(57)【要約】      （修正有）【課題】液晶セル内の液晶の極角アンカリング強度あるいはさらに配向膜容量を精度良く測定できる液晶セルの物性測定方法および装置を提供する。【解決手段】液晶の配向分布にねじれがない液晶セル（例：ホモジニアス配向液晶セル）10の電圧印加時の光学特性、好ましくは振幅比Ψ、位相差比Δを、一つの波長で入射角を複数変えて測定し、この測定値とシミュレーション計算値とのフィッティングから極角アンカリング強度Ｂ、あるいはさらに配向膜容量Ｃａを決定する。【選択図】図３
2009139456.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
液晶の配向分布にねじれがない液晶セルの電圧印加時の光学特性を、一つの波長で入射角を複数変えて測定し、この測定値とシミュレーション計算値とのフィッティングから、前記液晶の極角アンカリング強度を決定することを特徴とする液晶セルの物性測定方法。
【請求項２】
前記液晶セルが、ガラス、透明電極、配向膜、液晶からなる、またはガラス、透明電極、液晶からなる請求項１に記載の液晶セルの物性測定方法。
【請求項３】
さらに前記測定の際に、配向膜容量による電圧降下を前記と同様のフィッティングにより測定し、前記配向膜容量を決定することを特徴とする請求項１に記載の液晶セルの物性測定方法。
【請求項４】
前記液晶セルが、ガラス、透明電極、配向膜、液晶からなることを特徴とする請求項３に記載の液晶セルの物性測定方法。
【請求項５】
前記液晶の配向が、ホモジニアス配向、ホメオトロピック配向、スプレイ配向、ベンド配向、ハイブリッド配向のいずれか一つであることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の液晶セルの物性測定方法。
【請求項６】
測定する光学特性が前記液晶の配向面にほぼ垂直なあるいはほぼ平行な面内における光学特性であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の液晶セルの物性測定方法。
【請求項７】
測定する光学特性が数１の式で与えられる振幅比Ψもしくは位相差比Δまたはこれらの両方であることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の液晶セルの物性測定方法。
【数１】
2009139456.tif 000010
ここで、ρは数２の式で定義されるジョーンズ行列の要素である。
【数２】
2009139456.tif 000011
【請求項８】
前記光学特性の測定に用いる波長を６５０ｎｍ以上とすることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の液晶セルの物性測定方法。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれか一項に記載の液晶セルの物性測定方法を実行する機能を有することを特徴とする液晶セルの物性測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液晶セルの物性測定方法および装置に関し、特に、液晶セル内の液晶の極角アンカリング強度、あるいはさらに配向膜容量を、精度良く測定するための、液晶セルの物性測定方法および装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、液晶ディスプレイ(ＬＣＤ)は薄型、軽量かつ低消費電力という特長を有することから、パソコン(ＰＣ)、テレビ、携帯端末用のモニターとして広く普及している。ＬＣＤの設計において、電圧印加時の配向分布および光学特性のシミュレーションが重要である。正確なシミュレーションを行うためには液晶材料や液晶セルの正確な物性値が必要である。必要な物性値として、弾性定数や誘電率異方性、屈折率、セル厚、プレチルト角、ねじれ角、極角アンカリング強度や配向膜容量が挙げられる。
【０００３】
この中でも、極角アンカリング強度は電圧印加時の配向分布に大きな影響を及ぼすことから、重要なパラメータの一つであると考えられている。
