液晶介绍

LIQUID CRYSTAL ----液晶介紹
C2700 QA Group Hung-Chih LEE 李鴻志
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內容大綱 一.introduction
二.characteristics
三.structure
四.LC material
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一、introduction 1-1、液晶的發現
1888年澳洲Friedrich Reinitzer所發現，其觀察到在膽固醇的乙酸酯化物
Polarized (偏極化光)
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2-2-3. Interactions Between Light and Liquid Crystal
Refractive Index
n
(折射率) :
Refractive index ne
Speed of light in vacuum
Speed of light in the material
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C. 「螺距」(pitch) 約為可見光的波長，並決定它最強烈的反 射光線的波長是多少。對於其他波長的光線，液晶是透明的。 壓力和溫度的變化能改變螺旋的螺距，因而也改變了它所反射 的光顏色(波長) ，稱為選擇性光反射(selective reflection)。 D.圓偏光二色性（circular dichroism ）： 入射於膽固醇液晶cell的光，可被分為左旋光與右旋光二種圓 偏光，其中一種會透過，而另一種光之某波長範圍會被螺旋 結構所反射，將穿透光與反射光合成的結果便會與我們觀 察到彩色光芒 。
For liquid to play a light valve, the liquid crystal must be fixed between the two electrode plates. There are four basic arrangement of the liquid crystal. Liquid crystal orientation is determined by the phase of liquid crystals, the structure of liquid crystal molecules, and the interaction between the molecules and the substrate.
Homeotropic
Homogeneous
Focal conic
Twisted
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三、.structure 3-1.液晶的結構
形成液晶的分子通常由剛性及柔性兩 部分所組成；剛性部分多由芳香族或 脂肪族之環狀結構所構成，柔性部分 多由數目不等的直鏈烷（可旋轉的σ鍵） 組成。剛性部分提供固相特徵，柔性 部分提供液體流動性特徵。
(R-COOR)在145℃時為固體，隨著溫度的上升會轉變成白濁狀的液體， 直到179℃才轉變成清澈的液體。之後德國的物理學家O. Lehmann發現
混濁狀物具有晶體之規則排列，顯示有雙折射現象，故將這種似晶體的
液體稱為「液晶」；而在某一特定溫度的範圍內 ，液晶會具有液體及固 體的特性。
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異方向性特質
棒狀分子成層狀構造。每一層的分子長軸方向相互平行且長軸方
向與層面垂直或有一傾斜角。在層狀型液晶層與層間的鍵結會
因為溫度而斷裂，所以層與層間較易滑動，但是每一層內的分子 鍵結較強所以不易被打斷，因此就單層來看，其排列不僅有序且
黏性較大。
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(2)向列型液晶Nematic liquid crystal
具有一度空間之規則排列，棒狀分子呈平行排列，也就是分子長軸方
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B.光學負性：反之若光行進方向與分子長軸平行時的速度大於垂直於
分子長軸方向的速度時，代表平行分子長軸方向的折射率（ ne ）小於 垂直方向的折射率（ no ）△n=ne-no＜0 醇型液晶。 稱為光學負性：如膽固
2-2-1.液晶因光學異向性顯示的有用性質：
A.入射光的方向會向分子長軸方向偏向。 B.可改變入射光的偏光狀態及偏光方向。 C.可將入射偏光依左右的旋光性而反射或使透過（膽固醇型液晶）。
