KR102089403B1 - 투과율 가변 장치 - Google Patents

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Abstract

본 출원은 투과율 가변 장치 및 이의 용도에 관한 것이다. 본 출원의 투과율 가변 장치는 투과 상태 및 차단 상태의 사이를 스위칭할 수 있고, 투과 상태에서의 높은 투과율과 차단 상태에서의 높은 차단율을 나타내며, 경사각에서도 우수한 콘트라스트비를 나타내고, 전방향에서 우수한 시야각 대칭성을 나타낼 수 있다. 이러한 본 출원의 투과율 가변 장치는, 투과율의 조절이 필요한 다양한 건축용 또는 차량용 소재나, 증강 현실 체험용 또는 스포츠용 고글, 선글라스 또는 헬멧 등의 아이웨이(eyewear)를 포함하는 다양한 용도에 적용될 수 있다.

Description

투과율 가변 장치{Transmittance-variable device}
본 출원은 2017년 10월 31일자 제출된 대한민국 특허출원 제10-2017-0143741호에 기초한 우선권의 이익을 주장하며, 해당 대한민국 특허출원의 문헌에 개시된 모든 내용은 본 명세서의 일부로서 포함된다.
본 출원은 투과율 가변 장치에 관한 것이다.
주로 액정 화합물인 호스트 물질(host material)과 이색성 염료 게스트(dichroic dye guest)의 혼합물을 적용한 소위 GH셀(Guest host cell)을 사용한 투과율 가변 장치는 공지이다(예를 들면, 특허문헌 1).
이러한 투과율 가변 장치는 선글라스 등의 안경류(eyewear)나 건물 외벽, 차량의 선루프 등을 포함한 다양한 용도에 적용되고 있다. 최근에는 소위 증강 현실(AR, Augmented Reality)의 체험을 위한 안경류에도 상기 투과율 가변 소자의 적용이 검토되고 있다.
이러한 투과율 가변 장치는, GH셀 내의 이색성 염료 게스트의 배향을 조절하여 투과율을 조절하게 된다.
상기와 같은 투과율 가변 장치가 가지는 문제점은, 취약한 시야각 특성이다. 예를 들어, 2개의 GH셀을 중첩시킨 후에 각 GH셀의 광축을 교차시켜서 차단 상태를 구현하게 되면, 수평 방향의 시야각 특성이 대칭이 되어도 수직 방향의 시야각 특성이 한쪽으로 치우키게 되는 문제점이 있다.
유럽 공개특허 제0022311호
본 출원은, 투과율 가변 장치에 대한 것이고, 일 예시에서 전방위 시야각에서 대칭성이 확보된 투과율 가변 장치 및 이의 용도를 제공하는 것을 하나의 목적으로 한다.
본 출원은 투과율 가변 장치에 관한 것이다. 용어 투과율 가변 장치는 높은 투과율의 상태와 낮은 투과율의 상태의 사이를 스위칭할 수 있도록 설계된 장치를 의미할 수 있다. 후술하는 바와 같이 적어도 2개의 게스트 호스트(Guest-Host)셀(이하, GH셀)을 포함하는 구조에서 상기 각 GH셀 내의 이색성 염료의 배향을 조절하는 것에 의해 상기 상태간의 스위칭이 가능하게 될 수 있다.
본 출원에서 상기 높은 투과율의 상태는 투과 상태로 호칭될 수 있고, 낮은 투과율의 상태는 차단 상태로 호칭될 수 있다. 상기 투과 상태는, 예를 들면, 상기 장치의 수직광에 대한 직진광 투과율이 40% 이상인 상태를 의미할 수 있고, 차단 상태는 상기 장치의 수직광에 대한 직진광 투과율이 10% 이하인 상태를 의미할 수 있다. 상기에서 수직광은, 상기 투과율 가변 장치가 필름 또는 시트 형태인 경우에는 상기 필름 또는 시트 표면의 법선 방향과 나란한 방향으로 입사하는 광이고, 수직광의 직진광 투과율은, 상기 필름 또는 시트 표면에 입사한 수직광 중에서 역시 상기 법선 방향과 나란한 방향으로 투과된 광의 백분율이다.
투과 상태에서의 수직광의 직진광 투과율은 다른 예시에서 약 100% 이하, 약 95% 이하, 90% 이하, 85% 이하, 80% 이하, 75% 이하, 70% 이하, 65% 이하 또는 60% 이하이거나, 45% 이상, 50% 이상 또는 55% 이상일 수 있다. 상기 차단 상태에서의 수직광의 직진광 투과율은 다른 예시에서 약 8% 이하, 7% 이하, 6% 이하 또는 약 5.5% 이하일 수 있으며, 또한 0% 이상, 1% 이상, 2% 이상, 3% 이상 또는 4% 이상일 수 있다.
본 출원의 투과율 가변 장치는 상기와 같은 투과율 특성과 함께 전방위 시야각에서도 대칭성이 확보될 수 있다.
상기 투과율은 가시광 파장 영역, 즉 400 내지 700 nm의 파장 범위 내의 어느 하나의 파장의 광에 대한 수치이거나, 혹은 상기 전 파장의 광에 대한 수치의 평균치일 수 있다.
상기 언급한 투과 상태에서의 직진광 투과율은 상기 투과율 가변 장치의 해당 투과율이 가장 높은 상태에서의 투과율이고, 차단 상태에서의 직진광 투과율은 상기 투과율 가변 장치의 해당 투과율이 가장 낮은 상태에서의 투과율이다.
예시적인 투과율 가변 장치는 제 1 GH셀 및 제 2 GH셀을 포함할 수 있다. 본 출원에서 용어 GH셀은 호스트(host) 물질과 이색성 염료(dichroic dye) 게스트 물질의 혼합물을 포함하는 부위를 포함하는 셀로서, 상기 혼합물에서 이색성 염료 게스트의 배향을 조절하여 빛의 투과율을 조절할 수 있는 셀을 의미한다. 상기에서 호스트 물질로는 일반적으로 액정 화합물이 적용된다. 이하, 본 명세서에서 액정 화합물인 호스트 물질은, 액정 호스트로 호칭될 수 있다. 또한, 호스트 물질과 이색성 염료 게스트 물질의 혼합물을 포함하는 부위는 본 명세서에서 GH층으로 호칭될 수 있다. 따라서, 상기 제 1 및 제 2 GH셀은 각각 제 1 및 제 2 GH층을 포함할 수 있다.
본 출원에서 상기 제 1 및 제 2 GH층은 서로 중첩된 상태로 장치 내에 포함되어 있다. 이에 따라서 상기 제 1 GH층을 투과한 광은 제 2 GH층으로 입사될 수 있고, 반대로 제 2 GH층을 투과한 광도 제 1 GH층으로 입사될 수 있다.
도 1은, 상기와 같이 서로 중첩되어 있는 제 1 GH층(10) 및 제 2 GH층(20)의 상태를 모식적으로 나타낸 도면이다. 이러한 구조는 본 명세서에서 더블셀(double cell) 구조로 호칭될 수 있다. 도 1과 나타난 바와 같이 상기 제 1 및 제 2 GH층(10, 20)의 사이에는 후술하는 위상차 소자(30)가 존재할 수 있다.
본 출원에서 제 1 및 제 2 GH층은, 각각 액정 화합물을 적어도 포함할 수 있다. 상기 액정 화합물은 호스트 물질로서 포함될 수 있다. 액정 화합물로는, 특별한 제한 없이 용도에 따라 적합한 종류를 선택할 수 있다. 하나의 예시에서 액정 화합물로는 네마틱 액정 화합물을 사용할 수 있다. 상기 액정 화합물은, 비반응성 액정 화합물일 수 있다. 비반응성 액정 화합물은, 중합성기를 가지지 않는 액정 화합물을 의미할 수 있다. 상기에서 중합성기로는, 아크릴로일기, 아크릴로일옥시기, 메타크릴로일기, 메타크릴로일옥시기, 카복실기, 히드록시기, 비닐기 또는 에폭시기 등이 예시될 수 있으나, 이에 제한되지 않고, 중합성기로서 알려진 공지의 관능기가 포함될 수 있다.
GH층에 포함되는 액정 화합물은 양의 유전율 이방성 또는 음의 유전율 이방성을 가질 수 있다. 본 출원에서 용어「유전율 이방성」은 액정 화합물의 이상 유전율(εe, extraordinary dielectric anisotropy, 장축 방향의 유전율)과 정상 유전율(εo, ordinary dielectric anisotropy, 단축 방향의 유전율)의 차이를 의미할 수 있다. 액정 화합물의 유전율 이방성은 예를 들어 ±40 이내, ±30 이내, ±10 이내, ±7 이내, ±5 이내 또는 ±3 이내의 범위 내일 수 있다. 액정 화합물의 유전율 이방성을 상기 범위로 조절하면 액정 소자의 구동 효율 측면에서 유리할 수 있다.
