在章節2-2 介紹配向膜時我們已有提到，未經配向的 PI 膜無法 使液晶分子有規則的排列，而顯現出其光電特性。而經配向技術加以 處理的PI 膜則可使液晶分子具有相同的排列方向，進而達到應用的 目的。可見得經配向處理後，PI 膜的物理特性有所改變，使得薄膜處 理前後對液晶分子產生不同的影響。此章我們將探討摩擦過後的PI 膜其外觀形狀、表面自由能、液晶分子預傾角以及RAS 訊號等物理 特性。
6-1、表面粗糙度與摩擦強度之關係
我們將PI 旋轉塗佈在 ITO 玻璃基板烤乾製成薄膜，由圖 6-1.1(a) 可以發現除了少許的 particle，其餘地區非常平坦無任何溝痕，也由 此三維圖像的邊緣可看出表面是非常平坦的，沒有起伏的表面型態產 生。隨著我們以相同的入毛深度0.3 mm，不同的摩擦次數 N=1~7 次 對 PI 薄膜做定向摩擦後，由圖 6-1.1 可明顯地發現，絨毛摩擦 PI 膜 後確實對其表面造成破壞，而有細微溝槽的產生。隨著摩擦次數的增 加，溝痕越趨清晰也越密集。從圖中的邊緣處可察覺，即使沒有明顯 的溝痕，邊緣鋸齒狀的結構隨摩擦次數的增加而越密集。
圖6-1.1 以入毛深度 0.3mm 摩擦 PI 薄膜之 AFM 圖像。
(a)摩擦前(b)摩擦兩次(c)摩擦三次(d)摩擦五次(e)摩擦六次 (f)摩擦七次。
我們配合摩擦強度與表面粗糙度的關係圖來看，即圖6-1.2，未 摩擦的PI 薄膜其粗糙度為 0.334 nm，隨著摩擦次數的增加表面越顯 粗糙，然而摩擦三次時，粗糙度卻下降為0.356 nm，接著粗糙度又繼 續上升，當摩擦五次時，粗糙度可達0.6 nm，而後隨摩擦次數增加表
面粗糙度再次有先下降後上升的現象。但整題而言，平均表面粗糙度 仍是向上的趨勢。
圖6-1.2 摩擦強度與表面粗糙度關係圖
圖6-1.3 摩擦次數與膜厚的關係圖
由圖6-1.3 得知，摩擦會使得 PI 膜被削減使膜厚變薄。代表每一 次摩擦所產生的溝槽，都有可能被下一次的摩擦給破壞，高峰處因此 而被磨平，膜厚與粗糙度變小。而新一次的摩擦也會繼續產生新的溝 槽，使得粗糙度增加。然而粗糙度都小於1 nm，所以我們可將其視 為平坦的表面，因此在後續的討論裡，我們將不考慮表面粗糙度所造 成的影響。
6-2、RAS 與摩擦強度之關係
有機分子的官能基，若具有未鍵結電子對及π電子，則可吸收紫 外光或可見光，使得電子由低能階躍升至高能階，產生紫外光譜。有 機分子的紫外光譜與紅外光譜在形狀上有很大的差異，紅外光譜的形 狀一般較為尖銳，而紫外光譜則成一寬帶狀（Band），如圖 6-4.2。主 要原因是在分子中，兩電子能階之間尚有許多振動及轉動能階，各振 動與轉動能階之間能量差異很小，因此電子由基態躍升至激態所吸收 的光能量差距極小而連成帶狀52。
圖6-2.1 JALS-9800-R1 其紅外-紫外(1000nm~310nm)吸收(透射)光譜
RAS訊號的產生是因為二維複數反射率的不同，即存在異向性，
使得反射光在兩軸之間的振幅與相位造成差異。量測到的RAS訊號大 小是
y x
y x
r r
r r r
r
+
= −
Δ 2( ) r
Δr的實數部分乘上106倍所得的結果，而 。正常量 測時我們是將摩擦方向沿x軸擺放，如圖 6-2.2(a)所示，即 為PI膜在
r
