崑 山 科 技 大 學

電子工程系四技部

專 題 研 究 報 告

液晶光電特性量測系統的自動化

及其在 PSCT光電量測應用

學生： 何家豪

指導教授： 莫定山 老師

中 華 民 國 九 十 五 年 五 月

專題製作報告授權同意書

本授權書所授權之報告為本組在崑山科技大學 電子工程 系 液晶光電 組 94學年度第1學期修習專題製作課程之報告。

報告名稱：液晶光電特性量測系統的自動化及其在PSCT光電量測應用

本組具有著作財產權之報告全文資料，授予本組畢業學校圖書館，得

不限時間、地域與次數以各種方式重製後散布發行或上載網路，且為

學術研究之目的得再授權他人不限時間與地域以各種方式重製，惟每

人以一份為限。

上述授權內容均無須訂立讓與及授權契約書。依本授權之發行權為非

專屬性發行權利。依本授權所為之收錄、重製、發行及學術研發利用

均為無償。上述同意與不同意之欄位若未鉤選，本組同意視同授權。

指導老師姓名：莫定山 老師

學生簽名： 何家豪 學號： 4910K113

（親筆正楷） （務必填寫）

日期：民國 95 年 05 月 11 日

摘要

隨著網際網路與無線電通訊技術的急遽發展，資訊化漸漸

普及於個人，因此可攜式資訊產品，如數位相機、行動電話、

筆記型電腦、及個人數位助理等，均快速發展與成長。由於液

晶顯示器具有薄型化、輕量化、低耗電量、無輻射污染、且能

與半導體製程技術相容等優點，並順應著這股網際網路數位資

訊化市場的興起，使其在短短三十年間，產品之應用更呈飛躍

性的成長。由早期的簡易手錶、計算機等低資訊容量顯示產品

的應用，漸漸擴及精細化的監視器或可攜式資訊產品。其技術

涵蓋材料、設備、製程、產品特性等諸多層面的開發，時至今

日，更以驚人的氣勢持續成長，儼然成為下一代平面顯示器件

市場的主流。

然 而 聚 合 物 穩 定 膽 固 醇 液 晶 結 構 薄 膜

(Polymer-stabilized cholesteric texture 簡稱 PSCT) 是近

年來最廣泛討論的液晶元件之一。其主要是以聚合物枝條來穩

定膽固醇液晶之結構，當外加電場時膽固醇液晶的結構會隨著

變化，進而可達成顯示之目的。

目錄

摘要 ………………………………………………………I

圖表索引 …………………………………………………IV

第一章 導 論 …………………………………………1

1-1 前言 ……………………………………………1

1-2 液晶簡介…………………………………………2

1-2.1 何謂液晶 …………………………………………2

1-2.2 液晶的分類 ………………………………………3

1-2.2.1 低分子液晶 ………………………………3

1-2.2.2 高分子液晶 ………………………………10

1-3 液晶物理 ………………………………………11

1-3.1 液晶的光學異向性 ………………………………11

1-3.2 溫度對向列相液晶的影響 ………………………15

第二章 PSCT(Polymer-stabilized Cholesteric Textures)

