實驗結果 - 高分子安定藍相液晶之晶格結構與電壓響應研究

本章主要介紹本論文的實驗結果且以藍相液晶材料做區分，分成藍相液晶與高分子安定藍相液晶兩大部分，再針對每種製程的樣品做實驗量測，

主要為藍相溫度範圍量測、電壓響應、反射光譜與科索圖案，而在高分子安定藍相液晶部分，主要探討高分子單體濃度對電壓響應，不同高分子單體配方對反射光譜的影響，與 SEM 掃描對高分子鑑結位子做直接觀察。

3-1 藍相液晶樣品量測結果

本論文中使用了兩種合成的藍相液晶分別為 BPLC-1 與 BPLC-2，

BPLC-1 為 R-811、MDA-00-3461 與 E7 之混合物，而 BPLC-2 則為 R-811、

5CB 與 MDA-00-3461 之混合物，在這節中會對此兩種藍相液晶做不同的實驗量測。

3-1-1 藍相液晶之溫度範圍

一般而言使用藍相液晶在顯示器上之應用會選擇 IPS，而 IPS 的基板部分為 ITO 電極部分為玻璃，如圖 2-1-1，而藍相液晶是否會對基材之不同而影響其相態範圍，本節會以不同基材為變數量測藍相液晶之相態範圍。

量測藍相液晶溫度範圍會使用到穿透式偏光顯微鏡系統與溫控系統，

本實驗所使用的樣品空盒有 IPS(7.5μm)、IN-ITO(5.23μm)、No-ITO(7.36 μm)與 FSI(5.6μm)括號內為間隙厚度，另外也有自由表面之樣品，而灌入之液晶為 BPLC-1。圖 3-1-1 為 IPS 樣品盒之降溫過程與升溫過程相變圖，

平均降溫與升溫速率約在 0.12℃/min，降溫過程中至 41.3℃進入藍相，藍相之溫度範圍為 9.5℃，降至 31.9℃則相變成膽固醇相態，而在升溫過程中由膽固醇相態升至 39.1℃進入藍相，在升溫過程中藍相的溫度範圍為 2.1℃明顯小於降溫過程，升至 41.1℃進入清亮液晶態。在 IN-ITO、No-ITO 與 FSI 三種基材的降溫過程相變圖分別為圖 3-1-2(a)(b)(c)，平均降溫速率約在 0.09

IPS I→41.4℃→BP→31.9℃→N*→29.4℃→SA 9.49℃

SA→29.6℃→N*→39.1℃→BP→41.1℃→I 2.08℃

IN-ITO I→41.7℃→BP→32.5℃→N* 9.19℃

No-ITO I→41.6℃→BP→32.9℃→N* 8.75℃

FSI I→41.1℃→BP→32.4℃→N* 8.67℃

Free-G I→41.9℃→BP→38.4℃→BP+N*→34.2℃→N* 3.44℃

表 3-1-1 使用穿透式偏光顯微鏡量測 BPLC-1 在不同基板下之相變關係。

(a) IPS I→35.1℃→BPII→33.9℃→BPI→25.2℃→N* BPII: 1.24 BPI: 8.67 (b) IPS I→35.3℃→BPII→33.9℃→BPI→24.2℃→N* BPII: 1.36

BPI: 9.75 (c) IPS I→34.8℃→BPII→33.7℃→BPI→23.7℃→N* BPII: 1.1

BPI: 10 (d) Free-G I→34.9℃→BPII→33.5℃→BPI→31.9℃→BP+N*→28.2→N* BPII: 1.4

BPI: 1.6 表 3-1-2 BPLC-2 使用不同基材與量測方法下之相變關係，(a)穿透式與(b)反射式偏光顯微鏡系統量測，(c)與(d)為使用反射光譜量測。

3-1-2 藍相液晶之電壓響應

藍相液晶在顯示器上應用之優點為有較廣的可視角與亞毫秒等級的反應時間，但仍有驅動電壓過大的缺點，本實驗主要對無添加高分子單體的藍相液晶 BPLC-1 做加電壓量測穿透率，使用的儀器為穿透式偏光顯微鏡、

溫控系統與訊號產生器。

實驗方法在 2-5-1 節中有介紹，將 BPLC-1 灌入 IPS 樣品盒中且控溫於 40℃藍相下，使用 1KHz 方波外加在樣品上，如圖 3-1-5，上方與下方之圖為顯微鏡所擷取的影像，且曝光時間均為相同，左下方的圖為 IPS 樣品電極與間隙之位子示意圖，將顯微鏡影像強度平均後製成電壓與光強度關係圖，紅線為升電壓關係曲線，零界電壓大約在 30Vrms，藍線為回電壓關係曲線，可以明顯的發現在沒有添加高分子單體之藍相液晶在升降電壓後並沒有回到暗態，但重新加熱回溫後可再回至暗態。

