(57)【要約】【課題】  セル厚、弾性定数及び極角アンカリング強度の高精度な同時測定を可能とする液晶の物性測定方法および測定システムを提供する。【解決手段】  ハイブリッド配向液晶セル１のΔAnEをラビング方向に略垂直な面内の２以上の入射角で測定し、シミュレーション計算値とのフィッティングにより平行配向膜１３A側（下側）、垂直配向膜１２A側(上側)のプレチルト角θ0、θd、セル厚ｄ、及び弾性定数比κを決定し、その結果に基き平行配向膜側及び垂直配向膜側の極角アンカリング強度Ｂ0、Ｂdを算出する。【選択図】          図１
2006322865.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
下記液晶セル類のうち液晶配向に捻れを含まないものを対象として光学特性を２つ以上の入射角で測定し、該測定値と該測定のシミュレーション計算値とのフィッティングにより、下側、上側の基板におけるプレチルト角θ0、θd、及びセル厚ｄを決定することを特徴とする液晶の物性測定方法。
記
液晶セル類とは、液晶セル、液晶セルの液晶配向を固定したフィルム、及びこれらの何れかと延伸した複屈折フィルムとの積層体のうちの何れかを指す。又、捻れを含まない液晶配向とは、ベンド配向、スプレイ配向、平行配向、垂直配向、及びハイブリッド配向の何れかである。尚、ハイブリッド配向液晶セルとは、基板表面に対し、略平行な液晶配向を有する基板と略垂直な液晶配向を有する基板とからなる液晶セルを指す。
【請求項２】
前記測定の対象をハイブリッド配向、スプレイ配向、ベンド配向の何れかの液晶セル類とし、前記θ0、θd、及びｄに加え弾性定数比κを決定することを特徴とする請求項１記載の液晶の物性測定方法。
【請求項３】
前記液晶セル類としてハイブリッド配向液晶セルを用い、前記決定したθ0、θd、ｄ、κに基き下側即ち平行配向膜側及び上側即ち垂直配向膜側の極角アンカリング強度Ｂ0、Ｂdを算出することを特徴とする請求項２記載の液晶の物性測定方法。
【請求項４】
前記入射角が、配向処理方向に略垂直な平面内の入射角であることを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載の液晶の物性測定方法。
【請求項５】
前記光学特性が、次式で与えられるΔAnE又はΨAps又はΨAsp又はこれらの組合せであることを特徴とする請求項４記載の液晶の物性測定方法。
ΔAnE＝arg(tpp/tss)＝arctan{Im(tpp/tss)/Re(tpp/tss)}
ΨAps＝arctan｜tps/tpp｜
ΨAsp＝arctan｜tsp/tss｜
ここで、tpp、tss、tps、tspは、下記［数1］の式で定義される全体透過マトリクスの要素である。
記
【数１】
2006322865.tif 000011
【請求項６】
請求項１〜５の何れかに記載の方法を実行する液晶の物性測定システムであって、前記液晶セル類の光学特性を配向処理方向に対して任意の角度をなす平面内の入射角で測定可能な測定手段と、該測定をシミュレーション計算し、その結果を前記測定の結果にフィッティングさせて前記θ0、θd、ｄ、κを決定する演算手段とを有し、或いは更に前記決定したθ0、θd、ｄ、κに基き前記Ｂ0、Ｂdを算出する演算手段を有することを特徴とする液晶の物性測定システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液晶の物性測定方法及び測定システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、液晶ディスプレイ（Liquid crystal display：ＬＣＤ）の高品位化に伴い、その応用はパソコン（ＰＣ）、パーソナル ディジタル アシスタント（ＰＤＡ）、テレビ（ＴＶ）等様々な分野へと広がってきている。高品位な液晶ディスプレイの設計において、液晶の配向分布の精密な制御は極めて重要である。一般に、液晶の配向分布は、弾性定数（elastic constant）、アンカリング強度（anchoring strength）、セル厚（cell gap又はcell thickness）によって決定されることから、これらのパラメータの高精度な測定・評価は重要な課題である。
【０００３】
特に極角アンカリング強度（polar anchoring strength）の評価は、垂直配向（vertical alignment：ＶＡ）モードの普及に伴い重要となってきており、又、水平配向膜（配向膜＝alignment layer）及び垂直配向膜表面における極角アンカリング強度の比較について議論されたことがこれまでなく、興味深い課題である。
