KR101864927B1 - 액정 소자 - Google Patents

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Abstract

본 출원은, 액정 소자 등에 대한 것이다. 본 출원은, 액정 소자 등에 대한 것이다. 본 출원의 액정 소자는 인가되는 전압의 주파수 및/또는 크기에 따라서 투명 화이트 상태, 투명 블랙 상태 및 산란 상태를 구현할 수 있다. 상기 액정 소자는, 예를 들면, 차량용 윈도우, 스마트 윈도우, 윈도우 보호막, 디스플레이 장치, 디스플레이용 차광판, 3D 영상 표시용 액티브 리타더(active retarder) 또는 시야각 조절 필름 등과 같은 용도에 적용될 수 있다.

Description

액정 소자{LIQUID CRYSTAL DEVICE}
본 출원은, 액정 소자 및 그 용도에 관한 것이다.
액정 소자는 전압의 인가와 같은 외부 신호를 통해 액정의 배향을 스위칭시켜 광의 투과도를 조절할 수 있어서, 투과율 가변 소자로 사용될 수 있다. 이러한 액정 소자는, 각종 정보 장치의 디스플레이 장치는 물론 OLED(Organic Light Emitting Diode)용 차광판 또는 차량용 및 스마트 윈도우 등의 다양한 차광 제품에도 적용될 수 있다.
액정 소자의 차광 또는 투광 기작은, 투명 화이트, 투명 블랙 또는 산란 상태 등으로 분류될 수 있고, 일반적인 액정소자는 투명 화이트 및 투명 블랙 상태의 사이를 스위칭하거나, 투명 화이트 및 산란 상태의 사이를 스위칭하는 이상(double state) 소자이다. 상기에서 투명 화이트 상태는, 광의 직진광 투과율이 높고, 헤이즈가 낮은 상태이고, 투명 블랙 상태는 광의 직진광 투과율은 낮고, 헤이즈도 낮은 상태이며, 산란 상태는 광의 직진광 투과율은 낮고, 헤이즈는 높은 상태를 의미할 수 있다.
디스플레이 장치 등에 적용되는 액정소자는 통상 투명 화이트 및 투명 블랙 상태의 사이를 스위칭하고, 투명 화이트 및 산란 상태의 사이를 스위칭하는 소자로는, 예를 들면, 특허문헌 1 등에 기재된 바와 같은 소위 PDLC(Polymer Dispersed Liquid Crystal)가 있다.
특허문헌 1: 대한민국 공개특허공보 제2014-0077861호
본 출원은, 액정 소자 및 그 용도를 제공한다.
본 출원은, 트리플상(triple state) 액정 소자에 대한 것이다. 본 출원에서 용어 트리플상 액정 소자는, 투명 화이트 상태, 투명 블랙 상태 및 산란 상태를 모두 구현할 수 있고, 상기 세 종류의 상태의 사이에서 상호 스위칭이 가능한 소자를 의미할 수 있다.
본 출원에서 용어 투명 화이트 상태는, 액정 소자 또는 액정층의 직진광 투과율이 25% 이상이고, 헤이즈가 5% 이하인 상태를 의미하고, 이는 제 1 상태로 호칭될 수 있다. 또한, 용어 투명 블랙 상태는, 직진광 투과율이 15% 이하이고, 헤이즈가 5% 이하인 상태를 의미할 수 있고, 이는 제 2 상태로 호칭될 수 있다. 용어 산란 상태는, 직진광 투과율이 10% 이하이고, 헤이즈가 80% 이상인 상태를 의미할 수 있고, 이는 제 3 상태로 호칭될 수 있다.
상기에서 제 1 상태는 직진광 투과율이 40% 이상, 45% 이상, 50% 이상, 55% 이상, 60% 이상, 65% 이상, 70% 이상, 75% 이상, 80% 이상, 85% 이상 또는 90% 이상이고, 헤이즈가 3% 이하, 2.5% 이하, 2% 이하, 1.5% 이하 또는 1% 이하일 수 있으며, 제 2 상태는 직진광 투과율이 20% 이하, 15% 이하, 10% 이하 또는 5% 이하이고, 헤이즈가 3% 이하, 2.5% 이하, 2% 이하, 1.5% 이하 또는 1% 이하일 수 있으며, 제 3 상태는 직진광 투과율이 5% 이하이고, 헤이즈가 90% 이상 또는 95% 이상일 수 있다.
본 출원에서 투과율, 직진광 투과율 및 헤이즈은 ASTM D1003 규격에 따라서 측정한 수치이다.
본 출원의 액정 소자는 액정층을 포함한다. 용어 액정층은 적어도 액정 화합물을 포함하는 층을 의미할 수 있다.
본 출원의 액정층은 수평 전도도(Conductivity)가 1.0 × 10-4 μS/cm 이상일 수 있다. 이러한 범위의 수평 전도도를 나타내도록 액정층을 조절하면, 인가되는 전압의 크기 및 주파수에 따라서 액정층이 상기 제 1 내지 제 3 상태를 모두 구현하면서, 상기 세 가지 상태 중 어느 한 상태에서 다른 상태로 스위칭이 가능한 것을 확인하였다. 상기 액정층의 수평 전도도는, 다른 예시에서 2.0 × 10-4 μS/cm 이상, 3.0 × 10-4 μS/cm 이상, 4.0 × 10-4 μS/cm 이상, 5.0 × 10-4 μS/cm 이상, 6.0 × 10-4 μS/cm 이상, 7.0 × 10-4 μS/cm 이상, 8.0 × 10-4 μS/cm 이상, 9.0 × 10-4 μS/cm 이상 또는 1.0 × 10-3 μS/cm 이상일 수 있다. 상기 수평 전도도는 다른 예시에서 5.0 × 10-2 μS/cm 이하, 3.0 × 10-2 μS/cm 이하, 1.0 × 10-2 μS/cm 이하, 9.0 × 10-3 μS/cm 이하, 7.0 × 10-3 μS/cm 이하, 5.0 × 10-3 μS/cm 이하, 3.0 × 10-3 μS/cm 이하 또는 2.5 × 10-3 μS/cm 이하일 수 있다.
본 출원에서 용어 수평 전도도는, 상기 액정층에 전압을 인가하면서 측정한 전도도로서, 상기 액정층의 광축과 상기 인가 전압에 의한 전기장의 방향이 실질적으로 수평하도록 전압을 인가한 상태에서 상기 전기장의 방향을 따라 측정한 값일 수 있다. 상기에서 인가되는 전압의 측정 주파수는 60 Hz이고, 측정 전압은 0.5V일 수 있다.
한편, 후술하는 수직 전도도는, 역시 상기 액정층에 전압을 인가하면서 측정한 전도도로서, 상기 액정층의 광축과 상기 인가 전압에 의한 전기장의 방향이 실질적으로 수직하도록 전압을 인가한 상태에서 상기 전기장의 방향을 따라 측정한 값일 수 있다. 상기에서 인가되는 전압의 측정 주파수는 60 Hz이고, 측정 전압은 0.5V일 수 있다.
액정층의 광축은 액정 화합물의 종류에 따라서 결정될 수 있다. 예를 들어, 액정 화합물이 로드(rod) 형상이라면, 액정층의 광축은 상기 액정층에 포함되는 액정 화합물들이 배향된 상태에서 그 장축 방향을 의미할 수 있다. 예를 들어, 상기 액정층 내의 액정 화합물들이 상기 액정층의 두께 방향과 평행하게 수직 배향되어 있는 상태라면, 상기 수평 전도도는 상기 액정층의 두께 방향을 따라서 전기장이 형성되도록 전압을 인가한 상태에서 상기 두께 방향을 따라서 측정한 전도도일 수 있다. 또한, 액정층 내의 액정 화합물이 로드(rod) 형상이고, 상기 액정 화합물들이 액정층 내에서 수평 배향된 상태라면, 상기 수직 전도도는, 상기 액정층에 두께 방향으로 전기장이 형성되도록 전압을 인가하면서 상기 두께 방향으로 측정한 전도도일 수 있다.
한편, 특별히 달리 규정하지 않는 한, 본 출원에서 상기 수직 또는 수평 전도도는 전술한 바와 같이 액정층에 대하여 인가되는 전압의 측정 주파수를 60 Hz로 하고, 전압은 0.5V로 한 상태에서 상기 각 방법에 따라 상온에서 측정한 전도도를 면적이 1cm2(가로: 1cm, 세로: 1cm)고, 두께가 1 cm인 액정층이 나타내는 수치로 환산한 값일 수 있다.
