液晶旋光性质与光电性质之探讨

1、液晶旋光性質與光電性質之探討研究者：章舜雯、毛嘉瑜指導者：趙治宇 教授 黃光照 老師壹、緒論一、研究動機 光學量測是現今快速量測的方式，一般量測方式大都是以干涉作為方法，以機械式的干涉儀來做光學測量；由於機械式的干涉儀是以機械方式來移動反射鏡控制干涉相位的改變，然而機械本身就會有機械移動上的誤差；液晶本身具有流體與晶體兩種特性，且其受電壓的影響會改變其折射率差，形成光程差，造成相位的變化，利用電壓控制相位變化優於機械式推移方式，其準確度大大提升。二、研究目的了解液晶的基本特性以及研究其在不同電壓下相位的變化關係圖。學習製作小型液晶顯示器。三、研究問題藉由自行製作液晶光學樣品來觀察液晶在不同電壓

2、下相位的變化，以及深入了解液晶顯示器的簡易構造。貳、文獻探討一、偏振光光是由電場與磁場組成一種傳遞的波，但是隨著光進入不同介質會造成不同的特性，如光經過一個線偏振片，則會將光形成線偏振光，若經過/4波板，則會造成圓偏振光或橢圓偏振光。偏振形成的原因是由於物質中，對於光的互相垂直的分振動具有選擇吸收的性能，而容許光振動向量通過的方向即偏振化方向，而光經過物質後會沿著這個方向去震盪，形成偏振光，而這個方向也是光的電場震盪方向，隨著物質種類不同，形成偏振光特性也不同。二、液晶液晶liquid crystal為一種介於固態與液態間的有機化合物，也是一種具有規則性分子排列的化合物，將其加熱會成透明液態，

3、將其冷卻會成結晶的混濁固態，正因為此特性故稱液晶。若以其功能來區分，可以分為兩大類，第一類為熱致型液晶，第二類為溶致型液晶，熱致型液晶本身依分子構造可分為三種：層狀的Smectic液晶、絲狀或向列狀的Nematic液晶、類似膽固醇狀的Cholesteric液晶(a)層狀液晶 (b)向列狀液晶 (c)膽固醇液晶，三種液晶的物理特性不盡相同，而溶致型液晶不在此實驗中所使用，故不討論；本實驗所用的材料為第一類熱致型絲狀液晶-E7。 三、液晶顯示器的基本原理被動式顯示器液晶顯示器(liquid crystal display LCD)在1970年代初，便已達實用階段，廣被應用。隨著液晶種類及特性不同其

4、應用模式也不同，較常用的絲狀液晶(nematic liquid crystal)常被用於TN(twisted nematic，即扭曲型配向液晶)與STN(super twisted nematic，即液晶扭轉角度超過90度)型顯示器中；層狀液晶中的駐電性液晶(ferroelectric liquid crystal)可高速切換，尚具有雙穩態的記憶功能以及快速反應的時間，故因材料特性不同做不同模式驅動。以TN模式簡單介紹液晶顯示器的基本原理如下圖所示，利用扭曲配置的液晶分子的旋光性以及外加電壓的控制原理而達到顯示的目的，再配合三原色可以達到彩色顯示的效果，而電壓是藉由電晶體來做控制。參、研究步驟

5、一、製作小型液晶光學樣品二、量測樣品厚度三、量測樣品在不同電壓下的相位變化肆、研究設計一、研究設備及器材(一)電腦(二)ITO（IndiumTinOxide）玻璃(三)清潔劑(四)配向膜(五)自旋塗佈機(六)真空烤箱(七)間隙物(spacer)(八)偏振片(九)光圈(十)1/4波板(十一)E7液晶(十二)UV膠(十三)紫外光照射機(十四)鑽石刀(十五)切割機(十六)摩擦機(十七)雷射光(十八)分束鏡(十九)空間濾波器(二十)示波器(二十一)訊號產生器(二十二)超音波震盪器(二十三)氮氣槍(二十四)灑球機(二十五)鎖相放大器二、研究過程 (一)製作液晶樣品為了研究液晶的特性，我們需要製作一片灌有

6、液晶晶胞可方便使用的樣品。步驟：1.切玻璃使用鑽石刀以及玻璃切割機將ITO玻璃切成2.2公分的正方形。2.洗玻璃將切好的玻璃放入濃度為5的清潔劑（TFD4）的燒杯中，再置入超音波震盪器內震15分鐘，接著用牙刷刷乾淨後，再改用去離子水震5分鐘。3.塗配向膜PI等玻璃乾了以後，用氮氣槍和拭鏡紙將玻璃處理乾淨，尤其是有ITO的那面。再放入自旋塗佈機內，滴上約五至六滴PI於玻璃中央，調整轉速【轉數：1000 (10秒)4000 (20秒)1000 (10秒)， 要先嘗試數次調整至最佳設定】，抽真空，啟動機器，使PI均勻散佈於玻璃上。4.烘烤將玻璃烤乾，不同顯示器的製程有不同的烘烤溫度，我們使用的是軟烤

