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研究生： 石博仁
Shih, Po-Jen
論文名稱： 膽固醇液晶平面及焦錐結構直接切換之研究
Direct switching between planar and focal conic textures in cholesteric liquid crystals
指導教授： 傅永貴
Fuh, Ying-Guey Andy
學位類別： 碩士
Master
系所名稱： 理學院 - 物理學系
Department of Physics
論文出版年： 2011
畢業學年度： 99
語文別： 中文
論文頁數： 110
中文關鍵詞： 膽固醇液晶 、液晶 、偶氮染料 、平面結構 、焦錐結構
外文關鍵詞： cholesteric liquid crystals, liquid crystals, azo dye, planar, focol conic
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    • 本論文探討有關照光及溫度調控直接切換膽固醇液晶平面結構與焦錐結構，機制上主要利用照光激發偶氮染料引致光致熱效應，使膽固醇液晶升溫並相變至各向同性態，當關閉照射光後使液晶自然降溫而形成散射的焦錐結構(focal conic texture)，故可由反射的平面結構(planar texture)轉換至散射的焦錐結構，並可利用降溫使所使用之膽固醇液晶螺距變長而提高焦錐結構的自由能，使能量越過平面結構及焦錐結構之間的位能障壁，而由焦錐結構轉回平面結構，此方法即膽固醇液晶兩種結構的直接切換的結果。實驗分兩個部分，第一部分利用甲基橙(MO)摻雜在PVA使用溶劑DMSO製成薄膜材料並旋轉塗佈在ITO玻離基板上，以其所製作的液晶盒進行實驗，實驗結果發現光致熱效應使膽固醇液晶達到各向同性的相變溫度所需的光強度相當高，為了克服此缺點，於第二部分的實驗，我們利用另一種偶氮染料(DR1)直接摻雜在膽固醇液晶注入液晶盒，同樣利用光致熱效應重複第一部分實驗，結果發現所需要的線偏振光強度僅前者十分之一左右且同樣經過降溫過程可使平面結構轉換至焦錐結構，另可利用改變溫度使膽固醇液晶螺距增長而使焦錐結構轉回平面結構，此法也達到膽固醇液晶兩種結構的直接切換效果。最後我們利用該實驗結果製作出一個雙穩態液晶顯示元件。

    This thesis investigates the direct switching between planar and focal conic textures in cholesteric liquid crystals (CLCs) by light illumination and cooling treatment. The planar CLCs are heated to isotropic state by light-induced thermal effect resulted from the absorbed light by azo dyes, and then, changed to the focal conic texture after blocking the light and naturally being cooled to room temperature. Additionally, the pitch length of the used CLCs herein can be elongated as decreasing the temperature, which results in the instability of focal conic texture. Hence, the focal conic textures are transferred to planar textures by cooling the LC sample.Experiments can be summaried into two parts. The first part of the experiment demonstrates the direct switching of these two textures of CLCs in a LC sample fabricated by two ITO glass substrates. One of these two substrates was coated with a methyl orange-doped PVA film. Experimental results show that the required light intensity and switching time from planar to focal conic textures are extremely high and long. In order to overcome this shortage, we repeat the above experiment using the azo dye-doped CLCs rather than azo dye-doped PVA films in the second part of the experiments.The results show that the required light intensity decreases to one tenth of the previous experiment, and the switching time decreases to about ten seconds. Finally, a bistable optical addressing, cooling/voltage erasing and optical re-addressing liquid crystal display is demonstrated.

