TWI623799B

TWI623799B - 製造液晶電光元件的方法

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Publication number: TWI623799B
Application number: TW105135146A
Authority: TW
Inventors: 黃素真; 蘇賢賓; 何柏彥; 張孟筑; 林潁
Original assignee: 國立聯合大學
Priority date: 2016-10-28
Filing date: 2016-10-28
Publication date: 2018-05-11
Also published as: TW201816493A

Abstract

本發明揭露一種製造液晶電光元件的方法，以非接觸方式來進行液晶配向，提供密封在液晶電光元件中的液晶分子達到穩定配向，致使液晶分子在穩態時具有定義的預傾角，從而能預防液晶在外加場驅動態時因反向傾斜所導致的缺陷。該方法包含：提供一光學單元，該光學單元包括一中空空間；注入液晶混合物至該中空空間；以及施加一梯度場至該液晶混合物，其中該梯度場的強度係呈現一梯度分布。

Description

製造液晶電光元件的方法

本發明涉及一種製造液晶電光元件的方法，尤其是涉及一種以非接觸方式來進行液晶配向，提供密封在液晶電光元件中的液晶分子達到穩定配向之效果，致使液晶分子在穩態時具有定義的預傾角，從而能預防液晶分子在外加電場驅動態時因反向傾斜所導致的缺陷發生。

要將液晶(liquid crystal，LC)材料與中空光纖、光子晶體或封閉結構做結合來開發新穎的電光元件時，會面臨無法在中空孔柱內有效控制液晶分子成穩定排列的難題，使得液晶分子在有外加電場的情況下會有配向缺陷的向錯線(disclination line，亦可稱作不連續線)發生，此缺陷會嚴重造成光散射損失。而發生缺陷的原因乃中空圓柱體的封閉表面是無法進行摩擦處理(rubbing process)的，所以局限在一未經摩擦處理的封閉圓柱體(或結構體)中的彈性體液晶分子是無法得到一穩定且一致的排列方向，且液晶分子在封閉孔隙內的取向(orientation)機制相當複雜，並非如傳統液晶胞(liquid-crystal cell)的方形結構體中的單純；因此，配向缺陷問題嚴重地限制了液晶光纖或電光元件的開發。

在中空光纖或光子晶體的圓柱孔壁上，由於無法在圓柱腔壁上進行摩擦配向處理來提供液晶分子一首選的方向(preferred direction)，以致熱擾動會造成液晶分子的光軸方向不在一穩定方向上，故當一電場外加於液晶(光纖)元件時，將可能造成液晶分子會往兩個不同的方向轉動並傾斜，以致在反向傾斜的兩個區域間之邊界發生取向缺陷，如第1圖所示。在第1圖中，在光學單元11中，電源19驅動上電極18a及下電極18b在其間產生電場施加於液晶混合物13，使得液晶分子13a轉向傾斜而造成反向傾斜區域，導致向錯線的發生。此缺陷導致與周圍的液晶分子間有折射率差異而形成界面，故將導致液晶/光纖元件的光訊號損失、以及光學特性的劣化。因此，將限制液晶光纖或電光元件之應用範圍。

液晶分子的排列狀態對光纖元件之光傳播特性有著顯著的影響。為改善液晶光纖元件的光學特性，必先解決液晶分子的反向傾斜之取向缺陷問題。然而，因灌注在中空光纖內的液晶分子排列方式受到許多因素所影響，例如液晶彈性常數、液晶介電各向異性、液晶分子的偶極矩和剛性、液晶和玻璃的表面張力、玻璃空氣柱管壁之平整度、以及缺陷的存在與否等參數。因此，液晶分子在圓柱孔中的排列相當複雜。

液晶分子在圓柱孔中常見的排列有平行於光纖軸向的平行排列(planar-aligned)、與擴張排列(splayed-aligned)。由於擴張排列的液晶分子沒有臨界電壓(Fredericks transition threshold)，不會有如平行排列的液晶分子因反向傾斜所生的區塊缺陷(reverse tilt domain defects)。因此，現有文獻中提出要避免區塊缺陷的產生，則必須選用光配向技術或使用可在中空光纖中呈現擴張排列的液晶材料(如雙頻液晶或負型液晶)，如此將限制液晶材料的選擇性。此外，負型液晶材料的介電異向性(△ε)較正型液晶為小，故其閾值電壓(threshold voltage)較高。

