液晶知識簡介

液晶知識簡介作成：QAD廖云濤2005.4.6一、液晶的發(fā)現(xiàn)液晶是一種在一定溫度范圍內(nèi)呈現(xiàn)既不同于固態(tài)、液態(tài)，又不同于氣態(tài)的特殊物質態(tài)，它既具有各向異性的晶體所特有的雙折射性，又具有液體的流動性。液晶的發(fā)現(xiàn)可以回溯到1888年，當時奧地利的植物學者Reinitzer在加熱安息香酸膽石醇時，意外發(fā)現(xiàn)異常的溶解現(xiàn)象。因為此物質雖在145℃融解，卻呈現(xiàn)混濁的糊狀，達179℃時突然成為透明的潺潺液體，若從高溫往下降溫的過程觀察，在179℃突然成為糊狀液體，超過145℃時成為固體的結晶。其后由德國物理學者Lehmann利用偏光顯微鏡觀察此安息酸膽石醇的混濁狀態(tài)，證實是一種具有組織方位性的液體（crystallineliquid),至此才正式確認液晶的存在，并開始了液晶的研究。美國R.C.A于1968年5月28日發(fā)表以液晶為材料的新型表裝置，開啟液晶在商業(yè)實用上的先例。由于液晶具有誘電與光學的異方性，同時具備良好的分子配向與流動特性，當受到光、熱、電場、磁場等外界刺激時，分子的配向容易發(fā)生變化，造成液晶材料明暗對比的改變或顯現(xiàn)出其他特殊的電氣光學效果。近幾年來，液晶材料儼然成為各種便攜式電子信息產(chǎn)品不可或缺的顯示媒體。二、液晶的分類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,

則可以分成以下四類:

1、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.

其每一層的分子的長軸方向相互平行.

且此長軸的方向對于每一層平面是垂直或有一傾斜角.

由于其結構非常近似于晶體,

所以又稱做近晶相.

其秩序參數(shù)S(order

parameter)趨近于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.

但是每一層內(nèi)的分子鍵結較強,

所以不易被打斷.

因此就單層來看,

其排列不僅有序且黏性較大.

如果我們利用巨觀的現(xiàn)象來描述液晶的物理特性的話,

我們可以把一群區(qū)域性液晶分子的平均指向定為指向矢(director),

這就是這一群區(qū)域性的液晶分子平均方向.

而以層狀液晶來說,

由于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的話,

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,就稱之為"Sematic

C

phase".

以A,C等字母來命名,

這是依照發(fā)現(xiàn)的先后順序來稱呼,

依此類推,

應該會存在有一個"Sematic

B

phase"才是.

不過后來發(fā)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(見圖).

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.

2、線狀液晶(Nematic)

Nematic這個字是希臘字,

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,

看起來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(guī)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)作為主軸并相互平行排列.

而且不像層狀液晶一樣具有分層結構.

與層列型液晶比較其排列比較無秩序,

也就是其秩序參數(shù)S較層狀型液晶較小.

另外其黏度較小,

所以較易流動(它的流動性主要來自對于分子長軸方向較易自由運動)。線狀液晶就是現(xiàn)在的TFT液晶顯示器常用的TN(Twisted

nematic)型液晶.3、膽固醇液晶(cholesteric)

這個名字的來源,是因為它們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.

如圖所示,

如果把它的一層一層分開來看,

會很像線狀液晶.

但是在Z軸方向來看,

會發(fā)現(xiàn)它的指向矢會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,

由于其指向矢的不同,

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.

4、碟狀液晶(disk)

也稱為柱狀液晶,

以一個個的液晶來說,

它是長的像碟狀(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的話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液晶顯示器是屬于低分子液晶的應用.

倘若就液晶態(tài)的形成原因,

則可以分成因為溫度形成液晶態(tài)的熱致型液晶(thermotropic),與因為濃度而形成液晶態(tài)的溶致型液晶(lyotropic).

以之前所提過的分類來說,

層狀液晶與線狀液晶一般多為熱致型的液晶,

是隨著溫度變化而形成液晶態(tài).

而對于溶致型的液晶,

需要考慮分子溶于溶劑中的情形.