후술하는 실시예에서는 면적이 9cm2(가로: 3cm, 세로: 3cm)고, 두께가 15㎛인 액정층에 대하여 측정한 실측치를 면적이 1cm2(가로: 1cm, 세로: 1cm)고, 두께가 1 cm인 액정층이 나타낼 수치로 환산하였다.
상기 환산에 적용된 수식은 하기 수식 1 내지 3과 같다.
[수식 1]
C = 1 /ρ
[수식 2]
R = 1/CR
[수식 3]
R = ρ ×D/A
수식 1 내지 3에서 C는 수평 또는 수직 전도도이고, ρ는 액정층의 비저항이며, CR은 는 수평 또는 수직 전도도의 실측값이고, R은 액정층의 저항이며, D는 액정층의 두께이고, A는 액정층의 면적이다.
예를 들면, 일정 두께 및 면적을 가지는 액정층에 대하여 측정한 전도도의 실측값(CR)을 수식 2에 대입하여 저항(R)을 구한 후에 상기 저항(R) 및 수식 3을 사용하여 액정층(면적: 1cm2(=가로: 1cm, 세로: 1cm), 두께: 1 cm)의 비저항(ρ)을 구하고, 그 비저항을 수식 1에 대입하여 수직 또는 수평 전도도를 구할 수 있다.
본 명세서에서 액정층 또는 액정 화합물의 수평 배향은, 액정 화합물인 로드(rod) 형태인 경우, 액정층의 액정 화합물들이 실질적으로 수평 배향되어 있는 상태이고, 예를 들면, 하기 수식 A에 따른 면상 위상차(Rin)가 150 nm 내지 3,000 nm의 범위 내이고, 하기 수식 B에 따른 두께 방향 위상차(Rth)가 0 nm 내지 100 nm 또는 0 nm 내지 50 nm의 범위 내인 경우를 의미할 수 있고, 용어 액정층 또는 액정 화합물의 수직 배향은, 액정 화합물인 로드(rod) 형태인 경우, 액정층의 액정 화합물들이 실질적으로 수직 배향된 상태이고, 예를 들면, 상기 면상 위상차(Rin)가 0 nm 내지 100 nm 또는 0 nm 내지 50 nm의 범위 내이고, 상기 두께 방향 위상차(Rth)가 150 nm 내지 3000 nm의 범위 내인 경우를 의미할 수 있다.
[수식 A]
Rin = d (nx - ny)
[수식 B]
Rth = d (nz - ny)
수식 A 및 B에서 d는 액정층의 두께이고, nx는 액정층 평면에서 지상축 방향의 굴절률이며, ny는 상기 지상축에 수직하는 방향의 굴절률이고, nz는 두께 방향, 즉 상기 지상축과 그에 수직하는 방향 모두와 수직하는 방향의 굴절률이다. 본 명세서에서 용어 굴절률은 특별히 달리 규정하지 않는 한, 550 nm 파장의 광에 대한 굴절률일 수 있다.
또한, 상기한 바와 같이 본 출원에서 전도도는 특별히 달리 규정하지 않는 한, 측정 주파수 60 Hz 및 측정 전압 0.5V 조건에서 측정한 상온에서의 전도도를 1cm2(가로: 1cm, 세로: 1cm)고, 두께가 1 cm인 액정층이 나타낼 수치로 환산한 값이고, 상기에서 전도도는 측정 기기(LCR meter, Aglient社(제), E4980A]를 사용하여 제조사의 매뉴얼에 따라 측정할 수 있다. 한편, 본 명세서에서 기재하는 물성 중에서 측정 온도가 그 수치에 영향을 주는 경우, 특별히 달리 규정하지 않는 한, 해당 물성은 상온에서 측정한 수치이다. 상기에서 용어 상온은, 가온되거나, 감온되지 않은 자연 그대로의 온도로서, 약 10℃ 내지 30℃의 범위 내의 어느 한 온도, 예를 들면, 약 23℃ 또는 약 25℃ 정도의 온도를 의미할 수 있다.
액정층의 전도도 자체를 조정하는 방식은 공지이며, 예를 들면, 후술하는 바와 같이 액정층에 적절한 첨가제, 예를 들어, 이온 불순물, 이온성 액체(ionic liquid), 염(Salt), 반응성 모노머, 개시제 또는 이방성 염료 등의 첨가제를 추가함으로써 전도도의 조절이 가능하다.
상기에서 액정층의 수직 전도도(VC) 및 액정층의 수평 전도도(PC)의 비율(PC/VC)은 약 0.2 이상, 약 0.25 이상, 약 0.3 이상, 약 0.35 이상, 약 0.4 이상, 약 0.45 이상, 약 0.5 이상, 약 0.55 이상, 약 0.6 이상, 약 0.65 이상 또는 약 0.7 이상일 수 있다. 또한, 상기 비율(PC/VC)은 약 2.5 이하, 약 2.0 이하, 약 1.5 이하 또는 약 1.0 이하일 수 있다. 상기에서 액정층의 수평 전도도(PC) 및 액정층의 수직 전도도(VC)의 비율(VC/PC)이 약 2.0 이하, 약 1.9 이하, 약 1.8 이하, 약 1.7 이하, 약 1.6 이하, 약 1.5 이하, 약 1.4 이하, 약 1.3 이하, 약 1.2 이하, 약 1.1 이하 또는 약 1.0 이하일 수 있다. 또한, 상기 비율(VC/PC)은 약 0.5 이상, 약 0.3 이상, 약 0.2 이상 또는 약 0.1 이상일 수 있다. 상기와 같은 전도도(PC, VC)도 전술한 첨가제의 적절한 첨가에 의해 조절이 가능할 수 있다. 전도도의 비율(VC/PC 및/또는 PC/VC)을 상기와 같이 조절하면, 액정 소자의 구동 효율 측면에서 유리할 수 있다.
액정 소자는 초기 상태에서 상기 제 1 또는 제 2 상태일 수 있다. 본 출원에서 용어 초기 상태는, 전압과 같은 액정 화합물의 구동을 위한 외부 신호가 인가되어 있지 않은 상태를 의미할 수 있다.
상기와 같은 초기 상태에서 소정 주파수의 전압의 인가를 통해 다른 상태(제 1 내지 제 3 상태 중 어느 한 상태)로 스위칭될 수 있고, 인가되는 전압의 크기 및/또는 주파수를 변경하거나, 인가 전압을 제거함으로써 다른 상태로 스위칭될 수 있다.
상기 액정 소자에서 제 1 또는 2 상태의 구현을 위한 인가 주파수(F1) 및 인가 전압(V1)과 제 3 상태의 구현을 위한 인가 주파수(F2) 및 인가 전압(V2)이 하기 조건 1 및/또는 2를 만족할 수 있다.
[조건 1]
F1 > F2
[조건 2]
V1 ≤ V2.
즉, 초기 상태가 제 1 상태인 경우 제 2 상태를 구현하기 위해 요구되는 인가 주파수(F1) 또는 초기 상태가 제 2 상태인 경우에 제 1 상태를 구현하기 위하여 요구되는 인가 주파수(F1)는, 상기 조건 1에 따라서 제 3 상태를 구현하기 위하여 요구되는 인가 주파수(F2)에 비하여 항상 크다. 하나의 예시에서 상기 인가 주파수의 비율(F1/F2)은 1을 초과하고, 예를 들면, 1.5 이상, 2 이상, 2.5 이상 또는 3 이상일 수 있다. 상기 비율(F1/F2)은 다른 예시에서 10 이하, 9 이하, 8 이하, 7 이하, 6 이하, 5 이하 또는 4.5 이하일 수 있다.
한편, 초기 상태가 제 1 상태인 경우 제 2 상태를 구현하기 위해 요구되는 인가 전압(V1) 또는 초기 상태가 제 2 상태인 경우에 제 1 상태를 구현하기 위하여 요구되는 인가 전압(V1)는, 상기 조건 2에 따라서 제 3 상태를 구현하기 위하여 요구되는 인가 전압(V2)에 비하여 작거나 같다. 하나의 예시에서 상기 인가 전압의 비율(V2/V1)은 1 이상, 2 이상, 3 이상, 4 이상, 5 이상 또는 5.5 이상일 수 있다. 상기 비율(V2/V1)은 다른 예시에서 20 이하, 15 이하 또는 10 이하일 수 있다.
