KR102580799B1 - 편광 소자 및 그 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

편광 소자 및 그 제조 방법이 제공된다. 편광 소자는 경화된 액정성 물질을 포함하며 제1 방향으로 연장된 오목부 복수 개가 표면에 정의된 배향층 및 염료를 포함하며 상기 배향층의 상기 오목부가 정의된 표면 상에 배치된 편광 물질층을 포함한다.

Description

편광 소자 및 그 제조 방법{POLARIZER AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}
본 발명은 편광 소자 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
편광 소자는 그 투과축과 평행한 방향으로 진동하는 편광 성분은 투과시키고 흡수축과 평행한 방향으로 진동하는 편광 성분은 흡수하여 무편광(unpolarized) 상태의 입사광을 특정한 편광 상태를 갖는 광으로 변환하는 소자이다. 이러한 편광능을 갖는 편광 소자를 표시 장치에 적용함으로써 표시 장치가 다양한 광학 기능을 갖도록 할 수 있다.
예를 들어, 액정 표시 장치에서 편광 소자는 액정층과 함께 광원으로부터 제공되는 광의 양을 조절하는 셔터(shutter) 기능을 수행할 수 있고 이를 통해 영상 표시를 구현할 수 있다. 다른 예를 들어, 편광 소자는 위상 지연층과 함께 무편광 상태의 광을 원편광 상태의 광으로 변환할 수 있고 이를 이용하여 외광 반사로 인한 표시 품질 저하를 억제할 수 있다.
일반적으로 사용되는 편광 소자의 예로서, 요오드가 흡착된 폴리비닐 알코올을 연신하여 제조되는 요오드-폴리비닐 알코올 필름을 이용한 편광판을 들 수 있다.
그러나 수용성 고분자인 폴리비닐 알코올은 내수성과 내열성이 좋지 않고 요오드 또한 열에 취약하여 강한 빛에 노출되거나 열이 가해질 경우 요오드가 승화됨으로써 편광 소자의 편광 특성이 저하되는 문제가 있다. 또한 연신/압력 공정 하에서 제조되는 제조 공정이 복잡할 뿐만 아니라 요오드-폴리비닐 알코올 편광판은 기계적 강도가 취약하고 열이나 수분에 의해 수축이 발생할 경우 휨 불량이 발생하거나 크랙이 발생하는 등 내구성이 취약하여 지속적인 편광 특성의 저하가 발생할 수 있다. 이러한 단점을 보완하기 위해 추가적인 보호 필름을 적용하려는 시도가 있으나, 이는 요오드-폴리비닐 알코올 편광 소자의 두께를 증가시키는 원인이 된다.
이러한 요오드-폴리비닐알코올 편광판을 대체하기 위해 액정 분자를 배향시켜 이색성 염료의 배향을 유도함으로써 편광을 구현하는 기술이 등장하였으며, 액정 분자를 배향시키는 방식으로서 폴리이미드 등의 고분자 표면에 스크래치를 형성하여 액정을 배향시키는 러빙 배향법, 광 조사를 통해 액정을 배향시키는 광 배향법 등이 연구되고 있다.
그러나, 러빙 배향법은 물리적으로 스크래치를 형성하는 과정에서 고분자 표면이나 염료에 결함(defect)이 발생할 수 있으며, 광 배향법은 화학적 불안정성으로 인한 배향력 편차가 유발될 수 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 간단한 방식으로 염료의 배향을 유도하여 안정적인 배향력을 제공할 수 있는 편광 소자 및 그 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 편광 소자는 경화된 액정성 물질을 포함하며 제1 방향으로 연장된 오목부 복수 개가 표면에 정의된 배향층 및 염료를 포함하며 상기 배향층의 상기 오목부가 정의된 표면 상에 배치된 편광 물질층을 포함한다.
상기 경화된 액정성 물질은 액정 단량체의 중합체일 수 있다.
상기 액정 단량체는 불포화 결합을 포함하는 반응성 말단기를 갖는 것일 수 있다.
상기 배향층에는 염료가 포함되지 않을 수 있다.
상기 편광 물질층에는 상기 액정성 물질이 포함되지 않을 수 있다.
상기 염료는 이색성(dichroic) 염료일 수 있다.
상기 오목부 각각은 폭이 100nm 이하일 수 있다.
상기 오목부 각각은 깊이가 70nm 이상일 수 있다.
상기 복수의 오목부는 상기 제1 방향과 수직한 제2 방향으로 배열되며, 상기 복수의 오목부는 서로 일정한 간격으로 배열될 수 있다.
상기 복수의 오목부 간의 간격은 100nm 이하일 수 있다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 다른 실시예에 따른 편광 소자는 경화된 액정성 물질을 포함하며 일 방향으로 연장된 오목부 복수 개가 표면에 정의된 제1 배향층, 염료를 포함하며 상기 제1 배향층의 상기 오목부가 정의된 표면 상에 배치된 제1 편광 물질층, 상기 제1 편광 물질층 상에 배치된 중간층, 경화된 액정성 물질을 포함하며 상기 중간층 상에 배치되고 일 방향으로 연장된 오목부 복수 개가 표면에 정의된 제2 배향층 및 염료를 포함하며 상기 제2 배향층의 상기 오목부가 정의된 표면 상에 배치된 제2 편광 물질층을 포함한다.
