利用九十度扭轉式液晶聚合物網絡之偏振無關液晶相位調制器

(1)

國

立

交

通

大

學

光電工程研究所

碩

士

論

文

利用九十度扭轉式液晶聚合物網絡

之偏振無關液晶相位調制器

A Polarization-independent Liquid Crystal Phase Modulation

Using Polymer-Network Liquid Crystals in a 90 Degree Twisted

Cell

研究生：林威志

指導教授：林怡欣助理教授

(2)

利用九十度扭轉式液晶聚合物網絡

之偏振無關液晶相位調制器

A Polarization-independent Liquid Crystal Phase Modulation Using

Polymer-Network Liquid Crystals in a 90 Degree Twisted Cell

研究生：林威志 Student：Wei-Chih Lin

指導教授：林怡欣助理教授 Advisor：Prof. Yi-Hsin Lin

國立交通大學光電工程研究所

碩士論文

A Thesis

Submitted to Department of Photonics and Institute of Electro-Optical Engineering College of Electrical Engineering and Computer Science

National Chiao Tung University in partial Fulfillment of the Requirements

for the Degree of Master

in

Electrical-Optical Engineering

July 2009

(3)

利用九十度扭轉式液晶聚合物網絡

之偏振無關液晶相位調制器

研究生：林威志指導教授：林怡欣助理教授

國立交通大學光電工程學系暨研究所

摘要

本文提出一種偏振無關液晶相位調制器，主要是利用九十度扭轉式液晶聚合物網絡(簡稱 T-PNLC)。其機制結合兩種偏振無關液晶相位調制器，第一種為剩餘相位型液晶相位調制器，其液晶分子有一個相同的傾角，且指向矢隨機分佈在T-PNLC 液晶盒的中間層。另一種為雙層型液晶相位調製器，靠近T-PNLC 的上下基板，液晶指向矢方向為相互垂直。這種混合型的 T-PNLC，其電控相位移大小介於剩餘相位型與雙層型之間，且操作之前不需額外偏壓。藉由 SEM 觀察，我們得知 T-PNLC 的 domain 夠大 (~10μm) ，一顆聚合物又夠小 (~0.2μm)，所以為低散射的相位調制器。另外，T-PNLC 的偏振相關性與光聚合時外加電壓、光聚合時溫度、液晶盒厚度、及光入射角相關。實驗中，當液晶盒厚度為7μm，其相位調制器在施加 30 Vrms電壓下可達到0.28π 之相位變化，反應時間約 1.5ms。最後我們將 T-PNLC 做光學分析，估計出 T-PNLC 中雙層型液晶分子的平均預傾角 (50~70degree)、剩餘相位型液晶分子的平均預傾角(73~83 degree)及其他參數。此偏振無關之相位調制器未來可應用於電控焦距之微液晶透鏡陣列或雷射指向。

(4)

A Polarization-independent Liquid Crystal Phase

Modulation Using Polymer-Network Liquid

Crystals in a 90 Degree Twisted Cell

Student: Wei-Chih Lin Advisor: Prof. Yi-Hsin Lin Department of Photonics

and Institute of Electro-Optical Engineering National Chiao Tung University

Abstract

A polarization independent liquid crystal (LC) phase modulation using polymer-network liquid crystal in a 90 degree twisted cell (T-PNLC) is demonstrated. Two polarization-independent mechanisms are adopted. The first one is the phase modulation from the middle layer LC directors with random but same tilt orientations and can be classified as the residual phase type. The other one is the phase modulation from the directors near the two substrates with nearly orthogonal orientations and can be classified as the double-layered type. T-PNLC is a scattering-free phase modulator because of large domain size (~10μm) and small polymer grain (~0.2μm) observed by SEM. No bias voltage is needed when we operate T-PNLC. The phase modulation range is between the residual phase type and the double-layered type. In addition, the polarization dependency of T-PNLC depends on the effects of the curing voltage, the curing temperature, the cell gap, and off-angle of an incident light. In the experiments, the maximum phase shift of T-PNLC is around 0.28π at 30 Vrms with the cell gap as 7μm. The response time is around 1.5 msec. The average pretilt angle of liquid crystal in double-layered region(50~70degree), residual phase region (73~83 degree), and other parameters can be estimated base on our optical analysis of T-PNLC. The potential applications of the polarization independent T-PNLC are electrically tunable-focus LC micro-lens arrays and laser beam steering.

(5)

致謝

在這兩年研究生涯當中，首先，要感謝的是我的指導教授林怡欣老師與師丈吳勇勳博士，不管在做人處事方面或學習態度上，都能夠給予我許多寶貴的意見；並且在論文的研究上，辛勤的指導，釐清我許多的觀念，給了我更多的思考方向，在此表達我最真誠的敬意與感謝。再來，我要感謝王淑霞老師，老師常在百忙之中，抽空來關心我們，以過來人的身份，告訴我們許許多多受用不盡的人生道理與經驗。也要感謝口試委員陳瓊華老師、徐旭寬博士與楊秋蓮博士的批評與指教，使得本論文更加完善。另外，感謝林弘峻學長、楊智名學長，鄒雨時學長，他們的專業和認真的工作精神，還有讓人不得不佩服的領袖風範，是我們做學弟最值得學習的。還要感謝液晶實驗室的同學：羅春祥同學、洪青樺同學與李炯寬同學，在互相的激勵下，總算渡過了這段日以繼夜、不眠不休地寫論文的快樂時光，也感謝眾多的學弟妹們：陳俊霖、陳宏山、朱庭玉、陳明璿、江宗翰、黃鈺智、吳俊宏、賴致維、林辰崴、黃俊崴、朱為麟、倪詩雅、蘇歆茹、陳文柔，在必要時給予我適時的幫助與鼓勵，也因為你們，使我的研究生生活更加多采多姿。其中特別要感謝雨時學長與陳明璿學弟，在寫論文期間，幫了我很大的忙，使我的論文能夠順利完成。最後感謝我的家人以及朱庭玉的表姐小青給我支持與鼓勵，使我能順利的完成碩士學位。在此感謝所有幫助過我的人，謝謝你們，僅以此論文與你們分享。

(6)

目錄

摘要... I Abstract...II 致謝... III 目錄... IV 表目錄... IX 第1 章緒論...1 2.1 液晶簡介...3 2.1.1 液晶彈性連續體介紹...3 2.1.2 液晶之物性...3 2.3 偏振無關液晶相位調制器之簡介 ...6 2.4 研究動機... 10 第3 章操作原理和理論 ...11 3.1 T-PNLC操作原理 ...11 3.2 理論探討... 12 3.2.1 雙層型效應...12 3.2.2 剩餘相位型效應...14 3.2.3 混合型液晶相位調制器...16 第4 章實驗方法與量測 ... 18 4.1 液晶盒樣品製作... 18 4.2 量測架構... 21 第5 章實驗結果 ... 25 5.1 光聚合時外加電壓之效應 ... 25 5.1.1 不同外加電壓光聚合之T-PNLC的電光效應...28

(7)

5.1.2 不同外加電壓光聚合之T-PNLC與相位調制大小的關係 ...31 5.1.3 不同外加電壓光聚合之T-PNLC與偏振相關性的關係.3 光聚合時溫度之效應... 34 3 5.2 5.3 5.4 第6 章 第7 5.2.1 不同溫度光聚合之T-PNLC的電光特性...34 5.2.2 不同溫度光聚合之T-PNLC與相位調制大小的關係...36 5.2.3 不同溫度光聚合之T-PNLC與偏振相關性的關係...37 改變液晶盒厚度之效應... 38 5.3.1 不同液晶盒厚度之T-PNLC的電光特性...38 5.3.2 不同液晶盒厚度之T-PNLC與相位調制大小的關係...39 斜向入射之相位移與偏振相關性... 40 5.3.1 斜向入射於雙層構造液晶相位調制器 ...41 5.3.2 斜向入射於T-PNLC ...43 實驗結果討論... 45 6.1 結果整理... 45 6.2 T-PNLC光學分析與模擬 ... 47 6.3 結果分析... 53 章 結果與展望 ... 56 參考文獻... 58 附錄A... 60

(8)

圖目錄

第

2 章

圖2- 1 液晶的三種形變 ...3 圖2- 2 將行經液晶分子的入射光拆解為e-ray與o-ray ...4 圖2- 3 液晶相位調制器的示意圖 ...4 圖2- 4 平行配向液晶盒結構示意圖 ...5 圖2- 5 液晶聚合物網絡結構示意圖 ...5 圖2- 6 形變液晶聚合物網絡結構示意圖 ...6 圖2- 7 雙層式液晶凝膠結構示意圖 ...7 圖2- 8 雙層式液晶結構示意圖 ...7 圖2- 9 聚合物穩固膽固醇液晶結構示意圖 ...8 圖2- 10 聚合物分散式液晶結構示意圖 ...8 圖2- 11 液晶凝膠示意圖 ...9 圖2- 12 偏振無關液晶相位調制的種類 ...10

第

3 章

圖3- 1 T-PNLC的操作機制...11 圖3- 2 雙層型結構示意圖 ...12 圖3- 3 剩餘相位型液晶相位調制器操作原理 ...14 圖3- 4 T-PNLC結構示意圖型...16

