WO2004079323A1

WO2004079323A1 - 液晶素子評価方法および評価装置

Info

Publication number: WO2004079323A1
Application number: PCT/JP1997/001651
Authority: WO
Inventors: Taeko Urano; Shigeru Machida; Kenji Sano
Original assignee: Taeko Urano; Shigeru Machida; Kenji Sano
Priority date: 1996-05-16
Filing date: 1997-05-16
Publication date: 2004-09-16
Also published as: US6054870A; JPH09304227A; JP2744221B2

Description

明細書

液晶素子評価方法および評価装置

技術の分野

本発明は液晶素子の評価方法および評価装置に関し、特に液晶素子中に混入した不純物を検出する方法および装置に関する 0

背景技術

液晶素子では、例えば液晶に電場に応答する不純物（以下、電場応答性不純物という）が混入すると、応答速度、コントラストなどの素子性能が低下し、寿命も短縮するという問題が生じる。電場応答性不純物とは、電場の印加に伴って素子内を移動、または電荷を移動させる能力を有する化学種のことである。電場応答性不純物としては、プロトン、有機物ィオン、無機物イオン、水素結合能を有する化合物、電子移動能を有する化合物、大きな双極子モ一メントを有する化合物、大きな分極率を有する化合物などが挙げられる。そこで、素子に混入する電場応答性不純物を検出、同定、定量して、その混入を防ぐようにプロセスを改善することが不可欠である。この際、多くのプロセスのうちどのプロセスをどのように改善すべきかを的確に判断するためには、混入する不純物を同定できることが重要になつてくる。

従来、この不純物の評価には、高温における液晶素子の電圧保持率の測定が用いられてきた。この方法では素子として構成された最終状態での評価が可能である。しかし、この方法は、時間および手間がかかるうえ、不純物の原因物質ゃ不純物が混入するプロセスを特定することが困難である。

本発明は液晶素子に含まれる電場応答性不純物を簡便かつ高感度に同定することができる液晶素子評価方法、およびこの評価方法を実現する装置を提供することを目的とする。

発明の開示

本発明の液晶素子評価方法は、 1対の電極間に液晶層を有する液晶素子に作用電場を連続的に印加する工程と、作用電場を除去した後、経時的に、液晶素子に交流パルス電場を印加しながら特定波長域の光を照射して液晶層を通過した光を時間分解して測定することにより、光強度の交流パルス電場の一周期内での経時変化に相当する電場応答曲線を求めるェ程とを有し、電場応答曲線における特定の変化量について作用電場を除去した時点からの経時変化に基づいて液晶素子中に混入した不純物を検出するものである。

本発明の液晶素子評価装置は、 1対の電極間に液晶層を有する液晶素子に作用電場を印加する手段と液晶素子に交流パルス電場を印加する手段と、作用電場を除去した後に交流パルス電場を印加するよう制御する手段と、液晶層に光を照射するための光源と、光源から照射された光から特定波長域の光を取り出す分光手段と、光源から照射され分光手段により取り出された後、液晶層を通過した特定波長域の光を電気信号に変換する光検出手段と、光検出手段により変換された電気信号を時間分解して積算することにより光強度の交流パルス電場の一周期内での経時変化に相当する電場応答曲線を求める手段と、電場応答曲線における特定の変化量を算出し、この変化量を作用電場を除去した時点からの経過時間の関数として解析する手段とを具備したものである。

図面の簡単な説明

図 1 は本発明の液晶素子評価装置の一例を示すプロック図め 0

図 2 Aおよび Bは本発明の方法により印加される交流パルス電場と測定された電場応答曲線を示す特性図である。

図 3は本発明の方法により測定される液晶セルの電場応答曲線から求められた透過光強度の変化量の経時変化を示す特性図である。

発明を実施するための最良の形態最初に、本発明の原理を簡単に説明する。

1対の電極間に液晶層を有する液晶素子に電場を印加すると、液晶分子は電場の方向に配向する。このとき液晶中に電場応答性不純物が混入していると、不純物が混入していない場合と比較して、液晶分子に印加される実効的な電場の大きさが変化するため、液晶分子の配向運動も影響を受ける。このため、後述するように交流パルス電場を印加して液晶分子の配向運動状態を示す電場応答曲線を測定すると、液晶中に電場応答性不純物が混入していない場合の電場応答曲線との比較から電場応答性不純物を検出することができる。ただし、液晶中に電場応答性不純物が均一に存在し、電極近傍における不純物量が少ない場合には、検出感度がそれほど向上しないことがわかってきた。そこで、本発明においては電場応答曲線の測定前に予め液晶素子に作用電場を印加することにより、液晶中の電場応答性不純物を一方の電極近傍に移動させる。また、作用電場を除去した後には、電場応答性不純物は徐々に拡散するので、電場応答曲線は経時的に変化する。したがつて、電場応答曲線における特定の変化量について作用電場を除去した時点からの経時変化を調べることにより、電場応答性不純物を高感度に検出できる。

