KR101630119B1 - 광학 소자 - Google Patents

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Abstract

본 출원은, 광학 소자에 관한 것이다. 본 출원의 예시적인 광학 소자는 외부 신호 인가 여부에 의하여 투과도를 가변할 수 있고, 또한 적외선 영역의 광에 대하여 낮은 투과도를 가지는 복합층을 이용하여 외부 신호를 인가할 수 있으므로, 열을 차단하여 에너지를 절감할 수 있다. 이러한 광학 소자는 다양한 광학 장치, 예를 들어 선루프 등에 유용하게 사용될 수 있다.

Description

광학 소자{Optical element}
본 출원은, 광학 소자 및 그 용도에 관한 것이다.
선루프는 통상적으로 차량의 천장에 존재하는 고정된 또는 작동(벤팅 또는 슬라이딩)하는 개구부(opening)를 의미하는 것으로, 빛 또는 신선한 공기가 차량의 내부로 유입되도록 하는 기능을 한다. 이러한 선루프는 수동으로 작동하거나 또는 모터로 구동할 수 있으며, 선루프의 형상, 크기 또는 스타일은 목적하는 용도에 따라 다양한 종류가 존재한다. 예를 들어, 선루프는 작동 방식에 따라 팝-업 타입 선루프, 스포일러(tile & slide) 타입 선루프, 인빌트 타입 선루프, 폴딩 타입 선루프, 탑-마운트 타입 선루프, 파노라믹 루프 시스템 타입 선루프, 제거 가능한 루프 패널즈(t-tops 또는 targa roofts) 타입 선루프 또는 솔라 타입 선루프 등으로 분류된다. 또한, 선루프의 재료에 대한 연구도 활발히 진행 중에 있으며, 예를 들어, 특허문헌 1은 특정 조성의 유리 조성물을 이용하여 자외선 및 태양열선의 흡수가 우수한 선루프를 제조하는 기술을 개시하고 있다.
국제출원공개 제2010-098576호
본 출원은, 외부 신호 인가 여부에 따라 투과도가 가변하는 광학 소자를 제공한다. 본 출원은 또한, 적외선 영역에서 낮은 투과도를 가지는 복합층을 이용하여 상기 외부 신호를 인가함으로써, 열 차단 효과를 가지는 에너지 절감형 광학 소자를 제공한다.
본 출원의 예시적인 광학 소자는 편광층, 액정층 및 복합층을 포함할 수 있다. 상기에서 액정층은 상기 편광층 상에 형성되고 액정 화합물과 이방성 염료를 포함할 수 있다. 상기에서 복합층은 상기 액정층과 인접하여 존재할 수 있고, 제 1 산화물층, 금속층 및 제 2 산화물층을 순차로 포함할 수 있다. 상기에서, 액정 화합물 및/또는 이방성 염료는 배향된 상태로 존재할 수 있고, 상기 액정 화합물은 상기 복합층에 의해 인가되는 신호에 의해 배향이 변경될 수 있다. 복합층은 액정층의 일 측면에 인접하여 1개 존재하거나 또는 액정층의 양 측면에 인접하여 2개 존재할 수 있다. 도 1은 2개의 복합층이 액정층의 양 측면에 존재하는 경우를, 예를 들어, 편광층(101); 상기 편광층 상에 형성된 액정층(102) 및 상기 액정층의 양측에 배치된 2개의 복합층(103A, 103B)을 포함하는 광학 소자를 예시적으로 나타낸다.
본 출원의 예시적인 광학 소자는 외부에 의해 인가되는 신호에 의해 광 투과도를 가변할 수 있다. 상기 외부에 의해 인가되는 신호는, 예를 들면, 상기 복합층에 의해 인가되는 전압일 수 있다. 후술하는 바와 같이 복합층은 적외선 영역의 광에 대한 낮은 투과도를 가진다. 따라서, 상기 복합층에 의하여 전압을 인가하는 경우 열을 차단할 수 있고, 이로 인해 에너지를 절감하는 효과가 있다. 이하, 상기 광학 소자에 대하여 더욱 구체적으로 설명한다.
본 명세서에서 「편광층」은 입사 광에 대하여 선택적 투과 및 차단 특성, 예를 들어 반사 또는 흡수 특성을 나타내는 기능성 층을 의미할 수 있다. 편광층은 예를 들어, 여러 방향으로 진동하는 입사 광으로부터 어느 한쪽 방향으로 진동하는 광은 투과하고, 나머지 방향으로 진동하는 광은 차단시키는 기능을 가질 수 있다. 편광층의 종류는 특별히 제한되지 않고, 예를 들어 반사형 편광층으로서 예를 들어, DBEF(Dual Brightness Enhancement Film), 유방성 액정층(LLC층: Lyotropic Liquid Crystal) 또는 와이어 그리드 편광기(wire grid polarizer) 등을 사용할 수 있고, 흡수형 편광층으로서 예를 들어, PVA 연신 필름 등과 같은 고분자 연신 필름에 요오드를 염착한 편광자 또는 배향된 상태로 중합된 액정을 호스트로 하고, 상기 액정의 배향에 따라 배열된 이방성 염료를 게스트로 하는 게스트-호스트형 편광자를 사용할 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다.
본 출원에서 액정층은 액정 화합물 및 이방성 염료를 포함할 수 있다. 상기 액정층은 게스트-호스트형 액정층일 수 있다. 상기 게스트-호스트형 액정층은 액정 화합물의 배열에 따라 이방성 염료가 함께 배열되어 염료의 정렬 방향에 평행한 광은 흡수하고 수직한 광은 투과시킴으로써 비등방성 광흡수 효과를 나타낼 수 있다. 액정층 내의 액정 화합물 및/또는 이방성 염료는, 외부에 의해 인가되는 신호에 의해 정렬 방향이 변환될 수 있다. 이 경우에 상기 외부에 의해 인가되는 신호는 액정 화합물 및/또는 이방성 염료의 정렬을 변경시킬 수 있도록 수행되는 모든 종류의 신호를 의미하고, 대표적인 예로는 전압의 인가가 있다.
액정 화합물로는 외부 신호 인가에 의하여 그 배향 방향이 변경될 수 있는 것이라면 모든 종류의 액정 화합물을 사용할 수 있다. 예를 들며, 액정 화합물로는 스멕틱(smectic) 액정 화합물, 네마틱(nematic) 액정 화합물 또는 콜레스테릭(cholesteric) 액정 화합물 등을 사용할 수 있다. 또한, 외부 신호 인가에 의하여 그 배향 방향이 변경될 수 있도록, 액정 화합물은 예를 들어 중합성기 또는 가교성기를 가지지 않는 화합물일 수 있다.
하나의 예시에서 액정 화합물로는, 네마틱 액정 화합물을 사용할 수 있다. 상기 화합물로는, 예를 들면, 하기 수식 1을 만족하는 네마틱 액정 화합물을 사용할 수 있다.
[수식 1]
(1.53 - b) < {(2no 2+ne 2)/3}0.5 < (1.53 + b)
수식 1에서, no는 액정 화합물의 정상 굴절률(ordinary refractive index), 예를 들면 네마틱 액정 화합물의 단축 방향의 굴절률이고, ne는 액정 화합물의 이상 굴절률(extraordinary refractive index), 예를 들면, 네마틱 액정 화합물의 장축 방향의 굴절률이며, b는 0.1 = b =1을 만족하는 수이다. 수식 1을 만족하는 액정 화합물을 선택하여, 전압이 인가되지 않은 상태에서도 우수한 투명성이 확보되는 액정셀을 제작할 수 있다. 수식 4에서 b는 다른 예시에서는 0.1 내지 0.9, 0.1 내지 0.7, 0.1 내지 0.5 또는 0.1 내지 0.3일 수 있다.
