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研究生： 王珍珍
Wang, Chen-Chen
論文名稱： 混合聚亞醯胺配向膜調控液晶預傾角之研究及應用
Control of liquid crystal pre-tilt angle using mixed polyimide alignment layer and its application
指導教授： 傅永貴
Fuh, Y.G. Andy
學位類別： 碩士
Master
系所名稱： 理學院 - 光電科學與工程研究所
Institute of Electro-Optical Science and Engineering
論文出版年： 2008
畢業學年度： 96
語文別： 中文
論文頁數： 150
中文關鍵詞： 液晶 、預傾角 、聚亞醯胺
外文關鍵詞： liquid crystal, pre-tilt angle, polyimide
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    • 本論文主題是利用混合水平及垂直聚亞醯胺 (polyimide，PI) 配向膜達成預傾角(液晶導軸與基板平面之夾角)調控的目的，採用之方式是藉由改變水平及垂直PI重量濃度比例，或改變硬烤溫度以及摩擦配向強度會影響水平及垂直配向力之間的競爭，因此可達成預傾角的調控，其調控範圍大約為15o～85o。接著我們利用研發出之預傾角角度與摩擦配向強度之間的關係去製作偏振轉換器 (polarization converter)，入射偏振光的偏振狀態通過偏振轉換器後，會因不同位置上所感受到的相位延遲不同，使得出射光的偏振態可達到連續性的變化。最後，我們再利用混合PI配向膜製作不同預傾角角度的OCB cells，並且量測其光電特性，在此可藉由調控出高預傾角角度使液晶分子排列初始態處於彎曲態(bend I state)，實現了不需要偏壓的OCB cell。並且觀察到在突然加高電壓至處於展曲態(splay state) 之OCB cell時，液晶分子排列會先轉變至暫態(transient state) 後再轉變成彎曲態 (bend I state)，兩態之間並非是直接轉換的。
    本文中調控預傾角的方法是利用傳統摩擦配向技術搭配PI配向材料與目前普遍存在使用的配向技術是相容的，因此此預傾角調控方法之應用潛力甚高。

    Three approaches to control liquid crystal (LC) pre-tilt angle in a cell are demonstrated using a polyimide (PI) alignment layer coated on substrates, which is a mixture of horizontal (H) and vertical alignment (V) polyimides. The concentration ratio of H- to V-PI, baking temperature, and rubbing strength are found to affect the pre-tilt angle, and provide us the parameters to control the pre-tilt angle of a LC cell. Experimentally, the pre-tilt angles ranging from ~ 15o to 85o are achieved. Using the developed technique, we then fabricate a polarization converter, which allows us to change the polarization of an incident polarized light continuously depending on the beam position in the cell. Finally, optically compensated birefringence (OCB) cells with various pre-tilt angles are fabricated. Their electro-optical characteristics are measured. We demonstrate an un-biased OCB cell having a high pre-tilt angle (~50o) achieved using the technique developed in the present work; i.e. its initial state is stable in the bend I state without applying a bias voltage. In addition, we observe that a transient state forms during suddenly turning on the voltage applied to a low-pretilt-angle OCB cell at the splay state. It is found that the OCB cell does not transit from the splay state to the bend I state directly.
    Notably, the technique developed in this thesis utilizes a conventional rubbing machine and mixture of commercial PIs. Thus, it is compatible with the existing manufacturing processes, and possesses high potential for practical application.

