光電材料范文

光電材料范文光電材料范文 13 光電材料 1 介電材料電容器 capacitor 是用來貯存從一電路接收到的電荷 之電子元件 電容器的功用有 使電訊號波動變得平滑 積存電荷以 避免電路的其他部份損壞 貯存電荷以為爾後配電之用 以及改變電訊號的頻率 電容器係按使電流貯存在兩導體之間的極化材料內的方式設計 圖一 介於兩導體間的材料必須很容易極化 並且具有很高的電阻係數以 免電子由一板通過它到另一板 介電材料可滿足這兩個要求 圖一簡單的平板電容器 其中厚度為d介電材料所貯存的電荷成正比 於作用在兩導體板間的電壓 2 陶瓷介電材料鈦酸鋇 BaTiO 是一種結晶質陶屬 在常溫下亦 具有不對稱結構 圖二 鈦離子稍微偏離單位晶胞的中心 致使該晶體成為正方晶系結構並 具有永久極化 在一交替性的電場內 鈦離子將來回地移動於兩容許位置之間以確 保偶極與電場方向平行排列 此種奇特的結晶以及它對作用電場的迅速反應導致鈦酸鋇和類似的 材料具有極高的介電常數 然而 既然極化為高度的異向性 晶體必須能確切地隨電場方向排 列 圖二鈦酸鋇 BaTiO 的結晶結構 因為O2 與Ti4 的位移 此單位晶胞具有永久偶極 並能產高度極化 3 液晶材料一種介於固態和液態的中間狀態 即所謂的液晶 liqu id crystal 已經由液晶顯示器 Liquid CrystalDisplay 即LCD 的普及化 而變得廣為人知 舉凡科學儀器上跳動的指示燈 百貨商店變幻萬千的電子廣告看板 籃球賽的計分板 電子手錶等 都因為 液晶顯示螢幕 而開創 了新的紀元 西元1888年 奧地利植物學者Reinitzer注意到他所合成的苯甲酸膽 固醇酯 Chelesteryl benzoate 竟有兩個 熔點 在145 時 熔解為一種混濁的液狀物 達179 時 又突然變為一般的透明液體 德國物理學者Lemann取得此樣品 以偏光顯微鏡確認其為 有組織 方位性的液體 即 結晶液體 crystalline liquid 後來陸續又發現了許多其他類似的例子 使得科學家們相信這種現 象並非偶然 經過數年的研討 終於確定此一 混濁液狀物 在學 術上的地位 即今日所謂的 液晶 按照分子的排列 液晶可大致分為以下三類層列型液晶此類分子排 列成層 層與層之間的作用力相當弱 使得每一層均可在平行層面 的方向滑動 但每層中分子間的作用力相當強 使得受外力而變形 之層面有彈性回復的傾向 屬固體的性質 為一般流體所欠缺 此類液晶多應用於光記憶材料的發展 線列型液晶此類液晶沒有層列型液晶混濁且較易流動 通常在加熱 到較高溫度時 層列物質即被轉變成線列物質 線列液晶中 分子的排列好比一盒火柴棒它們是並排躺著的 每個 分子除可自身轉動外 尚可相互滑動 此類液晶由於不同區域間的界面會反射光線 所以在顯微鏡下可以 看見線狀的構造 此類液晶是最早被應用的液晶 常見於液晶電視 手提電腦以及各 類型的顯示元件上 膽固醇型液晶膽固醇型液晶的分子結構多與膽固醇相似 這類液晶 具有類似於線列物質的排列規則 然而 其分子是在連續的層上而 不是隨便排列 每一層都是一片片的分子堆 同一片上的分子長軸指向相同方向 隨著從這一片過渡到下一片 分子長軸會轉動一個小小的角度 結 果形成螺旋狀結構 也正因這種奇特的排列方式 使其具有特殊的 光學性質 常被運用於溫度感測器中 具有液晶態的物質 在最終熔化成清澈液體之前的某一確定溫度下 會轉變成混濁的液相 這混濁的液相可以像一般液體那樣流動 並具有表面張力 但是 它們的分子具有一定程度的有序性 致使這些混濁液相在某些光學 性質方面又與晶體相似 是故被稱為液晶 在許多晶體中 光在每個方向上的速度都相同 因此 各個方向的 折射係數也相同 我們稱這類晶體是 等方性 isotropic 而另外有些晶體則是異方性 