快速反应液晶
时间：01-28
来源：中华液晶网
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液晶显示元件由60年代的扭转向列型液晶模式（Twist Nematic LC mode），到目前大量生产的垂直配向液晶模式（Vertical alignment LC mode），已将近半个世纪，由于液晶显示元件具有轻、薄等优点，相关的产品如手机萤幕、笔记型电脑、电脑萤幕、液晶电视等已被大量地研究及开发并成功地导入量产。随着对显示器影像品质的需求不断地提升，在液晶材料、电路设计及趋动方式上，相较于过去已有长足的进步。然而，扭转向列型液晶因为反应速度太慢，使其在播放快速的动态画面时，会有影像模糊的现象，再加上彩色滤光片的使用，导致背光使用效率过低，于是发展快速反应的液晶材料搭配色序法技术[1-2]，将可能是一种解决问题的方法。
液晶材料在液晶盒内的反应速度，由过去约100多毫秒（ms），经过不断地改进，已可降到今日10 ms以下的反应速度，此反应速度相较于过去，已有相当大的进步。由于TN型的液晶其反应速度是与relaxation time （t0）成正比：
其中γ1为旋转黏滞系数（rotational viscosity），d为液晶盒间隙（cell gap），K为液晶弹性常数（elastic constant）。由上述公式（1）可得知，加快液晶反应速度最直接的方式，便是降低液晶盒间隙d，如此便可以大大地加快液晶反应速度。然而，为了要达到最佳的暗态，液晶盒间隙必须配合液晶材料的双折射系数（Dn）设计，因此降低液晶盒间隙便须要搭配较高Dn的液晶材料。但使用高Dn的液晶材料，将无可避免的面临色偏（color shift）问题，在只考虑液晶本质的反应速度，本文将着重于介绍目前几种有可能达到3 ms甚至可达1 ms以下的反应速度之液晶模态。
光学补偿弯曲液晶模式Optically Compensated Bend （OCB） Mode
快速反应的向列型液晶（nematic liquid crystals）元件，最具代表性的就是p （pi） cell （p-液晶盒） [3]，或是后来改良的光学补偿弯曲液晶模式（Optically Compensated Bend Mode，OCB Mode） [4]。p cell是由美国肯特州立大学（Ken State University） Dr. Philip J. Bos首先在1983年所提出的结构，p cell在原始文献的意义，在表达液晶分子在上下基板表面的分子长轴之相位差为180度（p），有别于当时90度（p/2）的twist nematic （TN）液晶盒。后来也有人延伸其分子排列的状态，如同一横躺的希腊字母p，来解释p cell。虽然在弯曲态（bend mode）下发现有快速反应的特性，然而由于较大的液晶盒间隙，其元件应用受到过大驱动电压的限制，无法在TFT主动驱动元件的条件下操作。一直到1993年，日本东北大学内田研究室（Dr. Uchida）利用相同的结构，加上双光轴之补偿膜（ Biaxial Retardation Film），并且降低液晶盒间隙，提出称之光学补偿弯曲液晶模式（OCB Mode），此改良结构使得驱动电压大幅降到7伏以下，使得OCB mode可以在TFT的主动驱动元件条件下操作。OCB Mode构成如图一[5, 6]，其内部液晶排列方向如图二所示。在外加电压使内部液晶达到弯曲态时，上下玻璃基板表面的液晶分子平行排列，但内层的液晶分子不会扭曲，只是在一个平面内弯曲排列，而在弯曲态中，液晶分子分布呈上下对称，加上光学补偿膜后，此模式能克服视角受到液晶分子倾斜造成光学特性变化的影响，因此OCB Mode有着广视角的优点。
