KR102522184B1 - 광변조 디바이스 - Google Patents

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Abstract

본 출원에서는 차단 모드에서 낮은 투과율을 구현하는 동시에 투과도 가변 범위가 넓고, 액정 결함이나 시인성 저하 등의 문제를 유발하지 않는 광변조 디바이스 및 그 용도를 제공할 수 있다.

Description

광변조 디바이스{LIGHT MODULATING DEVICE}
본 출원은 2020년 7월 3일자 제출된 대한민국 특허출원 제10-2020-0082159호에 기초한 우선권의 이익을 주장하며, 해당 대한민국 특허출원의 문헌에 개시된 모든 내용은 본 명세서의 일부로서 포함된다.
본 출원은 광변조 디바이스에 관한 것이다.
광변조 디바이스는 적어도 2개 이상의 다른 상태 사이를 스위칭할 수 있는 디바이스이다. 이러한 디바이스는 예를 들면, 안경이나 선글라스 등의 아이웨어(eyewear), 모바일 기기, 가상 현실(VR; Virtual Reality)용 기기, 증강 현실(AR; Augmented Reality)용 기기와 같은 웨어러블(wearable) 디바이스 또는 차량의 선루프나 건물의 유리 등으로 적용되는 원도우(소위 smart window) 등에 사용되는 등 그 용도가 점차 확대되고 있다.
상기 광변조 디바이스 중 게스트 호스트　액정 시스템을 이용한 디바이스는,　액정층의 호스트 분자에 대해 이색성 염료를　게스트　분자로서 혼합하고,　액정에 가해지는 전압에 의해 호스트 분자 및　게스트　분자의 배열을 변화시켜　액정층의 광 흡수율을 변화시킨다.
이러한 게스트-호스트 액정 시스템에서는 투과도 가변 범위(예를 들면, 투과 상태의 투과율의 차단 상태에서의 투과율에 대한 비율)를 넓히기 위한 방법으로는 첨가되는 게스트 분자인 이색성 염료의 양을 늘리는 방법이 있다. 그렇지만, 공지되어 있는 이색성 염료는 호스트 분자인 액정 화합물에 대한 용해도가 높지 않기 때문에 이색성 염료의 양을 늘리는 것에 의해 투과도 가변 범위를 넓히는 것은 한계가 있다.
한편, 게스트 호스트 액정 시스템에 키랄 도펀트를 첨가하는 방식으로 투과도 가변 범위를 넓히는 방식도 고려할 수 있다. 그렇지만, 이 방법에서도 투과도 가변 범위를 넓히기 위해서는 다량의 키랄 도펀트가 첨가되어야 하는데, 이와 같이 첨가된 키랄 도펀트에 의해 액정 결함이 발생하고, 시인성에 문제가 발생하는 경우가 있다.
본 출원은 광변조 디바이스를 제공하는 것을 목적으로 한다. 본 출원은, 넓은 투과도 가변 범위를 나타내면서도, 액정의 결함이나 시인성의 저하가 없는 광변조 디바이스 및 그 용도를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 명세서에서 언급하는 물성 중에서 측정 온도가 결과에 영향을 미치는 물성은, 특별히 달리 언급하지 않는 한, 상온에서 측정한 결과이다.
본 명세서에서 용어 상온은 특별히 가온되거나 감온되지 않은 상태의 온도로서 약 10℃ 내지 30℃ 범위 내의 어느 한 온도, 예를 들면, 약 15℃ 이상, 18℃ 이상, 20℃ 이상 또는 약 23℃ 이상이면서, 약 27℃ 이하의 온도를 의미할 수 있다. 또한, 특별히 달리 규정하지 않는 한, 본 명세서에서 언급하는 온도의 단위는 섭씨(℃)이다.
본 명세서에서 언급하는 물성 중에서 측정 압력이 결과에 영향을 미치는 물성은, 특별히 달리 언급하지 않는 한, 상압에서 측정한 결과이다.
용어 상압은 가압 또는 감압되지 않은 자연 그대로의 압력이고, 통상 대기압 수준의 약 1기압 정도를 의미한다.
본 명세서에서 측정 습도가 결과에 영향을 미치는 물성의 경우, 해당 물성은 상기 상온 및/또는 상압 상태에서 특별히 조절되지 않은 자연 그대로의 습도에서 측정한 물성이다.
본 명세서에서 각도를 정의하는 용어 중 수직, 평행, 직교 또는 수평 등은 목적 효과를 손상시키지 않는 범위에서의 실질적인 수직, 평행, 직교 또는 수평을 의미하고, 상기 수직, 평행, 직교 또는 수평의 범위는 제조 오차(error) 또는 편차(variation) 등의 오차를 포함하는 것이다. 예를 들면, 상기 각각의 경우는 약 ±15도 이내의 오차, 약 ±10도 이내의 오차 또는 약 ±5도 이내의 오차를 포함할 수 있다.
본 출원은 광변조 디바이스에 관한 것이다. 용어 광변조 디바이스는, 2개 이상의 다른 광의 상태의 사이를 스위칭할 수 있는 디바이스를 의미할 수 있다. 상기에서 다른 광의 상태는 적어도 투과율, 반사율, 색상 및/또는 헤이즈가 다른 상태를 의미할 수 있다.
본 출원의 광변조 디바이스는 서로 마주보도록 배치된 제 1 기판과 제 2 기판을 포함하고, 또한 상기 제 1 및 제 2 기판의 사이에 액정층을 포함할 수 있다. 상기에서 제 1 기판과 제 2 기판은 각각 제 1 표면을 가지고, 서로의 제 1 표면이 마주보도록 제 1 및 제 2 기판이 배치되어 있을 수 있다. 본 출원에서 용어 제 1 또는 제 2 기판의 제 1 표면은 상기 제 1 또는 제 2 기판의 임의의 하나의 주표면을 의미하고, 제 2 표면은 상기 제 1 또는 제 2 기판에서 상기 제 1 표면의 반대측 표면을 의미한다.
후술하는 바와 같이 상기 제 1 기판의 제 1 표면에는 점착제층 또는 접착제층이 형성되어 있을 수 있다.
또한, 상기 제 1 및 제 2 기판의 간격은 소위 격벽형 스페이서에 의해 유지되어 있을 수 있다.
도 1은 본 출원의 하나의 태양에 따른 광변조 디바이스를 예시적으로 나타낸다. 제 1 실시예에 따른 광변조 디바이스는 제 1 기판(101), 액정층(300) 및 제 2 기판(201)을 순차로 포함한다. 상기 제 1 기판(101)은 제 1 표면에 점착제층 또는 접착제층(103)이 형성되어 있을 수 있다. 후술하는 바와 같이 상기 액정층(300)은 액정 화합물과 키랄 도펀트를 포함할 수 있다. 도 1과 같이 상기 제 2 기판(201)은 제 1 표면에 액정 배향막(203)이 존재할 수 있다. 다른 태양에서는 상기 액정 배향막(203)은 존재하지 않을 수도 있다. 도 1에서 상기 제 1 기판 및 제 2 기판은 서로의 제 1 표면이 마주하도록 대향 배치되어 있고, 상기 제 1 기판 및 제 2 기판의 간격은 격벽형 스페이서(400)에 의해 유지되어 있다.
도 2는 본 출원의 다른 태양에 따른 광변조 디바이스를 예시적으로 나타낸다. 도 2의 광변조 디바이스는 도 1의 디바이스와 유사한 구조를 가지지만, 제 2 기판(201)에 액정 배향막이 형성되어 있지 않다. 도 2의 구조에서도 상기 제 1 및 제 2 기판의 간격은 격벽형 스페이서(400)에 의해 유지되어 있다.
본 출원의 광변조 디바이스는, 적어도 트위스트 배향을 구현하도록 구성되어 있을 수 있다. 이러한 트위스트 배향 상태는 전압 미인가 상태에서 구현되거나, 혹은 전압 인가 상태에서 구현될 수 있다.
액정층은 상기 트위스트 배향과 다른 배향의 사이를 스위칭할 수 있도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 전압 미인가 상태에서 상기 트위스트 배향이 구현된다면, 전압 인가에 의해 상기 다른 배향으로 스위칭될 수 있고, 전압 인가 상태에서 트위스트 배향이 구현된다면, 전압의 제거에 의해 전압 미인가 상태에서 다른 배향으로 스위칭될 수 있다.
하나의 예시에서 상기 액정층은, 상기 트위스트 배향 상태에서의 액정층의 피치(p)에 대한 상기 액정층의 두께(cell gap, d)의 비율(d/p)이 2.8을 초과하고, 10 이하가 되도록 구성될 수 있다. 이러한 d/p의 비율은 액정층에 존재하는 키랄 도펀트의 비율과 액정층의 두께의 조절을 통해서 조절이 가능하다. 이러한 d/p를 나타내는 액정층의 간격을 격벽형 스페이서로 유지하는 것에 의해 넓은 투과도 가변 범위를 가지며, 시인성의 저하와 액정 결함이 없는 광변조 디바이스를 제공할 수 있다.
상기 d/p는 다른 예시에서 2.9 이상, 3 이상, 3.1 이상, 3.2 이상, 3.3 이상, 3.4 이상, 3.5 이상, 3.6 이상, 3.7 이상, 3.8 이상, 3.9 이상, 4 이상, 4.1 이상, 4.2 이상, 4.3 이상, 4.4 이상, 4.5 이상, 4.6 이상, 4.7 이상 또는 4.8 이상이거나, 9 이하, 8 이하, 7 이하, 6 이하, 5 이하, 5.7 이하, 5.5 이하, 5.4 이하, 5.3 이하, 5.2 이하, 5.1 이하, 5.0 이하, 4.9 이하, 4.7 이하, 4.5 이하 또는 4 이하 정도일 수도 있다.
본 출원의 광변조 디바이스는 투과 모드와 차단 모드 사이를 스위칭 할 수 있도록 설계될 수 있다. 상기 광변조 디바이스의 스위칭은, 외부 신호의 인가, 예를 들면 전압 신호의 인가 여부에 따라 조절할 수 있다. 일 예시에서 전술한 트위스트 배향에서 상기 차단 모드가 구현되고, 상기 트위스트 배향과는 다른 배향에서 투과 모드가 구현될 수 있다.
