KR100338309B1 - 액정복합체및이의제조방법 - Google Patents

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KR100338309B1
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디지오 캐틀린
곤잘레스 앤
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엣킨스 해리트
쳉 진롱
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레이켐 코포레이션
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Abstract

본 발명은, 액정 물질의 소적이 중합체 매트릭스 중에 분산되는 액정 물질 장치를 제조하는 방법에 관한 것이다. 1 개 이상의 추가적 물질이 상기 액정 물질을 중합체 매트릭스 물질로부터 부분적으로 분리시킨다. 상기 구조는, 상기 중합체 매트릭스가 조건 특성을 기본으로 선택되고, 상기 추가적 물질이 액정 물질과의 배향성 상호 작용을 기본으로 선택되는 것을 가능하게 한다. 상기 장치로부터 제조된 광 밸브는 개선된 전자-광학적 특성을 나타낸다.

Description

액정 복합체 및 이의 제조 방법
발명의 기술분야
본 발명은 광 밸브에서 사용되기에 적합한 액정 복합체 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.
발명의 분야
진자 광학적 활성 요소가 액정 복합체인 액정 광 밸브가 공지되어 있다. 상기 복합체는 중합체 매트릭스내에 분산되거나, 캡슐화되거나, 포함되거나 기타 다른 방법으로 함유된 소량 또는 다량의 액정 물질을 포함한다. 예시 문헌으로는 퍼가손(Fergason)의 미국 특허 제 4,435,047호 (1984) ("퍼가손 '047"); 웨스트(West) 등의 미국 특허 제 4,685,771호 (1987); 펄만(Pearlman)의 미국 특허 제 4,992,201호 (1991); 다이니폰 잉크(Dainippon Ink)의 유럽 특허 제 0,313,053호 (1989)가 있다. 이러한 광 밸브는 표시판 및 원도우 또는 프라이버시 패널에서 사용될 수 있다.
또한, 중합체 매트릭스 및 액정 물질 사이에 추가 물질이 배치되는 개념이 종래에 제시되었다 [참고 문헌: 퍼가손 '047; 퍼가손 등의 미국 특허 제 4,950,052호 (1990) ("퍼가손 '052"); 및 레이켐의 WO 93/18431호 (1993)("레이켐 '431")]. 상기 추가 물질을 사용하는 목적은 적정 물질의 부피를 손실없이 유지시키고, 복합체의 전자 광학 특성을 변화시키는 것으로서 다양하게 언급되어 왔다.
그러나, 이러한 삽입된 추가 물질을 이용하여 복합체를 형성하는 공지된 기술들은 특정한 것으로서, 광범위한 종류의 물질에 일반적으로 적용되지 않는다. 본 발명은 개선되고, 더욱 일반적으로 적용될 수 있는 복합체 제조 방법을 제공한다.
발명의 요약
다량의 액정 물질을 캡슐화 물질중에 분산시키고, 액정 물질과 캡슐화 물질 사이에 배치된 계면 물질로 액정 물질 일부 또는 전체를 캡슐화 물질로부터 분리시키는 액정 복합체 제조 방법으로서,
(a) (i) 다량의 액정 물질이 캡슐화 물질중에 함유되고, (ii) 계면 물질 또는 이의 전구체가 액정 물질과 함께 이들이 상호 용해될 수 있는 임의의 용매중에 용해되어 균일한 용액을 형성하는 조건하에서, 캡슐화 물질, 계면물질 또는 이의 전구체, 액정 물질 및 수성 담체 매질을 포함하는 에멀션을 형성시키는 단계;
(b) 용매를 증발시키거나, 계면 물질 또는 이의 전구체가 액정 물질중에 불용성이 되는 저온으로 에멀션의 온도를 감소시킴으로써, 계면 물질 또는 이의 전구체를 액정 물질로부터 상분리시키고, 액정 물질과 캡슐화 물질 사이에 침착시키는 단계;
(C) 계면 물질의 전구체를 중합시켜 전구체를 함유하는 계면 물질을 형성시키는 단계: 및
(d) 수성 담체 매질을 제거하는 단계를 포함하는 방법이 제공된다.
바람직한 제 1 구체예에서, 본 발명의 방법은,
(a) (i) 다량의 액정 물질이 캡슐화 물질중에 함유되고, (ii) 계면 물질이액정 물질과 함께 이들이 상호 용해될 수 있는 임의의 용매중에 용해되어 균일한 용액을 형성하는 조건하에서, 캡슐화 물질, 계면 물질, 액정 물질 및 수성 담체 매질을 포함하는 에멀션을 형성시키는 단계;
(b) 용매를 증발시킴으로써 계면 물질을 액정 물질로부터 상분리시키고, 액정 물질과 캡슐화 물질 사이에 침착시키는 단계; 및
(c) 수성 담체 매질을 제거시키는 단계를 포함한다.
바람직한 제 2 구체예에서, 본 발명의 방법은,
(a) (i) 다량의 액정 물질이 캡슐화 물질중에 함유되고, (ii) 계면 물질 전구체가 액정 물질과 함께 이들이 상호 용해될 수 있는 임의의 용매중에 용해되어 균일한 용액을 형성하는 조절하에서, 캡슐화 물질, 계면 물질 전구체, 액정 물질 및 수성 담체 매질을 포함하는 에멀션을 형성시키는 단계;
(b) 용매를 증발시킴으로써 계면 물질 전구체를 액정 물질로부터 상분리시키고, 액정 물질과 캡슐화 물질 사이에 침착시키는 단계;
(c) 계면 물질 전구체를 중합시켜 계면 물질을 형성시키는 단계; 및
(d) 수성 담체 매질을 제거시키는 단계를 포함한다.
