I-Shou University Institutional Repository:Item 987654321/11198

全文

(1)義守大學材料科學與工程學系碩士論文. PSVA 液晶高分子光學特性技術之研究 The Study of Optical Properties of Polymer Stabilization Vertical Alignment (PSVA) Liquid Crystal. 研究生：陳慶龍指導教授：鍾卓良博士共同指導：劉德騏博士中華民國九十九年七月.

(2) PSVA 液晶高分子光學特性技術之研究 The Study of Optical Properties of Polymer Stabilization Vertical Alignment (PSVA) Liquid Crystal 研究生：陳慶龍 Student ： Ching Lung Chen 指導教授：鍾卓良博士 Advisor ： C. L. Chung 共同指導：劉德騏博士 Co-Advisor : D. C. Liu. 義守大學材料科學與工程學系碩士論文 A Thesis Submitted to Department of Materials Science & Engineering I-Shou University in Partial Fulfillment of the Requirements for the Master degree in Materials Science & Engineering July , 2010 Kaohsiung, Taiwan, Republic of China. 中華民國九十九年七月.

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(4) PSVA 液晶高分子光學特性技術之研究摘. 要. 本實驗主要測試 M 社及 C 社 PSVA (Polymer Stabilization Vertical-Alignment) 液晶於Ushio准分子 Excimer (Xe) Lamp 320nm-360nm 波長下，並施加DC 20-30V之驅動電壓，經由光學分析儀，分析PSVA配向率可經由光學之對比及ITO Silt對於應答時間之影響，應答時間可確認PSVA 之最佳轉化UV條件與驅動電壓；並分析Sealant對於PSVA液晶之污染性。利用熱分析儀分析PSVA液晶與一般TN型液晶之相轉化溫度；最後利用 GC/PH進行液晶及單體殘留分析，及面板Mura確認。由實驗結果可知M社PSVA液晶具有較長範圍之驅動電壓25-35V及UV 照光時間100-130sec，Tr-Tf隨UV曝光時間增加，照光時驅動電壓減小，可得到較快之RT反應時間，顯示PSVA液晶單體轉化與PI層型成Polymer產生預傾角。. 關鍵字：聚亞醯胺、聚合物安定化配向、高分子安定化垂直配向技術、感光性單體、光配向、預傾角、響應時間、對比、殘像、灰階反轉、非磨擦、可聚合液晶單體. I.

(5) Abstract. To test the PSVA (Polymer Stabilization Vertical-Alignment) LC (Liquid crystal) material characteristic of M-company and C-company is the major purpose of this experiment. At first We irradiated the PSVA LC by Excimer(Xe) Lamp with wavelength 320-360mm and also applied driving voltage which range is DC 20-30V to align PSVA LC. Analyze the PSVA alignment ratio by Optical analytic instrument, because optical contrast ratio and ITO slit will correspond to response time. We can find out the best UV condition and driving voltage for PSVA by response time. We also analyze the pollution of sealant towards PSVA LC, by usage of thermal analytic instrument to tell the phase transfer temperature of PSVA and normal TN type LC; and finally to utilize GC/PH to check the LC material residue and single body residue and check panel mura. By the experimental result we can get that PSVA LC material of M-company possess longer range of applying voltage about 25V to 35V and larger range of UV irradiation time about 100 ms t0 130 ms. Tr to Tf (response time) is increasing with UV irradiation time, so when PSVA LC material is under UV irradiation and we diminish applying voltage, and we can get faster response time. It shows that PSVA LC material single body phase transfer to Polymer, it react with PI layer and product pre-tilt angle. Key words: Polyimide, PI, PSA (Polymer Sustained Algnment, Protrusion-less structure), PSVA (Polytmer Stabilization Vertical-Alignment), Polymerizable Monomers, Photo alignment, Pre tilt angle, Response time, Contrast Ratio, IS (Image sticking), Gray Scale Inversion, Non-rubbing, Reractive mesogen.. II.

(6) 誌. 謝. 在義守三年研究所學習生涯中，經歷工作與學習的歷程，從台南開車到義守上課的日子，每天都覺得生活充實且忙碌，筆墨難以形容心中的感受，非常感謝指導教授鍾卓良博士的鼓勵及教導，除了課業上的協助之外，老師對於人生之教誨也讓我受益良多；從老師身上學習到高分子材料科學的領域，幫助我在工作上能夠排除相當多之問題。在此對鍾老師表達最誠摯的謝意，此份論文除了感謝老師指導外，另外對於 CENTURY PSVA 技術團隊成員 Eric/Godoen/DJ 等人對於材料的測試及協助，沒有大家的合力協助，就不會有這份研究，也感謝日本 USIHO/液晶廠商於實驗材料的提供及試驗測試的環境，在日本出差的時間，讓我感受到相當特別的日本文化，另外感謝劉德騏教授的協助指導。謝謝聖涵、修成、柏毅、芷燕和義鈞等同學在文獻收集和許多實驗室的繁瑣測試上的幫忙，以及目前我人生的好友柏力給我的鼓勵；Madux 及 Enjoy 在工作上給予我大力的支持，減少我許多工作上的負擔，另外還有許多無法一一具名的協助者與鼓勵者，在此一併致謝。最後特別感謝我的母親及家人在這段期間的鼓勵和辛苦付出，讓我得以順利完成此學業。. 陳慶龍謹識於義守大學材料科學與工程學系研究所中華民國九十九年七月. III.

(7) 總. 目. 錄. 中文摘要………………………………………………………………………….. I 英文摘要…………………………………………………………………............. II 誌謝……………………………………………………………...………............ III 總目錄………………………………………………….……………….............. IV 表目錄…………………………………………………………………………..VIII 圖目錄.....................................................................................................................IV 第一章. 緒論 .....................................................................................................1. 1.1. 前言 .............................................................................................................1. 1.2. 液晶介紹.....................................................................................................2. 1.2.1. 液晶之發現 .................................................................................................2. 1.2.2. 液晶之分類 .................................................................................................3. 1.2.3. 向列型液晶 .................................................................................................4. 1.3. 液晶顯示技術 .............................................................................................5. 1.3.1. TN 型顯示器...............................................................................................5. 1.3.2. STN 型顯示器 ............................................................................................6. 1.3.3. TFT 型顯示器.............................................................................................7. 1.4. 廣視角技術 .................................................................................................8. 1.4.1. TN Film 顯示技術......................................................................................9. 1.4.2. IPS 顯示技術............................................................................................11. 1.4.3. MVA 顯示技術 .........................................................................................12. 1.4.4. PVA 顯示技術 ..........................................................................................14. 1.4.5. FFS 顯示技術 ...........................................................................................14. 1.5. 配向技術 ...................................................................................................15. 1.5.1. 光配向技術................................................................................................16. 1.5.2. PSVA 配向技術........................................................................................17. 第二章. 文獻回顧 ...........................................................................................20 IV.