본 출원의 광변조 디바이스는, 대향 배치된 2개의 기판과 상기 기판의 사이에 위치한 액정층을 가지는 구조를 기본 단위로 포함할 수 있다. 상기 기본 단위는 액정셀로도 불리울 수 있다. 통상적으로 제 1 및 제 2 기판 양쪽의 액정층을 향하는 표면 모두에 액정 배향막이 형성되지만, 제 1 기판 상에 점착제층 또는 접착제층을 형성함으로써, 특정 용도(예를 들면, smart window나 eye wear)에서 매우 유용한 액정 화합물의 배향 상태가 얻어질 수 있다. 따라서, 본 출원의 광변조 디바이스의 제 1 기판에는 액정 배향막이 형성되지 않을 수 있다. 또한, 광변조 디바이스의 제 1 기판 및 제 2 기판 중 어느 한 기판에는 제 1 및 제 2 기판의 간격(cell gap)을 유지하는 스페이서가 존재하는데, 제 1 기판 상에 점착제층 또는 접착제층을 형성하는 경우에 상기 스페이서에 상기 점착제층 또는 접착제층이 부착되어 제 1 및 제 2 기판의 합착력을 크게 개선할 수 있다.
본 명세서에서 기판의 제 1 표면은 기판의 주 표면과 그 반대측 표면 중에서 어느 하나의 표면을 의미하고, 제 2 표면은 기판의 주 표면과 그 반대측 표면 중에서 다른 하나의 표면을 의미한다. 또한, 상기에서 주 표면은 기판의 표면 중에서 가장 면적이 큰 표면을 의미할 수 있다.
상기 제 1 기판 및 제 2 기판으로는, 특별한 제한 없이 공지의 기판 소재가 사용될 수 있다. 예를 들면, 기판으로는 유리 기판, 결정성 또는 비결정성 실리콘 기판 또는 석영 기판 등의 무기 기판이나 플라스틱 기판 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 등의 폴리에스테르 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.
본 출원의 광변조 디바이스는 제 1 기판의 제 1 표면에 점착제층 또는 접착제층이 형성되어 있을 수 있다. 일 예시에서 상기 제 1 표면에 형성된 점착제층 또는 접착제층의 면적(A)의 상기 제 1 표면의 면적(B)에 대한 비율(백분율)(=100×A/B)은, 50% 이상, 55% 이상, 60% 이상, 65% 이상, 70% 이상, 75% 이상, 80% 이상, 85% 이상, 90% 이상 또는 95% 이상 정도일 수 있다. 상기 비율(백분율)(=100×A/B)의 상한에는 특별한 제한이 없으며, 예를 들면, 약 100% 정도일 수 있다.
상기 점착제층 또는 접착제층은 광학적으로 투명할 수 있다. 상기 점착제층 또는 접착제층은 가시광 영역, 예를 들어 380nm 내지 780nm 파장에 대한 평균 투과도가 약 80% 이상, 85% 이상, 90% 이상 또는 95% 이상일 수 있다.
상기 접착제층 또는 점착제층으로는 특별한 제한 없이 공지의 소재가 사용될 수 있으며, 예를 들면, 소위 OCA(Optically Clear Adhesive) 또는 OCR(Optically Clear Resin)로 알려져 있는 것을 사용할 수 있다. 본 발명자들은 이러한 OCA 또는 OCR 소재가 액정 화합물에 대해서 일정한 수준의 배향력을 나타내는 것을 확인하였고, 이러한 배향력이 특정 용도(전술한 smart window나 eye wear 등)에 매우 적합한 배향 상태를 구현하는 것을 확인하였다.
상기 점착제층 또는 접착제층의 종류는 특별히 제한되지 않으며, 액정에 대한 내오염성이 강한 점착제 또는 접착제를 사용하면 충분하다. 전술한 바와 같이 점착제층으로는 업계에서 소위 OCA(Optically Clear Adhesive)로 공지된 다향한 유형의 점착제들을 사용할 수 있으며, 상기 점착제는 부착 대상이 합착되기 전에 경화되는 특징이 있다. 이러한 점착제로는 예를 들면, 아크릴계, 실리콘게, 에폭시계 또는 우레탄계의 점착제가 사용될 수 있다. 접착제층으로는 업계에서 소위 OCR(Opticall Clear Resin)로 공지된 다양한 유형의 접착제들을 사용할 수 있으며, 상기 접착제는 부착대상이 합착된 후 경화되는 특징이 있다. 이러한 접착제는 기판에 코팅되어 열 또는 UV로 반경화된 후에 광변조 디바이스가 제작된 후 열 또는 UV로 완전 경화가 될 수 있다. 점착제층 또는 접착제층은 액정 배향막과 조합되어 액정 화합물의 적합한 배향을 유도할 수 있다.
하나의 예시에서, 상기 점착제층 또는 접착제층은 액정 분자에 대한 액정 배향력 및 부착력을 동시에 가지는 액정 배향성 점착제층 또는 접착제층일 수 있다. 예를 들면, 상기 점착제 또는 접착제는 수직 배향성이거나 수평 배향성 점착제 또는 접착제일 수 있다. 본 명세서에서, 수직 배향성 점착제 또는 접착제는 인접하는 액정 화합물에 대해 수직 배향력을 부여함과 동시에 상부 기판과 하부 기판을 접착시킬 수 있는 부착력을 가지는 점착제 또는 접착제를 의미할 수 있다. 본 명세서에서, 수평 배향성 점착제 또는 접착제는 인접하는 액정 화합물에 대해 수평 배향력을 부여함과 동시에 상부 기판과 하부 기판을 접착시킬 수 있는 부착력을 가지는 점착제 또는 접착제를 의미할 수 있다.
수직 배향성 점착제 또는 접착제에 대한 인접하는 액정 화합물의 프리틸트 각도는 80도 내지 90도, 85도 내지 90도 또는 87도 내지 90도 범위 내일 수 있고, 수평 배향성 점착제 또는 접착제에 대한 인접하는 액정 화합물의 프리틸트 각도는 0도 내지 10도, 0도 내지 5도, 0도 내지 3도 범위 내일 수 있다. 본 출원의 일 실시예에 따르면 상기 점착제 또는 접착제로는 수직 배향성 점착제 또는 접착제를 사용할 수 있다.
본 명세서에서 프리틸트 각도는 전압이 인가되지 않은 상태에서 액정 화합물의 방향자가 액정 배향성 점착제 또는 배향막과 수평한 면에 대하여 이루는 각도를 의미할 수 있다. 본 명세서에서 액정 화합물의 방향자는 액정층의 광축(Optical axis) 또는 지상축(Slow axis)을 의미할 수 있다. 또는 액정 화합물의 방향자는 액정 화합물이 막대(rod) 모양인 경우 장축 방향을 의미할 수 있고, 액정 화합물이 원판(discotic) 모양인 경우 원판 평면의 법선 방향과 평행한 축을 의미할 수 있다. 액정층 내에 방향자가 서로 상이한 복수의 액정 화합물이 존재하는 경우에 상기 방향자는 벡터합일 수 있다.
본 출원의 일 실시예에서, 액정에 대한 내오염성이 강하며, 수직 배향력을 가지는 점착제 또는 접착제로는 예를 들어 실리콘(Silicone)계 점착제 또는 접착제를 사용할 수 있다. 상기 실리콘계 점착제 또는 접착제로는 경화성 실리콘 화합물을 포함하는 조성물의 경화물을 사용할 수 있다. 경화성 실리콘 화합물이라면 그 표면 특성 상 수직 배향능이 나타날 수 있으므로, 공지된 실리콘 점착제 또는 접착제 중에서 적절한 종류를 선택할 수 있다. 경화성 실리콘 화합물을 포함하는 조성물(이하, 경화성 실리콘 조성물)의 종류는 특별히 제한되지 않으며, 예를 들어 가열 경화성 실리콘 조성물 또는 자외선 경화성 실리콘 조성물을 사용할 수 있다.
하나의 예시에서 상기 경화성 실리콘 조성물은 부가 경화성 실리콘 조성물로서, (1) 분자 중에 2개 이상의 알케닐기를 함유하는 오르가노폴리실록산 및 (2) 분자 중에 2개 이상의 규소결합 수소원자를 함유하는 오르가노폴리실록산을 포함할 수 있다. 상기와 같은 실리콘 화합물은, 예를 들면, 백금 촉매 등의 촉매의 존재 하에서, 부가 반응에 의하여 경화물을 형성할 수 있다.
본 출원에서 사용할 수 있는 상기 (1) 오르가노폴리실록산의 보다 구체적인 예로는, 분자쇄 양말단 트리메틸실록산기 봉쇄 디메틸실록산-메틸비닐실록산 공중합체, 분자쇄 양말단 트리메틸실록산기 봉쇄 메틸비닐폴리실록산, 분자쇄 양말단 트리메틸실록산기 봉쇄 디메틸실록산-메틸비닐실록산-메틸페닐실록산 공중합체, 분자쇄 양말단 디메틸비닐실록산기 봉쇄 디메틸폴리실록산, 분자쇄 양말단 디메틸비닐실록산기 봉쇄 메틸비닐폴리실록산, 분자쇄 양말단 디메틸비닐실록산기 봉쇄 디메틸실록산-메틸비닐실록산 공중합체, 분자쇄 양말단 디메틸비닐실록산기 봉쇄 디메틸실록산-메틸비닐실록산-메틸페닐실록산 공중합체, R1 2SiO2/2로 표시되는 실록산 단위와 R1 2R2SiO1/2로 표시되는 실록산 단위와 SiO4/2로 표시되는 실록산 단위를 포함하는 오르가노폴리실록산 공중합체, R1 2R2SiO1/2로 표시되는 실록산 단위와 SiO4/2로 표시되는 실록산 단위를 포함하는 오르가노폴리실록산 공중합체, R1R2SiO2/2로 표시되는 실록산 단위와 R1SiO3/2로 표시되는 실록산 단위 또는 R2SiO3/2로 표시되는 실록산 단위를 포함하는 오르가노폴리실록산 공중합체 및 상기 중 2 이상의 혼합물을 들 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기에서, R1은 알케닐기 외의 탄화수소기로서, 구체적으로는 메틸기, 에틸기, 프로필기, 부틸기, 펜틸기, 헥실기 또는 헵틸기 등의 알킬기; 페닐기, 톨릴기, 크실릴기 또는 나프틸기 등의 아릴기; 벤질기 또는 페넨틸기 등의 아랄킬기; 클로로메틸기, 3-클로로프로필기 또는 3,3,3-트리플루오로프로필기 등의 할로겐 치환 알킬기 등일 수 있다.
