我們目的是在探討PSCT 元件雙穩態特性之研究，故元件基板的使用是最重 要的因素，我們便對不同配向機制之玻璃基板灌注液晶，觀察其光電特性，然後 找到最適合的配向機制來當作之後實驗量測所需的樣品。確定了使用的樣品後，
接著就是樣品間隙厚度的量測，因為不同的間隙厚度對反射率、穿透率、操作 電壓…等都會有影響，因此準確的量測間隙厚度也是很重要的前置工作。
有了固定厚度的空樣品後，接下來就是顯示元件的靈魂—液晶混合液;我們 將膽固醇液晶加入適當比例的手性添加物、高分子單體及光起始劑，均勻混合後 就成了實驗所需之液晶混合液。再來我們將調製好的液晶混合液灌入空樣品中，
並透過照射UV 光來進行聚合反應，目的就是要讓混合液中的高分子單體能聚合 成高分子聚合物來穩定整個元件結構。照光聚合的步驟完成後，樣品的製備算是 告一段落。
對於 PSCT 元件而言，樣品中鍵結的聚合物網絡會對液晶分子排列造成很大 的影響，而聚合物網絡的形成會跟樣品所添加的高分子單體濃度，和聚合反應時 的照光強度、照光時間有關，所以我們分別針對不同高分子單體濃度之樣品，在 不同的照光時間和強度下，對其進行反射率、穿透率、反應時間…等光電性質的 量測。藉由探討以上這些性質，來改善我們的配方並找到最適合使用的製程條 件，並實際應用到顯示元件上。
3-1 使用之材料種類與特性介紹
本論文之PSCT 所使用到的材料包括向列型液晶[MDA-00-3461]、手性 添加物[R-811]、高分子單體[RM257]、光起始劑[DMPA]...等，其材料特性說 明如下。MDA-00-3461:向列型液晶，購買自 Merck，其材料之物理參數如表(3-1-1) 所示。R-811:手性添加物，購買自 Merck，其化學結構如圖(3-1-1)所示。手性添 加物是一種光學活性(optically active)物質，它將對向列型液晶分子造成螺旋畸 變，此能力之大小稱為Helical Twist Power (HTP) 來表示，定義如下:
HTP p c
= 1×
(3-1-1)
其中:p為膽固醇液晶之螺距，c為液晶混合液中手性添加物佔的濃度比例。故 HTP值的大小將會影響膽固醇液晶分子的螺旋程度，而我們所使用的R-811 之 HTP值約為11.3μm−1(對 25℃之 MDA-00-3461)。RM257:雙炳烯酸酯，是一種高 分子單體，購買自Merck，其單體分子化學結構如圖(3-1-2)所示，為一種主鏈型 桿狀高分子單體，且單體兩端具有活性雙鍵，在室溫下為結晶狀態，在光作用下 相鄰的單體分子雙鏈透過光聚合反應，而彼此鍵結形成高分子網絡。DMPA:一種 光起始劑(photoinitiator)，購買自 Aldrich，會吸收紫外波段的光分解而產生自由 基，其化學結構如圖(3-1-3)所示。
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3-2 聚合反應過程
PSCT 系統的聚合過程[13]包含了三個階段，分別依序為「起始(initiation)」、
「傳播(propagation)」以及「終止(termination)」。當紫外光照射到光起始劑時，
它會分解產生自由基(free radical)，自由基會和高分子單體反應產生具有自由基
的單體，此過程如圖(3-2-1)[14]所示。在「傳播」的過程中，此具有自由基的單 體會和其它未反應的單體進行成長反應，而逐漸形成高分子長鏈。最後，會因為 高分子單體耗盡或自由基彼此互相作用，降低了自由基的活性而停止反應。在這 整個聚合的過程中，是伴隨著一相分離(phase separation)的過程，即在高分子單 體聚合成高分子長鏈同時，與互溶的液晶分子發生相分離而彼此分開。相分離的 速度會受到高分子單體之聚合速度影響，在本論文中，即討論在不同聚合速度，
例如:改變高分子單體濃度、照光強度大小、照光時間長短等，對 PSCT 樣品光 電特性的影響。
3-3 PSCT元件製作
