News: Richtungsweisend
Ohne Strom, kein Bild - das gilt eigentlich für alle elektronischen Anzeigen. Aber zumindest bei Flüssigkristallen könnte eine geschickte Strukturierung des Trägermaterials neue Alternativen eröffnen.
© (Ausschnitt)
Ob Digitaluhr, Taschenrechner oder Laptopbildschirm – Flüssigkristallanzeigen (LCD, Liquid Crystal Display) halten uns auf dem Laufenden. Herzstück ist eben jenes namensgebende Material, dessen Zustand irgendwo zwischen ungeordneter Flüssigkeit und geordnetem Kristall liegt. Die Orientierung seiner stäbchenförmigen Moleküle bestimmt, wie viel Licht durchdringt.
Dabei legt ein elektrisches Feld die Richtung fest, in welche die Moleküle weisen, und damit auch den Schaltzustand eines Bildpunktes oder Zeichens. Ohne Feld nehmen die Moleküle eine bestimmte Ruheposition ein, in der sie das Licht in aller Regel ungehindert durchlassen – deshalb zeigt eine Armbanduhr ohne Batterie auch nichts an. Erst das elektrische Feld veranlasst die Moleküle sich so zu drehen, dass kein Licht mehr zur Rückseite des Displays gelangt und sich ein dunkles Zeichen vor dem reflektierenden Hintergrund abhebt.
Aber was wäre, wenn den Flüssigkristallen mehrere Positionen offen stünden, in denen sie auf Dauer verharren könnten? Diese Möglichkeit hätte gewisse Vorteile: Zum einen ließe sich Strom sparen, denn das elektrische Feld müsste nur noch kurzzeitig für den Schaltvorgang zwischen den Ausrichtungen angelegt werden. Zum anderen könnte ein solches Display, mit mehr als zwei stabilen Kristallorientierungen, Graustufen abbilden – Grund genug also, sich mit derartigen Anzeigemöglichkeiten näher zu befassen.
So geschehen in den Labors der Japan Science and Technology Corporation im japanischen Tsukuba. Hier forschen Jong-Hyun Kim, Makoto Yoneya und Hiroshi Yokoyama an geeigneten Bedingungen, solche mehrfach stabilen Flüssigkristalle zu erzeugen. Angeregt durch Arbeiten, die zwei stabile Orientierungen auf der Oberfläche eines frisch gespaltenen Kochsalz- oder Glimmer-Kristalls erreichten, experimentierten die Forscher mit eigenen Strukturen. So ritzten sie mit der Spitze eines Rasterkraftmikroskops winzige parallele Gräben in einen Polyimid-beschichteten Objektträger, denn an diesen Kratzern richten sich die Flüssigkristalle bevorzugt aus.
Kim und seine Kollegen überzogen aber nicht einfach das ganze Material mit Kratzern, sondern sie ritzten Parallelogramme in das Polyimid, wobei die Kratzer stets parallel zu den beiden äußeren zehn Mikrometer langen Randlinien orientiert waren. Die Innenwinkel des Parallelogramms waren gerade so gewählt (60 und 120 Grad), dass sich je drei Parallelogramme zu einem regelmäßigen Sechseck zusammenschließen konnten, wobei die Kratzer im Innern dieser Fläche im Winkel von 60 Grad aufeinander standen.
Mit diesen Sechsecken bedeckten die Forscher das Substrat und beschichteten es danach mit den Flüssigkristallen. Im polarisierten Licht mussten die Kristalle anschließend ihre Orientierung offenbaren: Und tatsächlich, sie richteten sich entlang der eingeritzten Linien aus. An der Grenze zwischen zwei Parallelogrammen – den so genannten Domänen – traten zwei verschiedene Art von Übergängen auf. Zum einen solche, wo die Kristalle einen Richtungswechsel von 60 Grad mitmachen mussten, zum anderen welche, wo der Unterschied 120 Grad betrug. Der erste Typ einer Domänengrenze kam dabei genau doppelt so häufig vor, wie der zweite.
Damit ergeben sich für ein Sechseck genau drei Möglichkeiten, wo sich sich die 120 Grad-Domänenwandgrenze befinden kann. Jede dieser Möglichkeit besitzt eine andere, um 60 Grad verdrehte, durchschnittliche Orientierung der Flüssigkristalle – und jede für sich ist stabil. Um von einer Konfiguration zur nächsten zu schalten, muss nur kurz ein Feld in Richtung der Kratzlinien eines Parallelogramms anliegen. Die Kristalle des betroffenen Parallelogramms klappen dann um.
