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研究生:吳尹塵
研究生(外文):Yin-Chen Wu
論文名稱:摻雜POSS奈米粒子之液晶盒在不同溫度下液晶的配向效果及表面特性之研究
論文名稱(外文):Study on the alignment of liquid crystal and surface propertiesin a liquid crystal cell doped with POSS nanopartcles
指導教授:徐芝珊
指導教授(外文):Jy-Shan Hsu
學位類別:碩士
校院名稱:中原大學
系所名稱:物理研究所
學門:自然科學學門
學類:物理學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2011
畢業學年度:99
語文別:中文
論文頁數:91
中文關鍵詞:液晶配向多面體矽氧烷寡聚物奈米粒子溫度
外文關鍵詞:POSSalignment of liquid crystaltemperaturenanoparticle
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在液晶中摻雜少量的多面體矽氧烷寡聚物(Polyhedral Oligomeric Slisequioxanes, POSS ) ,在常溫下可以使液晶分子在鍍有水平配向層之液晶盒中,具有垂直配向 ( Vertical Alignment, VA ) 之能力。本研究的目的即是探討溫度對於摻雜POSS奈米粒子之液晶盒配向效果之影響。
我們發現常溫下在鍍有水平配向層之液晶盒中,只需要在液晶內加入1 wt %的POSS奈米粒子,即達到垂直配向之效果。隨著溫度增加,液晶分子預傾角則會降低,當溫度到達64.61<sup>。</sup>C的時候,預傾角已經低於4<sup>。</sup>,而液晶分子已呈現水平排列。經由量測摻雜POSS奈米粒子之液晶與基板之接觸角,並分析其與表面能之關係,我們推論由於液晶盒基板表面能隨溫度增加而上升,液晶分子的預傾角因此而下降。









Adding 1 wt % polyhedral oligomeric slisequioxa POSS nanoparticles in the liquid crystals can change the planar alignment of liquid crystal (LC) cell into vertical alignment at the room temperature. In this paper, the alignment properties of POSS at different temperatures were investigated.
When the temperature increased, pretilt angle of the POSS-doped LC cell decreased. Once the temperature reached 64.61&lt;sup&gt;。&lt;/sup&gt;C, the pretilt angle is 4&lt;sup&gt;。&lt;/sup&gt; and the POSS-doped LC cell becomes planar-aligned. From the measurement of the contact angles between the POSS-doped liquid crystals and the alignment layer, and the relationship between contact angle and surface energy, we conclude that the decrease of the pretilt angle as the temperature increases is the result of the increase of the surface energy.








