測量儀器理論與架構

3-1 表面能系統架構與原理探討

3-1-1 表面能系統架構:

表面張力分析儀為德國KRÜSS所生產，型號為DSA100。如下圖所示:

圖 3-1 接觸角量測儀

此儀器共有五支針頭可裝填五種不同液體。在本實驗中主要使用 三種液體，分別為二碘甲烷(Diiodmethan)、甘油(Glycerol)、及去 離子水(Deionised water)。其表面能與極性項與分離項之值如表

液體名稱 IFT(mN/m) Disperse(mN/m) Polar(mN/m) DI Water 72.8 21.8 51

Glycerol (Storm)

63.4 37 26.4

Diiodo-Methane

（Strom)

50.8 50.8 0

表 3-1 滴定液體之詳細表面能資料

DSA100的樣品載物台為旋轉式的平台，可從0°旋轉到360°，精密度為

±0.5°。本論文著重於異向性的探討，故此平台對於不同方位角所對 應之接觸角的量測，有非常大的幫助。當樣品放置於平台上，等到液 滴平衡之後即開始擷取液體與固體接觸角的數據，並開始旋轉載物 台，每隔5°取得接觸角的資訊，此次實驗只需要取到180°即可。最後 經由儀器所附的軟體即可計算出每一方位角所對應的表面能。

3-1-2 表面能原理探討

當液體滴在固體表面上，氣、固、液三相的交會點相互間表面張 力的相對大小會影響接觸角的值。接觸角定義為基板表面與液滴達到 熱力學平衡所夾的角度，而當液滴平衡時，氣、液、固三相交會處，

氣-液介面與固-液介面之間的夾角即為接觸角（Contact Angle），

即圖中的θ角。

圖 3-2 Contact Angle 示意圖

表面能是一種原子與原子間鍵結強度的形成，其強度由表面不同 結合鍵的加總來決定，而表面能又可分成極化（Polar）和分離

（Disperse）兩部份，極化項暗示了表面氫鍵（hydrogen bonds）、

共價鍵(covalent bonds)及偶極與偶極力（dipole-dipole

interaction）；離散項為表面分子與分子間的作用力，如凡得瓦力

（van der Waals forces）。

藉由DSA100量測液體與固體之間的接觸角大小，再利用數學運算 可得知固體之表面能。首先我們先定義液體與空氣的表面張力為

σ

，基板表面與氣體的表面張力為

σ

_s，基板表面與液體的表面張力

為

γ

_{s l} ，當三力平衡時，由Young’s equation：

s sl l

cos

σ = γ + σ θ

(3-1)

angle），

σ

_l ^{為液體表面張力，}

γ

sl 則是固體與液體之間的表面張力

3-2 預傾角架構與原理探討

3-2-1 預傾角量測系統架構

由 Melles Griot 生產的穩頻氦氖雷射，電動旋轉台和兩個偏極 片皆為 NewPort 所生產， 光電偵測器與 SCU(Hinds Instrument)擷 取直流訊號後送至 Agilent 生產的示波器讀出訊號，再由已撰寫好的 LabView 程式(田英志同學撰寫)控制電動旋轉平台與示波器擷取訊號 並做圖，再從圖形取得光穿透度圖形之對稱點所對應的角度，再帶入 Matlab 程式運算即可得到預傾角。

基本實驗架設如圖3-3：

圖 3-3 Pretilt Angle Measurement System 3-2-2 預傾角原理探討

桿狀液晶分子通常以一預傾角（Pretilt Angle）的角度傾斜於 基板，預傾角主要作用在於液晶在外加電場時，固定液晶分子的旋轉

此次實驗中採用旋轉晶體法( Crystal rotation method )[29]

來量測預傾角。

氦氖雷射經過第一片偏振片(transmission axis at 45°)後入射到液 晶樣品，而液晶樣品為反平行配向之樣品，其擺放需為水平放置，而 後經過與第一片偏振片正交的解偏片，再由 Photo detector接受光 訊號。利用液晶雙折射中尋常光（ordinary ray）與非尋常光

（extraordinary ray）間的光程差來求得預傾角。如下圖所示:

圖 3-4 Pretilt Angle 示意圖

其中d為液晶盒厚度，α為預傾角，θ為入射光與基板法線所夾之角 度。此系統因偏極片與液晶盒之配向方向夾四十五度，故可得到如式 3-6的式子:

2 2 ( )

( ) | | 1/ 2 sin [ ]

= = 2

T θ E δ θ

(3-6)

δ(θ)為尋常光折射率( n^o )與非尋常光折射率( n^e )的光程差，其方程 式可以下式表示：

2 2

2 2 2 1/2 2 2 1/2

2 2 2

1 1 1

( ) 2 d[ ( )sin cos sin (1 a b sin ) (1 sin ) ]

a b b

c c c b

δ θ π α α θ θ θ

= λ − + − − − (3-7) 其中

a = 1/ n

_e,

b = 1/ n

_o,

c

²

= a

²

cos

²

α + b

²

sin

²

α

^。利用

Matlab來模擬做圖如下:

圖 3-5 光程差與光穿透度Matlab模擬圖

由模擬結果可得知，其光程差最大時即為光穿透度的對稱點。故先將 δ θ( )對θ做偏微分，推導如下

( ) ( )

在文檔中 利用反射異向性光譜儀分析摩擦聚醯亞胺膜後之異向性 (頁 32-40)