高分子分散型胆固醇液晶相分精品课件

高分子分散型膽固醇液晶相分 之研究 Studies of Phase Separation for a Polymer-Dispersed Cholesteric Liquid Crystal 班級:化材四甲 學號:49640905 姓名:林瑋傑 摘要 本文研究主要研究高分子分散型膽固醇液晶中高分子與液晶相分 變化及其光電特性。我們藉由主劑及聚合物合成比與曝光條件的調 整，讓聚合物達成相分。其中4um 液晶層在56 伏特電壓驅動下可 得21.5%的反射，10um 液晶層在100 伏特電壓驅動下可得20%的 反射。 Abstract lIn this thesis, we study the photo-induced phase separation between lliquid crystal and polymer and electro-optical property a polymer ldispersed cholesteric liquid crystal (PDCLC). By tuning polymer lconcentration and UV exposure intensity, we achieved the morphology of lgreen-and-black in PDCLC. Further, the characteristics of driving lvoltage, reflective spectrum, grain size, R-V curve, and response time lwere investigated. We obtained the reflectivity of 21.5% and 20% for l4m and 10 m cell gap samples, in which the driving voltages were 56V land 100V, respectively. 膽固醇型液晶介紹 l膽固醇型液晶具有如同層性液晶般的層構造 ，但各層分子軸方向與鄰接分子軸方向有些微小 的扭轉偏向，液晶分子全體形成旋構 l造，其距大約和可光波長相當。膽固醇型液 晶是由多層向型液晶堆積所形成，為nematic 液晶的 l一種，也可以稱為旋光性的nematic 液晶 chiralnematic;n*，因分子具 l有非對稱碳中心，所以分子的排呈旋平面 的排，面與面之間為 l互相平，而分子在各個平面上為nematic。 l膽固醇型液晶的態大致分為三種: l分別是Planartexture、Focal conic texture 、和Homeotropic texture。 高分子分佈技術 lPDLC(polymer-dispersed liquid crystal)，通常使用高分子 作為續相，液晶液滴作為分散相所構成的系統。 lPDLC 的製作共分成三種方法，包括：聚合導致相分 (PIPS, lpolymerization-induced phase separation) 、加熱導致相 分(TIPS, lthermally-induced phase separation)、以及溶劑蒸發導致 相分(SIPS, lsolvent-induced phase separation)。此相分(phase separation)技術，係用調整系統中液晶與高分子之溶解 /互溶，而達到製程前為一互溶系統，製程後高分子/ 液晶分別聚集的現象。 膽固醇液晶黑相分研究 l研究方法:聚合引發相分共分為種，一種為 PIPS法，一種為加成聚合法。 l在聚合過程中，液晶分子的溶解隨著 l聚合程增加而減少，當溶解小於某一界值 時，即會產生相分， l將液晶分子以及聚合物分出，這種相分方法 稱為PIPS法。本文中主要是使用加成聚合法， 將高分子單體加以聚合。而起始 l加成聚合的方式共分成三種:自由基(free radical) 聚合法、陽子(cationic) 聚合法與陰子 (anionic)聚合法，其中，自由基聚合法為最常被 使用的方式。 自由基(free radical)聚合法 l自由基聚合法的聚合方式，首先是用照 光或加熱的方式，使光或熱起始劑分解或 分產生自由基，自由基與單體反應產生 具有自由基的單體，藉由此具有自由基的 單體與其他未反應的單體進成長反應， 而逐漸形成高分子長鏈，而終止反應方式 則可分成再結合與均化種，其中，聚 合反應速，可經由溫或照光強 l調控。其聚合反應方程式，如表3-1 所示。 