GH층 내에 존재하는 액정 화합물의 굴절률 이방성은 목적 물성, 예를 들어, 투과율 가변 장치의 투과 특성, 콘트라스트 비율 등을 고려하여 적절히 선택될 수 있다. 용어 「굴절률 이방성」은 액정 화합물의 이상 굴절률(extraordinary refractive index)과 정상 굴절률(ordinary refractive index)의 차이를 의미할 수 있다. 액정 화합물의 굴절률 이방성은 예를 들어 0.1 이상, 0.12 이상 또는 0.15 이상 내지 0.23 이하 0.25 이하 또는 0.3 이하의 범위 내에 있을 수 있다.
특별히 달리 언급하지 않는 한, 본 명세서에서 용어 굴절률은 약 550 nm의 파장의 광을 기준으로 한 굴절률이다.
또한, 본 명세서에서 언급하는 물성 중에서 측정 온도 및/또는 압력이 그 물성치에 영향을 미치는 경우에는 특별히 달리 언급하지 않는 한, 해당 물성은 상온 및/또는 상압에서 측정한 물성을 의미한다.
본 출원에서 용어 상온은 가온되거나 감온되지 않은 자연 그대로의 온도이며, 예를 들면, 약 10℃ 내지 30℃의 범위 내의 어느 한 온도, 25℃ 또는 23℃ 정도의 온도를 의미할 수 있다.
본 출원에서 용어 상압은, 특별히 줄이거나 높이지 않은 때의 압력으로서, 보통 대기압과 같은 1 기압 정도를 수 있다.
GH층은 이색성 염료를 추가로 포함할 수 있다. 상기 염료는 게스트 물질로서 포함될 수 있다. 이색성 염료는, 예를 들면, 호스트 물질의 배향에 따라서 장치의 투과율을 제어하는 역할을 할 수 있다. 본 출원에서 용어 「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 「이색성 염료」는 상기 가시광 영역의 적어도 일부 또는 전체 범위에서 광의 이방성 흡수가 가능한 물질을 의미할 수 있다.
이색성 염료로는, 예를 들면, 소위 호스트 게스트(host guest) 효과에 의해 액정 화합물의 정렬 상태에 따라 정렬될 수 있는 특성을 가지는 것으로 알려진 공지의 염료를 선택하여 사용할 수 있다. 이러한 이색성 염료의 예로는, 소위 아조 염료, 안트라퀴논 염료, 메틴 염료, 아조메틴 염료, 메로시아닌 염료, 나프토퀴논 염료, 테트라진 염료, 페닐렌 염료, 퀴터릴렌 염료, 벤조티아다이아졸 염료, 다이케토피롤로피롤 염료, 스쿠아레인 염료 또는 파이로메텐 염료 등이 있으나, 본 출원에서 적용 가능한 염료가 상기에 제한되는 것은 아니다. 이색성 염료로는, 예를 들면, 흑색 염료(black dye)를 사용할 수 있다. 이러한 염료로는, 예를 들면, 아조 염료 또는 안트라퀴논 염료 등으로 공지되어 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
이색성 염료는, 이색비(dichroic ratio), 즉 이색성 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 이하, 18 이하, 16 이하 또는 14 이하 정도일 수 있다.
이색성 염료의 GH층 내의 비율은 목적 물성, 예를 들면, 투과율 가변 특성에 따라 적절히 선택될 수 있다. 예를 들어, 이색성 염료는 0.01 중량% 이상, 0.1 중량% 이상, 0.2 중량% 이상, 0.3 중량% 이상, 0.4 중량% 이상, 0.5 중량% 이상, 0.6 중량% 이상, 0.7 중량% 이상, 0.8 중량% 이상, 0.9 중량% 이상, 또는 1.0 중량% 이상의 비율로 GH층 내에 포함될 수 있다. 이색성 염료의 GH층 내의 비율의 상한은, 예를 들면, 2 중량% 이하, 1.9 중량% 이하, 1.8 중량% 이하, 1.7 중량% 이하, 1.6 중량% 이하, 1.5 중량% 이하, 1.4 중량% 이하, 1.3 중량% 이하, 1.2 중량% 이하 또는 1.1 중량% 이하일 수 있다.
상기 GH층은 상기 성분에 추가로 필요하다면, 공지의 GH층의 형성에 사용되는 임의적인 첨가 물질을 추가로 포함할 수 있다.
더블셀 내의 GH층은 각각 또는 동시에 약 0.5 이상의 이방성도(R)를 가질 수 있다.
상기 이방성도(R)는 액정 호스트의 배향 방향(alignment direction)에 평행하게 편광된 광선의 흡광도(E(p)) 및 액정 호스트의 배향 방향에 수직으로 편광된 광선의 흡광도(E(s))로부터 얻어지는 수치이고, 문헌 Polarized Light in Optics and Spectroscopy, D. S. Kliger et al., Academic Press, 1990에 나타난 방식으로 측정할 수 있다.
상기 이방성도(R)는 다른 예시에서 약 0.55 이상, 0.6 이상 또는 0.65 이상일 수 있다. 상기 이방성도(R)는 예를 들면, 약 0.9 이하, 약 0.85 이하, 약 0.8 이하, 약 0.75 이하 또는 약 0.7 이하일 수 있다.
이러한 이방성도(R)는 GH셀의 종류, 예를 들면, 액정 화합물(호스트)의 종류, 이방성 염료의 종류 및 비율, GH셀의 두께 등을 제어하여 달성할 수 있다.
상기 범위 내의 이방성도(R)를 통해 보다 저에너지를 사용하면서도, 투과 상태와 차단 상태에서의 투과율의 차이가 커져서 콘트라스트 비율이 높아지는 필름의 제공이 가능할 수 있다.
상기 GH층을 각각 포함하는 제 1 및 제 2 GH셀은 서로 중첩되어 상기 투과율 가변 장치 내에 포함되어 있을 수 있다. 상기 GH층 내에서 상기 액정 호스트는 배향된 상태로 존재할 수 있다. 이와 같은 액정 호스트의 배향에 따라 상기 이색성 염료 게스트 역시 배향되어 있을 수 있다. 예를 들면, 상기 GH셀은 각각 광축을 가질 수 있다. 상기에서 광축은, 예를 들어, 액정 호스트 물질의 방향자(director)의 평균 배향 방향을 의미한다. 상기에서 방향자의 배향 방향은 네마틱 액정 화합물과 같이 막대(rod) 형상의 액정 화합물의 경우, 그의 장축 방향을 의미하고, 디스코틱 액정과 같이 원판 형태의 화합물의 경우, 해당 원판 평면의 법선 방향을 의미할 수 있다. GH셀에서의 광축의 의미 및 해당 광축을 결정하는 방식은 공지이며, 본 출원에서는 상기와 같은 공지의 내용이 적용될 수 있다.
예를 들면, 상기 광축은, 통상적으로 배향막의 배향 방향에 따라 결정되고, GH셀에 대해서는 다음과 같은 방식으로 측정할 수 있다. 예를 들면, GH셀을 수평 배향시킨 상태에서 상기 GH셀의 일면에 선형 편광자를 배치하고, 상기 편광자를 360도 회전시키면서 투과율을 측정하여 확인할 수 있다. 즉, 상기 상태에서 GH셀 또는 선형 편광자측으로 광을 조사하면서 다른 측에서 휘도(투과율)을 측정함으로써 광축 방향을 확인할 수 있다. 예를 들면, 상기 편광자를 360도 회전시키는 과정에서 투과율이 최소가 될 때에 상기 편광자의 흡수축과 수직을 이루는 각도 또는 수평을 이루는 각도를 광축의 방향으로 규정할 수 있다.
일 예시에서 상기 투과율 가변 장치 내의 제 1 및 제 2 GH셀의 광축은 전압 인가 상태 또는 전압 무인가 상태에서 각각의 GH셀에 대해서 수직하거나, 평행할 수 있다. 즉, 상기 GH셀 내의 GH층의 액정 호스트는 전압 인가 또는 무인가 상태에서 수직 배향되어 있거나 수평 배향되어 있을 수 있다.
