液晶相關理論

2-1 液晶態

1888 年奧地利植物學家 F.Reinitzer 發現液晶。隔年德國物理 學家 O.Lehmann 以偏光顯微鏡觀察發現其具有雙折射效應

( birefringence )。自然界物質一般認為存在三態，即固態、液態、

氣態，但是在某些化合物，當由固態升溫至液態時，其中卻存在著一 個或數個中間態（mesomorphic phase），如圖 2-1。此類中間態不僅 具有液體流動等性質，同時亦具備晶體規則的排列特性，故被成為液 晶相。

圖 2-1 液晶態與溫度的示意圖

T

Liquid Crystal

Solid Liquid

2-2 液晶分類

液晶分子就其幾何形狀而言，可分類為棒狀（Rod Like）、盤狀

（Disk Like）及香蕉型液晶(Banana)等，目前主要以棒狀型的液晶 用途最廣。

依照液晶相生成的方式可分為熱致液晶及溶致液晶：

1、熱致型液晶( Thermotropic liquid crystals )主要以溫度區分 相變點，其在某溫度區間內，會呈現特定一種穩定相。現今較多應用 在顯示器或光學元件等。

2、溶致型液晶（Lyotropic liquid crystals）主要混合某種溶劑藉 以濃度區分相變點，其在某濃度區間內，會呈現特定一種穩定相位；

現今主要應用在生物科技。

本論文以棒狀熱致液晶為研究對象。在下節開始我們將介紹棒狀 熱致液晶的主要分類。棒狀熱致液晶依分子排列方式可分成Nematic phase（向列型）、Chiral nematic phase（膽固醇型）、Smectics phase

（層列型）等。

2-2.1 Nematic Phase ( 向列型液晶 )

此為目前應用最為廣泛的液晶相。其分子的質量中心在位置排列 上無一定的次序；然而其分子長軸整體排列則呈現某一特定指向，稱 作導軸

ˆn

(director)。該相的黏度相對其他液晶相較小、對外場的 反應速度也較快，分子較容易順著長軸方向移動，所以配向容易。因 此nematic相液晶被廣泛應用在各類顯示器。

2-2.2 膽固醇相 (Chiral Nematic；N* )

此相是由膽固醇中所發現故稱。膽固醇相可在低於isotropic相 的溫度區間發現。其液晶分子排列與Nematic相液晶相似，但層與層 之間的分子指向會有所偏轉。定義螺旋軸（z軸）為垂直層的方向，

ˆn

隨螺旋軸呈螺旋狀的週期排列，當分子扭轉 2π時的長度，即稱作螺 距 p (pitch)，如圖2-2所示。生成此膽固醇相是在Nematic相中加入 手性媒介物(Chiral agent)所以又稱Chiral Nematic (N*)。

圖2-2 膽固醇液晶分子排列示意圖

2-2.3 Smectics Phase ( 層列相；亦稱近晶相 )

此液晶相除了分子的導軸指向外，尚有層狀(layer) 的排列；且 由於此相溫度較接近晶體的狀態所以亦稱近晶相，其液晶分子排列的 秩序度較高。層的結構可以由 X-ray 繞射的圖形而證明。此類型的液 晶黏稠性較大，液晶分子的恢復力不如向列型液晶。由導軸指向及與 層狀間的關係，層列相可以細分為 SmH、SmK、SmE、SmG、SmJ、SmF、

SmB、SmC 及 SmA 等。以下介紹 SmA 與 SmC 相為主。

（A）、Smectic A Phase ( 層列A相；SmA )

SmecticA相之分子長軸垂直於每一層的平面，即分子排列方向皆 平行於層的法線方向，但其每一層內分子間的排列較不規則。在光學 上為單光軸 (uniaxial)，其光軸為垂直層面方向。層間的厚度大約 等於液晶分子長度，如圖2-3。

圖2-3 SmA相液晶分子排列示意圖

（B）、Smectic C Phase ( 層列C相；SmC )

除了具有層狀結構外，液晶分子導軸的指向與層面法線有一傾角 θ，但是同層內的液晶分子的位置沒有次序性。在光學特性上，為雙 光軸。層間距小於液晶分子的長度，且θ大小是溫度的函數。圖2-4 為Sc相的分子排列示意圖。

圖 2-4 SmC 相液晶分子排列示意圖

(C)、Chiral Smectic C Phase ( 對掌性層列C相；SmC* )

在 SmC 相液晶中摻雜 chiral 媒介，使得分子排列除了原有的

SmC 相的特徵外，分子會隨著層面之法線方向作螺旋( helix )排列，

而形成一個圓錐(cone)狀的分布，形成 SmC* 相。當液晶分子在圓錐 上某一指向對應層之法線旋轉最後回到原來指向的 z 軸長度即為螺 距 p (pitch)；另外圓錐底面的分子投影稱作 c 軸 (c director)。

