电子行业液晶物理学及其应用 页

1、液晶物理學及其應用林啟湟中山大學物理系11.Introduction to Liquid Crystals (LCs)2.Optical Properties of Liquid Crystals3.Survey of LCDs:4.Jones Calculus: Matrix Representation of Polarization5.Optical Transmission of LC cells6.Brightness Enhancement of LCDs7.Aligments of Liquid Crystals8.TFT-LCDs,color filters, and Cell

2、 Assembly9.Fast response LCs10.Wide-Viewing Angle11.Backlighting12 Color Vision課程大綱2Chapter 1Introduction to Liquid Crystals (LCs)3 DISPLAY ISSUESViewabilityWide-angleContrastBrightnessReflectivity(sunlight readable)Power ConsumptionCost of Drive ElectronicsSize and WeightAddressing Time (Video rate

3、 not always required)Color/Black-on-WhiteManufacturability and Reliability4 MARKETSConsumerTV, movie, etcTransportationAviation Automotive , Passenger entertainmentBusiness ApplicationVideoconferencingAutomated TellerPagersIndustrial ApplicationsProcess controlAnalytical EquipmentMedical Technology

4、Computer Application Viewer ApplicationElectronic booksElectronic newspaperDocument viewers5History of the Taiwan FPD IndustryEmbryo Period (19761986): TN-LCD and STN-LCM-1976: TN-LCD assembly technology transferred from Hughes-1980: STN-LCD back-end assembly factories set up by Japanese companies-E

5、xport-oriented module assemblyIncubation Period (19871997): STN-LCD, small and medium-size TFT-LCD-1987: ERSO/ITRI started to R&D in TFT-LCD technologies-1992: First -TFT LCD pilot line set up in ERSO for experimental production-Governmental support enticed overseas brain-drain Thriving Period (1998

6、 ): -Mass production tech. transferred from Japan, venture capital-New technologies, such as LTPS-TFT LCDs, OLED and LCOS, probed.Market incentives, government support, superior human resources,international collaboration, plentiful capitalDrivingForces62004年我國大型TFT產值比較2004年全球大型TFT產值約346億美元，而我國產值較前一

7、年成長67%，估計佔全球比重約38%，僅次於韓國45%；另外，日本約佔17%，排名第三(圖一)。72004年我國中小型TFT產值比較 2004年全球中小型TFT產值約102億美元，而我國產值較前一年成長140%，估計佔全球比重約12%，次於日本78%，而韓國約佔10%，排名第三。 89我國20042005年平面顯示產業產值分佈表一 我國2004年平面顯示產業產值分佈 10我國大型TFT廠商營利表現比較 11韓國大型TFT廠商營利表現比較 12Aim to make Taiwan the worlds largest supplier of TFT-LCD panels.Build Taiwan

8、 into the worlds most important center for color imaging device R&D and manufacturing.Attain production value of at least NT$1.37 trillion for the color imaging industry in 2006.Reach at least NT$350 billion in private-sector investment over the next five years.Prospect of Taiwan FPD Industry13 LCD結

9、構圖Or 3M DEBF1415 Basic Concept 液晶簡介16 物質的相變17何謂液晶? 對於一般常見的物質由結晶狀的固體(Crystalline Solid)相變為各向同性的液體(Isotropic Liquid)，通常是經由單一過程的相變。但有很多有機物由結晶固體到各向同性液體間卻需要經過多個步驟的相變。因此必定存在一個或多個介於結晶固體與各向同性液體間的中間相(Mesophases)。由於這些中間相的分子次序是介於結晶固體與各向同性液體間，所以這些相的力學、光學性質和對稱性也介於結晶固體與液體之間。 到目前為止，已被發現的這些中間相大致可被區分成兩大類別:Disordered

10、 Crystal Mesophases: 一般稱之為塑性晶體 (Plastic Crystals)。其分子形狀常為圓球狀(Globular)，故易形成分子位置有次序性，但方向無次序性的相。因其分子位置仍保留三維晶格排列，故不具流動性。 (1)18Ordered Fluid Mesophases: 通常稱為液態晶體(Liquid Crystals)簡稱液晶。由於此相常由長條狀(Rod-like)或圓盤狀(Dise-like)的分子所組成。故易形成一分子重心位置無次序性，但方向有次序性的相。由於此相分子重心位置不受限於晶格位置無序，故具有一定程度的流動性。 (2) 由上述可知，這些中間相的分子形狀

11、是決定其物性的重要因素。在此我們僅對本課程相關的液晶作更進一步地介紹。結晶固體溶解:晶格位子, 方向 在此我們僅對本課程相關的液晶作更進一步地介紹。 19中間相(Mesophases) Disordered Crystal Mesophases塑性晶體 Ordered Fluid Mesophases 液態晶體 圓球狀 長條狀、圓盤狀 位置有序，方向無序 位置無序，方向有序 晶格排列，不具流動性 位置無序，有流動性 結晶狀的固體(Crystalline Solid) 各向同性的液體(Isotropic Liquid) 20液晶的分類 1) Thermotropic (熱致液晶) 2) Lyot

12、ropic (溶致液晶)因溫度的改變而產生相變 因溶於溶劑中濃度比例的改變而產生相變 a) 長條狀 b) 圓盤狀 1. Nematics (向列相)2. Cholesterics (膽固醇相)3. Smectics (近晶相) 1. Columnar 2. Nematic 以產生相變之原因來區分LCDs:Thermotropic (熱致液晶)分子形狀排列方式21:LCDs22液晶以分子形狀分類23Types of Low Molecular Weight Liquid Crystal MaterialsLyotropic Liquid Crystals (溶致液晶)form liquid cr

