I

崑 山 科 技 大 學

光電工程系

聚合物穩定液晶薄膜在不同聚合條件下的電

光效應研究

Studies of Electro-optical Effect of Polymer

Stabilized Liquid Crystal Films in Different

Polymerization Conditions

指導教授：莫定山

學生姓名：郭瀚聰

學號 : 4000B010

中華民國 一百零四 年 六 月

II

崑 山 科 技 大 學

光電工程系

聚合物穩定液晶薄膜在不同聚合條件下的電

光效應研究

Studies of Electro-optical Effect of Polymer

Stabilized Liquid Crystal Films in Different

Polymerization Conditions

指導教授：莫定山

學生姓名：郭瀚聰

學號 : 4000B010

中華民國 一百零四 年 六 月

III

專題製作報告授權同意書

IV

聚合物穩定液晶薄膜在不同聚合條件下的電

光效應研究

學生：郭瀚聰 指導教授：莫定山

崑山科技大學光電工程系

摘要

液晶薄膜中的膽固醇液晶(E44+S811)會受到外加電場的作用而轉動，但是受聚合

物(RM257)穩定力影響，使得液晶分子需加較大電壓才能使其的轉向，聚合物在不

同的照光條件下(單雙面照光)會影響液晶薄膜的電光反應曲線，所以必頇加以研究。

本研究是希望液晶在聚合物單面照光、雙面照光以及沒有照光等不同的照光條件

下，觀察聚合物穩定液晶薄膜在電壓逐步增加再逐步取消的 TV 曲線變化。

關鍵字: 聚合物穩定液晶薄膜、膽固醇液晶、電光反應曲線

V

The liquid crystal electro-optic effect study

film at different polymerization conditions

stabilized polymer

Student: HAN-TSUNG-KUO Advisor: Ting-Shan-MO

Optical Engineering, Kun Shan University

Abstract

The cholesteric liquid crystal molecules could be rotated by applying electric field on

the liquid crystal films. There needed more voltage to rotate the liquid crystal molecules

as the polymer network stabilized them. These films showed different electro-optical

characteristics resulted from illuminated conditions. We observed the variety of

transmittance – voltage curves as increasing and decreasing voltage and the films were

illuminated by UV light one or both sides.

.

