高分子分散型膽固醇液晶相分離

之研究

StudiesofPhaseSeparationfora

Polymer-DispersedCholestericLiquidCrystal班級:化材四甲學號:49640905姓名:林瑋傑1摘要本論文研究主要研究高分子分散型膽固醇液晶中高分子與液晶相分離變化及其光電特性。我們藉由主劑及聚合物合成比例與曝光條件的調(diào)整，讓聚合物達成相分離。其中4um液晶層在56伏特電壓驅(qū)動下可得21.5%的反射率，10um液晶層在100伏特電壓驅(qū)動下可得20%的反射率。2AbstractInthisthesis,westudythephoto-inducedphaseseparationbetweenliquidcrystalandpolymerandelectro-opticalpropertyapolymerdispersedcholestericliquidcrystal(PDCLC).BytuningpolymerconcentrationandUVexposureintensity,weachievedthemorphologyofgreen-and-blackinPDCLC.Further,thecharacteristicsofdrivingvoltage,reflectivespectrum,grainsize,R-Vcurve,andresponsetimewereinvestigated.Weobtainedthereflectivityof21.5%and20%for4μmand10μmcellgapsamples,inwhichthedrivingvoltageswere56Vand100V,respectively.3膽固醇型液晶介紹膽固醇型液晶具有如同層列性液晶般的層狀構(gòu)造，但各層分子軸方向與鄰接分子軸方向有些微小的扭轉(zhuǎn)偏向，液晶分子全體形成螺旋構(gòu)造，其螺距大約和可見光波長相當。膽固醇型液晶是由多層向列型液晶堆積所形成，為nematic液晶的一種，也可以稱為旋光性的nematic液晶〈chiralnematic;n*〉，因分子具有非對稱碳中心，所以分子的排列呈螺旋平面狀的排列，面與面之間為互相平行，而分子在各個平面上為nematic。4膽固醇型液晶的狀態(tài)大致分為三種:分別是Planartexture、Focalconictexture、和Homeotropictexture。5高分子分佈技術(shù)PDLC(polymer-dispersedliquidcrystal)，通常使用高分子作為連續(xù)相，液晶液滴作為分散相所構(gòu)成的系統(tǒng)。PDLC的製作共分成三種方法，包括：聚合導致相分離(PIPS,polymerization-inducedphaseseparation)、加熱導致相分離(TIPS,thermally-inducedphaseseparation)、以及溶劑蒸發(fā)導致相分離(SIPS,solvent-inducedphaseseparation)。此相分離(phaseseparation)技術(shù)，係利用調(diào)整系統(tǒng)中液晶與高分子之溶解度/互溶度，而達到製程前為一互溶系統(tǒng)，製程後高分子/液晶分別聚集的現(xiàn)象。6膽固醇液晶綠黑相分離研究研究方法:聚合引發(fā)相分離共分為兩種，一種為PIPS法，一種為加成聚合法。在聚合過程中，液晶分子的溶解度隨著聚合程度增加而減少，當溶解度小於某一臨界值時，即會產(chǎn)生相分離，將液晶分子以及聚合物分離出，這種相分離方法稱為PIPS法。本論文中主要是使用加成聚合法，將高分子單體加以聚合。而起始加成聚合的方式共分成三種:自由基(freeradical)聚合法、陽離子(cationic)聚合法與陰離子(anionic)聚合法，其中，自由基聚合法為最常被使用的方式。