高分子安定藍相液晶性質之研究

國立交通大學

電子物理系碩士班

碩士論文

高分子安定藍相液晶性質之研究

Study on Polymer-Stabilized Blue Phase Liquid Crystal

研究生：李家圻

指導教授：趙如蘋 教授

高分子安定藍相液晶性質之研究

Study on Polymer-Stabilized Blue Phase Liquid Crystal

研 究 生：李家圻 Student: Chia-Chi Lee

指導教授：趙如頻 博士 Advisor: Dr. Ru-Pin Pan

國立交通大學

電子物理系碩士班

碩士論文

A Thesis

Submitted to Department of Electrophysics

College of Science

National Chiao Tung University

in Partial Fulfillment of the Requirements

for the Degree of Master of Science in

Electrophysics July 2010

Hsinchu, Taiwan, Republic of China

高分子安定藍相液晶性質之研究

學生：李家圻 指導教授：趙如蘋 博士

國立交通大學電子物理系碩士班

摘要

液晶的藍相介於各向同性及膽固醇相之間，溫度範圍約 1-2℃，因 此應用上較為困難。藉由加入高分子單體並進行光聚合作用後，可以 藉由高分子聚合物穩定液晶的藍相結構，大幅的增加藍相的溫度範 圍，稱為高分子安定藍相液晶。 本實驗中成功的配置並觀察到藍相液晶，並利用加入高分子單 體，及使用氙燈或410nm 波段之 LED 燈進行光聚合作用後，成功的增 加了所配置的藍相液晶的溫度範圍。反應時間的測量上也成功的看到 次毫秒的反應時間，並且發現以LED 進行光聚合的樣品總反應時間會 小於使用氙燈進行光聚合的樣品。在偏光顯微鏡下進行外加電壓實驗 時，發現樣品在外加大電壓時有發生結構受到改變的狀況。

Study on Polymer-Stabilized Blue Phase

Liquid Crystal

Student: Chia-Chi Lee Advisor: Dr. Ru-Pin Pan

Department of Electrophysics

National Chiao Tung University

ABSTRACT

The Blue phase of liquid crystal is often observed in a very narrow temperature range (1~2℃) between cholesteric and isotropic phase. The temperature range can be expanded by polymerizing a mixture of monomer that could localized the at the disclination lines. This liquid crystal is called “polymer stabilized blue phase liquid crystal”.

In this work, the blue phase of liquid crystal has been mixed and observed. After the monomer is polymerized by Xenon arc lamp and 410nm LED, the temperature range of blue phase is successfully expanded. The response time of cell with blue phase liquid crystal is around sub-millisecond. The response time of polymer-stabilized blue phase liquid crystal which is polymerized by 410nm LED is shorter than by Xenon arc lamp. However, the structure of the blue phase observed by the cross polarizing microscope is changed when the strong voltage is applied.

致謝

兩年的碩士生活一轉眼就過去了，感謝趙如蘋老師對我在實驗方 面的諸多指導，對於實驗實事求是以及謹慎樂觀的態度，讓我受益良 多。 謝謝家任學長在實驗方法上給我的指導，並且對我多方照顧。謝 謝宗達學長給我實驗上的各種建議以及分析實驗的各種方法。謝謝孟 秋學姊及天昱學長及助理惟媜，和我分享了許多經驗。 謝謝韋達、正彬、呈暐學長，你們總是讓實驗室充滿了活力以及 歡樂的氣息，並且對我多方的照顧及幫忙；和韋達聊電腦相關問題和 相聲非常愉快；正彬人很好(遞出)，很幽默!謝謝小白熊常常帶給我好 笑的肥皂劇。 謝謝中平、志昌、啟元，討論每天中餐要吃什麼真是辛苦了！和 你們在討論實驗及程式軟體的使用方面都讓我受益良多！ 謝謝實驗室的學弟們，謝謝阿假(融 臻)幫忙我做了許多的實驗， 並在討論實驗方面讓我學到許多；耀德則是讓我見識到周邊視野的強 大，且凡事要自己來；國豪總是閃到讓大家眼睛都張不開來。 謝謝父母、親戚、爺爺，總是關心我並且給我許多人生上的建議 及經驗，讓我在家及嘉義時總是很輕鬆、愉快。

目錄

摘要...I ABSTRACT ... II 致謝...III 目錄...IV 圖目錄...V 表目錄... VII 第一章 緒論...1 1-1 前言 ...1

1-2 藍相液晶(Blue Phase Liquid Crystal)簡介 ...2

1-2-1 何謂藍相8,9...2

1-2-2 單螺旋及雙螺旋圓柱(Simple twist & Double twist Cylinder) ...3

1-2-3 藍相液晶結構...4 第二章 實驗原理及量測系統...5 2-1 高分子安定藍相液晶及克爾效應(Kerr effect) ...5 2-1-1 高分子安定藍相液晶的原理...5 2-1-2 高分子安定藍相液晶之克爾效應(Kerr effect)6,10...5 2-2 穿透光強度量測 ...6 2-2-1 量測原理 ...6 2-2-2 量測系統 ...9 2-3 反應時間量測系統及方法 ...9 2-4 偏光顯微鏡觀察及溫控系統 ...10 2-4-1 偏光顯微鏡觀察 ...10 2-4-2 偏光顯微鏡外加電壓測量穿透光強度之方法 ...11 2-4-3 溫控系統 ...11 第三章 實驗方法及量測系統...13 3-1 樣品製作及介紹 ...13 3-1-1 IPS(in-plane switching)樣品空盒介紹 ...13 3-1-2 IPS 樣品外加電場之克爾效應介紹 ...13 3-1-3 AP(anti-parallel)樣品空盒製作 ...14 3-1-4 混合液晶配製 ...16 3-1-5 製作液晶樣品 ...17 3-2 藍相液晶樣品製作結果 ...18 3-2-1 尋找藍相液晶 ...18 3-2-2 發現藍相(Blue Phase)液晶...20 3-3 照光系統及方法 ...21 3-3-1 氙燈照光系統 ...21

3-3-2 LED 燈照光系統 ...21 3-4 高分子安定藍相液晶樣品製作結果 ...22 3-4-1 加入單一高分子單體(RM-257)之樣品製作結果...22 3-4-2 加入高分子單體(RM-257+EHA)之樣品製作結果 ...23 3-4-3 高分子安定藍相液晶樣品之穿透光譜 ...24 第四章 實驗結果與分析...26 4-1 RM-257 作為 monomer 樣品之光電特性量測 ...26 4-1-1 氙燈照光樣品之光電特性量測結果 ...26 4-1-2 LED 照光樣品之光電特性量測結果 ...30 4-2 以 RM-257+EHA 作為 monomer 之樣品光電特性量測...31 4-2-1 氙燈照光樣品之光電特性量測結果 ...31 4-2-2 LED 燈照光樣品之光電特性量測結果 ...31 4-3 PSBP 樣品反應時間之綜合討論...32 第五章 結論與未來展望...35 參考資料...37

圖目錄

圖1-2-1 液晶之單螺旋排列(simple twist)示意圖 ...39 圖1-2-2 向列型液晶排列(Nematic)之示意圖 ...39 圖1-2-3 液晶之雙螺旋排列(Double twist)示意圖 ...39 圖1-2-4 雙螺旋圓柱示意圖 ...40

圖1-2-5 BPI&BPII 之結構(圓柱為雙螺旋圓柱,Double twist cylinder)與 ....40

向錯線(disclination line，細橢圓柱部分)...40 圖2-1-1 Blue Phase 在外加大電場後產生之誘發雙折射示意圖 ...41 圖2-2-1 座標系定義參考圖 ...41 圖2-2-2 外加電壓測量穿透光強度之裝置示意圖 ...41 圖2-3-1 反應時間量測系統示意圖 ...42 圖2-3-2 反應時間量測結果示意圖 ...42 圖2-4-1 偏光顯微鏡量測裝置示意圖，樣品沿 z 軸方向旋轉 ...43 圖2-4-2 Filter1 之穿透率光譜...43 圖2-4-3 Filter2 之穿透率光譜...44 圖2-4-4 PI 膜(聚醯亞胺薄膜，Polyimide Film)之穿透率光譜 ...44 圖2-4-5 溫控系統示意圖 ...45 圖3-1-1 IPS 樣品示意圖(無表面配向)...45 圖3-1-2 IPS 樣品內部之 PSBP-LC 外加電場後之光學橢球示意圖...46 圖3-1-3 IPS23 樣品外加電壓之偏光顯微鏡圖。...46 圖3-2-1 R-811 重量百分濃度與 Pitch 之關係 ...47

