KR20010107968A - 수직 배향 액정 패널의 셀 갭 측정 방법 및 장치 - Google Patents

수직 배향 액정 패널의 셀 갭 측정 방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 액정분자의 광학축의 방향이 패널면과 직각으로 되어 있는 수직 배향(Vertical Alignment) 액정 패널에, 빛의 입사 방향이 수직 배향 액정 패널면으로 기울도록 하여 쏘임으로써, 액정층에만 기인하는 복굴절을 인위적으로 생기게 한다. 이로서, 수직 배향 액정의 두께(셀 갭)를 정확하게 측정할 수 있다(도 2).

Description

수직 배향 액정 패널의 셀 갭 측정 방법 및 장치{Method and apparatus for measuring cell gap of VA liquid crystal panel}
액정 패널은, 최상면 및 최하면이 유리층으로 되어 있고, 중간에 액정이 봉입되어 있다. 상기 액정을 봉입하는 부분은, 액정이 봉입되기 전은 공기로 채워져 있다.
종래, 액정 패널에 봉입된 액정의 두께(셀 갭)를 측정하는 방법으로서, 액정을 봉입하지 않은 상태에서, 패널의 위에서 빛을 쏘여서 반사 간섭광을 측정함으로써, 공기층의 두께를 구하고, 그 공기층의 두께를 액정의 두께로 하였다(반사 간섭법).
그러나, 액정을 봉입하기 전의 공기층의 두께와, 액정 봉입 후의 액정의 두께는, 엄밀하게는 일치하지 않는다. 그래서, 액정 봉입 후의 액정의 두께를 직접 구하는 방법의 개발이 요구되고 있다.
그래서, 액정은 일축성 결정의 복굴절성이 있기 때문에, 액정 봉입 후의 액정 패널면에 대하여 직각의 방향으로, 편광자를 통과시킨 빛을 쏘여서 광 투과율을 측정하고, 이 광 투과율로부터 액정의 복굴절 위상차(리타데이션(retardation)이라고 한다)를 구하며, 그 다음에 셀 갭을 구하는 방법이 알려져 있다(H. L. 0ng, Appl. Phys. Lett. 51(18), 2 November 1987, pp1398­1400, 일본 특개평 4-307312호 공보, 일본 특개평 2­118406호 공보 등 참조).
이 방법은, 액정의 복굴절성을 이용한 뛰어난 측정 방법이지만, 액정의 결정축의 방향이 패널면과 평행한 방향에 있는 액정에 대해서만 유효하고, 수직 배향 액정과 같이, 결정축의 방향이 패널면과 직각으로 된 액정에는 적용할 수 없다. 왜냐하면, 일축성 결정에서는 「결정축의 방향이 패널면과 직각이 된 액정」은, 빛의 진행 방향에서 보면, 등방성(等方性)의 액정과 다르지 않기 때문이다.
등방성의 액정에 대하여, 상기 반사 간섭법을 이용하는 것도 고려할 수 있지만, 액정의 굴절률과 유리 등의 굴절률이 근사치이기 때문에, 약한 간섭광 밖에 얻을 수 없고, 막두께 측정치에 큰 오차가 생긴다는 문제가 있다.
그래서 본 발명은, 복굴절성을 갖고, 광학축의 방향이 패널면과 직각으로 되어 있는 수직 배향 액정의 두께(셀 갭)를 정확하게 측정하는 방법 및 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은, 수직 배향(VA ; Vertical Alignment)의 액정(이하 「수직 배향 액정」이라고 한다)을 패널에 봉입한 상태에 있어서의 해당 수직 배향 액정의 두께를 측정하는 방법 및 장치에 관한 것이다.
도 1은, 셀 갭 측정장치의 개요를 도시하는 블록도.
도 2는, 프레임을 기울게 한 상태의 셀 갭 측정장치의 개요를 도시한 블록도.
도 3은, 수직 배향 액정으로의 입사각(θ)과, 수직 배향 액정 안을 통과하는 빛의 경사(α)의 관계를 설명하기 위한 도면.
도 4는, 수직 배향 액정의 굴절률 타원체를 도시하는 도면.
