KR20180115977A - 물리적 겔의 형성이 가능한 겔형성기 및 이를 이용한 광학 필름 - Google Patents

Abstract

본 발명은 콜레스테릭 액정 상에 혼합하여 물리적 겔을 형성할 수 있는 겔레이터와 패턴화된 격벽을 형성할 수 있는 모노머 물질을 혼합하여, 유연성을 가지는 고분자 필름기판으로 제작된 셀에 주입하며, 자외선(UV, 254 nm)과 포토마스크를 이용하여 고분자 격벽을 형성하고, 대면적 광학 필름 안에 규격화된 단위 셀을 형성한 다음, 콜레스테릭 액정과 겔레이터를 온도를 이용하여 물리적 겔을 형성하고 콜레스테릭 액정을 안정화하여 제조되는 액정광학 필름용 고분자 격벽물질 및 이를 이용한 대면적 광학 필름에 관한 것이다. 본 발명은 본 발명은 화학식 1~5중 어느 하나의 화합물의 말단 R위치를 메조겐 화합물로 치환한 겔형성기(Gelator)를 제공한다.

Description

물리적 겔의 형성이 가능한 겔형성기 및 이를 이용한 광학 필름{Gelator for Forming Physical Gel and Optical Films Using the Same}

본 발명은 액정광학 필름용 고분자 격벽물질 및 이를 이용한 대면적 광학 필름에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 콜레스테릭 액정 상에 혼합하여 물리적 겔을 형성할 수 있는 겔레이터와 패턴화된 격벽을 형성할 수 있는 모노머 물질을 혼합하여, 유연성을 가지는 고분자 필름기판으로 제작된 셀에 주입하며, 자외선(UV, 254 nm)과 포토마스크를 이용하여 고분자 격벽을 형성하고, 대면적 광학 필름 안에 규격화된 단위 셀을 형성한 다음, 콜레스테릭 액정과 겔레이터를 온도를 이용하여 물리적 겔을 형성하고 콜레스테릭 액정을 안정화하여 제조되는 액정광학 필름용 고분자 격벽물질 및 이를 이용한 대면적 광학 필름에 관한 것이다.

스마트 윈도우 액정 광학 필름은 주변 환경 혹은 인공적인 환경 변화에 따라서 빛의 파장대 별 산란, 반사 등의 특성을 가역적으로 조절할 수 있는 광학 필름이다. 대표적으로, 액정을 고분자 매트릭스 안에 일정한 크기의 미세 구멍 (직경: ~ nm)안에 분산시켜서, 산란을 일으키고, 전기장을 통하여 배열시켜서 빛을 투과시키는 PDLC (Polymer-Dispersed Liquid Crystal)모드가 존재한다. PDLC의 경우 투명 전도성 고분자 필름 또는 기판 2장 사이에 모노머 매트릭스와 액정을 혼합하여, 주입한 후 모노머를 고분자화 시키면서 수백 나노 크기의 액정 방울을 형성하여 고분자 매트릭스 안에 가둬 불규칙적으로 분산 시킨 수십 마이크로 두께의 광학 필름이다. 전기를 인가하면, 액정이 전기장에 나란히 배열하며, 빛을 투과시키고 전기장을 제거하면 액정과 매트릭스 계면에서의 굴절률 차이로 강한 산란이 일어나면서 빛을 차단할 수 있다. 하지만 액정과 고분자 매트릭스 계면사이의 강한 고정에너지 (anchoring energy)로 인하여 구동 가능한 문턱 전압이 100V에 육박할 정도로 높게 형성되고, 재현성이 떨어지며, 대면적화에 대한 한계가 존재한다.

