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新穎垂直配向共聚薄膜之液晶元件光電特性探討

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(1)

新穎垂直配向共聚薄膜之液晶元件光電特性探討

林法忻 何宗育 李俊毅

國立臺灣科技大學材料科學與工程研究所

摘 要

本研究目的為發展新穎垂直配向共聚薄膜之液晶元件。將具有負誘電異方 性液晶、兩種壓克力單體與光起始劑以適當比例摻混。經紫外光 (Ultra-Violet,

UV)

照射後,因相分離而形成上下雙層垂直配向共聚薄膜。初步探討液晶分 子在此垂直配向模式下之光穿透度以及對比度等光電特性。而由此實驗結果發 現在適當比例下之液晶摻混系統其對比度達到 1300:1。此新穎垂直配向技術 於液晶顯示器工業可達到縮短聚醯亞胺 (Polyimide, PI) 段之前製程,並期望利 用此垂直配向模式製作高對比特性之液晶元件。

關鍵詞:垂直配向,負誘電異方性,液晶,單體,相分離。

ELECTRO-OPTICAL PROPERTIES OF LIQUID CRYSTAL DEVICE WITH NOVEL VERTICAL ALIGNMENT COPOLYMER FILMS

Fa-Hsin Lin Czung-Yu Ho Jiunn-Yih Lee

Department of Materials Science and Engineering National Taiwan University of Science and Technology

Taipei, Taiwan 106, R. O. C.

Key Words: vertical alignment, negative dielectric anisotropy, liquid crystal, monomer, phase separation.

ABSTRACT

The purpose of this study is to develop novel vertical alignment (VA) copolymer films for liquid crystal (LC) devices. Negative dielectric anisotropy (N-type) LC, two kinds of acrylic monomer and a photoinitiator were mixed in the proper ratio. Only Ultra-Violet (UV) light irradiation was required to aid the phase separation of the LC mixture to form the upper and lower double layers of a VA copolymer film. Preliminary electro-optical properties of the LC molecules under the VA mode, such as optical transmittance and contrast ratio etc., have been characterized. The result of this experiment was discovered under the proper ratio LC mixtures system, the contrast ratio reaching 1300:1. This novel VA technology for the liquid crystal displays (LCDs) industry enables the shortening of Polyimide (PI) pre-processing and we hope to use the VA mode to manufacture high contrast ratio LC devices.

一、前 言

在眾多的液晶分子配向方法當中,以機械定向摩擦接

觸的方式為目前業界廣泛使用之配向製程,並使用毛絨布

(

材質為 cotton, nylon, rayon 等) [1]定向摩擦 (rubbing) 聚 醯亞胺 (Polyimide, PI) 高分子薄膜表面後[2],使得高分子

(2)

主鏈因延伸而順向排列,致使所產生的微溝槽以誘導液晶 分子能夠延著溝槽配列而達配向的效果。此技術之優點為 摩擦配向方式操作時間極短,在常溫下即可進行,具有優 異量產等特性;但是也有許多缺點,例如:PI 材料具有高 極性、高吸水性、儲存及運送時候容易變質而造成配向不 均勻;摩擦配向所造成的粉塵顆粒、靜電殘留、刷痕產生 等問題容易造成元件的毀壞而使製程良率降低[2-7];高密 度高精細化的像素 (pixel) 製程需設計多重區域 (multi-

domain)

配向排列,適合於平坦表面、單一順向的 PI 摩擦

配向法無法滿足下一世代之製程需求,因此在面臨未來大 尺寸面板、高解析度、廣視角等高顯像品質要求之發展趨 勢下,此製程將備受考驗。

而近 10 年來的熱門液晶研究方向即為非摩擦配向

(non-rubbing)

的材料及製程技術紛紛被提出[2-7],例如:

(1)

