經常會有人問液晶顯示器是什么?隨著不同的應用環境, 來解釋. 在最早的時候解釋, 就是掌上型電動玩具上所用的顯示屏, 隨著筆記型計算機開始普及, 就可以告訴人家說, 就是使用在筆記型計算機上的顯示器. 隨著手機的流行, 又可以告訴人家說, 是使用在手機上的顯示板. 時至今日, 液晶顯示器,另一種可以再創造大量營業額的新興科技產品, 更由于其輕薄的特性, 因此它的應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。
液晶顯示器泛指一大堆利用液晶所制作出來的顯示器. 而今日對液晶顯示器這個名稱, 大多是指使用于筆記型計算機, 或是桌上型計算機應用方面的顯示器. 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成主要有兩個特征, 一個是薄膜晶體管, 另一個就是液晶本身. 我們先談談液晶本身。
液晶(LC, liquid crystal)的分類
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, 對于不同的物質, 可能有其它不同的狀態存在. 以我們要談到的液晶態而言, 它是介于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, 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, 距今已經度過一百多個年頭了. 在公元1888年, 被奧地利的植物學家Friedrich Reinitzer所發現, 其在觀察從植物中分離精制出的安息香酸膽固醇(cholesteryl benzoate)的融解行為時發現, 此化合物加熱至145.5度℃時, 固體會熔化,呈現一種介于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度℃, 才形成清澈的等方性液態(isotropic liquid). 隔年, 在1889年, 研究相轉移及熱力學平衡的德國物理學家O.Lehmann, 對此化合物作更詳細的分析. 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. 此后, 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范圍內, 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), 當其固態受熱后, 并不會直接變成液態, 會先溶解形成液晶態. 當您持續加熱時, 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. 而液晶態顧名思義, 它會有固態的晶格, 及液態的流動性. 當液態晶體剛發現時, 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. 在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象來描述液晶的物理特性的話, 我們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, 這是依照發現的先后順序來稱呼, 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. 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. 這種液晶如圖5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, 會發現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. 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. 當肥皂泡在水中并不會立刻便成液態, 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。
液晶的光電特性
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及折射系數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入射光的強度, 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ε(dielectric permittivity) :
我們可以將介電系數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。現在TFT LCD上常用的TN型液晶大多是屬于介電系數正型的液晶. 當介電系數異方性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(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。與介電系數一樣, 折射系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⊥。
此外對單光軸(uniaxial)的晶體來說, 原本就有兩個不同折射系數的定義. 一個為no ,它是指對于ordinary ray的折射系數, 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, 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(elastic constant :κ11 , κ22 , κ33 ), 它包含了三個主要的常數, 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. 另外像黏性系數(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(conductivity)等等光電特性。