또 다른 대표적인 액정 광학 필름으로, 콜레스테릭 액정 상의 피치에 따른 반사 파장이 달라지는 현상을 이용하고, 다양한 파장대 혹은 특정한 염료를 추가하여, 선택적인 파장대에서 반사가 가능한 PSCT (Polymer Stabilized Cholesteric Texture)등이 존재한다. 콜레스테릭 상이 회전축 방향으로 진입한 빛을 회전 피치에 따라서 선택적 파장에 대한 반사를 할 수 있다는 점을 이용한 광학 필름으로써, 콜레스테릭 상을 고분자 중합을 통하여 안정화 시키고 특정한 조건에서 쌍안정성 (bistability)을 갖는 성질을 이용하여, 빛을 산란, 투과, 반사, 선택적 색반사 등을 할 수 있는 광학 필름이다. 하지만, 콜레스테릭 상을 초기 배열하기 위하여, 기판에 수평 배향막을 코팅하고 러빙 프로세스를 거쳐야 하며, 유연한 고분자 필름에 적용하였을 경우, 접히는 부분에서는 액정의 쏠림 현상, 그리고 곡선형 부분에서는 피치의 변화로 인한 원치 않는 색이 나타나는 등의 문제가 발생하며, 이외에도, 대면적화와 추가 공정시 액정이 셀 밖으로 빠져나오는 다양한 문제점이 존재한다. 이러한 문제를 해결하기 위하여, 고분자 격벽 형성과 액정의 안정화에 대한 다양한 연구들이 활발히 진행되고 있다. 액정 셀 갭 두께의 안정화와 필름 상하판의 안정화 및 대면적화를 위해 격벽을 도입할 경우, 고분자 격벽을 형성하는 광중합 시스템과 콜레스테릭 안정화를 위한 광중합 시스템 또는 열 시스템에서 각자의 중합을 독립적으로 진행하기 힘들며, 수율 및 다양한 문제를 야기하고 있다.

따라서, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 액정광학 필름용 고분자 격벽물질을 이용하여 PSCT와 PDLC의 단점을 보완함과 더불어, 고분자 격벽 시스템에서의 안정화와 격벽 형성을 독립적인 반응 메커니즘을 이용하여 수행하는 것으로, 대면적의 광학필름을 제공하는 것이다.

상술한 문제를 해결하기 위해, 제1양태에 의한 본 발명은 하기의 화학식 1~5중 어느 하나의 화합물의 말단 R위치를 메조겐 화합물로 치환한 겔형성기(Gelator)를 제공한다.

[화학식 1]

(n은 1~100의 정수)

[화학식 2]

(n은 1~100의 정수)

[화학식 3]

[화학식 4]

(n은 1~100의 정수)

[화학식 5]

상기 메조겐 화합물은 하기의 화학식 6~8중 어느 하나일 수 있다.

[화학식 6]

(n은 1~100의 정수)

[화학식 7]

(n은 1~100의 정수)

[화학식 8]

(상기 R1, R2 및 R3는 수소, C1~C20의 알길그룹 또는 상기 화학식 6~7로 구성된 군에서 선택되는 1종 이상을 포함)

상기 겔형성기는 액정광학 필름용일 수 있다.

상기 겔형성기는 액정의 등방성 온도(isotropic 온도)에서는 용해되며, 상온에서는 겔을 형성할 수 있다.

상기 겔형성기는 상호간의 분자간 결합을 통하여 실린더 형의 지지체를 형성할 수 있다.

또한 본 발명의 제2양태는 (a) 상기 겔형성기, 고분자 격벽 형성용 모노머 및 액정을 혼합하여 두 장의 전도성 기판사이에 주입하는 단계; (b) 상기 전도성 기판에 포토마스크를 통한 광조사를 수행하여 고분자 격벽을 형성하는 단계; 및 (c) 상기 전도성 기판을 액정의 등방성 온도까지 가열한 다음, 실온으로 냉각하여 상기 겔형성기가 지지체 구조를 형성하도록 하는 단계를 포함하는 광학 필름의 제조방법을 제공한다.

상기 전도성 기판은 고분자 기판일 수 있다.

상기 액정은 네마틱 또는 콜레스테릭 액정일 수 있다.

또한 본 발명의 제3양태는 상기 제조방법으로 제조되는 광학필름을 제공한다.

기존의 스마트 윈도우 광학 필름은 대면적화 및 구동 전력, 가공 특성, 유연성 등에 다양한 문제를 가지고 있었지만, 본 발명의 물리적 겔과 고분자 격벽을 이용한 다기능성 스마트 윈도우 광학 필름을 통하여, 각종 외부 자극에 안정적이고, 전기적 구동 뿐만 아니라, 다양한 주변 환경에 감응하는 스마트 윈도우를 제작하는 기술을 확보할 수 있으며, 가공 특성, 유연성 등에서 기존의 기술보다 다양한 이점이 있는 진보된 기술을 확보할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 벤젠 코어와 바이페닐로 구성되는 겔형성기의 모양을 나타낸 모식도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예예 의한 겔형성기가 실린더형의 지지체를 형성한 것을 나타낸 모식도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 의한 겔형성기, 격벽 형성용 고분자 및 액정을 기판사이에 삽입하는 것을 나타낸 모식도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 의한 자외선을 이용한 격벽형성과정을 나타낸 모식도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 의한 열처리를 이용한 액정의 정렬 및 겔 지지체의 형성 과정을 나타낸 모식도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 의한 광학 필름에 열 및 자외선을 이용하여 작동실험을 한 결과 사진이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 의한 광학필름에 전기장을 이용하여 작동실험을 한 결과 사진이다.