圖3-2-2 7CB 外加 R-811 之灌入 AP 樣品之降溫過程相變圖...49 圖3-2-3 7CB 外加 R-811 之灌入 AP 樣品之降溫過程相變圖 (局部放大) 50 圖3-2-4 7CB 外加 R-811 之灌入 AP 樣品之降溫過程相變圖 (局部放大) 51 圖3-2-5 IPS2 樣品降溫偏光顯微鏡圖...52 圖3-2-6 IPS3 樣品降溫偏光顯微鏡圖...53 圖3-2-7 IPS4 樣品降溫偏光顯微鏡圖...53 圖3-2-8 IPS6 樣品降溫偏光顯微鏡圖...54 圖3-2-9 IPS7 樣品降溫偏光顯微鏡圖...54 圖3-3-1 氙燈光譜圖 ...55 圖3-3-2 氙燈照光系統示意圖 ...55 圖3-3-4 樣品照光之溫度變化之測量方法 ...56 圖3-3-5 感測器 UVX-36 之光譜靈敏度 ...57 圖3-3-6 LED 照光系統示意圖...57 圖3-3-7 410nm LED 之光譜圖...58 圖3-4-1 IPS14 樣品降溫偏光顯微鏡圖...59 圖3-4-2 IPS15 樣品降溫偏光顯微鏡圖...59 圖3-4-3 IPS26 樣品降溫偏光顯微鏡圖...60 圖3-4-4 IPS25 樣品降溫偏光顯微鏡圖...60 圖3-4-5 IPS19 樣品降溫偏光顯微鏡圖...61 圖3-4-6 IPS23 樣品降溫偏光顯微鏡圖...61 圖3-4-7 液晶編號為 com11 之穿透光譜(無加入 EHA)...62 圖3-4-8 液晶編號為 com13 之穿透光譜(加入 EHA)...63 圖4-1-1 IPS15 樣品溫度在 23~24℃之 V-I 圖及偏光顯微鏡圖 ...64 圖4-1-2 IPS15 樣品溫度在 26~27℃之 V-I 圖及偏光顯微鏡圖 ...65 圖4-1-3 IPS15 樣品外加大電壓之偏光顯微鏡說明圖...66 圖4-1-4 IPS15 樣品之...67 (a) 控溫在 23.5℃下，1kHz 及 20kHz 之 V-I 圖 ...67 (b) (a)圖外加電壓時之樣品溫度變化曲線圖...67 (c) 控溫在 26.4℃下，1kHz 及 20kHz 之 V-I 圖 ...67 (d) (c)圖外加電壓時之樣品溫度變化曲線圖...67 (e) 控溫在 28℃下，1kHz 及 20kHz 之 V-I 圖 ...67 (f) (e)圖外加電壓時之樣品溫度變化曲線圖...67 圖4-1-5 控溫在 23.5℃，外加電壓頻率為 1kHz 方波時之 V-I 圖及偏光顯微 鏡圖...68 圖4-1-6 控溫在 23.5℃，外加電壓頻率為 20kHz 方波時之 V-I 圖及偏光顯 微鏡圖...69 圖4-1-7 控溫在 26.4℃，外加電壓頻率為 1kHz 方波時之 V-I 圖及偏光顯微 鏡圖...70

圖4-1-8 控溫在 26.4℃，外加電壓頻率為 20kHz 方波時之 V-I 圖及偏光顯 微鏡圖...71 圖4-1-9 控溫在 28℃，外加電壓頻率為 1kHz 方波時之 V-I 圖及偏光顯微鏡 圖...72 圖4-1-10 控溫在 28℃，外加電壓頻率為 20kHz 方波時之 V-I 圖及偏光顯微 鏡圖...73 圖4-1-11 IPS15 樣品外加電壓為 20kHz 之 V-T 圖...74 圖4-1-12 IPS15 樣品之反應時間測量...74 圖4-1-13 IPS26 樣品外加電壓為 20kHz 之 V-T 圖...75 圖4-1-14 IPS26 樣品之反應時間測量...75 圖4-2-1 IPS19 樣品外加電壓為 20kHz 之 V-T 圖...76 圖4-2-2 IPS19 樣品之反應時間測量...76 圖4-2-3 IPS23 樣品外加電壓為 20kHz 之 V-T 圖...77 圖4-3-1 IPS15、IPS26(RM-257)，IPS19、IPS23(RM-257+EHA)樣品之 Rise time ...78 圖4-3-2 IPS15、IPS26(RM-257)，IPS19、IPS23(RM-257+EHA)樣品之 Fall time ...78 圖4-3-3 IPS15、IPS26(RM-257)，IPS19、IPS23(RM-257+EHA)樣品之總反 應時間...79

表目錄

表3-1-1 樣品名稱與購買公司 ...16 表3-2-2 Blue Phase 樣品之混合液晶比例(wt%) ...20 表3-2-3 IPS6、IPS7 樣品之降溫速率表...20 表3-4-1 PSBP 樣品之混合液晶比例(wt%) ...22 表3-4-2 PSBP 樣品照光條件 ...22 表3-4-3 PSBP 樣品之混合液晶比例(wt%) ...23 表3-4-4 PSBP 樣品照光條件 ...23 表4-1-1 IPS15 樣品之反應時間測量...29 表4-1-2 IPS26 樣品之反應時間測量...30 表4-2-1 IPS19 樣品之反應時間測量...31 表4-2-2 IPS26 樣品之反應時間測量...32

表4-3-1 IPS15、IPS26、IPS19、IPS23 樣品之 Rise time ...33

表4-3-2 IPS15、IPS26、IPS19、IPS23 樣品之 Fall time...33

表4-3-3 IPS15、IPS26、IPS19、IPS23 樣品之總反應時間 ...33

第一章 緒論

1-1

前言

近年來液晶顯示器(liquid crystal display，LCD)蓬勃發展，已經 漸漸的取代的傳統的陰極射線管(cathode ray tube，CRT)顯示器，成

為市場上的主流。目前TFT-LCD(thin film transistor-base liquid crystal

display，薄膜電晶體液晶顯示器)已經廣泛的用在大型電視、桌上型 顯示器、筆記型電腦以及手機上。一般液晶顯示器發展的方向有對 比度(contrast ratio)的改善；可視角(viewing angle)的改良，即廣視角

技術(wide-view technologies)，如 in-plane switching (IPS)1、fringe-field

switching (FFS)2,3等等。最後為反應時間的縮短，目前的液晶顯示器

反應時間(Response time)約為毫秒(millisecond)等級，假如反應時間過 大則會產生影像殘留的問題。

高分子安定藍相液晶(polymer-stabilized blue phase liquid

crystal，PSBP-LC)在 2002 年由九州大學的菊池教授提出4，不同於

傳統的藍相(Blue Phase)液晶的極窄溫度範圍(約 1K)，利用高分子聚

合物穩定藍相液晶，使得藍相液晶的範圍大於60K，因此讓藍相液

晶成為了大家注目的焦點。PSBP-LC 的特點為不需要表面配向

高分子安定藍相液晶雖然有著如此多的優點，不過到目前為止卻 面臨到一個主要的問題：驅動電壓過大。因此如何降低趨動電壓為目 前的主要研究方向6,7。 本論文第一章後半先簡單的介紹 Blue Phase，第二章介紹高分子安 定藍相液晶的製作原理，受外加電場後之克爾效應(Kerr effect)，以及 實驗系統架設及實驗方法。第三章介紹樣品製作方法，以及藍相液晶 及高分子安定藍相液晶之製作結果。第四章為高分子安定藍相液晶之 V-I 曲線圖以及反應時間測量結果。第五章為結論以及未來發展。

1-2 藍相液晶(Blue Phase Liquid Crystal)簡介

1-2-1 何謂藍相

8,9

液晶(Liquid Crystal)中的藍相(Blue Phase)存在於自旋螺距(Pitch) 小於 1μm 的膽固醇相(Cholesteric Phase)或手性向列相(Chiral Nematic Phase)與各向同性相(Isotropic Phase)之間，且一般來說藍相液晶具有 以下特性：

1. 溫度範圍較窄(約 1K)。

2. 光學上各向同性(Optical isotropic)。

3. 隨著溫度增加分別具有 BPI(Blue Phase I)、BPII(Blue Phase II)、 BPIII(Blue Phase III)三種相。

4. BPI 為體心立方(Body-center cubic)對稱結構，BPII 為簡單立方 (Simple cubic)對稱結構，BPIII 為各向同性(Isotropic)對稱結構。

5. BPI 及 BPII 之單位晶格約為 200-300nm，並在紫外光及可見光 波段有布拉格繞射。

1-2-2 單螺旋及雙螺旋圓柱(Simple twist & Double

twist Cylinder)

