JP2022522614A - 光変調素子 - Google Patents

Abstract

本出願は、光変調素子に関する。本出願の光変調素子は、明るい透明モードと暗い散乱モードの間を可変することができ、二色性染料の析出及び消費電力の上昇なく、明暗比とヘイズ可変特性を向上させ得る。

Description

関連出願との相互引用

本出願は、２０１９年３月７日に出願された大韓民国特許出願第１０－２０１９－００２６１１４号に基づく優先権の利益を主張し、該当大韓民国特許出願の文献に開示されたすべての内容は本明細書の一部として組み込まれる。

技術分野

本出願は、光変調素子に関する。

光散乱素子は、光の透過モードと散乱モードの間を可変する素子を意味し得る。例えば、動的散乱（ｄｙｎａｍｉｃ ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ）モードは、ネマチック液晶に伝導性物質を添加することで光散乱モードを具現することができる。

動的散乱モードの液晶組成物に二色性吸収を有する染料を添加すると、明－透過モードと暗－散乱モードを具現して透明で明るい状態と不透明で暗い状態を具現することができる。動的散乱モードの液晶セルは、電圧のない状態では、垂直配向膜の配向力により液晶分子は均一な垂直配向を成し、液晶分子の配向によって染料も垂直に配向するため光吸収が最小になるので、透過モードを具現することができる。前記液晶セルに交流電圧を印加すると、液晶分子は、電場により分極が発生して水平配向を成すことになり、伝導性物質は、二つの電極の間で渦流を発生させて液晶分子の配向性を乱すことになる。染料も水平に配向して配向が乱れるので、光吸収が最大になって光散乱が発生して散乱モードを具現することができる。

このような動的散乱素子は、ＯＬＥＤ（Ｏｒｇａｎｉｃ ｌｉｇｈｔ ｅｍｉｔｔｉｎｇ ｄｅｖｉｃｅ）のような透明ディスプレイの遮光板やプロジエクター（ｐｒｏｊｅｃｔｏｒ）などのスクリーン（ｓｃｒｅｅｎ）の用途で用いられ得る。しかし、光散乱モードで透過率が１０％以上になると、後のイメージを遮断し得るが、黒い色の明度が灰色に落ちることになるので、ｓｅｃｏｎｄ ｄｉｓｐｌａｙの明度が非常に落ちることになる。これを解決するために、光散乱素子の透過率をより暗くし得る明暗比（ＣＲ、ｃｏｎｔｒａｓｔ ｒａｔｉｏ）を改善する努力が必要である（特許文献１：大韓民国特許公開公報第２０１４－００７０４８０号）。

本出願は、明るい透明モードと暗い散乱モードの間を可変することができ、二色性染料の析出及び消費電力の上昇なく、明暗比とヘイズ可変特性を向上させ得る光変調素子を提供する。

本出願は、光変調素子に関する。前記光変調素子は、光変調層を含むことができる。本出願で用語「光変調素子」または「光変調層」は、外部エネルギーの印加によって、例えば、外部エネルギーの印加有無によって、光を遮断又は透過できる機能を有する素子または層を意味することができる。

前記光変調素子は、外部エネルギーの印加によって、遮断状態と透過状態の間をスイッチングすることができる。前記遮断状態は、全体透過率が相対的に低い状態（以下、暗状態と称することができる。）及び／又はヘイズが相対的に高い状態（以下、散乱状態と称することができる。）を意味することができる。前記透過状態は、全体透過率が相対的に高い状態（以下、明状態と称することができる。）及び／又はヘイズが相対的に低い状態（以下、透明状態と称することができる。）を意味することができる。

前記光変調素子は、第１光変調層と第２光変調層を含むことができる。前記第１光変調層と第２光変調層は、互いに重畳して配置された状態で含まれていてもよい。これによって、前記第１光変調層を透過した光は、第２光変調層に入射され得、反対に、第２光変調層を透過した光も第１光変調層に入射され得る。図１は、上記のように互いに重畳されている第１光変調層１００及び第２光変調層２００の状態を模式的に示した図である。このような構造は、本明細書でダブルセル（ｄｏｕｂｌｅ ｃｅｌｌ）構造と呼称され得る。

第１光変調層と第２光変調層は、それぞれヘイズ可変層であってもよい。

本出願でヘイズ可変層は、外部エネルギーの印加によってヘイズが相異なる第１状態と第２状態の間でスイッチングされ得、第１状態と第２状態のヘイズの差が１０％以上、２０％以上、３０％以上、４０％以上、５０％以上、６０％以上、７０％以上又は８０％以上である層を意味することができる。

第１光変調層と第２光変調層は、それぞれ透過率可変層であってもよい。

本出願で透過率可変層は、外部エネルギーの印加によって全体透過率が相異なる第３状態と第４状態の間でスイッチングされ得、第３状態と第４状態の全体透過率の差が２０％以上、２５％以上、３０％以上又は４０％以上の層を意味することができる。

第１光変調層と第２光変調層は、それぞれ電圧が印加されない状態で明状態であるとともに透明状態であってもよく、電圧が印加された状態で暗状態であるとともに散乱状態であってもよい。

前記第１光変調層と第２光変調層を含む光変調素子も電圧が印加されない状態で明状態であるとともに透明状態であってもよく、電圧が印加された状態で暗状態であるとともに散乱状態であってもよい。

一つの例示で、第１光変調層と第２光変調層は、それぞれ電圧が印加されない状態で全体透過率が５０％以上であってもよく、ヘイズは、２０％以下、１５％以下又は１０％以下であってもよい。

一つの例示で、第１光変調層と第２光変調層は、それぞれ電圧が印加された状態で、例えば、６０Ｖの電圧が印加された状態で、全体透過率が２０％以下であってもよく、ヘイズは、８０％以上であってもよい。

本出願では、このような電気光学特性を有する第１光変調層と第２光変調層を重畳配向することで、明るい透明モードと暗い散乱モードの間を可変し得る光変調素子を提供すると共に、明暗比とヘイズ可変特性を向上させ得る。

