KR101347940B1

KR101347940B1 - 냉각판을 이용한 고분자 분산 액정 소자의 제조방법

Info

Publication number: KR101347940B1
Application number: KR1020120094969A
Authority: KR
Inventors: 한정인; 김재용
Original assignee: 동국대학교 산학협력단
Priority date: 2012-08-29
Filing date: 2012-08-29
Publication date: 2014-01-08
Also published as: US20140065917A1; US9028290B2

Abstract

본 발명은 냉각판을 이용한 고분자 분산 액정 소자의 제조방법 및 이에 의해 제조된 고분자 분산 액정 소자에 관한 것이다.
본 발명에 의한 제조방법은 비교적 간단한 방법으로 효율적으로 열을 제거할 수 있는 기능을 가진 냉각판을 이용하여 구동전압의 특성 개선은 물론 고분자 분산 액정 소자의 제조 단가를 낮추는 효과도 기대할 수 있다.

Description

냉각판을 이용한 고분자 분산 액정 소자의 제조방법{Method for polymer dispersed liquid crystal by chiller}

본 발명은 냉각판을 이용한 고분자 분산 액정 소자의 제조방법 및 이에 의해 제조된 고분자 분산 액정 소자에 관한 것이다.

시력이 약한 사람들이 사용하는 기존의 안경은 도수가 고정되어 있어 눈이 나빠지면 그에 따라 안경을 교체하여야 한다. 특히 노년에 이를수록 원시가 생기면 본래 근시가 있은 사람들은 원거리와 근거리 글자를 보는데 매우 애를 먹는다. 또한, 기존의 안경 가운데 눈이 나쁘지 않아도 선글라스는 태양의 직사광선 및 UV를 차단하고자 특히 국외에서 널리 사용된다. 최근에 이러한 기존의 안경의 문제점을 개선하고자 스마트 전자 안경에 대한 연구개발이 시도되고 있다. 그 원리는 액정의 기본적인 역할인 광의 차단 또는 투과하는 광학적 셔터 기능을 이용한 것이다. 이러한 액정을 사용한 광학 셔터를 기존의 안경과 차별화하기 위해 액정 소자 또는 단순히 소자라 한다. 액정 소자는 외부 광의 세기에 따라서 전자적으로 동작하게 할 수 있다. 외부 광의 세기가 높으면, 즉 빛이 강하면 액정 셔터를 많이 열고 빛이 약하면 조금만 열어 광량을 조절하면 되기 때문이다. 이러한 기능을 외부 광의 세기를 측정하는 센서와 함께 스위치 역할을 하는 전자 회로와 결합시키면 선글라스보다 능동적인 기능을 하는 소위 autoshading 기능의 액정 소자를 채택한 전자 안경을 구성할 수 있다. 또한 고굴절율 액정 주위에 전극 배치를 효과적으로 구성하거나 입체적인 액정 소자를 만들거나 하여 다단계로 나뉘어져 있는 전극에 인가하는 전압을 조절하면 액정 소자의 초점 거리를 조절할 수 있다. 이런 경우에는 거리 측정 센서와 함께 전극 구동 제어 기능의 전자 회로와 결합시키면 근시 또는 원시에 대응할 수 있는 도수 기능의 전자 안경을 제작할 수 있다. 또는 앞서의 autoshading 기능과 도수 기능 등을 융복합하고 여러 가지 소프트웨어를 장착한 스마트 전자 안경의 개발도 많이 시도되고 있다.

이러한 액정 소자는 TFT-LCD 제작에 네머틱 액정을 사용하고 있다. 그러나 네머틱 액정은 소재 자체의 한계로 인하여 반응속도도 비교적 느리며 제작 공정이 복잡하여 많은 제작 설비들이 소요되며 편광판과 같은 부가적인 필름들이 필요하다. 특히 네머틱 액정의 기본 원리상 반드시 필요한 편광판은 네머틱 액정 소자의 앞면과 뒷면에 각각 1장씩 부착하기 때문에 단가도 높지만 기본적인 광투과량을 35% 이하로 낮춘다. 또한 폴리이미드를 사용하는 배향 공정과 액정 주입공정 등 매우 복잡한 공정들로서 네머틱 액정의 수율과 생산성을 저하시킨다.