另外，因为OCB Mode内液晶分子只是在一个平面内弯曲排列，和TN型的液晶不同，OCB Mode在操作过程中并不需要克服因改变扭曲排列而造成的回流现象（Backflow）所引起的延滞，尤其是从外加电场状态转变到无电场状态的松弛过程更明显。故在OCB Mode操作下，反应速率约1~ 10 ms，比TN型液晶（50 ms）及人眼视觉反应（约20 ms）还快。
由于OCB有快速反应速度以及广视角的优点，因此具有高发展性，但OCB Mode的操作必须在弯曲态（bend mode），因此液晶分子必需先转至所需要的模式下才能操作。图二所示为一般OCB液晶盒的结构，液晶分子被夹在二片玻璃基板中间，而玻璃基板的内侧面会镀上一层透明导电层氧化铟锡（Indium Tin Oxide，ITO）做为电极，并在电极上均匀涂布聚亚酰（Polyimide，PI）做为配向膜，而配向方向为平行配向。
在未加电压时，液晶分子排列方向会顺着配向方向呈现展开的状态，因此称之为Splay态，也可叫做斜展态。而在外加一个大于临界电压（Vc）的电压后，液晶分子受到外加电场影响，原本在液晶盒中间平行于上下基板的液晶分子会向上基板或下基板移动，而形成一个不对称的情形，称为Asymmetric Splay态，在这个状态下液晶分子是不稳定的，若在此时将电压归零，则分子会马上回到对称的斜展态。若持续加电压，液晶分子会倾向自由能较低的弯曲态排列情形，但弯曲态和斜展态在局部解剖（Topology）上并不相似，在转换时需要经过成核现象（Nucleation）来达成，液晶分子若是有部份转弯曲态，就可变成液晶盒内的转态核心，其他液晶分子就会顺着转态核心而逐渐转变成弯曲态，使得弯曲态的面积逐渐延伸，直到全部的液晶分子都转至弯曲态，这个过程需要较长的时间。但若是一直无法形成转态核心，则液晶分子就很有可能无法转态至弯曲态。而当液晶分子转至弯曲态后，在外加电压小于临界电压时，弯曲态的液晶分子会瞬间转到180度的扭转态（Twist），再藉由成核现象转回斜展态。[7-8]
由上述可知，转态至可操作态之弯曲态需要经过成核现象，造成成核现象必须用较大的电压（约20V的overdrive）和较长时间（数分钟甚至一小时）才能转态完全[9]，因此，许多相关的研究已投入并发展出相对应的技术来克服这项缺点。在这些解决方案中，可以以有无掺杂对掌性分子（chiral dopant）作为区分。
液晶材料在液晶盒内的反应速度，由过去约100多毫秒（ms），经过不断地改进，已可降到今日10 ms以下的反应速度，此反应速度相较于过去，已有相当大的进步。由于TN型的液晶其反应速度是与relaxation time （t0）成正比：
其中γ1为旋转黏滞系数（rotational viscosity），d为液晶盒间隙（cell gap），K为液晶弹性常数（elastic constant）。由上述公式（1）可得知，加快液晶反应速度最直接的方式，便是降低液晶盒间隙d，如此便可以大大地加快液晶反应速度。然而，为了要达到最佳的暗态，液晶盒间隙必须配合液晶材料的双折射系数（Dn）设计，因此降低液晶盒间隙便须要搭配较高Dn的液晶材料。但使用高Dn的液晶材料，将无可避免的面临色偏（color shift）问题，在只考虑液晶本质的反应速度，本文将着重于介绍目前几种有可能达到3 ms甚至可达1 ms以下的反应速度之液晶模态。
光学补偿弯曲液晶模式Optically Compensated Bend （OCB） Mode
