JP4303075B2 - 液晶性材料の物性測定方法及び液晶性材料の物性測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、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性材料の物性（特に、弾性定数比及びアンカリングエネルギー）の測定方法、及び液晶性材料の物性測定装置に関する。

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。
前記液晶表示装置は、通常、液晶セルと偏光板とを備えている。該偏光板は、通常、保護膜と偏光膜とを有し、ポリビニルアルコールフィルムからなる偏光膜をヨウ素にて染色し、延伸を行い、その両面を保護膜にて積層して得られる。

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より生じる光学的性質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、液晶性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。該液晶性材料としては、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。

前記液晶性材料を用いた光学補償シートでは、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。光学異方性層における液晶性材料の配向状態は、上下界面におけるダイレクタの配向方向、即ち、チルト角、方位角、及びバルク中での液晶分子の配向状態の変化の様子で表すことができ、両界面でのアンカリングエネルギー、及び液晶性材料の弾性定数比がそれぞれの値を決定する因子である。アンカリングエネルギーは、液晶／配向膜界面における液晶のダイレクタの安定性（外力が加わった時にダイレクタ（即ち、プレチルト角）がどのくらい動きやすいか）を尺度として利用され、液晶の配向状態を決める因子（具体的にはプレチルト角）を計算により求める際に用いられる。

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ん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）などが報告されている。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、液晶の厚さ方向に電圧を印加させる手法が広く行われている。

これらの方法は、液晶性材料の電気及び磁気特性を利用した優れた測定方法であるが、少なくとも外場を与える手段が必要であり、予め、液晶性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を考慮しなければならない。このため、液晶性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性材料のように、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性材料の場合には、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、大掛かり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。

特開平６−２１４１１６号公報 特開平１０−１８６３５６号公報 Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌｓ，１９８８，Ｖｏｌ．３，ｐ３６９

本発明は、前記従来における諸問題を解決し、以下の目的を達成することを課題とする。即ち、本発明は、簡便かつ効率よく弾性定数比及びアンカリングエネルギーの測定が可能となる液晶性材料の物性測定方法、及び液晶性材料の物性測定装置を提供することを目的とする。

前記課題を解決するため、本発明者らが鋭意検討を行った結果、液晶性材料の弾性定数比及びアンカリングエネルギーを測定するには、液晶性材料の配向状態を変形させ（ネマチック液晶のダイレクタの方向（分布）を変化させ）てその配向状態を観察することが必要であり、従来の方法では平行配向セルに外場を与えて液晶性材料の変形を生じさせている。しかし、もともと液晶性材料が変形しているハイブリッド配向液晶セルを用い、厚みの異なる複数のセルを用いることで液晶性材料の状態を変化させて、その配向状態を詳細に観察すれば、外場を与えるという手段を用いなくても簡便に、液晶性材料における弾性定数比及びアンカリングエネルギーの測定が可能であることを知見した。

本発明は、本発明者らによる前記知見に基づくものであり、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＞ セルギャップの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における液晶性材料のプレチルト角、水平配向界面における液晶性材料のプレチルト角、及びセルギャップ値から、液晶の弾性連続体理論に基づいて、前記液晶性材料の弾性定数比を求めることを特徴とする液晶性材料の物性測定方法である。
＜２＞ セルギャップの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における液晶性材料のプレチルト角、水平配向界面における液晶性材料のプレチルト角、及びセルギャップ値から、液晶の弾性連続体理論に基づいて、前記界面におけるアンカリングエネルギーを求めることを特徴とする液晶性材料の物性測定方法である。
＜３＞ 液晶の弾性連続体理論に基づいて導き出された下記数式（１）及び（１’）のいずれかに前記液晶性材料のプレチルト角及びセルギャップ値を代入し、計算処理する前記＜１＞から＜２＞のいずれかに記載の液晶性材料の物性測定方法である。

