快速反应液晶

铁电型液晶简介

铁电型液晶（ferroelectric liquid crystal，FLC）的概念最早于西元1974年被Robert Meyer所发现提出，并探讨其对掌性（chirality）与极性（polarity）之关系[20]。但由于当时并无适合的液晶材料，在初期很少有相关研究，一直到MOEBA铁电型液晶被合成后铁电型液晶才开始被大家广为研究。在smectic C液晶态，液晶分子以smectic layer为分界形成层状排列，并于smectic layer法线方向（k）倾斜q角，方位角j，如图三[21]。而铁电型液晶（chiral smectic C phase）为扭转的smectic C结构，而分子扭转360o的距离称之为螺距（pitch），如图四（a）所示，由于分子本身的不对称性，其对掌中心（chiral center）与偶极（dipoles）因偶合作用产生极化场，其极化方向垂直于倾斜角之平面称之为自发性极化（spontaneous polarization），此参数影响铁电型液晶的光电响应，反应速度等特性[22]。西元1980年Clark与Lagerwall等人首先提出表面稳定铁电型液晶（surface-stabilized ferroelectric liquid crystal）在显示元件上的应用[23]。其必要条件为铁电型液晶之螺距需远大于液晶盒之间隙，藉由液晶盒间隙小于2mm的物理限制，使得原本扭转的分子堆叠结构被抑制，导致铁电型液晶分子顺着配向方向排列，如图四（b）。与nematic材料不同的是，当施加电场铁电型液晶驱动时，其自发性极化方向将顺着电场方向在同一平面偏转，但液晶分子运动方向为圆锥（cone）状的模式。

铁电型液晶优点

铁电型液晶显示器最大的优点就是其快速反应。1 ms以下的反应速度足足比传统TN型显示器快了十倍以上，并因其于平面上的运动，和IPS（in-plane switching）技术相同，拥有广视角的优点。再者，由于配向膜与液晶分子间的锚定能（anchoring energy）以及自发性极化的影响，铁电型液晶可稳定于亮态或暗态，即使将外加电场移除，此现象称之为双稳态（bistability）。此双稳态之特性提供铁电型液晶于静态显示器的应用如，e-paper、电子看板等，由于只需在改变画面时驱动而拥有省电的优势。

铁电型液晶缺点及其未来发展

虽然铁电型液晶拥有快速反应等优点，但在材料、配向以及制程上的问题限制了它的发展，以致于至今仍没有量产的商品。于材料上，光电响应对于温度的稳定性不足限制了显示器的工作温度范围。再者，磁滞现象（如图五）与双稳态的特性使其不易达到灰阶。铁电型液晶由于不同的山形袖章结构（chevron layer structures）造成排列上的缺陷如锯齿状缺陷（zigzag defect）或条状排列缺陷（stripe domains）如图六，因而产生漏光降低了显示器的对比。于大尺寸面板制程中，要良好的控制整个液晶盒间隙皆在2mm以内是不易的，要达到商品的量产必先解决制程上的困难。

在灰阶的解决方法中，除了spatial dither technique及temporal dither technique [22]外，聚合稳定铁电型液晶[25] （polymer-stabilized ferroelectric liquid crystal）亦是研究的方法之一。于铁电型液晶掺杂聚合物使其没有双稳态的特性，进而得到连续的灰阶，并可让排列良好及提高反应速度。为了解决配向的问题，相关的研究如配向膜表面处理[26, 27]或在annealing时外加电场、磁场[28, 29]的方式皆有利于液晶的排列。本实验室于液晶材料及配向膜两方面着手，成功地改善铁电型液晶之排列，达到mono-domain、低驱动电压（Vsat.=4.5V）、具灰阶能力并对比度达750之铁电型液晶[30]。

反铁电型液晶

反铁电型液晶（antiferroelectric liquid crystals，以下简称AFLC）与铁电型液晶（FLC）一样具有自发性极化（spontaneous polarization），故此类型材料刚出现时被误认为FLC，直到1989年，Chandani[31]等人在MHPOBC上观察到三稳态（tristable state），且发现AFLC相较于FLC对于斜向入射的光具有选择性反射特性，因此证实了AFLC的存在；相同于FLC，由于AFLC分子具有自发性极化，故在施加电场时，其反应速度会较传统TN液晶快，其快速反应可应用在Field Sequential Display上。