최근에 이러한 네머틱 액정 소자의 단점들을 극복하고자 새로운 액정 소재와 액정 소자가 제안되었다.

고분자 분산 액정(Polymer Dispersed Liquid Crystal)은 기본 원리에 비추어 볼 때, 편광판을 요구하지 않으며 액정 배열을 위한 폴리이미드 배향 또한 필요하지 않아 광투과량은 이론적으로 100%에 달하며 제작 공정 또한 매우 간편하고 따라서 제작 설비도 매우 단순하여 앞서의 네머틱 액정의 문제점들을 대부분 극복할 수 있게 한다.

그러나 고분자 분산 액정 소자는 고분자를 재료로 사용한다는 점에서 네머틱 액정과 비교하여 구동전압이 높다는 문제점이 있다. 구동전압이 높을 경우 고분자 분산 액정 소자를 구동하는 전기적 효율이 떨어지어 배터리의 소모가 많은 것은 물론, 눈 앞에서 바로 사용하는 전자 안경의 경우에는 매우 위험하다. 또한 구동 전압이 30 V 이상이 되면 구동 회로의 제작 가격이 매우 크게 상승한다. 따라서 고분자 분산 액정 소자의 가장 큰 단점 중 하나인 구동전압의 특성을 개선시키는 것이 시급하다.

KR 등록번호 10-0247640호

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 고분자 분산 액정 소자의 다른 전기 광학적 특성에는 큰 영향을 미치지 않으면서 구동전압만을 낮추기 위한 고분자 분산 액정 소자의 제조방법을 발명하기에 이르렀다.

본 발명은 고분자 분산 액정 소자의 제조 공정 중 UV(Ultraviolet light) 조사 공정에서 빛에 의해 발생되는 열을 냉각판을 이용하여 효율적으로 제거하는 방법에 관한 것이다.

본 발명은 (a) 2~7장의 기판을 스페이서(spacer)가 흡착된 UV 접착제로 합착시켜 갭(gap)을 형성하는 단계; (b) 프리폴리머(pre-polymer) 및 액정(liquid crystal)이 혼합된 액정혼합액을 상기 갭에 주입하는 단계; 및 (c) UV 로 경화 및 냉각판으로 냉각하는 경화 및 냉각하는 단계를 포함하는 고분자 분산 액정 소자의 제조방법에 관한 것이다.

또한, 본 발명은 상기 방법에 의해 제조된 고분자 분산 액정 소자에 관한 것이다.

본 발명에 의한 제조방법은 비교적 간단한 방법으로 효율적으로 열을 제거할 수 있는 기능을 가진 냉각판을 이용하여 구동전압의 특성 개선은 물론 고분자 분산 액정 소자의 제조 단가를 낮추는 효과도 기대할 수 있다.