(8) 2.1. 液晶物理特性 ...........................................................................................20. 2.1.1. 液晶物理特性 ...........................................................................................20. 2.1.2. 液晶介電異向性 .......................................................................................23. 2.1.3. 液晶連續彈性理論 ...................................................................................25. 2.2. 配向理論…………………………………………………………………26. 2.3. 錨定能理論………………………………………………………………27. 2.4. 溝槽理論…………………………………………………………………27. 2.5. 光配向機制(Photo Alignment) .…………………………………………28 2.5.1. 正力矩效應(Positive Torque Effect..................................................28. 2.5.2. 負力矩效應(Negative Torque Effect)...............................................29. 2.5.3. 光激發偶氮染料同素異構化反應(Photo- Isomerization)...............30. 高分子安定化垂直配向(Polymer Stabilization Vertical-Alignment)..…31. 2.6. 2.6.1. 液晶高分子組成 ...............................................................................31. 2.6.2. PSVA 光配向機制 ............................................................................34. 2.6.3. PSVA 畫素結構 ................................................................................34. 第三章. 實驗方法及步驟 ...............................................................................36. 3.1. 研究方法 ...................................................................................................36. 3.2. 實驗材料....................................................................................................36. 3.3. 實驗流程....................................................................................................37. 3.4. 實驗步驟....................................................................................................37. 3.5. 3.4.1. Sealant experiment ............................................................................37. 3.4.2. TFT ITO silt design ...........................................................................39. 3.4.3. Cell Process .......................................................................................41. 3.4.4. UV Cure Flow ...................................................................................42. 3.4.5. UV Lamp ...........................................................................................42. 3.4.6. 驅動電壓 ...........................................................................................43. 3.4.7. UV 照射 ............................................................................................44. 實驗設備 ...................................................................................................45 V.

(9) 3.5.1. 熱示差掃描卡量計(Differential Scanning Calorimeter，DSC) ......45. 3.5.2. 熱重損失儀(Thermo-Gravimetry Analyzer，TGA) ........................45. 3.5.3. 色彩輝度計 .......................................................................................46. 3.5.4. 原子力顯微鏡（Atomic Forces Microscopy） ...............................47. 3.5.5. 偏光顯微鏡( POM )..........................................................................47. 3.5.6. 反應時間量測系統(GLRT) ..............................................................48. 3.5.7. GC (氣相層析質譜儀) .....................................................................49. 3.5.8. HPLC(高效率液相層析儀)..............................................................50. 第四章. 結果與討論 .......................................................................................51 Sealant 對 PSVA 液晶之影響 ..................................................................51. 4.1. 4.1.1. Sealant 影部硬化率..........................................................................51. 4.1.2. Sealant N-I Point...............................................................................52. 4.1.3. Sealant VHR .....................................................................................53. 4.2. ITO Silt 之光學效應 ................................................................................53. 4.3. PSVA 光學結果 .......................................................................................56 4.3.1 PSVA 液晶光學確認………………………………………………..56 4.3.2 M 社 PSVA 液晶光學結果…………………………………………57 4.3.3 C 社 PSVA 液晶光學結果………………………………………….59 4.3.4 PSVA 液晶偏光顯微鏡……………………………………………..60 4.3.5 PSVA 液晶 AFM……………………………………………………61 PSVA 液晶熱性質....................................................................................62. 4.4. 4.4.1 PSVA 液晶 DSC 分析……………………………............................62 4.4.2 PSVA 液晶 TGA 分析....…………………………………………...64 PSVA RM 殘留.........................................................................................64. 4.5. 4.5.1 PSVA 液晶 GS 分析………………………………………………...64 4.5.2 PSVA 液晶 RM Residue 分析………………………………………65 4.6 第五章. PSVA 液晶面板點燈狀態 .......................................................................65 結論 ...................................................................................................67 VI.

(10) 第六章. 參考文獻...........................................................................................70. 作者簡介………………………………………………………………….......... ..74. VII.

(11) 表. 目. 錄. 表 1 液晶物理性質參數關係表……………………………………………… ..26 表 2 ITO Line & Specterm………………………………………………...……39 表 3 Excimer & Metal-Halide Lamp Compare table……………… …….…......42 表 4 驅動電壓及 UV 照射條件表………………………………………….…..42 表 5 Tr-Tf / L0-L255 / CR 光學量測表………………………………….… ….56 表 6 PSVA 液晶經 UV 照射前後粗糙度之比較.………………………………61 表 7 PSVA 液晶 Center & Edge of GC Analysis table.………………….……..64 表 8 PSVA 液晶 Center & Edge of PHLC Analysis table…………………........65. IV.

(12) 圖目錄圖 1-1. 液晶分子相變化示意圖 ..........................................................................1. 圖 1-2. 典型液晶的分子結構 ..............................................................................3. 圖 1-3. 液晶分子排列方式(a)向列型、(b)膽固醇型及(c)層列型.....................4. 圖 1-4. 液晶顯示原理 ..........................................................................................6. 圖 1-5. (a)TN 顯示模式、(b)STN 顯示模式 ......................................................7. 圖 1-6. TFT 顯示器結構 ......................................................................................8. 圖 1-7. TN Film（TN+視角擴大膜）...............................................................10. 圖 1-8. TN Film 顯示原理 .................................................................................10. 圖 1-9. IPS（In-Plane Switching or Super-TFT）顯示原理............................12. 圖 1-10. MVA 結構 .............................................................................................13. 圖 1-11. MVA (Multi-domain Vertical Alignment)顯示原理 ..............................13. 圖 1-12. PVA（Patterned Vertical Alignment）顯示原理..................................14. 圖 1-13. FFS（Fringe Field Switching）顯示原理............................................15. 圖 1-14 液晶表面配向方式(a)水平配向、(b)垂直配向...................................16 圖 1-15 光配向技術(photo-alignment technology)原理 ....................................21 圖 1-16. 高分子安定化垂直配向(Polymer Stabilization Vertical-Alignment) 原理 ........................................................................................................18. 圖 2-1. 液晶排列不同時，偏振入射光的折射率 ............................................20. 圖 2-2. (a) z 軸入射光分成兩垂直液晶分子導軸分量的偏振光....................21. 圖 2-3. 正單光軸折射率橢圓球模型 ................................................................22. 圖 2-4. (a) E wave (extraordinary)、(b)O wave (Ordinary) ..............................23. 圖 2-5. (a)正介電異向性、(b)負介電異向性 ...................................................24. 圖 2-6. (a) splay, K11、(b) Twist, K22、 (c) Bend, K33.......................................25. 圖 2-7. Ja’nossy 正力矩模型.......................................................................…..29. 圖 2-8. Gibbons et al.負力矩模型 .....................................................................30. 圖 2-9. 光激發偶氮染料同素異構化反應 .......................................................31 IV.

(13) 圖 2-10. PSVA 液晶分子結構............................................................................32. 圖 2-11. PSVA 液晶分子反應單體結構 ............................................................33. 圖 2-12. PSVA 液晶分子抑制劑結構................................................................33. 圖 2-13. PSVA 液晶分子光配向化步驟............................................................34. 圖 2-14. PSVA pixel structure. (a) Top view (b) Cross section view .................35. 圖 3-1. 實驗流程圖 ...........................................................................................37. 圖 3-2. Test Cell 影部硬化條件........................................................................38. 圖 3-3. Sealant N-I Point test flow.....................................................................38. 圖 3-4. Sealant VHR Point test flow..................................................................38. 圖 3-5. ITO Silt structure...................................................................................39. 圖 3-6. ITO Silt Mask Design ...........................................................................40. 圖 3-7. ITO Silt Mask Design ...........................................................................40. 圖 3-8. Cell Process Flow Chart ........................................................................41. 圖 3-9. UC Cure Flow Chart..............................................................................42. 圖 3-10. Power Supply & Probe..........................................................................44. 圖 3-11. UV exposure condition .........................................................................44. 圖 3-12. Perkin-Elmer DSC ................................................................................45. 圖 3-13. Perkin-Elmer TGA7 熱重分析儀.........................................................46. 圖 3-14. BM-5A 色彩輝度計 .............................................................................46. 圖 3-15. NT-MDT P47 & Tapping 探針 .............................................................47. 圖 3-16. OLYMPUS BX51 偏光顯微鏡 ............................................................48. 圖 3-17. GTRS 量測系統及 Tr-Tf 波形圖 ........................................................48. 圖 3-18. GC 氣相層析質譜儀 ............................................................................49. 圖 3-19. GTRS 量測系統及 Tr-Tf 波形圖……….………………………….....50. 圖 4-1. 不同 Sealant 於 1000mJ 下之影部硬化.................................................51. 圖 4-2. 不同 Sealant 於 1000mJ 下之影部硬化率.......................................…..52. 圖 4-3. 不同 Sealant 於 1000mJ/3000mJ 下之 N-I Point…..……....................52. V.