表3-1 PDCLC 光聚合反應方程式 實驗步驟 l在主劑 60%、賓劑40%黑相分研究過程中， 先使用cell gap 10um l導電ITO 玻璃試片，將混合複合系液晶注入到試 片中，並用線性偏極 l紫外光進照射(曝光強固定為0.9/mw衰減 片50%、曝光波長固定為365nm 紫外光，照圖 3-1 所示在輸出波長365nm 為最佳照光效)，而 引發聚合物相分形成高分子包覆液晶球，最後 再用偏光顯微鏡鑑定出相分後液晶球的顆 大小。 液晶試片製備 l主要是用毛細現象的方法，首先將液晶材放 置在液晶皿中，再 l將液晶試片置於支架上，者同時放入液晶注入 機Chamber 中，液晶皿 l置於下方，液晶試片開口朝下置於支架放置在上 方，將液晶注入機抽真 l空到達0.02 torr 後加熱50並讓液晶試片與液晶 皿接觸，待試片灌滿液 l晶後將真空Chamber 洩壓到一大氣壓，並用環 氧樹脂封口即可完成。 光聚合反應 l將複合系液晶混合 NOA65 高分子，再用液晶 注入機將液晶試片灌滿，以偏光曝光機UV Aligner 波長365nm、曝光強0.9/mw衰減片 l50%進紫外光照射，隨著曝光時間改變，高分 子會產生聚合反應將複合系液晶包覆產生顆球 ，最後記曝光時間並用偏光顯微鏡檢視聚 l合反應後顆大小。其操作原圖3-2 所示。 相分顆檢視測 在光聚合反應完成後，可使用偏光顯微鏡 Olympus 其操作原下圖所示調成光穿 透，用穿透光的光柵調整偏光就可看到 相分後顆光穿透的形。是用反 射光的光柵調整偏光就可看到相分後顆 光反射的形。 Olympus 顯微鏡用光穿透及反射變化，做為相分 顆大小檢測，調整Polarizer 也可以改變顏色變化 實驗結果 lcell gap 10um 玻璃黑相分 l實驗過程主劑組成為液晶 E7 0.88 克、旋光劑 CB15 0.19 克、旋光劑R1011 0.05 克，主劑加熱 80變成透明液體，確後會變回白濁，取出 部分主劑加入賓劑NOA65 混合成透明液體，再 用液晶注入機將液晶加熱50注入cell gap 10um 玻璃試片。其中主劑及賓劑比互為變動下，配 合相分曝光時間：30sec、35sec、40sec、 45sec、50sec、55sec、60sec、65sec，求取同 實驗結果。 l主劑 0.7 克及賓劑0.3 克黑相分，在固定的 實驗條件及曝光條件下(曝光時間有變化)，無法 完成相分，同時在受外的擠壓下會造成液晶 動，顯然是multi-domain 的結構導致在曝光的 同時，過強的曝光強會使polymer 在瞬間聚合 過份反應下無法完整包覆液晶球。其中最值得探 討的是液晶顆隨著曝光時間的改變而逐漸萎縮 ，最後會形成硬化後的白霧影響顯示品質，或 是表面已硬化而內部的聚合物卻還與液晶互為混 合的相分完全。 l在得到以上結後主劑0.7 克及賓劑0.3 克 黑相分的條件顯然無法達到完整的相 分據，主因是曝光強及曝光時間和 聚合物的含均無法達到完美的搭配，因 此在後續的實驗中會將以上的條件作等比 的組合，找出最為想的相分條件。 主劑 60%及賓劑40% l取主劑0.6 克及賓劑0.4 克，實驗結果如圖 所示。 圖 主劑60%及賓劑40%cell gap 10um 玻璃試片(a)曝光時間30sec；(b)曝光時間35sec； (c)曝光時間40sec；(d)曝光時間45sec；(e)曝光時間50sec；(f)曝光時間55sec； (g)曝光時間60sec；(h)曝光時間65sec 相分結果，顯微鏡放大 20 倍。 l主劑 60%、賓劑40% cell gap 10um 黑相分，在固定 的實驗條件及曝光條件下(曝光時間有變化)，已成功完成 相分。由上圖(b)可以清礎看出相分後的液晶球均勻 的散佈在顯示區中，但最為重要的是曝光強0.9mw衰 減片50%才得以讓40%的polymer 完全聚合。在比照其它 的實驗條件可以明確瞭解，由於曝光強0.9mw 還是會 polymer的聚合瞬間太過劇，容導致相分過程中， 因太強的曝光強及太長時間照光而讓液晶球逐漸萎縮， 最後在電場驅動時無法得bi-stable及高對比，因此，主 劑60%、賓劑40% cell gap 10um 黑相分，曝光時間 35sec、曝光強0.9mw衰減片50%、曝光波長365nm 為最佳黑相分條件。在固定的實驗條件及曝光條件下 (曝光時間有變化)，已成功完成相分，因此往後的所有 探討均以該條件為主要課題。 cell gap 4um 單面VA 玻璃黑相分 l實驗過程主劑組成為液晶 E7 0.88 克、旋 光劑CB15 0.19 克、旋光劑R1011 0.05 克 ，主劑加熱80變成透明液體，確後會 變回白濁，取出部分主劑加入賓劑 NOA65 混合成透明液體，再用液晶注入 機將液晶加熱50注入cell gap 10um 玻璃 試片。