被動驅動模式垂直配向液晶盒之光電特性探討
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(2) 中文摘要 本文主要研究將被動驅動電壓，印加於不同條件的向列型液晶 搭配垂直配向元件，試圖將垂直配向高對比的優點表現出來。樣品 的製備式樣有三：1. 使用不同的盒厚（d = 12μm、6μm、4.9μm）。 2. 使用不同介電異方性的液晶（Δε= -3.7、-6.1） 。3. 使用不同的雙 折射率的液晶（Δn = 0.15、0.078） 。將以上三式樣分別印加不同週 波數的被動驅動電壓，看它的光穿透曲線、對比度及響應速度的變 化。 由實測知道現行超扭轉向列型顯示元件（以下簡稱：STN）會 隨著被動驅動的週波數提高，而有對比度下降、工作電壓升高及響 應速度變慢的缺點。垂直配向的元件也遇到相同的問題，雖然垂直 配向擁有高對比的優點，但它的對比度會隨著週波數升高而急速下 降。與 STN 比較，發現它驅動在 1/64 週波數以上時，對比度將會 比 STN 差。由於垂直配向是一種電控雙折射（ECB）模式，它的穿 透率與液晶的光學延遲量（△nd）有極大的關係。我們發現在相同 週波數的驅動下，盒厚的值或液晶的 Δn 越大，陡度越大，且對比度 也越大。. 關鍵字：超扭轉向列型、陡度、被動驅動、垂直配向。 I.
(3) Abstract This study investigated the electro-optic characteristics of VAN （vertical-alignment nematic）liquid crystal device in passive mode, and tried to present the advantage of high contrast ratio which belongs to VA mode. The experiment consisted of three parts: 1. Change different cell thickness（d = 12μm、6μm、4.9μm）. 2. Chang LC with the different value of dielectric（Δε= -3.7、-6.1）. 3. Chang LC with different refraction anisotropy（Δn = 0.15、0.078）. We drive those samples with different number of duty in passive mode, and to measure the electro-optic characteristics, including VT curve, response time, and contrast ratio.. We knew that STN（Super Twist Nematic LCD）has the drawbacks of lower contrast ratio, higher operational voltage and slower response time within higher duty in passive mode. And the same problem comes with VAN in passive-drive mode, although it is said VAN has the high performance of contrast ratio. The contrast ratio is worse then STN when driving in higher duty. As a result of VAN is kind of ECB mode, its transparency has a big matter with light retardation. We find that in the same condition of driving duty, the value of cell gap or the Δn become larger, the value of the sharpness and the contrast ratio become larger.. Keyword：STN, sharpness, passive-drive, Vertical alignment. II.
(4) 致謝 很高興能夠再回來中山念研究所，他曾經是我的母校。首先， 非常感謝我的指導教授鄭文軍老師，以及光電所其他教授對學生的 指導。也感謝建立實驗室的元老學長：征晏、陸翔、益志、勇彰、 英志，提供一些研究上的發現；以及同學：志宏、彥智、保全、仁 忠、秀文，在求學過程的幫忙、相互扶持；還有全台晶像公司的 PE 夥伴：文傑、哲旭、惠喬、金彰、堂正、慶文、彥勳、佩華，和 RD 的夥伴：劍隆、建成、銘聰等，提供了生活及工作上的協助。 在這兩年的學習，包括了第一年的修課生活，累積了許多顯示 器相關學識。對我之後的研究有相當大的幫助，甚至在全台晶像上 班期間也有了不少的助益；以及第二年的研究，從廣泛的知識攝取、 現況了解，接著集中方向、實驗設計和結果探討。這一段過程，是 研究生最不可或缺的一段，也堪稱是苦悶的一段。因為有時為了得 到一個結果，卻嘗試了各種的方法還是失敗。不過，有苦也會有樂， 樂的是當最後的數據，呈現你要的圖形，此時會有一股成就感油然 而生。 最後，僅將本文獻給我的父母及我的女友玉玲，感謝你們的支 持，謝謝你們！. III.
(5) 目錄 中文摘要. I. 英文摘要. II. 致謝. III. 目錄. IV. 圖目錄. VII. 表目錄. X. 第一章 前言. 1. 第二章 液晶簡介及物理特性 2-1. 液晶簡介. 3. 2-1-1 液晶的發現. 3. 2-1-2 液晶的種類. 5. 2-2. 液晶的應用物性. 10. 2-3. 液晶的配列方式. 15. 2-4. 液晶電氣光學效應. 18. 第三章 顯示元件、顯示模式、驅動方式 3-1. 顯示元件. 19. 3-2. 向列型液晶垂直配向顯示原理. 21. 3-3. 驅動方式. 24. IV.
(6) 3-3-1. 主動驅動. 24. 3-3-2. 被動驅動. 27. 第四章 垂直配向向列液晶元件製備 4-1. 實驗材料. 30. 4-2. 實驗設備. 31. 4-3. 樣品製作. 32. 4-4. 預傾角量測系統. 34. 4-5. 光電量測. 38. 4-5-1. 電壓穿透曲線. 39. 4-5-2. 被動模式下對比度、響應時間. 40. 第五章 結果與討論 5-1. 不同盒厚電壓穿透曲線之探討. 5-2. 不同盒厚在不同 Duty/Bias 驅動波形下之光電特性探 討. 5-3. 45. 47. 5-2-1. 不同盒厚之對比度. 49. 5-2-2. 不同盒厚之響應時間. 50. 不同液晶的光電特性. 53. 5-2-3. 不同液晶對電壓穿透曲線的影響. 54. 5-2-4. 不同雙折射率之對比度. 55. V.
(7) 第六章 結論. 56. 參考文獻. 57. VI.
(8) 圖目錄 圖 2.1 熱致性液晶不同溫度時的相變化. 4. 圖 2.2 向列型液晶的排列. 6. 圖 2.3 膽固醇型液晶的排列. 7. 圖 2.4 層列 A 相液晶分子排列方式. 8. 圖 2.5 層列 C 相液晶分子排列方式. 8. 圖 2.6 掌性層列 C 型液晶分子排列方式. 9. 圖 2.7 主鏈型高分子液晶. 9. 圖 2.8 側鏈型高分子液晶. 10. 圖 2.9 液晶分子向量與配向方向在空間配置圖. 11. 圖 2.10 液晶光軸示意圖. 13. 圖 2.11 光線經過不同折射率造成相位延遲情形. 14. 圖 2.12 液晶晶體折射率與溫度關係圖. 14. 圖 2.13 液晶彈性係數關係圖. 15. 圖 2.14 液晶的配列方式. 17. 圖 3.1 液晶顯示元件結構示意圖. 19. 圖 3.2 VAN 高分子配向膜未刷磨配向與刷磨配向加電壓照片. 21. 圖 3.3 VAN 元件驅動情形. 22. 圖 3.4 主動驅動 4×4 畫素矩陣圖. 25. VII.
(9) 圖 3.5 主動矩陣畫素線路圖. 26. 圖 3.6 主動驅動畫素電壓信號圖. 26. 圖 3.7 被動驅動 4×2 畫素矩陣圖. 27. 圖 3.8 被動驅動畫素電壓信號圖. 28. 圖 4.1 實驗流程圖. 34. 圖 4.2 預傾角量測系統. 35. 圖 4.3 預傾角光線入射角 θ 及液晶傾斜角 α. 35. 圖 4.4 不同配向時的預傾角光學量測圖. 36. 圖 4.5 MLC-6609 在 SE-4811 上的預傾角量測圖. 37. 圖 4.6 光電量測系統. 38. 圖 4.7 電壓穿透曲線. 40. 圖 4.8 被動驅動電壓波形圖. 42. 圖 4.9 被動驅動對比度量測圖. 43. 圖 4.10 陡度不同時的對比量測圖. 43. 圖 4.11 被動驅動模式液晶響應時間. 44. 圖 5.1 MLC-6609 不同盒厚（12μm、6μm、4.9μm）電壓穿透曲線比 較. 45. 圖 5.2 MLC-6609 不同盒厚（12μm、6μm、4.9μm）最大透過率光譜 圖. 47. VIII.
