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液晶 (LC) 材料研發與製程管控解決方案

現今的液晶顯示器 (LCD) 在日常生活及工作場所中廣為普及,從電視機、行動電話及電腦顯示器,乃於工業儀器面板、航空電子顯示器以及戶外看板,可謂無處不在。不過,LCD 的品管、產品生命週期以及安全性依然與液晶材料的純度以及製程當中的不純物控制程度息息相關。儘管如此,仍然可以運用數種分析方法解決這類問題並提升整體製程管控能力。

1. 液晶顯示器 (LCD) 的機制
液晶 (LC) 是一種液態有機材料,但卻具有固態晶體的特性。液晶在液態和晶態相變過程中具有流動性,同時也具有結晶組織 (分子排列方向和位置)。

LCD 所用的液晶材料呈現細長的桿狀分子結構,並且具有各向異性,例如光學各向異性 (雙折射) 及介電常數各向異性。將液晶夾在兩個刻有細槽的配向層之間時,液晶分子的方向會沿著配向層的槽紋方向排列。決定兩個配向層的位置後,上下兩層的槽紋方向會互相垂直,因此,液晶分子的排列方向就會逐漸偏轉。

LCD 面板中,夾住液晶層的外側有兩片 PVA 偏光膜,這兩片偏光膜的振盪方向不同於透射光的方向。背光以全方位振盪入射時,偏光膜會將入射光線過濾剩單一方向振盪。

在液晶分子呈垂直方向的狀態下,入射光也會沿著液晶分子的方向偏轉,以利穿透第二片偏光膜。相對而言,對液晶分子施加交流電壓時,分子會根據電場方向改變排列方向。此時,入射光會筆直穿透,然後遭第二片偏光膜阻擋。開/關交流電壓即可控制液晶材料的排列方向,而開/關背光則可控制螢幕顯示畫面。


 2. 液晶材料範例
液晶材料的基本結構會呈現桿狀或盤狀分子,分子長軸朝單一方向。LCD 材料含一些室溫的固態成分,因此混合物會在凝固點液化。材料的組合及混合比例因各供應商的專業技術而異。製造商不斷追求能夠提升液晶顯示器效能的方法,有些製造商嘗試改變各類液晶材料與酯基 液晶、聯苯基液晶等基材的混合方式,希望能夠提升效能。這類研發專案著眼於下列改善目標:

  • 電壓:降低驅動電壓以利減少耗電量。
  • 溫度:擴大低溫高溫條件下,可以穩定作業的溫度範圍。
  • 黏度:提升影片畫面的反應速度。
  • 折射率:控制色彩並達到亮白色。
  • 彈性:改善施加交流電壓時 LC 分子所發揮的定向特性,以利產生高對比度。


液晶材料結構範例

3. 液晶材料品質評估
從品管、延長產品壽命以及提高液晶材料安全性的角度而言,在開發或製造 LCD 的過程中,鑑定及控制材料中的雜質,以及鑑定並控制加速降解測試中確定的降解因素,都是非常重要的。HPLC 和 GC 常用於液晶材料品管及分析,正確方法取決於用途及材料。管柱是分離的關鍵,但由於材料沸點及其他限制因素的緣故,此類分析可用的 GC 管柱類型有限。GC 用於分離異構物時亦會受限。另一方面,HPLC的分離能力不如 GC,而且可能會漏看微量成分。

結合具有優異分離能力的 UPLC 技術和高解析度質譜儀 (Xevo G2-XS QTof MS),可以完成高品質的液晶材料分析。UPLC 技術能在短時間內分離數種主要的液晶材料以及微量成分。此外,由於結合了具備完整且高靈敏度偵測特性的飛行時間質譜儀 (Tof-MS),很容易就能目測辨別出加速降解測試前後差異細微的因子,還能取得與因子結構相關的資訊。在 MS/MS 譜圖中,可以分析碎片結構 (產物離子) 的成分、預測其結構,還可以運用 MassFragment 軟體驗證預測的結構。

  • 運用紫外線照射進行加速降解測試
  • 運用加熱法進行加速降解測試
  • 電阻相關測試

儀器分析應用於品質評估方法
加速降解測試前後差異分析
不純物剖析
UPLC H-Class/Xevo G2 Qtof MS

  • 高速、高效能分離與分析
  • 掃描速度
  • 分離能力
  • 精確質量長期穩定性
  • ESCi 探針

UPC2

  • 超高速、高效能分離與分析
  • 分離低極性化合物
  • 分離異構物

製備SFC

  • 分離異構物
  • 量產規模製備與純化目標化合物
  • 微量不純物的大規模製備
  • 提高溶劑揮發過程的效率

4. 以 UPLC/Xevo G2-XS Qtof MS 分析液晶材料的範例
分離/分析液晶材料的範例
UPLC技術能夠在短時間內清楚分離及分析結構相似的液晶材料,還能對不純物和降解產物等複雜樣品進行高通量分析。

液晶材料成分分析結果範例
此圖是使用 Waters 獨有的成分分析功能對 MS/MS 譜圖進行成分運算的結果。i-Fit (Waters 獨家演算法) 根據偵測到的質譜可靠地計算出了候選成分;該演算法採用準確度極高的精確質量以及穩定同位素的質譜資訊進行計算。

液晶材料的 MS/MS 譜圖範例

採用 Xevo G2-XS QTof 系統的 MS/MS 方法能夠分析分子結構的碎片離子,並且具有相當高的準確度和靈敏度。若採用碎片離子質譜,同樣能夠透過精確質量和穩定同位素的質譜資訊取得可靠的成分資訊。

對 MS/MS 譜圖進行碎片離子成分分析的範例

採用 Xevo G2-XS QTof 系統的 MS/MS 方法可分析分子結構的碎片離子,並且具有相當高的準確度和靈敏度。系統可針對 MS/MS 圖譜中的碎片離子同時執行成分運算。這對於結構分析相當有益,因為該功能有助於目視確認主要碎片離子之間發生的離子分離反應類型。

MassFragment 碎裂預測軟體的範例
使用 MassFragment 軟體可以驗證 MS/MS 圖譜中的預測結構是否合理。若預測的碎片結構不合理,軟體便會檢查並修正官能基或其他構造群的位置和架構,然後再次運用 MassFragment 進行驗證。

Waters 的液晶材料研發與製程控制解決方案

UPLC/Xevo G2-XS QTof MS (UPLC/四極桿串聯飛行時間質譜儀)

  • 利用 IntelliStart 自動校正
  • 以 LockSpray 準確測量精確質量,具備長期穩定性
  • 以 i-Fit 進行精密的元素組成分析
  • 非常適合用於超高效液相層析儀 (UHPLC)
  • 以 QuanTof 技術進行高選擇性定量分析
  • 可用於 ESCi、APCI/APPI、ASAP、APGC
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