具有電極的陽極處理氧化鋁薄膜對液晶配向之研究

電子物理系碩士班

碩士論文

具有電極的陽極處理氧化鋁薄膜對液晶配

向之研究

研究生︰洪啟元

指導教授︰趙如蘋 教授

中華民國 99 年 7 月

具有電極的陽極處理氧化鋁薄膜對液晶配向之研究

Study on The Alignment Properties of Liquid Crystal on

Anodic Aluminium Oxide Film with Conductive Film

研究生︰洪啟元 Student︰ Hung Chi Yuan

指導教授︰趙如蘋 教授 Advisor︰ Dr. Ru-Pin Pan

國 立 交 通 大 學

電子物理系碩士班

碩 士 論 文

A Thesis

Submitted to Department of Electrophysics College of Science

National Chiao Tung University in partial Fulfillment of the Requirements

for the Degree of Master of Science

In Electrophysics

July 2010

Hsinchu, Taiwan, Republic of China

中華民國九十九年七月

液晶配向之研究

研究生︰洪啟元 指導教授︰趙如蘋 教授

國立交通大學電子物理系碩士班

摘要

本研究是以陽極處理氧化鋁(AAO)薄膜作為液晶樣品的配向膜，以 ITO 透明導電模作為電極，一層很薄(10nm)的鈦膜作為黏著層，並使用

O2 plasma 製程增加 ITO 和金屬的黏著力，其結果可以讓 AAO 薄膜及電

極不被破壞，且液晶樣品具有垂直配向。

具有電極的AAO 樣品可利用電場控制液晶分子的方向，得到包含穿

透率變化及樣品的反應時間，反應時間為 90.8 ms。最後將電極製作成

ii

Study on the Alignment Properties of

Liquid Crystal on Anodic Aluminum

Oxide Film with Conductive Film

Student︰ Chi-Yuan Hung Advisor︰ Dr. Ru-Pin Pan

Department of electrophysics

Nation Chiao Tung University

Abstract

Anodic aluminum oxide (AAO) thin films have been studied as an alignment layer for liquid crystal (LC) in recent year. Because the ITO thin film can be etched by the anodizing process, the choosing of electrode material under the AAO thin film has become an important subject.

In this work, the liquid crystal (LC) cell with the anodic aluminum oxide on ITO glass has been demonstrated. After the ITO film has been modified by O2

plasma, a titanium film as an adhesion layer has been evaporated between ITO film and aluminum film.

The liquid crystal molecules was aligned vertically on anodic aluminum oxide film with ITO glass and it can be controlled by applying electric field. The

measured response time is 90.8 (ms) and polar anchoring strength is 1.32 x 10-4

導，不僅使我在研究上獲益良多，也教導了我許多做人做事的態度與方 法，讓我的求學生涯劃下完美的句點。 還有實驗室的學長︰阿達、家任也給了我許多實驗上的經驗與幫 助，點出了我在實驗上遇到的問題，並且讓我從中獲得靈感進而解決。 以及清大奈材的啟琮學長，教導了我許多儀器上的使用，讓我從完全不 了解到可以獨當一面操作儀器。還有一起打拼的實驗室同學︰中平、家 圻、志昌，有了你們的相互鼓勵與討論，使我在研究中一步步成長向前。 以及實驗室的學弟︰國豪、融臻、耀德，感謝你們一起處理實驗室的一 些雜事，讓我可以更專注的在研究上，感謝實驗室所有的學長、同學。 最後我要感謝我的家人、女友，陪著我一路辛苦走來，有了你們在 後面的支持，成為我心靈上的避風港，讓我更有信心走下去，謝謝你們。

iv

目錄

摘要 ... i Abstract ...ii 致謝 ...iii 第一章 緒論 ... 1 第二章 樣品製作 ... 3 2-1 樣品製作(1) ... 4 2-1-1 清洗玻璃... 4 2-1-2 電子槍蒸鍍鋁膜 ... 5 2-1-3 陽極化處理氧化鋁 ... 5 2-1-4 配置蝕刻液... 6 2-1-5 蝕刻陽極處理氧化鋁 ... 7 2-2 樣品製作(2) ... 8 2-3 樣品製作(3) ... 8 2-4 樣品製作(4) ... 9 2-5 樣品製作(5) ... 9 2-6 樣品製作(6) ... 10 2-7 樣品製作(7) ... 11 2-8 樣品製作(8) ... 12

2-9-2 樣品製作... 13 2-10 樣品製作(10) ... 14 2-11 樣品製作(11)... 16 2-12 液晶樣品製作... 17 2-13 樣品製作(13) ... 18 第三章 實驗原理 ... 19 3-1 陽極氧化鋁原理... 19 3-1-1 陽極氧化鋁的形成機制 ... 20 3-2 檢驗電極的方法... 23 3-3 光譜儀量測... 23 3-4 樣品間隙的量測原理... 24 3-4-1 空樣品間隙量測 ... 24 3-4-2 液晶樣品的液晶層厚度量測 ... 25 3-5 Conoscopy 顯微鏡觀察 ... 27 3-6 液晶樣品預傾角量測原理... 28 3-7 加電壓之穿透率量測原理... 32 3-8 極向錨定強度量測原理... 35

vi 3-9 反應時間量測原理... 37 3-10 電極圖形化圖案及原理... 41 第四章 實驗結果與討論... 42 4-1 陽極處理氧化鋁薄膜之基板... 42 4-2 陽極處理氧化鋁基板的光譜穿透率 ... 46 4-3 液晶樣品的配向結果... 47 4-4 預傾角量測結果... 49 4-5 加電壓之穿透率量測... 51 4-6 反應時間量測... 52 4-7 電極圖形化... 53 4-8 極化錨定強度量測... 55 4-9 黏著層厚度對液晶配向的影響... 57 第五章 結論與未來展望... 59 5-1 結論... 59 5-2 未來展望... 60 參考文獻 ... 61

圖 2-1-2.電子槍蒸鍍機台照片 ... 63 圖 2-9-1.將 ITO 圖形化的流程示意圖... 64 圖 2-10-1.製作圖形化黏著層鈦的流程示意圖... 65 圖 2-10-2.光罩照片 ... 66 圖 2-12-1.組合樣品流程示意圖 ... 66 圖 3-1-1.不同電解液的 AAO 基板的 SEM 圖 ... 67 圖 3-1-2.(a)定電流，(b)定電壓下對時間關係圖，和各階段對應之氧化鋁 生成示意圖 ... 68 圖 3-1-3.陽極化過程中，各層薄膜反應示意圖... 68 圖 3-2-1.製作樣品示意圖 ... 69 圖 3-2-2.量測電極示意圖 ... 69 圖 3-4-1.空樣品厚度量測圖 ... 70 圖 3-4-2.雷射光入射空樣品的路徑示意圖 ... 70 圖 3-4-3.液晶樣品的液晶層厚度量測 ... 71 圖 3-4-4.雷射光入射液晶樣品的路徑示意圖... 71 圖 3-5-1.conoscopy 顯微鏡下水平樣品和垂直樣品之圖形 ... 72 圖 3-6-1.雷射光路徑示意圖 ... 72

viii 圖 3-6-2.模擬預傾角為 89°的穿透率︰I(ϕ)對旋轉角度︰ϕ 作圖 ... 73 圖 3-7-1.座標系定義參考圖 ... 73 圖 3-9-1.反應時間的液晶分子示意圖 ... 74 圖 3-10-1.電極圖案示意圖 ... 74 圖 4-1-1.不同電極的 AAO 薄膜照片及基板截面示意圖... 75 圖 4-1-2.不同黏著層的 AAO 薄膜照片及基板截面示意圖... 76 圖 4-1-3.不同電極之 AAO 基板的陽極處理曲線圖 ... 77 圖 4-1-4.具有 ITO 電極的陽極化處理的電流曲線圖... 78 圖 4-1-5.不同電極的光譜穿透率圖 ... 78 圖 4-2-1.陽極處理氧化鋁基板穿透率 ... 79 圖 4-3-1.具有黏著層鈦和黏著層銀的液晶樣品照片... 80 圖 4-3-2.檢驗電極和配向結果整理 ... 81 圖 4-4-1.預傾角量測時，光強度對旋轉角度圖... 82 圖 4-4-2.液晶樣品之液晶層厚度量測裝置示意圖... 82 圖 4-4-3.雷射光在液晶樣品中的干涉條紋 ... 83 圖 4-4-4.預傾角量測結果 ... 83 圖 4-5-1.具有黏著層鈦的樣品之加電壓穿透率量測... 84 圖 4-5-2.相位延遲對電壓作圖 ... 84 圖 4-6-1.具有(f)黏著層鈦的反應時間量測圖... 85

圖 4-7-2.具有圖形化電極的樣品照片 ... 86 圖 4-8-1.具有圖形化電極的 AAO 樣品的光強度對電壓圖... 87 圖 4-8-2.不同配向層樣品的光強度變化曲線圖... 88 圖 4-8-3.AAO 樣品的相位延遲對電壓圖 ... 88 圖 4-8-4.量測極化錨定強度的實驗擬合圖 ... 89 圖 4-8-5.AAO 樣品和 DMOAP 樣品的極化錨定強度... 89 圖 4-9-1.控制陽極化時間及黏著層厚度的陽極化電流圖... 90 圖 4-9-2.控制陽極化時間及黏著層厚度的結果... 90

