TW438999B - Antiferroelectric liquid crystal cell - Google Patents

Description

438999 A7 B7 經濟部中央標準局負工消費合作社印製 五、發明説明（！） 本發明係有關一種液晶顯示裝置等所使用的液晶單元 ’特別係指有關於一種使用反強介電性液晶；且顯示品質 良好的反強介電性液晶單元。 反強介電性液晶（以後稱為AFLC)在液晶材料令具有 很大的主動分極PS#為其特徵之一。此外，就—種將AFLc 挾持於一對基板之間的反強介電性液晶單元而言：將A F乙c 分子形成層 > 使層與層間相互消除主動分極的一種構造乃 為周知。1988年所發現的AFlc材料與至今所使用的向列 液晶模態來作比較可知，AFLC材料係為不會產生烙痕（印 相）現象的一種材料，其所謂的烙痕現象即是指加電壓前 已寫入的資料仍殘留在液晶板上的一種現象。近來.，為有 敫地利用上述特徵，是以進行反強介電性液晶的開發。至 今，為確保高速響應，故對具有強大的主動分極ps材料與 其混合技術的開發乃不遺於力，其中響應特性已大大改善 然而，作為白顯示與黑顯示之透過率比的對比度等等而 言係尚存在有許多未改善的地方。 因此，本發明的目的係提供一種確保原來AFLc模態 特徵之一的咼速響應、及廣視角特性，且可改善對比度、 及高顯示品質的反強介電性液晶單元。此外，亦同時使液 晶單元的製造更為容易。 藉由本發明’即可使一種反強介電性液晶板於反強介 電相位或強介電相位中具有下列功效： (Ό確保原有的高速響應特性； (2)確保原有的廣視角特徵； 嶋靡用 CNS ) (請先«讀衆面之注意事項再4*寫本頁) -訂. -線- -4- 經濟部中央樣準局貝工消費合作社印装 438999 A7 --— - ____B7_ . 五、發明説明（2 ) (3) 改善對比度；及 (4) 製造容易、 圖示簡單說明 第1圖係為說明本發明之電壓波形示意圖。 第2圖係為說明本發明之電壓波形示意圖。 第3圖係為說明本發明之電壓波形示意圖。 第4 ®係為說明本發明之高頻成份示意圖。 第5圖係反強介電性液晶板電壓與透過率間的關係示 意圖。 , 第6圖係反強介電性液晶單元的構成圖。 第7圖係為測定高頻成份的電路構成方塊圖。‘ 第8圖係由本發明之反強介電性液晶單元所得之高頻 成份說明圖。 第9圖係由不屬於本發明义比較例所得之高頻成份說 明圖。 第10圖係液晶單丰的層構造斷面圖。 第11圖係液晶單元的層構造斷面圖。 第12圖係光學異方體的堆積構造圖。 第13圖係光程長度與偶數次高頻成份的關係示意圖。 第14圖液晶單元之光程長度與透過光之強度的關係示 意圖》+ + 發明的詳細說明 使用、並顯示驅動一反強介電性液晶單元時，偏光板 的設定位置方法為：以一對偏光軸相互交叉的偏光板來挾 本紙張尺度適用中國國家標筚（CNS ) A4規格（210X297公釐） I •装 I —. I 訂 綠 (請先酊讀絷面之注意事項再4寫本頁) 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 438999 A7 _ B7 五、發明説明（3 ) 持-反強介電性液晶單元，且其中的一偏光板的偏光轴係 大致與不加電壓時平均的AFLC分子之方向一致。如上述 般地設定偏光板後，則可使一反強介電性液晶板於不加電 Μ以黑顯示；而加電壓時則以白顯示。利用AFLC的驅 動模態的特徵為：⑴具有作為安定相位的反強介電相位 、（2)具有作為準安定相位的強介電相位，及利用兩向位 之間的相位轉移過程》AFLC板的白顯示即是意味加一電 壓，而使顯示自反強介電相位相位轉移至強介電相位。 就一強介電性液晶板而言：至今用以作為顯示品質基 準的參數為主動分極量PS、及電氣傳導度〇等。發明者係 以該等參數為中心來加以討論。