快速反應(yīng)液晶
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液晶材料在液晶盒內(nèi)的反應(yīng)速度，由過(guò)去約100多毫秒（ms），經(jīng)過(guò)不斷地改進(jìn)，已可降到今日10 ms以下的反應(yīng)速度，此反應(yīng)速度相較于過(guò)去，已有相當(dāng)大的進(jìn)步。由于TN型的液晶其反應(yīng)速度是與relaxation time （t0）成正比：
其中γ1為旋轉(zhuǎn)黏滯系數(shù)（rotational viscosity），d為液晶盒間隙（cell gap），K為液晶彈性常數(shù)（elastic constant）。由上述公式（1）可得知，加快液晶反應(yīng)速度最直接的方式，便是降低液晶盒間隙d，如此便可以大大地加快液晶反應(yīng)速度。然而，為了要達(dá)到最佳的暗態(tài)，液晶盒間隙必須配合液晶材料的雙折射系數(shù)（Dn）設(shè)計(jì)，因此降低液晶盒間隙便須要搭配較高Dn的液晶材料。但使用高Dn的液晶材料，將無(wú)可避免的面臨色偏（color shift）問(wèn)題，在只考慮液晶本質(zhì)的反應(yīng)速度，本文將著重于介紹目前幾種有可能達(dá)到3 ms甚至可達(dá)1 ms以下的反應(yīng)速度之液晶模態(tài)。
光學(xué)補(bǔ)償彎曲液晶模式Optically Compensated Bend （OCB） Mode
快速反應(yīng)的向列型液晶（nematic liquid crystals）元件，最具代表性的就是p （pi） cell （p-液晶盒） [3]，或是后來(lái)改良的光學(xué)補(bǔ)償彎曲液晶模式（Optically Compensated Bend Mode，OCB Mode） [4]。p cell是由美國(guó)肯特州立大學(xué)（Ken State University） Dr. Philip J. Bos首先在1983年所提出的結(jié)構(gòu)，p cell在原始文獻(xiàn)的意義，在表達(dá)液晶分子在上下基板表面的分子長(zhǎng)軸之相位差為180度（p），有別于當(dāng)時(shí)90度（p/2）的twist nematic （TN）液晶盒。后來(lái)也有人延伸其分子排列的狀態(tài)，如同一橫躺的希臘字母p，來(lái)解釋p cell。雖然在彎曲態(tài)（bend mode）下發(fā)現(xiàn)有快速反應(yīng)的特性，然而由于較大的液晶盒間隙，其元件應(yīng)用受到過(guò)大驅(qū)動(dòng)電壓的限制，無(wú)法在TFT主動(dòng)驅(qū)動(dòng)元件的條件下操作。一直到1993年，日本東北大學(xué)內(nèi)田研究室（Dr. Uchida）利用相同的結(jié)構(gòu)，加上雙光軸之補(bǔ)償膜（ Biaxial Retardation Film），并且降低液晶盒間隙，提出稱之光學(xué)補(bǔ)償彎曲液晶模式（OCB Mode），此改良結(jié)構(gòu)使得驅(qū)動(dòng)電壓大幅降到7伏以下，使得OCB mode可以在TFT的主動(dòng)驅(qū)動(dòng)元件條件下操作。OCB Mode構(gòu)成如圖一[5, 6]，其內(nèi)部液晶排列方向如圖二所示。在外加電壓使內(nèi)部液晶達(dá)到彎曲態(tài)時(shí)，上下玻璃基板表面的液晶分子平行排列，但內(nèi)層的液晶分子不會(huì)扭曲，只是在一個(gè)平面內(nèi)彎曲排列，而在彎曲態(tài)中，液晶分子分布呈上下對(duì)稱，加上光學(xué)補(bǔ)償膜后，此模式能克服視角受到液晶分子傾斜造成光學(xué)特性變化的影響，因此OCB Mode有著廣視角的優(yōu)點(diǎn)。