光配向是以偏極化紫外光 (UV) 以特定的方向照射具 有感光基的聚合物,使其產生分子鏈的破壞與重排,造成 表面微溝槽或高分子主鏈有非等向性的分佈進而控制液晶 分子的排列[4, 5, 8-10];(2) 以高能雷射光或離子束於特定 方向照射高分子配向膜表面,使得照射過的表面產生剝 離,因而造成表面溝槽的效果而達液晶配向的目的[6,

11-13]

;(3) 製備奈米級圖案的母板直接以奈米級壓印

(nanoimprinting) [14, 15]

的方式於某些軟性高分子材料上 進行圖案轉印,造成表面具有高低起伏之微溝槽結構,進 而控制液晶分子的排列。上述所舉例之三種非摩擦配向技 術各有其優缺點:例如在光配向方法當中,由於線偏振光 照射光敏感性高分子薄膜法的配向膜材料,其熱穩定性較 差以及低錨定能 (anchoring energy) 等問題;而在高能雷 射光或離子束使其高分子薄膜表面剝離而產生溝槽的方式 同樣會造成碎屑顆粒等污染,因而限制在液晶顯示器產業 中的應用性;而奈米級壓印法則是在製程上需要高溫高 壓,使其表面奈米結構相對於基板或熱塑性高分子材料會 有熱膨脹等問題,而造成後續圖案轉印時,其尺寸上之誤 差以及脫模的問題,因而增加了製程成本與複雜性;此外,

將具有奈米級圖案之軟性模板 (如 Polydimethylsiloxane,

PDMS)

直接壓印於聚醯亞胺等高分子薄膜表面來製造微

溝槽的方式也是目前非摩擦配向的方式之一[16-18],而此 軟微影技術最大的優點是製程簡單 (室溫、低壓)、便宜,

而且 PDMS 模具有可撓性,並可在非平面的基板上形成轉 印圖案;然而,軟微影技術的缺點是 PDMS 模具很容易變 形而影響轉印圖案的解析度,且高深寬比的製作困難等問 題產生[19]。

而以上所舉例之幾種配向方式皆需在 ITO (Indium-Tin

Oxide)

導電玻璃基板上塗佈一層高分子薄膜,而本實驗所

提出的配向方式不用塗佈 PI 配向劑,也不需摩擦配向,直 接照射 UV 光後,參照 kumar 等研究團隊於 1999 年所提出 的相分離技術[20]及其相關等研究報告[21-25]使其形成本 實驗所需的垂直配向共聚薄膜,如圖 1 所示,以期模擬一 般較常使用的傳統側鏈型聚醯亞胺高分子等垂直配向薄膜

UV Light

5 4 3 2 1

1. ITO glass substrate 2. B acrylic monomer 3. A acrylic monomer 4. Liquid crystal 5. Spacer (4 μm)

1 經由UV光照射後所形成的垂直配向共聚薄膜示意

材料。因此對於業界 LCD 製程而言,可省去 PI 段之前製 程,並可節省時間、機台放置空間、加速生產、降低材料 以及員工成本等優點。並期望利用此垂直配向模式製作出 高對比特性等液晶元件。

二、實驗方法

1.

液晶摻混材料的製備與實驗程序

於常溫負誘電異方性向列型液晶[Δε = −4.1 (1 kHz,

25

°C), Δn = 0.0899, Merck]當中,A 壓克力單體[模擬傳統 聚醯亞胺高分子側鏈的部分 (SE001, SeaEn),簡稱 A

acrylic monomer]

佔 1.8 wt%,B 壓克力單體[模擬傳統聚醯 亞胺高分子主鏈的部分 (SE002, SeaEn),簡稱 B acrylic

monomer]

則調配成五種比例,分別佔 0.28、0.29、0.30、

0.31

以及 0.32 wt%與光起始劑[Photoinitiator, (SE003,

SeaEn)]