상기 중간층은 수용성 고분자 물질을 포함할 수 있다.
상기 제1 및 2 편광 물질층 어느 하나의 편광 물질층에 포함된 염료는 옐로우(Yellow) 염료, 마젠타(Magenta) 염료 및 시안(Cyan) 염료를 포함하거나, 적색(Red) 염료, 녹색(Green) 염료 및 청색(Blue) 염료를 포함할 수 있다.
나머지 하나의 상기 편광 물질층에 포함된 염료는 상기 어느 하나의 편광 물질층에 포함된 염료 중 하나 이상과 동일할 수 있다.
나머지 하나의 상기 편광 물질층에 포함된 염료는 상기 어느 하나의 편광 물질층에 포함된 염료와 다를 수 있다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 편광 소자의 제조 방법은 액정 단량체를 포함하는 액정 조성물을 베이스 기판 상에 도포하는 단계, 일 방향으로 연장된 복수의 오목부 및 볼록부가 일면에 교번적으로 형성된 몰드를 상기 일면이 상기 도포된 액정 조성물에 접하도록 합착하는 단계, 상기 몰드와 합착된 상기 액정 조성물을 경화하는 단계, 상기 몰드를 상기 경화된 액정 조성물로부터 분리하는 단계 및 상기 경화된 액정 조성물 상에 염료를 포함하는 용액을 코팅하여 편광 물질층을 형성하는 단계를 포함한다.
상기 액정 단량체는 불포화 결합을 포함하는 반응성 말단기를 갖고, 상기 액정 조성물을 경화하는 단계는 상기 액정 단량체를 중합하는 단계일 수 있다.
상기 액정 조성물은 광 개시제를 더 포함하며, 상기 액정 단량체는 광을 조사하여 중합할 수 있다.
상기 액정 조성물은 서모트로픽(thermotropic) 상을 갖는 것일 수 있다.
상기 액정 조성물은 스멕틱(smectic) B 상을 갖는 것일 수 있다.
기타 실시예의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 표면에 복수의 오목부가 형성된 배향층을 액정성 물질로 구성하여 나노 가둠(nanoconfinement) 효과 및 분자 친화력(molecular affinity)을 통해 염료를 안정적으로 배향함으로써, 편광 소자가 우수한 편광도 및 흡광도 등을 나타낼 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따른 효과는 이상에서 예시된 내용에 의해 제한되지 않으며, 더욱 다양한 효과들이 본 명세서 내에 포함되어 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 편광 소자의 사시도이다.
도 2는 도 1에 도시된 편광 소자를 Ⅱ-Ⅱ' 선을 따라 자른 단면도이다.
도 3은 도 1에 도시된 편광 소자의 배향층 상에 편광 물질들이 배치된 모습을 도식적으로 나타낸 평면도이다.
도 4 내지 7은 본 발명의 다른 실시예들에 따른 편광 소자의 단면도이다.
도 8 내지 13은 도 1 및 2에 도시된 편광 소자에 대한 제조 방법의 공정 단계별 단면도들이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
소자(elements) 또는 층이 다른 소자 또는 층의 「위(on)」로 지칭되는 것은 다른 소자 바로 위에 또는 중간에 다른 층 또는 다른 소자를 개재한 경우를 모두 포함한다. 반면, 소자가 「직접 위(directly on)」로 지칭되는 것은 중간에 다른 소자 또는 층을 개재하지 않은 것을 나타낸다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
공간적으로 상대적인 용어인 「아래(below)」, 「아래(beneath)」, 「하부(lower)」, 「위(above)」, 「상부(upper)」 등은 도면에 도시되어 있는 바와 같이 하나의 소자 또는 구성 요소들과 다른 소자 또는 구성 요소들과의 상관관계를 용이하게 기술하기 위해 사용될 수 있다. 공간적으로 상대적인 용어는 도면에 도시되어 있는 방향에 더하여 사용시 소자의 서로 다른 방향을 포함하는 용어로 이해되어야 한다. 예를 들면, 도면에 도시되어 있는 소자를 뒤집을 경우, 다른 소자의 「아래(below 또는 beneath)」로 기술된 소자는 다른 소자의 「위(above)」에 놓여질 수 있다. 따라서, 예시적인 용어인 「아래」는 아래와 위의 방향을 모두 포함할 수 있다.
본 명세서에서 사용되는 용어 「및/또는」은 언급된 아이템들의 각각 및 하나 이상의 모든 조합을 의미한다. 본 명세서에서 「내지」를 사용하여 나타낸 수치 범위는 그 앞과 뒤에 기재된 값을 각각 하한과 상한으로서 포함하는 수치 범위를 의미한다.
비록 「제1, 제2」 등이 다양한 구성요소들을 서술하기 위해서 사용되나, 이들 구성요소들은 이들 용어에 의해 제한되지 않음은 물론이다. 이들 용어들은 단지 하나의 구성요소를 다른 구성요소와 구별하기 위하여 사용하는 것이다. 따라서, 이하에서 언급되는 「제1」 구성요소는 본 발명의 기술적 사상 내에서 「제2」 구성요소일 수도 있음은 물론이다.
본 명세서에서 「편광 소자」는 편광 물질 등을 포함하는 용액을 코팅하는 방식으로 제조되어 박형화가 가능한 코팅형 박막 편광 소자를 의미하는 것일 수 있으나, 본 발명의 권리범위가 이에 한정되는 것은 아니다.
