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光電技術 No.02 發行時間:2005/6
       
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[技術專文] 染料客主型強誘電性液晶元件色彩性之探討(上)
    

本研究是藉由二色性染料(Dichroic Dye)之異向吸收效果與強誘電性液晶(Ferroelectric Liquid Crystals)低驅動電壓、快速應答及寬視角的特性,製備在單一偏光片作用下的染料─客主型強誘電性液晶(Dye Guest-Host Ferroelectric Liquid Crystals)之顯示元件,簡稱DGHFLC。主要目的在於探討染料客主型液晶顯示元件之呈色特性,並分別對DGHFLC之色彩性、心理物理及心理測量或測色學等作探討。
在DGHFLC cell色彩性的測量評估中,得知因染料濃度的增加相對使得明度降低、色彩度提高;同時,試片所呈現出的色相愈接近染料最大吸收波長的顏色。當印加正負電場於試片時,發現在著色態與無著色態間的色差值,會隨著染料濃度的提高而增加;如此一來,便可讓視覺感受愈趨明顯,且因為DGHFLC cell只用了單一偏光片致使整體亮度提升,而達到客主型液晶顯示器的最初設計目的,可做高亮度、高色差的顯示。
近年來,隨著科技的發展迅速,高科技導向已成政府的施政方針,強調產業研發創新與高附加價值產業,發展光電科技更是政府的既定政策。
平面顯示器產業繼半導體產業之後,成為國內最引人注目的新興產業,也列為行政院「挑戰2008:國家發展重點計劃」之範圍,預估在民國95年平面顯示產業產值將達新台幣1兆元以上[1],與半導體產業名列同為兩兆雙星計畫之一,期待將台灣建構成為最主要的影像顯示產品的研發及製造重鎮。雖然在量產技術上已經可以與日韓等國相提並論,但在新產品開發與專利佈局上仍有不小之差距。由於我們量產技術多移轉自日本或韓國廠商,所以產品與技術專利數目與品質仍居於弱勢。另外,由於影像顯示產業的快速成長所引發之技術人才缺乏、關鍵零組件自製能力薄弱、研發規模不足以及國際標準制定參與程度低,還有相關產品測試、驗證環境薄弱等,也都是目前台灣產業所遇到的瓶頸[2]。
我國在平面顯示器材料需求上以薄膜電晶體顯示器(Thin Film Transistor Liquid Crystal Display, TFT-LCD)為主,以2003年市場需求已經超過新台幣590億元來看,預計在2005年新世代生產線陸續投入量產後,材料需求將會更高,而電漿顯示器(Plasma Display Panel, PDP)和有機電激發光顯示器(Organic Light Emitting Display, OLED)材料需求在2003年僅有3.7億元新台幣及1.9億元新台幣左右[3]。上游原料供應上則仰賴國外進口,隨著我國廠商在平面顯示器產業的投資不斷增加,及大尺寸生產基板的投入,相關的零組件,如玻璃基板、彩色濾光片、偏光片、背光模組等的自製率已不斷提高,但是上游的材料部分,台灣廠商的市場佔有率以及競爭力仍然偏低,大部分仍須由國外進口,其他平面顯示產品如PDP以及OLED等的材料亦面臨同樣的問題。
就目前市面上的平面顯示器特性來討論,主要朝向高亮度、高對比、高色彩性以及快速應答等方向發展,如奇美電子日前所發表之TFT-LCD其應答速度(gray to gray)號稱可達8 ms,其他廠商如明硉未t商亦發表號稱應答速度可達5 ms的顯示器產品,是其他顯示器產品廠商所望塵莫及的。而300 ~ 400 nits高亮度與700 ~ 800:1等高對比的產品更是隨處可見,因此目前技術研發多已針對如何達到超過NTSC 100%的高演色性產品技術發展,如目前日本的國家型計劃Natural Vision即是為達成使顯示器重現自然色,以達到影像的真實色彩為目的[4]。

