完美顯示器 藍液晶技術 Blue Phase LC

完美顯示器 藍液晶技術 Blue Phase LC
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從去年燃燒到今年最熱門的話題就是如何藉由平面影像讓觀賞者能看到彷彿身入其境的3D電視了! 但是今天小弟要跟大家介紹的是一個很厲害的液晶技術– Blue phase. 這是幾年前, 三星在液晶面板界曾經投下的一顆震撼彈!

在2008的SID展覽中, Samsung 展出了一種有別於傳統TN(http://www.wretch.cc/blog/KisPlay/1157531)、VA(http://www.wretch.cc/blog/KisPlay/1348033)、IPS(http://www.wretch.cc/blog/KisPlay/1499687)甚至是OCB驅動的顯示器, 它們稱作Blue phase LCD, 而且一出場就是15吋的展示機, 也很直接地放上世界第一的稱號!

大家一定很好奇, 這種顯示器擁有什麼優點呢?
Blue Phase LCD在TFT LCD的製程中如同VA液晶面板一樣, 並不需要rubbing配向製程, 在特性上具有超快速反應時間(僅u sec等級, 目前TFT LCD仍是m sec的反應時間) 以及廣視角技術.

所謂的blue phase其實是存在於chrial nematic和isotropic之間的一個液晶相, 依據液晶本身旋性的大小與環境溫度的增加, 會存在著1~3種的Blue phase, 其中可以作為顯示器採用的是BPI (Blue Phase I)和BPII. 當BPIII出現時幾乎等於isotropic相, 其中Blue phase存在的相溫度僅幾度C而已 (如下圖)

從偏光顯微鏡來觀察液晶相的轉移, BPI與BPII看到的是色彩繽紛的, 而BPIII因為已經接近isotropic, 所以看到的會是不同深淺的藍色, 也許就是這樣才會命名為Blue phase吧! 目前Blue phase大約僅存在6℃的溫度範圍之間!

從液晶分子的排列結構來看, BPI的排列為body-centered cubic structure (體心立方結構 ), 而BPII為simple cubic structure (簡單立方結構 ) 在有序的液晶排列中, 可以看到一些空隙, 稱作disclination line, 這些disclination line會讓液晶結構不穩定.

這些柱狀結構其實是由具有double twist的液晶分子所構成, 就像是兩個方向的TN液晶垂直交錯, 每個立方結構約為10*10-3 um3大小, 其中disclination的直徑約10nm

在電場的環境下, 可以看到液晶分子從光學的isotropic會順著電場平行方向產生光學的anisotropic. 在這種特性下, 如果要將光學isotropic所產生的相位差Δn 應用在顯示技術上, 就只能採用IPS或者是FFS的設計.

其中optically anisotropic會遵守Kerr effect定律,也就是 Δn (E) = KλE 2
K是液晶本質的一個參數, 稱作Kerr constant, λ是入射光的波長, E是電場.
照這個公式, 如果要增加相位差的產生, 除了提高液晶本身的K值之外, 電場的增加也可以增加Δn , 但電場不是可以無限制的一直加上去, 因為當飽和電場出現時, 假想液晶已經被拉很直, 這時在怎麼增加電壓, Δn也都不會再增加了

在反應速度表現上, 一般的作法就是降低Cell gap, 將d視為coherence length ζ1~μm
而BP的Cell卻是每個液晶胞都能當作獨立的Cell gap, 將d視為coherence lengthζ2~nm
所以Blue phase在響應速度特性明顯提升許多.

不過前面提到的disclination line因為會破壞BP液晶的結構, 因此液晶的好朋友polymer又出現了, 同樣利用具有UV固化特性的polymer填滿disclination line, 就像灌水泥一樣, 可以讓BP的結構更加牢靠, 當然也可以增加操作溫度的區間了.

從文獻上顯示, 目前Blue phase需要克服的就是要很大的驅動電壓才能有較高的穿透率, 在應用上比較不方便. 因此在電極的設計上, 寬度與間距的最佳化是非常重要也是持續開發的方向.

最後簡單作個總結(參考下表), Blue phase為了要降低驅動電壓最好的方式是從液晶的特性著手, 例如讓 Δn․Δε․k33/k11的乘積增加或Kerr值提升, 而操作溫度的增加必須靠polymer的參雜, 但又會造成驅動電壓提高的反效果. 也許就是因為這些正反的限制才會讓Blue phase又沉寂下來.

隨著液晶技術越來越成熟, 也許有一天這些問題都可以被克服! 也可能這樣的液晶顯示技術會被其他不同驅動方式的顯示器給取代. 相信唯有不斷地投入技術研發才可以帶來創新, 希望廠商不要只著眼於眼前的獲利而忽略了最根本的技術創新了!

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