도 1은 고분자 분산 액정의 동작 원리에 관한 것이다.
도 2는 UV 경화형 고분자 분산 액정 소자의 제조 공정의 흐름도의 한 실시예이다.
도 3은 고분자 분산 액정 소자 및 고분자 네트워크-액정 미세구조 사진이다.
도 4는 액정 농도에 따른 고분자 액정 소자의 인가전압-광투과도 곡선으로, (a)는 냉각한 경우, (b)는 냉각하지 않은 경우이다.
도 5는 액정 농도에 따른 냉각한 경우와 냉각하지 않은 고분자 분산 액정 소자의 구동 전압 변화이다.
도 6은 UV 경화 세기에 따른 고분자 액정 소자의 인가전압-광투과도 곡선으로 (a)는 냉각한 경우, (b)는 냉각하지 않은 경우이다.
도 7은 UV 경화 세기에 따른 냉각한 경우와 냉각하지 않은 고분자 분산 액정 소자의 구동 전압 변화이다.
도 8(a)는 액정 농도 및 (b)는 UV 경화 세기에 따른 냉각한 경우와 냉각하지 않은 고분자 분산 액정 소자의 구동 영역에서의 기울기 변화이다.
도 9는 UV 조사 공정에서의 냉각판 사용 유무 및 액정 농도에 따른 고분자 분산 액정 소자의 응답속도의 변화로 (a)는 Rising Response Time (b) Falling Response Time이다.
도 10은 UV 조사 공정에서의 냉각판 사용 유무 및 UV 경화 세기에 따른 고분자 분산 액정 렌즈의 응답속도의 변화 (a) Rising Response Time (b) Falling Response Time이다.
도 11은 고분자 분산 액정 소자의 응답속도 측정을 위한 외부 인가 전압 프로파일이다.
도 12는 UV 조사 공정에서의 냉각판 사용 유무 및 액정 농도에 따른 고분자 분산 액정 소자의 명암비(contrast ration)이다.
도 13은 냉각판 유무에 따른 고분자 분산 액정 방울 크기의 현미경 사진이다. (a)는 냉각판을 사용하지 않은 고분자 분산 액정의 현미경 사진이고, (b)는 냉각판을 사용한 고분자 분산 액정의 현미경 사진이다.
도 14는 냉각판 유무에 따른 고분자 분산 액정 방울 크기의 주사 전자 현미경(SEM) 사진이다. (a)는 냉각판을 사용하지 않은 고분자 분산 액정의 주사 전자 현미경(SEM) 사진이고, (b)는 냉각판을 사용한 고분자 분산 액정의 주사 전자 현미경 (SEM) 사진이다.
도 15는 냉각판의 도면 및 구조이다.
도 16은 냉각판의 실시예이다.

고분자 분산 액정(polymer dispersed liquid crystal, PDLC) 소자의 기본 구동 원리는 도 1과 같이 전기장 무인가시에는 액정의 방향성이 액정방울(droplet) 안에서 무작위로 배열되어 광산란이 일어나며, 전기장 인가시에는 액정의 방향성이 전기장 방향으로 배열되어 빛이 투과하게 된다. 액정의 상굴절률과 고분자의 굴절률의 차이에 의해 투과도가 결정되며, 다시 전기장을 제거하면 처음의 상태 즉, 광산란이 일어난다.

고분자 분산 액정의 구조는 일반적으로 직경 2 ~ 5 ㎛ 크기의 타원형 액정방울(droplet)들이 20 ~ 50 ㎛ 두께의 고분자 필름에 균일 분산된 형태이다.

상기 (a) 단계의 기판은 이에 제한되는 것은 아니나, 산화 인듐-주석(Indium-Tin Oxide)이 증착된 유리, 폴리카보네이트, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리카보네이트, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리에틸렌술폰, 폴리이미드, 폴리싸이클릭 올레핀, 폴리아릴레이트, 폴리에틸렌 나프탈레이트 또는 폴리에텔에테르케톤일 수 있다.

상기 (a) 단계는 (a) 2~7장의 기판을 스페이서(spacer)가 혼합된 UV 접착제로 합착시켜 갭(gap)을 형성하는 단계로서, 기판에 6 - 50 ㎛ 높이의 스페이서를 negative PR을 사용하여 photolithography 방법을 사용하여 제작할 수 있다.

상기 스페이서의 소재는 이에 제한되지 않으나, 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA) 일 수 있다.

상기 (b) 단계는 프리폴리머(pre-polymer) 및 액정(liquid crystal)이 혼합된 액정혼합액을 상기 갭에 주입하는 단계로서, 고분자 분산 액정 소자는 고분자를 구성하게 되는 프리폴리머(pre-polymer) 와 액정으로 구성되며, 상기 프리폴리머로서 이에 제한되는 것은 아니나, acrylate 계, thiolene 계 또는 expoxy 계일 수 있다. 상기 acrylate 프리폴리머는 비닐그룹과 carboxylic acid 단말그룹으로 구성된 아크릴산 구조를 갖는 모노머이며, thiolene 프리폴리머는 자유 라디컬 또는 이온 반응에 의하여 이중 또는 삼중 탄소 결합에 S-H 결합을 추가하여 만드는 모노머이고, expoxy 프리폴리머는 에폭시 결합을 갖고 있는 모노머일 수 있다.

본 발명의 일실시예에서는 NOA65(tetrafunctional allylether (4-AE) 와 trifunctional thiol (3-SH) 의 monomer 혼합물 + benzo-phenone 의 광개시제)을 사용하였다.