前記光変調素子は、下記数式１で計算される明暗比（ＣＲ）が１０以上であってもよい。

［数式１］

ＣＲ＝Ｔ（０Ｖ）／Ｔ（６０Ｖ）

数式１で、Ｔ（０Ｖ）は、第１光変調層と第２光変調層にそれぞれ電圧が印加されない状態での光変調素子の全体透過率（％）であり、Ｔ（６０Ｖ）は、第１光変調層と第２光変調層にそれぞれ６０Ｖの電圧が印加された状態での光変調素子の全体透過率（％）である。

前記光変調素子は、下記数式２で計算されるヘイズ差（△Ｈ）が５０％以上であってもよい。前記ヘイズ差は、５０％以上、６０％以上、７０％以上、８０％以上又は８２％以上であってもい。

［数式２］

△Ｈ＝Ｈ（６０Ｖ）－Ｈ（０Ｖ）

数式２で、Ｈ（０Ｖ）は、第１光変調層と第２光変調層にそれぞれ電圧が印加されない状態での光変調素子のヘイズ（％）であり、Ｈ（６０Ｖ）は、第１光変調層と第２光変調層にそれぞれ６０Ｖの電圧が印加された状態での光変調素子のヘイズ（％）である。

本明細書で光変調層に対して説明しながら特に言及しない限り、第１光変調層と第２光変調層に全て適用され得る内容であってもよい。

前記第１光変調層と第２光変調層は、それぞれネマチック液晶を含む液晶層であってもよい。本明細書でネマチック液晶は、液晶分子の方向子（ｄｉｒｅｃｔｏｒ）が所定方向に整列されるが、層状構造又は平面構造は形成しない状態で配列される液晶相を有する液晶を意味することができる。

ネマチック液晶としては、電圧のような外部作用の印加により液晶の配向が変更され得るようにするという側面から、非反応性液晶化合物を用いることができる。本出願で非反応性液晶化合物は、反応性基、例えば、重合性基又は架橋性基を有しない液晶化合物を意味することができる。上記で重合性基又は架橋性基としては、アクリロイル基、アクリロイルオキシ基、メタクリロイル基、メタクリロイルオキシ基、カルボキシル基、ビニル基、エポキシ基などが例示され得るが、これに制限されず、重合性基又は架橋性基として知られている公知の反応性官能基が含まれ得る。

前記ネマチック液晶の誘電率異方性は、本出願の目的を損傷させない範囲内で適切に選択され得る。本明細書で用語「誘電率異方性（△ε）」は、液晶の水平誘電率（ε_／／）と垂直誘電率（ε_⊥）の差（ε_／／－ε_⊥）を意味する。また、本明細書で用語「水平誘電率（ε_／／）」は、液晶の光軸と印加電圧による電場の方向が実質的に水平となるように電圧を印加した状態で前記電場の方向に沿って測定した誘電率値を意味し、用語「垂直誘電率（ε_⊥）」は、液晶の光軸と印加電圧による電場の方向が実質的に垂直となるように電圧を印加した状態で前記電場の方向に沿って測定した誘電率値を意味する。

ネマチック液晶の誘電率異方性（△ε）は、負数であってもよい。この場合、前記ネマチック液晶の誘電率異方性（△ε）の絶対値は、例えば、約１～２０範囲内であってもよい。前記ネマチック液晶の誘電率異方性（△ε）の絶対値の下限は、１以上、２以上又は３以上であってもよく、前記ネマチック液晶の誘電率異方性（△ε）の絶対値の上限は、２０以下、１８以下、１６以下、１４以下、１２以下、１０以下、８以下又は６以下であってもよい。ネマチック液晶の誘電率異方性が前記範囲を満足する場合、低い駆動電圧でも駆動が可能であり、優れたヘイズ特性を示すことができるので、透明モードと散乱モードの間をスイッチングする液晶セルの具現に有利である。

ネマチック液晶の屈折率異方性は、目的物性、例えば、光変調素子のヘイズ特性を考慮して適切に選択され得る。用語「屈折率異方性」は、液晶の異常屈折率（ｅｘｔｒａｏｒｄｉｎａｒｙ ｒｅｆｒａｃｔｉｖｅ ｉｎｄｅｘ）と正常屈折率（ｏｒｄｉｎａｒｙ ｒｅｆｒａｃｔｉｖｅ ｉｎｄｅｘ）の差を意味することができる。液晶の屈折率異方性は、例えば、０．１以上、０．１２以上又は０．１５以上であってもよく、０．３以下、０．２５以下又は０．２３以下の範囲内にあってもよい。液晶の屈折率異方性が前記範囲を満足する場合、例えば、ヘイズ特性に優れた光変調素子を具現することができる。

第１光変調層と第２光変調層は、それぞれ二色性染料をさらに含むことができる。二色性染料は、光変調層または光変調素子が外部電圧の印加によって全体透過率に対する可変特性を示すようにすることができる。

本出願で用語「染料」は、可視光領域、例えば、４００ｎｍ～７００ｎｍ波長範囲内で少なくとも一部又は全体範囲内の光を集中的に吸収及び／又は変形させ得る物質を意味することができ、用語「異方性染料」は、前記可視光領域の少なくとも一部又は全体範囲で光の異方性吸収が可能な物質を意味することができる。

二色性染料としては、例えば、いわゆるホストゲスト（ｈｏｓｔ ｇｕｅｓｔ）効果により液晶化合物の整列状態によって整列され得る特性を有することが知られている公知の染料を選択して用いることができる。二色性染料としては、例えば、黒色染料（ｂｌａｃｋ ｄｙｅ）を用いることができる。このような染料としては、例えば、アゾ染料又はアントラキノン染料などが公知されているが、これに制限されるものではない。

二色性染料は、二色比（ｄｉｃｈｒｏｉｃ ｒａｔｉｏ）、すなわち、異方性染料の長軸方向に平行な偏光の吸収を前記長軸方向に垂直する方向に平行な偏光の吸収で割った値が５以上、６以上又は７以上である染料を用いることができる。前記染料は、可視光領域の波長範囲内、例えば、約３８０ｎｍ～７００ｎｍ又は約４００ｎｍ～７００ｎｍの波長範囲内で少なくとも一部の波長又はいずれか一つの波長で前記二色比を満足することができる。前記二色比の上限は、例えば、２０以下、１８以下、１６以下又は１４以下程度であってもよい。

