表面物理特性與預傾角

4-1、原子力顯微鏡（AFM）與表面粗糙度

原子力顯微鏡（atomic force microscopy, AFM）²³是由賓伊和美國 史丹福大學的C. Quate於 1985 年所發明，是利用黏架在懸臂式彈簧片 上的探針來掃瞄樣品表面。當AFM的探針極靠近樣品表面時，探針與 樣品表面之間存在一力場，此作用力使懸臂彈簧片產生微小偏曲。若 將探針與樣品之間的作用力設為一固定值，在掃瞄過程中，則控制探 針隨樣品表面形狀而上下起伏來維持固定的力，探針上下起伏的掃瞄 路徑即顯示樣品表面的形貌。

本實驗使用放置在國立中山大學貴重共同儀器中心之AFM，是 由Digital 製造，型號 Dimension 3100，如圖 4-1.1 所示。將樣品掃瞄 完成後，可利用其軟體計算出樣品的表面粗糙度。

圖4-1.1¹ 原子力顯微鏡(AFM)

4-2、表面自由能

表面張力是指液體表面每單位長度延展所需要的力，它的單位是 牛頓/公尺（N/m）。而表面自由能是指單位面積形變所需的功，單位 為焦耳/公尺²（J/㎡）可發現若把表面張力量綱的分子與分母同乘以 長度單位m，則會得到與表面自由能相同的量綱，所以表面張力與表 面自由能在數值上是相同的，只是量綱會因闡述方式為作用力或功而 有所不同。所以在本文中表面張力與表面自由能將交互使用而不另加 說明。

表面自由能的形成是由於原子與原子間鍵結，其強度呈現的是表 面不同鍵結綜合的結果。而表面能又可分成極性（Polar） 和瀰散

（Disperse） 兩部份。極性項暗示了表面氫鍵（hydrogen bonds）、

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

瀰散項為表面分子與分子間的作用力所致，如凡德瓦爾力（van der Waal force）。

σP

σD

4-2-1、接觸角

一液體滴在固體表面時，此系統存在著液體與空氣間的表面張力

σ

l、液體與固體之間的表面張力

γ

_sl，以及固體與空氣間的表面張力

σ

s。當系統達熱力學平衡時，液體在固、液、氣三相接觸點上，沿液

面之切線與固體表面之夾角即為接觸角（Contact Angle)，如圖 4-2.1 所示。

圖4-2.1 接觸角與三相界面關係圖 各張力與接觸角會符合Yung'sequation²⁴：

σ

_s =

γ

_sl +

σ

_l ⋅cos

θ

(4-2.1)

4-2-2、表面自由能原理^25~27

當兩不同相態物質相接觸時，彼此間存在一交互作用力，若欲將 此二物質分開，則所需施予的能量是為黏著功W（Work of Adhesion）： W_ij =σ_i +σ_j −γ_ij (4-2.2) 式中

σ

_i與σ_j為兩物質個別的表面張力，γ_ij則代表兩物質間的表面張 力。而R. J. GOOD和L. A. GIRIFALCO表示此黏著功與兩物質其表面 張力的幾何平均有關：

2

2Φ

σ

1⋅

σ

ij =

W

所以(4-2.2)式可寫成

γ

₁₂ =

σ

₁+

σ

₂ −2Φ

σ

₁⋅

σ

₂ (4-2.3)

Φ為一與分子量有關的交互作用係數（interaction parameter）。由於 瀰散力（Disperse Forces）存在於所有原子與分子，而極化力（Polar Forces）僅在部分分子可發現到，所以F. M. FOWKES以非極性液體 得到（4-2.4）式：

γ₁₂ =σ₁+σ₂ −2 σ₁^D ⋅σ₂^D (4-2.4) OWENS、WENDT、RABEL和KAELBLE再根據上式將極性部分考慮 進去：

σ

=

σ

^P+

σ

^D (4-2.5) 則（4-2.4）式變為：

γ₁₂ =σ₁+σ₂ −2( σ₁^D ⋅σ₂^D + σ₁^P +σ₂^P) (4-2.6) 今若有液體與一固體：

D l P l

l σ σ

σ = +

D s P s

s σ σ

σ = +

其中σ_l^p是液體表面張力極性部分，σ_l^D則是液體表面張力瀰散部分

P

σs 為固體表面張力極性部分 σ_s^D是固體表面張力瀰散部分。則（4-2.6）

式可表示為：

γ

_sl =

σ

_s +

σ

_l −2(

σ

_s^D⋅

σ

_l^D +

σ

_s^P +

σ

_l^P) (4-2.7) 且由（4-2.1）式：

σ

_s =

γ

_sl +

σ

_l ⋅cos

θ

(4-2.8)

