KR100850022B1 - 폴리우레탄을 매트릭스로 하는 반투과 홀로그램 표시소자 - Google Patents

폴리우레탄을 매트릭스로 하는 반투과 홀로그램 표시소자 Download PDF

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Abstract

본 발명은 폴리우레탄을 매트릭스로 하는 반투과 홀로그램 표시소자에 대한 것으로서, 더욱 상세하게는 셀의 동일 지점에 투과형과 반사형 그래이팅을 동시에 제작하는 멀티플렉스형 반투과 홀로그램 표시소자와, 투과형과 반사형 그래이팅을 각각 다른 영역에 독립적으로 제작하는 픽셀형 반투과 홀로그램 표시소자를 제공함으로써, 전력 소모를 감소시키고 컬러필터, 배향막 등을 필요로 하지않아 부피 및 비용을 절감할 수 있는 반투과 홀로그램 표시소자에 관한 것이다.
반투과 홀로그램 표시소자, 폴리우레탄, 투과형, 반사형, 홀로그래픽 고분자분산 액정복합막.

Description

폴리우레탄을 매트릭스로 하는 반투과 홀로그램 표시소자 {Transreflective Hologram Display Using Polyurethane Matrix}
본 발명은 폴리우레탄을 매트릭스로 하는 반투과 홀로그램 표시소자에 대한 것으로서, 고분자 자체의 구조제어를 통해 물성향상을 유도하고, 홀로그램 고분자분산 액정 복합막의 제작방법을 응용하여 제작한 반투과 홀로그램 표시소자에 관한 이다.
현재의 액정표시소자는 대부분 투과형 표시소자로서, 백라이트 없이는 사용할 수 없어 전력소모가 클 뿐만 아니라, 일반적으로 저분자액정만을 사용하므로 배향막 및 편광판 등의 고도의 공정기술 및 설비가 필요하다.
반면, 홀로그래픽 고분자분산 액정복합막(Holographic Polymer Dispered Liquid Crystal, 이하 'HPDLC'라 한다)는 볼륨 홀로그래피 원리를 고분자 분산 액정 복합막(Polymer Dispersed Liquid Crystal, PDLC)에 적용한 것으로서, 고분자와 액정이 조사광의 파장과 입사각에 의해 결정되는 특정간격의 층구조로 상분리되면 고분자와 액정 계면에서의 굴절율 차에 의해 입사광 중 그래이팅 간격에 해당하는 빛만 선택적으로 회절이나 반사시키는 것이다.
한편, 상기 HPDLC는 빔의 입사 방향에 따라 반사형 모드와 투과형 모드로 분류된다.
반사형 모드는 셀의 양 면에 두 빔이 각각 조사되어 셀의 표면과 평행한 방향으로 그래이팅이 생성되어 백라이트 없이 전기장의 인가 여부에 따라 빛이 반사 또는 투과하게 된다. 반면, 투과형 모드는 셀의 한 면에 두 빔이 조사되어 셀의 표면과 수직한 방향으로 그래이팅이 생성되어 전기장의 인가 여부에 따라 빛이 회절 또는 투과하게 된다.
상기와 같은 HPDLC는 액정의 사용량이 현저히 적으므로 제조 원가를 절감시킬 수 있을 뿐만 아니라, 배향막과 편광판 및 컬러필터가 필요하지 않고 고분자를 매트릭스로 사용하기 때문에 안정성이 뛰어난 장점을 가지고 있다.
하지만, 이러한 HPDLC는 고분자 매트릭스의 사용으로 인한 효율의 저하 및 고분자와 액정의 계면에 의한 높은 구동전압 등의 문제가 제기되고 있다.
본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로서,
첫째, 반사형과 투과형 두 가지 모드의 구동원리를 동시에 이용하는 반투과형 홀로그램 표시소자를 제공하며,
둘째, 특히 셀의 동일 지점에 투과형과 반사형 그래이팅을 동시에 새기는 멀티플렉스형 반투과 홀로그램 표시소자와, 한 셀에 반사형과 투과형 그래이팅을 각각 독립적으로 새기는 픽셀형 반투과 홀로그램 표시소자를 제공하고,
셋째, 폴리우레탄 전구체에 낮은 표면에너지를 가진 물질을 도핑하거나 계면활성제를 이용함으로 고효율, 저두동전압, 고응답속도의 최적 전기광학적 특성을 갖는 반투과형 홀로그램 표시소자를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기와 같은 본 발명 홀로그래픽 고분자분산 액정 복합막 제조 방법에 있어서,
상기 제조 방법은 고분자 전구체에 표면에너지가 낮은 불소 또는 실리콘이 함유된 화합물을 도핑하는 것을 특징으로 하며,
상기 화합물은 1,1,1,3,3,3-헥사플루오르이소프릴 메타아크릴레이트, 1,1,1,3,3,3-헥사플루오르 이소프릴아크릴레이트, 2-[퍼플루오르알킬]에틸 메아크릴레이트, 2,2,2-트리플루오르에틸 메타아크릴레이트, 2,2,2-트리플루오르에틸 아 크릴레이트, 비닐옥시 트리메틸실란, 비닐트리메톡시실란 중 어느 하나 또는 이들의 조합이다.