7自由基(freeradical)聚合法自由基聚合法的聚合方式，首先是利用照光或加熱的方式，使光或熱起始劑分解或分離產(chǎn)生自由基，自由基與單體反應產(chǎn)生具有自由基的單體，藉由此具有自由基的單體與其他未反應的單體進行成長反應，而逐漸形成高分子長鏈，而終止反應方式則可分成再結(jié)合與不均化兩種，其中，聚合反應速率，可經(jīng)由溫度或照光強度來調(diào)控。其聚合反應方程式，如表3-1所示。8表3-1PDCLC光聚合反應方程式9實驗步驟在主劑60%、賓劑40%綠黑相分離研究過程中，先使用cellgap10um導電ITO玻璃試片，將混合複合系液晶注入到試片中，並利用線性偏極紫外光進行照射(曝光強度固定為0.9/mw＋衰減片50%、曝光波長固定為365nm紫外光，參照圖3-1所示在輸出波長365nm為最佳照光效率)，而引發(fā)聚合物相分離形成高分子包覆液晶球，最後再利用偏光顯微鏡鑑定出相分離後液晶球的顆粒大小。1011液晶試片製備主要是利用毛細現(xiàn)象的方法，首先將液晶材料放置在液晶皿中，再將液晶試片置於支架上，兩者同時放入液晶注入機Chamber中，液晶皿置於下方，液晶試片開口朝下置於支架放置在上方，將液晶注入機抽真空到達0.02torr後加熱50℃並讓液晶試片與液晶皿接觸，待試片灌滿液晶後將真空Chamber洩壓到一大氣壓，並利用環(huán)氧樹脂封口即可完成。12光聚合反應將複合系液晶混合NOA65高分子，再利用液晶注入機將液晶試片灌滿，以偏光曝光機UVAligner波長365nm、曝光強度0.9/mw＋衰減片50%進行紫外光照射，隨著曝光時間改變，高分子會產(chǎn)生聚合反應將複合系液晶包覆產(chǎn)生顆粒球狀，最後記錄曝光時間並用偏光顯微鏡檢視聚合反應後顆粒大小。其操作原理見圖3-2所示。1314相分離顆粒檢視量測在光聚合反應完成後，可使用偏光顯微鏡Olympus其操作原理見下圖所示調(diào)成光穿透，利用穿透光的光柵調(diào)整偏光就可看到相分離後顆粒光穿透的形狀。若是利用反射光的光柵調(diào)整偏光就可看到相分離後顆粒光反射的形狀。15Olympus顯微鏡利用光穿透及反射變化，做為相分離顆粒大小檢測，調(diào)整Polarizer也可以改變顏色變化16實驗結(jié)果cellgap10um玻璃綠黑相分離實驗過程主劑組成為液晶E70.88克、旋光劑CB150.19克、旋光劑R10110.05克，主劑加熱80℃變成透明液體，冷確後會變回白濁狀，取出部分主劑加入賓劑NOA65混合成透明液體，再利用液晶注入機將液晶加熱50℃注入cellgap10um玻璃試片。其中主劑及賓劑比例互為變動下，配合相分離曝光時間：30sec、35sec、40sec、45sec、50sec、55sec、60sec、65sec，求取不同實驗結(jié)果。17主劑0.7克及賓劑0.3克綠黑相分離，在固定的實驗條件及曝光條件下(曝光時間有變化)，無法完成相分離，同時在受外力的擠壓下會造成液晶流動，顯然是multi-domain的結(jié)構(gòu)導致在曝光的同時，過強的曝光強度會使polymer在瞬間聚合過份反應下無法完整包覆液晶球。其中最值得探討的是液晶顆粒隨著曝光時間的改變而逐漸萎縮，最後會形成硬化後的白霧狀影響顯示品質(zhì)，或是表面已硬化而內(nèi)部的聚合物卻還與液晶互為混合的相分離不完全。18在得到以上結(jié)論後主劑0.7克及賓劑0.3克綠黑相分離的條件顯然無法達到完整的相分離數(shù)據(jù)，主因是曝光強度及曝光時間和聚合物的含量均無法達到完美的搭配，因此在後續(xù)的實驗中會將以上的條件作等比例的組合，找出最為理想的相分離條件。19主劑60%及賓劑40%取主劑0.6克及賓劑0.4克，實驗結(jié)果如圖所示。圖主劑60%及賓劑40%cellgap10um玻璃試片(a)曝光時間30sec；(b)曝光時間35sec；(c)曝光時間40sec；(d)曝光時間45sec；(e)曝光時間50sec；(f)曝光時間55sec；(g)曝光時間60sec；(h)曝光時間65sec相分離結(jié)果，顯微鏡放大20倍。