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研究生： 曾郁程
Tseng, Yu-Cheng
論文名稱： 以光彈法結合光譜儀建立應力判斷公式
Establishing Stress Calculation Formula by Intergrating the Photoelastic Method and Spectrometer
指導教授： 王偉中
Wang, Wei-Chung
口試委員:
學位類別： 碩士
Master
系所名稱： 工學院 - 動力機械工程學系
Department of Power Mechanical Engineering
論文出版年： 2010
畢業學年度： 98
語文別： 中文
論文頁數： 130
中文關鍵詞： 薄膜電晶體液晶顯示器 、玻璃基板 、光譜儀 、光彈法 、殘餘應力 、相位移光彈法 、應力光學係數 、材料條紋值 、應力判斷公式
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    • 隨著薄膜電晶體液晶顯示器(Thin Film Transistor-Liquid Crystal Display, TFT-LCD)逐漸往大尺寸化及輕薄化的趨勢發展，顯示器中玻璃基板對顯示器整體的重量和厚度有極大的影響。顯示器中常用的薄型玻璃基板，經過成型的步驟，不可避免的將於玻璃基板內部產生殘餘應力，殘餘應力的大小將決定玻璃基板翹曲的程度，進而影響顯示器的成像品質。玻璃基板的輕薄化使得玻璃材料原本的雙折射性降低，因而玻璃基板內殘餘應力不易以傳統的光彈法量測。本研究結合光譜儀及光彈法針對量化玻璃基板內殘餘應力的可行性進行探討，但由於薄型玻璃基板不易夾持，因此先觀察PSM-1光彈材料試片在拉伸過程之光譜變化趨勢，並使用不同單色光為檢測光源及三步相位移光彈法嘗試分析光譜圖隨應力的變化趨勢，以觀察應力光學係數和材料條紋值的變化狀態。另一方面，使用單色光及白光為檢測PSM-1光彈材料之光源，以建立應力判斷公式，將此公式與實驗值相比較，證實判斷公式的準確性，未來可提供量化玻璃基板內殘餘應力的重要參考。

    一、 簡介 ………………………...………………………………… 1 二、 文獻回顧 ..…………………………………………………… 3 三、 實驗原理 …………………………………………………….. 7 3.1 傳統光彈理論 ……………………………………......... 7 3.2 瓊斯運算法則 ………………………………………... 10 3.3 相位移光彈理論 ……………………………………… 14 3.4 彩色光彈條紋之形成與判讀 ………………………... 16 四、 實驗試片與裝置 …………………………………………... 19 4.1 實驗試片規劃 ………………………………………... 19 4.2 實驗裝置規劃 ………………………………………... 19 五、 實驗步驟及分析程序 ………………………………………. 24 5.1 應力光學係數實驗 ………………………..…………. 24 5.1.1 調整光源 ……………………...……..…………. 24 5.1.2光譜儀架設及使用流程 ………………………... 25 5.1.3力量施載架使用方式 …………………………... 26 5.1.4三步相位移光彈法操作步驟 …………………... 27 5.2 穿透率實驗 …………………………………………... 28 六、 結果與討論 ………………………………………………... 29 6.1 三步相位移光彈法 ……………................................... 29 6.2 建立應力判斷公式 …………………………………... 32 6.2.1 700 nm單色光之應力判斷公式 ……............... 43 6.2.2 589 nm單色光之應力判斷公式 ……............... 43 6.2.3 488 nm單色光之應力判斷公式 ……............... 44 6.2.4 450 nm單色光之應力判斷公式 ……............... 45 6.3 各單色光下PSM-1材料之應力光學係數及材料條紋值....................................................................................... 45 6.3.1 以700 nm單色光為光源之實驗結果 ………... 45 6.3.2 以589 nm單色光為光源之實驗結果 ………... 47 6.3.3 以488 nm單色光為光源之實驗結果 ………... 48 6.3.4 以450 nm單色光為光源之實驗結果 ………... 49 6.3.5 與陳維仁[35]之實驗結果比較 ………............. 50 6.4 以白光為光源之穿透率實驗 ………………………... 51 6.5 使用白光之應力判斷公式 …………………………... 53 6.6 兩種應力判斷公式使用比較 ………………………... 56 七、 結論與未來展望 ……………………………………………. 58 7.1 結論 ……………........................................................... 58 7.2 未來展望 ……………………………………………... 59 八、 參考文獻 …………………………………………………... 