2-1 液晶簡介
液晶相為介於固態與液態之間的中間態(mesomorphic phase)，其 具有液體的流動性同時又保持了晶體的一些物理特性。在西元1888 年，奧地利植物學家 F. Reinitzer首先發現了液晶1。隔年，德國物理 學家 O. Lehann以偏光顯微鏡觀察發現其具有雙折射(birefringence) 效應2。
液晶依呈現方式的不同，可分為熱致型液晶(Thermotropic liquid crystals)與溶致型液晶(Lyotropic liquid crystals)兩大類3,4。熱致型液晶 在特定溫度區間內有特定且穩定的液晶相態，可利用溫度的控制得到 特定的液晶相態。溶致型液晶則是依混合濃度的不同而具有某些特定 的液晶相態。此外依液晶分子形狀的不同，大致可分為桿狀、碟狀、
彎曲香蕉狀等，本論文中主要以熱致型桿狀分子液晶作為研究對象。
熱致型桿狀液晶依照分子排列方式的不同，大致可分為向列型 (Nematic)液晶、膽固醇(Chiral nematic)液晶、層列(Smectic)型液晶，
如 Fig. 2-1.1 所示。
Fig. 2-1.1 桿狀液晶分子在不同液晶態中的排列示意圖。
向列型(Nematic)液晶為目前應用最廣的液晶相，其分子的質量中 心在位置排列上無序，但其分子長軸整體排列則呈現有序的指向，稱 為導軸nG
(director)5，如 Fig. 2-1.1(a)所示。
膽固醇(Chiral nematic)液晶其內部液晶分子排列與向列型液晶類 似，但在層與層之間分子導軸nG
的指向會有偏轉。當分子導軸指向隨 螺旋軸旋轉 2π 的距離時，稱為一個螺距(pitch)，如 Fig. 2-1.1(b)所示。
這類型液晶材料具有旋光特性，常以 N*表示此液晶相。
層列型(Smectic)液晶其分子成層狀結構排列，如Fig. 2-1.1(c)所 示。由於其有序度較近似於晶體，所以又稱為近晶相。依照其分子長 軸與層面形成不同夾角，可細分為A相至H相，如SmA、SmB、SmC 等。當液晶分子長軸垂直於層面時稱為層列A相(SmA)，而分子長軸 以某一
θ
角傾斜於層面時稱為層列C相(SmC)，如Fig. 2-1.2所示。Fig. 2-1.2 層列型(Smectic)液晶示意圖。
當 SmC 相液晶中摻雜旋光材料或是其本身具有旋光性分子時，
會使得液晶分子排列除了具有 SmC 相的特徵外，並隨著層面之法線 方向做螺旋排列，而形成一個圓錐(cone)狀的分布，液晶分子與層面 法線之夾角為
θ
，如 Fig. 2-1.3 所示，這也就是所謂的 SmC*相。Fig. 2-1.3 層列型液晶於Smectic C*態示意圖。
2-2 表面穩定鐵電液晶器件
西元1975年，物理學家R. B. Meyer從結構性的對稱推論，具有層 狀結構的液晶分子在SmC*相時存在著一自發偶極性(spontaneous polarization, PS)6，如Fig. 2-1.3所示，此自發偶極方向可藉由電場來調 控，我們稱之為鐵電性(ferroelectricity)。
N. A. Clark與S. T. Lagerwall在西元1980年發表了表面穩定鐵電 液晶(Surface Stabilized Ferroelectric Liquid Crystal, SSFLC)的結構7。表 面穩定鐵電液晶器件(Surface Stabilized Ferroelectric Liquid Crystal Device, SSFLCD)是將鐵電性液晶置於兩片間隙小於一個螺距的導電 玻璃中，由於鐵電性液晶與邊界相互作用使液晶分子排列受到限制而 無法形成螺旋的層狀排列，並使得每一層液晶分子指向一致。在解除 螺旋態後，在能量分布對稱下，液晶分子有兩種穩定狀態的選擇方 式，分別以±θ的角度傾斜排列於層之法線，其自發偶極Ps方向垂直於 液晶分子之指向。SSFLCD中液晶分子轉動是藉由電場(E)與自發偶極 PS之間的力矩(Γ)，如(2-2.1)式。
Ps E Γ =JG JJG JG×
(2-2.1) 由於液晶分子在此器件存在兩個相同能量的穩定態，所以即使電 場取消後，液晶分子依然穩定在圓錐的某一端，直到相反極性的電場 作用時，液晶分子才又轉動至另一穩定態。在相互垂直的偏光片中藉