前面提到了藍相介於手性向列相及各方同性相之間，接下來介 紹手性向列相的結構。如圖1-2-1，手性向列相之液晶分子呈現單螺 旋結構，這是在自然界中常見的分子排列方式。一般來說具有螺旋 結構的液晶態可能是由手性分子(Chiral molecular)或是在向列型液 晶(圖 1-2-2)中加入手性添加物(Chiral dopant)，使得棒狀的液晶分子 傾向延著單一長軸扭轉排列，而非向列型液晶的平行排列。這種情 形下，由單一長軸所構成的分子扭轉結構稱為單螺旋，棒狀的液晶 分子排列方向與螺旋軸垂直。 當膽固醇液晶之螺距小於 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的軸 都發生旋轉，此時之結構稱為雙螺旋，如圖1-2-3。 完整的雙螺旋結構只在結構的中心及其周圍存在，當分子遠離 中心時雙螺旋的效應會減弱。此結構在空間中能夠穩定存在的區域 即為雙螺旋圓柱(Double Twist Cylinder)，如圖 1-2-4。雙螺旋結構無

法在整個空間中無限延伸，如同前面所提，雙螺旋在遠離中心結構 時效應會減弱，因此雙螺旋圓柱有其邊界存在，分子超過其邊界時 則並非穩定排列。而這種雙螺旋圓柱即為藍相液晶構成的基本要件。

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1-2-5 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，由雙螺旋圓柱互相推疊而成，在空間中 的缺陷(disclination)是由液晶分子排列不完全而產生。藍相液晶的光 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。

第二章 實驗原理及量測系統

2-1 高分子安定藍相液晶及克爾效應(Kerr effect)

2-1-1 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)是一種增加藍相液晶溫度範圍的方式，於 2002 年由九州大學的菊池(Kikuchi)教授提出，並且成功的用這種方 式將藍相的溫度範圍由傳統的1K 增加到 60K。 Kikuchi 教授等人將微量的高分子單體加入液晶中，在液晶態為 藍相時照光讓高分子單體進行光聚合作用鍵結成為高分子聚合物， 他們認為照光後的高分子聚合物會延著藍相液晶內的缺陷 (disclination)進行鍵結，而達成固定藍相液晶結構之效果4。不過目 前尚未有實驗能證明這一點，且在SEM 下也無法明顯看出高分子聚 合物只在缺陷處進行鍵結11。

2-1-2 高分子安定藍相液晶之克爾效應(Kerr effect)

6,10 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 雙折性的物理機制被認為是外加電場造成雙螺旋圓柱內的液晶分子

重新改變排列方向的結果，但是詳細的物理機制目前尚為完全了解。 藍相液晶這種由各向同性轉變成為各向異性的特性可用克爾效 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；當施加一個很強的外加電場時，將會誘發雙折射的特性且折射 橢球(refractive ellipsoid)的光軸與電場向量 E 的方向一致，如圖 2-1-1。這種誘發雙折射(Δninduced)可以由以下公式來表示

(

)

2 s o induced 2 induced

E

E

n

KE

n

_⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛

Δ

=

=

Δ

λ

_(2-1-1)

其中λ為波長，K 為克爾常數(Kerr constant)，(Δninduced)o為最大之誘

發雙折射，當外加電場時，Δninduced之值會飽和到 (Δninduced)o。 為了避免高分子網狀聚合物(polymer network)被破壞，高分子安 定藍相液晶之外加電壓E 須小於(E<Es)。

2-2 穿透光強度量測

2-2-1 量測原理

下面會用到瓊斯矩陣(Jones matrix)表示光電場穿過液晶樣品時 的相位延遲。 先定義起偏器(Polarizer)的偏振方向為圖 2-2-1 中 x-y 座標系的 x 軸方向，液晶分子之光軸與起偏器夾了θ 角，所以我們在液晶光軸 的方向定義新的座標系x’-y’。

穿過起偏器的光電場偏振方向以瓊斯向量(Jones vector)表示為 xy y x p

E

E

E

E

_⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛

=

⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛

=

0

1

0 (2-2-1) 接著將電場之偏振方向由x-y 座標轉換到 x’-y’座標，並加入轉移矩 陣R：

⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛

−

=

θ

θ

θ

θ

cos

sin

sin

cos

R

(2-2-2)

⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛

⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛

−

=

=

0

1

cos

sin

sin

cos

0 '

θ

θ

θ

θ

E

RE

E

_{P p} (2-2-3) y' x' 0 ' p _-sin cos E E _⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ = ⇒

θ

θ

(2-2-4) 電場分量通過液晶分子後的相位延遲為：

(

n

_//

=

n

、

_e

n

⊥

=

n

₀

)

⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛

−

⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛

=

⇒

⊥

θ

θ

sin

cos

0

0

// 0 ' kd in kd in LC

e

e

E

E

(2-2-5)

⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛

−

=

⊥

θ

θ

sin

cos

// 0 in kd kd in

e

e

E

(2-2-6) 再將

E

_LC' 由 x’-y’座標系轉換回 x-y 座標系

⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛

−

⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛

−

=

=

⊥ −

θ

θ

θ

θ

θ

θ

sin

cos

cos

sin

sin

cos

// ' 1 kd in kd in LC LC

e

e

E

E

R

E

(2-2-7) xy kd in kd in 2 kd in 2 kd in 0 cos sin e -cos sin e sin e cos e E // // ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ + = ⊥ ⊥

θ

θ

θ

θ

θ

θ

(2-2-8) 接著通過檢偏器(analyzer，偏振方向與起偏器垂直)後的電場分量為 ⎟⎟ ⎞ ⎜⎜ ⎛ + ⎟⎟ ⎞ ⎜⎜ ⎛ = ⊥

θ

θ

θ

θ

θ

θ

e sin cos e 0 0 E E 2 kd in 2 kd in 0 A // (2-2-9)

xy kd

in kd

in

0 _{e sin cos -e sin cos}

0 E // ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ = _⊥

θ

θ

θ

θ

(2-2-10) 最後只剩Y 方向偏振的電場到達光檢器(Photo Detector)：

(

e sin cos -e sin cos

)

yˆ

E E in kd in kd 0 A //

θ

θ

⊥

θ

θ

= K (2-2-11) yˆ e -e cos sin e E 2kd n i -kd 2 n i kd n i 0 ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ =

θ

θ

Δ Δ (2-2-11) yˆ 2 nkd 2isin cos sin e E inkd 0 ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ Δ =

θ

θ

(2-2-12) yˆ 2 nkd isin sin2 e E inkd 0 ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ Δ × × =

θ

(2-2-13) 2 n n n = // + ⊥ ⊥

=

Δ

n

n

_//

-

n

因此光檢器所接收到的光強度為

( )

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛ Γ

=

=

2

sin

2

sin

I

E

I

2 2 0 2 A

θ

K

(2-2-14)

Γ(向位延遲)

nkd

n

2

d

λ

π

Δ

=

Δ

=

由於我們實驗中所使用的

PSBP

樣品，外加電壓後因為克爾效應所產

生的Δ

n

為電場誘發雙折射

(electric-field induced birefringence)

，表示

為

Δ

n

_induced

=

λ

KE

2，故光強度改為

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛ Δ

=

λ

π

θ

2 induced 2 0

n

d

)sin

(2

sin

I

I

(2-2-15)

若將液晶光軸方向與起偏器之夾角為

45

°，

sin(2θ)=1

，則可將

(2-2-15)

改為

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛ Δ

=

λ

π

_induced 2 0

n

d

sin

I

I

(2-2-16)

2-2-2 量測系統

量測穿透光強度的系統架設如圖

2-2-2

，兩片偏振片分別與水平 夾

+45

°以及-

45

°，將樣品外加電場的方向與水平面垂直，則

PSBP

樣品夾在垂直偏振片之間且

Δn

induced與偏振片夾

45

°角，則穿透光強 度即符合公式

(2-2-16)

。

2-3 反應時間量測系統及方法

我們量測反映時間的系統如圖

2-3-1

，基本架設如同加電壓測量 穿透光強度之系統，但在這個實驗中將光偵測器的訊號傳到示波器

(Oscilloscope)

，並同時將訊號產生器

(Function Generator)

的訊號也傳

送到示波器，之後將訊號由

GPIB

擷取至電腦。實驗中所使用的波形

為方波

(Square)

將數據分析後所得到的結果如圖

2-3-2

，將樣品外加電壓後穿透

光強度由

10%

上升至

90%

的時間定義為

Rise time

，關閉外加電壓後

樣品穿透光強度由

90%

下降至

10%

的時間定義為

Fall time

。總反應

2-4 偏光顯微鏡觀察及溫控系統

2-4-1 偏光顯微鏡觀察

1.

