KR101578559B1 - 향상된 감도 및 수명을 갖는 변조기 - Google Patents

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Abstract

전기-광학 변조기 조립체는, 폴리머 매트릭스 내에 하나씩 고립된 액정 액적들을 포함하는 전기-광학 변조기 물질로 만들어지는 센서층을 포함한다. 상기 센서층 물질은 계면제, 예컨대, 소포제를, 상기 센서층이 광을 투과시키는 고유 동작 전압을 낮출 수 있는 양만큼 포함한다. 상기 소포제는 상기 전기-광학 변조기 물질의 중량으로 1 내지 10% 포함될 수 있고, 상기 폴리머 매트릭스와 반응할 수 있는 반응 성분, 예컨대, 반응성 말단기를 갖는 실록산, 반응성 플루오르화 폴리머 또는 비이온 블록 공중합체 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 상기 조립체는 또한 상기 센서층을 보호하기 위해 하드 코팅층을 포함할 수 있다.
전기-광학 변조기, 액정, 폴리머, 계면제, 소포제, 센서, 동작 전압, 투과, NCAP, PDLC.

Description

향상된 감도 및 수명을 갖는 변조기{MODULATOR WITH IMPROVED SENSITIVITY AND LIFE TIME}
본 발명은 전기-광학(electro-optic) 분야에 사용되는 액정 물질에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 액정/폴리머 복합재료 물질 및 이러한 복합재료 물질의 제조 및 응용을 위한 방법과 장치에 관한 것이다. 단지 일 예로서, 본 발명의 방법과 장치는 전압 영상(voltage imaging) 시스템과 관련하여 설명된다. 본 발명의 물질, 방법 및 장치는 다른 전기-광학 응용 분야, 예컨대, 평판 디스플레이에서 사용될 수 있다.
전압 영상 기술은 평면 박막 트랜지스터(TFT) 어레이의 결함을 검출하고 측정하기 위해 채용될 수 있다. 이러한 측정 기술에 의하면, 마치 TFT 어레이가 TFT 셀에 조립된 것처럼 상기 TFT 어레이의 동작이 시뮬레이션되고, 전기-광학(EO) 광 변조기 기반의 검출기를 사용하여 패널 상의 실제 전압 분포를 간접적으로 측정함으로써, 다시 말해 소위 전압 영상에 의하여 상기 TFT 어레이의 특성이 측정된다.
대부분의 기본적인 형태의 전압 영상 시스템은 전기-광학(EO) 변조기, 영상 대물 렌즈, 전하 결합 소자(charge coupled device; CCD) 카메라 또는 다른 적절한 혹은 유사한 센서, 및 이미지 프로세서를 포함한다. 상기 EO 변조기의 전기-광학 센서는 액정(liquid crystal; 이하에서는 "LC"라고 함)의 액적(液滴)이 포함된 폴리머 매트릭스, 예컨대, 네마틱(nematic) 액정 액적이 포함된 폴리머 매트릭스(액정/폴리머 복합재료, 또는 LC/폴리머) 필름의 광 분산(scattering) 특성을 기초로 한다. 동작에 있어서, 상기 EO 변조기는 박막 트랜지스터(TFT) 어레이 표면으로부터 약 5-35 마이크론 위에 위치되고, 상기 EO 변조기의 표면 상에 놓인 인듐 주석 산화물(indium tin oxide; ITO) 층의 투명 전극을 가로질러 바이어스 전압이 인가된다. 그 결과, 상기 EO 변조기는 상기 TFT 어레이에 용량 결합되고, 상기 TFT 어레이와 연관된 전기장이 상기 액정/폴리머 복합재료 층에 의해 감지된다. 상기 LC/폴리머 복합재료 물질 내의 LC 물질을 가로질러 일어나는 전기장 강도의 변화에 의하여 상기 LC/폴리머 층을 투과한 입사광의 강도가 변화, 즉, 변조된다. 다음으로 이 광은 유전체 거울에 의해 반사되고 CCD 카메라 또는 유사한 센서에 의하여 수집된다. 예컨대 적외선 또는 가시광선일 수 있는 입사 복사(incident radiation)가 TFT 어레이, LC/폴리머 필름 및 유전체 거울의 적층물을 조사(照射)하기 위해 제공된다.
피시험 패널(panels under test; PUT)에 대한 구성요소들의 근접성 때문에, LC/폴리머 변조기 구조물은 정상적인 동작 중에 불필요한 입자에 의하여 유효 수명을 심각하게 단축시키는 손상을 입을 수 있다. 따라서, 변조기의 수명 향상은 LC/폴리머 변조기 연구와 개발에 있어 중요한 목표 중 하나일 수 있다.
변조기 감도(sensitivity)는 LC 변조기 디바이스의 또 다른 중요 특성이 될 수 있다. 향상된 변조기 감도는 검출 능력을 향상시킬 수 있고, 그 자체로 LC 변조기의 발전, 특히 LC/폴리머 매트릭스 연구 및 개발에 있어서 중요한 측면일 수 있다. 또한, 노트북용의 LC 컴퓨터 디스플레이와 같은 일부 응용 분야는 전력 소모에 민감할 수 있고, 따라서 더 낮은 전압에 의한 향상된 감도는 전력 소모를 줄이고 배터리 수명을 증가시킬 수 있다. 결함 검출의 감도는, TFT 어레이 상에 존재하는 결함이 있는 픽셀과 정상 픽셀 간의 전압 차이에 대한 투과 광의 변화의 비율로서 정의될 수 있다.
본 발명과 관련된 연구는 현재의 LC 물질 및 그와 연관된 제조 및 시험 방법이 이상적인 것은 아니라는 점을 시사한다. 예를 들어, 미립자에 의한 오염은 시험 장치, 예컨대, 전압 영상 시스템과 피시험 패널의 어느 하나 또는 모두를 손상시킬 수 있다. 시험 장치의 감도 또한 이상적이지 않을 수 있다.
일정한 응용 분야에서는 상기한 물질, 장치 및 방법이 적합할 수 있지만, 관련 기술 분야에서는 향상된 전기-광학 LC 물질, 보다 구체적으로는 전기-광학 물질 및 테스트 장치의 향상된 감도 및 수명 성능에 대한 요구가 존재한다.
본 발명은 전기-광학 분야에 사용되는 액정 물질에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 액정/폴리머 복합재료 물질 및, 이러한 복합재료 물질의 제조 및 응용을 위한 방법과 장치에 관한 것이다. 단지 일 예로서, 본 발명의 방법과 장치는 전압 영상 시스템과 관련하여 설명된다. 본 발명의 물질, 방법 및 장치는 다른 전기-광학 응용 분야, 예컨대, 평판 디스플레이에 사용되는 액정 복합재료 물질과 사용될 수 있다.
다수의 실시예에서, 본 발명은 전기-광학 변조기 조립체를 제공한다. 상기 조립체는 폴리머 매트릭스 내에 하나씩 고립된 액정 액적들(droplets)을 포함하는 센서층을 포함한다. 상기 센서층은, 상기 센서층이 광을 투과시키는 고유 동작 전압을 낮출 수 있는 양의 계면제를 포함한다. 상기 조립체는 또한 상기 센서층을 보호하는 하드 코팅층을 포함한다.
일부 실시예에서, 본 발명은 라텍스 기반의 NCAP 변조기를 제조하는 방법을 제공한다. 계면제를 포함하는 라텍스 기반의 NCAP 물질은 투명 전극을 포함하는 플라스틱 기판에 코팅된다. 상기 코팅된 기판을 플라스틱 덮개로 덮어, 상기 플라스틱 기판과 상기 플라스틱 덮개 사이에 상기 NCAP 물질을 끼운다. 샌드위치 모양의 상기 NCAP 물질이 광학 블록(optical block) 기판 상에 적층된다. 상기 플라스틱 덮개가 제거된다. 상기 라텍스 기반의 NCAP 물질 위에 유전체 거울 펠리클이 적층된다. UV 경화성 유기 코팅으로 상기 유전체 거울 펠리클이 도포된다. 자외선에 의해 상기 UV 경화성 유기 코팅이 유기 하드 코팅으로 경화된다.
일부 실시예에서, 본 발명은 보호 코팅을 포함하는 라텍스 기반의 NCAP 변조기를 포함한다. 상기 변조기는 계면제를 포함하는 라텍스 기반의 NCAP 물질을 포함한다. 유전체 거울 펠리클은 상기 NCAP 물질의 최상부에 적층된다. 상기 거울 펠리클 상에 경화된 UV 경화성 유기 하드 코팅이 놓인다.
다수의 실시예에서, 본 발명은 전기-광학 변조기 물질을 제공한다. 상기 전기-광학 변조기 물질은 액정 분자를 포함하는 액적을 포함한다. 폴리머 매트릭스는 상기 액적을 감싸고 지지한다. 상기 변조기 물질을 통해 광을 투과시키기 위해 상기 액정 분자의 방향이 변하는 동작 전압을 감소시킬 수 있는 양의 소포제가 존재한다.
