KR102079143B1 - 광학 소자 - Google Patents
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Abstract
본 출원은 광학 소자, 투과율 가변 장치 및 이의 용도에 관한 것이다. 일 예시에서 본 출원은, GH셀의 셀갭(cell gap)이 두꺼워지는 경우에도 벌크 액정 화합물(Bulk Liquid Crystal Host)에 의한 백플로우(back flow) 현상이 억제되고, 응답 속도 및 구동 특성이 우수한 광학 소자 및 그를 포함하는 투과율 가변 장치를 제공할 수 있다.
Description
본 출원은, 광학 소자에 관한 것이다.
주로 액정 화합물인 호스트(Liquid Crystal Host)과 이색성 염료 게스트(dichroic dye guest)의 혼합물을 적용한 소위 GH셀(Guest host cell)을 사용한 투과율 가변 장치는 공지이다(예를 들면, 특허문헌 1).
이러한 투과율 가변 장치는 선글라스 등의 안경류(eyewear)나 건물 외벽, 차량의 선루프 등을 포함한 다양한 용도에 적용되고 있다. 최근에는 소위 증강 현실(AR, Augmented Reality)의 체험을 위한 안경류에도 상기 투과율 가변 소자의 적용이 검토되고 있다.
이러한 투과율 가변 장치는, GH셀 내의 이색성 염료 게스트의 배향을 조절하여 투과율을 조절하게 되고, 예를 들면, 액정 호스트의 배향을 수직 배향 상태와 수평 배향 상태의 사이에서 스위칭함으로써 투과율을 조절하는 경우가 있다.
본 출원은, 광학 소자를 제공하는 것을 목적으로 한다. 일 예시에서 본 출원은, 액정층의 셀갭(cell gap)이 두꺼워지는 경우에도 벌크 액정 화합물(Bulk Liquid Crystal Compound)에 의한 백플로우(back flow) 현상이 억제되고, 응답 속도 및 구동 특성이 우수한 광학 소자를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 출원은 광학 소자에 대한 것이다. 본 출원의 광학 소자는, 그 단독으로 혹은 다른 요소와 조합되어 투과율 가변 장치를 형성할 수 있다. 용어 투과율 가변 장치는 높은 투과율의 상태 및 낮은 투과율의 상태의 사이를 스위칭할 수 있도록 설계된 장치를 의미할 수 있다.
본 명세서에서 상기 높은 투과율의 상태는 투과 상태로 호칭될 수 있고, 낮은 투과율의 상태는 차단 상태로 호칭될 수 있다.
상기 투과 상태는, 예를 들면, 상기 장치의 투과율이 40% 이상인 상태를 의미할 수 있고, 차단 상태는 상기 장치의 투과율이 10% 이하인 상태를 의미할 수 있다.
상기 투과 상태에서의 투과율은 수치가 높을수록 유리하고, 차단 상태에서의 투과율은 낮을수록 유리하기 때문에 각각의 상한과 하한은 특별히 제한되지 않는다. 일 예시에서 상기 투과 상태에서의 투과율의 상한은 약 100%, 약 95%, 약 90%, 약 85%, 약 80%, 약 75%, 약 70%, 약 65% 또는 약 60%일 수 있다. 상기 투과 상태에서의 투과율은 다른 예시에서 약 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. 상기 차단 상태에서의 투과율의 하한은 약 0%, 약 1%, 약 2%, 약 3%, 약 4%, 약 5%, 약 6%, 약 7%, 약 8%, 약 9% 또는 약 10%일 수 있다.
상기 투과율은 직진광 투과율일 수 있다. 용어 직진광 투과율은 소정 방향으로 투과율 가변 장치를 입사한 광 대비 상기 입사 방향과 동일한 방향으로 상기 투과율 가변 장치를 투과한 광(직진광)의 비율일 수 있다. 일 예시에서 상기 투과율은, 상기 투과율 가변 장치의 표면 법선과 평행한 방향으로 입사한 광에 대하여 측정한 결과(법선광 투과율)이거나, 혹은 상기 표면 법선과 0도를 초과하고, 20도 이내인 각도를 이루는 방향으로 입사한 광에 대해 측정한 결과(경사광 투과율)일 수 있다. 상기 경사광 투과율의 측정을 위해 입사하는 광의 방향이 상기 표면 법선과 이루는 각도는 다른 예시에서 약 0.5도 이상, 약 1도 이상 또는 약 1.5도 이상이거나, 약 19.5 도 이하, 약 19 도 이하, 약 18.5도 이하, 약 18도 이하, 약 17.5도 이하, 약 17도 이하, 약 16.5도 이하, 약 16도 이하, 약 15.5도 이하, 약 15도 이하, 약 14.5도 이하, 약 14도 이하, 약 13.5도 이하, 약 13도 이하, 약 12.5도 이하, 약 12도 이하, 약 11.5도 이하, 약 11도 이하, 약 10.5도 이하, 약 10도 이하, 약 9.5도 이하, 약 9 도 이하, 약 8.5 도 이하, 약 8 도 이하, 약 7.5 도 이하, 약 7 도 이하, 약 6.5 도 이하, 약 6 도 이하, 약 5.5 도 이하, 약 5 도 이하, 약 4.5 도 이하, 약 4 도 이하, 약 3.5 도 이하 또는 약 3 도 이하일 수 있다
상기 투과율은 가시광 파장 영역, 즉 400 내지 700 nm의 파장 범위 내의 어느 하나의 파장의 광에 대한 수치이거나, 혹은 상기 전 파장의 광에 대한 수치의 평균치일 수 있다.
또한, 상기 언급한 각 투과 상태에서의 직진광 투과율은 상기 투과율 가변 장치의 해당 투과율이 가장 높은 상태에서의 투과율이고, 차단 상태에서의 직진광 투과율은 상기 투과율 가변 장치의 해당 투과율이 가장 낮은 상태에서의 투과율이다.
본 출원의 상기 광학 소자는 능동 액정층(Active Liquid Crystal Layer)을 적어도 포함하고, 일 예시에서 상기 능동 액정층은 능동 게스트 호스트 액정층(Active Guest Host Liquid Crystal Layer, 이하, 능동 GH층으로 호칭할 수 있다.)일 수 있다. 상기에서 능동 액정층은 액정 화합물을 적어도 포함하면서, 상기 액정의 광축의 방향이 외부 신호, 예를 들면, 전압 등에 의해 변경될 수 있도록 형성된 액정층이고, 능동 GH층은, 액정 화합물(액정 호스트) 및 이색성 염료 게스트를 적어도 포함하는 층으로서, 역시 그 광축의 방향을 외부 신호, 예를 들면, 전압 등에 의해 변경할 수 있도록 형성된 액정층을 의미할 수 있다.
이하, 본 명세서에서는 편의상 상기 능동 액정층이 능동 GH층인 것으로 설명하지만, 상기 능동 GH층에 대한 사항은 능동 액정층에도 적용될 수 있다.
