經由紫外光配向程序之液晶混合系統 (垂直配向模式) 的相轉移行為與灰階特性探討

經由紫外光配向程序之液晶混合系統 (垂直配向模式) 的相轉移行為與灰階特性探討

王儷珊 何宗育 李俊毅

國立臺灣科技大學材料科學與工程研究所

摘 要

本研究為利用具有乳酸結構的雙旋光中心液晶 (two chiral centre liquid crystals) 材料，於實驗中以偏光顯微鏡 (polarized optical microscopy, POM) 觀 察此液晶材料從等向性溫度 (isotropic temperature) 降溫至出現雙旋光性層列 型液晶 (SmA*) 相時，會產生垂直排列紋理 (homeotropic texture) 的現象。我 們希望藉由將雙旋光結構 SmA*液晶摻入光致垂直配向的負誘電異方性液晶 (向列型液晶)／壓克力單體混合系統，以達到輔助液晶分子整體垂直排列效 果。而在此液晶混合系統之垂直配向模式下，我們以 POM 來觀察液晶分子排 列的情況以及利用示差掃描熱分析儀 (differential scanning calorimeter, DSC) 來探討其液晶相轉移行為。最後，也探討其液晶混合系統的灰階特性。

關鍵詞：雙旋光中心，液晶，垂直配向，相轉移行為，灰階特性。

PHASE-TRANSITION BEHAVIORS AND GRAY-SCALE

CHARACTERISTICS OF THE LIQUID CRYSTAL MIXTURES SYSTEM (VERTICAL ALIGNMENT MODE) WITH ULTRA-VIOLET

PHOTO-ALIGNMENT PROCESS

Li-Shan Wang Czung-Yu Ho Jiunn-Yih Lee

Department of Materials Science and Engineering National Taiwan University of Science and Technology

Taipei, Taiwan 106, R. O. C.

Key Words: two chiral centre, liquid crystal, vertical alignment, phase- transition behaviors, gray-scale characteristics.

ABSTRACT

In this study, we observe the lactic acid structures (two chiral centre

liquid crystals) of liquid crystal material, and the homeotropic texture

phenomenon utilizing polarized optical microscopy (POM) from an iso-

tropic temperature down to the temperature at which SmA* appears. We

expect to obtain two chiral structure SmA* LC by mixing photo-induced

vertical alignment (VA) negative dielectric anisotropy LC (Nematic type

LC) and acrylic monomer mixture systems to achieve overall LC mole-

cules arranged in a vertical alignment. In addition, we have observed the

LC molecules arrangement condition in the VA mode of the LC mixture

systems by POM and investigated LC phase-transition behaviors by differ-

ential scanning calorimeter (DSC). Finally, the gray-scale characteristics

of the LC mixture systems have also been explored.

一、前 言

液晶配向製程 (alignment process) 之目的在於使液晶 分子能依特定方向排列，以利顯示器之動作控制。而在此 液晶配向製程方法當中，主要是以傳統機械定向摩擦接觸 的方式最為被廣泛應用，其配向方法主要是以毛絨布 (cotton、nylon、rayon) [1]定向摩擦聚醯亞胺 (polyimide, PI) 高分子薄膜表面後，配向膜表面會因配向滾軸上的摩擦布 之毛羽摩擦而被刷出特定方向排列之微溝槽[1]，藉以誘導 液晶分子沿著溝槽配列而達到定向的效果。而此法之操作 時間短，可在常溫下進行並具有優異的量產等優點。不過 在此製造過程中容易產生大量的粉塵微粒污染、靜電殘留 以及經由摩擦配向後所產生的刷痕，進而造成薄膜晶體元 件之損害而使其製程良率降低。此外， PI 材料也具高極性、

高吸水性，因此在儲存運送過程中容易產生變質而造成配 向不均勻等情形發生。

因此近幾年來的熱門液晶研究方向即為發展非摩擦 配向技術來改善傳統配向製程之缺點。例如：光配向法 (photo-alignment) [2-4]、離子束配向法 (ion beam alignment) [5-7]以及利用奈米壓印 (nanoimprinting) [8, 9]等方式來達 到液晶分子的配向效果。然而，以上的配向方式皆需在銦 錫氧化物 (indium-tin oxide, ITO) 之導電玻璃基板表面上 塗佈一層高分子薄膜，而對於我們所提出的光致垂直配向 技術，不需塗佈 PI 配向劑，也不需經摩擦配向程序，直接 照射 UV 光來製作液晶／壓克力單體混合系統之層化型垂 直 配 向 共 聚 薄 膜 (vertical alignment copolymer film, VACOF)。