當濃度很低時,

分子便雜亂的分布于溶劑中而形成等方性的溶液,

不過當濃度升高大于某一臨界濃度時,

由于分子已沒有足夠的空間來形成雜亂的分布,

部份分子開始聚集形成較規(guī)則的排列,

以減少空間的阻礙.

因此形成異方性(anisotropic)

溶液.

所以溶致型液晶的產(chǎn)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(tài).

溶致型的液晶有一個最好的例子,就是肥皂.

當肥皂泡在水中并不會立刻便成液態(tài),

而其在水中泡久了之后,

所形成的乳白狀物質,

就是它的液晶態(tài).

三、液晶的光電性由于液晶分子的結構為異方性

(Anisotropic)，所以所引起的光電效應就會因為方向不同而有所差異，簡單的說也就是液晶分子在介電系數(shù)及折射系數(shù)等等光電特性都具有異方性，因而我們可以利用這些性質來改變?nèi)肷涔獾膹姸?

以便形成灰階,

來應用于顯示器組件上.

以下我們要討論的,

是液晶屬于光學跟電學相關的特性,

大約有以下幾項:

1、介電系數(shù)ε(dielectric

permittivity)

我們可以將介電系數(shù)分開成兩個方向的分量,

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⊥

便稱之為介電系數(shù)異方性為正型的液晶,

可以用在平行配位.

而ε//

<ε⊥

則稱之為介電系數(shù)異方性為負型的液晶,

只可用在垂直配位才能有所需要的光電效應.

當有外加電場時，液晶分子會因介電系數(shù)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于電場,

來決定光的穿透與否。.現(xiàn)在TFT

LCD上常用的TN型液晶大多是屬于介電系數(shù)正型的液晶.

當介電系數(shù)異方性Δε(=ε//-ε⊥)越大的時候,

則液晶的臨界電壓(threshold

voltage)就會越小.

這樣一來液晶便可以在較低的電壓操作。2、折射系數(shù)(refractive

index)

由于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。與介電系數(shù)一樣,

折射系數(shù)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⊥.

此外對單光軸(uniaxial)的晶體來說,

原本就有兩個不同折射系數(shù)的定義.

一個為no

,它是指對于ordinary

ray的折射系數(shù),

所以才簡寫成no

.而ordinary

ray是指其光波的電場分量是垂直于光軸的稱之.

另一個則是ne

,它是指對于extraordinary

ray的折射系數(shù),

而extraordinary

ray是指其光波的電場分量是平行于光軸的.

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，由于其液晶分子的長的像棒狀,

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系數(shù)定義,

它會有兩個折射率，分別為垂直于液晶長軸方向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,

小于垂直于分子長軸方向的速度時，這意味著平行分子長軸方向的折射率大于垂直方向的折射率(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

,我們把它稱做是光學正型的液晶,

而層狀液晶與線狀液晶幾乎都是屬于光學正型的液晶.

倘使光的行進方向平行于長軸時的速度較快的話，代表平行長軸方向的折射率小于垂直方向的折射率,所以雙折射率Δn

<

0.我們稱它做是光學負型的液晶.

而膽固醇液晶多為光學負型的液晶.

3、其它特性對于液晶的光電特性來說,

除了上述的兩個重要特性之外,

還有許多不同的特性.

比如說像彈性常數(shù)(elastic

constant

:κ11

,

κ22

,

κ33

),

它包含了三個主要的常數(shù),

分別是,

κ11

指的是斜展(splay)的彈性常數(shù),

κ22

指的是扭曲(twist)的彈性常數(shù),

κ33

指的是彎曲(bend)的彈性常數(shù).

另外像黏性系數(shù)(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系,

分成c

//

與c⊥

.而磁化率異方性則定義成Δc

=

c

//

-c⊥

.

此外還有電導系數(shù)(conductivity)等等光電特性。液晶特性中

最重要的就是液晶的介電系數(shù)與折射系數(shù).

介電系數(shù)是液晶受電場的影響決定液晶分子轉向的特性,

而折射系數(shù)則是光線穿透液晶時影響光線行進路線的重要參數(shù).

而液晶顯示器就是利用液晶本身的這些特性,

適當?shù)睦秒妷?

來控制液晶分子的轉動,

進而影響光線的行進方向,

來形成不同的灰階,

作為顯示影像的工具.

