自從上一篇介紹LCD的文章寫了以後, 突然覺得大部分的人好像都只知道它的顯示原理, 對於它發展成為顯示技術的背景沒那麼了解.
寫完網誌以後, 小弟突然也對液晶顯示的發展好奇起來, 就找了一些資料分享給大家啦~
說到液晶, 就要話說從頭啦~
西元1888年奧地利的植物學家Friedrich Reinitzer(1857-1927)在實驗室裡用顯微鏡觀察材料的熔點時, 發現了材料在升溫過程當中介於固態結晶相(crystal phase)與液態澄清相(liquid phase)的轉換過程還有個特別的具有光學雙折射的中間混濁相(meso phase), 這就是所謂的液晶相, 從此便開啟了液晶材料研究的大門.
以下三個圖大概表示了液相, 固相與我們要提到的液晶相的分子排列.
讓小弟先簡介一下液晶材料, 並非所有的材料都能夠有液晶相的存在, 而是材料的分子結構當中須有個鋼硬如芳香族苯環類的rigid core(有電子雲可以相互吸引)與柔軟的碳鏈soft ware(讓分子與分子之間的排列不那麼的規則), 並且分子的形狀有適當的長寬比例, 才能夠形成液晶相. 可以參考以下的液晶分子式.
目前液晶顯示器產業所使用的液晶材料為液晶相當中, 排列最不規則的. 我們稱它為向列相(nematic phase), 這是由數十種液晶材料單體所混合而成, 一般來說在顯示器所使用的溫度範圍0度~50度必須是液晶相(meso phase), 不能是結晶相(crystal phase)或是液體的澄清相(liquid phase), 正因規律度最低, 也因此黏度較低, 當應用在顯示器當中, 當驅動的電壓改變時, 反應到透光度的改變速度也較快, 才不會有殘影&拖尾巴的現象產生. 從這裡大家也可以發現一般我們常說的面板反應時間(response time)最主要就是取決於液晶的選用.
下面是液晶材的調配示意圖. 液晶面板所需要的液晶會依照需求的光學與電氣特性來調整其混和比例, 有點像廚師在廚房裡調製醬料之味道. 這個圖大家參考一下就好了~
那液晶材料又為何會因為電場大小的改變, 而改變其液晶分子排列的角度?
原因是因為這個液晶材料具有介電異方性的特質, 簡言之即為是ε//（與指向矢平行的分量）與ε⊥（與指向矢垂直的分量)不同, 當ε//>ε⊥便稱之為介電系數異方性為正型的液晶. 在有外加電場時, 液晶分子會因介電系數異方性為正, 使的液晶分子的轉向是平行於電場排列(如圖所示), 也因此可以改變光線通過液晶分子時, 被折射的角度. 所以啦~ 在面板的兩片玻璃之間必須是放入昂貴的液晶材料, 不是什麼阿貓阿狗的礦泉水就可以了.
雖然液晶的發現很早, 可是一直到1970年代開始才有了所謂的液晶顯示器(liquid crystal display), 最早是電子計算機與電子錶上的LCD顯示器, 這就是所謂的(TN(twist nematic)型的 LCD), 將兩片玻璃間的液晶材料, 從上玻璃到下玻璃旋轉90度, 但這僅僅只能夠顯示簡單的數字與符號的訊息. 當然這中間也需拜有個特殊的透明導電材料ITO之賜, 藉由這透明的導電材料, 可以將電場施加在兩片玻璃間的液晶上, 而且又可以讓光線通過, 這就是最早期的液晶顯示器了.
然後到了1980~1990年代為了能夠顯示更多的資訊, 因此開始發展STN(super twist nematic)型的LCD, 將兩片玻璃間的液晶材料,從上玻璃到下玻璃旋轉240度. 讓液晶材料所謂的光電特性陡度(steepness)增加, 驅動液晶的電壓改變時透光度改變明顯, 一般使用在儀器設備操作的顯示器與早期的單色手機的顯示器上使用, 可能有點年紀的人才用過 (糟糕! 原來不知不覺透漏了年齡~)
剛才還提到液晶分子在TN型的顯示是從下玻璃到上玻璃旋轉了90度, STN型的顯示是從下玻璃到上玻璃旋轉了240度, 但是液晶分子怎麼會那麼乖乖聽話的旋轉呢? 其實是在液晶材料當中加入了一定比例的旋光物chiral dopant(膽固醇型材料), 藉由這樣的方式來強迫液晶分子慢慢的旋轉堆疊.
後來因為半導體產業的快速發展, 從西元2000起開始大量快速的發展TFT-LCD,包含其中的一片玻璃為所謂的彩色濾光片, 能將所經過的白光染成紅色, 藍色, 綠色, 因而形成了現在我們所看見的彩色顯示器. 而另一片玻璃為所謂的主動型TFT開關的玻璃(素玻璃搭配半導體製程所形成, 一般稱之為TFT Array), 其中液晶相的形態還是屬於TN型的(後來還有VA, IPS型), 光電特性陡度(steepness)較和緩, 搭配TFT主動形式開關的驅動, 能夠分割出較多的灰階, 大概的結構示意圖如下.
綜觀上述所提到的液晶顯示器技術的種類TNSTNTFT可以發現, 在製程與驅動技術還不發達的年代, 能夠顯示簡單的資訊就已經很了不起了. 但是科技日新月異, 大家對於顯示資訊的期待也越高, 所以有了後來的STN, 可以顯示更多的資訊, 當又不滿足單色顯示時, 加入了彩色濾光片, 讓顯示增添了色彩, 在半導體技術開始蓬勃發展以及人們對於畫質要求的提升後, 將半導體製程的技術導入LCD, 因而有了我們現在日常生活裡這麼普及的TFT LCD.
其實這篇很多的資料也是小弟後來上網查到的, 液晶顯示技術會發展到這麼成熟, 有它一定的時空背景, 也許它並不是最經濟最節能的顯示技術, 但是它的發展剛好滿足了每個時期人們的需求, 也因此建立了相當程度的規模. 未來其他的顯示技術, 要完全取代液晶顯示都有一段路要走. 要不就是顯示水準不及TFT LCD, 要不就是成本不如TFT LCD. 後續有空的話, 小弟在介紹其他的顯示技術給大家囉~
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