또한, 상기에서 R2는 알케닐기로서, 구체적으로는 비닐기, 알릴기, 부테닐기, 펜테닐기, 헥세닐기 또는 헵테닐기 등일 수 있다.
본 출원에서 사용할 수 있는 상기 (2) 오르가노폴리실록산의 보다 구체적인 예로는, 분자쇄 양말단 트리메틸실록산기 봉쇄 메틸하이드로젠폴리실록산, 분자쇄 양말단 트리메틸실록산기 봉쇄 디메틸실록산-메틸하이드로젠 공중합체, 분자쇄 양말단 트리메틸실록산기 봉쇄 디메틸실록산-메틸하이드로젠실록산-메틸페닐실록산 공중합체, 분자쇄 양말단 디메틸하이드로젠실록산기 봉쇄 디메틸폴리실록산, 분자쇄 양말단 디메틸하이드로젠실록산기 봉쇄 디메틸실록산-메틸페닐실록산 공중합체, 분자쇄 양말단 디메틸하이드로젠실록산기 봉쇄 메틸페닐폴리실록산, R1 3SiO1/2로 표시되는 실록산 단위와 R1 2HSiO1/2로 표시되는 실록산 단위와 SiO4/2로 표시되는 실록산 단위를 포함하는 오르가노폴리실록산 공중합체, R1 2HSiO1/2로 표시되는 실록산 단위와 SiO4/2로 표시되는 실록산 단위를 포함하는 오르가노폴리실록산 공중합체, R1HSiO2/2로 표시되는 실록산 단위와 R1SiO3/2로 표시되는 실록산 단위 또는 HSiO3/2로 표시되는 실록산 단위를 포함하는 오르가노폴리실록산 공중합체 및 상기 중 2 이상의 혼합물을 들 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기에서, R1은 알케닐기 외의 탄화수소기로서, 구체적으로는 메틸기, 에틸기, 프로필기, 부틸기, 펜틸기, 헥실기 또는 헵틸기 등의 알킬기; 페닐기, 톨릴기, 크실릴기 또는 나프틸기 등의 아릴기; 벤질기 또는 페넨틸기 등의 아랄킬기; 클로로메틸기, 3-클로로프로필기 또는 3,3,3-트리플루오로프로필기 등의 할로겐 치환 알킬기 등일 수 있다.
상기 (2) 오르가노폴리실록산의 함량은, 적절한 경화가 이루어질 수 있을 정도로 포함된다면 특별히 한정되지 않는다. 예를 들면, 상기 (2) 오르가노폴리실록산은, 전술한 (1) 오르가노폴리실록산에 포함되는 알케닐기 하나에 대하여, 규소결합 수소원자가 0.5 내지 10개가 되는 양으로 포함될 수 있다. 이러한 범위에서 경화를 충분하게 진행시키고, 내열성을 확보할 수 있다.
상기 부가경화성 실리콘 조성물은, 경화를 위한 촉매로서, 백금 또는 백금 화합물을 추가로 포함할 수 있다. 이와 같은, 백금 또는 백금 화합물의 구체적인 종류는 특별한 제한은 없다. 촉매의 비율도 적절한 경화가 이루어질 수 있는 수준으로 조절되면 된다.
상기 부가경화성 실리콘 조성물은, 저장 안정성, 취급성 및 작업성 향상의 관점에서 필요한 적절한 첨가제를 적정 비율로 또한 포함할 수도 있다.
다른 예시에서 상기 실리콘 조성물은, 축합경화성 실리콘 조성물로서, 예를 들면 (a) 알콕시기 함유 실록산 폴리머; 및 (b) 수산기 함유 실록산 폴리머를 포함할 수 있다.
상기 (a) 실록산 폴리머는, 예를 들면, 하기 화학식 1로 표시되는 화합물일 수 있다.
[화학식 1]
R1 aR2 bSiOc(OR3)d
화학식 1에서 R1 및 R2는, 각각 독립적으로, 수소 원자 또는 치환 또는 비치환된 1가 탄화수소기를 나타내고, R3은 알킬기를 나타내며, R1, R2 및 R3가 각각 복수개 존재하는 경우에는 서로 동일하거나 상이할 수 있고, a 및 b는 각각 독립적으로 0 이상, 1 미만의 수를 나타내고, a+b는 0 초과, 2 미만의 수를 나타내며, c는 0 초과, 2 미만의 수를 나타내고, d는 0 초과, 4 미만의 수를 나타내며, a+b+cΥ2+d는 4이다.
화학식 1의 정의에서, 1가 탄화수소는, 예를 들면, 탄소수 1 내지 8의 알킬기, 페닐기, 벤질기 또는 톨릴기 등일 수 있고, 이 때 탄소수 1 내지 8의 알킬기로서는, 메틸기, 에틸기, 프로필기, 이소프로필기, 부틸기, 펜틸기, 헥실기, 헵틸기 또는 옥틸기 등일 수 있다. 또한, 화학식 1의 정의에서, 1가 탄화수소기는, 예를 들면, 할로겐, 아미노기, 머캅토기, 이소시아네이트기, 글리시딜기, 글리시독시기 또는 우레이도기 등의 공지의 치환기로 치환되어 있을 수 있다.
화학식 1의 정의에서, R3의 알킬기의 예로는, 메틸기, 에틸기, 프로필기, 이소프로필기 또는 부틸기 등을 들 수 있다. 알킬기 중에서, 메틸기 또는 에틸기 등이 통상 적용되지만, 이에 제한되는 것은 아니다.
화학식 1의 폴리머 중 분지상 또는 3차 가교된 실록산 폴리머를 사용할 수 있다. 또한, 이 (a) 실록산 폴리머에는, 목적을 손상시키지 않는 범위 내에서, 구체적으로는 탈알코올 반응을 저해하지 않는 범위 내에서 수산기가 잔존하고 있을 수 있다.
상기 (a) 실록산 폴리머는, 예를 들면, 다관능의 알콕시실란 또는 다관능 클로로 실란 등을 가수분해 및 축합시킴으로써 제조할 수 있다. 이 분야의 평균적 기술자는, 목적하는 (a) 실록산 폴리머에 따라 적절한 다관능 알콕시실란 또는 클로로 실란을 용이하게 선택할 수 있으며, 그를 사용한 가수분해 및 축합 반응의 조건 또한 용이하게 제어할 수 있다. 한편, 상기 (a) 실록산 폴리머의 제조시에는, 목적에 따라서, 적절한 1관능의 알콕시 실란을 병용 사용할 수도 있다.
상기 (a) 실록산 폴리머로는, 예를 들면, 신에쯔 실리콘사의 X40-9220 또는 X40-9225, GE 토레이 실리콘사의 XR31-B1410, XR31-B0270 또는 XR31-B2733 등과 같은, 시판되고 있는 오르가노실록산 폴리머를 사용할 수 있다.
상기 축합경화성 실리콘 조성물에 포함되는, (b) 수산기 함유 실록산 폴리머로는, 예를 들면, 하기 화학식 2으로 나타나는 화합물을 사용할 수 있다.
[화학식 2]
Figure 112021076262796-pat00001
화학식 2에서, R4 및 R5는 각각 독립적으로, 수소원자 또는 치환 또는 비치환된 1가의 탄화수소기를 나타내고, R4 및 R5가 각각 복수 존재하는 경우에는, 상기는 서로 동일하거나, 상이할 수 있으며, n은 5 내지 2,000의 정수를 나타낸다.
화학식 2의 정의에서, 1가 탄화수소기의 구체적인 종류로는, 예를 들면, 상기 화학식 1의 경우와 동일한 탄화수소기를 들 수 있다.
상기 (b) 실록산 폴리머는, 예를 들면, 디알콕시실란 및/또는 디클로로 실란 등을 가수분해 및 축합시킴으로써 제조할 수 있다. 이 분야의 평균적 기술자는, 목적하는 (b) 실록산 폴리머에 따라 적절한 디알콕시 실란 또는 디클로로실란을 용이하게 선택할 수 있으며, 그를 사용한 가수분해 및 축합 반응의 조건 또한 용이하게 제어할 수 있다. 상기와 같은 (b) 실록산 폴리머로는, 예를 들면, GE 토레이 실리콘사의 XC96-723, YF-3800, YF-3804 등과 같은, 시판되고 있는 2관능 오르가노실록산 폴리머를 사용할 수 있다.
수직 배향력을 가지는 점착제 또는 접착제의 타입은 특별히 제한되지 않고 목적하는 용도에 따라 적절히 선택될 수 있다. 예를 들어 고상 점착제 또는 접착제, 반고상 점착제 또는 접착제, 탄성 점착제 또는 접착제, 또는 액상 점착제 또는 접착제를 적절히 선택하여 사용할 수 있다. 고상 점착제 또는 반고상 점착제 또는 탄성 점착제는 소위 감압성 점착제(PSA; Pressure Sensitive Adhesive)로 호칭될 수 있으며, 접착 대상이 합착되기 전에 경화될 수 있다. 본 출원에서 예를 들어, 수직 배향력을 가지는 PSA 타입의 점착제로서 폴리디메틸실록산 점착제(Polydimethyl siloxane adhesive) 또는 폴리메틸비닐실록산 점착제(Polymethylvinyl siloxane adhesive)를 사용할 수 있고, 수직 배향력을 가지는 OCR 타입의 접착제로서 알콕시실리콘 접착제(Alkoxy silicone adhesive)를 사용할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 점착제층 또는 접착제층의 두께는 특별히 제한되지 않고, 목적하는 접착력의 확보를 위한 적정 범위로 선택될 수 있다. 상기 두께는 대략 1㎛ 내지 50㎛의 범위 내일 수 있다. 상기 두께는 다른 예시에서 2㎛ 이상, 3㎛ 이상, 4㎛ 이상, 5㎛ 이상, 6㎛ 이상, 7㎛ 이상, 8㎛ 이상, 9㎛ 이상 또는 10㎛ 이상이거나, 45㎛ 이하, 40㎛ 이하, 35㎛ 이하, 30㎛ 이하, 25㎛ 이하, 20㎛ 이하, 15㎛ 이하 또는 10㎛ 이하 정도일 수도 있다.
상기 배치 하에서 상기 점착제층 또는 접착제층을 포함함으로써 우수한 접착력을 가지면서도 특히 차단 모드에서의 광 누설이 제어되어 우수한 광학 특성을 나타낼 수 있는 광변조 디바이스를 제공할 수 있다.
