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研究生： 蘇鴻濱
Hung Pin Su
論文名稱： 高分子薄膜表面型態與液晶配向膜定向摩擦之特性研究
The Alignment Properties of Liquid Crystal Molecules between Rubbed Polyimide Surfaces
指導教授： 楊長謀博士
A.C.-M. Yang
口試委員:
學位類別： 碩士
Master
系所名稱： 工學院 - 材料科學工程學系
Materials Science and Engineering
論文出版年： 2001
畢業學年度： 89
語文別： 中文
論文頁數： 110
中文關鍵詞： 聚亞醯胺 、光學各向異性 、預傾角 、配向膜 、原子力顯微鏡 、分子鏈排列
外文關鍵詞： Liquid crystal, polyimides, birefringence, Atomic force microscopic, pretilt angle
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    • 液晶顯示器中液晶分子配向方式與高分子薄膜材料的特性、高分子薄膜配向處理，都有著密切的關係，這些特殊的配向技術不僅在製作液晶元件方面，也在基礎的高分子薄膜表面物理機制有其重要性。雖然這配向技術已被廣泛的應用在液晶光電產業，但是，液晶分子與配向膜表面間之配向機構尚眾說紛紜未有明確的理論。
    本論文主要想瞭解定向摩擦配向膜而造成定向排列之配向膜表面與物理機構。利用不同特性的高分子薄膜，並採用旋轉鍍膜法（spin-coating）製作高分子均勻薄膜，分別以原子力顯微鏡研究高分子薄膜PPO、互溶性高分子PS/PPO混合物以及聚亞醯胺以旋鍍法製成之薄膜在剛製備完成及受力拉伸、形變之形貌，並且探討聚亞醯胺膜受到外力摩擦時所呈現出的表面型態以及所造成的光學各向異性(Optical Anisotropy)的現象，進一步研究高分子鏈在薄膜內排列情況以及期望研究對預傾角之影響和液晶分子配向排列之機制作更進一步的瞭解。

    根據我們的實驗結果顯示：(1)在奈米尺度下均勻溶液所旋鍍出的PPO、PS/PPO混合物薄膜並不是均勻平坦的，事實上，其表面有許多奈米級的pinholes產生，且伴隨所謂的“nodule structure”。(2)定向摩擦的聚亞醯胺表面，摩擦後的聚亞醯胺膜表面呈現出許多細微的溝槽沿著摩擦方向規則地排列；摩擦後的表面光學相遲滯的現象，隨著摩擦次數漸增而增加。(3)定向摩擦造成液晶分子定向排列最主要的原因是由於配向膜分子鏈之旋轉重排，並非因摩擦配向膜所產生的微細溝槽造成。並藉由實驗的結果推導出一簡單的方式來計算出預傾角的大小。

    The microscopic surface and physical mechanism generation in nematic liquid crystalline 5CB (4-n-pentyle-4’-cyanobiphenyl) on three kinds of rubbed polyimide surfaces were investigated. We compare different rubbing configurations with respect to their rubbing work, the resulting plastic deformation of the surface, and the homogeneity of the liquid crystalline alignment. The orientation of liquid crystalline molecules on rubbed polymer surfaces is characterized by the physical and chemical properties of the polymer and liquid crystalline material as well as by the coating and rubbing technique used. The effect of the rubbing work applied to polymer-coated substrates on the birefringence was AL-1051 (0.103)>AL-8044 (0.094) > PMDA- ODA (0.085) or the oriented birefringence was AL-1051 (0.100)>AL-8044 (0.092) >PMDA-ODA (0.083). Atomic force microscopy was utilized to investigate the surface conformation of the three-polyimide alignment layers before and after rubbing. With increasing rubbing strength, the molecular alignment varied greatly. The director of molecules with positive dielectric anisotropy was uniform and had a pretilt angle determined by the molecular structure. The simple method enabled us to give the value of pretilt angle.