以下、本発明の方法をより詳細に説明する。まず、 1対の電極間に液晶層を有する液晶素子に作用電場、具体的には直流電場を連続的に印加する。直流電場を用いるのは、電場応答性不純物を一方の電極近傍に移動させるのに最も好ましいからである。この工程により、液晶中に混入した電場応答性不純物を一方の電極近傍に移動させる。この工程で印加される直流電場は電場応答性不純物を移動させることができれば十分であり、印加時間は 6 0分以下であることが好ましい。印加時間が長くなると測定全体の時間が長くなつてしまい、また液晶が影響を受けィォン性の不純物となってしまうので好ましくない。ただし、電場応答性不純物の量が少ない場合には、 6 0分以下の範囲内でできるだけ印加時間を長くする方が、測定感度を上げる観点から好ましい。なお、印加する電圧は一定でなくてもよい。

次に、直流電場を除去した後、所定時間毎または連続的に電場応答曲線を測定する。具体的には、液晶素子に交流パルス電場を印加して液晶分子を配向させた状態で、液晶分子に吸収される特定波長域の光を液晶素子に照射し、液晶層を通過した特定波長域の光の強度を検出し、この光強度に対応する電気信号を時間分解し積算することにより、光強度の交流パルス電場の一周期内での電場応答曲線を求める。このとき、液晶分子による光の吸収度合は液晶分子の配向状態に依存するので、液晶層を通過した光強度の測定から求められる電場応答曲線は液晶分子の配向状態の経時変化に対応するものである。ここで、液晶層中に所定の極性を有する電場応答性不純物が存在する場合には、交流パルス電場の電場の極性に応じて液晶分子に実効的に印加される電場の大きさが低減または増大するため、液晶分子の配向状態も変化する。したがつて、電場応答性不純物が混入した液晶素子の電場応答曲線は、不純物が混入していない液晶素子のものと比較すると、交流パルス電場の極性反転の前および後でそれぞれ傾きが異なる。この電場応答曲線の傾きの変化のし方は、不純物の種類や量によっても異なる。

この工程で液晶素子に照射する光としては、電場応答曲線の測定感度の観点から赤外光が特に好ましい。光の波長域としては、液晶分子の C H伸縮振動や C N伸縮振動に帰属される赤外吸収帯 (例えば後者の場合 2 2 2 5 c m "¹) を含む波長域が選択される。このような特定波長域の光は、光源から発する光を任意の分光手段で分光することにより取り出すことができる。この場合、液晶素子には特定波長域以外の余分な波長域の光が照射されることがないため、液晶素子の温度上昇を抑制することができる。検出すべき光は、液晶素子を透過した光でも液晶素子から反射される光でもよい。

この工程で用いる交流パルス電場の波形は特に限定されず、矩形波、三角波、正弦波やこれらの合成波などを用いることができる。上述した電場応答曲線の傾きの変化のし方は、印加される交流パルス電場のパルス幅によっても異なり、しかもパルス幅に依存する変化のし方は個々の不純物で特有である。したがって、交流パルス電場のパルス幅を変化させて電場応答曲線を観測することにより、液晶層中に混入した不純物を特定するのに有用な情報が得られる。また、パルス幅の異なる複数のパルス列を合成した合成交流パルス電場を印加し、この合成交流パルス電場を構成する各パルス列に対応する電場応答曲線を観測すれば、液晶素子中に混入した複数の不純物に対応することもできる。

さらに、本発明においては、直流電場を除去した後に上述したように電場応答曲線を経時的に測定し、その測定結果から電場応答曲線における特定の変化量について直流電場を除去した時点からの経時変化を求める。ここで、電場応答曲線における特定の変化量は一定の基準による変化量であれば特に限定されず、例えば曲線の傾きもしくは関数形、または不純物が混入していない液晶素子で得られる電場応答曲線との差の大きさなどが挙げられる。上述したように、直流電場を除去した後には、電極近傍に集中していた電場応答性不純物は徐々に拡散するので、直流電場を除去した時点からの経時変化を調べると、電場応答曲線における特定変化量は徐々に減衰する。したがって、電場応答曲線における特定変化量の経時変化の減衰によつて、液晶層中に電場応答性不純物が混入していることを高感度に検出することができる。また、この減衰のし方は不純物の拡散のし方に依存するので、不純物の種類を特定するのに有用な情報を得ることもできる。