(10) 圖 5.3 MLC-6609 不同盒厚，在各週波比時的工作電壓. 48. 圖 5.4 相同 Vrms、不同週波數的工作電壓差異示意圖. 48. 圖 5.5 不同盒厚（MLC-6609） ，在各週波比的對比度比較. 49. 圖 5.6 不同盒厚（MLC-6609）在各週波最高對比時的亮態光穿透率 49 圖 5.7 高、低週波數下所造成對比下降示意圖. 50. 圖 5.8 不同盒厚（MLC-6609） ，在各週波比的響應時間比較. 51. 圖 5.9 盒厚 6μm，MLC-6609，在各週波比的響應時間量測圖. 53. 圖 5.10 不同液晶對電壓穿透曲線的影響. 54. 圖 5.11 MLC-6609、MLC-2079 在各週波對比度比較. 55. IX.
(11) 表目錄 表 2.1 液晶分類表. 5. 表 2-2 液晶顯示元件的動作模式和所用液晶材料種類. 18. 表 4.1 實驗液晶材料規格表. 30. 表 4.2 實驗間隔材規格表. 31. 表 4.3 實驗配向液規格表. 31. X.
(12) 第一章 前言 在市場上一些低解析度的超扭轉向列型（STN）顯示器產品， 如車載所使用的顯示器，需求高對比的顯示效果，但以 STN 光學結 構似乎已經發展到瓶頸，又不希望耗費太高成本去採用薄膜電晶體 顯示器（TFT-LCD） ，因此我們思考到另一種可以產生高對比的模式 ─向列型垂直配向（VAN）顯示器。 在早期扭轉向列型（TN）顯示器在使用被動驅動模式時，發現 它的電壓與穿透曲線陡度不夠高（參考第四章） ，造成此器件有掃描 線數的限制，只要超過三十二條掃描線會造成對比度過小，而無法 顯示。以致後來發展出 STN 顯示器，液晶的扭轉角從九十度提高到 二百七十度，可讓陡度大大的提升，並可以驅動在三百二十條掃描 線以上，並且對比度足夠讓人做辨識。而 VAN 的發展有一段時間 了，但當初也是因為它的電壓與穿透曲線的陡度不夠高，與最初 TN 液晶顯示器遇到相同問題，不能在被動驅動模式下發展高解析度產 品。但今天在低解析度的商品有提高對比度的需求，所以我們將它 重新提出研究。 由於被動驅動顯示的方式受限於驅動的週波數，所以要求電壓 與穿透曲線的陡度要高。因此，在實驗上將以 VAN 的結構，藉由控 制液晶盒的參數，來改變它的電壓穿透曲線的陡度。並依據陡度不 1.
(13) 同的液晶盒，探討在被動驅動模式下，所表現出來的光電特性差異 及關連性。 本篇論文在第二章節裡先介紹液晶的分類、基本的物理特性、 液晶的參數及相關的液晶電氣光電特性。第三章會針對 VAN 液晶盒 的結構及驅動方式做介紹。並在第四章詳述實驗步驟，包括所使用 的材料、儀器及量測器材。而實驗的結果我們將在第五章節做討論， 我們觀察了改變參數的 VAN 液晶盒，並說明在被動驅動模式下，穿 透度、對比度及響應速度相互的影響；最後，以第六章節做為本論 文的總結。. 2.
(14) 第二章 液晶簡介及物理特性 2-1 液晶簡介 在液晶簡介這章節，我們會先介紹液晶發現的歷史，以及何謂 液晶。接著，我們會將液晶分子以不同的方式做分類及介紹，這會 幫助我們了解液晶以及它相關的應用。. 2-1-1 液晶的發現 在西元1888年時，奧地利植物學家Friedrich Reinitzer 發現膽固醇 相關物質，並且觀察到它具有二個熔點，在將此物質升溫到145℃時， 為混濁的液體，升溫到178.5℃時，變為透明的液體。接著將它進行 冷卻時他觀察到一些異常的顏色。首先，透明液體在變混濁時出現淡 藍色，而後當混濁液晶轉變成晶體時顏色變成鮮藍。Reinitzer 將此物 質樣品寄給德國天然物理學家教授Otto Lehmann。當時Lehmann正建 造了一具擁有偏光鏡且具加熱功能的顯微鏡，可探討物質升、降溫過 程的狀態變化。而從那時開始，Lehmann的精力完全集中在研究該物 類物質。他首先稱它們為柔軟的晶體，而後又稱為結晶流體(crystalline fluids)。最後，當他更確信該物質的雙折射特性（參考2-2節）是固態 【 】. 異方性結晶所特有的性質時，開始稱它們為液晶（Liquid Crystal） 1 。. 3.
(15) 物質一般以三種形態存在於環境中：固態、液態及氣態。固態物 質以結晶形態(crystalline)或是非結晶形態(amorphous)存在。當加熱於 一結晶固體時它會在到達熔點時轉變為等方性液體，等方性液體並無 長程秩序。同樣地，將等方性液體冷卻時也會轉變成結晶固體。然而， 有些特定的物質並不是直接從結晶固體轉變到等方性液體，而是有一 種類似液體但仍然有相似於異方性結晶固體物理性質的中間相 （mesomorphic phase）結構。此中間相結構具有如液體般的流動性與 【 】. 光學異方性結晶固體所特有的複折射性，所以以液晶稱之 2 。如圖 2.1 所示，隨著溫度的升高熱致型液晶相變化情形，其中Tm為固態轉液 晶態的熔點，Tc為液晶態轉液態的澄清點。各態的分子排列我們將再 下一節作介紹。. Liquid crystalline mesophases. Solid crystalline. Tm. Smectic C. Smectic A. Liquid Nematic. Tc. isotropic Temperature. 圖 2.1 熱致性液晶不同溫度時的相變化. 4.
(16) 2-1-2. 液晶的種類 【3-5】. 液晶的分類，如表 2.1。可根據形成方式. 【3-5】. 、分子排列. 狀. 【3】. 態及分子量大小. 來分類。. 表 2.1 液晶分類表. 液晶的形成方式區分液向性及熱向性兩種： （1）第一種：將某些有機物加入特定溶劑中，透過溶劑破壞結 晶晶格，使有機物產生液晶相。或隨著濃度的改變，也會 誘發液晶相，這些形式的液晶稱為液向性液晶（lyotropic liquid crystals）。最常見為肥皂水，在高濃度時肥皂分子成 層列型排列，層間為水分子，低濃度時排列又不同。 （2）第二種：可由溫度效應而呈現不同液晶相，稱為熱向性液 晶(thermotropic liquidcrystals)，目前所用於顯示器的液晶材. 5.
(17) 料大多是熱向性液晶。. 液晶的分子排列狀態大致可分為三類─向列型（Nematic）、膽固 醇型（Cholestric）及層列型（Smectic）三種：. （1） 向列型液晶（Nematic Phase） Nematic 在希臘語是絲狀的意思。在偏光顯微鏡下可看到 絲狀型的結構，因此為命名。因為液晶分子為桿狀，在流動上， 它只受限於長軸需順著同一維方向排列。與另兩種排列方式相 較，它的分子限制較少，在流動上空間較大，因此它的黏度也較 小。圖2.2表示液晶分子排列的狀況，N的方向為多數液晶分子指 向。向列型液晶在當代顯示器佔有相當的地位，絕大多數顯示器 都是使用向列型液晶。. N. 圖 2.2 向列型液晶的排列 （2） 膽固醇型液晶（Cholestric Phase） 此類液晶最早是從膽固醇物質中發現的。當膽固醇經過脂. 6.