상기 액정은 액정(liquid crystal, LC)은 프리폴리머와 굴절률이 유사한 액정을 사용할 수 있으며, 이에 제한되는 것은 아니나, E7 일 수 있다. 상기 E7은 n-pentylcyanobiphenyl (5CB) 51%와 n-heptylcyanobiphenyl (7CB) 25%, n-octyloxycyanobiphenyl (80CB) 16%, n-pentylcyanoterphenyl 8%로 구성되며 -30 ℃에서 61 ℃의 범위에서 네머틱 중간상을 형성한다.

상기 프리폴리머 및 액정의 질량비율은 50:50~20:80일 수 있다.

상기 (c) 단계는 UV로 경화 및 냉각판으로 냉각하는 경화 및 냉각하는 단계로서, 상기 UV의 경화의 세기는 80~780 uW/cm²일 수 있으며, 상기 냉각판을 사용하여 UV 조사하는 동안의 온도를 5~25 ℃로 유지할 수 있다.

본 발명의 일실시예에서 고분자 분산 액정은 프리폴리머와 E7 액정을 균일하게 분산한 후 UV 경화를 하여 프리폴리머를 고분자화는 동시에 액정과의 상분리를 유도하는 PIPS(Polymerization Induced Phase Separation) 공정을 통하여 만들었으며, 고분자 분산 액정은 직경 2 ~ 5 ㎛ 크기의 타원형 액정방울(droplet)들이 20 ~ 50 ㎛ 두께의 고분자 필름에 균일 분산된 형태일 수 있다.

상기 냉각판은 UV로 경화시의 온도가 상승하는 것을 방지해 주는 것으로서, 냉각판의 도면 및 구조는 도 15와 같다.

상기 냉각판의 효과로는 열전달 속도가 굉장히 빠른 구리 금속 내부에 물을 계속해서 순환시켜 줌으로서 UV를 조사하여 프리폴리머를 경화시켜 주는 동안 UV 빛에 의해 발생하는 열 에너지를 빠르고 효율적으로 고분자 분산 액정 소자로부터 제거하여 보다 낮은 온도를 유지하며, 고분자 분산 액정 소자를 X~Y ℃의 낮은 온도에서 제작할 수 있게 되는 것이다. 네머틱 액정 소자와 비교하여 고분자 분산 액정 소자는 많은 전기-광학 특성 및 제작 공정 특성에서 많은 장점을 갖고 있으나, 고분자 분산 액정 소자의 특성 및 화학조성상, 구동 전압만은 매우 높아 고분자 분산 액정 소자 소자의 구동 회로 및 제어 회로의 가격이 매우 비싸고 휴대용 정보통신기기의 경우 전지의 소모가 많아 단점으로 작용한다. 따라서 UV의 조사 공정에서 단순히 냉각판의 사용만으로 소모 전력 및 구동 회로와 제어 회로의 제작 단가의 최소 25% 이상의 개선의 효과를 얻을 수 있는 것이다.

또한, 도 4와 도 6에서 볼 수 있듯이 냉각판을 사용한 경우(도 4와 도 6의 (a))는 냉각판을 사용하지 않은 곡선(도 4와 도 6의 (b))과 비교할 때, 인가 전압에 따른 광투과도 변화가 매우 급격하게 변화하는 것을 알 수 있다. UV 경화 시 냉각을 하는 경우는 5V에서 15V의 외부 인가 전압 구간에서 그리고 냉각을 하지 않는 경우에는 10V에서 20V의 외부 인가 전압 구간에서 가장 급격한 변화를 보이고 있다. 이러한 인가전압에 따른 광투과도의 급격한 변화는 인가 전압의 작은 변화에 의하여 광투과도의 매우 큰 변화를 달성할 수 있다. 고분자 분산 액정 소자가 3D HDTV용 active shutter glass 혹은 외부 광량의 변화에 따라 자동 광량을 조절하는 경우에는 인가 전압에 따른 투과도의 변화가 매우 큰 고분자 액정 소자가 필요하다. 따라서 UV의 조사 공정에서 냉각판을 사용하여 우수한 전기-광학 특성을 갖는 고분자 분산 액정 소자를 제작할 수 있다.