(a) 清洗玻璃
1.本實驗所使用的玻璃基板為勝華科技提供的 ITO 玻璃，厚度為 1.1mm 並 將所要使用的玻璃切割為1.5cm×2cm 的大小，並且使用吹球將玻璃表面 的微小灰塵吹乾淨。
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1.本實驗室所使用的配向劑是 Nissan SE-130B。使用前需將配向劑從冰箱 拿出來，待其回復到室溫再開始用。
2.將清洗完的玻璃放在旋轉塗佈機(Spin-coater)上，並用吹球將玻璃表面上 的小灰塵吹乾淨，然後使用微量滴管吸取數滴配向劑並滴在玻璃表面 上，並啟動旋轉塗佈機(條件設定:第一步 2000 rpm(1 sec)、2000
pm(15sec)，第二步 4000 rpm(1 sec)、4000 rpm(25 sec))。在塗佈過程中，
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空氣溼度控在42% R.H 以下。
3.將塗佈好配向劑的玻璃從旋轉塗佈機中取出，並放在加熱平台上軟烤，
溫度設定80℃，時間為 5 分鐘，目的是使配向劑中的溶劑揮發。
4.將軟烤完的玻璃放入已經預熱170℃的烤箱中硬烤，時間為 1 小時。
5.硬烤完成後，取出玻璃並放入培養皿中冷卻以備用。
(c) 磨刷配向膜
1.將鍍好配向膜的玻璃基板放在磨刷機的平移台上，並使用吹球將玻璃表 面吹乾淨。
2.啟動磨刷機(設定滾輪轉速:900rpm，順時針方向旋轉)，透過絨布磨刷 的方式讓玻璃表的配向膜產生配向效果。
(d) 封裝液晶盒
圖(3-3-1)為封合樣品的示意圖，首先取出兩片已配向好的玻璃基板，並 先將一片玻璃以磨刷面朝上平放在平台上，再取出我們事先已切割好的 間隙物(Mylar)並放置在玻璃表面上，再將另一片玻璃磨刷面朝內以反 平行(Anti-parallel)的方式夾合，並將樣品盒三邊以 AB 膠封合，預留一 邊當做是灌注液晶之缺口，待AB 膠凝固之後，玻璃空元件即製作完成。
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在前面幾節有提到說，PSCT 元件具有布拉格反射特性時，其反射波峰會 跟膽固醇液晶的螺距有關，而螺距又跟HTP 值的大小和手性添加物的濃度多寡 有關，由公式3-1-1 可知如果要求得螺距則必需先知道 HTP 的值和手性添加物的 濃度比例，由於手性添加物的濃度比例可自行控制，剩下的工作就是如何求得 HTP 值，以下將介紹我們如何求出 HTP 值。
1. 將 29.96wt%的手性添加物(R-811)和 4.97wt%的高分子單體(RM257)及 0.77%
的光起始劑(DMPA)放入棕色瓶中，然後再將 64.5wt%的向列型液晶 (MDA-00-3461)加入棕瓶(總重量約 0.3 克)。
2. 將調好的液晶混合液放到試管震盪混合器上，震盪直到粉末與液晶完全混 合。
3. 將均勻混合的液晶混合液加熱至各向同性(isotropic)態，並使用微量滴管吸取 少量混合液，利用真空注入法的方式將混合液灌入玻璃空樣品內，放置在室 溫下使其自然回溫，並靜置約12 個小時。最後將已灌入液晶混合物之樣品放 在UV 燈(315~400nm)下照光，照光強度: 1mW/c ㎡。此時高分子單體開始進 行光聚合作用，形成之聚合物枝條會順著液晶分子之排列方向生長，聚合完 成後將樣品取出PSCT 元件(此時液晶分子呈現平面螺旋紋理)即製作完成。
4. 將聚合完之樣品放在反射式光譜儀系統，如圖(3-3-2)所示，進行反射光譜的 量測(室溫 25℃)。結果如圖(3-3-3)所示，可以看到大約在 481nm 波段有一明
顯的反射波峰，因此利用布拉格反射公式λ =np可算出膽固醇液晶的螺距，