DGHFLC元件色彩特性
色彩特性的探討不能不先了解色彩學。色彩學是研究顏色度量和評價方法的一門科學,是研究科學領域裡的一個重要部份。
顏色感覺與聽覺、嗅覺等都是外界刺激使人感覺器官產生的感覺。光經過物體反射或透射後刺激人眼,人眼產生了此物體的光亮度和顏色的感覺信息,並將此訊息傳至大腦中樞,在大腦中將感覺信息進行處哩,於是形成了顏色知覺。人們就可以辨別出此物體的明亮程度、顏色類別、顏色純潔的程度(明度、色調、飽和度)等。由外界的光刺激產生色感覺進而有色知覺的感知意識是非常複雜的過程,此過程涉及了光學、光化學、視覺生理與視覺心理等層面問題,想要度量色知覺、量化色知覺是很複雜的。
要描述顏色最簡單的方法是使用顏色名詞。給每種顏色一個固定的名稱。並冠以適合的形容詞,將這些名詞彙編成顏色名詞辭典,為人們相互交流色知覺信息提供了一種簡單、古老的方式,但此方式並不能定量地表示色知覺量。另一種交流方式則是製作色卡,人們以製作色卡的方式來描述顏色,色卡可以有不同分類及排列方式,它是按照色知覺的明度、色調以及飽和度等這三個特徵量的大小加以排列,並依各特徵量的差值相同的原則來製作色卡,給每個色卡一定的標號,以此種色卡作為目視測量顏色的基準。使用此種系統來測量顏色,只能在一定的條件下反應人的色知覺量。
色度學最早創於牛頓[57,59],它引入了顏色環的概念,從而開創了建立顏色圖的思想,它還提出了顏色混合中使用重心原理來確定混合結果的方法。19世紀,科學家格拉斯曼(Grassmann)[51]、馬克斯威爾(Maxwell)、赫姆霍茲(Helmholtz)[52]等對色度學的進一步發展作出了巨大的貢獻。而奠定了現代色度學的基礎的科學家有吉爾德(Guild)[53]、賈德(Judd)[54,55]、馬克亞當(Macadam)[56,57]、斯帝魯斯(Stiles)[58,59]、萊特(Wright)[58]和維澤斯基(Wyszecki)等人[43,59]。從1931年國際照明委員會(Commission International de l'Eclairage, CIE) 建立色度學系統至今,簡稱為CIE色度學系統,歷經50多年,色度學已取得了豐碩的成果。不論在工業生產、科學研究或者是文化事業等部門,色度學均得到廣泛的應用。

可見光輻射
在整個電磁波圖譜中如圖一所示,能引起人眼視覺響應的只是一小部分。刺激人眼能引起視覺的光輻射稱之為可見光輻射,簡稱可見光。要嚴格確定可見光的波長範圍是很困難的,一般來說,可以取波長380~780 nm作為可見光的範圍。然而當光很強,人眼又在暗處已適應的情況下,眼睛可感受的波長範圍至少可擴大到350~900 nm。
可見光的波長不同,所引起人眼的顏色感覺就不同。單色光的波長由長到短,對應著的顏色感覺由紅色到紫色如表一、表二所列。
此種區分法只是簡略的分出大致上的波長範圍。實際上單色光的顏色是連續漸變的,不存在嚴格的界限並且單色光的顏色感覺隨著光的強度變化而變化。
自然界人們見到單色光的機會不多,一般都是複色光也就是混色光。一定成份的混色光,有一種確定的顏色與之對應;但反過來說,一種顏色的感覺也就不只會對應著一種光譜的組合了。就是說兩種成分完全不同的混色光有可能引發人眼的顏色感覺會完全一樣,這就是所謂的同色異譜。

