快速反应液晶

　　液晶显示元件由60年代的扭转向列型液晶模式（Twist Nematic LC mode），到目前大量生产的垂直配向液晶模式（Vertical alignment LC mode），已将近半个世纪，由于液晶显示元件具有轻、薄等优点，相关的产品如手机萤幕、笔记型电脑、电脑萤幕、液晶电视等已被大量地研究及开发并成功地导入量产。随着对显示器影像品质的需求不断地提升，在液晶材料、电路设计及趋动方式上，相较于过去已有长足的进步。然而，扭转向列型液晶因为反应速度太慢，使其在播放快速的动态画面时，会有影像模糊的现象，再加上彩色滤光片的使用，导致背光使用效率过低，于是发展快速反应的液晶材料搭配色序法技术[1-2]，将可能是一种解决问题的方法。

　　液晶材料在液晶盒内的反应速度，由过去约100多毫秒（ms），经过不断地改进，已可降到今日10 ms以下的反应速度，此反应速度相较于过去，已有相当大的进步。由于TN型的液晶其反应速度是与relaxation time （t0）成正比：

　　其中γ1为旋转黏滞系数（rotational viscosity），d为液晶盒间隙（cell gap），K为液晶弹性常数（elastic constant）。由上述公式（1）可得知，加快液晶反应速度直接的方式，便是降低液晶盒间隙d，如此便可以大大地加快液晶反应速度。然而，为了要达到的暗态，液晶盒间隙必须配合液晶材料的双折射系数（Dn）设计，因此降低液晶盒间隙便须要搭配较高Dn的液晶材料。但使用高Dn的液晶材料，将无可避免的面临色偏（color shift）问题，在只考虑液晶本质的反应速度，本文将着重于介绍目前几种有可能达到3 ms甚至可达1 ms以下的反应速度之液晶模态。

　　光学补偿弯曲液晶模式Optically Compensated Bend （OCB） Mode

　　快速反应的向列型液晶（nematic liquid crystals）元件，代表性的就是p （pi） cell （p-液晶盒） [3]，或是后来改良的光学补偿弯曲液晶模式（Optically Compensated Bend Mode，OCB Mode） [4]。p cell是由美国肯特州立大学（Ken State University） Dr. Philip J. Bos首先在1983年所提出的结构，p cell在原始文献的意义，在表达液晶分子在上下基板表面的分子长轴之相位差为180度（p），有别于当时90度（p/2）的twist nematic （TN）液晶盒。后来也有人延伸其分子排列的状态，如同一横躺的希腊字母p，来解释p cell。虽然在弯曲态（bend mode）下发现有快速反应的特性，然而由于较大的液晶盒间隙，其元件应用受到过大驱动电压的限制，无法在TFT主动驱动元件的条件下操作。一直到1993年，日本东北大学内田研究室（Dr. Uchida）利用相同的结构，加上双光轴之补偿膜（ Biaxial Retardation Film），并且降低液晶盒间隙，提出称之光学补偿弯曲液晶模式（OCB Mode），此改良结构使得驱动电压大幅降到7伏以下，使得OCB mode可以在TFT的主动驱动元件条件下操作。OCB Mode构成如图一[5, 6]，其内部液晶排列方向如图二所示。在外加电压使内部液晶达到弯曲态时，上下玻璃基板表面的液晶分子平行排列，但内层的液晶分子不会扭曲，只是在一个平面内弯曲排列，而在弯曲态中，液晶分子分布呈上下对称，加上光学补偿膜后，此模式能克服视角受到液晶分子倾斜造成光学特性变化的影响，因此OCB Mode有着广视角的优点。

　　另外，因为OCB Mode内液晶分子只是在一个平面内弯曲排列，和TN型的液晶不同，OCB Mode在操作过程中并不需要克服因改变扭曲排列而造成的回流现象（Backflow）所引起的延滞，尤其是从外加电场状态转变到无电场状态的松弛过程更明显。故在OCB Mode操作下，反应速率约1~ 10 ms，比TN型液晶（50 ms）及人眼视觉反应（约20 ms）还快。

　　由于OCB有快速反应速度以及广视角的优点，因此具有高发展性，但OCB Mode的操作必须在弯曲态（bend mode），因此液晶分子必需先转至所需要的模式下才能操作。图二所示为一般OCB液晶盒的结构，液晶分子被夹在二片玻璃基板中间，而玻璃基板的内侧面会镀上一层透明导电层氧化铟锡（Indium Tin Oxide，ITO）做为电极，并在电极上均匀涂布聚亚酰（Polyimide，PI）做为配向膜，而配向方向为平行配向。