한편, 홀로그래픽 고분자분산 액정 복합막 제조 방법에 있어서,
상기 제조 방법은 고분자 전구체에 계면활성제화합물을 도핑하는 것을 특징으로 하며,
상기 화합물은 옥탄산, 폴리옥시에틸렌 옥틸페닐에테르, 퍼플루오르-1-부탄설포닐 플로라이드, 실리콘계 계면활성제 중 어느 하나 또는 이들의 조합이다.
한편, 액정/고분자 복합막층을 이용한 멀티플렉스형 반투과 홀로그램 표시소자의 제조방법에 있어서,
(a) 평행광을 빔 스플리터를 이용하여 소정 크기의 기준빔, 제1 물체빔, 제2 물체빔으로 분리시키는 단계;
(b) 상기 기준빔과 제1 물체빔을 상기 액정/고분자 복합막층의 대칭지점에, 상기 기준빔과 제2 물체빔을 상기 액정/고분자 복합막층의 동일지점에 입사하여 반사영역과 투과영역을 동시에 형성하는 단계;
를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
특히, 상기 (a) 단계는,
상기 평행광을 두 개의 빔 스플리터를 이용하여 같은 크기의 기준빔, 제1 물체빔, 제2 물체빔으로 분리시키는 것을 특징으로 한다.
특히, 상기 (a) 단계 이전에,
레이저 빔을 공간 필터와 빔 확대기를 이용하여 평행광으로 전환하는 단계;
를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
한편, 액정/고분자 복합막층을 이용한 픽셀형 반투과 홀로그램 표시소자의 제조방법에 있어서,
(a) 평행광을 빔 스플리터를 이용하여 소정 크기의 기준빔, 제1 물체빔, 제2 물체빔으로 분리시키는 단계;
(b) 상기 기준빔과 제1 물체빔을 상기 액정/고분자 복합막층 중 제1 영역의 대칭지점에 입사하여 반사영역을 형성하는 단계;
(c) 상기 기준빔과 제2 물체빔을 상기 액정/고분자 복합막층 중 제2 영역의 동일지점에 입사하여 투과영역을 형성하는 단계;
를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다
한편, 액정/고분자 복합막층을 이용한 픽셀형 반투과 홀로그램 표시소자의 제조방법에 있어서,
(a) 평행광을 빔 스플리터를 이용하여 소정 크기의 기준빔, 제1 물체빔, 제2 물체빔으로 분리시키는 단계;
(b) 상기 기준빔과 제2 물체빔을 상기 액정/고분자 복합막층 중 제2 영역의 동일지점에 입사하여 투과영역을 형성하는 단계;
(c) 상기 기준빔과 제1 물체빔을 상기 액정/고분자 복합막층 중 제1 영역의 대칭지점에 입사하여 반사영역을 형성하는 단계;
를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
특히, 상기 (c) 단계 이후에,
(d) 기준빔과 제1 물체빔 사잇각(θ)과 기준빔과 제2 물체짐 사잇각(θ)을 변경하며 상기 (b) 및 (c) 단계를 반복하여, 푸른색 반사영역, 푸른색 투과영역, 녹색 반사영역, 녹색 투과영역, 붉은색 반사영역, 붉은색 투과영역을 차례로 형성하는 단계;
를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
한편, 푸른색 빔을 반사시키는 제1 반사형 HPDLC;
상기 제1 반사형 HPDLC 상에 형성되며, 녹색 빔을 반사시키는 제2 반사형 HPDLC;
상기 제2 반사형 HPDLC 상에 형성되며, 붉은색 빔을 반사시키는 제3 반사형 HPDLC;
를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 전색 디스플레이 HPDLC를 제공한다.
