KR0158045B1 - 액정 셀의 갭 및 트위스트각을 측정하기 위한 방법 및 장치 - Google Patents

Abstract

편광자(3)과 검광자(4)와의 편광 투과축(3a, 4a)를 평행으로 설정하여, 액정셀(50)을 회전시켜 투과광(L4)의 광량이 최대(또는 최소)로 되는 위치로 유지한 후, 검광자 (4)[또는 편광자(3)]을 단계적으로 1회전시켜 순차 투과 광량의 측정을 행하고, 측정치를 처리하여 트위스트각과 셀 갭을 구한다. 간단한 조작으로 트위스트각과 셀 갭을 함께 구할 수 있다.

Description

액정 셀의 셀 갭 및 트위스트각을 측정하기 위한 방법 및 장치

제1도는 LCD 내의 액정 셀의 일반적인 구조예를 도시한 단면도.

제2도는 제1도의 액정 셀의 광학적 특성을 설명하는 모식도.

제3a도는 본 발명에 관한 광학계의 작용 원리를 도시한 모식도.

제3b도는 제3a도에 적용되는 존스(Jones) 행렬.

제4a도는 본 발명이 실시예 1에 관한 측정계의 설명도.

제4b도 내지 제4e도는 제4a도의 광학계의 작동 관계식.

제5도는 제4a도의 광학계에 의한 관측예.

제6도는 제5도의 관측 결과를 구속하는 직교 함수 다항식의 운용예.

제7도는 전개 계수 테이블화의 일례를 도시한 그래프.

제8도는 본 발명의 실시예 1에 관한 자동 측정 시스템의 구성도.

제9도는 제8도의 측정 시스템의 작동을 설명하는 흐름도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 광원 2 : 광 검출기

3 : 편광자 3b,4b,6a : 드라이브

4 : 검광자 6 : 회전 스테이지

7 : 현미경 시스템 8 : 전류 전압 변환기

9 : 전압계 10 : 콘솔

본 발명은 액정 셀의 측정 방법 및 측정 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 액정 셀의 「셀 갭」과 그곳에 충전된 액정의 「트위스트각」(이하, 간단하게 「트위스트각」으로 칭한다)을 측정하기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다.

문자, 영상등의 표시 장치는 통상 음극선관을 이용한 CRT(Cathode Ray Tube) 디스플레이와. 액정을 이용한 LCD(Liquid Crystal Display)로 대별되는데, 후자는 전자에 비하여 박형이고 소비 전력이 적고 또한 가격 설정면에서 유리한 것을 장점으로 하고 있다.

이렇게 때문에 경량성이나 저 소비 전력이 요구되는 이동체 통신 기기, 이동체 탑재 기기, 휴대용 데이타 프로세서, OA 기기, 측정기, 길이가 제한된 프로젝터, 또는 패밀리 컴퓨터, 퍼스널 컴퓨터 그 외의 각종 디스플레이에 LCD가 다용되고 있고, 멀티미디어 시대의 본격적인 도래에 있어서 그 용도의 장래성에 대해서는 더이상 말할 필요도 없다.

이러한 LCD는 다수의 화소 행렬로 이루어지고, 각 화소는 투명성 부재 사이에 액정을 충전한 구조를 갖기 때문에 「액정 셀」이라고 불린다.

이 액정 셀의 동작, 특히 그 구조와 광학적인 특성간의 관계를 파악해 두는 것의 중요성은 당업자가 한결같이 인정하는 바이고, 기존의 LCD 제품에 대하여 더욱 효과적인 품질 관리 방식을 확인하고, 또는 제품의 개량을 진행시키고, 또는 신제품의 연구 개발을 행하는데 있어서 불가피한 작업이라고 말할 수 있다.

다음에 액정 셀의 일반적인 구조 및 광학적 특성에 대하여 설명한다.

제1도는 범용의 액티브 매트릭스(Active matrix)형 TFT(Thin-Film Transisitor) LCD의 표시 패널 주요부 단면도로서, 액정 셀의 구조를 예시하고 있다.

액정 셀(50)은 예를 들면, 하측 글래스 기판(51a)의 상면에 화소간 공통의 용량 전극인 하측 투명 전극(51b)를 형성한 하측 투광 부재(51)과, 상측 글래스 기판(52a)의 하측면에 화소별 대향 전극으로서의 상측 투광 전극(52b)를 형성한 상측 투광 부재(52)를 준비하고, 그 내면에 각각 배향막(alignment layer)(51c, 52c)를 도포하여 러빙(rubbing) 처리를 시행한 후, 적당한 스페이서(53, 54)를 사이에 두고 상하의 투광 부재(51, 52)를 서로 이간 대향시키고, 그 사이에 액정(Lc)를 충전하는 구조로 되어 있다.

상하 배향막(51c, 52c)의 대향면간의 거리(d)를 「셀 갭(cell gap thickness)」으로 칭하고, 통상 약 10㎛ 이하의 치수로 설정된다. 셀 갭(d)은 실질적으로 그곳에 충전된 액정(Lc)의 두께 치수와 같다.

제2도는 상기 액정 셀(50)의 광학적 특성을 설명하기 위한 모식도이다.