상기에서 광축은, 능동 액정층 또는 GH층의 액정 화합물의 광축(Optical axis) 또는 지상축(Slow axis)을 의미하고, 액정 화합물이 로드(rod) 형태인 경우에는 그 장축의 방향을 의미하고, 디스코틱(discotic) 액정의 경우, 원판 평면의 법선 방향과 평행한 축을 의미할 수 있다.
GH층에 포함되는 이색성 염료의 배향은, 소위 게스트 호스트 효과로 알려진 기작에 의해 액정 화합물에 따라 결정된다.
상기 능동 GH층의 광축은, 수직 배향 상태와 수평 배향 상태의 사이를 스위칭할 수 있다.
상기에서 수직 배향 상태는, 상기 능동 액정층 또는 GH층의 광축 또는 평균 광축이 상기 GH층의 평면의 법선 방향과 대략 -10도 내지 10도의 범위 내, -8도 내지 8도의 범위 내, -6도 내지 6도의 범위 내, -4도 내지 4도의 범위 내, -2도 내지 2도의 범위 내의 각도를 이루거나, 실질적으로 평행한 경우를 의미한다. 또한, 수평 배향 상태는, 상기 능동 액정층 또는 GH층의 광축 또는 평균 광축이 상기 액정층 또는 GH층의 법선 방향과 수직한 방향과 대략 -10도 내지 10도의 범위 내, -8도 내지 8도의 범위 내, -6도 내지 6도의 범위 내, -4도 내지 4도의 범위 내, -2도 내지 2도의 범위 내의 각도를 이루거나, 실질적으로 평행한 경우를 의미한다.
또한, 상기에서 평균 광축은, 능동 액정층 또는 GH층의 액정 화합물의 광축의 벡터합일 수 있다.
일 예시에서 상기 광학 소자의 능동 액정층 또는 GH층은, 전압과 같은 외부 신호가 인가되지 않은 상태에서 상기 수직 배향 상태로 존재하다가, 외부 신호가 인가되면 수평 배향 상태로 스위칭되고, 다시 외부 신호가 없어지면 수직 배향 상태로 스위칭되거나, 전압과 같은 외부 신호가 인가되지 않은 상태에서 상기 수평 배향 상태로 존재하다가, 외부 신호가 인가되면 수직 배향 상태로 스위칭되고, 다시 외부 신호가 없어지면 수평 배향 상태로 스위칭되도록 구성되어 있을 수 있다.
상기 광학 소자에서 상기 능동 액정층 또는 GH층의 두께(d)와 상기 수직 배향 상태에서의 상기 액정 화합물의 피치(p)의 비율(d/p)은 0.1 내지 0.2의 범위 내일 수 있다. 상기 비율(d/p)은, 다른 예시에서 약 0.11 이상, 0.12 이상, 0.13 이상, 0.14 이상, 0.15 이상 또는 0.155 이상일 수 있거나, 0.19 이하, 0.18 이하 또는 0.17 이하일 수 있다.
상기에서 GH층의 두께(d)는, GH층의 셀갭(cell gap)과 같은 의미이고, 예를 들어, 후술하는 것처럼 2장의 기판과 그 사이에 상기 GH층이 형성되는 경우에는 그 2장의 기판의 대향하는 면 사이의 간격을 의미할 수 있다.
상기에서 액정 화합물의 피치(p)는, Wedge cell을 이용한 계측 방법으로 측정할 수 있고, 구체적로는 D. Podolskyy 등의 Simple method for accurate measurements of the cholesteric pitch using a “stripe-wedge Grandjean-Cano cell (Liquid Crystals, Vol. 35, No. 7, July 2008, 789-791)에 기재된 방식으로 측정할 수 있다.
상기와 같이 셀갭(d)과 피치(p)의 비율(d/p)을 제어하는 것에 의해, 예를 들어, 셀갭이 두꺼워지는 경우에도 배향층이나 외부 신호에 의해 배향력에 의해 제어되지 않는 액정층(Bluk 액정층)을 최소화하여 빠른 응답 속도와 넓은 투과율 밴드를 달성할 수 있다. 상기에서 투과율 밴드는, 광학 소자가 나타낼 수 있는 최대 투과율과 최소 투과율의 차이를 의미한다. 상기 비율(d/p)이 지나치게 낮은 값이 되는 경우에 응답 속도가 떨어질 수 있고, 지나치게 높은 값을 가진다면, 수평 배향 상태에서 원치않는 액정 화합물의 트위스트 배향 상태가 유도될 수 있다.
상기와 같은 상태에서 상기 GH층의 두께, 즉 셀갭은 약 4 ㎛ 이상일 수 있다. GH층의 두께가 두꺼울수록 넓은 투과율 밴드의 구현이 가능하지만, 이러한 경우에 상기 Bulk 액정층의 비율은 더욱 높아진다. 그렇지만, 상기 비율(d/p)하에서는, 두꺼운 셀갭하에서도 상기 Bulk 액정층의 비율을 최소화하거나, 억제하고, 우수한 특성의 광학 소자를 제공할 수 있다.
상기 셀갭은 다른 예시에서 약 5㎛ 이상, 6㎛ 이상, 7㎛ 이상, 8㎛ 이상, 9㎛ 이상, 10㎛ 이상, 11㎛ 이상, 12㎛ 이상, 13㎛ 이상, 14㎛ 이상 또는 14.5㎛ 이상일 수 있으며, 30㎛ 이하, 29㎛ 이하, 28㎛ 이하, 27㎛ 이하, 26㎛ 이하, 25㎛ 이하, 24㎛ 이하, 23㎛ 이하, 22㎛ 이하, 21㎛ 이하, 20㎛ 이하, 19㎛ 이하, 18㎛ 이하, 17㎛ 이하, 16㎛ 이하 또는 16.5㎛ 이하일 수 있다.
상기 비율(d/p)은, 예를 들면, GH층 내에 키랄 도펀트(chiral dopant)를 적정량 도입함으로써 달성할 수 있다.
적용될 수 있는 키랄 도펀트의 종류는 제한되지 않으며, 상기 액정 화합물의 액정성(예를 들면, 네마틱 규칙성)을 손상시키지 않고, 목적하는 피치를 확보할 수 있는 것이라면 특별히 제한되지 않고 사용될 수 있다. 키랄 도펀트는 분자 구조 중에 키랄리티(chirality)를 적어도 포함할 필요가 있다. 키랄 도펀트로는, 예를 들면, 1개 또는 2개 이상의 비대칭 탄소(asymmetric carbon)를 가지는 화합물, 키랄 아민 또는 키랄 술폭시드 등의 헤테로원자 상에 비대칭점(asymmetric point)이 있는 화합물 또는 크물렌(cumulene) 또는 비나프톨(binaphthol) 등의 축부제를 가지는 광학 활성인 부위(axially asymmetric, optically active site)를 가지는 화합물이 예시될 수 있다. 키랄 도펀트로는, 시판의 키랄 네마틱 액정, 예를 들면, Merck사의 키랄 도판트 액정 S-811 또는 BASF사의 LC756 등을 사용할 수도 있다.