바람직한 제 3구체예에서, 본 발명의 방법은,
(a) (i) 다량의 액정 물질이 캡슐화 물질중에 함유되고, (ii) 계면 물질이 액정 물질과 함께 균일한 용액을 형성하는 조건하에서, 제 1 온도인 T1이상에서 캡슐화 물질, 계면 물질, 액정 물질 및 수성 담체 매질을 포함하는 에멀션을 형성시키는 단계;
(b) 에멀션의 온도를 계면 물질이 액정 물질 중에 불용성이되는 제 2 온도인 T2이하로 감소시킴으로써, 계면 물질을 액정 물질로부터 상 분리시키고, 액정 물질과 캡슐화 물질 사이에 침착시키는 단계; 및
(c) 수성 담체 매질을 제거시키는 단계를 포함한다.
바람직한 제 4구체예에서, 본 발명의 방법은,
(a) (i) 다량의 액정 물질이 캡슐화 물질중에 함유되고, (ii) 계면 물질 전구체가 액정 물질과 함께 균일한 용액을 형성하는 조건하에서, 제 1 온도인 T1이상에서 캡슐화 물질, 계면 물질 전구체, 액정 물질 및 수성 담체 매질을 포함하는 에멀션을 형성시키는 단계;
(b) 에멀션의 온도를 계면 물질 전구체가 액정 물질 중에 불용성이되는 제 2 온도인 T2이하로 감소시킴으로써, 계면 물질을 액정 물질로부터 상 분리시키고, 액정 물질과 캡슐화 물질 사이에 침착시키는 단계;
(c) 계면 물질 전구체를 중합시켜 계면 물질을 형성시키는 단계; 및
(d) 수성 담체 매질을 제거시키는 단계를 포함한다.
그밖의 구체예에는, 액정 물질 주위에 연속적으로 배치되는 계면 물질 및 캡슐화 물질에 의해, 액정 물질 일부 또는 전체를 매트릭스 물질로부터 분리되는, 매트릭스 물질중에 분산된 다량의 액정 물질을 포함하는 액정 복합체가 제공된다.
또 다른 구체예에는, 액정 물질 주위에 연속적으로 배치되는 계면 물질 및캡슐화 물질에 의해, 액정 물질 일부 또는 전체를 매트릭스 물질로부터 분리되는, 매트릭스 물질중에 분산된 다량의 액정 물질을 포함하는 액정 복합체를 제조하는 방법으로서,
(a) 액정 물질이 계면 물질 및 캡슐화 물질에 의해 연속적으로 둘러싸인 캡슐을 형성시키는 단계:
(b) 캡슐을, 매트릭스 물질 또는 이의 전구체를 함유하는 매질중에 분산시키는 단계; 및
(c) 매트릭스 물질 또는 이의 전구체를 캡슐 주위에 배치시킴으로써, 액정 복합체를 형성시키는 단계를 포함하는 방법이 제공된다.
도
제 1a 및 1b도는 종래의 액정 복합체로부터 제조된 광 밸브를 도시한 것이다.
제 2a 및 2b 도는 본 발명에 따라 제조된 액정 복합체로부터 제조된 광 밸브를 도시한 것이다.
제 3도는 본 발명에 따른 액정 복합체를 도시한 것이다.
제 4도는 본 발명의 액정 복합체에 대해서 편광 광학 현미경으로 얻은 데이터를 도시한 것이다.
제 5a, 5b 및 6 도는 본 발명의 액정 복합체의 탄소-13 NMR 데이터를 도시한 것이다.
바람직한 구체예의 설명
제 1a 도는 퍼가손의 '047호에 기재된 것과 같은 액정 복합체로부터 제조된 종래의 광 밸브를 도시한 것이다. 광 밸브(10)를 양의 유전 비등방성을 갖는 네마틱 액정 물질(13)의 소적 또는 덩어리(12)가 캡슐화 물질(14)중에 분산된 액정 복합체(11)를 포함한다. 복합체(11)은 산화 인듐 주석("ITO")과 같은 투명 도체로 제조된, 제 1 및 제 2 전극 15a 및 15b 사이에 끼어있다. 진력 공급원(16)으로부터의 전압 관통 전극 15a 및 15b의 공급 또는 비공급은 도면에서 개방된 비작동 상태("off-state")로 도시된 스위치(17)에 의해 조절된다. 결과적으로, 복합체(11)을 통하여 전압이 걸리지 않고, 액정 물질 (13)에 의한 전기장은 효과적으로 제로이다. 표면 상호 작용으로 인해, 액정 분자는 우선적으로, 캡슐화 물질(14)과의 곡선 경계면에 평행한 장축을 이루어서, 일반적으로 각각의 소적내에서 곡선 배열을 형성한다. 이러한 특정 구체예에서, 캡슐화 물질(14)은 또한 액정 물질(13)의 소적(12)을 함유하는 매트릭스로서 작용한다. 그밖의 소적(12)의 곡선 축은 불규칙하게 배향되며, 이것은 곡선 패턴의 상이한 배향에 의해 나타난다. 액정 물질(13)은 캡슐화 물질(14)의 굴절 지수 np, 및 실질적으로 np와 동일한 정상 굴절지수 no와 상이한 비정상 굴절 지수 ne을 갖는다. (여기에서, 2가지 지수 또는 굴절의 차이가 0.05 미만, 바람직하게는 0.02 미만인 경우에는 실질적으로 동일하거나 유사하다고 언급된다). 복합체(11)을 통하여 이동하는 입사광선(18)은 작동적으로 상호작용하는 액정의 굴절 지수가 ne인 액정 물질(13) 및 캡슐화 물질(14) 사이의 1개 이상의경계면과 충돌할 가능성이 통계적으로 높다. ne는 np와 상이하기 때문에, 정방향 및 역방향 모두로 광선(18)이 굴절 또는 산란되어, 복합체(11)이 반투명 또는 흐린 외관을 갖게 한다.
