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1、液晶材料的種類、特性及其應用 1前言l液晶材料的發展歷程及其種類1.液晶材料的發展歷程2.液晶材料的種類l液晶材料的特性及其應用1.液晶材料的特性及其測量2.液晶材料之光電科技領域的應用l液晶材料所面臨的課題與未來的展望2*液晶平面顯示器的技術發展趨於成熟階段，而且其應用面也隨著資訊、通訊和網路技術的進步而被大量地運用，例如筆記型電腦、行動電話、個人助理機和攜帶式消費性產品等。*較難實現之廣視野角、高畫質化和高速化等問題，均因新的材料、新的組合設計和新的驅動方式之發展，而實現了輕薄短小和替代性映像管監視器和電視的功能。*液晶材料 (Liquid Crystal) 在液晶平面顯示器的組成結構上所
2、擔任的角色是相當地重要，雖然其種類有數萬種，但真正使用的也僅有數十多種。前言3*液晶狀態被喻為是自然界中物質的第四狀態，而有別於固態 、液態和氣態的物質三大狀態，液晶分子是一種具有光學異 方向性和流動性之結晶性液體，是一種機能性材料 *液晶依其分子排列方式，分為向列型(Nematic)、距列型 (Smectic)、膽固醇型(Cholesteric)、圓盤型(Disotic) *若依對外在因素的影響，有溶致型的(Lyotropic)、熱致型 (Thermotropic) *若依分子量來分，有低分子型和高分子型 *若依溫度的因素，有互變轉換型(Enantiotropic)、單變轉換型 (Monot
3、ropic) *在高分子的液晶有主鏈型和側鏈型 *液晶的發現最早是在19世紀，經由多年的研究才成功的開發出 液晶平面顯示器的應用前言4液態晶體Liquid Crystal固體結晶液晶液體加熱加熱冷卻冷卻附錄:參考資料 :張文固博士-平面顯示器技術5晶體： 有光軸，不能隨器成形。光軸不能隨空間連續 變化。液晶： 有光軸，可以隨器成形。光軸可以隨空間連續 變化。液體： 沒有光軸，可以隨器成形。 附錄:參考資料 :張文固博士-平面顯示器技術6*液晶平面顯示器基本結構以及液晶分子的角色前言7附錄:參考資料 : http:/www.digital.idv.tw/DIGITAL/Classroom/MRO
4、H- CLASS/oh62/index-oh62.htm液晶的誕生來自於一項非常特殊物質的發現，早在 1850 年 Virchow, Mettenheimer 和 Valentin 這三個人就發現 nerve fibre 的粹取物中含 有這種不尋常的東西。到了 1877 年德國物理學家 Otto Lehmann 運用偏 極化的顯微鏡首次觀測到了液晶化的現象，但他對此一現象的成因並不瞭 解。直到西元1888年，奧地利的植物學家 Friedrich Reinitzer（1857- 1927）發現了螺旋性甲苯酸鹽的化合物（cholesteryl benzoate），確認 了這種化合物在加熱時具有兩個
5、不同溫度的熔點，在這兩個不同的溫度點 中，其狀態介於一般液態與固態物質之間，類似膠狀，但在某一溫度範圍 內其又具有液體和結晶雙方性質，由於其特殊的狀態。Reinitzer 後來走 訪 Lehmann 深入探討這種物質的表現，其後兩人便命名這種物質為 Liquid Crystal，就是液態結晶物質的意思。Reinitzer 和 Lehmann 這兩人被譽為液晶之父。 8附錄:參考資料 : http:/www.digital.idv.tw/DIGITAL/Classroom/MR OH-CLASS/oh62/index-oh62.htm同 CRT 陰極射線管一樣，液晶雖早在1888年就被發現（實際