또한, 본 발명은 상기 제조방법에 의해 제조된 고분자 분산 액정 소자에 관한 것이다. 본 발명에 의한 고분자 분산 액정 소자는 구동전압의 감소, 반응 속도의 향상, 명암비의 증가의 특성을 가질 수 있다. 또한, 상기 구동전압의 감소에 따른 고분자 분산 액정 소자의 제조단가의 감소, 구동 회로의 제작단가의 감소, 전력 소비량의 감소의 장점을 갖을 수 있다.

고분자 분산 액정 소자(렌즈)의 전기 광학적 특성은 고분자 분산 액정 부분의 두께와 액정 방울의 크기와 분포에 의해 결정되게 된다. 하지만 고분자 분산 액정 소자의 두께가 너무 낮을 경우 높은 Haze와 명암비 값은 기대될 수 없으므로 두께를 약 30㎛로 고정하게 된다면 액정 방울에 의해서만 고분자 분산 액정 소자의 전기 광학적 특성이 변화될 수 있으며, 이러한 액정 방울에 액정과 고분자의 비율, UV 조사 세기, 온도, 첨가물 종류와 농도가 영향을 미칠 수 있다.

도 3은 고분자 분산 액정 소자의 하나의 실시 예이다. NOA65와 액정(E7)의 비율이 40: 60인 30 ㎛ cell gap을 갖는 고분자 분산 액정 소자의 동작 사진과 고분자 네트워크-액정 미세구조 사진을 보여준다. 도 3(a)는 제작한 고분자 분산 액정 소자에 전원을 인가하지 않은 경우의 고분자 분산 액정 소자 사진과 그에 해당하는 고분자 분산 액정 소자와 고분자 네트워크와 액정으로 구성된 미세구조 사진이고, 도 3(b)는 제작한 고분자 분산 액정 소자에 전원을 인가하였을 때의 고분자 분산 액정 소자 사진과 그에 해당하는 고분자 분산 액정 소자와 액정 미세 구조 사진을 각각 나타낸다. NOA65는 40 % E7액정은 60 %의 비율로 균일하게 합성하였으며 cell gap은 30 ㎛이고 전압은 40 V를 인가하였다. 외부 전압을 인가하지 않은 경우에 액정의 domain이 잘 관찰되었으나, 외부 전압을 인가하면 빛이 투과되어 액정 domain을 관찰하기가 용이하지 않았다. 그 결과 도 3에서와 같이 전압이 인가되지 않은 경우에는 액정 domain에서 빛이 산란되어 소자가 하얗게 보이며 전압이 인가되면 액정 domain이 전압 인가 방향에 따라 배열을 바꾸며 그 결과 도 3(b)의 고분자 분산 액정 소자에서는 빛의 산란 대신에 빛의 투과가 발생하고 투명하게 보이게 되었다.

이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 실시예를 들어 상세하게 설명하기로 한다. 다만 하기의 실시예는 본 발명의 내용을 예시하는 것일 뿐 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해 제공되는 것이다.

< 실시예 >

1. 고분자 분산 액정 소자의 제조

고분자 분산 액정 소자의 제조 과정은 다음과 같다(도 2). ITO 증착된 부분이 서로 마주 보도록 유리기판에 30μm 높이의 스페이서가 흡착된 UV 접착제로 합착시켜 갭(gap)을 형성하였다.

다음으로 NOA65 및 E7를 혼합기에서 상온에서 magnetic stirrer를 사용하여 24시간 교반하여 균일하게 NOA65 및 E7의 비율이 각각 20: 80, 30: 70, 40:60, 50:50로 혼합하였다. 상기 액정혼합액을 상기 갭에 균일하게 부어 넣었다.

UV 조사시의 UV 경화 세기는 80 uW/cm²에서 780 uW/cm²의 범위에서 조사 경화하였으며, UV의 중심파장은 365nm이고, 조사 시간은 충분한 시간 동안 UV 조사를 하기 위하여 3시간 이었다. 단, UV 경화 세기가 큰 경우에는 발열 및 수은 등의 안정성을 고려하여 1.5 시간으로 설정하였다.