제 1b도는 스위치(17)가 닫혀진 작동 상태(on-state)의 광 밸브(10)를 도시한 것이다. 전기장은 전극 (15a) 및 (15b) 사이에 적용되고 화살표(19)로 제시된 방향으로 복합체(11)를 통과한다. 양의 유전 비등방성인 액정 물질(13)은 전기장 방향에 평행하게 배열된다. (요구되는 전압은 특히 복합체의 두께에 의존적이며, 일반적으로 3 내지 50 볼트이다). 그밖에, 전기장과 관련된 이러한 배열이 각각의 소적(12)에서 발생하여, 제 1b 도에 상징적으로 도시된 것과 같이, 소적 대 소적의 디렉터 중에 배열일된다. 액정 분자가 이러한 방식으로 배열될 경우, 입사 광선(18)이 작동적으로 상호작용하는 액정의 굴절 지수는 no이다. no가 실질적으로 np와 동일하기 때문에, 액정-캡슐화 물질 경계면에서 산란은 전혀 일어나지 않는다. 결과적으로, 광선(18)은 복합체(11)를 통하여 투과되며, 이것은 이제 명백하다. 50% 이상, 바람직하게는 70% 이상의 투과율이 수득될 수 있다.
광 밸브(10)의 전자-광학적 성능(예를 들어, 스위칭(switching) 전압, 비작동 상태 산란, 스위칭 속도 및 이력 현상)은 액정 물질(13) 및 캡슐화 물질(14) 사이의 표면 상호작용의 특성에 좌우된다. 기계적 성질, 환경 오염인자에 대한 보호 능력, UV 안정성 등과 같은 특징의 관점에서 바람직한 캡슐화 물질은, 예를 들어 스위칭 속도를 너무 느리게 하거나 스위칭 전압을 너무 높게 하는 것과 같이, 액정물질과의 표면 상호작용 관점에서는 바람직하지 않을 수 있다. 따라서, 캡슐화 물질의 그밖의 특징으로부터 표면 상호작용의 분리가 가능하도록 하는 것이 바람직하다.
제 2a 및 2b도 (제 1a 내지 제 2b 도에서 반복된 부호는 동일한 요소를 표시하는 것이다)는 상기 목적이 달성되는 본 발명의 광 밸브(20)를 도시한 것이다. 광 밸브(20)은 액정 물질(13)이 계면 물질(22)에 의해 캡슐화 물질(14)로부터 분리되는 것을 제외하고, 제 1a 및 제 1b도의 복합체(11)과 유사한 액정 복합체(21)를 포함한다. 광 밸브(20)는 앞서 주어진 이유로, 비작동 상태에서는 흐리거나 반투명하고 (제 2a 도), 작동 상태에서는 투명하다(제 2b도). 액정 물질(13)의 배열에 영향을 주는 표면 상호 작용은 주로, 캡슐화 물질(14)이 아니라, 계면 물질(22)에 의한 것이다. 계면 물질(22)은 액정 물질(13)과의 상호작용을 기준으로 선택될 수 있는 반면, 캡슐화 물질(14)는 이의 기계적, 광학적 또는 그밖의 성질을 기준으로 선택될 수 있다. 이러한 방식으로, 성질들에 따른 절충의 요구는 해소된다.
계면 물질의 굴절 지수 np와 액정 물길의 no의 매칭(matching)은 단지 캡슐화 물질 층의 두께가 광선의 파장과 유사한 경우에만 중요하다. 일반적으로, 캡슐화 물질의 두께는 약 100nm 미만이고, 가시 광선의 파장인 400 내지 700nm 미만이에서, 굴절 지수의 매칭은 그다지 중요하지 않다. 그러나, 캡슐화 물질 층이 두껍거나 작동 상태에서의 흐림도를 최소화시키는 것이 목적인 경우(예를 들어, 윈도우에 적용하는 경우)에는 굴질 지수의 매칭이 바람직하다. 착색된 가시 효과는 액정 물질에 다색성 또는 등방성 염료를 포함시킴으로써 수득된다.
0본 발명의 장점을 수득하기 위해서, 계면 물질(22)에 의한 캡슐화 물질(14)와 액정 물질(13)의 완전히 분리는 필수적이지는 않다. 계면 물질(22)이 상기 두 물질을 일부 또는 전체적으로 분리시켜, 광 밸브(20)의 스위칭 특징(속도, 전압, 이력 현상 등)이 캡슐화 물질-액정 물질 경계면의 특징이 아니라 계면 물질-액정 물질 경계면의 특징이 되게 하는 정도면 충분하다. 바람직하게, 계면 물질(22)은 캡슐화 물질(14)와 액정 물질(13)을 효과적으로 분리시키며, 이것은 액정 물질(13)의 경계면이 일차적으로 캡슐화 물질(14)가 아닌 계면 물질 (22)과의 경계면임을 의미한다.
상기 도면에서, 액정 물질(13)의 소적 또는 덩어리(12)는 편의상 구형을 갖는 것으로 도시되어 있다. 그밖의 형태, 예를 들어, 2개 이상의 소적이 채널에 의해 연결된 편구면, 불규칙한 형태, 또는 아령 형태가 가능하다. 또한, 계면 물질(22) 층의 두께 및 소 (12)의 크기는 투명도에 있어서 매우 중요시되었다.
액정 물질과 캡슐화 물질 사이의 계면 물질의 침착의 실험적 근거는 스캐닝 전자 현미경법("SEM")에 의해 제공된다. 소적 사이의 벽 두께가 측정된 단면은, 계면 물질의 침착 및 중합(이 단계가 적용될 수 있는 경우) 후에 두께가 증가됨을 나타낸다. 이러한 두께 증가는 경계면에서 계면 물질의 균일한 침착이 일어난 경우에 예상할 수 있다.
