TWI579623B - 液晶光電裝置 - Google Patents

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Description

液晶光電裝置
本發明係有關於一種液晶光電裝置，且特別有關於使用氧化銦錫(ITO)奈米材料做為液晶配向層及透明電極的液晶光電裝置。
傳統的液晶配向方法包括在基板表面塗布聚亞醯胺(polyimide)再使用滾輪絨布在其表面進行機械磨刷(rubbing)，這種接觸式配向往往伴隨塵屑污染、靜電損傷、刷痕缺陷、內在應力等缺點。因此，在需要高精密度的細微元件的製造上往往避免使用這種接觸式配向。
若採用非接觸配向，可使用傾斜蒸鍍法蒸鍍的薄膜將液晶分子配向於特定方向，來解決上述接觸式配向的問題。然而，配向的液晶應用於光電裝置上，往往仍需要高穿透率的透明導電電極。因此，若能找出同時具有導電、透明及排列液晶分子等特性的材料，將有助於各種光電技術的研究與發展。
為了解決上述問題，本發明係提出一種液晶光電裝置，包括：一上基板及一下基板；一液晶層，夾於該上基板及該下基板之間；以及一對氧化銦錫(ITO)奈米鬚狀層，分別形成於該上基板及該下基板相向的表面，其中該對氧化銦錫奈米鬚狀 層係做為配向層，對該液晶層中的液晶分子進行配向。
根據本發明一實施例，上述之液晶光電裝置中該對氧化銦錫奈米鬚狀層具有複數奈米鬚，該複數奈米鬚係總體地在該上基板或該下基板的平面上的一第一方向上延伸，用以將該液晶分子定向於垂直於該第一方向的一第二方向上。
根據本發明一實施例，上述之液晶光電裝置中該氧化銦錫奈米鬚狀層具有複數氧化銦錫奈米鬚狀層更做為透明電極，用以驅動該液晶分子的排列方向。
根據本發明一實施例，該液晶光電裝置係使用於兆赫波段(0.1~10THz)。
根據本發明一實施例，該液晶光電裝置係使用於可見光波段。
根據本發明一實施例，上述之用於可見光波段之該液晶光電裝置係使用於顯示裝置中。
根據本發明一實施例，上述之液晶光電裝置中該氧化銦錫奈米鬚狀層的厚度600nm~1400nm。
根據本發明一實施例，上述之液晶光電裝置中該氧化銦錫奈米鬚狀層係使用掠射角蒸鍍法(glancing angle deposition)形成，其中蒸鍍方向與被蒸鍍基板的法線方向夾角為40°至80°。
綜合上述各實施例，本發明提出了一種使用氧化銦錫奈米鬚狀結構同時做為電極與配向層的液晶光電裝置，此液晶光電裝置的氧化銦錫奈米鬚狀電極在兆赫波段下具有高穿透率、低驅動電壓的優點。以氧化銦錫奈米鬚狀電極兼做配向層的效果 可避免塵屑污染、靜電損傷、刷痕缺陷、內在應力等接觸式配向的缺點，因此，能應用於需要高精密度的細微元件。
10‧‧‧氧化銦錫奈米鬚狀電極
11‧‧‧奈米鬚
111‧‧‧主枝幹
112‧‧‧次枝幹
20‧‧‧液晶層
211‧‧‧液晶分子
30‧‧‧基板
31‧‧‧上基板
32‧‧‧下基板
40‧‧‧配向劑
50‧‧‧氧化銦錫薄膜電極
VF‧‧‧蒸鍍氣體
A~J‧‧‧曲線
第1A圖係使用電子顯微鏡觀察氧化銦錫(ITO)奈米鬚狀結構的立體圖。
第1B圖係氧化銦錫奈米鬚狀結構與液晶配向方向的側視示意圖。
第1C圖係氧化銦錫奈米鬚狀結構與液晶配向方向的俯視示意圖。
第2A圖係使用根據本發明實施例的氧化銦錫奈米鬚狀結構做為電極的相位調制器的示意圖。
第2B圖係使用傳統的氧化銦錫薄膜做為電極的相位調制器的示意圖。
第3圖係顯示氧化銦錫奈米鬚狀結構、氧化銦錫薄膜、使用氧化銦錫奈米鬚狀電極的相位調制器、使用氧化銦錫薄膜電極的相位調制器在兆赫波段下的光穿透率。
第4圖係使用氧化銦錫奈米鬚狀電極的相位調制器在兆赫波段的不同頻率下的相位延遲量對操作電壓的關係圖。
第5A圖係使用根據本發明實施例的氧化銦錫奈米鬚狀結構做為電極以及液晶配向層的相位調制器的示意圖。
第5B圖係使用氧化銦錫奈米鬚狀結構做為電極並另外使用 配向劑的相位調制器的示意圖。
