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1、第九章 液晶材料的種類、特性及其應用,參考資料：1.平面面板顯示器 基本概論 二版 顧鴻壽/周本達/陳密/張德安/樊雨心/周宜衡 編著 出版者：高立 書號：232526 發行日期：2005年8月2.顯示器原理與技術 趙中興 編著 出版者：全華 書號：03185-01 發行日期：1999,9-1 前言9-2 液晶材料的發展歷程及其種類 1.液晶材料的發展歷程 2.液晶材料的種類9-3 液晶材料的特性及其應用 1.液晶材料的特性及其測量 2.液晶材料之光電科技領域的應用 9-4 液晶材料所面臨的課題與未來的展望,*液晶平面顯示器的技術發展趨於成熟階段，而且其應用面也隨著資訊、通訊和網路技術的進步而
2、被大量地運用，例如筆記型電腦、行動電話、個人助理機和攜帶式消費性產品等。*較難實現之廣視野角、高畫質化和高速化等問題，均因新的材料、新的組合設計和新的驅動方式之發展，而實現了輕薄短小和替代性映像管監視器和電視的功能。*液晶材料(Liquid Crystal)在液晶平面顯示器的組成結構上所擔任的角色是相當地重要，雖然其種類有數萬種，但真正使用的也僅有數十多種。,9-1 前言,*液晶狀態被喻為是自然界中物質的第四狀態，而有別於固態、液態和氣態的物質三大狀態，液晶分子是一種具有光學異方向性和流動性之結晶性液體，是一種機能性材料*液晶依其分子排列方式，分為向列型(Nematic)、距列型(Smecti
3、c)、膽固醇型(Cholesteric)、圓盤型(Disotic)*若依對外在因素的影響，有溶致型的(Lyotropic)、熱致型(Thermotropic)*若依分子量來分，有低分子型和高分子型*若依溫度的因素，有互變轉換型(Enantiotropic)、單變轉換型(Monotropic)*在高分子的液晶有主鏈型和側鏈型*液晶的發現最早是在19世紀，經由多年的研究才成功的開發出液晶平面顯示器的應用,9-1 前言,附錄:,參考資料:張文固博士-平面顯示器技術,晶體：有光軸，不能隨器成形。光軸不能隨空間連續變化。液晶：有光軸，可以隨器成形。光軸可以隨空間連續變化。液體：沒有光軸，可以隨器成形。,
4、附錄:,參考資料:張文固博士-平面顯示器技術,*液晶平面顯示器基本結構以及液晶分子的角色,9-1 前言,附錄:,參考資料:,液晶的誕生來自於一項非常特殊物質的發現，早在 1850 年 Virchow,Mettenheimer 和 Valentin 這三個人就發現 nerve fibre 的粹取物中含有這種不尋常的東西。到了 1877 年德國物理學家 Otto Lehmann 運用偏極化的顯微鏡首次觀測到了液晶化的現象，但他對此一現象的成因並不瞭解。直到西元1888年，奧地利的植物學家 Friedrich Reinitzer（1857-1927）發現了螺旋性甲苯酸鹽的化合物（cholestery
5、l benzoate），確認了這種化合物在加熱時具有兩個不同溫度的熔點，在這兩個不同的溫度點中，其狀態介於一般液態與固態物質之間，類似膠狀，但在某一溫度範圍內其又具有液體和結晶雙方性質，由於其特殊的狀態。Reinitzer 後來走訪 Lehmann 深入探討這種物質的表現，其後兩人便命名這種物質為Liquid Crystal，就是液態結晶物質的意思。Reinitzer 和 Lehmann 這兩人被譽為液晶之父。,附錄:,參考資料:,同 CRT 陰極射線管一樣，液晶雖早在1888年就被發現（實際上，但是實際應用在生活周遭時，已是80年後的事了。因為液晶在兩次大戰中對軍事用途的幫助不大，以致於其發