Normally

white及normally

black：

所謂的NW(Normally

white),是指當我們對液晶面板不施加電壓時,

我們所看到的面板是透光的畫面,

也就是亮的畫面,

所以才叫做normally

white.

而反過來,

當我們對液晶面板不施加電壓時,

如果面板無法透光,

看起來是黑色的話,

就稱之為NB(Normally

black).

對TN型的LCD而言,

位于上下玻璃的配向膜都是互相垂直的,

而NB與NW的差別就只在于偏光板的相對位置不同而已.

對NB來說,

其上下偏光板的極性是互相平行的.

所以當NB不施加電壓時,

光線會因為液晶將之旋轉90度的極性而無法透光.

為什么會有NW與NB這兩種不同的偏光板配置呢?

主要是為了不同的應用環(huán)境.

一般應用于桌上型計算機或是筆記型計算機,

大多為NW的配置.

那是因為,

如果你注意到一般計算機軟件的使用環(huán)境,

你會發(fā)現(xiàn)整個屏幕大多是亮點,

也就是說計算機軟件多為白底黑字的應用.

既然亮著的點占大多數(shù),

使用NW當然比較方便.

也因為NW的亮點不需要加電壓,

平均起來也會比較省電.

反過來說

NB的應用環(huán)境就大多是屬于顯示屏為黑底的應用了.

四、液晶顯示器的分類液晶顯示器主要可以分為三種，即TN型、STN型及TFT型。1、TN型（TwistedNematic）TN型液晶顯示器的基本構造為上下兩片導電玻璃基板，期間注入向列型（Nematic）的液晶，上下基板外側各加上一片偏光板，另外并在導電膜上涂布一層摩擦過形成極細溝紋的配向膜，由于液晶分子擁有液體的流動特性，很容易順著溝紋方向排列，當液晶填入上下基板溝紋方向，以90度垂直配置的內(nèi)部，接近基板溝紋的束縛力較大，液晶分子會沿著上下基板溝紋方向排列，中間部分的液晶分子束縛力較小，會形成扭轉排列，且液晶的分子扭轉90度，故稱為TN型。如果我們對上下兩塊玻璃之間施加電壓時,

由于TN型液晶多為介電系數(shù)異方性為正型的液晶(ε//

>ε⊥

,代表著平行方向的介電系數(shù)比垂直方向的介電系數(shù)大,

因此當液晶分子受電場影響時,

其排列方向會傾向平行于電場方向.),

所以我們從圖10中便可以看到,

液晶分子的排列都變成站立著的.

此時通過上層偏光板的單方向的極化光波,

經(jīng)過液晶分子時便不會改變極化方向,

因此就無法通過下層偏光板.

ＴＮ型液晶顯示器的特點是快速響應，高對比度，缺點是無法進行大容量顯示，視角窄，因此它無法用于像電腦顯示器、手機之類的產(chǎn)品，僅僅用于電子表、萬年歷之類的低檔產(chǎn)品。2、STN型（SuperTwistedNematic)

STN

LCD與TN型LCD在結構上是很相似的,

其主要的差別在于

TN型的LCD,其液晶分子的排列,

由上到下旋轉的角度總共為90度.

而STN型LCD的液晶分子排列,

其旋轉的角度會大于180度,

一般為270度.(見圖)

正因為其旋轉的角度不一樣,

其特性也就跟著不一樣.

從圖13中TN型與STN型LCD的電壓對穿透率曲線可以知道,

當電壓比較低時,

光線的穿透率很高.

電壓很高時,

光線的穿透率很低.

所以它們是屬于Normal

White的偏光板配置.

電壓在中間位置的時候,

TN型LCD的變化曲線比較平緩,

而STN型LCD的變化曲線則較為陡峭.

因此在TN型的LCD中,

當穿透率由90%變化到10%時,

相對應的電壓差就比STN型的LCD來的較大。前面曾提到,

在液晶顯示器中,

是利用電壓來控制灰階的變化.

而在此TN與STN的不同特性,

便造成TN型的LCD,先天上它的灰階變化就比STN型的LCD來的多.

所以一般TN型的LCD多為6~8

bits的變化,

也就是64~256個灰階的變化.