그밖의 실험적 근거는 전자 광학적 데이터에 의해 제공된다. 캡슐화 물질이 폴리(비닐 알코올)("PVA")이고, 계면 물질이 아크릴레이트인 복합체에서, 작동 전기장은 0.7 볼트/㎛이다. 이러한 값은, 캡슐화 물질(14)가 PVA인(약 6,1 볼트/㎛) 것 보다는, 캡슐화 물질(14)가 아크릴레이트인 (약 0.5 볼트/㎛), 제 1a 및 1b도에 도시된 유형의 종래 복합체의 값에 더 가깝다.
본 발명의 방법에서, 액정 물질의 소적이 계면 물질 또는 이의 전구체의 존재하에 캡슐화 물질중에 분산된, 수성 담체중의 에멀션이 초기에 제조된다. 계면 물질 (또는 이의 전구체)은 에멀션화 조건하에서, 액정 물질 또는 이들과 상호 양립할 수 있는 용매의 조합물중에 초기에 용해될 수 있어, 액정 물질과 함께 균일한 상으로 존재하는 물질로 제조된다. 그 다음, 계면 물질은 상호 양립할 수 있는 용매(존재하는 경우)를 제거하거나, 온도를 감소시킴으로써(에멀션이 본래 계면 물질이 액정 물질 중에서 용해될 수 있는 온도 이상에서 제조된 경우), 액정 물질로부터 상 분리되도록 유도된다.
에멀션은 액정 물질, 계면 물질(또는 이의 전구체), 캡슐화 물질 및 담체 매질(일반적으로 물)의 혼합물을 급속하게 교반시킴으로써 제조할 수 있다. 임의로, 에멀션화제, 습윤제 또는 그밖의 표면 활성제를 첨가할 수 있다. 적합한 에멀션화 기술은 본원에서 참고로 인용되는 퍼가손의 '047호, 퍼가손의 '052호, 레이켐의 '431호 및 앤드류 등의 미국 특허 제 5,202,063호(1993)에 기술되어 있다.
적합한 캡슐화 물질에는 폴리(비닐 알코올), 폴리(비닐 피롤리돈), 폴리(에틸렌 글리콜), 폴리(아크릴산) 및 이의 공중합체, 폴리(히드록시 아크릴레이트), 셀룰로오스, 유도체, 에폭시, 실리콘, 아크릴레이트, 폴리에스테르, 스티렌-아크릴산-아코릴레이트 삼량체 및 이들의 혼합물이 포함된다. 수성 담체 매질 중에 용해될 수 있거나 콜로이드적으로 분산될 수 있는, 수성 담체 매질 및 캡슐화 물질의 조합물이 특히 바람직하다. 표면 활성제가 사용될 수 있다 할지라도, 일반적으로, 캡슐화 물질이 표면 활성제의 첨가 없이, 액정 물질을 함유하는 캡슐을 생성시킬 수 있는 것이 바람직하다. 이러한 경우, 캡슐화 물질 자체가 양호한 표면 활성 특성을 가져야 한다 (즉, 양호한 에멀션화제이어야 한다). 이러한 특징을 갖는 유형의 중합체는 친수성 및 친유성 단편을 모두 함유하는 양쪽 친화성 중합체이다. 이러한 유형의 예로는, 부분적으로 가수분해된 폴리(비닐 아세테이트) [예를 들어, 에어 프로덕츠(Air Products) 에어볼(Airvol™) 205], 에틸렌-아크릴산 공중합체 [예를 들어, 다우 케미칼(Dow Chemical)의 에드코트(Adcote™)] 및 스티렌-아크릴산-아크릴레이트 삼량체 [예를 들어, 에스.씨. 존슨(S.C. Johnson)의 존크릴(Joncryl™)]가 포함된다.
앞서 언급된 바와 같이, 계면 물질이 아니라, 궁극적으로 중합되어 계면 물질을 형성할 수 있는 계면 물질의 전구체의 존재하에서, 에멀션이 초기에 형성될 수 있다. 액정 물질과 계면 물질 전구체 사이의 상 분리는 앞서 기술된 바와 같이 용매 제거 또는 온도 변화에 의해 이루어질 수 있다. 그후, 계면 물절 전구체는 중합에 의해 계면 물질로 전환된다. 계면 물질 전구체의 중합은 가열(상분리가 용매 제거에 의해 이루어지는 경우) 또는 바람직하게는 광화학적으로, 예를 들어 UV 광 조사에 의해 개시될 수 있다. 계면 물질의 용해도 특징은 계면 물질 전구체의 용해도 특징과 다르기 때문에, 온도 변화 방법이 사용될 경우, 최종 복합체의 일반적인 작동 온도 이상에서 에멀션화를 수행할 필요가 없다.
본 발명자들은 온도 감소에 의한 계면 물질 전구체의 침착 및 차후 중합 단계가 예상외로 작동 전기장의 감소를 야기하는 것을 발견하였다. UV 경화성 단량체의 경우(하기 실시예 1 참조), 이것은 2.7 볼트/㎛에서 1.1 볼트/㎛로의 작동 전기장의 감소를 초래하였다,
계면 물질 전구체의 중합은 단일 단계로 이루어지거나 연속 단계를 통해 이루어질 수 있다. 예를 들어, UV 광의 단일 노출은 중합 과정의 진행에 따른 분자 이동의 감소로 인해, 전구체를 완전히 중합시키는데 충분하지 않을 수 있다. 따라서, 전구체를 처음에 UV 광에 노출시켜 부분적으로 중합시키고, 복합체의 온도를 증가시켜 중합되지 않은 전구체 분자를 이동시킨 다음, UV 광에 다시 노출시켜 중합을 완결시킬 수 있다. 본원에서 사용되는 용어인 "중합화(polymerizing)" 및 "중합(Polymerization)"은 액정 물질과 캡슐화 물질 사이에 계면 물질을 고정시키기 위한, 계면 물질 (또는 이의 전구체)과 캡슐화 물질의 반응을 포함한다.
