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液晶的材料種類及其物性

著溫度繼續升高,分子具有足夠動能,足以破壞原有液晶的規則排 列,使其形成各向同性態(Isotropic phase)。

FIG. 2-1 液晶隨著溫度不同所產生的相變化示意圖 2.溶致型液晶:

溶致型液晶為:將某些有機物加入特定溶劑中,透過溶劑破壞結 晶晶格,使得有機物開始出現液晶相。隨著溶液濃度的改變也會引發 液晶相,最常見的例子有是肥皂水。溶致型液晶廣泛存在於自然界、

生物體中,與生命息息相關,但在顯示中尚無應用。

依照分子的排列方式可以分為向列型、層列型以及膽固醇型。

(1)向列型液晶(Nematic liquid crystals)

Nematic 是由希臘語而來,透過偏光顯微鏡觀察液晶的薄層,呈 現絲狀型結構,故稱之為絲相。向列型液晶由棒狀分子(Rod-like molecules)組成,分子質心沒有長程有序性,具有類似於普通液體的 流動性。分子無法排列成層狀結構,分子長軸方向上保持相互平行或 近似平行,除此之外不論上下左右,皆無其他排列的規則性,如圖

2-2。

由宏觀角度探討,向列型液晶其分子重心混亂無序,並且能夠在 三維範圍內移動,具有類似液體的流動性。所有液晶分子的長軸大體 指向一個方向,造成了平行於分子長軸和垂直於分子長軸的折射係數 不同,使得向列型液晶具有單軸晶體的光學特性。由於液晶分子具有 明顯的介電各向異性,透過外加電場能夠對向列型液晶分子進行控 制,改變分子原有的有序狀態,進而改變液晶的光學特性。由於透過 改變外加電場能夠實現液晶分子調製外界光的特性,向列型液晶已成 為現代顯示器件中應用最為廣泛的液晶材料。

FIG. 2-2 桿狀液晶分子呈現向列型分佈示意圖

此外,與層列型(Smetic)液晶相比,向列型液晶的黏度小,富 於流動性。產生流動性的原因,主要是由於向列型液晶各個分子容易 順著長軸方向自由移動。向列型液晶分子的排列和運動比層列型液晶 較自由,對外界作用相當敏感,因而應用廣泛。

(2)膽固醇型液晶(Cholesteric liquid crystal)

此類液晶最早是從膽固醇類物質中發現的,當膽固醇在經過脂化 或鹵素取代後會出現液晶相,故稱之為膽固醇型液晶。液晶層內分子 互相平行,分子長軸平行於層平面,不同層的分子長軸方向稍有變 化,並且沿液晶層的法線方向排列成螺旋狀結構,如圖2-3。

FIG. 2-3 膽固醇型液晶分子排列示意圖

當兩個不同平面上的分子長軸沿法線方向經歷360°的變化後,回 到了初始取向,這個週期性的層間距離稱為膽固醇型液晶的螺矩 (Pitch)。向列型液晶與膽固醇型液晶彼此之間能夠互相轉換。在向列 型液晶中加入旋光材料,會形成膽固醇型液晶,而在膽固醇型液晶中 加入消旋光向列型材料,能將膽固醇型液晶轉變成向列型液晶。在顯 示技術方面,透過將不同比例的膽固醇型液晶加入向列型液晶中,能 夠使得向列型液晶的可旋轉角度為80-270 度,為 STN(Super Twisted

Nematic)顯示器中所使用的液晶材料。

(3)層列型液晶(Smectic liquid crystals)

Smectic 也是由希臘語而來,是肥皂狀之意。由於此類型的液晶

FIG. 2-4 層列型 SmA 液晶排列方式 (b)層列 C 相(Smectic C)

層列C 相的液晶分子排列方式與層列 A 相類似,但是各層面中 的分子長軸與層面法線間夾有一個角度θ,此夾角稱為傾斜角(Ti1t ang1e),如圖 2-5 所示。

FIG. 2-5 層列型 SmC 液晶排列方式

層面與層面之間的距離(d)能夠藉由預傾角(θ)以及分子長度(L),

透過三角函數公式 d=Lcosθ 所求得。與 SmA 相比較,SmC 分子層 厚度較小。隨著溫度的降低,預傾角會逐漸變大,使得分子層的厚度

因而變小。探討SmC 相在光學上的性質:由於分子光軸與層面法線 液晶相(SmC*)。1980 年,克拉克(N.A.Clark)與賴葛沃(S.T.Lagerwall)

提出將鐵電性液晶(Ferroelectric Liquid Crystal:FLC)運用在顯示器 上,為表面穩定鐵電性液晶(Surface Stabilized Ferroelectric Liquid Crystal:SSFLC)。表面穩定鐵電性液晶具有螺旋狀層列型液晶的特 性,在極薄膜狀態下(CELL GAP 約 2μm),會被基板表面能量束縛

住而形成雙穩態。圖2-7 表示液晶配向與動作之示意圖。Sc*液晶分 子在圓錐內動作,藉由與自發極化與電場之乘積成正比之扭力,來切 換兩狀態間。透射率與電場之關係對應電場之極性,表示滯後之記憶 性。

(a)

(b)

FIG. 2-7 SSFLC 的原件結構(a)已經解開螺旋結構(b)亮態與暗態

SSFLC 之主要特點為以下三點:

2.分子配向秩序參數(Orientational Order Parameter,S)

得其定量性的數據。

示器的原理即是施加電場於液晶盒內的液晶分子,利用其配列的變化 作用,進行影像顯示的功能。當液晶平面顯示器在進行調節的時候,

依驅動的方法不同,不得不考慮其液晶分子的介電率異方向性。

FIG. 2-9 對正型液晶分子施加電場液晶分子的配列變化圖 5.彈性係數(K11K22K33

液晶分子具有與其液晶分子長軸方向變化相關連的微弱異向彈 性物性,如圖2-10 所示有 Splay、Twist 以及 Bend 等三種形式。

FIG. 2-10 向列行液晶材料基本形變示意圖

其相對應的彈性係數稱之為K11K22K33。對向列型液晶材料 而言,其彈性係數大約1012~1013。液晶分子均一性、扭曲、混成以 及傾斜等基本配列示意圖也列於圖1-10。事實上,液晶分子的彈性係 數相依於液晶材料的分子構造、形狀、接合狀態以及溫度等因素,並 且也是檢視液晶平面顯示器之表示特性的重要物性值。

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