2-1 液晶簡介
在液晶簡介這章節，我們會先介紹液晶發現的歷史，以及何謂 液晶。接著，我們會將液晶分子以不同的方式做分類及介紹，這會 幫助我們了解液晶以及它相關的應用。
2-1-1 液晶的發現
在西元1888年時，奧地利植物學家Friedrich Reinitzer 發現膽固醇 相關物質，並且觀察到它具有二個熔點，在將此物質升溫到145℃時，
為混濁的液體，升溫到178.5℃時，變為透明的液體。接著將它進行 冷卻時他觀察到一些異常的顏色。首先，透明液體在變混濁時出現淡 藍色，而後當混濁液晶轉變成晶體時顏色變成鮮藍。Reinitzer 將此物 質樣品寄給德國天然物理學家教授Otto Lehmann。當時Lehmann正建 造了一具擁有偏光鏡且具加熱功能的顯微鏡，可探討物質升、降溫過 程的狀態變化。而從那時開始，Lehmann的精力完全集中在研究該物 類物質。他首先稱它們為柔軟的晶體，而後又稱為結晶流體(crystalline fluids)。最後，當他更確信該物質的雙折射特性（參考2-2節）是固態 異方性結晶所特有的性質時，開始稱它們為液晶（Liquid Crystal）【1】。
物質一般以三種形態存在於環境中：固態、液態及氣態。固態物
2-1-2 液晶的種類
液晶的分類，如表 2.1。可根據形成方式【3-5】、分子排列【3-5】狀 態及分子量大小【3】來分類。
表 2.1 液晶分類表
液晶的形成方式區分液向性及熱向性兩種：
（1） 第一種：將某些有機物加入特定溶劑中，透過溶劑破壞結 晶晶格，使有機物產生液晶相。或隨著濃度的改變，也會 誘發液晶相，這些形式的液晶稱為液向性液晶（lyotropic liquid crystals）。最常見為肥皂水，在高濃度時肥皂分子成 層列型排列，層間為水分子，低濃度時排列又不同。
（2） 第二種：可由溫度效應而呈現不同液晶相，稱為熱向性液 晶(thermotropic liquidcrystals)，目前所用於顯示器的液晶材
料大多是熱向性液晶。
液晶的分子排列狀態大致可分為三類─向列型（Nematic）、膽固 醇型（Cholestric）及層列型（Smectic）三種：
（1） 向列型液晶（Nematic Phase）
Nematic 在希臘語是絲狀的意思。在偏光顯微鏡下可看到 絲狀型的結構，因此為命名。因為液晶分子為桿狀，在流動上，
它只受限於長軸需順著同一維方向排列。與另兩種排列方式相 較，它的分子限制較少，在流動上空間較大，因此它的黏度也較 小。圖2.2表示液晶分子排列的狀況，N的方向為多數液晶分子指 向。向列型液晶在當代顯示器佔有相當的地位，絕大多數顯示器 都是使用向列型液晶。
N
圖 2.2 向列型液晶的排列
（2） 膽固醇型液晶（Cholestric Phase）
此類液晶最早是從膽固醇物質中發現的。當膽固醇經過脂
化或鹵素取代後會出現液晶相，故稱為膽固醇型液晶。它的特 徵與向列型有點相似，除同層內液晶分子互相平行，不同層之 間的分子長軸方向成一個角度的差異，因此沿著液晶層的法線 觀察，可看到螺旋的結構。因具有旋光性（chirality），有時也 稱為旋光向列型液晶。此類液晶因有螺旋結構，所以就會有螺 距產生，螺距的定義為液晶分子旋轉2π角度時，觀測點在螺旋 軸上所移動過的距離。
圖 2.3 膽固醇型液晶的排列
（3） 層列型液晶（Smectic Phase）
