掌性分子(Chiral Molecule)在我們生活周遭隨處可見，舉凡生物體內之酵素、去氧核醣核酸(DNA)；維他命或藥物；料理用香料或食品添加劑；以及已廣泛應用於生物醫學工程上，作為手術縫合線、骨釘和骨板之聚L-乳酸(PLLA)和聚D-乳酸(PDLA)等。
正因掌性分子本身具有光學活性(Optical Activity)之特性，使其可應用於液晶顯示器中，添加掌性分子可造成液晶混合物因自我組裝現象(Self-assembly)而生成螺旋紋路(Texture)，並產生特殊之光電特性，以呈現出不同之顯示效果。以下將針對掌性分子之特性與其在液晶顯示器之應用，做一概略介紹。
掌性與鏡像異構物
在幾何結構上，如果某一物體與其鏡像不同時，其鏡像是不能與原物體重合的，好比是一個人的左右手，相似又相反（圖一），則此物體可被稱為「掌性的(Chiral)」，且其具有「掌性(Chirality)」之特性，而此掌性物體與其鏡像被稱為「鏡像異構物(Enantiomers)」。在化學領域中，兩個互為鏡像異構物之分子唯有旋光性不同外，其他在非掌性環境下之物理性質皆相同，如沸點、熔點、極性、溶解度等，因此不能用傳統蒸餾、單純再結晶、管柱層析等分離方法進行分離，需透過光學拆分法（Optical Resolution或Chiral Resolution）進行單一鏡像異構物分離。
掌性與液晶
市面上販售之薄膜電晶體液晶顯示器(Thin Film Transistor LCD)屬於扭轉向列型(TN)液晶顯示器，因此需加入微量（約0.05~0.1 wt%）掌性添加物(Chiral Dopant)於向列型液晶混合物中，使液晶分子從最上層至最下層產生90度之螺旋狀排列方向（圖四），讓液晶Cell可作為調控光線通過與否之光閥(Light Valve)；同樣地，超扭轉向列型(STN)液晶顯示器亦需摻雜掌性添加物使液晶分子上層到下層之排列方向呈現180~270度之螺旋狀。
圖四、掌性添加劑與液晶分子排列
膽固醇液晶與其應用
掌性為液晶材料中一個重要性質，尤其是膽固醇液晶（Cholesteric Liquid Crystal或Chiral Nematic Liquid Crystal）需添加近10%掌性添加物以產生反射光色。因膽固醇液晶顯示器為一種反射式顯示器，故無需使用偏光膜、補償膜、彩色濾光片或是背光模組，且其反射特定之顏色可由調控不同掌性添加物之濃度，或是照射不同UV光劑量於光可調控掌性添加物(Phototunable Chiral Dopant)而獲得。
光可調控膽固醇液晶照光可改變顏色之原理如圖六所示。以光可調控掌性添加劑具2個Phototunable Groups（如Acrylate）結構為例，依據Acrylate結構在照射UV光線時可進行trans-to-cis Photoisomerization反應，此光可調控掌性添加劑具有三種構形(Conformation)，分別為(trans, trans)和(trans, cis)及(cis, cis)之構形。光可調控掌性添加劑於向列型液晶中濃度固定情況下，且為(trans, trans)構形時，其螺旋扭轉力數值最大，使得形成之膽固醇液晶之螺距最小，所對應之反射光波長會最短（即反射出藍色光）；當照射UV光源後，其構形會轉變成(trans, cis)或(cis, trans)；持續照射UV光源會將全部的構形轉變成(cis, cis)，其螺旋扭轉力數值會變小，所形成之膽固醇液晶之螺距則會變大，而對應之反射光波長會變長（反射出綠色及紅色光）。故此類光可調控膽固醇液晶材料配合適宜之光源設備可製作出高解析度之彩色軟性顯示器。
圖六、光可調控膽固醇液晶之光變色原理
早在SID 2010會議上，工研院已發表10.4吋單層彩色膽固醇液晶面板，其製作方式為利用兩個基板如三明治般的將三種不同顏色之膽固醇液晶夾於其中（圖十二）。而光可調控掌性添加劑非常適合應用於單層彩色膽固醇液晶面板中，因其可簡化製作面板之製程與降低成本，且只需將含有光可調控掌性添加劑之藍色膽固醇液晶面板，透過UV光照射，即可生成綠色和紅色之畫素（圖十三）。膽固醇液晶材料亦可應用於軟性(Flexible Display)與曲面顯示器(Conformal Display)（圖十四）。
其他液晶顯示器應用
掌性添加劑不僅可添加於膽固醇液晶作為顯示介質使用，亦可衍生成可聚合型掌性單體進而作為光學膜使用，例如：可增加亮度之膽固醇液晶型增亮膜(Cholesteric Liquid Crystal-based Brightness Enhanced Film; CBEF)。膽固醇液晶型增亮膜之基本原理如圖十六所示，當背光元件之光線射至膽固醇液晶型偏光膜時，只有與膽固醇液晶型偏光膜相反旋性之圓偏光會穿透該薄膜，而另一旋性之圓偏光…...以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。
作者：金志龍、劉仕賢／工研院材化所
★本文節錄自「工業材料雜誌」371期，更多資料請見下方附檔。