(57)【要約】      （修正有）【課題】フレクソエレクトリック係数を精度よく測定すること。【解決手段】液晶素子は、第１基板１１及び第２基板１２、液晶層１５ａ〜ｃ、電界印加手段を備える。液晶層は、電界無印加時において一様配向である一様配向ドメインと、電界無印加時においてスプレイ変形及びベンド変形を含んだ歪み配向である歪み配向ドメインとを有しており、一様配向ドメインと歪み配向ドメインとは隣り合って配置され、かつ一体に設けられている。電界印加手段は、一様配向ドメインの少なくとも一部領域である第１領域に対して液晶層の層厚方向に電界を印加するための第１印加手段と、歪み配向ドメインの少なくとも一部領域である第２領域に対して液晶層の層厚方向に電圧を印加するための第２印加手段と、歪み配向ドメインの少なくとも一部領域である第３領域に対して液晶層の層厚と略直交する方向へ電圧を印加するための第３印加手段を有する。【選択図】図１
2020122652.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
フレクソエレクトリック係数の測定に用いられる液晶素子であって、
対向配置される第１基板及び第２基板と、
ネマチック液晶材料を含有しており前記第１基板と前記第２基板の間に配置される液晶層と、
前記第１基板と前記第２基板に設けられており前記液晶層に電界を印加するための電界印加手段と、
を含み、
前記液晶層は、初期配向時において一様配向である一様配向ドメインと初期配向時においてスプレイ変形及びベンド変形を含んだ歪み配向である歪み配向ドメインとを有しており、前記一様配向ドメインと前記歪み配向ドメインとは隣り合って配置され、かつ一体に設けられており、
前記電界印加手段は、
前記一様配向ドメインの少なくとも一部領域である第１領域に対して前記液晶層の層厚方向に電界を印加するための第１印加手段と、
前記歪み配向ドメインの少なくとも一部領域である第２領域に対して前記液晶層の層厚方向に電圧を印加するための第２印加手段と、
前記歪み配向ドメインの少なくとも一部領域である第３領域に対して前記液晶層の層厚と略直交する方向へ電圧を印加するための第３印加手段と、
を有する、
液晶素子。
【請求項２】
前記第１印加手段は、前記液晶層を挟んで対向配置される一対の第１電極を有しており、
前記第２印加手段は、前記液晶層を挟んで対向配置される一対の第２電極を有している、
請求項１に記載の液晶素子。
【請求項３】
前記一対の第１電極と前記一対の第２電極とが一体に設けられている、
請求項２に記載の液晶素子。
【請求項４】
前記第３印加手段は、前記第２基板側において間隙を空けて配置された一対の第３電極を有している、
請求項１〜３の何れか１項に記載の液晶素子。
【請求項５】
前記一様配向ドメインは、ホモジニアス配向のドメインであり、
前記歪み配向ドメインは、ハイブリッド配向のドメインである、
請求項１〜４の何れか１項に記載の液晶素子。
【請求項６】
前記一様配向ドメインと前記歪み配向ドメインは、前記第２基板側との界面における液晶分子の配向方向が略水平方向であって同一方向に設定されている、
請求項５に記載の液晶素子。
【請求項７】
請求項１〜６の何れかに記載の液晶素子を用いた液晶材料の物性測定方法であって、
前記一様配向ドメインの前記第１領域を用いて少なくとも前記液晶層の層厚を求める第１ステップと、
前記歪み配向ドメインの前記第２領域に対して前記液晶層の層厚方向に電圧を印加しながら当該第２領域を透過する光の光学的パラメータの変化量を検出して当該検出した光学的変化並びに前記液晶層の層厚に基づいてフレクソエレクトリック係数の和を求める第２ステップと、
前記歪み配向ドメインの前記第３領域に対して前記液晶層の層厚と略直交する方向へ電圧を印加しながら当該第３領域を透過する光の光学的パラメータの変化量を検出して当該検出した光学的変化並びに前記液晶層の層厚に基づいてフレクソエレクトリック係数の差を求める第３ステップと、
を含む、液晶材料の物性測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液晶材料の物性値の一つであるフレクソエレクトリック係数の測定に用いて好適な液晶素子並びにこれを用いた当該係数の測定技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
液晶性材料の配向にスプレイ変形（広がり変形）やベンド変形（曲がり変形）などの配向歪みを加えることにより分極が発生する現象が知られており、フレクソエレクトリック効果と呼ばれている。このフレクソエレクトリック効果による応答は、従来よく用いられている印加電界の二乗に比例する誘電応答とは異なり、印加電界に対して線形に応答することが知られている。このことから、フレクソエレクトリック効果を使用することにより新たなダイレクタ制御（配向状態の制御）を実現できる可能性がある（例えば、特許文献１参照）。また、フレクソエレクトリック効果を考慮した設計を行うことで液晶表示装置の更なる高画質化を実現できる可能性も示されている（例えば、特許文献２参照）。
