Didaktik der Chemie / Universität Bayreuth

Stand: 16.12.15

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Flüssigkristalle

Vortrag von Florian Just im Rahmen der "Übungen im Vortragen mit Demonstrationen - PC", WS 11/12


Gliederung:

1 Allgemeine Eigenschaften

2 Flüssigkristalltypen
    2.1 Lyotroper Flüssigkristall
    2.2 Thermotroper Flüssigkristall
          2.2.1 Smektische Phase
          2.2.2 Cholesterische Phase
          2.2.3 Nematische Phase

3 Experiment

4 Anwendungsbeispiel: Flüssigkristalldisplay
   4.1 Aufbau
   4.2 Funktionsweise


Einführung: Wenn man eine polarisierte Sonnenbrille besitzt, kann es passieren, dass man seine digitale Armbanduhr nicht ablesen kann. Das komplette Display wird schwarz dargestellt. Unter einem anderen Blickwinkel kann man die Uhrzeit aber ohne Probleme ablesen. Warum ist das so?

Abb. 1: Polarisierte Sonnenbrille vor LCD (kein Licht tritt hindurch) Abb. 2: Polarisierte Sonnenbrille vor LCD um 90° gedreht (Licht tritt hindurch)

Es wird ein LCD Bildschirm anstatt einer Digitaluhr als Lichtquelle verwendet, da der Effekt auf diese Weise deutlicher sichtbar ist.


1 Allgemeine Eigenschaften

Flüssigkristalle bestehen aus langreichweitig geordneten Flüssigkeiten, die man auch anisotrope Fluide nennt, da viele Charakteristika richtungsabhängig sind. Sie besitzen eine Mesophase, die einen Temperaturbereich oder einen Konzentrationsbereich darstellt, in dem die Eigenschaften einer Flüssigkeit und die eines Kristalls koexistieren, und haben eine niedrige Viskosität.


2 Flüssigkristalltypen

2.1 Lyotroper Flüssigkristall

Bei einem lyotropen Flüssigkristall handelt es sich um eine Aggregation meist amphiphiler Moleküle in einem Lösungsmittel. Diese Moleküle sind unter anderem Fettsäuren oder langkettige Alkohole. Da es von der Tensidkonzentration abhängt, ob es sich bei der Flüssigkeit um einen Flüssigkristall handelt oder nicht, spricht man auch von der            lyotrop-flüssigkristallinen Mischphase (Bereich der Phasenumwandlung zum Flüssigkristall). Wie sich die Moleküle bei unterschiedlicher Tensidkonzentration verhalten und anordnen zeigt die folgende Abbildung. Ihre Anwendungsgebiete sind in der Waschmittelindustrie, in der Pharmazie und in der Medizin.


Abb. 3:
Konzentrationsabhängige Molekülanordnung [4]

2.2 Thermotroper Flüssigkristall

Anders als bei lyotropen Flüssigkristallen sind die Phasenumwandlungen beim thermotropen Flüssigkristall temperaturabhängig.

Abb. 4: Phasenumwandlung beim thermotropen Flüssigkristall [3]

Die Mesophase befindet sich hier zwischen dem Schmelzpunkt Tm und dem Klärpunkt Tk, in der die flüssigkristallinen Eigenschaften liegen. Die meisten Flüssigkristalle sind aus kalamitischen (stäbchenförmigen) oder discotischen (scheibchenförmigen) Molekülen aufgebaut. Bei thermotropen kalamitischen Flüssigkristallen lassen sich verschiedene Phasen einteilen, die als smektisch, cholesterisch oder nematisch bezeichnet werden. Abhängig von der Temperatur können alle Phasen bei einem Flüssigkristall eingestellt werden.

2.2.1 Smektische Phase

Die Moleküle sind parallel und in Schichten angeordnet, wobei es verschiedene Modifikationen gibt:

Abb. 5: Modifikation: smektisch A [3]

Abb. 6: Modifikation: smektisch C [3]

Bei der Modifikation smektisch A steht die Moleküllängsachse senkrecht zur Schichtebene und bei smektisch C sind die Molekülachsen um einen speziellen Winkel verdreht. Es gibt auch noch eine weitere Modifikation, smektisch B, die eine hexagonale Struktur aufweist. Diese wird hier nicht betrachtet.

2.2.2 Cholesterische Phase

Die cholesterische Phase ist die komplizierteste Struktur. Zwar sind die Moleküle auch in Schichten angeordnet, jedoch liegen ihre Längsachsen in der Schichtebene, wobei sich die Vorzugsrichtung von Schicht zu Schicht helix- oder schraubenförmig verschiebt, wie in Abbildung 7 zu sehen.

Abb. 7: Molekülanordnung der cholesterischen Phase [3]

2.2.3 Nematische Phase

Die nematische Phase ist der am einfachsten aufgebaute Typ flüssigkristalliner Phasen. Die Moleküle sind am wenigsten geordnet, wobei die Längsachsen der Moleküle eine Vorzugsrichtung aufweisen, die parallel zur optischen Achse ist. Sie sind in Längsrichtung frei beweglich und können um 180° umklappen.