하나의 예시에서 상기 2개의 GH층의 액정 호스트가 모두 수평 배향되는 경우에 전술한 차단 모두가 구현될 수 있다. 본 명세서에서 용어 수직, 직교, 수평 또는 평행은, 실질적인 수직, 직교, 수평 또는 평행을 의미하는 것으로, 예를 들어, 수직 또는 직교의 의미에는, 90도에서 ±10도 이내, ±9도 이내, ±8도 이내, ±7도 이내, ±6도 이내, ±5도 이내, ±4도 이내, ±3도 이내, ±2도 이내, ±1도 이내 또는 ±0.5도 이내의 편차가 있는 경우를 포함하고, 수평 또는 평행의 의미에는 180도에서 ±10도 이내, ±9도 이내, ±8도 이내, ±7도 이내, ±6도 이내, ±5도 이내, ±4도 이내, ±3도 이내, ±2도 이내, ±1도 이내 또는 ±0.5도 이내의 편차가 있는 경우를 포함한다. 상기에서 광축이 GH셀에 대해서 수직하다는 것은, 상기 GH셀의 표면과 상기 광축이 이루는 각도가 수직 또는 직교하는 경우이고, 광축이 GH셀에 대해서 수평하다는 것은 상기 GH셀의 표면과 상기 광축이 서로 수평하거나 평행하다는 것을 의미할 수 있다.
일 예시에서 상기 2개의 GH층의 액정 호스트가 모두 수평 배향되어 있는 차단 모드에서 상기 제 1 및 제 2 GH층의 액정 호스트의 광축들은, 상기 GH층 평면의 법선 방향에서 관찰 시에는 서로 평행할 수 있다. 또한, 상기 법선 방향과 수직하는 방향에서 관찰한 때(즉 측면에서 관찰한 때)에는 상기 차단 모드에서 수평 배향되어 있는 액정 호스트의 틸트 방향(tilt direction)들은 서로 교차되어 있을 수 있다. 즉, 제 1 GH층의 액정 호스트의 틸트 방향과 제 2 GH층의 액정 호스트의 틸트 방향은 서로 교차(cross)한다. 상기 측면 관찰 시에도 투과율 가변 장치는 다양한 방향에서 관찰될 수 있는데, 이러한 방향 중에서 적어도 한 방향에서 측면 관찰 시에 상기 교차된 틸트 방향들이 확인될 수 있다.
상기에서 GH층 평면의 법선 방향에서 관찰한다는 것은, 예를 들면, 필름 또는 시트 형상의 GH층의 경우, 그 두께 방향, 즉 주표면과 주표면을 연결하는 최단 거리 방향으로 관찰하는 경우를 의미한다.
도 2는, 상기 두께 방향으로 관찰하는 경우에 제 1 GH층의 광축(점선)과 제 2 GH층의 광축(실선)의 배치를 나타내는 것으로 도면과 같이 상기 양자는 대략 평행하다.
상기에서 GH층 평면의 법선 방향과 수직한 방향에서 관찰한다는 것은, 예를 들면, 필름 또는 시트 형상의 GH층의 경우, 상기 두께 방향과 수직한 방향, 즉 측면에서 관찰하는 경우를 의미한다.
도 3은, 서로 중첩되어 있는 제 1 GH셀(10)과 제 2 GH셀(20)을 측면에서 관찰한 경우이고, 도 3과 같이 제 1 GH셀(10)의 액정 호스트의 틸트 방향(실선)과 제 2 GH셀(20)의 틸트 방향(점선)은 이 경우 서로 교차(cross)한다.
도 3에는 전술한 위상차 소자(30) 및 배향막(41, 42, 43, 44)도 함께 표시되어 있다.
상기와 같은 배향을 통해 전방향에서 시야각의 대칭성이 확보되는 장치가 구현될 수 있다.
예를 들어, 전압 무인가 상태에서 GH셀의 광축이 상기 GH셀에 대해서 직교인 경우에 전압 인가에 의해 상기 광축이 상기 GH셀에 대해서 평행하게 배향되면서, 상기와 같은 배향 상태가 구현될 수 있고, 반대로 전압 무인가 상태에서 GH셀의 광축이 상기 GH셀에 대해서 평행인 경우에 상기 배향 상태를 유지하다가, 전압 인가에 의해 상기 광축이 상기 GH셀에 대해서 직교하도록 배향될 수 있다. 상기와 같이 전압 무인가 시에 액정 호스트가 수직 배향되어 있는 경우에는 소위 통상 투과 모드(Normally Transparent Mode)의 소자가 구현되고, 전압 무인가 시에 액정 호스트가 수평 배향되는 경우에 통상 차단 모드(Normally Black Mode)의 소자가 구현된다. 투과율 가변 장치를 통상 투과 모드로 설계할 것인지 아니면 통상 차단 모드로 설계할 것인지는 사용되는 액정 호스트의 종류, 배향막 및/또는 전극층의 위치에 따라 결정될 수 있다.
도 3과 같이 서로 교차되어 있는 제 1 및 제 2 GH층의 틸트 방향들이 이루는 각 중 작은 각도는, 0.5도 내지 10도의 범위 내일 수 있다. 상기 각도는, 다른 예시에서 1도 이상, 2도 이상, 3도 이상, 4도 이상 또는 5도 이상이거나, 9도 이하, 8도 이하, 7도 이하 또는 6.5도 이하 정도일 수 있다.
상기에서 교차된 틸트 방향들이 이루는 각 중 작은 각도는, 예를 들면, 도 4에 나타난 바와 같이 서로 크로스된 2개의 틸트 방향에 의해 형성되는 각 중에서 작은 각도(A)를 의미한다. 본 명세서에서 상기 각도(A)를 측정하는 방식은 특별히 제한되지 않는다. 상기 각도는 예를 들면, 개별 GH층 또는 GH셀에 대해서 액정 호스트의 수평 배향 시의 틸트 각도를 확인한 후에, 양 GH층 또는 GH셀에 대해 확인된 수치를 통해 상기 각도를 구할 수 있다. 이 때 개별 GH층 또는 GH셀에 대해서 틸트 각도를 확인하는 방식은 공지이며, 예를 들면, Crystal Rotation Method 등의 방식이 적용될 수 있고, 다른 예시에서는 배향막의 배향 방향(rubbing 방향 등)을 따라 polar angle 방향의 위상차 또는 투과율을 환산하여 기울어진 각도를 확인하는 방식도 가능하다.
본 출원에서 상기와 같은 배향 상태를 구현하는 방식은 특별히 제한되지 않고, 예를 들면, 액정 호스트를 수평 배향시킬 때에 틸트각(tilt angle)을 줄 수 있는 것으로 알려진 공지의 방식을 응용하여 상기 배향 상태를 구현할 수 있다.
예를 들면, 도 3에 나타난 것과 같이 상기 제 1 및 제 2 GH셀은, 각각 상기 제 1 GH층(10) 및 제 2 GH층(20)의 양측에 배치된 2장의 배향막(41, 42, 43, 44)을 더 포함할 수 있는데, 이러한 경우에 그 배향막의 상태를 조정하여 상기 배치를 달성할 수 있다.
예를 들어, 상기 각 배향막(41, 42, 43, 44)이 러빙 배향막인 경우에 상기 제 1 및 제 2 GH층(10, 20)의 사이에 존재하는 배향막(42, 43)으로는, 서로 동일한 방향으로 러빙 처리된 배향막을 사용하고, 상기 제 1 GH층(10)을 기준으로 상기 제 2 GH층(20)과 반대 방향에 존재하는 배향막(41)과 상기 제 2 GH층(20)을 기준으로 상기 제 2 GH층(10)과 반대 방향에 존재하는 배향막(44)으로는, 상기 제 1 및 제 2 GH층(10, 20)의 사이에 존재하는 배향막(42, 43)의 배향 방향과 반대가 되는 방향으로 러빙 처리된 배향막을 사용하는 경우에 상기와 같은 배향 상태의 구현이 가능하다. 도 3에서 각 배향막(41, 42, 43, 44)의 상기와 같은 러빙 방향은 각 배향막 내에 화살표로 표시되어 있다.
이하, 상기 각 배향막(41, 42, 43, 44)은, 편의상 제 1 배향막(41), 제 2 배향막(42), 제 3 배향막(43) 및 제 4 배향막(44)으로 호칭될 수 있다.
또한, 예를 들어, 상기 각 배향막(41, 42, 43, 44)이 광배향막인 경우에 상기 광배향막으로서 경사 조사 처리된 광배향막을 사용하되, 상기 제 1 및 제 2 GH층(10, 20)의 사이에 존재하는 배향막(42, 43)으로는, 서로 동일한 방향으로 경사 조사된 배향막을 사용하고, 상기 제 1 GH층(10)을 기준으로 상기 제 2 GH층(20)과 반대 방향에 존재하는 배향막(41)과 상기 제 2 GH층(20)을 기준으로 상기 제 2 GH층(10)과 반대 방향에 존재하는 배향막(44)으로는, 상기 제 1 및 제 2 GH층(10, 20)의 사이에 존재하는 배향막(42, 43)의 경사 조사 방향과 반대가 되는 방향으로 경사 조사 처리된 배향막을 사용하는 경우에 상기와 같은 배향 상태의 구현이 가능하다. 경사 조사된 광배향막을 통해 수평 배향 시에 틸트각을 부여하는 방식은 공지이며, 이러한 방식은 모두 본 발명에 적용될 수 있다.
