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Bauanleitung

Die Bauanleitung ist in einfache Arbeitsschritte aufgeteilt. Sollten Fragen zu der Anleitung auftauchen wenden Sie sich bitte an redaktion@kreativefreizeit.de oder direkt an den Autor, wir versuchen alle Fragen so schnell wie möglich zu beantworten.



Ätzen der Elektrodenstruktur
Arbeitsschritte:

1.   Vorbereitung der beschichteten Glasplatten
2.   Strukturierung der Elektroden
3.   Ätzen der Elektrodenstruktur
4.   Entfernen der Abdeckschicht
5.   Oxidieren der Indium-Zinn-Schicht
6.   Reinigen der Glasplatten
7.   Orientierung der Glasoberfläche
8.   Zuschneiden der Abstandshalter
9.   Zusammenfügen der Zellen
10. Zusammenkleben der Zellen
11. Füllen der Zellen
12. Verschließen der Zellen
13. Aufkleben der Polarisatoren
14. Ansteuern der Zelle

Gereinigte Glasplatten

Darstellung der Arbeitsschritte

Schritt 1: Vorbereitung der beschichteten Glasplatten

 
   
Die kommerziell erhältlichen mit metallischem Indium und Zinn beschichteten Glasplatten sind etwa 10 cm x 10 cm groß und sollten auf eine Größe von 5 cm x 4 cm mit einem Glasschneider oder von einem Glaser zugeschnitten werden. Dazu legt man die Glasplatte auf eine Unterlage und ritzt mit dem Glasschneider und einem Lineal als Führungsschiene die Oberfläche des Glases und bricht schließlich das Glas über eine Kante.

   
     
Die außerordentlich dünne Metallschicht aus Indium und Zinn lässt sich leicht in etwa 5 %iger Salzsäure ätzen und ist damit gut geeignet für die Elektrodenstrukturierung. Vorerst müssen die Glasplatten zur weiteren Verarbeitung mit der Beschichtung nach oben auf den Arbeitstisch gelegt werden. Mit einem Ohmmeter kann leicht festgestellt werden, welche Seite die leitfähige Schicht trägt.

Schritt 2: Strukturierung der Elektroden

Vorteil einer Flüssigkristallanzeige ist die fast beliebige Gestaltung der Elektrodenform. Mit einem wasserfesten Filzschreiber (Edding) können freihändig Zeichen und graphische Darstellungen erstellt werden. Zu beachten ist stets, dass später alle Stellen geschaltet werden, an denen sich die Elektroden auf beiden Seiten der Displayinnenseiten gegenüberstehen. Es muss stets darauf geachtet
werden, dass die Zuleitungen auf der Gegenelektrode ausgespart werden, wenn sie im angesteuerten Zustand nicht erscheinen sollen. Eine sehr einfache Methode zur Elektrodenstrukturierung ist das Abkleben mit einem Tesafilmstreifen. Dieses Verfahren geht schnell und ist einfach handhabbar. Die folgenden Abbildungen zeigen einfache Möglichkeiten der Elektrodenstrukturierung.

 
     

   
   
Schritt 3: Ätzen der Elektrodenstruktur

Nachdem nun die Elektrodenstruktur abgedeckt wurde, können die freiliegenden metallbeschichteten Flächen weggeätzt werden. Dies geschieht, indem man die Glasplatten mit der Abdeckung vollständig in 3 bis 5%ige Salzsäure legt und vorsichtig schwenkt. Bei der Arbeit mit Salzsäure ist unbedingt eine Schutzbrille zu tragen! Das Ende des Ätzprozesses erkennt man an dem Verschwinden der braunen Farbe auf der Glasoberfläche. Der Ätzprozess dauert je nach Konzentration der verwendeten Salzsäure zwischen 10 und 30 Sekunden. Nach Beendigung des Ätzprozesses werden die Glasplatten mit einer Pinzette aus dem Ätzbad genommen und gut mit Leitungswasser gespült.
   