第

4 章

圖4- 1 T-PNLC樣品製作流程...20 圖4- 2 量測裝置(穿透率對電壓關係)...22 圖4- 3 量測裝置(反應時間量測)...22

(9)

圖4- 5 麥克詹達干涉儀量測T-PNLC觀察到的干涉條紋 ...23

第

5 章

圖5- 1 偏振無關液晶相位調制器於cross polarizer下觀察時為暗態...25 圖5- 2 光聚合前與光聚合後T-PNLC之燈箱照片 ...26 圖5- 3 顯微鏡下以cross polarizer觀察T-PNLC ...27 圖5- 4 相同三片樣品之T-PNLC的穿透率對電壓關係 ...28 圖5- 5 由SEM觀察到光聚合電壓 4Vrms之T-PNLC ...29 圖5- 6 不同外加電壓光聚合之T-PNLC的穿透率對電壓關係 ...29 圖5- 7 不同外加電壓光聚合之T-PNLC的反應時間 ...30 圖5- 8 相同三片光聚合電壓製作之T-PNLC的相位移對電壓關係...31 圖5- 9 不同外加電壓光聚合之T-PNLC與相位調制大小的關係...32 圖5- 10 不同外加電壓光聚合之T-PNLC的偏振相關性 ...33 圖5- 11 不同溫度光聚合之T-PNLC的電光特性 ...34 圖5- 12 光聚合溫度 45℃條件製作之T-PNLC的SEM圖 ...35 圖5- 13 不同溫度光聚合之T-PNLC的反應時間 ...35 圖5- 14 不同溫度光聚合之T-PNLC與相位調制大小的關係 36 15 不同溫度光聚合之T-PNLC的偏振相關性 ...37 圖 5-0 圖5- 16 不同液晶盒厚度之T-PNLC的電光特性 ...38 圖5- 17 不同液晶盒厚度之T-PNLC的反應時間 ...39 圖5- 18 不同液晶盒厚度之T-PNLC與相位調制大小的關係 39 圖5- 19 不同液晶盒厚度之T-PNLC的偏振相關性 ...4

(10)

圖5 圖5

第

6 章

6- 1 正負角斜向入射的TM光入射於不施加電壓之T-PNLC ...47 圖6 ...49 圖6 圖 6-圖 6-圖6 圖5- 20 雙層構造液晶相位調制器結構 ...41 圖5- 21 非偏振光在各入射角的相位移-電壓圖(雙層型相位調制器) ...42 - 22 偏振光在各電壓的相位移-偏振方向圖(雙層型相位調制器) ...42 - 23 非偏振光在各入射角的相位移-電壓圖(T-PNLC) ....43 圖5- 24 偏振光在各電壓的相位移-偏振方向圖(T-PNLC) ...44 圖5- 25 當V=30Vrms，偏振光在各入射角的相位移-偏振方向圖...44 圖 ... - 2 正負角斜向入射的TM光入射於施加高電壓之T-PNLC ... - 3 正負角斜向入射的TE光入射於不施加電壓之T-PNLC ...51 4 正負角斜向入射的TE光入射於施加高電壓之T-PNLC ...52 5 模擬計算光聚合電壓 2.5Vrms製作之T-PNLC的各項參數...53 - 6 模擬計算光聚合電壓 4Vrms製作之T-PNLC的各項參數 ...54

(11)

表目錄

第

4 章

表4- 1 液晶E7 之參數表...18 表4- 2 儀器列表 ...21

第

6 章

表6- 1 不同光聚合電壓對各項參數影響之整理 ...45 表6- 2 不同光聚合時溫度對各項參數影響之整理 ...46 表6- 3 不同液晶盒厚度對各項參數影響之整理 ...46

(12)

第

1 章緒論

液晶的發現始於西元1888 年，奧地利的植物學家 Friedrich Reinitzer 研究膽固醇苯甲酸酯的化合物時，發現這種化合物加熱時具有兩個熔點的奇特現象，在這兩個熔點之間，其物質狀態介於固態物質與一般透明的液態物質之間，類似膠狀的混濁液體。翌年 1889 年，德國的物理學家Otto Lehmann 利用偏光顯微鏡觀察這種物質加熱後的狀態, 發現此物質呈白色混濁,具有著異方性晶體(anisotropic crystal)對光線特有的雙折射性(birefringence)現象。經過數年的探討與研究，科學家們發現此混濁膠狀物是一種介於固態與液態間的新相態，稱為液晶態。時至今日，液晶材料除了可應用於顯示器來調變光強度，利用液晶來單純調變光相位，更能廣泛的應用在各種光電領域，因此是最近重要的研究題材。以液晶來做相位調制器有許多優點，例如重量輕且可電控方式改變液晶排列，所以能取代傳統透鏡使光學元件更加輕薄[1,2]，或取代傳統光柵可做到電控繞射效率(diffraction efficiency)[3,4]、甚至在空間相位調制(spatial light modulation)方面，還能應用在雷射指向(beam steering)[5]上。

目前液晶相位調制器可分為需要額外添加偏振片與不需偏振片，需要偏振片的液晶相位調制器有平行配向液晶盒(homogenous cell)、聚合物網絡液晶盒(polymer network liquid crystal)[6]或切形變聚合物網

(13)

絡液晶盒(sheared polymer network liquid crystal)[7,8]，此類的液晶相位調制器由於相位調制為偏振相關，需偏振片使入射光為偏振光才可達到相位調制，所以光效率低。而不需偏振片的液晶相位調制器主要有雙層型(double layered type)[9] 與剩餘相位型 (residual phase type)[9]，雙層型液晶相位調制相位調制量大，但有不易製作且需花費兩片液晶盒的缺點，相較之下，剩餘相位型液晶相位調制雖然製作較為簡單，但相位調制量小且操作電壓高，因此做到與偏振光方向無關(polarizer-independent)、低操作電壓的液晶相位調制器是其中主要的課題。本論文中，我們提出一種偏振無關液晶相位調制器---九十度扭轉式液晶聚合物網絡(T-PNLC)，其機制結合雙層型與剩餘相位型兩種偏振無關液晶相位調制器，解決剩餘相位型相位調制量小及雙層型不易製作的問題。實驗中，當液晶盒厚度為7μm，其相位調制器在施加 30 Vrms 電壓下可達到 0.28π 之相位變化，反應時間約 1.5ms。其電控相位移大小介於剩餘相位型與雙層型之間，另外操作T-PNLC 之前不需額外偏壓。本論文的目的在於研究一種新的不需偏振片之液晶相位調制器 (T-PNLC)的電光特性與相位調制。論文第 2 章先對液晶及本章提及的幾種液晶相位調制器做簡單的介紹，然後進一步說明研究的動機。第 3 章為 T-PNLC 的操作機制及理論探討，第 4 章介紹樣品的製作流程與量測架構。第 5 章為實驗結果：探討 T-PNLC 的相位調制大小、偏振相關性與光聚合時外加電壓、光聚合時溫度、液晶盒厚度、及光入射角的相關性，接著第6 章為實驗結果的整理、分析與討論，最後為結論與展望。

(14)

第

2 章動機

2.1 液晶簡介

2.1.1 液晶彈性連續體介紹[10]

向列型液晶在外加電場或磁場的作用下，會產生形變。此分子排列受外力而變形的狀態，可視為受應變力的彈性連續體，且形變可用指向矢n來描述。向列型液晶(Nematic Liquid Crystal)的形變依Frank的定義可分為三種：展曲(Splay)，扭曲(Twist)和彎曲(Bend)，如圖2-1所示。

Splay Twist Bend

(a)展曲 (b)扭曲 (c)彎曲圖2- 1 液晶的三種形變 2.1.2 液晶之物性[11, 12] 由於液晶為一種具有雙折射性質的單軸晶體，所以光經過液晶會因為液晶指向矢的方向不同，而感受不同的折射率，如圖2-2(a)，當液晶分子與入射光偏振方向在同一入射平面上，我們稱這道光為非尋常光(e-ray)，此時，光看到液晶分子的折射率為 2 2 1/2 2 2 ( ) ( ) eff e o Sin Cos n n n θ θ θ ₌ ₊ − 其中θ為入射光的方向與液晶指向矢間的夾角，當θ=0 度，光感受到，若的折射率為n_e θ=90 度，則光感受到的折射率為。 n_o

(15)

稱這道光為尋常光(o-ray)，此時，光看到液晶分子的折射率為 n=no。 θ LC axis LC n=n_eff(θ) θ LC axis LC θ LC axis LC n=n_eff(θ) θ LC axis LC n=n_o θ LC axis LC θ LC axis LC θ LC axis LC n=n_o

(a)e-ray 的光看到的折射率為 neff (b)o-ray 的光看到的折射率為 no

圖 2- 2 將行經液晶分子的入射光拆解為 e-ray 與 o-ray

2.2 液晶相位調制器之簡介

LC

E

_out

E

_in

LC

E

_out

E

_in 圖2- 3 液晶相位調制器的示意圖圖 2-3 為液晶相位調制器的示意圖，光通過液晶層看到的折射率 (n>1)與未經過液晶層所看到的折射率(n=1)會有所不同，也就是光通過液晶盒時，得到一個相位延遲，所以光通過液晶盒的速度比較慢。當我們施加電壓於液晶盒後，由於液晶分子轉動，光看到液晶分子等效折射率隨液晶分子轉的角度而變，因此光得到的相位延遲隨電壓大小有所變化，這種現象稱為液晶的相位調制。