1

第一章 緒論

目前無論是液晶顯示器或液晶投影機，均是被廣泛使用的高科技產 品。其中最重要的元件為液晶面板。目前最被廣泛使用的配向技術仍為 磨刷聚亞醯胺薄膜[1]。但由於液晶顯示器或液晶投影機均使用較強的背 光模組，而強紫外光會使得聚亞醯胺薄膜產生變化，使得配向效果改變， 因此使用無機的材料來配向為一重要的課題。在水平配向上，可於玻璃 基板上製作出溝槽結構，使得液晶分子可以順著溝槽的方向排列配向 [2]；而垂直配向上，SiOx 斜向蒸鍍[3-4]已經發展了多年，且可以藉由改 變斜向蒸鍍的角度改變液晶配向的預傾角，但斜向蒸鍍系統需要使用高 真空的系統，對於製作大面積的面版更為困難。

陽極處理氧化鋁[5-13]( Anodic Aluminum Oxide，簡稱 AAO)為一種 能行自我排列的奈米材料，具有自我組織(self-Organization)的特性，可以 成長奈米孔洞[7]。此奈米孔洞陣列(nanopore arrays)[9-10]具有高密度堆積 的六角形孔洞結構[6-8]，它具有大小均一的孔洞，並且能隨著需求而改 變孔徑的大小，從 50-420nm 都可以做到[8]，並可行成大面積的奈米孔 洞陣列。陽極氧化鋁由於簡單易做且價格低廉，因此目前廣泛的被應用 於成長奈米結構之模具材料之中。陽極氧化鋁薄膜應用在奈米結構的製 作上已經技術十分成熟，無論是使用在製作Ni 結構或是太陽電池的應用

出垂直配向和水平配向的樣品[13]，但是當鋁膜鍍在 ITO 上進行陽極化處

理，會導致AAO 薄膜的剝落，因此鋁膜是鍍在不具有 ITO 導電膜的 ITO

玻璃上，這樣的作法可以完整的保留 AAO 薄膜，缺點是製成液晶樣品 後，沒有電極，所以無法利用電場控制液晶分子的方向，這對於在顯示 器應用上並不有利，因此實驗目標是找到適合AAO 薄膜的電極，並作出 具有垂直配向及可利用電場驅動的液晶樣品。 根據目標，我們將做出具有不同電極的AAO 基板，在第二章將會說 明各種AAO 基板的製作流程，第三章將介紹陽極處理氧化鋁的形成機制 和實驗方法及原理，第四章將實驗得到的結果進行討論，第五章會根據 第四章的結果給出結論，及提出一些未來展望。

3

第二章 樣品製作

在本實驗首先嘗試兩種材料當電極，一個是金屬電極，一個是 ITO 導電膜。金屬電極則選用具有良好的導電率及良好的穩定性的金膜。ITO 導電膜則具有在可見光波段有極佳的穿透率，因此本實驗從這兩種電極 開始製作樣品並改善其結果。以下將製作不同電極的基板，整理如圖 2-1，這些基板將會經過陽極化處理，並在第四章進行討論分析。

具

有

電

極

的

A

A

O

樣

品

(b) Al/Au

(e) Al/Ti/ITO

(f) Al/Ti

/O

₂

plasma/ITO

(c) Al/ITO

(g) Al/Ag

/O

₂

plasma/ITO

(h) Al/Au

/O

₂

plasma/ITO

增加黏著層 及O₂plasma 製程 增加黏著層 ITO電極 金屬電極

(d) Al/O

₂

plasma/ITO

增加O₂plasma 製程

具

有

電

極

的

A

A

O

樣

品

(b) Al/Au

(e) Al/Ti/ITO

(f) Al/Ti

/O

₂

plasma/ITO

(c) Al/ITO

(g) Al/Ag

/O

₂

plasma/ITO

(h) Al/Au

/O

₂

plasma/ITO

增加黏著層 及O₂plasma 製程 增加黏著層 ITO電極 金屬電極

(d) Al/O

₂

plasma/ITO

增加O₂plasma 製程 圖2-1-1.具有電極的鍍膜基板的分類圖

2-1-1 清洗玻璃

1. 使用勝華科技提供之 ITO 玻璃，厚度為 0.7 mm，將玻璃切成 60x60 mm2。 2. 將玻璃放入燒杯中，倒入丙酮(Acetone)蓋過玻璃，燒杯放入超音波 震盪器中，以超音波震盪器震盪 10 分鐘，完畢後將丙酮回收避免污 染。 3. 取出在丙酮燒杯中的玻璃，以乾淨的丙酮沖洗玻璃表面後，放入另 一燒杯並將甲醇(Alcohol)倒入燒杯，將燒杯放入超音波震盪器中， 以超音波震盪器震盪10 分鐘，完畢後將甲醇回收避免污染。 4. 取出在甲醇燒杯中的玻璃，以乾淨的甲醇沖洗表面後，放入另一燒 杯並將去離子水(DI-Water)倒入燒杯，去離子水的電阻值高於 18 M Ω，將燒杯放入超音波震盪器中，以超音波震盪器震盪10 分鐘。 5. 取出在去離子水中的玻璃，以乾淨的去離子水沖洗玻璃表面後用氮 氣吹乾，並放入110℃的烤箱中將水氣烤乾。

5

2-1-2 電子槍蒸鍍鋁膜

使用國立清華大學 動力機械工程學系的方維倫教授實驗室的電子槍蒸

鍍機台蒸鍍鋁膜，電子槍蒸鍍機台如圖2-1-2。

1. 將經過 2-1-1 步驟清洗過後的玻璃用真空膠帶貼在包有鋁箔紙的晶片 (wafer)上，無 ITO 面朝上，有 ITO 面朝向鋁箔紙。

2. 將貼上玻璃的晶片放入電子束蒸鍍機台中，放入高純度鋁錠(99.999%) 後進行抽真空，待真空度低於3.6x10-6torr 才進行鍍膜。 3. 依操作手冊上的步驟鍍膜，使用 2~5 Å/s 的鍍率鍍上 5000 Å 的鋁膜。 4. 完成後依照操作手冊的方式破真空，將鍍好的晶片取出放入培養皿， 以保鮮膜及鋁箔紙包覆以備陽極化處理使用。

2-1-3 陽極化處理氧化鋁

1. 將由 2-1-2 節鍍膜完成的玻璃挑選乾淨的區域切成 30x25mm2 的大

小，並接上Keithley 2400 電源電錶(Source meter)，玻璃基板連接陽

極、鉑片連接陰極，設定40V 的定電壓和 100mA 的電流限制。裝置

示意圖如圖2-1-3。

紀錄電流對時間的關係圖來判斷停止時間︰當電流降至一趨近零 時，表示鋁膜已經反應成不導電的氧化鋁，此時停止加電壓並取出 AAO 基板，依序使用丙酮、甲醇、去離子水清洗 AAO 基板，考慮 怕破壞 AAO 的結構，不使用氮氣槍吹走基板表面的水，最後放入 110℃烤箱烤乾 30 分鐘將水氣烤乾。

2-1-4 配置蝕刻液

以 6 wt%的磷酸和 1.5wt%的鉻酸等體積的方式混合，作為蝕刻液，下 列是以磷酸、鉻酸各一公升的體積為例子作說明。 1. 取濃度 85 wt%的磷酸水溶液 42.6 mL(水溶液密度為 1.71g/cm3)，和 957.4 mL 的去離子水混合，混合體積為 1L，其濃度為 6.0 wt%。 2. 取鉻酸粉末 15.0g，倒入 985.0g 的去離子水，配置濃度為 1.5 wt%的 鉻酸水溶液。 3. 將依照上述步驟配置好的兩種酸液等體積混合，並放入磁石使液體攪 拌均勻。 4. 將配好的蝕刻液分裝至小燒杯，以供後續加熱使用

7

2-1-5 蝕刻陽極處理氧化鋁

1. 使用隔水加熱法加熱蝕刻液至 60℃。 2. 將經由 2-1-3 節製作出的陽極處理氧化鋁(AAO)基板放入蝕刻液中， 開始蝕刻樣品。 3. 將蝕刻完成的樣品取出，依序使用丙酮、甲醇、去離子水清洗 AAO 基板，將清洗完成的基板放入110℃的烤箱把水氣烤乾。

使用金當作陽極處理氧化鋁的電極，金電極具有好的導電率，並且活性 很低，不會參與陽極化處理，因此使用金當作電極來作成樣品，其步驟 如下︰ 1. 如 2-1-1 節步驟清洗樣品。 2. 將清洗完成的玻璃貼在包有鋁箔的晶片上，無 ITO 面朝上，有 ITO 面朝向鋁箔，放入電子槍蒸鍍機台，以0.3~0.4 Å/s 的鍍率在 ITO 玻 璃鍍上100 Å 的金膜，接著以 3~5 Å/s 的鍍率在 ITO 玻璃鍍上 5000 Å 的鋁膜。 3. 以 2-1-3 節步驟進行陽極化處理。

2-3 樣品製作(3)

將鋁膜鍍在 ITO 導電膜上方，再進行陽極氧化處理。 1. 如 2-1-1 節步驟清洗玻璃。 2. 將清洗完成的 ITO 玻璃用真空膠帶貼在包有鋁箔紙的晶片上，ITO 面朝上，無ITO 面朝向鋁箔紙，以類似 2-1-2 步驟將 ITO 玻璃鍍上 5000 Å 的鋁膜。 3. 如 2-1-3 節進行陽極化處理。

9

2-4 樣品製作(4)