(18) 化或鹵素取代後會出現液晶相，故稱為膽固醇型液晶。它的特 徵與向列型有點相似，除同層內液晶分子互相平行，不同層之 間的分子長軸方向成一個角度的差異，因此沿著液晶層的法線 觀察，可看到螺旋的結構。因具有旋光性（chirality），有時也 稱為旋光向列型液晶。此類液晶因有螺旋結構，所以就會有螺 距產生，螺距的定義為液晶分子旋轉2π角度時，觀測點在螺旋 軸上所移動過的距離。. 圖 2.3 膽固醇型液晶的排列. （3） 層列型液晶（Smectic Phase） Smetic 希臘語為皂狀的意思。因為此類液晶的排列更具規 則狀，除了同層液晶分子長軸互相平行外，不同層的液晶分子長 軸與層法線夾的角度都是相同的。它屬二維有序性，更接近晶體 的三維有序結構。因此黏度比向列型及膽固醇型的液晶更大，液 晶分子的轉動更不易，應答速度更慢，一般可能將液晶的厚度控. 7.
(19) 制在很小的範圍才能應用在顯示器裡。然層列型液晶根據液晶長 軸指向的角度不同又分層列A相、層列C相及掌性層列C相。 （a） 層列A相（Sm A）。如圖 2.4。 它的液晶分子長軸與層的法線夾角為零度。. 層 法 線. 圖 2.4 層列A相液晶分子排列方式. （b）層列C相（Sm C），如圖 2.5。 它的液晶分子長軸與層的法線呈一個θ角度。. 層 θ 法 線. 圖 2.5 層列C相液晶分子排列方式 （c） 掌性層列C相（Sm C*），如圖 2.6。 它的液晶分子長軸除與層的法線夾一個θ角之外，又具 旋光性，所以又稱旋光層列C相。 8.
(20) 圖 2.6 掌性層列C型液晶分子排列方式. 接著，我們依據液晶分子量大小來區分，一般較粗略的分法是以 分子量大於一萬為高分子液晶，分子量小於一萬為低分子液晶： （1）高分子液晶 液晶元基在不同高分子鏈之結合形式來區分，又分為主鏈型 與側鏈型，如圖 2.7 及圖 2.8。主鏈型高分子液晶，基於其分子 的構造及排列，因而能發揮高強度、高彈性率、高耐熱性等特徵。 主要被應用於高性能高分子材料上之開發，如高強度纖維及高強 度成型品等；側鏈型高分子液晶，為外側鏈上之液晶基具有類似 低分子液晶舉動，由於其兼具有低分子液晶之電氣光學效果及高 分子之成型加工特性，主要被應用於高機能性高分子材料，如記 錄材料及記憶材料等。. 連結基. 主基 圖 2.7 主鏈型高分子液晶 9.
(21) 連結基. 側鏈基. 主基. 圖 2.8 側鏈型高分子液晶. （2）低分子液晶 低分子液晶由於分子量較低，故液晶分子排列容易因電場、 磁場、熱、應力、及氣體吸附等外力的作用而有所改變。也因此 常將此種低分子液晶應用於一般的電場、磁場、溫度、壓力與各 種氣體等的偵測及計量等感應設計，如液晶顯示元件、溫度感應 器、光學儲存元件。. 2-2. 液晶的應用物性. 【1】. 在我們液晶實驗裡，所使用液晶為熱致向列型，此類液晶大致分 子長軸互相平行排列，因此我們將先定義分子排列的整齊度。且由於 此特徵性的排列，我們接著介紹在分子長軸及垂直方向上，液晶的折 射率、介電係數的值各為不同，具有異方向性。最後探討液晶的彈性. 10.
(22) 係數： （1） 分子排列的秩序參數(S) 分子構造、形狀及環境溫度會影響液晶分子排列的整齊 度。在圖 2.9 液晶分子向量與配向方向在空間配置圖中，假設 巨觀來看液晶分子配向的方向為 n ，而個別液晶分子長軸指向 向量 α ，其中 n 與 α 的夾角為θ，我們用θ來定義秩序參數 （S） ，所定義的秩序參數（S）可作為整齊度的一個指標。其 2. 中 S=＜3cos θ-1＞/2 Z n. θ. α. X. Y. 圖 2.9 液晶分子向量與配向方向在空間配置圖 在上式中記號＜＞表示空間中所有液晶分子指向的平均值。如 果所有液晶分子皆朝配向方向排列，那麼θ=0°，所求出的. S=1，表示排序整齊；相反的，如果液晶指向散亂排列，將造 2. 成＜3cos θ-1＞等於 0，S=0。於是，我們可以依據 S 的大小 來認定液晶分子的整齊度。而溫度也是影響排序度的一個參. 11.
(23) 數，一般向列型液晶，在 Tni 點附近時 S→0.3，而在非常低溫 時 S→0.8。. （2） 液晶的介電異方向性( ε ⊥ 、 ε ) 對一般向列型或層列型液晶分子來說，由於指向有序且呈 現單軸對稱，它的介電係數在長軸與短軸有些許的差異，我們 稱為介電的異方向性，也是因為它，我們才可以利用電場去控 制液晶的排列。而在平行長軸方向的介電係數我們稱 ε ，平行 短軸方向的介電係數稱為 ε ⊥ ，而介電的異方向性 Δε =ε -ε ⊥ 。 當 Δε >0，我們稱為正型液晶，在外加電場時，液晶分子長軸 會往平行於電場方向轉動，一般 TN、STN 所使用即正型液晶； 反之，當 Δε <0，我們稱為負型液晶，在外加電場時，液晶長 軸會往垂直於電場方向轉動，一般向列型負型液晶有應用在垂 直配向的顯示器當中。. （3） 液晶的光學異向性 由於一般液晶分子的結構為非等向性結構，在光學上會有 雙折射的特性。我們如果將液晶分子放在三維（x, y, z）空間 中，光延著各軸行進所感受到的折射率分別為 nx、ny、nz，那. 12.
(24) 麼我們根據 nx、ny、nz 的差異可以將材料分類： （a） 若 nx≠ny≠nz，為雙光軸材料，如 Smetic C。 （b） 若 nx＝ny≠nz，為單光軸材料，如 Nematic。 而單軸材料又分以下兩種： （a） 若 nx＝ny＜nz，為正單光軸材料，如圖 2.10（a）。 （b） 若 nx＝ny＞nz，為負單光軸材料，如圖 2.10（b）。 （以單光軸晶體我們令 nx＝ny＝no，no 表示為尋常光折 射率；我們令 nz＝ne，ne 表示非尋常光折射率。）. Z. Z. no no. no X. ne. X. no. ne. （a）ne＞no 正單光軸晶體. （b）ne＜no 負單光軸晶體. 圖 2.10 液晶光軸示意圖. 由雙折射所造成的光延遲量將在這先做定義，如圖 2.11 所示。當平行光線行經液晶分子時，由於光波在不同偏振方向. 13.
(25) 遇到的折射率不同，在經過 d 的長度，將會產生△nd 的光延遲 量。. 圖 2.11 光線經過不同折射率造成相位延遲情形 液晶的雙折射有對溫度的相依性，如圖 2.12 所示。ne、. no 會隨著溫度不斷往上升高而產生變化，造成 Δn ( = ne − no ) 變 小，而影響顯示的品質。. 圖 2.12 液晶晶體折射率與溫度關係圖. 14.
(26) （4） 液晶的彈性係數（k11、k22、k33） 我們以巨觀的角度去看液晶，可以將它視為一個彈性體。 當液晶晶體經不同方向受力時，會產生擴張、扭轉、彎曲三種 形變，而分別有 k11、k22、k33 三個彈性係數，如圖 2.13 所示。 -7. -6. 由於對向列型液晶材料而言，其彈性係數約為 10 ~10 dyne， 所以液晶分子容易受作用力、電場、磁場等外界影響而變形。. （a）擴張：k11. （b）扭轉：k22. （c）彎曲：k33. 圖 2.13 液晶彈性係數關係圖. 2-3. 【1】. 液晶的配列方式. 向列型液晶分子雖然具有排列能力，但是並非所有的液晶分子在 不經處理情況下都能均一的往同一個方向排列，因此對液晶顯示性能 優劣有極大之影響。若要形成液晶分子的規則性排列，必須取決於液 晶與玻璃基板間界面的定向效果。因此，選取液晶材料後，再依顯示. 15.
