實驗結果與分析

本實驗所使用的

MLC-2048

雙頻液晶是默克

(Merck)

公司所製作的，

但是從默克公司提供的液晶基本資料中，並沒有提供

MLC-2048

雙頻液 晶之操作頻率及對應之特性，因此除了查文獻上有無實驗室使用過此款 液晶的操作方式外，也進行了基本特性量測，如：調變不同頻率的加電 壓量穿透率實驗可求出液晶的彈性常數、

THz

下液晶的折射率。表

4.1

為三種液晶的基本參數，表中沒有任何標記的數值為默克公司提供。本 實驗的環境溫度皆控制在

23

℃

~26

℃。

data sheet

：

at

＋

20

℃，

Merck

提供 Clearing

point

ε

Δ

K

₁

K

₃

1kHz

：Δ

ε =

＋

3.2 MLC-2048 106.2

℃

100kHz

：Δε

=

－

3.4

^＊

16.52 pN (experiment)

23.15 pN (experiment)

E7 61

℃

1kHz

：Δ

ε =13.8 11.10 pN 17.10 pN MDA-00-3461

92

℃

1kHz

：Δ

ε =11.2 12.6 pN 15.4 pN

＊ 為文獻上查到的數值、

experiment

為我們實驗求得

表

4.1

三種液晶的基本參數

4-1 調變頻率之加電壓量穿透率求 K_i

因為雙頻液晶會隨著外加電壓頻率的不同，而有不同的介電異方性

ε

Δ

。

Δ ε

除了有正負之分外，在正型液晶的範圍還會隨著頻率的不同，

Δ ε

的大小也會跟著不同；負型液晶亦是如此。我們可以從文獻

[14][15]

大致 了解雙頻液晶

MLC-2048

對外加電壓頻率所表現出來的特性。

文獻

[14][15]

中提到

MLC-2048

雙頻液晶操作方式為：操作頻率在

1kHz

時，介電異向性 Δε＝＋

3.2

為正型液晶；操作頻率在

100kHz

時，介 電異方性Δε＝－

3.4

為負型液晶，或操作頻率在

50kHz

時，介電異方性Δε

＝－

3.1

為負型液晶；臨界頻率約

12kHz

。

這部份的實驗裝置如圖

4-1.1

，準備了兩個樣品來量測，都是利用具

有

ITO

的玻璃製作而成的薄樣品，如圖

4-1.2(a)

為具有

ITO

圖形的玻璃，

中間

1.5cm×1.5cm

是鍍有

ITO

的區域，箭號代表磨刷的方向，圖

4-1.2 (b)

是兩片經過相同步驟處理過的

ITO

玻璃夾成反平行液晶盒的示意圖，圖 中黃色的部份是間隙物

Mylar

放置位置，中間橙色的部份為主要的量測 區域。這兩個樣品不同的地方是一個在

ITO

玻璃上鍍上水平配向膜

(Nissan SE-130B)

，利用此樣品來進行雙頻液晶的正型液晶特性量測，此

樣品的液晶層厚度為

23.41μm

，預傾角

(pretilt angle)

為

2.57°

；另一個則是 在

ITO

玻璃上鍍上垂直配向膜

(DMOAP)

，利用此樣品來進行雙頻液晶的 負型液晶特性量測，此樣品的液晶層厚度為

31.72μm

，預傾角為

89.88°

。

實驗結果如下：

圖

4-1.3 (a)

為水平配向樣品光強度和外加電壓的關係圖，將此圖的數

據依照

( )

⎟

⎠

⎜ ⎞

⎝

= ⎛

2

²

2

2 0

θ

sin

ΔΦ

sin

I

I 換成相位和外加電壓的關係圖，如圖

4-1.3

(b)

，利用圖

4-1.3 (b)

來分析臨界電壓。

圖

4-1.3 (a)

和圖

4-1.3 (c)

的差別在

(a)

為頻率操作在

1kHz

，

(c)

為頻率

操作在

10kHz

，從圖中可以發現隨著頻率的增加，圖中上下振盪的曲線

會跟著往高電壓區移動，由此可知操作頻率增加，臨界電壓也會增加，

也就代表

Δ ε

會降低。

圖

4-1.4 (a)

為垂直配向樣品光強度和外加電壓的關係圖，隨著頻率的

增加，圖中上下振盪的曲線會跟著往低電壓移動，由此可知操作頻率增 加，臨界電壓會降低。圖

4-1.4 (b)

為相位和外加電壓的關係圖，用來分析 臨界電壓。

水平配向樣品臨界電壓對不同外加頻率的關係整理如圖

4-1.5 (a)

，相

同顏色的連線代表同一次量測的結果，不同顏色代表不同次量測的結 果，從圖中可以發現隨著外加頻率的增加，臨界電壓也會跟著變大，因 此雙頻液晶的正型液晶範圍中，最適合的操作頻率為

1kHz

，不但臨界電 壓低

(

較容易驅動

)