액정(Lc)는 비교적 긴 유기 고분자 Mj(j=식별 번호)로 이루어진다. 이들 액정 분자(Mj)는 그 주 사슬(主鎖: Cj)이 하측 배향막(51c)와의 계면 영역(j=1인 경우)에서는 하측 배향막(51c)의 러빙 방향(R1)으로 정열하고, 상측 배향막(52c)과의 계면 영역(j=2인 경우)에서는 상측 배향막(52c)의 러빙 방향(R2)을 정렬하는 것이 알려져 있다. 상하의 계면 영역 사이에 위치하는 액정 분자의 주 사슬[Cj(j≠1,2)]는 하측 배향막(51c)으로부터 멀어짐에 따라서 R1 방향에서 R2 방향으로 순차 탄성적으로 비틀린 방향을 향한다.

따라서, 액정 셀(50)의 두께 방향(55)를 Z축으로 하는 r-θ-z 극좌표계를 상정하고, 그 θ=0°인 좌표면에 대한 각 러빙 방향(R1, R2)의 방위각을 주된 값(θ₁, θ₂)으로 표시하면, 상측 계면 영역에 위치하는 액정 분자(M₂)의 주 사슬(C2)의 배향 방향(Φ_A)는 Φ_A=θ₂±180P(P: 변역이 LCD에 의존하는 상수)가 되고, 하측 계면 영역에 위치하는 액정 분자(M1)의 주 사슬(C1)의 배향 방향(Φ_B)는 Φ_B=θ₂±180q(q: 변역이 LCD에 의존하는 상수)가 된다.

이들 배향 방향(Φ_{A ,}Φ_B)간의 차 Θ=Φ_A-Φ_B=(θ₂-θ₁)±180r(r: 변역이 LCD에 의존하는 정수)을 액정(Lc)의 「트위스트각(twist angle)」이라고 칭한다. 이 트위스트각 Θ가 90°가 되도록 설정된 LCD를 TN(Twisted Nematic)형, 180°이상이 되도록 설정된 LCD를 STN(Super-Twisted Nematic)형으로 칭하고 있다.

또한 일반적으로 액정은 그 입사광을 상광선(常光腺: Ordinary ray)과 이상 광선(extraodinary ray)로 분리되는 복굴절성을 나타내는 것이 알려져 있다. 이 액정의 광학적 이방성은 「굴절률 이방성」이라 불리고, 상광선에 대한 굴절률(n₀)와 이상 광선에 대한 굴절률(n_e)과의 차 △n=n_e-n₀를 이용하여 표시된다.

이와 같은 액정 셀(50)을 갖는 LCD의 광학적 특성은 통상 액정 셀(50)의 셀 갭(d)와 그곳에 충전된 액정(Lc)의 굴절률 이방성(△n)과 트위스트각(Θ)의 3개의 파라메터를 알면 거의 파악할 수 있다.

이들 3개의 파라메터 중, 굴절률 이방성(△n)은 액정(Lc)의 물성값으로서, LCD에 사용되는 액정 재료로 특정할 수 있다.

그러나, 셀 갭(d)와 트위스트각(Θ)는 LCD의 제작 조건에 의존하고 있고, 각 제품에 대하여 측정을 해 볼 필요가 있다.

그래서, 액정 셀의 셀 갭 및/또는 트위스트각을 측정하기 위한 방법이 종래부터 제안되어 있다.

예를 들면, 특개평 4-307312호 공보(Japanese Patent Application Laid-Open Publication No. 4-307312)에는 액정 셀의 갭 두께 측정 방법이 도시되어 있다.

이 측정 방법은 광원과 광 검출기와의 사이에 편광자와 검광자를 설치하고, 이들 편광자와 검광자 사이에 액정 셀을 끼우고, 편광자의 편광 투과축을 액정 셀의 광 입사면측에서의 액정 배향 방향으로부터 45°경사짐과 동시에, 검광자의 편광 투과축을 액정 셀의 광 출사면측에서 액정 방향으로부터 45°경사진 설비를 이용하여 행하는 것으로, 먼저 편광자에 입사하는 광의 파장을 변화시키면서 검광자를 투과하는 광의 강도를 검출하고, 다음에 그 검출값으로부터 복 굴절 위상차(d△n)을 구하는 연산을 행하고, 이 연산 결과를 이미 알려져 있는 굴절률 이방성(△n)과 비교함으로써, 액정의 막 두께 즉 셀 갭을 얻고 있다.

따라서, 이 종래 방법에 의하면, 액정 셀의 광 입사면측 및 광 출사면측에서의 액정 분자의 배향 방향을 별도로 측정하여 둘 필요가 있고, 또한 그 결과에 의거하여 트위스트각을 또 산정하지 않으면 안된다. 그러나, 액정 분자의 배향 방향을 정확하게 측정하는 일은 용이하지 않다.

이점에 대해서는 IBM Research Division의 A. Lien et al. 에 의한 논문 Simultaneous Measurement of Twist Angle and Cell Gap of a Twisted Nematic Cell by an Optical Method, IDRC '91, pp. 192-194에서는 액정 셀의 셀 갭과 트위스트각을 동시에 측정하는 방법이 제안되어 있다.