元件及理論介紹 …………………17

2-1 Cholesteric 液晶之結構 ……………………17

2-2 PSCT 元件分類 …………………………………19

第三章 實驗準備及量測 ………………………………25

3-1 PSCT樣品製作 …………………………………25

3-1.1 理論原理 …………………………………………25

3-1.2 PSCT元件製作 ……………………………………27

3-2 儀器Setup及量測方式 …………………………31

第四章 實驗結果及討論 ………………………………34

4-1 液晶量測結果 …………………………………34

4-2 PSCT枝狀網路結構 ……………………………37

4-3 結果與討論 ……………………………………38

第五章 未來展望 ………………………………………40

參考文獻 …………………………………………………41

圖目錄

圖(1.1) 液晶性物質的溫度變化所造成之狀態轉變……………2

圖(1.2) 長條形液晶之向列相(nematic)的分子排列 …………4

圖(1.3) Cholesteric 相液晶的分子排列 ……………………6

圖(1.4) 近晶 A向液晶的分子排列 ……………………………7

圖(1.5) 近晶 C向液晶的分子排列 ……………………………7

圖(1.6) 鐵電性液晶 SmC*分子排列方式示意圖…………………8

圖(1.7) 圓盤狀圓柱相及向列相的分子排列 …………………10

圖(1.8) 聚合物液晶相可由(a)主鏈 (b)側鏈形成介晶集團…11

圖(1.9) 正單光軸晶體的折射率橢圓球 ………………………13

圖(1.10) 向列相液晶ne、no與溫度的關係 ……………………16

圖(2.1) Cholesteric 液晶的各種結構 ………………………17

圖(2.2) Color reflective bistable mode textures

之變換動 ……………………………………………21

圖(2.3) PSCT normal mode 在外加電場 on/off 時 textures 之變

換 ……………………………………………………22

圖(2.4) 典型之 PSCT normal mode 的 V-T 曲線 ……………23

圖(2.5) PSCT reverse mode 在外加電場 on/off 時 textures 之

變換 ……………………………………………………24

圖(3.1) Normal-mode PSCT 顯示原理 ………………………26

圖(3.2) Reverse mode PSCT 顯示原理 ………………………27

圖(3.3) 樣品的製作過程 ……………………………………29

圖(3.4) 材料填充 ………………………………………………30

圖(3.5) PCST 自動電壓量系統方塊圖 ………………………32

圖(3.6) 使用者介面 ……………………………………………33

圖(4.1) normal-mode (1)曲線圖………………………………34

圖(4.2) normal-mode (2)曲線圖………………………………35

圖(4.3) reversed-mode (1)曲線圖 …………………………35

圖(4.4) reversed-mode(2) 曲線圖 …………………………36

圖(4.5) normal-mode 放大200倍 ……………………………37

圖(4.6) reversed-mode 放大200倍 …………………………37

圖(4.7) normal-mode 比較曲線 ……………………………38

第一章 導論

1-1 前言

膽固醇液晶，有別於一般所認知的膽固醇，是一種結構類似於膽

固醇分子的液晶，為了區別方便，有些人將其稱為膽固醇結構液晶。

膽固醇液晶應用領域相當廣泛，包含光學偏光板、抬頭顯示幕及液晶

顯示裝置等方面，而且膽固醇液晶具有記憶性、光學雙穩態的特性，

特別適合應用於顯示影像的更新頻率不高，同時顯示影像又需要長時

間維持在使用的狀態下的顯示裝置。

液晶材料係於1888年由奧地利植物學家Friedrich Reinitzer首

先發現，他觀察到膽固醇的乙酸酯化合物，隨著溫度的上升會由145

℃時之固態，逐漸轉變成半溶融白濁狀的液態，直到179℃才轉變成

清澈的液態。其後德國的物理學家O. Lehmann於1889年將這種類似晶

體的液體定義為物質的第四態稱為「液晶」，而此種液晶物質在某一

特定的溫度範圍內，會具有液體及固體的特性。

1-2液晶簡介

1-2.1 何謂液晶

一般而言，物質都以固、液、氣三種狀態存在自然界中。對固體

而言，又可分為結晶態(crystalline)和非結晶態(amorphous)。在巨

觀尺度下，固體結晶態物質的空間分子排列是規則的，這種規則性我

們稱為長程有序(long range order)。當固體結晶態物質加熱至熔點

以上時，通常會直接變成分子不具排列方向性的各方向性(isotropic)

液體。但是某些有機(organic)材料被加熱時，並不直接從固體變成

液體，而是經過了一個或多個中間相(mesomorphic phases)再變成液

體，如圖(1.1)所示。這種中間相擁有如液體般的流動性又兼備結晶

態固體般的各方異向性(anisotropy)，所以這些相的力學、光學性質

和對稱性亦介於固體和液體之間，被稱之為液晶(liquid crystals)。

加熱

冷卻

加熱

冷卻

固體 液晶 液體

圖(1.1)：液晶性物質的溫度變化所造成之狀態轉變

1-2.2 液晶的分類

液 晶 可 依 其 生 成 的 方 式 分 成 二 類 ， 一 是 熱 致 型 液 晶

(thermotropic liquid crystal)，是由溫度的變化產生相變，形成

液晶態。一是溶致型液晶(lyotropic liquid crystal)，是由改變溶

於溶劑中的濃度而產生相變。另一類是芳香環(amphiphilic)化合

物，亦是溶致型液晶。

一般應用在顯示器方面均屬熱致型液晶，因其有較顯著的光電特

性，故其基礎研究較令人關注，以下也將更進一步介紹。而溶致型液

晶則在生物科技領域較受關注。此外,有些高分子亦有液晶的特性，

被稱為高分子液晶，與之相對應的一般液晶則稱為低分子液晶。

1-2.2.1 低分子液晶

要 造 成 液 晶 相 分 子 必 須 具 有 高 度 幾 何 異 向 性 (Highly

Geometrically Anisotropic)，例如：分子呈長條狀或圓盤狀。而不

同的分子結構也會使液晶分子呈現不同的排列方式。以下我們將對熱

致型液晶分別以長條狀和圓盤狀的分子構造及排列方式，來簡述其特

性。

(一)長條狀(rod-like)分子

依 Friedel 的命名，分為三類：向列相(nematic)、膽固醇相

(Cholesteric)、近晶相(smetic)。

(1)向列相(nematic)