佔 0.1 wt%等四種成份摻混後,並於 90°C 溫度下

(

液晶澄清點) 超音波震盪約 1 小時後,可得到五組不同比 例之液晶摻混溶液;將此液晶摻混溶液以毛細原理充填至 含有 4 μm 厚度之空白試片,並於 UV 光 (4.9 mW/cm2

)

射 15 分鐘後產生其相分離行為,而形成上下雙層之垂直配 向共聚薄膜 (A, B acrylic copolymer films),使得液晶分子 呈現垂直於玻璃基板排列之情形 (VA mode),如圖 1 所 示。於本實驗中,我們選擇在較弱的 UV 光強度、高溫 (液 晶的澄清點) 以及較小的試片厚度等環境下進行其實驗程 序[21, 24],可使液晶摻混溶液的整體黏度降低、流動性 佳,達到快速的分子擴散和較慢的共聚合反應,以得到表 面平滑之垂直配向共聚薄膜。而 A、B 壓克力單體之化學 結構如圖 2 所示。

2.

液晶分子垂直配向模式原理

本實驗為採用垂直配向 (vertical alignment, VA) 之

(3)

A acrylic monomer

B acrylic monomer

H H

H H H

H H H O H H

C C C O

H

O H H

C C C O

C C C

O C C C H

H H O

10

2 AB壓克力單體之化學結構

Eφ n A

P

12 34

43 21

V = 0 (a)

V > Vth

(b) 1.

2. ITO 3.

4.

3 經垂直配向後之光電效應原理 (a) 施加電壓前呈 現暗態 (b) 施加電壓後呈現亮態

液晶配列模式。而 VA 模式因為是使用具側鏈型高分子之 垂直配向膜,且使用其誘電異方性為負型之液晶材料,所 以當所施加之電壓關閉 (V = 0) 時,液晶分子會與玻璃基 板表面呈垂直配列。此時,將偏光板與上下玻璃基板正交 配置,由於完全遮斷光的穿透,此時呈現黑顯示 (normally

black, NB)

;而在施加一臨界電壓 (V > Vth

)

時,因為液晶 所具有的負誘電異方性,使得液晶分子長軸朝電場方向有 一傾角 Φ 的變化。而傾角 Φ 會隨電壓的增加而增加,入 射線性偏光會因雙折射影響而形成橢圓偏光,一部份的光 將會穿透其檢光片而呈白顯示,而透過的光強度與所外加 的電壓大小有關,其原理如圖 3 所示[26]。

3. POM

SEM

之形態觀察

由圖 4 之儀器架設裝置所示,我們使用偏光顯微鏡

[(Polarizing Optical Microscope, POM) (OLYMPUS Optical Co., Ltd., Models BHSP-2, BX-51; Extinction ratio (0.01963)]

來觀察液晶試片於施加電壓前後的亮、暗狀態顯示情形;

此 外 , 利 用 掃 瞄 式 電 子 顯 微 鏡 (scanning electron

microscope, SEM) (JEOL, JSM-6390LV)

來觀察液晶試片 經 UV 光照射後,於 ITO (Indium-Tin Oxide) 導電玻璃基板 上所形成之垂直配向共聚薄膜的表面微結構等形態;其製 備方式,為將欲觀察之液晶試片拆開,以己烷 (hexane) 去 除液晶後,裁成 1 cm × 1 cm 之大小固定於蒸鍍座上,以 濺鍍的方式將白金鍍於試片表面予以觀察;而在試片置入 前,我們先將試片烘烤約 10 分鐘 (80°C),以避免產生蒸 氣而影響其真空度 (操作之環境溫度為 25°C)。

Arbitrary waveform generator POM photographic system

Light source Polarizer Test cell

Objective Analyzer

Eyepiece Photomultiplier,

PMT

4 POM觀測之儀器架設裝置圖

Arbitrary waveform generator PMT power supply

Light source Polarizer Test cell

Objective Analyzer Eyepiece Photomultiplier,

PMT

Radiometer

5 光穿透行為與對比度量測之儀器架設裝置圖

4.