二色性染料の光変調層内の割合は、目的とする明暗比又は透過率の可変特性を考慮して選択され得る。二色性染料の濃度を高めると、明暗比を改善することができるが、二色性染料の濃度が過度に高い場合、染料が析出する恐れがあり、濃度別透過率プロットを進行すると、染料の濃度が増加するほど散乱モードの透過率に対する減少幅が低くなる傾向がある。

ホスト液晶内で二色性染料の適切な溶解度を確保するという側面から、二色性染料は、５ｗｔ％以下、４ｗｔ％以下、３ｗｔ％以下、２．５ｗｔ％以下、２ｗｔ％以下又は１．５ｗｔ％以下の割合で含まれ得る。二色性染料の含量の下限は、例えば、０．０１ｗｔ％以上又は０．１ｗｔ％以上であってもよい。光変調層が後述するように伝導性添加剤をさらに含む場合、前記二色性染料の濃度（ｗｔ％）は、ネマチック液晶と伝導性添加剤の合計重量に対する二色性染料の重量の百分率で求められた値であってもよい。

第１光変調層と第２光変調層は、それぞれ伝導性添加剤をさらに含むことができる。伝導性添加剤は、光変調層または光変調素子が外部電圧の印加によってヘイズに対する可変特性を示すようにすることができる。

伝導性添加剤は、液晶層の伝導度を高めることで液晶層にＥＨＤＩ（Ｅｌｅｃｔｒｏｈｙｄｒｏ ｄｙｎａｍｉｃ ｉｎｓｔａｂｉｌｉｔｙ；電気流体力学的不安定状態）特性を具現する機能を行うことができる。伝導性添加剤とネマチック液晶を含む液晶層に垂直方向に交流電圧を印加する場合、散乱が発生できる。具体的に、液晶層の基板に垂直した方向に電場を印加する場合、液晶分子は、負の誘電率異方性のため水平に横になることになり、伝導性添加剤と二色性染料も従って横になることになる。このとき、伝導性添加剤の高い伝導度により不純イオンの交流電圧に対する移動性が大きくなるので、横になっている液晶分子に強い振動を与えることになる。分子の物理的な振動は、光の屈折率の振動を意味し、そのために光の散乱が発生できる。このような方式の散乱モードを動的散乱（Ｄｙｎａｍｉｃ ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ）モードと称することができる。

伝導性添加剤は、高伝導性化合物であってもよい。伝導性添加剤の電気伝導度は、例えば、２×１０^－４ｕＳ／ｃｍ～５×１０^－３ｕＳ／ｃｍ範囲内であってもよい。このような電気伝導度の範囲は、動的散乱モードの具現に適合である。

伝導性添加剤としては、例えば、液晶モノマー又は液晶単分子を用いることができる。本明細書で用語「液晶モノマー」は、液晶性を示すことができる部位、例えば、メソゲン骨格を含み、少なくとも一つの反応性官能基を含む化合物を意味することができる。このような液晶モノマーは、後述する反応性メソゲン（ｒｅａｃｔｉｖｅ ｍｅｓｏｇｅｎ）と呼称され得る。本明細書で用語「液晶単分子」は、液晶性を示すことができる部位、例えば、メソゲン骨格を含むが、反応性官能基を含まない化合物を意味することができる。

液晶モノマー又は液晶単分子以外にも、動的散乱モードを具現するための伝導性添加剤の種類は公知であり、例えば、イオン不純物、イオン性液体（ｉｏｎｉｃ ｌｉｑｕｉｄ）、塩（Ｓａｌｔ）、開始剤なども用いられ得る。イオン不純物としては、例えば、ＴＥＭＰＯ（２，２，６，６－Ｔｅｔｒａｍｅｔｈｙｌｐｉｐｅｒｉｄｉｎｅ－１－Ｏｘｙｌ Ｆｒｅｅ ｒａｄｉｃａｌ）などを用いることができ、イオン性液体としては、例えば、ＢＭＩＮ－ＢＦ４（［１－ｂｕｔｙｌ－３－ｍｅｔｈｙｌｉｍｉｄｅａｚｏｌｉｕｍ］ＢＦ４）などを用いることができ、塩としては、例えば、ＣＴＡＢ（Ｃｅｔｒｉｍｏｎｉｕｍ ｂｒｏｍｉｄｅ）、ＣＴＡＩ（Ｃｅｔｒｉｍｏｎｉｕｍ Ｉｏｄｉｄｅ）又はＣＴＡＩ_３（Ｃｅｔｒｉｍｏｎｉｕｍ ｔｒｉｉｏｄｉｄｅ）などを用いることができ、開始剤としては、例えば、ＴＰＯ（２，４，６－Ｔｒｉｍｅｔｈｙｌｂｅｎｚｏｙｌ－ｄｉｐｈｅｎｙｌ－ｐｈｏｓｐｈｉｎｅｏｘｉｄｅ）などを用いることができる。

一つの例示で、ホスト液晶に対する溶解度（ｓｏｌｕｂｉｌｉｔｙ）に優れ、分散特性の差を減らすと共に優れた物性の液晶層を形成するために、前記伝導性添加剤としては、反応性メソゲンを用いることができる。伝導性添加剤として反応性メソゲンは、ネマチック液晶媒質内での溶解度を確保することができるので、必要な場合、従来添加剤で用いられたイオン性化合物に比べてより多量の反応性メソゲンを自由に用いることができるので、液晶セルの製造において自由度を高めることができる。

上述したように、反応性メソゲンは、メソゲン骨格と少なくとも一つの反応性官能基を含む化合物であってもよい。前記反応性官能基としては、例えば、重合性官能基又は架橋性官能基が例示され得る。反応性メソゲンは、前記液晶層内で非反応の状態、すなわち、重合が行われていない状態で存在することができ、必要な場合には、少なくとも一部は重合されていてもよい。

反応性メソゲンは、多官能性反応性メソゲン又は単官能性反応性メソゲンを含むことができる。本明細書で用語「多官能性反応性メソゲン」は、前記メソゲンのうち反応性官能基を２個以上含む化合物を意味することができる。一つの例示で、多官能性反応性メソゲンは、反応性官能基を２個～１０個、２個～８個、２個～６個、２個～５個、２個～４個、２個～３個又は２個含むことができる。また、用語「単官能性反応性メソゲン」は、前記メソゲンのうち一つの反応性官能基を含む化合物を意味することができる。