(14) 圖 4-4. 不同 Sealant 於 1000mJ/3000mJ 下之 VHR……………………........53. 圖 4-5. 不同 Silt 經 ETCH 後線幅....................................................................54. 圖 4-6. ITO Silt 最小/最大線幅 OM 圖形........................................................54. 圖 4-7. 不同 ITO Silt (Line & Space)對 Tr 之影……………………………...55. 圖 4-8. 不同 ITO Silt (Line & Space)對 L0 之影響..................……………...55. 圖 4-9. ITO Silt (Line 4.8um & Space4.8um)光學結果 ..................................56. 圖 4-10. M 社與 C 社光學異常比率 .................................................................57. 圖 4-11. M 社 PSVA 液晶於不同 UV 及驅動電壓條件之結...........................58. 圖 4-12. M 社 PSVA 液晶最佳操作條件 ..........................................................58. 圖 4-13. C 社 PSVA 液晶於不同 UV 及驅動電壓條件之結果 .......................59. 圖 4-14. C 社 PSVA 液晶最佳操作條件 ...........................................................60. 圖 4-15. PSVA 液晶與一般 TN 型液晶之偏光圖 ............................................60. 圖 4-16. PSVA 不經 UV cure 之表面粗糙度圖………..…………………….. 61. 圖 4-17. PSVA 經 UV cure 之表面粗糙度圖………........…………………… 62. 圖 4-18. M 社 TN Mode 液晶 DSC....................................................................62. 圖 4-19. C 社 TN Mode 液晶 DSC ...................................................................63. 圖 4-20. M 社 PSVA Mode 液晶 DSC ...............................................................63. 圖 4-21. 不同液晶之 TGA..................................................................................64. 圖 4-22. PSVA 模組點燈狀態............................................................................66. VI.

(15) 第一章緒論 1.1 前言一般常見的物質皆具備三種狀態，分別為固態(Solid)、液態(Liquid)及氣態(Gas)；其中固態又可區分為結晶態及非結晶態，結晶態固體(Crystalline Solid) 在空間上具有長程有序的排列規則性，當結晶態固體於熔點以上，其分子排列將開始由結晶固體相變為不具規則性的各向同性液體(Isotropic Liquid)；持續加熱到另一相變點之後，其分子間之動能大於分子間之鍵結能而脫離，此時即稱為氣態。但也有部分有機物質由固體態到液態需要較多步驟之相變化，因此存在一個或多個介於固態與液態間的中間相(Mesophase)如圖 1-1[1]。由於這些中間相的分子次序是介於固態的有序性與液體的流動性，所以這些相的力學、光學性質和對稱性也介於固體態結晶與液態之間，此中間狀態即稱為液晶態。. 圖 1-1 液晶分子相變化示意圖。液晶分子的配向控制技術是製造液晶顯示器元件最重要的基本技術之一，品質方面則要求高色彩飽和度、高亮度、高對比及廣視角等光學特性要求。因此目前各大面板廠開始由進行次世代液晶分子配向技術開發，業界為. 1.

(16) 了使液晶獨特的光學異向性能發揮其特性，所以必須使液晶具有特定方向排列，配向技術即為了達到此目的，於 1960 年代開始開發出以絨毛在高分子薄膜上摩擦，利用摩擦後所產生之細小溝槽，使液晶能於沿著溝槽內排列，這種簡單且經濟之技術使 LCD 產品接受度開始取代 CRT；但隨著玻璃尺寸開發越大，此項技術也就越受到挑戰，原因是絨毛在玻璃基板摩擦所產生之靜電及此種接觸式配向造成之 particle 將影響 LCD 之品質及表現。為了解決摩擦配向(Rubbing Polymer Film)所產生之問題，後續非接觸式之配向技術開始被廣泛研究開發，其中以離子速配向(Ion Beam)、斜向蒸鍍法 (Evaporation)、光配向(Photo Alignment)、PSVA 配向技術皆是近幾年非接觸式配向技術熱門研究重點，而經由非配向技術之開發，將使 TFT LCD 更具備高穿透率、高對比、高穿透率、廣域顯示(Multi Domain)及使用較低耗電量之背光模組，另外能克服摩擦配向所發生之粉塵、刮痕及靜電等問題。. 1.2 液晶介紹液晶(liquid crystal)，由 1888 年發現至今，液晶被廣泛發展使用，經由液晶顯示器(Liquid Crystal Display，LCD)的開發，各式儀器用面板、車用導航面板、液晶電視、數位相框等之開發應用，因其具備輕薄、省電、低輻射之優勢，使得 LCD 成為當今顯示器之主流。 1.2.1 液晶之發現西元 1888 年，奧地利植物學者 F.Reinitzer 發現到他從植物分離安息香酸膽固醇類所合成的苯甲酸膽固醇酯(Chelesteryl benzoate)[2]竟有兩個熔點：在 145℃ 時，熔解為一種混濁的液狀物；達 179℃ 時，又突然變為一般的透明液體。隔年德國物理學者 Lemann 取得此樣品，以偏光顯微鏡確認其為有組織方位性的液體，當此化合物達到特定溫度下會形成具有流動性的白色混濁物質，且同時具有異向性晶體之光學性質，因此取名為液晶(crystalline liquid）。. 2.

(17) 1.2.2 液晶之分類液晶種類繁雜，若以液晶相形成角度來分類，液晶可分為熱致型液晶 (Thermotropic Liquid Crystal)與溶致型液晶(Lyotropic Liquid Crystal)兩種；熱致型液晶是在特定溫度範圍內能呈現該區間的特定液晶相，其具有顯著光學特性；而溶致型液晶則是在化合物中添加適當溶劑，利用不同濃度之控制產生液晶相，此類液晶目前多應用於生物科技領域，在此不進行討論。目前 LCD 產業均使用熱致型液晶，本實驗所使用之液晶亦屬此類。熱致液晶分子的形狀都呈高度的幾何異向性，如長條狀或圓盤狀。一般液晶顯示器和實驗室常用的液晶較多為長條狀的熱致型液晶[2]，其液晶分子的典型結構如圖 1-2 所示，一般液晶分子長度與寬度的比例約為 5 以上，平均直徑約 0.5 nm，平均長度約 2 nm。液晶分子由苯基(Biphenyl)等呈現較剛硬狀態、烷基 (Hydrocarbon)則呈現柔軟狀態、決定液晶分子在電場作用下之排列方向的極性，以及連接剛硬結構和柔軟結構的連接部份等四大部份組成。液晶分子位置次序性和排列次序性之呈現，主要源於分子結構的剛硬部分具備的天然特性。液晶材料的特殊光學特性則來自於分子間的凡得瓦力(Van der Waals force)，因而藉由原子團的組合，可以有效控制凡得瓦力，進而製造出不同幾何排列以及不同相變溫度的液晶來作各式各樣的應用。. 圖 1-2 典型液晶的分子結構。. 3.