상기와 같은 본 발명 반투과 홀로그램 표시소자에 의하면,
첫째, 낮이나 밝은 곳에서는 백라이트 없이 태양빛이나 주변광으로 액정화면을 보고, 어두운 곳에서만 백라이트를 써서 화면을 보게 함으로써 전력소모를 최소화 할 수 있으며,
둘째, 액정의 사용량을 현저히 줄일 수 있으므로 생산 원가를 절감할 수 있고,
셋째, 멀티플레스형 반투과 홀로그램 표시소자의 경우 제작시간이 짧고 공정이 간단하여 생산 비용을 최소화할 수 있으며,
넷째, 픽셀형 반투과 홀로그램 표시소자의 경우 높은 회절효율 및 반사효율을 제공할 수 있고,
다섯째, 폴리우레탄 전구체에 낮은 표면에너지를 가진 물질을 도핑하거나 계면활성제를 첨가하여 고효율, 저두동전압, 고응답속도의 최적 전기광학적 특성을 갖는 반투과형 홀로그램 표시소자를 제조할 수 있으며,
여섯째, 본 발명에 따른 반투과 홀로그램 표시소자는 빛 손실이 적고 무게가 가벼워 휴대용 컴퓨터나 디스플레이, 광도파로, 홀로그래픽 광소자 및 대용량 및 초고속의 정보처리매체 등에 응용이 가능하므로, 상당한 상업적·경제적 효과가 기대된다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, “포함하다” 또는 “가지다” 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들의 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명은 히드록시기를 가지는 히드록시화합물과 이소시아네이트기를 가지는 이소시아네이트 화합물 및 말단에 탄소-탄소 이중결합을 가지는 아크릴레이트 화합물을 1:2:2의 몰비로 반응시켜 폴리우레탄 아크릴레이트 전구체를 합성한 뒤, 전구체, 다관능성의 가교제, 반응성 희석제를 중량비로 1:0.75:0.75로 혼합한다. 이 혼합물에 고분자 매트릭스와 액정과의 계면에너지를 감소시키기 위하여 계면 활성제와 표면 에너지가 낮은 물질 등을 도핑시킨 뒤 0.3-1 중량% 광개시제와 30-45 중량%의 네마틱 또는 강유전성 액정을 혼합하고, 홀로그래픽 고분자 분산 액정 복합막의 제작방법을 응용하여 반투과형 홀로그램 표시소자를 제작한다.
이하, 본 발명에 따른 폴리우레탄 전구체의 합성방법에 대하여 자세히 설명한다.
먼저 말단이 히드록시기를 갖는 히드록시 화합물과 5% 과량의 이소시아네이트 화합물, 또한 이들 화합물들의 반응촉진을 위한 촉매인 디부틸틴 디라우레이트 0.03-0.05phr을 혼합하여 60-80, 200-300rpm으로 2-3hr 반응시켜 NCO말단의 폴리우레탄 전구체를 합성한다. 상기 히드록시 화합물은 에틸렌 글리콜, 프로필렌 글리콜, 글리세롤등과 같이 에테르계 폴리올 중에 선택된 것으로 그 중량평균분자량을 100-2000의 것을 사용할 수 있다. 상기 이소시아네이트 화합물은 4,4-디페닐메탄디이소시아네이트, 2,4-톨리렌디이소시아네이트, 1,5-나프탈렌디이소시아네이트 등과 같은 방향족 화합물과 이소포론디이소시아네이트, 헥사메틸렌디이소시아네이트, 4,4-디시클로헥사메틸렌디이소시아네이트 등과 같은 지방족 화합물 중에서 요구물성 및 특성에 적합한 화합물을 선택하여 사용할 수 있다. 또한 상기 촉매로는 디부 틸틴 디라우레이트를 사용하며. 이들 촉매는 함량이 많을 경우 중합속도가 증가하나 중합도가 낮아지는 문제가 있고, 적을 경우 중합속도가 감소하여 반응 시간이 길어진다.
합성된 NCO말단의 폴리우레탄 전구체 말단에 히드록시기가 있는 이중결합을 가지는 아크릴레이트 화합물과 1:2의 몰비로 40-60, 2-3hr 반응시켜 폴리우레탄 아크릴레이트 전구체를 합성한다. 이때의 반응온도는 아크릴레이트의 끓는점보다 낮게 하는 것이 이상적이다. 상기 탄소-탄소 이중결합 화합물은 히드록시 에틸 아크릴레이트, 히드록시 프로필 아크릴레이트, 히드록시 에틸 메타그릴레이트와 같은 1가 아크릴레이트 중에 선택될 수 있다.
이와 같이 합성된 폴리우레탄 전구체는 광중합에 의해 망목구조를 갖는 것이 특징이며, 가교밀도의 제어를 위해 가교제 및 반응희석제를 도입한다. 상기 가교제는 폴리우레탄 전구체와 같이 광중합에 의해 반응이 진행되며 디에틸렌 글리콜 디아크릴레이트, 트리에틸렌 글리콜 디아크릴레이트, 헥산디올 디아크릴레이트, 테트라에틸렌 글리콜 디아크릴레이트, 펜타에리트리톨 트리아크릴레이트 펜타에리트리톨 테트라아크릴레이트, 디펜타에리트리톨 헥사/펜타 아크릴레이트와 같이 비닐기를 2 ~ 5개를 가지는 아크릴레이트 화합물이며, N-비닐 피롤리돈, 에틸헥실 아크릴레이트, 히드록시에틸 아크릴레이트, 히드록시에틸 메타아크릴레이트, 부틸 아크릴레이트, 페녹시에틸 아크릴레이트와 같은 반응희석제는 액정과 가교제, 폴리우레탄 전구체 혼합물의 점도를 감소시켜 균일상으로 만들 뿐 아니라 중합속도를 증가시킨다. 도 1은 본 발명에서 사용된 폴리우레탄 아크릴레이트 전구체, 가교제, 반응 희 석제를 혼합한 혼합물을 광중합에 의해 반응시킨 뒤 반응 사이트인 이중결합의 변화를 나타낸 것이다. 광중합 전에는 1600-1620 cm-1에서 이중결합에 의한 피크를 보이고 있으나 중합 후에는 이 피크가 거의 사라짐을 볼 수 있다.
