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光電技術 No.15 發行時間:2007/10
       
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[封面故事]快速反應液晶
    

陳皇銘、吳威慶、李佳恬、林淇文、黃耀慶/交通大學顯示科技研究所

 液晶顯示元件由60年代的扭轉向列型液晶模式(Twist Nematic LC mode),到目前大量生產的垂直配向液晶模式(Vertical alignment LC mode),已將近半個世紀,由於液晶顯示元件具有輕、薄等優點,相關的產品如手機螢幕、筆記型電腦、電腦螢幕、液晶電視等已被大量地研究及開發並成功地導入量產。隨著對顯示器影像品質的需求不斷地提升,在液晶材料、電路設計及趨動方式上,相較於過去已有長足的進步。然而,扭轉向列型液晶因為反應速度太慢,使其在播放快速的動態畫面時,會有影像模糊的現象,再加上彩色濾光片的使用,導致背光使用效率過低,於是發展快速反應的液晶材料搭配色序法技術[1-2],將可能是一種解決問題的方法。

 液晶材料在液晶盒內的反應速度,由過去約100多毫秒(ms),經過不斷地改進,已可降到今日10 ms以下的反應速度,此反應速度相較於過去,已有相當大的進步。由於TN型的液晶其反應速度是與relaxation time (t0)成正比:

 其中γ1為旋轉黏滯係數(rotational viscosity),d為液晶盒間隙(cell gap),K為液晶彈性常數(elastic constant)。由上述公式(1)可得知,加快液晶反應速度最直接的方式,便是降低液晶盒間隙d,如此便可以大大地加快液晶反應速度。然而,為了要達到最佳的暗態,液晶盒間隙必須配合液晶材料的雙折射係數(Dn)設計,因此降低液晶盒間隙便須要搭配較高Dn的液晶材料。但使用高Dn的液晶材料,將無可避免的面臨色偏(color shift)問題,在只考慮液晶本質的反應速度,本文將著重於介紹目前幾種有可能達到3 ms甚至可達1 ms以下的反應速度之液晶模態。

光學補償彎曲液晶模式Optically Compensated Bend (OCB) Mode
 快速反應的向列型液晶(nematic liquid crystals)元件,最具代表性的就是p (pi) cell (p-液晶盒) [3],或是後來改良的光學補償彎曲液晶模式(Optically Compensated Bend Mode,OCB Mode) [4]。p cell是由美國肯特州立大學(Ken State University) Dr. Philip J. Bos首先在1983年所提出的結構,p cell在原始文獻的意義,在表達液晶分子在上下基板表面的分子長軸之相位差為180度(p),有別於當時90度(p/2)的twist nematic (TN)液晶盒。後來也有人延伸其分子排列的狀態,如同一橫躺的希臘字母p,來解釋p cell。雖然在彎曲態(bend mode)下發現有快速反應的特性,然而由於較大的液晶盒間隙,其元件應用受到過大驅動電壓的限制,無法在TFT主動驅動元件的條件下操作。一直到1993年,日本東北大學內田研究室(Dr. Uchida)利用相同的結構,加上雙光軸之補償膜( Biaxial Retardation Film),並且降低液晶盒間隙,提出稱之光學補償彎曲液晶模式(OCB Mode),此改良結構使得驅動電壓大幅降到7伏以下,使得OCB mode可以在TFT的主動驅動元件條件下操作。OCB Mode構成如圖一[5, 6],其內部液晶排列方向如圖二所示。在外加電壓使內部液晶達到彎曲態時,上下玻璃基板表面的液晶分子平行排列,但內層的液晶分子不會扭曲,只是在一個平面內彎曲排列,而在彎曲態中,液晶分子分布呈上下對稱,加上光學補償膜後,此模式能克服視角受到液晶分子傾斜造成光學特性變化的影響,因此OCB Mode有著廣視角的優點。

