(57)【要約】【課題】簡便で精度が高く、かつ測定対象液晶の誘電異方性の正負に関わらず適用可能な弾性定数の測定方法、及び弾性定数の測定装置を提供すること。【解決手段】液晶素子の外部から、液晶の再配向を開始させるためのしきい値磁場より大きい磁場を、液晶の初期配向状態における液晶分子の長軸方向に対して５〜９０°の角度を有して印加することにより液晶分子を磁場の方向まで配向させ、次いで、電極層間に液晶が再配向を完了するに十分な電圧を印加して液晶を再配向させる再配向工程と、磁場の印加を停止し、電圧の印加量を経時的にゼロまで低下させ、印加電圧に対する液晶の静電容量及び／又はリタデーションを測定する実測工程と、実測工程で得られた静電容量及び／又はリタデーションを用いて、液晶の弾性定数を算出する弾性定数決定工程とを備えることを特徴とする液晶の弾性定数測定方法。【選択図】  なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定対象である液晶からなる液晶層と、該液晶層を挟持して相対向する２枚の基板と、該２枚の基板の対向内面上に形成された電極層と、前記液晶層の初期配向を制御するために前記電極層上に形成された配向膜とを備える液晶素子を用い、前記液晶の弾性定数を測定する弾性定数測定方法であって、
前記液晶素子の外部から、前記液晶の再配向を開始させるためのしきい値磁場より大きい磁場を、前記液晶の初期配向状態における液晶分子の長軸方向に対して５〜９０°の角度を有して印加することにより液晶分子を磁場の方向まで配向させ、次いで、前記電極層間に、前記液晶が再配向を完了するに十分な電圧を印加して前記液晶を再配向させる再配向工程と、
前記磁場の印加を停止し、前記電圧の印加量を経時的にゼロまで低下させ、印加電圧に対する前記液晶の静電容量Ｃおよび／またはリタデーションＲを測定する実測工程と、
前記実測工程で得られた静電容量Ｃおよび／またはリタデーションＲを用いて、前記液晶の弾性定数を算出する弾性定数決定工程とを備えることを特徴とする液晶の弾性定数測定方法。
【請求項２】
前記実測工程において、前記液晶の静電容量Ｃを測定し、前記弾性定数決定工程において、印加電圧Ｖに対する静電容量Ｃの関係を表す実測Ｃ−Ｖ曲線を求め、該実測Ｃ−Ｖ曲線に対して、弾性定数Ｋ３３，Ｋ１１および誘電率εｐ，εＶを含む理論式から得られる計算Ｃ−Ｖ曲線をフィッティングさせて、前記液晶の弾性定数Ｋ３３，Ｋ１１および弾性定数比Ｋ３３／Ｋ１１を求める請求項１に記載の液晶の弾性定数測定方法。
【請求項３】
前記実測工程において、前記液晶のリタデーションＲを測定し、前記弾性定数決定工程において、印加電圧Ｖに対するリタデーションＲの関係を表す実測Ｒ−Ｖ曲線を求め、該実測Ｒ−Ｖ曲線に対して、弾性定数Ｋ３３，Ｋ１１，誘電率εｐ，εＶおよび屈折率ｎｅ，ｎ０を含む理論式から得られる計算Ｒ−Ｖ曲線をフィッティングさせて、前記液晶の弾性定数Ｋ３３，Ｋ１１および弾性定数比Ｋ３３／Ｋ１１を求める請求項１に記載の液晶の弾性定数測定方法。
【請求項４】
前記液晶の誘電異方性が正であって、前記配向膜がホモジニアス配向性を有するものである請求項１〜３のいずれかに記載の液晶の弾性定数測定方法。
【請求項５】
前記液晶の誘電異方性が負であって、前記配向膜がホメオトロピック配向性を有するものである請求項１〜３のいずれかに記載の液晶の弾性定数測定方法。
【請求項６】
前記液晶がネマチック液晶であることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の液晶の弾性定数測定方法。
【請求項７】
前記磁場の印加が、前記液晶層の初期配向状態における液晶分子の長軸方向に対して１０〜４５°の角度を有して行われるものである請求項１〜６のいずれかに記載の液晶の弾性定数測定方法。
【請求項８】
前記磁場の印加が、前記液晶層の初期配向状態における液晶分子の長軸方向から開始され、さらに、該長軸方向に対する角度を変えて行われるものである請求項１〜７のいずれかに記載の液晶の弾性定数測定方法。
【請求項９】
測定対象である液晶からなる液晶層と、該液晶層を挟持して相対向する２枚の基板と、該２枚の基板の対向内面上に形成された電極層と、前記液晶層の初期配向を制御するために前記電極層上に形成された配向膜とを備える液晶素子を有し、前記液晶の弾性定数を測定するための液晶の弾性定数測定装置であって、
前記液晶素子の外部から、前記液晶の再配向を開始させるためのしきい値磁場より大きい磁場を、前記液晶層の初期配向状態における液晶分子の長軸方向に対して５〜９０°の角度を有して印加することにより液晶分子を磁場の方向まで配向させるための磁場印加手段と、
前記電極層間に、前記液晶が再配向を完了するに十分な電圧を印加でき、かつ電圧量を調整しつつ印加できる電圧印加手段と、
前記電極層間に電圧が印加された状態で、前記液晶の静電容量Ｃおよび／またはリタデーションＲを測定する実測手段と、
前記実測手段によって測定された静電容量Ｃおよび／またはリタデーションＲを用いて前記液晶の弾性定数を算出する弾性定数決定手段とを備えることを特徴とする液晶の弾性定数測定装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、液晶の弾性定数測定方法、および弾性定数測定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】
