TFT-LCD液晶显示器的工作原理

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 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ε(dielectric permittivity) :

我们可以将介电系数分开成两个方向的分量, 分别是ε// (与指向矢平行的分量)与ε⊥(与指向矢垂直的分量). 当ε// >ε⊥ 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ε// <ε⊥ 则称之为介电系数异方性为负型的液晶, 只可用在垂直配位才能有所需要的光电效应. 当有外加电场时，液晶分子会因介电系数异方性为正或是负值，来决定液晶分子的转向是平行或是垂直于电场, 来决定光的穿透与否。现在TFT LCD上常用的TN型液晶大多是属于介电系数正型的液晶. 当介电系数异方性Δε(=ε//-ε⊥)越大的时候, 则液晶的临界电压(threshold voltage)就会越小. 这样一来液晶便可以在较低的电压操作.

2.折射系数(refractive index) :

由于液晶分子大多由棒状或是碟状分子所形成，因此跟分子长轴平行或垂直方向上的物理特性会有一些差异，所以液晶分子也被称做是异方性晶体。与介电系数一样, 折射系数也依照跟指向矢垂直与平行的方向, 分成两个方向的向量. 分别为n // 与n⊥.

此外对单光轴(uniaxial)的晶体来说, 原本就有两个不同折射系数的定义. 一个为no ,它是指对于ordinary ray的折射系数, 所以才简写成no .而ordinary ray是指其光波的电场分量是垂直于光轴的称之. 另一个则是ne ,它是指对于extraordinary ray的折射系数, 而extraordinary ray是指其光波的电场分量是平行于光轴的. 同时也定义了双折射率(birefrigence)Δn = ne-no为上述的两个折射率的差值.

依照上面所述, 对层状液晶、线状液晶及胆固醇液晶而言，由于其液晶分子的长的像棒状, 所以其指向矢的方向与分子长轴平行. 再参照单光轴晶体的折射系数定义, 它会有两个折射率，分别为垂直于液晶长轴方向n⊥(=ne)及平行液晶长轴方向n //(= no)两种，所以当光入射液晶时，便会受到两个折射率的影响，造成在垂直液晶长轴与平行液晶长轴方向上的光速会有所不同。

若光的行进方向与分子长轴平行时的速度, 小于垂直于分子长轴方向的速度时，这意味着平行分子长轴方向的折射率大于垂直方向的折射率(因为折射率与光速成反比)，也就是ne-no > 0 .所以双折射率Δn > 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Δn < 0.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, 除了上述的两个重要特性之外, 还有许多不同的特性. 比如说像弹性常数(elastic constant :κ11 , κ22 , κ33 ), 它包含了三个主要的常数, 分别是, κ11 指的是斜展(splay)的弹性常数, κ22 指的是扭曲(twist)的弹性常数, κ33 指的是弯曲(bend)的弹性常数. 另外像黏性系数(viscosity coefficients ,η ), 则会影响液晶分子的转动速度与反应时间(response time), 其值越小越好. 但是此特性受温度的影响最大. 另外还有磁化率(magnetic susceptibility), 也因为液晶的异方性关系, 分成c // 与c⊥ .而磁化率异方性则定义成Δc = c // -c⊥ . 此外还有电导系数(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与折射系数. 介电系数是液晶受电场的影响决定液晶分子转向的特性, 而折射系数则是光线穿透液晶时影响光线行进路线的重要参数. 而液晶显示器就是利用液晶本身的这些特性, 适当的利用电压, 来控制液晶分子的转动, 进而影响光线的行进方向, 来形成不同的灰阶, 作为显示影像的工具. 当然啦, 单靠液晶本身是无法当作显示器的, 还需要其它的材料来帮忙, 以下我们要来介绍有关液晶显示器的各项材料组成与其操作原理.