ただし、前記数式（１）又は（１’）において、ψ（ａ）及びψ（ｂ）は、液晶セルの水平配向界面及び垂直配向界面におけるプレチルト角を表す。ψは、液晶セル中における液晶性材料のダイレクタのチルト角を表す。Ｄは、液晶セルのセルギャップ値を表す。κは、弾性定数比（Ｋ_１１／Ｋ_３３）−１を表す。Ｂ_ａは、液晶セル基板の水平配向界面におけるアンカリングエネルギー定数を表す。Ｂ_ｂは、液晶セル基板の垂直配向界面におけるアンカリングエネルギー定数を表す。
＜４＞ 液晶性材料のプレチルト角が、液晶セルにおける複屈折位相差Ｒｅの観察角度との関係を測定し、この関係に液晶の弾性連続体理論に基づいて導き出された複屈折位相差Ｒｅと観察角度の下記数式（１１）をフィッティングさせることにより算出する前記＜１＞から＜３＞のいずれかに記載の液晶性材料の物性測定方法である。

ただし、前記数式（１１）において、ｎ_ｅは、液晶の異常屈折率を表す。ｎ_０は、液晶の正常屈折率を表す。ｄ’は、液晶性材料層の光路長を表す。
＜５＞ セルギャップの異なる複数のハイブリッド配向液晶セルの代わりに楔形セルを用い、セルギャップの異なる２つ以上のプレチルト角を求める前記＜１＞から＜４＞のいずれかに記載の液晶性材料の物性測定方法である。
＜６＞ 前記＜１＞から＜５＞のいずれかに記載の液晶性材料の物性測定方法に用いられることを特徴とする液晶性材料の物性測定装置である。
＜７＞ 光源と、偏光子と、光の進行方向と液晶セルの基板平面とのなす角度を変化可能な試料台座と、検光子と、該検光子の透過強度を測定する受光器と、該透過強度に基づいて液晶セルの複屈折位相差Ｒｅを求め、該複屈折位相差Ｒｅ、液晶性材料の正常屈折率、異常屈折率、及びセルギャップ値から前記液晶性材料の弾性定数比及びアンカリングエネルギーを算出するデータ処理手段とを備えた前記＜６＞に記載の液晶性材料の物性測定装置である。

本発明によると、従来における諸問題を解決でき、セルギャップの異なる複数のハイブリッド配向液晶セルを用いることにより、外場を与えることなく液晶性材料を変形させることができ、液晶性材料の厚みが異なる複数の部位を測定することにより、大がかりな装置や事前に相当量の実験を行うことなく、簡便かつ効率よく、液晶性材料の弾性定数比及びアンカリングエネルギーの測定が可能となる。

（液晶性材料の物性測定方法及び液晶性材料の物性測定装置）
本発明の液晶性材料の物性測定方法は、セルギャップの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における液晶性材料のプレチルト角、水平配向界面における液晶性材料のプレチルト角、及びセルギャップ値から、液晶の弾性連続体理論に基づいて、前記液晶性材料の弾性定数比及び前記界面におけるアンカリングエネルギーを求めるものである。
本発明の液晶性材料の物性測定装置は、本発明の前記液晶性材料の物性測定方法に用いられる。
以下、本発明の液晶性材料の測定方法の説明を通じて、本発明の液晶性材料の測定装置の詳細も明らかにする。

前記液晶性材料の弾性は、ダイレクタ配向の変形によって記述される。固体に関する古典弾性理論と同様に、連続体として扱う液晶の弾性連続体理論に基づいて、液晶性材料の弾性エネルギー密度Ｆｇは、下記数式（２）によって求めることができる。

ただし、前記数式（２）中、Ｋ_１１、Ｋ_２２、及びＫ_３３は、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、液晶性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。

また、界面での表面自由エネルギーＦｓは、下記数式（３）で表される。

ただし、前記数式（３）において、ψ（ａ）及びψ（ｂ）は、変形によって生じる液晶層の両界面でのダイレクタのずれを表す角度である。Ｂ_ａ及びＢ_ｂは、両界面のアンカリングエネルギー定数を表す。

