KR102041809B1 - 액정셀 - Google Patents

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KR102041809B1
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Abstract

본 출원은 액정셀 및 액정셀의 용도에 관한 것으로, 투명 모드와 산란 모드의 사이를 스위칭하는 액정셀을 제공할 수 있다. 본 출원은 또한, EHDI 유발하는 액정 첨가제로서 고 유전율의 비이온성 화합물을 사용함으로써 액정층 내에서 비이온성 화합물의 용해도를 확보할 수 있으므로 성능이 우수한 액정셀을 구현할 수 있다. 본 출원의 액정셀은, 스마트 윈도우, 윈도우 보호막, 플렉서블 디스플레이 소자, 3D 영상 표시용 액티브 리타더(active retarder) 또는 시야각 조절 필름 등과 같은 다양한 광변조 장치에 적용될 수 있다.

Description

액정셀{LIQUID CRYSTAL CELL}
본 출원은 액정셀 및 그 용도에 관한 것이다.
동적 산란 모드(Dynamic Scattering Mode)는 액정 모드의 일종으로서, 전기 유체 역학적 불안정 상태(EHDI; Electro hydro dynamic instability)를 유발하는 액정 모드를 의미한다. 특허문헌 1과 같이 일반적으로 동적 산란 모드 액정셀은 네마틱 또는 스메틱 상의 액정 및 EHDI를 유발하는 첨가제를 포함하고, 상기 액정셀에 전계가 인가되는 경우 EHDI에 의해서 대류가 발생하며, 전계가 증가하면 잇달아 새로운 대류 구조가 생겨 최종적인 난류로 변화하면서 액정의 광학적 이방성과 유체 운동에 위해 강하게 빛을 산란시키게 시킨다.
특허문헌 1: 미국 공개특허공보 제2006-0091358호
본 출원은, 액정셀 및 그 용도를 제공한다.
본 출원은 액정셀에 관한 것이다. 본 출원의 예시적인 액정셀은 액정 화합물 및 EHDI를 유발하는 액정 첨가제를 포함하는 액정층을 가진다. 하나의 예시에서, 액정셀은 액정 첨가제로서 비이온성 화합물을 포함할 수 있다. 상기 비이온성 화합물의 유전율은 3 이상일 수 있다. 본 출원의 액정셀은 투명 모드와 산란 모드의 사이를 스위칭할 수 있다. 또한, 본 출원의 액정셀은 EHDI 유발하는 액정 첨가제로서 고 유전율의 비이온성 화합물을 포함함으로써 액정 매질 내에서 액정 첨가제의 용해도를 확보할 수 있는 장점이 있다. 또한, 본 출원의 액정셀은 상기 비이온성 화합물의 유전율이 높을수록 우수한 헤이즈 특성을 나타낼 수 있다.
액정 화합물로는 액정 셀 내에서 배향이 스위칭될 수 있는 상태로 존재하고, 그 배향의 스위칭에 의해 액정셀의 광학 특성을 조절할 수 있는 것이라면 특별한 제한없이 다양한 종류의 액정 화합물을 사용할 수 있다. 액정 화합물의 구체적인 예로, 네마틱(nematic)상 액정 화합물 또는 스멕틱(smectic)상 액정 화합물 등이 예시될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 본 명세서에서 용어 「스멕틱 상」은 액정 화합물의 방향자(director)가 소정 방향으로 정렬하는 동시에 상기 액정 화합물이 층 또는 평면을 형성하면서 배열되는 특성을 가지는 액정상을 의미하고, 용어 「네마틱 상」은 액정 화합물의 액정 화합물의 방향자(director)가 소정 방향으로 정렬하되 층상 구조 또는 평면 구조는 형성하지 않으면서 배열되는 액정상을 의미한다. 하나의 예시에서, 액정 화합물로는, 전압과 같은 외부 작용 인가에 의하여 액정 화합물의 배향이 변경될 수 있도록 한다는 측면에서 중합성기 또는 가교성기를 가지지 않는 비중합성 또는 비가교성 액정 화합물을 사용할 수 있다.
