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研究生:蔡佩君
研究生(外文):Pei-Chun Tsai
論文名稱:摻雜二氧化矽奈米粒子及高分子聚合物藍相液晶元件之光電特性
論文名稱(外文):Electro-Optical Properties of Silica Nanoparticle-Doped and Polymer-Stabilized Blue Phase Liquid Crystal Devices
指導教授:黃啟炎黃啟炎引用關係
指導教授(外文):Chi-Yen Huang
學位類別:碩士
校院名稱:國立彰化師範大學
系所名稱:光電科技研究所
學門:工程學門
學類:電資工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2013
畢業學年度:101
語文別:中文
論文頁數:66
中文關鍵詞:藍相液晶二氧化矽高分子聚合物遲滯現象
外文關鍵詞:blue phase liquid crystalsilicaploymerhysteresis
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本論文探討摻雜二氧化矽(silica)奈米粒子藍相液晶及或摻雜高分子聚合物藍相液晶之光電特性。經由實驗發現,在摻雜高分子聚合物後,藍相液晶溫寬能從2 oC增加至8 oC,其遲滯現象可從23.1%降至1%以下,但因網狀聚合物的限制,摻雜高分子聚合物藍相液晶的藍相色塊較純藍相液晶小,形成之色塊大小與降溫速率無關。另外,摻雜高分子聚合物後,藍相液晶盒的響應時間也變慢。而摻雜二氧化矽奈米粒子後,藍相液晶溫寬也可從2 oC增加至8 oC左右,且藍相液晶盒的遲滯現象從23.1%降至1.7%。在顯微鏡下,摻雜奈米粒子之藍相液晶盒之色塊較純藍相液晶之色塊大,液晶盒的響應時間更降至1ms以下。
In this thesis, the electro-optical properties of silica nanoparticle-doped (SN) liquid crystal (LC) and polymer-stabilized blue phase liquid crystal (PSBPLC) devices are investigated. The addition of monomer expands the existing temperature range and reduces the hysteresis width of the blue phase liquid crystal (BPLC). However, the formed polymer networks decrease the platelet size of the BPLC. The platelet size is independent on the temperature cooling rate, and the response time of the PSBPLC is slightly slow. The addition of SNs also expands the existing temperature range and reduces the hysteresis width of the BPLC. However, the platelet size becomes larger with the slower temperature cooling rate. The platelet size of the SN-doped BPLC is larger than that of the pure BPLC, and the response time of the SN-doped BPLC can be reduced less than 1 ms.
目錄
摘要 I
Abstract II
致謝 III
目錄 IV
圖目錄 VII
表目錄 XII
第一章 緒論 1
1-1 前言 1
1-2 液晶簡介 2
1-2-1 液晶分類 3
1-2-2 液晶的彈性連續體理論 6
1-2-3 液晶光學特性 7