將鋁膜鍍在以 O2 plasma 處理過的 ITO 導電膜上方，再進行陽極氧化處 理，其目的是利用 O2 plasma 增加鋁和 ITO 的黏著性。 1. 如 2-1-1 節步驟清洗玻璃。 2. 將清洗完成的玻璃放入 O2 plasma 機台，對 ITO 薄膜進行表面處理。 3. 將處理完成的 ITO 玻璃用真空膠帶貼在包有鋁箔紙的晶片上，ITO 面朝上，無ITO 面朝向鋁箔紙，將晶片放入電子槍蒸鍍機台，接著 放入高純度鋁錠(99.999%)，以類似 2-1-2 步驟，先用 3~5 Å /s 的鍍率 鍍上5000 Å 的鋁膜。 4. 如 2-1-3 節步驟進行陽極化處理。 5. 如 2-1-5 節步驟蝕刻陽極處理氧化鋁，蝕刻時間為 3.5 分鐘。

2-5 樣品製作(5)

將鈦膜、鋁膜依序鍍在 ITO 導電膜上方，再進行陽極氧化處理，其目的 是希望避免 ITO 和草酸接觸。 1. 如 2-1-1 節步驟清洗玻璃。 2. 將處理完成的 ITO 玻璃用真空膠帶貼在包有鋁箔紙的晶片上，ITO

空，以類似 2-1-2 步驟，先用 0.6~0.8 Å /s 的鍍率在 ITO 玻璃鍍上 100 Å 的鈦膜作為黏著層，再接著鍍上 5000 Å 的鋁膜。

3. 如 2-1-3 節步驟進行陽極化處理。

2-6 樣品製作(6)

先對 ITO 薄膜進行 O2 plasma 處理，再將鈦膜、鋁膜依序鍍在 ITO 上

方，再進行陽極氧化處理，其目的是利用 O2 plasma 製程來增加 ITO 和 金屬的黏著性。 6. 如 2-1-1 節步驟清洗玻璃。 7. 將清洗完成的玻璃放入 O2 plasma 機台，對 ITO 薄膜進行表面處理。 8. 將處理完成的 ITO 玻璃用真空膠帶貼在包有鋁箔紙的晶片上，ITO 面朝上，無ITO 面朝向鋁箔紙，將晶片放入電子槍蒸鍍機台，接著 放入高純度鋁錠(99.999%)和鈦錠(99.995%)，以類似 2-1-2 步驟，先 用0.6~0.8 Å /s 的鍍率在 ITO 玻璃鍍上 100 Å 的鈦膜作為黏著層，再 接著鍍上5000 Å 的鋁膜。 9. 如 2-1-3 節步驟進行陽極化處理。

11

10. 如 2-1-5 節步驟蝕刻陽極處理氧化鋁，蝕刻時間為 3 分鐘。

2-7 樣品製作(7)

先對 ITO 薄膜進行 O2 plasma 處理，再將銀膜、鋁膜依序鍍在 ITO 上

方，再進行陽極氧化處理，其目的是利用 O2 plasma 製程來增加 ITO 和 銀的黏著性。 1. 如 2-1-1 節步驟清洗玻璃。 2. 將清洗完成的玻璃放入 O2 plasma 機台，對 ITO 薄膜進行表面處理。 3. 將處理完成的 ITO 玻璃用真空膠帶貼在包有鋁箔紙的晶片上，ITO 面朝上，無ITO 面朝向鋁箔紙，將晶片放入電子槍蒸鍍機台，接著 放入高純度鋁錠(99.999%)和銀錠(99.995%)，以類似 2-1-2 步驟，先 用0.6~0.8 Å /s 的鍍率在 ITO 玻璃鍍上 100 Å 的銀膜作為黏著層，再 接著鍍上5000 Å 的鋁膜。 4. 如 2-1-3 節步驟進行陽極化處理。 5. 如 2-1-5 節步驟蝕刻陽極處理氧化鋁，蝕刻時間為三分鐘。

先對 ITO 薄膜進行 O2 plasma 製程，再將金膜、鋁膜依序鍍在 ITO 上 方，再進行陽極氧化處理，其目的是利用 O2 plasma 處理來增加 ITO 和 金的黏著性。 1. 如 2-1-1 節步驟清洗玻璃。 2. 將清洗完成的玻璃放入 O2 plasma 機台，對 ITO 薄膜進行表面處理。 3. 將處理完成的 ITO 玻璃用真空膠帶貼在包有鋁箔紙的晶片上，ITO 面朝上，無ITO 面朝向鋁箔紙，將晶片放入電子槍蒸鍍機台，接著 放入高純度鋁錠(99.999%)和金錠，以類似 2-1-2 步驟，先用 0.6~0.8 Å /s 的鍍率在 ITO 玻璃鍍上 100 Å 的金膜作為黏著層，再接著鍍上 5000 Å 的鋁膜。 4. 如 2-1-3 節步驟進行陽極化處理。

13

2-9 樣品製作(9)

2-9-1 製作 ITO 電極的圖型

為了製作出特定的電極圖型，我們設計適合 AAO 製作方式的 ITO 圖型 (如圖 2-9-1(a))，將此圖形製作在 ITO 上的實驗步驟如下 1. 使用勝華 ITO 玻璃，厚度為 0.7mm，玻璃大小為 30x25mm2，接著將 博士膜貼紙裁切成30x25mm2貼在ITO 面上，以筆刀切成如圖 2-9-1(a) 的形狀，將淺藍色以外的博士膜貼紙撕下。示意圖如圖2-9-1(b)，淺 藍色區域為貼有博士膜的區域。 2. 以隔水加熱法加熱濃度為 1 wt%的草酸，溫度控制在 60~65℃，將貼 有博士膜貼紙的玻璃放入草酸中，浸泡30~35 分鐘後將玻璃取出， 此時草酸已經將沒有博士膜貼紙保護的ITO 膜蝕刻完畢，最後將貼 在ITO 玻璃上的博士膜貼紙清除乾淨。製作完成的玻璃如圖 2-9-1(c)。

2-9-2 樣品製作

1. 如 2-7 節所述步驟進行樣品製作

為了避免黏著層在陽極化過程中可能不參與反應，使得 ITO 電極的圖形 化結果失敗，因此將黏著層製作成和 ITO 相同圖形，製作流程如下，流 程示意圖如圖 2-10-1。 1. 使用勝華 ITO 玻璃，厚度為 0.7mm，玻璃大小為 62x77mm2，使用類 似2-1-1 節的步驟清洗 ITO 玻璃。如圖 2-10-1(a)。 2. 將清洗完成的玻璃以旋轉塗布機(spin-coater)鍍上負光阻，轉速分兩 階段︰第一階段為 500rpm(10s)、第二階段為 1000rpm(20s)，塗布完 畢的玻璃放上 100℃的加熱平台軟烤 5 分鐘。將 ITO 玻璃使用曝光 機曝光，使用的光罩如圖2-10-2，將曝光後的基板以顯影液(EPD1000) 清洗玻璃。如圖2-10-1(b)、1(c)。 3. 曝光完成的基板放入溫度 60~65℃、濃度為 1wt%濃度的草酸 35 分 鐘，將 ITO 蝕刻完畢，將蝕刻完成的 ITO 玻璃以丙酮洗去光阻。如 圖2-10-1(d)、1(e)。 4. 接著使用旋轉塗布機鍍上負光阻，第一階段為 500 rpm(10s)、第二階 段為1000 rpm(20s)，將塗布完成的玻璃放上 100℃的加熱平台軟烤 5 分鐘。軟烤後的 ITO 玻璃使用曝光機曝光，再以顯影液(EPD1000) 清洗玻璃。如圖 2-10-1(f)、1(g)。此步驟使用光罩和第 2 步驟使用的

15

光罩不同，為相反光罩(圖 2-10-3)。

5. 將 ITO 玻璃放入 O2 plasma 機台，對 ITO 薄膜進行表面處理。如圖

2-10-1(h)。 6. 將表面處理完成的 ITO 玻璃放入電子束蒸鍍機，依照電子槍蒸鍍機 的操作手冊以0.6~0.8 Å/s 的鍍率在 ITO 玻璃鍍上 100 Å 的鈦膜，鍍 完之後破真空取出玻璃基板，以丙酮洗去光阻後再用去離子水沖洗 基板，以氮氣槍吹乾後放在 100℃的加熱平台將水氣烤乾。如圖 2-10-1(i)、1(j)。 7. 完成上述步驟後放入電子槍蒸鍍機，依照電子槍蒸鍍機台的操作手 冊以2~5 Å/s 的鍍率在 ITO 玻璃鍍上 5000 Å 的鋁膜。如圖 2-10-1(k)。 8. 最後將鍍完鋁膜的玻璃依照圖形化的結果切成 30x25mm2的大小，並 使用12℃的草酸以類似 2-1-3 節的步驟進行陽極化處理。 9. 接著以 2-1-5 節的步驟蝕刻 AAO 薄膜，蝕刻時間為 3.5 分鐘。

先對 ITO 薄膜進行 O2 plasma 處理，再將鈦膜、鋁膜依序鍍在 ITO 上 方，並改變鈦膜厚度，其目的是希望鈦膜在陽極化過程中形成不導電的 氧化鈦，避免鈦影響 ITO 電極圖形。 1. 如 2-1-1 節步驟清洗玻璃。 2. 將清洗完成的玻璃放入 O2 plasma 機台，對 ITO 薄膜進行表面處理。 3. 將處理完成的 ITO 玻璃用真空膠帶貼在包有鋁箔紙的晶片上，ITO 面朝上，無ITO 面朝向鋁箔紙，將晶片放入電子槍蒸鍍機台，接著 放入高純度鋁錠(99.999%)和鈦錠(99.995%)，以類似 2-1-2 步驟，先 用0.6~0.8 Å /s 的鍍率在 ITO 玻璃鍍上 50 Å 的鈦膜作為黏著層，再 接著鍍上5000 Å 的鋁膜。 4. 如 2-1-3 節步驟進行陽極化處理。 5. 如 2-1-5 節步驟蝕刻陽極處理氧化鋁，蝕刻時間為三分鐘，使用的蝕 刻液濃度約為 2-1-4 節所配置之蝕刻液的兩倍。