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D.大的介電異方性：應答性快、臨界電壓低。 E.適度的複折射性。 F.高分子定向的秩序性：分子排列一致。 G.導電度：低導電度如電容器型式可儲存較多的電荷。
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2-4-1.不同液晶的性質表
紅圈記號代表該液晶性質較 為優異的部分
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2.5 Arrangement of Liquid Crystal
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2-2-2. Interactions Between Light and Liquid Crystal
Light passes through symmetrical molecules
Non-polarized (非偏極化光)
Light passes through asymmetrical molecules
在接近基板溝紋位置時，液晶分子所受的束縛力較大，所以會沿著上下基板溝紋方 向排列，而中間部分的液晶分子束縛力較小，在液晶盒內會形成扭轉排列。因為 在液晶盒內的向列型液晶分子共扭轉90度，故稱此工作模式為扭轉向列型。另外 ，上下基板外側各加上一片偏光板。接著，我們進一步說明此顯示器的明暗對比 顯示動作原理。首先，由白色背面光源所射出的光通過第一偏光板後，自然光即 被偏極化為線偏極光，在不施加電壓時，則此線偏極光進入液晶盒內，逐漸隨著
向大致平行於主軸(director axis)且相互平行，不具有分層結構。 其黏度較小，較易流動(流動性來自於分子於長軸方向較易自由運動) ，多用於顯示器液晶元件上。
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(3)膽固醇型液晶Cholesteric liquid crysal
膽固醇結構式
A.膽固醇(C27H45OH)本身並不具有液晶性，但其OH基被鹵素(Cl)化合物、 脂肪酸(R-COOX)及碳酸酯類(R-CO3)等所取代後的衍生物具有液晶性。 B.其排列方式具有如層列型一樣的層狀結構， 每一層內的分子為平躺 於層面且排列的方式類似於向列型液晶，可以看作是扭轉了的向列型 液晶，就全體來看其液晶分子軸的方向為螺旋構造。當分子軸方向轉 了360度(即第一層分子軸方向與最後一層的分子軸同向)，這一段距離 即稱為此膽固醇液晶的「螺距」(pitch)。
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2-1-1.液晶的特性： 由於液晶分子皆由板狀或是棒狀分子所形成，因此在分 子長軸的平行方向或垂直方向上的物理特性有一些的差異 ，所以也將液晶分子稱做是異方性晶體（Anisotropic ） 。
ne、 ∥、 χ∥ 、 δ∥ 、 η∥
以下是液晶的主要差異特性：
折射率 n
介電常數
磁化率 χ 導電度 δ 黏性係數 η
V off Light pass
V on Light stop
• TN 型
上塗布一層經由摩擦而形成極細溝紋的配向膜
，當向列型液晶灌注入上下兩片玻璃之間隙時 ，由於液晶分子具有液體的流動特性，因此很
V off Light pass V on Light stop
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容易順著溝紋方向排列。
• STN 型
的極化率及永久偶極矩相對於分子長軸的 方向及大小，亦會隨外加電場的頻率而改 變（如鐵電型液晶Ferroelectric liquid crystal： 因多次的電場方向切換後驅動電壓逐漸增大 ）。
E
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2-3-2.外加電場效應的應用
可製作出各式的液晶顯示器，如扭轉向列型液 晶顯示器（TN型）、超扭轉向列型液晶顯示器 、（STN型）及薄膜電晶體液晶顯示器（TFT型 ）等。我們舉扭轉向列型液晶顯示器的構造 來加以說明。扭轉向列型液晶顯示器的基本 構造為：上下兩片導電玻璃基板，在導電膜
外加電場的作用時，便容易被極化（Polarized）而產生感應偶
極性（Induced dipolar）。
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2-3-1.外加電場的影響
當於兩平行玻璃基板外加一電場時，液晶分子會因長軸（∥）及短軸 （⊥）方向的介電係數差大於或小於零，決定液晶分子的轉向是平 行或垂直於電場。 △ = ∥ - ⊥ ＜0 或＞0，取決於液晶分子
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2-4.液晶性質其他應用與需求
