KR100424546B1 - 원편광２색성광학소자,이의장치및액정중합체 - Google Patents

원편광２색성광학소자,이의장치및액정중합체 Download PDF

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Abstract

그랜젼 배향된 콜레스테릭 액정상으로 이루어진 액정 중합체의 고정화층을 갖는 원편광 2색성 광학 소자와 이의 장치 및 둘 이상의 특수한 아크릴계 단량체 단위로 이루어진 공중합체를 성분으로 하는 액정 중합체.

Description

원편광 ２색성 광학 소자, 이의 장치 및 액정 중합체
종래부터 저분자량체로 이루어진 액상의 콜레스테릭 액정을 유리 등의 기판 사이에 배향 상태로 밀봉하여 이루어진 원편광 2색성 광학 소자가 공지되어 있다. 이것은 액정 분자의 나선축이 광학 소자에 대해 수직인 그랜젼 배향한 것이며 당해 나선축에 대해 평형으로 입사하는(입사각 0°) 자연광선의 내부에서 어떤 파장의 광선의 약 절반을 우측(또는 좌측) 원편광으로 반사하고 나머지 약 절반을 좌측(또는 우측) 원편광으로 투과하며 이의 파장 λ는 일반식: λ=n·p로 결정된다[상기식에서, n은 액정의 평균 굴절율이고 p는 콜레스테릭상의 나선 피치이다). 또한 반사 원편광의 좌우는 콜레스테릭상의 나선 상태에서 결정되며 나선의 선회 방향과 일치한다.
원편광 2색성 광학 소자에서 반사광과 투과광으로 분리되므로 당해 반사광도 이용할 수가 있으며 폴리비닐알콜 등의 연신 필름에서 2색성 염료 등을 흡착시켜 이루어진 편광판의 대체품으로서 기대하고 있다. 틀림없이 이러한 편광판은 액정표시장치 등에 많이 사용되고 있으나 직선 편광으로서 투과하는 광선은 입사광의 50% 이하이며 기타 광선은 편광판 내부에서 흡수되어 이용할 수 없으며 이는 액정 표시장치의 고휘도화나 저소비전력화를 곤란하게 하는 한가지 원인으로 되기 때문이다.
그러나 종래의 원편광 2색성 광학 소자는 상기와 같이 기판을 병용하는 것이 필요하므로 두껍고 무겁게 되며 액정 표시장치의 경량성이나 박형성 등을 저해하는 문제점으로 된다. 또한 콜레스테릭 액정의 배향 상태, 예를 들면, 피치가 온도 등으로 변화하기 쉬운 문제점이 있다.
콜레스테릭계의 액정 중합체를 제안하고 있으나[참조: 일본국 공개특허공보 제(소)55-21479호 및 미합중국 특허 명세서 제5332522호] 저분자량체와 같이 양호한 배향 상태의 필름 등의 고화물을 수득하는 것이 곤란하거나 배향 처리에 몇시간이 걸리는 등의 장시간을 요하거나 유리전이온도가 낮으며 내구성 부족으로 실용성이 결핍되거나 하여 어느 경우에도 필름 등의 고화 상태의 원편광 2색성 광학 소자를 수득하기가 곤란하다.
본 발명은 액정 중합체의 고화물로 이루어진 얇고 가벼우며 피치 등의 배향 상태가 실용 온도에서 변화하기 어려운 원편광 2색성 광학 소자를 수득하는 것을 목적으로 한다. 또한 막 형성성이 우수하고 그랜젼(Grandjean) 배향을 양호한 모노 도메인 상태로 형성할 수 있으며 이러한 배향 처리를 몇분 동안의 단시간에 달성할 수 있으며 유리 상태에서 안정하여 고정화시킬 수 있으며 내구성이나 보존 안정성이 우수한 원편광 2색성 광학 소자를 형성할 수 있으며 이의 콜레스테릭상의나선 피치를 용이하게 제어할 수 있는 액정 중합체를 수득하는 것을 목적으로 한다.
발명의 개시
본 발명은 그랜젼 배향된 콜레스테릭 액정상으로 이루어진 액정 중합체의 고화층을 가짐을 특징으로 하는 원편광 2색성 광학 소자 및 하기 화학식 a의 단량체 단위 60 내지 95중량%와 화학식 b의 단량체 단위 40 내지 5중량%로 이루어진 공중합체를 성분으로 함을 특징으로 하는 액정 중합체를 제공하는 것이다.
상기식에서,
R1및 R2는 수소 또는 메틸기이고,
m 및 n은 1 내지 6의 정수이며,
X1및 X2는 CO2기 또는 OCO기이며,
p 및 q는 1 또는 2이고 또한 p+q=3이며,
X3은 -CO-R3또는 -R4[여기서, R3은또는이며, R4는이다(여기서, R5는또는이다)]이다.
상기한 구성에 따라 얇고 가벼운 액정 중합체의 고화물로 이루어지고 피치 등의 배향 상태가 실제 사용 온도에서 변화하기 어려운 원편광 2색성 광학 소자를 수득할 수 있다. 또한 본 발명의 액정 중합체를 사용하여 양호한 모노 도메인 상태의 그랜젼 배향막을 막 형성성이 양호하게 용이하게 형성할 수 있으며 이의 배향 처리도 몇분 동안의 단시간에 달성할 수 있으며 유리 상태에서 안정적으로 고정화시킬 수 있으며 내구성이나 보존 안정성이 우수한 원편광 2색성 광학 소자를 효율적으로 형성할 수 있으며 이의 콜레스테릭상의 나선 피치의 제어도 용이하며 가시광선 영역에서 원편광 2색성을 나타내는 광학 소자도 용이하게 수득할 수 있다.
본 발명은 액정 중합체의 고화층으로 이루어진 원편광 2색성 광학 소자, 이를 이용하는 밝기가 우수한 액정 표시장치나 백라이트 장치 및 이러한 광학 소자의 형성에 적절한 액정 중합체에 관한 것이다.