홀로그래픽 고분자분산 액정복합막의 구동원리는 다음과 같다. 전기장 무인가 시에는 액정과 고분자의 계면에서의 액정 방향자의 배향이 액적에 따라 랜덤하다. 그러므로, 액정의 공간 평균굴절율과 고분자의 굴절율이 상이하게 되어 입사된 빛이 브래그(Bragg) 법칙에 따라 일정한 각으로 반사 또는 회절을 한다. 그러나 전기장 인가 시에는 액정의 방향자가 전기장 방향으로 배향하므로 액정의 상굴절율과 고분자의 굴절율이 거의 일치하여 입사된 빛은 투과하게 된다. 따라서, 액정의 상굴절율과 유사한 굴절율을 가지는 고분자를 선택하는 것이 대비비 증대에 효과적이다. 액적의 중심에 있는 액정은 쉽게 구동되지만 고분자 매트릭스와의 계면에 위치한 액정은 계면인력을 극복해야만 구동이 가능하다.
따라서, 계면인력을 줄이는 것이 구동전압을 줄이는 데 필수적이다.
이에 본 발명에서는 표면에너지가 낮은 불소나 실리콘이 함유된 화합물을 전구체에 도핑하거나, 계면활성제 등을 사용한다.
상기 화합물은 1,1,1,3,3,3-헥사플루오르이소프릴 메타아크릴레이트, 1,1,1,3,3,3-헥사플루오르 이소프릴아크릴레이트, 2-[퍼플루오르알킬]에틸 메아크릴레이트, 2,2,2-트리플루오르에틸 메타아크릴레이트, 2,2,2-트리플루오르에틸 아크릴레이트, 비닐옥시 트리메틸실란, 비닐트리메톡시실란 중 하나를 선택한다.
한편, 상기 계면활성제는 옥탄산, 폴리옥시에틸렌 옥틸페닐에테르, 퍼플루오르-1-부탄설포닐 플로라이드, 실리콘계 계면활성제 중 하나를 선택한다.
본 발명은 상기와 같은 폴리우레탄 전구체 및 그 외의 도핑물질을 사용하여 홀로그래픽 고분자분산 액정복합막의 제조방법에 따른 반투과형 홀로그램을 제작한 것이다.
본 발명에서의 홀로그래픽 고분자분산 액정복합막은 폴리우레탄 아크릴레이트 전구체, 가교제, 반응성 희석제를 1:0.75:0.75의 중량비로 혼합하고 이 혼합물에 1-10 중량%의 계면활성제, 10-40 중량%의 도판트, 0.3-1 중량%의 광개시제인 로즈뱅갈, 1.8-6 중량%의 공개시제인 N-페닐 글리신, 30-50 중량%의 액정을 혼합하여 4-12 ㎛의 두께를 가진 셀에 주입한 뒤 50-150 mW/cm2의 입사강도, 488-514nm의 파장을 가진 아르곤-이온(Ar-ion) 레이저를 조사하여 제작한다.
일반적으로 셀의 두께가 증가할수록 광학 밀도(optical density), 즉 액정과 고분자계면이 증가로 회절효율은 증가하나 구동전압 또한 증가하게 되므로, 셀의 두께는 4-12 ㎛가 바람직하다.
또한, HPDLC의 회절효율은 중합속도와 상분리 속도가 균형을 이루어야 향상시킬 수 있고 고분자의 중합속도는 입사강도와 개시제 함량의 제곱근에 비례한다. 따라서, 150mW/cm2 이상의 입사강도에서는 중합속도가 너무 빨라 액정이 고분자층에서 상분리가 용이하지 못하고, 50mW/cm2 이하의 입사강도에서는 중합이 제대로 이루어지지 않아 상분리가 감소된다.
그러므로 상기와 같이 적절한 셀 두께와 입사강도를 선택해야 고효율, 저구동전압의 HPDLC 필름을 제작할 수 있다.
한편, 레이저의 파장은 본 실시예에서 사용된 개시제인 로즈뱅갈의 흡수파장에 따라 488nm를 사용하였으나, 흡수파장이 다른 개시제를 사용하여 다양한 파장의 레이저를 사용할 수 있다.
이하, 도 2를 참조하여 본 발명에 따른 멀티플렉스형 반투과 홀로그램 표시소자 제조 방법에 대하여 설명한다.
본 발명의 멀티플렉스형 반투과 홀로그램은 반사영역과 투과영역이 구획되어 있는 종래의 반투과형 액정표시장치와 달리 반사투과영역이 셀의 동일지점에 새겨져 제작공정상 간단하다. 또한 본 발명은 각, 파장, 진동수, 위상, 공간 등의 여러 가지 멀티플렉스 방법 중 각의 변화에 따른 멀티플렉스 제작방법을 홀로그램 고분자분산 액정복합막(HPDLC)에 응용한 것이다.
