풀 뮬러 매트릭스 측정에 의해 액정 셀 파라미터들을결정하는 방법 및 장치 document_id A220623062742

액정 디스플레이(LCDs)는 일반적으로 두 개의 유리 패널들로 구성되고, 이 패널들 사이는 박층의 액정이 밀봉하고 있는데, 이러한 어셈블리는 이 기술에서 "스택(stack)"으로 알려져 있다. 스택의 양면에는 편광 막들이 실장되어 있다. 스택의 유리 패널들 중 하나에서 투명 전극들이 전압을 입력받게 되면 액정 물질의 인접 액정 분자들에 전계가 인가되어 분자들의 방향이 변하게 된다. 액정 분자들의 이러한 방향 변화는 전극들 사이의 스택의 부피 내에서 일어난다. 디지털 시계와 같이 전극이 비교적 큰 경우, 대응하여 다량의 액정 물질이 영향을 받게 된다. 텔레비전 화면 또는 컴퓨터 디스플레이의 픽셀들에서와 같이 전극이 작은 경우, 각 전극에 대해 액정 물질이 영향을 받게 되는 양은 대응하여 작다. 액정 분자들은 본래 복굴절성을 가지므로, 각 픽셀에서 액정 분자 방향을 전기적으로 조정하는 능력을 갖게 되면 그 픽셀에 대해 스택의 각 면에서 편광 화면을 통과하는 광량을 제어할 수 있다. 종래 기술에 알려진 바와 같이, LCD 텔레비전 및 컴퓨터 화면들은 픽셀들을 형성하는 다수의 작은 투명 전극들의 어레이를 기반으로 하는데, 각 픽셀은 각 전극들에 인가된 전압 레벨을 변화시킴으로써 조정되는 전기적으로 조정가능한 광 투과 특성들을 갖는다. 대형 컴퓨터 디스플레이 또는 텔레비전의 경우에, LCD 화면의 픽셀들의 수는 수백만에 달한다. 현재 다양한 LCD 설계기술이 있다. 도 1을 참조하면, 설계자들은 휴지시 즉, 제1 유리 면에 대해 각각의 전극에 전압을 인가하지 않은 상태에서 디렉터(director) 또는 액정 분자들의 분자 축이 향하는 러빙 방향(rubbing direction)을 선택할 수 있다. 제2 유리 면의 러빙 방향을 적절히 선택함으로써 트위스트 각도(Φ)를 제어할 수 있다. 도 2를 참조하여 설명하면, 액정 물질들로 채워진 유리 패널들 사이의 공간인 셀 갭(d)과 프리틸트(Θ)를 또한 제어할 수 있는데, 여기서 프리틸트는 액정 디렉터와 유리 면 사이의 각도이다. 이들 셀 파라미터들을 선택하는 이외에, 설계자들은 셀의 외부 표면들에 실장된 편광자들의 방향뿐만 아니라 액정 셀과 편광자들 사이에 위치한 임의의 복굴절 막들을 선택할 수 있다. 일례로서, 통상의 LCD 설계는 트위스트 각도(Φ)를 90°가 되도록 선택한 트위스티드 네마틱(twisted nematic;TN) 구성이다. 통상의 TN LCD는 8°의 프리틸트 각도와 거의 5 미크론의 셀 갭을 가질 수 있다. 다른 설계로는 180과 270도 사이의 트위스트 각도들을 갖는 슈퍼 트위스티드 네마틱(STN), 0°의 트위스트 각도를 갖는 평면 정렬 스위칭(IPS;in-plane switching) 및 광학적 보상 복굴절(OCB;optically compensated birefringence) 모드 및 거의 90°의 프리틸트 각도를 갖는 수직 정렬 네마틱(VAN;vertically aligned nematic) 모드가 있다. 기타 많은 다른 모드들이 또한 설계 및 개발되어 있다. 이들 설계들 각각은 그 자신의 특정 강점과 약점들을 갖고 있다. 일부의 설계들은 우수한 시계(field-of-view) 특성을 갖는 한편, 다른 설계들은 우수한 스위칭 응답을 갖고 다른 설계들은 낮은 제조 비용을 가질 수 있다. 셀 또는 패널 설계와 관계없이 LCD의 최종적인 성능은 정확한 값의 러빙 방향, 트위스트 각도, 셀 갭 및 프리틸트 각도로 셀을 제조하는 것에 달려 있다. 이들 파라미터들의 일부 또는 그 모두를 측정하기 위해 다양한 기술들과 기구들이 제안되어 있다. 그러나 이들 기술들 및 기구들은 대개 저속이어서 하나의 액정 셀에서 하나의 작은 위치를 측정하는데 거의 20-30초 정도를 소모한다. 