   
Schritt 4: Entfernen der Abdeckschicht

Im nächsten Schritt wird die Abdeckschicht entfernt. Wurde ein Tesafilm-Streifen verwendet, braucht dieser nur abgezogen zu werden. Eventuell vorhandene Klebemittelreste können mit einem mit Aceton getränkten Zellstofftuch entfernt werden. Wurde ein wasserfester Filzschreiber zum Abdecken der Elektrodenstruktur eingesetzt, so kann auch diese Schicht mit einem mit Aceton getränkten Zellstofftuch entfernt werden. Nun können Front- und Rückelektrode wie im späteren Display mit den beschichteten Seiten gegeneinander zur Überprüfung der richtigen Überlappung der Elektroden aufeinander gelegt werden.

Schritt 5: Oxidieren der Indium-Zinn-Schicht

Schon im ersten Schritt des Herstellungsprozesses wurde festgestellt, dass die mit Indium und Zinn bedampfte Oberfläche leitfähig ist. Das metallische Indium und Zinn erscheint als dunkelbraune Farbschicht auf den Glasplatten. Erwünscht ist aber eine möglichst transparente Elektrode mit hoher Leitfähigkeit. Beiden Ansprüchen wird genügt, wenn man das metallische Indium und Zinn zu Indium-Zinn-Oxid umwandelt. Indium-Zinn-Oxid weist eine hervorragende Leitfähigkeit auf und ist nahezu transparent. Die Oxidation der Metallschicht erfolgt in der Wärme. Dazu stellt man die Glasplatten in einen kalten Tiegelofen und heizt diesen auf ca 300°C auf. Dabei beobachtet man, wie die braune Elektrodenstruktur verschwindet und nach Abschluss des Oxidationsprozesses nur noch in der Reflexion unter flachem Winkel erkennbar ist. Es empfiehlt sich, die Glasplatten mit dem Ofen abkühlen zu lassen, um ein Springen der Glasplatten zu vermeiden. Man kann die Glasplatten auch mit einer Tiegelzange in einen vorgeheizten Ofen einbringen, sollte aber darauf achten, dass das Glas in der Ofenwärme langsam aufgewärmt wird, bevor es Kontakt mit den heißen Ofenwänden bekommt. Das Gleiche gilt auch für das Entnehmen der heißen Glasplatten aus dem Ofen, wenn nicht die Zeit vorhanden ist, das Abkühlen des Ofens abzuwarten. Insbesondere darf die heiße Glasplatte nie mit einer kalten Tiegelzange gegriffen werden. Auch darf die heiße Glasplatte nicht auf eine kalte Unterlage gelegt werden. Als Anmerkung sollte noch darauf hingewiesen werden, dass das Oxidieren der Metallschicht auch in einem Haushaltsherd auf höchster Stufe möglich ist, allerdings etwas länger dauert.
   
   
Schritt 6: Reinigung der Glasplatten

Ein wichtiger Schritt im Fertigungsprozess einer Flüssigkristallanzeige ist die Reinigung der Glasplatten, bevor die Orientierung aufgebracht wird. Die Glasplattenoberflächen müssen vollständig fettfrei sein. Dazu werden die Glasplatten in einem besonderen alkalischen tensidfreien Reinigungsbad 3 bis 5 min gekocht. Es wird empfohlen, die Reinigungslösung in ein nicht zu hohes Becherglas zu geben und unter Zugabe von Siedesteinchen das Bad zum leichten Kochen zu bringen. Beim Umgang mit dem Reinigungsbad ist unbedingt eine Schutzbrille zu tragen! Die Zugabe der Siedesteinchen ist wichtig, um einen möglichen Siedeverzug zu verhindern! Die Glasplatten gibt man nun in das siedende Bad. Nach ca. 3 bis 5 min entnimmt man die Glasplatten der Reinigungslösung mit einer Pinzette und achtet darauf, dass die Glasplatten nicht mehr mit den Händen berührt werden. Mit destilliertem Wasser werden die Platten gespült und mit der Schichtseite nach oben auf ein Zellstofftuch gelegt. Die Überprüfung der Lage der Schichtseite erfolgt wieder mit dem Ohmmeter, wie in Schritt 1 beschrieben. Zur Beschleunigung des Trocknungsvorganges können die Glasplatten mit einem saugfähigen Zellstofftuch abgetupft werden. Jetzt sind die Glasplatten für den Orientierungsprozess vorbereitet.

