KR20100099662A - 반사형 액정 셀의 틸트각 측정 방법 및 측정 장치 - Google Patents

반사형 액정 셀의 틸트각 측정 방법 및 측정 장치 Download PDF

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KR20100099662A
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오츠카 일렉트로닉스 가부시키가이샤
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Abstract

광원(21)의 광으로부터 직선 편광 성분의 광을 취출하고, 이 편광 성분의 광을 반사형 액정 셀(23)에, 당해 광의 광축(B)이 반사형 액정 셀(23)의 법선과 경사진 각도(θ)가 되도록 하여 조사하고, 반사형 액정 셀(23)의 반사층(23a)을 반사한 광의, 편광 성분과 직각인 방향의 편광 성분에 있어서의 광강도에 기초하여 광강도 반사율(Rc)을 구하고, 이 광강도 반사율(Rc)과, 액정의 정상광 굴절률(no) 및 이상광 굴절률(ne)과, 각도(θ)와, 액정의 두께(d)와, 반사층(23a)의 굴절률(nr)을 사용하여 액정의 틸트각(β)을 구한다. 반사형 액정 셀의 틸트각을 측정할 수 있다.

Description

반사형 액정 셀의 틸트각 측정 방법 및 측정 장치{METHOD AND APPARATUS FOR MEASURING TILT ANGLE OF REFLECTIVE TYPE LIQUID CRYSTRAL CELL}
본 발명은 수직 배향(VA ; Vertical Alignment) 모드의 액정(이하, 「VA 액정」이라고 함) 혹은 수평 배향(IPS ; In Plane Switching) 모드의 액정(이하, 「IPS 액정」이라고 함)을 패널에 봉입한 상태에 있어서의 당해 반사형 액정 셀의 틸트각을 측정하는 방법 및 장치에 관한 것이다.
본 발명은, 특히 멀티 도메인 구조를 갖는 VA 반사형 액정 셀에 있어서, 당해 반사형 액정 셀의 틸트각을 측정하는 방법 및 장치에 관한 것이다.
VA 액정 셀의 멀티 도메인 구조는, 도 9에 도시한 바와 같이 대향하는 글래스 기판(11, 12) 사이에 액정을 주입한 액정 셀의 화소 영역마다, 한쪽의 글래스 기판(12) 상의 배향막의 표면 또는 기초에 돌기 형상의 구조물(31)을 설치함으로써, 화소 내의 각 영역(도메인이라고 함)에 있는 액정 분자(a)의 배향을, 도메인마다 각각의 방향으로 경사지게 한 구조를 말한다.
전압 오프 시에는, 각 액정 분자(a)는 구조물(31)로 인해 기판면에 대해, 도메인마다 각각의 방향으로 약간 경사져 있다(이 각도를 「틸트각」이라고 하고, 특히 전압을 인가하지 않을 때의 틸트각이라고 하는 의미에서, 「프리틸트각」이라고도 함). 전압을 인가하면, 액정 분자는 미리 경사져 있는 방향으로 크게 쓰러진다. 이 쓰러지는 방향이, 화소 중의 도메인마다 각각의 방향으로 설정되므로, 시야각이 넓은 우수한 액정 디스플레이가 얻어진다.
종래의 VA 액정 셀의 프리틸트각 측정 방법으로서, 액정 셀의 양면에 편광자 및 검광자를 배치한 상태에서, 단일 파장을 갖는 광속을, 편광자가 배치된 측으로부터 액정 셀로 조사한다. 이때, 편광자 및 검광자의 각각의 투과축을 서로 소정의 각도(직교 또는 평행)로 유지하면서 액정 셀의 명시 방향에 있어서 당해 액정 셀을 경사지게 함으로써, 각 경사각에 있어서 검광자측에서 검출되는 액정 셀의 투과광 강도의 시각 의존성을 측정하여, 그 대칭점의 각도로부터 액정 분자의 프리틸트각을 결정하고 있다(소위, 크리스탈 로테이션법).
[특허문헌1]일본특허출원공개제2008-58865호공보 [특허문헌2]국제공개제01/22029호팜플릿
그런데, 전술한 종래법에서는, 액정 셀의 각도를 바꾸면서 액정 셀의 투과광 강도를 복수회 측정하므로, 측정에 시간이 걸린다.
또한, 멀티 도메인 구조를 갖는 액정 셀의 경우, 전술한 종래법의 광학계에서는 각 도메인별 틸트를 상쇄해 버려, 평균 틸트각의 측정밖에 할 수 없다. 따라서, 도메인별로 틸트각을 측정하고자 하면, 현미 광학계를 사용하여 측정 스폿을 도메인의 크기에 맞출 필요가 있었다. 이로 인해, 정밀한 현미 광학계가 필요했다.
또한, 반사형 액정 셀을 대상으로 한 틸트각 측정 방법 및 장치는 종래 알려져 있지 않다고 사료된다.
본 발명은 반사형 액정 셀의 반사광 강도를, 각도를 바꾸지 않고 1회 측정하는 것만으로 충분해, 현미 광학계가 필요없는 반사형 액정 셀의 틸트각 측정 방법 및 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 항에 있어서, 괄호 내의 참조 부호는 후술하는 발명의 실시 형태에 있어서의 대응 구성 요소의 참조 부호를 나타내는 것이지만, 이들 참조 부호에 의해 특허청구의 범위를 한정하는 취지는 아니다.