본 명세서에서 사용되는 용어 「이색성(dichroic)」은 일축 방향에서의 흡광도와 다른 축 방향에서의 흡광도가 상이함을 의미한다.
이하, 첨부된 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예들에 대해 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 편광 소자(10)의 사시도이고, 도 2는 도 1에 도시된 편광 소자(10)를 Ⅱ-Ⅱ' 선을 따라 자른 단면도이다.
도 1 및 2를 참조하면, 편광 소자(10)는 베이스 기판(100), 베이스 기판(100) 상에 배치된 배향층(200), 배향층(200) 상에 배치된 편광 물질층(300) 및 편광 물질층(300) 상에 배치된 보호층(400)을 포함한다.
베이스 기판(100)은 배향층(200)이 배치될 수 있는 공간을 제공하여 배향층(200)을 포함한 편광 소자(10)의 구성들을 지지할 수 있다. 베이스 기판(100)은 투광성 기판일 수 있다.
예시적인 실시예에서, 베이스 기판(100)은 편광 소자(10)의 구성들을 지지하기 위해 별도로 배치된 유리 또는 플라스틱 기판일 수 있다. 다만 이에 제한되는 것은 아니며, 본 발명의 편광 소자(10)가 표시 장치에 적용될 경우 배향층(200) 등의 구성들은 별도의 베이스 기판(100) 없이 표시 장치 상에 직접 배치될 수 있다.
즉, 본 발명의 편광 소자(10)는 별도의 베이스 기판(100)을 포함하여 편광판(polarize plate) 또는 편광 필름(polarize film) 형태로 제공되거나, 표시 장치에 코팅층의 형태로 직접 배치되어 표시 패널과 일체화될 수 있다.
배향층(200)은 베이스 기판(100) 상에 배치된다. 배향층(200)의 표면에는 복수의 오목부(201) 및 볼록부(202)가 정의될 수 있다. 복수의 오목부(201)와 복수의 볼록부(202)는 서로 교번적으로 배열될 수 있다. 오목부(201)는 배향층(200)의 표면 일부가 수직 방향으로 함몰된 부분이고, 볼록부(202)는 오목부(201)가 형성되지 않은 표면일 수 있다. 각 오목부(201) 및 각 볼록부(202)는 제1 방향(D1)으로 연장되며, 제1 방향(D1)과 수직한 제2 방향(D2)으로 복수 개가 배열될 수 있다.
각 오목부(201)의 폭(L)은 100nm 이하일 수 있고, 깊이(D)는 70nm 이상일 수 있다. 복수의 오목부(201)는 서로 100nm 이하의 간격(I)으로 배열될 수 있으며, 복수의 오목부(201) 간의 간격(I)은 서로 일정할 수 있다. 오목부(201)의 폭(L)은 오목부(201)가 제2 방향(D2)으로 연장된 길이 또는 이웃하는 두 볼록부(202) 간의 간격(I)을 의미하며, 깊이(D)는 오목부(201)의 최하부로부터 볼록부(202)의 최상부까지의 높이를 의미한다.
각 오목부(201)의 폭(L)이 100nm 이하이면 나노 가둠(nanoconfinement)을 통해 염료(DM)를 효과적으로 배향할 수 있고, 배향층(200)에 입사된 광의 간섭이 발생하지 않을 수 있다. 한편, 각 오목부(201)의 폭(L)은 10nm 이상일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
복수의 오목부(201) 간의 간격(I)이 100nm 이하이면 오목부(201)가 형성되지 않은 영역 상에 위치하는 염료(DM)도 효과적으로 배향될 수 있고, 배향층(200)에 입사된 광의 간섭이 발생하지 않을 수 있다. 한편, 복수의 오목부(201) 간의 간격(I)은 10nm 이상일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
각 오목부(201)의 수직 단면은 직사각 또는 정사각의 형상을 가질 수 있으나, 이에 제한되지 않고 삼각형, 곡선을 포함하는 다변형 등의 형상을 가질 수도 있다. 또한, 복수의 오목부(201)는 수직 단면의 형상이 서로 모두 동일할 수 있다. 수직 단면이란 배향층(200)을 제1 방향(D1)과 제2 방향(D2) 모두에 수직한 제3 방향(D3)으로 자른 단면을 의미한다.
배향층(200)은 경화된 액정성 물질(PL)을 포함할 수 있다. 구체적으로, 배향층(200)은 액정 단량체를 포함하는 액정 조성물이 경화된 물질을 포함할 수 있다.
액정 단량체는 메조겐(mesogen) 골격과 반응성 말단기를 포함하는 반응성 액정 단량체(reactive mesogen)일 수 있다. 경화된 액정성 물질(PL)은 중합 반응이 가능한 말단기를 갖는 반응성 액정 단량체가 자외선 또는 열에 의해 서로 중합되어 형성된 물질일 수 있다. 이 경우, 편광 물질층(300)에는 일부 미중합된 반응성 액정 단량체가 잔존할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
액정 단량체의 반응성 말단기는 이중 또는 삼중 결합 등의 불포화 결합을 포함할 수 있으며, 예를 들어 비닐기(vinyl group)와 같은 알릴기(allyl group), 아크릴로일기(acryloyl group), 메타크릴로일기(methacryloyl group) 및 헤테로아릴기(heteroaryl group) 중 하나 이상을 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
예시적인 실시예에서, 배향층(200)은 반응성 액정 단량체와 광 개시제를 포함하는 액정 조성물에 자외선이 조사되어 액정 단량체가 중합됨으로써 형성된 것일 수 있다.