【０００３】
フレクソエレクトリック効果による分極ｐは、以下のように表される。
ｐ＝ｅ１１（ｄｉｖ ｎ）・ｎ＋ｅ３３（ｒｏｔ ｎ×ｎ）
ただし、ｅ１１およびｅ３３はそれぞれスプレイ変形とベンド変形に対応したフレクソエレクトリック係数を示し、ｎはダイレクタを示している。
【０００４】
液晶性材料におけるフレクソエレクトリック効果を評価するには上記したｅ１１およびｅ３３の各フレクソエレクトリック係数を精度よく測定する必要があり、これまでに様々な測定方法が提案されてきた。しかし、これまでの所、フレクソエレクトリック係数の値を精度よく測定する技術が確立されているとは言い難い状況にある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００５−３５１９５３号公報
【特許文献２】特開２０１１−１６９９７３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明に係る具体的態様は、フレクソエレクトリック係数を精度よく測定するための技術を提供することを目的の１つとする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
［１］本発明に係る一態様の液晶素子は、（ａ）フレクソエレクトリック係数の測定に用いられる液晶素子であって、（ｂ）対向配置される第１基板及び第２基板と、（ｃ）ネマチック液晶材料を含有しており前記第１基板と前記第２基板の間に配置される液晶層と、（ｄ）前記第１基板と前記第２基板に設けられており前記液晶層に電界を印加するための電界印加手段と、を含み、（ｅ）前記液晶層は、電界無印加時において一様配向である一様配向ドメインと、電界無印加時においてスプレイ変形及びベンド変形を含んだ歪み配向である歪み配向ドメインとを有しており、前記一様配向ドメインと前記歪み配向ドメインとは隣り合って配置され、かつ一体に設けられており、（ｆ）前記電界印加手段は、（ｆ１）前記一様配向ドメインの少なくとも一部領域である第１領域に対して前記液晶層の層厚方向に電界を印加するための第１印加手段と、（ｆ２）前記歪み配向ドメインの少なくとも一部領域である第２領域に対して前記液晶層の層厚方向に電圧を印加するための第２印加手段と、（ｆ３）前記歪み配向ドメインの少なくとも一部領域である第３領域に対して前記液晶層の層厚と略直交する方向へ電圧を印加するための第３印加手段と、を有する、液晶素子である。
［２］本発明に係る一態様の液晶材料の物性測定方法は、上記１の液晶素子を用いた液晶材料の物性測定方法であって、（ａ）前記一様配向ドメインの前記第１領域を用いて少なくとも前記液晶層の層厚を求める第１ステップと、（ｂ）前記歪み配向ドメインの前記第２領域に対して前記液晶層の層厚方向に電圧を印加しながら当該第２領域を透過する光の光学的パラメータの変化量を検出して当該検出した光学的変化並びに前記液晶層の層厚に基づいてフレクソエレクトリック係数の和を求める第２ステップと、（ｃ）前記歪み配向ドメインの前記第３領域に対して前記液晶層の層厚と略直交する方向へ電圧を印加しながら当該第３領域を透過する光の光学的パラメータの変化量を検出して当該検出した光学的変化並びに前記液晶層の層厚に基づいてフレクソエレクトリック係数の差を求める第３ステップと、を含む、液晶材料の物性測定方法である。
【０００８】
上記構成によれば、液晶材料のフレクソエレクトリック係数を精度よく測定することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】図１は、一実施形態の液晶素子（液晶セル）の構成を示す模式的な斜視図である。
【図２】図２（Ａ）は、液晶素子の構成を示す平面図であり、図２（Ｂ）は、この液晶素子の上基板の構成を示す平面図であり、図２（Ｃ）は、この液晶素子の下基板の構成を示す平面図である。
【図３】図３は、液晶素子の構成例を示す模式的な断面図である。
【図４】図４は、ＳＯＩＴＥ法による測定方法について説明するための図である。
【図５】図５は、液晶セルへの印加電圧に対する位相差Δ＋とΔ−特性を計測した例を示すグラフである。
【図６】図６は、フレクソエレクトリック係数の実験値と理論値のフィッティング例を示すグラフである。
【図７】図７は、実験系（測定系）の構成例を示す図である。
【図８】図８は、液晶層への矩形波電界印加時における位相差Δ−−Δ＋の測定結果の一例を示す図である。
【図９】図９は、液晶セルへの印加電界の波形を示す図である。