액정 화합물의 유전율 이방성은 본 출원의 목적을 손상시키지 않는 범위 내에서 적절히 선택될 수 있다. 본 명세서에서 용어 「유전율 이방성(△ε)」은 액정 화합물의 수평 유전율(ε// )과 수직 유전율(ε⊥)의 차이(ε// - ε⊥)를 의미한다. 또한, 본 명세서에서 용어「수평 유전율(ε//)」은 액정 화합물의 광축과 인가 전압에 의한 전기장의 방향이 실질적으로 수평하도록 전압을 인가한 상태에서 상기 전기장의 방향을 따라 측정한 유전율 값을 의미하고, 용어「수직 유전율(ε⊥)」은 액정 화합물의 광축과 인가 전압에 의한 전기장의 방향이 실질적으로 수직하도록 전압을 인가한 상태에서 상기 전기장의 방향을 따라 측정한 유전율 값을 의미한다. 본 명세서에서 유전율에 대하여 기재하면서, 특별한 언급이 없는 한, 주파수 1 kHz 및 전압 0.1V의 전계를 인가한 상태에서 측정된 값을 의미할 수 있다.
또한, 본 명세서에서 용어 「광축」은 액정 화합물이 막대 (Rod) 모양인 경우 액정 화합물의 장축 방향의 축을 의미할 있고, 액정 화합물이 원판 (Discotic) 모양인 경우 원판의 평면의 법선 방향의 축을 의미할 수 있다. 또한, 본 명세서에서 용어「수직 정렬」은 액정 화합물의 광축이 액정층의 평면에 대하여 약 90도 내지 65도, 약 90도 내지 75도, 약 90도 내지 80도, 약 90도 내지 85도 또는 약 90도의 경사각을 가지는 경우를 의미할 수 있고, 「수평 정렬」은 액정 화합물의 광축이 액정층의 평면에 대하여 약 0 도 내지 25도, 약 0도 내지 15도, 약 0도 내지 10도, 약 0도 내지 5도 또는 약 0도의 경사각을 가지는 경우를 의미할 수 있다.
액정 화합물로는 유전율 이방성(△ε)이 음수인 액정 화합물을 사용할 수 있다. 이 경우 상기 액정 화합물의 유전율 이방성(△ε)의 절대값은 예를 들어 약 1 내지 20 범위 내일 수 있다. 상기 액정 화합물의 유전율 이방성(△ε)의 절대값의 하한은 1 이상, 2 이상, 3 이상, 4 이상, 5 이상, 6 이상, 7 이상, 8 이상 또는 9 이상일 수 있고, 상기 액정 화합물의 유전율 이방성(△ε)의 절대값의 상한은 20 이하, 19 이하, 18 이하, 17 이하, 16 이하, 15 이하, 14 이하, 13 이하, 12 이하 또는 11 이하일 수 있다. 액정 화합물의 유전율 이방성이 상기 범위를 만족하는 경우, 투명 모드와 산란 모드의 사이를 스위칭하는 액정셀을 구현하는 데 유리하다.
액정층 내에 존재하는 상기 비이온성 화합물은 액정층 내에 존재하는 액정 화합물에 EHDI를 유발할 수 있다. 이를 통해 액정 화합물은 규칙적으로 배열된 상태, 예를 들어 후술하는 투명 모드에서 불규칙적으로 배열된 상태, 예를 들어 후술하는 산란 모드로 그 배열을 전환할 수 있다.
본 명세서에서 용어 「비이온성 화합물」은 양이온과 음이온이 전기적 특성에 의하여 형성된 염(Salt) 형태의 화합물을 제외한 개념의 화합물을 의미한다. 하나의 예시에서, 상기 액정층은 염(Salt)를 포함하지 않을 수 있다. 본 출원에서 EHDI를 유발하는 위한 액정 첨가제로서 비이온성 화합물을 사용하는 경우 액정층의 액정 매질 내에서 액정 첨가제의 용해도를 확보할 수 있고, 상기 비이온성 화합물의 유전율이 높을수록 우수한 헤이즈 특성을 나타낼 수 있다. EHDI를 유발하는 액정 첨가제로서 염을 사용하는 경우 액정층 내에서 염의 용해도를 확보하기 어려운 문제점이 있다. 액정층 내에서 액정 첨가제의 적절한 용해도가 확보되지 않는 경우 액정셀의 결함이 될 수 있으며, 예를 들어, 액정셀이 투명 모드를 구현하는 경우 투과율을 감소시키거나 또는 헤이즈를 증가시키는 문제점이 있다. 본 출원에 따르면, 염 대신에 고 유전율의 비이온성 화합물을 사용하므로, 상기와 같은 문제점을 해소할 수 있다.
