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@mail.ncku.edu.tw 2007-01-16 台中一中高中物理研習

（綱要）Outlines 簡介 　˙市場 　˙液晶簡介 液晶光學性質 液晶顯示器模式

簡介 LCD結構圖 Or 3M DEBF

Twisted Nematic Liquid Crystal Displays Color Filter Alignment Layer Backlight Conducting Layer (ITO) TFT: Thin Film Transistor

2004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 　˙市場 　˙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(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 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)

在此我們僅對本課程相關的液晶作更進一步地介紹。 Ordered 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) 結晶狀的固體 (Crystalline Solid) 各向同性的液體 (Isotropic Liquid) Disordered Crystal Mesophases 「塑性晶體」 Ordered Fluid 「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

液晶的分類 以產生相變之原因來區分 1) Thermotropic (熱致液晶) 因溫度的改變而產生相變 2) Lyotropic (溶致液晶) 因溶於溶劑中濃度比例的改變而產生相變 分子形狀 排列方式 1. Nematic (向列相) 2. Cholesteric (膽固醇相) 3. Smectic (近晶相) a) 長條狀 b) 圓盤狀 Thermotropic (熱致液晶) 1. Columnar （柱狀相） 2. Nematic

Classification of liquid crystal: Based on their symmetry of molecular arrangements, liquid crystals are divided into three major classes: Nematic Phase (向列相) Cholesteric Phase (膽固醇相) A distorted form of the nematic phase Smectics (近晶相)

Liquid Crystals (LCs) Solid Liquid Tm TNI Temp. LC mesophases Crystalline Isotropic Tm TNI Temp. LC mesophases Smectic C Smectic A Nematic

Nematic 液晶 n 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 (Director Axis)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。 n

Cholesteric 液晶 L z n nx = cos(qo z + φ) ny = sin(qo z + φ) nz = 0 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。 L n x y z qo > 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) = 2L nx = 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|

n P The Chiral Nematic CN Ordinary Nematic Chiral Nematic director pitch P CN director n

Chirality H-C-C-C-C-C C N non-chiral H-C-C-C-C-C C N chiral (RH) mirror images The methyl group on the 2nd carbon atom on the alkyl chain of the molecules extends out of the plane of the paper and the hydrogen atom extends into the plane of the paper. Therefore the 2nd carbon can be thought of as a right or left handed coordinate system

Smectic 液晶 由結構上的差異Smectic液晶又可被細分成Smectic A、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) Smectic A (SmA) d Smectic A 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) Smectic C (SmC) d Smectic C 相液晶的分子排列。 w 光學上是屬於雙光軸(Optically Biaxial)，其中一光軸沿液晶導 軸方向，另一為垂直層面方向。

chiral agent所形成。故又名為chiral smectic C。 (c) Smectic C* (SmC*) 與Smectic C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Smectic C之液晶再加入光學活性分子或 chiral agent所形成。故又名為chiral smectic C。 Smectic C* 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

液晶之非均向性(Anisotropic) 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。

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Phase shift in a birefringent material E-wave O-wave Δ=e-o =2 πd ( 1/λe-1/λ0) =2πd(ne-no)/ λv =2πdΔn/λv Important parameter Phase retardation Δn= ne-no>0 正單光軸 Δn= ne-no<0 負單光軸

Tipping the director by the angle Ө E-wave O-wave

Birefringence of LC    Index Ellipsoid: x2/no2 + y2/no2 + z2/ne2 = 1 ( For an uniaxial crystal: nx=ny=no, nz= nene) ITO Glasses z (optical axis) ne k  Ey Inclined plane z’ y’ Ex  ITO Glasses no   O y Ez no k x=x’ 45o Ex neff ()none/(no2sin2 + ne2cos2 )1/2 d  =2nd/=π/2  =2nd/=π/2

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LC mode?

LCD Modes Source: Sharp

SURVEY OF LIQUID CRYSTAL DISPLAY MODES Birefringence mode Dichroic Dye mode Scattering mode

Birefringence Mode ▬ TN , STN (Polarization Rotation ) ▬ ECB-electrically controlled birefringence (or phase retardation) – VA, IPS, HC, Chiral-VA ▬ FLC-Ferroelectric LC ▬ Mixed mode

Twisted Nematic Liquid Crystal Displays Color Filter Alignment Layer Backlight Conducting Layer (ITO)

A Twisting Nematic (扭曲型LCD ) Normally Black : P//A V=0 , Dark State Normally White : P⊥A V=0 , transparent State

TN-LCD作法 Rubbing ITO- cotaed glass Alignment layer (spin coating) Baking RubbibgPretilt~20避免reverse tilt Cell  thickness? It depends on the birefringence ∆n of LC For 900 TN-LCD between two parallel ideal polarizers (normally Black mode), the transmission is (unpolarized monochromatic)

Transmission of TN LCDs --- NB mode Where: X2 = 2 + 2/4  = 2nd/  = /2 (Gooch and Tarry) (Minimum conditions)

Transmission of TN LCDs --- NW mode (Gooch and Tarry) (Maximum conditions) Where:  = 2nd/  = /2

∆n.d=0.48m, 1.09 m or 1.68 m 選LC ∆n已知 d可知 6.Nematic LC+少許chiral component 避免reverse twist 7.灌充即可

Typical cell gap for TN LCDs First minimum condition : 5 m is a typical cell gap for first minimum TN LCDs

TN LCDs ---- threshold voltage Using the previous equations, one can derive the redistribution of the director in a TN cell requires a threshold voltage give by For most nematic mixtures formulated for TN displays, Vth is typically around 1 V. T 60 80 100 40 20 0.5 1.5 1 2.0 Vth V 90 TN LCD (NW) T-V curve

TN LCDs ---- Contrast Ratio →Commonly used

Performance of TN-LCD standard products Viewing angle needs to improve: will discussed later

(2) STN: twisting angle 180o-270o STN & TN : Twisting angle ↑ , E-O curve sharpness ↑ → multiplexing capability ↑, but Gray scale more difficult

Multiplexing Capability : Number of multiplexing lines N vs Selection ratio

Electrically controllable birefringence (ECB) (or phase retardation mode) VA (Vertical Alignment) LC ň 投影 Θ=45o

Performance of MVA-LCD Fujitsu products MVA: Multi-domain VA (wide view angle)

IPS (In-Plane Switching) 之操作原理 (Phase retardation mode) 偏光版 解偏版 液晶分子 作用電極 玻璃基板 入射光 作用電場方向 出射光之 極化狀態 未加電場 "OFF" 狀態 施加電場 "ON" 狀態 出射光 NB Mode (<0)

Wide viewing angle (IPS) Optical Switching of Surface Stabilized Ferroelectric Liquid Crystal (SSFLC) (Phase retardation mode) Surface interactions can be used to unwind the spontaneous helix, which yields a uniform FLC alignment with Fast response Bistability Wide viewing angle (IPS)

SSFLCs ‧Book shelf structure Rubbing direction LC molecule

2.Dichroic Dye Liquid Crystal Displays Dichroic dye molecule A∥: Elight ∥ , absorb light A⊥: Elight ⊥ , do not absorb light Heilmeier dichroic display Quarter wave dichroic display Phase change dichroic display Dichroic Ratio (DR) ,

Research Topics in TFT-LCDs 1) 廣視角 2) 快速應答 3) 大面積製程 4) 新背光源 5) 可撓曲:類紙式 6) TFT製程及材料