키랄 도펀트의 적용 비율은, 상기 비율(d/p)을 달성할 수 있도록 선택되는 것으로 특별히 제한되지 않는다. 일반적으로 키랄 도펀트의 함량(중량%)은, 100 / (HTP (Helixcal Twisting power) × 피치(nm)의 수식으로 계산되고, 이러한 방식을 참조하여 목적하는 피치를 고려하여 적정 비율이 선택될 수 있다.
능동 GH층에 포함되는 액정 화합물의 종류는 제한되지 않으며, GH셀을 구성할 수 있는 것으로 알려진 공지의 액정 화합물을 적용할 수 있다. 예를 들면, 상기 액정 화합물로는 네마틱 액정 화합물을 사용할 수 있다. 상기 액정 화합물은, 비반응성 액정 화합물일 수 있다. 비반응성 액정 화합물은, 중합성기를 가지지 않는 액정 화합물을 의미할 수 있다. 상기에서 중합성기로는, 아크릴로일기, 아크릴로일옥시기, 메타크릴로일기, 메타크릴로일옥시기, 카복실기, 히드록시기, 비닐기 또는 에폭시기 등이 예시될 수 있으나, 이에 제한되지 않고, 중합성기로서 알려진 공지의 관능기가 포함될 수 있다.
GH층에 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.
GH층 내에 존재하는 액정 화합물의 굴절률 이방성은 목적 물성, 예를 들어, 투과 특성이나, 콘트라스트 비율 등을 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 0.3 이하의 범위 내에 있을 수 있다.
GH층은 이색성 염료를 추가로 포함한다. 상기 염료는 게스트 물질로서 포함될 수 있다. 이색성 염료는, 예를 들면, 호스트 물질의 배향에 따라서 장치의 투과율을 제어하는 역할을 할 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 「이색성 염료」는 상기 가시광 영역의 적어도 일부 또는 전체 범위에서 광의 이방성 흡수가 가능한 물질을 의미할 수 있다.
이색성 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. 이러한 이색성 염료의 예로는, 소위 아조 염료, 안트라퀴논 염료, 메틴 염료, 아조메틴 염료, 메로시아닌 염료, 나프토퀴논 염료, 테트라진 염료, 페닐렌 염료, 퀴터릴렌 염료, 벤조티아다이아졸 염료, 다이케토피롤로피롤 염료, 스쿠아레인 염료 또는 파이로메텐 염료 등이 있으나, 본 출원에서 적용 가능한 염료가 상기에 제한되는 것은 아니다. 이색성 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.
이색성 염료는, 이색비(dichroic ratio), 즉 이색성 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.
이색성 염료의 GH층 내의 비율은 목적 물성, 예를 들면, 투과율 가변 특성에 따라 적절히 선택될 수 있다. 예를 들어, 이색성 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 GH층 내에 포함될 수 있다. 이색성 염료의 GH층 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.
또한, GH층 내에서 상기 액정 화합물과 상기 이색성 염료의 합계 중량은, 예를 들면, 약 60 중량% 이상, 65 중량% 이상, 70 중량% 이상, 75 중량% 이상, 80 중량% 이상, 85 중량% 이상, 90 중량% 이상 또는 95 중량% 이상일 수 있고, 다른 예시에서는 약 100 중량% 미만, 98 중량% 이하 또는 96 중량% 이하일 수 있다.
상기 GH층은 상기 성분, 즉 액정 화합물, 이색성 염료 및 키랄 도펀트에 추가로 필요하다면, 공지의 GH층의 형성에 사용되는 임의적인 첨가 물질을 추가로 포함할 수 있다.
상기 GH층은, 예를 들면, 약 0.5 이상의 이방성도(R)를 가질 수 있다. 상기 이방성도(R)는, 문헌 “Polarized Light in Optics and Spectroscopy”, D. S. Kliger et al., Academic Press, 1990에 기재된 방식으로 측정할 수 있다.
상기 이방성도(R)는 다른 예시에서 약 0.55 이상, 0.6 이상 또는 0.65 이상일 수 있다. 상기 이방성도(R)는 예를 들면, 약 0.9 이하, 약 0.85 이하, 약 0.8 이하, 약 0.75 이하 또는 약 0.7 이하일 수 있다.
이방성도(R)는 예를 들면, 액정 화합물(호스트)의 종류 및/또는 비율, 이방성 염료의 종류 및/또는 비율이나 상기 셀갭 등을 제어하여 달성할 수 있다.
상기 GH층은, 상기 수직 배향 상태에서 소정 범위의 프리틸트(pre-tilte)각을 가지도록 설계될 수 있다.
상기 프리틸트각은, 전술한 액정 화합물의 방향자의 방향이 상기 GH층의 평면과 이루는 각도를 의미할 수 있다.
이러한 액정 화합물의 프리틸트각을 제어하는 방식은 특별히 제한되지 않으며, 공지의 방식으로 조절할 수 있다.
상기 프리틸트각은 예를 들면, 70도 이상이면서, 90도 미만일 수 있다. 이러한 프리틸트각의 설정을 통해 보다 투과율 밴드가 넓으면서, 응답 속도와 구동 특성이 우수한 광학 소자를 제공할 수 있다.
상기 프리틸트각은 일 예시에서 약 71도 이상, 72 도 이상, 약 73 도 이상, 약 74 도 이상, 약 75, 약 76, 약 77, 약 78도 이상, 약 79도 이상, 약 80도 이상, 약 81도 이상, 약 82도 이상, 약 83도 이상, 약 84도 이상, 약 85도 이상, 약 86도 이상 또는 약 87도 이상일 수 있고, 약 89도 이하, 약 88.5도 이하 또는 약 88도 이하일 수 있다.
상기 광학 소자는, 상기 GH층을 적어도 포함하면서 다양한 다른 요소를 추가로 포함할 수 있다.
일 예시에서 상기 광학 소자는 서로 대향 배치되어 있는 제 1 및 제 2 기판을 포함할 수 있고, 이 때 상기 GH층은 상기 제 1 및 제 2 기판의 사이에 위치할 수 있다.
상기 기판으로는, 특별한 제한 없이 공지의 소재가 사용될 수 있다. 예를 들면, 기판으로는 유리 필름, 결정성 또는 비결정성 실리콘 필름, 석영 또는 ITO(Indium Tin Oxide) 필름 등의 무기 필름이나 플라스틱 필름 등을 사용할 수 있다.