액정 화합물은 또한 이상 유전율(εe, extraordinary dielectric anisotropy, 장축 방향의 유전율)과 정상 유전율(εo, ordinary dielectric anisotropy, 단축 방향의 유전율)의 차이가 3 이상, 3.5 이상, 4 이상, 6 이상, 8 이상 또는 10 이상일 수 있다. 이러한 유전율을 가지면 구동 전압 특성이 우수한 소자를 제공할 수 있다. 상기 유전율의 차이는, 그 수치가 높을수록 소자가 적절한 특성을 나타낼 수 있는 것으로, 그 상한은 특별히 제한되지 않는다. 예를 들어, 액정 화합물로는 이상 유전율(εe, extraordinary dielectric anisotropy, 장축 방향의 유전율)이 6 내지 50 정도이고, 정상 유전율(εo, ordinary dielectric anisotropy, 단축 방향의 유전율)이 2.5 내지 7 정도인 화합물을 사용할 수 있다.
본 명세서에서 「염료」는, 가시광 영역, 예를 들면, 400 nm 내지 700 nm 파장 범위 내에서 적어도 일부 또는 전체 범위 내의 광을 집중적으로 흡수 및/또는 변형시킬 수 있는 물질을 의미할 수 있고, 용어 「이방성 염료」는 상기 가시광 영역의 적어도 일부 또는 전체 범위에서 광의 이방성 흡수가 가능한 물질을 의미할 수 있다. 상기와 같은 이방성 염료의 사용을 통해서 광학 소자의 광 투과도를 조절할 수 있다. 이방성 염료로는 특별히 제한되지 않으나, 예를 들면 흑색 염료(black dye) 또는 칼라 염료(color dye)를 사용할 수 있다. 상기 이방성 염료는, 이색비(dichroic ratio), 즉 이방성 염료의 장축 방향에 평행한 편광의 흡수를 상기 장축 방향에 수직하는 방향에 평행한 편광의 흡수로 나눈 값이 5 이상, 6 이상 또는 7 이상인 염료를 사용할 수 있다. 상기 염료는 가시광 영역의 파장 범위 내, 예를 들면, 약 380 nm 내지 700 nm 또는 약 400 nm 내지 700 nm의 파장 범위 내에서 적어도 일부의 파장 또는 어느 한 파장에서 상기 이색비를 만족할 수 있다. 상기 이색비의 상한은, 예를 들면 20, 18, 16 또는 14 정도일 수 있다. 이방성 염료의 종류는 특별히 제한되지 않으며, 예를 들면, 상기와 같은 특성을 가지면서 액정 화합물의 배향에 따라 배향될 수 있는 특성을 가지는 것으로 공지된 모든 종류의 염료가 사용될 수 있다.
본 출원의 광학 소자는 상기 액정층 내에 존재하는 액정 화합물 및/또는 이방성 염료의 배향을 조절함으로써 상기 이방성 염료의 배열 방향과 평행한 방향의 편광 및 수직한 방향의 편광에 대한 비등방성 광 흡수를 조절할 수 있다. 예를 들어, 액정층 내의 액정 화합물 및/또는 이방성 염료의 배향은 외부 신호 인가에 의하여 배향이 조절될 수 있으며, 이에 따라 상기 액정층은 외부 신호 인가 여부에 따라 비등방성 광 흡수를 조절할 수 있다. 이러한 특성을 가지는 액정층을 소위 능동형 편광자(Active Polarizer)로 호칭할 수 있고, 후술하는 바와 같이 외부 신호 인가에 의하여 상기 편광층의 투과축 및/또는 흡수축과의 관계를 조절함으로써 광학 소자의 전체 투과도를 조절할 수 있다.
하나의 예시에서, 액정층은 액정 화합물 및/또는 이방성 염료의 배향 상태를 수평배향 (homogeneous alignment) 상태, 경사배향 (tiltiedalignment) 상태 또는 수직배향 (homeotropicalignment) 상태 사이에서 상호 스위칭(switching)하는 것에 의하여 편광 특성을 조절할 수 있다.
본 명세서에서 수평배향은 액정층의 광축이 액정층의 평면에 대하여 약 0도 내지 15도, 약 0도 내지 10도, 약 0도 내지 5도 범위 내의 경사각을 가지는 경우를 의미할 수 있다. 또한, 본 명세서에서 수직 배향은 액정층의 광축이 액정층의 평면에 대하여 약 90도 내지 85도의 경사각을 가지는 경우를 의미할 수 있다. 또한 본 명세서에서 경사 배향은, 액정층의 광축이 액정층의 평면에 대하여 수평 배향 또는 수직 배향 이외의 경사각을 가지는 경우를 의미할 수 있고, 예를 들어 액정층의 광축이 액정층의 평면에 대하여 약 15도 초과 내지 85도 미만의 경사각을 가지는 경우를 의미할 수 있다. 본 명세서에서 용어 「광축」은 입사광이 해당 영역을 투과할 때의 지상축을 의미할 수 있고, 액정 화합물이 막대(rod) 형상인 경우에는 막대의 장축 방향을 의미할 수 있고, 액정 화합물이 원반(discostic) 형상인 경우에는 원반 면의 법선 방향일 수 있다.
또한, 상기에서 액정층의 수평 배향, 경사 배향 또는 수직 배향은 목적하는 광학 소자의 광 투과도의 조절이 가능한 실질적인 수평 배향, 경사 배향 또는 수직 배향을 의미하며, 이 경우 액정층의 면 방향 위상차 및 두께 방향 위상차는 특별히 제한되는 않다.
다른 하나의 예시에서, 광학 소자는 상기와 같이 액정층의 어느 일면에 편광층이 존재하는 경우뿐만 아니라, 대향하는 2개의 편광층 사이에 액정층이 존재하는 구조도 포함할 수 있으며, 이 경우 액정층은 수평 배향 상태에서, 적절한 광 투과도 조절이 가능한 한, 하기 기술하는 두께 방향 위상차가 소정 범위로 존재할 수 있고, 수직 배향 상태에서도 면방향 위상차가 소정 범위로 존재할 수 있으나, 면 방향 위상차 및 두께 방향 위상차가 하기에 제한되는 것은 아니다.
상기에서, 액정층 내의 액정 화합물 및/또는 이방성 염료가 수평 배향하고 있는 상태에서 액정셀의 면방향 위상차 (Rin)는, 예를 들면, 10nm이상, 20nm이상, 30nm이상, 40nm이상, 50nm이상, 60nm이상, 70nm이상, 80nm이상, 90nm이상, 100nm 이상, 110nm이상, 120nm이상, 130nm이상 또는 140nm이상일 수 있다. 또한, 전압 무인가 상태에서 상기 액정층의 면방향의 위상차의 상한은, 300nm이하, 290nm 이하, 280nm이하, 270nm이하, 260nm이하, 250nm이하, 240nm이하, 230nm 이하, 220nm이하, 210nm이하, 200nm이하, 190nm이하, 180nm이하, 170nm 이하 또는 160nm이하일 수 있다. 또한, 전압 인가에 의해 액정 화합물 및/또는 이방성 염료가 수직 배향하고 있는 상태에서 상기 액정층의 두께 방향 위상차(Rth)는, 예를 들면, 10nm이상, 20nm이상, 30nm이상, 40nm이상, 50nm이상, 60 nm이상, 70nm이상, 80nm이상, 90nm이상, 100nm이상, 110nm이상, 120nm 이상, 130nm이상 또는 140nm이상이 될 수 있다. 또한, 전압이 인가되면, 액정층의 두께 방향의 위상차의 상한은, 300nm이하, 290nm이하, 280nm이하, 270nm 이하, 260nm이하, 250nm이하, 240nm이하, 230nm이하, 220nm이하, 210nm 이하, 200nm이하, 190nm이하, 180nm이하, 170nm이하 또는 160nm이하 정도로 될 수 있다.
본 명세서에서 용어「면 방향 위상차(Rin)」는 하기 일반식 1로 계산되는 수치이고, 용어「두께 방향 위상차(Rth)」는 하기 일반식 2로 계산되는 수치이다.