(16)

一般的液晶相位調制主要有三種： (1) 平行配向液晶盒(homogenous cell) Glass Substrate Glass Substrate ITO layer Alignment layer LC director

z

y

x

Glass Substrate Glass Substrate ITO layer Alignment layer LC director Glass Substrate Glass Substrate ITO layer Alignment layer LC director

z

y

x

z

y

x

圖 2- 4 平行配向液晶盒結構示意圖平行配向盒如圖2-4，液晶盒上下基板是 ITO 導電玻璃組成，內側為水平配向層，不加電壓時，液晶分子沿著摩擦方向水平排列(x 軸)。加高電壓後，液晶分子站直，沿著 x 方向的偏振光看到的折射率由 ne變成接近no，所以相位調制大，但沿著y 方向的偏振光看到的折射率保持 no 不變，不具有相位調制的功用，因此平行配向盒缺點是需要額外一片偏振片，且與一般添加聚合物網絡的液晶相位調制器相比 (例如聚合物網絡液晶盒)，反應速度較慢。

(2)聚合物網絡液晶盒(polymer network liquid crystal, or PNLC)[6]

z

y

x

Glass Substrate Glass Substrate ITO layer Alignment layer LC director Polymer network

z

y

x

z

y

x

Glass Substrate Glass Substrate ITO layer Alignment layer LC director Polymer network Glass Substrate Glass Substrate ITO layer Alignment layer LC director Polymer network 圖 2- 5 液晶聚合物網絡結構示意圖 PNLC 的液晶盒結構如圖 2-5 所示。為了改善水平配向盒(圖 2-4)

(17)

反應速度慢的缺點，PNLC 利用聚合物網絡(polymer network)對液晶分子有一個額外的回復力矩，所以加快液晶分子的反應時間(上升時間+下降時間)，但缺點是由於添加聚合物網絡，操作電壓高，且入射光感受到液晶分子的折射率，與聚合物網絡的折射率兩者不同，所以散射(scattering)也較大。

(3)切形變聚合物網絡液晶盒(sheared polymer network liquid crystal, or S-PNLC)[7, 8] Glass Substrate Glass Substrate Shearing force ITO layer LC director

z

y

x

Glass Substrate Glass Substrate Shearing force ITO layer LC director

z

y

x

z

y

x

圖2- 6 形變液晶聚合物網絡結構示意圖 S-PNLC 的結構如圖 2-6 所示，製作時當液晶盒內聚合物網絡形成，由於沒有配向膜，液晶分子與聚合物網絡為隨機分佈，此時光散射強。所以需把玻璃基板施上一硬力，讓聚合物網絡與液晶分子具有一個方向排列，使液晶盒變成穿透態。與一般PNLC 相位調制器相比， S-PNLC 具有操作電壓低、散射程度低等優點，但是不易製作。

2.3 偏振無關液晶相位調制器之簡介

在2.2 節中，我們介紹的三種液晶相位調制器皆為偏振相關，需要外加一片偏振片，所以光效率低，為了解決這個問題，偏振無關液晶相位調制器的研究與開發倍顯重要。近年來，偏振無關液晶相位調制器的類型主要能夠分成兩大類，第一種為雙層型，第二種為剩餘相位型，本節將介紹這兩種類型的液晶相位調制器。

(18)

第一類：雙層型

(1) 雙層式液晶凝膠(doubel layered LC gels)[13]

Glass Substrate Glass Substrate

z

y

x

ITO layer Alignment layer LC director Polymer network Glass Substrate Glass Substrate

z

y

x

z

y

x

ITO layer Alignment layer LC director Polymer network 圖 2- 7 雙層式液晶凝膠結構示意圖雙層式液晶凝膠的結構如圖 2-7，需要用到兩個 PNLC 液晶盒(圖 2-5)，中間需要將玻璃拆開。它的優點是相位調制量>1π 且液晶反應時間快(~0.7ms)，缺點為聚合物濃度高所以操作電壓大(0~180Vrms)，並且製作不易。 (2) 雙層式液晶(double layered LC)[14] Glass Substrate Glass Substrate

z

y

x

ITO layer Alignment layer LC director Anisotropic polymer films Glass Substrate Glass Substrate

z

y

x

z

y

x

ITO layer Alignment layer LC director Anisotropic polymer films 圖 2- 8 雙層式液晶結構示意圖如圖2-8，雙層式液晶需要兩個水平液晶盒(圖 2-4)，先中間將玻璃拆開，再用兩片聚合物薄膜連接，做為液晶的配向，由於上下層是純液晶，所以相位調制量可達 8.1π，且操作電壓低(0~50Vrms)，但是反應時間慢(~300ms)、製作難度高。

(19)

第二類：剩餘相位型

聚合物穩固膽固醇液晶(polymer stabilized cholesteric texture, or PSCT)[15] LC director Glass Substrate Glass Substrate V

z

y

x

polymer network ITO layer LC director Glass Substrate Glass Substrate V

z

y

x

polymer network

ITO layer Glass Substrate

Glass Substrate V

z

y

x

z

y

x

polymer network ITO layer (a)PSCT 不施加電壓狀態 Glass Substrate Glass Substrate

z

y

x

ITO layer LC director polymer network V Glass Substrate Glass Substrate

z

y

x

z

y

x

ITO layer LC director polymer network V (b)PSCT 施加電壓狀態至穿透態圖2- 9 聚合物穩固膽固醇液晶結構示意圖 PSCT 如圖 2-9(a)所示，結構上為垂直方向鍵結的聚合物網絡，和散佈於之間的膽固醇液晶。加電壓下，如圖2-9(b)，液晶開始站直，此時一直增大電壓到液晶完全站直的電壓區間內，入射光為高穿透率且偏振無關相位調制。其相位調制量小(~0.025π)，且操作電壓高 (40Vrms~160Vrms)

(2) 聚合物分散式液晶(polymer dispersed liquid crystal, or PDLC)[16]

Glass Substrate Glass Substrate

z

y

x

LC droplet ITO layer Glass Substrate Glass Substrate Glass Substrate Glass Substrate

z

y

x

z

y

x

LC droplet ITO layer 圖2- 10 聚合物分散式液晶結構示意圖

(20)

PDLC 結構如圖 2-10 所示，當製作時聚合物濃度高，液晶會被聚合物包住形成一個個液晶球。此時在加電壓到入射光為高穿透態後，也就是液晶快站直與完全站直之間，入射光為偏振無關相位調制。在 PDLC 操作電壓 26Vrms與55Vrms之間，其相位調制量小(~0.05π)。 (3) 液晶凝膠(LC gels)[17] ITO layer LC director Glass Substrate Glass Substrate V

z

y

x

polymer network ITO layer LC director Glass Substrate Glass Substrate V

z

y

x

z

y

x

polymer network (a) LC gels 不施加電壓時，液晶為站直狀態 Glass Substrate Glass Substrate V z y x Glass Substrate Glass Substrate V Glass Substrate Glass Substrate V z y x z y x (b) LC gels 施加電壓後，液晶開始隨機向 x-y 面倒下圖2- 11 液晶凝膠示意圖液晶凝膠如圖2-11(a)所示，在不加電壓時，結構上為垂直方向鍵結的聚合物網絡與站直的液晶，入射光為高穿透。加電壓下，如圖2-11 (b)，由於液晶為負型液晶，會開始向 x-y 平面隨機倒下，若持續增加電壓到在入射光仍然維持高穿透率的這段電壓區間，屬於偏振無關相位調制。其相位調制量小(~0.008π)，且操作電壓高(130Vrms~180Vrms)

(21)

2.4 研究動機

偏振無關液晶相位

調制器

雙層型液晶相

位調制器

剩餘型相位型液

晶相位調制器

混合型?

偏振無關液晶相位

調制器

雙層型液晶相

位調制器

剩餘型相位型液

晶相位調制器

圖2- 12 偏振無關液晶相位調制的種類目前偏振無關液晶相位調制器可分為兩類，不外乎雙層型或剩餘相位型，雙層型雖然相位調制量大，但是需要花上兩個液晶盒，製作也不容易，而剩餘相位型雖然製作起來相對雙層型還要簡單，但是有相位調制量小、以及需要一個額外偏壓讓光為穿透態的缺點，所以我們想知道是否能夠做出第三類目前沒有人做過，也就是結合了雙層型與剩餘相位型的混合型液晶相位調制器，希望能夠同時具有雙層型的大相位調制、不須額外偏壓，以及剩餘相位型製作起來較為容易的優點。

混合型?