雖然高分子穩定配向(polymer stabilized alignment，PSA)技術早在1998年時就已被提出，但主要應用於液晶顯示器的特性改善，近幾年來也因為其良好的特性與相關技術方面的改良，漸漸地又受到各方的關注。高分子穩定液晶分子配向的技術主要是藉由光聚合(phtopolymerization)致使相分離(phase separation)來得到高分子網絡結構。利用反應型液晶或光感單體(photo-sensitive monomers)在外加電場(或驅動電場)作用下發生紫外(UV)光聚合，進而產生用來控制液晶分子預傾方向的高分子網絡。由於固化(curing)電場會導引液晶分子排列於特定方向，因此致使在中空光纖內的液晶指向矢(director，液晶軸所指方向)具有一特定方向的特性。而且，高分子網絡致使的預傾角(pretilt angle，液晶軸與介面之間的夾角)可控制液晶分子旋轉的傾向，故高分子穩定配向技術可提供一個配向穩定、製程簡易、低成本、以及具有低臨界電壓、快速響應、高調諧與高穩定的液晶光纖或電光元件。

高分子穩定配向技術亦被應用在液晶面板產業。於此，高分子穩定配向技術可應用於垂直配向模式(vertical alignment mode)。也就是，在垂直配向模式中所使用的液晶為負型液晶，原始預傾角為90°但無特定方向，以及用於驅動的電場為垂直電場(垂直於基板)。為了使液晶面板中的液晶分子具有一定方向初始預輕角以及廣視角顯示特性，須要利用斜向電場使得液晶分子在外加電場驅動下先朝向所需要的方向傾倒，而上述的斜向電場則需要特殊的電極圖案設計來達成。當液晶分子因斜向電場而朝向所需要的方向傾倒時，執行照光聚合程序使得液晶混合物中的光感單體聚合成表面高分子網絡。所述高分子網絡能提供液晶分子與執行光照聚合程序時液晶分子傾倒的方向一致的預傾角的方向，而預傾角的角度則部分取決於執行照光聚合程序時致始液晶分子傾倒的斜向電場的強弱。雖然採用高分子穩定配向技術以提供液晶分子具有一定方向的初始預傾角，但在藉由照光聚合程序形成表面高分子之前基板仍需要垂直配向層的存在。

一般而言，為使液晶分子能在基材(玻璃)表面有一定的排列方向，通常會在基材表面上進行配向處理，但對於中空光纖而言，困難之處在於對其圓柱孔壁上進行摩擦配向處理。雖然液晶分子會因為注入的毛細流力關係而傾向於光纖軸向排列，但其在外加電場的作用下並未有一首選的排列方向，故易造成液晶分子之反傾斜排列的局部配向缺陷發生，而此缺陷的產生會造成液晶光纖元件的光功率損失、響應速度變慢、及光學特性的劣化。

當液晶填入中空光纖後，若孔隙壁面未作任何處理時，因液晶分子呈現棒狀結構，毛細現象的流力作用將導致液晶的整體排列方向大致為平行於光纖軸，如第2圖的(a)部分所示。以微觀的角度來看，液晶分子23a是以不同方向的傾角排列於光纖21內部的中空空間22中，因此在正交偏光顯微鏡下無法觀察到全黑狀態，如第2圖的(b)部分所觀察到些微漏光，其中光纖管21a包覆著液晶混合物23，符號A及P分別表示偏光片及檢光片的軸向。由於液晶分子易受外加電場驅動而改變排列方向，當外加電場於液晶光纖時，由於在中空光纖管的孔隙玻璃壁面是無法進行摩擦配向處理，液晶分子在無配向的圓柱孔內存在不同方向的傾角排列，以致於外加電場的作用會使液晶分子作出反向傾斜的排列響應，進而液晶導軸排列的不連續性使得向錯線隨機產生，如第3圖所示。在第3圖中，光纖31的光纖管31a包覆液晶混合物33，上電極38a及下電極38b對液晶混合物33施加電場E使得液晶分子33a轉動傾斜。此外，由液晶連續彈性體理論得知，液晶分子的排列狀況會受到向錯線所影響，因此在電場驅動下將形成以向錯線為界面的多重區塊液晶排列，此向錯線缺陷將造成液晶光纖元件之光訊號損失、電光響應的磁滯現象、以及響應速度變慢。

