論文架構

此研究論文章節的架構上，第一章為液晶相關介紹以及液晶顯示器的工作原理。第 二章會介紹此篇論文研究所使用到的三種不同的快速液晶模式並說明實驗理論。第三章 將介紹各種量測系統以及製程設備。第四章說明各種快速液晶模式液晶盒的製程步驟和 實驗的量測分析結果。第五章為實驗總結以及未來展望。

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第二章

快速反應液晶模式

2.1 前言

近幾年對顯示器於影像品質要求越來越高，新型的液晶顯示模式、背光模組和驅動 電路上已有很大的改進，而隨著環保意識提升，對於液晶顯示器的發展也逐漸往低功率 研究。LCD 之結構中，背光源在通過彩色濾波片、偏光片等模組後，整體背光使用率低 於 5%。其中，當光源通過彩色濾波片時，只有 30%光線可以通過，是能量損失最多的 部分。對於背光源能量的浪費，各大 TFT-LCD 面板廠開始計畫以低功率高亮度的 LED 取代 CCFL，並研究利用場色序法技術來取代彩色濾波片，而傳統扭轉向列型液晶(Twist nematic)之反應速度過慢(約 20 毫秒以上)，所以需要開發研究新的快速液晶顯示模式來 實現此技術。

而 LCOS 微投影技術由於是可攜式裝置，更需要小體積以及低功率，所以需研究反 射式快速液晶顯示模式，本章將說明此論文研究的三種快速響應液晶模式：快速反應扭 轉向列型液晶(Fast switching twist nematic, Fast TN)、光學補償彎曲液晶模式(Optically Compensated Bend Mode, OCB)、表面穩定鐵電式液晶 (Surface Stabilized Ferroelectric Liquid Crystal, SSFLC)。

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2.2 扭轉向列型液晶模式

扭轉向列型液晶模式(Twist Nematic LC mode)從 60 年代便開始應用在液晶顯示元件，

是目前最為常見的液晶顯示模式之一，上下基板配向方向相互垂直，使液晶在液晶盒內 旋轉 90 度，故稱為扭轉向列型液晶。

2.2.1 工作原理

扭轉向列型液晶顯示器工作原理：光源先入射一偏振片成為偏振光，通過液晶層之 後產生相位延遲使偏振光方向改變，可通過與第一片偏振片光軸相互垂直的偏振片，此 時光可通過為亮態；當給予液晶層電壓後，液晶分子受到電場影響而產生排列的改變，

此時入射的偏振光無相位延遲產生，而無法出射第二片偏振片，此時為暗態，如圖 2.1。

圖 2.1 扭轉向列型液晶顯示器工作原理[10]

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圖 2.2 反射式扭轉向列型液晶結構反射示意圖

2.2.3 快速反應扭轉向列型液晶

傳統扭轉向列型液晶反應速率約 20 毫秒以上，而欲使用場色序法的液晶速率需求 為小於 3 毫秒，差異甚大。由於在此論文研究中使用反射式顯示機制，所以光在液晶層 中的路程為兩倍於穿透式顯示機制，可以控制液晶盒間隙大小為穿透式的二分之一，大 幅降低液晶層厚度，再搭配使用低旋轉黏滯係數(Rotational Viscosity < 100 mPa sec)的向 列型液晶，可以達到小於 3 毫秒的反射式扭轉向列型液晶模式。

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2.3 光學補償彎曲液晶模式

1983 年 Dr. Philip J. Bos 所提出 cell 的結構，其名稱代表液晶分子相位延遲為 180 度()，也有人以其分子排列如同一橫躺的希臘字母，來解釋  cell。1993 年 Dr. Uchida 利用相同的結構，加上雙光軸之補償膜( Biaxial Retardation Film)，降低液晶盒間隙與低 角度視角之漏光，提出光學補償彎曲液晶模式(Optically Compensated Bend, OCB Mode)，

是目前最廣為人知的快速反應向列型(nematic)液晶模式。

2.3.1 OCB Cell 結構

圖 2.3 為 OCB cell 結構，兩片相互垂直的偏振片分別在液晶盒玻璃外側，上層和下 層的配向層配向方向同向，配向方向則與偏振片光軸夾 45 度角。一般而言，預傾角約 6~14 度。