3-1-3 藍相液晶之反射光譜

本節所量測之樣品均與 3-1-1 節之樣品相同，為 BPLC-1 在 IPS、IN-ITO、

No-ITO、FSI 與自由表面上，BPLC-2 則會在 IPS 與自由表面上做量測。圖 3-1-6(a)為 BPLC-1 在 IPS、IN-ITO、No-ITO 與 FSI 之反射光譜量測，這些基板所量測到之反射率皆在 5%以下，在降溫過程中可以發現 650nm 之光譜均隨著溫度下降而往長波段移動，380nm 之波段降至 39.5℃才出現且均無

隨溫度變化做改變，所以基板部分為 ITO 電極與部分為玻璃對於藍相晶格結構在溫度變化下沒有影響，而背景顏色區塊是以穿透式顯微鏡所觀察之相態範圍也與反射光譜之結果相當符合。

BPLC-1 樣品在 IPS 樣品盒與自由表面上的反射光譜量測，圖 3-1-6(b)(c) 為 BPLC-1 在 IPS 之反射光譜量測，圖(c)分別畫成 300nm~400nm 與 500nm~750nm 兩波段，實心點對左邊軸波長，空心點對右邊軸為相應之反射率，降溫至 42.1℃出現於 650nm 的反射光，其隨溫度下降至 40℃後有稍稍往長波段移動至 700nm，直到 32.4℃後消失，反射率約 2~4%，同時在降溫過程於 39.2℃在 370nm 也有出現反射光，其波長位子沒有隨溫度做明明顯改變，降溫至 32.4℃後也消失了。圖 3-1-7(a)(b)為 BPLC-1 在自由表面下之反射光譜量測，可以由(b)圖中看出 650nm 的反射光在 42.8℃出現，而其反射率遠大於藍相液晶樣品盒中之反射率到達 13%，於 350nm 也出現反射光但其反射率明顯比較小，降溫至 40℃後 650nm 之反射光譜便隨溫度下降往短波長移動至 550nm，而 350nm 波段的反射光在降溫至 40℃後消失。

接著是 BPLC-2 在 IPS 與自由表面的反射光譜量測，首先為 IPS 樣品反射光譜如圖 3-1-8(a)(b)，圖(b)一樣分成兩個波段做介紹為 300nm~400nm 與 500nm~750nm，實心點對左邊軸波長，空心點對右邊軸為相應之反射率，

在降溫過程中降至 34.8℃出現 410nm 與 360nm 之反射光譜其反射率約在 2~5%，且藉由科索圖案之對照可認定此為 BPII(於 4-3 章會介紹)，降至 33.7

℃在 680nm 與 375nm 出現反射光此為 BPI，而其反射率約在 2~8%。再來是自由表面樣品反射光譜如圖 3-1-9(a)(b)，在降溫過程中降至 34.9℃於 360nm 出現反射光且反射率最大約 14%，而到 33.5℃一樣於 680nm 與 375nm 出現反射光，但是降溫至 31.9℃可以發現在 680nm 光譜，在位子上看起來像是連續的，從光譜強度消長可以知道在此溫度為相態轉換之交界，且於 31.9℃~28.2℃之間波長隨溫度下降往短波長移動至 575nm。

3-1-4 藍相液晶之科索圖案

藉由科索圖案與反射光譜的量測可以確定藍相液晶為簡單立方結構或是體心立方堆積，本實驗只對 BPLC-2 的 BPII 在 IPS 樣品與自由表面上作量測，因為從 BPII 降溫到 BPI 後其藍相的晶格排列，沒有由各向同性相 (Isotropic Phase)降溫到 BPII 生成之晶格整齊，故對 BPI 沒有做科索圖案之量測。

在 IPS 樣品中分別量測了三的個不同顏色的區域如圖 3-1-10，1 號藍色區域在反射式偏光顯微鏡下之區域大小為 3000μm²以上，其在 441.1nm 單光源繞射下之圖形為雙曲線，在 515.7nm 下雙曲線已經在視野邊界上了；2 號深藍色區在反射式偏光顯微鏡下之區域大小也為 3000μm² 以上，以 441.1nm 繞射之圖形為六芒星之形狀，使用 515.7nm 則是已經觀察不到了；

最後 3 號綠色區其區域大小約 200μm²，區域太小可能互受其它區域的影響，

但是此區所造成的科索圖形，在 441.1nm 與 515.7nm 光源都觀察不到，而是在 548.1nm 之入射光才觀察到一環圓圈。接著是在自由表面樣品下之量測，一樣有三個顏色區域如圖 3-1-11，1 號藍色區域在反射式偏光顯微鏡下之區域大小為 1000μm²左右，其在 441.1nm 單光源繞射下之圖形也為雙曲線，且隨著入射光波長的增加雙曲線漸漸往視野邊界移動，直到 548.1nm 才完全觀察不到；2 號深藍色區在反射式偏光顯微鏡下之區域大小在 13000μm²以上，以 441.1nm 繞射之圖形為三角形，一樣隨著波長增加往視野邊界移動，到了 515.7nm 就已經觀察不到科索圖案了；最後 3 號綠色區其區域大小約 70μm²，由於區域太小而在 441.1nm 與 486.1nm 波段因為受其他顏色區域之影響，看到其它晶體面所造成的科索圖形，以長波段 548.1nm 入射剛好可以避掉其它區域之影響而觀察到一環圓圈。