비이온성 화합물의 유전율은 예를 들어 3 이상, 5 이상, 10 이상, 15 이상, 20 이상, 25 이상, 30 이상, 35 이상, 40 이상, 45 이상, 50 이상, 55 이상, 60 이상 또는 65 이상일 수 있다. 비이온성 화합물의 유전율은 높을수록 액정셀의 산란 모드에서의 헤이즈 특성을 향상시킬 수 있는 것으로 그 상한은 특별히 제한되지 않으나, 예를 들어, 200 이하, 190 이하, 180 이하, 170 이하, 160 이하, 150 이하, 140 이하, 130 이하, 120 이하, 110 이하, 또는 100 이하일 수 있다. 비이온성 화합물의 유전율을 측정하는 방식은 특별히 제한되지 않고, 상온에서 공지의 유전율 측정 방식에 의하여 측정될 수 있다. 본 명세서에서 비이온성 화합물의 유전율을 기재하면서 특별한 언급이 없는 한 Handbook of Organic Solvents (David R. Lide/CRC Press/1994.12.01)에 개시된 유전율을 참조할 수 있다. 또한, 본 명세서에서 복수의 비이온성 화합물의 유전율을 기재하면서 특별한 언급이 없는 한 상온에서 동일한 유전율 측정 방식에 의하여 측정된 값을 의미한다. 본 명세서에서 용어「상온」은 가온되거나 감온되지 않은 자연 그대로의 온도로서, 약 15 ℃ 내지 40℃의 범위 내의 어느 한 온도, 예를 들면, 약 20℃, 약 25℃ 또는 약 30℃ 정도의 온도를 의미할 수 있다
비이온성 화합물로는, 전술한 유전율 수치를 나타내는 비이온성 화합물이라면 특별한 제한없이 사용할 수 있다. 하나의 예시에서, 비 이온성 화합물로는 알킬렌 카보네이트(alkylene carbonate)계 화합물, 락톤(Lactone)계 화합물, 다이옥실란(dioxilane)계 화합물, 술포란(sulfolane)계 화합물, 알킬 아닐린(alkyl aniline)계 화합물을 사용할 수 있다. 비이온성 화합물로는 보다 구체적으로 에틸렌 카보네이트, 프로필렌 카보네이트, 부틸렌 카보네이트, 감마 부티로락톤, 1,3-다이옥실란, 술포란, N,N-디메틸아닐린 등을 사용할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
비이온성 화합물의 액정층 내에서의 비율은 목적 물성, 예를 들면, 액정 화합물의 불규칙한 배열 상태를 유발할 수 있는 특성 등을 고려하여 적절히 선택될 수 있다. 이온성 화합물은, 예를 들면, 0.01 중량% 이상, 0.1 중량% 이상, 1 중량% 이상, 2 중량% 이상, 3 중량% 이상, 4 중량% 이상, 5 중량% 이상, 6 중량% 이상, 7 중량% 이상, 8 중량% 이상 또는 9 중량% 이상의 비율로 액정층 내에 포함될 수 있다. 비이온성 화합물의 액정층 내에서의 비율의 상한은, 예를 들면, 20 중량% 이하, 19 중량% 이하, 18 중량% 이하, 17 중량% 이하, 16 중량% 이하, 15 중량% 이하, 14 중량% 이하, 13 중량% 이하, 12 중량% 이하 또는 11 중량% 이하일 수 있다. 비이온성 화합물의 액정층 내에서의 비율이 상기 범위를 만족하는 경우, 투명 모드 및 헤이즈 특성이 우수한 산란 모드의 사이를 스위칭할 수 있는 액정셀을 구현할 수 있다. 또한, 비이온성 화합물을 사용할 경우 액정 매질 내에서의 용해도를 확보할 수 있으므로, 필요한 경우 염(Salt) 형태의 액정 첨가제에 비하여 더 많은 양의 액정 첨가제를 자유롭게 사용할 수 있으므로 액정셀 제조의 자유도를 높인다.