특정 실시예에서, 상기 소포제는 실질적으로 상기 전기-광학 변조기 물질의 중량으로 1 내지 10% 포함될 수 있다. 상기 소포제는 상기 폴리머 매트릭스와 반응하는 반응 성분, 예컨대, 반응성 말단기를 갖는 실록산, 반응성 플루오르화 폴리머 또는 비이온 블록 공중합체 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
다수의 실시예에서, 본 발명은 NCAP 전기-광학 변조기 물질을 제공한다. 상기 전기-광학 변조기 물질은 액정 분자를 포함하는 액적 및 상기 액적을 감싸고 지지하는 라텍스 기반의 폴리머 매트릭스를 포함한다. 상기 변조기 물질을 통해 광을 투과시키기 위해 상기 액정 분자의 방향이 변하는 동작 전압을 감소시킬 수 있는 양의 계면제가 존재한다.
다수의 실시예에서, 본 발명은 NCAP 전기-광학 변조기 물질을 제공한다. 상기 전기-광학 변조기 물질은 액정 분자를 포함하는 액적 및 상기 액적을 감싸고 지지하는 수용성 폴리머 기반의 폴리머 매트릭스를 포함한다. 상기 변조기 물질을 통해 광을 투과시키기 위해 상기 액정 분자의 방향이 변하는 동작 전압을 감소시킬 수 있는 양의 소포제가 존재한다. 특정 실시예에서는, 상기 소포제가 상기 수용성 폴리머와 반응하고 상기 동작 전압을 감소시키도록 반응성 소포제를 포함한다.
일부 실시예에서, 본 발명은 NCAP 전기-광학 물질을 제조하는 방법을 제공한다. 상기 방법은 액정 물질을 라텍스 유액과 혼합하는 단계를 포함한다. 상기 액정 물질은 하나 이상의 계면제의 존재 하에 유화되어 상기 액정 물질의 액적을 포함하는 유액을 형성한다. 상기 유액은 기판에 인가되고 상기 라텍스 기반의 매트릭스로 상기 액적을 감싸기 위해 건조된다. 상기 계면제의 양은, 상기 전기-광학 물질을 통해 광을 투과시키기 위해 상기 액정 물질의 분자 방향이 변하는 동작 전압을 감소시키기에 충분하다.
일부 실시예에서, 본 발명은 PDLC 전기-광학 변조기 물질을 제공한다. 상기 전기-광학 변조기 물질은 액정 분자를 포함하는 액적 및 상기 액적을 감싸고 지지하는 용매 유도 상분리 PDLC 조성물을 포함한다. 상기 변조기 물질을 통해 광을 투과시키기 위해 상기 액정 분자의 방향이 변하는 동작 전압을 감소시킬 수 있는 양의 소포제가 존재한다.
도 1은 본 발명의 실시예들에 의한, 계면제(interfacial agent)의 결합에 적합한 액정/폴리머 복합재료 물질의 분류를 도시한다.
도 2는 본 발명의 실시예들에 의한, LC/폴리머 센서 물질을 포함하는 전기-광학 변조기를 포함하는 전압 영상 시스템의 개념도이다.
도 3A는 본 발명의 실시예들에 의한 LC/폴리머 복합재료 변조기에 대한 투과-바이어스 전압 곡선의 일 예이다.
도 3B는 본 발명의 실시예들에 의한 LC/폴리머 복합재료 변조기에 대해서, 투과-바이어스 전압 곡선의 일 예를 동작점과 함께 도시한다.
도 4A 내지 4C는 본 발명의 실시예들에 의한 LC/폴리머 복합물질 재료의 개념도이며, LC와 폴리머 간의 경계를 강조하여 도시한다.
도 5A 및 5B는 본 발명의 실시예들에 의한, LC/폴리머 복합재료 매트릭스 내에 계면제 층을 포함하는 발명의 개념도이다.
도 6은 본 발명의 실시예들에 의한, 계면제가 첨가되었을 때의 향상을 나타내는 NCAP 물질의 투과-바이어스 전압 곡선의 실례(實例)를 도시한다.
도 7은 본 발명의 실시예들에 의한, 계면제가 첨가되었을 때의 향상을 나타내는 PDLC 물질의 투과-바이어스 전압 곡선의 실례를 도시한다.
도 8A 및 8B는 본 발명의 실시예들에 의한 전기-광학 변조기 조립체의 단면을 도시한다.
도 9A는 본 발명의 실시예들에 의한, 건조 전의 라텍스/물/LC 혼합물 내의 소포제를 도시하는 개념도이다.
도 9B는 본 발명의 실시예들에 의한, 건조 후의 라텍스/LC 혼합물 내의 소포제를 도시하는 개념도이다.
도 10A는 본 발명의 실시예들에 의한, 수용성 폴리머 기반의 NCAP를 준비하는 처리 과정을 도시한다.
도 10B는 본 발명의 실시예들에 의한, 라텍스 기반의 NCAP를 준비하는 일 처리 과정을 도시한다.
도 10C는 본 발명의 실시예들에 의한, 라텍스 기반의 NCAP를 준비하는 다른 처리 과정을 도시한다.
본 발명은 전기-광학 분야에 사용되는 액정 물질에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 액정/폴리머 복합재료 물질, 및 이러한 복합재료 물질의 제조 및 응용을 위한 방법과 장치에 관한 것이다. 단지 일 예로서, 본 발명의 방법과 장치는 전압 영상 시스템과 관련하여 설명된다. 본 발명의 물질, 방법 및 장치는 다른 전기-광학 응용 분야, 예컨대, 평판 디스플레이에 사용되는 액정 복합재료 물질에서 사용될 수 있다.
포톤 다이나믹스 인코포레이티드에 양도된 네 개의 특허는 변조기 조립체 및 이러한 물질들을 사용한 LC 물질 코팅 처리를 개시한다: 마이클 에이. 브라이언(Michael A. Bryan)에 의한 미국특허 제6,151,153호(2000년)인 "변조기 이식 처리 및 조립체"; 마이클 에이. 브라이언에 의한 미국특허 제6,211,991 B1호(2001년)인 "변조기 제조 과정 및 디바이스"; 시안하이 첸(Xianhai Chen)에 의한 미국특허 제6,866,887 B1호(2005년)인 "스핀 코팅을 사용하는 PDLC 기반의 전기-광학 변조기 제조 방법"; 및 시안하이 첸에 의한 미국특허 제7,099,067 B2호(2006년)인 "스크래치 및 결함에 내성이 있는 PDLC 변조기"; 상기 인용된 특허의 각각은 그 전체로서 여하한 목적을 위해 본 명세서에 편입된다.
도 1은 본 발명의 실시예들에 의한, EO 변조기 및 제조 방법에 사용될 수 있 는 계면제(interfacial agent)의 결합에 적합한 액정/폴리머 복합재료 물질의 분류를 도시한다. 도 1에 도시된 바와 같이, 중요한 두 가지 부류의 액정/폴리머 복합재료 물질, 즉, 폴리머 분산 액정(polymer dispersed liquid crystal; PDLC) 102와 네마틱 곡선상 정렬 액정(nematic curvilinear aligned phase liquid crystal; NCAP) 104가 존재한다. 중요한 첫 번째 부류의 물질 PDLC 102는 도 1에 예시적으로 도시된 바와 같이 몇 가지 방법으로 제조되는 필름들을 포함할 수 있다. 용매 유도 상분리(solvent induced phase separation; SIPS) 106은 PDLC 102를 만들기 위해 사용될 수 있고 선행 특허들에 개시되어 있다. SIPS 106에서, 액정(LC)과 폴리머는 단계 106A에서 공통의 용매에 용해되고 LC 액적이 형성될 수 있도록 상기 용매는 증발된다. 최종 PDLC 필름의 기계적 특성(예컨대, 인성(toughness))을 더욱 향상시키기 위해, 교차결합될 수 있는 폴리머가 자주 사용된다. PDLC 102를 합성하는 또 다른 방법은 중합 유도 상분리(polymerization induced phase separation; PIPS) 110을 사용한다. PIPS 처리는 단계 110A에서 LC와 프리폴리머(및/또는 단량체)의 혼합물로 시작될 수 있고, 다음으로 단계 110B에서 자외광과 같은 복사 에너지가 인가될 수 있다. PIPS 110 처리는 또한 단계 110C에서 촉매, LC 및 프리폴리머(pre-polymer)의 혼합물을 포함할 수 있고 다음 단계 110D에서는 최종 PDLC 필름을 형성하기 위해 열이 인가된다. PIPS 110 처리 방법은 선행 특허들의 의해 개시된다. PDLC 102 필름 합성의 세 번째 방법은 열 유도 상분리(thermal induced phase separation; TIPS) 108이다. 이 경우, 폴리머와 LC는 혼합물이 균질해 질 때까지 단계 108A에서 가열된다. 다음으로 냉각 처리 중에 상 기 폴리머로부터 상기 LC가 상 분리된다.
