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A Faster Liquid Crystal

A Faster Liquid Crystal. Nanosecond Electro-Optic Switching of a Liquid Crystal ( Phys. Rev. Lett . 111, 107802 (2013) ) Volodymyr Borshch , Sergij V. Shiyanovskii , and Oleg D. Lavrentovich Reporter ：徐文浩 11/7.2013. 大綱. 介紹液晶分子 液晶物理特性 液晶的分類 反應 時間 (Response time) Freedericksz 遷移

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Presentation Transcript

  1. A Faster Liquid Crystal Nanosecond Electro-Optic Switching of a Liquid Crystal (Phys. Rev. Lett. 111, 107802 (2013)) VolodymyrBorshch, Sergij V. Shiyanovskii, and Oleg D. Lavrentovich Reporter：徐文浩 11/7.2013

  2. 大綱 • 介紹液晶分子 • 液晶物理特性 • 液晶的分類 • 反應時間(Response time) • Freedericksz遷移 • EMOPEffect • 實驗及新發現的液晶分子 CCN-47

  3. 液晶(Liquid Crystal)

  4. 什麼是液晶(Liquid Crystal)?? • 在某一溫度範圍內具有液體和結晶雙方性質的物質，這種具有液體般的流動性及結晶般的光學性質神秘特性，稱「液晶（Liquid Crystal) http://www.taifer.com.tw/search/044006/34.htm

  5. 液晶的物理特性 • 黏性（viscosity） • 彈性（elasticity） • 極化性（polarizality）

  6. 黏性（viscosity） • 液晶的黏性從流體力學的觀點來看，可說是一個具有排列性質的液體，依照作用力量方向的不同，而有不同的效果。像是將一把短木棍扔進流動的河水中，短木棍隨著河水流著，起初顯得凌亂，過了一會兒，所有短木棍的長軸都自然的變成與河水流動的方向一致，這表示著黏性最低的流動方式，也是流動自由能最低的一個物理模型。

  7. 彈性（elasticity） • 對於外加的力量，呈現了方向性的效果。也因此光線射入液晶物質中，必然會按照液晶分子的排列方式行進，產生了自然的偏轉現像。

  8. 極化性（polarizality） • 液晶分子中的電子結構，都具備著很強的電子共軛運動能力，所以當液晶分子受到外加電場的作用，便很容易的被極化產生感應偶極性（induced dipolar），這也是液晶分子之間互相作用力量的來源

  9. 液晶分子的種類 • 向列型液晶（Nematic LC） • 層列型液晶（Smectic LC） • 膽固醇型液晶（Cholesteric LC）

  10. 向列型液晶（Nematic LC） • 此相為最接近等方向性液體之中間相, 液晶分子大致以長軸方向平行，因此具有一度空間的規則性排列。此類型液晶的黏度小,亦即規律度最小,亂度最大的液晶 分子間並無任何位置上的關係,每個分子可以繞著特定長軸而自由旋轉。

  11. 層列型液晶（Smectic LC） • 具有二度空間的層狀規則排列,分子並列為層,層層互相堆疊呈層狀結構,各層間有一度的規則排列

  12. 膽固醇型液晶（Cholesteric LC） • 此液晶是由多層向列型液晶堆積所形成，可稱為旋光性的向列型液晶，分子的排列呈螺旋平面狀的排列，當分子軸轉360°時之分子層厚度,稱為螺距。螺距的長度會因溫度,壓力,電場和磁場之改變，因此會產生不同波長的選擇性反射，產生不同的顏色變化，故常應用於溫度感測器。

  13. 反應時間 • 反應時間的計算方式是一個像素從暗轉亮再從亮轉暗的時間之總合，單位是毫秒(ms)如果反應不夠快則容易有殘影情形出現

  14. 此實驗所用的液晶為NLC

  15. NLC的雙折射 • 因液晶分子的幾何異向性，導致光線在液晶中行進的速度與光線本身的行進方向及偏振方向有關而產生雙折射。 • 尋常光折射率（Ordinary Refractive Index）→no • 非尋常光折射率（Extraordinary Refractive Index）→ne http://highscope.ch.ntu.edu.tw/wordpress/?p=1645

  16. NLC的介電異向性 • 對NLC而言，當電場方向平行或垂直液晶長軸時，可分別感受到ε∥與ε⊥兩種不同的介電常數。我們定義介電異向性：∆ε=ε∥-ε⊥ • ε∥為平行液晶導軸 • ε⊥為垂直液晶導軸 http://highscope.ch.ntu.edu.tw/wordpress/?p=1577

  17. (b) ∆ε<0 , ∆n>0 ε∥<ε⊥ ++++++ ------ LC分子彈性系數 介電常數 ↑ 為LC開電場後分子排列的時間(約為100ns) ↑ 為LC關電場後分子排列的時間(約為25ms) 旋轉的黏性系數 http://dept.kent.edu/spie/liquidcrystals/emfield1.html

  18. Fredericksz遷移 • 當液晶分子排列方向與外加電場相互垂直時，若要將液晶轉動，電場必須要足夠大才可轉動液晶，並且外加電場超過閥值電場時，光學特性會瞬間有所改變，此現象稱Fredericksz遷移

  19. EMOPEffect • 全名 Electrically modified order parameter • 為了不使液晶分子隨著電壓而轉動 所以我們利用電壓改變電場而改變∆ε

  20. 新發現的液晶分子 • CCN-47

  21. CCN-47 • CCN-47又稱 4-butyl-4-heptyl-bicyclohexyl-4-carbonitrile • 為一種奈米物質 直徑約2.5nm • 濃度約為1wt%=10000ppm • 本身的介電參數 Δε=-8.4<0 • 摻雜後會讓液晶內介電參數(Δε)隨著頻率的切換而改變。 可利用頻率的切換，達到液晶盒亮暗態的轉換。

  22. 實驗 45度角 電場方向X軸 45度角

  23. Babinet-Soleil補償器(巴（比內）‧索（雷依）) • 特性 1.在整個孔徑範圍內延遲效應均勻 2.連續可調的延遲 3.45度定位 4.工作波長為365-800 nm或740-1650 nm • 應用 1.測量未知的延遲 2.雙折射補償

  24. 測出的結果 此反應時間約為30ns

  25. ※i=u或b u→unixial單軸的 b→biaxial雙軸的 移項後兩邊積分 Unixial relaxation times 電場從0到最大值的時間 biaxial relaxation times 電場從最大值到0的時間 Unixial 電極化率 biaxial 電極化率

  26. T=43度C

  27. 結論 • 我們找到一個新的方法來改善液晶的反應時間，就是EMOP Effect，此方法比起Frederiks effect快的多，Frederiks effect是利用液晶分子的轉動來達到亮暗轉換，而EMOP Effect是利用改變液晶分子的Optic tensor達到亮暗轉換，反應時間約為31ns。 學者們仍然在研究，如果改變液晶材料使之更傾向於雙軸，反應時間會更快。

  28. 三種顏色組成一個Pixel

  29. Thank you for your listening

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