    目錄 第一章 簡介…………………………….………………………… 1 第二章 文獻回顧……………….………………………………… 6 2-1 高分子薄膜與性質---聚亞醯胺簡介………...………………. 6 2-2 高分子之物理與力學性質……………………………………. 8 2-3 高分子聚合物的定向排列現象與光彈性原理……………… 10 2-4 液晶應用的物性及Twist-Nematic顯示原理……………….. 16 2-5 液晶配向膜配向理論…………………..…………………………… 25 第三章 實驗方法………… ………………………………………. 29 3-1 藥品…………………………………………………………… 29 3-2 實驗儀器……………………………………………………… 34 3-3 試片製作……………………………………………………… 34 3-4 高分子表面之觀測與研究…………………………………… 42 第四章 結果與討論……………………………………………….. 51 4-1 高分子薄膜微觀表貌之觀察……………………… 51 4-2 液晶元件液晶應用之觀察…………………… 84 第五章 結論……………………………………………………….. 1071 第六章 參考文獻………………………………………………….. 110 圖目錄 圖2-1 向列型(Nematic)與層列型 (smectic)液晶(光學正性)….. 17 圖2-2 液晶之中射入光的偏光狀態與偏光方向變化………….. 19 圖2-3 扭轉排列之液晶對偏光方向之扭轉…………………….. 19 圖2-4 液晶分子之定向方向a與主長軸方向(director)之空間位置………………………………………………………………..…... 22 圖2-5 TN型光電效應之原理示意圖……………………………. 24 圖3-1 PMDA-ODA分子結構及反應圖…………….………….. 32 圖3-2 5CB 液晶的分子結構圖……………….………..….…… 32 圖3-3 薄膜之製作過程………………………………………….. 36 圖3-4 聚亞醯胺薄膜定向摩擦示意圖…………………………. 41 圖3-5 液晶元件示意圖……………………..…………………. 41 圖3-6 簡單的原子力顯微鏡示意圖………………………………… 46 圖3-7 簡單的原子力顯微鏡示意圖及光束偏斜機制作用原理….… 46 圖3-8 原子力顯微鏡的構造圖………………………………….. 49 圖3-9 接觸式原子力顯微鏡的氮化矽探針…………………….. 50 圖4-1 以光學顯微鏡觀察0.5μm 2M PS在銅網上薄膜……… 53 圖4-2 以光學顯微鏡觀察0.5μm 2M PS在玻璃上薄膜……… 53 圖4-3 以AFM觀察0.5μm 2M PS在玻璃上薄膜…………….. 54 圖4-4 以AFM觀察0.5μm 2M PS在玻璃上薄膜…………….. 54 圖4-5 以AFM觀察0.5μm 2M PS在玻璃上薄膜的立體圖...… 55 圖4-6 以AFM觀察0.5μm PPO在銅網上薄膜………………... 55 圖4-7 以AFM觀察0.5μm 10﹪2kPS+PPO在銅網上薄膜…… 56 圖4-8 以AFM觀察0.5μm 20﹪2kPS+PPO在銅網上薄膜…… 56 圖4-9(a) 以光學顯微鏡在銅網上觀察10﹪2kPS+PPO的薄膜表面 (未拉伸)……………………………………………………… 58 圖4-9(b) 以光學顯微鏡在銅網上觀察10﹪2kPS+PPO的薄膜表面 (拉伸7.1%)…………………………………………………… 58 圖4-10(a) 以AFM在銅網上觀察10﹪2kPS+PPO的薄膜表面 (拉伸7.1%)……………………………………………………………… 59 圖4-10(b) 以AFM在銅網上觀察20﹪2kPS+PPO的薄膜表面 (拉伸7.1%)……………………………………………………………… 59 圖4-11 以光學顯微鏡觀察Rubbing cloth fibers的表面(X40).... 64 圖4-12(a) 以掃描式電子顯微鏡觀察Rubbing cloth fibers的表面 (X35)………………………………………………………………… 64 圖4-12(b) 以掃描式電子顯微鏡觀察Rubbing cloth fibers的表面 (X500)………………………………………………………………. 65 圖4-13(a) 以掃描式電子顯微鏡觀察PMDA-ODA未定向摩擦的表面 (X35)…………………………………………………………. 65 圖4-13(b) 以掃描式電子顯微鏡觀察PMDA-ODA定向摩擦的表面 (X100)…………………..………………………………………. 66 圖4-13(c) 以掃描式電子顯微鏡觀察PMDA-ODA定向摩擦的表面 (X750)………………………………………………..………….. 66 圖4-14(a) 以AFM在玻璃上觀察PMDA-ODA的薄膜表面………….. 67 圖4-14(b) 以AFM在玻璃上觀察PMDA-ODA的薄膜表面………….. 67 圖4-15(a) 以AFM在玻璃上觀察PMDA-ODA的薄膜表面 (不同位置) 68 圖4-15(b) 以AFM在玻璃上觀察PMDA-ODA的薄膜表面 (不同位置) 68 圖4-16(a) 以AFM在玻璃上觀察PMDA-ODA定向摩擦的表面 (1次)…………………………………………….………….. 69 圖4-16(b) 以AFM在玻璃上觀察PMDA-ODA定向摩擦的表面立體圖 (1次)…………………………………………..….. 69 圖4-16(c) 以AFM在玻璃上觀察PMDA-ODA定向摩擦的表面 (8次)………………………………………………….…….. 