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Wo liegt denn eigentlich derUnterschied zwischen einerFlüssigkeit und einem Kristall?

In unserem Alltag benutzen wirtäglich viele verschiedene Bild-schirme, nicht nur am Compu-ter, Fernseher oder Handy,sondern auch auf unserem Ta-schenrechner, bei den Anzeigender Bahnverspätungen odermorgens die Anzeige von unserem Radiowecker. Die Anzeigen se-hen alle sehr unterschiedlich aus, das Prinzip ist aber immer das-selbe. Es sind alles LCDs, also Liquid Crystal Displays. Auf Deutschheißt das Flüssigkristallanzeige.Flüssigkristall? Kristalle können flüssig sein? Sind Kristalle nicht im-mer fest, so wie diese glitzernden Dinger im Schmuck?

Wenn man sich einen Kristallin einer riesigen Vergröße-rung anguckt, dann kann man

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erkennen, dass er aus vielen kleinen Teilchen besteht. Bei einemKristall sind diese Teilchen ganz fest aneinandergebunden. Sie ha-ben alle einen festen Platz und können sich da nicht wegbewegen.Außerdem sind die Teilchen bei einem Kristall nach einem ganz be-stimmten Muster angeordnet. Das sieht meistens ziemlich hübschaus, so wie bei dem Diamantgitter in dem Bild auf Seite 3.

Auch eine Flüssigkeit bestehtbei genauem Hinsehen auseiner Menge kleiner Teilchen.In der Flüssigkeit sind dieseaber völlig ungeordnet. Siekönnen sich in der Flüssigkeitwild durcheinander bewegen und gucken auch alle in unterschie-dliche Richtungen, so dass kein Muster erkennbar ist. Als Beispieldafür könnt ihr euch die Wassermoleküle in dem kleinen Bildchenanschauen.

Flüssigkristalle hingegen könnenbeides gleichzeitig. Die kleinstenTeilchen, aus denen der Flüssigkris-tall besteht, sehen aus wie kleineStäbchen. Diese Stäbchen könnensich überall hinbewegen, so wie beieiner normalen Flüssigkeit. Aber an-

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ders als bei dem Wasser sind sie nicht völlig durcheinander, son-dern gucken alle in die gleiche Richtung. Dadurch gibt es, wie beimKristall, auch ein Muster. Das Zeug hat also Eigenschaften von ei-nem Kristall und Eigenschaften von einer Flüssigkeit und darumnennen wir es einfach Flüssigkristall.Und was macht so ein flüssiger Kristall jetzt in einer Handyanzei-ge? Wenn ihr euch den Aufbau eines Displays auf Seite 1 einmalgenau anschaut, dann seht ihr, dass sich der Flüssigkristall genauin der Mitte des Bildschirms befindet. Um etwas auf dem Bildschirmzu sehen, muss nun mit Licht durch das Display geleuchtet wer-den. An den Stellen, wo wir zum Beispiel die sehen, wird das Lichteinfach nicht durchgelassen, so dass die Stellen dann dunkel aus-sehen. Für dieses 'nicht durchlassen' brauchen wir den Flüssigkris-tall. Um aber zu verstehen, wie das genau funktioniert, müssen wirerst mal noch ein paar Dinge über Licht ganz allgemein lernen.

Habt ihr in der Schule im Physikunterricht schon ein bisschen Op-tik gehabt? Zur Optik gehört ein Thema immer dann, wenn es et-was mit Licht zu tun hat. Das hat ein Display schon mal ganz sicher.Vielleicht habt ihr schon ein bisschen was über Licht gelernt. Viel-leicht habt ihr sogar schon etwas über Linsen gelernt und wie zumBeispiel eine Brille funktioniert.Aber was ihr wahrscheinlichnoch nicht gelernt habt, ist,dass Licht eine Welle ist!

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Wusstet ihr das? Man kann sich eine Lichtwelle genauso vorstellenwie zum Beispiel eine Seilwelle. Probiert mal aus, ob ihr mit einemSeil eine Welle schlagen könnt!

Dabei gibt es nicht nur eine Möglichkeit, mit dem Seil eine Welle zuerzeugen. Man kann das Seil in verschiedene Richtungen schlagen,also entweder immerhoch und runter oderaber immer von rechtsnach links und zurück,oder irgendwas dazwi-schen. Diese Richtung,also die Schwingungs-richtung einer Welle, istin der Physik eine wich-tige Eigenschaft undwird Polarisation der Welle genannt. So wie die Seilwelle kann auchdie Lichtwelle – wie in der Abbildung dargestellt – in unterschiedli-che Richtungen schwingen. In dem Bild werden drei Polarisations-richtungen der Lichtwelle gezeigt. In Wirklichkeit gibt es unendlichviele, aber so viele kann ich ja nicht malen...

