JP2006337288A - 液晶材料の物性測定方法及び物性測定システム - Google Patents

Abstract

【課題】 液晶材料の弾性定数比やアンカリング強度などの光学特性を、外場を与える大規模な装置を使用することなく、高精度で、簡便に効率よく測定できる液晶材料の物性測定方法及び物性測定システムの提供。
【解決手段】 基板表面に対し、略水平な液晶配向と略垂直な液晶配向を有する基板からなるハイブリッド配向液晶セルの光学特性を、少なくとも２以上の入射角で測定することにより弾性定数比とアンカリング強度とセル厚みとを求める液晶材料の物性測定方法及び物性測定システム。
【選択図】 図１

Description

本発明は、液晶表示装置の液晶パネルや光学補償素子などに用いられている液晶材料の弾性定数比、アンカリング強度などの物性測定方法及び物性測定システムに関する。

液晶表示装置は、薄型で、軽量であり、また消費電力が小さいことから、近年、テレビやパソコンのモニターなどの表示機器としてＣＲＴの代わりに広く使用されてきている。この液晶表示装置は、通常、対向する基板間に液晶を挟持する液晶セルと偏光板とからなる液晶パネルを備えている。該液晶セルは、配向された液晶分子などから形成され、該偏光板は、トリアセチルセルロースなどからなる保護膜と、ヨウ素にて染色したポリビニルアルコールフィルムなどからなる偏光膜の積層体で形成されている。

前記液晶表示装置としては、バックライトを持つ透過型、バックライトを持たずに自然光や室内灯などの反射光を用いる反射型、及び両者を兼ね備えた半透過型がある。前記透過型液晶表示装置では、偏光板を液晶セルの両側に取り付け、更に一枚以上の光学補償シートを配置する。前記反射型液晶表示装置では、反射板、液晶セル、一枚以上の光学補償シート、及び偏光板の順に配置する。液晶セルは、液晶分子、それを封入するための二枚の基板、及び液晶分子に電圧を加えるための電極層からなる。この液晶セルは、液晶分子の配向状態の違いにより、ＯＮ、ＯＦＦ表示を行い、前記透過型、反射型及び半透過型のいずれにも適用できる。液晶の配向状態としては、ＴＮ（Ｔｗｉｓｔｅｄ Ｎｅｍａｔｉｃ）、ＩＰＳ（Ｉｎ−Ｐｌａｎｅ Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ）、ＯＣＢ（Ｏｐｔｉｃａｌｌｙ Ｃｏｍｐｅｎｓａｔｏｒｙ Ｂｅｎｄ）、ＶＡ（Ｖｅｒｔｉｃａｌｌｙ Ａｌｉｇｎｅｄ）、ＥＣＢ（Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｌｙ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ Ｂｉｒｅｆｒｉｎｇｅｎｃｅ）、ＳＴＮ（Ｓｕｐｅｒ Ｔｗｉｓｔｅｄ Ｎｅｍａｔｉｃ）のような表示モードが挙げられる。

前記液晶表示装置の問題点の一つとして、表示特性の視野角依存性がある。これに対してはこれまでに上記表示モードによる改善や更にそれぞれの表示モードに応じた光学補償シートを用いる様々な改善がなされてきた。前記光学補償シートは、液晶セル中の液晶分子の配向状態に起因する光学的異方性を補償する手段であり、液晶セル単体では制御することができない視野角依存性を有効に改善することができる。

前記光学補償シートとしては、従来より、延伸複屈折ポリマーフィルムが使用されているが、近年、延伸複屈折ポリマーフィルムからなる光学補償シートに代えて、透明支持体上に低分子又は高分子液晶性化合物から形成された光学異方性層を有する光学補償シートを使用することが試みられている。前記液晶性化合物には、多様な液晶分子の配向形態があるため、液晶性化合物を用いてセル中の液晶分子の配向状態に対応した光学補償を行うことにより、従来の延伸複屈折ポリマーフィルムでは得ることができない光学的性質を実現することが可能である。
このような光学補償シートとしては、液晶材料をハイブリット配向させてフィルム状にする技術が提案されている。該液晶材料としては、例えば、円盤状液晶性化合物（特許文献１参照）、ラグビーボール状化合物（特許文献２参照）、などが提案されている。

前記液晶材料を用いた光学補償シートでは、性能を高めるために、電圧の印可によって駆動される液晶セル内の液晶分子の配向に応じて、できるだけ補償の効果が大きくなるよう配向状態を制御することが重要になる。前記液晶材料に含まれる液晶性化合物の配向状態は、主に上下界面における液晶ダイレクタ（巨視的な分子の配向方向）、弾性定数比及びアンカリング強度などの物性値を測定することにより把握することができる。そのためこれらの物性値を精度よく測定することが要請されている。

