mini|Flüssigkristallanzeige mini|Kombination aus Ziffernanzeige und Skalenanzeige auf der nicht selbst leuchtenden Flüssigkristallanzeige eines Digitalmultimeters mini|Interna eines handelsüblichen TFT-Monitors. Leuchtröhren mit Diffusorelementen, TFT-Folie mit Ansteuerplatine
Eine Flüssigkristallanzeige oder ein Flüssigkristallbildschirm (, kurz: LCD oder LC-Display) ist eine Anzeige oder ein Bildschirm (englisch ), dessen Funktion darauf beruht, dass Flüssigkristalle die Polarisationsrichtung von Licht beeinflussen, wenn ein bestimmtes Maß an elektrischer Spannung angelegt wird.
LCDs bestehen aus Segmenten, die unabhängig voneinander ihre Transparenz ändern können. Dazu wird mit elektrischer Spannung in jedem Segment die Ausrichtung der Flüssigkristalle gesteuert. Damit ändert sich die Durchlässigkeit für polarisiertes Licht. Polarisiertes Licht wird mittels Polarisationsfiltern erzeugt, welche entweder einfallendes Umgebungslicht bei reflektierenden Anzeigen oder Licht einer Hintergrundbeleuchtung bei Anzeigen im Transmissionsmodus filtern. Soll ein Display beliebige Inhalte darstellen können, sind die Segmente in einem gleichmäßigen Raster angeordnet (siehe Pixel). Bei Geräten, die nur bestimmte Zeichen darstellen sollen, haben die Segmente oft eine speziell darauf abgestimmte Form, so bei der Sieben-Segment-Anzeige zur Darstellung von Zahlen (siehe auch Matrixanzeige). Eine Weiterentwicklung ist das Aktiv-Matrix-Display, das zur Ansteuerung eine Matrix von Dünnschichttransistoren (englisch , TFT) enthält. Bei Flachbildschirmen dominiert diese Technik seit etwa 2005.
In der Werbung wird seit etwa 2009 häufig von LED-Fernsehern gesprochen. Dabei handelt es sich oft um Flüssigkristallbildschirme (LCDs) zur Bilddarstellung, bei denen zur Hintergrundbeleuchtung LEDs eingesetzt werden (LED-Backlight). Bildschirme mit organischen Leuchtdioden (OLEDs) als Anzeigeelemente anstelle von LCDs sind für großflächige Fernsehgeräte seit Mitte der 2010er Jahre erhältlich.
LCDs finden Verwendung an vielen elektronischen Geräten, etwa in der Unterhaltungselektronik, an Messgeräten, Mobiltelefonen, Digitaluhren und Taschenrechnern. Auch bestimmte Head-up-Displays und Videoprojektoren arbeiten mit dieser Technik.
Geschichte Im Jahre 1861 veröffentlichte der französische Mathematiker und Physiker Gabriel Lamé sein Buch Leçons sur la théorie analytique de la chaleur, in dem er die These vertrat, an kristallisierenden Lösungen bildeten sich „concamérations polyedriques“ („vielflächige Wölbungen“). Diese Annahme erschien jedoch zunächst fremdartig.
1888 entdeckte der Botaniker Friedrich Reinitzer bei der Analyse von Cholesterylbenzoat ein bis dahin unbekanntes Phänomen: Beim Übergang der Substanz von dem festen in den flüssigen Zustand zeigte sich zunächst eine trübe, relativ viskose Flüssigkeit, die erst bei weiterer Temperaturerhöhung am Klärpunkt zu einer klaren Flüssigkeit wechselte. Da Reinitzer keine Erklärung für diese Anomalie fand, wandte er sich an den Physiker Otto Lehmann, der dieser Art von Stoffen später den Terminus fliessende Krystalle bzw. tropfbar flüssige Krystalle gab. 1904 veröffentlichte Lehmann sein Hauptwerk Flüssige Kristalle. Im Jahre 1906 hielt er auf der Versammlung der Gesellschaft Deutscher Naturforscher und Ärzte in Stuttgart einen Vortrag über Flüssigkristalle mit dem Titel Lebende Kristalle.
Im Jahre 1911 beschrieb Charles Mauguin die Struktur und die Eigenschaften von Flüssigkristallen. 1917 untersuchte Yngve Björnståhl die optischen Eigenschaften von Flüssigkristallen unter Einwirkung eines elektrischen Feldes. 1936 erhielt die britische Marconi’s Wireless Telegraph Co. Ltd. ein Patent auf die erste praktische Anwendung der Technologie als Flüssigkristall-Lichtventil. 1962 erschien die erste wichtige englischsprachige Publikation über Molekulare Struktur und Eigenschaften von Flüssigkristallen (Original: ) von George William Gray.