도 1은 액정 표시장치예의 단면도이며,
도 2는 다른 액정 표시장치예의 단면도이며,
도 3은 화학식 b의 단량체 단위의 함유율과 원편광 2색성을 나타내는 중심 파장의 관계를 도시하는 그래프이며,
도 4는 다른 화학식 b의 단량체 단위의 함유율과 원편광 2색성을 나타내는 중심 파장의 관계를 도시하는 그래프이며,
도 5는 투과 특성을 도시하는 그래프이며,
도 6은 기타 투과 특성을 도시하는 그래프이며,
도 7은 또 다른 투과 특성을 도시하는 그래프이며,
도 8은 또 다른 투과 특성을 도시하는 그래프이며,
도 9는 또 다른 투과 특성을 도시하는 그래프이며,
도 10은 또 다른 투과 특성을 도시하는 그래프이며,
도 11은 또 다른 투과 특성을 도시하는 그래프이며,
도 12는 또 다른 투과 특성을 도시하는 그래프이며,
도 13은 또 다른 투과 특성을 도시하는 그래프이며,
도 14는 또 다른 투과 특성을 도시하는 그래프이며,
도 15는 또 다른 투과 특성을 도시하는 그래프이다.
본 발명의 광학 소자는 그랜젼 배향된 콜레스테릭 액정상으로 이루어진 액정 중합체의 고화층을 가지며 원편광 2색성을 나타낸다. 이러한 광학 소자를 형성하는데 적절한 액정 중합체를 사용할 수 있으며 바람직하게 사용할 수 있는 것은 하기 화학식 a의 단위와 화학식 b의 단량체 단위를 성분으로 하는 공중합체이다.
화학식 a
화학식 b
상기식에서,
R1및 R2는 수소 또는 메틸기이고,
m 및 n은 1 내지 6의 정수이며,
X1및 X2는 CO2기 또는 OCO기이며,
p 및 q는 1 또는 2이고 또한 p+q=3이며,
X3은 -CO-R3또는 -R4[여기서, R3은또는이며, R4는이다(여기서, R5는또는이다)]이다.
화학식 a 및 화학식 b의 단량체 단위를 형성할 수 있는 아크릴계 단량체는 적절한 방법으로 합성할 수 있다. 이와 관련하여 화합물(a1)의 아크릴계 단량체의 합성예를 하기에 기재한다.
즉, 상기에서 우선 에틸렌클로로하이드린과 4-하이드록시벤조산을 요오드화칼륨을 촉매로 하여 알칼리 수용액 속에서 가열 환류시켜 하이드록시카복실산을 수득한 다음, 이것을 아크릴산 또는 메타크릴산과 탈수 반응시켜 (메타)아크릴레이트로 하며 이러한 (메타)아크릴레이트를 4-시아노-4'-하이드록시비페닐로 DCC(디사이클로헥실카보디이미드)와 DMAP(디메틸아미노피리딘)의 존재하에 에스테르화함으로써 목적물인 화합물(a1)을 수득할 수 있다.
또한 화합물(b1)의 아크릴계 단량체의 합성예를 하기에 기재한다.
상기에서 우선 하이드록시알킬할라이드와 4-하이드록시벤조산을 요오드화칼륨을 촉매로 하여 알칼리 수용액 속에서 가열 환류시켜 하이드록시카복실산을 수득한 다음, 이것을 아크릴산 또는 메타크릴산과 탈수 반응시켜 (메타)아크릴레이트로 하여 이러한 (메타)아크릴레이트를 4위치에 R3기를 함유하는 CO기를 갖는 페놀로 DCC와 DMAP의 존재하에 에스테르화함으로써 목적물인 화합물(b1)을 수득할 수 있다.
또한 4위치에 R3기를 함유하는 CO기를 갖는 페놀은 예를 들면, 하기와 같이 우선 클로로포름산메틸과 4-하이드록시벤조산을 알칼리 수용액 속에서 반응시켜 카복실산으로 하며 이것을 옥살릴클로라이드로 산클로라이드로 한 다음, 피리딘/테트라하이드로푸란 속에서 H-R3와 반응시켜 R3기를 도입한 다음, 이것을 암모니아수로 처리하여 보호기를 제거함으로써 수득할 수 있다.
상기한 화합물(b1)의 합성에서 최종 공정에 가한 하기 화합물을 하기의 것에 대체함으로써 화합물(b2)의 아크릴계 단량체를 수득할 수 있다.
즉, 하이드록시카복실산을 (메타)아크릴산과 탈수 반응시켜 (메타)아크릴레이트로 한 다음, 이러한 (메타)아크릴레이트를 4위치에 키랄탄소기를 갖는 페놀로 DCC와 DMAP의 존재하에 에스테르화함으로써 목적물인 화합물(b2)를 수득할 수 있다.
또한 4위치에 키랄탄소기를 갖는 페놀은 예를 들면, 하기와 같이 4-하이드록시벤즈알데히드와 (S)-(-)-1-페닐에틸아민을 톨루엔 속에서 공비 탈수함으로써 수득할 수 있다.
따라서 화학식 a 및 화학식 b의 단량체 단위를 형성할 수 있는 기타 아크릴계 단량체도 목적하는 도입기를 갖는 적절한 원료를 사용하여 상기에 준해 합성할 수 있다.
광학 소자의 형성에 사용되는 액정 중합체는 상기한 화학식 a의 단량체 단위의 하나 이상과 화학식 b의 단량체 단위의 하나 이상을 공중합한 것이다. 이러한 공중합 비율은 화학식 b의 단량체 단위의 함유율이 과다하면 액정성이 결핍되어지고 과소하면 콜레스테릭 액정성이 결핍되므로 화학식 a의 단량체 단위 60 내지 95중량% 및 화학식 b의 단량체 단위 40 내지 5중량%가 바람직하다.