裝置示意圖如圖

2-4-1

。將製作完成的樣品放置於偏光顯微鏡下， 令偏光顯微鏡上下兩片偏振片互相垂直

(Cross polarizer)

，下方裝 濾光片

(Filter)

，此處使用

Filter1

，此濾波片之穿透率光譜如圖

2-4-2

；在量側偏光顯微鏡外加電壓穿透光強度時所使用的濾光片 為

Filter2

，其穿透光譜如圖

2-4-3

，。若是拍攝未照光樣品之偏 光顯微鏡照片時，會在

Filter1

上額外加一層隔絕

UV

光之

PI

膜

(

聚 醯亞胺薄膜，

Polyimide Film)

，以避免樣品因顯微鏡光源進行光 聚合反應，

PI

膜之穿透率光譜如圖

2-4-4

。

2.

樣品沿著

z

軸方向旋轉，

θ

為

IPS

樣品之外加電場方向與下方偏 振片偏振方向之夾角。

3.

利用

CCD

及影像擷取卡記錄下影像。

4.

偏光顯微鏡中可更動的參數中最主要的為

CCD

之曝光時間，由

於

Blue Phase

為光學上各向同性

(optically isotropic)

，在上下偏振

片互相垂直的形況下，較

Chiral nematic & Nematic & Sematic

態

難以觀察

(

曝光時間

1

秒

)

，因此觀測

Blue Phase

時需要加長曝光

時間

(

曝光時間

6

秒

)

。

2-4-2 偏光顯微鏡外加電壓測量穿透光強度之方法

1.

實驗裝置基本上同圖

2-4-1

，但是將下方的

Filter

改為使用

Filter2

，

Filter2

之透率光譜如圖

2-4-3

。令

θ=45°

，此時外加電壓 後樣品的穿透光強度即符合

(2-2-16)

式。

2.

將樣品外加電壓後的照片以

CCD

紀錄下來。

3.

將照片轉為灰階。

4.

記算照片之平均亮度後紀錄，即可得到

I

。

5.

畫出

V-I

曲線圖。 本實驗可以在外加電壓測量穿透光強度的同時紀錄溫度，並可以得 到樣品在偏光顯微鏡之照片。

2-4-3 溫控系統

我們在拍攝偏光顯微鏡照片時所使用的溫控系統如圖

2-4-5

，由

MK1(Instec, Temperature control, MK1 Version 2.52)

控制加熱平台

(Hot Plate)

內之目標溫度；

MK1

會自動測量溫度，假如目前的溫度小

於目標溫度，則將加熱平台加熱，但是

MK1

只有升溫的功能，因此

我們外加了

TEC

冷卻水循環系統，讓溫控系統增加降溫的功能。

TEC

冷卻水循環系統由幫浦

(Pump)

和

3

組的

TE cooler(TEC)

組

水循環系統內灌入去離子水

(Deionized Water, DI water)

，並由幫 浦讓系統內之去離子水得以循環。

TEC

外加電壓之後會形成冷端以 及熱端，將冷端那一面與水冷頭

(Water Blocks)

相接，如此一來循環 水通過水冷頭時即可降溫；而熱端那一面貼上外加散熱片

(Heatsink)

並且外加風扇

(Fan)

將

TEC

熱端產生的熱帶走，以免熱端的熱傳到冷 端而減低降溫效果。

我們在實驗中記錄溫度時，由熱敏電阻貼在樣品上來記錄樣品 表面之電阻，並由電腦換算成溫度。這是由於

MK1

所記錄的溫度為 並非樣品上之實際溫度，因此使用熱敏電阻來記錄樣品表面的正確 溫度。

第三章 實驗方法及量測系統

3-1 樣品製作及介紹

3-1-1 IPS(in-plane switching)樣品空盒介紹

IPS

樣品空盒為

Instec

公司的

IPS

樣品，如圖

3-1-1

。基板為玻

璃，沒有做表面處理；

ITO pattern

只鍍在下基版，電極區域為

0.9×1.3cm

2；

IPS

之電極間距為

10μm

，電極寬度

10μm

，樣品厚度

(cell

gap)

為

7.5μm

。

3-1-2 IPS 樣品外加電場之克爾效應介紹

高分子安定藍相液晶在

IPS

樣品內部外加電場之克爾效應如圖

3-1-2

，在電極與電極間的電場最大，並由

Δ

n

_induced

=

λ

KE

2 可知電場誘發雙折射的數值與電場平方成正比，因此在電極與電極 中之Δninduced值最大，當方向與垂直偏振片

(Cross polarizer)

夾

4

5°時

為亮態；而電極上方之電場相對較低，因此Δninduced也相對較低，而

接近原本

PSBP-LC

之性質：光學上各向同性，在垂直偏振片下為暗

態。偏光顯微鏡下之觀察結果可參考圖

3-1-3

。

而無外加電場時則樣品內部之

PSBP-LC

全部為光學上各向同

視角的優點，不會有暗態不暗的情形。因此可以利用此種方法來對

PSBP-LC

來做光學性質測量。

3-1-3 AP(anti-parallel)樣品空盒製作

A. 清洗玻璃

1.

本實驗使用勝華科技提供的

ITO

玻璃，厚度為

1.1mm

，並將 所要使用的玻璃切割為

20×25mm

。

2.

將玻璃放入燒杯內，加入中性玻璃清潔劑，在加水蓋過玻璃， 將燒杯放入超音波震盪器中用超音波清洗

5

分鐘。

3.

用自來水將清潔劑沖洗乾淨。

4.

將樣品放入另一空燒杯並加入丙酮

(Acetone)

，將燒杯放入超音 波震盪器中用超音波震盪

5

分鐘，之後將丙酮回收避免污染。

5.

將樣品放入另一空燒杯並加入甲醇

(Methanol)

，將燒杯放入超 音波震盪器中用超音波震盪

5

分鐘，之後將甲醇回收避免污 染。

6.

將樣品放入另一空燒杯並加入去離子水

(DI Water)

，將燒杯放 入超音波震盪器中用超音波震盪

5

分鐘 。

7.

將樣品以去離子水沖洗，用氮氣吹乾後將樣品放到烤箱中將水 氣烤乾，冷卻備用 (清洗完成的玻璃必須在同一天內鍍上配向 劑，以免玻璃被污染，使配向劑無法附著) 。

B. 磨刷配向基板之製作

1.

本實驗中使用之磨刷配向劑為

Nisson -130B

。

2.

將

Nisson-130B

由冰箱取出，待其回到室溫再行使用。

3.

將

ITO

玻璃放在旋轉塗佈機

(spin-coater)

上，用微量滴管取

Nisson-130B

滴在

ITO

玻璃的

ITO

面上，旋轉分為兩步驟，條

件為第一步驟

2000rpm(15 sec)

，第二步驟

4000rpm(25 sec)

。

4.

將玻璃取下平放於加熱平台上軟烤

5

分鐘。

5.

將軟烤後的玻璃放入

170

℃的烤箱硬烤

60

分鐘。

6.

硬烤完成後，將玻璃取出後放入培養皿中冷卻備用。

7.

將冷卻後之玻璃基板，放上磨刷機器

(Rubbing Machine)

進行磨 刷，磨刷過程中平台的移動速度固定為

210

，磨刷布旋轉速度 固定為

900rpm

。

8.

磨刷完成後紀錄磨刷方向備用

C. AP 樣品空盒組裝

1.

將磨刷完成的基板以上下基板相互平行的方式夾合，中間以

Mylar

作為間隔，本實驗所用之

Mylar

厚度為

6μm

。

2.

將夾有

Mylar

之區域以

AB

膠封合，並留下兩個缺口以便灌入 液晶。

3.

待

AB

膠硬化後，將樣品空盒放置備用

3-1-4 混合液晶配製

本篇論文中所使用的液晶、手性添加物

(Chiral dopant)

、高分子 單體

(monomer

，照光過後鍵結變成

polymer

：高分子聚合物

)

、光起 始劑

(photoinitiator)

如表

3-1-1

： 種類 名稱 常溫下

(300k)

購買公司

Liquid Crystal 5CB

液晶態

Merck

Liquid Crystal 7CB

液晶態

BDH

Liquid Crystal E7

液晶態

Merck

Liquid Crystal MDA-00-3461

液晶態

Merck

Chiral dopant

R-811(ZLI-3786)

粉末

Merck

Chiral dopant

S-811(ZLI-811)

粉末

Merck

Monomer RM-257

粉末

Merck

Monomer EHA

液態

Aldrich

photoinitiator DMPA

粉末

Aldrich

表3-1-1 樣品名稱與購買公司

(EHA: 2-ethylhexyl acrylate, DMPA: 2,2-dimethoxy-2-phenyl

acetophenone)

調配混合液晶之順序如下

1.