초기 상태가 제 1 상태인 경우 제 2 상태를 구현하기 위해 요구되는 인가 주파수(F1) 또는 초기 상태가 제 2 상태인 경우에 제 1 상태를 구현하기 위하여 요구되는 인가 주파수(F1)는, 예를 들면, 90Hz 이상, 100 Hz 이상, 150 Hz 이상, 200 Hz 이상, 250 Hz 이상 또는 300 Hz 이상일 수 있다. 상기 인가 주파수(F1)는 다른 예시에서 600 Hz 이하, 500 Hz 이하 또는 400 Hz 이하일 수 있다.
또한, 제 3 상태를 구현하기 위하여 요구되는 인가 주파수(F2)는 110 Hz 이하, 100 Hz 이하, 90 Hz 이하, 80 Hz 이하, 70 Hz 이하, 60 Hz 이하, 50 Hz 이하 또는 40 Hz 이하일 수 있다. 상기 인가 주파수(F2)는 다른 예시에서 10 Hz 이상 또는 20 Hz 이상일 수 있다.
초기 상태가 제 1 상태인 경우 제 2 상태를 구현하기 위해 요구되는 인가 전압(V1) 또는 초기 상태가 제 2 상태인 경우에 제 1 상태를 구현하기 위하여 요구되는 인가 전압(V1)은, 예를 들면, 50V 이하, 45V 이하, 40V 이하, 35V 이하, 30V 이하, 25V 이하, 20V 이하 또는 15V 이하일 수 있다. 상기 인가 전압(V1)은 다른 예시에서 5V 이상일 수 있다.
또한, 제 3 상태를 구현하기 위하여 요구되는 인가 전압(V2)은 50V 이상 또는 65V 이상일 수 있다. 상기 인가 전압(V2)은 다른 예시에서 200V 이하, 150V 이하, 100V 이하, 80V 이하 또는 70V 이하일 수 있다.
상기 인가 주파수(F1 및/또는 F2) 및/또는 인가 전압(V1 및/또는 V2)은, 상기 조건 1 및/또는 2를 만족하는 범위 내에서 예를 들면, 상기 액정층의 전도도의 변화에 따라서 조절될 수 있다.
하나의 예시에서 상기 트리플상 액정 소자는, 하기 수식 A를 만족할 수 있다.
[수식 A]
20 ≤ H1/H2
수식 A에서 H1은 30 Hz의 주파수 및 60 V의 전압이 인가된 상태에서의 상기 트리플상 액정 소자의 헤이즈이고, H2는 전압 미인가 상태 또는 100 Hz의 주파수 및 10 V의 전압이 인가된 상태에서의 상기 트리플상 액정 소자의 헤이즈이다.
상기 수식 A에서 H1/H2는 상기 제 3 상태에서 발현되는 상기 액정 소자의 헤이즈(H1)와 상기 제 1 또는 제 2 상태에서 발현되는 상기 액정 소자의 헤이즈(H2)의 비율일 수 있다. 본 출원에서는 액정층의 전도도를 상기 범위로 조절함으로써 상기 수식 A와 같은 범위의 헤이즈 차이를 구현할 수 있다. 상기 수식 A에서 H1/H2는, 다른 예시에서 25 이상, 30 이상, 35 이상, 40 이상, 45 이상, 50 이상, 55 이상, 60 이상, 65 이상, 70 이상, 75 이상, 80 이상, 85 이상 또는 90 이상일 수 있다. 수식 A에서 H1/H2는 다른 예시에서 100 이하 또는 98 이하 또는 96 이하일 수 있다.
하나의 예시에서 상기 액정 소자는 하기 수식 B를 만족할 수 있다.
[수식 B]
5 ≤ T1/T2
수식 B에서 T1은 전압 미인가 상태 또는 100 Hz의 주파수 및 10 V의 전압이 인가된 상태에서의 상기 트리플상 액정 소자의 직진광 투과율이고, T2는 30 Hz의 주파수 및 60 V의 전압이 인가된 상태에서의 상기 트리플상 액정 소자의 헤이즈이다.
상기 수식 B에서 T1은 상기 제 1 상태에서의 직진광 투과도일 수 있고, T2는 상기 제 2 또는 제 3 상태에서의 직진광 투과도일 수 있다. 본 출원에서는 액정층의 전도도를 상기 범위로 조절함으로써 상기 수식 B와 같은 범위의 직진광 투과도의 차이를 구현할 수 있다. 상기 수식 B에서 T1/T2는, 다른 예시에서 10 이상, 15 이상, 20 이상, 25 이상, 30 이상, 35 이상, 40 이상, 45 이상, 50 이상, 55 이상, 60 이상, 65 이상, 70 이상, 75 이상, 80 이상, 85 이상 또는 90 이상일 수 있다. 수식 B에서 T1/T2는 다른 예시에서 100 이하 또는 98 이하 또는 96 이하일 수 있다.
액정 소자의 액정층은, 액정 화합물을 적어도 포함할 수 있다. 액정 화합물로는, 특별한 제한 없이 용도에 따라 적합한 종류를 선택할 수 있다. 하나의 예시에서 액정 화합물로는 네마틱 액정 화합물을 사용할 수 있다. 상기 액정 화합물은, 비반응성 액정 화합물일 수 있다. 용어 비반응성 액정 화합물은, 중합성기를 가지지 않는 액정 화합물을 의미할 수 있다. 상기에서 중합성기로는, 아크릴로일기, 아크릴로일옥시기, 메타크릴로일기, 메타크릴로일옥시기, 카복실기, 히드록시기, 비닐기, 에폭시기 등이 예시될 수 있으나, 이에 제한되지 않고, 중합성기로서 알려진 공지의 관능기가 포함될 수 있다.
액정층에 포함되는 액정 화합물은 양의 유전율 이방성 또는 음의 유전율 이방성을 가질 수 있다. 본 출원에서 용어「유전율 이방성」은 액정 화합물의 이상 유전율(εe, extraordinary dielectric anisotropy, 장축 방향의 유전율)과 정상 유전율(εo, ordinary dielectric anisotropy, 단축 방향의 유전율)의 차이를 의미할 수 있다. 액정 화합물의 유전율 이방성은 예를 들어 ±40 이내, ±30 이내, ±10 이내, ±7 이내, ±5 이내 또는 ±3 이내의 범위 내일 수 있다. 액정 화합물의 유전율 이방성을 상기 범위로 조절하면 액정 소자의 구동 효율 측면에서 유리할 수 있다.
액정층 내에 존재하는 액정 화합물의 굴절률 이방성은 목적 물성, 예를 들어, 액정 소자의 헤이즈 특성을 고려하여 적절히 선택될 수 있다. 용어 「굴절률 이방성」은 액정 화합물의 이상 굴절률(extraordinary refractive index)과 정상 굴절률(ordinary refractive index)의 차이를 의미할 수 있다. 액정 화합물의 굴절률 이방성은 예를 들어 0.1 이상, 0.12 이상 또는 0.15 이상 내지 0.23 이하 0.25 이하 또는 0.3이하의 범위 내에 있을 수 있다. 액정 화합물의 굴절률 이방성이 상기 범위를 만족하는 경우, 예를 들면, 헤이즈 특성이 우수한 통상 투과 모드 소자를 구현할 수 있다.
액정층은, 전도도의 조절을 위한 적절한 첨가제를 포함할 수 있다. 상기 첨가제로는 예를 들어, 이온 불순물, 이온성 액체(ionic liquid), 염(Salt), 반응성 모노머, 개시제 또는 이방성 염료 등을 예시할 수 있다. 액정층의 전도도를 조절할 수 있는 상기 성분들은 공지이며, 예를 들면, 상기 이온 불순물로는 TEMPO(2,2,6,6-Tetramethylpiperidine-1-Oxyl Free radical) 등이 있고, 이온성 액체로는 BMIN-BF4([1-butyl-3-methylimideazolium]BF4) 등이 있으며, 염으로는, CTAB(Cetrimonium bromide), CTAI(Cetrimonium Iodide) 또는 CTAI3(Cetrimonium triiodide) 등이 있고, 반응성 모노머로는 액정과 혼합성이 좋은 메소겐(mesogen) 작용기를 가가지는 반응성 메소겐(Reactive mesogen) 등을 사용할 수 있으며, 개시제로는 예를 들어 TPO(2,4,6-Trimethylbenzoyl-diphenyl-phosphineoxide) 등을 사용할 수 있고, 이방성 염료로는 예를 들어 아조(azo) 계열의 염료, 예를 들어 BASF사의 X12 등을 사용할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 액정 층 내에서 상기 화합물의 비율은 목적하는 전도도와 액정 화합물의 배향성 등을 고려하여 적절하게 선택될 수 있다.
