半透半反LCD.pdf

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國立臺灣大學電機資訊學院光電工程學研究所碩士論文指導教授：

蔡永傑博士水平配向為主的單間隙半穿透半反射液晶顯示器SingleCellGapTransflectiveTFT-LCDsbasedonHomogeneousLCAlignment研究生：

羅元甫撰中華民國九十五年六月I致謝致謝鳳凰花開，樹上蟬鳴不絕於耳，又來到了這畢業的季節。

轉眼間，就快結束這兩年的碩士生涯，在光電所的點滴，猶歷歷在目，懸繞在心頭。

對於論文能夠如期完成，首先要感謝指導老師蔡永傑教授對我的諄諄教誨，不只在專業領域上給我細心的指導，在研究的過程中給我中肯的建議，讓遇到的難題可以迎刃而解，更讓我瞭解到以謙卑的態度來待人處事。

此外，還要感謝論文口試委員林晃巖教授、黃建璋教授，他們的不吝賜教讓我的論文能更加完善。

在這裡還要感謝實驗室的同學冠宏、岳鴻，在我研究遇到困難的時後，總是不吝惜和我討論，給我建議，讓問題都能如期解決。

也謝謝博士班學長建中，在研究的路上，給予我過來人的經驗指導，還有實驗室的學弟仁傑、孟霖、文傑，有了你們，實驗室不再冷清，讓我能夠在一個歡樂的氣氛下順利完成研究。

還有大學同學飛宏、士傑，高中同學嘉君、士然，謝謝你們陪我聊天及打球運動，讓我在繁忙課業之餘，也能擁有強健體魄。

當然也要感謝雅筑，妳就像是我的心靈支柱。

失意難過的時候，幫助我走出陰霾，突破難關；高興的時候，一同分享快樂的喜悅。

有妳的體諒及支持，是我完成研究及論文的最大動力，在此由衷地獻予妳最誠摰的感謝。

最後，要感謝我的家人，爸爸、媽媽及弟弟，謝謝你們總是支持我的決定，讓我能隨心所欲去做自己想做的事。

謝謝我父母對我的栽培，讓我一直能夠接受良好的教育，並能無後顧之憂地完成我的學業，僅將此論文獻予我最愛的你們。

羅元甫2006年6月II摘要摘要本論文以模擬的方式嘗試設計出單間隙的半穿透半反射液晶顯示器，所有的設計都以水平配向的液晶層為基礎，以不同於以往文獻的方式來達到在穿透及反射部分的電壓-光穿透率曲線的匹配，改善舊有文獻曲線不甚匹配的缺點，並期望進一步使結構簡單化。

論文的架構以研究的時間點和改善的過程來做一區分。

一開始我們以雙模態單間隙半穿反顯示器的方向出發，先以PA-FFSmodeTR-LCD作為研究主題，藉由設計的結構及參數的分析調校來達到電壓-光穿透率曲線的匹配；然後我們更進一步去嘗試改良PA-FFSmodeTR-LCD的結構，使設計的結構在製程上的可行性提高。