본 발명의 반사형 액정 셀의 틸트각 측정 방법은, 광원(21)의 광으로부터 직선 편광 성분의 광을 취출하여, 이 편광 성분의 광을 반사형 액정 셀(23)에, 당해 광의 광축(B)이 반사형 액정 셀(23)의 법선과 경사진 입사각(θ)이 되도록 하여 조사하고, 반사형 액정 셀(23)의 반사층(23a)을 반사한 광의, 편광 성분과 직각인 방향의 편광 성분에 있어서의 광강도에 기초하여 광강도 반사율(Rc)을 구하고, 이 광강도 반사율(Rc)과, 액정의 정상광 굴절률(no) 및 이상광 굴절률(ne)과, 입사각(θ)과, 액정의 두께(d)와, 반사층의 굴절률(nr)을 사용하여, 액정의 틸트각(β)을 구하는 방법이다.
이 방법에 따르면, 입사각(θ)을 소정치로 설정하여 1회 측정하는 것만으로, 액정의 틸트각(β)을 구할 수 있다.
반사형 액정 셀(23)이, 1화소 내에서 복수의 도메인(D)을 포함하고, 액정은 각 도메인(D)마다 다른 방향으로 틸트되어 있는 반사형 액정 셀(23)이면, 광강도 반사율(Rc)은 반사형 액정 셀(23)의 전체 도메인의 면적 중, 틸트각(β)이 광축(B)에 평행하지 않은 방향을 향하고 있는 도메인의 면적의 비율을 계수(A)로서 포함하는 것이 바람직하다. 이 계수(A)를 고려함으로써, 광이 반사형 액정 셀(23)에 조사되었던 범위에서, 각각의 방향을 향한 틸트각(β)을, 서로 상쇄하지 않고 구할 수 있다.
광강도 반사율(Rc)은 반사형 액정 셀(23)을 반사한 광의, 편광 성분과 직교하는 편광 성분에 있어서의 광강도를, 반사형 액정 셀(23)을 반사한 그대로의 광의 광강도로 나눔으로써 계산할 수 있다.
또한, 광강도 반사율(Rc)은 반사형 액정 셀(23)을 반사한 광의, 편광 성분과 직교하는 편광 성분에 있어서의 광강도를, 반사형 액정 셀(23)을 반사한 광의, 편광 성분과 직각인 방향의 편광 성분에 있어서의 광강도와 반사형 액정 셀(23)을 반사한 광의, 편광 성분과 평행한 방향의 편광 성분에 있어서의 광강도의 합계치로 나눔으로써 계산해도 좋다.
본 발명의 반사형 액정 셀의 틸트각 측정 방법은 액정의 정상광 굴절률(no) 및 이상광 굴절률(ne) 및 반사층의 굴절률(nr)을 파장(λ)의 함수로 하고, 입사각(θ)과, 액정의 두께(d)를 사용하여 액정 분자의 틸트각(β)을 파라미터로 하여, 광강도 반사율(Rc)과 파장(λ)의 관계[Rc(λ, β)]를 구하고, 복수의 파장(λ)에 대해 광강도 반사율(Rc)을 측정하여, 그 측정점(λ, Rc)을, 이 관계[Rc(λ, β)]에 적용함으로써, 틸트각(β)을 구해도 좋다. 이 방법은 복수의 파장에 있어서 광강도 반사율(Rc)을 측정하여, 광강도 반사율(Rc)과 파장(λ)의 관계[Rc(λ, β)]에 적용함으로써 보다 정확하게 틸트각(β)을 구할 수 있다.
본 발명의 틸트각 측정 장치는 광원(21)의 광으로부터 직선 편광 성분을 취출하는 편광자(22)와, 이 편광자(22)의 광을 반사형 액정 셀(23)에 당해 광의 광축(B)이 반사형 액정 셀(23)의 법선과 경사진 입사각(θ)이 되도록 하여 조사할 수 있는 광축 설정 수단과, 반사형 액정 셀(23)의 반사층(23a)을 반사한 광의, 편광 성분과 직각인 방향의 편광 성분을 취출하는 검광자(24)와, 검광자(24)를 투과한 광의 광강도 반사율(Rc)을 측정하는 검출기(26)와, 이 광강도 반사율(Rc)과, 액정의 정상광 굴절률(no) 및 이상광 굴절률(ne)과, 입사각(θ)과, 액정의 두께(d)와, 반사층(23a)의 굴절률을 사용하여, 액정의 틸트각(β)을 구하는 데이터 처리 장치(27)를 구비하는 것이다.
또한, 본 발명의 틸트각 측정 장치는 검광자를 투과한 광을 분광하는 분광기(25)를 더 포함하고, 데이터 처리 장치(27)는 액정의 정상광 굴절률(no) 및 이상광 굴절률(ne)을 파장(λ)의 함수로서 기억하고, 입사각(θ)과, 액정의 두께(d)를 사용하여 액정 분자의 틸트각(β)을 파라미터로 하여, 광강도 반사율(Rc)과 파장(λ)의 관계[Rc(λ, β)]를 구하고, 복수의 파장(λ)에 대해 측정된 광강도 반사율(Rc)의 측정점을, 이 관계에 적용함으로써 틸트각을 구하는 것이라도 좋다.