為能使液晶材料與中空光纖能成功地結合並且應用於高調諧的光纖或電光元件之開發，則必須解決在狹小封閉空間(微米尺度)中難以對液晶分子進行配向處理之問題，進而改善液晶分子的反向傾斜所生之向錯線發生。因此，本發明以梯度場(gradient field)(電場、磁場、溫度場或應力場等，但不限於此)與表面高分子穩定配向(surface polymer stabilized alignment，SPSA)技術來提供液晶分子在中空纖核內能達一穩定的排列方向與具有一預傾角分佈。

更詳細地，本發明主要先利用梯度場來驅使液晶分子往一致的方向排列，以消弭向錯缺陷的產生，接著再以表面高分子穩定配向技術來使液晶分子固定在所要的方向與傾角上。而此梯度場部分可以運用電場、溫度場、磁場或者是應力場來實現梯度場致使液晶分子流動。

亦即，為讓各種正負型液晶材料皆能廣泛使用於電控液晶光纖或電光元件的開發，本發明提出利用梯度場與表面高分子穩定配向技術的結合來提供空氣柱中的液晶分子能獲得一預傾角並且被錨定(anchor)在一定的方向上，使得在電場作用時，液晶分子即有首選的穩定方向來重新排列，進而改善外加電場驅動下所生之向錯線現象。

據此，本發明在此提供一種製造液晶電光元件的方法，包含：提供一光學單元，該光學單元包括一中空空間；注入液晶混合物至該中空空間；以及施加一梯度場至該液晶混合物，該梯度場的強度係呈現一梯度分布。如此，可消弭本發明液晶電光元件的向錯缺陷的產生。

依據本發明一實施例，該梯度場可為一梯度電場、一梯度溫度場、一梯度磁場或一梯度應力場。

依據本發明一實施例，該光學單元可為一光纖；該中空空間可平行該光纖的軸的方向延伸；以及該梯度場的強度可沿該光纖的軸的方向增強或減弱。

依據本發明另一實施例，該光纖可為一光子晶體光纖。

依據本發明另一實施例，該光學單元可為一光波導(optical waveguide)，該光波導可由定義該中空空間的一基板組成；以及該梯度場的強度可沿平行該基板的方向增強或減弱。

依據本發明另一實施例，該光學單元可為一液晶胞，該液晶胞可由定義該中空空間的二基板組成；以及該梯度場的強度可沿平行該二基板的其中之一的方向增強或減弱。

依據本發明一實施例，該中空空間具有小於100μm的一空間維度。

為了更進一步穩固液晶分子預傾角的方向及角度，依據本發明一實施例，本發明方法可進一步包含：照射一固化光至該液晶混合物，其中該液晶混合物可包括液晶分子及光感單體。

依據本發明一實施例，在執行該照射一固化光時該等光感單體可在該中空空間的介面上聚合成表面高分子網絡。

為了調制液晶分子預傾角的方向及角度，依據在本發明一實施例，本發明方法可進一步包含：施加一固化電場於該液晶混合物，其中該施加一固化電場的程序可在該照射一固化光的程序之前，以及該固化電場可為一空間均勻電場。