Das Konzept geht also auf und die spezielle Strukturierung der Unterlage ermöglicht den Flüssigkristallen drei stabile Orientierungen, wobei ein elektrisches Feld wirklich nur zum Schalten nötig ist. Wie viel Strom zukünftige LC-Displays hierdurch sparen, bleibt indes abzuwarten, denn zumindest bei Handy, Laptop und Co ist es vor allem die Hintergrundbeleuchtung, die Leistung zieht.
Dabei legt ein elektrisches Feld die Richtung fest, in welche die Moleküle weisen, und damit auch den Schaltzustand eines Bildpunktes oder Zeichens. Ohne Feld nehmen die Moleküle eine bestimmte Ruheposition ein, in der sie das Licht in aller Regel ungehindert durchlassen – deshalb zeigt eine Armbanduhr ohne Batterie auch nichts an. Erst das elektrische Feld veranlasst die Moleküle sich so zu drehen, dass kein Licht mehr zur Rückseite des Displays gelangt und sich ein dunkles Zeichen vor dem reflektierenden Hintergrund abhebt.
Aber was wäre, wenn den Flüssigkristallen mehrere Positionen offen stünden, in denen sie auf Dauer verharren könnten? Diese Möglichkeit hätte gewisse Vorteile: Zum einen ließe sich Strom sparen, denn das elektrische Feld müsste nur noch kurzzeitig für den Schaltvorgang zwischen den Ausrichtungen angelegt werden. Zum anderen könnte ein solches Display, mit mehr als zwei stabilen Kristallorientierungen, Graustufen abbilden – Grund genug also, sich mit derartigen Anzeigemöglichkeiten näher zu befassen.
So geschehen in den Labors der Japan Science and Technology Corporation im japanischen Tsukuba. Hier forschen Jong-Hyun Kim, Makoto Yoneya und Hiroshi Yokoyama an geeigneten Bedingungen, solche mehrfach stabilen Flüssigkristalle zu erzeugen. Angeregt durch Arbeiten, die zwei stabile Orientierungen auf der Oberfläche eines frisch gespaltenen Kochsalz- oder Glimmer-Kristalls erreichten, experimentierten die Forscher mit eigenen Strukturen. So ritzten sie mit der Spitze eines Rasterkraftmikroskops winzige parallele Gräben in einen Polyimid-beschichteten Objektträger, denn an diesen Kratzern richten sich die Flüssigkristalle bevorzugt aus.
Kim und seine Kollegen überzogen aber nicht einfach das ganze Material mit Kratzern, sondern sie ritzten Parallelogramme in das Polyimid, wobei die Kratzer stets parallel zu den beiden äußeren zehn Mikrometer langen Randlinien orientiert waren. Die Innenwinkel des Parallelogramms waren gerade so gewählt (60 und 120 Grad), dass sich je drei Parallelogramme zu einem regelmäßigen Sechseck zusammenschließen konnten, wobei die Kratzer im Innern dieser Fläche im Winkel von 60 Grad aufeinander standen.
Mit diesen Sechsecken bedeckten die Forscher das Substrat und beschichteten es danach mit den Flüssigkristallen. Im polarisierten Licht mussten die Kristalle anschließend ihre Orientierung offenbaren: Und tatsächlich, sie richteten sich entlang der eingeritzten Linien aus. An der Grenze zwischen zwei Parallelogrammen – den so genannten Domänen – traten zwei verschiedene Art von Übergängen auf. Zum einen solche, wo die Kristalle einen Richtungswechsel von 60 Grad mitmachen mussten, zum anderen welche, wo der Unterschied 120 Grad betrug. Der erste Typ einer Domänengrenze kam dabei genau doppelt so häufig vor, wie der zweite.
Damit ergeben sich für ein Sechseck genau drei Möglichkeiten, wo sich sich die 120 Grad-Domänenwandgrenze befinden kann. Jede dieser Möglichkeit besitzt eine andere, um 60 Grad verdrehte, durchschnittliche Orientierung der Flüssigkristalle – und jede für sich ist stabil. Um von einer Konfiguration zur nächsten zu schalten, muss nur kurz ein Feld in Richtung der Kratzlinien eines Parallelogramms anliegen. Die Kristalle des betroffenen Parallelogramms klappen dann um.
Das Konzept geht also auf und die spezielle Strukturierung der Unterlage ermöglicht den Flüssigkristallen drei stabile Orientierungen, wobei ein elektrisches Feld wirklich nur zum Schalten nötig ist. Wie viel Strom zukünftige LC-Displays hierdurch sparen, bleibt indes abzuwarten, denn zumindest bei Handy, Laptop und Co ist es vor allem die Hintergrundbeleuchtung, die Leistung zieht.
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