anisotropic 則光在晶體各個方向 上的速度便會不同 而液晶即是異方性的 電池式手錶及其他儀器的液晶顯示之基本結構組 在這些電池中通常使用的是線列液晶 由於線列液晶是可流動的 而且它的分子具有極性 所以用一個很小的電場 便可改變液晶分 子的取向 取向改變會使光學性質發生變化而使電池呈現晦暗 若 經偏光片看是黑色的 即可用來顯示信息 例如時間或日期等 電子工業則使用膽固醇型液晶去找尋電路中的電位故障點 因為此 處會顯示 熱點 而被檢出 此外 由於膽固醇型液晶之顏色亦會隨壓力而改變 所以可用於探 測應力分布的實驗 例如將液晶塗於試驗飛機的表面 由其顏色之 分布可得應力之分布情形 可協助設計出性能更優良的飛機 4 光纖材料光纖就是能輸送光線的纖維 其實它與能輸送自來水的水管以及能輸送瓦斯的瓦斯管一樣 只是 管子的粗細小了許多 管徑的大小大約只有萬分之一公尺 只比頭 髮稍粗 光纖 的主要功用就是傳輸 光波 因為 光波 在空氣中傳 送都是沿直線進行 很容易被障礙物阻擋 所以需要 光纖 來幫 忙輸送 其實它的作用 與水管輸送自來水和瓦斯管輪送瓦斯的功能並無不 同 只是 光纖 是根據 全反射 的原理來傳輸 光波 而在 全反射 的狀況下 整條 光纖 就像一條周圍都是鏡子的管線 一旦光線進入這條管子 它再也跑不出來 只有乖乖地從進口的 這一端乖乖地跑到出口的那一端 就完成了 光波 的傳輸 其實 一旦 光波 進入 光纖 或多或少的還是會從 光纖 內部漏出來 跑出來量的多少 跟 光纖 的品質有很大的關係 玻璃做的光纖 品質較好 價格較貴 漏出的光量較少 塑膠做的 光纖 價格較低廉 但相對地漏光量也較大 這也是一分錢一分貨 的道理 可是無論漏光量的大小 聰明的科學家與工程師們 都有因應的辦 法把 玻璃光纖 使用在需要傳真度較高的訊號傳輸 例如有線電 視 光纖網路等應用上 而故意把漏光量大的塑膠光纖 應用到照 明的用途上 像是把 塑膠光纖 環繞游泳池的周邊 不但達到省 電照明的功效 比四周設置電燈要便宜 而且還有藝術的效果 這種化腐朽為神奇 把缺點變成優點的作法 其實就是能深切體會 到 尺有所量 寸有所短 這個道理 其它還有許許多多的應用 我們在後面再一一的來介紹 在日常生活中 我們時常聽到光纖通訊 Optical FiberCommunications 但什麼是 光纖通訊 呢 它又是如何傳 遞光的訊號呢 為了解這個問題 我們先從 光傳輸 的歷史講起 以光作為通訊的觀念可以追溯回較古的時代 當時是用火光來傳遞 訊號作為警戒用途 後來則是在海上航行的船隻利用燈號來作為通訊用途 至於第一項屬於 光通訊 的專利則是在西元1880年由貝爾 Alexan der GrahamBell 發明的 光話機 Photophone 所獲得 貝爾將太陽聚成一道極為狹窄的光束 照射在很薄的鏡子上 當人 們發出聲音的 聲波 讓這面薄鏡產生振動時 反射光 強度 的變化使得感應的偵測器產生變動 改變 電阻 值 而接收端則利用變化的 電阻 值產生電流 還原成原來的 聲波 當貝爾測試 光話機 成功時 他寫下了 我聽到光線的笑聲 咳 嗽聲和歌唱聲 他的這項發明僅能傳播約200公尺 因為藉由空氣傳遞的光束 遇到 的情況都不盡相同 例如霧 雨或雪都能阻擋光線 甚至在乾燥而 新鮮的空氣中 光線強度仍會隨距離迅速減弱 當時貝爾雖曾預測這項發明 在科學世界裏 將遠比電話 留聲機 和麥克風更有趣 但由於光線在空氣中的衰減速度很快 使得 光通訊 並非很實用 因此 有人也想到了利用物質傳導光 所以在西元1870年時 約翰道耳 John Tyndall 作了一個實驗 讓 光波 在由桶底流出的水柱中傳播 因為光為 電磁波 的一種 所以我們稱水柱那樣可以傳導光波的 物質為 波導 waveguide 介質 波導 