(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
応答特性のエリクセン-レスリー理論値と実測値とのフィッティングにより粘性係数の値を決定する液晶の粘性係数の測定方法において、ホメオトロピック構造の液晶セルを試料とし、先ず該試料の両側に配置した２枚の直交偏光子の何れか１枚と前記試料との光軸同士を平行にした状態で、印加した昇段電圧に対する応答の観測を１回或いは前記昇段電圧の電圧範囲を変えて複数回行なって、前記観測中の光漏れが無くなる電圧範囲を決定し、次いで前記光軸同士を45°程度交叉させた状態で、前記決定した電圧範囲を有する昇段電圧を用いてオン応答特性を測定しその結果から回転粘性係数γ1の値を決定し、次いで所定の電圧範囲を有する降段電圧を用いてオフ応答特性を測定しその結果からミーソヴィッツのずれ粘性係数η1、η2の値を決定することを特徴とする液晶の粘性係数測定方法。
【請求項２】
応答特性のエリクセン-レスリー理論値と実測値とのフィッティングにより粘性係数の値を決定する液晶の粘性係数の測定装置であって、液晶セルを照射する光源と、前記液晶セルへの印加電圧値を高低の双方向に切替え可能な電圧源と、前記高低双方の電圧値を設定可能な電圧設定手段と、前記液晶セルとこれを挟む直交偏光子との光軸同士の相対角度を設定可能な光軸角度設定手段と、前記光源から出て前記液晶セルを透過した光の透過率データを前記電圧源の切替え時点から100μs以下の時間間隔で採取可能な透過率測定器と、前記電圧源の切替え方向が高方向のときの前記透過率測定器の採取データに回転粘性係数γ1を種々変えて計算した前記理論値をフィッティングさせてγ1の値を決定し且つ前記電圧源の切替え方向が低方向のときの前記透過率の採取データにミーソヴィッツのずれ粘性係数η1及びη2を種々変えγ1は前記決定した値に固定して計算した前記理論値をフィッティングさせてη1、η2の値を決定する演算を実行可能な演算器とを有することを特徴とする液晶の粘性係数測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液晶の粘性係数測定方法及び装置に関し、特に、Ｎ型液晶セルの回転粘性係数γ1及びミーソヴィッツ粘性係数のうちη1、η2を高精度に測定できる、液晶の粘性係数測定方法及び装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、液晶テレビジョンの進歩に伴い、より高速でスイッチする液晶表示装置（Liquid Crystal Display：略号ＬＣＤ。以下、適宜この略号で記す。）の開発が強く望まれている。本発明者らはこれまでに、ＬＣＤの応答には液晶のフロー効果が重要な役割を演じていることを明らかにしてきた（非特許文献１）。このフロー効果の理論は、エリクセン-レスリー（Ericksen-Leslie）により立てられたものである（非特許文献２〜４）。この理論によれば、液晶を異方性粘性流体とみなして、連続弾性体理論を盛り込んだ流体力学系が、数１に示す運動方程式及び数２に示す角運動量保存式（非特許文献５）により記述される。
【０００３】
【数１】
0004528992.tif 000002
【０００４】
【数２】
0004528992.tif 000003
【０００５】
上記数１、数２の式に含まれる係数α1〜α6は、レスリー粘性係数と呼ばれており、これらの間には、α6＝α2＋α3＋α5、なる関係があるので、全６つのうち独立なものは５つである。しかし、これらは測定系との対応が不確定であるため原理的に直接測定することができない。一方、測定系との対応が確定している（すなわち原理的には測定可能な）粘性係数として、ミーソヴィッツ（Miesowicz）粘性係数が知られている。これには、図８に示すような、分子の短軸方向、長軸方向に平行なせん断フローに対する粘性係数（ずれ粘性係数）η1、η2、分子の長軸回りのねじれ方向のフローに対する粘性係数（ねじれ粘性係数）η3、及び分子の短径が圧縮される方向のフローに対する粘性係数（圧縮粘性係数）η12の４つがある。これら４つに数２の式中の回転粘性係数γ1（これも測定可能）を付加した５つのパラメータと、レスリー粘性係数α1〜α6との間には、数３に示す式で表される関係があることが知られている。そこで、これら５つのパラメータの値を精度よく測定できれば、数３の式をαについて解いた数４に示す式からレスリー粘性係数を算出し、その結果を用いて数１、数２の式をコンピュータによる数値解法で解くことにより液晶の応答性を正しく評価することができ、更には、液晶材料の改善にも寄与することができる。