[일반식 1]
Rin=(nx-ny)×d
[일반식 2]
Rth=(nz-ny)×d
일반식 1 및 2에서 부호 nx, ny, nz 및 d는 각각 액정층의 면내 지상축 방향의 굴절률, 면내 진상축 방향의 굴절률, 두께 방향의 굴절률 및 두께를 의미한다. 사익 각 굴절률은 예를 들면, 550nm 파장의 광에 대하여 측정된 굴절률일 수 있다. 상기를 통해서, 전압 무인가 상태에서는 투과 모드가 구현되고, 전압 인가 상태에서는 차단 모드가 구현할 수 있는 광학 소자를 제조할 수 있다. 상기 액정층 내의 액정화합물 및/또는 이방성 염료의 전압인가 또는 무인가시의 배향 상태와 각 상태에 따른 위상차는 상기 광학 소자가 적용되는 용도에 따라 적절한 광투과도의 조절 효과가 발휘될 수 있도록 자유롭게 조절될 수 있다.
하나의 예시에서, 초기 상태에서 액정층 내의 액정 화합물 및/또는 이방성 염료는 액정층의 광축이 액정층의 평면에 대하여 0도 내지 90도의 경사각을 이루도록 배향된 상태로 존재할 수 있다. 본 명세서에서 「초기 상태」는, 액정 화합물 및/또는 이방성 염료의 배향에 영향을 미칠 수 있는 외부 신호가 인가되지 않은 상태를 의미할 수 있다. 하나의 구체적인 예시에서, 초기 상태에서 액정 화합물 및/또는 이방성 염료는 수평 배향 또는 수직 배향된 상태로 존재할 수 있다.
또한, 초기 상태에서 액정 화합물 및/또는 이방성 염료는 액정층의 광축이 편광층의 흡수축 방향과 0도 내지 90도의 범위를 이루도록 배향된 상태로 존재할 수 있다. 하나의 예시에서, 액정층이 수평 배향 상태로 존재하는 경우에도 액정층의 광축과 편광층의 흡수축 방향이 이루는 각도를 조절함으로써 광학 소자의 투과도를 조절할 수 있다. 하나의 예시에서, 액정층의 광축이 편광층의 흡수축 방향과 이루는 각도가 수직을 이루는 경우 광학 소자의 투과도를 감소시킬 수 있고, 액정층의 광축이 흡수축 방향과 이루는 각도가 평행을 이루는 경우 광학 소자의 투과도를 증가시킬 수 있다.
상기에서, 액정 화합물 및/또는 이방성 염료는 편광판의 흡수축과 어느 하나의 각도를 이루도록 배향된 상태로 존재하거나, 예를 들어 편광판의 흡수축과 평행을 이루도록 배향된 상태로 존재하거나 또는 트위스티드 배향된 상태로 존재할 수 있다. 본 명세서에서 「트위스티드 배향된 상태」는 액정 화합물 및/또는 이방성 염료의 장축이 액정층의 평면과 평행하지만, 이웃하는 액정 화합물 및/또는 이방성 염료의 장축의 방향은 조금씩 각도가 변하여 비틀어져 배열된 상태를 의미할 수 있다. 또한, 액정층의 구동 모드는 상기와 같은 액정 화합물 및/또는 이방성 염료의 배향 특성을 나타낼 수 있는 한 특별히 제한되지 않는다. 예를 들어, 액정층은 ECB(Electrically Controlled Birefringence) 모드, TN(Twisted Nematic) 모드 또는 STN(Super Twisted Nematic) 모드로 구동될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
전술한 바와 같이, 액정층의 액정 화합물 및/또는 이방성 염료는 외부 신호 인가에 의하여 초기 상태의 배향을 스위칭할 수 있다. 하나의 예시에서, 액정층이 초기 상태에서 수평 배향 상태인 경우 외부 신호 인가에 의하여 수직 배향 상태로 스위칭함으로써 투과도를 높일 수 있고, 초기 상태에서 수직 배향 상태인 경우 외부 신호 인가에 의하여 수평 배향 상태로 스위칭함으로써 투과도를 감소시킬 수 있다. 또한, 초기 수직 배향 상태에서 수평 배향 상태로 스위칭함에 있어서, 액정 화합물 및/또는 이방성 염료의 배향 방향을 결정하기 위하여 일정 방향의 프리 틸트(Pre Tilt)가 필요할 수 있다. 상기에서 프리 틸트를 부여하는 방식은 특별히 제한되지 않고, 예를 들어 의도하는 프리 틸트를 부여할 수 있도록 적절한 배향막을 배치하는 것에 의하여 가능하다.
상기에서 액정층의 액정 화합물 및/또는 이방성 염료가 수직 배향된 상태인 경우 이방성 염료의 정렬 방향이 하부에 존재하는 편광층의 평면에 대하여 수직을 이루므로 편광층을 투과한 광이 액정층의 이방성 염료에 흡수되지 않고 투과될 수 있고, 이를 통해 광학 소자의 투과도를 증가시킬 수 있다. 반면, 액정층의 액정 화합물 및/또는 이방성 염료가 수평 배향된 상태인 경우 이방성 염료의 정렬 방향이 하부에 존재하는 편광층의 평면에 대하여 평행을 이루고 있으므로, 액정층의 광축 배향 방향이 편광층의 흡수축에 대하여 소정의 각도를 가지도록 배치하는 경우, 편광층을 투과한 광의 일부를 이방성 염료에 흡수시킬 수 있고, 이를 통해 광학 소자의 투과도를 감소시킬 수 있다.
하나의 예시에서, 광학 소자는 액정층에 외부 신호 인가 여부에 따라 투과 모드 및 차단 모드의 사이를 스위칭할 수 있다. 광학 소자는 예를 들어, 액정층에 외부 신호 인가에 의하여 가시광 영역의 투과율이 20% 이상인 투과 모드와 가시광 영역의 투과율이 3% 이하인 차단 모드의 사이를 스위칭할 수 있다. 그러나, 투과 모드 및 차단 모드의 광 투과율이 상기에 제한되는 것은 아니고 전술한 바와 같이, 액정 화합물 및/또는 이방성 염료의 배향 특성을 조절함으로써, 보다 다양한 광 투과율 범위로도 조절할 수 있다.
하나의 예시에서, 초기 상태에서 액정층이 수평 배향 상태인 경우 액정층의 광축의 배향 방향이 편광층의 흡수축과 소정의 각도를 이루도록 형성함으로써 차단 모드를 구현할 수 있고, 외부 신호 인가에 의하여 액정층을 수직 배향 상태로 전환하는 경우 광학 소자의 투과도가 증가되어 투과 모드를 구현할 수 있다. 다른 하나의 예시에서, 초기 상태에서 액정층이 수직 배향 상태인 경우 광학 소자는 초기 상태에서 투과 모드를 구현할 수 있고, 외부 신호 인가에 의하여 액정층을 전술한 프리 틸트에 따라 수평 배향 상태로 전환하는 경우, 액정층의 광축의 배향 방향이 편광층의 흡수축과 소정의 각도를 이루도록 함으로써 투과도를 감소시킬 수 있으며 이 경우 광학 소자는 차단 모드를 구현할 수 있다.
광학 소자는 액정 화합물 및/또는 이방성 염료의 초기 정렬 상태를 조절하기 위하여 액정층에 인접하는 배향막을 추가로 포함할 수 있다. 배향막으로는, 특별한 제한 없이 공지의 수직 또는 수평 배향막을 사용할 수 있다. 이러한 배향막은, 러빙 배향막과 같이 접촉식 배향막이거나, 혹은 광배향성 화합물을 포함하여, 예를 들면 직선 편광의 조사 등과 같은 비접촉식 방식에 의해 배향 특성을 나타낼 수 있는 것으로 공지된 배향막을 사용할 수 있다.