    摘要………………………………………………………………………I Abstract………………………………………………………………II 誌謝……………………………………………………………………III 目錄…………………………………………………………………IV 表目錄………………………………………………………………IX 圖目錄…………………………………………………………………X 第一章 緒論…………………………………………………………1 第二章 液晶簡介……………………………………………………3 2.1 何謂液晶………………………………………………………3 2.2 液晶的分類……………………………………………………4 2.2.1 長條狀液晶………………………………………………6 2.2.2 向列型液晶………………………………………………8 2.2.3 膽固醇液晶………………………………………………9 2.2.4 層列型液晶………………………………………………11 2.3 液晶物理特性…………………………………………………13 2.3.1 雙折射效應………………………………………………14 2.3.2 電場效應…………………………………………………18 2.3.3 秩序參數…………………………………………………21 2.3.4 黏滯係數…………………………………………………22 2.3.5 連續彈性體特性…………………………………………23 2.3.6 Freedericksz Transition……………………………25 第三章 相關理論機制……………………………………………26 3.1 配向理論………………………………………………………26 3.1.1 基本功能…………………………………………………26 3.1.2 溝槽理論…………………………………………………27 3.1.3 液晶分子排列方式………………………………………28 3.1.4 配向機制…………………………………………………30 3.2 光學補償彎曲液晶模式………………………………………36 3.2.1 基本特性…………………………………………………36 3.2.2 操作模式…………………………………………………38 3.2.3 轉態過程…………………………………………………39 3.3 預傾角調變方法………………………………………………43 3.3.1 調變預傾角動機…………………………………………43 3.3.2 斜向蒸鍍…………………………………………………44 3.3.3 光配向方式………………………………………………46 3.3.4 Sliane 混合方式………………………………………52 3.3.5 雙層配向的方式…………………………………………53 3.3.6 PI混合方式………………………………………………56 3.4 瓊斯運算………………………………………………………60 第四章 樣品製作與光電量測……………………………………65 4.1 材料介紹………………………………………………………65 4.2 樣品製程流程…………………………………………………68 4.2.1 樣品製作流程……………………………………………68 4.2.2 事前準備工作……………………………………………68 4.2.3 基板準備工作……………………………………………70 4.2.4 組裝液晶樣品……………………………………………72 4.3 實驗流程………………………………………………………74 4.3.1 第一部分實驗流程………………………………………74 4.3.2 第二部分實驗流程………………………………………76 4.3.3 第三部分實驗流程………………………………………77 4.4 液晶樣品相關量測以及拍攝…………………………………78 4.4.1 空液晶盒的厚度量測……………………………………78 4.4.2 穿透度-電壓特性量測…………………………………81 4.4.3 預傾角的量測……………………………………………83 4.4.4 位置-穿透度特性量測…………………………………84 4.4.5 反應時間的量測……………………………………………84 4.4.6 液晶樣品的拍攝方式………………………………………86 第五章 實驗結果與分析…………………………………………87 5.1 利用混合垂直與水平聚亞醯胺配向膜調控液晶預傾角……87 5.1.1 濃度變化…………………………………………………87 5.1.2 溫度變化…………………………………………………90 5.1.3 摩擦強度變化……………………………………………91 5.2 預傾角調變之應用－Polarization converter……………95 