17

2-12 液晶樣品製作

1. 將蝕刻完畢的 AAO 基板之左、右、下三邊鍍有鋁膜的玻璃基板切 除，再將樣品對半切成兩個1.0x2.7 mm2的大小，如圖2-12-1(a)、(b)。 2. 將其中一個 1.0x2.6mm2的大小的AAO 基板上下旋轉，前後翻轉後 重疊成空樣品，兩片基板夾以一間隙物Mylar(Specer)，並依照 3-4 節所述原理測量樣品厚度，本實驗使用的Mylar 厚度為 6μm。實驗 步驟如圖2-12-1(c)所示。 3. 在量測樣品厚度後，灌入 MLC-6608 負型液晶，並將樣品放入烤箱 加熱至超過isotropic state(94℃)，再關閉加熱使烤箱自然回溫到室 溫。選擇負型液晶是考慮到使用的配向層為垂直配向，並希望利用 電場控制液晶分子方向，故選用負型液晶。

這節要製作用 DMOAP 當作配向膜的樣品，此樣品具有垂直配向的結

果。

1. 以 2-9-1 節的步驟製作出 ITO 電極圖形化的基板，並以 2-1-1 節的步 驟清洗玻璃。

2. 配製 DMOAP 溶液︰

(a) 一般玻璃︰取 2 ml 的 DMOAP，和 98 ml 的 DI-water 混合，其中 2ml 的 DMOAP 溶液有先用甲醇以 1︰1 的比例稀釋。配得體積 濃度為1%的 DMOAP 溶液。 3. 將配置完成的 DMOAP 溶液放入超音波振盪器，震盪 10 分鐘。 4. 經清洗好得玻璃放入裝有 DMOAP 溶液的燒杯，將燒杯放入超音波 振盪器，震盪15 分鐘，將震盪完畢的玻璃基板以 DI-Water 沖洗乾 淨，用氮氣槍吹乾後放入烤箱，溫度設定100℃，時間為 1.5 小時。 5. 使用磨刷機台磨刷樣品三次 6. 以類似 2-12 節的步驟製作成液晶樣品，由於 DMOAP 沒有鍍鋁，因 此在切除左、右、下三邊時，DMOAP 樣品則是切除和 AAO 樣品一 樣大小的玻璃。

19

第三章 實驗原理

3-1 陽極氧化鋁原理

陽極氧化鋁︰透過陽極化處理而形成的氧化鋁；以鋁為陽極，陰極 選用不和電解液反應的材料，如鉑、石墨棒…等，在外加電壓下，鋁發 生氧化反應所形成的氧化鋁。以酸性(ph<6)或鹼性(pH>10)水溶液當作電 解液，會得到具有孔洞的氧化鋁[15]，稱為︰孔洞型氧化鋁(Porous Anodic Oxide；PAO)或是陽極氧化鋁(Anodic Aluminum Oxide；AAO)。常見的酸 性電解液為磷酸(H3PO4)、草酸(H2C2O4)、硫酸(H2SO4)，不同的電解液會 產生不同的孔洞大小，一般來說，獲得最大孔洞間距的為磷酸，接下依 序草酸、硫酸[8]，如圖 3-1-1 所示。最直接影響孔洞的大小的是陽極化電 壓(anodizing voltage)及電解液濃度[8]，以磷酸為電解液時最佳的陽極化 電壓為195V；草酸為 40V；硫酸為 25V。除了利用最佳化陽極化電壓得 到最大孔洞外，亦可將陽極化處理過後的陽極氧化鋁放入酸性溶液中， 利用酸性溶液蝕刻氧化鋁，達到擴孔的結果。

本實驗利用草酸作為電解液，形成陽極氧化鋁進行研究與討論，故 以下的形成機制以草酸為例。在陽極氧化鋁的形成中，可以使用定電流 源(圖 3-1-2(a))或是定電壓源(圖 3-1-2(b))兩種電源供應器，不論使用哪 一種電源供應器，都有四個重要的階段[14]，每一階段的氧化鋁示意圖， 如圖 3-1-2 的四張小圖，且小圖可以對應電流-時間曲線圖中電流的變 化，由於本實驗以定電壓作為條件，因此以定電壓源(圖 3-1-2(b))說明 各階段之意義。 首先在施加電壓後，和電解液接觸的鋁會氧化成一層薄的氧化鋁， 這緻密的氧化鋁會阻礙離子的交換，使電流急遽下降，如圖 3-1-2(Ⅰ)。 隨著時間的增加，表面的氧化鋁會被酸性電解液侵蝕產生裂縫，由於阻 礙反應的氧化物被侵蝕，電流下降幅度變緩，如圖 3-1-2(Ⅱ)。而裂縫則 造成原本電位均勻分佈的情況被破壞，裂縫下方因此形成電力線集中的 區域，形成較強的電場，而實驗中的離子則沿著電場方向前進，因此氧 化反應則慢慢集中在具有裂縫的地方，裂縫因此慢慢擴大形成孔洞，由 於離子交換又逐漸產生，因此讓電流又慢慢上升，如圖 3-1-2(Ⅲ)，在陽 極化處理的過程中，氧化鋁的體機會膨脹，所以在相互擠壓之下，這些 孔洞會形成六方最密孔洞。

21 之後，當酸性電解液侵蝕電解液/氧化物表面，氧化物/金屬表面同時 有氧化物生成，這兩種反應達到平衡時，電流將趨於一定值，如圖 3-1-2(Ⅳ)。隨著所有的鋁完全反應成氧化鋁，電流又會下降至趨於零的 值，此時知道鋁膜已經反應完成。 以下使用化學反應來表示陽極氧化鋁(AAO)在圖 3-1-2(Ⅲ)機制；其 反應如圖3-1-3︰ (a) 在金屬/氧化物介面，由於電荷轉換產生鋁離子 Al3+，並且受到電場的 影響下向外移動 Al → Al3+ + 3e－ (3-1-1) 由於水的裂結反應，使得含氧的離子，在電場的影響下，由電解液 中擴散至金屬\氧化物表面，和鋁離子形成了氧化鋁。 H2O → 2H + + O2－ (3-1-2) 2Al3+ + 3O2－ → 2Al2O3 (3-1-3) (b) 與電解液接觸的氧化鋁，會和由裂解反應產生的氫離子發生反應，形 成鋁離子進入電解液中 Al2O3 + 6H + → 2Al3+ + 3H2O (3-1-4) (c)在金屬表面產生的鋁離子也會經由電場作用下跑到電解液/氧化物 面，和裂解水反應中產生的氧離子形成氧化鋁 2Al3+ + 3O2－ → 2Al2O3 (3-1-5)

23

3-2 檢驗電極的方法

由於實驗目標是做出具有電極的AAO 薄膜，因此必須檢驗電極是否 在陽極化處理過程中遭受破壞，製作完成的 AAO 基板如圖 3-2-1(a)，接 著將左右兩邊沒有被陽極化處理的鋁膜基板切除，如圖3-2-1(b)，此時只 剩下︰上下方的鋁膜基板，如圖3-2-1(c)，然後使用三用電錶量得上下鋁 膜的電阻值，即Ⅰ，若電極沒有被破壞，那麼可用三用電錶量到一很小 的電阻值。 也可以從圖 3-2-2 來解說，圖 3-2-2(a)是鋁膜基板示意圖，中間的黏

著層(adhesion layer)提供保護 ITO 的作用，再來將基板切成如圖 3-2-1 (b)，其截面示意圖如圖 3-2-2 (b)，從圖中可以發現︰若是電極沒有遭受 破壞，那麼Ⅰ方法可以讓電流導通，但若是電極被破壞，那麼Ⅰ方法將

會是斷路，會量得很大的電阻值，如此可以檢驗電極是否完好。

3-3 光譜儀量測

使用儀器︰Ocean Optics USB2000 Spectrometer，測量具有完整 AAO 基板的穿透光譜。量測時統一以空氣當參考 (Reference)

3-4-1 空樣品間隙量測

在

很多實驗都需要用到液晶層厚度，因此必須準確量出間隙厚度， 在灌入液晶之後將它視為液晶層厚度。首先藉由旋轉空樣品，改變入射 光的角度，利用雷射光在兩片玻璃基板間產生干涉的現象，光強度產生 週期性改變，如圖3-4-1 所示，並在從數據中任意取選取兩穿透極大值， 讀取對應之角度

θ

1、

θ

2，並計算此二極大值間的波峰數目︰n，代入 3-4-4 式中，計算後得到空樣品的間隙值大小。實驗原理如下[17]︰ 入射的雷射光經過空樣品後，形成部分反射及部分透射，假設兩道

光分別為Ray 1 與 Ray 2，由圖 3-4-2 可知 Ray 1 為一次穿透光與 Ray 2

為兩次反射穿透光相干涉，本量測方式就是利用改變Ray 1 與 Ray 2 的入 射角度

θ

來量測干涉條紋的強度變化，進而推導出液晶空樣品間隙厚度。 由圖可知，Ray 1 一次穿透光與 Ray 2 兩次反射穿透光的光程差為︰ θ θ θ θ θ θ θ θ θ δ cos 2 cos cos 2 cos sin cos 1 2 sin cos 2 cos 2 2 2 2 d d d d d = ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ = ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ − = ⋅ ⋅ − ⋅ = （3-4-1）

當

Ray 1 與 Ray 2 的光程差為波長的整數倍時，產生建設性干涉，

25

(

m+n

)

λ

−n

λ

=2 cosd

θ

2 −2 cosd

θ

1 （3-4-3）

(

2 1

)