중요한 두 번째 부류의 물질 NCAP 104는 매우 큰 면적의 광 밸브 및 디스플레이를 만드는데 적합할 수 있고 선행 특허들에 개시되어 있다. NCAP 물질들은 일반적으로 물을 기반으로 하고, 도 1에 도시된 바와 같이 두 개의 하위 분류로 나누어질 수 있다. 하나의 하위 분류는 폴리비닐 알코올(polyvinyl alcohol; PVA)과 같은 수용성 폴리머 112를 포함한다. 이 특정 하위 분류의 물질은 수용성 폴리머의 친수성(hydrophilic) 때문에 습기에 민감할 수 있고, 선행 특허들에 개시되어 있다. 어떤 경우에는, 습기에 민감한 특성이 시간에 따른 전기-광학 성능의 열화에 원인이 될 수 있다. 따라서 수용성 폴리머 기반의 NCAP는 수명과 상업적 가치를 제한할 수 있었다.
NCAP 물질의 두 번째 하위 분류 114는 라텍스(latex)를 기반으로 한다. 라텍스는 물에 녹지 않는 폴리머를 포함한다. 이러한 NCAP 물질은 액정과 함께 물 속에 분산된 작은 라텍스 입자들을 포함할 수 있다. 이러한 작은 라텍스 입자들은, 일단 물이 제거되면 비가역적인 폴리머 연속상(continuous phase)으로 융해된다. 이러한 라텍스 기반의 NCAP를 사용하는 일부 응용 분야는 긴 시간의 전기-광학적 안정성을 갖고, 따라서 높은 상업적 가치를 가질 수 있다.
도 2는 본 발명의 실시예들에 의한 전압 영상 시스템 200의 주요 구성요소를 도시한다. 전압 영상 시스템 200은 전기-광학 변조기 208, 조명기 214, 빔 스플리터 216 및 CCD 카메라 218을 포함한다. 전기-광학 변조기 208은 투명 기판 상에 지지된 투명 전극 A 202, 센서 물질 210 및 유전체 거울 212를 포함할 수 있고, 상 기 유전체 거울 212는 얇은 플라스틱 필름, 예컨대, 펠리클(pellicle)에 의해 지지된다. 투명 전극 A 202는 가시광선을 투과시키는 인듐 주석 산화물(ITO)로 만들어진 필름일 수 있다. 액정 센서 물질 210은 전기장 하에서 전기-광학적 응답을 갖고, 상기 센서 물질은 도 1에 도시된 것들 중 하나일 수 있다. 다수의 실시예에서, 라텍스 기반의 NCAP가 사용된다. 전극 B는 피시험 패널(PUT), 예컨대 TFT 평판을 포함할 수 있다. 전극 A에 전압을 인가하고 전극 B를 접지시킴으로써, 투과 대 전압(T-V) 곡선이 얻어질 수 있다. TFT 테스트에 있어서, 응답 곡선의 중앙에 가까운 일정한 전압이 상기 변조기에 인가되면, 각각의 픽셀에 인가되는 전압은 CCD 카메라 218로부터 광 강도의 변화로서 검출될 수 있다. 결함있는 픽셀은 비정상적인 응답을 나타낼 것이다.
전극 A와 B 사이에 인가되는 전압은 다음의 수학식에 의해 표현될 수 있다.
Figure 112009051395433-pct00001
VBias는 전극 A와 B 사이에 인가되는 전압이고,
Vsensor는 센서 물질에 요구되는 전압이고,
Vpellicle 및 Vair는 펠리클과 공기 간극에 걸리는 전압이고,
ε은 각 물질의 유전 상수(dielectric constant)이며,
d는 각 물질의 두께이다.
VBias가 고정될 때, 전극들 사이의 공기 간극 dair는 액정 센서 물질의 고유 동작 전압(Vsensor)의 함수이다. 다수의 실시예에서, 상기 액정 센서 물질을 통한 광 투과가 상기 센서 물질에 걸리는 전압의 변화에 대하여 최대 감도를 갖게 되는 전압에 상기 센서 물질의 고유 스위칭 전압이 대응되는데, 이에 관해서는 도 3A 및 3B와 관련하여 이하에 상세히 설명된다. 구체적인 실시예에서, 상기 전극들을 가로질러 걸리는 동작 전압은 상기 수학식을 사용함으로써 LCD 물질의 고유 스위칭 전압과 관련된다. 다수의 실시예에서, 고유 스위칭 전압이 감소되는 물질을 제공함으로써 스위칭 속도가 감소될 수 있다.
도 3A는 본 발명의 실시예들에 의한 LC/폴리머 복합재료 변조기에 대한 투과-바이어스 전압 곡선의 일 예이다. 곡선 302는 본 명세서에서 설명되는 바와 같이 계면제(interfacial agent)를 사용하는 않는 LC/폴리머 복합재료 물질의 전압 응답 특성을 도시한다. 최적화된 전기-광학 변조기 성능을 위해서는, 상기 전압 응답 곡선을 좀 더 가파르고 전압이 더 낮은 곡선 304로 변화시키는 것이 목표이다. 다수의 실시예에서, 이 전압 응답 특성은 더 낮은 동작 전압에서의 더 높은 감도를 가능하게 하고, 또한, 동일한 동작 전압에서의 더 큰 공기 간극을 가능하게 한다. 일부 실시예에서는, 이러한 전압 응답 특성에 의하여 더 낮은 동작 전압 및 더 큰 공기 간극에서 더 높은 감도를 얻을 수 있다. 더 높은 감도는 결함 검출을 향상시킬 수 있다. 증가된 공기 간극은 변조기의 수명을 더욱 길게 한다.
상기 투과 곡선의 기울기는 LC 디바이스의 감도를 반영한다. 상기 투과 곡 선의 기울기로서 표현된 상기 LC 영상 디바이스의 감도는, 상기한 바와 같이, 일반적으로 전극 A와 B를 가로질러 인가된 전압의 변화 당 투과율(%)의 변화에 대응한다. 도 3B에 도시된 바와 같이, 상기 투과 곡선의 중점은, TFT 평판에 전압이 걸리지 않고 상기 평판과 상기 LC 디바이스 간의 간극의 크기가 고정된 상태에서 대체로 전압 Vmid 310에서 결정된다. 다음으로 작은 전압의 변화 +/-½△V 312가 상기 TFT 평판 상의 픽셀에 인가되고, 투과의 변화가 측정된다. 투과 곡선 302에 있어서, 상기 픽셀에 인가된 전압 +/-½△V에 대한 투과의 변화는 △I1 314이다. 좀 더 가파른 투과 곡선 304에 있어서, 상기 픽셀에 인가된 동일한 전압 +/-½△V 312에 대한 투과의 변화는 △I2 316이며 △I2는 △I1보다 크다. 따라서, 픽셀에 인가되는 전압의 동일한 변화에 대해서, 투과 곡선이 더 가파르면 더 큰 신호(△I2)가 얻어진다.
TFT 테스트 시스템에서, 상기 CCD(도 2의 218)에 의해 포착되는 신호는 상기 변조기 투과 곡선의 기울기에 비례한다. 수학식 1에 의하면, 변조기의 손상을 피하거나 수명을 향상시키기 위해 상기 공기 간극(dair)이 증가되면 상기 투과 곡선은 평평해진다(기울기 감소). 변조기 상에 분포된 전압은 공기 간극이 커짐에 따라 감소할 것이다. 상기 변조기 내의 LC 물질의 고유 스위칭 전압을 감소시킴으로써 감도가 향상될 수 있고, 이에 따라 전압 영상 시스템의 고유 동작 전압이 감소될 수 있다.
다수의 실시예에서, 본 명세서에 개시된 상기 전기-광학 LC 물질의 감소된 고유 스위칭 전압은 상기 전압 영상 시스템의 감도를 실질적으로 손상시키지 않으면서 공기 간극을 증가시키기 위해 사용될 수 있다. 상기 공기 간극은 실질적으로 적어도 15 마이크로미터일 수 있고, 예컨대, 실질적으로 30 내지 70 마이크로미터의 범위 내에 있을 수 있다.