20主劑60%、賓劑40%cellgap10um綠黑相分離，在固定的實驗條件及曝光條件下(曝光時間有變化)，已成功完成相分離。由上圖(b)可以清礎看出相分離後的液晶球均勻的散佈在顯示區(qū)中，但最為重要的是曝光強度0.9mw＋衰減片50%才得以讓40%的polymer完全聚合。在比照其它的實驗條件可以明確瞭解，由於曝光強度0.9mw還是會polymer的聚合瞬間太過劇烈，容易導致相分離過程中，因太強的曝光強度及太長時間照光而讓液晶球逐漸萎縮，最後在電場驅(qū)動時無法得bi-stable及高對比度，因此，主劑60%、賓劑40%cellgap10um綠黑相分離，曝光時間35sec、曝光強度0.9mw＋衰減片50%、曝光波長365nm為最佳綠黑相分離條件。在固定的實驗條件及曝光條件下(曝光時間有變化)，已成功完成相分離，因此往後的所有探討均以該條件為主要課題。21cellgap4um單面VA玻璃綠黑相分離實驗過程主劑組成為液晶E70.88克、旋光劑CB150.19克、旋光劑R10110.05克，主劑加熱80℃變成透明液體，冷確後會變回白濁狀，取出部分主劑加入賓劑NOA65混合成透明液體，再利用液晶注入機將液晶加熱50℃注入cellgap10um玻璃試片。其中主劑及賓劑比例互為變動下，配合相分離曝光時間：30sec、35sec、40sec、45sec、50sec、55sec、60sec、65sec，求取不同實驗結(jié)果。22圖主劑60%、賓劑40%cellgap4umVA玻璃試片(a)曝光時間30sec；(b)曝光時間35sec；(c)曝光時間40sec；(d)曝光時間45sec；(e)曝光時間50sec；(f)曝光時間55sec；(g)曝光時間60sec；(h)曝光時間65sec相分離結(jié)果，顯微鏡放大20倍。23主劑60%及賓劑40%cellgap4um單面VA綠黑相分離，在固定的實驗條件及曝光條件下(曝光時間有變化)，已成功完成相分離。由上圖(f)可以清礎看出相分離後的液晶球均勻的散佈在顯示區(qū)中。24結(jié)論曝光強度0.9mw＋衰減片50%才得以讓40%的polymer完全聚合在比照其它的實驗條件及數(shù)據(jù)可以明確瞭解，由於曝光強度0.9mw還是會導致polymer的聚合瞬間太過劇烈，容易造成相分離過程中，因太強的曝光強度及太長時間照光而讓液晶球逐漸萎縮，最後在電場驅(qū)動時無法得到bi-stable及高對比度，因此，主劑60%、賓劑40%cellgap4um單面VA綠黑相分離，曝光時間55sec、曝光強度0.9mw＋衰減片50%、曝光波長365nm為最佳綠黑相分離條件。25膽固醇液晶各相結(jié)構(gòu)圖26膽固醇液晶電場驅(qū)動變化流程圖27結(jié)果與討論膽固醇液晶綠黑相分離–主劑及聚合物合成比例與曝光條件的影響性研究。本研究已成功開發(fā)主劑60%、賓劑40%綠黑相分離。分別利用液晶注入機製作test-cell、UVAligner完成光聚合反應、偏光顯微鏡檢視相分離後顆粒大小，探討其主賓劑的比例與曝光參數(shù)的變化對相分離後顆粒大小所產(chǎn)生的光電效應，並將此結(jié)果轉(zhuǎn)移到cell-gap4um玻璃基板，驗證驅(qū)動電壓與顆粒大小伴隨gap的變化所產(chǎn)生不同的結(jié)果，最後再轉(zhuǎn)移到可撓式基板完成在不同Substrate下驅(qū)動電壓、顆粒大小、光電量測的交叉影響。28參考文獻[1]PeterJ.Slikkerveer,EURODISPLAY,273(2002)[2]FredIshii,SonyCorporation,Flexibleelectronics&displa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