Multi-domain Vertical Alignment 顯示技術

Multi-domain Vertical Alignment(MVA) 是 由 日 本 富 士 通 公 司 (Fujitsu)開發的一種多重區域配向的顯示技術，對以往的垂直配向顯 示模式添加了多區域化配向的改良。MVA 的技術為在一個畫素內，

因為有突起物(Ridge)的結構，使得液晶分子傾倒的方向有所不同，產 生多重區域的排列指向，因此會有光學互補而降低灰階反轉的現象，

產生廣視角的效果，如圖 3.4。

MVA 的操作原理為，當未外加電壓時，液晶分子長軸垂直 PI 膜排列，在穿透軸正交的兩片偏光片下呈現不透光的暗態。當外加電 壓後，液晶分子產生不同方向的傾斜排列，使得光透過時因雙折射效 應而產生相位延遲，改變入射光的偏振方向，所以呈現透光的亮態。

MVA 具有改善反應時間以及廣視角的特性，是近年來相當熱門的顯 示模式。

Off On

Ridge Ridge

3.4 In-Plane Switching 顯示技術

In-Plane Switching(IPS)發展起源於在 1992 年德國 Fraunnofer Institute 的 Baur 研究室使用梳狀電極來研究液晶分子的光電效應，

經過模擬計算後發現，這種顯示方式能有效的擴大視角。然後在 1995 年，日商日立(Hitachi)公司成功開發了 IPS 顯示技術，將其應用於顯 示器的製作。IPS 型電極結構是將正負極交互配置於同一塊基板上，

當外加電壓於正負極時，則電極之間便會產生平面電場，進而控制液 晶分子的轉動，如圖 3.5 所示。

在我們的研究裡，將使用 IPS 型電極結構搭配垂直配向顯示模 式，亦即 VA-IPS^41,42。對於垂直配向液晶顯示器來說，當無外加電壓 時液晶分子會垂直於基板 PI 膜排列，因此為了搭配 IPS 型電極結構 所產生的平面電場，我們將使用正介電異向性液晶。VA-IPS 的操作 原理為，在未外加電壓時，在兩片偏光片的穿透軸相互正交之下，此 時液晶分子長軸垂直於玻璃基板 PI 膜排列，呈現不透光的暗態。當 外加電壓後，液晶分子長軸會開始傾斜排列且順著電場方向而產生一 定的指向，由於 IPS 型電極結構是正負極交互配置的結構，所以液晶 分子會在電極上產生對稱的排列指向，形成兩個區域的光學互補

43,44

，降低灰階反轉而達到廣視角的效果。

圖 3.5 IPS 顯示技術示意圖

正

負 負

Off

正

負 負

On

第四章 實驗方法及架構

4.1 實驗材料

4.1.1 聚二甲基矽氧烷(Polydimethylsiloxane)

Polydimethylsiloxane(PDMS)為透明的矽氧聚合高分子材料，具有 高疏水性以及低環境汙染性，受環境溫度與溼度的影響極低，目前在 生物醫學及微機電領域有廣泛的應用，如微鑄模製程(Micromolding process)、微流通道(Microfluidic channel)的製作上。

PDMS 同時具有透光性佳以及價格低廉的優勢。近年來，在液晶 顯示領域中，PDMS 的應用也逐漸受到重視。由於 PDMS 為疏水性 材料的緣故，所以不用經過表面處理即可提供液晶分子垂直配向的效 果。PDMS 其化學結構式如圖 4.1，而表 4-1 則呈現 PDMS 的基本材 料特性。

我們實驗上所使用的 PDMS 為 DOW CORNING 公司所生產的 SYLGARD 184 silicone elastomer，國內的代理商是喬越實業有限公 司。

圖 4.1 PDMS 化學結構式

蕭氏硬度 40

伸展百分比 100％

拉伸強度 6.2 Mpa

熱膨脹係數 3x10⁻⁴ cm/cm per℃

折射率 1.43

介電係數 2.66

吸水性 0.1％

表 4-1 PDMS 基本材料特性

4.1.2 SU-8 負型光阻

SU-8 為一種高硬度與高附著性的負型光阻，透過光微影製程，

可以精確的將圖形複製於基板之上。SU-8 的應用範圍相當廣泛，舉 凡微流道系統、奈米柱陣列、蕊片封裝 ^45-47等等領域，都有成熟的應 用技術。SU-8 的分子結構如圖 4.2 ，而曝光前後的化學變化如圖 4.3 所示。

