電控表面水濕性的非等向性液晶聚合物薄膜之表面特性及應用探討

Abstract

一. 研究表現綜評： 1. 與指導教授合作與獨立研究能力的質疑： 謝謝指教，專家提到：「主持人近五年來計有30 篇左右文章發表，但發表於 impact factor 在3 以上且為第一作者或通訊作者的論文約只有為五篇，顯見主 持人過去的成果係團隊集體共同創作以及其指導教授之功，以及計劃書內仍需與 其指導教授密切合作，故可見主持人尚不具獨立研究之能力。再者，依過去大多 數液晶領域學者經驗顯示，美國Kent state 液晶研究中心與中央佛羅里達大學， 雖然其教授群在液晶相關領域研究成果尚稱不錯，但同行中學者大多一致認為兩 校畢業的畢業生大多欠缺獨立研究之能力，且其畢業生大多在國際上的表現不 佳。」計畫書中所提及與指導教授合作之關係為延續國際之合作，以幫助台灣走 向國際化之方向而定。因此計畫為筆者博士論文之延伸，除去與指導教授之合 作，筆者仍然能獨立完成此計畫，並非不能獨立研究。至於獨立研究能力質疑方 面，因為筆者第一次申請國科會計畫，關於各位審查委員對筆者的研究能力的質 疑在所難免。但筆者在本領域上曾獲美國光學學會學生最高榮譽OSA New Focus/Bookman Award (共7 人), Newport Research Excellence Award (共6 人) , SPIE Educational Scholarship in Optical Science and Engineering, Who』s Who Among Students in American Universities & Colleges (全校僅提名13 位研究生可放 入2006 年全美各大學學生名人錄中，此13 位研究生中只有兩位國際學生，消息 並刊登於當地報紙)及三十餘篇的學術論文著作。在博士論文期間也參與許多重 要的研究計畫項目（如下表所列），且成果豐碩。若有任何問題，請與我論文指 導教授聯絡。因此，筆者認為十分有把握完成此計畫。請諸位評審委員給予一次 機會，我一定全力以赴，做好這一項工作。08/2005-05/2006 Develop and study the nano-structure and alignment mechanism of the anisotropic polymeric film. 2 Impact: To further understand the interaction of liquid crystals and nano-structure of polymer grains. 02/2005-05/2006 Develop and study high contrast, fast response and polarizer-free Guest-host LCD using dual-frequency polymer network liquid crystals and a negative l polymer network liquid crystals. The goal is to mimic a 「paper」. Impact: The new technology can be used in transflective LCD in order to improve the brightness and contrast ratio. 02/2005-05/2006 Develop polarization-independent LC phase modulators using a double cell structure. Impact: This phase modulator is important in laser beam steering and laser communication. 11/2004-12/2005 Single-substrate IPS-LCD using an anisotropic polymer film. Impact: This technology opens a new door for making high contrast flexible displays using IPS LCD. 07/2004-05/2006 Developed fast response (<1 ms) phase modulator using stressed polymer network liquid crystal for Adaptive Photonic Phase-Locked Elements (APPLE) program. Also study the physics of stressed polymer network liquid crystals. Impact: This phase modulator is scattering-free in visible and IR which can be used for color sequential displays and optical communications. 11/2003-03/2004 Discovered surface anchoring effect on the phase separation dynamics of polymer-dispersed liquid crystal. Impact: It has high contrast and low driving voltage which can be used for reflective displays and flexible displays. 11/2003-03/2004 Demonstrated tunable-focus cylindrical liquid crystal lenses and tunable-focus microlens arrays using nanosized polymer-dispersed liquid crystal droplets. Impact: They can be used in switchable 2D/3D liquid crystal displays. 