實驗結果與分析 - 高分子濃度對雙穩態聚合物穩定膽固醇型液晶結構之光電特性影響研究

在本章節中，我們將對本論文之實驗結果進行討論與分析。第一部分會針對

不同配向機制的PSCT 元件在灌入液晶後，從肉眼觀察及反射光譜量測之結果，

然後在外加不同大小的方波脈衝後，其反射光譜的變化。在第二部分，我們改變了液晶混合液中高分子單體的濃度比例，灌入樣品並製作成元件後，量測其加電壓前後反射光譜的變化，而在一開始也提到過，PSCT 元件的雙穩態性質是很重要的部分，所以接下來我們對於不同高分子單體濃度的樣品，外加不同大小脈衝電壓並觀察其反射率和穿透率的變化，藉由此觀察便可得知元件在不同濃度的條件下，隨著外加電壓的改變其紋理的變化為何，也可印證雙穩態的變換原理。反應時間在顯示元件中也是很重要的因素，所以我們也將元件去做反應時間的量測。

實際上，影響 PSCT 元件的因素除了混合液中的高分子單體濃度外，還有光起始劑濃度，另外在聚合時，不同的照光時間跟照光強度都會影響聚合反應，所以在這部分我們針對不同光起始劑濃度、不同照光時間和強度之樣品，量測其反射光譜以及在偏光顯微鏡下所看到的紋理圖。最後則是應用的部分，我們嘗試將現有的製程技術轉移到軟性基板上，也對軟性基板材料的性質做了些探討，期望可以製作出可撓式的液晶顯示元件。

4-1 不同配向機制對PSCT元件之光電特性量測

對於 PSCT 元件而言，配向機制的不同會對液晶分子在元件中的排列造成很大的影響，所以在本實驗中我們將探討不同的配向機制對PSCT 光電特性的影響。由於樣品的厚度和均勻度都會對我們的量測造成影響，所以我們實驗室自已製作的AP 樣品只用在測試液晶混合液的比例調配，以及反射波段的觀察等。爾後實驗所需之空樣品，我們則向勝華公司購買了幾種不同配向機制的玻璃空樣品，在這裡我們使用的是厚度6μm 的反平行(AP)、垂直配向(VA)及 7.5μm 的無配向之空樣品，在灌入液晶之前，我們使用3-4 所介紹過之量測間隙厚度的方法來確認我們所使用的樣品厚度並記錄。

我們在各種不同配向機制的空樣品中，灌入已配製好的液晶混合物(樣品製備條件請參考表4-1-1)，經照光聚合反應後，將樣品拿去進行反射光譜的量測，

以反射率95%之銀鏡當作 Reference。然後我們將量完的樣品外加 1kHz,100Vrms 之方波脈衝電壓，再拿去量測反射光譜觀察其反射率之變化。

圖(4-1-1)為肉眼觀察所得(樣品背後放黑色絨布當吸收層)，可以看到 AP 樣品都呈現明顯的亮態，因為此樣品是經過有水平配向處理，所以液晶分子呈現平面螺旋紋理排列。而VA 樣品是做垂直配向處理，所以液晶分子並非呈現平面螺旋紋理，而是比較類似垂直螺旋紋理，打到樣品的光散射後會被樣品背後的黑色吸收層吸收，因此外觀看起來是呈現暗態。對於無配向的樣品言，液晶分子也並非完全的平面螺旋紋理排列，故看起來雖有稍微的亮度，但整體來說還是偏暗。

圖(4-1-2)為未加電壓前反射光譜所量測之結果，從圖中可以明確看到 AP 樣品具有明顯的反射波段，反射波峰約在515.7nm 處，而 VA 和無配向之樣品 (E01)皆無反射波段出現。圖(4-1-3)為外加 1kHz 的方波脈衝電壓後所量到的反射光譜，可以看到圖(a)當外加 100Vrms 的脈衝電壓後 AP 樣品仍然有明顯的反射波段，但是反射率從原本約45%降至 20%左右，這是因為當液晶混合物中的高分子單體經聚合反應形成高分子聚合物後，聚合物網絡會造成液晶分子螺旋軸紊亂

而形成區塊的缺陷^[¹⁷^]。當外加30Vrms 的脈衝電壓後，液晶分子轉成垂直螺旋紋理排列，會將入射光散射掉，因此反射率降到約只剩7%左右。圖(b)中 VA 和無配向之樣品(E01)無論是外加 100Vrms 還是 30Vrms 的脈衝電壓，都不具有反射特性。

從以上的結果我們可以知道，當我們使用 AP 樣品時，PSCT 元件具有明顯的反射特性且具備雙穩態之性質，因此，在接下來的實驗中我們都是使用AP 樣品來當作元件，並探討影響PSCT 元件之光電特性的因素。

4-2 不同高分子單體濃度對PSCT元件之光電特性量測

4-2-1 反射光譜

我們針對不同高分子單體濃度之樣品(製備條件請參考表 4-2-1)，在未加電壓之前進行反射光譜的量測，結果如圖(4-2-1)所示。圖中可以看到在未外加電壓之前，各個不同濃度之樣品都是處在平面螺旋紋理，且反射波峰值的大小都差不多，只是在位置上有所偏移，主因是不同樣品中的手性添加物(Chiral dopants)濃度有些許不同，進而影響了峰值的位置(參考公式 3-1-1 及布拉格反射條件)。圖 (4-2-2)-(a)為外加 1kHz，100Vrms 之方波脈衝後所量得之反射光譜，可以看到高分子濃度只有1%的樣品在加完電壓脈衝後，反射率仍舊和原來差不多，表示元件仍保有完整的平面螺旋結構。隨著高分子濃度的增加，反射率逐漸下降，這是因為當高分子單體愈來愈多時，聚合形成之聚合物網絡會愈強，所造成液晶分子螺旋軸紊亂的區域也會愈大，所以只有少部分沒被聚合物網絡支配到的區域，其液晶分子能轉回平面螺旋紋理。可以看到約6%時，反射率降至最低，表示元件已幾乎被聚合物網絡所支配。