(22)

第

3 章操作原理和理論

3.1 T-PNLC 操作原理

T-PNLC 機制結合兩種偏振無關液晶相位調制器，圖 3-1(a)為不施加電壓時T-PNLC 的結構，靠近上下基板(厚度 d1)的液晶分子相互垂直，為雙層型偏振無關相位調制，中間遠離基板的液晶分子 d2 具有相同的傾角，隨機地分佈於聚合網絡，為剩餘相位型偏振無關相位調制。當施加一個小電壓 V1於液晶盒上，如圖 3-1(b)，液晶分子朝電場方向站直，此時光進入中間層，由於入射光感受到液晶分子的折射率，與聚合物網絡的折射率接近，所以入射光為無散射(scattering-free) 的高穿透態，此時若再施加更大的電壓 V2，上下雙層型與中間剩餘相位型的液晶分子會站的更直，如圖 3-1(c)所示，在電壓介於 V1 與 V2之間為高穿透且為偏振無關的純相位調制。 V Glass Substrate Glass Substrate ITO layer Alignment layer d₁ d₁ d₂ V Glass Substrate Glass Substrate V Glass Substrate Glass Substrate Glass Substrate Glass Substrate ITO layer Alignment layer d₁ d₁ d₂ Glass Substrate Glass Substrate V₁ Glass Substrate Glass Substrate V₁ V₁ (a) T-PNLC 不加電壓時的狀態 (b) 施加電壓至穿透態 Glass Substrate Glass Substrate V₂ Glass Substrate Glass Substrate V₂ (c) 施加高電壓於 T-PNLC，液晶完全站直圖 3- 1 T-PNLC 的操作機制

(23)

3.2 理論探討

3.2.1 雙層型效應

在第二章中，我們介紹過雙層型液晶相位調制器可以分成 LC gels

與double-layered LC(圖 2-7 與圖 2-8)，本節我們要說明為何雙層型液

晶相位調製器是偏振無關相位調制。

ITO layer

Glass

Alignment layer

LC

x

z

y

d

ITO layer

Glass

Alignment layer

LC

x

z

y

x

z

y

d

圖 3- 2 雙層型結構示意圖雙層構造液晶相位調制器可簡化成兩個互相垂直的水平配向液晶盒，如圖3-2 所示，在不加電壓時上下層互為液晶分子排列方向垂直的兩組液晶盒，當一非偏振光正向入射雙層型液晶相位調制器，入射光的電場可表示成 0 0 ( , , 0)_input [ ( , ) (_j _x( , )) _y( , ) ) ]_j j E r t V a r t A r t x A r t y → = =

∑

⋅ ⋅ + ⋅ r r r ∧ r ∧ (3.1) 為任意偏振光的線性組合，當光進入到液晶層，每一個偏振光可再分解成兩個 eigen-mode 的線性組合( x 方向偏振及 y 方向偏振)，其中 A0x與A0y為複數，為位置r 與時間 t 的函數，滿足 A0x2+A0y2 =1， 0 0 (A_x( , ))r t x A _y( , ) )r t y _j ∧ ∧ ⋅ + ⋅ r r 物理上代表一個線偏振光的方向，而為線偏振光的振幅大小。不施加電壓下，光經過雙層構造液晶相位調制器後，若不考慮液晶之預傾角，沿x 軸之偏振光與沿 y 軸之偏振光增加的相位同樣是 ( , ) j a r tr

(24)

( 0) ( 0) y ( ) x i V i V ik n n d eϕ = =eϕ = =e e+ o r (3.3) 其中_{k=2π/λ 為真空中的波向量(wave vector)，ne 與 no 為 extraordinary} wave(e-wave)與 ordinary wave (o-wave)的折射係數，加電壓後，由於

液晶指向矢隨外加電場轉動，x 分量與 y 分量的相位調制同樣為 o d (3.4) (光進入液晶盒看到的等效折射係數 neff隨液晶分子向 z 軸倒的角度 θ 做變化) 所以通過液晶盒後的電場可表示成 r (3.5) 由(3.5)式與(3.1)式比較，我們可以看出，不同電壓下光通過雙層型液晶相位調制器的偏振方向不變，因此雙層型相位調制之相位移與光的偏振方向無關。當加高電壓時(V>>Vth)，液晶指向矢沿著電場方向轉動至幾乎站直狀態，所以相位調制同樣為 ) (3.6) 從(3.6)式與(3.2)式，我們得知施加高電壓下光所增加的相位，與不施加電壓下光所增加的相位，之間有一個相位移的差別： (3.2) 因此光經過雙層構造液晶相位調制器之後，電場可表示成 ( ) 0 0 ( , , 0) ik ne no d [ ( , ) ( ( , )) ( , ) ) ] output j x y j j E r t V e a r t A r t x A r t y → ∧ ∧ + = = ⋅

∑

⋅ ⋅ + ⋅ r r r ( ( ) ) y eff x i ik n n i

e

ϕ

=

e

ϕ

=

e

θ + ( ( ) ) 0 0 ( , , ) ik neff no d [ ( , ) ( ( , )) ( , ) ) ] th output j x y j j E r t V V e θ a r t A r t x A r t y → ₊ ∧ ∧ >> = ⋅

∑

⋅ ⋅ + ⋅ r r r ( ) ( ) y th ( x th i V V o o i V V ik n n d

e

ϕ >>

=

e

ϕ >>

=

e

+ 2 ( ) (0 ) ( ) e o rms th d n n V V V π ϕ ϕ ϕ λ − Δ = − >> = (3.7) 因此藉著電控雙層型液晶相位調制器，可以達到調制光相位之目的，並且不改變光的偏振態。

(25)

3.2.2 剩餘相位型效應 在第二章中，我們介紹過剩餘相位型液晶相位調制器主要可以分成 PSLC、PDLC、nano-PDLC 與 LC gels(圖 2-9~圖 2-11)，本節我們要說明為何剩餘相位型是偏振無關相位調制。 x Glass Substrate Glass Substrate Incident light z y LC director d x Glass Substrate Glass Substrate Incident light z y LC director d (a) 剩餘型液晶結構示意圖 x y x y x y x y x y x y x y (b) 不加電壓 (c) 加一小電壓 (d) 加高電壓圖3- 3 剩餘相位型液晶相位調制器操作原理剩餘相位型可以用圖3-3(a)來示意液晶分子的散佈方式，不加電壓時，液晶盒內所有液晶分子有一個相同傾角，但液晶指向矢如圖3-3(a) 像圓錐軌跡般地隨機分布，從液晶盒上方看下去，液晶分子投影在 x-y 平面上的軌跡如圖 3-3(b)，一道非偏振光入射液晶盒(電場可用(3.1) 式表示)，看到液晶分子的折射率可看成一個平均折射率。而平均折射率具有下式的關係 ( ) 2 eff o ave n n n = θ + (3.8) ((3.8)式中 neff(θ)與液晶分子的預傾角有關)

(26)

因此非偏振光通過液晶盒後，電場可表示成 0 0 ( , , 0) [ ( , ) ( ( , ) ( , ) ) ] ( , , 0) ave ave ik n d output j x y j j ik n d input E r t V e a r t A r t x A r t y e E r t V → ∧ ∧ ⋅ ⋅ → ⋅ ⋅ = = ⋅ ⋅ ⋅ + ⋅ = ⋅ =

∑

r r r r r r (3.9) 當加一個小電壓時，如圖3-3(c)，各種方向的液晶分子朝電場方向站直，所以各種方向的偏振光看到的折射率為相同的一個平均折射率 nave2，因此一道偏振光通過液晶盒後偏振態能保持不變，單純只有光的相位變化。若施加更高電壓，液晶分子將完全站直玻璃基板，如圖 3-3(d)，此時各偏振光入射液晶盒看到的等效折射率為 no，因此光通過液晶盒後，電場改變為 0 0 ( , , ) [ ( , ) ( ( , ) ( , ) ) ] ( , , =0) o ave ik n d th output j x y j j ik n d input E r t V V e a r t A r t x A r t y e E r t V → ∧ ∧ ⋅ ⋅ → ⋅ ⋅ >> = ⋅ ⋅ ⋅ + ⋅ = ⋅

∑

r r r r (3.10) 比較(3.9)式與(3.10)式，液晶盒在不加電壓與加高電壓之間，輸出光的偏振態不變，且具有一個相位移的變化 2 ( (0 ) ( ) ave o rms th d n n V V V π ) ϕ ϕ ϕ λ − Δ = − >> = (3.11) 實驗上，要達成剩餘相位型的結構，需要加入高分子聚合物，因此需要一個額外偏壓，使光進入液晶盒後看到聚合物與液晶分子之間的折射率匹配，光入射液晶盒才具有高穿透率的純相位調制，因此可調制的相位大小比雙層型相位調制小。

(27)

3.2.3 混合型液晶相位調制器 Incident light V=0 ITO PI ITO d₁ d₂ d₃ Glass Substrate Glass Substrate

z

y

x

Incident light V=0 ITO PI ITO d₁ d₂ d₃ Glass Substrate Glass Substrate Incident light V=0 ITO PI ITO d₁ d₂ d₃ Glass Substrate Glass Substrate Glass Substrate Glass Substrate

z

y

x

z

y

x

圖3- 4 T-PNLC 結構示意圖型本論文研究的T-PNLC 相位調制，結合了雙層型與剩餘相位型，不加電壓於液晶盒時，結構如圖3-4 所示，當非偏振光(電場可表示為(3.1) 式)入射 T-PNLC 液晶盒，並且經過液晶層 d1後，可以分成x、y 兩個方向偏振光的eigen-mode，由於 x 方向偏振的光看到的折射率是 ne， y 方向偏振的光看到的折射率是 no，電場可表示成 1 1( , , 0) [ ( , ) ( 0 ( , ) e 0 ( , ) ) ] ik n d ik n d d _j _x _y j E r t V a r t A r t e x A r t e y → ∧ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ = =

∑

⋅ ⋅ ⋅ + ⋅ ⋅ r r r r _o ₁ j ∧ (3.13) 最後光通過d3液晶層而輸出液晶盒，其電場形式為 1 3 (3.12) 之後光再通過 d2 液晶層，由於此層為剩餘相位型相位調制，所以可由(3.10)式可推得 2 2( , , 0) ( , , =0) ₁ ave ik n d d _d E r t V e E r t V → → ⋅ ⋅ = = ⋅ r r 2 ( 1 3) ( ) 0 0 ( , , 0) ik naved [ ( , ) ( ( , ) ik n de n do ( , ) ik n do n de ) ] output _j _x _y j j E r t V e a r t A r t e x A r t e y → ∧ ∧ ⋅ ⋅ + + = = ⋅

∑

⋅ ⋅ ⋅ + ⋅ ⋅ r r r r _(3.14) (3.14)式中，若 d3=d1，我們可以把輸出光的電場形式簡化成一個簡單的式子 2 1 2 1 ( ( ) ) 0 0 ( ( ) ) ( , , 0) [ ( , ) ( ( , ) ( , ) ) ] ( , , 0) ave e o ave e o ik n d n n d output _j _x _y j ik n d n n d input j E r t V e a r t A r t x A r t y e E r t V → ∧ ∧ + + → + + = = ⋅ ⋅ ⋅ + ⋅ = ⋅ =

∑

r r r r r (3.15)

(28)

加高電壓後，液晶盒內所有的液晶分子完全站直，所以入射光看到液晶的折射率為no，因此輸出光的電場為 2 1 2 1 ( ( ) ) 0 0 ( 2 ) ( , , ) [ ( , ) ( ( , ) ( , ) ) ] ( , , 0) o o o o o ik n d n n d output _th _j _x _y _j j ik n d n d input E r t V V e a r t A r t x A r t y e E r t V → ∧ ∧ + + → + >> = ⋅ ⋅ ⋅ + ⋅ = ⋅ =

∑

r (3.16) 比較(3.15)式與(3.16)式，液晶盒在不加電壓與加高電壓之間，輸出光的偏振態不變，且有一個相位移變化 1 2 2 (( ) ( ) ) (0 ) ( ) e o ave o rms th n n d n n d V V V π ϕ ϕ ϕ λ − + − Δ = − >> = (3.17)

(29)

第

4 章實驗方法與量測

4.1 液晶盒樣品製作

本論文使用的空液晶盒是由美相及日本 EHC 生產製造，然後灌入在實驗室調配好的液晶混合物(不加 chiral dopant)。液晶空盒是由兩片 ITO 導電玻璃基板組成，玻璃基板上鍍有水平配向層，且上下配向層摩擦(rubbing)方向為互相垂直，形成 90 度扭轉式向列型液晶盒，簡稱TN cell。實驗中，我們主要用美相液晶盒，其厚度為 7μm(光譜儀量測空液晶盒為5.63μm)，另外我們也用 EHC 液晶盒來討論不同液晶盒厚度的影響，分別有 5μm、7μm 和 15μm(光譜儀量測空液晶盒依序為 5.04μm、6.62μm、14.2μm)。T-PNLC 的材料是由正型液晶、聚合物單體 M1(bisphenol-A-dimethacrylate)、感光起始劑(photo-initiator) 以比例混合而成。本論文使用的正型液晶(Δε>0)為 E7，其各項參數如下： Clearing Point Δn 589.3nm ┼20°C 0.2255 ne 589.3nm ┼20°C 1.7472 no 589.3nm ┼20°C 1.5217 Δε 1.0 kHz ┼20°C 14.1 ε║ 1.0 kHz ┼20°C 19.3 ε_┴ 1.0 kHz ┼20°C 5.2

Rotational Visosity ｒ1 ┼20°C 232.6 mPas

K1 ┼20°C 11.1pN K2 ┼20°C 10pN K3 ┼20°C 17.1pN K3/K1 ┼20°C 1.54 Elastic Constants Dielectric Anisotropy Optical Anisotropy E7 Physical Properties 58°C 表4- 1 液晶 E7 之參數表

(30)

T-PNLC 的製作流程： 1) 先把電線焊在空液晶盒(TN cell)的 ITO 上，因為之後在做光聚合的步驟時，T-PNLC 樣品要同時施加一個電壓。 2) 將待灌入 T-PNLC 的液晶混合物(液晶 E7:單體 M1:感光起始劑的比例為 94%:5%:1%)與焊好電線的空液晶盒放置在加熱平台上，預熱至溫度為 40℃。 3) 將液晶混合物灌入液晶盒中，因為液晶盒是右旋 90 度 TN 型，此時灌入液晶盒的液晶分子會呈現 90 度扭轉，且單體會循著液晶指向矢的方向轉，結構如圖 4-1(a)所示。 4) 將灌好液晶混合物的液晶盒降溫至光聚合時的溫度(如：25℃)，並施加電壓在液晶盒上，液晶分子因電場垂直於玻璃基板，而單體循著液晶指向矢的方向分佈，如圖 4-1(b) 5) 以紫外光(波長 365nm, 1.27mW/cm2)照射液晶盒 40 分鐘，液晶混合物因相分離作用 (phase separation) 形成聚合物網絡 (polymer-network)，如圖 4-1(c) 6) 關掉紫外光及電壓，放置到穩定，因為選用的液晶盒為 TN 型，上下層靠近基板的液晶分子因配向膜的水平配向，會被限制形成一個偏振無關的雙層型液晶相位調制(double-layerd type)，而中間層遠離基板區域的液晶分子，會隨機地倒下分佈於聚合物網絡，形成一個偏振無關的剩餘相位型(residual phase type)液晶相位調制，因

此結合了兩種類型的相位調制，最後 T-PNLC 樣品的結構如圖

(31)

Hot stage (40℃) V=0 PI ITO M1 LC Glass Substrate Glass Substrate Hot stage (40℃) V=0 PI ITO M1 LC Glass Substrate Glass Substrate (a)將材料灌入 TN 型液晶盒 Hot stage (25℃) Glass Substrate Glass Substrate V Hot stage (25℃) Glass Substrate Glass Substrate V

UV

Hot stage (25℃) Glass Substrate Glass Substrate V

UV

Hot stage (25℃) Glass Substrate Glass Substrate V Glass Substrate Glass Substrate V (b)降溫後施加電壓於液晶盒 (c)以紫外光照射液晶盒 Room temperature

V

Glass Substrate

PI ITO ITOPI Room temperature

V

Glass Substrate

PI ITO ITOPI (d)關掉紫外光、電壓與加熱台後放置到穩定圖4- 1 T-PNLC 樣品製作流程

(32)

4.2 量測架構

儀器名稱型號

非偏振光雷射(Unpolarizer He-Ne laser) λ=543.5nm

非偏振光雷射(Unpolarizer He-Ne laser) λ=632.8nm

衰減片(Attenuator) Newport/FBS-ND05, FBS-ND10

偏振片(Polarizer) 光儀(M.G.)

光偵測器(Detector) New Focus: Mode2031

放大器 (Amplifier) FLC A400D

示波器 (Oscilloscope) Tektronix： TDS3032

LabVIEW 系統 National Instrument

分光鏡(BS) 光儀(M.G.) λ=632.8nm 反射鏡(Mirror) Newport/10D10ER.2 透鏡(Lens) DV相機(Camera) Sony,DCR-HC40 MELLES GRIOT：05-LGR-173 JDSC：1122 表 4- 2 儀器列表

(33)

Laser Polarizer LC cell Attenuator Detector Oscilloscope Amplifier He-Ne Laser,543nm Laser Polarizer LC cell Attenuator Detector Oscilloscope Amplifier He-Ne Laser,543nm 圖 4- 2 量測裝置(穿透率對電壓關係) 圖4-2 為量測液晶盒穿透率對電壓關係的實驗裝置，入射光源是非偏振氦氖雷射(波長=543.5nm)，經過衰減片(Attenuator)將光強度衰減後，正向入射通過液晶盒，最後用光偵測器(detector)接收光強度的訊號。整套系統由LabVIEW 自動化控制，透過資料擷取卡(DAQ)提供輸入電訊號給20 倍的電壓放大器，將電壓增益再施加於液晶盒。同時，光偵測器接受的訊號也透過資料擷取卡傳回電腦裡。為了量測 T-PNLC 穿透率對電壓的偏振相關性，額外還會加上一片偏振片(圖 4-2 虛線框框)使入射光為偏振光。另一方面，由於穿透式加電壓後液晶盒的穿透率變化小，反應時間不易量測，因此我們用反射式來取代穿透式量測，如圖4-3 (入射角為 20 度，這邊用 Stop 代表遠處的牆壁)。 Amplifier LabVIEW DAQ Laser LC cell Detector Stop He-Ne Laser,543nm Amplifier LabVIEW DAQ Laser LC cell Detector Stop He-Ne Laser,543nm 圖 4- 3 量測裝置(反應時間量測)

(34)

