tft-lcd液晶显示器的工作原理

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1、TFT-LCD 液晶显示器的工作原理.txt 如果中了一千万，我就去买 30 套房子租给别人，每天 都去收一次房租。哇咔咔充实骑白马的不一定是王子，可能是唐僧；带翅膀的也不一定是 天使，有时候是鸟人。TFT-LCD 液晶显示器的工作原理 我一直记得, 当初刚开始从事有关液晶显示器相关的工作时, 常常遇到的困扰, 就是不知道 怎么跟人家解释, 液晶显示器是什么? 只好随着不同的应用环境, 来解释给人家听. 在最早 的时候是告诉人家, 就是掌上型电动玩具上所用的显示屏, 随着笔记型计算机开始普及, 就 可以告诉人家说, 就是使用在笔记型计算机上的显示器. 随着手机的流行, 又可以告诉人家 说, 是

2、使用在手机上的显示板. 时至今日, 液晶显示器, 对于一般普罗大众, 已经不再是生 涩的名词. 而它更是继半导体后 另一种可以再创造大量营业额的新兴科技产品, 更由于其 轻薄的特性, 因此它的应用范围比起原先使用阴极射线管(CRT, cathode-ray tube)所作成 的显示器更多更广. 如同我前面所提到的, 液晶显示器泛指一大堆利用液晶所制作出来的显示器. 而今日对液晶 显示器这个名称, 大多是指使用于笔记型计算机, 或是桌上型计算机应用方面的显示器. 也 就是薄膜晶体管液晶显示器. 其英文名称为 Thin-film transistor liquid crystal display,

3、 简称之 TFT LCD. 从它的英文名称中我们可以知道, 这一种显示器它的构成主要 有两个特征, 一个是薄膜晶体管, 另一个就是液晶本身. 我们先谈谈液晶本身. 液晶(LC, liquid crystal)的分类 我们一般都认为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, 对于不同的物质, 可能有其它不同的状态存在. 以我们要谈到的液晶态而言, 它是介 于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, 物理学家便称之为液态晶体. 这种液态晶体的首次发现, 距今已

4、经度过一百多个年头了. 在公元 1888 年, 被奥地利的植 物学家 Friedrich Reinitzer 所发现, 其在观察从植物中分离精制出的安息香酸胆固醇 (cholesteryl benzoate) 的融解行为时发现, 此化合物加热至 145.5 度时, 固体会熔化, 呈现一种介于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(isotropic liquid). 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

5、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(optical anisotropic). 故将这种似晶体的液体命名为液晶. 此后, 科学家将此一新发现的性质, 称为物质的第四态-液晶(liquid crystal). 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, 固体中的晶格因为加热, 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), 当其固态受热后, 并不会直接变成液态, 会 先溶解形成液晶态. 当您持续加热时, 才会再溶解成液态(等方性液态). 这就是所谓

6、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, 因为种类很多, 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, 将液晶大致分为 Nematic Smectic 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) : 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. 且此长轴的方向对于每一层平面是垂直或有一倾斜角. 由于其结构非常近似于晶体,

7、 所以又称做近晶相. 其秩序参数 S(order parameter)趋近于 1. 在层状型液晶层与层间的键 结会因为温度而断裂 ,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为指向矢(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, 由于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, 就称之为“Sematic A pha

8、se“. 如果液晶分子的长轴站立方向有某种的倾斜(tilt) 角度,就称之为“Sematic C phase“. 以 A,C 等字母来命名, 这是依照发现的先后顺序来称呼, 依此类推, 应该会存在有一个“Sematic B phase“才是. 不过后来发觉 B phase 其实是 C phase 的一种变形而已, 原因是 C phase 如果带 chiral 的结构就是 B phase. 也就是说 Chiral sematic C phase 就是 Sematic B phase(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

9、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. 主要是因为用肉眼观察 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)作为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(它的流动性主要来自对于分子长轴 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(Twisted

