結論

本章說明了此論文所研究的三種不同的快速液晶模式理論和依據，快速液晶模式快 速反應的優點提供了新世代液晶顯示技術的應用。當畫面的切換頻率可由原本 60 Hz 提 升至三倍以上，液晶顯示器裡的彩色濾光片(color filter)或彩色光輪(color wheel)可由紅、

綠、藍三原色的 LED 分別快速開關，在快速的切換畫面下，人眼會自動疊合所看到的 三色畫面而感受到一個彩色的畫面，此技術即為場色序法(field sequential color)，此顯示 器結構可替換彩色濾波片，達到高解析度、高色彩和高透光率，同時也可以提高背光使 用效率和降低不必要的能量損耗。

29

第三章

量測系統與製程設備

3.1 引言

本章節將介紹研究需要使用到的各種量測系統以及製程設備，先了解量測系統的原 理以及架構，可以更有效地找出研究時的問題點，以及有利研究數據的分析與了解。此 研究所利用到的儀器有量測配向膜表面帄坦度的原子力顯微鏡(AFM)，以及觀測液晶排 列情形的偏光顯微鏡(POM)，還有量測液晶盒驅動反應的雷射系統，以及光譜儀等各種 機密儀器。

3.2 原子力顯微鏡

原子力顯微鏡(Atomic force microscope, AFM)是由 Binnig 等人於 1986 年所發明的，

具有原子級解像能力，導體以及非導體材料表面皆可以量測，並能在真空、氣體或液體 環境中操作。AFM 之探針是由懸臂樑及針尖所組成，針尖尖端直徑介於 20 至 100nm 之 間。主要原理是藉由針尖與試片間的原子作用力，使懸臂樑產生微細位移，以測得表面 結構形狀，其中最常用的距離控制方式為光束偏折技術。圖 3.1 為 AFM 結構意示圖。

AFM 操作模式可區分為接觸式（contact mode）、非接觸式（non-contact mode）及 間歇接觸式（或稱為輕敲式，intermittent contact or tapping mode）三大類。

30

圖 3.1 AFM 結構示意圖

(1) 接觸式（contact mode）：

探針與樣品間的作用力(原子間的排斥力)很小，但由於探針與樣本是物理接觸來呈現 樣品表面影像，過大的作用力會損壞樣品，但由於較大的作用力也會得到較佳的解 析度，如何選擇適當的作用力以得到最佳的畫面就顯得十分重要，由於原子的排斥 力對於距離十分敏感，所以較容易得到原子尺度的解析度。

(2) 非接觸式（non-contact mode）：

非接觸式 AFM 是為了改善接觸式 AFM 容易損壞樣本表面的缺點而被發展出來。原 理為利用原子間長距離的吸引力(凡得瓦力)來感測，因為探針與樣本表面沒有接觸，

故不會有損壞樣本的問題，不過凡德瓦力對於距離的變化很小，所以還需要使用調 變技術來增強訊號。

(3) 間歇接觸式（intermittent contact mode）：

由非接觸式 AFM 改良而來，拉近探針與樣本表面距離並增大振幅，使探針在振盪至 波谷時與樣本表面接觸，由於樣本表面高低起伏，所以探針接觸樣本時會有震幅改 變，而得到表面影像。對於較硬的表面量測可能會造成探針受損，甚至留下殘餘物。

31

在此論文研究裡，原子力顯微鏡主要用來量測配向膜之膜厚以及配向膜在基板上之 表面帄坦度。

3.3 光譜儀

液晶盒的間隙會影響到液晶驅動反應的特性，所以當要注入液晶到液晶盒之前，需 要 先 量 測 液 晶 盒 的 間 隙 大 小 是 否 達 到 要 求 。 本 實 驗 室 利 用 光 譜 儀 UV/Vis spectrophotometer Lambda 950 from Perkin Elmer 量測液晶盒間隙，量測原理與方法如下 述說明。

圖 3.2 UV/Vis spectrophotometer Lambda 950

UV/Vis spectrophotometer Lambda 950 裝置如圖 3.2，量測範圍可從紫外光、可見光 到紅外光(波長 150 nm 到 3000 nm)，可以選擇量測穿透值、反射值、和吸收值。

量測液晶盒間隙的原理為量測光在液晶盒中來回反射所造成的干涉值計算而來，如 圖 3.3 所示。定義 R1為上基板的反射係數，R2為下基板的反射係數，假設入射光強度 為 I cost 且兩基板表面皆無吸收，則總反射光為

32

33

450.0 500.0 550.0 600.0 650.0 700.0 750.0 800.0 850.0

T (%)

Wavelength (nm)

830 nm 475 nm

Use the largest possible value for x.

