第一章 緒 論
1.3 離子效應研究方式
過去數十年間，已有許多關於液晶層中離子分布的情形以及液晶分子 轉動行為的研究，其實驗研究手法以電壓保持率與離子濃度間之關係
[2, 4]
、 光電特性的量測[5–8]、液晶元件電容與阻抗係數量測 [5, 9, 10]
與暫態電 流量測[2, 11, 12]
為主。其中，利用電性量測的方式（電壓保持率、電容與 阻抗係數與暫態電流），由於可直接量測到離子電荷在有外加電場時的響應，且可以準確獲得離子電荷的物理特性；故相較於光電特性量測來說，將更適 合用來研究離子電荷的傳輸行為。以下分別詳細介紹各種基本量測的機制。
(1) 光電量測：
光電量測之基本架構如圖 1.1（依文獻
[13]
重繪）所示。圖 1.2（引用文獻
[14]）為液晶盒內離子受電場影響示意圖。當施加於液晶盒的電
壓為低頻或甚至為直流電壓時，液晶層中的正電荷及負電荷離子將會 受外加電壓所影響遷移到兩側，進而形成極性相反的電雙層（electric double layers）；此時快速切換不同電壓，光穿透率變化極大，並可觀 察到影像閃爍的現象。若頻率降低，則將發現光穿透率變化增加，影像 閃爍愈明顯；當長時間顯示同一個畫面（施加固定直流電壓），在瞬間 關掉電壓時，液晶層中的離子早在基板兩側形成電雙層，瞬間將無法讓 液晶分子轉向（reorientation），因此會產生影像殘留的現象。光電量測
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中，液晶盒被放置於兩正交偏光板之間，且液晶分子導軸與偏光板光軸 相夾 45，此時為正常顯白（normally white）。若直流電壓由小到大，
再從大到小這樣來回施加信號，藉由施加不同的電壓，讓液晶分子有不 同程度的旋轉（orientation），如此將會造成相位差的改變，使穿透光 的強度產生變化。當離子濃度大時，液晶之閾值電壓會上升，且量測時 升高電壓及降低電壓所對應之穿透光強造成的遲滯（hysteresis）寬度也 變大。因此，研究上可藉由此方法來比較出液晶盒之離子濃度大小。
(2) 電容量測：
電容量測是利用液晶分子在變動的直流電壓下，其分子轉動造成電容 值發生變化來進行量測。施加電壓來回變化過程中，所量測的電容對直 流電壓曲線會呈現遲滯的現象，此現象與光電量測理論相似，主要是受 到液晶盒內部離子電荷濃度多寡影響；當內部的離子越多，則閾值電壓 越大，遲滯寬度也愈大，研究上也可以藉由此方法，來比較出液晶盒內 部離子電荷濃度大小。
(3) 暫態電流：
暫態電流量測對於研究液晶元件中離子電荷的特性、種類以及液晶分 子轉動反應來說是非常重要的。此量測是藉由液晶盒所受施加電壓影 響，使液晶分子轉動及離子運動，觀測電流–時間（I–t）曲線，此曲線
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可分為充電電流、峰值電流以及導電電流三成分，如圖 1.3（依文獻
[14]
重繪）。其中，充電電流為電容充電行為；峰值電流為液晶分子轉動所 造成電位移電流的變化；導電電流則為液晶盒內離子電荷所貢獻。研究 上可利用理論公式來擬合電流–時間（I–t）曲線，來得知離子電荷的濃 度和遷移率
[15]
，以及液晶材料的介電常數、導電率（conductivity）、旋轉黏滯度（rotational viscosity）、預傾角與液晶分子轉動行為等基本 物理參數。將可於讓吾人更進一步的了解液晶盒內離子分布狀況。
(4) 介電頻譜術：
介電頻譜術如圖 1.4（依文獻
[16]
重繪）為一電性量測方式，此量測 方式是固定小交流電場並改變感測電壓頻率（通常遠小於閾值電壓），使液晶產生極化，再對其極化鬆弛過程進行探討。藉由量測液晶分子的 極化行為，吾人將可得到液晶分子的有效介電常數與介電異方性（ε =
ε
‖ – ε⊥），並藉由理論模型擬合離子電荷之密度、擴散、飄移等[17]
。(5) 電壓保持率：
電壓保持率（VHR）量測法是量測液晶元件兩端的開路（open-circuit）
電壓降與輸入脈衝電壓的比值，此方法簡單且能快速檢測液晶元件之 好壞，為一個相當重要的參數及量測方式。當電壓保持率越小，表示液 晶元件內部離子電荷濃度越大；反之，則表示離子電荷濃度越小。由於
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此量測方式簡單且快速，因此為業界用來檢測薄膜電晶體液晶顯示器
（thin-film-transistor liquid-crystal display; TFT–LCD）品質的一種量測 方式。