従来提案されている液晶の弾性定数比Ｋ ３３  ／Ｋ １１  の測定方法としては、連続弾性体理論に基づく方程式により印加電圧Ｖと静電容量Ｃとの関係（Ｃ−Ｖ曲線）を計算して得られた計算値と、実際に液晶素子に電圧を印加して静電容量を測定した場合の実測値とを比較して弾性定数比Ｋ ３３  ／Ｋ １１を求める方法が知られている。このように計算Ｃ−Ｖ曲線と実測Ｃ−Ｖ曲線とを比較する手法をカーブフィッティングという。このとき、初期状態のプレティルト角は０°であることを前提としている。
【０００３】
しかし、通常の液晶素子においてプレティルト角は０°ではない。そこで、プレティルト角が０°でない場合にも精度よく測定できるようにするために、連続弾性体方程式を見直して、プレティルト角を考慮した計算式とした測定方法も報告されている（特許文献１参照。）。しかしながら、プレティルト角を精度よく測定するには、クリスタルローテーション法などにより行わなければならず、そのための特別の装置が必要となるため、Ｃ−Ｖ曲線の測定とは別に測定する必要があり、二つの装置を用いることから測定が煩雑であった。
【０００４】
また、液晶素子のプレティルトが限りなく０°に近くなるような配向膜を使用した液晶素子中の液晶分子を再配向させるために電圧を印加すると、個々の液晶分子の再配向方向が異なって配向が不均一になり、ディスクリネーションを生じるという問題があった。その結果、静電容量の測定値に誤差が生じる可能性が考えられる。
そこで、ディスクリネーションによる影響を無くすために、液晶駆動電極を平行にずらして斜め方向の電界を与えられるような測定用液晶装置を使用したものも提案されている（特許文献２参照。）。しかし、測定用の特殊なセルを用意する必要があり、電界の方向が斜めになることによる測定精度への影響も問題となる。
【０００５】
一方、電圧を印加する代わりに磁場を用いて再配向させることができるという提案もなされているが（特許文献１参照。）、磁場のみを用いて再配向を行うためには非常に強力な磁場が必要である。また、磁場のみの印加によっては、上記の配向の不均一による測定誤差の問題も解消されない。
さらに、上記特許文献１および特許文献２に記載された両技術は、実質的に正の誘電異方性を有する液晶に対する弾性定数測定方法についてのみの開示である。これらの方法をホメオトロピック配向の測定用液晶素子を使用し負の誘電異方性を有する液晶に適応する場合、電圧を印加したときの液晶分子の再配向方向が決まらずディスクリネーションの影響がより大きい。そのため、実測Ｃ−Ｖ曲線の測定がより不正確になり易い問題を有している。
【０００６】
【特許文献１】
特開平９−３１１１１５号公報
【特許文献２】
特開２０００−２８５６６号公報
【０００７】
本発明は、かかる従来技術の問題点に鑑みてなされたものであり、簡便で精度が高く、かつ測定対象液晶の誘電異方性の正負に関わらず適用することができる弾性定数の測定方法、および弾性定数の測定装置を提供することを課題とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上記の課題を解決すべく鋭意検討した結果、液晶素子中の液晶の弾性定数を求める液晶の弾性定数測定方法において、液晶分子の再配向を開始させるために、液晶素子の外部から磁場を印加して液晶の再配向を開始させ、次いで、前記電極間に電圧を印加して液晶再配向を完了させ、そして、磁場の印加を行わずに、印加電圧をゼロまで低下させながら液晶の静電容量および／またはレタデーションを測定し、該測定値から液晶の弾性定数を求めることによって、上記課題を解決することを見出し、本発明を完成するに至った。
【０００９】
すなわち、本発明の第一の発明は、測定対象である液晶からなる液晶層と、該液晶層を挟持して相対向する２枚の基板と、該２枚の基板の対向内面上に形成された電極層と、前記液晶層の初期配向を制御するために前記電極層上に形成された配向膜とを備える液晶素子を用い、前記液晶の弾性定数を測定する弾性定数測定方法であって、前記液晶素子の外部から、前記液晶の再配向を開始させるためのしきい値磁場より大きい磁場を、前記液晶の初期配向状態における液晶分子の長軸方向に対して５〜９０°の角度を有して印加することにより液晶分子を磁場の方向まで配向させ、次いで、前記電極層間に、前記液晶が再配向を完了するに十分な電圧を印加して前記液晶を再配向させる再配向工程と、前記磁場の印加を停止し、前記電圧の印加量を経時的にゼロまで低下させ、印加電圧に対する前記液晶の静電容量Ｃおよび／またはリタデーションＲを測定する実測工程と、前記実測工程で得られた静電容量Ｃおよび／またはリタデーションＲを用いて、前記液晶の弾性定数を算出する弾性定数決定工程とを備えることを特徴とする液晶の弾性定数測定方法である。
【００１０】
また、本発明の第二の発明は、測定対象である液晶からなる液晶層と、該液晶層を挟持して相対向する２枚の基板と、該２枚の基板の対向内面上に形成された電極層と、前記液晶層の初期配向を制御するために前記電極層上に形成された配向膜とを備える液晶素子を有し、前記液晶の弾性定数を測定するための液晶の弾性定数測定装置であって、前記液晶素子の外部から、前記液晶の再配向を開始させるためのしきい値磁場より大きい磁場を、前記液晶層の初期配向状態における液晶分子の長軸方向に対して５〜９０°の角度を有して印加することにより液晶分子を磁場の方向まで配向させるための磁場印加手段と、前記電極層間に、前記液晶が再配向を完了するに十分な電圧を印加でき、かつ電圧量を調整しつつ印加できる電圧印加手段と、前記電極層間に電圧が印加された状態で、前記液晶の静電容量Ｃおよび／またはリタデーションＲを測定する実測手段と、前記実測手段によって測定された静電容量Ｃおよび／またはリタデーションＲを用いて前記液晶の弾性定数を算出する弾性定数決定手段とを備えることを特徴とする液晶の弾性定数測定装置である。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下に本発明を詳細に説明する。
