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TFTLCD液晶显示器的工作原理2004-8-19本文谢崇凯图片制作：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.随着的流行,又可以告诉人家说,是使用在上的显示板.时至今日,液晶显示器,对于一般普罗群众,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-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-filmtransistorliquidcrystaldisplay,简称之TFTLCD.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,liquidcrystal)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.

℃℃,才形成清澈的等方性液态(isotropicliquid).隔年,在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(opticalanisotropic).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(liquidcrystal).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.而热致型液晶那么不一样(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NematicSmectic及Cholesteric三类.但是如果是依分子排列的有序性来分(请见图3),那么可以分成以下四类:

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(orderparameter)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,我们可以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"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,应该会存在有一个"SematicBphase"才是.不过后来觉察Bphase其实是Cphase的一种变形而已,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.

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,