而我們也試著在穿透及反射液晶層上使用同一模態的液晶設計，稱為Dual-PAmodeTR-LCD，此設計在結構上更加簡化，而且也有不錯的電壓-光穿透率曲線匹配。

大致上來說，我們已經以不同於以往的方式設計出單間隙半穿反液晶顯示器。

在模擬上，也達到不錯的電壓-光穿透率曲線表現。

IIIAbstractInthisthesis,weproposeanddemonstratethesimulationsresultsobtainedforthreenewdesignsofsinglecellgaptransflectiveTFT-LCDs（TR-LCDs）thatarebasedonhomogeneouslyaligned（orParallelAligned,PA）liquidcrystal（LC）layers.Oursimulationresultsareobtainedthroughtheuseofaprofessionalandreliable2D-LCDsimulationsoftware“2DimMos”purchasedfromGermany.Duetothedouble-pathexperiencedbythereflectedlight,asinglecellgapTR-LCDusuallyhastheproblemsuchthatitsvoltage-dependenttransmittanceandreflectancecurves（V-T&V-R）donotmatcheachotherverywell,whichoftenleadstoverypooropticalefficiency.Thisproblemis,ingeneral,overcomebytheuseofarathercomplicateddoublecellgapdesign.Inourstudies,weproposeandexplorethepotentialpossibilityofthreenewdesignsofsinglecellgapTR-LCDsuchthattheycanachievemuchbettermatchedV-TandV-Rcurvesandhencehigheropticalefficiency.Thesethreedesignsarenamedasfollows:

i）Bottom-modePA-FFSTR-LCD,ii）Top-modePA-FFSTR-LCD,iii）DualPAmodeTR-LCD.Thesimulationresultsobtainedsofardemonstratethatthesethreedesignscanindeed,inprinciple,achievemuchbettermatchedElectro-Opticcurvesforbothtransmittedandreflectedlightsandhenceresultinimprovedopticalefficiency.Simplerdevicestructureandfabricationprocessarepossiblebyfurtherdevelopmentsandoptimizations.IV目錄目錄第一章導論.11.1研究背景與動機.11.2半穿半反液晶顯示器（TransflectiveLCD）簡介.31.2.1DoubleCellGapTR-LCD（雙間隙半穿反液晶顯示器）.31.2.2SingleCellGapTR-LCD（單間隙半穿反液晶顯示器）.71.3雙模態半穿半反液晶顯示器（Two-modeTR-LCD）簡介.91.4模擬軟體2DIMMOS簡介.101.5論文架構.14第二章PA-FFSmodeTR-LCDdesign

（1）-Bottommode的模擬（需要patternedretarder）.152.1章節概述.152.2穿透部分的理論分析.172.3反射部分的理論分析.192.4PA-FFSmode的電極配置.222.4.1穿透部分（PAmode）.222.4.2反射部分（FFSmode）.252.5各種參數對設計的影響.272.5.1液晶的CellGap.282.5.2液晶的RubbingAngle.302.5.3液晶的PretiltAngle.322.5.4穿透部分的電極寬度及間隙寬度.342.5.5反射部分的電極寬度及間隙寬度.372.6補償膜aplate的應用.392.7Wide-bandquarterwavefilm的應用及分析.422.8PA-FFSmodeTR-LCD各層的角度配置及最佳化.442.9章節總結.46第三章PA-FFSmodeTR-LCDdesign

（2）-Topmode的模擬（不需要patternedretarder）.473.1章節概述.473.2穿透及反射部分的作用原理.493.3Top/4filmPA-FFSmode的電極及液晶rubbing方向配置.53V3.4各種參數對設計的影響.593.4.1液晶的CellGap及PretiltAngle.593.4.2液晶的RubbingAngle.623.4.3穿透和反射部分的電極寬度及間隙寬度.623.4.4/4film的放置角度.653.4.5DielectricLayer的影響.653.5Top/4filmPA-FFSmodeTR-LCD各層的角度配置及最佳化.683.6章節總結.70第四章DualPAmodeTR-LCDdesign的模擬.714.1章節概述.714.2穿透及反射部分的作用原理及電極配置.734.3各種參數對設計的影響.734.3.1液晶的CellGap.744.3.2液晶的PretiltAngle.764.3.3反射部分的電極寬度及間隙寬度.774.3.4反射部分絕緣體的dielectricconstant影響.804.4DualPAmodeTR-LCD各層的角度配置及參數最佳化.814.5章節總結.83第五章結論.84參考文獻.86VI圖目錄圖目錄圖1.1穿透式液晶顯示器（TN）.2圖1.2反射式液晶顯示器（MTN）.2圖1.3DoublecellgapTR-LCD基本結構示意圖.4圖1.4DoublecellgapTR-LCDpanel的實際結構圖1.5圖1.5兩種改良式colorfilter適用於半穿反液晶顯示器5.5圖1.6單間隙半穿反液晶顯示器結構.8圖1.7HAN-PATwo-modeTR-LCD結構示意圖4.11圖1.8HAN-PATwo-modeTR-LCD的E-OCurves4.11圖1.94x4JonesMatrix，有考慮multiplereflection.13圖1.102x2JonesMatrix：

