液晶顯示器 是現代生活中不可或缺的顯示裝置 它具有體積輕薄、低耗電量 與高可攜帶性等優勢 成為常見電子商品的關鍵零組件 液晶顯示器遍及在我們生活中 包括智慧型手錶 手機、平板電腦、筆記型電腦、電子廣告看板等等 但液晶到底是什麼呢？ 在前面的單元中 我們曾討論過物質三態 包括固態、液態與氣態 由上圖中也可以看出 當溫度與壓力超過臨界溫度與臨界壓力時 物質會轉變成「超臨界流體」 超臨界流體可想像成 是介於氣態與液態之間的狀態 那是否有介於固態與液態之間的狀態呢？ 「液晶態」就是性質介於固態與液態之間的狀態 液晶分子通常是一種長棒狀的有機分子 當這些分子處在「液晶態」時 他們像固態一樣具有結晶 又可以像液體一般流動 這樣是不是就像介於固態與液態之間呢？ 1888年 奧地利植物學家萊尼澤 成功合成出一種名為膽固醇苯甲酸酯的化合物 並在顯微鏡下觀察到當溫度達到145.5度C時 原本的固態結晶會熔化成為一種白色渾濁霧狀的液體 但如果溫度提高到178.5度C時 原本的混濁霧狀會突然變為透明清亮 如果將高溫的透明液體冷卻 過程中會先出現紫藍色 不久後即自行消失 且可觀察到物質再次呈現混濁狀液體 繼續冷卻再次出現紫藍色 然後固化成白色結晶體 萊尼澤做出一個結論 認為膽固醇苯甲酸酯有兩個熔點 萊尼澤也將該化合物樣品 寄給德國物理學家雷曼請求鑑定 雷曼在仔細研究後發現 當光線照射到樣品時 光的偏振方向會發生改變 代表他們是具有雙折射特性的異向性材料 對於這一種顯示出鮮明顏色的液體 雷曼也說明它實際上處於結晶與液體的中間狀態 並於1904年將其命名為「液晶」 1922年 由法國晶體學家佛利戴爾提出 迄今廣為接受的三種液晶型態分類和名稱 包括了向列型液晶、層列型液晶以及膽固醇型液晶 這篇論文也開啟了日後液晶的新紀元 向列型液晶 是目前常被使用的液晶材料 尤其是在1971年扭轉向列型液晶結構的發明 正式開啟了液晶的應用 向列型液晶的特徵為長棒狀分子 順著其分子長軸的方向相互平行排列 但每一分子均仍可在長軸方向上自由地滑動 接下來介紹的是層列型液晶 層列型液晶分子排列為層狀構造 同一層內的分子為平行排列 而層和層之間的作用力較弱 可以進行滑動 最後一種則是膽固醇型液晶 膽固醇型液晶分子具有特定的立體結構 屬於光學異構物 分子排列也成層狀構造 同一層內的分子相互平行排列 但與層列型液晶不同的地方在於 相鄰的兩層中 分子的長軸方向 會規則性地旋轉一定角度 層層旋轉堆疊下來形成一個螺旋狀的排列結構 市面上可以看到一種液晶溫度計 其原理就是利用材料本身具有熱致變色的特性 當液晶受熱時 會因為溫度的不同而顯示出不同顏色 因此可由溫度計的顏色得知當時的溫度 一般來說 熱致變色液晶對溫度非常敏感 能夠呈現多種顏色 通常當溫度低於呈色的溫度範圍時 熱致變色液晶為黑色 隨溫度慢慢升高 在呈色範圍溫度內可呈現彩虹般的顏色變化 超出呈色的溫度範圍後又變為黑色 由於這樣的顏色變化過程是可逆的 因此這種溫度計可以反覆使用 熱變色液晶 除了應用在溫度的量測與醫療設備上 還可以應用在藝術創作與教具的設計上 另外 我們常聽到的TFT-LCD 就是薄膜電晶體液晶顯示器的縮寫 簡單來說 液晶顯示器中最重要的部分面板 是在兩片導電玻璃中間夾著薄薄的一層液晶 彩色濾光片黏合在上層導電玻璃基板 使每個單元可以產生獨特的色光 而下層的玻璃基板則有薄膜電晶體鑲嵌於上 作為每個單元的工作開關 當電流通過薄膜電晶體時會造成電場變化 使得液晶分子發生偏轉 藉此改變穿透光的偏振性 如果光穿透下層偏振片 並經過液晶的偏轉後 可由上層偏振片透出 那麼該單元就是亮的狀態 反之就是暗的狀態 還記得光的三原色嗎？ 綠、藍、三色單元共同組成一個畫素 這就是全彩螢幕最基本的單元 假設有一個顯示器的解析度 為4096 x 2160 這表示 螢幕橫向大約有4100個畫素 縱向則大約有2100個畫素 整個螢幕共有800萬個以上的畫素 這是一個非常龐大的數字吧！ 而這些畫素的顏色變化 就構成了螢幕上色彩豐富的影像 另外 在液晶面板中由於不同電壓下 光線穿過液晶分子的量也不相同 因此會產生畫素明暗的效果 也讓色彩的變化更加豐富 由於於液晶分子本身並不會發光 僅可改變偏振光的方向 所以在液晶顯示器中就必須要有光源的存在 如果依據光源的位置 可分為「反射顯示模組」 和「透射顯示模組」 通常使用反射顯示模組的LCD 常見於電子手錶、時鐘和計算機上的顯示器 主要是以環境光作為光源 因此不需要背光模組 所以這類的顯示器耗電量少 這也是這類顯示器的優點 一般常見液晶顯示器 所使用的則是「透射顯示模組」 在液晶層後方會有一個背光模組 利用冷陰極管或是發光二極體作為光源 藉由偏振片將光線轉變為偏振光 再透過液晶單元後產生全彩的輸出效果 顯示科技正飛快地進步 由傳統體積龐大的中空陰極管顯示器 進化到液晶顯示器 讓螢幕由龐大笨重變得輕薄 也大幅提高消費性電子產品的可攜帶性 最重要的 隨著顯示技術的進步 也讓顯示器的色彩更加鮮豔飽和、解析度更高 畫面也更加的細膩 值得一提的 觸控式顯示器的發明 更是改變了人們生活習慣與行為模式 直到現在 觸控式螢幕技術早已深入生活 廣泛用於各式各樣消費性電子產品上 在今天的影片中 我們詳細介紹了液晶 是具有特殊形狀的有機分子 在特定溫度下 可出現介於液態與固態之間的液晶態 其中 可將液晶分為三種主要形態 並且依據光源的差異可分為兩種模組 最後則是介紹了許多液晶在生活中的應用 未來顯示器會是什麼樣的顯示技術呢？ 你是否曾想象未來的顯示器可能輕薄如紙？ 或是像科幻電影一樣融入虚擬實境的技術？ 或許各位未來可以投身顯示技術的發展 開發出新的技術 同學們 這個單元你是否都學會了呢？ 歡迎在影片下方留言區 告訴我們你的心得 我們下次見