其中主劑及賓劑比互為變動下， 配合相分曝光時間：30sec、35sec、 40sec、45sec、50sec、55sec、60sec、 65sec，求取同實驗結果。 圖 主劑60%、賓劑40% cell gap 4umVA 玻璃試片(a)曝光時間30sec；(b)曝光時間 35sec； (c)曝光時間40sec；(d)曝光時間45sec；(e)曝光時間50sec；(f)曝光時間55sec； (g)曝光時間60sec；(h)曝光時間65sec 相分結果，顯微鏡放大 20 倍。 l主劑 60%及賓劑40% cell gap 4um 單面VA 黑相分，在固定的實驗條件及曝光條 件下(曝光時間有變化)，已成功完成相分 。由上圖(f)可以清礎看出相分後的液晶 球均勻的散佈在顯示區中。 結論 l曝光強0.9mw衰減片50%才得以讓40%的 polymer 完全聚合在比照其它的實驗條件及據 可以明確瞭解，由於曝光強0.9mw 還是會導致 polymer 的聚合瞬間太過劇，容造成相分 過程中，因太強的曝光強及太長時間照光而讓 液晶球逐漸萎縮，最後在電場驅動時無法得到bi- stable 及高對比，因此，主劑60%、賓劑40% cell gap 4um 單面VA 黑相分，曝光時間 55sec、曝光強0.9mw衰減片50%、曝光波長 365nm 為最佳黑相分條件。 膽固醇液晶各相結構圖 膽固醇液晶電場驅動變化 程圖 結果與討 l膽固醇液晶黑相分主劑及聚合物合成比與 曝光條件的影響性研究。 l本研究已成功開發主劑 60%、賓劑40%黑相分 。分別用液晶 l注入機製作test-cell、UV Aligner 完成光聚合反應 、偏光顯微鏡檢視相分後顆大小，探討其主 賓劑的比與曝光的變化對相分後顆大 小所產生的光電效應，並將此結果轉移到cell-gap 4um 玻璃基板，驗證驅動電壓與顆大小伴隨 gap 的變化所產生同的結果，最後再轉移 l到可撓式基板完成在同Substrate 下驅動電壓、 顆大小、光電測的交叉影響。 考文獻 l1 Peter J. Slikkerveer, EURODISPLAY, 273(2002) l2 Fred Ishii, Sony Corporation, Flexible electronics & displays (2004) lconference l3 GERWIN H. GELINC et al . Nature Materials 3, 106 (2004) l4 R. Penterman, et al. Nature 417, 55(2002) l5 J.P.A. Vogels, et al. SID 04,767(2004) l6黃啟炎,液晶-聚合物混合薄膜之光學二倍頻現象之研究,國成功大 l學物學研究所博士文,(2004) l7沙安,誘電性液晶之設計合成及光電性質與排特性研究,國清華 l大學化學工程研究所博士文,(2002) l8Andrew J.Lovinger, Karl R. Amundson,and Don D. Davis, AT T Bell lLaboratories,Murray Hill, New Jersey 07974, Received March 17,1994. lRevised Manuscript Received May 16,(1994) l9辛賓,環氧樹脂系高分子分散液晶膜之相分型態、TSC 為、電 l光性質及光散射為模擬, 國清華大學化學工程研究所博士文, l(1999) l10朱自強,王仕璠,蘇顯渝, 現代光學教程, 四川大學出版社,成 l(1990) l11 P. G. De genes and J. Prost: The Physics of Liquid Crystals, Oxford lScience Publications, New York, (1993) l12 J. W. Doane, D.-K. Yang, and Z. Yaniv, Front- lit flat panel display lfrompolymer stabilized cholesteric textures, Proc. Japan Display92, 73 l(1992) l13 X.-D. Mi, D.