基本理論介紹

2-1 液晶態

自然界中的物質一般以固態、液態或氣態呈現，當固態物質加熱 至熔點時會轉變為液態物質，而某些物質在轉變為液態時會先經過液 晶態再轉為液態，液晶即是介於固態與液態間的中間態(mesomorphic phase)物質。液晶的發現最早是在 1888 年，由奧地利的植物學家 F.

Reinitzer 發現膽固醇的安息香酸或乙酸的酯化物，在某溫度區間會呈 現白濁狀液體，且會發出多彩漂亮的圖案^[1]。隔年 1889 年，德國的 物理學家 O. Lehmann 更以加熱偏光顯微鏡發現了此白濁液體具有 異方性結晶特有的雙折射(birefringence)效應，因此被命名為液晶^[2]。 這類有機化合物由固態升溫至液態時，會存在一個或數個中間態，如 Fig 2.1 所示。此類中間態在特定的溫度區間會呈現特定且穩定的液晶 相態 ^[3]。由於液晶具有上述特性，所以被廣泛的應用在顯示科技上。

Fig 2.1 液晶態與溫度關係示意圖。

2-2 液晶的分類

液晶的分類依形成方式的不同，可分為熱致型(Thermotropic)液晶 及溶致型(Lyotropic)液晶兩大類^[4,5]。熱致型液晶在特定溫度區間內會 有特定且穩定的液晶相態，所以可依溫度的控制來得到特定的液晶相 態。而溶致型液晶則是依混合濃度的不同而有某些特定的液晶相態產 生。另外若依液晶分子形狀的不同，大致可分為細長桿狀、扁平碟狀、

彎曲香蕉狀及其他形狀。而依液晶分子排列方式的不同大致可分為向 列型(Nematic)、層列型(Smectic)及膽固醇型(Cholesteric)液晶，如表 2.1 所示。在本實驗中所使用之液晶材料皆為熱致型桿狀液晶。

液晶(形成方式) 液晶(分子形狀) 液晶(分子排列) 熱致型(Thermotropic)

溶致型(Lyotropic)

細長桿狀

扁平碟狀

彎曲香蕉狀

其他形狀

向列型(Nematic)

層列型(Smectic)

膽固醇型(Cholesteric)

表 2.1 液晶的各種分類。

2-2-1 熱致型液晶

熱致型液晶在升降溫過程中可細分為單變型(monotropic)及雙變 型(enantiotropic)液晶。其中液晶相態僅在降溫的過程中才出現，稱此 種液晶為單變型液晶。而在加熱或冷卻的過程中均可看到液晶相態的 存在，則稱為雙變型液晶^[3]，如 Fig 2.2(a)、(b)所示。而在本實驗中所 使用之熱致型桿狀液晶皆屬於雙變型液晶。

(a)單變型液晶

(b)雙變型液晶

Fig 2.2 熱致型液晶之相轉變過程。

等方性液體

晶體 升溫

降溫 降溫 液晶相態

晶體 液晶相態 等方性液體

升溫 升溫

降溫 降溫

2-2-2 桿狀型液晶

應用在顯示方面的液晶材料大多為熱致型桿狀液晶。桿狀型液晶 分子排列的方式大致可分為向列型、層列型及膽固醇型三種。其分類 及命名最早起於1922年法國的G. Friedel所開創，利用偏光顯微鏡觀察 液晶狀態的光學特性所訂定。向列型液晶是由希臘語而來，為絲狀的 意思，於偏光顯微鏡下可觀測到向列型液晶多如絲狀的光學型態。而 層列型液晶在希臘語意思為黏土，一般如油脂般粘稠，具有獨特的光 學型態。第三種的膽固醇液晶，主要是因為由膽固醇所衍生出來的化 合物而得名^[6]。

(1) 向列型液晶

向列型液晶為目前應用最廣之液晶相。其分子的質量中心在位置 排列上無一定的次序；然而其分子長軸整體排列則呈現某一特定指 向，稱作導軸 n (director) ^[3]，如 Fig2.3 示。

Fig 2.3 向列型液晶(Nematic)示意圖。

(2) 膽固醇型液晶

此液晶相是由膽固醇中所發現，其內部分子排列與向列型液晶類 似，但層與層間分子導軸 n 的指向會有偏轉。定義螺旋軸為層的法線 方向，當分子導軸 n 的指向隨螺旋軸旋轉2π時的距離，稱為一個螺距 (pitch)，如Fig 2.4所示。此類型液晶材料具有旋光特性^[9]。亦可在向 列型液晶中摻雜旋光材料而產生膽固醇型液晶相，此液晶相以N^*來表 示^[10]。

