TFT-LCD液晶显示器的工作原理
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.
偏光板(polarizer)
我记得在高中时的物理课, 当教到跟光有关的物理特性时, 做了好多的物理实验, 目的是为了要证明光也是一种波动. 而光波的行进方向, 是与电场及磁场互相垂直的. 同时光波本身的电场与磁场分量, 彼此也是互相垂直的. 也就是说行进方向与电场及磁场分量, 彼此是两两互相平行的.(请见图7) 而偏光板的作用就像是栅栏一般, 会阻隔掉与栅栏垂直的分量, 只准许与栅栏平行的分量通过. 所以如果我们拿起一片偏光板对着光源看, 会感觉像是戴了太阳眼镜一般, 光线变得较暗. 但是如果把两片偏光板迭在一起, 那就不一样了. 当您旋转两片的偏光板的相对角度, 会发现随着相对角度的不同, 光线的亮度会越来越暗. 当两片偏光板的栅栏角度互相垂直时, 光线就完全无法通过了.(请见图8) 而液晶显示器就是利用这个特性来完成的. 利用上下两片栅栏互相垂直的偏光板之间, 充满液晶, 再利用电场控制液晶转动, 来改变光的行进方向, 如此一来, 不同的电场大小, 就会形成不同灰阶亮度了.(请见图9)
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这上下两层玻璃主要是来夹住液晶用的. 在下面的那层玻璃长有薄膜晶体管(Thin film transistor, TFT), 而上面的那层玻璃则贴有彩色滤光片(Color filter). 如果您注意到的话(请见图3), 这两片玻璃在接触液晶的那一面, 并不是光滑的, 而是有锯齿状的沟槽. 这个沟槽的主要目的是希望长棒状的液晶分子, 会沿着沟槽排列. 如此一来, 液晶分子的排列才会整齐. 因为如果是光滑的平面, 液晶分子的排列便会不整齐, 造成光线的散射, 形成漏光的现象. 其实这只是理论的说明, 告诉我们需要把玻璃与液晶的接触面, 做好处理, 以便让液晶的排列有一定的顺序. 但在实际的制造过程中, 并无法将玻璃作成有如此的槽状的分布, 一般会在玻璃的表面上涂布一层PI(polyimide), 然后再用布去做磨擦(rubbing)的动作, 好让PI的表面分子不再是杂散分布, 会依照固定而均一的方向排列. 而这一层PI就叫做配向膜, 它的功用就像图3中玻璃的凹槽一样, 提供液晶分子呈均匀排列的接口条件, 让液晶依照预定的顺序排列.
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