JP6326693B2 - 光学素子 - Google Patents

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Description

本発明は、光学素子及びその用途に関する。
サンルーフは、通常、車両の天井に存在する固定されたまたは作動(ベンティングまたはスライディング)する開口部(opening)を意味することで、光または新鮮な空気を車両の内部に流入させる機能をする。このようなサンルーフは、手動で作動するかまたはモータにより駆動することができ、サンルーフの形状、サイズまたはスタイルは、目的する用途によって多様な種類が存在する。例えば、サンルーフは、作動方式によって、ポップアップタイプサンルーフ、スポイラー(tile & slide)タイプサンルーフ、インビルトタイプサンルーフ、フォールディングタイプサンルーフ、トップマウントタイプサンルーフ、パノラミックルーフシステムタイプサンルーフ、除去可能なルーフパネル(t−topsまたはtarga roofts)タイプサンルーフまたはソーラータイプサンルーフなどに分類される。また、サンルーフの材料に対する研究も活発に進行されており、例えば、特許文献1(国際出願公開第2010−098576号)は、特定組成のガラス組成物を利用して紫外線及び太陽熱線の吸収が優秀なサンルーフを製造する技術を開示している。
本発明は、外部信号の印加有無によって透過度が可変する光学素子を提供する。また、本発明は、赤外線領域で低い透過度を有する複合層を利用して前記外部信号を印加することで、熱遮断効果を有する省エネルギー型光学素子を提供する。
本発明の例示的な光学素子は、偏光層、液晶層及び複合層を含むことができる。前記液晶層は、前記偏光層上に形成され、液晶化合物と二色性色素を含むことができる。前記複合層は、前記液晶層と隣接して存在することができ、第1酸化物層、金属層及び第2酸化物層を順に含むことができる。前記液晶化合物及び/または二色性色素は、配向された状態で存在することができ、前記液晶化合物は、前記複合層により印加される信号によって配向が変更されることができる。複合層は、液晶層の一側面に隣接して1個が存在するかまたは液晶層の両側面に隣接して2個が存在することができる。図1は、2個の複合層が液晶層の両側面に存在する場合を、例えば、偏光層101;前記偏光層上に形成された液晶層102及び前記液晶層の両側に配置された2個の複合層103A、103Bを含む光学素子を例示的に示す。
本発明の例示的な光学素子は、外部から印加される信号によって光透過度を可変することができる。前記外部から印加される信号は、例えば、前記複合層により印加される電圧であることができる。後述のように、複合層は、赤外線領域の光に対する低い透過度を有する。したがって、前記複合層により電圧を印加する場合、熱を遮断することができ、これによって、エネルギーを節減する効果がある。以下、前記光学素子をより具体的に説明する。
本明細書で「偏光層」は、入射光に対して選択的透過及び遮断特性、例えば、反射または吸収特性を示す機能性層を意味する。偏光層は、例えば、多様な方向に振動する入射光からいずれか一方向に振動する光は透過し、残りの方向に振動する光は遮断させる機能を有することができる。偏光層の種類は、特別に限定されず、例えば、反射型偏光層として、例えば、DBEF(Dual Brightness Enhancement Film)、リオトロピック液晶層(LLC層:Lyotropic Liquid Crystal)またはワイヤグリッド偏光子(wire grid polarizer)などを使用することができ、吸収型偏光層として、例えば、PVA延伸フィルムなどのような高分子延伸フィルムにヨードを染着した偏光子または配向された状態に重合された液晶をホストとし、前記液晶の配向によって配向された二色性色素をゲストとするゲスト−ホスト型偏光子を使用することができるが、これに限定されるものではない。
本発明で液晶層は、液晶化合物及び二色性色素を含むことができる。前記液晶層は、ゲスト−ホスト型液晶層であることができる。前記ゲスト−ホスト型液晶層は、液晶化合物の配列によって二色性色素が一緒に配列されて、染料の整列方向に平行な光は吸収し、垂直した光は透過させることで、非等方性光吸収効果を示すことができる。液晶層内の液晶化合物及び/または二色性色素は、外部から印加される信号によって整列方向が変換されることができる。この場合、前記外部から印加される信号は、液晶化合物及び/または二色性色素の整列を変更させるように実行されるすべての種類の信号を意味し、代表的な例としては、電圧の印加がある。
液晶化合物では、外部信号の印加によってその配向方向が変更されることができるものであれば、すべての種類の液晶化合物を使用することができる。例えば、液晶化合物では、スメクチック(smectic)液晶化合物、ネマチック(nematic)液晶化合物またはコレステリック(cholesteric)液晶化合物などを使用することができる。また、外部信号の印加によってその配向方向が変更されるように、液晶化合物は、例えば、重合性基または架橋性基を有しない化合物であることができる。
一つの例示で、液晶化合物では、ネマチック液晶化合物を使用することができる。前記化合物では、例えば、下記数式1を満足するネマチック液晶化合物を使用することができる。
数式1で、nは、液晶化合物の正常屈折率(ordinary refractive index)、例えば、ネマチック液晶化合物の短軸方向の屈折率であり、nは、液晶化合物の異常屈折率(extraordinary refractive index)、例えば、ネマチック液晶化合物の長軸方向の屈折率であり、bは、0.1≦b≦1を満足する数である。数式1を満足する液晶化合物を選択することで、電圧が印加されない状態でも優秀な透明性が確保される液晶セルを製作することができる。数式1で、bは、他の例示では、0.1〜0.9、0.1〜0.7、0.1〜0.5または0.1〜0.3であることができる。
