KR102041819B1

KR102041819B1 - 통상 투명 액정 소자

Info

Publication number: KR102041819B1
Application number: KR1020150121684A
Authority: KR
Inventors: 임은정; 오동현
Original assignee: 주식회사 엘지화학
Priority date: 2015-08-28
Filing date: 2015-08-28
Publication date: 2019-11-07
Also published as: KR20170025345A

Abstract

본 발명은 통상 투명 액정 소자에 관한 것으로, 한 쌍의 기판; 및 기판 사이에 배치되고, 화학식 1 내지 5 중에서 선택되는 1종 이상의 화합물을 함유하되, 오르토 및/또는 메타 위치에 -CN 및/또는 -NCS 작용기를 갖는 화합물을 함유하는 액정층을 포함하는 액정 소자를 제공한다.

Description

통상 투명 액정 소자{Normally transparent liquid crystal device}

본 발명은 통상 투명 액정 소자에 관한 것이다.

기존 투명-산란 상태 가변이 가능한 액정 소자는 산란 상태 구현을 위하여, 폴리머 네트워크(polymer network) 또는 폴리머 내의 액정 드롭(LC drop)을 형성함으로써, 전계에 의한 액정의 정렬에 따른 굴절률 이방성의 차이를 이용하여 투명-산란 상태를 구현하였다.

기본적으로 PDLC(Polymer Dispersed Liquid Crystal)는 전압 인가를 하지 않은 경우 산란 상태이나, 수직 배향막을 적용하거나 드롭 내의 액정 배열을 라디얼(radial) 상태로 구현함으로써, 통상 투명(normally transparent) 형태의 PNLC(Polymer Network Liquid Crystal) 및 PDLC 등이 개발되었다.

하지만 이러한 통상 투명 액정 소자는 구동 전압이 높고, 노광 특성에 따른 잔류 헤이즈(haze) 수준 변동 그리고 특성 저하 등의 문제가 있다.

일반적으로 EHDI(Electrohydrodynamic Instability) 특성을 구현하기 위해, 이온성 불순물을 첨가하거나, 전도도(conductivity) 조절을 위한 첨가물을 액정 내에 적용하게 된다.

기존에 이온 불순물을 소량 첨가하여 전도도를 조절하는 방식을 적용하는 경우, 액정에 용해도(solubility) 및 분산 특성의 차이로 인한 면내 불균일이 발생할 수 있다.

본 발명의 목적은 종래와 같은 불안정 특성을 개선 가능하고, 액정과 혼합 특성이 좋으며, 전도도 조절이 가능하여 EHDI 특성 구현이 용이한 통상 투명 액정 소자를 제공하는 것이다.

본 발명은 상술한 목적을 달성하기 위해, 한 쌍의 기판; 및 기판 사이에 배치되고, 화학식 1 내지 5 중에서 선택되는 1종 이상의 화합물을 함유하는 액정층을 포함하는 액정 소자를 제공한다.

[화학식 1]

[화학식 2]

[화학식 3]

[화학식 4]

[화학식 5]

화학식 1 내지 5에서

R은 수소, -R_n, -O-R_n, -R_n-CH=CH₂ 또는 -O-R_n-CH=CH₂이고, 여기서 R_n은 탄소수 1 내지 11의 알킬기 또는 알킬렌기이며,

L은 화학식 1 내지 3에서 직접 결합, 화학식 4 및 5에서 -COO-이고,

L'은 -COO-이며,

E 및 D는 화학식 2 및 3에서 -H, 화학식 4 및 5에서 각각 독립적으로 -CN 또는 -NCS이고,

C 및 B는 각각 독립적으로 -CN 또는 -NCS이며,

A는 -R' 또는 -O-R'이고, 여기서 R'는 탄소수 1 내지 11의 알킬기이다.

삭제

본 발명에서 액정층은 화학식 6 내지 9 중에서 선택되는 1종 이상의 화합물을 포함할 수 있다.

[화학식 6]

[화학식 7]

[화학식 8]

[화학식 9]

본 발명에서 액정층은 화학식 1 내지 5 중에서 선택되는 1종 이상의 화합물을 액정층 전체 중량에 대하여 5 내지 40 중량% 함유할 수 있다.