 另外,因為OCB Mode內液晶分子只是在一個平面內彎曲排列,和TN型的液晶不同,OCB Mode在操作過程中並不需要克服因改變扭曲排列而造成的回流現象(Backflow)所引起的延滯,尤其是從外加電場狀態轉變到無電場狀態的鬆弛過程更明顯。故在OCB Mode操作下,反應速率約1~ 10 ms,比TN型液晶(50 ms)及人眼視覺反應(約20 ms)還快。

 由於OCB有快速反應速度以及廣視角的優點,因此具有高發展性,但OCB Mode的操作必須在彎曲態(bend mode),因此液晶分子必需先轉至所需要的模式下才能操作。圖二所示為一般OCB液晶盒的結構,液晶分子被夾在二片玻璃基板中間,而玻璃基板的內側面會鍍上一層透明導電層氧化銦錫(Indium Tin Oxide,ITO)做為電極,並在電極上均勻塗佈聚亞醯(Polyimide,PI)做為配向膜,而配向方向為平行配向。

 在未加電壓時,液晶分子排列方向會順著配向方向呈現展開的狀態,因此稱之為Splay態,也可叫做斜展態。而在外加一個大於臨界電壓(Vc)的電壓後,液晶分子受到外加電場影響,原本在液晶盒中間平行於上下基板的液晶分子會向上基板或下基板移動,而形成一個不對稱的情形,稱為Asymmetric Splay態,在這個狀態下液晶分子是不穩定的,若在此時將電壓歸零,則分子會馬上回到對稱的斜展態。若持續加電壓,液晶分子會傾向自由能較低的彎曲態排列情形,但彎曲態和斜展態在局部解剖(Topology)上並不相似,在轉換時需要經過成核現象(Nucleation)來達成,液晶分子若是有部份轉彎曲態,就可變成液晶盒內的轉態核心,其他液晶分子就會順著轉態核心而逐漸轉變成彎曲態,使得彎曲態的面積逐漸延伸,直到全部的液晶分子都轉至彎曲態,這個過程需要較長的時間。但若是一直無法形成轉態核心,則液晶分子就很有可能無法轉態至彎曲態。而當液晶分子轉至彎曲態後,在外加電壓小於臨界電壓時,彎曲態的液晶分子會瞬間轉到180度的扭轉態(Twist),再藉由成核現象轉回斜展態。[7-8]

 由上述可知,轉態至可操作態之彎曲態需要經過成核現象,造成成核現象必須用較大的電壓(約20V的overdrive)和較長時間(數分鐘甚至一小時)才能轉態完全[9],因此,許多相關的研究已投入並發展出相對應的技術來克服這項缺點。在這些解決方案中,可以以有無摻雜對掌性分子(chiral dopant)作為區分。

有摻雜對掌性分子
1. 在液晶內摻雜入具有對掌性的分子結構,令OCB Mode的液晶分子在沒有外加電壓時為呈現180度的扭轉型,而沒有斜展型。因為在研究中發現,扭轉型要轉變為彎曲型比斜展型要轉變為彎曲型還來得快。而這種模式的OCB稱為Chiral-Doped OCB(C-OCB) [10-11]。

2. 利用細縫或是突起物,再加入摻雜對掌性分子,形成雙域彎曲態(Dual-Domain Bend Mode,DDB Mode),可加速轉態也可增加視角[12, 13]。

沒有摻雜對掌性分子
 而在沒有摻雜對掌性分子時,主要做法是使液晶分子內產生一個彎曲核心,接著因為成核現象,便可以快速轉態。其方法有很多種。
1. 利用缺陷形成彎曲核心,如間隙物(spacer) [6]。

2. 利用高分子牆:在液晶內摻入可照光聚合的物質,外加電壓使其達到彎曲態後令部份混合物照光而讓內部的分子聚合,如此一來有照光的部份液晶分子會受到照光後聚合的分子影響,而排列成彎曲態,如此一來就形成彎曲核心,有照光的部份在沒有外加電壓時依然成彎曲態,可以加速其他沒有照光的部份的轉態[14]。