액정 단량체 또는 이를 포함하는 액정 조성물은 특정 온도 조건에서 액정상을 갖는 서모트로픽(thermotropic) 액정일 수 있다. 서모트로픽 액정은 예를 들어, 네마틱(nematic) 상(phase), 스메틱(smetic) 상, 콜레스테릭(cholesteric) 상 등을 가질 수 있다. 액정 단량체/조성물은 구체적으로 스메틱 상을 갖는 것일 수 있으며, 보다 구체적으로는 스메틱 B 상을 갖는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
액정 단량체/조성물은 이방성(anisotropic) 또는 사슬형의 액정상을 갖는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
예시적인 실시예에서, 배향층(200)은 반응성 말단기를 갖는 서모트로픽 액정 단량체의 중합체일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
배향층(200)은 액정 조성물에 복수의 볼록부를 갖는 몰드(mold)를 합착한 후 자외선 등의 광을 조사하여 경화시킴으로써 제조된 것일 수 있으며, 배향층(200) 표면의 오목부(201)는 몰드의 볼록부에 의해 패터닝되어 형성된 것일 수 있다. 이에 대한 보다 구체적인 설명은 후술한다.
편광 물질층(300)은 배향층(200) 상에 배치된다. 편광 물질층(300)은 염료(DM)를 포함할 수 있다.
염료(DM)는 이색성(dichroic) 염료일 수 있다. 이색성 염료는 아조계, 안트라퀴논계 또는 요오드계 염료를 포함할 수 있으며, 바람직하게는 아조계 염료를 포함할 수 있다. 다만, 이에 한정되는 것은 아니며, 이색성을 갖는 다른 염료, 안료, 색소 등도 제한 없이 사용할 수 있다.
염료(DM)는 옐로우(Yellow) 색상을 갖는 염료, 마젠타(Magenta) 색상을 갖는 염료 및 시안(Cyan) 색상을 갖는 염료 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 특히, 이색성 염료(DM)는 옐로우 염료, 마젠타 염료 및 시안 염료를 모두 포함하여 실질적으로 블랙을 나타내는 것일 수 있다. 다만, 이에 제한되는 것은 아니며, 이색성 염료(DM)는 적색 염료, 녹색 염료 및 청색 염료 중 하나 이상을 포함할 수 있고, 적색 염료, 녹색 염료 및 청색 염료를 모두 포함함으로써 블랙을 구현할 수도 있다.
편광 물질층(300)에는 배향층(200)에 포함된 것과 동일한 액정성 물질(PL)이 포함되지 않을 수 있다. 마찬가지로, 배향층(200)에는 염료(DM)가 포함되지 않을 수 있다. 즉, 배향층(200)과 편광 물질층(300)은 서로 구분되는 별개의 층으로 형성될 수 있다. 이에 따라, 편광 소자(10)는 두께 방향의 변위에 따른 물질 조성이 배향층(200)과 편광 물질층(300)에서 다를 수 있다.
염료(DM)는 배향층(200)에 형성된 복수의 오목부(201)에 의해 특정 방향으로 배향됨에 따라 편광 물질층(300)으로 입사된 광을 편광시킬 수 있다. 이에 대한 구체적인 설명은 후술한다.
편광 물질층(300)의 두께는 수 ㎛ 내지 수십 ㎛ 수준일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
예시적인 실시예에서, 편광 물질층(300)은 용매를 더 포함할 수 있다. 용매는 염료(DM)가 용해되는 물질로서 소수성 용매일 수 있다. 다만, 이에 제한되는 것은 아니다.
보호층(400)은 편광 물질층(300) 상에 배치된다. 보호층(400)은 편광 물질층(300)에 포함된 염료(DM)를 보호 또는 밀봉하는 층일 수 있다.
보호층(400)은 수용성 고분자 물질을 포함할 수 있다. 예시적인 실시예에서, 보호층(400)은 수용성 고분자 물질 중 하나인 폴리비닐 알코올(Polyvinyl alcohol, PVA)을 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
편광 물질층(300)을 이루는 염료(DM)나 이를 수용하는 용매 등은 대부분 소수성 물질이기 때문에, 편광 물질층(300)을 덮는 보호층(400)을 친수성인 수용성 고분자 물질로 구성함으로써 편광 물질층(300)이 손상되지 않도록 효과적으로 보호할 수 있다.
도면에는 도시되지 않았으나, 보호층(400) 상에는 추가적인 보호 필름 또는 위상차 필름(보호 필름) 등의 기능성 필름이 배치될 수 있다. 또한, 상술한 기능성 필름은 베이스 기판(100)의 하부나 편광 소자(10) 내의 각 층들 사이에 배치될 수도 있다.
도 3은 도 1에 도시된 편광 소자(10)의 배향층(200) 상에 편광 물질인 염료 분자(또는 입자)(DM)가 배치된 모습을 도식적으로 나타낸 평면도이다.