이상과 같이 본 발명에 따르면, 현미 광학계를 필요로 하지 않고, 액정의 틸트각 측정을 매크로 스폿의 광학계에서도 가능하게 했다고 하는 우수한 효과를 발휘한다.
본 발명에 있어서의 상술한, 또는 또 다른 이점, 특징 및 효과는 첨부 도면을 참조하여 다음에 서술하는 실시 형태의 설명에 의해 명백해진다.
도 1은 프리틸트각 측정 방법을 실시하는 측정 장치의 구성도.
도 2는 프리틸트각 측정 방법을 실시하는 다른 실시 형태에 관한 측정 장치의 구성도.
도 3은 멀티 도메인 수직 배향(MVA) 모드의 반사형 액정 셀에 있어서의, 전압 오프 시의, 화소 내의 틸트 방향을 도시하는 평면도.
도 4는 광축(B)으로부터 본, 액정 분자(a1 내지 a4)의 방향을 도시한 모식도.
도 5는 글래스 기판(11, 12) 사이에 충전된 액정 속을 광이 진행하는 모습을 도시하는 광로도.
도 6은 액정 내부에 있어서의, 광이 전파되는 광축(B)과, 각 좌표축(x, y, z)을 도시한 좌표도.
도 7은 본 발명의 측정 수순을 설명하기 위한 흐름도.
도 8은 액정의 틸트각(β)을 파라미터로 하여, 파장(λ)과 광강도 반사율(Rc)의 관계[Rc(λ, β)]를 계산한 그래프.
도 9는 대향하는 글래스 기판(11, 12) 사이에 돌기 형상의 구조물을 설치한 액정 셀의 멀티 도메인 구조를 도시하는 단면도.
<장치 구성>
도 1은 본 발명의 프리틸트각 측정 방법을 실시하는 측정 장치의 구성도이다.
이 측정 장치는 할로겐 램프 등의 광원(21), 광원(21)의 출사광으로부터 직선 편광을 취출하는 편광자(22), 샘플 설치대에 설치된 VA 반사형 액정 셀(23), VA 반사형 액정 셀(23)의 저면 글래스 기판에 형성된 반사층(23a)을 반사한 광으로부터 직선 편광을 취출하는 검광자(24), 검광자(24)를 통과한 광으로부터 단색광을 얻기 위한 모노크로미터(25), 모노크로미터(25)로부터 출사된 광의 강도를 검출하는 검출기(26) 및 데이터 처리 장치(27)를 갖는다. 또한, 모노크로미터(25) 대신에, 폴리크로미터를 배치해도 좋다. 또한, 모노크로미터(25)를 사용하는 경우, 모노크로미터(25)의 위치는 편광자(22)의 앞이라도 좋다. 상기 반사층(23a)의 재질은 알루미늄, 은, 니켈, 크롬 등 광을 반사하는 것이면 어느 것이라도 좋다.
광원(21)의 출사광을 VA 반사형 액정 셀(23)에 조사하는 경우, 조사 스폿의 크기는 한정되지 않는다. 1개의 도메인밖에 포함하지 않는 좁은 스폿으로 좁힐 필요는 없다. 복수의 도메인을 포함하는 스폿이라도 좋다.
편광자(22)는 광의 전계가 입사면[광의 진행 방향과 반사형 액정 셀의 법선(y)을 포함하는 면]에 대해 평행하게 진동하는 편광(p편광)을 만들도록, 그 편광 방향이 세트되어 있다. 검광자(24)는 편광자(22)에 대해 수직인 방향으로, 그 편광 방향이 세트되어 있으므로, 소위 「크로스 니콜」의 상태에서 검광자(24)를 통과한 광을 검출할 수 있다.
편광자(22) 및 검광자(24)는 각각 프레임에 고정되어 있고, 이들 프레임을 모터로 회전시킴으로써, VA 반사형 액정 셀(23)로의 입사각(θin), 출사각(θout)을 바꿀 수 있다.
반사층(23a)으로서 통상의 평면 반사층을 사용한 액정 셀의 경우, θin ＝ θout에서의 측정으로 되지만, 확산 반사층을 사용한 액정 셀의 경우, 반드시 θin ＝ θout일 필요는 없다. 그러나, 이하의 예에서는, 특별히 언급하지 않는 한, 반사층(23a)은 평면이고, θin ＝ θout의 조건에서 측정하는 것으로 한다.
모터의 회전각의 데이터는 검출기(26)의 출력 신호와 함께, 데이터 처리 장치(27)에 입력되도록 되어 있다.
또한, VA 반사형 액정 셀(23)로의 입사각(θin)을 바꾸는 데, 프레임을 고정하고, VA 반사형 액정 셀(23)을 적재하는 샘플 설치대를 경사지게 하는 기구를 채용해도 좋다.
도 2는 측정 장치의 변형예를 도시하는 도면이다. 이 측정 장치는, 도 1의 장치와 다른 점은, 편광자(22)는 광의 전계가 입사면에 대해 수직으로 진동하는 편광(s편광)을 만들도록, 그 편광 방향이 세트되어 있는 것이다. 검광자(24)는 편광자(22)에 대해 수직인 방향으로, 그 편광 방향이 세트되어 있으므로, 소위 「크로스 니콜」의 상태에서 검광자(24)를 통과한 광을 검출할 수 있다.
