TFT LCD液晶顯示器的操作原理（一）

發(fā)布時(shí)間：2019-03-25

經(jīng)常會(huì)有人問(wèn)液晶顯示器是什么?隨著不同的應(yīng)用環(huán)境, 來(lái)解釋. 在最早的時(shí)候解釋, 就是掌上型電動(dòng)玩具上所用的顯示屏, 隨著筆記型計(jì)算機(jī)開(kāi)始普及, 就可以告訴人家說(shuō), 就是使用在筆記型計(jì)算機(jī)上的顯示器. 隨著手機(jī)的流行, 又可以告訴人家說(shuō), 是使用在手機(jī)上的顯示板. 時(shí)至今日, 液晶顯示器,另一種可以再創(chuàng)造大量營(yíng)業(yè)額的新興科技產(chǎn)品, 更由于其輕薄的特性, 因此它的應(yīng)用范圍比起原先使用陰極射線管(CRT, cathode-ray tube)所作成的顯示器更多更廣。

  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(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T(mén)hin-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旧怼?/p>

液晶(LC, liquid crystal)的分類

  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(guò)程, 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)家便稱之為液態(tài)晶體。

      這種液態(tài)晶體的首次發(fā)現(xiàn), 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(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(guó)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(kāi)始吸熱而破壞晶格, 當(dāng)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(qǐng)見(jiàn)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(lái)分, 則可以分成以下四類:

1.層狀液晶(Sematic) : 

     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(lái)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(lái)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(lái)說(shuō), 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(lái)命名, 這是依照發(fā)現(xiàn)的先后順序來(lái)稱呼, 依此類推, 應(yīng)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(jié)構(gòu)就是B phase. 也就是說(shuō)Chiral sematic C phase就是Sematic B phase. 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)。

2.線狀液晶(Nematic) : 

     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(lái)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(wú)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(lái)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(lái)源,是因?yàn)樗鼈兇蟛糠菔怯赡懝檀嫉难苌锼傻? 但有些沒(méi)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(kāi)來(lái)看, 會(huì)很像線狀液晶. 但是在Z軸方向來(lái)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。

4.碟狀液晶(disk) : 

    也稱為柱狀液晶, 以一個(gè)個(gè)的液晶來(lái)說(shuō), 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(lái)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(lái)說(shuō) 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(guò)的分類來(lái)說(shuō), 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(guò)當(dāng)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(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)。

液晶的光電特性

    由于液晶分子的結(jié)構(gòu)為異方性 (Anisotropic)，所以所引起的光電效應(yīng)就會(huì)因?yàn)榉较虿煌兴町?，?jiǎn)單的說(shuō)也就是液晶分子在介電系數(shù)及折射系數(shù)等等光電特性都具有異方性，因而我們可以利用這些性質(zhì)來(lái)改變?nèi)肷涔獾膹?qiáng)度, 以便形成灰階, 來(lái)應(yīng)用于顯示器組件上. 以下我們要討論的, 是液晶屬于光學(xué)跟電學(xué)相關(guān)的特性, 大約有以下幾項(xiàng):

1.介電系數(shù)ε(dielectric permittivity) : 

     我們可以將介電系數(shù)分開(kāi)成兩個(gè)方向的分量, 分別是ε/ (與指向矢平行的分量)與ε⊥(與指向矢垂直的分量). 當(dāng)ε/ >ε⊥ 便稱之為介電系數(shù)異方性為正型的液晶, 可以用在平行配位. 而ε/ <ε⊥ 則稱之為介電系數(shù)異方性為負(fù)型的液晶, 只可用在垂直配位才能有所需要的光電效應(yīng). 當(dāng)有外加電場(chǎng)時(shí)，液晶分子會(huì)因介電系數(shù)異方性為正或是負(fù)值，來(lái)決定液晶分子的轉(zhuǎn)向是平行或是垂直于電場(chǎng), 來(lái)決定光的穿透與否。現(xiàn)在TFT LCD上常用的TN型液晶大多是屬于介電系數(shù)正型的液晶. 當(dāng)介電系數(shù)異方性Δε(=ε/-ε⊥)越大的時(shí)候, 則液晶的臨界電壓(threshold voltage)就會(huì)越小. 這樣一來(lái)液晶便可以在較低的電壓操作。