적합한 계면 물질 전구체에는 단일 또는 이작용기성 아크릴레이트, 단일 또는 이작용기성 메트아크릴레이트, 에폭시(예를 들어, 티올, 아민 또는 알코올로 경화된 것), 이소시아네이트 (예를 들어, 알코올 또는 아민으로 경화된 것) 및 실란이 포함된다. 측쇄 알킬 단위를 갖는 전구체, 예를 들어 2-에틸 헥실 아크릴레이트가 바람직하다.
적합한 계면 물질은, 앞서 제시된 전구체로부터 유도된 상응하는 중합체 및 올리고머, 즉 아크릴레이트, 메트아크릴레이트, 에폭시, 폴리우레탄, 폴리우레아, 실록산 및 이들의 혼합물이다.
본 발명의 방법은 신규의 액정 복합체를 제조하기 위해서, 본원에서 참고로 인용되는 리메이(Reamey) 등의 미국 특허 출원 우선권 제 08/217581호 ("Method ol Making Liquid Crystal Composite", Mar, 24, 1994)의 방법과 조합될 수 있다. 담체 매질 중에 액정 물질, 캡슐화 물질 및 계면 물질 (또는 이의 전구체)을 에멀션화시켜서, 액정 물질과 계면 물질 (또는 이의 전구체)이 캡슐화 물질내에 함유되는 중간체를 형성하고; 냉각시켜서 계면 물질 (또는 이의 전구체)을 분리시키고, 이것을 캡슐화 물질과 액정 물질 사이에 침착시키고; 계면 물질 전구체가 사용된 경우, 전구체를 (예를 들어, 광화학적으로) 경화시키고; 담체 매질을 예를 들어 원심분리시킴으로써 분리시켜서, 액정 물질이 계면 물질 및 캡슐화 물질에 의해 연속적으로 둘러싸인 캡슐을 형성시킬 수 있다. 그 다음, 캡슐을 매트릭스 물질 (또는 이의 전구체)을 함유하는 매질 중에 분산시킨다. 그 다음, 매트릭스 물질을 캡슐 주위에 셋팅시켜서 액정 복합체를 형성시킨다. 본원에서 사용되는 용어인 "셋팅"은 매트릭스 물질이 캡슐화 물질과 계면 물질의 간섭 층을 이용하여, 분산된 다량의 액정 물질을 함유할 수 있는 연속 수지상내에 경화되는 것을 의미한다. 매트릭스 물질은 물과 같은 담체 매질 또는 용매의 증발 또는 전구 단량체의 중합에 의해 셋팅될 수 있다.
적합한 매트릭스 물질에는 폴리우레탄, 폴리(비닐 알코올), 에폭시, 폴리(비닐 피롤리돈), 폴리(에틸렌 글리콜), 폴리(아크릴산) 및 이의 공중합체, 폴리(히드록시 아크릴레이트), 셀룰로오스 유도체, 실리콘, 아크릴레이트, 폴리에스테르, 스티렌-아크릴산-아크릴레이트 삼량체 및 이들의 혼합물이 포함된다.
상기 구체예에 의해 생성된 복합체가 제 3 도에 도시되어 있다. 액정 복합체(30)은 먼저 계면 물질(22a), 그 다음 캡슐화 물질(22b) 및 최종적으로 매트릭스 물질(14)에 의해 둘러싸인 액정 물질(13)을 포함한다. 이 구체예에서, 제 2a 및 제 2b도에서 도시된 구체예와는 대조적으로, 캡슐화 물질은 단지 캡슐화 기능만을 하며, 매트릭스 기능은 매트릭스 물질에 의해 수행된다. 바람직한 조합을 이루는 계면 물질, 캡슐화 물질 및 매트릭스 물질은 각각 폴리(2-에틸헥실 아크릴레이트), 폴리(비닐 알코올) 및 폴리우레탄이다. 상기 조합은 예상외로, 광범위한 작동 온도 범위, 고질의 피복제 및 양호한 전압 유지 성능 이외에, 특히 낮은 작동 전기장 및 월등한 전기장 오프(field-off) 산란을 갖는 것이 발견되었다.
분자 사슬을 가교시키거나, 물리적으로 얽히게 하거나 그밖의 방식으로 캡슐화 물질을 적소에 고정시켜서, 매트릭스 물질에 의해 전치를 최소화시키는 것이 유리할 수 있다.
상기 논의는 양의 유전 비등방성을 갖는 네마틱 액정에 대한 것이나, 다른 유형의 액정이 본 발명의 방에에 의해 캡슐화될 수 있다. 크루커(Crooker) 등의 미국 특허 제 5,200,845호 (1993) 및 존스(Jones) 등의 공동 계류중인 우선권 제 08/139382호 ("Chiral Nematic Liquid Crystal Composition and Devices Comprising the Same", Oct, 18, 1993)에서 기술된 것과 같이, 액정 물질이 키랄 네마틱(콜레스테릭(cholesteric)으로서 공지됨) 액정 물질인 액정 복합체에 본 발명의 방법이 적용될 수 있다. 또한, 펄만(Pearlman) 등의 미국 특허 제 5,216,530호(1993)에 기술된, 액정 물질이 스멕틱(smectic)인 복합체도 고려된다.
본 발명의 실시는 하기 실시예를 참고로 더욱 이해될 수 있으며, 하기 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것으로 제한하고자 하는 것은 아니다. 관련된 모든 양은 다르게 제시되지 않는 한 중량을 기준으로 한다.
