離子來源

二、理論

2.8 離子來源

液晶盒中通常存在著許多雜質粒子，這些粒子種類繁多，無法判定其成份，而且來源也不盡相同。有些會保持原狀並浮游於其中，有些則會解離以離子的型態存在，帶有正負電荷的離子雜質，於液晶盒受外加電場驅動時，會開始往兩側電極移動，產生由離子電荷所形成的內電場，此內電場的方向與外加電場相反，因此會互相抵消，真正液晶能感受到的電場將被削弱，成為不確定值，這些雜質的主要來源有以下四種：

1.液晶材料：

在製造液晶材料的過程中，即有少量的離子存在於其中，假若液晶材料經由紫外線照射後也會分解出離子。

2.配向膜材料：

在製作液晶盒的過程中，配向膜的塗佈(Coating)及固化(Curing)的過程中也會產生少量的離子。

3.封膠及間隙物：

為了要有完整的固化封膠的製程，液晶會有長時間處於高溫的狀態，

因此離子將會有足夠的時間從封膠及間隙物中分解出來。

4.電極：

在一般的考量下，配向膜被視為一層完全的絕緣體，若將液晶樣品操作在較高的電壓下時，離子可能會穿越配向膜而注入液晶層中。

2.8 離子效應模型[13][15][16]

為了探討離子效應所造成的許多光電現象，有許多的離子效模型被提出來解釋這些現象，以下將以其中一種常見的離子效應模型-電雙層模型 (Electric Double Layer Mode,EDL Mode)做個簡單的介紹，如下圖 2.25 所示。

離子因為外加電場的關係，會移動到配向膜與液晶層中間的界面上形成電雙層，使得液晶層所受到的有效電壓下降，直到液晶層的有效電壓為零；當外加電壓關閉時，界面上因離子所造成的電雙層並不會立即消失，

而是隨著時間遞減，因此液晶層的有效電壓便會隨著電雙層所形成的內建電壓而變化，這個內建電壓也稱為直流殘留電壓[17]。

圖 2.25 離子電荷在直流電壓下的運動示意圖

2.8 離子效應的影響

離子效應將會造成電壓保持率(Voltage Holding Ratio,VHR)下降，畫面閃爍(Flicker)、影像殘留(Image sticking)、穿透率(Transmittance) 降低，以及視角(View Angle)縮小的情形，以下將針對本論文所提及的電壓保持率、穿透率和視角做簡單介紹。

當液晶盒內產出過多的離子，此時所形成的內建電場會消減外加的電壓，因此所測得的電壓數值將會低於最初所供給的電壓，經由所測得電壓數值除以初始電壓數值，再乘以百分比，所得的數值即為電壓保持率，而此數值將會低於 100%，若離子數量眾多，則所測得的數值將會更低；反之亦然。

由以上對於離子的闡述，對於光學特性上的穿透率及視角也會有一定程度的影響，這是因為液晶層所感受到的電壓差並非是實際所供給的電壓差，導致液晶分子驅動時，沒有站立到應該要的位置，造成光穿透量變小，

實際的穿透率也就同樣變小；至於視角的結果也產生了變化，由大變小，

其中的機制是因為當尚未供給電壓驅動液晶時，液晶盒內部就有了因離子而造成的內部電場，已經使得液晶動作了些許，導致黑畫面的亮度約略增加了一些，同時驅動液晶後所呈現的白畫面的亮度也變暗了一些，相除後的對比也變差了，所以針對，對比大於 10 定義出的視角也就往下修正了。

第三章第三章

第三章第三章、、、、實驗方法與樣品製作介紹實驗方法與樣品製作介紹實驗方法與樣品製作介紹實驗方法與樣品製作介紹 3.1 實驗方法

本實驗透過製作 TN 型態的液晶盒，採用三種不同預傾角的配向膜材料及搭配相同的 TN 型態液晶材料，完成液晶盒製作後，分別進行信賴性測試 (低溫儲存、高溫儲存、高溫高溼儲存)，在此之前先行完成液晶盒的相關量測，並在經由 500 小時的信賴性測試後，再重覆執行液晶盒的特性量測，

