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研究生:熊開先
論文名稱:使用混合聚亞醯胺配向液製作新型反射式液晶顯示元件之光電特性研究
論文名稱(外文):Studies of the electro-optics characteristics of the novel modes of reflective LCDs,using mixed polyimide aligning agents
指導教授:葛聰智
學位類別:碩士
校院名稱:國立高雄師範大學
系所名稱:光電與通訊工程學系
學門:工程學門
學類:電資工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2012
畢業學年度:100
語文別:中文
中文關鍵詞:反射式顯示器
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本論文主要是使用混合聚亞醯胺(PI,Polyimide)配向溶液,
研發新型反射式元件,目的是使液晶元件能具有好的暗態及亮態,達到高對比的效果,並且參考模擬分析反射式MTN(Mixed Mode Twisted Nematic)液晶盒的最佳反射條件。論文中首先以調製不同PI混合比例製作新型反射式元件(HAN-TN轉換型反射元件、逆向轉換型TN反射元件),而後比較新型元件與傳統MTN型反射式元件,實際測量比較光電特性,證明以混合聚亞醯胺配向溶液製成的新型反射式液晶元件表現優於傳統元件。

In this studies we use mixed polyimide to invent novel mode reflective LC (R-LC) device , with referring to the best reflection condition of MTN-LC (Mixed Mode Twisted Nematic Liquid Crystal) , for the purpose of producing R-LC device with both excellence dark mode and bright mode , consequently the R-LC device will have high contrast ratio . Start with discussing the influence of mixture ratio on mixed polyimide alignment layer Moreover, we fabricate the typical TN reflective device,HAN-TN transformablereflective device ,and reverse transition TN-LCD reflective device , then estimate the electro-optics characteristics of the three different devices in order to demonstrate the device using mixed polyimide perform better than typical devices.
誌謝.....................................................I
摘要.....................................................II
ABSTRACT.................................................III
目錄.....................................................IV
表目錄...................................................Ⅶ

圖目錄...................................................IV
第一章 緒論...............................................1
第二章 液晶簡介...........................................3
2-1 液晶的發現............................................3
2-1-1 何謂液晶............................................3
2-1-2 液晶的分類..........................................4
2-2 液晶特性.............................................12
2-2-1 雙折射效應(Birefringence) ...........................13
2-2-2 介電異向性.........................................18
2-2-3 溫度對液晶折射率的影響.............................20
2-2-4 黏滯係數...........................................21
2-2-5 秩序參數...........................................22
2-2-6彈性連續體理論. ....................................24
2-2-7 Freedericksz Transition............................26
第三章 實驗相關理論......................................28
3-1 配向理論.............................................28
3-1-1 溝槽理論...........................................30
3-1-2 Nematic液晶分子排列方式............................30
3-1-3 配向機制...........................................31
3-1-4 摩擦定向法.........................................33
