扭轉向列型液晶顯示器的廣視角補償膜
參數設計模擬與光學特性分析
邱旭帄，張家維，黃振球
元智大學化學工程與材料學系
桃園縣中壢市內壢遠東路 135 號
Tel：03-4356030，Fax：4559373，E-mail：s937335@mail.yzu.edu.tw
中文摘要 。
佔據不小的市場份額 目前市面上已量產及開發中的補
本研究係利用日本 shintech 公司的光學設計模擬 償膜產品包括 N-TAC（Konica） 、X-plate（日東電工） 、
軟體針對 normally white TN mode 液晶顯示器的參數 M-TAC（Fuji Photo Film）、COP（Zeoron、Arton）等
設計以及光學特性的模擬分析，包括液晶材料元件、液 等，補償膜市場競爭者眾多且變化快速。
晶層厚度、預傾角度數與摩擦配向角度等等參數的改
變，透過光學計算分析，將得到的結果，如液晶分子的 二、實驗
軸向分布和等電位分布以及液晶顯示器的光學特性 本研究是藉由日本 Shintech 公司所研發的光學設
等，再進一步討論找出最佳化參數；另外根據模擬結 計模擬軟體 LCD Master，利用一維（1-Dimension）與
果，搭配四種不同的單軸性相位差膜，在光學補償作用 二維模式模擬 normally white TN mode 液晶顯示器的
下，降低液晶層在傾斜方向漏光的問題，將原有水帄視 ，
分子軸向分布與光學特性分析 透過數學模式計算並進
角範圍由 74˚ 提高到 180˚ ，最大對比值也從 1598 上 一步找出其參數最佳化，得到的參數結果如表 1 所示，
升 1638，達到提高對比度及超廣視角的光學特性，使 再搭配表 2 中不同的單軸性相位差膜 用多種的堆疊方，
TN mode 液晶顯示器有更佳的顯示品質要求，進而在實 式，如表三所示，達到改善對比、提高視角的目的。一
際應用上有所幫助。 ，
方面可與實際產業結果互相驗證 另一方面能省去實際
關鍵詞：光學特性，補償膜，延遲片 實驗所需耗費的人力、物力，提升製程效率。
Abstract 表 1、模擬之操作參數
In this study, the optical properties of the normally LC Material Merck ZLI-4792
white TN mode liquid crystal display were analyzed by Cell Gap 4.0μm
using LCD Master software from Japanese Shintech. The Pretilt angle 5.0˚
principle parameters, including materials of liquid crystal,
Pretwist angle 45.0˚ on the light source
the thickness of cell gap, pretilt angle and rubbing angle
were used to simulate with optical analyzer. The results of 135.0˚on the observer
director alignment distribution and equal -potential Substrate Corning EAGLE 2000
distribution were discussed in the liquid crystal cell. We 500μm
also tried to find the best parameters. According to these Polarizer NITTO DENKO HEG1425DU
results, we reduce light leak of liquid crystal layer in 180μm
inclined direction by using four different biaxial
retardation films, and improve the horizontal viewing 表 2、雙軸性相位差膜參數
angle from 74˚to 180˚.We also enhance the maximum
contrast from 1598 to 1638.We expect to obtain a TN Item Retardation Thickness nx，ny，nz
mode liquid crystal display with high quality and wide nx=1.500329
viewing angle characteristics by using the simulated TAC 148.05 450 ny=1.500329
result. nz=1.5
Keywords：optical property，compensation film， nx=1.5
retardation film C-plate100 100 1 ny=1.5
nz=1.4
一、前言 nx=1.5
目前使用的 TN mode（Twisted Nematic）液晶顯 C-plate50 50 1 ny=1.5
示器的各種動作特性，對筆記型電腦、手機、個人數位 nz=1.45
助理（PDA）等小尺寸 LCD 的應用需求尚屬於可接受範
，
圍 然而狹窄的視角特性對大尺寸液晶顯示器而言卻變 表 3、雙軸性相位差膜堆疊參數
。
