TFT-LCD液晶顯示器的工作原理
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如同我前面所提到的, 液晶顯示器泛指一大堆利用液晶所制作出來(lái)的顯示器. 而今日對液晶顯示器這個(gè)名稱(chēng), 大多是指使用于筆記型計算機, 或是桌上型計算機應用方面的顯示器. 也就是薄膜晶體管液晶顯示器. 其英文名稱(chēng)為T(mén)hin-film transistor liquid crystal display, 簡(jiǎn)稱(chēng)之TFT-LCD. 從它的英文名稱(chēng)中我們可以知道, 這一種顯示器它的構成主要有兩個(gè)特征, 一個(gè)是薄膜晶體管, 另一個(gè)就是液晶本身. 我們先談?wù)勔壕П旧?
液晶(LC, liquid crystal)的分類(lèi)
我們一般都認為物質(zhì)像水一樣都有三態(tài), 分別是固態(tài)液態(tài)跟氣態(tài). 其實(shí)物質(zhì)的三態(tài)是針對水而言, 對于不同的物質(zhì), 可能有其它不同的狀態(tài)存在. 以我們要談到的液晶態(tài)而言, 它是介于固體跟液體之間的一種狀態(tài), 其實(shí)這種狀態(tài)僅是材料的一種相變化的過(guò)程(請見(jiàn)圖1), 只要材料具有上述的過(guò)程, 即在固態(tài)及液態(tài)間有此一狀態(tài)存在, 物理學(xué)家便稱(chēng)之為液態(tài)晶體.
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這種液態(tài)晶體的首次發(fā)現, 距今已經(jīng)度過(guò)一百多個(gè)年頭了. 在公元1888年, 被奧地利的植物學(xué)家Friedrich Reinitzer所發(fā)現, 其在觀(guān)察從植物中分離精制出的安息香酸膽固醇(cholesteryl benzoate) 的融解行為時(shí)發(fā)現, 此化合物加熱至145.5度℃時(shí), 固體會(huì )熔化,呈現一種介于固相和液相間之半熔融流動(dòng)白濁狀液體. 這種狀況會(huì )一直維持溫度升高到178.5度℃, 才形成清澈的等方性液態(tài)(isotropic liquid). 隔年, 在1889年, 研究相轉移及熱力學(xué)平衡的德國物理學(xué)家O.Lehmann, 對此化合物作更詳細的分析. 他在偏光顯微鏡下發(fā)現, 此黏稠之半流動(dòng)性白濁液體化合物,具有異方性結晶所特有的雙折射率(birefringence)之光學(xué)性質(zhì), 即光學(xué)異相性(optical anisotropic). 故將這種似晶體的液體命名為液晶. 此后, 科學(xué)家將此一新發(fā)現的性質(zhì), 稱(chēng)為物質(zhì)的第四態(tài)-液晶(liquid crystal). 它在某一特定溫度的范圍內, 會(huì )具有同時(shí)液體及固體的特性.
一般以水而言, 固體中的晶格因為加熱, 開(kāi)始吸熱而破壞晶格, 當溫度超過(guò)熔點(diǎn)時(shí)便會(huì )溶解變成液體. 而熱致型液晶則不一樣(請見(jiàn)圖2), 當其固態(tài)受熱后, 并不會(huì )直接變成液態(tài), 會(huì )先溶解形成液晶態(tài). 當您持續加熱時(shí), 才會(huì )再溶解成液態(tài)(等方性液態(tài)). 這就是所謂二次溶解的現象. 而液晶態(tài)顧名思義, 它會(huì )有固態(tài)的晶格, 及液態(tài)的流動(dòng)性. 當液態(tài)晶體剛發(fā)現時(shí), 因為種類(lèi)很多, 所以不同研究領(lǐng)域的人對液晶會(huì )有不同的分類(lèi)方法. 在1922年由G. Friedel利用偏光顯微鏡所觀(guān)察到的結果, 將液晶大致分為Nematic Smectic及Cholesteric三類(lèi). 但是如果是依分子排列的有序性來(lái)分(請見(jiàn)圖3), 則可以分成以下四類(lèi):
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其結構是由液晶棒狀分子聚集一起, 形成一層一層的結構. 其每一層的分子的長(cháng)軸方向相互平行. 且此長(cháng)軸的方向對于每一層平面是垂直或有一傾斜角. 由于其結構非常近似于晶體, 所以又稱(chēng)做近晶相. 其秩序參數S(order parameter)趨近于1. 在層狀型液晶層與層間的鍵結會(huì )因為溫度而斷裂 ,所以層與層間較易滑動(dòng). 但是每一層內的分子鍵結較強, 所以不易被打斷. 因此就單層來(lái)看, 其排列不僅有序且黏性較大. 如果我們利用巨觀(guān)的現象來(lái)描述液晶的物理特性的話(huà), 我們可以把一群區域性液晶分子的平均指向定為指向矢(director), 這就是這一群區域性的液晶分子平均方向. 而以層狀液晶來(lái)說(shuō), 由于其液晶分子會(huì )形成層狀的結構, 因此又可就其指向矢的不同再分類(lèi)出不同的層狀液晶. 當其液晶分子的長(cháng)軸都是垂直站立的話(huà), 就稱(chēng)之為"Sematic A phase". 如果液晶分子的長(cháng)軸站立方向有某種的傾斜(tilt)角度,就稱(chēng)之為"Sematic C phase". 以A,C等字母來(lái)命名, 這是依照發(fā)現的先后順序來(lái)稱(chēng)呼, 依此類(lèi)推, 應該會(huì )存在有一個(gè)"Sematic B phase"才是. 不過(guò)后來(lái)發(fā)覺(jué)B phase其實(shí)是C phase的一種變形而已, 原因是C phase如果帶chiral的結構就是B phase. 也就是說(shuō)Chiral sematic C phase就是Sematic B phase(請見(jiàn)圖4). 而其結構中的一層一層液晶分子, 除了每一層的液晶分子都具有傾斜角度之外, 一層一層之間的傾斜角度還會(huì )形成像螺旋的結構.