5.2.1 元件製作…………………………………………………95 5.2.2 結果與討論………………………………………………96 5.3 各種預傾角角度的OCB cell光電特性之研究觀察………101 5.3.1 高角度OCB cells………………………………………101 5.3.2 中間角度 OCB cells…………………………………109 5.3.3 低角度OCB cells………………………………………112 5.3.4 比較各個角度OCB cell………………………………120 第六章 總結與未來展望…………………………………………123 6.1 實驗總結……………………………………………………123 6.2 未來展望……………………………………………………125 參考文獻……………………………………………………………128 表目錄 表 4.1.1 K15液晶相關物理特性之列表…………………65 表 4.1.2 AL-1426B水平配向膜之規格列表……………66 表 5.1.1 垂直PI重量濃度變化對預傾角角度的關係表………88 表 5.1.2 溫度變化對預傾角角度的關係表………………90 表 5.1.3 摩擦配向壓入量之變化對預傾角角度的關係表……91 圖目錄 圖(2.1.1) 液晶物質之相變化示意圖…………………………4 圖(2.2.1) 液晶之各種分類……………………………………6 圖(2.2.2) 長條狀液晶分子結構示意圖………………………6 圖(2.2.3) 向列型液晶分子排列結構示意圖及其光學影像圖……9 圖(2.2.4) 膽固醇型液晶分子排列結構示意圖………………10 圖(2.2.5) 膽固醇型液晶分子結構示意圖…………………11 圖(2.2.6) 層列A相型液晶分子的排列結構示意圖及其光學影像圖…12 圖(2.2.7) 層列C相型液晶分子的排列結構示意圖及其光學影像圖…12 圖(2.2.8) 層列C*相型液晶分子的排列結構示意圖及其光學影像圖...13 圖(2.3.1) 折射率面 (a)正單光軸；(b)負單光軸型液晶………16 圖(2.3.2) 正單光軸晶體的折射率橢圓球………………………16 圖(2.3.3) 液晶(a) >0；(b) <0 在電場中的扭轉示意圖………20 圖(2.3.4) (a)液晶分子長軸與導軸 之空間位置示意圖；(b)秩序參數與溫度關係圖…………………………21 圖(2.3.5) 向列型液晶物質所示三個定常流動與分別對應的黏滯係數…………………………………………23 圖(2.3.6) 液晶的三種基本應變：(a)展曲；(b)扭曲；(c)彎曲………24 圖(3.1.1) 液晶受電場驅動時其分子轉動行為之示意圖………………27 圖(3.1.2) 不同配向的分子排列方式之示意圖：(a)水平排列；(b)垂直排列；(c)傾斜排列；(d)混成排列；(e)扭轉排列；(f)平面螺旋型； (g)焦點圓錐型排列……………………………29 圖(3.1.3) Photoisomerization機制示意圖…………………32 圖(3.1.4) Photo-crosslinking機制示意圖…………………33 圖(3.1.5) Photo-degradation機制示意圖……………………33 圖(3.1.6) 摩擦配向過程以及玻璃基板表面分子排列方式之示意圖....34 圖(3.1.7) Silane鍵結於基板過程示意圖…………………35 圖(3.2.1) 在不同視角入射情況下其自我補償效應之示意圖：(a)視角為正向入射；(b) 視角為斜向入射………………………37 圖(3.2.2) (a)當電壓取消後液晶分子在水平液晶盒中轉動之行為示意圖；(b)當電壓取消後液晶分子在OCB液晶盒中轉動之行為示意圖………………………………37 圖(3.2.3) OCB模式架構之示意圖……………………38 圖(3.2.4) OCB架構其操作模式之分子排列狀態示意圖………39 圖(3.2.5) OCB模式在不同切換電壓下其分子排列狀態示意圖……40 圖(3.2.6) 成核現象過程之示意圖……………………41 圖(3.2.7) 高分子牆形成之過程以及其對液晶分子排列之影響示意圖………………………………43 圖(3.2.8) 展曲態與彎曲態其自由能與預傾角角度之關係圖……43 圖(3.3.1) 以SiO蒸氣束蒸鍍於旋轉中的基板上示意圖…………44 圖(3.3.2) 控制步進馬達轉動時方位角與角速度的關係圖……45 圖(3.3.3) 以SiO斜向蒸鍍方式中的1/(W.R.) 