본 발명에서 액정층은 자외선(UV) 조사에 의해 전기수력학적 불안정(EHDI: Electrohydrodynamic Instability) 특성을 발현할 수 있고, 이때 자외선의 강도는 0.1 내지 4 J/㎠일 수 있다.

본 발명에서 액정층의 수평 전도도는 자외선 조사 후 1×10^-10 S/㎝ 이상일 수 있고, 액정층의 헤이즈(haze)는 자외선 조사 후 50% 이상일 수 있다.

본 발명에 따른 액정 소자는 초기 상태가 투명 상태인 통상 투명 소자이고, 외부 에너지 인가 유무에 의해 투명 상태와 헤이즈 상태가 가변 가능한 소자일 수 있다.

본 발명에서 액정층은 이색성 염료(dichroic dye), 이온성 불순물, 이온성 액체, 이온성 염, 반응성 작용기를 갖는 모노머 및 개시제 중에서 선택되는 1종 이상을 포함할 수 있다.

본 발명에서 기판은 유리, 실리콘, 석영, 인듐 주석 산화물(ITO), 플라스틱 중에서 선택되는 1종 이상의 소재로 이루어질 수 있다.

본 발명에서 액정층은 스페이서(spacer), 몰드(mold), 폴리머 네트워크(polymer network) 또는 폴리머 월(polymer wall)을 포함할 수 있다.

본 발명에 따른 액정 소자는 한 쌍의 기판 및 액정층 사이에 한 쌍의 배향막을 포함할 수 있고, 한 쌍의 기판 및 액정층 사이에 한 쌍의 전극층을 포함할 수 있다.

본 발명에 따른 액정 소자는 광변조 장치, 스마트 윈도우 등에 유용하게 적용될 수 있다.

본 발명에 따르면, 종래와 같은 불안정 특성을 개선 가능하고, 액정과 혼합 특성이 좋으며, 본 발명에서 제시하는 구조를 갖는 액정 분자의 함량과 UV 노광량에 따라 전도도 조절이 가능하여 EHDI 특성 구현이 용이하다.

도 1은 헤이즈-전압 곡선(H-V curve)을 나타낸 그래프이다.

이하, 본 발명을 상세하게 설명한다.

본 발명은 액정의 전도도를 조절하여 EHDI 특성을 구현할 수 있고, 투명-헤이즈 가변이 가능한 모드를 구현할 수 있는 액정 소자에 관한 것이다.

본 발명은 액정 내에 불순물을 적용하는 종래의 방법과 달리, UV 조사에 의해 혼합 액정의 전도도 조절이 가능한 혼합 액정을 포함하는 액정 소자를 제공한다.

본 발명에 따른 액정 소자는 한 쌍의 기판; 및 기판 사이에 배치되고, 화학식 1 내지 5 중에서 선택되는 1종 이상의 화합물을 함유하는 액정층을 포함한다.

[화학식 1]

[화학식 2]

[화학식 3]

[화학식 4]

[화학식 5]

화학식 1 내지 5에서

L'은 -COO-이며,

C 및 B는 각각 독립적으로 -CN 또는 -NCS이며,

삭제

이와 같이, 본 발명은 화학식 1 내지 5의 오르토 및/또는 메타 위치에 -CN 및/또는 -NCS 작용기를 갖는 화합물이 포함된 혼합 액정을 적용한 것을 특징으로 한다.

예를 들어, 화학식 1에서 C 및 B, C 및 A, B 및 A 중 하나는 모두 -CN이거나, 모두 -NCS이거나, 각각 -CN 및 -NCS이거나, 각각 -NCS 및 -CN일 수 있다.

화학식 2 및 3에서 E 및 D는 모두 -CN이거나, 모두 -NCS이거나, 각각 -CN 및 -NCS이거나, 각각 -NCS 및 -CN일 수 있다. 또한, 화학식 2 및 3에서 C 및 B, C 및 A, B 및 A 중 하나는 모두 -CN이거나, 모두 -NCS이거나, 각각 -CN 및 -NCS이거나, 각각 -NCS 및 -CN일 수 있으며, 이때 E 및 D는 모두 -CN이거나, 모두 -NCS이거나, 각각 -CN 및 -NCS이거나, 각각 -NCS 및 -CN이거나, 각각 다른 치환기일 수 있다.