將（4-2.7）和（4-2.8）式中液體與固體間的表面張力

γ

_sl代換，可推

4-2-3、表面自由能量測方法

由上一節我們知道，用數種已知表面張力參數之液體，由其與基板 的接觸角大小，便可得知基板的表面自由能。本研究對於接觸角量測 所使用的儀器為德國KRÜSS 製造的 Contact Angle Measuring System DSA 100，如圖 4-2.3 所示。

圖4-2.3 接觸角量測儀

液體名稱 IFT

( mN/m )

Disperse ( mN/m )

Polar ( mN/m ) 乙二醇 40%加水 60%

( Ethylene glycol-H2O 60% )

55.9 19.8 36.7

二碘甲烷

( diiodo-Methane, strom )

50.8 50.8 0

甘油

( glycerol, strom )

63.4 37 26.4

乙二醇

(Ethylene glycol, strom )

47.7 30.9 16.8

表4-2 各測試液體其表面張力參數

使用的液體有四種，分別為：乙二醇 40%加水 60% ( Ethylene glycol-H2O 60% )的混和液、二碘甲烷( diiodo-Methane )、甘油 ( glycerol )以及乙二醇(Ethylene glycol )，其表面張力與瀰散、極性兩 部分資訊如上頁表4-2。

在 DSA 100 上我們加裝一旋轉載物平台，可旋轉 360 度，精密 度為±0.5 度，此裝置有助於本研究探討配向層的異向性。首先定義：

當液體擴散方向與基板受絨毛摩擦方向相同（即順摩擦方向）之處定 方位角(Azimuthal angle)是為 0 度，而逆摩擦方向則定其方位角為 180 度，如圖 4-2.4 所示，

θ

₁為順摩擦方向之接觸角，即方位角 0 度之接 觸角，

θ

₂則為逆摩擦方向之接觸角，也就是方位角 180 度之接觸角。

我們將液體滴在基板上後，每旋轉15 度量測一次接觸角直至 180 度，

試圖觀察在不同方位角的表面能是否有所差異，意即液晶配向層其表 面能是否具有異向性。

圖4-2.4 順、逆摩擦方向之接觸角示意圖

PI 膜受絨毛摩擦後物理特性的改變，我們在章節 4-1 和 4-2 先以 表面粗糙度與表面自由能為觀察的兩個方向。在進入第五章由RAS 為第三個觀察方向之前，我們先引入預傾角做一介紹。通常我們在談 論液晶配向時，預傾角是指標參數的其中一項，而表面特性的變化常 會連帶引起預傾角的差異，這也是本實驗在探討摩擦PI 膜後表面特 性與液晶配向關係之間的參考依據。

4-3、預傾角

當液晶注入液晶盒後，雖然我們配向膜使用的材料為水平配向的 PI，但液晶分子並不會完全平躺在基板上，而會以一傾斜的角度與基 板接觸著，此一角度我們稱為預傾角（Pretilt Angle）。而預傾角的主 要功用是讓液晶分子受外加電場時，液晶分子的旋轉方向具一致性，

致使液晶在光電應用上達均一的效果，因此預傾角是影響LCD 顯示 特性的重要參數。

本研究所使用的polyimide 為一平行水平配向膜，預傾角在 5°左 右，所以採用旋轉晶體法（Crystal rotation method）即可。

4-3-1、折射率

一般桿狀向列型液晶具有折射率的異方向性，也稱為雙折射 (birefringence)。在向列型液晶中定義分子長軸為光軸，電場振動方向 垂直於光軸的光稱為尋常光(o-ray)；電場振動方向平行於光軸的光稱

為非尋常光 (e-ray)。其尋常光所對應的折射率為 ，與非尋常光所

由Snell'sLaw可知：

圖4-3.3 光入射液晶盒與預傾角示意圖

圖4-3.4 預傾角量測系統之偏振片、檢偏片與液晶光軸之架設

從此模擬圖我們可發現，光穿透率曲線會有對稱點的出現，而此處相 器（ESP 300, Newport）控制電動旋轉台（LRS150 PP, Newport），以 1°為單位旋轉液晶盒由-45°~45°，將 Photo detector 所偵測之光穿透強 度輸入Signal Conditioning Unit（SCU-100, Hinds）擷取直流訊號後，

由示波器（DSO6014A, Agilent）讀取訊號。實驗架設如下頁圖 4-3.6

圖4-3.6 預傾角量測系統

將入射角θ 對光穿透度作圖，找出其對稱點後，再帶入 Matlab 程式運算即可得知預傾角。運算程式碼如圖4-3.7 所示，k 值即為預 傾角。

圖4-3.7 預傾角 MATLAB 運算程式碼

在文檔中 應用反射光譜探討摩擦聚醯亞胺膜及其表面異向性對液晶配向之影響 (頁 30-44)