이 측정 방법은 광원(light source)와 광 검출기(detector)와의 사이에 편광자(entrance polarizer)와 검광자(exit polarizer)를 설치하고, 이들 편광자와 검광자와의 사이에 액정 셀과 위상 보상판(Berek compensator)를 끼우고, 먼저 편광자와 검광자와의 사이의 편광 투과축의 각도차를 90°로 설정한 상태에서 액정 셀의 입사 배향막의 근사 방위를 육안으로 가설정함과 동시에, 이것에 포함시켜 위상 보상판의 초기 위상을 정하고, 다음에 위상 보상판을 조금씩 회전시켜 투과 광 강도가 최소가 되는 각도 위치에서의 지시값을 읽어들이고, 액정 셀의 입사 배향막의 방위가 편광자와 검광자의 편광 투과축간의 각도차를 2등분할 때의 트위스트각의 탄젠트(tangent)가 상기 지시값에 관계하고 있는 것을 이용하여 트위스트각과 셀 갭의 근사치를 구하고, 그 결과에 의거하여 액정 셀 입사 배향막의 방위를 재 근사하고, 이상을 반복하여 최종적인 값을 얻도록 하고 있다.

이런 종래 방법에 의하면, 트위스트각과 갭을 함께 구할 수 있지만 위상 보상판을 필요로 하고, 그 조작에 수고가 들뿐만 아니라, 액정의 정 위치를 산출하기 까지 점근 조작을 반복할 필요가 있어서, 작업 효율적인 면에서 어려움이 있다. 또한 위상 보상판을 이용한 조작을 자동화하기 위한 수단이 나타나 있지 않다.

본 발명은 이상의 점을 감안하여 이루어진 것으로, 그 목적으로 하는 바는 위상 보상판을 이용하는 일 없이 액정 셀의 셀 갭과 트위스트각을 함께 측정하는 것이 가능함에 따라 조작에 요하는 수고가 비교적 적고, 또한 자동화가 비교적 용이한 액정 셀의 갭 및 트위스트각을 측정하기 위한 방법 및 장치를 제공하는데 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 의하면, 광원과 광량 검출 수단과의 사이에 편광자와 검광자를 설치하고, 이들 편광자와 검광자 사이에 액정 셀을 끼우고, 상기 편광자의 편광 투과축과 상기 검광자의 편광 투과속과의 상대 위치를 정하고, 상기 액정 셀을 회전시키고, 상기 광량 검출 수단이 수광하는 투과 광량이 최대 또는 최소가 되는 회전 각도로 이 액정 셀을 유지한 후, 상기 편광자 또는 상기 검광자를 회전시켜, 이 편광자 또는 검광자의 회전 위치와 이 회전 위치에 대응하여 상기 광량 검출 수단이 수광하는 투과 광량간의 사이의 관계로부터 상기 액정 셀의 셀 갭과 트위스트각을 구하는 액정 셀의 셀 갭 및 트위스트각을 측정하기 위한 방법이 제공된다.

본 발명에 의하면, 광원으로부터 출사된 광이 편광자를 투과하여, 그 편광 투과축 방향으로 편광하고, 이 편광이 액정 셀에 입사한다. 이 입사광은 액정 셀의 굴절율 이방성, 셀 갭, 트위스트각 및 광 입사면측의 액정 분자 배향 방향을 따라서 광량이 감쇠함과 동시에 편광 방향이 선회하고, 이 감쇠·선회된 광 즉 선광이 검광자로 출사되고, 그 중 검광자의 편광 투과축 방향의 성분이 검광자를 투과하여 그것에 대응되는 광량이 광량 검출 수단에서 검출된다.

이 광학계의 관측측 가변 파라메터는 편광자의 회전 위치와 검광자의 회전 위치와 액정 셀의 회전 각도와의 3개이고, 피측측(被測測) 미지 파라메터는 액정 셀의 셀 갭, 트위스트각 및 광 입사면측의 액정 분자 배향 방향의 3개이다.

그러나, 검출 광량이 최대 또는 최소가 되는 회전 각도로 액정 셀을 유지했을 때의 상태가 관측 가능한 초기 조건이 되고, 그 초기치에 편광자 또는 검광자의 회전 위치와 액정 셀의 회전 각도와 액정 분자 배향 방향과의 기여분이 포함된다.

그 후에는 외견상, 관측계가 자유도 1, 피측계가 자유도 2가 되지만, 이 피측계의 셀 갭과 트위스트각과는 초기 조건을 매개 파라메터로하는 공지의 관계식, 예를 들면 존스 행렬에 의해 서로 구속되고 그 결과, 관측계·피측계 모두 자유도 1이 되어, 그 관계가 관측 가능하기 때문에, 셀 갭과 트위스트각을 일방적으로 특정할 수 있다. 이 작용은 LCD가 TN형 이어도, STN형 이어도 같다.

따라서, 본 발명에 의하면, 위상 보상판을 이용하는 일 없이 액정 셀의 셀 갭과 트위스트각을 함께 측정 가능함에 따라 조작에 필요한 수고가 비교적 적게 완료된다.

상기 편광자의 편광 투과축과 상기 검광자의 편광 투과축과의 상대 위치는 바람직하게는 0°또는 90°의 각도차로 설정한다.

상기 편광자 또는 검광자의 회전 위치와 이 회전 위치에 대응하여 상기 광량 검출 수단이 수광하는 투과 광량과의 관계는 바람직하게는 상기 회전 위치를 변수로 하여 상호 직교하는 함수족의 다항식으로 전개하고, 이 다항식의 전계 계수를 상기 셀 갭 및 상기 트위스트각을 변수로 하는 함수로 이루어지는 인자군으로 구성한다.