공중합체의 분자량은 과소하면 막 형성성이 결핍되어지고 과다하면 액정으로서 배향성 및 모노 도메인화가 결핍되어져서 균일한 배향 상태를 형성하기 어려워짐으로써 중량 평균 분자량에 기초하여 2천 내지 10만, 이중에서 2500 내지 5만이 바람직하다.
공중합체의 제조는 예를 들면, 라디칼 중합방식, 양이온 중합방식, 음이온 중합방식 등의 통상적인 예의 아크릴계 단량체의 중합방식에 준해 실시할 수 있다. 또한 라디칼 중합방식을 적용하는 경우, 각종 중합 개시제를 사용할 수 있으며 이중에서 아조비스이소부티로니트릴이나 과산화벤조일 등의 분해 온도가 높아지지 않는 동시에 낮지도 않은 중간적 온도에서 분해하는 것이 바람직하게 사용된다.
공중합체는 이러한 화학식 b의 단량체 단위의 함유율에 기초하여 콜레스테릭 액정의 피치가 변화한다. 도 3 및 도 4에 당해 함유율과 원편광 2색성을 나타내는 중심 파장과의 관계를 예시한다. 또한 도 3의 그래프는 공중합체의 단량체 성분에 하기 실시예의 화합물(a2)와 (b3)을 사용하고 도 4의 경우에 화합물(a2)와 (b6)을 사용한다. 원편광 2색성을 나타내는 파장은 당해 피치로 결정함으로써 화학식 b의 단량체 단위의 함유율을 제어하여 원편광 2색성을 나타내는 파장을 조절할 수 있다. 따라서 하기의 실시예와 같이 가시광선 영역의 광선에 대해 원편광 2색성을 나타내는 광학 소자를 용이하게 수득할 수 있다.
공중합체는 이의 하나 이상을 혼합하여 광학 소자의 형성에 사용할 수 있다. 원편광 2색성을 나타내는 파장 영역이 상이한 둘 이상의 공중합체를 혼합함으로써 원편광 2색성을 나타내는 파장 영역을 조절할 수 있다. 본 발명에서 수득하는 광학 소자의 내구성이나 피치 등의 배향 특성을 실제 사용할 때에 온도 변화 등에 대한 안정성 내지 무변화성 등의 점에서 유리전이온도가 80℃ 이상의 액정 중합체로 하는 것이 광학 소자의 형성에 바람직하게 사용할 수 있다.
또한 본 발명에서 화학식 a 또는 화학식 b의 단량체 단위의 하나 이상으로이루어진 당해 화학식에 기초한 단독중합체를 화학식 a계의 중합체와 화학식 b계의 중합체의 혼합계의 액정 중합체로서 광학 소자의 형성에 사용할 수 있다. 이러한 혼합 비율이나 분자량 등에 대해 상기한 공중합체에 준할 수 있다.
원편광 2색성을 나타내는 광학 소자의 형성은 종래의 배향 처리에 준한 방법으로 실시할 수 있다. 이와 관련하여 이의 예로서 기판 위에 폴리이미드나 폴리비닐알콜 등으로 이루어진 배향막을 형성하여 이것을 레이욘 직물 등으로 마찰 처리한 다음, 그 위에 액정 중합체를 전개하여 유리전이온도 이상 및 등방상 전이온도 미만으로 가열하고 액정 중합체 분자가 그랜젼 배향된 상태에서 유리 전이온도 미만으로 냉각하여 유리 상태로 하여 당해 배향이 고정화된 고화층을 형성하는 방법 등을 들 수 있다.
상기한 기판으로서 예를 들면, 트리아세틸셀룰로즈나 폴리비닐알콜, 폴리이미드나 폴리알릴레이트, 폴리에스테르나 폴리카보네이트, 폴리설폰이나 폴리에테르설폰 및 에폭시계 수지와 같이 플라스틱으로 이루어진 필름 또는 유리판 등의 적절한 것을 사용할 수 있다. 기판위에 형성된 액정 중합체의 고화층은 기판과의 일체물로 하여 그대로 광학 소자에 사용할 수 있으며 기판으로부터 박리하여 필름 등으로 이루어진 광학 소자로서 사용할 수 있다.
액정 중합체의 전개는 가열 용융방식을 사용해도 양호하며 용제를 사용하는 용액으로 하여 전개할 수 있다. 이러한 용제로서 예를 들면, 염화메틸렌이나 사이클로헥사논, 트리클로로에틸렌이나 테트라클로로에탄, N-메틸피롤리돈이나 테트라하이드로푸란 등의 적절한 것을 사용할 수 있다. 전개는 바 피복기나 스피너, 롤피복기 등의 적절한 도포기로 실시할 수 있다.
형성시키는 액정 중합체의 고화층의 두께는 너무 얇으면 원편광 2색성을 나타내기 어려워지고 너무 두꺼우면 균일 배향성이 떨어져서 원편광 2색성을 나타내지 않거나 장시간을 요하기 때문에 0.5 내지 20㎛, 바람직하게는 1 내지 10㎛이다. 또한 광학 소자를 형성할 때에 당해 공중합체 이외의 공중합체나 안정체, 가소제 등의 무기나 유기 또는 금속류 등으로 이루어진 각종 첨가제를 필요에 따라 배합할 수 있다.
본 발명의 광학 소자는 원편광 2색성을 나타내며 단층의 액정 중합체 고화층에서 통상적으로 원편광 2색성을 나타내는 파장 영역에서 한정된다. 이러한 한정은 통상적으로 약 1.00nm의 파장 영역에 미치는 광범위한 것이며 액정 표시장치 등에 적용하는 경우에 가시광선의 전체 영역에서 원편광 2색성을 나타낼 것이 요망된다.
