在本章節裡，首先我們會介紹膽固醇型液晶的相關資料，包括物理性質、結 構排列以及當液晶分子在不同配向機制中所呈現的紋理結構。第二部分則會介紹 聚合物-液晶混合材料，包含了聚合物分散液晶(Polymer-dispersed liquid crystal 簡稱PDLC)和聚合物穩定膽固醇液晶結構(polymer-stabilized Cholesteric Texture 簡稱PSCT)。由於本論文重點在研究 PSCT 的相關性質，因此對於 PSCT 的元件 分類以及工作原理都會做詳細的介紹。
2-1 膽固醇液晶(Cholesteric Liquid Crystal)
如果在向列型液晶(Nematic Liquid Crystal)中加入一些旋性材料，則會使 的液晶分子呈現「單螺旋」(simple twist) 的結構，則我們就將這種具有單螺旋結
構的液晶稱之為膽固醇液晶(Cholesteric)[6,7]或手性向列型(Chiral Nematic,N*)液
晶相。
雖然膽固醇液晶相和向列型液晶相分子的排列有些不同，但是它們的分子重 心都沒有次序性，只是膽固醇液晶相的導軸 在空間中並不是恆定的，而是會垂 n 直於某個方向作螺旋性的週期變化，如圖(2-1-1)所示。假如我們取垂直於 n 的螺 旋軸方向為Z 軸，則導軸 n 各方向上的分量可表示為
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) 下，液晶分子會呈現平面螺旋紋理(planar texture 或稱為 Grandjean texture)排列，
如圖(2-1-2)-(a)所示。由圖上可看出液晶分子之螺旋軸垂直於基板，此時元件具
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有布拉格反射的特性，會反射相對應波長的光，可用λ=np表示，式中λ 代表反 射波峰值，n 為平均折射率，p 是膽固醇液晶的螺距，而反射波峰的寬度可用
Δnp
=
Δλ 表示，其中Δn是膽固醇液晶的雙折射率。而螺距p值會隨著溫度的增
加而減[8]，即 dT
dP＜0[ ]9 ，且由於p值的改變也使得反射波長產生變化。因此我
們可以藉由改變p 的值來調控元件所反射出來的波長，如果反射波峰值落在可見 光的範圍內，則我們就可以看見相對應波長的反射光，反之，如果反射波峰值落 在紫外或紅外光的區域，那我們看元件就是呈現透明狀。
當外加一電場時，對於Δε＞0 的液晶分子而言，會傾向於外加電場的方向 排列，若外加電場較小，此時膽固醇液晶分子將可能呈現指紋紋理(fingerprint texture)，如圖(2-1-2)-(b)所示，可看出液晶分子之螺旋軸平行於元件基板，不過 事實上元件基板對液晶分子所造成的錨定效應(anchoring effect)，會使得液晶分 子呈現很多區域(domain)之指紋紋理，如圖(2-1-2)-(c)所示，在元件中各個區域之 螺旋軸是沒有固定方向的排列，此狀態就稱為是垂直螺旋紋理(focal conic texture)，此時入射光打到元件中會被散射而呈現不透明的狀態。
若外加電場增大到大於臨界電場，此時膽固醇液晶將變成垂直紋理
(homeotropic texture)，如圖(2-1-2)-(d)所示，可以看到液晶分子受到外場影響而垂 直基板做排列，並且原有的螺旋結構已經被破壞，此時元件將呈現透明的狀態。
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2-2 聚合物-液晶混合材料之介紹
液晶與高分子聚合物的混合材料近十幾年來一直都是熱門的研究領域，尤其 當液晶中加入了適當比例的高分子單體並均勻混合後，再經由照光、加熱等聚合 反應，將使得液晶結構產生改變，進而影響到元件的光電特性，以下我們將分別 對兩種熱門的聚合物—液晶混合材料做介紹。
2-2-1 PDLC簡介
聚合物分散液晶(Polymer-dispersed liquid crystal 簡稱 PDLC)[10,11]，是指在向