前記反応性メソゲンは、例えば、下記化学式１で表示される化合物であってもよい。

［化学式１］

化学式１で、Ｐは、（メト）アクリレート基、カルボキシル基、ヒドロキシ基、ビニル基、エポキシ基又はニトロ基であり、
Ｘは、単一結合、置換又は非置換された炭素数１～１０のアルキレン基又は置換又は非置換された炭素数１～１０のアルコキシレン基であり、
Ｌは、単一結合、置換又は非置換された炭素数１～１０のアルキレン基、置換又は非置換された炭素数１～１０のアルケニレン基、置換又は非置換された炭素数１～１０のアルキニレン基、置換又は非置換された炭素数１～１０のアルコキシレン基、－Ｏ－又は－ＣＯＯ－であり、
Ｙは、水素、ハロゲン、シアノ基、置換又は非置換された炭素数１～１０のアルキル基又は、シアノ基、ハロゲン及びアルケニル基からなる群より選択された一つ以上の置換基によって置換又は非置換された炭素数１～１０のアルコキシ基である。

一つの例示で、伝導性添加剤又は反応性メソゲンは、前記ネマチック液晶１００重量部に対して０．１～３０重量部の割合で含まれ得る。具体的に、伝導性添加剤又は反応性メソゲンは、前記ネマチック液晶１００重量部に対して、０．１重量部以上、１重量部以上、２重量部以上、３重量部以上、４重量部以上、５重量部以上、６重量部以上、７重量部以上、８重量部以上、９重量部以上又は１０重量部以上の割合で、３０重量部以下、２８重量部以下、２６重量部以下、２４重量部以下、２２重量部以下、２０重量部以下、１８重量部以下、１６重量部以下、１４重量部以下又は１２重量部以下の割合で含まれ得る。伝導性添加剤又は反応性メソゲンの割合が前記範囲を満足する場合、前記目的とする物性を効果的に具現して駆動電圧特性及びヘイズ特性に優れた液晶セルを提供することができる。

光変調層は、イオン性化合物、例えば、上述したイオン性液体や塩などをできるだけ含まなくてもよい。このようなイオン性化合物は、液晶層の伝導度を調節するための添加剤として広く知られているが、このようなイオン性化合物は、ホスト液晶に対する溶解度が良くないので、液晶層の物性を悪化させ得る。したがって、光変調層内でのイオン性化合物の割合は、２重量％以下、１．５重量％以下、１重量％以下又は約０．７重量％以下であってもよい。前記イオン性化合物は、任意成分であるので、前記割合の下限は、０重量％である。

前記液晶層の伝導度は、例えば、水平伝導度（Ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙ）が１．０×１０^－４μＳ／ｃｍ以上であってもよい。このような範囲の水平伝導度を示すように液晶層を調節すると、動的散乱モードの具現に適合である。前記液晶層の水平伝導度は、他の例示で、２．０×１０^－４μＳ／ｃｍ以上、３．０×１０^－４μＳ／ｃｍ以上、４．０×１０^－４μＳ／ｃｍ以上、５．０×１０^－４μＳ／ｃｍ以上、６．０×１０^－４μＳ／ｃｍ以上、７．０×１０^－４μＳ／ｃｍ以上、８．０×１０^－４μＳ／ｃｍ以上、９．０×１０^－４μＳ／ｃｍ以上又は１．０×１０^－３μＳ／ｃｍ以上であってもよい。前記水平伝導度は、他の例示で、５．０×１０^－２μＳ／ｃｍ以下、３．０×１０^－２μＳ／ｃｍ以下、１．０×１０^－２μＳ／ｃｍ以下、９．０×１０^－３μＳ／ｃｍ以下、７．０×１０^－３μＳ／ｃｍ以下、５．０×１０^－３μＳ／ｃｍ以下、３．０×１０^－３μＳ／ｃｍ以下又は２．５×１０^－３μＳ／ｃｍ以下であってもよい。

一方、後述する垂直伝導度は、同様に前記液晶層に電圧を印加しながら測定した伝導度であって、前記液晶層の光軸と前記印加電圧による電場の方向が実質的に垂直となるように電圧を印加した状態で前記電場の方向に沿って測定した値であってもよい。上記で印加される電圧の測定周波数は、６０Ｈｚであり、測定電圧は、０．５Ｖであってもよい。

液晶層の光軸は、液晶化合物の種類によって決定され得る。例えば、液晶化合物がロッド（ｒｏｄ）形状であれば、液晶層の光軸は、前記液晶層に含まれる液晶化合物が配向された状態でその長軸方向を意味することができる。例えば、前記液晶層内の液晶化合物が前記液晶層の厚さ方向と平行に垂直配向されている状態であれば、前記水平伝導度は、前記液晶層の厚さ方向に沿って電場が形成されるように電圧を印加した状態で前記厚さ方向に沿って測定した伝導度であってもよい。また、液晶層内の液晶化合物がロッド（ｒｏｄ）形状であり、前記液晶化合物が液晶層内で水平配向された状態であれば、前記垂直伝導度は、前記液晶層に厚さ方向に電場が形成されるように電圧を印加しながら前記厚さ方向に測定した伝導度であってもよい。

一方、特に異に規定しない限り、本出願で、前記垂直又は水平伝導度は、上述したように液晶層に対して印加される電圧の測定周波数を６０Ｈｚにし、電圧は、０．５Ｖにした状態で、前記各方法によって常温で測定した伝導度を面積が１ｃｍ^２（横：１ｃｍ、縦：１ｃｍ）であり、厚さが１ｃｍである液晶層が示す数値に換算した値であってもよい。

前記換算に適用された数式は、下記数式３～５の通りである。

［数式３］

Ｃ＝１／ρ

［数式４］

Ｒ＝１／ＣＲ

［数式５］

Ｒ＝ρ×Ｄ／Ａ

数式３～５で、Ｃは、水平又は垂直伝導度であり、ρは、液晶層の比抵抗であり、ＣＲは、水平又は垂直伝導度の実測値であり、Ｒは、液晶層の抵抗であり、Ｄは、液晶層の厚さであり、Ａは、液晶層の面積である。