본 발명에서 상이한 파장의 광선에 대해 원편광 2색성을 나타내는 액정 중합체의 고화층을 적층시킴으로써 원편광 2색성을 나타내는 파장 영역을 확대할 수 있다. 이러한 적층화는 당해 파장 영역의 확대 이외에 경사 입사광의 파장 이동에 대처하는 점 등에서 유리하다. 적층화는 반사 원편광의 중심 파장이 상이한 조합으로 2층 이상 적층시킬 수 있다. 적층시킬 때에 점착제 등을 사용하여 각 계면에서 표면 반사손실의 감소를 도모하는 것이 바람작히다.
이와 관련하여 반사 원편광의 중심 파장이 300 내지 900nm의 액정 중합체 고화층을 동일한 방향의 원편광을 반사하는 조합인 동시에 선택 반사의 중심 파장이상이한 것 중에서 각각 50nm 이상의 상이한 조합으로 사용하여 이의 2 내지 6 종류를 적층함으로써 광범위한 파장 영역에서 원편광 2색성을 나타내는 광학 소자를 형성할 수 있다. 또한 동일한 방향의 원편광을 반사하는 조합으로 하는 점은 각 층에서 반사하는 원편광의 위상 상태를 가지런히 하여 각 파장 영역에서 상이한 편광 상태로 되는 것을 방지하고 반사층 등을 개재시켜 반사 원편광을 재이용하는 경우에 이의 효율 향상을 목적으로 한다.
본 발명의 광학 소자는 이의 원편광 2색성에 기초하여 입사광을 좌우의 원편광으로 분리하여 투과광 및 반사광으로서 공급하며 시야각이 광범위하여 우수하고 시각 변화에 대한 광학 특성의 변화가 작으며 경사 방향으로부터 직접 관찰하는 직시형 등의 액정 표시장치 등의 각종 장치에 바람직하게 적용할 수 있다. 특히 반사층 등을 개재시켜 반사 원편광을 재이용함으로써 광선 이용효율의 향상을 도모할 수 있으며 대면적화 등을 용이하게 함으로써 액정 표시장치 등에서 백라이트 시스템 등으로 바람직하게 사용할 수 있다.
도 1 및 도 2에서 본 발명의 광학 소자를 백라이트 시스템에 사용하는 액정 표시장치를 예시한다. (4)가 백라이트 시스템이며 (1)이 이의 광학 소자, (2)가 원편광을 직선 편광화하기 위한 위상차 층, (3)이 광원이다. 또한 (5)가 편광판, (6)이 액정 셀이다. 또한 (11), (12), (13)은 적층형의 광학 소자를 형성하는 액정 중합체 고화층, (31)은 광원 홀더, (41), (44)는 광확산판, (42)는 발광층, (43), (46)은 반사층, (45)는 수용 공간, (7)은 보상용의 위상차판이다.
액정 표시장치는 일반적으로 편광판, 액정 셀, 백라이트 및 필요에 따라 보상용 위상차판 등의 구성 부품을 적절하게 조립하여 구동 회로를 도입함으로써 형성하며 본 발명에서 도면 예와 같이 광학 소자(1)와 원편광을 직선 편광화하기 위한 위상차층(2)을 개재시켜 광선을 액정 셀(6)에 입사시키는 점을 제거하여 특별히 한정하지 않으며 종래에 준해 형성할 수 있다.
따라서 편광 상태의 광선을 액정 셀에 입사시키는 것이 필요한 액정 표시장치이면 양호하다. 트위스트 네마틱 액정이나 슈퍼트위스트 네마틱 액정을 사용하는 것에 바람직하게 사용할 수 있으며 비트위스트계의 액정이나 2색성 염료를 액정 속에 분산시키는 게스트 호스트계의 액정 또는 강유전성 액정을 사용하는 것에 사용할 수 있다. 액정의 구동방식에 대해서도 특별히 한정하지 않는다.
도면 예에서 액정 셀 6의 양측에 편광판 5을 갖는 것을 도시하고 있으며 백라이트측의 편광판은 광학 소자 등을 개재하여 직선 편광성이 우수한 광선을 공급할 수 있는 경우에 생략할 수 있다. 이러한 직선 편광화는 즉, 광학 소자를 투과하는 원편광의 직선 편광화는 광학 소자(1) 위에 배치하는 위상차층(2)을 개재시켜 실시한다. 따라서 액정 셀은 백라이트 시스템에서 위상차층(2) 위에 배치한다.
광학 소자를 투과하는 원편광을 직선 편광화하기 위한 위상차층은 광학 소자로부터 방출된 원편광의 위상을 변화시켜 직선 편광 성분이 많은 상태로 변환시키고 편광판 등을 투과하기 쉬운 광선으로 하는 것을 목적으로 한다. 따라서 위상차 층은 광학 소자로부터 방출한 원편광을 ¼ 파장의 위상차에 상당하여 직선 편광을 많이 형성할 수 있는 동시에 다른 파장의 광선을 직선 편광과 가급적으로 평행한 방향으로 장직경 방향을 갖는 동시에 가급적으로 직선 편광에 가까운 편평한 타원편광으로 변환시킬 수 있는 것을 바람직하게 사용할 수 있다.
상기와 같이 위상차 층을 배치함으로써 당해 방출광선의 직선 편광 방향이나 타원 편광의 장직경 방향이 편광판의 투과축과 가급적으로 편행하게 되도록 배치하여 편광판을 투과할 수 있는 직선 편광 성분이 많은 상태의 광선을 수득할 수 있다.
위상차 층은 적절한 재질로 형성할 수 있으며 투명하면서 균일한 위상차를 부여하는 것이 바람직하다. 일반적으로 폴리카보네이트와 같이 플라스틱의 연신 필름으로 이루어진 위상차판 및 네마틱 액정 중합체의 한 방향 배향물이나 비틀림 배향물이 사용된다. 위상차층의 위상차는 광학 소자로부터 방출되는 원편광의 파장 영역 등에 따라 적절하게 결정할 수 있다. 이와 관련하여 가시광선 영역에서 파장 특성이나 실용성 등의 점에서 대부분의 위상차판이 이의 재질 특성으로부터 양의 복굴절의 파장 분산을 나타내는 것을 가미하여 이의 위상차가 작은 것 중에서 100 내지 200nm의 위상차를 부여하여 바람직하게 사용할 수 있는 경우가 많다.