두 빔을 사용하는 기존의 HPDLC는 반사형, 투과형을 독립적으로 제작하지만, 본 발명은 세 빔을 사용하여 각의 조절에 의해 셀의 동일 지점에 반사형, 투과형 그래이팅을 동시에 새김으로 제작공정이 간단하다.
본 발명의 반투과형 액정표시장치는 하부유리기판(296)과 이 하부기판에 이격 대향하는 상부유리기판(292) 및 하부유리기판(296)과 상부유리기판(292) 사이에 개재된 액정/고분자 복합막층(294)을 포함한다. 먼저 아르곤-이온(Ar-ion) 레이저(210)를 통해 나온 빔을 공간 필터와 빔 확대기(220)를 거쳐 평행광을 만든 뒤 첫 번째 빔 스플리터(230)에서 1:2 세기의 두 개의 빔으로 나누고, 강한 빔은 두 번째 빔 스플리터(240)에서 다시 1:1로 나뉘게 되어 세 빔(260, 270, 280)은 각각 같은 세기의 빔이 되고 이 빔들은 미러들(250)을 통해 액정과 전구체 및 도판트 등이 혼합된 셀(290)의 동일 지점에 입사한다. 즉, 한 개의 기준빔(reference beam)(260)과 두 개의 물체빔(object beam)(270, 280)에 의해 셀에 반사형, 투과형 그래이팅이 동시에 새겨져 멀티플렉스형 반투과 홀로그램이 제작된다.
기준빔(260)과 제1 물체빔(270)이 이루는 각(θ1)과, 기준빔(260)과 제2 물체빔(280)이 이루는 각(θ2)을 변화시킴으로써 형성되는 격자 간격을 변경할 수 있다.
한편, 리딩시에는 두 물체빔(270, 280)을 셔터(310)로 막고 기준빔(260)만을 셀에 입사시키면 빔의 회절(330)과 반사(320)가 동시에 일어난다. 동일한 세기의 빔을 조사하여도 투과형이 반사형에 비해 반응시간이 빨라, 결과적으로 투과형이 지배적인 그래이팅이 얻어지고, 회절효율이 반사효율보다 훨씬 높게 나타난다.
이와 같은 멀티플렉스형 반투과형 홀로그램 표시소자에 의하면, 후면등에 의한 빛의 투과와 태양광에 의한 반사가 같은 지점에서 일어나므로 기판의 크기를 감소시킬 수 있어 휴대용 디스플레이 등으로 이용이 가능하다.
이하 도 3을 참조하여 본 발명에 따른 픽셀형 반투과 홀로그램 표시소자 제조 방법에 대하여 설명한다.
픽셀형 반투과 홀로그램 표시소자를 제조하기 위하여, 포토마스크를 이용하여 같은 셀 내의 다른 지점에 그래이팅을 독립적으로 새긴다.. 픽셀형 홀로그램 표 시소자 또한 하부유리기판(296)과 이 하부기판에 이격 대향하는 상부유리기판(292) 및 하부유리기판(296)과 상부유리기판(292)사이에 개재된 액정/고분자 복합막층(294)이 포함되지만, 멀티플렉스형과는 달리 반사영역(제1 영역, R)과 투과영역(제2 영역, T)으로 구획된다.
입사빔의 조사각을 변화시켜 포토 마스크를 이용해 셀의 일부를 가리면서 반사형과 투과형 그래이팅을 교대로 생성시켜 반사형 블루(B), 투과형 블루(B), 반사형 그린(G), 투과형 그린(G), 반사형 레드(R), 투과형 레드(R)의 순서로 제작한다.
다시 말하면, 먼저 두 개의 빔 스플리터에 의해 같은 강도를 갖는 기준빔과 두 개의 물체빔으로 나눈 뒤, 투과형 홀로그램 영역을 포토마스크로 막고 반사형 홀로그램을 먼저 제작한 다음, 포토마스크를 제거하고 투과형 홀로그램을 제작한다.
또 다른 방법으로서, 셀에서 세 개의 투과영역(T)을 포토마스크를 이용해 가린 후, 세 개의 기준빔과 세 개의 물체빔을 이용하여 반사형 블루, 반사형 그린, 반사형 레드를 동시에 제작한 후, 포토마스크를 제거하고 상기와 마찬가지로 세 개의 기준빔과 세 개의 물체빔을 이용하여 투과형 블루, 투과형 그린, 투과형 레드를 동시에 제작할 수 있다.
이때 노출시간은 멀티플렉스형 반투과 홀로그램에 비해 짧은 30초 이내로 한다.