【図１０】図１０は、ＳＯＩＴＥ法による位相差Δ−−Δ＋の測定結果の一例を示す図である。
【図１１】図１１は、位相差Δ−−Δ＋の測定結果の一例を示す図である。
【図１２】図１２は、電極構造の変形例を説明するための図である。
【図１３】図１３は、電極構造の変形例を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
図１は、一実施形態の液晶素子（液晶セル）の構成を示す模式的な斜視図である。また、図２（Ａ）は、液晶素子の構成を示す平面図であり、図２（Ｂ）は、この液晶素子の上基板の構成を示す平面図であり、図２（Ｃ）は、この液晶素子の下基板の構成を示す平面図である。図示の液晶素子は、上基板（第１基板）１１、下基板（第２基板）１２と、これら上基板１１と下基板１２の間に設けられる液晶層１５ａ、１５ｂ、１５ｃを含んで構成されている。
【００１１】
上基板１１、下基板１２は、各々、例えばガラス基板などの透明基板である。これら上基板１１と下基板１２は、相互間に間隙（例えば、数μｍ〜１０μｍ程度）を設けて配置されている。
【００１２】
液晶層１５ａ、１５ｂ、１５ｃは、上基板１１と下基板１２の重なる領域（セル領域）に設けられている。これらの液晶層１５ａ、１５ｂ、１５ｃは、流動性を有するネマチック液晶材料（液晶性材料）を用いて構成されている。本実施形態では、誘電率異方性が正の値であるネマチック液晶材料が用いられている。液晶層１５ａ、１５ｂ、１５ｃの周囲は、図示しないシール材によって封止される。
【００１３】
液晶層１５ａは、電界無印加時（初期配向時）において液晶分子の配向方向が各基板１１、１２の表面とほぼ平行となるホモジニアス配向とされている。図示のように、液晶層１５ａにおける液晶分子の平均的な配向方向（ダイレクタ）は、図中のｘ方向およびｙ方向のそれぞれと略４５°の角度をなす方向である。液晶層１５ａをこのようなホモジニアス配向とするためには、例えば水平配向膜を用いればよく、その構成例については後述する。
【００１４】
液晶層１５ｂ、１５ｃは、電圧無印加時（初期配向時）において、液晶分子の配向方向が下基板１２との界面付近では下基板１２の表面とほぼ平行（０°）かつｘ方向およびｙ方向のそれぞれと略４５°の角度をなす方向であり、上基板１１との界面付近では上基板１１の表面とほぼ垂直（９０°）であり、各基板１１、１２の間でダイレクタが連続的に変化するハイブリッド配向とされている。液晶層１５ｂ、１５ｃをこのようなハイブリッド配向とするためには、例えば水平配向膜と垂直配向膜を組み合わせて用いればよく、その構成例については後述する。
【００１５】
なお、説明の便宜上、液晶層１５ａ、１５ｂ、１５ｃを分けて示しているが、実際にはこれらは一体に構成されている。そして、液晶層１５ａは、１つのドメインを形成しており、液晶層１５ｂと液晶層１５ｃは、他の１つのドメインを形成している。液晶層１５ａからなるドメインと、液晶層１５ｂ、１５ｃからなるドメインとは、図中ｙ方向において隣り合って配置されている。
【００１６】
上基板１１には、その表面に電極１３が設けられている。同様に、下基板１２には、その表面に電極１４ａ、１４ｂ、１４ｃが設けられている。これらの電極１３、１４ａ、１４ｂ、１４ｃは、それぞれ例えばＩＴＯ（インジウム錫酸化物）膜などの透光性導電膜をパターニングすることによって得られる。各図では、各電極を判別しやすくするために各電極の形成されている部分に模様を付して示している。
【００１７】
電極１３は、例えば図示のように平面視において矩形状、具体的にはｘ方向に長手方向を有する長方形状に設けられており、少なくとも液晶層１５ａ、１５ｂと平面視において重なるように配置されている。この電極１３には、上基板１１と下基板１２の重なる領域内から外部へ延びる配線部分が接続されている。図示の例では、この配線部分は、電極１３と同じ幅で設けられているが形状はこれに限られない。この配線部分は、電極１３に電圧を印加するために用いることができる。
【００１８】
電極１４ａは、例えば図示のように平面視において矩形状、具体的にはｙ方向に長手方向を有する長方形状に設けられており、少なくとも液晶層１５ａ、１５ｂと平面視において重なるように配置されている。この電極１４ａには、上基板１１と下基板１２の重なる領域内から外部へ延びる配線部分が接続されている。この配線部分は、電極１４ａに電圧を印加するために用いることができる。
【００１９】
また、図２（Ｃ）に示すように、電極１４ａの周囲には、電極の存在しない間隙１７、１８、１９、２０が設けられている。電極１４ａの周囲は、電極１４ａと配線部分とを接続するための部位を除き、これらの間隙１７〜２０によってほぼ囲まれている。間隙１７、１８は、上基板１１の両端側と重なる位置に設けられている。また、間隙１９は、下基板１２の一端側に設けられている。これらの間隙１７〜２０の幅は、例えば図示のように２ｍｍ程度とすることが好ましい。