　　在未加电压时，液晶分子排列方向会顺着配向方向呈现展开的状态，因此称之为Splay态，也可叫做斜展态。而在外加一个大于临界电压（Vc）的电压后，液晶分子受到外加电场影响，原本在液晶盒中间平行于上下基板的液晶分子会向上基板或下基板移动，而形成一个不对称的情形，称为Asymmetric Splay态，在这个状态下液晶分子是不稳定的，若在此时将电压归零，则分子会马上回到对称的斜展态。若持续加电压，液晶分子会倾向自由能较低的弯曲态排列情形，但弯曲态和斜展态在局部解剖（Topology）上并不相似，在转换时需要经过成核现象（Nucleation）来达成，液晶分子若是有部份转弯曲态，就可变成液晶盒内的转态，其他液晶分子就会顺着转态而逐渐转变成弯曲态，使得弯曲态的面积逐渐延伸，直到全部的液晶分子都转至弯曲态，这个过程需要较长的时间。但若是一直无法形成转态，则液晶分子就很有可能无法转态至弯曲态。而当液晶分子转至弯曲态后，在外加电压小于临界电压时，弯曲态的液晶分子会瞬间转到180度的扭转态（Twist），再藉由成核现象转回斜展态。[7-8]

　　由上述可知，转态至可操作态之弯曲态需要经过成核现象，造成成核现象必须用较大的电压（约20V的overdrive）和较长时间（数分钟甚至一小时）才能转态完全[9]，因此，许多相关的研究已投入并发展出相对应的技术来克服这项缺点。在这些解决方案中，可以以有无掺杂对掌性分子（chiral dopant）作为区分。

　　有掺杂对掌性分子

　　1. 在液晶内掺杂入具有对掌性的分子结构，令OCB Mode的液晶分子在没有外加电压时为呈现180度的扭转型，而没有斜展型。因为在研究中发现，扭转型要转变为弯曲型比斜展型要转变为弯曲型还来得快。而这种模式的OCB称为Chiral-Doped OCB（C-OCB） [10-11]。

　　2. 利用细缝或是突起物，再加入掺杂对掌性分子，形成双域弯曲态（Dual-Domain Bend Mode，DDB Mode），可加速转态也可增加视角[12, 13]。

　　没有掺杂对掌性分子

　　而在没有掺杂对掌性分子时，主要做法是使液晶分子内产生一个弯曲，接着因为成核现象，便可以快速转态。其方法有很多种。

　　1. 利用缺陷形成弯曲，如间隙物（spacer） [6]。

　　2. 利用高分子墙：在液晶内掺入可照光聚合的物质，外加电压使其达到弯曲态后令部份混合物照光而让内部的分子聚合，如此一来有照光的部份液晶分子会受到照光后聚合的分子影响，而排列成弯曲态，如此一来就形成弯曲，有照光的部份在没有外加电压时依然成弯曲态，可以加速其他没有照光的部份的转态[14]。

　　3. 利用预倾角不同来形成弯曲：在研究中发现，在较高的预倾角区域，不需要外加电压液晶分子就会排列成弯曲态，因为此时弯曲态所具有的自由能比斜展态还要低 [15]。而形成区域高预倾角的方法有很多种，有利用离子束（ion-beam） [16]，也有利用将二种不同预倾角的配向膜材料混合而形成有奈米结构的配向层来达成弯曲[17]，或是在部份区域的单面基板上做成垂直配向，形成部份区域的HAN（Hybrid-Aligned-Nematic）结构，做为弯曲以加快转态速度。

　　OCB变形

　　由于OCB分子排列的方式，上下对称于中心平面；若是在中心平面的位置上，放置反射式镜面或金属电极如图三[19]，当外在环境光入射进这样的结构时，光线在遇到金属电极后，随即被反射，因此光线所走过的光路径，相当于两倍的液晶膜厚，类似于一个完整的OCB的路径，这样的结构被称作Hybrid Aligned Nematic Cell，简称HAN-Cell，或称为Reflective OCB Cell（反射式OCB Cell），简称R-OCB Cell；这样的结构操作电压比一般的OCB Cell电压低（约2-3V），并且由于液晶膜厚为一般OCB结构的一半，所以反应速度也较快，在制程方面，金属电极不需要配向层，另外只需要一片Polarizer（偏振片），利用环境光当作光源，不需要背光系统，结构本具有轻薄短小的特色，非常适用在可携式的显示资讯系统。