x

_{1 2}

4

_{1 2}

18 830 475

4 830 475 4997.54 nm 5.0 um

34

3.4 偏光顯微鏡

偏光顯微鏡(polarized optical microscope, POM)的用途為觀測液晶排列和亮暗態時 的變化情形，裝置如圖 3.5。

儀器的構造有：

(1) 光源：光源分為上下兩光源，上光源用於反射式樣品，下光源用於穿透式樣品。

(2) 前後偏振片：光入射第一片偏振片使為偏振光，穿過(反射)LC cell 之後再通過 第二片偏振片，由於液晶相位延遲的差異而可得不同亮度影像。

(3) 目鏡：儀器裝設有 10X 目鏡和攝影鏡頭，影像可用肉眼直接觀察或是經由電腦 擷取畫面。

(4) 物鏡：物鏡有 10X、20X、50X、100X 四種倍率，搭配 10X 目鏡可分別得 100X、

200X、500X 和 1000X 四種放大倍率影像。

(5) 載物台：放置樣品，可以調整高度使鏡頭對焦，先用粗調找到樣品影像，再用 微調調整畫面至清晰。

圖 3.5 POM Olympus BX51 裝置

35

3.5 雷射光學系統

液晶盒的電壓-穿透度曲線(V-T curve)和反應速率(response time)在研究中利用雷 射光學系統來量測，系統架構如圖3.6。

系統組成裝置如下：

(1) 波形產生器(waveform generator)：負責供應液晶盒電壓，儀器有八組電壓輸出 頭，最大輸出電壓為100 V，最小的電壓訊號時間間格為200 ns，可利用電腦程 式設定任意波形輸出，型號為WFG500 from FLC Electronics AB。

(2) 雷射光源(laser source)：為紅、綠、藍三種雷射光源，波長分別為633 nm、550 nm、432 nm。

(3) 光偵測器(photodetector)：偵測通過液晶盒的雷射光強度變化，再將訊號強度送 至數位電表。

(4) 數位電表(multimeter)：接收光偵測器的訊號得到直流電壓強度變化，可得知雷 射光經過液晶盒的光強度變化情形。

(5) 示波器(oscilloscope)：接收通過液晶盒光強度變化和輸入電壓圖形，判讀液晶 盒驅動的反應速率。

(6) 電腦(PC)：控制波形產生器的驅動和輸入電壓圖形、有連接各裝置的系統軟體，

可以得到液晶盒的V-T curve。

(7) 偏振片(polarizer、analyzer)：第一片偏振片使入射光源變為偏振光，第二片偏 振片則限制入射光偵測器的偏振光方向。

(8) 偏極化分光鏡(polarization beam splitter, PBS)：LCOS反射系統專用的特殊光學 元件，當入射光方向為P極化可透光，方向為S極化則反射，如圖3.7。

36

圖 3.6 雷射光學系統架構

圖3.7 PBS元件

穿透式雷射系統量測

待量測的液晶盒放置於兩相互垂直的偏振片(polarizer、analyzer)之間，如圖3.8。由 波形產生器輸出電壓至液晶盒，再由光偵測器接收光強度變化即可得V-T curve。

反射式雷射系統量測

入射雷射光原先經過偏振片轉為偏振光，再經由偏極化分光鏡 PBS 將光導入 LCOS cell，

37

由波形產生器輸出電壓至 LCOS cell，而光通過液晶層之後會產生相位延遲造成偏振光 偏振方向改變，先反射回 PBS 再反射至光偵測器，由光偵測器接收光強度變化即可得 V-T curve，如圖 3.9。

圖 3.8 穿透式 LC cell 量測方式

圖 3.9 反射式 LCOS cell 量測方式

38

39

第四章

實驗與結果分析

4.1 實驗製程

使用之基板分別為銦錫氧化物(Indium Tin Oxide, ITO)玻璃基板和利用熱蒸鍍機在 玻璃上鍍鋁之基板，上基板電極為 ITO，下基板直接利用鋁直接當做反射層和電極，鋁 膜厚為 100 nm。實驗之標準步驟如圖 4.1 所示。

圖 4.1 製程流程圖

步驟一 清洗基板

步驟二 塗佈配向層

步驟三 研磨配向

步驟四 貼合液晶盒

步驟五 量測Cell gap

步驟六 注入液晶

步驟七 量測數據

40

4.1.1 清洗基板

步驟一 將基板先浸泡在丙酮溶液之中，放入超音波震盪器震盪 30 分鐘，再以水沖洗 5 分鐘確保無丙酮殘留。

步驟二 使用清潔劑(detergent)用手搓洗兩分鐘至表面水膜不易破裂，再放入超音波震 盪器以水震盪 30 分鐘。 FLC PI PIA-X201-G01

Solvent NBC-311

VA PI PIA-X660-01X

Solvent NBG-776

PVA Polyvinyl Alcohol (Mw = 13,000~23,000)

步驟一 調配配向層溶液，將 PI 與溶劑(solvent)以 1:1 濃度均勻混合；PVA 溶液以 PVA

41

於 hot plane 上加熱 110℃一小時烤乾。

表 4.2 PI 配向層旋轉塗佈參數

Speed(rpm) Time(sec)

Solvent-Waiting 0 0

Solvent-1_st spin 800 20

Solvent-2nd spin 5000 40 Polyimide mixture solution-Waiting 0 30 Polyimide mixture solution -1_st spin 800 20 Polyimide mixture solution -2nd spin 5000 40