Smetic 希臘語為皂狀的意思。因為此類液晶的排列更具規 則狀，除了同層液晶分子長軸互相平行外，不同層的液晶分子長 軸與層法線夾的角度都是相同的。它屬二維有序性，更接近晶體 的三維有序結構。因此黏度比向列型及膽固醇型的液晶更大，液 晶分子的轉動更不易，應答速度更慢，一般可能將液晶的厚度控
制在很小的範圍才能應用在顯示器裡。然層列型液晶根據液晶長 軸指向的角度不同又分層列A相、層列C相及掌性層列C相。
（a） 層列A相（Sm A）。如圖 2.4。
它的液晶分子長軸與層的法線夾角為零度。
層 法 線
圖 2.4 層列A相液晶分子排列方式
（b） 層列C相（Sm C），如圖 2.5。
它的液晶分子長軸與層的法線呈一個θ角度。
層 法 線
θ
圖 2.5 層列C相液晶分子排列方式
（c） 掌性層列C相（Sm C*），如圖 2.6。
它的液晶分子長軸除與層的法線夾一個θ角之外，又具 旋光性，所以又稱旋光層列C相。
圖 2.6 掌性層列C型液晶分子排列方式
接著，我們依據液晶分子量大小來區分，一般較粗略的分法是以 分子量大於一萬為高分子液晶，分子量小於一萬為低分子液晶：
（1） 高分子液晶
液晶元基在不同高分子鏈之結合形式來區分，又分為主鏈型 與側鏈型，如圖 2.7 及圖 2.8。主鏈型高分子液晶，基於其分子 的構造及排列，因而能發揮高強度、高彈性率、高耐熱性等特徵。
主要被應用於高性能高分子材料上之開發，如高強度纖維及高強 度成型品等；側鏈型高分子液晶，為外側鏈上之液晶基具有類似 低分子液晶舉動，由於其兼具有低分子液晶之電氣光學效果及高 分子之成型加工特性，主要被應用於高機能性高分子材料，如記 錄材料及記憶材料等。
圖 2.7 主鏈型高分子液晶
主基 連結基
圖 2.8 側鏈型高分子液晶
（2）低分子液晶
低分子液晶由於分子量較低，故液晶分子排列容易因電場、
磁場、熱、應力、及氣體吸附等外力的作用而有所改變。也因此 常將此種低分子液晶應用於一般的電場、磁場、溫度、壓力與各 種氣體等的偵測及計量等感應設計，如液晶顯示元件、溫度感應 器、光學儲存元件。
2-2 液晶的應用物性【1】
在我們液晶實驗裡，所使用液晶為熱致向列型，此類液晶大致分
子長軸互相平行排列，因此我們將先定義分子排列的整齊度。且由於 此特徵性的排列，我們接著介紹在分子長軸及垂直方向上，液晶的折 射率、介電係數的值各為不同，具有異方向性。最後探討液晶的彈性
側鏈基 連結基
主基
係數：
（1）分子排列的秩序參數(S)
分子構造、形狀及環境溫度會影響液晶分子排列的整齊
度。在圖 2.9液晶分子向量與配向方向在空間配置圖中，假設
巨觀來看液晶分子配向的方向為
n
，而個別液晶分子長軸指向 向量α
，其中n
與α
的夾角為θ，我們用θ來定義秩序參數（S），所定義的秩序參數（S）可作為整齊度的一個指標。其 中S=＜3cos2θ-1＞/2
圖 2.9 液晶分子向量與配向方向在空間配置圖
在上式中記號＜＞表示空間中所有液晶分子指向的平均值。如 果所有液晶分子皆朝配向方向排列，那麼θ=0°，所求出的 S=1，表示排序整齊；相反的，如果液晶指向散亂排列，將造 成＜3cos2θ-1＞等於 0，S=0。於是，我們可以依據 S的大小 來認定液晶分子的整齊度。而溫度也是影響排序度的一個參
n Z
α
X
Y
θ