하나의 예시에서 상기 액정층은, 전술한 전도도를 효과적으로 확보하면서도 액정에 대한 용해도(solubility)가 우수하고, 분산 특성의 차이를 줄이면서 우수한 물성의 액정층을 형성하기 위하여 상기 전도도 조절을 위한 첨가제로서 반응성 메소겐을 포함할 수 있다. 용어 반응성 메소겐은 중합성 관능기를 하나 이상 가지는 액정 화합물을 의미할 수 있다. 예를 들면, 상기 비반응성 액정 화합물에 전도도 조절제로서 반응성 메소겐을 혼합하게 되면, 전술한 전도도를 효과적으로 달성하면서 액정층의 물성도 안정적으로 유지할 수 있다. 반응성 메소겐은, 상기 액정층 내에서 비반응된 상태, 즉 중합이 이루어지지 않은 상태로 존재할 수 있으며, 필요한 경우에는 적어도 일부는 중합되어 있을 수도 있다.
본 출원에서 사용할 수 있는 반응성 메소겐으로는, 1개 내지 6개, 1개 내지 5개, 1개 내지 4개 또는 1개 내지 3개의 방향족 고리 구조 또는 지방족 고리 구조를 포함하는 메소겐 코어에 중합성 관능기가 연결되어 있는 반응성 메소겐을 사용할 수 있다. 상기에서 방향족 또는 지방족 고리 구조가 2개 이상인 경우에 상기 2개 이상의 고리 구조는 서로 직접 연결되거나, 혹은 링커에 의해 연결되어 메소겐 코어를 구성할 수 있다. 상기에서 링커로는, 탄소수 1 내지 10, 탄소수 1 내지 8 또는 탄소수 1 내지 6의 알킬렌기, 에스테르기(-C(=O)-O- 또는 -O-C(=O)-), 에테르기, 탄소수 2 내지 10, 탄소수 2 내지 8 또는 탄소수 2 내지 6의 알케닐렌기, 탄소수 1 내지 10, 탄소수 1 내지 8 또는 탄소수 1 내지 6의 옥시알키렌기(-O-알킬렌기-, -알킬렌기-O- 또는 알킬렌기-O-알킬렌기-) 등이 예시될 수 있다. 상기에서 방향족 고리 구조로는, 탄소수 6 내지 20, 탄소수 6 내지 16 또는 탄소수 6 내지 12의 방향족 고리 구조를 예시할 수 있고, 예를 들면, 벤젠 구조일 수 있다. 또한, 상기에서 지방족 고리 구조로는, 탄소수 6 내지 20, 탄소수 6 내지 16 또는 탄소수 6 내지 12의 지방족 고리 구조를 예시할 수 있고, 예를 들면, 사이클로헥산 구조일 수 있다. 한편 상기 반응성 메소겐은, 1개 내지 10개, 1개 내지 8개, 1개 내지 6개, 1개 내지 4개 또는 1개 또는 2개의 중합성기를 포함할 수 있다. 이러한 중합성기는 상기 메소겐 코어에 연결되어 있을 수 있다. 이 중합성기는 직접 상기 메소겐 코어에 연결되어 있거나, 혹은 적절한 스페이서에 의해 연결되어 있을 수 있는데, 상기에서 스페이서로는 상기 링커와 동일한 종류가 예시될 수 있다. 또한, 상기 중합성 관능기로는, 아크릴로일기, 아크릴로일옥시기, 메타크릴로일기, 메타크릴로일옥시기, 카복실기, 히드록시기, 비닐기, 에폭시기 등이 예시될 수 있지만, 이에 제한되는 것은 아니다.
본 출원에서 반응성 메소겐의 액정층 내에서의 비율은 상기 전도도를 달성할 수 있는 범위 내에서 조절될 수 있다. 예를 들면, 상기 반응성 메소겐은, 상기 비반응성 액정 화합물 100 중량부 대비 1 내지 30 중량부의 비율로 포함될 수 있다. 상기 비율은 다른 예시에서 5 중량부 이상일 수 있고, 25 중량부 이하, 20 중량부 이하 또는 15 중량부 이하일 수 있다.
액정층은 이온성 화합물, 예를 들면, 전술한 이온성 액체나 염 등을 가급적 포함하지 않을 수 있다. 이러한 이온성 화합물은, 액정층의 전도도를 조절하기 위한 첨가제로서 널리 알려져 있는 것이나, 본 발명자들은 이러한 화합물은, 액정 화합물에 대한 용해도가 좋지 않아서 액정층의 물성을 악화시키는 것을 확인하였다. 따라서, 상기 액정층 내에서의 이온성 화합물의 비율은 2 중량% 이하, 1.5 중량% 이하, 1 중량% 이하 또는 약 0.7 중량% 이하일 수 있다. 상기 이온성 화합물은, 임의 성분이기 때문에 상기 비율의 하한은 0 중량%이다.
액정층은 이방성 염료를 추가로 포함할 수 있다. 이방성 염료는, 예를 들면, 액정 소자의 차광율을 개선하여 투과도 가변에 기여할 수 있다. 본 출원에서 용어 「염료」는, 가시광 영역, 예를 들면, 400 nm 내지 700 nm 파장 범위 내에서 적어도 일부 또는 전체 범위 내의 광을 집중적으로 흡수 및/또는 변형시킬 수 있는 물질을 의미할 수 있고, 용어 「이방성 염료」는 상기 가시광 영역의 적어도 일부 또는 전체 범위에서 광의 이방성 흡수가 가능한 물질을 의미할 수 있다.
이방성 염료로는, 예를 들면, 소위 호스트 게스트(host guest) 효과에 의해 액정 화합물의 정렬 상태에 따라 정렬될 수 있는 특성을 가지는 것으로 알려진 공지의 염료를 선택하여 사용할 수 있다. 이방성 염료로는, 예를 들면, 흑색 염료(black dye)를 사용할 수 있다. 이러한 염료로는, 예를 들면, 아조 염료 또는 안트라퀴논 염료 등으로 공지되어 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
이방성 염료는, 이색비(dichroic ratio), 즉 이방성 염료의 장축 방향에 평행한 편광의 흡수를 상기 장축 방향에 수직하는 방향에 평행한 편광의 흡수로 나눈 값이 5 이상, 6 이상 또는 7 이상인 염료를 사용할 수 있다. 상기 염료는 가시광 영역의 파장 범위 내, 예를 들면, 약 380 nm 내지 700 nm 또는 약 400 nm 내지 700 nm의 파장 범위 내에서 적어도 일부의 파장 또는 어느 한 파장에서 상기 이색비를 만족할 수 있다. 상기 이색비의 상한은, 예를 들면 20 이하, 18 이하, 16 이하 또는 14 이하 정도일 수 있다.
이방성 염료의 액정층 내의 비율은 목적 물성, 예를 들면, 투과도 가변 특성에 따라 적절히 선택될 수 있다. 예를 들어, 이방성 염료는 0.01 중량% 이상, 0.1 중량% 이상, 0.2 중량% 이상, 0.3 중량% 이상, 0.4 중량% 이상, 0.5 중량% 이상, 0.6 중량% 이상, 0.7 중량% 이상, 0.8 중량% 이상, 0.9 중량% 이상, 또는 1.0 중량% 이상의 비율로 액정층 내에 포함될 수 있다. 이방성 염료의 액정층 내의 비율의 상한은, 예를 들면, 2 중량% 이하, 1.9 중량% 이하, 1.8 중량% 이하, 1.7 중량% 이하, 1.6 중량% 이하, 1.5 중량% 이하, 1.4 중량% 이하, 1.3 중량% 이하, 1.2 중량% 이하 또는 1.1 중량% 이하일 수 있다.