6、上，但是實際應用在生活周遭時，已是80年後的事了。因為液晶在兩次大戰中對軍事用途的幫助不大，以致於 其發展落後 CRT 甚多。比較重要的是 1922 年 Oseen 和 Zcher 這兩位科學家為液晶確立狀態變化之方程式。一直到了 1968年美國RCA公司工程師們利用液晶分子受到電壓的影響而改變其分子的排列狀態，並且可以讓入射光線產生偏轉的現象之原理，製造了世界第一臺使用液晶顯示的螢幕。由此開始，加上了1970年代日本 SONY 與 Sharp 兩家公司對液晶顯示技術全面開發與應用，讓液晶顯示器成功的融入現代的電子產品之中。 9*18541889年代，德國生理學家R.C.Virchow發現自然
7、界的Myelin物質，此是 一種溶致型液晶，在適當的水份混合後，會呈現光學異方向性之有機分子集 合體。*液晶材料的發現，正式於1988年，將膽固醇的笨二甲酸或以酸加熱到145度 時，有白濁稠狀液體，再加熱至178度，會變成透明液體，冷卻下來則有紫色 、橙紅色、綠色等不同顏色變化。*1920後時期，為液晶合成的開始及分類的確定，Friedel博士將液晶分類成 層列型或距列型、向列型、膽固醇型*1960到1968年代，為液晶應用研究的蓬勃時期，G.H.Heilmeir博士發現動態 散射模式(DSM)，而使應用朝向液晶平面顯示器*電控複折射(ECB)的動作模式於1971年提出，後來發明扭曲向列型液晶
8、平面 顯示器，應用在汽車儀表和電子錶上液晶材料的發展歷程10*1973年後為液晶實用化和應用研究多樣化時期，日本的sharp和 Seiko-Epson改朝向向列型液晶平面顯示器，1972年P.Brody提出主動性矩陣型模式，1980到1983年則有鐵電性液晶平面顯示器，1983到1985年發明超向列型液晶平面顯示器(STN-LCD)。*1980年日立試作低溫多晶矽薄膜電晶體液晶平面顯示器(LTPS TFT-LCD)*1990年代彩色超向列型液晶平面顯示器之筆記型電腦*1991年彩色非晶矽薄膜電晶體液晶平面顯示器之筆記型電腦*1996年低溫多晶矽薄膜電晶體液晶平面顯示器的數位相機*2000年低溫
9、多晶矽薄膜電晶體液晶平面顯示器結合有機電激光顯示器成為新一代省電及高解析度的顯示器液晶材料的發展歷程11*動態散射模式(Dynamic Scattering Mode,DSM)示意圖液晶材料的發展歷程12*液晶是同時具有液體的流動性和結晶的異方向性之物質狀態*液晶材料有各種不同的種類，其配列構造之位置秩序來分類則有一因次液晶、二因次液晶、三因次液晶1.一因次液晶有碟盤狀液晶相2.二因次液晶具有層狀結構之層列型或距列型液晶相3.三因次液晶為具有方向秩序之棒狀向列型液晶相和圓盤狀碟形向列型液晶液晶材料的種類13*液晶依規則位置而有不同的分類示意圖液晶材料的種類14*液晶化合物分子構造的基本條件而言
10、，事實上它的幾何學上是非對稱性的。*液晶平面顯示器最初實用化的是1973年使用動態散射模式的電算機。具有大容量功能的超向列扭曲模式(STN Mode)，則是使用有較大彈性係烯烴(Alkenyl)系化合物的液晶材料，此一類的材料廣泛使用於超向列扭曲模式液晶材料，現還有向列扭曲模式和超向列扭曲模式的液晶常用材料，為1977年後發現的基環已烷系(Phenyl-Cyclo hexane)為材料*因應畫質和表示容量的發展，在1985年成功製做出主動矩陣驅動式薄膜電晶體的小型電視，進而發展到筆記型電腦的應用液晶材料的種類15*早期大部份的液晶材料需於100度左右才具有液晶性質，因而影響到其實用性，一般液晶
11、材料合成時所需考量的重點有:1.具有光合熱的化學安定度以及使用壽命較長2.寬廣的使用溫度區域，可適用於不同的低溫或者高溫的環境3.液晶的黏度值低而易產生高速響應速度4.鐵電異方向性大而適合於低電壓操作5.複折射率的變化性可有效地增加其對比性6.分子的配列性以及其秩序度高而有效的增加其對比性液晶材料的種類16*向列型液晶材料(Nematic)，近年來主要開發，集中於主動式矩陣驅動的液晶平面顯示器(AM-LCD)，在AM-LCD用的液晶化合物中，其要求的特性有高的比電阻、低的粘度、正的鐵電率異方向性、高的化學和光化學的安定性，符合這些特性的材料以氟系化合物為主。*液晶化合物之分子長軸方向的氟數增加
