JPH0480641A - 液晶セルおよび液晶の物性値測定方法とそれを用いた測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の目的〕 （産業上の利用分野） 本発明は液晶セルおよび液晶の物性値測定方法とこれを
用いた測定装置に係り、特に液晶セルの液晶層の光学位
相差、液晶層の厚みおよび液晶の複屈折率の測定方法と
これを用いた測定装置に関する。

（従来の技術） 液晶素子において、液晶セルの液晶層の光学位相差や液
晶層の厚みｄ　（セル厚）、液晶の複屈折率△ｎは重要
なパラメータである。例えば、スーパーツイスト形液晶
表示素子においては、これらのパラ−メータは表示色や
応答速度、配向の安定性等に密接に関係しており、より
高精度な測定法が求められている。また、これらの値を
正確に知ることはデバイスの設計・評価を行う上でも非
常に重要である。

従来、液晶セルのセル厚の測定には干渉法が用いられて
きた。例えば、スプリットビーム方式や光学方式による
セル厚測定器が市販されているが、これらはともに干渉
法によるセル厚測定器である。

しかし、干渉法によって測定されたセル厚は実際のセル
厚より大きくなるという報告（Ｋ、Ｈ，ＹａｎｇＪ　、
　Ａｐｐｌ、　Ｐｈｙｓ、　６４（９）、　４７８０（
１９８８））もあり、これらの測定器で測ったセル厚が
必ずしも真のセル厚を示しているとは限らない。すなわ
ち、一般に液晶セルは　１．Ｔ、０．・配向膜・カラー
フィルタなど多層膜からなっており、このため干渉が複
雑となり、正しいセル厚が求まらないという問題があっ
た。

さらに、現在市販されているセル厚測定器では液晶の配
向状態まで考慮して解析を行うようになっておらず、液
晶入りセルでの測定精度が低い。

その上、今後主流になって行くであろうカラーフィルタ
付きセルの測定も非常に困難である等の問題があった。

また、一般に液晶素子の液晶層の光学位相差はセル厚と
液晶の複屈折率の関数であり、通常はセル厚と液晶の複
屈折率から算出するため、セル厚と同様、正しい値を求
めることは困難だった。

（発明が解決しようとする課題） 従来の液晶セル厚測定法では正確な値を求めることが難
しく、また、　１．Ｔ、Ｏ，・配向膜・カラーフィルタ
などがあるためより一層正確さを欠くという問題が見ら
れた。さらに、液晶セルに液晶が封入されたときのセル
厚や、光学位相差等を正確に求めることができない問題
がある。

〔発明の構成〕

（課題を解決するための手段） 上述の課題を達成するために、本発明の液晶セルおよび
液晶の物性値測定方法は、 基板間に液晶組成物を挟持してなる液晶セルを第一およ
び第二の偏光子の間に配置したときの透過スペクトルと
、 この第一、第二の偏光子の少なくとも一方の偏光子の角
度を略９０度変えたときの透過スペクトルとを比較し、 前記液晶セルの液晶層の光学位相差、液晶層の厚みおよ
び前記液晶組成物の複屈折率を求めることを特徴として
いる。

また、本発明の測定装置は、上記記載の測定方法を用い
た測定装置である。

（作用） 一般に、液晶素子に対して垂直入射する波長λの光の透
過率Ｔ（λ）は、次式のように表される。

Ｔ（λ）＝ＴｐＴ”　Ｘ　Ｔｏ　Ｘ　ＴＬＣ（λ）＋２
ＴＰＴｘＴＰＡｘＴｏ×（１−ＴＬｃ（λ））＋　Ｔ　
ｐ７，２Ｘ　Ｔ　ｏ　Ｘ　Ｔ　ＬＣ（λ）ここで、ＴＰ
ＴおよびＴＰＡは偏光子の透過率であり、それぞれ Ｔｐｒ：偏光子の透過軸に平行な偏光成分に対する透過
率 ＴＰＡ：偏光子の吸収軸に平行な偏光成分に対する透過
率 である。

また、Ｔｏはガラス・１．Ｔ、○、・配向膜・カラーフ
ィルタなどの吸収および干渉の項、Ｔｔ、ｃ（λ）は理
想的な（理論計算で表される意）液晶素子の透過率であ
る。

偏光子の偏光度が十分高ければ。

ＴＰＡ＝０ であり、透過率Ｔ（λ）は Ｔ（λ）＝Ｔｐ７２ＸＴｏＸＴＬｃ（λ）となる。

一方の偏光子の角度が、例えばθのときの透過率Ｔ（θ
、λ）と、θ＋π／２のときの透過率Ｔ（θ十π／２．
λ）はそれぞれ。

Ｔ（θ、λ）＝ＴｐＴ２ＸＴｏＸＴＬｃ（θ、λ）Ｔ（
θ＋π／２．λ）”ＴＰＴ”ＸＴＯＸＴＬＣ（θ＋π／
２．λ）一方、理想的な液晶素子では、 ＴＬＣ（θ、λ）＝Ｉ　　ＴＬＣ（θ＋π／２．λ）が
成り立つから、 Ｔに（θ、λ）＝（［Ｔ（θ、λ）−Ｔ（θ十π／２．
λ）］／［Ｔ（θ、λ）十Ｔ（θ＋π／２．λ）］＋１
）／２ となる。