상기와 같은 방식에서 러빙의 세기나 경사 조사 시의 경사 각도 및/또는 조사량 등의 제어를 통해 전술한 배치의 구조의 달성이 가능하다.
한편, 일 예시에서 상기 GH층의 액정 호스트가 수직 배향되는 경우에 상기 액정 호스트는 소정 범위의 프리틸트각을 가지도록 설계되어 있을 수 있다.
즉, 셀의 광축이 각각의 GH셀에 대해서 수직한 상태, 즉 상기 GH셀 내의 액정 호스트가 수직 배향된 상태에서 소정 범위의 프리틸트각과 프리틸트 방향을 가지도록 설계될 수 있다.
액정 호스트의 프리틸트각은, 전술한 액정 호스트의 방향자의 방향이 상기 GH층의 평면과 이루는 각도를 의미할 수 있다.
일 예시에서 상기 프리틸트각은 약 70도 내지 90도의 범위 내일 수 있다. 상기에서 프리틸트각이 90도인 경우는, 액정 호스트가 실질적으로 완전하게 수직 배향된 상태를 의미할 수 있다.
제 1 및 제 2 GH셀의 액정 호스트가 모두 90도 미만의 프리틸트각을 가지는 경우에 제 1 GH셀의 프리틸트 방향과 제 2 GH셀의 프리틸트 방향은 서로 대략 평행할 수 있다.
프리틸트 방향은 프리틸트된 액정 호스트를 GH층 평면에 투영시킨 상태에서의 방향을 의미할 수 있다.
GH셀 내의 액정 호스트의 프리틸트각과 방향을 상기와 같이 제어하는 방식은 특별히 제한되지 않으며, 예를 들면, 전술한 배향막을 사용하여 제어할 수 있다.
즉, 하나의 예시에서 본 출원의 투과도 가변 장치에서 상기 배향막의 배향 방향의 제어를 통해서 상기 프리틸트 각 및 프리틸트 방향을 조절할 수 있다.
상기 프리틸트 각도는 액정 분자의 방향자가 배향막, GH층 또는 GH셀(이하, 배향막 등)의 표면과 수평한 면에 대하여 이루는 각도 또는 배향막 등의 표면 법선 방향과 이루는 각도를 의미할 수 있다.
본 명세서에서 배향막의 프리틸트각은 액정 호스트의 프리틸트각과 동일한 의미로 사용될 수 있고, 배향막의 프리틸트 방향은 액정 호스트의 프리틸트 방향과 동일한 의미로 사용될 수 있다.
하나의 예시에서, 상기 제 1 내지 제 4 배향막은 프리틸트 각이 70도 내지 90도 또는 70도 이상이면서 90도 미만인 범위를 가질 수 있다. 프리틸트 각도가 상기 범위 내인 경우 초기 투과도가 우수한 투과도 가변 장치를 제공할 수 있다. 상기 프리틸트각은 일 예시에서 약 71도 이상, 72 도 이상, 약 73 도 이상, 약 74 도 이상, 약 75, 약 76, 약 77, 약 78도 이상, 약 79도 이상, 약 80도 이상, 약 81도 이상, 약 82도 이상, 약 83도 이상, 약 84도 이상, 약 85도 이상, 약 86도 이상 또는 약 87도 이상일 수 있고, 약 88.5도 이하 또는 약 88도 이하일 수 있다.
하나의 예시에서 상기 제 1 배향막의 프리틸트 각도는 상기 배향막 등의 수평한 면을 기준으로 시계 방향 또는 반시계 방향으로 측정한 각도이고, 제 2 배향막의 프리틸트 각도는 그와는 역방향, 즉 제 1 배향막의 프리틸트 각도가 시계 방향으로 측정된 경우에 반시계 방향 또는 제 1 배향막의 프리틸트 각도가 반시계 방향으로 측정된 경우에 시계 방향으로 측정된 각도이거나, 동일한 방향으로 측정된 각도일 수 있다.
또한, 상기 제 3 배향막의 프리틸트 각도는 상기 배향막 등과 수평한 면을 기준으로 시계 방향 또는 반시계 방향으로 측정한 각도이고, 제 4 배향막의 프리틸트 각도는 그와는 역방향, 즉 제 3 배향막의 프리틸트 각도가 시계 방향으로 측정된 경우에 반시계 방향 또는 제 3 배향막의 프리틸트 각도가 반시계 방향으로 측정된 경우에 시계 방향으로 측정된 각도이거나, 동일한 방향으로 측정된 각도일 수 있다.
상기 프리틸트 방향은 액정 분자의 방향자가 배향막의 수평한 면에 사영된 방향을 의미할 수 있다.
상기 제 1 및 제 2 배향막의 프리틸트 방향과 제 3 및 제 4 배향막의 프리틸트 방향은 서로 수평할 수 있다.
상기 언급한 프리틸트 각도 및 방향은, 일 예시에서 상기 각 GH셀의 GH층이 수직 배향상태인 경우에 각 GH층에서 측정되는 프리틸트각 및 방향일 수 있다.
이상 기술한 설명에서 각 배향막(41, 42, 43, 44)은, 러빙 배향막 또는 광 배향막일 수 있다. 러빙 배향막의 경우, 배향 방향은 러빙 방향에 의해 정해지고, 광배향막의 경우는, 조사되는 광의 편광 방향 등에 의해 결정된다. 상기 배향막의 프리틸트 각도 및 프리틸트 방향은 배향 조건, 예를 들어 러빙 배향 시의 러빙 조건이나 압력 조건, 혹은 광 배향 조건, 예를 들어, 광의 편광 상태, 광의 조사 각도, 광의 조사 세기 등을 적절히 조절하여 구현할 수 있다.
예를 들어, 배향막이 러빙 배향막인 경우에 상기 프리틸트 각도는 상기 러빙 배향막의 러빙 세기 등을 제어하여 달성할 수 있고, 프리틸트 방향은 상기 러빙 배향막의 러빙 방향을 제어하여 달성할 수 있으며, 이러한 달성 방식은 공지의 방식이다. 또한, 광배향막의 경우, 배향막 재료, 배향에 적용되는 편광의 방향, 상태 내지는 세기 등에 의해 달성될 수 있다.
러빙 배향막을 사용하는 경우에 제 1 및 제 2 배향막의 러빙 방향은 전술한 바와 같이 서로 역방향이고, 제 3 및 제 4 배향막의 러빙 방향도 서로 역방향일 수 있다.
상기 러빙 방향은 프리틸트 각의 측정을 통해 확인할 수 있는데, 일반적으로 액정은 러빙 방향을 따라서 누우면서 프리틸트 각을 발생시키기 때문에, 프리틸트 각을 측정함으로써 상기 러빙 방향의 측정이 가능할 수 있다.
상기와 같은 프리틸트각 및 방향의 설정을 통해 투과 상태에서 보다 높은 투과율과 차단 상태에서 보다 낮은 투과율을 구현하는 동시에 전방향에서 시야각 특성이 대칭인 디바이스의 구현이 가능할 수 있다.
본 출원의 투과율 가변 장치에서 각각의 GH셀은 상기와 같은 구성으로 GH층을 포함하는 한, 구체적인 구성을 특별히 제한되지 않는다.
본 출원의 투과율 가변 장치는, 상기와 같은 2개의 GH셀을 적어도 포함하고, 또한 해당 2개의 GH셀의 사이에 배치된 위상차 소자를 추가로 포함한다. 이에 따라 투과 모드에서 광은 제 1 GH셀, 상기 위상차 소자 및 제 2 GH셀을 순차 투과하거나 혹은 제 2 GH셀, 상기 위상차 소자 및 제 1 GH셀을 순차 투과할 수 있다.
본 출원에서 적용될 수 있는 상기 위상차 소자의 구체적인 종류는 특별히 제한되지 않는다. 일 예시에서 상기 위상차 소자로는, λ/2 위상 지연 특성을 가지는 위상차 소자를 사용할 수 있다. 상기에서 λ/2 위상 지연 특성을 가지는 위상차 소자는, 선평광된 광이 입사되면, 상기 입사광을 상기 입사광과 대략 수직 또는 직교하는 선편광된 광으로 전환시켜서 출사시킬 수 있는 소자이다. 상기 위상차 소자는, 예를 들면, 약 550 nm의 파장의 광에 대한 면상 위상차가 200 nm 내지 350 nm의 범위 내 또는 220 nm 내지 320 nm의 범위 내일 수 있다. 상기에서 위상차 소자의 면상 위상차는, 위상차 소자의 지상축 방향의 굴절률(nx)과 진상축 방향의 굴절률(ny)의 차이(nx - ny)를 해당 위상차 소자의 두께(d)와 곱하여 구해지는 수치(d×(nx-ny))이다.
