顏色問題與改善 - 一種利用摻雜染料液晶凝膠之電控偏光片

摻雜染料之液晶凝膠使用的染料 S428 為暗紅色而非黑色。S428 原為黑色染料，但摻雜在液晶凝膠中，可能與液晶、聚合物單體或感光起始劑(photo initiator)其中之一產生化學反應，導致顏色變化。，

我們先前也試了幾款染料，摻雜不同染料之液晶凝膠可呈現不一樣的顯示顏色[6]。為了改善顏色而達到黑白顯示，我們提出了二種方法來改善顏色偏紅的問題，如圖5-1：(1)混合有不同吸收頻譜之染料，

(2)利用膽固醇液晶。

Methods for improving Colors :

Mixing different dyes

Using Cholesteric LC Methods for

improving Colors :

Mixing different dyes

Using Cholesteric LC

圖5-1 提出改善顏色的方法

5.1 染料的混合

感謝工業技術研究院材料所郭惠榮博士提供兩款染料 (染料 AB4 和染料 472)，AB4 與 472 染料的顏色分別為淺藍色與深藍色。在施加電壓為 30V_rms，圖 5-2(a)為摻雜染料 S428 之液晶凝膠的液晶盒，

而圖5-2(b)為摻雜染料 S428 與 472，以一比一的比例混合之液晶凝膠的液晶，可以看到顏色從暗紅色變成接近黑色。

Dye 2

300 400 500 600 700 800 Wavelength, nm

Intensity, a.u.

Dye1 Dye2

圖5-4 摻雜混合染料之液晶凝膠的頻譜圖

所以挑選穩定性高的黑色染料，或適當地混合並調整三元色染料 (R、G、B)及比例，是可以實現黑白顯示器。各染料之頻譜圖列於附錄。

5.2 膽固醇型液晶補償

另外，我們提出另一種方法，使用膽固醇液晶來改善顏色偏紅的問題。膽固醇型液晶(Cholesteric LC)為向列行液晶內加入些許旋性物質(chiral)，使得向列型液晶做旋轉，其規律且週期性的旋轉，產生布拉格反射(Brag reflection)，可反射某波段的光，與螺距(pitch)與使用的液晶有關，膽固醇型液晶具有光性，即相同旋性的光會被反射，相反旋性的光則會穿透[11]。感謝中山大學光電所林宗賢老師提供三款反射波段分別為 600–650 nm、530-580nm 與 400-450nm 的膽固醇型液晶，反射的顏色為紅色、黃綠色以及藍色，利用頻譜儀USB200 所量測出來的頻譜圖附於附錄。膽固醇型液晶盒製作條件為： E7:CB15，液晶盒厚度為 15 μm，由美相公司製造。液晶凝膠盒製作條件為: 材料如上所述，聚合溫度為 10°C，液晶盒厚度為 5 μm，由 EHC 製造。

0 500 1000 1500 2000

300 400 500 600 700 800 Wavelength, nm

Internsity, a.u. 0V

10V 20V 30V S428

圖5-5 為把三款不同反射波段的膽固醇型液晶盒疊加於摻雜染料之液晶凝膠，穿透式頻譜圖。與原先液晶凝膠的頻譜做比較，可以看出，波段從450-600nm 的光都同時被抑制，只有 650-700nm 的波段沒有抑制掉。除此之外，穿透率也大幅下降，是因為膽固醇型液晶盒反射掉一部分的光，為此方法的缺點。

30 V

_rms

30 V

_rms

30 V 30 V

_rms_rms

(a)S428 (b)S428+CLC(R) 圖 5-6 加入膽固醇型液晶

若只使用反射率波段為600-650nm 的膽固醇型液晶，且用於穿透式顯示器，如圖 5-6。由於當入射光經過膽固醇型液晶時，600-650nm 波長的光會被反射掉一部分，進入摻雜染料液晶凝膠的光，紅光成分變少，因而可使液晶凝膠的顏色變的稍微更暗。我們利用MatLab 程式，簡單的分析在使用膽固醇型液晶盒前後三原色成分的多寡。如表 5-1 所示，在亮態時(0 V_rms)，使用膽固醇型液晶後，紅色成分降低了約11%，在暗態時(30 V_rms)，使用膽固醇型液晶後，紅色成分降低了約5%。

R G B

CLC+S428 (0V)

0.6155 0.6313 0.5875

CLC+S428 (30V) 0.5136

0.4577 0.4248

S428 (0V)

0.6934 0.6695 0.6215

S428 (30V)

0.5414 0.4516 0.4158

表 5-1 加入膽固醇型液晶前後，液晶凝膠紅色的成分。

利用膽固醇型液晶的反射特性，可以成功地將液晶凝膠的顏色做補償與改善，但其缺點是不能用於反射式顯示，而且使用此方法時，

亮態會變為膽固醇型液晶的互補色，即沒有被反射的光。

5.3 色域圖

我們對於摻雜染料之液晶凝膠的顏色也做些微的探討。在顏色感知的研究中，CIE 1931 XYZ 色彩空間是其中一個最先採用數學方式來定義的色彩空間，它由國際照明委員會（CIE）於 1931 年創立。

