鐵電式液晶於顯示器的研究發展

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 (smectic layer)排列方向之不同，使得液晶分子有兩個極性方向之排列，因而產生兩種排 列區塊[24]，名為水帄山形袖章缺陷(horizontal chevron defect)，如圖 2.11。而受限於排 列缺陷所造成低之對比度的問題，H-V FLC 一直無法應用於顯示器技術。

圖 2.11 (a)在偏光顯微鏡下兩種排列結構(b)水帄山形袖章缺陷排列示意圖[25]

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為了改善此排列缺陷，早期提出的改善方法為在 N*-SmC*相變化過程中外加直流偏 壓使液晶分子因電場影響而朝同一方向排列[26]。但此法除了增加製程的複雜，亦會在 液晶盒中造成離子累積，影響驅動特性。於是在不使用外加電場的條件下，從液晶配向 技術著手改善來研究改善排列問題成為另一個研究課題。

圖 2.12 水帄山形袖章缺陷結構示意圖[27]

於 H-V FLC 元件之水帄山形袖章缺陷可藉由液晶能量的角度加以解釋，並研究利 用表面處理消除排列缺陷的可行性[27]。如圖 2.12，對於有水帄山形袖章缺陷的鐵電式 液晶而言，其排列可以分為 Ps 指向上的 Ps up domain 及指向下的 Ps down domain。此 兩種排列的液晶元件總能量可由 eq. 2-4 表達，其中與分別為 cone angle 及 azimuthal angle，K₂、 K₃ 為液晶彈性係數，而₁與₂分別為 non-polar 及 polar surface interaction coefficients。其表面能量為上基板(t)及下基板(b)的總合。鐵電式液晶元件總自由能為液 晶彈性能、非極性表面能量及極性表面能量的總合。在相同的液晶配向方向下，Ps up domain 及 Ps down domain 因相同的分子排列方向而有相同的液晶彈性能，且它們有相 同的非極性表面能量，兩個 domain 唯一有機會產生能量的差異於極性表面能量項。在 傳統對稱的配向處理下，上下基板採用相同的配向材料及配向方法，於是上下基板有相

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同的₂，即₂^{( )t} ₂^{( )b} ，於是公式 1 中的最後一項，極性表面能量將相消為零，如此，

Ps up domain 及 Ps down domain 擁有相同的總自由能。換言之，此兩種 domain 皆會出 現於 H-V FLC 元件中。如果能設法使兩種 domain 的能量產生大小的差異，則液晶分子 會傾向於排列於能量較低的狀態進而得到單一種排列 domain。依公式，唯一能讓液晶產 生能量差異的為極性表面能量項，此項能量不能為零，即(₂^{( )t} ₂^{( )b} )不能為零。於此，

依公式有兩種可能:第一種為結合強與弱配向方法，使₂^{( )t} 與₂^{( )b} 的值有明顯的大小差異。

第二種為控制配向層之表面極性，上下基板分別使用極性相反的配向層材料，則極性表 面能量項可改寫為(₂^{( )t} ₂^{( )b}) cos，因而產生極大的能量差異。

eq. 2-4 Ps up domain 及 Ps down domain 之總自由能。

針對方法一，在實驗室研究中提出了結合強弱配向之複合式配向液晶盒，其配向方 法為研磨配向(rubbing alignment)與電漿配向(plasma alignment)，而其極化錨定能(polar anchoring energy)大小分別 10^-3及 10^-5 J/cm²。於偏光顯微鏡中觀察其液晶排列可發現，

原本的水帄山形袖章缺陷，如圖 2.13(a)，可由強弱配向之複合式配向液晶盒除去，圖 2.13(b)[28]。由方法二，研究中使用表面極性相反的配向層材料，PI 及 PVA，以配向層 表面極性來控制鐵電式液晶之自發性極化方面，同樣地去除了鐵電式液晶元件之排列缺 陷，如圖 2.13(c)，其元件對比度可由原本 68:1 由特殊配向處理提高至 780:1。利用控制 表面極性之配向技術，配合使用低驅動電壓鐵電式液晶材料，已有 2.4 吋之試製面板產 出，如圖 2.14 所示[29]。在試製面板中使用非對稱配向技術可得良好的液晶排列，如圖

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2.14(a)，此試製面板直接套用 VA 液晶模式之驅動電路，其驅動電場為 60 Hz，5 V 方波。

圖 2.13 於偏光顯微鏡下(a)對稱配向 (b) 非對稱強弱配向 (c) 控制配向層表面極性之 非對稱配向下之液晶排列[28]

圖 2.14 2.4‖試製鐵電式液晶面板[28](a)於偏光顯微鏡下之排列，(b)面板及驅動電 路，(c)黑白畫面[29]

2.5 結論

本章說明了此論文所研究的三種不同的快速液晶模式理論和依據，快速液晶模式快 速反應的優點提供了新世代液晶顯示技術的應用。當畫面的切換頻率可由原本 60 Hz 提 升至三倍以上，液晶顯示器裡的彩色濾光片(color filter)或彩色光輪(color wheel)可由紅、

綠、藍三原色的 LED 分別快速開關，在快速的切換畫面下，人眼會自動疊合所看到的 三色畫面而感受到一個彩色的畫面，此技術即為場色序法(field sequential color)，此顯示 器結構可替換彩色濾波片，達到高解析度、高色彩和高透光率，同時也可以提高背光使 用效率和降低不必要的能量損耗。