前記弾性定数比の測定は、一般的に平行配向セルに磁場や電場などの外場を与えた際に生じる液晶の配向状態の変化を観察することにより行われている。ディスコティック液晶については、殆ど報告されていないが、ホメオトロピック配向液晶セルに磁場を印加する方法（非特許文献１参照）が報告されている。棒状液晶については、両基板に透明電極を施した液晶セルを作製し、液晶の厚み方向に電圧を印加させる手法が報告されている。
しかし、これらの磁場や電場を利用する方法の場合、少なくとも外場を与える手段が必要であり、予め、液晶材料の電気的及び磁気的性質を踏まえた上で、液晶セルの配向方向と外場の方向とを考慮しなければならない。このため、液晶材料の電気的及び磁気的性質が分からない材料を扱う場合には、必ずしも簡便な方法とはいえない。また、前記光学補償シートに用いる液晶材料のように、開発段階において材料の電気的及び磁気的特性を知る必要のない液晶材料の場合には、目的の物性を得るまでに余計な手順を踏まなくてはならないことになる。特に、磁場を掛ける必要がある場合は、大規模な装置を必要とするため、限られた研究機関でしか物性を測定することができないという問題がある。

前記弾性定数比を測定する他の方法として、セルギャップが異なる複数のハイブリッド配向液晶セルの垂直配向界面プレチルト角を測定し、理論式に入れて算出する方法（特許文献３参照）がある。
しかし、この算出方法の場合、前記外場を印加する必要がないという利点はあるが、複数のサンプルを使う必要があるため測定回数が多くなるとともに、アンカリング強度が十分には考慮されていないため、測定精度が低下するという問題点があった。

前記アンカリング強度を測定する方法としては、異なる複数の波長でハイブリッド配向液晶セルのレターデーション入射角特性の測定からプレチルト角を求めることにより、垂直配向界面のアンカリング強度を測定する方法が提案されている（非特許文献２参照）。
しかし、この測定方法の場合、弾性定数比を既知の値とし、固定値を仮定する方向を採用しているので、実際に測定するサンプル状態によっては、やはり精度が低下するという問題は解消できない。

特開平６−２１４１１６号公報 特開平１０−１８６３５６号公報 特願２００３−３４１８７１号 Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌｓ，１９８８，Ｖｏｌ．３，ｐ３６９ Ｐｒｏｃ． ｏｆ Ｊａｐａｎ Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ，２００３，ｐ３１３

本発明は、従来における前記諸問題を解決し、以下の目的を達成することを課題とする。即ち、本発明は、液晶材料の弾性定数比やアンカリング強度などの光学特性を、外場を与える大規模な装置を使用することなく、高精度で、簡便に効率よく測定できる液晶材料の物性測定方法及び物性測定システムを提供することを目的とする。

前記課題を解決するための手段としては、以下の通りである。即ち、
＜１＞ 基板表面に対し、略水平な液晶配向と略垂直な液晶配向を有する基板からなるハイブリッド配向液晶セルの光学特性を、少なくとも２以上の入射角で測定することにより弾性定数比とアンカリング強度とセル厚みとを求めることを特徴とする液晶材料の物性測定方法である。
該＜１＞に記載の液晶材料の物性測定方法においては、前記基板表面に対し、略水平な液晶配向と略垂直な液晶配向を有する基板からなり、ハイブリッド配向させた液晶セルを用いているので、元々液晶材料が変形しているため、前記液晶材料における弾性定数比及びアンカリング強度の測定に必要な前記液晶材料の配向状態を、外場により変えた数種のサンプルの作製や、それらに対する測定工程が不要となる。前記略水平の角度範囲は、前記基板表面に対して０〜４０°、前記略垂直の角度範囲は、前記基板表面に対して９０〜５０°であり、該角度範囲にある前記ハイブリッド配向液晶セルの配向状態について、少なくとも２以上の入射角で測定することにより、配向状態を測定の都度変形することなく、同一のサンプルで、その光学特性を詳細に観察することができ、前記液晶材料の変形を決定する要因である弾性定数比、アンカリング強度及びセル厚みが、同時且つ一意的に決定され、測定が簡便化、高精度化される。
＜２＞ 測定した光学特性値とシミュレーション計算により求めた光学特性値とを比較し、前記光学特性値の差が最小になるパラメータを選択することより、液晶材料の弾性定数比とセル厚みと配向角度分布を同時に決定する前記＜１＞に記載の液晶材料の物性測定方法である。
＜３＞ パラメータが、液晶材料の弾性定数比とセル厚みと配向角度分布を含む前記＜１＞から＜２＞のいずれかに記載の液晶材料の物性測定方法である。
＜４＞ シミュレーション計算が、液晶材料の弾性定数比とセル厚みと配向角度分布とからなる組を少なくとも２組以上仮定し、前記配向角度分布と前記液晶材料の屈折率とから光学特性値を求め、該光学特性値と測定した光学特性値とを比較し、前記光学特性値の差が最小となるよう弾性定数比とセル厚みと配向角度分布とからなる組を同時に決定する前記＜１＞から＜３＞のいずれかに記載の液晶材料の物性測定方法である。
＜５＞ 液晶材料の弾性定数比及び配向角度分布から基板界面における、前記液晶材料の配向角度を決定し、該配向角度に基づいてアンカリング強度及びアンカリング強度の比が決定される前記＜１＞から＜４＞のいずれかに記載の液晶材料の物性測定方法である。
＜６＞ 入射角方向が、ハイブリッド配向液晶セルの液晶ダイレクタの配向分布を含む平面と略平行で基板表面に垂直な方向を含む平面内にある前記＜１＞から＜５＞のいずれかに記載の液晶材料の物性測定方法である。
＜７＞ 光学特性が、レターデーションである前記＜１＞から＜６＞のいずれかに記載の液晶材料の物性測定方法である。
＜８＞ 前記＜１＞から＜７＞のいずれかに記載の液晶材料の物性測定方法を含む、液晶材料の物性測定システムである。