액정층은 폴리머 네트워크를 추가로 포함할 수 있다. 폴리머 네트워크는, 예를 들어 액정층 내부에 갭(gap)을 유지해주는 스페이서(Spacer) 역할을 할 수 있다. 폴리머 네트워크는, 액정 화합물과는 상 분리된 상태로 존재할 수 있다. 액정층 내의 폴리머 네트워크는, 예를 들면, 폴리머 네트워크가 연속상의 액정 화합물 중에 분포되어 있는 구조, 소위 PNLC(Polymer Network Liquid Crystal) 구조로 액정층 내에 포함될 수 있고, 또는, 폴리머 네트워크 내에 액정 화합물을 포함하는 액정 영역이 분산되어 있는 상태로 존재하는 구조, 소위 PDLC(Polymer Dispersed Liquid Crystal) 구조로 액정층 내에 포함될 수 있다.
폴리머 네트워크는, 예를 들면 중합성 화합물을 포함하는 전구 물질의 네트워크일 수 있다. 따라서, 폴리머 네트워크는 중합된 상태로 중합성 화합물을 포함할 수 있다. 중합성 화합물로는, 액정성을 나타내지 않는 비액정성 화합물이 사용될 수 있다. 중합성 화합물로는, 소위 PDLC 또는 PNLC 소자의 폴리머 네트워크를 형성할 수 있는 것으로 알려진 하나 이상의 중합성 관능기를 가지는 화합물 또는 필요한 경우 중합성 관능기가 없는 비중합성 화합물을 사용할 수 있다. 전구 물질에 포함될 수 있는 중합성 화합물로 아크릴레이트 화합물 등이 예시할 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다.
폴리머 네트워크의 액정층 내의 비율은, 목적 물성, 예를 들면, 액정 소자의 헤이즈 또는 투과도 특성 등을 고려하여 적절히 선택될 수 있다. 폴리머 네트워크는, 예를 들어, 40 중량% 이하, 38 중량% 이하, 36 중량% 이하, 34 중량% 이하, 32 중량%이하 또는 30 중량% 이하의 비율로 액정층 내에 포함될 수 있다. 폴리머 네트워크의 액정층 내의 비율의 하한은 특별히 제한되지 않으나, 예를 들어, 0.1 중량% 이상, 1 중량%, 2 중량% 이상, 3 중량% 이상, 4 중량% 이상, 5 중량% 이상, 6 중량% 이상, 7 중량% 이상, 8 중량% 이상, 9 중량% 이상 또는 10 중량% 이상일 수 있다.
본 출원의 액정 소자는, 예를 들면, 2개의 기판을 추가로 포함하고, 액정층이 상기 기판의 사이에 존재할 수 있다. 도 1에 예시적으로 나타낸 바와 같이 액정 소자에서 상기 2개의 기판(1011, 1012)은 서로 대향 배치되어 있고, 상기 액정층(102)은 상기 대향 배치된 2개의 기판(1011, 1012) 사이에 존재할 수 있다.
상기 기판으로는, 특별한 제한 없이 공지의 소재를 사용할 수 있다. 예를 들면, 유리 필름, 결정성 또는 비결정성 실리콘 필름, 석영 또는 ITO(Indium Tin Oxide) 필름 등의 무기 필름이나 플라스틱 필름 등을 사용할 수 있다. 기판으로는, 광학적으로 등방성인 기판이나, 위상차층과 같이 광학적으로 이방성인 기판 또는 편광판이나 컬러 필터 기판 등을 사용할 수 있다.
플라스틱 기판으로는, TAC(triacetyl cellulose); 노르보르넨 유도체 등의 COP(cyclo olefin copolymer); PMMA(poly(methyl methacrylate); PC(polycarbonate); PE(polyethylene); PP(polypropylene); PVA(polyvinyl alcohol); DAC(diacetyl cellulose); Pac(Polyacrylate); PES(poly ether sulfone); PEEK(polyetheretherketon); PPS(polyphenylsulfone), PEI(polyetherimide); PEN(polyethylenemaphthatlate); PET(polyethyleneterephtalate); PI(polyimide); PSF(polysulfone); PAR(polyarylate) 또는 비정질 불소 수지 등을 포함하는 기판을 사용할 수 있지만 이에 제한되는 것은 아니다. 기판에는, 필요에 따라서 금, 은, 이산화 규소 또는 일산화 규소 등의 규소 화합물의 코팅층이나, 반사 방지층 등의 코팅층이 존재할 수도 있다.
상기 기판은 액정 배향성을 가지는 기판일 수 있다. 본 출원에서 용어 「액정 배향성을 가지는 기판」은 인접하는 액정 화합물의 배향에 영향을 미칠 수 있는, 예를 들어 인접하는 액정 화합물을 소정 방향으로 정렬시킬 수 있는 배향능이 부여된 기판을 의미할 수 있다. 액정층은 액정 배향성을 가지는 2개의 기판 사이에 존재함으로써 초기 상태에서 적절한 배향 상태를 유지할 수 있다. 액정 소자에서 대향 배치된 2개의 기판은 예를 들어 수직 배향성 또는 수평 배향성을 가지는 기판일 수 있다. 본 출원에서 용어 「수직 배향성 또는 수평 배향성을 가지는 기판」은 인접하는 액정 화합물을 수직 방향 또는 수평 방향으로 배향시킬 수 있는 배향성을 가지는 기판을 의미할 수 있다.
액정 배향성을 가지는 기판으로는, 예를 들어 배향막이 형성된 기판을 사용할 수 있다. 이에 따라 액정 소자는 상기 액정층과 인접하는 배향막을 추가로 포함할 수 있다. 예를 들어, 배향막(201, 202)은 도 2 에 나타낸 바와 같이, 대향하는 2개의 기판(1011, 1012)의 액정층(102) 측면에 존재할 수 있다. 배향막으로는, 예를 들어 러빙 배향막과 같이 접촉식 배향막 또는 광배향막 화합물을 포함하여 직선 편광의 조사 등과 같은 비접촉식 방식에 의해 배향 특성을 나타낼 수 있는 것으로 공지된 배향막을 사용할 수 있다.
배향이 유도된 기판의 다른 예로는, 액정 배향성을 직접 부여한 기판을 사용할 수 있다. 예를 들어, 수직 배향능이 부여된 기판으로서 친수성 표면을 가진 기판을 사용할 수 있다. 친수성 표면을 가진 기판은, 예를 들면, 물에 대한 젖음각(wetting angle)이 0도 내지 50도, 0도 내지 40도, 0도 내지 30도, 0도 내지 20도 또는 0도 내지 10도이거나, 10도 내지 50도, 20도 내지 50도, 30도 내지 50도 정도일 수 있다. 상기에서 기판의 물에 대한 젖음각을 측정하는 방식은 특별히 제한되지 않고, 이 분야에서 공지되어 있는 젖음각의 측정 방식을 사용할 수 있으며, 예를 들면, KRUSS사제의 DSA100 기기를 사용하여, 제조사의 매뉴얼에 따라 측정할 수 있다. 기판에 친수성 표면을 가지도록 하기 위해서는 예를 들어 기판의 면에 친수화 처리를 수행하거나 또는 친수성 관능기를 포함하는 기판을 사용할 수 있다. 친수화 처리로는, 코로나 처리, 플라즈마 처리 또는 알칼리 처리 등이 예시될 수 있다.
액정 소자는, 전극층, 예를 들면, 액정층과 인접하는 전극층을 추가로 포함할 수 있다. 예를 들어, 전극층(301, 302)은 도 3 에 나타낸 바와 같이, 대향하는 2개의 기판(1011, 1012)의 액정층(102) 측면에 존재할 수 있다. 기판의 액정층 측면에 배향막이 존재하는 경우에는, 기판, 전극층 및 배향막이 순차로 존재할 수 있다. 이러한 전극층은 액정층 내의 액정 화합물의 정렬 상태를 전환할 수 있도록 액정층에 인가할 수 있다. 전극층은, 예를 들면, 전도성 고분자, 전도성 금속, 전도성 나노와이어 또는 ITO(Indium Tin Oxide) 등의 금속 산화물 등을 증착하여 형성할 수 있다. 전극층은, 투명성을 가지도록 형성될 수 있다. 이 분야에서는, 투명 전극층을 형성할 수 있는 다양한 소재 및 형성 방법이 공지되어 있고, 이러한 방법은 모두 적용될 수 있다. 필요한 경우에, 기판의 표면에 형성되는 전극층은, 적절하게 패턴화되어 있을 수도 있다.
