KR101971419B1 - 광학 소자 - Google Patents

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Abstract

본 출원은 광학 소자 및 상기 광학 소자의 용도에 관한 것으로, 전체 광의 투과율 변화 없이 산란을 조절함으로써 투과 모드와 차단 모드의 사이를 스위칭하는 광학 소자를 제공할 수 있고, 이러한 광학 소자는, 예를 들어, 스마트 윈도우, 윈도우 보호막, 플렉서블 디스플레이 소자, 3D 영상 표시용 액티브 리타더(active retarder) 또는 시야각 조절 필름 등과 같은 다양한 광변조 장치에 적용될 수 있다.

Description

광학 소자{OPTICAL ELEMENT}
본 출원은, 광학 소자 및 광학 소자의 용도에 대한 것이다.
스마트 윈도우는 태양광의 투과율을 조절할 수 있는 윈도우이고, 스마트 블라인드, 전자 커튼, 투과도 가변 유리 또는 조광 유리 등으로도 불린다.
스마트 윈도우는, 예를 들어, 특허 문헌 1에 개시된 바와 같이 광의 투과량을 조절할 수 있는 광투과량 조절층과, 상기 광투과량 조절층에 신호를 인가하여 제어하는 구동회로로 이루어질 수 있다. 상기와 같이 구성된 스마트 윈도우는 인가된 전압의 상태에 따라 유리 전체를 빛이 투과하거나 투과하지 못하도록 하고 또한 투과량을 조절하여 명암을 달리할 수 있다.
다만, 상기와 같은 방식은 스마트 윈도우를 구동하기 위해서 별도의 외부 전원을 공급하여야 하므로 전력 공급 계통 구조가 복잡하다는 문제점이 있다. 이에 최근에는, 별도의 외부 전원이 필요하지 않도록, 편광판과 위상차 필름을 조합하여 스마트 윈도우를 제조하는 기술의 개발에 대한 관심이 증가하고 있다.
특허문헌 1: 한국공개특허 제2012-0092247호
본 출원은, 광학 소자 및 광학 소자의 용도를 제공한다.
본 출원은 광학 소자에 관한 것이다. 예시적인 광학 소자는, 서로 대향 배치되어 있는 제 1 적층체 및 제 2 적층체를 포함할 수 있다. 제 1 적층체는, 예를 들어, 편광층 및 제 1 패턴 위상차층을 포함할 수 있고, 제 2 적층체는, 예를 들어, 제 2 패턴 위상차층 및 가변 렌즈층을 포함할 수 있다.
본 출원에서 「편광층」은 일 방향으로 형성된 투과축을 가지면서 입사 광에 대하여 비등방성 투과 특성을 나타내는 기능성 층을 의미할 수 있다. 예를 들어, 편광층은 여러 방향으로 진동하는 입사 광으로부터 어느 한쪽 방향으로 진동하는 광은 투과하고, 나머지 방향으로 진동하는 광은 반사 또는 흡수하여 차단하는 기능을 가질 수 있다.
또한, 본 출원에서 「패턴 위상차층」은, 예를 들어, 서로 상이한 광축을 가지는 복수의 영역들이 패턴화되어 있는 위상차층을 의미할 수 있다. 본 출원에서 「광축」은 위상차층 내에서 지상축(slow axis) 또는 진상축(fast axis)를 의미할 수 있고, 특별한 언급이 없는 한, 지상축을 의미할 수 있다. 본 출원에서 「지상축(slow axis)」은 위상차층의 평면 내에서 가장 높은 굴절률을 나타내는 방향의 축을 의미할 수 있고, 「진상축(fast axis)」은 위상차층의 평면 내에서 가장 낮은 굴절률을 나타내는 방향의 축을 의미할 수 있고, 통상적으로, 지상축의 방향과 수직을 이룬다.
또한, 본 출원에서 「가변 렌즈층」은, 입사 광에 대하여 비등방성 산란 특성을 나타내는 기능을 가지는 렌즈층을 의미할 수 있다. 가변 렌즈층은, 예를 들어, 상기 편광층의 투과축 방향 또는 그와 수직하는 방향의 선편광에 대해서는 산란광을 생성할 수 있고, 상기 산란광을 생성하는 선편광과 수직하는 방향의 선평광에 대해서는 산란광을 생성하지 않는 특성을 가질 수 있다. 본 출원에서 「산란광을 생성한다는 것」은 입사 광에 대하여 5% 이상의 헤이즈 특성을 나타내는 것을 의미할 수 있고, 「산란광을 생성하지 않는다는 것」은 입사 광에 대하여 5% 미만의 헤이즈 특성을 나타내는 것을 의미할 수 있다.
광학 소자는, 예를 들어, 제 1 및 제 2 패턴 위상차층을 서로에 대한 상대적 위치가 변화되도록 포함할 수 있다. 후술하는 바와 같이, 광학 소자는 상기 제 1 및 제 2 패턴 위상차층의 상대적 위치 변화에 기초하여 산란을 조절할 수 있다. 이에 따라, 제 1 및 제 2 적층체는, 예를 들어, 제 1 및 제 2 패턴 위상차층이 서로 대향하도록 배치되어 있을 수 있고, 또한, 제 1 및 제 2 패턴 위상차층의 상대적인 위치가 가변될 수 있도록 제 1 및 제 2 적층체는 서로 일정한 간격을 두고 이격되어 존재할 수 있다. 제 1 및 제 2 패턴 위상차층의 상대적인 위치는, 예를 들어, 제 1 패턴 위상차층 또는 제 2 패턴 위상차층 단독의 위치를 변화시키거나, 혹은 제 1 적층체 또는 제 2 적층체의 위치를 변화시킴으로써, 변화시킬 수 있다.
