緒論

1.1 前言

液晶顯示器具有輕薄、低耗能、無輻射汙染，並結合半導體製程技術 等優點，目前已廣泛的應用在日常之數位資訊產品上，如筆記型電腦、智 慧型手機、數位相機、監視螢幕以及高畫質電視機等。伴隨著網際網路與 資訊技術蓬勃的世代來臨，市場需求不斷增加，各類顯示元件不斷的推陳 出新，面臨眾多平面顯示器的競爭與大尺寸液晶顯示器的需求，提升影像 的品質以滿足市場需求，成為目前液晶顯示器重要的一環。

根據近年來的研究指出，液晶盒內的離子雜質會影響顯示器的影像品 質稱之離子效應（ionic effect）。液晶元件中的雜質離子（ion impurity），吾 人亦稱為空間電荷（space charge），受到外加直流電壓驅動時，內部的離子 電荷會在液晶與配向層的介面堆積，形成屏蔽效應（field-screening effect）

使液晶分子所感受到的有效電壓隨離子電荷的累積而逐漸下降

[1–3]。深

入探討液晶中離子的來源可能有：第一，液晶材料本身在製造過程中，產 生少量離子；且液晶經由紫外光照射後也會解離出離子

[4]；第二，組裝液

晶盒時的封膠固化過程，離子電荷可能從封膠以及間隙物（spacer）中解離 出來；第三，當液晶樣品操作在高電壓時，離子有機會穿越配向膜注入液 晶中 [5]。液晶中離子的堆積會使顯示器元件產生諸多缺陷，如閾值電壓

（threshold voltage）上升

[6–8]、電壓保持率（voltage holding ratio; VHR）

降低 [3, 9, 10]、影像殘留（image-sticking effect）、畫面閃爍（flickering effect）、

灰階偏移（gray-level shift）與液晶響應（response）速度減慢等問題。目前，

改善顯示元件中離子效應有以下幾種方法：第一，直接開發高純度的液晶 材料減少離子產生，因此業界及學界常會用高純度（ ~ 10¹⁴cm）之液晶 材料的原因；第二，設計特殊的輸入電壓波型，調變液晶盒中的離子分佈；

第三，摻雜奈米級材料於液晶樣品中產生吸附並抑制離子在液晶盒中的累 積。對於液晶分子的離子傳輸行為可在文獻中窺知多種實驗方法，如電光 特性量測、電壓保持率量測、電容與直流電壓量測、暫態電流量測及液晶 元件電阻抗量測。

本研究實驗主要利用介電頻譜術（dielectric spectroscopy）量測液晶元 件之介電函數來探討離子的行為，此技術研究的背景可追朔至 1920 年 Debye 對於介電質中儲存電荷之衰減的研究工作 [11, 12]，建立了基礎理論 模型，開啟介電頻譜研究之領域。介電理論一直廣泛應用在各領域中，在 Maxwell–Wagner 建立界面極化理論後，此理論對於在 10⁶ Hz 頻段附近界面

近十年來介電頻譜分析逐漸應用到液晶電性的量測上，介電頻譜術有 許多優點包含如下

[11]：

 量測範圍廣：介電頻譜可以涵蓋 10^–4–10¹² Hz 約 17 個數量級的頻率範 圍，在不同頻段有不同的極化機制，透過電訊號量測，可由不同頻段 數據分析出不同區間的極化行為；能夠紀錄同一體系不同頻段機制發 生的極化過程，是過去量測系統無法一次完成之量測。

 非侵入式（non-invasive）量測：在進行介電量測時，吾人僅需提供一 微小的探測電壓，在不改變待測物整體結構和狀態的條件下，即可取 得待測物的內部訊息。

 量測迅速：藉由軟體將介電頻譜達成自動化控制，量測速度快，可在

數秒至數分鐘內完成 8 個數量級的頻率範圍並超過 100 個頻率量測點，

測量上快速並有利於得知量測之瞬間訊息，提高了研究效率。

 量測對象限制小：對於樣品形狀、體積上幾乎沒有限制，特別的是可

測量光學上難以測量之混濁或吸收性樣品，該特點開發的介電頻譜可 利用到許多領域上。

由以上可知介電頻譜術提供了一個成熟且便捷的分析方法。

1.2 文獻回顧

過去十年在奈米科技研究的熱潮下，摻雜奈米粒子於液晶中之相關研 究成果相繼提出，例如摻雜金屬奈米粒子

[13, 14]、半導體奈米粒子 [15–

17]、鐵電型奈米粒子 [18, 19]、碳奈米粒子 [3, 20–22]

及其他諸多研究

[23–26]。這些不同型態的奈米粒子有改變液晶材料特性的作用，改善液晶

元件的光電特性、改變液晶配向層之配向能力以及抑制離子。其中，本研 究重心集中在奈米材料於液晶中抑制離子之特性深入探討。

近年的研究文獻發現摻雜奈米粒子於液晶中能有效影響離子雜質之傳 輸行為，其中包含添加不同維度之奈米材料，如：二氧化鈦

[27, 28]、二維

層狀結構之奈米黏土

[29–31]

以及一維結構的奈米碳管

[6–8, 32, 33]

。上述 之研究利用低頻之介電頻譜術，除了直接觀察離子電荷在外加場的響應外，

並且準確得獲得離子電荷的物理特性。此外，本實驗室在先前的研究中利 用一維奈米碳管結合二維奈米黏土所構成的三維網絡摻雜於液晶盒中，具 有特殊的改善能力。故本研究於液晶中同時添加多種維度之奈米碳材料，

並觀察其是否具有更進一步的改善能力。

1.3 研究目的

由前言及文獻回顧得知，液晶盒內離子雜質的來源有很多種，而有效 壓抑離子效應的方法之一為添加微量具有吸附或抑制離子能力之奈米粒子。

本論文嘗試將碳奈米添加物（carbon-based nanodopant）包含零維碳 60、一 維奈米碳管和二維石墨烯片等分別或同時摻入液晶中，並利用介電頻譜術 在中頻（10¹

10

⁴ Hz）和低頻區段（< 10¹ Hz）所發生不同極化機制，分析 添加之奈米碳材料在液晶中的傳輸行為及如何抑制離子雜質。

1.4 論文架構

本論文分五章節，依序排列為第一章序論、第二章理論、第三章樣品

在文檔中 摻雜不同維度奈米碳材之液晶的低頻介電特性 (頁 14-18)