Pionierarbeiten über Flüssigkristalle wurden in den späten 1960er Jahren vom britischen Radar Research Establishment in Malvern geleistet. Das dortige Team unterstützte die fortschreitenden Arbeiten von George William Gray, der mit seinem Team an der Universität Hull in Kingston upon Hull (England) schließlich flüssigkristalline Cyanobiphenyl-Verbindungen synthetisierte, die die Anforderungen bezüglich Stabilität und Temperaturverhalten für LCD erfüllten.
Das erste funktionierende LCD basierte auf dem dynamischen Streumodus (englisch , 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. Die Firma Optel, ein Spin-off von RCA, entwickelte einige LCDs nach diesem Prinzip.
Am 4. Dezember 1970 meldeten Martin Schadt und Wolfgang Helfrich, damals im Central Research Laboratory der Firma Hoffmann-LaRoche tätig, das erste Patent über die „nematische Drehzelle“ (auch TN-Zelle, Schadt-Helfrich-Zelle, ) in der Schweiz an. Das Patent wurde in 21 Ländern erteilt, nicht jedoch in Deutschland.
Am 22. April 1971 reichte James Fergason von der Kent State University in den USA seine Patentanmeldung über den in Flüssigkristallen ein und stellte 1971 in seiner Firma ILIXCO, die seit 2005 LXD Incorporated heißt, LCD mit dieser Technik her. Sie ersetzten schnell die schlechteren DSM-Typen.
Überlegungen, welche in Aktiv-Matrix-Displays verwendet werden, entstanden bei der Konzeption von Flüssigkristall-Balkenanzeigen (englisch ). So wurde 1971 ein LC-Matrixdisplay für Balkenanzeigen bei der Firma Brown, Boveri & Cie., Baden, Schweiz, entwickelt, wobei jedem LC-Segment eine Diode (nichtlineares Element) vorgeschaltet und ein zusätzlicher Kondensator als Speicherelement parallelgeschaltet wurde.P. J. Wild, P. U. Schulthess: Liquid Crystal Bar Graph Displays. In: Conference on Displays, IEE Conference Publication. Nr. 80, September 1971, S. 161–164. Am 28. Juni 1973 wurde in den USA eine Anordnung zur Balkenanzeige zum Patent angemeldet, bei welcher Interdigital-Elektroden auf nur einer Glasplatte angebracht werden, um ein elektrisches Feld parallel zu der Glasplatte zu erzeugen und die Flüssigkristalle in einer Ebene umzuorientieren (, IPS, siehe Anzeigetypen).
Am 7. Juli 1983, mit einer Ergänzung vom 28. Oktober 1983, reichten H. Amstutz und seine Miterfinder des Forschungszentrums der Firma Brown, Boveri & Cie, Baden, Schweiz, eine Patentanmeldung ein, welche die Basis für STN-LCD bildete (siehe Anzeigetypen). Mit STN-LCD ließen sich erstmals monochrome, passive Matrixanzeigen mit ausreichender Auflösung für einfache Bilddarstellungen realisieren (siehe Darstellung einer Weltkarte im Abschnitt Elektronische Ansteuerung). Dieses Patent wurde in vielen Ländern erteilt. Vor allem asiatische Hersteller wurden Lizenznehmer (weltweit über 60).
Am 9. Januar 1990 meldeten G. Baur und seine Miterfinder der Fraunhofer-Gesellschaft in Freiburg i. Br. ein Patent in Deutschland an, welches die konkrete Basis für optimiertes In-Plane Switching in Matrixanzeigen (IPS-LCDs) bildete. Dieses Patent wurde in vielen Ländern erteilt, von der Firma Merck KGaA Darmstadt, dem weltweit größten Hersteller von Flüssigkristallsubstanzen, übernommen und an viele Firmen lizenziert.
Am 18. September 1992, mit Nachtrag vom 20. Januar 1993, machten K. Kondo und seine Miterfinder bei Hitachi eine Patentanmeldung in Japan, welche als weiteres wesentliches Element des In-Plane Switching eine spezifisch geeignete Verbindungstechnik der Dünnfilmtransistoren in Matrixform darlegte. Später erfolgte eine weitere Hitachi-Patentanmeldung, welche die Blickwinkelabhängigkeit dieser Art von FK-Anzeigen verbesserte.