表 4.3 PVA 配向層旋轉塗佈參數

Speed(rpm) Time(sec)

Water-Waiting 0 0

Water-1_st spin 800 10

Water-2nd spin 5000 20

PVA solution-Waiting 0 30

PVA solution -1st spin 500 20 PVA solution -2nd spin 2000 40

42

4.1.3 研磨配向

以摩擦配向機(Rubbing machine)摩擦配向層，以達到配向效果，配向參數如表 4.4

表 4.4 基板摩擦配向參數 Pile impression (mm) 0.2

Rotation speed (rpm) 500 Advancing speed (mm/s) 7.3

4.1.4 貼合液晶盒與注入液晶

使用1 μm 間隙物均勻混合 UV 膠，滴於基板左右兩端，再將兩片基板貼合按壓使 液晶盒間隙厚度均勻。利用光譜儀量測 cell gap 厚度，再將液晶滴於基板交界處使其利 用毛細現象自然吸入填滿液晶盒間隙。

已注入液晶之液晶盒再 hot stage 控制降溫速率退火，使液晶排列整齊。在兩側基板 ITO、Al 端焊上電線即可量測。

43

4.2 反射式扭轉向列型液晶模式

上下基板使用 FLC PI 做為配向膜。上下層配向方向扭轉特定角，使其液晶分子排 列成為扭轉向列型液晶模式。

4.2.1 液晶材料

此 TN Mode 研究將利用低扭轉黏滯係數(<100 mPa sec)向列型液晶希望達到反應時間 ( _{on off})小於 3 ms 之快速反應，故先選擇測試 LCT-10-831 和 LCT-10-832 兩組液晶，

液晶參數如表 4.5。

表 4.5 TN 液晶參數

Physical Properties LCT-10-831 LCT-10-832 Clearing Point T_c 75.5 ^oC 74.5 ^oC Optical Anisotropy n 0.1000 0.1011 Dielectric Anisotropy ε 10.2 5.1 Rotational Viscosity γ1 67 mPas 62 mPas

兩者液晶材料差異只有介電係數分別為 10.2、5.1，黏滯係數均小於 100 mPa sec。

先製作兩個穿透式 TN cell (twist angle 90^o)，分別注入 LCT-10-831 與 LCT-10-832，量測 電壓對穿透率曲線(V-T curve)與反應時間(response time)，結果如圖 4.2、圖 4.3。

圖 4.2 LCT-10-831 與 LCT-10-832 V-T curve

44

圖 4.3 (a) (b)LCT-10-831 與(c) (d)LCT-10-832 反應時間

表 4.6 LCT-10-831 和 LCT-10-832 驅動特性

LC Cell gap Vth Vsat on off Response time LCT-10-831 3.62 μm 1.1 V 2.7 V 1.28 ms 5.92 ms 7.2 ms LCT-10-832 3.70 μm 1.6 V 3.5 V 2.00 ms 5.04 ms 7.0 ms

由於兩種液晶材料差異只有 ε 值大小，由表 4.6 可知兩者的反應時間( _{on off}) 皆為 7 ms 左右，表示 ε 值只影響這兩種液晶的驅動電壓 Vth 和飽和電壓 Vsat 大小，

而對於液晶反應時間影響不大，所以後續的反射式扭轉向列型液晶模式將使用驅動電壓 和飽和電壓較低的 LCT-10-831 液晶。

45

4.2.2 扭轉角度

由 eq.2-3 可知，當入射偏振光與第一層液晶排列方向夾角 =0^o時，兩側液晶扭轉 角度(twist angle) ^2π

4 (約 63.6 ^o)時有最大反射值。實做兩個 cell gap 皆為 1.3 μm 之 反射式 TN 液晶盒，扭轉角度分別為 63^o與 90^o，使用綠光雷射(波長為 550 nm)量測電壓 對反射率曲線(V-R curve)，實驗結果如圖 4.4。

圖 4.4 Twist angle 63^o、90^o V-R curve

由結果可看到，同樣 cell gap 的液晶盒，twist angle 63^o反射率比 twist angle 90^o高大 約 12%；由於液晶分子在未加電壓時的扭轉角度不同，在加電壓之後液晶分子的扭轉角 與方向也就不相同，故有不同的相位延遲，所以在 V-R curve 的表現上，twist angle 會影 響到驅動時曲率的不同。實驗結果與理論符合。

46

4.2.3 反射率對電壓關係

圖 4.5 1.3 μm TN63^o cell RGB V-R curve

圖 4.5 為扭轉角度 63^o ，cell gap 1.3 μm，TN cell 反射率對電壓關係圖，其中使用 紅、綠、藍三種雷射光源，波長分別為 633 nm、550 nm、432 nm。由於反射率與 d n/

圖 4.5 為扭轉角度 63^o ，cell gap 1.3 μm，TN cell 反射率對電壓關係圖，其中使用 紅、綠、藍三種雷射光源，波長分別為 633 nm、550 nm、432 nm。由於反射率與 d n/

在文檔中 快速反應液晶模式應用於反射式顯示技術之研究 (頁 41-0)