Abb. 8: Molekülanordnung der nematischen Phase [3]

3 Experiment

Es werden die richtungsabhängigen optischen Eigenschaften einer Flüssigkeit, eines Kristalls und eines Flüssigkristalls untersucht. Dabei bringt man die Probe zwischen zwei Polarisationsfilter an, die um 90° verdreht auf einem Overheadprojektor aufgebaut sind.

Abb. 9: Versuchsaufbau [2]

Probe 1: Gefäß mit Wasser
Das Wasser dreht die Schwingungsebene des Lichts nicht. Der Bereich, den die Polarisationsfilter überdecken, bleibt dunkel.

Probe 2: Doppelspat Kristall
Der Doppelspat dreht die Schwingungsebene. Der Bereich, den die Polarisationsfilter überdecken, wird heller oder dunkler, je nachdem wie man den Kristall hält.

Probe 3: Flüssigkristalldisplay (LCD)
Das LCD dreht die Schwingungsebene. Der Bereich, den die Polarisationsfilter überdecken, wird heller oder dunkler, je nachdem wie man das LCD hält. Liegt Spannung an, werden die angesteuerten Bereiche des LCD dunkel.


4 Anwendungsbeispiel: Flüssigkristall-Display

Es wird eine TN-Anzeige betrachtet. TN steht hier für "twisted nematic", also verdrillt nematisch. Die TN-Anzeige ist der Urtyp des LCDs. Es ist einfach zu verstehen, aber hat den Nachteil, dass die Lesbarkeit stark vom Blickwinkel abhängt.

4.1 Aufbau

Zwischen zwei Elektroden befindet sich eine 5 µm dicke flüssigkristalline (nematische) Schicht und darüber und darunter sind Polarisationsfilter (Polarisator und Analysator) angebracht, die senkrecht aufeinander stehen. Auf den Elektroden befindet sich jeweils eine Orientierungsschicht an Molekülen, deren Ausrichtung parallel zum jeweiligen Polarisationsfilter ist. Da die Moleküle das bestreben haben, sich parallel auszurichten, entsteht so eine graduelle Verdrillung der Moleküle, also eine Art Band, zwischen den Elektroden (siehe Abbildung 10).

Abb. 10: Aufbau und Funktion einer TN-Anzeige [3]

4.2 Funktionsweise

Die verdrillte Flüssigkeitsschicht dreht die Polarisationsebene des Lichts, je nachdem, ob ein elektrisches Feld angelegt ist. Das elektrische Feld bewirkt, dass sich die Moleküle entlang dem Feld ausrichten. Flüssigkristallmoleküle mit einem Dipolmoment parallel zur Molekülachse zeigen dieses Verhalten.

Keine Spannung:
Das unpolarisierte Licht trifft auf den Polarisator und polarisiertes Licht fällt ein. Von den verdrillten Molekülen lässt sich das polarisierte Licht "leiten", was eine Drehung der Schwingungsebene um 90° bewirkt. Somit können die Lichtwellen den Analysator passieren und das LCD erscheint hell/transparent.

Spannung ist angelegt (5V):
Das unpolarisierte Licht trifft auf den Polarisator und polarisiertes Licht fällt ein. Da die Moleküle des Flüssigkristalls sich entlang der Richtung des elektrischen Feldes orientieren, bricht das Verdrillungsband zusammen, die Schwingungsebene wird nicht gedreht und die Lichtwellen können den zweiten Polarisationsfilter nicht passieren, da ihre Schwingungsebene nicht der des Analysators entspricht. Somit erscheint das LCD dunkel.


Zusammenfassung. Flüssigkristalle vereinen die richtungsabhängigen physikalischen Eigenschaften mit den viskosen Eigenschaften einer Flüssigkeit. Die Mesophase, in der die flüssigkristallinen Eigenschaften präsent sind, kann durch Konzentratrionsänderung (lyotroper Flüssigkristall) oder durch Temperaturänderung (thermotroper Flüssigkristall) erreicht werden. Anwendung finden Flüssigkristalle bei der Herstellung von Anzeigegeräten, in der Medizin und in der Waschmittelherstellung.


Literatur

  1. Brown, LeMay, Bursten (2007): Chemie, 10. Auflage, München: Pearson Studium.
  2. http://w3-o.hm.edu/home/fb/fb06/labors/lab_didaktik/o-2-10.htm (28.3.2012; Stand 16.12.2015: Quelle nicht mehr auffindbar)
  3. http://www.pci.tu-bs.de/aggericke/PC5-Grenzf/Fluessigkristalle.pdf (26.3.2012)
  4. Dörfler, Hans-Dieter: Grenzflächen und kolloid-disperse Systeme; Springer Verlag, Heidelberg, 2002, Seite 405 - 505

E-Mail: Walter.Wagner ät uni-bayreuth.de, Stand: 16.12.15