이하에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐리게 할 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있음을 의미한다.

제1양태에 의한 본 발명은 하기의 화학식 1~5중 어느 하나의 화합물의 말단 R위치를 메조겐 화합물로 치환한 겔형성기(Gelator)를 제공한다.

[화학식 1]

(n은 1~100의 정수)

[화학식 2]

(n은 1~100의 정수)

[화학식 3]

[화학식 4]

(n은 1~100의 정수)

[화학식 5]

상기 화학식 1~5의 화합물은 다수개의 말단(R부분)을 가지는 화합물로 상기 화합물 이외에도 다수개의 말단을 가지는 화합물이라면 제한 없이 사용 될 수 있지만, 상기 화학식 1~5, 바람직하게는 화학식5의 화합물이 사용될 수 있다.

또한 상기 화학식 1~5의 화합물은 말단부분이 메조겐으로 치환되어 있는 것을 특징으로 할 수 있다. 상기 메조겐은 바이페놀 그룹을 포함하는 화합물이 사용될 수 있으며, 상기 메조겐은 광반응성 이성질화를 통하여 상기 겔형성기의 구조를 제어함과 더불어 다양한 조건에서 투과 및 반사를 유도할 수 있다. 또한 광반응성 이성질화를 포함하지 않는 메조겐도 사용가능하다.

아울러 상기 메조겐은 광학적 이성질체의 구조를 가지는 화합물이라면 제한 없이 사용될 수 있지만, 바람직하게는 하기의 화학식 6~8, 더욱 바람직하게는 화학식 6의 구조를 가지는 화합물이 사용될 수 있다.

[화학식 6]

(n은 1~100의 정수)

[화학식 7]

(n은 1~100의 정수)

[화학식 8]

(상기 R1, R2 및 R3는 수소, C1~C20의 알길그룹 또는 상기 화학식 6~7로 구성된 군에서 선택되는 1종 이상을 포함)

상기 겔형성기는 일정온도 이상에서는 용해되며, 상온에서는 겔을 형성하는 것이 바람직하다. 상기 겔형성기는 액정광학 필름에 사용시 액정 및 격벽 형성용 폴리머와 혼합되어 투입되며 격벽 형성이후 액정에 지지체를 형성하게 된다. 이때 액정의 정렬을 위하여 등방성 온도(isotropic 온도)이상으로 가열하게 되며, 이 온도에서 원활한 액정의 정렬을 위하여 액정의 등방성 온도 이상에서는 상기 겔형성기가 용해되는 것이 바람직하다. 또한 액정의 정렬이후 온도는 실온으로 낮추게 되면 상기 겔형성기는 물리적 겔을 형성하여 액정의 지지체가 되는 것이 바람직하다.

상기 겔형성기는 액정의 등방성온도에서 용해된 다음, 실온으로 냉각하는 과정에서 겔화되는데, 이때 상기 겔혈성기는 상호간의 분자간 결합을 통하여 실린더 형의 지지체를 형성할 수 있다. 상기 겔형성기는 상기 화학식 1~5의 구조를 가지는 코어 구조를 중심으로 말단이 메조겐으로 치환된 구조를 가진다. 이러한 겔형성기가 고온에서 용해된 다음, 냉각되는 경우 상기 메조겐의 상호작용으로 인하여 도 2에 나타난 바와 같이 실린더 형의 구조를 가지게 된다. 또한 상기 실린더 형의 구조는 좌우로도 연장되어 그물형의 구조를 가짐으로써 상기 겔형성기가 실온에서 겔을 형성하도록 한다.

이하 본 발명을 상세한 제조방법을 통하여 자세히 설명한다.

(a) 액정 주입단계

상기 겔형성기, 고분자 격벽 형성용 모노머 및 액정을 혼합하여 두 장의 전도성 기판사이에 주입한다. 이때 상기 전도성 기판은 유리, 금속, 탄소섬유, 실리콘 및 고분자 기판 중 사용목적에 따른 기판을 선택하여 자유롭게 사용가능하지만, 본 발명에서는 대면적의 광학필름 특히 스마트 윈도우에 사용되는 광학필름에 사용하기 위하여 고분자 기판을 사용하는 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 폴리에틸렌테레프탈레이트(polyehtyleneterephthalate), 폴리아크릴레이트(polyacrylate) 또는 폴리에틸렌(polyethylene)을 사용할 수 있다.

