第一章 緒論
1.1 液晶光學與介電特性
在液晶顯示器中，所使用的液晶種類幾乎為長棒狀的向列型液晶
（nematic liquid crystal; NLC）1，因此本碩論以此類型之液晶作為研究材 料。由於液晶材料之物理特性具有異向性（anisotropy）2，外加電場使得 率都會不一樣，此種現象又稱之為雙折射（Birefringence）
3,4
。Maxwell 方 程式說明一般非均向性之晶體折射率方程式如下5–7：
(1) nx
n
y n
z，稱為單光軸（uniaxial），如向列型液晶、層列 A 型液晶。(2) nx ny
n
z，具此特性者為為雙光軸（biaxial），如層列 C 型液晶。光軸即為材料結構之對稱軸；光沿著光軸方向行進，不論偏振方向為何，皆 感受到相同的折射率。本實驗使用之 E7 液晶是具正單光軸特性之向列型液 晶；以下之討論以單光軸為主。
單光軸材料中，所感受到的主要兩種折射率分別為非尋常光折射率
（extraordinary refractive index ne）與尋常光折射率（ordinary refractive index
n
o）。光在物質中傳播時，使原子和電子振動的同時進行傳輸。所以在原子 密度高的面內振動，且垂直於振動方向傳輸的光，傳輸速度相對較慢，稱這 種傳輸速度非正常的光為「非尋常光」；而在原子密度低的面內振動，且垂 直於振動方向傳輸的光，傳輸速度比非尋常光快，稱這種傳輸速度正常的光 為「尋常光」8。n
e 代表晶體與光行進的電場振動方向的光軸互相平行所感受到的折射 率，而 no代表晶體與光行進的電場振動方向的光軸互相垂直所感受到的折 射率。若折射異向性 Δn n
e
no（如圖 1.1）9。長條狀的液晶均為正單光 軸晶體，而碟狀液晶則屬於負單光軸晶體。(1) Δn 0；ne
n
o，正單光軸晶體（positive optically uniaxial crystal）。(2) Δn 0；ne
n
o，負單光軸晶體（negative optically uniaxial crystal）。圖 1.1 單光軸介質之折射率橢圓示意圖。
1.1.2 液晶之介電特性
液晶具有特定規則的分子排列與介電常數（dielectric constant）之非均 向性。所謂介電常數，是指物質在電場作用下，能以多大程度與之響應，它 的值一般為正值；然而介電異方性，是指在液晶分子長軸方向的介電常數與 短軸方向的介電常數之差
8
。外加電場下，液晶分子之排列發生了 Freedericksz 遷移（Freedericksz transition）10
，使其介電性質產生變化。若 平行於液晶分子長軸方向之介電常數
∥，垂直於液晶分子長軸方向感受到 為介電常數
，介電異方性(dielectric anisotropy)定義為 Δ
∥
，其值 區分如下（如圖 1.2）：(1) Δ
0，稱之為正型液晶。
(2) Δ
0，稱之為負型液晶。
圖 1.2 液晶於電場中扭轉示意圖。
正、負值的差異在於分子之極化率（polarizability）及相對於分子長軸方向 與大小之永久偶極矩（permanent dipole moment），也將會影響到電場對液晶 產生的行為作用。當液晶分子長軸具永久偶極矩時，則
∥
，Δ 0；若
液晶分子短軸具永久偶極矩時，則
∥
，Δ 0（如圖 1.3）。Δ
的正負 關係將會影響到電場對液晶作用的行為。1.1.3 液晶摻雜染料之介電特性
液晶摻雜少量的染料分子所引起的主客效應會影響液晶分子轉向
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且能改變液晶之秩序參數與折射率等，可利用控制電場來調整染料的可見 光吸收量。若將分子長軸與短軸方向且具可見光吸收異方性之二色性染料 溶解於某一排列狀態的液晶時，通常具有長棒形狀之二色性染料會與液晶 分子平行排列，當以電場改變液晶分子的排列，相對也使得二色性染料分子 排列隨之變化。近年來介電頻譜被廣泛使用，除了可測得介電鬆弛與介電損 耗等資訊外，更能藉此深入研究因分子的取向、轉動所造成之行為。
圖 1.3 液晶之介電異方性。