與液晶傾斜角(從垂直於基板軸的方向至液晶軸之角度) 之間的關係圖…………46 圖(3.3.4) 光配向方式中線性偏振紫外光斜向入射於PI層示意圖………………47 圖(3.3.5) 光配向方式中PI層內F-diamine含量與預傾角的關係圖…………………………………48 圖(3.3.6) 光配向方式中曝光時間與UV光入射角對預傾角影響關係圖……………………………………48 圖(3.3.7) 液晶盒中高分子枝條對液晶分子排列影響之示意圖…49 圖(3.3.8) 不同高分子單體濃度下其穿透度與電壓的關係圖……50 圖(3.3.9) 不同curing電壓下其穿透度與電壓的關係圖…………51 圖(3.3.10) 混合MAP與OTS材料之濃度與預傾角關係圖…………52 圖(3.3.11) Silane材料中溫度影響預傾角圖……………………53 圖(3.3.12) 對基板表面配向之流程圖及液晶分子受配向層影響之示意圖………………………………54 圖(3.3.13) 利用AFM觀察經摩擦配向後玻璃基板表面配向層之結構圖…………………………………55 圖(3.3.14) 不同摩擦次數與預傾角的關係圖………………56 圖(3.3.15) 混合PI配向膜表面所形成奈米結構表面圖……57 圖(3.3.16) PI混合方式中垂直配向PI的重量百分濃度對預傾角關係圖…………………………………58 圖(3.3.17) PI混合方式中溫度變化對預傾角影響關係圖………58 圖(3.3.18) PI混合方式中硬烤溫度變化對預傾角影響關係圖…59 圖(3.4.1) 各種偏振光的瓊斯向量……………………………61 圖(3.4.2) 特定光學元件的瓊斯矩陣…………………………61 圖(3.4.3) 液晶之慢軸、快軸與x軸、y軸……………………63 圖(4.1.1) K15液晶化學結構…………………………………65 圖(4.1.2) AL-1426B 配向條件對預傾角之關係圖……………67 圖(4.1.3) AL-1426B 硬烤溫度對預傾角之關係圖……………67 圖(4.1.4) 二甲基亞楓化學結構………………………………68 圖(4.2.1) 液晶樣品製作流程圖………………………………68 圖(4.2.2) 垂直配向流程圖……………………………………71 圖(4.2.3) 組裝液晶樣品的流程圖……………………………72 圖(4.2.4) 液晶樣品壓合固定治具之夾層示意圖……………72 圖(4.3.1) 第一部分實驗流程圖………………………………74 圖(4.3.2) 水平樣品表面配向之示意圖………………………75 圖(4.3.3) 第二部份實驗流程圖………………………………76 圖(4.3.4) 第三部份實驗流程圖………………………………77 圖(4.3.5) Pi cell表面配向之示意圖………………………78 圖(4.4.1) 單道光入射一空液晶盒示意圖……………………79 圖(4.4.2) 量測空液晶盒之光路架構示意圖…………………81 圖(4.4.3) 8um空液晶盒光譜圖………………………………81 圖(4.4.4) 量測穿透度-電壓特性之光路架構示意圖…………82 圖(4.4.5) 穿透度-電壓特性曲線圖實際量測圖形與模擬圖形之比較……………………………………………83 圖(4.4.6) 量測位置-穿透度特性之光路架構示意圖…………84 圖(4.4.7) 量測反應時間之光路架構示意圖…………………85 圖(4.4.8) 脈衝電壓-時間及穿透度-時間之關係圖…………86 圖(4.4.9) 拍攝液晶樣品之光路架構示意圖…………………86 圖(5.1.1) V-PI重量濃度變化對預傾角角度關係圖…………88 圖(5.1.2) 配向玻璃基板表面放大十萬倍的SEM影像圖：(a)表面無摩擦配向處理；(b)表面有經摩擦配向處理………………89 圖(5.1.3) 溫度變化對預傾角角度的關係圖……………90 圖(5.1.4) 摩擦配向壓入量之變化對預傾角角度的關係圖……92 圖(5.1.5) 利用AFM掃描在不同摩擦配向壓入量下的有機薄膜表面且掃描範圍皆為5×5 um的結果………………………93 圖(5.1.6) 垂直配向膜之 (a)未經摩擦配向前其表面示意圖；(b)經摩擦配向後其表面示意圖；(c)摩擦力量與側鏈傾向角度及液晶預傾角關係圖………………………………………94 圖(5.2.1) 液晶分子在液晶盒中排列示意圖…………………95 圖(5.2.2) 光學元件Polarization converter 示意圖…………96 圖(5.2.3) 偏光顯微鏡下的液晶樣品之影像：(a) P//A，β=0o；(b) P⊥A，β=0o；(c) P//A，β=45o；(d) P⊥A，β=45o…………97 圖(5.2.4) 在P//A且β=45o度的情況下：(a)由相機所拍攝液晶樣品的照片；(b)利用MATLAB模擬不同波長在P//A且β=45o經過樣 品的結果……………………………………98 圖(5.2.5) 