また、液晶化合物は、異常誘電率(ε、extraordinary dielectric anisotropy、長軸方向の誘電率)と正常誘電率(ε、ordinary dielectric anisotropy、短軸方向の誘電率)の差が、3以上、3.5以上、4以上、6以上、8以上または10以上であることができる。このような誘電率を有することで、駆動電圧特性が優秀な素子を提供することができる。前記誘電率の差は、その数値が高いほど素子が適切な特性を示すことができることで、その上限は、特別に限定されない。例えば、液晶化合物では、異常誘電率(ε、extraordinary dielectric anisotropy、長軸方向の誘電率)が6〜50程度であり、正常誘電率(ε、ordinary dielectric anisotropy、短軸方向の誘電率)が2.5〜7程度である化合物を使用することができる。
本明細書で「染料」は、可視光領域、例えば、400nm〜700nmの波長範囲内で少なくとも一部または全体範囲内の光を集中的に吸収及び/または変形させることができる物質を意味し、用語「二色性色素」は、前記可視光領域の少なくとも一部また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。前記のような二色性色素の使用を通じて光学素子の光透過度を調節することができる。二色性色素では、特別に限定されず、例えば、黒色染料(black dye)またはカラー染料(color dye)を使用することができる。前記二色性色素は、二色比(dichroic ratio)、すなわち、二色性色素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分けた値が、5以上、6以上または7以上の染料を使用することができる。前記染料は、可視光領域の波長範囲内、例えば、約380nm〜700nmまたは約400nm〜700nmの波長範囲内で少なくとも一部の波長また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、18、16または14程度であることができる。二色性色素の種類は、特別に限定されず、例えば、前記のような特性を有しながら液晶化合物の配向によって配向される特性を有するものであれば、公知されたすべての種類の染料を使用することができる。
本発明の光学素子は、前記液晶層内に存在する液晶化合物及び/または二色性色素の配向を調節することで、前記二色性色素の配列方向と平行な方向の偏光及び垂直した方向の偏光に対する非等方性光吸収を調節することができる。例えば、液晶層内の液晶化合物及び/または二色性色素の配向は、外部信号の印加によって配向が調節されることができ、これによって、前記液晶層は、外部信号の印加有無によって非等方性光吸収を調節することができる。このような特性を有する液晶層を、いわゆる能動型偏光子(Active Polarizer)と称することができ、後述のように、外部信号の印加によって前記偏光層の透過軸及び/または吸収軸との関係を調節することで、光学素子の全体透過度を調節することができる。
一つの例示で、液晶層は、液晶化合物及び/または二色性色素の配向状態を水平配向(homogeneous alignment)状態、傾斜配向(tiltiedalignment)状態または垂直配向(homeotropicalignment)状態の間で相互スイッチング(switching)することで、偏光特性を調節することができる。
本明細書で水平配向は、液晶層の光軸が液晶層の平面に対して、約0度〜15度、約0度〜10度、約0度〜5度の範囲内の傾斜角を有する場合を意味することができる。また、本明細書で垂直配向は、液晶層の光軸が液晶層の平面に対して、約90度〜85度の傾斜角を有する場合を意味することができる。また、本明細書で傾斜配向は、液晶層の光軸が液晶層の平面に対して水平配向または垂直配向の以外の傾斜角を有する場合を意味することができ、例えば、液晶層の光軸が液晶層の平面に対して、約15度超過〜85度未満の傾斜角を有する場合を意味することができる。本明細書で用語「光軸」は、入射光が該当領域を透過する時の遅相軸を意味することができ、液晶化合物が棒(rod)形状の場合には、棒の長軸方向を意味することができ、液晶化合物が円盤(discostic)形状の場合には、円盤面の法線方向であることができる。
また、前記液晶層の水平配向、傾斜配向または垂直配向は、目的する光学素子の光透過度の調節が可能な実質的な水平配向、傾斜配向または垂直配向を意味し、この場合、液晶層の面方向位相差及び厚さ方向位相差は、特別に限定されない。
他の一つの例示で、光学素子は、前記のように液晶層のいずれか一面に偏光層が存在する場合だけではなく、対向する2個の偏光層の間に液晶層が存在する構造も含むことができる。この場合、液晶層は、水平配向状態で適切な光透過度の調節ができる限り、後述する厚さ方向位相差が所定範囲で存在することができ、垂直配向状態でも面方向位相差が所定範囲で存在することができるが、面方向位相差及び厚さ方向位相差が下記に限定されるものではない。
前記液晶層内の液晶化合物及び/または二色性色素が水平配向している状態で、液晶セルの面方向位相差(Rin)は、例えば、10nm以上、20nm以上、30nm以上、40nm以上、50nm以上、60nm以上、70nm以上、80nm以上、90nm以上、100nm以上、110nm以上、120nm以上、130nm以上または140nm以上であることができる。また、電圧の無印加状態で、前記液晶層の面方向の位相差の上限は、300nm以下、290nm以下、280nm以下、270nm以下、260nm以下、250nm以下、240nm以下、230nm以下、220nm以下、210nm以下、200nm以下、190nm以下、180nm以下、170nm以下または160nm以下であることができる。また、電圧印加によって液晶化合物及び/または二色性色素が垂直配向している状態で、前記液晶層の厚さ方向位相差(Rth)は、例えば、10nm以上、20nm以上、30nm以上、40nm以上、50nm以上、60nm以上、70nm以上、80nm以上、90nm以上、100nm以上、110nm以上、120nm以上、130nm以上または140nm以上になることができる。また、電圧が印加されると、液晶層の厚さ方向の位相差の上限は、300nm以下、290nm以下、280nm以下、270nm以下、260nm以下、250nm以下、240nm以下、230nm以下、220nm以下、210nm以下、200nm以下、190nm以下、180nm以下、170nm以下または160nm以下程度になることができる。