액정층의 수평 전도도(σ//)는 1.0 x 10-7 S/cm 이상일 수 있다. 본 명세서에서 액정층의 수평 전도도(σ//)는 액정층의 광축과 인가 전압에 의한 전기장의 방향이 실질적으로 수평하도록 전압을 인가한 상태에서 상기 전기장의 방향을 따라 측정한 전도도 값을 의미한다. 하나의 구체적인 예로, 액정층이 막대 모양의 액정 화합물을 포함하는 경우 액정층 내의 액정 화합물의 장축이 액정층의 두께 방향과 평행한 상태로 존재하는 경우, 즉 수직 배향 상태로 존재하는 경우, 상기 액정층의 두께 방향을 따라 전기장이 형성되도록 전압을 인가한 상태에서 상기 두께 방향을 따라 측정한 전도도 값을 의미한다. 본 명세서에서 특별한 언급이 없는 경우 액정층의 수평 전도도(σ//)는 상온에서 60 Hz 주파수의 0.5 V 전압의 인가 조건에서 측정된 수평 전도도 값을 의미하고, 1cm2의 면적 및 1cm의 간격의 액정층을 기준으로 환산한 전도도 값을 의미한다.
액정층의 수평 전도도(σ//)는 보다 구체적으로, 1.0 x 10-6 S/cm 이상, 2.0 x 10-6 S/cm 이상, 3.0 x 10-6 S/cm 이상, 4.0 x 10-6 S/cm 이상, 5.0 x 10-6 S/cm 이상, 6.0 x 10-6 S/cm 이상 또는 7.0 x 10-6 S/cm 이상일 수 있다. 액정층의 수평 전도도(σ//)가 상기 범위를 만족하는 경우, 액정층에 외부 작용을 인가하는 것에 의하여 EHDI 특성을 효과적으로 나타낼 수 있다. 액정층의 수평 전도도(σ//)의 상한은 목적하는 물성을 손상시키지 않는 범위 내에서 적절히 선택될 수 있고 예를 들어 1.0 x 10-1 S/cm 이하, 1.0 x 10-2 S/cm 이하, 1.0x10-3 S/cm 이하, 9.0 x 10-4 S/cm 이하 또는 5.0 x 10-4 S/cm 이하일 수 있다. 액정층의 수평 전도도(σ//) 상기 수치 범위로 조절하는 것은 액정층 내에 존재하는 비이온성 화합물의 유전율 값이나 비이온성 화합물의 함량을 조절함으로써 조절할 수 있다. 또는, 액정층 내에 반응성 작용기를 가지는 모노머, 개시제 또는 이방성 염료 등의 첨가제를 적절히 추가하는 것에 의해서도 조절할 수 있다.
본 출원에서 액정층의 수평 전도도(σ//)는 비이온성 화합물의 유전율(ε)에 대하여 선형적인 관계를 나타낼 수 있다. 따라서, 비이온성 화합물의 유전율이 높을수록 액정층의 수평 전도도(σ//)는 증가하므로, 액정층에 외부 작용을 인가하는 경우 EHDI 특성을 효과적으로 나타낼 수 있고, 이에 따라 액정셀은 우수한 헤이즈 특성을 나타낼 수 있다.
하나의 예시에서, 본 출원의 액정셀은 하기 수식 1의 관계를 만족할 수 있다.
[수식 1]
y=1x10-7x + 4 x10-7 ≥ 1.0 x 10-5
상기 수식 1에서, y는 액정층의 수평 전도도(σ//) (단위: S/cm)를 의미하고, x는 비이온성 화합물의 유전율(ε)을 의미한다 (단, 상기에서 비이온성 화합물의 액정층 내에서의 비율은 10 중량%이다).
상기 수식 1에서, y를 의미하는 액정층의 수평 전도도 (σ//)에 대한 구체적인 사항은 전술한 액정층의 수평 전도도 (σ//)에 관한 내용이 동일하게 적용될 수 있다. 또한, 상기 수식 1의 관계는 약 95% 이상, 약 96% 이상, 약 97% 이상, 약 98% 이상, 약 99% 이상의 정확도를 가질 수 있다.
액정셀은 액정 화합물의 초기 정렬 상태를 조절하고 전압과 같은 외부 작용의 인가 등을 통해 투명 모드와 산란 모드의 사이를 스위칭할 수 있다. 예를 들면, 액정 화합물이 정렬된 상태로 존재하는 경우 액정셀은 투명 모드를 나타낼 수 있고, 액정 화합물이 불규칙하게 배열된 상태로 존재하는 경우 액정셀은 산란 모드를 나타낼 수 있다.
본 명세서에서 용어 「산란 모드」는 액정셀이 예정된 일정 수준 이상의 헤이즈를 나타내는 모드를 의미하고, 용어「투명 모드」는 광의 투과가 가능한 상태 또는 예정된 일정 수준 이하의 헤이즈를 나타내는 모드를 의미할 수 있다.
