阴极射线管
阴极射线管(Cathode ray tube,CRT),因为最广为人知的用途是用于构造显示系统,所以俗称显像管,它是利用阴极电子枪发射电子,在阳极高压的作用下,射向萤光屏,使萤光粉发光,同时电子束在偏转磁场的作用下,作上下左右的移动来达到扫描的目的。早期的 CRT 技术仅能显示光线的强弱,展现黑白画面。而彩色 CRT 具有红、绿色和蓝色三支电子枪,三支电子枪同时发射电子打在屏幕玻璃上磷化物上来显示颜色。阴极射线管是由克鲁克斯首创,所以又被称为克鲁克斯管。由于它笨重、耗电,所以在部分领域正在被轻巧、省电的液晶显示器取代。
液晶(Liquid Crystal,简称LC)是相态的一种,因为具有特殊的理化与光电特性,20世纪中叶开始被广泛应用在轻薄型的显示技术上。
人们熟悉的物质状态(又称相)为气、液、固,较为生疏的是等离子和液晶。液晶相要具有特殊形状分子组合始会产生,它们可以流动,又拥有结晶的光学性质。液晶的定义,现在以放宽而囊括了在某一温度范围可以是现液晶相,在较低温度为正常结晶之物质。而液晶的组成物质是一种有机化合物,也就是以碳为中心所构成的化合物。 同时具有两种物质的液晶,是以分子间力量组合的,它们的特殊光学性质,又对电磁场敏感,极有实用价值。
液晶的历史
在1850年,普鲁士医生鲁道夫·菲尔绍(Rudolf Virchow)等人发现神经纤维的萃取物中含有一种不寻常的物质。 1877年,德国物理学家奥托·雷曼(Otto Lehmann)运用偏光显微镜首次观察到了液晶化的现象,但他对此现象的成因并不了解。
奥地利布拉格德国大学的植物生理学家斐德烈·莱尼泽在1883年3月14日(Friedrich Reinitzer)借由在植物内加热安息香酸胆固醇酯(Cholesteryl Benzoate)研究胆固醇,观察到胆固醇苯甲酸酯在热熔时的异常表现。该物质在145.5℃时熔化,产生了带有光彩的混浊物,温度升到178.5℃后,光彩消失,液体透明。此澄清液体稍微冷却,混浊又复出现,瞬间呈现蓝色。
莱尼泽反复确定他的发现后,向德国物理学家雷曼请教。当时雷曼建造了一座具有加热功能的显微镜去探讨液晶降温结晶之过程,后来更加上了偏光镜,成为深入研究莱涅泽的化合物的重要仪器。从那时开始,雷曼的精力完全集中在该类物质。他开始以为这种物质是软晶体,然后改称晶态流体,最后深信偏振光性质为该物质特有,流动晶体(Fliessende kristalle)的名字才算正确。此名称与液晶(Flussige kristalle)已经十分相近。莱尼泽和雷曼因此被誉为液晶之父。
由嘉德曼(L. gattermann)、利区克(A Ristschke)合成的氧偶氮醚,也是被雷曼鉴定为属于液晶的一种。但在20世纪,有名的科学家如坦曼(G. tammann)都以为雷曼等的观察,只是极微细晶体悬浮在液体形成胶体之现象。涅斯特(W. Nernst)则认为液晶只是化合物的互变异构物之混合物。不过,化学家伏兰德(D. Vorlander)的努力由聚集经验使他能预测哪一类的化合物最可能呈现液晶特性,然后合成取得该等化合物质,该理论于是被证明。
液晶的分类
向列型液晶(nematic) 层列型液晶(smectic) 胆石醇液晶(cholesteric) 碟型(discotic)
热致液晶(thermotropic LC) 重现性液晶(recentrant LC)
1922年,法国人弗里德(G. Friedel)仔细分析当时已知的液晶,把他们分为三类:向列型(nematic)、层列型(smectic)、胆固醇型(cholesteric)。名字的来源,前两者分别取自希腊文线状和清洁剂(肥皂);胆固醇型的名字有历史意义,如以近代分类法,它们属于手向列型。其实弗里德对液晶一词不赞同,他认为“中间相”才是最合适的表达。
1970年代才发现的碟型(discotic)液晶,是具有高对称性原状分子重叠组成之向列型或柱行系统。除了型态分类外,液晶因产生之条件(状况)不同而被分为热致液晶(thermotropic LC)和溶致液晶(lypotropic LC),分别由加热、加入溶剂形成液晶热相致液晶相产生两种情形。
溶致性液晶生成的例子,是肥皂水。在高浓度时,肥皂分子呈层列性,层间是水分子。浓度稍低,组合又不同。
