液晶显示原理.doc

液晶的發現液晶的發現可回溯到1888年，當時奧地利植物學者Reinitzer在加熱安息香酸膽石醇時，意外發現異常的融解現象。因為此物質雖在145 融解，卻呈現混濁的糊狀，達179 時突然成為透明的潺潺液體;若從高溫往下降溫的過程觀察，在179 突然成為糊狀液體，超過145 時成為固體的結晶。其後由德國物理學者Lehmann1利用偏光顯微鏡觀察此安息香酸膽石醇的混濁狀態 ，證實是一種具有組織方位性的液體(crystalline liquid)，至此才正式確認液晶的存在， 並開始了液晶的研究。 液晶以凝集構造的不同分類液晶以凝集構造的不同可分成三種： 1. 向列型頁: 1(nematic)液晶液晶分子大致以長軸方向平行配到，因此具有一度空間的規則性排列。此類型液晶的黏度小，應答速度快，是最早被應用的液晶，普遍的使用於液晶電視、膝上型電腦以及各類型顯示元件上。2. 層列型(smectic)液晶具有二度空間的層狀規則性排列，各層間則有一度的順向排列。一般而言，此類分子的黏度大，印加電場的應答速度慢，比較少應用於顯示器上，多用於光記憶材料的發展上。3. 膽固醇型(cholesteric)液晶此類型液晶是由多層向列型液晶堆積所形成，為nematic液晶的一種，也可以稱為旋光性的nematic液晶(chiralnematic;n*)，因分子具有非對稱碳中心，所以分子的排列呈螺旋平面狀的排列，面與面之間為互相平行，而分子在各個平面上為nematic。液晶的排列方式，但是各個面上的分子長軸方向不同，即兩個平面上的分子長軸方向夾著一個角度；當兩個平面上的分子長軸方向相同時，這兩平面之間的距離稱為一個pitch。cholesteric液晶pitch的長度會隨著溫度的不同而改變，因此會產生不同波長的選擇性反射，產生不同的顏色變化，故常應用於溫度感測器。 液晶的應用與發展美國R.C.A於1968年5月28日發表以液晶為材料的新型錶裝置，不僅開啟液晶在商業實用上的先例，當時其發表聲明更震驚社會；這完全是革命性的產物，固然可用作電子錶、汽車儀表板顯示幕，不久也可製造袖珍型電視機，將使電子產業變成全新的型態。事實上，由於液晶具有誘電與光學的異方性，同時具備良好的分子配向與流動特性，當受到光、熱、電場、磁場等外界刺激時，分子的配列容易發生變化，造成液晶材料明暗對比的改變或顯現出其它特殊的電氣光學效果，若作成顯示器，將擁有質量輕容易攜帶、體積小不佔空間等優勢，而且消耗的能量也比較低。因此，近幾年來，液晶材料儼然成為各種攜帶型電子及資訊產品中不可或缺的顯示媒體，不只廣泛應用於電子錶、計算機及汽車儀表板的顯示器上，更被使用於超薄型電視機的顯示材料，如TN(twinsted nematic)及STN(super twinsted nematic )型液晶顯示器。其它如攜帶型個人電腦、投影機旳光閘元件、影印機的記憶元件，甚或用作纖維補強材料作成工程塑膠等等，在在顯示了液晶材料應用上的普遍與重要性。 顯示器光閘元件材料的新寵兒-強誘電性液晶強誘電性液晶的化學結構 何謂強誘電性液晶？具有自發分極，且由於外部電場之外加，自發分極之指向會跟隨反轉者，液晶材料中具有上述的特性者，我們稱之為強誘電性液晶(Ferroelectric Liquid Crystal；FLC)。液晶要具有強誘電性的必要條件如下：1. 有傾斜角(tilt)之層列(smectic)液晶相。2. 液晶分子的末端基含有不對稱碳中心之光學活性(chiral)分子，但此分子不可生成外消旋體。 3. 液晶分子在垂直於分子長軸方向上具有偶極矩。 當含有旋光(chiral)基團的液晶分子在形成傾斜的層列相時，其單一分子層內的分子排列屬於單斜的結構(monoclinic)時，各液晶分子偶極在對稱性較低時，極化方向不可抵消，偶極均指向同一方向，產生一強烈的自發極化值；所以強誘電性液晶也稱為具有旋光性的smectic C液晶(Chiral Smectic C；SmC*)。強誘電性液晶的化學結構與一般液晶分子的不同點，在於強誘電性液晶的末端官能基具有不對稱碳中心(chiral center)，因此強誘電性液晶具有旋光性與自發分極。