最後，依據上述本發明方式所製造的液晶電光元件中的液晶分子可具有一穩態的具有被定義的方向及角度的預傾角。

11‧‧‧光學單元

13‧‧‧液晶混合物

13a‧‧‧液晶分子

18a‧‧‧上電極

18b‧‧‧下電極

19‧‧‧電源

21‧‧‧光纖

21a‧‧‧光纖管

22‧‧‧中空空間

23‧‧‧液晶混合物

23a‧‧‧液晶分子

31‧‧‧光纖

31a‧‧‧光纖管

33‧‧‧液晶混合物

33a‧‧‧液晶分子

38a‧‧‧上電極

38b‧‧‧下電極

41‧‧‧光纖

42‧‧‧中空空間

41a‧‧‧光纖管

43‧‧‧液晶混合物

43a‧‧‧液晶分子

45‧‧‧光感單體

46‧‧‧高分子

48a‧‧‧上電極

48b‧‧‧下電極

49‧‧‧電源

51‧‧‧光纖

51A‧‧‧光纖

51B‧‧‧光纖

52‧‧‧加熱台

57‧‧‧墊片

第1圖係說明習知液晶電光元件中的液晶反向傾斜區域的示意圖。

第2圖係說明習知液晶於光纖中的(a)分子排列的示意圖及(b)偏光顯微鏡下的觀察結果。

第3圖係說明液晶於光纖中的向錯線缺陷的(a)產生的示意圖及(b)偏光顯微鏡下的觀察結果。

第4圖係依據本發明第一實施例說明製作液晶電光元件的方法的示意圖。

第5圖係依據本發明第一實施例說明液晶光纖型馬赫-詹德干涉儀的元件的示意圖。

第6圖係顯示依據本發明第一實施例的液晶光纖在偏光顯微鏡下的觀察結果。

第7圖係顯示依據本發明第一實施例的液晶光纖型馬赫-詹德干涉儀在不同外加電壓驅動下的穿透頻譜的曲線圖。

第8圖係顯示依據本發明第一實施例的液晶光纖型馬赫-詹德干涉儀在不同外加電壓下驅動的共振波長位移量的曲線圖。

第9圖係依據本發明第二實施例說明製作液晶電光元件的方法的示意圖。

在此揭示本發明的實施方式，以提供對本發明原理及精神的進一步認識，但其實施或體現方式並不限於此。

本發明提供一種製造液晶電光元件的方法，包含：提供光學單元，光學單元包括一中空空間；注入液晶混合物至該中空空間；以及施加梯度場至液晶混合物，梯度場的強度係呈現一梯度分布。如此，可消弭本發明液晶電光元件的向錯缺陷的產生。亦即，以此方法製作的液晶光電元件的液晶分子具有定義的預傾角。

依據本發明一實施例，梯度場可為一梯度電場、一梯度溫度場、一梯度磁場或一梯度應力場。

依據本發明一實施例，該光學單元可為一光纖；該中空空間可平行該光纖的軸的方向延伸；以及該梯度場的強度可沿該光纖的軸的方向增強或減弱，但不限於此。例如，該梯度場的梯度向量可平行於該光纖的軸的方向、垂直於該光纖的軸的方向、或指向空間中的任一方位。

依據本發明另一實施例，該光纖可為一光子晶體光纖。

依據本發明另一實施例，該光學單元可為一光波導，該光波導可由定義該中空空間的一基板組成；以及該梯度場的強度可沿平行該基板的方向增強或減弱，但不限於此。例如，該梯度場的梯度向量可平行於該基板、垂直於該基板、或指向空間中的任一方位。

依據本發明另一實施例，該光學單元可為一液晶胞，該液晶胞可由定義該中空空間的二基板組成；以及該梯度場的強度可沿平行該二基板的其中之一的方向增強或減弱，但不限於此。例如，該梯度場的梯度向量可平行於該二基板的其中之一、垂直於該二基板的其中之一、或指向空間中的任一方位。

在完成上述施加梯度場程序之後，本發明的光學單元在外加電場的驅動下不會出現因反向傾斜所導致的向錯線缺陷。亦即，梯度場的施加能使本發明的光學單元中的液晶混合物具有被定義的預傾角，使得液晶混合物的液晶分子在外加電場驅動下能有一致的轉向，從而能預防因反向傾斜所導致的向錯線缺陷。

為了因應各種應用需求及型態，依據本發明一實施例，液晶混合物可包括液晶分子及光感單體，其中液晶分子可包含複數種液晶，例如正型液晶、負型液晶及雙頻液晶。

此外，為了更進一步調製穩固液晶分子預傾角的方向及角度，在本發明一實施例中，本發明方法可進一步包含：照射一固化光至該液晶混合物，其中該液晶混合物可包括液晶分子及光感單體。

在執行該照射一固化光時該等光感單體可在該中空空間的介面上聚合成表面高分子網絡，以提供液晶分子定義的預傾角，但不限於此。例如，該等光感單體可在該中空空間中(包括其介面及其介面之間的空間)聚合成空間型高分子網絡。

為了調制液晶分子預傾角的方向及角度，在本發明一實施例中，本發明方法可進一步包含：施加一固化電場於該液晶混合物，其中該施加一固化電場的程序可在該照射一固化光的程序之前，以及該固化電場可為一空間均勻電場。

