阿凡達遊液晶境(Avatar in the Wonderland)(4)

(作者:袁維勵 老師 / 逢甲大學 化學工程學系)

本回介紹液晶螢幕 (LCD,liquid crystal display) 的原理及其與偏光鏡的類比。如下圖所示,液晶分子可以用梭子形狀的短棒來表示。它最常見的有4種液晶相:(1) nematic (無分層垂直站立),(2) smectic A (分層垂直站立),(3) smectic C (分層傾斜站立)以及(4) cholesteric (螺旋梯森林)。其中,LCD的原理與第4種液晶相最有關係。請注意,所謂”螺旋梯森林”等名詞乃作者自創,目的是為幫助讀者理解、想像與記憶。

Fig.4-1

(常見的4種液晶相:(1) nematic (無分層垂直站立),(2) smectic A (分層垂直站立),(3) smectic C (分層傾斜站立)以及(4) cholesteric (螺旋梯森林)[註1])

如上圖,第4類”螺旋梯森林”之液晶相可以再利用下圖中的照片來說明。在美國西南方新墨西哥州的Santa Fe鎮,幾十年前蓋了一座教堂,名叫Loretto Chapel。當教堂完工後,修女們才發現工人竟然忘了建造連接一樓到二樓的樓梯。在那個荒郊野外,修女們無法可想,只好向神禱告。過了不久,竟然來了一位老先生,鎮上的人都不知他是從哪裡來,也不知道他的姓名,但就這麼住下來了。當然,這位老先生一來,馬上就開始幫教堂建造一座樓梯,蓋好就走了,沒有人知道他去哪裡了。當修女們去看樓梯的時候,嚇了一跳,原來樓梯是螺旋型的。更嚇人的是,樓梯沒有扶手,以至於第一位高高興興從樓梯走上二樓的修女,要下來的時候,嚇得只能用爬的下來。但是,最最嚇人的是,螺旋型的樓梯竟然沒有用柱子支撐,可是非常堅固。直到現在,這種設計在建築界仍然是一個傑作,並且罕見。對修女們來說,這可不是件小事,乃是神聽了他們的禱告,派天使來幫助他們。我廿幾年前在美國念書時,糊里糊塗,竟也有機會拜訪了這座教堂,親身站在螺旋樓梯的前面,體會當年蓋好時,修女們又驚又喜的心情。

Fig.4-2

(Loretto Chapel的Spiral Staircase[註2],以上三張明信片,左邊為模擬最初沒有扶手的樓梯外觀,中間為早年唱詩班從二樓魚貫下到一樓的情景,右邊為近年來的樣子,廿幾年前就已經圍起來不讓人上去下來了。)

讓我們想像一下,若是有100座像上面所說的螺旋樓梯以同樣的方位立在教堂裡,整個教堂就成了一座”螺旋梯森林”。若是將螺旋梯森林按著每一級階梯的高度橫切,我們就會得到如前述第4種液晶相的示意圖了 (如下圖),它的英文意譯是”膽固醇液晶相”。每一座螺旋樓梯的每一級階梯都是一個液晶分子。而整個螺旋梯森林的每一級高度的橫切面都是由方位相同且平躺的液晶分子所組成。或許讀者會想到,這每一個橫截面的每一個液晶分子又都類似一根柵欄,所以整個橫截面就相當於一枚偏光片,而一、二樓樓板再加上整個螺旋梯森林則相當於一疊偏光片。

圖3

如下圖上半所示,液晶層的作用為旋光,螺旋梯森林可以將由地下室往上,通過一樓地板之0°的偏振光旋轉成90°而通過二樓地板。螺旋梯森林的規則結構來自液晶分子的自我組裝 (self-assembling) 能力。自我組裝特性是奈米科技很重要的一個課題,也就是如何利用分子間微弱的引力與斥力來形成具有吾人所設計、所期望之奈米結構材料 (nano-structured materials)。此外,如下圖下半所示,當液晶層受到外加電場的作用時,帶電荷的液晶分子會順著電場方向排列成nematic相 (無分層且垂直站立)。因此,螺旋梯森林消失了,也就是說,夾在兩偏光板中間的那一疊偏光片被抽走了。當螺旋梯森林消失,由地下室往上通過一樓地板之0°的偏振光就無法穿越90°的二樓地板,光線就被阻斷 (blocked)了。

圖4

(液晶螢幕的結構與原理[註3],LCD由兩個偏光板中間夾著兩個透明電極與一層液晶所組成。當電壓為零,畫素點亮,當電壓不為零,畫素為黑。若再加上RGB濾光板,就成為彩色螢幕了。)

以上為液晶螢幕 (LCD,liquid crystal display) 的原理及其與偏光鏡的類比。

參考資料

  1. 液晶相
  2. 螺旋樓梯
  3. 液晶螢幕

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