配向機制

2.4.1 配向膜簡介[1]

配 向 膜 (Alignment Layer) 是 構 成 液 晶 顯 示 器 (Liquid Crystal Display,LCD)的關鍵材料之一，其最主要的作用是控制液晶分子之排列方 向，並提供不同 LCD 結構所需之預傾角(Pretilt Angle)。配向膜的位置在 液晶盒(Cell)內上下片 ITO(銦鍚氧化物)透明電極層上所形成的有機薄膜。

其中最主要的化學成份為聚醯亞胺(Polyimide,PI)，目前在 LCD 工廠 的生產製程中，配向膜一般是使用不可溶性的聚亞醯胺，此溶液乃先由雙 酸酐及雙氨合成出的前驅體聚醯胺酸(Polyamic Acid)溶液，再以凸版印刷 方式塗佈(Coating)於 ITO 透明電極層玻璃上，如圖 2.12 所示，經過 200~300

℃的高溫烘烤，去除配向膜中含有微量的溶劑和水份，使其固化產生聚醯 亞胺，此時薄膜厚度約為 500~1000Å。

APR版 APR版

Polyamic Acid

Glass

流品方向

(凸版)

圖 2.12 配向膜塗佈示意圖

2.4.2 配向技術[3]

在液晶顯示器中，液晶是以薄層的形式鋪滿整畫面。在這種情況下，

液晶分子需要整齊有序地沿某一方向排列。目前，作為主流而使用的向列 液晶為棒狀分子，這種棒狀分子本身可以在一定角度範圍之內，自然地集 中於某一方向排列，但如果不加控制，這種排列往往存在一定分散度。為 滿足顯示器的使用要求，需要液晶分子井然有序排列，僅靠分子之間自然 發生的作用力(凡得瓦力)是不夠的，必須人為地控制。液晶分子的排列(配 向)，應外加電壓時更完善地旋轉這一要求，可採取不同類型，如圖 2.13 所示。

平行配向多用於液晶介電各向異性為正的情況，一般顯示模式採用的 大多是這種配向；垂直配向多用於液晶介電各向異性為負的情況，多用於 特殊顯示模式。另外，在外加電壓，希望響應更加迅速而均勻時，可使液

圖 2.13 液晶配向排列模式

晶 分 子 的 方 向 相 對 於 基 板 傾 斜 一 定 的 角 度 ， 稱 其 為 預 傾 角 (pretilt angle)，這種排列方式被稱為傾斜配向。順便指出，平行配向是透過對基 板進行摩擦，依靠表面傷痕控制液晶分子的配向，但由於液晶近似於液體，

不可能獲得像晶體那樣完全一致的定向排列。

為使液晶配向，首先要在做好透明電極的基板表面塗敷膜狀聚醯亞胺 耐熱性樹脂層。為此，是將處於完全固化之前聚醯亞胺的所謂「前驅體」

溶於溶劑之中，薄薄地塗敷於基板表面，經乾燥再加熱，聚醯亞胺完全硬 化而變成固體薄膜，這便是配向膜，配向膜的厚度一般在 0.05~0.1um 之間，

是相當薄的。

而後，利用外周捲有棉布或絨布的滾軸，在旋轉的同時並對配向膜住 進行定向摩擦，利用此程序，實現聚醯亞胺高分子的配向，此後，當液晶 分子與經過配向處理的聚醯亞胺膜相接觸時，液晶分子長軸會沿著與摩擦 處理方向相一致的方向排列，如圖 2.12 所示。

關於上述液晶分子配向的機制，目前仍有不同的觀點。一種觀點認為，

液晶分子沿被摩擦聚醯亞胺表面的傷痕和溝槽排列；另一種觀點認為，摩 擦過程中產生的靜電效應對液晶分子的排列產生控制作用等。

2.4.3 配向預傾角

預傾角是影響 LCD 顯示特性的重要參數，其目的先給與液晶分子一傾 斜方向，使得全體液晶分子在電場中會朝固定方向旋轉。預傾角主要取決 於(1)配向膜的物化作用力，如氫鍵(Hydrogen bond)、凡得瓦力(van der Waals force)及 Dipole-dipole force；(2)機械力效應，即溝槽(Groove) 或配向膜表面型態，如圖 2.14 所示。

通常對於 TN(扭轉向列型)-LCD 而言，預傾角約 2~3 度，多應用在手錶、計 算機螢幕上；HTN(高扭轉向列型)-LCD 約 1~2 度，多應用在汽車音響 面板；

STN(超扭轉向列型)-LCD 約 5~7 度應用在電子字典；TFT-LCD 約 5~8 度則是 在筆記型電腦上。

圖 2.14 配向膜與液晶分子間預傾角示意圖

2.4.4 配向製程[1]

高溫烘烤完全固化之 PI 膜後，經降至室溫後移至定向摩擦機台進行定 向程序。薄膜經棉布(Cotton)或人造絲(Rayon)在一定方向進行定向摩擦 (Rubbing)，如圖 2.15 所示，使得液晶盒內的液晶能沿著定向刷磨的方向 進行整體一致的排列，如圖 2.16 所示。定向的功能主要是要產生預傾角 (Pretilt Angle,θ)，向列型液晶分子在液晶盒內與配向膜界面呈某一角 度(即預傾角)的排列才能達到均一的配向效果，如圖 2.13 所示，預傾角是 影響 LCD 顯示特性的重要參數，主要決定於配向膜材料的化學結構與物理 上的定向摩擦作用的機械力效應。

• 裝置側視圖 • 裝置上視圖

Ionizer

• 裝置側視圖 • 裝置上視圖

Ionizer

毛輪布 滾輪

流品方向 配向膜 Glass

圖 2.15 配向膜配向示意圖

圖 2.16 液晶於配向製程後排列示意圖

配向膜

液晶分子