상기에서 액정층이 TN 모드 또는 STN 모드로 구동하는 경우, 액정층은 키랄제(chiral agent)를 추가로 포함할 수 있다. 키랄제는 상기 액정 화합물 및/또는 이방성 염료의 분자 배열이 나선 구조를 갖도록 유도할 수 있다. 상기 키랄제로는, 액정성, 예를 들면, 네마틱 규칙성을 손상시키지 않고, 목적하는 나선 구조를 유발할 수 있는 것이라면, 특별히 제한되지 않고 사용될 수 있다. 액정에 나선 구조를 유발하기 위한 키랄제는 분자 구조 중에 키랄리티(chirality)를 적어도 포함할 필요가 있다. 키랄제로는, 예를 들면, 1개 또는 2개 이상의 비대칭 탄소(asymmetric carbon)를 가지는 화합물, 키랄 아민 또는 키랄 술폭시드 등의 헤테로원자 상에 비대칭점(asymmetric point)이 있는 화합물 또는 크물렌(cumulene) 또는 비나프톨(binaphthol) 등의 축부제를 가지는 광학 활성인 부위(axially asymmetric optically active site)를 가지는 화합물이 예시될 수 있다. 키랄제는 예를 들면 분자량이 1,500 이하인 저분자 화합물일 수 있다. 키랄제로는, 시판되는 키랄 네마틱 액정, 예를 들면, Merck사에서 시판되는 키랄 도판트 액정 S-811 또는 BASF사의 LC756 등을 사용할 수도 있다.
액정층은 또한, 기둥 패턴을 추가로 포함할 수 있다. 보다 구체적으로, 액정층은, 액정층의 상부 및 하부에 존재하는 2개의 인접하는 층 사이에서 간격을 유지할 수 있도록 형성된 기둥 패턴을 추가로 포함할 수 있다. 액정층이 편광판과 복합층의 사이에 존재하는 경우 상기 하부 및 상부의 층은 편광판 및 복합층일 수 있고, 액정층이 2개의 복합층 사이에 존재하는 경우 상기 하부 및 상부의 층은 2개의 복합층일 수 있다. 액정 화합물 및/또는 이방성 염료는 상기 기둥 패턴이 존재하지 않는 영역 내에 존재할 수 있다. 기둥 패턴은 예를 들어, 액정층에 인접하여 존재하는 상부 및 하부 층 중 어느 하나의 층 상에 형성되어 있고, 접착제에 의하여 다른 하나의 층에 부착된 상태로 존재할 수 있다. 상기 기둥 패턴과 복합층을 부착할 수 있는 접착제는 기둥 패턴의 기둥 면에 존재할 수 있고, 접착제의 종류는 특별히 제한되지 않고, 공지의 광학 소자 접합용 접착제를 사용할 수 있다.
기둥 패턴은 경화성 수지를 포함할 수 있다. 경화성 수지의 종류는 특별히 제한되지 않고, 예를 들어 가열 경화성 수지 또는 광 경화성 수지, 예를 들어 자외선 경화성 수지를 사용할 수 있다. 가열 경화성 수지로는, 예를 들어 실리콘 수지, 규소 수지, 프란 수지, 폴리우레탄 수지, 에폭시 수지, 아미노 수지, 페놀 수지, 요소 수지, 폴리에스테르 수지 또는 멜라민 수지 등을 사용할 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다. 자외선 경화성 수지로는 대표적으로 아크릴 중합체, 예를 들어, 폴리에스테르 아크릴레이트 중합체, 폴리스티렌 아크릴레이트 중합체, 에폭시 아크릴레이트 중합체, 폴리우레탄 아크릴레이트 중합체 또는 폴리부타디엔 아크릴레이트 중합체, 실리콘 아크릴레이트 중합체 또는 알킬 아크릴레이트 중합체 등을 사용할 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다.
기둥 패턴의 형상 및 배열 방식은 본 출원의 목적을 손상시키지 않는 범위 내에서, 예를 들어 2개의 복합층 사이에서 일정한 간격을 유지할 수 있도록 형성되는 범위 내에서 적절히 설계될 수 있다. 기둥 패턴은 하나 또는 둘 이상의 기둥 형상이 이격되어 존재하거나 또는 격벽 형상으로 구획을 이루도록 존재할 수도 있다. 기둥 패턴의 기둥 너비, 간격, 두께 액정층 내에서 면적 비율은 본 출원의 목적을 손상시키지 않는 범위 내에서 적절히 선택될 수 있다. 예를 들어, 기둥의 너비는 1㎛ 내지 500㎛일 수 있고, 기둥 간의 간격은 10㎛ 내지 5000㎛일 수 있으며, 액정층 내의 기둥 패턴의 면적 비율은 액정층의 면적 100%에 대하여 약 0.1% 내지 50%일 수 있다. 또한, 기둥의 높이는 액정층의 두께를 고려하여 액정층의 두께와 유사한 범위 내로 적절히 선택될 수 있다.
이하, 상기 복합층에 대하여 구체적으로 설명한다. 복합층은 제 1 화물층, 금속층 및 제 2 산화물층을 순차로 포함할 수 있다. 상기 복합층은, 액정층에 외부 신호, 예를 들면, 전압을 인가할 수 있는 전극층의 역할을 수행할 수 있다. 상기 복합층은, 가시광 영역에서 높은 광 투과율을 가지므로 투명성이 우수하고, 적외선 영역에서 낮은 광 투과율을 가지므로 열을 차단하는 효과가 있을 뿐만 아니라, 높은 전기 전도도 및 낮은 면저항 값을 가진다. 따라서, 이러한 복합층은 에너지 절감이 가능하고, 광학 소자의 전극층으로 유용하게 사용될 수 있다.
복합층은 가시광 영역, 예를 들면, 약 400 nm 내지 700 nm 범위 내의 어느 한 파장 또는 550 nm 파장의 광에 대한 투과율이 80% 이상, 85% 이상 또는 90% 이상일 수 있다. 상기 수치범위를 만족하는 복합층은 광학 소자의 전극층으로 유용하게 사용될 수 있다. 그러나, 복합층의 가시광 영역의 광투과율이 상기 수치범위에 제한되는 것은 아니고, 통상 투명 전극으로 적용 가능한 정도의 가시광 영역의 광투과율을 가질 수 있다.
복합층은 적외선 영역, 예를 들면, 약 700 nm 내지 1000 nm 범위 내의 어느 한 파장 또는 780 nm 이상의 광에 대한 투과율이 70% 이하, 65% 이하 또는 60% 이하일 수 있다. 상기 수치범위를 만족하는 복합층은 적외선 영역의 열을 차단할 수 있으므로, 예를 들면, 에너지 절감이 가능하다. 복합층의 적외선 영역의 광투과율의 하한은, 특별히 제한되지 않으나, 예를 들면, 상기 복합층이 스마트 윈도우의 전극층으로 사용될 경우에는 하한이 0% 내지 5% 일 수 있다.
복합층은 면저항 값이 20 Ω/□ 이하, 15 Ω/□ 이하 또는 10 Ω/□ 이하일 수 있고, 하한은 특별히 제한되지 않으나, 0.1 Ω/□ 이상일 수 있다. 상기 수치범위의 면저항 값을 가지는 복합층이 광학 소자에 적용될 경우 소비 전력을 최소화할 수 있으므로 광학 소자의 효율을 높일 수 있는 장점이 있다.
복합층의 가시광 영역 및/또는 적외선 영역의 광투과율, 면저항 등의 특성은, 예를 들면, 제 1 산화물층, 금속층 및 제 2 산화물층의 굴절률, 두께, 전기전도도 또는 재료 등에 의하여 조절될 수 있다. 본 명세서에서 「산화물층」은 산화물을 주성분으로 포함하는 층을 의미할 수 있고, 「금속층」은 금속을 주성분으로 포함하는 층을 의미할 수 있다. 산화물층은 예를 들어, 산화물을 약 80 중량%이상 포함하는 층을 의미할 수 있고, 금속층은 예를 들어, 금속을 약 80 중량%이상 포함하는 층을 의미할 수 있다.