另外，因?yàn)镺CB Mode內(nèi)液晶分子只是在一個(gè)平面內(nèi)彎曲排列，和TN型的液晶不同，OCB Mode在操作過(guò)程中并不需要克服因改變扭曲排列而造成的回流現(xiàn)象（Backflow）所引起的延滯，尤其是從外加電場(chǎng)狀態(tài)轉(zhuǎn)變到無(wú)電場(chǎng)狀態(tài)的松弛過(guò)程更明顯。故在OCB Mode操作下，反應(yīng)速率約1~ 10 ms，比TN型液晶（50 ms）及人眼視覺(jué)反應(yīng)（約20 ms）還快。
由于OCB有快速反應(yīng)速度以及廣視角的優(yōu)點(diǎn)，因此具有高發(fā)展性，但OCB Mode的操作必須在彎曲態(tài)（bend mode），因此液晶分子必需先轉(zhuǎn)至所需要的模式下才能操作。圖二所示為一般OCB液晶盒的結(jié)構(gòu)，液晶分子被夾在二片玻璃基板中間，而玻璃基板的內(nèi)側(cè)面會(huì)鍍上一層透明導(dǎo)電層氧化銦錫（Indium Tin Oxide，ITO）做為電極，并在電極上均勻涂布聚亞酰（Polyimide，PI）做為配向膜，而配向方向?yàn)槠叫信湎颉?BR>
在未加電壓時(shí)，液晶分子排列方向會(huì)順著配向方向呈現(xiàn)展開(kāi)的狀態(tài)，因此稱之為Splay態(tài)，也可叫做斜展態(tài)。而在外加一個(gè)大于臨界電壓（Vc）的電壓后，液晶分子受到外加電場(chǎng)影響，原本在液晶盒中間平行于上下基板的液晶分子會(huì)向上基板或下基板移動(dòng)，而形成一個(gè)不對(duì)稱的情形，稱為Asymmetric Splay態(tài)，在這個(gè)狀態(tài)下液晶分子是不穩(wěn)定的，若在此時(shí)將電壓歸零，則分子會(huì)馬上回到對(duì)稱的斜展態(tài)。若持續(xù)加電壓，液晶分子會(huì)傾向自由能較低的彎曲態(tài)排列情形，但彎曲態(tài)和斜展態(tài)在局部解剖（Topology）上并不相似，在轉(zhuǎn)換時(shí)需要經(jīng)過(guò)成核現(xiàn)象（Nucleation）來(lái)達(dá)成，液晶分子若是有部份轉(zhuǎn)彎曲態(tài)，就可變成液晶盒內(nèi)的轉(zhuǎn)態(tài)核心，其他液晶分子就會(huì)順著轉(zhuǎn)態(tài)核心而逐漸轉(zhuǎn)變成彎曲態(tài)，使得彎曲態(tài)的面積逐漸延伸，直到全部的液晶分子都轉(zhuǎn)至彎曲態(tài)，這個(gè)過(guò)程需要較長(zhǎng)的時(shí)間。但若是一直無(wú)法形成轉(zhuǎn)態(tài)核心，則液晶分子就很有可能無(wú)法轉(zhuǎn)態(tài)至彎曲態(tài)。而當(dāng)液晶分子轉(zhuǎn)至彎曲態(tài)后，在外加電壓小于臨界電壓時(shí)，彎曲態(tài)的液晶分子會(huì)瞬間轉(zhuǎn)到180度的扭轉(zhuǎn)態(tài)（Twist），再藉由成核現(xiàn)象轉(zhuǎn)回斜展態(tài)。[7-8]
由上述可知，轉(zhuǎn)態(tài)至可操作態(tài)之彎曲態(tài)需要經(jīng)過(guò)成核現(xiàn)象，造成成核現(xiàn)象必須用較大的電壓（約20V的overdrive）和較長(zhǎng)時(shí)間（數(shù)分鐘甚至一小時(shí)）才能轉(zhuǎn)態(tài)完全[9]，因此，許多相關(guān)的研究已投入并發(fā)展出相對(duì)應(yīng)的技術(shù)來(lái)克服這項(xiàng)缺點(diǎn)。在這些解決方案中，可以以有無(wú)摻雜對(duì)掌性分子（chiral dopant）作為區(qū)分。