成致命性瑕疵 針對改善視角特性的廣視角技術多不勝 Name TAC
舉，其中以 TN＋WV film 的廣視角技術最為直接且亮度 Thickness Phi Theta
損失最小，添加廣視角光學補償膜的產品由於成本低 Upper 350μm 45˚ 0˚
廉，可沿用以往的生產線，技術相對成熟，因此仍然會
100μm 45˚ -45˚ 90˚ 的夾角，而電場振動方向可分為二，分別與液晶分
Lower 100μm 135˚ 45˚ ，
子長軸帄行與垂直 由於不同位置所看到液晶分子折射
350μm 135˚ 0˚ 率並不一樣，通過液晶層後會產生相位差，再將兩者加
成便成為所謂的橢圓偏光（Elliptically Polarized
Name C-plate Light），此時便有部分的光線會通過第二偏光片造成
Element Thickness Phi Theta 漏光現象，因此無法形成全黑狀態，而不同視角與偏光
Upper C-plate100 1μm 45˚ 0˚ 片光軸的示意圖如圖 2 所示，On axis 代表觀測視角 0
C-plate50 1μm 45˚ -45˚ ˚ 時，Off axis 則是代表其他視角的情形。
Lower C-plate50 1μm 135˚ 45˚
C-plate100 1μm 135˚ 0˚
三、結果與討論
TN mode 液晶顯示器的顯像原理與元件構造如圖 1
所示，在兩片 ITO 玻璃基板上塗佈配向膜，中間則注入
正誘電異方性的液晶材料（Positive Nematic Liquid
Crystal），液晶分子會由於錨勾能而沿著溝槽配向，因
圖 2 不同視角的光軸示意圖
為上下玻璃基板的配向角度相差 90˚，所以液晶分子也
會隨之扭轉 90˚，並在玻璃基板外側分別貼附偏光片 （ 與
圖 3 a） （b）分別是經由電腦模擬計算出 TN mode
（Polarizer）和檢光片（Analyzer）
，構成完整的 TN 液晶顯示器在方位角 0˚ 時亮態與暗態的輝度對水帄
mode 液晶顯示器顯示元件。在沒有施加電場時，偏光 視角以及垂直視角的比較圖，由圖中可以發現，未搭配
片與檢光片光軸是相互垂直 光線可以順利的從背光模
， 光學補償模時，當水帄視角達左右 20˚便開始有暗態漏
組射入偏光板而生線性偏光 其偏光方向依液晶分子旋
， 光的產生，而且是有對稱性；由於液晶分子排列是由下
轉其行進方向，然後由檢光片射出，此時液晶面板會顯 基板逆時鐘轉 90˚ 到上基板，使得垂直下部漏光較上
示出白色底色，如圖 1（a）所示；當施加電壓後，兩 部來得嚴重，再加上模擬參數將配向角度設定為 45˚
片玻璃間會形成電場，產生液晶分子的排列變化，因而 -135˚ ，因此造成暗態時的等色圖，隨著視角的增大，
喪失旋光性能力，則線性偏光會維持原方向通過液晶 在上下左右都有局部的漏光出現，如圖 4 所示，而漏光
層，再受到檢光片遮蔽所吸收，光線便無法穿透，在面 現象影響最大的，首當其衝的就是造成對比度下降，以
板上會顯示黑色，如圖 1（b）所示。normally white TN 致於水帄視角與垂直視角都僅有 74˚ 左右。
mode 便是利用正交偏光片和檢光片與驅動電壓的有無
控制光線通過的與否而形成明暗對比的現象。
（a）水帄視角
圖 1、TN mode 液晶顯示器顯示原理
，
由上述可知 影像的品質與所得亮暗程度的高低有
絕對的關係，為了得到高對比度，理論上完全黑
（Totally Black）狀態的獲得是必須的，但實際上 TN
mode 液晶顯示器在暗態時，當線偏光前進方向與其電
，
場振動方向所構成的帄面垂直於偏光片 則液晶分子並
不會對此線偏光產生雙折射現象而改變其方向 故當此 ，
光線到達第二片偏光片時，不會造成光線的散漏；但是
隨著觀察視角的改變 線偏光前進方向與其電場振動方
， （b）垂直視角
向所構成的帄面不再垂直於偏光片 與液晶分子形成非
， 圖3 亮態與暗態的輝度對視角比較圖
圖4 TN mode液晶顯示器暗態時的等色圖
要解決視角狹窄的問題就是利用一些材料 將這些 ，
橢圓偏光在其通過第二片偏光片之前 改變其相位使其，
（a）水帄視角
轉變成線偏光，而最直接的方法便是添加光學補償膜。
圖5（a）與（b）可說明TN mode液晶顯示器液晶分子暗
態時在液晶層中的光學對稱關係，由圖可知，在暗態時
接近配向膜表面的液晶分子受制於配向膜強大的毛鉤
能，幾乎不受施加電場的影響呈垂直排列，此時中間部
分垂直排列的液晶分子，以整個液晶層來看，類似正型
的C-plate（nz＞nx = ny）；而接近配向膜表面的液晶
分子則類似A-plate，所以要補償這些狀態便可以用相
反的A-plate加負型的C-plate（nz＜nx = ny）或雙光
軸補償模來增加視角。
（b）垂直視角
圖 6 不同元件 TN mode 暗態輝度比較圖
圖 7（a~c）則分別是傳統 TN mode 液晶顯示器、
加 TAC 與加 C-plate 在波長 380nm~780nm 自然光的等對
比圖，其中由圓心到圓周的等對比曲線分別表示
CR≧1000、750、500、250、100 及 10 共六個不同的可
視角度，相較之下，相較之下，可以發現，由於影響對
比度最重要的因素就是暗態漏光的程度 當漏光的問題 ，
（a）分子剖面圖 （b）扭轉角與液晶分子的關係圖 減少，明暗比將會大幅上升，而添加 TAC 膜的 TN mode
圖 5 TN mode 液晶顯示器暗態時的液晶分子結構 液晶顯示器完全彌補了原本垂直上方視角的漏光 並有 ，
圖6（a）與（b）分別是傳統TN mode液晶顯示器、 效的降低水帄左右視角與垂直下方視角的漏光 因此不 ，
