KR101959468B1 - 액정 소자 및 이의 용도 - Google Patents

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Abstract

본 출원은 액정 소자 및 이의 용도에 관한 것이다.
본 출원에서는 박형화 및 경량화를 도모하고, 시야각으로 인한 표시 품위 저하를 방지하며, 높은 콘트라스트비를 확보할 수 있는 액정 소자 및 이의 용도를 제공한다.

Description

액정 소자 및 이의 용도{Liquid crystal device and the use thereof}
본 출원은, 액정 소자 및 이의 용도에 관한 것이다.
박형화 및 경량화를 도모한 표시장치(소위 플랫 패널 디스플레이)는 액정 소자를 갖는 액정 표시장치, 자발광 소자를 갖는 발광 장치 또는 필드 에미션 디스플레이(FED)등에서 개발되어 이용되고 있다.
표시장치로서 넓게 이용되고 있는 액정 표시장치는, 편광판이나 백라이트 등 많은 광학부재를 이용하기 때문에 재료나 비용의 절감이 필요가 있다.
또한, 액정 표시장치는 다양한 모드가 있어 트위스트 배향, 또는 슈퍼 트위스트 배향된 네마틱 액정을 이용한 TN 모드 혹은 STN 모드가 주류가 되고 있다. 하지만, 이들의 모드는 동작 원리상 한 쌍의 편광판이 필요하고, 그 광 흡수가 있기 위해 투과율이 낮고 밝은 표시 화면을 얻을 수 없다.
상기 모드 이외에 이색성 염료를 이용한 게스트-호스트 액정도 개발되고 있다.
게스트-호스트 액정을 이용한 표시장치는, 액정층의 호스트 분자에 대해 이색성 염료를 게스트 분자로서 혼합하고, 액정에 가해지는 전압에 의해 호스트 분자 및 게스트 분자의 배열을 변화시켜 액정층의 광 흡수율을 변화시킬 수 있다.
예를 들면, 게스트 분자로서 봉형 구조의 이색성 염료를 이용하면, 이색성 염료는 호스트 분자에 대해 평행하게 배향하는 성질이 있으므로, 전계를 인가해 호스트 분자의 배향을 변화시키면, 이색성 염료의 배향 방향도 호스트 분자에 따라 변화할 수 있다.
다만, 게스트-호스트 액정을 이용한 모드는 충분한 콘트라스트 비를 얻을 수 없다는 단점이 있다.
이에 최근에는 게스트-호스트 반사형 액정 소자에서 다양한 각도에서 높은 콘트라스트 비를 얻기 위해 상전이형, 2층형 또는 1/4λ형과 같은 다양한 수단이 제안되고 있다.
그러나, 여전히 상기 다양한 수단을 포함하는 게스트-호스트 반사형 액정 소자에서 높은 콘트라스트비를 달성함과 동시에, 박형화 및 경량화를 도모하는 것은 어려운 실정이다.
특허문헌 1: 대한민국 공개특허공보 2008-0079564
본 출원은 액정 소자 및 이의 용도를 제공한다.
본 출원에서는 박형화 및 경량화를 도모하고, 시야각으로 인한 표시 품위 저하를 방지하며, 높은 콘트라스트비를 확보할 수 있는 액정 소자 및 이의 용도를 제공한다.
본 출원은 상기 과제를 해결하기 위해 안출된 것으로써,
서로 대향하여 배치되어 있는 한 쌍의 기판;
상기 한 쌍의 기판 사이에 존재하고, 액정 화합물 및 이색성 염료를 포함하는 게스트-호스트 액정층; 및
상기 한 쌍의 기판 중 어느 한 기판의 상기 게스트-호스트 액정층이 존재하는 면의 반대 면에 위치하는 광학 이방성층을 포함하고, 하기 수식 1을 만족하는 액정 소자에 관한 것이다.
[수식 1]
0.015 <b/a< 0.6
상기 수식 1에서, b는 게스트-호스트 액정층의 두께이고, a는 기판의 두께이다.
하나의 예시에서, 게스트-호스트 액정층은 수평 배향되어 있는 것으로서, 액정 화합물 100 중량부 대비 0.3 내지 3 중량부의 이색성 염료를 포함할 수 있다.
하나의 예시에서, 게스트-호스트 액정층은 3 ㎛ 내지 30 ㎛이 두께 범위를 가질 수 있다.
하나의 예시에서, 광학 이방성층은 1/4파장판 일 수 있다.
본 출원의 액정 소자는, 예를 들면 게스트-호스트 액정층의 양면에 위치하는 배향막을 더 포함할 수 있다.
본 출원의 액정 소자는, 예를 들면 반사판을 더 포함하고, 상기 반사판은 광학 이방성층이 기판과 접하는 면의 반대 면에 위치할 수 있다.
본 출원은 상기 액정 소자의 용도, 예를 들면 액정 소자를 포함하는 통상 차단 모드의 반사형 액정 디스플레이 또는 미러에 관한 것이다.
본 출원에서는 박형화 및 경량화를 도모하고, 시야각으로 인한 표시 품위 저하를 방지하며, 높은 콘트라스트비를 확보할 수 있는 액정 소자 및 이의 용도를 제공할 수 있다.
도 1은 기존의 반사형 액정 소자에 대한 일 모식도이다.
도 2 및 3은 본 출원의 액정 소자에 대한 일 모식도이다.
도 4 및 도 5는 본 출원의 액정 소자의 동작원리를 예시한 도면이다.
이하 본 출원에 대해서 실시예 및 도면을 통해 보다 상세히 설명하겠지만, 본 출원의 요지에 국한된 실시예에 지나지 않는다. 한편 본 출원은 이하의 실시예에서 제시하는 공정조건에 제한되는 것이 아니며, 본 출원의 목적을 달성하기에 필요한 조건의 범위 안에서 임의로 선택 할 수 있음은 이 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다.
