液晶分子的排列受配向膜的表面型態與特性影響甚大，本章節主 要討論摩擦對配向膜表面型態及表面特性的影響。當摩擦強度參數中 的摩擦次數改變時，配向膜表面粗糙度、表面浸潤特性及表面自由能 將會有相對應的變化產生，我們也發現這些表面特性的改變將會影響 液晶分子的預傾角，以下將詳細介紹及分析配向膜表面型態及特性改 變時對液晶器件所帶來的影響性。
4-1 表面粗糙度
實驗中我們利用 AFM 分析配向膜的表面型態，如 Fig. 4-1.1 所 示，其中 Fig. 4-1.1(a)顯示未經過摩擦配向之配向膜表面型態，Fig.
4-1.1(b)~(g)分別為配向膜表面經摩擦 1~6 次的表面型態。由圖中我們 發現配向膜未經摩擦時，其表面型態較為光滑且平坦，當配向膜經摩 擦後，其表面型態起伏隨著摩擦次數增加逐漸變大。其中在摩擦 3 次 時配向膜表面逐漸形成較為明顯的溝槽型態，而在摩擦 4 次時形成銳 利的溝槽結構，當摩擦 5 次時其溝槽深度逐漸增加，直到摩擦 6 次時 表面溝槽型態將漸漸被抹除。
Fig. 4-1.1 不同摩擦次數之配向膜表面型態。(a)~(g)分別為配向膜表 面經摩擦 0~6 次的表面型態。
Fig. 4-1.2 為配向膜平均表面粗糙度與摩擦次數之關係圖。由圖中 可以發現在摩擦 0~2 次時，配向膜平均表面粗糙度逐漸增加，當摩擦 次數到達第 3 次時表面粗糙度將下降至 0.35 nm 左右。而摩擦次數增 加至 4~5 次時，配向膜表面粗糙度變化較為劇烈，呈現正斜率上升狀 態。在第 6 次摩擦時表面粗糙度下降約 0.15 nm，整個表面粗糙度對 應摩擦次數的曲線變化過程呈現類似 sinc 函數的變化。由於摩擦 3 次的配向膜具有配向時所需之溝槽型態，且表面粗糙度約為 0.35 nm 左右，相較於摩擦次數 4~5 次的配向結構具有更佳的表面平坦特性，
所以在實驗中我們採用此摩擦參數作為液晶器件配向的最佳參數。
0.3 0.4 0.5 0.6
0 1 2 3 4 5 6
摩擦次數(N)
平均表面粗糙度(nm)
Fig. 4-1.2 配向膜表面粗糙度對應摩擦次數曲線圖。
4-2
動態接觸角在分析配向膜表面浸潤特性及液滴在配向膜表面的流動特性 時，我們使用接觸角量測儀量測液滴在配向膜表面流動過程中的動態 接觸角。由於表面濕潤特性及流動特性常以水的接觸角大小作為基 準，所以在動態接觸角的量測中，我們以高純度的去離子水做為量測 液體。並在液滴於配向膜表面流動時量測其前進接觸角及後退接觸 角，藉由前進接觸角與後退接觸角的差值即可得到接觸角延遲量，由 得到的接觸角延遲量數值大小，能夠讓我們進ㄧ步了解配向膜與液滴 接觸時的相關動態資訊。
由於量測中所使用之去離子水受環境影響甚大，所以在量測表面 溼潤特性時，我們在液體滴至配向膜表面的瞬間以取像 CCD 馬上作 液體接觸角的量測。Fig. 4-2.1 為去離子水在配向膜表面的瞬間接觸 角與摩擦次數的關係圖。由圖中可發現配向膜表面經摩擦後，水的接 觸角急遽下降至 75 度左右，然而隨著摩擦次數的增加水的接觸角逐 漸上升到 83 度左右。其中配向膜表面浸潤特性在經過摩擦後，其表 面順、逆摩擦方向產生極為明顯的差異，去離子水的接觸角在順摩擦 方向皆比逆摩擦方向大。由此以上結果可以知道經摩擦 1 次後的配向 膜表面較為親水，但隨著摩擦次數增加配向膜表面拒水性漸漸增強，
而在摩擦 3 次之後接觸角大小呈現穩定小幅震盪波形。另外在順摩擦
方向與逆摩擦方向對應去離子水接觸角大小的曲線圖中也可以發 現，配向膜表面浸潤特性在順摩擦方向較為拒水、逆摩擦方向較為親 水。