末端基若具有不對稱碳中心，液晶將成為強誘電型液晶，不對稱碳中心將會加快應答時間，而不對稱碳中心的極性(polarization)，旋轉黏度(rotation viscosity)和印加電場的強度，是影響強誘電型液晶的應答速度的重要因數。Ps值與分子構造之相關性：1. 在不對稱碳中心，或其周邊位置，使垂直於分子長軸方向上具有大的偶極矩時，則Ps值亦會增大。（例A B，D E，H，I，G）。 2. 使偶極矩接近不對稱碳中心位置，並使偶極矩支配向秩序度提高，則Ps值亦會增大（例A C，D，F）。 3. 使不對稱碳中心極偶極矩接近中央基，則可使偶極矩之配向秩序度提高，並使Ps值增大（例G，H，I）。 4. 比不對稱碳中心至中央基更遠之末端部位具長鏈時，則Ps值將會增大（例F，G）。 5. 不對稱碳中心周圍具有複數個偶極矩時，若當配置使此複數個偶極矩可互相加成時，則Ps值會增大（例F G，D）。 強誘電性液晶的分子排列是呈螺旋的層狀排列，當兩層分子呈現相同的傾斜排列方式時，他們之間的距離稱為一個pitch。但是當強誘電性液晶夾在兩片間隙小於一個pitch的導電性玻璃之間時，因為分子的排列受到限制而無法形成螺旋的層狀排列，而且當去掉外加電場，分子下會回復外加電場之前的排列狀態。也就是說強誘電性液晶會保持外加電場時的分子排列方式，當強誘電性液晶具有此種特性時，我們稱其為表面雙安定強誘電性液晶( Surface Stabilized Ferroelectric Liquid Crystal;SSFLC )。這種表面雙安定強誘電性液晶的結構是由Clark和Lagerlwall在1980年所提出的3，大大的提昇低分子強誘電性液晶的應用價值，成為新一代的顯示器光閘元件材料的新寵，是目前研究的焦點。儘管強誘電性液晶貝有高應答速度、高解析度以及大視角等優點，但仍有其缺點，即低分子液晶在應用時必須充填在只有數微米間隙的導電性玻璃內，製作程序複雜且無法大面積化，是目前極需突破的問題。而側鏈高分子液晶同時具有低分子液晶的電氣光學效果以及高分子易加工成型的特性，可彎曲而不失顯示功能，足以作為大面積顯示器及光記憶體材料。但是高分子的黏度大、不易趨動、應答速度慢等卻是亟需克服的難題。因此如何提高側鏈高分子液晶的應答速度成為目前研究的主流。液晶元件與製造流程液晶顯示器元件分解如圖一, 圖二, 圖三圖三液晶的製造流程簡述如下： 液晶顯示器的分類液晶特有的光電特性，可用來做為顯示用途，而目前市面上量產的顯示器主要可分成三種，即型、型及型三種，以下分別加以說明：一型 頁: 9(Twisted Nematic)：TN型液晶顯示器的基本構造為上下兩片導電玻璃基板，其間注入 nematic向列型的液晶，上下基板外側各加上一片偏光板，另外並在導電膜上塗佈一層摩擦過形成極細溝紋的配向膜，由於液晶分子擁有液體的流動特性，很容易順著溝紋方向排列，當液晶填入上下基板溝紋方向，以90度垂直配置的內部，接近基板溝紋的束縛力較大，液晶分子會沿著上下基板溝紋方向排列，中間部份的液晶分子束縛力較小，會形成扭轉排列，因為使用的液晶是nematic向列型的液晶，且液晶分子扭轉90度，故稱為TN型。若不施加電壓，則進入液晶元件的光會隨著液晶分子扭轉方向前進，因上下兩片偏光板和配向膜同向，故光可通過形成亮的狀態；相反地，若施加電壓時，液晶分子朝施加電場方式排列，垂直於配向膜配列(homogeneous)，則光無法通過第第二片偏光板，形成暗的狀態(如圖)，以此種亮暗交替的方式可做為顯示用途。二型(Super Twisted Nematic)：型液晶顯示器在早期電子錶上使用甚多，但其最大缺點為光應答速度較慢，容易形成殘影，因此後期發展出新一代的液晶顯示器-型。所謂顯示元件，其基本工作原理和型的工作原理大致相同，不同的是在液晶分子的配向處理和扭曲角度。顯示元件必須預做配向處理，使液晶分子與基板表面的初期傾斜角(Pretilt angle)增加，此外，顯示元件所使用的nematic液晶中加入微量膽石醇（cholesteric）液晶使向列型液晶可以旋轉角度為80270度，約為TN 的23倍，故稱為super twisted nematic型，TN與STN的比較如附圖一及附圖二。型液晶由於應答速度較快，且可加上濾光片等方式使顯示器除了明暗變化以外，亦有顏色變化，形成彩色顯示器，其應用如早期筆記形電腦