Versuch 2: Ein LCD selber machen – Bau eines einfachen 1

Versuch 2: Ein LCD selber machen – Bau eines einfachen 1-Pixel-Displays
(ausführliche Anleitung zum Artikel:
„Türen auf für Flüssigkristalle - Lerneinheit zu Flüssigkristallen und Selbstbau eines einfachen 1-PixelDisplays“ von C. Bohrmann-Linde, S. Weinzettel und R. Landau)
Diese Versuchsanleitung zeigt im Detail, wie das 1-Pixel-Display einfach nachgebaut werden kann.
Benötigte Materialien und Chemikalien:
2 FTO-beschichtete Glasplatten (leitfähiges Glas, z.B. Firma Hartford Glass, USA, ca. 7 x 3
cm), Ohmmeter, Natronlauge (c = 0,01 mol/L), Siedesteinchen, Handschuhe, destilliertes
Wasser, Zellstofftücher, ca. 10 – 15 μm starke Folie, Tesafilm, 2-Komponenten-Glas-Kleber
mit passendem Spatel, Flüssigkristallmischung bzw. MBBA, Metallspatel, selbstklebende
Polarisationsfolie, selbstklebende Polarisationsfolie mit Reflektor, Spannungsquelle
Schritt 1. Entfettung der Glasplatten
Um ein perfektes Ergebnis des 1-Pixel-Displays zu erhalten, ist es wichtig fettfreie
Glasplatten zu verwenden. Aus diesem Grund werden die FTO-Glasplatten zunächst für 3 –
5 Minuten in Natronlauge (c = 0,01 mol/L) gekocht. Die Zufuhr von Siedesteinchen
verhindert hierbei den Siedeverzug. Nach der Entfettung der Glasplatten werden diese mit
einer Pinzette entnommen und mit destilliertem Wasser sorgfältig abgespült. Ab diesem
Zeitpunkt dürfen die Gläser nicht mehr mit den Händen berührt werden. Es empfiehlt sich
Handschuhe zu tragen!
Schritt 2. Aufbringen der Orientierungsschicht
Die entfetteten Glasplatten werden mit der
Elektrodenseite (leitfähige Seite) nach oben auf ein
Zellstofftuch gelegt. Das Ohmmeter kann zur
Identifizierung der Elektrodenseite herangezogen
werden. Restliches Wasser kann mit einem
Zellstofftuch vorsichtig abgetupft werden. Als
nächstes erfolgt die Orientierung der Glasscheiben.
Dazu wird ein Zellstofftuch so gefaltet, dass es
zwischen Daumen, Zeige- und Mittelfinger gehalten
werden kann. Nun wird das Tuch in eine Richtung
über die FTO-beschichtete Seite der Glasplatten
gestrichen (Abb.1). Dabei ist es wichtig, dass Druck
ausgeübt wird.
Abb. 1: Orientierung der Glasplatten. Das
Aufbringen erfolgt mit Hilfe eines
Zellstofftuches.
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Versuch 2: Ein LCD selber machen – Bau eines einfachen 1-Pixel-Displays
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Schritt 3. Ausrichtung der Abstandshalter
Die Glasplatten sind jetzt so modifiziert, dass das
Display zusammengebaut werden kann. Dazu
werden zunächst zwei Abstandshalter, bestehend
aus Frischhaltefolie, auf eine der beiden Glasplatten
angebracht. Die Frischhaltefolie wird hierfür doppelt
gelegt und anschließend stramm über die
Außenkanten gezogen (Abb. 2).
Abb. 2: Angebrachte Abstandshalter
an den langen Außenkanten der
Glasplatten. Die Abstandshalter sind
aus Frischhaltefolie.
Schritt 4. Zusammenfügen der zwei Glasplatten
Nachdem die Abstandshalter aufgebracht wurden,
können die zwei Platten zusammengefügt werden.
Dazu wird die andere Glasplatte so auf die untere
gelegt, dass die Orientierungsschichten um 90°
verdreht sind. Zwei gegenüberliegende Seiten
werden mit dem 2-Komponenten-Kleber verklebt
(Abb. 3). Dies führt zu einer gewissen Stabilität und
verhindert
das
Auseinanderrutschen
der Abb. 3: Verklebung on zwei gegenüberliegenGlasplatten. Nachdem der Kleber vollständig den Seiten. Die anderen zwei Seiten werden
ausgehärtet ist, kann das Display mit einer nach Befüllung mit dem Flüssigkristall
verschlossen.