在P⊥A且β=45o度的情況下：(a)由相機所拍攝液晶樣品的照片；(b)利用MATLAB模擬不同波長在P⊥A且β=45o經過樣品的結果……………………………………99 圖(5.2.6) 實驗數據及模擬結果之位置變化對穿透度的關係圖…100 圖(5.3.1) 預傾角大約為70o OCB cell之 (a)液晶分子在液晶盒中排列示意圖；(b)由相機所拍攝液晶樣品在β為45o下P//A以及 P⊥A的影像…………………………………………102 圖(5.3.2) 預傾角大約為70o OCB cell之T-V curve曲線圖……102 圖(5.3.3) 預傾角大約為70o OCB cell之反應時間圖：(a)上升時間；(b)下降時間……………………………………103 圖(5.3.4) 預傾角大約為60o OCB cell之 (a)液晶分子在液晶盒中排列示意圖；(b)由相機所拍攝液晶樣品在β為45o下P//A以及 P⊥A的影像…………………………………………104 圖(5.3.5) 預傾角大約60o OCB cell之T-V curve曲線圖……104 圖(5.3.6) 預傾角大約60o OCB cell之反應時間圖：(a)上升時間；(b)下降時間………………………………………105 圖(5.3.7) 預傾角大約為50o OCB cell之 (a)液晶分子在液晶盒中排列示意圖；(b)由相機所拍攝液晶樣品在β為45o下P//A以及 P⊥A的影像………………………………………106 圖(5.3.8) 預傾角大約50o OCB cell的T-V curve曲線圖……106 圖(5.3.9) 預傾角大約50o OCB cell的反應時間圖：(a)上升時間；(b)下降時間………………………………………107 圖(5.3.10) 預傾角接近但小於47o OCB cell之 (a)液晶分子在液晶盒中排列示意圖；(b)由相機所拍攝液晶樣品在β為45o下P//A 以及P⊥A的影像………………………………109 圖(5.3.11) 預傾角接近但小於47o之OCB cell的T-V curve曲線圖………………………………………………110 圖(5.3.12) 預傾角接近但小於47o之OCB cell的上升時間圖：(a)第一階段加電壓；(b)第二階段加電壓…………………111 圖(5.3.13) 預傾角接近但小於47o之OCB cell的下降時間圖……112 圖(5.3.14) 預傾角大約為30o OCB cell之 (a)液晶分子在液晶盒中排列示意圖；(b)由相機所拍攝液晶樣品在β為45o下P//A以及 P⊥A的影像……………………………………113 圖(5.3.15) 預傾角大約30o OCB cell之T-V curve曲線圖：(a)第一階段加電壓；(b)第二階段加電壓…………………114 圖(5.3.16) 預傾角大約30o OCB cell之上升時間圖：(a)第一階段加電壓；(b)第二階段加電壓…………………………115 圖(5.3.17) 預傾角大約30o OCB cell之下降時間圖………115 圖(5.3.18) 預傾角大約為20o OCB cell之 (a)液晶分子在液晶盒中排列示意圖；(b)由相機所拍攝液晶樣品在β為45o下P//A以及 P⊥A的影像…………………………………116 圖(5.3.19) 預傾角大約20o OCB cell的T-V curve曲線圖：(a) 第一階段加電壓；(b)第二階段加電壓………………117 圖(5.3.20) 預傾角大約20o OCB cell之上升時間圖；(a)第一階段加電壓 ,(b)第二階段加電壓…………………………118 圖(5.3.21) 預傾角大約20o OCB cell之下降時間圖………118 圖(5.3.22) 預傾角大約30o 之OCB cell由彎曲態穩定回展曲態的過程…………………………………………120 圖(5.3.23) 綜合各個角度OCB cell之T-V curve圖：(a)第一階段加電壓；(b)第二階段加電壓………………………121 圖(5.3.24) 第一次上升時間量測圖：(a)預傾角接近但小於47o之OCB cell；(b)預傾角大約為30o 之OCB cell；(c)預傾角大約為 20o 之OCB cell…………………………………122 圖(6.2.1) 液晶光偏向元件示意圖………………………126 圖(6.2.2) 單一盒厚半穿透半反射顯示器－Dual OCB cells……127

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    下載圖示 校內：2010-07-23公開
    校外：2010-07-23公開
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