플라스틱 기판으로는, TAC(triacetyl cellulose) 기판; 노르보르넨 유도체 기판 등의 COP(cyclo olefin copolymer) 기판; PMMA(poly(methyl methacrylate) 기판; PC(polycarbonate) 기판; PE(polyethylene) 기판; PP(polypropylene) 기판; PVA(polyvinyl alcohol) 기판; DAC(diacetyl cellulose) 기판; Pac(Polyacrylate) 기판; PES(poly ether sulfone) 기판; PEEK(polyetheretherketon) 기판; PPS(polyphenylsulfone), PEI(polyetherimide) 기판; PEN(polyethylenemaphthatlate) 기판; PET(polyethyleneterephtalate) 기판; PI(polyimide) 기판; PSF(polysulfone) 기판; PAR(polyarylate) 기판 또는 비정질 불소 수지 등을 포함하는 기판을 사용할 수 있지만 이에 제한되는 것은 아니다. 이러한 기판의 두께는 특별히 제한되지 않고, 적절한 범위에서 선택될 수 있다.
상기 기판에는 전극층이 존재할 수 있다. 예를 들면, 기판의 표면 중에서 상기 GH층을 향하는 표면 중 적어도 한 표면 또는 양 표면 모두에 전극층이 존재할 수 있다. 이 전극층은 GH층의 광축을 스위칭할 수 있는 외부 신호를 인가하는 요소일 수 있다. 본 출원에서 용어 기판의 내측 표면은 기판의 양 표면 중에서 GH층과 가까운 표면을 의미한다.
전극층은, 공지의 소재를 사용하여 형성할 수 있으며, 예를 들면, 상기 전극층은, 전도성 고분자, 전도성 금속, 전도성 나노와이어 또는 ITO(Indium Tin Oxide) 등의 금속 산화물 등을 포함할 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.
상기 기판에는 액정 배향층이 존재할 수 있다. 상기 액정 배향층 역시 상기 기판의 내측 표면, 즉 GH층을 향하는 표면에 형성되어 있을 수 있다. 기판에 전술한 전극층이 존재하는 경우에는 상기 액정 배향층은 상기 전극층의 표면에 형성되거나, 혹은 전극층과 기판의 사이에 형성될 수도 있다. 예를 들면, 투과율 가변 장치에 포함되는 기판의 내측 표면 중에서 적어도 한 표면 또는 양 표면에 액정 배향층이 존재할 수 있다.
상기 배향층으로는 특별한 제한 없이 이 분야에서 공지된 다양한 러빙 배향층 또는 광배향층 등이 사용될 수 있다. 상기 배향층은, 수평 배향층 또는 수직 배향층일 수 있고, 일 예시에서는 수직 배향층일 수 있다.
광학 소자는 상기 구성에 추가로 반사방지층이나 하드코팅층 등 공지의 요소를 추가로 포함할 수 있다.
본 출원은 또한 투과율 가변 장치에 관한 것이다. 용어 투과율 가변 장치는 전술한 것처럼 투과 상태와 차단 상태의 사이를 스위칭할 수 있도록 설계된 장치를 의미할 수 있다.
상기 투과율 가변 장치는, 전술한 광학 소자 단독으로 구성되거나, 다른 요소를 포함할 수도 있다. 상기 다른 요소의 종류는 특별히 제한되지 않으며, 예를 들면, 수동 편광층 또는 능동 GH층(이하, 광학 소자의 능동 GH층과 구별을 위해 편의상 제 2 능동 GH층으로 호칭할 수 있다.)이 예시될 수 있다. 상기에서 수동 편광층으로는, 예를 들면, PVA(polyvinyl alcohol) 편광자 등의 공지의 직선 편광자를 사용할 수 있다. 상기 수동 편광층 또는 능동 GH층은, 상기 광학 소자와 중첩되어 배치될 수 있다. 예를 들어, 투과 상태에서는, 본 출원의 광학 소자의 능동 GH층의 광축을 상기 수동 편광층의 흡수축과 평행하게 유지하거나, 혹은 상기 능동 GH층을 수직 배향시킬 수 있고, 차단 상태에서는 상기 능동 GH층의 광축을 상기 수동 편광층의 흡수축과 수직 배향시켜서 투과 및 차단 상태를 유지할 수 있다.
광학 소자와 제 2 능동 GH층이 포함되는 경우에, 투과 상태에서는 광학 소자의 능동 GH층의 광축과 제 2 능동 GH층을 상호 수직 배향 상태로 유지하거나, 어느 하나는 수직 배향 상태이고, 다른 하나는 수평 배향 상태를 유지하거나, 서로의 광축이 평행하도록 수평 배향시킬 수 있고, 차단 상태에서는 상기 2개의 GH층의 광축을 서로 수직하게 배향시킬 수 있다.
상기에서 제 2 능동 GH층으로는, 이미 기술한 광학 소자에 포함되는 것과 동일 종류의 GH층을 사용하거나, 혹은 공지의 다른 능동 GH층을 사용할 수도 있다. 이러한 제 2 능동 GH층도 수직 배향 상태와 수평 배향 상태의 사이를 스위칭할 수 있다.
이하, 투과율 가변 장치가 상기 광학 소자와 상기 제 2 능동 GH층을 포함하는 경우를 예시적으로 설명한다. 이 경우, 편의상 상기 광학 소자에 포함되는 GH층은 제 1 능동 GH층으로 호칭할 수 있다.
상기와 같이 2개의 능동 GH층을 포함하는 구조에서 상기 각 능동 GH층 내의 이색성 염료의 배향을 조절하는 것에 의해 상기 투과 및 차단 상태간의 스위칭이 가능하게 될 수 있다.
상기 제 1 및 제 2 능동 GH층은 서로 중첩되어 포함되어 있을 수 있다. 이에 따라서 상기 제 1 능동 GH층을 투과한 광은 제 2 능동 GH층으로 입사될 수 있고, 반대로 제 2 능동 GH층을 투과한 광도 제 1 능동 GH층으로 입사될 수 있다.
도 1은, 상기와 같이 서로 중첩되어 있는 제 1 능동 GH층(10) 및 제 2 능동 GH층(20)의 상태를 모식적으로 나타낸 도면이다.
이러한 구조는 본 명세서에서 더블셀(double cell) 구조로 호칭될 수 있다.
상기 제 1 및 제 2 능동 GH층은 각각 수직 배향 및 수평 배향 상태간을 스위칭할 수 있다. 하나의 예시에서, 상기 수직 배향 및 수평 배향 상태 간의 스위칭은 전압 인가 여부에 의해 수행될 수 있다. 예를 들어, 전압 비인가 상태에서 수직 배향 상태인 능동 GH층에 전압을 인가하여 수평 배향 상태로 전환시키거나, 반대로 수평 배향 상태인 능동 GH층에 전압을 인가하여 수직 배향 상태로 전환시킬 수 있다.