Laser Polarizer Amplifier BS BS LC cell Mirror Mirror Lens Len s Camera LabVIEW DAQ He-Ne Laser,632.8nm Laser Polarizer Amplifier BS BS LC cell Mirror Mirror Lens Len s Camera LabVIEW DAQ He-Ne Laser,632.8nm 圖4- 4 量測裝置(相位移量測) (a)不加電壓於 T-PNLC 之干涉條紋 (b)加電壓 30Vrms於 T-PNLC，干涉條紋向右圖4- 5 麥克詹達干涉儀量測 T-PNLC 觀察到的干涉條紋實驗架構(圖 4-4)用的是麥克詹達干涉儀(Mach-Zehnder)：首先紅光氦氖雷射光(波長=633nm)經過偏光片後，分光鏡將光分成兩道，一道通過液晶盒，另一道單純在空氣中傳播，再用反射鏡與分光鏡將兩道光作干涉，然後透鏡將干涉條紋放大在屏幕上。當施加電壓在液晶盒時，液晶分子會因電場而轉動，由於光經過液晶盒所看到的等效折射率 neff(θ)會隨著液晶轉的角度而變，所以液晶調制的光相位大小產生變化，其中的相位差造成干涉條紋移動。實驗中，我們以數位相機

(35)

(Sony, DCR-HC40)拍攝干涉條紋後(如圖 4-5(a)、(b))所示，用電腦 (Matlab)處理相片，取照片中間部分的光強度分佈圖，將曲線中高頻的雜訊濾除，得到較平滑的曲線，最後計算曲線的偏移而得到相位移的變化。

(36)

第

5 章實驗結果

5.1 光聚合時外加電壓之效應

我們先觀察不同的光聚合時電壓(Curing Voltage)製作之 T-PNLC，在燈箱與偏光顯微鏡下之形態，因為對於一個偏振無關液晶相位調制器(雙層型或剩餘相位型)，如圖 5-1(a)與圖 5-1(b)所示，偏振光經過液晶盒後，偏振態不會改變，只有純相位調制，所以光無法穿過第二片偏振片而呈現暗態，我們要將T-PNLC 操作在偏振無關相位調制的電壓範圍，需要確認將樣品夾在互相垂直偏振的偏振片下為暗態。 Glass Subsrate Analyzer Transmittance=0 V>Vth Glass Subsrate Polarizer Glass Subsrate Analyzer Transmittance=0 V>Vth Glass Subsrate Polarizer Analyzer Transmittance=0 V>Vs Glass Subsrate Glass Subsrate Polarizer Analyzer Transmittance=0 V>Vs Glass Subsrate Glass Subsrate Polarizer

(a)雙層型在 cross polarizer 下觀察(b)剩餘型在 cross polarizer 下觀察

圖5- 1 偏振無關液晶相位調制器於 cross polarizer 下觀察時為暗態

我們先製作光聚合電壓為0Vrms、2Vrms、與4Vrms條件之 T-PNLC。

材料配比為E7: M1: IRG = 94wt%: 5wt%: 1wt%，液晶盒厚度 7μm，

(37)

以下是在燈箱與顯微鏡所觀察到的照片：

1)燈箱下用樣品夾在兩片互相垂直的偏振片觀察的照片：

Polarizer

Analyzer

before curing after curing

0V

Polarizer

Analyzer

Polarizer

Analyzer

0V

0V after curing 0V (a)光聚合前不施加電壓 (b)光聚合完穩定之照片 before curing 2V after curing 0V

Polarizer

Analyzer

before curing 2V after curing 0V before curing 2V before curing 2V after curing 0V after curing 0V

Polarizer

Analyzer

Polarizer

Analyzer

(c)光聚合前施加電壓 2Vrms (d)光聚合完穩定之照片 before curing 4V Curing 後穩定Ｖ_Curing=2.2V 0V after curing

Polarizer

Analyzer

before curing 4V Curing 後穩定Ｖ_Curing=2.2V 0V after curing before curing 4V before curing 4V Curing 後穩定Ｖ_Curing=2.2V 0V after curing Curing 後穩定Ｖ_Curing=2.2V 0V after curing

Polarizer

Analyzer

Polarizer

Analyzer

(e)光聚合前施加電壓 4Vrms (f)光聚合完穩定之照片圖5- 2 光聚合前與光聚合後 T-PNLC 之燈箱照片不同光聚合電壓下，T-PNLC 在光聚合前與光聚合穩定後的燈箱照 (cross polarizer)如圖 5-2(a)~(f)，我們觀察到在光聚合電壓為 0Vrms的 T-PNLC，製作完之後放在燈箱上觀察(圖 5-2(b))，在垂直偏光片下為

白色，有一般TN 正常白(Normally White)的特性。

當光聚合電壓增加至 2Vrms以上(圖 5-2(c)~圖 5-2(f))，不管在光聚合

(38)

色，代表光聚合前中間層的液晶分子已站直，所以光聚合後，聚合物網絡往垂直玻璃基板方向鍵結，不施加電壓後中間層的聚合物支條對液晶分子有一個垂直方向的拉拔作用，所以液晶分子具有一個大預傾角接近於站直狀態。 (2)顯微鏡觀察樣品之形態： Rot ate the Cel l (cros s polari ze r) 100μm 100μm 100μm 100μm 100μm 100μm _0V 0V 5V 5V 10V 10V Applied Voltage p a p a p a p a p a p a rubbing rubbing Rot ate the Cel l (cros s polari ze r) 100μm 100μm 100μm 100μm 100μm 100μm _0V 0V 5V 5V 10V 10V Applied Voltage p a p a p a p a p a p a rubbing rubbing 100μm 100μm 100μm 100μm 100μm 100μm _0V 0V 5V 5V 10V 10V Applied Voltage p a p a p a p a p a p a rubbing rubbing 圖 5- 3 顯微鏡下以 cross polarizer 觀察 T-PNLC 施加電壓與 cell 旋轉 45 度之型態圖 5-3 為光聚合電壓為 2Vrms時，偏光顯微鏡觀察樣品之型態，將樣品夾在兩片偏光片之間，不管是施加電壓或旋轉樣品，幾乎呈現暗態，代表光聚合電壓大於2Vrms後，中間的液晶分子幾乎已經站直。 (附錄 A 附上顯微鏡觀察其他光聚合電壓的 T-PNLC 之型態) 本章我們藉由量測T-PNLC 的電光特性、相位移大小與偏振相關性，來了解T-PNLC 是否可以看成雙層型加剩餘相位型的偏振無關相位調制器。

(39)

5.1.1 不同外加電壓光聚合之 T-PNLC 的電光效應 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 0 5 10 15 20 25 30 Voltage, Vrms Transmittance, a.u. 4V Curing(1) 4V Curing(2) 4V Curing(3) pure LC 圖5- 4 相同三片樣品之 T-PNLC 的穿透率對電壓關係首先我們先製作三片光聚合電壓為 4Vrms 之 T-PNLC，檢驗實驗的重複性，製作條件為：E7: M1: IRG = 94wt%: 5wt%: 1wt%，液晶盒厚度7μm，光聚合溫度：25oC，紫外光強度：1.27mW/cm2。利用圖4-2 的實驗架構，以非偏振光量測T-PNLC 的電光特性，結果如圖 5-4 所示，可以發現三條曲線相當一致，在操作電壓0Vrms與30Vrms之間，穿透光強度幾乎不變，我們另外灌入一片不加聚合物之純液晶，目的是為了排除加電壓後，液晶分子轉動產生介面反射及 Fabry-Perot 效應，造成穿透光強度變化。我們發現隨著電壓增加，4Vrms 的穿透光強度，皆比純液晶盒之最低穿透光強度還大，所以 4Vrms條件製作的 T-PNLC 屬於高穿透態。另外，我們用 SEM 去觀察 4Vrms製作之 T-PNLC，如圖 5-5(a)我們發現聚合物網絡的確出現垂直鍵結的形式，且domain 大小約 10μm，我們也觀察一顆聚合物球的大小，如圖 5-5(b)，其聚合物球(polymer grain)的直徑約 0.2μm，由於可見光的波長範圍遠小於 domain 的大小，又遠大於一顆聚合物的直徑，所以我們的T-PNLC 具有低散射優點。

(40)

10μm 10.41μm 10μm 10.41μm 0.199μm

1 μm

VCuring=4V VCuring=25℃ dcell=7μm 0.199μm 0.199μm

1 μm

VCuring=4V VCuring=25℃ dcell=7μm (a)domain 大小約 10μm (b)聚合物球(polymer grain)約 0.2μm

圖5- 5 由 SEM 觀察到光聚合電壓 4Vrms之 T-PNLC 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 0 5 10 15 20 25 30 Voltage, V_rms Transmi ttance, a.u. 0V 2V 2.5V 3V 3.5V 4V 5V 8V 10V pure LC Curing Curing Curing Curing Curing Curing Curing Curing Curing 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 0 5 10 15 20 25 30 Voltage, V_rms Transmi ttance, a.u. 0V 2V 2.5V 3V 3.5V 4V 5V 8V 10V pure LC Curing Curing Curing Curing Curing Curing Curing Curing Curing 圖5- 6 不同外加電壓光聚合之 T-PNLC 的穿透率對電壓關係接下來，我們改變不同光聚合時外加電壓，其中光聚合電壓為 0Vrms、2Vrms、2.5Vrms、3Vrms、3.5Vrms、4Vrms、5Vrms、8Vrms、10 Vrms 九種，以非偏振光(λ=543nm)量測，實驗結果如圖 5-6 所示。在光聚合電壓為0Vrms時，T-PNLC 在不加電壓下為一般的 TN 液晶盒，當施加電壓到10Vrms，光穿透強度較低，原因可能是液晶分子 no與聚合物網絡折射率np不同導致。光聚合電壓大於 2Vrms後，在操作電壓 0Vrms~30 Vrms之間，光穿透