6、展落後 CRT 甚多。比較重要的是 1922 年 Oseen 和 Zcher 這兩位科學家為液晶確立狀態變化之方程式。一直到了 1968年美國RCA公司工程師們利用液晶分子受到電壓的影響而改變其分子的排列狀態，並且可以讓入射光線產生偏轉的現象之原理，製造了世界第一臺使用液晶顯示的螢幕。由此開始，加上了1970年代日本 SONY 與 Sharp 兩家公司對液晶顯示技術全面開發與應用，讓液晶顯示器成功的融入現代的電子產品之中。,*18541889年代，德國生理學家發現自然界的Myelin物質，此是一種溶致型液晶，在適當的水份混合後，會呈現光學異方向性之有機分子集合體。*液晶材料的發現，正式於198
7、8年，將膽固醇的笨二甲酸或以酸加熱到145度時，有白濁稠狀液體，再加熱至178度，會變成透明液體，冷卻下來則有紫色、橙紅色、綠色等不同顏色變化。*1920後時期，為液晶合成的開始及分類的確定，Friedel博士將液晶分類成層列型或距列型、向列型、膽固醇型.*1960到1968年代，為液晶應用研究的蓬勃時期，博士發現動態散射模式(DSM)，而使應用朝向液晶平面顯示器*電控複折射(ECB)的動作模式於1971年提出，後來發明扭曲向列型液晶平面顯示器，應用在汽車儀表和電子錶上,9-2.1 液晶材料的發展歷程,*1973年後為液晶實用化和應用研究多樣化時期，日本的sharp和 Seiko-Epson改
8、朝向向列型液晶平面顯示器，1972年P.Brody提出主動性矩陣型模式，1980到1983年則有鐵電性液晶平面顯示器，1983到1985年發明超向列型液晶平面顯示器(STN-LCD)。*1980年日立試作低溫多晶矽薄膜電晶體液晶平面顯示器(LTPS TFT-LCD)*1990年代彩色超向列型液晶平面顯示器之筆記型電腦*1991年彩色非晶矽薄膜電晶體液晶平面顯示器之筆記型電腦*1996年低溫多晶矽薄膜電晶體液晶平面顯示器的數位相機*2000年低溫多晶矽薄膜電晶體液晶平面顯示器結合有機電激光顯示器成為新一代省電及高解析度的顯示器,9-2.1 液晶材料的發展歷程,*動態散射模式(Dynamic Sc
9、attering Mode,DSM)示意圖,9-2.1 液晶材料的發展歷程,*液晶是同時具有液體的流動性和結晶的異方向性之物質狀態*液晶材料有各種不同的種類，其配列構造之位置秩序來分類則有一因次液晶、二因次液晶、三因次液晶1.一因次液晶有碟盤狀液晶相2.二因次液晶具有層狀結構之層列型或距列型液晶相3.三因次液晶為具有方向秩序之棒狀向列型液晶相 和圓盤狀碟形向列型液晶,9-2.2 液晶材料的種類,*液晶依規則位置而有不同的分類示意圖,9-2.2 液晶材料的種類,*液晶化合物分子構造的基本條件而言，事實上它的幾何學上是非對稱性的。*液晶平面顯示器最初實用化的是1973年使用動態散射模式的電算機。具
10、有大容量功能的超向列扭曲模式(STN Mode)，則是使用有較大彈性係烯烴(Alkenyl)系化合物的液晶材料，此一類的材料廣泛使用於超向列扭曲模式液晶材料，現還有向列扭曲模式和超向列扭曲模式的液晶常用材料，為1977年後發現的基環已烷系(Phenyl-Cyclo hexane)為材料*因應畫質和表示容量的發展，在1985年成功製做出主動矩陣驅動式薄膜電晶體的小型電視，進而發展到筆記型電腦的應用,9-2.2 液晶材料的種類,*早期大部份的液晶材料需於100度左右才具有液晶性質，因而影響到其實用性，一般液晶材料合成時所需考量的重點有:1.具有光合熱的化學安定度以及使用壽命較長2.寬廣的使用溫度區