2 cos cos m d λ θ θ = − （3-4-4） 利用 3-4-4 式，

θ

1與

θ

2為兩極大值的角度，m 為

θ

1與

θ

2間的極大值 個數，由此即可算出空樣品的間隙厚度。

3-4-2 液晶樣品的液晶層厚度量測

這邊考慮一製作完成的液晶樣品，在樣品厚度量測實驗中量得干涉 圖形，如圖3-4-3，我們可以發現圖 3-4-3 和圖 3-4-1 類似(旋轉角度 30°~45 °)，以下將推導雷射光在液晶層經二次反射後與原入射光干涉所滿足的方 程式，原理如下︰ 雷射光在液晶層反射的示意圖，如圖 3-4-4，n₀為空氣折射率，n₁為 玻璃折射率，n₂為AAO 薄膜折射率，n₃為液晶層折射率，d’為液晶層厚 度。令在液晶層中的兩道光為︰Ray1、Ray2，Ray1 為一次穿透光，Ray2 為兩次反射穿透光，而

θ

₀為光在n₀介質中的入射角，

θ

₁為光在n₁介質中 的折射角，

θ

₂為光在n₂介質中的折射角，

θ

₃為光在n₃介質中的折射角， 而Ray1、Ray2 的光程差︰

[

3 3 3 3

]

3 2 3 3 3 3 3 2 ' sin sin cos 2 ' [1 sin ] cos 2 ' cos d n n d n d n

θ

θ

θ

θ

θ

θ

= − × × = − = (3-4-5) 根據snell`s law︰

0sin 0 1sin 1 2sin 2 3sin 3

n

θ

=n

θ

=n

θ

=n

θ

(3-4-6) 將3-4-6式帶入3-4-5式，整理後︰ 2 2 3 0 2 'd n sin

δ

= −

θ

(3-4-7) 由於在測量時的角度是在空氣的角度，因此將3-4-5式使用光在空氣 中的入射角來表示，如3-4-7式。當 Ray 1與 Ray 2的光程差為波長的整 數倍時，產生建設性干涉，假設入射光波長為

λ

，入射角

θ

與

φ

有穿透極 大值︰ 2 2 3 2 ' sin p

λ

= d n −

θ

(3-4-8) 2 2 3 (q+ p)

λ

=2 'd n −sin

φ

(3-4-9) (q、p均為整數) 將3-4-9式減去3-4-8式得到︰ 2 2 2 2 3 3 2 ' sin sin q

λ

= d ⎡_⎣ n −

φ

− n −

θ

⎤_{⎦ (3-4-10)} 將3-4-10式整理︰

27 2 2 2 2 3 3 1 ' 2 _{sin sin} q d n n

λ

φ

θ

= × − − − (3-4-11) 從圖形得到極大值的角度

θ

與

φ

，而n₃、

λ

、 q 均已知，帶入 3-4-11 式，可以得到厚度d 。並且可以注意，當 3-4-11 式的' n₃為1 時，3-4-11 式可以簡化成3-4-4 式。

3-5 Conoscopy 顯微鏡觀察

使用實驗室的conoscopy 顯微鏡來檢驗液晶樣品的配向結果，以及觀 察液晶分子的傾倒方向。將樣品至於conoscopy 顯微鏡下，依照操作手冊 操作顯微鏡，並選用合適的物鏡觀察樣品，將觀察到的圖形和理論圖形 做比較後可知道液晶樣品的配向結果，理論圖如圖3-5-1 [18]。 接著，將液晶樣品接上一訊號產生器，並設定一大於臨界電壓，頻 率為1kHz 的方波，再慢慢增加電壓值，當電場通過液晶分子時，會使液 晶分子傾倒方向改變，使得conosopy 顯微鏡觀察到的十字圖形發生平 移，經由圖形移動方向可知液晶傾倒方向，將此方向定為液晶樣品的easy director。

從正交片的照片及conoscopy 顯微鏡照片得知液晶樣品的配向，本實 驗也使用Crystal Rotation Method 測量預傾角[19]。原理如下︰

液晶分子可以視為一個長形的單軸分子，且具有雙折射(Birefringence) 性質，因此入射光進入到液晶元件中時，入射光會分為兩道光：尋常光

（ordinary ray，簡稱 o-ray）和非尋常光（extraordinary ray，簡稱 e-ray）， 液晶分子對應此兩道光的折射率分別為 no與 ne（

θ

），

θ

為 e-ray 行進方向 與液晶分子光軸（optic axis）所夾的角。 首先推導這兩道光的相位延遲（phase retardation）。在考慮預傾角的 情形下，圖3-6-1 為單層液晶的光徑圖，其中，

(

)

(

)

(

)

(

o o

)

o e e e k k k n ϕ ϕ ϕ ϕ ϕ ϕ α α cos 0 sin ˆ cos 0 sin ˆ cos 0 sin ˆ sin 0 cos ˆ = = = = (3-6-1) 的波數 尋常光( )的波數 非尋常光( 入射光的波數 量 液晶分子的光軸單位向 ray) -o ˆ ray -e ˆ ˆ ˆ = = = = o e k k k n 又nˆ與kˆ_e的夾角為

θ

，則由此兩向量的內積可得

(

e e

)

e k n α ϕ α ϕ

θ ˆ ˆ cos sin sin cos

cos = ⋅ = + (3-6-2) 又在折射邊界，入射光與則射光需滿足Snell’s Law，則可得： n n ϕ ϕ ϕ sin sin cos = = _(3-6-3)

29 由於考慮預傾角的存在，液晶分子長軸與入射光行進方向夾角並不 是90°，而是

θ

，因此對於 o-ray 和 e-ray 所看到的折射率為：

( )

2 1 2 2 2 2 cos sin − ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ + = = o e e o o n n n n n θ θ θ (3-6-4) 由圖3-6-1，o-ray 由 A→B 的光程為： o o ray o dz n OPL ϕ cos = − (3-6-5) e-ray 由 A→B`的光程為：

( )

ϕ ϕ ϕ ϕ θ sin tan tan cos ⎟⎟_⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ − + = − e o e e ray e dz dz dz n OPL (3-6-6) 由（3-6-5）、（3-6-6）可知 o-ray 與 e-ray 的光程差為：

( )

⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ − ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ − + = − ₋ − o o e o e e ray e ray o n n dz OPL OPL ϕ ϕ ϕ ϕ ϕ θ cos sin tan 1 tan 1 cos (3-6-7) 由(3-6-2)、(3-6-3)、(3-6-4)將 ne（

θ

）以 ne

、

no

、α、ϕ

代換，則此兩道 光的相位差Γ（

ϕ

）為：

( )

(

α ϕ

)

λ π λ π λ π ϕ , 2 2 2 0 0 f d OPD OPD fdz d ray e ray o d ⋅ = − = = Γ

∫

∫

− − (3-6-8) 其中

(

)

(

)

(

2 2

)

12 2 2 2 2 2 2 2 sin 1 1 sin 1 1 sin cos sin 1 , 2 1 ϕ ϕ ϕ α α ϕ α b b c b a c b a c f − − ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ − + − = (3-6-9)

由Jones matrix method 水平配向液晶樣品可得到[18]︰ ) 2 ( sin 2 sin 2 1 2 Γ 2 _Ψ = I 為量測穿透率之變化，將液晶元件置於crossed polarizers 下（偏極片 與檢偏片夾角為 90°），並使第一片偏極片之偏極方向與第一層液晶分子 夾45°，則穿透強度可改寫為：

( )

( )

2 sin 2 1 2 ϕ ϕ = Γ I (3-6-10) 將所量測到的穿透率 I(

ϕ

）對

ϕ

作圖，其模擬圖如圖 3-6-2，可得到一 個對稱角度

ϕ

x，此角度就是最大相位延遲時的入射角，因此將相位延遲 Γ(

ϕ

）對

ϕ

微分：

( )

_{( )}

( )

, ₀ , 2 _{= =} ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ _⋅ = Γ ϕ ϕ α ϕ α λ π ϕ ϕ ϕ d df f d d d d d (3-6-11)

(

)

₍

₎

(

2 2

)

12 2 2 2 2 3 2 2 2 2 2 sin 1 sin cos sin 1 sin cos cos cos sin 1 , 2 1 − − − ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ − + − = − ϕ ϕ ϕ ϕ ϕ ϕ ϕ α α ϕ ϕ α b b c b a c b a b a c d df (3-6-12) 當

ϕ

＝

ϕ

x時：

(

)

(

)

1 2 2 2 2 2 2 2 2 2 3 2 1 2 2 2 1

sin cos cos

cos sin 1 sin

cos sin 1 sin 0

x x x x x x x a b c a b a b c c b b α α φ φ φ φ φ φ φ − − − ⎛ ⎞ − _⎜ − _⎟ ⎝ ⎠ + − = (3-6-13)

31

(

)

(

1 sin

)

0 sin sin 1 sin cos sin 1 2 1 2 2 2 2 2 2 3 2 2 2 2 2 2 1 = − + ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ − − − − − x x x x b b c b a c b a b a c ϕ ϕ ϕ ϕ α α (3-6-14)

ne液晶分子的非尋常折射率（extraordinary refractive index），no為液

晶分子的尋常折射率（ordinary refractive index），

ϕ

x為有最大相位延遲的

入射角，也就是 I(

ϕ

）對

ϕ

作圖中的對稱點。將φx 帶入(3-6-14)式，解此 方程式可得到預傾角α。 根據模擬圖︰圖3-6-2，以厚度為 9μm 的模擬結果可以發現︰發生峰 值的角度約 67.5̊，這角度已經超過實驗儀器可以旋轉的最大角度，因此 實驗上的量測圖形並無法確認峰值，但若可以判別曲線的對稱點，則仍 然對此量測曲線做分析，取得預傾角大小。