【０００６】
【数３】
0004528992.tif 000004
【０００７】
【数４】
0004528992.tif 000005
【０００８】
液晶の粘性係数の測定方法としては、ＴＮ液晶セルの電気応答特性を使って、前記５つのパラメータを同時に動かして得た計算値と実測値とのフィッティングにより最適なパラメータ値を探す方法（非特許文献６）が知られている。なお、圧縮に係るパラメータη12は、通常は無視してよいから、通常は同時に動かされるパラメータは４つである。又、回転粘性係数γ1については、可動式の２つの表面に電圧を印加できる特殊な構造の回転粘性計を用いた測定方法（非特許文献７）が知られている。
【０００９】
然し、非特許文献６の測定方法では、同時に変化させるパラメータが４つと多く、計算に時間がかかる上、精度が低いという問題がある。又、非特許文献７の測定方法では、回転粘性係数γ1しか測定できず、しかもその精度は不十分である。
一方、ホモジニアス配向の液晶セルを測定対象として、先ずオン応答特性を測定しその結果から回転粘性係数γ1の値を決定し、次いでオフ応答特性を測定しその結果からミーソヴィッツのずれ粘性係数η1、η2の値を決定する測定方法（特許文献１）が提案されている。これによれば、他の粘性係数の影響が小さい電気光学的応答特性を用いて、先ず回転粘性係数を、次いでずれ粘性係数をフィッティングするから、測定精度が向上し、又、同時に変化させるパラメータが最大２個と少ないから計算時間を短縮できる。
【非特許文献１】S.Onda, T.Miyashita, T.Uchida: Asia Display 98 Proceedings(1998)p.1055
【非特許文献２】F.M.Leslie: Quart.J.Mech,Appl.Math.,19(1966)p.357
【非特許文献３】F.M.Leslie: Liquid Crystals(1968)p.365
【非特許文献４】J.L.Ericksen: Mol.Cryst.Liq.Cryst.(1969)p.153
【非特許文献５】C.Z.van Doorn: J.of Applied Physics,46,9(1975)p.3738
【非特許文献６】O.Cossalter, B.Carmer, D.A.Mlynsky: J.of Physics 2,At.Mol.Cluster Phys.Chem.Phys.Mech.Hydrodyn.Vol.6,No.12(1996)pp.1663-1669
【非特許文献７】K.Skarp, S.T.Lagerwall, B.Stebler: ”Measurement of hydrodynamic parameters for nematic 5CB”,Molecular Crystal Liquid Crystal,Vol.60(1980)pp.215-236
【特許文献１】特開2005−114647号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
前記特許文献１の測定方法では、初期配向構造がホモジニアス構造（平行配向構造）である液晶セルを測定対象としている。この場合、オン応答特性は低電圧から高電圧への切換えにより液晶分子が平行配向状態から垂直配向状態へ変化するときの透過率の応答特性であるから、駆動モードがＰ型である液晶セル（Ｐ型液晶セル）の粘性係数を測定していることになる。一方、駆動モードがＮ型である液晶セル（Ｎ型液晶セル）の場合は、電圧印加により液晶分子を垂直配向状態から平行配向状態へ変化させる。そこで、特許文献１記載の測定方法において、初期配向構造がホメオトロピック構造（垂直配向構造）である液晶セルを測定対象とすることで、Ｎ型液晶セルの粘性係数も測定できるであろうと予想した。
【００１１】