本発明の弾性定数測定方法および測定装置に用いられる液晶素子は、測定対象である液晶からなる液晶層と、該液晶層を挟持して相対向する２枚の基板と、該２枚の基板の対向内面上に形成された電極層と、前記液晶層の初期配向を制御するために前記電極層上に形成された配向膜とを備えている。
【００１２】
図１は、本発明の測定方法に好適に用いられる液晶素子の一例をブロック模式図として３次元座標中に示したものである。
図１に示すように、この液晶素子１０は、相対向する２枚の基板２と、基板２の対向内面上に形成された２個の電極層３と、電極層３上に形成された２枚の配向膜４と、該配向膜４間に挟持された液晶層１とからなっている。
基板２としては、従来液晶素子用の基板として用いられているものであれば特に限定されないが、ガラス基板であることが好ましい。電極層３は、液晶素子用として用いられているものであれば限定されない。また、配向膜４も、液晶素子用の配向膜として用いられているものであれば特に限定されないが、液晶層１の液晶の誘電異方性によって、後述するようにホメオトロピック配向性またはホモジニアス配向性の配向膜を選択する。
【００１３】
本発明の測定対象である液晶は、特に限定されず、ネマチック液晶、およびコレステリック液晶のいずれであってもよい。これらのうち、Ｃ−Ｖ、Ｒ−Ｖの曲線がフィッティング可能な配向状態で得られるものとして、ネマチック液晶またはヘリカルピッチが４μｍより大きいコレステリック液晶を測定対象とすることが好ましい。
【００１４】
また、本発明の測定方法および測定装置は、誘電異方性が正の液晶に対しても、負の液晶に対しても好適に用いることができる。
液晶の誘電異方性が正である（以下、このような液晶を「ｐ型」ということがある。）場合には、液晶素子の配向膜としてホモジニアス配向性を有するものを用いる。これにより、液晶の初期配向状態はホモジニアス状態、すなわち、液晶分子の長軸方向が図１におけるｘ軸と同方向になるように配列した状態となる。
液晶の誘電異方性が負である（以下、このような液晶を「ｎ型」ということがある。）場合には、液晶素子の配向膜としてホメオトロピック配向性を有するものを用いる。これにより、液晶の初期配向状態はホメオトロピック状態、すなわち、液晶分子の長軸方向が図１におけるｚ軸と同方向になるように配列した状態となる。
【００１５】
次に、測定対象である液晶の誘電異方性が負である場合の測定方法について説明する。
図２（ａ）〜（ｇ）の各図は、本発明の測定方法におけるｎ型液晶分子の配向方向と、印加磁場および印加電圧との関係を示す模式図である。本模式図は、上記図１の液晶素子１０のＸ−Ｚ面による断面図を示している。図２の各図においては、図１における基板２、電極層３および配向膜４を併せて、電極部５として表した。また、該電極部間に挟持されている液晶層１は、液晶１ａからなっている。
まず、測定開始時の液晶素子１０の断面模式図を図２（ａ）に示す。図２（ａ）において、液晶１ａは、誘電異方性が負であるため、配向膜４としては、ホメオトロピック配向性を有するものを用いる。従って、液晶１ａの配向はホメオトロピック状態であり、電極部５に対して垂直方向に配向している。
【００１６】
次いで、図２（ｂ）〜（ｅ）に、再配向工程を示す。
本発明の測定方法において、再配向工程とは、測定対象である液晶の再配向を開始させるためのしきい値磁場より大きい磁場を、液晶の初期配向状態における液晶分子の長軸方向に対して５〜９０°の角度を有して印加することにより液晶分子を磁場の方向まで配向させ、次いで、電極層間に、液晶が再配向を完了するに十分な電圧を印加して液晶を再配向させる工程である。なお、再配向とは、液晶が、初期の配向方向とは９０°異なる方向へ配向することをいう。
【００１７】
再配向工程においては、まず、図２（ｂ）に示すように、磁場Ｈの印加方向を、初期配向時の液晶分子の長軸方向と同じ方向にすることが好ましい。すなわち、ｎ型液晶の場合には、電極部５に対して垂直方向とすることが好ましいのである。これにより、図２（ａ）における液晶の配向状態をより整え、再配向を行う際のディスクリネーションを減少させることができる。
このように、磁場Ｈを初期配向時の液晶分子の長軸方向と同じ方向から印加する場合には、その磁場の大きさは、０．０５Ｔ〜５Ｔ、印加時間は１秒間〜１０分間とすることが好ましい。
【００１８】
次いで、図２（ｃ）に示すように、印加磁場Ｈを、初期の方向から、液晶の再配向を開始させるための角度を有する方向へと移動させる。これにより、液晶のディスクリネーションを防ぎながら、液晶の再配向を開始させることができる。
印加磁場Ｈの角度は、液晶層の初期配向状態における液晶分子の長軸方向に対して５〜９０°である。すなわち、ｎ型液晶の場合には、基板の垂直方向に対して５〜９０°である。さらに、５〜４５°、より好ましくは１０〜４５°であることが好ましい。印加磁場Ｈの角度が５°より小さいと、液晶の再配向を開始させることが困難であり、また、再配向が開始されても、その後の電圧の印加により液晶の再配向方向が揃わないことがある。
【００１９】
再配向工程における印加磁場Ｈは、液晶の再配向を開始させるためのしきい値磁場より大きいものであれば任意であり、測定対象である液晶のしきい値磁場によって選択すればよい。好ましくは、０．０５Ｔ〜５Ｔである。印加磁場Ｈがしきい値磁場よりも小さいと、液晶が再配向を開始しないため、磁場を印加した効果が得られない。また、印加磁場Ｈが５Ｔより大きいと、大掛りな装置が必要となるため好ましくない。また、磁場Ｈの印加時間は、０．１秒間〜１０分間とすることが好ましく、０．１秒間〜１分間がさらに好ましい。