上記の結果から、例えば、ハイブリッド配向液晶セルにおけるトータルのエネルギーＧは、下記数式（４）から求めることができる。

従って、系が平衡状態にあるとき、前記数式（４）で表される自由エネルギーＧは最小となり、ψに関してオイラー−ラグランジェ方程式、及び界面でのトルクバランス方程式を用いることによって、下記数式（１）が導き出される。下記数式（１）は、一方の界面（界面ａ）においてトルクバランスを考慮した式としているが、他方の界面（界面ｂ）におけるトルクバランスを考慮しても構わない。その場合には、Ｂ_ａ、ψ_ａが、それぞれＢ_ｂ、ψ_ｂとして書き換えることができ、下記数式（１’）が導き出される。

ただし、前記数式（１）又は数式（１’）において、ψ（ａ）及びψ（ｂ）は、液晶セルの水平配向界面及び垂直配向界面におけるプレチルト角を表す。ψは、液晶セル中における液晶性材料のダイレクタのチルト角を表す。Ｄは、液晶セルのセルギャップ値を表す。κは、弾性定数比（Ｋ_１１／Ｋ_３３）−１を表す。Ｂ_ａは、液晶セル基板の水平配向界面におけるアンカリングエネルギー定数を表す。Ｂ_ｂは、液晶セル基板の垂直配向界面におけるアンカリングエネルギー定数を表す。
前記数式（１）又は数式（１’）の右辺は、いかなるセル厚のときでも一定の値を示すことを意味する。
従って、厚みの異なる複数のセルにて、界面チルト角を求めることにより、弾性定数比（Ｋ_１１／Ｋ_３３）を求めることが可能となる。

以下、本発明の液晶性材料の物性測定方法について操作の順を追って説明する。
−ハイブリッド配向液晶セルの作製−
ハイブリッド配向液晶セルに用いる配向膜としては、測定する液晶性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することができ、例えば、種々のポリイミド配向膜、ポリビニルアルコール、などが挙げられる。
ハイブリッド配向とさせるため、セル基板のそれぞれで異なるチルト角とする配向処理を行う必要がある。チルト角の変化が大きい方が測定誤差は少なくなるので、片方の基板には垂直配向膜、他方の基板には水平配向膜を施すことが好ましい。

−ハイブリッド配向液晶セルの厚みの測定−
ハイブリッド配向液晶セルの厚みの測定は、例えば、液晶性材料を液晶セルに注入する前の状態で、液晶パネルの上から光を当てて反射干渉光を測定することにより空気層の厚さを求め、その空気層の厚さを液晶層の厚さとして測定する方法がある。この場合、液晶を封入する前の空気層の厚さと封入後の液晶の厚さは厳密には一致しないため、液晶を注入した後にセルを等方相となる温度とし、前記反射干渉法を用いて測定した方が好ましい。
また、液晶を注入する際にセルの一部にわざと気泡が残るように工夫し、この気泡部分の厚さ測定を行うと、測定時と同じ温度での膜厚を求めることができるのでより好ましい。

−ハイブリッド配向液晶セルのプレチルト角の測定−
図１は、本発明の液晶性材料の物性測定装置の一例を示す模式図である。
この物性測定装置は、例えば、レーザー等の光源１、直線偏光を取り出す偏光子２、サンプルとなるハイブリッド配向液晶セル３、１／４波長板４、ハイブリッド液晶セル及び１／４波長板を透過した光から直線偏光を取り出す検光子５、受光器６、及びデータ処理装置７を有し、回転台座、恒温セルホルダー、必要に応じてその他の部材を有してなる。

前記ハイブリッド配向液晶セル３は、回転台座８に固定され、モーターＭで回転することにより入射角θを変えることができる。回転台座８上には温度を一定に保つようにヒーターなどで温度を制御できる恒温セルホルダー９が配置されている。
物性測定は、厚み（セルギャップ）の異なるハイブリッド配向液晶セル、又は楔形セルの厚みの異なる部位において、種々の入射角における測定を複数回行い、すべての測定データ（複屈折位相差Ｒｅ、液晶性材料の正常屈折率、異常屈折率、及びセルギャップ値）をデータ処理装置７に入力して行う。なお、データ処理装置７としては、制御プログラム、弾性定数比及びアンカリングエネルギーを算出するプログラム等を組み込んだパソコンなどが挙げられる。