従来、極角アンカリング強度測定法として、強電場法が提案されている（例えば非特許文献１）。強電場法は液晶セルに強電場を印加し、電圧に対するリタデーションとキャパシタンスの関係を測定することにより、極角アンカリング強度を求める方法である。
【非特許文献１】H.Yokoyama and H.A.vanSprang:J.Appl.Phys.Vol.57,pp.4520(1985)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
例えば図１にホモジニアス配向液晶セルの電圧透過率特性の理論値と測定値の比較を示す。図１中「未考慮」とは極角アンカリング強度を無限大とし、配向膜容量による電圧降下を無視したときの理論値である。図１は極角アンカリング強度および配向膜容量を未考慮としたときの理論値と測定値の誤差が非常に大きいことを示しており、これらのパラメータの測定は重要な課題であるといえる。
【０００５】
前述のように、従来、極角アンカリング強度測定法として強電場法（液晶セルに強電場を印加し、電圧に対するリタデーションとキャパシタンスの関係を測定することにより、極角アンカリング強度を求める方法）が提案されている。しかし、この測定法は基板表面の残留リタデーションを高精度に測定することが困難であることから、測定精度に問題を有していた。
【０００６】
また、電圧印加の際、配向膜容量による電圧降下が液晶セルの配向分布を決める重要な要素となる。しかし、前記強電場法では、数十μｍという比較的厚いセルを用い、配向膜容量を無視し、極角アンカリング強度を測定する方法であることから、配向膜容量を求めることはできない。
本発明は上述の問題を解決し、液晶セル内の液晶の極角アンカリング強度あるいはさらに配向膜容量を精度良く測定できる液晶セルの物性測定方法およ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】
【０００７】
発明者らは、前記目的を達成すべく鋭意検討し、その結果、液晶の配向分布にねじれがない液晶セルを用いて、１つの波長で入射角を複数変えて前記液晶セルの光学特性を測定し、測定値とシミュレーション計算値とのフィッティングから、液晶の極角アンカリング強度あるいはさらに配向膜容量を精度良く決定しうることを見出し、本発明をなした。
すなわち本発明は以下のとおりである。
【０００８】
１．  液晶の配向分布にねじれがない液晶セルの電圧印加時の光学特性を、一つの波長で入射角を複数変えて測定し、この測定値とシミュレーション計算値とのフィッティングから、前記液晶の極角アンカリング強度を決定することを特徴とする液晶セルの物性測定方法。
２．  前記液晶セルが、ガラス、透明電極、配向膜、液晶からなる、またはガラス、透明電極、液晶からなる前項１に記載の液晶セルの物性測定方法。
【０００９】
３．  さらに前記測定の際に、配向膜容量による電圧降下を前記と同様のフィッティングにより測定し、前記配向膜容量を決定することを特徴とする前項１に記載の液晶セルの物性測定方法。
４．  前記液晶セルが、ガラス、透明電極、配向膜、液晶からなることを特徴とする前項３に記載の液晶セルの物性測定方法。
【００１０】
５．  前記液晶の配向が、ホモジニアス配向、ホメオトロピック配向、スプレイ配向、ベンド配向、ハイブリッド配向のいずれか一つであることを特徴とする前項１〜４のいずれか一項に記載の液晶セルの物性測定方法。
６．  測定する光学特性が前記液晶の配向面にほぼ垂直なあるいはほぼ平行な面内における光学特性であることを特徴とする前項１〜５のいずれか一項に記載の液晶セルの物性測定方法。
【００１１】
７．  測定する光学特性が数１の式で与えられる振幅比Ψもしくは位相差比Δまたはこれらの両方であることを特徴とする前項１〜６のいずれか一項に記載の液晶セルの物性測定方法。
【００１２】
【数１】
2009139456.tif 000003
【００１３】
ここで、ρは数２の式で定義されるジョーンズ行列の要素である。
【００１４】
【数２】
2009139456.tif 000004
【００１５】
８．  前記光学特性の測定に用いる波長を６５０ｎｍ以上とすることを特徴とする前項１〜７のいずれか一項に記載の液晶セルの物性測定方法。
