KR100584647B1 - 이방성 필름의 형성 장치 및 방법 - Google Patents
이방성 필름의 형성 장치 및 방법 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 광, 자기, 전기전도성 등과 같은 이방성 특성을 특징으로 하는 박막의 제조 기술에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 유기 재료, 예를 들어 유기 염료의 액정 용액으로부터 편극 필름을 얻는 장치에 관한 것이다. 본 발명에 따른 방법 및 장치로 인해 액정 용액으로부터 제조된 이방성 필름이 고특성과 결과의 재생 가능성을 갖는 높은 정도의 완전한 배향 구조물을 제조할 수 있게 한다. 본 발명에 따른 장치는 액정 용액을 기판 상에 수용 및 유도하고 액정 용액이 전달될 때 운동 유닛에 배향 작용을 제공하는 기계적 소자를 이용한다.
Description
관련 출원
본 출원은 2001년 1월 10일에 출원된 러시아 특허 출원 제 RU 2001100534호를 우선권으로 주장한다.
본 발명은 광, 자기, 전기전도성 등과 같은 이방성을 특징으로 하는 박막의 제조 기술에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 예를 들어 유기 염료(organic dyes)와 같은 유기 재료의 액정(LC) 용액으로부터 편극 필름(polarizing film)을 얻는 장치 및 방법에 관한 것이다.
현재, 유기 염료의 LC 용액으로부터 얻어지는 광학적 이방성 필름은 정보를 나타내는 소자의 제조시에 특히 광범위하게 이용되고 있다(RU 2155978, 10/09/2000, G 02B 5/30 참조). 이러한 필름은 분자적으로 정렬된 유기 재료의 박층을 의미한다. 전술된 재료의 평평한 분자(flat molecules)는 배향 정렬된 모임체(orientationally ordered assemblies)-초분자 복합체로 그룹화된다. 분자들의 평면 및 광 전이의 쌍극자 모멘트는 필름의 거시 배향 축에 수직하게 배향된다. 이러한 구조물을 형성하기 위해서는 액정 상태의 유기 재료 용액, 특히 염료를 사용하며, 여기서 분자들은 이미 국부적 정렬성(orderliness)을 갖고, 서로에 대해 배향된 1차원 또는 2차원의 준 결정 집합체(aggregate)로 존재한다. 베이스 표면 상에 이러한 시스템의 응용 및 외부 방향 작용의 응용에서, 거시 배향(macroscopic orientation)을 가정하며, 이는 건조 프로세스에서 원상태를 유지할 뿐만 아니라 결정화 현상으로 인해 강화된다. 편극축은 편광판(polarizer)의 응용 방향과 일치하는 배향 방향을 따라 유도된다. 이러한 필름 구조의 특징은 그 제조를 위해 특별한 수단의 설계를 요한다는 것이다.
전술한 필름을 형성하는 다양한 공지된 방법이 있고, 따라서 그 수행을 위한 다양한 장치가 있다. 예를 들어 US 5,739,296호를 참조하면, LC 용액의 응용은 드로잉 슬롯(drawing slot) 또는 메이어 로드(Mayer's rod)를 이용하여 수행되며, 메이어 로드는 나이프 형태(닥터 블레이드(doctor blade)) 또는 원통형 형태일 수도 있다. 기판 표면에 LC 용액의 도포는 초분자 복합체를 특정 방향으로 동시 배향시킴으로써 수행될 수도 있다. 건식 프로세스는 이러한 필름의 제조 프로세스를 종결짓는다. 그러나, 공지된 방법은 높은 정도의 이방성을 갖는 재생 가능한 변수를 갖는 필름을 얻지 못한다. 이는 제조 중에 나타나는 필름 분자 구조 내의 결함으로 인한 것으로 알려져 있다. 이 외에도, 제조 프로세스는 각각의 새로운 원료 배치에 대한 특정 제조 조건을 개발하기 위해 긴 제조 작업을 요한다.
LC 필름의 제조는 충분하게 연구되진 않았다. 설계자는 최종 필름의 배향 정도를 향상시키고, 변수의 재생 가능성을 증가시키고, 또한 그 특성 중 이방성 정도를 향상시키는 작업을 하고 있다.