【００２０】
なお、再配向工程における磁場Ｈは、再配向工程開始時に図２（ｂ）のように液晶分子の配向と同方向に印加することなく、はじめから図２（ｃ）のように角度をもって印加されてもよい。また、磁場Ｈの印加は、経時的に角度を大きくしながらでも、一定の角度から固定して行ってもよい。磁場Ｈの大きさは一定でもよいし、経時的に変化させてもよい。
【００２１】
次いで、図２（ｄ）に示すように、２つの電極部５の間に電圧Ｖを印加する。このとき、液晶が再配向を完了するに十分な電圧Ｖを印加することによって、液晶は上述の磁場Ｈの印加によって開始された再配向を継続し、さらに、図２（ｅ）に示すように、液晶長軸方向が電極部５と平行になり再配向を完了する。
印加電圧Ｖの大きさは、液晶が再配向を完了するに十分であればよいが、好ましくは２０〜１００Ｖ、より好ましくは３０〜１００Ｖである。電圧が２０Ｖより小さいと、液晶の再配向が十分でなく、１００Ｖより大きいと高電圧により発生するノイズや、イオン性物質の移動による電流値の変化など、測定に影響を及ぼすパラメータを考慮する必要が生じるため好ましくない。
【００２２】
上記電圧Ｖの印加が開始された後は、磁場Ｈの印加を継続したままでもよいが、停止することが好ましい。
磁場Ｈの印加は少なくとも次の実測工程開始前までに停止する。
【００２３】
次いで、図２（ｆ）〜（ｇ）に、実測工程を示す。
本発明の測定方法において、実測工程とは、磁場の印加を停止し、電圧の印加量を経時的にゼロまで低下させ、印加電圧に対する前記液晶の静電容量Ｃおよび／またはリタデーションＲを測定する工程である。
実測工程においては、電圧Ｖの印加量を経時的にゼロまで低下させる。このためには、電圧Ｖを制御しつつ徐々にゼロまで低下させてもよいし、後述する電圧印加手段からの印加を停止して、自然に電圧Ｖをゼロまで掃引してもよい。このように電圧Ｖを経時的にゼロまで低下させることによって、まず図２（ｆ）に示すように、液晶分子が再び初期配向へと戻り始め、次いで、図２（ｇ）に示すように完全に初期配向状態に復元される。
【００２４】
そして、上記のように液晶分子が初期配向へと復元される過程の、印加電圧Ｖに対する液晶の静電容量Ｃおよび／またはリタデーションＲを測定する。静電容量は、従来公知の手段により測定することができ、例えば、ＬＣＲメーター、インピーダンスアナライザ等を用いることができる。リタデーションの測定も、従来公知の方法を用いることができ、例えば、セナルモン法等が用いられる。
【００２５】
次に、本発明の測定方法において、弾性定数決定工程とは、前記実測工程で得られた静電容量および／またはリタデーションを用いて、前記液晶の弾性定数を算出する工程である。
静電容量および／またはリタデーションを用いて液晶の弾性定数を算出する方法としては、従来公知の方法を用いればよく特に限定されない。好ましくは、後述するように、印加電圧Ｖと静電容量Ｃとの関係を表すＣ−Ｖ曲線および／または印加電圧ＶとリタデーションＲとの関係を表すＲ−Ｖ曲線を、理論式から得られた曲線と比較する方法を用いることができる。
【００２６】
次に、測定対象である液晶の誘電異方性が正である場合の測定方法について説明する。
図３（ａ）〜（ｇ）の各図は、ｐ型液晶分子の、本発明の測定方法における配向方向と、印加磁場および印加電圧との関係を示す模式図である。本模式図においては、液晶がｐ型であること以外は、各符号等は図２に示したものと同様である。
【００２７】
液晶がｐ型である場合には、配向膜４としては、ホモジニアス配向性を有するものを用いる。従って、図３（ａ）に示すように、測定開始時の液晶１ａの配向はホモジニアス状態であり、電極部５に対して平行に配向している。
そして、図３（ｂ）に示すように、磁場Ｈの最初の印加方向を、初期配向時の液晶分子の長軸方向と同じ方向にすることが好ましい。すなわち、ｐ型液晶の場合には、電極部５に対して平行方向とすることが好ましいのである。
次いで、図３（ｃ）に示すように、印加磁場Ｈを、初期の方向から、液晶の再配向を開始させるための角度を有する方向へと移動させる。この角度は、電極部５と平行の方向に対して５〜９０°である。このように所定の角度を有して磁場Ｈを印加することにより、液晶のディスクリネーションを防ぎながら、液晶の再配向を開始させることができる。そして、その後ｎ型の場合と同様に電圧Ｖを印加することにより液晶の再配向を完了させることができる。
ｐ型液晶の場合には、上記のように液晶の配向方向と磁場印加の方向が異なるのみで、他はｎ型の場合と同様にして弾性定数の測定を行うことができる。
【００２８】
上記実測工程において静電容量Ｃを測定した場合には、該実測値より、印加電圧Ｖに対する静電容量Ｃの関係を表す実測Ｃ−Ｖ曲線を求める。そして、この実測Ｃ−Ｖ曲線に対して、弾性定数Ｋ３３，Ｋ１１および誘電率εｐ，εＶを含む理論式から得られる計算Ｃ−Ｖ曲線をフィッティングさせて、前記液晶の弾性定数Ｋ３３，Ｋ１１および弾性定数比Ｋ３３／Ｋ１１を求める。理論式としては、上述したような直線近似法による理論式を好適に用いることができる。
【００２９】
具体的には、測定対象液晶の誘電異方性が正であり、ホモジニアス配向の配向膜を有する液晶素子を用いた場合には、高電圧領域における直線近似の下記式（ＩＩＩ−ｐ）の切片から誘電率異方性を求める。低電圧領域におけるパラメータをフレデリクスしきい値ＶＣにしぼり、該ＶＣを実測Ｃ−Ｖ曲線と下記式（Ｉ−ｐ）（ＩＩ−ｐ）による計算Ｃ−Ｖとのフィッティングによって決定する。該ＶＣを用いて下記式（ＩＩＩ−ｐ）の傾きαｐを求め、該αｐと前記誘電異方性とを下記式（ＩＶ−ｐ）に代入して弾性定数Ｋ ３３  、Ｋ １１、Ｋ ３３  ／Ｋ １１を求める。