x摩擦方向的反射率，而 為垂直摩擦方向的反射率。固當我們將樣品 旋轉一角度後x、y方向所對應的反射率不同，所測得的RAS應有所改 變。繼續旋轉樣品達90 度時，則 為PI膜摩擦方向的反射率， 為垂 直摩擦方向的反射率，所得之RAS應與正常擺放下之值差一負號。從 圖6-2.3，我們所得之結果確實符合預期。
ry
r
xry
圖6-2.2 樣品擺放角度示意圖。（a）正常量測時擺放角度
（b）樣品旋轉 θ 角（c）旋轉 90 度
圖6-2.3 RAS 在樣品旋轉下之變化
當PI 均勻旋轉塗佈在基板上所形成的薄膜，分子朝各方向排列
有很明顯的異向訊號，如圖6-2.4 所示。
圖6-2.4 系統改良前無擦基板仍存在異向訊號
此問題在系統改良後已將其解決，如圖6-2.5，未受摩擦之 PI 膜其 RAS 在各波段趨近於零。關鍵處就在於polarizer 與 analyzer 彼此的極化方 向是否恰好夾45°，否則會使其中一軸的反射光強度較強，則 RAS 訊號無法趨近於零，將會造成後續實驗的誤差。
圖6-2.5 不同摩擦次數與表面異向性訊號關係圖
經過光路的改良與元件的更替，所能夠取得的RAS 訊號從 3.1 eV 擴展到4 eV。以此系統量測固定入毛深度 0.3 mm 不同摩擦次數的 PI 薄膜，其表面反射異向性光譜在圖6-2.5 中我們可以看到，摩擦會使 RAS 訊號有劇烈的反應，僅在摩擦三次時發生 RAS 訊號較摩擦兩次 的訊號為小的情形，其餘所呈現的結果都是摩擦次數越多RAS 訊號 越大。
在章節2-2-2 中我們提過，有文獻 指出摩擦會使得PI分子的長鏈9
會沿著摩擦方向排列。因此，摩擦過的PI膜在沿摩擦方向與垂直摩擦 方向上的物性會存在異向性。由圖6-2.5 可以瞭解到表面分子結構其 異向性不斷的增強，亦即表示隨著摩擦強度增加，表面PI分子的排列 越趨於一致性。
圖6-2.6 摩擦五次的基板與未摩擦基板的 RAS 訊號
從圖 6-2.6 中可以發現，光子能量低於 1.51eV，即波長大於 820 nm 的時候，未受摩擦的基板所呈現出的RAS 訊號有震盪的情況，我們
研判是干涉所造成的結果。由於沒有摩擦時分子應是均勻分佈，使得 RAS 值為零才是。而摩擦過的基板在 1.51eV 與 1.41eV 則出現兩明顯 峰值，其訊號大小較未摩擦基板所得訊號大出許多，所以對於受摩擦 的基板而言，此處所呈現的訊號縱使含有些微干涉訊號，但仍可視為 表面的異向訊號。
6-3、表面自由能與摩擦強度之關係
由圖6-3.1，第一次摩擦時表面能為 40.52mN/m 較沒有摩擦過的 基板來的高，但隨著摩擦強度的增加，表面能卻逐漸減小，至摩擦四 次（摩擦強度1016.7mm）時表面能達 34.51mN/m。雖然之後表面能 有震盪的情形發生，但整體趨勢仍保持著表面自由能隨摩擦強度的增 加而下降。
圖6-3.1 表面自由能隨摩擦強度之變化
圖6-3.2 瀰散自由能與極化自由能隨摩擦強度之變化
在章節4-2-2 裡我們已提過，表面自由能包含著極性與瀰散兩部 分。由圖6-3.2 可以看出我們所使用的 PI 材料其極性自由能部分非常 小，未經摩擦僅0.92mN/m；除了前兩次的摩擦對於表面自由能的極 性部分有較為顯著的的變化，其後並未能隨著摩擦強度的增加而使極 性自由能有較大的改變，僅能維持在1.8~2.2mN/m 之間。而表面自由 能與瀰散自由能對摩擦強度改變具有相同的趨勢。另外，有一點值得 注意的是，相較於未摩擦的PI 薄膜，摩擦使得表面能與瀰散自由能 變小，然而雖然摩擦多次後極性自由能保持在一範圍內，但與未受摩 擦時相比，摩擦多次後的極性自由能提升了一倍。