【００２０】
電極１４ｂ、１４ｃは、それぞれ矩形状、具体的にはｙ方向に長手方向を有する長方形状に設けられており、かつ図中ｘ方向において相互間に間隙１６を設けて離間して配置されている。これらの電極１４ｂ、１４ｃは、少なくとも液晶層１５ｃと平面視において重なるように配置されている。これらの電極１４ｂ、１４ｃには、それぞれ、上基板１１と下基板１２の重なる領域内から外部へ延びる配線部分が接続されている。各配線部分は、電極１４ｂ、１４ｃの各々に電圧を印加するために用いられる。間隙１６の幅は、例えば図示のように３ｍｍ程度とすることが好ましい。
【００２１】
上記した電極１３と電極１４ａは、対をなし、液晶層１５ａ、１５ｂを挟んで対向配置されており、液晶層１５ａ、１５ｂに対して各液晶層の層厚方向（図中ｚ方向）に沿った縦電界を与えるための手段（第１印加手段、第２印加手段）として用いられる。また、電極１４ｂと電極１４ｃは、対をなし、間隙１６を挟んで配置されており、液晶層１５ｃに対してその層厚方向と直交する方向（図中ｘ方向）に沿った横電界を与えるための手段（第３印加手段）として用いられる。
【００２２】
図２（Ａ）に示すように、液晶素子は、光を一方基板（例えば上基板１１）から入射させてホモジニアス配向の液晶層１５ａを通り他方基板（例えば下基板１２）から出射させることが可能な測定対象領域３０Ａと、光を一方基板から入射させてハイブリッド配向の液晶層１５ｂを通り他方基板から出射させることが可能な測定対象領域３０Ｂと、光を一方基板から入射させてハイブリッド配向の液晶層１５ｃを通り他方基板から出射させることが可能な測定対象領域３０Ｃと、を備えている。図中では各測定対象領域３０Ａ、３０Ｂ、３０Ｃの一例を太い円で示しているが、各測定対象領域の形状はこれに限定されない。
【００２３】
各測定対象領域３０Ａ、３０Ｂ、３０Ｃは、図２（Ａ）に示すように上基板１１と下基板１２の重なる領域であるセル領域内に含まれている。このセル領域は、例えば図示の例のように１５ｍｍ×１５ｍｍ程度の大きさとすることが好ましい。図示の例では、上基板１１の長辺が２５ｍｍ、短辺が１５ｍｍとされ、下基板１２の長辺が５０ｍｍ、短辺が１５ｍｍとされており、これらの上基板１１と下基板１２の長辺同士が略直交するようにして重ね合わせられることにより、セル領域が１５ｍｍ×１５ｍｍとされている。
【００２４】
図３は、液晶素子の構成例を示す模式的な断面図である。図３（Ａ）は、図２（Ａ）に示した３ａ−３ａ方向の断面に対応しており、図３（Ｂ）は、図２（Ａ）に示した３ｂ−３ｂ方向の断面に対応している。図示の液晶素子は、上記した上基板１１、下基板１２、各電極１３、１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、液晶層１５ａ、１５ｂ、１５ｃを備えるとともに、上基板１１の表面に設けられた水平配向膜３１ａ、垂直配向膜３１ｂと、下基板１２の表面に設けられた水平配向膜３２を備える。
【００２５】
図示のように、水平配向膜３１ａと垂直配向膜３１ｂは、それぞれ上基板１１の表面に形成されている。なお、上基板１１の表面上におけて水平配向膜３１ａと垂直配向膜３１ｂを隣り合って形成する方法については公知であるのでここでは詳細な説明を省略する。また、水平配向膜３２は、下基板１２の表面に形成されている。各水平配向膜３１ａ、３２は、それぞれ図中左右方向において一軸配向処理（例えばラビング処理）が施されており、互いの一軸配向処理の方向が逆となる配置（アンチパラレル配置）とされている。上記した図２（Ａ）に、一軸配向処理の方向４１、４２を矢印によって示している。図示の例では、一軸配向処理の方向４１、４２は、図中のｘ方向、ｙ方向それぞれに対して略４５°の角度をなす方向に設定されている。これにより、横電界の方向に対して略４５°の角度をなす方向に配向方向を設定することができる。
【００２６】
水平配向膜３１ａと水平配向膜３２とが平面視において重なる領域であって電極１３と電極１４ａとが平面視に重なる領域において液晶層１５ａが形成される。この液晶層１５ａは、各水平配向膜３１ａ、３２との界面において数度のプレチルト角を与えられ、一軸配向処理の方向４１、４２に沿って液晶分子の初期配向方向が規定される。それにより、ホモジニアス配向が得られる。このホモジニアス配向となった液晶層１５ａでは、図示のように電極１３と電極１４ａの間に電圧を印加することにより、層厚方向に電界Ｅを与えることができる。この液晶層１５ａを通るようにして上記した測定対象領域３０Ａが設定される。
【００２７】