-K. Yang, Ionic effect in bistable reflective cholesteric lliquidcrystals, SID Intl. Symp. Digest Tech. Papers 72, 823 (2000) l逢甲 大 學資訊電機工程碩士在職專班碩 士 文 2oL-kH&hD#dAW9wT5sP1oL-kH&hD#dzW9wS5sP1oL- kH&gD#dzW9wS5sP1oL)kH&gD#dzW9wS5sO1oL)kH&gD#czW9vS5sO1oL)kH%gD#czW9vS5sO1oK)kH%gD#czW8vS5rO1oK)kH%gDZczW8vS5rO1oK)kG%gDZczW8vS5rO1nK)kG%gDZczV8vS4rO1nK)kG%gCZczV8vS4rO1nK)jG%gCZczV8vS4rO0nK)jG%gCZcyV8vR4rO0nK)jG%fCZcyV8vR4rO0nK(jG%fCZcyV8uR4rN0nK(jG%fCZbyV8uR4rN0nK(jG$fCZbyV8uR4rN0nJ(jG$fCZbyV7uR4qN0nJ(jG$fCYbyV7uR4qN0nJ(jF$fCYbyV7uR4qN0mJ(jF$fCYbyU7uR3qN0mJ(jF$fBYbyU7uR3qN0mJ(iF$fBYbyU7uR3qN+mJ(iF$fBYbxU7uQ3qN+mJ(i F$eBYbxU7uQ3qN+mJ*iF$eBYbxU7tQ3qM+mJ*iF$eBYaxU7tQ3qM+mJ*iF!eBYaxU7tQ3qM+mI*iF!eBYaxU6tQ3pM+mI*iF!eBXaxU6tQ3pM+mI*iE!eBXaxU6tQ3pM+lI*iE!eBXaxT6tQ2pM+lF$eBYbxU7tQ3qM+mJ*iF!eBYaxU7tQ3qM+mI*iF!eBYaxU7tQ3pM+mI*iF!eBYaxU6tQ3pM+mI*iE!eBXaxU6tQ3pM+lI*iE!eBXaxU6tQ2pM+lI*iE!eBXaxT6tQ2pM+lI*hE!eAXaxT6tQ2pM-lI*hE!eAXaxT6tP2pM-lI*hE!eAXawT6tP2pM-lI&hE!dAXawT6tP2pL-lI&hE!dAXawT6sP2pL-lI&hE#dAX9wT6sP2pL-lH&hE#dAX9wT6sP2oL-lH&hE#dAX9wT5sP2oL- lH&hD#dAW9wT5sP2oL-kH&hD#dAW9wT5sP1oL-kH&hD#dAW9wS5sP1oL- kH&gD#dzW9wS5sP1oL)kH&gD#dzW9wS5sO1oL)kH&gD#czW9vS5sO1oL)kH%gD#czW9vS5sO1oK)kH%gD#czW9vS5rO1oK)kH%gDZczW8vS5rO1oK)kG%gDZczW8vS5rO1nK)kG%gDZczW8vS4rO1nK)kG%gCZczV8vS4rO1nK)jG%gCZczV8vS4rO0nK)jG%gCZczV8vR4rO0nK)jG%fCZcyV8vR4rO0nK(jG%fCZcyV8vR4rN0nK(jG%fCZbyV8uR4rN0nK(jG$fCZbyV8uR4rN0nJ(jG$fCZbyV8uR4qN0nJ(jG$fCYbyV7uR4qN0nJ(jF$fCYbyV7uR4qN0mJ(jF$fCYbyV7uR3qN0mJ(jF$fBYbyU7uR3qN0mJ(iF$fBYbyU7uR3qN+mJ(iF$fBYbxU7uQ3qN+mJ(i F$eBYbxU7uQ3qN+mJ*iF$eBYbxU7uQ3qM+mJ*iF$eBYaxU7tQ3qM+mJ*iF!eBYaxU7tQ3qM+mI*iF!eBYaxU7tQ3pM+mI*iF!eBXaxU6tQ3pM+mI*iE!eBXaxU6tQ3pM+lI*iE!eBXaxU6tQ2pM+lI*iE!eAXaxT6tQ2pM+lI*hE!eAXaxT6tQ2pM-lI*hE!eAXatQ3pM+mI*iF!eBYaxU6tQ3pM+mI*iF!eBXaxU6tQ3pM+lI*iE!eBXaxU6tQ2pM+lI*iE!eBXaxT6tQ2pM+lI*iE!eAXaxT6tQ2pM-lI*hE!eAXaxT6tP2pM-lI*hE!eAXawT6tP2pM-lI&hE!dAXawT6tP2pL-lI&hE!dAXawT6sP2pL-lI&hE!dAX9wT6sP2pL-lH&hE#dAX9wT6sP2oL-lH&hE#dAX9wT5sP2oL-lH&hE#dAW9wT5sP2oL- kH&hD#dAW9wT5sP1oL-kH&hD#dAW9wS5sP1oL- kH&gD#dzW9wS5sP1oL)kH&gD#dzW9wS5sO1oL)kH&gD#dzW9vS5sO1oL)kH%gD#czW9vS5sO1oK)kH%gD#czW9vS