3-1 材料介紹
實驗中主要使用的材料有液晶、聚亞醯胺(Polyimide, PI)、SU-8 負型光阻，以下將分別介紹其相關特性。
液晶材料採用的有 E7(Merck) 以及鐵電液晶 CS1031(Chisso)，其 詳細資料分別如表 3-1.1 及表 3-1.2 所示。
液晶材料 E7
相變溫度 Cr (-10°C) N (60°C) Iso
ne 1.75
△n 0.2269
表 3-1.1 E7 特性。
液晶材料 CS1031
相變溫度 Cr (-12°C) SmC* (60°C) SmA (85°C) N* (97°C) Iso 自發偶極距( Ps ) -28.1 nC/cm2
Cone angle ( θ ) 19 deg
△n 0.17
表 3-1.2 CS1031 特性。
在 實 驗 中 我 們 使 用 的 配 向 膜 材 料 為 水 平 配 向 PI，其型號為 JALS-9800-R1(5%, JSR Chemical)，此配向膜調控液晶分子之預傾角 約在 5 ~ 7 度之間。
光阻劑採用的是 SU-8(GM-1040, Gersteltec)負型光阻，SU-8 光阻 劑是一種負性、環氧樹脂型、近紫外線光阻劑，其化學結構與曝光後 化學變化如 Fig. 3.1 所示。由於 SU-8 光阻劑具有非常好的硬度、抗 化學腐蝕性、熱穩定性和不導電等特性，所以經常被應用在微流道系 統、奈米柱陣列、製作精密金屬齒輪、蕊片新封裝、絕緣體的使用41-45。 實驗中我們利用 SU-8 光阻劑在 ITO 玻璃基板上製作 Photospacer，並 將其運用於鐵電液晶器件中液晶盒間隙均勻度的改善。
Fig. 3-1.1 SU-8 負型光阻化學結構與曝光後化學結構變化示意圖。
3-2 液晶樣品製作及量測流程
液晶樣品製作及量測流程分別為製程步驟、表面量測及光學量測 三個項目，如 Fig. 3-2.1 所示。以下將分別詳述各項目中的方法及流 程。
Fig. 3-2.1 液晶樣品製作及量測流程圖。
在 製 程 步 驟 裡 共 分 為 七 個 階 段 ， 有 ITO 玻 璃 清 洗 、 SU-8 Photospacer 製作、旋轉塗佈配向液、摩擦配向、液晶盒製作、液晶灌 注及液晶盒封裝。
首先介紹ITO玻璃清潔的方法，玻璃基板清潔主要目的是在去除 玻璃基板表面微顆粒及有機溶劑。清洗步驟分為三階段，第一步將ITO
玻璃放置於UV光導管下，調整UV曝光機出光強度為40％、曝光時間 60秒，對ITO玻璃曝光以去除附著於基板之生物細菌分子。第二步將 ITO玻璃放置入燒杯，在超音波清洗機內洗淨，使用清洗液Neutracon 重量百分比5％混合去離子水(DI Water)清洗十五分鐘，再將ITO玻璃 置放到裝有去離子水的燒杯中清洗十五分鐘，重復上述流程兩次。第 三步使用異丙醇沖洗ITO玻璃表面，再置於裝有丙酮的燒杯中清洗十 分鐘，將清洗好的ITO玻璃置於裝有異丙醇的燒杯中，清洗十分鐘，
即完成ITO玻璃清洗步驟。
SU-8 Photospacer 製作主要是利用光罩對準機搭配實驗室所繪製 的光罩進行 Photospacer 的製作，其製作方法將在 3-3 節介紹。完成 SU-8 Photospacer 製作後，接下來進入旋轉塗布配向液的階段。首先 將水平配向 PI -JALS-9800-R1(5%)從冰箱取出，置於室溫四個小時以 防止 PI 容易吸附水氣而產生劣化的情形。配向膜的製程步驟可分為 ITO 玻璃預烤、旋轉塗布 PI、軟烤以及固烤等四個步驟，如 Fig. 3-2.2 所示。第一步將 ITO 玻璃基板置於平板加熱台上以 100 °C 烘烤 10 分 鐘，以去除水氣，烘烤完成後將基板置於室溫冷卻。第二步將已去除 水氣的基板置於旋轉塗布機中，在基板上均勻塗布 PI 溶液，再以 114 rpm/sec 等加速度到 4000 rpm，維持 4000 rpm 等速度 40 秒，再以 114 rpm/sec 等減速度降至 0 rpm。第三步將已塗布 PI 溶液之基板放置於
平板加熱台上，以 50 ℃烘烤時間 10 分鐘。第四步將完成軟烤的基板 放入烤箱中以 210 ℃固烤一小時。
