漫谈液晶显示器LCD

漫談液晶顯示器(LCD)1認識LCD(液晶顯示器)什麼是LCD?LCD是LiquidCrystalDisplay的縮寫，中文稱做液晶顯示器。是以液晶分子為素材，藉由電場的變化來控制液晶分子的排列，造成光線的遮蔽或通透，產生亮點與暗點，而在屏幕上構結圖像、顯現色彩。看看TFTLCD的基本構造

2何謂液晶液晶（LiquidCrystal）是一種介於固態和液態之間的物質，是具有規則性分子排列的有機化合物。如果把它加熱會呈現透明的液體狀態，把它冷卻則會出現結晶顆粒的混濁固體狀態液晶的發現液晶最早是在一八八八年被奧地利的植物學家F.Reinitzer所發現(從植物中提煉出一種稱為螺旋性甲苯酸鹽的化合物，在為這種化合物做加熱實驗時，意外的發現此種化合物具有兩個不同溫度的熔點)，其在觀察安息香酸膽固醇(cholesterylbenzoate)的融解行為時發現加熱至一百四十五度時會呈白濁狀狀液体，加至一百七十九度才形成均向性液體

隔年，德國的物理學家O.Lehmann，更以偏光顯微鏡發現此白濁液体具有異方性結晶所特有的雙折射率(birefringence)，故命名為液晶(LiquidCrystal)

液晶分子形狀

液晶分子構造3液晶的特性液晶不但具有一般晶體之方向性同時又具有液體之可流動性可經由電場或磁場來控制液晶的方向，在未經電壓改特性前液晶的分子結構是扭曲的而讓穿透液晶的光線改變行徑的角度。但當對液晶施以電壓時其分子結構的排例會產生變化進而改變了穿透液晶光線的行徑角度液晶和電場平行時位能較低，當有一外加電場時液晶會朝著電場方向轉動偏極光經過一液態晶體後其偏極方向有時會改變光偏極化方向與液晶方向相同時折射率較大，光偏極化方向與液晶方向垂直時折射率較小。液態晶體後面再加一個偏光器，則通過之光強度會有不同不同的液晶排列對光之偏極化有不同之影響

4液晶的種類(一)就其形成的原因、材料分類液向性、溶致型(lyotropic)液晶兩棲型分子之水溶液（如肥皂水）：兩棲型分子的兩端具有不同之性質；其一端親水，而另一端拒水。此種水溶液在不同濃度時會呈現不同性質之液態液晶分子在適當溶劑中，當達到某一臨界濃度時而形成液晶狀態

熱向性、熱致型（thermotropic）液晶

由於溫度的變化而呈現出各種不同的液晶狀態(在不同溫度下會呈現不同性質之液態)熱向性液晶分子會隨溫度上升而伴隨一連串的相轉移，即由固体變成液晶狀態，最後變成等向性液体。在這些相變化的過程當中，液晶分子的物理性質都會隨之改變，如折射率、介電異向性、彈性系數和黏度等

各液晶態與溫度之關係

溶致液晶分子在水中可能形成的結構

5液晶的種類(二)就液晶分子排列及結構而言，熱向性液晶可細分為四大類1.向列型液晶(nematicliquidcrystal):類似細火柴棒“nematic”來源於希臘文中，為絲狀或線形的意思。此類液晶分子在空間上具有一維的規則性排列。所有分子長軸會選擇某一特定方向作為主軸並相互平行排列2.層列型液晶(smecticliquidcrystal):類似粘土狀smectic為希臘字，原為肥皂之意。層列型液晶在空間排列上比向列型液晶多了一維的規則性，使得層列型液晶為一種分層結構，即分子分層排列，而且分子的長軸垂直於層平面此類液晶又因其各層的分子排列的方式不同而將之更細分為ＳＡ～ＳＩ等九種以上不同的層列型液晶，其中以ＳＡ，ＳＢ最常見向列型液晶