본 출원은 액정 소자 및 이의 용도에 관한 것이다. 본 출원의 액정 소자는 액정을 이용한 다양한 표시 장치, 예를 들면 액정 디스플레이에 적용되거나, 또는 자동차용 룸미러 또는 사이드 미러 등의 액정을 이용한 디바이스에 적용될 수 있다.
도 1은 공지의 일반적인 반사형 액정 소자에 대한 모식도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 반사형 액정 소자는 편광판(100), 액정셀(200) 및 반사판(300)을 포함하는 구조로 되어 있다. 상기와 같은 편광판을 포함하는 반사형 액정 소자의 경우 편광판에 의한 반사율 및/또는 차단율의 손실이 발생할 수 있고, 두께가 두꺼워져 액정 소자의 박형화에 부합하지 못하는 등의 다양한 문제점이 존재한다.
이에, 본 출원의 액정 소자는 편광판을 게스트-호스트 액정셀로 대체함으로써, 반사 시에는 편광판에 의한 빛이 손실을 막고, 차단 시에는 편광 및 흡수로 인한 차단율의 감소 등을 방지할 수 있다.
더욱이, 본 출원의 액정 소자는 1/4파장판을 포함하는 게스트-호스트 반사형 액정 소자에 관한 것으로서, 액정셀과 기판의 두께 범위 및 액정셀 내 이색성 염료의 함량을 소정 범위로 조절하여 시야각에 의한 표시 품위 저하 및 낮은 콘트라스트 문제를 극복할 수 있다.
즉, 본 출원은 서로 대향하여 배치되어 있는 한 쌍의 기판; 상기 한 쌍의 기판 사이에 존재하고, 액정 화합물 및 이색성 염료를 포함하는 게스트-호스트 액정층; 및 상기 한 쌍의 기판 중 어느 한 기판의 상기 게스트-호스트 액정층이 존재하는 면의 반대 면에 위치하는 광학 이방성층을 포함하고, 하기 수식 1을 만족하는 액정 소자에 관한 것이다.
[수식 1]
0.015 <b/a< 0.6
상기 수식 1에서, b는 게스트-호스트 액정층의 두께이고, a는 기판의 두께이다.
본 출원의 게스트-호스트 액정층은 상기 수식 1을 만족하도록 두께 범위가 설정됨으로 인해, 시야각에 의한 품위 저하 문제를 극복할 수 있고, 콘트라스트비를 향상시킬 수 있고, 목적하는 반사율 및 투과율을 달성할 수 있다.
구체적으로, 상기 수식 1은 기판에 대한 두께 대비 게스트-호스트 액정층에 대한 두께의 비율을 의미하는 것이다. 또한, 상기 기판의 두께는 본 출원에 따른 액정 소자에 포함되는 한 쌍의 기판, 예를 들면 후술하는 기재층 및 전극을 포함하는 한 쌍의 기판 중 어느 한 기판의 두께를 의미할 수 있다.
게스트-호스트 액정층을 포함하는 액정 소자에서, 기판의 두께와 게스트-호스트 액정층의 두께가 차이가 클수록 시야각에 의한 품위 저하가 발생할 수 있다. 한편, 두께 차이를 줄이기 위하여, 기판의 두께를 줄이거나 액정층의 두께를 늘리는 경우, 기판의 강도가 저하되거나 목적하는 반사율이나 차단율을 달성할 수 없는 등의 추가적인 문제가 발생할 수 있다.
이에, 본 출원은 상기 수식 1의 범위를 만족하도록 게스트-호스트 액정층 및 기판의 두께 범위를 조절함으로써, 시야각에 의한 품위 저하 문제를 극복하고, 목적하는 반사율 및 차단율을 달성할 수 있는 액정 소자를 제공할 수 있다.
상기 수식 1의 다른 수치 범위는, 예를 들면 상기 수식 1의 b/a가 0.02 내지 0.5 또는 0.04 내지 0.4의 범위 내에 있도록 기판 및 게스트-호스트 액정층의 두께범위가 조절될 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다.
본 출원의 액정 소자는 한 쌍의 기판을 포함한다.
상기 기판은, 예를 들면 기재층 및 전극을 포함할 수 있다.
하나의 예시에서, 상기 기재층은 특별한 제한 없이 공지의 소재를 사용할 수 있다. 예를 들면, 유리 필름, 결정성 또는 비결정성 실리콘 필름 또는 석영 등의 무기계 필름이나 플라스틱 필름 등을 사용할 수 있다.
기재층으로는, 광학적으로 등방성인 기재층이나, 위상차층과 같이 광학적으로 이방성인 기재층 등을 사용할 수 있다.
하나의 예시에서 플라스틱 기재층으로는, 트리아세틸셀룰로오스, 환상 올레핀 공중합체, 폴리메틸 (메타)아크릴레이트, 폴리카보네이트, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리이미드, 폴리아릴레이트, 폴리설폰 및 비정질 불소수지로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 이상일 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다. 기재층에는 필요에 따라서 금, 은, 이산화 규소 또는 일산화 규소 등의 규소 화합물의 코팅층이나, 반사 방지층 등의 코팅층이 존재할 수도 있다.
본 출원의 기판은 전극을 포함한다. 상기 전극은 기재층 상에 형성될 수 있다. 상기 한 쌍의 기판에 포함되는 전극은 모두 투명 전극이거나, 상기 전극 중 어느 하나는 투명 전극이고, 다른 하나는 반사 전극일 수 있다.
하나의 예시에서, 도 2에 도시된 바와 같이 본 출원의 액정 소자에 포함되는 한 쌍의 기판(400a,b)은 게스트-호스트 액정층(600)의 양측에 대항하여 배치되어 있으며, 기재층(401) 및 상기 기재층(401) 상에 투명 전극(402a)을 포함하는 구조일 수 있다. 이하, 편의상 광이 먼저 입사되는 기판을 하부 기판(400a)이라 하고, 반사판(300) 쪽에 위치하는 기판를 상부 기판(400b)이라 한다.
