電子行業(yè)液晶物理學(xué)及其應(yīng)用

液晶物理學(xué)及其應(yīng)用

林啟湟中山大學(xué)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(chǎn)值比較2004年全球大型TFT產(chǎn)值約346億美圓，而我國產(chǎn)值較前一年成長67%，估計(jì)佔(zhàn)全球比重約38%，僅次於韓國45%；另外，日本約佔(zhàn)17%，排名第三(圖一)。72004年我國中小型TFT產(chǎn)值比較

2004年全球中小型TFT產(chǎn)值約102億美圓，而我國產(chǎn)值較前一年成長140%，估計(jì)佔(zhàn)全球比重約12%，次於日本78%，而韓國約佔(zhàn)10%，排名第三。89我國2004~2005年平面顯示產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值分佈

表一我國2004年平面顯示產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值分佈

10我國大型TFT廠商營利表現(xiàn)比較

11韓國大型TFT廠商營利表現(xiàn)比較

12AimtomakeTaiwantheworld'slargestsupplierofTFT-LCDpanels.BuildTaiwanintotheworld'smostimportantcenterforcolorimagingdeviceR&Dandmanufacturing.AttainproductionvalueofatleastNT$1.37trillionforthecolorimagingindustryin2006.ReachatleastNT$350billioninprivate-sectorinvestmentoverthenextfiveyears.ˉProspectofTaiwanFPDIndustryLCD結(jié)構(gòu)圖Or3MDEBF1415BasicConcept

液晶簡介物質(zhì)的相變17何謂液晶?對於普通常見的物質(zhì)由結(jié)晶狀的固體(CrystallineSolid)相變?yōu)楦飨蛲缘囊后w(IsotropicLiquid)，通常是經(jīng)由單一過程的相變。但有很多有機(jī)物由結(jié)晶固體到各向同性液體間卻需求經(jīng)過多個(gè)步驟的相變。因此必定存在一個(gè)或多個(gè)介於結(jié)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(jié)晶固體與各向同性液體間，所以這些相的力學(xué)、光學(xué)性質(zhì)和對稱性也介於結(jié)晶固體與液體之間。到目前為止，已被發(fā)現(xiàn)的這些中間相大致可被區(qū)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)，故易構(gòu)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陳列，故不具流動(dòng)性。(1)18OrderedFluidMesophases:通常稱為「液態(tài)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。故易構(gòu)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(dòng)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(guān)的液晶作更進(jìn)一步地介紹。結(jié)晶固體溶解:晶格位子,方向

在此我們僅對本課程相關(guān)的液晶作更進(jìn)一步地介紹。19中間相(Mesophases)DisorderedCrystalMesophases「塑性晶體」OrderedFluidMesophases「液態(tài)晶體」圓球狀長條狀、圓盤狀位置有序，方向無序位置無序，方向有序晶格陳列，不具流動(dòng)性位置無序，有流動(dòng)性結(jié)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(chǎn)生相變因溶於溶劑中濃度比例的改變而產(chǎn)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(chǎn)生相變之緣由來區(qū)分LCDs:Thermotropic(熱致液晶)分子形狀陳列方式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.分子陳列之有序性溶液26MeltingofaSolidDirectoraxis27Nematic液晶Nematic液晶特性:(a)分子的重心位置沒有次序性。(b)分子的陳列方向存在一定程度的次序性，分子傾向平行於某個(gè)共同的方向去陳列，如圖所示，我們定義這個(gè)方向?yàn)镈irector(DirectorAxis)以n表示。(c)Directorn與–n的狀態(tài)是不可區(qū)分的。長條狀之Nematic相液晶的分子陳列。nLCD用液晶28Cholesteric液晶將Chiral溶解在Nematic相液晶中，原來的Nematic液晶結(jié)構(gòu)會(huì)出現(xiàn)螺旋畸變。我們將這種螺旋的Nematic相稱為Cholesteric相。Cholesteric相液晶的分子陳列。Lnnnnxyzqo>0表液晶分子為右旋陳列，qo<0表液晶分子為左旋陳列。螺距(Pitch)=2Lnx=cos(qoz+φ)ny=sin(qoz+φ)nz=0因?yàn)閚與-n是不可區(qū)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(qiáng)膜SmartwindowsinbuildingBroadbandcircularpolarizer缺點(diǎn):Narrowbandwidth(LC之Δn~0.3)32Smectic液晶由結(jié)構(gòu)上的差異Smectic液晶又可被細(xì)分成SmecticA、B、C等共十餘種。但結(jié)構(gòu)上看，一切的Smectics相都具有層狀結(jié)構(gòu)，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資料而言，其Smectic相的溫度範(fàn)圍總比Nematic相為低。(a)SmecticA(SmA)dSmecticA相液晶的分子陳列。