화학식 4 및 5에서 E 및 D, E 및 A, D 및 A 중 하나는 모두 -CN이거나, 모두 -NCS이거나, 각각 -CN 및 -NCS이거나, 각각 -NCS 및 -CN일 수 있다.

화학식 1 내지 5의 구체적인 예는 화학식 6 내지 9일 수 있다.

[화학식 6]

[화학식 7]

[화학식 8]

[화학식 9]

화학식 6 내지 9에서 R 및 R'는 화학식 1 내지 5의 R 및 R'와 동일할 수 있다.

화학식 6의 화합물은 화학식 2에서 L이 직접 결합, E 및 D는 모두 -H, L'는 -COO-, C 및 B는 모두 -CN, A는 -O-R'인 경우이다.

화학식 7의 화합물은 화학식 3에서 L이 직접 결합, E 및 D는 모두 -H, L'는 -COO-, C 및 B는 모두 -CN, A는 -O-R'인 경우이다.

화학식 8의 화합물은 화학식 4에서 L이 -COO-, E 및 D는 모두 -CN, A는 -O-R'인 경우이다.

화학식 9의 화합물은 화학식 5에서 L이 -COO-, E 및 D는 모두 -CN, A는 -O-R'인 경우이다.

화학식 1 내지 5의 화합물은 낮은 자외선 안정성(poor UV stability)을 갖는 화합물로서, 자외선 조사에 의해 전도도와 헤이즈 등과 같은 물성이 변할 수 있는 화합물이다.

따라서, 본 발명에서는 화학식 1 내지 5의 화합물을 액정층에 사용하고 자외선을 조사함으로써, 액정층의 전도도를 조절하여 EHDI 특성을 구현할 수 있다. EHDI 특성은 액정층에 외부 에너지를 인가하는 것에 의해 액정 화합물에 불규칙한 배열 상태가 야기됨으로써 헤이즈를 유발할 수 있는 특성을 의미할 수 있다.

본 발명에서는 액정층에 불순물을 적용하지 않고 화학식 1 내지 5의 화합물을 사용함으로써, 종래에 액정층에 불순물을 적용함에 따라 발생하는 불안정 특성을 개선할 수 있다. 또한, 본 발명에서 사용하는 화학식 1 내지 5의 화합물은 액정과 혼합 특성이 좋다. 또한, 본 발명에서는 화학식 1 내지 5의 화합물의 함량 및 UV 노광량(강도)에 따라 전도도 조절이 가능하여 EHDI 특성 구현이 용이하다.

액정층은 화학식 1 내지 5 중에서 선택되는 1종 이상의 화합물을 액정층 전체 중량에 대하여 5 내지 40 중량%, 바람직하게는 10 내지 30 중량% 함유할 수 있다. 화학식 1 내지 5 화합물의 함량이 너무 적을 경우 전도도와 헤이즈 변화가 불충분하여 EHDI 특성을 구현하기 어려울 수 있고, 반대로 너무 많을 경우 전도도와 헤이즈 변화 폭이 더 이상 증가하지 않으면서 다른 물성이 저하될 수 있다.

액정층은 화학식 1 내지 5의 화합물 이외에, 상용 액정 화합물을 포함할 수 있다. 상용 액정 화합물은 네마틱(nematic) 액정 화합물일 수 있다. 상용 액정 화합물은 1종 또는 2종 이상 사용될 수 있다. 상용 액정 화합물의 함량은 화학식 1 내지 5 화합물의 함량에 따라 달라질 수 있고, 예를 들어 액정층 전체 중량에 대하여 60 내지 95 중량%일 수 있다.

액정 화합물은 양의 유전율 이방성 또는 음의 유전율 이방성을 가질 수 있다. 유전율 이방성은 액정 화합물의 이상 유전율과 정상 유전율이 차이를 의미할 수 있다. 액정 화합물의 유전율 이방성은 예를 들어 ±40 이하일 수 있다. 액정 화합물의 유전율 이방성이 이러한 범위를 가질 경우, 낮은 구동 전압으로도 구동이 가능하고, 우수한 헤이즈 특성을 나타낼 수 있으며, 보다 우수한 헤이즈 특성의 발현 측면에서 음의 유전율 이방성을 갖는 액정 화합물을 선택하여 사용할 수 있다.