，而且實驗的一致性較佳，從圖中可以發現越高頻每次 量測的差異越大，所以正型液晶的操作以越低頻越好。

垂直配向樣品臨界電壓對不同外加頻率的關係整理如圖

4-1.5 (b)

，相

同顏色的連線代表同一次量測的結果，不同顏色代表不同次量測的結

由圖中可以發現趨勢大致符合：正型液晶的範圍是在低頻區，頻率 越低

Δ ε

越大，表示液晶分子越容易順著電場排列，介電異方性隨頻率的 變化較大；負型液晶的範圍是在高頻區，頻率越高

Δ ε

越大，表示液晶分 子越容易垂直電場排列，介電異方性隨頻率的變化較小。

[16]

的臨界頻率

約在

25kHz

，而我們的臨界頻率約在

13kHz

，和

[14][15]

臨界頻率約在

12kHz

非常接近。

4-2 兆赫波段下雙頻液晶的折射率 n_e、n_o

剛開始先拿已知折射率的石英玻璃進行折射率量測，主要目的是要 確認新架設的

THz-TDS

系統能夠準確地把材料的特性量測出來。

厚度為

3.174mm

的石英玻璃量測出來的結果如圖

4-2.1 (a)(b)(c)

，紅 色線是新架設好的

THz-TDS

系統所量測得到的結果，黑色線是

Tsung-Ta Tang

博士論文

[9]

中量到的結果，圖

4-2.1 (a)

為厚石英玻璃相位和頻率的 關係圖，兩者得到的結果非常吻合。相位和頻率會成正比的關係，從圖 中可以發現兩者都是通過原點的一條斜直線和理論相符。我們也可以由 相位和頻率的關係圖看出此系統可信範圍約在

0.2 THz ~ 2 THz

之間。

圖

4-2.1 (b)

是厚石英玻璃折射率實部和頻率的關係圖，可以得到一條

水平線，代表石英玻璃不會隨頻率改變而改變，我們量測出來的結果在

0.2 THz ~ 2 THz

之間折射率實部為

1.954

。

Tsung-Ta Tang

的結果在

0.2 THz

~ 2 THz

之間折射率實部為

1.955

。兩者的折射率量測結果非常接近。

圖

4-2.1 (c)

是厚石英玻璃折射率虛部

(extinction coefficient,κ)

和頻率 的關係圖，我們量測出來的結果在

0.2 THz ~ 2 THz

之間折射率虛部小於

0.01

。

Tsung-Ta Tang

的結果在

0.2 THz ~ 2 THz

之間折射率虛部小於

0.01

。 代表兩者對兆赫波的吸收是很小的，沒有明顯的吸收峰值，因此非常適 合拿石英玻璃當作兆赫波段下使用元件的基板，但是隨著頻率的增加，

此種材料對兆赫波的吸收有變大的趨勢。

參考樣品

(reference sample)

是由兩片厚度約

1mm

的石英玻璃組成，

厚度為

2.154mm

。實驗分析上，我們必須藉助參考樣品的訊號來準確分

析出我們液晶的性質。圖

4-2.2 (a)(b)

是參考樣品折射率實部和頻率的關係 圖及折射率虛部和頻率的關係圖，此兩張圖的結果相較於前面圖

4-2.1

(b)(c)

來說比較振盪，沒有像圖

4-2.1 (b)(c)

那麼平滑，原因在於所有樣品

放在

THz-TDS

系統中進行量測時都會產生反射訊號，光程等於折射率乘

上所走的距離，厚樣品因為較厚，所走的距離較長，反射訊號被延遲到 比較後面，不會被我們量測到，因此反射訊號不會影響的分析結果。量 測出來的結果在

0.3 THz ~ 1.7 THz

之間折射率實部

(n)

為

1.957

，折射率虛 部小於

0.01

。結果也和

4-2.1(b) (c)

非常接近。

在

THz

波段下對應的波長約在

0.03mm~3mm

之間，所以量測的樣品 厚度要厚，量測雙頻液晶折射率的樣品是水平配向，液晶厚度

279μm

， 示意圖如圖

4-2.3

，樣品規格如圖所示，上下兩個黃色長方形區域為間隙 物

(

鐵氟龍

)

放置的位置，箭號為上下石英玻璃基板磨刷的方向，中間黃色 圓形區域為樣品量測區域，也就是在樣品前面放至光圈擋掉直徑

0.6cm

以外的

THz

訊號。

圖

4-2.4

為製作好的樣品在互相垂直的偏振片

(crossed polarizer)

下所看 到的亮暗態，有亮暗態的變化代表我們的樣品是有配向且均勻的，對比 度沒有很好的原因是因為樣品的厚度較厚，靠近中間層的液晶不容易受

表面配向膜的影響而配向，僅能靠臨近液晶分子間的凡得瓦力轉向。

我們藉由旋轉液晶樣品使磨刷方向和

THz

偏振方向平行及垂直來量 測

n

_e、

n

_o。圖

4-2.5 (a)