図２は、回転台座８を角度θだけ傾斜（回転）させた状態の液晶性材料の物性測定装置を示す概略図である。この状態では、ハイブリッド配向液晶セル３への入射角はθとなる。この場合、図３に示すように、液晶性材料層１１の中を通過する光の傾きは、屈折によりαとなる。入射角θと光の傾きαとの関係は、空気の屈折率をｎ_１（＝１）、液晶性材料の屈折率をｎ_２とすると、スネルの法則により下記数式（５）となる。

前記液晶性材料は、複屈折性を有するので、その屈折率ｎ_２は、一義的に決められないので、液晶性材料の屈折率ｎ_２は、下記数式（６）から液晶の異常屈折率（ｅｘｔｒａｏｒｄｉｎａｒｙ ｉｎｄｅｘ）ｎ_ｅ、正常屈折率（ｏｒｄｉｎａｒｙ ｉｎｄｅｘ）ｎ_ｏの平均をとることで求める。

また、図３に示すように、液晶性材料層１１の光路長ｄ’は、液晶性材料層１１の厚さ（セルギャップ）ｄと下記数式（７）で表される関係を有する。

図４は、ハイブリッド配向液晶セル３の液晶性材料のチルト角の様子と、セル内を通過する光の関係を表した図である。ハイブリッド配向では、液晶性材料のチルト角は、図のようにばらつきを持ちながら連続的に変化した配向状態をとっており、本来、層としては結晶光学に基づいた光学計算ができるものではないが、計算の便宜上、ある微小領域を１つの屈折率楕円体があるかの如く仮定し、計算を行っている。図５は、ハイブリッド配向している液晶性材料層１１のある微小領域ｊ中を光が通過している状態を示す図である。微小領域における前記仮想の複屈折率楕円体のｎｐをｚ’軸で表し、光の進行方向をｚ軸で表している。ｚ′軸とｚ軸との角度はψｊである。
ただし、角度ψｊはｚ’軸とセル基板平面とのなす角をβｊとした時、ψｊ＝α＋βｊとなる角である。光の振幅がｘ軸方向にある光に対する、複屈折楕円体の屈折率ｎψは、下記数式（８）で表される。

一方、光の振幅の方向がｙ軸方向にある光の受ける屈折率は、該屈折率が楕円体の正常屈折率ｎ_ｏそのものである。正常光線と斜め異常光線との屈折率差Δｎｊは下記数式（９）で表すことができる。また、薄層を通過する際に生じるレターデーションＲｅは、下記数式（１０）で表すことができる。

従って、ハイブリッド配向液晶セルの全体を光が通過する際のレターデーションＲｅは、下記数式（１１）で表すことができる。

ただし、前記数式（１１）において、ｎ_ｅは、液晶の異常屈折率を表す。ｎ_０は、液晶の正常屈折率を表す。ｄ’は、液晶性材料層の光路長を表す。

−弾性定数比、及びアンカリングエネルギーの算出−
次いで、データ処理装置７においては、２段階のデータ処理を行う。まず、第一の段階のデータ処理では、それぞれのセルギャップにおけるレターデーションＲｅの角度依存性より、ハイブリッド配向液晶セルの両側界面におけるプレチルト角を計算する。第二の段階のデータ処理では、該第一の段階で得られたプレチルト角の値から液晶性材料の弾性定数比、及びアンカリングエネルギーを計算する。

前記第一段階のデータ処理においては、液晶性材料のｎ_ｅ、ｎ_ｏ、及びセルギャップ値を入力し、両界面のプレチルト角をパラメータとして、上記数式（１１）を用いてレターデーションＲｅの角度依存性を計算し、測定値にフィッティングさせることによって両界面でのプレチルト角を計算する。なお、前記レターデーションＲｅの測定値は、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、セナルモン法により検光子の回転角度から求めることができる。