他方、垂直配向膜３１ｂと水平配向膜３２とが平面視において重なる領域であって電極１３と電極１４ａとが平面視に重なる領域において液晶層１５ｂが形成される。この液晶層１５ｂは、垂直配向膜３１ｂとの界面において略９０度のプレチルト角を与えられて基板面と垂直方向に液晶分子の初期配向方向が規定されるとともに、水平配向膜３２の界面において数度のプレチルト角を与えられて一軸配向処理の方向４２に沿って液晶分子の初期配向方向が規定される。それにより、ハイブリッド配向が得られる。このハイブリッド配向となった液晶層１５ｂでは、図示のように電極１３と電極１４ａの間に電圧を印加することにより、層厚方向に電界Ｅを与えることができる。この液晶層１５ｂを通るようにして上記した測定対象領域３０Ｂが設定される。
【００２８】
また、垂直配向膜３１ｂと水平配向膜３２とが平面視において重なる領域であって、電極１３は存在せず、垂直配向膜３１ｂと各電極１４ｂ、１４ｃとが平面視において重なる領域において液晶層１５ｃが形成される。この液晶層１５ｃは、上記の液晶層１５ｂと同様、垂直配向膜３１ｂとの界面において略９０度のプレチルト角を与えられて基板面と垂直方向に液晶分子の初期配向方向が規定されるとともに、水平配向膜３２の界面において数度のプレチルト角を与えられて一軸配向処理の方向に沿って液晶分子の初期配向方向が規定される。それにより、ハイブリッド配向が得られる。このハイブリッド配向となった液晶層１５ｃでは、図示のように電極１４ｂと電極１４ｃの間に電圧を印加することにより、層厚方向と直交する方向（基板面と平行方向）に電界Ｅを与えることができる。この液晶層１５ｃを通るようにして上記した測定対象領域３０Ｃが設定される。
【００２９】
以上のような実施形態の液晶素子を用いることで、フレクソエレクトリック係数の測定を精度良く行うことができる。例えば、ホモジニアス配向となった液晶層１５ａに対応する測定対象領域３０Ａを用いて、セル厚（液晶層の層厚）やプレチルト角などの基本パラメータを求めることができる。そして、ハイブリッド配向となった液晶層１５ｂに対応する測定対象領域３０Ｂを用いて、縦電界の印加により液晶層１５ｂに配向変化を与えながら光学的計測を行うことにより、フレクソエレクトリック係数の和ｅｐ（＝ｅ１１＋ｅ３３）を求めることができる。さらに、ハイブリッド配向となった液晶層１５ｃに対応する測定対象領域３０Ｃを用いて、横電界の印加により液晶層１５ｃに配向変化を与えながら光学的計測を行うことにより、フレクソエレクトリック係数の差ｅｎ（＝ｅ１１−ｅ３３）を求めることができる。このとき、１つのセル領域内に各測定対象領域が併存して設けられた液晶素子を用いて各計測を行うことができるため、セル厚やプレチルト角などフレクソエレクトリック係数の測定の基礎となるパラメータの誤差を極力排除できるとともに、基板、配向膜、電極などの相違によるバラツキも排除できる。従って、フレクソエレクトリック係数の測定を精度良く行うことができる。
【００３０】
次に、上記実施形態の液晶素子を用いたフレクソエレクトリック係数の好適な測定方法を例示する。ここでは、透過型単色エリプソメーターを用いて得られる位相差特性を計算機シミュレーション結果とフィッティングすることによりフレクソエレクトリック係数の和ｅｐ（＝ｅ１１＋ｅ３３）およびフレクソエレクトリック係数の差ｅｎ（＝ｅ１１−ｅ３３）を決定する方法について詳述する。なお、原理上、スプレイ変形とベンド変形はいずれか一方のみを生じさせることができず両者がともに生じるため、フレクソエレクトリック係数は個別に求めることが困難であることから、多くの場合、各係数の和もしくは差という形で求めた上で、必要に応じてそれらから各係数を求めることになる。
【００３１】
図４は、ＳＯＩＴＥ法による測定方法について説明するための図である。図４では液晶セル（液晶素子）の断面図が模式的に示されている。図示の液晶セルは、上基板５１、下基板５２、これらの間に介在する液晶層５３を含んで構成されている。各基板５１、５２の表面には、いくつかの薄膜（例えば、透明電極、配向膜など）が設けられている。液晶層５３は、層厚ｄであり、上基板５１との界面においてプレチルト角θを有して平行配向し、下基板５２との界面において垂直配向しており、全体としてハイブリッド配向している。なお、ここではハイブリッド配向を例示しているが配向はこれに限られない。
【００３２】
ＳＯＩＴＥ（Symmetric  Oblique  Incident  Transmission  Ellipsometry)法とは、偏光解析において多層異方性薄膜における光の多重反射および多重干渉を相殺できる測定法である。図４に示すような液晶セルに対し、入射角＋βおよび−βにおける入射光に対するリタデーションと位相差をそれぞれＲ＋とＲ−、Δ＋とΔ−、多重反射および多重干渉によって生じる位相差をδ＋とδ−とする。このとき、Δ＋とΔ−は以下のように表せる。