其实一种物质可以具有多种液晶相。又有人发现,把两种液晶混合物加热,得到等向性液体后再冷却,可以观察到次第为向列型、层列型液晶。这种相变化的物质,称为重现性液晶(recentrant LC)。 液晶分子结构。 稳定液晶相是分子间的凡得瓦力。因分子集结密度高,斥力异向性影响较大,但吸引力则是维持高密度,使集体达到液晶状态之力量,听力和吸引力相互制衡十分重要。又如分子有极性基团时,偶极相互作用成为重
要吸引力。
液晶的用途
液晶分子的排列,后果之一是呈现有选择性的光散射。因排列可以受外力影响,液晶材料制造器件潜力很大。范围于两片玻璃板之间的手性向列型液晶,经过一定手续处理,就可形成不同的纹理。
类固醇型液晶,因螺旋结构而对光有选择性反射,利用白光中的圆偏光,最简单的是根据变色原理制成的温度计(鱼缸中常看到的温度计)。在医疗上,皮肤癌和乳癌之侦测也可在可疑部位涂上类固醇液晶,然后与正常皮肤显色比对(因为癌细胞代谢速度比一般细胞快,所以温度会比一般细胞高些)。
电场与磁场对液晶有巨大的影响力,向列型液晶相的介电性行为是各类光电应用的基础(用液晶材料制造以外加电场操作之显示器,在1970年代以后发展很快。因为它们有小容积、微量耗电、低操作电压、易设计多色面版等多项优点。不过因为它们不是发光型显示器,在暗处的清晰度、视角和环境温度限制,都不理想。无论如何,电视和电脑的屏幕以液晶材质制造,十分有利。大型屏幕在以往受制于高电压的需求,变压器的体积与重量不可言喻。其实,彩色投影电视系统,亦可利用手性向列型液晶去制造如偏光面版、滤片、光电调整器。
液晶显示器
液晶显示器,或称LCD(Liquid Crystal Display),为平面超薄的显示设备,它由一定数量的彩色或黑白画素组成,放置于光源或者反射面前方。液晶显示器功耗很低,因此倍受工程师青睐,适用于使用电池的电子设备。
简史
LCD( Liquid Crystal Display),对于许多的用户而言可能是一个比较新鲜的名词,不过这种技术存在的历史可能远远超过了我们的想像 - 在1888年,一位奥地利的植物学家F. Renitzer便发现了液晶特殊的物理特性。 第一台可操作的LCD基于动态散射模式(Dynamic Scattering Mode,DSM),RCA公司乔治·海尔曼带领的小组开发了这种LCD。海尔曼创建了奥普泰公司,这个公司开发了一系列基于这种技术的的LCD。 1970年12月,液晶的旋转向列场效应在瑞士被仙特和赫尔弗里希霍夫曼-勒罗克中央实验室注册为专利。 1969年,詹姆士·福格森在美国俄亥俄州肯特州立大学(Ohio University)发现了液晶的旋转向列场效应并于1971年2月在美国注册了相同的专利。1971年他的公司(ILIXCO)生产了第一台基于这种特性的LCD,很快取代了性能较差的DSM型LCD。
在1985年之后,这一发现才产生了商业价值,1973年日本的夏普公司首次将它运用于制作电子计算器的数位显示。现在,LCD是笔记型电脑和掌上电脑的主要显示设备,在投影机中,它也扮演着非常重要的角色,而且它开始逐渐渗入到桌面显示器市场中。
显示原理
在不加电压下,光线会沿着液晶分子的间隙前进而转折90度,所以光可通过。但加入电压后,光顺着液晶分子的间隙直线前进,因此光被滤光板所阻隔。
液晶是具有流动特性的物质,所以只需外加很微小的力量即可使液晶分子运动,以最常见普遍的向列型液晶为例,液晶分子可轻易的藉著电场作用使得液晶分子转 向,由于液晶的光轴与其分子轴相当一致,故可借此产生光学效果,而当加于液晶的电场移除消失时,液晶将藉著其本身的弹性及黏性,液晶分子将十分迅速的回复 原来未加电场前的状态。
透射和反射显示
LCD可透射显示,也可反射显示,决定于它的光源放哪里。透射型LCD由一个屏幕背后的光源照亮,而观看则在屏幕另一边(前面)。这种类型的LCD多用在需高亮度显示的应用中,例如电脑显示器、PDA和手机中。用于照亮LCD的照明设备的功耗往往高于LCD本身。
反射型LCD,常见于电子钟表和计算机中,(有时候)由后面的散射的反射面将外部的光反射回来照亮屏幕。这种类型的LCD具有较高的对比度,因为光线要经过液晶两次,所以被削减了两次。不使用照明设备明显降低了功耗,因此使用电池的设备电池使用更久。因为小型的反射型LCD功耗非常低,以至于光电池就足以给它供电,因此常用于袖珍型计算器。
半穿透反射式LCD既可以当作透射型使用,也可当作反射型使用。当外部光线很足的时候,该LCD按照反射型工作,而当外部光线不足的时候,它又能当作透射型使用。