도 5는, 빛을 기울였을 때의 굴절률 타원체를 도시하는 도면.
도 6은, 도 5의 부분도.
도 7은, 입사각(θ)을 y축을 중심으로 하여 기울였을 때의, 수광계의 요부를 도시한 사시도.
도 8은, 한 수직 배향 액정 패널에 대해서, 입사각(θ)을 25。에서 45。까지 단계적으로 바꾸고, 리타데이션(R)과 파장(λ)의 관계를 구한 결과를 도시하는 그래프.
도 9는, 파장589㎚에 있어서의 리타데이션(R)에 근거하여 셀 갭(d0)을 계산한 결과를 도시하는 도표.
본 발명의 수직 배향 액정 패널의 셀 갭 측정 방법은, 광원의 빛으로부터 일정한 편광 성분을 꺼내고, 이 편광 성분의 빛을 수직 배향 액정 패널에, 해당 빛의 방향이 수직 배향 액정 패널의 광학축으로 기울도록 하여 쏘여서, 수직 배향 액정패널을 투과한 빛의 특정한 편광 성분의 투과 강도를 측정하고, 이 투과 강도에 근거하여 수직 배향 액정 패널의 복굴절 위상차(R)를 구하고, 이 복굴절 위상차(R)와, 수직 배향 액정의 정상 굴절률(no) 및 이상 굴절률(ne)의 데이터로부터, 수직 배향 액정의 두께를 구하는 방법이다.
상기 「광원의 빛」은, 단색광이어도 좋고, 다색광(예를 들면 백색광)이어도 좋다. 단색광의 경우, 빛의 투과 강도의 측정은 수광소자로 직접 행할 수 있지만, 다색광의 경우, 빛의 투과 강도의 측정은, 분광기를 통과한 수광소자로 행하게 된다.
이 방법에 의하면, 수직 배향 액정 패널에, 빛의 방향이 수직 배향 액정 패널의 광학축으로 기울도록 하여 쏘임으로써, 액정층에만 기인하는 복굴절을 인위적으로 생기게 한다. 이로서, 수직 배향 액정의 두께를 정확하게 구할 수 있다.
본 발명의 수직 배향 액정 패널의 셀 갭 측정장치는, 광원과, 광원의 빛으로부터 일정한 편광 성분을 꺼내는 편광자와, 이 편광자의 빛을 수직 배향 액정 패널에 해당 빛의 방향이 수직 배향 액정 패널의 수광축에 기울도록 하여 쏘일 수 있는 광축 설정 수단과, 수직 배향 액정 패널을 투과한 빛의 특정한 편광 성분을 꺼내는 검광자와, 검광자의 투과 강도를 측정하는 수광기와, 투과 강도에 근거하여 수직 배향 액정 패널의 복굴절 위상차(R)를 구하고, 이 복굴절 위상차(R)와, 수직 배향 액정의 정상 굴절률(no) 및 이상 굴절률(ne)의 데이터로부터, 수직 배향 액정의 두께를 구하는 데이터 처리 장치를 구비하는 것이다.
이 장치에 의하면, 빛을 수직 배향 액정 패널에 해당 빛의 방향이 수직 배향액정 패널의 광학축으로 기울도록 쏘일 수 있는 광축 설정 수단을 설치하고 있기 때문에, 빛의 방향이 수직 배향 액정 패널의 광학축으로 기울도록 하여 쏘임으로써, 액정층에만 기인하는 복굴절을 인위적에 생기게 할 수 있다. 따라서, 수직 배향 액정의 두께를 정확하게 구할 수 있다.
도 1은, 셀 갭 측정장치의 개요를 도시하는 블록도이다.
동 측정장치는, 할로겐 램프 등의 광원(11), 단색광을 얻는 모노크로미터 (12), 모노크로미터(12)의 출사광을 이끄는 입사광섬유(13), 입사광섬유(13)의 빛으로부터 직선 편광을 꺼내는 편광자(14), 샘플이 되는 수직 배향 액정 패널(15), 수직 배향 액정 패널(15)을 통과한 빛으로부터 직선 편광을 꺼내는 검광자(16), 검광자(16)를 통과한 빛을 이끄는 출사광섬유(17), 수광기(18), 및 데이터 처리장치(19)를 갖는다.