70 75 80 85
0 1 2 3 4 5 6
摩擦次數(N) 接觸角(度)
順摩擦方向 逆摩擦方向
Fig. 4-2.1 去離子水接觸角對應摩擦次數曲線圖。
Fig. 4-2.2 為去離子水在配向膜表面上的前進接觸角與摩擦次數 的關係圖，由圖中我們發現其曲線變化與水的接觸角曲線變化相似。
配向膜表面經摩擦後會造成水的前進接觸角降低至 80 度左右，隨著 摩擦次數增加水的前進接觸角也隨之上升至 85 度以上，但水的前進 接觸角在順、逆摩擦方向的差異性較為不明顯。
75
接觸角延遲量，Fig. 4-2.4 為配向膜表面接觸角延遲量與摩擦次數的 關係圖。由圖中可以得知當配向膜表面經摩擦配向後會導致接觸角延 遲量上升，但隨著摩擦次數的增加，接觸角延遲量逐漸的變小，且順 摩擦方向接觸角延遲量均小於逆摩擦方向接觸角延遲量，其中摩擦 3 次的配向膜表面在順、逆摩擦方向之接觸角延遲量相當。藉由接觸角 延遲量的變化曲線圖，我們可以得知摩擦會造成配向膜表面流動特性 變差，但隨著摩擦次數的增加，配向膜表面流動特性逐漸變好。且配 向膜表面經摩擦後，其表面順、逆摩擦方向具有明顯的流動特性差 異，在順摩擦方向表面流動特性較逆摩擦方向佳，其中摩擦 3 次的配 向膜在順、逆摩擦方向的表面流動特性相當。
28 30 32 34 36 38
0 1 2 3 4 5 6
摩擦次數(N)
接觸角延遲量(度)
順摩擦方向 逆摩擦方向
Fig. 4-2.4 配向膜表面接觸角延遲量對應摩擦次數曲線圖。
4-3 靜態接觸角
實驗中我們利用接觸角量測儀分別量測不同液體在配向膜表面 上各方位角的靜態接觸角，經由 Owens-Wendt-Rabel and Kaelble method 計算後可得到配向膜表面各方位角的表面自由能。由於表面 自由能為瀰散部分與極性部分疊加而成，藉由這兩部分的分析可以更 加了解配向膜表面特性的變化。
在表面自由能的分析中，由於環境的溼度、溫度等變化會造成接 觸角量測數據產生偏差量，所以在實驗中必須了解量測時的溫度與溼 度對各種液滴接觸角的影響性，藉此提高量測時的準確度。以下各量 測液滴的接觸角對應時間之變化數據皆在室溫為 24°C 及濕度 62 下完 成。由實驗中接觸角對應時間之量測數據可得到接觸角與量測時間點 之間的關係。當量測過程中，液滴接觸角於配向膜表面產生最小變動 量時所對應的時間區間，即可拿來作為接觸角量測時的數據取樣時 間，藉由此時間點的選擇，可大大的降低環境所帶來的實驗誤差。實 驗中二碘甲烷為滴下液滴 10 分鐘以後開始取樣，甘油為滴下液滴 5 分鐘以後開始取樣，乙二醇為滴下液滴 5 分鐘以後開始取樣，乙二醇 40%加水 60%為滴下液滴 10 分鐘以後開始取樣，如 Fig. 4-3.1 所示。
Fig. 4-3.1 實驗中測試液體的穩定時間。
Fig. 4-3.2 為不同摩擦次數下配向膜表面各方位角之表面自由能 分佈圖形，其中 N0 為配向膜未經摩擦配向；N1~N6 分別為摩擦 1~6 次。由圖中我們可以很清楚的看到表面自由能於溝槽兩側成對稱性分 布，並呈現 8 字形的對稱圖形。為了簡化實驗數據分析，我們只要了 解溝槽單側表面自由能變化情形，即可掌握配向膜表面各方位角的表 面自由能分佈資訊，所以以下討論將只展現方位角為 0~180 度之間的 表面自由能變化情形。
0
32 34 36 38 40 42
0 15 30 45 60 75 90 105 120 135 150 165 180
方位角(deg.)