為使其關係更為明顯，發 明者乃進行含有高頻的介電率測定，並且檢討液晶特性間 的關連。 測定介電率的手段原理係自古以來所周知，其中，如 強介電性液晶或是包含AFLC的介電率、高頻成份的解析 例已由木村、早川的小組（例如Jpn.J Appl phys 32(1993) 4571 Uq.Cryst_· 14(1993) 427)、或是折原、石橋的小組（ 例如;T.Phys Soc.Jpn，64 (1995) 3188固體物理31(1996))等 多數論文中揭示。該手法之特徵為•先將單一頻率的正弦 電壓加至一強介電性液晶或是AFLC上，再測定、解析當 時所輸出電壓的基本波及高頻成份。兩個小組均是針對液 晶單元厚度之厚的領域測定。然而’遺憾的是，其係集中 在輸出電壓的奇數次高頻解析’而對於偶數次高頻的檢討 則全無。吾人即是根據此一狀沉，而著眼於奇數次高頻及 本紙張尺度適用中國國家榇準（(：师）八4規格（21〇/297公釐） (請先^讀"-面之注意事項再4'寫本頁) 訂_ -6 ** 438999 A7 B7 五、發明説明（4 ) ~ 偶數次咼頻兩者，進而進行檢出左右液晶板特性要因的實 驗。以下係說明有關測定介電率之方法及原理。 在考量將一交流電壓作為一輸入電壓而加於一試材上 時的輸出電壓波形時，作為評價輸出電壓波形之方法有·· 以時間軸來觀測測定结果的方法、及以頻率領域來觀測的 方法。該兩種方法係可相互地依某種變換將時間軸變換成 頻率軸、或是其相反的變換。此種變換如傅利葉變換、或 是可進行極高速變換的高速傅利葉變換（FFT:Fast F〇uder Transform) ° 第1圖係表示以時間軸所描繪的輸入電壓波形（驅動頻 率100Hz)，第2圖係表示將示於第1圖中的輪入電壓加於一 試料中’而於時間轴上所測定的輸出電壓波形的模式。由 第2圖的輸出電壓波形觀之，其波形係由何種波形所形成 並未可知。然而將此一時間軸波形作FFT變換後，如第3 圖所示即可分離出基本波形（100Hz)、2倍頻率（200Hz) 及3倍頻率(3〇〇Hz)等3種電塵波形成份。對於這3種電壓 波形成份而言，若分別注目於頻率及強度後，即可得到第 4圖。特別一提的是，若將輸入電壓波形的頻率令為识後 ，則觀測所得之2倍頻率即為2W成份、3倍頻率即為3|成 份、N倍頻率即為NW成份’分別稱為2次高頻、3次高頻 、及N次商頻。 …以下將說明有關介電率的測定原理。當£係表示介電 率E係表示電％、Ps係表示..主動分極量時，則介電通量 密度D即可以下列方式表式： 本紙張从適财闕家轉（CNS ) A4^ ( 21Qχ 297公疫 ---- (請先Μ·讀背S之注意事項再4·寫本頁) -Τ 、1'· 線- 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 -7- 438999 A7 B7 經濟部中央標準局貝工消費合作社印製 五、發明説明（5 ) D=sE+Ps 此外，由於介電通量密度D係為單位面積的電量q， 所以在將一電場E加於一面積已知的介電體，且測得當時 之電容量C時，即可決定介電率。 D=q=C · V=sE+Ps

s=q/E-Ps/E 對AFLC而言’由於所加之電'壓在較小的範圍内匙時 ，其主動分極量Ps係趨近於〇,故右邊第二項可視為〇。因 此，介電率ε即可定義為電場£對電量q的比值。也就是說 ，介電率ε的測定係必須在該定義成立的電壓範圍内β由 於使主動分極量Ps係趨近於〇的電壓範圍係依八1^(：而異， 故於實際介電率測定時’每一成為測定對象的材料均須破 認所加之電壓係可使E與q保持直線的關係。 有關AFLC板特性的測定方法已詳述於|?err〇eiectrices (1993，voll40，pp255)t。以下將依第5圖來作一簡單概述 。當一電壓加諸於AFLC板時，隨著AFLC分子的相位轉移 過程’該板的透過特性係呈第5圖所示般的對比特性。