是非尋常光

(Extraordinary Ray, e-ray)

折射率實部和 頻率的關係圖，圖中的三條曲線分別是同一個樣品量測三次的結果，

n

_e 是一條水平線，代表

n

_e不會隨頻率改變而改變，訊號在

0.3 THz ~ 1.7 THz

之間為可信範圍。因為後面設計的相位延遲器

(Phase Shifter)

希望能在

1THz

下使用，所以只寫出

1THz

下的

n

_e，三次測得的結果

n

_e

=1.682

、

1.671

、

1.686

，平均值

n

_e

=1.680

。

圖

4-2.5 (b)

是非尋常光折射率虛部

(κ

_e

)

和頻率的關係圖，在

1THz

附 近沒有明顯的吸收，折射率虛部小於

0.03

。我們比對折射率虛部在約

0.36THz

處有一個峰值出現，想說它會不會對我們的折射率有影響？結果

發現折射率虛部的峰值對應到折射率實部的位置並沒有在波峰或波谷，

因此對於我們的折射率沒有影響。

圖

4-2.6 (a)

是尋常光

(Ordinary Ray, o-ray)

折射率實部和頻率的關係 圖，圖中的三條曲線分別是同一個樣品量測三次的結果，可以發現

n

_o會 隨著頻率增加而變小，是一個和頻率相關的函數。訊號在

0.3 THz ~ 1.7 THz

之間為可信範圍，在

1THz

下三次測得的結果

n

_o

=1.493

、

1.522

、

1.517

， 平均值

n

_o

=1.511

。

圖

4-2.6 (b)

是尋常光折射率虛部

(κ

_o

)

和頻率的關係圖，在

1THz

附近

沒有明顯的吸收，折射率虛部小於

0.05

。

經過上面分析得到在

1THz

下雙頻液晶的

Birefringence 0.169 Δ n =

， 此結果比

E7

的

Birefringence 0.13 Δ n = [17]

還要大，非常適合用來製作各 種元件。

4-3 相位延遲實驗結果

本節主要的內容是承接上一節求得的雙頻液晶

(MLC-2048)

折射率

n

_e、

n

o，把折射率代入第二章第五節所討論的理論中，如此就可以設計出

90°

的相位延遲器，

90°

的相位延遲器又稱為四分之ㄧ波長板，主要是利用在 線偏振光與圓偏振光之間的轉換。表

4-3

為

MLC-2048

、

E7

和

MDA-00-3461

三種液晶的

n

_e、

n

_o和

Δ n

。

n

_e

n

_o Δn

MLC-2048 1.680 1.511 0.169

E7 1.71 1.58 0.13

MDA-00-3461 1.716 1.535 0.181

表

4-3 MLC-2048

、

E7

和

MDA-00-3461

三種液晶的

n

_e、

n

_o和Δ n

因為反應時間和液晶層厚度有關，厚度愈薄，反應時間愈快，但是

為了配合本研究的主題改善反應時間，所以希望使用不同液晶的樣品能 在相同的條件下去比較它們之間反應的快慢，因此這節所製作樣品盒的 條件皆相同，如：間隙物的厚度

d

皆約為

600μm

、電極間距

L

皆為

12mm

、 配向膜皆為垂直配向

(DMOAP)

且經過磨刷、相同的清洗玻璃程序

……

等，只有所灌入的液晶不同，樣品結構示意圖如圖

4-3.1

。

在製作相位延遲器樣品前要先用砂紙把銅片表面氧化的部份磨掉以

增加銅片的導電能力，且盡量把使用的銅片壓平以降低樣品在石英玻璃 基板和銅片間的空隙。

灌液晶進入樣品的步驟為：先灌入約

2/3

的液晶

→

抽真空

(

把石英玻 璃基板和銅片間的空氣抽出

)→

灌入液晶

→

抽真空

→

灌入液晶

→…

，重複 多次後確定裡面沒有殘留的空氣在用

AB

膠把液晶灌入口封住。在灌液 晶的時候發現雙頻液晶

MLC-2048

比

E7

和

MDA-00-3461

還要稠，所以 在進行上述抽真空步驟時會花比較長的時間。

本論文中總共使用三種液晶，分別為雙頻液晶

(MLC-2048)

、正型液

晶

(E7

和

MDA-00-3461)

，這三種液晶皆為默克

(Merck)

公司所製作的產 品。製作好樣品後檢驗液晶的配向狀況，液晶配向效果的好壞，可利用

錐光干涉

(conoscopy)

實驗來檢驗，主要原理是雷射光通過正交偏振片，

在正交偏振片中間經由透鏡的聚焦及擴束使通過液晶樣品時產生光程

在正交偏振片中間經由透鏡的聚焦及擴束使通過液晶樣品時產生光程

在文檔中 兆赫波段下可調式電控液晶相位延遲器反應時間之改善 (頁 33-65)