액정층은 필요한 경우에 액정층의 일측 또는 양측에 배치된 편광층을 추가로 포함할 수 있다. 편광층은, 액정 화합물의 배향 상태에 따라서 액정 소자의 광투과율을 조절하는 역할을 할 수 있다. 편광층으로는 특별한 제한 없이 공지의 소재를 사용할 수 있으며, 예를 들면, PVA(poly(vinyl alcohol))계 편광층, LLC(Lyotropic Liquid Crystal)이나 RM(Reactive Mesogen)과 이방성 색소의 배향층과 같은 액정층을 적용할 수도 있다. 편광층이 액정층의 양측에 배치되는 경우에 그 편광층들의 광투과축의 관계는 특별히 제한되지 않고, 목적하는 모드에 따라서 조절될 수 있다.
액정 소자는 전술한 구성 외에도 필요한 경우 공지의 임의의 구성을 추가로 포함할 수 있다.
상기와 같은 액정 소자는, 인가 주파수 및/또는 인가 전압에 따라서 전술한 제 1 내지 제 3 상태 중에서 어느 한 상태를 구현할 수 있고, 상기 주파수 및/또는 전압의 변화 또는 제거 등에 의하여 다른 상태로 스위칭될 수 있다.
각 상태에서 액정 화합물의 배향 상태는 특별히 제한되지 않고, 예를 들면 편광층이나 액정층 내의 이방성 염료의 존재 여부 등에 따라 적절한 배향이 선택될 수 있다.
하나의 예시에서 액정층은 상기 제 1 상태에서 수직 배향 상태일 수 있다. 수직 배향 상태는 내부의 액정 화합물들이 실질적으로 수직 배향되어 있는 상태로서 전술한 면상 및 두께 방향 위상차(Rin, Rth)를 가지는 상태일 수 있다.
액정층은, 상기 제 2 상태에서 액정층은 수평 배향, 수직 배향, 트위스트 배향 또는 하이브리드 배향 상태일 수 있다. 상기에서 수평 배향 상태는 내부의 액정 화합물들이 실질적으로 수평 배향되어 있는 상태로서 전술한 면상 및 두께 방향 위상차(Rin, Rth)를 가지는 상태일 수 있고, 트위스트 배향 상태는, 수평 배향되어 있는 액정 화합물들이 가상의 나선축을 따라 일정한 각도로 회전하고 있는 상태를 의미하고, 하이브리드 배향 상태는 상기 수평, 수직 및 트위스트 배향 상태와 스플레이 배향 상태 중에서 2종 이상의 배향이 혼재되어 있는 경우를 의미할 수 있다.
액정층은, 상기 제 3 상태에서 전기 수력학적 불안정 상태(EHDI, electrohydrodynamic instability)일 수 있다. 상기 상태에서 액정 화합물은 일정한 규칙성이 없이 랜덤 배향되어 있을 수 있고, 이에 따라 높은 헤이즈가 유도될 수 있다.
구현 가능한 액정 소자의 상태로는, 초기 상태에서 상기 제 1 상태이고, 인가되는 전압의 크기 및/또는 주파수에 따라서 제 2 상태 및/또는 제 3 상태로 스위칭되는 소자가 예시될 수 있다.
이러한 소자에서 제 1 상태에서 액정층은 수직 배향 상태일 수 있고, 제 2 상태에서는 수평 배향 상태이며, 제 3 상태에서는 상기 EHDI 상태일 수 있다. 이러한 소자는 예를 들면, 수직 배향막을 사용하여 액정 배향력을 부여하면서, 상기 액정 화합물로 음의 유전율 이방성의 액정 화합물을 사용하여 구현할 수 있다. 이러한 상태에서 액정층의 양측에는 필요한 경우에 편광층이 존재할 수 있다.
구현 가능한 액정 소자의 다른 상태로는, 초기 상태에서 상기 제 2 상태이고, 인가되는 전압의 크기 및/또는 주파수에 따라서 제 1 상태 및/또는 제 3 상태로 스위칭되는 소자가 예시될 수 있다.
이러한 소자에서 초기 상태에서 액정층은 수평 배향 또는 트위스트 배향 상태이거나, 스플레이 배향과 같은 하이브리드 배향 상태일 수 있고, 제 1 상태에서는 수직 배향 상태이며, 제 3 상태에서는 상기 EHDI 상태일 수 있다. 이러한 소자는 예를 들면, 수평 배향막과 양의 유전율 이방성의 액정을 사용하여 구현하거나, 액정층의 양측에 서로 배향 방향이 상이한 2종의 배향막과 양의 유전율 이방성의 액정을 사용하여 구현하거나, 수평 및 수직 배향막을 액정층의 양측에 적용하고, 액정 화합물로서 양의 유전율 이방성의 액정 화합물을 사용하여 구현할 수 있다. 이러한 상태에서 액정층의 양측에는 필요한 경우에 편광층이 존재할 수 있다.
상기 각 구조의 액정 소자의 구현 방법은 특별히 제한되지 않고, 액정층의 전도도 등을 제어하는 공정을 제어하면, 일반적인 액정 소자의 제조 방법을 적용하여 구현할 수 있다.
본 출원은 또한 액정층을 포함하는 액정 소자의 제조 방법에 대한 것일 수 있다. 상기 액정 소자의 제조 방법은 전술한 액정 소자의 제조 방법일 수 있다.
따라서, 상기 제조 방법은, 상기 액정층의 수평 전도도가 1.0 × 10-4 μS/cm 이상이 되도록 조절하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 과정에 의하여 상기 액정 소자는 전술한 제 1 내지 제 3 상태의 사이에서 스위칭될 수 있도록 구성될 수 있다.
상기에서 액정층의 전도도를 조절하는 방법은 특별히 제한되지 않으며, 예를 들면 사용되는 재료인 액정 화합물 및/또는 이방성 염료의 종류를 적절하게 선택하거나, 전술한 염 성분 등을 첨가하는 방식을 적용할 수 있다.
상기 액정 소자의 제조 방법에서 다른 내용, 예를 들면, 제 1 내지 제 3 상태의 정의나 구동을 위한 인가 주파수(F1, F2) 및/또는 전압(V1, V2)의 조건 등은 전술한 내용이 동일하게 적용될 수 있다.
본 출원은 또한 액정층을 포함하는 액정 소자의 구동 방법에 대한 것일 수 있다. 상기 액정 소자의 구동 방법은 전술한 액정 소자의 구동 방법일 수 있다.
따라서, 상기 제조 방법은, 수평 전도도가 1.0 × 10-4 μS/cm 이상인 액정층에 전압을 인가하는 단계를 포함하되, 상기 인가 전압의 주파수 또는 크기를 제어하여 상기 액정 소자가 전술한 제 1 내지 제 3 상태 중 어느 한 상태를 구현하도록 하는 단계를 포함할 수 있다. 또한, 상기 방법은 상기 제 1 내지 제 3 상태 중에서 어느 한 상태에서 다른 상태로 스위칭되도록 상기 인가 전압의 주파수 또는 크기를 제어하는 단계를 추가로 포함할 수 있다.
상기 방법에서 액정 소자의 구동을 위하여 인가되는 주파수 및/또는 전압의 크기를 제어하는 방법은 특별히 제한되지 않고, 상기 언급된 조건에 따라서 수행될 수 있다.
본 출원은 또한, 액정 소자의 용도에 대한 것이고, 예를 들면, 상기 액정 소자를 포함하는 광변조 장치에 대한 것이다. 이러한 광변조 장치는 다양한 용도에 적용될 수 있으며, 예를 들면, 차량용 윈도우, 스마트 윈도우, 윈도우 보호막, 디스플레이 장치, 디스플레이용 차광판, 3D 영상 표시용 액티브 리타더(active retarder) 또는 시야각 조절 필름 등과 같은 용도에 적용될 수 있다.
본 출원은, 액정 소자 등에 대한 것이다. 본 출원의 액정 소자는 인가되는 전압의 주파수 및/또는 크기에 따라서 투명 화이트 상태, 투명 블랙 상태 및 산란 상태를 구현할 수 있다. 상기 액정 소자는, 예를 들면, 차량용 윈도우, 스마트 윈도우, 윈도우 보호막, 디스플레이 장치, 디스플레이용 차광판, 3D 영상 표시용 액티브 리타더(active retarder) 또는 시야각 조절 필름 등과 같은 용도에 적용될 수 있다.
도 1 내지 3은 액정 소자를 예시적으로 나타낸다.