70 圖4-16(d) 以AFM在玻璃上觀察PMDA-ODA定向摩擦的表面立體圖 (8次)…………………………………………..….. 70 圖4-17(a) 以AFM在玻璃上觀察AL-1051的薄膜表面…………... 71 圖4-17(b) 以AFM觀察AL-1051的薄膜表面立體圖……………… 71 圖4-18(a) 以AFM在玻璃上觀察AL-1051的薄膜表面 (不同位置) 72 圖4-18(b) 以AFM在玻璃上觀察AL-1051的薄膜表面 (不同位置) 72 圖4-19(a) 以AFM觀察AL-1051薄膜定向摩擦的表面 (8次)…… 73 圖4-19(b) 以AFM觀察AL-1051薄膜定向摩擦的表面立體圖 (8次)………..……………………………………………… 73 圖4-20(a) 以AFM觀察AL-8044的薄膜表面……………………… 74 圖4-20(b) 以AFM觀察AL-8044的薄膜表面立體圖……………… 74 圖4-20(c) 以AFM觀察AL-8044薄膜定向摩擦的表面(8次)……… 75 圖4-20(d) 以AFM觀察AL-8044薄膜定向摩擦的表面立體圖 (8次)…………………………………….…………..……… 75 圖4-21 雙折射率測量方法……………………………………… 81 圖4-22 為AL-1051、AL-8044、PMDA-ODA觀察之雙折射率與定向摩擦次數(強度)關係圖…………………………… 82 圖4-23 為AL-1051、AL-8044、PMDA-ODA觀察之orientation雙折射率與定向摩擦次數(強度)關係圖………………… 83 圖4-24 為PMDA-ODA觀察之orientation雙折射率所計算出之定向函數f與定向摩擦次數(強度)關係圖…………….. 84 圖4-25 在室溫下向列型液晶之特徵性雙折射光學紋理……….. 87 圖4-26(a) 液晶(5CB)在室溫下填充於AL-8044未經配向的情形. 87 圖4-26(b) 液晶(5CB)在室溫下填充於AL-8044膜經配向後的情形…………………..……………………………………. 88 圖4-27(a) 液晶(5CB)在室溫下填充於AL-1051未經配向的情形. 88 圖4-27(b) 液晶(5CB)在室溫下填充於AL-1051經配向的情形…. 89 圖4-28(a) 液晶(5CB)在室溫下填充於PMDA-ODA未經配向的情形…………………………..…………………………. 89 圖4-28(b) 液晶(5CB)在室溫下填充於PMDA-ODA經配向的情形…………………………………..……………………. 90 圖4-29(a) 液晶(5CB)填充於AL-8044經配向的情形---電壓為0伏特……………………………………………………… 94 圖4-29(b) 液晶(5CB)填充於AL-8044經配向的情形---電壓為9.7伏特……………………………………………..………. 94 圖4-29(c) 液晶(5CB)填充於AL-8044經配向的情形---電壓為20伏特……………………………………………………… 95 圖4-29(d) 液晶(5CB)填充於AL-8044經配向的情形---電壓為60伏特……………………………………………………… 95 圖4-30(a) 液晶(5CB)填充於AL-1051經配向的情形---電壓為0伏特……………………………………………………… 96 圖4-30(b) 液晶(5CB)填充於AL-1051經配向的情形---電壓為11.3伏特…………………………………………………. 96 圖4-30(c) 液晶(5CB)填充於AL-1051經配向的情形---電壓為20伏特……………………………………………………… 97 圖4-30(d) 液晶(5CB)填充於AL-1051經配向的情形---電壓為60伏特……………………………………………………… 97 圖4-31(a) 液晶(5CB)填充於PMDA-ODA經配向的情形---電壓為0伏特………………………………………………… 98 圖4-31(b) 液晶(5CB)填充於PMDA-ODA經配向的情形---電壓為14伏特……………………………………………….. 98 圖4-31(c) 液晶(5CB)填充於PMDA-ODA經配向的情形---電壓為20伏特……………………………………………….. 99 圖4-31(d) 液晶(5CB)填充於PMDA-ODA經配向的情形---電壓為60伏特……………………………………………….. 99 圖4-32 AL-8044,AL-1051和PMDA-ODA液晶元件電壓與光穿透率之關係圖………………………………………… 100 圖4-33 水平排列液晶分子排列示意圖………………………….. 103 圖4-34(a) 水平排列液晶元件AL-8044雙折射率光學量測結果.. 104 圖4-34(b) 水平排列液晶元件AL-1051雙折射率光學量測結果.. 105 圖4-34(c) 水平排列液晶元件PMDA-ODA雙折射率光學量測結果………………………………………………………… 106 圖4-35 液晶元件預傾角光學量測示意圖……………………. 107 表目錄 表3-1 YA-19-R Rayon Rubbing cloth 的規格表……………….. 33 表3-2 聚亞醯胺AL-1051、AL-8044薄膜硬化溫度時間表….. 40 表3-3 聚亞醯胺PMDA-ODA薄膜硬化溫度時間表………….. 40 表4-1 聚亞醯胺摩擦前後之平均粗糙度……………………….. 76 表4-2 液晶元件傾斜法所量測的預傾角……………………….. 103 表4-3 液晶元件傾斜法和晶體旋轉法所量測的預傾角……….. 103

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