極角アンカリング強度の測定法として、従来、横山らにより強電場法（high fields method）が提案されている（非特許文献１）。
【０００４】
一方、フングらはハイブリッド配向液晶セル（Hybrid alignment nematic liquid crystal cell：ＨＡＮ cell）を用いた極角アンカリング強度の測定法を提案した（非特許文献２）。この方法は、図８に示す測定系を用いてハイブリッド配向液晶セルのラビング方向に平行な方向におけるリタデーションの角度特性を測定し、理論値との数値的なフィッティングによりセル厚、平行配向膜側及び垂直配向膜側のプレチルト角（pre-tilt angle）を決定することで、垂直配向膜側の極角アンカリング強度を算出するというものである。
【非特許文献１】横山ら:J.Appl.Phys.57(1985)4520
【非特許文献２】フングら:Jpn.J.Appl.Phys.Vol.43,pp.L649(2004)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
然し、非特許文献１の方法では、バルクの液晶分子を垂直に配列させるための極めて強い電場を必要とし、又、基板表面における僅かな量のリタデーション（phase retardation）を測定することから、高精度で測定することは困難である。又、非特許文献２の方法では、κを既知として理論値とのフィッティングを行なっている。然しながら、図９に示すようにκの測定精度により垂直配向膜側の極角アンカリング強度は大きく変化することから、κを既知としたのでは、極角アンカリング強度を高い精度で測定することは困難である。即ちκを既知とする従来の測定法では、極角アンカリング強度の高精度測定は困難であるという問題があった。
【０００６】
本発明の目的は、上記問題を解決し、セル厚、弾性定数及び極角アンカリング強度の高精度な同時測定を可能とする液晶の物性測定方法および測定システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成した本発明は、以下のとおりである。
[請求項１]  下記液晶セル類のうち液晶配向に捻れを含まないものを対象として光学特性を２つ以上の入射角で測定し、該測定値と該測定のシミュレーション計算値とのフィッティングにより、下側、上側の基板におけるプレチルト角θ0、θd、及びセル厚ｄを決定することを特徴とする液晶の物性測定方法。
【０００８】
記
液晶セル類とは、液晶セル、液晶セルの液晶配向を固定したフィルム、及びこれらの何れかと延伸した複屈折フィルムとの積層体のうちの何れかを指す。又、捻れを含まない液晶配向とは、ベンド配向、スプレイ配向、平行配向、垂直配向、及びハイブリッド配向の何れかである。尚、ハイブリッド配向液晶セルとは、基板表面に対し、略平行な液晶配向を有する基板と略垂直な液晶配向を有する基板とからなる液晶セルを指す。
【０００９】
［請求項２］  前記測定の対象をハイブリッド配向、スプレイ配向、ベンド配向の何れかの液晶セル類とし、前記θ0、θd、及びｄに加え弾性定数比κを決定することを特徴とする請求項１記載の液晶の物性測定方法。
［請求項３］  前記液晶セル類としてハイブリッド配向液晶セルを用い、前記決定したθ0、θd、ｄ、κに基き下側即ち平行配向膜側及び上側即ち垂直配向膜側の極角アンカリング強度Ｂ0、Ｂdを算出することを特徴とする請求項２記載の液晶の物性測定方法。          
【００１０】
[請求項４］  前記入射角が、配向処理方向に略垂直な平面内の入射角であることを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載の液晶の物性測定方法。
［請求項５］  前記光学特性が、次式で与えられるΔAnE又はΨAps又はΨAsp又はこれらの組合せであることを特徴とする請求項４記載の液晶の物性測定方法。
【００１１】
ΔAnE＝arg(tpp/tss)＝arctan{Im(tpp/tss)/Re(tpp/tss)}
ΨAps＝arctan｜tps/tpp｜
ΨAsp＝arctan｜tsp/tss｜
ここで、tpp、tss、tps、tspは、下記［数1］の式で定義される全体透過マトリクスの要素である。
記
【００１２】
【数１】
2006322865.tif 000003