圓錐角 (cone angle) θ 即為分子與層面法線之夾角，θ為溫度的 函數，θ隨溫度升高而變小。圖2-5展示SmC*相分子排列的示意圖。

1975年R.B. Meyer從結構性的對稱推論在SmC*相存在著一自發 偶極性Ps (spontaneous polarization) ^<5>；此自發偶極可藉由電 場來調控，我們稱鐵電性（ferroelectricity）。事實上，整體的SmC*

相並不會顯現此行為，這是由於分子指向隨著層間法線旋轉，其分子

的方位角也繞圓旋轉，故其 Ps 將互相抵銷，而整體

< P ˆ

_s

>= 0

_。

其

P ˆ

_{指向垂直於分子導軸}

n ˆ

，Ps 與圓錐角 θ 約成正比的關係，故 亦為溫度的函數。

圖2-5 SmC*相液晶分子排列與圓錐示意圖

2-3 液晶的物性

2-3.1 秩序參數

秩序參數S (orientational order parameter)為液晶分子排列 整齊度的重要指標。

1/2 3cos

2

1

S ＝ θ −

（2-1）

上式中，角括弧為對所有分子指向的統計平均，θ為各分子長軸與導 軸的夾角。對於液晶來說，分子長軸與導軸完全平行，則S＝1；當分 子雜亂排序時(Isotropic phase)，則S＝0；而液晶在溫度高於澄清 點(clean point)時，即顯現S＝0。另外S與溫度有很大的相依性。

2-3.2 光學雙折射（Birefringence）

光學異方向性的存在主要是由於anisotropic的分子排列。對單 光軸晶體而言，其表現出來的折射率會因入射光方向及其偏振方向而 有所不同，而分成

n

_o ( Ordinary refractive index )和

n

e

(Exordinary refractive index )。當入射光電場偏振方向垂直光 軸，感受尋常光折射率

n

_o；當入射光電場偏振方向平行光軸，則感 受非尋常光折射率

n

e。另外當光電場方向與光軸夾一角度θ，所感

受到的折射率稱有效折射率(effective refractive index)

n

eff

2-3.3 介電異向性 ( Dielectric Anisotropic)

由於條狀分子的方向秩序，對於 Nematic 和 Smactic 液晶是呈

軸的夾角；可得知靜電能為

2-3.4 彈性係數（Elastic Constants）

液晶的彈性係數決定了當系統被擾亂時的恢復能力。在LC顯示 上，通常利用電場使液晶分子轉向，藉由電力矩與彈性恢復力的平衡 來決定液晶分子的穩定方向。彈性係數可分成splay、twist和bend，

其相對應的彈性係數以K¹、K²和K³表示。就像其他物理特性，液晶的

我們可以將液晶全體是為一連續彈性體，其中液晶的彈性能（或 稱free energy）密度為：

( )

²

( )

²

( )

²

1 2 3

1 1 1

ˆ ˆ ˆ ˆ ˆ

2 k 2 2

F ＝ ∇ ⋅ n + k n ⋅∇× n + k n ×∇× n

（2-6）

第三章、

表面穩定鐵電液晶

Surface-Stabilized Ferroelectric Liquid Crystals (SSFLCs)

3-1 Introduction

平面顯示器之發展越趨重要，不僅僅只為輕、薄、短、小為基本 訴求，未來數位時代的高畫質顯示器、高智慧手機觸控螢幕及攜帶方 便低功率的電子閱讀器、甚至創新科技的數位相框都不失為此框架。

然而現今以 Nematic 液晶為主的顯示器，越來越不敷所求，其廣視角 與應答速度最惹人詬病，縱使廣視角陸續有 Muti-domain Vertical Alignment（MVA）、In Plane Switching（IPS）技術等大幅改善，但 Nematic 液晶本身的應答時間為 ms 等級卻為其物理極限，對於高畫 質有極大的影響。而鐵電性液晶其快速應答時間可達到μs 等級，加 上本身驅動即為 IPS，所以被視為未來顯示技術之一。

3-2 表面穩定鐵電型液晶

3-2.1 SSFLC（Surface Stabilized Ferroelectric Liquid Crystal）

表面穩定鐵電型液晶( Surface Stabilized Ferroelectric Liquid Crystal ; SSFLC )的結構是在1980年由 Clark 和 Lagerwall

所提出^<6>，是鐵電性液晶應用於顯示器的開始。首先，以薄型器件

(d通常小於2μm，其中d為cell gap)，利用配向層的錨定能控制液晶 分子均勻的排列方向，以至於邊界與液晶分子的交互作用力使得分子 無法形成螺旋態 (unwound state)如圖3-1，使得整體液晶器件巨觀 上有一 Ps ，即可運用電場調變其光電特性。

