高效率智慧型面板之研究-智慧型面板液晶光電特性

行政院國家科學委員會專題研究計畫 成果報告

高效率智慧型面板之研究-智慧型面板液晶光電特性(I)

中 華 民 國 95 年 10 月 31 日

行政院國家科學委員會專題研究計劃成果報告

高效率智慧型面板之研究 – 智慧型面板液晶光電特性 (I) Electrical and optical properties of the liquid crystal in smart displays (I)

計劃編號: NSC 94-2215-E-009-041- 執行期限: 94 年 8 月 1 日至 95 年 7 月 31 日 計畫主持人: 陳皇銘 國立交通大學顯示科技研究所 計畫參與人: 林淇文、蔡昀諺 國立交通大學顯示科技研究所 一、中文摘要 本 研 究 將 玻 璃 態 鐵 電 型 液 晶 (ferroelectric glassy liquid crystals)摻雜至 Smectic C host (W206A)液晶中，調配出廣 SmC* 液晶態工作溫度之鐵電式液晶材 料以利於顯示器之運用。 在配製的材料 中，FGLC-3 具有最廣的 SmC*液晶相 (15.7℃-115.4℃)，將 FGLC-3 摻至 W206A 中可成功地將 SmA*液晶態去除。 2.0% FGLC-1 混合物在未經特殊表面處理之 2µm 液晶盒中表現出最佳的排列，沒有鐵 電 式 液 晶 常 出 現 的 鋸 齒 狀 缺 陷 (zigzag defects)。2.0% FGLC-1 混合物的反應速度 τ10-90 和τ90-10分別是 680µs 和 1.1ms 而 4.3% FGLC-3 混合物之反應速度分別是 580µs 和 760µs。此兩種材料之廣 SmC*溫 度與排列皆有利於快速反應表面穩定電 鐵式液晶材料之應用。 此外，本研究提出之混合型液晶盒架 構，利用液晶盒之上下基板之表面極性相 反的配向膜，以誘導自發性極化方向皆朝 向某一特定方向，並因此得到單一層結構 之排列，將市售鐵電型液晶 R2301 灌入此 混合型液晶盒架構，其對比度可從 29 提 升至 144，且視角範圍可達±70o_。 關鍵字: 態液晶、混合型液晶盒 Abstract

A series of ferroelectric glassy liquid crystals (FGLCs) were synthesized and evaluated their potential for fast switching ability less than 1 ms. The latest developed FGLC possesses wide chiral smectic C mesophase over 100 ℃. The diluted FGLCs mixtures were also investigated using W206A as host. In particular, the 2.0% FGLC-1 mixture obtains better alignment with than R2301 (Clariant, Japan) in the same pre-made 2µm cell (from EHC). In the series of FGLC-3 mixtures, the chiral smectic A phase was completely suppressed within all concentrations. These results provide new promising LC materials for fast switching, field sequential color LC display. In addition to novel FLC mixtures, we applied the concept of hybrid cells to control spontaneous polarization. As the result, the contrast ratio of R2301 was enhanced from 29 to 144 with ±70o viewing angle.

Keywords:

liquid crystal, hybrid cells 二、緣由與目的 表 面 穩 定 鐵 電 型 液 晶 最 早 於 西 元 1980 年被提出[1]，此模態之鐵電型液晶除 了具有雙穩態之特性與其反應時間可達 次毫秒外，其較大的視角也優於傳統扭轉 向列型液晶(twist nematic LC)。 扭轉向列 型液晶是最早被使用於顯示器的液晶材 料，但由於反應速度過慢，使得快速的動 態畫面有模糊的現象，即所謂動態模糊效 應(Motion Blurring)，於是快速反應的液晶 材料搭配色序法技術[2]，將是一種可預期 的解決方法。 於此，擁有次毫秒快速反 應的鐵電型液晶將被列入優先考量。為了 讓 鐵 電 型 液 晶 能 被 運 用 於 液 晶 顯 示 器 上 ， 材 料 本 身 要 有 好 的 排 列 與 較 廣 的 SmC*液晶態工作溫度，在過去已有研究 團隊藉由分子的設計得到廣工作溫度的 液晶材料[3-4]。 在本研究中，我們將以 新合成之玻璃態鐵電型液晶 (ferroelectric glassy liquid crystals)摻雜至 smectic C host (W206A)液晶中，致力調配廣 SmC*液晶 態工作溫度之鐵電型液晶材料。 在一般對稱式的鐵電型液晶盒內，鐵 電型液晶在排列上容易產生缺陷並造成 對比度下降，特別是因為自發性極化(Ps) 方向不一致，容易產生水平山形袖章缺陷 (horizontal chevron) [8]。 Patel 和 Gooby 發現當溫度在轉換溫度附近時加一直流 電壓有助於自發性極化排列[8]，然而加直 流電壓有產生殘餘電荷之缺點[9]，因此陸 續有人提出使用三角波[10]、方波[11]及非 對稱矩形波[12]之交流電壓幫助自發性極 化排列。 本研究提出混合型(hybrid)液晶盒之 架構，利用配向膜表面極性符號之不同 [13]，誘導鐵電型液晶分子之自發性極化 往相同方向排列，因此消除水平山形袖章 之缺陷，藉以提升對比度。 三、結果與討論 3.1 新電鐵型液晶材料 電鐵型液晶材料之配製是將一系列 玻璃態鐵電型液晶摻雜至 W206A 液晶 中，如表一所示，希望能藉由廣 SmC*液 晶態的材料擴大玻璃態鐵電型液晶混合 物的工作溫度。再者，玻璃態液晶於排列 上有優異的表現[5-7]，其低溫呈現的是玻 璃態而不是結晶態，希望藉此 SmC*液晶 態的排列會被維持住，在此研究中我們配 製了不同濃度的玻璃態鐵電型液晶混合 物並在其中選擇排列良好的材料加以研 究。 表一、玻璃態鐵電型液晶及 W206A 相變化溫度。

Material Phase transition temperature (oC)

Heating：Cr 14-15 SmC 85.7-86.4 SmA 90.1-90.6 N 99.4-102 I W206A Cooling：I 101.4-98.4 N 90.4-89.9 SmA 86.3-85.6 SmC -0.65 Cr Heating: Cr 78 I FGLC-1 Cooling: I 52 SmX 29 Cr Heating: G 12 SmX 66 SmX 109 SmC* 125 SmA 145 I FGLC-2 Cooling: I 140 SmA 119 SmC* 103 SmX 11 G Heating: G 15.7 SmC* 115.4 SmA* 146.1 I FGLC-3 Cooling: I 141.3 SmA* 109.9 SmC* 14 Cr : Crystalline, Sm : Smectic, N : Nematic, I : Isotropic, G : Glassy, * : chiral

Cryst. SmC* Iso. N* (SmA*) Cryst. SmC* Iso. N* 0 20 40 60 80 100 120 0.0 5.0 10 15 20 25 Te m p er a tu r e ( o C) FGLC-3 wt % 0 20 40 60 80 100 120 0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 Te m p er a tu re ( o C) FGLC-1 wt % Cryst. SmC* Iso. N* (SmA*) Cryst. SmC* Iso. N* (SmA*) Cryst. SmC* Iso. N* Cryst. SmC* Iso. N* 0 20 40 60 80 100 120 0.0 5.0 10 15 20 25 Te m p er a tu r e ( o C) FGLC-3 wt % 0 20 40 60 80 100 120 0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 Te m p er a tu re ( o C) FGLC-1 wt % 圖一、不同濃度之(a) FGLC-1 與(b) FGLC-3 混合 物之溫度特性。 溫度特性是由熱差掃描分析儀(DSC) 量測所得，不同濃度之 FGLC-1 混合物溫 度 特 性 如 圖 一 (a) 所 示 ， 在 偏 光 顯 微 鏡 (polarizing optical microscope)觀察中發現 其 N*到 SmC*之液晶相間尚有 SmA*液晶 相存在。而在 FGLC-3 混合物中發現 SmA* 液晶態成功地被去除，其中 12% FGLC-3 混合物含有最廣之 SmC*液晶態(16.9 ℃~ 97.9 ℃)，如圖一(b)所示。液晶排列狀態 是由偏光顯微鏡拍攝所得。如圖二(a)所 示，純的 FGLC-2 由於黏度過高在注入液 晶時因夾帶氣泡產生缺陷。2.0% FGLC-1 混合物在向 EHC 購得未經特殊表面處理 之 2 µm 液晶盒中相較於市購之 R2301 材 料(Clariant, Japan)表現了較佳的排列，如 圖二(b)、(d) 所示，而 4.3% FGLC-3 混合 物 在 排 列 中 會 出 現 鋸 齒 狀 缺 陷 (zigzag defects)，如圖二(c)所示。 表二、玻璃態鐵電式液晶混合物之反應速度。