本明細書で用語「面方向位相差(Rin)」は、下記一般式1で計算される数値であり、用語「厚さ方向位相差(Rth)」は、下記一般式2で計算される数値である。
[一般式1]
[一般式2]
一般式1及び一般式2で、符号nx、ny、nz及びdは、各々液晶層の面内遅相軸方向の屈折率、面内進相軸方向の屈折率、厚さ方向の屈折率及び厚さを意味する。前記各屈折率は、例えば、550nm波長の光に対して測定された屈折率であることができる。前記を通じて、電圧無印加状態では透過モードが具現され、電圧印加状態では遮断モードが具現される光学素子を製造することができる。前記液晶層内の液晶化合物及び/または二色性色素の電圧印加または無印加時の配向状態と各状態による位相差は、前記光学素子が適用される用途によって適切な光透過度の調節効果が発揮されるように自由に調節されることができる。
一つの例示で、初期状態で液晶層内の液晶化合物及び/または二色性色素は、液晶層の光軸が液晶層の平面に対して、0度〜90度の傾斜角を成すように配向された状態で存在することができる。本明細書で「初期状態」は、液晶化合物及び/または二色性色素の配向に影響を及ぼすことができる外部信号が印加されない状態を意味することができる。一つの具体的な例示で、初期状態で液晶化合物及び/または二色性色素は、水平配向または垂直配向された状態で存在することができる。
また、初期状態で液晶化合物及び/または二色性色素は、液晶層の光軸が偏光層の吸収軸方向と0度〜90度の範囲を成すように配向された状態で存在することができる。一つの例示で、液晶層が水平配向状態で存在する場合にも液晶層の光軸と偏光層の吸収軸方向が成す角度を調節することで、光学素子の透過度を調節することができる。一つの例示で、液晶層の光軸が偏光層の吸収軸方向と成す角度が垂直を成す場合、光学素子の透過度を減少させることができ、液晶層の光軸が吸収軸方向と成す角度が平行を成す場合、光学素子の透過度を増加させることができる。
前記液晶化合物及び/または二色性色素は、偏光板の吸収軸といずれか一つの角度を成すように配向された状態で存在するか、例えば、偏光板の吸収軸と平行を成すように配向された状態で存在するかまたはツイスト配向された状態で存在することができる。本明細書で「ツイスト配向された状態」は、液晶化合物及び/または二色性色素の長軸が液晶層の平面と平行であるが、隣接する液晶化合物及び/または二色性色素の長軸の方向は少しずつ角度が変わってねじれて配列された状態を意味することができる。また、液晶層の駆動モードは、前記のような液晶化合物及び/または二色性色素の配向特性を示すことができる限り、特別に限定されない。例えば、液晶層は、ECB(Electrically Controlled Birefringence)モード、TN(Twisted Nematic)モードまたはSTN(Super Twisted Nematic)モードで駆動されることができるが、これに限定されるものではない。
上述のように、液晶層の液晶化合物及び/または二色性色素は、外部信号の印加によって初期状態の配向をスイッチングすることができる。一つの例示で、液晶層が初期状態で水平配向状態の場合、外部信号の印加によって垂直配向状態にスイッチングすることで、透過度を高めることができ、初期状態で垂直配向状態の場合、外部信号の印加によって水平配向状態にスイッチングすることで、透過度を減少させることができる。また、初期垂直配向状態から水平配向状態にスイッチングする際に、液晶化合物及び/または二色性色素の配向方向を決定するために、一定方向のプレチルト(Pre Tilt)が必要な場合がある。前記プレチルトを付与する方式は、特別に限定されず、例えば、意図するプレチルトを付与するように適切な配向膜を配置することで可能である。
前記液晶層の液晶化合物及び/または二色性色素が垂直配向された状態の場合、二色性色素の整列方向が下部に存在する偏光層の平面に対して垂直を成すので、偏光層を透過した光が液晶層の二色性色素に吸収されないで透過されることができ、これを通じて光学素子の透過度を増加させることができる。一方、液晶層の液晶化合物及び/または二色性色素が水平配向された状態の場合、二色性色素の整列方向が下部に存在する偏光層の平面に対して平行を成しているので、液晶層の光軸配向方向が偏光層の吸収軸に対して所定の角度を有するように配置する場合、偏光層を透過した光の一部を二色性色素に吸収させることができ、これを通じて光学素子の透過度を減少させることができる。
一つの例示で、光学素子は、液晶層に外部信号の印加有無によって透過モード及び遮断モードの間をスイッチングすることができる。光学素子は、例えば、液晶層に外部信号の印加によって可視光領域の透過率が20%以上の透過モードと可視光領域の透過率が3%以下の遮断モードの間をスイッチングすることができる。しかし、透過モード及び遮断モードの光透過率が前記に限定されるものではないで、上述のように液晶化合物及び/または二色性色素の配向特性を調節することで、より多様な光透過率範囲でも調節することができる。
一つの例示で、初期状態で液晶層が水平配向状態の場合、液晶層の光軸の配向方向が偏光層の吸収軸と所定の角度を成すように形成することで、遮断モードを具現することができ、外部信号の印加によって液晶層を垂直配向状態に転換する場合、光学素子の透過度が増加されて透過モードを具現することができる。他の一つの例示で、初期状態で液晶層が垂直配向状態の場合、光学素子は初期状態で透過モードを具現することができ、外部信号の印加によって液晶層を上述のプレチルトによって水平配向状態に転換する場合、液晶層の光軸の配向方向が偏光層の吸収軸と所定の角度を成すようにすることで、透過度を減少させることができ、この場合、光学素子は遮断モードを具現することができる。
光学素子は、液晶化合物及び/または二色性色素の初期整列状態を調節するために液晶層に隣接する配向膜をさらに含むことができる。配向膜では、特別な制限なしに公知の垂直または水平配向膜を使用することができる。このような配向膜は、ラビング配向膜のように接触式配向膜であるか、あるいは光配向性化合物を含み、例えば、直線偏光の照射などのような非接触式方式により配向特性を示すことができるものであれば、公知された配向膜を使用することができる。