수평 배향 상태에서 제 1 능동 GH층과 제 2 능동 GH층의 광축은 약 85도 내지 95도 범위 내의 각도를 이루거나, 직교할 수 있다. 하나의 예시에서, 도 2에 나타낸 바와 같이, 수평 배향 상태에서 상기 제 1 및 제 2 능동 GH층(10, 20) 중 어느 하나, 예를 들면, 제 1 능동 GH층(10)은, 능동 GH층의 가로축(WA)을 기준으로 시계 방향으로 40도 내지 50도의 범위 내의 광축(OA)을 가지고, 다른 하나, 예를 들면, 제 2 능동 GH층(20)은 상기 능동 GH층의 가로축(WA)을 기준으로 시계 방향으로 130도 내지 140도의 범위 내의 광축(OA)을 가질 수 있다. 이러한 제 1 능동 GH층과 제 2 능동 GH층의 광축 관계를 통해 좌우 시야각에서의 콘트라스트 비의 차이를 감소시켜 좌우 대칭성이 우수한 투과도 가변 필름을 제공할 수 있다.
본 명세서에서 상기 능동 GH층의 가로축(WA)은, 능동 GH층의 장축 방향과 평행한 방향 또는 아이웨어 또는 TV 등의 디스플레이 장치에 적용되었을 때에 그 아이웨어를 착용한 관찰자 또는 디스플레이 장치를 관찰하는 관찰자의 양 눈을 연결하는 선과 평행한 방향을 의미할 수 있다.
전술한 것처럼 용어 「능동 GH층」은, 액정 화합물의 배열에 따라 이방성 염료가 함께 배열되어, 이방성 염료의 정렬 방향과 상기 정렬 방향의 수직한 방향에 대하여 각각 비등방성 광 흡수 특성을 나타내는 기능성 층을 의미할 수 있다. 예를 들어, 이방성 염료는 빛의 흡수율이 편광 방향에 따라서 달라지는 물질로서, 장축 방향으로 편광된 빛의 흡수율이 크면 p형 염료로 호칭하고 단축 방향으로 편광된 빛의 흡수율이 크면 n형 염료라고 호칭할 수 있다. 하나의 예시에서, p형 염료가 사용되는 경우, 염료의 장축 방향으로 진동하는 편광은 흡수되고 염료의 단축 방향으로 진동하는 편광은 흡수가 적어 투과시킬 수 있다. 이하 특별한 언급이 없는 한 이방성 염료는 p형 염료인 것으로 가정한다.
능동 GH층은 능동형 편광자(Active Polarizer)로 기능할 수 있다. 본 명세서에서 용어 「능동형 편광자(Active Polarizer)」는 외부 작용 인가에 따라 비등방성 광흡수를 조절할 수 있는 기능성 소자를 의미할 수 있다. 예를 들어 능동 GH층은 액정 화합물 및 이방성 염료의 배열을 조절함으로써 상기 이방성 염료의 배열 방향과 평행한 방향의 편광 및 수직한 방향의 편광에 대한 비등방성 광 흡수를 조절할 수 있다. 액정 및 이방성 염료의 배열은 자기장 또는 전기장과 같은 외부 작용의 인가에 의하여 조절될 수 있으므로, 능동 GH층은 외부 작용 인가에 따라 비등방성 광 흡수를 조절할 수 있다.
투과율 가변 장치는, 각각 상기 제 1 능동 GH층 및 제 2 능동 GH층의 양측에 배치된 2층의 배향층을 더 포함할 수 있다. 하나의 예시에서, 상기 투과율 가변 장치는, 제 1 수직 배향층, 제 1 능동 GH층 및 제 2 수직 배향층을 순차로 포함하는 제 1 광학 소자와 제 3 수직 배향층, 제 2 능동 GH층 및 제 4 수직 배향층을 순차로 포함하는 제 2 광학 소자를 포함하는 구조이고, 상기에서 제 1 광학 소자는 전술한 광학 소자일 수 있다.
본 출원의 투과도 가변 장치는 상기 제 1 능동 GH층 및 제 2 능동 GH층의 전압 비인가 시 및/또는 전압 인가 시의 배향 방향을 조절함으로써 투과도를 조절할 수 있다. 상기 배향 방향은 상기 제1 내지 제4 수직 배향층의 프리틸트각 및 프리틸트 방향을 조절함으로써 조절할 수 있다.
본 명세서에서 프리틸트는 각도(angle)와 방향(direction)을 가질 수 있다. 상기 프리틸트 각도는 극각(Polar angle)으로 호칭할 수 있고, 상기 프리틸트 방향은 방위각(Azimuthal angle)으로 호칭할 수도 있다.
상기 프리틸트 각도는 상기 광학 소자 항목에서 기술한 프리틸트각과 같은 의미이다.
하나의 예시에서, 상기 제 1 내지 제 4 수직 배향층은 프리틸트 각이 전술한 범위 내, 즉 70도 이상이면서, 90도 미만이거나, 혹은 상기 광학 소자 항목에서 언급한 다양한 예시의 프리틸트각을 가질 수 있다. 이러한 범위에서 초기 투과도가 우수한 투과도 가변 장치를 제공할 수 있다.
하나의 예시에서 상기 제 1 수직 배향층의 프리틸트 각도는 상기 배향층과 수평한 면을 기준으로 시계 방향 또는 반시계 방향으로 측정한 각도이고, 제 2 수직 배향층의 프리틸트 각도는 그와는 역방향, 즉 제 1 수직 배향층의 프리틸트 각도가 시계 방향으로 측정된 경우에 반시계 방향 또는 제 1 수직 배향층의 프리틸트 각도가 반시계 방향으로 측정된 경우에 시계 방향으로 측정된 각도일 수 있다.
상기 제 3 수직 배향층의 프리틸트 각도는 상기 배향층과 수평한 면을 기준으로 시계 방향 또는 반시계 방향으로 측정한 각도이고, 제 4 수직 배향층의 프리틸트 각도는 그와는 역방향, 즉 제 3 수직 배향층의 프리틸트 각도가 시계 방향으로 측정된 경우에 반시계 방향 또는 제 3 수직 배향층의 프리틸트 각도가 반시계 방향으로 측정된 경우에 시계 방향으로 측정된 각도일 수 있다.
상기 프리틸트 방향은 액정 분자의 방향자가 배향층의 수평한 면에 사영된 방향을 의미할 수 있다. 일 예시에서 상기 프리틸트 방향은 상기 사영된 방향과 상기 가로축(WA)이 이루는 각도일 수 있다. 상기 수직 배향층의 프리틸트 방향은 액정 셀에 전압 인가 시 수평 배향 상태의 배향 방향을 유도할 수 있다
상기 제 1 및 제 2 수직 배향층의 프리틸트 방향과 제 3 및 제 4 수직 배향층의 프리틸트 방향은 서로 교차할 수 있다. 하나의 예시에서, 제 1 및 제 2 수직 배향층의 프리틸트 방향과 제 3 및 제 4 수직 배향층의 프리틸트 방향은 서로 직교를, 예를 들어, 85도 내지 95도 또는 약 90도를 이룰 수 있다. 프리틸트 방향이 상기 조건을 만족하는 경우 전압 인가 시 차광 율이 우수한 투과도 가변 장치를 제공할 수 있다.