위상차층은 1층 이상의 층으로 형성할 수 있다. 1층으로 이루어진 위상층의 경우에 복굴절의 파장 분산이 작을수록 파장마다 편광 상태의 균일화를 도모할 수 있어서 바람직하다. 한편, 위상차층의 중첩층화는 파장 영역에서 파장 특성의 개량에 효과적이며 이의 조합은 파장 영역들에 따라 적절하게 결정할 수 있다.
또한 가시광선 영역을 대상으로 2층 이상의 위상차 층으로 하는 경우, 상기와 같이 100 내지 200nm의 위상차를 부여하는 층을 1층 이상의 홀수층으로 함유시키는 것이 직선 편광 성분이 많은 광선을 수득하는 점에서 바람직하다. 100 내지200nm의 위상차를 부여하는 층 이외의 층은 통상적으로 200 내지 400nm의 위상차를 부여하는 층으로 형성하는 것이 파장 특성의 개량 등의 점에서 바람직하며 여기에 한정되지 않는다.
상기에서 예시한 액정 표시장치는 백라이트 시스템의 바닥면에 반사층(43, 46)을 설치하여 광학 소자 1을 사용하는 반사 원편광을 이러한 반사층을 통해 반사시키고 복귀 광선으로 하여 다시 광학 소자에 입사시켜 광선 이용 효율의 향상을 도모한다. 즉, 광학 소자를 사용하는 반사 원편광을 반사층과의 사이에 감금하여 반사층과 광학 소자 사이에서 반사를 반복시켜 광학 소자를 투과할 수 있는 원편광 상태로 변환시키고 반사 손실 등에 따른 광선의 사용하지 않는 부분을 감소시키도록 한다.
상기에 따라 위상차층을 개재시킨 원편광의 직선 편광화에 따라 편광판에 흡수되는 광성분 함유율의 저하 조치와 함께 종래에는 반사 소실이나 흡수 손실로 되는 광선도 효과적으로 이용할 수 있으며 광선의 이용 효율이 향상되어 명백하게 시각 확인성이 우수한 액정 표시장치를 형성할 수 있다.
반사층으로서 알루미늄이나 은 등으로 이루어진 금속면과 같이 반사 반전을 발생시키는 층이 바람직하다. 이에 따라 반사 원편광의 좌우를 역전시켜 투과측의 원편광과 동일항 상태로 할 수 있으며 투과 효율의 향상을 도모할 수 있어서 광선의 이용 효율을 효율적으로 높일 수 있다. 또한 예를 들면, 요철면 등으로 대표되는 확산 반사층에서 이의 확산에 기초하여 편광 상태가 랜덤하게 혼재하고 편광 상태가 해소되어 광선의 이용 효율의 향상을 도모할 수 있다.
발광층으로서 한쪽면측에 광선을 방출하도록 하는 적절한 것을 사용할 수 있다. 바람직하게는 광선을 흡수하지 않고 효율적으로 방출하는 것이 사용된다(냉, 열). 음극관 등의 선상 광원이나 발광 다이오드 등의 광원(3)을 광유도판(42)의 측면에 배치하고 이러한 광유도판에 광유도판 내부를 전송하는 광선을 확산이나 반사 및 회절이나 간섭 등으로 판의 한쪽면측에 방출하도록 하는 액정 표시장치에서 공지된 사이드라이트형 백라이트(도 1)나 EL 램프 및 직하형(도 2) 등은 이의 예이다. 또한 광학 소자는 이러한 발광층의 광방출측에 배치된다.
상기에서 내부의 전송 광선을 한쪽면측에 방출하도록 하는 광유도판은 예를 들면 투명하거나 반투명의 수지만의 광방출면 또는 이의 이면에 도트상이나 스트라이프상으로 확산체를 설치하거나 수지판의 이면에 요철 구조를 부여하는 등으로 수득할 수 있다.
발광층을 형성할 때에 균일한 발광을 얻기 위한 광확산판(41, 44), 광선의 방출방향을 제어하기 위한 프리즘 시트, 누출 광선을 복귀시키기 위한 반사 수단 및 선상 광원으로부터 방출 광선을 광유도판의 측면에 도입하기 위한 광원 홀더(3), 등의 보조 수단을 필요에 따라 소정 위치에 배치하여 적절한 조합체로 할 수 있다.
또한 고도한 직선 편광의 입사에 따른 양호한 콘트라스트비의 표시를 얻는 점에서 편광판으로서 특히, 백라이트 측의 편광판으로서 즉, 액정 셀에서 시각 확인 광선의 입사측에 배치된 광학 소자에 가까운 쪽의 편광판으로서 예를 들면, 요오드계나 염료계의 흡수형 직선 편광자 등과 같이 편광도가 높은 것을 사용하는 것이 바람직하다.
액정 표시장치나 백라이트 시스템 등의 형성 부품은 적층 일체화될 수 있으며 분리 상태일 수 있다. 또한 액정 표시장치를 형성할 때에 예를 들면, 시각 확인측의 편광판 위에 설치된 확산판이나 앤티글레어(anti-glare)층, 반사 방지막, 보호층이나 보호판 및 액정 셀과 편광판 사이에 설치된 보상용의 위상차판 등의 적절한 광학 소자를 적절하게 배치할 수 있다. 또한 광학 소자와 위상차층을 조합하여 사용하는 경우에도 이들은 적층 일체화될 수 있으며 분리 상태일 수 있다. 이러한 배치 위치는 발광층의 광방출측과 위상차층 사이에 광학 소자가 개재되는 상태로 된다.