本発明によると、従来における前記問題を解決でき、液晶材料の弾性定数比やアンカリング強度などの光学特性を、外場を与える大規模な装置を使用することなく、高精度で、簡便に効率よく測定できる液晶材料の物性測定方法及び物性測定システムを提供することができる。

（液晶材料の物性測定方法及び物性測定システム）
前記液晶材料の物性測定方法は、弾性定数比とアンカリング強度とセル厚みを、基板表面に対し略水平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ハイブリッド配向液晶セルの光学特性を少なくとも２つの入射角での測定から求める物性測定方法である。本発明において、前記略水平の角度範囲は、前記基板表面に対して０〜４０°、前記略垂直の角度範囲は、前記基板表面に対して９０〜５０°である。

前記アンカリング強度は、基板界面におけるアンカリング強度を表し、前記ハイブリッド配向液晶セルの、弾性定数比及び配向角度分布から、前記基板界面における該ハイブリッド配向液晶セルの配向角度を決定し、該配向角のシミュレーション計算と測定した前記光学特性値とを比較し、該光学特性値の差が、最小になるように計算パラメータの値の組を選択することより、ハイブリッド配向液晶セルの弾性定数比とセル厚みと配向角度分布を同時に決定することができる。

本発明の液晶材料の物性測定方法により、本発明の前記液晶材料の物性測定システムを好適に構築することができる。
以下、本発明の液晶材料の物性測定方法の説明を通じて、本発明の液晶材料の物性測定システムの詳細をも明らかにする。

本発明の液晶材料の物性測定方法の概要を図１にブロック図で示す。前記液晶材料の物性測定方法は、図１に示すように、まず、ハイブリッド配向液晶セルを作製し、次に、該ハイブリッド配向液晶セルのレターデーションの入射角特性を測定する。この測定値とシミュレーション計算に基づく計算値とを比較する。そして、前記測定値と計算値との差が最小になる弾性定数比ｋ、垂直配向界面における液晶ダイレクタのプレチルト角ψ_ｄ、水平配向界面における液晶ダイレクタのプレチルト角ψ_０及びセル厚みｄについてのパラメータセットを決定する。更に、該パラメータセットを図１に示す各数式に代入し、最終的にアンカリング強度（Ｂ_ｄ/ｋ_１１）、（Ｂ_０/ｋ_１１）を求める。
前記アンカリング強度（Ｂ_ｄ/ｋ_１１）、（Ｂ_０/ｋ_１１）は、以下に説明する光学特性の測定原理に基づいて行われる。

＜光学特性の測定原理＞
前記光学特性の測定原理は、自由エネルギー密度、自由エネルギー、液晶ダイレクタの配向角度分布、入射角、表面アンカリングエネルギー及びトルクバランスなどを、下記数式（１）〜（９）を用いて順次評価し、最終的にアンカリング強度と弾性定数比とセル厚みを求める原理である。

前記自由エネルギー密度をｆ_ｄとすると、液晶におけるＦｒａｎｋ−Ｏｓｅｅｎの自由エネルギー密度ｆ_ｄは、下記数式（１）のように与えられる。

ただし、前記数式（１）において、ｋ_１１，ｋ_２２，ｋ_３３は、弾性定数を表す。それぞれスプレイ（広がり）、ツイスト（ねじれ）、及びベンド（曲がり）に対応した弾性定数を表し、液晶材料に固有の物性値である。ｎは、任意の点における液晶分子の配向方向を表す無次元の単位ベクトルである。

