膽固醇液晶之狀態結構特性

若將膽固醇液晶注入於液晶盒中，依據不同的配向作用或電壓驅動影響，造成不同 的排列方式，並可細分成四種不同之結構，分別為 Planar、Focal conic、Fingerprint、

Homeotropic texture，如圖 2.2.1 所示。

圖 2.2.1 膽固醇液晶之排列狀態，(a) Planar，(b) Focal conic，

(c) Fingerprint，(d) Homeotropic state

2.2.1 Planar texture

當無外加電場且基版表面作帄行配向處理時，膽固醇液晶呈現 Planar texture（或稱 Grandjean texture），如圖 2.2.1 (a)所示。Planar texture 之螺旋軸垂直於基版，在螺旋軸 方向上，層狀堆疊的液晶產生週期性的折射率變化，此時液晶盒具有布拉格反射（Bragg reflection）的能力[29]，反射的中心波長如（eq. 2-3）所示。



 n_aveP₀cos (eq. 2-3) n_ave為液晶的帄均折式率，P₀為螺距，α 光的為入射角，當光線近乎垂直入射時，α 趨近 於 0，可忽略角度影響的項。

(a) (b)

(c) (d)

膽固醇液晶依據其旋性可分為左旋及右旋，當一無偏振的（unpolarized）光入射液 晶 Planar state 時，左旋型的膽固醇液晶會反射左旋光，右旋光會穿透，反之亦然。因此，

膽固醇液晶對於一無偏振的入射光理論上反射的極限值為 50%。液晶堆疊的層數同時也 會影響到反射率，圖 2.2.2 (a)顯示當螺旋結構堆疊在約 10 個螺距以上時，布拉格反射才 會接近理論極限[30]，其中 Δn=0.228，nave=1.63。反射光的頻帶寬度 Δλ 可由（eq. 2-4）

計算，Δn=ne-n_o，當Δn 越大，頻帶也會越寬。圖 2.2.2 (b)模擬顯示 Δn 造成的影響，其 中λ0為 540 nm，液晶盒間隙為 15P0，Δn 從 0.1 到 0.4。

P0

n





 (eq. 2-4)

圖 2.2.2 Planar state 模擬，(a)反射率與螺距數之關係，(b)反射頻寬與 Δn 之關係

2.2.2 Focal conic texture

當外加一電場時，液晶分子受到電場所施加之力矩，力矩作用欲使液晶分子（Δε

＞0）長軸順著電場方向排列，此時液晶同時受到分子間作用力與電場作用力的影響，

最終在兩作用力之間達到帄衡。當施加的電壓剛好打破了 Planar state 的排列，我們定義 此為臨界電壓（V_th）。在打破了 Planar state 之後，液晶彼此間仍維持螺旋結構，但又 受到電場的拉扯，形成螺旋結構混亂排列的現象，稱之為 Focal conic texture，如圖 2.2.1 (b)。由於液晶排列混亂，對於各個點的相位延遲不一，因此液晶盒整體看來呈現散射狀。

(a) (b)

若施加的電壓相較於臨界電壓越大，螺旋結構將越趨向於被解旋，代表有更多的液晶分 子順向電場方向，此時散射的效果將變的較不明顯。

2.2.3 Fingerprint texture

Fingerprint texture 指的是螺旋軸帄行於液晶盒基板時的狀態，如圖 2.2.1 (c)所示。

在施加電壓個過程中，液晶分子將可能呈現 fingerprint texture 狀態，但事實上由於基版 對液晶分子之錨定作用，常會造液晶盒部分區塊呈現 Fingerprint texture，而非整體液晶 盒。若要達到完美的 Fingerprint texture，需要垂直配向或其他特殊方式[31]。

圖 2.2.3 顯微鏡下的 Fingerprint Texture [32]

2.2.4 Homeotropic texture

當施加電壓大到足以將螺旋結構結旋，使膽固醇液晶相轉為向列型液晶相，此時稱 之為 Homeotropic texture，如圖 2.2.1 (d)。由於所有液晶分子均垂直基板，在光學的角度 上折射率僅存在 no，如同單一折射率的介質一般，因此無相位延遲的作用，液晶盒外表 呈現透明狀。此時施加的電壓，我們定義為重置電壓（V_reset），理由是因為在膽固醇液 晶的驅動模式上，需要利用到 Homeotropic state 來重置 Planar state，在 2.3 節中會加以