UV 조사시에 냉각판을 사용하여 UV 조사하는 동안 온도를 20 ℃로 유지하여 고분자 분산 액정고분자를 제조하였다.

2. 냉각판 사용 유무에 따른 효능

(1) E7 및 NOA65 의 비율에 따른 광투과도 변화 및 인가전압의 액정 농도 의존도

1) 광투과도의 변화

액정(E7)과 고분자(NOA65)의 비율을 50:50에서 80:20까지 변화시키며 UV 조사 강도를 580 uW/cm²의 동일한 경화 조건에서 UV 조사 시에 냉각판을 사용하여 UV 조사하는 동안 온도를 20 ℃로 일정하게 유지하는 경우와 냉각판을 사용하지 않아 온도가 70-80 ℃로 높게 유지하는 경우의 외부 인가 전압에 따른 고분자 액정의 광투과도 변화를 조사하였다(도 4). 고분자 분산 액정 소자의 냉각은 도 2에서 오른쪽 아래의 최종 고분자 분산 액정 소자(PDLC)가 제작되기 직전의 UV Curing 공정 부분을 관찰할 수 있었으며, 이 공정에서 소자를 냉각하거나 또는 냉각하지 않는 경우를 의미한다. 도 4 (a)와 (b)를 비교하였을 때 (a)의 냉각한 고분자 분산 액정 소자의 광투과도 곡선이 그래프에서 왼쪽 즉, 저전압쪽으로 모두 이동하였다. 도 4로부터 액정 농도에 관계없이, UV 경화 과정에서 냉각을 한 고분자 분산 액정 소자는 구동 전압이 감소하는 것을 알 수 있었다.

2) 구동 전압- 광투과도가 90%일 때의 인가전압의 액정 농도 의존도

도 4 (a) 및 (b)의 곡선에서 측정한 구동 전압-광투과도가 90%일 때의 인가전압의 액정 농도 의존도를 관찰하였다(도 5). 냉각을 한 경우가 냉각하지 않은 경우와 비교하여 모두 구동 전압이 3.5V에서 6.2V까지 감소하였다. 이러한 구동 전압 감소율은 최대 46.6%에서 최소 17.6%에 해당하며 주요 조성인 NOA 65: E7 = 40: 60 조성에서는 구동전압 감소 및 감소율이 각각 4.7 V, 23.9 % 향상되었다.

(2) UV 조사 강도에 따른 광투과도 변화 및 인가전압의 UV 경화 세기의 의존도

1) 광투과도의 변화

액정(E7)과 고분자(NOA65)의 비율을 60:40로 고정하고, UV 조사 강도를 80 uW/cm²에서 780 uW/cm²까지 변화시켰을 때, 냉각판을 사용하여 UV 조사하는 동안 온도를 20 ℃로 일정하게 유지하는 경우와 냉각판을 사용하지 않아 온도가 70-80 ℃로 높게 유지하는 경우의 외부 인자 전압에 따른 고분자 액정 소자의 광투과도 변화를 조사하였다(도 6). 도 6에서 UV 경화 세기의 % 표현은 UV 경화기의 setting 수치로서 실험상 편리를 위하여 사용하였다. 실제 측정한 UV 경화 세기와의 관계는

UV 경화 세기 (mW/cm²) = 42.5 X UV 경화기 Setting 값 (%) - 86

이며 본 실험에서 사용한 UV 경화기 setting 수치와 실제 UV 세기는 아래의 표와 같다. 하기 표 1은 UV 경화기 setting 수치와 실제 UV 세기이다.

UV 경화기 Setting (%)	UV 세기 (uW/cm²)
4	80
8	280
12	400
16	580
20	780

도 6 (a)와 (b)를 비교하였을 때 (a)의 냉각한 고분자 분산 액정 소자의 광투과도 곡선이 그래프에서 왼쪽 즉, 저전압쪽으로 모두 이동하였다. 도 6으로부터 UV 경화 세기에 관계없이 UV 경화 과정에서 냉각을 한 고분자 분산 액정 소자는 구동 전압이 감소하는 것을 알 수 있었다.