Fig. 3-2.2 配向膜的製程步驟。
摩擦配向採用的儀器為本實驗室自製的摩擦配向機，如Fig. 3-2.3 所示，其中包含了電源供應器、訊號產生器、摩擦機台以及步進馬達 控制器。
Fig. 3-2.3 液晶實驗室自製摩擦配向機。
配向膜在液晶顯示器中最主要的功用在於使液晶分子具有方向 性，當配向膜經由單一方向的摩擦後，可使液晶分子朝固定方向排列
28-30
，如Fig. 3-2.4(b)所示。摩擦配向大多使用絨布上的絨毛來對配向 膜表面做摩擦的動作，如Fig. 3-2.4(a)所示。此外不同的摩擦深度與摩 擦次數皆會對配向膜表面造成不同的影響，所以利用摩擦強度(RS) 來量化摩擦參數，摩擦強度的定義如(3-2.1)式所示31。
2 r 1 RS N π ω
υ
⎡ ⎤
= ⋅Λ ⎢ ⎣ − ⎥ ⎦
(3-2.1) 其中N 為摩擦次數，Λ為絨毛之入毛深度，r為滾輪之半徑，ω 為滾 輪轉速，ν 為平台移動速度。Fig. 3-2.4 摩擦配向與配向膜的功用示意圖。
此外在摩擦的方法上，主要是定義配向絨毛滾輪轉動之切線方向 為摩擦方向(Rubbing direction)，而移動平台為反向移動，如3-2.4(a) 所示。實驗中摩擦參數分別設定，滾輪轉速(ω)為135 rpm、平台移動
速度(ν) 30 mm/min、滾輪之半徑(r)為3 cm、入毛深度(Λ)為0.3 mm、
摩擦次數(N)為1~6次。
液晶盒製作的方法，實驗中依據不同的液晶使用不同的配向方式 及不同液晶盒間隙控制材料。在 E7 液晶器件採用的間隙控制材料為 一般 20 μm 的球狀 Spacer，其液晶盒採用的配向方式為反平行配向，
如 Fig. 3-2.5(a)所示。在薄型鐵電型液晶(CS1031)器件採用的間隙控 制材料為 SU-8 Photospacer(1.08 μm)，其液晶盒採用的配向方式為平 行配向，如 Fig. 3-2.5(b)所示。
Fig. 3-2.5 反平行配向與平行配向液晶盒示意圖。
液晶灌注的方法，在實驗中依據液晶的不同也有所不同。E7 液 晶灌注方法主要是將製作好的反平行配向液晶盒放置於熱台上，並將 熱台溫度調整到液晶為液態時所需的溫度，再利用毛細現象使液晶沿 著兩片基板縫隙流入液晶盒中，灌入液晶後以每分鐘 5 ℃降溫到室 溫。鐵電型液晶(CS1031)灌注方法是將製作好的平行配向液晶盒放置
於熱台上，並將熱台溫度調整到液晶為液態時所需的溫度，再利用毛 細現象使液晶沿著兩片基板縫隙流入液晶盒中，灌入液晶後以每分鐘 0.2 ℃降溫到室溫。然而在鐵電液晶灌注方法中，其液晶灌注方向分 為兩種，分別為順摩擦方向灌注與逆摩擦方向灌注，如 Fig. 3-2.6 所 示。
Fig. 3-2.6 鐵電型液晶不同灌注方向示意圖。
液晶樣品盒最後的封裝，主要是將灌好液晶之樣品盒前後注入口 以AB膠封合，以避免液晶與空氣直接接觸，而產生液晶污染的現象，
即完成液晶樣品製作之最後製程。
表面量測分為原子力顯微鏡(Atomic Force Microscopy)量測、表面 粗度儀(alpha-step)量測、動態接觸角量測與靜態接觸角量測等四個部 份。
實驗中我們使用放置於國立中山大學貴重共同儀器中心之原子 力顯微鏡(Dimension 3100, Digital)，如 Fig. 3-2.7 所示。我們利用原子
力顯微鏡量測配向膜表面經過不同次數摩擦後表面型態的變化，其掃 描區域為 5μm×5μm。
Fig. 3-2.7 原子力顯微鏡( AFM )。
實驗中我們使用國立中山大學有 機 光 電 實 驗 室 所 擁 有 的 表面 粗度儀(Dektak 150, Veeco)為量測表面高低起伏的儀器，如 Fig. 3-2.8 所示。實驗上利用表面粗度儀量測 SU-8 薄膜曝光顯影前後的厚度曲 線及表面粗糙度，我們先定義如何使用表面粗度儀取得厚度。在量測 未曝光的 SU-8 薄膜厚度時，先取一片製好具有 SU-8 薄膜的 ITO 玻 璃，再使用刀片在邊緣處對 SU-8 薄膜以直線切割，目的在使 ITO 玻 璃表面與 SU-8 薄膜表面呈現斷層，以便使用表面粗度儀量測，我們 對斷面取 ITO 玻璃表面為基準零點，斷面高度與基準零點之距離求出