본 발명은 유기 또는 무기 재료의 액정 용액으로부터 이방성 필름을 제조하는 방법 및 장치에 관한 것으로서, 보다 구체적으로 높은 정도의 이방성과 높은 정도의 구조물의 완성도(결정성), 결과의 재생 가능성을 갖는 유기 염료의 LC 용액으로부터 광학적 이방성 필름을 제조하는 방법 및 장치에 관한 것이다. 본 발명에 따른 장치는 필름 구조의 완성 정도를 증가시키기 위해 추가적으로 배향작용을 가하고 유동 조건(rheological conditions)을 생성시키는 기계적 소자를 이용한다.
본 발명에 따른 방법 및 장치의 응용 가능성은 유기 염료의 LC 용액으로부터 광학적 이방성 필름의 형성에 제한되지 않는다. 무기 농도 전이형 액정(inorganic lyotropic LC), 예를 들어 옥소수산화철(iron oxohydroxide) 또는 산화바나듐으로부터 형성된 소정의 필름은 이방성 전기 및 자기 특성을 특징으로 한다.
이방성 필름을 제조하는 조건의 선택은 이용되는 재료; 그 재료의 점성, 용매의 휘발성, 용액 내의 운동 유닛의 배향 및 구조물 형성 능력에 따라 결정된다. 각각의 특별한 경우에 장치 내에서 기계적 소자의 대응 병진(竝進)이동 속도와 용액을 공급하는 속도 뿐만 아니라 얻어진 필름의 크기 및 장치 내의 소자 사이의 거리를 선택할 수 있다.
본 발명의 기술적 결과에 의하면 유기 또는 무기 재료의 LC 용액으로부터 이방성 필름을 제조하는 방법 및 장치의 설계로, 얻어진 필름 구조물의 완성도를 향상시키고, 필름의 두께를 통해서 뿐만 아니라 필름의 표면에 걸쳐 변수의 재생 가능성을 향상시키고, 또한 이방성 특성을 향상시킨다.
본 발명의 기술적 결과는 하나 이상의 기판 상에 액정 용액으로부터 이방성 필름을 제조하는 장치가 용액(들)을 공급하는 하나 이상의 수단, 용액(들) 및/또는 분자들 및/또는 초분자 복합체의 하나 이상의 배향작용을 가하는 수단, 및 우선 플레이트의 내측(배향 소자에 대해)에 그 후 기판(들) 상에 용액 공급을 제공하는 가능성을 갖고 설치된 플레이트 형태로 제공된 하나 이상의 용액 유도(directing) 수단을 포함한다는 사실에 의해 달성되고, 또한 전술된 수단들은 기판 홀더에 대해 병진이동 가능성을 갖고 서로 그리고 기판 홀더로부터 소정의 거리에서 그들을 고정시킬 수 있는 가능성을 갖고 제공된다.
본 발명에 따른 장치에 의해 상이한 기판 홀더를 이용하여 다양한 재료로부터 동시에 다양한 필름을 형성하는 수단을 제공할 수 있다.
플레이트는 평평하게 제공될 수도 있고, 기판 홀더의 평면에 0°내지 90° 범위의 각도로 설치된다. 플레이트의 일부분 이상은 원통형 표면으로 제공될 수도 있다.
전술된 수단 및 기판 홀더(들)의 상대적인 병진이동 방향에 수직한 방향에서, 하나 이상의 플레이트의 치수는 기판 홀더(들)의 치수보다 크고, 및/또는 기판 홀더의 측면에 놓인 플레이트 에지의 횡단 치수(traverse dimension)는 형성 필름의 횡단 치수 만큼일 수도 있다.
플레이트 표면의 일부분 이상은 친수성 및/또는 소수성 특성을 가질 수도 있다. 플레이트 표면의 일부분 이상은 부조(浮彫)로 할 수도 있다. 플레이트(들)는 플레이트(들)의 상이한 부분 및/또는 플레이트(들)의 상이한 층으로 구성된 둘 이상의 다양한 재료 또는 폴리머 재료 또는 고무로 제조될 수도 있다.