前記第二段階のデータ処理においては、異なるセルギャップの測定において、それぞれ第一の段階で得られたプレチルト角を上記数式（１）又は上記数式（１’）の左辺に代入し、κの関数を得る。前述のとおり、同一の液晶性材料に関して（Ｂ_ａ／Ｋ_１１）又は（Ｂ_ｂ／Ｋ_１１）が一定であることから、いかなるセルギャップにおいてもあるκの値で同じ（Ｂ_ａ／Ｋ_１１）又は（Ｂ_ｂ／Ｋ_１１）となる。即ち、データ処理では、異なるセルギャップの測定から得られたκの関数の交点を求める計算処理を行う。例えば、異なるセルギャップの測定から得られたプレチルト角とセルギャップの値を上記数式（１）又は上記数式（１’）に代入し、κの値をパラメータとしてそれぞれ求められる（Ｂ_ａ／Ｋ_１１）又は（Ｂ_ｂ／Ｋ_１１）の差の総和が最小となるκの値を求める処理を行う。
最終的には、この交点におけるκの値から弾性定数比（Ｋ_３３／Ｋ_１１）を求めることができる。また、アンカリングエネルギーは（Ｂ_ａ／Ｋ_１１）又は（Ｂ_ｂ／Ｋ_１１）として求めることができ、Ｋ_１１の値が既知の場合にはＢ_ａ又はＢ_ｂそのものの値を導き出すことができる。

前記プレチルト角の算出時のデータ処理には、液晶分子の配向分布を決定するために弾性定数比が必要となる。したがって、まず、第一段階の計算処理として弾性定数比（Ｋ_１１／Ｋ_３３）を１として計算し、プレチルト角を求めた後、第二段階の計算処理を行う。第一段階の計算処理及び第二段階の計算処理を複数回帰させることで測定精度を上げることができる。

以上、本発明の液晶性材料の物性測定方法及び液晶性材料の物性測定装置について説明したが、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。例えば、前記光源は、白色光源とフィルタ、モノクロメータ、グレーティング、などを採用することができる。また、光の入射角を変えるためにモーターＭを用いているが、手動で回転させるようにしても良い。また、恒温セルホルダーの温度制御にはヒーターを用いているが、セルホルダー中に水、シリコーンオイルなどの媒体を通し、ブロックから離れた場所に加熱装置及び冷却装置の少なくともいずれかを用いても構わない。また、レターデーションＲｅの測定において、セナルモン法を用い、いわゆる透過型エリプソメトリーの構成を採用しているが、パラレル／クロスニコルにおける透過率から求める方法、光源として安定化横ゼーマンレーザーを用いた光ヘテロダイン干渉計を用いた方法としてもよい。

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）
−液晶セルの作製−
２枚の透明なガラス基板の片方の基板面にポリビニルアルコール（クラレ株式会社製、ＰＶＡ２０５）の５質量％水溶液をスピンコートにより塗設し、他方の基板面にポリイミド（ＪＳＲ製、ＪＡＬＳ２０４）をγ−ブチロラクトンで２倍に希釈した溶液をスピンコートにより塗設し、ガラス基板にチルト角の異なる配向膜を形成した。
得られた配向膜の表面にラビング処理を施した後、粒径４μｍのプラスチックスペーサを散布し、配向膜面同士を対向させて貼り合わせ、液晶セル１を作製した。同様に、粒径１０μｍ及び２０μｍのプラスチックスペーサを用いてギャップの異なる液晶セル２及び３を作製した。

次に、トリフェニレン母核のディスコティック液晶を含む混合材料を、等方相温度である２００℃で大気圧下にて注入し、液晶セルを作製した。この液晶セルをホットプレートで１４０℃に加熱し、偏光顕微鏡で液晶分子の配向状態の観察を行ったところ、ネマチック相を呈しており、かつラビング処理方向に均一に配向していた。引き続き、液晶セルの一部に混入した気泡の部分でセルギャップの測定を行った。ホットプレートに入れた状態のままで、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セル基板の法線方向に対して明らかに非対称となり、かつ暗くなった。