值 得一提的是’陣列驅動時的板特性係依選擇電壓V—s、 保持電壓V—b及其加壓時間來決定。第5圖中係只表示正 電壓時的板的透過特性，然而負電壓時的板的透過特性亦 具有相同的對比特性。 對比特性的定義係為：充份加電壓之強介電狀態的透 過率T—w(白狀態）與反強介電狀態之透過率（亦即電壓為〇 的透過率T_b(黑狀態））的比。該比係為提升人的視別性 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） (請先阶讀背、面之注意事項再填寫本頁〕 訂_ 經濟部中夬標準局員工消費合作社印製 438999 a? ________ B7 五、發明説明（6 ) 的一大特徵之一，其中該比值越大則視別性越好。 此外’ AFLC的響應特性係包含有：自反強介電相位 (AF)至強介電相位（F)的相位移轉時間t(AF+F)、以及相反 地自強介電相位（F)至反強介電相位（AF)的相位移轉時間 t(F今AF)。 第6圖係為強介電性液晶單元的構成圖。圖中，諒液 晶單元係包含有一強介電性液晶層10、一對玻璃板i la、Ub 、及用以黏合該玻璃板封蠟材12。該等玻璃板lla、llb的 對向面上係分別形成有一電極13a、i3b，且該電極上係分 別塗有一高分子配向膜丨4a、14b。此外，該等玻璃板ila 、1 lb的外側係分別設有一偏向板15a、15b。 於第6圖中，d孫表液晶單元的厚度。當令沿液晶分子 長短軸方向之折射率的差（折射率異方性）鈕時，則光程長 度係為折射率異方性Δη與液晶單元的厚度d的乘積。 (實施例） 為測定將一單一頻率之正弦波電壓加於一反強介電性 液晶單元時的輸出基本波及高頻成份’因而製作了如第7 圖的電路圖》圖中所使用的液晶單元係：玻璃板上係鍍有 一厚度為300唉的聚醞亞胺，且將該液晶單元加熱至1〇〇度 C，而利用真空注入法將aflC材料注入。 當液晶厚度設為Γ·5μπι，且光程長度設定為22〇n m 後’再將該液晶單元如第7圖所示般地配置，即進行介電 率測定。第7圖中，1係表具有基準頻率的、電源、與該電源 1所串接的是液晶單元2及電容量已知的標準電容3(cre〇 « · . 本紙張财關家鄉（CNS)从祕（2削297公瘦) — (請先"-讀背赶之注意事項再春寫本頁) ,嚷- -訂· · -9- 經濟部中央椋準局負工消費合作社印製 4389 9 9 A7 __._B7_ 五、發明説明（7 ) 。此時，測定該電路構成中標準電容3兩端所呈現的微小 電壓δν。值得一提的是當Cref之電容量係設定為液晶電 容量的500〜1000倍時，所加電壓係幾乎全加於液晶層。 此時，流入液晶單元的電荷Δ q = δ V Cref。此外，自電源 1加一峰值電壓一定的正弦波電壓於液晶單元中，再依次 地隨著基準頻率的變化來測定輸出電壓AV，以及測定流 入電荷Δ q的變化。然後再如前述般地，將由流入電荷A Q的變化所得之输出電壓的一周期份進行傅利葉變換，據 以進行基本波與高頻的成份分析。 該液晶單元的輸出電壓的2次高頻（2 W )、3次高頻（3 W)、4次高頻（4W)、5次高頻（5W)等成份的強度係示於第 8圖中。圖中，〇係表示作為基準頻率的100Hz電壓、□係 表示作為基準頻率的1kHz電壓、而今係表示作為基準頻 率的10 k Ήζ電歷。由此結果可知，該液晶單元的輸出電 壓係為基準頻率的奇數倍（W，3W，5W...)，及偶數倍（2W ，4W...)的頻率成份。蟀此，當將一3〇V、lOOps的電壓脈 衝加諸於一可輸出奇數倍及偶數倍的液晶單元時，實際驅 動顯示一 AFLC板後，結果顯示，其在廣視角時具有高速 響應特性、且穫至高對比度，故該AFLC板係具有良好的 顯示效果。 (比較例） 當液晶厚度設為9μιη，且光程長度設定為1320nm後 ，再如上述實施例般地進行基本波與高頻的成份分析。