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姓名	許民宗(Min-Tzung Shiu)  查詢紙本館藏	畢業系所	物理學系
論文名稱	高精密液晶顯示元件間隙量測與光學特性之研究 (Study of high precision cell gap measurement and optical properties of liquid crystal displays)
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摘要(中)	一般液晶顯示元件（LCD cell）間隙厚度（cell gap）之量測方式是利用Fabry-Perot之干涉原理，配合不同波段之光源與光譜儀作反射光強度之分析，其可針對空樣品作分析量測，但價格上較為昂貴；其他量測樣品間隙厚度之方式，是必須在已知液晶材料之相關參數與顯示元件之配向方式的條件下，量測光穿透率因相位延遲所產生之變化來反推其間隙厚度，但分析上會因配向與顯示之方式而不同，且計算上較為複雜。在液晶顯示元件之光學特性量測方面，一般利用橢圓儀可以精準量測液晶材料之尋常光折射率no與液晶非尋常光折射率ne，但是有計算複雜、操作不易，以及價格上較昂貴等缺點。 本篇論文針對這些參數提供不同之量測方式，在顯示元件之間隙厚度量測方面，其量測之架構與方式較為簡易，且無論是穿透式或反射式之顯示元件皆能進行量測，計算上亦不會受限於其配向之方式；且量測之範圍比一般方式廣泛，精準度卻與其他方式相近，若再配合實驗架構之改進，與利用本實驗所設計之程式核對量測角度內所有干涉條紋之相對位置，無論是量測範圍或是精準度，皆能有所提升。 在液晶與顯示元件之光學特性量測方面，可利用原有量測間隙厚度之實驗設備與架構，並配合不同之配置與本實驗所設計之程式，即可簡單地將液晶尋常光與非尋常光之折射率以及預傾角量測出來；雖然實驗精準度受限於誤差傳遞（error propagation）之因素上，但量測所需之經費與數據上之分析，其困難性較橢圓儀還低。 在預傾角量測方面，本實驗在無任何液晶之相關參數下，也能進行分析與量測，只是誤差相對較大。若已知某些參數之精準值，本實驗之量測誤差量可相對減低，或是配合不同樣品之間隙厚度來進行量測比對，皆可使量測之精準度提高。 本實驗之量測重點，以顯示元件之間隙厚度量測與分析為主，因為此項參數之量測結果會因誤差傳遞之效應，直接地影響其他參數量測時之精準度。實驗最後再利用穿透率模擬與實驗量測之結果作比對，並以此方式來驗證本實驗數據之可信度與正確性。
摘要(英)	The most popular method of measuring the cell gap of LCD devices is using Fabry-Perot interference principle. Using spectrum-analyzer and light sources of different wavelength, empty cells can thus be analyzed. However, the cost is quite high. Other methods can be performed if some electrical-optical parameters of the liquid crystals are already available. Information of a LCD device’’s rubbing direction is also required. By measuring the difference in the transmittance due to phase delays, one can estimate the gap of a LCD cell. The drawback of this method is that the computation for cell gap estimation varies with rubbing direction, and its computation complexity is relatively high. With respect to measuring optical characteristics of LCD devices, ellipsometers have been widely utilized to accurately measure the ordinary reflectivity(no) and extraordinary reflectivity(ne) of unknown LCD cells. This method has several drawbacks of high computation complexity, diffucult technical operation, and more cost. This thesis provides a different method measuring these parameters, having the advantage of easier hardware implementation for LCD cell gap measurement. Furthermore, the computation for cell gap estimation does not vary with the rubbing direction, and it can be applied to both transmission-type and reflection-type LCD devices. The proposed method also has several outstanding characteristics: wider range of measurement, high precision compared to other methods, and its performance can be upgraded by improving hardware or using our computer programs to compare all the relative positions of possible intereference stripes A novel method has also been proposed to measure the optical characteristics of LCD devices. Using the same equipment for cell gap measurement, as well as the developed programs, optical parameters such as ordinary reflectivity, extraordinary reflectivity, and pretilt angle can be easily measured. Although the precision of the proposed method is limited to error propagation, yet the cost and computational complexity are lower than those ellipsometer-facilitated methods. Without any related optical characteristics of the unspecified liquid crystal, we can still apply our method, but the estimation error is larger. We can always decrease the estimation error if some optical parameters are available. The precision of measurement can also be increased by matching estimated parameters of different cell gaps. The proposed method focuses on providing a different way of measuring cell gap of LCD cells. Because the error-propagation effect, the precision of the estimated cell gap will directly influences the precision of other parameters. At the end of our thesis, we compared our estimated parameters with those obtained by simulation. The comparison shows the accuracy and outstanding performance of our proposed method.