예를 들어, 산란 모드에서 액정셀은, 헤이즈가 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, 90% 이상 또는 95% 이상일 수 있다. 투명 모드에서 액정셀은, 예를 들어, 헤이즈가 10% 미만, 8% 이하, 6% 이하 또는 5% 이하일 수 있다. 상기 헤이즈는, 측정 대상을 투과하는 전체 투과광의 투과율에 대한 확산광의 투과율의 백분율일 수 있다. 상기 헤이즈는, 헤이즈미터(hazemeter, NDH-5000SP)를 사용하여 평가할 수 있다. 헤이즈는 상기 헤이즈미터를 사용하여 다음의 방식으로 평가할 수 있다. 즉, 광을 측정 대상을 투과시켜 적분구 내로 입사시킨다. 이 과정에서 광은 측정 대상에 의하여 확산광(DT)과 평행광(PT)으로 분리되는데, 이 광들은 적분구 내에서 반사되어 수광 소자에 집광되고, 집광되는 광을 통해 상기 헤이즈의 측정이 가능하다. 즉, 상기 과정에 의한 전 투과광(TT)는 상기 확산광(DT)과 평행광(PT)의 총합(DT+PT)이고, 헤이즈는 상기 전체 투과광에 대한 확산광의 백분율(Haze(%) = 100×DT/TT)로 규정될 수 있다.
도 1은 유전율 이방성이 음수인 액정 화합물을 이용한 액정셀의 구동을 예시적으로 나타낸다. 도 1에 나타낸 바와 같이, 초기 상태, 즉 외부 작용이 인가되지 않은 상태에서, 액정 화합물은 액정층의 평면에 대하여 수직 배향된 상태로 존재할 수 있고, 투명 모드(A)를 구현할 수 있다. 이 경우 액정 화합물의 초기 배향 상태를 조절하기 위하여 후술하는 수직 배향막이 액정층의 양측에 존재할 수 있다. 이러한 초기 상태에서 외부 작용, 예를 들어, 수직 전계를 인가하는 경우 액정 화합물은 액정 첨가제인 비이온성 화합물(미도시)에 의해 유발되는 EHDI에 의해 불규칙한 배열 상태를 가지면서 산란 모드(B)로 전환될 수 있다.
하나의 예시에서, 액정 화합물이 네마틱 상인 경우 수직 전계를 제거하는 경우 초기 상태의 투명 모드로 전환될 수 있다. 다른 하나의 예시에서, 액정 화합물이 스메틱 상, 예를 들어 스메틱 A상인 경우 수직 전계를 제거하는 경우에도 산란 모드를 유지할 수 있다. 즉, 네마틱 상의 액정이 사용되는 경우 액정셀은 단안정(monostable) 모드를 구현하며, 스메틱 상의 액정이 사용되는 경우 액정셀은 쌍안정(bistable) 모드를 구현할 수 있다. 본 명세서에서 용어 「단안정 모드」는 액정의 상태 중 적어도 어느 한 상태를 유지하기 위하여 외부 에너지의 인가가 계속 요구되는 모드를 의미하고, 용어 「쌍안정 모드」는 상태 변화 시에만 외부 에너지가 요구되는 모드를 의미한다.
투명 모드에서 산란 모드로의 전환은 예를 들어, 약 1Hz 내지 500 Hz 범위 내의 저 주파수의 수직 전계를 인가함으로써 수행될 수 있다. 또한, 상기에서 액정 화합물이 스메틱 상일 경우 산란 모드에서 투명 모드로의 전환을 위해서는 상대적으로 고 주파수, 예를 들어, 1 kHz 이상의 고 주파수의 전계의 인가가 필요할 수 있다. 그러나, 인가되는 전계의 주파수 범위가 상기에 제한되는 것은 아니고 목적 물성, 예를 들어, 각 모드의 헤이즈 특성 또는 투과 특성 등을 고려하여 적절히 변경될 수 있다.
액정셀은, 액정층 내에 이방성 염료를 추가로 포함할 수 있다. 이방성 염료는, 예를 들면, 산란 모드에서의 투과도를 감소시킴으로써, 액정셀의 투과도 가변 특성을 향상시킬 수 있다. 본 명세서에서 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, 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.
액정셀은 액정층의 양측에 대향 배치된 두 개의 기판을 더 포함할 수 있다. 이 경우 엑정셀 (1)은 도 2에 나타낸 바와 같이, 대향 배치된 두 개의 기판 (201A, 201B) 및 상기 대향 배치된 두 개의 기판 (201A, 201B) 사이에 존재하는 상기 액정층 (101)을 포함할 수 있다.