【００３０】
【数１】
2004286485.tif 000002
【００３１】
式中ＶＣはフレデリクス転移の閾値電圧（フレデリクス閾値）でπ｛Ｋ１１／（εｐ−εｖ）｝１／２、Ｃ０は電界を印加しない状態での容量（キャパシタンス）、γｐはεｐ／εｖ−１、κｐはＫ３３／Ｋ１１−１、εｐ、εｖは液晶の誘電率であり各々分子長軸に平行及び垂直方向に対応する。
【００３２】
また、測定対照液晶の誘電異方性が負であり、ホメオトロピック配向の配向膜を有する液晶素子を用いた場合には、高電圧領域における直線近似の下記式（ＩＩＩ−ｖ）の切片から誘電率異方性を求める。低電圧領域におけるパラメータをフレデリクスしきい値ＶＣにしぼり、該ＶＣを実測Ｃ−Ｖ曲線と下記式（Ｉ−ｖ）（ＩＩ−ｖ）による計算Ｃ−Ｖとのフィッティングによって決定する。該ＶＣを用いて下記式（ＩＩＩ−ｖ）の傾きαｖを求め、該αｖと前記誘電異方性とを下記式（ＩＶ−ｖ）に代入して弾性定数Ｋ ３３  、Ｋ １１、Ｋ ３３  ／Ｋ １１を求める。
【００３３】
【数２】
2004286485.tif 000003
【００３４】
式中ＶＣはフレデリクス転移の閾値電圧（フレデリクス閾値）でπ｛Ｋ３３／（εｐ−εｖ）｝１／２、Ｃ０は電界を印加しない状態での容量（キャパシタンス）、γｖはεｐ／εｖ−１、κｖはＫ１１／Ｋ３３−１、εｐ、εｖは液晶の誘電率であり各々分子長軸に平行及び垂直方向に対応する。
【００３５】
本発明の測定法により、上述の［数１］または［数２］を用いてＶＣを決定すると、従来の方法のように電場のみを用いて再配向を行った場合と比較して、より正確な値を得ることができる。また、高電圧でのキャパシタンスは従来法と比較して配向状態が均一なため、一般的に高い値となり、αｖ、αｐも大きい値となる。従って、これらのＶＣまたはαｖ、αｐを用いて計算された弾性定数Ｋ３３、Ｋ１１は、従来法により決定された場合よりも、より正確な値を得ることができ、その差は大きい物では２０〜４０％になる。
【００３６】
実測工程においてリタデーションＲを測定した場合には、該実測値より、印加電圧Ｖに対するリタデーションＲの関係を表す実測Ｒ−Ｖ曲線を求める。そして、この実測Ｒ−Ｖ曲線に対して、弾性定数Ｋ３３，Ｋ１１誘電率εｐ，εＶおよび屈折率ｎｅ，ｎ０を含む理論式から得られる計算Ｒ−Ｖ曲線をフィッティングさせて、前記液晶の弾性定数Ｋ３３，Ｋ１１および弾性定数比Ｋ３３／Ｋ１１を求める。理論式としては、上述したような近似法による理論式を好適に用いることができる。
【００３７】
具体的には、測定対象液晶の誘電異方性が正であり、ホモジニアス配向の配向膜を有する液晶素子を用いた場合には、弾性定数Ｋ ３３  、Ｋ １１、誘電率εｐ、εｖ及び屈折率ｎｅ，ｎｏを含む下記理論式（Ｖ−ｐ）、（ＶＩ−ｐ）で得られる計算Ｒ−Ｖ曲線をフィティングさせて弾性定数Ｋ ３３  、Ｋ １１、Ｋ ３３／Ｋ １１を決定する。
【００３８】
【数３】
2004286485.tif 000004
【００３９】
式中Ｖは印加電圧、ＶＣはフレデリクス転移の閾値電圧（フレデリクス閾値）でπ｛Ｋ１１／（εｐ−εｖ）｝１／２、Ｃは電界を印加したときの容量（キャパシタンス）、Ｃ０は電界を印加しない状態での容量（キャパシタンス）、γｐはεｐ／εｖ−１、κｐはＫ３３／Ｋ１１−１、εｐ、εｖは液晶の誘電率であり各々分子長軸に平行及び垂直方向に対応し、νｐは１−ｎｏ２／ｎｅ２、ｎｅ、ｎｏは液晶の屈折率であり各々分子長軸に平行及び垂直方向に対応し、Ｉ＝Ｉｏｓｉｎ２δ／２、Ｉは光量Ｉｏは最大光量とする。
【００４０】
また、測定対照液晶の誘電異方性が負であり、ホメオトロピック配向の配向膜を有する液晶素子を用いた場合には、弾性定数Ｋ ３３  、Ｋ １１、誘電率εｐ、εｖ及び屈折率ｎｅ，ｎｏを含む下記理論式（Ｖ−ｖ）、（ＶＩ−ｖ）で得られる計算Ｒ−Ｖ曲線をフィティングさせて弾性定数Ｋ ３３  、Ｋ １１、Ｋ ３３  ／Ｋ １１を決定する。
【００４１】
【数４】
2004286485.tif 000005
【００４２】
式中Ｖは印加電圧、ＶＣはフレデリクス転移の閾値電圧（フレデリクス閾値）でπ｛Ｋ３３／（εｐ−εｖ）｝１／２、Ｃは電界を印加したときの容量（キャパシタンス）、Ｃ０は電界を印加しない状態での容量（キャパシタンス）、γｖはεｐ／εｖ−１、κｖはＫ１１／Ｋ３３−１、εｐ、εｖは液晶の誘電率であり各々分子長軸に平行及び垂直方向に対応し、νｖは１−ｎｏ２／ｎｅ２、ｎｅ、ｎｏは液晶の屈折率であり各々分子長軸に平行及び垂直方向に対応し、Ｉ＝Ｉｏｓｉｎ２δ／２、Ｉは光量Ｉｏは最大光量とする。
【００４３】
次に、本発明の弾性定数測定装置は、測定対象である液晶からなる液晶層と、液晶層を挟持して相対向する２枚の基板と、該２枚の基板の対向内面上に形成された電極層と、液晶層の初期配向を制御するために電極層上に形成された配向膜とを備える液晶素子を有し、液晶の弾性定数を測定するための液晶の弾性定数測定装置であって、液晶素子の外部から、液晶の再配向を開始させるためのしきい値磁場より大きい磁場を、液晶層の初期配向状態における液晶分子の長軸方向に対して５〜９０°の角度を有して印加することにより液晶分子を磁場の方向まで再配向させるための磁場印加手段と、電極層間に液晶が再配向を完了するに十分な電圧を印加でき、かつ電圧量を調整しつつ印加できる電圧印加手段と、電極層間に電圧が印加された状態で、液晶の静電容量Ｃおよび／またはリタデーションＲを測定する実測手段と、実測手段によって測定された静電容量Ｃおよび／またはリタデーションＲを用いて液晶の弾性定数を算出する弾性定数決定手段とを備えることを特徴とする。