실시예 1
UV 경화성 아크릴레이트[이엠 인더스트리스(EM Industries)의 PN393™) 100부를 1,1,1-트리메틸올프로판 트리메트아크릴레이트[폴리사이언시스(Polysciences) 제품] 2부와 배합시킴으로써, 계면 물질 전구제를 제조하였다. 액정 물질(이엠 인더스트리스 제품인, 양의 유전 비등방성을 갖는 액정 물질, TL205) 100부와 계면 물질 전구체 20부의 등방성 혼합물을 실온에서 제조하고, PVA(에어 프로덕츠사의 Airvol™ 205)의 수용액 중에 평균 직경이 1.89 ㎛인 덩어리로 에멀션화시절다. 수시간 동안 실온에서 방치하여 탈포시킨 후, 에멀션을 4개의 샘플로 나누었다. 이 중 3개를 여러 시간 동안 2℃ 질소 스트림중에서 냉각시켜서, 계면 물질 전구체를 상분리시켰다. 4번째 샘플을 30℃에서 유지시키고, 대조군으로서 사용하였다. 그 다음, 샘플들을 온도 변화 없이 5분 동안 11 mW/㎠의 강도에서 UV 램프에 노출시켜서, 전구체를 중합시켰다.
그 다음, UV 조사된 에멀션의 켑슐을 원심분리에 의해 수성 담체 매질로부터 분리시키고, 폴리우레탄 라텍스[아이씨아이 레진스(ICI Resins)의 네오레즈(Neorez™)]의 수성 현탁액중에 40%의 고체 수준으로 재분산시켰다. 그 다음, 에멀션을 ITO 스퍼터링된 유리 상에 피복시키고, 건조시키고, ITO 유리 역전극으로 적층시켰다. 건조된 필름중의 폴리우레탄 매트릭스 물질의 양은 10중량%였다. 4개 샘플의결과를 표 1에 제시하였다. E90은 90%의 최대 투과율로 장치를 작동시키는 데에 요구되는 전기장(V/㎛)이다. 두께 당 대비율(CR/t)는 전기장이 적용되지 않고 샘플의 두께에 대해서 정상화된 투과율에 대한 포화된 투과율의 비이다. CR/t를 이용하여 샘플의 산란 효과를 측정한다. 낮은 E90및 높은 CR/t가 표시판 적용에서 유용하기 때문에, UV 처리 전 및 UV 처리 동안의 저온 노출은 대조 샘플과 비교하여 분명한 장점을 나타낸다.
편광 광학 현미경법 결과는 UV 처리 전의 에멀션의 저온 노출이 액정 물질로부터의 계면 물질 전구 물질의 상 분리를 야기함을 제시하고 있다. 제 4 도는 앞서 기술된 것과 같이 혼합된 UV 처리 전의 샘플의 실험적 데이터를 도시한 것이다. 부피 중앙 소적 크기가 1.9㎛인 수성 에멀션을 광학 현미경에서 교차된 편광자 사이의 온도 조절 단계에 놓았다. 25℃ 이상의 온도에서, 액정 물질 및 계면 물질 전구체는 복굴절되지 않아, 극히 소량의 빛이 교차된 편광자를 통하여 투과되는 균일한 용액을 형성시켰다. 그러나, 온도가 감소됨에 따라, 소적은 복굴절되기 시작하고, 액정의 네마틱 영역이 형성되며, 계면 물질 진구체가 상 분리되었다. 이것은 투과율을 증가시켰다. 제 4도에 도시된 바와 같이, 온도가 약 14℃ 미만으로 감소되는경우, 복굴절의 손실이 일어나기 시작했다. 본 발명자들은 이러한 현상이 소적의 벽으로의 계면 물질 전구체의 상 분리로부터 초래되며, 이것은 네마틱 액정 물질의 배열을 비교적 작은 복굴절을 나타내어 낮은 강도의 광이 교차된 편광자를 통하여 투과되는 배치로 변화시키기 시작하는 것으로 생각했다. 온도가 0℃ 미만인 경우, 복굴절이 액정 물질 및 계면 물질 전구체의 등방성 용액에서 초기에 25℃ 이상에서 존재하는 것보다 더 높은 수준에서 안정화되었다.
또한, 핵 자기 공명 (NMR) 결과는 UV 치리 전의 에멀션의 저온 노출이 계면 물질 전구체를 액정으로부터 상 분리시키는 것을 나타내고 있다. 제 5a 및 제 5b 도는 앞서 기술된 것과 같이 UV 처리 전에 에멀션 샘플에 대해 기록된 온도의 함수로서 50 MHz 탄소-13 스펙트럼을 도시한 것이다. 제 5a 도의 결과는 정지 샘플에 있어서 고전력 양성자 분리를 이용한 단일 펄스 여기를 사용하여 수득한 것이다. 당업자들에게 공지된 것과 같이, 이러한 조건은 샘플의 이동성 성분을 우선적으로 상승시키고, 130ppm에서의 뚜렷한 공명은 액정 메소젠(mesogen)의 방향족 탄소로부터 일어난다. 25℃에서의 등방성 상태에서, 이 피크는 비교적 강하고, 온도가 감소됨에 따라 강도가 급격히 감소되었다. 이러한 작용은 메소젠이 온도가 감소됨에 따라 이동성이 감소됨을 제시하는 것이다. 동시에, 액정 상태에 있는 비교적 단단한 메소젠에 배열되는 150ppm에서 피크의 강도가 증가하였다. 이러한 데이터는 상기 에멀션 중에서 온도가 감소함에 따른, 계면 물질 전구체의 상분리 및 등방성 상태에서 액정 상태로의 전이를 지지하는 것이다. 추가 증거가 제 5b도에 도시되어 있으며, 여기에서, 교차 편광 (CP) 스펙트럼은 단일 펄스 결과를 확증하는 것이다.교차 편광은 샘플의 비교적 단단한 성분을 상승시키는 방법이며, 이는 kHz 시간 크기에 대한 분자 운동에 의해 평균화되지 않는 탄소 및 양성자 사이의 쌍극 상호 작용에 좌우된다. 25℃에서는 등방성 상태에 있는 고이동성 방향족 메소젠에 해당하는 130ppm에서의 비교적 약한 공명이 존재하였다. 온도가 감소됨에 따라, 이 피크의 강도는 감소하고, 네마틱 액정 상태의 150ppm에서의 피크는 높아졌다. 계면 물질 전구체의 상 분리는 복굴절이 광학 현미경 결과치에서 증가하는 것으로 관찰된 거의 동일한 온도에서 상기 네마틱 성분을 발생시켰다. 피크 높이에 의해 측정된 NMR 강도는 제 6 도에 도시되어 있다. CP 데이터는 네마틱 성분의 150ppm 피크 특징에 해당한다. 단일 펄스 데이터는 이동성 등방성 성분의 130ppm 피크 특징에 해당한다. 에멀션의 UV 노출 전 및 동안에 상기의 온도 관련된 상 분리는 매우 강화된 전자 광학 성질을 갖는 장치를 생성시켰다.