例えば、一定厚さ及び面積を有する液晶層に対して測定した伝導度の実測値（ＣＲ）を数式４に代入して抵抗（Ｒ）を求めた後、前記抵抗（Ｒ）及び数式５を用いて液晶層（面積：１ｃｍ^２（＝横：１ｃｍ、縦：１ｃｍ）、厚さ：１ｃｍ）の比抵抗（ρ）を求め、その比抵抗を数式３に代入して垂直又は水平伝導度を求めることができる。

また、上述したように、本出願で伝導度は、特に異に規定しない限り、測定周波数６０Ｈｚ及び測定電圧０．５Ｖ条件で測定した常温での伝導度を１ｃｍ^２（横：１ｃｍ、縦：１ｃｍ）であり、厚さが１ｃｍである液晶層が示す数値に換算した値であり、上記で伝導度は、測定機器（ＬＣＲ ｍｅｔｅｒ、Ａｇｌｉｅｎｔ社（製）、Ｅ４９８０Ａ）を用いて製造社のマニュアルによって測定できる。一方、本明細書で記載する物性のうち測定温度がその数値に影響を与える場合、特に異に規定しない限り、該当物性は、常温で測定した数値である。上記で用語「常温」は、加温したり減温しない自然そのままの温度であって、約１０℃～３０℃の範囲内のいずれか一つの温度、例えば、約２３℃又は約２５℃程度の温度を意味することができる。

上記で液晶層の垂直伝導度（ＶＣ）及び液晶層の水平伝導度（ＰＣ）の割合（ＰＣ／ＶＣ）は、約０．２以上、約０．２５以上、約０．３以上、約０．３５以上、約０．４以上、約０．４５以上、約０．５以上、約０．５５以上、約０．６以上、約０．６５以上又は約０．７以上であってもよい。また、前記割合（ＰＣ／ＶＣ）は、約２．５以下、約２．０以下、約１．５以下又は約１．０以下であってもよい。上記で液晶層の水平伝導度（ＰＣ）及び液晶層の垂直伝導度（ＶＣ）の割合（ＶＣ／ＰＣ）が、約２．０以下、約１．９以下、約１．８以下、約１．７以下、約１．６以下、約１．５以下、約１．４以下、約１．３以下、約１．２以下、約１．１以下又は約１．０以下であってもよい。また、前記割合（ＶＣ／ＰＣ）は、約０．５以上、約０．３以上、約０．２以上又は約０．１以上であってもよい。上記のような伝導度（ＰＣ、ＶＣ）も上述した添加剤の適切な添加によって調節が可能である。伝導度の割合（ＶＣ／ＰＣ及び／又はＰＣ／ＶＣ）を上記のように調節すると、液晶素子の駆動効率の側面で有利である。

第１光変調層と第２光変調層の厚さは、それぞれ４μｍ以上、６μｍ以上、８μｍ以上又は１０μｍ以上であってもよい。二色性染料の濃度が一定である場合、光変調層の厚さが厚いほど高い明暗比を示すことができる。ただし、厚さが過度に厚い場合、印加される電圧が大きく増加して消費電力が高くなる問題が起こるため、増加されるセルギャップによって染料を減らしても可変率に限界が発生し得る。このような点を考慮すると、前記厚さは、例えば、約２５μｍ以下であってもよい。

第１光変調層と第２光変調層は、外部エネルギーの印加によって一軸配向状態とランダム配向状態の間をスイッチングすることができる。前記一軸配向状態は、例えば、垂直配向状態であってもよい。

第１光変調層と第２光変調層は、電圧が印加されない状態でネマチック液晶及び二色性染料を一方向に整列された状態で含むことができる。一つの例示で、第１光変調層と第２光変調層は、それぞれ電圧が印加されない状態でネマチック液晶及び二色性染料を垂直配向された状態で含むことができる。

本出願で垂直配向状態は、液晶分子の光軸が液晶層と水平な面に対して成す角度が約７０度～９０度、７５度～９０度、８０度～９０度又は８５度～９０度である状態を意味することができる。本出願で水平配向状態は、液晶層と水平な面に対して成す角度が約０度～２０度、０度～１５度、０度～１０度又は０度～５度である状態を意味することができる。

光変調素子は、第１光変調層の両側に対向配置された第１基板と第２基板及び第２光変調層の両側に対向配置された第３基板と第４基板をさらに含むことができる。前記第１基板、第２基板、第３基板及び第４基板は、それぞれ基材層、電極層及び配向膜を順次に含むことができる。第１光変調層は、第１基板の配向膜と第２基板の配向膜に隣接できる。第２光変調層は、第３基板の配向膜と第４基板の配向膜に隣接できる。

第１基板、第１光変調層及び第２基板を含む構造を第１液晶セルと称することができ、第３基板、第２光変調層及び第４基板を含む構造を第２液晶セルと称することができる。このように２個の液晶セルを有する光変調素子をダブルセル構造の光変調素子と称することができる。

前記第１液晶セルと第２液晶セルは、粘着剤又は接着剤を媒介に付着されていてもよい。具体的に、第１液晶セルの第２基板と第２液晶セルの第３基板が前記粘着剤又は接着剤を媒介に付着されていてもよい。

前記接着剤又は粘着剤としては、光学素子を付着することに用いられる公知の透明接着剤を用いることができ、例えば、ＯＣＡ（Ｏｐｔｉｃａｌｌｙ ｃｌｅａｒ ａｄｈｅｓｉｖｅ）又はＯＣＲ（Ｏｐｔｉｃａｌｌｙ ｃｌｅａｒ ａｄｈｅｓｉｖｅ）を用いることができるが、これに制限されるものではない。前記粘着剤又は接着剤としては、アクリル系、シリコン系、エポキシ系粘着剤又は接着剤を用いることができるが、これに制限されるものではない。

前記基材層としては、特に制限なしに公知の素材を用いることができる。例えば、ガラス基材、シリコン基材又はプラスチックフィルム基材を用いることができる。前記基材は、光学的に等方性基材であるか又は位相差値を有する光学的に異方性である基材であってもよい。基材層には、必要に応じて、金、銀、二酸化ケイ素又は一酸化ケイ素などのケイ素化合物のコーティング層や、反射防止層などのコーティング層が存在してもよい。