前記液晶層がTNモードまたはSTNモードで駆動する場合、液晶層は、キラル剤(chiral agent)をさらに含むことができる。キラル剤は、前記液晶化合物及び/または二色性色素の分子配列が螺旋構造を有するように誘導することができる。前記キラル剤では、液晶性、例えば、ネマチック規則性を損傷させないで、目的する螺旋構造を誘発することができるものであれば、特別に制限なしに使用することができる。液晶に螺旋構造を誘発するためのキラル剤は、分子構造中にキラリティー(chirality)を少なくとも含む必要がある。キラル剤では、例えば、1個または2個以上の非対称炭素(asymmetric carbon)を有する化合物、キラルアミンまたはキラルスルホキシドなどのヘテロ原子上に非対称点(asymmetric point)がある化合物またはクムレン(cumulene)またはビナフトール(binaphthol)などの軸不斉を有する光学活性である部位(axially asymmetric optically active site)を有する化合物を例示することができる。キラル剤は、例えば、分子量が1,500以下の低分子化合物であることができる。キラル剤では、市販されるキラルネマチック液晶、例えば、Merck社で市販されるキラルドーパント液晶S−811またはBASF社のLC756などを使用してもよい。
また、液晶層は、柱パターンをさらに含むことができる。より具体的に、液晶層は、液晶層の上部及び下部に存在する2個の隣接する層の間で間隔を維持するように形成された柱パターンをさらに含むことができる。液晶層が偏光板と複合層の間に存在する場合、前記下部及び上部の層は、偏光板及び複合層であることができ、液晶層が2個の複合層の間に存在する場合、前記下部及び上部の層は、2個の複合層であることができる。液晶化合物及び/または二色性色素は、前記柱パターンが存在しない領域内に存在することができる。柱パターンは、例えば、液晶層に隣接して存在する上部及び下部層の中でいずれか一つの層上に形成されており、接着剤により他の一つの層に付着された状態で存在することができる。前記柱パターンと複合層を付着することができる接着剤は、柱パターンの柱面に存在することができ、接着剤の種類は、特別に限定されず、公知の光学素子接合用接着剤を使用することができる。
柱パターンは、硬化性樹脂を含むことができる。硬化性樹脂の種類は、特別に限定されず、例えば、加熱硬化性樹脂または光硬化性樹脂、例えば、紫外線硬化性樹脂を使用することができる。加熱硬化性樹脂では、例えば、シリコン樹脂、珪素樹脂、プラン樹脂、ポリウレタン樹脂、エポキシ樹脂、アミノ樹脂、フェノール樹脂、尿素樹脂、ポリエステル樹脂またはメラミン樹脂などを使用することができるが、これに限定されるものではない。紫外線硬化性樹脂では、代表的にアクリル重合体、例えば、ポリエステルアクリレート重合体、ポリスチレンアクリレート重合体、エポキシアクリレート重合体、ポリウレタンアクリレート重合体またはポリブタジエンアクリレート重合体、シリコンアクリレート重合体またはアルキルアクリレート重合体などを使用することができるが、これに限定されるものではない。
柱パターンの形状及び配列方式は、本発明の目的を損傷させない範囲内で、例えば、2個の複合層の間で一定間隔を維持するように形成される範囲内で適切に設計されることができる。柱パターンは、一つまたは二つ以上の柱形状が離隔されて存在するかまたは隔壁形状で区画を成すように存在してもよい。柱パターンの柱幅、間隔、厚さ液晶層内での面積の割合は、本発明の目的を損傷させない範囲内で適切に選択されることができる。例えば、柱の幅は、1μm〜500μmであることができ、柱間の間隔は、10μm〜5000μmであることができ、液晶層内の柱パターンの面積の割合は、液晶層の面積100%に対して約0.1%〜50%であることができる。また、柱の高さは、液晶層の厚さを考慮して、液晶層の厚さと類似な範囲内に適切に選択されることができる。
以下、前記複合層に対して具体的に説明する。複合層は、第1酸化層、金属層及び第2酸化物層を順に含むことができる。前記複合層は、液晶層に外部信号、例えば、電圧を印加する電極層の役目を実行することができる。前記複合層は、可視光領域で高い光透過率を有するので、透明性が優秀であり、赤外線領域で低い光透過率を有するので、熱を遮断する効果があるだけではなく、高い電気伝導度及び低い面抵抗値を有する。したがって、このような複合層は、エネルギー節減が可能であり、光学素子の電極層として有用に使われることができる。
複合層は、可視光領域、例えば、約400nm〜700nm範囲内のいずれか一つの波長または550nm波長の光に対する透過率が、80%以上、85%以上または90%以上であることができる。前記数値範囲を満足する複合層は、光学素子の電極層として有用に使われることができる。しかし、複合層の可視光領域の光透過率は、前記数値範囲に限定されるものではなくて、通常、透明電極で適用可能な程度の可視光領域の光透過率を有することができる。
複合層は、赤外線領域、例えば、約700nm〜1000nm範囲内のいずれか一つの波長または780nm以上の光に対する透過率が、70%以下、65%以下または60%以下であることができる。前記数値範囲を満足する複合層は、赤外線領域の熱を遮断することができるので、例えば、エネルギー節減が可能である。複合層の赤外線領域の光透過率の下限は、特別に限定されず、例えば、前記複合層がスマートウィンドウの電極層として使用される場合には、下限が0%〜5%であることができる。
複合層は、面抵抗値が20Ω/□以下、15Ω/□以下または10Ω/□以下であることができ、下限は、特別に限定されず、0.1Ω/□以上であることができる。前記数値範囲の面抵抗値を有する複合層が光学素子に適用される場合、消費電力を最小化することができるので、光学素子の効率を高めることができる長所がある。
複合層の可視光領域及び/または赤外線領域の光透過率、面抵抗などの特性は、例えば、第1酸化物層、金属層及び第2酸化物層の屈折率、厚さ、電気伝導度または材料などによって調節されることができる。本明細書で「酸化物層」は、酸化物を主成分で含む層を意味することができ、「金属層」は、金属を主成分で含む層を意味することができる。酸化物層は、例えば、酸化物を約80重量%以上含む層を意味することができ、金属層は、例えば、金属を約80重量%以上含む層を意味することができる。
