danny

Lcd液晶螢幕

簡介

液晶的發現於1888年，是由澳洲植物學F.Reinitzer 發現，至今約一世紀，但其應用仍鮮為人們所熟悉，最近幾年由於半導體的發展，積體電路應用的普遍，使得電子產品越來越輕巧，故由液晶原理所應用發展的液晶顯示器在近年來廣為流行，1995年時LCD還呈現供過於求的現象，到了1996年由於筆記型電腦需求量大增且LCD品質直逼CRT故出現供不應求的現象，同時LCD在許多場合非常適合用來當作顯示器使用，在1997年許多LCD製造商訂單應接不瑕的情況看來LCD將為近年的顯示器主流。 因此, 本組以LCD為主題, 從到做個簡單的介紹… 。
　TFT LCD液晶顯示器的操作原理

透視液晶原理

及其光電特性謝崇凱液晶顯示器泛指所有利用液晶所製作出來的顯示器。而今日對液晶顯示器這個名稱，大多是指使用於筆記型電腦，或是桌上型電腦應用方面的顯示器。也就是薄膜電晶體液晶顯示器。英文名稱為Thin-film transistor liquid crystal display，簡稱TFT LCD。從英文名稱中我們可以知道，這一種顯示器的構成主要有兩個特徵，一個是薄膜電晶體，另一個就是液晶本身。我們先談談液晶本身。

液晶(liquid crystal, LC)的分類

我們一般都認為物質像水一樣都有三態，分別是固態液態跟氣態。其實物質的三態是針對水而言，對於不同的物質，可能有其他不同的狀態存在。以我們要談到的液晶態而言，是介於固體跟液體之間的一種狀態，其實這種狀態僅是材料的一種相變化的過程(請見圖1)，只要材料具有上述的過程，即在固態及液態間有此一狀態存在，物理學家便稱之為液態晶體。

這種液態晶體的首次發現，距今已有一百多年了。在西元1888年，被奧地利的植物學家Friedrich Reinitzer所發現，化在觀察從植物中分離精製出的安息香酸膽固醇(cholesteryl benzoate)的融解行為時發現，此化合物加熱至145.5℃時，固體會熔化，呈現一種介於固相和液相間之半熔融流動白濁狀液體。這種狀況會一直維持溫度升高到178.5℃，才形成清澈的等方性液態(isotropic liquid)。1889年，研究相轉移及熱力學平衡的德國物理學家O.Lehmann，對此化合物做更詳細的分析。他在偏光顯微鏡下發現，此黏稠之半流動性白濁液體化合物具有異方性結晶所特有的雙折射率(birefringence)之光學性質，即光學異相性(optical anisotropic)，故將這種似晶體的液體命名為液晶。此後，科學家將此一新發現的性質，稱為物質的第四態 - 液晶(liquid crystal)。它在某一特定溫度的範圍內，會具有同時液體及固體的特性。

一般以水而言，固體中的晶格因為加熱，開始吸熱而破壞晶格，當溫度超過熔點時便會溶解變成液體。而熱致型液晶則不一樣(請見圖2)，當其固態受熱後，並不會直接變成液態，會先溶解成液晶態。當持續加熱時，才會再溶解成液態(等方性液態)，這就是所謂二次溶解的現象。顧名思義，液晶態擁有固態的晶格及液態的流動性。液態晶體剛被發現時，因為種類很多，所以不同研究領域的人對液晶會有不同的分類方法。1922年由G. Friedel利用偏光顯微鏡所觀察到的結果，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(請見圖3)，則可以分成以下四類：

層狀液晶(Sematic)

其結構是由液晶棒狀分子聚集一起，形成一層一層的結構，每一層的分子之長軸方向相互平行，且此長軸方向對於每一層平面是垂直或有一傾斜角。由於其結構非常近似於晶體，所以又稱做近晶相，其秩序參數S(order parameter)趨近於1。在層狀型液晶層與層間的鍵結會因為溫度而斷裂，所以層與層間較易滑動。但每一層內的分子鍵結較強，所以不易被打斷。因此就單層來看，不僅排列有序，且黏性較大。