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 무기계 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.
액정셀은 액정층의 양측에 대향 배치된 두 개의 전극층을 더 포함할 수 있다. 이 경우 액정셀은 대향 배치된 두 개의 전극층 및 상기 대향 배치된 두 개의 전극층 사이에 존재하는 상기 액정층을 포함할 수 있다. 액정층이 상기 대향 배치된 두 개의 기판 및 대향 배치된 두 개의 전극층을 모두 포함하는 경우, 도 3에 나타낸 바와 같이, 액정셀 (2)은 전극층 (301A, 301B) 및 기판(201A, 201B)의 순으로 액정층(101)에 더 인접하도록 배치될 수 있다.
전극층은 액정층 내의 액정 화합물의 정렬 상태를 전환할 수 있도록 액정층에 수직 또는 수평 전계를 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.
액정셀은 액정층의 양측에 대향 배치된 두 개의 수직 배향막을 더 포함할 수 있다. 이 경우 액정셀은 대향 배치된 두 개의 수직 배향막 및 상기 대향 배치된 두 개의 수직 배향막 사이에 존재하는 상기 액정층을 포함할 수 있다. 액정층이 상기 대향 배치된 두 개의 기판, 상기 대향 배치된 두 개의 전극층 및 대향 배치된 두 개의 수직 배향막을 모두 포함하는 경우, 도 4에 나타낸 바와 같이, 액정셀 (3)은 수직 배향막 (401A, 401B), 전극층 (301A, 301B) 및 기판(201A, 201B)의 순으로 액정층(101)에 더 인접하도록 배치될 수 있다.
수직 배향막으로는 인접하는 액정층의 액정 화합물에 대하여 수직 배향능을 가지는 배향막이라면 특별한 제한없이 선택하여 사용할 수 있다. 이러한 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.
본 출원은 또한, 액정셀의 용도에 관한 것이다. 예시적인 액정셀은, 예시적인 액정셀은 투명 모드와 산란 모드의 사이를 스위칭하며, 특히 산란 모드에서의 헤이즈 특성이 우수하다. 이러한 액정셀은 광변조 장치에 유용하게 사용될 수 있다. 광변조 장치로는, 스마트 윈도우, 윈도우 보호막, 플렉서블 디스플레이 소자, 3D 영상 표시용 액티브 리타더(active retarder) 또는 시야각 조절 필름 등이 예시될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기와 같은 광 변조 장치를 구성하는 방식은 특별히 제한되지 않고, 상기 액정셀이 사용되는 한 통상적인 방식이 적용될 수 있다.
본 출원은 투명 모드와 산란 모드의 사이를 스위칭하는 액정셀을 제공할 수 있다. 본 출원은 또한, EHDI 유발하는 액정 첨가제로서 고 유전율의 비이온성 화합물을 사용함으로써 액정층 내에서 비이온성 화합물의 용해도를 확보할 수 있으므로 성능이 우수한 액정셀을 구현할 수 있다. 본 출원의 액정셀은, 스마트 윈도우, 윈도우 보호막, 플렉서블 디스플레이 소자, 3D 영상 표시용 액티브 리타더(active retarder) 또는 시야각 조절 필름 등과 같은 다양한 광변조 장치에 적용될 수 있다.
도 1은 본 출원의 액정셀의 구동 방식을 예시적으로 나타낸다.
도 2 내지 4는 본 출원의 액정셀을 예시적으로 나타낸다.
도 5는 실시예 1 내지 3의 액정 첨가제의 유전율과 액정층의 수평 전도도의 관계를 나타낸다.
도 6은 실시예 1 내지 3의 전압에 따른 헤이즈 평가 결과이다.
도 7은 비교예 1 내지 2의 전압에 따른 헤이즈 평가 결과이다.
이하 실시예 및 비교예를 통하여 상기 내용을 보다 구체적으로 설명하지만, 본 출원의 범위가 하기 제시된 내용에 의해 제한되는 것은 아니다.
실시예 1
DSM (Dynamic Scattering Mode) 액정 조성물의 제조
10 mL 바이알(vial)에 HCCH社의 액정(HNG726200-100, 유전율 이방성: -4.0, 굴절률 이방성: 0.225) 3.60 g 및 액정 첨가제로서 Propylene carbonate (20℃에서의 유전율: 66.14, Handbook of Organic Solvents (David R. Lide/CRC Press/1994.12.01)) 0.40 g (약 10 중량%)을 첨가한 후 100℃에서 24시간 동안 교반하여 액정 조성물을 제조하였다.