【００３３】
【数１】
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【００３４】
【数２】
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【００３５】
ＳＯＩＴＥ法では＋βと−βから入射したときの多重反射および多重干渉の影響は等しいことが理論的に証明されている。したがって、(2.1)と(2.2)の差分をとると以下のように表わされる。これより、多重反射および多重干渉の影響を排除できることが分かる。
【００３６】
【数３】
2020122652.tif 000005
【００３７】
透過型単色エリプソメーターを使用し、図４に示すような液晶セルへの印加電圧に対する位相差Δ＋とΔ−特性を計測した例を示すグラフを図５に示す。このような計測結果が得られたら、次に、それらの差分Δ−−Δ＋を計算し、この値（実験値）に対して、計算機シミュレーションにより求めた理論値をフィッティングすることでフレクソエレクトリック係数を決定することができる。理論値のフィッティング例を図６に示す。
【００３８】
フレクソエレクトリック係数の決定は、ネマチック液晶の連続体理論に基づいて行うことができる。フレクソエレクトリック係数の差ｅｐを求める場合、ハイブリッド配向の液晶セル（ＨＡＮセル）のセル厚（ｚ）方向に電界を印加することを考える。Oseen-Frankの連続体理論より、極角θに対するバルク領域における弾性自由エネルギーは以下のように表される。
【００３９】
【数４】
2020122652.tif 000006
【００４０】
【数５】
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【００４１】
Ｋ１１およびＫ３３はそれぞれスプレイ変形、ベンド変形に対する弾性定数を示す。ここで、εｐおよびεｎがそれぞれダイレクタに対して平行方向および垂直方向の誘電率であるとすると、誘電率異方性Δεは、Δε＝εｐ−εｎで表される。また、真空の誘電率ε０を８．８５×１０−１２［Ｆ／ｍ］とする。
【００４２】
スカラーポテンシャルφはセル厚ｄの液晶層へ印加される有効電圧Ｖｅｆｆから、以下のように記述される。
【００４３】
【数６】
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【００４４】
また、単位面積当たりの自由エネルギー密度Ｆは以下のように表される。
【００４５】
【数７】
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【００４６】
【数８】
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【００４７】
ここで、Ａθ０、Ａθｄは、上基板および下基板の各々の界面における極角アンカリングエネルギー、θ０、θｄは、基板からの配向容易軸の角度、θ［０］、θ［ｄ］は実際のダイレクタの角度である。
【００４８】
印加電界に対するダイレクタ分布は(2.5)式における自由エネルギーが最小になるような関数を求めることで得られる。そこで、Euler-Lagrange方程式を適用してバルク領域および基板界面のダイレクタを計算する。得られたダイレクタの計算結果を用い、公知の光学計算理論を用いて位相差Δ−−Δ＋を求めることができる。
【００４９】
一方、フレクソエレクトリック係数の差ｅｎを評価する場合も上記と同様にして、液晶セルの面内方向への電界印加における弾性自由エネルギー関数のEuler-Lagrange方程式を解く。求められたダイレクタ分布から４×４行列法によって位相差Δを求める。
【００５０】
図７に実験系（測定系）の構成例を示す。光源１０１は、例えば波長５８９ｎｍのレーザーである。評価用の液晶セル１０６はＹ軸まわりに所定の角度βに配置され、位相差Δの印加電界依存性が測定される。入射側には偏光子１０２が配置されている。偏光子１０２の偏光軸はＸ軸からＹ軸へ４５°の方向である。出射側には検光子１０３が配置されている。検光子１０３の偏光軸はＸ軸から−Ｙ軸へ４５°の方向である。光源１０１と偏光子１０２の間には位相差板（１／４波長板）１０４が配置されている。位相差板１０４の光学軸はＸ軸からＹ軸へ４５°の方向である。光弾性変調素子１０５は、偏光子１０２と評価用の液晶セル１０６の間に配置されている。光弾性変調素子１０５の変調軸はＹ軸に平行である。液晶セル１０６は、図１のｘ方向が図７の実験系のＸと一致し、図１のｙ方向が図７の実験系のＹ方向と一致し、図１のｚ方向が図７の実験系のＺ方向と一致するように配置されている。このような実験系を用いて検出器１０７により測定された位相差特性と上記の手順で求められた位相差の計算機シミュレーション結果とのフィッティングにより、数値的にフレクソエレクトリック係数を求めることができる。
