Flüssigkristall, OLED und andere Displayeffekte

Am IGM können nahezu alle derzeit wichtigen Displayeffekte realisiert werden

Flüssigkristalltechnologien

Im Gegensatz zu gewöhnlichen Flüssigkeiten, in denen Atome oder Moleküle völlig ungeordnet vorliegen, ist in flüssigkristallinen Stoffen bei Temperaturen oberhalb des Schmelzpunktes noch eine Richtungsabhängigkeit mancher Materialeigenschaften resultierend aus einer Vorzugsrichtung der meist stäbchenförmigen Moleküle erkennbar, die erst bei sehr viel höheren Temperaturen verschwindet. Bei vielen Flüssigkristallen ist der Brechungsindex eine solche richtungsabhängige Eigenschaft, die entsprechenden Materialien sind doppelbrechend. Wenn solche Flüssigkristalle eine bevorzugte Richtung im elektrischen Feld annehmen, eignen Sie sich zum Aufbau von Flüssigkristallanzeigen. Die meisten heute genutzen Displayeffekte auf Flüssigkristallbasis nutzen die Beeinflussung der Polarisationsrichtung von linear polarisiertem Licht beim Durchgang durch ein doppelbrechendes Medium. Dazu liegt die Flüssigkristallzelle in der Regel zwischen gekreuzten Polarisationsfiltern. Licht, das durch den ersten Polarisator in die Zelle eindringt, kann den zweiten (gekreuzten) Polarisator nur dann passieren, wenn die Polarisationsrichtung durch die doppelbrechende Flüssigkristallschicht gedreht wird.

Seit der Ablösung der Kathodenstrahlröhren dominieren solche Flüssigkristallanzeigen den Bildschirmmarkt. Das IGM und seine Vorgängerinstitute haben inzwischen über 30 Jahre Erfahrung in der Entwicklung und dem Aufbau von Flüssigkristallzellen auf Glas und Kunststoffsubstraten. Herausforderungen bestehen dabei im Finden und Umsetzen geeigneter Aufbau- und Füllprozesse ebenso wie bei der Herstellung von Orientierungsschichten zur gezielten Ausrichtung der Flüssigkristalle und der Einstellung einer reproduzierbaren Dicke der Flüssigkristallschicht von wenigen Mikrometern über die gesamte Fläche der Anzeige.

Am IGM liegen Erfahrungen mit zahlreichen Flüssigkristalleffekten und dafür relevanten Technologien vor:

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TN-Zelle (schematisch) (c)
TN-Zelle (schematisch)

In der Twisted-Nematic Zelle ist die Flüssigkristallschicht bedingt durch entsprechende Anker- oder Orientierungsschichten an den begrenzenden Glassubstraten ohne angelegte Spannung schraubenförmig um insgesamt 90° verdreht. Parallel zum Flüssigkristall polarisiertes Licht macht beim Durchgang durch die Flüssigkristallschicht diese Drehung im wesentlichen mit und kann so durch einen zweiten Polarisationsfilter (im Vergleich zum ersten ebenfalls um 90° verdreht) die Zelle verlassen (Hellzustand).

Wird eine Spannung zwischen den Glassubstraten angelegt, so folgt die Ausrichtung der Flüssigkristallmoleküle der Richtung des elektrischen Feldes. Das Licht breitet sich nun größtenteils parallel zur langen Achse der Flüssigkristallmoleküle aus, wodurch keine Doppelbrechung stattfindet. Die Polarisationsrichtung des Lichts wird nicht mehr gedreht, das Licht kann die Zelle nicht mehr verlassen (Dunkelzustand).

Am IGM-Zellen können TN-Zellen in verschiedensten Variationen hergestellt werden.

VA-Zelle (schematisch) (c)
VA-Zelle (schematisch)

In der Vertically-Aligned Zelle sind durch entsprechende Orientierungsschichten die länglichen Flüssigkristallmoleküle im Ruhezustand senkrecht zu den Substraten ausgerichtet. Dadurch findet für polarisiertes Licht beim Durchgang durch die Zelle keine Doppelbrechung statt. Das Licht kann einen zweiten Polarisator nicht passieren (Dunkelzustand).

Beim Anlegen einer elektrischen Spannung richten sich die verwendeten Flüssigkristallmoleküle senkrecht zum elektrischen Feld aus. Linear polarisiertes Licht kann nun (bei entsprechendem Winkel zwischen Polarisationsrichtung und Richtung der Flüssigkristallmoleküle) Doppelbrechung erfahren. Bei korrekter Auslegung der Zelle kann dadurch die Polarisationsrichtung um genau 90° gedreht werden und das Licht kann den Polarisationsfilter am Zellausgang passieren (Hellzustand).