상기와 같이 기판에 포함되는 한 쌍의 전극이 모두 투명 전극일 경우, 본 출원의 액정 소자는 도 2에 도시된 바와 같이 반사판(300)을 상기 한 쌍의 기판 중 어느 한 기판의 일 측면, 예를 들면 상부 기판 쪽에 배치하여 목적하는 반사형 모드를 구현할 수 있다.
상기 투명 전극은, 예를 들면, 전도성 고분자, 전도성 금속, 전도성 나노와이어 또는 ITO(Indium Tin Oxide) 등의 금속 산화물 등을 증착하여 형성할 수 있다.
상기 투명 전극 중 어느 한 전극은 외부에 있는 물체가 반사판에 비쳐 관찰되는 현상을 방지할 수 있도록 패턴을 형성된 것일 수 있다. 하나의 예시에서, 투명 전극 중 반사판이 가깝게 위치한 투명 전극은 패턴화되어 있을 수 있다.
다른 예시에서, 본 출원의 한 쌍의 기판에 포함되는 전극중 어느 하나는 투명 전극이고, 다른 하나는 반사 전극일 수 있다.
상기와 같이 기판에 포함되는 한 쌍의 전극 중 어느 한 전극, 구체적으로 상부 기판에 포함되는 전극이 반사 전극일 경우, 본 출원의 액정 소자는 도 3에 도시된 바와 같이 별도의 반사판 없이도 목적하는 반사형 모드를 구현할 수 있다.
전극이 반사 전극일 경우, 상기 반사 전극을 형성할 수 있는 다양한 소재 및 형성 방법이 공지되어 있고, 이러한 방법은 모두 적용될 수 있다. 예를 들면 반사 전극은 알루미늄, 알루미늄 합금, 텅스텐, 구리, 크롬, 몰리브덴 또는 몰리브덴 합금 등과 같은 불투명 도전 물질이 증착되어 있을 수 있다.
전극의 두께는, 예를 들면 50 ㎛ 내지 200 ㎛의 범위 내에 있을 수 있다. 상기 두께는 후술하는 게스트-호스트 액정층의 두께를 고려하고, 상기 수식 1을 만족하도록 적절히 조절될 수 있다.
본 출원의 액정 소자는 게스트-호스트 액정층을 포함한다. 본 출원의 게스트-호스트 액정층은 호스트 분자에 이색성 염료를 게스트 분자로서 혼합하고, 액정에 가해지는 전압에 의해 호스트 분자 및 게스트 분자의 배열을 변화시켜 액정의 투과모드 또는 차단 모드를 구현하는 액정층을 의미할 수 있다.
하나의 예시에서, 본 출원의 게스트-호스트 액정층은 액정 화합물 및 이색성 염료를 포함한다. 즉, 본 출원의 게스트-호스트 액정층은 액정 화합물에 이색성 염료를 혼합하여 형성된 층일 수 있다.
구체적으로, 본 출원의 게스트-호스트 액정층은 일 방향으로 배향된 액정 화합물 및 상기 액정 화합물에 의해 배향되어 있는 이색성 염료를 포함할 수 있다.
본 출원의 게스트-호스트 액정층 내 이색성 염료는 상기 액정 화합물에 의해 배향되어, 액정층으로 유입되는 광을 이방적으로 흡수할 수 있다.
하나의 예시에서, 본 출원의 게스트-호스트 액정층은 상기 게스트-호스트 액정층으로 입사되는 비편광된 광 중에서, 예를 들면 이색성 염료 분자의 배향 방향에 대해 평행한 광을 흡수하고, 이색성 염료 분자의 배향 방향에 대해 수직인 광은 통과하게 할 수 있다. 상기 과정에 의해 게스트-호스트 액정층을 통과한 광은 일 방향으로 편광된 광이 될 수 있다.
이 경우, 도 1에 도시된 바와 같은 편광판이 없기 때문에, 탁월한 광투과 효율을 나타낼 수 있고, 두께와 비용이 저감될 수 있다.
본 출원에서 용어 「염료」는, 가시광 영역, 예를 들면, 400 nm 내지 800 nm 파장 범위 내에서 적어도 일부 또는 전체 범위 내의 광을 집중적으로 흡수 및/또는 변형시킬 수 있는 물질을 의미할 수 있고, 용어 「이색성 염료」는 상기 가시광 영역의 적어도 일부 또는 전체 범위에서 광의 이방성 흡수가 가능한 물질을 의미할 수 있다.
이색성 염료는, 예를 들면, 상기와 같은 특성을 가지면서 액정 화합물의 배향방향에 따라 배향될 수 있는 특성을 가지는 것으로 공지된 모든 종류의 염료가 사용될 수 있다.
하나의 예시에서 이색성 염료는 가시광 영역 예를 들면, 400 nm 내지 800 nm 내에서 최대 흡광도를 가지는 염료로써, 아조계 화합물, 안트라퀴논계 화합물, 프탈로시아닌계 화합물, 아조메틴(azomethine)계 화합물, 인디고이드(indigoid) 또는 티오인디고이드(thioindigoid)계 화합물, 메로시아닌 (merocyanine)계 화합물, 1,3-비스 다이시아노메틸렌 인단(1,3- bis(dicyanomethylene)indan)계 화합물, 아쥴렌(azulene)계 화합물, 퀴노프탈로닉(quinophthalonic)계 화합물, 트리페노다이옥사진(triphenodioxazine)계 화합물, 인돌로[2,3,b]퀴녹살린(indolo[2,3,b]quinoxaline)계 화합물, 이미다조[1,2-b]-1,2,4 트리아진(imidazo[1,2-b]-1,2,4 triazines)계 화합물, 테트라진(tetrazines)계 화합물, 벤조(benzo)계 화합물, 나프토퀴논 (naphtoquinones)계 화합물 또는 이들의 조합의 분자 골격을 가지는 화합물 등이 사용될 수 있다.