(27) 方法及需求來決定元件內部液晶分子配列的處理方式，配列之方式可 由圖 2.14表示，說明如下： （1） 垂直(homeotropic)分子排列：全部的液晶分子對兩玻璃基板面 做垂直排列。 （2） 平行(homogeneous)分子排列：全部的液晶分子對兩玻璃基板 面做為平行，且於朝同一方向做排列。 （3） 傾斜(tilted)分子排列：全部的液晶分子對兩玻璃基板面以一定 的角度做傾斜排列，且於朝同一方向做排列。 （4） 混成(hybrid)分子排列：液晶分子對其中一側的基板面為垂 直，另一側基板為同一方向的平行。因此，液晶的分子排列為 於兩基板間做連續性的九十度彎曲排列。 （5） 扭轉(twisted)分子排列：全部的液晶分子對兩基板面為平行排 列，但其對面兩側基板面處的液晶分子成九十度。因此，液晶 的排列方向位於兩基板間做連續性的九十度扭轉。 （6） 平面螺旋型分子排列：液晶的螺旋軸對兩基板面為垂直的液晶 分子排列。 （7） 垂直螺旋型分子排列：液晶分子的螺旋軸平行，但此螺旋軸的 方向並非一定的液晶分子排列。. 16.
(28) （1）垂直. （2）平行. （4）混成. （3）傾斜. （5）扭轉. （6）平面螺旋. （7）垂直螺旋. 圖 2.14 液晶的配列方式. 17.
(29) 2-4. 液晶電氣光學效應 液晶材料用不同的方式可達到不一樣的顯示效果，依據不同顯. 示的模式（旋光性、二色性、光干涉及散射）所使用的液晶材料及 分子配列也不同，而其所呈現出來的光學效果也有很大的差別，如 表 2-2 所示。本文中所實驗的 VAN（Vertical Aligned Nematic），所 使用的液晶材料是負型的，為 ECB（Electro Control Birefringence） 模式的一種. 【6】. 。. 顯示方式 動作模式. 液晶材料. 光學效應. 分子排列變化. TN. 旋光性. Δε＞0、向列型. 明暗 變化. 90°扭轉→垂直. STN. 光干涉. Δε＞0、向列型. 色彩 變化. 90°以上扭轉→垂直. 光干涉. Δε＞0、向列型. 色彩 變化. 平行→垂直. 光干涉. Δε＜0、向列型. 色彩 變化. 垂直→平行. 二色性. 添加染料 Δε＞0、向列型. 濃色淡色 變化. 平行→垂直. 二色性. 添加染料 Δε＜0、向列型. 濃色淡色 變化. 垂直→平行. 透明白濁 變化. 圓錐→垂直. 透明白濁 變化. 平行（垂直）→雜亂. ECB. GH. PC. 光散射 Δε＞0、膽固醇型. DS. 光散射. 添加導電劑 Δε＜0、向列型. 表 2-2 液晶顯示元件的動作模式和所用液晶材料種類. 18.
(30) 第三章 顯示元件、顯示模式、驅動方 式 3-1 顯示元件 液晶顯示元件最簡單表示為一三明治結構，可以按順序排列分 成以下幾個部分：1.背光源 2.偏光片 3.下玻璃 4.下透明電極 5.配向 膜 6.液晶 7.間隔材 8.配向膜 9.上透明電極 10.上玻璃 11.檢偏片，如 圖 3.1。 11 檢偏片 10 上玻璃 7 間隔材. 6 液晶. 3 下玻璃. 4,9 透明電極. 5,8 配向膜. 2 偏光片 1 背光源. 圖 3.1 液晶顯示元件結構示意圖 以下針對各結構說明： （1） 背光源：功能為提供均勻光源。一般為冷陰極燈管（CCFL） ， 現在有低耗電的發光二極體（LED）當作背光源。 （2） 下偏光板、上檢偏板：下偏光板將光源偏光成線性極化光， 上檢偏板則是將經過液晶的極化光篩過。. 19.
(31) （3） 下、上玻璃：提供液晶的外構件，要求為高透光度。 （4） 下、上透明電極：分別加入電壓，產生電位差，形成電場。 用來控制液晶分子旋轉。 （5） 下、上配向膜：提供邊界液晶分子的排序。未處理好的配向 膜會造成液晶排列紊亂，形成缺陷。 （6） 間隔材：又稱支撐材，用來提供液晶盒厚（Gap）。. 20.
(32) 3-2 向列型液晶垂直配向顯示原理 垂直配向所使的配向膜是一種具有側鏈的高分子，在接觸配向 【13,14】. 膜接面的向列型液晶分子會垂直站立於上. 。傳統垂直配向向列. 型液晶顯示器（VAN）需要經過刷磨的製程，在刷磨同時兼具產生 溝槽及側鏈順向的功能。垂直配向膜如果未經過刷磨，暗態顯示時 沒有什麼差別。但在電極加上電壓驅動時，將會產生不規則的不連 續線. 【12】. ，影響光的穿透率，如圖 3.2（a）。但如果配向膜經過適當. 的刷磨，再加上電壓之後，液晶皆倒向相同方向，就不會有缺陷產 生，如圖 3.2（b）. V=0V. V=3V. （a）未刷磨配向 VAN 元件. V=0V. V=3V. （b）經刷磨配向之 VAN 元件 圖 3.2 VAN 高分子配向膜未刷磨配向與刷磨配向加電壓照片 21.
(33) VAN（Vertical Align Nematic Liquid Crystal）的之顯示原理. 【15,16】. 如圖 3.3 所示。在未加電場時液晶分子是垂直於基板，此時光與光 軸平行，所以不會有光延遲的發生。又上、下偏光板吸收軸垂直， 因此光線會在檢偏板擋下產生極黑狀態. 【17-20】. ；當漸進施加電場時，. 此時因向列型液晶的介電常數為負（△ε＜0） ，液晶長軸將漸往垂直 於電場方向旋轉。此時，入射光經過線性極化之後，接著通過液晶 層會產生延遲形成橢圓偏極化，最後依據橢圓率的不同，透過第二 偏極片的光強度將不同. 【1、5-8】. 。. 圖 3.3 VAN 元件驅動情形 光穿透的公式，如式 3.1。 ⎛πR ⎞ I=I0 sin 2 2θ sin 2 ⎜ ⎟ ⎝ λ ⎠. （3.1）. 其中 I 0 為入射光強度， θ 為入射光偏極化方向與液晶分子長軸的夾 22.
(34) 角，λ 為入射光波長，R 為光延遲量。其中 R 與液晶參數的關係. 【21】. 如下式 3.2。 R=. Δnd V − Vth i Δε Vth k +1+. （3.2）. ε //. 其中 Δn 為液晶的雙折射率，d 為液晶盒厚，Vth 為臨界電壓值， k=（k11-k33）/k33，ε//為液晶長軸方向介電係數，Δε 為介電係數差，. V 為所加的電壓大小。由於為了要得到最大出光量，式 3.1 中我們 選擇 θ = 45° ，即摩擦方向與偏振片夾 45°，讓 sin 2 2θ =1 。. 23.
(35) 3-3 驅動方式 液晶器件可視為一個電容器，是由兩個導電材中間隔著液晶 材。液晶器件要能夠作動，必須在導電材印加驅動電壓，產生電場， 用來控制液晶做排列的改變。而驅動的部分又分主動驅動及被動驅 動兩種。主動驅動，需要在玻璃上製作電晶體，製程複雜、費用較 高。而被動驅動在製程上較簡單，且成本低，因此比較低階顯示器 多用被動驅動方式。不過被動驅動有掃描線數的限制，因此不容易 實現高解析度，主動驅動的方式就沒有這個缺點。陡度是影響被動 驅動掃描線數目最大原因（陡度在 4-5-1 說明） 。最早的扭轉向列型 （TN）液晶盒因陡度過低，不能實現高畫質，後來才發展出超扭轉 向列型（STN）液晶盒提高陡度，也讓週波數從 1/32 提高到 1/320 以上。以下針對主動及被動驅動的不同做個說明。. 【1】. 3-3-1 主動驅動. 主動驅動方式必須先在畫素電極上做電晶體，作為畫素電壓切 換用，如圖 3.4 所示。每一列電晶體的閘極接在一起，稱為掃描線； 每一行的電晶體源極接在一起，稱為訊號線。ㄧ個顯示畫面是由數 個畫素所組成，每個畫素電極是由透明導體氧化銦錫（ITO）所組 成。掃描線（Scan line）較多，畫面的解析度較高。而產生一個畫. 24.