Fig 2.4 膽固醇液晶(Cholesteric)示意圖。

(3) 層列型液晶

層列型液晶亦為桿狀型分子成層狀結構排列，各分子與層面垂直 (Smectic A)或具一傾斜角度(Smectic C)，如Fig 2.5所示。而且所構成 的分子均為相互平行排列。層列型液晶具有兩維的平移秩序以及排列 指向的秩序，較Nematic Phase更有秩序性。此類型的液晶黏稠性較 大，液晶分子的恢復力不如向列型液晶。由導軸指向及與層狀間的關 係，層列相可以細分為 SmH、SmK、SmE、SmG、SmJ、SmF、SmB、

SmC 及SmA 等。

Smectic A Smectic C Fig 2.5 層列型液晶(Smectic)示意圖。

另外若在Smectic C層列相態中參雜chiral媒介，分子的排列除了 原有的Smectic C相態的特徵外，分子會隨著層面的法線方向作螺旋排 列，而形成圓錐狀分佈，也就是所謂的Smectic C*相態，如Fig2.6所

示。

Fig 2.6 層列型液晶於Smectic C*態示意圖。

當層內分子指向隨層法線方向作圓錐狀螺旋而回到原來指向所 經歷之層間距離稱為一個螺距(pitch)。在西元1975年，由物理學家R. B.

Meyer從結構性的對稱推論，認為在SmC*相存在著一自發偶極性Ps (spontaneous polarization)^[11]；此自發偶極方向可藉由電場來調控，我 們稱為鐵電性(ferroelectricity)。1980年，N.A.Clark與S.T.Lagerwall提 出將鐵電性液晶(Ferroelectric Liquid Crystal)運用在顯示上，而發表了 表面穩定鐵電性液晶(Surface Stabilized Ferroelectric Liquid Crystal)的 結構^[12]。此結構是將鐵電性液晶夾在兩片間隙小於一個螺距的導電玻 璃之間，邊界的作用使得液晶分子的排列受到限制而無法形成螺旋的 層狀排列，讓每一層的液晶分子指向一致，如Fig2.7所示。液晶分子

Layer

1 pitch

Ps

的長軸和層的法線方向夾θ角，在能量分佈對稱下，液晶分子有兩種 穩定狀態的選擇方式，分別為自發偶極性朝上狀態(up state)及自發偶 極性朝下狀態(down state)。這兩種穩定狀態液晶分子的自發偶極性方 向相反且垂直於玻璃基板，至於分子會以何種狀態存在，則取決於邊 界作用力或外加電場施加的方向。

Fig2.7 表面穩定鐵電性液晶分子排列示意圖。

Ps

Layer Glass substrate

Glass substrate

2θ

2-3 液晶的物理特性

^[6,7,8]

2-3-1 液晶分子排列之秩序參數(S)

液晶分子受熱運動時，其分子排列的整齊程度會隨溫度而改變，

而液晶分子在特定液晶相態排列整齊的程度，將會影響顯示器元件的 光電特性。所以我們定義秩序參數(order parameter)S 來描述液晶分子 排列整齊的程度。首先巨觀來看全體液晶分子，將分子長軸方向定義 為

a

^∧，而

a

^∧與導軸

n

^∧所偏離的角度定義為θ，如 Fig 2.8 所示。

n

^∧

a

^∧

θ 液晶分子

Fig 2.8 液晶分子方向

∧

a 與導軸方向

∧

n 之空間關係。

則液晶分子排列之秩序參數(S)可以(2.1)式計算，其中< >記號表 示全部空間的平均值。

= <3cos −1>

2

1 ₂

θ

S

(2.1)

對晶體來說，S=1；對均質液體而言，S=0。一般向列型液晶的平均

2-3-2 液晶集合之彈性連續體理論

液晶彈性連續體理論的前提是在不考慮任何缺陷的情況下，將不 可壓縮的液晶導軸

n

^∧視為一個隨空間位置

r

∧緩慢變化的連續函數

n ( r

^∧

∧

)

，並考慮桿狀液晶的四個對稱性：

（1）

n

^∧ 和-

n

^∧的等價性;

（2）以

n

^∧ 為軸的轉動不變性;

（3）包含

n

^∧ 在內的平面之鏡面反射不變性;

（4）對於垂直於

n

^∧ 的平面之反射不變性;

當液晶分子間排列受外力而變形，可視為某程度應變的彈性連續 體。液晶集合的體積形變，可分為液晶分子受外力擴張的 splay、受 扭轉狀態的 twist 及彎曲的 bend 等三種，如 Fig 2.9 所示。

(a)展延狀(Splay) (b)扭曲狀(Twist) (c)彎曲狀(Bend) Fig 2.9 液晶的體積形變三種基本變化。

Oseen 和 Zocher 兩人首先建立彈性體理論基礎，同時由 F. C.

