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1、TFTLCD液晶显示器的工 作多年的企业咨询顾问经验，经过实战验证可以落地执行的卓越管理方案，值得您下载拥有TFTLCD 液晶显示器的工作原理2004-8-19本文作者：谢崇凯图片制作：FPDisplay我壹直记得,当初刚开始从事有关液晶显示器关联的工作时,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.于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,就能够告诉人家说,就是使用于笔记型计算机上的显示器.随着手机的流行,又能够告诉人家说,是使用于手 机上的显示板.时至今日,液晶显示器,对于壹般普罗大众,已
2、经不再是生涩的名词.而它更是继半导体后另壹种能够再创造大 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-raytube)所作 成的显示器更多更广.如同我前面所提到的,液晶显示器泛指壹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-filmtransistorliquidcrystaldisplay,简称之TFTLCD 从它的英文名称中我们能够知道这壹种显示器它的构成主要有 俩个特征,壹个是薄膜晶体管,另壹个就是
3、液晶本身.我们先谈谈液晶本身.液晶(LC,liquidcrystal)的分类我们壹般均认为物质像水壹样均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 它不同的状态存于以我们要谈到的液晶态而言它是介于固体跟液体之间的壹种状态其实这种状态仅是材料的壹种相变 化的过程(请见图1),只要材料具有上述的过程即于固态及液态间有此壹状态存于,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经度过壹百多个年头了于公元1888年,被奥地利的植物学家FriedrichReinitzer所发现, 其于观察从植物中分离精制出的安息香酸胆固醇(cholesterylbenzoate
4、)的融解行为时发现，此化合物加热至145.5度。C 时，固体会熔化，呈现壹种介于固相和液相间之半熔融流动白浊状液体这种情况会壹直维持温度升高到178.5度C,才形成 清澈的等方性液态(isotropicliquid)隔年，于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 作更详细的分析他于偏光显微镜下发现，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为液晶此后，科学家将此壹新 发现的性质，称为物质的第四态-液晶(liquid
5、crystal) 它于某壹特定温度的范围内，会具有同时液体及固体的特性.壹般以水而言，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壹样 (请见图2),当其固态受热后，且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于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NematicSmectic及Cholesteric三类可是如果是依分子
6、排列的有序性来分(请见图3),则能够分成以下四类：1层状液晶(Sematic):其结构是由液晶棒状分子聚集壹起形成壹层壹层的结构其每壹层的分子的长轴方向相互平行且此长轴的方向对于每壹 层平面是垂直或有壹倾斜角由于其结构非常近似于晶体所以又称做近晶相其秩序参数S(orderparameter)趋近于1于 层状型液晶层和层间的键结会因为温度而断裂所以层和层间较易滑动可是每壹层内的分子键结较强所以不易被打断因 此就单层来见，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能够把壹群区域性 液晶分子的平均指向定为指向矢(director),这就是这壹群区域性的液晶分子平均方向
7、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均是垂直站立的话,就称之 为SematicAphase.如果液晶分子的长轴站立方向有某种的倾斜(tilt)角度，就称之为SematicCphase 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，应该会存于有壹个SematicBphase才是.不过后来发觉Bphase其实是 Cphase的壹种变形而已,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
8、的壹层壹层液晶分子除了每壹层的液晶分子均具有倾斜角度之外壹层壹层之间的 倾斜角度仍会形成像螺旋的结构.2线状液晶(Nematic):Nematic这个字是希腊字,代表的意思和英文的thread是壹样的主要是因为用肉眼观察这种液晶时,见起来会有像丝线壹 般的图样.这种液晶分子于空间上具有壹维的规则性排列,所有棒状液晶分子长轴会选择某壹特定方向(也就是指向矢)作为 主轴且相互平行排列而且不像层状液晶壹样具有分层结构.和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)。线状液晶就是当 下的TFT液晶显
9、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，如果把它的壹层壹层分开来见会很像线状液晶可是于Z轴方向来见,会发现它的指向矢会随着壹层壹层 的不同而像螺旋状壹样分布，而当其指向矢旋转360度所需的分子层厚度就称为pitch.正因为它每壹层跟线状液晶很像 所以也叫做Chiralnematicphase.以胆固醇液晶而言和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 不同的光学或是电学的差异，也因此造就了不同的特性
10、.4. 碟状液晶(disk):也称为柱状液晶,以壹个个的液晶来说，它是长的像碟状(disk),可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能够分成高分子液晶(polymerliquidcrystal,聚合许多液晶分子而成和低分子液 晶俩种就此种分类来说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，则能够分成因为温度形成液 晶态的热致型液晶(thermotropic)和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 晶和线状液晶壹般多为热致型的液晶，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
11、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壹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于适当溶剂中达到某壹临界浓度时便会形成液晶态溶致型的液晶有壹个最好 的例子，就是肥皂当肥皂泡于水中且不会立刻便成液态而其于水中泡久了之后，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 晶分子于介电系数
12、及折射系数等等光电特性均具有异方性，因而我们能够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关联的特，宦大约有以下几项：1介电系数 s(dielectricpermittivity):我们能够将介电系数分开成俩个方向的分量分别是/(和指向矢平行的分量)和丄(和指向矢垂直的分量)当 /丄便 称之为介电系数异方性为正型的液晶，能够用于平行配位而/0.所以双折射率 n0,我们把它称做是光学正型的液晶， 而层状液晶和线状液晶几乎均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，
13、所以双折射率厶n0.我们称它做是光学负型的液晶而胆固醇液晶多为光学负型的液 晶.3.其它特性：对于液晶的光电特性来说，除了上述的俩个重要特性之外,仍有许多不同的特性比如说像弹性常数 (elasticconstant：Kl1,K22,K33),它包含了三个主要的常数分别是,k11指的是斜展(splay)的弹性常数,k22指的是扭曲 (twist)的弹性常数,k33指的是弯曲(bend)的弹性常数另外像黏性系数(viscositycoefficients,n),则会影响液晶分子的转 动速度和反应时间(responsetime),其值越小越好可是此特性受温度的影响最大.另外仍有磁化率 (magneticsusceptibility),也因为液晶的异方性关系，分成c和c丄而磁化率异方性则定义成 c=c/-c丄.此外仍有电导 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和折射系数介电系数是液晶受电场的影响决定液晶分子转