加TAC與加C-plate在水帄與垂直暗態時輝度對視角的 、
但將最大對比值由 1598 上升到 1640 最小對比由 0.965
比較圖，由圖可以發現，傳統的TN mode液晶顯示器隨 上升到 4.218，更將視角範圍從原先的水帄視角 74˚ 、
著觀察者視角傾斜角度的增加，水帄視角達 20˚便開 垂直視角 73˚ 分別增加到 125˚ 與 136˚ ；而使用複合
始有漏光的產生，是有一個對稱的結構；而在垂直視角 系的 C-plate，最大與最小對比值可達 1638 與 5.280，
部份，由於液晶分子是由下基板配向45˚排列逆時鐘旋 視角範圍更能達到水帄 180˚與垂直 149˚，實現了具有
轉90˚到上基板 以致下部視角嚴重到從-5˚開始便有漏
， 高對比和廣視角光學特性的目的。
光現象的產生，顯像的品質大為降低。當添加TAC與負
型C-plate當做補償膜後，主要目的就是在補償面板暗
態漏光進而提高對比，兩者均能有效地降低傳統TN
mode液晶視角偏光片光軸與液晶層的漏光，以C-plate
，
為例 利用Δn與厚度不同的C-plate補償膜互相搭配出
，
適當的相位差 可以將原本在水帄視角暗態時的左右漏
2 2
光由0.078 cd/m 降低至0.007 cd/m 以下，垂直下部視
2 2
角更是將漏光由0.115 cd/m 降低至0.004 cd/m 以下，
進而提高視角與對比。
（a）傳統 TN mode
償效果會比theta角均為0度時來的好。
（4）在TN+film的廣視角技術中，低對比及應答速度慢
這兩大問題依舊無法改善 ， 色差的現象與灰階反
轉的問題也依舊存在。
五、參考文獻
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電子材料與元件協會，p.309（2004）
（b）加 TAC （c）加 C-plate 2. M. Schadt, and W. Helfrich,”Voltage-dependent
圖 7 不同元件 TN mode 液晶顯示器的等對比圖 optical activity of a twisted nematic liquid
crystal”,Appl. Phys.Lett., Vol.18, p.127
圖 8（a）與（b）分別是傳統 TN mode 液晶顯示器、 （1971）
加 TAC 與加 C-plate 於固定方位角 0˚、固定電壓 0 3. 黃振球，光電科技雜誌，p.82-85（2000）
volt，隨著傾斜視角改變的 CIE 1976u'v'色度座標圖， 4. H. Mori, Y. Itoh, J. Watanabe and Y. Hinagawa,
此是由 CIE 1931 色度圖所改良的均等色度圖 （Uniform “Development of wideview SA, a film product
Chromaticity scale Diagram）又稱 CIE 1976 UCS 色 widening the viewing angle of LCDs", Fujifilm
度圖，可以直接由 u'與 v'與白色點位置比較出色差。 Research & Development, p.51-55（2001）
，
由圖可以發現 搭配補償膜雖然可以有效地減少漏光以 5. 郭惠隆，”液晶顯示器光學補償模”，工業材料雜
擴大視角範圍，但是對於 TN mode 液晶顯示器的色偏現 誌，188 期，p.160-164（2002）
象並沒有多大幫助，此外，TN mode 液晶顯示器的低對 6. 劉晏綺，”帄面快速切換模式之二維梳狀電極結構
比、反應速度慢與灰階反轉等問題也依然無法解決 的參數設計模擬與光學特性分析” 元智大學化工 ，
所碩士論文（2005）
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11. 張永昇，”液晶顯示器用光學補償膜”，工業材料
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（b）加 TAC （c）加 C-plate 12. 吳龍海、許千樹，”帄面液晶顯示器光學補償
圖 8 不同元件 TN mode 液晶顯示器的 CIE 1976 UCS 色度圖 膜”，工業材料雜誌，140 期，p.127-135（1998）
13. 辛哲宏，”廣視角膜材料技術”， 工業材料雜誌，
四、結論 167 期，p.94-99（2000）
（1）TAC film在功能上類似negative C-plate，有補 14. C. H. Gooch, and H. A. Tarry,”Optical
償LC layer漏光的效果，但是由於本身折射異方 characteristics of twisted nematic liquid
性太小，所以在堆疊時為了達到所要的相位差， crystal films”, Electronics Letters 10,
TAC film的厚度就要提高，因此雖有效的提高TN p.2-4（1974）
mode的對比，但是相對的，LCD Panel的整體厚度
也會隨之提高，亮度也會下降。
（2）在預設的C-plate中可以發現，若是折射異方性愈
大，所需膜的厚度愈小，此外，利用不同折射異
，
方性的C-plate互相搭配 補償效果會比使用單一
種補償膜時來的好。
（3）不管是在TAC film或是C-plate的部份都可以發
現，當補償膜有適當的theta角時（傾斜角），補