도 3을 참조하면, 배향층(200)의 표면에는 제1 방향(D1)으로 연장된 복수의 오목부(201) 및 볼록부(202)가 제1 방향(D1)과 수직한 제2 방향(D2)으로 교번적으로 배열되고, 배향층(200) 상에는 염료(DM)가 배치된다.
염료 분자(DM)들은 액정 분자(PL)로 이루어진 배향층(200)의 오목부(201) 내에 배치될 수 있다. 이러한 염료 분자(DM)들이 위치할 수 있는 공간은 약 100nm 이하의 좁은 폭을 갖는 오목부(201) 내로 제한되기 때문에, 상기 염료 분자(DM)들은 낮은 에너지 상태를 유지하기 위해 오목부(201)의 연장 방향으로 배향된다(물리적 효과).
또한, 액정성 물질(PL)과 염료(DM)는 이방성(anisotropic)이라는 유사한 구조 특성을 갖기 때문에 서로 간에 분자 친화력(molecular affinity)이 작용할 수 있다. 따라서, 오목부(201) 내의 염료(DM)는 상기 오목부(201)를 양측에서 둘러싸는 볼록부(202), 즉 경화된 액정 분자(PL)의 배향 방향을 따라 배향하려는 경향성을 갖는다(화학적 효과). 한편, 경화된 액정 분자(PL)는 좁은 폭의 오목부(201) 패턴이 형성되는 과정에서 오목부(201)의 연장 방향을 따라 배향될 수 있다.
염료(DM)는 이색성으로서 일축 방향과 평행한 편광성분은 흡수하고 이와 수직한 편광성분은 투과하기 때문에, 상술한 바와 같은 물리적 효과 및 화학적 효과에 의해 특정 방향으로 배향된 염료(DM)는 입사되는 광도 특정 방향으로 편광시키게 된다.
도면에는 도시되지 않았으나 볼록부(202) 상이나 배향층(200) 표면과 이격된 상부에도 염료 분자(DM)가 배치될 수 있으며, 이러한 염료 분자(DM) 또한 오목부(201) 내에 배향된 염료 분자(DM)들과 같은 방향으로 배향됨으로써 낮은 에너지 상태를 유지하려는 경향성을 갖는다.
본 발명의 편광 소자(10)는 이와 같은 배향층(200)을 통해 이색성의 염료(DM)를 간단하고 안정적으로 배향시킴으로써 입사된 광을 특정 방향으로 편광시킬 수 있다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 편광 소자(20)의 단면도이다.
도 4의 편광 소자(20)는 다단으로 적층된다는 점을 제외하고 도 1의 설명에서 상술한 바와 같다. 이하에서는 중복되는 내용은 생략한다.
도 4를 참조하면, 베이스 기판(100) 상에는 제1 배향층(210), 제1 편광 물질층(310) 및 제1 보호층(410)이 순차적으로 적층되며, 제1 보호층(410) 상에 다시 제2 배향층(220), 제2 편광 물질층(320) 및 제2 보호층(420)이 순차적으로 적층된다.
각 배향층(210, 220), 편광 물질층(310, 320) 및 보호층(410, 420)은 도 1의 설명에서 상술한 배향층(200), 편광 물질층(300) 및 보호층(400)과 실질적으로 동일한 것일 수 있다. 즉, 제1 및 2 배향층(210, 220)도 복수의 오목부(211, 221)와 볼록부(212, 222)를 포함하고 액정성 물질(PL)을 포함할 수 있으며, 제1 및 2 편광 물질층(310, 320)은 염료(DM)를 포함할 수 있고, 제1 및 2 보호층(410, 420)은 수용성 고분자 물질을 포함할 수 있다.
특히, 편광 물질층(310, 320)뿐 아니라 배향층(210, 220) 또한 소수성일 수 있기 때문에, 제1 편광 물질층(310)과 제2 배향층(220) 사이에 배치된 제1 보호층(410)이 수용성 고분자 물질로 구성되면 제1 편광 물질층(310)과 제2 배향층(220)이 직접적으로 접촉하는 것을 차단하여 편광 소자(20)의 제조 과정에서 상기 부재들이 손상되는 것을 효과적으로 방지할 수 있다.
제1 배향층(210)에 형성된 제1 오목부(211) 및 볼록부(212)는 제2 배향층(220)에 형성된 제2 오목부(221) 및 볼록부(222)와 동일한 패턴으로 정렬될 수 있다. 즉, 각각의 제1 오목부(211) 및 볼록부(212)는 제2 오목부(221) 및 볼록부(222)와 완전히 중첩될 수 있다. 제1 및 2 배향층(210, 220)의 오목부(211, 221) 및 볼록부(212, 222)가 서로 동일한 위치에 배열되면 제1 편광 물질층(310)과 제2 편광 물질층(320)이 서로 동일한 방향으로 광을 편광시킬 수 있다.
편광 소자가 단일층으로 구성되면 일부 또는 전체 파장에 대한 흡광도나 편광도가 충분하지 않을 수 있으나, 도 4와 같이 배향층(210, 220) 및 편광 물질층(310, 320)을 포함하는 편광 소자를 다단으로 배치함으로써 흡광도 및 편광도를 향상시킬 수 있다.
제1 편광 물질층(310)에 포함된 염료(DM)와 제2 편광 물질층(320)에 포함된 염료(DM)는 동종의 물질일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니며, 후술하는 바와 같이 서로 다른 색상을 갖는 염료로 구성될 수도 있다.
