PSVA 配向技術

由友達(AUO)與默克(Marck)共同合作開發的高分子安定化垂直配向(Polymer Stabilization Vertical-Alignment)技術^[16]。如圖1-16，主要於 TFT/ITO 電極製作液 晶傾倒控制Slit 圖形，並於液晶材料添加感光性高分子，面板組立後，利用施加 電場方式使液晶傾倒，再利用UV 光將液晶內感光性單體反

應，使液晶隨電場驅動方向產生預傾角，達到多Domain 特性。

圖1-16 高分子安定化垂直配向(Polymer Stabilization Vertical-Alignment)原理。

1.6 研究動機與目的

LCD 在高色彩、高對比、廣視角及提升光效率等特性需求，隨著 LCD Monitor 市場量大幅的提昇，具備量產性的廣視角技術也在近年內顯露出主流之氛圍；由 於現行液晶廠與面板廠對於新世代液晶及配向技術開發息息相關，其中有關光配 向技術更是熱門開發重點，本研究主要取得液晶廠商配置PSVA 之垂直配向膜液 晶材料，並且與UV Lamp 廠商進行合作測試驗證，主要藉由分析 PSVA 最適化 之UV 波長及能量，並搭配驅動電壓之條件，進行 PSVA 面板製作及光學特性研 究，並測試Array ITO silt 不同 space & Line 線幅條件找出最佳反應時間。PSVA 添加單體之液晶材料可由Pre tilt Angle、VHR、熱分析儀器進行特性分析，光學 由對比>3000:1、應答時間<25ms、視角及輝度之光學特性分析，另由於光配向方 式使液晶產生預傾角需藉RA 測試，評估 PSVA 液晶製程開發量產之可行性。

第二章 文獻回顧 2.1 液晶物理特性

液晶是介於固態與液態且具有方向性及整齊排列的液體，因此同時擁有晶體 的光學特性與液體的流動性。由於液晶的相同分子排列會受到外力而變形的狀 態，可被視為受某種程度應變力的彈性連續體。液晶介電異向性除了影響的光學 折射性之外，還能產生電場效應，這些物理特性皆是由液晶分子結構的幾何異向 性所致；由於本實驗使用長條狀之向列型液晶，因此就此型液晶來說明液晶之相 關物理特性。

2.1.1 液晶雙折射特性

向列型液晶在光學上屬於單光軸介性質(uniaxial)，其光軸與分子導軸平行，

具有很明顯的雙折射性。由於液晶分子結構的非均向性，這種幾何不對稱的分子 結構，對不同方向的光電場的響應和作用並不相同，導致光線在液晶材料中行進 的速度和感受到的折射率，會與光線的行進方向和偏振方向有關，所以互相正交 的兩線偏振光在液晶材料中行進時，分別有不同的相速度，感受到的折射率也不 盡相同，這種現象稱為雙折射^[17]。圖2-1 以三個不同的行進方向線偏振光為例，

來說明長條型液晶對不同的偏振方向入射光所呈現的折射率。

圖2-1 液晶排列不同時，偏振入射光的折射率。

由Maxwell^[18] [1,2]方程式推得一般非均勻性晶體的折射方程式如下: 受到的折射率為n e，稱為非尋常折射率(Extraordinary Refractive Index)。△n = ne-no，△n 稱之為雙折射率。

圖 2-2(a)中，若光平行 z 軸入射，可將光電場分成兩偏振方向正交之 E(x)和 E(y)的分量，因 E(x)和 E(y)均垂直於液晶的光軸，感受到的折射率都是 no (即此 兩分量相速度相同)，兩者沒有相位差，故原來入射光的偏振狀態通過液晶後不會 被改變。若光平行y 軸入射，如圖 2-2(b)所示，則可將光電場分成 E(x)和 E(y)兩 正交之分量，E(x)垂直液晶的光軸因此感受到 no的折射率，E(z)平行光軸而感受 到ne的折射率。因no不等於ne，當光經過厚度為d 的正單光軸材料，E(x)和 E(y) 兩分量的相位差為Δφ = φe - φo = 2πdΔn/λ0，λ0 為真空中光的波長，Δn = ne - no， 因而入射光的偏振狀態將視Δφ 而改變。

若光行進之方向與液晶分子的導軸夾 θ 角，如圖 2-3 向列相液晶之橢圓折射 率模型所示，則入射光電場投影在液晶分子橢圓截面的正交長短方向上，感受到 的折射率分別為no (光電場垂直光軸)及 neff(θ)(光電場與光軸不垂直)，neff (θ)是夾 角θ 的函數，neff (θ)可推得如下:

neff (θ)=none/(no2sin²θ + ne2cos² θ)^1/2 (2.2)