광변조 디바이스에서 제 2 기판의 제 1 표면(제 1 기판의 제 1 표면과 마주하는 표면)에는 액정 배향막이 형성되거나 또는 형성되지 않을 수 있다. 액정 배향막이 형성되는 경우 제 2 기판의 제 1 표면상에 형성되는 배향막의 종류는 특별히 제한은 없다. 즉, 상기 배향막으로는 목적하는 초기 배향을 고려하여 공지의 수직 혹은 수평 배향막이나 기타 배향막이 적용될 수 있다. 배향막의 유형도 러빙 배향막과 같은 접촉식 배향막이나, 광 배향막과 같은 비접촉식 배향막이 적용될 수 있다.
상기 제 1 기판의 점착제층 또는 접착제층과 상기 제 2 기판의 배향막 사이에는 액정층이 존재할 수 있다. 상기 액정층은 외부 신호의 인가 여부에 따라 단독으로 혹은 다른 구성 요소와 연계하여 광의 투과도, 반사도, 헤이즈 및/또는 색상 등을 변경할 수 있는 기능성 층이다. 본 명세서에서 외부 신호란, 액정층 내에 포함되는 물질, 예를 들어 광변조 물질의 거동에 영향을 줄 수 있는 외부의 요인, 예를 들면 외부 전압을 의미할 수 있다. 따라서, 외부 신호가 없는 상태란, 외부 전압 등의 인가가 없는 상태를 의미할 수 있다.
상기 액정층은 액정 화합물을 포함하는 층으로, 후술하는 바와 같이 액정 화합물(액정 호스트)과 이색성 염료를 포함하는 소위 게스트 호스트층이나, 키랄 도펀트 등 기타 첨가제를 액정 화합물과 함께 포함하는 층도 본 명세서에서 규정하는 액정층의 일종이다. 상기 액정 화합물은 외부 신호의 인가 여부에 따라 배향 방향이 변하도록 액정층 내에 존재할 수 있다. 액정 화합물로는 외부 신호의 인가에 의하여 그 배향 방향이 변경될 수 있는 것이라면 모든 종류의 액정 화합물을 사용할 수 있다.
액정층은 유전율 이방성이 양수 또는 음수인 액정 화합물을 포함할 수 있다. 액정의 유전율 이방성의 절대값은 본 출원의 목적을 고려하여 적절히 선택될 수 있다. 용어 유전율 이방성(△ε)은 액정의 수평 유전율(ε//)과 수직 유전율(ε⊥)의 차이(ε// - ε⊥)를 의미할 수 있다. 본 명세서에서 용어 수평 유전율(ε//)은 액정 분자의 방향자와 인가 전압에 의한 전기장의 방향이 실질적으로 수평하도록 전압을 인가한 상태에서 상기 전기장의 방향을 따라 측정한 유전율 값을 의미하고, 수직 유전율(ε⊥)은 액정 분자의 방향자와 인가 전압에 의한 전기장의 방향이 실질적으로 수직하도록 전압을 인가한 상태에서 상기 전기장의 방향을 따라 측정한 유전율 값을 의미한다.
전술한 d/p 비율의 달성을 위해서 액정층은 상기 액정 화합물(또는 액정 분자라고도 호칭될 수 있다.)과 함께 키랄 도펀트를 포함할 수 있다. 키랄 도펀트의 함량을 액정층의 두께(cell gap)와 함께 조절함으로써, 상기 d/p 비율의 조절이 가능하다.
액정층에 포함되는 키랄 도펀트로는 특별한 제한 없이 공지의 화합물이 적용될 수 있다. 이러한 키랄 도펀트로는 액정성, 예를 들면 네마틱 규칙성을 손상시키지 않고, 목적하는 회전(twisting)을 유도할 수 있는 것이라면, 특별히 제한되지 않고 사용될 수 있다. 액정 분자에 회전을 유도하기 위한 키랄 도펀트는 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.
상기 액정층의 키랄 도펀트의 함량은 본 출원의 목적을 고려하여 적절히 선택될 수 있다. 예를 들어, 액정층에서 키랄 도펀트의 함량은 0.1 중량% 이상, 0.25 중량% 이상, 0.5 중량% 이상, 0.75 중량% 이상, 1 중량% 이상, 1.25 중량% 이상, 1.5 중량% 이상, 2 중량% 이상, 2.5 중량% 이상 또는 2.7 중량% 이상일 수 있다. 액정층의 키랄 도펀트의 함량의 상한은, 예를 들면, 10 중량% 이하, 9 중량% 이하, 8 중량% 이하, 7 중량% 이하, 6 중량% 이하, 5.0 중량% 이하, 4.0 중량% 이하, 3.5 중량% 이하, 3.0 중량% 이하, 2.75 중량% 이하, 2.5 중량% 이하, 2.25 중량% 이하, 2.0 중량% 이하, 1.75 중량% 이하 또는 1.5 중량% 이하일 수 있다. 액정층의 키랄 도펀트의 함량이 상기 범위를 만족하는 경우 투과도 가변 특성이 우수한 광변조 디바이스를 제공할 수 있다.
키랄 도펀트의 적용 비율은, 상기 비율 d/p를 달성할 수 있도록 선택된다. 일반적으로 키랄 도펀트의 함량(중량%)은 100/ HTP (Helixcal Twisting power) Х 피치(p)(nm)의 수식으로 계산될 수 있다. 상기 HTP는 키랄 도펀트의 꼬임의 세기를 나타내며, 상기 방식을 참조하여 목적하는 피치를 고려하여 키랄 도펀트의 함량이 결정될 수 있다.
액정층은 광 투과도 가변 특성을 조절한다는 측면에서, 액정 화합물과 함께 이색성 염료를 추가로 포함할 수 있으며, 전술한 바와 같이 이러한 경우의 액정층을 게스트 호스트 액정층(Guest Host liquid crystal layer)으로 부를 수 있다. 본 명세서에서 염료는, 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. 본 명세서에서 『GHLC층(Guest host liquid crystal layer)』은, 액정의 배열에 따라 이색성 염료가 함께 배열되어, 이색성 염료의 정렬 방향과 상기 정렬 방향의 수직한 방향에 대하여 각각 비등방성 광 흡수 특성을 나타내는 기능성 층을 의미할 수 있다. 예를 들어, 이색성 염료는 빛의 흡수율이 편광 방향에 따라서 달라지는 물질로서, 장축 방향으로 편광된 빛의 흡수율이 크면 p형 염료로 호칭하고 단축 방향으로 편광된 빛의 흡수율이 크면 n형 염료라고 호칭할 수 있다. 하나의 예시에서, p형 염료가 사용되는 경우, 염료의 장축 방향으로 진동하는 편광은 흡수되고 염료의 단축 방향으로 진동하는 편광은 흡수가 적어 투과시킬 수 있다. 이하 특별한 언급이 없는 한 이색성 염료는 p형 염료인 것으로 가정한다.
상기 이색성 염료로는 예를 들면, 소위 게스트 호스트 효과에 의해 액정 분자의 정렬 상태에 따라 정렬될 수 있는 특성을 가지는 것으로 알려진 공지의 염료를 선택하여 사용할 수 있다. 이러한 이색성 염료의 예로는 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.
상기 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.
상기 액정층의 이색성 염료의 함량은 본 출원의 목적을 고려하여 적절히 선택될 수 있다. 예를 들어, 액정층에서 이색성 염료의 함량은 0.1 중량% 이상, 0.25 중량% 이상, 0.5 중량% 이상, 0.75 중량% 이상, 1 중량% 이상, 1.25 중량% 이상, 1.5 중량% 이상, 2 중량% 이상, 2.5 중량% 이상 또는 2.7 중량% 이상일 수 있다. 액정층의 이색성 염료의 함량의 상한은, 예를 들면, 10 중량% 이하, 9 중량% 이하, 8 중량% 이하, 7 중량% 이하, 6 중량% 이하, 5.0 중량% 이하, 4.0 중량% 이하, 3.5 중량% 이하, 3.0 중량% 이하, 2.75 중량% 이하, 2.5 중량% 이하, 2.25 중량% 이하, 2.0 중량% 이하, 1.75 중량% 이하 또는 1.5 중량% 이하일 수 있다. 액정층의 이색성 염료의 함량이 상기 범위를 만족하는 경우 투과도 가변 특성이 우수한 광변조 디바이스를 제공할 수 있다. 하나의 예시에서, 상기 범위 내에서 이색성 염료의 함량이 높을수록 투과도 가변 특성이 우수한 광변조 디바이스를 제공할 수 있다.
상기 액정 화합물의 종류 및 물성은 본 출원의 목적을 고려하여 적절히 선택될 수 있다. 하나의 예시에서, 상기 액정 분자는 네마틱(nematic) 액정 또는 스멕틱(smectic) 액정일 수 있다. 네마틱 액정은 막대 모양의 액정 분자가 위치에 대한 규칙성은 없으나 액정 분자의 장축 방향으로 평행하게 배열되어 있는 액정을 의미할 수 있고, 스멕틱 액정은 막대 모양의 액정 분자가 규칙적으로 배열하여 층을 이룬 구조를 형성하며 장축 방향으로 규칙성을 가지고 평행하게 배열되어 있는 액정을 의미할 수 있다. 본 출원의 일 실시예에 의하면 상기 액정 분자로는 네마틱 액정을 사용할 수 있다.
하나의 예시에서, 상기 액정 분자는 비반응성 액정 분자일 수 있다. 비반응성 액정 분자는, 중합성기를 가지지 않는 액정 분자를 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.
상기 액정 분자의 굴절률 이방성은 목적 물성, 예를 들어 투과도 가변 특성을 고려하여 적절히 선택될 수 있다. 본 명세서에서 용어 굴절률 이방성은 액정 분자의 이상 굴절률(extraordinary refractive index)과 정상 굴절률(ordinary refractive index)의 차이를 의미할 수 있다. 상기 액정 분자의 굴절률 이방성은 예를 들어 0.01 내지 0.3일 수 있다. 상기 굴절률 이방성은 0.01 이상, 0.05 이상 또는 0.07 이상일 수 있고, 0.3 이하, 0.2 이하, 0.15 이하 또는 0.13 이하일 수 있다. 액정 분자의 굴절률 이방성이 상기 범위 내인 경우 투과도 가변 특성이 우수한 광변조 디바이스를 제공할 수 있다. 하나의 예시에서, 상기 범위 내에서 액정 분자의 굴절률이 낮을수록 투과도 가변 특성이 우수한 광변조 디바이스를 제공할 수 있다.