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第三章

量測系統與製程設備

3.1 引言

本章節將介紹研究需要使用到的各種量測系統以及製程設備，先了解量測系統的原 理以及架構，可以更有效地找出研究時的問題點，以及有利研究數據的分析與了解。此 研究所利用到的儀器有量測配向膜表面帄坦度的原子力顯微鏡(AFM)，以及觀測液晶排 列情形的偏光顯微鏡(POM)，還有量測液晶盒驅動反應的雷射系統，以及光譜儀等各種 機密儀器。

3.2 原子力顯微鏡

原子力顯微鏡(Atomic force microscope, AFM)是由 Binnig 等人於 1986 年所發明的，

具有原子級解像能力，導體以及非導體材料表面皆可以量測，並能在真空、氣體或液體 環境中操作。AFM 之探針是由懸臂樑及針尖所組成，針尖尖端直徑介於 20 至 100nm 之 間。主要原理是藉由針尖與試片間的原子作用力，使懸臂樑產生微細位移，以測得表面 結構形狀，其中最常用的距離控制方式為光束偏折技術。圖 3.1 為 AFM 結構意示圖。

AFM 操作模式可區分為接觸式（contact mode）、非接觸式（non-contact mode）及 間歇接觸式（或稱為輕敲式，intermittent contact or tapping mode）三大類。

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圖 3.1 AFM 結構示意圖

(1) 接觸式（contact mode）：

探針與樣品間的作用力(原子間的排斥力)很小，但由於探針與樣本是物理接觸來呈現 樣品表面影像，過大的作用力會損壞樣品，但由於較大的作用力也會得到較佳的解 析度，如何選擇適當的作用力以得到最佳的畫面就顯得十分重要，由於原子的排斥 力對於距離十分敏感，所以較容易得到原子尺度的解析度。

(2) 非接觸式（non-contact mode）：

非接觸式 AFM 是為了改善接觸式 AFM 容易損壞樣本表面的缺點而被發展出來。原 理為利用原子間長距離的吸引力(凡得瓦力)來感測，因為探針與樣本表面沒有接觸，

故不會有損壞樣本的問題，不過凡德瓦力對於距離的變化很小，所以還需要使用調 變技術來增強訊號。

(3) 間歇接觸式（intermittent contact mode）：

由非接觸式 AFM 改良而來，拉近探針與樣本表面距離並增大振幅，使探針在振盪至 波谷時與樣本表面接觸，由於樣本表面高低起伏，所以探針接觸樣本時會有震幅改 變，而得到表面影像。對於較硬的表面量測可能會造成探針受損，甚至留下殘餘物。

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在此論文研究裡，原子力顯微鏡主要用來量測配向膜之膜厚以及配向膜在基板上之 表面帄坦度。

3.3 光譜儀

液晶盒的間隙會影響到液晶驅動反應的特性，所以當要注入液晶到液晶盒之前，需 要 先 量 測 液 晶 盒 的 間 隙 大 小 是 否 達 到 要 求 。 本 實 驗 室 利 用 光 譜 儀 UV/Vis spectrophotometer Lambda 950 from Perkin Elmer 量測液晶盒間隙，量測原理與方法如下 述說明。

圖 3.2 UV/Vis spectrophotometer Lambda 950

UV/Vis spectrophotometer Lambda 950 裝置如圖 3.2，量測範圍可從紫外光、可見光 到紅外光(波長 150 nm 到 3000 nm)，可以選擇量測穿透值、反射值、和吸收值。

量測液晶盒間隙的原理為量測光在液晶盒中來回反射所造成的干涉值計算而來，如 圖 3.3 所示。定義 R1為上基板的反射係數，R2為下基板的反射係數，假設入射光強度 為 I cost 且兩基板表面皆無吸收，則總反射光為

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450.0 500.0 550.0 600.0 650.0 700.0 750.0 800.0 850.0

T (%)

Wavelength (nm)

830 nm 475 nm

Use the largest possible value for x.

x

4

18 830 475

4 830 475 4997.54 nm 5.0 um

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3.4 偏光顯微鏡

偏光顯微鏡(polarized optical microscope, POM)的用途為觀測液晶排列和亮暗態時 的變化情形，裝置如圖 3.5。

儀器的構造有：

(1) 光源：光源分為上下兩光源，上光源用於反射式樣品，下光源用於穿透式樣品。

(2) 前後偏振片：光入射第一片偏振片使為偏振光，穿過(反射)LC cell 之後再通過 第二片偏振片，由於液晶相位延遲的差異而可得不同亮度影像。

(3) 目鏡：儀器裝設有 10X 目鏡和攝影鏡頭，影像可用肉眼直接觀察或是經由電腦 擷取畫面。

(4) 物鏡：物鏡有 10X、20X、50X、100X 四種倍率，搭配 10X 目鏡可分別得 100X、

200X、500X 和 1000X 四種放大倍率影像。

(5) 載物台：放置樣品，可以調整高度使鏡頭對焦，先用粗調找到樣品影像，再用 微調調整畫面至清晰。

圖 3.5 POM Olympus BX51 裝置

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3.5 雷射光學系統

液晶盒的電壓-穿透度曲線(V-T curve)和反應速率(response time)在研究中利用雷 射光學系統來量測，系統架構如圖3.6。

液晶盒的電壓-穿透度曲線(V-T curve)和反應速率(response time)在研究中利用雷 射光學系統來量測，系統架構如圖3.6。