    摘要...................................................................ⅠⅡ Abstract...............................................................ⅢⅣ 致謝.......................................................................V 目錄..................................................................... VI 表目錄...................................................................Ⅸ 圖目錄...................................................................Ⅸ 第一章 簡介.............................................................1 1.1前言....................................................................1 1.2液晶簡介...............................................................3 1.2.1何謂液晶...........................................................4 1.2.2液晶的分類........................................................6 1.3 液晶物理.............................................................15 1.3.1液晶雙折射性.....................................................15 1.3.2連續彈性體理論....... ..........................................18 1.3.3溫度對向列相液晶的影響....................................... 20 1.3.4電場對絕緣向列型液晶的影響...................................21 第二章 相關理論介紹............................................ 23 2.1光引致偶氮染料分子轉向效應....................................... 23 2.1.1正力矩效應：Jánossy Mode......................................23 2.1.2 負力矩效應：Gibbons Model....................................26 2.1.3 光激發之同素異構化反應(Photoisomerization)..................27 2.1.4光致熱效應 (Light-Induced Thermal Effect)......................29 2.2光引致Freedericksz Transition (OFT) ................................30 2.3膽固醇液晶...........................................................30 第三章實驗準備過程與方法 ...................................35 3.1 樣品製作.............................................................35 3.1.1材料介紹.........................................................35 3.1.2樣品製作.........................................................43 3.2實驗設置與方法......................................................50 3.2.1雷射光切換膽固醇液晶結構......................................50 3.2.2量測穿透頻譜.....................................................52 3.2.3光寫入資訊的實驗架設...........................................53 3.3光學顯微鏡目測法判定膽固醇液晶...................................53 3.4分析儀器與裝置.......................................................54 3.4.1 偏光顯微鏡 (Polarizing Optical Microscope，簡稱POM) .........54 3.4.2 液晶盒厚度(cell gap)量測........................................56 第四章 實驗結果與討論.........................................58 4.1 照光到各向同性態的強度與時間關係...............................58 4.1.1甲基橙混合PVA薄膜樣品.......................................59 4.1.2 DR1樣品................. .......................................64 4.2膽固醇液晶隨溫度變化的結果...................................68 4.2.1甲基橙混合PVA薄膜樣品溫度變化的結果....................71 4.2.2 DR1樣品溫度變化的結果.......................................79 4.3膽固醇液晶之平面結構及焦錐結構切換(溫度或電壓).............89 4.3.1甲基橙混合PVA薄膜樣品之切換.............................89 4.3.2 DR1樣品之切換............. ....................................93 4.4重複切換平面結構和焦錐結構.......................................97 4.5 液晶顯示元件.......................................................100 第五章 結論與未來展望........................................105 5.1結論..................................................................105 5.2未來展望.............................................................106 參考文獻.............................................................108 表目錄 表(3.1.1) 向列相液晶E7的四種組成液晶之結構式及其比例。........................36 圖目錄 圖(1.2.1-1) 物質的三相點變化圖。..................................... ................5 圖(1.2.1-2) 物質隨溫度變化所造成的狀態轉變與其對應的排列方式。................6 圖(1.2.2-1) 長條狀液晶向列相(Nematics)分子的排列方式。...........................8 圖(1.2.2-2) 典型液晶的秩序參數S與溫度變化關係。