상기 액정 분자의 유전율 이방성은 목적하는 액정셀의 구동 방식을 고려하여 양의 유전율 이방성 또는 음의 유전율 이방성을 가질 수 있다. 본 명세서에서 용어 유전율 이방성은 액정 분자의 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 분자의 유전율 이방성은 예를 들어 ±40 이내, ±30 이내, ±10 이내, ±7 이내, ±5 이내 또는 ±3 이내의 범위 내일 수 있다. 액정 분자의 유전율 이방성을 상기 범위로 조절하면 광 변조 소자의 구동 효율 측면에서 유리할 수 있다.
상기 액정층 내에서 상기 액정 화합물의 액정 분자와 이색성 염료의 합계 중량은 예를 들면, 약 60 중량% 이상, 65 중량% 이상, 70 중량% 이상, 75 중량% 이상, 80 중량% 이상, 85 중량% 이상, 90 중량% 이상 또는 95 중량% 이상일 수 있고, 다른 예시에서는 약 100 중량% 미만, 98 중량% 이하 또는 96 중량% 이하일 수 있다.
상기 액정층은 전압 인가 여부에 따라 배향 상태를 전환할 수 있다. 상기 전압은, 예를 들면, 제 1 및 제 2 기판에 수직하는 방향으로 인가될 수 있다.
하나의 예시에서, 상기 액정층은 전압 미인가시 트위스트 상태로 존재할 수 있고, 전압 인가시 수직 배향 상태로 존재할 수 있다. 상기 트위스트 배향 상태에서 비틀림 각도는 예를 들어 500도보다 클 수 있다. 이러한 액정셀을 HTN(Highly Twisted Nematic) 구동 모드 액정셀로 호칭할 수 있다. 상기 비틀림 각도의 상한은 예를 들어 3,000도 이하일 수 있다. 본 명세서에서 비틀림 각도는 하기 일반식 1에 의해 계산될 수 있다.
[일반식 1]
비틀림 각도(A) = a+b×360
상기 일반식 1에서, a는 트위스트 배향 상태의 액정층에서 가장 하부에 존재하는 액정 분자의 광축과 가장 상부에 존재하는 액정 분자의 광축이 이루는 각도이고, b는 피치 개수이다.
본 출원의 일 실시예에 의하면 상기 비틀림 각도는 약 550도 이상, 600 도 이상, 650 도 이상, 700 도 이상, 750 도 이상, 800 도 이상, 850 도 이상, 900 도 이상, 950 도 이상, 1,000 도 이상, 1120도 이상, 1240도 이상, 1360도 이상, 1480도 이상, 1600도 이상, 1720도 이상 또는 1840도 이상일 수 있다. 상기 비틀림 각도의 하한은 약 2900도 이하, 2800 도 이하, 2700 도 이하, 2600 도 이하, 2500 도 이하, 2400 도 이하, 2300도 이하, 2200 도 이하, 2160 도 이하, 2130도 이하, 2100도 이하, 2070도 이하, 2040도 이하, 2010도 이하, 1980도 이하, 1950도 이하 또는 1920도 이하일 수 있다.
본 출원은 상기 HTN 액정 구동 모드를 적용하여 낮은 투과도를 구현하면서, 동시에 투과도 가변 수준이 우수한 광변조 디바이스를 제공할 수 있다.
상기 트위스트 배향 액정층 내에서 액정 분자들은 광축이 가상의 나선축을 따라 꼬이면서 층을 이루며 배향한 나선형의 구조를 가질 수 있다. 상기 액정 분자의 광축은 액정 분자의 지상축을 의미할 수 있고, 액정 분자의 지상축은 막대 형상의 액정 분자의 경우 장축과 평행할 수 있다. 상기 나선축은 액정층의 두께 방향과 평행하도록 형성되어 있을 수 있다. 본 명세서에서 액정층의 두께 방향은 상기 액정층의 최하부와 최상부를 최단 거리로 연결하는 가상의 선과 평행한 방향을 의미할 수 있다. 하나의 예시에서 상기 액정층의 두께 방향은 고분자 기판의 면과 수직한 방향으로 형성된 가상의 선과 평행한 방향일 수 있다.
트위스트 배향 상태에서 액정층의 두께(d)와 피치(p)의 비율(d/p)은 2.8을 초과할 수 있다. 상기 비율(d/p)이 2.8을 초과하는 경우 상기 액정층은 전압 미인가시 트위스트 상태로 존재할 수 있고, 이러한 트위스트 배향 상태에서 액정층 내 액정 분자의 비틀림 각도는 860도 이상일 수 있다. 이러한 액정셀을 HTN(Highly Twisted Nematic) 구동 모드 액정셀로 호칭할 수 있다. 또한, 상기 비율(d/p)이 2.8 이하인 경우 초기 투과도의 증가가 발생하여 낮은 투과율을 구현하고자 하는 본 출원의 목적을 달성할 수 없는 문제가 있으므로 상기한 범위가 바람직하다.
액정층의 두께(d)와 피치(p)의 비율(d/p)이 10을 초과하는 경우 구동 전압이 증가하게 되므로 상기 비율(d/p)의 상한은 10 이하로 조절될 수 있다. 상기 d/p는 다른 예시에서 2.9 이상, 3 이상, 3.1 이상, 3.2 이상, 3.3 이상, 3.4 이상, 3.5 이상, 3.6 이상, 3.7 이상, 3.8 이상, 3.9 이상, 4 이상, 4.1 이상, 4.2 이상, 4.3 이상, 4.4 이상, 4.5 이상, 4.6 이상, 4.7 이상 또는 4.8 이상이거나, 9 이하, 8 이하, 7 이하, 6 이하, 5 이하, 5.7 이하, 5.5 이하, 5.4 이하, 5.3 이하, 5.2 이하, 5.1 이하, 5.0 이하, 4.9 이하, 4.7 이하, 4.5 이하 또는 4 이하 정도일 수도 잇다.
상기 액정층의 두께(d)는 셀 갭(cell gap)과 같은 의미일 수 있다. 본 출원에서 액정층의 두께(d)는 0.1㎛ 내지 50㎛ 범위 내일 수 있고, 다른 예시에서 0.5㎛ 이상, 1㎛ 이상, 2㎛ 이상, 3㎛ 이상, 4㎛ 이상, 5㎛ 이상, 6㎛ 이상, 7㎛ 이상, 8㎛ 이상, 9㎛ 이상, 10㎛ 이상, 11㎛ 이상 또는 11.5㎛ 이상이거나, 45㎛ 이하, 40㎛ 이하, 35㎛ 이하, 30㎛ 이하, 25㎛ 이하, 20㎛ 이하, 15㎛ 이하, 10㎛ 이하, 9㎛ 이하 또는 8㎛ 이하일 수 있다.
액정층의 피치(p)는 Wedge cell을 이용한 계측 방법으로 측정할 수 있고, 구체적으로는 D. Podolskyy 등의 Simple method for accurate measurements of the cholesteric pitch using a "stripe-wedge Grandjean-Cano cell (Liquid Crystals, Vol. 35, No. 7, July 2008, 789-791)에 기재된 방식으로 측정할 수 있다.
전술한 바와 같이 상기 비율(d/p)은, 액정층의 두께와 상기 액정층 내의 키랄 도펀트(chiral dopant)의 함량 조절을 통해 달성할 수 있다.
종래 볼 스페이서를 사용하던 게스트 호스트 액정 시스템에서는 낮은 투과도 구현을 위해 HTN 액정 구동 모드를 적용하는 경우 액정 결함이 발생하여 시인성에 문제가 발생하였다. 시인성 문제를 해결하기 위해 키랄 도펀트의 함량을 낮추면 차단 상태에서의 투과도가 증가하여 낮은 투과도를 구현할 수 없었다.
본 출원의 광변조 디바이스는 점착제층 또는 접착제층과 후술하는 격벽형 스페이서를 함께 사용한 구조를 적용하여, HTN 액정 구동 모드에서 액정 결함이 발생하지 않으며, 키랄 도펀트 함량을 증가시킬 수 있어 피치를 감소시켜 투과되는 빛의 흡수를 증대시킬 수 있으므로, 효율적으로 광변조 디바이스의 투과 및 차단 상태를 구현할 수 있다.
본 출원의 광변조 디바이스는 제 1 기판과 제 2 기판의 간격이 격벽형 스페이서에 의해 유지될 수 있다. 상기 격벽형 스페이서로는 허니컴(honeycomb) 형, 사각형의 격벽형 스페이서, 삼각형의 격벽형 스페이서 또는 랜덤형 스페이서가 적용될 수 있다.
상기에서 허니콤형, 사각형 또는 삼각형의 격벽형 스페이서는 공지된 바와 같이 기판상에 형성된 격벽형 스페이서의 형태를 기판의 법선 방향에서 관찰한 때에 상기 격벽형 스페이서에 의해 형성되는 도형이 허니콤형, 사각형 또는 삼각형인 경우를 의미한다. 상기 허니콤형은 통상 정육각형의 조합으로 되고, 사각형의 경우 정사각형, 직사각형 또는 정사각형과 직사각형의 조합이 있을 수 있다. 상기 구조에서 육각형, 사각형 또는 삼각형은 각각 정육각형, 정사각형 또는 정삼각형이거나 그렇지 않을 수 있다.
또한, 상기에서 랜덤형 스페이서는 격벽들이 랜덤하게 배치된 경우로서 해당 격벽들이 도형을 형성하지 않거나 형성하여도 정형화된 도형이 아닌 랜덤하게 도형을 형성한 경우를 의미한다.
상기 격벽형 스페이서의 피치(P)는 목적하는 부착력이나 셀갭의 유지 효율 등을 고려하여 적절하게 선택될 수 있다.