도 1의 (a)는 편광층(101) 및 제 1 패턴 위상차층(102)을 포함하는 제 1 적층체(10)와 제 2 패턴 위상차층(103) 및 가변 렌즈층(104)을 포함하는 제 2 적층체(20)를 가지는 광학 소자를 예시적으로 나타내고, 도 1의 (b)는, 제 2 적층체가 제 1 적층체에 대하여 상대적 위치가 변화된 상태의 광학 소자를 예시적으로 나타낸다.
편광층으로는, 일 방향으로 형성된 투과축을 가지는 공지의 편광층을 특별한 제한없이 사용할 수 있다. 예를 들어, 유방성 액정(LLC: Lyotropic Liquid Cystal)이나, 반응성 액정(RM: Reactive Mesogen)과 이색성 염료(dichroic dye)를 포함하는 편광 코팅층과 같이 코팅 방식으로 구현한 편광층, 요오드와 같은 이색성 물질이 염착된 폴리염화비닐계 연신 필름 또는 와이어 그리드 편광기 등을 사용할 수 있다.
제 1 및 제 2 패턴 위상차층은, 전술한 바와 같이, 서로 상이한 방향의 광축을 가지는 복수의 영역들을 포함할 수 있다. 복수의 영역들은, 예를 들어, 광축이 일 방향을 따라서 연속적으로 변화하도록 배치될 수 있다. 본 출원에서 광축의 방향이 연속적으로 변화한다는 것은, 상기 광축을 이루는 각도가 일 방향을 따라서 증가하거나 또는 감소하는 것을 의미할 수 있다. 도 2는 광축이 연속적으로 변화하는 복수의 영역을 포함하는 위상차 필름을 예시적으로 나타내며, 도 2에서 반시계 방향으로 측정한 때에 일 방향을 따라서 광축이 이루는 각도가 증가하는 형태를 보여준다.
복수의 영역들은 또한, 서로 상이한 방향으로 형성된 광축을 가지는 2개의 영역으로서 패턴 위상차층에 존재할 수 있다. 예를 들어, 도 3에 나타낸 바와 같이, 제 1 패턴 위상차층은 제 1 영역(301)과 제 2 영역(302)을 가질 수 있고, 상기 제 1 영역의 광축과 제 2 영역의 광축은 서로 상이한 방향, 예를 들어 수직한 방향을 이루도록 형성될 수 있다. 또한, 도 4에 나타낸 바와 같이 제 2 패턴 위상차층도 제 3 영역(401)과 제 4 영역(402)을 가질 수 있고, 상기 제 3 영역의 광축과 제 4 영역의 광축이 서로 상이한 방향, 예를 들어, 수직한 방향으로 이루도록 형성될 수 있다.
제 1 패턴 위상차층의 제 1 및 제 2 영역과 제 2 패턴 위상차층의 제 3 및 제 4 영역은, 예를 들어, 도 3 및 도 4에 나타낸 바와 같이, 공통 방향으로 연장하는 스트라이프 형상을 가지면서 각 위상차층에서 교대로 배치되어 있을 수 있다. 스트라이프 형상의 간격 및 피치는, 특별히 제한되지 않고 목적하는 광학 소자의 용도에 따라 적절히 선택될 수 있다.
제 1 및 제 2 패턴 위상차층은, 예를 들어, 1/4 파장 위상 지연 특성을 가질 수 있다. 즉, 제 1 패턴 위상차층의 제 1 및 제 2 영역과 제 2 패턴 위상차층의 제 3 및 제 4 영역은 1/4 파장 위상 지연 특성을 가질 수 있다. 본 출원에서 「n 파장 위상 지연 특성」은 적어도 일부의 파장 범위 내에서, 입사 광을 그 입사광의 파장의 n배 만큼 위상 지연 시킬 수 있는 특성을 의미할 수 있다. 제 1 및 제 2 위상차 필름은, 예를 들어, 550 nm의 파장에 대한 면상 위상차가 110 nm 내지 220 nm 또는 140nm 내지 170nm의 범위 내에 있을 수 있다. 본 출원에서 「면상 위상차」는 (nx-ny) x d로 계산되는 수치이고, 상기에서 nx는 위상지연층의 면상 지상축 방향의 굴절률이고, ny는 위상지연층의 면상 진상축 방향의 굴절률이며, d는 위상지연층의 두께이다.
제 1 및 제 2 패턴 위상차층으로, 1/4 파장 위상 지연 특성을 나타낼 수 있는 광학 이방성층을 특별한 제한 없이 사용할 수 있고, 예를 들어, 액정 고분자 필름 또는 연신된 고분자 필름을 사용할 수 있다.
액정 고분자 필름은, 예를 들어, 중합성 액정 화합물을 포함할 수 있다. 중합성 액정 화합물은, 예를 들어, 중합된 상태로 액정 고분자 필름 내에 포함될 수 있다. 본 출원에서 「중합성 액정 화합물」은, 액정성을 나타낼 수 있는 부위, 예를 들면 메조겐(mesogen) 골격 등을 포함하고, 중합성 관능기를 하나 이상 포함하는 화합물을 의미할 수 있다. 또한 「중합성 액정 화합물이 중합된 형태로 포함되어 있다는 것」은 상기 액정 화합물이 중합되어 액정 고분자 필름 내에서 액정 고분자의 주쇄 또는 측쇄와 같은 골격을 형성하고 있는 상태를 의미할 수 있다.