TC為液晶之相變溫度。...........9 圖(1.2.2-3) 長條狀液晶之膽固醇相分子排列方式，L:週期(cycle)；Po:螺距(pitch)。....10 圖(1.2.2-4) 近晶A相液晶的分子排列。................................................12 圖(1.2.2-5) 近晶C相液晶之分子排列。................................................12 圖(1.2.2-6) 鐵電性液晶SmC*分子排列方式示意圖， ：Spontaneous Polarization of ferroelectric LCs。....................................................................................13 圖(1.2.2-7) 圓盤狀圓柱相液晶之分子排列。...........................................14 圖(1.2.2-8) 圓盤狀向列相液晶之分子排列。...........................................14 圖(1.3.1-1) 正單光軸晶體之折射率橢圓球； 為光行進方向。........................16 圖(1.3.1-2) 液晶不同取向下，入射的線偏振光感受不同的折射率。(a) 為非尋常光，折射率 ；(b) 為尋常光，折射率 ；(c)當 與 夾一角度 ，為非尋常光，折射率為 ，參見公式(1-3-1-2)。............17 圖(1.3.2-1) 液晶三種基本的彈性體理論結構示意圖，(a)延展(K11)、(b)扭曲(K22)及(c)彎曲(K33)。.. ..............................................................19 圖(1.3.3-1) 向列相液晶之折射率與溫度之關係；Tni為液晶相變至各方同性液態溫度。........................................................................20 圖(2.1.1-1) Jánossy正力矩效應模型。..................................................25 圖(2.1.2-1) Gibbons負力矩效應模型。.................................................27 圖(2.1.3-1) 同素異構化反應 (Photoisomerization)(a)trans和(b)cis態分子結構。..28 圖(2.3-1) 膽固醇結構的布拉格反射示意圖。..........................................31 圖(2.3-2) 典型planar結構膽固醇相液晶的反射頻譜圖。..............................32 圖(2.3-3) 膽固醇液晶的四種結構；(a) planar結構；(b) fingerprint結構；(c) focal conic結構及(d) homeotropic結構。............................................32 圖(2.3-4) 外加電壓對膽固醇液晶(∆ε >0)結構的轉換。................................34 圖（3.1.1-1）甲基橙結構式。............................................................37 圖（3.1.1-2）甲基橙分子長軸吸收光譜。...............................................38 圖（3.1.1-3）DR1分子結構。............................................................39 圖（3.1.1-4）DR1分子長軸吸收光譜。................................................40 圖（3.1.1-5）PVA結構式。............................................................41 圖（3.1.1-6）二甲基亞楓結構式。.......................................................41 圖（3.1.1-7）S811 結構式。............................................................42 圖(3.1.2-1) 空液晶盒製作。............................................................46 圖(3.1.2-2) 膽固醇液晶材料填充。....................................................47 圖(3.1.2-3) 雙面ITO玻璃基板空液晶盒製作。........................................49 圖(3.1.2-4) 偶氮染料(DR1)摻雜膽固醇液晶之材料填充。............................50 圖(3.2.1) 光引致熱效應光路示意圖。.................................................51 圖(3.2.2) 穿透頻譜光路圖。...........................................................52 圖(3.2.3) 光寫入資訊的實驗架設。....................................................53 圖(3.3-1) 膽固醇液晶樣品在偏振片互相垂直的偏光顯微鏡觀察之結果，(a)整片為平面結構及(b)左側為照光後所得之焦錐結構，右側為平面結構。P：起偏器穿透軸方向；A：檢偏器穿透軸方向。...........................................54 圖(3.4.1-1) 偏光顯微鏡。..............................................................55 圖(3.4.2-1) 液晶盒厚度量測光路圖。..................................................56 圖(3.4.2-2) 光譜儀干涉的震盪圖形。..................................................57 圖(4.1.1-1) 照射強度為6 W/cm2之氦氖雷射偵測光穿透強度與時間關係圖。........59 圖(4.1.1-2) 照射強度為7 W/cm2之氦氖雷射偵測光穿透強度與時間關係圖。........60 圖(4.1.1-3) 照射強度為8 W/cm2之氦氖雷射偵測光穿透強度與時間關係圖。........61 圖(4.1.1-4) 照射強度為10 W/cm2之氦氖雷射偵測光穿透強度與時間關係圖。.......62 圖(4.1.1-5) 照射強度為12 W/cm2之氦氖雷射偵測光穿透強度與時間關係圖。.......63 圖(4.1.1-6) 甲基橙混合PVA薄膜樣品照射氬離子雷射光強度與到達各向同性態所需的時間關係圖。............................................................63 圖(4.1.2-1) 照射強度為0.8 W/cm2之氦氖雷射偵測光穿透強度與時間關係圖。......64 圖(4.1.2-2) 照射強度為1.0 W/cm2之氦氖雷射偵測光穿透強度與時間關係圖。......65 圖(4.1.2-3) 照射強度為1.5 W/cm2之氦氖雷射偵測光穿透強度與時間關係圖。......66 圖(4.1.2-4) 照射強度為2.0 W/cm2之氦氖雷射偵測光穿透強度與時間關係圖。......67 圖(4.1.2-5) DR1樣品照射氬離子雷射光強度與到達各向同性態所需的時間關係圖。