<측정 원리>
도 3은 멀티 도메인 수직 배향(MVA) 모드의 반사형 액정 셀에 있어서의, 전압 오프 시의 화소 내의 틸트 방향을 도시하는, y방향으로부터 본 평면도이다.
사각의 프레임이 1화소(P)를 나타내고, 그 속이 4개의 도메인(D1 내지 D4)으로 나뉘어져 있다. 여기서 각도의 정의를 하면, 상방향을 0도로 하고, 시계 방향으로 90도, 180도, 270도로 세는 것으로 한다. 4개의 도메인(D1 내지 D4) 중, 우측 상부의 도메인(D1)은 0 내지 90도의 영역, 우측 하부의 도메인(D2)은 90 내지 180도의 영역, 좌측 하부의 도메인(D3)은 180 내지 270도의 영역, 좌측 상부의 도메인(D4)은 270 내지 360도(0도)의 영역에 있는 것으로 한다.
우측 상부의 도메인(D1)에는 우측 상부 45도의 방향으로 프리틸트한 액정 분자(a1)가 배향하고, 우측 하부의 도메인에는 우측 하부 135도의 방향으로 프리틸트한 액정 분자(a2)가 배향하고, 좌측 하부의 도메인에는 좌측 하부 225도의 방향으로 프리틸트한 액정 분자(a3)가 배향하고, 좌측 상부의 도메인에는 좌측 상부 315도의 방향으로 프리틸트한 액정 분자(a4)가 배향하고 있다. 이와 같이, 액정 분자의 배향을, 도메인마다 4개의 방향으로 경사지게 하고 있다.
도 3의 예에서는, 90도 간격으로 4방향으로 액정이 틸트되어 있지만, 이들 중 1개의 방위에 광학계의 광축을 경사지게 한다. 이 경사진 광축을 「광축(B)」이라고 한다. 구체적으로는, 광을 좌측 상부 315도의 방향으로부터 우측 하부 135도의 방향을 향해 광을 조사한다. 그러면, 광축(B)으로부터 본, 겉보기의 액정 분자(a1 내지 a4)의 방향은 도 4와 같이 된다.
도 4에 있어서, 반사형 액정 셀은 상하의 글래스 기판(11, 12) 사이에 액정 분자가 충전되어 있다. 글래스 기판(11, 12)의 면에 수직인 법선 방향을 y, 광축(B)에 수직이고 또한 글래스 기판(11, 12)의 면에 평행한 방향을 x로 한다. 액정 분자는 4개의 프리틸트 방향에 대응한 방향으로 배향되어 있다. 액정 분자(a1)는 광축(B)으로부터 보면 x-y면 내에서 좌측으로 경사져 있는 것처럼 보인다. 액정 분자(a3)는 광축(B)으로부터 보면 x-y면 내에서 우측으로 경사져 있는 것처럼 보인다. 액정 분자(a2, a4)는 광축(B)으로부터 보면 경사져 있지 않은 것처럼 보인다.
도 5는 글래스 기판(11, 12) 사이에 충전된 액정 속을 광이 진행하는 모습을 도시하는 광로도이다. 글래스 기판(11, 12)에 수직인 방향을 y, 광축(B)을 포함하고 또한 글래스 기판(11)의 면에 평행한 방향을 z로 하여, 광이, y-z 평면 내에서 y축으로부터 각도(θ) 기울어져 입사하고 있다. 광은 글래스 기판(12)의 내면에 형성된 반사층(23a)에서 반사된다. 액정의 굴절률을 n으로 하면, 액정 내부의 광축 경사각(θ')은,
Figure pat00001
로 나타난다. 또한, 액정 내부에서의 광로 길이(d')는 글래스 기판(11, 12) 사이의 거리(셀 갭)를 "d"로 하면,
Figure pat00002
로 나타난다.
도 6은 액정 내부에 있어서의, 광이 전파되는 광축(B)과, 각 좌표축(x, y, z)을 도시한 좌표도이다. 액정 분자(a3)는 글래스 기판(11, 12)의 법선 방향(y)에 대해, x-y면 내에서 각도(β) 경사지고, 액정 분자(a1)는 방향(y)에 대해, x-y면 내에서 각도(－β) 경사져 있는 것으로 한다. 각도(β)는 액정의 틸트각이고,
Figure pat00003
로 나타난다. 광축(B)은 방향(y)에 대해, y-z면 내에서 각도(θ') 경사져 있다.
여기서, 광축(B)에 수직인 평면(x-y')을 정의한다. 그리고, 평면(x-y)에 있는 액정 분자(a3)를, 평면(x-y')에 투영한다. 이 투영한 액정 분자를 a3'로 기재한다. 액정 분자(a3')는 y'축에 대해 평면(x-y') 상에서 각도(β') 기울어져 있는 것으로 한다. 각도(β')는 광축(B)의 방향으로부터 본 액정 분자의 축 어긋남을 나타내고, 식
Figure pat00004
로 나타난다.
