液晶显示器的工作原理-2017年10月.pdf

深入了解:液晶显示器的工作原理 LCD，是英文 Liquid Crystal Display 的缩写，中文名称翻译为液晶显示器。目前我们所说的液晶显示器泛 指那些利用液晶所制作出来的显示器。 大多是指使用于笔记本计算机 或是桌上型计算机应用方面的显示器。 这样的显示器，我们有个更专业的名字，叫做薄膜晶体管液晶显示器，其英文名称为 Thin-film transistor liquid crystal display， 简称为 TFT LCD 。从它的英文名称中我们可以知道：这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。下面让我们先来看看液晶本身。 液晶的分类 我们一般都认为物质都有三态，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。 这种液态晶体的首次发现， 距今已经度过一百多个年头了。 在公元 1888 年， 被奥地利的植物学家 Friedrich Reinitzer 所发现， 其在观察从植物中分离精制出的安息香酸胆固醇(cholesteryl benzoate) 的融解 行为时发现， 此化合物加热至 145。5 度℃时， 固体会熔化，呈现一种介于固相和液相间之半熔融流动白浊 状液体。 这种状况会一直维持温度升高到 178。5 度℃， 才形成清澈的等方性液态(isotropic liquid)。 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(optical anisotropic)。 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(liquid crystal)。 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。 而热致型液晶则不一样(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 Nematic Smectic 及 Cholesteric 三类。 但是如果是依分子排列的有序性来分(请见图 3)， 则可以分成以下四类: 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(order parameter)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Sematic A phase。 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Sematic C phase。 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Sematic B phase才是。 不过后 来发觉 B phase 其实是 C phase 的一种变形而已， 原因是 C phase 如果带 chiral 的结构就是 B phase。 也就 是说 Chiral sematic C phase 就是 Sematic B phase(请见图 4) 。 而其结构中