【００５１】
図７に示す実験系にて、基板法線に対して±βの角度から液晶セルのホモジニアス配向となった領域（上記した測定対象領域３０Ａに対応）に対して光を入射して位相差Δ−−Δ＋の測定を行い、これを計算機シミュレーションの結果とフィッティングすることにより液晶セルのパラメータを決定することができる。
【００５２】
図８は、液晶層への矩形波電界印加時における位相差Δ−−Δ＋の測定結果の一例を示す図である。図８において、実線はフィッティング曲線を示し、白丸は測定値を示している。位相差Δ−−Δ＋はセル厚やプレチルト角、極角アンカリングエネルギーなどのセルパラメータを含むダイレクタ分布から計算される。したがって、測定値との残差が最も小さくなるパラメータを最適解として、多変量解析による収束計算を経て、フィッティング結果を得ることができる。図示の例では、フィッティング結果として、セル厚ｄ＝９．８μｍ、プレチルト角θ０＝１．１°、極角アンカリングエネルギーＡθ０＝０．３×１０−３Ｊ／ｍ２を得られた。なお、極角アンカリングエネルギーＡθｄについては１×１０−２Ｊ／ｍ２の固定値（ストロングアンカリング条件）とし、プレチルト角θｄは９０°の固定値とした。以下のフレクソエレクトリック係数の解析に関して、これらの値を基礎データとして用いることができる。なお、上記は正の誘電率異方性Δεを有する液晶材料を用いる場合であり、負の誘電率異方性Δεを有する液晶材料の場合には、プレチルト角θ０および極角アンカリングエネルギーＡθ０を固定値とし、プレチルト角θｄと極角アンカリングエネルギーＡθｄについてフィッティングにより求めることで、同様にして基礎データを得ることができる。
【００５３】
次に、上記した基礎データを用いてフレクソエレクトリック係数の和ｅｐを評価するために、液晶セルのハイブリッド配向となった領域（上記した測定対象領域３０Ｂに対応）において、上記と同様にＳＯＩＴＥ法による位相差Δ−−Δ＋の直流電界依存性の測定を行う。ここで、フレクソエレクトリック効果による応答は電界の極性に比例して応答するため、測定は直流電界印加時に行う必要がある。他方で、液晶セルへ長時間にわたり直流電界を印加し続けると液晶層内において不純物イオンの偏りが発生してしまい、フレクソエレクトリック係数の測定精度の低下を招くため、交流電解を印加して不純物イオンを分散させた後に直流電界を印加することが望ましい。図９に、液晶セルへの印加電界の波形を示す。図示のように、例えば１ｋＨｚの正弦波交流電界を２秒間印加した後、直流電界を２秒間印加しており、直流電界の印加時点から１秒間経過したタイミングで位相差の測定を行うとよい。図示のように１つの測定点の測定後は、再び正弦波交流電解を同じ時間だけ印加し、さらに前回とは逆極性の直流電界を印加することが望ましい。これにより、不純物イオンをよりよく分散させることができる。
【００５４】
図１０は、ＳＯＩＴＥ法による位相差Δ−−Δ＋の測定結果の一例を示す図である。図１０では、位相差Δ−−Δ＋が山のような形状をしており、見かけ上は印加電界の絶対値が大きくなるにつれ、同じ傾斜で位相差が小さくなっているように見える。しかし、基板法線方向への印加電界に対して、０ボルトの点を基準にグラフがシフトしていることがわかる。誘電的な応答と異なり、フレクソエレクトリック効果によって生じたトルクは印加電界の極性に比例して働くことで、正負の電界印加で異なる配向変形が生じたことがグラフの非対称性の原因になったと考えられる。この例では、計算機シミュレーション結果とのフィッティングにより、ｅｐ＝１［ｐＣ／ｍ］という結果が得られている。フレクソエレクトリック係数の値に反してグラフの非対称性が顕著だが、これは液晶層内で生じた内部バイアスによる影響が考えられる。フィッティングの際にはそれも考慮して計算しており、内部バイアスは約−０．８ボルトであった。
【００５５】
次に、上記した基礎データを用いてフレクソエレクトリック係数の差ｅｎを評価するために、液晶セルのハイブリッド配向となった領域（上記した測定対象領域３０Ｃに対応）において位相差Δ−−Δ＋の直流電界依存性の測定を行う。フレクソエレクトリック係数のｅｎを測定する場合には、液晶セルの面内方向へ電界を印加するため、方位角方向へダイレクタ変化が生じる。そのためＳＯＩＴＥ法は適用しないが、光を垂直入射させることから多重反射および多重干渉の影響は小さいと考えられる。なお、液晶層への電界印加に際しては上記した図９に示したように、交流電界と直流電界を組み合わせた駆動電界を用いることで、不純物イオンの偏在による電圧オフセットの影響を極力少なくすることが望ましい。
【００５６】