前記自由エネルギーをＦとすると、ハイブリッド配向させたネマチック液晶セルにおいて、前記数式（１）を厚み方向に積分することにより、該自由エネルギーＦは、下記数式（２）のように表される。

ただし、前記数式（２）において、ｄは、セル厚み、ψ_（ｘ）は、液晶ダイレクタの配向角度分布関数を表す。ｄ＝０は、略平行配向基板表面（水平配向界面）を表し、ψ_０は、水平配向界面における液晶ダイレクタのプレチルト角を表し、ｄ＝ｘは、略垂直配向基板表面（垂直配向界面）を表し、ψ_ｄは、垂直配向界面における液晶ダイレクタのプレチルト角を表す。

前記数式（２）にＥｕｌｅｒ−Ｌａｇｒａｎｇｅ式を適用して自由エネルギーＦが極小値をとるようにすると、配向角度分布関数ψ_（ｘ）に関する微分方程式を表す下記数式（３）が得られる。

前記数式（３）は、前記液晶ダイレクタの配向角度分布をあらわす方程式で、Ｃは、積分定数を表す。前記数式（３）は、境界条件を与えて数値解として解くことができる。適当な弾性定数比ｋ_３３／ｋ_１１と、ψ_ｄ，ψ_ｏの値をとったパラメータセットを作成し、それを満たす配向角度分布関数ψ_（ｘ）を得る。

次に、前記配向角度分布関数ψ_（ｘ）を持った液晶セルの光学特性について説明する。
前記光学特性が、レターデーションＲｅの入射角θに関する光学特性の場合、前記レターデーションＲｅは。下記数式（４）で表される。

ただし、ｎ_｜｜が、液晶の常光屈折率（液晶ダイレクタに平行な屈折率）、ｎ_⊥が、液晶の異常光屈折率（液晶ダイレクタに垂直な屈折率）を表す。前記数式（４）に前記配向角度分布関数ψ_（ｘ）と適当なセル厚みｄを与えるとレターデーション入射角特性についての計算値が得られる。
前記配向角度分布は弾性定数比と配向界面のアンカリング強度とセル厚みで一意的に決まるので、測定値と計算値とを比較すると一致するセル厚みｄ及び弾性定数比ｋとψ_ｄとψ_ｏとＣのパラメータセットを持つ配向角度分布関数ψ_（ｘ）を決めることができる。

一方、表面アンカリングエネルギーＦ_Ｓは、垂直配向界面ｘ＝ｄと水平配向界面ｘ＝０において与えられる。

ただし、前記数式（５）において、Ｂ_ｄ，Ｂ_０は、それぞれ垂直配向界面ｘ＝ｄと水平配向界面ｘ＝０におけるアンカリングエネルギーであり、ψ_ｄ，ψ_ｏは、前述のようにその界面における液晶ダイレクタのプレチルト角、ψ_ｅは、配向容易軸を表す。各界面におけるアンカリング角を動かすトルクは、前記数式（５）の微分形から与えられる。
一方、液晶の弾性による変形のトルクは、前記数式（２）の微分形で与えられるが、垂直配向界面ｘ＝ｄと水平配向界面ｘ＝０で、それらが釣り合っている場合には、以下の数式（６）及び（７）を得る。

前記数式（６）及び（７）は、アンカリングエネルギーと弾性エネルギーのトルクバランスを示している。

最終的に、前記数式（７）と前記数式（３）から、アンカリング強度に関する以下の数式（８）及び（９）を求めることができる。

ただし、前記数式（８）及び（９）において、弾性定数比ｋは、（ｋ_３３／ｋ_１１）−１を表す。

前記数式（８）と前記数式（９）により、垂直配向界面におけるアンカリング強度（Ｂ_ｄ/ｋ_１１）及び水平配向界面におけるアンカリング強度（Ｂ_０/ｋ_１１）を得ることができる。弾性定数ｋ_１１が既知であれば、垂直配向界面におけるアンカリングエネルギーＢ_ｄの絶対値を定めることができる。
また、アンカリング強度の比についても、前記垂直配向界面におけるアンカリング強度（Ｂ_ｄ/ｋ_１１）及び水平配向界面におけるアンカリング強度（Ｂ_０/ｋ_１１）から求めることができる。以上が光学特性の測定原理であり、以下に実際の液晶材料の物性測定方法について説明する。