研究其中的差異，而其中所需的量測儀器是藉由日本東陽株式會社所生產的液晶特性量測系統(LC Material Characteristics Measurement

System ,Model 6254)，來執行電壓保持率、與離子濃子的量測以及德商 (Autronic-MELCHERS)所生產的光學量測系統(Conoscope)，來執行穿透率及視角的量測。

經過以上不同的電性特性(電壓保持率、離子濃度)以及光學特性(視角、穿透率)的量測後，可得知兩者間的關係，以便往後產品設計時，提供參考數據及了解其中不可避免的品質風險。

另外，以上內容所提及的信賴性測試項目條件如以下所示：

1.低溫儲存(Low Temperature Storage)：-30℃，0% humidity。

2.高溫儲存(High Temperature Storage)：90℃，0% humidity。

3.高溫高溼儲存(High Temperature High Humidity Storage)：60℃，90%

humidity。

3.2 實驗流程

3.3 實驗材料

SPI Hybrid Hybrid

4.5 5 5 NMP : N-Methy1-2-Pyrrlolidone(1-甲基四氫比咯酮

甲基四氫比咯酮甲基四氫比咯酮甲基四氫比咯酮)

BC : Butylcellosolve(丁氧基己醇

丁氧基己醇丁氧基己醇)丁氧基己醇

γ-BL : γ-Butyrolactone(γ-丁內酯

丁內酯丁內酯)丁內酯

DPM : Dipropyleneglycol monomethyl ether(二丙二醇甲醚

二丙二醇甲醚二丙二醇甲醚二丙二醇甲醚)

Viscosity(mPa.s)

Volume resistivity(Ω.cm) Pre-tilt angle(degree) Imidization ratio(%) Solvent(%)

Type

Solid content(%) Model Parameter

表 3.2 配向膜基本特性參數

表 3.3 液晶基本特性參數

Rotational viscosity r1

-

105

η(mm^2/s)_運動粘度 -

-

η(mPa-s)_動力粘度 -

-

16.2

Density(g/cm3)

- -

1.078

Temperature ℃

-

436nm 0.1211 509nm 0.1135 546nm 0.1108 589nm 0.1087 633nm 0.1071 436nm 1.623 509nm 1.6057 546nm 1.5998 589nm 1.5946 633nm 1.591 436nm 1.5019 509nm 1.4922 546nm 1.489 589nm 1.4859 633nm 1.4839

△e

-

10.1

-

13.7

e┴

-

3.6

Threshold voltage V10

-

1.39 Stauration voltaeg V90

-

2.1

K11

-

K22

-

6.2

K33

-

14.5

Elastic constant Dielectric anistropy

△n

no Refractive index

3.4 樣品製作

首先製作實驗用的液晶盒，根據現行既有的液晶盒設計，玻璃基板分別投入 array 及彩色濾光片製程，製作出僅有 ITO(銦鍚氧化物)圖案的半成品，之後投入 Cell 製程，此時最重要的是分別於基板上塗佈不同的配向膜材料及注入液晶和封口膠覆蓋液晶注入口，以完成液晶盒的製作。下圖 3.1 為此液晶盒的示意圖以及圖 3.2 為此液晶盒於配向膜塗佈完成後的配向處理方向設計圖。

ITO 圖案

圖 3.1 液晶盒示意圖

Rear rubbing direction Front rubbing direction

45

⁰

圖 3.2 液晶盒配向位置圖

3.5 實驗量測設備

3.5.1 電性特性量測設備

設備名稱：液晶特性量測系統(LC Material Characteristics Measurement System ,Model 6254)，如圖 3.3 所示。

設備製造商：日本東陽株式會社。

量測項目：電壓保持率(Voltage Holding Ratio)、直流殘留電壓 (Residue Direct Current)、離子濃度(Ion density)。