摘要………………………………………………………………………I
Abstract…………………………………………………………………..II
致謝……………………………………………………………………..III
目錄………………………………………………………………...……V
圖目錄…………………………………………………………………..IX
表目錄…………………………………………………………….......XIII
第一章 緒論…………………………………………………………..…1
1.1 前言…………………………………………………………….1
1.2 文獻探討……………….………………………………………2
1.2.1 顯示器的一般配向方法……..……………………...….2
1.2.1.1 摩擦定向法……………………………………...2
1.2.1.2 斜向蒸法...………………………………………2
1.2.1.3光配向法…...…………………………………….2
1.2.1.4 離子束配向法…………………………………...3
1.2.2 POSS奈米粒子配向技術應用......................................3
1.2.3 垂直排列液晶盒錨定能量測…………………………..8
1.3 研究動機……………………………………………………….9
第二章 理論與量測原理………………………………………………10
2.1 向列型液晶連續體理論………………………………….…..10
2.2 溫度對液晶參數之影響………………….………………..…12
2.2.1 溫度與液晶秩序參數之關係........................................12
2.2.2 溫度與複折射率n的關係……………..…………….13
2.2.3 溫度與介電異方性的關係........................................14
2.2.4 溫度與彈力常數&lt;i&gt;K&lt;/i&gt;&lt;sub&gt;ii&lt;/sub&gt;的關係...........................................15
2.3 接觸角與表面能理論………..…….........................................16
2.3.1 接觸角理論…………………………...……………….16
2.3.2 表面能與表面張力………….………………..……….17
2.4 空液晶盒厚度之量測原理.......................................................18
2.5 液晶盒預傾角量測原理………..…………………………….22
2.6 錨定能理論…………………………………………………...25
第三章 實驗樣品備製與實驗方法……………………………………26
3.1 實驗樣品製備……………..……………………………….....26
3.1.1 液晶盒製作………..…………………………………..26
3.1.2 摻雜POSS奈米粒子之液晶溶液配製..........................30
3.2 溫度控制平台與液晶層溫度修正……..…………………….32
3.3 實驗儀器架設……………………………………………….. 35
3.3.1 溫度控制器……………………………………………35
3.3.2 相位量測系統……………………….………………...38
第四章 溫度對液晶參數量測結果…………………………...….……39
4.1複折射率……………………………………………………….39
4.2 秩序參數……………………………………………….……..43
4.3 液晶彈力常數………………………………………………...45
4.4介電異方性…………………………………………………….46
4.5結果與討論…………….………………………………………48
第五章 溫度對摻雜POSS奈米粒子液晶盒影響之結果……………49
5.1 POSS奈米粒子之配向效果…………………………..………49
5.1.1 常溫下之配向效果…..…………………………………49
5.1.2 不同溫度下之配向效果………………………………..51
5.1.2.1 鍍有水平配向層與垂直配向層之液晶盒…..….51
5.1.2.2 摻雜POSS奈米粒子之液晶盒…………………..57
5.2 接觸角之量測……..………………………………………….61
5.2.1 常溫下接觸角之量測....................................................61
5.2.2 不同溫度下之接觸角量測............................................63
5.3 不同溫度下之極角錨定能量測 ……………………….……65
5.4 結果與討論…………………………………………………...69
第六章 結論與展望……………………………………………………70
6.1 結論……………...……………………………………………70
6.2 未來展望………………………………………………...……71
參考文獻..................................................................................................72
附錄……………………………………………………………………..75