次に、本発明の液晶素子の評価装置について説明する。上述したように本発明の評価装置は、液晶素子に直流電場を印加する手段と、液晶素子に交流パルス電場を印加する手段と、光源と、分光手段と、液晶層を通過した特定波長域の光を電気信号に変換する光検出手段と、光検出手段により変換された電気信号を時間分解して積算することにより光強度の交流パルス電場の一周期内での経時変化に相当する電場応答曲線を求める手段と、電場応答曲線における特定の変化量を算出し、この変化量を直流電場を除去した時点からの経過時間の関数として解析する手段とを有するものである。

直流電場を印加する手段および交流パルス電場を印加する手段は同一の装置を用いて、この装置を制御することにより実現することもできる。

光源としては上述したように赤外光源を用いることが好ましい。分光手段としては、例えば回折格子、プリズム、干渉フィルタ一など、任意の分光器 (分散素子) が用いられる。液晶素子の温度上昇を抑制する観点からは、これらの分光手段を光源と液晶素子との間に設けて、光源からの光を分光した後に液晶素子に照射することが好ましい。また、分光手段と液晶素子との間に偏光子を設け、振動方向が配向時の液晶分子の長軸方向に対応する偏光を液晶素子に照射することが好ましい。光検出手段としては、例えば赤外光検出器のうちでも高感度な M C T (水銀 · カドミウム · テルル）検出器を用いることが好ましい。測定対象となる光が赤外光である場合、検出される赤外光は微弱であるので、一般的には赤外光検出器で変換された電気信号を増幅器で増幅する。

光検出手段により変換された電気信号を時間分解して積算し、電場応答曲線を測定するための手段としては、例えばポックスカー積分器またはデジタルサンプリングオシロスコープが用いられる。電場応答曲線における特定の変化量を算出し、この変化量を直流電場を除去した時点からの経過時間の関数として解析する手段としてはコンピュータ一が用いられる o

なお、上述したように液晶素子中に混入した複数の不純物を同定するために、交流パルス電場の印加手段によりパルス幅の異なる複数のパルス列を合成した合成交流パルス電場を印加し、赤外光検出器により変換された電気信号を合成交流パルス電場を構成する各パルス列に対応する複数の電気信号に復しもよい。

以下、本発明の実施例を説明する。

本発明に係る液晶素子評価素子の一例について図 1を参照して説明する。図 1 においては、液晶素子 1 0に、直流電源 1 により直流電場を、パルスジェネレーター（またはシンセサイザ一） 2により交流パルス電場をそれぞれ印加する。一方、赤外光源 3からの赤外光を分散素子 4で分光して特定波長域の赤外光を取り出し、偏光子 5を通して液晶セル 1 0 に照射し、液晶セル 1 0を透過した赤外光を M C T検出器 6で検出して電気信号に変換する。この電気信号を増幅器 7で増幅し、デジタルサンプリングオシロスコープ 8へ入力して時間分解して積算することにより電場応答曲線を求める。そして、コンピュータ 9 により、電場応答曲線における特定の変化量を算出し、この変化量について直流電場を除去した時点からの経時変化を求める。また、評価装置の全体もコンビュ —タ 9で制御する。

なお、パルスジェネレーター 2を用いて液晶素子 1 0 に直流電場を印加するようにしてもよい。また、パルスジエネレ一ター 2 によりパルス幅の異なる複数のパルス列を合成した合成交流パルス電場を発生させ、 M C T検出器 6により変換された電気信号を合成交流パルス電場を構成する各パルス列に対応する複数の電気信号に分解する場合にもコンピュータ 9による制御を行う。

本実施例では、以下のようにして液晶素子中に混入した電荷応答性不純物について評価した。

基板として、 I T 0 (ィンジゥムースズ酸化物）透明電極付きガラス基板を用い、その表面にポリイミドからなる液晶配向膜を形成してラビング処理を行つた後、セルギャップ約

1 0 mの液晶セルを作製した。一方、液晶として、代表的なフッ素系混合液晶である Z L I — 4 7 9 2 (メルク社製）を用意した。この液晶に、電場応答性不純物としてエタノールを以下に示す比率で混入した。

1 . 3 8 X 0— ³モル Z L

2 1 . 3 8 X 0一⁷モル/ L

3 1 . 3 8 X 0— ⁸モル Z L 4 : 1 . 3 8 X 1 0— ⁹モル Z L

5 ： 0 モル Z L

上記の各液晶材料をそれぞれ液晶セルに注入し、試料 1 〜 5の液晶素子を作製した。得られた試料 1〜 5の各液晶素子について図 1 に示す評価装置による評価を行った。