(41)

強度皆比純液晶最低之光穿透強度大，因此光聚合電壓大於 2Vrms之 T-PNLC 為高穿透態，另外在附錄 A，我們附上量測到的光穿透強度之偏振相關性，由實驗結果顯示，當我們旋轉不同角度的偏振片或施加電壓來量測光穿透強度，T-PNLC 的光穿透強度皆為偏振無關。反應時間也是相位調制器的重要考量之一，不同光聚合電壓的反應時間如圖 5-7 所示，其中操作電壓的範圍同樣為 0Vrms~30Vrms。當光聚合電壓越高，聚合物網絡的鍵結方向越垂直於玻璃基板，聚合物支條對液晶分子產生較大的垂直方向拉力，所以液晶分子的上升時間有變快的趨勢。實驗結果顯示，光聚合電壓在 2Vrms條件下，上升時間約110ms，當光聚合電壓為等於 4Vrms，上升時間變快到約80ms，若光聚合電壓大於 4Vrms，聚合物網絡已幾乎完全垂直於玻璃方向鍵結，增加光聚合電壓對聚合物網絡不會有太大影響，所以大於 4Vrms 的製作條件下，反應時間沒有太大變化。 0 100 200 300 400 500 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Curing Voltage, Vrm s Ri s e t im e , μ s 0 5 10 15 20 25 F a ll tim e , m s Rise Fall 圖5- 7 不同外加電壓光聚合之 T-PNLC 的反應時間圖 5-7 中我們觀察到，光聚合電壓在 4Vrms 以上時，下降時間約 5ms，當降低光聚合電壓至 2.5Vrms，下降時間變快到 1.5ms，這是因為在光聚合電壓為 2.5Vrms 時，聚合物網絡開始具有橫向鍵結，使得不加電壓下，液晶分子除了本身的回復力矩還加上聚合物支條橫向的拉力，造成液晶倒下的速度更快一些，但若光聚合時電壓為 0Vrms，

(42)

則上升時間與下降時間將同時變慢，可能是光聚合時不加電壓下 T-PNLC 還是 TN 型液晶，所以液晶除了從站直狀態倒下後，還需要一個旋轉回 90 度 TN 的時間，造成下降時間較慢，且由於加電壓後液晶需要克服聚合物支條橫向的拉力，因此上升時間也變慢。 5.1.2 不同外加電壓光聚合之 T-PNLC 與相位調制大小的關係 5.1.1 節中，我們曾經用三片光聚合電壓為 4Vrms之 T-PNLC，檢驗電光特性之實驗重複性，在本小節，我們先檢驗相位移大小之實驗重複性。量測相位移的實驗裝置如圖 4-4(Mach-Zehnder)，實驗結果為圖 5-8 ，結果顯示，三片的量測結果相當一致。在操作電壓為 0Vrms~30Vrms的電壓下，約有0.16π 的相位移變化。 0.00 0.10 0.20 0.30 0.40 0 10 20 Voltage, Vrms Phas e, π 30 Curing 4V(1) Curing 4V(2) Curing 4V(3) 圖5- 8 相同三片光聚合電壓製作之 T-PNLC 的相位移對電壓關係

(43)

0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 0.40 0.45 0 10 20 Voltage, Vrm s P h ase, π 30 2V 2.5V 3V 3.5V 4V 5V 8V 10VCuring_Curing Curing Curing Curing Curing Curing Curing 0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 0.40 0.45 0 10 20 Voltage, Vrm s P h ase, π 30 2V 2.5V 3V 3.5V 4V 5V 8V 10VCuring_Curing Curing Curing Curing Curing Curing Curing 圖5- 9 不同外加電壓光聚合之 T-PNLC 與相位調制大小的關係在 5.1.1 節，我們討論不同光聚合電壓之 T-PNLC 的電光特性，發現光聚合電壓大於 2Vrms之 T-PNLC 為高穿透態，所以這邊進一步討論大於2Vrms之 T-PNLC 與相位移大小的關係，如圖 5-9。整體來說，光聚合電壓越高時，相位調制量越低，光聚合電壓2Vrms最大有0.37π 的相位調制，而 10Vrms時，相位調制量仍大於 0.05π，因為光聚合電壓越高，使聚合物網絡往垂直方向鍵結的越多，液晶站的越直，所以相位調制量低。另外，光聚合電壓在 2Vrms與 5Vrms之間，相位移皆大於 0.1π，跟一般剩餘型相位調制器比較，相位調制量只有在 0.01π 到0.1π 之間，因此 T-PNLC 還有額外的雙層型相位調制造成相位移超過0.1π。

(44)

5.1.3 不同外加電壓光聚合之 T-PNLC 與偏振相關性的關係 0.00 0.10 0.20 0.30 0.40 0.50 0.60 0 45 90 135

polarized angle, degree

P

h

ase

, π

2V 2.5V 3V 3.5V 4VCuringCuring 5VCuring 8V 10V

Curing Curing Curing Curing Curing 0.00 0.10 0.20 0.30 0.40 0.50 0.60 0 45 90 135

P

h

ase

, π

2V 2.5V 3V 3.5V 4VCuringCuring 5VCuring 8V 10V

Curing Curing Curing Curing Curing 0.00 0.10 0.20 0.30 0.40 0.50 0.60 0 45 90 13

P h as e, π 5 2V 2.5V 3V 3.5V 4V 5V 8V 10V Curing Curing Curing Curing Curing Curing Curing Curing 0.00 0.10 0.20 0.30 0.40 0.50 0.60 0 45 90 13

P h as e, π 5 2V 2.5V 3V 3.5V 4V 5V 8V 10V Curing Curing Curing Curing Curing Curing Curing Curing (a)操作在 10Vrms時之偏振相關性 (b)操作在 20Vrms時之偏振相關性 0.00 0.10 0.20 0.30 0.40 0.50 0.60 0 45 90 135

P h ase, π 2V 2.5V 3V 3.5V 4VCuring 5V 8V 10V Curing Curing Curing Curing Curing Curing Curing 0.00 0.10 0.20 0.30 0.40 0.50 0.60 0 45 90 135

P h ase, π 2V 2.5V 3V 3.5V 4VCuring 5V 8V 10V Curing Curing Curing Curing Curing Curing Curing (c)操作在 30Vrms時之偏振相關性圖 5- 10 不同外加電壓光聚合之 T-PNLC 的偏振相關性圖 5-10 為不同光聚合電壓時之 T-PNLC 與偏振相關性的關係，在光聚合電壓為 2Vrms條件下，偏振相關性較大，實驗中量得在操作電壓30V 時，偏光方向 θpo=45˚與 θpo=135˚有約 0.04π 的相位移。而光聚合時電壓為2.5Vrms與3Vrms之T-PNLC，不管操作電壓 10Vrms、20Vrms 或30Vrms偏振相關性皆較小，且相位移調制量大，比較適合做相位的調制，因為當光聚合電壓為 2.5Vrms或 3Vrms時，T-PNLC 開始接近上下層為雙層型相位調制，中間層為剩餘相位型調制，再增加光聚合電壓，偏振相關性沒有太大影響，反而將使雙層型相位調制的有效厚度減小，影響相位調制的大小。

(45)

5.2 光聚合時溫度之效應

5.2.1 不同溫度光聚合之 T-PNLC 的電光特性 本節中，我們實驗不同光聚合時溫度對T-PNLC 的電光特性及相位移之影響，將已灌好液晶混合物的樣品放置在已設定溫度之溫控台，照紫外光聚合 40 分鐘。製作條件： LC: M1: IRG = 94wt%: 5wt%:1wt%，光聚合時施加電壓為 2.5Vrms的1kHz 方波，光聚合溫度分別設定為15 °C 、25 °C、35 °C、45 °C，紫外光強度為 1.27 mW/cm2，液晶盒厚度是 7μm。圖 5-11 為不同光聚合時溫度之 T-PNLC 的光穿透強度對電壓關係圖。當光聚合溫度在15 °C ~35 °C 之間，光穿透強度高且施加電壓後強度幾乎維持不變，當光聚合時溫度增加至 45 °C，光穿透強度比純液晶低，具有強散射。圖 5-12(a)、圖 5-12(b)為光聚合溫度45 °C 的 SEM 圖，由圖中顯示，由於光聚合溫度太高，聚合物網絡之聚合物球(polymer grain)會結成一大塊，導致光聚合溫度45 °C 條件製作的 T-PNLC，其入射光具有強散射。 0 0.51 1.52 2.53 3.54 4.55 5.56 0 5 10 15 20 25 30 Voltage, Vrms Trans m ittance , a.u. 15℃ 25℃ 35℃ 45℃ pure E7 Curing Curing Curing Curing 0 0.51 1.52 2.53 3.54 4.55 5.56 0 5 10 15 20 25 30 Voltage, Vrms Trans m ittance , a.u. 15℃ 25℃ 35℃ 45℃ pure E7 Curing Curing Curing Curing 圖 5- 11 不同溫度光聚合之 T-PNLC 的電光特性

(46)