Nematics 液晶如圖(1.2)所示，分子取向有高度方向性，但分子

重心無次序性，故其 x-ray 繞射圖形無 Bragg 繞射峰。分子排列傾向

某個擇優方向，我們定義這個方向為導軸(Director axis)以 表示。

這種高度取向性會在所有的宏觀性質［各種張量］中表現出來。例如

在光學上,Nematic 液晶是單光軸(Uniaxial)介質，其光軸與導軸 平

行。且具有很明顯的雙折射現象(Birefringence)。通常導軸 在空

間方向是任意的，且 和- 是不可區分的。Nematics 液晶相鄰分子的

重心、位置、相關性和普通液體相似。故可如一般液體般自由流動，

但黏滯係數較一般液體大。

n̂

n̂

n̂

n̂ n̂

n̂

圖(1.2) 長條狀液晶之向列相(nematic)的分子排列

(2)膽固醇相(Cholestetrics)

當手性分子(Chiral agent)溶解在向列相液晶中，將會使液晶結

構產生螺旋畸變，而得一種螺旋向列相，這種螺旋向列相的排列，好

似生物學裡的膽固醇相，因此被稱為膽固醇相液晶。

圖(1.3)為膽固醇液晶分子之排列，液晶分子繞著螺旋軸 作週

期性的旋轉，不再是如 Nematics 般導軸指向單一方向。但就某個小

範圍來觀察，分子排列仍有共同取向(即導軸)，只是導軸會作用空間

規則變化。

ẑ

若以z軸( 垂直液晶分子導軸 n )為螺旋軸，則導軸 可表示為

,其中

ẑ ˆ n̂

knjninn zyx ˆˆˆˆ ++= )cos( 0 φ+= zqnx ， )sin( 0 φ+= zqny ， ，φ為相位

角，即 n 與 x 軸的夾角， q

0=zn

ˆ 0 = dφ / dz 為螺旋扭曲率， q 0 > 0

表示右旋結構， q0 < 0 表示左旋結構。因為 和- 是不可區分的,故

膽固醇相液晶結構的週期L為螺距 (Pitch)P 的一半，即L = p / 2 =

π / q

n̂ n̂

0。

L

圖(1.3) Cholesteric相液晶的分子排列

ŷ

x̂

n̂

n̂

n̂

n̂

ẑ

(3)近晶相(Smetics)

近晶相液晶除了如向列相的排列外，還具有層狀結構，層與層的

距離是一定的，故層間距可用 x-ray 繞射方法來量測。由於近晶相的

次序性比向列相高，對任何具備此二種相的材料而言，其近晶相存在

溫度範圍總比向列相來得低。目前所知的近晶相液晶約餘種,我們只

對近晶 A相，近晶 B、相近晶 C 相和近晶 C*相加以介紹。

(a)近晶A相(Smetcs A， SA)

Smetic A 的分子排列如圖(1.4)所示，層的間距 d 與液晶分子長

度 差不多。每一層內，分子的重心沒有次序性，可在各層間游動，

類似二維液體，唯其黏滯性比 Nematics 大。在光學上具單光軸特性，

其光軸垂直於層面。

l

d

圖(1.4)： 近晶 A相液晶的分子排列

(b)近晶C相(Semtics C，SC)

分子排列結構似近晶 A 相，如圖(1.5)所示，唯分子和層平面法

線間有一夾角ω，層與層間距離 d = l * cosω，其中 l 是分子長

度。仍屬二維液體，在光學上屬於雙光軸 (Optically Biaxial)材

ω d

圖(1.5)：近晶 C相液晶的分子排列

有 一 種 液 晶 能 夠 呈 現 上 述 各 相 ， 如 01 s5

(4-n-pentylben-zenethio-4＇-n-decyloxybenzoate)，則如加熱或

降溫時其變相順序為

temperature(℃)

Solid Smetic C Smetic A Nematic Liquid

60 63 80 86

(d)近晶 C*相

(Smetic C*，SmC*；又稱為鐵電性(Ferroelectric) 液晶)

若在近晶 C 相中加進 chiral 分子，就會使近晶 C 相分子排列結

構發生畸變，形成一新的相,稱近晶相 C*相。其結構如圖(1.6)所示，

每層分子的傾斜方位繞 Z軸連續地變化。

圖(1.6)：鐵電性液晶 S *分子排列方式示意圖

mC

近晶 C*相液晶具有鐵電性質 (ferroelectricity) ，所謂鐵電

性是

性液晶的最大特點是當其受外加電場作用時，反應時間(~10

μs)

