电子行业液晶物理学及其应用

液晶物理學及其應用

林啟湟中山大學物理系11.IntroductiontoLiquidCrystals(LCs)2.OpticalPropertiesofLiquidCrystals3.SurveyofLCDs:4.JonesCalculus:MatrixRepresentationofPolarization5.OpticalTransmissionofLCcells6.BrightnessEnhancementofLCDs7.AligmentsofLiquidCrystals8.TFT-LCDs,colorfilters,andCellAssembly9.FastresponseLCs10.Wide-ViewingAngle11.Backlighting12ColorVision課程大綱2Chapter1IntroductiontoLiquidCrystals(LCs)

3DISPLAYISSUESViewabilityWide-angleContrastBrightnessReflectivity(sunlightreadable)PowerConsumptionCostofDriveElectronicsSizeandWeightAddressingTime(Videoratenotalwaysrequired)Color/Black-on-WhiteManufacturabilityandReliability4MARKETSConsumerTV,movie,etcTransportationAviationAutomotive,PassengerentertainmentBusinessApplicationVideoconferencingAutomatedTellerPagersIndustrialApplicationsProcesscontrolAnalyticalEquipmentMedicalTechnologyComputerApplicationViewerApplicationElectronicbooksElectronicnewspaperDocumentviewers5HistoryoftheTaiwanFPDIndustryEmbryoPeriod(1976~1986):TN-LCDandSTN-LCM-1976:TN-LCDassemblytechnologytransferredfromHughes-1980:STN-LCDback-endassemblyfactoriessetupbyJapanesecompanies-Export-orientedmoduleassemblyIncubationPeriod(1987~1997):STN-LCD,smallandmedium-sizeTFT-LCD-1987:ERSO/ITRIstartedtoR&DinTFT-LCDtechnologies-1992:Firstα-TFTLCDpilotlinesetupinERSOforexperimentalproduction-Governmentalsupportenticedoverseasbrain-drainThrivingPeriod(1998~):-Massproductiontech.transferredfromJapan,venturecapital-Newtechnologies,suchasLTPS-TFTLCDs,OLEDandLCOS,probed.Marketincentives,governmentsupport,superiorhumanresources,internationalcollaboration,plentifulcapitalDrivingForces62004年我國大型TFT產值比較2004年全球大型TFT產值約346億美圆，而我國產值較前一年成長67%，估計佔全球比重約38%，僅次於韓國45%；另外，日本約佔17%，排名第三(圖一)。72004年我國中小型TFT產值比較

2004年全球中小型TFT產值約102億美圆，而我國產值較前一年成長140%，估計佔全球比重約12%，次於日本78%，而韓國約佔10%，排名第三。89我國2004~2005年平面顯示產業產值分佈

表一我國2004年平面顯示產業產值分佈

10我國大型TFT廠商營利表現比較

11韓國大型TFT廠商營利表現比較

12AimtomakeTaiwantheworld'slargestsupplierofTFT-LCDpanels.BuildTaiwanintotheworld'smostimportantcenterforcolorimagingdeviceR&Dandmanufacturing.AttainproductionvalueofatleastNT$1.37trillionforthecolorimagingindustryin2006.ReachatleastNT$350billioninprivate-sectorinvestmentoverthenextfiveyears.ˉProspectofTaiwanFPDIndustryLCD結構圖Or3MDEBF1415BasicConcept

液晶簡介物質的相變17何謂液晶?對於普通常見的物質由結晶狀的固體(CrystallineSolid)相變為各向同性的液體(IsotropicLiquid)，通常是經由單一過程的相變。但有很多有機物由結晶固體到各向同性液體間卻需求經過多個步驟的相變。因此必定存在一個或多個介於結晶固體與各向同性液體間的中間相(Mesophases)。由於這些中間相的分子次序是介於結晶固體與各向同性液體間，所以這些相的力學、光學性質和對稱性也介於結晶固體與液體之間。到目前為止，已被發現的這些中間相大致可被區分成兩大類別:DisorderedCrystalMesophases:普通稱之為「塑性晶體」(PlasticCrystals)。其分子形狀常為圓球狀(Globular)，故易构成分子位置有次序性，但方向無次序性的相。因其分子位置仍保管三維晶格陈列，故不具流動性。(1)18OrderedFluidMesophases:通常稱為「液態晶體」(LiquidCrystals)簡稱液晶。由於此相常由長條狀(Rod-like)或圓盤狀(Dise-like)的分子所組成。故易构成一分子重心位置無次序性，但方向有次序性的相。由於此相分子重心位置不受限於晶格[位置無序]，故具有一定程度的流動性。(2)由上述可知，這些中間相的分子形狀是決定其物性的重要要素。在此我們僅對本課程相關的液晶作更進一步地介紹。結晶固體溶解:晶格位子,方向

