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的顯示器. 而今日對液晶顯示器這個名稱, 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. 其英文名稱為Thin-film transistor liquid crystal display, 簡稱之TFT-LCD. 從它的英文名稱中我們可以知道, 這一種顯示器它的構成主要有兩個特征, 一個是薄膜晶體管, 另一個就是液晶本身. 我們先談談液晶本身.
液晶(LC, liquid crystal)的分類
我們一般都認為物質像水一樣都有三態, 分別是固態液態跟氣態. 其實物質的三態是針對水而言, 對于不同的物質, 可能有其它不同的狀態存在. 以我們要談到的液晶態而言, 它是介于固體跟液體之間的一種狀態, 其實這種狀態僅是材料的一種相變化的過程(請見圖1), 只要材料具有上述的過程, 即在固態及液態間有此一狀態存在, 物理學家便稱之為液態晶體.
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這種液態晶體的首次發現, 距今已經度過一百多個年頭了. 在公元1888年, 被奧地利的植物學家Friedrich Reinitzer所發現, 其在觀察從植物中分離精制出的安息香酸膽固醇(cholesteryl benzoate) 的融解行為時發現, 此化合物加熱至145.5度℃時, 固體會熔化,呈現一種介于固相和液相間之半熔融流動白濁狀液體. 這種狀況會一直維持溫度升高到178.5度℃, 才形成清澈的等方性液態(isotropic liquid). 隔年, 在1889年, 研究相轉移及熱力學平衡的德國物理學家O.Lehmann, 對此化合物作更詳細的分析. 他在偏光顯微鏡下發現, 此黏稠之半流動性白濁液體化合物,具有異方性結晶所特有的雙折射率(birefringence)之光學性質, 即光學異相性(optical anisotropic). 故將這種似晶體的液體命名為液晶. 此后, 科學家將此一新發現的性質, 稱為物質的第四態-液晶(liquid crystal). 它在某一特定溫度的范圍內, 會具有同時液體及固體的特性.
一般以水而言, 固體中的晶格因為加熱, 開始吸熱而破壞晶格, 當溫度超過熔點時便會溶解變成液體. 而熱致型液晶則不一樣(請見圖2), 當其固態受熱后, 并不會直接變成液態, 會先溶解形成液晶態. 當您持續加熱時, 才會再溶解成液態(等方性液態). 這就是所謂二次溶解的現象. 而液晶態顧名思義, 它會有固態的晶格, 及液態的流動性. 當液態晶體剛發現時, 因為種類很多, 所以不同研究領域的人對液晶會有不同的分類方法. 在1922年由G. Friedel利用偏光顯微鏡所觀察到的結果, 將液晶大致分為Nematic Smectic及Cholesteric三類. 但是如果是依分子排列的有序性來分(請見圖3), 則可以分成以下四類:
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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軸方向相互平行. 且此長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因為溫度而斷裂 ,所以層與層間較易滑動. 但是每一層內的分子鍵結較強, 所以不易被打斷. 因此就單層來看, 其排列不僅有序且黏性較大. 如果我們利用巨觀的現象來描述液晶的物理特性的話, 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. 而以層狀液晶來說, 由于其液晶分子會形成層狀的結構, 因此又可就其指向矢的不同再分類出不同的層狀液晶. 當其液晶分子的長軸都是垂直站立的話, 就稱之為"Sematic A phase". 如果液晶分子的長軸站立方向有某種的傾斜(tilt)角度,就稱之為"Sematic C phase". 以A,C等字母來命名, 這是依照發現的先后順序來稱呼, 依此類推, 應該會存在有一個"Sematic B phase"才是. 不過后來發覺B phase其實是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Chiral sematic C phase就是Sematic B phase(請見圖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形成像螺旋的結構.
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Nematic這個字是希臘字, 代表的意思與英文的thread是一樣的. 主要是因為用肉眼觀察這種液晶時, 看起來會有像絲線一般的圖樣. 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軸會選擇某一特定方向(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(它的流動性主要來自對于分子長軸方向較易自由運動)。線狀液晶就是現在的TFT液晶顯示器常用的TN(Twisted nematic)型液晶.
3.膽固醇液晶(cholesteric) :
這個名字的來源,是因為它們大部份是由膽固醇的衍生物所生成的. 但有些沒有膽固醇結構的液晶也會具有此液晶相. 這種液晶如圖5所示, 如果把它的一層一層分開來看, 會很像線狀液晶. 但是在Z軸方向來看, 會發現它的指向矢會隨著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為pitch. 正因為它每一層跟線狀液晶很像,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, 就會有不同的光學或是電學的差異, 也因此造就了不同的特性.
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也稱為柱狀液晶, 以一個個的液晶來說, 它是長的像碟狀(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分的話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. 就此種分類來說 TFT液晶顯示器是屬于低分子液晶的應用. 倘若就液晶態的形成原因, 則可以分成因為溫度形成液晶態的熱致型液晶(thermotropic),與因為濃度而形成液晶態的溶致型液晶(lyotropic). 以之前所提過的分類來說, 層狀液晶與線狀液晶一般多為熱致型的液晶, 是隨著溫度變化而形成液晶態. 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, 分子便雜亂的分布于溶劑中而形成等方性的溶液, 不過當濃度升高大于某一臨界濃度時, 由于分子已沒有足夠的空間來形成雜亂的分布, 部份分子開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生就是液晶分子在適當溶劑中 達到某一臨界濃度時,便會形成液晶態. 溶致型的液晶有一個最好的例子,就是肥皂. 當肥皂泡在水中并不會立刻便成液態, 而其在水中泡久了之后, 所形成的乳白狀物質, 就是它的液晶態.
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