將通過電極檢驗的具有黏著層鈦的基板製作成液晶樣品，樣品連接 一訊號產生器，產生一個頻率為1K Hz的交流電，波形為方波，利用電腦 控制訊號產生器的電壓從0.1Vrms至10.0Vrms，紀錄光強度和電壓值，再將 光強度轉換成穿透率及相位延遲。 在理論推導上我們使用Jones Matrix 來推導通過水平配向之液晶樣 品的穿透光強度與旋轉角度及相位延遲的關係式。首先，定義起偏器 (Polarizer)的偏振方向為原始座標系XY的X軸，如圖3-7-1，而液晶分子長 軸與起偏器的偏振方向夾了一個角度θ，因此重新在液晶長軸上定義一 個新座標系X`Y`。 電場的起偏狀態可以用Jones Vector來表示，當光通過起偏器後電場 的偏振狀態為︰ XY y x p E E E ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ = ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ = 0 1 E _{0 (3-7-1)} 接著將電場分量由XY座標系轉換到X`Y`座標系，在這裡將轉換式寫 成矩陣形式R︰ ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ − = θ θ θ θ cos sin sin cos R _(3-7-2) ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ − = = ′ 0 1 cos sin sin cos RE E ₀ θ θ θ θ E p p (3-7-3)

33 ' ' 0 sin cos E Y X p E ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ − = ′ ⇒ θ θ (3-7-4) 電場分量在通過液晶的相位延遲為︰ ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ − = ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ − ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ = ′ ⇒ ⊥ ⊥ θ θ θ θ sin cos sin cos 0 0 E // // 0 0 kd in kd in kd in kd in LC e e E e e E (3-7-5) 再將E`LC 由X`Y`座標系轉換回XY座標系︰ ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ − + = ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ − ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ − = ′ = ⊥ ⊥ ⊥ − θ θ θ θ θ θ θ θ θ θ θ θ cos sin sin cos sin cos sin cos cos sin sin cos E R E // // // 2 2 0 0 1 kd in kd in kd in kd in kd in kd in LC LC e e e e E e e E (3-7-6) 接著通過檢偏器的電場分量為： XY kd in kd in kd in kd in kd in kd in A e e E e e e e E ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ − = ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ − + ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ = ⊥ ⊥ ⊥ θ θ θ θ θ θ θ θ θ θ cos sin cos sin 0 cos sin cos sin sin cos 1 0 0 0 E // // // 0 2 2 0 (3-7-7) 最後與剩下Y分量的電場到達光檢測器(Detector)︰ / / 0 2 2 0 0

ˆ

sin cos

sin cos y

ˆ

sin cos (

) y

ˆ

sin cos (2 sin

) y

2

in kd in kd A n n i kd i kd inkd inkd

E

E e

e

E e

e

e

nkd

E e

i

θ

θ

θ

θ

θ

θ

θ

θ

⊥ Δ ₋ Δ

=

−

=

−

Δ

=

JG

(3-7-8) 因此最後所偵測到的強度為： 2 2 2 0sin (2 )sin ( ) 2 A I = E =I

θ

ΔΦ JG (3-7-9) 上式中ΔΦ ( 0 2 ( ) d eff o n n dz

π

λ

=

∫

− )為光電場的相位延遲。

I=0。 ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ − = ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ − ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ = ′ ⇒ θ θ θ θ sin cos sin cos 0 0 E // // // // 0 0 kd in kd in kd in kd in LC e e E e e E (3-7-10)

35

3-8 極向錨定強度量測原理

表面錨定強度(polar anchoring strength)是指液晶分子與配向膜之間 的作用力強度。一般來說，隨著配向方式的不同，有不同的錨定強度。 本量測使用Xiangyi Nie 等人在 2005 發表之量測方法[20]，此方法可 以在不用量測液晶樣品的電容值的情況下得到極向錨定強度。將量測到 的光強度轉換成相位延遲(Φ )，得到相位延遲對電壓(Φ -V )圖，將施加在 樣品上的電壓做轉換後，會滿足下列式子︰ 3 max 2 ( 1)( ') ( ') ( , , , ) 2 K V V V V I b k Wd C n

ξ

_ν

π

∞ Φ − − = − − Φ Δ ， (3-8-1)

3-8-1 式只在V_min < <V V_max下成立，其中V_min =4V_th，

3 0 th K V

π

ε ε

= Δ ， (3-8-2) ' (1 ) _th V

α

ε

V

ε

_⊥ = − & _{， (3-8-3)} 1 0 1 (1 )(1 ) (1 ) ks ds s s γ α π γ + + = +

∫

，

γ

ε

1

ε

⊥ = − & ， 11 33 33 K K k K − = (3-8-4)

ε

_&和

ε

_⊥是電場偏振方向平行和垂直液晶方向子的介電常數；Φ 為液 晶樣品的相位延遲(Phase retardation)；Φ_max為液晶樣品的最大相位延遲；

3

K 為彎曲(Bend)彈性常數；W 為極化錨定強度； d 為液晶樣品厚度；C_∞

0 S K3 d

ε ε

ξ

π

ε

⊥ = ⋅ ⋅ Δ

(3-8-5) 0

ε

是真空中的介電常數；S是電極的面積；

(

)

1 2 2 2 2 1 2 0 1 1 2 ( , , , ) 2 1 cos (1 cos ) I b π

_ν

_ν

π

γ ν

π

ν

φ

ν

φ

− + − = − + −

∫

(

₂

)

2 _{2 1 2} 1 cos (1 sin ) sin b d

γ

φ

φ

φ

φ

+ + ⋅ (3-8-6) 最 後 將 實 驗 量 得 光 強 度 換 算 成 相 位 延 遲 ， 利 用 3-8-1 式 ， 以 max ( Φ −1)(V −V') Φ 對(V −V')作圖，由斜率計算出極向錨定強度。 關於3-8-1 式，和一般測量極向錨定強度的公式不同，最大的不同在 ' V 和C_∞，Xiangyi Nie 等人利用CV 會和V 成線性關係來簡化︰

(

'

)

CV =C_∞ V −V (3-8-7) 因此利用3-8-1式，可以在不知道電容值C的情況下，求出極向錨定 強度。 在實驗上，藉由電腦控制訊號產生器給一頻率為1kHz，波形為方波 的交流電，電壓從 _0.06Vrms 至10.00V_rms，這電壓經由放大器會被放大 十倍，因此實際上加至樣品的電壓為_0.6Vrms至 100.0V_rms，由電腦紀錄

37

3-9 反應時間量測原理

在得到不同電壓下穿透率的變化圖後，我們選擇具有最高穿透率的 電壓值作為外加的電壓。樣品和一訊號產生器(Function Generator， HP33120A)連接，設定輸出電壓頻率為1kHz、調變頻率為 1Hz的交流電， 波形為方波，並連接示波器紀錄液晶樣品在電壓下的光強度變化。將紀

錄的結果帶入Labview程式分別計算上升時間(Rise time)及衰減時間(Fall time)，這邊的上升時間是計算光強度從10%增加至90%所花的時間，衰

減時間是計算光強度從 90%下降至 10%的時間，反應時間為上升時間和

衰減時間相加。

以下分別推導上升時間(Rise time)和衰減時間(Decay time)[21]︰

衰減時間(Decay Time) 假設液晶分子會垂直基板排列，如圖3-9-1(A)，

φ

_p表示液晶分子的預 傾角(Pretilt angle)，當液晶樣品被施予一電壓後，液晶分子會發生轉變， 如圖 3-9-1(B)，其中

φ φ

= ( , )z t 為液晶分子的方向子(Director)和垂直軸 (z-axial)的夾角，d為液晶樣品厚度，我們可以寫下在外加電場下液晶分 子所遵守的Erickson-Leslie方程式︰

t ∂ 1

γ

是轉動黏滯係數(Rotation viscosity)，

K

₁與

K

₃分別是液晶的延展 (Splay)彈性常數與彎曲(Bend)彈性常數， 2 0 E

ε ε

Δ 為電能密度，Δ 為電場

ε

的介電異方性(Dielectric anisotropy)，

ε

₀為真空中的介電常數，

φ

為液晶分 子的方向子(Director)和垂直軸(z-axial)的夾角(如圖 3-9-1)。接著使用一些 近似來簡化3-9-1 式︰K₃ ≅K₁、sin

φ φ

≅ ，因此 3-9-1 式簡化成︰ 2 2 3 2 0 1 K E z t

φ

_{ε ε φ}

_γ

φ

∂ _{+ Δ = −} ∂ ∂ ∂ (3-9-2) 滿足3-9-2 式的解可以寫成：

[

]

( ) ( , ) sin( ) cos( ) t s m z t z z e τ

φ

=

φ

β

+

φ

β

− (3-9-3) 由於實驗上使用的上下基板的配向膜為同一材料，具有相同的邊界 條件，因此在 2 d z = ± 會得到相同的解，故

φ

_s = ，因此 3-9-3 式可寫成： 0 ( ) ( , ) cos( ) t m z t z e τ

φ

=

φ

β

− (3-9-4) 並且假設在邊界上的預傾角

φ

_p = ，即 0 2 0 d p z

φ

φ

=± = = (3-9-5) 將3-9-5 式的條件帶入 3-9-4，整理後可以算出： d

π

β

= (3-9-6)

39

這邊討論衰減時間(Decay time)，因此令 E=0，則 3-9-2 式可簡化成︰ 2 3 2 1 K z t

φ

_γ

φ

∂ _{= −} ∂ ∂ ∂ (3-9-7) 結合3-9-6 式和 3-9-4 式一起帶入 3-9-7 式，得到︰ ( ) 2 1 3( ) cos( ) 0 t m z K e d d τ