상기 입사광섬유(13), 출사광섬유(17), 편광자(14) 및 검광자(16)는, 1개의 프레임에 고정되어 있고, 이 프레임을 예를 들면 모터(M)로 회전시킴으로써, 수직 배향 액정 패널(15)로의 입사각(θ)을 바꿀 수 있다. 모터(M)의 회전각의 데이터는, 데이터 처리장치(19)에 입력되도록 되어 있다.
또, 수직 배향 액정 패널(15)로의 입사각(θ)을 바꾸기 위해서, 프레임을 고정하고, 수직 배향 액정 패널(15)을 얹는 받침을 경사시키는 기구를 채용하여도 좋다.
도 2는, 프레임을 각도(θ)만큼 기울인 상태의 셀 갭 측정장치의 개요를 도시하는 블록도이다. 이 상태에서는, 수직 배향 액정으로의 입사각은, 도 3에 도시하는 바와 같이, θ가 되고, 수직 배향 액정 안을 통과하는 빛의 경사는, 굴절에 의해 α가 된다. θ와 α의 관계는, 수직 배향 액정 외의 굴절률을 n1(수직 배향 액정 외에는 통상 공기이므로 n1은 1이 된다), 수직 배향 액정의 굴절률을 n2로 하면,
n2 sinα=n1 sinθ (1)
가 된다(스넬의 법칙(Snell′s law)).
여기서, 수직 배향 액정의 굴절률(n2)은, 수직 배향 액정이 복굴절성을 갖기 때문에 일의적으로 결정할 수 없지만, 여기서는, 수직 배향 액정의 이상 굴절률(ne ; extraordinary index), 정상 굴절률(no ; ordinary index)의 평균을 취한다.
n2=(ne+no)/2 (2)
또한 수직 배향 액정 내의 광로 길이는, 도 3에 도시하는 바와 같이 d1이 된다. 이 d1과, 수직 배향 액정 자체의 두께(d0 ; 셀 갭)의 관계는,
d1 cosα= d0 (3)
이다.
도 4는, 수직 배향 액정의 굴절률 타원체(Index ellipsoid)를 도시하는 사시도이다. 수직 배향 액정의 결정축을 좌표계의 z 방향으로 잡고 있다. z 방향으로 진행하는 빛에 대해서는, 수직 배향 액정은 등방성 매질과 같이 행동하기 때문에, 굴절률은 빛의 편광 방향에 의존하지 않는다.
도 5는, 수직 배향 액정을 θ만큼 기울인 상태를 도시하는 도면이다. 수직 배향 액정의 결정축을 z′축으로 나타내고, 빛의 진행 방향을 z축으로 나타내고 있다. z′축과 z축의 각도는 α이다.
도 5의 해칭으로 도시한 부분을 추출하여 도시한 것이 도 6이다. 빛의 진폭이 x축 방향에 있는 빛(이하「경사 이상 광선」이라고 한다)의, 수직 배향 액정 내의 굴절률(nα)은, 다음 식으로 나타낸다.
nα=[ne2no2/(ne2cos2α+ no2sin2α)]1/2(4)
한편, 빛의 진폭의 방향이 y축 방향에 있는 빛(이하「정상 광선」이라고 한한다)이 받는 굴절률은, 수직 배향 액정의 정상 굴절률(no) 그 자체이다.
따라서, 정상 광선과 경사 이상 광선의 굴절률차(△n)는,
△n=ABS(nα-no) (5)
로 표시된다(ABS는 절대치를 나타낸다). α=0일 때, △n=0이 되고, α>0이면 △n>0이 된다.
데이터 처리장치(19)에, 수직 배향 액정의 ne, no와, 입사각(θ)을, 데이터로서 주면, 데이터 처리장치(19)는, 상기 (1)식, (2)식으로부터, 수직 배향 액정 안을 통과하는 경사 이상 광선의 경사(α)를 구한다. 그리고, 상기 (4)식으로부터, 수직 배향 액정 내의 빛의 굴절률(nα)을 구하고, 상기 (5)식으로부터, 굴절률차(△n)를 구한다.
