摩擦強度對液晶配向影響的研究
64
0
0
全文
(2)
(3)
(4) 摘要 摩擦強度對於液晶顯示器的配向膜有著顯著的影響。在本論文中 主要是改變摩擦次數來增強摩擦強度，找出適合垂直配向的摩擦強 度。 在本實驗中，主要討論的方向有兩項，第一項是討論極性與液晶 分子的關係。主要使用的儀器為接觸角量測系統，量測液滴與基板的 接觸角，計算極性，離散以及表面能。第二項是摩擦強度的改變對液 晶盒光電特性的影響。將不同摩擦強度的基板組裝成液晶盒，利用光 電量測系統對其作分析。主要分析有光學圖像觀察、穿透率 (Transmittance)、對比度(Contrast Ratio)，以及鮮銳度(Sharpness)。 隨著摩擦強度的增加，基板極性也會增加。而極性的變化，對液 晶分子的預傾角產生了影響。由於液晶分子預傾角的改變，使得液晶 盒光學特性同樣的產生了改變，像穿透率以及對比度，或者是影響畫 面品質的鮮銳度。. I.
(5) Abstract The liquid crystal display on the liquid crystal alignment is known to be influenced by the rubbing strength. In the thesis, in order to figure out the best condition for homeotropic alignment, we add the number of rubbing, which causes the increase of the rubbing strength. In the experiment, we discuss two parts. The first part discusses the relation between polarity and liquid crystal. The instrument used mainly is contact angle measurement system, which measures the contact angle between liquid and sample and calculates the polarity, the dispersion and the surface free energy. In the second part, we change the rubbing strength to analyze the influence of liquid crystal cell. Also, we use the electro-optical measurement to analyze the cell which is fabricated by different rubbing strength. It is at this part that we focus on analyzing the optical texture, transmittance, contract ratio, and sharpness. The sample’s polarity rises as the rubbing strength increases. It is the influence of the liquid crystal pretitle angles that the polarity as well as the liquid crystal cell’s optical property changes. Such changes could be seen in transmittance, contract ratio and sharpness. II.
(6) 致謝 清晨的太陽又再跟我打招呼了，在海科的日子雖然不長，但我學 習到許多一般研究生學不到的事，無論是研究與建設實驗室，碩士班 的生活出乎我意料之外的充實。 這篇論文能夠從我手中寫出來，首先感謝指導教授鄭文軍教授， 以及教導我調整光路的材光所徐瑞鴻教授以及 MATLAB 程式計算提供 意見的張弘文教授。感謝父母親及姊弟在背後的支持，讓我可以一個 人在高雄無憂無慮的生活。在材料提供方面，感謝全台晶像以及 NISSAN CHEMICAL 提供的材料。 這兩年來遭遇過的許多人，或許是因為是第一屆的關係，受到很 多人的照顧，無論是實驗室的同學益誌、勇彰、征晏、學弟妹、有機 光電、有機半導體、飛秒、超快、近代光學、構裝、光調變實驗室的 朋友們想對你們說聲＂謝謝＂。. III.
(7) 目錄 摘要. Ⅰ. 致謝. Ⅲ. 第一章. 序論. 1. 第二章. 液晶的材料種類及其物性. 2. 2-1. 液晶材料的種類. 2. 2-2. 液晶材料的物性. 10. 第三章 3-1. 相關機制與理論. 15. 摩擦配向. 15. 3-1-1. 摩擦理論. 15. 3-1-2. 摩擦強度定義. 16. 3-2. 預傾角. 17. 3-3. 接觸角與表面能. 20. 3-4. VA 顯示之原理. 22. 第四章. 實驗儀器及架構. 25. 4-1. 材料介紹. 25. 4-2. 實驗裝置. 26. 4-2-1. 摩擦配向機. 27. 4-2-2. 表面張力分析儀. 27. IV.
(8) 4-2-3. 熱台偏光顯微鏡. 29. 4-2-4. 光電量測系統. 30. 4-3. 樣品製作. 第五章 5-1. 32. 實驗結果與討論. 34. 表面能與預傾角的關係. 34. 5-1-1. 水平配向膜與垂直配向膜表面能之比較. 34. 5-1-2. 摩擦強度與表面極性及預傾角的相互關係. 35. 5-2. 光電量測. 38. 5-2-1. 摩擦配向的重要性. 38. 5-2-2. 電壓與穿透度的關係. 42. 5-2-3. 對比度的影響. 46. 5-2-4. 預傾角與鮮銳度的影響. 48. 第六章. 結論. 50. 參考文獻. 51. V.
(9) 圖目錄 圖 2-1 液晶隨著溫度不同所產生的相變化示意圖. 3. 圖 2-2 桿狀液晶分子呈現向列型分佈示意圖. 4. 圖 2-3 膽固醇型液晶分子排列示意圖. 5. 圖 2-4 層列型 SmA 液晶排列方式. 7. 圖 2-5 層列型 SmC 液晶排列方式. 7. 圖 2-6 掌性層列型 SmC*液晶排列方式. 8. 圖 2-7 SSFLC 的原件結構(a)已經解開螺旋結構(b)亮態與暗態. 9. 圖 2-8 液晶配向向量和分子配向方向的空間配置關係圖. 11. 圖 2-9 對正型液晶分子施加電場液晶分子的配列變化圖. 13. 圖 2-10 向列行液晶材料基本形變示意圖. 13. 圖 3-1 摩擦強度定義示意圖. 16. 圖 3-2 晶體旋轉法示意圖. 18. 圖 3-3 入射角θ與預傾角α. 18. 圖 3-4 穿透強度 T 與入射光角度θ以及相位差δ的圖形. 19. 圖 3-5 固-液-氣三相平衡. 20. 圖 3-6 液體於氣-固界面上之濕透行為示意圖. 22. 圖 3-7 VA 顯示原理. 23. 圖 4-1 液晶實驗室自製摩擦配向機. 27. VI.
(10) 圖 4-2 表面張力分析儀. 28. 圖 4-3 偏光顯微鏡與熱台. 29. 圖 4-4 光電量測及預傾角量測系統. 30. 圖 4-5 氙燈光電量測系統. 31. 圖 4-6 液晶 CELL 製作流程. 33. 圖 5-1 JALS-9800-R1 與 RN-1338 表面能與摩擦次數. 34. 圖 5-2 RN-1338 摩擦次數與接觸角關係圖(a) Diiodo-Methane (b)去離子水. 36. 圖 5-3 RN-1338 摩擦次數與預傾角關係圖. 37. 圖 5-4 RN-1338 表面極性與預傾角關係圖. 38. 圖 5-5 不同電壓下未摩擦配向液晶盒的光學圖形. 40. 圖 5-6 不同電壓下摩擦配向液晶盒的光學圖形. 41. 圖 5-7 電壓與穿透度的關係. 43. 圖 5-8 電壓與 Retardatione 關係圖. 43. 圖 5-9 各色光的電壓與穿透率之關係(a)摩擦次數 0(b)摩擦次數 1 45 圖 5-10 光電量測系統對比度. 46. 圖 5-11 垂直配向視角問題-亮度不均. 47. 圖 5-12 電壓與透光強度的關係(顯微鏡). 48. VII.
(11) 圖 5-13 預傾角與鮮銳度γ(%). 49. VIII.
(12) 表目錄 表 4-1 MLC-7026-100 特性. 25. 表 4-2 實驗儀器表. 26. 表 4-3 接觸角測定液體特性. 28. IX.