一般對於製備分散於高分子基材當中的液晶微胞方 式也是近幾年較為熱門的非接觸液晶元件的製作技術，例 如 高 分 子 分 散 液 晶 (polymer disperse liquid crystal, PDLC)、高分子穩定液晶 (polymer stabilized liquid crystal, PSLC) 以及高分子網目狀液晶 (polymer network liquid crystal, PNLC) 等相關研究與應用相當地廣泛。然而，對 於不同高分子配向薄膜的結構型態與許多製程參數有關，

包括光聚合型單體的結構、液晶與光聚合型單體之間的混 合比例、環境溫度、試片厚度、UV 光照射能量以及 UV 光照射時間等不同，使得它們在操作模式與光電特性互有 差異。

而對於本研究論文，我們主要是參照 S. kumar 等研究 團 隊 於 1999 年所提出的液晶／單體相分離複合薄膜 (phase separation composite film, PSCOF) 技術[10]以及相 關等研究報告[11-15]與製程條件來進行其相關的實驗程 序，並且該團隊發現在較弱的 UV 光強度、高溫 (液晶的 澄清點) 以及較小的試片厚度等環境下[12, 15]，可使液晶 混合溶液的整體黏度降低、流動性佳，達到快速的分子擴 散和較慢的共聚合反應，因此在 ITO 玻璃基板表面上可得 到表面平滑的高分子配向薄膜，而非高分子網目狀結構分 佈於液晶試片的內部。此外，在先前的實驗中發現[16-19]，

當 UV 光照射液晶試片的表面時，使得部分 A、B 壓克力 單體會朝 UV 光照射方向做聚集 (上層 ITO 玻璃基板)，而 另一部份則沉積 (推測受其自身微重力之影響所致) 並固 化於下層之 ITO 玻璃基板表面上[17, 18]，而形成上下雙層 之高分子共聚薄膜，此為實驗較為有趣的地方。然而，當 液晶／壓克力單體混合系統經 UV 光照射產生共聚合反應 (copolymerization reaction) 後，其所形成的高分子共聚薄 膜可使液晶分子達到垂直配向 (vertical alignment) 的效果 [16-19]，而此非接觸式光配向技術於液晶顯示器工業中可 達到省去 PI 段之前製程並提升其產品良率以及加速生產 等優點。

在此研究中，我們利用本實驗室先前所合成具有雙旋 光性層列型液晶，並且在沒有高分子配向層的情況下，於 正交偏光片之偏光顯微鏡中觀察到此液晶分子呈現垂直排 列紋理的現象 (液晶分子垂直站立於玻璃基板表面上) [20]。然而，一般在 SmA*等液晶具有其電誘導分子傾斜效 應 (electroclinic effect)，意即當液晶分子受電場作用時，

層內的液晶分子會因自身偶極矩 (dipole moment) 而隨電 場方向與原分子之法線傾斜一角度[21]，此即為一種自發 極化 (spontaneous polarization) 的現象，並且在外加電場 時，由於材料本身自發極化的現象會和電場方向趨於一 致，因此，利用這種物理現象可使其成為一明一暗的光開 關元件。而在 SmA*液晶的電誘導分子傾斜效應的作用之 下，擁有比鐵電性 (ferroelectric) 液晶還要快的反應時 間，如此具有其快速應答、記憶性以及擁有可調變光線通 過之灰階等特性[22, 23]。並期望藉由此一特性來輔助先前 我們所發表的光致垂直配向模式之負誘電異方性液晶 (向 列型液晶)／壓克力單體混合系統 (本實驗統稱為 N 相液 晶混合系統) [17, 18]的分子垂直排列效果，並強化其高分 子配向薄膜表面的錨定能 (anchoring energy)。

而在化學結構方面，由於 SmA*為非對稱雙旋光性液 晶，當其與 N 相液晶混合系統 (無旋光性液晶) 摻混時 (本實驗統稱為 SN 相液晶混合系統)，將會有相轉移行為 的變化發生，並且在正交 POM 下觀察到在此 SN 相液晶 混合系統在冷卻的過程中，會產生溫度範圍相當廣大且 有趣的特殊扭轉晶界相 (twist grain boundary phase, TGB phase)，於本實驗當中，我們暫且稱之為未知相的 TGB AX (TGB

* phase)。而此 TGB phase 早在 1989 年由 J. W.