　　铁电型液晶简介

　　铁电型液晶（ferroelectric liquid crystal，FLC）的概念早于西元1974年被Robert Meyer所发现提出，并探讨其对掌性（chirality）与极性（polarity）之关系[20]。但由于当时并无适合的液晶材料，在初期很少有相关研究，一直到MOEBA铁电型液晶被合成后铁电型液晶才开始被大家广为研究。在smectic C液晶态，液晶分子以smectic layer为分界形成层状排列，并于smectic layer法线方向（k）倾斜q角，方位角j，如图三[21]。而铁电型液晶（chiral smectic C phase）为扭转的smectic C结构，而分子扭转360o的距离称之为螺距（pitch），如图四（a）所示，由于分子本身的不对称性，其对掌中心（chiral center）与偶极（dipoles）因偶合作用产生极化场，其极化方向垂直于倾斜角之平面称之为自发性极化（spontaneous polarization），此参数影响铁电型液晶的光电响应，反应速度等特性[22]。西元1980年Clark与Lagerwall等人首先提出表面稳定铁电型液晶（surface-stabilized ferroelectric liquid crystal）在显示元件上的应用[23]。其必要条件为铁电型液晶之螺距需远大于液晶盒之间隙，藉由液晶盒间隙小于2mm的物理限制，使得原本扭转的分子堆叠结构被抑制，导致铁电型液晶分子顺着配向方向排列，如图四（b）。与nematic材料不同的是，当施加电场铁电型液晶驱动时，其自发性极化方向将顺着电场方向在同一平面偏转，但液晶分子运动方向为圆锥（cone）状的模式。

　　铁电型液晶优点

　　铁电型液晶显示器的优点就是其快速反应。1 ms以下的反应速度足足比传统TN型显示器快了十倍以上，并因其于平面上的运动，和IPS（in-plane switching）技术相同，拥有广视角的优点。再者，由于配向膜与液晶分子间的锚定能（anchoring energy）以及自发性极化的影响，铁电型液晶可稳定于亮态或暗态，即使将外加电场移除，此现象称之为双稳态（bistability）。此双稳态之特性提供铁电型液晶于静态显示器的应用如，e-paper、电子看板等，由于只需在改变画面时驱动而拥有省电的优势。

　　铁电型液晶缺点及其未来发展

　　虽然铁电型液晶拥有快速反应等优点，但在材料、配向以及制程上的问题限制了它的发展，以致于至今仍没有量产的商品。于材料上，光电响应对于温度的稳定性不足限制了显示器的工作温度范围。再者，磁滞现象（如图五）与双稳态的特性使其不易达到灰阶。铁电型液晶由于不同的山形袖章结构（chevron layer structures）造成排列上的缺陷如锯齿状缺陷（zigzag defect）或条状排列缺陷（stripe domains）如图六，因而产生漏光降低了显示器的对比。于大尺寸面板制程中，要良好的控制整个液晶盒间隙皆在2mm以内是不易的，要达到商品的量产必先解决制程上的困难。

　　在灰阶的解决方法中，除了spatial dither technique及temporal dither technique [22]外，聚合稳定铁电型液晶[25] （polymer-stabilized ferroelectric liquid crystal）亦是研究的方法之一。于铁电型液晶掺杂聚合物使其没有双稳态的特性，进而得到连续的灰阶，并可让排列良好及提高反应速度。为了解决配向的问题，相关的研究如配向膜表面处理[26, 27]或在annealing时外加电场、磁场[28, 29]的方式皆有利于液晶的排列。本实验室于液晶材料及配向膜两方面着手，成功地改善铁电型液晶之排列，达到mono-domain、低驱动电压（Vsat.=4.5V）、具灰阶能力并对比度达750之铁电型液晶[30]。

　　反铁电型液晶

　　反铁电型液晶（antiferroelectric liquid crystals，以下简称AFLC）与铁电型液晶（FLC）一样具有自发性极化（spontaneous polarization），故此类型材料刚出现时被误认为FLC，直到1989年，Chandani[31]等人在MHPOBC上观察到三稳态（tristable state），且发现AFLC相较于FLC对于斜向入射的光具有选择性反射特性，因此证实了AFLC的存在；相同于FLC，由于AFLC分子具有自发性极化，故在施加电场时，其反应速度会较传统TN液晶快，其快速反应可应用在Field Sequential Display上。