Flüssigkristallmischung oder MBBA gefüllt werden.
Dazu bringt man mit einem Spatel einen Tropfen
des jeweiligen Flüssigkristalls auf eine der zwei
nichtverklebten Seiten an. Durch die Kapillarkräfte
wird der Tropfen in die Zelle gesogen und füllt somit
den Hohlraum aus. Anschließend werden die noch
offenen Seiten mit dem 2-Komponenten-Kleber
verschlossen, so dass ein abgeschlossenes System
entsteht. Überschüssiger Kleber kann vorsichtig mit
Aceton entfernt werden.
Eine zweite Variante besteht darin, auf die untere Glasplatte zunächst einen Tropfen des
Flüssigkristalls zu geben. Die andere Glasplatte kann dann auf die untere gelegt werden.
Dadurch verteilt sich der Flüssigkristall ebenfalls gleichmäßig. Die Einschließung von
Luftblasen sollte verhindert werden. Anschließend erfolgt die Verschließung aller vier Seiten
gleichzeitig.
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Versuch 2: Ein LCD selber machen – Bau eines einfachen 1-Pixel-Displays
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Schritt 5. Positionierung des Polarisators und Reflektors
Der letzte Schritt besteht aus dem Aufkleben der Polarisationsfolie und des Reflektors. Dazu
werden diese passend auf die Zelle in ca. 3 x 3 cm große Quadrate zurechtgeschnitten und
auf das Display geklebt. Hierbei sollte darauf geachtet werden, dass die Polarisationsfolie
parallel zur Orientierungsschicht aufgebracht wird. Jetzt kann die Zelle an eine
Spannungsquelle angeschlossen werden. Für ein Display mit der Flüssigkristallmischung
wird eine Wechselspannung von U = 5 V benötigt. (Für kurze Betriebszeiten reicht auch eine
9V-Blockbatterie.)
Für die MBBA-Zelle dagegen ist eine größere Spannung erforderlich, um die Funktion des
Displays zeigen zu können. Die anzulegende Spannung liegt hier bei ca.15 V und mehr.
Abb. 4: 1-Pixel-Display gefüllt mit einer
Flüssigkristallmischung vor Anlegen einer
Spannung.
Abb. 5: 1-Pixel-Display gefüllt mit einer
Flüssigkristallmischung
während
des
Anlegens einer Spannung von 5 Volt.
Strukturierung der anzusteuernden Fläche:
Eine Möglichkeit das Display zu gestalten, besteht darin, mit Tesafilm ein Muster auf die
Elektroden zu kleben. Dabei ist zu beachten, dass das Display nur an den Stellen geschaltet
werden kann, an denen sich die Elektroden direkt gegenüberstehen. Das bedeutet, dass
dort wo kein Tesafilm ist, das Display geschaltet werden kann. Ein Beispiel ist in Abb. 6
dargestellt.
Abb. 6: links: nichtgeschaltetes und rechts: geschaltetes 1-Pixel-Display mit Muster
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Versuch 2: Ein LCD selber machen – Bau eines einfachen 1-Pixel-Displays
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Die Gestaltung der Elektroden könnte wie folgt aussehen:
Abb. 7: Displaygestaltung mit Tesafilm (rote Bereiche: Tesafilm)
Beobachtung und Auswertung:
Vor Anlegung einer Spannung erscheint die Zelle hell. Die Moleküle werden entlang der
Orientierung von der einen zur anderen Seite um 90° gedreht, sodass eine Art Schraube
entsteht. Das einfallende Licht orientiert sich entlang dieser Schraube, sodass es beide
Polarisatoren passieren kann. Es wird durch den Reflektor zurückgeworfen und kann die
Zelle aufgrund der schraubenartigen Anordnung der Moleküle verlassen.
Durch das Anlegen einer Spannung verdunkelt sich das Display. Flüssigkristalle sind
dielektrisch. Das bedeutet, dass sie sich während des Anlegens einer Spannung stärker in
die Richtung des elektrischen Feldes orientieren. Die Flüssigkristall-Moleküle richten sich
parallel zum elektrischen Feld aus. Dadurch wird die zuvor vorhandene schraubenartige
Anordnung unterbrochen. Das Licht kann den zweiten Polarisator aufgrund der um 90 °
gedrehten Orientierungsschicht nicht passieren und wird schließlich nicht durch den
Reflektor zurückgeworfen. Das Display erscheint dunkel.
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