하나 이상의 배향작용을 가하는 수단은 회전하거나 회전하지 않는 나이프 형태 또는 원통형 로드로서 제공될 수도 있다. 하나 이상의 배향작용을 가하는 수단은 하나 이상의 추가 플레이트를 포함하며, 추가 플레이트의 일 단부는 추가 플레이트와 기판 홀더(들)의 상대적인 병진이동 중에 추가 플레이트 표면의 일부분 이상이 배향작용을 가하는 주 수단의 바로 뒤에 기판 표면 상에서 자유로이 병진이동하도록 고정된다.
용액(들)을 공급하는 하나 이상의 수단은 용액(들)을 공급하는 하나 이상의 분사기, 및/또는 롤러를 운반하는 하나 이상의 시스템, 및/또는 용액(들) 공급 선량계(dosimeter)를 구비한 하나 이상의 채널을 포함한다.
하나 이상의 배향작용을 가하는 수단의 표면은 부조로 할 수도 있다.
상기 장치에는 추가적으로 형성 필름으로부터 용매를 제거하는 하나 이상의 수단이 설치되는데, 상기 수단은 가열 소자, 및/또는 공기 또는 가스 블로어(blower) 유닛, 및/또는 기판 표면의 일부분 이상을 처리하도록 고정되는 복사 유닛(radiating unit)으로서 제공될 수도 있다.
상기 장치에는 정적 상태(static conditions)를 제공하는 수단, 하나 이상의 진동 방지 수단, 및 자동 작동 및/또는 제조 프로세스 제어 시스템이 추가적으로 설치될 수도 있다.
유기 및/또는 무기 재료의 액정 용액으로부터 이방성 필름을 제조하는 방법의 기술적 결과에 의하면 상기 방법은 용액(들)이 용액 유도 소자의 표면 및 그 후 기판 상에 나타나는 방식으로 용액(들)을 공급하는 단계를 포함하며, 여기서 용액은 외부 배향작용을 받고, 더욱이 제조 프로세스 중에 기판 및 용액 공급 수단, 용액 유도 수단 및 배향작용을 가하는 수단은 형성 필름의 평면에서 상호 병진이동된다.
배향작용을 가하는 프로세스 후에 및/또는 중에 형성 필름은 건조된다.
액정 용액 유도 소자는 기판과 배향작용을 가하는 소자로부터 소정의 거리에 위치되어 기판 상에 용액의 층류(laminar flow)를 제공한다.
공급 수단과, 유도 및 배향작용을 가하는 수단 사이의 거리, 뿐만 아니라 전술된 소자와 기판 홀더 사이의 거리는 기판 상에 소정의 두께를 갖는 필름을 형성하고 기판과의 접촉시 액정 용액의 층류와 기판 상에 용액의 또다른 흐름을 제공하도록 선택된다.
LC 용액은 공급 소자로부터 유도 소자로 공급되고, 여기서 예비 배향이 이미 발생한다. 이 외에도, 장치의 기계적 소자가 서로로부터 소정의 거리에 설치되고 기판에 공급되는 용액의 흐름이 층류인 속도로 이동한다. 이는 용액 내의 운동 유닛(분산(分散) 상(相)의 원자)의 배향을 촉진시키고 필름의 전체 두께에 걸쳐 정렬된 구조를 얻게 한다. 공급시 난류(亂流) 및 용액으로 배향작용의 적용이 없어 무배향성에 의해 유기되는 구조물 내의 결함을 감소시킨다.
본 발명은 첨부 도면을 참조할 때 다음의 상세한 설명을 보다 명확하게 이해할 것이다.
도 1은 본 발명을 수행하는 장치의 개략적 다이어그램이고,
도 2a 및 도 2b는 a) 원통형 로드를 갖는 종래의 설비에서, b) 또한 원통형 로드를 갖고 본 발명에 따라, 필름의 형성 중에 용액 내의 운동 유닛(분산 상의 원자)의 분포를 개략적으로 도시하며,
도 3은 가열 소자 형태로 제공된, 형성 필름으로부터 용매를 제거하는 소자를 포함하는 장치의 개략적 다이어그램이고,
도 4는 배향작용을 가하는 소자의 작동이 나이프 형태의 날(blade)에 의해 수행되는 장치의 개략적 다이어그램이다.