圖(4-2-2)-(b)為外加 1kHz，30Vrms 之方波脈衝後所量得之反射光譜，可以看到無論高分子單體濃度為何，反射率都是大約只有10%左右，表示此時元件呈現垂直螺旋紋理，入射光會被散射掉並被背景的黑幕吸收。我們從光譜上取其反射波峰值並對高分子單體濃度作圖，如圖(4-2-3)所示，藍色線代表外加 100 Vrms 脈衝關掉後量到的反射波峰，紅色線則是外加30Vrms 脈衝關掉後量得之反射波

峰，可以看到在高分子濃度只有1%時，元件擁有最高的對比度，隨著濃度增加，

對比度愈來愈低，而當濃度超過2.5%時下降的趨勢漸緩，到 6%時，藍色線跟紅色線幾乎重疊，此時元件已失去雙穩態之特性。

4-2-2 反射率對電壓脈衝(voltage pulse)的響應

量測不同高分子濃度之PSCT 元件對電壓脈衝的反應，元件製備條件請參考

表4-2-1。其量測結果如圖(4-2-4)所示^[¹⁸^]，圖(4-2-4)-(a)為元件初始狀態為平面螺旋紋理對電壓脈衝之響應，縱軸是取消電壓脈衝後所量到之反射率(量測點根據不同元件的反應時間而定)，橫軸是脈衝電壓的振幅，外加電壓脈衝的驅動方式請參考3-4-3 節。可以看到當高分子濃度只有 1%，在驅動電壓低於 10V 時，元件保持在平面螺旋紋理，反射率仍為最大值，當電壓大於10V 且逐漸增加，則有愈來愈多的區域轉成垂直螺旋紋理，因而反射率降低。當電壓在30V 和 35V 之間時，則完全轉為垂直螺旋紋理，其反射率降至最低，且在取消電壓後仍維持垂直螺旋紋理。當電壓大於35V，則有些區域在脈衝過程中轉為垂直紋理，脈衝取消後便轉回平面螺旋紋理;而有些區域則在脈衝過程中轉為垂直螺旋紋理，取消後仍維持其狀態。隨著脈衝電壓增加，在取消脈衝後轉回平面螺旋紋理的區域愈來愈多，因此反射率跟著增加。當電壓超過40 V，則在脈衝過程中完全轉為垂直紋理，脈衝取消後便轉回平面螺旋紋理，其反射率再次回到最大值。

當高分子濃度約2%且電壓脈衝低於 10V 時，元件仍是保持平面螺旋紋理，

但反射率最大值卻下降了，原因就如同前一章節說到，高分子單體聚合形成之聚

合物網絡，會造成液晶分子螺旋軸紊亂。當電壓脈衝超過10V，液晶分子開始轉向垂直螺旋紋理，在15V 和 35V 之間，則完全轉為垂直螺旋紋理，因而反射率最低，可以發現轉為垂直螺旋紋理的電壓範圍變廣了，我們推測是由於高分子單體濃度增加後，其聚合物網絡所之配到的區域變大，其區域之狀態也變得更加穩定，使得在轉為垂直螺旋紋理後能維持更久，因而電壓範圍變廣。當電壓超過 45V 時，脈衝取消後便轉回平面螺旋紋理，其反射率再次回到最大值，但由於受到高分子單體濃度增加的影響，完全轉回平面螺旋紋理之電壓也比濃度1%時還來的高。

當濃度增為3%時，可以看到其曲線趨勢和 2%時差不多，只是反射率又降得更低，而當濃度大於3%時，由於聚合物網絡之配的區域已佔據大部分，所以在平面螺旋紋理時的反射率大小都差不多，且平面螺旋紋理和垂直螺旋紋理愈來愈難以區別，尤其在濃度6%時，已幾乎無法辨別出這兩種狀態。在這部分的實驗結果，對照4-2-1 節反射光譜所量測的結果發現是一致的。

圖(4-2-4)-(b)為初始狀態為垂直螺旋紋理的反應。對於高分子單體濃度只有 1%的元件而言，在電壓脈衝低於 35V 時，都維持垂直螺旋紋理，反射率為最小值。當電壓高於35V 時，隨著電壓增加，則愈來愈多區域轉為平面螺旋紋理，

反射率也跟著增加。當電壓增加超過40V，則在取消脈衝後，將全部轉回平面螺旋紋理，反射率又回到最大值。

當濃度為2%時，在電壓脈衝低於 35V 都維持垂直螺旋紋理，35V~45V 之間則逐漸轉向平面螺旋紋理，當電壓增加超過45V，則在取消脈衝後大部分區域轉回平面螺旋結構(沒被聚合物網絡之配到的區域)。我們可以發現，無論元件的初始狀態為何，對於濃度1%的樣品而言，若外加電壓脈衝為 35V 時，則驅動液晶為垂直螺旋紋理，若加電壓脈衝為40V 時，則驅動液晶為平面螺旋紋理，而且只要我們找到不同濃度之樣品，個別的紋理之間的轉換電壓，那這種操作模式就適用於各種不同濃度之元件。

4-2-3 穿透率對電壓脈衝(voltage pulse)的響應

在文檔中高分子濃度對雙穩態聚合物穩定膽固醇型液晶結構之光電特性影響研究 (頁 35-54)