然しながら、ホメオトロピック構造の液晶セルのオン応答特性を測定する場合、次のような問題があることが判った。
ホメオトロピック構造の液晶セルのオン応答特性を正しく測定するためには、図２に示すような初期垂直配向状態の液晶セルにステップ状に電圧を印加し、平行配向状態へ遷移させる過渡期において、図３に示すような望ましい配向分布（液晶分子５の初期からの配向変化量がセル厚中心部位を極大として基板６に近い部位ほど小さくなるような配向分布）が維持されねばならない。
【００１２】
ところが、ホメオトロピック構造の液晶セルでは、ステップ状に急に電圧を印加されると、内部の液晶の乱れが生じ、平衡配向状態への過渡期に、図４に示すような望ましくない配向分布（液晶分子５の初期からの配向変化量がセル厚中心部位以外の部位にも極値をもつような配向分布）が現れてしまい、正しい測定結果が得られない場合が多々あるという問題があった。
【００１３】
本発明は、上記問題を解決し、Ｎ型液晶セルの回転粘性係数γ1並びにミーソヴィッツのずれ粘性係数η1及びη2を容易に且つ高精度に測定し得る、液晶の粘性係数測定方法及び装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明者らは、上記問題を解決するために鋭意検討した結果、次の知見を得た。
1)オン応答特性の測定に用いる昇段電圧（低側から高側へ階段状に変化する電圧）が適正電圧範囲を有するものであれば、図４のような望ましくない過渡配向状態を回避でき、常に図３のような望ましい過渡配向状態になる。
2)前記適正電圧範囲は、測定用試料を挟む２枚の直交偏光子の何れか１枚と試料との光軸同士を平行として電圧範囲を変えて応答を観測したときに該観測中の光漏れがなくなる電圧範囲に対応する。
【００１５】
3)オフ応答特性の測定に用いる降段電圧（高側から低側へ階段状に変化する電圧）の電圧範囲は昇段電圧の適正電圧範囲に関わらず適宜に設定することができる。
本発明は、上記知見に基づいて成されたものであり、その要旨は以下の通りである。
[請求項１]  応答特性のエリクセン-レスリー理論値と実測値とのフィッティングにより粘性係数の値を決定する液晶の粘性係数の測定方法において、ホメオトロピック構造の液晶セルを試料とし、先ず該試料の両側に配置した２枚の直交偏光子の何れか１枚と前記試料との光軸同士を平行にした状態で、印加した昇段電圧に対する応答の観測を１回或いは前記昇段電圧の電圧範囲を変えて複数回行なって、前記観測中の光漏れが無くなる電圧範囲を決定し、次いで前記光軸同士を45°程度交叉させた状態で、前記決定した電圧範囲を有する昇段電圧を用いてオン応答特性を測定しその結果から回転粘性係数γ1の値を決定し、次いで所定の電圧範囲を有する降段電圧を用いてオフ応答特性を測定しその結果からミーソヴィッツのずれ粘性係数η1、η2の値を決定することを特徴とする液晶の粘性係数測定方法。
【００１６】
[請求項２]  応答特性のエリクセン-レスリー理論値と実測値とのフィッティングにより粘性係数の値を決定する液晶の粘性係数の測定装置であって、液晶セルを照射する光源と、前記液晶セルへの印加電圧値を高低の双方向に切替え可能な電圧源と、前記高低双方の電圧値を設定可能な電圧設定手段と、前記液晶セルとこれを挟む直交偏光子との光軸同士の相対角度を設定可能な光軸角度設定手段と、前記光源から出て前記液晶セルを透過した光の透過率データを前記電圧源の切替え時点から100μs以下の時間間隔で採取可能な透過率測定器と、前記電圧源の切替え方向が高方向のときの前記透過率測定器の採取データに回転粘性係数γ1を種々変えて計算した前記理論値をフィッティングさせてγ1の値を決定し且つ前記電圧源の切替え方向が低方向のときの前記透過率の採取データにミーソヴィッツのずれ粘性係数η1及びη2を種々変えγ1は前記決定した値に固定して計算した前記理論値をフィッティングさせてη1、η2の値を決定する演算を実行可能な演算器とを有することを特徴とする液晶の粘性係数測定装置。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、Ｎ型液晶セルの回転粘性係数及びずれ粘性係数を高精度に且つ高能率に測定することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