快速反应的向列型液晶（nematic liquid crystals）元件，最具代表性的就是p （pi） cell （p-液晶盒） [3]，或是后来改良的光学补偿弯曲液晶模式（Optically Compensated Bend Mode，OCB Mode） [4]。p cell是由美国肯特州立大学（Ken State University） Dr. Philip J. Bos首先在1983年所提出的结构，p cell在原始文献的意义，在表达液晶分子在上下基板表面的分子长轴之相位差为180度（p），有别于当时90度（p/2）的twist nematic （TN）液晶盒。后来也有人延伸其分子排列的状态，如同一横躺的希腊字母p，来解释p cell。虽然在弯曲态（bend mode）下发现有快速反应的特性，然而由于较大的液晶盒间隙，其元件应用受到过大驱动电压的限制，无法在TFT主动驱动元件的条件下操作。一直到1993年，日本东北大学内田研究室（Dr. Uchida）利用相同的结构，加上双光轴之补偿膜（ Biaxial Retardation Film），并且降低液晶盒间隙，提出称之光学补偿弯曲液晶模式（OCB Mode），此改良结构使得驱动电压大幅降到7伏以下，使得OCB mode可以在TFT的主动驱动元件条件下操作。OCB Mode构成如图一[5, 6]，其内部液晶排列方向如图二所示。在外加电压使内部液晶达到弯曲态时，上下玻璃基板表面的液晶分子平行排列，但内层的液晶分子不会扭曲，只是在一个平面内弯曲排列，而在弯曲态中，液晶分子分布呈上下对称，加上光学补偿膜后，此模式能克服视角受到液晶分子倾斜造成光学特性变化的影响，因此OCB Mode有着广视角的优点。
另外，因为OCB Mode内液晶分子只是在一个平面内弯曲排列，和TN型的液晶不同，OCB Mode在操作过程中并不需要克服因改变扭曲排列而造成的回流现象（Backflow）所引起的延滞，尤其是从外加电场状态转变到无电场状态的松弛过程更明显。故在OCB Mode操作下，反应速率约1~ 10 ms，比TN型液晶（50 ms）及人眼视觉反应（约20 ms）还快。
由于OCB有快速反应速度以及广视角的优点，因此具有高发展性，但OCB Mode的操作必须在弯曲态（bend mode），因此液晶分子必需先转至所需要的模式下才能操作。图二所示为一般OCB液晶盒的结构，液晶分子被夹在二片玻璃基板中间，而玻璃基板的内侧面会镀上一层透明导电层氧化铟锡（Indium Tin Oxide，ITO）做为电极，并在电极上均匀涂布聚亚酰（Polyimide，PI）做为配向膜，而配向方向为平行配向。
在未加电压时，液晶分子排列方向会顺着配向方向呈现展开的状态，因此称之为Splay态，也可叫做斜展态。而在外加一个大于临界电压（Vc）的电压后，液晶分子受到外加电场影响，原本在液晶盒中间平行于上下基板的液晶分子会向上基板或下基板移动，而形成一个不对称的情形，称为Asymmetric Splay态，在这个状态下液晶分子是不稳定的，若在此时将电压归零，则分子会马上回到对称的斜展态。若持续加电压，液晶分子会倾向自由能较低的弯曲态排列情形，但弯曲态和斜展态在局部解剖（Topology）上并不相似，在转换时需要经过成核现象（Nucleation）来达成，液晶分子若是有部份转弯曲态，就可变成液晶盒内的转态核心，其他液晶分子就会顺着转态核心而逐渐转变成弯曲态，使得弯曲态的面积逐渐延伸，直到全部的液晶分子都转至弯曲态，这个过程需要较长的时间。但若是一直无法形成转态核心，则液晶分子就很有可能无法转态至弯曲态。而当液晶分子转至弯曲态后，在外加电压小于临界电压时，弯曲态的液晶分子会瞬间转到180度的扭转态（Twist），再藉由成核现象转回斜展态。[7-8]
由上述可知，转态至可操作态之弯曲态需要经过成核现象，造成成核现象必须用较大的电压（约20V的overdrive）和较长时间（数分钟甚至一小时）才能转态完全[9]，因此，许多相关的研究已投入并发展出相对应的技术来克服这项缺点。在这些解决方案中，可以以有无掺杂对掌性分子（chiral dopant）作为区分。