また、偏光度が高くない場合は、あらかじめ偏光子の直
交透過率（ＴＰＴ２＋　ＴＰＡ２）と平行透過率（２Ｔ
ＰＴＸ　ＴＰＡ）を測定しておくことにより、次式でＴ
Ｌｃ（θ、λ）を計算できる。

Ｔに（θ、λ）＝（［Ｔ（θ、λ）−Ｔ（θ十π／２．
λ）］／［２ＴｐＴｘ　ＴＰ＾ＴＰＴ’　ＴＰＡ２）＋
１）／２ よって、一方の偏光子の角度をπ／２ずらした２つの測
定結果より、理想的な液晶素子の、すなわち、　ガラス
・１．Ｔ、Ｏ，・配向膜・カラーフィルタなどの吸収お
よび干渉の影響が除かれた透過スペクトルが得られる。

これは液晶素子を構成するこれら多層膜の中で液晶層の
みが複屈折性を持つためである。

この様にして得られた透過スペクトルを解析することに
より、液晶セルの液晶層の光学位相差。

液晶層の厚み、液晶の複屈折率を精度良く求めることが
できる。

透過スペクトルとこれらの値との関係を表す理論式はい
くつか知られているが、例えば、通常のＴＮやＳＴ（ス
ーパーツイスト）のセルについて解析する場合は、計算
が簡単なライネス（Ｒａｙｎｅｓ）によって報告された
近似式（Ｅ　、　Ｐ　、　Ｒａｙｎｅｓ、　Ｍｏｌ。

Ｃｒｙｓｔ、　Ｌｉｑ、　Ｃｒｙｓｔ、　Ｌｅｔｔ、　
１０．２−４　（１９７４））をチルト角を考慮できる
ように拡張して用いても良い。ツイスト角φ、チルト角
θのＳＴ（あるいはＴＮ）セルの透過率Ｔは次式で与え
られる。

Ｔ　＝　（ｃｏｓ　１３　ｃｏｓ　（φ−Ｐｆ＋Ｐｒ）
　＋　（１＋　ａ２）−１／ｚ−ｓｉｎβ５ｉｎ（φ−
Ｆ’ｆ＋Ｐｒ））２＋ｃｔ２／（１＋α”）ｓｉｎ２β
ｃｏｓ２（φ−Ｐｆ−Ｐｒ）ここで、 α＝π−ｐ−ｄ／φλ β＝φ　・（１＋α２）！／２ ｐ＝η８・（１＋ω５ｉｎ２θ）−１７２ｎ０ω＝　（
ｎ　＠／　ｎ　ｏ）２１ λ：光の波長 ｄ：セル厚 ηｅ：異常光に対する液晶の屈折率 ｎ０：常光に対する液晶の屈折率 であり、また、角度の定義は次のとおりである。

すべての角度はリア基板のラビング方向２０を基準とし
て、反時計回りを正に定義しており、第２図において、
第１の偏光子角度Ｐｆはリア基板のラビング方向２０に
対して第１の偏光子の偏光軸２２のなす角度、第２の偏
光子角度Ｐｒはリア基板のラビング方向２０に対して第
２の偏光子の偏光軸２３のなす角度、ツイスト角φはリ
ア基板のラビング方向２０に対してフロント基板のラビ
ング方向２１のなす角度である。

この式では液晶層の実効的な光学相差はｐ−ｄであり、
透過率Ｔに含まれる他のパラメータはツイスト角や偏光
子角度であり容易に知ることができるので、ｐ−ｄは透
過率Ｔから求められる。また、複屈折率ｐかセル厚ｄの
一方が求められていれば、もう一方も求められることに
なる。ｐはチルト角の影響を含んだ実効的な複屈折率で
あり、チルト角θ＝Ｏ°ならばＰ＝△ｎ　（”ｎｅ　　
ｎｏ）となる。チルト角は配向膜の性質によって、はぼ
決定されることが多いので、あらかじめ用いる配向膜と
液晶とについて、チルト角を磁場印加法等で調べておけ
ば良い。

ここではＳＴ形液晶素子の例について説明したが、本発
明の測定方法は表示モードや解析法についてなんら限定
するものではなく、他の表示モードについても本発明の
測定方法に従って得られた透過スペクトルデータに対し
、それぞれの表示モードに適した解析を行えば良い。