(36) 面需經過每一條掃描線分開加入電壓（也就是每一列的電晶體輪流 開關一次），通常每秒鐘需要至少產生 24 個畫面，才能讓人眼的視 覺暫留感覺畫面連續，一般商用顯示器至少都 60 個畫面以上，才不 致讓人眼容易產生疲勞。 Switch Data lines. Scan lines. Pixel. 圖 3.4 主動驅動 4×4 畫素矩陣圖. 主動驅動畫素電路，如圖 3.5 所示。每個畫素電容最主要有兩 個，液晶電容（CLC）及儲存電容（Cs） ，Cs 通常比 CLC 來的大。假 設第 n 列掃描線的電晶體全部開啟，同時整列的訊號線（Data line） 就會將電壓對畫素電容充電。不同的電壓代表不同的灰階，當掃到 第 n+1 列時，第 n 列的電晶體就會關閉，同時灰階電壓將鎖住在畫 素電容裡面，這是主動驅動與被動驅動最大的差別。. 25.
(37) Data m+1. Data m Scan n C LC. Cs. Scan n+1. 圖 3.5 主動矩陣畫素線路圖. 主動驅動畫素電壓變化，如圖 3.6 所示。在第一個畫面，當閘 極電位高時，電晶體打開，瞬間源極的灰階電壓將對畫素電容充電。 當閘極電位低時，畫素的電壓將鎖住，源極的電壓對畫素不影響。 直到第二個畫面，閘極電位再度高時，源極的電壓才又對畫素進行 充電。其中在閘極電壓低的瞬間，畫素電壓會突然掉 ΔV，是因為未 完全充電造成的。 閘極電壓. 畫素電容電壓. 源極灰階電壓 ΔV. 2st畫面. 1st畫面. 圖 3.6 主動驅動畫素電壓信號圖 26. 3st畫面.
(38) 【1】. 3-3-2 被動驅動. 傳統標準的被動多路驅動，是由 Pual M. Alt 與 Peter Pleshko 兩 人在 1974 年於 IEEE Trans. 論文中提出的。一般稱之為 Alt-Pleshko Technique，簡稱為 A-P T.方式。 被動驅動方式不需做電晶體，但是它也有掃描線與訊號線，如 圖 3.7 所示。其中 com0~com4 分別為四條掃描線，由透明電極所組 成，製作在下玻璃；VD1~VD2 分別為兩條訊號線，也是由透明電 極所組成，製作在上玻璃。. VD1 VD2 com0 com1 com2 com3. 圖 3.7 被動驅動 4×2 畫素矩陣圖。. 由於被動驅動無電晶體，因此不能鎖住畫素電壓，且訊號線的 電壓將會影響到每個畫素，因此 A-P T.的方式，如圖 3.8 所示。. 27.
(39) 圖 3.8 被動驅動畫素電壓信號圖. 在被動驅動裡每個畫素所感受的電壓是由畫素上掃描電壓減掉 訊號電壓所得，如圖 3.8 下方所表示的 com0-VD1（非選擇波形，代 表液晶 OFF 狀態）與 com1-VD2（選擇波形，代表液晶 ON 狀態）， 即是相對應的畫素所感受到的兩種電壓變化。這裡我們可以比較出 在被動驅動時，液晶的 OFF 狀態並非如主動驅動是 0 電位，而是有 一個非選擇波的電壓存在。假設每一條掃描電極給 Vs 的電壓，資料 電極給定 Vd 的電壓。我們可以分別求出畫素在選擇波與非選擇波. 28.
(40) 所感受到電壓的方均根值（ Vrms ），如式 3.3、3.4：. ⎡ ⎤ 1⎞ 2 1 ⎛ + ⎜1 − ⎟ Vd 2 ⎥ V 2ON = ⎢(Vs + Vd ) N ⎝ N⎠ ⎣ ⎦. （3.3）. ⎡ ⎤ 1⎞ 2 1 ⎛ + ⎜1 − ⎟ Vd 2 ⎥ V 2OFF = ⎢(Vs − Vd ) N ⎝ N⎠ ⎣ ⎦. （3.4）. 在上式中： Von 是被選擇到畫素（ON）時的 Vrms 電壓。 VOFF 是未被選擇到畫素（OFF）時的 Vrms 電壓。 N 則是掃描線數目，又稱週波數（Duty） ，對圖 3.7 而言，N=4， Duty=1/4。 而（Vs+Vd）稱為液晶的操作電壓（Vop），Vop/Vd 稱為偏壓比 S （Bias）。. 如果要得到最好的對比，即 Von/VOFF 最大。我們可以將式 3.3 及 3.4 化作式 3.5。. VON ⎡ N − 1 + S ⎤ =⎢ ⎥ VOFF ⎣⎢ N − 1 + ( S − 2 ) ⎦⎥ 2. 1 2. （3.5）. 由式 3.5 我們可以看出 Von/VOFF 與 N 值（Duty）有關，也與偏壓比 （Bias）有關。我們再令 ∂ / ∂s = (VON / VOFF ) = 0 ，則可得到 S = 1 + N 時 有最大值。由此可知我可以根據掃瞄線數（N）的不同，選擇不同 的偏壓比（S） 。 29.
(41) 第四章 垂直配向向列液晶元件製備 4-1 實驗材料 本實驗所使用的主要直接材料，分別為以下幾種：負型液晶、 間隔材、垂直配向液、ITO 玻璃。 （1） 負型液晶：由 Merck 所提供，共有兩式樣：MLC-6609、 MLC-2079，規格如表 4.1 所示。主要差異如下，複折射率 （Δn）：0.0777、0.15。複介電係數（Δε）：-3.7、-6.1。. 表 4.1 實驗液晶材料規格表. 30.
(42) （2） 間隔材：材料由樹脂組成。主要提供支撐，造成液晶層的間隙。 由積水公司所提供。共有三式樣：12μm、6μm、4.9μm，如表 4.2。. 表 4.2 實驗間隔材規格表 （3） 垂直配向液：SE-4811 是具側鏈基的高分子材料。由 Nissan Chemical 所提供，規格如表 4.3。. 表 4.3 實驗配向液規格表 （4） ITO 玻璃：透明導電材為「氧化銦錫」，由全台晶像所提供。 ITO 片電阻：10Ω/□，玻璃厚度：0.7mm。 4-2 實驗設備 （1） 玻璃洗淨機 （2） 光阻塗佈機 （3） 曝光機. 31.
(43) （4） 配向膜印刷機 （5） 摩擦配向機 （6） 框膠印刷機 （7） Spacer散佈機 （8） 液晶真空注入機. 4-3 樣品製作 （1） 玻璃清洗：將ITO玻璃以枚葉方式（sheet by sheet）清洗。先利 用鹼性洗劑去除油酯類物質，在以去離子水搭配毛刷及超音波 去除表面異物，最後再經UV燈照射所產生的臭氧（O3）分解有 機物質。. （2） ITO工程：電極形成工程需經過正光阻塗佈→曝光→顯影→蝕 刻→去光阻。本實驗使用滾筒的方式作正光阻塗佈，它具有快 速省材料的優點。光阻塗佈厚度為2000nm→經過130℃硬烤後 →進行曝光（UV照度40mw/cm2）→接著以1.3% KOH、100 sec 顯影→再以硝酸、鹽酸比例1：3進行ITO蝕刻→最後以3% wt的 NaOH去光阻。. （3） 配向膜工程：此工程用配向膜印刷機，先將SE-4811膜厚為 32.