一つの例示で、第1酸化物層の屈折率は、第2酸化物層に比べて高いことができ、金属層の屈折率は、第2酸化物層の屈折率に比べて低いことができる。
一つの例示で、前記金属層は、550nmの波長に対する屈折率が、0.1〜1.0の範囲内であることができる。より具体的に、前記金属層の550nmの波長の光に対する屈折率は、0.1以上、0.15以上、0.2以上、0.25以上、0.3以上、0.35以上、0.4以上、0.45以上または0.5以上であることができ、1.0以下、0.95以下、0.9以下、0.85以下、0.8以下、0.75以下、0.7以下、0.65以下、0.6以下または0.55以下であることができる。
また、前記第1酸化物層の550nmの波長の光に対する屈折率は、1.2〜2.8または1.9〜2.75の範囲内にあり、より具体的に、前記第1酸化物層の550nmの波長の光に対する屈折率は、1.2以上、1.25以上、1.3以上、1.35以上、1.4以上、1.45以上、1.5以上、1.55以上、1.6以上、1.65以上、1.7以上、1.75以上、1.8以上、1.85以上、1.9以上、1.95以上または2.0以上であることができ、2.8以下、2.75以下、2.7以下、2.65以下、2.6以下、2.55以下、2.5以下、2.45以下、2.4以下、2.35以下、2.3以下、2.25以下、2.2以下、2.15以下、2.1以下または2.05以下であることができる。
また、前記第2酸化物層の550nmの波長の光に対する屈折率は、1.5〜2.5の範囲内にあることができる。より具体的に、前記第2酸化物層の550nmの波長の光に対する屈折率は、1.5以上、1.55以上、1.6以上、1.65以上、1.7以上、1.75以上、1.8以上、1.85以上、1.9以上、1.95以上または2.0以上であることができ、2.5以下、2.45以下、2.4以下、2.35以下、2.3以下、2.25以下、2.2以下、2.15以下、2.1以下または2.0以下であることができる。前記屈折率は、例えば、M−2000装置[製造社:J. A. Woollam Co., Inc. (USA)]を使用して測定することができる。
金属層、第1酸化物層及び第2酸化物層が各々前記屈折率範囲を満足する場合に、複合層は、可視光領域の光透過率は高くて赤外線領域の光透過率は低いので、エネルギー節減型光学素子において透明電極層で有用に使われることができる。
前記第1酸化物層、金属層及び第2酸化物層の屈折率を前記範囲で調節する方式は、特別に限定されず、例えば、各層の厚さを調節するかまたは各層の蒸着工程条件を調節することで調節されることができる。具体的に、各層の蒸着条件を調節して結晶化度を調節することができ、これによって、同一な厚さ及び材料であっても屈折率が相異なっていることができるようになる。前記蒸着工程は、公知の蒸着方法により実行することができ、例えば、スパッタ方式により実行できる。より具体的に、第1酸化物層及び第2酸化物層は、例えば、RFスパッタ方式により蒸着されることができ、金属層は、例えば、DCスパッタ方式により蒸着されることができる。
一つの例示で、金属層の厚さは、5nm〜20nmの範囲内にあることができる。より具体的に、金属層の厚さは、5nm以上、6nm以上、7nm以上、8nm以上、9nm以上、10nm以上、11nm以上または12nm以上であることができ、20nm以下、19nm以下、18nm以下、17nm以下、16nm以下、15nm以下、14nm以下または13nm以下であることができる。金属層の厚さを前記範囲にする場合、金属層の屈折率を上述した範囲で調節することが容易である。また、金属層の厚さを前記厚さ範囲にする場合、金属層の連続的な膜形成が容易なので、優秀な電気伝導度及び低い抵抗を具現することができ、光学素子の可視光領域で光透過率を高めることができる。
また、金属層は、面抵抗値が20Ω/□以下、好ましくは、10Ω/□以下の伝導性金属を含むことができる。金属層に含まれる伝導性金属の電気伝導度が前記範囲の場合、複合層の面抵抗値を低めることができるので、光学素子の効率を高めることができる長所がある。
前記金属層は、例えば、銀(Ag)、アルミニウム(Al)、白金(Pt)、銅(Cu)または金(Au)などの金属を含むことができる。金属層は、例えば、銀を含むことができる。この場合に、複合層の製造過程または複合層が光学素子に含まれて使われる過程で、空気及び水分との接触によって金属層内に銀酸化物が一部含まれることができる。金属層が銀及び銀酸化物を含む場合に、前記銀酸化物は、前記金属層100重量%に対して0.1重量%以上〜50重量%以下で含まれることができる。
一つの例示で、第1酸化物層の厚さは、20nm〜60nmまたは40nm〜50nmの範囲内にあることができる。より具体的に、第1酸化物層の厚さは、20nm以上、25nm以上、30nm以上、35nm以上または40nm以上であり、60nm以下、55nm以下、50nm以下または45nm以下である。第1酸化物層の厚さを前記範囲にする場合、第1酸化物層の光に対する透過率または屈折率を上述した範囲で調節することが容易であり、第1酸化物層上に形成される金属層の蒸着の不良率を低めることができる。
一つの例示で、第2酸化物層の厚さは、10nm〜100nm、好ましくは、20nm〜60nmの範囲内にあることができる。より具体的に、第2酸化物層の厚さは、10nm以上、15nm以上、20nm以上、25nm以上、30nm以上、35nm以上、40nm以上、45nm以上または50nm以上であり、100nm以下、95nm以下、90nm以下、85nm以下、80nm以下、75nm以下、70nm以下、65nm以下、60nm以下または55nm以下であることができる。第2酸化物層の厚さを前記範囲にする場合、第2酸化物層の光に対する透過率または屈折率を上述した範囲で調節することが容易であり、優秀な電気伝導度及び低い抵抗値を有することができる長所がある。
第2酸化物層の比抵抗値は、例えば、1.0x10−5Ωcm〜1.0x10Ωcm、好ましくは、1.0x10−4Ωcm〜1.0x10Ωcmの範囲内にあることができる。第2酸化物層の比抵抗値を前記範囲にする場合、複合層の面抵抗値を低めることができるので、光学素子の効率を高めることができる長所がある。