圖 2.3 OCB cell 結構

圖 2.4 光學補償彎曲液晶模式於彎曲態中亮暗態示意圖

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光學補償彎曲液晶模式之亮暗態操作於彎曲態(Bend mode)如圖 2.4 所示。在相互垂 直的偏振片下，液晶分子於彎曲態中為亮態，而當所加電壓大於飽和電壓(V_sat.)時液晶分 子將垂直排列，此時光通過液晶分子無相位延遲而形成暗態。在光學補償彎曲液晶模式，

在亮暗態的驅動時，液晶分子會順著同方向的流力而轉動，如圖 2.5，所以與 TN 型液 晶模式相比，有著較快的反應速度，約 3 ~ 10 毫秒。

圖 2.5 光學補償彎曲液晶模式分子流動示意圖

2.3.2 相變化機制

光學補償彎曲液晶模式的操作必頇在彎曲態，但光學補償彎曲液晶模式之初始狀態 並非彎曲態。在未加電壓時，液晶分子排列為能階較低之斜展態(splay state)，如圖 2.6。

當外加一個大於臨界電壓(Vc)的跨壓後，液晶分子會受到電場影響而移動，形成不對稱 的情形，稱為非對稱斜展態(Asymmetric Splay)，若持續加電壓，液晶分子會傾向排列於 彎曲態。由斜展態轉換至彎曲態時需要經過成核現象(Nucleation)，如圖 2.7。當液晶分 子有部分轉為彎曲態時會變成轉態核心，周圍的液晶分子就會順著轉態核心轉為彎曲態，

直到全部液晶分子都轉為彎曲態，此轉態過程所需時間較長(幾分鐘至數十分鐘)，而且 必頇用極大的電壓(約 20V)才能轉態完全，是光學補償彎曲液晶模式需要改善的一大重 點。

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圖 2.8 光學補償彎曲液晶模式視角自我補償示意圖

2.3.3 反射式光學補償彎曲液晶模式

OCB 模式液晶排列結構為上下對稱於中心帄面，所以應用於反射式顯示時，可以 將中心位置上放置反射式鏡面，當光源入射再遇到反射鏡反射，光所走過之路徑相當於 一個完整的 OCB 模式，此結構被稱為混合排列向列型液晶(Hybrid Aligned Nematic Cell,

HAN Cell)或是反射式光學補償彎曲液晶(Reflective OCB Cell, R-OCB Cell) ，如圖 2.9。

此結構由於一開始就如同 OCB 模式之彎曲態，所以不需要轉態的臨界電壓 Vc 和時間，

在加上液晶膜厚為一般 OCB 結構的一半，所以有更低的操作電壓和反應速度。

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圖 2.9 HAN Cell 結構與反射光路示意圖

2.4 鐵電式液晶

於晶體結構中，如正負電荷中心產生偏離，此時分子具有永久的偶極矩(permanent dipole)。在規則的排列結構下，微觀的偶極矩將形成較大的自發極化值，如其極化方向 可 以 經 由 外 加 電 場 改 變 ， 且 在 除 去 電 場 時 不 會 消 失 ， 此 物 質 即 具 有 鐵 電 性 (Ferroelectricity)。

鐵電式液晶(ferroelectric liquid crystal)的發現始於西元 1974，物理學家 R. B. Meyer 在研究液晶的結構時提出一個假設，他認為摻雜旋光基團的 smectic C 液晶所形成的 SmC*液晶相在不對稱的結構下每個分子將產生偶極，當分子偶極指向同一方向時的極 化場稱為自發性極化(spontaneous polarization)。初期對於鐵電式液晶的研究中著重於探 討其對掌性(chirality) 與極性(polarity)之關係。在 smectic C 液晶態，液晶分子以 smectic

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layer 為分界形成層狀排列，並於 smectic layer 法線方向(k)傾斜 θ 角，方位角 φ，如圖 2.10(a)。