하나의 예시에서, 이색성 염료는 액정 화합물과 용해도 파라미터(solubility parameter) 차이가 약 7.4 미만인 화합물에서 선택될 수 있다. 상기 용해도 파라미터는 두 종류 이상의 화합물들의 상호작용(interaction) 정도를 나타내는 수치로, 화합물들 사이의 용해도 파라미터 차이가 적을수록 상호작용이 큰 것을 의미하고 화합물들 사이의 용해도 파라미터 차이가 클수록 상호작용이 적은 것을 의미한다.
상기 용해도 파라미터는 화합물의 구조와 관련되어 있으며, 상기 범위의 용해도 파라미터 차이를 가짐으로써 액정층 내에 액정 화합물과 이색성 염료의 상호작용을 높여 용융 혼합성을 높일 수 있고, 이색성 염료들끼리 뭉치는 것을 방지하고 우수한 분산성을 도모할 수 있다.
상기 이색성 염료는 이색 비(dichroic ratio)가 1.5 내지 14의 범위 내에 있을 수 있다. 또한, 상기 범위 내에서 약 3 내지 12일 수 있고, 상기 범위 내에서 약 5 내지 10 일 수 있다. 여기서 이색비는 액정층 내 액정 화합물의 축에 평행한 방향의 평면 편광 흡수를 그의 수직한 방향으로의 편광 흡수로 나눈 값으로, 상기 이색성 염료가 일 방향으로 나란히 배열되어 있는 정도를 나타낼 수 있다. 상기 범위의 이색 비를 가짐으로써 상기 이색성 염료가 상기 액정 화합물과 충분한 친화성(compatibility)을 가질 수 있어서 용융 혼합이 가능하고 액정 화합물의 배향에 따른 이색성 염료의 배향을 유도할 수 있어서 편광 특성을 개선할 수 있다.
상기 이색성 염료는 액정층 내에 적절한 범위로 포함될 수 있다. 상기 이색성 염료의 함량에 따라 액정층의 반사율 및 차단율을 변화시킬 수 있으며, 본 출원에서는 목적하는 반사율 및 차단율 범위를 고려하여 상기 함량을 조절할 수 있다.
하나의 예시에서, 게스트-호스트 액정층은 액정 화합물 100 중량부 대비 이색성 염료를 0.3 내지 3 중량부의 비율로 포함할 수 있다. 상기 범위 내에서 본 출원의 액정 소자는 목적하는 반사율 및 차단율 범위를 달성할 수 있다.
다른 예시에서, 상기 이색성 염료는 액정 화합물 100 중량부 대비 0.4 내지 2.5 중량부 또는 0.5 내지 2 중량부의 범위로 게스트-호스트 액정층에 포함될 수 있다.
본 출원의 게스트-호스트 액정층은 액정 화합물을 포함한다.
액정 분자는 크게 열방성 액정(Thermotropic liquid crystal) 또는 유방성 액정(Lyotropic liquid crystal)로 분류될 수 있는데, 상기 열방성 액정(Thermotropic liquid crystal)은 열의 의해서만 분자구조가 변화하는 타입의 액정을 의미할 수 있고, 상기 유방성 액정(Lyotropic liquid crystal)은 열 이외에 다른 요인에 의해서도 분자구조가 바뀌는 성질을 가지는 액정을 의미할 수 있다. 상기 열방성 액정(Thermotropic liquid crystal)은 온도 전이형 액정이라 부를 수 있고, 상기 유방성 액정(Lyotropic liquid crystal)은 농도 전이형 액정이라 부를 수 있다.
즉, 본 출원의 액정셀에 포함되는 액정 화합물은 온도 전이형 액정 화합물 또는 농도 전이형 액정 화합물일 수 있다.
상기 온도 전이형 액정 화합물 또는 농도 전이형 액정 화합물은 그 모양에 따라, 봉상 액정 화합물 또는 디스코틱 액정 화합물 등으로 구분할 수 있다. 또한, 배열 방식의 차이에 따라 스메틱, 네마틱 또는 콜레스테릭 액정 화합물 등으로 구분할 수 있다.
하나의 예시에서, 본 출원의 액정층에 포함되는 액정 화합물은 네마틱 액정 화합물 일 수 있다.
액정층에 포함되는 네마틱 액정 화합물은, 예를 들면 550nm 파장에서 이상 굴절률(Ne: extraordinary refractive index)과 정상 굴절률(No: ordinay refractive index)의 차이(△n=Ne-No)가, 약 0.05 내지 3, 약 0.05 내지 2.5, 약 0.05 내지 2, 약 0.05 내지 1.5 또는 약 0.07 내지 1.5의 범위 내에 있을 수 있다.
액정층에 포함되는 네마틱 액정 화합물은 또한, 550nm 파장에서의 이상 유전율(εe, extraordinary dielectric anisotropy)과 정상 유전율(εo, ordinary dielectric anisotropy)의 차이(△ε=εe-εo)가 양의 값을 나타내는, 업계에서 소위 P형 액정이라 불리는 화합물일 수 있다.
하나의 예시에서, 액정층에 포함되는 네마틱 액정 화합물은 상기 이상 유전율(εe, extraordinary dielectric anisotropy)과 정상 유전율(εo, ordinary dielectric anisotropy)의 차이(△ε=εe-εo)가 3 이상, 3.5 이상, 4 이상, 6 이상, 8 이상, 10 이상 또는 15 이상일 수 있다. 이러한 유전율을 가지면 구동 전압 특성이 우수할 수 있다.
본 출원에서 상기 유전율의 차이(△ε=εe-εo)의 상한은 특별히 제한되지 않고, 상기 차이(△ε=εe-εo)는, 예를 들면, 약 40 이하, 약 35 이하, 약 30 이하 또는 약 25 이하일 수 있다.
액정층에 포함되는 네마틱 액정 화합물의 유전율의 범위는 상기와 같이 차이(△ε=εe-εo)를 나타낸다면 특별히 제한되지 않고, 예를 들면, 이상 유전율(εe-, extraordinary dielectric anisotropy)이 6 내지 50 정도이고, 정상 유전율(εo, ordinary dielectric anisotropy)이 2.5 내지 7 정도의 범위 내에 있을 수 있다.