依據本發明另一實施例，施加梯度場程序與照射固化光程序可同時執行。在此情況下，可在照射固化光程序結束時同時結束施加梯度場程序。

更詳細地，依據本發明另一實施例，可在執行施加梯度場程序第一時間間隔後再執行照射固化光程序並且可同時維持施加梯度場程序之執行，其中第一時間間隔可在1~90分鐘的範圍內。具體地，第一時間間隔可為1分鐘、5分鐘、10分鐘、15分鐘、30分鐘、60分鐘或90分鐘；較佳地，第一時間間隔可為5~15分鐘；更佳地，第一時間間隔可為8~12分鐘。在執行照射固化光程序第一時間間隔後，液晶混合物在外加電場作用下可被檢測為不具有因反向傾斜所導致的向錯線缺陷。在此情況下，當照射固化光程序開始執行時施加梯度場程序可持續執行，並且在此情況下，可在照射固化光程序結束時同時結束施加梯度場程序。

上述施加固化電場程序能更進一步調制並且穩固液晶混合物藉由施加梯度場程序而具有的預傾角特性。亦即，上述施加固化電場程序能調制預傾角的大小及方向，並且藉由光感單體的聚合穩固被調制的預卿角的大小及方向。

依據本發明一實施例，本發明之中空空間可具有在1-100μm的範圍之間的一空間維度。具體地，本發明之中空空間可具有小於100μm、50μm、或10μm的一空間維度。例如，以中空軸芯光纖作為本發明之光學單元時，其光纖管內徑可小於100μm、50μm、或10μm；以多中空軸芯光纖作為本發明之光學單元時，其各中空軸心內徑可小於100μm、50μm、或10μm；或者以液晶胞作為本發明之光學單元時，其胞間隙可小於100μm、50μm、或10μm。

以下，將進一步揭露更具體的實施方式。

[第一實施例：梯度電場實驗]

步驟1：為能於實驗中產生梯度電場，直接利用ITO(indium tin oxide，銦錫氧化物)玻璃基板的ITO膜來當供應外加電壓的電極板。

步驟2：先將填充有液晶/光感單體混合物的光纖或光子晶體光纖附加在ITO玻璃基板上(下電極48b)，之後於上端蓋上另一片ITO玻璃電極(上電極48a)，如第4圖的(a)部分所示。

步驟3：為了在電極板之間產生梯度電場，將上電極48a微微傾斜使得其與下電極48b夾一小角度，如第4圖的(b)部分所示。

步驟4：施加電壓後，梯度電場可行形成在上電極48a與下電極48b之間，使得梯度電場的強度沿平行上電極48a或下電極48b的方向遞增或遞減，以及梯度電場的方向在上電極48a與下電極48b之間具一致性。隨後，利用偏光顯微鏡(POM)觀察梯度電場使液晶分子43a轉動情況；若有向錯線發生(如第3圖所示)，可再適度調整上電極48a，並且施加電壓，直到沒向錯線缺陷的發生。或者，本實驗可利用可產生精密梯度電場的系統、或在元件上直接利用鍍膜技術來製作在光纖上的上下導電膜，使其上下二電極間距成漸變的結構，藉以施加梯度電場來達到無缺陷的液晶配向。

步驟5：將有外加電壓而無向錯線缺陷的光纖41進行UV曝光，如第4圖的(c)部分所示，曝光功率為1mW，曝光時間為3min。利用UV曝光使光纖41中的光感單體45產生光聚合而形成高分子46網絡，進而穩定液晶分子43a的排列，如第4圖的(d)部分所示。

具體而言，如第4圖所示，在沒有外加電場的情況下，注入至中空空間42的液晶混合物44中的光感單體45和液晶分子43a(具有正的△ε)大致都平行於光纖41的軸向(第4圖的(a)部分)。當藉由電源49驅動上電極48a及下電極48b在光纖41上外加一梯度電場時，由於電場的梯度變化致使作用力會驅使液晶分子43a往一定方向排列：若為正型液晶材料，則其分子軸方向傾向於與電場方向平行；反之，若為負型液晶材料，

為穩定此液晶分子43a的配向及給予一預傾角，保持此外加電場，然後以UV光對液晶光纖41樣品進行照射(第4圖的(c)部分)。經由此固化電場的作用與UV光的固化，光感單體45以相對於基材表面的預傾角度被聚合在光纖管41a內側壁面上。而且，當電場解除後，液晶會被高分子46網絡的排列所錨定，導致液晶分子43a在初始狀態時具有一個傾斜角及一定的排列方向，此預傾角角度將永久維持著，如第4圖的(d)部分所示。