A.廣範圍的液晶溫度範圍。 B.化學上、光化學上的安定性。 C.低黏性：應答快。 由右圖可知施加電壓可使 液晶快速依電場方向排列， 但恢復未施加電場之排列
則有延遲情形（Toff＞Ton），即為液晶之應答性質，
黏度低的液晶分子，應答較快，如低分子液晶優於高分子液晶 。
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（2）液向型液晶(Lyotropic Liquid Crystal) ： 肥皂液之類如硬脂酸鈉(CH3(CH2)16COONa)等長鏈型，鏈脂肪酸的鹼金 屬鹽)，溶入適當溶劑中因濃度變化(或水含量多寡)形成有序排列， 而產 生液晶的特徵。
1-2-3.依形成分子的排列狀態分類 （1）層列型液晶Smectic liquid crystal
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二、.characteristics 2-1.液晶獨特的性質與應用 A.相當大的複折射性(birefregence) ，介於0.15~0.2間 。 B.可穿透液晶的波長範圍極廣，介於0.4~20μm的光皆可穿 透。
C.可藉由摻雜染料或不同液晶混合而改變液晶的物理性質
例如：研究較廣的液晶相溫度範圍、添加不同濃度雜質 或二色性染料（碘系、染料系），改變膽固醇液晶螺旋 距及達到彩色顯示的目的。 D.液晶為流體狀態，可依需要設計成不同的形狀。
液晶分子扭轉方向前進，因上下兩片偏光板的穿透軸和配向膜同向，即兩偏光板
的穿透軸互相垂直，故光可通過第二片偏光板而形成亮的狀態。相反地，若施加 電壓時，液晶分子傾向於與施加電場方向呈平行，因此液晶分子一一垂直於玻璃
基板表面，則線偏極光直接通過液晶盒到達第二片偏光板，這時光會被偏光板所
吸收而無法通過，形成暗的狀態。因此，利用適當驅動電壓即可得到亮暗對比顯 示的效果，此顯示畫面即為一白底黑字的模式。
液晶為介於固相(crystal)與液相(等向性質isotropic)之中間 相，具有晶體的規則排列及液體般的流動性，具有類似單軸晶
體的異向特性，受外力(電場、磁場、溫度、壓力)影響，材料
的光折射率、介電常數、磁化率、及黏度等特性會隨著方向的 不同而有所差異，用以設計在光學材料的應用。
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1-2.液晶的分類
1-2-1.一般分子具有液晶相的必要條件：
（1）分子結構如液晶狀態平行排列的幾何學形狀。 如棒狀或板狀的分子形狀 （2）結晶溶解後，分子間具一適當的引力維持平行排列。
1-2-2.依形成的條件分類：
（1）熱向型液晶(Thermotropic Liquid Crystal) ： 脂肪族(R-COOX)、芳香族(C6H5-CO-O-X))(最多)及多環化合物因溫度 的變化或彼此合成而造成有液晶相的存在。
Rigid component Flexible component
3-1-1.長鏈烷基長短的影響
烷基較短化合物為向列型液晶，較長者則為層列型液晶，此乃因隨 著烷基鏈長的增大，分子全體的極化將會增加，因而促使分子側面 間的引力增強。相反的分子末端因越遠離存在於中心部的極化較大 的苯環及永久偶極，故分子末端間引力也將減小使的向列型液晶性 消失，而出現層列型液晶性。
A.光學正性：若光行進方向與分子長軸平行時的速度小於垂直於
分子長軸方向的速度時，代表平行分子長軸方向的折射率（ ne ）大於
垂直方向的折射率（ no ） (因為折射率與光速Speed of light in the
material 成反比) ，也就是 △n=ne-no＞0
稱為光學正性：如向列型液晶與層列型液晶
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Phase difference
Refractive index no
ne
Birefringence (雙折射)
n = ne - no
no
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2-3.液晶的電場效應
形成液晶的物質其分子通常由剛性（ Rigid ）及柔性（ Flexible ） 兩部分組成，剛性部分多由芳香族或脂肪族之環狀結構所構成， 柔性部分多由數目不等的直鏈烷組成，因此液晶分子的電子結構， 都有很強的共振能力，主要因都是由σ鍵及π鍵相互組合，使 分子中的電子具有高效率及長距離的移動能力，所以一但受到
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no、 ⊥、 χ⊥ 、 δ⊥ 、 η⊥
2-2.液晶的折射率異方向性
對向列型、層列型及膽固醇型液晶而言，有兩個折射率，分別為垂直
液晶長軸方向(no)及平行液晶長軸方向(ne)兩種，所以當光入射液晶樣
品時，便會受到兩個折射率的影響，造成在垂直液晶與平行液晶方向 上光速會有所不同，稱為光學雙折射(birefringence)。