상기 회전 위치를 변수로 하여 상호 직교하는 함수족 사인 함수 및 코사인 함수로 구성하고, 상기 셀 갭 및 상기 트위스트각을 변수로 하는 함수로 하는 인자군을 제1, 제2 및 제3인자로 구성하고, 상기 다항식을 상기 사인 함수와 상기 제1인자와의 곱으로 이루어지는 제1항과, 상기 코사인 함수와 상기 제2인자와의 곱으로 이루어지는 제2항과, 상기 제3인자로 이루어지는 상수항으로 구성하여도 된다.

상기 제1인자와 상기 제3인자와의 비의 값과 상기 제2인자와 상기 제3인자와의 비의 값과의 적어도 한쪽과, 상기 셀 갭 및 상기 트위스트각의 변수값 간의 관계를 다변량 데이타로서 축적하여도 된다.

또한, 상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 의하면, 광원과, 광량 검출 수단과, 상기 광원과 상기 광량 검출 수단과의 사이에 회전 가능하게 설치된 편광자 및 검광자와, 상기 편광자와 상기 검광자와의 사이에 액정 셀을 회전 가능하게 유지하는 수단과, 상기 편광자의 편광 투과축과 상기 검광자의 편광 투과축과의 상대 위치를 정하여, 상기 액정 셀을 회전시켜 상기 광량 검출 수단이 수광하는 투과 광량이 최대 또는 최소가 되는 회전 각도로 이 액정 셀을 유지한 후, 상기 편광자 또는 상기 검광자를 회전시켜, 이 편광자 또는 검광자의 회전 위치와 이 회전 위치에 대응하여 상기 광량 검출 수단이 수광하는 투과 광량간의 관계로부터 상기 액정 셀의 셀 갭과 트위스트각을 구하는 제어·연산 수단으로 이루어지는 액정 셀의 셀 갭 및 트위스트각을 측정하기 위한 장치가 제공된다.

또한, 상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 의하면, (1) 서로 편광각이 소정 각도를 이루도록 설정된 편광자와 검광자와의 사이에 피험물인 액정 셀을 배치하고, 이 액정 셀을 회전시켜 투과 광량의 최대 또는 최소가 되는 각도로 고정하는 단계와, (2) 편광자 또는 검광자를 회전시켜 투과 광량을 측정하고, 그 회전각과 그 회전각에 대응하는 투과 광량과의 관계로부터 피험물인 액정 셀의 트위스트각과 셀 갭을 동시에 결정하는 단계를 포함하는 트위스트각 및 셀 갭의 측정 방법이 제공된다.

상기 제(1)단계에서의 소정 각도는 바람직하게는 0°또는 90°이다.

상기 (2)의 단계에서는 편광자 또는 검광자의 회전각을 y로 할 때, 바람직하게는 투과광의 회전각에 의존하지 않는 성분을 To, cos2y에서 변화하는 성분을 Tc, sin2y에서 변화하는 성분을 Ts로 하여, Tc/To 와 Ts/To 를 구하고, 이것에 의거하여 트위스트각 및 셀 갭을 결정한다.

그때, 트위스트각 및 셀 갭을 파라메터로 하여 연산에 의해 Tc/To 및 Ts/To 를 구하여 두고, 상기 제(2)단계에서 측정 결과에 의한 Tc/To 및 Ts/To 와 계산에 의한 Tc/To 및 Ts/To 를 비교하고, 그것에 의거하여 트위스트각 및 셀 갭을 결정하도록 하여도 된다.

이상으로 설명한 본 발명의 특징, 작용 및 효과는 다음에 행해지는 본 발명의 바람직한 실시예의 설명을 읽음으로써 한층 명확해질 것이다. 이 바람직한 실시예의 설명은 첨부 도면을 참조하여 행한다.

이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예의 상세한 설명을 행한다. 동일한 부재에는 동일 참조 부호를 이용하여 설명을 간략화하였다.

제3a도는 본 발명에 관한 광학계의 작용 원리를 도시한 모식도이다.

제3a도의 광학계는 광원(1)과, 광 검출기(2)와, 그 사이에 설치되고, 광원의 광 출구(1a)와 광 검출기(2)의 입광구(2a)를 잇는 광축(Ao)의 주위에 회전이 자유로운 편광자(3) 및 검광자(4)와, 이들 편광자(3) 및 검광자(4) 사이에 끼운 광축(Ao)의 주위에 회전이 자유로운 액정 셀(50)으로 이루어진다.

이 광학계 내의 각 점은 광축(Ao)에 평행한 Z축과, 이 Z축에 수직한 X축 및 Y축으로 이루어지는 직교 좌표계로 정의된다.

X축의 정방향을 0°로 했을 때, 편광자(3)은 방위각 0°인 편광 투과축(3a)를 갖고, 검광자(4)는 방위각(y°)의 편광 투과축(4a)를 갖는다. 액정 셀(50)의 광 입사면측 배향막(51c)는 방위각(X°)의 방향으로 러빙되고, 광 출사면측 배향막(52c)는 방위각(x+θ)°의 방향으로 러빙되어 있다. 즉, 배향막(51c)의 러빙 방향(R1)과 배향막(52c)의 러빙 방향(R2)와는 트위스트각 Θ=θ±180r의 주된값 θ분 만큼 위상이 어긋나있다.