또한, 액정 분자(a3')의 평면(x-y') 상에서의 좌표(y')와, 평면(x-y) 상에서의 좌표(y)의 관계는, 평면(x-y')과 평면(x-y)이 이루는 각도가 90도 － θ'인 것을 고려하면,
Figure pat00005
이다.
따라서, 각도(β')와 각도(β)의 관계는 전술한 [수학식 1], [수학식 4], [수학식 5]를 사용하면,
Figure pat00006
로 된다. 입사각(θ)은 기지의 상수이다.
한편, 액정의 굴절률(n)은, 입사하는 편광이 s편광(도 2)인 경우,
Figure pat00007
로 나타나고, 입사하는 편광이 p편광(도 1)인 경우,
Figure pat00008
로 나타난다. 여기서, 「s편광」이라 함은, 광의 전계가 입사면[광의 진행 방향과 반사형 액정 셀의 법선(y)을 포함하는 면 ; y-z면]에 대해 수직으로 진동하는 편광을 말하고, 「p편광」이라 함은, 광의 전계가 전술한 입사면에 대해 평행하게 진동하는 편광을 말한다. 또한, no는 액정의 정상광 굴절률, ne는 액정의 이상광 굴절률이고, 모두 액정의 상수이다.
광의 편광이 s편광인 경우, 이들 [수학식 6]과 [수학식 7]을 사용하여 β와 β'의 관계를 알 수 있다. 또한, 광의 편광이 p편광인 경우, 이들 [수학식 6]과 [수학식 8]을 사용하여 β와 β'의 관계를 알 수 있다.
본 발명의 측정 방법의 목적은 β를 결정하는 것이므로, β'를 알면 β를 결정할 수 있다.
따라서 이하, 광강도 반사율(Rc)과 β'의 관계를 구한다. 반사광의 편광 상태(E)는 존스 행렬을 사용하면 이하의 식으로 나타난다.
Figure pat00009
여기서 편광 상태(E)는, s편광 성분의 전계 강도(Es)와, p편광 성분의 전계 강도(Ep)를 성분으로 하는 벡터이다.
상기 식에 있어서, 편광자(φp)는 1행 2열(1 × 2)의 행렬이고, 검광자(φa)는 2행 2열(2 × 2)의 행렬이다. 편광자(φp)와 검광자(φa)는 이하와 같이 나타난다.
Figure pat00010
여기서 φp는 편광자의 회전각, φa는 검광자의 회전각이다.
왕로(J)(Δnd', β'), M, 복로(J)(Δnd', β')는 각각 2행 2열(2 × 2)의 행렬이다. 여기서, 굴절률차(Δn)는 경사 입사 시의 이상 광선(extra ordinary wave)의 굴절률(ne)과, 정상 광선(ordinary wave)의 굴절률(no)의 차이다.
광축(B)과 액정 분자(a3)가 이루는 각도를 θa(도 6 참조)로 하면, 각도(θa)와 광의 입사각(θ')과 액정 분자의 틸트각(β) 사이에는,
Figure pat00011
의 관계가 있다. 이 각도(θa)를 사용하면, 굴절률차(Δn)는 액정의 정상광 굴절률(no), 액정의 이상광 굴절률(ne)을 사용하여, 식
Figure pat00012
으로 주어진다. 이 식은 p편광(도 1), s편광(도 2)의 양쪽에 적용할 수 있다. 이와 같이 굴절률차(Δn)는 θa의 함수이고, θa는 β의 함수이므로, 굴절률차(Δn)는 β의 함수로 된다.
J는 액정층의 존스 행렬이고 왕로, 복로 모두,
Figure pat00013
로 나타난다. 여기서 i는 허수 단위이다. 또한, R(β')은 회전 행렬이고,
Figure pat00014
로 나타난다. M은 반사층(23a)의 존스 행렬이고,
Figure pat00015
로 나타내어진다. 단,
Figure pat00016
이다. 여기서 nr은 반사층(23a)의 굴절률, θr은 반사층(23a) 내에서의 광축 경사각이다. 또한, 광은 실제, 반사층(23a)의 내부에 거의 침입해 가지 않으므로, θr은 도시할 수 없는 가상적인 각도라고 이해하기 바란다. sinθr은 다음 식과 같이 스넬의 법칙으로부터 유도되고, cosθr은 sinθr의 관계식으로부터 유도된다.
Figure pat00017
단, 반사층에 사용되는 물질은 흡수가 있는 경우가 많고, 그때에는 소쇠(消衰 ; extinction) 계수(kr)를 허수부에 부가하여, 굴절률을 nr ＋ ikr에 의해 정의하면 좋다. [표 1]에 알루미늄의 굴절률(nr)과 소쇠 계수(kr)의 예를 나타낸다.
Figure pat00018
반사광 강도(I)는,
Figure pat00019
를 계산함으로써 이론적으로 구해진다. 여기서 「*」는 복소공역을 나타낸다.
반사광 강도(I)를 사용하여, 광강도 반사율(Rc)은, s편광 입사의 경우,
Figure pat00020
p편광 입사의 경우,
Figure pat00021
에 의해 산출된다. 계수(A)에 대해서는 후술한다.
[수학식 1] 내지 [수학식 20]을 사용하여, 틸트각(β)을 구하는 수순을 설명한다.