Goodby 等人所發現[24, 25]，而此特殊的次穩態液晶相[26, 27]，一般均出現於具有高度旋光特性的膽固醇型液晶 (cholesteric type liquid crystal) 和層列型液晶 (smectic type liquid crystal) 之間，並且在正交偏光顯微鏡下為呈 現絲狀 (filament texture) 或 Grandjean (或 planar texture) 等液晶相紋理[28]。另外，在 1992 年，S. R. Renn 與 T. C.

Lubensky 等學者又提出一傾斜 TGB

* phase 的理論[29, 30]，意即相對於 smectic A 以及 smectic C phase 的差異，

則 TGB phase 亦分成 TGB

*與 TGB

*等 2 種次穩態的液

晶相。然而，此扭轉晶界相 (TGB phase) 結構也是現今

表一 N 相與 SN 相液晶混合系統的各材料組成成份

液晶混合系統 N 相液晶 (wt%)

雙旋光結構 SmA*液晶 (wt%)

A 壓克力單體 (wt%)

B 壓克力單體 (wt%)

光起始劑 C (wt%)

N 相 97.8 - 1.8 0.3 0.1

SN 相 95.6 2.2

1.8 0.3 0.1

a

雙旋光結構 SmA*液晶所摻入的量為參照 A、B 壓克力單體與光起始劑之總量為主 (A + B + C = 2.2 wt%)

相當重視且廣泛的研究領域和議題等，並且也是我們未來 進一步所需鑑定、了解與深入探討的地方。

此外，本研究主要是發現負誘電異方性液晶 (向列型 液晶)／壓克力單體混合系統，並首度嘗試將雙旋光結構 SmA*液晶摻入之後，除了產生有趣的扭轉晶界相之外，

對於液晶元件的灰階特性的切換影響甚巨。而先前發表在 Journal of Technology 等期刊當中[17]，我們主要是針對 N 相液晶混合系統，除了探討液晶分子的光配向機制外，並 且也進行其元件之光電性質分析。而另一篇研究成果則是 發表在 Liquid Crystals 等期刊當中[18]，其內容主要也是 N 相液晶混合系統為主，而比較不同的是在於改變烷基的碳 鏈長度之 A 壓克力單體的部分與液晶分子間的相互作用及 其光電特性等探討，並且於實驗中發現當烷基碳數為 10 的時候，可得到最佳之光電性質。基於上述的原因，所以 我們同樣選擇烷基碳數為 10 的 A 壓克力單體來做為其液 晶混合系統中的摻混成份之一。

二、實驗方法

1. 液晶材料混合系統的製備與實驗程序

本實驗主要分為 2 種液晶混合系統，分別以 N 相及 SN 相液晶混合系統作為其統稱，如表一所示。而液晶材料 分別為純的常溫負誘電異方性向列型液晶 (Merck，簡稱 N 相液晶，而其液晶材料的基本物理常數，如表二所示) 以 及具有雙旋光結構之 SmA*液晶[19, 20]，並摻混 A 壓克力 單體[本研究做為模擬一般所使用的聚醯亞胺 (PI) 垂直配 向薄膜之側鏈部分 (SeaEn Special Material Co.)，簡稱 A，

化學名為 Dodecyl prop-2-enoate]佔 1.8 wt%，B 壓克力單體 [為模擬 PI 主鏈的部分 (SeaEn Special Material Co.)，簡稱 B，化學名為 4, 4’-bisacry-loylbiphenyl]佔 0.3 wt%，與光起 始劑[Photoinitiator (SeaEn Special Material Co.)，簡稱 C，