的理論則始於西元1910年 由Hondros及Debye首先提 出 近代的 光纖通訊 始於1960年代 而使得 光纖 成為現在及未 來通訊的主力乃是基於兩個事件的激發首先是西元1960年美國物理 學家梅門 Theodore HaroldMaiman 成功地使紅寶石振盪產生 雷射光 第二則為西元1966年 科學家高錕 Charles Kao 及George A Hockham 他們預測所製作的 光纖 能夠讓 光波 在其中傳 輸一公里 仍有原來1 的光能量 那麼 光纖 就能夠像電纜一般 來作為傳輸工具 因為在當時 即使是最好的 光纖 光波 在其中傳輸20公尺 就已使光能量降低至原來能量的1 到了西元1970年 由貝爾實驗室製作成功 可於常溫下連續振盪之 半導體雷射 Semi Conductor Laser 及康寧玻璃工廠 Corning GlassWork 製造出每公里衰滅小於20分貝的低損失石英質 Silica 光纖後 光纖 技術一日千里 今日 由於光電科技的發展 每公里衰滅低於1分貝 傳輸頻寬 頻率寬度 高於800MHZ的光電纜已可大量生產 再配合 高階數 位多工 High OrderDigital Multiplex 技術的發展以及高性能 光電元件 Opto Electronic Device 的開發 每秒傳播速度高達九千萬 位元 Binary Digit 簡稱bit 甚至每到每秒四億 位元 之高速大容量光 通訊系統 目前已達實用化的階段 5 透明材料與發光材料Q膠Q膠為透明苯乙烯丁二烯共聚合物 該材 質具以下優良特性高透明度 高耐曲折性 高表面光澤及剛性 高 強韌度 染色 印刷加工容易 可與GPPS適量混鍊 比重低可降低成 本 符合FDA 21CFR177 1640 規範 可使用於一般家電 衣架 玩 具及包裝器材 SAN樹脂由於GPPS的耐化學藥品性很差 所以在SM中加入AN 丙烯腈 單體 共聚合而成SAN即俗稱AS樹脂 不但保留GPPS的透明性且更耐 化學藥品性及稍增加表面硬度 自然狀況下為光亮略帶黃色的透明 物體 KIBISAN AS為苯乙烯與丙烯腈共聚合物的商品名 以本公司特有的 連續式製程生產 成品具有良好的透明性 均一的高光澤度 耐化 學性 以及優越耐熱性 剛性和安定性 無論用於化妝品外盒 打火機外殼 食品加工容器 蓄電池外殼 或清潔劑份散器上 KIBISAN 皆是最佳材質 事實上KIBISAN 已在全球被用於製造出數百種之消費性產品 產品 包括各種品級 從高耐熱性到透明性品級皆有 且KIBISAN 已獲UL 及CUL認證 PS樹脂將苯乙烯單體經過加熱聚合形成固體聚合物 即為通用級聚 苯乙烯 General PurposePolystyrenre 又簡稱為硬膠 一般而言 通用級聚苯乙烯具有光亮 質輕 透明 價格便宜等優 點 但針對其質脆 耐化性差等缺點 可利用其他方式加以改質 發展出不同種類的產品 如耐衝擊性聚苯乙烯樹脂 High ImpactPolystyrene HIPS 丙烯腈 苯乙烯共聚合物 Acrylonitrile Styrene Coplymer AS resin 丙烯腈 丁二烯 苯乙烯共聚合物 Acryloni trile Butadiene Styrene Copolymer ABS resin 等樹脂 PS樹脂其結合安定性 外觀與簡易加工性而成 具成本效益之材質 很適用於家庭用品 辦公室裝修飾品 包裝材 CD及錄音卡帶盒 壓克力樹脂具有良好之耐候性與耐熱性 及極高之透明度與光澤度 同時具有穩定之物理 化學 光學與電學等特性 可廣泛地使用於電子面板 機械零件 鐘錶面殼 汽機車指示燈 電訊器材 絕緣零件以及太陽眼鏡等 MS樹脂是以甲基丙烯酸甲酯 MMA 和苯乙烯 SM 為主要原料所合成的 透明共聚合物 具有優異