NCAP 또는 PDLC와 같은 액정 센서 물질의 동작 전압 및 감도는 다음과 관련된다:
1. 액정 및 폴리머 매트릭스의 특성
2. 센서 물질 내의 액정 액적의 크기 분포
3. 폴리머와 액정 간의 계면 특성
보다 구체적으로, 도 3A 및 3B의 곡선들의 기울기는 액적의 크기 분포 및 상기 폴리머 매트릭스와 액정 간의 계면 특성에 의해 영향을 받는다. 액적들이 균일한 크기를 갖고 상기 LC 액적 내의 결정이 상기 폴리머 매트릭스에 대해서 용이하게 움직이거나 스위칭 될 수 있다면, 더 가파른 경사를 얻을 수 있다. 도 3A 및 3B에 도시된 상기 곡선의 전압 변화는 상기 폴리머 매트릭스와 액정 간의 계면 특성에 의해 영향을 받을 수 있다. 상기 LC가 상기 폴리머 매트릭스에 대해서 용이하게 이동하거나 스위칭 될 수 있다면 상기 곡선은 더 낮은 전압으로 이동할 수 있다. 본 발명의 실시예들은 투과-전압 곡선의 기울기를 더 가파르게 하는 동시에 LC 물질 및 전압 영상 시스템의 동작 전압을 더 낮은 범위로 이동시키기 위하여 상기 폴리머 매트릭스와 액정 간의 계면 배향규제(anchoring) 및 마찰(friction) 중 어느 하나 또는 모두를 감소시킨다. 상기 폴리머 매트릭스에 대한 LC 분자들의 배향규제는 상기 LC 물질의 고유 동작 전압을 증가시킬 수 있다. 마찰력은 상기 폴리머 매트릭스에 대한 상기 LC 분자들의 정지 마찰과 연관될 수 있는 배향규제력(anchoring force)을 포함할 수 있고 또한 상기 LC 분자들과 폴리머 매트릭스 간의 상대 운동과 연관된 동적 마찰을 포함할 수 있다. 마찰은 분자를 둘러싸는 폴리머 매트릭스에 대해서 분자가 이동하는 속도에 영향을 미칠 수 있기 때문에, 감소된 마찰은 상기 LC 분자들의 스위칭 속도를 증가시킬 수 있다. 상기 폴리머 매트릭스에 대한 LC 분자들의 배향규제력을 극복하기 위해 전압의 증가가 요구될 수 있기 때문에, 증가된 배향규제력은 상기 LC 복합재료 물질의 증가된 고유 동작 전압과 관련될 수 있다.
NCAP 제법 프로세스의 개요
본 발명의 실시예들에 의한, 수용성 폴리머 NCAP 액정의 제법 및 라텍스 기반의 NCAP 액정의 제법을 실시하는 프로세스는 도 10A 내지 10C에 도시된다. 도 10A에 도시된 바와 같이, 수용성 폴리머 NCAP 제법 프로세스를 실시하기 위한 프로세스 1000은 이미 물에 용해된 폴리머, 예컨대, 물에 용해된 폴리비닐 알코올(PVA)의 균질한 용액에 액정을 첨가하는 단계 1002를 포함한다. 이 조합은 물과 기름의 조합과 유사한 2상(two phase) 시스템을 포함한다. 전기적 성능을 향상시키기 위해, LC 물질은 폴리머 물질 내에서 고르게 분산되는 더 작은 액적들(수 마이크론 정도의 크기)로 분해될 수 있다. 프로세스 1000의 단계 1004는 상기 LC 혼합물을 유화(emulsification)시키는데, 다수의 실시예에서 고속 블레이드와 같은 기계력을 사용한다. 유화된 후, 단계 1006에서 상기 혼합물이 기판에 인가되는데, 다수의 실시예에서 박막 코팅된다(수십 마이크론 정도의 두께). 단계 1008에서, 상기 코팅 혼합물 내의 물이 증발될 수 있다. 단계 1010은 상기 건조된 NCAP를 상기 제1 기판과 최상부에 적층되는 제2 기판 사이에 끼워넣는다.
본 발명의 실시예들에 의한 라텍스 기반의 NCAP의 제법을 실시하기 위한 프로세스 1018은 도 10B에 도시된다. 단계 1020은 이미 물과 혼합되어 있는 라텍스에 LC를 첨가한다. 단계 1022는 고속 블레이드를 사용하여 상기 LC, 라텍스 및 물의 조합을 유화시킨다. 단계 1024는 상기 혼합물로 기판을 코팅한다. 단계 1026은 상기 기판 위에 코팅된 상기 혼합물이 건조되게 한다. 단계 1028은 상기 NCAP 생성물을 덮기 위해 제2 기판을 상기 건조된 생성물 위에 적층한다.
본 발명의 실시예들에 의한 라텍스 기반의 NCAP 제법을 실시하는 프로세스 1029는 도 10C에 도시된다. 단계 1030은 LC를 물에 첨가한다. 단계 1032는 상기 LC와 물의 조합을 유화시킨다. 단계 1034는 라텍스를 첨가하고 상기 물과 액정을 상기 라텍스와 혼합한다. 단계 1036은 기판을 라텍스, 물과 LC의 혼합물로 코팅한다. 단계 1038은 상기 생성물이 건조되도록 한다. 단계 1040은 상기 완성된 NCAP 생성물을 덮기 위해 상기 건조된 생성물 위에 제2 기판을 적층한다.
도 10A 내지 10C에 도시된 구체적인 단계들은 본 발명의 실시예들에 의한 NCAP LC 제법을 실시하는 특정 방법들을 제공한다는 점에 유의한다. 다른 실시예에 의하면 다른 일련의 단계들이 수행될 수도 있다. 예를 들어, 본 발명의 다른 실시예들은 위에서 간단히 설명된 단계들을 다른 순서로 수행할 수 있다. 또한, 도 10A 내지 10C에 도시된 개별 단계들은 그에 적절한 다양한 순서로 수행될 수 있는 다수의 하위 단계들을 포함할 수 있다. 또한, 특정 응용 분야에 따라서는 추가적인 단계들이 부가되거나 일부 단계들이 제거될 수 있다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 많은 변형, 수정 및 대안을 인식할 것이다.
NCAP LC 혼합물의 제법에 관한 다수의 실시예에서, 상기 제법/제조 프로세스를 향상시키거나 결과적인 NCAP 물질의 성능을 향상시키기 위해서 계면 활성제(표면 활성제)가 첨가될 수 있다. 일반적으로 계면 활성제는, 화학적으로 친액성(액체에 친화적인) 및 소액성(액체에 친화성이 낮은) 그룹들로 이루어진 분자들이다. 수용액에 있어서는 특히, 이러한 그룹들이 각각 친수성(물에 친화적임) 및 소수성(물에 친화성이 낮음)이라고 불린다. 일반적으로, 계면 활성제 분자는, 액체와 고체의 모두 또는 어느 하나의 표면 에너지를 감소시킴으로써 표면 활성도(activity)에 영향을 미칠 수 있도록 상기 분자 상에 위치된 친수성 그룹과 소수성 그룹을 모두 포함한다. 또한, 계면 활성제는 기포제(foaming agent), 소포제(defoaming agent), 분산제(dispersant)(예컨대, 폴리머 매질 내에서의 LC의 용해도를 증가시킴), 표면 접착제, 유액(emulsion)의 안정성을 확보하는 작용제(agent), 입자의 크기를 제어하는 작용제 등으로서 작용할 수 있다.
도 10A 내지 10C에 도시된 실시예에서, 상기 LC를 유화시키는 단계, 예컨대, 단계 1004, 1022와 1032의 모두 또는 일부에서, 하나 또는 그 이상의 계면 활성제가 첨가될 수 있다. 다수의 실시예에서, 유화 단계 중에 바람직하지 않은 거품이 발생할 수 있고 소포 작용을 하는(즉, 기포 발생을 억제함) 계면 활성제가 첨가될 수 있다. 액적 크기는 유화 단계 중에 혼합 속도 또는 혼합 시간 등의 파라미터에 의해 제어될 수 있다. 앞서 본 바와 같이, 상기 NCAP의 전기적 성능은 상기 폴리머 매질 내에 부유하는 상기 LC 입자들의 분포 및 크기에 의존할 수 있고, 상기 분포 및 크기는 최적의 성능을 위해 제어될 수 있다. 예를 들어, 참조에 의하여 본 명세서에 편입된 미국특허 제4,992,201호는, 선택된 계면 활성제를 첨가하여 LC 입자들의 크기 및 크기 분포를 제어하고 안정시키는 내용을 개시한다. 본 발명의 실시예들은 하나의 계면 활성제를 사용하는 것으로 국한되지 않고 코팅 전 LC 조성물(composition)에 복수의 또는 몇 개의 계면 활성제가 동시에 사용될 수 있으며, 상기 기판 물질에 대한 상기 NCAP의 습윤 특성을 향상시키기 위해 코팅 단계, 예컨대 단계 1006, 1024 또는 1036의 이전에 또 다른(혹은 다른 종류의) 계면 활성제가 선택적으로 첨가될 수도 있다. 본 발명의 실시예들은 상기 NCAP 물질의 성능을 향상시키기 위해 특정 특성을 갖는 계면 활성제, 예컨대 상기 유화 과정 중 소포제로서 사용될 수 있는 고점도(high viscosity)를 갖는 계면 활성제의 첨가를 채택한다.