染料-客主型強誘電性液晶試片色彩性的評價
染料-客主型強誘電性液晶顯示器(GH-LCD)是典型利用LCD媒質(二向性染料)的光學特性來作為顯示色彩效果的光電元件。染料的加入雖會呈色,但呈色效果會受試片的厚度、配向層、染料摻混比例、染料分子與液晶分子的排列特性及染料本身的日光堅牢度等因素影響。故客主型液晶顯示器其色彩性的測量與評估即顯得分外重要,更進一步可從色彩性的測量結果中,分析推斷液晶分子與染料分子在交互作用下的排列情形。
而現今客主型液晶顯示器是採用國際照明委員會(簡稱CIE)所規定的一套標準色度系統,來作為GH-LCD色彩性的測量標準[43-47]。此系統是近代色度學的基本組成部份,它是一種混色系統,是基於每一種顏色均能用三個選定的原色(紅R、綠G、藍B)按適當比例混合而成的基本事實建立起來的,並經由光學測色儀器來獲得光學試驗上正確測定的一種表示法。經由儀器測定後,GH-LCD所呈現出三原色光的光量稱為該試片的三刺激值(Tristrmulus Values) X、Y、Z,

但經上述公式所量測的結果,只知道顏色量化後的數字卻不容易明瞭試片究竟屬於哪一種色彩?所以測出三刺激值後,需經過下列轉換公式轉換成色度座標(chromaticity coordinates),而後利用x、y值定出試片所呈現的色彩在色度座標上所佔的位置。
並將光譜上各波長的x, y值描繪成一馬蹄形光譜軌跡(Horseshoe-Shaped Spectum Locus),以x為橫軸,y為縱軸,如圖二所示。此座標有時被稱為Helmholtz座標或色度圖(chromaticity diagram)。
由色度圖,即可說明試片色相(主波長,ld)和彩度(純度,P%),而三刺激值中的Y值,即為明度。因此,由色相,明度及彩度便可形成三維色度空間,即稱之為CIE XYZ表色系或CIE(x,y,Y)色度座標圖。此色度圖,即為Psychophyscial(心理物理測量),可得試片之1931 CIE(x,y,Y)、三刺激值(X,Y,Z)、色度座標(x,y)、色相(Dominant wavelength主波長,ld或Complementary wavelength補色波長,lcorld)、彩度(Excitation Purity興奮純度,Pe)、色位移(Color shift,D)和明度(三刺激值中的Y值)。
彩色是指白黑系列以外的各種顏色。彩色有三種特性,分別為明度、飽和度以及色相。明度是指人眼對物體的明暗所產生的感覺。發光物體的亮度越高,則明度越高;非發光物體的反射比越高,則明度越高。色相是指彩色彼此之間相互區分的特性,即紅、黃、綠、藍、紫等等。不同波長的單色光具有不同的色相。發光物體的色相決定於它所發出之光輻射的光譜。非發光物體的色相則決定於照明燈的光譜組成和物體本身的光譜反射或透射特性。而飽和度則是指彩色的純潔性。可見光譜中的各種單色光是最飽和的彩色。物體色的飽和度決定於物體反射或透射的特性。如果反射光的光譜特性很窄,它的飽和度就會很高,如圖三及表三所示。
主波長,一種顏色S1的主波長,指的是某一種光譜色的波長,用符號表示ld,這種光譜色按依定比例與一種確定的參照光源相加混合,即能匹配出顏色S1。色純度是指樣品的顏色同主波長光譜色接近的程度。色純度可以興奮純度和色度純度來表示。一種顏色的興奮純度表示了主波長的光譜色被白光沖淡的程度,實質上是表示了主波長光譜色的三刺激值在樣品三刺激值中所佔的比重。當樣品顏色的純度用亮度的比例來表示時稱為色度純度,它是指主波長的光譜色在樣品中所佔亮度的比重。色純度大致相當於顏色知覺之中的色飽和度,但並不完全相同,因為色品圖上色純度相等的點,其色知覺並不完全對應於飽和度相等的點的色知覺。
CIE(x,y,Y)色度<

 
 
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