(13) 第一章. 序論. 早期 Twist Nematic（TN）型液晶顯示器是使用水平配向 （Homnogenous Alignment）技術。由於受限於結構因素，使得顯示 器視角不夠寬廣。為了解決視角問題，各種廣視角技術開始蓬勃發 展，例如 Vertical Alignment (VA)、Multi- Vertical Alignment (MVA)、 In-plane Switching (IPS)，以及視角補償膜(Optical Compesation Film ) 等。透過 IPS 技術雖然可以大幅改善視角問題，但是隨之而生的效 果是液晶分子應答速度太慢，並且在特定的視角會產生灰階反轉。 利用光學補償膜雖然能夠增大顯示器視角，不過依然會被受限於某 個角度。位於大視角時會產生灰階不一致之現象。利用垂直配向技 術改善視角，分子不但能夠有極佳的應答速度，並且較容易控制。 本篇論文主要研究 VA 型配向技術。透過使用不同的摩擦強度， 以改變配向層表面結構，探討表面的變化與對液晶分子的影響。本 論文主要分為五個章節。在第二章中，主要是介紹液晶分子的基礎 概念及其物理性質。第三章分針對研究上使用的量測理論以及基板 處理機制做概要性的敘述。第四章在研究上所使用的材料做介紹， 並且對基板處理設備以及量測系統理論作簡介。第五章為整合研究 上所獲得的數據，並且探討其結果。最後一章為本研究的結論。. 1.
(14) 第二章. 液晶的材料種類及其物性. 2-1 液晶材料的種類 液晶物質是在西元 1888 年由奧地利植物學 F.Reinitzer[1]博士從 大自然界的鐵電性物質中偶然發現的。此新物質有液體的流動性，兼 具固體的雙折射特性。當此物質受到外加電場的作用時，將會改變通 過此液晶材料的光線性質。近年來液晶分子成功地應用在平面顯示技 術上，液晶逐漸運用在各式各樣的產品上。 從出現液晶相的物理條件來看，液晶可以分為熱致液晶和溶致液 晶兩大類[2-4]。目前用於顯示的液晶材料大多都是熱致液晶。 1.熱致型液晶： 熱致型液晶的特點為：液晶分子的排列隨著外界給予的熱能不同 而改變，進而形成多樣化的液晶相，如圖 2-1。其原理為在某一溫度 範圍，液晶分子具有足夠的動能破壞原本的狀態，同時分子間仍存在 某種程度的作用力而保持一定的排列，使得液晶分子由固體開始傾向 液體的趨勢。液晶分子的結構是將剛硬的核心（Rigid core）接上柔 軟的側鏈。分子在低溫的時候，熱能不足以克服結晶能，分子間的排 列仍然十分規則，是為結晶態（Crystal phase） 。溫度稍微升高時，側 鏈的柔軟部分已有足夠的動能，使其形成液體的趨勢。然而，剛硬部 分仍然有規則排列的現象，因此形成液晶態(Liquid crystal phase)。隨. 2.
(15) 著溫度繼續升高，分子具有足夠動能，足以破壞原有液晶的規則排 列，使其形成各向同性態（Isotropic phase）。. FIG. 2-1 液晶隨著溫度不同所產生的相變化示意圖 2.溶致型液晶： 溶致型液晶為：將某些有機物加入特定溶劑中，透過溶劑破壞結 晶晶格，使得有機物開始出現液晶相。隨著溶液濃度的改變也會引發 液晶相，最常見的例子有是肥皂水。溶致型液晶廣泛存在於自然界、 生物體中，與生命息息相關，但在顯示中尚無應用。 依照分子的排列方式可以分為向列型、層列型以及膽固醇型。 (1)向列型液晶（Nematic liquid crystals） Nematic 是由希臘語而來，透過偏光顯微鏡觀察液晶的薄層，呈 現絲狀型結構，故稱之為絲相。向列型液晶由棒狀分子(Rod-like molecules)組成，分子質心沒有長程有序性，具有類似於普通液體的 流動性。分子無法排列成層狀結構，分子長軸方向上保持相互平行或 近似平行，除此之外不論上下左右，皆無其他排列的規則性，如圖. 3.
(16) 2-2。 由宏觀角度探討，向列型液晶其分子重心混亂無序，並且能夠在 三維範圍內移動，具有類似液體的流動性。所有液晶分子的長軸大體 指向一個方向，造成了平行於分子長軸和垂直於分子長軸的折射係數 不同，使得向列型液晶具有單軸晶體的光學特性。由於液晶分子具有 明顯的介電各向異性，透過外加電場能夠對向列型液晶分子進行控 制，改變分子原有的有序狀態，進而改變液晶的光學特性。由於透過 改變外加電場能夠實現液晶分子調製外界光的特性，向列型液晶已成 為現代顯示器件中應用最為廣泛的液晶材料。. FIG. 2-2 桿狀液晶分子呈現向列型分佈示意圖 此外，與層列型（Smetic）液晶相比，向列型液晶的黏度小，富 於流動性。產生流動性的原因，主要是由於向列型液晶各個分子容易 順著長軸方向自由移動。向列型液晶分子的排列和運動比層列型液晶 較自由，對外界作用相當敏感，因而應用廣泛。. 4.
(17) (2)膽固醇型液晶（Cholesteric liquid crystal） 此類液晶最早是從膽固醇類物質中發現的，當膽固醇在經過脂化 或鹵素取代後會出現液晶相，故稱之為膽固醇型液晶。液晶層內分子 互相平行，分子長軸平行於層平面，不同層的分子長軸方向稍有變 化，並且沿液晶層的法線方向排列成螺旋狀結構，如圖 2-3。. FIG. 2-3 膽固醇型液晶分子排列示意圖 當兩個不同平面上的分子長軸沿法線方向經歷 360°的變化後，回 到了初始取向，這個週期性的層間距離稱為膽固醇型液晶的螺矩 (Pitch)。向列型液晶與膽固醇型液晶彼此之間能夠互相轉換。在向列 型液晶中加入旋光材料，會形成膽固醇型液晶，而在膽固醇型液晶中 加入消旋光向列型材料，能將膽固醇型液晶轉變成向列型液晶。在顯 示技術方面，透過將不同比例的膽固醇型液晶加入向列型液晶中，能 夠使得向列型液晶的可旋轉角度為 80-270 度，為 STN(Super Twisted 5.
(18) Nematic)顯示器中所使用的液晶材料。. (3)層列型液晶（Smectic liquid crystals） Smectic 也是由希臘語而來，是肥皂狀之意。由於此類型的液晶 分子在濃肥皂水溶液中，透過偏光顯微鏡觀察，皆出現特有的光學圖 像，因而命名為皂相。層列型液晶由棒狀分子組成，分子排列成層狀， 層內分子長軸彼此互相平行，其方向垂直於層面，或與層面傾斜排 列。因分子排列整齊，其規整性接近晶體，具有二維有序性。分子質 心位置在層內無序，可以自由平移，因而有流動性。由於分子黏滯係 數很大，同一層內分子之間具有較大的作用力，使得分子無法在上下 層之間移動。層列型液晶黏度大，分子不易轉動，即應答速度慢，一 般不宜作顯示器件。以下簡述幾種層列型液晶常見的排列方式： (a)層列 A 相（Smectic A） 層列 A 相的分子長軸垂直於每一層的平面，即分子排列方向皆 平行於層的法線方向，但是每一層分子間的排列較不規則，類似二維 液體，如圖 2-4 所示。層列 A 相的層厚度（Layer spacing）僅略小於 分子完全伸展時的長度，顯示分子配向可能是傾斜，或者是分子末端 基產生變形。從光學上探討，分子光軸方向垂直於層的平面，屬於單 光軸（Uniaxial）介質。. 6.
