OCB 液晶盒預傾角和厚度修正

圖4-3 OCB 液晶盒相位延遲實驗值

圖 4-3 可以發現 OCB 液晶盒在水平視角擁有相當對稱的特性。先將斜 展態 (0V) 的相位延遲實驗值與理論值曲線圖 4-2(a)做比較，由圖 4-4 發現 實驗值曲線落在20 度左右的預傾角理論值曲線附近，發現實驗值曲線比理 論值曲線形狀還要尖銳，即正向入射和斜向入射的相位延遲變化比較大，由 圖4-2(a)理論的趨勢可以推估，預傾角越小的液晶盒則正向入射和斜向入射 的相位延遲變化越大，故此OCB 液晶盒的預傾角必小於 20 度。

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圖4-4 OCB 液晶盒斜展態實驗與理論修正

由陳老師實驗室得知，此 OCB 液晶盒在製作時，配置的預傾角大約落 在 8 度附近，液晶盒厚度 3.45μm。這裡液晶盒提供的厚度大小是空的液晶 盒量測結果，在注入液晶之後液晶盒厚度會縮小 [21] ，於是先假設預傾角 實際在8 度，先修正液晶盒厚度結果如表 4-1，得到液晶盒厚度在 3.3μm 時，

擬合標準差最小。

表4-1 OCB 液晶盒厚度修正標準差

厚度(μm) 3.26 3.27 3.28 3.29 3.3 3.31 3.32 3.33 3.34 3.35 標準差(%) 1.95 1.88 1.82 1.42 1.05 1.31 1.74 2.04 2.09 2.14

下一步再固定液晶盒厚度3.3μm，修正預傾角大小，結果如表 4-2，得到預 傾角在8.4 度擬合標準差最小。

表 4-2 OCB 液晶盒預傾角修正標準差

預傾角(度) 8 8.1 8.2 8.3 8.4 8.5 8.6 8.7 8.8 8.9

標準差(%) 1.05 1.03 1.02 1.0103 1.0091 1.02 1.03 1.07 1.08 1.1

最後的修正結果預傾角為8.4 度和液晶盒厚度 3.3μm 的相位延遲理論值曲線，

與實驗值擬合比對的標準差 (1.0091%) 最小，如圖 4-5 表示。

圖 4-5 液晶盒厚度 3.3μm、預傾角 8.4 度擬合圖

31 4.2.3 理論驗證

由 2.11 小節 OCB 液晶盒的預傾角對臨界電壓的影響，和 4.1 節此實驗 樣品的 V-T curve。以預傾角 8.4 度和圖 2-11 比對得到臨界電壓為 1.632V，

與 4.1 節的臨界電壓 1.6V 相當接近，證明此 4.2.2 小節量測此 OCB 液晶盒 的預傾角為8.4 度，如圖 4-6。

圖4-6 預傾角和臨界電壓驗證結果

4.2.4 OCB 液晶盒彎曲態平均傾角量測

OCB 液晶盒維持彎曲態的外加電壓需大於臨界電壓 (1.6V)，在加壓下 的相位延遲實驗值與圖4-2(b)比較，可以觀測外加電壓越大，其整體相位延 遲越小且正向和斜向相位延遲變化越大，如同預傾角越大的相位延遲曲線有 一樣的趨勢。利用上 4.2.2 節修正液晶盒厚度結果 3.3μm，這裡將 2V、4V、

6V、8V 和 10V 的相位延遲，以對應預傾角的大小來表示，如下圖 4-7。

圖4-7 OCB 液晶盒彎曲態傾角擬合結果

理論上 OCB 液晶盒的邊界預傾角(pretilt angle)是不會受到外加電壓的 影響而轉動，可是由實驗結果上來看，外加電壓的大小會影響到液晶盒的傾 角，這裡所影響的傾角稱之為平均傾角。在外加電壓大約8V 之後，平均傾 角變化有一飽和的趨勢，以8V 做飽和電壓即在暗態操作時的電壓，液晶盒 加到飽合電壓之後平均傾角也無法完全轉變到90 度垂直狀態，而導致 OCB 液晶盒另一項缺點在暗態操作時會有漏光的情況發生且對比度不高。