11、域，可適用於不同的低溫或者高溫的環境3.液晶的黏度值低而易產生高速響應速度4.鐵電異方向性大而適合於低電壓操作5.複折射率的變化性可有效地增加其對比性6.分子的配列性以及其秩序度高而有效的增加其對比性,9-2.2 液晶材料的種類,*向列型液晶材料(Nematic)，近年來主要開發，集中於主動式矩陣驅動的液晶平面顯示器(AM-LCD)，在AM-LCD用的液晶化合物中，其要求的特性有高的比電阻、低的粘度、正的鐵電率異方向性、高的化學和光化學的安定性，符合這些特性的材料以氟系化合物為主。*液晶化合物之分子長軸方向的氟數增加時，則其非子長軸方向的雙極子動量變低。*液晶鐵電異方向性的增加，可經由核心部結
12、構內之極性基的導入結合，以達到其粘度將降低的，但是當逆向導入時則其液晶的鐵電異方向性變小。,9-2.2 液晶材料的種類,*向列型液晶材料的代表性分子結構,9-2.2 液晶材料的種類,*代表性氟化物液晶的化學構造以及特性,9-2.2 液晶材料的種類,*距列型或層狀型液晶材料，可分為鐵電性液晶和反鐵電性鐵電性液晶(FLC)*鐵電性液晶是由Meyer於1974年發現的，然後於1979年發表表面安定化鐵電性液晶平面顯示器，鐵電性液晶是以簡單矩陣式驅動的並期待具有高響應、高解析度和大畫面的應用*Meyer認為要獲得鐵電性液晶的條件，有分子長軸和垂直方向應有永久偶極矩、無消旋體、具有向列型液晶C相。鐵電性
13、液晶在電場施加時，其響應時間與鐵電性液晶的自發極化成反比，與粘性係數成正比。*要獲得較高的響應速度，自發極化要大、粘性係數要小。*自發行極化的改善對策，是在對掌性或光學活性結構中心倒入大的永久雙偶極矩、對掌性中心置於核心結構附近，以及複數的對掌性中心導入等設計理念，大的自發極化值之達成，可經由非對稱性碳原子和永久偶極矩(Permant Dipole Moment),9-2.2 液晶材料的種類,*距列型或層列型液晶材料 的代表性分子結構,9-2.2 液晶材料的種類,*代表性鐵電性液晶的分子結構,9-2.2 液晶材料的種類,*反鐵電性液晶(AFLC)，是在電場的驅動下，由反鐵電性液晶轉換成鐵電性液
14、晶的一種物理現像。*在低分子液晶的AFLC中，核心構造的笨環和共軛之笨基結合並與非對稱性碳原子鄰接者，在非對稱性中心將CH3基結合的狀況，要比將CF3基結合來的有安定的反鐵電性，另外在高分子液晶得AFLC中，核心構造的部份連接奇數的探碳鏈，也可以獲得反鐵電性的配列。*膽固醇液晶材料不具有液晶性，但是當其氫氧基被鹵素取代成鹵素化合物，以及和碳酸或脂肪酸產生酯化反應之膽固醇衍生。膽固醇液晶材料具有特殊螺旋結構，而引發選擇性光散射、旋光性和圓偏光雙色性，可以利用膽固醇型液晶材料的外加電壓、氣體吸附和溫度等因素而引發色彩的變化,9-2.2 液晶材料的種類,*代表性反鐵電性液晶的分子結構,9-2.2 液
15、晶材料的種類,*膽固醇液晶材料的分子結構,9-2.2 液晶材料的種類,*高分子型液晶材料稱為高分子液晶，主要是因為結構為高分子骨骼結構和剛直的液晶分子基或液晶元(Mesogen)所組成，其分類有主鏈型、側鏈型和複合型的高分子結構。*高分子液晶與低分子液晶同存在有因添加溶劑，而產生液晶性的溶致型高分子液晶，以及因溫度變化而產生液晶性的熱致型高分子液晶。*高分子液晶可分為向列型液晶、距列型液晶、膽固醇液晶、碟盤型液晶。*另外還有主鏈型高分子液晶材料，是液晶分子基或液晶元連接於高分子的骨骼上;側鏈型高分子液晶材料，是液晶分子基連接於高分子主骨骼的旁邊。*主鏈型高分子液晶材料主要是應用於高性能高分子材