列型液晶中加入20wt%~80wt%的高分子單體(monomer)，使得液晶以奈米級的顆 粒大小分散在擔任載體的聚合物中，並利用電場控制液晶排列方向，使其樣品具 有光穿透和光散射兩種不同的光學性質。由於在製作PDLC 樣品時，基板表面不 用做配向處理，其製程較為簡便; 另外，在顯示方面，具有操作時不需使用偏光 板和檢光板等優點，未來更可應用在電子窗簾和光閘元件上。
2-2-2 PSCT元件分類與工作原理
聚合物穩定膽固醇液晶結構(PSCT)，是指在所配製好的膽固醇液晶中加入低 濃度(10wt%以下)的高分子單體(monomer)，均勻混合後再經由照光或加熱等方式 使得高分子單體形成聚合物(polymer)，而這些聚合物將有助於穩定膽固醇液晶的 區域，使得元件整體的狀態更穩定。影響PSCT 紋理的因素有(1)膽固醇液晶的
螺距長短，(2)元件的表面處理，(3)聚合物的分佈狀態，及(4)外加電場大小。根 據以上的條件，可以將PSCT 分成三種不同的操作模式[12]:
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1. Normal mode
當我們在無做任何表面處理的空cell 中加入配好的液晶混合液後，再經由 UV 光照射，則混合液中的高分子單體會聚合形成網狀結構，由於在照光的同時 外加電場，使得液晶分子處在垂直紋理下，因此高分子單體也會順著液晶分子的 方向做聚合反應。反應完成且關掉電壓後，液晶分子會受到聚合物網絡(polymer network)垂直於 cell 基板方向的作用力而呈現垂直螺旋紋理，如圖(2-2-1)-(a)所 示。此垂直螺旋區域的大小會受到不同螺距及高分子單體濃度而改變，而對入射
當我們把液晶混合液注入到兩片具有水平配向(homogeneous alignment)，並以 反平行(anti-parallel)夾合的樣品中，然後在無外加電場下使用 UV 光照射，聚 合完成後聚合物網絡約略平行樣品基板，且因為基板表面有平面配向處理，
所以液晶分子會呈現平面螺旋紋理排列，如圖(2-2-2)-(a)所示。此時元件具有
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布拉格反射的特性，當入射光打入元件時，會反射特定波長的光，以反射紅 外光為例，則入射光打進來我們看元件就會是呈現透明態。當外加適當電場 時，液晶分子會受到「電場作用力」與「基板表面的錨定效應」影響而呈現 垂直螺旋紋理，如圖(2-2-2)-(b)所示，故元件呈現不透明態。如果持續增大電 壓，則愈來愈多液晶分子傾向電場方向排列，最終會呈現垂直紋理，元件將 再變成透明態。
3. Color reflective bistable mode
當膽固醇液晶分子的螺距較短(可見或紫外光範圍)時，其中的缺陷(defects)自 由能較小，此時介於垂直螺旋紋理和平面螺旋紋理之間有一能量屏障(energy barrier)，能阻擋因熱擾動所造成的紋理轉變，因此在無外加電場且適當的 表面配向及聚合物網絡情況下，垂直螺旋紋理與平面螺旋紋理都是穩態，所 以在這種模式下元件具有「雙穩態」(bistable)的性質。
2-3 膽固醇液晶不同紋理之轉換機制
在前面的段落提到說，膽固醇液晶會因為不同的表面配向和聚合物網絡條件 下，呈現不同的紋理，而各個膽固醇結構之間的轉換方式，如圖(2-3-1)所示。假 如膽固醇液晶在元件中是呈現平面螺旋紋理排列，這時若外加一小電場到元件，
則膽固醇液晶分子就會從原本的平面螺旋紋理轉變為垂直螺旋紋理，此時如果持 續加大電場，則液晶分子會傾向於電場方向排列，最後會轉變為垂直紋理，此時 若外加電壓迅速取消，則膽固醇液晶會轉變為平面螺旋紋理;若外加電壓緩慢取
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消，則會轉變為垂直螺旋紋理，因此，我們可以透過控制外加電壓大小的方式，
來決定元件所呈現的紋理，而本論文中所討論PSCT 元件之雙穩態特性便是以此 原理為基礎。
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