所以，利用此簡單的製程可以在沒有被摩擦處理的光纖41壁表面上以高分子46網絡控制液晶的預傾角及排列方向。高分子網絡可視為提供液晶分子43a恢復或錨定邊界的一作用力，故可消除缺陷發生與導致液晶分子43a更快速度的鬆弛(恢復)。然而光感單體45聚合所得到的預傾角與其表面形貌是與單體45的濃度、曝光條件、及固化電場有關。

藉由特定接合參數，將經過上述步驟處理的液晶光纖與單模光纖接合，並且使接合端面形成光纖錐。將兩端接合後就完成液晶光纖型馬赫-詹德干涉儀(Mach-Zehnder Interferometer)的元件(如第5圖所示)。

參考第5圖，當入射光從單模光纖傳導到第一個光纖錐時，在光纖芯的一部分的光會被耦合至光纖殼中，而另一部分的光會留在光纖心中，當光傳導到達第二個光纖錐時，在光纖殼中的光會耦合回到光纖芯，使得兩道光形成干涉，其中元件干涉公式為：λ _p=2L(n _co-n _cl)/(2N+1)，其中n _co為液晶光纖的光纖芯有效折射率、n _cl為光纖殼的有效折射率、L為液晶的填注長度、N為常數項(N=1,2,3...)、及λ _p為滿足最低光強度之共振波長。當施加電場於液晶光纖上時，空芯光纖中的液晶分子之排列方向會發生改變，進而影響的值n _co，λ _p使得值發生位移。

如第6圖所示，由偏光顯微鏡(POM)可以觀察到本發明的表面高分子穩定配向技術可以有效地消弭液晶的向錯線發生。由於液晶分子排列的改變會導致纖芯有效折射率發生變化，因此引發了干涉儀的共振波長改變。在此本發明利用光頻譜分析儀來分析電壓與共振波長變化關係。如第7圖所示，電壓的增加會使共振波長發生紅位移現象，其原因是由於施加電場時正型液晶的排列方向傾向與電場的方向平行，導致纖芯整體的有效折射率上升，所以共振波長會往長波長移動，其中液晶填注長度為1400μm。

再進一步整理與分析，可以得到波長的位移量與電壓間的相關性。如第8圖所示，該電壓引致波長變化的趨勢是符合液晶的物理特性。由實驗結果發現驅動液晶分子的閾值電壓約為30V。當工作電壓小於30V時，電壓所導致的共振波長的位移量是非常微少的。主要原因是液晶受限於高分子網絡的錨定影響，導致液晶受電場驅動的轉動程度非常小，因此驅動電壓所造成的折射率增加量僅呈現極微幅的變化。當外加電壓超過臨界電壓後(在30-70V時)，液晶分子在此高壓電場作用下而具有較大的轉動量，因此其折射率變化範圍也會較大，因此可以得到較多的共振波長位移量。當外加電壓大於70V時，電壓所導致的共振波長位移量的變化不大的原因是：在大電壓的驅動下，在空芯光纖內的中間層液晶分子幾乎已平行電場方向並且達到穩定狀態，故此相對較大電壓主要是用來驅動表面邊界附近的液晶分子轉動，因此造成折射率僅呈現微幅增加，進而導致共振波長位移量的變化變小

[第二實施例：梯度溫場實驗]

步驟1：將液晶光纖51固定在兩片電極板(圖中未顯示)之間，並置放於加熱台52上，如第9圖所示。

步驟2：為了產生梯度溫度場，採用方法如下：(1)將光纖51A右側藉由絕熱的墊片57墊高(~2mm)，使得基板傾斜並且愈往右側距離加熱台52的加熱表面愈遠，則光纖51A就會因為不均勻地受熱而具有一溫度梯度的溫度分布特性，如第9圖的(a)部分所示。或者，(2)將光纖51B右側騰空且僅左側接觸加熱台52(~70℃)，使得光纖51B的左側受熱部分呈現最高溫度，而溫度隨著與左側受熱部分的距離的增加而逐漸降低，直到右側呈現最低溫度，如第9圖的(b)部分所示。

步驟3：持續加熱一段時間之後，對液晶光纖51施加垂直固化電場，垂直固化電場係垂直於液晶光纖51的軸的方向，再利用偏光顯微鏡POM觀察均勻外加電場使液晶(具有正的△ε)轉動的情況，並且觀察是否有向錯線出現的現象。