하나의 예시에서, 제 1 산화물층의 굴절률은 제 2 산화물층에 비하여 높을 수 있고, 금속층의 굴절률은 제 2 산화물층의 굴절률에 비해 낮을 수 있다.
하나의 예시에서, 상기 금속층은 550 nm의 파장에 대한 굴절률이 0.1 내지 1.0 범위 내일 수 있다. 보다 구체적으로 상기 금속층의 550nm의 파장의 광에 대한 굴절률은 0.1 이상, 이상, 0.15 이상, 0.2 이상, 0.25 이상, 0.3 이상, 0.35 이상, 0.4 이상, 0.45 이상 또는 0.5 이상일 수 있고, 1.0 이하, 0.95 이하, 0.9 이하, 0.85 이하, 0.8 이하, 0.75 이하, 0.7 이하, 0.65 이하, 0.6 이하 또는 0.55 이하일 수 있다.
또한, 상기 제 1 산화물층의 550 nm의 파장의 광에 대한 굴절률은 1.2 내지 2.8 또는 1.9 내지 2.75의 범위 내에 있고, 보다 구체적으로 상기 제 1 산화물층의 550nm의 파장의 광에 대한 굴절률은 1.2 이상, 1.25 이상, 1.3 이상, 1.35 이상, 1.4 이상, 1.45 이상, 1.5 이상, 1.55 이상, 1.6 이상, 1.65 이상, 1.7 이상, 1.75 이상, 1.8 이상, 1.85 이상, 1.9 이상, 1.95 이상 또는 2.0 이상일 수 있고. 2.8 이하, 2.75 이하, 2.7 이하, 2.65 이하, 2.6 이하, 2.55 이하, 2.5 이하, 2.45 이하, 2.4 이하, 2.35 이하, 2.3 이하, 2.25 이하, 2.2 이하, 2.15 이하, 2.1 이하 또는 2.05 이하일 수 있다.
또한, 상기 제 2 산화물층의 550nm의 파장의 광에 대한 굴절률은 1.5 내지 2.5의 범위 내에 있을 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 제 2 산화물층의 550nm의 파장의 광에 대한 굴절률은 1.5 이상, 1.55 이상, 1.6 이상, 1.65 이상, 1.7 이상, 1.75 이상, 1.8 이상, 1.85 이상, 1.9 이상, 1.95 이상 또는 2.0 이상일 수 있고, 2.5 이하, 2.45 이하, 2.4 이하, 2.35 이하, 2.3 이하, 2.25 이하, 2.2 이하, 2.15 이하, 2.1 이하 또는 2.0 이하일 수 있다. 상기 굴절률은, 예를 들면, M-2000 장치 [제조사: J. A. Woollam Co., Inc. (USA)]를 사용하여 측정할 수 있다.
금속층, 제 1 산화물층 및 제 2 산화물층이 각각 상기 굴절률 범위를 만족하는 경우에 복합층은 가시광 영역의 광투과율은 높고 적외선 영역의 광투과율은 낮으므로 에너지 절감형 광학 소자에서 투명 전극층으로 유용하게 사용될 수 있다.
상기 제 1 산화물층, 금속층 및 제 2 산화물층의 굴절률을 상기 범위로 조절하는 방식은 특별히 제한되지 않으나 예를 들어, 각 층의 두께를 조절하거나 또는 각 층의 증착 공정 조건을 조절하는 것에 의하여 조절될 수 있다. 구체적으로, 각 층의 증착 조건을 조절하여 결정화도를 조절할 수 있으며, 이에 따라 동일한 두께 및 재료라고 하더라도 굴절률이 상이할 수 있게 된다. 상기 증착 공정은, 공지의 증착 방법에 의하여 수행될 수 있고, 예를 들면, 스퍼터 방식에 의하여 수행될 수 있다. 보다 구체적으로, 제 1 산화물층 및 제 2 산화물층은, 예를 들면, RF 스퍼터 방식에 의해 증착될 수 있고, 금속층은, 예를 들면, DC 스퍼터 방식에 의하여 증착될 수 있다.
하나의 예시에서, 금속층의 두께는 5 nm 내지 20 nm의 범위 내에 있을 수 있다. 보다 구체적으로 금속층의 두께는 5 nm이상, 6 nm이상, 7 nm이상, 8 nm이상, 9 nm이상, 10 nm이상, 11 nm이상 또는 12 nm이상일 수 있고, 20 nm이하, 19 nm이하, 18 nm이하, 17 nm이하, 16 nm이하, 15 nm이하, 14 nm이하 또는 13 nm이하일 수 있다. 금속층의 두께를 상기 범위로 하는 경우, 금속층의 굴절률을 상기 기술한 범위로 조절하는 것이 용이하다. 또한, 금속층의 두께를 상기 두께 범위로 하는 경우, 금속층의 연속적인 막이 형성되기 용이하므로 우수한 전기 전도도 및 낮은 저항을 구현할 수 있으며 광학 소자의 가시광 영역에서 광투과율을 높일 수 있다.
금속층은 또한, 면저항 값이 20 Ω/□ 이하, 바람직하게는 10 Ω/□ 이하인 전도성 금속을 포함할 수 있다. 금속층에 포함되는 전도성 금속의 전기 전도도가 상기 범위인 경우, 복합층의 면저항 값을 낮출 수 있으므로, 광학 소자의 효율을 높일 수 있는 장점이 있다.
상기 금속층은 예를 들어, 은(Ag), 알루미늄(Al), 백금(Pt), 구리(Cu) 또는 금(Au) 등의 금속을 포함할 수 있다. 금속층은, 예를 들면, 은을 포함할 수 있다. 이 경우에, 복합층의 제조과정 또는 복합층이 광학 소자에 포함되어 사용되는 과정에서 공기 및 수분과의 접촉에 의하여, 금속층 내에 은 산화물이 일부 포함될 수 있다. 금속층이 은 및 은 산화물을 포함하는 경우에, 상기 은 산화물은 상기 금속층 100 중량%에 대하여 0.1 중량% 이상 50 중량% 이하로 포함될 수 있다.
하나의 예시에서, 제 1 산화물층의 두께는 20 nm 내지 60 nm 또는 40 nm 내지 50 nm의 범위 내에 있을 수 있다. 보다 구체적으로, 제 1 산화물층의 두께는 20 nm이상, 25 nm이상, 30 nm이상, 35 nm이상 또는 40 nm이상일 수 있고, 60 nm이하, 55 nm이하, 50 nm이하 또는 45 nm이하일 수 있다. 제 1 산화물층의 두께를 상기 범위로 하는 경우, 제 1 산화물층의 광에 대한 투과율 또는 굴절률을 상기 기술한 범위로 조절하는 것이 용이하고, 제 1 산화물층 상에 형성되는 금속층의 증착의 불량률을 낮출 수 있다.
하나의 예시에서, 제 2 산화물층의 두께는 10 nm 내지 100 nm, 바람직하게는 20 nm 내지 60 nm의 범위 내에 있을 수 있다. 보다 구체적으로 제 2 산화물층의 두께는 10 nm이상, 15 nm이상, 20 nm이상, 25 nm이상, 30 nm이상, 35 nm이상, 40 nm이상, 45 nm이상 또는 50 nm이상일 수 있고, 100 nm이하, 95 nm이하, 90 nm이하, 85 nm이하, 80 nm이하, 75 nm이하, 70 nm이하, 65 nm이하, 60 nm이하 또는 55 nm이하일 수 있다. 제 2 산화물층의 두께를 상기 범위로 하는 경우, 제 2 산화물층의 광에 대한 투과율 또는 굴절률을 상기 기술한 범위로 조절하는 것이 용이하고, 우수한 전기 전도도 및 낮은 저항값을 가질 수 있는 장점이 있다.
제 2 산화물층의 비저항 값은, 예를 들어, 1.0 x 10-5 Ωcm 내지 1.0 x 105 Ωcm, 바람직하게 1.0 x 10-4 Ωcm 내지 1.0 x 104 Ωcm 범위 내에 있을 수 있다. 제 2 산화물층의 비저항 값을 상기 범위로 하는 경우, 복합층의 면저항 값을 낮출 수 있으므로, 광학 소자의 효율을 높일 수 있는 장점이 있다.