6-4、預傾角與摩擦強度之關係
有文獻指出是因為PI分子其主要分子鍵(main chains)與液晶分子 間的交互作用使得預傾角有所不同50,51，所以液晶分子不但會因PI的 不同而改變預傾角的大小，摩擦次數的不同也會使得液晶分子的預傾
角有所改變。圖6-4.1 為預傾角與摩擦強度的關係圖：
圖6-4.1 預傾角與摩擦強度的關係圖
當摩擦強度不斷上升，其預傾角些微的往上遞增。摩擦一次時預 傾角為6.15°，當摩擦達六次時，預傾角上升至 6.48°，差距為 0.33°，
在摩擦強度增加的過程中，僅在摩擦第五次時較前一次（即第四次）
的預傾角來的小，其餘均隨摩擦次數每增加一次，使預傾角有0.06°
～0.13°的上升。
6-5、綜合比較
在量測表面能時，我們旋轉樣品以測量不同方位角的的表面能，
圖6-5.1 不同摩擦次數下在不同方位角的表面能
發現在方位角90°與 270°之表面能都較其他角度來的低，佐證了異向 性的存在。由章節4-2-3 對於方位角的定義，90°與 270°即是與摩擦 方向垂直之處，對應於量測RAS 時的 y 軸。因此從圖 6-5.1 可以得知 與摩擦方向平行處其表面能較大，與摩擦方向垂直處則較小。另一方 面，由圖6-2.5 可看出 RAS 訊號為正值，即：
) 0 (
2 >
+
= − Δ
y x
y x
r r
r r r
r
y
x r
r >
∴
由表面能與RAS 再對照章節 2-2-2 所提及的 PI 膜經摩擦後使得分子 長鏈朝摩擦方向排列，可得知摩擦使表面結構形成了異向性，當PI 分子朝同方向排列時，該方向的表面能會大於垂直方向之表面能，且 平行於摩擦方向的反射率也大於垂直方向，而使得RAS 訊號呈現正 值。
圖6-5.2 表面自由能與預傾角對摩擦強度的關係
圖6-5.3 不同波段 RAS 值與預傾角對摩擦強度的關係
由圖 6-5.2 我們可以發現，表面能變化與預傾角變化呈現相反的趨 勢，表面能下降，則預傾角上升。在摩擦五次的時候，其表面能較摩 擦四次時大，而預傾角也發生摩擦五次時較摩擦四次時小的情形。我 們將圖6-2.5 可見光區中波峰、波谷處的光子能量其 RAS 訊號與預傾 角的關係做成圖6-5.3，可以看出 RAS 訊號與預傾角都有整體向上的 趨勢，然而彼此之間的震盪情形又沒有圖 6-5.2 表面能對預傾角般契 合。
表面能是分子與分子間交互作用力、氫鍵、共價鍵等等表面不同 鍵結綜合的結果。而預傾角的不同是由於PI 分子其主要分子鍵與液 晶分子間交互作用的影響。有別於RAS 所呈現的譜線中每個點代表 的是少數幾種鍵結的激發能量，所以我們發現表面能的增減可以反應 預傾角的變化，兩者之間有較大的關連性，而RAS 僅能吻合預傾角 的整體趨勢。然而不代表RAS 在液晶配向上的資訊重要性小於表面
能，從圖6-5.4 與圖 6-5.5 可以看出，在反射光子能量 2.7eV 處 RAS 與預傾角的相關係數較表面能與預傾角的相關係數來的大，另一方面 也告訴我們，不同的分子鍵結對預傾角的影響也就不同了。
能，從圖6-5.4 與圖 6-5.5 可以看出，在反射光子能量 2.7eV 處 RAS 與預傾角的相關係數較表面能與預傾角的相關係數來的大，另一方面 也告訴我們，不同的分子鍵結對預傾角的影響也就不同了。