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TFT LCD 教程

5/21/2018
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TFT LCD的構造原理
由於TFT是從STN發展而來,所以它具有STN的特性。
下面將從液晶、偏光片、配向膜、濾光片、薄膜晶体管等材料的講解來説明TFT的原理。
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液晶的分類
当液态晶体刚发现时, 因为种类很多, 所以不同研究领域的人对液晶会有不同的分类方法.
在1922年由G. Friedel利用偏光显微镜所观察到的结果, 将液晶大致分为Nematic、Smectic及Cholesteric三类.
但是如果是依分子排列的有序性来分(请见图3), 则可以分成以下四类:
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液晶的種類
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线状液晶(Nematic)
Nematic这个字是希腊字, 代表的意思与英文的thread是一样的. 主要是因为用肉眼观察这种液晶时, 看起来会有像丝线一般的图样.
这种液晶分子在空间上具有一维的规则性排列, 所有棒状液晶分子长轴会选择某一特定方向(也就是指向矢)作为主轴并相互平行排列. 而且不像层状液晶一样具有分层结构. 与层列型液晶比较其排列比较无秩序, 也就是其秩序参数S较层状型液晶较小. 另外其黏度较小, 所以较易流动(它的流动性主要来自对于分子长轴方向较易自由运动)。
线状液晶就是现在的TFT液晶显示器常用的TN(Twisted nematic)型液晶.
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液晶的光电特性
由于液晶分子的结构为异方性(Anisotropic),所以所引起的光电效应就会因为方向不同而有所差异,简单的说也就是液晶分子在介电系数及折射系数等等光电特性都具有异方性,因而我们可以利用这些性质来改变入射光的强度, 以便形成灰阶, 来应用于显示器组件上.
以下我们要讨论的, 是液晶属于光学跟电学相关的特性, 大约有以下几项:
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介电系数ε(dielectric permittivity)
我们可以将介电系数分开成两个方向的分量, 分别是ε// (与指向矢平行的分量)与ε⊥(与指向矢垂直的分量).
当ε// >ε⊥便称之为介电系数异方性为正型的液晶, 可以用在平行配位.
而ε// <ε⊥则称之为介电系数异方性为负型的液晶, 只可用在垂直配位才能有所需要的光电效应.
当有外加电场时,液晶分子会因介电系数异方性为正或是负值,来决定液晶分子的转向是平行或是垂直于电场, 来决定光的穿透与否.
现在TFT LCD上常用的TN型液晶大多是属于介电系数正型的液晶.
当介电系数异方性Δε(=ε//-ε⊥)越大的时候, 则液晶的临界电压(threshold voltage)就会越小. 这样一来液晶便可以在较低的电压操作.
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折射系数(refractive index)
由于液晶分子大多由棒状或是碟状分子所形成,因此跟分子长轴平行或垂直方向上的物理特性会有一些差异,所以液晶分子也被称做是异方性晶体。
与介电系数一样, 折射系数也依照跟指向矢垂直与平行的方向, 分成两个方向的向量. 分别为n//与n⊥.
此外对单光轴(uniaxial)的晶体来说, 原本就有两个不同折射系数的定义. 一个为no,它是指对于ordinary ray的折射系数, 所以才简写成no .而ordinary ray是指其光波的电场分量是垂直于光轴的称之. 另一个则是ne,它是指对于extraordinary ray的折射系数, 而extraordinaryray是指其光波的电场分量是平行于光轴的.
同时也定义了双折射率(birefrigence) Δn = ne-no为上述的两个折射率的差值.
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其它特性
对于液晶的光电特性来说, 除了上述的两个重要特性之外, 还有许多不同的特性.
比如说像弹性常数(elastic constant :κ11 , κ22 , κ33 ), 它包含了三个主要的常数, 分别是,κ11 指的是斜展(splay)的弹性常数, κ22 指的是扭曲(twist)的弹性常数, κ33 指的是弯曲(bend)的弹性常数.
另外像黏性系数(viscosity coefficients ,η), 则会影响液晶分子的转动速度与反应时间(response time), 其值越小越好. 但是此特性受温度的影响最大.
另外还有磁化率(ic susceptibility), 也因为液晶的异方性关系, 分成χ//与χ⊥.
而磁化率异方性则定义成Δχ= χ//-χ⊥.
此外还有电导系数(conductivity)等等光电特性.
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液晶的光學特性
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