따라서 제조중 하나의 셀에서 5 위치들만이 측정될 수 있으며, 이들 위치들은 센터와 또한 일반적으로 각 코너 영역에 있다. 위와 같은 측정에서는 러빙 방향의 오정렬, 셀 두께의 비 균일성과 같은 셀 결함들 및 다른 결함들을 검출한다. 이들 파라미터들을 측정하는 기구들은 LCD 셀들 또는 패널들의 제조 및 품질 제어뿐만 아니라 연구 개발을 위한 결정적인 도구이다. 전술한 현재의 저속 측정 장치들과 방법들은 명백히 제조중 셀들의 처리량을 제한한다. 전술한 파라미터들을 측정하는 현재의 기구들에서는 또한 빈번하게 이들 파라미터들 중 몇몇을 선험적(a priori)으로 알고 있을 필요가 있으며, 또한 제한된 범위의 값들에서만 정확한 측정을 제공할 수 있다. 예를 들어, 현재의 측정 시스템에서는 셀의 러빙 방향을 미리 알고 있을 필요가 있어서 0 내지 30도의 범위에서 프리틸트 각도만을 측정할 수도 있다. 다른 현재의 측정 시스템은 액정 분자들에서 시계방향과 반시계 방향 트위스트 감각의 차이를 구별하지 못할 수 있다. 출원인의 발명은 임의의 액정 셀의 러빙 방향, 트위스트 각도, 셀 갭 및 프리틸트를 동시에 측정할 수 있다. 본 발명은 또한 종래 기술에 비해 현저한 장점들을 갖는다. 이하 기술하는 바와 같이, 종래 기술은 소정의 파라미터들 중 일부(subset)만을 측정하거나 또는 미리 알려진 소정의 파라미터들 중 일부를 필요로 하거나 또는 측정을 완료를 위해서는 LC 셀이 회전될 필요가 있는 기술을 개시한다. 본 발명은 이들 제한들을 갖지 않는다. 미국특허 제5,239,365호에 개시된 발명은 트위스트드 액정 셀의 두께를 측정하는 기술을 개시한다. 그러나 이 기술은 러빙 방향과 트위스트 각도에 대한 선험적 지식을 필요로 한다. 이 기술은 적당한 방향으로 직선 편광자들을 정렬함으로써 스펙트럼 투과율 측정에 의해 셀의 지연특성(retardance)을 측정할 수 있으며 이어서 액정 물질의 공지의 복굴절률(△n)을 기반으로 셀 갭을 측정할 수 있다. 이 기술은 트위스트 각도 또는 러빙 방향은 측정할 수 없다. 미국특허 제5,532,823호에 기술된 발명은 종래 기술을 개선하였다. 교차형 편광자들을 통해 스펙트럼 투과율을 측정하고, 편광자들 사이에서 액정 셀이 연속적으로 회전하게 함으로써, 트위스트 각도, 러빙 방향 및 셀 갭을 측정하는데 근사법을 사용한다. 이 기술에서는 120°이하의 트위스트 각도를 필요로 하므로 STN 모드 셀들을 측정하는데 이 이 기술을 사용할 수 없다. 다른 개선이 미국특허 제6,081,337호에 기술되어 있다. 이 기술에서, 액정 셀은 회전하지 않는다. 대신, 스펙트럼 투과율 측정이 수행되는 동안 셀 앞과 뒤의 편광자들이 회전한다. 따라서 두 개의 편광자들에 대한 적당한 회전 각도들이 결정되고, 러빙 방향, 트위스트 각도 및 셀 갭이 결정될 수 있는 알고리즘을 개시한다. 전술한 이들 3가지 기술들은 각기 직선 편광 상태들을 갖는 샘플을 조사하고, 이 샘플들에서 출사하는 광의 직선 편광 성분을 분석함으로써 액정 셀의 특성들을 결정한다. 그러나 트위스티드 액정 셀의 키랄(chiral) 구조로부터 원형 및 타원형 편광 상태들을 연구함으로써 충분한 량의 추가 정보를 얻을 수 있다. 미국특허 제6,300,954호는 액정 셀로부터 출사하는 광의 풀(full) 편광 상태(스토크스 벡터(Stokes vector))를 시험하여 유용성을 인식했다. 그러나 이 기술은 셀에 단지 직선 편광만을 도입한다. 셀을 회전시켜서 투과 빔에서 최대 또는 최소량 측정을 가능케 하는 방향을 구할 수 있다. 배치된 방향에서, 측정된 스토크스 벡터로부터 셀 갭과 트위스트 각도를 구할 수 있다. 그러나 이러한 최근의 종래 기술에서는 측정을 위해 액정 셀의 회전이 필요하므로, 러빙 방향을 측정할 수 없다. 