第四章 實驗與結果分析
4.2 反射式扭轉向列型液晶模式
4.2.5 實驗結果討論
TN 模式使用於投影型反射式元件上時，由於光線是垂直入射面板再垂直反射出來，
不需考慮視角問題，所以 TN 模式視角不佳的缺點在實際應用上便不會有太大的問題，
故此研究重點著重於如何達到最佳反射率與最佳的反應速率。
從研究的結果來看，在 = 0o，d n/ = 0.35 會有最佳的反射率，而若同時想要得到
最佳的反應速率，如何搭配液晶材料 n 並控制液晶盒厚度以達到高反射率與最佳反應
速率是未來使用快速扭轉向列液晶模式的重點。而在此研究中使用低旋轉黏滯係數的液 晶材料 LCT-10-831，使液晶盒厚度小於 2um 即可成功的達到反應時間小於 3ms 的反射 式 TN 模式快速反應。
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4.3 反射式光學補償彎曲液晶模式
玻璃基板使用 FLC PI 做為配向層，鍍鋁基板則使用 VA PI 做為配向層，使液晶分 子排列形成 HAN cell 結構，達成反射式 OCB 模式。
4.3.1 液晶材料
R-OCB 模式所使用液晶為 ZCE-5096XX (from Chisso)，液晶參數如表 4.8。
表 4.8 OCB 液晶材料參數
Sample ZCE-5096XX
TN->C[S] <-20 ℃
TN->I 95.5 ℃
Viscosity η (at 20℃) 46.7 mPa〃s
Optical anisotropy (at 25℃ 589nm)
△n 0.158
ne 1.662 no 1.504
Dielectric anisotropy (at 25℃)
△ε 10.0
ε|| 14.1
ε⊥ 4.1
Specific resistivity ρ (at 25℃) >1.5*1014Ω〃cm
K11 9.8 dyne
K22 5.8 dyne
K33 11.8 dyne
γ1 178 mPas
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4.3.2 反射率對電壓關係
圖 4.10 反射式 OCB cell V-R curve
由於反射式 OCB 模式 HAN cell 的排列初始態即如同 OCB 模式的工作態(bend state)，
所以由 V-R curve 可以看到反射式 OCB 模式並不需要轉態，也就不會有轉態電壓 Vc
，實做1.07 μm、1.66 μm 反射式 OCB cell 電壓對反射率關係圖如圖 4.10。OCB 在使用 上最大的問題為需要轉態電壓和轉態時間，而應用在反射式顯示技術上，HAN cell 的結 構即可克服這兩個問題。成功的達成無需轉態的反射式 OCB 模式。
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4.3.3 液晶盒間隙厚度對反應時間關係
圖 4.11 反應時間對 cell gap 關係圖
實做1.07 μm、1.66 μm 反射式 OCB cell 反應時間分別為 1.88 ms、3.26 ms，如圖 4.12。
配合液晶模擬軟體 Techwiz 模擬反射式 OCB cell 反應時間對 cell gap 關係如圖 4.11。實 做 cell 反應時間大致符合模擬結果，由模擬結果的趨勢可以推估當 cell gap 厚度低於 1.6 μm 即可達到反應時間小於 3 ms 的快速反應。
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圖 4.12 反射式 OCB cell (a) (b) 1.07 μm、(c) (d)1.66 μm 反應時間
4.3.4 實驗結果討論
傳統 OCB 模式在使用於顯示器元件上最大的問題便是其成核現象的轉態過程費時 過長，所以便有許多的研究針對如何克服轉態時間過長，本實驗室也有提出過利用 RM 補償膜以及使用奈米粒子的方式解決轉態問題。
此研究利用 HAN cell 的結構，成功的達到無頇轉態的反射式 OCB 模式，並且克服 傳統使用高預傾角造成相位延遲不足的缺點，並利用模擬軟體得到 cell gap 與反應時間 的趨勢，在研究中所使用的液晶材料 ZCE-5096XX，控制 cell gap 小於 1.6um，即可得 到反應時間小於 3ms 的快速反應。