而STN型的LCD最多為4

bits的變化

也就只有16階的灰階變化.除此之外STN與TN型的LCD還有一個不一樣的地方就是反應時間(response

time)

一般STN型的LCD其反應時間多在100ms以上

而TN型的LCD其反應時間多為30~50ms

當所顯示的影像變動快速時

對STN型的LCD而言

就容易會有殘影的現(xiàn)象發(fā)生。ＳＴＮＬＣＤ的特點是寬視角、大容量顯示，缺點是響應速度慢，因為多路驅動的存在使得ＳＴＮ的對比度要比ＴＮ下降很多3、TFT型（ThinFilmTransistor）TFT型液晶顯示器與前兩種顯示器在基本組件及原理上皆類似，最大的不同點為驅動方式的不同，TN和STN型皆采用單純矩陣式電路驅動，而TFT型采用精密矩陣式電路驅動。五、TFT(ThinFilmTransistor)LCD介紹TFT

LCD的中文翻譯名稱就叫做薄膜晶體管液晶顯示器。液晶顯示器需要電壓控制來產(chǎn)生灰階.

而利用薄膜晶體管來產(chǎn)生電壓,以控制液晶轉向的顯示器,

就叫做TFT

LCD.

從切面結構圖來看,

在上下兩層玻璃間,

夾著液晶,

便會形成平行板電容器,

我們稱之為CLC(capacitor

of

liquid

crystal).

它的大小約為0.1pF。1、概念但是實際應用上,

這個電容并無法將電壓保持到下一次再更新畫面數(shù)據(jù)的時候.

也就是說當TFT對這個電容充好電時,

它并無法將電壓保持住,

直到下一次TFT再對此點充電的時候.(以一般60Hz的畫面更新頻率,

需要保持約16ms的時間.)

這樣一來,

電壓有了變化,

所顯示的灰階就會不正確.

因此一般在面板的設計上,

會再加一個儲存電容CS(storage

capacitor

大約為0.5pF),

以便讓充好電的電壓能保持到下一次更新畫面的時候.

不過正確的來說,

長在玻璃上的TFT本身,只是一個使用晶體管制作的開關.

它主要的工作是決定LCD

source

driver上的電壓是不是要充到這個點來.

至于這個點要充到多高的電壓,

以便顯示出怎樣的灰階.

都是由外面的LCD

source

driver來決定的.2、基本構成基本構造背光板(BACKLIGHT)下偏光片(DOWNPOLARIZER)薄膜基板(TFTSUBSTRATE)液晶(LIQUIDCRYSTAL)彩色濾光片(COLORFILTER)上偏光片(UPPOLARIZER)TFTLCD構造剖面圖背光板(back

light,

BL)

在一般的CRT屏幕,

是利用高速的電子槍發(fā)射出電子,

打擊在銀光幕上的熒光粉,

藉以產(chǎn)生亮光,

來顯示出畫面.

然而液晶顯示器本身,

僅能控制光線通過的亮度,

本身并無發(fā)光的功能.

因此,液晶顯示器就必須加上一個背光板,

來提供一個高亮度,而且亮度分布均勻的光源.

我們在圖中可以看到,

組成背光板的主要零件有燈管(冷陰極管),

反射板,

導光板,

prism

sheet,

擴散板等等.

燈管是主要的發(fā)光零件,

藉由導光板,

將光線分布到各處.

而反射板則將光線限制住都只往TFT

LCD的方向前進.

最后藉由prism

sheet及擴散板的幫忙,

將光線均勻的分布到各個區(qū)域去,

提供給TFT

LCD一個明亮的光源.

而TFT

LCD則藉由電壓控制液晶的轉動,

控制通過光線的亮度,

藉以形成不同的灰階.框膠(Sealant)及spacer

框膠的用途,就是要讓液晶面板中的上下兩層玻璃,

能夠緊密黏住,

并且提供面板中的液晶分子與外界的阻隔,所以框膠正如其名,是圍繞于面板四周,

將液晶分子框限于面板之內(nèi).

而spacer主要是提供上下兩層玻璃的支撐,

它必須均勻的分布在玻璃基板上,

不然一但分布不均造成部分spacer聚集在一起,

反而會阻礙光線通過,

也無法維持上下兩片玻璃的適當間隙(gap),

會成電場分布不均的現(xiàn)象,

進而影響液晶的灰階表現(xiàn).