VI

誌謝

在製作專題的途中遇到了很多未知的問題感謝莫定山老師為我一一解

答，不僅教會我專業知識更教會了我做事的方法以及時間的規劃。感

謝學長的幫助，幫我解決了在專題中的各種小麻煩。

VII

目 錄

頁數

中文摘要 -------------------------------------------------------------------- IV

英文摘要 -------------------------------------------------------------------- V

誌謝 -------------------------------------------------------------------- VI

目錄 -------------------------------------------------------------------- VII

表目錄 -------------------------------------------------------------------- IX

圖目錄 -------------------------------------------------------------------- X

一、 簡介-------------------------------------------------------------- 1

1-1 實驗目的-------------------------------------------------------- 1

1-2 液晶簡介-------------------------------------------------------- 1

1-3 液晶分類-------------------------------------------------------- 2

1-4 液晶的光電特性----------------------------------------------- 10

二、 理論介紹-------------------------------------------------------- 16

2-1 膽固醇液晶之光學特性-------------------------------------- 16

2-2 影響膽固醇液晶螺距的外在因素-------------------------- 17

三、 實驗準備及架設----------------------------------------------- 22

3-1 材料介紹-------------------------------------------------------- 22

VIII

3-2 樣品製作過程-------------------------------------------------- 23

3-3 實驗架設-------------------------------------------------------- 27

四、 實驗結果和分析----------------------------------------------- 37

4-1 實驗結果-------------------------------------------------------- 37

4-2 實驗分析-------------------------------------------------------- 38

4-3 結果分析-------------------------------------------------------- 40

五、 結論------------------------------------------------------------- 41

參考文獻 -------------------------------------------------------------------- 42

IX

表 目 錄

頁數

表 3-2.1 混合物的重量百分----------------------------------------------- 24

X

圖 目 錄

頁數

圖 1-2.1 液晶相物質隨著溫度變化所造成的排列方式改變------ 2

圖 1-3.1 向列相液晶分子排列------------------------------------------ 3

圖 1-3.2 近晶 A 相液晶分子排----------------------------------------- 6

圖 1-3.3 近晶 C 相液晶分子排列-------------------------------------- 7

圖 1-3.4 膽固醇相液晶分子排列--------------------------------------- 8

圖 1-3.5 圓盤狀液晶分子的圓柱結構--------------------------------- 9

圖 1-3.6 圓盤狀液晶分子的向列型結構------------------------------ 9

圖 1-4.1 正單光軸晶體的折射率橢圓球------------------------------ 11

圖 1-4.2 正單光軸晶體的折射率表面--------------------------------- 13

圖 2-1.1 平面螺旋結構膽固醇液晶的反射頻譜--------------------- 17

圖 2-2.1 外加磁場垂直於螺旋軸，其螺距隨磁場變化的示意圖 19

圖 3-1.1 S811 的化學結構圖-------------------------------------------- 22

圖 3-2.1 製作空樣品時，間隔物和 ITO玻璃的相對位置----------- 25

圖 3-2.2 空樣品完成時的結構圖--------------------------------------- 25

圖 3-3.1 樣品雙面照光架設示意圖------------------------------------ 36

圖 3-3.2 玻璃數量控制 UV燈強度變化圖--------------------------- 36

XI

圖 4-1.1 實驗樣品架設示意圖------------------------------------------ 37

圖 4-2.1 照光前後 TV曲線---------------------------------------------- 38

圖 4-4.2 0片玻璃單雙面照光比較------------------------------------- 39

圖 4-4.3 1片玻璃單雙面照光比較------------------------------------- 39

圖 4-4.4 單面照光玻璃片數比------------------------------------------ 39

圖 4-4.5 雙面照光玻璃片數比------------------------------------------ 39

1

第一章 簡介

§1-1 實驗目的

聚合物摻混膽固醇液晶，經 UV光照射後，聚合物枝條會沿著膽

固醇液晶的螺旋結構進行聚合，進而穩固螺旋結構，使膽固醇液晶 TV

曲線產生變化。

§1-2 液晶簡介

一般而言，物體皆以固態、液態、氣態這三種狀態存在於自然界。

以固態而言，又可分為結晶態(crystalline)與非結晶態(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(mesomorphicphases)再變成液體，如圖(1-2.1)

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，被稱之為液晶相(liquid crystals)。

2

圖(1-2.1)液晶相物質隨著溫度變化所造成的排列方式改變

§1-3 液晶分類

液晶(Liquid Crystals , LC)是一種介於固體和液體之間的中間相。

他的發現的歷史已經相當的久遠，早在 1888年，奧地利的植物學家

FriedrishReinitzer發現他所合成的安息香酸膽固醇在溶解時會出現兩

個融化點的異常現象。現今發現的液晶大約一萬多種，但以液晶種類

依其二類，一是熱致型液晶(thermotropicliquid crystals)，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 crystals)，