67 圖(4.2-1) 平面與焦錐結構雙穩態位能圖。............................................69 圖(4.2-2) 平面結構單穩態位能圖。....................................................69 圖(4.2-3) 膽固醇液晶隨溫度變化實驗方法，不同結構隨箭頭方向控制溫度。.......70 圖(4.2.1-1) 起始為膽固醇液晶平面結構的甲基橙混合PVA薄膜樣品:平面結構從室溫升溫到各向同性態之穿透光譜圖。.....................................71 圖(4.2.1-2) 起始為膽固醇液晶平面結構的甲基橙混合PVA薄膜樣品:各向同性態降溫到室溫之穿透光譜圖。..................................................72 圖(4.2.1-3) 起始為膽固醇液晶平面結構的甲基橙混合PVA薄膜樣品:室溫降溫到低溫之穿透光譜圖。.........................................................73 圖(4.2.1-4) 起始為膽固醇液晶平面結構的甲基橙混合PVA薄膜樣品:低溫升溫到室溫之穿透光譜圖。.........................................................73 圖(4.2.1-5) 起始為膽固醇液晶焦錐結構的甲基橙混合PVA薄膜樣品:從室溫升溫到各向同性態之穿透光譜圖。...............................................74 圖(4.2.1-6) 起始為膽固醇液晶焦錐結構的甲基橙混合PVA薄膜樣品:各向同性態降溫到室溫之穿透光譜圖。..................................................75 圖(4.2.1-7) 起始為膽固醇液晶焦錐結構的甲基橙混合PVA薄膜樣品:室溫降到低溫之穿透光譜圖。............................................................75 圖(4.2.1-8) 起始為膽固醇液晶焦錐結構的甲基橙混合PVA薄膜樣品:低溫升到室溫之穿透光譜圖。............................................................76 圖(4.2.1-9) 起始為膽固醇液晶平面結構的甲基橙混合PVA薄膜樣品:室溫降到低溫之穿透光譜圖。............................................................77 圖(4.2.1-10) 起始為膽固醇液晶平面結構的甲基橙混合PVA薄膜樣品:低溫回到室溫之穿透光譜圖。............................................................78 圖(4.2.1-11) 起始為膽固醇液晶平面結構的甲基橙混合PVA薄膜樣品:室溫升溫到各向同性態之穿透光譜圖。..................................................78 圖(4.2.1-12) 起始為膽固醇液晶平面結構的甲基橙混合PVA薄膜樣品:各向同性態降溫到室溫之穿透光譜圖。..................................................79 圖(4.2.2-1) 起始為膽固醇液晶平面結構的DR1樣品:平面結構從室溫升溫到各向同性態之穿透光譜圖。.......................................................80 圖(4.2.2-2) 起始為膽固醇液晶平面結構的DR1樣品:各向同性態降溫到室溫之穿透光譜圖。...................................................................81 圖(4.2.2-3) 起始為膽固醇液晶平面結構的DR1樣品:室溫降溫到低溫之穿透光譜圖。........................................................................82 圖(4.2.2-4) 起始為膽固醇液晶平面結構的DR1樣品:低溫升溫到室溫之穿透光譜圖。................................................... .....................83 圖(4.2.2-5) 起始為膽固醇液晶焦錐結構的DR1樣品:焦錐從室溫升溫到各向同性態之穿透光譜圖。............................................................84 圖(4.2.2-6) 起始為膽固醇液晶焦錐結構的DR1樣品:各向同性態開始降溫到室溫之穿透光譜圖。....................................................... .......84 圖(4.2.2-7) 起始為膽固醇液晶焦錐結構的DR1樣品:室溫降到低溫之穿透光譜圖。........................................................................85 圖(4.2.2-8) 起始為膽固醇液晶焦錐結構的DR1樣品:低溫升到室溫之穿透光譜圖。........................................................................86 圖(4.2.2-9) 起始為膽固醇液晶平面結構的DR1樣品:室溫降到低溫之穿透光譜圖。........................................................................87 圖(4.2.2-10) 起始為膽固醇液晶平面結構的DR1樣品:低溫回到室溫之穿透光譜圖。........................................................................87 圖(4.2.2-11) 起始為膽固醇液晶平面結構的DR1樣品:室溫升溫到各向同性態之穿透光譜圖。...................................................................88 圖(4.2.2-12) 起始為膽固醇液晶平面結構的DR1樣品:各向同性態降溫到室溫光之穿透光譜圖。.................................................................89 圖(4.3.1-1) (a)膽固醇液晶樣品之偏光顯微鏡實驗觀察之結果，P和A互相垂，平面結構；(b)穿透光譜圖，平面結構。