한편, 상기 위상차 소자는 550 nm 파장의 광에 대한 두께 방향 위상차가 -300 nm 내지 300 nm의 범위 내일 수 있다. 상기에서 위상차 소자의 두께 방향 위상차는, 위상차 소자의 두께 방향의 굴절률(nz)과 진상축 방향의 굴절률(ny)의 차이(nz - ny)를 해당 위상차 소자의 두께(d)와 곱하여 구해지는 수치(d×(nz-ny))이다. 상기 두께 방향 위상차는 다른 예시에서 -280nm 이상, -260nm 이상, -240nm 이상, -220nm 이상, -200nm 이상, -180nm 이상, -160nm 이상, -140nm 이상, -120nm 이상, -100nm 이상, -80nm 이상, -60nm 이상, -40nm 이상, -20nm 이상, -10nm 이상, -5nm 이상, 0nm 이상, 20nm 이상, 40nm 이상, 60nm 이상, 80nm 이상 또는 90nm 이상이거나, 280 nm 이하, 260 nm 이하, 240 nm 이하, 220 nm 이하, 200 nm 이하, 180 nm 이하, 160 nm 이하, 140 nm 이하, 120 nm 이하, 100 nm 이하, 80 nm 이하, 60 nm 이하, 40 nm 이하, 20 nm 이하, 10 nm 이하 또는 5 nm 이하 정도일 수도 있다.
상기 위상차 소자는 상기와 같은 위상차 범위를 가지는 한, 단층 구조이거나, 2층 이상의 적층 구조일 수 있다.
또한, 위상차 소자의 파장 분산 특성도 정상 파장 분산(normal wavelength dispersion), 평편 파장 분산(flat wavelength dispersion) 또는 역파장 분산(reverse wavelength dispersion) 특성을 가질 수 있다.
상기와 같은 위상차 소자는 그 지상축 방향이 상기 GH셀의 광축이 상기 GH셀에 대해서 수평한 경우에 상기 광축과 약 35도 내지 55도의 범위 내, 약 40도 내지 50도의 범위 내 또는 약 45도가 되도록 배치될 수 있다. 상기와 같은 위상차 소자의 지상축과 전술한 GH셀의 광축 관계에 의해 투과율 가변이 가능하고, 특히 경사 방향에서 관찰 시에도 높은 콘트라스트비가 확보되는 투과율 가변 장치의 제공이 가능하다.
본 출원에서 상기 위상차 소자의 구체적인 종류는 상기와 같은 면상 위상차, 즉 λ/2 위상 지연 특성을 가지는 한 특별히 제한되지 않으며, 이는 단일층이거나 2층 이상의 적층 구조를 가질 수 있다. 예를 들면, 2매의 λ/4 위상 지연 특성을 가지는 소자를 적층하여 상기 λ/2 위상 지연 특성을 가지는 소자를 구현할 수도 있다. 위상차 소자가 2층 이상의 적층 구조를 가지면서 상기 λ/2 위상 지연 특성을 나타내는 경우에 적층 구조 내의 각 층의 지상축의 방향은 서로 평행하거나, 평행하지 않을 수 있으나, 전체적으로 제 1 또는 제 2 GH층을 투과한 선편광의 편광 방향을 90도 회전시켜서 투과시킬 수 있는 방향으로 설정될 수 있다.
하나의 예시에서 상기 위상차 소자는, 비액정 고분자 필름 또는 액정 고분자 필름일 수 있다. 상기에서 액정 고분자 필름은 소위 RM(Reactive Mesogen)으로 알려져 있는 반응성 액정 화합물을 배향 및 중합시켜 제조된 필름이고, 비액정 고분자 필름은, 상기 액정 고분자 필름 외에 광학적 이방성을 가지는 고분자 필름으로서, 일축 또는 이축 연신 등의 처리를 통해 광학적 이방성을 나타내게 된 고분자 필름을 의미할 수 있다. 이러한 비액정 고분자 필름으로는, TAC(triacetyl cellulose) 필름; 노르보르넨 유도체 등의 COP(cyclo olefin copolymer) 필름; PMMA(poly(methyl methacrylate) 등의 아크릴 필름; PC(polycarbonate) 필름 또는 PET(polyethyleneterephtalate) 필름 등의 폴리에스테르 필름; PE(polyethylene) 또는 PP(polypropylene) 등의 올레핀 필름; PVA(polyvinyl alcohol) 필름; DAC(diacetyl cellulose) 필름; Pac(Polyacrylate) 필름; PES(poly ether sulfone) 필름; PEEK(polyetheretherketon) 필름; PPS(polyphenylsulfone), PEI(polyetherimide) 필름; PEN(polyethylenemaphthatlate) 필름; PI(polyimide) 필름; PSF(polysulfone) 필름; 또는 PAR(polyarylate) 등이 예시될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본 출원의 투과율 가변 장치는 전술한 바와 같이 제 1 및 제 2 GH층을 포함하는 GH셀 및 위상차 소자를 포함하는 한 다양한 구조로 구현될 수 있다.
일 예시에서 상기 투과율 가변 장치는 서로 대향 배치되어 있는 제 1 및 제 2 기판과 역시 서로 대향 배치되어 있는 제 3 및 제 4 기판을 포함할 수 있다. 이러한 경우가 도 5에 도시되어 있다. 도 5와 같이 상기와 같이 제 1 내지 제 4 기판(101, 102, 103, 104)을 포함하는 투과율 가변 장치에서는 상기 제 1 기판(101)과 제 2 기판(102)의 사이에 상기 제 1 GH층(10)이 존재하고, 상기 제 3 기판(103)과 제 4 기판(104)의 사이에 상기 제 2 GH층(20)이 존재할 수 있다. 상기 구조에서 제 2 기판(102)과 제 3 기판(103)이 서로 마주보도록 배치되어 있을 수 있다. 도 6에 나타난 바와 같이 상기 도 5의 구조에서는 상기 제 2 및 제 3 기판(102, 103)의 사이에 전술한 위상차 소자가 존재할 수 있다. 혹은 다른 예시에서 도 5에 나타난 구조에서 별도의 위상차 소자가 존재하지 않고, 제 2 기판(102)과 제 3 기판(103)이 함께 상기 위상차 소자를 구성할 수도 있다. 이러한 경우에 상기 제 2 및 제 3 기판(102, 103)은 각각 λ/4 파장 위상 지연 특성을 나타내는 기판이고, 그러한 2개의 기판이 서로 적층되어 λ/2 위상 지연 특성을 나타내는 층이 구성될 수 있다. 도 6과 같은 구조에서는 제 2 및 제 3 기판(102, 103)은 등방성 기판일 수 있다.
도 5 및 6에 나타난 구조에서 제 1 GH층(10)과 제 2 GH층(20)의 사이에 존재하는 제 2 및 제 3 기판(102, 103)의 면상 위상차의 합계 또는 제 2 및 제 3 기판(102, 103)과 위상차 소자(30)의 면상 위상차의 합계는 전술한 λ/2 위상 지연 특성을 나타낼 수 있는 범위 내일 수 있다. 상기에서 면상 위상차의 합계는 광학적 합계를 의미한다.
다른 예시에서 상기 투과율 가변 장치는, 도 7에 나타난 바와 같이 서로 순차 배치된 제 1 기판(101), 제 2 기판(102) 및 제 3 기판(103)을 포함하고, 상기 제 1 및 제 2 기판(101, 102)의 사이에 상기 제 1 GH층(10)이 존재하고, 상기 제 2 및 제 3 기판(102, 103)의 사이에 상기 제 2 GH층(20)이 존재할 수 있다. 이러한 경우는 도 7에 나타난 바와 같이 2개의 GH셀이 하나의 기판(제 2 기판(102))을 공유하는 구조이다. 이러한 구조의 경우에 공유되는 상기 제 2 기판이 전술한 λ/2 위상 지연 특성을 나타낼 수 있다.
상기 투과율 가변 장치는 상기 예시한 구조 외에도 가능한 2개의 중첩된 GH층의 사이에 전술한 바와 같은 위상차 소자가 존재할 수 있는 것이라면 다양한 구조로 구성될 수 있다.
*이상 설명한 구조에서 상기 기판으로는, 특별한 제한 없이 공지의 소재가 사용될 수 있다. 예를 들면, 기판으로는 유리 필름, 결정성 또는 비결정성 실리콘 필름, 석영 또는 ITO(Indium Tin Oxide) 필름 등의 무기 필름이나 플라스틱 필름 등을 사용할 수 있다.