是由改變溶於溶劑中的濃度而產生相變，。

3

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。

液晶分子的幾何形狀具有高度幾何的異向性，大部分液晶形狀是

長條狀、圓盤狀以及比較少使用的板條狀，這些分子於液晶相的時候，

由於不同的分子結構，使得分子呈現不同的排列方式。故熱致型低分

子液晶在長條狀或圓盤狀可由分子結構、排列方式的不同再加以分類，

如下：

棒狀液晶（rod-like）

(A) 向列相液晶（Nematics）

1. 向列相液晶分子的排列方式傾向平行於某個共同的方向排列，如圖

（1-3.1）所示，這個方向稱作液晶分子的導軸（directoraxis），常

用�̂�表示。

圖(1-3.1）:向列相液晶分子排列

4

2. 向列相液晶在排列方向上有次序性，但分子的重心位置是無規則性

的，相鄰分子的重心、位置、相關性與普通液體相似。實際上，向列

相液晶黏滯度較低，較易滑動，可像普通液體般自由流動，但其黏滯

係數還是比普通液體來得大。

3. 在光學上向列相液晶是正單光軸（uniaxial）介質，其光軸與導軸�̂�平

行，並具有雙折射現象（birefringence）。通常導軸�̂�在空間中的方向是

任意的，且�̂�與−�̂�是不可區分的。

(B) 近晶相液晶（Smectics）

1. 近晶相（Smectics）液晶，如圖（1-3.2）（1-3.3）所示，具層列結構，

因此又稱為層列相液晶。

2. 近晶相液晶與向列相液晶一樣，亦具有雙折射性。

3. 近晶相液晶由棒狀或條狀分子組成，具層狀構造，在每一層，層內

分子長軸相互平行，其方向可垂直或傾斜於層面，因為分子排列整齊，

其規則性接近晶體，為二維有序。所以近晶相液晶分子的有秩序性較

向列相液晶來得高，因此對一個具有近晶相及向列相的材料而言，以

近晶相存在的溫度範圍是比向列相存在的溫度範圍來得低。

4. 近晶相液晶，其層與層間的距離是一定的，層距可用 X-ray繞射方

法來測量，分子層彼此間的結合力較弱，易於滑動。目前所知的近晶

5

相液晶約有十餘種，由導軸�̂�指向及與層狀間的關係，層列相可加以細

分為 SmH、SmK、SmE、SmG、SmJ、SmF、SmB、SmC 及 SmA等。

此處僅對近晶 A （SmA）相、近晶 C （SmC）相加以介紹，以下便

分別作其相關描述：

(I) 近晶 A 相（Smectics A, SmA）

SmA相是所有近晶結構中最少有序者；棒狀分子成層狀結構，且

分子導軸趨於平行於每一層之平面法向量，但分子的位置無一定的排

列順序，類似於二維液體，可在各層間游動。其層距 d 約略等於分子

的長度，在光學上屬於單光軸（uniaxial）介質，其光軸方向為層面的

法線方向，每一層的分子長軸方向相互平行，如圖（1-3.2）所示。

層列相在溫度上近結晶固體，所以稱做「近晶相」；其秩序參數（order

parameter）約在 0.7~0.8；在層狀型液晶層與層間的鍵結會因為溫度

而斷裂，所以層與層間較易滑動，但是層內的分子鍵結較強所以不易

6

被打斷，因此就單層來看，其排列不僅有序且黏性較大。

圖（1-3.2）：近晶 A 相液晶分子排列

(II) 近晶 C 相（Smectics C, SmC）

近晶 C 相的液晶分子如圖（1-3.3）所示，結構類似近晶 A相，為層狀

排列，每一層同樣也是二維液體，但是同層內的液晶分子的位置沒有

次序性，所以層與層的間距小於分子的長度，因此液晶導軸�̂�不是垂直

層平面，而是與垂直層平面的方向 z 軸夾一個傾斜角 θ，層與層間的

距離𝑑 ≈ 𝐿cosθ，其中 L 是分子長度，θ為分子長軸與層面法線的夾角。

此外，SmC相液晶分子具有光學上的雙光軸性質，其中一光軸沿導軸

方向，另一為垂直層面方向。

7

圖（1-3.3）：近晶 C 相液晶分子排列

(C) 膽固醇相液晶（Cholesterics）

如果將少量 chiral 分子摻雜在 Nematic 相液晶中，將會發現原來

的 Nematic液晶會出現螺旋畸變。而這種螺旋畸變亦可在純膽固醇酯

中看到。因此我們將這種螺旋的 nematic相稱為 cholesteric 相或

chiralnematic相。從局部來看，cholesteric 相與 nematic相非常類似，

分子重心位置沒有秩序性，但分子同樣有一個共同的方向，即導軸。

不同的是，Cholesteric 相的導軸n̂在空間中並不是恆定的，而是垂直某

個方向作螺旋性的週期變化，其螺距長 P 約為可見光的波長 λ。

這種週期性結構可以產生 Bragg 反射，其反射光波長之峰值為

λ=nP（n 為平均折射率，P 為液晶的 pitch），如樣品為一右旋膽固醇

結構，則入射之右旋圓偏振光會被反射，而左旋圓偏振光會透過，反

之亦然。其反射之頻寬為（其中為膽固醇液晶之雙折射率）。圖（1-3.4）

則為膽固醇液晶的分子排列示意圖及其偏光顯微鏡下光學圖像。

8

Δλ = ΔnPΔn

圖（1-3.4）：膽固醇相液晶分子排列

9

圓盤狀液晶（Discotic）

依其分子排列方式上的差異，可分為圓柱相（columnar）及向列相

（nematic），其特徵介紹如下:

(A) 圓柱相（columnar）

如圖（1-3.5）所示，每一個圓盤分子堆疊在另一個圓盤分子上方

而形成圓柱狀結構，圓盤分子位置之間無任何相對關係，不同的圓柱

間又整齊地排列而構成一個二維晶格。

圖（1-3.5）：圓盤狀液晶分子的圓柱結構。

(b) 向列相（Nematic）

如（圖 1-3.6）所示，圓盤的中心軸指向某一個共同方向，但彼此

之間的排列則無規則可言。。

（圖 1-3.6）：圓盤狀液晶分子的向列型結構

10

§1-4 液晶的光電特性

(一)液晶光學性質的非均向性(Anisotropic)