16、料開發，側鏈型則是用於高機能性高分子材料的應用,9-2.2 液晶材料的種類,*代表性高分子型液晶分子結構,9-2.2 液晶材料的種類,*不同高分子型液晶分子結構分類圖,9-2.2 液晶材料的種類,*高分子型液晶分子配列結構圖,9-2.2 液晶材料的種類,*液晶的組織結構因液晶的種類不同而異，向列型液晶相的組織結構有纖維狀、水滴狀、Schlieren、和大理石花紋狀*膽固醇型液晶相的組織結構有扇狀、平面狀、指紋狀、血小板、藍色相*矩陣型A液晶相的組織結構有破扇狀、多角形狀、扇狀、短棒狀*距列型C液晶相的組織有破扇狀、大理石花紋狀、筋條扇狀、Schlieren狀*距列型I、F液晶相的組織有破扇狀、
17、Schlieren狀、瑪賽克狀、筋條狀和Paramorp-hotic狀。*距列型D液晶相的組織有等方向性(Isotropic)和瑪賽克狀,9-2.2 液晶材料的種類,*液晶材料依分子長軸相互平行的規則性排列，而可分為向列型、距列型、膽固醇型和碟盤型液晶分子是異方向性物質，而其與分子長軸平行或垂直方向之物理值也就有所不同，如下圖所示。,9-3.1 液晶材料的特性及其測量,*液晶分子排列的秩序參數或規則參數(Order Parameter,S)，則是表示其排列的整齊程度，且因分子的熱運動所引發之亂度而降低，因而易受分子的結構和形狀之影響，其定義如下:S=1/2(3cos2-1)*S值的大小對於其應
18、用上有很重要的影響，若分子長軸的排列雜亂不整齊時，S值等於零，分子長軸的排列方向是整齊的，S值為1。*液晶具有與單軸性結晶相同的光學折射率異方向性的複折射性(Double Refraction)，單軸性結晶具有n0和ne兩種不同的主折射率，分別代表正常光和異常光的折射率，其折射率的異方向性，即所謂的複折射性n=ne-no,9-3.1 液晶材料的特性及其測量,*折射率異方向性n0之單軸性向列性和距列型液晶的光學關係圖,9-3.1 液晶材料的特性及其測量,*n0之液晶即為負的光學性，空間分怖如下圖，為一膽固醇型液晶的光學關係示意圖,9-3.1 液晶材料的特性及其測量,*含液晶分子排列受到外力的作用
19、而產生變形狀態，可被比喻為受到某程度應變的彈力連續體，而液晶分子的三種基本變形分別是噴射狀態(Splay)，扭轉式狀態(Twist)，和彎曲狀態(Bend)。其表示其應變和應力間關係的彈性係數分別是k11、k22、k33*液晶分子的排列狀態，很容易受到電場、應力和磁場等外在因素影響而產生變形。,9-3.1 液晶材料的特性及其測量,*液晶分子的三種基本變形或應變的狀態,9-3.1 液晶材料的特性及其測量,*液晶純度的測量方法有:1.轉移溫度的測量，利用毛細管法及顯微鏡觀察法測定轉移點，或以雷射光束的透光率法。2.層析法，例如所謂的紙層析法和薄層層析法。3.熱量計方式的精密融點測定。4.電阻係數的
20、測定。5.氣體層析法。*一般液晶材料的各種材料的各種液晶相之間的熱力學安定性順序為(低溫)CSHSISBSCSACholestericNematicIsotropic液體(高溫),9-3.1 液晶材料的特性及其測量,*一般用於測量液晶材料之折射率方法有Jelley型微折射計和Abbe折射計兩種，其方法是在直角稜鏡和輔助稜鏡面內面之入射光進行的垂直方位上，以摩擦法作平行配向處理並將液晶注入其間，如此可得到折射率。*一般材料的螺旋節距(Pitch,P)可由Cano契形槽法、大曲度半徑透鏡法、選擇光散亂法和指紋狀組織觀測法*有較長的螺旋節距之液晶可由Cano契形槽法、大曲度半徑透鏡法和指紋狀組織觀測
21、法來測量，而對於螺旋節距較短的液晶，則可由選擇光散亂法來測得。,9-3.1 液晶材料的特性及其測量,*液晶夾於兩片電極基板間，在外加電流下測得其電容為C和R，則其液晶的介電係數為=C(d/S),9-3.1 液晶材料的特性及其測量,*彈性係數的測量方法，為首先製作兩種具有平行配列和垂直配列的液晶板，其內含有向列型的液晶材料；若為垂直配列的液晶板且在外加磁場於基板面的平行方向時，則可測得臨界磁場He；若為平行配列的液晶板且在加磁場於基板面的垂直方向，或於基板面平行方向且垂直於液晶分子長軸方向時，則可測得臨界磁場Hc(Spaly)和Hc(Twist)*彈性係數(k11、k22、k33)則可經由其與臨