3-2 高分子安定藍相液晶樣品量測結果

本節主要介紹有添加高分子單體之藍相液晶，所使用的液晶為 BPLC-1 添加不同濃度之高分子單體量測其電壓響應，與不同高分子單體配方對反射光譜的影響；BPLC-2 則是在添加高分子單體後對反射光譜、科索圖案與 SEM 結果。

3-2-1 高分子安定藍相液晶之溫度範圍

本實驗所使用到的高分子安定藍相液晶之材料為 BPLC-1 與 BPLC-2 加入不同比例的高分子單體，所使用的高分子單體有 EHA、RM257 與 DMPA 之混合物或只添加 RM257 與 DMPA。

將 BPLC-1 做不同濃度比例的混入 EHA、RM257 與 DMPA 之混合物，

均勻混合成 BPLC-1(96.95wt%) + EHA& RM257& DMPA (3.05wt%)、

BPLC-1(95.18wt%) + EHA& RM257& DMPA (4.82wt%)與 BPLC-1 (92.1wt%) + EHA& RM257& DMPA (7.9wt%)這三種濃度比例再灌入 IPS 樣品中，使用穿透式偏光顯微鏡量測照光前與照光後、升溫與降溫的相態變化：

1. BPLC-1 (96.95wt%)+ EHA& RM257& DMPA (3.05wt%)低濃度摻雜之樣品，如圖 3-2-3 與 3-2-4，照光前其藍相(圖 3-2-1)與未添加高分子單體的 BPLC-1 藍相(圖 3-1-1)下做比較可以發現其紋理(texture)看起來較破碎，

藍相溫寬於降溫過程中約為 9.7℃，以 LED 燈照光(下列樣品之照光細節列於下列表 3-2-1)後其藍相下之紋理沒有太大變化，清亮點與相態變化的溫度均上升了 1.5℃左右，而藍相之溫度寬度在降溫過程中窄了 1.3

℃，但是在升溫過程中之藍相範圍於照光前與照光後沒有顯著變化，溫度範圍約 3℃左右。

2. BPLC-1 (95.18wt%)+ EHA& RM257& DMPA (4.82wt%)摻雜之樣品，如

圖 3-2-3 與 3-2-4，照光前其紋理看起亦是較破碎，藍相溫寬於降溫過程

中約為 10.3℃，但是照光後其藍相已變成藍色的雲霧狀(Foggy)，清亮點與相態變化的溫度均一樣上升了 1.5℃左右，藍相之溫寬在降溫過程中窄了 3.7℃，於升溫過程中藍相溫度範圍一樣也是很窄約為 1.4℃。

3. BPLC-1(92.1wt%)+ EHA& RM257& DMPA (7.9wt%)摻雜之樣品，如圖 3-2-5 與 3-2-6，照光前跟先前樣品一樣為破碎的紋理，而藍相溫寬約於

BPLC-1 (96.95wt%)+

EHA& RM257&

DMPA (3.05wt%)

BPLC-1 (95.18wt%)+

EHA& RM257&

DMPA (4.82wt%)

BPLC-1(92.1wt%)+

EHA& RM257&

DMPA (7.9wt%)

7.8~8.1μW/cm² 360 mins

LED 平均 30.83℃

標準差 0.0624℃

7.5~7.7μW/cm² 360 mins

LED 平均 29.11℃

標準差 0.449℃

7.5~7.7μW/cm² 360 mins 表 3-2-1 高分子藍相液晶樣品的照光調條件

接著為 BPLC-1 (92.1wt%)+ EHA& RM257& DMPA (7.9wt%) 和

BPLC-1(91.7wt%)+ RM257& DMPA (8.3wt%)於自由表面做量測，此兩種混合物主要為討論加入高分子單體對反射光譜之影響，其光譜圖會於 3-2-3 節介紹，在這裡先以穿透式偏光顯微鏡量測照光前降溫相態變化：

1. BPLC-1 (92.1wt%)+ EHA& RM257& DMPA (7.9wt%)之混合物在照光前的溫度對相態圖為圖 3-2-8，清亮點為 31.87℃藍相寬度為 1.62℃，其藍相之紋理也與在 IPS 樣品中相同較為破碎。

2. BPLC-1(91.7wt%)+ RM257& DMPA (8.3wt%)之混合物在照光前的溫度對相態圖為圖 3-2-9，清亮點為 44.14℃藍相寬度為 4.06℃，但是其藍相之紋理與添加 EHA 之樣品整齊許多。

根據高分子單體之濃度與種類對反射光譜的影響(於 3-2-3 節介紹)，所以 BPLC-2 的配方使用了 BPLC-2(93.8wt%)+RM257& DMPA (8.7wt%)且於自由表面上作量測，而此樣品主要為討論其晶格結構，所以使用反射式光譜於降溫過程由光譜之強弱變化去界定相態範圍。首先為照光前之相態範圍其光譜如圖 3-2-19(a)(b)，其清亮點在 37℃左右，與未添加高分子單體之 BPLC-2 比較(圖 3-1-9)可以發現其只有展現 BPI，可能為加入高分子單體使

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