因為液晶分子結構的非均向性，導致光線在液晶中行進的速度及

其所感受到的折射率和光的行進方向及偏振方向有關。所以當光在液

晶中行進時，通常可將其分成兩束偏振方向相互正交的線偏振光，其

分別有不同的相速度且所感受到的折射率也不盡相同。這種現象稱之

為雙折射(Birefringence)。

從 Maxwell方程式，我們可推得一般非均向性晶體的折射率方

程式如下

x2

nx2+

y2

ny2+

z2

nz2= 1

此為一個橢圓曲面方程式，它的三個半軸長度分別為nx、ny、

nz(其坐標軸分別為材料的介電常數張量的三個主軸)。

如果nx≠ny≠nz時，則為雙光軸(Biaxial)材料，如 Smectic C。而當

nx＝ny≠nz(以ẑ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(nx＝nynz)。因為本實驗使用的 E7液晶是具正單光軸特性的

Nematic液晶。所以下的討論以正單光軸為主。

11

為了瞭解單光軸材料的光學特性我們以 Fresnel所提出的折射率

橢圓球(Index Ellipsoid 或 Optical Indicatrix)來說明其性質。圖(1-4.1)

為nx＝ny＝no，nz＝ne(ne＞no)的折射率橢圓球。其中Z軸為對稱軸。

圖中k̂的方向為光行進的方向，我們取一通過座標原點且垂直於k̂的

平面，此平面和折射率橢圓求曲面相交的曲線 S為一橢圓曲線，如

圖(1-4.1)所示。以下我們將以三個不同行進方向的情形為例，來說明

單光軸材料的特性:

圖(1-4.1):正單光軸晶體的折射率橢圓球

(A)如果光線沿著 z軸方向行進(k̂平行於ẑ)，則曲線為一位於 x-y平面上

的正圓，其半徑為no，因此不論其偏振方向為何都只能感受到相同的

折射率no，此時兩相互正交的線偏振光有相同的相速度。所以稱 z軸

12

為光軸。

(B)如果光線沿著 x軸方向行進，則 S曲線為一位於 y-z平面上的橢圓，

其短軸為no、長軸為ne分別是偏振方向平行於ŷ和ẑ的線偏振光所感受

到的折射率，no稱為尋常光折射率、ne稱為非尋常光折射率。此時兩

相互正交的線偏振光的相速度並不相同。

(C)如果光線的行進方向和光軸(z軸)夾 θ角，因光軸為對稱軸，因此在

不失一般性的情況下可令k̂在 y-z平面上。如圖(1-2.7)所示，此時 S曲

線為一位於傾斜面上的橢圓，其短軸為no、長軸為neff(θ)分別是偏振方

向垂直和平行於 y-z平面的線偏振光所感受到的折射率。因no和夾角 θ

無關，因此垂直 y-z平面的線偏振光稱為尋常光(O-ray)。而neff(θ)是

(1.2.4)函數，因此平行於 y-z平面上的線偏振光稱為非尋常光(E-ray)。

而neff(θ)公式如下:

neff(θ) =none

(ne2cos2θ + no

2sin2θ)1

2⁄

從上式可知neff(θ)的值介於no和ne之間。

折射率橢圓球的幾何描述是 Fresnel所提出，他是用來說明非均向

性晶體的光學性質。此外還有一種更直接的幾何描述圖，稱為折射率

面。如果以正單光軸為例，可表示如圖(1-4.2)所示。

13

圖(1-4.2):正單光軸晶體的折射率表面

圖中所示，k̂向量和正圓的交點到座標原點間的距離為no，他是偏

振方向垂直於 y-z平面的線偏振光所感受到的折射率，很明顯的no和θ

無關。而k̂向量和橢圓的交點到座標原點間的距離為neff(θ)，他是偏振

方向平行於 y-z平面的線偏振光所感受到的折射率，其值是θ的函數(其

橢圓的吉座標方程式為(1.2.4)式)。當θ＝0˚時，則neff(0)＝no，也就是

說 z軸和光軸同方向。而當θ＝90˚時，neff(90)＝ne。其結果都和折射

率橢圓球的幾何描述完全相同。

14

(二)電場對絕緣 Nematic液晶的影響

作用於 Nematic 液晶的靜電場會產生許多物理效應，其中有些還

非常複雜。為了簡化問題，在此我們只限於討論完全不導電的Nematic

液晶，即使在這種理想的條件下，外電場對 Nematic相的作用也至少

涉及兩類不同的過程。第一是介電常數(Dielectric Constant)的非均向

性(Anisotropy)。第二是在已經出現畸變的 Nematic相內，很多情形

下都會產生自發介電極化，而電場反過來又會在 Nematic相內感應畸

變。在此我們只討論靜電場對介電係數非均向性的液晶所引起的效

應。

對介電係數非均向性的液晶而言，分別沿著跟導軸n̂平行和垂直

的兩個方向量測其靜態介電常數，所得的數值並不相等(ε‖ ≠ ε⊥)。

對於液晶內沿著某一方向的電場E⃑⃑ ，其相對應的電位移向量D⃑⃑ 可

表示如下:

D⃑⃑ ＝ε⊥E⃑⃑ + (ε‖ − ε⊥)(n̂‧E⃑⃑ )n̂

定義介電常數的差Δε＝ε‖ ≠ ε⊥，而Δε可以是正的，也可以是負

的，它取決於液晶分子詳細的化學結構。

15

原則上，液晶的介電係數非均向性會使液晶分子在外加電場的作

用下強迫取向。外加電場對熱力勢(Thermodynamic Potential)的貢獻

可以表示為:

−1

4π∫ D⃑⃑ ‧dE⃑⃑ ＝−

ε⊥8π

E2 −Δε

8π(n̂‧E⃑⃑ )2

式中第一項和導軸n̂的方向無關，但第二項對導軸n̂的方向有非常重

要的影響。當Δε＞0時，液晶分子在外加電場的作用下其導軸n̂必頇

平行於外加電場E⃑⃑ 排列，才能使外加電場對熱力勢的貢獻達到極小值

(穩定態)。反之，當Δε＜0時，n̂必頇垂直於E⃑⃑ 。

16

第二章 理論介紹

§2-1 膽固醇液晶之光學特性

膽固醇液晶(Cholesteric Liquid Crystal，CLC)，一般最常用的特性就

是平面螺旋排列(Planar)結構的布拉格反射，當一道白光入射至平面

螺旋結構的膽固醇液晶時，會發生選擇性反射，例如使用的親手性分

子 S811 是左旋膽固醇結構，相同旋性的光會被反射，而相反旋性的

光則會穿透，被反射的波段中心波長滿足λ=�̅�Pcosα �̅�為液晶平均

折射率，P為膽固醇液晶螺距，α為入射角)，平均折射率

𝑛𝑎𝑣 = √(𝑛𝑒2 + 𝑛𝑜

2)/2

圖(2-1.1)為典型的平面螺旋結構的膽固醇液晶反射頻譜圖，其中理論

模擬假設螺距P為0.3702µm，液晶折射率𝑛𝑒和𝑛𝑜分別為1.75與1.5231，

樣品厚度 d約 5µm，入射光偏振旋性與膽固醇液晶旋性相同且垂直

入射於樣品中。

17

圖(2-1.1) 平面螺旋結構膽固醇液晶的反射頻譜。

§2-2 影響膽固醇液晶螺距的外在因素

(A) 壓力:

膽固醇液晶的螺距與壓力成正比，當壓力增加時，相變點溫度也會隨

之增加，會出現類似溫度降低的效果，此時會出現層列型(Smectic)

的短程序使得螺距增加。

(B) 溫度:

膽固醇液晶的螺距與溫度成反比，即dP(T)

dT< 0，一般認為主要與在低

溫時會出現類似層列型的短程序有關，改變環境溫度可改變螺距，造

成布拉格反射波段偏移，當布拉格反射波段在可見光譜範圍時，螺距

18

變化會反映在色彩上，此即利用膽固醇液晶薄膜來製作液晶溫度計的

原理。

(C) 磁場:

由於外加磁場 H 不會對空間電荷(Space Charges)有所作用，其整體

的分子變化情形相對簡單許多，我們在這裡加以介紹。

當液晶為正導磁異向性(Positive Diamagnetic Anisotropy)(註:一般膽

固醇液晶均為∆𝑥 > 0 )，即∆𝑥 = 𝑥⫽ + 𝑥⊥ > 0之材料，𝑥⫽與𝑥⊥分別為

平行與垂直正單光軸向列型液晶分子長軸的電極化率，若分子排列為

手紋結構(Fingerprint)，此時膽固醇液晶之螺旋軸與玻璃基板平行，

當外加一垂直於螺旋軸的磁場，外加磁場 H 增大時，螺距也會增大，

當 H 接近臨界值Hc時，螺距會劇烈遞增，當 H>Hc時螺旋結構會被

完全解開，液晶被拉直，變成垂直玻璃基板排列(Homotropic)，如圖

(2-2.1)所示。

19

圖(2-2.1) 外加磁場垂直於螺旋軸，其螺距隨磁場變化的示意圖。

此解釋由 P.G. de Gennes和 R.B.Meyer 分別提出，經由理論計算得Hc

為

𝐻𝑐 =1

2𝜋𝑞0(

𝐾22∆𝑥

)12

其中𝑞0 = 2𝜋/𝑃，即𝐻𝑐和螺距 P 成反比。

(D) 電場:

當外加電場頻率夠高或材料導電率夠低，就可以將液晶視為介電質

(Dielectric)，膽固醇液晶(或是向列型液晶)外加一電場�⃑� ，其對應的電

位移�⃑⃑� 為:

D⃑⃑ =ε⊥E⃑⃑ + (ε//-ε⊥) (�̂� ∙ E⃑⃑ )�̂�

此時電場對系統之能量貢獻(每𝑐𝑚3)為:

20

𝜇𝑒 = −1

4𝜋∫ D⃑⃑ 𝑑 ∙ E⃑⃑ = −

ε⊥

8𝜋𝐸2 −

∆𝜀

8𝜋(�̂� ∙ E⃑⃑ )2

其中，∆ε = ε//-ε⊥為介電異向性(Dielectric Anisotropy)，�̂�為液晶分子

的導軸，液晶分子的排向將會傾向於將自由能(Free Energy)最小化。

當∆ε < 0時，導軸垂直電場，讓第二項為零，才能讓整體的自由能達

到最小。

例如，膽固醇液晶一開始處於平面螺旋(Planar)結構，加一沿螺旋軸

方向的電場，會使液晶導軸的變動(Fluctuation)變小，若是一開始處

於散射(Focal Conic)狀態，則當我們外加電場會使得液晶材料轉變為

螺旋軸平行電場方向的平面螺旋結構。

當∆ε > 0時，液晶導軸�̂�平行電場會最小化自由能，假如膽固醇液晶

一開始處於平面螺旋狀態時，外加一個平行於螺旋軸方向的電場，會

變散射態(Focal Conic)，若 d/P(厚度-螺距比)~1-2.5，則會形成手紋結

構(Fingerprint)，當電場超過臨界值，螺旋狀的結構會被完全拉直而

形成垂直態(Homeotropic)，如果一開始是散射態(Focal Conic)時，加

一個垂直於玻璃基板表面的電場，會形成較有次序的手紋結構，電場

大於臨界電場後，便會將螺旋結構完全拉直成垂直態(Homeotropic)，

P.G. de Gennes與R.Meyer在這方面有所研究，推導出此臨界電場Ec為:

𝐸𝑐 =𝜋2

𝑃0(4𝜋𝐾22

∆𝜀)1

2

21

(2.2.4)式中的𝐾22為扭轉彈力常數(Twist Elastic Constant)，𝑃0是未加電

場時的螺距，當外加電場小於臨界電場時，螺距會隨電場增加而增加，

由一階近似(First OrderApproximation)，螺距與電場的關係可表示成

式(2.2.5):

P(E) = 𝑃0(1 +(∆𝜀)2𝑃0

4𝐸4

128(2𝜋)6𝐾222

螺距會隨著電場(或磁場)增加而增加已經由實驗所證實。

22

第三章 實驗準備及架設

§3-1 材料介紹

在本實驗中，使用正型液晶 E44與親手性分子 S811，摻雜少量的聚

合物 RM257(5wt%)和光起始劑 DMPAP，以下會介紹各材料的特性。

(A) 向列型液晶 E44

(1) 相變點為 100˚C。

(2) 在常溫 20˚C 的介電常數為:

𝜀⊥ = 5.04、𝜀⫽ = 19.42，∆ε = 14.38 > 0，為正型液晶。

(3) 在常溫 20˚C，光的折射率為:

𝑛𝑒 = 1.7904，𝑛𝑜 = 1.5277，∆n = 0.2627 > 0，為正單光軸材料。

(B) 親手性分子 S811:

本實驗所使用的是左旋的親手性分子，其結構如圖(3-1.1)所示。

圖(3-1.1) S811 的化學結構圖。

親手性分子是一種光學活性(Optically Active)物質，將親手性分子加

入向列型液晶時，會使液晶變成膽固醇相(Cholesteric)，其螺旋畸變

23

能力以 Helical TwistingPower (HTP)來表示，定義如下:

1

𝑃𝐶= 𝐻𝑇𝑃

其中，P 為膽固醇液晶的螺距，單位為μm，C 為親手性分子的濃度，

單位為 wt%。HTP 值的大小，主要取決於親手性分子(Chiral Dopant)