광원(1)은 단색광(L1)을 출사하고, 이 단색광(L1)은 전자파로서 고려되었을 때, X축 방향의 편광 성분(Ex)와 Y축 방향의 편광 성분(Ey)로 이루어지는 벡터 E=(Ex, Ey)로 표시되는 편광 상태를 갖고, 광(L1)의 광도 즉 광량은 통상 벡터 E의 절대값의 제곱 IEI²= IExI²+IEyI²으로 평가된다.

광원(1)로부터 출사된 광(L1)은 편광자(3)을 투과하고, 그 편광 투과축(3a)의 방향으로 편광하여, 이 편광(L2)이 액정 셀(50)에 입사한다. 이 입사광(L2)는 액정 셀(50)의 굴절율 이방성(△n), 셀 갭(d), 트위스트각(Θ) 및 광 입사면측에서의 액정(Lc)의 분자 배향 방향(R1)[또는 광 출사면측에서의 액정(Lc)의 분자 배향 방향(R₂)]에 따라서, 편광 방향이 선회하고, 이 편광(L3)이 검광자(4)로 출사되고, 그중 검광자(4)의 편광 투과축(4a) 방향의 성분이 투과광(L4)으로서 광 검출기(2)로 입사하고, 그것에 대응되는 광량 IE'I²= IEx'I²+IEy'I²이 광 검출기(23)에서 검출된다.

제3b도는 제3a도의 광학계를 Jones 행렬로 기술한 것이다.

Jones 행렬은 광의 편광 상태의 변화를 벡터 표시한 것으로, 식(1) 중, 행렬 ①이 검출기(2)로의 입사광(L4)를 나타내고, 행렬 ⑨가 광원(1)으로부터의 출사광(L1)을 나타낸다. 행렬 ⑧이 편광자(3)에 상당하고, 행렬 ⑤⑥⑦이 액정 셀(50)에 상당하고, 행렬 ②③④가 검광자(4)에 상당한다.

행렬 ⑥중의 요소(a, b)는 식(2)∼(4)에서 공급되는 복소수 값으로 이루어지고, 요소(a', b')는 식(5), (6)에서 알 수 있듯이 요소(a, b)의 공액 복소수로 되어 있다. 식(4) 중의 λ는 입사광(L2)의 파장을 나타낸다.

제4a도는 본 발명의 실시예 1에 관한 측정 방법을 실시하기 위한 측정계의 설명도, 제4b도 내지 제4e도는 제4a도의 광학계의 작동 관계식이다.

제4a도의 측정계는 광원(1)과, 광 검출기(2)와, 그 사이에 설치되고, 광축(Ao)의 주위에 회전이 자유로운 편광자(3) 및 검광자(4)와, 이들 편광자(3) 및 검광자(4) 사이에 끼워지고 X-Y 면을 따라서 병진(displacement)이 자유롭고 또한 Z축 주위에 회전이 자유로운 회전 스테이지(6)을 갖고, 또한 편광자(3)을 회전시키는 드라이브(3b)와, 검광자(4)를 회전시키는 드라이브(4b)와, 회전 스테이지(6)을 병진·회동시키는 드라이브(6a)와, 회전 스테이지(6)에 부설된 현미경 시스템(7)과 검출기(2)의 검출 광량에 대응되는 검출 전류(Id)를 전압(Vd)로 변환하는 전류 전압 변환기(8)과, 이 전압(Vd)를 표시하는 전압계(9)와, 이상의 측정계를 감시·제어하는 콘솔(10)을 구비하고 있고, 회전 스테이지(6)에는 LCD가 지지되고, 그 임의의 액정 셀(50)이 광축(Ao)에 대하여 심출(心出)되고 있다.

제4a도의 측정계에서의 광학계를 제3a도의 광학계와 동일한 원리로 동작하고, 따라서 검출기(2)에 입사하는 투과광(L4)의 강도(T)는 식(7)과 식(1)으로부터, 식(8)∼(11)로서 구할 수 있다.

상기 측정계의 조작을 설명한다.

먼저, 회전 스테이지(6)을 계 밖으로 회피시키고, 편광자(3)의 편광 투과축(3a)를 방위각 0°로 고정하고, 검광자(4)의 편광 투과축(4a)를 방위각 y°로 설정한다. 본 예에서는 편의상, 이 방위각을 y=0 [즉 편광자(3)과 검광자(4)가 평행] 으로 하지만, y의 값은 임으로 설정 가능하다. 단 작업성 및 계산 처리상으로 y=0 또는 y=90 인 것이 바람직하다.

다음에, 회전 스테이지(6)을 계 내로 되돌리고, LCD의 액정 셀(50)을 광축(Ao)에 대하여 심출한다.

그리고, 스테이지(6)의 회동에 의해 액정 셀(50; 방위각 x)를 회전시켜 전압계(9)의 읽기가 최대가 되는 방위각 Xmax 또는 최소로 되는 방위각 Xmin에서 정지하여, 그 위치를 유지한다.

그 지지 위치 x가 Xmax 일 때는 식(8) 내지 식(12)가 성립하고, Xmin 일 때는 식(13)이 성립한다.

