TFT LCD液晶顯示器的工作原理

1865596 2008-10-29 | rar | 1555 | 次下載 | 10積分

資料介紹

TFT LCD液晶顯示器的工作原理

我一直記得, 當初剛開始從事有關液晶顯示器相關的工作時, 常常遇到的困擾, 就是不知道怎么跟人家解釋, 液晶顯示器是什么? 只好隨著不同的應用環境, 來解釋給人家聽. 在最早的時候是告訴人家, 就是掌上型電動玩具上所用的顯示屏, 隨著筆記型計算機開始普及, 就可以告訴人家說, 就是使用在筆記型計算機上的顯示器. 隨著手機的流行, 又可以告訴人家說, 是使用在手機上的顯示板. 時至今日, 液晶顯示器, 對于一般普羅大眾, 已經不再是生澀的名詞. 而它更是繼半導體后另一種可以再創造大量營業額的新興科技產品, 更由于其輕薄的特性, 因此它的應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.

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.

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). 來年, 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:

1.層狀液晶(Sematic) :

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.

2.線狀液晶(Nematic) :
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.