成大研發快訊 - 文摘
成大研發快訊 第九卷 第十期 - 2009年七月三十一日
[ http://research.ncku.edu.tw/re/articles/c/20090731/3.html ]
非接觸式電漿配向技術於軟性液晶顯示器之應用
劉康弘
2、李金揚
3、何政達
1、鄭弘隆
1、林士廷
1、唐煌欽
3、郭家瑋
1、廖奇璋
3、
謝漢萍
2、周維揚
1,*1國立成功大學光電科學與工程研究所、微奈米科技研究中心
2國立交通大學光電科學與工程
3工業技術研究院
Electrochemical and Solid-State Letters, 10 (10) J132-J135 (2007)
由
於傳統的顯示器因為使用玻璃當作基板，所以面板不可任意彎曲且有容易損壞 等缺點，而可撓式的顯示器因為使用類似塑膠的材料當作基板，所以具有重量更輕、更耐用、且方便攜帶還有壽命較長等優點。因此薄型化且可彎曲的顯示器成為未來新 一代面板的發展趨勢。因為可撓式顯示器是使用塑膠基板或者其他可彎曲的材料來取 代傳統的玻璃基板。所以在配向層材料與液晶配向上仍需要克服技術、製造上以及生 產成本上的障礙，才可在未來達到大量製造生產的需求。1-5因此，對於可撓式的顯示
器來說，選擇最合適的配向膜及發展最有效的液晶配向技術，對於可撓式液晶顯示器是一項很重要的關鍵 技術。6-11
圖一．氬氣電漿束配向系統。
在這項研究過程中，利用可產生薄片狀的電漿束技 術對液晶配向層進行配向。這種電漿配向的裝置如 圖一所示。電漿束在交叉的電場、磁場中形成。而 此電漿束在可撓式基板上對聚醯亞胺（Polyimide）
配向膜進行轟擊，經過電漿束處理過後的配向層對 液晶分子具有配向效果。由於電漿束是一種非接觸 式配向方法，而我們也利用這種配向方法驗證經由 電漿束處理過的配向層，對於液晶配向是一種非常 有效的配向技術。跟傳統以絨毛布摩擦
（Rubbing）來造成配向膜形成溝槽進而排列液晶 分子的方法比起來，對可撓式基板來說並不會對配 向膜表面造成應力傷害以及刮痕，因此這種電漿配 向技術也適用於roll-to-roll的方式來生產可撓式液 晶顯示器。我們製作的可撓式顯示器是先以酒精清
洗完PC塑膠基板，之後再coating上一層IZO（indium-zinc-oxide）當作導電電極材料，而全部的總厚度為 120μm。而微結構的液晶層則是被注入到兩塑膠基板中間。厚度80 nm的聚醯亞胺配向層與撐開上線板間 細的photo spacers是使用傳統的黃光製程方式覆蓋上去。最後在塑膠基板外面分別貼上互相垂直的偏振 片，即完成總厚度約為520μm的可撓式液晶顯示器。
在傳統上以玻璃基板為基礎的液晶顯示器由於不需 要考量到可撓性的需求，而我們的實驗所要探討的 是以軟性材料為基板的液晶顯示器，因此必須使用 具有一定彈性的材料來作為兩基板間的 spacer，以 確保液晶顯示器在彎曲的過程中，且依然能夠保持 其樣品內部的液晶盒厚度，並且不會對基板造成傷 害，圖二分別是使用電漿束和使用傳統絨毛布摩擦
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圖二．電漿配向法和毛絨布摩擦配向法的液晶盒厚度
（Cell gap）隨曲率半徑變化的曲線。
配向下，可撓式液晶顯示器在不同曲率下液晶盒厚 度（Cell Gap）的變化情形。曲率半徑範圍從無窮 大（平板）到25 mm，利用電漿束與摩擦配向方法 的液晶盒厚度變化大約都在5 %左右。然而這個結 果對可撓式液晶顯示器來說是可被接受的，因此，
藉由photo spacers可以維持良好液晶顯示器的液晶 盒厚度。而對用電漿束配向液晶方法所做的樣品，
其彎曲後液晶盒厚度的變化比使用傳統毛絨布摩擦 來配向的方法還要小，約只有0.1 μｍ左右。一般在液晶中會需要一個小角度的預傾角（Pretilt Angle），
它有助於使液晶分子受電場作用時朝向相同方向排列以降低反應時間，預傾角的大小則會影響到液晶顯示 器的起始驅動電壓Vth，而較大的預傾角一般而言會有較小的反應時間（response time），但是如果預傾 角太大的話則將會產生微弱的漏光現象，而使得液晶顯示器的對比度下降，因此可依不同的需求而調整液 晶預傾角大小，配向層材料與配向方法的選擇就顯得格外的重要。而本實驗是使用autronic-MELCHERS GmbH公司所生產的機台，型號為TBA-107，來量測預傾角。由量測結果，利用電漿束配向的方法和傳統 摩擦配向方法的預傾角分別是2.33度和2.25度。所以在相同的PI配向膜下，利用電漿束轟擊液晶配向層表 面其所產生的預傾角，和使用傳統毛絨布摩擦配向層對液晶分子間產生的預傾角度相近。