【００１３】
［請求項６］
請求項１〜５の何れかに記載の方法を実行する液晶の物性測定システムであって、前記液晶セル類の光学特性を配向処理方向に対して任意の角度をなす平面内の入射角で測定可能な測定手段と、該測定をシミュレーション計算し、その結果を前記測定の結果にフィッティングさせて前記θ0、θd、ｄ、κを決定する演算手段とを有し、或いは更に前記決定したθ0、θd、ｄ、κに基き前記Ｂ0、Ｂdを算出する演算手段を有することを特徴とする液晶の物性測定システム。
【００１４】
本発明において、基板表面に対し略平行、略垂直とは、基板表面に対する角度が夫々０°〜３０°、６０°〜９０°の範囲内にあることを指す。又、配向処理方向に略垂直な平面とは、配向処理方向（ラビング方向、光配向処理方向、イオンビーム配向処理方向等）を示す矢印を基板面内に正射影した矢印で示される方向に対する角度が８０°〜１００°の範囲内にある平面を指す。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、ハイブリッド配向液晶セル類の配向処理方向に略垂直な面内での入射角に対するΔAnEの角度依存性を測定し、理論値とのフィッティングを行なうことにより、極角アンカリング強度、セル厚及び弾性定数を極めて高精度に同時測定し得るので、あらゆる水平配向膜、垂直配向膜上の極角アンカリング強度並びにあらゆる液晶材料の弾性定数及びセル厚を高い精度で測定することが可能になり、次世代の高品位液晶ディスプレイの設計に多大の寄与をなすという、産業上格段に優れた効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
本発明を説明するに先立ち、従来の測定法の問題点を解析した結果について説明する。図８は、これまでに提案されたハイブリッド配向液晶セルを用いてセル厚ｄ、極角アンカリング強度Ｂdを測定するための測定系の１例を示している。この測定系は、測定器として分光エリプソメータＭ‐２０００（spectroscopic ellipsometer M-2000）を用い、ハイブリッド配向液晶セル１のラビング方向に平行な方向におけるリタデーションの角度特性を測定するものである。
【００１７】
ハイブリッド配向液晶セル１において下側即ち平行配向膜１３Ａ側の界面から上側即ち垂直配向膜１２Ａ側の界面までの液晶分子１１のプレチルト角は、(1)式を満たすように分布する。
【００１８】
【数２】
2006322865.tif 000004
【００１９】
ここで、ｚは基板１３から該基板１３面の法線に沿って基板１２に向かう方向（ｚ軸方向）の距離、θは液晶分子１１のプレチルト角、Ｃは積分定数であり、κは(2)式で定義される弾性定数比である。
【００２０】
【数３】
2006322865.tif 000005
【００２１】
ここで、ｋ11及びｋ33は夫々スプレイ、ベンドの弾性定数である。この配向分布を用いて、ハイブリッド配向液晶セルのリタデーションδは(3)式で表される。
【００２２】
【数４】
2006322865.tif 000006
【００２３】
ここで、a＝1/no、b＝1/ne、c２＝a２cos２θ(z)＋b２cos２θ(z)であり、αは光の入射角、neは異常光屈折率、noは常光屈折率を表す。(3)式と実験値とのフィッティングにより、セル厚ｄ、平行配向膜側のプレチルト角θ0、垂直配向膜側のプレチルト角θd、を決定する。これらの値を用いることで、平行配向膜側及び垂直配向膜側の極角アンカリング強度Ｂ0、Ｂdは夫々(4)式、(5)式により求めることができる。
【００２４】
【数５】
2006322865.tif 000007
【００２５】
ここで、θeは平行配向膜側の容易配向軸（easy axis）方向が基板面に対してなす角度（対向二基板の配向膜が共に平行配向膜である場合のプレチルト角）である。
従来の測定法では、弾性定数比κを既知として扱っていたが、ここでκをフィッティングパラメータとしてセル厚、プレチルト角と同時に求めることを考える。然しこの場合、ラビング方向に平行な方向において、液晶分子の光軸（optical axis）の方向は入射光に対し捻れを持たず一様であることから、同じリタデーションの角度特性を有する複数のｄ、κ、θ0、θdの組合せが生じてしまう。
【００２６】
一例として、表１に示すパラメータで記述される液晶配向と同じリタデーションの角度特性を有するｄ、κ、θ0、θdの導出を行なった。その結果を表2に、又、リタデーションの角度特性を図１０に示す。