1-2-4 液晶介電特性 9
1-3 藍相液晶簡介 11
第二章 藍相液晶相關理論 13
2-1 藍相液晶的基本特性 13
2-2 藍相液晶的光學特性 18
2-3 藍相液晶的克爾效應 23
2-4 藍相液晶的電致伸縮效應 25
2-5 藍相液晶的響應時間 27
第三章 實驗方法與流程 28
3-1 液晶盒樣品製作 28
3-1-1 藍相液晶配置 28
3-1-2 奈米粒子及高分子聚合物濃度調配 30
3-1-3 液晶盒製作 31
3-2 實驗量測系統 33
3-2-1 溫寬量測及色塊觀測系統 33
3-2-2反射光譜量測系統 34
3-2-3 光電量測系統 35
第四章 實驗結果與討論 37
4-1 藍相液晶光學特性 38
4-1-1 摻雜不同濃度奈米粒子或高分子聚合物之藍相液晶溫寬變化 38
4-1-2 摻雜不同濃度奈米粒子或高分子聚合物之藍相液晶色塊比較 42
4-1-3 摻雜不同濃度奈米粒子或高分子聚合物之藍相液晶反射光譜 47
4-2 藍相液晶的光電特性 55
4-2-1 摻雜奈米粒子或高分子聚合物之藍相液晶在不同降溫速率下的穿透率曲線 55
4-2-2摻雜奈米粒子或高分子聚合物之藍相液晶的遲滯現象 58
4-2-3 摻雜奈米粒子或高分子聚合物之藍相液晶的響應時間 61
第五章 實驗結果與討論 64
參考文獻 65


圖目錄
圖1-1 液晶分子排列隨溫度變化示意圖。 2
圖1-2 液晶分類樹狀圖。 3
圖1-3 (a) 向列型液晶(nematic),(b) 層列型液晶(smectic A),(c) 層列型液晶(smectic C),(d)膽固醇型液晶(cholesteric)。圖 中 為液晶分子導軸方向,P0為螺距。 5
圖1-4 液晶的三種形變: (a) 擴張,(b) 扭轉,(c) 彎曲。 6
圖1-5 折射率橢圓球:(a) 入射光與z軸平行,(b) 入射光與y軸平行,(c) 入射光與z軸夾θ角。 9
圖1-6 (a) 正型液晶,(b) 負型液晶在外加電場下之轉動方向示意圖。 10
圖1-7 藍相液晶隨溫度變化示意圖。 11
圖2-1 向列型液晶、膽固醇液晶和藍相液晶分子的排列結構。 13
圖2-2 (a) 雙扭轉柱體模型示意圖,(b) 體心立方結構,(c) 簡單立方結構。 14
圖2-3 (a) 體心立方結構,(b) 簡單立方結構的不連續線。 15
圖2-4 藍相液晶分子以簡單立方排列時,內部 (a) 雙扭轉結構,(b) 不連續線,(c) 高分子聚合物分佈示意圖。 16
圖2-5 反覆升降溫(a) 0次,(b) 5次,(c) 10次後,利用紫外光固化後的藍相液晶在偏光顯微鏡下的觀測圖,(d) 為反覆升 降溫0次後的觀測圖,(e) 為反覆升降溫5次後的觀測圖, (f) 則為反覆升降溫5次後再利用紫外光固化的藍相液晶 觀測圖。 17
圖2-6 偏光顯微鏡下藍相液晶觀測圖。 18
圖2 7 Kossel量測示意圖。 20
圖2-8 偏光顯微鏡下藍相液晶之kossel圖像觀測圖。 20
圖2-9 藍相液晶溫度對熱容之變化圖。 21
圖2-10 藍相液晶結構存在溫度與反射波長關係圖15。 22
圖2-11 藍相液晶在外加不同電壓下之示意圖(上圖)及樣品產生反射光紅外移現象的照片(下圖)。(a) 0V,(b) 33V,(c) 40V。 26
圖3-1 高分子液晶材料RM257分子結構圖。 30
圖3-2 IPS樣品盒內部電極示意圖。 32
圖3-3 POM量測系統圖。 33
圖3-4 反射光譜量測系統架設圖。 34
圖3-5 光電量測系統架設圖。 35
圖3-6 (a) 外加脈波,(b) 響應時間波形定義圖。 36
圖4-1 觀測樣品溫寬量測點示意圖。 38
圖4-2 摻雜濃度對藍相液晶存在溫度範圍曲線圖。 40
圖4-3 RM在(a) 藍相液晶存在溫度,(b) 澄清態存在溫度下固化之藍相液晶之偏光顯微鏡觀測圖。 41
圖4-4 摻雜0.5 wt% SN之藍相液晶在不同降溫速率下之色塊圖:(a) 0.01 oC/min,(b) 0.05 oC/min,(c) 0.1 oC/min。 42
圖4-5 偏光顯微鏡下(a) 純藍相液晶,(b) 摻雜0.2 wt% RM, (c) 摻雜0.5 wt% RM,(d) 摻雜0.1 wt% SN,(e) 摻雜0.2 wt% SN,(f) 摻雜0.5 wt% SN,(g) 摻雜0.7 wt% SN之藍相液晶色塊圖。 43