図１１は、位相差Δ−−Δ＋の測定結果の一例を示す図である。図１１に示すように、フレクソエレクトリック係数の差ｅｎの測定においても、理論に基づいた計算機シミュレーションの結果と測定値の両者において、特徴的なグラフの非対称性を確認することが出来る。この例では、計算機シミュレーション結果とのフィッティングにより、ｅｎ＝１３［ｐＣ／ｍ］という結果が得られている。
【００５７】
以上のように、透過型単色エリプソメトリーを適用して得られた位相差特性から１つの液晶セルでフレクソエレクトリック係数の和ｅｐおよびフレクソエレクトリック係数の差ｅｎを決定することができる。
【００５８】
なお、本発明は上記した実施形態の内容に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内において種々に変形して実施をすることが可能である。例えば、上記した実施形態では一様配向ドメインの一例としてホモジニアス配向のドメインを挙げていたがこれに限定されず、例えば垂直配向（ＶＡモード）でもよい。同様に、歪み配向ドメインの一例としてハイブリッド配向のドメインを挙げていたがこれに限定されず、例えばスプレイ配向でもよい。なお、ここでいう「歪み配向」とは、初期配向状態において少なくともスプレイ変形およびベンド変形を含む配向をいい、「一様配向」とは初期配向状態においてスプレイ変形等を含まない配向をいう。
【００５９】
また、上記した実施形態では、図１２（Ａ）に示すように、電圧無印加の初期配向状態において液晶層１５ｃの第２基板１２側での配向方向が各電極１４ｂ、１４ｃによって発生する電界の方向とが略４５°の角度をなす方向となるようしていたが、電界の方向と配向方向とは、０°以上９０°以下の範囲で交差するように任意に設定することができる。また、当該角度を略４５°とするために、上記した実施形態では一軸配向処理の方向４１、４２をｘ方向、ｙ方向と略４５°の角度をなす方向とし、各電極１４ｂ、１４ｃによる電界の方向をｘ方向と平行にしていたが、これ以外の構成を採ることもできる。例えば図１２（Ｂ）、図１２（Ｃ）に示すように、上基板１１と下基板１２の各々における一軸配向処理の方向４１、４２をｙ方向と平行にした上で、各電極１４ｂ、１４ｃにより発生する横電界の方向ｘ方向、ｙ方向に対して略４５°の角度をなすように各電極を形成すればよい。
【００６０】
また、各電極の構造は上記した実施形態のものに限定されず、各ドメインに対して必要な方向での電界を印加し得る限りにおいて種々に変更可能である。例えば、図１３（Ａ）に示すように、電極１４ａと電極１４ｂ、１４ｃを上下方向に重ねて配置してもよい。この場合には、図示のように第２基板１２に電極１４ａを形成した後、これを覆う絶縁膜３３を形成し、この絶縁膜３３の上側に各電極１４ｂ、１４ｃを形成し、その上側に配向膜３２を形成すればよい。絶縁膜３３としては、例えばＳｉＯ２膜を用いることができる。この態様によれば、測定対象領域３０Ｂと測定対象領域３０Ｃをほぼ同じ位置にすることができるので、測定時に液晶素子の設置状態を変更する手間を省くことができる。また、ほぼ同じ位置にてフレクソエレクトリック係数の和と差を求めるための光学的測定を行うことができるので、測定精度が向上し得る。
【００６１】
また、電極１４ａと電極１４ｂ、１４ｃを上下方向に重ねて配置する場合においては、電極１３と対向配置されるべき電極を電極１４ａとは分離した個別の電極として形成してもよい。その一例を図１３（Ｂ）に示す。この例では、電極１４ａと分離した電極１４ｄが絶縁膜３３の上側において電極１４ｂ、１４ｃと同じ層に形成されている。
【００６２】
また、上記した実施形態では、各ドメインを透過する光の光学的パラメータの一例として位相差を用いる場合について説明していたが、光学的パラメータはこれに限定されず、例えば透過光の透過率であってもよい。その場合には、計算機シミュレーションによって透過率を計算してその結果と透過率の検出結果をフィッティングすること等によってフレクソエレクトリック係数を求めればよい。また、測定対象領域３０Ａを用いての膜厚等の測定については、上記した手法に限られず、例えば光干渉法などの手法を用いてもよい。
【符号の説明】
【００６３】
１１：上基板（第１基板）、１２：下基板（第２基板）、１３、１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄ：電極、１５ａ、１５ｂ、１５ｃ：液晶層、３０Ａ、３０Ｂ、３０Ｃ：測定対象領域、３１ａ、３２：水平配向膜、３１ｂ：垂直配向膜、５１：上基板、５２：下基板、５３：液晶層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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