(44) 50nm，印在電極完成之後的ITO玻璃。接著以80℃、5分鐘預烤， 主要讓溶劑揮發及平坦化。再以200℃、20分鐘硬烤，主要讓PI 固化。接著使用摩擦配向機，將固化的PI摩擦定向，摩擦條件： 基板前進速度20mm/s、滾輪轉速300rpm、絨毛深入量0.3mm。. （4） 框膠塗佈：下板以網版將框膠印刷在玻璃的四週圍，並留下液 晶注入口。再將玻璃以80℃、5分鐘進行預烤，主要讓框膠溶劑 揮發。. （5） 間隔材散佈：使用間隔材散佈機分別將12μm、6μm、4.9μm的間 隔材散佈在上板。. （6） 組立：將下板翻轉與上板做結合。並以175℃、0.8kg/cm2加壓並 將框膠硬化。. （7） 液晶真空注入：抽真空達8*10-2真空度，並以200T分別將 MLC-2079、MLC-6609注入液晶盒。再將液晶盒加壓0.3 kg/cm2、10分鐘。接著以UV膠封口，並進行UV照射硬化完成 液晶盒製作。 製作流程如圖4.1所示。. 33.
(45) 1.玻璃清洗. 2.ITO工程 （曝光、顯影、蝕刻、去光阻）. 2.ITO工程 （曝光、顯影、蝕刻、去光阻）. 3.配向膜工程 （塗佈、預烤、硬烤、摩擦配向）. 3.配向膜工程 （塗佈、預烤、硬烤、摩擦配向）. 5.間隔材散佈. 4.框膠塗佈. 6.組立. 7.液晶真空注入. 8.光電量測 （V-T, CR, RT）. 圖 4.1 實驗流程圖. 4-4 預傾角量測系統 為了確定液晶分子在配向膜是否垂直排列，我們使用到預傾角 量測系統。一般量測預傾角的方法有：旋轉晶體法（Crystal rotation method）、圖形觀測法（Conoscopic observation method）、磁場量. 34.
(46) 測法（Megnetic null method）等【9-11】。此系統的架設是使用晶 體旋轉法，它的操作原理如下，如圖 4.2 所示。光線先經過一片偏 極片，之後進入液晶樣本，接著通過第二片偏極片，最後由光接收 器量測光強度。此時兩片偏極片須成垂直，液晶樣本光軸須與偏極 片夾 45 度角，且樣本旋轉軸也要與液晶分子的光軸方向垂直。. 光源. 偏光板. 樣品. 檢偏板. 光強接收器. 圖 4.2 預傾角量測系統 在圖 4.3 中，θ 為入射光與 z 軸的夾角，α 為液晶分子的預傾角， d 為樣品的厚度。我們可以得到光強度 T 與 θ 的關係式（4-1）如下：. θ Y α d Z. 圖 4.3 預傾角光線入射角 θ 及液晶傾斜角 α 1 1 2 T (θ ) = E = sin 2 δ (θ ) 2 2. （4-1）. 其中 δ (θ ) 是 ne 與 no 的光程差，其方程式可以下式（4-2）表示： 35.
(47) 12 ⎞ d⎡1 2 2 1 ⎛ a 2b 2 1 2 δ (θ ) = 2π ⎢ 2 a − b sin α cos α sin θ + ⎜ 1 − 2 sin θ ⎟ − 1 − b 2 sin 2 θ c⎝ c b λ ⎢c ⎠ ⎣. (. ). (. （其中 a = 1 ne ， b = 1 no ， c 2 = a 2 cos 2 α + b 2 sin 2 α ）. ). 12. ⎤ ⎥ ⎥⎦. （4-2）. 如果我們把θ對 T 還有θ對δ(θ)所作的圖形畫在圖上，根據「水 平配向」或「垂直配向」我們可以分別得到類似圖 4.4（a）、（b） 兩種圖形：（要注意的是，運用「旋轉晶體法」量測時，如果預傾 角落在 20°~70°範圍內，將會產生誤差，須用其他方式作量測。）：. （a）水平配向，預傾角 0°~20°. （b）垂直配向，預傾角 70°~90° 圖 4.4 不同配向時的預傾角光學量測圖 在圖中，我們可以發現有對稱圖形產生，且發生在光程差極大 或極小值的地方，此地方即為預傾角發生位置。通常計算水平、垂 直預傾角方式不太相同： 36.
(48) 1. 計算水平配向的預傾角時，我們可以對（4-2）公式微分，並令 δ (θ ) =0 ，得到下式： δθ 12. ⎛ a 2b 2 ⎞ 1 2 2 a 2b 2 2 2 2 α α θ a b sin cos sin − − ⎜1 − 2 sin θ ⎟ − b sin θ 1 − b sin θ 2 2 c c c ⎝ ⎠. (. ). (. ). 12. =0. （4-3） 接著將對稱點的入射角θ代入微分式 4-3，利用疊帶方法我們會得到 α值。 2. 在垂直配向的計算時，由於對稱點的入射光平行於液晶光軸入射 樣本，理論上無光程差產生，對於液晶有效折射率為 no，因此運用 Snell’s law 並帶入 no 及對稱點光入射角度θ，即可求得預傾角α， 如式 4-4 所示。 no sin ( 90 − α ) = 1⋅ sin θ. （4-4）. 經實驗量得我們所使用負型液晶的預傾角，在 SE-4811 上的角 度約為 89.7°，確定為垂直排列，光學量測如圖 4.5 所示。. 穿透率%. 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% -6 0. -4 0. -2 0. 對 稱 點. 0. 20. 40. θ °. 圖 4.5 MLC-6609 在 SE-4811 上的預傾角量測圖. 37. 60.
(49) 4-5 光電量測 光電量測系統可以量得：電壓穿透曲線、對比、響應時間及視 角圖。此系統架構，如圖 4.6 所示。主要分兩部份，第一部分為訊 號產生系統，此系統包括波形產生器及電壓放大器，可以設定波形 的週波數（Duty）、偏壓比（Bias）、電壓（V）及頻率（Frequency）。 我們可以將電壓訊號加在樣本上，造成液晶分子的運動、排列，形 成光的變化（此時樣本已貼附偏光板）；第二部份為光學量測系統， 此系統包括下光源、樣本固定平台及接收器。由於平台是具備 θ 軸 做旋轉，加上光強接收器具備 α 軸做旋轉，我們可以測得平面上不 同視角的光強度。. 光量測系統. 訊號產生系統. 光強接收器. Duty、Bias、Vop、Frequency. α軸 樣本. 轉台. θ軸. 光源. 功率放大器. 圖 4.6 光電量測系統. 38. 訊號產生器.
(50) 4-5-1 電壓穿透曲線 將製作完成後的樣品加上 60Hz 的方波，我們將均方根電壓從 0V 慢慢增加到 30V，經由光電量測系統，我們可紀錄得電壓穿透曲 線（V-T curve），如圖 4.7 所示。在電壓穿透曲線裡，我們可以得 到幾個資訊：起始電壓（ Vth ）、陡度（1/γ），這邊我們定義最大 穿透率為 100%。. （1） 起始電壓：圖 4.7 裡，此樣本為使用 MLC-6609 液晶，盒厚 6μm，垂直配向。我們可以知道此樣本的 Vth = 2.5V ，由於 1. ⎛ kii ⎞ 2 Vth = π ⎜ （其中， Δε 為液晶的複介電係數；kii 為液晶本 ⎜ Δε ⎟⎟ ⎝ ⎠. 身彈性係數。當垂直配列時 kii=k33，平行配列時 kii=k11，扭 轉配列時 kii=k11+（k33-2k22）/4）。. （2） 陡度：一般定義 γ =. V90 。 γ 越小，表示陡度越大。在被動驅動 V10. 模式下，陡度可以說是高對比的獲得。在圖 4.7 中，我們可以 看出此樣品的陡度 γ =. 5.2 = 2.08 （一般商用 STN 陡度約 2.5. 1.7~1.9）。. 39.
(51) Vth=2.5V V10. V90. 圖 4.7 電壓穿透曲線. 4-5-2 被動模式下對比度、響應時間 在實驗中，我們將對樣本輸入被動驅動電壓，如圖 4.8 所 示，並分別量測「對比度」及「響應時間」。週波數分別為 1/16、 1/33、1/49、1/64、1/128、1/256、1/320。這邊我們可以看出選 擇波與非選擇波波型差異，在於非選擇波第一週期的電壓稍小 於選擇波，因為這差異，使得非選擇波的 Vrms < Vth ，選擇波的 Vrms > Vth 。而週波數越高，停留在 Vop 電壓所花的時間越短，. 且選擇波與非選擇波突波電壓值越近。. （a）1/16，非選擇波. （b）1/16，選擇波. 40.