第1酸化物層及び第2酸化物層は、各々アンチモン(Sb)、バリウム(Ba)、ガリウム(Ga)、ゲルマニウム(Ge)、ハフニウム(Hf)、インジウム(In)、ランタン(La)、マグネシウム(Mg)、セレン(Se)、珪素(Si)、タンタル(Ta)、チタン(Ti)、バナジウム(V)、イットリウム(Y)、亜鉛(Zn)及びジルコニウム(Zr)からなる群より選択される1種以上を含む金属を含む金属酸化物を含むことができる。
前記第2酸化物層は、ガリウム(Ga)、アルミニウム(Al)、ジルコニウム(Zr)、チタン(Ti)、ニオブ(Nb)、タンタル(Ta)、インジウム(In)及びバナジウム(V)からなる群より選択される1種以上の第2金属をさらに含むことができる。
第2酸化物層に含まれる金属は、例えば、ドーピング物質であることができる。第2酸化物層は、第2金属をさらに含んで光学素子で電極層として使われる場合、電子移動性を向上させることができ、前記第1酸化物層と同様に高屈折の特性を有しているので、光学設計を通じて前記複合層の可視光領域の光透過率を高めて、赤外線領域の光透過率を低めることができる。また、第2酸化物層は、電気伝導度を有しているので、金属層の電気伝導度を阻害しないで、前記複合層は多様な光学素子で低放射機能((Low−E)をする透明電極として役目をすることができる。
第2金属の第2酸化物層内での含量は、0.1重量%以上〜10重量%以下であることができる。第2酸化物層の屈折率は、例えば、前記第2金属の含量によって変化することができる。したがって、前記複合層の可視光領域の光透過率を最大で具現するように第2酸化物層内に第2金属の含量を調節する必要がある。また、第2酸化物層に含まれる第2金属は、第2酸化物層の電気伝導度に影響を及ぼす。第2金属の第2酸化物層内での含量が前記範囲を満足する場合、第2酸化物層は、最適の屈折率及び電気伝導度を具現することができる。
複合層の厚さは、本発明の目的を損傷させない範囲内で適切に選択されることができる。複合層の厚さは、例えば、可視光領域で高い光透過率、赤外線領域で低い光透過率、優秀な電気伝導度及び低い抵抗特性を示すために、50nm〜300nmまたは70nm〜200nmの範囲内に調節されることができる。
複合層は、基材層をさらに含むことができ、例えば、第1酸化物層が前記基材層に隣接するように存在することができる。基材層では、特別な制限なしに公知の素材を使用することができる。例えば、ガラスフィルム、結晶性または非結晶性シリコンフィルム、石英またはITO(Indium Tin Oxide)フィルムなどの無機系フィルムやプラスチックフィルムなどを使用することができる。基材層では、光学的に等方性である基材層や、位相差層のように光学的に異方性である基材層または偏光板やカラーフィルタ基板などを使用することができる。例えば、偏光層が基材層の内側、すなわち、液晶層と基材層との間に存在する場合には、基材層として異方性記基材層が使われる場合にも適切な性能の素子が具現されることができる。
プラスチック基材層では、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)または非晶質フッ素樹脂などを含む機材層を使用することができるが、これに限定されるものではない。基材層には、必要に応じて、金、銀、二酸化珪素または一酸化珪素などの珪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。
本発明で第2酸化物層は、第1酸化物層に比べて液晶層に隣接して存在することができる。また、複合層は、液晶層の両側に存在することができる。すなわち、液晶層は、対向配置された2個の複合層の間に配置されることができる。この場合に、両側に存在する複合層は、同一な屈折率、厚さまたは面抵抗などを有する同一な構造であるかまたは相異なっている屈折率、厚さまたは面抵抗などを有する独立的な構造を有することができる。
また、本発明は、前記光学素子の用途に関する。本発明の光学素子は、外部信号の印加有無によって透過度を可変することができ、また、赤外線領域の光に対して低い透過度を有する複合層を利用して外部信号を印加するので、熱を遮断してエネルギーを節減することができる。このような光学素子は、多様な光学装置に適用されて使われることができる。本発明の光学素子は、例えば、サンルーフに適用されて使われることができる。
本明細書で「サンルーフ」は、車両の天井に存在する固定されたまたは作動(ベンティングまたはスライディング)する開口部(opening)として、光または新鮮な空気を車両の内部に流入させる機能する装置を通称する意味である。本発明でサンルーフの作動方式は、特別に限定されず、例えば、手動で作動するかまたはモータで駆動することができ、サンルーフの形状、サイズまたはスタイルは、目的する用途によって適切に選択されることができる。例えば、サンルーフは、作動方式によって、ポップアップタイプサンルーフ、スポイラー(tile & slide)タイプサンルーフ、インビルトタイプサンルーフ、フォールディングタイプサンルーフ、トップマウントタイプサンルーフ、パノラミックルーフシステムタイプサンルーフ、除去可能なルーフパネル(t−topsまたはtarga roofts)タイプサンルーフまたはソーラータイプサンルーフなどを例示することができるが、これに限定されるものではない。
本発明の例示的なサンルーフは、本発明の前記光学素子を含むことができ、この場合、光学素子に対する具体的な事項は、前記光学素子の項目で記述した内容が同一に適用されることができる。
また、前記サンルーフは、紫外線遮断層をさらに含むことができる。本明細書で「紫外線遮断層」は、紫外線遮断機能を有する公知の機能性層を意味することができる。紫外線遮断層は、偏光層、液晶層または複合層の一側または両側に形成されていることができる。紫外線遮断層は、例えば、紫外線遮断層210A、201Bは、例えば、図2に示したように、サンルーフの最外郭側面に各々存在することができる。このような紫外線遮断層では、例えば、紫外線遮断粘着剤または紫外線遮断フィルムを使用することができる。紫外線遮断粘着剤では、公知の粘着剤成分に公知の紫外線遮断機能を有する添加剤を添加させたものを使用することができる。紫外線遮断フィルムでは、例えば、公知の粘着剤の一面に公知の紫外線遮断機能を有する添加剤を含む層を形成したものを使用することができる。紫外線遮断粘着剤では、例えば、DAIO Paper社のEW1501−D1−UV、EW1502−D1−UVまたはEW1504−D1−UVなどを使用することができるが、これに限定されるものではない。