【００４４】
本発明の測定装置の液晶素子としては、上述の液晶素子を用いることができ、例えば、液晶素子１０を好適に用いることができる。
磁場印加手段としては、液晶素子の外部から、液晶の再配向を開始させるためのしきい値磁場より大きい磁場を、液晶層の初期配向状態における液晶分子の長軸方向に対して５〜９０°の角度を有して印加することができるものであれば、特に限定されず使用することができる。例えば、外部から印加方向を変えられるようにした電磁石、永久磁石等が用いられる。本発明の測定装置においては、磁場は液晶を完全に再配向させるために用いられるのではなく、ディスクリネーションを防ぎながら再配向を開始させるために用いられるものであるため、特別に強力な磁力を必要としない。従って、永久磁石のような比較的弱い磁力を有する手段をも好適に用いることができる。
【００４５】
また、磁場印加手段が液晶素子に対して所定の角度を有して磁場を印加できるようにするためには、磁場印加手段が可動式であり、液晶素子に対する角度を変更できるものであってもよいが、液晶素子が可動式であって、磁場印加手段に対する角度を変更できるものであってもよい。
電圧印加手段は、従来公知のものを用いることができ、従来液晶素子に電圧を印加する手段として用いられているものであれば特に限定されない。例えば、ファンクションジェネレータ等が用いられる。
実測手段は、前記電極層間に電圧が印加された状態で、前記液晶の静電容量および／またはリタデーションを測定する手段である。
静電容量は、従来公知の手段により測定することができ、例えば、ＬＣＲメーター、インピーダンスアナライザ等を用いることができる。リタデーションの測定も、従来公知の方法を用いることができ、例えば、セナルモン法等が用いられる。
【００４６】
弾性定数決定手段は、実測手段によって測定された静電容量Ｃおよび／またはリタデーションＲを用いて前記液晶の弾性定数を算出する手段である。例えば、印加電圧Ｖと静電容量Ｃとの関係を表すＣ−Ｖ曲線および／または印加電圧ＶとリタデーションＲとの関係を表すＲ−Ｖ曲線を、理論式から得られた曲線と比較するためのソフトを有するコンピュータ等を用いることができる。
さらに、上記の磁場印加手段、電圧印加手段および実測手段は、例えばコンピュータのような制御手段に連結されて、印加量や印加時間の制御、データ処理等を一括して行えるようにされていることが好ましい。この制御手段となるコンピュータが上記弾性定数決定手段と同一であることも好ましい。
【００４７】
本発明の測定装置は、特殊な液晶素子を必要とせず、通常用いられている汎用の液晶素子を用いることができる。また、本測定装置において、磁場は液晶を完全に再配向させるために用いられるのではなく、ディスクリネーションを防ぎながら再配向を開始させるために用いられるものであるため、特別に強力な磁力を必要としない。従って、特許文献１に記載されているような磁場のみを用いる場合と異なり、大掛りな装置ではなく、簡易な装置とすることができる。
また、本発明の測定方法によると、液晶の再配向を開始させるために磁場を用い、その後電場を印加しているため、再配向方向が液晶層全体にわたって揃う。従って、ディスクリネーションによる影響を避けることができ、測定精度を向上させることができる。さらに、特許文献２に記載の方法のように電場が斜めにかけられている場合とは異なり、電場の方向が液晶素子に対して垂直であるため、従来の弾性定数の計算式を特に見直す必要がなく、誤差なく使用することができる。また、本発明の測定方法は、誘電異方性が正の液晶のみならず、誘電異方性が負の液晶に対しても適用することができる。
【００４８】
【実施例】
以下本発明の実施例を説明するが、本発明の範囲はこれらの実施例に限定されるものではない。
本実施例に用いたホメオトロピック配向測定用液晶表示素子は、以下のようにして作製した。まず、測定対象となるｎ型液晶組成物を表１に示す組成比の液晶組成物ＡおよびＢを調製した。なお、表中の数字は各化合物の含有率を質量％で示したものである。また、対向する平面透明電極上に、有機膜「オプトマーＡＬＳ−２０４」（ＪＳＲ社製）をラビングして配向膜を形成し、素子を作製した。上記の液晶組成物をこの素子に注入して測定用液晶表示素子を構成した。
【００４９】
【表１】
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【００５０】
また、ホモジニアス配向の測定用液晶表示素子は、以下のようにして作製した。まず、測定対象となるｐ型液晶組成物を表２に示す組成比の液晶組成物ＣおよびＤを調製した。なお、表中の数字は各化合物の含有率を質量％で示したものである。また、対向する平面透明電極上に、有機膜「サンエバー５１０」（日産化学社製）をラビングして配向膜を形成し、素子を作製した。上記の液晶組成物をこの素子に注入して測定用液晶表示素子を構成した。
【００５１】
【表２】
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【００５２】
次に、図４は、本実施例で用いた弾性定数測定装置１００の模式図を示したものである。この測定装置１００は、印加電圧Ｖに対する静電容量Ｃを測定し、得られた実測Ｃ−Ｖ特性をもとに液晶の弾性定数を求めるための装置である。