圖2-3 正單光軸折射率橢圓球模型。

由上式可知 neff(θ)之值介於 no與ne之間。在光學上計算方便起見，以液晶 分子的排列方向來定義座標系統時，如圖2-4，定義在液晶材料中的兩個基本傳

播模態之O wave (Ordinary)和 E wave (extraordinary)，O wave 感受到的折射率 為no，E wave 感受到的折射率為 neff(θ)，θ 即為光的傳播方向與光軸(液晶分子導 軸)的夾角。這兩個傳播模態相互正交，稱為此單光軸介質的傳播快軸和傳播慢軸。

圖2-4 (a) E wave (Extraordinary)、(b)O wave (Ordinary)。

2.1.2 液晶介電異向性

液晶分子與電場的交互作用會導致液晶分子的轉向，這是液晶在光電應用上 很重要的一環。雖然單一液晶分子具有永久電偶極，但一般狀況下兩長條狀液晶 分子的永久電偶極反向排列時，會處於最低的能量狀態而呈最穩定狀態，因此長 條狀向列型液晶材料之個別分子電偶極向上及向下指向的機率是一樣的而互相 抵消，所以整體液晶材料並不具備永久電偶極。

如圖 2-5，當沿著與向列型的液晶分子導軸平行與垂直的方向量測介電常數 時，分別可得到ε∥與 ε⊥，Δε = ε∥－ε⊥，Δε 稱為介電異向性(dielectric anisotropy)

[19]，其正負值取決於液晶分子的化學結構，定義如下:

(1) Δε = ε∥－ ε⊥>0 為正介電異向性 (2) Δε = ε∥－ ε⊥<0 為負介電異向性

圖2-5 (a)正介電異向性、(b)負介電異向性。

原則上，外加電場對液晶分子的強迫取向可由能量的變化得知。對於向列型 液晶而言，沿某一方向的電場 E，有一對應的電場位移 D(Electric Distance)，此時 相對應之電位移可表示:

D=ε^⊥E+Δε(n.E)n (2.3)

當 Δε 之正負值取決於液晶分子的化學結構時，此時電場對系統之能量分部 可寫為:

UE=1/4π∫D.dE=-ε^⊥/8π.E² −Δε(n.E)² (2.4)

上式(2.4)中第一項與導軸的方向無關，但第二項對導軸 n 的方向有非常重要 的影響。當Δε > 0，液晶分子在外加電場的作用下，導軸 n 必須平行於外加電場 E 排列，才能使能量達到最低狀態；而 Δε < 0 時，導軸 n 必須垂直於 E 方向排列。

因此當Δε > 0 的液晶材料被夾於兩個正負電極之間時，在兩電極間所施加電壓的 作用下，液晶分子呈縱向排列；無電壓時，液晶分子呈橫向排列。

一般所謂的 Frederiks transition，就是在垂直液晶導軸的方向外加電場 E。

由於對Δε > 0 的液晶而言，液晶分子傾向於平行電場方向有最小的能量狀態，所 以此時液晶分子受到一垂直導軸方向的力矩。當外加電場 Er 的值大於臨界電壓 時，才能將液晶分子旋轉到電場的方向。

2.1.3 液晶連續彈性理論

通常在液晶中之導軸 n 是隨位置而變化的。此變化在微觀尺度上十分微小，

一般而言，液晶可以經表面配向或外加力場之作用，使液晶分子排列方式的產生 形變，可以如圖2-6 之三種基本形變來探討其物理現象。

圖2-6 (a) splay, K11、(b) Twist, K22、 (c) Bend, K33。

一般而言將液晶的彈性係數定義為在受到不同外力矩作用下，液晶將分別發 生展曲K11(Splay)、K22扭曲(Twist)及 K33彎曲(Bend) ^[20]三種不同的形變後之彈性 係數。此假設於方向或位置秩序有缺陷(defect)之區域即不成立。因此根據

Oseen-Frank 液晶連續彈性形變理論，液晶分子因形變所產生單位體積內之彈性 自由能可表示成：

fd＝1/2K11(▽.n)²+1/2K22(n.▽n)²+1/2K33(n.▽.n)2 (2-5) 這個自由能的意義，代表我們想使液晶達成形變時，外加電場最少需要克服 的能量。當外加電場及液晶分子與邊界的作用力存在時，我們可以將彈性自由能 表示如下：