IPS-Zelle (schematisch) (c)
IPS-Zelle (schematisch)

Bei der In-Plane-Switching Zelle sind im spannungsfreien Zustand alle Flüssigkristallmoleküle parallel. Licht, das parallel zur Flüssigkristallrichtung polarisiert ist, durchläuft die Zelle unverändert und kann einen gegenüber der Flüssigkristallausrichtung um 90° verdrehten Polarisationsfilter am Zellausgang nicht passieren (Dunkelzustand).

Wird zwischen den nur auf einem Substrat vorhandenen, parallelen Leitungen eine elektrische Spannung angelegt, so richten sich die Flüssigkristallmoleküle entlang des Feldes aus. Für den Lichtstrahl von oben wirken Teile der Flüssigkristallschicht doppelbrechend und seine Polarisationseigenschaften werden teilweise verändert. Ein Teil des Lichtes kann den Polarisationsfilter am Zellausgang passieren (Hellzustand).

Generell liegt die maximale Transmission von IPS-Zellen unterhalb derer von TN- oder VA-Zellen. IPS Zellen, die unter einem großen Blickwinkel betrachtbar sind, sind allerdings im Vergleich mit anderen Flüssigkristalltechnologien einfacher realisierbar.

PDLC Display auf Kunsstofffolie (c)
PDLC Display auf Kunsstofffolie

Flüssigkristalltröpfchen, die fein verteilt und zufällig ausgerichtet in einer Kunststoffschicht (Polymermatrix) vorliegen, wirken durch Streuung milchig trüb (Polymer Dispersed Liquid Crystal, PDLC). Werden die Flüssigkristalltröpfchen durch ein elektrisches Feld ausgerichtet, so kann durch entsprechende Auswahl von Flüssigkristall und Polymermaterial dafür gesorgt werden, dass senkrecht eintreffendes Licht keine Brechzahlunterschiede und damit ein völlig homogenes, streufreies Medium wahrnimmt. Die PDLC-Schicht wird klar. Dieser Effekt lässt sich für Displays, aber auch für intelligente Gläser (privacy Gläser) einsetzen.

Ferroelektrische Flüssigkristalle (FLC) besitzen durch ihre Struktur ein eingebautes Dipolmoment, das sehr schnelles Schalten ermöglicht. Durch geeignete Ansteuerung des FLC können außerdem Schaltzustände erreicht werden, die auch ohne angelegte Spannung bestehen bleiben. Solche FLC Anzeigen sind bistabil und halten einen einmal eingeschriebenen Zustand praktisch beliebig lang.

OLED

Organische Licht Emittierende Dioden (OLEDs) ermöglichen den Aufbau selbstleuchtender und damit besonders dünner Bildschirme. Obwohl das IGM im OLED-Bereich seine Schwerpunkte auf die TFT-Backplanes für einfachere und trotzdem qualitativ hochwertige Aktiv-Matrix OLEDs (AMOLEDs) setzt, stehen die notwendigen Werkzeuge bereit, um sowohl kleine organische Moleküle als auch polymere OLED Emitter zu verarbeiten. Es stehen jeweils Prozesse für verschiedene farbige sowie weiße OLEDs zur Verfügung.

Entwickelt wurden auch verschiedene polarisiertes Licht emittierende OLEDs indem gezielt die Ausrichtung der emittierenden Moleküle beeinflusst wurde bzw. photonische Strukturen in den OLED Stapel eingebracht wurden.

Weitere Displayeffekte

Neben den am Markt derzeit dominantesten Techniken werden am IGM auch weitere Displayeffekte untersucht. Bei elektrophoretischen Anzeigen (E-Paper) macht man sich die Bewegung elektrisch geladener Farbpartikel unter dem Einfluss eines elektrischen Feldes zu nutze. Bekannt sind solche Anzeigen vor allem aus Zahlreichen E-Book Lesegeräten oder von Preisschildern mancher Märkte. Vorteilhaft ist die Bistabilität der Anzeigen, d.h. einmal eingeschrieben behält die Anzeige ihren Zustand auch ohne Spannungsversorgung.

Elektrochrome Anzeigen nutzen die Änderung der Farbe bestimmter Materialien unter Stromfluss. auch diese Anzeigen sind bistabil. Häufiger als in Displays trifft man elektrochrome Materialien derzeit z.B. in abblendbaren Spiegeln (KFZ-Innenspiegel) an.

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Dipl.-Ing.

Holger Baur

Stellvertretender Laborleiter

Dieses Bild zeigt Schalberger
Dr.-Ing.

Patrick Schalberger

Wissenschaftlicher Mitarbeiter