일 예시에서 상기 제 1 및 제 2 수직 배향층의 프리틸트 방향과 상기 제 3 및 제 4 수직 배향층의 프리틸트 방향 중 어느 하나의 방향, 예를 들면, 상기 제 1 및 제 2 수직 배향층의 프리틸트 방향은, 능동 GH층의 가로축(WA)을 기준으로 시계 방향으로 40도 내지 50도의 범위 내의 광축(OA)을 가지고, 다른 하나의 방향, 예를 들면, 상기 제 3 및 제 4 수직 배향층의 프리틸트 방향은, 상기 능동 GH층의 가로축(WA)을 기준으로 시계 방향으로 130도 내지 140도의 범위 내의 광축(OA)을 가질 수 있다. 이러한 관계를 통해 좌우 시야각에서의 콘트라스트 비의 차이를 감소시켜 좌우 대칭성이 우수한 투과도 가변 장치를 제공할 수 있다.
상기 언급한 프리틸트 각도 및 방향은, 일 예시에서 상기 각 능동 GH층의 능동 GH층이 수직 배향상태인 경우에 각 능동 GH층에서 측정되는 프리틸트각 및 방향일 수 있다.
상기 제 1 내지 제 4 수직 배향층은 러빙 배향층 또는 광 배향층일 수 있다. 러빙 배향층의 경우, 배향 방향은 러빙 방향에 의해 정해지고, 광배향층의 경우는, 조사되는 광의 편광 방향 등에 의해 결정된다. 상기 수직 배향층의 프리틸트 각도 및 프리틸트 방향은 배향 조건, 예를 들어 러빙 배향 시의 러빙 조건이나 압력 조건, 혹은 광 배향 조건, 예를 들어, 광의 편광 상태, 광의 조사 각도, 광의 조사 세기 등을 적절히 조절하여 구현할 수 있다.
예를 들어, 수직 배향층이 러빙 배향층인 경우에 상기 프리틸트 각도는 상기 러빙 배향층의 러빙 세기 등을 제어하여 달성할 수 있고, 프리틸트 방향은 상기 러빙 배향층의 러빙 방향을 제어하여 달성할 수 있으며, 이러한 달성 방식은 공지의 방식이다. 또한, 광배향층의 경우, 배향층 재료, 배향에 적용되는 편광의 방향, 상태 내지는 세기 등에 의해 달성될 수 있다.
하나의 예시에서, 상기 제 1 내지 제 4 수직 배향층은 러빙 배향층일 수 있다. 상기 제 1 내지 제 4 수직 배향층은 각각 특유의 배향 방향을 가질 수 있다.
예를 들면, 상기 제 1 및 제 2 수직 배향층의 러빙 방향은 서로 역방향으로서, 약 170도 내지 190도를 이룰 수 있고, 역시 제 3 및 제 4 수직 배향층의 러빙 방향은 서로 역방향으로서 약 170도 내지 190도를 이룰 수 있다.
상기 러빙 방향은 프리틸트 각의 측정을 통해 확인할 수 있는데, 일반적으로 액정은 러빙 방향을 따라서 누우면서 프리틸트 각을 발생시키기 때문에, 하기 실시예에서 기재된 방식으로 프리틸트 각을 측정함으로써 상기 러빙 방향의 측정이 가능할 수 있다.
하나의 예시에서, 도 3에 나타낸 바와 같이, 상기 제 1 수직 배향층(12)의 러빙 배향의 방향(RA)은 40도 내지 50도이고, 상기 제 2 수직 배향층(14)의 러빙 배향의 방향(RA)은 220도 내지 230도이고, 상기 제 3 수직 배향층(22)의 러빙 배향의 방향(RA)은 130도 내지 140도이고, 상기 제 4 수직 배향층(24)의 러빙 배향의 방향(RA)은 310도 내지 320도일 수 있다. 이러한 제 1 내지 제 4 수직 배향층의 러빙 배향 방향의 관계를 통해 수직 배향 상태와 수평 배향 상태 간의 스위칭이 효과적으로 이루어질 수 있는 투과도 가변 장치를 제공할 수 있다. 상기 각 러빙 배향의 방향(RA)은 상기 가로축(WA)을 기준을 기준으로 시계 방향 또는 반시계 방향으로 측정된 각도이다. 다만, 상기 각 러빙 배향의 방향(RA)을 측정하는 방향은 상기 시계 또는 반시계 방향 중에서 어느 한 방향만을 선택하여 측정한다.
도 3에 나타낸 바와 같이, 상기 제 1 수직 배향층(12)의 러빙 배향의 방향(RA)과 상기 가로축(WA)이 이루는 각도와 제 2 수직 배향층(14)의 러빙 방향(RA)과 상기 가로축(WA)이 이루는 각도는, 모두 상기 가로축(WA)을 기준으로 시계 방향으로 측정한 때에 40도 내지 50도의 범위 내이고, 상기 제 1 수직 배향층(12)의 러빙 배향의 방향(RA)과 제 2 수직 배향층(14)의 러빙 방향(RA)은 서로 역방향일 수 있다.
도 3에 나타낸 바와 같이, 상기 제 3 수직 배향층(22)의 러빙 배향의 방향(RA)과 상기 가로축(WA)이 이루는 각도와 제 4 수직 배향층(24)의 러빙 방향(RA)과 상기 가로축(WA)이 이루는 각도는, 모두 상기 가로축(WA)을 기준으로 시계 방향으로 측정한 때에 130도 내지 140도의 범위 내이고, 상기 제 3 수직 배향층(22)의 러빙 배향의 방향(RA)과 제 4 수직 배향층(24)의 러빙 방향(RA)은 서로 역방향일 수 있다.
제 1 내지 제 4 수직 배향층으로서 광배향층이 사용되는 경우에도 상기 언급한 프리틸트 각도 및 방향이 달성될 수 있도록 조건이 제어될 수 있다.
예시적인 투과도 가변 장치는 상기 제 1 내지 제 4 수직 배향층의 외측에 배치된 전극층을 추가로 포함할 수 있고, 이 때 전극층의 구체적인 종류는 상기 광학 소자의 기술 항목에서 언급한 바와 같다.
도 4는 능동 GH층, 전극층 및 수직 배향층을 포함하는 제 1 광학 소자를 예시적으로 나타낸다. 도 4에 나타낸 바와 같이, 제 1 광학 소자(10)는 제 1 전극층(11), 제 1 수직 배향층(12), 제 1 능동 GH층(13), 제 2 수직 배향층(14) 및 제 2 전극층(15)을 순차로 포함할 수 있다. 상기 제1 및 제2 전극층과 제 1 및 제 2 수직 배향층의 두께는 본 출원의 목적을 고려하여 적절히 선택될 수 있다.