본 예에서는 액정 셀(50)의 지지 위치를 X=Xmax으로 하지만, X=Xmin에서도 조작상 실질적인 차이는 없다.

계속하여, 검광자(4)(방위각 y°)를 회전시키면서, 투과 광량(T)를 전압계(9)로 측정한다. 이 때의 투과 광량(T)은 식(8)과 식(12) 내지 식(14)로 표시되며, 그 우변을 정리하면, 식(15)∼(17)로부터 식(18)이 된다.

이 식(18)에서 알 수 있듯이, 투과 광량(T)는 검광자(4)의 회전 위치(y)를 변수로 하여 서로 직교하는 (∫FiFj=0; i≠j) 삼각 함수족(sin, cos)의 다항식(18)로 이루어지고, 이 다항식(18)의 전개 계수(To, Tc, Ts)를 나타내는 식(19)∼(21)은 식(4), 식(9)∼(11)에서 알 수 있듯이 셀 갭(d) 및 트위스트각(Θ)을 변수로 하는 함수로 이루어지는 인자군으로 구성된다. 따라서, y에 대하여 전주(全周) 적분을 행함으로써, 전걔 계수(To, Tc, Ts)를 분리할 수 있고, 인자군의 변수에 관하여 풀수 있다. 이 점, 다항식(18)을 다른 다항식 또는 급수로 전개하고 그 직교성을 이용하여 계수 분리를 행하는데 지장은 없다.

본 예의 경우, 투광량[T; 식(18)]이 상수항과, 코사인 함수(cos 2y)에 따라서 변화하는 항과, 사인 함수(sin 2y)에 따라서 변화하는 항으로 전개되고 있고, 그 전개 개수 To[식(19)], Tc[식(20)], Ts[식(21)] 간의 비(Tc/To 와 Ts/To)의 값을 측정 결과로부터 구할 수 있다. 한편, 이들 비의 값은 셀 갭(d)와, 트위스트각(Θ)과의 함수로 되어 있고, 따라서, 측정 결과로부터 얻어진 비(Tc/To 와 Ts/To)의 값을 이용하여 셀 갭(d)와 트위스트각(Θ)과의 양쪽을 계산할 수 있다.

이상의 측정에 요하는 조작은 단순항 동작의 조합에 불과하고, 자동화가 용이하여 작업 효율도 비교적 높다.

다음에, 본 예의 시험 결과에 대하여 설명한다.

광원(1)으로서 파장 632.8 nm인 HeNe 레이저를 이용하고, 광 검출기(2)로서 실리콘 포토 다이오드를 이용하였다.

처음에, 글랜톰슨 프리즘(Glan-Thomson Prism)으로 이루어진 편광자(3)과 검광자(4)를 광축(Ao)의 주위로 회전하고, 전압계(9)의 읽기가 최소가 되는 위치를 찾았다.

그 후, 검광자(4)를 광축(Ao)의 주위에 90°회전하여 편광자(3)과 검광자(4)의 편광 투과축(3a, 4a)를 평행으로 하였다.

피측 대상으로서 TN 셀(50)을 준비하였다. 이 TN 셀(50)은 상하의 기판(51a, 52a)에 배향막(51c, 52c)를 도포한 후, 서로 직교하는 방향(R1, R2)으로 러빙을 실시하고, 6㎛의 스페이서(53, 54)를 사이에 두고 접합시키고, 그 사이에 TN 액정(Lc)를 충전한 것으로서 거의 90도의 트위스트각을 갖고 있다.

이 TN 셀(50)을 시료 회전 스테이지(6)에 설치하고, 스테이지(6)을 광축(Ao)의 주위로 회전 시키고, 전압계(9)의 값을 읽고, 제5도에 도시한 데이타를 얻었다.

그리고, 이 데이타를 이용한 계산에 의해 Tc/To=-0.535, Ts/To=-0.576과 같은 비의 값을 얻었다.

이 계산의 요령은 제6도에 도시하였다.

먼저, 식(18)의 양변을 y₁=0°에서 y₂=360°까지 적분한다. 식(22), (23)에서 알 수 있듯이, 우변은 To에 점수를 곱한 것이고, 좌변은 측정치의 총합이 된다. 이에 따라 To 가 정해진다.

다음에, 식(18)의 양변에 cos2y를 곱하고, 그것을 y₁=0°에서 y₂=360°까지 적분한다. 식(24), (25)에서 알 수 있듯이, 우변은 Tc에 점수를 곱한 것이고, 좌변은 측정치에 cos 2y를 곱한 것의 총합이 된다. 이에 따라 Tc가 결정된다.

다음에 식(18)의 양변에 sin2y를 곱하고, 그것을 y₁=0°에서 y₂=360°까지 적분한다. 식(26), (27)에서 알 수 있는 바와 같이, 우변은 Ts에 상수를 곱한 것이고, 좌변은 측정치에 cos2y를 곱한 것의 총합이 된다. 이에 따라 Ts 가 결정된다.

그리고, 이상의 값에서 Tc/To와 Ts/To를 계산한다.

이것과는 별도로 셀 갭(d)와 트위스트각(Θ)를 가변 파라메터로 하는 식(19)~(20)의 직접 계산에 의해, Tc/To와 Ts/To를 사전에 구하여 테이블(20)화 하여 두었다. 그 결과를 제7도에 도시하였다.