　　AFLC与FLC差异，可以从下面分子结构先看起，从图一可看出FLC的分子会沿着以某固定轴形成圆锥（cone）表面旋转，而其Ps与Cone的曲面和分子垂直，当沿着轴观察到的分子旋转360度（2p）的长度，称为FLC的一个Pitch。在图七，可明显看出AFLC分子与FLC分子相似，但在相邻近两层中，分子方向会有p的差异（Ps正负符号相反），而相间一层的分子会依循FLC的方式排列，故AFLC的Pitch是依照相隔的分子旋转2p的长度来决定的，所以图一中的1/4 Pitch长度乃是依据相间隔分子来判断，而AFLC之Ps方向判断则与FLC相同。

　　再进一步说明AFLC在显示器应用上工作原理前，要先知道AFLC制造结构必须与表面稳定铁电型液晶（SSFLC）相同，也就是需要做成表面稳定反铁电型液晶（SSAFLC）的型态，图九为SSAFLC的示意图。

　　除了在Pitch判断有所不同外，AFLC除了具有相似FLC的双稳态外，还有另外一个稳态，就是前述的三稳态特性，因此可以应用在显示器上，图十（a）电压等于零时为暗态（dark state），AFLC相邻分子Ps方向与前述相同，在施加电压后（V>Vth或V<-Vth），液晶分子排列与Ps会朝向同一方向，这与FLC的双稳态状况是相同的；而由于液晶分子排列的改变使光轴（optic axis；OA）跟着改变，使光可通过上下两片偏振片，而产生亮态（bright state）；图十（b）则是AFLC的V-T图（Voltage-Transmission），在施加电压大于Vth或-Vth时，穿透率会剧烈上升并且达到饱和，而当移除或降低电压且高于Vh（holding voltage），会有迟滞现象，穿透率并无较大改变，这也就是AFLC的记忆效果（memory effect），AFLC的迟滞特性使得其非常适合应用在被动矩阵驱动（Passive-Matrix Driving）的显示器上。

　　虽然AFLC早在1989年就出现，之后陆续也有许多材料被合成研究，但是迟迟未能大量制造应用在显示器产品上，主要问题在于“前置转态效应”（Pretransitional Effect）的存在，所谓“前置转态效应”就是AFLC的分子在施加电场未达到蔽障电压（Vth），有些分子会随着施加电压增加而产生浮动，造成液晶排列些微变动，而使在暗态的光轴改变，造成漏光的现象，使得AFLC显示器的对比（Contrast Ratio）一直无法有效提升，直到2001年由Langerwall [33]等人提出Orthoconic Antiferroelectric Liquid Crystals（OAFLC）概念，加上Dabrowaski [34]等人合成一系列的OAFLC材料才解决这个问题。

　　Lagerwall指出OAFLC主要是透过混合出Cone Angle = 45飢鲣虒悃MMPE，由于可见光波长在450~650nm，而OAFLC材料的Layer Space约在30~40禳A对光来说极小，故可以将毗邻两层分子所产生的Dielectric Tensor视为单一来看；若是以单层来看，当光通过AFLC时，其所看到的dielectric tensor会如同方程式（2）所示，其中q为AFLC的圆锥角（cone Angle）。

　　若是同时两层分子视为单一来看时，会发现影响通过AFLC可见光的Dielectric Tensor会有如方程式（3）的关系

　　若AFLC的q=45陛A则会形成negative uniaxial，此时OAFLC 液晶光轴会平行于入射光，因此当上下两片偏光片正交（cross）时，并不会有光线通过，达成相当完美的暗态；但当施加电场时，会使得分子朝同一方向排列，此时光轴会是双轴，通过液晶层的光会有相位改变，而成为亮态，图四为SSOAFLC光轴示意图。

　　虽然OAFLC材料解决了“前置转态效应”的问题，大幅改善了AFLC对比，但由于其黏滞性太高，使得驱动电压远高于向列型液晶（驱动电压约18伏特以上），而且需要极小的cell gap（<1.6mm）制作SSOAFLC，这样的制程条件使其在量产上和应用上面临问题。未来若能改善cell gap制程及驱动电压过大等问题，将可运用AFLC之快速反应速度及其三稳态及迟滞V-T曲线于被动矩阵驱动的液晶显示器上。

　　结论

　　新型液晶材料不断地开发，除了挑战有机合成上的新技术，或探讨新型液晶态的相变化，此外解决显示技术如影像之不连续及残影、以及因应色序法技术（field sequential color display）[1, 2, 24]等所需快速反应液晶材料，更是未来重点。上述几种快速反应之液晶模态，皆有本质上的优点与缺点，使得研究快速反应液晶成为必要且具有挑战性的课题。未来若要有效的提升影像品质，并将研究实现于液晶显示器内，除了在液晶材料上着手，更需要在制程、画素设计与驱动方式上，进行整体并跨领域的研究改善。

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