快速反應液晶
加入技術交流群
鐵電型液晶簡介
鐵電型液晶（ferroelectric liquid crystal，F(xiàn)LC）的概念最早于西元1974年被Robert Meyer所發(fā)現(xiàn)提出，并探討其對掌性（chirality）與極性（polarity）之關系[20]。但由于當時并無適合的液晶材料，在初期很少有相關研究，一直到MOEBA鐵電型液晶被合成后鐵電型液晶才開始被大家廣為研究。在smectic C液晶態(tài)，液晶分子以smectic layer為分界形成層狀排列，并于smectic layer法線方向（k）傾斜q角，方位角j，如圖三[21]。而鐵電型液晶（chiral smectic C phase）為扭轉的smectic C結構，而分子扭轉360o的距離稱之為螺距（pitch），如圖四（a）所示，由于分子本身的不對稱性，其對掌中心（chiral center）與偶極（dipoles）因偶合作用產(chǎn)生極化場，其極化方向垂直于傾斜角之平面稱之為自發(fā)性極化（spontaneous polarization），此參數(shù)影響鐵電型液晶的光電響應，反應速度等特性[22]。西元1980年Clark與Lagerwall等人首先提出表面穩(wěn)定鐵電型液晶（surface-stabilized ferroelectric liquid crystal）在顯示元件上的應用[23]。其必要條件為鐵電型液晶之螺距需遠大于液晶盒之間隙，藉由液晶盒間隙小于2mm的物理限制，使得原本扭轉的分子堆疊結構被抑制，導致鐵電型液晶分子順著配向方向排列，如圖四（b）。與nematic材料不同的是，當施加電場鐵電型液晶驅動時，其自發(fā)性極化方向將順著電場方向在同一平面偏轉，但液晶分子運動方向為圓錐（cone）狀的模式。
鐵電型液晶優(yōu)點
鐵電型液晶顯示器最大的優(yōu)點就是其快速反應。1 ms以下的反應速度足足比傳統(tǒng)TN型顯示器快了十倍以上，并因其于平面上的運動，和IPS（in-plane switching）技術相同，擁有廣視角的優(yōu)點。再者，由于配向膜與液晶分子間的錨定能（anchoring energy）以及自發(fā)性極化的影響，鐵電型液晶可穩(wěn)定于亮態(tài)或暗態(tài)，即使將外加電場移除，此現(xiàn)象稱之為雙穩(wěn)態(tài)（bistability）。此雙穩(wěn)態(tài)之特性提供鐵電型液晶于靜態(tài)顯示器的應用如，e-paper、電子看板等，由于只需在改變畫面時驅動而擁有省電的優(yōu)勢。
鐵電型液晶缺點及其未來發(fā)展
雖然鐵電型液晶擁有快速反應等優(yōu)點，但在材料、配向以及制程上的問題限制了它的發(fā)展，以致于至今仍沒有量產(chǎn)的商品。于材料上，光電響應對于溫度的穩(wěn)定性不足限制了顯示器的工作溫度范圍。再者，磁滯現(xiàn)象（如圖五）與雙穩(wěn)態(tài)的特性使其不易達到灰階。鐵電型液晶由于不同的山形袖章結構（chevron layer structures）造成排列上的缺陷如鋸齒狀缺陷（zigzag defect）或條狀排列缺陷（stripe domains）如圖六，因而產(chǎn)生漏光降低了顯示器的對比。于大尺寸面板制程中，要良好的控制整個液晶盒間隙皆在2mm以內是不易的，要達到商品的量產(chǎn)必先解決制程上的困難。
在灰階的解決方法中，除了spatial dither technique及temporal dither technique [22]外，聚合穩(wěn)定鐵電型液晶[25] （polymer-stabilized ferroelectric liquid crystal）亦是研究的方法之一。于鐵電型液晶摻雜聚合物使其沒有雙穩(wěn)態(tài)的特性，進而得到連續(xù)的灰階，并可讓排列良好及提高反應速度。為了解決配向的問題，相關的研究如配向膜表面處理[26, 27]或在annealing時外加電場、磁場[28, 29]的方式皆有利于液晶的排列。本實驗室于液晶材料及配向膜兩方面著手，成功地改善鐵電型液晶之排列，達到mono-domain、低驅動電壓（Vsat.=4.5V）、具灰階能力并對比度達750之鐵電型液晶[30]。
反鐵電型液晶
反鐵電型液晶（antiferroelectric liquid crystals，以下簡稱AFLC）與鐵電型液晶（FLC）一樣具有自發(fā)性極化（spontaneous polarization），故此類型材料剛出現(xiàn)時被誤認為FLC，直到1989年，Chandani[31]等人在MHPOBC上觀察到三穩(wěn)態(tài)（tristable state），且發(fā)現(xiàn)AFLC相較于FLC對于斜向入射的光具有選擇性反射特性，因此證實了AFLC的存在；相同于FLC，由于AFLC分子具有自發(fā)性極化，故在施加電場時，其反應速度會較傳統(tǒng)TN液晶快，其快速反應可應用在Field Sequential Display上。