중합성 액정 화합물은, 예를 들어, 수평 배항된 상태로 액정 고분자 필름 내에 포함되어 있을 수 있다. 본 출원에서 「수평 배향」은, 중합된 액정 화합물을 포함하는 액정 고분자 필름의 광축이 코팅층의 평면에 대하여 약 0도 내지 약 25도, 약 0도 내지 약 15도, 약 0도 내지 약 10도, 약 0도 내지 약 5도 또는 약 0도의 경사각을 가지는 경우를 의미할 수 있다.
연신된 고분자 필름은, 예를 들어, 연신에 의해 광학 이방성을 부여할 수 있는 광투과성의 고분자 필름을 적절한 방식으로 연신한 필름일 수 있다. 고분자 필름으로는, 예를 들면, 폴리에틸렌 필름 또는 폴리프로필렌 필름 등의 폴리올레핀 필름, 폴리노르보넨 필름 등의 고리형 올레핀 폴리머(COP: Cycloolefin polymer) 필름, 폴리염화비닐 필름, 폴리아크릴로니트릴 필름, 폴리설폰 필름, 폴리아크릴레이트 필름, 폴리비닐알코올 필름 또는 TAC(Triacetyl cellulose) 필름 등의 셀룰로오스 에스테르계 폴리머 필름이나 상기 폴리머를 형성하는 단량체 중에서 2종 이상의 단량체의 공중합체 필름 등이 예시될 수 있다. 하나의 예시에서 고분자 필름으로는, 고리형 올레핀 폴리머 필름을 사용할 수 있다. 상기에서 고리형 올레핀 폴리머로는, 노르보넨 등의 고리형 올레핀의 개환 중합체 또는 그 수소 첨가물, 고리형 올레핀의 부가 중합체, 고리형 올레핀과 알파-올레핀과 같은 다른 공단량체의 공중합체, 또는 상기 중합체 또는 공중합체를 불포화 카르복실산이나 그 유도체 등으로 변성시킨 그래프트 중합체 등이 예시될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
가변 렌즈층은, 예를 들어, 도 5 또는 도 6에 나타낸 바와 같이, 일 방향으로 배향된 액정 화합물을 포함하고, 렌즈 형상으로 형성된 액정 층(501, 601)과 상기 렌즈 형상의 액정층과 접촉하고 있는 등방성층(502, 602)을 포함할 수 있다. 액정층의 렌즈 형상은, 예를 들어, 프레넬 렌즈 형상 또는 렌티큘라 렌즈 형상일 수 있다. 본 출원에서 「프레넬 렌즈」는, 도 5에 나타낸 바와 같이, 렌즈의 구성 요소가 되는 일련의 동심원들을 평면 상에 적절히 배치해 짧은 초점 거리를 맺게 하는 렌즈를 통칭하는 의미일 수 있다. 또한, 본 출원에서 「렌티큘러 렌즈」는, 도 6에 나타낸 바와 같이, 확대렌즈들(magnifying lenses)의 배열로서, 다른 각도에서 관찰 시에 다른 이미지가 확대될 수 있도록 배열된 렌즈를 의미할 수 있다.
렌즈 형상을 가지는 상기 액정층은, 액정 화합물로서, 예를 들어, 중합성 액정 화합물을 포함할 수 있다. 중합성 액정 화합물은, 예를 들어, 중합된 상태로 액정층 내에 존재할 수 있다. 본 출원에서 「중합성 액정 화합물」은, 액정성을 나타낼 수 있는 부위, 예를 들면 메조겐(mesogen) 골격 등을 포함하고, 중합성 관능기를 하나 이상 포함하는 화합물을 의미할 수 있고, 「중합성 액정 화합물이 중합된 형태로 포함되어 있다는 것」은 상기 액정 화합물이 중합되어 액정층 내에서 액정 고분자의 주쇄 또는 측쇄와 같은 골격을 형성하고 있는 상태를 의미할 수 있다.
액정 화합물은 일 방향으로 배향된 상태로 액정층 내에 존재할 수 있다. 액정층 내의 액정 화합물의 배향 방향은 액정층의 지상축 방향을 의미할 수 있다. 하나의 예시에서, 액정층이 프레넬 렌즈 형상 또는 렌티큘라 렌즈 형상을 가지는 경우 액정 화합물은 상기 렌즈 형상의 곡선 단면에 수직하는 방향으로 배향되어 있을 수 있다.
액정 화합물은, 예를 들어, 편광층의 투과축과 수직 또는 수평을 이루도록 배향될 수 있다. 액정 화합물의 배향 방향이, 예를 들어, 편광층의 투과축과 수직을 이루는 경우, 액정층은 편광층의 투과축 방향의 선편광에 대해서는 산란광을 생성하지 않고, 편광층의 투과축 방향과 수직하는 선편광에 대해서는 산란광을 생성할 수 있다. 액정 화합물의 배향은, 예를 들어, 후술하는 배향막 상에 액정층의 조성물을 형성하고, 액정 화합물이 배향막에 의해 배향된 상태에서 중합시키는 것에 의하여 가능하다.
액정 화합물의 굴절률 이방성은, 목적하는 물성을 손상시키지 않는 범위 내에서 적절히 선택될 수 있고, 예를 들어, 0.05 내지 0.5, 0.1 내지 0.4, 또는 0.1 내지 0.3의 범위 내의 굴절률 이방성을 가질 수 있다. 본 출원에서 「굴절률 이방성」은 액정 화합물의 정상 굴절률(ordinary refractive index)과 이상 굴절률(extraordinary refractive index)의 차이를 의미할 수 있고, 상기 정상 굴절률은 진상축 방향의 굴절률을 의미할 수 있으며, 상기 이상 굴절률은 지상축 방향의 굴절률을 의미할 수 있다. 굴절률 이방성이 상기 범위 미만인 경우 등방성층과의 굴절률 차이가 너무 작아서 입사 광을 적절히 산란시킬 수 없을 가능성이 있고, 굴절률 이방성이 상기 범위를 초과하는 복굴절성 물질은, 대부분 무기 결정으로서 액정층에 사용하기에는 적합하지 않을 수 있다.