1μm

(a)聚合物網絡的垂直構造 (b)聚合物球結成一大塊圖5- 12 光聚合溫度 45℃條件製作之 T-PNLC 的 SEM 圖 0 100 200 300 400 15 25 35 Curing Temperature, ℃ R is e tim e , μ s 0 5 10 15 F a ll t im e , m s Rise Fall 圖5- 13 不同溫度光聚合之 T-PNLC 的反應時間圖 5-13 為不同光聚合溫度與反應時間的關係，由實驗結果得知，光聚合溫度為15℃時，上升時間約 120μs，下降時間約 1ms，當光聚合溫度增加到 35℃，反應時間有微幅變化，上升時間約 80μs，下降時間約5ms，由於在低溫製作下，聚合物網絡較密，提供的回復力越大，所以不加電壓時液晶的下降時間稍微快，加電壓時液晶分子反而要克服聚合網絡的拉力，所以上升時間稍微變慢。

(47)

5.2.2 不同溫度光聚合之 T-PNLC 與相位調制大小的關係 在 5.2.1 節，我們討論不同光聚合溫度之 T-PNLC 的電光特性，當光聚合溫度在15 °C ~35 °C 之 T-PNLC 為高穿透態，所以這邊進一步討論光聚合溫度小於 35 °C 之 T-PNLC 與相位移大小的關係，如圖 5-14，結果得知，在操作電壓 5Vrms~15 Vrms，光聚合溫度越高，在飽和電壓之前相位移的變化較大，也就是光聚合溫度 35 °C 在 10Vrms 已有0.23π 的相位移變化，而光聚合溫度 15 °C 在 15Vrms才超過 0.23π 的相位移變化，這是因為光聚合溫度越高，則聚合物網絡較疏，液晶受到的錨定能較小，造成液晶分子驅動而旋轉的角度較多，所以相位移變化較大。在 30Vrms的操作電壓下，光聚合溫度15 °C 、25C 、35 °C 的相位移變化為0.28π 到 0.3π 之間，變化非常的小，所以改變光聚合溫度，同樣在30Vrms的操作電壓下，不同光聚合溫度對T-PNLC 的總相位移影響較小。 0 .0 0 0 .0 5 0 .1 0 0 .1 5 0 .2 0 0 .2 5 0 .3 0 0 .3 5 0 1 0 2 0 V o lta g e , Vrm s Phase, π 3 0 1 5 ℃ 2 5 ℃ 3 5 ℃ 圖5- 14 不同溫度光聚合之 T-PNLC 與相位調制大小的關係

(48)

5.2.3 不同溫度光聚合之 T-PNLC 與偏振相關性的關係 0.00 0.10 0.20 0.30 0.40 0 45 90 135 polarized angle, degree

Phas e, π 15℃ 25℃ 35℃ 0.00 0.10 0.20 0.30 0.40 0 45 90 135 polarized angle, degree

Ph ase, π 15℃ 25℃ 35℃ (a)操作在 10Vrms時之偏振相關性 (b)操作在 20Vrms時之偏振相關性 0.00 0.10 0.20 0.30 0.40 0 45 90 1 polarized angle, degree

Phase , π 35 15℃ 25℃ 35℃ (c)操作在 30Vrms時之偏振相關性圖5- 15 不同溫度光聚合之 T-PNLC 的偏振相關性圖 5-15 為不同光聚合溫度時之 T-PNLC 與偏振相關性的關係，實驗中量得在光聚合溫度為 15℃~35℃的 T-PNLC，不管操作電壓 10Vrms、20Vrms或30Vrms，皆有很低的偏振相關性。

(49)

5.3 改變液晶盒厚度之效應

5.3.1 不同液晶盒厚度之 T-PNLC 的電光特性 本節中，我們實驗不同液晶盒厚度對T-PNLC 的電光特性影響，將液晶混合物灌好不同液晶盒厚度的樣品放置在已設定溫度之溫控台 (選用的空液晶盒為 EHC 提供)，照紫外光聚合 40 分鐘。製作條件： LC: M1: IRG = 94wt%: 5wt%:1wt%，光聚合時施加電壓為 2.5Vrms的 1kHz 方波，液晶盒厚度分別為 5μm、7μm、15μm，紫外光強度為 1.27 mW/cm2。圖 5-16 為不同液晶盒厚度之 T-PNLC 的光穿透強度對電壓關係圖。液晶盒厚度5μm 與 7μm 的光穿透強度皆在純液晶盒的光穿透強度之間，因此為低散射之高穿透態，而液晶盒厚度增加會造成穿透光強度明顯下降，在液晶盒厚度15μm 時，由於散射程度強，所以 15μm 製作之 T-PNLC 必須要先加偏壓超過 30Vrms至穿透態，或製作時增加光聚合電壓，才能做為一個偏振無關液晶相位調制器。 0 1 2 3 4 5 0 5 10 15 20 25 30 Voltage, Vrms Transmittance, a.u. 5μm 7μm 15μm 5μm (pure LC) 7μm (pure LC) 15μm (pure LC) 圖 5- 16 不同液晶盒厚度之 T-PNLC 的電光特性

(50)

0 50 100 150 200 250 4 5 6 7 8 Cell gap, μm R ise t im e, μ s 0 1 2 3 4 F all t im e, m s Rise Fall 圖 5- 17 不同液晶盒厚度之 T-PNLC 的反應時間圖 5-17 為不同液晶盒厚度之 T-PNLC 的反應時間，我們發現在 5μm~7μm 之內反應時間變化不大，上升時間加下降時間皆在 2ms 左右。 5.3.2 不同液晶盒厚度之 T-PNLC 與相位調制大小的關係 0.00 0.10 0.20 0.30 0.40 0.50 0.60 0.70 0 10 20 Voltage, Vrms Pha se , π 30 5μm 7μm 圖 5- 18 不同液晶盒厚度之 T-PNLC 與相位調制大小的關係本節討論不同液晶盒厚度之 T-PNLC 與相位移大小的關係，如圖 5-18 所示，當液晶盒厚度增加，相位移變化會明顯增大，實驗結果顯示，操作電壓在30Vrms下，液晶盒厚度 5μm 有 0.25π 的相位移變化，將液晶盒改為7μm，為 5μm 的 1.4 倍厚，則相位移變化有 0.4π，增加了將近1.5 倍。因此，液晶盒厚度增大的確能增加 T-PNLC 的相位移調制量，但從 5.3.1 節中，我們也需要考慮到液晶盒厚度太厚會造成

(51)

5.3.3 不同液晶盒厚度之 T-PNLC 與偏振相關性的關係 圖 5-19(a)~(c)為不同液晶盒厚度之 T-PNLC 與偏振相關性的關係，實驗中量得增加液晶盒厚度，不管操作電壓為 10Vrms、20Vrms 或 30Vrms，偏振相關性皆很低。 0.00 0.10 0.20 0.30 0.40 0.50 0.60 0.70 0 45 90 135 0.00 0.10 0.20 0.30 0.40 0.50 0.60 0.70 0 45 90 1 polarized angle, degree

Ph

as

e,

π

Phas e, π 5μm 7μm 35 5μm 7μm (a)操作在 10Vrms時之偏振相關性 (b)操作在 20Vrms時之偏振相關性 0.00 0.10 0.20 0.30 0.40 0.50 0.60 0.70 0 45 90 1 polarized angle, degree

Phas e, π 35 5μm 7μm (c) 操作在 30Vrms時之偏振相關性圖5- 19 不同液晶盒厚度之 T-PNLC 的偏振相關性

5.4 斜向入射之相位移與偏振相關性

實際在用液晶相位調制器來做光的相位調制時，由於光在空氣中傳播時本身具有一個發散的角度，正向入射於液晶相位調制時發散的光線實屬斜向入射，因此斜向入射於偏振無關液晶相位調制器，其偏振

利用九十度扭轉式液晶聚合物網絡之偏振無關液晶相位調制器

國

立

交

通

大

學

光電工程研究所

碩

士

論

文

利用九十度扭轉式液晶聚合物網絡

之偏振無關液晶相位調制器

A Polarization-independent Liquid Crystal Phase Modulation

Using Polymer-Network Liquid Crystals in a 90 Degree Twisted

Cell

研 究 生：林威志

指導教授：林怡欣 助理教授

利用九十度扭轉式液晶聚合物網絡

之偏振無關液晶相位調制器

A Polarization-independent Liquid Crystal Phase Modulation Using

Polymer-Network Liquid Crystals in a 90 Degree Twisted Cell

利用九十度扭轉式液晶聚合物網絡

之偏振無關液晶相位調制器

研究生：林威志 指導教授：林怡欣 助理教授

國立交通大學光電工程學系暨研究所

摘 要

A Polarization-independent Liquid Crystal Phase

Modulation Using Polymer-Network Liquid

Crystals in a 90 Degree Twisted Cell

Abstract

致謝

目錄

圖目錄

第

2 章

第

3 章

第

4 章

第

5 章

第

6 章

表目錄

第

4 章

第

6 章

第

1 章 緒論

第

2 章 動機

2.1 液晶簡介

2.2 液晶相位調制器之簡介

LC

E

E

LC

E

E

z

y

x

z

y

x

z

y

x

z

y

x

z

y

x

z

y

x

研究生：林威志

指導教授：林怡欣助理教授

研究生：林威志指導教授：林怡欣助理教授

摘要

1 章緒論

2 章動機