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2019-11-01液態晶體科學與技術發展的半百年風華
599 期
Author 作者
林岳辰／交通大學照明與能源光電研究所碩士生，研究領域為膽固醇液晶光電；吳柏昌／交通大學影像與生醫光電所博士後研究員，專長為液晶光電與介電特性；李偉／交通大學影像與生醫光電研究所教授，目前主要的研究
液晶科學的發展與主流技術的革新
熱致型（thermotropic）棒狀（calamitic）液晶（liquidcrystals），是最常見的液晶類別，以典型的雙苯環（biphenyl）分子CH3(CH2)4C6H4C6H4CN(5CB)為例，棒狀液晶的分子長度約兩奈米（nm）、寬約0.5奈米。此外，由於液晶具有獨特異向性（anisotropy），故一直是發展諸多類型光電元件的熱門材料。
而其中，液晶顯示器（liquid-crystal display, LCD）即為一經典案例，憑藉其輕薄、低功秏和可攜式等優勢，成為最具代表性且成功商品化的液晶光電應用；時至今日，其應用範圍廣闊，更遍及人類生活中的各類數位、電子與多媒體產品，包括中、小尺寸的智慧型手錶、手機、平板電腦、筆記型電腦、車用顯示裝置、螢幕及大尺寸的電視與廣告看板等。
回顧液晶科學史，一般將1888年視為液晶科學發展元年，因奧地利植物學家萊尼澤（Friedrich Reinitzer）首次發現液晶，他觀察到膽固醇苯甲酸酯（cholesterol benzoate）具有兩個「熔點」，後續萊尼澤將樣品寄給德國物理學家雷曼（Otto Lehmann）請求協助鑑定。
液晶曾被稱為「軟性晶體」與「晶性流體」，直到1904年才由雷曼正式命名。1922年雷曼逝世後，無緣獲知法國礦物學家兼晶體學家弗里德爾（Georges Friedel）在同年出版長達201頁的期刊論文中，提出迄今廣為接受的三種液晶型態分類和名稱：向列型（nematic）、膽固醇型（cholesteric）以及層列型（smectic）。而這篇論文，也因此開啟日後的液晶世紀。
1888~1970年間，液晶技術發展相當緩慢。僅管如此，在化學與理論科學家的努力下，有關液晶基礎特性原理相繼提出，已成為後續探討液晶光電的基石。直至1971年，扭轉向列型（twisted–nematic, TN）液晶結構的發明，正式開啟LCD應用的大門；1979年薄膜電晶體（Thin-Film Transistor, TFT）的問世，更使LCD在數年後從傳統被動式驅動的黑白顯示升級至主動式驅動的彩色顯示。
而即便後續的扭轉向列型液晶（twisted nematic liquid crystal, TNLC）發展勢如破竹，其結構本身仍有許多難以克服的問題，包括顯示的對比度低、視角窄、反應速度慢與無法全彩化；其中視角問題源自液晶材料本身的折射率異向性。當從偏離水平正視的方向觀看液晶螢幕時，會在特定角度分別看到由液晶長軸與短軸所貢獻的兩種顏色各異的畫面，此現象稱為灰階反轉（圖一左）。
圖一：利用不同電壓控制畫素中液晶光軸的轉角，在正交偏光板架構下可顯示出不同的穿透度或灰階。
扭轉向列液晶技術的窄視角（左）多區域TNLC技術示意圖，因TN顯示器的缺點為窄視角、灰階與色彩反轉，故TNLC技術發展出搭配用的補償膜（右）。
儘管搭配補償膜或使用多區域TNLC技術（圖一右）可改善視角，但效果仍有限，因此TNLC的應用僅止於低階手機、桌上型螢幕及筆記型電腦。對此，新型液晶顯示模式，例如多區域垂直配向（multi-domain vertical alignment, MVA）、水平或共面切換（in-plane switching, IPS）、藍相液晶（blue phase, BP）、表面穩定型鐵電液晶（surface-stabilized ferroelectric liquid-crystal ,SSFLC）、光學補償彎曲型（optical compensated bend, OCB）向列液晶及均勻橫向螺紋（uniform lying helix, ULH）膽固醇液晶（cholesteric liquid crystal, CLC）等相繼提出（圖二），試圖解決TNLC所面臨的問題。
圖二：液晶顯示模式的演進。過去使用的TN顯示器的有窄視角、灰階與色彩反轉等缺點；
而目前所使用的MVA顯示器為廣視角，沒有TN顯示器惱人的視角缺點；至於未來的液晶顯示模式則將具有更快速的反應時間。
其中，MVA與IPS為最具代表性且已商品化的廣視角技術。而改良型的MVA結構能進一步解決色偏與畫面泛白的問題。此外，基於傳統IPS存在低穿透率、大視角下畫面偏黃與高驅動電壓的瓶頸下，邊緣場切換（fringe-eld switching, FFS）技術已逐漸取代IPS技術。如今，MVA與FFS分別在大型電視與智慧型手機市場各擁一片天。......【更多內容請閱讀科學月刊第599期】