當Ray 1 與 Ray 2 的光程差為波長的整數倍時，產生建設性干涉，若入射角θ1與 UV 燈開關並暖機約 30 分鐘，再來使用光強度檢測器(UVXRadiometer,UVP)並接 上感測器(UVX-36)量測實驗所需之光強度並調整其距離。最後將樣品置於 UV 燈下方合適距離處即開始進行光聚合。圖(3-4-5)為感測器之光譜，可以看到在 365nm 附近有極大的靈敏度，確保我們在量測 UV 光強的精準度。
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3-4-3 反射光譜及光電性質量測
(a) 反射光譜量測，儀器裝置如圖(3-1-1)所示。使用的光源是鎢絲燈(波長涵
蓋範圍:360~850nm)，出來的光會連接到我們的光纖系統，從圖上可看到 在周圍的六根小光纖是負責收集光源的光並傳遞至另一端的出光口，而
中間的那根光纖則是收集從樣品反射回來的光(接收角為 24.8°)，然後再 傳回光譜儀(Ocean Optics USB2000)，連結電腦以記錄數據。
(b) PSCT 元件對電壓脈衝(voltage pulse)的響應及反應時間量測，儀器裝置如 圖(3-4-6)所示。對於 PSCT 元件而言，雙穩態性質的研究是我們這次的 實驗重點，因此我們希望藉由量測其電壓脈衝之反應，進而了解在不同 電壓脈衝下所對應到元件之紋理間的轉換，以便日後設計出合適的驅動 方式(drive schemes)。圖中所示，入射光源為 He-Ne Laser(632.8nm)，光 往前進打到反射鏡，反射光再打到我們PSCT 元件，由於我們將膽固醇 液晶的螺距調整在紅光範圍，所以元件在平面螺旋紋理時會反射相對應 波段的光，此時我們將元件連接一訊號產生器(Function
Generator, HP33120A)，並由電腦程式控制輸入的外加電壓脈衝，最後再 由光檢測器(Detector)接收由元件反射出來的光，並連結電腦以記錄數
據。圖(3-4-7)為量測驅動波型之示意圖[16]，圖中上半部為外加的驅動波 形型，下半部為元件相對應之反射率的變化。圖(a)所示，我們要讓元件 初始狀態都呈現平面螺旋紋理，因此外加驅動脈衝電壓(Va)之前，必需
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先加一個足夠高的重置脈衝電壓(Vreset = 100V)，而脈衝電壓的寬度和驅 動脈衝與重置脈衝電壓的時間間距，則會因為元件設計不同而有所調 變，使其在施加脈衝電壓的過程中可以轉成垂直紋理，此時元件相對應 之反射率為最低，當脈衝結束，液晶分子就回轉回平面螺旋紋理，反射 率上升至穩定，然後再加上驅動脈衝電壓(Va)，脈衝結束，當反射光的 強度穩定後即為我們的量測點(視不同元件之反應時間而定)。
若初始狀態為垂直螺旋紋理，如圖(3-4-7)-(b)所示，則需在外加驅 動脈衝電壓(Va)之前，先加上一重置脈衝電壓(VH-reset = 100V)，使其在 脈衝期間能轉為垂直紋理，接著施加一適當低的重置電壓(VL-reset =
40V)，則元件的初始狀態就會是垂直螺旋紋理，且在取消外加電壓後，
仍然是保持垂直螺旋紋理。接著加上驅動脈電壓(Va)然後取消，等到反 射光強度穩定後即為我們的量測點。
PSCT 元件之反應時間(response time)的量測，儀器裝置使用跟量測 脈衝電壓同一套系統，如圖(3-4-6)，只是我們在光檢測器後連接一示波 器(Oscilloscope)以擷取波型。
當量測反應時間時，由電腦程式控制訊號產生器輸出一脈衝電壓去 驅動我們的元件，同時也送出一觸發脈衝去啟動示波器來讀取光檢測器 所接收到的訊號，此訊號再經由程式之計算即可得到元件之反應時間。
圖(3-4-8)為元件初始狀態為平面螺旋紋理時量測反應時間之訊號示意
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圖，可以看到圖中(a)為訊號產生器輸出至元件的外加電壓波型
圖，可以看到圖中(a)為訊號產生器輸出至元件的外加電壓波型