실시예 2
이 실시예는, 액정 물질 및 계면 물질을 양립시키는 용매의 사용에 관한 것으로서, 상기 용매의 제거에 의해 상분리를 유도하였다. 계면 물질은 용매(톨루엔)의 첨가 없이 4%의 수준에서 액정 물질중에 불용성인 히드록시에틸 아크릴레이트 및 2-에틸헥실 아크릴레이트(1:1의 몰비)의 저분자량(약 7,400) 공중합체였다.
작은 비이커에 액정 물질[치소(Chisso)사의 RY1007] 2.033g, 톨루엔 중의 36.7%(w/w) 공중합체 용액 0.2185g 및 9.9%(w/w) 폴리(비닐 알코올)(에어프로덕츠의 Airvol™ 205) 수용액 4.1383g을 첨가하였다. 내용물을 교반시키면서 혼합시킨 다음 약 4200rpm에서 3분 동안 프로펠러 블레이드로 배합시켰다. 3.0㎛ 필터를 통해 여과시킨 후, 부피 중앙 소적 크기는 2.23㎛였다. 에멀션을 하룻밤 동안 방치한 후 독터 블레이드로 ITO 피복된 폴리(에틸렌 테레프탈레이트) (ITO/PET) 상에 피복시켰다. 30분 넘게 방치시킨 후, ITO/PET의 제 2 피이스를 상기 필름상에 적층시켜 장치를 제조하였다. 상기 2개의 장치를 장치 I 및 장치 II로 지정하였다. 이들 장치를 전자 광학적으로 시험하고, 계면 물질을 함유하지 않은 대조군과 비교하였다. 하기 표 II의 결과는 계면 물질이 존재하는 장치가 동력에 대해 더 낮은 전기장을 요구함을 나타내는 것이다.
본 발명의 상기 상세한 설명은 주로 또는 배타적으로 본 발명의 특정 부분 및 일면에 관한 논의를 포함하는 것이다. 이것은 명백함과 편의를 위한 것이고, 특정한 특징은 제시된 논의된 것 이외의 것에 관련될 수 있고, 본원의 설명은 그밖의 논의에서 발견되는 정보의 모든 적당한 조합을 포함하는 것임이 이해되어야 한다. 마찬가지로, 여러 도면 및 이에 대한 설명은 본 발명의 특정 구체예에 관한 것일지라도, 기타의 특징이 또한 특정한 도면에 대해 설명될 경우, 이 특징은 또 다른 도면의 내용, 또 다른 특징의 조합 또는 일반적으로 본 발명에서 적절한 범위로 사용될 수 있음이 이해되어야 한다.

Claims (21)

  1. 다량의 액정 물질을 캡슐화 물질중에 분산시키고, 액정 물질과 캡슐화 물질 사이에 배치된 계면 물질로 액정 물질 일부 또는 전체를 캡슐화 물질로부터 분리시키는 액정 복합체 제조 방법으로서,
    (a) (i) 다량의 액정 물질이 캡슐화 물질중에 함유되고, (ii) 계면 물질 또는 이의 전구체가 액정 물질과 함께 이들이 상호 용해될 수 있는 임의의 용매중에 용해되어 균일한 용액을 형성하는 조건하에서, 캡슐화 물질, 계면물질 또는 이의 전구체, 액정 물질 및 수성 담체 매질을 포함하는 에멀션을 형성시키는 단계;
    (b) 용매를 증발시키거나, 계면 물질 또는 이의 전구체가 액정 물질중에 불용성이 되는 저온으로 에멀션의 온도를 감소시킴으로써, 계면 물질 또는 이의 전구체를 액정 물질로부터 상분리시키고, 액정 물질과 캡슐화 물질 사이에 침착시키는 단계;
    (c) 계면 물질의 전구체를 중합시켜 전구체를 함유하는 계면 물질을 형성시키는 단계; 및
    (d) 수성 담체 매질을 제거하는 단계를 포함하는 방법.
  2. 제 1항에 있어서, 용매를 증발시킴으로써 계면 물질을 액정 물질로부터 분리시키고, 액정 물질과 캡슐화 물질 사이에 침착시키는 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제 1항에 있어서, 용매를 증발시킴으로써 계면 물질 전구체를 액정 물질로부터 상 분리시키고, 액정 물질과 캡슐화 물질 사이에 침착시킨 다음, 계면 물질 전구체를 중합시켜 계면 물질을 형성시키는 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제 1항에 있어서, (i) 다량의 액정 물질이 캡슐화 물질중에 함유되고, (ii) 계면 물질이 액정 물질과 함께 균일한 용액을 형성하는 조건하에서, 제 1 온도인 T1이상에서 캡슐화 물질, 계면 물질, 액정 물질 및 수성 담체 매질을 포함하는 에멀션을 형성시킨 다층, 에멀션의 온도를 계면 물질이 액정 물질 중에 불용성이되는 제 2 온도인 T2이하로 감소시킴으로써, 계면 물질을 액정 물질로부터 상 분리시키고, 액정 물질과 캡슐화 물질 사이에 침착시키는 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 제 1항에 있어서, (i) 다량의 액정 물질이 캡슐화 물질중에 분산되고, (ii) 계면 물질 전구체가 액정 물질과 함께 균일한 용액을 형성하는 조건하에서, 제 1 온도인 T1이상에서 캡슐화 물질, 계면 물질 진구체, 액정 물질 및 수성 담체 매질을 포함하는 에멀션을 형성시킨 다음, 에멀션의 온도를 계면 물질 전구체가 액정 물질 중에 불용성이되는 제 2 온도인 T2이하로 감소시킴으로써, 계면 물질을 액정 물질로부터 상 분리시키고, 액정 물질과 캡슐화 물질 사이에 침착시킨 후, 계면 물질 전구체를 중합시켜 계면 물질을 형성시키는 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 제 3항에 있어서, 게면 물질 전구체를 자외선 광에 노출시킴으로써 중합시키는 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 매트릭스 물질내에 분산된 다량의 액정 물질을 포함하는 액정 복합체로서, 액정 물질 주위에 연속적으로 배치된 계면 물질 및 캡슐화 물질에 의해 액정 물질 일부 또는 전체가 매트릭스 물질로부터 분리되는 액정 복합체.