3-2 傳統TN型元件與逆向轉換型TN元件.......................35
3-2-1 傳統TN型元件.......................................35
3-2-2 逆向轉換型TN元件...................................36
3-3 Hybrid Aligned Nematic型元件與HAN-TN轉換型元件.......39
3-3-1 HAN型元件..........................................39
3-3-2 HAN-TN轉換型元件...................................40
3-4 反射式顯示元件結構...................................42
3-4-1 反射式顯示元件簡介.................................42
3-4-2 反射式顯示元件之原理特性 ..........................42
3-5 回流效應.............................................46
第四章 實驗製備與量測架構................................49
4-1 實驗材料介紹.........................................49
4-1-1 液晶種類...........................................49

4-1-2 配向液 Polyimide (PI) .............................50
4-2 樣品製作流程.........................................52
4-2-1 實驗前準備.........................................52
4-2-2 玻璃基板表面配向處理...............................53
4-2-3 液晶盒製作流程.....................................54
4-3 實驗流程.............................................55
4-3-1 實驗一:新型R-TN反射式元件(λ/4後置型45°TW)........56
4-3-2 實驗二:新型HAN-TN反射式元件(λ/4後置型45°TW)......57
4-3-3 實驗三:新型R-TN反射式元件(λ/4前置型70°TW)........57
4-4 量測方法及儀器裝置...................................58
4-4-1 空液晶盒厚度測量...................................58
4-4-2 電壓-反射率特性量測................................61
4-4-3 響應時間量測.......................................62
第五章 實驗結果與分析....................................65
5-1 實驗一:新型R-TN反射式元件(λ/4後置型45°TW)..........65
5-1-1不同比例之混合配向液對新型R-TN反射式元件(λ/4波片後置
型)光電效應的影響...................................65
5-1-2 比較新型元件與傳統MTN樣本的光電效應...............72

5-1-3 新型反射式元件 (R-TN λ/4波片後置型)回流效應討論...75
5-2 實驗二:新型HAN-TN 反射式元件(λ/4後置型 45TW) ...... 83
5-2-1不同比例之混合配向液對新型HAN-TN反射式元件(λ/4波片後
置型)光電效應的影響.................................84
5-2-2比較HAN-TN新型元件與純垂直配向(RN-1937)樣本........90
5-2-3 新型HAN-TN反射式元件(λ/4波片後置型)回流效應討論..93
5-3 實驗三:新型R-TN反射式元件 (λ/4波片前置型 70°TW).. . 97
5-3-1不同比例之混合配向液對R-TN反射式(λ/4波片前置型)元件光電效應的影響.....................................98
5-3-2 新型R-TN反射式元件(λ/4波片前置型)回流效應討論...109
5-3-3 改變液晶種類(MJ961213)觀察其效應..................113
5-3-3-1 改變液晶種類(MJ961213)觀察其響應時間............120
5-4 實驗樣本拍攝........................................124
第六章總結與未來展望....................................127
參考文獻................................................139



表 (4-1.1)液晶ZCM-5001LA相關特性表......................49
表 (4-1.2)液晶MLC-6884相關特性表.......................50
表 (4-1.3)液晶MJ-961213相關特性表.......................50
表 (4-1.4)配向液SE-7492相關特性表.......................51
表 (5-1.1)混合PI新型樣本(R-TN)實驗之材料及相關參數......66
表 (5-1.2) 水平PI:垂直PI =1:1 R-TN(λ/4波片後置型)厚度對應表66
表 (5-1.3) 水平PI:垂直PI =1:1 R-TN(λ/4波片後置型)反射率與對比度對應表.................................................67
表 (5-1.4) 水平PI:垂直PI =1:5 R-TN(λ/4波片後置型)厚度對應表67
表 (5-1.5) 水平PI:垂直PI =1:5 R-TN(λ/4波片後置型)反射率與對比度對應表.................................................68