（実施例） 以下、本発明の実施例を図面を用いて説明する。

第１図は本発明による測定装置の１実施例の概略図であ
る。測定試料１を支持する試料ステージ２の前後に第１
、第２の偏光子３，４が配置されており、さらにその外
側に光源５が、また、光源５の反対側に分光測定器６と
して例えばスペクトラスキャンＰＲ−７０２ＡＭ　（Ｐ
ＨＯＴＯＲＥＳＥＡＣＨ社製）が配置されており、光源
５からでた光は偏光子３．測定試料１、偏光子４を経て
、分光測定器６に入射する。第１．第２の偏光子３゜４
はそれぞれステッピングモータ１３．１４により回転す
るようになっており、コントローラボックス７がこれら
のステッピングモータを制御している。

また、これらの測定系の傍らにパーソナルコンピュータ
８としてＪ　−３１０００Ｘ　（東芝製）が設置してあ
り、コントローラボックス７および分光測定器６をＧＰ
ＩＢを介して制御している。パーソナルコンピュータ８
は測定モードになると、まずコントローラボックス７に
制御信号を送り、第１゜第２の偏光子３，４を指定の角
度に回転させる。

次に、パーソナルコンピュータ８は分光測定器６に制御
信号を送り、１回目の透過スペクトルの測定が開始され
る。透過スペクトルの測定が終了すると、分光測定器６
からパーソナルコンピュータ８へ１回目の透過スペクト
ルが送信される。次いで、パーソナルコンピュータ８は
再びコントローラボックス７に制御信号を送り、第２の
偏光子４を９０度回転させる。そして、パーソナルコン
ピュータ８は分光測定器６に制御信号を送り、２回目の
透過スペクトルの測定が開始される。分光測定器６から
パーソナルコンピュータ８へ２回目の透過スペ久トルが
送信されると引き続き、解析モートとなる。

解析モードでは、パーソナルコンピュータ８は２つの透
過スペクトルから作用の項で述べたように理想的な液晶
素子の透過スペクトルを計算し、グラフ化する。また、
パーソナルコンピュータ８にあらかじめ測定しておいた
屈折率の値を入力し、セル厚ｄをパラメータとしてライ
ネス（Ｒａｙｎｅｓ）の近似式による計算を行う。こう
して、計算値と上記の実測値の比較をしずれが最小とな
るときのセル厚ｄを求める。

第３図乃至第７図は、ＳＴ形液晶セルを測定試料１とし
て、実測の透過スペクトルとセル厚ｄを変えてライネス
（Ｒａｙｎｅｓ）の近似式により計算した透過スペクト
ルとを比較した例である。セル厚６．５１−としたとき
の計算結果が実測と最も良く一致しており、セル厚は６
．５１μｓと求められる。なお。

実線は実測であり、点線は計算結果である。

〔発明の効果〕

本発明は、液晶の複屈折性を利用することにより、液晶
入りセルの光学位相差やセル厚、液晶の複屈折率が正確
に得られる。また、本発明により、　ガラス・１．Ｔ、
Ｏ，・カラーフィルタなどの吸収および干渉に影響され
ず、複屈折位相差やセル厚の精度の良い測定が行える。

さらに、本発明は基板上にＴＰＴやＭＩＭ等のアクティ
ブ素子があっても適用でき、ＳＴ形液晶表示素子のみな
らず各種のモートの液晶素子に適用できることは言うま
でもない。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による測定装置の１実施例を示す概略図
、第２図は液晶セルのラビング方向と偏光子の角度の定
義を示す図、第３図乃至第７図はＳＴ形液晶セルについ
て実測の透過スペクトルとセル厚ｄを変えてシミュレー
ション計算した透過スペクトルとを比較した説明図であ
る。 １・測定試料　　　　２・・試料ステージ３・・第１の
偏光子　　４・・・第２の偏光子５３．光源　　　　　
　６・・・分光測定器７・・・コントローラボックス ８・・・パーソナルコンピュータ １３、１４・・・ステッピングモータ ２０・・・リア基板のラビング方向 ２１・・・フロント基板のラビング方向２２・・・第１
の偏光子の偏光軸 ２３・・・第２の偏光子の偏光軸 代理人　弁理士　則　近　憲　佑 同　　　　竹　花　喜久男 第 図 ・瑠す似← ）１１＠ｔ−

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）基板間に液晶組成物を挟持してなる液晶セルを第
   一および第二の偏光子の間に配置したときの透過スペク
   トルと、 この第一、第二の偏光子の少なくとも一方の偏光子の角
   度を略９０度変えたときの透過スペクトルとを比較し、 前記液晶セルの液晶層の光学位相差、液晶層の厚みおよ
   び前記液晶組成物の複屈折率を求めることを特徴とする
   液晶セルおよび液晶の物性値測定方法。
2. （２）請求項１記載の測定方法を用いた液晶セルおよび
   液晶の物性値測定装置。