5rO1oK)kH%gD#czW8vS5rO1oK)kG%gDZczW8vS5rO1nK)kG%gDZczW8vS4rO1nK)kG%gDZczV8vS4rO1nK)jG%gCZczV8vS4rO0nK)jG%gCZczV8vR4rO0nK)jG%fCZcyV8vR4rO0nK(jG%fCZcyV8vR4rN0nK(jG%fCZcyV8uR4rN0nK(jG$fCZbyV8uR4rN0nJ(jG$fCZbyV8uR4qN0nJ(jG$fCZbyV7uR4qN0nJ(jF$fCYbyV7uR4qN0mJ(jF$fCYbyV7uR3qN0mJ(jF$fBYbyU7uR3qN0mJ(iF$fBYbyU7uR3qN+mJ(iF$fBYbyU7uQ3qN+mJ(i F$eBYbxU7uQ3qN+mJ*iF$eBYbxU7uQ3qJ(jF$fCYbyV7uR3qN0mJ(jF$fCYbyU7uR3qN0mJ(jF$fBYbyU7uR3qN0mJ(iF$fBYbyU7uQ3qN+mJ(iF$fBYbxU7uQ3qN+mJ(iF$eBYbxU7uQ3qM+mJ*iF$eBYbxU7tQ3qM+mJ*iF$eBYaxU7tQ3qM+mJ*iF!eBYaxU7tQ3pM+mI*iF!eBYaxU6tQ3pM+mI*iF!eBXaxU6tQ3pM+mI*iE!eBXaxU6tQ2pM+lI*iE!eBXaxT6tQ2pM+lI*iE!eAXaxT6tQ2pM-lI*hE!eAXaxT6tP2pM-lI*hE!eAXawT6tP2pM-lI*hE!dAXawT6tP2pL-lI&hE!dAXawT6sP2pL-lI&hE!dAX9wT6sP2pL-lI&hE#dAX9wT6sP2oL-lH&hE#dAX9wT5sP2oL- lH&hE#dAW9wT5sP2oL-lH&hD#dAW9wT5sP1oL-kH&hD#dAW9wS5sP1oL- kH&hD#dzW9wS5sP1oL)kH&gD#dzW9wS5sO1oL)kH&gD#dzW9vS5sO1oL)kH&gD#czW9vS5sO1oK)kH%gD#czW9vS5rO1oK)kH%gD#czW8vS5rO1oK)kH%gDZczW8vS5rO1nK)kG%gDZczW8vS4rO1nK)kG%gDZcvS5sO1oL)kH&gD#czW9vS5sO1oL)kH%gD#czW9vS5sO1oK)kH%gD#czW8vS5rO1oK)kH%gDZczW8vS5rO1oK)kG%gDZczW8vS5rO1nK)kG%gDZczV8vS4rO1nK)kG%gCZczV8vS4rO1nK)jG%gCZczV8vS4rO0nK)jG%gCZcyV8vR4rO0nK)jG%fCZcyV8vR4rO0nK(jG%fCZcyV8uR4rN0nK(jG%fCZbyV8uR4rN0nK(jG$fCZbyV8uR4r N0nJ(jG$fCZbyV7uR4qN0nJ(jG$fCYbyV7uR4qN0nJ(jF$fCYbyV7uR4qN0mJ(jF$fCYbyU7uR3qN0mJ(jF$fBYbyU7uR3qN0mJ(iF$fBYbyU7uQ3qN+mJ(iF$fBYbxU7uQ3qN+mJ(iF$eBYbxU7uQ3qN+mJ*iF$eBYbxU7tQ3qM+mJ*iF$eBYaxU7tQ3qM+mJ*iF!eBYaxU7tQ3qM+mI*iF!eBYaxU6tQ3pM+mI*iF!eBXaxU6tQ3pM+mI*iE!eBXaxU6tQ2pM+lI*iE!eBXaxT6tQ2pM+lI*iE!eAXaxT6tQ2pM+lI*hE!eAXaxT6tP2pM-lI*hE!eAXawT6tP2pM-lI*hE!dAXawT6tP2pM-lI&hE!dAXawT6sP2pL-lI&hE!dAX9wT6sP2pL-lI&hE#dAX9wT6sP+lI*hE!eAXaxT6tQ2pM- lI*hE!eAXaxT6tP2pM-lI*hE!dAXawT6tP2pM-lI&hE!dAXawT6tP2pL-lI&hE!dAXawT6sP2pL-lI&hE#dAX9wT6sP2pL-lH&hE#dAX9wT6sP2oL-lH&hE#dAX9wT5sP2oL-lH&hD#dAW9wT5sP2oL-kH&hD#dAW9wT5sP1oL-kH&hD#dzW9wS5sP1oL- kH&gD#dzW9wS5sP1oL)kH&gD#dzW9wS5sO1oL)kH&gD#czW9vS5sO1oL)kH%gD#czW9vS5sO1oK)kH%gD#czW9vS5rO1oK)kH%gDZczW8vS5rO1oK