介電異方向性

電場外加時與磁場外加時相同，會生成 Freedericksz 遷移，使液晶分 子排列發生轉移，並使其光學性質產生變化。此乃因為液晶分子軸方向的 介電率(ε^‖)與垂直方向的介電率(ε^⊥)不同所致。此介電率異方性(Δε＝

ε^‖－ε^⊥)，對於液晶的各種光電效應以及液晶材料的各種應用，均佔著重 要的地位。

液晶的Δε有正、負之分，會與液晶的分子構造相關連。其正負值乃 取決於液晶分子的極化率(α)及永久偶極矩(μ)相對於分子長軸的方向及 大小。W.Maier 和 G.Meier(1961)導出直流電場下的Δε，可以近似的式子 表示：

Δε≒S[Δα－Cμ²(1－3cos²β)] (2.1.5) 其中Δα為 polarization anisotropy，μ為 dipole moment，β為分 子長軸與 dipole moment 之夾角，C 為常數。

Δε＞0 之液晶稱為正型液晶，若外加大於某一程度的電壓(E＞Ec) 時，液晶分子長軸會與電場方向平行排列；反之，Δε＜0 之液晶稱為負型 液晶，若外加大於某一程度的電壓(E＜Ec)時，液晶分子長軸方向會與電場 方向垂直。Δε是一重要液晶參數，其值的正與負，會影響到應用於顯示

器時之顯示模式(display mode)，其值大小會影響臨界電壓。

V^th＝π{kii/│Δε│}^1/2 (2.1.6) 2.1.5 彈性係數(Elastic constant)[1][2]

由 於 液 晶 的 分 子 軸 方 向 變 化 為 非 常 微 弱 且 彈 性 的 性 質 ， 故 C.W.Oseen(1993)、H.Zocher(1993)及 F.Frank(1958)等將其視為適用彈性 連續理論。

由此理論來看，液晶的相同分子排列受外力而變形的狀態，可被視為 受某種程度應變的彈性連續體。如圖 2.9(a)(b)(c)所示，液晶分子受外力 擴張狀態的 splay，受扭轉狀態的 twist 及彎曲狀態的 bend 等存在有三種 基本的應變，而表示這些應變與應力關係的模式，各被稱之為 splay、

twist、bend 模式，其相關之彈性係數分別為：k¹¹、k²²、k³³。

圖 2.9 (a)(b)(c)向列型液晶的三種基本彈性變形

(a) (b) (c)

2.2 液晶顯示器原理[3]

液晶顯示器的顯示原理如圖 2.10 所示，在封入液晶、構成顯示螢幕的 上、下兩塊玻璃板外側，要貼附偏光片，偏光片的作用是僅使沿特定方向 振動的偏光透過。貼附在陣列基板上的偏光片稱為起偏板，貼附在 CF 基板 上的偏光片稱為檢偏板。要保證起偏板和檢偏板的的偏振方向互相垂直。

而且，在陣列基板和 CF 基板的內側，即與液晶相接觸的表面，要貼附 配向膜。配向膜多由聚醯亞胺製作，其表面需經配向化處理。所謂配向化 處理是透過摩擦等在表面形成定向排列的刮傷。在無外電場作用下，向列 液晶分子的長軸趨向平等於刮痕的方向排列。

首先，當液晶盒兩側不施加電壓時，靠近陣列基板一側的液晶分子，

平行於陣列基板內側配向膜刮痕的方向排列；靠近 CF 基板一側的液晶分 子，也平行於 CF 基板內側配向刮痕的方向排列。由於上、下配向膜的刮痕 方向相互垂直布置，如圖 2.10(a)所示，液晶盒中上、下玻璃基板之間的液 晶分排列方向發生 90 度的扭曲。

在上述狀態下，當由背照光源發出的光從上方照射液晶盒時，在起偏 板的作用下，只有沿特定方向振動的線偏光才能透過。這種線偏振經光經 過在液晶盒中 90 度扭曲排列的液晶分子的傳輸，偏振方向也發生 90 度的 扭轉。注意到檢偏板同起偏板的偏振方向相互垂直，當偏振方向發生 90 度 扭轉的線偏振光照射到檢偏板時，該偏振光能順利透過檢偏板。即不加電