＜物性測定方法＞
−ハイブリッド配向液晶セルの作製−
前記ハイブリッド配向液晶セルとしては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、基板表面に対し略水平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を組み合わせた棒状ネマチックからなる液晶セルなどが挙げられる。前記略水平の角度範囲は、前記基板表面に対して０〜４０°、前記略垂直の角度範囲は、前記基板表面に対して９０〜５０°であり、該角度範囲になる液晶セルが好ましい。
前記基板としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、
無アルカリガラス板などの透明なガラス基板などが挙げられる。
前記液晶配向としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、配向膜により形成され、該配向膜は前記ガラス基板に塗布されて水平配向性を示すものや垂直配向性を示すものなどのように、異なる方向の液晶配向などが挙げられる。
前記配向膜は、必要に応じてラビングなどの配向処理及び焼成などの熱処理をする。前記配向膜としては、液晶材料を配向させることができるものであれば、特に制限はなく、公知の液晶用配向剤の中から目的に応じて適宜選択して形成することができる。

次に、前記配向膜の表面に所望するセル厚みに対応するサイズのギャップスペーサを散布する。ギャップスペーサとしては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、無アルカリガラスを使用した、日本電気ガラス（株）製マイクロ・ロットなどの市販品などが挙げられる。

次に、配向方向の異なる１対の前記ガラス基板の該配向膜塗布面を内側にして重ね合わせ、液晶材料の注入口を残して周囲を接着剤で封止しガラス基板積層体を形成する。前記接着剤としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、市販のエポキシ系接着剤などが挙げられる。前記接着剤が乾くまでの間は、前記ガラス基板積層体に圧力をかけて固定しておくことが望ましい。

前記乾燥が終了した後、前記液晶材料を前記注入口から真空注入する。前記真空注入方法としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、真空槽の中に、前記液晶材料を満たした皿状の容器の上方に、前記ガラス基板積層体の注入口が下（容器側）を向くように該ガラス基板積層体を配置し、必要なときに前記注入口を前記容器の中に浸すことができるようにしておく。そして、前記真空槽内を十分減圧した後、前記ガラス基板積層体を液晶容器の中に浸し、その後真空槽内の圧力を元に戻すことで、前記液晶材料が前記ガラス基板積層体内に注入される。前記注入が完了したら、前記注入口を接着剤で封止して前記液晶材料が充填された液晶セルが完成する。
図２に前記液晶セルの断面図を示す。図２に示すように、前記液晶セルは、ガラス基板１の表面に垂直に配向された垂直配向膜４を有する該ガラス基板１と、ガラス基板１ａの表面に水平に配向された水平配向膜２を有する該ガラス基板１ａと、液晶ダイレクタ３ａ、３ｂ、３ｃを含む液晶材料が、前記ガラス基板１と前記ガラス基板１ａとの間隙であるセル厚みｄのスペースに充填され封止されたハイブリッド配向液晶セルである。
前記液晶ダイレクタ３ｃは、垂直配向膜４の近傍においては、前記ガラス基板１に略垂直、即ち、該ガラス基板に対して９０〜５０°で配向され、前記ガラス基板１ａ方向に徐々に角度を変え、即ち、液晶ダイレクタ３のプレチルト角ψは、ψ_ｄ、ψ_ｘ、ψ_ｏの順に小さくなり、水平配向膜２の近傍においては、前記液晶ダイレクタ３ａは前記ガラス基板１ａに略水平、即ち、前記ガラス基板１ａに対して０〜４０°で配向されている。

−レターデーションの入射角特性の測定−
前記レターデーションの入射角特性の測定としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、図３に示す分光エリプソメトリ装置を使用して、前記液晶セルのレターデーションの入射角度依存性、即ち、前記液晶セルに入射する光の入射角に対応するレターデーションの値を測定することにより行われる。
図３に示すように、前記分光エリプソメトリ装置は、光源５と、該光源５から出射した光を受光する受光器１０の中間に、該光源５の側から、偏光子６、回転位相子７、被測定物を載置し、矢印方向にモータ制御により回転する回転台座８及び検光子９が順に配置されている。

前記入射角方向としては、前記液晶材料の光学特性を測定し得るもので、例えば、図４に示すように、ハイブリッド配向液晶セルの液晶ダイレクタ３ｃの長手方向であって、基板１の表面に垂直な方向を含む平面内の任意の方向が挙げられる。

被測定液晶セルを、前記回転台座８上に載置し、光源５からの光を、偏光子６、回転位相子７を通過させて該被測定液晶セルに入射し、該被測定液晶セルを通過させ、検光子９を通過させて受光器１０で受光させる。前記受光器１０で偏光解析により前記レターデーションＲｅが測定される。更に、回転台座８を回転させ、前記入射角を変えながら偏光解析により順次レターデーションを測定する。得られたデータから入射角θを横軸に、レターデーションＲｅを縦軸にしてプロットすると図５に示すようなレターデーション入射角特性の曲線が得られる。図５において、「□」は測定値を示し、「−」は計算値を示す。