Schritt 7: Orientierung der Glasoberflächen

In der Beschreibung der Funktion einer Flüssigkristallanzeige wurde schon darauf hingewiesen, dass die Flüssigkristallmoleküle an den Oberflächen in definierter Weise ausgerichtet werden müssen. Die Ausrichtung der Moleküle an der Oberfläche erreicht man durch sog. Reiborientieren. Reibt man die saubere Oberfläche der Glasplatte mit einem Zellstofftuch in einer Richtung, so legen sich die langgestreckten Flüssigkristallmoleküle an der Oberfläche mit ihrer Längsachse in genau diese Richtung. Auch beim industriellen Fertigungsprozess von Flüssigkristallanzeigen werden die Oberflächen mit Samt bespannten Walzen gerieben. Die folgende Abbildung zeigt die Geometrie der Molekülorientierung in der Zelle.

 
   
Die Glasplatten müssen so gerieben werden, dass die Moleküle an der oberen Elektrode senkrecht zu denen an der unteren Oberfläche stehen. Es wird empfohlen, die Glasplatten in Richtung der längeren Achse zu reiben, um Irrtümer beim Zusammenfügen der Zelle zu vermeiden. Nachfolgend wird nun der Vorgang des Reiborientierens ausführlich beschrieben:
Die gereinigten und inzwischen getrockneten Glasplatten werden mit der leitfähigen Schicht nach oben auf einem Zellstofftuch zwischengelagert. Man nimmt nun mit der Pinzette eine Glasplatte auf und legt sie (weiterhin mit der Schichtseite nach oben) auf eine rutschfeste Unterlage. Nun faltet man ein Zellstofftuch mehrfach zusammen, so dass ein Kissen entsteht, das noch gut zwischen Daumen, Zeigefinger und Mittelfinger mit beiden Händen zu fassen ist. Man setzt dieses Zellstoffkissen an einem Ende der Glasplatte an und zieht mit kräftigem Andruck das gefaltete Tuch mehrfach zum eigenen Körper, so dass die Glasplatte auf ihrer gesamten Fläche orientiert wird. Es ist nicht von Schaden, wenn Bereiche mehrfach in der gleichen Richtung gerieben werden, vielmehr ist dadurch eine bessere Oberflächenanbindung der Flüssigkristallmoleküle zu erwarten. Die fertige Glasplatte legt man - weiterhin mit der nun orientierenden Oberfläche nach oben - bis zur weiteren Verarbeitung auf ein ausgebreitetes Zellstofftuch.

Der Grund für die Orientierung der Moleküle an derart behandelten Oberflächen liegt vermutlich darin, dass durch den Reibprozess mikroskopisch kleine Rillen erzeugt werden, in die sich die langgestreckten Moleküle mit ihrer Längsachse hineinlegen.
   
   
Schritt 8: Zuschneiden der Abstandshalter

   
     
Die Glasscheiben sollen in der späteren Zelle mit Ihren beschichteten Seiten in einem Abstand von 10 bis 15 µm gehalten werden. Dies geschieht durch Einlegen von Abstandshaltern, die eine Dicke von ca. 12 µm haben. Empfehlenswert ist Verpackungsfolie dieser Schichtdicke, etwa das Verpackungsmaterial, mit dem Zigarettenschachteln umhüllt sind. Aus diesem Material werden zwei Streifen mit einer scharfen Schere zugeschnitten, die etwa die Abmessungen 35 mm x 2 mm haben.

Schritt 9: Zusammenfügen der Zelle


 
Gemäß der nebenstehenden Abbildung werden nun die Glasplatten und Abstandshalter übereinander gelegt. Dabei ist zu beachten, dass die mit den Elektrodenstrukturen beschichteten Seiten sich innen gegenüberstehen und die beiden Abstandshalter am Rand platziert werden.