예를 들어, 상기 격벽형 스페이서의 피치(P)는 100 ㎛ 내지 1,000 ㎛의 범위일 수 있다. 상기 피치는 다른 예시에서 150 ㎛ 이상, 200 ㎛ 이상, 250 ㎛ 이상, 300 ㎛ 이상, 350 ㎛ 이상, 400 ㎛ 이상, 450 ㎛ 이상, 500 ㎛ 이상 또는 550 ㎛ 이상이거나, 950 ㎛ 이하, 900 ㎛ 이하, 850 ㎛ 이하, 800 ㎛ 이하, 750 ㎛ 이하, 700 ㎛ 이하, 650 ㎛ 이하, 600 ㎛ 이하, 550 ㎛ 이하, 500 ㎛ 이하, 450 ㎛ 이하 또는 300 ㎛ 이하일 수도 있다. 격벽형 스페이서에서 피치를 구하는 방식은 공지이다. 예를 들어, 격벽형 스페이서가 허니콤형이라면 상기 허니콤을 이루는 육각형에서 마주보는 변들의 간격을 통해 피치를 구하고, 사각형 또는 삼각형인 경우에 사각형 또는 삼각형의 변의 길이를 피치로 한다. 상기 허니콤을 이루는 육각형에서 마주보는 변들의 간격이나 사각형 또는 삼각형의 변의 길이가 일정하지 않은 경우에는 그들의 평균치를 피치로 규정할 수 있다. 또한, 격벽형 스페이서가 랜덤형인 경우에는 각 격벽간의 간격의 평균치(평균 간격)이 피치로 규정될 수 있다.
상기 격벽형 스페이서의 선폭(line width), 예를 들면, 상기 허니콤을 이루는 육각형이나 사각형의 각 변의 폭은 예를 들면 약 5 ㎛ 내지 50 ㎛의 범위 내에 있을 수 있다. 상기 선폭은 다른 예시에서 약 10 ㎛ 이상, 15 ㎛ 이상, 20㎛ 이상 또는 25㎛ 이상이거나 45 ㎛ 이하, 40 ㎛ 이하, 35 ㎛ 이하, 30 ㎛ 이하, 25 ㎛ 이하 또는 20 ㎛ 이하일 수 있다.
상기와 같은 범위에서 셀갭이 적절하게 유지되고, 기판 간의 부착력도 우수하게 유지할 수 있다.
한편, 상기 격벽형 스페이서의 높이는 상부 기판과 하부 기판의 간격을 고려하여 조절될 수 있다. 본 출원에서 상기 격벽형 스페이서의 높이는, 상기 액정층의 두께(cell gap)과 대략 일치하고, 기판의 면의 법선 방향으로 측정되는 스페이서의 치수를 의미한다. 예를 들어, 상기 격벽형 스페이서의 높이는 0.1㎛ 내지 50㎛ 범위 내일 수 있고, 다른 예시에서 1㎛ 이상, 2㎛ 이상, 3㎛ 이상, 4㎛ 이상, 5㎛ 이상, 6㎛ 이상, 7㎛ 이상 또는 8㎛ 이상이거나 45㎛ 이하, 40㎛ 이하, 35㎛ 이하, 30㎛ 이하, 25㎛ 이하, 20㎛ 이하, 15㎛ 이하, 10㎛ 이하, 9㎛ 이하 또는 8㎛ 이하일 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다. 이 때 스페이서의 높이가 일정하지 않은 경우에 상기 높이는 측정되는 최대 높이, 최소 높이 또는 상기 최대 및 최소 높이의 평균치일 수 있다.
본 출원에서 상기 스페이서는 격벽 형태의 스페이서를 제조하기 위한 통상적인 방식을 적용하여 제조할 수 있다. 통상 격벽 형태의 스페이서는 경화성 수지 조성물을 사용한 방식(예를 들면, 임프린팅 방식 등)으로 제조할 수 있다. 따라서, 본 출원의 상기 스페이서는 경화성 수지 조성물의 경화물을 포함할 수 있다. 경화성 수지 조성물로는 특별한 제한 없이 스페이서 형성을 위해 적용되고 있는 공지의 종류를 적용할 수 있다. 이러한 수지 조성물은 통상 가열 경화성 수지 조성물 또는 광 경화성 수지 조성물, 예를 들어 자외선 경화성 수지 조성물이 있다.
가열 경화성 수지 조성물로는 예를 들어, 실리콘 수지 조성물, 프란 수지 조성물, 폴리우레탄 수지 조성물, 에폭시 수지 조성물, 아미노 수지 조성물, 페놀 수지 조성물, 요소 수지 조성물, 폴리에스테르 수지 조성물 또는 멜라민 수지 조성물 등을 사용할 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다.
자외선 경화성 수지 조성물로는 대표적으로 아크릴 중합체, 예를 들어 폴리에스테르 아크릴레이트 중합체, 폴리스티렌 아크릴레이트 중합체, 에폭시 아크릴레이트 중합체, 폴리우레탄 아크릴레이트 중합체 또는 폴리 부타디엔 아크릴레이트 중합체, 실리콘 아크릴레이트 중합체 또는 알킬 아크릴레이트 중합체 등을 포함하는 수지 조성물을 사용할 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다. 다른 예시로는, 실리콘 중합체를 사용하여 형성할 수도 있으며 스페이서를 실리콘 중합체를 사용하여 형성하는 경우, 스페이서의 오목한 영역에 잔존하는 실리콘 중합체가 수직 배향막의 역할을 수행할 수 있으므로 후술하는 바와 같이 스페이서가 존재하는 기판에 추가의 수직 배향막을 사용하지 않을 수도 있다. 실리콘 중합체로는 규소와 산소의 결합(Si-O-Si)을 주축으로 하는 공지의 중합체를 사용할 수 있고, 예를 들어, 폴리디메틸실록산(PDMS, Polydimethylsiloxane)를 사용할 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다.
본 출원은 스페이서의 형태, 배치 및/또는 배열 방식을 상기와 같이 제어함으로써 셀갭이 적절히 유지되고, 상하 필름 기판의 접착력이 우수하면서도, 액정의 결함을 최소화하여 시인성이 개선된 광변조 디바이스를 제공할 수 있다.
상기 효과 달성을 위해서 상기 격벽형 스페이서와 액정층의 관계가 추가로 조절될 수 있다. 예를 들면, 상기 광변조 디바이스에서 상기 격벽형 스페이서의 피치(p1)의 액정층의 두께(d)에 대한 비율(p1/d)이 10 내지 100의 범위 내에 있을 수 있다. 상기 비율은 다른 예시에서 15 이상, 20 이상, 25 이상, 30 이상, 35 이상, 40 이상, 45 이상, 50 이상 또는 55 이상이거나, 95 이하, 90 이하, 85 이하, 80 이하, 75 이하, 70 이하, 65 이하, 60 이하, 55 이하, 50 이하, 45 이하 또는 40 이하 정도일 수도 있다.
또한, 상기 광변조 디바이스에서 상기 격벽형 스페이서의 피치(p1)의 액정층의 피치(트위스트 배향 상태에서의 피치, p)에 대한 비율(p1/p)이 50 내지 500의 범위 내에 있을 수 있다. 상기 비율은 다른 예시에서 60 이상, 70 이상, 80 이상, 90 이상, 100 이상, 110 이상, 120 이상, 130 이상, 140 이상, 150 이상, 160 이상, 170 이상, 180 이상, 190 이상, 200 이상 또는 210 이상이거나, 450 이하, 400 이하, 350 이하, 300 이하, 250 이하, 200 이하 또는 190 이하 정도일 수도 있다.
이러한 범위에서 목적하는 광학 디바이스의 성능을 보다 효과적으로 확보할 수 있다.
본 출원의 광변조 디바이스는 본 출원의 효과를 방해하지 않는 한, 상기 제 1 기판 및 제 2 기판의 일면에 각각 전극층을 추가로 포함할 수 있다. 하나의 예시에서, 제 1 기판의 제 1 표면과 점착제층 또는 접착제층의 사이 및/또는 제 2 기판의 제 1 표면과 배향막 사이에 각각 전극층이 형성되어 있을 수 있다.
상기 전극층은 액정 분자의 정렬 상태를 전환할 수 있도록 액정층에 적절한 전계를 인가할 수 있다. 상기 전계의 방향은 수직 또는 수평 방향, 예를 들어 액정층의 두께 방향 또는 면 방향일 수 있다.
상기 전극층은 예를 들어, 투명 전도성 층일 수 있다. 상기 투명 전도성 층은 예를 들어, 전도성 고분자, 전도성 금속, 전도성 나노와이어 또는 ITO(Indium Tin Oxide) 등의 금속 산화물 등을 증착하여 형성될 수 있다. 이외에도 투명 전도성 층을 형성할 수 있는 다양한 소재 및 형성 방법이 공지되어 있고, 이를 제한 없이 적용할 수 있다.
본 출원의 광변조 디바이스는 필요에 따라서 추가의 다른 구성을 포함할 수도 있다. 즉, 구동 모드에 따라서는 상술한 구조의 광변조 디바이스 단독으로도 전술한 투과 모드, 차단 모드의 구현 및 그들간의 스위칭이 가능하지만, 이러한 모드의 구현 내지 스위칭을 용이하게 하기 위하여 추가적인 구성의 포함도 가능하다.
예를 들면, 상기 디바이스는 상기 제 1 및/또는 제 2 기판의 제 2 표면에 편광층을 추가로 포함할 수 있다. 용어 편광층은 자연광 내지 비편광을 편광으로 변화시키는 소자를 의미할 수 있다. 하나의 예시에서, 상기 편광층은 선 편광층일 수 있다. 선 편광층은 선택적으로 투과하는 광이 어느 하나의 방향으로 진동하는 선 편광이고 선택적으로 흡수 또는 반사하는 광이 상기 선 편광의 진동 방향과 직교하는 방향으로 진동하는 선 편광인 경우를 의미한다. 즉, 상기 선 편광층은 면 방향으로 서로 직교하는 투과축 및 흡수축 내지 반사축을 가질 수 있다.
상기 편광층은 흡수형 편광층 또는 반사형 편광층일 수 있다. 흡수형 편광층으로는 예를 들어, PVA(poly(vinyl alcohol)) 연신 필름 등과 같은 고분자 연신 필름에 요오드를 염착한 편광층 또는 배향된 상태로 중합된 액정을 호스트로 하고, 상기 액정의 배향에 따라 배열된 이색성 염료를 게스트로 하는 게스트-호스트형 편광층을 사용할 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다. 반사형 편광층으로는 예를 들면, 소위 DBEF(Dual Brightness Enhancement Film)으로 공지되어 있는 반사형 편광층이나 LLC(Lyotropic liquid crystal)과 같은 액정 화합물을 코팅하여 형성되는 반사형 편광층을 사용할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
다만, 일 예시에서 상기 광변조 디바이스는 상기 편광층을 포함하지 않을 수도 있다.