액정층은 상술한 바와 같이 자외선(UV) 조사에 의해 EHDI 특성을 발현할 수 있는데, 이때 자외선의 강도는 0.1 내지 4 J/㎠, 바람직하게는 0.5 내지 3 J/㎠일 수 있다. 자외선 강도가 너무 작을 경우 전도도와 헤이즈 변화가 불충분하여 EHDI 특성을 구현하기 어려울 수 있고, 반대로 너무 클 경우 전도도와 헤이즈 변화 폭이 더 이상 증가하지 않으면서 다른 물성이 저하될 수 있다. 자외선 조사 시간은 특별히 제한되지 않고 예를 들어 0.1초 내지 1시간일 수 있다.

액정층의 수평 전도도(σ//)는 자외선 조사 후 1×10^-10 S/㎝ 이상, 바람직하게는 4×10^-10 S/㎝ 이상, 더욱 바람직하게는 7×10^-10 S/㎝ 이상일 수 있다. 수평 전도도의 상한치는 특별히 제한되지 않고, 예를 들어 1×10^-8 S/㎝ 이하일 수 있다.

전도도는 액정층에 전압을 인가한 상태에서 측정한 전도도를 의미하는 것으로서, 수평 전도도(σ//)는 액정층의 광축과 인가 전압에 의한 전기장의 방향이 실질적으로 수평하도록 전압을 인가한 상태에서 전기장의 방향을 따라 측정한 전도도 값을 의미할 수 있다. 예를 들어, 전도도 값은 액정층에 대하여 인가되는 전압의 측정 주파수를 60 Hz로 하고 측정 전압은 0.5 V로 한 상태에서 LCR(L: inductance, C: capacitance, R: resistance) 미터를 이용하여 2.2×4.0 ㎠의 면적 및 9 ㎛의 간격을 갖는 액정층에 대하여 상온에서 측정한 값을 1 ㎠의 면적 및 1 ㎝의 간격을 갖는 액정층을 기준으로 환산한 값을 의미할 수 있다.

액정층의 헤이즈(haze)는 자외선 조사 후 50% 이상, 바람직하게는 60% 이상, 더욱 바람직하게는 70% 이상일 수 있다. 헤이즈의 상한치는 특별히 제한되지 않고, 예를 들어 100% 이하일 수 있다.

헤이즈는 측정 대상을 투과하는 전체 투과광의 투과율에 대한 확산광의 투과율의 백분율일 수 있다. 헤이즈는 예를 들어 헤이즈미터(hazemeter, NDH-5000SP 등)를 사용하여 ASTM 방식으로 측정할 수 있다. 헤이즈는 헤이즈미터를 사용하여 다음의 방식으로 평가할 수 있다. 즉, 광을 측정 대상에 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 헤이즈의 측정이 가능하다. 즉, 이러한 과정에 의한 전 투과광(TT)는 확산광(DT)과 평행광(PT)의 총합(DT+PT)이고, 헤이즈는 전체 투과광에 대한 확산광의 백분율(Haze(%) = 100×DT/TT)로 규정될 수 있다.

통상 투명 소자는 외부 작용이 없는 상태(즉, 초기 상태 또는 통상 상태)에서는 투명 상태가 구현되고, 외부 작용 하에 헤이즈 상태로 전환되며, 외부 작용이 제거되면 다시 투명 상태로 전환되는 소자를 의미할 수 있다. 외부 작용은 액정 화합물의 정렬을 변경시킬 수 있도록 수행되는 모든 종류의 작용을 의미하고, 대표적으로 전압의 인가를 예로 들 수 있다.

투명 상태(투명 모드, 투과 상태 또는 투과 모드)는 광의 투과가 가능한 상태 또는 일정 수준의 이하의 헤이즈를 나타내는 상태(모드)를 의미할 수 있다. 헤이즈 상태(헤이즈 모드, 산란 상태 또는 산란 모드)는 액정층이 일정 수준 이상의 헤이즈를 나타내는 상태(모드)를 의미할 수 있다. 예를 들어, 투명 상태에서 400 내지 700 nm의 광에 대한 액정층의 투과율은 80% 이상이고 헤이즈는 40% 이하일 수 있다. 예를 들어 헤이즈 상태에서 400 내지 700 nm의 광에 대한 액정층의 투과율은 75% 이하이고 헤이즈는 50% 이상일 수 있다.