AFLC與FLC差異，可以從下面分子結構先看起，從圖一可看出FLC的分子會沿著以某固定軸形成圓錐（cone）表面旋轉，而其Ps與Cone的曲面和分子垂直，當沿著軸觀察到的分子旋轉360度（2p）的長度，稱為FLC的一個Pitch。在圖七，可明顯看出AFLC分子與FLC分子相似，但在相鄰近兩層中，分子方向會有p的差異（Ps正負符號相反），而相間一層的分子會依循FLC的方式排列，故AFLC的Pitch是依照相隔的分子旋轉2p的長度來決定的，所以圖一中的1/4 Pitch長度乃是依據(jù)相間隔分子來判斷，而AFLC之Ps方向判斷則與FLC相同。
再進一步說明AFLC在顯示器應用上工作原理前，要先知道AFLC制造結構必須與表面穩(wěn)定鐵電型液晶（SSFLC）相同，也就是需要做成表面穩(wěn)定反鐵電型液晶（SSAFLC）的型態(tài)，圖九為SSAFLC的示意圖。
除了在Pitch判斷有所不同外，AFLC除了具有相似FLC的雙穩(wěn)態(tài)外，還有另外一個穩(wěn)態(tài)，就是前述的三穩(wěn)態(tài)特性，因此可以應用在顯示器上，圖十（a）電壓等于零時為暗態(tài)（dark state），AFLC相鄰分子Ps方向與前述相同，在施加電壓后（V>Vth或V-Vth），液晶分子排列與Ps會朝向同一方向，這與FLC的雙穩(wěn)態(tài)狀況是相同的；而由于液晶分子排列的改變使光軸（optic axis；OA）跟著改變，使光可通過上下兩片偏振片，而產(chǎn)生亮態(tài)（bright state）；圖十（b）則是AFLC的V-T圖（Voltage-Transmission），在施加電壓大于Vth或-Vth時，穿透率會劇烈上升并且達到飽和，而當移除或降低電壓且高于Vh（holding voltage），會有遲滯現(xiàn)象，穿透率并無較大改變，這也就是AFLC的記憶效果（memory effect），AFLC的遲滯特性使得其非常適合應用在被動矩陣驅動（Passive-Matrix Driving）的顯示器上。
雖然AFLC早在1989年就出現(xiàn)，之后陸續(xù)也有許多材料被合成研究，但是遲遲未能大量制造應用在顯示器產(chǎn)品上，主要問題在于“前置轉態(tài)效應”（Pretransitional Effect）的存在，所謂“前置轉態(tài)效應”就是AFLC的分子在施加電場未達到蔽障電壓（Vth），有些分子會隨著施加電壓增加而產(chǎn)生浮動，造成液晶排列些微變動，而使在暗態(tài)的光軸改變，造成漏光的現(xiàn)象，使得AFLC顯示器的對比（Contrast Ratio）一直無法有效提升，直到2001年由Langerwall [33]等人提出Orthoconic Antiferroelectric Liquid Crystals（OAFLC）概念，加上Dabrowaski [34]等人合成一系列的OAFLC材料才解決這個問題。
Lagerwall指出OAFLC主要是透過混合出Cone Angle = 45飢鰹?虒悃MMPE，由于可見光波長在450~650nm，而OAFLC材料的Layer Space約在30~40禳A對光來說極小，故可以將毗鄰兩層分子所產(chǎn)生的Dielectric Tensor視為單一來看；若是以單層來看，當光通過AFLC時，其所看到的dielectric tensor會如同方程式（2）所示，其中q為AFLC的圓錐角（cone Angle）。
若是同時兩層分子視為單一來看時，會發(fā)現(xiàn)影響通過AFLC可見光的Dielectric Tensor會有如方程式（3）的關系
若AFLC的q=45陛A則會形成negative uniaxial，此時OAFLC 液晶光軸會平行于入射光，因此當上下兩片偏光片正交（cross）時，并不會有光線通過，達成相當完美的暗態(tài)；但當施加電場時，會使得分子朝同一方向排列，此時光軸會是雙軸，通過液晶層的光會有相位改變，而成為亮態(tài)，圖四為SSOAFLC光軸示意圖。
雖然OAFLC材料解決了“前置轉態(tài)效應”的問題，大幅改善了AFLC對比，但由于其黏滯性太高，使得驅動電壓遠高于向列型液晶（驅動電壓約18伏特以上），而且需要極小的cell gap（1.6mm）制作SSOAFLC，這樣的制程條件使其在量產(chǎn)上和應用上面臨問題。未來若能改善cell gap制程及驅動電壓過大等問題，將可運用AFLC之快速反應速度及其三穩(wěn)態(tài)及遲滯V-T曲線于被動矩陣驅動的液晶顯示器上。
結論
新型液晶材料不斷地開發(fā)，除了挑戰(zhàn)有機合成上的新技術，或探討新型液晶態(tài)的相變化，此外解決顯示技術如影像之不連續(xù)及殘影、以及因應色序法技術（field sequential color display）[1, 2, 24]等所需快速反應液晶材料，更是未來重點。上述幾種快速反應之液晶模態(tài)，皆有本質上的優(yōu)點與缺點，使得研究快速反應液晶成為必要且具有挑戰(zhàn)性的課題。未來若要有效的提升影像品質，并將研究實現(xiàn)于液晶顯示器內，除了在液晶材料上著手，更需要在制程、畫素設計與驅動方式上，進行整體并跨領域的研究改善。
評論