등방성층은 방향에 따라 광학적 특성, 예를 들어, 굴절률이 달라지지 않는 층을 의미할 수 있다. 등방성층은 굴절률이 등방성인 물질을 포함할 수 있다. 이러한 등방성 물질은, 굴절률이 등방성인 공지의 물질을 특별한 제한없이 사용할 수 있고, 예를 들어, 아크릴계 UV 경화 수지 등을 사용할 수 있다. 등방성층의 두께는 목적하는 산란 효과 등을 고려하여 적절히 선택될 수 있고, 예를 들어, 1㎛ 내지 300㎛ 범위 내일 수 있다.
등방성층과 액정층 내의 액정 화합물의 굴절률 차이는, 목적하는 산란 효과 등을 고려하여 적절히 선택될 수 있다. 예를 들어, 액정 화합물의 이상 굴절률(ne)과 등방성층의 굴절률(ni)의 차이의 절대값은 0.07 내지 0.4 범위 내일 수 있다. 이 경우, 액정층 측으로 지상축 방향으로 진동하는 선편광이 입사되는 경우, 액정층과 등방성층의 굴절률 차이에 의해 산란된다. 또한, 액정 화합물의 정상 굴절률(no)과 등방성층 굴절률(ni) 차이의 절대값은 작을수록 좋고, 예를 들어, 0.05 이하일 수 있다. 이 경우, 액정층 측으로 진상축 방향으로 진동하는 선편광이 입사되는 경우, 가변 렌즈층 전체는, 실질적으로, 등방성 기재로 작용하게 되므로 입사 광을 그대로 투과시킬 수 있다. 상기와 같은 비등방성 산란 특성을 나타내는 가변 렌즈층을 사용하는 경우, 전체 광의 투과율 변화없이 산란을 조절하여, 투과 모드와 차단 모드의 사이를 스위칭하는 광학 소자를 제공할 수 있다.
렌즈 형상의 액정층의 두께는 목적하는 산란 효과 등을 고려하여 적절히 선택될 수 있다. 하나의 예시에서, 렌즈 형상의 액정층의 두께는 1um 내지 300 um 범위 내일 수 있다. 그러나, 렌즈 형상의 액정층의 두께가 이에 제한되는 것은 아니고, 목적하는 산란 효과를 구현함에 있어서, 이상 굴절률이 높은 액정 화합물을 사용하는 경우 두께 범위를 더 작게 설정할 수도 있고, 이상 굴절률이 낮은 액정 화합물을 사용하는 경우 두께 범위를 더 높게 설정할 수도 있다.
또한, 액정층의 렌즈 형상이 프레넬 렌즈 형상 또는 렌티큘러 렌즈 형상인 경우, 단위 프레넬 렌즈 또는 단위 렌티큘러 렌즈의 너비 및 두께도 목적하는 산란 효과 등을 고려하여 적절히 선택될 수 있다. 예를 들어, 단위 프레넬 렌즈 또는 단위 렌티큘러 렌즈의 너비(도 5 또는 도 6의 w)는, 예를 들어, 100㎛ 내지 2mm 범위 내에 있을 수 있고, 두께(도 5 또는 도 6의 d)는, 예를 들어, 1㎛ 내지 300㎛ 범위 내에 있을 수 있다. 단위 프레넬 렌즈 또는 단위 렌티큘러 렌즈의 너비 및 두께가 상기 범위를 만족하는 경우 전체 광의 투과율 변화없이 산란을 조절함으로써 차단 모드를 구현하는 광학 소자를 제공할 수 있다. 그러나, 너비 및 두께가 상기 범위에 제한되는 것은 아니고, 전술한 바와 같이, 액정 화합물의 굴절률을 고려하여, 프레넬 렌즈 또는 렌티큘러 렌즈의 너비 및 두께 등도 적절히 조절할 수 있다.
가변 렌즈층은 또한, 대향하는 2개의 기재층을 추가로 포함할 수 있고, 액정층과 등방성층은 상기 2개의 기재층 사이에 존재할 수 있다. 기재층으로는, 특별한 제한 없이 공지의 기재층 소재를 사용할 수 있다. 기재층으로는, 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, 또한, 광학적으로 등방성인 기판 또는 위상차층과 같이 광학적으로 이방성인 기판을 사용할 수 있다.
플라스틱 기판으로는, 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 기판을 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.
가변 렌즈층은 또한, 전술한 바와 같이, 액정층 내의 액정 화합물의 적절한 배향을 위하여, 액정층에 인접하게 배치된 배향막을 추가로 포함할 수 있다. 배향막은, 예를 들어, 액정층에 인접하는 기재층의 액정렌즈층 측면에 존재하거나, 등방성층의 액정렌즈 측면에 존재하거나, 또는 상기 기재층 및 등방성층 측면에 모두에 존재할 수 있다.
배향막으로는, 인접하는 액정 화합물에 대하여 배향능을 가지는 것이라면 특별한 제한없이 사용할 수 있고, 예를 들어, 러빙 배향막과 같이 접촉식 배향막 또는 광배향막 화합물을 포함하여 직선 편광의 조사 등과 같은 비접촉식 방식에 의해 배향 특성을 나타낼 수 있는 것으로 공지된 배향막을 사용할 수 있다.