將濾紙放至電子天秤，歸零後將粉末放至濾紙上直到目標重量， 並記錄重量

2.

將濾紙上的粉末放入棕色瓶

3.

重複

1

、

2

步驟

4.

將裝有粉末之棕色瓶放至電子天秤上後歸零，灌入液晶或液體後

記錄重量

5.

重複步驟

4

6.

若混合液晶內有加入

monomer

或

photoinitiator

，則在棕色瓶外額 外包覆一層鋁箔紙，以避免液晶受到光線影響

7.

將調配好的混合液晶放到試管震盪混合器上，震盪直到粉末與液 晶完全混合

8.

將混合液晶放到超音波震盪器上，調整至

De-gas

模式將震盪完 後產生的氣泡消除

9.

放入防潮箱備用

3-1-5 製作液晶樣品

1.

將調配好之混合液晶加熱至各向同性

(isotropic)

態，並同時將樣 品空盒加熱

2.

將混合液晶灌入樣品空盒

3.

用

AB

膠將樣品缺口封起

4.

若所灌之液晶有加入

monomer

或

photoinitiator

，則將樣品放入包 覆鋁箔紙之培養皿內；反之則放入普通培養皿

5.

放入防潮箱備用

3-2 藍相液晶樣品製作結果

本實驗中樣品編號開頭為

AP

的樣品代表此樣品使用實驗室自 製的水平配向樣品；樣品編號為

IPS

開頭的樣品代表使用向

Instec

公司所購買的

IPS

樣品。實驗中的

AP

樣品只有在尋找藍相液晶的實 驗中使用，後面的藍相液晶以及

PSBP

樣品皆為使用無表面配向的

IPS

樣品。

3-2-1 尋找藍相液晶

圖

3-2-1

中列出當

R-811

重量百分濃度對於自旋螺距

(Pitch)

的關

係，由

HTP(Helical Twist Power)=100/(P*C)

，以及

R-811

之

Typical

HTP range

為

+8.1~+14.5(

右旋

)

計算得出。

C

為

R-811

之重量百分濃

度，

P

為自旋螺距

(Pitch)

，表示

Chiral Nematic

液晶旋轉

360

度的距

離。

由於

Blue Phase

會出現在

Pitch

約為

0.5μm

的

Chiral Nematic

Phase

與

Isotropic Phase

間14，因此我們以此作為參考將向列型液晶

7CB

加入

chiral dopant R-811

，液晶之混合比例參考表

3-2-1

。

首先我們將向列型液晶

7CB

加入不同重量百分比的

R-811

(Chiral dopant)

，灌入

AP

樣品，在偏光顯微鏡下觀察的結果如圖

圖

3-2-2

之橫軸為混合液晶中

R-811

之重量百分濃度

(wt%)

，縱

軸為溫度，可以大致看出

Isotropic

的溫度會隨著

R-811

的濃度上升

而下降。

圖

3-2-3

中可以看出在

R-811

為

24wt%

時，在降溫過程中可以明

顯的發現

Chiral Nematic

的紋理

(texture)

13；在圖

3-2-4

中可以看出在

R-811

為

28.5%

時，可再降溫過程中發現

Chiral Nematic

的紋理。

於是我們將

24wt%R-811+7CB & 28.5%R-811+7CB

的混合液晶

分別灌入無表面處裡的

IPS2

、

IPS3

樣品中，觀察樣品降溫過程的偏

光顯微鏡圖，結果如圖

3-2-5

、圖

3-2-6

。

圖

3-2-5

中發現

IPS2

樣品從

Isotropic

態降溫後直接出現

SmecticA

之紋理。圖

3-2-6

中發現

IPS3

樣品在

Isotropic

與

Chiral

Nematic

中出現了一個不確定的態，其溫度範圍約

2.6

℃，我們認為

其紋理有些類似

Blue Phase

；在溫度低於

Chiral Nematic

時則發現

SmecticA*

的紋理。

我們以相近比例的

S-811+7CB

灌入

IPS4

樣品，所得到的降溫顯

微鏡為圖

3-2-7

，與圖

3-2-6

相類似，也約在

2

℃的範圍內發現類似

Blue Phase

的紋理；並且可以發現降溫速率越慢其類似

Blue Phase

的

3-2-2 發現藍相(Blue Phase)液晶

樣品編 號 混合液晶編 號 R-811 S-811 5CB MDA-00-3461 IPS6 Com5 O O O IPS7 Com6 O O O 表3-2-2 Blue Phase 樣品之混合液晶比例(wt%) 溫度區間 降溫速率(℃/min) 溫度區間 降溫速率(℃/min) 31.5~29℃ 0.02 31.5~30℃ 0.01 IPS6 29~17℃ 0.12 IPS7 30~19.5℃ 0.16 表3-2-3 IPS6、IPS7 樣品之降溫速率表

我們之後把

7CB

換成

5CB

及

MDA-00-3461

，並將所調配的混 合液晶灌入

IPS

樣品，成功的在偏光顯微鏡底下看到藍相液晶漂亮 的小板紋理

(platelet texture)

，如圖

3-2-8

、圖

3-2-9

。較為漂亮的小板 紋理溫度範圍為

1

℃，並且也可以由表

3-2-3

、圖

3-2-8

及圖

3-2-9

發 現降溫速率越慢，小板紋理的範圍也會越大。持續降溫後小板紋理 出現了一些變化，但是依然維持類似

Blue Phase

的小板紋理超過 8

℃以上，之後才出現

Chiral Nematic(N*) Phase

。

由表

3-2-2

、圖

3-2-8

及圖

3-2-9

中也同樣可以發現不管

Chiral

dopant

是使用右旋的

R-811

或左旋的

S-811

，只要濃度接近及所加入

之液晶重量百分濃度接近，即可得到類似的結果，因此我們在高分

子安定藍相液晶

(PSBP-LC)

的實驗中將使用右旋的

R-811

來做為主要

3-3 照光系統及方法

在製作

PSBP

樣品時需要對樣品所加入的高分子單體進行光聚合，使其

鍵結成為高分子聚合物後穩定 BP 的結構，這部份將介紹我們樣品的照 光系統及方法。

3-3-1 氙燈照光系統

第一部分使用的紫外光源為氙燈

(Newport xenon arc lamp, model

6269)

，其光譜為圖

3-3-1

。

照光系統如圖

3-3-2

，將樣品放在

Sample

處用氙燈進行光聚合。

圖中的

Liquid Filter

的用處為吸收紅外波段的光，

Long wavelength

filter

及

ITO

玻璃的用處為吸收低於

300nm

的紫外光並降低照光強 度。空樣品照光之後的溫度變化如圖

3-3-3

，測量溫度的方法如圖

3-3-4

，以熱敏電阻的電阻值換算成溫度來記錄樣品表面的溫度變化。

測量照光強度時使用

UVX Radiometer(UVP)

並接上感測器

(UVX-36)

，將圖

3-3-2

之樣品換成感測器。感測器之光譜靈敏度如圖

3-3-5

，用以測量氙燈之紫外光光強度。

3-3-2 LED 燈照光系統

第二部分使用的照光系統為

LED

燈照光系統，實驗裝置示意圖 如圖

3-3-6

，用

410nm

之

LED

對樣品進行光聚合，

LED

之光譜圖請

3-3-7

時進行照光，也就是可以將樣品之溫度控制在

Blue Phase

時進行光

聚合。照光時所使用的

Filter1

之穿透率光譜如圖

3-3-2

，

PI

膜之穿透

率光譜如圖

3-3-4

。

3-4 高分子安定藍相液晶樣品製作結果

3-4-1 加入單一高分子單體(RM-257)之樣品製作結果

樣品編號 混合液晶編號 R-811 5CB MDA-00-3461 RM257 EHA DMPA

IPS14 IPS15 IPS26 Com11 O O O O X O 表3-4-1 PSBP 樣品之混合液晶比例(wt%) 樣品編號 照光裝置 照光強度(mW/cm2，in 365nm) 照光時間 IPS14 無 無 無 IPS15 氙燈 10.9 20mins