前記プラスチックフィルム基材としては、ＴＡＣ（ｔｒｉａｃｅｔｙｌ ｃｅｌｌｕｌｏｓｅ）；ノルボルネン誘導体などのＣＯＰ（ｃｙｃｌｏ ｏｌｅｆｉｎ ｃｏｐｏｌｙｍｅｒ）；ＰＭＭＡ（ｐｏｌｙ（ｍｅｔｈｙｌ ｍｅｔｈａｃｒｙｌａｔｅ）；ＰＣ（ｐｏｌｙｃａｒｂｏｎａｔｅ）；ＰＥ（ｐｏｌｙｅｔｈｙｌｅｎｅ）；ＰＰ（ｐｏｌｙｐｒｏｐｙｌｅｎｅ）；ＰＶＡ（ｐｏｌｙｖｉｎｙｌ ａｌｃｏｈｏｌ）；ＤＡＣ（ｄｉａｃｅｔｙｌ ｃｅｌｌｕｌｏｓｅ）；Ｐａｃ（Ｐｏｌｙａｃｒｙｌａｔｅ）；ＰＥＳ（ｐｏｌｙ ｅｔｈｅｒ ｓｕｌｆｏｎｅ）；ＰＥＥＫ（ｐｏｌｙｅｔｈｅｒｅｔｈｅｒｋｅｔｏｎ）；ＰＰＳ（ｐｏｌｙｐｈｅｎｙｌｓｕｌｆｏｎｅ）、ＰＥＩ（ｐｏｌｙｅｔｈｅｒｉｍｉｄｅ）；ＰＥＮ（ｐｏｌｙｅｔｈｙｌｅｎｅｍａｐｈｔｈａｔｌａｔｅ）；ＰＥＴ（ｐｏｌｙｅｔｈｙｌｅｎｅｔｅｒｅｐｈｔａｌａｔｅ）；ＰＩ（ｐｏｌｙｉｍｉｄｅ）；ＰＳＦ（ｐｏｌｙｓｕｌｆｏｎｅ）；ＰＡＲ（ｐｏｌｙａｒｙｌａｔｅ）又は非晶質フッ素樹脂などを含むフィルム基材を用いることができるが、これに制限されるものではない。

前記第１基板、第２基板、第３基板及び第４基板に含まれる基材層は、それぞれ独立的にガラス基材又はプラスチックフィルム基材であってもよい。第１基板、第２基板、第３基板及び第４基板に含まれる基材層をそれぞれ第１基材層、第２基材層、第３基材層及び第４基材層と称することができる。

一つの例で、第１基材層、第２基材層、第３基材層及び第４基材層が全てガラス基材であってもよい。他の例で、第１基材層、第２基材層、第３基材層及び第４基材層が全てプラスチックフィルム基材であってもよい。他の例で、第１基材層と第２基材層は、ガラス基材であり、第３基材層と第４基材層は、プラスチックフィルム基材であってもよい。または、第１基材層と第２基材層は、プラスチックフィルム基材であり、第３基材層と第４基材層は、ガラス基材であってもよい。

前記第１基板、第２基板、第３基板及び第４基板に含まれるそれぞれの電極層は、液晶層内の液晶分子の整列状態を転換できるように液晶層に電界を印加することができる。電極層は、例えば、伝導性高分子、伝導性金属、伝導性ナノワイヤ又はＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ）などの金属酸化物などを蒸着して形成することができる。電極層は、透明性を有するように形成され得る。この分野では、透明電極層を形成することができる多様な素材及び形成方法が公知されており、このような方法は、全て適用され得る。必要な場合に、基板の表面に形成される電極層は、適切にパターン化されていてもよい。

前記第１基板、第２基板、第３基板及び第４基板に含まれるそれぞれの配向膜は、垂直配向膜であってもよい。垂直配向膜としては、隣接する液晶層内の液晶分子に対して垂直配向能を有する配向膜であれば、特に制限なしに選択して用いることができる。このような配向膜としては、例えば、ラビング配向膜のように接触式配向膜又は光配向膜化合物を含んで直線偏光の照射などのような非接触式方式によって配向特性を示すことができる公知の配向膜を用いることができる。

前記光変調素子は、光変調機能が要求される多様な用途に適用され得、例えば、スマートウィンドウ、ウィンドウ保護膜、フレキシブルディスプレイ素子、透明ディスプレイ用遮光板又はプロジエクター（ｐｒｏｊｅｃｔｏｒ）などのスクリーン（ｓｃｒｅｅｎ）用途に適用され得る。前記透明ディスプレイは、例えば、ＯＬＥＤであってもよい。

本出願の光変調素子は、明るい透明モードと暗い散乱モードの間を可変することができ、二色性染料の析出及び消費電力の上昇なく、明暗比とヘイズ可変特性を向上させ得る。

本出願の光変調素子を例示的に示す。 表１の実験結果グラフである。 表２の実験結果グラフである。 表３の実験結果グラフである。 表４の実験結果グラフである。

以下、本出願による実施例及び本出願によらない比較例を通じて本出願をより詳しく説明するが、本出願の範囲は、下記提示された実施例によって制限されるものではない。

測定例１．電気光学特性の測定

実施例及び比較例で製造された光変調素子に対して、ヘイズメータ（ＮＤＨ－５０００ＳＰ）を用い、ＡＳＴＭ Ｄ１００３規格によって、電圧印加によるヘイズ及び透過率を測定した。電圧の印加は、ＮＦ社のＥＣ１０００Ｓモデルの装備を用い、上下ＩＴＯ層にＡＣ電源を連結し、四角波形の電圧を６０Ｈｚ周波数で０～７０Ｖｒｍｓサイズで電圧を印加した。

具体的に、光を測定対象に透過させて積分球内に入射させ、この過程で光は、測定対象によって拡散光（ＤＴ、拡散して出光された全ての光の和を意味）と平行光（ＰＴ、拡散光を排除した正面方向の出光を意味）に分離されるが、この光は、積分球内で受光素子に集光され、集光される光を通じてヘイズの測定が可能である。前記過程による全体透過光（ＴＴ）は、前記拡散光（ＤＴ）と平行光（ＰＴ）の総合（ＤＴ＋ＰＴ）であり、ヘイズは、前記全体透過光に対する拡散光の百分率（Ｈａｚｅ（％）＝１００ＸＤＴ／ＴＴ）で規定され得る。下記試験例で全体透過率は、前記全体透過光（ＴＴ）を意味する。

