TFT-LCD液晶显示器的工作原理

1TFT-LCD液晶显示器的工作原理液晶(LC,liquidcrystal)的分类我们一般都认爲物质像水一样都有三态,分别是固态液态跟气态.其实物质的三态是针对水而言,对於不同的物质,可能有其他不同的状态存在.以我们要谈到的液晶态而言,它是介於固体跟液体之间的一种状态,其实这种状态仅是材料的一种相变化的过程(请见图1),只要材料具有上述的过程,即在固态及液态间有此一状态存在,物理学家便称之爲液态晶体.这种液态晶体的首次发现,距今已经度过一百多个年头了.在西元1888年,被奥地利的植物学家FriedrichReinitzer所发现,其在观察从植物中分离精制出的安息香酸胆固醇(cholesterylbenzoate)的融解行爲时发现,此化合物加热至145.5度℃时,固体会熔化,呈现一种介於固相和液相间之半熔融流动白浊状液体.这种状况会一直维持温度升高到178.5度℃,才形成清澈的等方性液态(isotropicliquid).隔年,在1889年,研究相转移及热力学平衡的德国物理学家O.Lehmann,对此化合物作更详细的分析.他在偏光显微镜下发现,此黏稠之半流动性白浊液体化合物,具有异方性结晶所特有的双折射率(birefringence)之光学性质,即光学异相性(opticalanisotropic).故将这种似晶体的液体命名爲液晶.此後,科学家将此一新发现的性质,称爲物质的第四态-液晶(liquidcrystal).它在某一特定温度的范围内,会具有同时液体及固体的特性.一般以水而言,固体中的晶格因爲加热,开始吸热而破坏晶格,当温度超过熔点时便会溶解变成液体.而热致型液晶则不一样(请见图2),当其固态受热後,并不会直接变成液态,会先溶解形成液晶态.当您持续加热2时,才会再溶解成液态(等方性液态).这就是所谓二次溶解的现象.而液晶态顾名思义,它会有固态的晶格,及液态的流动性.当液态晶体刚发现时,因爲种类很多,所以不同研究领域的人对液晶会有不同的分类方法.在1922年由G.Friedel利用偏光显微镜所观察到的结果,将液晶大致分爲NematicSmectic及Cholesteric三类.但是如果是依分子排列的有序性来分(请见图3),则可以分成以下四类:1.层状液晶(Sematic):3其结构是由液晶棒状分子聚集一起,形成一层一层的结构.其每一层的分子的长轴方向相互平行.且此长轴的方向对於每一层平面是垂直或有一倾斜角.由於其结构非常近似於晶体,所以又称做近晶相.其秩序参数S(orderparameter)趋近於1.在层状型液晶层与层间的键结会因爲温度而断裂,所以层与层间较易滑动.但是每一层内的分子键结较强,所以不易被打断.因此就单层来看,其排列不仅有序且黏性较大.如果我们利用巨观的现象来描述液晶的物理特性的话,我们可以把一群区域性液晶分子的平均指向定爲指向矢(director),这就是这一群区域性的液晶分子平均方向.而以层状液晶来说,由於其液晶分子会形成层状的结构,因此又可就其指向矢的不同再分类出不同的层状液晶.当其液晶分子的长轴都是垂直站立的话,就称之爲SematicAphase.如果液晶分子的长轴站立方向有某种的倾斜(tilt)角度,就称之爲SematicCphase.以A,C等字母来命名,这是依照发现的先後顺序来称呼,依此类推,应该会存在有一个SematicBphase才是.不过後来发觉Bphase其实是Cphase的一种变形而已,原因是Cphase如果带chiral的结构就是Bphase.也就是说ChiralsematicCphase就是SematicBphase(请见图4).而其结构中的一层一层液晶分子,除了每一层的液晶分子都具有倾斜角度之外,一层一层之间的倾斜角度还会形成像螺旋的结构.2.线状液晶(Nematic):Nematic这个字是希腊字,代表的意思与英文的thread是一样的.主要是因爲用肉眼观察这种液晶时,看起来会有像丝线一般的图样.