IPS26 LED 燈 0.03 360mins

表3-4-2 PSBP 樣品照光條件

此節之高分子安定藍相液晶使用

RM-257

當作高分子單體、

DMPA

為光起始劑，詳細之比例如表

3-4-1

。表

3-4-2

列出沒有照光

的

IPS14

樣品，以氙燈進行光聚合的

IPS15

、在

Blue Phase

下以

LED

燈進行光聚合的

IPS26

樣品的照光條件；圖

3-4-1~

圖

3-4-3

分別為

IPS14

、

IPS15

、

IPS26

樣品的降溫偏光顯微鏡圖。

圖

3-4-1

可以發現未照光前的樣品降溫時之

Blue Phase

的範圍為

Nematic Phase

共存的情形。由圖

3-4-2

、圖

3-4-3

中可以發現以氙燈

或在

Blue Phase

下以

LED

燈進行光聚合，其

Blue Phase

的範圍皆超

過了

10

℃，成功的增加了此混合液晶之

Blue Phase

的範圍，且可以

發現光聚合後之樣品其

Blue Phase

範圍皆涵蓋室溫，因此我們可以

在室溫下進行

IPS15(

氙燈照光

)

及

IPS26(LED

燈照光

)

樣品之光電性

質測量。

3-4-2 加入高分子單體(RM-257+EHA)之樣品製作結果

樣品編號 混合液晶編號 R-811 E7 MDA-00-3461 RM257 EHA DMPA

IPS25 IPS19 IPS23 Com13 O O O O O O 表3-4-3 PSBP 樣品之混合液晶比例(wt%) 樣品編號 照光裝置 照光強度(mW/cm2，in 365nm) 照光時間 IPS25 無 無 無 IPS19 氙燈 12.80 20mins

IPS23 LED 燈 0.03 360mins

表3-4-4 PSBP 樣品照光條件

此部分使用了兩種不同的高分子單體：

RM-257 & EHA

，並將

5CB

換成

E7

，詳細之混合液晶比例如表

3-4-3

。表

3-4-4

列出沒有照

光之

IPS25

樣品、以氙燈進行光聚合之

IPS19

以及

LED

燈進行光聚

合之

IPS23

號樣品；圖

3-4-4~

圖

3-4-6

分別為

IPS25

、

IPS19

以及

IPS23

圖

3-4-4

可以發現降溫過程中出現與圖

3-2-5

、圖

3-2-6

相同之類

似

Blue Phase

紋理，且涵蓋的範圍達到

17

℃以上，溫度低於

18.3

℃

時出現

Chiral Nematic Phase

。

圖

3-4-5

為使用氙燈進行光聚合之樣品，可以發現偏光顯微鏡下

所觀察到的結果與

Blue Phase

不太相同，有些類似

Chiral Nematic

，

其降溫時涵蓋之溫度範圍達

19

℃，且包含室溫。 圖

3-4-6

為使用

LED

燈照光之樣品，降溫時可以發現有兩種不 同的相態，較高溫時猜測為光聚合後之

Blue Phase

，溫度範圍也達

15

℃以上且包含室溫；溫度低於

22.7

℃時則出現類次

Chiral Nematic

的結果。

3-4-3 高分子安定藍相液晶樣品之穿透光譜

圖

3-4-7

、圖

3-4-8

為在本實驗中之

PSBP

以及空的

IPS

樣品之穿

透光譜，

Reference

為空氣。在沒有灌入液晶的

IPS Cell

中可以看到

樣品有出現干涉條紋的狀況：灌入液晶後，可以發現樣品之干涉條 紋消失，應該是受到藍相液晶影響造成。

圖

3-4-7

中，

IPS14

樣品之穿透光譜為將樣品升溫後降溫為

Blue

Phase

後再進行測量，

IPS15

、

IPS26

號樣品則在室溫下進行測量。可

以發現當樣品的穿透率在光波長為

450nm

以上時，與沒有灌入液晶

穿透率除了沒有干涉條紋外，差異較小。

圖

3-4-8

中，

IPS25

樣品之穿透光譜為將樣品升溫後降溫為

Blue

Phase

後再進行測量，

IPS19

、

IPS23

號樣品則在室溫下進行測量。未

照光的

IPS25

號樣品之穿透率也與空

Cell

類似，而

IPS19

及

IPS26

樣品之穿透光譜有穿透率較低的情形，這兩個樣品在偏光顯微鏡下

的照片也與傳統的

Blue Phase texture

有所不同，其中又以

IPS19

樣

第四章 實驗結果與分析

4-1 RM-257 作為 monomer 樣品之光電特性量測

4-1-1 氙燈照光樣品之光電特性量測結果

第一部分將以使用單一高分子單體

RM257

的混合液晶

(Com11)

，以氙燈進行光聚合之

IPS15

樣品來進行實驗

(

樣品製備條件 請參考表

3-3-1

、表

3-3-2)

。

IPS15

樣品在溫度為

23~24

℃時外加電壓 測量光強度所得到之

V-I

圖及在偏光顯微鏡下所拍之照片如圖

4-1-1

，外加

1kHz

之方波。

圖

4-1-1

中可以看出樣品外加電壓後樣品之穿透光強度無法恢 復成原本的暗態

(

穿透光強度≒

0)

；由偏光顯微鏡底下觀察可以發現

PSBP-LC

的結構受到外加電壓影響而改變，變成類似

Chiral Nematic

Phase

；因此雖然關閉外加電壓，但是改變後的結構會讓光線通過， 因此無法與原本光學上各向等性的

BP

結構一樣，在垂直偏振片下為 暗態。此處值得一提的是遭到外加電壓改變後的結構加熱至

isotropic

phase

並回溫之後，可以恢復成原本的

PSBP-LC

結構。

IPS15

樣品在室溫為

26~27

℃時測量之

V-I

圖及偏光顯微鏡之照 片如圖

4-1-2

，外加

1kHz

之方波。圖

4-1-2

可以發現

IPS15

樣品在此 溫度範圍時之

V-I

曲線出現了外加電壓結束後，樣品可以恢復成暗 態；由偏光顯微鏡的照片可以看出在外加電壓時

BP

的結構一樣產生

變化，但是在降低外加電壓的同時，受外加電壓影響而被改變的部

分也漸漸的恢復成為

BP

的結構，我們推測是樣品在溫度較接近

Isotropic Phase

時，排列結構較易維持

Blue Phase

的原因所至。圖

4-1-3

說明

PSBP-LC

之電極方向與

Polarizer

平行時，外加電壓時，因克爾 效應產生之

Δn

與電場平行，也與

Analyzer

平行，因此在電極間距的 部分為暗態；而電極上之

BP

結構遭受外加電壓影響而改變，因此呈 現亮態，。且

IPS15

樣品受到外加電壓後被改變的排列結構可以將 樣品加溫至

Isotropic

後回溫或者將樣品放在室溫下過幾天之後，樣 品也會恢復成遠本的排列狀態。

第二部分直接將

IPS15

樣品放置在偏光顯微鏡下外加電壓，並 分別將樣品控溫在三種不同的溫度下進行實驗，外加頻率分別為

1kHz

及

20kHz

的方波，實驗結果如圖

4-1-4-~

圖

4-1-10

。

圖

4-1-4

之

(a)

、

(c)

、

(e)

分別為

IPS15

號樣品控溫在

23.5

℃、

26.4

℃

及

28

℃之

V-I

曲線圖，橫軸為外加電壓

(Vrms)

、縱軸為光強度大小； 而

(b)

、

(d)

、

(f)

分別為外加電壓為

(a)

、

(c)

、

(e)

時樣品表面之溫度之變 化圖，橫軸為時間(分鐘)，縱軸為溫度(攝氏)。並且每種控溫條件 下都分別外加

1kHz

及

20kHz

的方波，並比較其中之差異。

首先比較圖

4-1-4

之

(b)

、

(d)

、

(f)

，可以發現在三種不同的控溫 情形之下皆可發現以下結果：

(1)

當

IPS15

樣品外加電壓頻率為

1kHz

時，樣品表面的溫度隨外加電壓變化而上升，上升範圍

0.2

℃以內。

(2)

當外加電壓之頻率為

20kHz

時，樣品表面溫度卻會有顯著的上 昇，約為

0.8

℃。(3)樣品表面溫度隨著外加電壓增大而上升，並隨 著外加電壓減小時而下降。 接著將三種不同溫度下的

V-I

圖及時間-溫度曲線圖進行比較：

(1)

樣品控溫在

23.5

℃，比較圖

4-1-4

之

(a)

、

(b)

圖，可以發現雖然外 加電壓頻率為

20kHz

時樣品表面有明顯的溫度上升的情形，但是

V-I

曲線圖的結果與

1kHz

時沒有太大的差異，樣品

IPS15

原本的

Blue Phase

之結構都會在外加電壓後改變，無法恢復至原本之

Blue Phase

，外加電壓過程之偏光顯微鏡照片請參照圖

4-1-5

及圖

4-1-6

。

(2)

