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1、TFT-LCD液晶顯示器的工作原理2004-8-19--------------------------------------------------------------------------------本文作者：謝崇凱圖片製作：FPDisplay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,就是不知道怎麼跟人家解釋,液晶顯示器是什麼?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幕,隨著筆記型電腦開始普及,就可以告訴人家說,就是使用在筆記型電腦上的顯示器.隨著手機的流行,
2、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,對於一般普羅大眾,已經不再是生澀的名詞.而它更是繼半導體後另一種可以再創造大量營業額的新興科技產品,更由於其輕薄的特性,因此它的應用範圍比起原先使用陰極射線管(CRT,cathode-raytube)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製作出來的顯示器.而今日對液晶顯示器這個名稱,大多是指使用於筆記型電腦,或是桌上型電腦應用方面的顯示器.也就是薄膜電晶體液晶顯示器.其英文名稱為Thin-filmtransistorliquidcrystaldispla
3、y,簡稱之TFTLCD.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徵,一個是薄膜電晶體,另一個就是液晶本身.我們先談談液晶本身.液晶(LC,liquidcrystal)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,對於不同的物質,可能有其他不同的狀態存在.以我們要談到的液晶態而言,它是介於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
4、個年頭了.在西元1888年,被奧地利的植物學家FriedrichReinitzer所發現,其在觀察從植物中分離精製出的安息香酸膽固醇(cholesterylbenzoate)的融解行為時發現,此化合物加熱至145.5度℃時,固體會熔化,呈現一種介於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(isotropicliquid).隔年,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
5、特有的雙折射率(birefringence)之光學性質,即光學異相性(opticalanisotropic).故將這種似晶體的液體命名為液晶.此後,科學家將此一新發現的性質,稱為物質的第四態-液晶(liquidcrystal).它在某一特定溫度的範圍內,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),當其固態受熱後,並不會直接變成液態,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
6、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NematicSmectic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.且此長軸的方向對於每一層平面是垂直或有一傾斜角.由於其結構非常近似於晶體,所以又稱做近晶相.其秩序參數S(orderparamet
7、er)趨近於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,由於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"SematicAphase".如果液晶分子的長軸站立方向有某種的傾斜(tilt)角度,就稱
8、之為"SematicCphase".以A,C等字母來命名,這是依照發現的先後順序來稱呼,依此類