―測定値と計算値の比較―
測定した前記レターデーションの入射角特性の測定値と、前記数式（６）から計算したレターデーションの入射角特性の計算値と比較する。
前記計算としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、弾性定数ｋを−０．５から＋０．５、ψ_ｄを５０°〜９０°、ψ_０を０°〜１０°の範囲で設定し、配向角度分布関数ψ_（ｘ）を計算する。この配向角度分布関数ψ_（ｘ）を一つづつ前記数式（６）に代入し、計算値を求め、入射角θ毎に該計算値と測定値との差分を取ることにより両者を比較する。

―パラメータセットの決定―
前記パラメータセットの決定は、前記差分を比較して、最も小さい値を好適なパラメータとして決定する。具体的には、前記差分の２乗和が最も小さくなるようにセル厚みｄを決定する。前記差分をｎとすると、２乗和は下記数式で表される。

全ての組み合わせについて、前記計算値と測定値との差分が最も小さい値を調べ、セル厚みｄ及び配向角度分布関数ψ_（ｘ）を与えるパラメータセットからｋ、ψ_ｄ、ψ_０、ｄ、Ｃの好適値を求めた。

―アンカリング強度―
前記アンカリング強度は、前記パラメータセットによる好適値を前記数式（８）及び（９）に代入して得られる。具体的には、垂直配向界面におけるアンカリング強度（Ｂ_ｄ/ｋ_１１）、及び水平配向界面におけるアンカリング強度（Ｂ_０/ｋ_１１）が得られる。
更に、前記垂直配向界面のアンカリング強度（Ｂ_ｄ/ｋ_１１）、及び前記水平配向界面のアンカリング強度（Ｂ_０/ｋ_１１）から、アンカリング強度の比も求めることができる。

以上、本発明の液晶材料の物性測定方法及び物性測定システムについて説明した。本発明は上記実施の形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変更しても差支えない。

以下、本発明の実施例について説明するが、本発明はこの実施例に何ら限定されるものではない。

（実施例１）
本実施例では、サンプルの作成方法、測定条件についての一例を詳細に示すとともに、この測定方法によって得られた測定値が信頼できるものであることの検証方法も示す。

＜液晶セルの作製＞
前記液晶セルに用いるガラス基板として、透明なガラス基板を切断して、大きさ１００ｍｍ×２５ｍｍのガラス基板を２個作製した。前記ガラス基板の各切断面を研磨処理した後、界面活性剤で処理し、超音波洗浄装置を用いて純水により洗浄処理した。１個のガラス基板面に水平配向材として、ポリイミド（ＪＳＲ製、ＡＬ１２５４）をスピンコート装置により塗布し、２００℃で、１時間焼成した後、ラビング処理を施して水平配向膜を有するガラス基板Ａを作製した。他の１個のガラス基板には垂直配向材として、ＪＳＲ製ＪＡＬＳ２０４をスピンコート装置により塗布し、２００℃で、１時間焼成して垂直配向膜を有するガラス基板Ｂを作製した。

前記液晶セルのシール材として、三井化学（株）製ＬＣストラクトボンドＸＮ２１Ｓを用い、該シール材に粒径７μｍのミクロパールを混合し、ディスペンス装置によりシール形成し、ラビング処理した水平配向膜を有するガラス基板Ａの短辺側だけに注入口パターンを設けた。なお、他の３辺には何も設けていない。前記ガラス基板Ａを８０℃で仮焼成した後、前記垂直配向膜を有するガラス基板Ｂを前記シール形成した前記ガラス基板Ａに重ね、重ねた前記ガラス基板Ａ及び前記ガラス基板Ｂのすべての辺を金属クリップで挟んで固定した状態で、１６０℃において、１時間焼成した。焼成後、前記シールを設けなかった３辺を市販の２液型エポキシ接着剤で隙間ができないように固着した。
更に、後の検証に用いるため、前記ガラス基板Ａ及び前記ガラス基板Ｂと同様の方法で、ガラス基板Ｄ及びガラスＥを作製し、両方ともラビング処理を施し、アンチパラレル配向になるように前記ガラス基板Ｄ及びガラス基板Ｅを重ねた液晶セルＦを作製した。

前記焼成した前記ガラス基板Ａ及び前記ガラス基板Ｂからなる液晶セルＣに、液晶を注入する前に前記液晶セルＣの長辺方向のギャップを４００〜７００ｎｍ波長の光学干渉法で計測したところ０．３〜５μｍの楔型分布であることが確認できた。