DSM (Dynamic Scattering Mode) 액정셀의 제조
셀 내측에 투명 전극층 및 수직 배향막이 순차로 형성되고, 셀 간격이 9 um 인 글라스 테스트 셀에 모세관 현상을 이용하여 상기 제조된 액정 조성물을 주입하여 액정셀을 제조하였다.
실시예 2
액정 조성물의 제조에 있어서, 액정 첨가제로서 Propylene carbonate 대신에 Sulfolane (30℃에서의 유전율: 43.26, Handbook of Organic Solvents (David R. Lide/CRC Press/1994.12.01)) 0.4 g (약 10 중량%)을 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방식으로 액정셀을 제조하였다.
실시예 3
액정 조성물의 제조에 있어서, 액정 첨가제로서 Propylene carbonate 대신에 N,N-Dimethylaniline (25℃에서의 유전율: 4.90, Handbook of Organic Solvents (David R. Lide/CRC Press/1994.12.01)) 0.4 g (약 10 중량%)을 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방식으로 액정셀을 제조하였다.
비교예 1
액정 조성물의 제조에 있어서, 액정 첨가제로서 Propylene carbonate 대신에 CTAB (Hexadecyltrimethylammonium Bromide, TCI社) 0.04 g (약 1 중량%)을 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방식으로 액정셀을 제조하였다.
비교예 2
액정 조성물의 제조에 있어서, 액정 첨가제로서 Propylene carbonate 대신에 CTAC (Hexadecyltrimethylammonium Chloride, TCI社) 0.04 g (약 1 중량%)을 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방식으로 액정셀을 제조하였다.
비교예 3
액정 조성물의 제조에 있어서, 액정 첨가제로서 Propylene carbonate 대신에 CTAB (Hexadecyltrimethylammonium Bromide, TCI社) 0.4 g (약 10 중량%)을 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방식으로 액정셀을 제조하였다. 비교예 3의 경우 실시예 1과 액정 첨가제의 함량이 동일함에도 불구하고 액정 매질 내에서의 CTAB의 용해도가 확보되지 않아 투명 모드와 산란 모드를 스위칭하는 액정셀의 구현에 적합하지 않다.
비교예 4
액정 조성물의 제조에 있어서, 액정 첨가제로서 Propylene carbonate 대신에 CTAC (Hexadecyltrimethylammonium Bromide, TCI社) 0.4 g (약 10 중량%)을 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방식으로 액정셀을 제조하였다. 비교예 4의 경우도 실시예 1과 액정 첨가제의 함량이 동일함에도 불구하고 액정 매질 내에서의 CTAC의 용해성이 확보되지 않아 투명 모드와 산란 모드를 스위칭하는 액정셀의 구현에 적합하지 않다.
평가예 1 수평 전도도 평가
실시예 1 내지 3 및 비교예 1 내지 2에서 제조된 액정 셀에 대하여, LCR Meter(E4980A, Agilent社)를 이용하여, 측정 주파수가 60 Hz이고, 측정 전압이 0.5인 조건에서 상온 수평 전도도(σ//)를 측정하였다. 수평 전도도(σ//)는 수직 배향된 액정층에 대하여 수직 전계, 즉 액정층의 두께 방향으로 전계를 인가하며 측정하였다. 수평 전도도 평가 결과는 하기 표 1에 나타내었고, 도 5에 실시예 1 내지 3의 액정 첨가제의 유전율에 대한 액정층의 수평 전도도 그래프를 도시하였다. 도 5에 나타낸 바와 같이 액정층의 수평 전도도(단위: S/m)는 액정 첨가제의 유전율에 대하여 선형적인 관계를 가지는 것을 확인할 수 있다 (도 5에서 R2은 x 좌표를 액정 첨가제의 유전율로 세팅하고 y 좌표를 액정층의 수평 전도도로 세팅한 경우, x 및 y값이 y=1E-07x + 4E-07의 식에 부합되는 정도를 나타내는 수치로서, R2이 1인 경우 100% 부합되는 것을 의미하며, 도 5에 의하면, 상기 수식에 98.59% 부합하는 것을 알 수 있다.)
