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Polarisation in Natur und Technik

Liquid Crystal Display, LCD

Die Polarisation haben Sie bereits als eine Eigenschaft des Lichtes kennen gelernt, die wir mit unseren Sinnen ohne Hilfsmittel nicht erfassen können. Dann können wir uns natürlich fragen, warum uns eine solche Eigenschaft überhaupt interessiert - und Sie werden vielleicht ein wenig verblüfft sein, wenn Sie die beiden folgenden, exemplarisch herausgestellten technischen Anwendungen dieser Lichteigenschaft vielleicht zum ersten Mal unter diesem Blickwinkel betrachten.

  • Die erste erwähnte Anwendung umgibt Sie täglich, und so möchte ich wetten, auch gerade in diesem Moment: Flüssigkristallanzeigen ( engl. Liquid Crystal Display, LCD), die z.B. in Taschenrechnern, TFT-Bildschirmen und Digitaluhren nahezu allgegenwärtig sind.
  • Die zweite Anwendung findet sich in einem 3D-Kino, von dem Sie bestimmt schon einmal gehört haben, wenn Sie nicht sogar bereits des öfteren Eines besucht haben.

Das LCD - ein spannungsgesteuertes Lichtventil

Einen Flüssigkristall kann man sich als eine Flüssigkeit, welche lange Moleküle enthält, vorstellen. Im ersten Moment klingt Flüssigkristall nach einem Widerspruch in sich. Der Aggregatzustand liegt hierbei jedoch abhängig von der Temperatur zwischen flüssiger und kristalliner Phase.

Unbeeinflusst richten sich die enthaltenen nematischen ( griech. nema, der Faden) Moleküle bevorzugt parallel zueinander aus, bilden also ein geordnetes, kristallines System. In einer so genannten twisted-nematischen Zelle (TN-Zelle (Abb. 1) ) befindet sich der Flüssigkristall zwischen zwei dünnen Kunststoff-Folien, die ein Linienmuster aufweisen und zueinander um 90° gedreht ausgerichtet sind.

Die Moleküle im Flüssigkristall richten sich durch Oberflächenkräfte parallel zu diesen Linienstrukturen aus und bilden auf diese Art eine Molekülhelix (Wendeltreppe). Vor bzw. hinter den Ausrichtungsfolien sind zwei zueinander in Kreuzstellung befindliche Polarisatoren angebracht, deren Transmissionsachsen mit der Linienrichtung des jeweiligen Strichmusters zusammenfallen. An der Unterseite der TN-Zelle liegt eine reflektierende Schicht. Jede der beiden Ausrichtungsfolien ist zudem auf eine Glasplatte mit einer durchsichtigen Elektrode aus Indium-Zinn-Oxid (engl. indium tin oxide, ITO) aufgebracht, um später eine elektrische Spannung an den Flüssigkristall anlegen zu können.

Abb.1
TN-Zelle ohne angelegte Spannung

Solange zwischen den Elektroden keine Spannung anliegt, bleiben die Moleküle schraubenförmig angeordnet. Einfallendes, unpolarisiertes Licht wird also am ersten Polarisator linear polarisiert und trifft auf die Molekülhelix. Das zweite Molekül derselben liegt relativ zum ersten um ein kleines Stück gedreht, ebenso jedes der darauf folgenden Moleküle. Die Polarisationsebene des Lichtes wird nun von den Molekülen Stück um Stück mitgedreht (Exkurs), so dass es am unteren Ende der Molekülhelix senkrecht zu seiner ursprünglichen Polarisationsrichtung den Flüssigkristall verlässt und deswegen den zweiten Polarisator ungehindert passieren kann. Danach wird es am Spiegel reflektiert, passiert erneut den zweiten Polarisator, schraubt sich die Helix entlang wieder nach oben und passiert schließlich wieder den ersten Polarisator.

Ohne angelegte Spannung reflektiert die TN-Zelle also einfallendes Licht, der entsprechende Bereich auf einem LCD bleibt hell. Das Lichtventil ist also offen.