本発明では、測定用試料にホメオトロピック構造（垂直配向構造）の液晶セルを用いる。特に液晶分子長軸が基板面の法線と０°±30°以内の角度をなすように初期配向を調整した試料が望ましい。尚、液晶分子同士の方位角（液晶分子長軸の基板面への正射影像が基板面内の基準軸となす角度）の差は絶対値で10°以内（好ましくは２°以内）とするのがよい。又、試料のセル厚（セルギャップ）は、光学特性の変化を複屈折特性の変化や透過率の変化として検出するために、２〜10μｍとするのが好ましい。
【００１９】
本発明では、試料のオン応答特性を測定する第１ステップに先立ち、第０ステップとして、第１ステップに用いる昇段電圧の適正電圧範囲を決定する。昇段電圧及び降段電圧における高側の電圧は周期10ms以下の方形波の交番電圧を用いるのがよい。低側の電圧についても同様であるが、降段電圧の場合には低側として０Vの一定電圧を用いることが可能である。
【００２０】
前記適正電圧範囲は、次のようにして決定する。
(1)（始め：）試料とこれを挟む２枚の直交偏光子との光軸同士の配置を、２枚の直交偏光子のうち１枚の光軸と試料の光軸とが平行となるように設定する（⇒(2)へ）。尚、偏光子の光軸とは透過軸を指し、試料の光軸とは液晶分子長軸の最尤方位角方向に沿った軸を指す。
【００２１】
(2)低側と高側の電圧を適宜の値（例えば低側を０V、高側を10V）とした昇段電圧を印加する（⇒(3)へ）。
(3)昇段電圧の印加に対する応答を観測し、この観測中に光漏れが有るか否かを判定する（⇒判定結果が「有」ならば(4)へ、「無」ならば(5)へ）。
(4)低側及び／又は高側の電圧値を変えた昇段電圧（大抵の場合、低側の値を増加側に変更するだけでよい）を印加する（⇒(3)へ）。
【００２２】
(5)その時の昇段電圧の電圧範囲を適正電圧範囲として採用する（：終わり）。
次に、第１ステップとして、第０ステップで求めた適正電圧範囲を有する昇段電圧を用いて、オン応答特性を測定しその結果から回転粘性係数γ1の値を決定する。オン応答特性は、オン切替え時点（低側から高側への切替え時点）からの液晶の透過率の経時変化で表される。オン応答特性の測定においては、試料とこれを挟む２枚の直交偏光子との光軸同士の配置を、２枚の直交偏光子のうち１枚の光軸（透過軸）と試料の光軸（液晶分子の最尤方位角方向に沿った軸）とが45°程度（好ましくは45°±20°以内）となるように設定した状態で測定を行う（この点はオフ応答特性の測定においても同じである）。
【００２３】
オン応答特性の実験値（実測値と同義）とフィッティングさせる理論値を計算する際には、回転粘性係数γ1のみを種々変化させて計算する。他の粘性係数は初期値として他の液晶材料の値（文献所載の一般的な値）を入れておく。この計算方法は、前記数１及び数２に示した式を数値的に解き、その経時的に変化する配向の計算結果を用いて透過率の経時変化を計算するものである。尚、試料を直交偏光子で挟んだ場合、透過率Ｔの計算には式：Ｔ＝sin2（π×δ/λ0）を用いる。ここで、λ0は測定する光の波長、δは液晶セルのリタデーションである。
【００２４】
ホメオトロピック構造の液晶セルでは、オン応答特性に対し、回転粘性係数γ1の影響が大きく、他の粘性係数の影響は無視できる程度に小さいので、オン応答特性の実験値と計算値とをフィッティングさせることにより高精度に回転粘性係数γ1を測定することができる。
次に、第２ステップとして、降段電圧を用いてオフ応答特性を測定しその結果からミーソヴィッツのずれ粘性係数η1、η2の値を決定する。オフ応答特性は、オフ切替え時点（高側から低側への切替え時点）からの液晶の透過率の経時変化で表される。ここで用いる降段電圧の所定の電圧範囲は、第１ステップでの適正電圧範囲と同じものであってもよく、又、それとは異なるものを適宜設定してもよい。というのは試料に降段電圧を印加して液晶分子を寝た状態から起き上がらせる時には、図４のような望ましくない過渡配向状態をとることはないからである。
【００２５】