本発明の光学素子は、外部信号の印加有無によって透過度を可変することができ、また、赤外線領域の光に対して低い透過度を有する複合層を利用して外部信号を印加することができるので、熱を遮断してエネルギーを節減することができる。このような光学素子は、多様な光学装置、例えば、サンルーフなどに有用に使われることができる。
光学素子を例示的に示した図である。 サンルーフの構造を例示的に示した図である。 実施例1の光学素子の構造を例示的に示した図である。 実施例1の光学素子の駆動電圧による透過度を示した図である。 実施例1の光学素子の透過率及び反射率を示した図である。 比較例1の光学素子の透過率及び反射率を示した図である。 実施例1及び比較例2の金属層の波長による特性を示した図である。 第1金属酸化物層及び第2金属酸化物層の屈折率による光透過率評価結果を示した図である。
以下、実施例及び比較例を通じて上述した技術内容をより詳しく説明するが、本発明の範囲は、下記提示された実施例により限定されるものではない。
<実施例1>
複合層の製造
ガラス基板上に、RF Sputter方式を利用して、CeOを35nmの厚さで蒸着して、第1金属酸化物層を形成した。前記第1金属酸化物層上に、DC sputter方式を利用して、1.5W/cm及び3mTorrの条件で、Agからなった金属層を10nmの厚さで蒸着し、前記金属層上に第2金属酸化物層としてGaをドーピングした酸化亜鉛層(GZO)を45nmの厚さで蒸着して、複合層を製造した。
この場合、各層の屈折率をM−2000装置[製造社:J. A. Woollam Co., Inc. (USA)]を利用して測定した結果、第1酸化物層の屈折率は、550nmの波長で2.34、金属層の屈折率は、550nmの波長で0.19、酸化亜鉛層の屈折率は、550nmの波長で1.94であった。
また、前記複合層をUV−vis spectrometerを利用して可視光透過率を測定した結果、550nmの波長で87.2%の透過率を示した。
さらに、前記複合層の面抵抗を面抵抗測定器で測定した結果、10Ω/□未満を示した。
サンルーフ用光学素子の製造
下記方法によって図3の構造のサンルーフ用光学素子を製造した。公知の吸収型線形偏光層101上に、OCA層301(DAIO Paper社のEW1501−D1−UV)を通じて前記製造された複合層の第1酸化物層がOCA表面に接するように複合層103Aを積層し、その後、前記複合層の第2酸化物層上に、液晶化合物(HPC21600、HCCH社製)及び前記液晶化合物100重量部に対して二色性色素(X12、BASF社製)を1〜3重量部の割合で含む液晶層102を形成した後、前記製造された他の一つの複合層の第2酸化物層が液晶層に接するように複合層103Bを積層して、光学素子を製造した。前記液晶層の光軸は、液晶層の平面に対して約0度〜15度の傾斜角を成すように、すなわち、液晶化合物及び/または二色性色素が水平配向するように形成し、液晶層の光軸は、前記吸収型線形偏光層の吸収軸と約90度の角度を成すように形成した。
<実施例2>
複合層として下記製造された複合層を使用したこと以外は、実施例1と同一な方法を実行して実施例2のサンルーフを製造した。
複合層の製造
ガラス基板上に、RF Sputter方式を利用して、CeOを30nmの厚さで蒸着して、第1金属酸化物層を形成した。前記第1金属酸化物層上に、DC sputter方式を利用して、1.5W/cm及び3mTorrの条件で、Agからなった金属層を10nmの厚さで蒸着し、前記金属層上に第2金属酸化物層としてAlをドーピングした酸化亜鉛層(AZO)を50nmの厚さで蒸着して、複合層を製造した。
この場合、第1金属酸化物層の屈折率は、550nmの波長で2.34、金属層の屈折率は、550nmの波長で0.19、第2金属酸化物層の屈折率は、550nmの波長で1.89であった。また、前記複合層をUV−vis spectrometerを利用して可視光透過率を測定した結果、550nmの波長で85.5%の透過率を示した。さらに、前記複合層の面抵抗を面抵抗測定器で測定した結果、10Ω/□未満を示した。
<比較例1>
複合層としてITO透明電極層を使用したこと以外は、実施例1と同一な方法を実行して比較例1のサンルーフを製造した。
<比較例2>
複合層として下記製造された複合層を使用したこと以外は、実施例1と同一な方法を実行して比較例2のサンルーフを製造した。
複合層の製造
ガラス基板上に、RF Sputter方式を利用して、CeOを35nmの厚さで蒸着して、第1金属酸化物層を形成した。前記第1金属酸化物層上に、DC sputter方式で、0.5W/cm及び15mTorrの条件で、Agを10nmの厚さで蒸着して金属層を形成した後、前記金属層上に、前記金属層上に第2金属酸化物層としてGaをドーピングした酸化亜鉛層(GZO)を45nmの厚さで蒸着して、複合層を製造した。
この場合、第1酸化物層の屈折率は、550nmの波長で2.34、金属層の屈折率は、550nmの波長で1.95、酸化亜鉛層の屈折率は550nmの波長で1.94であった。
また、前記金属層の面抵抗を面抵抗測定器で測定した結果、10Ω/□超過の値を示し、前記金属層をUV−vis spectrometerを利用して可視光透過率を測定した結果、550nmの波長で46.8%の透過率を示し、屈折率は、1.95で測定された。さらに、前記複合層をUV−vis spectrometerを利用して可視光透過率を測定した結果、550nmの波長で79.1%の透過率を示した。また、前記複合層の面抵抗を面抵抗測定器で測定した結果、10Ω/□超過の値を示した。
<比較例3>
複合層の製造時に、第1金属酸化物層を10nmで形成し、第2金属酸化物層の厚さを80nmで形成したこと以外は、実施例2と同一な方法を実行して比較例3のサンルーフを製造した。
前記複合層をUV−vis spectrometerを利用して可視光透過率を測定した結果、550nmの波長で72.6%の透過率を示した。
また、前記複合層の面抵抗を面抵抗測定器で測定した結果、10Ω/□超過の値を示した。
<評価例1>