如果利用巨觀的現象來描述液晶的物理特性的話，可以把一群區域性液晶分子的平均指向定為指向矢(director)，這就是這一群區域性的液晶分子平均方向。而以層狀液晶來說，由於其液晶分子會形成層狀的結構，因此又可就其指向矢的不同再分類出不同的層狀液晶。當其液晶分子的長軸都是垂直站立時，就稱之為「Sematic A phase」。如果液晶分子的長軸站立方向有某種的傾斜(tilt)角度，則稱之為「Sematic C phase」。以A、C等字母來命名，是依照發現的先後順序來稱呼，依此類推，應該會存在有一個「Sematic B phase」才是。不過後來發覺B phase其實是C phase的一種變形而已，原因是C phase如果帶chiral的結構就是B phase。也就是說，Chiral sematic C phase就是Sematic B phase(請見圖4)。而其結構中的一層一層液晶分子，除了每一層的液晶分子都具有傾斜角度之外，一層一層之間的傾斜角度還會形成像螺旋的結構。

線狀液晶(Nematic)

Nematic是希臘字，代表的意思與英文的thread是一樣的。主要是因為用肉眼觀察這種液晶時，會有像絲線一般的圖樣。這種液晶分子在空間上具有一維的規則性排列，所有棒狀液晶分子長軸會選擇某一特定方向(也就是指向矢)作為主軸並相互平行排列。而且不像層狀液晶一樣具有分層結構。與層列型液晶相比，其排列較無秩序，也就是其秩序參數S較層狀型液晶小。另外其黏度也較小，所以較易流動(它的流動性主要來自對於分子長軸方向較易自由運動)。線狀液晶就是現在的TFT液晶顯示器常用的TN(Twisted nematic)型液晶。

膽固醇液晶(cholesteric)

這個名字的來源是因為大部份是由膽固醇的衍生物所生成的，但有些沒有膽固醇結構的液晶也會具有此液晶相。如圖5所示，如果把這種液晶一層一層分開來看，很像線狀液晶。但是在Z軸方向來看，會發現它的指向矢隨著一層一層的不同而像螺旋狀一樣分布，而當其指向矢旋轉360度所需的分子層厚度就稱為pitch。正因為它每一層跟線狀液晶很像，所以也叫做Chiral nematic phase。以膽固醇液晶而言，與指向矢的垂直方向分布的液晶分子，由於其指向矢的不同，就會有不同的光學或是電學的差異，也因此造就了不同的特性。

碟狀液晶(disk)

也稱為柱狀液晶，以一個個的液晶來說，長的像碟狀(disk)，但是其排列就像是柱狀(discoid)。

如果我們是依分子量的高低來分，則可以分成高分子液晶(polymer liquid crystal，聚合許多液晶分子而成)與低分子液晶兩種。就此種分類來說，TFT液晶顯示器是屬於低分子液晶的應用。倘若就液晶態的形成原因，則可以分成因為溫度形成液晶態的熱致型液晶(thermotropic)，與因為濃度而形成液晶態的溶致型液晶(lyotropic)。以上述的分類來說，層狀液晶與線狀液晶一般多為熱致型的液晶，隨著溫度變化而形成液晶態。而對於溶致型的液晶，需要考慮分子溶於溶劑中的情形。當濃度很低時，分子便雜亂的分佈於溶劑中而形成等方性的溶液，不過當濃度升高大於某一臨界濃度時，由於分子已沒有足夠的空間來形成雜亂的分佈，部份分子開始聚集形成較規則的排列，以減少空間的阻礙。因此形成異方性(anisotropic)之溶液。所以溶致型液晶的產生就是液晶分子在適當溶劑中達到某一臨界濃度時，便會形成液晶態。溶致型的液晶有一個最好的例子，就是肥皂。當肥皂泡在水中並不會立刻便成液態，它在水中泡久了之後，所形成的乳白狀物質就是它的液晶態。

液晶的光電特性

由於液晶分子的結構為異方性(Anisotropic)，所以引起的光電效應就會因為方向不同而有所差異，也就是液晶分子在介電係數及折射係數等光電特性都具有異方性，因而可以利用這些性質來改變入射光的強度，以便形成灰階，應用於顯示器元件上。以下是液晶屬於光學跟電學相關的特性：