表 (5-1.6)水平PI:垂直PI =1:15 R-TN(λ/4波片後置型)厚度對應表68
表 (5-1.7)水平PI:垂直PI =1:15 R-TN(λ/4波片後置型)反射率與對比度對應表.................................................69
表 (5-1.8)水平PI:垂直PI =1:25 R-TN(λ/4波片後置型)厚度對應表69
表 (5-1.9)水平PI:垂直PI =1:25 R-TN(λ/4波片後置型)反射率與對比度對應表.................................................70
表 (5-1.10)純垂直配向樣本實驗之材料及相關參數........... 70
表(5-1.11)水平PI:垂直PI =0:1 R-TN(λ/4波片後置型)厚度對應表.70
表(5-1.12) 水平PI:垂直PI =0:1 R-TN(λ/4波片後置型)反射率與對比度對應表.................................................71
表 (5-1.13)傳統MTN樣本實驗之材料及相關參數..............72
表 (5-1.14)傳統MTN樣本反射率與對比度對應表..............73
表 (5-1.15) 不同混合比例PI R-TN(λ/4波片後置型)樣本反射率與對比度對應表.............................................74
表 (5-1.16)R-TN樣本比較回流效應實驗之材料與相關參數......76
表(5-1.17)不同混合比例PI R-TN(λ/4波片後置型)樣本反應時間對應表.....................................................79
表 (5-2.1)混合PI新型樣本(HAN-TN)實驗之材料及相關參數....84
表 (5-2.2)水平PI:垂直PI=1:1 HAN-TN(λ/4波片後置型)厚度對應表.......................................................84
表 (5-2.3) 水平PI:垂直PI=1:1 HAN-TN(λ/4波片後置型)反射率與對比度對應表.............................................85
表 (5-2.4) 水平PI:垂直PI=1:5 HAN-TN(λ/4波片後置型)厚度對應表.......................................................86
表 (5-2.5) 水平PI:垂直PI=1:5 HAN-TN(λ/4波片後置型)反射率與對比度對應表.............................................86
表(5-2.6)水平PI:垂直PI=1:15 HAN-TN(λ/4波片後置型)厚度對應表.......................................................87
表(5-2.7) 水平PI:垂直PI=1:15 HAN-TN(λ/4波片後置型)反射率與對比度對應表.............................................88
表 (5-2.8) 水平PI:垂直PI=1:25 HAN-TN(λ/4波片後置型)厚度對應表.......................................................88
表 (5-2.9) 水平PI:垂直PI =1:25 HAN-TN(λ/4波片後置型)反射率與對比度對應表...........................................89
表 (5-2.10)純垂直配向PI樣本(HAN-TN)厚度對應表........ ...89
表 (5-2.11) 水平PI:垂直PI =0:1 HAN-TN(λ/4波片後置型)反射率與對比度對應表...........................................91
表 (5-2.12)不同混合比例PI HAN-TN(λ/4波片後置型)反射率與對比度對應表...............................................92
表 (5-2.13) R-TN與 HAN-TN臨界電壓、反射率與對比度對應表…92
表 (5-2.14)不同混合比例PI HAN-TN(λ/4波片後置型)反應時間對應表.....................................................96
表 (5-3.1)混合PI新型樣本(R-TN)實驗之材料及相關參數...... 98
表 (5-3.2) 水平PI:垂直PI=1:1 R-TN(λ/4波片前置型)厚度對應表.......................................................99
表(5-3.3)水平PI:垂直PI =1:1 R-TN(λ/4波片前置型)反射率與對比度對應表.................................................99
表 (5-3.4) 水平PI:垂直PI =1:5 R-TN(λ/4波片前置型)厚度對應表......................................................100
表 (5-3.5) 水平PI:垂直PI =1:5 R-TN(λ/4波片前置型)反射率與對比度對應表..............................................100
表 (5-3.6) 水平PI:垂直PI =1:15 R-TN(λ/4波片前置型)厚度對應表......................................................101
表 (5-3.7) 水平PI:垂直PI =1:15 R-TN(λ/4波片前置型)反射率與對比度對應表............................................101
表 (5-3.8) 水平PI:垂直PI =1:25 R-TN(λ/4波片前置型)厚度對應表......................................................103