化學名為 1-Hydroxy-cyclohexyl-phenyl-ketone]佔 0.1 wt%，

而材料的摻混比例主要是參照先前所發表過的研討會論文 與期刊等相關研究報告內容為主[16-19]，如表一所示為 N 相與 SN 相液晶混合系統的各材料組成成份。由於雙旋光 結構 SmA*液晶在正交偏光顯微鏡 (POM) 下，具有垂直 排列的型態，因此希望藉此特性來達到輔助 N 相液晶混合 系統之液晶分子垂直排列的效果。而雙旋光結構 SmA*液 晶之摻混比例同樣也是參照 N 相液晶混合系統中的 A (1.8

表二 負誘電異方性向列型液晶 (N 相液晶) 的基本物理 常數

N 相液晶 (Merck)

I → N ~ 92°C

Δε - 4.1

Δn 0.0899 γ

0.21 kg m

s

K

18.1 pN

N: nematic phase; I: isotropic phase; Δε: dielectric anisotropy;

Δn: optical anisotropy; γ

: viscosity; K

: elastic constant

圖 1 經由 UV 光照射後所形成的垂直配向共聚薄膜示 意圖

wt%)、B (0.3 wt%) 與 C (0.1 wt%) 之總比例 (2.2 wt%) 為

主，並將其配置為 1:1 (SmA* = A + B + C) 之 SN 相液晶混

合系統後，在 90°C 溫度下超音波震盪約 1 小時後即可得

到均勻的液晶混合溶液，再利用毛細現象將其液晶混合溶

液以真空方式充填至厚度為 4 μm 之空白試片，經由適當

強度的 UV 光 (~ 4.9 mW/cm

) 照射後，使液晶與壓克力因

聚合誘發相分離 (polymerization induced phase separation,

PIPS) 而 形 成具 側 鏈型 之上下 雙 層垂 直配向 共 聚薄 膜

(vertical alignment copolymer film, VACOF)，如圖 1 所示。

圖 2 雙旋光結構 SmA*液晶、A、B 壓克力單體以及光 起始劑之化學結構

此外，我們希望藉著雙旋光結構 SmA*液晶的末端烷 氧基長碳鏈以及 A 壓克力單體的烷基長碳鏈間之交互作用 (凡得瓦力) 下[17, 18]，可以更加幫助液晶分子能夠完全垂 直站立於配向薄膜表面上，除了能夠輔助液晶分子垂直配 列之外，並可強化配向薄膜表面的錨定能，也因此我們推 測大部分的雙旋光結構 SmA*液晶皆分佈於上下 ITO 之玻 璃基板表面上而所導致的現象。而雙旋光結構 SmA*液 晶、A、B 壓克力單體與光起始劑之化學結構如圖 2 所示。

2. 液晶相轉移溫度鑑定

為鑑定液晶化合物之相轉移溫度範圍，其中示差掃 描 熱 分 析 儀 [(differential scanning calorizing, DSC) (PERKINELMER DSC 4000)]是常用的方法之一。本實驗 利用 DSC 來量測材料的相轉移溫度的變化與範圍，但此 法不能判定液晶相出現的順序與判別其液晶相種類，故 需搭配偏光顯微鏡[(polarizing optical microscope, POM) (OLYMPUS Optical Co., Ltd., Models BHSP-2, BX-51；

Extinction ratio (0.01963)]之觀察做相互確認之動作。實驗 簡易程序為秤取適量的材料置於鋁盤當中，再通入氮氣 以防止氧化，而儀器之升降溫速率皆為 5°C/min，並做二 次循環之升溫與降溫等程序。

3. 液晶相之 POM 觀測

本實驗使用偏光顯微鏡 (POM) 在正交偏光片下觀測 液晶相紋理圖，藉由此紋理圖以及 conoscopic 像 (為暗十 字帶貫穿的同心圓干涉像紋理，由此紋理可知液晶分子為 光學一軸性，且光軸與玻璃表面呈現垂直排列狀態[31]) 來 判定液晶分子排列的情況。而此液晶相紋理會隨著溫度而 改變，因此，可藉由將欲觀察的液晶試片置於加熱台 (Mettler FP-82HT hot stage) 上並外接溫度控制器 (Mettler

FP-90 central process) 來觀測液晶相的相轉移變化及相轉 移溫度範圍。另外，我們也利用 POM 觀測液晶試片在施 加電壓前後之暗、亮狀態的顯示情形[16-18]。