γ

π

_φ

π

τ

− ⎡ ₊ ⎤ ₌ ⎢ ⎥ ⎣ ⎦ (3-9-8) 由於3-9-8 式對所有 z 和 t 均滿足，故可知其係數為 0： 2 1 2 3 d d K

γ

τ τ

π

= = (3-9-9) d

τ

代表衰減時間，其中，

γ

₁是轉動黏滯係數(Rotation viscosity)，d 為 液晶樣品厚度，

K

33彎曲(Bend)彈性常數。 上升時間(Rise Time) 接著討論在給予一外加電壓下，液晶分子轉向所需的時間，將 3-9-6 式和3-9-4 式帶入 3-9-2 式，得到： ( ) 2 1 2 0 3( ) cos( ) 0 t m z E K e d d τ

γ

π

π

ε ε

φ

τ

− ⎡ _{Δ − −} ⎤ ₌ ⎢ ⎥ ⎣ ⎦ (3-9-10) 同樣的；由於3-9-11 式是對所有 z 和 t 均成立，故其係數為 0，因此： 1 2 2 3 2 0 2 ( ) 1 d r th K V E d V

γ

τ

τ τ

π

ε

ε

= = = Δ − − (3-9-11)

0

ε ε

Δ r

τ

代表反應時間，其中，

γ

₁是轉動黏滯係數(Rotation viscosity)，d 為 液晶樣品厚度，

K

₃彎曲(Bend)彈性常數，V 為液晶樣品上的電壓，Δ 為

ε

電場的介電異方性(Dielectric anisotropy)。 上述利用液晶分子的角度

φ φ

= ( , )z t 對時間關係推導出衰減時間的理 論值，但本實驗是量測光強度的變化而推出衰減時間，因此接下來說明 使用光強度和角度所推出的衰減時間理論值的關係︰ 首先，光強度(I)會和角度(

φ

)的平方成正比︰ 2

( )

( )

I t

∝

φ

t

(3-9-14) 根據 3-9-4 式︰

( )

t m

t

e

τ

φ

=

φ

− ，可以將3-9-14 式改寫成下列形式︰ 2 0 2 0 0

( )

I t t t

I t

I e

I e

I e

τ τ τ − − −

=

=

=

(3-9-15) 令 2 I τ _{= τ} ，τI 表示利用光強度得到的衰減時間，因此經由光強度的 變化得到的衰減時間會是理論值的1/2。

41

3-10 電極圖形化圖案及原理

本實驗將電極圖形設計成特定圖案，並探討陽極化過程中的各層膜 反應與否，來進行電極的圖形化。 電極圖形化可以增加樣品的應用性，並且在實驗上可以避免電場通 過間隙物Mylar，導致電場分佈不均，影響量測結果。 將製作好的具有圖形化電極的AAO 樣品，如圖 3-10-1，灰色的部份 是沒有陽極化處理的鋁膜，草綠色的部份是AAO，背後淺藍色的區域是 電極的形狀，根據圖 3-10-1(b)顯示︰加電壓時只會中間的菱形有電場通 過，在短邊上的間隙物不會有電場通過。

本實驗將比較兩種電極(ITO、Au)對陽極處理氧化鋁(AAO)薄膜的

影響，並針對 ITO 電極做改善。在 ITO 上鍍一金屬薄膜避免 ITO 導電

膜與草酸接觸，此金屬薄膜稱為黏著層(adhesion layer)，針對不同的黏 著層材料及製程而製作之基板加以討論。各種基板的編號則是使用英文 排序，最後將討論結果整理成表4-3-2。 將2-1 節、2-2 節、2-3 節、2-4 節、2-5 節、2-6 節、2-7 節、2-8 節 所製作出的AAO 基板做比較，陽極化處理使用溫度 6℃，濃度為 3wt% 濃度的草酸作為電解液，陽極化電壓為40V，鋁的厚度固定為 500nm， 基板編號依序為(a)、(b)、(c)、(d)、(e)、(f)、(g)、(h)，其中(a)、(b)、(c)、 (d)基板如圖 4-1-1，(e)、(f)、(g)、(h)基板如圖 4-1-2，照片下方是陽極 化處理後的基板截面示意圖，表格上註明基板最上層薄膜至玻璃的材料

名稱；O2 plasma 代表對 ITO 薄膜做 O2 plasma 製程，並且在基板截面示

意圖中以紅線標示。各基板的陽極化處理過程的電流曲線圖如圖4-1-3。

圖 4-1-1(a)是直接在玻璃上鍍鋁，進行陽極化處理的結果，這是先

前成功製作陽極處理氧化鋁(AAO)薄膜的方法，接著我們會製作出具有 電極的樣品，和圖4-1-1(a)的樣品作比較。首先用金(圖 4-1-1(b))和 ITO(圖

43

4-1-1(c))當作電極，金具有不被氧化、導電性佳的優點，ITO 具有可見

光的高穿透率的優點，金的厚度為 10nm，ITO 的厚度約為 140nm。接

著分別在金和ITO 鍍上鋁膜，再進行陽極化處理，如圖 4-1-1(b)、(c)，

比較圖 4-1-1(a)、(b)、(c)發現︰以金或 ITO 當作電極，上方的 AAO 薄 膜都有部份剝落，而且其表面呈現不平整的圖形，並且利用 3-2 節檢驗 電極的方法測試樣品，(b)、(c)樣品的電極已經被破壞。同時，比較三者 的電流曲線圖(圖 4-1-3)︰將鋁鍍在玻璃上的曲線(圖 4-1-3(a))和 2-2 節的 理論圖︰圖2-1-2 一致，但是金電極(圖 4-1-3(b))和 ITO 電極(圖 4-1-3(c)) 出現很多突起的尖端，這些都代表具有電極的 AAO 基板已經遭受破 壞；離子交換的電流值發生不連續變化，尤其是以金作為電極的曲線， 出現儀器限制的電流值，顯示電極和電解液接觸，導致系統短路讓電流 升高。 將鍍有ITO 電極和金電極的玻璃基板進行穿透率量測，如圖 4-1-5， 這邊所使用金電極的基板是將金鍍在無ITO 面的 ITO 玻璃上，因此會一 起量測到ITO 的穿透率。從圖中可知以金為電極的基板在短波長的穿透 率上較ITO 電極低，並且由於在 500nm 至 700nm 的穿透率較高，使得 金電極在可見光下呈現淡黃色，因此在考慮穿透光譜下，本實驗將以ITO 作為電極，並使用其它方法來保護ITO 及 AAO 不被破壞。 接著考慮兩種增加鍍膜黏著性的方法，第一種是對ITO 膜進行表面

性，達到增加ITO 和鋁之間的黏著性，接著進行陽極化處理，處理過後 的照片如圖 4-1-1(d)。第二種是在 ITO 電極和鋁膜中間增加一層金屬， 我們稱此金屬為黏著層，其目的是希望保護ITO 不參與陽極化處理。首 先嘗試的黏著層材料為鈦，主因是鈦黏著性較其他金屬要高，在半導體 製程上常以鈦當作黏著層，且強抗腐蝕性很強。由於製作的是液晶樣 品，因此鈦的厚度控制在 10nm，避免厚度太厚而降低穿透率。陽極化 處理後的照片如圖4-1-1(e)，比較圖 4-1-1(a)、1(c)、1(d)、4-1-2(e)發現︰ 增加O2 plasma 的基板仍出現 AAO 剝落的情形(圖 4-1-1(d))，反觀增加 黏著層(圖 4-1-1(e))的破損較圖 4-1-1(c)有稍微改善，仍非完整的 AAO 薄膜。在檢驗電極部份，增加O2 plasma 的基板其 ITO 電極仍被破壞， 表現出不導電的情況，而以鈦作為黏著層的AAO 基板，其 AAO 薄膜剝 落較少的區域，ITO 電極沒有被破壞，但是 AAO 薄膜剝落較多的部份， 其基板並不導電；因此可以知道黏著層鈦也一起剝落。同樣的結論可以 從電流曲線圖，圖4-1-3(d)、圖 4-1-4(e)看出，在陽極處理的過程中，穩 定生成AAO 階段一樣會產生許多突出的尖峰，和具有完整的 AAO 薄膜 (圖 4-1-3(a))差異相當大，因此增加黏著層並沒有克服 AAO 薄膜的剝 落，也沒有達到保護電極的效果，所以接下來必須增加黏著層和ITO 之

45 間的黏著性。 接著結合先前兩種增加黏著層的方法，先將ITO 進行 O2 plasma 處 理，之後鍍上黏著層鈦及鋁，並進行陽極化處理，其陽極化處理後的照 片如圖4-1-2(f)，比較圖 4-1-1(a)、4-1-2 (f)可以看出後者具有完整的 AAO 薄膜，顯示同時使用O2 plasma 製程及黏著層的方法，可以改善 ITO 及 黏著層之間的黏著力，並且電極並未遭受破壞。 因此實驗保留O2 plasma 製程，並將黏著層換成︰銀(圖 4-1-2(g))、 金(圖 4-1-2(h))，比較圖 4-1-1(a)、4-1-2(g)、(h)可發現具有黏著層銀的 AAO 薄膜並無破損，但是黏著層金的 AAO 薄膜卻出現破損，並且此兩 種基板的電極均被破壞。在電流曲線圖中，增加O2 plasma 製程後的黏 著層銀(圖 4-1-4(g))、金(圖 4-1-4(h))的電流曲線圖和先前 AAO 薄膜剝落 之樣品的電流曲線圖(圖 4-1-3(b)、(c))類似，但是增加 O2 plasma 製程後 的黏著層鈦(圖 4-1-4(f))的電流曲線圖和先前具有完整的 AAO 薄膜的電 流曲線圖(圖 4-1-4(a))類似，如圖 4-1-4，圖 4-1-5 是將圖 4-1-4 的時間、 電流放大來看的曲線圖。 總結以上實驗，我們利用O2 plasma 及黏著層的方式，成功製作出 AAO 基板(圖 4-1-2(f)、(g))，然而，在這兩基板中，只有以鈦作為黏著 層的基板通過電極檢驗，但我們仍對這兩種進行光譜穿透率量測，量測 後製作成液晶樣品。

