胆固醇液晶简介

胆固醇液晶具有双稳态特性，意即在自然存在状态下有两个稳定的状态，其中一个为planar state如图一所示液晶排列整齐可以反射特性波长光线的状态，通常称为亮态。另一个状态为focal conic液晶则为混乱排列会将入射光线散射，通常称之为暗态，此状态则可以看到液晶层下一层物质的颜色。另一个暂时态则为homeotropic state液晶则全部垂直排列，光线全部穿透则可以看到液晶层下一层物质的状态，如图一所表示。这三个状态可以透过加诸在胆固醇型液晶的电场进行改变，当胆固醇型液晶处于planar state时候则可以加以较小电场以改变到focal conic state。当施加以较高电场时候则可以将液晶全部垂直排列转换成homeotropic state，此时若将电场快速移除则液晶回覆到planar state，若电场缓慢移除则液晶回覆到focal conic状态。所以，透过加诸电场与移除快慢则可以改变胆固醇型液晶的状态。

双稳态与布拉格反射定律

胆固醇型液晶除了具有双稳态特性之外，也遵守布拉格反射定律Bragg’s Reflection Law。所谓布拉格反射定律就是当光线入射结晶格排列物质时候，第一束光线遇到A点反射与第二束光线遇到B点反射，此两束光线所走路径差异为CB与BD两段距离，这两段距离总和为2d*sinΘ，其中d为周期结晶格之间距离，Θ则为入射光线与物体表面夹角。若此两束光线所走距离的差异（2d*sinΘ）为入射光线波长（λ）的整数倍，则有建设性干涉现象。

《图一　胆固醇型液晶双稳态驱动说明》

因为胆固醇型液晶遵守布拉格反射定律，所以可透过调整液晶的旋距(pitch)来调整反射光波长。当液晶旋距调整为让蓝色光线具有建设性干涉现象，则可以反射蓝色光线，液晶则显示出蓝色，同样道理也可以调整液晶旋距达到反射绿色、红色波长效果。如此胆固醇型液晶便可以透过调整旋距而显示出不同颜色效果。利用此现象将胆固醇型液晶调整为反射黄色波长，再将底层涂以蓝色吸收层，当胆固醇型液晶处在planar state时候则反射黄色效果，再加上底层蓝色吸收层，则可以组合成白色画面，当液晶处于focal conic state时候，光线仅反射底层蓝色吸收层颜色，所以只有蓝色，如此则可以制作蓝色、白色两种颜色之面板。

《图二　胆固醇液晶显示蓝色、白色之原理》

大标：电子书应用与国际上彩色化技术

以胆固醇型液晶作为显示介质所开发的电子书产品，因为具有双稳态特性，当不提供电场时候，画面可维持不变，具有非常省电的特质。并且胆固醇型液晶本身可以反射出不同颜色，不需要额外增加彩色零件即可显示不同颜色，所以各国公司利用此技术陆续开发电子书产品，即是看重省电优势；以及反射式面板接近纸张的阅读方式，不容易造成眼睛疲劳。

最早于2003年由歌林公司开发绿色黑色的单色电子书产品i-Library，利用绿色胆固醇型液晶与黑色底层吸收层，则可以显示黑色与绿色画面。后续日本公司Panasonic也以蓝色白色显示方式开发双萤幕之电子书产品ΣBook，KDI公司也开发单色电子书雏形，反射率超过35%、对比大于25，显示照片效果良好。到了2007年，日本富士通公司（Fujitsu）透过专利与技术转移KDI公司技术，将三层堆叠结构应用于全彩电子书产品，并开始贩售8”、12”两种尺寸之电子书，正式开启彩色电子书的产品阶段，初期产品售价较大量生产价高上3倍。

三层堆叠方式达到全彩效果

美国KDI提出的全彩技术，是利用胆固醇型液晶可以反射不同颜色效果的特性，以三层堆叠方式达阵（如图三）。欲显示红色画面时候，将蓝色、绿色面板驱动到focal conic state，红色面板驱动到planar state。若要显示紫色画面则将蓝色与红色面板驱动到planar state，将绿色面板驱动到focal conic state，以此类推，则可以显示不同颜色。因为是反射式面板不需要背光模组，是利用环境光反射而显示画面，如同书本、纸张一样。所以在户外非常亮的环境仍可以清楚辨识。

《图三　三层堆叠方式，以玻璃基板制作之彩色面板样品。 》

而技转自KDI，富士通公司也采用三层堆叠结构如图四，当三层液晶全部驱动于planar state状态时候则可以显示白色画面，在最底下层则以黑色吸收层借以显示黑色画面，并且制作三层不同颜色胆固醇型液晶面板，再进行三层组合组装贴合形成全彩显示的彩色面板。