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T ra n sm it ta n ce ( ar b . u n it s)
Applied voltage (V)
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4.4.2 無缺陷排列(POM)
先測試配向層極性對稱與非對稱液晶排列差異，分別製作對稱結構(PI- PI)與非對稱 結構(PI-PVA)兩種 SSFLC 模式液晶盒並灌入液晶，排列結果在偏光顯微鏡下觀察如圖 4.14。可以明顯地看出對稱結構排列的排列缺陷(two domains)，而非對稱結構則可以得 到很好的排列(one domain)，證實配向層極性非對稱可以有效改善 FLC 的排列缺陷，將 利用非對稱配向極性結構來進行後續研究。
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即 1
2
2π nd
π2 Nπ ，N 為整數。 (eq. 4-3) 以綠光雷射 =550 nm，最大反射時之 cell gap 為 1.4 μm、4.3 μm…等。
圖 4.15 cell gap 與出射光強度關係圖
圖 4.16 為實做 1.2 μm 反射式非對稱極性鐵電式液晶盒的電壓對反射率關係圖，Vth 約為 3.8 V，Vsat 約為 10V。由於反射式 SSFLC 液晶盒 1.2 μm 光通過路徑長度相當於穿 透式2.4 μm，對照公式所推導出來之光強度關係圖，紅光反射較強，藍光最弱，由於理 論值並不考慮液晶和反射層的光強度損耗，故其出射光強度關係相對關係仍符合理論值。
若想要同時得到最佳的紅、綠、藍出光強度，則可控制 cell gap 約在 1.4 μm，反射式 cell gap 則約 0.7 μm。
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圖 4.16 FLC V-R curve
4.4.4 反應時間
鐵電式液晶之驅動原理與向列型液晶不同，為自發偶極矩會順著電場的方向在 cone 上做轉動，一般而言反應速率遠快於向列型液晶。實做1.2 μm 反射式表面穩定鐵電式 液晶盒，以階梯式交流電電壓 10V 方式驅動，其反應時間約為 1.1 ms。
圖 4.17 SSFLC 1.2 μm (a)on (b) off 反應時間
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4.4.5 實驗結果討論
鐵電式液晶利用自發偶極矩隨著電場方向轉動形成亮暗態的變化，有著快速反應的 特性，而最大的問題為在排列上所產生的水帄山形袖章缺陷。在研究中利用表面極性非 對稱的配向，成功的達到無缺陷排列的反射式 SSFLC 模式。並從公式中推得紅、綠、
藍三色光的反射率與 cell gap 的相對關係。
此研究所使用的液晶材料 R3206-50，在一般顯示器的工作溫度區間有著穩定的驅動 特性，當使用於反射式 SSFLC 模式時，cell gap 控制在約 0.7 um 可以同時得到紅、綠、
藍三色皆有最佳反射率。實做1.2 μm 反射式 SSFLC 液晶盒有反應時間為 1.1 ms 的快速 反應。
然而研究中所使用的 PVA 配向材料易受水氣影響，並非一個很好的配向層材料，
未來尋找更適合與 PI 搭配之配向層材料為後續的研究課題。
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4.5 FLCOS 元件
在前幾節研究中已將三種液晶模式應用於反射式元件，其中 SSFLC 模式擁有最佳 的反應速率，而市面上 LCOS 元件使用 nematic 液晶材料較為常見，並已有不少的文獻 和研究資料，所以後續的研究將使用 smectic 的液晶材料，並利用反射式 SSFLC 模式，
進一步實做於 LCOS 元件，觀察分析其 LCOS 元件結構是否會影響 SSFLC 排列和驅動 特性。