我們實驗上所使用的 SU-8 是 Gersteltec Sarl 公司所生產的 GM 1040，國內的代理商是海金龍公司。

圖 4.2 SU-8 化學結構式

圖 4.3 SU-8 光阻曝光後的化學變化

彈力係數 4.02 Gpa

應力 19 – 16 Mpa

玻璃轉換溫度 >200°C

熱膨脹係數 30 ppm/K

折射率 1.7

介電係數 4

表 4-2 SU-8 光阻基本材料特性

4.1.3 液晶材料

在本實驗中所使用的液晶材料之一為膽固醇液晶，我們調配膽固

醇液晶時所使用的載體是向列型液晶 E7（Merck），而 E7 特性如表 4-3 所示。我們在 E7 中摻雜旋光物 S-811（Merck）所調配出來的膽 固醇液晶螺距約 38 μm。

ne 1.519

no 1.737

ε

// 19.6

ε

⊥ 5.1

K11 12×10⁻¹²N K22 9×10⁻¹²N K33 19.5×10⁻¹²N

表 4-3 液晶 E7 的基本特性

4.1.4 液晶器件的材料與參數

本實驗中所製作液晶器件的相關材料參數由表 4-4 可見。我們在

製作器件用到材料為垂直配向 PI（NISSAN Chemical）、平行配向 PI

（JALS）、球狀 Spacer（住田光學玻璃公司）等。

垂直配向 PI NISSAN 4811 平行配向 PI JALS 9800-R1

球狀 Spacer 10 μm

旋光物 S-811

表 4-4 HTN 器件的製作材料與參數

4.2 實驗應用技術

4.2.1 光微影製程

光微影製程(Photo-lithography Porcess)，簡單來說就是將所需要 的圖形，完整且精確地複製到晶圓或基板上。而光微影的製程步驟，

基本上可分成光阻塗佈、曝光、以及顯影三個部份。第一個部份是光 阻劑的塗佈，光阻劑指的是對輻射敏感的化合物，可簡單區分為正型 光阻以及負型光阻兩種。正型光阻劑經過曝光後，曝光區域產生分解 反應而溶解度提高，所以容易溶解除去。反過來說，負型光阻劑則是 曝光區域產生聚合反應而溶解度變低，所以不易溶解，如圖 4.4 所 示。光阻劑主要應用在半導體產業、平面顯示器、印刷電路板、以及 其他需要高解析度的相關領域應用。

第二個部份是曝光，首先將所需要的圖形製作於光罩（photo mask）之上。由光源發出的光，只有經過光罩圖形上透明的部分可以 繼續通過，而投影在基板表面的光阻上。一般常見的曝光光源為 G-line(436 nm)、I-line(365 nm)與深紫外線（248 nm）三大類，隨著製 作線寬尺寸越小，所需要的光源波長就越短。在我們的實驗裡所使用 的是 I-line 光源，適用的最小線寬約在 0.35 μm 左右。

最後一個部份是顯影，顯影的原理是利用曝光區域與未曝光區

曝光圖形的解析度，所以在製作過程中得要多加留意。

圖 4.4 正型與負型光阻的曝光反應示意圖

4.2.2 Replica Molding Method

Replica Molding Method 的製作原理，是預先製作一模板(Master) 之後，將液態的預聚合物(prepolymer) 灌注在模板之上，等到預聚合 物 固 化 反 應 (curing) 完 成 後 ， 移 去 模 板 後 即 得 到 固 化 的 聚 合 物 (polymer)。此時模板上的微結構圖形也因此轉移到聚合物的表面上，

即為所謂的翻模轉移。而轉移完成的微結構圖形，與模板對應的解析 度相當高，且線寬最小可以達成 30 nm 的製作範圍。

負光阻 正光阻

光罩

曝光 顯影

Replica Molding Method 具有效率高、低成本以及製程便利的優 點，在微機電領域有相當多的應用發展。哈佛生物化學教授 George M.Whitesides 在 1997 年提出軟性微影技術^28,29（Soft lithography），

其中 Replica Molding Method 乃是使用 PDMS 作為第一次翻模轉移的 預聚合物。固化轉移後的 PDMS 彈性體可以作為軟性模板，然後再 灌注其他的預聚合物，如此二次翻模轉移之後，聚合物上也可以得到 與原先模板同樣的微結構圖形。而且由於 PDMS 模板具有軟性可彎 曲的特性，翻模轉移時預聚合物將可隨 PDMS 模板彎曲，固化之後 可形成有曲度的微結構表面，這是一般剛性模板所辦不到的，大大的 增加 Replica Molding Method 的應用範圍。

4.3 實驗方法與儀器

4.3.1 清洗 ITO 玻璃

(1) 使用鑽石切割刀將氧化銦錫(Indium Tin Oxide ; ITO)玻璃切 割成 15mm×15mm 的尺寸。

(2) 將切割好的 ITO 玻璃放置入裝有去離子水的燒杯，在超音波 清洗機內震盪五分鐘，去除切割時殘留的玻璃碎屑。接著在 燒杯中加入清洗劑 Neutracon，以重量百分比 5％的比例混合 去離子水，然後將燒杯置於超音波清洗機中震盪二十分鐘。

(3) 用 Neutracon 清洗完成之後，我們置換清洗液為有機溶液來 清洗 ITO 玻璃。以燒杯裝取丙酮，將 ITO 玻璃放置其中，以 超音波清洗機震盪 10 分鐘。丙酮清洗的步驟需要重復 2 次。