22、界磁場的關係式求得:Hc(S)=(/d)(k11/)1/2Hc(T)=(/d)(k22/)1/2Hc(B)=(/d)(k33/)1/2,9-3.1 液晶材料的特性及其測量,*外加磁場所衍生之液晶分子配置或配列情形,9-3.1 液晶材料的特性及其測量,*向列型液晶顯示法的機制有利用動態散射模式的顯示法、分子軸旋轉模式的顯示法、扭曲構造模式的顯示法、主體和客體效應模式的顯示法和熱汪學效應的顯示法等其中以動態散射模式的顯示法為主流，應用的領域有輸入表示裝置、非破壞檢查和超音波等*當加大電壓時，則程現安定循環流的條紋模樣，此一條紋模樣，此一條紋模樣在數伏特的電壓範圍內程現靜止安定狀態，在更高電壓時，安
23、定循環流變成亂流而使區塊開始激烈的搖動，其靜止狀態稱為韋廉斯區塊(Williams Domain),而搖動狀態稱之為動態散射效應。,9-3.2 液晶材料之光電科技領域的應用,*液晶顯示元件的動作模式，所用的液晶材料種類以及其物性,9-3.2 液晶材料之光電科技領域的應用,*近年來液晶材料的新用途，也發展到摩擦、摩耗和潤滑材料等方面應用，液晶材料的一項有趣的物理性質-電粘性效應(Electrorheological effect,ER)，乃是在外加電場的作用下，而其粘度值產生變化，具有此一特性的物質稱之為電粘性流體。*液晶的分子結構是多樣化的棒狀或碟盤狀之構造體，而且也不斷有新的功能性液晶材料分
24、子被合成。例如複數的非液晶性的分子因氫結合之聚合效應，而產生有液晶特性的所謂氫結合型液晶，同時不同性質的金屬錯合物液晶分子結構的新物值質也被期待開發出來。,9-4 液晶材料所面臨的課題與未來的展望,液晶的物理性質,附錄:,參考資料:,改變液晶的方向視液晶的成分而有所不同，有的液晶和電場平行時位能較低，所以當外加電場時會朝著電場方向轉動，相對的，也有液晶是對應電場垂直時位能較低。由於液晶對於外加力量（電場或磁場敏感），從而呈現了方向性的效果，也導致了當光線入射液晶中時，必然會按照液晶分子的排列方式行進，產生了自然的偏轉現像（見上圖),描述液晶的物理性質，必須先瞭解一般固態晶體具有方向性，而液態晶
25、體這種特殊物質，不但具有一般固體晶體的方向性外，同時又具有液體的流動性。改變固態晶體方向必須旋轉整個晶體，改變液態晶體就不用那麼麻煩，它的方向性可經由電場或磁場來控制。,附錄:,參考資料:,部分液晶分子的電子結構中，有著很強的電子共軛運動能力，所以當液晶分子受到外加電場的作用，便很容易的被極化產生感應偶極性（induced dipolar），這也是液晶分子之間互相作用力量的來源。而一般電子產品中所用的液晶顯示器，就是是利用液晶的光電效應，藉由外部的電壓控制，再透過液晶分子的折射特性，以及對光線的旋轉能力來獲得亮暗情況，進而達到顯像的目的。,電源關閉時，液晶具有偏光效果可將入射光線轉彎，穿過極柵
26、，呈現亮色,電源開啟時液晶不具有偏光的功能（direction）因此光線不能通過極柵呈現暗色,TN與STN型液晶顯示器都是使用場電壓驅動方式，如果顯示尺寸加大，中心部位對電極變化的反應時間就會拉長，顯示器的速度就跟不上。為了改善這個的問題，主動式矩陣（active-matrix）驅動被提出，主動式 TFT型的液晶顯示器的結構較為複雜包括了：背光管、導光板、偏光板、濾光板、玻璃基板、配向膜、液晶材料和薄模式電晶體等等。在TFT型液晶顯器中，導電玻璃上畫上網狀的細小線路，電極則由是薄膜式電晶體所排列而成的矩陣開關，在每個線路相交的地方配有控制閘，各顯示點控制閘配合驅動訊號作動。電極上之電晶體矩陣依