忽略multiplereflection的影響.13圖2.1PA-FFSTR-LCD基本結構.16圖2.2穿透部分的作用原理，NormallyBlackmode（一般性暗態）.18圖2.3光行進的x、y座標和retardationfilm的s（ne）、f（no）軸關係圖.18圖2.4反射部分的作用原理，FFSmode（NB）23.21圖2.5IPS和FFSmode的比較圖26.21圖2.6PA和FFSmode在未經過調整前的E-OCurves.23圖2.7傳統PAmode的電極設計及作用.23圖2.8Divided-electrodePAmode的電極設計及作用.24圖2.9Divided-electrodePAmode電極配置的側視及上視圖.24圖2.10PAmode切割電極與否，對E-Ocurves的影響.26圖2.11Divided-electrodePAmode左右側視角示意圖.26圖2.12FFSmode電極排列的上視及側視圖28.27圖2.13不同的n及相對的cellgapd的V-R關係曲線.29圖2.14相同的n=0.087，不同cellgap的V-T關係曲線.29圖2.15LCrubbingangle，及電場作用旋轉角上視關係圖.31圖2.16Rubbingangle大小和其相對V-Rcurves關係圖.31圖2.17液晶的Pretiltangle及加上電壓後的示意圖.33圖2.18不同Pretiltangle及cell-gapd的V-T關係曲線.33圖2.19不同Pretiltangle及cell-gapd的V-R關係曲線.34圖2.20不同Pretiltangle的E-OCurves.34圖2.21Divided-electrodePAmode參數定義圖.35圖2.22Tcurve：

固定pixelwidth，改變pixelgap的E-Ocurve.36圖2.23Tcurve：

固定pixelgap，改變pixelwidth的E-Ocurve.36VII圖2.24FFSmode電極參數定義圖.37圖2.25Rcurve：

固定pixelwidth，改變pixelgap的E-Ocurve.38圖2.26Rcurve：

固定pixelgap，改變pixelwidth的E-Ocurve.38圖2.27穿透部分PAmode的R、G、B光之V-Tcurve.40圖2.28反射部分FFSmode的R、G、B光之V-Rcurve.40圖2.29利用aplate來補償液晶層的作用原理.41圖2.30穿透部分PAmode經aplate補償後之V-Tcurve.41圖2.31Wide-band/4film的運用及角度設置示意圖.43圖2.32Wide-band/4film的波長對應漏光情形分析.43圖2.33經過最佳化後的E-Ocurves.44圖2.34PA-FFSTR-LCD的參數及各層的角度關係.45圖2.35各層絕對角度座標關係.45圖3.1BottommodePA-FFSTR-LCD結構配置圖.48圖3.2TopmodePA-FFSTR-LCD結構配置圖.48圖3.3穿透部分的作用原理（Topmode）.50圖3.4反射部分FFSmode作用示意圖（Topmode）.52圖3.5Top/4film反射部分的作用原理.52圖3.6Topmode：