(18) 因為液晶分子幾何結構的各方異向性，根據連續彈性體理論，將液晶的形變分為伸展(splay)、扭轉(twist)及彎曲(bend)三種彈性係數來定義[ 3]。液晶的排列方式一般可分為向列型(Nematic)、膽固醇型(Cholesteric)及層列型(Smectic)，其幾何結構如圖 1-3(a)-(c)所示。向列型液晶的每個分子的分子軸都近乎互相平行而且方向一致。膽固醇液晶由多層向列型液晶堆積所形成。當兩個平面上的分子軸向方向平行時，其距離稱為一個螺距，螺距將會決定最強烈的反射光線波長，壓力和溫度的變化能改變螺旋的螺距。層列型液晶的分子排列規則性較明顯，分子間不但互相平行而且還有分層組織，其黏性比其餘兩種液晶還要大。. 圖 1-3 液晶分子排列方式(a)向列型、(b)膽固醇型及(c)層列型。. 1.2.3 向列型液晶一般液晶顯示器常用的液晶材料是向列型液晶。向列型液晶的分子的排列沒有次序性，分子長軸的排列方向存在一定程度的有序性，分子容易沿著某一方向排列，這個方向定義為導軸(Director Axis)，以 n 表示，導軸與 -n 的狀態是不可區分的。向列型液晶的空間排列對稱程度可用參數 S(θ)(order parameter)來表示 [4]. 。定義:. 4.

(19) S(θ) =1/2( 3cos2θ-1). (1.1). θ 是單一分子長軸與導軸的夾角，括弧( )是對所有分子的平均。對晶體而言，S = 1，對均質液體而言，S = 0；一般向列相液晶的 S 平均值大約介於 0.6 到 0.8 之間。向列型液晶的導軸 n 在空間中的取向是任意的，只要加少許外力，如玻璃表面處理後對液晶產生的錨定力(anchoring force)，就可以將液晶導軸固定在特定方向。. 1.3 液晶顯示技術液晶顯示器以驅動方式可分為被動式矩陣及主動式矩陣，被動式矩陣驅動是將橫向電極依序反覆開關作快速掃瞄，而縱向電極輸入欲呈現的訊號，利用視覺暫留的原理將同一畫面影像切割在短時間內依序顯示。主動式矩陣驅動是在每一個畫素製作一個 TFT(Thin Film Transistor 薄膜電晶體)控制其畫素，並藉由畫素本身電容充電後來維持住電壓以達到顯示的效果。一般而言，被動式矩陣驅動成本低，但主動式矩陣驅動才能達到精細顯示效果。被動式矩陣則可區分為扭轉式向列型(Twisted Nematic；TN)、超扭轉式向列型(Super Twisted Nematic；STN)。. 1.3.1 TN 型顯示器扭轉式向列型(Twisted Nematic；TN)[5]液晶顯示技術可說是液晶顯示器中最基本的，而之後其他種類的液晶顯示器也可說是以 TN 型為原點來加以改良。同樣的，它的運作原理也較其他技術來的簡單，包括了垂直方向與水平方向的偏光板，具有細紋溝槽的配向膜，液晶材料以及導電的玻璃基板。. 5.

(20) 圖 1-4 液晶顯示原理。其顯像原理如圖 1-4，是將液晶材料置於兩片貼附光軸垂直偏光板之透明導電玻璃間，液晶分子會依配向膜的細溝槽方向依序旋轉排列，如果電場未形成，光線會順利的從偏光板射入，依液晶分子旋轉其行進方向，然後從另一邊射出。如果在兩片導電玻璃通電之後，兩片玻璃間會造成電場，進而影響其間液晶分子的排列，使其分子棒進行扭轉，光線便無法穿透，進而遮住光源。這樣所得到光暗對比的現象，叫做扭轉式向列場效應[6]，簡稱 TNFE (twisted nematic field effect)。在電子產品中所用的液晶顯示器，幾乎都是用扭轉式向列場效應原理所製成。. 1.3.2 STN 型顯示器超扭轉式向列型(Super Twisted Nematic；STN)顯示原理也類似，而不同的是 TN 扭轉式向列場效應的液晶分子是將入射光旋轉 90 度[7]，如圖 1-5(a)，而 STN 超扭轉式向列場效應是將入射光旋轉 180~270 度，如圖 1-5(b)。單純的 TN 液晶顯示器本身只有明暗兩種情形(或稱黑白)，並沒有辦法做到色彩的. 6.

(21) 變化。而 STN 液晶顯示器牽涉液晶材料的關係，以及光線的干涉現象，因此顯示的色調都以淡綠色與橘色為主。但如果在傳統單色 STN 液晶顯示器加上一彩色濾光片(color filter)，並將單色顯示矩陣之任一像素(pixel)分成三個子像素 (sub-pixel)，分別透過彩色濾光片顯示紅、綠、藍三原色，再經由三原色比例之調和，也可以顯示出全彩模式的色彩。另外，TN 型的液晶顯示器如果顯示螢幕做的越大，其螢幕對比度就會顯得較差，不過藉由 STN 的改良技術，則可以彌補對比度不足的情況。. 圖 1-5 (a)TN 顯示模式、(b)STN 顯示模式。. 1.3.3 TFT 型顯示器 TFT-LCD 是由非常多個像素所構成的陣列，每一個畫素都由一個 TFT 控制其開關。由於 TFT 就是簡單的 CMOS 元件，在 TFT 導通時，玻璃導電層被充電到預定的電位，導致液晶分子排列狀態發生改變，進而透光度發生改變來達到顯示的目的。由於主動式矩陣的驅動方式是沿著畫素列作電極掃描，TFT 打開時畫素充電，TFT 關閉後畫素具有電容效應，能夠保持電位狀態，液晶分子會一直保持這種狀態直到電極下一次再加電壓改變其排列模式為止。相對而言，TN 就沒有這種特性，液晶分子一旦沒有被施壓，立刻就返. 7.

(22) 回原始狀態，這是 TFT 液晶顯示和 TN 液晶顯示原理的最大不同。 TFT-LCD 面板的基本結構為兩片玻璃基板中間即填充一層向列型液晶，如圖 1-6。在一端 LCD 面板上製作彩色濾光片，另一端 TFT 面板上製作薄膜電晶體，並在玻璃基板上各貼上一偏光板。外加一電壓於薄膜電晶體時，對畫素電極充電導致液晶轉向，每一個畫素的 TFT 控制施加電壓的大小而讓光線穿透度不同。背光模組提供光源，而彩色濾光片給予每一個畫素特定的顏色，結合每一個不同顏色的畫素所呈現的就是面板呈現的影像。. 圖 1-6 TFT 顯示器結構。. 1.4 廣視角技術將新型顯示器來與普通的液晶顯示幕比較，會發現普通的液晶顯示幕有兩個較大的缺點： (1)當從某個角度觀看普通的液晶顯示幕時，將發現它的亮度急遽損失(變暗)及變色，此稱為灰階反轉。較舊型的液晶顯示器通常只有 90 度的視角，也就是左/右兩邊各 45 度。若僅一位觀看者的話，這個問題就影響不大。而只要超過一位以上的觀看者，如想要展示某個畫面給多人一起玩遊戲機，就會發現顯示器的因視角關係而變差。. 8.