(4) 用丙酮清洗完成之後，更換清洗液為異丙醇。經過 10 分鐘的 震盪清洗之後，結束整個 ITO 玻璃清洗的流程。最後，我們 將尚未使用的 ITO 玻璃置入裝有異丙醇的瓶子中保存。

圖 4.5 超音波清洗機

4.3.2 SU-8 微結構物之製作步驟

為了探討微結構物在 HTN 顯示器件中的效應，實驗中在製作

HTN 器件的時候，將會先製作微結構物於 ITO 玻璃基板上，再進行 垂直配向 PI 的塗佈，而 SU-8 負型光阻是我們製作微結構物的材料。

我們進行曝光步驟所使用的儀器是高屏地區奈米核心設施實驗室中 的光罩對準機(AG350 - 6B^，科毅 )，而詳細的製作步驟為:

(1) 將清洗乾淨的 ITO 玻璃，放置於旋轉塗佈機的載台上進行 SU-8 的旋轉塗佈，設定轉速為 5000 r.p.m。

(2) 塗佈完 SU-8 後，將基板放置於平板加熱台上進行軟烤，設 定軟烤為兩階段加熱 : 第一階段溫度為 65℃、時間 5 分鐘，

第二階段溫度為 95 ℃、時間 20 分鐘。

(3) 軟烤完成之後，我們使用光罩對準機作曝光。我們設定曝光 時間為 8 秒、曝光總能量為 144 mW/cm²。

(4) 將曝光好的基板置放於平板加熱台上，進行曝後烤。曝後烤 分兩個階段，溫度以及時間設定都跟軟烤一樣。

(5) 接著進行顯影。將基板置入顯影液 PGMEA 裡，時間 60 秒，

取出之後用異丙醇沖洗，再用氮氣吹乾表面的水氣。

(6) 最後將基板置於平板加熱台之上進行硬烤。硬烤溫度為

物基板的製作。

圖 4.6 SU-8 光阻製作步驟

圖 4.7 SU-8 光阻製作示意圖

圖 4.8 旋轉塗佈機 圖 4.9 光罩對準機 清洗ITO玻璃 塗佈SU- 8

硬烤 軟烤

顯影

曝光

曝後烤

光罩 UV 曝光

玻璃

SU-8塗佈

4.3.3 In-Plane Switch 型電極結構之製作步驟

在軟性基板器件的製作上，我們使用的是 IPS 型電極結構來控制

液晶分子的排列指向。透過光微影技術、ITO 電極蝕刻等步驟，我們 可以完成 IPS 型電極結構的製作，而 IPS 型電極結構如圖 4.11 所示。

詳細的製作步驟為:

(1) 使用旋轉塗佈機進行 AZ-1500（Clariant AZ）正型光阻的塗 佈，將 ITO 玻璃基板放置於旋轉載台之上，所使用的轉速為 6000 r.p.m。

(2) 將已塗佈上 AZ-1500 之基板，放置於平板加熱台上進行軟 烤，設定軟烤溫度為 90 ℃，時間 40 秒。

(3) 軟烤之後，我們使用光罩對準機作曝光。設定曝光時間 7 秒、

曝光強度 126 mW/cm²。

(4) 將曝光好基板置放於平板加熱台上進行曝後烤，設定曝後烤 的溫度為 90 ℃、時間 40 秒。

(5) 曝後烤之後即可進行顯影。顯影液使用的是 AZ-400K，將 AZ-400K 與去離子水以 1：4 的比例混合，然後將基板置入 混合液中顯影 30 秒。取出之後用去離子水沖洗，再用氮氣 吹乾表面的水氣。

90 秒。硬烤結束之後，便完成 AZ-1500 的曝光顯影步驟。

(7) 將有 IPS 型光阻圖形的基板，放置入鹽酸蝕刻槽內，時間為 28 秒，沒有被光阻覆蓋的區域，ITO 電極層便會被鹽酸蝕刻 掉。最後取出基板，用丙酮去除殘餘的光阻，，即完成蝕刻 ITO 電極的步驟。

圖 4.10 IPS 型電極製作步驟

圖 4.11 IPS 型電極結構示意圖

塗佈AZ-1500

硬烤 軟烤

顯影

曝光 曝後烤

電極蝕刻 去光阻

IPS型電極 製程

ITO玻璃基板 IPS型電極結構基板

4.3.4 Polyimide 之塗佈及固膜

我們實驗中所使用的配向膜為高分子材料 Polyimide（PI），塗佈 PI 的基板，依照實驗的需求不同，分為 ITO 玻璃基板、SU-8 微結構

我們實驗中所使用的配向膜為高分子材料 Polyimide（PI），塗佈 PI 的基板，依照實驗的需求不同，分為 ITO 玻璃基板、SU-8 微結構

在文檔中 Polydimethylsiloxane及SU-8之微結構物的製備及其用於液晶顯示器的研究 (頁 36-0)