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O2 Wellenoptik |
1. Allgemeines
Anzeigendisplays auf der Basis von LCD (Liquid Cristal Display) sind alltäglich.
Der Demonstrationssatz Flüssigkristalle ermöglicht anschauliche Experimente zu den Grundlagen und der technischen Anwendung von Flüssigkristallen.
Zusätzlich wird benötigt:
- Overheadprojektor
Hinweis: Das Keilpräparat ist in der Halterung so justiert, dass sich in der optischen Achse ein optimales Ergebnis für die Doppelbrechung einstellt. Sollten Unschärfen in der Abbildung der Laserbilder auftreten, so löst man die Befestigungsschraube der Halterung und verschiebt das Keilpräparat beim Durchstrahlen geringfügig nach links oder rechts. Am Punkt der optimalen Darstellung zieht man die Schraube wieder an. |
 Abb. 1 |
2. Versuchsbeschreibungen
Der Begriff Flüssigkristall beschreibt einen eigenen Aggragatzustand in den sich die viskosen Eigenschaften einer Flüssigkeit (Gießbarkeit) mit den anisotropen, also richtungsabhängigen physikalischen Eigenschaften (z. B. optische Aktivität, Doppelbrechung) eines Kristalls vereinen.
 Abb. 2: Kristall |
Mit einem einfachen Strichmodell könnte so ein kristalliner Ordnungszustand wie folgt angegeben werden (Abb. 2). |
Versuch 1: Der Begriff "Flussigkristall" - ein scheinbarer Widerspruch
| Mit einem weiteren Experiment (Abb. 7) kann gezeigt werden, dass sich beim Flüssigkristall die Fließeigenschaften einer Flüssigkeit mit den für einen Kristall typischen richtungsabhängigen physikalischen Eigenschaften vereinen.
Dazu werden im Strahlengang eines Overheadprojektors die beiden Polarisationsfilter (1) geschwenkt und in gekreuzte Stellung gebracht. Würde man ein Schälchen mit Wasser auf den Probenhalter stellen, so könnte man erkennen, dass der Polarisationszustand des Lichtes nicht verändert wird. Wasser ist eine isotrope Flüssigkeit, die optischen Eigenschaften sind richtungsunabhängig. Auch wenn das Schälchen gedreht oder geschwenkt werden würde, wären keine Veränderungen erkennbar; die Projektionsfläche bliebe schwarz. |
 Abb. 3 |
Schwenkt man hingegen das Diapostiv mit dem Glimmerplättchen, einem Kristall, in den Probenhalter ein, so erkennt man Aufhellungen und an einigen Stellen Farberscheinungen. Der Grad der Aufhellung und die Farben ändern sich, wenn der Kristall zwischen den Polarisatoren gedreht wird. Die optischen Eigenschaften des Kristalles sind richtungsabhängig, der Kristall ist anisotrop.
Ursache für die Aufhellung zwischen gekreuzten Polarisatoren ist die Doppelbrechung. Im folgenden Experiment soll nun diese Doppelbrechung im Kristall und im Flüssigkristall näher untersucht werden.
Versuch 2: Doppelbrechung im Kristall
| Für das folgende Experiment bringen wir nur den Probenhalter mit dem Doppelspat in den Strahlengang des Overheadprojektors, legen die Glasplatte mit dem feinen Kreuz auf und legen darauf den Doppelspat. In der Projektion erkennt man zwei Kreuze. Bei Drehung des Kristalles gegenüber der Glasplatte wandert ein Kreuz um das andere herum. Nun bringt man den Kristall in eine Stellung, in der beide Kreuze deutlich versetzt zueinander zu sehen sind, bringt in den Strahlengang von der Lampe aus gesehen hinter dem Kristall ein Polarisationsfilter ein und dreht dieses um 180°. Dabei wird sichtbar, daß die beiden Kreuze durch Lichtstrahlen abgebildet werden, die senkrecht zueinander polarisiert sind. Es gelingt also, bei Drehung des Analysators um 90° mal das eine, mal das andere Kreuz auszulöschen.
Nachdem wir nun die Eigenarten der Doppelbrechung kennengelernt haben, wollen wir versuchen, diese Doppelbrechung an einem Flüssigkristall nachzuweisen. |
 Abb. 4 |
Versuch 3: Flüssigkristallanzeige
Ziel des folgenden Experimentes ist es, mit dem bisher erlangten Verständnis über den flüssigkristallinen Zustand die Funktionsweise einer Flüssigkristallanzeige, wie sie heute vielfältig Einsatz findet, zu verstehen. Dem Experimentiersatz ist eine Flüssigkristallanzeige (LCD = Liquid Crystal Display) beigefügt, die mit externen Polarisationsfiltern zu einer funktionsfähigen Anzeige wird.