表 (5-3.9) 水平PI:垂直PI =1:25 R-TN(λ/4波片前置型)反射率與對比度對應表............................................103
表 (5-3.10) 水平PI:垂直PI =1:15 R-TN(λ/4波片前置型)厚度對應表......................................................104
表 (5-3.11) 水平PI:垂直PI =1:15 R-TN(λ/4波片前置型)反射率與對比度對應表............................................105
表 (5-3.12)傳統MTN樣本實驗之材料及相關參數.............105
表 (5-3.13)傳統MTN樣本反射率與對比度對應表.............106
表 (5-3.14)不同混和比例PI R-TN(λ/4波片前置型)反射率與對比度對應表..................................................107
表 (5-3.15)回流效應實驗之材料及相關參數.................109
表 (5-3.16)不同PI比例R-TN(λ/4波片前置型)反應時間對應表......................................................112
表 (5-3.17)混合PI新型樣本實驗之材料及相關參數..........113
表 (5-3.18)水平PI:垂直PI (1:1)新型樣本(MJ-961213)厚度對
應表....................................................114
表 (5-3.19) 水平PI:垂直PI (1:5)新型樣本(MJ-961213)厚度對
應表....................................................115
表 (5-3.20) 水平PI:垂直PI (1:15)新型樣本(MJ-961213)厚度對
應表....................................................115
表 (5-3.21) 水平PI:垂直PI (1:25)新型樣本(MJ-961213)厚度對
應表....................................................116
表 (5-3.22) 水平PI:垂直PI (0:1)新型樣本(MJ-961213)厚度對
應表....................................................117
表 (5-3.23)不同混和比例PI樣本(R-TN)反射率與對比度對應表.119
表 (5-3.24)不同PI比例 R-TN樣本(MJ-961213)反應時間對應表.123


圖 (2-1.1)自然界物質相變示意圖............................4
圖 (2-1.2)液晶分類示意圖..................................6
圖 (2-1.3)長條狀液晶分子結構示意圖...................... 7
圖(2-1.4)向列型液晶分子排列結構示意圖................... 7
圖(2-1.5)膽固醇型液晶分子排列結構示意圖................. 9
圖 (2-1.6)層列A相型液晶分子排列結構示意圖............... 10
圖 (2-1.7)層列C相型液晶分子排列結構示意圖............... 11
圖 (2-1.8)層列C*相型液晶分子排列結構示意圖...............12
圖(2-2.1)折射率面(a)正單光軸(b)負單光軸型液晶.......15
圖(2-2.2)正單光軸晶體的折射率橢圓球.....................16
圖(2-2.3)液晶(a)Δε>0(b)Δε<0在電場中的扭轉示
意圖.....................................................20
圖(2-2.4)液晶5CB折射率隨溫度的變化.................... 21
圖(2-2.5)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.......................................................22
圖(2-2.6)液晶分子長軸與導軸之間的相對關係圖............23
圖(2-2.7)典型液晶的秩序參數與溫度關係圖................24
圖(2-2.8)液晶隨溫度之相變..............................24
圖(2-2.9)液晶的三種基本應變(a)斜展(b)扭曲(c)彎曲.26
圖 (3-1.1)基板經摩擦配向示意圖...........................29
圖(3-1.2)不同配向的分子排列方式之示意圖................31
圖(3-1.3)摩擦配向過程以及玻璃基板表面分子排列方式之
示意圖...................................................33
圖(3-2.1)傳統TN(a)無外加電壓(b)外加電壓示意圖......36
圖 (3-2.2)逆向轉換型TN(a)無外加電場(b)有外加電場示意圖...38
圖 (3-3.1)HAN型元件工作原理示意圖........................39
圖 (3-3.2)HAN-TN轉換型元件工作原理示意圖.................41
圖 (3-4.1)反射式液晶元件結構圖...........................43
圖 (3-4.2) 新型R-TN反射式元件(前置λ/4波片)工作原理圖....44
圖 (3-4.3) 新型R-TN反射式元件(後置λ/4波片)工作原理圖....46
圖 (3-4.4)新型HAN-TN反射式元件(後置λ/4波片)工作原理圖...46
圖 (4-2.1)實驗樣本製作流程...............................52
圖 (4-3.1) 製作新型反射式元件示意圖......................56
圖 (4-4.1)單束光入射空液晶盒示意圖.......................59