(23) (2)影片或遊戲中，快速的移動畫面是常出現的，但這樣的需求卻是回應時間慢的液晶顯示器所無法提供的。太慢的回應時間會導致畫面失真及次序錯亂，並出現圖像延遲及殘影的現象。各家 LCD 廠已經花了很多時間來試圖改善液晶顯示器的視角特性，提出了數種廣視角技術：TN FILM、IPS(IN-PLANE –SWITCHING)、FFS(Fringe Field Switching)、MVA(MULTI-DOMAIN VERTICAL ALIGNMENT)、PVA (Patterned Vertical Alignment)。這些技術都能把液晶顯示器的視角增加到 160 度，甚至更多，就如同 CRT 螢幕的視角特性一樣。最大視角的定義是對比值至少能達到 10:1 的視角(通常有四個方向，上/下/左/右)。. 1.4.1 TN Film 顯示技術 TN Film 的顯示器對準液晶於基板的垂直方向，與標準的 TFT-LCD 一樣。有了在上層表面的一層膜就可以增加視角如圖 1-7。從技術的觀點來看，TN Film 是廣視角技術中容易實現的方法。液晶顯示器的製造商使用較成熟的標準 TFT-Twisted Nematic(扭轉向列式)液晶。一層特殊的薄膜(轉向膜)加在面板的上表面就可以將水平視角從 90 度改善到 140 度。但是，低對比及回應速度慢這兩大問題依舊無法改善。TN Film 法也許不是最佳的廣視角解決方案但它是最簡單的方法並且良率極高。由於 TN 模式液晶顯示器在加電後呈暗態，未加電時呈亮態，因此它屬於 NW(Normal White 常亮)模式液晶。當由於各種因素造成某些圖元上的 TFT(薄膜電晶體)損壞時，電壓就無法加到該圖元上，這樣該圖元上的液晶分子無法得到扭轉的動力，在任何情況下光線都將穿透液晶盒兩端的偏振片使該圖永遠處於亮態，這就是 LCD 廠常發生的亮點。TN Film 模式的廣視角技術沒有對此進行任何改進，所以仍然存在亮點較多的問題。. 9.

(24) 圖 1-7 TN Film（TN+視角擴大膜）。 TN Film 廣視角技術是基於 TN 液晶顯示器的改進技術，液晶分子的排列還是 TN 模式，運動狀態仍然是在加電後由面板的平行方向向垂直方向扭轉。它是採用雙折射率△n＜0 的透明薄膜來補償由於 TN 液晶盒（△n＞0）造成的相位延遲以實現廣視角的目的，所以這個 Film 又叫相差膜或者補償膜。相差膜是將透明薄膜經過拉伸等處理後做成預定形變的構件。. 圖 1-8 TN Film 顯示原理。如圖 1-8 是補償膜的補償原理圖。補償膜並不只貼在液晶面板表面側，而是液晶盒的兩側，當光線從下方穿過補償薄膜後便有了負的相位延遲（因為補償薄膜△n＜0，進入液晶盒之後由於液晶分子的作用，在到液晶盒中間的時候，負相位延遲給正延遲抵消為 0。當光線繼續向上進行又因為受到上部. 10.

(25) 分液晶分子的作用而在穿出液晶盒的時候有了正的相位延遲，當光線穿過上層補償薄膜後，相位延遲剛好又被抵消為 0。這樣用精確的補償薄膜配合 TN 模式液晶可以取得很好的改善視角效果。. 1.4.2 IPS 顯示技術 IPS 廣視角技術由日立(Hitachi)於 1995 年開發導入，IPS 與使用 TN Film 技術不同的地方是液晶分子的對準方向平行於玻璃基板[ 9]。使用 IPS 或 Super TFT 技術可以使視角擴大到 170 度，但是這項技術也有缺點，因為液晶的對準方向，使得它的電極只能置於兩片玻璃基板中的其中一邊，而不像 TN 模式一樣。這些電極必須製作成像梳子狀的排列在下層的表面。但是這樣做會導致對比降低，因此必須加強背光源的亮度。IPS 模式的對比及回應時間與傳統的 TFT-TN 比較起來並無改善。 IPS 一個最大特點就是它的電極都在同一面上[10]因為只有這樣才能產生一個平面電場以驅使液晶分子水平運動。這種電極對顯示效果有負面影響：當把電壓加到電極上後，接近電極的液晶分子會獲得較大的動力，迅速扭轉 90 度是沒問題的。但是遠離電極的上層液晶分子就無法獲得一樣的動力，運動較慢。只有增加驅動電壓才可能讓離電極較遠的液晶分子也獲得不小的動力。所以 IPS 的驅動電壓會較高，一般需要 15 伏。由於電極在同一平面會使開口率降低，減少透光率，所以 IPS 應用在 LCD TV 上會需要更多的背光源。如圖 1-9，把電壓加到電極上，原來平行於電極的液晶分子會旋轉到與電極垂直的方向，但液晶分子長軸仍然平行於基板，控制該電壓的大小就把液晶分子旋轉到需要的角度，配合偏光片就可以調製極化光線的透過率，以顯示不同的色階[11]IPS 的工作原理有些類似於 TN 模式液晶，不同的是 IPS 模式的液晶分子排列不是扭曲向列而且其長軸方向始終平行於基板。. 11.

(26) 圖 1-9 IPS（In-Plane Switching or Super-TFT）顯示原理。. 1.4.3 MVA 顯示技術富士通(Fujitsu)的 MVA (Multi-domain Vertical Alignment)技術是一種多象限垂直配向技術[8]。它是利用突出物使液晶靜止時並非傳統的直立式，而是偏向某一個角度靜止；當施加電壓讓液晶分子改變成水平以讓背光通過則更為快速，這樣便可以大幅度縮短顯示時間，也因為突出物改變液晶分子配向，讓視野角度更為寬廣。在視角的增加上可達 160 度以上，反應時間縮短至 20ms 以內。如圖 1-10，如屋脊狀凸起物(Protrusion)使液晶本身產生一個預傾角（Pre-tilt Angle）。這個凸起物頂角的角度越大，則分子長軸的傾斜度就越小。早期的 VA 模式液晶凸起物只在一側，後期的 MVA 凸起物則在上下兩端。當面板未加電時，液晶分子長軸垂直於螢幕，只有在靠近凸起物電極的液晶分子略有傾斜，光線此時無法穿過上下兩片偏光板。當加電後，凸起物附近的. 12.

(27) 液晶分子迅速帶動其他液晶轉動到垂直於凸起物表面狀態，即分子長軸傾斜於螢幕，透射率上升從而控制背光源亮度。. 圖 1-10 MVA 結構。液晶在相鄰的分子狀態正好對稱，長軸指向不同的方向，VA 模式就是利用這種不同的分子長軸指向來實現光學補償。如圖 1-11，在 B 處看到的是中灰階，在 A 和 C 處能同時看到的高灰階和低灰階，混色後正好是中灰階。當把 MVA 液晶中的直條三角狀凸起物改成 90 度來回曲折的三角狀凸起物後，液晶分子就可巧妙分成四個向位。Multi Domian 模式液晶在受電後，A、B、C、D 的液晶分子分別朝四個方向轉動，這就對液晶顯示器的上下左右視角都同時補償，因此 MVA 模式的液晶顯示器在這四個方向都有不錯的視角。. 圖 1-11 MVA (Multi-domain Vertical Alignment)顯示原理。. 13.