由相反極性的電場驅動，表面穩定鐵電液晶可呈現亮態與暗態兩種穩 定態，即為所謂的雙穩態(bistable state)，如Fig. 2-2.1所示。
Fig. 2-2.1 SSFLC液晶分子在電場驅動下的排列方向示意圖。
在科學應用上表面穩定鐵電液晶相較於向列型液晶有許多優 點，如快速光電應答特性、記憶特性、廣視角特性…等優點。表面穩 定鐵電液晶具有自發偶極性，使得SSFLCD具有快速光電應答特性，
其驅動時間可達到數個μs到數百μs之間，且此應答速度大約是傳統向 列型液晶顯示器的數百倍左右。表面穩定鐵電液晶的亮態與暗態之間 的雙穩態切換不會隨著電場的移除而消失，所以具有記憶特性，藉由 這種記憶特性可製作做光學儲存元件。表面穩定鐵電液晶的運行方式 與IPS類似，所以具有廣視角的特性。
雖然表面穩定鐵電液晶具有許多優點，但在製程上仍有許多困難 有待克服。由於SSLCD為一超薄型器件，其液晶盒的間隙必須小於 2μm，如此微小的間隙造成液晶盒厚度均勻性控制困難，若是液晶盒
間隙均勻度控制不良，容易造成器件瑕疵。此外表面穩定鐵電液晶在 配向時容易產生zigzag缺陷，造成漏光現象而使對比度降低。此兩缺 點為本論文極力探討與解決的重點。
2-2-1 Chevron層狀結構
表面配向對於表面穩定鐵電液晶所形成的層狀結構有很大的影 響。當鐵電液晶在SmA相時，液晶層的間距dA與液晶分子長軸大小相 等，在鐵電液晶降溫至SmC*相時，其液晶層的間距會變小成為dC， 如Fig. 2-2.2所示，其關係式如(2-2.1)式。
C A
cos
d = d δ
(2-2.1) 其中δ為鐵電液晶分子在SmC*相時，液晶層的傾斜角度。Fig. 2-2.2 鐵電液晶層由SmA相轉為SmC*相時之示意圖。
當 鐵 電 液 晶 由 SmA相 轉 為 SmC* 相時，理應形成書架型結構 (bookshelf structure)，如Fig. 2-2.3(a)所示。由於SmA相與SmC*相存在
層的間隔不連續性，液晶分子受到上下基板邊界作用力束縛，液晶分 子為了形成SmC*相的型態而造成液晶層彎曲，形成所謂的Chevron 結 構8,9。 液 晶 層 彎 曲 時 會 產 生 兩 種 不 同 狀 態 的 Chevron結 構 ， 當 Chevron結構之尖端順著摩擦方向時稱為C2結構，反之當Chevron結構 之尖端逆著摩擦方向時稱為C1結構10-12，如Fig. 2-2.3(b)(c)所示。
Fig. 2-2.3 書架結構與兩種Chevron結構示意圖。
從幾何結構可以清楚知道C1與C2結構形成的必要條件12，如Fig.
2-2.4所示，其中α為預傾角、
θ
為圓錐角、δ為chevron結構的層面傾斜 角。當高預傾角時只有C1結構會產生，當低預傾角時C1與C2結構皆 會產生12-14。Fig. 2-2.4 C1與C2結構形成條件示意圖。
2-2-2 Zigzag缺陷
當鐵電液晶器件中同時存在C1與C2結構時，在C1與C2結構交集 處會因漏光而呈現zigzag缺陷，如Fig. 2-2.5所示。在偏光顯微鏡下觀 察，可以在Chevron結構尖端對應處，看到較為平緩的缺陷，稱之為 髮夾型缺陷(Hairpin defect)。或是在Chevron結構凹陷對應處，看到較 為尖銳的缺陷，稱之為閃電形缺陷(Lightning defect)15。
Zigzag缺陷會造成鐵電液晶器件產生亮暗不均的現象，使的液晶 器件之對比度降低。在暗態驅動時，液晶樣品會產生漏光；亮態驅動 時，液晶樣品穿透率會降低。
Fig. 2-2.5 Zigzag缺陷對應Chevron結構示意圖及Zigzag缺陷照片。
2-2-3 Monodomain鐵電液晶器件
鐵電液晶器件中zigzag缺陷的形成與預傾角(α)、圓錐角(cone angle,
θ
)、chevron結構的層面傾斜角(chevron angle, δ)以及配向膜表 面特性息息相關。因此許多文獻中提出了不同的方法，以解除鐵電液 晶器件中的zigzag缺陷。例如在鐵電液晶由SmA相轉換成SmC*相 時，外加電場、磁場使層狀結構的方向ㄧ致16,17。亦可藉由改變配向 膜表面特性，使鐵電液晶呈現單一均勻C1或C2結構。比方利用摩擦 配向的方式，使鐵電液晶呈現單一均勻C2結構18-20。使用非接觸式的 UV光配向21-24或以SiOx斜向蒸鍍的方式製作配向膜25，使鐵電液晶呈 現單一均勻C1結構。2-3 間隔物(Spacer)