G1G2G3GmGm-1S1S2S3Sn-1SnSource線儲存電容Gate線液晶電容TFTcomITOCLCArray面板說明G1G2G3GmGm-2Gm-1S1S2S3Sn-2Sn-1SnArray面板示意圖保持電容TFT元件加入電壓液晶3、重要參數(shù)開口率液晶顯示器中有一個很重要的規(guī)格就是亮度,

而決定亮度最重要的因素就是開口率.

開口率是什么呢?

簡單的來說就是光線能透過的有效區(qū)域比例.

如圖是一個液晶顯示器從正上方或是正下方看過去的結構圖.

當光線經(jīng)由背光板發(fā)射出來時,

并不是所有的光線都能穿過面板,

像是給LCD

source驅動芯片及gate驅動芯片用的信號走線,

以及TFT本身,

還有儲存電壓用的儲存電容等等.

這些地方除了不完全透光外,

也由于經(jīng)過這些地方的光線

并不受到電壓的控制,而無法顯示正確的灰階,

所以都需利用black

matrix加以遮蔽,

以免干擾到其它透光區(qū)域的正確亮度.

所以有效的透光區(qū)域,

就只剩下如同所顯示的區(qū)域而已.

這一塊有效的透光區(qū)域,

與全部面積的比例就稱之為開口率.

當光線從背光板發(fā)射出來,

會依序穿過偏光板,

玻璃,

液晶,

彩色濾光片等等.

假設各個零件的穿透率如以下所示:

偏光板:

50%(因為其只準許單方向的極化光波通過)

玻璃:95%(需要計算上下兩片)

液晶:95%

開口率:50%(有效透光區(qū)域只有一半)

彩色濾光片:27%(假設材質本身的穿透率為80%,但由于濾光片本身涂有色彩,

只能容許該色彩的光波通過.

以RGB三原色來說,

只能容許三種其中一種通過.

所以僅剩下三分之一的亮度.

所以總共只能通過80%*33%=27%.)

以上述的穿透率來計算,

從背光板出發(fā)的光線只會剩下6%.

因此在TFT

LCD的設計中,

要盡量提高開口率的原因.

只要提高開口率,

便可以增加亮度,

而同時背光板的亮度也不用那么高,

可以節(jié)省耗電及花費。響應時間所謂“響應時間”，就是顯示器對于輸入信號的反應速度，也就是液晶由暗轉亮或者是由亮轉暗的反應時間一般來說，液晶顯示器的響應時間包括上升時間和下降時間，上升時間是從加電到液晶分子完全扭轉至最大角度的時間，即加電到信號顯示正常的時間，而下降時間則相反。所以，響應時間其實是整個液晶動作的總體反應時間。根據(jù)ISO的相關規(guī)定，目前市場上液晶顯示器所標注的響應時間指標是從10%亮度到90%亮度明暗變化時的上升與下降時間。響應時間越小則使用者在看運動畫面時不會出現(xiàn)尾影拖拽的感覺。許多TFT-LCD在動畫顯示上會出現(xiàn)問題，其原因為液晶的響應時間太長了。一般顯示器響應時間應該在20~30ms之間，與標準電影格式來相比，電影一秒可以顯示25個畫面（每個畫面約40ms）。當以液晶顯示器播放高速（如噴氣式機飛過村莊或旗幟飄揚）的動畫時，會出現(xiàn)模糊拖影的動畫。響應時間50ms=1/0.050=每秒顯示器能夠顯示20幀畫面響應時間30ms=1/0.030=每秒顯示器能夠顯示33幀畫面視角當背光源的入射光通過偏光片、液晶層及導向膜后，輸出光便具備了特定的方向特性，也就是說，大多數(shù)從屏幕射出的光是垂直方向的。假如從一個非常斜的角度觀看一個全白的畫面，我們可能會看到黑色或是色彩失真。這個效應在某些場合有用，但在大部份的應用上是我們不想要的。制造商們已經(jīng)花了很多時間來試圖改善液晶顯示器的視角特性，有數(shù)種廣視角技術被提出：IPS(IN-PLANE-SWITCHING、MVA(MULTI-DOMAINVERTICALALIGNMENT)、TN+FILM。這些技術都能把液晶顯示器的視角增加到160度。TN+film

所謂TN+film就是在原來的TN型