這個液晶螢幕幾天前先是從左下角產生一個圓形白點,然後白色區域往右快速伸展, 看起來就像是朝著晶體結晶的方向生長,真是罕見。由於面板維修費用約9,000元,於是想了一個土炮方法來解決這個問題
在瞭解為何加熱能消除這些白色區域之前,不妨先來認識相關的物理現象:
一、偏振
偏振片是由高分子化合物聚乙烯醇(PVA)的薄膜作為基片,再浸染於碘溶液使碘離子擴散滲入內層的 PVA 中,並經硼酸水溶液還原穩定後,將其單向拉伸4~5倍然後烘乾。高分子材料即能由無規則性分布被拉成線狀結構,而吸附於薄膜上的碘離子就能整齊地被定向排列而具有強烈的二向色性,平行於分子方向上之入射光電場可使電子交替振盪,電磁波能量即能被吸收轉為電荷的振動動能。因此長分子方向是消光軸,垂直的方向則因不導電而成為透射軸,利用此特性即可做為偏振器或檢偏器。這種H偏振片的偏振度可達0.995,因此在拍攝日蝕時即能以兩個偏振軸互成90°的這種偏振片來遮光,不過由影片中可得知此時陽光仍無法完全被消除→《光的直進》。至於深受小朋友喜愛的偏光畫活動,其中最困難的地方就在於偏振片的取得,這裡提供一種不需花錢購買的方法。由於我們看螢幕時,離我們最近的那層表面就是偏振片,因此可到學校設備組或網管中心取得報廢的液晶螢幕。將其拆開後取出液晶板,小心地撕下貼在表面的膜片,最後再以橡皮擦擦除其表面的油性不乾膠。
二、旋光性
當線偏振光通過某些物質時,偏振光的偏振面會以光的傳播方向為軸發生旋轉,這種現象稱為旋光性(optical activity)。任何偏振光都可以看成左旋光和右旋光的疊加,由於手性分子結構上的影響(註:可參考先前這篇《旋光遊戲》),使得左旋光與右旋光的傳播速度不同,因此在重合後會產生相位差,從而使得射出的合成線偏光在角度上產生偏轉。葡萄糖與蔗糖的旋光性為右旋,果糖則有很強的左旋性,旋光測量即可應用於糖含量的測定和化學結構分析等用途。從物質的分子結構上來分析,旋光性來自於分子本身或分子在晶體中排列的不對稱性。如果分子本身的結構既無對稱中心又無對稱平面,則分子將以互為鏡像的兩種形態存在,分別對應右旋和左旋兩種結構。有機分子的不對稱性大多與其碳原子鍵有關,由於碳原子與四個原子或原子團結合構成一個四面體,原子或原子團位於四面體的頂點,碳原子位於中心。如果四個頂點有不同的原子或原子團,分子就沒有對稱性。例如醣類中的分子含有多個非對稱性的碳原子,因此形成好幾種光學同分異構物。當線偏振光在旋光物質中傳播時可分解成左旋和右旋圓偏振光,它們的傳播速度略有不同,所以產生不同的相位延滯,從而使合成之線偏振光的電場向量造成角度的旋轉。旋光角度與光傳播的距離成正比、與光波長成反比,θ=(πd/λ)×(ni – nd),公式中的 ni – nd 則為左旋光與右旋光的折射率差值。另外,旋光性物質對於左旋與右旋光的吸收度不同,因此線偏振光穿過旋光物質後會變成橢圓偏振光,這與雙折射晶體能將線偏振光變為橢圓偏振光的效果相同。
三、雙折射
對於六方晶系、三角晶系和正方晶系,如方解石、石英、冰等單軸晶體,一束入射光射入這類晶體時會分解為兩束偏振軸正交的折射光,此現象稱為雙折射。其中一束折射光遵守Snell定律,稱為正常光(O光)。另一束折射光不遵守Snell定律,稱為異常光(E光),二者的折射率不同。單軸晶體裡有一個特殊方向,這個方向叫作晶體光軸,當光軸垂直於晶體表面時,若光線沿著光軸方向入射,則不發生雙折射現象。由連結之影音中可觀察到一個有趣的現象,將方解石放在白紙的紅點上方時,由於這時入射線與晶面法線重合,O光依Snell定律沿入射光線的方向透射。E光在晶體內卻不遵守Snell定律而偏離法線。由於方解石的前後晶面互相平行,所以從方解石透射出來的O、E兩線互相平行,且都與入射線平行,只是透射的E線有側向位移。如果此時以入射光線為軸旋轉方解石,便能見到E光的紅點圍繞著O光的紅點旋轉的有趣畫面。
四、液晶
a. 液晶片
影音中的液晶片是使用苯甲酸膽固醇酯為材料,由於此種液晶具旋光性,其長軸會隨溫度產生不同程度的扭轉,因而呈現出不同的顏色。下圖為此種液晶的模型,其層狀結構的螺距會隨溫度而改變,右方是低溫狀態,左方是高溫狀態。
其螺距的一半即為布拉格繞射公式中的晶格距離d,當2dsin90°=λ時,符合最強反射光的波長λ即等於液晶的螺距,因此該色光就被反射而顯示出來。當溫度上升時,由於上下層液晶分子間的扭轉角度變大,螺距因而縮短,使得膽固醇液晶的反射波段往短波長移動,因而呈現出紅→橙→黃→綠→藍→紫的顏色變化。由於其隨溫度變化所呈現的顏色不同,因此可應用於測溫用途。譬如下圖的Carl Mertens Wine Thermometer可顯示瓶身的溫度,藉以瞭解其是否處於這種酒類的適飲溫度。
b. 液晶面板
以TN液晶面板為例,將兩塊偏振片的透光軸以互呈90度的方式擺放,然後在兩塊偏振片之間注入液晶LC(註:實際上偏振片和液晶之間還隔有ITO導電玻璃基板)。在沒有施加電場時,光可透過此螺旋結構的導引而透出前方的偏光片,因此在沒有電壓訊號的情況下這個畫素是亮的;一旦施加電場時,液晶分子會因電場作用順著偏振片的法線方向排列(也就是視線方向),由於兩塊偏振光鏡是設計成透光軸互呈90度,從背光源所發出的光無法透過螢幕表面這塊偏振片,因此在有電壓訊號的情況下這個畫素是暗的。
c. 液晶材料
中學提及物質的三態為固、液、氣,液晶則是一種具結晶性的液體,因此同時擁有固態晶體的光學特性與液體的流動性,所以可以說液晶是具有中間相的物質。液晶顯示器中的液晶屬於「手性向列型液晶」,是將2-甲基丁基(2MB)或2-甲基丁氧基(2MBO)等光學活性分支做為向列液晶化合物的末端基
此類液晶通常在加熱到較高溫度時,層列排列方式會被轉變成線列方式。在這種線列液晶中,分子的排列好比一盒火柴棒,全體是同一方向並排躺著的,而且每個分子除可自身轉動外,尚可相互滑動。由於我這台液晶顯示器的白點剛開始會如同長晶般的伸展,因此可能是某種因素(ex.內部破裂)造成液晶中所添加的膽固醇相介電體(苯甲酸膽固醇脂)流失,因而讓小晶體彼此間的偶極-偶極力(dipole-dipole interaction)增強,於是如同磊晶般長成大晶體而無法順利轉動。若藉由加熱將部分的晶體熔解後,由於呈現液態的分子數量增多,或許液晶就能轉動得比較順暢了。