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研究生： 劉勝發
Shen-Fa Liu
論文名稱： 非接觸式無機液晶配向與混合型液晶元件之
LC alignment using noncontact inorganic and the electro-optic charasterics of hybrid LC cell
指導教授： 薛雅薇
Ya-Wei Hsueh
口試委員:
學位類別： 碩士
Master
系所名稱： 理學院 - 物理學系
Department of Physics
畢業學年度： 91
語文別： 中文
論文頁數： 109
中文關鍵詞： 非接觸式 、無機被向 、混合型 、液晶
外文關鍵詞： SiO2, liquid crystal, aligned, inorganic hybrid
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    • 以非接觸式無機液晶配向的方式濺鍍SiO2垂直配向膜，雖然可以避免經由磨擦配向膜產生的問題與保有垂直配向模式貫有的高對比度優勢，但由於垂直配向模式的液晶晶胞在水平方向上的配向力較薄弱，因此易造成晶胞內部液晶分子的流動效應，使得垂直配向模式之液晶晶胞的上升反應時間過長。我們藉由摩擦SiO2垂直配向膜的方式，量測與觀察經由磨擦的方式對於液晶分子的反應時間與流動效應的改進，並比較磨擦SiO2垂直配向膜對於其配向能力如預傾角與其polar anchoring energy之影響等。由實驗結果發現磨擦SiO2垂直配向膜對於垂直配向模式中的上升反應時間有大幅地改善，因此推論其azimuthal anchoring energy也增強。此外由預傾角與polar anchoring energy的實驗結果推論SiO2 經由摩擦之後， SiO2 表面分子之結構改變了，進而使得polar anchoring energy變小，並改變了其dipole之方向，因此使液晶分子之預傾角變小。
    另外，我們以平面電極提供側向電壓的方式驅動注入負型液晶材料的混合型液晶晶胞，量測其光電特性，實驗結果發現此種模式在作為反射式的液晶晶胞時，具有廣視角的特性。

    Although we can avoid the problems caused by the rubbibg process and preserve the high contrast ratio advantage using non-contact inorganic LC alignment, SiO2 VA film, deposied by sputtering technique, the azimuthal anchoring energy of LC cell in VA mode is usually weak resulting to the flow effect in the LC cell, which makes the raise time long. By rubbing SiO2 film, we observed the improvement of raise time and flow effect, and compared the influence on its aligning ability such as pretilt angle and polar anchoring energy. The empirical results show that there is enormous improvement in raise time, we therefore inferred that the azimuthal energy was also enforced.Furthermore, the empirical results also suggest that the surface molecular structure of SiO2 had changed to lower the polar anchoring energy and change the dipole orientation , which reduced the pretilt angle.
    Besides, we drive hybrid alignment LC cell by applying lateral electric field, and measure electro-optical characteristics. The results show that reflective mode of hybrid LC cell has wide-viewing angle.