입사각(θ), 액정의 두께(d), 액정의 정상광 굴절률(no) 및 이상광 굴절률(ne), 반사층(23a)의 굴절률(nr)은 반사층(23a)의 재질을 특정하고 있으면 기지이다. (1) no 및 ne를 [수학식 7], [수학식 8]에 적용하여 굴절률(n)을 β의 함수로 나타낼 수 있다. 이 굴절률(n)을 [수학식 6]에 대입하면, β와 β'의 1개의 관계식이 구해진다. (2) 다음에, 굴절률(nr)을 알고 있으므로 [수학식 17]에 의해 반사층(23a) 내에서의 광축 경사각(θr)을 β, β'의 함수로 나타낼 수 있다. 따라서, [수학식 16], [수학식 15]를 사용하여 반사층(23a)의 존스 행렬(M)을 β, β'의 함수로 나타낼 수 있다. (3) 편광자의 회전각(φp)을 90도 및 검광자의 회전각(φa)을 0도로 했을 때, 및 편광자의 회전각(φp)을 90도 및 검광자의 회전각(φa)을 90으로 했을 때, [수학식 10]을 사용하여 편광자(φp)와 검광자(φa)의 존스 행렬을 구한다. (4) Δnd'는 [수학식 2], [수학식 11], [수학식 12]를 고려하면 β, β'의 함수로 나타나므로, 이 Δnd'를 사용하여, 액정층의 존스 행렬(J)을 β, β'의 함수로 나타낼 수 있다. (5) 이상의 반사층(23a)의 존스 행렬(M), 편광자(φp)와 검광자(φa)의 존스 행렬, 액정층의 존스 행렬(J)을 [수학식 9]에 대입하여, 반사광의 편광 상태의 벡터(E)를, β, β'의 함수로 나타낼 수 있다. (6) 이 벡터(E)를 [수학식 18]에 적용하여 반사광 강도(I)를 β, β'의 함수로 나타낼 수 있다. (7) 반사광 강도(I)를 [수학식 19], [수학식 20]에 적용하여 광강도 반사율(Rc)을 β, β'의 함수로 나타낼 수 있다. 이 경우, 전술한 바와 같이 β와 β'의 1개의 관계를 알고 있으므로, 광강도 반사율(Rc)을 β의 함수로 나타낼 수 있다. (8) 한편, 광강도 반사율(Rc)은 검출기(26)에 의해 측정할 수 있는 양이므로, 상기한 (7)에서 구한 이론치(Rc)를 이 측정치(Rc)로 치환하면, 틸트각(β)을 구할 수 있다.
여기서, 전술한 계수(A)에 대해 설명하면, A는 멀티 도메인 수직 배향(MVA) 모드의 반사형 액정 셀에 있어서의, 틸트각(β)이 광축(B)에 평행하지 않은 액정 분자의 존재 비율이다.
즉, 각 화소 내에는, 도 4에 도시한 바와 같이 틸트각(β)이 광축(B)에 평행한 액정 분자(a2, a4)와, 틸트각(β)이 광축(B)에 평행하지 않은 액정 분자(a1, a3)가 존재한다. 틸트각(β)이 광축(B)에 평행한 액정 분자(a2, a4)는 [수학식 9]에 있어서, β' ＝ 0으로 되어, 광을 반사시키지 않는다.
이것은 직감적으로는, 도 4에 도시한 바와 같은 광축(B)의 방향으로 입사한 광은, 액정 분자(a2, a4)에 의해 편광 상태가 바뀌는 일이 없어, 반사형 액정 셀을 그대로 통과한다. 본 발명의 측정 장치는 크로스 니콜의 상태로 설정되어 있으므로, 반사형 액정 셀을 그대로 통과한 광은 검광자(24)에서 완전히 차단되어 버린다. 따라서, 틸트각(β)이 광축(B)에 평행한 액정 분자(a2, a4)는 광의 반사에 기여하지 않는 것이다.
계수(A)는 「액정 내부의 모든 액정 분자 중, 틸트각(β)이 광축(B)에 평행하지 않은 액정 분자의 비율」이라고 할 수 있다. 이 「비율」은 액정 분자가 반사형 액정 셀 내에 균등하게 분포되어 있는 것으로 하면, 「반사형 액정 셀의 모든 도메인의 면적 중, 틸트각(β)이 광축(B)에 평행하지 않은 액정 분자가 존재하고 있는 도메인의 면적의 비율」이라고 바꿔 말할 수 있다.
도 4와 같이, 1화소(P)가 4개의 도메인(D1 내지 D4)으로 나뉘어, 각 도메인(D1 내지 D4)에서 액정 분자가 동수 존재하고, 90도씩 다른 방향을 향하고 있는 것으로 하면, 「계수(A) ＝ [액정 분자(a1 내지 a4) 중, 액정 분자(a1, a3)의 비율] ＝ 0.5」로 된다.
또한, 도메인을 갖지 않고, 단일 방향으로 틸트되어 있는 반사형 액정 셀의 경우라도, 틸트 방향과는 다른 방향으로 광축을 경사지게 함으로써 동등한 측정이 가능해진다. 이 경우, 상기 계수(A)의 값은 "1"로 한다.
<측정 수순>
(1) 측정 수순 1
본 발명에 의한 측정 수순을, 흐름도(도 7)에 기초하여 설명한다.
