5-1 表面能與預傾角之關係
5-1-1 水平配向膜與垂直配向膜表面能比較
首先，我們先探討平行配向與垂直配向表面能的關係。如圖5-1，
使用的材料為JALS-9800-R1（JSR）為一平行配向的材料，量測其表 面能約為43mN/m。
FIG.5-1 JALS-9800-R1與RN-1338表面能與摩擦次數
而本論文所使用的配向膜材料為RN-1338（NISSAN
CHEMICAL）為一垂直配向的材料，所量測到的表面能為31mN/m。
我們可以觀察到，平行配向的表面能相較於垂直配向的表面能明顯較 高，但我們可以輕易用表面能來此判別決定材料配向方式為水平或垂 直配向嗎？答案是不一定的。由文獻所得之，使用鐵氟龍
（
γ
=22mN/m）的表面經過摩擦配向之後會是平行配向而非想像中的 下降，而 diiodo -Methane（無極性，Polar fraction=0mN/m）的差異並 沒有太大的改變，由此我們可以判斷由於基板表面的極性逐漸的增加漸下降。
FIG.5-2 RN-1338 摩擦次數與接觸角關係圖(a) Diiodo-Methane(b)去離子水
另一種說法為電子交互作用力，即利用滾筒上的絨布具有極性的 部份與配向層極性分子產生吸引作用，而使得基板配向層上極性分子 變多。但主要還是隨著摩擦強度與摩擦配向機的絨毛密度的上升，基 板表面極性會越來高。
摩擦配向除了對配向層製造溝槽以及使液晶分子有方向性的排 列以外，同時也會讓配向層表面極性上升，這也就是預傾角為何會改 變的原因之一。圖5-3 為摩擦次數與預傾角的關係。因為表面極性的 增加，使得液晶分子被配向層表面極性分子逐漸吸附住，導致液晶分 子逐漸朝水平方向傾斜（即預傾角逐漸下降）。
FIG.5-3 RN-1338 摩擦次數與預傾角關係圖
把表面極性與預傾角關係對照如圖5-4，雖然極性只有微小的變 化但仍然對液晶分子的影響甚大，導致整個預傾角以及光學特性產生 變化，如光學延遲，響應時間(Risetime and Falltime )，一環扣著一環。
因此摩擦強度的大小對於液晶顯示器而言，可以說是最基本以及最容 易掌握住的，若要較高的預傾角，摩擦強度必須要小一點，反之亦然。
但要注意的是，摩擦配向並非可以一直改變極性大小，也是有極限的 存在[31]，而且當次數太多也反而也會對配向層造成一定程度的損 害，而導致液晶缺陷的產生。
FIG.5-4 RN-1338 表面極性與預傾角關係圖 5-2 光電量測
5-2-1 摩擦配向的重要性
在垂直配向中，相較於一般水平配向TN型其較特別的特點就是 可以不使用摩擦的配向膜亦能產生明暗的變化，如圖5-5所示，使用 顯微鏡（100X）觀察在不同電壓下液晶的雙折射效應，以
MLC-7026-100(CELL GAP為10μm)為例，在未供應電壓下(V<Vth)液 晶分子垂直於上下基板，因此呈現完全的暗態，但超過Vth時未經摩 擦配向處理的基板會產生一般向列型液晶的絲狀缺陷(Schlieren structure）（因為液晶分子加電壓後傾斜方向不定，有些液晶分子排
列會與偏極片平行，而形成黑色條帶；排列方向未平行於偏極片的液 晶分子則因雙折射現象會使得光穿透。）[32]而影響到顯示器的對比 度。
隨著電壓的上升，液晶長軸產生不同角度的傾斜，使得線性偏振 光變成各種不同的橢圓偏振光，再經由檢偏片，入色白光變成具有單 一色彩的光。其色彩變化的順序為黑(0V)灰(2.3V)白(2.7V)黃橙(3.1V) 紅紫(3.7V)藍(4.3V)綠(7.6V)。這點說明， 液晶分子在超過Vth時會產
生一些除了黑白以外的顏色變化。主要原因為各入射光的波長不同，
由式(1)可知，使得各種顏色的光學延遲量均不同。
但是液晶分子在有經過摩擦過後的配向膜上，會沿著摩擦方向產 生預傾角及均一性的排列。相較於未經摩擦過的配向膜，當供應電壓 時，缺陷就會消失，同時亮度、色彩的純度及對比度明顯的上升。由 此可見，摩擦配向過的配向膜，對液晶顯示器是相當重要的。
(0V) (2.3V)
(2.7V) (3.1V)
(3.7V) (4.3V)
(7.6V) (10V)
FIG.5-5 不同電壓下未摩擦配向液晶盒的光學圖形
(0V) (2.3V)