根據 4-1 節的討論，將具有完整的 AAO 薄膜的基板(4-1-1(a)、

4-1-2(f)、4-1-2(g))及乾淨的 ITO 玻璃進行光譜量測。

量測的波長範圍是300 nm 至 800 nm，如圖 4-2-1，量測時以空氣當

作參考，在350nm 左右有一穿透率下降的趨勢，是因為使用的玻璃基板

造成，可以從 ITO 玻璃基板的曲線(k)得到此結果。(k)為 ITO 玻璃的穿

透率，(a)代表 AAO 在玻璃上，而 ITO 導電膜在另一面，(f)為使用鈦當 作黏著層的基板，(g)為使用銀當作黏著層的基板，比較三種不同 AAO 薄膜的基板，使用銀當作黏著層的基板穿透率最高，可達70%，次高的 是單純的 AAO 基板，有 60%左右，最後是增加黏著層鈦的基板，穿透 率在50%~60%，顯示增加黏著層並未造成基板穿透率大幅下降。此外， 在製作(a)樣品，忽略蝕刻過程中經由蝕刻液蝕刻 ITO 導致穿透率改變的 誤差。

47

4-3 液晶樣品的配向結果

將 4-1 節所討論的 AAO 基板︰4-1-1(f)、(g)基板，放入蝕刻液擴孔。 根據先前的研究指出︰將500nm 的鋁製作成 AAO，再經過 2~3 分鐘的 擴孔後，可製作出具有垂直配向的液晶樣品[14]，因此本實驗使用同樣 的擴孔分鐘數，並依照 2-12 節步驟製作液晶樣品，夾樣品時使用 6μm 的Mylar 當作 Spacer，目的是希望在之後測量的反應時間具有較好的結 果，灌入的液晶選擇的是Merck MLC-6608，為負型液晶，選擇負型液 晶主要是希望樣品具有垂直配向效果，可在加電壓時可改變液晶分子的 排列方向。在灌入液晶後，會將液晶樣品加熱至 100℃並維持 15 至 30 分鐘，確保樣品超過T_c

，

再自然回溫至室溫。 這邊使用兩種方法來判斷液晶樣品的配向結果︰第一種為將液晶 樣品擺在正交片下，觀察其明暗變化，第二種是利用 conoscopy 顯微鏡 來觀察液晶樣品。 圖4-3-1(Ⅰ)、(Ⅱ)、(Ⅲ)分別為液晶長軸與正交片平行、夾 45̊、夾 45̊ 下傾斜一角度的照片，根據 3-7 節實驗原理，水平樣品在正交片下旋轉 會有明顯的明暗變化，垂直樣品旋轉任意角度均為暗態，只有在傾斜一 個角度下，樣品會呈現亮態；因此從圖 4-3-1(Ⅰ)、(Ⅱ)、(Ⅲ)可以說明 液晶樣品具有垂直配向。

品。 綜合以上結果，我們可知在有 ITO 電極但不同黏著層的 AAO 樣品 中，其 AAO 薄膜仍為良好的垂直配向膜，不論黏著層的材料為何，均 可讓液晶分子呈現垂直配向的結果，換句話說，影響配向的最重要因素 為陽極處理氧化鋁(AAO)，而黏著層是對電極是否遭受破壞的影響。 最後，將AAO 的完整性、電極檢驗、配向結果整理成圖 4-3-2。

49

4-4 預傾角量測結果

使用 conoscopy 觀察液晶樣品的配向結果後，本實驗使用 3-6 節介

紹的Crystal Rotation Method 測量預傾角。圖 4-4-1 為經過 O₂ plasma 處

理後，(f)鍍有黏著層鈦、(g)黏著層銀的兩個樣品的量測結果，從圖 4-4-1 明顯看出黏著層鈦(f)的光強度變化具有數個波峰。推測波峰的產生原因 為雷射光在液晶層多次反射後產生干涉，因此根據在 3-4-2 節推導的公 式，進行液晶樣品的厚度量測，將樣品置於系統中，如圖 4-4-2，圖中 的偏振片的偏振方向為出紙面。量測到的圖形如圖 4-4-3，根據 3-4-11 式，計算出液晶層厚度(d’)為 9.0μm，和空樣品的間隙厚度(8.94μm)誤差 0.7%，因此我們確定雷射光在液晶層會因為多次反射而產生干涉。 接著將量測預傾角(圖 4-4-1)出現的峰值帶入 3-4-11 式，計算出厚度 為8.24μm，與空樣品的間隙差異增加至 7.8%，差異主因是推導的模型 過於簡單，造成厚度量測的差異，在量測預傾角時，偏振片的方向和水 平面夾 45°，所以入射光會因為液晶的雙折射性而分成尋常光和非尋常 光，導致3-4-11 式的n₃會隨著角度改變，並且二次反射後，液晶層會產 生不只兩道光，而這多道光會互相產生干涉，導致干涉的極大值角度更 為複雜。 透過上述厚度的計算，了解圖4-4-1(f)的波峰的產生是因為雷射光在

射光已經比量測預傾角時所產生的尋常光和非尋常光小很多，可以忽 略，因此樣品並未觀察到液晶層干涉的圖形。雖然黏著層鈦的樣品會產 生干涉圖形，但這並不影響我們尋找對稱點，因此用 3-6 節的理論來求 預傾角。不同黏著層的樣品的預傾角分為黏著層鈦(f)︰89.4°，黏著層銀 (g)︰89.2°，如圖 4-4-4，顯示出不同黏著層的樣品在製作成液晶樣品後， 對預傾角的影響很小，都是具有垂直配向的樣品。 總結 4-3 和 4-4 節，當我們將 ITO 和鋁膜中間增加一黏著層後，不 論是利用正交片或 conoscopy 顯微鏡觀察樣品，及預傾角量測都得到垂 直配向的結果。

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4-5 加電壓之穿透率量測

將通過電極測試的黏著層鈦(f)樣品進行加電壓之穿透率量測，進行

測量前，利用 conoscopy 顯微鏡觀察樣品加電壓的變化，從變化的照片

可以得知樣品的easy director 方向。在量測系統中，將 easy director 方向 和polarizer 方向夾 45̊ 進行量測。量測結果如圖 4-5-1，從圖中看出︰當 超過臨界電壓，穿透率會隨著電壓增加而上升，其原因為液晶分子受電 場作用，方向子(Director)的方向發生改變，此時液晶具有雙折射性，使 入射光分成 n_o 和 n_eff 兩道光，這兩道光的相位差導致穿透率變化。圖 4-5-1 亦證明本實驗成功的利用電場控制液晶樣品的亮暗變化。 量測時，給予樣品一頻率為 1kHz 的方波作為外加電壓，接著根據 3-7-9 式，將量測到穿透率對電壓圖(圖 4-5-1)轉換成相位延遲對電壓圖 (圖 4-5-2)，從圖 4-5-2 可以得到臨界電壓為 2.2 V_rms，和3-8-2 式計算出 的理論值 2.19 V_rms誤差為 0.5%，因此可知當使用 AAO 當作配向層， 鈦膜當作黏著層後，其臨界電壓並不因為多層介質而發生太大改變。 在此實驗的過程中發現另一結果︰未進行磨刷的 AAO 樣品，卻具 有一固定的 easy director 方向，使液晶分子在加電壓下會朝此方向傾 倒，此結果和其他具有垂直配向的配向膜不相同，降低了因為磨刷而造 成基板表面不乾淨的可能，這是AAO 樣品的一大優點。

反應時間在顯示器應用中扮演重要的角色，反應時間越短表示顯示 器越不容易留下殘像，因此反應時間越小越好，所以在製作液晶樣品 時，使用較薄(6μm)的間隙物，其目的是減低衰減時間，實驗上量得間 隙厚度為8.94μm。進行反應時間量測時，使用具有最大穿透率的電壓作 為外加電壓，根據 4-5 節，此樣品的最大穿透率為 5.5Vrms。量測結果如 圖4-6-1，並且根據 3-9 節的實驗方法，計算加電壓下穿透率從 10%上升 至 90%的上升時間(Rise time)︰47.8ms；停止加電壓後穿透率從 90%下 降至10%的衰減時間(Fall time)︰43.0ms，在 3-9 節中討論衰減時間的理 論為 41.6ms，理論值和實驗值的誤差為 3.4%，顯示本實驗量得的衰減 時間和理論值吻合，但上升時間的理論值(7.9ms)和實驗值(47.8ms)仍有 很大差距。 除了 AAO 樣品外，本實驗和李家圻同學所量測 DMOAP 樣品的反 應時間做比較，DMOAP 濃度為 1%，使用液晶為 MLC-6608，實驗結果 整理成表 4-6-2，由於液晶層厚度較小，因此表中 DMOAP 樣品的衰減 時間較小，且因為操作電壓是DMOAP 樣品較小，因此上升時間 DMOAP 樣品較大，最後將衰減時間及上升時間相加得到反應時間，結果是AAO 樣品和DMOAP 樣品具有相同級數的反應時間。