(28) 1.4.4 PVA 顯示技術三星(Samsung)電子的 PVA（Patterned Vertical Alignment）技術[12]則是一種圖像垂直調整技術，該技術直接改變液晶單元結構，讓顯示效能大幅提升，其視角可達 170 度，反應時間達 25ms 以內，500:1 的超高對比能力以及高達 70%的原色顯示能力。實際上 PVA 跟 MVA 極其相似。PVA 採用透明的 ITO 層代替 MVA 中的凸起物，製造技術與 TN 模式相容性較好。如圖 1-12，PVA 上的 ITO 蝕刻出特定大小的圖形，上下兩層的縫並不對應，從剖面上看，上下兩端的電極正好依次錯開，平行的電極之間也恰好形成一個傾斜的電場來調配光線[13]。透明電極可以獲得更好的開口率，最大限度減少背光源的浪費。. 圖 1-12 PVA（Patterned Vertical Alignment）顯示原理。. 1.4.5 FFS 顯示技術現代(Hyundai)電子則採用 FFS（Fringe Field Switching）技術也不需要額外的光學補償膜。如圖 1-13，主要是將 IPS 的不透明金屬電極改為透明的 ITO 電極，並縮小電極寬度和間距，在製造上比原先的 IPS 技術複雜，但因為使用了透明的 ITO 電極讓透光率比 IPS 高出 2 倍以上。在視角的呈現上達 160 度，反應時間因受制於採用負型液晶製造，反應時間則略遜於 IPS 技術。FFS 結構跟 IPS 模式大同小異，正負電極不再是間隔排列。透明電極不會遮擋光線，所以可以實現達到較高的開口率。FFS 使用負型液晶之光穿透率高，但扭轉黏性較大，回應時間慢 [14]. ；而正型液晶回應時間雖然較快，但光穿透率很低。FFS 技術通過優化液晶，. 在正型液晶上也獲得了負型液晶 90％左右的. 14.

(29) 光效率，使得透光率和回應時間可兼得。. 圖 1-13 FFS（Fringe Field Switching）顯示原理。. 1.5 配向技術由於液晶長條形分子幾何結構的特異性，如何有效控制液晶分子導軸排列的方式，使液晶顯示器有最佳的亮暗態對比度，是液晶顯示器的應用中非常重要的技術。由於在一般液晶樣品中，液晶分子填充於非常薄(約 4 μm)的兩片玻璃板之間，沒有經過表面配向處理的液晶樣品會呈現非常多隨機分子導軸指向的小區塊和不連續面，嚴重影響顯示的效果。一般液晶的表面配向分成水平配向 (Homogeneous)和垂直配向(Homeotropic)，如圖 1-14(a)及(b)所示。液晶水平配向的原理是在玻璃表面利用絨布摩擦(Rubbing)形成類似溝槽的表面凹凸構造，液晶分子順著溝槽排列時會有最低的能量狀態而呈最穩定狀態，此外水平配向時通常會使用對基板斜向蒸鍍的方法使液晶分子呈現預傾角(Pretilt angle)，以便施加外電場時液晶分子能遵循預傾角的方向旋轉以響應電場，確保施加電場之後液晶分子旋轉時不會產生不連續面。液晶垂直配向的原理是在玻璃表面鍵結長形分子，利用與液晶分子間的作用力讓液晶分子長軸與玻璃面垂直排列以達到最穩定的能量狀態。近來在液晶配向處理的方法上，還開發出了光配向(photo-alignment)及高分子安定化垂直配向 (Polymer Stabilization Vertical-Alignment)；兩者皆為非接觸式配向技. 15.

(30) 術，PSVA 與光配向技術類似，皆需使用 UV 光進行照射配向，並可搭配 IPS/MVA 等廣視角技術進行面板生產，對於採用光配向技術的 LCD 面板的主要特色如下： 1.對比高達 5000：1，較傳統面板高出 60％以上，可以顯示出極端深邃的黑色表現。 2.開口率較傳統面板高出 20％，光利用效率提升可以有效節省能源使用。 3.反應速度為傳統面板的 2 倍，高反應速度適合應用於 3D 立體電視。 4.簡化面板結構有助於提升生產效率。. 圖 1-14 液晶表面配向方式(a)水平配向、(b)垂直配向。. 1.5.1 光配向技術由夏普(Sharp)開發的光配向技術(photo-alignment technology) [15]應用在 LCD 面板，此技術能夠以簡單的 LCD 面板結構來精確地控制液晶分子的配向。Sharp 為全球首次採用此技術應用在新形式 LCD 面板的生產，對於下世代液晶電視有重大突破。如圖 1-15 玻璃基板塗上 Sharp 自行開發的特殊材料，作為配向膜。當照射 UV 光時，配向膜的高分子自動導向成 UV 光照射的角度，液晶分子預傾角度自動導向成配向膜高分子的方向。. 16.

(31) 圖 1-15 光配向技術(photo-alignment technology)原理。. 1.5.2 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. 17.

(32) 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。. 18.

(33) 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。. 19.

(34) 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。. 20.

(35) 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: x2/nx2 + y2/ny2 + z2/nz2 = 1. (2.1). 其中 nx、ny 及 nz 表示光在 x、y、z 三個方向上所感受到的折射率。nx、ny 及 nz 三折射率皆不盡相同，若: (1) nx ≠ ny ≠ nz 稱為為雙光軸材料 (2) nx = ny ≠ nz 稱為為單光軸材料(z 軸為光軸) 其中單光軸材料又可分為 (a) nx = ny< nz，稱正單光軸材料 (b) nx = ny > nz，稱負單光軸材料當光電場垂直於光軸入射液晶材料時，光所感受到的折射率為 no，稱為尋常折射率(Ordinary Refractive Index)；當光電場平行於光軸入射液晶材料時，光所感受到的折射率為 n e，稱為非尋常折射率(Extraordinary Refractive Index)。△n = ne-no，△n 稱之為雙折射率。以正單光軸液晶材料而言，定義 nx = ny = no 且 nz = ne，此時 (1) Δn = ne - no > 0，稱為正型液晶 (2) Δn = ne - no < 0，稱為負型液晶。. 圖 2-2 (a) z 軸入射光分成兩垂直液晶分子導軸分量的偏振光； (b) y 軸入射光分成垂直與平行液晶分子導軸分量的偏振光。. 21.

(36) 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. 22.

(37) 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. 23.

(38) 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。. 24.

(39) 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。. 25.

(40) 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 配向理論為了有效發揮液晶的雙折射特性，使液晶皆能指向同一方向，因此 LCD 面板於 TFT 與 CF 側表面氧化錫銦薄膜(ITO, Indium Tin Oxide)在塗上一層具有良好的熱穩定性當作配向膜，即高分子聚醯亞胺(Polyimide)，早期配向膜經由絨毛布以水平摩擦方式，產生特定方向之溝槽可使液晶排列之方向與玻璃基板成垂直或水平，當液晶分子長軸平行於配向膜稱為 Homogeneous Alignment；若長軸垂直於配向膜上則稱為 Vertical Alginment。當絨毛布延著摩擦方向在高分子膜表面產生同方向分子異向性(Anisotropic Orientation)，由上述特性及溝槽兩種作用下，決定了向列型液晶的導軸方向。配向膜對 LCD 主要的特性如下: (1)液晶分子朝向一致方向排列，可獲得較均勻的顯示效果。 (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。 (4)擁有錨定能(Anchoring Energy)，增加液晶旋轉穩定定。. 26.