우선, 도 1 또는 도 2의 측정 장치에 있어서, 샘플로 하는 반사형 액정 셀(23)을 세트하고, 광원(21)으로부터 백색광을 소정 범위 스폿 조사하여, 입사각(θin)을 어느 값으로 설정한다.
입사각(θin)은 30도 내지 80도의 범위 내로부터 선택하는 것이 바람직하다. 「30도 내지 80도의 범위」가 바람직한 이유를 설명한다.
일반적으로 편광 소자는 성능이 좋은 것이라도 소광비는 10-5 정도이다. 그로 인해, 광강도 반사율이 Rc ＜ 10-4로 되면, 배경 노이즈(미광)로 인해 측정은 곤란해진다고 생각하고 있다. 따라서, 하기의 [표 2]의 조건에서, 프리틸트각 ＝ 1도일 때에, 광강도 반사율이 Rc ＜ 10-4 이상으로 되는 입사각(θin)으로서 30도를 하한치로 설정하였다.
또한, 글래스 기판(11)의 표면에서의 반사율은, θ ＝ 80도일 때에, s편광에서는 약 54％, p편광에서는 약 23％(글래스의 굴절률을 1.5로 가정)이지만, 80°를 초과하면 글래스 기판(11)의 표면에서의 반사율이 급격하게 오르기 때문에 입사각(θin)으로서 80도를 상한치로 설정하였다.
또한, 바람직한 범위에 대해 서술하면, 글래스 기판(11)의 표면의 반사광을 가능한 한 작게 하기 위해 셀에 입사하는 광은 s편광보다도 p편광이 바람직하고, 또한 p편광 입사의 경우, 입사각(θin)은 브루스터각 부근, 예를 들어 브루스터각±10도로 설정하는 것이 바람직하다. 글래스의 굴절률이 1.5인 경우, 브루스터각은 약 56°로 되고, 따라서 입사각(θin)의 바람직한 범위는 46도 내지 66도로 된다.
또한, 모노크로미터(25)에서 설정하는 파장은, 바람직하게는 가시의 파장 영역 중에서 선정한다.
우선, 반사형 액정 셀에 대해 레퍼런스 측정을 행한다. 반사형 액정 셀에 광을 조사한 경우, 반사형 액정 셀(23)의 표면에서의 반사도 있고, 표면에서의 반사 이외에 컬러 필터 기판의 흡수 등도 있으므로, 절대적인 광반사율을 구하고자 하면, 계산 처리가 복잡해진다. 따라서, (a) 도 1, 도 2의 장치 구성으로부터 검광자(24)만을 제거하여 광강도를 구하거나, 또는 (b) 도 1, 도 2의 장치 구성에서 검광자(24)를 평행 니콜 상태와 크로스 니콜 상태로 하여 각각 광강도를 측정하여, 2종류의 광강도의 합계치를 레퍼런스로 한다(스텝 S0). 이 레퍼런스 광강도를 R이라고 기재한다.
다음에, 크로스 니콜의 상태에서의 광의 강도를 측정한다(스텝 S1). 이 측정치를 레퍼런스의 광강도(R)로 나누어, 그 값을 측정에 기초하는 광강도 반사율(Rc)로 하여 이하의 계산의 기초로 한다.
반사형 액정 셀의 셀 갭(d)과, 이상 광선(extra ordinary wave)의 굴절률(ne)과, 정상 광선(ordinary wave)의 굴절률(no)은 반사형 액정 셀의 상수이다. 반사층의 굴절률의 데이터도 기지이다. 입사각(θin)은 상술한 바와 같은 범위로 설정한 값으로 상수, 계수(A)도 상수이다. 이들의 값을 사용하여, 전술한 수순에 따라서 틸트각(β)을 구할 수 있다. 이 「틸트각(β)」은 상세하게 말하면, 광원(21)의 출사광을 VA 반사형 액정 셀(23)에 조사한 스폿의 범위에 존재하는 액정 분자에 대해, 틸트각(β)의 평균치이다(스텝 S2, S3).
(2) 측정 수순 2 -분광 측정-
액정의 이상 광선(extra ordinary wave)의 굴절률(ne)과, 정상 광선(ordinary wave)의 굴절률(no)과, 반사층의 굴절률(nr)은 파장(λ)의 함수이다. 입사각(θin)과, 셀 갭(d)과, 계수(A)는 파장과 무관하고, 기지의 수치이다. 따라서, 전술한 수순에 따라서 액정 분자의 틸트각(β)을 파라미터로 하여, 광강도 반사율(Rc)과 파장(λ)의 관계[Rc(λ, β)]를 구할 수 있다.
예를 들어, 반사층을 알루미늄, 액정의 이상광 굴절률(ne), 정상광 굴절률(no)로 하여
Figure pat00022
의 데이터를 사용하여, 입사각(θin) ＝ 56도, 셀 갭(d) ＝ 3.2㎛, 계수(A) ＝ 1로 하여, 틸트각(β)을 1도, 2도 및 3도로 상정하여, 파장(λ)과 광강도 반사율(Rc)의 관계[Rc(λ, β)]를 계산한 바, 도 8에 도시하는 그래프와 같이 되었다. 또한, 이 반사형 액정 셀은 도메인을 갖지 않고, 단일 방향으로 틸트되어 있었으므로 A ＝ 1로 하였다.