감도 향상
상기 액정 물질의 감도는 몇 가지 방법에 의해 향상될 수 있다. 다수의 실시예에서, 액정 물질 또는 폴리머 물질 자체의 주의깊은 선택이 이루어진다. 예를 들어, 몇 가지 방법은 폴리머 매트릭스를 개조할 수 있다. 다른 방법은 액정 크기의 균질성을 최적화하는데 초점을 둔다. 다른 방법은 교차결합 밀도 및 비율을 변경하는데 초점을 둔다. 또 다른 방법은 상기 LC 물질과 상기 폴리머 간의 마찰 또 는 계면 배향규제력을 감소시키는데 초점을 둔다.
상기 계면 배향규제력을 감소시키는 기술은, 예컨대 다음을 포함한다:
1) 도펀트 또는 공단량체(co-monomer)를 상기 폴리머 매트릭스에 첨가. 이 방법에서, 상기 첨가 물질은 일정한 규칙없이 상기 폴리머 매트릭스 내로 분포된다. 이 기술은 폴리머와 LC의 경계가 아닌 폴리머 매트릭스의 용적(bulk) 특성을 변화시킬 수 있지만, 상기와 같이 계면 활성제를 사용하면 상기 LC와 폴리머의 계면 부근에서 상기 첨가물의 형성을 촉진시켜 상기 폴리머 매트릭스의 용적 특성에 대한 변화를 감소시킬 수 있다.
2) LC의 분해로부터 유도되는 비경화(uncured) 투명 물질로 이루어지고 상기 LC를 정렬시키는 방향 부여제(orientation-imparting agent)를 또한 포함하는 "힘 완화" 층을 형성. 이 물질은 LC 상(phase)에 용해될 수 있지만, 반응(reactive) 성분을 갖는 계면제, 예컨대, 반응 성분을 갖는 소포제를 사용함으로써 상기 LC 상으로의 용해를 최소화할 수 있다.
3) 반응성 실레인(reactive silane)을 사용. 실레인 내의 알콕시실릴기들(alkoxysilyl groups)은 유액의 수분(즉, 물)이 존재할 때 중합할 수 있다. 이들은 유액 내의 LC 액적 외부에 층을 형성할 수 있고 이에 따라 계면 특성을 변경시키고 배향규제력을 감소시킬 수 있다. 이 방법은 알코올 부산물을 생성할 수 있고 물은 상기 프로세스를 제어하기 어렵게 만들 수 있지만, 반응성 말단기(reactive end group)를 갖는 실록산(siloxane)을 포함하는 계면제, 예컨대 폴리실록산(polysiloxane)을 사용함으로써 프로세스의 제어를 향상시킬 수 있다.
도 4A 내지 4C는 본 발명의 실시예들에 의한, 폴리머 매트릭스 404 내에 부유하는 액적, 예컨대, 액정의 액적 402를 포함하는 LC 물질 400을 도시한다. 다수의 실시예에서, LC 물질 400은 수용성 폴리머 기반의 NCAP 물질 또는 라텍스 폴리머 기반의 NCAP 물질과 같은 NCAP 물질을 포함한다. 일부 실시예에서, 물질 400은 PDLC 액정 물질을 포함할 수 있다. 각각의 액적은 몇 개의 LC 분자들 406을 포함할 수 있고 실질적으로 1 내지 5 마이크론의 크기를 갖는 경우가 많다. 각각의 액적 내에서, LC 분자들 406은 작은 결정 408을 형성하기 위해 합체할 수 있고, 이러한 결정들은 전기장이 존재하지 않을 때 상기 액적 내에서 무작위로 배향될 수 있다. 도 4B에서 추가 궤적 410으로 개념적으로 도시된 바와 같이, 상기 폴리머 매트릭스에 대해서 상기 LC 분자들과 결정들 중 어느 한쪽 또는 모두가 배향규제될 수 있다. 다수의 실시예에서, 상기 배향규제의 정도는 상기 LC 분자와 폴리머 간의 화학 작용에 달려있다. 전기장이 상기 LC 물질 400을 가로질러 인가될 때, 상기 LC 분자들 및/또는 결정들은 도 4C에 도시된 것처럼 적어도 부분적으로 상기 전기장의 방향을 따라 정렬될 수 있다. 이러한 정렬이 일어나도록, 상기 LC 분자들과 결정들의 어느 한쪽 또는 모두가 궤적 410에서 상기 폴리머에 대한 배향규제와 마찰 중 어느 하나 또는 모두를 극복해낸다. 앞서 살펴본 바와 같이, 최고 감도를 위해서는, 가능한 가장 작은 전압 변화에 대해서 투과의 변화가 가장 커지는 것을 목적으로 한다. 따라서, 상기 LC와 상기 폴리머 간의 마찰력 및/또는 배향규제력이 더 낮을수록, 상기 LC 분자들 및/또는 LC 결정들을 도 4B와 같이 실질적으로 정렬되지 않은 상태로부터 도 4C와 같이 실질적으로 전기장에 정렬된 상태로 전환하 는데 필요한 구동 전압은 더 작아진다. 다수의 실시예에서, 고유 스위칭 전압은 실질적으로 상기 LC 분자들 및/또는 LC 결정들의 1/2이 상기 전기장에 대해 정렬되는 전기장의 크기에 대응된다.
앞서 살펴본 바와 같이, 두 부류의 NCAP가 존재한다. 다수의 실시예에서, 상기 라텍스 기반의 NCAP는 물, 액정 및 라텍스를 포함하는 3상 물질을 포함한다. 다수의 실시예에서, 수용성 폴리머 기반의 NCAP는 액정과 물/폴리머 용액을 포함하는 2상 물질을 포함할 수 있다. 일반적으로 위에서 논의되고 도 10A 내지 10C에 의해 도시된 제조 프로세스들은, 최종적으로 얻어진 NCAP가 라텍스 또는 건조 후의 PVA와 같은 잔여 폴리머 중 어느 하나인 폴리머 내에 잘 분포되어 있는 액정을 포함한다는 점을 보여준다. 본 발명에 의한 실시예에 의한 결과적인 NCAP의 스위칭 속도를 향상, 예컨대, 증가시키기 위해 고유 동작 전압을 감소시키는 것은, 처리(유화, 가스 제거, 코팅, 건조) 후에 상기 LC와 폴리머 매트릭스 간의 계면에서 감소된 표면 장력을 제공하는 계면제 물질, 예컨대 계면 활성제를 포함한다. 라텍스는 수용성 폴리머(예컨대, 폴리비닐 알코올)와 물리적으로 그리고 화학적으로 다르기 때문에, 라텍스 기반의 NCAP의 제조 프로세스 중에 일어나는 물리적, 화학적 상호 작용은 수용성 폴리머 기반의 NCAP의 제조 중에 일어나는 물리적, 화학적 상호 작용과 다를 수 있다. 따라서, 라텍스 기반의 NCAP의 스위칭 속도를 향상시키는 것으로 확인된 최적의 계면제 물질은 수용성 폴리머 기반의 NCAP의 스위칭 속도의 향상 및/또는 고유 스위칭 전압을 가져오는 것으로 확인된 최적의 계면제 물질과 상이할 수 있다. 라텍스 기반의 NCAP 실시예에서, 물은 세 번째 상(phase)이고 건 조 과정에서 제거되기 때문에, 스위칭 속도의 향상 및/또는 고유 스위칭 전압의 감소를 위해 요구되는 계면제 물질은 상기 LC를 라텍스에 연결시킬 수 있다. 수용성 폴리머 기반의 NCAP 실시예에서는, 스위칭 속도의 향상과 고유 스위칭 전압의 감소의 어느 하나 또는 모두를 위해 요구되는 계면제 물질이 LC와 그리고 물과 친화성을 가질 수 있다. 이러한 수용성 폴리머 기반의 NCAP 실시예에서는, 이 시스템의 훨씬 더 높은 점도 때문에 상기 요구되는 물질의 일부가 LC 액적 표면으로 이동하지 못할 수도 있고, 이 때문에 상기 물질이 전체 스위칭 속도 및 스위칭 전압에 미치는 영향이 더 작아질 수 있다.
