Die Abkürzung LCD oder Liquid Crystal Display bezeichnet den Aggregatzustand, ohne den LCD-Displays nicht funktionieren können – die Rede ist natürlich von Flüssigkristallen.
Der Artikel ist ein subjektives Kompendium, in dem wir die (aus unserer Sicht) wichtigsten Informationen über Flüssigkristalle zusammengetragen haben.
Flüssigkristall ist eine Bezeichnung für eine Zwischenphase zwischen zwei Aggregatzuständen – flüssig und fest. Es vereint die Eigenschaften beider Formen – es besteht aus geordneten Molekülen (wie im festen Zustand), die aber Bewegungsfreiheit haben (wie im flüssigen Zustand). Nicht alle Moleküle erzeugen die richtige Flüssigkristallphase – dies gilt auch für solche, die durch Formanisotropie gekennzeichnet sind (dies sind Moleküle, die Stäben oder Scheiben ähneln).
Eigenschaften von Flüssigkristallen
Flüssigkristallphasen können m.in erzeugt werden. Temperaturänderung (als thermotrope Mesophasen bezeichnet). Unter ihnen können drei Hauptklassen unterschieden werden, die je nach Art und Weise der Anordnung der Moleküle definiert sind:
- die nematische (N) Phase, in der sich frei bewegende Moleküle dazu neigen, sich in eine bestimmte Richtung auszurichten (die sogenannte Richtung), wobei ihre Schwerpunkte nicht geordnet sind (ihr Subtyp ist die Cholesterinphase (auch als nematisch verdrehte Phase (N* bezeichnet), in der sich die Moleküle in einer sich ändernden Richtung ausrichten und eine Helix im Raum bilden);
- smektische Phase (S), in der Moleküle in Schichten angeordnet sind, die Achsen parallel zueinander sind,
- die säulenförmige Phase (D), in der die Moleküle in Spalten angeordnet sind, deren Achsen parallel zueinander verlaufen.
Geschichte der Forschung – die wichtigsten Daten
Alles begann Ende des 19. Jahrhunderts, als Friedrich Reintzer bei der Untersuchung der Eigenschaften von Cholesterinderivaten drei wichtige Eigenschaften solcher Flüssigkristalle entdeckte: das Vorhandensein von zwei Schmelzpunkten, die Fähigkeit, zirkular polarisiertes Licht zu reflektieren, und die Fähigkeit, die Richtung der Lichtpolarisation zu ändern.
Das Potenzial von Flüssigkristallen wurde nicht sofort erkannt. Erst 1964 wurde die erste Flüssigkristallanzeige gebaut, die jedoch keinen praktischen Nutzen hatte (es mussten Flüssigkristalle auf über 100 °C erhitzt werden, um effizient zu arbeiten). Der Durchbruch gelang bereits 1966, als Joel E. Goldmacher und Joseph A. Castellano an Mischungen aus nematischen Verbindungen arbeiteten, die in einem Temperaturbereich von maximal 22 bis 105 °C eine nematische Phase erzeugten.
Die Verwendung von Flüssigkristallen in Displays
Zweifellos werden Flüssigkristalle am häufigsten mit LCD-Displays in Verbindung gebracht. Sie nutzen das Phänomen der optischen Doppelbrechung – Flüssigkristalle sind in Zellen eingebettet, die mit Elektroden verbunden sind, und eine geeignete Spannungsregelung ermöglicht es, die Moleküle so zu ordnen, dass der Effekt der Lichtbrechung erzielt wird.
In der folgenden Infografik stellen wir einen vereinfachten Mechanismus der Bedienung eines LCD-Displays im Übertragungsmodus am Beispiel eines Pixels vor:
LCD-Displays verwenden nicht alle Flüssigkristallphasen. Die Eigenschaften der nematischen (N und N*) und smektischen (SmC*) Phase sind hier entscheidend. Es ist erwähnenswert, dass Phasenwechsel reversibel sind.
Flüssigkristalle haben auch andere Verwendungszwecke. Thermooptische Eigenschaften werden m.in genutzt. Bei quecksilberfreien Thermometern – die darin enthaltenen Substanzen verfärben sich mit Temperaturänderungen.
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