有摻雜對(duì)掌性分子
1. 在液晶內(nèi)摻雜入具有對(duì)掌性的分子結(jié)構(gòu)，令OCB Mode的液晶分子在沒(méi)有外加電壓時(shí)為呈現(xiàn)180度的扭轉(zhuǎn)型，而沒(méi)有斜展型。因?yàn)樵谘芯恐邪l(fā)現(xiàn)，扭轉(zhuǎn)型要轉(zhuǎn)變?yōu)閺澢捅刃闭剐鸵D(zhuǎn)變?yōu)閺澢瓦€來(lái)得快。而這種模式的OCB稱為Chiral-Doped OCB（C-OCB） [10-11]。
2. 利用細(xì)縫或是突起物，再加入摻雜對(duì)掌性分子，形成雙域彎曲態(tài)（Dual-Domain Bend Mode，DDB Mode），可加速轉(zhuǎn)態(tài)也可增加視角[12, 13]。
沒(méi)有摻雜對(duì)掌性分子
而在沒(méi)有摻雜對(duì)掌性分子時(shí)，主要做法是使液晶分子內(nèi)產(chǎn)生一個(gè)彎曲核心，接著因?yàn)槌珊爽F(xiàn)象，便可以快速轉(zhuǎn)態(tài)。其方法有很多種。
1. 利用缺陷形成彎曲核心，如間隙物（spacer） [6]。
2. 利用高分子墻：在液晶內(nèi)摻入可照光聚合的物質(zhì)，外加電壓使其達(dá)到彎曲態(tài)后令部份混合物照光而讓內(nèi)部的分子聚合，如此一來(lái)有照光的部份液晶分子會(huì)受到照光后聚合的分子影響，而排列成彎曲態(tài)，如此一來(lái)就形成彎曲核心，有照光的部份在沒(méi)有外加電壓時(shí)依然成彎曲態(tài)，可以加速其他沒(méi)有照光的部份的轉(zhuǎn)態(tài)[14]。
3. 利用預(yù)傾角不同來(lái)形成彎曲核心：在研究中發(fā)現(xiàn)，在較高的預(yù)傾角區(qū)域，不需要外加電壓液晶分子就會(huì)排列成彎曲態(tài)，因?yàn)榇藭r(shí)彎曲態(tài)所具有的自由能比斜展態(tài)還要低 [15]。而形成區(qū)域高預(yù)傾角的方法有很多種，有利用離子束（ion-beam） [16]，也有利用將二種不同預(yù)傾角的配向膜材料混合而形成有奈米結(jié)構(gòu)的配向?qū)觼?lái)達(dá)成彎曲核心[17]，或是在部份區(qū)域的單面基板上做成垂直配向，形成部份區(qū)域的HAN（Hybrid-Aligned-Nematic）結(jié)構(gòu)，做為彎曲核心以加快轉(zhuǎn)態(tài)速度。
OCB變形
由于OCB分子排列的方式，上下對(duì)稱于中心平面；若是在中心平面的位置上，放置反射式鏡面或金屬電極如圖三[19]，當(dāng)外在環(huán)境光入射進(jìn)這樣的結(jié)構(gòu)時(shí)，光線在遇到金屬電極后，隨即被反射，因此光線所走過(guò)的光路徑，相當(dāng)于兩倍的液晶膜厚，類似于一個(gè)完整的OCB的路徑，這樣的結(jié)構(gòu)被稱作Hybrid Aligned Nematic Cell，簡(jiǎn)稱HAN-Cell，或稱為Reflective OCB Cell（反射式OCB Cell），簡(jiǎn)稱R-OCB Cell；這樣的結(jié)構(gòu)操作電壓比一般的OCB Cell電壓低（約2-3V），并且由于液晶膜厚為一般OCB結(jié)構(gòu)的一半，所以反應(yīng)速度也較快，在制程方面，金屬電極不需要配向?qū)?，另外只需要一片Polarizer（偏振片），利用環(huán)境光當(dāng)作光源，不需要背光系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)本具有輕薄短小的特色，非常適用在可攜式的顯示資訊系統(tǒng)。
評(píng)論