添加對掌性分子後，鐵電式液晶(chiral smectic C phase)為扭轉的 smectic C 結構，而液晶 分子扭轉 360 度的距離稱之為螺距(pitch)，如圖 2.10(b)。由於鐵電式液晶分子結構本身 的不對稱性，其對掌中心(chiral center)與偶極(dipoles)之間因偶合作用產生極化場，此自 發性極化場之極化方向垂直於傾斜角。自發性極化場的大小將影響鐵電式液晶的光電響 應，反應速度等特性[13]。直到西元 1980 年，鐵電式液晶材料開始有顯示器的研究與討 論[14]。

2.4.1 表面穩定鐵電式液晶

若鐵電式液晶之螺距長度遠大於液晶盒之間隙，藉由將其限制在間隙小於 2μm 的 液晶盒內，原本鐵電式液晶分子的扭轉結構將被抑制，且液晶分子將順著配向方向排列，

稱之為表面穩定鐵電式液晶(surface-stabilized ferroelectric liquid crystal)如圖 2.10(c)。鐵 電式液晶材料與向列型液晶材料在驅動上的不同處為：鐵電式液晶於驅動時其自發性極 化方向將順著電場方向運動在同一帄面偏轉，而向列型液晶為分子長軸方向將順著電場 方向轉動。

鐵電式液晶元件最大的優點就是極快的反應速度，1 毫秒以下的反應速度足足比傳 統 TN 型顯示器快了十倍以上，並因其於帄面上的運動，和 IPS(in-plane switching)技術 相同，擁有廣視角的優點。再者，由於配向膜與液晶分子間的錨定能(anchoring energy) 以及自發性極化的影響，鐵電式液晶將穩定於亮態或暗態，即使將外加電場移除，此現 象稱之為雙穩態(bistability)。此雙穩態之特性提供鐵電式液晶於靜態顯示器的應用如 e-paper，電子看板等，由於只需在改變畫面時驅動而擁有省電的優勢。

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圖 2.10 (a)smectic cone 示意圖[15](b)鐵電式液晶螺旋結構示意圖(c)表面穩定鐵電式液 晶模態示意圖

2.4.2 鐵電式液晶於顯示器的研究發展

鐵電式液晶材料於顯示器的應用在過去的研究中有兩個主要的問題，缺乏連續的灰 階，以及難有良好的液晶排列。此缺點嚴重影響到液晶元件的解析度及對比度。在發展 初期以空間及時序方法(spatial and temporal dither techniques)可達到個位數的灰階能力，

但此方法犧牲了解析度並需降低驅動頻率。藉由驅動電壓大小之差異，在表面穩定鐵電 式液晶元件中產生不同程度的微結構(micro-domain)的方法可由液晶材料得到本質上的 灰階。然而，此方法的灰階數目是有限的，且其所施加電壓大小之邊界條件並不穩定，

不易控制其灰階表現。雖然記憶效應可由改變配向層厚度及鐵電式液晶之自發性極化值 大小而降低[16]，其電壓-穿透率之表現也會因為磁滯現象產生―W 型‖響應，使之不易由 電壓值來控制灰階表現。經由特殊電路設計，帄衡錨定能，及特殊配向膜處理等方法 [17,18,19]可得無磁滯曲線之連續灰階表現。

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除了雙穩態之表面穩定液晶模式，其它鐵電式液晶模式，如扭轉型鐵電式液晶模式 (twist FLC Mode)[20]，螺旋形變鐵電式液晶模式(Deformed Helix FLC Mode)，半 V 型鐵 電式液晶模式(H-V FLC Mode)等模式是以改變光軸方向而達到連續灰階能力[21,22]。其 中，不同於有 SmA-SmC*(chiral smectic A-chiral smectic C)相變化之雙穩態表面穩定鐵電 式液晶材料，H-V FLC 之相變化少了 SmA 液晶材為 N*-SmC*(chiral nematic-chiral smectic C)。此材料因為其特殊的驅動特性可應用於 TFT-LCD，其相關特性已在研究中 證實[23]。

2.4.3 水帄山形袖章缺陷

然而 H-V FLC 材料於液晶排列上仍有缺陷存在，在降溫的過程中，H-V FLC 由 N*

液晶相轉變成 SmC*液晶相時，液晶分子雖然順著配向處理的方向排列，卻因層列層

液晶相轉變成 SmC*液晶相時，液晶分子雖然順著配向處理的方向排列，卻因層列層