【００２７】
【表１】
2006322865.tif 000008
【００２８】
【表２】
2006322865.tif 000009
【００２９】
表２及び図１０に示すように、相異なる複数のκの夫々に対してθ0、θdを適当に選ぶことで、それらのリタデーションの角度特性は一致することが判る。このことは、従来の測定法ではフィッティングによるκの同時決定は不可能であり、極角アンカリング強度の測定精度を著しく低下させる問題があることを物語っている。
本発明者らは、上記の問題は、従来の測定法では液晶の光軸方向が入射光に対して一様であることから光の伝搬が固有のモード（eigen-mode）となり複数のｄ、κ、θ0、θdの組合せが生じたことによって生じるものであり、従って、光軸の方向に捻れを導入し、光の伝搬を固有のモードからずらすことで解決できると考え、この考えに基いて更に検討を加えて本発明を成した。
【００３０】
本発明の最良の形態によれば、例えば図１に示すように、ハイブリッド配向液晶セル１の光学特性は、配向処理方向に垂直な面内（即ち紙面内）の入射角αで測定される。これによりハイブリッド配向液晶１０の光軸は入射光１５に対し捻れを有するものとなり、光の伝搬を固有のモードからずらすことができる。尚、入射角αの定義面は、配向処理方向に対し、完全に垂直な（角度９０°をなす）平面に限らず、角度８０°〜１００°である平面としても従来よりも高精度の測定が可能であるので、これも含めて本発明の好適形態では、入射角αの定義面を配向処理方向に略垂直な平面とした。
【００３１】
尤も、入射角αの定義面を配向処理方向に略垂直な平面とすると、この略垂直な方向において液晶分子１１の光軸方位は捻れを有することから、液晶セルのリタデーションを測定することはできない。そこで、かかる入射角αの定義面内での入射方向で測定可能なパラメータを検討した。この入射方向において、前記エリプソメータで測定可能なパラメータは、入射光と射出光との間の光強度比Ψ及び位相差Δであるから、本発明で測定する光学特性としては、Ψ又はΔを採用するのがよい。
【００３２】
Ψは光強度比を表すことから、高精度で測定するためには液晶セルを構成する配向膜、ＩＴＯ等の各部材の屈折率を正確に把握することが必要である。一方、Δは位相差を表すことから、液晶セル構成部材の屈折率への依存性は極めて小さい。それ故、本発明では、測定する光学特性パラメータとしてΔを採用するのが好ましい。ところで、Δには、ΔAnE、ΔAps、ΔAspなる３種のパラメータが存在するが、表２に示した複数の配向パラメータに対する前記３種のΔパラメータの変化の計算を行うと、ΔAnEの変化は図２に示すようになり、この変化は他の２種に比べて大きいという結果が得られることから、これらのうち最適なものはΔAnEであるといえる。このΔAnEは(6)式で定義される。尚、ΨにはΨAps、ΨAspの２つがあり、夫々(7),(8)式で定義される。
【００３３】
【数６】
2006322865.tif 000010
【００３４】
ここで、tpp、tss、tps、tspは、前記［数1］の式で定義される全体透過マトリクスの要素である。
又、図２から判るように、ΔAnEの角度特性は入射角αの正負で対称な曲線になり、κの変化に対する変化が入射角αの絶対値と共に増加するから、入射角αを適当に選べば最低２つの入射角でもκをフィッティングさせ得る場合もある。
【００３５】
以上の結果を基に、ラビング方向に垂直な平面内の入射角に対するΔAnEの角度特性を用い、表1の配向分布に対してκの値を変化させて数値的なフィッティングを行なった時のＭＳＥ（最小２乗誤差）の変化を図３に示す。図示のように、ＭＳＥが極小となるκの値は表１のそれと一致する。即ち、本発明によれば、高い精度でｄ、κ、θ0、θdを同時測定することができる。
【００３６】
上記の説明では、液晶セル類としてハイブリッド配向液晶セルを用いた場合を例に挙げたが、本発明は、これ以外の、スプレイ配向或いはベンド配向液晶セル類に適用しても、同様の効果を得ることが可能である。又、平行配向或いは垂直配向液晶セル類に適用した場合、κは決定できないが、ｄ、θ0、θdを高い精度で同時測定することができる。