(2.7V) (3.1V)
(3.7V) (4.3V)
(7.6V) (10V) FIG.5-6 不同電壓下摩擦配向液晶盒的光學圖形
5-2-2 電壓與穿透度的關係
遲量變化很大，而在60-90度電壓的增加反而使得液晶分子轉動會越 來越小，光學延遲變化量會越來越小。
FIG.5-7電壓與穿透度的關係
FIG.5-8 電壓與Retardation關係圖
但一般而言，液晶的臨界電壓是不會改變的( 33
0| |
th
V π K
ε ε
= Δ
[34])，但由於有預傾角的關係反而會對其臨界電壓與驅動電壓產生影
響。主要原因是預傾角的改變是由於錨定能量(Anchoring energy)的改 變，錨定能是由極性強度(Polar)以及扭曲(Torsional)強度所求出的，
因此極性強度的改變，使得臨界電壓公式必須再帶入修正項，導致會 比一般臨界電壓還低，因此隨著預傾角的下降(摩擦次數的上升)，驅 動電壓將會下降，以圖5-7為例，N1的驅動電壓約為2.2V - 2.3V之間，
而N5的驅動電壓為2.0V-2.1V之間，N5的驅動電壓明顯的下降。因此 適當的選擇預傾角對液晶顯示器是相當重要的。
為了清楚釐清液晶的光學延遲量對各色光產生的影響，接著利用 氙燈光電量測系統對藍(432nm)、綠(555nm)及紅(630nm)三色光進行 穿透率的量測，其結果如圖5-9，依然發現摩擦次數為零次的各色光 的穿透率大約只有40%，跟摩擦次數為一次的穿透率（80%）相比較 差異依舊很大，而各色光穿透率到達最高點的電壓也不相同（順序為 藍，綠，紅），主要也是因為式（1）中 λ 波長的影響，由此也可以看 出在5-2-1 節中，顯微鏡觀察的圖像顏色順序為何是黑(0V)灰(2.3V) 白(2.7V)黃橙(3.1V)紅紫(3.7V)藍(4.3V)綠(7.6V)。
(a)
(b)
FIG.5-9 各色光的電壓與穿透率之關係(a)摩擦次數 0(b)摩擦次數 1
5-2-3 對比度的影響
我們將摩擦次數為零次、一次與五次做明顯的對照，使用光電量 測系統利用旋轉台量測範圍為正負70 度。利用對比度計算公式
BRIGHT
DARK
CR T
= T
CR(Contrast Ratio)為對比度，TBRIGHT為亮態的強度而TDARK為最 暗態的強度。如圖5-10，在此採用左右旋轉。
FIG.5-10 光電量測系統對比度
N0 的對比度最高約為 150 明顯比 N1 及 N5 差了許多，沒有摩擦 過的配向膜液晶分子會有缺陷對對比度影響甚大，反觀N1 及 N5 相 差並不會太多，但為何在正負20 度對比度只剩原本(0 度)一半？如圖 5-11，主要是在暗態的時候，液晶分子呈垂直的狀態，暗態角度到正 負30 度均為完全暗。但當轉動時，光的穿透量產生了變化，產生了
灰階。在正負20 度時亮度只剩 50%。若要解決這個情況，目前業界 使用的方法是用光學單一光軸高分子膜(Optically Uniaxial Polymer Film)或者是延遲膜(Retardation Film)，均具有相當優良的效果。
FIG.5-11 垂直配向視角問題-亮度不均
但為了更明確的觀察出對比度的差別，我們使用顯微鏡搭配訊號 產生器及光電偵測器所量測到的圖形如下圖5-12，若兩偏光片互相平 行為7900mV，互相垂直定為 0mV，經過計算後，N0 最高的對比值 只有138，N1 與 N4 各為 232 以及 188。相較於無摩擦過的配向膜有 摩擦過的配向膜可以較容易獲得良好的對比值。摩擦強度也是影響對 比度的因素之一，較弱的摩擦強度，預傾角高，光不易產生雙折射現 象（光沿光軸行進），而摩擦強度較強的預傾角低，形成雙折射且摩 擦次數過多又容易形成缺陷而漏光，使得暗態能量相較於低摩擦強度 高，對比度反而下降。
FIG.5-12 電壓與透光強度的關係(顯微鏡)
近90 度的時候，γ 的誤差將會很大。一般業界所採用的鮮銳度約為 10%，預傾角約為 89.5 度，而目前鮮銳度可以達到 10%的只有 N2。
FIG.5-13 預傾角與鮮銳度 γ(%)
第六章 結論
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