比較例１：Ｓｉｎｇｌｅ ｃｅｌｌの製造

ＰＥＴ（ｐｏｌｙｅｔｈｙｌｅｎｅ ｔｅｒｅｐｈｔｈａｌａｔｅ）フィルム上にＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ）層が形成された厚さが５０μｍであるＰＥＴ－ＩＴＯフィルム（漢城社）を準備した。前記ＰＥＴ－ＩＴＯフィルムのＰＥＴ面には、保護フィルムとしてＰＥＴ材質の離型フィルムが付着されている。前記フィルムのＩＴＯ層上に垂直配向膜形成用組成物（ＲＮ－３９５４、Ｎｉｓｓａｎ社）を３＃ ｂａｒを用いてコーティングした後、１５０℃で２０分間硬化し、厚さが約２００ｎｍである垂直配向膜を形成することで、第１基板を製造した。

前記ＰＥＴ－ＩＴＯフィルムと同一のＰＥＴ－ＩＴＯフィルムのＩＴＯ層上に高さが８μｍであり、直径が１５μｍであるコラムスペーサーを２５０μｍ間隔で配置した。次に、第１基板と同一の方法で垂直配向膜を形成することで、第２基板を準備した。

１０ｍＬバイアル（ｖｉａｌ）にネマチック液晶（ＨＮＧ７２６２００－１００、ＨＣＣＨ社、誘電率異方性：－４．０、屈折率異方性：０．２２５）３．６ｇ、下記化学式Ａの伝導性添加剤０．４ｇ及び二色性染料（Ｘ１２、ＢＡＳＦ社）０．０６ｇを添加した後、１００℃で２４時間の間撹拌して液晶組成物を製造した。二色性染料の濃度は、ネマチック液晶と伝導性添加剤の合計重量に対する二色性染料の重量の百分率で計算でき、前記二色性染料の濃度は、１．５ｗｔ％である。

第２基板の配向膜表面上の縁部にシーラントをシールディスペンサー（ｓｅａｌｄｉｓｐｅｎｓｅｒ）で描いた。第２基板の配向膜上に前記液晶組成物を塗布した後、第１基板をラミネーションしてセルギャップが８μｍであり、面積が横×縦＝４．０ｃｍ×２．２ｃｍであるシングルセル構造の光変調素子を製造した。

［化学式Ａ］

比較例２～１４

セルギャップのサイズ及び染料の濃度を下記表１～４のように変更したこと以外は、比較例１と同一の方法でシングルセル構造の光変調素子を製造した。

比較例１～１４に対して、電圧が印加されない状態の全体透過率（Ｔ（０Ｖ））と６０Ｖ電圧が印加された状態の全体透過率（Ｔ（６０Ｖ））を測定し、その結果を下記表１～４に記載した。表１～４で、明暗比ＣＲは、Ｔ（０Ｖ）／Ｔ（６０Ｖ）の比である。図２、図３、図４及び図５は、それぞれ表１、表２、表３及び表４の実験結果グラフである。実験結果グラフで、ｙ軸は全体透過率（Ｔ．Ｔ）（％）を意味し、ｘ軸は二色性染料の濃度（％）を意味する。

比較例１５～１８

図２、図３、図４及び図５の実験結果グラフのトレンド線（ｔｒｅｎｄ ｌｉｎｅ）を用い、各セルギャップで電圧が印加されない状態（０Ｖ）で全体透過率が４０％になる二色性染料の濃度を求め、その濃度での６０Ｖ電圧印加時の全体透過率を求めて、下記表５に記載した。図２～図５の指数ｙ＝ａｅ^－ｂｘにおいて、ｙは全体透過率（Ｔ．Ｔ）（％）を意味し、ｘは二色性染料の濃度（％）を意味する。

前記表５から、セルギャップが低いほどＣＲ値が増加するが、１０以上のＣＲは得られないことが分かる。ＣＲ値を１０以上にするためには、二色性染料の濃度を５ｗｔ％以上にし、セルギャップは、８μｍ以下に低くならなければならない。しかし、これは染料の析出問題（ホスト液晶に対して染料の飽和濃度は約３ｗ％である。）を引き起こすことがあり、セルギャップの減少による工程性の問題が発生し得る。

比較例１９

セルギャップのサイズを１０μｍにし、二色性染料の濃度を１．７１ｗｔ％に変更したこと以外は、比較例１と同一の方法でシングルセル構造の光変調素子を製造した。

比較例２０

セルギャップのサイズを８μｍにし、二色性染料の濃度を２．２ｗｔ％に変更したこと以外は、比較例１と同一の方法でシングルセル構造の光変調素子を製造した。

実施例１

セルギャップのサイズを１０μｍにし、二色性染料の濃度を１．７１ｗｔ％に変更したこと以外は、比較例１と同一の方法でそれぞれ第１液晶セル及び第２液晶セルを製造した。第１液晶セルと第２液晶セルをＯＣＡ（ＬＧＣ、Ｖ３１０）接着剤を媒介に付着し、ダブルセル構造の光変調素子を製造した。

実施例２

セルギャップのサイズを８μｍにし、二色性染料の濃度を２．２ｗｔ％に変更したこと以外は、比較例１と同一の方法でそれぞれ第１液晶セル及び第２液晶セルを製造した。第１液晶セルと第２液晶セルをＯＣＡ（ＬＧＣ、Ｖ３１０）接着剤を媒介に付着し、ダブルセル構造の光変調素子を製造した。

実施例３

セルギャップのサイズを１０μｍにし、二色性染料の濃度を１．７１ｗｔ％に変更したこと以外は、比較例１と同一の方法で第１液晶セルを製造した。セルギャップのサイズを８μｍにし、二色性染料の濃度を２．２ｗｔ％に変更したこと以外は、比較例１と同一の方法で第２液晶セルを製造した。第１液晶セルと第２液晶セルをＯＣＡ（ＬＧＣ、Ｖ３１０）接着剤を媒介に付着し、ダブルセル構造の光変調素子を製造した。