도 5는 능동 GH층, 전극층 및 수직 배향층을 포함하는 제 2 광학 소자를 예시적으로 나타낸다. 도 5에 나타낸 바와 같이, 제 2 광학 소자(20)는 제 3 전극층(21), 제 3 수직 배향층(22), 제 2 능동 GH층(23), 제 4 수직 배향층(24) 및 제 4 전극층(25)을 순차로 포함할 수 있다. 상기 제 3 및 제 4 전극층과 제 3 및 제 4 수직 배향층의 두께는 본 출원의 목적을 고려하여 적절히 선택될 수 있다.
본 출원의 투과도 가변 장치는 점착제를 더 포함할 수 있다. 상기 제 1 및 제 2 광학 소자는 상기 점착제에 의해 서로 합착된 상태로 존재할 수 있다. 상기 점착제로는 광학 필름의 부착에 사용되는 점착제층을 적절히 선택하여 사용할 수 있다. 상기 점착제의 두께는 본 출원의 목적을 고려하여 적절히 선택될 수 있다.
본 출원의 투과도 가변 장치는 하드 코팅 필름을 더 포함할 수 있다. 상기 하드 코팅 필름은 기재 필름 및 상기 기재 필름 상에 하드 코팅 층을 포함할 수 있다. 하드 코팅 필름은 본 출원의 목적을 고려하여 공지의 하드 코팅 필름을 적절히 선택하여 사용할 수 있다. 상기 하드 코팅 필름의 두께는 본 출원의 목적을 고려하여 적절히 선택될 수 있다.
상기 하드 코팅 필름은 제 1 및/또는 제 2 광학 소자의 외측에 점착제를 통하여 형성될 수 있다. 예를 들어, 하드 코팅 필름은 제 1 및/또는 제 4 전극층이 형성되어 있는 기판의 외측에 점착제를 통하여 부착될 수 있다. 상기 점착제로는 광학 필름의 부착에 사용되는 점착제를 적절히 선택하여 사용할 수 있다.
본 출원은 투과도 가변 장치는 반사 방지 필름을 더 포함할 수 있다. 상기 반사 방지 필름은 기재 필름 및 상기 기재 필름 상에 반사 방지 층을 포함할 수 있다. 반사 방지 필름은 본 출원의 목적을 고려하여 공지의 반사 방지 필름을 적절히 선택하여 사용할 수 있다. 상기 반사 방지 필름의 두께는 본 출원의 목적을 고려하여 적절히 선택될 수 있다.
상기 반사 방지 필름은 제 1 및/또는 제 2 광학 소자의 외측에 점착제를 통하여 형성될 수 있다. 예를 들어, 반사 방지 필름은 제 1 전극층 및/또는 제 4 전극층이 존재하는 기판의 외측에 점착제를 통하여 부착될 수 있다. 상기 점착제로는 광학 필름의 부착에 사용되는 점착제를 적절히 선택하여 사용할 수 있다.
전술한 바와 같이, 본 출원의 투과도 가변 장치는 제1 및 제2 능동 GH층에 전압 비인가 시 및 전압 인가 시의 배향 상태를 조절함으로써 전압 인가 여부에 따라 투과도를 조절할 수 있다. 액정 및 이방성 염료는 상기 배향 방향에 따라 정렬될 수 있다. 따라서, 배향 방향은 액정의 광축 방향 및/또는 이방성 염료의 흡수축 방향과 평행할 수 있다.
하나의 예시에서, 상기 투과도 가변 장치는 제 1 및 제 2 광학 소자가 각각 수직 배향 상태인 경우 투과 상태를 구현할 수 있고, 수평 배향 상태인 경우 차단 상태를 구현할 수 있다.
전술한 바와 같이 상기 수평 배향 상태에서 상기 제 1 능동 GH층은 상기 능동 GH층의 가로축을 기준으로 시계 방향으로 40도 내지 50도의 범위 내의 광축을 가지고, 상기 제 2 능동 GH층은 상기 능동 GH층의 가로축을 기준으로 시계 방향으로 130도 내지 140도의 범위 내의 광축을 가질 수 있다. 이러한 제 1 능동 GH층과 제 2 능동 GH층의 광축 관계를 통해 좌우 시야각에서의 콘트라스트 비의 차이를 감소시켜 좌우 대칭성이 우수한 투과도 가변 장치를 제공할 수 있다.
상기와 같은 투과율 가변 장치는 다양한 용도에 적용될 수 있다. 투과율 가변 장치가 적용될 수 있는 용도에는, 원도우 또는 선루프 등과 같은 건물, 용기 또는 차량 등을 포함하는 밀폐된 공간의 개구부나 아이웨어(eyewear) 등이 예시될 수 있다. 상기에서 아이웨어의 범위에는, 일반적인 안경, 선글라스, 스포츠용 고글 내지는 헬멧 또는 증강 현실 체험용 기기 등과 같이 관찰자가 렌즈를 통하여 외부를 관찰할 수 있도록 형성된 모든 아이 웨어가 포함될 수 있다.
본 출원의 투과율 가변 장치가 적용될 수 있는 대표적인 용도에는 아이웨어가 있다. 최근 선글라스, 스포츠용 고글이나 증강 현실 체험용 기기 등은 관찰자의 정면 시선과는 경사지도록 렌즈가 장착되는 형태의 아이웨어가 시판되고 있다. 본 출원의 투과율 가변 장치의 경우, 전술한 바와 같이 경사진 방향에서 관찰하게 될 때에 좌우 경사각에서의 콘트라스트 비의 차이를 감소시킴으로써 우수한 좌우 대칭성을 확보할 수 있으므로, 상기와 같은 구조의 아이웨어에도 효과적으로 적용될 수 있다.
본 출원의 투과율 가변 장치가 아이웨어에 적용되는 경우에 그 아이웨어의 구조는 특별히 제한되지 않는다. 즉, 공지의 아이웨어 구조의 좌안용 및/또는 우안용 렌즈 내에 상기 투과율 가변 장치가 장착되어 적용될 수 있다.
예를 들면, 상기 아이웨어는, 좌안용 렌즈와 우안용 렌즈; 및 상기 좌안용 렌즈와 우안용 렌즈를 지지하는 프레임을 포함할 수 있다.
도 6은, 상기 아이웨어의 예시적인 모식도로서, 상기 프레임(12) 및 좌안용과 우안용 렌즈(14)를 포함하는 아이웨어의 모식도이나, 본 출원의 투과율 가변 장치가 적용될 수 있는 아이웨어의 구조가 도 5에 제한되는 것은 아니다.
상기 아이웨어에서 좌안용 렌즈 및 우안용 렌즈는 각각 상기 투과율 가변 장치를 포함할 수 있다. 이러한 렌즈는, 상기 투과율 가변 장치만을 포함하거나, 기타 다른 구성을 포함할 수도 있다.