(52) （c）1/33，非選擇波. （d）1/33，選擇波. （e）1/49，非選擇波. （f）1/49，選擇波. （g）1/64，非選擇波. （h）1/64，選擇波. （i）1/128，非選擇波. （j）1/128，選擇波. 41.
(53) （k）1/256，非選擇波. （l）1/256，選擇波. （m）1/320，非選擇波. （n）1/320，選擇波. 圖 4.8 被動驅動電壓波形圖 （1） 對比度 主動驅動的亮態與暗態，是給定驅動電壓及不加電壓。而在被 動驅動模式，亮、暗的切換是選擇波與非選擇波。因此，被動驅動 模式的對比度（CR：Contrast Ratio）定義為 CR=. Tslect Tnon − slect. （其中 Tslect 為. 選擇波時光穿透率， Tnon − slect 為非選擇波時光穿透率）。在被動模式 對比量測圖中，如圖 4.9 所示。當選定被動驅動週波數、週波比及 頻率的情況下，分別以「選擇波」及「非選擇波」慢慢增加工作電 壓，並分別量得在不同工作電壓下時電壓與穿透率曲線─（a） 、 （b） 。 接著將相同工作電壓下的選擇波及非選擇波的穿透率做相除，我們 可以畫出「對比曲線」─（c），且最大對比度發生在「非選擇波」. 42.
(54) 均方根電壓超過液晶起始電壓之前，也就是開始透光之前。通常我 們顯示時的工作電壓會選擇在最大對比時。 （ a） （ b） （ c）. （a）選擇波工作電壓對穿透率做圖（b）非選擇波工作電壓對穿透 率做圖（c）對比度對工作電壓做圖 圖 4.9 被動驅動對比度量測圖 我們可由圖 4.10 所示，看出「陡度」對「對比度」的影響。我 們知道最大對比發生在「非選擇波」開始透光之前，在圖（a）中陡 度較小，所以最大對比度時透過率較小；反之，再圖（b）中陡度較 大，所以最大對比度時透過率較大，因此對比度較大。所以，在被 動驅動中，陡度高才能夠呈現高對比的顯示器。 T. T 選擇波 非選擇波. 選擇波 非選擇波. V. V. T：光穿透度. V：工作電壓. （a）陡度小，對比差. （b）陡度大，對比好。. 圖 4.10 陡度不同時的對比量測圖. 43.
(55) （2） 液晶響應時間 當電壓加到 LCD 電極時，通過 LCD 的亮度會改變，其改變至 穩定時間稱為液晶的響應時間。在被動驅動模式下的垂直配向液晶 盒，我們定義選擇波時的亮度為 100%，而非選擇波時的亮度為 0%。 則當切換至選擇波的瞬間，透過光從 0%改變至 90%時所花的時間 定義為 ton。同樣的，當選擇波切換至非選擇波瞬間，透過光從 100% 改變至 10%所花時間定義為 toff。而液晶的響應時間 ttotal = ton+toff，量 測結果如圖 4.11 所示。. ton：反應時間（升） toff：反應時間（降）. 圖 4.11 被動驅動模式液晶響應時間 由於 LCD 之 ton 及 toff 受液晶參數（黏性、介電係數）、盒厚及 LCD 本身的 RC 延遲，導致速度很慢。若響應速度過慢，會使畫面 重疊，或有殘影產生；而因為被動驅動無法儲存電壓的緣故的，太 快則會造成畫面的閃爍，因此，該維持一定的水平。. 44.
(56) 第五章 結果與討論 5-1 不同盒厚電壓穿透曲線之探討 我們先探討 MLC-6609 在不同盒厚（12μm、6μm、4.9μm）下電 壓穿透曲線的表現，如圖 5.1 所示。我們將分三個方向進行探討： （1） 起始電壓、（2）陡度、 （3）最大穿透度。. 圖 5.1 MLC-6609 不同盒厚（12μm、6μm、4.9μm）電壓穿透曲線比 較. （1） 起始電壓：由量測數據所示，我們發現 VAN 在盒厚變化時並 不會影響液晶的起始電壓 Vth，由圖可看出此款液晶的起始電 1. ⎛ kii ⎞ 2 壓為 2.5V。這也驗證 Vth = π ⎜⎜ ⎟⎟ 只與液晶本身參數有關，通 ε Δ ⎝ ⎠. 常 Δε 越大，Vth 越小。對於驅動來說，越小的起始電壓越好，. 45.
(57) 對驅動 IC 消耗的功率越小。一般商用 STN 起始電壓約為 1.5V。. ：接著我們觀察到液晶盒厚越 （2） 陡度大小（12μm＞6μm＞4.9μm） 大，陡度（1/γ）越大。由 3-2 章節我們知道穿透率與光延遲量 （Δnd）的關係。因為在相同液晶下，不同電壓的光延遲量差 異不大。但是由於盒厚的不同，因此在不同電壓下，盒厚較大， π. 光延遲變化量較大。由於穿透率是 sin 的函數，只要達到 、 2. 3π …等，就能達到最大穿透率。因此，在持續增加電壓情況 2. 下，光延遲量改變大的液晶盒（參考 12μm 曲線），很快就達 到最大透過率，所以陡度會較大，同樣的，被動驅動在陡度的 要求是越大越好。. （3） 最大穿透度（12μm＜6μm＜4.9μm）：在公式 3.1 中，它並沒 有考量物質本身對光的吸收，不同介質對光線的吸收常數 α 不一定，且吸收度會與介質的厚度成正比。因此我們可以看到 π. 盒厚越厚，雖然光延遲量已達 ，但最大穿透度卻是最小，如 2. 圖 5.2 所示。. 46.
(58) VAN-Transparent Spectrum Transmittance (%). 0.5 0.4 0.3 0.2. 12μm 6μm 4.9μm. 0.1 0 380. 420. 460. 500. 540. 580. 620. 660. 700. 740. 780. Wavelength (μm). 圖 5.2 MLC-6609 不同盒厚（12μm、6μm、4.9μm）最大透過率光譜 圖. 5-2 不同盒厚在不同 Duty/Bias 驅動波形下之光電特性探討 在被動驅動模式下量測對比度之前，我們必須先選定驅動工作 電壓 Vop，也就是能達到最好對比時的工作電壓。由 3-3-2 章節，我 們知道 Duty（N）與 Bias（S）決定的情況下，只要材料不變更（Vth 不變） ，Von 就固定，因此，Vop 就決定了。所以，我們可以由圖 5.3 看出，Vop 與液晶盒的厚度並無關係。. 47.
(59) VAN ─Vop 35 30. Vop. 25 20. 12μm. 15. 6μm. 10. 4.9μm. 5 0 1/16. 1/33. 1/49. 1/64. 1/128. 1/256. 1/320. Duty. 圖 5.3 MLC-6609 不同盒厚，在各週波比時的工作電壓 同時，我們可看到週波數越大，Vop 越大，這是被動驅動的限 制。因為為了要提高了週波數，但是 Vrms 又要能達到液晶驅動電 壓 Vth，因此 Vop 會隨著週波數提高而提高，如圖 5.4 所示。. 圖 5.4 相同 Vrms、不同週波數的工作電壓差異示意圖. 48.