상기한 보상용 위상차판은 복굴절의 파장 의존성 등의 보상하여 시각 확인성의 향상 등을 도모하는 것을 목적으로 하며 도 1 및 도 2에서 부호(7)이 이것이다. 본 발명에서 시각 확인측 및/또는 백라이트측의 액정 셀과 편광판 사이 등에 필요에 따라 배치한다. 또한 보상용의 위상차판은 파장 영역 등에 따라 적절한 것을 사용할 수 있으며 1층 또는 2층 이상의 중첩층으로 하여 형성할 수 있다.
상기와 같이 본 발명에 따른 액정 표시장치는 광학 소자를 사용하는 반사 원편광을 반사층 등을 개재시킨 편광 변환으로 방출광선으로 하여 재이용함으로써 반사 손실을 방지하고 이러한 방출광선을 위상차층을 통해 위상 제어하여 편광판 투과성의 직선 편광 성분을 풍부하게 함유하는 광상태로 변환함으로써 편광판으로 인한 흡수 손실을 방지하고 광이용 효율의 향상을 도모할 수 있도록 한다.
위상차층을 방출하는 광선은 직선 편광이나 타원 편광의 장직경 방향 성분등으로서 편광판을 투과할 수 있는 직선 편광 성분을 65% 이상, 이중에서 70% 이상 함유하는 것이 바람직하다. 또한 표시의 색 변화를 방지하는 점에서 광학 소자와 위상차층의 조합에서 자연광으로 이루어진 입사광선을 NBS 방식에 기초하여 색 변화 △ab가 10 이하인 상태의 편광으로 하여 방출하는 것이 바람직하다. 액정 중합체 고화층의 적층화는 이러한 색 변화의 감소의 점에서 유리하다.
이러한 경우, 백라이트측의 편광판의 편광축과 위상차판의 상진행축 또는 상지연축과의 결정할 수 있다. 이와 관련하여 100 내지 200nm의 위상차를 부여하는 위상차판의 경우, 좌측 원편광이 입사할 때에 편광판의 편광축을 기준(0°)으로 하여 위상차판의 상진행축의 배치 각도를 0 내지 90°, 바람직하게는 35 내지 55°, 특히 45°로 함으로써 편광판 투과광을 향상시킬 수 있다.
한편, 우측 원편광이 입사하는 경우에 위상차판의 상지연축에 기초하여 상기한 각도 설정을 실시함으로써 편광판 투과광을 향상시킬 수 있다. 2층 이상의 위상차판으로 이루어진 경우, 특히 이의 외부측 표면층을 100 내지 200nm의 위상차를 부여하는 층이 점유하는 경우에 당해 층에 기초하여 당해 배치 각도로 설정하는 것이 바람직하다.
실시예 1
화학식 a2의 단량체 33.9중량부(82mmols)와 화학식 b3의 단량체 9.16중량부(18mmols)를 테트라하이드로푸란 430ml에 가열 용해시키고 55 내지 60℃로 안정시켜 반응기 내부를 질소 가스로 치환하고 산소 부재하에 이조비스이소부티로니트릴 0.5중량부를 용해한 테트라하이드로푸란 용액 5ml를 적가하여 6시간 동안 중합 처리하고 이러한 반응액을 디에틸에테르 3000ml 속에서 교반하에 서서히 주입하여 백색 중합체의 침전물을 수득하고 이것을 원심분리한 다음, 건조하여 다시 2회 재침전 정제하고 중량 평균 분자량이 7000인 공중합체를 수득한다. 이러한 공중합체는 유리전이온도가 88℃에서 등방상 전이온도가 225℃이며 이 사이의 온도에서 콜레스테릭 구조를 나타낸다.
두께 50㎛의 트리아세틸 셀룰로즈 필름에 두께 약 0.1㎛의 폴리비닐 알콜층을 설치하고 이것을 레이욘 직물로 마찰 처리하고 이러한 처리면에 상기한 공중합체의 10중량% 염화메틸렌 용액을 바 피복기로 도포하고 건조후에 140℃에서 15분 동안 가열 배향처리하여 실온으로 냉각시켜 액정 중합체의 배향을 유리 상태로 고정화한다. 이러한 액정 중합체의 두께는 2㎛이며 트리아세틸 셀룰로즈 필름과의 일체물로 이루어진 필름상의 광학 소자는 유리면에서 청색 광을 반사하는 원편광 2색성을 나타내며 이러한 반사광은 파장 410 내지 485nm의 좌측 원편광이다. 또한당해 광학 소자의 투과 특성을 도 5에 도시한다.
실시예 2
화학식 a2의 단량체 36.3중량부(88mmols) 및 화학식 b3의 단량체 6.11중량부(12mmols)의 비율로 사용하는 이외에는 실시예 1에 준해 중량 평균 분자량이 7500인 공중합체를 수득하고 광학 소자를 수득한다. 이러한 공중합체는 유리 전이온도가 92℃에서 등방상 전이온도가 240℃이며 이 사이의 온도에서 콜레스테릭 구조를 나타낸다. 또한 광학 소자는 유리면에서 적색광을 반사하는 원편광 2색성을 나타내며 이러한 반사광은 파장 580 내지 695nm의 좌측 원편광이다. 또한 당해 광학 소자의 투과 특성을 도 6에 도시한다.
실시예 3
실시예 1 및 실시예 2에 준해 수득한 공중합체를 0.47/0.53(실시예 1/실시예 2)의 비율로 혼합하고 실시예 1에 준해 광학 소자를 수득한다. 이러한 광학 소자는 유리면에서 녹색광을 반사하는 원편광 2색성을 나타내며 이러한 반사광은 파장 480 내지 585nm의 좌측 원편광이다. 또한 당해 광학 소자의 투과 특성을 도 7에 도시한다.
실시예 4
화학식 a2의 단량체 16.5중량부(40mmols), 화학식 a3의 단량체 17.1중량부(40mmols) 및 화학식 b4의 단량체 9.18중량부(20mmols)의 비율로 사용하는 이외에는 실시예 1에 준해 중량 평균 분자량 11,500의 공중합체를 수득한다. 이러한 공중합체는 유리전이온도가 105℃이며 등방상 전이온도가 238℃이며 이 사이의 온도에서 콜레스테릭 구조를 나타낸다.