(19) FIG. 2-4 層列型 SmA 液晶排列方式 (b)層列 C 相（Smectic C） 層列 C 相的液晶分子排列方式與層列 A 相類似，但是各層面中 的分子長軸與層面法線間夾有一個角度 θ，此夾角稱為傾斜角（Ti1t ang1e），如圖 2-5 所示。. FIG. 2-5 層列型 SmC 液晶排列方式 層面與層面之間的距離(d)能夠藉由預傾角(θ)以及分子長度(L)， 透過三角函數公式 d=Lcosθ 所求得。與 SmA 相比較，SmC 分子層 厚度較小。隨著溫度的降低，預傾角會逐漸變大，使得分子層的厚度. 7.
(20) 因而變小。探討 SmC 相在光學上的性質：由於分子光軸與層面法線 不為平行，而是夾有一角度，屬於雙光軸（Biaxial）介質。 (c)掌性層列 C 相（Chiral Smectic C：SmC*） 掌性層列 C 相因具有旋光性，所以又稱旋光層列 C 相，此型液 晶分子不但傾斜一定角度，且分子傾斜的方向逐層旋轉一個小角度， 如圖 2-6 所示。. FIG. 2-6 掌性層列型 SmC*液晶排列方式 沿螺旋主軸轉動 360 度所行進之距離，稱為螺距（Pitch，以 P 表示，約一至數微米） ，其值與分子結構及溫度有關。結構呈現左旋 或右旋則視構成分子之掌性（Chirality）與芳香環之關係而定。掌性 層列相液晶分子之化學結構中，不存在反轉對稱中心，極性方向會垂 直於分子主軸及層面法線[5]。此液晶相因具鐵電性，故又稱為鐵電 液晶相（SmC*） 。1980 年，克拉克（N.A.Clark）與賴葛沃（S.T.Lagerwall） 提出將鐵電性液晶（Ferroelectric Liquid Crystal:FLC）運用在顯示器 上，為表面穩定鐵電性液晶（Surface Stabilized Ferroelectric Liquid Crystal：SSFLC）。表面穩定鐵電性液晶具有螺旋狀層列型液晶的特 性，在極薄膜狀態下（CELL GAP 約 2μm） ，會被基板表面能量束縛. 8.
(21) 住而形成雙穩態。圖 2-7 表示液晶配向與動作之示意圖。Sc*液晶分 子在圓錐內動作，藉由與自發極化與電場之乘積成正比之扭力，來切 換兩狀態間。透射率與電場之關係對應電場之極性，表示滯後之記憶 性。. (a). (b) FIG. 2-7 SSFLC 的原件結構(a)已經解開螺旋結構(b)亮態與暗態. 9.
(22) SSFLC 之主要特點為以下三點： 1.具有記憶性，故掃瞄線數沒有限制。適合高精細顯示之顯示方式。 2.響應速度快。目前能實現數十 μsec 的寫入時間。 3.具有廣視角。從任何角度觀看，皆能得到相圖的顯示品質。不過仍 存在兩個問題，其一是因記憶效應而伴隨者產生殘影現象，而另一則 是此一液晶分子的配向較難控制（易產生缺陷）[6-8]。 2-2 液晶材料的物性 一般液晶分子的物性（物理性質或物質特性）具有異方向性、分 子配列秩序性、光學物性（折射率） 、熱物性、鐵電性、介電性、磁 物性（磁化率） 、電場效應（導電率與電阻性） 、流體力學（黏度）以 及力學（彈性係數）等。 1.異方向性（Anisotropy） 液晶分子的異方向性，是指與分子長軸方向有相異的物性值。負 值的介電值異方向性（Negative Dielectric Anisotropy）物質，亦就是 負型的液晶分子，其電偶極矩的方向約略地垂直於液晶分子軸的方 向；正值的介電值異方向性（Positive Dielectric Anisotropy）的物質， 則是正型的液晶分子，其電偶極矩的方向約略地平行於液晶分子軸的 方向。. 10.
(23) 2.分子配向秩序參數（Orientational Order Parameter，S） 液晶分子配向的整齊度乃是相依於液晶分子熱運動時之亂度、分 子構造以及其形狀等因素，而分子配向秩序參數 S 則是一種液晶分子 整齊度以及其配列的重要指標。在圖 2-8 中，將液晶分子的配向向量， 以及分子配向方向之空間配置定義為分子配列秩序參數（S） 。. FIG. 2-8 液晶配向向量和分子配向方向的空間配置關係圖. S =< 3 cos 2 θ − 1 > / 2 上式中，< >內表示全空間的平均值。若液晶分子長軸的配向方向完 全隨意分佈的話，則分子配列秩序參數值等於零；而若是完全平行的 話，則分子配列秩序參數值等於 1.0。由於分子配向秩序參數存在有 溫度相依性，而折射率異方向性（ Δn ）、介電率異方向性（ Δε ）、以 及磁化率異方向性（ Δχ ）等溫度相依性的關係，對於分子配向秩序 參數之溫度相依性有很大的影響性。分子配向秩序參數值是可由吸收 二色性法、核磁共振吸收光譜（NMR）以及 X 射線等實驗量測而取 11.
(24) 得其定量性的數據。 3.折射率異方向性（ Δn = n& − n⊥ =ne-no） 液晶分子不但具有光學單一軸性，並且具備有所謂的折射率異方 向性，此一特性稱之為雙折射(Birefringence）。在此定義液晶長軸為 光軸其而電場振動方向垂直於光軸的光稱為正常光(o-ray)；電場振動 方向有平行於光軸分量的光稱為異常光 (e-ray)，而其相對應的折射 率即為ne及no。 以向列型液晶材料而言，當波長的長度變短， Δn 的值將變大。. Δn 的波長相依性可用 Cauchy 方程式將其表示如下： Δn = A + B / λ2 + C / λ4. A、B 以及 C 均為常數。 Δn 也存有溫度相依性，在高溫的時候，則其 Δn 值也有變小的傾向。. 4.介電率的異方向性( Δε = ε & − ε ⊥ ) 液晶材料具有介電率異方向性，而且可分為平行液晶長軸方向的 平行介電率，以及與液晶分子長軸垂直的介電率。介電率異方向性定 ，當介電率異方向性 Δε 的值大於零時，則此材料稱 義為（ Δε = ε & − ε ⊥ ） 之為正型的液晶分子，反之則稱為負型液晶分子。以正型液晶分子為 例，如圖 2-9，液晶分子長軸方向與電場方向平行，因而使液晶分子 產生配列變化，而負型液晶分子的長軸則是與電場垂直。液晶平面顯. 12.
(25) 示器的原理即是施加電場於液晶盒內的液晶分子，利用其配列的變化 作用，進行影像顯示的功能。當液晶平面顯示器在進行調節的時候， 依驅動的方法不同，不得不考慮其液晶分子的介電率異方向性。. FIG. 2-9 對正型液晶分子施加電場液晶分子的配列變化圖 5.彈性係數（ K11 、 K 22 、 K 33 ） 液晶分子具有與其液晶分子長軸方向變化相關連的微弱異向彈 性物性，如圖 2-10 所示有 Splay、Twist 以及 Bend 等三種形式。. FIG. 2-10 向列行液晶材料基本形變示意圖. 13.
(26) 其相對應的彈性係數稱之為 K11 、 K 22 、 K 33 。對向列型液晶材料 而言，其彈性係數大約 10 −12 ～ 10 −13 。液晶分子均一性、扭曲、混成以 及傾斜等基本配列示意圖也列於圖 1-10。事實上，液晶分子的彈性係 數相依於液晶材料的分子構造、形狀、接合狀態以及溫度等因素，並 且也是檢視液晶平面顯示器之表示特性的重要物性值。. 14.