(41) 以下就 LCD 面板配向之錨定能理論、Photo alignment、Polymer Stabilization Vertical-Alignment 理論做說明。. 2.3 錨定能理論早期對液晶分子的研究，大部分都假設表面錨定能為無窮大，這意味者在表面的液晶分子都會按照基板表面方向進行排列，因此表面液晶分子方向都是固定同一方向。實際上卻並非如此，錨定能主要是用來解釋配向膜表面的液晶分子與配向膜之間作用力之大小，可反應出液晶分子定向排列的程度，於 1969 年 A. Rapini 和 M. Papoular 所發表之表面自由能密度式[21]: Fs=1/2 Wθ sin2 Δα+1/2 Wφ sin 2 Δφ. (2.5). 其中 Δα 與 Δφ 分別為表面液晶分子之傾角(Tilt Angle)和扭轉角(Azimuthal Angle)與表面基板配向的角度差；Wθ 和 Wφ 則分別為界面傾角錨定能與扭轉角錨定能。在這各理論基礎是假設傾角錨定能與扭轉角錨定能是可分離的，並未考慮到兩者錨定能在實際的互相耦合(Coupling)狀況。因此在討論傾角錨定能時使用水平排列未扭轉的模型來推導，而討論扭轉錨定能時則假設預傾角近似於零的模型來推導。. 2.4 溝槽理論 (Groove Theory) 1972 年 Berreman 以連續彈性理論及自由能的觀點來解釋具有規則性溝槽的配向膜對液晶分子排列具有相當的影響性[31]，因為配向膜對液晶分子產生限制長軸於溝槽方向的力量，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)機制光配向主要是一添加染料分子，並使其受光後產生旋轉使液晶轉動，而達到 27.

(42) 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). 其中η為染料分子的增強因子(Enhancement Factor) [26]，主要與染料分子之結構有關，而〈〉則是時間的平均值，光配向隨著η之大小影響液晶與入射光電場方向成垂直或水平。 (a) η>0 : 正力矩效應，液晶與入射光電場方向平行。 (b) η<0 : 負力矩效應，液晶與入射光電場方向垂直。. 28.

(43) 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一片基板旋轉 90 度至第二片基板，此時貼附互相垂直之偏光板後，基板會均勻 29.

(44) 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]。影響正負力矩光配向之因素，主要取決於染料分子之分子結構與種類， Gibbons et al.所使用之 Azo Dye 染料分子會產生負力矩效應，與 Ja’nossy 所使用 Anthraquinone 染料分子所產生之正力矩效應不同。. 圖 2-8 Gibbons et al.負力矩模型。. 2.5.3 光激發偶氮染料同素異構化反應(Photo- Isomerization) 偶氮染料分子(Azo Dye)在吸收波段之入射光照射後，其分子經由吸收光能而產生同素異構化反應，此過程即稱為光激發同素異構化反應(Photo-Isomerization) [29]. ，偶氮分子吸收光能後，由穩定的 Trans 狀態經同素異構化反應變成 Cis 態，. 而處於 Cis 態的偶氮分子也能經由加熱或光激發後回到 Trans 態；如圖 2-9[30]，向列型液晶由於染料分子受光激發後分子由 TransÆCis，由棒狀變成彎曲狀，可帶動液晶分子旋轉，達到光配向之效果。. 30.

(45) 圖 2-9 光激發偶氮染料同素異構化反應。. 2.6 高分子安定化垂直配向(Polymer Stabilization Vertical-Alignment) 2.6.1 液晶高分子組成高分子安定化垂直配向(Polymer Stabilization Vertical-Alignment)這項技術是添加特定單體於具有負介電異向性之液晶混合物。所添加之單體需均勻且穩定，固化速度快等特點，所添加反應性官能基的單體，不可與紫外光進行照射；液晶混合物成分可分為液晶分子、反應性單體、抑制劑及光聚合起始劑四類，本實驗主要選用 M 社所開發之 PSVA 液晶[33]，其成分簡述如下: (1)液晶分子如圖 2-10 所示，液晶分子混合物中 R1、R2、R3、R4 及 R6 系獨立為具有 1 至 12 個碳原子的烷基，其 1 個或 2 個不相鄰的 CH2 基團可另外被-O-、 -CH=CH-、-CO-、-OCO-或-COO-所取代，且氧原子不直接彼此鍵結。. 31.

(46) 圖 2-10 PSVA 液晶分子結構。. (2)反應性單體液晶分子所添加之單體結構式如圖 2-11 所示，其中: P1: 聚合基團，包含有丙烯酸(酯)基或甲基丙烯酸(酯)基。 Sp1:間隔基團或單一基團。 X1: -O-、-S-、-OCH2-、-CO-、-COO-、-OCO-、-CO-NR-、-NR-CO-、 -OCH2-、-SCH2-、-CH2S-、-CH=CH-COO-、-OCC-CH=CH-或單鍵。 Lm: 具有 1 至 7 個碳原子的烷基、烷羧基、烷氧基羧基或烷羧氧基。 R: -H、-F、-Cl、-CN、-SCN、-SF5H、-NO2、具有 1 至 12 個碳原子的單鏈或支鏈烷基、或-X2-Sp2-P2-。. 32.

(47) 圖 2-11 PSVA 液晶分子反應單體結構。. (3) 抑制劑所添加抑制劑結構如圖 2-12，添加抑制劑主要用途可降低液晶混合物反應型單體因光照或受熱所造成的影響，避免反應型單體在進行聚合配向製程之前先行聚合，並大幅提高液晶混合物的穩定性改善聚合配向製程中反應型單體的聚合效果。. 圖 2-12 PSVA 液晶分子抑制劑結構。. (4) 光起始劑 PSVA 主要使用對於光或熱具有高敏感度且穩定性良好的聚合起始劑。. 33.

(48) 2.6.2 PSVA 光配向機制圖 2-13[ 32]為表示 PSVA 液晶分子添加子外光固化單體後經光配向之流程。為使 LCD 面板液晶層之配向膜產生預傾角，施加電場在液晶層（Step 1→ 2）。其中 TFT 之 ITO 畫素 Silt 設計给於液晶分子不同方向之驅動，每個像素的預傾斜角度經由電壓之控制及給予適當能量及波長之紫外光線充分照射表面（Step 3）；經紫外線照射後的之面版，聚合物層形成聚酰亞胺層經由液晶旋轉後產生預傾角度。液晶分子聚合後(Step 4），聚酰亞胺層其表面粗糙度大幅增加了 10nm。. 圖 2-13 PSVA 液晶分子光配向化步驟. 2.6.3 PSVA 畫素結構在 1980 年代添加聚合物材料於液晶上 Polymer-Dispersed Liquid Crystal（PDLC）被廣泛研究，所添加的聚合物用途主要用來穩定液晶層表面。但高對比度是液晶顯示器主要關鍵特性之ㄧ，早期添加液晶分子層裡的聚合物大部份會產生與液晶不匹配的折射係數，這將導致面板因不同折射係數產生光散射現象，使顯示器面板在黑暗狀態而降低了對比度。2004 年，Hanaoka 提出 polymer-sustained alignment （PSA）技術[ 34]，其驅動電場細電極圖以魚骨形狀進行製作產生多區域之預傾角，並在 VA 型液晶分子上添加入以紫外光固化之聚合物單體，研究中經過圖形及液晶高分子的搭配可得到高透光率、更好的黑暗狀態，更快的反應時間。如圖 2-14(a)顯示器畫素的上視圖，TFT 像素以 ITO 透明電極作為主要組成軀幹和長條狀 Silt[32,35]。經過適當的驅動電壓，位於電場附近的液晶隨著 Silt 方向產生不同 34.

(49) domain 之預傾角。如圖 2-14(b)，而 Silt 的尺寸則會影響液晶排列方向及預傾角度；一般來說，Silt 較小的間距可加強電場和高透光率。因此對於傳統 MVA 技術， PSVA 像素結構較為簡單，因為它不需要突起物和特殊 Silt 設計，因此相較 MVA 技術可提升約 20%之穿透率。. 圖2-14 PSVA pixel structure. (a) Top view (b) Cross section view.. 35.