도 1에 도시된 장치의 주요 부분은 기판 홀더(1), 용액을 전달하기 위한 채널(4)과 분산기(3)로서 제공되는 액체 분산 시스템(유기 또는 무기 재료의 액정 용액)을 공급하는 소자(2), 용액 안내 또는 용액 유도 소자(5), 원통형 로드로 표시되는 배향작용을 가하는 소자(6; 또는 제 1 수단)이다. 용액 유도 소자(5)에는 운동 유닛들을 초기에 배향시키는 배향 그루브(5a)가 제공되고, 운동 유닛들은 배향 그루브(6a)를 또한 포함하는 배향작용을 가하는 소자(6)에 의해 더 배향된다. 플레이트 또는 용액 유도 소자(5)의 일부는 기판에 인접한 원통형 표면(도시 않음)을 포함할 수도 있다.
장치의 작동 중에, 기판(7)은 기판 홀더(1) 상에 위치된다. 상기 소자(2, 5)들은 기판 홀더(1)와 관련하여 병진이동 가능성을 가지면서 장착되어, 기판(7)의 전체 표면 상에 증착 용액의 전달을 제공하고 도 2b에 도시된 것처럼 용액의 운동 유닛(분산 상의 원자)에 외부 배향작용을 가한다. 이 외에도, 상기 소자(2, 5)들을 서로 및 기판 홀더로부터 필요한 거리에 장착시킬 수 있다. 이러한 거리는 기판 상에 증착 용액을 균일하게 분포시키고, 증착 용액의 스트림 내에 층류를 개시시키고(도 2b), 그리고 증착층의 총 두께에 걸쳐 증착 용액 내의 운동 유닛에 균일한 배향작용을 가하도록 선택된다. 전술한 거리와 상기 소자(2, 5)들 및 기판 홀더의 상대적인 병진이동 속도는 용액의 점성과 각각의 특별한 경우에 형성되는 이방성 필름의 필요 두께에 따라 결정된다. 전술한 장치의 작동 변수는 실험적으로 결정되거나 공지된 알고리즘을 이용하여 계산된다.
용액 공급 수단은 용액이 먼저 용액 유도 소자(5)의 내부(배향작용을 가하는 소자(6)와 관련하여) 표면 상에 전달되고, 그후 중력의 영향하에서, 용액 유도 소자를 따라 자유 유동하여 운동 유닛을 배향시키고 용액을 기판 상에 전달하여, 기판의 전체폭에 걸쳐 상기 소자(5, 6)들 사이의 간격을 채우도록 위치 및/또는 수행된다. 용액을 기판 상에 전달하는 용액 유도 소자(5)의 에지는 일반적으로 로드의 종축에 평행하게, 그리고 상응하게 병진이동 방향에 수직하게 위치된다.
그러나, 전술한 용액 유도 소자(5)의 에지와 배향작용을 가하는 소자(6)의 종축이 서로 평행하지 않는 경우도 있다. 이는 면적에 걸쳐 변하는 특성을 갖는 이방성 필름을 얻기 위해 필요할 수도 있다. 배향작용을 가하는 소자(6)의 종축을 따라 용액 유도 소자(5)의 에지와 배향작용을 가하는 소자(6) 사이의 상이한 거리로 인해 기판 상에 용액의 불균일한 흐름을 야기하고, 상응하게 기판의 상이한 영역에서 용액 내의 운동 유닛에 상이한 배향작용을 야기한다.
도 3은 기판 홀더(1), 용액 공급용 분산기(3) 및 채널(4) 형태로 제공되는 분산 시스템을 제공하는 소자(2), 용액 유도 소자(5) 및 배향작용을 가하는 소자(6) 외에, 가열 소자(9) 형태로 제공되는 형성 필름(8)으로부터 용매를 제거하는 소자를 포함하는 장치를 도시한다. 상기 장치는 건식 프로세스(형성 필름으로부터 용매를 제거)의 정적 상태를 제공하는 리드(10)를 추가적으로 포함할 수도 있다. 상기 소자(9, 10)들의 동시 사용으로 인해 이방성 필름을 제조하는 최적의 조건을 제공할 수 있고 높은 광학 특성을 갖는 필름을 일관되게 제조할 수 있다.
