快速反应液晶
时间：01-28
来源：中华液晶网
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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。
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。