図４に示すように、この測定装置１００は、液晶素子１０、温度調節器１５、磁場印加手段２０、磁場制御手段２１、ＬＣＲメーター３５、およびコンピュータ４０とから概略構成されている。
液晶素子１０は、液晶層１および液晶層１を挟持する２つの電極部５とからなっている。液晶素子１０としては、上記のように製造したホモジニアス配向またはホメオトロピック配向の測定用液晶表示素子を用いた。
温度調節器１５は、液晶素子１０の温度を調節し、測定時の温度を変えることができるように設けられたものである。
【００５３】
磁場印加手段２０は、液晶素子１０の両側から磁場を印加するために２０ａ，および２０ｂとして分離して設置されている。この磁場印加手段２０は、可動式であり、液晶素子１０に対して垂直方向から水平方向まで、角度を９０°転回して磁場を印加できるようになっている。本実施例では磁場印加装置２０としてＢＲＵＫＥＲ社製Ｂ−Ｅ１０Ｂ８を使用した。
さらに、磁場印加手段２０には、印加磁場の量を制御するための磁場制御手段２１が接続されており、コンピュータにより制御されている。又、磁場印加手段２０の角度、時間はコンピュータにより制御されている。本実施例では磁場制御手段２１として、ＢＲＵＫＥＲ社製Ｂ−ＭＮ  Ｃ４を使用した。
ＬＣＲメーター３５は、液晶素子１０に電圧を印加する電圧印加手段、および静電容量Ｃを測定する実測手段の機能を兼ね備えたものである。本実施例ではＬＣＲメーター３５として、Ａｇｉｌｅｎｔ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ製４２８４Ａを使用した。
コンピュータ４０は、磁場制御手段２１およびＬＣＲメーター３５に接続されている。コンピュータ４０の有する制御ソフトにより、磁場および電圧の印加量、印加時間を制御することができる。また、印加電圧Ｖに対する静電容量Ｃをもとに、弾性定数を算出する機能を有する。
【００５４】
また、図５に、測定装置の第二実施例である弾性定数測定装置２００の模式図を示した。この測定装置２００は、印加電圧Ｖに対するリタデーションＲを測定し、得られた実測Ｒ−Ｖ特性をもとに液晶の弾性定数を求めるための装置である。
図５に示すように、この測定装置２００は、液晶素子１０、温度調節器１５、磁場印加手段２０、磁場制御手段２１、レタデーション測定手段５０、波形発生器５５およびコンピュータ４０とから概略構成されている。レタデーション測定手段５０は、レーザー光源５１、偏光素子５２、偏光素子５３、および光検出器５４から構成されている。
液晶素子１０、温度調節器１５、磁場印加手段２０、および磁場制御手段２１は、測定装置１００の場合と同様のものを用いることができる。
波形発生器５５としては、エヌエフ回路設計ブロック製ＷＦ１９４４を使用した。
レーザー光源５１としては、ＳＰＥＣＴＲＡ−ＰＨＹＳＩＣＳ製ヘリウム−ネオンレーザー１０２−３を使用した。
光検出器５４としては、フォトマルを使用した。
【００５５】
レタデーションの測定は以下のように行った。レーザー光源５１から出た光を、偏光素子５２を通して直線偏光にしてセルに光を入れると、レタデーションにより偏光面が変わるため、セル中で偏光面が変えられる。偏光素子５３を通し、偏光軸と同一の偏光がでてくれば偏光素子を透過した光の光量が最大になり、偏光面が９０°ずれていれば光量が最小になる。液晶素子１０に電圧をかけ、液晶分子の配向状態が変わるとレタデーションＲが変化するため偏光面が回転し、サインカーブのように連続的に光量が変化する。その光量を光検出器５４で検出する。
コンピュータ４０は、磁場制御手段２１、光検出器５４および波形発生器５５に接続されている。コンピュータ４０の有する制御ソフトにより、磁場および電圧の印加量、印加時間を制御することができる。また、印加電圧Ｖに対するリタデーションＲをもとに、弾性定数を算出する機能を有する。
【００５６】
［実施例１］
液晶としてｎ型液晶組成物Ａを使用し、上述のようにホメオトロピック配向測定用液晶表示素子を作成した。この液晶表示素子を有する測定装置１００を用いて、Ｃ―Ｖ特性を測定した。
液晶素子１０の温度は、温度調節器１５によって２５℃に調整された状態で測定を行った。まず、磁場印加手段２０により、液晶素子１０の電極部５に対して垂直の方向（液晶分子の長軸方向）から、０．６Ｔの磁場を１０秒間印加した。次いで、磁場印加手段２０を、電極部５に対して垂直の方向から１５°傾け、その状態で０．６Ｔの磁場を５秒間印加した。そして、ＬＣＲメーター３５により、電極部５間に１ＫＨｚ、ｓｉｎ波、５０Ｖの電場を印加した。これにより、液晶組成物Ａは、液晶素子１０内において再配向した。
次に、電圧を５０〜３Ｖまでは、０．５Ｖ／ｓｅｃ、３〜０Ｖまでは０．００１Ｖ／ｓｅｃの速度で掃引し、ＬＣＲメーター３５により印加電圧Ｖに対する静電容量Ｃを測定した。
この測定結果をＣ／Ｃ０対１／Ｖでプロットしたグラフを図６に実線で示す。液晶層１は、均一な配向が得られており、良好なＣ―Ｖ特性が得られた。
この実測Ｃ−Ｖ曲線と、上述の［数２］から得られる計算Ｃ−Ｖ曲線とをフィッティングさせて弾性定数の算出を行った。ＶＣは２．１５０で、Ｋ３３は１０．９ｐＮであった。傾きαｖは１．３５４で、Ｋ１１は５．３ｐＮとなった。
【００５７】
［比較例１］
液晶としてｎ型液晶組成物Ａを使用して従来法により、磁場を用いることなく電圧のみにより液晶を再配向させた後、電圧を掃引して測定した。磁場印加手段を用いない以外は、実施例１の測定装置と同様の装置を用いて測定を行った。この場合、多数のドメインが発生しディスクリネーションが観察された。また、高電圧でのキャパシタンスの値が実施例１と比較して小さいものとなったことから、実施例１の方がより配向性が良好であることがわかる。