オフ応答特性の実験値とフィッティングさせる理論値を計算する際には、ミーソヴィッツのずれ粘性係数η1、η2を種々変化させて、第１ステップと同様の方法で計算する。尚、回転粘性係数γ1は第１ステップで決定した値に固定し、又、ねじれ粘性係数η3、圧縮粘性係数η12は第１ステップと同じ値を入れておけばよい。
オフ応答特性に対して、ねじれ粘性係数η3、圧縮粘性係数η12の影響は、無視し得る程度に小さいから、第２ステップでのフィッティングにより、ずれ粘性係数η1、η2を高精度に測定することができる。
【００２６】
又、応答特性の計算において、同時に変化させるパラメータが、特許文献１によるP型液晶セルの測定の場合と同様、第１ステップでは１個、第２ステップでは２個と、特許文献１よりも前の技術におけるフィッティングでの４個に比べて少ないから、計算を２ステップに分けたことによる時間増分を考慮しても、計算時間は格段に短縮する。
尚、第１ステップで仮に用いたη1、η2が、第２ステップの結果と大きく異なる場合は、第２ステップで得られたη1、η2を用い、再度第１ステップの手続と第２ステップの手続を行うことにより、高精度化が可能である。
【００２７】
本発明の測定方法を効率的に実施するためには、例えば図５に示すような測定装置を用いるのが好適である。図５において、１は試料（液晶セル）10を照射する光源である。光源１は白色光源、単色光源等々のいかなる光源でもよい。試料10の入射側、出射側には偏光子11、12が互いの光軸を直交として（即ち直交偏光子として）配置される。８は光軸角度設定手段であり、これは、第０ステップから第１ステップに移る際に、試料10と偏光子11（又は12）との光軸同士の相対角度を０°（平行）から45°程度へと変更するためのものであり、図５では直交偏光子11、12をその面の中心を通る法線の回りに回転可能に保持するホルダで構成したが、ホルダの保持対象を直交偏光子11、12に代えて試料10としてもよい。
【００２８】
２は電圧源であり、これは、試料10への印加電圧値を高低の双方向に切替え可能なものであればよく、通常の２値電源及びスイッチング素子を用いて容易に構成できる。尚、第０ステップで昇段電圧の適正電圧範囲を探すのに便利なように、電圧源２の高低双方の電圧値を適当な範囲内で自在に設定（又は変更）し得る電圧設定手段７を備えている。
３は透過率測定器であり、これは、光源１から出て偏光子11、液晶セル10、偏光子12を順次透過した光の透過率データを、電圧源２の電圧値の高低双方向への切替え時点から100μs以下の時間間隔で採取可能なものが好ましい。透過率データの採取時間間隔が100μsよりも大きいと、透過率の時間分解能が粗くなってフィッティングの精度が低下する場合があるからである。透過率測定器３は、例えばフォトマルチプライアやフォトダイオード等の光検出器及び、ＡＤ変換器、デジタルオシロスコープ等を組合わせて構成できる。
【００２９】
４は演算器であり、これには、通常のコンピュータに、透過率測定器３の採取した透過率データに対して本発明に係る２ステップのフィッティング演算を行う機能を搭載したものが好ましく用いうる。この２ステップのフィッティング演算は、上述のように、電圧源２の切替え方向が高方向のとき（第１ステップ）の透過率データに、回転粘性係数γ1を種々変えて計算した計算値をフィッティングさせてγ1の値を決定し、更に、電圧源２の切替え方向が低方向のとき（第２ステップ）の透過率データに、ミーソヴィッツのずれ粘性係数η1及びη2を種々変えγ1は第１ステップで決定した値に固定して計算した計算値をフィッティングさせてη1、η2の値を決定するというものである。
【００３０】
尚、電圧源２の切替えタイミング、及び透過率測定器３のデータ採取開始タイミングは、同期制御することが好ましい。この同期制御は、演算器４としてコンピュータを用いる場合はそのコンピュータで行うようにしてもよく、或いは別途適宜に設けた同期制御手段により行ってもよい。
【実施例】
【００３１】
［本発明例］