4. 液晶混合系統的光穿透度量測

在液晶混合系統等光穿透度 (Transmittance) 之實驗 量測方面，主要是以白光做為其入射光源[16-18]，於正交 偏光片之 POM 下，放置液晶試片，我們定義此狀態下之 光穿透度為 0%，並且在施加飽和電壓後所呈現的亮狀態 最大值則定義為 100%，以進行其校正程序。首先以任意 波形產生器產生方波後，並施加其交流電壓以進行閥電壓 [Threshold voltage, V

(定義當光穿透度為 10%)]、驅動電 壓[Driving voltage, V

(定義當光穿透度為 90%)]以及飽和 電壓[Saturation voltage, V

(定義當光穿透度達 100%時)]

等光電性質量測[32, 33]。於實驗過程中以光電倍增管 [(photomultiplier tube, PMT)，為一種具有高靈敏度的光探 測元件]所接收到之光訊號後，再利用檢光計[(radiometer) (International Light Inc., Models IL1700)]將其光訊號轉換為 光通過量的數值大小以紀錄隨電壓慢慢增加之光穿透行為 的變化 (觀察其液晶混合系統的灰階特性)，而後再以電壓 對光穿透數值繪圖後即可得知液晶混合系統的 V

及 V

。 而一般的灰階定義為顯示器從暗狀態 (黑色) 到亮狀態 (白色) 中間的色階切換的數目，如果色階愈多，所顯現的 顏色也就愈鮮豔。

三、結果與討論

1. 液晶相轉移行為之 DSC 熱分析

如表三與圖 3(a)、(b) 所示，為純的常溫負誘電異方

性向列型液晶 (N 相液晶)、雙旋光結構 SmA*液晶、N 相

液晶混合系統以及 SN 相液晶混合系統之 DSC 熱分析結

果。本實驗將各組材料做升溫及降溫步驟各兩次以得到均

相之混合材料，而升降溫速率皆為 5°C/min，並取第二次

降溫時的實驗數據。由表三之結果得知 N 相液晶所出現的

溫度範圍在 −20.2-92.1°C；雙旋光結構 SmA*液晶所出現的

溫度範圍大約介在 55.7-86.6°C 以及 N 相液晶混合系統所

出現的 N 相 (nematic phase) 範圍則是在−20.7-91.8°C，而

從此相轉移行為觀察到 N 相液晶幾乎不會因為壓克力單體

與光起始劑的混入，而影響其 N 相液晶本身原有之相轉移

溫度。因此，我們也藉由將雙旋光結構 SmA*液晶摻入至

N 相液晶混合系統之後 (SN 相液晶混合系統)，發現除了

可以稍稍降低其 SmA*液晶與 N 相液晶本身之等向性溫度

(Iso temperature) 之外，最重要的是此 SN 相液晶混合系統

可以增加其特殊液晶相 (TGB

* phase) 所出現之溫度範

圍 (45.7-87.3°C) 約 42°C 左右，並且此 TGB

* phase 在溫

度降至常溫後仍持續維持其螺旋結構，除了能夠更接近於

常溫之應用狀態之外，也可藉以提昇其液晶材料之應用溫

度範圍。

表三 各組材料之相轉移溫度範圍及變化

材 料 相轉移溫度 (℃)

N 相液晶 I ⎯⎯⎯→ N 20.2 92.1 ⎯⎯⎯⎯ − → Cr

雙旋光結構 SmA*液晶 I ⎯⎯⎯→ SmA* 55.7 86.6 ⎯⎯⎯→ Cr N 相液晶混合系統 I ⎯⎯⎯→ N 20.7 91.8 ⎯⎯⎯⎯ − → Cr

SN 相液晶混合系統 I ⎯⎯⎯→ TGB 87.3

* ⎯⎯⎯→ Cr 45.7 ⎯⎯⎯⎯ − 23.2 → Cr Cr: crystalline phase; N: nematic phase; SmA*: chiral smectic A phase; TGB

*: twist grain boundary AX phase; I: isotropic phase

圖 3 (a) 雙旋光結構 SmA*液晶與 (b) SN 相液晶混合系 統 之 相 轉 移 行 為 的 DSC 熱 分 析 曲 線 圖 (Cr:

crystalline phase; SmA*: chiral smectic A phase;