Material Rise Time

(τ10→τ90_{, us)} Fall Time (τ90→τ10_{, us)} 2.0% FGLC-1 680 1100 4.3% FGLC-3 580 760 反應速度是由 30V, 1KHz 方波量測所 得，如表二所示。 2.0% FGLC-1 混合物 的反應速度τ10-90 和τ90-10分別是 680 µs 和 1.1 ms 而 4.3% FGLC-3 混合物之反應速 度分別是 580 µs 和 760 µs。此兩種材料之 快速反應皆有利於色序法技術之應用。 在圖三中，2.0% FGLC-1 混合物的光 電特性中呈現了 V 型驅動模態(V-mode switching)，其飽和電壓及臨界電壓分別為 23V 及 8V 左右。而在不同溫度的量測中 發現其穿透率隨著溫度提高而降低，並表 現出不對稱性。 圖二、鐵電型液晶材料之排列。 (a) FGLC-2, 120℃ (b) 2.0% FGLC-1 (c) 4.3%FGLC-3 (d) R2301 100μm OFF state ON state

0 1 2 3 4 5 6 7 -40 -30 -20 -10 0.0 10 20 30 40 21 o C 30 o C 40 o C 50 o_C T ra n sm it ta n ce (a rb . u n it s) Applied voltage (V) 圖三、2.0% FGLC-1 混合物在不同溫度下的光電 特性 (10 Hz triangular wave)。 3.2 混合型液晶盒實驗 本研究所提出之混合型液晶盒架構 如圖四(a)所示，液晶盒之上下基板使用兩 種表面極性符號相反之不同配向膜，以誘 導 自 發 性 極 化 方 向 皆 朝 向 某 一 特 定 方 向，並因此得到單一層結構之排列，如圖 四(b)所示。 實驗所使用之配向膜材料為 聚 亞 醯 胺 (Polyimide, PI: PIAX201-G01, from Chisso) ， 及 聚 乙 烯 醇 (Polyvinyl Alcohol, PVA: Mw 13,000 ~ 23,000, 98 % hydroldyzed, from Sigma-Aldrich)。配向膜 薄膜以旋轉塗佈方式備製，而配向是採用 水平摩擦配向，液晶盒間隙則控制在 1.6 µm 左右。液晶材料則選用市售鐵電型液 晶 R2301 (from Clariant)和 R3206 (from AZ Electronic Materials)。混合型液晶盒由 聚亞醯胺(PI)及聚乙烯醇(PVA)不同配向 膜所組成。 圖四、(a)混合型液晶盒架構示意圖;(b)鐵電型液晶 層結構示意圖(俯視圖) 3.2.1 配向深度實驗 實驗目的在於找出最佳配向深度，以 達到液晶盒暗態漏光最少，對比度最佳的 表現。本實驗採用摩擦配向做為配向方 法，因此配向深度是以刷毛壓入量做為比 較之參數，而最佳配向深度之認定，則是 觀察液晶排列在暗態漏光最少時為最佳 條件。實驗結果發現，PI 的最佳配向深度 為 0.2 mm; PVA 的最佳配向深度為 0.23 mm。 3.2.2 液晶排列之觀察 在注入之液晶材料的選擇上，我們使 用單穩態 half-V (HV)型之鐵電型液晶─ R2301(from Clariant)和 R3206 (from AZ Electronic Materials)。圖五所示，偏光顯 微鏡下觀察液晶在對稱型液晶盒所產生 之水平山形袖章(horizontal chevron)排列 之缺陷。在注入混合型液晶盒中，如圖六 所示，液晶盒在頻率 100 Hz 的電壓驅動 下，R2301 和 R3206 均表現出單一層結構 之排列，如此可有效地消除如圖五所示之 水平山形袖章(horizontal chevron)之排列 缺陷。 (a) (b)

