膽固醇液晶簡介

膽固醇液晶具有雙穩態特性，意即在自然存在狀態下有兩個穩定的狀態，其中一個為planar state如圖一所示液晶排列整齊可以反射特性波長光線的狀態，通常稱為亮態。另一個狀態為focal conic液晶則為混亂排列會將入射光線散射，通常稱之為暗態，此狀態則可以看到液晶層下一層物質的顏色。另一個暫時態則為homeotropic state液晶則全部垂直排列，光線全部穿透則可以看到液晶層下一層物質的狀態，如圖一所表示。這三個狀態可以透過加諸在膽固醇型液晶的電場進行改變，當膽固醇型液晶處於planar state時候則可以加以較小電場以改變到focal conic state。當施加以較高電場時候則可以將液晶全部垂直排列轉換成homeotropic state，此時若將電場快速移除則液晶回覆到planar state，若電場緩慢移除則液晶回覆到focal conic狀態。所以，透過加諸電場與移除快慢則可以改變膽固醇型液晶的狀態。

雙穩態與布拉格反射定律

膽固醇型液晶除了具有雙穩態特性之外，也遵守布拉格反射定律Bragg’s Reflection Law。所謂布拉格反射定律就是當光線入射結晶格排列物質時候，第一束光線遇到A點反射與第二束光線遇到B點反射，此兩束光線所走路徑差異為CB與BD兩段距離，這兩段距離總和為2d*sinΘ，其中d為週期結晶格之間距離，Θ則為入射光線與物體表面夾角。若此兩束光線所走距離的差異（2d*sinΘ）為入射光線波長（λ）的整數倍，則有建設性干涉現象。

《圖一　膽固醇型液晶雙穩態驅動說明》

因為膽固醇型液晶遵守布拉格反射定律，所以可透過調整液晶的旋距(pitch)來調整反射光波長。當液晶旋距調整為讓藍色光線具有建設性干涉現象，則可以反射藍色光線，液晶則顯示出藍色，同樣道理也可以調整液晶旋距達到反射綠色、紅色波長效果。如此膽固醇型液晶便可以透過調整旋距而顯示出不同顏色效果。利用此現象將膽固醇型液晶調整為反射黃色波長，再將底層塗以藍色吸收層，當膽固醇型液晶處在planar state時候則反射黃色效果，再加上底層藍色吸收層，則可以組合成白色畫面，當液晶處於focal conic state時候，光線僅反射底層藍色吸收層顏色，所以只有藍色，如此則可以製作藍色、白色兩種顏色之面板。

《圖二　膽固醇液晶顯示藍色、白色之原理》

大標：電子書應用與國際上彩色化技術

以膽固醇型液晶作為顯示介質所開發的電子書產品，因為具有雙穩態特性，當不提供電場時候，畫面可維持不變，具有非常省電的特質。並且膽固醇型液晶本身可以反射出不同顏色，不需要額外增加彩色零件即可顯示不同顏色，所以各國公司利用此技術陸續開發電子書產品，即是看重省電優勢；以及反射式面板接近紙張的閱讀方式，不容易造成眼睛疲勞。

最早於2003年由歌林公司開發綠色黑色的單色電子書產品i-Library，利用綠色膽固醇型液晶與黑色底層吸收層，則可以顯示黑色與綠色畫面。後續日本公司Panasonic也以藍色白色顯示方式開發雙螢幕之電子書產品ΣBook，KDI公司也開發單色電子書雛形，反射率超過35%、對比大於25，顯示照片效果良好。到了2007年，日本富士通公司（Fujitsu）透過專利與技術轉移KDI公司技術，將三層堆疊結構應用於全彩電子書產品，並開始販售8”、12”兩種尺寸之電子書，正式開啟彩色電子書的產品階段，初期產品售價較大量生產價高上3倍。

三層堆疊方式達到全彩效果

美國KDI提出的全彩技術，是利用膽固醇型液晶可以反射不同顏色效果的特性，以三層堆疊方式達陣（如圖三）。欲顯示紅色畫面時候，將藍色、綠色面板驅動到focal conic state，紅色面板驅動到planar state。若要顯示紫色畫面則將藍色與紅色面板驅動到planar state，將綠色面板驅動到focal conic state，以此類推，則可以顯示不同顏色。因為是反射式面板不需要背光模組，是利用環境光反射而顯示畫面，如同書本、紙張一樣。所以在戶外非常亮的環境仍可以清楚辨識。

《圖三　三層堆疊方式，以玻璃基板製作之彩色面板樣品。》

而技轉自KDI，富士通公司也採用三層堆疊結構如圖四，當三層液晶全部驅動於planar state狀態時候則可以顯示白色畫面，在最底下層則以黑色吸收層藉以顯示黑色畫面，並且製作三層不同顏色膽固醇型液晶面板，再進行三層組合組裝貼合形成全彩顯示的彩色面板。

