2010年2月9日

研發電子書─膽固醇型液晶應用

作者/胥智文(任職工研院顯示中心)

膽固醇型液晶是具有雙穩態特性的素材,如今廣泛應用在顯示技術上,成為電子書顯示介面的選擇之一,並能進行彩色顯示。

大自然物質的形體可區分為固體、液體、氣體三種形態,其中固體具有固定體積與固定分子距離結構,液體則有固定體積但是分子卻混亂排列,氣體則無固定體積並且分子混亂排列。然而西元1883年奧地利植物學家萊尼澤(Friedrich Reinitzer)發現一種物質,加溫到攝氏150度的時候會融化變成混濁液體狀態,並且具有特殊光澤;再繼續加溫到攝氏180度以上則變成透明的液體狀態,再降低溫度後又可以回復到混濁狀態。於是當他向德國物理學家雷曼(Otto Lehmann)請教,透過架設可加溫的顯微鏡並加上偏光鏡作觀察,發現此物質為具有固態晶體結構的流動液體,是介於固態晶體與液體之間的一種新狀態,故稱之為液晶,而這兩位發現者也因此被尊稱為液晶之父。

液晶依照分子排列結構區分為層列型液晶(sematic liquid crystal)、向列型液晶(nematic liquid crystal)與膽固醇型液晶(cholesteric liquid crystal)。其中層列型液晶具有層狀結構,向列型液晶具有條狀結構但是並無清楚層狀排列,膽固醇型液晶則在液晶排列方向會有依照垂直軸向水平旋轉的結構,當液晶方向旋轉360度的時候所需要距離則稱為一個旋距(pitch),透過調整液晶材料組成,則可以改變膽固醇型液晶的旋距。

膽固醇型液晶具有雙穩態特性,就是說在自然存在狀態下有兩個穩定的狀態,其中一個是平面狀態(planar state),為液晶分子排列整齊可以反射特性波長光線的狀態,通常稱為亮態;另一個狀態為焦點圓錐狀態(focal conic state),其液晶分子排列混亂,會將入射光線散射,通常稱之為暗態,此狀態可以看到液晶層下一層物質的顏色;此外, 還有一個暫時態則為垂直狀態(homeotropic state),其液晶分子全部呈垂直排列,光線可全部穿透而能看到液晶層下一層物質的狀態。

這三個狀態可以透過加諸在膽固醇型液晶的電場進行改變:當膽固醇型液晶處於平面狀態時,可以加以較小電場以改變到焦點圓錐狀態;當施加以較高電場時候則可以將液晶全部垂直排列轉換成垂直狀態。而在垂直狀態下,若將電場快速移除則液晶回復到平面狀態,若電場緩慢移除則液晶會變成焦點圓錐狀態,所以透過加諸電場與移除快慢則可以改變膽固醇型液晶的狀態。

膽固醇型液晶除了具有雙穩態特性之外,也會遵守布拉格反射定律(Bragg's reflection law)。所謂布拉格反射定律就是當光線入射結晶格排列物質的時候,第一束光線遇到A點反射與第二束光線遇到B點反射,此兩束光線所走路徑差異為CB與BD兩段距離,這兩段距離總和為2d × sinθ,其中d為週期結晶格之間距離,θ則為入射光線與物體表面夾角。若此兩束光線所走距離的差異(2d × sinθ)為入射光線波長(λ)的整數倍,則有建設性干涉現象。【更詳細的內容,請參閱第482期科學月刊】

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