(27) 第三章 相關機制與理論 3-1 摩擦配向 3-1-1 摩擦理論 透過表面處理的方式，能夠使液晶分子排列成特定的結構。因此 表面處理在液晶配向中扮演著重要的角色。 目前讓液晶分子有效排列的技術有：(1)傾斜蒸鍍法蒸鍍無機材 料( SiOx )[9-12]，(2)定向摩擦高分子薄膜(液晶配向膜)[13]，(3)光配向 法[14-16]等。其中由於定向摩擦高分子薄膜法具有設備成本低、大型 基板的加工均一性佳、連續生產性高等優點，使得目前業界和學術界 大多都是利用此法對配向液晶分子。雖然此種技術產生相當多的問 題，例如容易產生灰塵以及靜電，但對於在液晶配向上，仍然是最主 要也是最方便的技術。 本論文也是利用定向摩擦高分子薄膜法讓液晶分子有效排列。探 討定性摩擦高分子薄膜為何會使液晶分子產生有序排列。第一個說法 是 1972 年 Berreman 認為定向摩擦所造成的微細溝槽是造成液晶有 序排列的主因。他計算溝槽與液晶分子之彈性能發現，當液晶分子朝 著溝槽方向排列會有最低自由能，因此液晶分子才會沿著摩擦所造成 的溝槽排列。第二個說法是 1988 年由 Castellano[17]所提出。他認為 液晶分子排列最主要的原因是由於定向摩擦配向膜時，配向膜的高分. 15.
(28) 子鏈會重新排列，經由高分子鏈與液晶分子之間的交互作用，造成液 晶分子會沿著特定方向排列。在最近的研究中，以第二種說法得到較 多的認同。. 3-1-2 摩擦強度定義 為了方便描述摩擦的強度，我們必須定量的表示摩擦強度。摩擦 配向機主要是由包覆上短毛的可旋轉滾筒，以及用來固定基板、能夠 進行單一方向移動的平台所構成。主要影響摩擦強度的參數有幾項： 位移平台的前進速度、滾筒旋轉速度、基板摩擦次數，以及毛刷對基 板所產生的壓力，如圖 3-1。Uchida et al .[18]、Aerle et al.[19] 、 D.-S. Seo[20]等人皆對摩擦強度給予定義，本論文我們採用. RS = N Λ (2π rω / v − 1). FIG. 3-1 摩擦強度定義示意圖 其中 N：摩擦次數 Λ：入毛深度 r：滾筒半徑 ω：滾筒轉速 ν：基板前進速度。. 16.
(29) 3-2 預傾角 一般而言，液晶分子排列的方式粗略分為三種。第一種為液晶分 子長軸平行於配向膜，稱為Homogeneous Alignment；第二種為長軸 垂直於配向膜上，稱為Hetergeneous或Vertical Alignment。但在液晶顯 示器之應用上，液晶分子與配向膜表面必須呈某一角度的傾斜，即預 傾角(Pretilt Angle)，如此才能達到均一配向的效果。預傾角是影響 LCD顯示特性的重要參數，角度大小主要取決於：(I)配向膜的物化作 用力，如氫鍵(Hydrogen bond)、凡得瓦力(Vander Waals force)及 Dipole-dipole force；(II)機械力效應，即溝槽(Groove)或配向膜表面型 態。 目前量測預傾角的方法有：晶體旋轉法( Crystal rotation method )、圖形觀察法( Conoscopic observation method )、磁場量測法 Magnetic null method )等等[21-23]。本實驗以晶體旋轉法為主，其實 驗基本架設如圖3-2所示，光線首先經過一片偏振片後入射到液晶樣 品，然後經過另一片偏振片，最後擷取穿透光的光強度。這裡需注意 的是，兩片偏振片的擺設互為垂直，液晶分子的光軸方向需和偏振片 夾四十五度角，另外液晶樣品旋轉的轉軸也需要和液晶分子的光軸方 向垂直。. 17.
(30) FIG. 3-2 晶體旋轉法示意圖. FIG. 3-3 入射角θ與預傾角α 在圖3-3中，θ為入射光與z 軸的夾角，α為液晶分子的預傾角，d 為樣品的厚度。經由計算可知，晶體旋轉法的光穿透強度T 可寫為：. T (θ ) =| E |2 = 1/ 2sin 2 |1/ 2δ (θ ) | 18.
(31) 上式之中θ為入射光與y 軸的夾角；δ(θ)為尋常光折射率( no )與非尋常 光折射率( ne )的光程差，其方程式可以下式表示：. d 1 2 2 1 a 2b 2 1 δ (θ ) = 2π [ 2 (a − b ) sin α cos α sin θ + 2 (1 − 2 sin 2 θ )1/ 2 − (1 − b 2 sin 2 θ )1/ 2 ] λ c c c b 其中 a. = 1/ ne , b = 1/ no , c 2 = a 2 cos 2 α + b 2 sin 2 α. FIG. 3-4 穿透強度T與入射光角度θ以及相位差δ的圖形[24] 圖3-4為穿透強度T與入射光角度θ以及相位差δ的圖形。其中中間 紅線（約24°）的位置的就是預傾角的位置，曲線以此為對稱點，呈 現出對稱的圖形。此時δ剛好為極大值，因此我們可以用 求得樣品的預傾角α。. 19. ∂δ (θ ) = 0來 ∂θ.
(32) 3-3 接觸角與表面能 當液體置於固體表面時，可以視為是一個氣(V)-液(L)-固(S)三相 共存的系統，其中氣相可以是液體的飽和蒸氣、有時候也可以是空 氣。此一系統具有三個界面張力 V-L、L-S、V-S，分別對應於氣-液、 液-固與氣-固界面，如圖 3-5 所示。. FIG. 3-5 固-液-氣三相平衡 當系統達到平衡時，這三個張力間的關係滿足 Young’s equation: γ VS = γ LS + γ VL cosθ. 也可改成 k=. γ VS − γ LS cos θ γ VL. 其中 θ 定義為接觸角(Contact angle)， γ VL ：氣-液表面張力 γ LS ：液-固 表面張力， γ VS ：氣-固表面張力，而 k 被稱之為濕透係數( Wetting coefficient)。依據接觸角與濕透係數的數值不同，可以將液體在氣固界面上所表現的濕透行為分為四大類，如圖 3-6 所示： 1.θ = 0 則 k=1：此時，張力間的關係為 θ VS = θ LS + θ VL 。顯示在氣- 固 20.
(33) 兩相之間存在一層液體的濕透薄膜以達到系統最低總能量。在這 種情況下，我們稱該液體在固體表面上呈現完全濕透行為，如圖 3-6(a)。 2. 0<θ<π/2 則 0< k <1：此時， 張力間的關係為 θ VS < θ LS + θ VL 且 θ VS > θ LS 。因此液體傾向於增加與固體的接觸面積，進而減少空. 氣與固體的接觸面積，以降低系統總能量。該液體在固體表面上 聚成一個液滴形狀，我們稱之為部分濕透狀態，如圖 3-6(b)。 3.π/2 <θ<π 則−1< k < 0：該液體在固體表面上仍呈現部分濕透行 為。但此時，張力間的關係變成 θ VS < θ LS ，因此液體傾向於減少 與固體的接觸表面積，以降低系統總能量，如圖 3-6(c)。 4.θ = π 則 k = −1：該液體在固體表面上呈現非濕透行為，如圖。 張力間的關係式滿足 θ VS = θ LS + θ VL ，顯示在固液之間會有一層氣 體薄膜阻隔。圖(a)、(b)為完全濕潤與部分濕潤，表示液體與物 體表面間的接觸角小於 90 度( θ C < 90 0 )時，定義此物體表面為親 水性。此物體表面吸引水滴。在極乾淨的玻璃或金屬表面，水滴 可以橫向擴展到相當大的面積，此時水的厚度極小。圖 3-6(c)、 (d)為部分濕潤與非濕潤，尤其是圖 3-6(c)其部分濕潤會以角度區 分，當液體與物體表面間的接觸角大於 90 度( θ C > 90 0 )時，定 義此物體表面為疏水性，此物體表面排斥水滴。在此物體表面的. 21.