其 結果，2次高頻（2W)、3次高頻（3W)、4次高頻（4W)、5次 未紙張碰適用中國國家擦準（CNS )麟（21〇X赠） ----------^裝-----„--ΐτ----- (#先閱讀f-面之注意事項再4·寫本頁) A7 B7 438999 五、發明説明（ 高頻（5W)等成份的強度係示於第9圖中。_中縱軸所示強 度係相對於背景的測量精度，的X下由於與雜訊區別故 無示於圖中。由第9圖可知，只有基準頻率（评）、3次高頻 (3W)、5次高頻（5W)可被觀測，而偶數倍位置的成份則無 法觀測。當將一30V、100哗的電壓脈衝加諸於該液晶單 元時，實際上並無法驅動顯示一 AFLC板，縱使變換各種 的電壓脈衝亦無法進行切換，因此無法達到顯示效果。 以下係檢討有關出現偶數高頻成份時的物理意義。第 1〇圖係液晶單元的斷面圖。第10(幻圖係液晶之人形構造 形成於z=l/2d(d為液晶單元的厚度）位置時的示圖。於第 l〇(a)圖中所示橢圓Pi之z=l/2d處，相對於2回旋軸作18〇度 回旋來觀看該單元時’其構造於回轉前與回轉後之間的差 係無法看出，換言之即是，由上來觀測該單元與由下來觀 測該單元時’其間的差異並無法看出e 此外’在第10(b)圓中’液晶人形構造係沒有形成於 z=l/2的位置，因此，於圖中所示橢圓p22Z=1/2d處，相 對於2回旋軸作180度回旋來觀看該單元時，其構造於回轉 前與回轉後之間的差則可看出。也就是説，回轉後，經曲 折的單元構造係如第10(b)圖中的A與A，般地變化。該種層 構造即可呈現偶數次高頻成份。 第11圖係表示可呈現偶數次高頻成份之液晶單元的另 一構造圖。第11(a)圖中’相對於液晶單元層的上下基板 的角度係依位置之不同而有所不同。cl、c2、c3所示係為 曲折的層構造，在曲折的領域中，係有相當大的範圍會誘 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） f. I 訂- 絲- {請先1¾讀背面之注意事項再4-窝本頁} 經濟部中央標準局負工消費合作社印製 -11 - 經濟部中央標準局貝工消費合作社印製 43 89 9 9 a? B7 五、發明説明（9 ) 起分子配向的亂象。第11 (b)圖中’橢圓e所示部份係只曲 不折。對該種層構造而言，亦會引起單元的對稱性亂象而 呈現偶數次高頻成份。 由上述可知’常卓元係為以複雜自由形之層構造變化 時，即可偶數次高頻成份。 因此，一種可呈現奇數次高頻加偶數次高頻的液晶單 元係比不能呈現偶數次1¾頻的液晶單元能提供一且有高對 比度的AFLC板。 第12圖係為光學異方體的疊合構造圖，在第1〇、11圖 所示構造中並未考慮垂直基板的軸回轉。然而，如以下所 述’在實際的單元中垂直基板的轴回轉亦會被誘起。光學 異方體的疊合基本構造係已詳述於坪井誠太郎[偏光顯微 鏡]中。在此所論及的間題係為：複數枚光學異方體板（第 12圖所示係3牧）之光學軸均重合（第12a圖）在一起時，以 及錯開（第12b圖）時，所產生的光學差異性。因為液晶本 身亦為光學異方體’故延長此一議題並檢討如下。 第12a圖中所示者係3枚光學異方體1 ' 2、3之光學麵 一致地疊合在一起的構造模式圖。第12圖中的上圖係表示 光學軸一致地疊合在一起的層構造之斜視圖，而下圖係表 示自上方看液晶單元時’光學異方體1、2、3之光學軸的 配向。另外，第12a圖中所示者係光學異方體j與光學異方 體3相對於光學異方體2相互地逆向旋.轉所疊成的層構造模 式圖，上圖係表示相互地逆向旋轉所疊成的層構造之斜視 圖’而下圖係表示自上方看液晶單元時，光學異方體丨、2

-12- (438999 A7 B7 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 五、發明説明（10 )