次に棒状ネマチック液晶材料を前記液晶セルＣに真空注入する。真空槽の中には、前記棒状ネマチック液晶材料を満たした皿状の容器が載置されており、その容器の上方に、前記液晶セルＣの注入口が下を向くように、該液晶セルＣをセットし、真空槽内を十分減圧した後、該液晶セルＣを前記容器の中に入れ、その後圧力を戻すことにより、前記棒状ネマチック液晶材料を前記液晶セルＣの内部に注入した。注入完了後に該液晶セルＣの注入口を市販のエポキシ接着剤で封止し、液晶セルを作製した。図６は、液晶セルＣに棒状ネマチック液晶材料を注入した状態の断面図を示している。

前記液晶セルをクロスニコル配置の２枚の偏光板間に配置し、配向方向に視角を傾けて目視観察を行ったところ、レターデーションＲｅによる色味の変化が前記液晶セルの基板の法線方向に対して、明らかに非対称であることから、前記液晶セルは、内部の棒状ネマチック液晶材料がハイブリッド配向状態になっているハイブリッド配向液晶セルであることが確認できた。

−レターデーションの入射角依存性の測定−
作成した前記ハイブリッド配向液晶セルのレターデーションの入射角依存性の測定には、分光エリプソメトリ装置（Ｍ−２０００、Ｊ．Ａ．Ｗｏｏｌｌａｍ社製製）を使用した。
前記分光エリプソメトリ装置における測定スポットの直径は、１ｍｍ、測定波長範囲は４００〜７００ｎｍを用いた。
図３に示す前記分光エリプソメトリ装置における回転台座８上に、前記ハイブリッド配向液晶セルのラビング配向が、回転台座８の回転面に対して水平になるように該ハイブリッド配向液晶セルを載置した。図４に示すように、測定光の入射角θが−４０°〜５０°の範囲で該回転台座８を回転させ、前記入射角θを５°ステップで変えながら偏光解析により順次レターデーションを測定した。
更に、楔型の前記ハイブリッド配向液晶セルにおける測定光を入射させる位置、即ち、測定ポイントをセル厚みが変化する方向（図６に示すラビング方向）に５ｍｍステップで移動し、各ステップ毎のレターデーションをそれぞれの入射角θについて測定した。図７は測定結果を表すグラフで、横軸は入射角、縦軸はレターデーションを表す。セル厚みｄは右縦軸に表わされている。各セル厚みｄに対して入射角θに対するレターデーション（ｎｍ）がプロットされており、前記ハイブリッド配向液晶セルのレターデーションの入射角特性を示している。

測定した前記レターデーションの入射角特性に前記数式（６）から計算したレターデーションの入射角特性の値と比較しフィッティングする。弾性定数ｋを−０．５から＋０．５、界面ｘ＝ｄにおける液晶ダイレクタプレチルト角ψ_ｄを５０°〜９０°、界面ｘ＝０における液晶ダイレクタプレチルト角ψ_０を０°〜１０°の範囲で、配向角度分布関数ψ_（ｘ）を計算する。この配向角度分布関数ψ_（ｘ）を一つづつ前記数式（６）に代入し計算値を求め、入射角θ毎に該計算値と測定値との差分を取り、その差分の２乗和が最も小さくなるようにセル厚みｄを決定する。前記差分をｎとすると、２乗和は下記数式で表される。

全ての組み合わせについて、前記計算値と測定値との差分が最も小さい値を調べ、セル厚みｄ及び配向角度分布関数ψ_（ｘ）を与えるパラメータセットからｋ、ψ_ｄ、ψ_０、ｄ、Ｃの好適値を求めた。

さらにその好適値を前記数式（８）及び（９）に代入して、水平及び垂直配向界面におけるアンカリング強度を得た。ここで、先に作製したアンチパラレル配向の前記液晶セルＦを使って配向容易軸角度ψ_ｅを測定したところ、ψ_ｅ＝０．９°であった。

このようにして得られたセル厚みｄにおけるプレチルト角ψ_ｄ、ψ_０の関係、弾性定数比ｋの関係、水平及び垂直配向界面におけるアンカリング強度の関係をそれぞれプロットすると図８〜図１２に示す結果が得られた。

図１０〜図１２に示すように、弾性定数比ｋ、垂直配向界面におけるアンカリング強度（Ｂ_ｄ/ｋ_１１）及び水平配向界面におけるアンカリング強度（Ｂ_０/ｋ_１１）は、セル厚みｄによらずほぼ一定であったことから、この結果の信頼性が検証できた。
以上のようにして弾性定数比ｋの値が０．０、垂直配向界面のアンカリング強度（Ｂ_ｄ/ｋ_１１）が１０ｘ１０^６／ｍ、水平配向界面のアンカリング強度（Ｂ_０/ｋ_１１）が３５ｘ１０^７／ｍであることが判った。
更に、前記垂直配向界面のアンカリング強度（Ｂ_ｄ/ｋ_１１）及び前記水平配向界面のアンカリング強度（Ｂ_０/ｋ_１１）から、アンカリング強度の比も求めることができる。