도 4 내지 31은 시험예에서 전체 투과율과 헤이즈를 측정한 결과를 보여주는 도면이다.
이하 실시예 및 비교예를 통하여 상기 내용을 보다 구체적으로 설명하지만, 본 출원의 범위가 하기 제시된 내용에 의해 제한되는 것은 아니다.
1. 전도도 평가
실시예 및 비교예에서 제조된 액정 소자에 대하여, LCR Meter(E4980A, Agilent社)를 이용하여, 측정 주파수가 60 Hz이고, 측정 전압 크기가 0.5V인 조건에서 상온에서 전도도를 측정하였다. 수평 전도도는 수직 배향된 액정층에 대하여 수직 전압, 즉 두께 방향으로 전압을 인가하여 측정하였고, 필요한 경우에 수직 전도도는 수평 배향된 액정층에 대하여 역시 상기 수직 전압을 인가하여 측정하였다. 각 액정 소자의 액정층을 면적이 9cm2(가로: 3cm, 세로: 3cm)이고, 두께가 15 ㎛가 되도록 제작하여 측정하였다.
2. 헤이즈 및 투과율 평가
실시예 및 비교예에서 제조된 액정 소자에 대하여 헤이즈미터, NDH-5000SP를 이용하여, ASTM D1003 규격에 따라 헤이즈 및 투과율을 측정하였다. 즉, 광을 측정 대상을 투과시켜 적분구 내로 입사시키며, 이 과정에서 광은 측정 대상에 의하여 확산광(DT, 확산되어 출광된 모든 광의 합을 의미)과 직진광(PT, 확산광을 배제한 정면 방향의 출광을 의미)으로 분리되는데, 이 광들은 적분구 내에서 수광 소자에 집광되고, 집광되는 광을 통해 상기 헤이즈의 측정이 가능하다. 즉, 상기 과정에 의한 전체 투과광(TT)은 상기 확산광(DT)과 직진광(PT)의 총합(DT+PT)이고, 헤이즈는 상기 전체 투과광에 대한 확산광의 백분율(Haze(%)=100XDT/TT)로 규정될 수 있다. 또한, 하기 시험예에서 전체 투과율은 상기 전체 투과광(TT)을 의미하고, 직진 투과율은 상기 직진광(PT)를 의미한다.
제조예 1.
ITO(Indium Tin Oxide) 투명 전극층과 수직 배향막이 순차 형성되어 있는 2개의 PC(polycarbonate) 필름을 상기 수직 배향막이 서로 대향하고, 간격(cell gap)이 약 15 ㎛ 정도가 되도록 이격 배치시킨 후에 상기 이격 배치된 2장의 PC 필름의 사이에 액정 조성물을 주입하고, 에지(edge)를 실링하여 면적 9cm2 및 간격(Cell gap) 15 ㎛의 액정 소자를 제작하였다. 상기 액정 조성물은, 액정 화합물로서 굴절률 이방성이 0.25이고, 유전율 이방성이 -4.0인 액정 화합물(제조사: HCCH, 상품명: HNG726200-100), 이방성 염료(제조사: BASF, 상품명:X12) 및 전도도 조절을 위한 첨가제(제조사: HCCH, 상품명: HCM-021)을 87:10:3의 중량 비율(HNG726200-100:X12:HCM-021)로 포함하는 것을 사용하였다. 상기와 같이 제조된 액정층의 수평 전도도의 실측값은 약 7.9 × 10-6 S였고, 이를 상기 수식 1 내지 3을 사용하여 면적이 1cm2이고, 두께가 1cm인 액정층이 나타낼 수치로 환산한 결과는 1.3 × 10-3 μS/cm였다.
시험예 1.
제조예 1에서 제조된 액정 소자에 대하여 구동 주파수를 변경하여 가면서 전체 투과율과 헤이즈를 평가하고, 그 결과를 도 4 내지 17에 정리하였다. 도 4 내지 10은 순차적으로 각각 30Hz, 60Hz, 100Hz, 300Hz, 500Hz, 700Hz 및 1000Hz에서 측정한 전체 투과율이고, 도 11 내지 17은 순차적으로 각각 30Hz, 60Hz, 100Hz, 300Hz, 500Hz, 700Hz 및 1000Hz에서 측정한 헤이즈이다. 도면에서 확인되는 바와 같이 제조예 1의 액정 소자의 경우, 약 300 Hz 이상과 40V 미만의 조건에서 제 1 및 제 2 상태의 구현이 가능하고, 30 Hz 이상, 300 Hz 미만의 인가 전압 60V의 조건에서 EHDI 구동에 의한 투과율과 헤이즈가 포화되는 것을 확인할 수 있다.
이와 같은 소자에서 적절한 제 1 상태(액정 화합물이 수직 배향된 상태), 제 2 상태(액정 화합물이 수평 배향된 상태) 및 제 3 상태(EHDI 상태)를 나타내는 조건을 하기 표 1에 정리하여 기재하였다.
전압(V) 주파수(Hz) 전체투과율(%) 직진광투과율(%) 헤이즈(%)
제1상태 0 0 29.5 29.0 0.9
제2상태 10 300 14.7 14.5 1.2
제3상태 60 100 1.6 0.2 92.0
제조예 2.
액정 조성물로서, 액정 화합물로서 굴절률 이방성이 0.25이고, 유전율 이방성이 -4.0인 액정 화합물(제조사: HCCH, 상품명: HNG726200-100), 이방성 염료(제조사: BASF, 상품명: X12) 및 전도도 조절을 위한 첨가제(제조사: HCCH, 상품명: HCM-021)을 89:10:1의 중량 비율(HNG726200-100:X12:HCM-021)로 포함하는 것을 사용한 것을 제외하고는 제조예 1과 동일하게 소자를 제작하였다. 상기 소자의 액정층의 수평 전도도의 실측값은 약 1.0 × 10-5 S였고, 이를 상기 수식 1 내지 3을 사용하여 면적이 1cm2이고, 두께가 1cm인 액정층이 나타낼 수치로 환산한 결과는 1.7 × 10-3 μS/cm였다.
시험예 2.
제조예 1에서 제조된 액정 소자에 대하여 구동 주파수를 변경하여 가면서 전체 투과율과 헤이즈를 평가하고, 그 결과를 도 18 내지 31에 정리하였다. 도 18 내지 24는 순차적으로 각각 30Hz, 60Hz, 100Hz, 300Hz, 500Hz, 700Hz 및 1000Hz에서 측정한 전체 투과율이고, 도 25 내지 31은 순차적으로 각각 30Hz, 60Hz, 100Hz, 300Hz, 500Hz, 700Hz 및 1000Hz에서 측정한 헤이즈이다. 도면에서 확인되는 바와 같이 제조예 2의 액정 소자의 경우, 약 100 Hz 이상과 20V 미만의 조건에서 제 1 및 제 2 상태의 구현이 가능하고, 30 Hz 이상, 100 Hz 이하의 인가 전압 60V 이하의 조건에서 EHDI 구동에 의한 투과율과 헤이즈가 포화되는 것을 확인할 수 있다.
이와 같은 소자에서 적절한 제 1 상태(액정 화합물이 수직 배향된 상태), 제 2 상태(액정 화합물이 수평 배향된 상태) 및 제 3 상태(EHDI 상태)를 나타내는 조건을 하기 표 2에 정리하여 기재하였다.