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表4-3 外加電壓和擬合平均傾角關係表

電壓(V) 2 4 6 8 10

平均傾角 37.5° 55.6° 63.2° 67.5° 70.4°

標準差(%) 2.08 1.59 1.43 1.42 1.46

圖4-8 OCB 液晶盒彎曲態電壓對平均傾角關係圖

4.3 OCB 液晶盒動態量測

OCB 液晶盒在電壓驅動下，其液晶分子排列狀態會從初始的斜展態，

到加壓超過臨界電壓之後的彎曲態，以及突然降壓小於臨界電壓液晶分子會 排列成扭轉態，再慢慢回復成斜展態。這裡利用PEM 快速調變和 DAQ card 快速擷取特性，量測OCB 液晶盒在函數產生器驅動下，偏光參數 Ψ 和 Δ 的 變化。

首先，觀察 OCB 液晶盒外加電壓從 10V 降至 0V 時，液晶盒的穿透率 變化，如圖4-9，並將圖中 (1) 的部分放大成圖 4-10，可以發現一個高亮度 且穩定的暫態，約存在50 ms 的時間，稱之為鬆弛彎曲態。圖 4-9 (2) 的部 分為扭轉態回復成斜展態的穿透率變化。接下來實驗可以利用鬆弛彎曲態的 優點，在液晶盒的亮暗態驅動電壓，0V 為亮態，10V 為暗態，只要訊號的 週期時間在50 ms 內，就可以避免間態回復。

圖4-9 OCB 液晶盒鬆弛穿透率變化

(1) (2)

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圖4-10 OCB 液晶盒鬆弛彎曲態圖

4.3.1 OCB 液晶盒在 1.6V 和 8.4V 亮暗態動態量測

由 4.1 節 OCB 液晶盒穿透率量測可知，此液晶盒的臨界電壓約在 1.6V，

即此OCB 液晶盒要維持彎曲態給予的外加電壓至少需大於臨界電壓 1.6V，

故這裡由函數產生器給予的驅動電壓亮態在1.6V，暗態在 8.4V，波形如圖 3-4 (signal 2)。OCB 液晶盒在此驅動電壓下，由光彈調變偏光儀系統，可以 量測到樣品的直流訊號和倍頻訊號，如圖4-11。

圖4-11 電壓驅動下直流與倍頻訊號 life time ~50ms

相位調變振幅校正過後 [附錄一] ，在時變的過程會以較大的倍頻訊號 值計算相位調變振幅，經校正過後落在Δ₀ =0.383位置，如圖 4-12。0.05 秒 附近位置為外加驅動訊號由1.6V 轉換到 8.4V，此時一和三倍頻訊號快速趨 近於0，使此時的相位調變振幅有劇烈變化；此外，0.15 秒附近位置為外加 驅動訊號由 8.4V 轉換到 1.6V，二和四倍頻訊號此時亦快速趨近於 0，使此 時的相位調變振幅有劇烈變化。

圖 4-12 電壓驅動下相位調變振幅變化

圖4-13 1.6V 和 8.4V 驅動 OCB 液晶盒 Ψ 和 Δ 變化

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圖 4-13 為 OCB 液晶盒外加電壓在 1.6V 和 8.4V 的偏光參數量測圖，在 外加電壓 8.4V (暗態) 時，大部分液晶分子會隨著電場加大而呈現近垂直排 列，在4.2.4 小節可知此時的液晶盒的平均傾角約在 70 度。利用(2-10)和(2-18) 式，可在已知Ψ 和 Δ 情況下，計算 OCB 液晶盒的穿透率

I =1−sin2ΨcosΔ (4-1) 在實驗架構上移除PEM，以 Polarizer – Sample – Analyzer 簡式偏光儀，在 函數產生器同樣的驅動訊號下，量測 OCB 液晶盒穿透率變化和偏光參數 Ψ 和Δ 計算的穿透率變化比較如圖 4-14。

圖4-14 1.6V 和 8.4V 驅動 OCB 液晶盒穿透率變化

兩實驗值的標準差在 1%以下，證明光彈調變式偏光儀系統可精確地量 測樣品的Ψ 和 Δ 值。這裡並可估計 OCB 液晶盒的 falling time 約 0.23ms，

rising time 約 3.26ms，即反應時間(response time)約為 3.49ms。

4.3.2 OCB 液晶盒在 0V 和 10V 亮暗態動態量測

若 OCB 液晶盒外加電壓突然由 10V 降至 0V，並不會馬上轉變成扭轉 態，而是先經過一個稱之鬆弛彎曲態，且維持約50ms 的時間。與上小節同 樣量測方式，這裡給 OCB 液晶盒 0V 和 10V 週期各 50ms 的訊號，量測偏 光參數Ψ 和 Δ，如圖 4-15。並且利用(4-1)式轉換成穿透率變化與 PSA 系統 量測的穿透率變化比較，如圖4-16。