LCrubbingangle及電場作用旋轉角關係.54圖3.7Topmode：

Rubbing角度和反射率關係.54圖3.8Topmode：

反射部份LCRubbingangle=0.55圖3.9Topmode：

反射部份LCRubbingangle=45.56圖3.10Topmode：

反射部份LCRubbingangle=90.57圖3.11Topmode：

轉動後的上層液晶和下層液晶互相補償示意圖.58圖3.12Topmode：

比較有無dielectriclayer的E-Ocurves（pretilt=20）.60圖3.13Topmode：

穿透部份PAmode的Pretiltangle關係圖.61圖3.14Topmode：

反射部份FFSmode的Pretiltangle關係圖.61圖3.15Topmode：

不同液晶rubbingangle的E-Ocurves.63圖3.16Topmode：

當rubbingangle=90時的disclinatonproblem.63圖3.17Topmode：

穿透部份Divided-electrodePA，固定g值.64圖3.18Topmode：

反射部份的E-Ocurves，固定G值.64圖3.19Topmode：

反射部份的E-Ocurves，固定W值.66圖3.20Topmode：

/4film改變放置角度時的E-Ocurve（=85）.66圖3.21Topmode：

不同介電常數的dielectriclayer對E-Ocurve的影響.67圖3.22TopmodePA-FFS：

經過最佳化後的E-Ocurves.69圖3.23TopmodePA-FFS的參數及各層的角度關係.69圖4.1DualPAmodeTR-LCD的結構示意圖.72圖4.2反射部份電極不經切割，穿透及反射部分的E-Ocurves.72VIII圖4.3DualPAmode：

不同的cellgap對Tcurves的影響.75圖4.4DualPAmode：

不同的cellgap對Rcurves的影響.75圖4.5DualPAmode：

反射部分，不同cellgap在電場作用下液晶示意圖.76圖4.6DualPAmode：

穿透部份，不同pretiltangle對V-T曲線的影響.78圖4.7DualPAmode：

反射部份，不同pretiltangle對V-R曲線的影響.78圖4.8DualPAmode：

固定W=2，改變G值時的V-Rcurves.79圖4.9DualPAmode：

固定G=5，改變W值時的V-Rcurves.79圖4.10DualPAmode：

dielectricconstant對V-Rcurves的影響.80圖4.11DualPAmode：

經過最佳化後的E-Ocurves.82圖4.12DualPAmode的參數及各層的角度關係.821第一章導論第一章導論1.1研究背景與動機研究背景與動機近年來隨著顯示技術的進步及小尺寸液晶顯示器的大量使用，諸如：

手機、PDA、數位攝影機、相機等的應用，但是這些小尺寸的應用，我們不但有可能在室內使用，更有不少的機會是需要在室外使用的。

而量產的小型顯示器可依需求大略分成兩類：

1.穿透式液晶顯示器（TransmissiveTFT-LCD）:

如圖1.1所示，主要是利用背光源（backlight）穿透液晶主體，利用液晶各種不同模態的應用，和上下極化板（polarizer）的角度配置，配向層的角度配置（alignmentlayer），施以電壓與否來控制液晶的興起或轉動，藉以產生亮態（brightstate）或暗態（darkstate）。

穿透式顯示器適合使用在光源弱的環境中，如室內的使用；而在室外使用時，當外在光源（ambientlight）過於強大時，會使背光源的強度受到外在光的干擾，而使得眼睛看顯示器時會因此而覺得面板過亮而不清楚，影響到影像品質（washed-outeffect）。

而且長時間使用背光源，會使電量的損耗相當大，小尺寸的面板又通常使用電池來供電，所以容易有很快沒電的情形，這種種都是穿透式顯示器在小尺寸應用上的缺點。

2.反射式液晶顯示器（ReflectiveTFT-LCD）:

如圖1.2所示，為一單一極化板（polarizer）的MTNmode（mixed-modeTN），結合了birefringence和wave-guiding的作用，很適合拿來當作反射式顯示器。

其主要利用光通過極化板後成為線性極化光，又通過一片/4plate後，形成圓形極化光，通過液晶層後，因為液晶的birefringence和wave-guiding的交互作用使光通過液晶層有如/4retardation的作用，再經過以鋁（Al）製成的反射板（reflector）作用後，反射再通過液晶層及/4plate，因又成為一和polarizer2圖1.1穿透式液晶顯示器（TN）圖1.2反射式液晶顯示器（MTN）3同方向的線性極化光，所以光會透出，形成亮態（brightstate）；若加了電壓，則液晶都會站起來，形成暗態（darkstate）。