圖目錄
圖1.1 POSS奈米粒子結構圖。…………………………………………..4
圖1.2 摻雜不同濃度POSS奈米粒子之液晶盒在偏光顯微鏡下之觀察( a ) 0 wt ( b ) 0.1 wt( c ) 0.2 wt( d ) 0.5 wt( e ) 1 wt( f ) 2.5 wt( g ) 5.0 wt( h ) 7.5 wt( i ) 10 wt。…………………………...5
圖1.3  a  摻雜不同濃度POSS奈米粒子之電壓-穿透率量測圖, b 不同預傾角之電壓-穿透率模擬圖。…………………...…………….….6
圖1.4 圖左:摻雜不同濃度POSS奈米粒子之液晶盒在偏光顯微鏡下之觀察 : ( a ) 0 wt% ( b ) 0.2 wt% ( c ) 0.5 wt% ( d ) 0.6 wt% ( e ) 0.8 wt% ( f ) 1 wt% ; 圖右 : POSS奈米粒子濃度與液晶分子預傾角....6
圖1.5 圖上:POSS奈米粒子濃度與液晶分子預傾角關係圖;圖下 摻雜不同濃度POSS奈米粒子之液晶盒在偏光顯微鏡下之觀察。........7
圖2.1 向列型液晶形變示意圖。…………………………..…………...10
圖2.2 液晶分子之軸向 與主長軸方向 之空間位置圖。………….12
圖2.3溫度對液晶分子排列之示意圖。………………………………..13
圖2.4 秩序參數平方與彈力常數之關係圖。………………………...15
圖2.5 接觸角與界面張力關係圖。…………………………………….16
圖2.6 光入射液晶盒示意圖。………………………………………….19
圖2.7 光經過兩平行玻璃之多重折射與反射示意圖。…………….…20
圖2.8 量測液晶盒厚度之波長對光穿透率關係。…………………….21
圖2.9 光經過液晶盒示意圖。………………………………………….22
圖3.1 將NOA65與間隙物之混合物塗抹於ITO玻璃之示意圖。..….29
圖3.2 兩片ITO玻璃合製示圖。..……………………………………...29
圖3.3 注入液晶至液晶盒示意圖。..…………………………………...30
圖3.4 液晶盒置於溫度控制平台加熱之示意圖。…………………….32
圖3.5 溫度對CYCU-105相位延遲之關係圖。………………………32
圖3.6 溫度控制器溫度與液晶層溫度關係圖。……………………….34
圖3.7溫度控制器與溫度控制平台。…………………………………..35
圖3.8 溫度控制器開啟後,儀表板所顯示之PV值。………………….36
圖3.9 (a) (b) (c) (d) 溫度設定操作流程。…………………………37
圖3.10 相位量測系統實驗儀器架設圖。……………………………...38
圖4.1量測不同溫度下液晶盒相位延遲之實驗儀器架設示意圖。…..40
圖4.2 溫度控制平台之加熱時間與液晶盒相位延遲之關係圖。…….41
圖4.3 不同溫度下水平排列液晶盒相位延遲量測結果。…………….42
圖4.4 不同溫度下負型液晶CYCU-105之有效折射率。……………42
圖4.5 實驗值之n0、之擬合圖。……………………………………...43
圖4.6 溫度與負型液晶CYCU-105之秩序參數關係圖。…………….44
圖4.7 溫度對負型液晶CYCU-105之彈力常數關係圖。…………….45
圖4.8 量測負型液晶CYCU-105(a) 值與(b) 值之示意圖。…….46
圖4.9 液晶介電常數與溫度之關係圖。……………………………….47
圖5.1 室溫下,摻雜1 wt% POSS奈米粒子之液晶盒在兩片正交偏光片中觀察之照片。………………………………………………………50
圖5.2 摻雜1wt% POSS奈米粒子之液晶盒在給予10V驅動電壓的偏
光顯微鏡照片(400倍)。………………………………………………50
圖5.3 不同溫度下,鍍有水平配向層之液晶盒在偏光顯微鏡下觀察之照片(50倍)。…………………………………………………………51
圖5.4 不同溫度下,鍍有垂直配向層之液晶盒在偏光顯微鏡下觀察之照片(50倍)。…………………………………………………………53
圖5.5 鍍有水平和垂直配向層之液晶盒的溫度-相位延遲曲線圖。...55
圖5.6 鍍有水平和垂直配向層之液晶盒的溫度-預傾角之關係圖。...56
圖5.7 不同溫度下,摻雜1 wt% POSS奈米粒子之液晶盒在偏光顯微
鏡下觀察之照片(50倍)。……………………………………………58
圖5.8摻雜1 wt% POSS奈米粒子濃度液晶盒之溫度-相位延遲曲線圖。………………………………………………………………………59
圖5.9 摻雜1 wt% POSS奈米粒子濃度之液晶盒的溫度-預傾角之關係圖。……………………………………………………………………60
圖5.10 常溫下,摻雜1 wt % POSS奈米粒子之液晶滴於鍍有水平配向層之ITO玻璃之接觸角隨時間變化圖。……………………………62
圖5.11 常溫下,純液晶滴於鍍有水平配向層之ITO玻璃之接觸角隨時間變化圖。............................................................................................62
圖5.12 常溫下,純液晶滴於鍍有垂直配向層之ITO玻璃之接觸角隨時間變化圖。……………………………………………………………62
圖5.13 摻雜POSS奈米粒子之液晶與純液晶滴於鍍有水平配向層之ITO玻璃的溫度與接觸角曲線圖。.........................................................64
圖5.14 摻雜POSS奈米粒子之液晶(左)與純液晶(右)滴於鍍有水平配向層ITO玻璃之接觸角量測圖。…………………………….64
圖5.15 不同溫度下,實驗值和模擬值之電壓-相位延遲曲線圖。…...68




















表目錄
表3-1 負型液晶CYCU-105之參數表。…………….............................30
表3-2 超音波破膜機設定參數。………………………………………31
表3-3溫度控制器顯示溫度與熱電偶讀數。…………………………..33
表4-1 水平排列液晶盒參數。…………………………………………40
表5-1 摻雜POSS奈米粒子之液晶盒參數。…………………………..50
表5-2 鍍有水平配向層與垂直配向層之液晶盒參數。………………51
表5-3 常溫下,接觸角量測數據。……………………………………..61
表5-4 不同溫度下,接觸角量測數據。……………………………….63
表5-5 溫度與錨定能之關係。…………………………………………68

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