Wie funktioniert ein LCD-Bildschirm?

Niklas Teichmann antwortete

Die in den siebziger Jahren entwickelten LCDs (engl. Liquid Crystal Displays = Flüssigkristallbildschirme) finden in unserem Alltag vielerlei Anwendung. Sei es der Taschenrechner, die Digitaluhr, die Anzeige der Wetterstation oder das Fieberthermometer. Überall kommen die kleinen Bildschirme zum Einsatz, die sich die Eigenschaften von Flüssigkristallen zu Nutze machen. Flüssigkristalle bestehen oft aus stabförmigen Molekülen und zeigen auf der einen Seite die Fließeigenschaft einer Flüssigkeit, andererseits jedoch besitzen sie eine Ordnung, die jenen von Kristallen gleicht. Die langkettigen Moleküle ordnen sich parallel an, wie man es von Streichhölzern in einer Schachtel kennt. Diese Ordnung der Moleküle kann von elektrischen Feldern beeinflusst werden, d.h. durch das Anlegen einer elektrischen Spannung kann die Richtung, in die sich die Flüssigkristalle vorzugsweise ausrichten, verändert werden.


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Bei einem LCD besteht ein Element (oder auch Pixel) der Anzeige aus einer Flüssigkristallschicht zwischen zwei transparenten Elektroden und zwei Polarisationsfiltern. Ein Polarisationsfilter dient dazu, unpolarisiertes Licht zu polarisieren; das bedeutet, dass nach dem Durchlaufen des Filters das Licht, das ja nichts anderes ist als eine elektromagnetische Schwingung, nur noch in einer bestimmten durch den Filter vorgegebenen Richtung schwingt. Dies nennt man polarisiert; ähnlich wie eine Gitarrensaite, die nur in einer bestimmten Ebene schwingt (z.B. horizontal), in alle anderen Richtungen jedoch nicht ausgelenkt wird. Diese beiden Polarisationsfilter sind senkrecht zueinander angeordnet: Durchläuft Licht den ersten Filter, ist es z.B. vertikal polarisiert und kann den zweiten Filter nicht passieren, da dieser nur für Lichtwellen durchlässig ist, die horizontal polarisiert sind.

Die beiden Elektroden, zwischen denen sich der Flüssigkristall befindet, sind so behandelt ("gebürstet"), dass sich die stabförmigen Moleküle in einer bestimmten Richtung an der Platte anordnen und zwar jeweils in der gleichen Richtung, in der die Polarisationsfilter das Licht polarisieren. Da sich die Moleküle normalerweise parallel zueinander anordnen, beschreiben sie nun von der ersten zur zweiten Elektrode eine Drehung um 90°. Das beeinflusst die Polarisationsrichtung des Lichts: Sie wird ebenfalls um 90° von vertikal nach horizontal gedreht und kann damit den Filter passieren. Das LCD-Element ist transparent und erscheint hell.
Diese spezielle Struktur der Flüssigkristall Moleküle zwischen den beiden Polarisationsfiltern kann jedoch durch das Anlegen einer Spannung an den Elektroden gestört werden, so dass die Polarisation der Lichtwellen stört. Bei Anlegen einer Spannung wird das LCD-Element daher undurchsichtig und bleibt dunkel. So können die verschiedenen Elemente eines Displays entweder hell oder dunkel geschaltet werden und dadurch Zahlen oder ganze Bilder dargestellt werden.

Man kann übrigens den Effekt eines Polarisationsfilters selbst ausprobieren, da Gläser von Sonnenbrillen oft (aber nicht immer!) mit Polarisationsfiltern versehen werden: Einfach mal die Digitaluhr durch eines der Brillengläser betrachten und gleichzeitig Brille oder Uhr drehen.

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Niklas Teichmann studierte Physik in Oldenburg und Lund (Schweden). Nach seinem Diplom Anfang 2007 folgte ein dreimonatiger Forschungsaufenthalt in Paris. Momentan arbeitet er an seiner Promotion in der Arbeitsgruppe "Theorie der kondensierten Materie" von Prof. Dr. Martin Holthaus an der Universität Oldenburg.

Weitere Fragen und Anmerkungen an:
holthaus(at)theorie.physik.uni-oldenburg.de