(50) 第三章實驗方法及步驟 3.1 研究方法本研究利用 19”W TN mode 進行 PSVA 液晶分子滴入測試，目的是利用 M 社提供 PSVA 液晶依光學特性找出 Cell 最佳製程條件；其中研究不同驅動電壓及 UV Cure 條件下對 Respond Time 及 Contrast Ratio 之影響，不同 ITO Silt 對 Respond Time 之影響；確認不同 Sealant 對 PSVA 液晶污染性之影響，並利用熱分析儀器確認 PSVA 液晶分子雨一般 TN mode 向列型液晶之差異；並由 HPLC 及 GCMS 確認經 UV cure 反應後，液晶分子之變化及殘留單體率，最終評估 PSVA 液晶量產之可行性。. 研究方向: (1) 不同 UV 波長及照射條件及不同驅動電壓對光學特性之影響。 (2) 不同 ITO Silt (Line & Space) 對面板反應時間之影響。 (3) 不同 Sealant 對 PSVA 液晶分子之污染性研究。 (4) PSVA 液晶與 TN mode 液晶之熱性質差異。 (5)PSVA 液晶經反應後之表面粗糙度及 RM 殘留率。. 3.2 實驗材料 1. Century G 5.1 1200x1300mm 19”W TN mode TFT Substrate. 2. Century G 5.1 1200x1300mm 19”W TN mode CF Substrate. 3. Polyimide Film (PI)，Thickness：C 社 0.7 μm. 2. Sealant: S 社三組 SWB-41/SUR-22/SUR-22M4/SUR-27. 3. AU Ball : S 社 4.6um. 4. Fiber: S 社 5.25um. 5. LC: M 社 PSVA LC / C 社 PSVA LC / TN mode LC. 36.

(51) 3.3 實驗流程. 圖 3-1 實驗流程圖。. 3.4 實驗步驟 3.4.1 Sealant experiment Step1: S 社三組 SWB-41/SUR-22/SUR-22M 進行 Test Cell 製作。 Step2: 使用 USIHO UV Lamp 進行 1000mj & 3000mj 照射。 Step3: 使用 FTIR 進行影部硬化測試，確認不同 Sealant 之硬化條件，圖 3-2。 Step4: 將 PSVA 液晶 0.5mg 放入經 1000mj 及 3000mj 照射之 seal，並經 120℃加熱 1Hr 後，進行 N-I Point 量測，圖 3-3。 Step5: 將 PSVA 液晶 0.5mg 放入經 1000mj 及 3000mj 照射之 seal，並經 120℃加熱 1Hr 後，進行 Test Cell 制作，完成樣品後進行 VHR 量測，確認液晶離子電壓保持率，評估不同 sealant 對 PSVA 液晶污染性，圖 3-4。. 37.

(52) 圖 3-2 Test Cell 影部硬化條件。. 圖 3-3 Sealant N-I Point test flow. 圖 3-4 Sealant VHR Point test flow.. 38.

(53) 3.4.2 TFT ITO silt design 1.於 TFT/ITO 電極製作液晶傾倒控制 Slit，圖 3-5。 2.並於液晶材料添加感光性高分子。 3.於面板組立後，利用施加電場方式使液晶傾倒。 4.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有一預傾角，達到多 Domain 特性。. 圖 3-5 ITO Silt structure.. 3.3.3 ITO film Line & spec design Step1: ITO Line/Space 條件以 Space 最小 3.2um(DOM) 進行均勻光罩測試，最大 5.0um 進行測試。 Step2: 符合 Array 廠 Array PVD 與 ETCH 等測試條件。 Step3:藉由下表 2 line/Space 觀察透過率與 RT 最佳數值。表 2. ITO Line & Spec term.. Step4: ITO 變更光罩圖形如圖 3-7 所示，其中測試條件為 Mura test : 6 個，主要以 0.05um (雙邊)為變化；Line Space : 11 個條件,，以 0.05um (雙邊)為變化，Pattern 變更條件位置如下列三種，圖 3-6:. 39.

(54) (a) Line /Space DOM (5.6 /4.0) Æ黑色邊框 (b) Mura test DOM (5.6 /4.0+0.05(雙邊)) Æ紅色邊框 (c) Line/Space 最佳化設計(不同線寬條件) Æ綠色邊框. 圖 3-6 ITO Silt Mask Design.. 圖 3-7 ITO Silt Mask Design.. 40.

(55) 3.4.3 Cell Process Step1: 使用 C 社提供之 PI 進行 19W TFT &CF PI 印刷，膜厚控制 700A。 Step2: Rubbing by pass，進行 ODF Line 製作，AU ball 4.6um、Fiber 5.25um， Sealant:AU ball :Fiber=100:2:1 調配製作。 Step3: 使用 PSVA 液晶進行 ODF，經 LC Margin 測試結果，LC 3.92mg/drop 進行 ODF 製作。 Step4: TFT & CF substracte 進行 VA chamber 對組。 Step5: 對組完成後，進行 1200x1300mm 面板切割，完成 Panel 包裝後寄送至日本 USIHO。 Step6: 對組完成後，進行 1200x1300mm 面板切割，完成 Panel 包裝後寄送至日本 USIHO。. 圖 3-8 Cell Process Flow Chart.. 41.

(56) 3.4.3 UV Cure Flow Step1: 送至 USIHO 後進行不同條件之驅動電壓設定及 UV 曝光，圖 3-9。 Step2: 完成曝光後再送回工廠端進行 MOD，及光學特性量測。. 圖 3-9 UV Cure Flow Chart.. 3.4.5 UV Lamp Step1: 使用 USHIO 准分子 Excimer (Xe) Lamp 光源，與業界使用金屬鹵化 Metal-Halide Lamp 比較如表 3. Step2: 本次使用 340BB，340BB2，350BB 三種光源，其波長約 320nm-360nm。 Step3: 340BB2 為 340BB 改良型，減少短波長 320nmUV 以下對材料損害。 Step4: 350BB 為最新改良，集中波長範圍,並評估無須 UV2 可能性。 Step5: 340BB，340BB2，350BB 三種光源選用不同測試照射時間。. 42.

(57) 表 3. Excimer & Metal-Halide Lamp Compare table.. 3.4.6 驅動電壓 Step1: 依據照射時間搭配驅動電壓條件，如表 Step2: Merck 使用較完 RSM 整實驗設計組,另取 340BB2 中心水準 1Pcs 進行 UV2 7200sec。 Step3: Chiosso 增加 340BB, 350BB2 實驗設計組, 另取 340BB,350BB2 各 1Pcs 進行 UV2 7200sec。 Step4: UV2 進行 7200sec 照射共 3pcs,再請 Merck 進行感光單體殘留測試，( 表 4.標識紅框所示) 。表 4. 驅動電壓及 UV 照射條件表。. 43.

(58) 3.4.7 UV 照射 Step1:使用 PSVA 液晶製作之 19＂W Panel。 Step2: Stage 冷卻裝置 Chiller unit，溫控 20~25 度。 Step3: 將點燈治具至於 UV1 平台上，圖 3-10。 Step4: 照光時使用遮光布幕遮蔽，圖 3-11。 Step5: 待照射時間完成後，切斷電源取出面板，進行下一實驗。 . 圖 3-10 Power Supply & Probe.. 圖 3-11 UV exposure condition.. 44.