这种液晶分子在空间上具有一维的规则性排列,所有棒状液晶分子长轴会选择某一特定方向(也就是指向矢)作爲主轴并相互平行排列.而且不像层状液晶一样具有分层结构.与层列型液晶比较其排列比较无秩序,也就是其秩序参数S较层状型液晶较小.另外其黏度较小,所以较易流动(它的4流动性主要来自对於分子长轴方向较易自由运动)。线状液晶就是现在的TFT液晶显示器常用的TN(Twistednematic)型液晶.3.胆固醇液晶(cholesteric):这个名字的来源,是因爲它们大部份是由胆固醇的衍生物所生成的.但有些没有胆固醇结构的液晶也会具有此液晶相.这种液晶如图5所示,如果把它的一层一层分开来看,会很像线状液晶.但是在Z轴方向来看,会发现它的指向矢会随著一层一层的不同而像螺旋状一样分布,而当其指向矢旋转360度所需的分子层厚度就称爲pitch.正因爲它每一层跟线状液晶很像,所以也叫做Chiralnematicphase.以胆固醇液晶而言,与指向矢的垂直方向分布的液晶分子,由於其指向矢的不同,就会有不同的光学或是电学的差异,也因此造就了不同的特性.54.碟状液晶(disk):也称爲柱状液晶,以一个个的液晶来说,它是长的像碟状(disk),但是其排列就像是柱状(discoid).如果我们是依分子量的高低来分的话则可以分成高分子液晶(polymerliquidcrystal,聚合许多液晶分子而成)与低分子液晶两种.就此种分类来说TFT液晶显示器是属於低分子液晶的应用.倘若就液晶态的形成原因,则可以分成因爲温度形成液晶态的热致型液晶(thermotropic),与因爲浓度而形成液晶态的溶致型液晶(lyotropic).以之前所提过的分类来说,层状液晶与线状液晶一般多爲热致型的液晶,是随著温度变化而形成液晶态.而对於溶致型的液晶,需要考虑分子溶于溶剂中的情形.当浓度很低时,分子便杂乱的分布於溶剂中而形成等方性的溶液,不过当浓度升高大於某一临界浓度时,由於分子已没有足够的空间来形成杂乱的分布,部份分子开始聚集形成较规则的排列,以减少空间的阻碍.因此形成异方性(anisotropic)之溶液.所以溶致型液晶的産生就是液晶分子在适当溶剂中达到某一临界浓度时,便会形成液晶态.溶致型的液晶有一个最好的例子,就是肥皂.当肥皂泡在水中并不会立刻便成液态,而其在水中泡久了之後,所形成的乳白状物质,就是它的液晶态.液晶的光电特性由於液晶分子的结构爲异方性(Anisotropic)，所以所引起的光电效应就会因爲方向不同而有所差异，简6单的说也就是液晶分子在介电系数及折射系数等等光电特性都具有异方性，因而我们可以利用这些性质来改变入射光的强度,以便形成灰阶,来应用於显示器元件上.以下我们要讨论的,是液晶属於光学跟电学相关的特性,大约有以下几项:1.介电系数ε(dielectricpermittivity):我们可以将介电系数分开成两个方向的分量,分别是ε//(与指向矢平行的分量)与ε⊥(与指向矢垂直的分量).当ε//ε⊥便称之爲介电系数异方性爲正型的液晶,可以用在平行配位.而ε//ε⊥则称之爲介电系数异方性爲负型的液晶,只可用在垂直配位元才能有所需要的光电效应.当有外加电场时，液晶分子会因介电系数异方性爲正或是负值，来决定液晶分子的转向是平行或是垂直於电场,来决定光的穿透与否。现在TFTLCD上常用的TN型液晶大多是属於介电系数正型的液晶.当介电系数异方性Δε(=ε//-ε⊥)越大的时候,则液晶的临界电压(thresholdvoltage)就会越小.这样一来液晶便可以在较低的电压操作.2.折射系数(refractiveindex):由於液晶分子大多由棒状或是碟状分子所形成，因此跟分子长轴平行或垂直方向上的物理特性会有一些差异，所以液晶分子也被称做是异方性晶体。与介电系数一样,折射系数也依照跟指向矢垂直与平行的方向,分成两个方向的向量.分别爲n//与n⊥.此外对单光轴(uniaxial)的晶体来说,原本就有两个不同折射系数的定义.