N: nematic phase; TGB

*: twist grain boundary AX phase; Iso: isotropic phase)

然而，藉由 DSC 之熱分析曲線以及表三等相轉移溫度 量測與分析結果，我們清楚了解 TGB

* phase 所出現的溫 度範圍介在 45.7-87.3°C 之間。然而，我們在實驗中發現，

當溫度降至 45.7°C 以下時，仍可呈現其 TGB

* phase。而 簡單判別其液晶相或是結晶相的方式，則是藉著輕壓液晶試 片，當還處在 TGB

* phase 之溫度範圍時 (45.7- 87.3°C)，

由於液晶相是具有流動性的，此時輕壓試片，其試片內部的 SN 相液晶混合溶液明顯出現流動的現象。換言之，當溫度 慢慢地降至 45.7°C 以下時，此時 SN 相液晶混合系統已轉變

為結晶相 (固相)，由於分子排列緊密使其形成結晶狀態，

但是，在偏光顯微鏡下仍可觀察到 SN 相液晶混合系統整體 為呈現 TGB

* phase 之狀態，並且再藉由輕壓液晶試片的 同時，我們也發現試片當中的液晶混合溶液皆已呈現不具流 動行為的結晶相，因此，我們大致可判定當溫度降至 45.7 至 20°C 之範圍期間，此 SN 相液晶混合系統皆呈現 TGB

* phase 之晶體扭轉結構。然而，此晶體扭轉結構除了我們所 觀察到可維持至常溫之外，對於可維持的溫度 (零下環 境)、時間以及 TGB

* phase 的生成方式也是我們未來所需 進一步深入探討與了解的地方。

2. 液晶相轉移行為之 POM 觀察

如圖 4(a) 所示，為溫度從 iso 溫度持續降溫至出現雙 旋光結構 SmA*液晶之溫度範圍 (約 70°C) 時，由於液晶 分子整體呈現垂直排列紋理 (Homeotropic texture) 之型態 [20]，因此在正交 POM 下為呈現暗狀態之情形。然而，對 於圖 2 的雙旋光結構 SmA*液晶具有垂直於玻璃基板排列 的特殊情形，目前我們推測的原因由於所充填的液晶試片 厚度較小 (~4 μm)，也因此當上下玻璃基板的距離較近 時，以致液晶分子相互之間的吸引力較大而所產生的現 象。此外，我們也有測試當雙旋光結構 SmA*液晶在充填 至較大的試片厚度情況下 (Spacer 大於 6 μm 以上時)，此 垂直排列紋理的現象隨即消失，也因此試片厚度的大小可 能是造成液晶分子有此特殊的排列現象的影響因素之一。

而後，我們再藉由 conoscopic 像的觀測過程當中，我們可 清楚看見其黑十字光軸之同心圓干涉像紋理，如圖 4(b) 所 示，除了可判定所觀測的干涉像為單光軸雙旋光結構 SmA*液晶的 homeotropic texture 之外，並可間接確認其液 晶分子為垂直站立於 ITO 玻璃基板表面上之情形。

此外，由圖 5(a) 顯示當 SN 相液晶混合系統在未進行 照射 UV 光程序時，於正交偏 POM 下我們可清楚看見液 晶分子並非垂直配列的狀態，此時不管是 N 相液晶分子、

SmA*液晶分子以及壓克力單體等成分，皆散亂分佈於液

晶試片內部所呈現的相圖 (於室溫約 30°C 時所拍攝的情

形)。另外，圖 5(b) 為觀察 N 相液晶混合系統在照射 UV

光後，由於液晶分子形成垂直配列的效果，因此在正交

圖 4 (a) 溫度約 70°C 所拍攝之雙旋光結構 SmA*液晶的 homeotropic texture，與 (b) 在 homeotropic 狀態 下使用 conoscopic 所觀測的黑十字光軸圖