步驟4：若有向錯線缺陷產生，則重複步驟2-3，一直到完全沒有觀測到向錯線出現為止。

步驟5：當向錯線缺陷不會出現之後，藉由使用實驗需要的參數將光纖51曝光。本實施例中，曝光功率為1mW，曝光時間為3min。利用UV曝光使元件中的光感單體產生光聚合而形成高分子網絡，進而穩定液晶分子的排列。

具體而言，將液晶樣品置放在加熱裝置，藉由適當安排使得液晶樣品上的溫度呈現梯度變化，如第9圖的左側與右側部分的液晶樣品的溫度由左側往右側呈現遞減的現象，所以此溫度場致使液晶分子往一定方向擾動。

為了穩定液晶分子的排列方向，隨即利用表面高分子穩定配向技術來形成高分子網絡以穩定液晶分子於一特定方向上，並且無向錯線缺陷的出現。亦即，以外加固化電場與UV曝光的方式來使液晶指向矢形成以一特定預傾角穩定排列的效果。然而，表面高分子穩定配向製程類似上述第一實施例所揭示之方法，不同之處僅在於施加在液晶樣品上的電場是均勻的電場，而此電場可以根據所希望賦予液晶分子的預傾角大小而給定，當外加電場愈高，其所造成的預傾角愈大，而此液晶元件可電控調變的範圍也將愈小。

在SPSA光纖元件中的高分子網絡可以影響液晶的排列，並且給予液晶一錨定力，使液晶分子在加電場時可以更快的轉動、提升其響應速度。因此，在本發明的實施例中，此SPSA之關鍵技術能有效改善中空光纖在製程上無法摩擦配向的缺點及元件的磁滯現象。此外，本發明利用SPSA技術的高分子網絡對液晶分子提供穩定及調制配向作用，而高分子網絡型態與結構取決於光聚合條件，如UV光強度、曝光溫度、單體濃度、電場分布、以及曝光時間等因素，故本發明可依據製程條件的設計來達到液晶光纖或液晶光電元件多元化的元件特性。

最後，依據上述本發明方式所製造的液晶電光元件中的液晶分子可具有一穩態的具有被定義的方向及角度的預傾角，進而可消弭本發明液晶電光元件的向錯缺陷的產生。

本發明已以實施方式揭露如上，然其並非用以限定本發明；在不脫離本發明之精神和範圍內，任何本發明所屬領域中具有通常知識者，可作各種均等改變與修飾。因此，本發明之保護範圍，應視後附之申請專利範圍所界定者為準。

Claims

一種製造液晶電光元件的方法，包含：提供一光學單元，該光學單元包括一中空空間，該中空空間具有一軸線；注入液晶混合物至該中空空間；以及施加一梯度場至該液晶混合物，其中該梯度場的強度係呈現一梯度分布，其中該梯度場的強度沿該軸線遞增或遞減，其中該梯度場係一電場或一磁場，以及其中該梯度場的方向在注入該液晶混合物的該中空空間中具一致性。
依據申請專利範圍第1項所述之方法，其中該光學單元係一光纖；該中空空間平行該光纖的軸的方向延伸；以及該中空空間之該軸線平行該光纖的軸的方向。
依據申請專利範圍第2項所述之方法，其中該光纖係一光子晶體光纖。
依據申請專利範圍第1項所述之方法，其中該光學單元係一光波導，該光波導係由定義該中空空間的一基板組成；以及該中空空間之該軸線平行該基板。
依據申請專利範圍第1項所述之方法，其中該光學單元係一液晶胞，該液晶胞係由定義該中空空間的二基板組成；以及該中空空間之該軸線平行該二基板的其中之一。
依據申請專利範圍第1項所述之方法，其中該中空空間具有小於100μm的一空間維度。
依據申請專利範圍第1至6項中任意一項所述之方法，進一步包含：照射一固化光至該液晶混合物，其中該液晶混合物包括液晶分子及光感單體。
依據申請專利範圍第7項所述之方法，其中在執行該照射一固化光時該等光感單體在該中空空間的介面上聚合成表面高分子網絡。
依據申請專利範圍第7項所述之方法，進一步在該照射一固化光的程序之前包含：施加一固化電場於該液晶混合物。