近年富士通在产品改良上多所提升，2005年时堆叠彩色面板仅有8个颜色、反射率仅18%。在2009年显示器国际会议（SID）上，富士通公司发表最新研发改善规格，将反射率提升至33%，颜色表现可达26万色，色饱和度可已达19%。

《图四　日本富士通公司三层堆叠彩色化结构。 》

其改善规格方式主要透过液晶颜色的调整、驱动技术与系统改善、面板结构材料搭配设计…等。而在面板结构上，采取新型黏性光阻取代塑胶粒子作为间隙控制材料制作挡墙，可以避免液晶在塑胶粒子周围的漏光，并且可以使液晶排列整齐，大幅提升反射率与对比。也因为解决了暗态漏光问题，提升色彩表现达19%；而光阻制作挡墙均匀性高，控制液晶均匀性提高则可提升灰阶表现能力，进而呈现更多色彩达到26万色的显示效果。

同一国际会议上，韩国三星公司（Samsung）也发表以单层结构制作10吋彩色胆固醇型液晶面板雏形。并且以主动驱动方式驱动胆固醇型液晶，达到显示动画效果，其反应速率为25ms。由于仅有单层结构所以反射率仅有10%，色彩表现饱和度为15%。相较之下，富士通公司采取被动驱动方式，更换画面需要超过十秒钟，对于使用者仍嫌过慢。

台湾机会！工研院布局单层彩色化技术

台湾研发胆固醇型液晶已有多年经验，主要于工研院显示中心所投入最多研发能量。应用于电子书产品则以单层彩色化结构如图五所示，以光阻制作挡墙（图中编号5:bank）将每一画素作隔离，再用黏着层（图中编号6: adhesion layer）将上下基板作黏合。

使用目前平面显示器制程之真空注入方法分别将红色、绿色、蓝色液晶注入画素区内，则可以分别控制画素液晶状态达到显示彩色的效果。其生产流程如图六所示，利用现有面板场所具备真空注入设备，分别注入不同颜色胆固醇液晶，并在每一次注入后作封口与切割步骤，避免液晶外流与混合情形。最后完成各画素不同颜色注入效果如图七图显微镜下可清楚辨识红色、绿色、蓝色液晶分别于次画素中无混合情形。

Dual-cell结构善用轴像旋转特性

所制作10.4吋QVGA、解析度40ppi彩色电子书雏形，分别于2007年、2008年开发展示，在液晶材料、结构设计、制程改良、驱动技术等方面进行改善，可以达到对比大于五、反射率大于25%、512色表现等性能。此种创新结构也申请专利获得认证以确保其自主专利性。

《图五　工研院显示中心所开发单层结构彩色胆固醇液晶显示技术结构图。 》

《图六　以现有真空注入液晶方法分别三次注入不同颜色液晶流程。 》

《图七　与灌注完成后画素显示不同颜色效果。 》

由于单层彩色化结构设计上仅能利用1/3光线亮度，为了提升反射率，工研院显示中心在提出以Dual-cell结构以利用另一旋性的光线。由先前介绍胆固醇型液晶具有轴像旋转的特性，所以仅能反射单一旋性的光线，另外一旋性的光线则穿透被​​吸收掉。所以此Dual-cell结构如图八所示，制作两片同为左旋性胆固醇型液晶面板，中间夹一层半波板，则右旋性光线通过第一片面板后经过半波板则改变旋性为左旋光线，如此通过第二片面板时候则可以反射，如此可以大幅提升反射率。采用此结构制作雏形于2009年底开发完成解析度100ppi彩色电子书样品，反射率超过34%、4096色表现、驱动电压

《图八　工研院显示中心开发Dual-cell结构以提升反射率。 》

《图九　2009年工研院展示高解析度高亮度Dual-cell彩色电子书雏形。 》

《图十　2009年工研院展示高解析度高亮度Dual-cell彩色电子书雏形》

胆固醇液晶显示器的未来

除现有彩色化技术之外，工研院未来规划以新型单基板结构利用高挡墙设计将液晶以精密喷印方式将不同颜色液晶填入画素内，在利用相分离技术形成保护层后再喷印导电层即完成可连续生产的单基板彩色电子书面板。目前已经有雏形测试完成，但仍须要克服制程稳定与均匀性问题。未来更持续在量产性、光学特性、色彩表现提升之外，更需要兼顾可动画显示的能力，所以将规划以主动元件驱动彩色胆固醇液晶面板之技术开发，使未来彩色电子书可以兼顾动画显示与双稳态低耗电能之优点。

…本文作者胥智文担任工研院显示中心副组长…