TFT-LCD液晶顯示器的工作原理
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液晶的光電特性
由于液晶分子的結(jié)構(gòu)為異方性 (Anisotropic)，所以所引起的光電效應(yīng)就會因?yàn)榉较虿煌兴町?，簡單的說也就是液晶分子在介電系數(shù)及折射系數(shù)等等光電特性都具有異方性，因而我們可以利用這些性質(zhì)來改變?nèi)肷涔獾膹?qiáng)度, 以便形成灰階, 來應(yīng)用于顯示器組件上. 以下我們要討論的, 是液晶屬于光學(xué)跟電學(xué)相關(guān)的特性, 大約有以下幾項(xiàng):
1.介電系數(shù)ε(dielectric permittivity) :
我們可以將介電系數(shù)分開成兩個方向的分量, 分別是ε// (與指向矢平行的分量)與ε⊥(與指向矢垂直的分量). 當(dāng)ε// >ε⊥ 便稱之為介電系數(shù)異方性為正型的液晶, 可以用在平行配位. 而ε// ε⊥ 則稱之為介電系數(shù)異方性為負(fù)型的液晶, 只可用在垂直配位才能有所需要的光電效應(yīng). 當(dāng)有外加電場時，液晶分子會因介電系數(shù)異方性為正或是負(fù)值，來決定液晶分子的轉(zhuǎn)向是平行或是垂直于電場, 來決定光的穿透與否?，F(xiàn)在TFT LCD上常用的TN型液晶大多是屬于介電系數(shù)正型的液晶. 當(dāng)介電系數(shù)異方性Δε(=ε//-ε⊥)越大的時候, 則液晶的臨界電壓(threshold voltage)就會越小. 這樣一來液晶便可以在較低的電壓操作.
2.折射系數(shù)(refractive index) :
由于液晶分子大多由棒狀或是碟狀分子所形成，因此跟分子長軸平行或垂直方向上的物理特性會有一些差異，所以液晶分子也被稱做是異方性晶體。與介電系數(shù)一樣, 折射系數(shù)也依照跟指向矢垂直與平行的方向, 分成兩個方向的向量. 分別為n // 與n⊥.
此外對單光軸(uniaxial)的晶體來說, 原本就有兩個不同折射系數(shù)的定義. 一個為no ,它是指對于ordinary ray的折射系數(shù), 所以才簡寫成no .而ordinary ray是指其光波的電場分量是垂直于光軸的稱之. 另一個則是ne ,它是指對于extraordinary ray的折射系數(shù), 而extraordinary ray是指其光波的電場分量是平行于光軸的. 同時也定義了雙折射率(birefrigence)Δn = ne-no為上述的兩個折射率的差值.
依照上面所述, 對層狀液晶、線狀液晶及膽固醇液晶而言，由于其液晶分子的長的像棒狀, 所以其指向矢的方向與分子長軸平行. 再參照單光軸晶體的折射系數(shù)定義, 它會有兩個折射率，分別為垂直于液晶長軸方向n⊥(=ne)及平行液晶長軸方向n //(= no)兩種，所以當(dāng)光入射液晶時，便會受到兩個折射率的影響，造成在垂直液晶長軸與平行液晶長軸方向上的光速會有所不同。
若光的行進(jìn)方向與分子長軸平行時的速度, 小于垂直于分子長軸方向的速度時，這意味著平行分子長軸方向的折射率大于垂直方向的折射率(因?yàn)檎凵渎逝c光速成反比)，也就是ne-no > 0 .所以雙折射率Δn > 0 ,我們把它稱做是光學(xué)正型的液晶, 而層狀液晶與線狀液晶幾乎都是屬于光學(xué)正型的液晶. 倘使光的行進(jìn)方向平行于長軸時的速度較快的話，代表平行長軸方向的折射率小于垂直方向的折射率,所以雙折射率Δn 0.我們稱它做是光學(xué)負(fù)型的液晶. 而膽固醇液晶多為光學(xué)負(fù)型的液晶.