POM 下呈現均勻的暗狀態之顯示情形。目前我們推測的原 因是由於 A 壓克力單體的烷基長碳鏈與液晶分子當中的氧 烷基等非極性分子之間的交互作用力 (凡得瓦力)，使得 A 壓克力單體具有使液晶分子垂直站立的效果。因此，此效 果類似一般傳統所使用的接枝型聚醯亞胺高分子側鏈的部 分，同樣具有使液晶分子做垂直站立的功能，如此我們推 測 A、B 壓克力單體具有模擬接枝型聚醯亞胺高分子的側 鏈及主鏈的部分，如圖 1 所示。而比較有趣的現象在於當 雙旋光結構 SmA*液晶摻入至 N 相液晶混合系統時，我們 將其置於加熱台上，使溫度升溫至 iso 期間，經由 UV 光 照射後，除了形成光致垂直配向效果之外，並且當我們從 iso 溫度降至室溫約 30℃ (降溫速率 5°C /min) 時，皆觀察 到特殊的 TGB

* phase，如圖 5(c) 所示。而對於我們的研 究目的主要是希望藉由雙旋光結構 SmA*液晶所產生的垂 直排列型態來輔助原先經由 UV 光致相分離所形成的垂直 配向 (vertical alignment) 效果之 N 相液晶混合系統。但 是，在實驗中發現當雙旋光結構 SmA*液晶與 N 相液晶共 存的情況下之 SN 相液晶混合系統時，其 2 者之結晶相 (crystalline phase) 相互擠壓而所產生的不連續 domain (微

圖 5 (a) SN 相液晶混合系統沒有經過 UV 光照射所呈現 相圖 (b) N 相液晶混合系統經 UV 光照射形成垂直 排列之暗狀態顯示情形與 (c) SN 相液晶混合系統 下呈現特殊的 TGB

* phase 圖

缺陷) 之光學紋理，進而出現其特殊的 TGB

* phase 之奇 特現象。然而此系統所產生的 TGB

* phase 有待更多嚴謹 的實驗、文獻以及此特殊相的鑑定來佐證並找出其真正形 成的原因。另外，在圖 5(c) 中所出現的亮紋現象，推測可 能是由於在 N 相液晶於光致垂直配列的情況下，因與雙旋 光結構 SmA*等液晶材料的摻入而破壞原 N 相液晶分子排 列之情形所導致此現象發生[19]。

另外，針對雙旋光結構的 SmA*液晶在試片當中的分

佈狀態，我們主要是推測對於較長的末端基軟鏈段[(碳 10)

的那端，而非旋光基軟鏈段 (碳 6)]處在較小的試片厚度下

(本實驗採用 4 μm 厚度之液晶試片)，由於上下 ITO 玻璃基

表四 2 種液晶混合系統的閥電壓、驅動電壓以及飽和電壓等量測數值

液晶混合系統 閥電壓 (V

, V) 驅動電壓 (V

, V) 飽和電壓 (V

, V)

N 相

1.64 2.27 3

SN 相

2.02 5.41 8

a.

N 相液晶混合系統之對比度 (Contrast ratio, CR) 約 1300: 1[17, 18]。

b

由於 SN 相液晶混合系統出現特殊的 TGB

* phase，因此本篇研究論文並沒有量測與探討此系統之對比度。

圖 6 經垂直配向後之光電效應原理 (a) 施加電壓前呈現暗狀態 (b) 施加電壓後呈現亮狀態

板相距較近的原因，使得 SmA*的末端基軟鏈段 (碳 10) 與 A 壓克力單體之烷基長碳鏈 (碳 10) 之間的交互作用力較 強 (分子間存在著凡得瓦力)，並且再藉由本章第 4 節的閥 電壓 (V

) 與驅動電壓 (V

) 等實際實驗量測結果，我們 可間接得知其 SN 相液晶混合系統所形成的相分離複合薄 膜表面的錨定能相較於 N 相液晶混合系統要來的大[34- 36]。也因此，我們推測大部分的 SmA*液晶皆分佈於上下 雙層的垂直配向共聚薄膜表面上，而另一部份則微量的散 佈於試片當中。如此，我們對於 SN 相液晶混合系統之液 晶分子分佈的形式，大致上將其簡單地描繪如圖 1 所表現 的方式。然而，對於此 SN 相液晶混合系統仍存在著許多 有待我們去證實與深入探討的地方。另外，當液晶試片的 厚度慢慢增加後，由於上下 ITO 玻璃基板之間的距離越來 越遠的關係，如此可能造成純的 SmA*液晶分子 (非摻混 系統下) 之間的相互作用力慢慢削弱的原因致使垂直排列 紋理的消失 (如參考文獻[20]有觀察到此現象，但其真正產 生的原因也是有待我們進一步所需了解與分析的部分)。

