液晶簡介

2.1.1 液晶彈性連續體介紹[10]

向列型液晶在外加電場或磁場的作用下，會產生形變。此分子排列 受外力而變形的狀態，可視為受應變力的彈性連續體，且形變可用指 向矢n來描述。向列型液晶(Nematic Liquid Crystal)的形變依Frank的定 義可分為三種：展曲(Splay)，扭曲(Twist)和彎曲(Bend)，如圖2-1所示。

Splay Twist Bend

(a)展曲 (b)扭曲 (c)彎曲 圖2- 1 液晶的三種形變

2.1.2 液晶之物性[11, 12]

由於液晶為一種具有雙折射性質的單軸晶體，所以光經過液晶會因 為液晶指向矢的方向不同，而感受不同的折射率，如圖2-2(a)，當液 晶分子與入射光偏振方向在同一入射平面上，我們稱這道光為非尋常 光(e-ray)，此時，光看到液晶分子的折射率為

_eff( ) ( ₂² ₂² ) ^1/2

e o

Sin Cos

n n n

θ θ

θ = + ⁻

其中θ為入射光的方向與液晶指向矢間的夾角，當θ=0 度，光感受到

，若

的折射率為n_e θ=90 度，則光感受到的折射率為 。 n_o

稱這道光為尋常光(o-ray)，此時，光看到液晶分子的折射率為 n=n_o。

θ

LC axis

LC n=n_eff(θ)

θ

LC axis

LC θ

LC axis

LC n=n_eff(θ)

θ

LC axis

LC n=n_o

θ

LC axis

LC θ

LC axis

LC θ

LC axis

LC n=n_o

(a)e-ray 的光看到的折射率為 n_eff (b)o-ray 的光看到的折射率為 n_o 圖 2- 2 將行經液晶分子的入射光拆解為 e-ray 與 o-ray

2.2 液晶相位調制器之簡介

LC

E

E

LC

E

E

圖2- 3 液晶相位調制器的示意圖

圖 2-3 為液晶相位調制器的示意圖，光通過液晶層看到的折射率 (n>1)與未經過液晶層所看到的折射率(n=1)會有所不同，也就是光通 過液晶盒時，得到一個相位延遲，所以光通過液晶盒的速度比較慢。

當我們施加電壓於液晶盒後，由於液晶分子轉動，光看到液晶分子等 效折射率隨液晶分子轉的角度而變，因此光得到的相位延遲隨電壓大 小有所變化，這種現象稱為液晶的相位調制。

一般的液晶相位調制主要有三種：

(1) 平行配向液晶盒(homogenous cell)

Glass Substrate

Glass Substrate

ITO layer Alignment layer LC director

z

y x

Glass Substrate

Glass Substrate

ITO layer Alignment layer LC director

Glass Substrate

Glass Substrate

ITO layer Alignment layer LC director

z

(2)聚合物網絡液晶盒(polymer network liquid crystal, or PNLC)[6]

z

y x

Glass Substrate

Glass Substrate

ITO layer Alignment layer LC director

Polymer network

z

y x

z

y x

Glass Substrate

Glass Substrate

ITO layer Alignment layer LC director

Polymer network

Glass Substrate

Glass Substrate

ITO layer Alignment layer LC director

Polymer network

圖 2- 5 液晶聚合物網絡結構示意圖

PNLC 的液晶盒結構如圖 2-5 所示。為了改善水平配向盒(圖 2-4)

反應速度慢的缺點，PNLC 利用聚合物網絡(polymer network)對液晶 分子有一個額外的回復力矩，所以加快液晶分子的反應時間(上升時 間+下降時間)，但缺點是由於添加聚合物網絡，操作電壓高，且入射 光感受到液晶分子的折射率，與聚合物網絡的折射率兩者不同，所以 散射(scattering)也較大。

(3)切形變聚合物網絡液晶盒(sheared polymer network liquid crystal, or S-PNLC)[7, 8]

Glass Substrate

Glass Substrate

Shearing force ITO layer

LC director

z

y x

Glass Substrate

Glass Substrate

Shearing force ITO layer

LC director

z

y x

z

y x

圖2- 6 形變液晶聚合物網絡結構示意圖

S-PNLC 的結構如圖 2-6 所示，製作時當液晶盒內聚合物網絡形成，

由於沒有配向膜，液晶分子與聚合物網絡為隨機分佈，此時光散射 強。所以需把玻璃基板施上一硬力，讓聚合物網絡與液晶分子具有一 個方向排列，使液晶盒變成穿透態。與一般PNLC 相位調制器相比，

S-PNLC 具有操作電壓低、散射程度低等優點，但是不易製作。