液晶材料及液晶显示器简介

液晶材料及液晶顯示器簡介

傅永貴教授兼系主任/所長成功大學物理系/光電所E-mail:andyfuh@.tw2007-01-16台中一中高中物理研習（綱要）Outlines簡介

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˙液晶簡介液晶光學性質液晶顯示器模式

LCD結構圖Or3MDEBF簡介ColorFilterAlignmentLayerBacklightConductingLayer(ITO)TwistedNematicLiquidCrystalDisplaysTFT:ThinFilmTransistor2004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)。2004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%，次於韓國78%，而日本約佔10%，排名第三。

我國大型TFT廠商營利表現比較

韓國大型TFT廠商營利表現比較

（綱要）Outlines簡介

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˙液晶簡介液晶光學性質液晶顯示器模式

物質的相變何謂液晶?

對於一般常見的物質由結晶狀的固體(CrystallineSolid)相變為各向同性的液體(IsotropicLiquid)，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:DisorderedCrystalMesophases:一般稱之為「塑性晶體」(PlasticCrystals)。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)OrderedFluidMesophases:通常稱為「液態晶體」(LiquidCrystals)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是決定其物性的重要因素。

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。中間相(Mesophases)

DisorderedCrystalMesophases「塑性晶體」

OrderedFluidMesophases

「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(CrystallineSolid)

各向同性的液體(IsotropicLiquid)

液晶的分類

1)Thermotropic(熱致液晶)2)Lyotropic(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.Nematic

(向列相)2.Cholesteric

(膽固醇相)

3.Smectic

(近晶相)1.Columnar（柱狀相）2.Nematic

以產生相變之原因來區分Thermotropic(熱致液晶)分子形狀排列方式Classificationofliquidcrystal:Basedontheirsymmetryofmoleculararrangements,liquidcrystalsaredividedintothreemajorclasses:NematicPhase(向列相)CholestericPhase(膽固醇相)

AdistortedformofthenematicphaseSmectics(近晶相)

Solid

LiquidCrystallineIsotropic

TmTNITemp.

LCmesophases

SmecticCSmecticANematicLiquidCrystals(LCs)Nematic液晶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導軸(DirectorAxis)以n

表示。(c)導軸的方向在空間中是任意的。(d)導軸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。nCholesteric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>0

表液晶分子為右旋排列，qo

<0

表液晶分子為左旋排列。

螺距(Pitch)=2Lnx=cos(qo

z+φ)ny=sin(qo

z+φ)nz=0因為n與-n是不可區分的，所以其週期等於半螺距，即L=π/|qo|

TheChiralNematicOrdinaryNematicChiralNematicpitchPCNdirectorCNn

ChiralitymirrorimagesH-C-C-C-C-CCNHHHHHHHHHHnon-chiralThemethylgrouponthe2ndcarbonatomonthealkylchainofthemoleculesextendsoutoftheplaneofthepaperandthehydrogenatomextendsintotheplaneofthepaper.Thereforethe2ndcarboncanbethoughtofasarightorlefthandedcoordinatesystemH-C-C-C-C-CCNHHHCH3HHHHHHchiral(RH)Smectic

液晶由結構上的差異Smectic液晶又可被細分成SmecticA、B、C....等共十餘種。但結構上看，所有的Smectics相都具有層狀結構，層與層之間的距離是一定的，層間距可以用X-ray繞射方法來量測。由此可見Smectics的之次序性比Nematics高。對於任何俱備此兩種相的材料而言，其Smectic相的溫度範圍總比Nematic相為低。(a)SmecticA(SmA)

dSmecticA相液晶的分子排列。

每一層內，分子位置沒有次序性。在光學上具單光軸特性，其光軸方向與層平面垂直。(b)SmecticC(SmC)

dSmecticC相液晶的分子排列。

w光學上是屬於雙光軸(OpticallyBiaxial)，其中一光軸沿液晶導軸方向，另一為垂直層面方向。

(c)SmecticC*(SmC*)