In Deutschland wurden 2003 bei den Computer-Monitoren erstmals mehr LCD- als Röhrenbildschirme,Andreas Wilkens: Erstmals mehr LC-Displays verkauft als Röhrengeräte. Auf: heise.de, 16. März 2004. im Bereich der Fernseher im letzten Quartal 2007 weltweit erstmals mehr LCD- als Röhrengeräte verkauft.Woodhead Publishing 2013, Organic Light-Emitting Diodes, S. 447. (englisch, bei Google Books), abgerufen am 8. Juni 2013.
Anzeigetypen
mini|hochkant=0.5|Schadt-Helfrich-Zelle mini|Vergrößerte Subpixel (TN-Panel) mini|Vergrößerte Subpixel (Multi-Domain-VA-Panel)
Twisted Nematic (TN) In Flüssigkristalldisplays verwendete Flüssigkristalle sind organische Verbindungen, die sowohl Eigenschaften von Flüssigkeiten als auch von Festkörpern aufweisen. Sie sind einerseits mehr oder weniger fluide als eine Flüssigkeit, andererseits zeigen sie Eigenschaften wie Doppelbrechung.
Ein einfaches Flüssigkristall-Anzeigeelement lässt sich mit der Schadt-Helfrich-Zelle (nematische Drehzelle, engl. , TN-Zelle) realisieren. In nebenstehender Darstellung sind nur die Bestandteile der unteren Hälfte einer solchen Drehzelle nummeriert. Die Bezugsnummern (x) sind in dieser Beschreibung eingefügt: (4) Die Innenseiten zweier sehr dünner Glasplatten (Substratplatte) (3) sind mit einer transparenten Elektrodenschicht (Indium-Zinn-Oxidschicht, ITO) überzogen, (1) dazwischen befindet sich die Flüssigkristallschicht von weniger als 10 Mikrometer Dicke. (2) Die Flüssigkristallmoleküle ordnen sich in eine vorgegebene Richtung, nämlich parallel zu der beispielsweise mit einem Polyimid beschichteten und in einer Vorzugsrichtung gebürsteten Oberfläche. Die Vorzugsrichtungen der beiden Substratplatten sind um 90° zueinander verdreht. Bei der Herstellung handgefertigter Prototypen kann man zum Bürsten Polystyrolschaum oder mit samtartigen Textilien beschichtete Walzen benutzen. Zusätzlich sind die beiden Substratplatten (4) (5) mit um 90° zueinander verdrehten Polarisationsfiltern beschichtet. (6) Auf der Rückseite dieser Anordnung kann sich ein Spiegel befinden (Reflektor oder Transreflektor), der das einfallende Licht zurückwirft (reflexive Betriebsart). In der transmissiven Betriebsart befindet sich anstelle des Reflektors eine Beleuchtungseinheit hinter dem Anzeigeelement.
mini|links|Taschenrechner, dessen Polarisationsfilter entnommen und 90° gedreht über das Display gelegt wurde. Aus den gegeneinander verdrehten Substratplatten ergibt sich eine schraubenförmige Struktur im Flüssigkristall; bei einer um 90° gedrehten Schraube spricht man von TN. Einfallendes Licht wird vor dem Eintritt in die Flüssigkristallschicht linear polarisiert. Durch die Verdrillung der Moleküle folgt eine Drehung der Polarisationsrichtung des Lichtes, wodurch das Licht den zweiten Polarisator passieren kann und die Zelle lichtdurchlässig (transparent) ist. Da das Display im Ruhezustand durchsichtig ist, wird diese Betriebsart als Normally-White-Mode bezeichnet. Legt man eine elektrische Spannung an die Elektroden an, so tritt unter dem Einfluss des elektrischen Feldes eine Drehung der Flüssigkristallmoleküle ein, die sich parallel zum elektrischen Feld ausrichten. Die Verdrillung wird damit zunehmend aufgehoben, die Polarisationsrichtung des Lichts wird nicht mehr gedreht und damit kann es den zweiten Polarisationsfilter nicht mehr passieren.
Ordnet man die Polarisationsfilter parallel zueinander an, dann ist die Zelle ohne Spannung dunkel und wird erst mit zunehmender Spannung transparent. Man spricht dann vom Normally-Black-Mode. Die Schadt-Helfrich-Zelle ist also (wie andere Flüssigkristallanzeigen auch) ein spannungsgesteuertes Lichtventil. Ein Bildschirm kann aus beliebig vielen solcher Zellen (Bildelemente, Pixel) bestehen. Beim Taschenrechner stellt eine einfache 7-Segment-Anzeige jeweils eine Ziffer dar, bei einem farbfähigen Bildschirm werden pro Bildelement (Pixel) drei Teilbildelemente (Subpixel) für die Grundfarben Rot, Grün und Blau verwendet.
Super-Twisted Nematic (STN)