본 출원의 액정층은 전술한 액정 화합물을 호스트 분자로 이용하고, 이색성 염료를 게스트 분자로 혼합하여 후술하는 배향막 상에 형성함으로써, 소정 방향으로 배향된 액정 화합물 및 이색성 염료를 포함하는 게스트-호스트 액정층을 형성할 수 있다.
구체적으로, 본 출원의 게스트-호스트 액정층을 형성하는 방법은 예를 들면, 액정 화합물 및 상기 액정 화합물 대비 소정 함량으로 포함된 이색성 염료와 기타 첨가제를 적절히 혼합하여 액정층 형성용 조성물을 제조한 후, 서로 이격되어 배치되어 있고 배향막이 형성된 기판의 측면을 실링(sealing)한 상태에서, 상기 액정층 형성용 조성물을 주입하고, 열 또는 빛을 적절히 인가하는 방식이 이용될 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 방법에 의해 형성된 게스트-호스트 액정층은 배향막에 의해 소정 방향으로 배향되어 있는 상태일 수 있다.
하나의 예시에서, 본 출원의 게스트-호스트 액정층은 수평 배향되어 있을 수 있다. 본 출원에서 용어 「수평 배향」은, 액정 화합물을 포함하는 액정층의 광축이 액정층의 평면에 대하여 약 0° 내지 약 25°, 약 0° 내지 약 15°, 약 0° 내지 약 10°, 약 0° 내지 약 5° 또는 약 0°의 경사각을 가지는 경우를 의미할 수 있다. 상기 액정층의 광축은 광 흡수축 또는 광 투과축을 의미할 수 있다.
게스트-호스트 액정층의 두께는, 예를 들면 3 ㎛ 내지 30㎛의 범위 내에 있을 수 있다. 상기와 같은 범위 내에서 액정 소자의 박형화 및 목적하는 광 차단율 및 반사율을 구현할 수 있으며, 시야각에 의한 품위 저하 문제를 극복할 수 있고, 콘트라스트비를 향상시킬 수 있다. 다른 예시에서, 상기 액정층은 5㎛ 내지 25㎛ 또는 8 ㎛ 내지 20 ㎛의 두께 범위를 가질 수 있다.
본 출원의 액정 소자는 광학 이방성층을 포함한다. 광학 이방성층은 물질의 방향에 따라 광학적 성질, 예를 들면 굴절률 특성이 상이한 층을 의미할 수 있다.
본 출원의 광학 이방성층은, 선 편광된 빛을 좌원 편광 또는 우원 편광시키거나, 좌원 편광 또는 우원 편광된 빛을 선 편광시키는 1/4파장판 일 수 있다.
하나의 예시에서, 본 출원의 1/4파장판은 액정 화합물을 포함하는 코팅층, 광학 이방성을 가지는 고분자 필름, 또는 액정 화합물을 포함하는 코팅층과 고분자 필름의 적층 구조를 포함할 수 있다.
상기 액정 화합물은, 예를 들면 반응성 메조겐(Reactive Mesogen)이 중합되어 형성된 것일 수 있다. 본 출원에서 용어 「반응성 메조겐」은 광 또는 열에 의해 중합을 유도할 수 있는 반응기, 예를 들면, 중합성 관능기를 포함하는 메조겐을 의미 할 수 있다. 본 출원에서 용어 메조겐은 상기 반응성 메조겐(Reactive Mesogen)과 같은 중합성 액정 화합물이 중합되어 층을 형성할 때, 상기 층이 액정상의 거동을 나타내도록 할 수 있는 메조상(Meso phase)의 화합물을 의미할 수 있다.
상기 광학 이방성층, 예를 들면 1/4파장판에 포함되는 반응성 메조겐(Reactive Mesogen)은 상기 중합성 관능기를 2개 이상 또는 3개 이상 가지는 메조겐 일 수 있으며, 예를 들면, 하기 식 1 또는 식 2의 구조를 가지는 것 일 수 있다.
[식 1]
P-Sp-A-Sp-P
[식 2]
P-A-Sp-A-P
상기 식 1 및 식 2에서, P는 중합성 관능기를 의미할 수 있고, A는 메조겐기를 의미하며, Sp는 연결기를 의미할 수 있다. 본 출원에서 용어 연결기는 상기 중합성 관능기와 상기 메조겐기를 연결시켜주는 역할을 하며, 액정 화합물이 중합되어 광학 이방성층을 형성할 때, 광학 이방성층의 유연성을 부여하는 역할을 하는 것을 의미할 수 있다.
상기 중합성 관능기의 일례는, (메타)아크릴레이트, (메타)아크릴아미드, 아크릴로니트릴, 스티렌, 알킬기, 시아노기, 알콕시기 또는 비닐기 등일 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니며, 액정 화합물의 중합을 유도할 수 있는 열 또는 광에 대한 반응성을 가진 관능기이면 제한 없이 이용 가능할 수 있다. 본 출원에서 용어 (메타)아크릴레이트는 아크릴레이트 또는 메타크릴레이트를 의미할 수 있으며, 본 출원에서 용어 (메타)아크릴아미드는 아크릴아미드 또는 메타크릴아미드를 의미할 수 있다.
상기 메조겐기는 칼라미틱(calamitic) 메조겐기 또는 디스코틱(discotic) 메조겐기 일 수 있다.
상기 칼라미틱(calamitic) 메조겐기는 한 방향으로 연결된 하나 또는 그 이상의 방향족 또는 지방족 고리를 포함하는 봉상모양으로써, 중합되어 봉상 액정구조를 형성할 수 있는 메조겐기를 의미할 수 있다. 또한, 칼라미틱(calamitic) 메조겐기는 상기 봉상모양의 말단 또는 측면에 하나 이상의 관능기가 포함될 수 있다.