본 발명의 실시예들은 상기 LC 액적과 폴리머 매트릭스 간의 배향규제력과 마찰력의 어느 하나 또는 모두를 최소화하기 위해, 상기 액정 및 폴리머 물질과 혼합되는 계면제 물질의 특정 계열(family)을 포함한다. 특정 실시예에서, 제안되는 물질은 블록 공중합체(block co-polymer)와 같은 비이온(non-ionic) 계면제와 교차결합 가능한 반응성 계면 활성제의 어느 하나 또는 모두를 포함한다. 도 5A는 계면제를 포함하는 계면층 502를 갖는, 폴리머 매트릭스 404 내에 위치된 액적 402와 같은 LC 액적을 도시한다. 상기 계면층 502는 액적/계면제/폴리머의 계면을 확대하여 도시한 도 5B에 개념적으로 도시된다. 이들 계면제가 적절한 화학적 특성을 갖는 두 부분을 포함하고 LC 물질의 형성 중에 충분한 양만큼 존재한다면, 상기 계면제는 계면층 502를 형성할 수 있다. 도 5B에 개념적으로 도시된 바와 같이, 상기 계면제의 제1 부분 508, 예컨대, 상기 계면제 분자의 폴리머 친화적인 부분은 폴리머 매트릭스 404에 가깝게 위치되고, 제2 부분 510, 예컨대, 상기 계면제 분자 의 표면 장력이 낮은 부분은 액적 402에 가깝에 위치되고 액적 402와 접촉하여 액적 402와 함께 LC 결정의 마찰 및/또는 배향규제력을 감소시킬 수 있다. 상기 계면제의 제1 부분 508은 폴리머 매트릭스에 용해되어 상기 계면제를 상기 폴리머 매트릭스 내에 효과적으로 고정시킨다. 상기 폴리머 매트릭스에 대한 상기 계면층의 고정은 물리적(블록 공중합체를 위한) 또는 화학적 결합(반응성 계면 활성제의 경우 교차결합을 통해)일 수 있다. 상기 계면층의 고정은, 예컨대, 증가된 온도에서 상기 계면층의 안정성을 증가시킬 수 있다. 상기 계면층에 포함된 상기 계면제의 제2 부분 510은 LC 분자 및/또는 LC 결정에 낮은 표면 장력 및/또는 낮은 마찰을 제공하는 화학 조성을 갖는다. 상기 LC 분자 408과 상기 폴리머 매트릭스 404 사이의 배향규제력과 마찰의 어느 하나 또는 모두가 상기 계면층 502에 의해 감소되고, 이렇게 해서 전기장이 인가되었을 때 상기 LC 분자의 배향 정렬 및 스위칭 속도는 더 빠르게 더 낮은 전압에서 일어날 수 있다.
계면제의 예시
명칭 설명 제조사
BYK-022 폴리글리콜(polyglycol) 내에 거품 제거 폴리실록산과 소수성 고체를 혼합 비와이케이 케미(BYK Chemie)
폴리올(Fluorolink) D10 A-CF2O(CF2CF2O)m(CF2O)nCF2 -A, A=CH2OH, MW=1000 솔베이 솔렉시스(Solvay Solexis)
폴리올 D A-CF2O(CF2CF2O)m(CF2O)nCF2 -A,
A=CH2OH, MW=500		 솔베이 솔렉시스
서피놀(Surfynol) DF-58 수성(aqueous) 시스템 내에서 유용한 실리콘 기반의 거품 제어제. 이 제품은 강한 거품 제어 및 탈기(de-aeration) 성능을 갖는다. 에어 프로덕츠(Air Products)
서피놀 DF-62 강한 거품 제거 및 오래 지속되는 거품 억제 능력을 제공하도록 설계된 에테르-변성 폴리실록산 기반의 소포제. 에어 프로덕츠
서피놀 DF-574 유기 및 유기 변성 실리콘 성분을 갖는 자기 유화형(self-emulsifying) 제품이며, 제조 프로세스 중에 흡수된 공기 및 생성된 거품을 효과적으로 제거한다. 에어 프로덕츠
서피놀 DF-695 실리콘 유액 소포제이며, 물 기반의 제법에서 초기 및 지속적인 소포 성능을 제공한다. 100% 액상. 에어 프로덕츠
플렉시웨트(Flexiwet) NI-M100 에톡시화(ethoxylated)되었던 부분적으로 플루오르화된(fluorinated) 알코올. 이노베이티브 케미컬 테크놀로지즈 인크(Innovative Chemical Technologies, Inc)
플렉시웨트 NI-55 반응기(functionality)를 갖지 않는 비이온(플루오르화) 폴리머 계면제 이노베이티브 케미컬 테크놀
로지즈 인크
표 1은 본 발명의 실시예들에 의한 계면제들의 목록의 일부이다. 상기 계면제들은 도 1의 NCAP 104 기반의 물질 또는 도 1의 PDLC 102 기반의 물질과 결합될 수 있다. 아래의 예에서 알 수 있듯이, 비이온 계면제를 NCAP 또는 PDLC의 조성물에 작은 비율로 첨가함으로써 구동 전압이 현저히 감소될 수 있다. 상기 계면제 분자의 표면 장력이 낮은 부분은 폴리올(Fluorolink) D 또는 플렉시웨트(Flexiwet)과 같은 플루오르화된 화합물을 포함하거나, 또는 서피놀(Surfynol) DF-62, BYK-022와 같은 실리콘 공중합체 또는 폴리머-실록산을 포함할 수 있다. 특히, 상기 반응성 플루오르화 화합물은 표 1에 기재된 화학 구조를 가질 수 있고, 상기 실록산은, 예컨대, -OH, -NH2 또는 -COOH와 같은 반응성 말단기를 가질 수 있다. 다수의 실시예에서, 이러한 물질들은 LC와 폴리머의 상 분리 과정 중에 LC와 폴리머의 계면으로 이동한다. 상기 계면제 분자의 다른 부분은, 만약 폴리머 매트릭스 내에 반응기가 존재한다면, 수소 결합, 반데르발스(Van Der Vaals) 힘과 화학 결합의 모두 또는 일부와 같은 메커니즘을 통해 상기 폴리머에 물리적으로 결합될 수 있다. 약간의 가열은 화학 결합 과정을 가속시킬 수 있다.
본 발명의 실시예들은 표 1에 열거된 것들과 같은 계면 활성제를 사용해서, 라텍스 기반의 NCAP 및 PVA와 같은 수용성 폴리머 기반의 NCAP 모두의 스위칭 전압을 향상시킬 수 있다. 다수의 실시예에서, 고유 스위칭 전압 감도의 명백한 향상은 소포 특성을 갖는 계면제를 사용하여 성취될 수 있다. 예를 들어, 서피놀(Surfynol) DF 계열 화합물은 라텍스 기반의 NCAP의 동작 전압을 실질적으로 감소시킬 수 있다.
소포제는 수성 매질에 분산될 수 있는 계면 활성제의 한 부류이다. 다수의 실시예에서, 소포제는 수성 매질에서 매우 낮은 용해도를 갖고, 10보다 작은 HLB(hydrophile-lipophile balance; 친수-친유 균형)를 가질 수 있다. 도 9A 및 9B는 라텍스 기반의 NCAP 내의 소포제를 개념적으로 도시한다. 상기 소포제는 물에서 매우 낮은 용해도를 갖기 때문에, 상기 소포제는 작은 "클러스터(cluster)", 예컨대 클러스터 908을 형성할 수 있다. 상기 클러스터의 각각은 제1 부분 908A 및 제2 부분 908B를 갖는 분자를 포함할 수 있다. 상기와 같이, 상기 클러스터의 분자들의 제1 부분 908A는 친수 특성을 가질 수 있고 상기 클러스터의 분자들의 제2 부분 908B는 소수 특성을 가질 수 있다. 다수의 실시예에서, 상기 클러스터는 상기 용액을 향해 외측을 향하는 제1 부분 908A 및 상기 소포제 클러스터의 다른 분자들을 향해 내측을 향하는 908B를 갖는 결정자(micelle) 형상을 가질 수 있다. 유화 중에, 상기 클러스터는 기포를 파괴함으로써 거품의 형성을 막을 수 있다. 유화 및 가스 제거 후, 상기 클러스터 908은 LC 입자 902, 라텍스 904 및 물 906의 혼합물 내에서 자유롭게 이동한다. 다수의 실시예에서, 클러스터 908은 LC 입자 902의 표면을 향해 이동할 수 있다. 상기 NCAP가 건조될 때, 상기 소포제는 상기 LC 입자 902와 라텍스 904 사이인 액적 902의 주위에 계면제 층을 형성할 수 있다. 다수의 실시예에서, 상기 소포제 분자의 표면 장력이 낮은 단부는 상기 LC 부근에 분산되고 상기 소포제 분자의 배향규제 단부는 상기 라텍스에 연결된다.