表面自由能(mN/m)
N0 N1 N2 N3 N4 N5 N6
Fig. 4-3.3 表面自由能對應不同摩擦方位角曲線圖。
討論完配向膜各方位角的表面自由能分布後，接下來我們針對摩 擦次數對於配向膜順、逆摩擦方向之表面自由能的影響作討論。由 2-4 節中的理論我們可以知道當表面自由能小時，表面會較為拒水。
Fig. 4-3.4 為不同摩擦次數下配向膜表面自由能變化曲線圖，由圖中 可知配向膜表面經第 1 次摩擦，表面自由能會呈現上升的趨勢。在第 2 次摩擦後，配向膜表面自由能隨著摩擦次數的增加而下降，其中也 發現表面自由能在逆摩擦方向較順摩擦方向大。由此可知摩擦次數的 增加會造成配向膜表面拒水性增強，且在順摩擦方向較逆摩擦方向拒 水。
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Fig. 4-3.6 為配向膜表面經不同摩擦次數後極性自由能的變化，由 圖中可以得知配向膜表面經第 1 次摩擦時，其極性自由能上升至 3 mN/m。在第二次摩擦後，配向膜表面極性自由能下降至 2 mN/m 呈 現穩定值，其中配向膜表面在順、逆摩擦方向的表面極性能差異不 大。由以上討論可以得知摩擦配向對於配向膜表面瀰散自由能影響性 較大。
0 1 2 3 4
0 1 2 3 4 5 6
摩擦次數(N) 極性自由能(mN/m)
順摩擦方向 逆摩擦方向
Fig. 4-3.6 表面極性能對應摩擦次數曲線圖。
4-4 預傾角
我們知道隨著摩擦次數的增加配向膜表面自由能會隨之下降，以 下將討論配向膜表面自由能的改變對液晶分子預傾角所造成的影響 性。實驗中我們利用預傾角量測系統量測 E7 液晶樣品，在不同摩擦 次數下之液晶分子預傾角變化，如 Fig. 4-4.1 所示。由圖中我們可以 看到當在摩擦 1 次時，液晶樣品之預傾角為 6.15 度。隨著摩擦次數 的增加，液晶樣品之預傾角也隨之上升，最後在摩擦 6 次時，液晶樣 品之預傾角為 6.48 度，上升的幅度約在 1 度以內。由此我們可知預 傾角隨配向膜表面自由能下降而呈現小幅度的上昇。
6.1 6.2 6.3 6.4 6.5
0 1 2 3 4 5 6
摩擦次數(N)
預傾角角度(度)
Fig. 4-4.1 預傾角角度對應不同摩擦次數關係圖。
第五章 Photospacer 特性分析
在本章節中將討論 Photospacer 厚度均勻性與其表面粗糙度的變 化。實驗中我們發現當塗布轉速較高時，Photospacer 厚度具有較佳的 均勻性與較小的表面粗糙度，且曝光顯影前後所量得的膜厚與表面粗 糙度具有些微的差異。另外在點狀 Photospacer 密度變化對配向膜表 面特性影響的探討中，我們發現當 Photospacer 分布密度愈小時對表 面特性的影響較小。
5-1 Photospacer 厚度均勻性及表面粗糙特性之探討
在 3-3 節中所提不同塗布轉速之最佳曝光參數的選擇，是由於在
在 3-3 節中所提不同塗布轉速之最佳曝光參數的選擇，是由於在