圖 (4-4.2)量測空液晶盒之光路架構示意圖...................60
圖 (4-4.3)4.6μm空液晶盒量測干涉光譜圖...................61
圖 (4-4.4)量測電壓-反射率率特性之光路架構示意圖..........62
圖 (4-4.5)量測反應時間光路架構示意圖.....................63
圖 (4-4.6)脈衝電壓-時間及穿透率-時間的關係圖.............64
圖 (5-1.1) R-TN(λ/4波片後置型),水平PI:垂直PI = 1:1
反射光強度-電壓曲線圖....................................66
圖 (5-1.2) R-TN(λ/4波片後置型),水平PI:垂直PI = 1:5
反射光強度-電壓曲線圖....................................67
圖 (5-1.3) R-TN(λ/4波片後置型),水平PI:垂直PI = 1:15
反射光強度-電壓曲線圖....................................68
圖 (5-1.4) R-TN(λ/4波片後置型),水平PI:垂直PI = 1:25
反射光強度-電壓曲線圖....................................69
圖 (5-1.5) R-TN(λ/4波片後置型),水平PI:垂直PI = 0:1
反射光強度-電壓曲線圖....................................71
圖 (5-1.6) 傳統MTN(λ/4後置型) 反射光強度-電壓曲線圖.... 72
圖 (5-1.7) 不同混合比例PI (R-TN)反射光強度-電壓曲線圖... 73
圖 (5-1.8)R-TN(λ/4波片後置型)水平PI:垂直PI為1:1響應時間. 76
圖 (5-1.9)R-TN(λ/4波片後置型)水平PI:垂直PI為1:5響應時間. 77
圖(5-1.10)R-TN(λ/4波片後置型)水平PI:垂直PI為1:15響應時間.77
圖(5-1.11)R-TN(λ/4波片後置型)水平PI:垂直PI為1:25響應時間.78
圖 (5-1.12) R-TN(λ/4波片後置型)水平PI:垂直PI為0:1響應時間.78
圖 (5-2.1) HAN-TN(λ/4波片後置型),水平PI:垂直PI = 1:1
反射光強度-電壓曲線圖....................................85
圖 (5-2.2) HAN-TN(λ/4波片後置型),水平PI:垂直PI = 1:5
反射光強度-電壓曲線圖....................................86
圖 (5-2.3) HAN-TN(λ/4波片後置型),水平PI:垂直PI = 1:15
反射光強度-電壓曲線圖....................................87
圖 (5-2.4) HAN-TN(λ/4波片後置型),水平PI:垂直PI = 1:25
反射光強度-電壓曲線圖....................................89
圖 (5-2.5) HAN-TN(λ/4波片後置型),水平PI:垂直PI = 0:1
反射光強度-電壓曲線圖....................................90
圖 (5-2.6)不同混合比例PI HAN-TN(λ/4波片後置型)反射光強度-電壓曲線圖...............................................91
圖 (5-2.7) HAN -TN(λ/4波片後置型),水平PI:垂直PI = 1:1響應時間.......................................................94
圖 (5-2.8) HAN -TN(λ/4波片後置型),水平PI:垂直PI = 1:5響應時間.......................................................94
圖 (5-2.9) HAN -TN(λ/4波片後置型),水平PI:垂直PI = 1:15響應時間.......................................................95
圖 (5-2.10) HAN -TN(λ/4波片後置型),水平PI:垂直PI = 1:25響應時間.....................................................95
圖 (5-2.11) HAN-TN(λ/4波片後置型),水平PI:垂直PI = 0:1....96
圖 (5-3.1) R-TN(λ/4波片前置型),水平PI:垂直PI = 1:1
反射光強度-電壓曲線圖....................................99
圖 (5-3.2) R-TN(λ/4波片前置型),水平PI:垂直PI = 1:5
反射光強度-電壓曲線圖...................................100
圖 (5-3.3-1) R-TN(λ/4波片前置型),水平PI:垂直PI = 1:15
反射光強度-電壓曲線圖...................................101
圖 (5-3.3-2) R-TN(λ/4波片前置型),水平PI:垂直PI = 1:15
反射光強度-電壓曲線圖...................................102
圖 (5-3.4) R-TN(λ/4波片前置型),水平PI:垂直PI = 1:25
反射光強度-電壓曲線圖...................................103
圖(5-3.5)R-TN(λ/4波片前置型),水平PI:垂直PI = 0:1反射光強度-電壓曲線圖...........................................104
圖 (5-3.6)傳統MTN(λ/4前置型)反射光強度-電壓曲線圖.....106
圖 (5-3.7) 不同混和比例 PI R-TN(λ/4波片前置型)
反射光強度-電壓曲線圖...................................107
圖 (5-3.8) 水平PI:垂直PI =1:1 R-TN(λ/4波片前置型) 響應時間................................................109