상기 칼라미틱(calamitic) 메조겐기의 일례는 하기 식 3로 표현될 수 있다.
[식 3]
-(A2-Z)n-A3-
상기 식 3에서 A2 및 A3는 각각 독립적으로, 질소, 산소 또는 황원자로부터 선택되는 헤테로원자를을 포함하거나 포함하지 않는 방향족 또는 지방족 고리기를 의미하며, 상기 Z는 -O-,-S-,-CO-,-COO-, OCO-, -S-CO-, -CO-S-, -O-COO-, -CO- NR0-, -NR0-CO-, -NR0-CO-NR00, -NR0-CO-O-, -O-CO-NR0, -OCH2-, -CH2O-, -SCH2-, -CH2S-, CF2O-, OCF2-, -CF2S-, -SCF2-, -CH2CH2-, -(CH2)4-, -CF2CH2-, -CH2CHF2-, -CH=N-, -N=CH-, -N=N-, -CH=CR0-, -CY1=CY2, -C≡C-, -CH=CH-COO-, -OCO-CH=CH- 또는 단일 결합을 의미할 수 있고, 상기 R0 및 R00는 각각 독립적으로 수소 또는 탄소수 1 내지 12의 알킬기를 의미할 수 있으며, 상기 Y1 및 Y2는 각각 독립적으로 수소, 플루오르, 염소 또는 시안일 수 있고, n은 1 내지 4의 수 일수 있다.
상기 디스코틱(discotic) 메조겐기는 하나 이상의 방향족 또는 지방족 고리를 포함하는 평면형태의 코어구조를 가지는 메조겐기로써, 중합되어 디스코틱 액정구조를 형성할 수 있는 메조겐기를 의미할 수 있으며, 예를 들면, 트리페닐렌 등이 있을 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다.
본 출원에서 상기 식 1 및 2에 포함되는 연결기는, 예를 들면, -(A4-B)m-의 형태일 수 있고, 상기 A4는 탄소수 1 내지 12의 선형 또는 분지형의 알킬렌기 일 수 있고, B는 산소 또는 황일 수 있으며, m는 1 내지 5의 수일 수 있다.
본 출원의 광학 이방성층이 고분자 필름일 경우, 상기 고분자 필름의 종류는 상기 고분자에 광학 이방성을 부여할 수 있는 것이면 제한이 없이 이용될 수 있다. 하나의 예시에서, 상기 고분자 필름은 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 또는 노르보르넨계 폴리머 등의 폴리올레핀, 폴리비닐알코올, 폴리 메타크릴산 에스테르, 폴리아크릴산 에스테르 또는 셀룰로오스 에스테르 등이 예시될 수 있다. 또한, 고분자 필름은 이들 고분자의 공중합체 혹은 고분자의 혼합물을 이용할 수도 있다.
광학 이방성층이 고분자 필름일 경우, 고분자 필름의 광학 이방성은 연신에 의해 얻을 수 있다. 연신은 1축 또는 2축 연신일 수 있다.
하나의 예시에서, 고분자 필름에 광학 이방성을 부여하기 위한 1축 연신은 2이상의 롤의 속도차를 이용한 세로 1축 연신 또는 고분자 필름의 양쪽를 잡아 당겨 폭 방향으로 연신하는 텐터 연신이 바람직하다.
상기 광학 이방성층은 이격되어 배치되어 있는 한 쌍의 기판 중 어느 한 기판의 일면, 구체적으로 게스트-호스트 액정층이 존재하는 면의 반대 면에 위치할 수 있다.
하나의 예시에서, 도 2에 도시된 바와 같이 광학 이방성층은(700) 투명 전극(402a)를 포함하는 상부 기판(400b)과 반사판(300)의 사이에 위치할 수 있다.
또한, 도 3에 도시된 바와 같이 본 출원의 액정 소자가 반사 전극(402b)를 포함하는 경우, 광학 이방성층(700)은 반사 전극(402b)를 포함하는 상부 기판(400b)과 배향막(500)의 사이에 위치할 수 있다.
광학 이방성층이 코팅층일 경우, 그 제조방법은 반응성 메조겐(Reactive Mesogen), 개시제 및 기타 첨가제를 포함하는 혼합물을 임의의 기재상에 공지의 코팅 방법을 이용하여 코팅한 후, 경화시키는 공정 등이 예시될 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다. 광학 이방성층이 고분자 필름일 경우 그 제조방법은, 용매 캐스트법 등이 예시될 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니며, 공지의 다양한 제조방법이 제한 없이 이용될 수 있다.
하나의 예시에서, 광학 이방성층의 광축은 게스트-호스트 액정층의 광축과 40° 내지 50°, 42° 내지 48°또는 43°내지 46° 의 범위, 바람직하게는 약 45°가 되도록 조절될 수 있다. 상기 광학 이방성층의 광축은 광학 이방성층의 지상축 또는 진상축을 의미할 수 있고, 상기 액정층의 광축은 광 흡수축 또는 광 투과축을 의미할 수 있다.
본 출원의 액정 소자는 게스트-호스트 액정층을 배향 시키기 위해 액정층의 양면에 배향막을 더 포함할 수 있다. 즉, 본 출원의 액정 소자는 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 게스트-호스트 액정층(600)의 양면에 위치하는 한 쌍의 배향막(500)을 더 포함할 수 있다. 상기 배향막은 광 배향막 또는 러빙 배향막 일 수 있다.
배향막은 배향하고자 하는 액정 화합물의 목적하는 배향 방향에 따라 그 특성이 달라질 수 있다. 하나의 예시에서, 본 출원의 배향막은 수평 배향용 러빙 배향막 또는 광 배향막일 수 있다.
구체적인 예시에서, 광 배향막은 후술하는 광배향성 화합물에 광개시제 등 필요한 첨가제를 배합하여 코팅한 후에 원하는 방향의 편광 자외선 등을 조사하여 형성할 수 있다.
