TFT LCD液晶顯示器的工作原理

    我一直記得, 當(dāng)初剛開始從事有關(guān)液晶顯示器相關(guān)的工作時(shí), 常常遇到的困擾, 就是不知道怎么跟人家解釋, 液晶顯示器是什么? 只好隨著不同的應(yīng)用環(huán)境, 來解釋給人家聽. 在最早的時(shí)候是告訴人家, 就是掌上型電動(dòng)玩具上所用的顯示屏, 隨著筆記型計(jì)算機(jī)開始普及, 就可以告訴人家說, 就是使用在筆記型計(jì)算機(jī)上的顯示器. 隨著手機(jī)的流行, 又可以告訴人家說, 是使用在手機(jī)上的顯示板. 時(shí)至今日, 液晶顯示器, 對(duì)于一般普羅大眾, 已經(jīng)不再是生澀的名詞. 而它更是繼半導(dǎo)體后 另一種可以再創(chuàng)造大量營(yíng)業(yè)額的新興科技產(chǎn)品, 更由于其輕薄的特性, 因此它的應(yīng)用范圍比起原先使用陰極射線管(CRT, cathode-ray tube)所作成的顯示器更多更廣. 

    如同我前面所提到的, 液晶顯示器泛指一大堆利用液晶所制作出來的顯示器. 而今日對(duì)液晶顯示器這個(gè)名稱, 大多是指使用于筆記型計(jì)算機(jī), 或是桌上型計(jì)算機(jī)應(yīng)用方面的顯示器. 也就是薄膜晶體管液晶顯示器. 其英文名稱為Thin-film transistor liquid crystal display, 簡(jiǎn)稱之TFT LCD. 從它的英文名稱中我們可以知道, 這一種顯示器它的構(gòu)成主要有兩個(gè)特征, 一個(gè)是薄膜晶體管, 另一個(gè)就是液晶本身. 我們先談?wù)勔壕П旧? 

液晶(LC, liquid crystal)的分類 
    我們一般都認(rèn)為物質(zhì)像水一樣都有三態(tài), 分別是固態(tài)液態(tài)跟氣態(tài). 其實(shí)物質(zhì)的三態(tài)是針對(duì)水而言, 對(duì)于不同的物質(zhì), 可能有其它不同的狀態(tài)存在. 以我們要談到的液晶態(tài)而言, 它是介于固體跟液體之間的一種狀態(tài), 其實(shí)這種狀態(tài)僅是材料的一種相變化的過程(請(qǐng)見圖1), 只要材料具有上述的過程, 即在固態(tài)及液態(tài)間有此一狀態(tài)存在, 物理學(xué)家便稱之為液態(tài)晶體. 

這種液態(tài)晶體的首次發(fā)現(xiàn), 距今已經(jīng)度過一百多個(gè)年頭了. 在公元1888年, 被奧地利的植物學(xué)家Friedrich Reinitzer所發(fā)現(xiàn), 其在觀察從植物中分離精制出的安息香酸膽固醇(cholesteryl benzoate) 的融解行為時(shí)發(fā)現(xiàn), 此化合物加熱至145.5度℃時(shí), 固體會(huì)熔化,呈現(xiàn)一種介于固相和液相間之半熔融流動(dòng)白濁狀液體. 這種狀況會(huì)一直維持溫度升高到178.5度℃, 才形成清澈的等方性液態(tài)(isotropic liquid). 來年, 在1889年, 研究相轉(zhuǎn)移及熱力學(xué)平衡的德國(guó)物理學(xué)家O.Lehmann, 對(duì)此化合物作更詳細(xì)的分析. 他在偏光顯微鏡下發(fā)現(xiàn), 此黏稠之半流動(dòng)性白濁液體化合物,具有異方性結(jié)晶所特有的雙折射率(birefringence)之光學(xué)性質(zhì), 即光學(xué)異相性(optical anisotropic). 故將這種似晶體的液體命名為液晶. 此后, 科學(xué)家將此一新發(fā)現(xiàn)的性質(zhì), 稱為物質(zhì)的第四態(tài)-液晶(liquid crystal). 它在某一特定溫度的范圍內(nèi), 會(huì)具有同時(shí)液體及固體的特性. 
一般以水而言, 固體中的晶格因?yàn)榧訜? 開始吸熱而破壞晶格, 當(dāng)溫度超過熔點(diǎn)時(shí)便會(huì)溶解變成液體. 而熱致型液晶則不一樣(請(qǐng)見圖2), 當(dāng)其固態(tài)受熱后, 并不會(huì)直接變成液態(tài), 會(huì)先溶解形成液晶態(tài). 當(dāng)您持續(xù)加熱時(shí), 才會(huì)再溶解成液態(tài)(等方性液態(tài)). 這就是所謂二次溶解的現(xiàn)象. 而液晶態(tài)顧名思義, 它會(huì)有固態(tài)的晶格, 及液態(tài)的流動(dòng)性. 當(dāng)液態(tài)晶體剛發(fā)現(xiàn)時(shí), 因?yàn)榉N類很多, 所以不同研究領(lǐng)域的人對(duì)液晶會(huì)有不同的分類方法. 在1922年由G. Friedel利用偏光顯微鏡所觀察到的結(jié)果, 將液晶大致分為Nematic Smectic及Cholesteric三類. 但是如果是依分子排列的有序性來分(請(qǐng)見圖3), 則可以分成以下四類: 

 1.層狀液晶(Sematic) :