상술한 광변조 디바이스는 전압 미인가시 트위스트 배향 상태로 존재하여 최소 투과도를 나타내고, 전압 인가시 수직 배향 상태로 존재하여 최대 투과도를 나타낼 수 있다.
최대 투과도를 나타내는 투과 모드 상태에서의 광변조 디바이스의 투과율은 적어도 20% 이상, 21% 이상, 22% 이상, 23% 이상, 24% 이상, 25% 이상, 26% 이상, 27% 이상, 28% 이상, 29% 이상, 30% 이상, 31% 이상, 32% 이상, 33% 이상, 34% 이상, 35% 이상, 40% 이상, 45% 이상, 50% 이상, 55% 이상, 60% 이상, 65% 이상, 70% 이상 또는 80% 이상 정도일 수 있다. 최소 투과도를 나타내는 차단 모드 상태에서의 광변조 디바이스의 투과율은 10% 이하, 9% 이하, 8% 이하, 7% 이하, 6% 이하, 5% 이하, 4% 이하, 3% 이하, 2% 이하, 1% 이하, 0.9% 이하, 0.8% 이하, 0.7% 이하, 0.6% 이하, 0.5% 이하, 0.4 % 이하 또는 0.3% 이하일 수 있다.
투과 모드에서 투과율은 높을수록 유리하며, 차단 모드에서는 투과율이 낮을수록 유리하기 때문에, 상기 투과 모드 상태에서의 투과율 상한과 차단 모드 상태의 투과율 하한은 특별히 제한되지 않는다. 일 예시에서 상기 투과 모드 상태에의 투과율의 상한은 약 100%이고, 차단 모드 상태에서의 투과율의 하한은 약 0%일 수 있다.
하나의 예시에서 본 출원의 광변조 디바이스는 편광층을 포함하지 않은 상태에서 상기 투과율을 구현할 수 있다.
일 예시에서, 상기 광변조 디바이스에서 투과 모드 상태에서의 투과율과 차단 모드 상태에서의 투과율의 차이(투과 모드-차단 모드)는, 25% 이상, 26% 이상, 27% 이상, 28% 이상, 29% 이상, 30% 이상, 35% 이상 또는 40% 이상일 수 있다. 또한, 90% 이하, 85% 이하, 80% 이하, 75% 이하, 70% 이하, 65% 이하, 60% 이하, 55% 이하, 50% 이하, 45% 이하, 44% 이하, 43% 이하, 42% 이하, 41% 이하, 40% 이하, 39% 이하, 38% 이하, 37% 이하, 36% 이하, 35% 이하, 34% 이하, 33% 이하, 32% 이하 또는 31% 이하일 수도 있다.
본 출원은 상기와 같이 차단 모드 상태에서 낮은 투과도를 구현하면서도, 투과도 가변 수준(투과 모드 상태에서의 투과율과 차단 모드 상태에서의 투과율의 차이)이 우수한 광변조 디바이스를 제공할 수 있다.
상기 언급된 투과율은, 후술하는 실시예 기재 방식으로 측정한 투과율일 수 있다.
상기 언급된 투과율 및 반사율은, 각각 가시광 영역, 예를 들면, 약 400 내지 700 nm 또는 약 380 내지 780 nm 범위 내의 어느 한 파장에 대한 투과율 또는 반사율이거나, 상기 가시광 영역 전체에 대한 투과율 또는 반사율이거나, 상기 가시광 영역 전체에 대한 투과율 또는 반사율 중에서 최대 또는 최소 투과율 또는 반사율이거나, 상기 가시광 영역 내의 투과율의 평균치 또는 반사율의 평균치일 수 있다.
상기와 같은 광변조 디바이스는 다양한 용도에 적용될 수 있다. 광변조 디바이스가 적용될 수 있는 용도에는 건물용 유리나 차량용 선루프 등으로 사용되는 윈도우 등이 있지만, 이에 대한되지 않는다. 예를 들면, 유리 또는 선루프 등과 같은 건물, 용기 또는 차량 등을 포함하는 밀폐된 공간의 개구부에 적용되는 용도나 아이웨어(eyewear) 등이나 창호용, OLED(Organic Light Emitting Device)의 차광판 등이 예시될 수 있다. 상기에서 아이웨어의 범위에는 일반적인 안경, 선글라스, 스포츠용 고글 내지는 헬멧 또는 가상 현실 또는 증강 현실 체험용 기기 등과 같은 웨어러블 기기 등, 관찰자가 렌즈를 통하여 외부를 관찰할 수 있도록 형성된 모든 아이웨어가 포함될 수 있다.
본 출원의 광변조 디바이스가 적용될 수 있는 대표적인 용도에는 차량용 선루프가 있을 수 있다. 하나의 예시에서, 상기 광변조 디바이스는 그 자체로서 차량용 선루프일 수 있다. 예를 들면, 적어도 하나 이상의 개구부가 형성되어 있는 차체를 포함하는 자동차에 있어서 상기 개구부에 장착된 상기 광변조 디바이스 또는 차량용 선루프를 장착하여 사용될 수 있다.
선루프는 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 광변조 디바이스를 포함할 수 있고, 이 경우 광변조 디바이스에 대한 구체적인 사항은 상기 광변조 디바이스의 항목에서 기술한 내용이 동일하게 적용될 수 있다.
본 출원에서는 차단 모드에서 낮은 투과율을 구현하는 동시에 투과도 가변 범위가 넓고, 액정 결함이나 시인성 저하 등의 문제를 유발하지 않는 광변조 디바이스 및 그 용도를 제공할 수 있다.
도 1 및 2는 예시적인 광변조 디바이스의 구조의 모식도이다.
도 3은 비교예 1의 광변조 디바이스의 액정 결함을 확인하기 위한 광학 사진이다.
도 4는 실시예 1의 광변조 디바이스의 액정 결함을 확인하기 위한 광학 사진이다.
도 5는 실시예 2의 광변조 디바이스의 액정 결함을 확인하기 위한 광학 사진이다.
도 6 및 7은 액정셀의 두께(cell gap)를 평가하는 내용과 관련된 도면이다.
이하, 실시예 및 비교예를 통해서 본 출원을 보다 구체적으로 설명하지만, 본 출원의 범위가 하기 실시예로 제한되는 것은 아니다.
1. 액정셀의 두께(cell gap)의 평가
액정셀의 두께, 즉 셀갭(cell gap)은 스펙트로미터를 사용하여 하기의 방식으로 측정하였다. 도 6에 나타난 바와 같이 셀갭(cell gap) d를 가지는 액정셀의 일면에서 광(II)을 조사하고, 다른 면에서 투과된 광(IT)을 계측한다. 상기 광의 조사 시에는 조사 각도를 투과도 가변층의 가상의 표면 법선 방향과 평행하게 한다. 이러한 방식으로 파장별 투과율을 확인하여 보면, 보강 간섭 등에 의해 도 7에 나타난 바와 같은 투과율 그래프가 얻어질 수 있다. 도 7에서 X축은 파장(wavelength(nm))이고, Y축은 투과율(transmittance(%))이다. 도 7과 같이 얻어진 그래프는, 투과도 가변층의 두께인 셀갭(cell gap)(d)과 하기 수식 E의 관계를 가지게 되는데, 하기 수식 E에서 κ는 도 7에서 파장 λ1와 파장 λ2의 사이에 존재하는 피크(peak)의 수이다. 즉, 도 7과 같이 구해진 그래프로부터, 상기 κ인 파장 λ1와 파장 λ2의 사이의 피크의 수를 구하고, 또한 상기 파장 λ1 및 λ2를 수식 E에 대입하여 셀갭(d)을 구할 수 있다.
[수식 E]
Figure 112021076262796-pat00002
실시예 1
제 1 표면에 ITO(Indium Tin Oxide)층이 약 30 nm 정도의 두께로 증착된 두께 125 ㎛ 정도의 PET(poly(ethylene terephthalate)) 필름(제 1 기판)의 상기 ITO층상에 실리콘 점착제층을 형성하였다. 점착제층은 소위 OCA(Optically Clear Adhesive)로서 공지된 실리콘 점착제 조성물(Shinetsu社, KR3700)을 상기 IOT층상에 바 코팅하고, 약 150℃ 정도에서 5분 동안 건조시켜, 약 10 ㎛ 정도의 두께로 형성하였다.
제 1 표면에 ITO(Indium Tin Oxide)층이 약 30 nm 정도의 두께로 증착된 두께 125 ㎛ 정도의 PET(poly(ethylene terephthalate)) 필름(제 2 기판)의 상기 ITO층상에 허니콤형 격벽형 스페이서로서, 허니콤을 구성하는 정육각형(폐도형)의 피치가 약 450 ㎛ 정도이고, 높이(cell gap)가 약 12 ㎛ 정도이며, 선폭이 약 30 ㎛ 정도인 격벽형 스페이서를 형성하였다. 따라서, 상기 격벽형 스페이서에 의해서 형성되는 폐도형(정육각형)의 면적은 대략 2.14 mm2 정도였다. 상기 격벽형 스페이서는 자외선 경화형 아크릴 수지 조성물을 사용하여 통상적인 광 리소그래피 방식으로 형성하였다. 상기 스페이서상에 수평 배향막(Nissan社, SE-7492K)을 약 300 nm 정도의 두께로 형성하고, 상기 수평 배향막을 일 방향으로 러빙 처리하였다.
상기 제 2 기판의 수평 배향막의 표면에 액정 조성물을 코팅하고, 상기 제 1 기판의 점착제층을 상기 액정 조성물의 코팅된 면과 마주보도록 하여 합지하였다.
상기에서 액정 조성물로는 액정 화합물(JNC社, SHN-5011XX), 키랄 도펀트(HCCH社, S811) 및 이색성 염료(black dye)를 포함하는 조성물을 사용하였다. 상기 키랄 도펀트는 액정셀 내에서 3.7 중량%가 존재하도록 적용하였고, 이색성 염료는 액정셀 내에서 3 중량%가 존재하도록 적용하였다.
상기와 같이 형성된 액정셀의 피치(p)는 약 2.5㎛ 정도였고, 셀갭(d)(약 12 ㎛ 정도)과 피치(p)의 비율(d/p)은 약 4.8 정도였다.