実施例1で製造された光学素子に対して、液晶層の厚さを各々10μm及び15μmで形成し、複合層に垂直電界を印加することができる電源を連結した後、駆動電圧による光学素子の約550nmの光に対する透過度をヘーズメーターNDH 5000SP[製造社:Nippon Denshoku(JAPAN)]装置を利用して測定し、その結果を図4に示した。図4に示したように、電圧が印加されない状態では、低い透過度を示すことを確認することができ、電圧が印加されるほど液晶化合物及び二色性色素が垂直整列状態に変換されながら透過度が増加することを確認することができる。
<評価例2:透過度及び反射度の評価>
実施例及び比較例で製造された光学素子に対して、電圧が印加されない状態で透過度及び反射度を測定した。具体的に、Solid Spec−3700[製造社:shimadzu(JAPAN)]装置を利用して測定し、その結果を図5(実施例1)及び図6(比較例1)に各々示した。図5及び図6に示したように、本発明の複合層を透明電極層で使用した実施例の光学素子は、ITO透明電極層を使用した比較例1の光学素子に比べて、可視光領域では光透過率が類似であるが、赤外線領域では顕著に低い光透過率を示すことを確認することができる。
<評価例3:金属層の波長による屈折率及び吸収係数の評価>
実施例1及び比較例2で製造された金属層に対して、屈折率による屈折率及び吸収係数を評価し、その結果を図7に示した。図7で、nは、金属層の光の波長による屈折率を意味し、λは、光の波長を意味し、kは、金属層の光の波長による吸収係数を意味する。図7に示したように、同一な厚さで金属層を形成しても金属層の形成条件によって屈折率及び吸収係数が相異なっていることを確認することができる。
<評価例4:第1及び第2金属酸化物階の屈折率による複合層の透過率の評価>
実施例1及び実施例2と同一に光変調装置を製造するが、第1金属酸化物層及び第2金属酸化物層の屈折率を変化させながら、屈折率による複合層の550nm波長の光に対する透過率を評価し、その結果を図8に示した。図8に示したように、複合層の光透過率は、第1金属酸化物層及び第2金属酸化物層の屈折率により影響を受けることを確認することができる。特に、第1金属酸化物層及び第2金属酸化物層の屈折率範囲が本発明の範囲内に属する場合、550nm波長の光に対して約80%以上の優秀な光透過率を示すことを確認することができる。
101:偏光層
102:液晶層
103A、103B:複合層
201A、201B:紫外線遮断層
301:OCA層

Claims (17)

  1. 偏光層;前記偏光層上に形成され、液晶化合物と二色性色素とを含む液晶層;及び前記液晶層と隣接して存在し、順次形成された第1酸化物層、金属層及び第2酸化物層を含む複合層を含み、前記液晶層の液晶化合物の配向方向が前記複合層により印加される信号によって変更されることができるように設置されており、前記複合層は、780nmの波長の光の透過率は70%以下であり、550nmの波長の光の透過率は80%以上であり、前記第1酸化物層の屈折率が前記第2酸化物層の屈折率に比べて高くて、前記金属層の屈折率が前記第2酸化物層の屈折率に比べて低く、550nmの波長の光に対して前記第1酸化物層の屈折率は1.5超〜2.8の範囲内であり、第2酸化物層の屈折率は1.5〜2.5の範囲内である光学素子。
  2. 初期状態で液晶層は、光軸が液晶層の平面に対して、0度〜90度の傾斜角を成すように配向された状態で存在する請求項1に記載の光学素子。
  3. 初期状態で液晶層は、光軸が偏光板の吸収軸方向と0度〜90度範囲内の角度を成すように配向された状態で存在する請求項1または2に記載の光学素子。
  4. 液晶化合物及び二色性色素は、外部信号の印加によって配向がスイッチング可能に液晶層内に存在する請求項1〜3のいずれか一項に記載の光学素子。
  5. 液晶層と隣接して存在する配向層をさらに含む請求項1〜4のいずれか一項に記載の光学素子。
  6. 液晶層は、外部信号の印加によって可視光領域の透過率が20%以上の透過モードと可視光領域の透過率が3%以下の遮断モードの間をスイッチングすることができるように配置されている請求項1〜5のいずれか一項に記載の光学素子。
  7. 二色性色素は、二色比が5〜20の範囲内である請求項1〜6のいずれか一項に記載の光学素子。
  8. 複合層は、面抵抗が20Ω/□以下である請求項1〜のいずれか一項に記載の光学素子。
  9. 金属層は、550nmの波長に対する屈折率が0.1〜1の範囲内にある請求項1〜のいずれか一項に記載の光学素子。
  10. 金属層は、厚さが5nm〜20nmの範囲内にある請求項1〜のいずれか一項に記載の光学素子。
  11. 金属層は、面抵抗値が20Ω/□以下の伝導性金属を含む請求項1〜10のいずれか一項に記載の光学素子。
  12. 第1酸化物層は、厚さが20nm〜60nmの範囲内であり、第2酸化物層は、厚さが10nm〜100nmの範囲内である請求項1〜11のいずれか一項に記載の光学素子。
  13. 第2酸化物層は、比抵抗値が1.0x10−5Ωcm〜1.0x10Ωcmの範囲内にある請求項1〜12のいずれか一項に記載の光学素子。
  14. 第1酸化物層及び第2酸化物層は、各々アンチモン(Sb)、バリウム(Ba)、ガリウム(Ga)、ゲルマニウム(Ge)、ハフニウム(Hf)、インジウム(In)、ランタン(La)、マグネシウム(Mg)、セレン(Se)、珪素(Si)、タンタル(Ta)、チタン(Ti)、バナジウム(V)、イットリウム(Y)、亜鉛(Zn)及びジルコニウム(Zr)からなる群より選択される1種以上を含む金属を含む金属酸化物層である請求項1〜13のいずれか一項に記載の光学素子。
  15. 前記第2酸化物層は、ガリウム(Ga)、アルミニウム(Al)、ジルコニウム(Zr)、チタン(Ti)、ニオブ(Nb)、タンタル(Ta)、インジウム(In)及びバナジウム(V)からなる群より選択される1種以上の第2金属をさらに含む請求項14に記載の光学素子。
  16. 第2酸化物層が第1酸化物層に比べて液晶層に隣接して存在する請求項1〜15のいずれか一項に記載の光学素子。
  17. 請求項1〜16のいずれか一項に記載の光学素子を含むサンルーフ。
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