본 발명에서 사용하는 고분자는 비가역적인 반응으로 광 조사시 모노머가 다 소비될 때까지 중합이 진행된다. 그러므로 포토마스크에 의해 직접적으로 광이 셀 에 입사되지 않는다 하더라도 반사형 홀로그램을 제작시 투과형 영역의 고분자에 영향을 주게 된다. 따라서 이러한 영향을 감소시키기 위해 상기와 같이 30초 이내의 짧은 노출시간으로 원하는 영역에서의 중합만 유도하게 된다. 또한 노출시간은 중합속도, 즉 모노머의 관능기수, 가교밀도, 개시제의 함량, 입사강도 등에 따라 달라진다.
이 세 가지 색상의 HPDLC는 어느 것을 먼저 형성하여도 관계없으며, 각 영역을 제어하기 위하여 세 개의 스위치(490)가 연결된다.
도시된 바와 같이, 전면에서는 백색광(440)이, 후면에서는 백라이트(450)가 입사되며, 각 영역에서 푸른 빔(460), 초록 빔(470), 붉은 빔(480)이 반사 또는 회절된다.
픽셀형 홀로그램은 반사형과 투과형 그래이팅이 독립적으로 형성되기 때문에 두 종류의 그래이팅이 동시에 형성되는 멀티플렉스형에 비해 반사 및 회절 효율에 손실이 적어 색 구현성이 높다는 장점이 있다.
한편, 도 5는 반사형 HPDLC 적층(stacking) 모드의 반사원리 및 반사스펙트럼을 나타낸 것이다.
488nm의 단일 파장을 가진 아르곤 레이저를 이용하여 셀 내부로 진행하는 두 레이져 빔의 입사각(B = 90° G = 71.8° R = 50.4°)을 제어함으로써 간섭무늬의 간격이 각각 R, G, B의 파장을 갖는 각각의 필름을 제작하고. 상기 RGB 필름을 차례로 적층(stacking)함으로써 전색 디스플레이 HPDLC를 제작한다.
도 6에 도시된 바와 같이, 입사광이 백색광인 경우 각 필름은 그 필름의 그 래이팅에 해당하는 파장의 빛만 선택적으로 반사함을 보여주고 있다.
이하, 본 발명은 실시예에 의거하여 더욱 상세히 설명하겠는 바, 본 발명이 하기의 실시예에 한정되지 않음은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다.
제조예 1-4. 폴리우레탄 전구체의 제조
다음 표1에 나타낸 히드록시 화합물, 이소시아네이트 화합물, 아크릴레이트 화합물을 사용하여 다음과 같은 방법으로 폴리우레탄 전구체를 합성하였다.
Figure 112007085561679-pat00001
히드록시화합물인 폴리프로필렌 글리콜(PPG)과 이소시아네이트 화합물인 1,6-헥사메틸렌 디이소시아네이트(HDI)를 몰비 1:2가 되게 혼합한 뒤, 촉매로 디부틸틴디라우레이트 0.03phr를 첨가하여 60에서 2시간 반응시켜 NCO말단의 폴리우레탄 전구체를 합성한 뒤 실온에서 전구체와 아크릴레이트 화합물인 히드록시에틸 메타아크릴레이트(HEMA)가 1:2의 몰비가 되게 첨가하여 40에서 2시간 반응하여 양 말단에 아크릴레이트기를 가지는 폴리우레탄 아크릴레이트 전구체를 합성하였다. 표 2는 반투과형 홀로그램을 제작하기 위한 조성표로 폴리우레탄 전구체(PUA oligomer), 다관능성의 가교제로 디펜타에리트리톨 헥사/펜타 아크릴레이트(DPHPA), 반응성희석제인 N-비닐 피롤리돈(NVP)를 1:0.75:0.75 중량비로 혼합한 뒤, 20 중량%의 2,2,2-트리플루오르에틸 아크릴레이트, 여러 가지 함량의 옥탄산, 0.3 중량%의 로즈뱅갈, 1.8 중량%의 N-페닐 글리신, 40 중량%의 액정(E7, Merck)을 혼합하여 10㎛의 두께를 가진 셀에 주입한다.
Figure 112007085561679-pat00002
실시예 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8
상기 제조예 1, 2, 3 및 4의 광반응성 혼합물에 60 mW/cm2의 입사강도, 488nm의 파장을 가진 아르곤-이온 레이저빔을 조사하여 간섭패턴에 의한 488nm의 파장만을 회절, 반사시키는 반투과형 홀로그램을 제조하였다. 표 3은 멀티플렉스형 반투과 홀로그램에 의한 회절 및 반사효율을 측정한 것이다. 두 개의 빔스플리트에 의해 하나의 기준빔과 두개의 물체빔으로 나누어지고 각각의 빔은 20mW/cm2의 강도로 3분 동안 셀의 동일 지점에 입사되어 반사형과 투과형 그래이팅이 동시에 새겨지게 한다. 한편, 리딩시에는 두 물체빔을 셔터로 막고 기준빔만을 셀에 입사시키면 빔의 회절과 반사가 동시에 일어난다. 이 값은 빈 셀을 통과하여 나오는 빔의 세기의 비이다.