상기 고분자 격벽 형성용 모노머는 빛에 의하여 경화되는 포토레지스트 화합물을 사용할 수 있으며, 상기 액정은 액정을 형성할 수 있는 물질이면 자유롭게 사용가능하지만 바람직하게는 네마틱 또는 콜레스테릭 액정을 사용할 수 있다.

(b) 격벽 형성단계

상기와 같이 액정이 주입된 기판은 포토마스크에 의하여 격벽을 형성하게 된다. 상기 포토마스크는 일정형상을 가지는 탬플릿을 사용하거나, 기판상에 프리패턴 물질을 도포 또는 증착한 다음, 애칭을 통하여 포토마스크를 형성하는 것도 가능하다.

이때 상기 포토마스크는 리소그래피 또는 임프린팅 공정에 의하여 일정모양으로 형성될 수 있으며, 폴리스타이렌, 키토산, 폴리비닐알코올(polyvinylalcohol), 폴리메틸메타아크릴레이트(PMMA), 포토레지스트 화합물(photoresist) 또는 전도성 고분자가 포함될 수 있다.

상기 포토마스크가 애칭에 의하여 형성되는 경우, 밀링 또는 스퍼터링으로 수행하는 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 이온밀링으로 수행할 수 있다. 상기 밀링은 0.001mTorr~10mTorr의 압력하에서 기체를 이용하여 플라즈마를 형성한 다음 상기 플라즈마를 100V~700V로 가속화하여 수행되며, 시간은 20~200초인 것이 바람직하지만 이에 제한되는 것은 아니다. 또한 상기 이온 밀링에 사용되는 기체는 아르곤, 헬륨, 질소, 산소 및 이들의 혼합기체로 구성된 군에서 선택되는 것이 바람직하다.

상기 포토마스크가 기판상에 고정된 다음, 광조사를 수행하면 액정과 혼합된 고분자 격벽형성용 모노머가 격벽을 형성하게 된다. 이때 상기 격벽의 형성을 용이하게 하기 위하여 상기 액정에는 광개시제가 추가로 포함될 수 있고, 상기 광조사는 자외선, 적외선 또는 가시광선에 의하여 수행될 수 있으며, 바람직하게는 자외선(UV)를 통하여 수행될 수 있다.

상기 광개시제는 공지된 화합물을 사용할 수 있으며, 예를들면, 벤조인 화합물, 벤조페논 화합물, 알킬페논 화합물, 아실포스핀옥사이드 화합물, 트리아진 화합물, 요오드늄염 및 술포늄염 등이 있다.

(c) 액정의 정렬 및 지지체 형성

상기 (b)단계를 거쳐 격벽이 형성된 광학필름은 액정을 일방향으로 정렬하기 위하여 액정의 등방성 온도(isotropic 온도)까지 가열하게 된다. 이때 상기 겔형성기는 상기 등방성온도 이상에서는 용해되므로 액정의 정렬시 영향을 최소화할 수 있다. 상기와 같이 가열되어 액정이 정렬된 이후 상기 광학필름은 실온으로 냉각되는데, 이때 상기 겔형성기는 각 말단의 메조겐의 상호작용으로 인하여 그물형으로 상분리되어 물리적 겔을 형성하게 된다. 이때 상기 겔은 액정을 안정화 함과 더불어 중력 등의 외부힘에 의한 액정의 쏠림현상을 최소화하며, 곡면에서의 안정성을 증대시켜 곡면사용시에도 정확한 색상을 구현하는 것이 가능하다. 아울러 상기 그물형 겔은 액정의 물리적 안정화 뿐만 아니라 콜레스테릭 액정의 구조적 쌍 안정성을 유도할 수 있다. 이를 바탕으로 에너지 소모를 최소화 할 수 있을 뿐만 아니라, 상기 겔은 고분자네트워크에 비해 그 경화도가 낮기 때문에 액정의 전기장 구동시 매우 낮은 전력으로도 액정을 구조적으로 제어할 수 있다. 또한 상기 메조겐은 이성질체의 특성을 가지므로, 각 이성질체의 함량을 변화시켜 상변화, 투과, 산란 및 반사를 조절하는 것도 가능하다.

이하 실시예를 통하여 본 발명을 상세히 설명한다.

실시예 1

화학식 5의 말단부에 화학식 6의 메조겐을 아마이드 결합을 이용하여 치환한 화합물 2.5 중량% 및 네마틱 액정 97.5 중량%를 혼합한 다음 두 장의 고분자 전극 기판 사이에 주입하였다.