)圓盤狀(disk-like)分子

性苯環，外部則連接著柔軟的物質。

主要

堆疊在另一個

心軸指向某一共同方向，彼此間排列無規則

指低於居禮溫度 T 下，物質有自發性的電偶極產生。當系統溫度

接近居禮點(Curie Point)時，將會使鐵電性液晶的 polarization 接

近零。

鐵電

比其它類液晶為快，因此可利用此特點設計效能更好的顯示器。

(二

此類物質之中央為平坦的剛

分為圓柱相(Columnan)和向列相(Nematic) 。

(1) 圓柱相：其最簡單的形式為每一組成圓盤狀分子

的正上方，但位置是無次序性的，不同的圓柱間構成一個二維晶格，

如圖(1.7)(a)所示。

(2) 向列相：圓盤的中

可循，此相是負光性的(optically negative)，如圖(1.7)(b)所示。

(a)

(b)

圖(1.7) (a)圓盤狀圓柱相液晶的分子排列；

(b)圓盤狀向列相液晶的分子排列

1-2.2.2 高分子液晶

聚合物液晶,如圖(1.8)所示，其基本單體是由

長條

高分子液晶又稱為

狀或圓盤狀液晶分子形成的介晶集團 (Mesogens) ，和聚合物相

連接形成主鏈 (main chain) ，或嵌在聚合物兩側形成側鏈(side

chain)。

圖(1.8) 聚合物液晶相可由(a)主鏈 (b)側鏈形成介晶集團

高分子液晶和低分子液晶相同，存在有熱致型高分子液晶及溶致

型高分子液晶，而且高分子液晶所呈現的液晶相亦如低分子液晶，可

分為向列相、膽固醇相、近晶相等。

1-3 液晶物理

1-3.1 液晶的光學異向性

由於液晶分子結構的非均向性，導致光線通過液晶時，其速度和

所感受到的折射率會與光線行進的方向及光場偏振(Polarization)

有關。也就是說入射光的兩個相互正交的光場分量，各自的相速及所

感受到的折射率不儘相同。這種現象稱為雙折射 (Birefringence)。

由 Maxwell，s equations，我們可推得一般非均向性晶體之折射

率方程式如下：

122

2

2

2

2

=++zyx n

zny

nx

(1.1)

此為一個橢圓曲面方程，它的三個半軸長度分別為 、 、

(其座標軸分別為材料之介電常數張量的三個主軸)。

nx ny

nz

若 時，則為雙光軸(Biaxial)材料，如 Smectic C。

若 (以 為光軸)時，則為單光軸 (Uniaxial)材料，如

Nematic、 Smectic A 等。單光軸材料又可細分為正單光軸

( ) 與負單光軸 ( ) 。若討論所使用的液

晶材料 K15，是具正單光軸特性的 Nematic phase，故以下討論皆以

正單光軸為主。

n n nx y≠ ≠ z

z

z z

o o

n n nx y= ≠ $ez

n n nx y= < n n nx y= >

為方便了解正單光軸材料之光學特性，我們以 Fresnel 所提出的

折射率橢圓球(Index Ellipsoid 或 Optical Indicatrix)來說明其性

質。圖(1.9)為 ， ( ) 之折射率橢圓

球，其中 z 為對稱軸(光軸)。

n n nx y= = n nz e= n ne >

$k為光行進的方向，以 為法線的平面通過折射率橢圓球的中心

截出一曲線Π，Π為一橢圓曲線, 以下我們將光分三個不同行進方

向，來說明正單光軸的特性。

$k

k̂

θ

o

ne

no neff(θ)

∏

yê

zê

xê

no

圖(1.9) 正單光軸晶體的折射率橢圓球

(1)若光平行z軸入射，此時Π曲線為正圓(位x-y平面)，其半徑為n0，

此時無論光場偏振方向為何，均感受到相同的折射率n0及相速，入射

光通過液晶後，偏振方向並不會被改變。

(2)若光沿著x軸方向行進，則Π曲線為一位於y-z平面上之橢圓，其

短軸n0，長軸ne分別是光場偏振方向為 與 所感受到的折射率。n

稱為尋常光折射率(ordinary refractive index)、 稱為非尋常光

折射率(extraordinary refractive index)。兩正交光場分量的相速

$ey $ez o

ne

度不同，若光經過厚度為d的純液晶樣品時，光場分量 和 會有相

差

$ey $ez

0/2 λπφ ndΔ=Δ ，Δn=ne-n0，λ0為光在真空中之波長，因此線偏振光

通過液晶後會變成橢圓偏振光。

(3)若入射光和 z 軸夾θ角，因此光軸為對稱軸，故在不失一般性的

情況下可令 在 y-z 平面上。如圖(1.9)所示，此時$k Π曲線為一位於

傾斜面上之橢圓，其短軸為 、長軸為 分別是光場偏振方向

為 與 所感受到的折射率。因 與夾角

no n eff ( )θ

$ey $ez no θ無關，故偏振方向為

稱之為尋常光(O-ray)。而 是夾角

$ey

n eff ( )θ θ的函數，故以 為偏振方

向的光稱為非尋常光(E-ray)。其 經推導可得：

$ez

n eff ( )θ

nn n

n neff

o e

e o

( )cos sin( )