전압(V) 주파수(Hz) 전체투과율(%) 직진광투과율(%) 헤이즈(%)
제1상태 0 0 58.5 57.5 1
제2상태 10 100 29.9 29.8 1.8
제3상태 60 30 15.0 0.7 95.6
1011, 1012: 대향 배치된 2개의 기판
102: 액정층
201, 202: 배향막
301, 302: 전극층

Claims (19)

  1. 수평 전도도가 1.0 × 10-4 μS/cm 내지 5.0 × 10-2 μS/cm의 범위 내인 액정층을 포함하며,
    하기 제 1 내지 제 3 상태의 사이에서 스위칭되고,
    하기 수식 A 및 B를 만족하는 트리플상 액정 소자(상기 수평 전도도는, 상기 액정층의 광축과 전기장의 방향이 수평하도록 전압을 인가한 상태에서 상기 전기장의 방향을 따라 측정한 값이며, 측정 주파수는 60 Hz이고, 측정 전압은 0.5V이며, 상기 전도도는, 면적이 1cm2이고, 두께가 1cm인 액정층으로의 환산 수치이다.):
    제 1 상태: 직진광 투과율이 25% 이상, 헤이즈가 5% 이하인 상태;
    제 2 상태: 직진광 투과율이 15% 이하, 헤이즈가 5% 이하인 상태;
    제 3 상태: 직진광 투과율이 10% 이하, 헤이즈가 80% 이상인 상태:
    [수식 A]
    20 ≤ H1/H2
    수식 A에서 H1은 30 Hz의 주파수 및 60 V의 전압이 인가된 상태에서의 상기 트리플상 액정 소자의 헤이즈이고, H2는 전압 미인가 상태 또는 100 Hz의 주파수 및 10 V의 전압이 인가된 상태에서의 상기 트리플상 액정 소자의 헤이즈이다:
    [수식 B]
    5 ≤ T1/T2
    수식 B에서 T1은 전압 미인가 상태 또는 100 Hz의 주파수 및 10 V의 전압이 인가된 상태에서의 상기 트리플상 액정 소자의 직진광 투과율이고, T2는 30 Hz의 주파수 및 60 V의 전압이 인가된 상태에서의 상기 트리플상 액정 소자의 직진광 투과율이다.
  2. 제 1 항에 있어서, 액정층의 수평 전도도가 1.0 × 10-4 μS/cm 내지 1.0 × 10-2 μS/cm의 범위 내인 트리플상 액정 소자.
  3. 제 1 항에 있어서, 액정층의 수평 전도도가 1.0 × 10-4 μS/cm 내지 3.0 × 10-2 μS/cm의 범위 내인 트리플상 액정 소자.
  4. 제 1 항에 있어서, 액정층의 수직 전도도(VC) 및 액정층의 수평 전도도(PC)의 비율(PC/VC)이 0.2 내지 2.5의 범위 내인 트리플상 액정 소자.
  5. 제 1 항에 있어서, 액정층의 수평 전도도(PC) 및 액정층의 수직 전도도(VC)의 비율(VC/PC)이 0.5 내지 2.0의 범위 내인 트리플상 액정 소자.
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 제 1 항에 있어서, 액정층은 비반응성 액정 화합물 및 반응성 메소겐을 포함하는 트리플상 액정 소자.
  9. 제 8 항에 있어서, 액정층은 비반응성 액정 화합물 100 중량부 대비 1 내지 30 중량부의 반응성 액정 화합물을 포함하는 트리플상 액정 소자.
  10. 제 8 항에 있어서, 액정층은 이온성 화합물을 2 중량% 이하의 비율로 추가로 포함하는 트리플상 액정 소자.
  11. 제 1 항에 있어서, 제 1 상태에서 액정층은 수직 배향 상태인 트리플상 액정 소자.
  12. 제 1 항에 있어서, 제 2 상태에서 액정층은 수평 배향, 수직 배향, 트위스트 배향 또는 하이브리드 배향 상태인 트리플상 액정 소자.
  13. 제 1 항에 있어서, 제 3 상태에서 액정층은 전기 수력학적 불안정 상태인 트리플상 액정 소자.
  14. 액정층을 포함하는 트리플상 액정 소자의 제조 방법이고,
    상기 액정층의 수평 전도도를 1.0 × 10-4 μS/cm 내지 5.0 × 10-2 μS/cm의 범위 내로 조절하여, 상기 트리플상 액정 소자가 하기 제 1 내지 제 3 상태의 사이에서 스위칭될 수 있도록 하는 단계를 포함하며,
    상기 액정 소자는, 하기 수식 A 및 B를 만족하는 트리플상 액정 소자의 제조 방법(상기 수평 전도도는, 상기 액정층의 광축과 전기장의 방향이 수평하도록 전압을 인가한 상태에서 상기 전기장의 방향을 따라 측정한 값이며, 측정 주파수는 60 Hz이고, 측정 전압은 0.5V이며, 상기 전도도는, 면적이 1cm2이고, 두께가 1 cm인 액정층으로의 환산 수치이다.):
    제 1 상태: 직진광 투과율이 25% 이상, 헤이즈가 5% 이하인 상태;
    제 2 상태: 직진광 투과율이 15% 이상, 헤이즈가 5% 이하인 상태;
    제 3 상태: 직진광 투과율이 10% 이하, 헤이즈가 80% 이상인 상태:
    [수식 A]
    20 ≤ H1/H2
    수식 A에서 H1은 30 Hz의 주파수 및 60 V의 전압이 인가된 상태에서의 상기 트리플상 액정 소자의 헤이즈이고, H2는 전압 미인가 상태 또는 100 Hz의 주파수 및 10 V의 전압이 인가된 상태에서의 상기 트리플상 액정 소자의 헤이즈이다:
    [수식 B]
    5 ≤ T1/T2
    수식 B에서 T1은 전압 미인가 상태 또는 100 Hz의 주파수 및 10 V의 전압이 인가된 상태에서의 상기 트리플상 액정 소자의 직진광 투과율이고, T2는 30 Hz의 주파수 및 60 V의 전압이 인가된 상태에서의 상기 트리플상 액정 소자의 직진광 투과율이다.
  15. 제 14 항에 있어서, 제 2 상태의 구현을 위한 인가 주파수(F1) 및 인가 전압(V1)과 제 3 상태의 구현을 위한 인가 주파수(F2) 및 인가 전압(V2)이 하기 조건 1 및 2를 만족하도록 액정층을 형성하는 트리플상 액정 소자의 제조 방법:
    [조건 1]
    F1 > F2
    [조건 2]
    V1 ≤ V2.
  16. 수평 전도도가 1.0 × 10-4 μS/cm 내지 5.0 × 10-2 μS/cm의 범위 내인 액정층을 포함하는 트리플상 액정 소자의 구동 방법이고,
    인가 전압의 주파수 또는 크기를 조절하여 상기 액정 소자가 하기 제 1 내지 제 3 상태 중에서 어느 한 상태를 구현하도록 하는 단계를 포함하며,
    상기 액정 소자는 하기 수식 A 및 B를 만족하는 액정 소자의 구동 방법(상기 수평 전도도는, 상기 액정층의 광축과 전기장의 방향이 수평하도록 전압을 인가한 상태에서 상기 전기장의 방향을 따라 측정한 값이며, 측정 주파수는 60 Hz이고, 측정 전압은 0.5V이며, 상기 전도도는, 면적이 1cm2이고, 두께가 1 cm인 액정층으로의 환산 수치이다.):
    제 1 상태: 직진광 투과율이 25% 이상, 헤이즈가 5% 이하인 상태;
    제 2 상태: 직진광 투과율이 15% 이상, 헤이즈가 5% 이하인 상태;
    제 3 상태: 직진광 투과율이 10% 이하, 헤이즈가 80% 이상인 상태:
    [수식 A]
    20 ≤ H1/H2
    수식 A에서 H1은 30 Hz의 주파수 및 60 V의 전압이 인가된 상태에서의 상기 트리플상 액정 소자의 헤이즈이고, H2는 전압 미인가 상태 또는 100 Hz의 주파수 및 10 V의 전압이 인가된 상태에서의 상기 트리플상 액정 소자의 헤이즈이다:
    [수식 B]
    5 ≤ T1/T2
    수식 B에서 T1은 전압 미인가 상태 또는 100 Hz의 주파수 및 10 V의 전압이 인가된 상태에서의 상기 트리플상 액정 소자의 직진광 투과율이고, T2는 30 Hz의 주파수 및 60 V의 전압이 인가된 상태에서의 상기 트리플상 액정 소자의 직진광 투과율이다.
  17. 제 16 항에 있어서, 제 1 내지 제 3 상태 중에서 어느 한 상태에서 제 1 내지 제 3 상태 중 다른 상태로 스위칭되도록 인가 전압의 주파수 또는 크기를 제어하는 단계를 추가로 포함하는 액정 소자의 구동 방법.
  18. 제 16 항에 있어서, 제 2 상태의 구현을 위한 인가 주파수(F1) 및 인가 전압(V1)과 제 3 상태의 구현을 위한 인가 주파수(F2) 및 인가 전압(V2)이 하기 조건 1 및 2를 만족하도록 인가 전압의 주파수 또는 크기를 제어하는 액정 소자의 구동 방법:
    [조건 1]
    F1 > F2
    [조건 2]
    V1 ≤ V2.
  19. 제 1 항의 트리플상 액정 소자를 포함하는 광변조 장치.
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