９．  前項１〜８のいずれか一項に記載の液晶セルの物性測定方法を実行する機能を有することを特徴とする液晶セルの物性測定装置。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、液晶セル内の液晶の極角アンカリング強度あるいはさらに配向膜容量を簡便にかつ高精度に測定でき、液晶セルの設計精度の向上に寄与しうる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
本発明では、液晶セルの電圧印加時の光学特性を測定し、その測定値と理論値（シミュレーション計算値）とのフィッティングから、極角アンカリング強度を決定するが、この測定に用いる液晶セルは液晶配向分布にねじれがないものとし、測定のために電圧印加時の液晶セルに入射させる光は、１つの波長の光（単色光）で入射角を複数水準変えたものとする必要がある（本発明項１）。液晶配向に捻れがあると、極角アンカリング強度を正しく決定できない。また、複数の波長が複合した光（例えば白色光）を用いた測定や一波長一入射角だけの測定では、極角アンカリング強度を正しく決定できない。
【００１８】
ここで「ねじれのない」とは、理想的には設計配向面からの実際の配向のねじれ角が０°であることであるが、製造の過程で前記ねじれ角が±３°程度以内でばらついても本発明の効果は得られるので、本発明では、前記ねじれ角が±３°以内である液晶セルも「ねじれのない」ものに含むものとする。
このねじれのない配向としては、調製が比較的容易であるという観点から、ホモジニアス配向、ホメオトロピック配向、スプレイ配向、ベンド配向、ハイブリッド配向のうちいずれか一つが好ましい（本発明項５）。
【００１９】
また、本発明では、前記極角アンカリング強度の決定と併せて、配向膜容量による電圧降下を前記と同様のフィッティングにより測定し、前記配向膜容量を高精度に決定しうる（本発明項３）。
なお、本発明項２では、極角アンカリング強度を決定する液晶セルとして、ガラス、透明電極、配向膜、液晶からなるもの、および、このものから配向膜が除かれたもの、のいずれを用いてもよい（本発明項２）。一方、本発明項４では、極角アンカリング強度と配向膜容量を決定するから、液晶セルとして、ガラス、透明電極、配向膜、液晶からなるものを用いるのがよい（本発明項４）。
【００２０】
また、極角アンカリング強度あるいはさらに配向膜容量を、より高精度に決定するためには、測定する光学特性を、液晶の配向面にほぼ垂直な（配向面との交差角が９０°±１０°以内、より好ましくは９０°±３°以内である）あるいはほぼ平行な（配向面との交差角が０°±１０°以内、より好ましくは０°±３°以内である）面内における光学特性とすることが好ましい（本発明項６）。
【００２１】
また、測定値とのフィッティングに用いる理論値を精度良く計算するためには、測定する光学特性を、前記数１の式で与えられる振幅比Ψ、位相差比Δのいずれか一方、または両方とするのが好ましい（本発明項７）。ここで、前記数１式中のρは、前記数２の式で定義されるジョーンズ行列（文献：R.C.Jones:J.Opt.Soc.Am.,31,488(1941)または文献：P.Yeh:J.Opt.Soc.Am.,72,507(1982)参照）の要素である。なお、これ以外の理論計算法として知られている４×４行列法（文献：D.W.Berreman:J.Opt.Soc.Am.,62,502(1972)参照）も使用可能であるが、複雑で計算機負荷が大きいので好ましくない。
【００２２】
次に、本発明の測定方法における原理を概略説明する。
図２は、本発明の測定に用いる液晶配向分布にねじれのない液晶セルの例として、ホモジニアス配向液晶セルの構造を示す断面模式図である。液晶セル10は、二枚のガラス基板１、１’の相互対向させる側の各表面に透明電極（ＩＴＯ）２、２’、さらにその上に配向膜３，３’を配置し、ラビング等の配向処理してなる二枚の基板を、所定の隙間（セル厚に相当）をあけて対向させ、該対向二基板の間に液晶材料を装入して構成された。なお、配向膜３，３’を必要としない場合もある。