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

w3334(c)SmecticC*(SmC*)-FerroelectricLCs與SmecticC類似其分子導(dǎo)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(dǎo)軸會(huì)沿著層面法線作緩慢之螺旋轉(zhuǎn)動(dòng)，如圖所示。此結(jié)構(gòu)之構(gòu)成通?？捎蒘mecticC之液晶再參與chiralagent所構(gòu)成。故又名為chiralsmecticC。SmecticC*相液晶的分子陳列。

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)分子形狀分子陳列次序性物理性質(zhì)非均向性介電係數(shù)磁導(dǎo)率折射率黏滯係數(shù)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(dǎo)致其分子之陳列方向具有次序性，此一異於各向同性(isotropic)液體的特性亦表現(xiàn)在電性、磁性、光學(xué)及力學(xué)等各方面。當(dāng)量測其介電係數(shù)(dielectricconstant)、磁導(dǎo)率(magneticsusceptibility)、折射率(refractiveindex)及黏滯係數(shù)(viscosity)…等時(shí)，將因液晶分子陳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(dǎo)軸時(shí)之dielectricconstant。而為液晶之重要參數(shù)，其值可正可負(fù)。端視液晶分子之永久偶極矩及誘導(dǎo)偶極矩性質(zhì)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(yīng)的電位移D為

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

||||>+-+-

||||<--++||>||<EE42介電係數(shù)與溫度之關(guān)係5CB之介電係數(shù)與溫度之關(guān)係曲線。43TheOrderParameter*Solid?=0→S=1Isotropicphase→orientationisrandom<cos2?>=1/3→S=044連續(xù)彈性體理論通常在液晶中之導(dǎo)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(dǎo)致液晶分子陳列方式的任何形變，均可以如下之三種根本形變來探討其物理現(xiàn)象。11Splay,KBend,K33Twist,K22其中:K11、K22、K33分別為Splay、Twist、Bend形變之彈性係數(shù)(elasticconstant)液晶之連續(xù)彈性體理論，僅對彈性能量考量及假設(shè)一切次序參數(shù)S為常數(shù)。此假設(shè)於方向或位置次序有缺陷(defect)之區(qū)域即不成立。彈性常數(shù)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(xù)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之陳列狀態(tài)47Freeenergydensity:TorquedensityNematic(K11=K33=K~10-11N)andd=10μmForsteel:shearmodules=108N/m2DeformationTorque48Rotationviscosity1(轉(zhuǎn)動(dòng)粘滯係數(shù))1LC分子1代表液晶分子轉(zhuǎn)動(dòng)的難易度1越小LC反應(yīng)越快Responsetime正比於“LC黏度“和“cellgap平方〞>0之LC其粘滯係數(shù)較小49許多影響LCD性能之物理參數(shù)與次序參數(shù)S間有著親密之相關(guān)性，如下所示:Example:當(dāng)TNcell之溫度上升時(shí)，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(shù)與次序參數(shù)S之相關(guān)性因故溫度上升時(shí)，其臨界電壓Vth應(yīng)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