08/2003-01/2004 Demonstrated a fast response (~1.8 ms) phase modulator using polymer network liquid crystals. Impact: Telecommunication and laser beam steering applications. 二. 計畫內容綜評： 1. 國內外研究不夠透澈： 謝謝指教，專家提到：「本計劃書對國內外相關研究不夠透澈，本案相關概 念已在三年前刊載於國際知名期刊Science 的2003 年1 月17 號上﹝Joerg Lahann et al., 』A Reversibly Switching Surface』, Science, Vol.299., no.5605, pp.371(2003).﹞，顯見主持人欠缺前案檢索及分析能力。此外，相同類似的概念 (LC orientation affects wettability phenomenon)也早已發表在Crevoisier, D. et al., 』Switchable tackiness and wettability of a liquid crystalline polymer』, Science 1999, 285, 1246-1249，其結果也已經明顯地imply 可利用電驅動改變wettability 的方式。又, 於過去在Nature 雜誌中也都提過相同之概念。」事實上Dr. Lahann 在Science 發表的機制與APL 不同，筆者在下面第3 點 「欠缺智權觀念」部分說 明，至於另一篇Dr. Crevoisier 的 「Switchable tackiness and wettability of a liquid crystalline polymer」這是利用液晶的隨溫度的相變化所產生的水濕性變化，這完 全不是電控水濕性，跟筆者的APL 也完全不同，另一種用electrowetting 方式需 要在水滴與表面施加一電位差，筆者的APL 是在APL 表面加一交流電場，兩者 完全不同。 APL 的電控水濕性是無意間的發現，APL 也只有筆者會製作，由此結果再 回溯找相關資料，無論是專利或是期刊論文，並未找到利用液晶指向矢在交流水 平電場下的水濕性變化相關報導，或是利用此想法的microfluidic channel 的應 用。如果就所有各種方法實現水濕性變化論文研究（例如： electrowetting、用 光、用電化學方式等等），筆者的確如同專家所說研究不夠透澈。謝謝專家提醒 及指正，筆者未來會將此部分補足。 2. 未引用兩篇重要文獻引用： 謝謝指教與指正，專家提到： 「計劃書內未將表面濕潤現象的兩篇重要文獻引 用﹝P. G. de Gennes, 』Wetting: statics and dynamics』, Rev. Mod. Phys.,57, p827(1985)與David Quere, 』Non-sticking drops』, Rep. Prog. Phys., 68, p2495(2005)﹞顯見主持人不僅課前準備功課不足並且嚴重欠缺化學 基本常識，而於計劃書內大書其開發之APL(材料縮寫)材料可建立新的電濕潤模 型，但是此現象即可由前述四篇列舉之文獻清楚說明，主持似乎並不太清楚P. G. de Gennes 與過去其他文獻早已經提出之電潤濕模型。」，此兩篇重要文獻應該 被引用﹝P. G. de Gennes, 』Wetting: statics and dynamics』, Rev. Mod. Phys.,57, p827(1985)與David Quere, 』Non-sticking drops』, Rep. Prog. Phys., 68, p2495(2005)﹞已加入計畫書中。其他文獻早提出之電潤濕模型沒有一個將表面 物理結構與液晶指向矢在交流電場下的改變，同時討論與研究並作應用。 3. 欠缺智權觀念： 謝謝指教，專家提到: 「本計劃使用之材料係主持人在國外求學期間開發，以 及主持人於計劃書中並未舉證其為本技術或此材料之專利權擁有者，卻表示可為 國內建立自主技術，顯見主持人欠缺智權之觀念。」 Anisotropic Polymeric Layer(APL)的專利問題：由於筆者在博士班期間幫指導教 授作計畫，無意間發展出此APL 應用於顯示器， APL 的配向機制不明也沒有專 利發表，關於專利申請方面，此APL 為筆者一人所發明，也可向筆者之指導教授 求證，所以筆者當然擁有第一專利發明權，相關之專利申請作業目前正積極籌備 中。因為部分發明及想法在台灣產生，礙於時間及空間的考量，無法於發明同時 及時申請。APL 電控水濕性是另一無意間發現的結果，不僅僅是利用液晶指向 矢在電場控制下改變水濕性之外還要搭配表面粗糙度，換言之polymer network 結構與液晶需作搭配，APL 電控水濕性機制不明，目前僅有筆者臆測機制還需 作實驗驗證其物理機制。根據筆者調查，的確有一些控制表面水濕性的論文及專 利，例如用光用熱或用電濕效應(electrowetting)等等，但是電濕效應需同時在水 滴與表面上施加一電位差，跟我們的機制完全不同，僅有算是較接近的是利用電 荷控制表面水濕性的為Dr. J. Lahann et al.的Switchable Surface (US patent No 7,020,355 B2)，此結果也發表在2003 年Science (Vol. 299, pp. 371,2003)，其機制 如下圖所示，主要是電化學機制，在金(Au)的表面上度上一層precursor monolayer 再利用溶劑使precursor 變成帶負電的MHA，當表面加上正電或負電荷因電荷吸 引力或排斥力改變表面分子的conformation 進而改變表面水濕性。此為微觀分子 機制。與我們的APL 不同：利用polymer network 與液晶形成的微結構，在水平 交流電場下液晶指向矢改變引起的水濕性變化，所謂液晶指向矢包含的是較巨觀 的觀念而不是單一分子微觀觀念。另外此方法不易製作大面積且製作成本高，而 我們的APL 可容易做到較便宜、大均勻面積且精確控制水滴運動的APL。 至於我們的 APL 電控裝置及介面放大示意圖如下圖所示，筆者有初步得到電 控水濕性的結果但是其中物理機制還待發掘，這是利用polymer network 與液晶 形成的微結構，在水平交流電場下液晶指向矢改變引起的水濕性變化，所謂液晶 指向矢包含的是較巨觀的觀念而不是單一分子微觀觀念，與Dr. J. Lahann 的想法 不同。