【００２３】
電圧無印加では、基板表面の液晶分子（液晶ダイレクタ）５は、基板表面から極角方向（ｚ方向）にわずかな角度θｐ（電圧無印加時の表面チルト角（プレチルト角））だけ傾いて配向する（図２（ａ））。この傾き方向の軸４を配向容易軸という。
液晶セル10に電圧を印加すると、バルクの液晶分子５は電界Ｅ方向に傾き、バルクの液晶分子５の弾性力と、基板表面における極角アンカリング力とのつりあいにより、基板表面の液晶分子５は配向容易軸４からずれて、角度θ'ｐ（電圧印加時の表面チルト角）の方向に配向する（図２（ｂ））。この基板表面における液晶分子５の配向容易軸４からのずれ角を測定する、すなわちθｐとθ'ｐとを個別に測定してこれらの差分（θ’ｐ−θｐ）を計算することで、極角アンカリング強度を得ることができる。
【００２４】
従来の強電場法では、高電圧をかけ、表面付近に残留した非常にわずかなリタデーションを測定しなければならず、測定が困難である上に精度に問題を有していた。これに対し、本発明の測定方法では、液晶の配向分布を測定して極角アンカリング強度を求める上記原理に従ったものであるから、従来と比べて測定が容易となり、精度も向上する。
図３には、本発明の測定方法の好適な実施形態の一例に好ましく用いうる測定系の一例を示した。この例は、分光エリプソメトリを用い、電圧を印加した液晶セル10の配向面13に対して垂直方向の振幅比Ψ、位相差比Δの角度特性（入射角依存性のことであり、入射角は液晶セル10を矢印の方向に回転させて変更できる）を測定し、理論値とのフィッティングを行うことによって、極角アンカリング強度を測定するものである。光源11から一つの波長の光（単色光）を液晶セル10に入射させ、液晶セル10から射出した光を検出器12で検出し、この検出結果から振幅比Ψ、位相差比Δの角度特性の測定値が得られる。
【００２５】
一方、ホモジニアス配向液晶セルの電圧印加時の配向分布は数３の式から得られる。
【００２６】
【数３】
2009139456.tif 000005
【００２７】
ここで、θは液晶分子の傾き角、Ｄｚは電束密度である。
また、極角アンカリング強度Ｂは数４の式を計算することで得られる。
【００２８】
【数４】
2009139456.tif 000006
【００２９】
ここで、θｐはプレチルト角、θ'ｐは電圧印加時の基板表面チルト角、θＭは液晶セル中心の最大傾き角、κおよびγはそれぞれ弾性定数比、誘電率比である。
本発明の上記好適実施形態では、数３の式を用い、境界条件θ＝θｐ（電圧印加時はθ＝θ'ｐ）をフィッティングパラメータとして液晶の配向分布を計算し、その結果に基づき入射角ごとに数２、数１の式を計算することで、振幅比Ψ、位相差比Δの角度特性の理論値を求め、この理論値と前記測定値とのフィッティングにより決定したパラメータθｐ、θ'ｐを数４の式に代入、計算し、極角アンカリング強度Ｂを決定する。
【００３０】
また、配向膜容量（記号Ｃａで表す）の決定には、数５、数６の式を用いる。
【００３１】
【数５】
2009139456.tif 000007
【００３２】
【数６】
2009139456.tif 000008
【００３３】
ここで、ＣＬＣ：液晶の静電容量、Ｖｍ：印加電圧、ＶＬＣ：液晶層にかかる電圧、Ｃ０：液晶の電圧無印加時の初期容量、である。なお、誘電率比γ、弾性定数比κは、数７の式で与えられる。
【００３４】
【数７】
2009139456.tif 000009
【００３５】
数６の式中のＶＬＣをフィッティングパラメータとする。ＶＬＣはθＭと特定の関数関係ＶＬＣ（θＭ）にあるから、θＭもフィッティングパラメータになる。前記境界条件θ＝θｐ（電圧印加時はθ＝θ'ｐ）に加えてこのθＭもフィッティングパラメータとして数３の式にて液晶の配向分布を計算し、その結果に基づき入射角ごとに数２、数１の式を計算することで、振幅比Ψ、位相差比Δの角度特性の理論値を求める。この理論値と前記測定値とのフィッティングにより決定したパラメータθｐ、θ'ｐ、θＭを数４の式に代入し、極角アンカリング強度Ｂを決定する。一方、前記決定したパラメータθＭから数６の式にてＣＬＣを、前記関数関係ＶＬＣ（θＭ）にてＶＬＣを、それぞれ計算し、その結果を数５の式に代入、計算し、配向膜容量Ｃａを決定する。