제 1 산화물층 및 제 2 산화물층은 각각 안티몬(Sb), 바륨(Ba), 갈륨(Ga), 게르마늄(Ge), 하프늄(Hf), 인듐(In), 란티늄(La), 마그네슘(Mg), 셀렌(Se), 규소(Si), 탄탈(Ta), 티타늄(Ti), 바나듐(V), 이트륨(Y), 아연(Zn) 및 지르코늄(Zr)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함하는 금속을 포함하는 금속 산화물을 포함할 수 있다.
상기에서 제 2 산화물층은 갈륨(Ga), 알루미늄(Al), 지르코늄(Zr), 티타늄(Ti), 니오븀(Nb), 탄탈(Ta), 인듐(In) 및 바나듐(V)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 제 2 금속을 추가로 포함할 수 있다.
제 2 산화물층에 포함되는 금속은 예를 들어, 도핑 물질일 수 있다. 제 2 산화물층은 제 2 금속을 더 포함하여 광학 소자에서 전극층으로 사용될 경우 전자 이동성을 향상시킬 수 있으며, 상기 제 1 산화물층과 마찬가지로 고굴절의 특성을 가지고 있으므로, 광학 설계를 통하여 상기 복합층의 가시광 영역의 광투과율을 높이고 적외선 영역의 광투과율을 낮출 수 있다. 또한, 제 2 산화물층은 전기 전도도를 가지고 있으므로 금속층의 전기 전도도를 저해하지 않으며 상기 복합층을 다양한 광학 소자에서 저방사 기능((Low-E)을 하는 투명 전극으로서의 역할을 할 수 있게 한다.
제 2 금속의 제 2 산화물층 내에서의 함량은0.1 중량% 이상 10 중량% 이하일 수 있다. 제 2 산화물층의 굴절률은, 예를 들면, 상기 제 2 금속의 함량에 의하여 변화할 수 있다. 따라서, 상기 복합층의 가시광 영역의 광투과율을 최대로 구현할 수 있도록 제 2 산화물층 내에 제 2 금속의 함량을 조절할 필요가 있다. 또한, 제 2 산화물층에 포함되는 제 2 금속은 제 2 산화물층의 전기 전도도에 영향을 미친다. 제 2 금속의 제 2 산화물층 내에서의 함량이 상기 범위를 만족하는 경우, 제 2 산화물층은 최적의 굴절률 및 전기 전도도를 구현할 수 있다.
복합층의 두께는 본 출원의 목적을 손상시키지 않는 범위 내에서 적절히 선택될 수 있다. 복합층의 두께는, 예를 들면, 가시광 영역에서 높은 광투과율, 적외선 영역에서 낮은 광투과율, 우수한 전기 전도도 및 낮은 저항 특성을 나타내기 위하여, 50 nm 내지 300 nm 또는 70nm 내지 200 nm 범위 내로 조절될 수 있다.
복합층은, 기재층을 추가로 포함할 수 있고, 예를 들면, 제 1 산화물층이 상기 기재층에 인접하게 존재할 수 있다. 기재층으로는, 특별한 제한 없이 공지의 소재를 사용할 수 있다. 예를 들면, 유리 필름, 결정성 또는 비결정성 실리콘 필름, 석영 또는 ITO(Indium Tin Oxide) 필름 등의 무기계 필름이나 플라스틱 필름 등을 사용할 수 있다. 기재층으로는, 광학적으로 등방성인 기재층이나, 위상차층과 같이 광학적으로 이방성인 기재층 또는 편광판이나 컬러 필터 기판 등을 사용할 수 있다. 예를 들어, 편광층이 기재층의 내측, 즉 액정층과 기재층의 사이에 존재하는 경우에는 기재층으로서 이방성 기재층이 사용되는 경우에도 적절한 성능의 소자가 구현될 수 있다.
플라스틱 기재층으로는, TAC(triacetyl cellulose); 노르보르넨 유도체 등의 COP(cyclo olefin copolymer); PMMA(poly(methyl methacrylate); PC(polycarbonate); PE(polyethylene); PP(polypropylene); PVA(polyvinyl alcohol); DAC(diacetyl cellulose); Pac(Polyacrylate); PES(poly ether sulfone); PEEK(polyetheretherketon); PPS(polyphenylsulfone), PEI(polyetherimide); PEN(polyethylenemaphthatlate); PET(polyethyleneterephtalate); PI(polyimide); PSF(polysulfone); PAR(polyarylate) 또는 비정질 불소 수지 등을 포함하는 기재층을 사용할 수 있지만 이에 제한되는 것은 아니다. 기재층에는, 필요에 따라서 금, 은, 이산화 규소 또는 일산화 규소 등의 규소 화합물의 코팅층이나, 반사 방지층 등의 코팅층이 존재할 수도 있다.
본 출원에서 제 2 산화물층은 제 1 산화물층에 비하여 액정층에 인접하여 존재할 수 있다. 또한, 복합층은 액정층의 양측에 존재할 수 있다. 즉, 액정층은 대향 배치된 2개의 복합층 사이에 배치될 수 있다. 이 경우에, 양측에 존재하는 복합층은 동일한 굴절률, 두께 또는 면저항 등을 가지는 동일한 구조이거나 또는 상이한 굴절률, 두께 또는 면저항 등을 가지는 독립적인 구조를 가질 수 있다.
본 출원은 또한, 상기 광학 소자의 용도에 관한 것이다. 본 출원의 광학 소자는 외부 신호에 인가에 여부에 따라 투과도를 가변할 수 있고, 또한 적외선 영역의 광에 대하여 낮은 투과도를 가지는 복합층을 이용하여 외부 신호를 인가하므로 열을 차단하여 에너지를 절감할 수 있다. 이러한 광학 소자는 다양한 광학 장치에 적용되어 사용될 수 있다. 본 출원의 광학 소자는 예를 들어, 선루프에 적용되어 사용될 수 있다.
본 명세서에서 「선루프」는 차량의 천장에 존재하는 고정된 또는 작동(벤팅 또는 슬라이딩)하는 개구부(opening)로서, 빛 또는 신선한 공기가 차량의 내부로 유입되도록 하는 기능을 할 수 있는 장치를 통칭하는 의미일 수 있다. 본 출원에서 선루프의 작동 방식은 특별히 제한되지 않으며, 예를 들어, 수동으로 작동하거나 또는 모터로 구동할 수 있으며, 선루프의 형상, 크기 또는 스타일은 목적하는 용도에 따라 적절히 선택될 수 있다. 예를 들어, 선루프는 작동 방식에 따라 팝-업 타입 선루프, 스포일러(tile & slide) 타입 선루프, 인빌트 타입 선루프, 폴딩 타입 선루프, 탑-마운트 타입 선루프, 파노라믹 루프 시스템 타입 선루프, 제거 가능한 루프 패널즈(t-tops 또는 targa roofts) 타입 선루프 또는 솔라 타입 선루프 등이 예시될 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다.
본 출원의 예시적인 선루프는 본 출원의 상기 광학 소자를 포함할 수 있고, 이 경우 광학 소자에 대한 구체적인 사항은 상기 광학 소자의 항목에서 기술한 내용이 동일하게 적용될 수 있다.
