各位看官，大家好！不知大家周末过得如何？希望您是快乐的。电子工业的发展，让我们看到了各种美轮美奂的画面。您是否像我一样对显示介质的奥秘充满了好奇呢？那么，小编将会向您介绍电子显示介质的奥秘。今天将向您介绍应用最广泛的显示介质——液晶。
说到液晶, 就要从液晶是怎么来的啦！ 1888年，奥地利的植物学家 (1857-1927)在实验室裡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。
由于液晶遇到某些有害气体会变色，故在科学家们发现它的显示图像的功能之前，液晶的主要功能一直是“显示”有害气体是否超标。
首先介绍一下液晶的微观结构, 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 (有电子云可以相互吸引)与柔软的碳链 (让分子与分子之间的排列不那麼的规则), 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。
液晶材料的分子式
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范围0℃~50℃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, 才不会有残影和拖尾的现象产生. 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, 有点像厨师在厨房调制酱料的味道.，这个图大家参考一下就好了。
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有与方向不同大小的介电常数, 与光学的折射率。也因此液晶分子排列角度可以随电场改变, 也因此可以改变光线通过液晶分子时, 被折射的角度。 所以，在面板的两片玻璃之间必须是放入“昂贵”的液晶材料, 不是任意液体就可以。
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表上的显示器, 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之赐, 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年为了能够显示更多的资讯, 因此开始发展STN型的液晶面板, 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。
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, 但是液晶分子怎么会那么乖乖听话的旋转呢? 其实是在液晶材料当中加入了一定比例的旋光物 (胆固醇型材料), 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2000年起开始大量快速的发展,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开关的玻璃(素玻璃搭配半导体材料所形成), 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。
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, 在硬件芯片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, 大家对显示资讯的期待也越高, 所以有了后来的, 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画质要求的提升后, 将半导体的技术导入, 因而有了我们现在日常生活里这么普及的。
想必看到这，各位看官已经了解了液晶是怎么工作的。随着科技的发展，更多的材料变成了显示介质。下一期《解码显示介质》，我们将向您介绍自发光的显示介质——LED。敬请期待！
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