(34) 水滴無法向兩旁擴展，所以呈現水圓球的形狀。. FIG. 3-6 液體於氣-固界面上之濕透行為示意圖 有了液體與固體的接觸角後，再帶入計算表面能的方程式(Owens and Wendt equation)[25] γ VL （1+cosθ）=2( γ S d γ VL d ) 1 / 2 +2( γ S p γ VL p ) 1 / 2. 其中 γ VL :液體表面張力. γ S p :固體極性. γ VL p ：液體極性. γ S d ：固體分散性. γ VL d ：液體分散性. 3-4 VA(Vertical Alignment)顯示之原理 垂直配向之結構圖如圖3-7所示。介電異方性為負( Δε < 0 )之向列 型液晶在未加電場時是垂直於基板，由於入射光與液晶光軸平行，因 此入射光（直線偏光）於通過液晶膜時並不會產生光學雙折射性現 象，使得偏振光無法穿透第二個偏光片（檢光片） ，此時為黑色。反 之，當外加電壓超過臨界電壓Vth時，除了在基板附近的液晶分子 22.
(35) 外 ，其他的分子長軸將以一定角度φ傾斜，並且角度會隨著電壓的增 加而增大，入射直線偏光會受到雙折射影響而變成橢圓偏振光。. FIG. 3-7 VA顯示原理 因此就會有部份的光穿透第二片偏振片（檢偏片） ，此一透過光 的強度為. I = I 0 sin 2 2θ sin 2 (. πR ) ………………………（1） λ. 公式中 I 0 為入射光強度，θ 為入射光偏極方向與液晶長軸的夾角，λ 為 入射光波長，R為液晶的延遲量(Retardation)。R為下式：. R=. Δnd κ + 1 + | Δε |. .. ε&. V − Vth Vth ………………………（2）. Δn為液晶的雙折射率，d為液晶的厚度(Cell Gap)，Vth為臨界電壓值 23.
(36) κ=(K11-K33)/K33， ε & 為液晶分子長軸方向的介電值。由式(1)可知，若 要得到最高的穿透度，須將加入電壓時所有液晶分子的傾斜位置對齊 在 θ ＝45°，即摩擦方向與偏振片夾角為45度。且為了要有良好的均一 性，因此VA大多使用有數度預傾角的垂直配向層。. 24.
(37) 第四章 實驗儀器及架構 4-1 材料介紹 實驗中所採用的液晶材料為 MLC-7026-100（Merck），為負型 （Δε< 0 ）液晶，適用在 VA 液晶平面顯示器。詳細資料如下表 4-1， MLC-7026-100. 液晶材料. TNI. 80.5℃. Δn. 0.1091. Δε. -3.6. V10 (Cap.). 2.1V(est.). γ1. 142mPas 表 4-1 MLC-7026-100 特性. 其中 V10 (Cap.) 為 Capacitive threshold voltage， γ 1 為黏滯係數。 配向膜的選取對液晶顯示器而言是相當重要的，不同的配向膜會 提供不同的預傾角以及光學特性。一般水平配向主要是使用低預傾角 的配向膜，而垂直配向則是使用高預傾角的配向膜。而在本次實驗中 所選取的是 RN-1338（NISSAN CHEMICAL），主要是垂直配向的配 向膜材料，此材料的預傾角約 89 度。. 25.
(38) 4-2 實驗裝置 本次研究所用到的儀器如表 4-2 所示，較特殊將會介紹。 儀器. 型號. 廠商. 超音波清洗機. MODEL1500. VWR. 旋轉塗佈機. WS-400A-6NPP/LITE SHOWN. LAURELL. 摩擦配向機. GP-01. 自制. 穩頻氦氖雷射. 25-LHR-151-249. MELLES GRIOT. 電動旋轉台. LRS150PP. NEWPORT. 電動控制器. ESP300. NEWPORT. 任意波形產生器 33120A. HEELEET PACKARD. 示波器. DSO6034A. AGILENT. 接觸角量測儀. DSA100. KRUSS. 光學偏光顯微鏡 Axioskop 40. ZEISS. 熱台. LTP 350. LINKAM. 熱台控制器. TMS94. LINKAM. 氙燈. 66901. NEWPORT. 單光儀. 74100. NEWPORT 表 4-2 實驗儀器表. 26.
(39) 4-2-1 摩擦配向機 摩擦配向機為本次實驗最主要的裝置，由本實驗室自行製做。主 要可分為兩部分，滾筒以及平台。滾筒的轉速為 135rpm，其表面黏 附上一層高分子纖維用來摩擦基板。滾筒也可以上下調整高度，以達 到我們所需求的入毛深度來改變摩擦強度的大小。平台主要是使用步 進馬達來控制其速度，主要目的是可以穩定以及迅速地移動平台。. FIG. 4-1 液晶實驗室自製摩擦配向機. 4-2-2 接觸角量測儀 本研究中所使用的接觸角量測儀型號為 DSA100 ( Kruss )，如圖 4-2 所示。量測方法是利用光源穿透液滴，之後成像於 CCD 錄影機 上，透過 CCD 錄影機的影像擷取加上軟體輔助分析，對液滴的接觸 角做量測，更進一步地，能夠透過軟體分析基板表面能。除此之外， 本設備加裝有手動旋轉平台，精確度為 1°，可透過旋轉平台觀測基板 27.
(40) 在不同方向的接觸角。實驗上使用三種已知液體去測量未知固體的表 面能，分別為 DI Water(Storm)、Diiodo-Methane (Strom)和 Glycerol (Strom)，各個液體的表面能(IFT)、離散係數(Disperse)，以及極化係 數(Polar)如下表 4-3 所示。 液體名稱. IFT(mN/m). Disperse(mN/m). Polar(mN/m). DI Water(Strom). 72.8. 21.8. 51. 50.8. 50.8. 0. Diiodo-Methane （Strom). 表 4-3 接觸角測定液體特性. FIG. 4-2 接觸角量測儀 28.
(41) 4-2-3 熱台偏光顯微鏡 光學偏光顯微鏡Axioscop 40 ( ZEISS )，如圖4-3所示，具有穩壓 光源，利用可切換式模組能夠對樣品實施穿透式以及反射式的觀察。 顯微鏡載物台為可旋轉式，旋轉幅度為0度-360度，最小刻度為1度。 溫度控制系統為TMS94 Temperature system(Linkam)，熱台溫度最高 能夠升溫至 350℃，透過液態氮冷卻裝置能夠將溫度降至 -194℃； 熱台最大及最小的升降溫速度為 30℃/min及0.1℃/min，溫度控制精 確值在 ±0.1℃。本研究所使用的溫度操作範圍僅在室溫(27℃)至 100℃。. FIG. 4-3 偏光顯微鏡與熱台 29.
(42) 利用熱台能夠對樣本實施升溫以及降溫操作，並且透過偏光顯微 鏡，能夠對樣本作光學圖像的觀測。利用裝置在顯微鏡光管上的數位 相機 ( PowerShot A620, Canon ) 擷取光學圖像。將顯微鏡光管上的數 位相機更換裝成光電二極體(Photo detector)，即能夠對樣品做光電特 性的量測。 4-2-4 光電量測系統 光電量測系統為液晶實驗最基本及最簡易的量測系統，藉由 Stabilized HE-NE LASER（1mW,固定強度）穿透偏光片-樣品-檢偏 片，其中偏光片與檢偏片成正交，如圖 4-4。. FIG. 4-4 光電量測及預傾角量測系統. 30.