W. David Wright (Wright 1928) 和 John Guild (Guild 1931) 做的實驗結果合併到了 CIE RGB 色彩空間的規定中，CIE XYZ 色彩空間再從它得出。人類眼睛內的有錐狀細胞(cone cell)是管理顏色的器官，

且錐狀細胞對於短、中、長波長的感受程度不同。在三原色加法原理，

如某一顏色和另一種混合了不同比例的三原色的顏色相同時，在人眼看起來是一致性的，且把這比例的份量稱為此顏色的三色刺激值 [12]。在 CIE XYZ 色彩空間中，三色刺激值並不是指人類眼睛對短、

中和長波（S、M 和 L）的反應，而是一組稱為 X、Y 和 Z 的值，

約略對應於紅色、綠色和藍色（但 X、Y 和 Z 值並不是真的看起來是紅、綠和藍色，而是從紅色、綠色和藍色導出來的參數），並使用 CIE 1931 XYZ 顏色匹配函數來計算，計算方式如下：

∫

= k

vis

P x d

X

(

) * (

)

∫

=

vis

P y d

k

Y

(

) * (

)

其中，τ

(

)

為穿透率或反射率，

P (

)

為打在物體上的光源，

x (

)

，

y (

)

與

z (

)

為color matching function，從 R、G、B 三原色推導而來，如圖 5-7 所示。同時 Y 也代表顏色的亮度。

圖5-7 Color matching function

CIE 1931 色域圖，外側曲線邊界是光譜（或單色）光軌跡，波長用奈米標記。描繪的顏色依賴於顯示這個圖象的設備的色彩空間，沒有設備能有足夠大色域來在所有位置上提供精確的色度表現。且色域圖由小x 當橫坐標與小 y 當綜坐標。x, y, z 與 X, Y, Z 的關係可由下列式子表示：

Z Y X x X

+

= +

Z Y X y Y

+

= +

Z Y X z Z

+

= +

因而，只要知道物體的x 與 y 就可以知道此物體的顏色。

圖 5-8 為摻雜染料之液晶凝膠的色域圖[13]，藍色軌跡為當入射光的偏振態平行染料分子時，紅色軌跡為入射光的偏振態垂直染料分子，綠色軌跡為入射光為非偏振光。箭頭的方向為當施加電壓時，顏色的變化，起點為不加電壓，終點為電壓30V_rms。三條線的起點都為同一點，且顏色為黃色，是因為液晶與染料分子都垂直玻璃基板，所以光被吸收的程度小，加上我們使用的光源為接近黃色的光，因此不

論入射光的偏振態為何，在顏色上都為黃色。藍色軌跡隨電壓的增大，顏色從黃色轉變為紅色，跟顯微鏡的結果一致，且顏色與染料有關。紅色軌跡幾乎沒什麼變化，亦即顏色沒有變化太大，因為弱吸收與弱散射，也與顯微鏡的結果一致。

圖5-8 摻雜染料之液晶凝膠的色域圖

5.4 視角特性

先前，我們利用摻雜染料之液晶凝膠的技術，藉由不摩擦配向層，可應用於軟性電子顯示器。視角特性同為顯示器重要的指標之一，視角的特性一直以來被重視者，也提出許多方法來提高視角的方法，像是扭轉型液晶顯示器(Twist-nematic LCD)利用補償膜來增加視角。賓主型液晶顯示器最大的優點就是廣視角的特性，由於其不需要用到偏光片，所以沒有視角的問題[14]。感謝群創光電何正偉先生對於視角圖的幫助。我們利用積分球 (DMS803, product of the AUTRONIC-MELCHERS GmbH)，量測摻雜染料之液晶凝膠的反射率、視角圖以及對比度，使用的光源為白光。光線在積分球內部被均勻的反射及漫射，因此輸出所得到的光線為相當均勻之漫射光束。入射光之入射角度、空間分佈、及極化皆不會對輸出之光束強度及均勻

圖5-9 摻雜染料之液晶凝膠之視角圖

摻雜染料之液晶凝膠，在聚合溫度為10°C，且不加電壓下的反射率約為~31.7%。圖 5-8 為視角圖，對比度在任何視角幾乎一致，是由於液晶盒的配向層沒有經過摩擦，因此液晶與染料會隨機的平躺在玻璃基板上，因而，染料在任何方位角(azimuthal angle)下都均勻吸收。

在極角(polar angle)為 50°下所量測到的對比度約為 3:1。跟一般書報的對比度(約為 5:1)做比較，摻雜染料之液晶凝膠能夠有接近書報效果的對比度及廣視角的優點[15]。

在文檔中一種利用摻雜染料液晶凝膠之電控偏光片 (頁 50-58)