緒論

第一章 緒論

1-1 前言

近年來顯示器隨著科技的進步，從大型的陰極射線管線顯示器(Cathode

Ray Tube，CRT)，轉變成輕薄的液晶顯示器 (Liquid Crystal Display，LCD)，

且液晶顯示器已成為現代人們生活中必備電器之一了，應用在大尺寸上有 電視機，在中小尺寸上則是近來話題不斷的平板電腦(Tablet PC)、智慧型手 機(Smart Phone)與車上常用到的行車紀錄器(EDR)與全球定位系統(GPS)，

在這些產品中液晶顯示器都是扮演著主要的角色。

在液晶顯示器中以TFT-LCD (Thin Film Transistor-Base Liquid Crystal Display，薄膜電晶體液晶顯示器)最為廣泛，雖然有著體積小的優點，但也 有一些物性上的缺點，在對比度(Contrast ratio)；可視角(Viewing angle)及反 應時間(Response Time)等等，現在一般的TFT-LCD反應時間約是在毫秒 (Millisecond)等級，如果反應時間過長則會有殘影的現象產生。

藍相(Blue Phase)液晶在1888年由Reinitzer和Lehmann所發現的，但是藍 相液晶所存在的溫度範圍極為狹窄(約1℃)，因此對研究使藍相液晶存在的 溫度範圍加寬成為了研究方向，而到2002年由九州大學的菊池教授提出了，

高分子安定藍相液晶(Polymer-Stabilized Blue Phase Liquid Crystal，PSBP-LC)

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[1]，利用高分子聚合物穩定藍相液晶，使藍相液晶的溫度範圍擴大到60K 以上，得以更廣泛應用在科技上。另一方面亦有使用奈米粒子摻雜，使藍 相溫度範圍擴展的研究[2]。高分子安定藍相液晶的特點為，不需表面配向、

亞毫秒等級的反應時間、與在無外加電壓下為光學上各向同性(Optically Isotropic)，所以具備了廣視角的特性。雖然有以上的這些優點，但卻有驅動 電壓過大的問題。

本論文的藍相液晶為參考學長李家圻所找到的藍相液晶配方[3]，配製 出BPLC-1與BPLC-2，本實驗均以此兩種藍相液晶做各種樣品與量測。第一 章後半部會簡單的介紹藍相液晶與克爾效應(Kerr Effect)，和高分子安定藍 相液晶的製作原理，第二章為實驗方法及原理，介紹所使用的樣品及製作，

電壓響應的量測方法及原理，及觀察藍相液晶結構所需要的反射光譜量測；

科索圖案(Kossel Diagram)的原理及觀察方法。第三章介紹樣品的量測結果，

為藍相液晶與添加高分子單體的藍相液晶，分別對其做電壓響應、反射光 譜與科索圖案的量測，最後為使用高分子安定藍相液晶進行SEM的觀察結 果，第四章為討論不同濃度之高分子單體樣品的電壓響應量測結果、反射 光譜與科索圖案的理論計算與分析，第五章為總結與未來發展。

1-2 藍相液晶(Blue Phase Liquid Crystal)簡介

本節主要說明藍相出現的條件與其在光學上與電性上的特殊性質，並 說明其相態所特有的晶格結構。

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1-2-1 何謂藍相

藍相為存在於添加手性物(Chiral Dopant)的液晶中所展現的相態，介於 各向同性相(Isotropic Phase)與膽固醇相(Cholesteric Phase)之間，且一般有下 列特性[4],[5]：

1. 狹窄的溫度範圍(約1K)。

2. 光學上各向同性(Optical Isotropic)

3. 隨溫度不同由低至高有BPI (Blue Phase I)、BPII (Blue Phase II)、BPIII (Blue Phase III)三種相態。

4. BPI為體心立方(Body-Center Cubic)結構，BPII為簡單立方(Simple Cubic)結構，BPIII則為非晶結構。

1-2-2 單螺旋及雙螺旋圓柱

單螺旋結構為膽固醇相(Cholesteric Phase)的排列方式，一般而言具有單 螺旋之液晶結構是為手性分子(Chiral Molecular)所組成，或是在有添加手性 分子的向列型液晶中，手性分子會使得棒狀分子延著單一長軸做扭曲排列，