하나의 예시에서, 배향막으로는 광 배향막을 사용할 수 있다. 광 배향막은 광배향성 물질을 포함할 수 있다. 본 출원에서 광배향성 물질은 광의 조사를 통하여 소정 방향으로 정렬(orientationally ordered)되고, 상기 정렬 상태에서 인접하는 액정 화합물 등을 역시 소정 방향으로 배향시킬 수 있는 물질을 의미할 수 있다.
광배향성 물질은, 예를 들어, 편광된 자외선 조사에 의해 광이성화 반응, 광분해 반응 또는 광이합체화 반응에 의해 배향되고, 액정 배향성을 나타내는 광배향성 화합물을 의미할 수 있다. 본 출원에서 용어 「액정 배향성」은, 배향막 또는 광배향성 중합체 또는 상기 중합체의 반응물이 인접하는 액정 분자, 액정 화합물 또는 그 전구체를 소정 방향으로 배향시킬 수 있는 성질을 의미할 수 있다. 광배향막은, 예를 들어, 상기 광배향성 화합물을 포함하는 혼합물의 반응물에 광, 예를 들어, 편광된 자외선을 조사하여 반응시켜 형성할 수 있다.
광학 소자는, 산란을 조절하여 투과 모드와 차단 모드의 사이를 스위칭할 수 있다. 하나의 예시에서, 투과 모드는 비헤이즈 모드일 수 있고, 차단 모드는 헤이즈 모드일 수 있다. 본 명세서에서 헤이즈 모드는 액정 소자가 예정된 일정 수준 이상의 헤이즈를 나타내는 모드를 의미하고, 비헤이즈 모드는 광의 투과가 가능한 상태 또는 예정된 일정 수준 이하의 헤이즈를 나타내는 모드를 의미할 수 있다.
예를 들어, 비헤이즈 모드에서 광학 소자의 헤이즈는 10% 이하, 8% 이하, 6% 이하 또는 5% 이하일 수 있다. 예를 들어, 헤이즈 모드에서는 액정 소자는, 헤이즈가 10% 초과, 15% 이상, 20% 이상, 25% 이상, 30% 이상, 35% 이상, 40% 이상, 45% 이상, 50% 이상, 55% 이상, 60% 이상, 65% 이상, 70% 이상, 75% 이상, 80% 이상, 85% 이상, 90% 이상 또는 95% 이상일 수 있다. 상기 헤이즈는, 측정 대상을 투과하는 전체 투과광의 투과율에 대한 확산광의 투과율의 백분율일 수 있다. 상기 헤이즈는, 헤이즈미터(hazemeter, NDH-5000SP)를 사용하여 평가할 수 있다. 헤이즈는 상기 헤이즈미터를 사용하여 다음의 방식으로 평가할 수 있다. 즉, 광을 측정 대상을 투과시켜 적분구 내로 입사시킨다. 이 과정에서 광은 측정 대상에 의하여 확산광(DT)과 평행광(PT) (또는 직진광)으로 분리되는데, 이 광들은 적분구 내에서 반사되어 수광 소자에 집광되고, 집광되는 광을 통해 상기 헤이즈의 측정이 가능하다. 즉, 상기 과정에 의한 전 투과광(TT)는 상기 확산광(DT)과 평행광(PT)의 총합(DT+PT)이고, 헤이즈는 상기 전체 투과광에 대한 확산광의 백분율(Haze(%) = 100×DT/TT)로 규정될 수 있다.
광학 소자는 편광층의 투과축과 액정층의 지상축 방향, 예를 들어, 액정 화합물의 배향 방향을 설정하고, 제 1 및 제 2 패턴 위상차층의 상대적 위치 변화에 기초하여 산란을 조절함으로써, 투과 모드와 차단 모드의 사이를 스위칭할 수 있다.
도 7 및 도 8은, 편광층의 투과축과 액정층의 지상축을 서로 평행하게 배치한 상태에서, 제 1 및 제 2 패턴 위상차층의 상대적 위치 변화에 기초하여 산란을 조절함으로써, 투과 모드와 차단 모드의 사이를 스위칭하는 원리를 예시적으로 나타낸다.
도 7의 광학 소자는, 편광층의 투과축(y축, ↕)과 액정층의 지상축(y축, ↕)이 평행을 이루도록, 즉 가변 렌즈층이 편광층의 투과축 방향의 선편광에 대하여 산란광을 생성하도록 배치된 제 1 적층체(10)와 제 2 적층체(20)를 가진다. 제 1 패턴 위상차층(102)은, 1/4파장 위상 지연 특성을 가지고, 광축이 서로 수직한 방향으로 형성된 제 1 영역(↗) 및 제 2 영역(↖)을 교대로 포함한다. 제 2 패턴 위상차층(102)도, 1/4파장 위상 지연 특성을 가지고, 광축이 서로 수직한 방향으로 형성된 제 3 영역(↗) 및 제 4 영역(↖)을 교대로 포함한다. 제 1 및 제 2 패턴 위상차층은 또한, 광축이 상기 편광층의 투과축과 45도를 이루도록 상기 편광층과 가변 렌즈층 사이에 배치되어 있다. 제 1 및 제 2 패턴 위상차층은 또한, 제 1 영역과 제 3 영역이 대향하고, 제 2 영역과 제 4 영역이 대향하도록 배치되어 있다. 즉, 제 1 패턴 위상차층과 제 2 패턴 위상차층의 대향하는 영역 간의 광축이 서로 평행을 이루도록 배치된다.