다수의 수용성 폴리머 기반의 NCAP 실시예들에서, 상기 소포제는 상기 라텍스 기반의 NCAP 프로세스에서와 유사하게 작용하고, 상기 소포제는 유화 중에 거품을 제거하고 다음으로 유화 후 및/또는 건조 중에 배향규제력 및/또는 마찰을 감소시키는 계면층을 형성한다. 수용성 폴리머 기반의 NCAP 실시예들 중 일부에서, 상기 물질은 건조 전에 높은 점도를 가질 수 있고, 이는 상기 소포제에 의한 상기 계면층의 형성에 영향을 미칠 수 있다. 수용성 폴리머 실시예의 일부에서는, PVA의 10% 용액이 사용될 수 있고, 상기 용액은 10,000 cp 정도의 점도를 가질 수 있다. 이와 대조적으로, 라텍스 기반의 조성물은 건조 전에 1-100 cp 정도가 될 수 있다. 증가된 점도는 상기 LC 액적을 향한 소포제의 이동을 감소시킬 수 있기 때문에, 수용성 폴리머 기반의 NCAP에 형성된 액적의 LC 표면에 소포제가 도달할 가능성은 라텍스 기반의 NCAP에서보다 더 작을 수 있다. 라텍스 기반의 NCAP에 대한 스위칭 속도 성능의 향상 및/또는 고유 동작 전압 감소는 수용성 폴리머 기반의 NCAP에 대해서보다 더욱 현저할 수 있지만, 소포제 클러스터의 적어도 일부는 상기 수용성 폴리머 실시예 내에 존재하는 상기 액적들의 LC 표면에 도달할 수 있고 이에 따라 일정한 향상은 성취될 수 있다. 본 명세서에 설명된 계면제들은 또한, 예컨대 용매 유도 상분리(SIPS) PDLC, UV-PDLC 등을 포함하는, 도 1에 도시된 것과 같은 다른 액정/폴리머 복합재료 물질 시스템과 함께 사용될 수 있다.
보호 코팅에 의한 수명 향상
포톤 다이나믹스 인코포레이티드에 의해 개발된 전기-광학 전압 영상 센서들과 예컨대 참조에 의해 본 명세서에 편입된 미국특허 제6,151,153호와 제7,099,067호에 개시된 전기-광학 전압 영상 센서들은 피시험 패널(PUT)로부터 가까운 거리에서 동작할 수 있다. 상기 센서들은 간극이 없이 동작할 수 있지만, 상기 센서들과 PUT 사이의 실제 간극은 10 내지 35 마이크로미터의 범위일 수 있고, 이 범위의 상한은 상기 센서의 감도에 의해 정해진다. 상기 범위의 하한은 주로 상기 PUT의 표면에 존재할 수 있는 입자 및 다른 오염물에 의해 정해진다. 상기 센서가 상기 PUT에 대해 이동하는 동안 이러한 입자들이 상기 센서와 PUT 사이에 갇힐 수 있고, 상기 센서 또는 상기 PUT에 손상을 일으킬 수 있다. 이렇게 해서, 상기 PUT 및 상기 센서에 대한 손상을 피하기 위해서는 동작 간극이 가능한 큰 것이 바람직하다.
본 명세서에 설명된 것과 같은 계면제의 첨가는, 예컨대 35㎛ 내지 75㎛의 간극 거리에서 동작하는 전압 영상 시스템이, 10㎛ 내지 35㎛의 간극 거리에서 동작하는 계면제가 없는 전압 영상 시스템에 필적하는 감도를 갖게 할 수 있다. 그러나, 이러한 동작 간극은 프로세스 중에 상기 PUT의 표면에 존재할 수 있는 가장 큰 입자의 크기에 필적할 수 있고, 양호한 수명을 보장하기 위해 추가적인 수단이 사용될 수 있다.
하나의 방법은 변조기의 표면에 직접 하드 코팅(hard coating)을 인가하는 것이다. 상기 변조기의 전기-광학 감지 특성에 영향을 미치지 않는 물질의 몇 가지 예는 다음을 포함한다:
a. 다관능 아크릴레이트(multi-functional acrylate), 이관능 아크릴레이트, 실리콘 아크릴레이트 및 보강 필러(filler)로서의 선택적인 나노 입자의 혼합물과 같은 자외선(UV) 경화성 하드 코팅 조성물;
b. 대응되는 금속 알콕사이드(alkoxide) 졸-겔(sol-gel)로 만들어진 비도전성 및 낮은 유전체 상수를 갖는 모든 금속 산화물과 같은 졸-겔 조성물. 이 계열의 가장 적절한 금속은 실리카 졸-겔이다. 변조기 표면 상의 마일라(Mylar)에 대한 부착성을 향상시키기 위해 유기 첨가물들이 필요할 수 있다.;
c. 에폭시(epoxy), 우레탄 조성물과 같은 열 경화성(저온 및 상온 경화) 물질;
d. 유기/무기 복합재료 물질. 상기 모든 (a, b, c) 유기 코팅 물질은 경도(硬度)를 더욱 향상시키기 위해 무기 필러와 조합될 수 있다.
전기-광학 변조기를 형성하는 상기 코팅 및 조립 프로세스는 이하의 선행 특허에 개시되어 있고, 하기 특허들의 모든 개시 내용은 참조에 의해 본 명세서에 편입된다: 미국특허 제6,211,991호(브라이언), 제6,866,887호(첸) 및 제7,099,067호. 변조기 보호를 위한 하나의 성공적인 방법은 "스크래치 및 결함에 내성이 있는 PDLC 변조기"라는 명칭의 미국특허 제7,099,067호에 개시되고 상기 특허의 모든 개시 내용은 참조에 의해 본 명세서에 편입된다. 용매 기반의, UV 경화성 조성물은 간단한 습식(wet) 코팅 프로세스에 바람직하다. 일 예로서, UV 경화성 유기 하드 코팅은 다음의 성분들을 포함할 수 있다: ⅰ) 다관능 아크릴레이트; ⅱ) 실리콘 아크릴레이트; ⅲ) 나노 입자(필러); ⅳ) 광 개시제(photo-initiator); 및 ⅴ) 용매.
상기 하드 코팅 조성물 중 하나의 코팅은 닥터 블레이드(doctor blade), 전선이 감긴 막대, 및 스핀 코터(spinner) 등과 같은 습식 코팅 프로세스를 사용하여 변조기의 최상부 마일라에 인가된다. 코팅 두께의 바람직한 균일성을 제공하기 때문에 스핀 코팅이 선호된다. 코팅 두께는 2 내지 20 마이크론으로 제어된다. UV 하드 코팅의 경우, 용매의 증발이 완료된 후, 상기 코팅이 UV 조사에 의해 경화된다.
도 8A 및 8B는, 본 발명의 실시예들에 의한, 적층 프로세스에 의해 제조된, 도 1과 같은 전압 영상 시스템의 전기-광학 변조기 조립체에 포함된 다양한 층들을 개념적으로 도시한다. 하드 코팅층 801은 주요 하드 코팅 811 및 얇은 슬립제층(slip agent layer) 810을 포함한다. 다수의 실시예에서, 상기 하드 코팅이 경화되었다. LC/폴리머 복합재료 센서 물질 804는 직접 코팅 또는 적층에 의해서 유리 기판 상에 인가된다. 상기 적층 프로세스에 의해 만들어지는 실시예들은 먼저, 상기한 것과 같은 계면제를 포함하는 NCAP 또는 PDLC 804로, 투명 도전층 805를 갖는 플라스틱 시트 806(예컨대 마일라)을 코팅하는 단계를 포함한다. 플라스틱 시트의 두 번째 층(도전층을 포함하거나 포함하지 않음)이 추가된다. 샌드위치 모양의 상기 구조물은 광 접착제 807을 사용하여 유리 기판 808 상에 적층된다. 상기 LC/폴리머 샌드위치의 최상부 플라스틱 시트가 벗겨지고 폐기된다. 유전체 거울 필름 803(또는 펠리클)은 플라스틱 시트 802 상에 형성되고 상기 적층된 조립체에 추가된다. 다수의 실시예들은 미국특허 제6,866,887호에 개시된 진공 보조 부착 프로세스를 사용한다. 반사 방지 코팅 809가 유리 기판 808의 바닥 표면에 인가된다.
본 발명의 다수의 실시예에서, 상기한 것과 같은 계면제와 결합하는 라텍스 기반의 NCAP 물질 및/또는 수용성 폴리머 기반의 NCAP 물질은 미국특허 제6,211,991호(브라이언), 제6,866,887호(첸), 및 제7,099,067호(첸)에 개시된 것과 같은 코팅 및 조립 프로세스를 사용하여 보호될 수 있다.
하드 코팅 제법 및 프로세스의 예시에 관한 추가적인 설명은 미국특허 제7,099,067호에 개시되어 있으며, 상기 특허의 모든 개시 내용은 참조에 의해 본 명세서에 편입된다.