Figure 112007085561679-pat00003
상기 표 3에서 나타난 바와 같이, 본 발명에 따른 멀티플레스형 반투과 홀로그램은 회절효율이 반사효율 보다 더 높다. 이것은 같은 강도의 빔이 조사되어도 한 면에 두 빔이 동시에 조사되는 투과형이 각각 다른 면에 한 빔씩 조사되는 반사형에 비해 중합속도가 빠르기 때문이다. 또한 OA의 함량이 증가함에 따라 효율이 증가하는데 이는 OA가 액적을 둘러싸 액적의 크기를 줄여 밀도의 증가를 가져오기 때문이다.
Figure 112007085561679-pat00004
상기 표 4는 픽셀형 반투과 홀로그램에 의한 회절 및 반사효율을 나타낸 것이다. 먼저 두 개의 빔 스플리트에 의해 같은 강도를 갖는 기준빔과 두 개의 물체빔으로 나눈다.
먼저, 투과형 홀로그램 영역을 포토마스크로 막은 뒤 반사형 홀로그램을 제작한 다음, 포토마스크를 제거하고 투과형 홀로그램을 제작한다. 노출시간은 멀티플렉스형 반투과 홀로그램에 비해 짧은 30초 이내로 한다. 반사형과 투과형 그래이팅이 독립적으로 형성되는 픽셀형 홀로그램이, 이들 두 종류의 그래이팅이 동시에 형성되는 멀티플렉스형에 비해 손실이 적으므로 반사효율및 회절효율이 훨씬 높음을 알 수 있다. 또한 OA함량의 증가에 의해 액적크기의 감소와 밀도의 증가로 액정과 고분자 매트릭스의 계면에서의 회절 및 반사가 증가하여 효율은 증대된다.
다음의 표 5는 제조예 2, 3 및 4에 따른 픽셀형 반투과 홀로그램의 구동전압을 측정한 예이다.
Figure 112007085561679-pat00005
본 발명에서는 액정-고분자계면에서의 계면에너지를 감소시키기 위해 OA를 첨가하였다. 낮은 표면에너지를 가진 OA의 함량이 증가할수록 액적의 크기가 감소함으로 실시예10(OA 6%)에서 가장 낮은 구동전압을 보이나 그 이상의 함량(실시예11)에서는 액정크기가 지나치게 작아져 구동전압은 다시 증가한다. 응답속도 또한 액적의 크기에 영향을 받으며 OA의 함량이 증가할수록 느려짐을 알 수 있다.
이상에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 이러한 실시예에 한정되지 않으며, 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 실시할 수 있는 다양한 형태의 실시예들을 모두 포함한다.
도 1은 본 발명에 따른 폴리우레탄 전구체의 광중합 전후의 IR 측정을 나타낸 그래프,
도 2는 본 발명에 따른 멀티플렉스형 반투과 홀로그램 표시소자의 제조방법을 나타낸 도면,
도 3은 멀티플렉스형 반투과 홀로그램 표시소자의 리딩시를 나타낸 도면,
도 4는 본 발명에 따른 픽셀형 반투과 홀로그램 표시소자의 제조방법을 나타낸 도면,
도 5는 전색 디스플레이를 위한 반사형 HPDLC의 적층 모습을 나타낸 도면,
도 6은 상기 반사형 HPDLC 적층 구조에 의한 반사 스펙트럼을 나타낸다.
<도면부호에 대한 설명>
210 : 아르곤-이온 레이저 220 : 공간 필터 및 빔 확대기
230, 240 : 빔 스플리터 250 : 거울
260 : 기준빔 270 : 제1 물체빔
280 : 제2 물체빔 292 : 상부 유리기판
294 : 액정/고분자 복합막층 296 : 하부 유리기판
310 : 셔터(shutter) 320 : 반사된 빔
330 : 회절된 빔
440 : 백색광 450 : 백라이트
460 : 반사 또는 회절된 푸른 빔
470 : 반사 또는 회절된 녹색 빔
480 : 반사 또는 회절된 붉은 빔
490 : 스위치

Claims (11)

  1. 홀로그래픽 고분자분산 액정 복합막 제조 방법에 있어서,
    상기 제조 방법은 고분자 전구체에 표면에너지가 낮은 불소 또는 실리콘이 함유된 화합물을 도핑하며,
    상기 화합물은 1,1,1,3,3,3-헥사플루오르이소프릴 메타아크릴레이트, 1,1,1,3,3,3-헥사플루오르 이소프릴아크릴레이트, 2-[퍼플루오르알킬]에틸 메아크릴레이트, 2,2,2-트리플루오르에틸 메타아크릴레이트, 2,2,2-트리플루오르에틸 아크릴레이트, 비닐옥시 트리메틸실란, 비닐트리메톡시실란 중 어느 하나 또는 이들의 조합인 것을 특징으로 하는 홀로그래픽 고분자분산 액정 복합막 제조 방법.