(43) 透過光偵測器對光強度做訊號擷取，並且利用與示波器量測光訊 號的直流值。本次實驗架構主要是參考光電量測系統以及預傾角量測 系統的架構所組合而成的，以方便擷取數據。而氙燈(Xe Lamp)光電 量測系統如圖 4-5，利用單光儀(Monochromator)進行藍、綠、紅各色 光穿透率的量測，主要架構同 HE-NE 雷射光電量測系統。 軟體儀控方面，本實驗是採用 LABIVEW 與 MATLAB（葉益誌 與蘇勇彰同學編寫）來控制及運算。. FIG. 4-5 氙燈光電量測系統. 31.
(44) 4-3 樣品製作 (1)導電玻璃（ITO）之清洗(圖 4-6(a)) 將長、寬皆為 1.5cm 之導電玻璃（ITO, Indium Tin Oxide）按照中 性清洗液、去離子水、丙酮及異丙醇的順序清洗，清洗時間均為 20 分鐘，次數大約二至三次或更多，直到導電玻璃乾淨為止。 (2)配向層材料之旋轉塗佈（Spin coating）和硬化（固膜）(圖 4-5(b)) 利用三用電錶判定清洗過後 ITO 導電面，並且透過預烤的方式將 基板表面水氣排除。將導電層面朝上放置於旋轉塗佈機上，利用 真空吸附固定玻璃基板。旋轉塗佈步驟分為兩段：前段以 500rpm 旋轉 10 秒，後段以 3000rpm 旋轉 20 秒，接著將基板置於電磁加 熱台 100℃預乾 10 分鐘，再送進烘箱中以溫度 200℃烘烤一小時， 進行固膜動作。 (3)摩擦配向（Rubbing）(圖 4-6(c)) 將固膜後之基板放於摩擦配向機上，利用毛刷纖維摩擦基版表面 配向。摩擦配向機載物台前進速度為 30mm/min、滾筒毛輪布轉速 為 135rpm(滾筒半徑 3cm)。在此，摩擦次數設定為一到五次，其 摩擦強度經過計算為 254mm、508mm、762mm、916mm 及 1170mm。 (4)液晶盒封裝(圖 4-6(d)(e)) 取配向完成之 ITO 玻璃基板塗上 Spacers(10μm)，再將另一片同樣. 32.
(45) 基板以反向平行配向的方式蓋合，側邊塗上 AB 膠等待固化。 (5)液晶灌注（圖 4-6(f)） 將空的液晶盒放置在熱台上，加溫至液晶的澄清點，在液晶盒開 口處塗上液晶，利用毛細現象將液晶慢慢灌入。等待液晶填充完 畢之後，開始以 1℃/min 對樣品做降至室溫（22℃） ，最後將液晶 盒完全封合。 (6)接上電線 利用導電膠帶（9073，3M）將電線貼在上下兩片經過配向處理的 基板空處，液晶 CELL 即製作完成。. FIG. 4-6 液晶 CELL 製作流程. 33.
(46) 第五章 實驗結果與討論 5-1 表面能與預傾角之關係 5-1-1 水平配向膜與垂直配向膜表面能比較 首先，我們先探討平行配向與垂直配向表面能的關係。如圖5-1， 使用的材料為JALS-9800-R1（JSR）為一平行配向的材料，量測其表 面能約為43mN/m。. FIG.5-1 JALS-9800-R1與RN-1338表面能與摩擦次數 而本論文所使用的配向膜材料為RN-1338（NISSAN CHEMICAL）為一垂直配向的材料，所量測到的表面能為31mN/m。 我們可以觀察到，平行配向的表面能相較於垂直配向的表面能明顯較 高，但我們可以輕易用表面能來此判別決定材料配向方式為水平或垂 直配向嗎？答案是不一定的。由文獻所得之，使用鐵氟龍. 34.
(47) （ γ =22mN/m）的表面經過摩擦配向之後會是平行配向而非想像中的 垂直配向。文獻[26-29]則提出主要影響配向方式是液晶分子與配向層 極性的關係。 5-1-2 摩擦強度與表面極性及預傾角的相互關係 圖 5-2 表示去離子水以及 Diiodo-Methane 的接觸角。去離子水（具 有極性，Polar fraction=51mN/m）的接觸角隨著摩擦次數上升而逐漸 下降，而 diiodo -Methane（無極性，Polar fraction=0mN/m）的差異並 沒有太大的改變，由此我們可以判斷由於基板表面的極性逐漸的增加 而使得去離子水接觸角下降，相反的若是去離子水的接觸角上升，則 基板逐漸變成非極性。 極性會上升的原因由文獻[30]得知，主要是配向膜材料的特性以 及其受外力改變的影響，在此只討論外力的影響，即摩擦配向。有兩 種說法，其中一種是說當我們旋轉塗佈液體狀的配向膜溶液在基板 上，烘乾固膜之後，此時我們會發現基板表面會佈滿配向膜材料非極 性分子，相反的極性分子(如：-OH,-COOH,-NH-,etc)會隱藏在配向膜 內，也就是此時基板為非極性表面。當摩擦基板時，極性分子會逐漸 出現在配向膜外部，配向膜非極性分子大部分會埋入基板內，深度大 約 1nm，使得基板極性逐漸的上升。當然摩擦配向只是一時的改變基 板的表面極性，時間放置過久（3-4 個月） ，基板的表面極性也是會逐. 35.
(48) 漸下降。. FIG.5-2 RN-1338 摩擦次數與接觸角關係圖(a) Diiodo-Methane(b)去離子水 另一種說法為電子交互作用力，即利用滾筒上的絨布具有極性的 部份與配向層極性分子產生吸引作用，而使得基板配向層上極性分子 變多。但主要還是隨著摩擦強度與摩擦配向機的絨毛密度的上升，基 板表面極性會越來高。. 36.
(49) 摩擦配向除了對配向層製造溝槽以及使液晶分子有方向性的排 列以外，同時也會讓配向層表面極性上升，這也就是預傾角為何會改 變的原因之一。圖 5-3 為摩擦次數與預傾角的關係。因為表面極性的 增加，使得液晶分子被配向層表面極性分子逐漸吸附住，導致液晶分 子逐漸朝水平方向傾斜（即預傾角逐漸下降） 。. FIG.5-3 RN-1338 摩擦次數與預傾角關係圖 把表面極性與預傾角關係對照如圖 5-4，雖然極性只有微小的變 化但仍然對液晶分子的影響甚大，導致整個預傾角以及光學特性產生 變化，如光學延遲，響應時間(Risetime and Falltime )，一環扣著一環。 因此摩擦強度的大小對於液晶顯示器而言，可以說是最基本以及最容 易掌握住的，若要較高的預傾角，摩擦強度必須要小一點，反之亦然。 但要注意的是，摩擦配向並非可以一直改變極性大小，也是有極限的 存在[31]，而且當次數太多也反而也會對配向層造成一定程度的損 害，而導致液晶缺陷的產生。 37.
(50) FIG.5-4 RN-1338 表面極性與預傾角關係圖 5-2 光電量測 5-2-1 摩擦配向的重要性 在垂直配向中，相較於一般水平配向TN型其較特別的特點就是 可以不使用摩擦的配向膜亦能產生明暗的變化，如圖5-5所示，使用 顯微鏡（100X）觀察在不同電壓下液晶的雙折射效應，以 MLC-7026-100(CELL GAP為10μm)為例，在未供應電壓下(V<Vth)液 晶分子垂直於上下基板，因此呈現完全的暗態，但超過Vth時未經摩 擦配向處理的基板會產生一般向列型液晶的絲狀缺陷(Schlieren structure）（因為液晶分子加電壓後傾斜方向不定，有些液晶分子排 列會與偏極片平行，而形成黑色條帶；排列方向未平行於偏極片的液 晶分子則因雙折射現象會使得光穿透。）[32]而影響到顯示器的對比 度。. 38.
