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Bewegliche Molekülketten

Flüssigkristalle als elektronische Schalter zur Bildverarbeitung

Als der österreichische Botaniker und Chemiker Friedrich
Reinitzer 1888 bei der Untersuchung des Cholesterylbenzoats erstmals eine flüssigkristalline Phase beobachtete, ahnte er nicht, welch vielfältiges Forschungsgebiet er damit eröffnete. Auch Otto Lehmann, der wenig später den Begriff «Flüssigkristall» prägte, konnte kaum voraussehen, dass sich heute ein ganzer Industriezweig mit der Herstellung von Flüssigkristallen für Anzeigeelemente und andere Anwendungen beschäftigt. 1

Molekülketten

Molekülketten

Die veränderte Ausrichtung von Molekülketten beeinflusst deren physikalische Eigenschaften.

© HPFSC

«Die Substanz zeigt zwei Schmelzpunkte, wenn man sich so ausdrücken darf. Bei 145.5 Grad Celsius schmilzt sie zunächst zu einer trüben Flüssigkeit und wird erst bei 178.5 Grad Celsius plötzlich völlig klar.» Friedrich Reinitzer 2 Reinitzer berichtete von der Deutschen Technischen Hochschule in Prag, dass er beim Erhitzen und anschließendem Abkühlen zweier Substanzen im polarisierten Licht prächtige Farberscheinungen und das gleichzeitige Auftreten von Kristallen und amorpher geschmolzener Masse beobachtet habe. Reinitzer hatte Cholesterylbenzoat entdeckt und dabei festgestellt, dass diese merkwürdige Substanz bei 145°C (Schmelzpunkt) schmilzt, aber erst bei Temperaturen über 179°C (Klärpunkt) zu einer klaren Flüssigkeit wird. Dazwischen sieht der Stoff milchig trübe aus.

Cholesterylbenzoat

Cholesterylbenzoat

Beim stetigen Wechsel vom Klär- zum Schmelzpunkt ändert der Stoff unter anderem seine optischen Eigenschaften.

Flüssige Kristalle

Reinitzer erkannte, dass einige organische Stoffe im trüben Zustand Eigenschaften aufweisen, die sowohl charakteristisch für Flüssigkeiten als auch für Kristalle sind. So ist das physikalische Verhalten von Flüssigkristallen - wie bei Kristallen - richtungsabhängig, andererseits sind sie keine perfekt geordneten Festkörper, sondern leicht beweglich wie Flüssigkeiten. 4
Otto Lehmann untersuchte diese so genannten Reinitzerschen Präparate und erkannte, dass Cholesterylbenzoat und das von ihm untersuchte Jodsilber zwischen der flüssigen und festen auch noch eine dritte Phase besitzen und in dieser Zwischenphase identische Verhaltensweisen wie etwa eine starke Doppelbrechung unter dem Polarisationsmikroskop zeigen. Lehmann beginnt mit der systematischen Untersuchung der Substanzen und findet in der Folge mehr als 100 Stoffe mit ähnlichem Verhalten. Er nennt diese Stoffe fließende Kristalle. 3

Weitere Entwicklung

1904 veröffentlicht Otto Lehmann sein Hauptwerk Flüssige Kristalle. Im Jahre 1911 beschreibt Charles Mauguin die Struktur und die Eigenschaften von Flüssigkristallen. 1936 patentiert die Marconi Wireless Telegraph Company die erste praktische Anwendung der Technologie, das Flüssigkristall-Lichtventil. 1962 erscheint die erste wichtige englischsprachige Publikation über «Molecular Structure and Properties of Liquid Crystals» von Dr. George W. Gray. 5

Das erste funktionierende LCD basierte auf dem dynamic scattering mode -DSM und wurde 1968 in den USA von einer Gruppe bei der Radio Corporation of America - RCA unter der Leitung von George H. Heilmeier eingeführt. Heilmeier gründete die Firma Optel, die einige LCDs nach diesem Prinzip entwickelte.

James Fergason von der Kent State Universität (USA) entdeckte 1969 den twisted nematic field effect in Flüssigkristallen und stellte 1971 in seiner Firma ILIXCO, die heute (2005) LXD Incorporated heißt, die ersten LCDs mit dieser Technologie her. Sie ersetzten schnell die qualitativ schlechteren DSM-Typen. 5

LCD

Pionierarbeiten über Flüssigkristalle wurden in den späten 1960er Jahren vom britischen Radar Research Establishment in Malvern geleistet.

LCD Displays

LCD Displays

Mit Hilfe zweier Polarisationsfilter kann der Lichtfluss durch den Flüssigkristalll (Pixel) gesteuert werden.

© Dallas Semiconductor
Maxim

Das dortige Team unterstützte die fortschreitenden Arbeiten von George Gray, der mit seinem Team an der Universität Hull in Kingston (England) schließlich das Cyanobiphenyl - Flüssigkristall entdeckte, das die Anforderungen bezüglich Stabilität und Temperaturverhalten für LCDs erfüllte. 5 Die Molekülstruktur lässt sich nutzen, um die Polarisationsrichtung des Lichts zwischen einem horizontalen und einem vertikalen Polarisationsfilter zu ändern. In einem elektrischen Feld orientieren sich die Flüssigkristalle neu und das Display bleibt dunkel. Die Flüssigkristallschicht wirkt dabei wie ein Ventil, die 6 Hintergrundbeleuchtung muss die Grundhelligkeit gewährleisten.

Begriffserklärung

Hundert Hz LCD

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