這種排列方式稱為單螺旋結構，如圖1-2-1(a)。

雙螺旋結構為當單螺旋結構之螺距(Pitch)小於1μm時，其螺旋特性在非 常強的情形下，液晶分子不只是沿著單一長軸旋轉，而是在兩個垂直方向

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的軸都發生旋轉，此時之結構稱為雙螺旋，如圖1-2-1(b)。

而雙螺旋結構是無法穩定連續排滿整個空間的，通常會形成雙螺旋圓 柱(Double Twist Cylinder)，如圖1-2-2(b)。由於雙螺旋結構只在結構的中心 及周圍存在，當分子遠離中心時螺旋的效應會減弱，因此雙螺旋圓柱會有 邊界的存在，液晶分子超過其邊界時並分穩定的排列。其邊界大約為四分 之一個螺距，如圖1-2-2(c)。而這種雙螺旋圓柱即為藍相液晶構成的基本條 件。

1-2-3 藍相液晶結構

如 1-2-1 小節所提到藍相分為 BPI、BPII、及 BPIII。BPI 及 BPII 的結 構如圖 1-2-2(d)(e)所示，BPI 及 BPII 單位晶格的結構分別為體心立方對稱及 簡單立方對稱結構，晶格常數分別為 1 個螺距(Pitch)與 1/2 個螺距，其結構 是由雙螺旋圓柱互相推疊而成，在空間中的缺陷(Disclination)是由於液晶分 子排列不連續而產生的。藍相液晶在光學上各向同性的性質就是因為這種 立方對稱的結構在空間中週期性排列而產生的。

1-3 高分子安定藍相液晶

本論文主要是討論添加高分子聚合物藍相液晶在於光電性質上與晶格 結構上的影響，故在此節對於高分子安定藍相液晶的原理與其克爾效應 (Kerr Effect)做簡單的介紹。

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1-3-1 高分子安定藍相液晶的原理

高分子安定藍相液晶(Polymer-Stabilized Blue Phase Liquid Crystal，簡稱 為 PSBP-LC)為一種擴展藍相液晶溫度範圍的方式，起源於西元 2002 年由 日本九州大學菊池(Kikuchi)教授所提出，且成功的使用這種方法將藍相溫度 範圍由傳統的 1K 擴增至 60K。

菊池教授等人將微量高分子單體混入液晶中，在液晶為藍相時照光使 高分單體進行光聚合作用鑑結而成為高分子聚合物，且認為高分子聚合物 會在藍相液晶的缺陷(Disclination Line)處進行聚合，藉由這些交錯的高分子 網絡使得藍相液晶結構更為穩固[1]，但至目前仍然無直接證明此理論的證 據，本論文於 3-2-5 節會使用 SEM 的方式去觀察高分子聚合的情況，並於 4-4 節討論其有沒有符合此論點。

1-3-2 高分子安定藍相液晶的克爾效應

沒有外加電場時，高分子安定藍相液晶的體心對稱結構造成光學上各 向 同 性 ， 但 是 當 外 加 一 個 很 強 的 電 場 時 ， 會 出 現 誘 發 雙 折 射 (Induced Birefringence)的特性而造成各向異性(Anisotropic)。這種誘發雙折性的物理 機制為電光效應(Electro-Optic Effect)，外加電場導致束縛電荷重新分布，且 可能使晶格有微小的變化，電光效應分別有線性、二次與高階項的效應；

線性電光係數亦稱為 Pockels 電光係數；二次光電係數也稱為 Kerr 電光係

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數，而線性光電系數在有中心對稱的晶體上為零，使得二次光電係數成為 主要現象[7]。

藍相液晶這種有中心對稱的晶體，且外加電場下由各向同性轉變成為 各向異性的特性，可使用克爾效應(Kerr Effect)來描述。當電場為零時，藍 相液晶呈現光學上各向同性；當外加一個電場時，將會誘發雙折射性且折 射橢球(Refractive Ellipsoid)的光軸(ne)與電場向量 E 的方向平行，這種誘發 雙折射(Δninduced)可以由以下公式來表示，其中 λ 為波長，K 為克爾常數(Kerr constant)。

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induced

KE

n  

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排列會最整齊，以改變不同基板、高分子聚合物配方與邊界條件不同對生 成晶格的影響做討論。最後為對於藍相液晶是否真的有晶體結構，做光學 性上的量測與使用高分子聚合的方式直接以SEM觀察高分子聚合物網絡是 否有特殊的排列方式。

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