도 4는 배향작용을 가하는 소자의 기능이 나이프 형태의 날(blade;11)에 의해 수행되는 장치를 도시한다. 배향작용을 가하는 소자는 또한 하나의 유연성 플레이트(12)를 포함하는데, 상기 유연성 플레이트의 일 단부는 추가 플레이트(12)와 기판 홀더(1)의 상대적인 병진이동 중에 추가 플레이트의 표면 일부가 배향작용을 가하는 주 소자(11)의 바로 뒤에 기판(7) 표면 상에서 자유로이 병진이동하도록 고정된다. 이러한 플레이트의 역할은 용매를 제거하는 프로세스에서 형성 필름에 대한 추가적인 배향작용을 가하기 위한 것이고, 이는 형성 필름의 광학 특성을 개선시키고 필름의 전체 표면에 걸쳐 변수의 일관성(consistency of parameters)을 증가시킨다. 장치 내에 진동 방지 소자(13)를 이용할 때 양호한 결과가 얻어지며, 이러한 진동 방지 소자는 필름의 증착 및 제조 조건을 안정화시킨다.
광학적 이방성 필름의 제조 방법의 실시예가 설명된다. 광학적 이방성 필름을 얻기 위한 초기 재료는 술폰화 인단트론(sulfonated indanthrone)의 수성 LC 용액이다. 농도 전이형 액정(LLC) 내의 염료 농도는 7.0 중량%이다. 메이어의 로드 #4는 9.5㎛ 두께의 습윤층을 제공하는 와이어로 감긴 원통형으로 표시되는 외부 배향 소자로 작용한다. LLC를 공급하는 수단은 기판의 평면에 60°의 각으로 설치된 평평한 플레이트일 수 있다. 소자(3, 4)들 사이의 거리는 2mm이다. 기판에 대한 소자(3, 4)들의 이동 속도는 12.5mm/sec이다. LLC의 도포, 배향 및 건식 후에, 이러한 시스템으로 종래에 얻어진 T = 40%에서 Kd = 20-22와 비교할 때 양호한 T = 40%에서 Kd = 25의 광학 특성을 갖는 0.3-0.4㎛ 두께의 필름을 얻는다(Kd - 다이크로익비(dichroic ratio)).
그러므로, 본 발명의 실행을 위해 제안된 방법 및 장치는 이방성 특성(광, 자기 등) 및 완전한 구조물을 갖는 필름을 얻을 수 있는 가능성을 제안한다. 본 발명을 이용함으로써, 개시된 설계의 유도 소자를 사용하지 않는 아날로그 방법(아날로그 조건에서)에 의한 것보다 완전한 구조물(그리고 결과적으로, 보다 양호한 이방성 특성을 가짐)을 갖는 필름이 얻어진다. 설명된 실시예는 본 발명의 모든 가능한 용도를 설명하는 것은 아니다. 상이한 기판 홀더 상에 별개의 필름 뿐만 아니라, 단일 기판 홀더 상에 상이한 특성을 갖는 하나 이상의 필름이 얻어질 수 있다. 본 발명의 장치 및 방법은 이방성 필름을 제조하는 소정의 기술적 제조 라인에서 독립 유닛 또는 방식으로서 이용될 수도 있다. 응용 조건을 안정화시키는 진동 방지 및 다른 설비를 갖는 장치를 이용함으로써 양호한 결과가 얻어진다. 그 외에, 특히 프로세스가 컴퓨터에 의해 작동되는 자동 작동 및 제어 수단을 이용하는 것이 바람직하다.
Claims (20)
- 유기 또는 무기 재료의 액정 용액으로부터 하나 이상의 기판 상에 이방성 필름을 제조하는 장치로서,하나 이상의 상기 액정 용액을 공급하는 수단,상기 액정 용액으로 배향작용을 가하는 제 1 수단,액정 용액으로 배향작용을 가하는 상기 제 1 수단에서 상기 기판 상으로 상기 액정 용액을 수용하는 플레이트로서 제공되는 하나 이상의 용액 유도 소자, 및상기 기판과 상기 제 1 수단과 상기 용액 유도 소자 사이의 상대적인 이동을 제공하는 수단을 포함하며,상기 기판, 상기 제 1 수단, 및 상기 용액 유도 소자가 상기 기판상에 상기 액정 용액이 층류를 형성하도록 소정의 거리로 위치되는 이방성 필름 제조 장치.