液晶材料にMLC2038（メルク社製）、配向膜にJALS-204（JSR社製）を用いて作製したホメオトロピック構造の液晶セル（セル厚＝2.5μm）を測定用試料とし、図５のように構成した測定装置を用いて、ステップ０として、試料と２枚の直交偏光子のうちの何れか１枚との光軸同士を平行とし、電圧範囲を表１の条件Ａとした昇段電圧を印加し、応答を観測すると、図６（ｂ）に示すように、大きな光漏れが現れた。次いで電圧範囲を表１の条件Ｂに変え、応答を観測すると、図７（ｂ）に示すように、僅かではあるがやはり光漏れが現れた。次いで電圧範囲を表１の条件Ｃに変え、応答を観測すると、図１（ｂ）に示すように、光漏れは現れなかった。
【００３２】
【表１】
0004528992.tif 000006
【００３３】
そこで、ステップ１として、試料と２枚の直交偏光子のうちの何れか１枚との光軸同士を45°に交叉させ、電圧範囲を表１の条件Ｃとした昇段電圧を印加し、図１（ａ）に示す透過率データ（オン応答特性曲線）を得、これと計算曲線とのフィッティングからγ1＝134cP（１cP（センチポアズ）＝１mPa・s）を決定し、次いで、ステップ２として、電圧範囲を表１の条件Ａとした降段電圧を印加して得たオフ応答特性曲線（図示省略）と計算曲線とのフィッティングからη1＝229cP、η2＝27cPを決定した。
【００３４】
更に、同じ液晶材料を用いて、ホメオトロピック構造とはフローの影響が相異なるハイブリッド配向構造（HAN型）の液晶セルを作製し、その応答特性の実験値と、粘性係数に前記決定した値を用いた計算値とを比較し、良好な一致を得て、前記決定した値が正しいものであることが検証された。
［比較例(1)］
前記本発明例と同じ試料及び同じ測定装置を用い、試料と２枚の直交偏光子のうちの１枚との光軸同士を45°に交叉させ、電圧範囲を表１の条件Ａ（前記本発明例のステップ０において大きい光漏れが現れた条件）とした昇段電圧を印加し、得られた透過率データ（オン応答特性曲線）を図６（ａ）に示す。これと計算曲線とのフィッティングにおける最小二乗誤差は前記本発明例の場合に比べてかなり大きく、このフィッティングから求めたγ1は、γ1＝1000cPであり、前記本発明例で決定された正しい値とは全く異なる値であった。
【００３５】
［比較例(2)］
前記本発明例と同じ試料及び同じ測定装置を用い、試料と２枚の直交偏光子のうちの１枚との光軸同士を45°に交叉させ、電圧範囲を表１の条件Ｂ（前記本発明例のステップ０において僅かな光漏れが現れた条件）とした昇段電圧を印加し、得られた透過率データ（オン応答特性曲線）を図６（ａ）に示す。これと計算曲線とのフィッティングにおける最小二乗誤差は前記本発明例の場合と同程度に小さいにも拘らず、このフィッティングから求めたγ1は、γ1＝300cPであり、前記本発明例で決定された正しい値からは大きく外れた値であった。
【００３６】
このように、ステップ０で光漏れが僅かにでも現れた時の電圧範囲を用いたステップ１でのオン応答特性曲線からでは、回転粘性係数を正しく求めることはできないのである。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明例における透過率測定データを示すグラフである。
【図２】ホメオトロピック構造の液晶セルの１例を示す模式図である。
【図３】望ましい過渡配向状態の１例を示す模式図である。
【図４】望ましくない過渡配向状態の１例を示す模式図である。
【図５】本発明に係る測定装置の１例を示す模式図である。
【図６】比較例(1)における透過率測定データを示すグラフである。
【図７】比較例(2)における透過率測定データを示すグラフである。
【図８】ミーソヴィッツ粘性係数と流れ（フロー）状態との対応関係を示す説明図である。
【符号の説明】
【００３８】
１  光源
２  電圧源
３  透過率測定器
４  演算器
５  液晶分子
６  基板（相手基板との対面側に配向膜を有する）
７  電圧設定手段
８  光軸角度設定手段
10  試料（液晶セル）
11、12  偏光子（直交偏光子）
【図１】
0004528992.tif 000007
【図２】
0004528992.tif 000008
【図３】
0004528992.tif 000009
【図４】
0004528992.tif 000010
【図５】
0004528992.tif 000011
【図６】
0004528992.tif 000012
【図７】
0004528992.tif 000013
【図８】
0004528992.tif 000014