圖3-1 在薄器件中液晶分子螺旋unwinding狀態的示意圖

3-2.2 SSFLC Device Operation

<6-8>

在此解螺旋態，會存在兩種能量對稱的穩定態，因此液晶分子會 有兩種穩定的選擇方式，分別±

θ

傾斜於層之法線排列，其

P ˆ

也會以 垂直於液晶分子的指向存在，SSFLC中液晶分子轉動是藉由電場與自 發偶極距 Ps 的力矩：

ˆ ˆ ˆ P

_s

E

τ = ×

（3-1）

因此液晶分子的轉向與電場的極性方向有關，且表示當以電場作用 時，將促使液晶分子轉動；不過如上所述，鐵電液晶分子在此器件存 在兩個相同能量的穩定態，所以即使電場取消後，鐵電液晶分子依然 穩定在圓錐的某一端，直到相反極性的電場作用時，液晶分子才又轉 動至另一穩定態；因此藉由相反極性的電場驅動，透過 cross polarizers將可呈現暗態與亮態的雙穩態 (bistable state)。驅動 前，將鐵電液晶分子長軸平行於 cross polarizers 中的偏極片，由 於液晶分子的雙折射效應，此時為暗態；當電壓驅動時，鐵電液晶分 子由於自發偶極距隨電場的轉向，使液晶分子長軸轉2θ角度，液晶 分子指向將介於兩垂直的偏極片中，由於雙折射效應此時光會透過檢 偏片，而形成另一穩態，即亮態，圖3-2。

（A）

（B）

圖3-2 SSFLC液晶分子在電場驅動下的排列方向示意圖

（A）亮態 （B）暗態

3-3 zigzag缺陷

3-3.1 Chevron structure

表面配向對鐵電液晶所形成的層狀結構影響很大。層的間距

d

_A

在SmA相時，大小約與分子長軸相等，當降溫至 SmC* 相，由於分子 對於層法線方向傾斜角為θ使得層的間距

d

_{C 縮小，我們以一相關式}

表示這兩者的關係，如圖3-3所示

C A

cos

C

d = d δ

； （3-2）

其中

δ

_C為 SmC* 相中層的傾斜角

圖3-3 鐵電液晶從SmA降溫至SmC時示意圖

當SmA → SmC* 相時，理想上應形成如圖所示的書架型結構

（bookshelf structure）；然而 SmA 相與 SmC* 相存在著層的間隔 不連續性，SmA 相分子被上下基板的邊界錨定束縛，分子為了形成 SmC*相的型態，造成層的收縮，所以形成chevron structure<9,10>

， 如圖3-4所示。

圖3-4 書架型結構與Chevron結構示意圖

層的彎曲會產生兩種可能的C1 和 C2 的chevron structure如 圖，因而造成cell不同區域有不同的chevron structure，兩者的交 集處會造成 zigzag 缺陷。此缺陷會造成亮暗不均，在暗態驅動時，

樣品會漏光；在亮態的驅動，會降低穿透亮度。其中 C2層的方向為 順著 Rubbing 方向，C1層的方向則與 Rubbing 反向<11-13>

，如圖3-5 所示。

圖3-5 zigzag缺陷示意圖（α為預傾角）

3-3.2 Alignment Of zigzag Defect-Free

不一致的 chevron structure造成了zigzag缺陷，故消除缺陷在 於使其僅存在單一C1或C2方向的chevron strcture。從幾何形成 C1 和 C2 方向的必要條件可以清楚的以預傾角α、圓錐角θ和 chevron 層的傾斜角δ^<13>：

1

:

C α θ δ < +

（3-3）

2

:

製作 defect free SSFLC<22-25>

；以 SiO^x 的斜向蒸鍍消除缺陷^<26>。

3-4 SSFLC優缺點

SSFLC device自從1980年發現至今已發展了20多年，近代以來 一直被期望取代目前液晶顯示主要使用的向列型液晶。雖然器件的特 性有許多向列型液晶所不及，然而在技術上的困難度相對於向列型液 晶卻高很多。我們將列舉SSFLC device在科學上的價值與技術上的瓶 頸：

(A) 優點：

1、快速光電反應

由於其自發偶極性與電場的耦合作用力，使得SSFLCs有非常 快速的驅動時間(約μs等級)。且此反應速度大約是傳統向列 型液晶顯示裝置的數千倍，對於現今高畫質的要求，畫面的

由於其自發偶極性與電場的耦合作用力，使得SSFLCs有非常 快速的驅動時間(約μs等級)。且此反應速度大約是傳統向列 型液晶顯示裝置的數千倍，對於現今高畫質的要求，畫面的

在文檔中 配向膜的表面特性對表面穩定鐵電液晶器件（SSFLC) Zigzag 缺陷影響之研究 (頁 17-0)