TFTLCD液晶顯示器工作原理.pdf

TFT LCD 液晶顯示器的工作原理 1 前言 我一直記得，當初剛開始從事有關液晶顯示器相關的工作 時，常常遇到的困擾，就是不知道怎麼跟人家解釋，液晶 顯示器是什麼？只好隨著不同的應用環境，來解釋給人家 聽。在最早的時候是告訴人家，就是掌上型電動玩具上所 用的顯示幕，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，對於一般普羅大眾，已經不再是生 澀的名詞。而它更是繼半導體後另一種可以再創造大量營 業額的新興科技產品，更由於其輕薄的特性，因此它的應 用範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。 2 如同我前面所提到的，液晶顯示器泛指一大堆利用液晶所 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徵，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。 3 液晶（LC ，Liquid Crystal ）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，可能有其它不同的狀態存在。以我們要談到的液晶態 而言，它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，距今已經度過一百多個年頭了 。在西元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 4 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 ）。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。 5 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