厚度資訊。若是量測 SU-8 薄膜經曝光顯影後的薄膜厚度時，由於 SU-8 為負型光阻，曝光區域與未曝光區域對於顯影劑溶解度不同，
可留下我們所需的圖騰。此時顯影劑溶解為曝光區域 SU-8 光阻而裸 露出基板表面，我們定義基板表面為座標零點，SU-8 與基板形成斷 面求得厚度曲線。此外動態接觸角與靜態接觸角量測將在 3-4 節中詳 細說明。
Fig. 3-2.8 表面粗度儀( Aalpha-step )。
光學量測分為三個部分，分別是液晶盒厚度量測、預傾角量測及 光學圖像觀測。其中液晶盒厚度量測系統及預傾角量測系統將在 3-5、3-6 節中詳細說明，以下介紹光學圖像觀測。
實驗中我們利用熱台偏光顯微鏡對鐵電液晶器件做光學圖像觀
測。熱台偏光顯微鏡系統，如 Fig. 3-2.9 所示，其中包含了偏光顯微 鏡(Axioscop 40, ZEISS)及溫度控制系統為(TMS 94, Linkam)。實驗中 利用偏光顯微鏡對樣品做光學圖像的觀測，並使用裝置在顯微鏡光管 上的數位相機(PowerShot A620, Canon)擷取光學圖像。
Fig. 3-2.9 熱台偏光顯微鏡。
3-3
光蝕刻設備實驗中利用 SU-8 光阻劑製作 Photospacer，並將其運用於 SSFLCD 中。Photospacer 製程步驟可分為 ITO 玻璃預烤、旋轉塗布光阻劑、
軟烤、曝光、曝後烤、顯影、固烤等七個步驟，如 Fig. 3-3.1 所示。
Fig. 3-3.1 SU-8 Photospacer 製作流程圖。
第一步將 ITO 玻璃置於平加熱台上以 100 °C 烘烤 10 分鐘，以去 除水氣，烘烤完成後將基板置於室溫冷卻。第二步將已去除水氣的基 板置於旋轉塗布機中，在基板上均勻塗布光阻劑，再以 114 rpm/sec 等加速度到所需的加速度後，維持等速度 40 秒，再以 114 rpm/sec 等 減速度降至 0 rpm。第三步將已塗布光阻劑之基板放置於平板加熱台 上軟烤，以 50 ℃烘拷 10 分鐘、95 ℃烘拷 30 分鐘。第四步利用光罩 對準機以及光罩對基板作曝光的動作，其曝光參數如表 3-3.1 所示，
其曝光時間參數為實驗中不斷嘗試的結果中所得到的最佳參數。
塗布轉速( rpm/s ) 1000 1500 2000 3000 4000 5000 6000 曝光時間( S ) 15 13 12 10 9 9 9
表 3-3.1 SU-8 曝光時間參數。
第五步將完成曝光之基板放置於平板加熱台上，以 95 ℃烘拷 20 分鐘。第六步將基板置於 SU-8 顯影劑中 120 秒，以洗去未曝光的部 份，再將基板用異丙醇沖洗，以確認顯影完全，若基板上有殘留光阻，
則將基板放入 SU-8 顯影劑中 10 秒，再將基板用異丙醇沖洗。第七步 將顯影完成之基板放入烤箱，以 135 ℃烘拷 60 分鐘，即完成 SU-8 Photospacer 製程步驟。
實驗中我們所製作的 Photospacer 圖騰有以下五種，如 Fig. 3-3.2
所示，其中包含線狀及點狀 Photospacer。我們依據其在基板上的分布 數量，將其以每平方公分中分布的 Photospacer 個數作密度(個/cm2) 區分。由於線狀 Photospacer 只分佈在基板兩側，我們將其密度定義 為 0 個/cm2。
Fig. 3-3.2 Photospacer 密度示意圖。
Fig. 3-3.3 為實驗中以 SU-8 Photospacer 製作的 SSFLCD 在亮、暗 態時的圖像，其製作參數分別為線狀 Photospacer 厚度 1.08 μm、配 向膜之摩擦參數為摩擦次數 3 次與入毛深度 0.3 mm、液晶盒為平行 配向、液晶灌注方向為順摩擦方向灌注。由圖中可看出 SSFLCD 在 亮、暗態皆有良好的表現。
Fig. 3-3.3 以 SU-8 Photospacer 作為間隔物的 SSFLCD。