關鍵字(中)	★ 液晶顯示元件間隙量測 ★ 液晶光學特性	關鍵字(英)	★ optical properties of liquid crystal displays ★ cell gap measurement
論文目次	第一章 導論 ◎ 1-1 液晶之類型 1 ◎ 1-2 液晶之介電性與光學特性 3 ◎ 1-3 一般液晶顯示器驅動之模式 6 ◎ 1-4 一般液晶顯示元件間隙厚度（cell gap）之量測方式 9 ◎ 1-5 一般液晶樣品光學特性之量測方式 10 第二章 實驗理論基礎 ◎ 2-1 布魯斯特角（Brewster’s angle）之原理 13 ◎ 2-2 樣品間隙厚度量測之原理 15 ◎ 2-3 多光束干涉（Multiple Beam Interference）之原理 17 ◎ 2-4 液晶折射率異方性之量測原理 20 ◎ 2-5 預傾角量測之原理 25 ◎ 2-6 穿透率量測之原理 28 第三章 實驗配置與量測方式 ◎ 3-1 空樣品之製作 34 ◎ 3-2 實驗光路之配置與校準 36 ◎ 3-3 空樣品之間隙厚度量測 42 ◎ 3-4 液晶尋常光折射率no之量測 44 ◎ 3-5 液晶非尋常光折射率ne之量測 49 ◎ 3-6 預傾角之量測 51 ◎ 3-7 穿透率量測之架構與方法 54 第四章 實驗結果與分析 ◎ 4-1 空樣品間隙厚度之量測分析 57 ◎ 4-2 液晶（E7）尋常光折射率no之量測分析 68 ◎ 4-3 液晶（E7）非尋常光折射率ne之量測分析 71 ◎ 4-4 預傾角之量測分析 75 ◎ 4-5 穿透率之量測分析 81 第五章 結論 參考文獻 86 圖 目 錄 圖1-1.1 液晶相位結構示意圖（a） smectic-A 及（b） smectic-C 2 圖1-1.2 （a） 向列型液晶與（b） 膽固醇型液晶相位結構示意圖 3 圖1-2.1 單軸液晶之折射率異向性示意圖 4 圖1-2.2 向列型液晶主要型變的種類 6 圖1-3.1 TN LCD之工作原理與基本架構（未加電場，亮狀態） 7 圖1-3.2 TN LCD之工作原理與基本架構（加電場，暗狀態） 8 圖1-3.3 （a）水平均勻配向驅動模式、（b）平面（IPS）驅動 模式及（c）垂直配向驅動模式（此為負型液晶的例子） 8 圖1-4.1 利用光譜儀作樣品間隙厚度分析之基本架構 9 圖1-5.1 利用橢圓儀量測具雙折性薄膜之基本架構 11 圖1-5.2 預傾角量測之光路示意圖 12 圖2-1.1 以垂直偏極光入射介面之反射率與穿透率之關係圖 14 圖2-1.2 以水平偏極光入射介面之反射率與穿透率之關係圖 14 圖2-2.1 光入射樣品之示意圖 15 圖2-3.1 光入射薄膜後多重反射之示意圖 17 圖2-3.2 （a）光入射薄膜及（b）以相位共軛光回射之示意圖 18 圖2-3.3 反射率Ir / Ii 與相位差δ之關係圖 19 圖2-4.1 液晶之尋常光折射率no量測之示意圖 22 圖2-4.2 液晶之非尋常光折射率ne量測之示意圖 24 圖2-5.1 液晶樣品之預傾角量測示意圖 26 圖2-6.1光穿透位於兩正交偏極片中的液晶樣品之示意圖 32 圖3-2.1 實驗光路配置之示意圖 37 圖3-2.2 水平偏極之入射光在布魯斯特角附近之反射率示意圖 39 圖3-2.3入射角度及屏幕與試片距離之關係示意圖 41 圖3-3.1 垂直偏極光以不同角度入射空樣品之干涉強度分佈圖 43 圖3-4.1 