光電特性量測

在光電測試方面,於正交之偏光片下,放置空白試 片,我們定義此狀態下之光穿透度為 0%,而在平行之偏 光片下,則定義為 100%,以進行其校正程序。首先進行 閥電壓[threshold voltage, Vth

(

定義為當光穿透度為 10%)]

及驅動電壓[driving voltage, Von

(

定義為當光穿透度為

90%)]

的量測[27, 28]。而在量測對比度時,將液晶試片置

於正交偏光顯微鏡下,以任意波形產生器產生方波,並施 加交流電壓 (0-3 V,60 Hz,方波) 後,以檢光計 (radiometer) 紀錄隨電壓慢慢增加之光穿透行為的變化,並利用式(1)轉 換為對比度 (contrast ratio, CR)。其中,Tbright為亮狀態時 的光穿透度,Tdark為暗狀態時的光穿透度[29]。而光穿透 度 (transmittance) 與對比度 (contrast ratio) 等光電特性量 測之儀器架設裝置如圖 5 所示。

bright dark

Contrast ratio T

=

T (1)

(4)

(a)

(b)

A

P 80 μm

A

P 80 μm

V = 0 Tdark ~ 0.19

Vsat = 3 Tbright ~ 247

6 液晶試片之 POM 觀測圖 (B 壓克力單體含量為 0.30 wt%) (a) 施加電壓前呈現暗態 (b) 施加飽和 電壓後呈現亮態

三、結果與討論

1.

新穎之光配向程序

將摻混後之液晶試片於 UV 光 (4.9 mW/cm2

)

照射 15 分鐘後產生其相分離行為,待冷卻至室溫後,以偏光顯微 鏡來觀察液晶試片在施加電壓前後的顯示狀態。當偏光片 正交時,由於液晶分子為垂直站立於玻璃基板表面之情形

(

為液晶分子與模擬傳統具側鏈型聚醯亞胺高分子之 A 壓 克力烷基長碳鏈的交互作用所致),因此完全遮斷光的穿 透,呈現暗狀態,如圖 6(a)所示。而在施加飽和交流電壓

(V

sat

= 3 V

,60 Hz,方波) 後,由於為負型液晶,使得液 晶分子長軸與電場方向產生一傾角 Φ,並藉由該雙折射

(birefringence)

效果,光會穿透而呈亮狀態,如圖 6(b) 所 示。由於液晶試片在未施加電壓時,呈現近乎均勻之暗狀 態畫面,因此,可推測其液晶分子皆整齊垂直配列於具側 鏈型垂直配向共聚薄膜表面所造成的結果。綜合上述所觀 察的現象,可預期達到較佳的對比度。

(a)

(b)

Polymer film

Polymer film

Glass

Glass ITO glass substrate

7 將液晶試片拆開後之 SEM 表面微結構 (B 壓克力 單體含量為0.30 wt%) (a) 上層 (b) 下層之垂直配 向共聚薄膜

2.

配向薄膜表面微結構觀察

其次,為了要觀察在 ITO (Indium-Tin Oxide) 導電玻 璃表面上是否有配向膜之生成,因此待 UV 光照射液晶試 片產生相分離後所形成之垂直配向共聚薄膜,並將其液晶 試片拆開,以己烷 (hexane) 去除液晶後,如圖 7(a)(b)所 示,可清楚看到在上下玻璃基板表面上確實形成其 A, B 壓 克力單體共聚合之垂直配向薄膜;而在圖 7(a)當中所產生 一長條厚度不均勻區域的原因,是因為此拍攝的薄膜位置 為靠近液晶之注入口方向;由於接近注入口的位置為液晶 混合溶液所聚集的地方,經 UV 光照射後,才會形成此一 長條厚度不均勻的線條區域;而圖 7(b)則是靠近試片中央 位置所拍攝的電子顯微相片 (我們希望在上下 ITO 玻璃基 板表面找到薄膜破損的位置做拍照,以證實經 UV 光照射 後,在雙層玻璃基板表面上,確實會形成其垂直配向共聚 薄膜)。