レターデーションＲｅの角度依存性の測定は、以下のようにして物性測定装置を光学定盤上に作製して行った。光源としては波長６３３ｎｍのＨｅ−Ｎｅレーザーを用い水平方向に出射させるようにした。光軸上に、グラムトムソンプリズム偏光子、試料設置部、１／４波長板、グラムトムソンプリズム検光子、及びフォトダイオードを順次設置した。試料設置部は水平面内で回転するモーター制御の回転台座とし、その上には光線が通るように覗き窓を開けた恒温セルホルダーを設置した。温度制御には電熱ヒーターを用いた。偏光子、１／４波長板、及び検光子は、光軸に垂直な面内で回転できるようにモーター制御の回転ホルダーに設置した。
それぞれのモーター及び恒温セルホルダーはパソコンに接続し、所望の温度下にて観察角度を変更しながら、一連の測定を行うように制御プログラムを作成した。レターデーションＲｅの測定にはセナルモン法を用い、必要に応じて１から４ゾーン測定ができるようにした。更に、このプログラムには、厚みの異なる試料の測定点数、及び前記試料の厚み、液晶性材料のｎ_ｅ、ｎ_ｏを入力することで、本発明に基づく計算処理を行って、弾性定数比、及びアンカリングエネルギーを算出するプログラムを組み込んだ。

この物性測定装置のセルホルダー内に作製した液晶セルを設置し、１４０℃に加熱して十分に時間をかけた後、測定を開始した。レターデーションＲｅの角度依存性は液晶セルの基板法線方向を０°とした時、−６０°〜＋６０°の範囲で６°おきに測定した。
３種類の液晶セル１〜３におけるＲｅの角度依存性のデータから、本発明の物性測定方法により計算処理を行った。具体的には、液晶性材料のｎ_ｏ、ｎ_ｐ、及びセルギャップの値を入力し、両界面のプレチルト角をパラメータとし、上記数式（１１）を用いてセルのレターデーションＲｅの角度依存性を計算から求め、測定値にフィッティングさせた。計算では、ハイブリッド配向したセルを厚み方向で１００の微小領域に分割したと仮定し、この微小領域でのチルト角と微小厚みをそれぞれ上記数式（１１）の得られたプレチルト角の値をψｊとｄ’ｊに代入した。得られたプレチルト角の値を表１に示す。

κの関数は、図６に示すグラフとなり、液晶セル１〜３から得られたグラフはほぼ１点で交わり、この交点でのκは−０．３２となる。従って、弾性定数比の値はＫ_３３／Ｋ_１１＝０．６８となった。水平配向界面におけるアンカリングエネルギーはＢａ／Ｋ_１１より４となった。
トリフェニレンを母核としたディスコティック液晶の弾性定数比を計算によって求めた文献（Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌｓ,１９８８,Ｖｏｌ.２５,Ｎｏ．３,ｐ４１１）では、弾性定数比の値はＫ_３３／Ｋ_１１＝０．６１であり、ほぼ一致することが認められた。

ここで、実施例１と同じ内容の実験を本発明の測定方法を用いないで行う場合、前述の文献のように磁場を印可する必要があり、事実上測定不可能である。また、磁場印可により測定する場合には、まず、液晶性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。また、ウィリアムスドメイン等の発生する場合、液晶性材料の精製をしなければならない。更に、液晶性材料の誘電率異方性を考慮する必要があり、例えば、ホメオトロピック配向セルとホモジニアス配向セルを作製し、液晶性材料が変形するかを確認しなければならない。更に、アンカリングが弱い場合にはこの手法では測定することが不可能である。

以上により、本発明の液晶性材料の物性測定方法では、従来の方法のような相当量の準備を必要とせず、最小限の測定装置により、液晶性材料の弾性定数及び界面でのアンカリングエネルギーを測定することができる。

本発明の液晶性材料の物性測定方法は、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性材料の物性（特に、弾性定数比及びアンカリングエネルギー）の測定に好適なものである。