従来のような外場を印加する測定方法では、アンカリングエネルギーが弱い場合に弾性定数比は測定ができない。しかし、本発明の物性測定方法では、ハイブリッド配向液晶セルを用いており、入射角を少なくとも２以上測定することにより、最終的にアンカリング強度を求めることができる。そのため、アンカリングエネルギーがむしろ弱い場合において正確な測定が期待できる。更に、外場を印加する方法では、液晶材料が電場で有効な変形を起こすか否かを確認しなければならないうえ、液晶材料の誘電率異方性を考慮する必要がありパラメータが増加するが、本発明の方法ではパラメータは特定されたものから増加することはなく弾性定数比、アンカリング強度及びセル厚みが同時且つ一意的に決定でき、測定が簡便化、高精度化される。

本発明の液晶材料の物性測定方法及び物性測定システムは、液晶表示装置の液晶セルや光学補償シート等に用いられる液晶材料の物性（特に、弾性定数比及びアンカリング強度）の測定に好適に用いられる。

図１は、本発明による測定の流れを示す概略ブロック図である。 図２は、ハイブリッド配向液晶セルの液晶ダイレクタのプレチルト角モデルを示す。 図３は、レターデーション入射角特性の測定に使用した分光エリプソメトリ装置の概略を示す。 図４は、レターデーションの測定に使用したハイブリッド配向液晶セルに対する入射角θを表す断面図を示す。 図５は、レターデーションの入射角特性の測定値と計算値の一例を示す。 図６は、実施例で用いたサンプルのハイブリッド配向液晶セルの断面図示す。 図７は、サンプルのハイブリッド配向液晶セルのレターデーション入射角特性の測定結果を示す。 図８は、実施例で求めたセル厚みに対するプレチルト角の大きさを示す。 図９は、実施例で求めたセル厚みに対するプレチルト角の大きさを示す。 図１０は、実施例で求めたセル厚みに対する弾性定数比の大きさを示す。 図１１は、実施例で求めたセル厚みに対する垂直配向界面のアンカリング強度の大きさを示す。 図１２は、実施例で求めたセル厚みに対する水平配向界面のアンカリング強度の大きさを示す。

符号の説明

１ ガラス基板
１ａ ガラス基板
２ 水平配向膜
３ａ 液晶ダイレクタ
３ｂ 液晶ダイレクタ
３ｃ 液晶ダイレクタ
４ 垂直配向膜
５ 光源
６ 偏光子
７ 回転位相子
８ 回転台座
９ 検光子
１０ 受光器
１１ ハイブリッド配向液晶セル
１２ シール

Claims (8)

1. 基板表面に対し、略水平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ハイブリッド配向液晶セルの光学特性を、少なくとも３以上の入射角で測定することにより、弾性定数比とアンカリング強度とセル厚みとを求めることを特徴とする液晶材料の物性測定方法。
2. 測定した光学特性値とシミュレーション計算により求めた光学特性値とを比較し、前記光学特性値の差が最小になるパラメータを選択することより、液晶材料の弾性定数比とセル厚みと配向角度分布を同時に決定する請求項１に記載の液晶材料の物性測定方法。
3. パラメータが、液晶材料の弾性定数比とセル厚みと配向角度分布を含む請求項１から２のいずれかに記載の液晶材料の物性測定方法。
4. シミュレーション計算が、液晶材料の弾性定数比とセル厚みと配向角度分布とからなる組を少なくとも２組以上仮定し、前記配向角度分布と前記液晶材料の屈折率とから光学特性値を求め、該光学特性値と測定した光学特性値とを比較し、前記両光学特性値の差が最小となるよう１組の弾性定数比とセル厚みと配向角度分布とを同時に決定する請求項１から３のいずれかに記載の液晶材料の物性測定方法。
5. 液晶材料の弾性定数比及び配向角度分布から基板界面における前記液晶材料の配向角度を決定し、該配向角度に基づいてアンカリング強度及びアンカリング強度の比を決定する請求項１から４のいずれかに記載の液晶材料の物性測定方法。
6. 入射角方向が、ハイブリッド配向液晶セルの液晶ダイレクタの配向分布を含む平面に略平行で基板表面に垂直な方向を含む平面内にある請求項１から５のいずれかに記載の液晶材料の物性測定方法。
7. 光学特性が、レターデーションである請求項１から６のいずれかに記載の液晶材料の物性測定方法。
8. 請求項１から７のいずれかに記載の液晶材料の物性測定方法を含む、液晶材料の物性測定システム。
   

Images