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, 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.
占图1、物态的相变化
^01-*
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C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C ,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
0^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(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：
占图2:各种热致型液晶分布的温度范围
1 1 V.[uira*'alj ?J-siiAntsotroptc)
黑方悝
(JSOTTOPJC)
IMim WNMN mum
(Crystalline)
MWJW
拭吩 A ph aw
Nematic prase
(Liquid)
't (Ltqu d crystalline]
图3：液晶的种类
G WWOH MtWW f I WM?W WO
Semabc A pha^e Senalic C ph^se
I
”冷洼站俸阿aiiG
片冷Migrw幡果创临)玄
■7 ■：> - J-'； .■:
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，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
，我们可以
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
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\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 \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
\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还会形成像螺旋的结构.
tftlcd液晶显示器的工作原理