本発明に係る測定方法は、配向に捻れを含まない液晶セル類の光学特性を配向処理方向に対して任意の角度をなす平面内の入射角で測定可能な測定手段と、該測定をシミュレーション計算し、その結果を前記測定の結果にフィッティングさせて前記θ0、θd、ｄ、κを決定する演算手段とを有し、或いは更に前記決定したθ0、θd、ｄ、κに基き前記Ｂ0、Ｂdを算出する演算手段を有する液晶の物性測定システムにより有利に実行することができる。このシステムに用いる測定手段としては、図８に示した測定系において入射光に対する測定対象（液晶セル類例えばハイブリッド配向液晶セル１）の向きを図８の形態に代えて図１の形態としたものが好ましくい用いうる。又、演算手段としては、前記(1)、(2)、(6)式を用いて計算したΔAnEを実測値とフィッティングさせてθ0、θd、ｄ、κを決定する演算ロジック並びに該決定されたθ0、θd、ｄ、κと(4)、(5)式とからBd、B0を決定する演算ロジックを実行可能にインストールしたコンピュータが好ましく用いうる。
【実施例】
【００３７】
実施例として、セル厚ｄを約１．２〜９．２μmの範囲内で５水準変えて作製したハイブリッド配向液晶セルについて、本発明の最良の形態に従い、図１に示した形態で入射角α＝０°、２０°、４０°、６０°でのΔAnEを測定し、シミュレーション計算値とのフィッティングにより、平行配向膜側、垂直配向膜側のプレチルト角θ0、θd及びセル厚ｄ、弾性定数比κを決定し、これら決定したパラメータから平行配向膜側、垂直配向膜側の極角アンカリング強度B0、Bdを算出した。尚、液晶にはTD6004XX（チッソ(株)製）、平行配向膜はSE7992（日産化学工業(株)製）、垂直配向膜はJALS204（JSR(株)製）を用いた。又、測定系には、図８に示した測定系において入射光に対するハイブリッド配向液晶セル１の向きを図８の形態に代えて図１の形態としたものを用いた。
【００３８】
実施例では液晶材料、配向膜材料に同一の材料を用いたので、弾性定数比κ、平行配向膜側、垂直配向膜側の極角アンカリング強度B0、Bdは、セル厚dによらず一定の値が得られる筈である。測定の結果を、セル厚ｄに他のパラメータを関係づけたグラフとして図４〜７に示す。図４よりθ0、θdはセル厚ｄが小さくなると夫々対向配向膜からの影響による一定値（３°、９０°）からのずれ（増、減）を呈するが、図５〜７よりκ、B0、Bdは何れも予想通りセル厚dに対して一定の値（κ＝−０．１０、B0／ｋ11＝５．８５×１０7ｍ-1、Bd／ｋ11＝２．２１×１０7ｍ-1）が得られており、本発明によれば高い精度での測定が可能であることが示された。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明の最良の形態の1例を示す模式図である。
【図２】ΔAnEの弾性定数比κ及び入射角αに対する変化の計算結果を示すグラフである。
【図３】図２の計算曲線と実測値とのＭＳＥ（最小２乗誤差）とκの関係を示すグラフである。
【図４】実施例における平行配向膜側、垂直配向膜側の各プレチルト角θ0、θdのセル厚ｄ依存性を示すグラフである。
【図５】実施例における弾性定数比κのセル厚ｄ依存性を示すグラフである。
【図６】実施例における水平配向膜側の極角アンカリング強度B0（対スプレイの弾性定数ｋ11比）のセル厚ｄ依存性を示すグラフである。
【図７】実施例における垂直配向膜側の極角アンカリング強度Bd（対スプレイの弾性定数ｋ11比）のセル厚ｄ依存性を示すグラフである。
【図８】ハイブリッド配向液晶セルの光学特性を測定する測定系の１例を示す模式図である。
【図９】垂直配向膜側の極角アンカリング強度に及ぼすκ測定誤差の影響を示すグラフである。
【図１０】従来の測定法におけるリタデーションの角度特性の1例を示すグラフである。
【符号の説明】
【００４０】
１  ハイブリッド配向液晶セル
２  光源
３  偏光子
４  位相補償子
５  検光子
６  検出器
１０  ハイブリッド配向液晶
１１  液晶分子
１２、１３  基板
１２Ａ  垂直配向膜
１３Ａ  平行配向膜
【図１】
2006322865.tif 000012
【図２】
2006322865.tif 000013
【図３】
2006322865.tif 000014
【図４】
2006322865.tif 000015
【図５】
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【図６】
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【図７】
2006322865.tif 000018
【図８】
2006322865.tif 000019
【図９】
2006322865.tif 000020
【図１０】
2006322865.tif 000021