數，一般向列型液晶，在Tni點附近時 S→0.3，而在非常低溫 時 S→0.8。
（2）液晶的介電異方向性(
ε
⊥、ε
)對一般向列型或層列型液晶分子來說，由於指向有序且呈
現單軸對稱，它的介電係數在長軸與短軸有些許的差異，我們 稱為介電的異方向性，也是因為它，我們才可以利用電場去控 制液晶的排列。而在平行長軸方向的介電係數我們稱
ε
，平行短軸方向的介電係數稱為
ε
⊥，而介電的異方向性Δ ε ε ε =
-⊥
。 當Δ ε
>0，我們稱為正型液晶，在外加電場時，液晶分子長軸 會往平行於電場方向轉動，一般 TN、STN 所使用即正型液晶；反之，當
Δ ε
<0，我們稱為負型液晶，在外加電場時，液晶長 軸會往垂直於電場方向轉動，一般向列型負型液晶有應用在垂 直配向的顯示器當中。（3）液晶的光學異向性
由於一般液晶分子的結構為非等向性結構，在光學上會有
雙折射的特性。我們如果將液晶分子放在三維（x, y, z）空間 中，光延著各軸行進所感受到的折射率分別為nx、ny、nz，那
麼我們根據nx、ny、nz的差異可以將材料分類：
遇到的折射率不同，在經過d的長度，將會產生△nd的光延遲 量。
圖 2.11 光線經過不同折射率造成相位延遲情形
液晶的雙折射有對溫度的相依性，如圖 2.12 所示。ne、
no會隨著溫度不斷往上升高而產生變化，造成
Δ = −
n(
ne no)
變小，而影響顯示的品質。
圖 2.12 液晶晶體折射率與溫度關係圖
（4）液晶的彈性係數（k11、k22、k33）
我們以巨觀的角度去看液晶，可以將它視為一個彈性體。
當液晶晶體經不同方向受力時，會產生擴張、扭轉、彎曲三種 形變，而分別有k11、k22、k33三個彈性係數，如圖 2.13所示。
由於對向列型液晶材料而言，其彈性係數約為10-7~10-6dyne， 所以液晶分子容易受作用力、電場、磁場等外界影響而變形。
（a）擴張：k11 （b）扭轉：k22 （c）彎曲：k33
圖 2.13 液晶彈性係數關係圖
2-3 液晶的配列方式【1】
向列型液晶分子雖然具有排列能力，但是並非所有的液晶分子在
不經處理情況下都能均一的往同一個方向排列，因此對液晶顯示性能 優劣有極大之影響。若要形成液晶分子的規則性排列，必須取決於液 晶與玻璃基板間界面的定向效果。因此，選取液晶材料後，再依顯示
方法及需求來決定元件內部液晶分子配列的處理方式，配列之方式可 由圖 2.14表示，說明如下：
（1） 垂直(homeotropic)分子排列：全部的液晶分子對兩玻璃基板面 做垂直排列。
（2） 平行(homogeneous)分子排列：全部的液晶分子對兩玻璃基板 面做為平行，且於朝同一方向做排列。
（3） 傾斜(tilted)分子排列：全部的液晶分子對兩玻璃基板面以一定 的角度做傾斜排列，且於朝同一方向做排列。
（4） 混成(hybrid)分子排列：液晶分子對其中一側的基板面為垂 直，另一側基板為同一方向的平行。因此，液晶的分子排列為 於兩基板間做連續性的九十度彎曲排列。
（5） 扭轉(twisted)分子排列：全部的液晶分子對兩基板面為平行排 列，但其對面兩側基板面處的液晶分子成九十度。因此，液晶 的排列方向位於兩基板間做連續性的九十度扭轉。
（6） 平面螺旋型分子排列：液晶的螺旋軸對兩基板面為垂直的液晶
（6） 平面螺旋型分子排列：液晶的螺旋軸對兩基板面為垂直的液晶