본 발명에서, 액정 셀의 셀 갭, 트위스트 각도 및 러빙 방향을 신속하고 정확하게 측정하기 위해서는 하나 이상의 파장들에서 완전한 뮬러 매트릭스(Mueller matrix)를 측정하는 것이 바람직함을 설명한다. 한 샘플의 뮬러 매트릭스를 정확하게 측정하기 위해서는 샘플을 좌회전 및 우회전을 포함한 직선, 타원형 및 원형 등의 다양한 편광 상태로 조사하고 이들 편광 상태가 샘플과 상호작용한 후의 유사한 다양한 편광 상태를 분석할 필요가 있다고 알려져 있다. 측정이 적절하게 수행되면, 샘플의 뮬러 매트릭스가 측정될 수 있다. 뮬러 매트릭스는 매트릭스 내에 지연기(retarder) 특성, 편광자 특성, 및 편광해소(depolarization) 특성을 포함한 샘플의 모든 가능한 편광 변경 특성들을 포함한다. 본 발명 이전에 액정 셀의 이론적인 또는 측정된 뮬러 매트릭스들을 기술한 문헌은 소수에 불과했다. "J. Opt. Soc. Am."(권 68, 페이지 1756-1767, 1979년)에는 트위스티드 네마틱 액정 셀에서 뮬러 매트릭스를 수학적으로 유도하는 방법이 기술되어 있다. 그러나 다른 분석은 없으며, 실험적인 결과도 제시되어 있지 않다. "Appl. Opt."(권 37, 페이지 937-945, 1998년)에서 트위스티드 네마틱 액정 셀의 수학적 유도는 이론적 뮬러 매트릭스들의 편광 고유상태들(eigenstates)을 계산함으로써 수행된다. 그러나 측정을 개시하지는 않으며, 이 계산의 목적은 트위스티드 네마틱 액정 셀들의 편광 고유상태들을 구해서 아마 광 상관 또는 기타 광학 연산 응용에 사용을 위해 위상 변조만을 얻는데 셀들이 사용될 수 있도록 하는 것이다. 이러한 이론적인 작업은 실제로 "Opt. Lett"(권 18, 페이지 1567-1569, 1993년)에 기술된 실험적인 측정을 수반하는데, 위의 문헌은 트위스티드 네마틱 액정 장치의 측정된 편광 고유상태들에 대한 기술을 알기 위해 참고로만 했다. 이들 측정은 단일 파장에서 수행되었으며, 액정 셀에 인가된 전압의 함수로서 수행되었다. 이 작업의 목적은 전술한 고유상태들을 구해서 광 상관 응용을 위해 위상 변조기만으로서 셀이 사용될 수 있도록 하는 것이다. 마지막으로 "Meas. Sci. Technol."(권 12, 페이지 1938-1948, 2001년)에서, 본 출원인이 알고 있는 액정 셀들에 대한 단 하나의 다른 세트의 뮬러 매트릭스 측정을 찾아냈다. 이 논문에서는, 결정 비대칭들과 강유전성 액정 셀들의 스위칭 응답 시간에 대해 뮬러 매트릭스 측정을 이용하여 조사가 행해졌다. 종래 기술에 대한 출원인의 조사를 요약하면, 종래 기술은 두 가지 부류 즉, 액정 셀들의 물리적인 특성들을 측정하기 위한 방법과 장치를 기술한 특허문헌과 액정 셀들의 뮬러 매트릭스를 이론적으로 모델화하거나 실험적으로 측정하는 학문적인 연구 논문들로 나누어질 수 있다. 특허 기술들은 성능이 제한된 단일 시스템들에서 많은 편광 특성들을 측정해서 액정 셀의 많은 파라미터들을 측정할 수 있는 보다 복잡한 시스템들을 향해 발전하고 있다. 그러나 특허 기술은 완전 편광 특성 즉, 풀 뮬러 매트릭스 측정에 필요한 수준의 복잡성을 갖는 시스템에 대해서는 기술한 바가 없다. 학문적인 연구 논문들은 액정들에서 뮬러 매트릭스의 정의를 유도했거나 또는 각종 연구 목적을 위한 분석과 더불어 액정 셀들의 뮬러 매트릭스를 측정했다. 이 논문들의 목적은 언제나 LC 셀들의 광학적 특성들을 조사하는 것이었다. 이들 논문은 측정된 광학적 특성들을 이용하여 셀의 물리적 특성들로 돌아가서 이 물리적 특성들을 구하는 문제를 조사 대상으로 하지 않았다. 이들 논문들 중 어느 것도 풀 뮬러 매트릭스 측정을 사용하여 액정 셀들의 러빙 방향, 트위스트 각도, 셀 갭 및 프리틸트를 동시에, 또한 고유하게 결정하는 것에 대해 다루는 실험적 측정 또는 이론적 분석을 기술하지 않고 있다.