実施例４

セルギャップのサイズを１０μｍにし、二色性染料の濃度を１．７１ｗｔ％に変更したこと以外は、比較例１と同一の方法で第１液晶セルを製造した。セルギャップのサイズを１２μｍにし、二色性染料の濃度を１ｗｔ％に変更したこと以外は、比較例１と同一の方法で第２液晶セルを製造した。第１液晶セルと第２液晶セルをＯＣＡ（ＬＧＣ、Ｖ３１０）接着剤を媒介に付着し、ダブルセル構造の光変調素子を製造した。

比較例１９、２０及び実施例１～４に対して、電圧が印加されない状態での全体透過率Ｔ（０Ｖ）とヘイズＨ（０Ｖ）及び６０Ｖ電圧が印加された状態での全体透過率Ｔ（６０Ｖ）とヘイズＨ（６０Ｖ）を測定し、その結果を下記表６～表１１に記載した。

比較例１９及び２０のシングルセル構造の光変調素子と実施例１～４のダブルセル構造の光変調素子は、全て染料析出の問題と工程性の問題はないが、実施例１～４が比較例１及び２に比べて明暗比（ＣＲ）とヘイズの可変特性において顕著に優れていることが分かる。

１００：第１光変調層、２００：第２光変調層

Claims (14)

1. ネマチック液晶及び二色性染料を含み、電圧が印加された状態で散乱モードを具現する第１光変調層及び
   ネマチック液晶及び二色性染料を含み、電圧が印加された状態で散乱モードを具現する第２光変調層を含み、
   前記第１光変調層と前記第２光変調層は、互いに重畳して配置された、
   光変調素子。
2. 前記光変調素子は、下記数式１で計算される明暗比（ＣＲ）が１０以上である、
   請求項１に記載の光変調素子：
   ［数式１］
   ＣＲ＝Ｔ（０Ｖ）／Ｔ（６０Ｖ）
   数式１で、
   Ｔ（０Ｖ）は、第１光変調層と第２光変調層にそれぞれ電圧が印加されない状態での光変調素子の全体透過率（％）であり、
   Ｔ（６０Ｖ）は、第１光変調層と第２光変調層にそれぞれ６０Ｖの電圧が印加された状態での光変調素子の全体透過率（％）である。
3. 前記光変調素子は、下記数式２で計算されるヘイズの差（△Ｈ）が５０％以上である、
   請求項１または２に記載の光変調素子：
   ［数式２］
   △Ｈ＝Ｈ（６０Ｖ）－Ｈ（０Ｖ）
   数式２で、
   Ｈ（０Ｖ）は、第１光変調層と第２光変調層にそれぞれ電圧が印加されない状態での光変調素子のヘイズ（％）であり、
   Ｈ（６０Ｖ）は、第１光変調層と第２光変調層にそれぞれ６０Ｖの電圧が印加された状態での光変調素子のヘイズ（％）である。
4. 前記第１光変調層と前記第２光変調層は、それぞれ電圧が印加されない状態で、前記ネマチック液晶及び二色性染料を垂直配向された状態で含む、
   請求項１から３のいずれか１項に記載の光変調素子。
5. 前記第１光変調層と前記第２光変調層にそれぞれ含まれるネマチック液晶は、負の誘電率異方性を有する、
   請求項１から４のいずれか１項に記載の光変調素子。
6. 前記第１光変調層と前記第２光変調層は、それぞれ伝導性添加剤をさらに含む、
   請求項１から５のいずれか１項に記載の光変調素子。
7. 前記伝導性添加剤の電気伝導度は、２×１０^－４ｕＳ／ｃｍ～５×１０^－３ｕＳ／ｃｍ範囲内である、
   請求項６に記載の光変調素子。
8. 前記伝導性添加剤は、反応性メソゲンを含む、
   請求項６または７に記載の光変調素子。
9. 前記伝導性添加剤は、下記化学式１で表示される化合物である、
   請求項６または７に記載の光変調素子：
   ［化学式１］
   

   

   化学式１で、
   Ｐは、（メト）アクリレート基、カルボキシル基、ヒドロキシ基、ビニル基、エポキシ基又はニトロ基であり、
   Ｘは、単一結合、置換又は非置換された炭素数１～１０のアルキレン基又は置換又は非置換された炭素数１～１０のアルコキシレン基であり、
   Ｌは、単一結合、置換又は非置換された炭素数１～１０のアルキレン基、置換又は非置換された炭素数１～１０のアルケニレン基、置換又は非置換された炭素数１～１０のアルキニレン基、置換又は非置換された炭素数１～１０のアルコキシレン基、－Ｏ－又は－ＣＯＯ－であり、
   Ｙは、水素、ハロゲン、シアノ基、置換又は非置換された炭素数１～１０のアルキル基又は、シアノ基、ハロゲン及びアルケニル基からなる群より選択された一つ以上の置換基によって置換又は非置換された炭素数１～１０のアルコキシ基である。
10. 前記第１光変調層と前記第２光変調層にそれぞれ含まれる二色性染料の濃度は、０．０１ｗｔ％～５ｗｔ％の範囲内である、
    請求項１から９のいずれか１項に記載の光変調素子。
11. 前記第１光変調層と前記第２光変調層の厚さは、それぞれ４μｍ～２５μｍ範囲内である、
    請求項１から１０のいずれか１項に記載の光変調素子。
12. 前記第１光変調層の両側に対向配置された第１基板と第２基板及び
    前記第２光変調層の両側に対向配置された第３基板と第４基板
    をさらに含み、
    前記第１基板、第２基板、第３基板及び第４基板は、それぞれ基材層、電極層及び垂直配向膜を順次に含む、
    請求項１から１１のいずれか１項に記載の光変調素子。
13. 前記第２基板と前記第３基板は、粘着剤又は接着剤を媒介に付着されている、
    請求項１２に記載の光変調素子。
14. 前記第１基板、第２基板、第３基板及び第４基板に含まれる基材層は、それぞれ独立的にガラス基材又はプラスチックフィルム基材である、
    請求項１２または１３に記載の光変調素子。

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