상기에서 액정셀의 피치는 D. Podolskyy 등의 문헌 Simple method for accurate measurements of the cholesteric pitch using a stripe-wedge Grandjean-Cano cell (Liquid Crystals, Vol. 35, No. 7, July 2008, 789-791)에 기재된 방식에 따라 Wedge cell을 이용한 계측 방법으로 측정하였다.
상기 액정셀은 전압 미인가시 비틀림 각도가 1720도인 HTN 모드 액정셀이다.
실시예 2
스페이서로 정사각형 형태의 격벽형 스페이서를 적용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 액정셀을 제조하였다. 상기 정사각형 형태의 격벽형 스페이서의 피치는 약 450 ㎛였고, 높이는 약 10 ㎛였으며, 선폭은 약 30 ㎛ 정도였다.
또한, 형성된 액정셀의 피치(p)는 약 2.5 ㎛ 정도였고, 셀갭(d)(약 10㎛)과 피치(p)의 비율(d/p)은 약 4.0 정도였다.
실시예 2의 액정셀 역시 전압 미인가시 비틀림 각도가 1720도인 HTN 모드 액정셀이다.
실시예 3
하기 단계를 수행한 것을 제외하면 실시예 1과 동일하게 액정셀을 제조하였다. 제 2 기판의 ITO(Indium Tin Oxide)층상에 스페이서로 정사각형 형태의 격벽형 스페이서를 형성하였다. 상기 정사각형 형태의 격벽형 스페이서의 피치는 약 350 ㎛였고, 높이는 약 6.3 ㎛였으며, 선폭은 약 30 ㎛ 정도였다. 상기 제 2 기판의 상기 격벽형 스페이서상에 배향막을 형성하지 않은 것을 제외하면 실시예 1과 동일한 방식으로 액정셀을 제조하였다.
상기 액정셀의 피치(p)는 약 1.6 ㎛ 정도였고, 셀갭(d)과 피치(p)의 비율(d/p)은 약 4.0(=약 3.94) 정도였다. 실시예 3의 액정셀 역시 전압 미인가시 비틀림 각도가 1720도인 HTN 모드 액정셀이다.
비교예 1
배향막 형성 물질로서, 러빙 배향막 형성 물질인 폴리이미드 계열의 수직 배향막용 물질(Nissan社, SE-5661)을 사용하였다. 상기 배향막 형성 물질을 용매 내에 약 3 중량%의 농도로 용해시켜서 배향막 형성재를 제조하였다. 용매로는, PGME(Propylene glycol methyl ether) 및 GBL(gamma-Butyrolactone)이 7:3의 중량 비율(PGME:GBL)로 혼합된 혼합 용매를 사용하였다. 상기 배향막 형성 물질과 용매의 혼합물 내에 직경이 약 12 μm 정도인 볼 스페이서를 전체 배향막 형성재 내에 농도가 약 1 중량% 정도가 되도록 배합하여 배향막 형성재를 제조하였다.
일면에 ITO(Indium Tin Oxide) 전극층이 형성되어 있는 PET(poly(ethylene terephthalate)) 필름상에 상기 코팅재를 바 코터로 적정 두께로 코팅한 후에 약 130℃의 온도에서 약 10분 동안 열처리하여 제 1 기판을 형성하였다.
제 2 기판으로는, 상기와 같이 일면에 ITO(Indium Tin Oxide) 전극층 및 공지의 폴리이미드 수평 배향막(Nissan社, SE-7492K)이 순차 형성되어 있고, 스페이서는 존재하지 않는 PC(polycarbonate) 필름을 사용하였다.
상기 제 2 기판의 수평 배향막의 표면에 액정 조성물을 코팅하고, 상기 제 1 기판의 수직 배향막층을 상기 액정 조성물의 코팅된 면과 마주보도록 하여 합지하여 액정셀을 제조하였다. 액정 조성물로는 액정 화합물(JNC, SHN-5011XX), 키랄 도펀트(HCCH社, S811) 및 이색성 염료(black dye)를 포함하는 조성물을 사용하였다. 상기 키랄 도펀트는 액정셀 내에서 약 2.3 중량%가 존재하도록 포함하고, 이색성 염료는 액정셀 내에서 약 3 중량%가 존재하도록 되도록 포함하였다.
상기 액정셀의 두께(d)는 약 10㎛, 피치(p)는 약 4㎛ 정도였고, 셀갭(d)과 피치(p)의 비율(d/p)은 약 2.5 정도였다. 상기 액정셀은 전압 미인가시 비틀림 각도가 1000도인 액정셀이다.
비교예 2
셀갭(d)과 피치(p)의 비율(d/p)이 약 2.5 정도가 되도록 액정셀의 두께(d, 셀갭)를 조정한 것을 제외하면, 실시예 1과 동일하게 액정셀을 제조하였다.
비교예 3
셀갭(d)과 피치(p)의 비율(d/p)이 약 12 정도가 되도록 액정셀의 두께(d, 셀갭)를 조정한 것을 제외하면, 실시예 1과 동일하게 액정셀을 제조하였다.
실험예 1.
실시예와 비교예에서 제조한 액정셀의 투과도 가변율을 평가하였다.
투과도는 헤이즈 미터(NDH5000SP, 세코스社)를 이용하여, ASTM D1003 규격에 따라 측정하였다. 적분구 내의 측정 대상에 380 nm 내지 780 nm 파장의 광을 입사시키면, 입사된 광은 측정 대상에 의하여 확산광(DT, 확산되어 출광된 광의 합)과 직진광(PT, 확산광을 배제한 정면 방향의 출광)으로 분리된다. 상기 확산광과 직진광을 적분구 내에서 수광 소자에 집광시켜 각각 측정할 수 있다. 즉, 상기 과정에 의해서 전체 투과광(TT)은 상기 확산광(DT)과 직진광(PT)의 총합(DT+PT)으로 규정되며, 전체 투과광은 전체 투과율을 의미한다.
하기 표 1에 비교예와 실시예의 전체 투과율을 나타내었고, 차단 모드는 액정셀에 전압이 인가되지 않은 상태(0V)이며, 투과 모드는 액정셀에 60V의 전압이 인가된 상태이다.
투과율(%)
차단 모드(0V) 투과 모드(60V)
실시예1 3.2 35
실시예2 3.4 36
실시예3 3.3 35
비교예1 6.5 37
비교예2 6.6 36
비교예3 3 17
표 1의 결과로부터, 본 출원에 의한 액정셀은 차단 모드 상태에서 더 낮은 투과율을 나타내면서 투과 모드 시에 차단 모드 대비 높은 투과율을 나타내는 것을 확인할 수 있다.
반면, 비교예 1 및 2의 액정셀은 차단 모드에서의 투과율이 높았으며, 그에 따라 투과 모드 시에 차단 모드 대비 투과율의 비율이 높지 않았다.
또한, 비교예 3은, 차단 모드에서는 낮은 투과율을 나타내었지만, 투과 모드 시에 투과율이 적정하게 확보되지 않았다.
한편, 도 3은, 비교예 1의 액정셀에 대한 광학 사진이고, 도 4 및 5는 각각 실시예 1 및 2의 액정셀에 대한 광학 사진이다. 도면으로부터 격벽형 스페이서를 적용하지 않은 비교예 1의 경우, 본 출원의 액정셀의 모드에서 oily streak line과 같은 광학적 결함이 발생하여 시인성에 문제가 발생하였다.
101: 제 1 기판
103: 점착제층 또는 접착제층
201: 제 2 기판
203: 액정 배향막
300: 액정층
400: 격벽형 스페이서
500: 전극층

Claims (15)

  1. 제 1 표면에 점착제층 또는 접착제층이 형성되어 있는 제 1 기판;
    제 1 표면을 가지고, 상기 제 1 표면이 상기 제 1 기판의 제 1 표면과 마주보도록 배치되어 있는 제 2 기판; 및
    상기 제 1 및 제 2 기판의 사이에 존재하는 액정층을 포함하고,
    상기 제 1 및 제 2 기판의 간격이 격벽형 스페이서에 의해 유지되어 있으며,
    상기 액정층은 트위스트 배향을 구현할 수 있도록 형성되어 있고,
    상기 트위스트 배향에서 상기 액정층의 피치에 대한 상기 액정층의 두께의 비율이 2.8을 초과하고, 10 이하이며,
    상기 격벽형 스페이서는 허니콤형 스페이서, 사각형 스페이서 또는 삼각형 스페이서이고,
    상기 격벽형 스페이서의 선폭(line width)은 5μm 내지 50μm 범위 내인 광변조 디바이스.
  2. 제 1 항에 있어서, 제 1 기판에는 배향막이 형성되어 있지 않은 광변조 디바이스.
  3. 제 1 항에 있어서, 격벽형 스페이서는 랜덤형 스페이서를 더 포함하는 광변조 디바이스.
  4. 제 1 항에 있어서, 격벽형 스페이서의 피치는 100μm 내지 1,000 μm의 범위 내에 있는 광변조 디바이스.
  5. 제 1 항에 있어서, 액정층의 두께가 0.1μm 내지 50μm의 범위 내에 있는 광변조 디바이스.
  6. 제 1 항에 있어서, 격벽형 스페이서의 피치의 액정층의 두께에 대한 비율이 10 내지 100의 범위 내에 있는 광변조 디바이스.
  7. 제 1 항에 있어서, 격벽형 스페이서의 피치의 액정층의 피치에 대한 비율이 50 내지 500의 범위 내에 있는 광변조 디바이스.
  8. 제 1 항에 있어서, 액정층은 액정 화합물 및 키랄 도펀트를 포함하는 광변조 디바이스.
  9. 제 8 항에 있어서, 액정층은 이색성 염료를 추가로 포함하는 광변조 디바이스.
  10. 제 1 항에 있어서, 제 2 기판의 제 1 표면에는 액정 배향막이 형성되어 있는 광변조 디바이스.
  11. 제 10 항에 있어서, 액정 배향막은 수직 배향막 또는 수평 배향막인 광변조 디바이스.
  12. 제 1 항에 있어서, 제 2 기판에는 액정 배향막이 형성되어 있지 않은 광변조 디바이스.
  13. 제 1 항에 있어서, 전압 미인가시 트위스트 배향인 광변조 디바이스.
  14. 제 1 항에 있어서, 전압 미인가시 최소 투과도를 나타내는 광변조 디바이스.
  15. 제 1 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항의 광변조 디바이스를 포함하는 윈도우.
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