SSFLC 模式應用於 LCOS 元件同樣使用配向層極性非對稱之原理以達到無缺線排 列，試製 LCOS 元件。在 CMOS 基板側塗佈 PVA，玻璃基板塗佈 FLC PI，cell gap 厚度 約為1.4 μm。圖 4.18(a)(b)為實做之 LCOS 元件與 pixel 照，LCOS 元件之 pixel 大小約為 8*8 μm，pixel gap 為 0.5 μm，pixel gap 為凹槽深約 30 nm。
圖 4.18 (a)LCOS 元件 (b)LCOS pixel
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4.5.1 無缺陷排列
由於 pixel gap 為凹槽式，所以先測試配向層極性對稱與非對稱液晶排列於 LCOS 元件效果是否會受到凹槽影響其排列，分別製作對稱結構(PI- PI)與非對稱結構(PI-PVA) 兩種 SSFLC 模式 LCOS 液晶盒並灌入液晶，排列結果在偏光顯微鏡下觀察如圖 4.19。
如同 FLC 反射式元件，FLCOS 同樣可以看出對稱結構排列的排列缺陷，而非對稱結構 則可以得到很好的排列，證實配向層極性非對稱在 LCOS 元件內仍可以有效改善 FLC 的排列缺陷，將利用非對稱配向極性(PI-PVA)結構來進行後續研究。
圖 4.19 配向膜極性 (a)對稱(b)非對稱 FLCOS 排列 POM 圖
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4.5.2 反射率對電壓關係
圖 4.20 FLC 與 FLCOS V-R curve
若不考慮 cell gap 影響造成的反射光強度變化，FLC 反射式元件與 FLCOS 元件電 壓對反射率關係如圖 4.20，對比兩曲線驅動電壓 Vth 為 3.8 V，飽和電壓 Vsat 為 10 V，
兩者於電壓驅動特性上仍保有一致性，表示將 FLC 元件非對稱極性之方法應用於 FLCOS 同樣可以得到不錯的效果並且有相同驅動特性。
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4.5.3 反應時間
上節實做之1.2 μm 反射式表面穩定鐵電式液晶盒，其反應時間約為 1.1 ms，而將 其應用於 LCOS 元件時，1.4 μm 之 FLCOS 元件反應時間約為 1.48 ms，如圖 4.21，同樣 也有快速反應的特性。
圖 4.21 FLCOS 1.4 μm (a)on (b) off 反應時間
4.5.4
實驗結果討論表面穩定鐵電式液晶模式對於配向層表面帄坦度要求遠高於一般向列型液晶，而 LCOS 元件由於是使用於投影機，每個 pixel 極小，若稍有排列上的缺陷，顯示投影出 畫面時便會將缺陷放大幾百倍，所以最重要研究的便是達到無缺陷的排列。
由實驗的結果，使用非對稱極性配向層的方法應用於 LCOS 元件上時，LCOS 元件 凹槽式 pixel gap 並不會影響到鐵電式液晶的排列，可以同樣得到無缺陷的良好排列，而 驅動特性與反射式 SSFLC 相符，並且擁有快速反應的特性。此研究成功將 SSFLC 模式 應用於 LCOS 元件。
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第五章
結論
5.1 結論
實驗結果成功的將三種不同的液晶模式(TN、OCB、SSFLC)應用於反射式顯示元件 上，並且皆成功的達到反應時間小於 3 ms 的快速反應，而三種模式有不同的優缺點和 特點，列出如表 4.9。
表 4.9 反射式液晶模式比較
液晶模式 TN OCB SSFLC
視角 小 大 大
驅動電壓 1.1 V 0 V 3.8 V
飽和電壓 4 V 4V 10 V
亮暗模式 NW NW NB
對比 高 中 低
反應速度 快 快 最快
以視角的部分來討論，雖然 TN 模式的視角最差，然而用於投影型的反射式顯示元 件時，入射光與出射光為垂直進出面板，所以 OCB 和 SSFLC 廣視角的優勢不如正向視 角對比度的重要，在此要求下，TN 模式的正向對比度則是最佳的。傳統穿透式 OCB 模
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