壓時，液晶光閘使光透過，定義這種透過光為「白」。

而當液晶盒兩側施加電壓時，在電場作用下，液晶盒中的液晶分子的 排列將克服陣列基板內側和 CF 基板內側聚醯亞胺配向膜表面刮痕的影響，

由平行於刮痕方向轉向垂直於配向膜面排列，所有液晶分子均沿電場方向 平行排列。

在上述狀態下，當由背照光源發出的光從上方照射液晶盒時，在起偏 板的作用下，只有沿特定方向振動的線偏振光才能透過，如圖 2.10(b)所示。

這種線偏振光經過在液晶盒中垂直於上、下玻璃基板而平行排列的液晶分 子的傳輸，在射向下玻璃基板的檢偏板時，偏振方向不發生任何變化。由 於檢偏板同起偏板的偏振方向相互垂直，因此，該線偏振光不能透過檢偏 板。即當施加電壓時，液晶光閘使光截止，定義這種被阻斷光為「黑」。

根據外加電壓的有、無，可使液晶盒中的液晶分子配向發生變化(例如 90 度扭曲)，若上、下偏光片的偏振方向相互呈 90 度，那麼沿一特定方向 振動的光(或偏振光)能否透過液晶盒，則由外加電壓的有、無來決定。使 光透過與否同「白」、「黑」相對應，則可實現 LCD 的畫面顯示。當然「白」、

「黑」之間的中間色可由外加電壓的高低來設定。

Normal White

Voltage Off Voltage On

Normal White

Voltage Off Voltage On

(a)(a)(a)

(a) (b)(b)(b)(b)

圖 2.10 (a)(b)液晶顯示器的顯示原理-液晶光閘

2.3 液晶顯示器結構[3]

穿透型直視式 LCD 的基本構造，其主要由組成液晶盒的兩塊玻璃板構 成，液晶盒中灌封液晶。兩塊玻璃板中，布置有主動式元件(薄膜電晶體 TFT) 的一塊稱為像素陣列(array)基板，另外一塊稱為對向電極基板(color filter,CF)。前、後兩塊玻璃板的外側，要分別貼附僅使沿一個方向振動 的光(線偏光)透過的偏光片。在陣列基板下側，設有冷陰極管(CCFL)或 LED 背光源，背光源與變換器相連接，以便對光源供電並對其進行控制。其中 液晶顥示螢幕的主要構成元件如以下所示(圖 2.11)：

1.彩色濾光片基板

由玻璃基板上的彩色濾光片、透明導電膜構成，此外在透導電膜表面 還要形成配向膜。

2.TFT 陣列基板

由玻璃基板上的偏光片、透明導電膜(像素電極、驅動電晶體)構成，

此外在透明導電膜表面還要形成配向膜。

3.液晶

在外部電壓等的作用下，液晶分子排列的配向發生變化。正是基於這 種變化，液晶得以使線偏振光發生透過、遮斷轉換，從而起到光閘作用。

4.透明導電膜

在 TFT 陣列基板上設有由透明導電膜形成的像素電極，在彩色濾光片

基板上也有。透過在兩透明電極間施加與圖像數據相對應的電壓信號，以 產生光閘作用。它在起電極作用的同時要能透過光，因此需要採用透明電 極。

5.配向膜

保證液晶分子按一定方向排列的膜層。一般是在透明導電膜上，由聚 醯亞胺樹脂等形成，再經過定向摩擦等處理而產生配向作用。

6.偏振光板

僅使沿特定方向振動的光(線偏振光)透過。液晶顯示器所用的偏光片 有偏光板和檢光板之分。

7.驅動電晶體

每一個次像素設置一個起開關作用，用來控制液晶上所加電壓高低，

進而使液晶產生光閘作用的薄膜電晶體(thin film transistor,TFT)。

8.彩色濾光片

為使像素彩色化，每個像素都要配置 RGB 三原色次像素的彩色濾光片 (一個像素由 RGB 三個次像素構成)。彩色濾光片基板上的 RGB 陣列應與 TFT 基板上的像素陣列精密對位。