Abb.2
TN-Zelle mit angelegter Spannung

Legt man nun an die Elektroden eine Spannung an, so löst sich die Helixstruktur der Moleküle auf. Die Moleküle richten sich nun parallel zu den elektrischen Feldlinien aus. Das E-Feld des einfallenden linear polarisierten Lichts wird nun nicht mehr mitgedreht. Das Licht kann also den zweiten Polarisator nicht mehr passieren und wird somit auch nicht mehr reflektiert.

Mit einer angelegten Spannung reflektiert die TN-Zelle einfallendes Licht nicht mehr, die entsprechende Stelle auf einem LCD wird dunkel. Das Lichtventil ist geschlossen.

Bemerkung zur vereinfachten Darstellung
Wer sich für den genauen Aufbau moderner LCDs interessiert, dem sei gesagt, dass hier die 90°-Molekülhelix erst der Anfang technischer Raffinesse war. Tatsächlich benutzt man komplizierte Anordnungen (z.B. zwei Helices hintereinander zur Vermeidung von Dispersionseffekten), die aber nach demselben Prinzip funktionieren, das wir hier kennen gelernt haben.

Das LCD - Anwendung als Anzeige

In der folgenden Abbildung einer Multimeteranzeige (Abb. 3) sind gut die einzelnen Segmente zu erkennen, aus denen die Ziffern aufgebaut sind. Jedes Segment besteht dabei aus einer separat ansteuerbaren TN-Zelle. Bei der Ziffer "9" liegt an sechs der insgesamt sieben Segmente eine Spannung an, weswegen diese nicht mehr reflektieren und dunkel werden. Das siebte Segment ist spannungsfrei und reflektiert das einfallende Licht.

Abb.3
LCD eines Messgerätes

Vergleich der verschiedenen Display-Typen: CRT vs. LCD (TFT)

Die LCDs benötigen für ihren Betrieb nur sehr wenig Energie, verglichen mit den vorher üblichen LED-Anzeigen, weswegen sie diese rasch verdrängt haben. Man unterscheidet zwischen aktiven und passiven LCDs. Bei einem aktiven LCD wird der erwähnte Spiegel durch eine Lichtquelle ersetzt.

In den modernen TFT-Bildschirmen ( engl. Thin Film Transistor "Dünnfilmtransistor") liegen sehr viele TN-Zellen nebeneinander, die durch eine Matrix von Dünnfilmtransistoren angesteuert werden. Farbigkeit erreicht man hier durch zusätzlich eingesetzte Farbfilter über den einzelnen Zellen. Die starke Abhängigkeit der Helligkeit vom Blickwinkel des Betrachters (z.B. bei einem Laptop-Bildschirm) beruht auf den vornehmlich senkrecht zur Polarisationsfolie verlaufenden Lichtwegen in den TN-Zellen.

Ein noch vorhandener Nachteil dieser TFT-Bildschirme ist die Trägheit der Anzeige, bei der schnelle Bewegungen "verwischen", wenn die Reaktionszeiten über 20ms (entspricht 50Hz) liegen. Es gibt aber auch TFT-Monitore, die exzellente Reaktionszeiten von 12ms aufweisen.

Vorteile gegenüber den herkömmlichen, aber derzeit teils kostengünstigeren CRT-Bildschirmen ( engl. Cathode Ray Tube "Kathodenstrahlröhre") sind, dass TFT-Displays deutlich strahlungsärmer sind, was beim täglichen Arbeiten mit kurzen Bildschirmentfernungen (z.B. im Büro) aus gesundheitlichen Gründen wichtig ist.

Zudem erzeugt ein TFT ein flimmerfreies Bild, da im Gegensatz zu einem CRT-Monitor die Anzeige nicht andauernd neu aufgebaut werden muss. Der Kathodenstrahl eines CRT-Bildschirmes überstreicht hingegen permanent den Bildschirm zeilenweise.

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