도 4에는 배향층(210, 220)과 편광 물질층(310, 320)을 포함하는 편광 소자가 2단으로 적층된 경우가 도시되었으나, 이에 한정되지 않고 3단 이상으로 적층되는 등 흡광도 및 편광도를 원하는 수준으로 향상시키기 위해 필요한 만큼 적층될 수도 있다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 편광 소자(30)의 단면도이다.
도 5의 편광 소자(30)는 제1 편광 물질층(330)에 포함된 염료(DM)와 제2 편광 물질층(340)에 포함된 염료(DM)가 서로 다르다는 점을 제외하고 도 4의 설명에서 상술한 바와 같다. 이하에서는 중복되는 내용은 생략한다.
도 5를 참조하면, 제1 편광 물질층(330)은 제1 염료(DMa), 제2 염료(DMb) 및 제3 염료(DMc)를 포함하고, 제2 편광 물질층(340)은 제4 염료(DMd)를 포함한다. 제1 내지 4 염료(DM)는 모두 이색성 염료일 수 있다.
제1 내지 3 염료(DMa, DMb, DMc)는 서로 다른 물질일 수 있으며, 구체적으로는 서로 다른 색을 갖는 염료일 수 있다.
보다 구체적으로는, 제1 내지 3 염료(DMa, DMb, DMc)는 각각 적색(Red) 염료, 녹색(Green) 염료 및 청색(Blue) 염료일 수 있다. 또는, 제1 내지 3 염료(DMa, DMb, DMc)는 각각 옐로우(Yellow) 염료, 마젠타(Magenta) 염료 및 시안(Cyan) 염료일 수 있다.
제4 염료(DMd)는 제1 내지 3 염료(DMa, DMb, DMc) 중 하나와 동일한 염료일 수 있다. 또한, 제4 염료(DMd)는 제1 내지 3 염료(DMa, DMb, DMc) 중 하나 이상과 동일한 염료를 포함할 수도 있다. 다만 이에 제한되지 않고, 제4 염료(DMd)는 제1 내지 3 염료(DMa, DMb, DMc)와 상이한 염료일 수도 있다.
제4 염료(DMd)는 장파장의 가시 광선을 흡수하는 염료일 수 있다. 장파장은 가시광선 영역에서 붉은 빛을 내는 약 560~780nm 영역대의 파장을 의미할 수 있다. 다만, 이에 제한되는 것은 아니며, 제1 내지 3 염료(DMa, DMb, DMc)가 흡수하는 파장과 비교하여 상대적으로 긴 범위의 파장을 의미할 수도 있다. 구체적으로, 제4 염료(DMd)는 시안 색상을 갖는 염료 또는 청색 염료일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
예시적인 실시예에서, 제1 내지 3 염료(DMa, DMb, DMc)는 각각 옐로우 염료, 마젠타 염료 및 시안 염료일 수 있고, 제4 염료(DMd)는 시안 염료일 수 있다. 다만, 이에 한정되는 것은 아니다.
편광 물질층이 단파장, 중파장 및 장파장의 가시 광선을 흡수하는 염료를 모두 동일한 비율로 포함하더라도 장파장대의 흡광도는 상대적으로 떨어질 수 있으며, 용해도의 문제 때문에 단일층 내에서 장파장을 흡수하는 염료만을 증가시키는 것은 한계가 있으나, 도 5와 같이 상대적으로 장파장을 흡수하는 편광 물질층(340)을 추가적으로 배치함으로써 장파장대에 대한 흡광도를 보상할 수 있다.
도 5에는 제1 내지 3 염료(DMa, DMb, DMc)가 제1 편광 물질층(330)에 포함되고 제4 염료(DMd)가 제2 편광 물질층(340)에 포함되는 경우가 도시되었으나 이에 한정되는 것은 아니며, 제4 염료(DMd)가 제1 편광 물질층(330)에 포함되고 제1 내지 3 염료(DMa, DMb, DMc)가 제2 편광 물질층(340)에 포함되도록 그 순서가 변경되는 경우도 가능하다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 편광 소자(40)의 단면도이다.
도 6의 편광 소자(40)는 배향층(230) 상에 별도의 볼록부(232)가 배치된다는 점을 제외하고 도 1의 설명에서 상술한 바와 같다. 이하에서는 중복되는 내용은 생략한다.
도 6을 참조하면, 배향층(230)의 표면에는 복수의 볼록부(232)가 별도로 배치되며, 이웃하는 볼록부(232)들의 사이 공간에 의해 오목부(231)가 정의된다. 즉, 볼록부(202) 및 오목부(201)가 배향층(200)의 표면에 직접 형성되어 서로 일체화된 도 1과 달리, 편평한 배향층(230)의 표면에 복수의 볼록부(232)가 별도로 배치된 구조를 가질 수 있다.
이 경우, 복수의 볼록부(232)와 배향층(230)은 서로 다른 재료로 이루어질 수 있고, 구체적으로 복수의 볼록부(232)는 경화된 액정성 물질을 포함하는 반면 배향층(230)은 이를 포함하지 않을 수 있다. 다만, 이에 제한되는 것은 아니다.
각 볼록부(232)의 폭과 복수의 볼록부(232) 간의 간격은 100nm 이하일 수 있다. 이는, 각 오목부(231)의 폭과 복수의 오목부(231) 간의 간격이 100nm 이하임을 의미할 수 있다.