상기 기판을 온도를 섭시 70도까지 올렸다가 분당 섭씨 5도씩 내리면서, 상기 겔 형성기 물질과 액정간의 상호관계로 물리적 액정 겔을 형성하도록 하였다.

상기 완성된 기판에 전극을 설치하고 전원을 연결하여 광학 필름을 완성하였다. 완성된 광학 필름은 열 에너지, 자외선, 전기장 등에 반응하여, 쌍 안정성을 갖는 것을 확인할 수 있었다. 또한 도 6에 나타난 바와 같이 열 에너지와 자외선을 이용하여, 일정한 패턴의 빛의 차폐를 조율할 수 있었으며, 도 7에 나타난 바와 같이 전기장을 이용하여 조절하는 것도 가능하였다.

실시예 2

콜레스테릭 액정 상을 유도 할 수 있는 카이럴 도판트 10.85 중량%와 QLCR로 알려진 액정 89.15 중량%를 혼합하여, 콜레스테릭 상을 유도하였다.

상기 콜레스테릭 액정 혼합물에 PETA, THFA, IBMA등 광 중합성 단량체 혼합물을 각각 8, 46, 46 중량% 및 화학식 5의 말단부에 화학식 6의 메조겐을 아마이드 결합을 이용하여 치환한 화합물 2.5 중량%를 혼합한 다음, 두 장의 고분자 전극 기판 사이에 주입하였으며, 포토마스크를 상기 기판의 일측면에 부착한 다음, 자외선(UV, 254 nm)을 조사하여 고분자 격벽을 형성하였다.

실험결과 300 마이크로미터의 한 변을 갖는 사각형 형태의 고분자 격벽이 형성됨을 확인할 수 있었다.

이상으로 본 발명 내용의 특정한 부분을 상세히 기술하였는 바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 이러한 구체적 기술은 단지 바람직한 실시 양태일 뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백할 것이다. 따라서, 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 청구항들과 그것들의 등가물에 의하여 정의된다고 할 것이다.

Claims (9)

1. 하기의 화학식 1~5중 어느 하나의 화합물의 말단 R위치를 메조겐 화합물로 치환한 겔형성기(Gelator).
   [화학식 1]
   

   

   
   (n은 1~100의 정수)
   [화학식 2]
   

   

   
   (n은 1~100의 정수)
   [화학식 3]
   

   

   
   [화학식 4]
   

   

   
   (n은 1~100의 정수)
   [화학식 5]
   

   
2. 제1항에 있어서
   상기 메조겐 화합물은 하기의 화학식 6~8중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 겔형성기.
   [화학식 6]
   

   

   
   (n은 1~100의 정수)
   [화학식 7]
   

   

   
   (n은 1~100의 정수)
   [화학식 8]
   

   

   
   (상기 R1, R2 및 R3는 수소, C1~C20의 알길그룹 또는 상기 화학식 6~7로 구성된 군에서 선택되는 1종 이상을 포함)
3. 제1항에 있어서,
   상기 겔형성기는 액정광학 필름용인 것을 특징으로 하는 겔형성기.
4. 제3항에 있어서,
   상기 겔형성기는 액정의 등방성 온도(isotropic 온도)에서는 용해되며, 상온에서는 겔을 형성하는 것을 특징으로 하는 겔형성기.
5. 제1항에 있어서,
   상기 겔형성기는 상호간의 분자간 결합을 통하여 실린더 형의 지지체를 형성하는 것을 특징으로 하는 겔형성기.
6. (a) 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항의 겔형성기, 고분자 격벽 형성용 모노머 및 액정을 혼합하여 두 장의 전도성 기판사이에 주입하는 단계;
   (b) 상기 전도성 기판에 포토마스크를 통한 광조사를 수행하여 고분자 격벽을 형성하는 단계; 및
   (c) 상기 전도성 기판을 액정의 등방성 온도까지 가열한 다음, 실온으로 냉각하여 상기 겔형성기가 지지체 구조를 형성하도록 하는 단계;
   를 포함하는 광학 필름의 제조방법.
7. 제6항에 있어서,
   상기 전도성 기판은 고분자 기판인 것을 특징으로 하는 광학필름의 제조방법.
8. 제6항에 있어서,
   상기 액정은 네마틱 또는 콜레스테릭 액정인 것을 특징으로 하는 광학필름의 제조방법.
9. 제6항 내지 제8항 중 어느 한 항의 방법으로 제조되는 광학필름.

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