一、 緒論
1.2 研究動機
有鑑於目前文獻上已有不少有關液晶盒內離子濃度與影像殘留的探討 研究[4][5][7]，其中包含離子濃度的量測方法以及利用前後亮度的變化來 定義出殘像的程度[6]…等等，但很少有關離子效應對於光學特性的探討，
因此本研究將探討有關液晶盒內的光學特性，利用不同預傾角配向膜的液 晶盒同時於不同特殊環境測試下所得到的電壓保持率以及離子濃度變化，
對應其液晶盒內的光學特性(視角、穿透率)的關係曲線圖，進而了解離子 效應於何種環境下較易產生並且對於光學特性所造成之影響為何，還可得 知何種型態的配向膜是有助於抵抗離子效應的影響，以提供相關業界或是 研究單位針對於液晶盒的研究有進一步的了解，以便在設計或評估產品時 針對特殊環境(高溫、低溫、高溼)做考量依據。
同時，此研究手法也可適用於其它不同型態的液晶盒(MVA、IPS)，當 然對於此類液晶盒內圖案設計是不盡相同的，因此需要設計不同型態的液 晶盒，但是概念是相同的，從本研究可得知液晶盒內離子濃度變化效應對 應光學特性之影響，其中的相對關係及趨勢圖將清楚的顯現出來，以做為 後續做材料選擇或產品設計提供出一個研究方向，將有助於設計出更優良 更具競爭力的液晶顯示器。
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第二章、、、、理論理論理論理論 2.1 液晶基礎
2.1.1 液晶簡介[1]
液晶的發現可回溯到 1888 年，當的奧地利植物學者 F.Reinitzer 研究 他合成的安息香酸膽固醇酯(cholesteryl benzoate)之熔解行為時，發現 此化合物在 145℃時熔解，但卻呈混濁的狀態，加熱到 179℃時突然成為透 明的液體。後來德國物理學者 O.Lehmann 以偏光顯微鏡確認這混濁的狀態 是具有組織方向性的液體，而且具有光學雙拆射的現象，乃稱此狀態為 Flussige Kristalle，亦即今日的 liquid crystal。又因其是介於等方向 性液體及固體之間的中間狀態，亦稱之為中間相(mesphase)。
液晶就其形成原因可分為液向性液晶(lyotropic liquid crystal)和 熱向性液晶(thermotropic liquid crystal)兩類。前者是將化合物溶入適 當溶劑，因濃度條件而呈現不同的液晶相，此類大部分為生物體的構成物 質。而熱向性液晶是由於溫度效應而呈現不同的液晶相，此類液晶之電氣-光學效果、溫度-光學效果顯著，故其在基礎研究及應用分野上均令人矚 目。液晶就其分子對稱性結構而言，又可分為以下幾類：
1. 向列型液晶(Nematic Liquid Crystal)，如圖 2.1 所示。
2. 膽固醇型液晶(Cholesteric Liquid Crystal)，如圖 2.2 所示。
3. 層列型液晶(Smectic Liquid Crystal)
(1) 層列 A 相(Smectic A)，如圖 2.3 所示。
圖 2.1 向列型液晶分子結構
圖 2.2 膽固醇型液晶分子結構
圖 2.3 層列 A 相液晶分子結構
(2) 層列 C 相(Smectic C)，如圖 2.4 所示。
(3) 層列 B 相(Smectic B)，如圖 2.5 所示。
4. 碟狀液晶(Discotic LC)與碗狀液晶(Bowlic LC)，如圖 2.6 所示。
圖 2.4 層列 C 相液晶分子結構
圖 2.6 碟狀液晶分子結構 圖 2.5 層列 B 相液晶分子結構
2.1.2 秩序參數(Order parameter S)[1]
液晶分子本身受熱運動，而且分子一直在動，其主軸會隨時間改變，
這種分子排列的整齊程度，可以下式子(2.1.1)的分子排列的秩序參數 (Order parameter,S)來定義，另外針對液晶分子受熱而導至秩序參數變 化，如圖 2.8 所示。
S = 1/2 < 3cos2θ-1 > (2.1.1) 其中θ之定義如圖 2.7 所示，< >表示全部空間的平均值；一般液體之 S=0，理想狀態下的液晶，若所有液晶分子長軸皆指向 n，則 S＝1，一般向 列型液晶其 S 介於 0.5-0.75 之間。
圖 2.7 液晶分子之軸向 a 與主長軸方向(director)之空間位置圖 a
液晶分子
x
y z
圖 2.8 液晶分子秩序參數隨著溫度變化之關係圖
2.1.3 雙折射性(Birefringence,Δn)[1][2]
液晶具有光學異方性，向列型液晶就像是一種單光軸材料，其具有兩 種折射率，當光進入一液晶材料時，光的電場振動方向與液晶光軸垂直時，
稱為 ordinary ray，與液晶光軸平行者稱為 extraordinary ray，no和 ne 分別為液晶分子對 ordinary ray 和 extraordinary ray 之折射率。
故 no＝n⊥，ne＝n‖；而雙折射率之定義為 Δn＝n‖－n⊥。
液晶基於下列的折射率異方性，而顯現出有用的光學性質：
1. 入射光的進行方向會向分子長軸(director n)方向偏向。
2. 可改變入射光的偏光狀態(直線、橢圓、圓偏光)及偏光方向。
3. 可將入射偏光依左右的旋光性而反射或使透過。
上述光學性質，在液晶顯示材料等的液晶應用上的動作原理，佔非常 重要特性，入射於液晶的光會偏向主軸(director n)的方向進行，此乃因 液晶中 n‖＞n⊥且光速 v 與折射率 n 成反比例，故與主軸向(n)平行的 V‖應 比垂直方向的 V⊥為慢所致。
向列性(nematic)液晶和層列性(smectic)液晶，做為 1 軸性結晶時的 光軸與分子長軸方向的主軸向(director n)的方向相一致，故
no ＝n⊥ (2.1.2) ne＝n‖ (2.1.3) 其複折射性，亦即折射率異方性(Δn)為
Δn＝ne－no＝n‖－n⊥ (2.1.4)
2.1.4 介電異方向性(Dielectric anisotropy,Δε)[1][2]
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。
Vth＝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，
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，