樣品控溫在

26.4

℃，比較圖

4-1-4

之

(c)

、

(d)

圖，可以發現在外加

1kHz

之方波時，其結果與

23.5

℃時相同；外加電壓為

20kHz

時， 溫度表面溫度一樣出現上升的趨勢，但在穿透率變化部分與

1kHz

時有顯著的不同，在外加電壓時穿透率在高電壓時出現震盪，且 當關閉外加電壓時樣品可以回到暗態，我們認為是

IPS15

樣品在

溫度接近

Isotropic

時，

Blue Phase

的之雙螺旋結構較為穩定所造

成。外加電壓過程之偏光顯微鏡照片請參照圖

4-1-7

及圖

4-1-8

。

之穿透光強度變化曲線來回較為重疊，且外加電壓後回復到無外 加電壓狀態時，樣品依然可以保持暗態，各外加電壓下之偏光顯

微鏡之照片如圖

4-1-9

；

20kHz

時，樣品在外加電壓時溫度持續升

高，穿透率的最大值出現在

55V

，之後穿透率則持續下降，外加

電壓至

100V

後關閉外加電壓為止樣品皆呈現暗態，我們認為是

樣品脫離

Blue Phase

即將相變至

Isotropic

的結果；而當外加電壓

下降時，隨著樣品溫度的下降，穿透光強度在外加電壓低於

60V

時有出現微小的上昇，如圖

4-1-10

。

第三部分在室溫為

26

℃下測量

IPS15

樣品之

V-T

圖及反應時 間，實驗中將

He-Ne

雷射通過兩片平行偏振片的光強度定為穿透率

100%

，外加

20kHz

之方波，實驗結果分別為圖

4-1-11

及圖

4-1-12

。

圖

4-1-11

之結果可由圖

4-1-8

來解釋，樣品外加電壓後造成溫度 上升，使得樣品穿透光強度出現不穩定的狀況，且樣品升溫後較接

近

Isotropic

，因此樣品較易維持

Blue Phase

之結構，因此可以得到關

閉外加電壓後穿透光強度接近

0

的結果，臨界電壓

(threshold voltage)

為

25V

。 反應時間(μs) 1st 2nd 3rd 平均 標準差 Rise time 639.7 600.2 559.9 599.9 39.9 Fall time 470.3 470.2 479.3 473.3 5.2 Total response time 1110.0 1070.4 1039.2 1073.2 35.5 表4-1-1 IPS15 樣品之反應時間測量，

外加電壓100Vrms，20kHz 方波，室溫 26℃

表

4-1-1

中列出

IPS15

之反應時間，可以發現樣品之

Rise time

及

Fall time

皆為次毫秒等級，且

Rise time

大於

Fall time

，實驗測量

結果圖如圖

4-1-12

。

4-1-2 LED 照光樣品之光電特性量測結果

圖

4-1-13

中可以發現以

LED

燈照光之

IPS26

樣品第一次與第二 次測量之

V-T

曲線有明顯不同：第一次測量時有臨界電壓存在，而 第二次測量時則無臨界電壓的存在；第一次進行測量時最大穿透光 強度較高，第二次測量時最大穿透光強度下降；第一次進行測量降 電壓曲線與第二次測量結果相同，猜測是第一次測量時外加電壓超 過藍相液晶結構所能承受的最大電壓而造成樣品結構破壞，之後趨 於穩定。 反應時間(μs) 1st 2nd 3rd 平均 標準差 Rise time 189.8 179.8 179.7 183.1 5.8 Fall time 620.0 629.7 650.0 633.2 15.3 Total response time 809.8 809.5 829.7 819.3 11.6 表4-1-2 IPS26 樣品之反應時間測量， 外加電壓80Vrms，20kHz 方波，室溫 26℃

IPS26

樣品之反應時間如表

4-1-2

所式，可以發現此樣品之總反 應時間為次毫秒，優於使用氙燈進行光聚合之

IPS15

樣品，且可以

4-1-14

。

4-2 以 RM-257+EHA 作為 monomer 之樣品光電特

性量測

4-2-1 氙燈照光樣品之光電特性量測結果

圖

4-2-1

中可以看出

IPS19

樣品在第一次測量

V-T

曲線時就已經 沒有臨界電壓的存在，且外加電壓後樣品無法恢復成原本的暗態， 我們推測是樣品的結構受到外加電壓的破壞。 反應時間(μs) 1st 2nd 3rd 平均 標準差 Rise time 149.2 149.9 159.5 152.9 5.8 Fall time 1249.5 1090.4 1149.8 1163.2 80.4 Total response time 1398.7 1240.3 1309.3 1316.1 79.4 表4-2-1 IPS19 樣品之反應時間測量， 外加電壓100Vrms，20kHz 方波，室溫 26℃

表

4-2-1

為

IPS19

樣品之反應時間測量結果，可以發現

Rise time

為次毫秒等級，但是

Fall time

超過了

1

毫秒，實驗測量結果圖如圖

4-2-2

。

4-2-2 LED 燈照光樣品之光電特性量測結果

本小節之

IPS26

樣品使用兩種高分子單體且在

Blue Phase

下進

行光聚合，所測量之

V-T

圖如圖

4-2-3

。圖

4-2-3

中可以發現剛開始

光強度開始上升，

100V

為最大光強度，之後降低外加電壓時曲線與 增加外加電壓時幾乎完全相同，且重複性佳，第一次及第二次測量 結果幾乎完全相同，猜測是結構沒有受到外加電壓破壞。圖中也可 以發現此樣品並沒有達到最大光強度，想得到最大光強度可能增加 外加電壓之最大值。 反應時間(μs) 1st 2nd 3rd 平均 標準差 Rise time 340.3 589.8 480.4 470.2 125.1 Fall time 59.8 60.0 60.1 60.0 0.2 Total response time 400.1 649.8 540.5 530.1 125.2 表4-2-2 IPS26 樣品之反應時間測量， 外加電壓100Vrms，20kHz 方波，室溫 26℃ 表

4-2-2

列出

IPS26

樣品之反應時間測量結果，此樣品之總反應 時間為次毫秒等級，且可以注意到此樣品之

Fall time

非常的低，為

60

微秒附近，在圖

4-2-4

中可以清楚發現這樣的情形。如此短的反 應時間在文獻上有出現過8 。

4-3 PSBP 樣品反應時間之綜合討論

表

4-3-1~

表

4-3-3

分別為

4

個

PSBP

樣品之

Rise time

、

Fall Time

以及總反應時間，使用

20kHz

之方波，室溫為

26

℃。圖

4-3-1~

圖

4-3-3

以圖片分別表示表

4-3-1~

表

4-3-3

之

Rise time

、

Fall Time

以及總反應

(microsecond)

。 樣品編 號 混合液晶 照光方 式 Rise time(μs) 平均 標準差 IPS15 氙燈 639.7 600.2 559.9 599.9 39.9 IPS26 Com11 LED 燈 189.8 179.8 179.7 183.1 5.8 IPS19 氙燈 149.2 149.9 159.5 152.9 5.8 IPS23 Com13 LED 燈 340.3 589.8 480.4 470.2 125.1

表4-3-1 IPS15、IPS26、IPS19、IPS23 樣品之 Rise time。

樣品編 號 混合液晶 照光方 式 Fall time(μs) 平均 標準差 IPS15 氙燈 470.3 470.2 479.3 473.3 5.2 IPS26 Com11 LED 燈 620.0 629.7 650.0 633.2 15.3 IPS19 氙燈 1249.5 1090.4 1149.8 1163.2 80.4 IPS23 Com13 LED 燈 59.8 60.0 60.1 60.0 0.2

表4-3-2 IPS15、IPS26、IPS19、IPS23 樣品之 Fall time。

樣品編 號

混合液晶 照光方

式

Total response time(μs) 平均 標準差

IPS15 氙燈 1110.0 1070.4 1039.2 1073.2 35.5 IPS26 Com11 LED 燈 809.8 809.5 829.7 816.3 11.6 IPS19 氙燈 1398.7 1240.3 1309.3 1316.1 79.4 IPS23 Com13 LED 燈 400.1 649.8 540.5 530.1 125.2 表4-3-3 IPS15、IPS26、IPS19、IPS23 樣品之總反應時間。 圖

4-3-1

及表

4-3-1

中可以清楚的看到這四種樣品在

Rise time

方 面的測量結果皆為次毫秒等級，

IPS26

及

IPS19

樣品則是小於

200

微 秒，由於

IPS26

樣品在外加電壓後，臨界電壓會消失

(

圖

4-1-13)

；

IPS19

樣品並不存在臨界電壓

(

圖

4-2-1)