θθ θ

=+2 2 2 2

12 (1.2)

其中n0≦ ≦nn eff ( )θ e

由於入射光的兩正交光場相速不同，因n0≠ )(θeffn ，故原來入射

光偏振將會改變。

一般來說，在正單光軸液晶分子中，其光軸方向即為分子長軸方

向，因此，當一光束入射液晶分子時，我們便可依據其入射角度及偏

振方向求出其有效折射率。

1-3.2 溫度對向列相液晶的影響

如上節所述液晶的雙折射性(birefringence)或稱光學異向性

(optical anisotropy) Δn 可寫成

Δn ≡ n e - n o (1.3)

Δn 會隨環境溫度 T和入射光波長λ而改變，即Δn = Δn(T；　)。折

射率與溫度的關係如圖 1.10 所示，Δn 一般可表示成

Δn ∼ ρ1/2S (1.4)

S是方位秩序參數，ρ是溶液密度，一般n e(T)隨溫度變化值會有較大

的改變，n o(T) 的變化則較不明顯。對液晶而言Δn均為正，其值約介

於 0.05 到 0.45 之間。

n

Temperature

Nematic Phase

n e

n o

IsotropicPhase

ni

圖 1.10：向列相液晶ne、no與溫度的關係

Δn 的性質和介電異向性(anisotropy polarizability)Δε有幾分

類似，只不過Δn 是在光學頻率(optical frequency)下，Δε值則是在

甚低的頻率(~1KHz)下量測分子被極化的能力。

Δn 和Δε在極高頻下，有以下關係

ε //, ∞ = n e2 ； ε ⊥, ∞ = n o

2

Δε ∞ = ε //, ∞ - ε ⊥, ∞ = n e2 – n o

2 (1.5)

Δε ∞是在極高頻下量得值，在這種頻率極限下，永久電偶極(permanent

dipoles)在分子內沒有被極化的能力。

第二章 PSCT

(Polymer-stabilized Cholesteric Textures)

元件及理論介紹

2-1 Cholesteric 液晶之結構

Cholesteric 液晶之方式可分為兩類:

(a) 本身具光學活性(optically active)之 chiral 液晶分子。

(b) nematic 液晶中摻入 chiral dopants。

若將 cholesteric 液晶注入於 cell 中，則其結構(textures) 會因

cell 基版表面之配向狀態或外加電壓值大小的影響，而細分成四種

不同之結構，如圖(2.1)所示。

(a)Planar texture (b) Fingerprint texture

(c)Focal conic texture (d)Homeotropic texture

圖(2.1) Cholesteric 液晶的各種結構

當無外加電場且基版表面作平行配向處理時，cholesteric 液晶

呈現 Planar texture [或稱 Grandjean texture]，如圖(2.1)-(a)

所示。Planar texture 之螺旋軸垂直於基版且在螺旋軸方向上有一

週期性之折射率，此時 cell 具 Bragg 反射之能力，其反射光波長之

峰值為 Pn = λ[n 為平均折射率]。而反射光波長峰值之寬度則為Δ

λ = Pn [其中Δn為 cholesteric 液晶之 birefringence]。

若 Bragg 反射光波長之峰值 Pn 在可見光之範圍內，則可看見波

長為 Pn 之反射光。但若 Bragg 反射光波長之峰值在紫外或紅外線區

域，則對可見光而言此 cell 呈透明狀態。

當外加一電場時，對於 Δε> 0 之液晶分子將感受到電場所施

加之力矩，此力矩將使液晶分子方向趨向於電場方向排列。最終液晶

分子方向將在「分子間作用力」與「電場作用力」兩者間尋求平衡。

若外加電場較小，此時 cholesteric 液 晶 分 子 將 可 能 呈

現 fingerprint texture 狀態。Fingerprint texture 的螺旋軸平

行於 cell 基版，如圖(2.1)-(b)所示。但事實上由於 cell 基版對液

晶分子之 anchoring effect，常會造成液晶分子呈現很多區域

(domain)之 fingerprint texture，且遍佈於 cell 中各個區域之螺

旋軸方向有些凌亂，此狀態我們稱之為 focal conic texture，如圖

(2.1)-(c)所示。

由於 Focal conic texture 之 domain 邊界的折射率不連續，故

對入射光會造成散射(scattering)，而呈現不透明之狀態。

若外加電場增大，而大於臨界電場

(2.1)