圖三．在不同曲率下電壓−穿透率間變化情形 (a)電 漿束配向 (b)傳統毛絨布摩擦法配向。
為了比較電漿束配向法和摩擦配向法的光學特性，
我們使用Otsuka LCD5100來量測扭轉型液晶(TN LC)在不同曲率半徑下其電壓−穿透率曲線（V−T 圖），電壓範圍從0 V到5 V，如圖三所示。圖三(a) 及三(b)顯示出，在不同電壓對穿透率的特性中，當 使用電漿束配向法與使用毛絨布摩擦配向法其結果 是相類似的。且利用此兩種配向法製作的可撓式面 板其臨界電壓（Vth）幾乎是一樣的，大約都在1.5 V左右。這個結果意味著使用電漿束去轟擊PI配向 膜表面所產生的錨定能（Anchoring Energy），與 使用毛絨布摩擦配向的方法是一樣的。而且使用氬 氣電漿束配向對液晶分子所產生的錨定能優於使用 氬離子束轟擊PI表面所產生的能量。從使用傳統毛 絨布摩擦配向的TN型可撓式液晶顯示器圖中我們可 以發現，電壓在0 V到1 V之間的範圍內時，當我們 增加液晶塑膠基板曲率半徑時，在不同曲率的液晶 樣品中穿透的亮度會有逐漸減少的情形。然而使用 電漿束配向液晶顯示器的樣品裡，即使改變可撓式 液晶顯示器基板在不同的曲率半徑時，其穿透亮度 幾乎是不變的。所以利用電漿束配向的可撓式面板 在基板彎曲的情況下，其光學特性仍然可以保持一 定。而且，我們可以預期當我們使用毛絨布摩擦配 向的方式來配向液晶顯示器時，當增加液晶顯示器 基板的曲率半徑時，因為在沒有被毛絨布摩擦配向 到的區域會產生漏光的情形，所以其暗態時的亮度 應該也無法太低。
最後，我們比較使用氬氣電漿束配向與毛絨布摩擦 配向可撓式液晶顯示器的反應時間（Response time）和對比度（Contrast ratio）關係。當電壓加 至 LCD 的電極時，通過 LCD 的光線（亮度）會改
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圖四．電漿束配向法和毛絨布摩擦法之對比度(左軸) 和反應時間(右軸)在不同曲率下的變化情形
變，其改變至穩定的時間稱為光的反應時間，反應 時間為液晶顯示器從亮狀態（white）到暗狀態
（black）之後又再次回到亮狀態（white）的總時 間。圖四畫出了兩種配向法液晶顯示器在不同曲率 下的反應時間（右軸）和對比度（左軸）。由圖四 上可以發現這兩種配向法液晶顯示器的反應時間幾 乎相同，其平均反應時間大約是20 ms。一般而 言，反應時間會隨著液晶顯示器之液晶盒厚度的減 少而減少。圖四（右軸）顯示出在使用電漿束配向 液晶可撓式顯示器下，當增加曲率半徑時其反應時
間會稍微地減少，這是由於液晶盒厚度也會些微地減少之故（見圖二）。然而，使用毛絨布摩擦配向法液 晶顯示器的反應時間在曲率半徑增加下先是增加而後減少。利用此兩種配向方法下，兩者可撓式面板液晶 盒的厚度都是隨著曲率半徑增加而減少，如圖二所示。對電漿束配向液晶顯示器而言，其反應時間會隨著 液晶盒厚度減少而有減少的傾向，如圖四所示。而電漿束配向可撓式液晶顯示器的對比度約為330。而且 在曲率半徑無窮大到25 mm間，其對比度變化大約15%左右。然而，對利用傳統毛絨布摩擦配向的液晶顯 示器而言，對比度會隨著曲率的增加而大幅地下降，其變化量高達42%。此外，我們實驗所獲得的結果亦 指出，在平板上取13個位置量測其對比均齊度，結果電漿配向法和毛絨布摩擦配向法其對比均齊度分別是 330±9.1和430±41.4。在可彎曲面板的情況下，使用氬氣電漿束方式配向可撓式液晶顯示器的光學一致 性，遠比傳統使用毛絨布摩擦配向液晶顯示器的方式還要好。這些結果顯示出可撓式基板經由電漿束配向 的方法在對比均齊度上比傳統毛絨布摩擦配向的方法還要來的穩定。
我們已經使用了氬氣電漿束轟擊PI薄膜表面去製作液晶樣品的配向層，而此方法非常適合用於可撓式液晶 顯示器的製造。且利用非接觸式電漿束配向法所製作的液晶顯示器，其錨定能與摩擦配向法的能量相同。
在可彎曲面板的情況下，就光學特性來說，利用電漿束配向的可撓式液晶顯示器優於利用摩擦配向法的液 晶配向。此外，利用陽極推進器的電漿源，我們發現氬氣電漿束配向法也適用於大面積與roll-to-roll的生 產方式。而未來常壓大氣電漿的研究將可以解決在真空下的一些問題。
參考文獻
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