近年富士通在產品改良上多所提升，2005年時堆疊彩色面板僅有8個顏色、反射率僅18%。在2009年顯示器國際會議（SID）上，富士通公司發表最新研發改善規格，將反射率提升至33%，顏色表現可達26萬色，色飽和度可已達19%。

《圖四　日本富士通公司三層堆疊彩色化結構。》

其改善規格方式主要透過液晶顏色的調整、驅動技術與系統改善、面板結構材料搭配設計…等。而在面板結構上，採取新型黏性光阻取代塑膠粒子作為間隙控制材料製作擋牆，可以避免液晶在塑膠粒子周圍的漏光，並且可以使液晶排列整齊，大幅提昇反射率與對比。也因為解決了暗態漏光問題，提升色彩表現達19%；而光阻製作擋牆均勻性高，控制液晶均勻性提高則可提升灰階表現能力，進而呈現更多色彩達到26萬色的顯示效果。

同一國際會議上，韓國三星公司（Samsung）也發表以單層結構製作10吋彩色膽固醇型液晶面板雛形。並且以主動驅動方式驅動膽固醇型液晶，達到顯示動畫效果，其反應速率為25ms。由於僅有單層結構所以反射率僅有10%，色彩表現飽和度為15%。相較之下，富士通公司採取被動驅動方式，更換畫面需要超過十秒鐘，對於使用者仍嫌過慢。

台灣機會！工研院佈局單層彩色化技術

台灣研發膽固醇型液晶已有多年經驗，主要於工研院顯示中心所投入最多研發能量。應用於電子書產品則以單層彩色化結構如圖五所示，以光阻製作擋牆（圖中編號5:bank）將每一畫素作隔離，再用黏著層（圖中編號6:adhesion layer）將上下基板作黏合。

使用目前平面顯示器製程之真空注入方法分別將紅色、綠色、藍色液晶注入畫素區內，則可以分別控制畫素液晶狀態達到顯示彩色的效果。其生產流程如圖六所示，利用現有面板場所具備真空注入設備，分別注入不同顏色膽固醇液晶，並在每一次注入後作封口與切割步驟，避免液晶外流與混合情形。最後完成各畫素不同顏色注入效果如圖七圖顯微鏡下可清楚辨識紅色、綠色、藍色液晶分別於次畫素中無混合情形。

Dual-cell結構善用軸像旋轉特性

所製作10.4吋QVGA、解析度40ppi彩色電子書雛形，分別於2007年、2008年開發展示，在液晶材料、結構設計、製程改良、驅動技術等方面進行改善，可以達到對比大於五、反射率大於25%、512色表現等性能。此種創新結構也申請專利獲得認證以確保其自主專利性。

《圖五　工研院顯示中心所開發單層結構彩色膽固醇液晶顯示技術結構圖。》

《圖六　以現有真空注入液晶方法分別三次注入不同顏色液晶流程。》

《圖七　與灌注完成後畫素顯示不同顏色效果。》

由於單層彩色化結構設計上僅能利用1/3光線亮度，為了提升反射率，工研院顯示中心在提出以Dual-cell結構以利用另一旋性的光線。由先前介紹膽固醇型液晶具有軸像旋轉的特性，所以僅能反射單一旋性的光線，另外一旋性的光線則穿透被吸收掉。所以此Dual-cell結構如圖八所示，製作兩片同為左旋性膽固醇型液晶面板，中間夾一層半波板，則右旋性光線通過第一片面板後經過半波板則改變旋性為左旋光線，如此通過第二片面板時候則可以反射，如此可以大幅提昇反射率。採用此結構製作雛形於2009年底開發完成解析度100ppi彩色電子書樣品，反射率超過34%、4096色表現、驅動電壓<40V，並且透過光學模擬將白平衡作改善，達到白色畫面更接近白紙表現。

《圖八　工研院顯示中心開發Dual-cell結構以提升反射率。》

《圖九　2009年工研院展示高解析度高亮度Dual-cell彩色電子書雛形。》

《圖十　2009年工研院展示高解析度高亮度Dual-cell彩色電子書雛形》

膽固醇液晶顯示器的未來

除現有彩色化技術之外，工研院未來規劃以新型單基板結構利用高擋牆設計將液晶以精密噴印方式將不同顏色液晶填入畫素內，在利用相分離技術形成保護層後再噴印導電層即完成可連續生產的單基板彩色電子書面板。目前已經有雛形測試完成，但仍須要克服製程穩定與均勻性問題。未來更持續在量產性、光學特性、色彩表現提升之外，更需要兼顧可動畫顯示的能力，所以將規劃以主動元件驅動彩色膽固醇液晶面板之技術開發，使未來彩色電子書可以兼顧動畫顯示與雙穩態低耗電能之優點。

…本文作者胥智文擔任工研院顯示中心副組長…