한편 상기한 공중합체를 사용하여 실시예 1에 준해 150℃ 및 15분 동안의 배향 처리 조건에서 두께 3㎛의 액정 중합체 고화층을 형성하여 광학 소자를 수득한다. 이러한 광학 소자는 유리면에서 적황색광을 반사하는 원편광 2색성을 나타내며 이러한 반사광은 파장 565 내지 675nm의 우측 원편광이다. 또한 당해 광학 소자의 투과 특성을 도 8에 도시한다.
실시예 5
하기 화학식 a4의 단량체 36.3중량부(85mmols) 및 화학식 b5의 단량체 9.09중량부(15mmols)의 비율로 사용하는 이외에는 실시예 1에 준해 중량 평균 분자량 21000의 공중합체를 수득한다. 이러한 공중합체는 유리 전이온도가 95℃에서 등방상 전이온도가 215℃이며 이 사이의 온도에서 콜레스테릭 구조를 나타낸다.
한편, 상기한 공중합체를 사용하여 실시예 1에 준해 두께 5㎛의 액정 중합체 고화층을 형성하여 광학 소자를 수득한다. 이러한 광학 소자는 거울면에서 적색광을 반사하는 원편광 2색성을 나타내며 이러한 반사광은 파장 590 내지 695nm의 우측 원편광이다. 또한 당해 광학 소자의 투과 특성을 도 9에 도시한다.
실시예 6
실시예 1, 2, 3에 준해 수득한 광학 소자를 아크릴계 점착층을 통해 적층하여 파장 410 내지 690nm의 범위에서 원편광 2색성을 나타내는 광학 소자를 수득한다. 이러한 광학 소자의 투과 특성을 도 10에 도시한다.
상기한 광학 소자에 폴리카보네이트로 이루어진 2장의 연신 필름의 적층체로 이루어진 ¼ 파장판을 아크릴계 점착층을 개재하여 적층하고 여기에 자연광을 입사시킨 바, NBS 방식에 기초한 색 변화 △ab는 3이며 대단히 작다. 또한 이러한 ¼ 파장 부설의 광학 소자를 80℃ 및 1000시간 동안의 가열 시험 또는 60℃, 90% RH 및 1000시간 동안의 습열시험에 제공한 바, 어느 시험에서도 광학 특성이나 외관등의 변화가 거의 확인되지 않으며 내구성이 우수하다.
또한 상기한 ¼ 파장판에 부착된 광학 소자를 사용하여 도 1에 준한 구조의 액정 표시장치를 형성한 바, 휘도가 90cd/m2이며 이것은 이러한 광학 소자를 사용하지 않는 경우 (60cd/m2)와 비교하여 50%의 휘도 향상을 나타낸다.
실시예 7
화학식 a2의 단량체 31.8중량부(77mmols)와 상기한 화학식 b6의 단량체 10.2중량부(23mmols)를 테트라하이드로푸란 415ml에 가열 용해시키는 이외에 실시예 1에 준해 중량 평균 분자량 7300, 유리전이온도 85℃ 및 등방상 전이온도 215℃이 사이의 온도에서 콜레스테릭 구조를 나타내는 공중합체를 수득하고 이것을 사용하여 실시예 1에 준해 150℃에서 5분 동안 가열 배향처리하는 방식으로 거울면에서 청색광을 반사하는 원편광 2색성을 나타내며 반사광의 파장이 410 내지 485nm의 좌측 원편광인 광학 소자를 수득한다. 이러한 광학 소자의 투과 특성을 도 11에 도시한다.
실시예 8
화학식 a2의 단량체 35.5중량부(86mmols) 및 화학식 b6의 단량체6.20중량부(14mmols)의 비율로 사용하는 이외에 실시예 7에 준해 중량 평균 분자량 7100의 공중합체를 수득하고 광학 소자를 수득한다. 이러한 공중합체는 유리전이온도가 89℃이고 등방상 전이온도가 230℃이며 이 사이의 온도에서 콜레스테릭 구조를 나타낸다. 또한 광학 소자는 유리면에서 적색광을 반사하는 원편광 2색성을 나타내며 이러한 반사광은 파장 580 내지 695nm의 좌측 원편광이다. 이러한 광학 소자의 투과 특성을 도 12에 도시한다.
실시예 9
실시예 7 및 실시예 8에 준해 수득한 공중합체를 0.47/0.53(실시예 7/실시예 8)의 비율로 혼합하고 실시예 7에 준해 광학 소자를 수득한다. 이러한 광학 소자는 유리면에서 녹색광을 반사하는 원편광 2색성을 나타내며 이러한 반사광은 파장 480 내지 585nm의 좌측 원편광이다. 이러한 광학 소자의 투과 특성을 도 13에 도시한다.
실시예 10
실시예 7, 8, 9에 준해 수득한 광학 소자를 아크릴계 점착층을 개재하여 적층하고 파장 410 내지 690nm의 범위에서 원편광 2색성을 나타내는 광학 소자를 수득한다. 이러한 광학 소자의 투과 특성을 도 14에 도시한다.
상기한 광학 소자에 폴리카보네이트로 이루어진 2장의 연신 필름의 적층체로 이루어진 ¼ 파장판을 아크릴계 점착층을 개재하여 적층하고 여기에 자연광을 입사시킨 바, NBS 방식에 기초한 색 변화 △ab는 3이며 대단히 작다. 또한 이러한 ¼ 파장판에 부착된 광학 소자를 80℃ 및 1000시간 동안의 가열 시험 또는 60℃, 90%RH 및 1000시간 동안의 습열시험에 제공한 바, 어느 시험에서도 광학 특성이나 외관 등의 변화가 거의 확인되지 않으며 내구성이 우수하다.