61 圖目錄 圖2.1 TFT-LCD內部結構圖[1] ………………………………. 65 圖2.2 在TFT-LCD螢幕中產生之Mura現象[2] ………………. 65 圖2.3 利用紅綠藍光彈性力學測量所得暗場等差線條紋圖形[5]........................................................................................... 66 圖2.4 Hinds 相位差量測系統光路架構圖[16] ………………. 66 圖2.5 矽質石英相位差量測圖[16] ………………………......... 67 圖2.6 實驗所得光彈條紋與經Hinds 設備處理結果之比較[20] 67 圖3.1 互補色圖[23] ……………………………………………. 68 圖4.1 應力光學係數實驗用ASTM標準試片尺寸圖[25] ……. 68 圖4.2 依ASTM標準製作之PSM-1光彈材料的拉伸試片 …... 69 圖4.3 實驗裝置架設示意圖 …………………………………... 69 圖4.4 光譜儀結合手動拉伸施載架之架構實景圖 ………….. 70 圖4.5 光譜儀結合步進馬達拉伸施載架之架構實景圖 ……... 70 圖4.6 光彈儀光源箱 …………………………………………... 71 圖4.7 光譜儀 …………………………………………………... 71 圖4.8 氙燈 ……………………………………………………... 72 圖4.9 使用壓克力板將白光均勻化 ………………………….. 72 圖4.10 450 nm窄波濾光片 ……………………………………. 73 圖4.11 488 nm窄波濾光片 …………………………………... 73 圖4.12 700 nm窄波濾光片 …………………………………... 74 圖4.13 手動拉伸施載架實景圖 ……………………………….. 75 圖4.14 步進馬達拉伸施載架實景圖 …………………………… 76 圖4.15 試片於步進馬達拉伸施載架測式實景圖 ……………... 77 圖4.16 筆記型電腦 ……………………………………………... 78 圖5.1 光譜儀於試片上檢測光彈條紋光強位置 ...………….... 78 圖5.2 消除試片範圍外的光線實景圖 ………………………... 79 圖5.3 下夾頭以插銷方式固定試片 …………………………... 79 圖5.4 建立數種應力與條紋關係之流程圖 ………………….. 80 圖6.1 積分時間50ms下平偏亮場之白光光強 ……………….. 81 圖6.2 積分時間150ms下平偏亮場之白光光強 ………………. 81 圖6.3 積分時間50ms下平偏暗場之白光光強 ………………. 82 圖6.4 積分時間150ms下平偏暗場之白光光強 ………………. 82 圖6.5 積分時間50ms下光譜儀經全黑校正後之光強跳動情形.. 83 圖6.6 積分時間150ms下光譜儀經全黑校正後之光強跳動情形 83 圖6.7 S3試片於700 nm中背景光強和載荷之對應關係 ……... 84 圖6.8 S3試片頸部中央於平偏暗場下光強與載荷關係圖 …... 84 圖6.9 S3試片頸部中央於平偏亮場下光強與載荷關係圖 …... 85 圖6.10 小數級條紋的包裹相位圖 ……………………………... 85 圖6.11 關係式一中應力與條紋級次變化圖 …………………... 86 圖6.12 關係式二中應力與條紋級次變化圖 …………………... 86 圖6.13 關係式三中應力與條紋級次變化圖 …………………... 87 圖6.14 包裹相位調整數值分佈後之結果 ……………………... 87 圖6.15 包裹相位調整斜率後之不連續現象 …………………... 88 圖6.16 經過解包裹程序後條紋級次對力量之分佈 ……........... 88 圖6.17 關係式四中應力與條紋級次變化圖(以對數表示) ……. 89 圖6.18 關係式四中應力與條紋級次變化圖(應力以條紋級次之冪次關係擬合)…………………………………………….. 89 圖6.19 關係式五中應力與條紋級次變化圖(以對數表示) ……. 90 圖6.20 關係式五中應力與條紋級次變化圖(應力以條紋級次之冪次擬合)……………………………………………….…. 90 圖6.21 關係式五應力為條紋級次之冪次關係變化圖 ….......... 91 圖6.22 關係式六中應力與條紋級次變化圖(以對數表示) …... 91 圖6.23 關係式六應力為條紋級次之冪次關係變化圖 ….......... 92 圖6.24 使用步進馬達施載架於光源波長700 nm下PSM-1材料之應力與條紋級次變化圖………………………………… 92 圖6.25 使用步進馬達施載架於光源波長589 nm下PSM-1材料之應力與條紋級次變化圖………………………………… 93 圖6.26 使用步進馬達施載架於光源波長488 nm下PSM-1材料之應力與條紋級次變化圖………………………………… 93 圖6.27 使用步進馬達施載架於光源波長450 nm下PSM-1材料之應力與條紋級次變化圖………………………………… 94 圖6.28 使用手動拉伸施載架於光源波長700 nm下PSM-1材料之應力光學係數與條紋級次變化圖……………………… 94 圖6.29 使用手動拉伸施載架於光源波長700 nm下PSM-1材料之材料條紋值與條紋級次變化圖………………………… 95 圖6.30 使用步進馬達拉伸施載架於光源波長700 nm下PSM-1材料第1級條紋內之應力光學係數與條紋級次變化圖…. 