9.背光源

液晶本身並不發光，要進行顯示，光源是必不可少的。由於光源一般 布置於液晶螢幕的背面，故稱其為背光源。

(9)背光源 (1)彩色濾光片基板

(2)TFT 陣列基板

(3)液晶

(4)透明導電膜 (5)配向膜 (6)驅動電晶體 (7)偏振光片

(7)偏振光片 (8)彩色濾光片

圖 2.11 液晶顯示器結構圖

2.4 配向機制

2.4.1 配向膜簡介[1]

配 向 膜 (Alignment Layer) 是 構 成 液 晶 顯 示 器 (Liquid Crystal Display,LCD)的關鍵材料之一，其最主要的作用是控制液晶分子之排列方 向，並提供不同 LCD 結構所需之預傾角(Pretilt Angle)。配向膜的位置在 液晶盒(Cell)內上下片 ITO(銦鍚氧化物)透明電極層上所形成的有機薄膜。

其中最主要的化學成份為聚醯亞胺(Polyimide,PI)，目前在 LCD 工廠 的生產製程中，配向膜一般是使用不可溶性的聚亞醯胺，此溶液乃先由雙 酸酐及雙氨合成出的前驅體聚醯胺酸(Polyamic Acid)溶液，再以凸版印刷 方式塗佈(Coating)於 ITO 透明電極層玻璃上，如圖 2.12 所示，經過 200~300

℃的高溫烘烤，去除配向膜中含有微量的溶劑和水份，使其固化產生聚醯 亞胺，此時薄膜厚度約為 500~1000Å。

APR版 APR版

Polyamic Acid

Glass

流品方向

(凸版)

圖 2.12 配向膜塗佈示意圖

2.4.2 配向技術[3]

在液晶顯示器中，液晶是以薄層的形式鋪滿整畫面。在這種情況下，

液晶分子需要整齊有序地沿某一方向排列。目前，作為主流而使用的向列 液晶為棒狀分子，這種棒狀分子本身可以在一定角度範圍之內，自然地集 中於某一方向排列，但如果不加控制，這種排列往往存在一定分散度。為 滿足顯示器的使用要求，需要液晶分子井然有序排列，僅靠分子之間自然 發生的作用力(凡得瓦力)是不夠的，必須人為地控制。液晶分子的排列(配 向)，應外加電壓時更完善地旋轉這一要求，可採取不同類型，如圖 2.13 所示。

平行配向多用於液晶介電各向異性為正的情況，一般顯示模式採用的 大多是這種配向；垂直配向多用於液晶介電各向異性為負的情況，多用於 特殊顯示模式。另外，在外加電壓，希望響應更加迅速而均勻時，可使液

圖 2.13 液晶配向排列模式

晶 分 子 的 方 向 相 對 於 基 板 傾 斜 一 定 的 角 度 ， 稱 其 為 預 傾 角 (pretilt angle)，這種排列方式被稱為傾斜配向。順便指出，平行配向是透過對基 板進行摩擦，依靠表面傷痕控制液晶分子的配向，但由於液晶近似於液體，

不可能獲得像晶體那樣完全一致的定向排列。

為使液晶配向，首先要在做好透明電極的基板表面塗敷膜狀聚醯亞胺 耐熱性樹脂層。為此，是將處於完全固化之前聚醯亞胺的所謂「前驅體」

溶於溶劑之中，薄薄地塗敷於基板表面，經乾燥再加熱，聚醯亞胺完全硬 化而變成固體薄膜，這便是配向膜，配向膜的厚度一般在 0.05~0.1um 之間，

是相當薄的。

而後，利用外周捲有棉布或絨布的滾軸，在旋轉的同時並對配向膜住 進行定向摩擦，利用此程序，實現聚醯亞胺高分子的配向，此後，當液晶 分子與經過配向處理的聚醯亞胺膜相接觸時，液晶分子長軸會沿著與摩擦 處理方向相一致的方向排列，如圖 2.12 所示。

關於上述液晶分子配向的機制，目前仍有不同的觀點。一種觀點認為，

液晶分子沿被摩擦聚醯亞胺表面的傷痕和溝槽排列；另一種觀點認為，摩

液晶分子沿被摩擦聚醯亞胺表面的傷痕和溝槽排列；另一種觀點認為，摩