第6圖係顯示氧化銦錫奈米鬚狀結構、使用氧化銦錫奈米鬚狀電極以及配向劑的相位調制器、使用氧化銦錫奈米鬚狀電極但不使用配向劑的相位調制器在兆赫波段下的光穿透率。
第7圖係使用氧化銦錫奈米鬚狀結構同時做為電極與配向層的相位調制器在兆赫波段的不同頻率下的相位延遲量對操作電壓的關係圖。
以下將參照圖式說明本發明的實施例。其中，各實施例中相同的構成要素會標上相同的符號。
第1A圖係使用電子顯微鏡觀察氧化銦錫(ITO)奈米鬚狀結構的立體圖。第1B圖係氧化銦錫奈米鬚狀結構與液晶配向方向的側視示意圖。第1C圖係氧化銦錫奈米鬚狀結構與液晶配向方向的俯視示意圖。
為了獲得同時具有導電、透明及排列液晶分子等特性的材料，本發明使用掠射角蒸鍍法(glancing angle deposition)成長出3維的氧化銦錫奈米鬚狀結構，如第1A圖所示，該結構中具備複數的奈米鬚11，每一奈米鬚11由一主枝幹111以及從主枝幹111延伸而出的細小次枝幹112組成。依據蒸鍍的角度，複數奈米鬚11的主枝幹111總體地會朝特定的方向傾斜。而這些奈米鬚11總體的傾斜方向就能夠用來對液晶分子配向。本文中所述的「總體的傾斜方向」是指複數的奈米鬚11平均來說傾斜方向，根據形成時的變因，各個奈米鬚11的傾斜角度仍有大小不一的個體差異。
如第1B圖所示，假設蒸鍍源沿著與一基板30的法線方向(圖中z軸方向)夾角θ(後述將此夾角θ簡稱為蒸鍍角)的方向供給蒸鍍氣體VF(vapor flux)，基板30的表面形成複數的凝結核，藉由這些凝結核本身的遮蔽效應而各自逐漸成長出傾斜的柱狀體。斜向蒸鍍完成後這些斜向的柱狀體即為複數的奈米鬚11，奈米鬚11的主枝幹111總體從基板30的xy平面上朝向特定方向傾斜。當液晶分子211注入基板30的表面時，液晶分子211的配向方向會被控制在與奈米鬚11的主枝幹111的傾斜方向垂直的方向上(第1B圖中垂直於紙面的方向)。沿著z軸方向俯視面板30時，如第1C圖所示，假設奈米鬚11總體延伸於y方向，則液晶分子211則配向於垂直於y方向的x方向上。
根據上述實施例，可使用氧化銦錫奈米鬚狀結構對液晶分子配向，由於氧化銦錫奈米鬚狀結構是以非接觸式的掠射角蒸鍍法形成，故可以避免塵屑污染、靜電損傷、刷痕缺陷、內在應力的缺點，適合使用於需要高精密度的細微元件中。
接著，討論氧化銦錫奈米鬚狀結構的其他特性，氧化銦錫是一種透明(具有高穿透率)且具有導電性的材料。因此，常做為可見光的光電裝置中的電極使用。然而，傳統的氧化銦錫薄膜(ITO thin film)並不適合使用於頻率低於可見光波段的兆赫波段(0.1~10THz)的光學元件當中。由於兆赫波現已廣泛應用於無線電天文、遙測、軍事、醫學影像等領域，因此尋找適用於兆赫波段的光學元件中的電極是相當重要的。而本發明的氧化銦錫奈米鬚狀結構就是這種兆赫波段光電元件中的電極的合適選擇。
本文將舉出以相位調制器做為基本的液晶光電裝置的例子。相位調制器具備上下兩基板、夾於兩基板之間的液晶層、以及形成於上下兩基板的內表的一對電極層。施加電壓差於這一對電極層，電極層的電場強度及方向就可控制液晶層的液晶分子的排列方向。由於液晶分子為複折射性材料，控制液晶分子的排列方向就可調整通過的光的相位。
第2A圖係使用根據本發明實施例的氧化銦錫奈米鬚狀結構做為電極的相位調制器的示意圖。第2B圖係使用傳統的氧化銦錫薄膜做為電極的相位調制器的示意圖。在第2A圖中，相位調制器使用例如1008μm厚的上基板31與下基板32，並注入509μm厚的液晶層20於兩者之間。這些規格相對於一些用於其他波段的光電裝置的液晶層來得厚，因為兆赫波段需要較長的光程來調制相位。而在上、下基板31、32之間的內表面使用前述掠射角蒸鍍法以蒸鍍角40°至80°的範圍形成厚度在600至1400nm範圍的氧化銦錫奈米鬚狀結構做為電極(以下稱氧化銦錫奈米鬚狀電極10)。此時，尚不使用氧化銦錫奈米鬚狀結構做為配向層，因此在氧化銦錫奈米鬚狀電極10上仍塗布配向劑(polyimide)40並以磨刷的方式對液晶層20的液晶分子配向。第2B圖的相位調制器中，除了使用厚度200nm的傳統的氧化銦錫薄膜取代氧化銦錫奈米鬚狀結構做為電極(以下稱氧化銦錫薄膜電極50)外，其餘構造與第2A圖相同。