95 圖6.31 使用步進馬達拉伸施載架於光源波長700 nm下PSM-1材料第1級條紋內之材料條紋值與條紋級次變化圖……. 96 圖6.32 使用手動拉伸施載架於光源波長589 nm下PSM-1材料之應力光學係數與條紋級次變化圖……………………… 96 圖6.33 使用手動拉伸施載架於光源波長589 nm下PSM-1材料之材料條紋值與條紋級次變化圖………………………… 97 圖6.34 使用步進馬達拉伸施載架於光源波長589 nm下PSM-1材料第1級條紋內之應力光學係數與條紋級次變化圖…. 97 圖6.35 使用步進馬達拉伸施載架於光源波長589 nm下PSM-1材料第1級條紋內之材料條紋值與條紋級次變化圖……. 98 圖6.36 使用手動拉伸施載架於光源波長488 nm下PSM-1材料之應力光學係數與條紋級次變化圖.................................... 98 圖6.37 使用手動拉伸施載架於光源波長488 nm下PSM-1材料之材料條紋值與條紋級次變化圖………………………… 99 圖6.38 使用步進馬達拉伸施載架於光源波長488 nm下PSM-1材料第1級條紋內之應力光學係數與條紋級次變化圖…. 99 圖6.39 使用步進馬達拉伸施載架於光源波長488 nm下PSM-1材料第1級條紋內之材料條紋值與條紋級次變化圖……. 100 圖6.40 使用手動拉伸施載架於光源波長450 nm下PSM-1材料之應力光學係數與條紋級次變化圖……………………… 100 圖6.41 使用手動拉伸施載架於光源波長450 nm下PSM-1材料之材料條紋值與條紋級次變化圖………………………… 101 圖6.42 使用步進馬達拉伸施載架於光源波長450 nm下PSM-1材料第1級條紋內之應力光學係數與條紋級次變化圖…. 101 圖6.43 使用步進馬達拉伸施載架於光源波長450 nm下PSM-1材料第1級條紋內之材料條紋值與條紋級次變化圖……. 102 圖6.44 使用手動拉伸施載架於光源波長589 nm下本研究與陳維仁[35]之結果比較………………………………………. 102 圖6.45 S1試片各區域之穿透率與波長變化圖 ……………….. 103 (a) A區域(應力0MPa~0.327MPa) …………………... 103 (b) B區域(應力0.327MPa~0.653MPa) ……………..... 103 (c) C區域(應力0.653MPa~0.98MPa) ……………….. 104 (d) D區域(應力0.98MPa~1.307MPa) ……………….. 104 圖6.46 S2試片各區域之穿透率與波長變化圖 ……………….. 105 (a) A區域(應力0 MPa ~0.327MPa) ………………….. 105 (b) B區域(應力0.327MPa~0.653MPa) ……………..... 105 (c) C區域(應力0.653MPa~0.98MPa) ……………….. 106 (d) D區域(應力0.98MPa~1.307MPa) ……………….. 106 圖6.47 S3試片各區域之穿透率與波長變化圖 ……………….. 107 (a) A區域(應力0 MPa ~0.327MPa) …………………. 107 (b) B區域(應力0.327MPa~0.653MPa) ……………..... 107 (c) C區域(應力0.653MPa~0.98MPa) ……………….. 108 (d) D區域(應力0.98MPa~1.307MPa) ……………….. 108 圖6.48 A區域(應力0 MPa~0.327MPa)之應力判斷公式 ……... 109 圖6.49 B區域(應力0.327MPa~0.653MPa)之應力判斷公式 … 109 圖6.50 C區域(應力0.653MPa~0.98MPa)之應力判斷公式 ….. 110 圖6.51 D區域(應力0.98MPa~1.307MPa)之應力判斷公式 ….. 110 圖6.52 A、B區域(應力0MPa~0.653MPa)結合之應力判斷公式… 111 表目錄 表6.1 關係式一中擬合之應力值及與實驗的差異 …………. 112 表6.2 關係式二中擬合之應力值及與實驗的差異 …………. 113 表6.3 關係式三中擬合之應力值及與實驗的差異 …………. 114 表6.4 關係式四中擬合之應力值及與實驗的差異 …………. 115 表6.5 關係式五中擬合之應力值及與實驗的差異 …………. 116 表6.6 應力以條紋級次之冪次關係擬合之應力值及與實驗值的差異…………………………………………………….. 117 表6.7 關係式六中擬合之應力值及與實驗值的差異 ……….. 118 表6.8 加入截距項後不同方程式擬合之應力值及差異 ……. 119 表6.9 式(6-8)及式(6-6)擬合之應力值及差異 …..................... 120 表6.10 700 nm下利用式(6-10)判斷之應力與實驗差異 ……... 121 表6.11 調整陳維仁[35]之應力光學係數 ……………………... 122 表6.12 式(6-16)及式(6-17)判斷應力與實驗值比較 …………. 123 表6.13 S1試片使用白光應力判斷公式結果與實驗值比較 …. 125 表6.14 S2試片使用白光應力判斷公式結果與實驗值比較 …. 127 表6.15 S3試片使用白光應力判斷公式結果與實驗值比較 …. 129

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