예 1:
중량비로 67/33 wt%인 라텍스 기반의 NCAP 조성물 MLC-7022-100/네오레즈(Neorez) R-967(각각 이엠 인더스트리즈(EM Industries)와 아베시아(Avecia)의 네오레진즈(NeoResins) 부문에서 제조됨)이 기본적인 액정 물질로서 선택된다. 표 1에 열거된 계면제들 중 하나, 예컨대, 서피놀(Surfynol) DF 타입의 소포제가 선택된다. 상기 표 1로부터 선택된 계면제는 실질적으로 총 고체 성분의 중량비로 1-5 wt% 첨가된다. 일부 실시예에서는, 표 1로부터 선택된 계면제가 중량비로 10%까지 첨가될 수 있다. 모든 성분들은 고속 블렌더(blender)로 혼합되어 NCAP 유액을 형성하고 ITO 필름을 갖는 기판 위에 도포된다. 상기 기판 상에 도포된 상기 NCAP 라텍스 기반의 유액은 건조되고 ITO 기판과 적층된다. 다음으로 투과 곡선이 측정된다. 구동 전압 대 투과율 곡선은 도 6에 도시된다. 도시된 바와 같이, 상기 계면제를 갖는 NCAP 조성물에 대하여 전극들 간에 더 낮은 구동 전압이 요구되고, 고유 스위칭 전압 및 전극 간의 동작 전압이 30% 이상 감소된다.
예 2:
중량비로 67/33 wt%인 용매 유도 상분리 PDLC 조성물 TL205/AU1033(각각 이엠 인더스트리즈와 롬앤하스(Rohm and Haas)에서 제조됨)이 기본적인 액정 물질로서 선택된다. 메틸 이소부틸 케톤(Methyl isobutyl ketone)이 용매로서 사용되고 바이엘(Bayer)이 제조하는 데스모더(Desmodur) N75 BA/X와 같은 이소시아네이트(Isocyanate)가 가교제(cross-linking agent)로서 상기 혼합물에 첨가된다. 표 1의 계면제들 중 어떤 것, 예컨대, 서피놀 DF 타입의 소포제가 선택될 수 있다. 상기 표 1로부터 선택되는 계면제는 0, 1.0, 1.9 및 3.0%의 다양한 양만큼 첨가되었다. 일부 실시예에서는, 상기 표 1로부터 선택된 계면제가 중량으로 4, 5 및 10%까지 첨가될 수 있다. 결과적인 구동 전압 대 투과율 곡선은 도 7에 도시된다. 이소시아네이트에 의한 수산기들(hydroxyl groups)(계면제와 AU1033 모두에 포함됨) 간의 교차결합을 가속시키기 위해 상기 PDLC 코팅에 약간의 열이 인가된다. 도시된 바와 같이, 계면제를 포함하는 상기 PDLC 조성물에 대해서는 50% 이상 낮은 구동 전압이 요구되어, 상기 LC 물질의 고유 스위칭 전압과 전극 간의 동작 전압이 감소된다. 중량비로 5-10%인 계면제를 포함하는 물질을 사용함으로써 제어 물질을 포함하지 않는 경우에 비해 고유 스위칭 전압이 향상될 수 있다.
도 6 및 7에 도시된 것과 유사한 결과는 표 1에 열거된 것들과 같은 소량의 계면제와 다른 종류의 PDLC 또는 NCAP 기반의 액정 조성물의 조합을 사용하여 얻어질 수 있다.
예 3:
다관능 아크릴레이트, 슬립제로서의 실리콘 아크릴레이트, 무기 필러로서의 나노 크기 실리카, (메타)아크릴레이트((meth)acrylate) 말단 강성제 및 광 개시제를 포함하는 유기 하드 코팅이 마일라 시트에 인가된다. 상기 유기 하드 코팅은 3H 내지 6H 연필 경도, 마일라에 대한 우수한 접착성, 및 미끄러운 표면을 갖는다. 상기 유기 하드 코팅의 두께는 실질적으로 5 마이크론이다. 상기 유기 및 유기/무기 하이브리드 하드 코팅의 유전체 상수는 3 내지 5의 범위이고, 공간 분해능과 그에 따른 상기 변조기의 EO 성능에 영향을 미칠 수 있는 30보다 훨씬 작다. 상기 코팅은 박막 트랜지스터(TFT)보다 부드러울 수 있고 따라서 상기 모듈레이터가 패널에 접촉하는 경우에도 상기 패널을 손상시키지 않을 것이다. 상기 하드 코팅층은 상기한 적층 조립체에 추가된다.
예시적인 실시예들이 명확한 이해를 위해 구체적인 예로써 상세히 설명되었지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 다양한 변형, 개조, 및 변경이 채용될 수 있다는 점을 인식할 것이다. 따라서, 본 발명의 범위는 첨부된 청구범위에 의해서만 한정될 수 있다.

Claims (46)

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  4. 라텍스 기반의 NCAP 변조기를 제조하는 방법에 있어서,
    투명 전극을 포함하는 플라스틱 기판에 계면제를 포함하는 라텍스 기반의 NCAP 물질을 코팅하는 단계;
    상기 코팅된 기판을 플라스틱 덮개로 덮어 상기 플라스틱 기판과 상기 플라스틱 덮개 사이에 상기 NCAP 물질을 끼우는 단계;
    샌드위치 모양의 상기 NCAP 물질을 광학 블록 기판 상에 적층하는 단계;
    상기 플라스틱 덮개를 제거하는 단계;
    상기 라텍스 기반의 NCAP 물질 위에 유전체 거울 펠리클을 적층하는 단계;
    UV 경화성 유기 코팅으로 상기 펠리클을 도포하는 단계; 및
    UV에 의해 상기 경화성 유기 코팅을 유기 하드 코팅으로 경화시키는 단계를 포함하는 변조기 제조 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 계면제는 소포제를 포함하는 변조기 제조 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 소포제의 양은 상기 변조기의 동작 전압을 감소시킬 수 있는 변조기 제 조 방법.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 소포제는 상기 변조기의 동작 전압을 감소시킬 수 있는 양의, 반응성 말단기(reactive end group)를 갖는 실록산(siloxane)을 포함하는 변조기 제조 방법.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 소포제는 상기 변조기의 동작 전압을 감소시킬 수 있는 양의 반응성 플루오르화 분자를 포함하는 변조기 제조 방법.
  9. 제5항에 있어서,
    상기 소포제는 상기 변조기의 동작 전압을 감소시킬 수 있는 양의 비이온 블록 공중합체를 포함하는 변조기 제조 방법.
  10. 제4항에 있어서,
    다관능 아크릴레이트(multi-functional acrylate), 슬립제로서의 실리콘 아크릴레이트, (메타)아크릴레이트 말단 강성제, 무기 필러로서의 나노 크기 실리카 및 광 개시제의 혼합물로서 상기 UV 경화성 유기 코팅을 제조하는 단계를 더 포함하는 변조기 제조 방법.
  11. 보호 코팅을 포함하는 라텍스 기반의 NCAP 변조기에 있어서,
    계면제를 포함하는 라텍스 기반의 NCAP 물질;
    상기 NCAP 물질의 최상부에 적층되는 유전체 거울 펠리클; 및
    상기 거울 펠리클 상에 위치하는 경화된 UV 경화성 유기 하드 코팅을 포함하는 변조기.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 계면제는 소포제를 포함하는 변조기.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 소포제의 양은 상기 변조기의 동작 전압을 감소시킬 수 있는 변조기.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 소포제는 상기 변조기의 동작 전압을 감소시킬 수 있는 양의, 반응성 말단기를 갖는 실록산을 포함하는 변조기.
  15. 제12항에 있어서,
    상기 소포제는 상기 변조기의 동작 전압을 감소시킬 수 있는 양의 반응성 플루오르화 폴리머를 포함하는 변조기.
  16. 제12항에 있어서,
    상기 소포제는 상기 변조기의 동작 전압을 감소시킬 수 있는 양의 비이온 블록 공중합체를 포함하는 변조기.
  17. 제11항에 있어서,
    상기 UV 경화성 유기 코팅은 다관능 아크릴레이트, 슬립제로서의 실리콘 아크릴레이트, (메타)아크릴레이트 말단 강성제, 무기 필러로서의 나노 크기 실리카 및 광 개시제의 혼합물을 포함하는 변조기.
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  41. PDLC 전기-광학 변조기 물질에 있어서,
    액정 분자를 포함하는 액적들;
    상기 액적들을 감싸고 지지하는 용매 유도 상분리 PDLC 조성물; 및
    소포제를 포함하고,
    상기 소포제의 양은, 상기 변조기 물질을 통해 광을 투과시키기 위해 상기 액정 분자의 방향이 변하는 동작 전압을 감소시킬 수 있고,
    상기 소포제는 상기 액적들과 상기 PDLC 조성물 사이에서 상기 액적들 상에 계면층을 형성하는,
    PDLC 전기-광학 변조기 물질.
  42. 제41항에 있어서,
    상기 소포제는, 상기 변조기 물질의 동작 전압을 감소시키기 위해, 상기 용매 유도 상분리 PDLC 조성물과 반응하는 반응성 소포제를 포함하는 PDLC 전기-광학 변조기 물질.
  43. 제41항에 있어서,
    상기 소포제는 상기 PDLC 전기-광학 변조기 물질의 중량으로 1 내지 10% 포함되는 PDLC 전기-광학 변조기 물질.
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