、3之光學轴的配向D ; 就第12a圖中所示之層構造而言，相對於單元1/2位置 之橢圓ql、q2之2旋轉軸，以及垂直基板之橢圓q3之2旋轉 軸作180度旋轉時’旋轉前與旋轉後之層構造的差並無產 生。然而’就第12b圖中所示之層構造而言，當相對於上 述2旋轉軸ql ' q2、q3作180度旋轉時，旋轉前與旋轉後之 層構造則產生差。因此，對於第12圖中所示之層構造而言 ’光學軸一致的層構造（第12a圖）係只能觀測奇數高頻， 而由回轉所疊合的構造（第12b圖）係除可觀測奇數高頻外 亦可觀測偶數高頻。 於第12圖中雖已說明有關3牧光學異方體，然其實並 限於3故。 如第10(b)圖、第ll(a)(b)圖、及第12b圖中所示，具 有旋轉或變形的層構造之液晶單元係除可觀測奇數高頻外 亦可觀測偶數高頻。以下係說明有關呈現偶數高頻之範圍 與光程長度間的關係。 第13圖係表示光程長度與偶數高頻成份間的關係圖。 其中橫轴係為光程長度，縱軸係為偶數次高頻成份對基準 頻率成份的比。由第13圖可知，光程長度在8〇〇nin内係可 呈現高頻成份，但800nm以上，則會落到1〇-6以下的級次 ，此就測定精度而言則會與雜訊無區別。此外，當光程長 度比800nm還長時，則會降低偶數次高頻成份，同時會在 實際顯示時產生付色現象’且亦必須使用能區使其驅動的 高電壓。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS > A4規格（210><297公瘦 ----------第 I. n J 訂· H ^ (请先軋锖背•面之注意事項再4-窝本頁) -13 - 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 r. 43 8 9 9 9 A7 ------- ------‘____B7 五、發明説明（11 ) 第14圖係表示光程長度與液晶單元透過光強度的關係 圖。由該圖可知，當光程長度小於100 n m時，則將無法 識別視覺上的顯示明暗。據此可知’光程長度係定於1 〇〇 〜800nm的範圍内時有最佳的效果。

以下所述係有關光程長度與液晶單元的構造。示於第 12(a)圖的構造與第12(b)圖的構造，其光程長度M • d係不 相同。其係·由於第12(b)圖之層構造的折射率異方性如係 比第12(a)圖之層構造的折射率異方性小的關係。當折射 率異方性Δη越小，則在需要一定大小的光程長度時，其 液晶單元的厚度也就變得越大。例如，就液晶單元厚度為 1 μιη而s ’若Δη不大時則液晶單元的厚度則可變大，例如 變為1.5μιη。因此，液晶單元的生產將較為容易，換言之 ’就可呈現偶數次尚頻之層構造的液晶單元，即第12(b) 圖所示之構造（包含第10(b)圖 '第ll(a)(b)圖），係可在穫 至相同光程長度下將液晶單元的厚度變大。 承上所述’藉由本發明之反強介電性液晶單元，除可 保持原有高速響應特性及高視野角特性外，更可改善對比 度。此外，由於可加大液晶單元的厚度，故可使其製造更 為容易。 本紙强:尺度適用中国國家標準（CNS ) Λ4規格（210X297公釐） (請先聞讀背面之注意^項再填寫本頁) -裝. -線 -14-

Claims (1)

1. / .. .......... ' " II , 1 A8 43 89 99 i公告本. B8 C8 D8 六、申請專利範圍 一種在一對基板間挾持有—反強介電性液晶的反強介 電性液晶單元’其特徵在於·· 該反強介電性液晶單元係包含有一層構造，該層 構造係可使該液晶單元加一作為基準頻率之正弦波電 壓，且將所輸出之輸出電壓作傅利葉轉換後，令變換 後的輸出電壓含有基準頻率之奇數倍及偶數倍的成份 ’且其光程長度係在100〜8 OOnni之.間。 <請先閲讀背面之注意事項+再填寫本页) 裝. 線 經濟部中央揉準局貝工消費合作ii印¾. 本紙張尺度適用中國國家標半（CNS ) A4規格（210X297公羡） -15-