굴절률차(△n)가 구해지면, 수직 배향 액정 안을 통과하는 정상 광선과 경사 이상 광선의 리타데이션(R)을 실험적으로 구하여, 데이터 처리장치(19)에 주면, 데이터 처리장치(19)는, 수직 배향 액정 내의 광로 길이(d1)를, 식
d1=R/△n (6)
에 근거하여 구할 수 있다. 그리고, 데이터 처리장치(19)는, 상기 (3)식을 이용하여 수직 배향 액정 내의 광로 길이(d1)를 셀 갭(d0)으로 변환한다. 이와 같이 하여 수직 배향 액정 패널의 셀 갭을 구할 수 있다.
이상의 설명에서 알 수 있는 바와 같이, 셀 갭 측정장치의 사용자는, 수직 배향 액정의 ne, no를 데이터 처리장치(19)에 입력하는 동시에, 입사각(θ)을 기울였을 때의 수직 배향 액정 안을 통과하는 정상 광선과 경사 이상 광선의 리타데이션(R)을 구할 필요가 있다.
다음으로, 해당 리타데이션(R)을 구하는 방법을 설명한다.
도 7은, 입사각(θ)을, y축을 중심으로 하여 기울였을 때의, 광학계의 요부를 도시하는 사시도이다. 빛의 입사 방향을 z″축, y축과 z″축으로 수직으로 x″축을 잡는다.
편광자(14)의 편광 방향을, y축과 x″축을 포함하는 평면 내에서, y축으로부터 시계 방향으로 45。 기울인다. 검광자(16)의 편광 방향을, y축과 x″축을 포함하는 평면 내에서, y축으로부터 시계 방향으로 45。 기울여서 평행 니콜(Parallel Nicol)의 상태로 강도 투과율(Tp)을 측정하고, 검광자(16)를 또한 90。(합계135。) 기울여서 직교 니콜(Cross Nicol)의 상태에서 강도 투과율(Tc)을 측정한다.
평행 니콜의 상태에서는, 강도 투과율(Tp)은,
Tp=cos2β (7)
로 표시되고, 직교 니콜의 상태에서는, 강도 투과율(Tc)은,
Tc=sin2β (8)
로 표시된다. 여기서, β는, 측정시의 파장을 λ로 하면,
β=R/λ (9)
로 정의된다.
Tc/Tp=tan2β (10)
가 되고, 리타데이션(R)은,
R=λtan-1(Tc/Tp) (11)
로 구할 수 있다.
또, 본 발명의 실시는, 이상의 형태에 한정되는 것은 아니다. 지금까지의 설명에서는, 셀 갭 측정장치는, 단색 광원을 얻는 방법으로서, 광원(11)과 모노크로미터(12)를 사용했었지만, 이 조합 대신에, 레이저 광원을 사용하여도 좋다.
또한, 광원(11)과 모노크로미터(12)와 수광기(18)의 조합으로 강도 측정을 했었지만, 모노크로미터(12)를 빼고, 수광기(18)의 앞에 분광기를 배치하여도 좋다. 분광기를 사용한 경우의 분광 방법은 임의로 좋고, 예를 들어 색필터, 프리즘, 또는 그레이팅을 채용할 수 있다.
또한, 광축을 기울이기 위해서, 모터(M)를 사용하고 있었지만, 프레임 또는 수직 배향 액정 패널을 얹는 받침을 수동으로 기울이도록 하여도 좋다. 또한, 처음부터 광축을 고정된 어떤 각도로 기울이고 있는 구조를 채용하여도 좋다.
어떤 수직 배향 액정 패널(spacer 직경으로부터 예상되는 셀 갭 값은 약 3.5㎛이다)에 대해서, 입사각(θ)을 25。에서 45。까지 단계적으로 바꾸어, 리타데이션(R)과 파장(λ)의 관계를 구한 바, 도 8의 그래프와 같이 되었다.
파장 589㎚에 있어서의 리타데이션(R)을 그래프로부터 판독하고, 셀 갭(d0)을 본 발명 방법에 의해 계산하면, 도 9의 도표와 같이 되었다.