詳細機制仍有待研究，目前沒有利用液晶指向矢作為電控水濕性主要機制 的相關專利及理論。目前在等國科會經費以向交通大學處理申請專利事宜，預計 可申請兩個專利。製作上來說，結合台灣TFT- LCD 的技術，可容易做到較便宜、 大均勻面積且精確控制水滴運動的APL。4. 生物相容性： 謝謝指教，專家提到: 「本技術未來在生物技術之應用亦不具任何潛力，係因 以下兩點； ﹝1﹞此材料根本不具生物相容性，以及本案之主持人等不具有新材料開發之技 能，因此無法在生物晶片相關產品。計畫書不該任意浮誇該材料有生物相容性。 ﹝2﹞液滴之運動仍須使用外場，此與貴會所屬之國家實驗研究院儀器科技研究 中心近期發表之技術『小液珠護一生 居家照護自己來 ﹝http://www.itrc.org.tw/Bulletin/News/nanosphere.php﹞』相較落後甚多。」 已下為筆者淺見： A1. 有關APL 之生物相容性問題：（已將此部分加入計畫書內） 是的，生物相容性將會是一大挑戰，但是有許多有關 optical amplification 文獻中使用液晶作為optical amplification 介質，利用液晶與 一些特別蛋白質作用以作生物細胞成像。如圖1 與2 所示。我相信花時間適當選 取生物材料或是改變液晶材料可以解決生物相容性的問題。筆者並未任意浮誇該 材料有生物相容性，所以「生物相容性」筆者在此」三年計畫書」中是放在三年 之後的未來計畫，因為此需要更多經費、時間還需與生醫方面資源結合，三年內 恐難達成。A2. APL 產品應用： 謝謝專家的意見:」液滴之運動仍須使用外場，此與貴會所屬之國家實驗研究 院儀器科技研究中心近期發表之技術『小液珠護一生 居家照護自 ﹝http://www.itrc.org.tw/Bulletin/News/nanosphere.php﹞相較落後甚多。」讓筆者對 此研究具有產品應用的決心，筆者認為 APL 的產品應用不僅只在簡單的藥物檢 測，而是生物晶片上的應用。 5. 不具前瞻性與創新性： 謝謝指教，專家提到: 「總的來說，本案無論就基礎與應用科學研究而言均不 具前瞻性與創新性，建議主持人必須重新修改計畫書內容。」至目前為止，也未 有相關用電控液晶指向矢操作水珠運作之相關文獻被提出。本計畫所提出之方法 不但可做大面積的電控區域，也可結合國內熟稔之TFT 技術產業，精準控制液滴 方向。與其他發展中之技術相比，具簡單及量產之優勢。此計畫之最終目標為研 究如何利用液晶電控水滴在表面的物理現象，若透過本計畫之達成，的確可用於 生醫及相關之用途，具產業創新性及前瞻性。筆者也已將計畫書重新修改，並以 藍色標出。

An anisotropic polymeric layer (APL) consisting of liquid crystal and polymer grains after phase separation processes has electrically tunable anisotropic wettability. When we apply the in-plane switching electric field on APL, the orientation of liquid crystal molecules between polymer grains is rotated and then the anisotropic wettability of APL changes. Convetionally, Cassie』s model only consider the wettability is related to the roughness and also the ratio of fine structures to air. In this proposal, we are the first one to consider liquid crystal orientation as one controllable factor in a rough surface system. In the first year of our proposal, we will study the surface properties, mechanism and anisotropic wettability with and without applying an in-plane electric field. In the second year, we will build up a model based on modified Cassie』s model and the experiment data we obtain. Besides, we will add the geometry factor of polymer grains into the model. Moreover, the shape and the design of electrode stripes will be an important factor to the orientation of liquid crystals as well. In the third year, we will realize a droplet manipulation using APL and a gradient in-plane electric field. This is a new type of microfluidic channels. The droplet can move fast in arbitrary direction because of the interaction between liquid crystals and polymer grains and fine pixelized in-plane electric field. However, the driving voltage will high because of the thickness of APL and the width of electrode stripes. It will open a new window in medical applications and homeland security applications