まず、一方の電極を接地し、他方の電極を— 1 0 Vに設定して、液晶層に 3 0分間にわたって直流電場を印加した後、直流電場を除去した。直流電場を除去した後、 3 0秒おきに、以下のようにして液晶の電場応答曲線を測定した。すなわち、赤外光源からの光を分光し、 C H伸縮振動の吸収波長域の赤外光を偏光子を通して液晶素子に照射しながら、図 2 Aに示すようにパルス幅 T = 1 m s (周期 2 0 0 m s ) 、振幅土 5 Vの交流パルス電場を印加し、液晶層を通過した透過光強度に相当する電気信号を時間分解し積算することにより、交流パルス電場の一周期内での透過光強度の経時変化に相当する電場応答曲線を求めた。試料 1 について直流電場を除去した直後に測定した電場応答曲線を図 2 Bに示す。図 2 Bに示されるように、交流パルス電場の極性が反転する前後で電場応答曲線の傾きが変化することが確認された。試料 2についても、試料 1 と同様に、交流パルス電場の極性が反転する前後での電場応答曲線の傾きに変化が認められたが、変化の程度は試料 1 と比較して小さかった。一方、試料 3〜 5については交流パルス電場の極性が反転する前後での電場応答曲線の傾きに有意な変化は認められなかった。

しかし、試料 1 および 2についても、直流電場を除去した後の経過時間が長くなるにつれて、交流パルス電場の極性が反転する前後での電場応答曲線の傾きの変化が徐々に小さくなり、図 2 において Xで表示する透過光強度の変化量（試料 5の電場応答曲線との差）の大きさも小さくなつた。試料 1 について、直流電場を除去した時点からの透過光強度の変化量 Xの経時変化曲線を図 3に示す。この場合、約 1 0分後には透過光強度の変化量がゼロになった。また、図示しないが、試料 2についての経時変化曲線は図 3 に示す試料 1の経時変化曲線より下側に位置している。

次いで、試料 3および 4の各液晶素子について、直流電場の印加時間を 6 0分に設定した以外は、上記と同様にして電場応答曲線を求めた。この結果、試料 3の場合には試料 1 および 2の場合と同様な傾向を示す電場応答曲線および透過光強度の変化量 Xに経時変化が認められた。一方、試料 4の場合には、直流電場の印加時間を 3 0分とした場合と同様に有意な変化は認められなかつた。

液晶へのエタノールの混入量がゼロかまたは非常に少ない試料 5または試料 4では有意な変化が認められないことから、液晶素子を構成する液晶材料、配向膜材料などには検出感度以上の電場応答性不純物は含まれていない。したがって、図 2および図 3 に示される変化は液晶に混入したエタノールに起因するものであると結論づけることができる。これらの変化は不純物が電場に応答した結果として検出されているので、この場合の不純物は中性分子であるエタノールではなく、ェタノールまたはェタノールに含まれる水分からごくわずかに解離しているプロトンである。

以上の測定結果をまとめると、液晶（Z L I — 4 7 9 2 ) 中に混入したエタノールに関しては、直流電場を 3 0分間印加した場合には 1. 3 8 X 1 0 ⁷モル/ L以上の濃度であれば検出でき、直流電場を 6 0分間印加した場合にはさらに 1 桁低濃度であつても検出できることがわかる。

Claims

請求の範囲

1 . 1対の電極間に液晶層を有する液晶素子に作用電場を連続的に印加する工程と、作用電場を除去した後、経時的に、液晶素子に交流パルス電場を印加しながら特定波長域の光を照射して液晶層を通過した光を時間分解して測定することにより、光強度の交流パルス電場の一周期内での経時変化に相当する電場応答曲線を求める工程とを有し、電場応答曲線における特定の変化量について作用電場を除去した時点からの経時変化に基づいて液晶素子中に混入した不純物を検出する液晶素子評価方法。

2 . 1対の電極間に液晶層を有する液晶素子に作用電場を印加する手段と、液晶素子に交流パルス電場を印加する手段と、作用電場を除去した後に交流パルス電場を印加するよう制御する手段と、液晶層に光を照射するための光源と、光源から照射された光から特定波長域の光を取り出す分光手段と光源から照射され分光手段により取り出された後液晶層を通過した特定波長域の光を電気信号に変換する光検出手段と、光検出手段により変換された電気信号を時間分解して積算することにより光強度の交流パルス電場の一周期内での経時変化に相当する電場応答曲線を求める手段と、電場応答曲線における特定の変化量を算出し、この変化量を作用電場を除去した時点からの経過時間の関数として解析する手段とを具備した液晶素子評価装置。