27、顯示訊號開啟或關閉液晶分子的電壓，使液晶分子軸轉向而成亮或暗的對比，避免了顯示器對電場效應的依靠，轉以電晶體開啟和關閉的速率作為決定步驟。也因此，TFT-LCD 的顯示品質較 TN/STN佳，畫面顯示對比可達150：1以上、反應速度逼近 40ms 甚至更快。同時又可以全彩甚至真彩效果顯示，產品適用於筆記型電腦、液晶顯示器、汽車導航系統、數位相機及液晶投影機。,附錄:,參考資料:,附錄:,參考資料:,TN、STN及TFT型液晶顯示器之比較表,附錄:,參考資料:,TFT型液晶顯示器的運作原理：背光源發光，也就是螢光燈管投射出光源，這些光源會先經過一個偏光板然後再經過液晶分子，分子的排列方式改變穿透
28、液晶的光線角度，然後這些光線接下來還必須經過前方的彩色的濾光板與另一塊偏光濾色玻璃導出。位於底層的薄膜式電晶體，可藉由改變液晶的電壓值控制最後出現的光線強度與色彩，並進而能在液晶面板上組合出有不同深淺的顏色。,CRT顯示器的尺寸限制主要在於顯像管電子槍，尺寸越大的螢幕所需要發射的電子束能量要越強，顯像管的長度也需要更長。物理尺寸上的限制，讓超過50英吋以上的CRT變得窒礙難行，甚至因製造成本過高超過了消費者所能負擔的範圍。TFT-LCD 這方面的問題相對上比較容易解決，不管是背光（Backlight）板、偏光板、液晶層或彩色濾光片就製程上來說，限制的因素在於製造設備與經濟效益，物理限制相對小得
29、多。,附錄:,參考資料:,大尺寸螢幕所帶來的不單是視覺上的震撼（家庭劇院），操作便利性與周邊用途也是讓更多消費者投向大型螢幕懷抱的原因。尺寸越大的螢幕可結合更高解析度，讓單一螢幕上顯示的資料量更多。以觀看Excel表格為例，解析度更大（參考下圖之解析度列表）就可以比小解析度一次顯示更多欄位，而不需要時時滑動滾輪，不斷的換行閱覽浪費時間，在工作上有著效率的進步，更遑論是瀏覽網頁資料或是搜尋資料庫時，大尺寸螢幕所顯示的資料將更為完整。,液晶的尺寸與切割,附錄:,參考資料:,LCD尺寸關鍵在於母液晶面板的大小，五代廠已經可以生產超過200英吋的16:9寬螢幕，但考量一般消費者家庭容量，以及最佳切割基
30、板的方法，電腦監視器多數採用17英吋、19英吋或21英吋（16：9）等變化組合；家庭用視聽LCD則採用32英吋、40英吋或42英吋以上等。而隨著面板廠的製程不斷進步，從六代、六五代到SONY發表七代廠（見下圖），母板的製造尺寸不斷向上升級，連帶著也推升 LCD螢幕小尺寸的降價與更大尺寸的創新。,傳統製程和ODF製程簡單比較如下：,參考資料:http:/=oneDropFill&ls=tc,附錄:,機台投資額下降:運用ODF製程，我們不再需要真空回火製程、液晶注入機、封口機及封口後的面板清洗設備。空間及人力節省:由於項目一所述之製程縮減，相對的人力及空間均可節省下來。材料節省:一般而言，ODF製程中，液晶的使用效率為95%以上，但相較於傳統製程的60%，足足可以省下35%以上的液晶材料費。更能省下封口膠及相關面板清洗時所需的水、電、氣及洗劑等。製造時間減縮:由於省下的製程原本就是傳統製程中最曠日費時的製程，而且隨著面板的大型化趨勢，或小Cell Gap的高品質面板，時間的耗費更久。通常Cell 製程在傳統做法尚需至少三天方能完成，但對ODF製程而言，不到一天就可完成。,利用ODF製程，我們可以從當中獲得到的優點有:,參考資料:http:/=oneDropFill&ls=tc,附錄:,End of 第 九 章,