상기 선루프는 또한, 자외선 차단층을 추가로 포함할 수 있다. 본 명세서에서 「자외선 차단층」은 자외선 차단 기능을 가지는 공지의 기능성 층을 의미할 수 있다. 자외선 차단층은 편광층, 액정층 또는 복합층의 일측 또는 양측에 형성되어 있을 수 있다. 자외선 차단층은 예를 들어, 자외선 차단층(201A, 201B)은 예를 들어 도 2에 도시한 바와 같이, 선루프의 최외각 측면에 각각 존재할 수 있다. 이러한 자외선 차단층으로는 예를 들어, 자외선 차단 점착제 또는 자외선 차단 필름을 사용할 수 있다. 자외선 차단 점착제로는 공지의 점착제 성분에 공지의 자외선 차단 기능을 가지는 첨가제를 첨가시킨 것을 사용할 수 있다. 자외선 차단 필름으로는, 예를 들어, 공지의 점착제의 일면에 공지의 자외선 차단 기능을 가지는 첨가제를 포함하는 층을 형성한 것을 사용할 수 있다. 자외선 차단 점착제로는 예를 들어 DAIO Paper사의 EW1501-D1-UV, EW1502-D1-UV 또는 EW1504-D1-UV 등을 사용할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본 출원의 광학 소자는 외부 신호 인가 여부에 의하여 투과도를 가변할 수 있고, 또한 적외선 영역의 광에 대하여 낮은 투과도를 가지는 복합층을 이용하여 외부 신호를 인가할 수 있으므로, 열을 차단하여 에너지를 절감할 수 있다. 이러한 광학 소자는 다양한 광학 장치, 예를 들어 선루프 등에 유용하게 사용될 수 있다.
도 1은 광학 소자를 예시적으로 나타낸다.
도 2는 선루프의 구조를 예시적으로 나타낸다.
도 3은 실시예 1의 광학 소자의 구조를 예시적으로 나타낸다.
도 4는 실시예 1의 광학 소자의 구동 전압에 따른 투과도를 나타낸다.
도 5는 실시예 1의 광학 소자의 투과율 및 반사율을 나타낸다.
도 6은 비교예 1의 광학 소자의 투과율 및 반사율을 나타낸다.
도 7은 실시예 1 및 비교예 2의 금속층의 파장에 따른 특성을 나타낸다.
도 8은 제 1 금속 산화물층 및 제 2 금속 산화물층의 굴절률에 따른 광 투과율 평가 결과를 나타낸다.
이하 실시예 및 비교예를 통하여 상기 기술한 내용을 보다 구체적으로 설명하지만 본 출원의 범위가 하기 제시된 내용에 의해 제한되는 것은 아니다.
실시예 1
복합층의 제조
유리 기판 상에 RF Sputter 방식을 이용하여 CeO2를 35 nm의 두께로 증착하여 제 1 금속 산화물층을 형성하였다. 상기 제 1 금속 산화물층 상에 DC sputter 방식을 이용하여 1.5 W/cm2 및 3 mTorr의 조건에서 Ag로 이루어진 금속층을 10 nm 두께로 증착하고, 상기 금속층 상에 제 2 금속 산화물층으로서 Ga을 도핑한 산화 아연층(GZO)을 45 nm 두께로 증착하여 복합층을 제조하였다.
이 경우, 각 층의 굴절률을 M-2000 장치[제조사: J. A. Woollam Co., Inc. (USA)]를 이용하여 측정한 결과, 제 1 산화물층의 굴절률은 550 nm의 파장에서 2.34, 금속층의 굴절률은 550 nm의 파장에서 0.19, 산화 아연층의 굴절률은 550 nm의 파장에서 1.94였다.
또한, 상기 복합층을 UV-vis spectrometer를 이용하여 가시광 투과율을 측정한 결과 550 nm의 파장에서 87.2%의 투과율을 나타내었다.
나아가, 상기 복합층의 면저항을 면저항 측정기로 측정한 결과 10 Ω/□ 미만을 나타내었다.
선루프용 광학 소자의 제조
하기 방법에 따라 도 3의 구조의 선루프용 광학 소자를 제조하였다. 공지의 흡수형 선형 편광층(101) 상에 OCA(DAIO Paper사의 EW1501-D1-UV)(301)를 통하여 상기 제조된 복합층의 제 1 산화물층이 OCA 표면에 접하도록 복합층()103A)을 적층하고, 다음으로 상기 복합층의 제 2 산화물층 상에 액정 화합물(HPC21600, HCCH사제) 및 상기 액정 화합물 100 중량부에 대하여 이방성 염료(X12, BASF사제)를 1 내지 3 중량부 비율로 포함하는 액정층(102)을 형성한 후, 다음으로 상기 제조된 다른 하나의 복합층의 제 2 산화물층이 액정층에 접하도록 복합층(103B)을 적층하여 광학 소자를 제조하였다. 상기에서, 액정층의 광축은 액정층의 평면에 대하여 약 0도 내지 15도의 경사각을 이루도록 즉 액정 화합물 및/또는 이방성 염료가 수평 배향하도록 형성하였고, 액정층의 광축은 상기 흡수형 선형 편광층의 흡수축과 약 90도의 각도를 이루도록 형성하였다.
실시예 2
복합층으로 하기 제조된 복합층을 사용한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법을 수행하여 실시예 2의 선루프를 제조하였다.
복합층의 제조
유리 기판 상에 RF Sputter 방식을 이용하여 CeO2를 30 nm의 두께로 증착하여 제 1 금속 산화물층을 형성하였다. 상기 제 1 금속 산화물층 상에 DC sputter 방식을 이용하여 1.5 W/cm2 및 3 mTorr의 조건에서 Ag로 이루어진 금속층을 10 nm 두께로 증착하고, 상기 금속층 상에 제 2 금속 산화물층으로서 Al을 도핑한 산화 아연층(AZO)을 50 nm 두께로 증착하여 복합층을 제조하였다.
이 경우, 제 1 금속 산화물층의 굴절률은 550 nm의 파장에서 2.34, 금속층의 굴절률은 550 nm의 파장에서 0.19, 제 2 금속 산화물층의 굴절률은 550 nm의 파장에서 1.89였다. 또한, 상기 복합층을 UV-vis spectrometer를 이용하여 가시광 투과율을 측정한 결과 550 nm의 파장에서 85.5%의 투과율을 나타내었다. 나아가, 상기 복합층의 면저항을 면저항 측정기로 측정한 결과 10 Ω/□ 미만을 나타내었다.
비교예 1
복합층으로 ITO 투명 전극층을 사용한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법을 수행하여 비교예 1의 선루프를 제조하였다.
비교예 2
복합층으로 하기 제조된 복합층을 사용한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법을 수행하여 비교예 2의 선루프를 제조하였다.
복합층의 제조
유리 기판 상에 RF Sputter 방식을 이용하여 CeO2를 35 nm의 두께로 증착하여 제 1 금속 산화물층을 형성하였다. 상기 제 1 금속 산화물층 상에 DC sputter 방식으로 0.5W/cm2 및 15 mTorr의 조건에서 Ag를 10 nm 두께로 증착하여 금속층을 형성한 후, 상기 금속층 상에 제 2 금속 산화물층으로서 Ga을 도핑한 산화 아연층(GZO)을 45 nm 두께로 증착하여 복합층을 제조하였다.
이 경우, 제 1 산화물층의 굴절률은 550 nm의 파장에서 2.34, 금속층의 굴절률은 550 nm의 파장에서 1.95, 산화 아연층의 굴절률은 550 nm의 파장에서 1.94였다.
또한, 상기 금속층의 면저항을 면저항 측정기로 측정한 결과 10 Ω/□ 초과의 값을 나타내었고, 상기 금속층을 UV-vis spectrometer를 이용하여 가시광 투과율을 측정한 결과 550 nm의 파장에서 46.8%의 투과율을 나타내었으며, 굴절률은 1.95로 측정되었다. 나아가, 상기 복합층을 UV-vis spectrometer를 이용하여 가시광 투과율을 측정한 결과 550 nm의 파장에서 79.1%의 투과율을 나타내었다. 또한, 상기 복합층의 면저항을 면저항 측정기로 측정한 결과 10 Ω/□ 초과의 값을 나타내었다.
비교예 3
복합층의 제조시에 제1 금속 산화물층을 10 nm로 형성하고, 제2 금속 산화물층의 두께를 80 nm로 형성한 것을 제외하고는, 실시예 2와 동일한 방법을 수행하여 비교예 3의 선루프를 제조하였다.