3. 垂直配向模式之原理

本 實 驗 主 要 是 採 用 液 晶 分 子 垂 直 配 向 (vertical alignment, VA) 模式系統。而 VA 模式在傳統的液晶顯示 器工業上為採用具側鏈型高分子之垂直配向薄膜以及誘 電異方性為負型之液晶材料，也因此當所施加之電壓關閉 (V = 0) 時，液晶分子會與玻璃基板表面呈垂直配列；由於 偏光片為正交配置的關係，因而完全遮斷光的穿透，此時 呈現黑顯示 (normally black, NB)；反之，當施加一臨界電

壓 (V > V

) 時，由於液晶具有負誘電異方性，使得液晶 分子長軸朝電場方向有一傾角Φ的變化；而此傾角Φ的大小 會隨電壓的增加而增加，致使入射線性偏光會因雙折射影 響而形成橢圓偏光，部份的光將會穿透其上層的檢光片而 呈 白 顯 示 ， 其 透 過 的 光 強 度 與 外 加 的 電 壓 大 小 有 關 [16-18]。而液晶分子受外部電場的動作原理，如圖 6 所示。

4. 液晶混合系統的灰階特性

如表四與圖 7 所示為 N 相與 SN 相液晶混合系統的光 穿透度情形。由圖中可明顯看到雖然 N 相液晶混合系統具 有較小的閥電壓 (V

) 與驅動電壓 (V

)，但是相較於在 SN 相液晶混合系統當中，由於雙旋光結構 SmA*液晶的摻 入而大大的改善了液晶元件的灰階切換的性能[20]。

另外，對於 SN 相液晶混合系統所測得的 V

和 V

較大，這也間接證實了此系統所形成的相分離複合薄膜表 面的錨定能可能較大所造成的初步原因之一[34-36]。

四、結 論

本實驗為參照先前所發表的研討會論文與期刊等相

關研究報告，除了利用 UV 光致相分離技術製作液晶分子

之垂直配向共聚薄膜 (vertical alignment copolymer film,

VACOF) 之外，於初步的實驗過程當中，首度將雙旋光結

構 SmA*液晶摻入至 N 相液晶混合系統中，並觀察到此液

晶元件 (SN 相液晶混合系統) 具有傑出的灰階切換特性

以及特殊的液晶相 (TGB

* phase)。

圖 7 (a) N 相與 (b) SN 相液晶混合系統的光穿透度量測 結果及其灰階特性

由於雙旋光結構 SmA*液晶在正交 POM 下觀察時，液 晶分子整體呈現垂直排列於玻璃基板表面之情形，以致產 生 垂 直 排 列 紋 理 (homeotropic texture) 的 現 象 以 及 conoscopic 之暗十字帶同心圓干涉像。因此我們初期的構 想是希望摻入雙旋光結構 SmA*液晶能夠有助於先前所提 出的 N 相液晶混合系統[16-18]之液晶分子垂直配列之效 果，並改善原系統的灰階性能以及提升 VACOF 表面的錨 定能 (anchoring energy)。而在 SN 相液晶混合系統中，經 由 UV 光照射後，在正交 POM 下竟出現令我們感到相當 好奇且有趣的 TGB

* phase。而在相轉移行為方面，因雙 旋光結構 SmA*液晶的摻入，除了可降低 SmA*本身的 iso 溫度之外，並可增廣其液晶共存相 (TGB

* phase) 之應用 溫度範圍。另外，在光電性質量測方面，我們也發現此 SN 相液晶混合系統具有良好的灰階特性，因此，我們除了持 續針對此新型的摻混系統做深入的探討與了解之外，同時 也期望未來能更進一步將其應用於光電領域等顯示元件 上。

誌 謝

本研究報告非常感謝矽恩特殊材料股份有限公司，楊 凱能先生所提供的 A、B 壓克力單體與光起始劑等材料以 供其實驗，及其所給予的建議、諮詢等幫助，使其實驗得 以順利完成。

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2010 年 07 月 05 日 收稿

2010 年 07 月 19 日 初審

2010 年 08 月 27 日 複審

2010 年 09 月 06 日 接受