圖4-6 摻雜0.5wt% RM之藍相液晶在降溫速率:(a) 0.01oC/min,(b) 0.1 oC/min下所形成的偏光顯微鏡色塊圖。 44
圖4-7 0.5wt% SN之藍相液晶在(a) 第一次,(b) 第二次,(c)第三次降溫至藍相溫度(19oC)時之偏光顯微鏡下的色塊圖。 45
圖4-8 摻雜0.5 wt% SN之藍相液晶樣品從澄清態溫度(24 oC)降至藍相溫度(a) 19 oC,再升至(b) 22oC,再降至(c) 19 oC,如此反覆升降溫,(d)、(f)、(h)為22oC,(e)、(g)、(i)為19 oC的藍相液晶色塊圖。 46
圖4-9 不同SN摻雜濃度之藍相液晶反射光譜。 48
圖4-10 純藍相液晶、0.5wt% SN和0.5wt% RM 摻雜之藍相液晶之反射光譜與溫度曲線圖。 49
圖4-11 純藍相液晶樣品反射光譜。 51
圖4-12 純藍相液晶樣品在降溫速率(a) 0.1 oC/min,(b) 0.05 oC /min及(c) 0.01 oC/min時之偏光顯微鏡色塊圖。 51
圖4-13 0.2 wt% SN摻雜之藍相液晶樣品之反射光譜。 52
圖4-14摻雜0.2 wt% SN之藍相液晶樣品在降溫速率(a) 0.1 oC/ min,(b) 0.05 oC/min及(c) 0.01 oC/min時之偏光顯微鏡色塊圖。 52
圖4-15 摻雜0.5 wt% SN之藍相液晶樣品之反射光譜。 53
圖4-16 摻雜0.5 wt% SN之藍相液晶樣品在降溫速率(a) 0.1 oC/ min,(b) 0.05 oC/min及(c) 0.01 oC/min時之偏光顯微鏡色 塊圖。 53
圖4-17 摻雜0.5 wt% RM之藍相液晶樣品之反射光譜。 54
圖4-18 摻雜0.5 wt% RM之藍相液晶樣品在降溫速率(a) 0.1 oC/ min,(b) 0.05 oC/min及(c) 0.01 oC/min時之偏光顯微鏡色 塊圖。 54
圖4-19 純藍相液晶在不同降溫速率下的穿透率曲線圖。 56
圖4-20 摻雜0.5 wt% SN之藍相液晶在不同降溫速率下的穿透率 曲線圖。 56
圖4-21 摻雜0.5 wt% RM之藍相液晶在不同降溫速率下的穿透率 曲線圖。 57
圖4-22 摻雜不同濃度的SN及RM之藍相液晶之穿透率曲線圖。 58
圖4-23 遲滯現象數值定義示意圖。 59
圖4-24 藍相液晶響應時間統整圖(降溫速率:0.1 oC/min)。 62

表目錄
表3-1 液晶參數表。 29
表3-2 旋性分子參數表。 29
表3-3 二氧化矽奈米粒子參數表。 31
表4-1摻雜不同濃度之SN或RM之藍相液晶存在溫度範圍。 39
表4-2不同SN摻雜濃度之藍相液晶反射光譜。 48
表4-3 摻雜不同濃度的SN及RM之藍相液晶遲滯現象數據統整表。 60
表4-4 藍相液晶響應時間統整表(降溫速率:0.1 oC/min)。 61
表4-5 藍相液晶以不同降溫速率降溫後所量測之響應時間。 63
表4-6 藍相液晶以不同降溫速率測量穿透率曲線圖後所量測之響應時間。 63

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16 H. C. Cheng, J. Yan, S. Gauza, Y. Li, M. Jiao, L. Rao, and S. T. Wu, Appl. Phys. Lett. 96, 071105 (2010).
17 S. Y. Lu and L. C. Chien, Opt. Lett. 35, 562 (2010).
18 S. Gauza, K. M. Chen, H. Xianyu, and S. T. Wu, J. Display Technol. 6, 49 (2010).
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20 H. F. Gleeson and H. J. Coles, Liq. Cryst. 5, 917 (1989).



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