액정층은 투명 상태와 헤이즈 상태를 스위칭할 수 있다. 액정층의 초기 배향 상태는 네마틱 액정 화합물이 소정 방향으로 정렬된 상태, 예를 들어 수지 배향 상태 또는 수평 배향 상태일 수 있고, 이를 통해 액정층은 초기 상태에서 투명 상태를 구현할 수 있다. 액정층의 초기 배향 상태는 외부 에너지의 인가에 의해 변환될 수 있고, 예를 들어 액정층에 외부 에너지가 인가되는 경우 EHDI 특성이 유발되어 불규칙하게 배열된 상태로 변환되어 헤이즈가 발생할 수 있고, 이를 통해 헤이즈 상태로 스위칭될 수 있다.

액정층에 헤이즈를 유발하기 위해 인가되는 외부 에너지, 예를 들어 전계의 조건은 의도하는 목적을 손상시키지 않는 범위에서 적절히 선택될 수 있다. 예를 들어, 액정층의 초기 배향 상태가 수직 배향 상태 또는 수평 배향 상태인 경우, 액정층에 수직 전계, 예를 들어 20 내지 100 V의 수직 전계를 인가하는 것에 의해 액정층에 EHDI 특성을 유발할 수 있다. 인가되는 전계의 주파수는 예를 들어 500 Hz 이하일 수 있고, 일 실시예에 따르면 60 Hz의 주파수를 가지는 전계를 인가할 수 있다. 외부 에너지가 사라지면 액정층은 다시 초기 배향 상태로 복귀할 수 있고, 이를 통해 투명 상태로 다시 스위칭될 수 있다.

액정층은 이색성 염료(dichroic dye), 이온성 불순물, 이온성 액체, 이온성 염, 반응성 작용기를 갖는 모노머 및 개시제 중에서 선택되는 1종 이상을 포함할 수 있다. 이러한 물질들은 액정층의 전도도 등을 조절하기 위해서 사용되는 첨가제일 수 있다.

이색성 염료는 이방성 염료라고도 불린다. 이방성 염료는 예를 들어 액정층의 투과도 가변 특성을 향상시킬 수 있다. 염료는 가시광 영역, 예를 들어 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, 이방성 염료는 가시광 영역의 적어도 일부 또는 전체 범위에서 광의 이방성 흡수가 가능한 물질을 의미할 수 있다.

이방성 염료로는 예를 들어 액정 화합물의 정렬 상태에 따라 정렬될 수 있는 특성을 가지는 것으로 알려진 공지의 염료를 선택하여 사용할 수 있다. 이방성 염료로는 예를 들어 흑색 염료(black dye)를 사용할 수 있다. 이러한 염료로는 예를 들어 아조계 염료(BASF사의 X12 등) 또는 안트라퀴논계 염료 등으로 공지되어 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

이방성 염료의 이색비(dichroic ratio)는 5 이상, 6 이상 또는 7 이상일 수 있다. 이색비는 이방성 염료의 장축 방향에 평행한 편광의 흡수를 장축 방향에 수직하는 방향에 평행한 편광의 흡수로 나눈 값을 의미할 수 있다. 예시된 염료는 가시광 영역의 파장 범위 내에서 적어도 일부의 파장 또는 어느 한 파장에서 5 이상의 이색비를 만족할 수 있다. 이색비의 상한은 예를 들어 20 이하, 18 이하, 16 이하 또는 14 이하 정도일 수 있다.

이방성 염료의 함량은 액정층의 목적하는 투과도 가변 특성에 따라 적절히 선택될 수 있다. 예를 들어, 이방성 염료는 액정층 전체 중량에 대하여 0.01 내지 2 중량%의 비율로 액정층 내에 포함될 수 있다. 이방성 염료의 함량이 이러한 범위를 만족하는 경우, 이방성 염료를 포함하지 않는 경우에 비해 액정층의 투과도 가변 특성을 약 10% 이상 향상시킬 수 있다.

이온성 불순물로는 예를 들어 2,2,6,6-테트라메틸피페리딘-1-옥실 자유 라디칼 등을 사용할 수 있다.

이온성 액체로는 예를 들어 트리메틸알루미늄-헥사플루오로포스페이트(TMA-PF₆), 1-부틸-3-메틸이미다졸륨-테트라플루오로보레이트(BMIN-BF₄) 등을 사용할 수 있다.