  8. 제 7항에 있어서, 캡슐화 물질이 분자 사슬의 가교 또는 물리적 얽힘에 의해 적소에 고정되는 것을 특징으로 하는 액정 복합체.
  9. 액정 물질 주위에 연속적으로 배치된 계면 물질 및 캡슐화 물질에 의해 액정 물질 일부 또는 전체가 매트릭스 물질로부터 분리되는, 매트릭스 물질내에 분산된 다량의 액정 물질을 포함하는 액정 복합체의 제조 방법으로서,
    (a) 액정 물질이 계면 물질 및 캡슐화 물질에 의해 연속적으로 둘러싸여 있는 캡슐을 형성시키는 단계;
    (b) 캡슐을 매트릭스 물질 또는 이의 전구체를 함유하는 매질중에 분산시키는 단계; 및
    (c) 매트릭스 물질 또는 이의 전구체를 캡슐 주위에 셋팅시킴으로써 액정 복합체를 형성시키는 단계를 포함하는 방법.
  10. 제 9항에 있어서, 액정 물질이 양의 유전 비등방성을 갖는 네마틱 액정 물질인 것을 특징으로 하는 방법.
  11. 제 10항에 있어서, 액정 물질이 다색성 염료를 함유하는 것을 특징으로 하는 방법.
  12. 제 1항 내지 제 6항 및 제 9항 내지 제 11항 중 어느 한 항에 있어서, 캡슐화 물질이 폴리(비닐 알코올), 폴리(비닐 피롤리돈), 폴리(에틸렌 글리콜), 폴리(아크릴산) 및 이의 공중합체, 폴리(히드록시 아크릴레이트), 셀룰로오스 유도체, 에폭시, 실리콘, 아크릴레이트, 폴리에스테르, 스티렌-아크릴산-아크릴레이트 삼량체 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 방법.
  13. 제 1항 내지 제 6항 및 제 9항 내지 제 11항 중 어느 한 항에 있어서, 계면 물질이 아크릴레이트, 메트아크릴레이트, 에폭시, 폴리우레탄, 폴리우레아, 실록산 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 방법.
  14. 제 1항 내지 제 6항 및 제 9항 내지 제 11항 중 어느 한 항에 있어서, 매트릭스 물질이 폴리우레탄, 폴리(비닐 알코올), 폴리(비닐 피롤리돈), 폴리(에틸렌 글리콜), 폴리(아크릴산) 및 이의 공중합체, 폴리(히드록시 아크릴레이트), 셀룰로오스 유도체, 에폭시, 실리콘, 아크릴레이트, 폴리에스테르, 스티렌-아크릴산-아크릴레이트 삼량체 및 이들의 혼합물로 이루어진군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 방법.
  15. 제 1항 내지 제 6항 및 제 9항 내지 제 11항 중 어느 한 항에 있어서, 계면 물질, 캡슐화 물질 및 매트릭스 물질이 각각 폴리(2-에틸 헥실 아크릴레이트), 폴리(비닐 알코올) 및 폴리우레탄인 것을 특징으로 하는 방법.
  16. 제 1항에 있어서, 액정 물질이 양의 유전 비등방성을 갖는 네마틱 액정 물질인 것을 특징으로 하는 방법.
  17. 제 7항에 있어서, 액정 물질이 양의 유전 비등방성을 갖는 네마틱 액정 물질인 것을 특징으로 하는 액정 복합체.
  18. 제 7항에 있어서, 캡슐화 물질이 폴리(비닐 알코올), 폴리(비닐 피롤리돈), 폴리(에틸렌 글리콜), 폴리(아크릴산) 및 이의 공중합체, 폴리(히드록시 아크릴레이트), 셀룰로오스 유도체, 에폭시, 실리콘, 아크릴레이트, 폴리에스테르, 스티렌-아크릴산-아크릴레이트 삼량체 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 액정 복합체.
  19. 제 7항에 있어서, 계면 물질이 아크릴레이트, 메트아크릴레이트, 에폭시, 폴리우레탄, 폴리우레아, 실록산 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 액정 복합체.
  20. 제 7항에 있어서, 매트릭스 물질이 폴리우레탄, 폴리(비닐 알코올), 폴리(비닐 피롤리돈), 폴리(에틸렌 글리콜), 폴리(아크릴산) 및 이의 공중합체, 폴리(히드록시 아크릴레이트), 셀룰로오스 유도체, 에폭시, 실리콘, 아크릴레이트, 폴리에스테르, 스티렌-아크릴산-아크릴레이트 삼량체 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 액정 복합체.
  21. 제 7항에 있어서, 계면 물질, 캡슐화 물질 및 매트릭스 물질이 각각 폴리(2-에틸헥실 아크릴레이트), 폴리(비닐 알코올) 및 폴리우레탄인 것을 특징으로 하는 액정 복합체.
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