Eine Flüssigkristallanzeige besteht aus zwei Glasplatten, die durch Abstandshalter in einem Abstand von 10 µm zueinander gehalten werden. Auf den sich gegenüberliegenden Glasflächen sind transparent leitfähige Schichten aus Indium-Zinn-Oxid aufgebracht, die später die Ziffern und Zeichen darstellen sollen. Darüber hinaus sind die Glasplatten auf ihren Innenseiten so präpariert, daß die Flüssigkristallmoleküle an jeder Glasoberfläche mit ihren Längsachsen in einer bestimmten Richtung parallel zur Oberfläche ausgerichtet sind. Man erreicht diese Ausrichtung auch in industriellen Fertigungsprozessen durch Reiben der Oberflächen mit samtbespannten Walzen.
 Abb. 5 |
Die Richtung, in die sich die Moleküle an der Oberfläche ausrichten, ist identisch mit der Reibrichtung. In einer Flüssigkristallanzeige sind die Orientierungsrichtungen an den beiden sich gegenüberstehenden Oberflächen senkrecht zueinander. Wird nun ein Flüssigkristall zwischen diese Glasplatten gebracht, so muß er aufgrund der festgelegten Randbedingungen eine 90° Schraube beschreiben.
Diese verschraubte Struktur eines doppelbrechenden Kristalles veranlaßt nun polarisiertes Licht, dieser Schraubenstruktur zu folgen, d.h. die nicht angesteuerte Flüssigkristallzelle dreht die Polarisationsebene des Lichtes um 90°. Dieser erste Schritt zum Verständnis der Funktionsweise einer Flüssigkristallanzeige soll im folgenden Experiment gezeigt werden: |
| Die beiden Polarisationsfilter werden in den Strahlengang des Overheadprojektors geschwenkt und in gekreuzte Stellung gebracht, und zwar so, daß die Polarisationsrichtungen später beim Einbringen der Flüssigkristallzelle unter 45° zu den Kanten der Anzeige stehen. In dieser gekreuzten Stellung der Polarisatoren kommt kein Licht durch die Anordnung. Schwenkt man nun die Flüssigkristallanzeige zwischen die beiden Polarisationsfilter, so passiert das Licht den Analysator. Die Polarisationsebene wird von der Flüssigkristallzelle um 90° gedreht. Nun legen wir an die Elektroden eine Spannung von ca. 5 V Wechselspannung an (roten Tastknopf drücken). Es erscheinen dunkle Segmente und Zeichen, genau an den Stellen, an denen sich die transparent leitfähigen Elektroden an den begrenzenden Glasplatten gegenüberstehen und damit in diesen Bereichen der Flüssigkristall einem elektrischen Feld ausgesetzt ist. |
 Abb. 6 |
 Abb. 7 |
Das elektrische Feld bewirkt, dass sich die Moleküle kollektiv senkrecht zu den Elektroden ausrichten. Dieses Verhalten zeigen Flüssigkristallmoleküle mit einem Dipolmoment parallel zur Moleküllängsachse, wie etwa das Pentylcyanobiphenyl. |
| In den Bereichen, in denen die Moleküle mit ihren Längsachsen senkrecht zu den Oberflächen der Glasplatten stehen, "sieht" das polarisierte Licht keine Schraubenstruktur mehr, es breitet sich in Richtung der optischen Achse aus, der Richtung scheinbarer Isotropie. Der Polarisationszustand wird nun beim Durchgang durch die Zelle nicht beeinflußt, so dass unter gekreuzten Polarisatoren diese Bereiche dunkel erscheinen. Dreht man den Analysator um 90°, so erscheinen folgerichtig helle Segmente und Zeichen auf dunklem Grund.
(Der Demonstrationssatz wurde in enger Zusammenarbeit mit Mitarbeitern des Sonderforschungsbereiches "Anisotrope Fluide" der Technischen Universität Berlin entwickelt. Das Anleitungsmaterial wurde von Dr. Feodor Oestreicher und OStR Roland Müller erarbeitet.) Cornelsen Experimenta, Berlin |
 Abb. 8 |
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