一个爲no,它是指对於ordinaryray的折射系数,所以才简写成no.而ordinaryray是指其光波的电场分量是垂直於光轴的称之.另一个则是ne,它是指对於extraordinaryray的折射系数,而extraordinaryray是指其光波的电场分量是平行於光轴的.同时也定义了双折射率(birefrigence)Δn=ne-no爲上述的两个折射率的差值.依照上面所述,对层状液晶、线状液晶及胆固醇液晶而言，由於其液晶分子的长的像棒状,所以其指向矢的方向与分子长轴平行.再参照单光轴晶体的折射系数定义,它会有两个折射率，分别爲垂直於液晶长轴方向n⊥(=ne)及平行液晶长轴方向n//(=no)两种，所以当光入射液晶时，便会受到两个折射率的影响，造成在垂直液晶长轴与平行液晶长轴方向上的光速会有所不同。若光的行进方向与分子长轴平行时的速度,小於垂直于分子长轴方向的速度时，这意味著平行分子长轴7方向的折射率大於垂直方向的折射率(因爲折射率与光速成反比)，也就是ne-no0.所以双折射率Δn0,我们把它称做是光学正型的液晶,而层状液晶与线状液晶几乎都是属於光学正型的液晶.倘使光的行进方向平行于长轴时的速度较快的话，代表平行长轴方向的折射率小於垂直方向的折射率,所以双折射率Δn0.我们称它做是光学负型的液晶.而胆固醇液晶多爲光学负型的液晶.3.其他特性:对於液晶的光电特性来说,除了上述的两个重要特性之外,还有许多不同的特性.比如说像弹性常数(elasticconstant:κ11,κ22,κ33),它包含了三个主要的常数,分别是,κ11指的是斜展(splay)的弹性常数,κ22指的是扭曲(twist)的弹性常数,κ33指的是弯曲(bend)的弹性常数.另外像黏性系数(viscositycoefficients,η),则会影响液晶分子的转动速度与反应时间(responsetime),其值越小越好.但是此特性受温度的影响最大.另外还有磁化率(magneticsusceptibility),也因爲液晶的异方性关系,分成c//与c⊥.而磁化率异方性则定义成Δc=c//-c⊥.此外还有电导系数(conductivity)等等光电特性.液晶特性中最重要的就是液晶的介电系数与折射系数.介电系数是液晶受电场的影响决定液晶分子转向的特性,而折射系数则是光线穿透液晶时影响光线行进路线的重要参数.而液晶显示器就是利用液晶本身的这些特性,适当的利用电压,来控制液晶分子的转动,进而影响光线的行进方向,来形成不同的灰阶,作爲显示影像的工具.当然啦,单靠液晶本身是无法当作显示器的,还需要其他的材料来帮忙,以下我们要来介绍有关液晶显示器的各项材料组成与其操作原理.偏光板(polarizer)(polarizer)(polarizer)(polarizer)我记得在高中时的物理课,当教到跟光有关的物理特性时,做了好多的物理实验,目的是爲了要证明光也是一种波动.而光波的行进方向,是与电场及磁场互相垂直的.同时光波本身的电场与磁场分量,彼此也是互相垂直的.也就是说行进方向与电场及磁场分量,彼此是两两互相平行的.(请见图7)而偏光板的作用就像是栅栏一般,会阻隔掉与栅栏垂直的分量,只准许与栅栏平行的分量通过.所以如果我们拿起一片偏光板对著光源看,会感觉像是戴了太阳眼镜一般,光线变得较暗.但是如果把两片偏光板叠在一起,那就不一样了.当您旋转两片的偏光板的相对角度,会发现随著相对角度的不同,光线的亮度会越来越暗.当两片偏光板的栅栏角度互相垂直时,光线就完全无法通过了.(请见图8)而液晶显示器就是利用这个特性来完成的.利用上下两片栅栏互相垂直的偏光板之间,充满液晶,再利用电场控制液晶转动,来改变光的行进方向,如此一来,8不同的电场大小,就会形成不同灰阶亮度了.(请见图9)这上下两层玻璃主要是来夹住液晶用的.在下面的那层玻璃长有薄膜电晶体(Thinfilmtransistor,TFT),而上面的那层玻璃则贴有彩色滤光片(Colorfilter