3. 利用預傾角不同來形成彎曲核心:在研究中發現,在較高的預傾角區域,不需要外加電壓液晶分子就會排列成彎曲態,因為此時彎曲態所具有的自由能比斜展態還要低 [15]。而形成區域高預傾角的方法有很多種,有利用離子束(ion-beam) [16],也有利用將二種不同預傾角的配向膜材料混合而形成有奈米結構的配向層來達成彎曲核心[17],或是在部份區域的單面基板上做成垂直配向,形成部份區域的HAN(Hybrid-Aligned-Nematic)結構,做為彎曲核心以加快轉態速度。[18]

OCB變形
 由於OCB分子排列的方式,上下對稱於中心平面;若是在中心平面的位置上,放置反射式鏡面或金屬電極如圖三[19],當外在環境光入射進這樣的結構時,光線在遇到金屬電極後,隨即被反射,因此光線所走過的光路徑,相當於兩倍的液晶膜厚,類似於一個完整的OCB的路徑,這樣的結構被稱作Hybrid Aligned Nematic Cell,簡稱HAN-Cell,或稱為Reflective OCB Cell(反射式OCB Cell),簡稱R-OCB Cell;這樣的結構操作電壓比一般的OCB Cell電壓低(約2-3V),並且由於液晶膜厚為一般OCB結構的一半,所以反應速度也較快,在製程方面,金屬電極不需要配向層,另外只需要一片Polarizer(偏振片),利用環境光當作光源,不需要背光系統,結構本具有輕薄短小的特色,非常適用在可攜式的顯示資訊系統。

鐵電型液晶簡介
 鐵電型液晶(ferroelectric liquid crystal,FLC)的概念最早於西元1974年被Robert Meyer所發現提出,並探討其對掌性(chirality)與極性(polarity)之關係[20]。但由於當時並無適合的液晶材料,在初期很少有相關研究,一直到MOEBA鐵電型液晶被合成後鐵電型液晶才開始被大家廣為研究。在smectic C液晶態,液晶分子以smectic layer為分界形成層狀排列,並於smectic layer法線方向(k)傾斜q角,方位角j,如圖三[21]。而鐵電型液晶(chiral smectic C phase)為扭轉的smectic C結構,而分子扭轉360o的距離稱之為螺距(pitch),如圖四(a)所示,由於分子本身的不對稱性,其對掌中心(chiral center)與偶極(dipoles)因偶合作用產生極化場,其極化方向垂直於傾斜角之平面稱之為自發性極化(spontaneous polarization),此參數影響鐵電型液晶的光電響應,反應速度等特性[22]。西元1980年Clark與Lagerwall等人首先提出表面穩定鐵電型液晶(surface-stabilized ferroelectric liquid crystal)在顯示元件上的應用[23]。其必要條件為鐵電型液晶之螺距需遠大於液晶盒之間隙,藉由液晶盒間隙小於2mm的物理限制,使得原本扭轉的分子堆疊結構被抑制,導致鐵電型液晶分子順著配向方向排列,如圖四(b)。與nematic材料不同的是,當施加電場鐵電型液晶驅動時,其自發性極化方向將順著電場方向在同一平面偏轉,但液晶分子運動方向為圓錐(cone)狀的模式。

鐵電型液晶優點
 鐵電型液晶顯示器最大的優點就是其快速反應。1 ms以下的反應速度足足比傳統TN型顯示器快了十倍以上,並因其於平面上的運動,和IPS(in-plane switching)技術相同,擁有廣視角的優點。再者,由於配向膜與液晶分子間的錨定能(anchoring energy)以及自發性極化的影響,鐵電型液晶可穩定於亮態或暗態,即使將外加電場移除,此現象稱之為雙穩態(bistability)。此雙穩態之特性提供鐵電型液晶於靜態顯示器的應用如,e-paper、電子看板等,由於只

 
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