    目 錄 第一章 液晶簡介與研究動---------------------------1 1-1 液晶的由來與歷史發展--------------------------1 1-2 液晶材料的特性---------------------------------2 1-3 液晶在顯示器上的應用--------------------------4 1-4 研究動機----------------------------------------6 第二章 實驗理論-------------------------------------11 2-1 液晶晶胞厚度的量測---------------------------11 2-2 穿透率的測量原理------------------------------12 2-3 混合型液晶晶胞的穿透率模擬------------------14 第三章 液晶晶胞之製作與實驗方法----------------20 3-1 液晶晶胞之製作-------------------------------20 3-2 光路校準與量測方法---------------------------25 第四章 液晶晶胞光電特性的量測-------------------43 4-1 液晶晶胞厚度-----------------------------43 4-2 垂直配向之液晶晶胞厚度與其電光特性之關係--45 4-3 反應時間--------------------------------------49 4-4 摩擦SiO2薄膜對預傾角的影響------------------57 4-5 Polar anchoring energy之量測-----------------62 4-6 以IPS電極驅動混合型液晶晶胞----------------64 第五章 結論------------------------------------------91 參考文獻----------------------------------------------94 圖 目 錄 圖1-2.1 向列型液晶（nematic）結構示意圖--------------------8 圖1-2.2 層狀型液晶（smectic）結構示意圖(a) smectic-A相與(b) smectic-C相----------------------------------- 8 圖1-2.3 膽固醇型液晶結構示意圖---------------------------9 圖1-3.1 磨擦造成配向缺陷的主要原因----------------------10 圖2-1.1 空液晶晶胞厚度量測原理示意圖--------------------17 圖2-2.1 （a）液晶分子平行排列之晶胞與（b）雙折射波板示意 圖--------------------------------------------18 圖2-2.2 光穿透率推導示意圖------------------------------18 圖2-3.1 Hybrid aligned nematic（HAN）混合型液晶晶胞分子排 列示意圖---------------------------------------19 圖3-1.1 MRS SES-8632 射頻濺鍍系統------------------------35 圖3-1.2 濺鍍系統管路示意圖------------------------------36 圖3-1.3 (a)以薄膜厚度量測儀量測SiO2 薄膜厚度，b)以原子力顯微鏡（AFM）觀察SiO2薄膜表面平整--------------37 圖3-2.1 穿透率量測光路示意圖----------------------------38 圖3-2.2 反應時間定義的示意------------------------------39 圖3-2.3 偏光顯微鏡示意圖--------------------------------40 圖3-2.4 以偏光顯微鏡觀察實際電極圖型--------------------41 圖3-2.5 無法以氦氖雷射作為入射光示意圖------------------41 圖3-2.6 偏光顯微鏡無法觀察反射式HAN液晶晶胞示意圖------42 圖 4-1.1 液晶晶胞厚度量測結果（a）干涉條紋座落位置之模擬結果，（b）實驗中干涉條紋座落位置-------------------71 圖4-2.1 MLC6609液晶材料在被電場驅動後之光穿透率對晶胞厚度之模擬結果--------------------------------------72 圖4-2.2 MLC6609液晶材料在不同晶胞厚度中外加電壓與光穿透率之關係圖---------------------------------------73 圖4-2.3 決定晶胞厚度為3.92 μm之Vth (液晶材料：MLC6609，垂直配向膜：SiO2薄膜---------------------------74 圖4-3.1 MLC6609液晶晶胞於不同厚度的下降時間隨外加電壓之大小關係------------------------------------------75 圖4-3.3 不同磨擦深度之上升反應時間比較（所使用液晶材料：負型液晶MLC6609，垂直配向膜：SiO2 薄膜）-------------76 圖4-3.4 液晶MLC6609於D晶胞中其上升時間與外加電壓之關係-77 圖4-3.5 以偏光顯微鏡觀察D晶胞之配向缺陷----------------77 圖4-3.6 施加5 volts 電壓於A晶胞（Ⅰ）以示波器量測（Ⅱ）以偏光顯微鏡觀察（Ⅲ）分子排列示意圖----------------78 圖4-3.7 施加10 volts 電壓於A晶胞（Ⅰ）以示波器量測（Ⅱ以 偏光顯微鏡觀察（Ⅲ）分子排列示意-----------------79 圖4-3.8 施加10 volts 電壓於B晶胞（Ⅰ）以示波器量測（Ⅱ）以偏光顯微鏡觀察（Ⅲ）分子排列示意----------------80 圖4-3.9 流動效應與方位角方向不一致造成液晶分子扭轉之示意 圖----------------------------------------------81 圖4-4.1 水平配向材料為正型液晶E7晶胞（b）之入射角度與所光穿透率之關係圖。a曲線為理論模擬圖，b曲線為實驗所得—----------------------------------------------82 圖4-4.2 垂直配向，負型液晶MLC6609晶胞（a）之入射角度與所光穿透率之實驗結果---------------------------83 圖4-5.1 晶胞C於偏極片垂直與平行下之穿透率量測----------84 圖4-5.2 A，B與C晶胞量測定向力數據圖--------------------84 圖4-6.1 光由不同角度入射混合型穿透式液晶晶胞之示意圖----85 圖4-6.2 不同角度下混合型穿透式液晶晶胞的光穿透率與外加電壓之關係圖----------------------------------------85 圖4-6.3 水平配向面第二層液晶分子與玻璃基板夾角與外加電壓之關係示意圖，其中Vth ＜V1 V2 ＜V3 -------------------86 圖4-6.4 混合型穿透式液晶晶胞中水平配向面第二層液晶分子與玻璃基板夾角與光穿透率之關係，其晶胞厚度為7.35 μm-86 圖4-6.5 混合型穿透式液晶晶胞視角量測示意圖，其中晶胞厚度為7.35 μm----------------------------------------87 圖4-6.6 混合型穿透式液晶晶胞視角量測結果----------------87 圖4-6.7 混合型穿透式與反射式液晶晶胞視角比較------------88 圖4-6.8 (a) 不同角度下入射穿透式液晶晶胞所見有效折射率示意圖 (b) 不同角度下入射反射式液晶晶胞所見有效折射率示意圖----89 圖4-6.9 混合型反射式液晶晶胞亮暗驅動原理示意圖----------90 表 目 錄 表4-1.1模擬不同晶胞厚度與暗紋座落位置之關係------------44 表4-2.1 垂直配向的液晶晶胞厚度與臨界電壓值Vth 之比較-----48 表4-3.1 用於量測磨擦深度對於上升反應時間之晶胞(SiO2垂直配向膜，負型液晶MLC6609)-----------------------------52 表4-4.1晶胞（b）對稱角度之選取與預傾角之計算（水平配向，SiO2 薄膜)-------------------------------------------59 表4-4.2 磨擦深度對預傾角之關係（水平配向，SiO2薄膜）-----60 表4-4.3 晶胞（a）對稱角度之選取與預傾角之計算（垂直配向，SiO2 薄膜）--------------------------------------------61

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