當 UV 光照射液晶試片的表面,使得部分 A, B 壓克力 單體會朝 UV 光照射方向做聚集,而另一部份則沈積 (推 測受其微重力之影響所致) [30],並固化於下層之玻璃基板 表面上,而形成雙層之垂直配向共聚薄膜。而最特別的地 方在於經 SEM 觀察發現在上下雙層之玻璃基板表面上皆 形成其垂直配向共聚薄膜;我們大膽推測在 S. kumar 等人

(5)

(B acrylic monomer) (0.28 wt%) (0.29 wt%) (0.30 wt%) (0.31 wt%) (0.32 wt%) 1

0.8

0.6

0.4

0.2

0

Transmittance (a.u.)

0 1 2 3

Applied voltage (V) (a) 1600

1400 1200 1000 800 600 400 200

Contrast ratio

0.27 0.28 0.29 0.3

B acrylic monomer (wt%) (b)

0.31 0.32 0.33

8 各組液晶試片的光穿透度與對比度量測結果 (a) 光穿透度與施加電壓關係圖 (b) 對比度與 B 壓克 力單體含量關係圖

所提出的相關研究報告中,對於在光聚合型單體與液晶等 混合系統方面,因聚合誘導相分離的同時,除了大部分的 光聚合型單體會朝 UV 光照射方向聚合固化外,剩餘部份 則因微重力影響而沈積固化並附著於下層玻璃基板所塗佈 之高分子配向薄膜表面上;然而,我們將液晶試片拆開的 同時,由於垂直配向共聚薄膜非常的薄,易導致配向薄膜 表面的破損 (圖 7(a)(b))。另外,由於液晶分子與 A 壓克力 單體皆有烷基長碳鏈,其兩者的極性相似相互吸引 (凡得 瓦力),致使液晶分子能夠產生垂直排列的效果。

3.

液晶元件之光電特性探討

而在量測液晶試片之光穿透度 (transmittance) 與對 比度 (contrast ratio),如圖 8(a)(b)所示。而各組摻混後之液 晶試片的 Vth

(threshold voltage

,閥電壓),Von

(driving voltage

,驅動電壓) 以及對比度,如表一所示;圖 8(a) 則 顯示當液晶摻混材料中的 B 壓克力單體 (模擬傳統聚醯亞 胺高分子主鏈部分) 含量為 0.30 wt%時,其光穿透度為最 高,可推斷所形成之配向膜的均勻程度較佳,且配向膜的 單位表面積上含有適量之烷基側鏈 (模擬傳統聚醯亞胺高 分子側鏈之 A 壓克力單體) 使得液晶分子之垂直配列達最 佳效果之光電特性。

表一 各組液晶試片的閥電壓、驅動電壓與對比度之量測 數值 (0-3 V60 Hz,方波)

液晶摻混材料

(B

壓克力單體含量)

閥電壓

(V

th

)

驅動電壓

(V

on

)

對比度

(CR) 0.28 wt% 1.52 V 2.22 V 619

:1

0.29 wt% 1.61 V 2.24 V 958

:1

0.30 wt% 1.64 V 2.27 V 1300

:1

0.31 wt% 1.73 V 2.30 V 624

:1

0.32 wt% 1.79 V 2.37 V 401

:1

而在量測液晶試片之光穿透度 (transmittance) 與對 比度 (contrast ratio),如圖 8(a)(b)所示。而各組摻混後之液 晶試片的 Vth