이온성 염으로는 예를 들어 세트리모늄 브로마이드(CTAB), 세트리모늄 아이오다이드(CTAI), 세트리모늄 트리아이오다이드(CTAI3) 등을 사용할 수 있다.

반응성 작용기를 갖는 모노머로는 예를 들어 액정과 혼합성이 좋은 메조겐(mesogen) 작용기를 갖는 반응성 메조겐(RM: Reactive Mesogen) 등을 사용할 수 있다.

개시제로는 포스핀계 개시제(TPO 등) 등을 사용할 수 있다.

이들 첨가제의 함량은 액정층 전체 중량에 대하여 30 중량% 이하일 수 있다.

액정층은 스페이서(spacer), 몰드(mold), 폴리머 네트워크(polymer network) 또는 폴리머 월(polymer wall)을 포함할 수 있다. 스페이서 및 몰드는 액정층을 물리적으로 구획하기 위해 사용될 수 있다.

폴리머 네트워크는 예를 들어 액정층의 헤이즈 또는 투과도 특성을 조절하기 위하여 추가로 포함될 수 있다. 폴리머 네트워크는 또한 액정 화합물과는 상 분리된 상태로 존재할 수 있다. 액정층 내의 폴리머 네트워크는 예를 들어 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 들어 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 예시될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

폴리머 네트워크의 함량은 예를 들어 액정층의 헤이즈 또는 투과도 특성 등을 고려하여 적절히 선택될 수 있다. 폴리머 네트워크는 예를 들어 액정층 전체 중량에 대하여 0.1 내지 40 중량%의 비율로 액정층 내에 포함될 수 있다.

기판은 한 쌍이 서로 마주보면서 평행하게 배치될 수 있고, 한 쌍의 기판 사이에 액정층 등이 배치될 수 있다.

기판으로는 특별한 제한 없이 공지의 소재를 사용할 수 있다. 예를 들면, 유리, 결정성 또는 비결정성 실리콘, 석영, ITO(Indium Tin Oxide) 등의 무기계 소재나 플라스틱 소재 등을 사용할 수 있다. 기판으로는 광학적으로 등방성인 기판이나, 위상차층과 같이 광학적으로 이방성인 기판 또는 편광판이나 컬러 필터 기판 등을 사용할 수 있다.

플라스틱 기판으로는 트리아세틸 셀룰로오스(TAC), 사이클로 올레핀 코폴리머(COP), 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA), 폴리카보네이트(PC), 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP), 폴리비닐알코올(PVA), 디아세틸 셀룰로오스(DAC), 폴리아크릴레이트, 폴리에테르설폰(PES), 폴리에테르에테르케톤(PEEK), 폴리페닐설폰(PPS), 폴리에테르이미드(PEI), 폴리에틸렌나프탈레이트(PEN), 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리이미드(PI), 폴리설폰(PSF), 폴리아릴레이트(PAR), 비정질 불소수지 등을 포함하는 기판을 사용할 수 있지만, 이에 제한되는 것은 아니다. 기판에는 필요에 따라서 금, 은, 규소 화합물(이산화규소, 일산화규소 등) 등의 코팅층이나, 반사방지층 등의 코팅층이 존재할 수도 있다.

배향막은 액정층과 인접하게 배치될 수 있다. 배향막이 액정층과 인접하게 배치되어 있다는 것은 배향막이 액정층의 액정 화합물의 배향에 영향을 미칠 수 있도록 배치되어 있음을 의미할 수 있다. 예를 들어, 배향막은 기판 및/또는 액정층과 밀착될 수 있다. 액정층은 배향막에 의해 초기 상태에서 적절한 배향 상태를 유지할 수 있다.

배향막의 종류는 예를 들어 액정층에 포함되는 액정 화합물의 종류에 따라 적절히 선택될 수 있다. 배향막은 예를 들어 수직 또는 수평 배향막일 수 있다. 수직 또는 수평 배향막으로는 인접하는 액정층의 액정 화합물에 대하여 수직 또는 수평 배향능을 가지는 배향막이라면 특별한 제한없이 선택하여 사용할 수 있다. 이러한 배향막으로는 예를 들어 러빙 배향막과 같은 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.