Wir wissen nun also, dass Licht eine Welle ist und unterschiedlichePolarisationsrichtungen haben kann. Das heißt, wir können Licht

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auch filtern und sortieren. Das Licht der Sonne oder auch das ei-ner normalen Lampe ist immer unpolarisiert, das bedeutet, es kom-men alle möglichenPolarisationsrichtungenvor. Wenn wir unpolari-siertes Licht nun durcheine Art Gitter (Polarisati-onsfilter) schicken, dannkommen auf der anderenSeite nur die Lichtwellenheraus, die durch dasGitter passen, die also indieselbe Richtung schwingen wie die Gitterstäbe stehen. Auf deranderen Seite des Gitters haben wir dann Licht, bei dem alle Wel-len in die gleiche Richtung schwingen. In der Fachsprache sagt man,das Licht ist polarisiert. Das kann man mit dem Seil auch ganz gutausprobieren. Versucht mal, eure Seilwellen durch ein Gitter durch-zubekommen. Das klappt immer nur dann, wenn man das Seil inRichtung der Gitterstäbe schwingt, oder?

Aus einer normalen Lampe kommen nun also Lichtwellen mit al-len möglichen (Polarisations-)Richtungen raus. Wenn wir vor dieseLampe nun so einen Polarisationsfilter halten, dann haben wir auf

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der anderen Seite des Filters nur polarisiertes Licht. Das Licht hatalso nur noch Wellen, die in ein- und dieselbe Richtung schwingen.Und wenn wir jetzt noch einen zweiten Polarisationsfilter (also nochso ein Gitter) davor halten? Zum Beispiel so, dass er genau senk-recht zu dem ersten steht? Also so, dass man, wenn man von obendraufgucken würde, ein gekreuztes Gitter sähe. Was seht ihr dannhinter dem zweiten Gitter? Und könnt ihr das erklären?

Solche Polarisationsgitter findet ihr auch in dem Aufbau des Dis-plays auf Seite 1. Guckt mal nach, wo die sind. Es müssten zwei zufinden sein. Die machen dort genau das Gleiche wie bei der Lam-pe. Das heißt, sie lassen nur das Licht durch, das in die richtigeRichtung schwingt.Und wenn ihr genau geguckt habt, dann habt ihr auch gesehen,dass die Polarisationsfilter in dem Display um genau 90° zueinan-der verdreht sind. So wie oben in dem Bild bei der Lampe. Dasheißt, wenn wir im Display nur diese Polarisationsfilter und die Glas-platten hätten, dann wäre das ganze Display dunkel, auch wennwir mit einer Lampe versuchen würden durchzuleuchten.Das macht für ein Display aber nicht so richtig Sinn, oder? Es sol-len ja nur die richtigen Stellen dunkel sein und nicht alles. Damit

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Auf Seite 1 sehen wir, dass der Flüssigkris-tall sich zwischen den zwei Glasplatten be-findet. Auf diese Glasplatten wurden vorherwinzige Rillen geritzt, so dass sich die Stäb-chen des Flüssigkristalls genau an diese Ril-len anschmiegen können. Die Glasplattenliegen nun so, dass auch die Rillen um ge-nau 90° zueinan-der verdreht sind.Das heißt, dieStäbchen aus dem

Flüssigkristall müssen eine Spirale bilden,um sich bei beiden Glasplatten bequem andie Rillen anschmiegen zu können. Das istganz schön kompliziert zu beschreiben,deshalb hab' ich euch auch hierzu wieder einBild gemalt.Das Besondere an dieser Flüssigkristallspi-rale ist nun, dass sie die Polarisationsrich-tung, also die Schwingungsrichtung derLichtwellen, ändern kann. Auch das könntihr in dem Bild erkennen. Wenn sich also nundie Polarisation des Lichts beim Durchlau-

das Licht trotz der Polarisationsfilter noch durch das Display kann,brauchen wir den Flüssigkristall.