間隔物(Spacer)是用來控制液晶顯示器中兩片基板間隙(cell gap) 的重要元件，如 Fig. 2-3.1 所示，液晶顯示器的間隙均一性是由 Spacer 材料的大小均一性及在基板上的分佈位置來決定。液晶器件的 Spacer 厚度均一性對於液晶顯示器的顯示速度、視角、明亮對比等特性具有 相當大的影響。所以 Spacer 必須具有良好的顆粒大小均一性、足夠 的機械強度、對液晶分子不會造成污染、低的介電常數，良好的熱穩 定性…等特性26。
Fig. 2-3.1 間隔物(Spacer)功用示意圖。
2-3-1 傳統間隔物(Spacer)特性
目前傳統間隔物(Spacer)主要以 Silica 或是塑膠為主體的球型材 料，傳統 Spacer 依據材料不同，可區分為以下三種27：
1. 球狀(Plastic Bead)：一般材料有 Melamine、Benzoquanamine resin、
Acrylate 等高分子材料製成的球體形狀間隔物，如 Fig. 2-3.2(a)所
示。
2. 球狀(Silica)：由 Silica 材料製成的球體形狀間隔物，如 Fig. 2-3.2(b) 所示。
3. 棒狀(Glass fiber，non-alkaline)：由 Silica 材料裁製而成的棒狀間隔 物，如 Fig. 2-3.2(c)所示。
Fig. 2-3.2 傳統 Spacer 示意圖。
以 silica 或是塑膠為主體的球型間隔物材料，其主要缺點為容易 導致漏光而造成 LCD 面板對比值降低，及機械強度不足會造成 LCD 面板強度不夠。由於球型間隔物是噴灑在 LCD 面板上，所以會有流 動或者凝集的情形，造成顯示器面板亮度不均或顏色改變等現象。
2-3-2 光刻型間隔物( Photospacer )特性
為了改善球狀 Spacer 所產生的漏光現象、機械強度差及位移等缺 點，近年來利用光刻型間隔物( Photospacer )替代球狀 Spacer 已成了
一種發展的趨勢，而 Photospacer 主要是以光阻( Photo-Resist )為材料。
光阻材料依據化合物對光反應的機制不同，可分為正型光阻及負 型光阻，這兩種光阻材料皆適用於 Photospacer 製作。正型光阻經 UV 光照射後，感光部分的化學結構會改變，並在顯影過程中被去除，如 Fig. 2-3.3 所示。負型光阻經 UV 光照射後，感光部分的化學結構產生 改變，並在顯影過程中去除沒有感光的部份，如 Fig. 2-3.4 所示。
Fig. 2-3.3 正型光阻曝光顯影示意圖。
Fig. 2-3.4 負型光阻曝光顯影示意圖。
Photospacer 利用光蝕刻製程(Photo Lithography Process)方法製 作，經由光阻材料塗布、曝光、顯影、烘烤等步驟得到所需間隔物厚 度。由於 Photospacer 是利用光微影製程方法，所以厚度均勻性佳，
且厚度可依據需求來選擇塗布條件。而運用於液晶顯示器之間隔物的 光阻材料必須具備有足夠的機械強度、對液晶分子不會造成污染、具 有精確定位的功效、膜厚的均勻性、良好密著度、良好耐熱耐化性等 優點。
2-4 接觸角
接觸角是表面物理化學的重要參數之一，其定義為當固、液、氣 三態平衡時，液體之切線通過三相接觸點與固體之夾角，如 Fig. 2-4.1 所示。透過接觸角的量測可得到固、氣、液三相介面間相互作用的許 多訊息，例如表面浸潤特性、表面粗糙度、化學多相性等。在許多的 研究及應用上，常常會遇到固、氣、液三相介面的問題，而接觸角是 目前獲得這些訊息最有效的方法之一。
接觸角是表面物理化學的重要參數之一，其定義為當固、液、氣 三態平衡時，液體之切線通過三相接觸點與固體之夾角，如 Fig. 2-4.1 所示。透過接觸角的量測可得到固、氣、液三相介面間相互作用的許 多訊息，例如表面浸潤特性、表面粗糙度、化學多相性等。在許多的 研究及應用上，常常會遇到固、氣、液三相介面的問題，而接觸角是 目前獲得這些訊息最有效的方法之一。