플라스틱 기판으로는, TAC(triacetyl cellulose) 기판; 노르보르넨 유도체 기판 등의 COP(cyclo olefin copolymer) 기판; PMMA(poly(methyl methacrylate) 기판; PC(polycarbonate) 기판; PE(polyethylene) 기판; PP(polypropylene) 기판; PVA(polyvinyl alcohol) 기판; DAC(diacetyl cellulose) 기판; Pac(Polyacrylate) 기판; PES(poly ether sulfone) 기판; PEEK(polyetheretherketon) 기판; PPS(polyphenylsulfone), PEI(polyetherimide) 기판; PEN(polyethylenemaphthatlate) 기판; PET(polyethyleneterephtalate) 기판; PI(polyimide) 기판; PSF(polysulfone) 기판; PAR(polyarylate) 기판 또는 비정질 불소 수지 등을 포함하는 기판을 사용할 수 있지만 이에 제한되는 것은 아니다. 이러한 기판의 두께는 특별히 제한되지 않고, 적절한 범위에서 선택될 수 있다.
상기 기판에는 전극층이 존재할 수 있다. 예를 들면, 투과율 가변 장치에 포함되는 기판의 표면 중에서 상기 GH층을 향하는 표면 중 적어도 한 표면, 예를 들면, 도 5 및 6의 구조에서 제 1 내지 제 4 기판의 4개의 내측 표면 중 적어도 하나의 표면 또는 도 7의 구조에서 제 1 및 제 3 기판(101, 103)의 내측 표면과 제 2 기판(102)의 양측 표면 중 어느 하나의 표면에는 전극층이 존재할 수 있다. 본 출원에서 용어 기판의 내측 표면은 기판의 양 표면 중에서 GH층과 가까운 표면을 의미한다.
일 예시에서 도 5 및 6의 구조에서 제 1 기판(101)의 내측 표면과 제 2 기판(102)의 내측 표면 중 적어도 어느 하나의 표면 및 제 3 기판(103)의 내측 표면과 제 4 기판(104)의 내측 표면 중 적어도 어느 하나의 표면에는 전극층이 존재할 수 있고, 필요한 경우에 각 GH셀에 수직 전계를 인가할 수 있도록 상기 제 1 내지 제 4 기판의 모든 내측 표면에 전극층이 존재할 수 있다. 또한, 도 7의 구조에서는 제 1 기판(101)의 내측 표면과 제 2 기판(102)의 제 1 GH층(10)을 향하는 표면 중 적어도 어느 하나의 표면과 제 3 기판(103)의 내측 표면과 제 2 기판(102)의 제 2 GH층(20)을 향하는 표면 중 적어도 어느 하나의 표면에는 전극층이 존재할 수 있고, 필요한 경우에 각 GH셀에 수직 전계를 인가할 수 있도록 상기 제 1 및 제 3 기판의 모든 내측 표면과 제 2 기판의 양측 표면에 전극층이 존재할 수도 있다.
전극층은, 공지의 소재를 사용하여 형성할 수 있으며, 예를 들면, 상기 전극층은, 전도성 고분자, 전도성 금속, 전도성 나노와이어 또는 ITO(Indium Tin Oxide) 등의 금속 산화물 등을 포함할 수 있다. 전극층은, 투명성을 가지도록 형성될 수 있다. 이 분야에서는, 투명 전극층을 형성할 수 있는 다양한 소재 및 형성 방법이 공지되어 있고, 이러한 방법은 모두 적용될 수 있다. 필요한 경우에, 기판의 표면에 형성되는 전극층은, 적절하게 패턴화되어 있을 수도 있다.
상기 기판에는 전술한 배향층인 액정 배향층이 존재할 수 있다. 상기 액정 배향층 역시 상기 기판의 내측 표면, 즉 GH층을 향하는 표면에 형성되어 있을 수 있다. 기판에 전술한 전극층이 존재하는 경우에는 상기 액정 배향층은 상기 전극층의 표면에 형성되거나, 혹은 전극층과 기판의 사이에 형성될 수도 있다. 예를 들면, 투과율 가변 장치에 포함되는 기판의 내측 표면 중에서 적어도 한 표면, 예를 들면, 도 5 및 6의 구조에서 제 1 내지 제 4 기판의 4개의 내측 표면 중 적어도 하나의 표면 또는 도 7의 구조에서 제 1 및 제 3 기판(101, 103)의 내측 표면과 제 2 기판(102)의 양측 표면 중 어느 하나의 표면에는 액정 배향층이 존재할 수 있다.
일 예시에서 도 5 및 6의 구조에서 제 1 기판(101)의 내측 표면과 제 2 기판(102)의 내측 표면 중 적어도 어느 하나의 표면 및 제 3 기판(103)의 내측 표면과 제 4 기판(104)의 내측 표면 중 적어도 어느 하나의 표면에는 액정 배향층이 존재할 수 있고, 필요한 경우에 상기 제 1 내지 제 4 기판의 모든 내측 표면에 액정 배향층이 존재할 수 있다. 또한, 도 7의 구조에서는 제 1 기판(101)의 내측 표면과 제 2 기판(102)의 제 1 GH층(10)을 향하는 표면 중 적어도 어느 하나의 표면과 제 3 기판(103)의 내측 표면과 제 2 기판(102)의 제 2 GH층(20)을 향하는 표면 중 적어도 어느 하나의 표면에는 액정 배향층이 존재할 수 있고, 필요한 경우에 상기 제 1 및 제 3 기판의 모든 내측 표면과 제 2 기판의 양측 표면에 액정 배향층이 존재할 수도 있다.
상기 배향층으로는 전술한 바와 같이 특별한 제한 없이 이 분야에서 공지된 다양한 수평 배향층 또는 수직 배향층이 적용될 수 있다.
상기 투과율 가변 장치는, 전술한 GH셀 및 위상차 소자에 추가로 필요한 다른 요소를 포함할 수 있다. 이러한 요소로는, 반사방지층이나 하드코팅층 등이 예시될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기와 같은 투과율 가변 장치는 다양한 용도에 적용될 수 있다. 투과율 가변 장치가 적용될 수 있는 용도에는, 원도우 또는 선루프 등과 같은 건물, 용기 또는 차량 등을 포함하는 밀폐된 공간의 개구부나 아이웨어(eyewear) 등이 예시될 수 있다. 상기에서 아이웨어의 범위에는, 일반적인 안경, 선글라스, 스포츠용 고글 내지는 헬멧 또는 증강 현실 체험용 기기 등과 같이 관찰자가 렌즈를 통하여 외부를 관찰할 수 있도록 형성된 모든 아이 웨어가 포함될 수 있다.
본 출원의 투과율 가변 장치가 적용될 수 있는 대표적인 용도에는 아이웨어가 있다. 최근 선글라스, 스포츠용 고글이나 증강 현실 체험용 기기 등은 관찰자의 정면 시선과는 경사지도록 렌즈가 장착되는 형태의 아이웨어가 시판되고 있다. 본 출원의 투과율 가변 장치의 경우, 전술한 바와 같이 경사각에서도 높은 콘트라스트비가 확보될 수 있어서 상기와 같은 구조의 아이웨어에도 효과적으로 적용될 수 있다.
본 출원의 투과율 가변 장치가 아이웨어에 적용되는 경우에 그 아이웨어의 구조는 특별히 제한되지 않는다. 즉, 공지의 아이웨어 구조의 좌안용 및/또는 우안용 렌즈 내에 상기 투과율 가변 장치가 장착되어 적용될 수 있다.
예를 들면, 상기 아이웨어는, 좌안용 렌즈와 우안용 렌즈; 및 상기 좌안용 렌즈와 우안용 렌즈를 지지하는 프레임을 포함할 수 있다.
도 8은, 상기 아이웨어의 예시적인 모식도로서, 상기 프레임(12) 및 좌안용과 우안용 렌즈(14)를 포함하는 아이웨어의 모식도이나, 본 출원의 투과율 가변 장치가 적용될 수 있는 아이웨어의 구조가 도 8에 제한되는 것은 아니다.
상기 아이웨어에서 좌안용 렌즈 및 우안용 렌즈는 각각 상기 투과율 가변 장치를 포함할 수 있다. 이러한 렌즈는, 상기 투과율 가변 장치만을 포함하거나, 기타 다른 구성을 포함할 수도 있다.
상기 아이웨어는 다양한 디자인을 가질 수 있으며, 예를 들면, 상기 프레임은 상기 아이웨어를 관찰자가 장착한 때에 상기 관찰자의 정면 시선 방향과 상기 투과율 가변 장치 표면의 법선이 이루는 각도가 15도 내지 40도의 범위 내가 되도록 경사지게 형성되어 있을 수 있다. 이러한 아이웨어로는, 스포츠용 고글이나 증강 현실 체험용 기기 등이 예시될 수 있다.