向列型液晶方向

層狀液晶方向層列型液晶

6液晶的種類(三)就液晶分子排列及結構而言，熱向性液晶可細分為四大類3.膽固醇型液晶(cholestericliquidcrystal):類似膽固醇狀其名來源於它們大部份是由膽固醇的衍生物生成的，但有些沒有膽固醇結構的液晶也具有此液晶相這一形液晶和向列形液晶幾乎完全相同，只是液晶方向會沿者某一個方向隨著位置緩慢旋轉在排列上，此類液晶是由多層向列型液晶相堆積而成，各層分子的長軸方向漸次相差某一角度而呈螺旋狀(故亦稱螺旋向列型液晶)膽固醇型液晶的螺距，決定它最強烈反射光線的波長是多少。『壓力和溫度的變化』能改變『螺旋的螺距』，因而也改變了它所反射的光顏色(波長)

4.碟狀液晶(discoticliquidcrystal):類似碟狀圓盤物此類化合物的分子幾何結構類似碟狀圓盤物。在排列上，可形成僅一維有序的碟狀向列型液晶（discoticnematicLC），或有二維以上有序的碟狀層柱型（discoticcloumnarLC）

膽固醇型液晶方向

膽固醇型液晶

7強誘電性液晶

什麼是強誘電性液晶?

具有自發分極，且由於外部電場之外加，自發分極之指向會跟隨反轉者，液晶材料中具有上述的特性者，我們稱之為強誘電性液晶(FerroelectricLiquidCrystal；FLC)液晶要具有強誘電性的必要條件有傾斜角(tilt)之層列(smectic)液晶相。液晶分子的末端基含有不對稱碳中心之光學活性(chiral)分子，但此分子不可生成

外消旋體。液晶分子在垂直於分子長軸方向上具有偶極矩強誘電性液晶的特性強誘電性液晶的分子排列是呈螺旋的層狀排列，當兩層分子呈現相同的傾斜排列方式時，他們之間的距離稱為一個pitch。但是當強誘電性液晶夾在兩片間隙小於一個pitch的導電性玻璃之間時，因為分子的排列受到限制而無法形成螺旋的層狀排列，而且當去掉外加電場，分子下會回復外加電場之前的排列狀態。也就是說強誘電性液晶會保持外加電場時的分子排列方式，當強誘電性液晶具有此種特性時，我們稱其為表面雙安定強誘電性液晶(SurfaceStabilizedFerroelectricLiquidCrystal;SSFLC)

強誘電性液晶貝有高應答速度、高解析度以及大視角等優點，但仍有其缺點，即低分子液晶在應用時必須充填在只有數微米間隙的導電性玻璃內，製作程序複雜且無法大面積化，是目前極需突破的問題

8TGB態液晶什麼是TGB態液晶？一種與第二類超導有相同數學結構之液晶ＴＧＢ態液晶全名為扭曲顆粒界面液晶(TwistedGrainBoundaryliquidcrystal)。這種液晶的結構可看成由許多小層狀液晶顆粒聚集在一起，而這些小顆粒的方向會慢慢改變。因此在顆粒的邊界造成扭曲的現象，這也是它名字的由來在能量及結構的分析上，層狀液晶與超導有一對一的對應關係。超導可分為第一類(TypeI)及第二類(TypeII)超導。第二類超導具有一種超導與普通導體共存的態。它可承受較大的電流。基於對超導的認識，在1972年deGennes(1991年諾貝爾物理獎得主)就已經預測：應該有一種和第二類超導相對應的液晶態

ＴＧＢ液晶態

9棒狀液晶什麼是棒狀液晶？一般說來，向列型和層列型液晶的分子幾何結構類似棒狀物，因此又稱棒狀(calamitic)液晶分子

液晶化合物的分子結構，對於此化合物呈何種液晶相、相轉移溫度、光學性質、光電性質及熱力學性質等的影響扮演極重要的角色下圖為棒狀液晶分子的主要結構Ａ，Ｂ通由環狀物所組成，環愈多愈長其形成液晶相的溫度愈高。而整個主幹,或稱主軸上的共振結構愈長，其雙折射性也愈高

