行政院國家科學委員會補助專題研究計畫成果報告
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液態晶體平行配向的方向固定強度研究
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計畫類別：
V
個別型計畫 □整合型計畫
計畫編號：NSC 90－2112－M－009－051－
執行期間：90 年 08 月 01 日至 91 年 07 月 31 日
計畫主持人：趙如蘋
共同主持人：
本成果報告包括以下應繳交之附件：
□赴國外出差或研習心得報告一份
□赴大陸地區出差或研習心得報告一份
□出席國際學術會議心得報告及發表之論文各一份
□國際合作研究計畫國外研究報告書一份
執行單位：國立交通大學電子物理系
中 華 民 國 ９１ 年 １２ 月 １６ 日
1行政院國家科學委員會專題研究計畫成果報告
液態晶體平行配向的方向固定強度研究
Study on the Anchoring Strength of Planar Alignment of Liquid
Crystals
計畫編號：NSC NSC 90－2112－M－009－051 －
執行期限：90 年 08 月 01 日至 91 年 07 月 31 日
主持人：趙如蘋 國立交通大學電子物理系
計畫參與人員：林雅峯,鄒明釗,黃郁惠,王智杰
國立交通大學電子物理系
一、中文摘要 表面方向強度是液晶元件的重要參數，因為 所有的液晶盒都是利用表面配向膜對液晶分子的 方向性作用力以提供一方向性之邊界條件。在開 發新配向材料或拓展應用上，均需了解配向劑之 配 向 強 度 。 我 們 從 事 數 種 新 的 配 向 方 法 , 包 括:(1)AFM 對 polyimide 膜之修飾，和(2)具微小 溝紋的玻璃表面。針對這數種處理方法的配向 層，我們將探討其配向強度與配向層製作方法及 其他物性參數間之關係。 關鍵詞：液態晶體，表面配向，配向強度，原子 力顯微術 AbstractThe anchoring strength is an important parameter for surface alignment film In liquid crystal cells.
We have studied new methods of surface alignment and measured the anchoring strength, particularly the azimuthal anchoring strength and their relations with our process. In this report﹐ we report the results for our study on the films made by AFM modified polyimide film and micro-grooved glass surface.
Keywords: Liquid Crystal, Surface Alignment, Anchoring Strength, AFM 二、緣由與目的 液態晶體是有方向性的流體，其方向受電場 磁場的影響可改變。在與其他材料接觸（如容器 或液晶盒的基底等）則受與其他材料之方向性作 用而有特定的排列，因而造成方向之邊界條件。 在許多的應用中（如具有灰階的光學元件等）， 我們希望邊界條件越穩固越好。為了擴展液態晶 體在各個領域的應用，人們希望能在液晶元件中 劃分出微小的區域，並使其具有不同之邊界條 件。另外，如可在液晶元件完成後再改變其邊界 條件，則可對液晶元件的可能用途提供新的方 向，也可對所謂的瑕疵點進行修補。但在各種新 配向發展中，其配向強度是一個必須檢驗的性質。 液晶在一具有配向膜之材料上其方向 可用 polar angleΘ及 azimuthal angleΦ 來描述。（如圖 1）對特定液晶及特定配向 膜，在沒有其他因素影響下，液晶的 easy direction 為（Θ0，Φ0）。若有其他因素 影響，表面處的液晶方向可能也會改變成 （Θ，Φ），此時表面能量密度可以下列來 表示： Fs = 1/2 [Asin2(Θ-Θ0)] + 1/2 [Bsin2(Φ-Φ0)] ,
式中 A 為 Azimuthal anchoring strength 而 B 為 polar anchoring strength。若在觀察範圍內Θ∼Θ
0（or Φ∼Φ0）則稱該方向具有 strong anchoring，
這是我們在理論分析上常常用的假設。但是在新 方法的發展過中，我們必須確定其是否為 strong anchoring 或其 anchoring 強度為多少。 本報告將針對我們以(1)AFM 對 polyimide 膜 之修飾，(2)具微小溝紋的玻璃表面等方法進行之 配向研究成果及 anchoring strength 測量結果 作綜合比較。 圖 1 液晶方向 Φ Θ Φ x y z 2
0 ) cos( ) 1 cos( ) sin( ) 1 sin( 1 1 2 2 2 2 + − + + − = + = u pol u pol u T θ θ ψ θ θ ψ 定向強度（anchoring strength）測量步驟 (4) 我們的量測原理是根據 Y. Sato、K. Sato 和 T.