이 그래프를 사용하면, 복수의 파장에 대해 광강도 반사율(Rc)을 측정하여, 그 측정점을 이 그래프에 플롯하여 피트시키면, 틸트각(β)을 정확하게 구할 수 있다.
이상에서, 본 발명의 실시 형태를 설명하였지만, 본 발명의 실시는 상기한 형태로 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 범위 내에서 다양한 변경을 실시하는 것이 가능하다.
11, 12 : 글래스 기판
21 : 광원
22 : 편광자
23 : VA 반사형 액정 셀
23a : 반사층
24 : 검광자
25 : 모노크로미터
26 : 검출기
27 : 데이터 처리 장치

Claims (8)

  1. 반사형 액정 셀의 틸트각을 측정하는 방법이며,
    광원으로부터 직선 편광 성분의 광을 취출하고,
    이 편광 성분의 광을 반사형 액정 셀에, 당해 광의 광축이 상기 반사형 액정 셀의 법선과 경사진 입사각이 되도록 하여 조사하고,
    상기 반사형 액정 셀의 반사층을 반사한 광의, 상기 편광 성분과 직각 방향의 편광 성분에 있어서의 광강도를 측정하여 광강도 반사율을 구하고,
    이 광강도 반사율과, 상기 액정의 정상광 굴절률 및 이상광 굴절률과, 상기 입사각과, 상기 액정의 두께와, 상기 반사층의 굴절률을 사용하여 상기 액정의 틸트각을 구하는 것을 특징으로 하는, 반사형 액정 셀의 틸트각 측정 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 반사형 액정 셀은 1화소 내에서 복수의 도메인을 포함하고,
    상기 액정은 상기 도메인마다 다른 방향으로 틸트되어 있고,
    상기 광강도 반사율은 상기 반사형 액정 셀의 전체 도메인의 면적 중, 틸트각이 상기 광축에 평행하지 않은 방향을 향하고 있는 도메인의 면적의 비율을 계수로서 포함하는, 반사형 액정 셀의 틸트각 측정 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 광축이 상기 반사형 액정 셀의 법선과 이루는 경사진 입사각은 30도 내지 80도의 범위에 있는, 반사형 액정 셀의 틸트각 측정 방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 광강도 반사율은 상기 반사형 액정 셀을 반사한 광의, 상기 편광 성분과 직각인 방향의 편광 성분에 있어서의 광강도를, 상기 반사형 액정 셀을 반사한 광의 광강도로 나눈 것인, 반사형 액정 셀의 틸트각 측정 방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 광강도 반사율은 상기 반사형 액정 셀을 반사한 광의, 상기 편광 성분과 직각인 방향의 편광 성분에 있어서의 광강도를, 상기 반사형 액정 셀을 반사한 광의 상기 편광 성분과 직각인 방향의 편광 성분에 있어서의 광강도와 상기 반사형 액정 셀을 반사한 광의 상기 편광 성분과 평행한 방향의 편광 성분에 있어서의 광강도의 합계치로 나눈 것인, 반사형 액정 셀의 틸트각 측정 방법.
  6. 제1항에 있어서, 파장의 함수로서의 상기 액정의 정상광 굴절률 및 이상광 굴절률의 데이터와, 상기 입사각과 상기 액정의 두께를 사용하여, 액정 분자의 틸트각을 파라미터로 하는 광강도 반사율과 파장의 관계를 구하고,
    복수의 파장에 대해 상기 광강도 반사율을 측정하여, 그 측정점을 상기 관계에 적용함으로써 틸트각을 구하는, 반사형 액정 셀의 틸트각 측정 방법.
  7. 광원으로부터 직선 편광 성분을 취출하는 편광자와,
    이 편광자의 광을 반사형 액정 셀에, 당해 광의 광축이 반사형 액정 셀의 법선과 경사진 입사각이 되도록 하여 조사할 수 있는 광축 설정 수단과,
    상기 반사형 액정 셀의 반사층을 반사한 광의, 상기 편광 성분과 직각인 방향의 편광 성분을 취출하는 검광자와,
    상기 검광자를 투과한 광의 광강도를 측정하는 검출기와,
    상기 검출기에서 검출한 광강도에 기초하여 광강도 반사율을 산출하고, 상기 액정의 정상광 굴절률 및 이상광 굴절률과, 상기 입사각과, 상기 액정의 두께와, 상기 반사층의 굴절률을 사용하여, 상기 액정의 틸트각을 구하는 데이터 처리 장치를 구비하는 것을 특징으로 하는, 반사형 액정 셀의 틸트각 측정 장치.
  8. 제7항에 있어서, 상기 검광자를 투과한 광을 분광하는 분광기를 더 포함하고,
    상기 데이터 처리 장치는 파장(λ)의 함수로서의 상기 액정의 정상광 굴절률 및 이상광 굴절률과, 상기 입사각과, 상기 액정의 두께를 사용하여, 액정 분자의 틸트각을 파라미터로 하여, 광강도 반사율과 파장의 관계를 구하고, 복수의 파장에 대해 측정된 광강도 반사율의 측정점을, 이 관계에 적용함으로써, 틸트각을 결정하는 것인, 반사형 액정 셀의 틸트각 측정 장치.
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