마지막으로, 실측치로부터 구한 Tc/To와 Ts/To의 값을 제7도에 적용하였고 상기 TN 셀(50)의 트위스트각은 약 94도, 셀 갭은 5.6∼5.7 ㎛인 어떤 결과를 얻었다.

상술한 예에서는 TN 셀에 관한 측정에 대하여 설명하였지만, 동일한 방법으로 STN 셀에 대해서도 측정할 수 있다. 통상, 액정 셀의 트위스트각과 셀 갭은 개략적인 값을 알고 있다. 그래서, STN 셀의 경우를 포함하여 이미 알고 있는 개략적인 값 근방에 있어서의 Tc/To와 Ts/To의 값을 사전에 계산하여, 로컬 영역의 테이블(20)을 준비해 두도록 하여도 된다.

또한, 상술한 예에서는 측정을 2번 간격으로 행하였지만, 그 간격은 소요 정밀도에 따라 더욱 세밀하게도 엉성하게도 할 수 있다. 세밀하게 구분하면 측정시간은 길어지지만, 더욱 높은 정밀도로 트위스트각과 셀 갭을 구할 수 있다.

또, 본 발명 방법은 액정 셀의 인가 전압의 유무에 관계없이 적용할 수 있고, 전압 인가 상태에서도 무전압시와 동일한 결과를 얻을 수 있다.

이상으로 설명한 각 조작은 콘솔(10)에서 원격으로 행하여도 된다.

제8도는 실시예 1에 관한 자동 측정 시스템의 개략 구성도이다.

이 시스템은 콘솔(10)의 내부 회로와 각 시스템 요소(1∼9)간에 자동 조작용 CPU(Central Processing Unit: 30)을 설치하고, 그 메모리(40)에 Tc/To와 Ts/To와의 사전 계산 결과를 테이블(20)로서 저장한 점을 제외하고, 제4a도의 측정 시스템과 실질적으로 동일하다.

제9도는 제8도의 CPU(30)의 주요 동작을 설명하는 흐름도이다.

측정 시스템이 시동하면, 콘솔(10)의 기동 커맨드를 수신하여 CPU(30)이 광원(1)과 검출기(2)의 작동 전원을 투입하고, 스텝 S1에서 편광자(3)을 고정하고, 스텝 S2에서 검광자(4)를 소정각도로 설정한다.

이 후, 흐름이 스텝 S3으로 진행하여, 측정 시스템 시동 후의 초기 사이클이라면, 이 스텝 S3에서 회전 스테이지(6)을 일단 퇴피 위치로 구동하고, 그곳에서 LCD의 탈착(스텝 S4)을 행한 후, 광축(Ao)와 교차하는 원 위치로 복귀시켜, 회전을 개시시킨다. 단지 관측 대상 셀(50)을 변경하는 제2 사이클 이후에는 LCD의 착탈이 불필요하기 때문에, 셀(50)의 심출을 행하여 즉시 스테이지(6)을 회전시킨다.

그리고, 전압계(9)의 출력 신호를 모니터하여, X=Xmax 또는 X=Xmin의 회전 위치에 스테이지(6)을 지지한다(스텝 S5).

다음에, 스텝 S6에서 메모리(40)으로부터 검광자(4)의 단위 회전량(△y)를 판독하고(스텝 S7), 검광자(4)를 △y 간격으로 단계적으로 회전시키면서, 그 회전각도 y와 이것에 대응하는 전압계(9)의 출력 값을 측정 데이타로서 메모리(40)에 기입한다(스텝 S7).

검광자(4)의 회전량이 360°에 이르면, 스텝 S8에서 메모리(40)으로부터 소요 데이타를 읽어들이고(스텝 S7), 전개 계수(To, Tc, Ts)의 계산을 행하고, 그 결과를 메모리(40)으로부터 판독된(스텝 S7) 테이블(20)과 비교하여 셀(50)의 굴절율 이방성(△n)과 셀 갭(d)와의 곱인 △nd와 트위스트각(Θ)를 특정하고, 또한 △n을 특정하여 d의 값을 산출하고, 이 d의 값과 Θ의 특정값을 콘솔(10)에 출력한다.

다음에, 스텝 S9에서 셀의 측정 갯수를 카운트하여, 예상수가 종료되어 있으면, 콘솔(10)로 보고하여 LCD의 이탈 조작을 행하고 대기 상태로 들어간다. 예상수가 종료되어 있지 않으면, 재차 스텝 S3으로 진행하여 사이클 수를 인크리먼트한다.

이상은 본 발명의 바람직한 실시예의 설명이고, 당업자라면 이와 같은 실시예를 추고 가능하다는 것은 분명하다. 이 점에서 본 발명은 특허 청구의 범위에 그 주제가 나타나 있다.

