液晶的光電特性
 
    由於液晶分子的結構爲異方性 (Anisotropic)，所以所引起的光電效應就會因爲方向不同而有所差異，簡單的說也就是液晶分子在介電係數及折射係數等等光電特性都具有異方性，因而我們可以利用這些性質來改變入射光的強度, 以便形成灰階, 來應用於顯示器元件上. 以下我們要討論的, 是液晶屬於光學跟電學相關的特性, 大約有以下幾項: 

1.介電係數ε(dielectric permittivity) : 

    我們可以將介電係數分開成兩個方向的分量, 分別是ε// (與指向矢平行的分量)與ε⊥(與指向矢垂直的分量). 當ε// >ε⊥ 便稱之爲介電係數異方性爲正型的液晶, 可以用在平行配位. 而ε// <ε⊥ 則稱之爲介電係數異方性爲負型的液晶, 只可用在垂直配位元才能有所需要的光電效應. 當有外加電場時，液晶分子會因介電係數異方性爲正或是負值，來決定液晶分子的轉向是平行或是垂直於電場, 來決定光的穿透與否。現在TFT LCD上常用的TN型液晶大多是屬於介電係數正型的液晶. 當介電係數異方性Δε(=ε//-ε⊥)越大的時候, 則液晶的臨界電壓(threshold voltage)就會越小. 這樣一來液晶便可以在較低的電壓操作.  

2.折射係數(refractive index) : 

     由於液晶分子大多由棒狀或是碟狀分子所形成，因此跟分子長軸平行或垂直方向上的物理特性會有一些差異，所以液晶分子也被稱做是異方性晶體。與介電係數一樣, 折射係數也依照跟指向矢垂直與平行的方向, 分成兩個方向的向量. 分別爲n // 與n⊥.  

    此外對單光軸(uniaxial)的晶體來說, 原本就有兩個不同折射係數的定義. 一個爲no ,它是指對於ordinary ray的折射係數, 所以才簡寫成no .而ordinary ray是指其光波的電場分量是垂直於光軸的稱之. 另一個則是ne ,它是指對於extraordinary ray的折射係數, 而extraordinary ray是指其光波的電場分量是平行於光軸的. 同時也定義了雙折射率(birefrigence)Δn = ne-no爲上述的兩個折射率的差值.  

    依照上面所述, 對層狀液晶、線狀液晶及膽固醇液晶而言，由於其液晶分子的長的像棒狀, 所以其指向矢的方向與分子長軸平行. 再參照單光軸晶體的折射係數定義, 它會有兩個折射率，分別爲垂直於液晶長軸方向n⊥(=ne)及平行液晶長軸方向n //(= no)兩種，所以當光入射液晶時，便會受到兩個折射率的影響，造成在垂直液晶長軸與平行液晶長軸方向上的光速會有所不同。  

     若光的行進方向與分子長軸平行時的速度, 小於垂直于分子長軸方向的速度時，這意味著平行分子長軸方向的折射率大於垂直方向的折射率(因爲折射率與光速成反比)，也就是ne-no > 0 .所以雙折射率Δn > 0 ,我們把它稱做是光學正型的液晶, 而層狀液晶與線狀液晶幾乎都是屬於光學正型的液晶. 倘使光的行進方向平行于長軸時的速度較快的話，代表平行長軸方向的折射率小於垂直方向的折射率,所以雙折射率Δn < 0.我們稱它做是光學負型的液晶. 而膽固醇液晶多爲光學負型的液晶. 

3.其他特性 :  

    對於液晶的光電特性來說, 除了上述的兩個重要特性之外, 還有許多不同的特性. 比如說像彈性常數(elastic constant :κ11 , κ22 , κ33 ), 它包含了三個主要的常數, 分別是, κ11 指的是斜展(splay)的彈性常數, κ22 指的是扭曲(twist)的彈性常數, κ33 指的是彎曲(bend)的彈性常數. 另外像黏性係數(viscosity coefficients ,η ), 則會影響液晶分子的轉動速度與反應時間(response time), 其值越小越好. 但是此特性受溫度的影響最大. 另外還有磁化率(magnetic susceptibility), 也因爲液晶的異方性關係, 分成c // 與c⊥ .而磁化率異方性則定義成Δc = c // -c⊥ . 此外還有電導係數(conductivity)等等光電特性. 

    液晶特性中 最重要的就是液晶的介電係數與折射係數. 介電係數是液晶受電場的影響決定液晶分子轉向的特性, 而折射係數則是光線穿透液晶時影響光線行進路線的重要參數. 而液晶顯示器就是利用液晶本身的這些特性, 適當的利用電壓, 來控制液晶分子的轉動, 進而影響光線的行進方向, 來形成不同的灰階, 作爲顯示影像的工具. 當然啦, 單靠液晶本身是無法當作顯示器的, 還需要其他的材料來幫忙, 以下我們要來介紹有關液晶顯示器的各項材料組成與其操作原理.

偏光板(polarizer) 

    我記得在高中時的物理課, 當教到跟光有關的物理特性時, 做了好多的物理實驗, 目的是爲了要證明光也是一種波動. 而光波的行進方向, 是與電場及磁場互相垂直的. 同時光波本身的電場與磁場分量, 彼此也是互相垂直的. 也就是說行進方向與電場及磁場分量, 彼此是兩兩互相平行的.(請見圖7) 而偏光板的作用就像是柵欄一般, 會阻隔掉與柵欄垂直的分量, 只准許與柵欄平行的分量通過. 所以如果我們拿起一片偏光板對著光源看, 會感覺像是戴了太陽眼鏡一般, 光線變得較暗. 但是如果把兩片偏光板叠在一起, 那就不一樣了. 當您旋轉兩片的偏光板的相對角度, 會發現隨著相對角度的不同, 光線的亮度會越來越暗. 當兩片偏光板的柵欄角度互相垂直時, 光線就完全無法通過了.(請見圖8) 而液晶顯示器就是利用這個特性來完成的. 利用上下兩片柵欄互相垂直的偏光板之間, 充滿液晶, 再利用電場控制液晶轉動, 來改變光的行進方向, 如此一來, 不同的電場大小, 就會形成不同灰階亮度了.(請見圖9)