본 출원의 투과율 가변 장치는 투과 상태 및 차단 상태의 사이를 스위칭할 수 있고, 투과 상태에서의 높은 투과율과 차단 상태에서의 높은 차단율을 나타내며, 경사각에서도 우수한 콘트라스트비를 나타내고, 전방향에서 대칭적인 시야각 특성을 나타낼 수 있다. 이러한 본 출원의 투과율 가변 장치는, 투과율의 조절이 필요한 다양한 건축용 또는 차량용 소재나, 증강 현실 체험용 또는 스포츠용 고글, 선글라스 또는 헬멧 등의 아이웨이(eyewear)를 포함하는 다양한 용도에 적용될 수 있다.
도 1 내지 7는, 예시적인 본 출원의 투과율 가변 장치의 모식도이다.
도 8는 본 출원의 투과율 가변 장치가 적용된 아이웨어의 모식도이다.
도 9는, 본원 실시예 1의 전압 대 투과율 특성을 나타내는 도면이다.
도 10 및 11은 각각 본원 비교예 1 및 2의 전압 대 투과율 특성을 나타내는 도면이다.
도 12는, 본원 실시예 1의 특성을 확인한 결과이다.
도 13 및 14는 각각 본원 실시예 2 및 3의 특성을 확인한 결과이다.
이하 실시예 및 비교예를 통하여 본 출원의 투과율 가변 장치를 구체적으로 설명하지만 본 출원의 범위가 하기 투과율 가변 장치에 의해 제한되는 것은 아니다.
실시예 1
표면에 ITO(Indium Tin Oxide) 전극층과 수직 배향막이 순차 형성된 2장의 COP(cycloolefin polymer) 필름의 사이에 GH층을 형성하여 제 1 GH셀을 제조하였다. 상기에서 GH셀의 셀갭은 약 12μm 정도로 하였다. 상기에서 수직 배향막은 프리틸트각이 약 89도인 배향막을 사용하였다. 배향막은, 폴리이미드 계열의 수직 배향막을 상기 ITO 전극층상에 바코팅으로 코팅하고, 130℃에서 약 30분동안 유지한 후, 러빙포로 러빙 처리하여 약 200 nm의 두께로 형성하였다. 이 때 상기 2장의 COP 필름상의 배향막에 대한 상기 러빙 방향이 서로 역 방향이 되도록 적층하였다. 또한, 상기 GH층은, 액정 화합물로서, 유전율 이방성이 약 -4.9 이고, 굴절률 이방성이 약 0.132 정도인 네마틱 액정과 이색성 염료로서, 이색비가 약 6.5 내지 8 정도인 흑색 염료가 98.7:1.3의 중량 비율(네마틱 액정:이색성 염료)로 혼합된 GH 혼합물을 적용하여 형성하였다. 상기와 동일하게 제조된 제 2 GH셀과 상기 제 1 GH셀을 도 3과 같이 중첩시키고, 그 사이에 550 nm 파장에 대한 면상 위상차가 약 275 nm인 COP(cycloolefin polymer) 필름을 위치시켜서 투과율 가변 소자를 제조하였다. 이 때 상기 COP(cycloolefin polymer) 필름은, 역파장 특성을 가지는 것으로서, 450 nm 파장의 광에 대한 면상 위상차(Re(450))와 550 nm 파장의 광에 대한 면상 위상차(Re(550))의 비율(Re(450)/Re(550))이 약 0.8 정도인 필름을 적용하였다. 도 3에 나타난 바와 같이, 제 1 GH층(10)과 제 2 GH층(20)의 사이에 존재하는 배향막(42, 43)은, 서로 러빙 방향이 동일하도록 적층하였다. 상기 장치는 제 1 및 제 2 GH셀의 액정 호스트가 전압 무인가 시에 수직 배향 상태이고, 전압이 인가되면, 상기 액정 호스트가 수평 배향되는 유형의 장치이다. 또한, 도 3에 나타난 바와 같이 측면 관찰 시에 상기 수평 배향에서 제 1 및 제 2 GH층(10, 20) 각각의 액정 호스트의 틸트 방향은 서로 교차하였고, 이 때 도 4에 나타난 각도(A)는 약 6도 정도였다. 상기에서 틸트 방향이 서로 교차하는 각도는, 단일 GH층에 대해서 틸트 각도를 확인한 후에 2개의 GH층에서 확인된 틸트 각도를 합산하여 확인하였다. 상기 단일 GH층에 대해서 틸트 각도를 확인하는 방식은 공지이며, 본 실시예에서는 공지된 Crystal Rotation Method에 따라 확인하였다. 또한, 상기 COP 필름의 지상축이 상기 수평 배향된 액정 호스트의 광축과 대략 45도를 이루도록 하였다.
실시예 2
제 1 및 제 2 GH셀의 사이에 도입되는 위상차 소자(도 3의 30)로서, 550 nm 파장에 대한 면상 위상차가 약 275 nm이고, 평편 파장 특성을 가지며, Nz(=(nx-nz)/(nx-ny), 상기에서 nx는 지상축 방향의 굴절률, ny는 진상축 방향의 굴절률, nz는 두께 방향의 굴절률이다)가 약 1.2인 COP(cycloolefin polymer) 필름과 두께 방향 위상차(Rth=d×(nz-ny))가 약 180 내지 200 nm의 범위 내인 수직 배향 액정층의 적층 필름을 위치시킨 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일하게 투과율 가변 소자를 제조하였다.
실시예 2
제 1 및 제 2 GH셀의 사이에 도입되는 위상차 소자(도 3의 30)로서, 550 nm 파장에 대한 면상 위상차가 약 275 nm이고, 역파장 특성을 가지는 것으로서, 450 nm 파장의 광에 대한 면상 위상차(Re(450))와 550 nm 파장의 광에 대한 면상 위상차(Re(550))의 비율(Re(450)/Re(550))이 약 0.8 정도인 Zeon사의 COP(cycloolefin polymer) 필름과 두께 방향 위상차(Rth=d×(nz-ny))가 약 100 nm 정도인 수직 배향 액정층의 적층 필름을 위치시킨 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일하게 투과율 가변 소자를 제조하였다.
비교예 1
GH셀의 합착 시에 제 1 및 제 2 GH층의 광축이 수평 배향된 경우에 서로 대략 90도로 교차하도록 합착하고, GH셀의 사이에 면상 위상차가 약 275 nm인 COP(cycloolefin polymer) 필름을 위치시키지 않은 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일하게 소자를 제작하였다.
비교예 2
위상차 소자인 COP 필름을 적용하지 않고, 제 1 및 제 2 GH셀이 모두 수평 배향 시에 각 액정 호스트의 광축이 서로 수직하도록 상기 GH셀을 적층한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 투과율 가변 장치를 제조하였다. 상기와 같은 소자에 대해 제 1 및 제 2 GH셀의 수평 배향 시의 광축을 확인한 결과, 양자는 서로 동일한 방향으로 틸트(tilt)하여, 교차하지 않았다.
시험예 1.
실시예 1과 비교예 1 및 2의 투과율 가변 장치에 D65 광원의 광을 조사하여 직진광 투과율을 평가하였다. 상기 투과율은 투과율 가변 장치의 중심에서 오른쪽 수평방향을 0도로 하고, 왼쪽 수평 방향을 180도로 한 때에, 상기 중심 방향(정면), 0도 방향, 90도 방향, 180도 방향 및 270도 방향에서의 투과율을 측정하여 정면과 상하 좌우 방향의 투과율을 모두 측정하였다. 이 때 정면 투과율의 측정 시에는 극각(polar angle)을 0도로 하고, 다른 투과율의 측정 시에는 극각(polar angle)을 23도로 하였다.
실시예와 비교예의 장치 모두 전압 무인가 상태에서 고투과율을 나타내는 통상 투과 모드였고, 전압이 인가됨에 따라서 투과율이 감소하였으며, 약 28V의 전압 인가 시에 최소 투과율을 나타내었다. 상기 각 장치들의 인가 전압에 따른 투과율과 콘트라스트비를 정리하면 하기 표와 같다. 하기에서 표 1은 실시예 1에 대한 측정 결과이고, 표 2 및 3은 각각 비교예 1 및 2에 대한 측정 결과이다. 콘트라스트비(CR)는, 전압의 인가량을 변화시켜가면서 투과율을 측정하였을 때에 확인되는 최대 투과율(Tc) 대비 최소 투과율(T)의 비율(Tc/T)이다.