평가예 2 헤이즈 평가
실시예 1 내지 3 및 비교예 1 내지 2에서 제조된 액정셀에 대하여 헤이즈미터, NDH-5000SP를 이용하여, ASTM 방식으로 전압에 따른 헤이즈를 평가한 후 그 결과를 표 1 및 도 6 (실시예 1 내지 2) 내지 도 7 (비교예 1 내지 2)에 나타내었다. 구체적으로, 액정셀에 수직 전계를 인가하도록 액정셀의 상하 투명 전극층에 AC 전원을 연결하고 구동시키면서 인가된 각 전압에 따른 헤이즈를 측정하였다.
실시예 1 실시예 2 실시예 3 비교예 1 비교예 2
수평 전도도 (σ//)
(x 10-6)		 7.54 4.46 1.09 3.23 4.56
헤이즈 (%) 30V 88.6 75.2 66.3 72.0 84.6
50V 91.9 75.9 68.2 78.3 87.6
60V 93.6 83.3 74.0 81.2 86.0
101: 액정층
102: 액정 화합물
201A, 201B: 기판
301A, 301B: 전극층
401A, 401B: 수직 배향막

Claims (19)

  1. 액정 화합물 및 유전율(ε)이 3 이상인 비이온성 화합물을 포함하는 액정층을 가지고, 비이온성 화합물은 알킬렌 카보네이트(alkylene carbonate)계 화합물, 락톤(Lactone)계 화합물, 다이옥실란(dioxilane)계 화합물, 술포란(sulfolane)계 화합물 또는 알킬 아닐린(alkyl aniline)계 화합물인 액정셀.
  2. 제 1 항에 있어서, 액정 화합물은 네마틱상 또는 스메틱상 액정 화합물인 액정셀.
  3. 제 1 항에 있어서, 액정 화합물은 유전율 이방성(△ε)이 음수인 액정셀 (상기에서 유전율 이방성(△ε)은 액정 화합물의 수평 유전율(ε//)과 수직 유전율(ε⊥)의 차이(ε// - ε⊥)를 의미한다.).
  4. 제 3 항에 있어서, 액정 화합물의 유전율 이방성(△ε)의 절대 값은 1 내지 20 범위 내인 액정셀.
  5. 제 1 항에 있어서, 비이온성 화합물은 유전율은 10 이상인 액정셀.
  6. 제 1 항에 있어서, 비이온성 화합물은 유전율은 20 이상인 액정셀.
  7. 제 1 항에 있어서, 액정층은 염(Salt)을 포함하지 않는 액정셀.
  8. 삭제
  9. 제 1 항에 있어서, 비이온성 화합물의 액정층 내에서의 비율이 0.01 중량% 내지 20 중량%의 범위 내인 액정셀.
  10. 제 1 항에 있어서, 하기 수식 1을 만족하는 액정셀:
    [수식 1]
    y=1x10-7x + 4 x10-7 ≥ 1.0 x 10-5
    상기 수식 1에서, y는 액정층의 수평 전도도(σ//) (단위: S/cm)를 의미하고, x는 비이온성 화합물의 유전율(ε)을 의미한다 (단, 상기에서 비이온성 화합물의 액정층 내에서의 비율은 10 중량%이다).
  11. 제 1 항에 있어서, 헤이즈가 10% 미만인 투명 모드 및 헤이즈가 10% 이상인 산란 모드의 사이를 스위칭할 수 있도록 형성된 액정셀.
  12. 제 1 항에 있어서, 외부 작용이 인가되지 않은 상태에서 액정 화합물은 수직 배향된 상태로 존재하는 액정셀.
  13. 제 1 항에 있어서, 외부 작용이 인가되지 않은 상태에서 헤이즈가 10% 미만인 투명 모드를 구현하는 액정셀.
  14. 제 13 항에 있어서, 외부 작용 인가 시 헤이즈가 10% 이상인 산란 모드로 전환되는 액정셀.
  15. 제 1 항에 있어서, 액정층의 양측에 대향 배치된 두 개의 기판을 추가로 포함하는 액정셀.
  16. 제 1 항에 있어서, 액정층의 양측에 대향 배치된 두 개의 수직 배향막을 추가로 포함하는 액정셀.
  17. 제 1 항에 있어서, 액정층의 양측에 배치된 두 개의 전극층을 추가로 포함하는 액정셀.
  18. 제 1 항의 액정셀을 포함하는 광 변조 장치.
  19. 제 1 항의 액정셀을 포함하는 스마트 윈도우.
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