2) 구동 전압- 광투과도가 90%일 때의 인가전압의 UV 경화 세기의 의존도

도 6 (a) 및 (b)의 곡선에서 측정한 구동 전압-광투과도가 90%일 때의 인가전압의 UV 경화 세기 의존도를 관찰하였다(도 7). 냉각을 한 경우가 냉각하지 않은 경우와 비교하여 모두 구동 전압이 최소 2.8V에서 최대 17.4V까지 감소하였다. 이러한 구동 전압 감소율은 최대 152.1%에서 최소 17.2%에 해당하였다.

(3) 전기-광학 특성

액정 농도 및 UV 경화 세기에 따른 냉각 및 냉각하지 않은 고분자 분산 액정 소자 소자의 구동 영역에서의 기울기 변화를 조사하였다(도 8). 도 8 (a)와 (b)에서 알 수 있듯이 UV 경화시 냉각한 소자가 그렇지 않은 소자와 비교하여 기울기가 증가하는 전기-광학 특성이 향상되었다. 도 8 (a)에서 80%의 액정 농도에서는 냉각하지 않은 경우가 매우 크나 이 농도 영역은 고분자 네트워크 액정 (PNLC) 영역으로 보이며, 소자의 미세 구조가 다른 것으로 보이고, 냉각한 80% 액정 농도의 소자는 UV경화시의 냉각 효과로 미세구조가 고분자 분산 액정 (PDLC) 영역인 것으로 보인다.

(4) 고분자 분산 액정 소자의 응답속도

냉각판을 사용하였을 때와 사용하지 않았을 때의 고분자 분산 액정 소자의 응답속도를 조사해보았다(도 9 및 도 10). 고분자 분산 액정 소자에 있어서 중요한 고려 요소 가운데 하나가 반응속도이다. 구동전압과 구동 영역에서의 기울기 변화에서와 같이 반응 속도의 감소가 일어나며, 그 결과 rising 및 falling response time이 모두 향상되는 것을 알 수 있었다.

(5) 명암비

MOA 65와 E7의 비율이 40%, 60%이고, UV 경화 세기를 16%(580 uW/cm²)로 설정하여 경화한 고분자 분산 액정 소자의 명암비(contrast ration)의 측정하였다(도 12). 구동전압 및 구동 영역에서의 기울기 변화, 반응 속도의 경우에서와 같이 냉각한 고분자 분산 액정 소자가 냉각하지 않은 소자 보다 명암비가 11.5% 정도 더 향상된 것을 알 수 있었다.

(6) 고분자 액정 droplet

냉각판을 사용하였을 때와 사용하지 않았을 때의 고분자 분산 액정 소자의 광학 현미경과 주사 전자 현미경 사진을 관찰하였다(도 13 및 도 14). 사용한 시료는 MOA 65와 E7의 비율이 40%, 60%이고, UV 경화 세기를 16%(580 uW/cm²)로 설정하여 경화한 고분자 분산 액정 소자다. 도 13의 광학현미경 사진에서는 약간의 차이를 발견할 수 있지만 액정 droplet 크기가 수 ㎛ 수준이기 때문에 관찰이 어려웠다. 보다 해상도가 높은 도 14의 주사 전자 현미경 사진에서 관찰할 수 있듯이 고분자 분산 액정 소자는 벌집 모양이며 구멍으로 보이는 부분과 구멍을 나누는 벽 부분으로 나눌 수 있었다. 구멍은 액정 droplet의 자리이며 벽 모양은 프리폴리머가 UV 경화에 의하여 고분자화한 부분이다. UV 경화시에 프리폴리머와 액정 혼합물은 외부의 UV 에너지에 의하여 스피노달 분해(spinodal decomposition)를 하여, 도 14에서와 같이 고분자와 액정 droplet으로 분해하게 된다. 이때 액정 droplet의 개수가 많아지면 크기는 감소하고 액정 droplet가 적어지면 크기는 증가하게 된다. 이 때 차이가 나는 주요 변수는 UV 경화시의 온도 상승이다. 즉, UV 경화 시에 온도가 상승하여 높아지면, 즉 냉각판을 사용하지 않으면 액정 droplet의 수가 많아지고 droplet의 크기는 작아진다. 반면에 냉각판을 사용하면 UV 경화시 온도 상승이 억제되어 온도가 낮아지고 그 결과 액정 droplet의 수가 적어지고 droplet의 크기는 커진다.