Claims (10)

1. 광원과 광량 검출수단과의 사이에 편광자와 검광자를 설치하고 이들 편광자와 검광자와의 사이에 액정 셀을 끼우고, 상기 편광자의 편광 투과축과 상기 검광자의 편광 투과축과의 상대 위치를 정하고, 상기 액정 셀을 회전시키고, 상기 광량 검출 수단이 수광하는 투과 광량이 최대 또는 최소가 되는 회전 각도로 상기 액정 셀을 유지한 후, 상기 편광자 또는 검광자를 회전시키고, 상기 편광자 또는 검광자의 회전 위치와 상기 회전 위치에 대응하여 상기 광량 검출 수단이 수광하는 투과 광량간의 관계로부터, 상기 액정 셀의 셀 갭과 트위스트각을 구하는 것을 특징으로 하는 액정 셀의 셀 갭 및 트위스트각을 측정하기 위한 방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 편광자의 편광 투과축과 상기 검광자의 편광 투과축과의 상대 위치를 0°또는 90°의 각도차로 설정한 것을 특징으로 하는 액정 셀의 셀 갭 및 트위스트각을 측정하기 위한 방법.
3. 제1항에 있어서, 상기 편광자 또는 검광자의 회전 위치와 상기 회전 위치에 대응하여 상기 광량 검출 수단이 수광하는 투과 광량간의 관계를, 상기 회전 위치를 변수로 하여 상호 직교하는 함수족의 다항식으로 전개하고, 상기 다항식의 전개 계수를 상기 셀 갭 및 상기 트위스트각을 변수로 하는 함수로 이루어지는 인자군으로 구성된 것을 특징으로 하는 액정 셀의 셀 갭 및 트위스트각을 측정하기 위한 방법.
4. 제3항에 있어서, 상기 회전 위치를 변수로 하여 상호 직교하는 함수족을 사인 함수 및 코사인 함수로 구성하고, 상기 셀 갭 및 상기 트위스트각을 변수로 하는 함수로 이루어지는 인자군을 제1, 제2 및 제3인자로 구성하고, 상기 다항식을 상기 사인 함수와 상기 제1인자와의 곱으로 이루어지는 제1항과, 상기 코사인 함수와 상기 제2인자와의 곱으로 이루어지는 제2항과, 상기 제3인자로 이루어지는 상수항으로 구성된 것을 특징으로 하는 액정 셀의 셀 갭 및 트위스트각을 측정하기 위한 방법.
5. 제4항에 있어서, 상기 제1인자와 상기 제3인자와의 비의 값과 상기 제2인자와 상기 제3인자와의 비의 값 중 적어도 한쪽과 상기 셀 갭 및 상기 트위스트각의 변수값 간의 관계를 다변량 데이타로서 축적한 것을 특징으로 하는 액정 셀의 셀 갭 및 트위스트각을 측정하기 위한 방법.
6. 광원과, 광량 검출 수단과, 상기 광원과 상기 광량 검출수단과의 사이에 회전 가능하게 설치된 편광자 및 검광자와, 상기 편광자와 상기 검광자와의 사이에 액정 셀을 회전 가능하게 유지하는 수단과, 상기 편광자의 편광 투과축과 상기 검광자의 편광 투과축과의 상대 위치를 정하고, 상기 액정 셀을 회전시키고, 상기 광량 검출 수단이 수광하는 투과 광량이 최대 또는 최소가 되는 회전 각도로 상기 액정 셀을 유지한 후, 상기 편광자 또는 검광자를 회전시키고, 상기 편광자 또는 검광자의 회전 위치와 상기 회전 위치에 대응하여 상기 광량 검출 수단이 수광하는 투과 광량간의 사이의 관계로부터, 상기 액정 셀의 셀 갭과 트위스트각을 구하는 제어·연산 수단으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 액정 셀의 셀 갭 및 트위스트각을 측정하기 위한 방법.
7. (1) 서로 편광각이 소정 각도를 이루도록 설정된 편광자와 검광자와의 사이에 피험물(被驗物)인 액정 셀을 배치하고, 이 액정 셀을 회전시켜 투과 광량의 최대 또는 최소가 되는 각도로 고정하는 단계와, (2) 편광자 또는 감광자를 회전시켜 투과 광량을 측정하고, 그 회전각과 그 회전각에 대응하는 투과 광량과의 관계로부터 피험물인 액정 셀의 트위스트각과 셀 갭을 동시에 결정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 트위스트각 및 셀 갭의 측정 방법.
8. 제7항에 있어서, 상기 제(1)단계에 있어서의 소정 각도가 0°또는 90°인 것을 특징으로 하는 액정 셀의 셀 갭 및 트위스트각을 측정하기 위한 방법.
9. 제7항에 있어서, 상기 (2)의 단계에서는 편광자 또는 검광자의 회전각을 y로 할 때, 투과광의 회전각에 의존하지 않는 성분을 To, cos 2y에서 변화하는 성분을 Tc, sin 2y에서 변화하는 성분을 Ts로 하여, Tc/To와 Ts/To를 구하고, 이것에 의거하여 트위스트각 및 셀 갭을 결정하는 것을 특징으로 하는 액정 셀의 셀 갭 및 트위스트각을 측정하기 위한 방법.
10. 제9항에 있어서, 트위스트각 및 셀 갭을 파라메터로 하여 계산에 의해 Tc/To 및 Ts/To를 구하여 두고, 상기 제(2)단계에서는 측정 결과에 따른 Tc/To 및 Ts/To 와 계산에 따른 Tc/To 및 Ts/To를 비교하고, 그것에 의거하여 트위스트각 및 셀 갭을 결정하는 것을 특징으로 하는 액정 셀의 셀 갭 및 트위스트각을 측정하기 위한 방법.