Uchida[1]、Sun R.[2-3]、G. P. Bryan-Brown[4], Alan Lien[5]等人的方法，利用下式求出 anchoring strength，其中 A 是指表面自由能密度中的定向強 度： 實驗中，液晶樣品逆時針旋轉θ’而第二片偏 振片旋轉 2θ’的方法進行，即滿足(3)式。步進馬 達行進方式為θ’自 200轉至-900，2θ’自 400轉至 -1800才停止，我們可得一相對於穿透最暗值的液 晶盒所旋轉θ’值。如圖 3-5 所量測到的穿透率最 低點相對應的角度θ’＝-13.730，則Ψ pol＝2θ’-90 °=-117.460。再經由(4)式 T 2對θ作圖可得一角度 θt使得 T2=0，即為圖 3-6 中的曲線相交於水平軸 零點，可得θt＝-27.270，此θt即為 LC twist angle。
−
=
d
p
K
A
π
θ
θ
0 222
sin
2
(1) 此時我們除了得到了 twist angle 之外，再將 量測的 cell gap d、實驗得到的 pitch P0、擬合得到的 K22代回(2-3)，即可算出 Anchoring Strehgth。
以上的實驗皆經由自行撰寫 LabView 程式控制旋 轉平台，並以電腦記錄的結果。
22
K
：twist elastic constant；P0 ：the chiral pitch；
d ：cell gap； θ ：twist angle. 因為在這裡我們所注入的 LC 是有 chirality，所以 對這種有 twist angle 的樣品，其光穿透率的表達 式如下所示 三、結果與討論
AFM 對 polyimide film 之修飾:
當 AFM 探針以 contact mode 掃過鍍有 polyimide 之 玻璃表面,可造成此表面對液晶與掃描方向平行 之排列,如圖 2 及顯示以據此薄膜之一液晶樣品在 片光顯微鏡下顯示之排列效果。此種方法對液晶 之定向強度與 AFM 探針修飾密度有關,在我們的探 討範圍內,我們得到一幾乎成正比的結果(圖 3)。 ) 2 ( cos ) 1 ( sin 1 )] cos( ) 1 cos( ) sin( ) 1 sin( 1 1 [ 0 2 2 2 2 2 2 2 2 2 pol pol pol u u u u u u T ψ ψ θ θ ψ θ θ ψ θ θ − + + + + − + + − + + = (2) 0
ψ
：polarizer 與第一層液晶長軸所夾角度； polψ
：polarizer 與 analyzer 所夾角度；(
n
n
0)
d
u
=
e−
λθ
π
λ：入射光波長;ne and no：extraordinary and ordinary indices
of refraction of the liquid crystal；
△n = ne - no：the birefringence of liquid
crystal；
圖 2 Parallel LC cell under polarized microscope. The
darker area is scanned with AFM tip under “contact mode”; the size is 80 µm × 80 µm.
而當光穿透率最低時，也就是使得（2-4） T=0，我們可以再利用實驗中找出
ψ
pol 後，計算 出有 chirality LC 的θ，然後代入（1）便可以求出 Anchoring strength。 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 0 1 2 3 4 5 (a) * A ( 1 0 4 J / m 2 )Line density ( lines / µ m )
在正交的兩偏振片之間，置放液晶樣品的溝 槽方向與第一片偏振片平行，θ’＝0°，第二片偏 振片的角度Ψpol＝2θ’-90°，皆以電腦控制步進馬 達進行。打入為波長 632.8nm 並且經過擴束的氦 氖雷射，經過偏振片及液晶樣品後再量測光強度 變化，如圖 3-4。由先前理論的推導式子(2)，我 們為使穿透率 T 為零，必須滿足以下二式：
圖3 Azimuthal anchoring strength vs. modifying density by AFM probe. Nematic liquid crystal 5CB is
used in the celles except the one marked with “*”, in which a chiral dopant is added.
2
2
0 1π
ψ
ψ
θ
+
−
=
±
=
polT
(3) 3具微小溝紋的玻璃表面: 五、參考文獻
[1]Y. Sato, K. Sato and T. Uchida, J. Appl. Phys., 31, L579. (1992). 我們以光微影製程及乾式蝕刻(RIE)方法在玻 璃表面製作了週期性微小溝槽(圖 4)。利用溝槽週 期 及 深 度 變 化 , 我 們 可 在 非 常 廣 之 範 圍 調 整 anchoring strength 之大小(圖 5)。密溝槽 (2µm) 其 anchoring strength 甚 至 大 於 磨 刷 之 polyimide surface，而若的情況可僅有其千分支 一。
[2] Sun Ruipeng, Huang Ximin, Ma Kai, Wang Zongkai, and Jiang Min, “ Alternative method of investigating surface torsional anchoring energy for pure nematic liquid crystals”, Physical Review E, 50, pp. 1253-1256, (1994).
[3] Sun Ruipeng, Huang Ximin, Ma Kai, Wang Zongkai, and Jiang Min, “A new method for the study of surface torsional anchoring of nematic liquid crystals”, SID, Proc. IDRC, pp. 616-619, 1994.
[4] G. P. Bryan-Brown and I. C. Sage, “Photoinduced ordering and alignment properties of
polyvinylcinnamates”, Liquid Crystals, 20, 6, pp. 825-829, Feb. 1996.
[5] Alan Lien and Yukito Saitoh, “An Improved Azimuthal Anchoring Energy measurement Method Using Liquid Crystals with Different Chiralities”, Jan. J. Appl. Phys. 39, pp. 1743-1746, (2000).
[6] A. Lien, ”Optimization of the Off-States for Single-Layer and Double-Layer General Twisted Nematic Liquid-Crystal Displays”, IEEE Trans Electron Dev 36, pp. 1910-1914, (1989)
圖 4 The surface topography of the RIE processed glass
surface. Groove period is 7µ m in this picture.
0.00E+00 2.00E-05 4.00E-05 6.00E-05 8.00E-05 1.00E-04 1.20E-04 1.40E-04 1.60E-04 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Periods of Grooves（μm) A n chor ing S tr ength ( J /㎡ ) RIE 1 min RIE 6 min RIE 20 min RIE 1 min: 13~28nm depth RIE 6 min: 55~65nm depth RIE 20 min: 115~130nm depth
圖 5 Anchoring strength of micro-grooved glass to
liquid crystal 5CB. 四、計劃自評 我們研究了兩種非磨刷液晶配向方法，並以本計 劃所建立之方法測出其定向強度。這在欲將液晶 應用擴展到小尺寸或微機電的工作上是非常重要 的知識。本計劃所提之工作亦均已完成。 4