10、nematic)型 液晶. 3.胆固醇液晶(cholesteric) : 这个名字的来源,是因为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着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为 pitch. 正因为它每一层跟线状液晶 很像,所以也叫做 Chiral nematic phase. 以胆固醇液晶而言, 与指向矢的垂直方向分布的 液晶分子, 由于其指向矢的不同, 就会有不同的光学或是

11、电学的差异, 也因此造就了不同的 特性. 4.碟状液晶(disk) : 也称为柱状液晶, 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(polymer liquid crystal, 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 液晶显示器是属于低分子液 晶的应用. 倘若就液晶态的形成原因, 则可以分成因为温度形成液晶态的热致型液晶 (thermotropic),与因为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

12、多为热致型的液晶, 是随着温度变化而形成液晶态. 而对于 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, 分子便杂乱的分布于溶剂 中而形成等方性的溶液, 不过当浓度升高大于某一临界浓度时, 由于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. 所以溶致型液晶的产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后, 所形成的乳白状物质, 就是它的液晶态. 液晶的光电特

13、性 由于液晶分子的结构为异方性 (Anisotropic)，所以所引起的光电效应就会因为方向不同而 有所差异，简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, 来应用于显示器组件上. 以 下我们要讨论的, 是液晶属于光学跟电学相关的特性, 大约有以下几项: 1.介电系数 (dielectric permittivity) : 我们可以将介电系数分开成两个方向的分量, 分别是 / (与指向矢平行的分量)与 (与指向矢垂直的分量). 当 / 便称之为介电系数异方性为正型的液晶, 可以 用在平行配位. 而 / 0 .所

14、以双折射率 n 0 ,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于光学正型的液晶. 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 方向的折射率小于垂直方向的折射率,所以双折射率 n ,代表着平 行方向的介电系数比垂直方向的介电系数大, 因此当液晶分子受电场影响时, 其排列方向会 倾向平行于电场方向.), 所以我们从图 10 中便可以看到, 液晶分子的排列都变成站立着的. 此时通过上层偏光板的单方向的极化光波, 经过液晶分子时便不会改变极化方向, 因此就无 法通过下层偏光板. Normally white 及 normally black 所谓的 NW(Norma

15、lly white),是指当我们对液晶面板不施加电压时, 我们所看到的面板是透 光的画面, 也就是亮的画面, 所以才叫做 normally white. 而反过来, 当我们对液晶面板 不施加电压时, 如果面板无法透光, 看起来是黑色的话, 就称之为 NB(Normally black). 我们刚才所提到的图 9 及图 10 都是属于 NW 的配置, 另外从图 11 我们可以知道, 对 TN 型的 LCD 而言, 位于上下玻璃的配向膜都是互相垂直的, 而 NB 与 NW 的差别就只在于偏光板的相 对位置不同而已. 对 NB 来说, 其上下偏光板的极性是互相平行的. 所以当 NB 不施加电压时,

16、光线会因为液晶将之旋转 90 度的极性而无法透光. 为什么会有 NW 与 NB 这两种不同的偏光 板配置呢? 主要是为了不同的应用环境. 一般应用于桌上型计算机或是笔记型计算机, 大多 为 NW 的配置. 那是因为, 如果你注意到一般计算机软件的使用环境, 你会发现整个屏幕大 多是亮点, 也就是说计算机软件多为白底黑字的应用. 既然亮着的点占大多数, 使用 NW 当 然比较方便. 也因为 NW 的亮点不需要加电压, 平均起来也会比较省电. 反过来说 NB 的应 用环境就大多是属于显示屏为黑底的应用了. STN(Super Twisted Nematic)型 LCD STN LCD 与 TN 型 LCD 在结构上是很相似的, 其主要的差别在于 TN 型的 LCD,其液晶分子的 排列, 由上到下旋转的角度总共为 90 度. 而 STN 型 LCD 的液晶分子排列, 其旋转的角度会 大于 180 度, 一般为 270 度.(请见图 12) 正因为其旋转的角度不一样, 其特性也就跟着不 一样. 我们从图 13 中 TN