7、15分鐘80，硬烤60分鐘220。烤完後，可看到一層淡淡的色澤。5.摩擦配向摩擦配向的目的是當液晶分子貼附於玻璃片上時，可以沿著我們摩擦的方向排列整齊。將玻璃放在機器平台上，調整所需參數，按下控制鈕，轉動刷毛可以刷出一條條的小溝槽。6.灑球/封膠使用撒球機使兩片玻璃中間夾有大小數微米之小球，兩片玻璃不要完全重合，兩側各留一點間隙，以方便將來接線測量用。接著在兩側接合處塗上UV膠，塗的時候要壓緊玻璃，以免膠滲進去，壓合玻璃必須兩片玻璃保持平行，若不平則會產生牛頓環故可利用此現象來檢驗壓何樣品是否水平。壓好後，放入紫外線照射裝置內照射UV光，使膠變固化。7.灌液晶使用針筒吸取E7液晶由樣品上方接縫

8、處注入，利用毛細現象與重力使之完全均勻分布於樣品內部。切玻璃切割機2.2cm的正方形洗玻璃超音波震盪器去離子水塗PI自旋塗佈機烘烤軟烤15分鐘80硬烤60分鐘220摩擦配向灑球灑球機注入液晶使用細針筒以及E7液晶封膠與接上電線 (二)量測樣品厚度由於製作過程會有疏失，為求謹慎，利用干涉方式量測樣品厚度以確定真正樣品厚度。 1.儀器裝置如下（圖片由右至左為雷射光、反射鏡、空間濾波器、光圈、凸透鏡、透鏡、樣品架），將樣品放置於樣品架調至布魯斯特角，在布魯斯特角的狀態下，當入射光為自然光時，反射光會成垂直偏振，由於我們的實驗使用的是平行偏振的光，所以就不會有垂直偏振的反射光。使用布魯斯特角的目的就是

9、要消除垂直偏振反射光。【如何確定正面入射：光經過不同介質會形成穿透與部分反射，觀察其部分反射光是否與入射光在同一點上】2.關燈，觀察干涉條紋在屏幕上距中間位置的距離以及數目。【由於光線微弱做此觀察紀錄不容易，需花較長時間讓眼睛適應其暗度，當離開時也必須注意眼睛的適應情況】3.將所得的資料輸入電腦已寫好的程式裡計算其結果。【此程式已經由學長們寫完成，此程式是以模擬方式來推得正確的數值，藉由所量測到條紋數與位置，利用模擬的方式來互相比對，推得正確液晶樣品的厚度】實驗裝置圖(三)量測樣品在不同電壓下相位的變化1.架好儀器，將樣品兩側的PI刮除，用鱷魚夾夾住放在適當位置。雷射光偏光片分束鏡鏡接收器接收

10、器旋轉偏振片1/4波板Sample反射鏡2.將雷射光通過分束鏡，分成兩道光一直接穿透；一直角反射，反射的光作為參考光即為對照組。直接穿透的光經由反光鏡反射，穿過透鏡、光圈、樣品，再利用1/4波板使圓或橢圓偏振光變為線偏振光，通過旋轉偏振片後由接收器接收，由鎖相放大器讀取相位的數據。實驗裝置圖訊號產生器鎖相放大器伍、結論一、厚度量測結果第一片：8.7µm第二片：8.06µm第三片：8.03µm二、電壓相位圖（一）厚度：8.03µmV（二）厚度：8.06µm度V（三）厚度：8.7µmV度度V 四綜合比較陸、討論與建議一、製作液晶樣品(一)

11、要帶手套，以免污染玻璃以及被玻璃割傷。(二)在使用鑽石刀時，須注意力道的拿捏，太用力玻璃會破，太輕玻璃無法切斷。(三)實驗發現，洗玻璃時使用牙刷可以得到很大的效果。(四)塗配向膜前務必將玻璃清潔乾淨。(五)壓合時要很有耐心，且力氣不要過大以免玻璃碎裂。(六)在試過了多種壓合方法，例如：使用重物壓合、利用磁鐵固定等後，發現目前 為止還是以用手直接壓合最為成功，但容易弄髒玻璃表面為其缺點。(七)做任何步驟時都要保持樣品的清潔，不要讓灰塵掉入。二、厚度量測由於是用肉眼觀察干涉條紋，所以很容易造成誤差。三、電壓對相位之影響 根據實驗數據可知相位會隨著電壓的改變而變化，且不同厚度的樣品其臨界電壓都相同，此乃因為所使用的液晶樣品配置皆為反平行配向且為同一種液晶材料，故所需要驅動的能量均相同；但斜率不同：厚度越大者斜率越大，也就是說，當施加相同的電壓時，厚度越大的玻璃，相位的變化越大。根據關係圖我們就可以知道在施加多少電壓時其相位差是多少，進而知道其為線偏振光或圓偏振光或橢圓偏振光。以8.03m的數據為例：當電壓為2.4V時，相位差為180度；當電壓為3.05V時，相位差為90度(450-360=90)。當相位差為90度的奇數倍且振幅相等時，呈圓偏振光；當相位差為180度的整數倍時，呈線偏振光。其他情況會成橢圓偏振光。四