상기 복합층을 UV-vis spectrometer를 이용하여 가시광 투과율을 측정한 결과 550 nm의 파장에서 72.6%의 투과율을 나타내었다.
또한, 상기 복합층의 면저항을 면저항 측정기로 측정한 결과 10 Ω/□ 초과의 값을 나타내었다.
평가예 1
실시예 1에서 제조된 광학 소자에 대하여, 액정층의 두께를 각각 10 ㎛ 및 15 ㎛로 형성하고, 복합층에 수직 전계를 인가할 수 있는 전원을 연결한 후 구동 전압에 따른 광학 소자의 약 550nm의 광에 대한 투과도를 헤이즈미터 NDH 5000SP [제조사: Nippon Denshoku (JAPAN)] 장치를 이용하여 측정하였고, 그 결과를 도 4에 나타내었다. 도 4에 나타낸 바와 같이 전압이 인가되지 않은 상태에서는 낮은 투과도를 나타내는 것을 확인할 수 있고, 전압이 인가될수록 액정 화합물 및 이방성 염료가 수직 정렬 상태로 변환되면서 투과도가 증가하는 것을 확인할 수 있다.
평가예 2: 투과도 및 반사도 평가
실시예 및 비교예에서 제조된 광학 소자에 대하여 전압이 인가되지 않은 상태에서 투과도 및 반사도를 측정하였다. 구체적으로 Solid Spec-3700 [제조사: shimadzu (JAPAN)] 장치를 이용하여 측정하였고, 그 결과를 도 5(실시예 1) 및 도 6(비교예 1)에 각각 나타내었다. 도 5 및 도 6에 나타낸 바와 같이, 본 출원의 복합층을 투명 전극층을 사용한 실시예의 광학 소자는, ITO 투명 전극층을 사용한 비교예 1의 광학 소자와 비교하여, 가시광 영역에서는 광투과율이 유사한 반면, 적외선 영역에서는 현저히 낮은 광 투과율을 보임을 확인할 수 있다.
평가예 3: 금속층의 파장에 따른 굴절률 및 흡수 계수 평가
실시예 1 및 비교예 2에서 제조된 금속층에 대하여 굴절률에 따른 굴절률 및 흡수 계수를 평가하고 그 결과를 도 7에 나타내었다. 도 7에서 n은 금속층의 빛의 파장에 따른 굴절률을 의미하고, λ는 빛의 파장을 의미하며, k는 금속층의 빛의 파장에 따른 흡수 계수를 의미한다. 도 7에 나타낸 바와 같이, 동일한 두께로 금속층을 형성하더라도 금속층의 형성 조건에 따라 굴절률 및 흡수 계수가 상이한 것을 확인할 수 있다.
평가예 4: 제 1 및 제 2 금속 산화물 층의 굴절률에 따른 복합층의 투과율 평가
실시예 1 및 2와 동일하게 광변조 장치를 제조하되, 제 1 금속 산화물층 및 제 2 금속 산화물층의 굴절률을 변화시키면서, 굴절률에 따른 복합층의 550nm 파장의 광에 대한 투과율을 평가하고 그 결과를 도 8에 나타내었다. 도 8에 나타낸 바와 같이, 복합층의 광 투과율은 제1 금속 산화물층 및 제2 금속 산화물층의 굴절률에 영향을 받는 것을 확인할 수 있고, 특히 제 1 금속 산화물층 및 제2 금속 산화물층의 굴절률 범위가 본 출원의 범위 내에 속하는 경우 550nm 파장의 빛에 대하여 약 80% 이상의 우수한 광 투과율을 나타내는 것을 확인할 수 있다.
101: 편광층
102: 액정층
103A, 103B: 복합층
201A, 201B: 자외선 차단층
301: OCA층

Claims (20)

  1. 편광층; 상기 편광층 상에 형성되고 액정화합물과 이방성 염료를 포함하는 액정층; 및 상기 액정층과 인접하여 존재하며, 순차 형성된 제 1 산화물층, 금속층 및 제 2 산화물층을 포함하고, 780 nm 이상의 파장의 광에 대한 투과율이 70% 이하인 복합층을 포함하며, 상기 제 1 산화물층의 550 nm의 파장의 광에 대한 굴절률은 1.2 내지 2.8이고, 제 2 산화물층의 굴절률은 1.5 내지 2.5이며, 제 1 산화물층의 굴절률이 제 2 산화물층의 굴절률에 비하여 높고, 금속층의 굴절률이 제 2 산화물층의 굴절률에 비해 낮으며, 상기 액정층의 액정 화합물의 배향 방향이 상기 복합층에 의해 인가되는 신호에 의해 변경될 수 있도록 설치되어 있는 광학 소자.
  2. 제 1 항에 있어서, 초기 상태에서 액정층은 광축이 액정층의 평면에 대하여 0도 내지 90도의 경사각을 이루도록 배향된 상태로 존재하는 광학 소자.
  3. 제 1 항에 있어서, 초기 상태에서 액정층은 광축이 편광판의 흡수축 방향과 0도 내지 90도 범위 내의 각도를 이루도록 배향된 상태로 존재하는 광학 소자.
  4. 제 1 항에 있어서, 액정 화합물 및 이방성 염료는 외부 신호 인가에 의하여 배향이 스위칭 가능하도록 액정층 내에 존재하는 광학 소자.
  5. 제 1 항에 있어서, 액정층과 인접하여 존재하는 배향층을 추가로 포함하는 광학 소자.
  6. 제 1 항에 있어서, 액정층은 외부 신호 인가에 의하여 가시광 영역의 투과율이 20% 이상인 투과 모드와 가시광 영역의 투과율이 3% 이하인 차단 모드 사이를 스위칭할 수 있도록 배치되어 있는 광학 소자.
  7. 제 1 항에 있어서, 이방성 염료는 이색비가 5 내지 20 범위 내인 광학 소자
  8. 삭제
  9. 제 1 항에 있어서, 복합층은 면 저항이 20 Ω/□ 이하인 광학 소자
  10. 삭제
  11. 제 1 항에 있어서, 금속층은 550 nm의 파장에 대한 굴절률이 0.1 내지 1의 범위 내에 있는 광학 소자
  12. 제 1 항에 있어서, 금속층은 두께가 5 nm 내지 20 nm의 범위 내에 있는 광학 소자
  13. 제 1 항에 있어서, 금속층은 면저항 값이 20 Ω/□ 이하인 전도성 금속을 포함하는 광학 소자
  14. 삭제
  15. 제 1 항에 있어서, 제 1 산화물층은 두께가 20 nm 내지 60 nm의 범위 내이고, 제 2 산화물층은 두께가 10 nm 내지 100 nm의 범위 내인 광학 소자
  16. 제 1 항에 있어서, 제 2 산화물층은 비저항 값이 1.0 x 10-5 Ωcm 내지 1.0 x 105 Ωcm 의 범위 내에 있는 광학 소자
  17. 제 1 항에 있어서, 제 1 산화물층 및 상기 제 2 산화물층은 각각 안티몬(Sb), 바륨(Ba), 갈륨(Ga), 게르마늄(Ge), 하프늄(Hf), 인듐(In), 란티늄(La), 마그네슘(Mg), 셀렌(Se), 규소(Si), 탄탈(Ta), 티타늄(Ti), 바나듐(V), 이트륨(Y), 아연(Zn) 및 지르코늄(Zr)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함하는 금속을 포함하는 금속 산화물층인 광학 소자
  18. 제 17 항에 있어서, 제 2 산화물층은 갈륨(Ga), 알루미늄(Al), 지르코늄(Zr), 티타늄(Ti), 니오븀(Nb), 탄탈(Ta), 인듐(In) 및 바나듐(V)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 제 2 금속을 추가로 포함하는 광학 소자
  19. 제 1 항에 있어서, 제 2 산화물층이 제 1 산화물층에 비하여 액정층에 인접하여 존재하는 광학 소자
  20. 제 1 항의 광학 소자를 포함하는 선루프.
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