介電係數ε(dielectric permittivity)

將介電係數分成兩個方向的分量，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ε//＞ε⊥便稱之為介電係數異方性為正型的液晶，可以用在平行配位。而ε//＜ε⊥則稱之為介電係數異方性為負型的液晶，只可用在垂直配位的光電效應。當有外加電場時，液晶分子會因介電係數異方性為正或是負值，來決定液晶分子的轉向是平行或是垂直於電場，決定光的穿透與否。現在TFT LCD上常用的TN型液晶大多是屬於介電係數正型的液晶。當介電係數異方性Δε(=ε//-ε⊥)越大時，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。

折射係數(refractive index)

由於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。與介電係數一樣，折射係數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，單光軸(uniaxial)的晶體原本就有兩個不同折射係數的定義，一個為no，它是指對於ordinary ray的折射係數，而ordinary ray是指其光波的電場分量是垂直於光軸。另一個則是ne，它是指對於extraordinary ray的折射係數，而extraordinary ray是指其光波的電場分量是與光軸平行的。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，由於其液晶分子長的像棒狀，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係數定義，它有兩個折射率，分別為垂直於液晶長軸方向n⊥(=ne)及平行液晶長軸方向n//(=no)兩種，所以當光入射液晶時，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。

若光的行進方向與分子長軸平行時的速度，小於垂直於分子長軸方向的速度時，意味著平行分子長軸方向的折射率大於垂直方向的折射率(因為折射率與光速成反比)，也就是ne-no＞0，所以雙折射率Δn＞0，我們把它稱作是光學正型的液晶，而層狀液晶與線狀液晶幾乎都是屬於光學正型的液晶。倘使光的行進方向平行於長軸時的速度較快的話，代表平行長軸方向的折射率小於垂直方向的折射率，所以雙折射率Δn＜0，稱作光學負型的液晶。而膽固醇液晶多為光學負型的液晶。

其他特性

除了上述的兩個重要特性之外，液晶還有許多不同的光電特性。比如彈性常數(elastic constant: κ11, κ22, κ33 )，包含三個主要的常數，分別是：κ11，指的是斜展(splay)的彈性常數；κ22，指的是扭曲(twist)的彈性常數；κ33，指的是彎曲(bend)的彈性常數。另外像黏性係數(viscosity coefficients, η)，則會影響液晶分子的轉動速度與反應時間(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)，也因為液晶的異方性關係，分成X//與X⊥，而磁化率異方性則定義成ΔX = X//-X⊥。此外還有電導係數(conductivity)等等光電特性。

附註:

                   1與傳統CRT比較

液晶螢幕與一般顯示器比較
	CRT螢幕	TFT LCD液晶螢幕
空間	體積 非常大，佔空間	輕薄短小，可靈活運用
幅射	兩側與後方特別嚴重	無電子光束，無幅射問題
彩度	可達16.7百萬色真實水準	可達16.7百萬色真實水準
重量	大多約10多公斤	只要5公斤左右
耗電量	15吋而言約100W	只要30-40W
可視面積	15吋真正顯示面積僅14.1吋左右	真正擁有完全15的顯示面積
解析度	同級	同級

2《專業規格解讀》
吋數	指螢幕對角線的長度，目前常見的LCD大多為15吋。
點距	點距的單位為mm ，數字越小表示顯現的影像越細膩。
耗電量	液晶的耗電量約為CRT的一半，15吋的螢幕大約只有30—40W的耗電量。
亮度	以cd/m2表示，單位數愈高，可調整的效果越好。
最高解析度	15吋的液晶大多有1024x768的最高解析度。
訊號介面	為因應現在桌上型電腦，一般被設計成可接受15pinD型接頭，可接受RGB的類比訊號，較新型的液晶則開始支援Panel Link數位信號。
回應時間	單位千分之一秒，數字越小越好，畫面更動才清晰無殘影。
對比度	比值越高，對比越強烈，調整效果越細緻。
可視角度	指讓液晶從側面看的清楚程度，因顏色精準考量，超視角設計未必最好，建議以實際體驗可接受為主。

參考資料:http://www.mem.com.tw/serial/2002-8-197/m19601.html