도 9 내지 11은 각각 본원 실시예 1, 비교예 1 및 2의 전압 대 투과율 특성을 나타내는 도면이다.
인가전압 정면투과율 0도 투과율 180도투과율 90도투과율 270도투과율
0V 57% 47.4% 47.0% 47.5% 47.4%
28V 4.9% 4.7% 4.7% 5.0% 5.0%
CR 11.6 10.1 10 9.5 9.5
인가전압 정면투과율 0도 투과율 180도투과율 90도투과율 270도투과율
0V 52.8% 43.8% 43.5% 41.8% 45.4%
28V 2.9% 2.8% 2.8% 3.1% 3.5%
CR 18.2 15.6 15.5 13.5 13
인가전압 정면투과율 0도 투과율 180도투과율 90도투과율 270도투과율
0V 48.7% 40.2% 40% 37.4% 42.8%
28V 3.9% 5% 3% 3.7% 4.1%
CR 12.5 8 13.3 10.1 10.4
상기 결과 및 도면 9 내지 11의 결과로부터 본원 실시예의 경우, 경사각에서 상하, 좌우 동등 수준의 투과율 특성을 나타내고, 전압 대 투과율 그래프도 동등 수준으로 나타나며, 계조 반전도 발생되지 않았음을 알 수 있다.반면, 비교예 1의 경우, 경사각에서 좌우 투과율 및 전압대 투과율 그래프는 동등 수준이지만, 상하의 투과율 특성과 전압대투과율 그래프가 다르고, 하부 시야각에서 계조 반전이 발생하였다.
또한, 비교예 2의 경우, 경사각에서 상하 좌우의 투과율 및 전압대 투과율 그래프가 모두 다르고, 하부 시야각에서 계조 반전이 발생하였다.
한편, 도 12는 실시예 1의 시야각 특성을 평가한 결과를 나타내는 그래프로서, 그로부터 실시예 1의 경우 상하 및 좌우에서 대칭성이 안정적으로 확보되는 것을 확인할 수 있다.
시험예 2.
도 13 및 14는 각각 실시예 2 및 3의 시야각 특성을 평가한 결과를 나타내는 그래프로서, 그로부터 추가적인 보상 구조(수직 배향 액정층)의 도입을 통해서 보다 대칭적인 시야각 특성을 구현할 수 있는 점을 확인할 수 있다.
10: 제 1 GH층
20: 제 2 GH층
30: 위상차 소자
41, 42, 43, 44: 배향막, 배향층
101, 102, 103, 104: 기판
14: 좌안용 또는 우안용 렌즈
12: 프레임

Claims (15)

  1. 서로 중첩 배치되어 있는 제 1 및 제 2 게스트 호스트층을 포함하는 투과율 가변 장치로서,
    상기 제 1 및 제 2 게스트 호스트층은 각각 액정 호스트 및 이색성 염료 게스트를 포함하고,
    투과 모드와 차단 모드간을 스위칭할 수 있으며,
    상기 차단 모드에서 상기 제 1 및 제 2 게스트 호스트층의 액정 호스트의 광축들은, 상기 게스트 호스트층 평면의 법선 방향에서 관찰 시에 서로 평행하고, 상기 법선 방향과 수직하는 방향에서 관찰한 상기 제 1 및 제 2 게스트 호스트층의 액정 호스트의 틸트 방향은 서로 크로스되어 있 고,
    상기 제 1 및 제 2 게스트 호스트층의 사이에는 위상차 소자를 추가로 포함하 는 투과율 가변 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 차단 모드에서 게스트 호스트층의 법선 방향과 수직하는 방향에서 관찰한 때에 서로 크로스되어 있는 틸트 방향들이 이루는 각 중 작은 각도가 0.5도 내지 10도의 범위 내에 있는 투과율 가변 장치.
  3. 제 1 항에 있어서, 투과 모드에서 제 1 및 제 2 게스트 호스트층의 액정 호스트의 광축이 70도 내지 90도의 범위 내의 프리틸트각을 가지는 수직 배향 상태인 투과율 가변 장치.
  4. 제 1 항에 있어서, 제 1 및 제 2 게스트 호스트층의 각각의 양면에는 존재하는 배향막을 추가로 포함하는 투과율 가변 장치.
  5. 제 4 항에 있어서, 배향막은 러빙 배향막이고, 제 1 및 제 2 게스트 호스트층의 사이에 존재하는 배향막은, 서로 동일한 방향으로 러빙 처리된 배향막이며,
    상기 제 1 게스트 호스트층의 상기 제 2 게스트 호스트층을 향하는 방향과 반대 방향에 존재하는 배향막과 상기 제 2 게스트 호스트층의 상기 제 1 게스트 호스트층을 향하는 방향과 반대 방향에 존재하는 배향막은, 상기 제 1 및 제 2 게스트 호스트층의 사이에 존재하는 배향막의 배향 방향과 반대가 되는 방향으로 러빙 처리된 배향막인 투과율 가변 장치.
  6. 제 4 항에 있어서, 배향막은 경사 조사 처리된 광배향막이고,
    상기 제 1 및 제 2 게스트 호스트층의 사이에 존재하는 배향막은, 서로 동일한 방향으로 경사 조사된 배향막이며,
    상기 제 1 게스트 호스트층의 상기 제 2 게스트 호스트을 향하는 방향과 반대 방향에 존재하는 배향막과 상기 제 2 게스트 호스트층의 상기 제 1 게스트 호스트층을 향하는 방향과 반대 방향에 존재하는 배향막은, 상기 제 1 및 제 2 게스트 호스트층의 사이에 존재하는 배향막의 경사 조사 방향과 반대가 되는 방향으로 경사 조사 처리된 배향막인 투과율 가변 장치.
  7. 삭제
  8. 제 1 항에 있어서, 위상차 소자의 550 nm의 파장의 광에 대한 면상 위상차가 200 nm 내지 350 nm의 범위 내이고, 두께 방향 위상차가 -300 nm 내지 300 nm의 범위 내인 투과율 가변 장치
  9. 제 1 항에 있어서, 위상차 소자의 지상축과 게스트 호스트층의 액정 호스트의 수평 배향시의 광축이 이루는 각도가 35도 내지 55도의 범위 내인 투과율 가변 장치.
  10. 제 1 항에 있어서, 위상차 소자는, 비액정 고분자 필름 또는 액정 고분자 필름인 투과율 가변 장치.
  11. 제 1 항에 있어서, 서로 대향 배치되어 있는 제 1 및 제 2 기판과 서로 대향 배치되어 있는 제 3 및 제 4 기판을 추가로 포함하고, 제 1 게스트 호스트층이 상기 제 1 및 제 2 기판의 사이에 위치하며, 제 2 게스트 호스트층이 상기 제 3 및 제 4 기판의 사이에 존재하고, 상기 제 2 및 제 3 기판이 서로 대향하여 배치되어 있으며, 상기 제 2 및 제 3 기판의 550 nm의 파장의 광에 대한 면상 위상차의 합계치가 200 nm 내지 350 nm의 범위 내인 투과율 가변 장치.
  12. 제 1 항에 있어서, 서로 대향 배치되어 있는 제 1 및 제 2 기판과 서로 대향 배치되어 있는 제 3 및 제 4 기판을 추가로 포함하고, 제 1 게스트 호스트층이 상기 제 1 및 제 2 기판의 사이에 위치하며, 제 2 게스트 호스트층이 상기 제 3 및 제 4 기판의 사이에 존재하고, 상기 제 2 및 제 3 기판이 서로 대향하여 배치되어 있으며, 상기 제 2 및 제 3 기판의 사이에 위상차 소자가 존재하는 투과율 가변 장치.
  13. 제 12 항에 있어서, 제 2 기판, 위상차 소자 및 제 3 기판의 550 nm의 파장의 광에 대한 면상 위상차의 합계치가 200 nm 내지 350 nm의 범위 내인 투과율 가변 장치.
  14. 제 1 항에 있어서, 순차 배치된 제 1 기판, 제 2 기판 및 제 3 기판을 추가로 포함하고, 상기 제 1 및 제 2 기판의 사이에 제 1 게스트 호스트층이 존재하며, 상기 제 2 및 제 3 기판의 사이에 제 2 게스트 호스트층이 존재하고, 상기 제 2 기판의 550 nm의 파장의 광에 대한 면상 위상차가 200 nm 내지 350 nm의 범위 내인 투과율 가변 장치.
  15. 좌안용 렌즈와 우안용 렌즈; 및 상기 좌안용 렌즈와 우안용 렌즈를 지지하는 프레임을 포함하는 아이웨어로서,
    상기 좌안용 렌즈 및 우안용 렌즈는 각각 제 1 항의 투과율 가변 장치를 포함하는 아이웨어.
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