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Nematic這個(gè)字是希臘字, 代表的意思與英文的thread是一樣的. 主要是因為用肉眼觀(guān)察這種液晶時(shí), 看起來(lái)會(huì )有像絲線(xiàn)一般的圖樣. 這種液晶分子在空間上具有一維的規則性排列, 所有棒狀液晶分子長(cháng)軸會(huì )選擇某一特定方向(也就是指向矢)作為主軸并相互平行排列. 而且不像層狀液晶一樣具有分層結構. 與層列型液晶比較其排列比較無(wú)秩序, 也就是其秩序參數S較層狀型液晶較小. 另外其黏度較小, 所以較易流動(dòng)(它的流動(dòng)性主要來(lái)自對于分子長(cháng)軸方向較易自由運動(dòng))。線(xiàn)狀液晶就是現在的TFT液晶顯示器常用的TN(Twisted nematic)型液晶.
3.膽固醇液晶(cholesteric) :
這個(gè)名字的來(lái)源,是因為它們大部份是由膽固醇的衍生物所生成的. 但有些沒(méi)有膽固醇結構的液晶也會(huì )具有此液晶相. 這種液晶如圖5所示, 如果把它的一層一層分開(kāi)來(lái)看, 會(huì )很像線(xiàn)狀液晶. 但是在Z軸方向來(lái)看, 會(huì )發(fā)現它的指向矢會(huì )隨著(zhù)一層一層的不同而像螺旋狀一樣分布, 而當其指向矢旋轉360度所需的分子層厚度就稱(chēng)為pitch. 正因為它每一層跟線(xiàn)狀液晶很像,所以也叫做Chiral nematic phase. 以膽固醇液晶而言, 與指向矢的垂直方向分布的液晶分子, 由于其指向矢的不同, 就會(huì )有不同的光學(xué)或是電學(xué)的差異, 也因此造就了不同的特性.
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也稱(chēng)為柱狀液晶, 以一個(gè)個(gè)的液晶來(lái)說(shuō), 它是長(cháng)的像碟狀(disk), 但是其排列就像是柱狀(discoid).
如果我們是依分子量的高低來(lái)分的話(huà)則可以分成高分子液晶(polymer liquid crystal, 聚合許多液晶分子而成)與低分子液晶兩種. 就此種分類(lèi)來(lái)說(shuō) TFT液晶顯示器是屬于低分子液晶的應用. 倘若就液晶態(tài)的形成原因, 則可以分成因為溫度形成液晶態(tài)的熱致型液晶(thermotropic),與因為濃度而形成液晶態(tài)的溶致型液晶(lyotropic). 以之前所提過(guò)的分類(lèi)來(lái)說(shuō), 層狀液晶與線(xiàn)狀液晶一般多為熱致型的液晶, 是隨著(zhù)溫度變化而形成液晶態(tài). 而對于溶致型的液晶, 需要考慮分子溶于溶劑中的情形. 當濃度很低時(shí), 分子便雜亂的分布于溶劑中而形成等方性的溶液, 不過(guò)當濃度升高大于某一臨界濃度時(shí), 由于分子已沒(méi)有足夠的空間來(lái)形成雜亂的分布, 部份分子開(kāi)始聚集形成較規則的排列, 以減少空間的阻礙. 因此形成異方性(anisotropic)之溶液. 所以溶致型液晶的產(chǎn)生就是液晶分子在適當溶劑中 達到某一臨界濃度時(shí),便會(huì )形成液晶態(tài). 溶致型的液晶有一個(gè)最好的例子,就是肥皂. 當肥皂泡在水中并不會(huì )立刻便成液態(tài), 而其在水中泡久了之后, 所形成的乳白狀物質(zhì), 就是它的液晶態(tài).
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