第3圖係顯示氧化銦錫奈米鬚狀結構、氧化銦錫薄膜、使用氧化銦錫奈米鬚狀電極10的相位調制器、使用氧化銦錫薄膜電極50的相位調制器在兆赫波段下的光穿透率。第3圖中，曲 線A是單層氧化銦錫奈米鬚狀結構的兆赫波穿透率，平均約91.48%；曲線B是單層氧化銦錫薄膜的兆赫波穿透率。平均僅約8.62%；曲線C是使用氧化銦錫奈米鬚狀電極10的相位調制器(包含雙層氧化銦錫奈米鬚狀結構)的兆赫波穿透率。平均高達75.43%；曲線D是使用氧化銦錫薄膜電極50的相位調制器(包含雙層氧化銦錫薄膜)的兆赫波穿透率。平均僅約0.92%。
由上述結果可知，氧化銦錫奈米鬚狀結構具有高穿透率，因此遠比氧化銦錫薄膜適合做為兆赫波段的光電元件的電極。這是因為氧化銦錫奈米鬚狀結構的密度朝遠離基板方向漸變地由密到疏，因此材料本身的折射率緩慢改變，相對於密度均勻的氧化銦錫薄膜會急劇改變介面的折射率，氧化銦錫奈米鬚狀結構可大幅提高光穿透率。
此外，若為了避免使用氧化銦錫薄膜做為兆赫波段的光電裝置中的電極而造成光穿透率的下降，習知技術仍有使用側向電極或用次波長金屬光柵做為透明電極的方法，但兩種方法要達成足夠的相位延遲需要極高的偏壓(至少100伏特以上)。還有一種磁場調控液晶的方式，然而使用磁場的設備卻有結構複雜與體積龐大的問題。
相對於上述方法，使用氧化銦錫奈米鬚狀結構做為兆赫波段的光電裝置中的電極還具有低驅動電壓、結構簡單、製作容易的優點。第4圖係使用氧化銦錫奈米鬚狀電極10的相位調制器在兆赫波段的不同頻率下的相位延遲量對操作電壓的關係圖。第4圖中曲線E、F、G、H分別為頻率在0.32THz、061THz、0.82THz、1.05THz下相位延遲量對操作電壓的近似曲線。從曲線H (1.05THz)可知在操作在低電壓(約17.68Vrms)下就可以達到π/2的相位延遲量，成為1/4波長相位調制器。
最後，本發明結合氧化銦錫奈米鬚狀結構的上述液晶配向功能與電極功能，提出採用氧化銦錫奈米鬚狀結構同時做為兆赫波段的光電裝置中的電極與液晶配向層的實施例。
第5A圖係使用根據本發明實施例的氧化銦錫奈米鬚狀結構做為電極以及液晶配向層的相位調制器的示意圖。第5B圖係使用氧化銦錫奈米鬚狀結構做為電極並另外使用配向劑的相位調制器的示意圖。在第5A、5B圖中，使用與第2A、2B圖尺寸相同的上、下基板31、32(厚度1008μm)、液晶層20(厚度509μm)、氧化銦錫奈米鬚狀結構電極(厚度600至1400nm並以蒸鍍角40°至80°的掠射角蒸鍍法形成)。事實上，第5B圖的結構與第2A圖的結構相同。第5A圖與第5B圖的差異在於第5A圖的氧化銦錫奈米鬚狀結構同時做為電極與配向層，故省略了塗布配向劑(polyimide)40進行磨刷配向的步驟。觀察第5A圖與第5B圖結構下的亮暗態影像(未圖示)的結果，發現使用氧化銦錫奈米鬚狀結構同時做為電極與配向層來配向液晶分子的效果雖稍差一點，但整體而言兩者均能獲得極高的對比。
第6圖係顯示氧化銦錫奈米鬚狀結構、使用氧化銦錫奈米鬚狀電極10以及配向劑40的相位調制器、使用氧化銦錫奈米鬚狀電極10但不使用配向劑40的相位調制器在兆赫波段下的光穿透率。第6圖中，曲線A是單層氧化銦錫奈米鬚狀結構的兆赫波穿透率曲線，平均約91.48%；曲線C是使用氧化銦錫奈米鬚狀電極10並使用配向劑的相位調制器的兆赫波穿透率曲線，平均高達 75.43%；曲線I是使用氧化銦錫奈米鬚狀電極10但不使用配向劑40的相位調制器的兆赫波穿透率曲線。在第6圖中可見，在低頻時不使用配向劑40的曲線I雖與使用配向劑40的曲線C穿透率大致相同，但在高頻時曲線I比曲線C具有更高的穿透率。
