TFT LCD液晶顯示器的工作原理

TFT LCD液晶顯示器的工作原理

    我一直記得, 當(dāng)初剛開(kāi)始從事有關(guān)液晶顯示器相關(guān)的工作時(shí), 常常遇到的困擾, 就是不知道怎么跟人家解釋, 液晶顯示器是什么? 只好隨著不同的應(yīng)用環(huán)境, 來(lái)解釋給人家聽(tīng). 在最早的時(shí)候是告訴人家, 就是掌上型電動(dòng)玩具上所用的顯示屏, 隨著筆記型計(jì)算機(jī)開(kāi)始普及, 就可以告訴人家說(shuō), 就是使用在筆記型計(jì)算機(jī)上的顯示器. 隨著手機(jī)的流行, 又可以告訴人家說(shuō), 是使用在手機(jī)上的顯示板. 時(shí)至今日, 液晶顯示器, 對(duì)于一般普羅大眾, 已經(jīng)不再是生澀的名詞. 而它更是繼半導(dǎo)體后 另一種可以再創(chuàng)造大量營(yíng)業(yè)額的新興科技產(chǎn)品, 更由于其輕薄的特性, 因此它的應(yīng)用范圍比起原先使用陰極射線管(CRT, cathode-ray tube)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制作出來(lái)的顯示器. 而今日對(duì)液晶顯示器這個(gè)名稱(chēng), 大多是指使用于筆記型計(jì)算機(jī), 或是桌上型計(jì)算機(jī)應(yīng)用方面的顯示器. 也就是薄膜晶體管液晶顯示器. 其英文名稱(chēng)為T(mén)hin-film transistor liquid crystal display, 簡(jiǎn)稱(chēng)之TFT LCD. 從它的英文名稱(chēng)中我們可以知道, 這一種顯示器它的構(gòu)成主要有兩個(gè)特征, 一個(gè)是薄膜晶體管, 另一個(gè)就是液晶本身. 我們先談?wù)勔壕П旧? 

液晶(LC, liquid crystal)的分類(lèi) 
    我們一般都認(rèn)為物質(zhì)像水一樣都有三態(tài), 分別是固態(tài)液態(tài)跟氣態(tài). 其實(shí)物質(zhì)的三態(tài)是針對(duì)水而言, 對(duì)于不同的物質(zhì), 可能有其它不同的狀態(tài)存在. 以我們要談到的液晶態(tài)而言, 它是介于固體跟液體之間的一種狀態(tài), 其實(shí)這種狀態(tài)僅是材料的一種相變化的過(guò)程(請(qǐng)見(jiàn)圖1), 只要材料具有上述的過(guò)程, 即在固態(tài)及液態(tài)間有此一狀態(tài)存在, 物理學(xué)家便稱(chēng)之為液態(tài)晶體. 

這種液態(tài)晶體的首次發(fā)現(xiàn), 距今已經(jīng)度過(guò)一百多個(gè)年頭了. 在公元1888年, 被奧地利的植物學(xué)家Friedrich Reinitzer所發(fā)現(xiàn), 其在觀察從植物中分離精制出的安息香酸膽固醇(cholesteryl benzoate) 的融解行為時(shí)發(fā)現(xiàn), 此化合物加熱至145.5度℃時(shí), 固體會(huì)熔化,呈現(xiàn)一種介于固相和液相間之半熔融流動(dòng)白濁狀液體. 這種狀況會(huì)一直維持溫度升高到178.5度℃, 才形成清澈的等方性液態(tài)(isotropic liquid). 來(lái)年, 在1889年, 研究相轉(zhuǎn)移及熱力學(xué)平衡的德國(guó)物理學(xué)家O.Lehmann, 對(duì)此化合物作更詳細(xì)的分析. 他在偏光顯微鏡下發(fā)現(xiàn), 此黏稠之半流動(dòng)性白濁液體化合物,具有異方性結(jié)晶所特有的雙折射率(birefringence)之光學(xué)性質(zhì), 即光學(xué)異相性(optical anisotropic). 故將這種似晶體的液體命名為液晶. 此后, 科學(xué)家將此一新發(fā)現(xiàn)的性質(zhì), 稱(chēng)為物質(zhì)的第四態(tài)-液晶(liquid crystal). 它在某一特定溫度的范圍內(nèi), 會(huì)具有同時(shí)液體及固體的特性. 
一般以水而言, 固體中的晶格因?yàn)榧訜? 開(kāi)始吸熱而破壞晶格, 當(dāng)溫度超過(guò)熔點(diǎn)時(shí)便會(huì)溶解變成液體. 而熱致型液晶則不一樣(請(qǐng)見(jiàn)圖2), 當(dāng)其固態(tài)受熱后, 并不會(huì)直接變成液態(tài), 會(huì)先溶解形成液晶態(tài). 當(dāng)您持續(xù)加熱時(shí), 才會(huì)再溶解成液態(tài)(等方性液態(tài)). 這就是所謂二次溶解的現(xiàn)象. 而液晶態(tài)顧名思義, 它會(huì)有固態(tài)的晶格, 及液態(tài)的流動(dòng)性. 當(dāng)液態(tài)晶體剛發(fā)現(xiàn)時(shí), 因?yàn)榉N類(lèi)很多, 所以不同研究領(lǐng)域的人對(duì)液晶會(huì)有不同的分類(lèi)方法. 在1922年由G. Friedel利用偏光顯微鏡所觀察到的結(jié)果, 將液晶大致分為Nematic Smectic及Cholesteric三類(lèi). 但是如果是依分子排列的有序性來(lái)分(請(qǐng)見(jiàn)圖3), 則可以分成以下四類(lèi): 

 1.層狀液晶(Sematic) :