도 9에서, 셀 갭(d0)은, 입사각(θ)이 25°에서 45。까지의 사이로, 다소변동하고 있지만, 거의 일정한 3.5㎛의 값을 취한다. 이 변동의 경향이, 입사각θ=5。 내지 45。사이에서 일정하지 않기 때문에, 이 변동의 영향은, 평균을 취함으로써 부정할 수 있다고 생각하고 있다.
이상의 결과로부터, 본 발명의 수직 배향 액정 패널의 샐 갭 측정 방법에 의하면, 입사각(θ)의 값의 여하에 관계 없이, 셀 갭(d0)을 정확하게 구할 수 있는 것을 알 수 있다.

Claims (7)

  1. 광원의 빛으로부터 일정한 편광 성분을 꺼내고, 상기 편광 성분의 빛을 수직 배향(VA) 액정 패널에, 해당 빛의 방향이 수직 배향 액정 패널의 광학축으로 기울도록 하여 쏘여서, 수직 배향 액정 패널을 투과한 빛의 특정한 편광 성분의 투과 강도를 측정하고, 상기 투과 강도에 근거하여 수직 배향 액정 패널의 복굴절 위상차(R)를 구하고, 상기 복굴절 위상차(R)와, 수직 배향 액정의 정상 굴절률(no) 및 이상 굴절률(ne)의 데이터로부터 수직 배향 액정의 두께를 구하는 것을 특징으로 하는 수직 배향 액정 패널의 셀 갭 측정 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 복굴절 위상차(R)는, 평행 니콜 및 직교 니콜의 상태에서, 투과 강도를 각각 측정함으로써 구해지는 것을 특징으로 하는 수직 배향 액정 패널의 셀 갭 측정 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 수직 배향 액정의 두께는, 수직 배향 액정의 정상 굴절률(no) 및 이상 굴절률(ne)로부터, 경사 이상 광선의 수직 배향 액정 내의 굴절률(nα)을 계산하고, 상기 굴절률(nα)과 정상 광선의 수직 배향 액정 내의 굴절률(no)의 차(△n)를 계산하며, 복굴절 위상차(R)를 상기 △n로서 나눔으로써 수직 배향 액정 내의 광로길이(d1)를 구하여, 공기와 수직 배향 액정의 계면에서의 빛의 굴절을 고려하여 상기 광로 길이(d1)를 샐 갭(d0)으로 변환하여 얻어지는 것을 특징으로 하는 수직 배향 액정 패널의 셀 갭 측정 방법.
  4. 광원과, 광원의 빛으로부터 일정한 편광 성분을 꺼내는 편광자와, 이 편광자(α)의 빛을 수직 배향 액정 패널에 해당 빛의 방향이 수직 배향 액정 패널의 광학축으로 기울도록 하여 쏘일 수 있는 광축 설정 수단과, 수직 배향 액정 패널을 투과한 빛의 특정한 편광 성분을 꺼내는 검광자와, 검광자의 투과 강도를 측정하는 수광기와, 투과 강도에 근거하여 수직 배향 액정 패널의 복굴절 위상차(R)를 구하고, 상기 복굴절 위상차 (R)와, 수직 배향 액정의 정상 굴절률(no) 및 이상 굴절률(ne)의 데이터로부터, 수직 배향 액정의 두께를 구하는 데이터 처리 장치를 구비하는 것을 특징으로 하는 수직 배향 액정 패널의 셀 갭 측정장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 광축 설정 수단은, 광축과 수직 배향 액정 패널의 각도를 변화시킬 수 있는 경사 기구를 포함하는 것을 특징으로 하는 수직 배향 액정 패널의 셀 갭 측정장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 경사 기구는, 광축의 경사를 변화시키는 것을 특징으로 하는 수직 배향액정 패널의 셀 갭 측정장치.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 경사 기구는, 수직 배향 액정 패널의 경사를 변화시키는 것을 특징으로 하는 수직 배향 액정 패널의 셀 갭 측정장치.
KR1020017006220A 1999-09-20 1999-09-20 수직 배향 액정 패널의 셀 갭 측정 방법 및 장치 KR100612173B1 (ko)

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