12、時，則其非子長軸方向的雙極子動量變低。*液晶鐵電異方向性的增加，可經由核心部結構內之極性基的導入結合，以達到其粘度將降低的，但是當逆向導入時則其液晶的鐵電異方向性變小。液晶材料的種類17*向列型液晶材料的代表性分子結構液晶材料的種類18*代表性氟化物液晶的化學構造以及特性液晶材料的種類19*距列型或層狀型液晶材料，可分為鐵電性液晶和反鐵電性鐵電性 液晶(FLC) *鐵電性液晶是由Meyer於1974年發現的，然後於1979年發表表面 安定化鐵電性液晶平面顯示器，鐵電性液晶是以簡單矩陣式驅動 的並期待具有高響應、高解析度和大畫面的應用 * Meyer認為要獲得鐵電性液晶的條件，有分子長軸和垂直方
13、向應 有永久偶極矩、無消旋體、具有向列型液晶C相。鐵電性液晶在電 場施加時，其響應時間與鐵電性液晶的自發極化成反比，與粘性 係數成正比。 *要獲得較高的響應速度，自發極化要大、粘性係數要小。 *自發行極化的改善對策，是在對掌性或光學活性結構中心倒入大 的永久雙偶極矩、對掌性中心置於核心結構附近，以及複數的對 掌性中心導入等設計理念，大的自發極化值之達成，可經由非對 稱性碳原子和永久偶極矩(Permant Dipole Moment)液晶材料的種類20*距列型或層列型液晶材料 的代表性分子結構液晶材料的種類21*代表性鐵電性液晶的分子結構液晶材料的種類22*反鐵電性液晶(AFLC)，是在電場的驅
14、動下，由反鐵電性液晶轉換成鐵電性液晶的一種物理現像。*在低分子液晶的AFLC中，核心構造的笨環和共軛之笨基結合並與非對稱性碳原子鄰接者，在非對稱性中心將CH3基結合的狀況，要比將CF3基結合來的有安定的反鐵電性，另外在高分子液晶得AFLC中，核心構造的部份連接奇數的探碳鏈，也可以獲得反鐵電性的配列。*膽固醇液晶材料不具有液晶性，但是當其氫氧基被鹵素取代成鹵素化合物，以及和碳酸或脂肪酸產生酯化反應之膽固醇衍生。膽固醇液晶材料具有特殊螺旋結構，而引發選擇性光散射、旋光性和圓偏光雙色性，可以利用膽固醇型液晶材料的外加電壓、氣體吸附和溫度等因素而引發色彩的變化液晶材料的種類23*代表性反鐵電性液晶的分
15、子結構液晶材料的種類24*膽固醇液晶材料的分子結構液晶材料的種類25*高分子型液晶材料稱為高分子液晶，主要是因為結構為高分子骨 骼結構和剛直的液晶分子基或液晶元(Mesogen)所組成，其分類有 主鏈型、側鏈型和複合型的高分子結構。 *高分子液晶與低分子液晶同存在有因添加溶劑，而產生液晶性的 溶致型高分子液晶，以及因溫度變化而產生液晶性的熱致型高分子 液晶。 *高分子液晶可分為向列型液晶、距列型液晶、膽固醇液晶、碟盤 型液晶。 *另外還有主鏈型高分子液晶材料，是液晶分子基或液晶元連接於 高分子的骨骼上;側鏈型高分子液晶材料，是液晶分子基連接於高 分子主骨骼的旁邊。 *主鏈型高分子液晶材料主要是
16、應用於高性能高分子材料開發，側 鏈型則是用於高機能性高分子材料的應用液晶材料的種類26*代表性高分子型液晶分子結構2 液晶材料的種類27*不同高分子型液晶分子結構分類圖液晶材料的種類28*高分子型液晶分子配列結構圖液晶材料的種類29*液晶的組織結構因液晶的種類不同而異，向列型液晶相的組織結構有纖維狀、水滴狀、Schlieren、和大理石花紋狀*膽固醇型液晶相的組織結構有扇狀、平面狀、指紋狀、血小板、藍色相*矩陣型A液晶相的組織結構有破扇狀、多角形狀、扇狀、短棒狀*距列型C液晶相的組織有破扇狀、大理石花紋狀、筋條扇狀、Schlieren狀*距列型I、F液晶相的組織有破扇狀、Schlieren狀、瑪賽克狀、筋條狀和Paramorp-hotic狀。*距列型D液晶相的組織有等方向性(Isotropic)和瑪賽克狀液晶材料的種類30*液晶材料依分子長軸相互平行的規則性排列，而可分為向列型、距列型、膽固醇型和碟盤型液晶分子是異方向性物質，而其與分子長軸平行或垂直方向之物理值也就有所不同，如下圖所示。液晶材料的特性及其測量31*液晶分子排列的秩