第7圖係使用氧化銦錫奈米鬚狀結構同時做為電極與配向層的相位調制器在兆赫波段的不同頻率下的相位延遲量對操作電壓的關係圖。第7圖中曲線J、K、L、M分別為頻率在0.32THz、061THz、0.82THz、1.05THz下相位延遲量對操作電壓的近似曲線。從1.05THz的曲線M(1.05THz)可知，在極低的電壓(約2.83Vrms)下就可以達到π/2的相位延遲量，比起相同條件下使用配向劑40的曲線H(第4圖)，操作電壓更進一步大幅地降低，成為具有最低操作電壓的1/4波長相位調制器。
根據上述實施例，本發明提出了一種使用氧化銦錫奈米鬚狀結構同時做為電極與配向層的液晶光電裝置，此液晶光電裝置的氧化銦錫奈米鬚狀電極在兆赫波段下具有高穿透率、低驅動電壓的優點。以氧化銦錫奈米鬚狀電極兼做配向層的效果可避免塵屑污染、靜電損傷、刷痕缺陷、內在應力等接觸式配向的缺點，因此，能應用於需要高精密度的細微元件。
雖然本發明之較佳實施例說明如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍視申請專利範圍所界定者為準。例如，雖已例示本發明使用氧化銦錫奈米鬚狀電極的液晶光電裝置可適用於兆赫波段的相位調制器，但同樣的結構也可應用於可見光波段的液晶光電裝置中，例如，上述 使用氧化銦錫奈米鬚狀電極的液晶光電裝置可使用於液晶顯示裝置中。
10‧‧‧氧化銦錫奈米鬚狀電極
20‧‧‧液晶層
31‧‧‧上基板
32‧‧‧下基板

Claims (8)

  1. 一種液晶光電裝置，包括：一上基板及一下基板；一液晶層，夾於該上基板及該下基板之間；以及一對氧化銦錫(ITO)奈米鬚狀層，分別形成於該上基板及該下基板相向的表面，其中該對氧化銦錫奈米鬚狀層係做為配向層，對該液晶層中的液晶分子進行配向，其中該對氧化銦錫奈米鬚狀層具有複數奈米鬚，該奈米鬚係具有一主枝幹以及從該主枝幹延伸而出的複數細小次枝幹。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之液晶光電裝置，其中該對氧化銦錫奈米鬚狀層具有複數奈米鬚，該複數奈米鬚係總體地在該上基板或該下基板的平面上的一第一方向上延伸，用以將該液晶分子定向於垂直於該第一方向的一第二方向上。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之液晶光電裝置，其中該對氧化銦錫奈米鬚狀層更做為透明電極，用以驅動該液晶分子的排列方向。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之液晶光電裝置，其中該液晶光電裝置係使用於兆赫波段(0.1~10THz)。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之液晶光電裝置，其中該液晶光電裝置係使用於可見光波段。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之液晶光電裝置，其中該 液晶光電裝置係使用於顯示裝置中。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之液晶光電裝置，其中該氧化銦錫奈米鬚狀層的厚度600nm~1400nm。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之液晶光電裝置，其中該氧化銦錫奈米鬚狀層係使用掠射角蒸鍍法(glancing angle deposition)形成，其中蒸鍍方向與被蒸鍍基板的法線方向夾角為40°至80°。
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