전극층은 액정층과 인접하게 배치될 수 있다. 전극층은 액정층 내의 액정 화합물의 정렬 상태를 전환할 수 있도록 액정층에 수직 또는 수평 전계를 인가할 수 있다. 전극층은 예를 들어 전도성 고분자, 전도성 금속, 전도성 나노와이어, ITO(Indium Tin Oxide) 등의 금속 산화물 등을 증착하여 형성할 수 있다. 또한, 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.

본 발명에 따른 액정 소자는 광변조 장치, 스마트 윈도우 등에 유용하게 적용될 수 있다. 광변조 장치로는 스마트 윈도우, 윈도우 보호막, 플렉서블 디스플레이 소자, 3D 영상 표시용 액티브 리타더(active retarder), 시야각 조절 필름 등이 예시될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 광 변조 장치를 구성하는 방식은 특별히 제한되지 않고, 액정 소자가 사용되는 한 통상적인 방식이 적용될 수 있다.

[실시예 1]

ITO(Indium Tin Oxide) 투명 전극층과 공지의 수직 배향막이 순차 형성되어 있는 2장의 PC(polycarbonate) 필름을 배향막이 서로 대향하고, 간격이 약 9 ㎛ 정도가 되도록 이격 배치시킨 후에, 이격 배치된 2장의 PC 필름의 사이에 액정 조성물을 주입하고, 에지(edge)를 실링하여 2.2×4.0 ㎠의 면적 및 9 ㎛의 간격을 갖는 액정 소자를 제작하였다. 수직 배향막으로는 수직 배향 조성물(Nissan 5661)을 ITO 투명 전극층 상에 코팅하고 100℃ 이상의 온도에서 5분 이상 소성을 진행시킨 것을 사용하였다. 액정 조성물은 상용 액정 화합물(HNG730600-200, HCCH사 제품, 유전율 이방성 -5.0, 비저항 10¹¹) 90 중량%, 화학식 9의 화합물 10 중량%로 조성된 것을 사용하였다.

[실시예 2]

상용 액정 화합물(HNG730600-200, HCCH사 제품, 유전율 이방성 -5.0, 비저항 10¹¹) 80 중량%, 화학식 9의 화합물 20 중량%로 조성된 액정 조성물을 사용한 것을 제외하고 실시예 1과 동일하게 액정 소자를 제작하였다.

[비교예 1]

상용 액정 화합물(HNG730600-200, HCCH사 제품, 유전율 이방성 -5.0, 비저항 10¹¹)만을 단독으로 사용한 것을 제외하고 실시예 1과 동일하게 액정 소자를 제작하였다.

[시험예]

실시예 및 비교예에서 제작한 액정 소자에 대하여, UV 조사 전후의 수평 전도도(σ//) 및 헤이즈를 측정하였으며, 그 결과는 표 1, 도 1 및 표 2와 같다.

수평 전도도(σ//)는 액정층에 대하여 인가되는 전압의 측정 주파수를 60 Hz로 하고 측정 전압은 0.5 V로 한 상태에서 LCR 미터를 이용하여 측정한 후, 1 ㎠의 면적 및 1 ㎝의 간격을 갖는 액정층을 기준으로 환산하였다.

헤이즈는 헤이즈미터(NDH-5000SP)를 사용하여 ASTM 방식으로 측정하였다.

	UV 조사 전		UV 1.0 J/㎠ 조사 후
	σ//[S/㎝]	Haze	σ//[S/㎝]	Haze
비교예 1	2.15E-11	0.7%	3.58E-11	0.7%
실시예 1	8.39E-11	28.5%	9.51E-10	91.5%

표 1에서 확인할 수 있는 바와 같이, 비교예 1의 경우 UV 조사 전후의 전도도와 헤이즈의 변화가 거의 없었으나, 실시예 1의 경우 UV 조사 전후의 전도도와 헤이즈의 변화 폭이 매우 컸다.

도 1은 헤이즈-전압 곡선(H-V curve)을 나타낸 그래프로서, 도 1에서 strong UV stability before는 비교예 1의 UV 조사 전, strong UV stability after는 비교예 1의 UV 조사 후, poor UV stability before는 실시예 1의 UV 조사 전, poor UV stability after는 실시예 1의 UV 조사 후를 의미한다. 도 1에서 확인할 수 있는 바와 같이, 실시예 1의 경우 전압이 증가할수록 헤이즈도 증가하였고, 실시예 1의 경우 UV 조사 후 헤이즈 값은 약 60 V에서 피크였다.