도 13에서 측정한 결과는 냉각판을 사용한 경우와 사용하지 않은 경우의 액정 droplet의 크기는 각각 6.01㎛과 5.67㎛였다. 냉각판을 사용하지 않은 경우와 비교하여 냉각판을 사용하였을 때 약 6.1% 이상의 액정 droplet 크기가 더 컸다. 이러한 크기 차이에 의하여 구동 전압의 10.26 %의 차이를 보였으며 소자의 rising response time도 7.58 % 감소하였다.

3. 냉각판의 구조 및 실시예

냉각판은 얇은 구리판을 직각 육면체로 접합하고 도 15에서 알 수 있듯이 옆면의 상부와 하부에 각각 물의 주입부와 배수부를 만들었다. 주입부와 배수부에 각각 호수를 연결하고 주입부의 호수에 수중 모터를 연결한 뒤 물이 들어 있는 수조에 수중 모터와 배수부의 호수 끝부분을 담가 냉각판을 가동시켰다.

도 16은 도 15를 실제 구현한 하나의 실시 예로서 제작된 냉각판의 사진이다. 왼쪽의 사진의 모습이 호스에 연결된 냉각판의 모습이며, 이 냉각판 위에 UV를 조사하기 전의 고분자 분산 액정 소자를 올리고 그 상태에서 UV를 조사하여 고분자 경화 및 액정과의 상분리를 유도하게 된다. 오른쪽의 사진은 냉각판의 전체적인 모습이며, 끝부분에 연결된 수중 펌프에 의해 냉각판 내부에는 물이 계속해서 주입되어 순환하게 되고 UV 에 의해 발생되는 열을 효율적으로 제거할 수 있게 된다.

이 외에도 냉각판을 사용할 경우 물의 온도를 조절하는 것으로 고분자 분산 액정 소자의 UV 경화시의 온도를 쉽게 조절할 수 있다는 장점도 가지게 된다.

Claims

(a) 2~7장의 기판을 스페이서(spacer)가 혼합된 UV 접착제로 합착시켜 갭(gap)을 형성하는 단계; (b) 프리폴리머(pre-polymer) 및 액정(liquid crystal)이 혼합된 액정혼합액을 상기 갭에 주입하는 단계; 및 (c) UV 로 경화 및 냉각판으로 냉각하는 경화 및 냉각하는 단계를 포함하는 고분자 분산 액정 소자의 제조방법으로, 상기 UV의 경화시 UV의 세기는 80~780 uW/cm²인 것을 특징으로 하는 고분자 분산 액정 소자의 제조방법.
제1항에 있어서, 상기 기판은 산화 인듐-주석(Indium-Tin Oxide)이 증착된 유리, 폴리카보네이트, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리에틸렌술폰, 폴리이미드, 폴리싸이클릭 올레핀, 폴리아릴레이트, 폴리에틸렌 나프탈레이트 또는 폴리에텔에테르케톤인 것을 특징으로 하는 고분자 분산 액정 소자의 제조방법.
제 1항에 있어서, 상기 스페이서의 소재는 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA)인 것을 특징으로 하는 고분자 분산 액정 소자의 제조방법.
제1항에 있어서, 상기 프리폴리머는 acrylate 계, thiolene 계 또는 expoxy 계인 것을 특징으로 하는 고분자 분산 액정 소자의 제조방법.
제1항에 있어서, 상기 액정은 E7인 것을 특징으로 하는 고분자 분산 액정 소자의 제조방법.
제1항에 있어서, 상기 프리폴리머 및 액정의 질량비율은 50:50~20:80인 것을 특징으로 하는 고분자 분산 액정 소자의 제조방법.
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제1항에 있어서, 상기 냉각판을 사용하여 UV 조사하는 동안의 온도를 5~25 ℃로 유지하는 것을 특징으로 하는 고분자 분산 액정 소자의 제조방법.
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