，因此克爾效應可以在感受到電場 的同時立即產生，進而降低的

Rise time

的時間。

圖

4-3-2

及表

4-3-2

中可以發現，除了

IPS19

在測量過程中出現 超過

1

毫秒的反應時間外，樣品的平均

Fall time

也皆為次毫秒的水 準，而

IPS23

樣品則小於

100

微秒，平均為

60

微秒。 圖

4-3-3

及表

4-3-3

中可以很清楚的看出不管混合液晶編號為

Com11(

只使用

RM-257

當

monomer)

或

Com13(

使用

RM-257

及

EHA

作為

monomer)

，使用氙燈照光的樣品

(IPS15

、

IPS19)

之總反應時間

皆會超過

1

毫秒

(1000

微秒

)

，而在藍相下以

LED

燈進行光聚合的樣

品

(IPS26

、

IPS23)

總反應時間皆為次毫秒等級，因此往後要製作

PSBP

樣品時，將樣品控溫在藍相下照光會是比較好的選擇。

第五章 結論與未來展望

本實驗中成功的找出液晶中的藍相，並且在加入高分子單體進行 光聚合成為高分子聚合物之後，成功的增加藍相的溫度範圍。並且成 功的觀察到

PSBP

樣品之次毫秒的反應時間；且將樣品溫控在

Blue

Phase

下進行光聚合的樣品，其反總應時間較使用氙燈進行光聚合的樣 品短。在溫控下測量樣品穿透率的部份則發現樣品在外加電壓頻率不 同時有出現溫度上升的情形，這部分在未來會對其他種類的液晶進行 測試，確定是否在任何情形下都會發生。

本實驗將樣品控溫在

Blue Phase

下使用

410nm LED

燈進行光聚

合，未來可以考慮將

LED

燈換成紫外光雷射或是其他較強的紫外光光

源，在不劇烈影響樣品溫度的情形下，當樣品為

Blue Phase

時以較強

的功率對樣品進行光聚合，以縮短樣品的光聚合時間。

本實驗中的樣品分析都只以偏光顯微鏡下的圖樣來判斷，未來可

以測量樣品的反射式光譜，或是穿透式電子顯微鏡的照片12，增加判

斷樣品相態的基準，如較難判斷的

Blue Phase III

。

本實驗中並未對

PSBP

樣品的外加電壓

-

穿透率部份做理論分析，

這部分當製作出的

PSBP

樣品可以測量出較完整的

V-T

圖、外加電壓

本實驗中所製作的

PSBP

樣品有著外加電壓時重複性低

(IPS15

、

IPS19

、

IPS26)

或是所需之外加電壓過大而無法測量到

V-T

圖之峰值

(IPS23)

，未來期望以調整樣品配方以及照光方式來找出所需外加電壓

參考資料

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temperature range of a blue phase”, J. Mater. Chem., 2009

圖1-2-1 液晶之單螺旋排列(simple twist)示意圖

圖1-2-2 向列型液晶排列(Nematic)之示意圖

圖1-2-4 雙螺旋圓柱示意圖

Double Twist Cylinders

Structure Disclination Line Blue Phase I Body-center Cubic Unit cell Blue Phase II Simple Cubic Unit cell

圖1-2-5 BPI&BPII 之結構(圓柱為雙螺旋圓柱,Double twist cylinder)與 向錯線(disclination line，細橢圓柱部分)

圖2-1-1 Blue Phase 在外加大電場後產生之誘發雙折射示意圖 圖2-2-1 座標系定義參考圖 圖2-2-2 外加電壓測量穿透光強度之裝置示意圖

x

x’

y

y’

θ Single slit He-Ne Laser Polarizer Analyzer Iris Detector Function Generator

PC

Sample Multimeter Voltage Amplifier

E

圖2-3-1 反應時間量測系統示意圖 圖2-3-2 反應時間量測結果示意圖 Single slit He-Ne Laser Polarizer Analyzer Iris Detector Function Generator Sample Oscilloscope Voltage Amplifier

PC

圖2-4-1 偏光顯微鏡量測裝置示意圖，樣品沿 z 軸方向旋轉 300 400 500 600 700 800 0 20 40 60 80 100 T ransmit tan c e (%) Wavelength (nm) 圖2-4-2 Filter1 之穿透率光譜 Analyzer Polarizer E Sample

x

y

z

E

θ

Filter

300 400 500 600 700 800 0 20 40 60 80 100 T ransmit tan c e (%) Wavelength (nm) 圖2-4-3 Filter2 之穿透率光譜 300 400 500 600 700 800 0 20 40 60 80 100 T ransmit ta nce (%) Wavelength (nm) 圖2-4-4 PI 膜(聚醯亞胺薄膜，Polyimide Film)之穿透率光譜

圖2-4-5 溫控系統示意圖 圖3-1-1 IPS 樣品示意圖(無表面配向) W1: 10μm W2: 10μm Cell Gap: 7.5μm Electrode Width(W1)

ITO pattern on bottom glass Gap

Width(W2)

Glue

ITO pattern area :0.9×1.3cm2

Instec, Temperature control, MK1 version 2.52 Holder Sample Thermistor (Side view) Glass Iron Box

Hot Plate

圖3-1-2 IPS 樣品內部之 PSBP-LC 外加電場後之光學橢球示意圖

圖3-1-3 IPS23 樣品外加電壓之偏光顯微鏡圖。

Electric Field

Substrate

Substrate

Common electrode

Pixel electrode

E

d

W

W

W

P A

15 20 25 30 35 40 0.2 0.4 0.6 0.8

P

i

t

c

h︵

μ

m︶

w t % o f R - 8 1 1

Max Pitch Min Pitch 圖3-2-1 R-811 重量百分濃度與 Pitch 之關係

混合液晶濃度比例(wt%)

Chiral dopant Liquid Crystal Monomer Initiator

混合 LC 編號 樣品編號 R-811 S-811 5CB MDA-00-3461 7CB E7 RM-257 EHA DMPA 光聚合 光強(mW/cm2,365nm) 照光時間

19.6%R-811 AP01 19.6 80.4 N N N AP03 N N N 24%R-811 IPS2 24 76 N N N AP02 N N N 28.5%R-811 IPS3 28.5 71.5 N N N 35.9%R-811 AP04 35.9 64.1 N N N com4 IPS4 o o N N N com5 IPS6 o o o N N N com6 IPS7 o o o N N N IPS14 N N N IPS15 氙燈 10.9 20mins

com11 IPS26 o o o o o LED 燈 0.03 360mins

IPS25 N N N

IPS19 氙燈 12.8 20mins

com13 IPS23 o o o o o o LED 燈 0.03 360mins

表3-2-1 樣品編號，所使用混合液晶比例及照光條件整理。

圖3-2-3 7CB 外加 R-811 之灌入 AP 樣品之降溫過程相變圖 (局部放大)。 左方為19.6%R-811、右方為 24.0%R-811 在不同溫度下之偏光顯微鏡圖。

圖3-2-8 IPS6 樣品降溫偏光顯微鏡圖 降溫速率：表4-1-2

300 400 500 600 700 800 0 100 200 300 400 In te n s it y (a .u .) Wavelength (nm) 圖3-3-1 氙燈光譜圖 圖3-3-2 氙燈照光系統示意圖 1000W Xenon Arc lamp Liquid filter Sample Long wavelength pass filter

Lens

Mirror

00:00 00:05 00:10 00:15 00:20 00:25 25 30 35 40 45 50 55 Te m pera tu re (Cent ig rade ) Time 圖3-3-3 空樣品照光後之溫度變化 圖3-3-4 樣品照光之溫度變化之測量方法 1000W Xenon Arc lamp Liquid filter Sample Long wavelength pass filter

Lens Mirror 0.7mm ITO glasses×10 Multimeter PC

Thermistor

圖3-3-5 感測器 UVX-36 之光譜靈敏度 圖3-3-6 LED 照光系統示意圖

Polarizing microscope

Analyzer Polarizer Sample Filter1 Anti-UV cellophane paper Holder Sample Thermistor Iron Box LED(410nm)

Tempering control

system (Fig. 2-4-5)

Glass

300 400 500 600 700 800 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 410nm LED In te n s it y (a .u .) wavelength (nm) 圖3-3-7 410nm LED 之光譜圖

圖3-4-3 IPS26 樣品降溫偏光顯微鏡圖 降溫速率：0.16℃/min

圖3-4-7 液晶編號為 com11 之穿透光譜(無加入 EHA)，Reference 為空氣，

樣品編號後面的括號內為no 表示樣品未進行光聚合、

圖3-4-8 液晶編號為 com13 之穿透光譜(加入 EHA)，Reference 為空氣，