液晶光电效应.docx

液晶光电显示实验量测系统
【、背景知识说明
1液晶简介
液态晶体(简称液晶,LC)是一种介于固态结晶体和非晶形液态之间的物质。其中丝状液晶(nematicLC)系由长条形有机分子所构成的,这些分子的平均排列方向(经表面配向处理后)具有液晶光电显示实验量测系统
【、背景知识说明
1液晶简介
液态晶体(简称液晶,LC)是一种介于固态结晶体和非晶形液态之间的物质。其中丝状液晶(nematicLC)系由长条形有机分子所构成的,这些分子的平均排列方向(经表面配向处理后)具有规则性,同时亦可以透过施加电场驱使长条形液晶分子长轴的指向产生改变(当外加电场够大时,液晶分子长轴应顺着电场方向排列整齐)。丝状液晶对光具有特殊的光学性质。光线沿着分子长轴方向传播时,光波电场振动方向皆垂直于分子长轴,光速皆相同,称为寻常光,折射率no称为「寻常折射率」,故分子长轴的方向称为光轴。光线前进方向不与光轴平行时,光波的电场分量可能与光轴垂直或平行,其中电场分量与光轴垂直的光波,也是寻常光,折射率为no,但是电场分量与光轴平行的光波,其光速不同于寻常光,
称为异常光,折射率为n,称为「非常折射率」。非常折射率n与寻常折射率
e e
no之差以「5二ne-no代表(称之为双折射量)。在大部分的光电液晶组件中,均要求液晶分子的配向均匀或有预设的配向分布。本实验之液晶片结构如(图一)。
玻隅菇板
ITO舜世
膜
配向
円配向膜
ITO導電
圖一液晶片結構
使用擦镜纸沿单一方向磨擦上图所示之PI膜,可在PI膜表面形成细微的沟纹,它会令相邻的液晶长分子沿沟纹方向排列整齐,并进而透过分子间的作用,使其它液晶分子随之规则排列,如此可获得均匀配向的丝状液晶片。
(90TN-LC)
90扭转之丝状液晶片示如(图二),右边PI膜之LC配向方向,相对于
液晶分子圧
光透射方向
(圖二)90TN-LC液晶分子配向扭轉示意圖
左边LC之配向扭转90度。故液晶分子在液晶层中亦逐渐扭转90度,如(图二)
所示。若令起偏镜的偏振方向平行于 TN-LC左边PI膜的
LC配向,则入射后的偏振光穿经90TN-LC时,其偏振方向会随着液晶分子的扭转配向而扭转,产生旋光现象使得透过 TN-LC的光维持为线
性偏振,但其偏振方向扭转90度。由于入射偏振光的电场振动方向始终维持与液晶分子长轴方向平行,故它显示为非常光,其折射率为 neo
同理若入射偏振光之偏振方向始终维持与 LC分子长轴垂直,它也具有
90度旋转的扭转效果,但它显示为寻常光,其折射率为 noo若检偏镜
(Analyzer)的偏振方向设定为平行于起偏镜 (Polarizer)的偏振方向(参见
图三),则在TN-LC两边未加电压的情况下(即v=0时),光不能透过
检偏镜,此种设定称为「正常黑色」设定(Normallyblack,简称NB),
但若在TN片两边之导电ITO玻璃上外加电压V,且当V超过底限电压
Vc时,液晶分子的长轴方向,受外加电场作用,会沿电场方向作平行排列(液晶分子之长轴此时会受电场作用而垂直于玻璃基板排列),这将使液晶晶胞内之液晶分子失去对偏振光偏振方向的引导扭转能力, 而造成
光会透过检偏镜。如令V10及V90分别代表透射光强度达到最大透射光强度之10%及
90%时的外加电压值,则吾人可定义「光一电开关斜率」为二兰亠。至于透射光强
度与外加电压的关系曲线则称为「光-电开
V10
关特性曲线」。
Palarizcr
AiKihzer
NBoperation
(homogeneousparallel-alignedLCcell)
三)NB操作设毎
均匀平行配向LC片是左边及右边之LC配向方向互为平行的液晶片(参见图四)。若经由起偏镜入射的线性偏振光,偏振方向平行于LC配向时,在液晶中光以非常光的方式前进
(图四)均匀平行配向液晶片
(双箭头为表面配向方向)
,且光呈单一的(纯的)相位变化。若入射偏振光和 LC配向呈45度
夹角,则由于寻常光和非常光在LC中波速不同,导致这两种光间发生
「相位延迟」(phaseretardation。两光之相位延迟■■:为:
2二dri(V,■)u=
其中d为液晶片中液晶层的厚度,=n为双折射量(birefringence),■为入射
光之波长。由于n与入射波长■及施加于液晶片两端之电压V大小有关,故•:
n表为衍(V,)。在入射光偏振方向和LC配向呈45度的设定架
构下,透过检偏镜之光的透射比(即透射光强度与入射液晶之光强度的比值)分别为:
T=1—sin22°sin2&=cos2云(when(=45°"22
T一sin2e=sin2