圖4-15 0V 和 10V 驅動 OCB 液晶盒 Ψ 和 Δ 變化

圖 4-18 估計 OCB 液晶盒的 falling time 約 0.31ms， rising time 約 5.9ms，

即反應時間(response time)約為 6.21ms。

39

圖4-16 0V 和 10V 驅動 OCB 液晶盒穿透率

表 4-4 響應速度比較表

驅動電壓 rising time (ms) falling time (ms) response time (ms)

1.6V 和 8.4V 3.26 0.23 3.49

0V 和 10V 5.9 0.31 6.21

與 4.3.1 節以 1.6V 和 8.4V 驅動訊號在亮暗態變換比較發現，falling time 的影響因子為電場驅動，故在暗態利用8.4V 或 10V 的時間差異不大；而 rising time 利用 0V 鬆弛彎曲態並無外加電場能量影響液晶分子轉動，以鬆 弛的方式回復速度較慢，而利用1.6V 仍有外加電場液晶分子平均傾角從 70 度回復到約37 度，有電場能量影響液晶分子轉動的 rising time 速度較快。

4.3.3 OCB 液晶盒在邦加球動態反應

將上兩小節在不同驅動電壓下，量測的 OCB 液晶盒 Ψ 和 Δ 值轉變成歸 一化史托克參數，並將其繪於邦加球上，觀察經過 OCB 液晶盒出射光的偏 振態動態軌跡。

(a) 1.6V 和 8.4V 亮暗態軌跡

圖4-17 1.6V 和 8.4V，OCB 液晶盒邦加球變化

OCB 液晶盒後置的析光片方位角為+45°，所以理想的液晶盒亮態出射

down to ±1.6V

up to ±8.4V

41 光偏振態

⎥⎥

⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢

⎢⎢

⎣

⎡

= 0 1 0 1

bright

S ，理想的液晶盒暗態出射光偏振態

⎥⎥

⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢

⎢⎢

⎣

⎡

= − 0

1 0 1

Sdark ，由圖4-19

觀察在暗態 (8.4V) 邦加球軌跡離 -45°線性偏振光仍有一段差距，故有漏光 的情況發生；而在亮態 (1.6V) 邦加球軌跡為一橢圓偏極光，離 +45°線性 偏振光仍有一段差距，故利用這樣的驅動電壓用在亮暗態操作，其對比度將 很小。

(b) 0V 和 10V 亮暗態軌跡

圖 4-18 0V 和 10V，OCB 液晶盒邦加球變化

利用 OCB 液晶盒鬆弛彎曲態有高亮度的特性，由圖 4-17 與圖 4-18 的

down to 0V

up to ±10V

右下圖比較，在亮態時的偏振態鬆弛彎曲態可更接近+45°線性偏振光。

43

第五章 結論

首先以數學理論式建立 OCB 液晶盒內部液晶排列結構，得到 OCB 液 晶盒斜向入射的相位延遲公式，利用光彈調變式偏光儀快速地量測OCB 液 晶盒在各入射角的相位延遲實驗值，與理論公式擬合得此OCB 液晶盒的預 傾角為8.4°，且液晶盒厚度為 3.3μm (原 3.45μm)。最後引用預傾角對臨界電 壓影響的理論式，驗證此 OCB 液晶盒配置預傾角在 8.4°時，其臨界電壓為 1.632V，此結果也與我們量各電壓下之穿透率相同。

利用光彈調變器的快速調變和 DAQ card 快速擷取的特性，量測 OCB 液晶盒在快速時變電壓下的動態反應。藉由記錄當時波形並作事後的快速傅 立葉轉換，校正了光彈調變器的相位調變振幅在 0.383，並計算出樣品的偏 光參數 Ψ 和 Δ。由 Ψ 和 Δ 計算出的穿透率與 PSA 系統量測穿透率相 當吻合，證明系統動態量測偏光參數的準確性。系統分別量測了彎曲態以及 鬆弛彎曲態的亮暗態偏光狀態，並以其史托克參數來計算液晶盒的亮度。比 較彎曲態以及鬆弛彎曲態的對比度，得知鬆弛彎曲態的對比度要比彎曲態的 對比度大，若將切換過程控制在 50ms，則因為不需要維持在臨界電壓，故 可降低耗電量。

OCB 液晶盒邊界預傾角在有外加電場時理論上因該是不會轉動，而在 實驗上發現，隨著外加電壓加大傾角轉動角度越大，這裡的傾角稱之平均傾 角。目前已有液晶的動態行為與錨定能 (Anchoring Energy) 有關的研究，

希望未來可以由錨定能進一步證明外加電場對傾角轉動的影響。

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