以垂直偏極光量測液晶尋常光折射率no之示意圖 45 圖3-4.2 以垂直偏極光入射並考慮外層玻璃反射影響之示意圖 46 圖3-4.3 以水平偏極光入射並考慮外層玻璃反射影響之示意圖 47 圖3-4.4 利用旋轉入射光偏極方向逼近尋常光折射率之示意圖 48 圖3-6.1 以垂直偏極光量測預傾角φ之示意圖 51 圖3-7.1 穿透率量測之實驗配置示意圖 55 圖4-1.1 角度校準時於屏幕上所呈現同心圓之繞射圖樣 58 圖4-1.2 本實驗所製作之標準試片 58 圖4-1.3 量測樣品間隙厚度為54.43μm ±0.01μm之模擬與 實驗結果 59 圖4-1.4 量測樣品間隙厚度為1.66μm ±0.01μm之模擬與實 驗結果 59 圖4-1.5 液晶樣品內層介面之示意圖 60 圖4-1.6 量測不同PI層數之介面示意圖 61 圖4-1.7 量測不同PI層數之介面所呈現之干涉條紋 61 圖4-1.8 以不同的偏極光量測單層PI介面所呈現之干涉條 63 圖4-1.9 量測樣品間隙厚度之模擬與實驗結果 67 圖4-1.10 將液晶樣品置於兩正交之偏極片中觀察的結果 67 圖4-2.1 自旋塗佈之轉速與配向膜厚度之關係圖 69 圖4-2.2 量測液晶（E7）尋常光折射率之模擬與實驗結果 71 圖4-3.1 在量測非尋常光折射率ne時，利用垂直偏極之入射光 觀察液晶樣品所呈現之干涉條紋 72 圖4-3.2 量測液晶（E7）非尋常光折射率之模擬與實驗結果 74 圖4-4.1 以垂直入射光量測有效折射率之模擬與實驗結果 76 圖4-4.2 量測液晶尋常光折射率時考慮不同預傾角之模擬結果 78 圖4-4.3 以水平入射光量測預傾角之模擬與實驗結果 79 圖4-4.4 模擬預傾角在0 o ~ 15 o其干涉條紋之偏移量 80 圖4-5.1依據量測結果模擬穿透率與液晶之平均光軸傾角之關 係圖 81 圖4-5.2 實際量測穿透率與驅動電壓（V）之關係圖 82 圖4-5.3 考慮量測誤差範圍內模擬穿透率與傾角之關係圖 83 表 目 錄 表2-6.1 入射光之偏極狀態與Jones Matrix對照表 29 表2-6.2 偏極片與波板之Jones Matrix對照表 30 表2-6.3 偏極片與波板Jones Matrix之通式對照表 31 表3-5.1 利用Microsoft Excel所撰寫擬合ne值之程式 50 表3-6.1 利用Microsoft Excel所撰寫擬合預傾角φ值之程式 53 表4-1.1 液晶樣品各層介面之布魯斯特角與入射角度對照表 64 表4-1.2 利用Microsoft Excel所撰寫計算樣品間隙厚度之程式 66 表4-1.3 模擬量測樣品間隙厚度在屏幕上的干涉條紋之程式 66 表4-2.1 利用Microsoft Excel所撰寫計算液晶之尋常光折射率 之程式 70 表4-2.2 模擬量測液晶尋常光折射率在屏幕上的干涉條紋之程式 70 表4-3.1 模擬量測液晶非尋常光折射率在屏幕上的干涉條紋之 程式 73 表4-4.1 模擬量測預傾角在屏幕上的干涉條紋之程式 77 表4-4.2 考慮主要誤差所計算之neff值與量測值對照表 79
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指導教授	薛雅薇(Ya-Wei Hsueh)	審核日期	2003-7-8
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