- 제 1 항에 있어서,상기 용액 유도 소자는 평평한 플레이트로서 제공되고 상기 기판의 평면에 0°내지 90°범위의 각도로 설치되는 이방성 필름 제조 장치.
- 제 1 항에 있어서,상기 용액 유도 소자는 원통형 표면을 포함하는 플레이트로서 제공되는 이방성 필름 제조 장치.
- 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,상기 상대적인 이동의 방향과 수직 방향으로, 상기 플레이트의 치수는 필름이 형성되는 폭 치수보다 큰 이방성 필름 제조 장치.
- 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,상기 플레이트는 친수성 또는 소수성을 가지는 이방성 필름 제조 장치.
- 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,상기 플레이트의 표면은 부조를 가지는 이방성 필름 제조 장치.
- 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,상기 플레이트는 폴리머 재료로 제조되는 이방성 필름 제조 장치.
- 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,상기 플레이트는 고무로 제조되는 이방성 필름 제조 장치.
- 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,상기 플레이트는 상이한 두 재료로 제조되는 이방성 필름 제조 장치.
- 제 1 항에 있어서,상기 제 1 수단은 원통형 로드, 롤러, 및 나이프 형태의 날(doctor blade)로 구성된 그룹으로부터 선택된 소자를 포함하는 이방성 필름 제조 장치.
- 제 10 항에 있어서,상기 제 1 수단은 제 2 플레이트를 더 포함하며, 상기 기판에 대한 상기 제 2 플레이트의 이동 중에 상기 제 2 플레이트 표면이 상기 제 1 수단의 바로 뒤에 상기 기판 표면 상에서 자유로이 병진이동하도록 상기 제 2 플레이트의 일 단부가 고정되는 이방성 필름 제조 장치.
- 제 10 항에 있어서,상기 제 1 수단은 표면 부조를 포함하는 이방성 필름 제조 장치.
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,상기 필름으로부터 용매를 제거하는 수단을 더 포함하는 이방성 필름 제조 장치.
- 제 13 항에 있어서,상기 필름으로부터 용매를 제거하는 수단은 상기 기판 표면의 처리를 제공하도록 가열 소자, 블로어, 및 복사 유닛으로 구성된 그룹으로부터 선택되고, 설치되는 소자를 포함하는 이방성 필름 제조 장치.
- 제 1 항에 있어서,상기 액정 용액을 공급하는 수단은 분사기, 롤러 운반과 용액 공급 선량계를 구비한 로트(lot) 세트로 구성된 그룹으로부터 선택된 소자를 포함하는 이방성 필름 제조 장치.
- 제 1 항에 있어서,일정한 상태(constant condition)를 제공하는 수단을 더 포함하는 이방성 필름 제조 장치.
- 제 1 항에 있어서,진동 방지 수단을 더 포함하는 이방성 필름 제조 장치.
- 유기 또는 무기 재료의 액정 용액으로부터 기판 상에 이방성 필름을 제조하는 방법으로서,상기 액정 용액을 용액 유도 소자의 표면 상에 공급하는 단계,상기 액정 용액이 상기 용액 유도 소자의 표면을 따라 상기 기판의 표면 상으로 흐르게 하는 단계,상기 용액 유도 소자에 대해 상기 기판을 병진이동시키는 단계, 및상기 기판이 병진이동될 때 상기 기판 상의 액정 용액으로 배향작용을 가하는 단계를 포함하며,상기 기판, 상기 액정 용액으로 배향작용을 가하는 수단, 및 상기 용액 유도 소자는 상기 기판상에 상기 액정 용액이 층류를 형성하도록 소정의 거리에 위치하는 이방성 필름 제조 방법.
- 제 18 항에 있어서,상기 필름을 건조시키는 단계를 더 포함하는 이방성 필름 제조 방법.
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