	UV 조사 전		UV 0.5 J/㎠ 조사 후		UV 1.0 J/㎠ 조사 후
	σ// [S/㎝]	Haze (60V)	σ// [S/㎝]	Haze (60V)	σ// [S/㎝]	Haze (60V)
비교예 1	2.15E-11	0.7%	3.07E-11	0.7%	3.58E-11	0.7%
실시예 1	8.39E-11	28.5%	7.26E-10	79.8%	9.51E-10	91.5%
실시예 2	1.00E-10	30.5%	9.00E-10	90.6%	1.43E-09	95.5%

표 2에서 확인할 수 있는 바와 같이, 비교예 1의 경우 UV 조사 전후의 전도도와 헤이즈의 변화가 거의 없었으나, 실시예 1 및 2의 경우 UV 조사 전후의 전도도와 헤이즈의 변화 폭이 매우 컸다. 또한, 본 발명에 따른 화학식 화합물의 함량 및 UV 강도가 증가할수록 전도도와 헤이즈의 변화 폭이 더 커졌다.

Claims

한 쌍의 기판; 및
기판 사이에 배치되고, 화학식 1 내지 5 중에서 선택되는 1종 이상의 화합물 5 내지 40 중량% 및 네마틱 액정 화합물 60 내지 95 중량%를 함유하는 액정층을 포함하며,
액정층은 자외선(UV) 조사에 의해 전기수력학적 불안정(EHDI: Electrohydrodynamic Instability) 특성을 발현하고,
자외선의 강도는 0.1 내지 4 J/㎠이며,
액정층의 수평 전도도는 자외선 조사 후 1×10^-10 S/㎝ 이상이고,
액정층의 헤이즈(haze)는 자외선 조사 후 50% 이상이며,
액정 소자는 초기 상태가 투명 상태인 통상 투명 소자이고, 외부 에너지 인가 유무에 의해 투명 상태와 헤이즈 상태가 가변 가능한 소자인 액정 소자:
[화학식 1]

[화학식 2]

[화학식 3]

[화학식 4]

[화학식 5]

화학식 1 내지 5에서
R은 수소, -R_n, -O-R_n, -R_n-CH=CH₂ 또는 -O-R_n-CH=CH₂이고, 여기서 R_n은 탄소수 1 내지 11의 알킬기 또는 알킬렌기이며,
L은 화학식 1 내지 3에서 직접 결합, 화학식 4 및 5에서 -COO-이고,
L'은 -COO-이며,
E 및 D는 화학식 2 및 3에서 -H, 화학식 4 및 5에서 각각 독립적으로 -CN 또는 -NCS이고,
C 및 B는 각각 독립적으로 -CN 또는 -NCS이며,
A는 -R' 또는 -O-R'이고, 여기서 R'는 탄소수 1 내지 11의 알킬기이다.
제1항에 있어서,
액정층은 화학식 6 내지 9 중에서 선택되는 1종 이상의 화합물을 포함하는 것을 특징으로 하는 액정 소자.
[화학식 6]

[화학식 7]

[화학식 8]

[화학식 9]
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
제1항에 있어서,
액정층은 이색성 염료(dichroic dye), 이온성 불순물, 이온성 액체, 이온성 염, 반응성 작용기를 갖는 모노머 및 개시제 중에서 선택되는 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 액정 소자.
제1항에 있어서,
기판은 유리, 실리콘, 석영, 인듐 주석 산화물(ITO), 플라스틱 중에서 선택되는 1종 이상의 소재로 이루어진 것을 특징으로 하는 액정 소자.
제1항에 있어서,
액정층은 스페이서(spacer), 몰드(mold), 폴리머 네트워크(polymer network) 또는 폴리머 월(polymer wall)을 포함하는 것을 특징으로 하는 액정 소자.
제1항에 있어서,
한 쌍의 기판 및 액정층 사이에 한 쌍의 배향막을 포함하는 것을 특징으로 하는 액정 소자.
제1항에 있어서,
한 쌍의 기판 및 액정층 사이에 한 쌍의 전극층을 포함하는 것을 특징으로 하는 액정 소자.
제1항에 따른 액정 소자를 포함하는 광변조 장치.
제1항에 따른 액정 소자를 포함하는 스마트 윈도우.