則 cholesteric 液晶將變成 homeotropic texture，此時 cholesteric

液晶將無螺旋結構且分子垂直於 cell 基板排列，如圖(2.1)-(d)所

示。此時 cell 將呈現透明狀。

2-2 PSCT 元件分類

由於 Cholesteric 液晶具有螺旋結構，導致其有一獨特之光學性

質。當 cholesteric 液晶為 planar texture 時，會有 Bragg 反射。

當其為 focal-conic texture 時，對入射光會有強烈之散射現象而成

不透明狀態。當 cholesteric 液晶為 homeotropic texture 時，則不

對入射光產生反射或散射現象故呈現透明狀態。PSCT 元件即運用此

三個不同光學特性之 textures 間的變化來達到顯示之目的。

為達成 PSCT 顯示之目的，此三種 textures 必須能控制在穩定之

狀態。而影響 textures 穩定的因素有:

(1) cholesteric 液晶之 picth 大小。

(2) cell 之邊界條件。

(3) 外加電場大小。

(4) polymer 之分佈狀態。

經由控制上述影響 textures 穩定之因素，我們可製成三種不同模

式之 PSCT 元件，其說明分述如下:

(1) Color reflective bistable mode：

由於 focal conic texture 具有一些 defects，在無外加電場情

況下，其自由能會比 planar texture 高出一些。因 defects 之自由

能與 cholesteric 液晶之 pitch 長短有相關性。當 cholesteric 液晶

之 pitch 較短[可見光或紫外光範圍]時，defects 之自由能較小，此

時 focal conic texture 與 planar texture 間之能量屏障(energy

barrier)足以阻擋因熱擾動所造成之 texture 變換。故在無外加電場

且適當的表面配向及 polymer network 分布狀態下，此兩 textures

均為穩態[focal conic texture 可說是 metastable]。而當 pitch 較

長[紅外光區域]時，其 defects 之自由能會增加，則此時 focal conic

texture 之自由能將比 planar texture 大上許多，故變成不穩定狀

態。

Color reflective bistable mode 則是將 cholesteric 液晶之

pitch 調整在可見光範圍，使其具備 focal conic 及 planar 之雙穩

態，而達成顯示之目的。而其 textures 間之轉換方式及驅動訊號如

圖(2.2)所示。

圖(2.2) Color reflective bistable mode之textures

變換驅動訊號

由圖(2.2)可知，若要將 planar 變換成 focal conic 則加一較低之電

壓脈沖 VL[約 34V]，若要將 focal conic 變換成 planar 則需加一較

高之電壓脈沖 VH[約 50V]。

(2) PSCT normal mode：

PSCT normal mode 之工作原理如圖(2.3)所示。因其 cholesteric

液晶之 pitch 較長[約在紅外光區域]，所以在無外加電場時，其不具

雙穩態。

由於其 polymer network 約略垂 直 於 cell 基 版，故 其

cholesteric 液晶分子會受到 polymer network 垂直於 cell 基

板之向的拉拔力作用，使其不利於 planar texture 之排列而呈現

focal conic texture 之穩定態。

圖(2.3) PSCT normal mode 在外加電場 on/off 時 textures 之變換

由圖(2.3)所示，當 PSCT normal mode 無外加電場時，其穩定態

為 focal conic texture，因其 domain 邊界之折射率突然變化，故

對入射光會有很強之散射現象而呈現不透明狀態。

當外加電場足夠大時，cholesteric 液晶之螺旋結構遭到破壞，

而使液晶分子呈現 homeotropic texture 排列，此時 cell 為透明狀

態。由於液晶分子受到 polymer network 垂直於 cell 基版方向之拉

拔力作用，故其穿透度對外加電壓之特性曲線有一磁滯現象，如圖

(2.4)為典型之 PSCT normal mode 的 V-T 曲線。其中△V 稱之為磁滯

寬度。