(60) 5-2-1 不同盒厚之對比度 在「5-1 不同盒厚的電壓與穿透曲線探討」中，我們發現由於盒 厚越厚，陡度越大。於是我們將不同週波數的被動驅動電壓印加在 元件上，並求得對比度，如圖 5.5 所示。 VAN─Co n tra st Ra tio 350. Contrast Ratio. 300 250 200. 12μm. 150. 6μm. 100. 4.9μm. 50 0 1/16. 1/33. 1/49. 1/64 Duty. 1/128. 1/256. 1/320. 圖 5.5 不同盒厚（MLC-6609），在各週波比的對比度比較 我們發現在相同週波數下樣品的對比量測中，陡度越大，得到 的對比越佳，這與「圖 4.9 陡度不同時的對比量測圖」相印證，陡 度過小造成透光度下降。為了慎重起見，我們量測最大對比時穿透 率做比較，如圖 5.6 所示。經過實際驗證光透過率，再度確認透過 率是因為週波數變高的關係而變小，如圖 5.7 所示。. 光透過率%. 20% 12μm. 15%. 6μm 4.9μm. 10% 5% 0% 1/16. 1/33. 1/49. 1/64 Duty. 1/128. 1/256. 1/320. 圖 5.6 不同盒厚（MLC-6609）在各週波最高對比時的亮態光穿透率 49.
(61) VAN 若在主動驅動模式下，對比度（約可達 800：1）不會受解析度 不同而有所影響。但是被動驅動模式下選擇波的操作電壓（Vs + Vd） 與非選擇波的操作電壓（Vs-Vd） ，相差了 2Vd（參考第三章節） ，當 週波（S）比越大，在相同的工作電壓下 Vd 越小，而造成穿透率曲 線越靠近，亮態表現差而造成對比變差，如圖 5.6 所示。 T. T. T-low duty 選擇波 非選擇波. T-high duty 選擇波 非選擇波. V. V. T：光穿透度. V：工作電壓. 圖 5.7 高、低週波數下所造成對比下降示意圖. 5-2-2 不同盒厚之響應時間 從量測結果，我們發現盒厚越厚，響應速度越慢，如圖 5.8 所 示。我們觀察在 1/16 Duty 驅動下，當盒厚比例 12：6：4.9，其響應 時間比約 6.5：1.3：1。響應的時間相當接近盒厚的平方倍，但仍有 些微差距。推估可能因為不同大小的間隙材，其壓縮量各有差別， 因此壓製出來的盒厚，並不完全符合原本間隙材的大小，有可能更. 50.
(62) 小而造成的誤差。 VAN-Response Time 2500. ton +toff (ms). 2000 1707.5. 1500 1000. 1148.2. 12μm. 1368.7. 1218.1. 6μm 4.9μm. 833.4. 500 164. 0. 2287.5. 2125.2. 127.7 1/16. 209.2. 152.5 1/33. 250.6. 250. 161.8 1/49. 167.3. 1/64 Duty/Bias. 282.9. 197.5 1/128. 269.2. 178.4 1/256. 282.3. 164.6 1/320. 圖 5.8 不同盒厚（MLC-6609），在各週波比的響應時間比較 這邊我們看到 VAN 的響應時間與會隨著週波數的提高而提 高，是由於被動驅動方式有一個缺點：「它的驅動取決於電壓的方 均根值。」但因為週波比越高 Vop 越大，造成脈衝的響應越明顯， 因此會需要更多的週期才能到達亮度的 90%，所以所需的時間也會 增高。這點我們可由以下響應時間量測圖看到。. 如圖 5.9 所示，此為盒厚 6μm、使用液晶為 MLC-6609，分別在 各週波比下（a）~（g），響應時間量測圖。我們可以觀察到，在 ton 量測的時候會有閃爍的現象，閃爍時的透光率在各週波的震盪幅 度分別為：（a）12%、（b）15%、（c）20%、（d）20%、（e）22%、 （f）23%、（g）30%。我們可以看到，閃爍的幅度隨著週波數上升 有漸漸變大的趨勢，可見被動驅動方式在高週波時的脈衝響應越趨 51.
(63) 明顯。而閃爍的頻率隨著我們所印加電壓頻率而改變。我們在此實 驗印加的頻率為 60HZ，每個週期約為 16.7 ms，對照我們所量得三 次閃爍約為 50 ms 相符。對被動驅動來說，此樣品可能將 toff 的時間 拉長，才有可能減輕閃爍的效應。. （a）Duty：1/16. （b）Duty：1/32. （c）Duty：1/49. （d）Duty：1/64. 52.
(64) （e）Duty：1/128. （f）Duty：1/256. （g）Duty：1/320. 圖 5.9 盒厚 6μm，MLC-6609，在各週波比的響應時間量測圖. 5-3 不同液晶的光電特性 我們接著將 MLC-6609 及 MLC2079 的液晶注入在相同盒厚的 液晶盒，液晶的 Δε 分別為-6.1 及-3.7，液晶的 Δn 分別為 0.0777 及 0.15。並以光電量測系統進行量測並比較其電壓穿透曲線、對比度. 53.
(65) 的差異。 5-3-1 不同液晶對電壓穿透曲線的影響 從電壓穿透曲線的量測，如圖 5.10 所示，根據 Δε 及 Δn 的差異， 我們探討如下：. Rel. luminance%. 120 100 80 60 MLC-6609. 40. MLC-2079. 20 0 0. 5. 10. 15 Voltage /V. 20. 25. 30. 圖 5.10 不同液晶對電壓穿透曲線的影響. （1）起始電壓：由於 MLC-2079 的│Δε│要來的比 MLC-6609 還大， 因此，所印加電壓要克服液晶彈性能，造成液晶轉動的電壓就 比較小。因此我們可以看到 MLC-2079 的起始電壓 Vth≒1.8V，比 MLC-6609 Vth≒2.5V 來的小。由於之前的實 驗，被動驅動有著越高週波操作電壓 Vop 越高的特性，因此 當起始電壓越小，對驅動晶片的負擔也能夠較小。 （2）陡度：由於 MLC-2079 的 Δn=0.0777，約 MLC-6609 的兩倍，. 54.
(66) 因此，隨著電壓的升高，光延遲量的變化也約為兩倍，光穿透 率也急速變化，因此陡度會比較大，所以與液晶盒厚的變大有 異曲同工之妙。. （3）最大穿透率：因為在此實驗中改變的參數是液晶材料，只有液 晶本身的吸收係數 α 有差異，由於盒厚固定，所以對光線強度 來說差異並不大。. 5-3-2 不同雙折射率之對比度 由「5-3-1 不同液晶對電壓穿透曲線的影響」中陡度的探討，由 於較大的 Δn 可得到較高的陡度。我們再根據數據量測，如圖 5.11 所示，我們可以看到在相同的盒厚之下，MLC-2079 在 1/16 可以得 到 230：1 的對比度，比起 MLC-6609 130：1 的對比度確實來的高。 VAN─Contrast Ratio. Contrast Ratio. 250 200 150. MLC-6609. 100. MLC-2079. 50 0 1/16. 1/33. 1/49. 1/64 Duty. 1/128. 1/256. 1/320. 圖 5.11 MLC-6609、MLC-2079 在各週波對比度比較 55.
(67) 第六章、結論 顯示器對畫面的要求首重對比度，對比度越低，人眼判斷顯示 圖面越吃力；反之，對比度越高，越能夠分辨。再來要求液晶響應 速度，須在畫面切換過程當中，不會有閃爍、殘影等問題。接著才 是視角、色差等問題。在本實驗當中，VAN 在主動驅動模式下可以 達到 800：1 的對比度，但我們發現在被動驅動模式時，會造成對比 度剩不到一半，甚至在高週波電壓驅動時，對比將小於人眼能分辨 的 5：1。 在實驗當中變更了盒厚以及液晶參數，我們發現會造成對比度 的不同。盒厚越厚陡度越高，對比越好。在我們的調整盒厚實驗當 中，1/16 Duty 可能達到的對比度 300：1 以上，但是缺點是液晶響 應速度變慢、最大的穿透率下降。然而，改變液晶的 Δn 也可增加 VAN 的陡度，在 1/16 Duty 下可能達到對比度 250：1 以上，不過， 它的限制就在於材料能否合成更大的 Δn。且透過實驗，我們發現液 晶的│Δε│變大能有效降低工作電壓，並減少驅動 IC 負荷。 以現行的 STN 在 1/16 Duty 的對比度大約只能達到 50：1。在 商業用途上，不可或缺如車載用面板等低解析度的產品，它們也需 要提高對比顯示。因此，未來被動模式垂直配向方式的液晶顯示器 是很有機會被應用的。. 56.
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