각 오목부(231)의 폭과 복수의 오목부(231) 간의 간격이 100nm 이하이면 염료 분자(DM)들의 나노 가둠을 통해 배향이 효과적으로 이루어지고, 배향층(230)에 입사된 광의 간섭이 발생하지 않으며, 오목부(231)가 형성되지 않은 영역 상에 위치하는 염료 분자(DM)도 효과적으로 배향될 수 있음은 전술한 바와 같다. 마찬가지로, 각 오목부(231)의 폭과 복수의 오목부(231) 간의 간격은 10nm 이상일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
도 6의 편광 소자(40)도 도 4에 도시된 것처럼 다단으로 적층될 수 있고, 이 경우 도 5에 도시된 것처럼 각 편광 물질층(300)이 서로 다른 염료를 포함할 수 있음은 물론이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 편광 소자(50)의 단면도이다.
도 7의 편광 소자(50)는 편광 물질층(350)이 서로 다른 색상을 갖는 복수 종의 염료(DMa, DMb, DMc)를 포함한다는 점을 제외하고 도 1의 설명에서 상술한 바와 같다. 즉, 도 7의 편광 소자(50)는 도 5의 편광 소자(30)에서 제2 배향층(220) 및 제2 편광 물질층(340)이 생략된 것과 실질적으로 동일한 구조를 갖는다. 도 7의 편광 물질층(350)에 포함된 염료(DMa, DMb, DMc)는 도 5의 설명에서 상술한 바와 같으므로, 이에 대한 구체적인 설명은 생략한다.
도 8 내지 13은 도 1 및 2에 도시된 편광 소자(10)에 대한 제조 방법의 공정 단계별 단면도들이다.
도 8 및 9를 참조하면, 먼저 베이스 기판(100) 상에 액정 조성물(LC)을 도포한다. 액정 조성물(LC)은 경화 가능한 액정성 물질을 포함하는 혼합물로서, 구체적으로는 반응성 말단기를 갖는 액정 단량체를 포함할 수 있다. 액정 조성물(LC)은 광 개시제, 용매, 가교제 등을 더 포함할 수 있다.
도 10을 참조하면, 이어서 표면에 복수의 볼록부(m1) 및 오복부(m2)가 형성된 몰드(M)를 액정 조성물(LC)에 합착한다. 몰드(M)는 볼록부(m1) 및 오목부(m2)가 형성된 표면이 액정 조성물(LC)에 접하도록 합착할 수 있다. 액정 조성물(LC)은 경화 전 상태로서 소정의 유동성을 갖기 때문에, 몰드(M)의 오목부(m2)를 채우도록 합착될 수 있다.
몰드의 오목부(m2)는 폭이 좁기 때문에 이러한 오목부(m2) 내에 채워진 액정 조성물(LC)의 액정 분자들은 낮은 에너지 상태를 유지하기 위해 오목부(m2)의 연장 방향으로 배향될 수 있다.
각 볼록부(m1) 및 오목부(m2)는 일 방향으로 연장되며, 복수의 볼록부(m1) 및 오목부(m2)는 서로 교번적으로 배열된 것일 수 있다.
몰드(M)는 실리콘(Si) 재질로 이루어진 것일 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니며, 액정 조성물(LC)에 대한 표면 에너지가 작은 물질로 이루어지거나 표면이 상기 물질로 코팅된 것일 수 있다.
도 11을 참조하면, 이어서 몰드(M)에 합착된 상태의 액정 조성물(LC)에 자외선(UV)을 조사하여 액정 조성물(LC)을 경화한다. 액정 조성물(LC)에 포함된 광 개시제는 자외선(UV)에 반응하여 액정 단량체의 중합 반응을 개시할 수 있고, 액정 단량체는 반응성 말단기를 통해 중합체를 형성할 수 있다. 이에 따라 액정 조성물(LC)이 경화될 수 있다.
특히, 몰드(M)의 오목부(m2)를 채우던 액정 분자들은 오목부(m2)의 연장 방향으로 배향된 상태로 경화될 수 있다.
도 11에는 액정 조성물(LC)이 자외선(UV)에 의해 경화되는 물질로 예시되었으나 이제 제한되는 것은 아니며, 액정 조성물(LC)은 자외선(UV) 이외의 파장에 의해 경화되는 것일 수도 있고, 열, 용매 등 광 이외의 조건에 의해 경화되는 것일 수도 있다.
액정 조성물(LC)이 광 조사에 의해 경화되는 물질일 경우 별도의 열이 필요 없이 상온에서 경화공정이 가능하기 때문에, 편광 물질층(300)에 포함된 염료(DM) 등이 열에 의해 손상되는 것을 방지할 수 있어 특히 편광 소자를 다단으로 형성할 때 유리하다.
도 12를 참조하면, 이어서 몰드(M)를 경화된 액정성 물질(PL)로부터 분리한다. 몰드(M)의 표면을 액정 조성물(LC)에 대한 표면 에너지가 작도록 형성할 경우, 몰드(M)를 경화된 액정성 물질(PL)로부터 용이하게 탈착할 수 있다.