圖 3.3 液晶特性量測系統

3.5.2 光學特性量測設備

設備名稱：光學特性量測系統(Conoscope)，如圖 3.4 所示。

設備製造商：德商(Autronic-MELCHERS)。

量測項目：對比(contrast)、視角(view angle)、反應時間(response time)、串音(cross talk) 、畫面閃爍(flicker)、灰階反轉(gray scale inversion)。

圖 3.4 光學特性量測系統

3.5.3 液晶預傾角量測設備

設備名稱：穿透式面板間隙及液晶預傾角量測系統(LCA-LU4)，如圖 3.5 所示。

設備製造商：日商(MEIRYO TECHNICA CORPORATION)。

量測項目：面板間隙(Cell gap)、液晶預傾角(Pre-tile angle)。

3.5.4 實驗設備量測參數設定液晶特性量測系統

電壓保持率(Voltage Holding Ratio)量測參數設定：

供給電壓：10 伏特(v)。

圖 3.5 穿透式面板間隙及液晶預傾角量測系統。

供給時間：60 微秒(μs)。

放電時間：0 秒(s)。

量測時間：16.67 毫秒(ms)。

離子濃度(Ion density)量測參數設定：

供給電壓：10 伏特(v)。

供給頻率：0.1 赫茲(Hz)。

光學特性量測系統

視角(view angle)量測參數設定：

白畫面供給電壓：4 伏特(v)。

黑畫面供給電壓：0.5 伏特(v)。

視向角(φ)：每隔 15 度量測一次，從 0(360)度量測到 345 度。

視角(θ)：每隔 1 度分別量測白畫面及黑畫面的亮度，從 0 度到 80 度。

穿透率(transmittance)量測參數設定：

白畫面供給電壓：4 伏特(v)。

黑畫面供給電壓：0.5 伏特(v)。

亮度：分別量測視角為 0 度時，白畫面及黑畫面的亮度。

第四章第四章

第四章第四章、、、實驗結果與分析、實驗結果與分析實驗結果與分析實驗結果與分析

本實驗採用三種不同預傾角的配向膜材料及搭配相同的 TN 型態液晶材料，完成液晶盒製作，其中預傾角 3~4 度的配向膜(A type)為可溶性的聚醯亞胺(polyimide)，另外預傾角為 8~9 度(B type)及 13~14 度(C type)的配向膜為不同比例的可溶性聚醯亞胺和聚亞醯胺酸(polyamic acid)所組成，由實驗結果得知不同型態組成的配向膜，所得到的結果是不相同的，

詳細如以下所示。

4.1 低溫儲存探討

4.1.1 電壓保持率(Voltage Holding Ratio)結果探討

從實験數據得知，不論是 A type 亦或 B、C type 液晶盒，在低溫儲存 500 小時後的電壓保持率與最初(0 小時)的數值並沒有太大的差異，如圖 4.1 所示。而其中的機制是因為解離出的離子在經過長時間的低溫儲存下，它的游離率是變差的甚至是被嵌制住的，所以減少了影響初始所供給電壓的可能性，因此最終的電壓保持率是相差無幾的。

圖 4.1 液晶盒於最初(0 小時)和低溫儲存 500 小時後的電壓保持率變化對照圖。

4.1.2 離子濃度(Ion density)結果探討

從實驗數據得知，不論是 A type 亦或 B、C type 液晶盒，在低溫儲存 500 小時後的離子濃度與最初(0 小時)的數值有變大的趨勢，如圖 4.2 及圖 4.3 所示。其中的機制是因為離子會在液晶盒中隨著時間慢慢解離出來，存在於液晶盒內，即使是經過長時間的低溫儲存狀態下。