  2. 홀로그래픽 고분자분산 액정 복합막 제조 방법에 있어서,
    상기 제조 방법은 고분자 전구체에 계면활성제화합물을 도핑하며,
    상기 화합물은 옥탄산, 폴리옥시에틸렌 옥틸페닐에테르, 퍼플루오르-1-부탄설포닐 플로라이드, 실리콘계 계면활성제 중 어느 하나 또는 이들의 조합인 것을 특징으로 하는 홀로그래픽 고분자분산 액정 복합막 제조 방법.
  3. 액정/고분자 복합막층을 이용한 멀티플렉스형 반투과 홀로그램 표시소자의 제조방법에 있어서,
    (a) 평행광을 빔 스플리터를 이용하여 소정 크기의 기준빔, 제1 물체빔, 제2 물체빔으로 분리시키는 단계;
    (b) 상기 기준빔과 제1 물체빔을 상기 액정/고분자 복합막층의 대칭지점에, 상기 기준빔과 제2 물체빔을 상기 액정/고분자 복합막층의 동일지점에 입사하여 반사영역과 투과영역을 동시에 형성하는 단계;
    를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 멀티플렉스형 반투과 홀로그램 표시소자의 제조방법.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 (a) 단계는,
    상기 평행광을 두 개의 빔 스플리터를 이용하여 같은 크기의 기준빔, 제1 물체빔, 제2 물체빔으로 분리시키는 것을 특징으로 하는 멀티플렉스형 반투과 홀로그램 표시소자의 제조방법.
  5. 청구항 3 또는 청구항 4에 있어서,
    상기 (a) 단계 이전에,
    레이저 빔을 공간 필터와 빔 확대기를 이용하여 평행광으로 전환하는 단계;
    를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 멀티플렉스형 반투과 홀로그램 표시소자의 제조방법.
  6. 액정/고분자 복합막층을 이용한 픽셀형 반투과 홀로그램 표시소자의 제조방법에 있어서,
    (a) 평행광을 빔 스플리터를 이용하여 소정 크기의 기준빔, 제1 물체빔, 제2 물체빔으로 분리시키는 단계;
    (b) 상기 기준빔과 제1 물체빔을 상기 액정/고분자 복합막층 중 제1 영역의 대칭지점에 입사하여 반사영역을 형성하는 단계;
    (c) 상기 기준빔과 제2 물체빔을 상기 액정/고분자 복합막층 중 제2 영역의 동일지점에 입사하여 투과영역을 형성하는 단계;
    를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 픽셀형 반투과 홀로그램 표시소자의 제조방법.
  7. 액정/고분자 복합막층을 이용한 픽셀형 반투과 홀로그램 표시소자의 제조방법에 있어서,
    (a) 평행광을 빔 스플리터를 이용하여 소정 크기의 기준빔, 제1 물체빔, 제2 물체빔으로 분리시키는 단계;
    (b) 상기 기준빔과 제2 물체빔을 상기 액정/고분자 복합막층 중 제2 영역의 동일지점에 입사하여 투과영역을 형성하는 단계;
    (c) 상기 기준빔과 제1 물체빔을 상기 액정/고분자 복합막층 중 제1 영역의 대칭지점에 입사하여 반사영역을 형성하는 단계;
    를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 픽셀형 반투과 홀로그램 표시소자의 제조방법.
  8. 청구항 6에 있어서,
    상기 (c) 단계 이후에,
    (d) 기준빔과 제1 물체빔 사잇각(θ)과 기준빔과 제2 물체짐 사잇각(θ)을 변경하며 상기 (b) 및 (c) 단계를 반복하여, 푸른색 반사영역, 푸른색 투과영역, 녹색 반사영역, 녹색 투과영역, 붉은색 반사영역, 붉은색 투과영역을 차례로 형성하는 단계;
    를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 픽셀형 반투과 홀로그램 표시소자의 제조방법.
  9. 청구항 7에 있어서,
    상기 (c) 단계 이후에,
    (d) 기준빔과 제1 물체빔 사잇각(θ)과 기준빔과 제2 물체짐 사잇각(θ)을 변경하며 상기 (b) 및 (c) 단계를 반복하여, 푸른색 투과영역, 푸른색 반사영역, 녹색 투과영역, 녹색 반사영역, 붉은색 투과영역, 붉은색 반사영역을 차례로 형성하는 단계;
    를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 픽셀형 반투과 홀로그램 표시소자의 제조방법.
  10. 푸른색 빔을 반사시키는 제1 반사형 HPDLC;
    상기 제1 반사형 HPDLC 상에 형성되며, 녹색 빔을 반사시키는 제2 반사형 HPDLC;
    상기 제2 반사형 HPDLC 상에 형성되며, 붉은색 빔을 반사시키는 제3 반사형 HPDLC;
    를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 전색 디스플레이 HPDLC.
  11. 청구항 3에 있어서,
    상기 평행광의 입사강도는 50-150 mW/cm2, 상기 액정/고분자 복합막층의 두께는 4-12 ㎛인 것을 특징으로 하는 멀티플렉스형 반투과 홀로그램 표시소자의 제 조방법.
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