또한 상기한 ¼ 파장판에 부착된 광학 소자를 사용하여 도 1에 준한 구조의 액정 표시장치를 형성한 바, 휘도가 90cd/m2이며 이것은 이러한 광학 소자를 사용하지 않는 경우 (60cd/m2)와 비교하여 50%의 휘도 향상을 나타낸다.
비교실시예
하기 화학식 c의 단량체 39.0중량부(80mmols) 및 (D)의 단량체 9.14중량부(20mmols)의 비율로 사용하는 이외에는 실시예 1에 준해 중량 평균 분자량 18000의 공중합체를 수득한다. 이러한 공중합체는 유리전이온도가 71℃이고 등방상 전이온도가 205℃이며 이 사이의 온도에서 콜레스테릭 구조를 나타낸다.
한편 상기한 공중합체를 사용하여 실시예 1에 준해 액정 중합체 고화층의 형성을 시도했지만 균일한 배향물을 수득할 수 없으며 두께 3㎛의 액정 중합체 층도거울면에서 반사를 나타내지 않으며 확산 반사를 나타내어 원편광 2색성은 불충분하다. 이러한 광학 소자의 투과 특성을 도 15에 도시한다. 또한 당해 확산 반사는 균일한 그랜젼 배향이 형성되지 않기 때문이라고 생각된다.
본 발명에 따라 액정 중합체의 고화물로 이루어진 얇고 가벼우며 피치 등의 배향 상태가 실제 사용 온도에서 변화하기 어려운 원편광 2색성 광학 소자를 수득하며 막 형성성이 우수하여 그랜젼 배향을 양호한 모노 도메인 상태에서 형성할 수 있으며 이의 배향 처리를 수분 동안의 단시간으로 달성할 수 있으며 유리 상태에서 안정적으로 고정화시킬 수 있으며 내구성이나 보존 안정성이 우수한 원편광 2색성 광학 소자를 형성할 수 있으며 이의 콜레스테릭상의 나선 피치를 용이하게 제어할 수 있는 액정 중합체를 수득할 수 있다.

Claims (18)

  1. 그랜젼(Grandjean) 배향된 콜레스테릭 액정 상으로 이루어진 액정 중합체의 고화층을 가짐을 특징으로 하며,
    액정 중합체가, 유리전이온도가 80℃ 이상이고 화학식 a의 단량체 단위와 화학식 b의 단량체 단위를 함유하는 공중합체를 성분으로 하는,
    원평광 2색성 광학 소자.
    화학식 a
    화학식 b
    상기 식에서,
    R1및 R2는 수소 원자 또는 메틸 그룹이고,
    m 및 n은 1 내지 6의 정수이며,
    X1및 X2는 CO2그룹 또는 OCO 그룹이고,
    p 및 q는 각각 1 또는 2이고,
    p+q는 3이며,
    X3은 -CO-R3또는 -R4[여기서, R3은또는이고, R4는이다(여기서, R5는또는이다)]이다.
  2. 제1항에 있어서, 가시광선 영역의 광선에 대해 원편광 2색성을 나타내는 광학 소자.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상이한 파장의 광선에 대해 원편광 2색성을 나타내는 액정 중합체의 고화층의 적층체를 포함하는 광학 소자.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 원편광을 직선 편광화하는 위상차 층을 갖는 광학 소자.
  5. 제4항에 있어서, 자연광선으로 이루어진 입사광을 NBS 방식에 기초한 색 변화 △ab가 10 이하인 상태의 편광으로 하여 방출하는 광학 소자.
  6. 액정 셀에서 시각 확인 광선의 입사측에 제3항 또는 제6항에 따르는 광학 소자를 가짐을 특징으로 하는 액정 표시장치.
  7. 광 방출측에 제2항 또는 제5항에 따르는 광학 소자를 가짐을 특징으로 하는 백라이트 장치.
  8. 화학식 a의 단량체 단위 60 내지 95중량%와 화학식 b의 단량체 단위 40 내지 5중량%로 이루어진 공중합체를 성분으로 함을 특징으로 하는 액정 중합체.
    화학식 a
    화학식 b
    상기 식에서,
    R1및 R2는 수소 원자 또는 메틸 그룹이고,
    m 및 n은 1 내지 6의 정수이며,
    X1및 X2는 CO2그룹 또는 OCO 그룹이고,
    p 및 q는 각각 1 또는 2이고,
    p+q는 3이며,
    X3은 -CO-R3또는 -R4[여기서, R3은또는이고, R4는이다(여기서, R5는또는이다)]이다.
  9. 제3항에 있어서, 원평광을 직선 편광화하는 위상차 층을 갖는 광학 소자.
  10. 제9항에 있어서, 자연광선으로 이루어진 입사광을 NBS 방식에 기초한 색 변화 △ab가 10 이하인 상태의 편광으로 하여 방출하는 광학 소자.
  11. 액정 셀에서 시각 확인 광선의 입사측에 제3항에 따르는 광학 소자를 가짐을 특징으로 하는 액정 표시장치.
  12. 액정 셀에서 시각 확인 광선의 입사측에 제4항에 따르는 광학 소자를 가짐을 특징으로 하는 액정 표시장치.
  13. 액정 셀에서 시각 확인 광선의 입사측에 제9항에 따르는 광학 소자를 가짐을 특징으로 하는 액정 표시장치.
  14. 액정 셀에서 시각 확인 광선의 입사측에 제10항에 따르는 광학 소자를 가짐을 특징으로 하는 액정 표시장치.
  15. 광 방출측에 제3항에 따르는 광학 소자를 가짐을 특징으로 하는 백라이트 장치.
  16. 광 방출측에 제4항에 따르는 광학 소자를 가짐을 특징으로 하는 백라이트 장치.
  17. 광 방출측에 제9항에 따르는 광학 소자를 가짐을 특징으로 하는 백라이트 장치.
  18. 광 방출측에 제10항에 따르는 광학 소자를 가짐을 특징으로 하는 백라이트 장치.
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