圖 4.2 液晶盒於最初(0 小時)和低溫儲存 500 小時後的離子濃度變化對照圖。

圖 4.3 液晶盒於最初(0 小時)和低溫儲存 500 小時後離子濃度計算

0hr 500hrs

B type 液晶盒

0hr 500hrs

C type 液晶盒

0hr 500hrs

4.1.3 穿透率(transmittance)結果探討

4.1.4 視角(view angle)結果探討

285 300

270 240 255

225 120 105

0hr

500hrs

圖 4.5 液晶盒 A type(預傾角 3~4 度)於最初(0 小時)和低溫儲存

285 300

270 240 255

225 120 105

0hr

500hrs

由以上視角圖之變化，可得知經由長時間低溫儲存後，下視角(270 度)

4.2 高溫高溼儲存探討

4.2.1 電壓保持率(Voltage Holding Ratio)結果探討

從實験數據得知，不論是 A type 亦或 B、C type 液晶盒，在高溫高溼儲存 500 小時後的電壓保持率與最初(0 小時)的數值，皆有變小的趨勢，如圖 4.8 所示。而其中的機制是因為解離出的離子在經過長時間的高溫高溼儲存下，它的游離率是變得比在室溫時更好，所以增加了影響所供給電壓的可能性，液晶盒內部產生了內電場，抵消了部份的電壓，因此，無法保持住所提供的電壓，造成的電壓保持率變得較差。

圖 4.8 液晶盒於最初(0 小時)和高溫高溼儲存 500 小時後的電壓保持率變化對照圖。

4.2.2 離子濃度(Ion density)結果探討

從實驗數據得知，不論是 A type 亦或 B、C type 液晶盒，在高溫高溼儲存 500 小時後的離子濃度與最初(0 小時)的數值有變大的趨勢，如圖 4.9 及圖 4.10 所示。其中的機制是因為離子會在液晶盒中隨著時間慢慢解離出來，存在於液晶盒內，尤是經過長時間的高溫高溼儲存狀態下，水氣會透過框膠及注入口處滲入到液晶盒內，影響其特性，因此離子濃度增加。

圖 4.9 液晶盒於最初(0 小時)和高溫高溼儲存 500 小時後的離子濃度變化對照圖。

圖 4.10 液晶盒於最初(0 小時)和高溫高溼儲存 500 小時後離子濃

0hr 500hrs

B type 液晶盒

0hr 500hrs

C type 液晶盒

0hr 500hrs

4.2.3 穿透率(transmittance)結果探討

4.2.4 視角(view angle)結果探討

285 300

270 240 255

225 120 105

0hr

500hrs

圖 4.12 液晶盒 A type(預傾角 3~4 度)於最初(0 小時)和高溫高溼

285 300

270 240 255

225 120 105

0hr

500hrs

由以上視角圖之變化，可得知經由長時間高溫高溼儲存後，下視角(270

120 105

0hr

500hrs

4.3 高溫儲存探討

4.3.1 電壓保持率(Voltage Holding Ratio)結果探討

從實験數據得知，不論是 A type 亦或 B、C type 液晶盒，在高溫儲存

在文檔中離子電荷效應對液晶盒光學特性之影響 (頁 56-0)

二、 理論

2.8 離子來源

SPI Hybrid Hybrid

4.5 5 5 NMP : N-Methy1-2-Pyrrlolidone(1-甲基四氫比咯酮

BC : Butylcellosolve(丁氧基己醇

γ-BL : γ-Butyrolactone(γ-丁內酯

DPM : Dipropyleneglycol monomethyl ether(二丙二醇甲醚

Viscosity(mPa.s)

Volume resistivity(Ω.cm) Pre-tilt angle(degree) Imidization ratio(%) Solvent(%)

Type

Solid content(%) Model Parameter

-

-

-

- -

-

-

-

-

-

-

-

-

-

Rear rubbing direction Front rubbing direction

45

285 300

270 240 255

225

120 105

0hr

500hrs

285 300

270 240 255

225

120 105

0hr

500hrs

0hr 500hrs

285 300

270 240 255

225

120 105

0hr

500hrs

285 300

270 240 255

225

120 105

0hr

500hrs

120 105

0hr

500hrs

二、理論