Schritt 10: Zusammenkleben der Zelle

   
     
Mit einem schnell bindenden Zweikomponen-
tenkleber (Bedienungsanleitung beachten!) werden zwei gegenüberliegende Seiten der Zelle verklebt, indem man mit dem Kunststoff- spatel den Kleber an der Kante aufträgt. Es ist empfehlenswert, während des Abbindens des Klebers die Zelle im Bereich der Abstands-
halter auf einem festen Untergrund zusammen zu pressen, um später tatsächlich einen Ab-
stand von 10-15 µm zu erhalten. Wird der Abstand nicht eingehalten, so zeigt die Zelle später eine langsamere elektrooptische Reaktion.

Schritt 11: Füllen der Zelle

Der Flüssigkristall befindet sich in einem Metallfläschchen. Der Flüssigkristall ist mit einem Spatel zu entnehmen. Die jetzt noch an zwei Seiten offene Zelle wird durch Kapillarwirkung gefüllt. Dazu setzt man einen Tropfen des Flüssigkristalles in die noch offene Kante zwischen den Glasplatten und man wird beobachten, dass sich der Flüssigkristall selbständig in die Zelle hineinzieht, bis sie vollständig gefüllt ist. Reste des Flüssigkristalles können mit einem saugfähigen Zellstofftuch aus der Kante gewischt werden. Direkten Hautkontakt vermeiden!

   
Schritt 12: Verschließen der Zelle

 
   
   
Wie unter Punkt 10 beschrieben, werden jetzt die beiden noch offenen Kanten mit
dem Zweikomponentenkleber verschlossen.

Schritt 13: Aufkleben der Polarisatoren

Eine Flüssigkristallanzeige wird üblicherweise in Reflexion betrieben. Dazu wird auf die Rückseite der Anzeige ein Polarisator mit einem dahinter liegenden metallischen Reflektor geklebt. Die Polarisationsfolien sind selbstklebend, wenn die entsprechende Schutzschicht abgelöst wird. Auf die Vorderseite der Anzeige klebt man eine transparente selbstklebende Polarisationsfolie. Je nach Polarisationsrichtung erscheinen dann helle Zeichen auf dunklem Grund oder dunkle Zeichen auf hellem Grund, wie zu Beginn beschrieben. Übliche Darstellung ist das dunkle Zeichen auf hellem Grund. Die Folien bieten aber durchaus Variationsmöglicheiten, etwa den Bau einer transparenten Anzeige, indem zwei transparente Polarisationsfolien verwendet werden, die dann auch parallel oder senkrecht zueinander gerichtete Polarisationsrichtungen aufweisen können und damit die Hell-Dunkel-Darstellung im angesteuerten und nicht angesteuerten Zustand invertiert wird.

   
Schritt 14: Ansteuerung der selbstgebauten Flüssigkristallanzeige

Eine Flüssigkristallanzeige wird mit niederfrequenter Wechselspannung angesteuert. Zum Ausprobieren der selbstgebauten Anzeige wird eine Spannung von ca. 5V benötigt. Wenn alle Schritte der Vorschrift eingehalten wurden, liegt eine funktionsfähige Flüssigkristallanzeige vor.

   
   
 
   

Mit dem Selbstbau einer Flüssigkristallanzeige ist das Grundverständnis für die Funktionsweise auf praktische Weise für eine Ein-Punkt-Anzeige vermittelt worden. Auch ein farbiger Flachbildschirm mit mehr als einer Millionen Bildpunkten funktioniert nach diesem Grundprinzip. Die Farbe wird durch Farbfolien vor jedem Pixel erzeugt und die Ansteuerung erfolgt durch eine komplexe Elektronik, die als Dünnfilmtransistoren auf die Glasoberfläche auf der Displayinnenseite aufgebracht sind, wie die folgende Abbildungen am Beispiel eines Kameradisplays zeigt:




 
   

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