棒狀液晶分子的主要結構

10液晶顯示原理在兩片玻璃基板上裝有配向膜，所以液晶會沿者溝槽配向，由於玻璃基板配向膜溝槽偏離90度，所以液晶分子成為扭轉型，當玻璃基板沒有加入電場時，光線透過偏光板跟者液晶做90度扭轉，通過下方偏光板，液晶面板顯示白色(如圖一)；當玻璃基板加入電場時，液晶分子產生配列變化，光線通過液晶分子空隙維持原方向，被下方偏光板遮蔽，光線被吸收無法透出，液晶面板顯示黑色(如圖二)。液晶顯示器便是根據此電壓有無，使面板達到顯示效果。

圖一：沒有加入電壓，光線透出

圖二：加入電壓，光線遮蔽

11扭轉式向列場效應扭轉式向列場效應將液晶材料置於兩片貼附光軸垂直偏光板之透明導電玻璃間，液晶分子會依配向膜的細溝槽方向依序旋轉排列，如果電場未形成，光線會順利的從偏光板射入，依液晶分子旋轉其行進方向，然後從另一邊射出。如果在兩片導電玻璃通電之後，兩片玻璃間會造成電場，進而影響其間液晶分子的排列，使其分子棒進行扭轉，光線便無法穿透，進而遮住光源。這樣所得到光暗對比的現象，叫做扭轉式向列場效應

NormalWhiteVoltageOffVoltageOn90度扭轉的液晶分子令光旋轉後穿透偏光板。加電壓到液晶時，液晶會直立並使光直線前進，再以偏光板遮住。12說說LCD的運作原理(一)簡單說液晶顯示,使用兩片薄膜,利用通電與未通電時中間的液態晶體改變排列方向來造成透光與不透光效果,而來產生圖形的顯示技術嚴格說LCD的顯示原理是利用液晶的固態晶體的光學特性與液態的流動特性，在未經電壓改變其特性前，液晶的分子結構是扭曲的，而讓穿透液晶的光線改變行徑的角度，但是，當對液晶施以電壓的時候，其分子結構的排列會因此產生變化，進而改變了穿透液晶光線的行徑角度，LCD就是利用這種特性來顯示各種不同的顏色以及亮度不等的影像與圖案

ＴＮ型液晶顯示器中液晶之排列

13說說LCD的運作原理(二)進一步說基本上，一部LCD是由背光、偏光板、液晶與彩色濾光膜等元件元件所組成的，而LCD的運作原理就是利用偏光板與液晶會改變光線角度的特性來做出成像的，偏光板的作用是由於光線通過偏光板時會依照其方向被過濾掉一部份，所以當光線通過兩塊成90度直交的偏光板時，光線會全部被阻隔下來，因為第二塊偏光板會將通過第一塊偏光板的光線全部擋下來LCD就是利用背光源（大部分是螢光燈管）投射出光源，這些光源會先經過一個偏光板然後再經過液晶，這時LCD就利用電壓的變化來改變液晶分子的排列方式並進而改變穿透液晶的光線角度。這些光線接下來還必須經過前方的彩色濾光膜與另一塊偏光板。由於這塊偏光板和前一塊偏光板角度相差90度，原本應該將所有的光阻隔下來，但是因為兩塊偏光板之間還有液晶可以控制光線的角度，因此我們只要改變刺激液晶的電壓值就可以控制最後出現的光線強度與色彩，並進而能在液晶面板上變化出有不同深淺的顏色組合了綜合說，就是由『光源->偏光板->液晶->濾光膜->偏光板』中間再加以電壓的控制，就可以呈現出不同的顏色組合偏光器之功能

14LCD的種類(一)依驅動液晶電壓的方式不同來做分類主動式矩陣LCD薄膜式電晶體型（ThinFilmTransistor；TFT）

二端子二極體型（Metal/Insulator/Metal；MIM）

被動式矩陣LCD(單純矩陣)扭轉式向列型（TwistedNematic；TN）

超扭轉式向列型（SuperTwistedNematic；STN）靜態驅動LCD（Static）

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