KisPlay讲古~液晶显示器历史~

浏览:637时间:2020-06-07

KisPlay讲古~液晶显示器历史~
自从上一篇介绍LCD的文章写了以后, 突然觉得大部分的人好像都只知道它的显示原理, 对于它发展成为显示技术的背景没那幺了解.


写完网誌以后, 小弟突然也对液晶显示的发展好奇起来, 就找了一些资料分享给大家啦~
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说到液晶, 就要话说从头啦~

西元1888年奥地利的植物学家Friedrich Reinitzer(1857-1927)在实验室里用显微镜观察材料的熔点时, 发现了材料在升温过程当中介于固态结晶相(crystal phase)与液态澄清相(liquid phase)的转换过程还有个特别的具有光学双折射的中间混浊相(meso phase), 这就是所谓的液晶相, 从此便开启了液晶材料研究的大门.

以下三个图大概表示了液相, 固相与我们要提到的液晶相的分子排列.
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让小弟先简介一下液晶材料, 并非所有的材料都能够有液晶相的存在, 而是材料的分子结构当中须有个钢硬如芳香族苯环类的rigid core(有电子云可以相互吸引)与柔软的碳链soft ware(让分子与分子之间的排列不那幺的规则), 并且分子的形状有适当的长宽比例, 才能够形成液晶相. 可以参考以下的液晶分子式.

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目前液晶显示器产业所使用的液晶材料为液晶相当中, 排列最不规则的. 我们称它为向列相(nematic phase), 这是由数十种液晶材料单体所混合而成, 一般来说在显示器所使用的温度範围0度~50度必须是液晶相(meso phase), 不能是结晶相(crystal phase)或是液体的澄清相(liquid phase), 正因规律度最低, 也因此黏度较低, 当应用在显示器当中, 当驱动的电压改变时, 反应到透光度的改变速度也较快, 才不会有残影&拖尾巴的现象产生. 从这里大家也可以发现一般我们常说的面板反应时间(response time)最主要就是取决于液晶的选用.

下面是液晶材的调配示意图. 液晶面板所需要的液晶会依照需求的光学与电气特性来调整其混和比例, 有点像厨师在厨房里调製酱料之味道. 这个图大家参考一下就好了~

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那液晶材料又为何会因为电场大小的改变, 而改变其液晶分子排列的角度?

原因是因为这个液晶材料具有介电异方性的特质, 简言之即为是ε//(与指向矢平行的分量)与ε⊥(与指向矢垂直的分量)不同, 当ε//>ε⊥便称之为介电系數異方性为正型的液晶. 在有外加电场时, 液晶分子会因介电系數異方性为正, 使的液晶分子的转向是平行于电场排列(如图所示), 也因此可以改变光线通过液晶分子时, 被折射的角度. 所以啦~ 在面板的两片玻璃之间必须是放入昂贵的液晶材料, 不是什幺阿猫阿狗的矿泉水就可以了.
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虽然液晶的发现很早, 可是一直到1970年代开始才有了所谓的液晶显示器(liquid crystal display), 最早是电子计算机与电子錶上的LCD显示器, 这就是所谓的(TN(twist nematic)型的 LCD), 将两片玻璃间的液晶材料, 从上玻璃到下玻璃旋转90度, 但这仅仅只能够显示简单的数字与符号的讯息. 当然这中间也需拜有个特殊的透明导电材料ITO之赐, 藉由这透明的导电材料, 可以将电场施加在两片玻璃间的液晶上, 而且又可以让光线通过, 这就是最早期的液晶显示器了.

然后到了1980~1990年代为了能够显示更多的资讯, 因此开始发展STN(super twist nematic)型的LCD, 将两片玻璃间的液晶材料,从上玻璃到下玻璃旋转240度. 让液晶材料所谓的光电特性陡度(steepness)增加, 驱动液晶的电压改变时透光度改变明显, 一般使用在仪器设备操作的显示器与早期的单色手机的显示器上使用, 可能有点年纪的人才用过 (糟糕! 原来不知不觉透漏了年龄~)

刚才还提到液晶分子在TN型的显示是从下玻璃到上玻璃旋转了90度, STN型的显示是从下玻璃到上玻璃旋转了240度, 但是液晶分子怎幺会那幺乖乖听话的旋转呢? 其实是在液晶材料当中加入了一定比例的旋光物chiral dopant(胆固醇型材料), 藉由这样的方式来强迫液晶分子慢慢的旋转堆叠.

后来因为半导体产业的快速发展, 从西元2000起开始大量快速的发展TFT-LCD,包含其中的一片玻璃为所谓的彩色滤光片, 能将所经过的白光染成红色, 蓝色, 绿色, 因而形成了现在我们所看见的彩色显示器. 而另一片玻璃为所谓的主动型TFT开关的玻璃(素玻璃搭配半导体製程所形成, 一般称之为TFT Array), 其中液晶相的形态还是属于TN型的(后来还有VA, IPS型), 光电特性陡度(steepness)较和缓, 搭配TFT主动形式开关的驱动, 能够分割出较多的灰阶, 大概的结构示意图如下.

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综观上述所提到的液晶显示器技术的种类TNSTNTFT可以发现, 在製程与驱动技术还不发达的年代, 能够显示简单的资讯就已经很了不起了. 但是科技日新月异, 大家对于显示资讯的期待也越高, 所以有了后来的STN, 可以显示更多的资讯, 当又不满足单色显示时, 加入了彩色滤光片, 让显示增添了色彩, 在半导体技术开始蓬勃发展以及人们对于画质要求的提升后, 将半导体製程的技术导入LCD, 因而有了我们现在日常生活里这幺普及的TFT LCD.

其实这篇很多的资料也是小弟后来上网查到的, 液晶显示技术会发展到这幺成熟, 有它一定的时空背景, 也许它并不是最经济最节能的显示技术, 但是它的发展刚好满足了每个时期人们的需求, 也因此建立了相当程度的规模. 未来其他的显示技术, 要完全取代液晶显示都有一段路要走. 要不就是显示水準不及TFT LCD, 要不就是成本不如TFT LCD. 后续有空的话, 小弟在介绍其他的显示技术给大家啰~

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