本身的特性，但也會受到主體(Nematic Host)的影響，對於 E44而言，

S811的值約為-10.33μm−1，負值代表左旋。

(C) 聚合物 RM257:

此聚合物是向莫克公司購買，代號 RM257，此材料的單體分子具有

一活性雙鍵，當聚合反應進行時，雙鍵會斷裂再與另外的單體分子彼

此連接而形成網狀結構(Cross-Linked)聚合物，連結成細長的聚合物

枝條，此材料單體在室溫下為結晶狀。

(D) 光起始劑 IRG184:

此藥品使 RM257 照射 UV 光時，可以產生聚合反應，如果 RM257

沒添加此物，則無法對 UV 光產生反應。

§3-2 樣品製作過程

(一) E44、S811、RM257、IRG184混合溶液的調配:

(1)以精密的電子秤，如下表(3-2.1)所示各成份間的重量百分比量

取適量的材料，使膽固醇液晶的反射波段為弘光 633nm。

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材料 比例

E44 73.55wt%

S811 25.73wt%

RM257 0.45wt%

IRG184 0.05wt%

表(3-2.1):混合物的重量百分比

(2)將所量取的各種材料放進乾淨的小玻璃瓶中，並用鋁箔紙將小

玻璃瓶包住，以阻擋紫外光。

(3)再將包裹好的小玻璃瓶固定在震盪器上，使其震盪直到完全混

合均勻為止。

(二)空樣品製作:

(A)將鍍有銦錫氧化物(Indium-Tin-Oxide，ITO)透明導電膜的玻璃

切割成適當的尺寸(2cm×2.5cm)。

(B)清洗 ITO玻璃。清洗方式是:

(1)先把 ITO玻璃放進裝有清潔液的燒杯中震盪清洗 15分鐘

(2)把 ITO玻璃放進裝有去離子水的燒杯中震盪清洗 5分鐘(重複

5次此步驟)

(3)把 ITO玻璃放進裝有丙酮的燒杯中震盪清洗 15分鐘，

25

(4)把 ITO玻璃放進裝有酒精的燒杯中震盪清洗 15分鐘

(5)把 ITO玻璃從燒杯中拿出，迅速放進高溫箱中，使酒精快速

蒸發。

(C)如圖(3-2.1)所示，將適當大小的間隔物放置在 ITO玻璃的兩邊。

此時必頇確定 ITO導電膜是向內側。然後把兩片 ITO玻璃疊合。

如圖(3-2.2)所示。

26

(D)用 NOA65(光學黏著劑)，塗抹在間隔物的兩邊，將其密封(過

程中必頇在紫外光燈下照射，使其固化)，保留上下兩邊缺口。

至此已完成空樣品的製作。

填充材料:

(A)將空樣品垂直豎立在支架上，未封邊的缺口分別朝著上下方向。

(B)以滴管吸取適量的聚合物和液晶混合溶液，然後滴在空樣品的上方

缺口。此時由於重力和毛細現象的作用，溶液將慢慢流入空樣品的夾

層中。

(C)當空樣品的夾層完全填滿溶液後，再用 AB膠把樣品的上下兩個缺

口完全密封。至此已完成未聚合樣品的製作。

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§3-3 實驗架設

(A)我們使用光譜儀測量樣品的反射波段是否為 633nm

儀器介紹:

光源 光譜儀

樣品架 凸透鏡 衰減片

操作:

1.先將光源與光譜儀的塑膠套拿掉

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2.將光源打開把亮度調到最大

3.將光源光先放置在樣品架上，光源對準衰減片中心。

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4.因光源的光是發散出去所以需要凸透鏡聚焦，將衰減後光對準凸透鏡

中心並找出焦點，將樣品架放置在焦點位子。

5.通過焦點後，光再度發散。再次用凸透鏡聚焦。

6.將聚焦光點對準光譜儀的光纖，將光引入光譜儀。

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7.基本架設完成

注意:上圖為參考圖，在每次實驗進行前皆頇再調整凸透鏡的距離。

8.將電腦打開，打開 桌面上的

9.點擊軟體左上方頻譜>增加頻譜>頻譜圖

10.出現下圖，請選擇裝置偵測頻譜按下一步

31

11.在這可調整測量波長的範圍及積分時間，調整完後按下一步。

(一般積分時間使用預設值 50ms、波長範圍 400~700)