在此我們僅對本課程相關的液晶作更進一步地介紹。19中間相(Mesophases)DisorderedCrystalMesophases「塑性晶體」OrderedFluidMesophases「液態晶體」圓球狀長條狀、圓盤狀位置有序，方向無序位置無序，方向有序晶格陈列，不具流動性位置無序，有流動性結晶狀的固體(CrystallineSolid)各向同性的液體(IsotropicLiquid)20液晶的分類1)Thermotropic(熱致液晶)2)Lyotropic(溶致液晶)因溫度的改變而產生相變因溶於溶劑中濃度比例的改變而產生相變a)長條狀b)圓盤狀1.Nematics(向列相)2.Cholesterics(膽固醇相)3.Smectics(近晶相)1.Columnar2.Nematic以產生相變之缘由來區分LCDs:Thermotropic(熱致液晶)分子形狀陈列方式21:LCDs22液晶以分子形狀分類23TypesofLowMolecularWeightLiquidCrystalMaterialsLyotropicLiquidCrystals(溶致液晶)formliquidcrystalphasesovercertainconcentrationrangeswhenmixedwithasolvent24ThermotropicLiquidCrystal(熱致液晶)-(UsedforLCDs)moleculesconsistingforarigidcoreandflexibletail(s))-formliquidcrystalphaseovercertaintemperatureranges254.分子陈列之有序性溶液26MeltingofaSolidDirectoraxis27Nematic液晶Nematic液晶特性:(a)分子的重心位置沒有次序性。(b)分子的陈列方向存在一定程度的次序性，分子傾向平行於某個共同的方向去陈列，如圖所示，我們定義這個方向為Director(DirectorAxis)以n表示。(c)Directorn與–n的狀態是不可區分的。長條狀之Nematic相液晶的分子陈列。nLCD用液晶28Cholesteric液晶將Chiral溶解在Nematic相液晶中，原來的Nematic液晶結構會出現螺旋畸變。我們將這種螺旋的Nematic相稱為Cholesteric相。Cholesteric相液晶的分子陈列。Lnnnnxyzqo>0表液晶分子為右旋陈列，qo<0表液晶分子為左旋陈列。螺距(Pitch)=2Lnx=cos(qoz+φ)ny=sin(qoz+φ)nz=0因為n與-n是不可區分的，所以其週期等於半螺距，即L=π/|qo|反射波長波長=np之入射光29TheChiralNematicOrdinaryNematicChiralNematicpitchPCNdirectorCNn30ChiralityH-C-C-C-C-CCNHHHHHHHHHHnon-chiralH-C-C-C-C-CCNHHHCH3HHHHHHchiral(RH)ChiralcenterChiralstructuremirrorimagesRHchiralandLHchiral31ApplicationofcholestericLCColorreflectivedisplay亮度加強膜SmartwindowsinbuildingBroadbandcircularpolarizer缺點:Narrowbandwidth(LC之Δn~0.3)32Smectic液晶由結構上的差異Smectic液晶又可被細分成SmecticA、B、C等共十餘種。但結構上看，一切的Smectics相都具有層狀結構，層與層之間的距離是一定的，層間距可以用X-ray繞射方法來量測。由此可見Smectics的之次序性比Nematics高。對於任何俱備此兩種相的资料而言，其Smectic相的溫度範圍總比Nematic相為低。(a)SmecticA(SmA)dSmecticA相液晶的分子陈列。

每一層內，分子位置沒有次序性在光學上具單光軸特性，其光軸方向與層平面垂直。(b)SmecticC(SmC)dSmecticC相液晶的分子陈列。

w3334(c)SmecticC*(SmC*)-FerroelectricLCs與SmecticC类似其分子導軸之方向與層面法線方向有一夾角。但相鄰之液晶層的分子導軸會沿著層面法線作緩慢之螺旋轉動，如圖所示。此結構之构成通常可由SmecticC之液晶再参与chiralagent所构成。故又名為chiralsmecticC。SmecticC*相液晶的分子陈列。

d3536SomeCharacteristicsofLiquidCrystalPhase-Long-RangeMolecularOrder-FluidViscosities-OpticalAnisotropy(Birefringence)Δn=n//-n⊥(orne-n0)-DielectricAnisotropyΔε=ε‖━ε⊥-OpticalActivity-ElectricalResistivity>1013ohm-cm(TFT)