F = Fb + Fs =∫f bdτ+∫ (f + f s1+ f s2 )dA (2-6) 其中 fb=fd+ fe表示外場存在下之單位體積自由能密度。電場相關的單位體積自 由能密度可表示成fe =1/2Δε(n.E)²。fs1與fs2分別為液晶盒基板之表面自由能密度。

表1. 液晶物理性質參數關係表。

Nomenclature Parameter Proportional 光學異向性/雙折射

(Birefringence) △n S 介電異向性

(Dielectric Anisotropy) △ε S

磁異向性

(Magnetic Anisotropy) △Χ S

黏滯異向性

(Visosity Anisotropy) △η S 彈性係數

(Elastic Constant) Kii S²

2.2 配向理論

(2)獲得預傾角(Pre-tilt Angle)，使面板產生驅動方向及速度。

(3)擁有良好的電壓保持率(VHR,Voltage Holding Ratio)及液晶反應速度。

以下就 LCD 面板配向之錨定能理論、Photo alignment、Polymer Stabilization 於溝槽方向的力量，此邊界的錨定力量即為所謂的錨定能Wa (Anchoring Energy):

Wa=2π³a²K/b³ (2.8) 其中a 與 b 分別為溝槽深度與溝槽間距，而 K 代表液晶分子之彈性係數，由此關 係式可知，當溝槽越深或間距越小時，影響錨定能就越大。

2.5 光配向(Photo alignment)機制

非接觸式之光配向效果，而雙面光配向則是利用添加染料分子後，控制曝光條件 及液晶的相變化溫度，此時均勻性之液晶經光配向後，可使上下兩面基板達到配 向效果，不同染料分子結構與種類也將影響光學配向性。

2.5.1 正力矩效應(Positive Torque Effect)

最早於 1990 年由 Ja’nossy 發現於液晶添加一種染料分子(Anthraquinone) ^[22]， 並利用特定波長照射後，會使液晶產生正力矩向效應(Positive Torque)而使液晶分 子順著電場進行排列，除了降低Optical Freedericksz Threshold 約兩個 Order，為 添加染料分子結構主要影響導液晶分子產生旋轉之特性。而進行光配向之雷射光 電場會對液晶分子造成之力矩Γop可表示如下式^[23]:

Γop=D×E=Δε/4π (n‧E) (n×E) (2.6)

其中 Δε = ε∥－ ε⊥，n 為導軸、而 D 與 E 分別為電位偏振方向及光電場。

Ja’nossy 模型^[24]如圖2.7 表示，只有 Anthraquinone 染料分子長軸與光電場方向才 能使液晶受到光激發，而被激發後之染料分子對液晶才有較大之作用力。Ja’nossy 假設此分子間之作用力源自於染料分子受光激發後所產生之電偶極，而使電場產 生光電場力矩Γop同方向的另一力矩Γdye，如式(2.7)，可增加光電場之力矩之作 用，並降低液晶之Optical Freedericksz Threshold^[25]。

〈Γop〉=η〈Γop〉 (2.7)

圖2-7 Ja’nossy 正力矩模型。

2.5.2 負力矩效應(Negative Torque Effect)

負力矩效應於 1991 年由 Gibbons et al. ^[27]所提出另一種模型來解釋染料分子 對液晶分子所產生的負力矩，Gibbons 由實驗添加偶氮染料分子 Azo Dye 於基板 表面時，Azo Dye 受到線偏振光而產生負力矩(Negative Torque)效應，帶動液晶分 子旋轉與光電場成垂直方向，其實驗如圖2-8 所示，將 Azo Dye 與聚合物(Polyer) 均勻混合並塗佈再一片基板，另一基板則只塗佈聚合物，當入射光波長落在偶氮 分子之吸收光譜上，兩面基板經平行方向之光配向及組立後，液晶的導軸會與線 偏振光之光電場方向相同排列，由液晶之連續彈性理論，照光區之液晶分子於第

呈現暗態。實驗結果發現在基板表面的染料分子會帶動液晶分子旋轉至與入射偏 振光方向垂直，而非照光區的基板，其液晶仍維持原來水平方向排列，照光區呈 現均勻亮態、非照光區呈現均勻暗態，此種光配向方式具有記憶性(Memory)，

當入射光移除後，光配向方向並不會改變^[28]。

當入射光移除後，光配向方向並不會改變^[28]。