圖 (5-3.9) 水平PI:垂直PI =1:5 R-TN(λ/4波片前置型)
響應時間................................................110
圖 (5-3.10) 水平PI:垂直PI =1:15 R-TN(λ/4波片前置型)
響應時間................................................110
圖 (5-3.11) 水平PI:垂直PI =1:25 R-TN(λ/4波片前置型)
響應時間................................................111
圖 (5-3.12) 水平PI:垂直PI =0:1 R-TN(λ/4波片前置型)
響應時間................................................111
圖 (5-3.13) R-TN新型樣本(MJ-961213),水平PI:垂直PI = 1:1
反射光強度-電壓曲線圖...................................114
圖 (5-3.14) R-TN新型樣本(MJ-961213),水平PI:垂直PI = 1:5
反射光強度-電壓曲線圖...................................115
圖 (5-3.15) R-TN新型樣本(MJ-961213),水平PI:垂直PI = 1:15
反射光強度-電壓曲線圖...................................116
圖 (5-3.16) R-TN新型樣本(MJ-961213),水平PI:垂直PI = 1:25
反射光強度-電壓曲線圖...................................117
圖 (5-3.17)純垂直配向R-TN樣本(MJ-961213)反射光強度-電壓
曲線圖..................................................118
圖 (5-3.18)不同混合比例 PI(R-TN)樣本(MJ-961213)反射光強度-電壓曲線圖..............................................118
圖(5-3.19) 4種樣本在水平PI:垂直PI (1:15)反射光強度-電壓
曲線圖..................................................119
圖 (5-3.20)水平PI:垂直PI (1:1)新型樣本(MJ-961213)
響應時間................................................121
圖 (5-3.21)水平PI:垂直PI (1:5)新型樣本(MJ-961213)
響應時間................................................121
圖 (5-3.22)水平PI:垂直PI (1:15)新型樣本(MJ-961213)
響應時間................................................121
圖 (5-3.23)水平PI:垂直PI (1:25)新型樣本(MJ-961213)
響應時間................................................122
圖 (5-3.24)純垂直樣本(MJ-961213)響應時間................123
圖 (5-4.1) 新型反射式元件(R-TN λ/4波片後置型)拍攝圖....124
圖 (5-4.2) 傳統反射式元件(TN λ/4波片後置型) 拍攝圖.....125
圖 (5-4.3) 新型反射式元件(HAN-TN λ/4波片後置型)拍攝圖..125
圖 (5-4.4) 新型反射式元件 (R-TN λ/4波片前置型)拍攝圖...126
圖 (5-4.5) 新型反射式元件 (TN λ/4波片前置型)拍攝圖.....126
[1]葛聰智,“Studies of the Electro-optic Characteristics and the Diffraction of Polymer-stabilized Cholesteric Texture (PSCT) Films”,國立成功大學,物理研究所(2003)
[2]松本正一 角田市良 合著,劉瑞祥 譯,“液晶之基礎與應用”,國立編譯館出版(1996)
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[18]鄭亦茱,“Studies of the electro-optics characteristics of the novel HAN-TN transformable LCD devices”,國立高雄師範大學,光電與通訊工程研究所(2010).
[19] 蔡建豐,“Studies of the Electro-optic Characteristics and the Diffraction of Polymer-stabilized Cholesteric Texture (PSCT) Films”,
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[20] 林家竹,“Transflective Mixed Mode Twisted Nematic (MTN) Liquid Crystal Display”,國立成功大學,物理研究所(2006)
[21]王新久 著,“液晶光學和液晶顯示”,科學出版社(2006).
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[25]許維婷,“Methods of Cell Gap Measurement for Liquid Crystal Cells”,國立成功大學光電科學與工程研究所碩士論文, (2004) .
[26] 黃品晨,“Studies of the electro-optics characteristics of the novel modes of LCDs, using mixed polyimide aligning agents”,國立高雄師範大學,光電與通訊工程研究所(2011).

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