(51) 隨著電壓的上升，液晶長軸產生不同角度的傾斜，使得線性偏振 光變成各種不同的橢圓偏振光，再經由檢偏片，入色白光變成具有單 一色彩的光。其色彩變化的順序為黑(0V)灰(2.3V)白(2.7V)黃橙(3.1V) 紅紫(3.7V)藍(4.3V)綠(7.6V)。這點說明， 液晶分子在超過Vth時會產 生一些除了黑白以外的顏色變化。主要原因為各入射光的波長不同， 由式(1)可知，使得各種顏色的光學延遲量均不同。 但是液晶分子在有經過摩擦過後的配向膜上，會沿著摩擦方向產 生預傾角及均一性的排列。相較於未經摩擦過的配向膜，當供應電壓 時，缺陷就會消失，同時亮度、色彩的純度及對比度明顯的上升。由 此可見，摩擦配向過的配向膜，對液晶顯示器是相當重要的。. 39.
(52) (0V). (2.3V). (2.7V). (3.1V). (3.7V). (4.3V). (7.6V). (10V). FIG.5-5 不同電壓下未摩擦配向液晶盒的光學圖形. 40.
(53) (0V). (2.3V). (2.7V). (3.1V). (3.7V). (4.3V). (7.6V). (10V). FIG.5-6 不同電壓下摩擦配向液晶盒的光學圖形 41.
(54) 5-2-2 電壓與穿透度的關係 在光電量測系統測試是使用He-Ne 雷射為入射光源，實驗結果如 圖5-7所示。我們先討論有無經過摩擦配向之效果。在此發現沒有經 過摩擦配向之試片，表現出較差之穿透率，值約只有35﹪。而經過摩 擦配向處理之試片，可看出比無摩擦配向處理之試片有較佳的穿透 率，其值約90﹪。 而由圖5-7中亦可發現摩擦強度會隨這電壓之改變而有不同位置 的波峰，這是因為透過光強度I 是由所加入電壓V 控制，且R為電壓 的函數，由式（1）與式（2）為了得到較大之穿透我們將θ定為45 度， 並得到亮度較高的色相(sin2(2θ)=1)，而45 度是指供應電壓時所有的 液晶分子的傾斜方位必須對齊45度，即液晶分子與正交偏光片夾45 度角，此時穿透率只與 π R =. V − Vth πΔnd . 有關。因為R為電壓 Vth κ + 1 + | Δε | ε &. 之函數，故相位會受電壓而改變，而當πR與入射光波長之間為π/2、 3π/2或π/2 之整數倍時，則可得Tmax（T=I/I0），也就是說當電壓加到 3.3V時. V − Vth ⋅ π =π/2，達到亮態。反之同理，當πR與入射光波長為π Vth. 的整數倍，則會最黑也就是電壓為4.5V時. V − Vth ⋅ π =π為暗態。由文獻 Vth. [33]得知液晶分子受電壓轉動角度與光學延遲量的關係，隨著電壓的 上升，光學延遲量會趨近於臨界，如圖5-8。主要是因為隨著電壓的 增加使得液晶旋轉角度（φ）在0-60度時會急遽變化，也就是光學延 42.
(55) 遲量變化很大，而在60-90度電壓的增加反而使得液晶分子轉動會越 來越小，光學延遲變化量會越來越小。. FIG.5-7電壓與穿透度的關係. FIG.5-8 電壓與Retardation關係圖 但一般而言，液晶的臨界電壓是不會改變的( Vth = π. K 33 ε 0 | Δε |. [34])，但由於有預傾角的關係反而會對其臨界電壓與驅動電壓產生影 43.
(56) 響。主要原因是預傾角的改變是由於錨定能量(Anchoring energy)的改 變，錨定能是由極性強度(Polar)以及扭曲(Torsional)強度所求出的， 因此極性強度的改變，使得臨界電壓公式必須再帶入修正項，導致會 比一般臨界電壓還低，因此隨著預傾角的下降(摩擦次數的上升)，驅 動電壓將會下降，以圖5-7為例，N1的驅動電壓約為2.2V - 2.3V之間， 而N5的驅動電壓為2.0V-2.1V之間，N5的驅動電壓明顯的下降。因此 適當的選擇預傾角對液晶顯示器是相當重要的。 為了清楚釐清液晶的光學延遲量對各色光產生的影響，接著利用 氙燈光電量測系統對藍(432nm)、綠(555nm)及紅(630nm)三色光進行 穿透率的量測，其結果如圖 5-9，依然發現摩擦次數為零次的各色光 的穿透率大約只有 40%，跟摩擦次數為一次的穿透率（80%）相比較 差異依舊很大，而各色光穿透率到達最高點的電壓也不相同（順序為 藍，綠，紅） ，主要也是因為式（1）中 λ 波長的影響，由此也可以看 出在 5-2-1 節中，顯微鏡觀察的圖像顏色順序為何是黑(0V)灰(2.3V) 白(2.7V)黃橙(3.1V)紅紫(3.7V)藍(4.3V)綠(7.6V)。. 44.
(57) (a). (b). FIG.5-9 各色光的電壓與穿透率之關係(a)摩擦次數 0(b)摩擦次數 1. 45.
(58) 5-2-3 對比度的影響 我們將摩擦次數為零次、一次與五次做明顯的對照，使用光電量 測系統利用旋轉台量測範圍為正負 70 度。利用對比度計算公式. CR =. TBRIGHT TDARK. CR(Contrast Ratio)為對比度，TBRIGHT 為亮態的強度而 TDARK 為最 暗態的強度。如圖 5-10，在此採用左右旋轉。. FIG.5-10 光電量測系統對比度 N0 的對比度最高約為 150 明顯比 N1 及 N5 差了許多，沒有摩擦 過的配向膜液晶分子會有缺陷對對比度影響甚大，反觀 N1 及 N5 相 差並不會太多，但為何在正負 20 度對比度只剩原本(0 度)一半？如圖 5-11，主要是在暗態的時候，液晶分子呈垂直的狀態，暗態角度到正 負 30 度均為完全暗。但當轉動時，光的穿透量產生了變化，產生了. 46.
(59) 灰階。在正負 20 度時亮度只剩 50%。若要解決這個情況，目前業界 使用的方法是用光學單一光軸高分子膜(Optically Uniaxial Polymer Film)或者是延遲膜(Retardation Film)，均具有相當優良的效果。. FIG.5-11 垂直配向視角問題-亮度不均 但為了更明確的觀察出對比度的差別，我們使用顯微鏡搭配訊號 產生器及光電偵測器所量測到的圖形如下圖 5-12，若兩偏光片互相平 行為 7900mV，互相垂直定為 0mV，經過計算後，N0 最高的對比值 只有 138，N1 與 N4 各為 232 以及 188。相較於無摩擦過的配向膜有 摩擦過的配向膜可以較容易獲得良好的對比值。摩擦強度也是影響對 比度的因素之一，較弱的摩擦強度，預傾角高，光不易產生雙折射現 象（光沿光軸行進），而摩擦強度較強的預傾角低，形成雙折射且摩 擦次數過多又容易形成缺陷而漏光，使得暗態能量相較於低摩擦強度 高，對比度反而下降。. 47.