경화된 액정성 물질(PL)은 몰드(M)의 볼록부들(m1)에 대응된 위치에 복수의 오목부(201)가, 몰드(M)의 오목부들(m2)에 대응된 위치에 복수의 볼록부(202)가 형성되어 본 발명의 배향층(200)으로서 사용될 수 있다.
도 13을 참조하면, 이어서 배향층(200) 상에 염료(DM)를 포함하는 용액을 코팅하여 편광 물질층(300)을 형성하고, 그 위에 보호층(400)을 형성하여 도 1에 도시된 것과 동일한 편광 소자(10)를 제조할 수 있다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
100: 베이스 기판
200: 배향층
300: 편광 물질층
400: 보호층

Claims (20)

  1. 경화된 액정성 물질을 포함하며, 제1 방향으로 연장된 오목부 복수 개가 표면에 정의된 배향층; 및
    염료를 포함하며, 상기 배향층의 상기 오목부가 정의된 표면 상에 배치된 편광 물질층을 포함하며,
    상기 액정성 물질과 상기 염료는 이방성 구조를 갖는 편광 소자.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 경화된 액정성 물질은 액정 단량체의 중합체인 편광 소자.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 액정 단량체는 불포화 결합을 포함하는 반응성 말단기를 갖는 편광 소자.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 배향층에는 염료가 포함되지 않는 편광 소자.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 편광 물질층에는 상기 액정성 물질이 포함되지 않는 편광 소자.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 염료는 이색성(dichroic) 염료인 편광 소자.
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 오목부 각각은 폭이 100nm 이하인 편광 소자.
  8. 제1 항에 있어서,
    상기 오목부 각각은 깊이가 70nm 이상인 편광 소자.
  9. 제1 항에 있어서,
    상기 복수의 오목부는 상기 제1 방향과 수직한 제2 방향으로 배열되며, 상기 복수의 오목부는 서로 일정한 간격으로 배열된 편광 소자.
  10. 제9 항에 있어서,
    상기 복수의 오목부 간의 간격은 100nm 이하인 편광 소자.
  11. 경화된 액정성 물질을 포함하며, 일 방향으로 연장된 오목부 복수 개가 표면에 정의된 제1 배향층;
    염료를 포함하며, 상기 제1 배향층의 상기 오목부가 정의된 표면 상에 배치된 제1 편광 물질층;
    상기 제1 편광 물질층 상에 배치된 중간층;
    경화된 액정성 물질을 포함하며, 상기 중간층 상에 배치되고, 일 방향으로 연장된 오목부 복수 개가 표면에 정의된 제2 배향층; 및
    염료를 포함하며, 상기 제2 배향층의 상기 오목부가 정의된 표면 상에 배치된 제2 편광 물질층을 포함하며,
    상기 액정성 물질과 상기 염료는 이방성 구조를 갖는 편광 소자.
  12. 제11 항에 있어서,
    상기 중간층은 수용성 고분자 물질을 포함하는 편광 소자.
  13. 제11 항에 있어서,
    상기 제1 및 2 편광 물질층 어느 하나의 편광 물질층에 포함된 염료는 옐로우(Yellow) 염료, 마젠타(Magenta) 염료 및 시안(Cyan) 염료를 포함하거나, 적색(Red) 염료, 녹색(Green) 염료 및 청색(Blue) 염료를 포함하는 편광 소자.
  14. 제13 항에 있어서,
    나머지 하나의 상기 편광 물질층에 포함된 염료는 상기 어느 하나의 편광 물질층에 포함된 염료 중 하나 이상과 동일한 편광 소자.
  15. 제13 항에 있어서,
    나머지 하나의 상기 편광 물질층에 포함된 염료는 상기 어느 하나의 편광 물질층에 포함된 염료와 다른 편광 소자.
  16. 액정 단량체를 포함하는 액정 조성물을 베이스 기판 상에 도포하는 단계;
    일 방향으로 연장된 복수의 오목부 및 볼록부가 일면에 교번적으로 형성된 몰드를 상기 일면이 상기 도포된 액정 조성물에 접하도록 합착하는 단계;
    상기 몰드와 합착된 상기 액정 조성물을 경화하는 단계;
    상기 몰드를 상기 경화된 액정 조성물로부터 분리하는 단계; 및
    상기 경화된 액정 조성물 상에 염료를 포함하는 용액을 코팅하여 편광 물질층을 형성하는 단계를 포함하며,
    상기 액정 조성물을 경화하는 단계는 상기 액정 단량체를 중합하여 액정성 물질을 형성하는 단계이고,
    상기 액정성 물질과 상기 염료는 이방성 구조를 갖는 편광 소자의 제조 방법.
  17. 제16 항에 있어서,
    상기 액정 단량체는 불포화 결합을 포함하는 반응성 말단기를 갖는 편광 소자의 제조 방법.
  18. 제17 항에 있어서,
    상기 액정 조성물은 광 개시제를 더 포함하며,
    상기 액정 단량체는 광을 조사하여 중합하는 편광 소자의 제조 방법.
  19. 제16 항에 있어서,
    상기 액정 조성물은 서모트로픽(thermotropic) 상을 갖는 편광 소자의 제조 방법.
  20. 제19 항에 있어서,
    상기 액정 조성물은 스멕틱(smectic) B 상을 갖는 편광 소자의 제조 방법.
KR1020170113442A 2017-09-05 2017-09-05 편광 소자 및 그 제조 방법 KR102580799B1 (ko)

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