37高度幾何異向性(長條狀或圓盤狀)分子形狀分子陈列次序性物理性質非均向性介電係數磁導率折射率黏滯係數由於液晶分子之形狀具有高度幾何異向性[長條狀或圓盤狀]，導致其分子之陈列方向具有次序性，此一異於各向同性(isotropic)液體的特性亦表現在電性、磁性、光學及力學等各方面。當量測其介電係數(dielectricconstant)、磁導率(magneticsusceptibility)、折射率(refractiveindex)及黏滯係數(viscosity)…等時，將因液晶分子陈列方向不同而有所差異。液晶之非均向性(Anisotropic)38Dielectricconstant之非均向性Electricdisplacement:即故與分別代表外加電場E之方向垂直與平行於液晶導軸時之dielectricconstant。而為液晶之重要參數，其值可正可負。端視液晶分子之永久偶極矩及誘導偶極矩性質而定。39外加電場對nematic相的影響對一nematic相液晶外加一電場E，其相應的電位移D為

此時電場對系統之能量貢獻(每cm3)可寫40液晶之介電異向性液晶之介電常數值越大產生的inducedipole越大介電異向性決定LC之轉動41(=||-)>0(=||-)<0LC靠Inducedipole與電場的作用發生旋轉力矩=E=1/2oE2sin2反向電場不影響液晶之旋轉方向液晶分子外加電場下之旋轉EEEEEEE+++---+-

||||>+-+-

||||<--++||>||<EE42介電係數與溫度之關係5CB之介電係數與溫度之關係曲線。43TheOrderParameter*SolidӨ=0→S=1Isotropicphase→orientationisrandom<cos2Ө>=1/3→S=044連續彈性體理論通常在液晶中之導軸n是隨位置而變化的。此變化在微觀尺度上非常微小，而液晶無論是遭到外表配向或外加力場之作用而導致液晶分子陈列方式的任何形變，均可以如下之三種根本形變來探討其物理現象。11Splay,KBend,K33Twist,K22其中:K11、K22、K33分別為Splay、Twist、Bend形變之彈性係數(elasticconstant)液晶之連續彈性體理論，僅對彈性能量考量及假設一切次序參數S為常數。此假設於方向或位置次序有缺陷(defect)之區域即不成立。彈性常數K33>K11>K2245CreatingDeformationwitha

FieldandSurface46液晶形變自在能密度總自在能F=Fd+Fs+Fext液晶連續體理論fd=彈性自在能介面作用自在能外場作用自在能外場作用自在能密度電能磁能光能求總自在能F之最小值可得到外場下LC之陈列狀態47Freeenergydensity:TorquedensityNematic(K11=K33=K~10-11N)andd=10μmForsteel:shearmodules=108N/m2DeformationTorque48Rotationviscosity1(轉動粘滯係數)1LC分子1代表液晶分子轉動的難易度1越小LC反應越快Responsetime正比於“LC黏度“和“cellgap平方〞>0之LC其粘滯係數較小49許多影響LCD性能之物理參數與次序參數S間有著亲密之相關性，如下所示:Example:當TNcell之溫度上升時，其臨界電壓Vth如何變化?NomenclatureParameter()ElasticConstant Kii S2Birefringence Dn SDielectricAnisotropy De SMagneticAnisotropy Dc SViscosityAnisotropy Dh Sproportionalto各物理參數與次序參數S之相關性因故溫度上升時，其臨界電壓Vth應下降。50ThermalPropertiesPhaseTransition:Isotropic-Nematic:Weaklyfirstorder(latentheatoftransition)(heatoftransition)N-I=1kcal/mole(heatoftransition)ice-water=1.4kcal/moleNematic-Smectic:FirstorsecondorderNematic-SmecticC:FirstorderSmecticA–SmecticC:SecondOrderTemp51TechniquesforIdentifyingLiquidCrystalPhasePolarizingMicroscopeandHeatingStageChangeinappearanceswithtemperatureDifferentialScanningCalorimetry(DSC)MonitorenergyrequiredforphasetransitonX-rayCrystallographyStructureofphasedeterminedbyx-rayscatteringpattern52PolarizingMicrosco