3.其它特性 :
對于液晶的光電特性來說, 除了上述的兩個重要特性之外, 還有許多不同的特性. 比如說像彈性常數(shù)(elastic constant :κ11 , κ22 , κ33 ), 它包含了三個主要的常數(shù), 分別是, κ11 指的是斜展(splay)的彈性常數(shù), κ22 指的是扭曲(twist)的彈性常數(shù), κ33 指的是彎曲(bend)的彈性常數(shù). 另外像黏性系數(shù)(viscosity coefficients ,η ), 則會影響液晶分子的轉(zhuǎn)動速度與反應(yīng)時間(response time), 其值越小越好. 但是此特性受溫度的影響最大. 另外還有磁化率(magnetic susceptibility), 也因?yàn)橐壕У漠惙叫躁P(guān)系, 分成c // 與c⊥ .而磁化率異方性則定義成Δc = c // -c⊥ . 此外還有電導(dǎo)系數(shù)(conductivity)等等光電特性.
液晶特性中 最重要的就是液晶的介電系數(shù)與折射系數(shù). 介電系數(shù)是液晶受電場的影響決定液晶分子轉(zhuǎn)向的特性, 而折射系數(shù)則是光線穿透液晶時影響光線行進(jìn)路線的重要參數(shù). 而液晶顯示器就是利用液晶本身的這些特性, 適當(dāng)?shù)睦秒妷? 來控制液晶分子的轉(zhuǎn)動, 進(jìn)而影響光線的行進(jìn)方向, 來形成不同的灰階, 作為顯示影像的工具. 當(dāng)然啦, 單靠液晶本身是無法當(dāng)作顯示器的, 還需要其它的材料來幫忙, 以下我們要來介紹有關(guān)液晶顯示器的各項(xiàng)材料組成與其操作原理.
偏光板(polarizer)
我記得在高中時的物理課, 當(dāng)教到跟光有關(guān)的物理特性時, 做了好多的物理實(shí)驗(yàn), 目的是為了要證明光也是一種波動. 而光波的行進(jìn)方向, 是與電場及磁場互相垂直的. 同時光波本身的電場與磁場分量, 彼此也是互相垂直的. 也就是說行進(jìn)方向與電場及磁場分量, 彼此是兩兩互相平行的.(請見圖7) 而偏光板的作用就像是柵欄一般, 會阻隔掉與柵欄垂直的分量, 只準(zhǔn)許與柵欄平行的分量通過. 所以如果我們拿起一片偏光板對著光源看, 會感覺像是戴了太陽眼鏡一般, 光線變得較暗. 但是如果把兩片偏光板迭在一起, 那就不一樣了. 當(dāng)您旋轉(zhuǎn)兩片的偏光板的相對角度, 會發(fā)現(xiàn)隨著相對角度的不同, 光線的亮度會越來越暗. 當(dāng)兩片偏光板的柵欄角度互相垂直時, 光線就完全無法通過了.(請見圖8) 而液晶顯示器就是利用這個特性來完成的. 利用上下兩片柵欄互相垂直的偏光板之間, 充滿液晶, 再利用電場控制液晶轉(zhuǎn)動, 來改變光的行進(jìn)方向, 如此一來, 不同的電場大小, 就會形成不同灰階亮度了.(請見圖9)
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這上下兩層玻璃主要是來夾住液晶用的. 在下面的那層玻璃長有薄膜晶體管(Thin film transistor, TFT), 而上面的那層玻璃則貼有彩色濾光片(Color filter). 如果您注意到的話(請見圖3), 這兩片玻璃在接觸液晶的那一面, 并不是光滑的, 而是有鋸齒狀的溝槽. 這個溝槽的主要目的是希望長棒狀的液晶分子, 會沿著溝槽排列. 如此一來, 液晶分子的排列才會整齊. 因?yàn)槿绻枪饣钠矫? 液晶分子的排列便會不整齊, 造成光線的散射, 形成漏光的現(xiàn)象. 其實(shí)這只是理論的說明, 告訴我們需要把玻璃與液晶的接觸面, 做好處理, 以便讓液晶的排列有一定的順序. 但在實(shí)際的制造過程中, 并無法將玻璃作成有如此的槽狀的分布, 一般會在玻璃的表面上涂布一層PI(polyimide), 然后再用布去做磨擦(rubbing)的動作, 好讓PI的表面分子不再是雜散分布, 會依照固定而均一的方向排列. 而這一層PI就叫做配向膜, 它的功用就像圖3中玻璃的凹槽一樣, 提供液晶分子呈均勻排列的接口條件, 讓液晶依照預(yù)定的順序排列.
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