实验二 液晶预倾角量测实验.doc

液晶光學：? ? ? ? 嘉義大學? 羅光耀 PAGE PAGE 7 實驗二 液晶預傾角量測實驗 一、實驗目的 利用液晶旋轉法測量水平配向之液晶樣品的預傾角。 二、實驗儀器 He-Ne雷射、偏極片x2、步進馬達、光偵測器、示波器、電腦。 三、實驗原理 (1) 一般而言，液晶分子排列方式粗分為三種。第一種為液晶分子長軸平行於配向膜，稱為Homogeneous Alignment，第二種為長軸垂直於配向膜上，稱為Hetergeneous或Vertical Alignment，但在液晶螢幕之應用上，其液晶分子與配向膜表面呈某一角度的傾斜(即預傾角，Pretilt Angle)，如此才能達到均一配向的效果。預傾角是影響LCD顯示特性的重要參數，主要取決於：(I)配向膜的物化作用力，如氫鍵(Hydrogen bond)、凡得瓦力(van der Waals force)及Dipole-dipole force；(II)機械力效應，即溝槽(Groove)或配向膜表面型態。 通常對於TN(扭轉向列型)-LCD而言，預傾角約2~3度，多應用在手錶、計算機螢幕上；HTN(高扭轉向列型)-LCD約1~2度，多應用在汽車音響面板；STN(超扭轉向列型)-LCD約5~7度應用在電子字典；TFT-LCD約5~8度則是在筆記型電腦上。由此可知道預傾角對液晶應用的重要。 (2) 圖2-1為光以45度線偏極光入射平行配向之液晶時，因為液晶為單光軸物質所以平行液晶光軸與垂直液晶光軸之光會產生光程差， 圖2-1 從圖上可看出入射光進入A點後好像分成了路徑以及兩路徑，其相位差可表示成： 其中， 所以， 又由 Snell 定理： 我們可以得到相位差與入射角的關係式為： 但是上式中的入射角還式隱函數，因此，在考慮入射光與光軸的情形下，如圖2-2我們將上式繼續展開， 圖2-2 且由Snell 定理： 所以我們得到， 乘開後得， 令 則， 其中， 且， 最後得到， 又， 所以， 另外， 及 Snell 定理， 因此， 而， 所以最後我們可以得到相位差與入射角的關係式為： (3) 考慮光穿透強度時，如圖2-3， 圖2-3 光線首先從左邊入射，經過垂直方向偏振片之後入射到樣品上，此樣品的光軸方向與偏振片夾45 度的夾角，光線最後經過水平方向偏振片。我們可以藉由量測此穿透光的光強度來決定液晶分子的預傾角。首先光電場E 利用Jones matrix 展開可寫成下式： 因為光強度， 且由之前之推導可知， (4) 如果我們把θ對T 還有θ對δ(θ)所作的圖形畫在同一張圖上可以得到類似圖2- 4之圖形。 圖2- 4 由圖2- 4可知，圖形虛線的位置就是預傾角的位置，所以曲線才會以此為對稱點而有對稱的圖形出現，而此時δ又剛好為極大值，因此我們可以用來求得樣品的預傾角α。 因為， 所以， 時，θ就是圖形對稱點的位置，因此我們可以得知樣品的預傾角α。 四、實驗步驟 如圖2-5擺設實驗儀器。 圖2-5 調整Polarizer偏極方向與步進馬達載物平台夾45角，並調整Analyzer使光路正交，此時示波器顯示之光強度為最小值。 將homogeneous液晶樣品放於載物平台上，並控制步進馬達使旋轉台旋轉。 紀錄液晶旋轉時所對應到的示波器的強度變化，並繪出I-θ(強度-角度)圖，並找出如圖2- 4的虛線位置時的θ值，再代入得到預角α。 五、參考資料 張繼鴻「發展一可用電壓調控焦距的液晶元件」 2003.6 科技新知 HYPERLINK .tw/tech/tech-19-1.htm .tw/tech/tech-19-1.htm 李彥輝「利用晶體旋轉法量測TN型液晶盒預傾角」