P：起偏器穿透軸方向；A：檢偏器穿透軸方向。............. ......................................................90 圖(4.3.1-2) (a)膽固醇液晶樣品之偏光顯微鏡實驗觀察之結果，P和A互相垂，focal conic結構；(b)穿透光譜圖，focal conic結構。P：起偏器穿透軸方向；A：檢偏器穿透軸方向。. ..................................................90 圖(4.3.1-3) (a)膽固醇液晶樣品之偏光顯微鏡實驗觀察之結果，P和A互相垂，平面結構；(b)穿透光譜圖，平面結構。P：起偏器穿透軸方向；A：檢偏器穿透軸方向。...................................................................91 圖(4.3.1-4) (a)膽固醇液晶樣品之偏光顯微鏡實驗觀察之結果，P和A互相垂，平面結構；(b)穿透光譜圖，平面結構。P：起偏器穿透軸方向；A：檢偏器穿透軸方向。...................................................................92 圖(4.3.1-5) (a)膽固醇液晶樣品之偏光顯微鏡實驗觀察之結果，P和A互相垂，focal conic結構；(b)穿透光譜圖，focal conic結構。P：起偏器穿透軸方向；A：檢偏器穿透軸方向。...................................................92 圖(4.3.1-6) (a)膽固醇液晶樣品之偏光顯微鏡實驗觀察之結果，P和A互相垂，planar結構；(b)穿透光譜圖，planar結構。P：起偏器穿透軸方向；A：檢偏器穿透軸方向。..............................................................93 圖(4.3.2-1) (a)膽固醇液晶樣品之偏光顯微鏡實驗觀察之結果，P和A互相垂，平面結構；(b)穿透光譜圖，平面結構。P：起偏器穿透軸方向；A：檢偏器穿透軸方向。...................................................................94 圖(4.3.2-2) (a)膽固醇液晶樣品之偏光顯微鏡實驗觀察之結果，P和A互相垂，focal conic結構；(b)穿透光譜圖，focal conic結構。P：起偏器穿透軸方向；A：檢偏器穿透軸方向。....................................................94 圖(4.3.2-3) (a)膽固醇液晶樣品之偏光顯微鏡實驗觀察之結果，P和A互相垂，平面結構；(b)穿透光譜圖，平面結構。P：起偏器穿透軸方向；A：檢偏器穿透軸方向。...................................................................95 圖(4.3.2-4) (a)膽固醇液晶樣品之偏光顯微鏡實驗觀察之結果，P和A互相垂，平面結構；(b) 光強度對波長穿透光譜圖，平面結構。P：起偏器穿透軸方向；A：檢偏器穿透軸方向。.......................................................96 圖(4.3.2-5) (a)膽固醇液晶樣品之偏光顯微鏡實驗觀察之結果，P和A互相垂，focal conic結構；(b)穿透光譜圖，focal conic結構。P：起偏器穿透軸方向；A：檢偏器穿透軸方向。....................................................96 圖(4.3.2-6) (a)膽固醇液晶樣品之偏光顯微鏡實驗觀察之結果，P和A互相垂，平面結構；(b)穿透光譜圖，平面結構。P：起偏器穿透軸方向；A：檢偏器穿透軸方向。...................................................................97 圖(4..4-1) 第一次切換:切換前 (a)膽固醇液晶樣品之偏光顯微鏡實驗觀察之結果，P和A互相垂，平面結構； (b)穿透光譜圖，平面結構。P：起偏器穿透軸方向；A：檢偏器穿透軸方向。..............................................98 圖(4..4-2) 第一次切換:照光後 (a)膽固醇液晶樣品之偏光顯微鏡實驗觀察之結果，P和A互相垂，焦錐結構； (b)穿透光譜圖，焦錐結構。P：起偏器穿透軸方向；A：檢偏器穿透軸方向。..............................................98 圖(4..4-3) 第一次切換:切換後 (a)膽固醇液晶樣品之偏光顯微鏡實驗觀察之結果，P和A互相垂，平面結構； (b)穿透光譜圖，平面結構。P：起偏器穿透軸方向；A：檢偏器穿透軸方向。..............................................98 圖(4..4-4) 第十次切換:切換前 (a)膽固醇液晶樣品之偏光顯微鏡實驗觀察之結果，P和A互相垂，平面結構； (b)穿透光譜圖，平面結構。P：起偏器穿透軸方向；A：檢偏器穿透軸方向。............................................99 圖(4..4-5) 第十次切換:照光後 (a)膽固醇液晶樣品之偏光顯微鏡實驗觀察之結果，P和A互相垂，焦錐結構； (b)穿透光譜圖，焦錐結構。P：起偏器穿透軸方向；A：檢偏器穿透軸方向。............................................99 圖(4..4-6) 第十次切換:切換後 (a)膽固醇液晶樣品之偏光顯微鏡實驗觀察之結果，P和A互相垂，平面結構； (b)穿透光譜圖，平面結構。P：起偏器穿透軸方向；A：檢偏器穿透軸方向。............................................100 圖(4.5-1)第一次光寫入與抹除過程:起始狀態為平面結構。..........................101 圖(4.5-2)第一次光寫入與抹除過程:寫入LC兩個字母。..............................101 圖(4.5-3) 第一次光寫入與抹除過程:加脈衝電壓切換回平結構。...................102 圖(4.5-4)第二次光寫入與抹除過程:起始狀態為平面結構。..........................103 圖(4.5-5)第二次光寫入與抹除過程:寫入KT兩個字母。... .........................103 圖(4.5-6) 第二次光寫入與抹除過程:加脈衝電壓切換回平結構。...................104 圖(5.2-1) 未來展望光寫入實驗架設，Ta:光寫入溫度;T i:各向同性態溫度。........107 圖(5.2-2) 未來展望光抹除實驗架設，Te:光抹除溫度;T i:各向同性態溫度。........107 圖(5.2-3) 未來展望實驗原理之溫度關係示意圖，Ta:光寫入溫度;T i:各向同性態溫度; Te:光抹除溫度。.......... .... ...........................................107

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    下載圖示 校內：2016-09-08公開
    校外：2016-09-08公開
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