(threshold voltage

,閥電壓),Von

(driving voltage

,驅動電壓) 以及對比度,如表一所示;圖 8(a) 則 顯示當液晶摻混材料中的 B 壓克力單體 (模擬傳統聚醯亞 胺高分子主鏈部分) 含量為 0.30 wt%時,其光穿透度為最 高,可推斷所形成之配向膜的均勻程度較佳,且配向膜的 單位表面積上含有適量之烷基側鏈 (模擬傳統聚醯亞胺高 分子側鏈之 A 壓克力單體) 使得液晶分子之垂直配列達最 佳效果之光電特性。

由於液晶分子配列均勻,因此在正交偏光顯微鏡下,

在未施加電壓時所量測的暗狀態數值非常的低 (Tdark

~

0.19)

,圖 6(a),經由式(1)換算之數值可得知其對比度達

1300

:1,如圖 8(b)與表一所示。由此結果得知在此比例下 其垂直配向共聚薄膜之均勻程度較其它各組比例為佳,可 達最高之對比度;而在 POM 與 SEM 觀測下,證實經 UV 光照射後,在 ITO 導電玻璃表面會形成共聚高分子之垂直 配向薄膜。經表一之結果顯示,Vth與 Von隨 B 壓克力單體 的增加而上升,其原因是由於所形成的高分子配向共聚薄 膜是不導電之材質,因此當薄膜愈厚所需的電壓也就愈 大,也因此當壓克力單體的含量增加會影響其 Vth與 Von

之大小。

由於此元件在光穿透度量測實驗中,在電壓為 3 V-6 V 之條件下皆呈現飽和狀態,因此文中皆記錄於最大飽和電 壓 (6V) 下所測得之數據。

四、結 論

本實驗主要使用了二種壓克力單體以及光起始劑與 負型液晶以適當比例做摻混,經紫外光 (UV) 光照射後,

利用相分離的原理形成上下雙層之高分子垂直配向共聚薄 膜,希望能夠模擬一般傳統所使用的聚醯亞胺 (PI) 等高 分子配向膜為其實驗之主要目的之一,也是目前較新穎之 光配向技術,並且針對此配向系統做一初步光電測試與探 討。於正交偏光顯微鏡 (POM) 下可觀察在未施加電壓 時,為呈現均勻的暗態,可推測此光配向技術可使液晶分 子達到垂直配列的效果;而在施加電壓後,由於液晶分子

(6)

長軸朝電場方向轉動之雙折射效應,可使部分光透過而形 成亮態;從 SEM 電子顯微相片中可顯示當液晶試片經 UV 光照射 15 分鐘後,可清楚看到在雙層之 ITO 導電玻璃基 板表面上形成高分子垂直配向共聚薄膜;由光穿透度可發 現隨 B 壓克力單體含量的增加,則高分子垂直配向共聚薄 膜厚度愈大,因此 Vth與 Von也會隨之增加;而對比度則是 當 B 壓克力單體含量為 0.30 wt%時,其對比度達 1300:1 左右,由結果可推斷在此比例下,其配向膜之均勻度以及 配向膜之單位表面積上含有適量的烷基側鏈使得液晶分子 之垂直配列達最佳效果。綜合以上初步之實驗結果,可得 知此新穎光配向技術具有較佳的垂直配向效果,而且可改 善摩擦配向等種種缺點以及省去傳統液晶工業之 PI 段前 製程,期望利用此一垂直配向模式製作出高對比等特性之 液晶元件,並朝向面板低價化及製程縮短化之可行性目標 邁進。

誌 謝

本研究報告非常感謝矽恩特殊材料股份有限公司,楊 凱能先生所提供的 A、B 壓克力單體,光起始劑與液晶等 材料以供其實驗,及其所給予的建議、諮詢等幫助,使其 實驗得以順利完成。

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2009年 09 月 28 日 收稿 2009年 10 月 02 日 初審 2009年 11 月 20 日 複審 2009年 11 月 30 日 接受

數據

圖 7  將液晶試片拆開後之 SEM 表面微結構  (B 壓克力 單體含量為 0.30 wt%) (a)  上層  (b)  下層之垂直配 向共聚薄膜

參考文獻

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