도 7과 같이 배치된 광학 소자에 광이 입사되는 경우, 입사 광은 편광층을 통과하면서 y축으로 편광된 광으로 변환되고, 상기 y축으로 편광된 광은 제 1 및 제 2 패턴 위상차층을 순차로 통과하면서 x축(y축에 수직)으로 편광된 광으로 변환되며, 상기 x축으로 편광된 광은 액정층의 진상축과 평행이므로 가변 렌즈층은 등방성 기재로 작용하게 되어 입사 광을 그대로 투과한다. 즉, 광학 소자는 비헤이즈 모드를 구현하며, 예를 들어, 헤이즈가 5% 미만인 투과 모드를 구현할 수 있다. 이로 인해, 광학 소자의 가변 렌즈층 측에서 관찰하는 경우 편광층 측의 사물을 시각적으로 인지할 수 있게 된다.
도 8의 광학 소자는, 도 7의 광학 소자에서 제 1 패턴 위상차층의 제 1 영역과 제 2 패턴 위상차층의 제 4 영역이 대향 배치되고, 제 1 패턴 위상차층의 제 2 영역과 제 2 패턴 위상차층의 제 3 영역이 대향 배치되도록, 제 2 적층체를 제 1 적층체에 대하여 상대적인 위치를 변화시킨 것을 나타낸다.
도 8과 같이 배치된 광학 소자에 광이 입사되는 경우, 입사 광은 편광층을 통과하면서 y축으로 편광된 광으로 변환되고, 상기 편광된 광은 제 1 및 제 2 패턴 위상차층을 순차로 통과하면서 y축으로 편광된 광을 그대로 유지하며, 상기 y축으로 편광된 광은 액정층의 지상축과 평행하므로, 액정층과 등방성층의 굴절률 차이로 인한 산란에 의하여 가변 렌즈층을 투과하는 직진 광을 감소시킬 수 있다. 즉, 광학 소자는 헤이즈 모드를 구현하며, 예를 들어, 헤이즈가 50% 이상인 차단 모드를 구현할 수 있다. 이로 인해, 광학 소자의 가변 렌즈층 측에서 관찰하는 경우 편광층 측의 사물을 시각적으로 인지하는 것이 어렵게 된다.
도 9 및 도 10은, 편광층의 투과축과 액정층의 지상축을 서로 수직하게 배치한 상태에서, 제 1 및 제 2 패턴 위상차층의 상대적 위치 변화에 기초하여 산란을 조절함으로써, 투과 모드와 차단 모드의 사이를 스위칭하는 원리를 예시적으로 나타낸다.
도 9의 광학 소자는, 편광층의 투과축(y축, ↕)과 액정층의 지상축(y축, ↕)이 수직을 이루도록, 즉 가변 렌즈층이 편광층의 투과축과 수직하는 선편광에 대하여 산란광을 생성하도록 배치된 제 1 적층체(10)와 제 2 적층체(20)를 가진다. 상기와 마찬가지로, 제 1 패턴 위상차층(102)은, 1/4파장 위상 지연 특성을 가지고, 광축이 서로 수직한 방향으로 형성된 제 1 영역(↗) 및 제 2 영역(↖)을 교대로 포함한다. 제 2 패턴 위상차층(102)도, 1/4파장 위상 지연 특성을 가지고, 광축이 서로 수직한 방향으로 형성된 제 3 영역(↗) 및 제 4 영역(↖)을 교대로 포함한다. 제 1 및 제 2 패턴 위상차층은 또한, 광축이 상기 편광층의 투과축과 45도를 이루도록 상기 편광층과 가변 렌즈층 사이에 배치되어 있다. 제 1 및 제 2 패턴 위상차층은 또한, 제 1 영역과 제 4 영역이 대향하고, 제 2 영역과 제 3 영역이 대향하도록 배치되어 있다. 즉, 제 1 패턴 위상차층과 제 2 패턴 위상차층의 대향하는 영역 간의 광축이 서로 수직을 이루도록 배치된다.
도 9과 같이 배치된 광학 소자에 광이 입사되는 경우, 입사 광은 편광층을 통과하면서 y축으로 편광된 광으로 변환되고, 상기 y축으로 편광된 광은 제 1 및 제 2 패턴 위상차층을 순차로 통과하면서 기존의 y축으로 편광된 광을 유지하며, 상기 y축으로 편광된 광은 액정층의 진상축과 평행이므로 가변 렌즈층은 등방성 기재로 작용하게 되어 입사 광을 그대로 투과한다. 즉, 광학 소자는 비헤이즈 모드를 구현하며, 예를 들어, 헤이즈가 약 5% 미만인 투과 모드를 구현할 수 있다. 이로 인해, 광학 소자의 가변 렌즈층 측에서 관찰하는 경우 편광층 측의 사물을 시각적으로 인지할 수 있게 된다.
도 10의 광학 소자는, 도 9의 광학 소자에서 제 1 패턴 위상차층의 제 1 영역과 제 2 패턴 위상차층의 제 3 영역이 대향 배치되고, 제 1 패턴 위상차층의 제 2 영역과 제 2 패턴 위상차층의 제 4 영역이 대향 배치되도록, 제 2 적층체를 제 1 적층체에 대하여 상대적인 위치를 변화시킨 것을 나타낸다. 즉, 제 1 패턴 위상차층과 제 2 패턴 위상차층의 대향하는 영역 간의 광축이 서로 평행을 이루도록 배치된다.