図１は、本発明の一実施例に係る物性測定装置を示す概略ブロック図である。 図２は、回転台座を角度θだけ傾斜させた状態の物性測定装置を示す概略ブロック図である。 図３は、液晶セルへの光の入射角θと、液晶性材料中を通過する光の傾斜角αとの関係を説明するための図である。 図４は、ハイブリッド配向液晶セル３を液晶性材料のチルト角の様子、及び、セル内を通過する光の関係を表した図である。 図５は、液晶性材料のある微小領域ｊ中に注目したときの、仮想の屈折率楕円体の光軸とこれを通過する光の角度の関係を説明するための図である。 図６は、実施例における３種類のセルギャップの異なる液晶セルについてκの関数を計算した結果を示すグラフである。

符号の説明

１ 光源
２ 偏光子
３ ハイブリッド配向液晶セル
４ １／４波長板
５ 検光子
６ 受光器
７ データ処理装置
８ 回転台座
９ 恒温セルホルダー
１１ 液晶性材料層

Claims (7)

1. セルギャップの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における液晶性材料のプレチルト角、水平配向界面における液晶性材料のプレチルト角、及びセルギャップ値から、液晶の弾性連続体理論に基づいて、前記液晶性材料の弾性定数比を求めることを特徴とする液晶性材料の物性測定方法。
2. セルギャップの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における液晶性材料のプレチルト角、水平配向界面における液晶性材料のプレチルト角、及びセルギャップ値から、液晶の弾性連続体理論に基づいて、前記界面におけるアンカリングエネルギーを求めることを特徴とする液晶性材料の物性測定方法。
3. 液晶の弾性連続体理論に基づいて導き出された下記数式（１）及び（１’）のいずれかに前記液晶性材料のプレチルト角及びセルギャップ値を代入し、計算処理する請求項１から２のいずれかに記載の液晶性材料の物性測定方法。
   

   

   

   ただし、前記数式（１）又は（１’）において、ψ（ａ）及びψ（ｂ）は、液晶セルの水平配向界面及び垂直配向界面におけるプレチルト角を表す。ψは、液晶セル中における液晶性材料のダイレクタのチルト角を表す。Ｄは、液晶セルのセルギャップ値を表す。κは、弾性定数比（Ｋ_１１／Ｋ_３３）−１を表す。Ｂ_ａは、液晶セル基板の水平配向界面におけるアンカリングエネルギー定数を表す。Ｂ_ｂは、液晶セル基板の垂直配向界面におけるアンカリングエネルギー定数を表す。
4. 液晶性材料のプレチルト角が、液晶セルにおける複屈折位相差Ｒｅの観察角度との関係を測定し、この関係に液晶の弾性連続体理論に基づいて導き出された複屈折位相差Ｒｅと観察角度の下記数式（１１）をフィッティングさせることにより算出する請求項１から３のいずれかに記載の液晶性材料の物性測定方法。
   

   

   ただし、前記数式（１１）において、ｎ_ｅは、液晶の異常屈折率を表す。ｎ_０は、液晶の正常屈折率を表す。ｄ’は、液晶性材料層の光路長を表す。
5. セルギャップの異なる複数のハイブリッド配向液晶セルの代わりに楔形セルを用い、セルギャップの異なる２つ以上のプレチルト角を求める請求項１から４のいずれかに記載の液晶性材料の物性測定方法。
6. 請求項１から５のいずれかに記載の液晶性材料の物性測定方法に用いられることを特徴とする液晶性材料の物性測定装置。
7. 光源と、偏光子と、光の進行方向と液晶セルの基板平面とのなす角度を変化可能な試料台座と、検光子と、該検光子の透過強度を測定する受光器と、該透過強度に基づいて液晶セルの複屈折位相差Ｒｅを求め、該複屈折位相差Ｒｅ、液晶性材料の正常屈折率、異常屈折率、及びセルギャップ値から前記液晶性材料の弾性定数比及びアンカリングエネルギーを算出するデータ処理手段とを備えた請求項６に記載の液晶性材料の物性測定装置。
   

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