所以此種反射式顯示器非常適合用於外在光源強大的地方，也就是室外，因為結構中有一反射體，可以把強光反射，將外在光源的影響減低到最低。

雖然此種結構輕薄又省電，因為不需要背光源，但在光源弱的地方，就會有光強度不足的現象，影響到影像品質的表現。

綜合以上的優缺點，我們可以用一種半穿半反的液晶顯示器（transflectiveTFT-LCD），應用在小尺寸顯示器上，使不管在室內或是外，光強或光弱，都可以有不錯的亮度表現。

而現行的半穿半反顯示器都以雙間隙（doublecellgap）設計為主，因其作用原理最直接，但是會有製造上的困難，因為要精準的控制cellgap大小等等問題，在下一小節會詳加介紹。

所以，我的研究以單間隙（singlecellgap）為主，且以水平配向（homogeneousLC）液晶為基礎，分別以1.雙模態（two-mode）和2.單模態（single-mode）但佐以不同的結構配置，兩種主要方法，以模擬的形式來驗證其結果，和現行的singlecellgaptransflectiveLCD作一比較。

希望此研究，能對現行的半穿反顯示器的研究有所助益，讓未來的小尺寸顯示器都能在室內、室外的使用上，有不錯的影像品質及效能表現。

1.2半穿半反液晶顯示器簡介半穿半反液晶顯示器簡介半穿半反液晶顯示器依照其結構上的不同，大致上可以分成兩類：

1.DoubleCellGapTransflectiveLCD（雙間隙半穿反液晶顯示器），及2.SingleCellGapTransflectiveLCD（單間隙半穿反液晶顯示器），其中各個構造的優劣，將在下面兩小節中，詳加介紹說明。

1.2.1DoubleCellGapTR-LCD為日本Sharp公司研發出來的專利12，如圖1.3，利用兩邊cellgap的不同，反射部分的cellgap配置為穿透部分的一半。

如我們所知，光線進入反射部分時，因為被下方的反射體（reflector）反射一次，故光線會穿過反射部分4圖1.3DoublecellgapTR-LCD基本結構示意圖5圖1.4DoublecellgapTR-LCDpanel的實際結構圖1圖1.5兩種改良式colorfilter適用於半穿反液晶顯示器56的液晶層兩次；而穿透部分因由下方的背光源作用，光線只會穿透液晶層一次。

所以我們為了要讓光在進入穿透及反射部分的總phaseretardationvalue（相位遲滯值）相同3，滿足下式1.1。

若入射光非垂直基板表面入射，則須以複折射率（birefringence）式1.2的關係式來修正:

22（）eondnnd=?

（1.1）22222（）1cossineoennn=+（當入射光和液晶基板夾角時）（1.2）我們可由圖1.3及1.4知道其DoublecellgapTR-LCD的基本結構跟各層間的關係，其操作原理非常的直觀，因為藉由控制反射部分的cellgap大小為穿透部分的一半，所以相對的，光進入此種設計的顯示器後，光穿出時無論在穿透或反射的相位改變都是一致的。

且可利用電壓的施加與否，在T和R兩側控制暗態及亮態，因為都有一致的相位改變值，所以可以擁有相當匹配的Electro-Opticcurves（V-TandV-Rcurves）。

而半穿反液晶顯示器最主要須克服的難題除了E-Ocurves外，還有色彩重現（colorreproduction）控制上的問題。

因為由圖1.4可看出，在一般情況下，反射部分的光經由reflector反射後，會經過上方的colorfilter兩次，但相對的，穿透部分只會有一次，所以會有色彩飽和度的問題。

而經由Sharp公司的colo