도 10과 같이 배치된 광학 소자에 광이 입사되는 경우, 입사 광은 편광층을 통과하면서 y축으로 편광된 광으로 변환되고, 상기 편광된 광은 제 1 및 제 2 패턴 위상차층을 순차로 통과하면서 x축(y축에 수직)으로 편광된 광으로 변환되며, 상기 x축으로 편광된 광은 액정층의 지상축과 평행하므로, 액정층과 등방성층의 굴절률 차이로 인한 산란에 의하여 가변 렌즈층을 투과하는 직진 광을 감소시킬 수 있다. 즉, 광학 소자는 헤이즈 모드를 구현하며, 예를 들어, 헤이즈가 50% 이상인 차단 모드를 구현할 수 있다. 이로 인해, 광학 소자의 가변 렌즈층 측에서 관찰하는 경우 편광층 측의 사물을 시각적으로 인지하는 것이 어렵게 된다.
본 출원은 또한, 상기 광학 소자의 용도에 관한 것이다. 본 출원의 상기 광학 소자는 전체 광의 투과율 변화 없이 산란을 조절함으로써 투과 모드와 차단 모드의 사이를 스위칭할 수 있다. 이러한 광학 소자는, 예를 들어, 광변조 장치로 사용될 수 있다. 광변조 장치로는, 스마트 윈도우, 윈도우 보호막, 플렉서블 디스플레이 소자, 3D 영상 표시용 액티브 리타더(active retarder) 또는 시야각 조절 필름 등이 예시될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기와 광 변조 장치를 구성하는 방식은 특별히 제한되지 않고, 상기 광학 소자가 사용되는 한 통상적인 방식이 적용될 수 있다.
본 출원은 전체 광의 투과율 변화 없이 산란을 조절함으로써 투과 모드와 차단 모드의 사이를 스위칭하는 광학 소자를 제공할 수 있고, 이러한 광학 소자는, 예를 들어, 스마트 윈도우, 윈도우 보호막, 플렉서블 디스플레이 소자, 3D 영상 표시용 액티브 리타더(active retarder) 또는 시야각 조절 필름 등과 같은 다양한 광변조 장치에 적용될 수 있다.
도 1은 광학 소자를 예시적으로 나타낸다.
도 2 는 광축이 연속적으로 변화하는 복수의 영역들을 포함하는 패턴 위상차층을 예시적으로 나타낸다.
도 3 및 도 4는 광축이 서로 상이한 2개의 영역으로 패턴화되어 있는 제 1 및 제 2 패턴 위상차층을 예시적으로 나타낸다.
도 5는 프레넬 렌즈 형상을 예시적으로 나타낸다.
도 6은 렌티큘라 렌즈 형상을 예시적으로 나타낸다.
도 7 내지 도 10은 광학 소자가 투과 모드와 차단 모드 사이를 스위칭하는 원리를 예시적으로 나타낸다.
도 11 및 도 12은 각각 실시예 1 및 비교예 1의 광학 소자의 투과 모드 및 차단 모드의 이미지를 나타낸다.
이하 본 발명에 따르는 실시예를 통하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명하지만, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 의해 제한되는 것은 아니다.
실시예 1
PVA 연신법에 의하여 일 방향으로 형성된 투과축을 가지는 편광층을 제조하고((주) LG화학), 마스크를 이용한 광 배향법에 의하여 광축이 서로 수직한 제 1 및 제 2 영역이 서로 공통 방향으로 연장하는 스트라이프 형상을 가지면서 서로 교대로 배치되어 있는 1/4 파장판을 제조하였다. 그 후, 상기 1/4 파장판의 광축과 상기 편광층의 투과축이 45도를 이루도록 1/4 파장판과 편광층을 적층하였다.
광 배향법에 의하여 일 방향으로 배향된 중합성 액정 화합물을 포함하고, 렌즈 형상으로 형성된 액정층 및 등방성의 수지층을 포함하는 가변 렌즈층을 제조한 후, 상기와 동일한 방식으로 제조한 1/4 파장판을, 1/4 파장판의 광축이 상기 액정층의 배향 방향과 45도를 이루도록 가변 렌즈층에 적층하였다.
다음으로, 편광층에 적층된 1/4 파장판과 가변 렌즈층에 적층된 1/4 파장판이 서로 마주보도록 배치하여 광학 소자를 제조하였다. 마주보는 1/4 파장판의 각 영역의 광축이 서로 평행하도록 배치하여 투과 모드를 구현하였고, 마주보는 1/4 파장판의 각 영역들의 광축이 서로 수직하도록, 1/4 파장판이 적층된 가변 렌즈층의 상대적 위치를 변화하여 차단 모드를 구현하였다.
도 11은 광학 소자의 투과 모드(a) 및 차단 모드(b)의 이미지를 나타낸다. 실시예 1의 광학 소자는, 투과 모드에서 직진 광 투과율이 30%이고, 차단 모드에서의 직진광 투과율이 6% 였다. 또한, 실시예 1의 광학 소자는 투과 모드에서 헤이즈가 1%이고, 차단 모드에서 헤이즈가 80%였다. 또한, 실시예 1의 광학 소자의 전체 광 투과율은 투과 모드 및 차단 모드에서 모두 30% 이상이었다.
비교예 1
가변 렌즈층 대신에, 상기 실시예 1의 편광층(이하, 제 1 편광층)과 동일한 방식으로 제조된 제2의 편광층을 상기 제 1 편광층의 투과축과 수직한 방향의 투과축을 가지도록 배치한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방식으로 광학 소자를 제조하였다.
도 12는 광학 소자의 투과 모드(a) 및 차단 모드(b)의 이미지를 나타낸다. 비교예 1의 광학 소자는, 투과 모드에서 전체 광 투과율이 30% 이고, 차단 모드에서 전체 광 투과율이 1% 였다.