2.折射系數(shù)(refractive index) : 

       由于液晶分子大多由棒狀或是碟狀分子所形成，因此跟分子長(zhǎng)軸平行或垂直方向上的物理特性會(huì)有一些差異，所以液晶分子也被稱做是異方性晶體。與介電系數(shù)一樣, 折射系數(shù)也依照跟指向矢垂直與平行的方向, 分成兩個(gè)方向的向量. 分別為n / 與n⊥。

       此外對(duì)單光軸(uniaxial)的晶體來(lái)說(shuō), 原本就有兩個(gè)不同折射系數(shù)的定義. 一個(gè)為no ,它是指對(duì)于ordinary ray的折射系數(shù), 所以才簡(jiǎn)寫(xiě)成no .而ordinary ray是指其光波的電場(chǎng)分量是垂直于光軸的稱之. 另一個(gè)則是ne ,它是指對(duì)于extraordinary ray的折射系數(shù), 而extraordinary ray是指其光波的電場(chǎng)分量是平行于光軸的. 同時(shí)也定義了雙折射率(birefrigence)Δn = ne-no為上述的兩個(gè)折射率的差值。

       依照上面所述, 對(duì)層狀液晶、線狀液晶及膽固醇液晶而言，由于其液晶分子的長(zhǎng)的像棒狀, 所以其指向矢的方向與分子長(zhǎng)軸平行. 再參照單光軸晶體的折射系數(shù)定義, 它會(huì)有兩個(gè)折射率，分別為垂直于液晶長(zhǎng)軸方向n⊥(=ne)及平行液晶長(zhǎng)軸方向n /(= no)兩種，所以當(dāng)光入射液晶時(shí)，便會(huì)受到兩個(gè)折射率的影響，造成在垂直液晶長(zhǎng)軸與平行液晶長(zhǎng)軸方向上的光速會(huì)有所不同。

   若光的行進(jìn)方向與分子長(zhǎng)軸平行時(shí)的速度, 小于垂直于分子長(zhǎng)軸方向的速度時(shí)，這意味著平行分子長(zhǎng)軸方向的折射率大于垂直方向的折射率(因?yàn)檎凵渎逝c光速成反比)，也就是ne-no > 0 .所以雙折射率Δn > 0 ,我們把它稱做是光學(xué)正型的液晶, 而層狀液晶與線狀液晶幾乎都是屬于光學(xué)正型的液晶. 倘使光的行進(jìn)方向平行于長(zhǎng)軸時(shí)的速度較快的話，代表平行長(zhǎng)軸方向的折射率小于垂直方向的折射率,所以雙折射率Δn < 0.我們稱它做是光學(xué)負(fù)型的液晶. 而膽固醇液晶多為光學(xué)負(fù)型的液晶。

3.其它特性 : 

     對(duì)于液晶的光電特性來(lái)說(shuō), 除了上述的兩個(gè)重要特性之外, 還有許多不同的特性. 比如說(shuō)像彈性常數(shù)(elastic constant :κ11 , κ22 , κ33 ), 它包含了三個(gè)主要的常數(shù), 分別是, κ11 指的是斜展(splay)的彈性常數(shù), κ22 指的是扭曲(twist)的彈性常數(shù), κ33 指的是彎曲(bend)的彈性常數(shù). 另外像黏性系數(shù)(viscosity coefficients ,η ), 則會(huì)影響液晶分子的轉(zhuǎn)動(dòng)速度與反應(yīng)時(shí)間(response time), 其值越小越好. 但是此特性受溫度的影響最大. 另外還有磁化率(magnetic susceptibility), 也因?yàn)橐壕У漠惙叫躁P(guān)系, 分成c / 與c⊥ .而磁化率異方性則定義成Δc = c / -c⊥ . 此外還有電導(dǎo)系數(shù)(conductivity)等等光電特性。

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