與SmecticC相似其分子導軸之方向與層面法線方向有一夾角。但相鄰之液晶層的分子導軸會沿著層面法線作緩慢之螺旋轉動，如圖所示。此結構之形成通常可由SmecticC之液晶再加入光學活性分子或chiralagent所形成。故又名為chiralsmecticC。SmecticC*

相液晶的分子排列。

d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5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(dielectricconstant)、磁導率(magneticsusceptibility)、折射率(refractiveindex)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(Anisotropic)（綱要）Outlines簡介

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˙液晶簡介液晶光學性質液晶顯示器模式

Phaseshiftinabirefringentmaterial

Δ=e-o=2πd(1/λe-1/λ0)=2πd(ne-no)/λv=2πdΔn/λvImportantparameterΔn=ne-no>0正單光軸Δn=ne-no<0負單光軸PhaseretardationE-waveO-waveTippingthedirectorbytheangleӨ

E-waveO-waveIndexEllipsoid:x2/no2+y2/no2+z2/ne2=1(Foranuniaxialcrystal:nx=ny=no,nz=

nene)

=2nd/=π/245oEzExkdITOGlassesITOGlassesExEykBirefringenceofLCz(opticalaxis)yx=x’noOnenoInclinedplane

z’y’neff()none/(no2sin2+ne2cos2)1/2=2nd/=π/2（綱要）Outlines簡介

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˙液晶簡介液晶光學性質液晶顯示器模式

LCmode?Source:SharpLCDModesSURVEYOFLIQUIDCRYSTALDISPLAYMODES

BirefringencemodeDichroicDyemodeScatteringmode▬TN,STN(PolarizationRotation)▬ECB-electricallycontrolledbirefringence(or

phaseretardation)–VA,IPS,HC,Chiral-VA▬

FLC-FerroelectricLC▬MixedmodeBirefringenceModeColorFilterAlignmentLayerBacklightConductingLayer(ITO)TwistedNematicLiquidCrystalDisplaysATwistingNematic(扭曲型LCD)NormallyBlack:P//AV=0,DarkStateNormallyWhite:P⊥AV=0,transparentStateTN-LCD作法ITO-cotaedglassAlignmentlayer(spincoating)BakingRubbibgPretilt~20避免reversetiltCellthickness?

Itdependsonthebirefringence∆nofLCFor900TN-LCDbetweentwoparallelidealpolarizers(normallyBlackmode),thetransmissionis(unpolarizedmonochromatic)

RubbingTransmissionofTNLCDs---NBmodeWhere:X2=2+2/4=2nd/

=/2(Minimumconditions)(GoochandTarry)TransmissionofTNLCDs---NWmodeWhere:=2nd/

=/2(Maximumconditions)(GoochandTarry)∆n.d=0.48m,1.09mor1.68m

選LC∆n已知

d可知6.NematicLC+少許chiralcomponent

避免reversetwist7.灌充即可TypicalcellgapforTNLCDsFirstminimumcondition:5misatypicalcellgapforfirstminimumTNLCDsTNLCDs----thresholdvoltageUsingthepreviousequations,onecanderivetheredistributionofthedirectorinaTNcellrequiresathresholdvoltagegiveby

FormostnematicmixturesformulatedforTNdisplays,Vth

istypicallyaround1V.T06080100402000.51.512.0VthV90TNLCD(NW)T-Vcurve

TNLCDs----ContrastRatio→CommonlyusedPerformanceofTN-LCDstandardproductsViewingangleneedstoimprove:willdiscussedlater(2)STN:twistingangle180o-270oSTN&TN:Twistingangle↑,E-Ocurvesharpness↑→multiplexingcapability↑,butGrayscalemoredifficultMultiplexingCapability:NumberofmultiplexinglinesNvsSelectionratioElectricallycontrollablebirefringence(ECB)(orphaseretardationmode)

VA(VerticalAlignment)LCň投影Θ=45oPerformanceofMVA-LCDFujitsuproducts

MVA:Multi-domainVA(widev