積分時間:因為在進行量測的時候，光源強度值太強或太弱都會造成量測時的不確

定性增加。若強度太強導致偵測訊號超出範圍時，代表有部分數值已經無參考價

值；若強度太弱則可能因為跟系統背景雜訊值太接近，而無法判讀數據，所以建

議調整積分時間

12.如果一切正常的話就會出現光譜

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13.調整平均次數及平滑度，請點擊軟體左上方的儲存 Reference

spectrum。

平均次數:目的是將背景雜訊以多次平均的方式消除掉。

平滑度:的目的是將訊號取鄰近數據加總並計算平均值，以消除雜訊。

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14.點擊儲存 Reference spectrum後會出現另存新檔，直接取消。

在這裡只是為了改變頻譜名稱不用儲存

15.取消後左上角頻譜名稱會從None改成L0-Default_0這樣就可以改調

整平均次數及平滑度

16.經過更改頻譜名稱後就能在軟體工具列上直接更改。

17.準備動作完成後就可開始量測。

將空樣品放置在樣品架上，讓光打在空樣品上。

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18.儲存電腦所接收到的光譜，點極左上檔案>儲存頻譜>儲存單一頻譜

19.點擊瀏覽將存檔類型改成 excle files並儲存檔案。

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20.儲存完成後將空樣品換成樣品，重複儲存動作將樣品頻譜存下來。

21.用 Excel 打開儲存的檔案，並將1 −樣品數據

空樣品數據 後作圖可得

膽固醇液晶反射頻譜

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(B)確認完反射波段後，使用 UV燈管照光１0小時，如圖(3-3.1)。增減

套筒內玻璃的數量來控制 UV燈的照光強度，強度變化如圖(3-3.2)所

示。

由於實驗時照光使用的是燈管，所以必頇要在燈管上套上套筒，使紫

外線照射到樣品時，較接近平行光，減少實驗誤差。

圖(3-3.1)樣品雙面照光架設示意圖

圖(3-3.2)玻璃數量控制 UV燈強度變化圖

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第四章 實驗結果和分析

§4-1 實驗結果

在樣品製作完成之後，我們用如圖(4-1.1)所示的實驗量測架設，來量測

樣品的 TV曲線觀看其變化。此架設讓氦氖雷射經過衰減片，衰減雷射

強度後，在經過第一個偏振片後照射在樣品上，再通過第二個偏振片

打在光偵測器上，由電腦記錄數據並由電腦控制信號產生器施加電場

在樣品上。

圖(4-1.1)實驗樣品架設示意圖

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§4-2 實驗分析

我們分別製作了一片玻璃的單雙面照光、兩片玻璃的單雙面照光、無

玻璃的單雙面照光及無照光等樣品，來比較不同照光強度及照光前後

的差異性。

§4-2.1 不同照光強度 TV曲線比較

(A)照光前後 TV曲線比較:經由 TV曲線架設儀器測量之後，從圖(4-2.1)

中能發現無照光樣本電壓加到 20V之後穿透率接近 0也就是液晶分子

不再偏轉，而單面照光及雙面照光電壓加至 100V穿透率才接近 0，經

聚合物 RM257穩固液晶薄膜驅動電壓有增加的現象。

圖(4-2.1)照光前後 TV曲線

電壓(V)

穿透

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(B)單雙面照光比較:經由 TV曲線架設儀器測量之後，從圖(4-4.2)(4-4.3)

中能發現到雙面照光在電壓逐步取消時膽固醇液晶回復有稍微好些。

而其餘差異並不大。

(C)玻璃片數比:經由 TV曲線架設儀器測量之後，從圖(4-4.4)(4-4.5)中

能發現到雙面照光在電壓逐步取消時膽固醇液晶回復有稍微好些。而

其餘差異並不大。

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§4-3 結果分析

經由 TV曲線架設儀器測量之後，我們可以發現膽固醇液晶照光前與照

光後的差異，在照光後聚合物 RM257穩固了膽固醇液晶的螺旋結構進

而使膽固醇液晶的反應電壓增加。

在改變照光條件，改變玻璃的片數以及單雙面照光，我們發現，只有

在雙面照光可以看到在電壓逐步取消時膽固醇液晶有些微回復其餘差

異性並不大。

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第五章 結論

我們成功的製作出高分子穩固液晶薄膜，且在不同的照光距何條件下，

研究了此薄膜的電光特性曲線。

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參考文獻

陳高新，聚合物穩定膽固醇液晶之可偏振選擇濾波功能 Fresnel 透鏡研究，國立高

雄第一科技大學光電工程研究所碩士論文

蔡心邕，威廉斯區塊之光柵特性研究，國立中山大學物理學研究所碩士論文