10: 제 1 적층체
20: 제 2 적층체
101: 편광층
102: 제 1 패턴 위상차층
103: 제 2 패턴 위상차층
104: 가변 렌즈층
301, 302: 제 1 영역 및 제 2 영역
401, 402: 제 3 영역 및 제 4 영역
501,6501: 액정층
502, 602; 등방성층

Claims (19)

  1. 일 방향으로 형성된 투과축을 가지는 편광층과 제 1 패턴 위상차층을 포함하는 제 1 적층체; 및 상기 제 1 적층체와 대향 배치되어 있고, 제 2 패턴 위상차층과 상기 편광층의 투과축 방향 또는 그와 수직하는 방향의 선편광에 대해서는 산란광을 생성하고, 상기 산란광을 생성하는 선편광과 수직하는 방향의 선편광에 대해서는 산란광을 생성하지 않는 가변 렌즈층을 포함하는 제 2 적층체를 가지고, 상기 제 1 및 제 2 패턴 위상차층은 서로에 대한 상대적 위치가 변화될 수 있고, 상기 가변 렌즈층은, 일 방향으로 배향된 액정 화합물을 포함하고, 렌즈 형상으로 형성된 액정층과 상기 렌즈 형상의 액정층과 접촉하고 있는 등방성층을 포함하고, 상기 편광층의 투과축과 상기 액정층의 지상축 방향이 평행 또는 수직을 이루는 광학 소자.
  2. 제 1 항에 있어서, 제 1 및 제 2 적층체는 제 1 및 제 2 패턴 위상차층이 서로 대향하도록 배치되어 있는 광학 소자.
  3. 제 1 항에 있어서, 제 1 패턴 위상차층은 제 1 영역과 제 2 영역을 가지고, 상기 제 1 영역의 광축과 제 2 영역의 광축은 서로 상이한 방향으로 형성되어 있으며, 제 2 패턴 위상차층은 제 3 영역과 제 4 영역을 가지고, 상기 제 3 영역의 광축과 제 4 영역의 광축은 서로 상이한 방향으로 형성되어 있는 광학 소자.
  4. 제 3 항에 있어서, 제 1 패턴 위상차층의 제 1 영역과 제 2 영역의 광축은 서로 수직을 이루고, 제 2 패턴 위상차층의 제 3 영역과 제 4 영역의 광축은 서로 수직을 이루는 광학 소자.
  5. 제 3 항에 있어서, 제 1 패턴 위상차층의 제 1 및 제 2 영역과 제 2 패턴 위상차층의 제 3 및 제 4 영역은, 공통 방향으로 연장하는 스트라이프 형상을 가지면서 각 위상차층에서 교대로 배치되어 있는 광학 소자.
  6. 제 3 항에 있어서, 제 1 패턴 위상차층의 제 1 및 제 2 영역과 제 2 패턴 위상차층의 제 3 및 제 4 영역은 각각 1/4 파장 위상 지연 특성을 가지는 광학 소자.
  7. 삭제
  8. 제 1 항에 있어서, 렌즈 형상은 프레넬 렌즈 형상 또는 렌티큘라 렌즈 형상인 광학 소자.
  9. 제 8 항에 있어서, 액정 화합물은 렌즈 형상의 곡선 단면에 수직하는 방향으로 배향되어 있는 광학 소자.
  10. 제 1 항에 있어서, 액정 화합물의 이상 굴절률(ne)과 등방성층의 굴절률(ni)의 차이의 절대값은 0.07 내지 0.4의 범위 내이고, 상기 액정 화합물의 정상 굴절률(no)과 등방성층의 굴절률(ni)의 차이의 절대값은 0.05 이하인 광학 소자.
  11. 제 1 항에 있어서, 렌즈 형상의 액정층의 두께는 1㎛ 내지 300㎛범위 내인 광학 소자.
  12. 제 1 항에 있어서, 가변 렌즈층은 대향하는 2개의 기재층을 추가로 포함하고, 액정층과 등방성층은 상기 2개의 기재층 사이에 존재하는 광학 소자.
  13. 삭제
  14. 제 1 항에 있어서, 상기 편광층의 투과축과 상기 액정층의 지상축 방향이 평행을 이루고, 제 1 패턴 위상차층과 제 2 패턴 위상차층은 대향하는 영역 간의 광축이 서로 평행을 이루도록 배치되고, 헤이즈가 5% 미만인 투과 모드를 구현하는 광학 소자.
  15. 제 1 항에 있어서, 상기 편광층의 투과축과 상기 액정층의 지상축 방향이 평행을 이루고, 제 1 패턴 위상차층과 제 2 패턴 위상차층은 대향하는 영역 간의 광축이 서로 수직을 이루도록 배치되고, 헤이즈가 50% 이상인 차단 모드를 구현하는 광학 소자.
  16. 삭제
  17. 제 1 항에 있어서, 상기 편광층의 투과축과 상기 액정층의 지상축 방향이 수직을 이루고, 제 1 패턴 위상차층과 제 2 패턴 위상차층은 대향하는 영역 간의 광축이 서로 수직을 이루도록 배치되고, 헤이즈가 5% 미만인 투과 모드를 구현하는 광학 소자.
  18. 제 1 항에 있어서, 상기 편광층의 투과축과 상기 액정층의 지상축 방향이 수직을 이루고, 제 1 패턴 위상차층과 제 2 패턴 위상차층은 대향하는 영역 간의 광축이 서로 평행을 이루도록 배치되고, 헤이즈가 50% 이상인 차단 모드를 구현하는 광학 소자.
  19. 제 1 항의 광학 소자를 포함하는 스마트 윈도우.
KR1020150136152A 2015-09-25 2015-09-25 광학 소자 KR101971419B1 (ko)

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