ＶＣは２．２０５でＫ３３は１１．５ｐＮとなり、実施例１と比べ５．５％高い値であった。傾きαｖは１．３２７でＫ１１は６．４ｐＮとなり、実施例１と比べ２０．８％高い値となり正確な弾性定数が得られなかった。
【００５８】
［実施例２］
液晶としてｎ型液晶組成物Ｂを使用し、上述のようにホメオトロピック配向測定用表示素子を作成し、測定装置１００を用いて実施例１と同様にして、Ｃ―Ｖ特性を測定した。結果をＣ／Ｃ０対１／Ｖでプロットしたグラフを図７に実線で示した。液晶層１は、均一な配向が得られており、良好なＣ―Ｖ特性が得られた。ＶＣは２．０７３で、Ｋ３３は１３．３ｐＮであった。傾きαｖは２．０１６で、Ｋ１１は７．６ｐＮとなった。
【００５９】
［比較例２］
液晶としてｎ型液晶組成物Ｂを使用して従来法により、比較例１と同様に測定を行った。多数のドメインが発生し、高電圧でのキャパシタンスの値が小さく、ＶＣは２．２４１でＫ３３は１５．５ｐＮとなり、実施例２と比べ１６．５％高い値であった。傾きαｖは１．９２０でＫ１１は１０．３ｐＮとなり、実施例２と比べ３５．５％高い値となり正確な弾性定数が得られなかった。
【００６０】
［実施例３］
液晶としてｐ型液晶組成物Ｃを使用し、ホモジニアス配向測定用表示素子を作成し、測定装置１００を用いて、Ｃ―Ｖ特性を測定した。
液晶素子１０の温度は、温度調節器１５によって２５℃に調整された状態で測定を行った。まず、磁場印加手段２０により、液晶素子１０の電極部５に対して水平の方向（液晶分子の長軸方向、図１においてＸ軸方向とする）から、０．６Ｔの磁場を１０秒間印加した。次いで、磁場印加手段２０を、電極部５に対して水平の方向から図１においてＸ軸とＺ軸よりなるＸ−Ｚ平面内において１５°傾け、その状態で０．６Ｔの磁場を５秒間印加した。そして、ＬＣＲメーター３５により、電極部５間に１ｋＨｚ、ｓｉｎ波、５０Ｖの電場を印加した。これにより、液晶組成物Ｃは、液晶素子１０内において再配向した。
次に、電圧を５０〜３Ｖまでは、０．５Ｖ／ｓｅｃ、３〜０Ｖまでは０．００１Ｖ／ｓｅｃの速度で掃引し、ＬＣＲメーター３５により印加電圧Ｖに対する静電容量Ｃを測定した。
結果をＣ／Ｃ０対１／Ｖでプロットしたグラフを図８に実線で示す。液晶層１は、均一な配向が得られており、良好なＣ―Ｖ特性が得られた。ＶＣは１．３６６で、Ｋ１１は７．９ｐＮであった。傾きαｐは２．２８２で、Ｋ３３は１５．４ｐＮとなった。
【００６１】
［比較例３］
液晶としてｐ型液晶組成物Ｃを使用して従来法に則り、比較例１と同様に測定を行った。高電圧での静電容量の値が小さく、ＶＣは１．３９５でＫ１１は８．３ｐＮとなり、実施例３と比べ５．１％高い値であった。傾きαｐは２．２２６で、Ｋ３３は１９．２ｐＮとなり、実施例３と比べ２４．７％高い値となり正確な弾性定数が得られなかった。
【００６２】
［実施例４］
液晶としてｐ型液晶組成物Ｄを使用し、ホモジニアス配向測定用表示素子を作成し、測定装置１００を用いて実施例１と同様にして、Ｃ―Ｖ特性を測定した。結果をＣ／Ｃ０対１／Ｖでプロットしたグラフを図９に実線で示した。液晶層１は、均一な配向が得られており、良好なＣ―Ｖ特性が得られた。ＶＣは１．２２２でＫ１１は９．３ｐＮであった。傾きαｐは２．１３７でＫ３３は１６．３ｐＮとなった。
【００６３】
［比較例４］
液晶としてｐ型液晶組成物Ｃを使用して従来法に則り、比較例１と同様に測定を行った。高電圧での静電容量の値が小さく、ＶＣは１．２２９でＫ１１は９．４ｐＮとなり、実施例４と比べ１．１％高い値であった。傾きαｐは２．０８０でＫ３３は１９．８ｐＮとなり、実施例４比べ２１．５％高い値となり正確な弾性定数が得られなかった。
【００６４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の測定方法によると、簡易な装置を用いて、ディスクリネーションによる影響を避け精度よく液晶の弾性定数を測定することができる。また、本発明の測定装置は、通常の液晶素子を用いており、かつ特別大掛りな磁場装置を必要としない簡易な装置であって、これにより精度良好な弾性定数測定を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の測定方法および測定装置に用いられる液晶素子の一例を示すブロック模式図である。
【図２】液晶がｎ型である場合の、本発明の測定方法における液晶の配向状態を示す模式図である。
【図３】液晶がｐ型である場合の、本発明の測定方法における液晶の配向状態を示す模式図である。
【図４】本発明にかかる測定装置の一実施例を示したものである。
【図５】本発明にかかる測定装置の一実施例を示したものである。
【図６】実施例１および比較例１の実測Ｃ−Ｖ曲線を表すグラフである。
【図７】実施例２および比較例２の実測Ｃ−Ｖ曲線を表すグラフである。
【図８】実施例３および比較例３の実測Ｃ−Ｖ曲線を表すグラフである。
【図９】実施例４および比較例４の実測Ｃ−Ｖ曲線を表すグラフである。
【符号の説明】
１・・液晶層、２・・基板、３・・電極層、４・・配向膜、５・・電極部
１０・・液晶素子
１００，２００・・弾性定数測定装置
１５・・温度調節器、２０・・磁場印加手段、２１・・磁場調節手段、３５・・ＬＣＲメーター、４０・・コンピュータ、５１・・レーザー光源、５２・・偏光子、５３・・検光子、５４・・光検出器、５５・・波形発生器
【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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