(60) FIG.5-12 電壓與透光強度的關係(顯微鏡) 5-2-4 預傾角與鮮銳度(Sharpness)的影響 鮮銳度在液晶顯示器是用來補償畫面細節損失的一個指標，當鮮 銳度越低，即表示畫面越柔和。反之，若是鮮銳度過高，則會使畫面 影像生硬。若是鮮銳度過高，則會在顯示上出現白邊，形成畫面的失 真。 垂直配向型液晶使用較高的預傾角，當加入電壓時，液晶分子會 往一定的方向傾斜，達到鮮明均一的顯示。當鮮銳度 γ 越小時，越可 以做多重(Multiplex)驅動，所顯示的容量有可以增大，可以做更多的 灰階(Gray scale)。鮮銳度的定義為： γ (%) =. V (T = 50%) − V (T = 5%) × 100 V (T = 5%). 圖 5-13 所示的為液晶預傾角與鮮銳度的關係。γ 會隨者預傾角升 高而減小，也就是摩擦強度較小可以得到較低的鮮銳度，但角度越接. 48.
(61) 近 90 度的時候，γ 的誤差將會很大。一般業界所採用的鮮銳度約為 10%，預傾角約為 89.5 度，而目前鮮銳度可以達到 10%的只有 N2。. FIG.5-13 預傾角與鮮銳度 γ(%). 49.
(62) 第六章 結論 在現今液晶顯示器發展快速的年代，液晶顯示器的效率提升越來 越顯的重要，方法也有許多種，像光學補償膜、背光版的改良或者是 從材料本身著手，如液晶的改良或者是選用不同的配向膜…等。 在本實驗中利用改變摩擦強度的大小可以輕易的改變配向膜的 表面能以及預傾角，這些參數影響著顯示器中的光電特性。沒有經過 摩擦處理過的配向膜效果比有經過摩擦處理過的配向膜差，無論是穿 透率還是對比度。反觀經過摩擦配向處理的，可以輕易獲得沒有缺陷 以及高亮度與高對比度。 隨著摩擦次數的上升，可以發現對 RN-1338 而言，極性會逐漸 上升，而預傾角會逐漸下降，同時我們也發現到對光電量測產生影 響。對垂直配向的液晶(MLC-7026-100)而言，當預傾角下降的時，臨 界電壓與對比度會逐漸下降，以及鮮銳度會逐漸上升，不過最大的光 通量不會改變。但是摩擦強度太強，反而會對配向膜造成嚴重的破 壞，對液晶配向形成缺陷，因此在摩擦配向時，要注意到影響摩擦強 度的因素，如：入毛深度、摩擦次數及滾筒轉速或是平台移動速度。 因此，想要較高的預傾角（約 89 度）則必須要使用較小的摩擦 強度，若要比 89 度低的預傾角，則必須使用較大的摩擦強度。所以， 我們對於摩擦配向強度必須審慎的選擇，配合需求來加以調整。. 50.
(63) 參考文獻 [1] F. Reinizerr, Monatshefte fur Chemie, “Beiträge zur Kenntniss des Cholesterins.,” 1888, 9,421. [2] Peter J. Collings, Liquid Crystal-Nature’s Delicate Phase of Matter, （1990）. [3] G.Vertogen,W.H. de Jet,Thermotropic Liquid Crystal, Fundamentals （1988）. [4] Birenda Bahadur, Liquid Crystal-Applications and Uses, Vol. 1, World Scientific（1990）. [5] Fukuda, A., Takanishi, Y., Ishikawa, K., and Takezoe, H., J. Matter. Chem., 1994, 29, 4. [6] Y. Ouchi，H. Takezoe and A. Fukuda，Jpn. J. Appl. Phy.26 1 (1987) [7] Y. Ouchi，H. Takano，H. Takezoe and A. Fukuda，Jpn. J. Appl. Phy.27 1 (1988) [8] J. Kanbe，H. Inoue，A.Mizutome，Y. Hanyuu，K. Katagiri and S. Yoshihara：Ferroelectrics 114 (1991) 3. [9] D. Meyerhofer, Appl. Phys. Lett. 29, 691 (1976) [10] J. L. Janning, Appl. Phys. Lett. 21, 173 (1972) [11] J. M. Pollack, W. E. Haas, and J. E. Adams, J. Appl. Phys. 48, 831(1977) [12] K. Hiroshima, Jpn J. Appl. Phys. 21, 761 (1982) [13] C.Mauguin:Bull.Soc.Fr.Min.34,71(1911) [14] M.Suzuki,M.Kakimoto,T.Konishi,Y.Imai.M.Iwamoto,and T.Hino:Chem.Lett.395(1986) [15] M.Suzuki,M.Kakimoto,T.Konishi,Y.Imai.M.Iwamoto,and T.Hino:Chem.Lett.823(1986) [16]H.Ikeno,A.Oh-saki,N.Ozaki,M.Nitta,K.Nakaya,and S.Kobayashi:SID 88 Digest 45 (1988) 51.
(64) [17] J. A. Castellano, Mol. Cryst. Liq. Cryst., 94, 33 (1983) [18] T.Uchida ,M.Hirano, F.Yamamoto,and K.Nagai: J.Vac. Sci. Technol. A8,631(1990) [19] N.A.J.M.van Aerle, M.Barmentlo, and R.W.J. Hollering n:J.Appl. Phys.74,3111(1993) [20] D.-S. Seo, K. Muroi and S. Kobayashi, Mol. Cryst. Liq. Cryst. 213, 223 (1992). [21] G. Baur, V. Wittwer and D. W. Berreman, Phys. Lett. 56A, 142 (1976) [22] T. J. Scheffer and J. Nehring, J. Appl. Phys. 48, 1783 (1977) [23] B. L. V. Horn and H. H. Winter, Appl. Opt. 40, 2089 (2001) [24] Shin-Taso Wu,Uzi Efron, and LaVerne D. Hess,APPLIED OPTIC,23,3911(1984) [25] R.L. Clough, High-energy radiation and polymers: A review of commercial processes and emerging applications,Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, B, 185, 8-33(2001) [26] H.Watanabe,T. Uchida and M.Wada , Jpn,J.Appl. Phys,11: 1559,1972 [27] Ban, B. S.; Kim, Y. B. In Proceeding of the 1st Korea Liquid Crystal Conference, 1998; Vol. 1, p31. [28] Ban, B. S.; Kim, Y. B. In The 19th International Display Research Conference & Exhibition, Asia Display, 1998; P-84. [29] Lee, K. W.; Paek, S. H.; Lien, A.; Angelopoulos, M.; Stathis, J.; Fukuro, H.; During, C. Asia Display 1995, 363 [30] K.-W. Lee et al. , Macromolecules, 29 (1996) 8894. [31] B. S. BAN,Y. B. KIM ,J.Appl.Polymer,Vol. 74 ,267-271(1999) [32] P.G. De Gennes , J.Prost, The Physics of Liquid Crystals, p.163-197（1993）. [33] Motoichi OHTSU, Tadashi AKAHANE, and Toshiharu TAKO, J.J.Appl. Phy,VOL.13, No 4,APRIL, 1974 [34] V. Freedericksz and V. Zolina , Trans. Faraday Soc. 29, 919 (1933).. 52.
(65)
Outline
相關文件
Thus, for example, the sample mean may be regarded as the mean of the order statistics, and the sample pth quantile may be expressed as.. ξ ˆ
2.1.1 The pre-primary educator must have specialised knowledge about the characteristics of child development before they can be responsive to the needs of children, set
Promote project learning, mathematical modeling, and problem-based learning to strengthen the ability to integrate and apply knowledge and skills, and make. calculated
• helps teachers collect learning evidence to provide timely feedback & refine teaching strategies.. AaL • engages students in reflecting on & monitoring their progress
Robinson Crusoe is an Englishman from the 1) t_______ of York in the seventeenth century, the youngest son of a merchant of German origin. This trip is financially successful,
fostering independent application of reading strategies Strategy 7: Provide opportunities for students to track, reflect on, and share their learning progress (destination). •
Strategy 3: Offer descriptive feedback during the learning process (enabling strategy). Where the
How does drama help to develop English language skills.. In Forms 2-6, students develop their self-expression by participating in a wide range of activities