圖五、出現一般對稱型液晶盒之水平山形袖章缺陷 圖六、鐵電液晶 R2301 在混合型液晶盒中於電壓 驅動下之(a)暗態(c)亮態。及鐵電液晶 R3206 在混合型液晶盒中於電壓驅動下之(b)暗態 與(d)亮態。 隨著水平山形袖章缺陷消除，液晶盒 之對比亦隨之提升，由 ConoScope 量測之 結果如表三所列，鐵電型液晶 R3206 在一 般對稱型液晶盒(即上下基板皆使用相同 配向膜)內對比度相對低，約只有 18，在 混合型液晶盒中其對比度即提升到 86。此 外 R2301 在混合型液晶盒中對比度可達 到 144。又因為液晶分子在液晶盒內的運 動機制近似於平面切換型液晶(In-Plane Switching mode, IPS mode)，可視角範圍可 達到±70o_{，如圖七所示。} 表三、鐵電型液晶於不同結構液晶盒中對比度 結構 材料 對稱型液晶盒 混合型液晶盒 R2301 29 144 圖七、R2301 於混合型液晶盒之暗、亮態與對比圖。 四、計畫成果自評 綜合以上實驗結果可得知此玻璃態鐵電 型液晶材料的優點如下： 1. 新合成材料 FGLC-3 具有 100 oC 之廣 SmC*工作溫度。 2. FGLC-3 摻 雜 至 smectic C host (W206A)中有效地抑制 SmA*，表現 出維持 SmC*液晶態之能力。 3. 玻璃態鐵電型液晶材料有達到較好 排列的濳力，未來在相同的特殊表面 處理中，FGLC 混合物將較容易達到 良好排列，並適用於色序法技術。 混合型液晶盒結構之優點如下： 1. 消除水平山形袖章缺陷，提升對比。 2. 利 用 表 面 極 性 誘 導 自 發 性 極 化 排 列，無須外加電場，也無殘餘電荷之 虞。 3. 視角寬廣，不加補償膜情形下上下左 右範圍可達±70o_{，45 度角可達±50} o_。 本年度產出之成果如下: 1. 針對配向膜，與工研院材化所共同合 作 並 發 表 一 篇 APL 論 文 : “Nanoimprinting lithography induced

self-aligned liquid crystals for novel OFF STATE ON STATE (c) (d) (a) 100µm 100µm 100µm 100µm (b)

Phys. Lett. 2006, 88, 073509 (計畫主

持人為 corresponding author)

2. 兩 篇 2006 Society for Information Display International Symposium SID papers:

“Nanoimprinting lithography as novel

tool inducing self-aligned liquid crystals for alignment layer” (Oral

presentation, 27.4)

“Novel Ferroelectric liquid Crystals

Consisting Glassy Liquid Crystal as Chiral Dopants” (Poster presentation,

P.170)

五、參考文獻

[1] N. A. Clark, S. T. Lagerwall, Appl. Phys.

Lett., 36, 899 (1980).

[2] S. Kobayashi, J. Xu, H. Furuta, Y.

Murakami, S. Kawamoto, M. Oh-kouchi, H. Hasebe, H. Takatsu, Opt. Eng. 43, 290 (2004).

[3] C. S. Hsu, L. J. Shih, G. H. Hsiue,

Macromolecules 26, 3161 (1993).

[4] G. H. Hsiue, C. P. Hwang, J. H. Chen, R. C. Chang, Liq. Cryst. 20, 45 (1996). [5] S. H. Chen, H. M. P. Chen, D. Katsis, J.

C. Mastrangelo, ACS Symposium Series 888, 290 (2005).

[6] H. M. P. Chen, D. Katsis, S. H. Chen,

Chem. Mater. 15, 2534 (2003).

[7] H. P. Chen, D. Katsis, J. C. Mastrangelo, S. H. Chen, S. D. Jacobs, P. J. Hood, Adv.

Mater. 12, 1283 (2000).

[8] J. S. Patel, J. W. Goodby, J. Appl. Phys. 59, 2355 (1986)

[9] N. Manabe, M. Inoue, J. Akanowatari,

AM-LCD’96/IDW’96, 237 (1996)

[10] K. Myojin, H. Moritake, M. Ozaki, K. Yoshino, T. Tani, K. Fujisawa, Jpn. J.

Appl. Phys. 33, 5491 (1994)

[11] Y. Asao, T. Togano, M. Terada, T.

Moriyama, S. Nakamura, J. Iba, Jpn. J.

Appl. Phys. 38, 5977 (1999)

[12] A. Hotta, R. Hasegawa, K. Takatoh,

Jpn. J. Appl. Phys. 43, 6243 (2004)

[13] J. Dijon, C. Ebel, L. Mulatier,