【００３６】
ただし、測定対象液晶セルの配向膜容量Ｃａが既知であって上記フィッティングにより決定する必要がない場合、あるいは配向膜がない液晶セルの場合は、液晶層にかかっている電圧Ｖを測定する必要はない。
また、本発明では、液晶セル内での干渉の影響を軽減させる観点から、前記光学特性の測定に用いる波長を６５０ｎｍ以上とすることが好ましい（本発明項８）。
【００３７】
また、本発明の測定方法の実施にあたっては、前項１〜８のいずれかに記載の方法を実行する機能を有する液晶セルの物性測定装置（本発明項９）を用いると、高能率に測定することができて好ましい。かかる測定装置は、前述の分光エリプソメータ等の光学特性測定器と、前記フィッティング演算機能を組込んだパソコン等の計算機とを、データ交信可能に組み合わせて構成することができる。
【実施例】
【００３８】
実施例では、図２に示したホモジニアス配向の液晶セルのセル厚を相違させたものについて本発明により極角アンカリング強度Ｂと配向膜容量Ｃａを測定した。
液晶材料にはＴＤ１０１６ＸＸ（チッソ製）を用い、配向膜にはＳＥ７９９２（日産化学工業製）を用いた。測定する光学特性は配向面に垂直な面内における振幅比Ψおよび位相差比Δとし、測定系は、分光エリプソメータＭ-２０００（J.A.Woollam Co.,Inc)により図３のように構成した。この測定系を用い、液晶セルへの入射光の波長を８００ｎｍとし、入射角度を−６０°から４０°まで５°程度の刻みで変えて光学特性を測定し、その測定値を、前述した好適実施形態の手法によって理論値とフィッティングさせることにより、極角アンカリング強度Ｂと配向膜容量Ｃａを決定した。
【００３９】
上記決定した極角アンカリング強度Ｂと配向膜容量Ｃａのセル厚依存性をそれぞれ図４、図５に示す。一般に、極角アンカリング強度Ｂと配向膜容量Ｃａはセル厚によらず一定であり、図４、図５でも同様の結果が得られた。
また、図１に示した透過率電圧特性の測定に用いた液晶セル（これも液晶の配向にねじれがないものである）に対しても、上記と同様に極角アンカリング強度Ｂと配向膜容量Ｃａを決定し、その測定結果を用いて透過率電圧特性を理論計算した。この計算結果を図１に追記し、図６に示す。前記追記の計算結果は図６中の「考慮」と記した曲線である。「考慮」の曲線は前述の「未考慮」の曲線に比べ、測定値全体との一致が格段に良くなっていることがわかる。
【００４０】
これらの結果から、本発明の測定方法に信頼性があることが示された。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】電圧透過率特性の理論値（極角アンカリング強度と配向膜容量が未考慮の場合）と測定値の比較を示すグラフである。
【図２】本発明に用いる液晶配向分布にねじれのない液晶セルの一例としてホモジニアス配向液晶セルの構造を示す断面模式図である。
【図３】本発明に用いられる分光エリプソメトリの測定系を示す模式図である。
【図４】本発明による極角アンカリング強度の測定値とセル厚の関係を示すグラフである。
【図５】本発明による配向膜容量の測定値とセル厚の関係を示すグラフである。
【図６】電圧透過率特性の理論値（極角アンカリング強度と配向膜容量が未考慮の場合および極角アンカリング強度と配向膜容量を考慮[本発明方法で測定]した場合）と測定値の比較を示すグラフである。
【符号の説明】
【００４２】
１、１’  ガラス基板
２、２’  透明電極（ＩＴＯ）
３、３’  配向膜
４  配向容易軸（電圧無印加時の基板表面に接した液晶ダイレクタの基板表面からの傾き方向の軸）
５  液晶分子（液晶ダイレクタ）
10  液晶の配向分布にねじれがない液晶セル
11  光源
12  検出器
13  配向面
【図１】
2009139456.tif 000012
【図２】
2009139456.tif 000013
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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