13、ystal phases over certain concentrationranges when mixed with a solvent24Thermotropic Liquid Crystal(熱致液晶)- (Used for LCDs)molecules consisting for a rigid core and flexible tail(s) )-form liquid crystal phase over certain temperature ranges254. 分子排列之有序性溶液26Melting of a SolidDirector axis27Nematic 液

14、晶Nematic 液晶特性: (a) 分子的重心位置沒有次序性。(b) 分子的排列方向存在一定程度的次序性，分子傾向平行於某個共同的方向去排列，如圖所示，我們定義這個方向為Director (Director Axis)以 n 表示。 (c) Director n 與 n 的狀態是不可區分的。 長條狀之Nematic相液晶的分子排列。nLCD用液晶28Cholesteric 液晶 將Chiral溶解在Nematic相液晶中，原來的Nematic液晶結構會出現螺旋畸變。我們將這種螺旋的Nematic相稱為Cholesteric相。 Cholesteric 相液晶的分子排列。Lnnnnxyzqo

15、0 表液晶分子為右旋排列，qo 1013 ohm-cm(TFT) 37高度幾何異向性(長條狀或圓盤狀)分子形狀分子排列秩序性物理性質非均向性介電係數磁導率折射率黏滯係數 由於液晶分子之形狀具有高度幾何異向性長條狀或圓盤狀，導致其分子之排列方向具有秩序性，此一異於各向同性(isotropic)液體的特性亦表現在電性、磁性、光學及力學等各方面。當量測其介電係數(dielectric constant)、磁導率(magnetic susceptibility)、折射率(refractive index)及黏滯係數(viscosity)等時，將因液晶分子排列方向不同而有所差異。 液晶之非均向性(Ani

16、sotropic)38Dielectric constant 之非均向性Electric displacement :即故 與 分別代表外加電場 E 之方向垂直與平行於液晶導軸時之dielectric constant 。而 為液晶之重要參數，其值可 正 可 負。端視液晶分子之永久偶極矩及誘導偶極矩性質而定。39外加電場對 nematic 相的影響 對一 nematic 相液晶外加一電場 E，其相應的電位移 D 為 此時電場對系統之能量貢獻(每 cm3)可寫40液晶之介電異向性液晶之介電常數值越大產生的induce dipole越大介電異向性決定LC之轉動41(=|-) 0 (=|-) +-+

17、-|EE42 介電係數與溫度之關係5CB之介電係數與溫度之關係曲線。 43 The Order Parameter*Solid =0 S=1Isotropic phase orientation is random =1/3 S=044連續彈性體理論 通常在液晶中之導軸n是隨位置而變化的。此變化在微觀尺度上十分微小，而液晶無論是受到表面配向或外加力場之作用而導致液晶分子排列方式的任何形變，均可以如下之三種基本形變來探討其物理現象。11Splay, KBend, K33Twist, K22其中: K11、K22、K33分別為Splay、Twist、Bend形變之彈性係數(elastic cons

18、tant) 液晶之連續彈性體理論，僅對彈性能量考量及假設所有秩序參數S為常數。此假設於方向或位置秩序有缺陷(defect)之區域即不成立。彈性常數K33K11K2245 Creating Deformation with a Field and Surface46液晶形變自由能密度總自由能F = Fd + Fs + Fext液晶連續體理論fd=彈性自由能介面作用自由能外場作用自由能外場作用自由能密度電能磁能光能求總自由能F之最小值可得到外場下LC之排列狀態47Free energy density :Torque density Nematic (K11=K33=K10-11 N) and d

19、=10 mFor steel : shear modules=108 N/m2Deformation Torque48Rotation viscosity 1(轉動粘滯係數)1LC分子1 代表液晶分子轉動的難易度1越小LC反應越快Response time 正比於 “LC黏度“和“cell gap平方”0之LC其粘滯係數較小 49 許多影響LCD性能之物理參數與秩序參數S間有著密切之相關性，如下所示:Example: 當TN cell之溫度上升時，其臨界電壓Vth 如何變化? Nomenclature Parameter ()Elastic ConstantKii S2Birefringenc

20、eDn SDielectric AnisotropyDe SMagnetic Anisotropy Dc SViscosity AnisotropyDh Sproportional to各物理參數與秩序參數S之相關性因故溫度上升時，其臨界電壓Vth 應下降。50Thermal PropertiesPhase Transition :Isotropic-Nematic:Weakly first order (latent heat of transition )(heat of transition)N-I= 1 kcal/mole(heat of transition) ice-water=1

21、.4 kcal/moleNematic-Smectic: First or second orderNematic-Smectic C : First order Smectic A Smectic C : Second OrderTemp51Techniques for Identifying Liquid Crystal PhasePolarizing Microscope and Heating StageChange in appearances with temperatureDifferential Scanning Calorimetry (DSC)Monitor energy

22、required for phase transitonX-ray CrystallographyStructure of phase determined by x-ray scattering pattern52Polarizing Microscopy and Heating StageSample PreparationSmall amount of sample placed on a microscopic slide with cover slipSubstrate surface may be treated to control alignmentSubstrates may be mechanically sheered to contr