본 출원에서 용어 광 배향성 화합물은, 광의 조사 등을 통하여 소정 방향으로 정렬(orientationally ordered)되고, 상기 정렬된 상태에서 이방성 상호 작용(anisotropic interaction) 등의 상호 작용을 통하여 인접하는 액정층 내 액정 화합물을 소정 방향으로 배향시킬 수 있는 화합물을 의미할 수 있다.
광 배향성 화합물은 방향성을 가지도록 정렬된 상태로 배향막에 존재할 수 있다. 광 배향성 화합물은, 단분자 화합물, 단량체 화합물, 올리고머 화합물 또는 고분자 화합물일 수 있다. 또한, 광 배향성 화합물은, 광감응성 잔기(photosensitive moiety)를 포함하는 화합물일 수 있다.
구체적으로 광 배향성 화합물은 트랜스-시스 광이성화(trans-cis photoisomerization)에 의해 정렬되는 화합물; 사슬 절단(chain scission) 또는 광산화(photo-oxidation) 등과 같은 광분해(photo-destruction)에 의해 정렬되는 화합물; [2+2] 첨가 환화([2+2] cycloaddition), [4+4] 첨가 환화 또는 광이량화(photodimerization) 등과 같은 광가교 또는 광중합에 의해 정렬되는 화합물; 광 프리즈 재배열(photo-Fries rearrangement)에 의해 정렬되는 화합물; 또는 개환/폐환(ring opening/closure) 반응에 의해 정렬되는 화합물; 등을 사용할 수 있다.
상기 트랜스-시스 광이성화에 의해 정렬되는 화합물로는, 예를 들면, 술포화 디아조 염료(sulfonated diazo dye) 또는 아조 고분자(azo polymer) 등의 아조 화합물이나 스틸벤 화합물(stilbenes) 등이 예시될 수 있다.
상기 광분해에 의해 정렬되는 화합물로는, 시클로부탄 테트라카복실산 이무수물(cyclobutane-1,2,3,4-tetracarboxylic dianhydride); 방향족 폴리실란 또는 폴리에스테르; 폴리스티렌; 또는 폴리이미드; 등이 예시될 수 있다.
상기 광가교 또는 광중합에 의해 정렬되는 화합물로는, 신나메이트(cinnamate) 화합물, 쿠마린(coumarin) 화합물, 신남아미드(cinnamamide) 화합물, 테트라히드로프탈이미드(tetrahydrophthalimide) 화합물, 말레이미드(maleimide) 화합물, 벤조페논 화합물, 디페닐아세틸렌(diphenylacetylene) 화합물, 광감응성 잔기로서 찰코닐(chalconyl) 잔기를 가지는 화합물(이하, 찰콘 화합물) 또는 안트라세닐(anthracenyl) 잔기를 가지는 화합물(이하, 안트라세닐 화합물) 등이 예시될 수 있다.
광배향성 화합물은, 단분자 화합물, 단량체 화합물, 올리고머 화합물 또는 고분자 화합물이거나, 상기 광배향성 화합물과 고분자의 블랜드(blend) 형태일 수 있다. 상기에서 올리고머 또는 고분자 화합물은, 상기 기술한 광배향성 화합물로부터 유도된 잔기 또는 상기 기술한 광감응성 잔기를 주쇄 내 또는 측쇄에 가질 수 있다.
광배향성 화합물로부터 유도된 잔기 또는 광감응성 잔기를 가지거나, 상기 광배향성 화합물과 혼합될 수 있는 고분자로는, 폴리노르보넨, 폴리올레핀, 폴리아릴레이트, 폴라아크릴레이트, 폴리(메타)아크릴레이트, 폴리이미드, 폴리암산(poly(amic acid)), 폴리말레인이미드, 폴리아크릴아미드, 폴리메타크릴아미드, 폴리비닐에테르, 폴리비닐에스테르, 폴리스티렌, 폴리실록산, 폴리아크릴니트릴 또는 폴리메타크릴니트릴 등이 예시될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
배향성 화합물에 포함될 수 있는 고분자로는, 대표적으로는 폴리노르보넨 신나메이트, 폴리노르보넨 알콕시 신나메이트, 폴리노르보넨 알릴로일옥시 신나메이트, 폴리노르보넨 불소화 신나메이트, 폴리노르보넨 염소화 신나메이트 또는 폴리노르보넨 디신나메이트 등이 예시될 수 있지만, 이에 제한되는 것은 아니다.
배향성 화합물이 고분자성 화합물인 경우에 상기 화합물은, 예를 들면, 약 10,000 g/mol 내지 500,000 g/mol 정도의 수평균 분자량을 가질 수 있지만, 이에 제한되는 것은 아니다.
본 출원의 액정 소자는 반사형 액정 소자를 구현하기 위하여, 반사판을 더 포함할 수 있다.
하나의 예시에서, 본 출원의 액정 소자는 반사판을 더 포함하고, 상기 반사판은 광학 이방성층이 기판과 접하고 있는 면의 반대 면에 위치할 수 있다.
구체적으로, 도 2에 도시된 바와 같이, 본 출원의 반사판을 포함하는 액정 소자는 순차적으로, 게스트-호스트 액정층(600)의 양면에 순차적으로 한 쌍의 배향막(500) 및 상하부 기판(400a,b)를 포함하고, 상부 기판(400b)의 배향막(500)이 형성되어 있지 않은 일면에 광학 이방성층(700) 및 반사판(300)을 포함하는 구조일 수 있다. 이 때, 상기 기판에 포함되어 있는 전극은 모두 투명 전극(402a)일 수 있다. 상기와 같이, 한 쌍의 기판에 포함되는 전극이 모두 투명 전극(402a)일 경우 반사판(300)을 설치하여 목적하는 반사형 모드를 구현할 수 있다.
본 출원의 액정 소자는, 전술한 게스트-호스트 액정층의 두께 범위 및 이색성 염료의 함량을 조절하여, 목적하는 반사 특성 및 투과 특성을 확보할 수 있다.