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fen der Flüssigkristallspirale um 90° dreht, dann kommt es nunauch durch beide Polarisationsfilter. Das heißt, mit dem Flüssigkris-tall in der Mitte ist nun das ganze Display wieder hell. Aber auchdas wollen wir ja nicht. Es soll nur an manchen Stellen hell sein undan manchen dunkel. Also muss manchmal die Flüssigkristallspira-le da sein und manchmal nicht. Das schaffen wir, indem wir einenStrom anlegen. Um das zu verstehen, lernen wir jetzt noch ein we-nig über Elektronik.

Auch hier gibt es wiederkleine Teilchen, die wichtigsind. Und zwar gibt es inder Elektronik zwei Sortenvon Teilchen. Die einen sind positiv (+) geladene Teilchen und dieanderen negativ (-) geladene Teilchen. Die Bezeichnungen sind his-torisch und eher zufällig. Wichtig ist dabei, dass sich Teilchen mit

gleicher Ladung abstoßen und Teilchen mitunterschiedlicher Ladung anziehen. Das istganz ähnlich wie bei den Magneten. Da stoßensich ja auch Nord- und Nordpol ab und Nord-und Südpol ziehen sich an.Um sich das besser vorstellen zu können, ma-chen wir einen kleinen Versuch im Kopf. Wirstellen zwei Platten voreinander. Die eine Plat-

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te ist positiv geladen, da sind also ganz viele positiv geladene Teil-chen drauf. Die andere Platte ist negativ geladen. Wenn wir jetztein negativ geladenes Teilchen in die Mitte zwischen die Plattensetzen, in welche Richtung wird das Teilchen dann beschleunigt?Also in welche Richtung wird es sich bewegen?Die Stäbchen im Flüssigkristall sind an ei-nem Ende anders geladen als an dem an-deren Ende. Also zum Beispiel sind sie ander Spitze des Stäbchens negativ geladen,am anderen Ende aber positiv. Wenn manso ein Stäbchen nun zwischen die beidengeladenen Platten setzt, dann wird das ne-gativ geladene Ende des Stäbchens vonder positiv geladenen Platte angezogenund andersherum. Das Stäbchen setzt sichalso senkrecht zwischen die beiden Plat-ten.

Dieses Wissen können wir nun für den Bildschirm nutzen. Wir woll-ten ja erreichen, dass die Flüssigkristalle die Polarisation manch-mal drehen und manchmal nicht. Wenn wir nun solche geladenePlatten auf die Glasscheiben legen, dann stellen sich die Flüssig-kristalle alle auf und die Polarisation des Lichts wird nicht mehr ge-dreht. Das heißt, das Licht kommt nicht durch den zweitenPolarisationsfilter und das Display bleibt dunkel. Zumindest an denStellen, an denen diese geladenen Platten sind.

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Nun soll es an den Stellen aber janicht immer nur dunkel sein, son-dern wir wollen es an- und aus-schalten können. Das kann manmachen, indem man auf die Glas-platten eine besondere Schicht auf-bringt. Diese Schicht ist fastdurchsichtig, und wenn wir sie anStrom, also zum Beispiel eine Batte-rie, anschließen, dann laden sich dieSchichten auf und sind dann sowaswie die Platten aus Kapitel 4. DieseSchicht ist in dem Aufbau auf Seite 1mit Elektrode bezeichnet.Wir haben jetzt also die Glasplattenmit den Polarisationsfiltern außendran und dem Flüssigkristall als Spi-rale in der Mitte. Wenn wir mit Lichtdurchleuchten, ist der Bildschirmkomplett hell. Jetzt kommen die Elektroden dazu. Diese laden sich,wenn wir sie an eine Batterie anschließen, mit positiven und nega-tiven Teilchen auf, so dass sich die Flüssigkristalle zwischen denElektroden aufstellen. Die aufgestellten Flüssigkristalle drehen nunnicht mehr die Polarisation des Lichts. Dadurch kann an diesenStellen das Licht nicht mehr durch den nächsten Polarisationsfil-ter gelangen und das Display bleibt an den Stellen, wo die Elektro-den sind, dunkel. So können wir also durch die Verbindung miteiner Batterie das Display an- und ausschalten. Und die Form derdunklen Stellen auf dem Display entspricht genau der Form derElektroden.

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IMPRESSUM:Universität Hamburg, Light & Schools (www.lightandschools.de)

Text, Bilder und Layout: Dortje Schirok (dortje.schirok@uni-hamburg.de)Inspiriert durch Dr. Feodor Oestreicher (www.fluessigkristalle.com)