圖(2.4) 典型之 PSCT normal mode 的 V-T 曲線

(3) PSCT reverse mode：

PSCT reverse mode 之 工 作 原 理 如 圖 (2.5) 所 示 。 因 其

cholesteric 液晶之 pitch 較長[約在紅外光區域]，所以在無外加電

場時，其不具雙穩態。由於其 polymer network 約略平行於 cell 基

版，又其基版表面有水平配向處理，故在無外加電場時，其穩態為

planar texture。

圖(2.5) PSCT reverse mode 在外加電場 on/off 時 textures 之變換

由圖(2.5)所示，當 PSCT reverse mode 無外加電場時，其穩定態為

planar texture，故呈現透明狀態。

當外加適當電場時，液晶將在「電場作用力」及「液晶分子

間作用力」之間尋求平衡，而呈現 focal conic texture，故呈現不

透明狀態。

但此時外加電場不可太大，否則 cholesteric 液晶之螺旋結構會

遭到破壞，而使液晶分子呈現 homeotropic texture 排列，則 cell

將為透明狀態，如此並無法達成顯示之目的。

第三章 實驗準備及量測

3-1 PSCT樣品製作

3-1.1 理論原理

本實驗所主要是利用膽固醇像液晶 (cholesteric LC,CLC) 加

上少量單體 (

圖（3.1）Normal-mode PSCT 顯示原理

Reverse mode 之工作原理如圖(3.2)所示。因其 cholesteric 液

晶之 pitch 較長[約在紅外光區域]，所以在無外加電場時，其不具雙

穩態。由於其 polymer network 約略平行於 cell 基版，又其基版表

面有水平配向處理，故在無外加電場時，其穩態為 planar texture。

圖(3.2) Reverse mode PSCT 顯示原理

由圖(3.2)所示，當 PSCT reverse mode 無外加電場時，其穩定態為

planar texture，故呈現透明狀態。

3-1.2 PSCT元件製作

樣品的製作過程可分為下列三個步驟：

如下表所示利用微量電子秤，精密量取不同比例之 E7、RM257、

CB15 與 BME，倒入小樣品瓶中，以錫箔紙密封(以防材料吸光變質)，

並固定於迴旋振盪器上振盪約一日，使均勻混合溶解。

PSCT 混合溶液

2.7 wt%

8.5 wt% CB15

91.5 wt% E7

97.3 wt%

91 wt% RM257

9 wt% BME

(二) 樣品製作（圖 3.3）

(1)將鍍有透明導電膜 ITO (Indium-Tin-Oxide)的玻璃切割成適當的

尺寸。

(2)將切取後的玻璃放入燒杯中，依序分別加入適量清潔劑、清

水、丙酮，再將此燒杯放入超音波振盪器中振盪清洗約 20 分鐘

後，取至烤箱內，使丙酮迅速揮發，以得到乾淨的玻璃。

(3)製作無表面處理及表面水平處理之 15μm 空 cell，再將 spacer

鍍有 ITO 的那一面，再將兩片帶有 spacer 的玻璃互相疊合起來，

並在兩側抹上封邊材料 AB 膠，則空 cell 已製作完成。

ITO玻璃

spacer

空cell

側面

glass

ITO

spacer

注入液晶聚合物混合材料

正面

空cell

圖（3.3）樣品的製作過程

(三) 材料的填充(圖 3.4)

(1)將空 cell 豎立在架子上，未封邊之缺口分別朝著上下兩個方向。

(2)以滴管吸取適量的混合溶液，滴在空 cell 的上方缺口。此時由

於重力與毛細現象的作用，溶液將慢慢的充滿空 cell 之夾層中。

(3)當空 Cell 之夾層完全填滿溶液後，再以 AB 膠將 Cell 之上下

兩個缺口完全密封黏合。

(4)空 cell 注入 PSCT 混合溶液後，將無表面處理 PSCT 面板置於 UV

光燈下約 100 公分處且同時加一適當電壓(~50V，1KHz 之方波)，

經照射 60 分鐘直至液晶與聚合物相分離後硬化形成 normal-mode

PSCT 樣品。

(5)將表面水平處理 PSCT 面板置於 UV 光燈下約 100 公分處且經照射

60 分鐘直至液晶與聚合物相分離後硬化形成 reverse mode PSCT

樣品。

聚合物膽固醇液晶

圖(3.4) 材料填充

3-2 儀器Setup及量測方式

(一) 量測目的

此量測將利用儀器整合自動化，免去手動一一調整電壓記錄畫曲

線圖，並能觀測出 PSCT ( Polymer-Stalizied Cholesteric Texture )