AFLC与FLC差异，可以从下面分子结构先看起，从图一可看出FLC的分子会沿着以某固定轴形成圆锥（cone）表面旋转，而其Ps与Cone的曲面和分子垂直，当沿着轴观察到的分子旋转360度（2p）的长度，称为FLC的一个Pitch。在图七，可明显看出AFLC分子与FLC分子相似，但在相邻近两层中，分子方向会有p的差异（Ps正负符号相反），而相间一层的分子会依循FLC的方式排列，故AFLC的Pitch是依照相隔的分子旋转2p的长度来决定的，所以图一中的1/4 Pitch长度乃是依据相间隔分子来判断，而AFLC之Ps方向判断则与FLC相同。

再进一步说明AFLC在显示器应用上工作原理前，要先知道AFLC制造结构必须与表面稳定铁电型液晶（SSFLC）相同，也就是需要做成表面稳定反铁电型液晶（SSAFLC）的型态，图九为SSAFLC的示意图。

除了在Pitch判断有所不同外，AFLC除了具有相似FLC的双稳态外，还有另外一个稳态，就是前述的三稳态特性，因此可以应用在显示器上，图十（a）电压等于零时为暗态（dark state），AFLC相邻分子Ps方向与前述相同，在施加电压后（V>Vth或V-Vth），液晶分子排列与Ps会朝向同一方向，这与FLC的双稳态状况是相同的；而由于液晶分子排列的改变使光轴（optic axis；OA）跟着改变，使光可通过上下两片偏振片，而产生亮态（bright state）；图十（b）则是AFLC的V-T图（Voltage-Transmission），在施加电压大于Vth或-Vth时，穿透率会剧烈上升并且达到饱和，而当移除或降低电压且高于Vh（holding voltage），会有迟滞现象，穿透率并无较大改变，这也就是AFLC的记忆效果（memory effect），AFLC的迟滞特性使得其非常适合应用在被动矩阵驱动（Passive-Matrix Driving）的显示器上。

虽然AFLC早在1989年就出现，之后陆续也有许多材料被合成研究，但是迟迟未能大量制造应用在显示器产品上，主要问题在于“前置转态效应”（Pretransitional Effect）的存在，所谓“前置转态效应”就是AFLC的分子在施加电场未达到蔽障电压（Vth），有些分子会随着施加电压增加而产生浮动，造成液晶排列些微变动，而使在暗态的光轴改变，造成漏光的现象，使得AFLC显示器的对比（Contrast Ratio）一直无法有效提升，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材料才解决这个问题。

Lagerwall指出OAFLC主要是透过混合出Cone Angle = 45飢鲣虒悃MMPE，由于可见光波长在450~650nm，而OAFLC材料的Layer Space约在30~40禳A对光来说极小，故可以将毗邻两层分子所产生的Dielectric Tensor视为单一来看；若是以单层来看，当光通过AFLC时，其所看到的dielectric tensor会如同方程式（2）所示，其中q为AFLC的圆锥角（cone Angle）。

若是同时两层分子视为单一来看时，会发现影响通过AFLC可见光的Dielectric Tensor会有如方程式（3）的关系

若AFLC的q=45陛A则会形成negative uniaxial，此时OAFLC 液晶光轴会平行于入射光，因此当上下两片偏光片正交（cross）时，并不会有光线通过，达成相当完美的暗态；但当施加电场时，会使得分子朝同一方向排列，此时光轴会是双轴，通过液晶层的光会有相位改变，而成为亮态，图四为SSOAFLC光轴示意图。

虽然OAFLC材料解决了“前置转态效应”的问题，大幅改善了AFLC对比，但由于其黏滞性太高，使得驱动电压远高于向列型液晶（驱动电压约18伏特以上），而且需要极小的cell gap（1.6mm）制作SSOAFLC，这样的制程条件使其在量产上和应用上面临问题。未来若能改善cell gap制程及驱动电压过大等问题，将可运用AFLC之快速反应速度及其三稳态及迟滞V-T曲线于被动矩阵驱动的液晶显示器上。

结论

新型液晶材料不断地开发，除了挑战有机合成上的新技术，或探讨新型液晶态的相变化，此外解决显示技术如影像之不连续及残影、以及因应色序法技术（field sequential color display）[1, 2, 24]等所需快速反应液晶材料，更是未来重点。上述几种快速反应之液晶模态，皆有本质上的优点与缺点，使得研究快速反应液晶成为必要且具有挑战性的课题。未来若要有效的提升影像品质，并将研究实现于液晶显示器内，除了在液晶材料上着手，更需要在制程、画素设计与驱动方式上，进行整体并跨领域的研究改善。