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(duì)液晶顯示器這個(gè)名稱, 大多是指使用于筆記型計(jì)算機(jī), 或是桌上型計(jì)算機(jī)應(yīng)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(jiǎn)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(gòu)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
我們一般都認(rèn)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(duì)水而言, 對(duì)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程(請(qǐng)見圖1), 只要材料具有上述的過程, 即在固態(tài)及液態(tài)間有此一狀態(tài)存在, 物理學(xué)家便稱之為液態(tài)晶體.
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這種液態(tài)晶體的首次發(fā)現(xiàn), 距今已經(jīng)度過一百多個(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(xiàn), 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(shí)發(fā)現(xiàn), 此化合物加熱至145.5度℃時(shí), 固體會(huì)熔化,呈現(xiàn)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(zhuǎn)移及熱力學(xué)平衡的德國物理學(xué)家O.Lehmann, 對(duì)此化合物作更詳細(xì)的分析. 他在偏光顯微鏡下發(fā)現(xiàn), 此黏稠之半流動(dòng)性白濁液體化合物,具有異方性結(jié)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(xiàn)的性質(zhì), 稱為物質(zhì)的第四態(tài)-液晶(liquid crystal). 它在某一特定溫度的范圍內(nèi), 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?yàn)榧訜? 開始吸熱而破壞晶格, 當(dāng)溫度超過熔點(diǎn)時(shí)便會(huì)溶解變成液體. 而熱致型液晶則不一樣(請(qǐng)見圖2), 當(dāng)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(dāng)您持續(xù)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(xiàn)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(dāng)液態(tài)晶體剛發(fā)現(xiàn)時(shí), 因?yàn)榉N類很多, 所以不同研究領(lǐng)域的人對(duì)液晶會(huì)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(jié)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(qǐng)見圖3), 則可以分成以下四類:
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其結(jié)構(gòu)是由液晶棒狀分子聚集一起, 形成一層一層的結(jié)構(gòu). 其每一層的分子的長(zhǎng)軸方向相互平行. 且此長(zhǎng)軸的方向?qū)τ诿恳粚悠矫媸谴怪被蛴幸粌A斜角. 由于其結(jié)構(gòu)非常近似于晶體, 所以又稱做近晶相. 其秩序參數(shù)S(order parameter)趨近于1. 在層狀型液晶層與層間的鍵結(jié)會(huì)因?yàn)闇囟榷鴶嗔?,所以層與層間較易滑動(dòng). 但是每一層內(nèi)的分子鍵結(jié)較強(qiáng), 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(xiàn)象來描述液晶的物理特性的話, 我們可以把一群區(qū)域性液晶分子的平均指向定為指向矢(director), 這就是這一群區(qū)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(huì)形成層狀的結(jié)構(gòu), 因此又可就其指向矢的不同再分類出不同的層狀液晶. 當(dāng)其液晶分子的長(zhǎng)軸都是垂直站立的話, 就稱之為"Sematic A phase". 如果液晶分子的長(zhǎng)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(fā)現(xiàn)的先后順序來稱呼, 依此類推, 應(yīng)該會(huì)存在有一個(gè)"Sematic B phase"才是. 不過后來發(fā)覺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(jié)構(gòu)就是B phase. 也就是說Chiral sematic C phase就是Sematic B phase(請(qǐng)見圖4). 而其結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu).
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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?yàn)橛萌庋塾^察這種液晶時(shí), 看起來會(huì)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(guī)則性排列, 所有棒狀液晶分子長(zhǎng)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(jié)構(gòu). 與層列型液晶比較其排列比較無秩序, 也就是其秩序參數(shù)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)性主要來自對(duì)于分子長(zhǎng)軸方向較易自由運(yùn)動(dòng))。線狀液晶就是現(xiàn)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)名字的來源,是因?yàn)樗鼈兇蟛糠菔怯赡懝檀嫉难苌锼傻? 但有些沒有膽固醇結(jié)構(gòu)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來看, 會(huì)很像線狀液晶. 但是在Z軸方向來看, 會(huì)發(fā)現(xiàn)它的指向矢會(huì)隨著一層一層的不同而像螺旋狀一樣分布, 而當(dāng)其指向矢旋轉(zhuǎn)360度所需的分子層厚度就稱為pitch. 正因?yàn)樗恳粚痈€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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也稱為柱狀液晶, 以一個(gè)個(gè)的液晶來說, 它是長(zhǎng)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(yīng)用. 倘若就液晶態(tài)的形成原因, 則可以分成因?yàn)闇囟刃纬梢壕B(tài)的熱致型液晶(thermotropic),與因?yàn)闈舛榷纬梢壕B(tài)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(tài). 而對(duì)于溶致型的液晶, 需要考慮分子溶于溶劑中的情形. 當(dāng)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, 不過當(dāng)濃度升高大于某一臨界濃度時(shí), 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(guī)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(dāng)溶劑中 達(dá)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(dāng)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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