하나의 예시에서, 본 출원의 액정 소자는 반사율(%)이 30% 내지 70%의 범위 내 일 수 있다. 상기 반사율(%)은 코니카미놀타社 분광측색계(CM-2500d)를 이용하여, 반사판 대비 샘플의 반사율을 D65 광원을 이용하여 측정한 것일 수 있다.
이하, 반사판을 포함하는 액정 소자의 동작 원리에 대하여 설명한다.
본 출원의 액정 소자의 게스트-호스트 액정층 내 액정 화합물(601)은 도 4에 도시된 바와 같이, 전압의 무인가 시 액정층(600)에 평행한 방향으로 수평 배향되어 있고, 이색성 염료(602)는 상기 액정 화합물(601)의 배향에 따라 배향되어 있다. 이 때, 하부 기판 측으로부터 입사한 광 (800)중 이색성 염료(602)의 배향 방향과 평행한 광(801)은 흡수되고, 이색성 염료(602)의 배향 방향과 수직인 광(802)은 액정층(600)을 통과 한다. 액정층(600)을 통과한 편광된 광은 광학 이방성층(700)에 의해 원평광 된 후, 반사판(300)에 의해 반사되어 역회전의 원편광이 된다. 상기 역회전된 원편광은 다시 광학 이방성층(700)을 통과함으로써, 이색성 염료(602)의 배향 방향과 평행한 방향의 선편광이 되어 이색성 염료(602)에 의해 흡수되므로, 입사한 광은 출사되지 않아 차단(black) 상태가 된다.
한편, 전압의 인가 시에는 도 5에 도시된 바와 같이 액정층(600) 내 액정 화합물(601)은 수직 배향되고, 이색성 염료(602)는 액정 화합물(601)의 배향 방향에 따라 배향 한다. 이 때, 하부 기판 측으로부터 입사한 광(800)은 액정층(600) 및 광학 이방성층(700)을 통과한 후, 비편광판 상태로 반사판(300)에 의해 반사되고, 반사된 광은 다시 광학 이방성층(700) 및 액정층(600)을 통해 출사하므로, 반사(white) 상태가 된다.
상기와 같은 동작 원리에 의해 본 출원의 액정 소자를 반사형 액정 디스플레이에 적용할 경우, 통상 차단 모드가 구현될 수 있다. 즉, 본 출원은 게스트-호스트 액정층을 이용한 반사형 액정 소자로서, 상기 액정 소자를 포함하는 통상 차단 모드의 반사형 액정 디스플레이에 관한 것일 수 있다. 상기 반사형 액정 디스플레이에 포함되는 다른 구성은 공지이며 공지된 구성이 본 출원에서 제한 없이 이용될 수 있다.
또 다른 예시에서, 본 출원은 액정 소자를 포함하는 미러에 관한 것이다. 상기 미러는 자동차용 룸미러 또는 ECM 미러를 대체할 수 있는 사이드 미러 등에 이용될 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다.
100 : 편광판
200 : 액정셀
300 : 반사판
400a,b : 기판
401 : 기재층
402 a : 투명 전극
402 b : 반사 전극
500 : 배향막
600 : 액정층
700 : 광학 이방성층
800 : 하부 기판 측으로 입사한 광
801 : 이색성 염료의 배향 방향과 평행한 광
802 : 이색성 염료의 배향 방향과 수직인 광

Claims (16)

  1. 서로 대향하여 배치되어 있는 한 쌍의 기판;
    상기 한 쌍의 기판 사이에 존재하고, 액정 화합물 및 이색성 염료를 포함하는 게스트-호스트 액정층;
    상기 한 쌍의 기판 중 어느 한 기판의 상기 게스트-호스트 액정층이 존재하는 면의 반대 면에 위치하는 광학 이방성층; 및
    상기 광학 이방성층이 기판과 접하고 있는 면의 반대 면에 위치하는 반사판을 포함하고, 하기 수식 1을 만족하며,
    상기 기판은 기재층 및 전극을 포함하고,
    상기 기판에 포함되어 있는 전극은 모두 투명 전극이며,
    상기 게스트-호스트 액정층은 수평 배향되어 있고,
    상기 광학 이방성층은 1/4파장판이며,
    상기 광학 이방성층의 광축과 상기 게스트-호스트 액정층의 광축은 40° 내지 50°의 각도 범위 내에 있는 액정 소자:
    [수식 1]
    0.02 <b/a< 0.6
    (상기 수식 1에서, b는 게스트-호스트 액정층의 두께이고, a는 기판의 두께이다.)
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제 1항에 있어서,
    기재층은 트리아세틸셀룰로오스, 환상 올레핀 공중합체, 폴리메틸 (메타)아크릴레이트, 폴리카보네이트, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리이미드, 폴리아릴레이트, 폴리설폰 및 비정질 불소수지로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나를 포함하는 액정 소자.
  5. 제 1항에 있어서,
    액정 화합물은 네마틱 액정 화합물인 액정 소자.
  6. 제 1항에 있어서,
    이색성 염료는 안트라퀴논계 또는 아조계 염료인 액정 소자.
  7. 제 1항에 있어서, 게스트-호스트 액정층은 액정 화합물 100 중량부 대비 0.3 내지 3 중량부의 이색성 염료를 포함하는 액정 소자.
  8. 삭제
  9. 제 1항에 있어서, 게스트-호스트 액정층은 3 ㎛ 내지 30㎛의 두께 범위를 가지는 액정 소자.
  10. 제 1항에 있어서,
    게스트-호스트 액정층의 양면에 위치하는 배향막을 더 포함하는 액정 소자.
  11. 제 10항에 있어서,
    배향막은 수평 배향용 러빙 배향막 또는 광 배향막인 액정 소자.
  12. 삭제
  13. 삭제
  14. 삭제
  15. 제 1항의 액정 소자를 포함하는 통상 차단 모드의 반사형 액정 디스플레이.
  16. 제 1항의 액정 소자를 포함하는 미러.
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