2-3-3 液晶的光學異向性

一般向列型的桿狀液晶分子具有光學的單軸性，且其所表現出來 的折射率會因入射光方向及其偏振方向而有所不同。當入射光電場偏 振方向垂直光軸，則會感受尋常光折射率( Ordinary refractive index) no；當入射光電場偏振方向平行光軸，則感受非尋常光折射率(Exor -dinary refractive index ) ne。另外當光電場方向與光軸夾一角度θ時，

所感受到的折射率稱為有效折射率(effective refractive index) neff，折 射率neff與夾角θ的關係式如2.4式所示。

2 2 2 2

( )

cos sin

e o

eff

o e

n n n

n n

θ θ θ

= ⋅

+

(2.4)

而雙折射係數定義如下式所示:

Δn=ne-no (2.5)

當Δn > 0 時，雙折射係數為正值，稱為正的雙折射性；當Δn < 0 時，雙折射係數為負值，稱為負的雙折射性。

2-3-4 液晶的電學異向性

由於桿狀型液晶指向有序，對於向列態及層列態液晶呈現單軸對 稱，因此其介電常數將因平行對稱軸或垂直對稱軸而分為

ε

和

ε

_⊥。而 介電異向性Δ 則定義為:

ε

ε

Δ =

ε

-

ε

_⊥ (2.6)

ε

Δ 對於液晶材料在光電特性的應用上相當重要，若我們在均勻

配向的液晶分子集合中外加電場，且定義電場方向為 Z 軸，θ 角為液 晶分子指向與 Z 軸之夾角，可得知靜電能為:

U=1/2( D Ei ) (2.7) 其中 E 為電場，D 為電位移場

又

D

_Z =(

ε

cos²

θ ε

+ _⊥sin²

θ

)

E

(2.8) 則我們可以計算出

2

2 2

1

2 cos sin

D

Z

U

⁼

ε

+

ε

_⊥ (2.9)

所以當外加電場時，整體靜電能必須趨於最低的穩定狀態，所以 可以驅使液晶分子轉動。當Δ > 0 時，液晶分子長軸會與電場方向

ε

平行;而當Δ < 0 時，液晶分子長軸會與電場方向垂直。

ε

2-4 液晶的配向

2-4-1 配向膜的簡介

液晶顯示器為目前使用最廣、技術最成熟之平面顯示器，對於液 晶盒之結構大致如 Fig 2.10 所示，配向膜的位置就介於上下兩塊導電 玻璃基板的透明電極上。

Fig 2.10 液晶盒(Cell)各部圖解。

由於液晶分子具有流動性，很容易受到外界條件(如:電場、溫度、

光)的變化而使得液晶分子方向性受到改變，配向膜在液晶顯示器中 最主要的功用便在於使得液晶分子具有方向性。而塗有配向膜材料的 導電玻璃基板再經過摩擦之後，可以促使液晶分子具有相同的方向性 並形成預傾角。若是沒有經過配向膜的作用，液晶分子將無方向性可 言而呈現雜亂無序的排列方式，此一結果將造成液晶分子喪失其光電 特性如 Fig 2.11 所示^[13]。

Fig 2.11 配向膜所造成之液晶光電特性。

在液晶盒(cell)中，配向膜的結構與性質將會影響液晶的光學特 性。常用的配向膜材料有 polyvinyl alcohol (PVA)、Methyl Cellulose (MC)、Polyimide(PI)、

S O 等材料來作為配向膜的材料。前三種為有

_{i 2} 機高分子材料，但是 PVA、MC 等材料因為化學性不佳而逐漸被淘 汰，PI 因為具有高透光率、均勻的液晶配向性、高電荷保持率(VHR)、

高耐熱性、化學安定性而成為現今使用最廣泛的配向膜材料。而

S O

_{i 2} 則需使用蒸鍍方式製作，不適合工業上大規模製作時使用^[14]，而在本 實驗中採用 PI 做為液晶配向材料。

2-4-2 液晶的配列方式

^[6]

在液晶顯示應用科技上，不同的液晶配列方式會造成不同的光電 特性而形成不同的顯示效果。液晶分子配列的方式取決於液晶與配向 膜間的配向效果。依不同的配向材料及表面處理方法，液晶的配列方 式一般可分為平行(homogeneous)分子排列、垂直(homeotropic)分子排 列、傾斜(tilted)分子排列，如Fig 2.12所示。

(a)平行分子排列 (b)垂直分子排列 (c)傾斜分子排列

(a)平行分子排列 (b)垂直分子排列 (c)傾斜分子排列

在文檔中 液晶配向層表面自由能及濕潤特性之研究 (頁 14-42)