在逐漸增加電壓時內容的變化，影響光進入液晶盒到達感測器所量出

的改變。

(二) 量測原理

由於 P S C T 需要極高的驅動電壓，才能促使雷射光到達感測

器。利用電腦 (PC) 藉由 GPIB 介面控制信號產生器，傳出一個方波，

再經由放大器放大 20 倍電壓促使驅動樣品；當雷射光進入不同驅動

電壓時，感測器 (Dector) 將把感測電壓送回數位電表(Digital

Meter) 轉換數值，再回到電腦記錄，此一回程將記載一次感測器接

受電壓值。最後再把所量測到的 Data 輸出成 Excel 檔，以表格形

式列出，方便於數值分析、畫圖。

(三) 量測架構圖

圖(3.5) PCST 自動電壓量系統方塊圖

LASER

Digital Meter

PC

Function Generator

Sample

衰減片 光感測器

電壓放大器*20V

(四) 利用 Labview 實現量測

(1)量測程式簡介

以 Labview 撰寫程式，將 Function Generator、Digital

Multimeter 與 GPIB 連結，以 Function Generator 控制電壓大

小、量測間距，透過 Detector 將量測到光的強度轉換為電壓大小，

藉由 Digital Multimeter 以較高的精準度擷取大量的資料，而且

可選擇單一電壓的次數，取其平均值，使數據較為準確，再傳送到電

腦加以分析討論光在液晶中產生的特性曲線與光學特性。

(2)使用者介面

圖

(3.6) 使用者介面

第四章 實驗結果及討論

4-1 液晶量測結果

本實驗分別對normal-mode,reversed-mode兩種模型作對光電特

性進行測量，並同時也測量曲線變化，以下圖4.1~圖4.4為本實驗PSCT

樣品測量的光電特性曲線圖。

PSCT normal-mode 測量

0.00

1.00

2.00

3.00

4.00

5.00

6.00

7.00

8.00

9.00

0.0

0

5.0

0

10.0

0

15.0

0

20.0

0

25.0

0

30.0

0

35.0

0

40.0

0

45.0

0

50.0

0

55.0

0

60.0

0

65.0

0

測量電壓(每間隔0.3V)

所得

電壓

圖(4.1) normal-mode(1) 曲線圖

PSCT normal-mode 測量

0.00

1.00

2.00

3.00

4.00

5.00

6.00

7.00

8.00

9.00

0.00

5.00

10.

00

15.

00

20.

00

25.

00

30.

00

35.

00

40.

00

45.

00

50.

00

55.

00

60.

00

65.

00

測量電壓(每間隔 0.3V)

所得

電壓

圖(4.2) normal-mode (2)曲線圖

PSCT reversed-mode 測量

0.00

0.50

1.00

1.50

2.00

2.50

3.00

3.50

0.0

0

5.0

0

10.

00

15.

00

20.

00

25.

00

30.

00

35.

00

40.

00

45.

00

50.

00

55.

00

60.

00

65.

00

測量電壓(每間隔 0.3V)

所得

電壓

圖(4.3) reversed-mode(1) 曲線圖

PSCT reversed-mode 測量

0.00

0.10

0.20

0.30

0.40

0.50

0.60

0.70

0.80

0.90

0.00

10.

00

20.

00

30.

00

40.

00

50.

00

60.

00

70.

00

80.

00

90.

00

100.

00

110.

00

120.

00

130.

00

140.

00

150.

00

160.

00

測量電壓(每間隔0.3V)

所得

電壓

圖(4.4) reversed-mode(2) 曲線圖

4-2 PSCT枝狀網路結構

圖(4.5) normal-mode 放大200倍

圖(4.6) reversed-mode 放大200倍

4-3 結果與討論

(1)圖(4.7)可看出，都相同旋度、平行處理、同樣電壓下的 PSCT

nomal-mode 樣品，會發現若 RUBBING 深度的不同會造成起始電壓的

差異，深度越深的 PSCT 樣品，則需要更大電壓才可以驅動之，而深

度越淺的 PSCT 則就反之，反應速度也較快，也更快進入穩定狀態。

(2)而 reversed-mode 在外加電壓聚合後，所測量結果圖(4.3)及圖

(4.4)，明顯看出若加大電壓照射聚合，所驅動電壓需要更大才行，

但卻不比小電壓來的穩定，且已有破壞鍵結的現象，導致效果並不如

期的理想；而當外加電壓越小且聚合後，其驅動電壓也越小即可，也

較穩定效果較佳。

(3)由實驗結果得知，normal-mode 與 reversed-mode 兩種模型的結

果，可以看出 noemoal-mode 結果比 reversed-mode 來的更有效果，

更加穩定。除了以上實驗結果之外，我們還可以利用旋度、濃度、深

度、電壓大小等等各方面去測量更多不一樣的樣品，因此我們想要得

到一個最好的測量結果，一定要從多方面去調配適當，才會得到更多

有趣值得研討的結果，才會得到更好的結果。

第五章 總結與未來展望

由於PSCT具有廣視角且其不須使用偏光板便可達成顯示之目的，

故其生產成本低廉。近年來已引起廠商高度之興趣。

在此將本論文作總結：

不同電壓對PSCT光電特性影響之研究，由實驗中得知，電壓越大並不

代表有更好的光電反映，但小電壓卻也不會有好效果，須在兩則中作

最適當的調配。

以上之結論，我們認為尚有許多結果不甚完美，需要爾後繼續探

討與改進。以下略敘未來工作之展望：

(1) 在材料方面，我們認為除了在monomer外，液晶的物理性質

(如:viscosity、K22、εΔ及液晶與polymer之anchoring force⋯)對PSCT

光電特性之影響，也是我們該關注之焦點。如此方可選擇較符合之液

晶材料來改進PSCT之光電特性。

(2) 除了本論文之normal mode及reversed mode外，我們認為Color

reflective bistable mode因其具有省電之特點，非常適合可攜式產

品。將是我們未來繼續探討之重點

參考文獻

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