상기 아이웨어는 다양한 디자인을 가질 수 있으며, 예를 들면, 상기 프레임은 상기 아이웨어를 관찰자가 장착한 때에 상기 관찰자의 정면 시선 방향과 상기 투과율 가변 장치 표면의 법선이 이루는 각도가 15도 내지 40도의 범위 내가 되도록 경사지게 형성되어 있을 수 있다. 이러한 아이웨어로는, 스포츠용 고글이나 증강 현실 체험용 기기 등이 예시될 수 있다. 투과도 가변 장치가 아이웨어에 경사지게 형성되는 경우, 제1 내지 제 4 수직 배향층의 프리틸트 각의 조절을 통해 경사각에서의 콘트라스트 비를 개선할 수도 있다.
일 예시에서 본 출원은, 액정층의 셀갭(cell gap)이 두꺼워지는 경우에도 벌크 액정 화합물(Bulk Liquid Crystal Compound)에 의한 백플로우(back flow) 현상이 억제되고, 응답 속도 및 구동 특성이 우수한 광학 소자 및 그를 포함하는 투과율 가변 장치를 제공할 수 있다. 이러한 본 출원의 광학 소자 및 투과율 가변 장치는, 투과율의 조절이 필요한 다양한 건축용 또는 차량용 소재나, 증강 현실 체험용 또는 스포츠용 고글, 선글라스 또는 헬멧 등의 아이웨이(eyewear)를 포함하는 다양한 용도에 적용될 수 있다.
도 1은 본 출원의 투과도 가변 필름을 예시적으로 나타낸다.
도 2는 제 1 내지 제 2 광학 소자의 수평 배향 상태에서 광축을 나타낸다.
도 3은 제 1 내지 제 4 수직 배향막의 프리틸트 방향을 나타낸다.
도 4는 제 1 광학 소자를 예시적으로 나타낸다.
도 5는 제 2 광학 소자를 예시적으로 나타낸다.
도 6은 아이웨어를 예시적으로 나타낸다.
도 7 및 8은, 각각 본 출원의 실시예 1 및 2의 전압 인가 시간에 따른 정상화 투과율(Normalized transmittance)의 변화를 나타낸다.
도 9는, 본 출원의 비교예의 전압 인가 시간에 따른 정상화 투과율(Normalized transmittance)의 변화를 나타낸다.
도 2는 제 1 내지 제 2 광학 소자의 수평 배향 상태에서 광축을 나타낸다.
도 3은 제 1 내지 제 4 수직 배향막의 프리틸트 방향을 나타낸다.
도 4는 제 1 광학 소자를 예시적으로 나타낸다.
도 5는 제 2 광학 소자를 예시적으로 나타낸다.
도 6은 아이웨어를 예시적으로 나타낸다.
도 7 및 8은, 각각 본 출원의 실시예 1 및 2의 전압 인가 시간에 따른 정상화 투과율(Normalized transmittance)의 변화를 나타낸다.
도 9는, 본 출원의 비교예의 전압 인가 시간에 따른 정상화 투과율(Normalized transmittance)의 변화를 나타낸다.
이하 실시예 및 비교예를 통하여 본 출원의 광학 소자를 구체적으로 설명하지만 본 출원의 광학 소자의 범위가 하기 실시예에 의해 제한되는 것은 아니다.
실시예 1
표면에 ITO(Indium Tin Oxide) 전극층과 수직 배향층이 순차 형성된 2장의 COP(cycloolefin polymer) 필름의 사이에 GH층을 형성하여 광학 소자를 제조하였다. 상기에서 GH층의 두께, 즉 셀갭은 약 15μm 정도로 하였다. 상기에서 수직 배향층은 프리틸트각이 약 88도 정도인 배향층을 사용하였다. 배향층은, 폴리이미드 계열의 수직 배향층을 상기 ITO 전극층상에 바코팅으로 코팅하고, 130℃에서 약 30분동안 유지하고, 러빙포로 러빙 처리하여 약 200 nm의 두께로 형성하였고, 상기 2장의 COP 필름은 상기 러빙 방향이 서로 동일하도록 적층하였다. 또한, 상기 GH층은, 액정 화합물로서, 유전율 이방성이 약 -4.9 이고, 굴절률 이방성이 약 0.132 정도인 네마틱 액정(MDA-06-821, Merck), 이색성 염료로서, 이색비가 약 6.5 내지 8 정도인 염료(X12, BASF) 및 키랄 도펀트(S811, Merck)를 98.9:1:0.1의 중량 비율(네마틱 액정:이색성 염료:키랄 도펀트)로 혼합된 GH 혼합물을 적용하여 형성하였다. 상기와 같이 형성된 GH층의 피치(p)는, 약 90 μm 정도였고, 따라서 셀갭(d)과 피치(p)의 비율(d/p)은 약 1.67 정도였다. 상기에서 GH층의 피치는 D. Podolskyy 등의 문헌 Simple method for accurate measurements of the cholesteric pitch using a “stripe-wedge Grandjean-Cano cell (Liquid Crystals, Vol. 35, No. 7, July 2008, 789-791)에 기재된 방식에 따라 Wedge cell을 이용한 계측 방법으로 측정하였다.
실시예 2.
네마틱 액정(MDA-06-821, Merck), 이색성 염료(X12, BASF) 및 키랄 도펀트(S811, Merck)의 중량 비율을 98.92:1:0.08로 제어(네마틱 액정:이색성 염료:키랄 도펀트)한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 광학 소자를 제조하였다. 상기와 같이 형성된 GH층의 피치(p)는, 약 120 μm 정도였고, 따라서 셀갭(d)과 피치(p)의 비율(d/p)은 약 0.13 정도였다.
비교예 1
키랄 도펀트를 배합하지 않은 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 광학 소자를 제조하였다. 키랄 도펀트의 배합이 없기 때문에, 피치(p)는 무한대이며, 따라서 셀갭(d)과 피치(p)의 비율은 0이다.
시험예 1.
실시예 및 비교예에서 제조된 광학 소자에 대해서 LCMS-200을 사용하여 전압 인가 시간에 다른 정상화 투과율(Normalized Transmittance)의 변화를 측정하였다. 도 7 및 8은, 각각 실시예 1 및 2에 대한 결과이며, 도 9는 각각 비교예 1에 대한 결과이다. 도면으로부터 확인되는 것처럼 실시예 1 및 2의 경우, 백플로우 현상이 거의 관찰되지 않았다(실시예 1의 Back Flow Tmax=약 2.9%, 실시예 2의 Back Flow Tmax=약 4.2%). 또한, 실시예 1의 경우, 정상화 투과율을 90%에서 10%까지 조절하는 것에 걸린 시간은 약 2.4 ms였고, 95%에서 5%까지 조절하는 것에 걸린 시간은 약 19ms였다. 또한, 실시예 2의 경우, 정상화 투과율을 90%에서 10%까지 조절하는 것에 걸린 시간은 약 43 ms였고, 95%에서 5%까지 조절하는 것에 걸린 시간은 약 215ms였다.
반면, 비교예 1은, Back Flow Tmax가 약 10.4% 수준으로서 큰 백플로우 현상이 관찰되었다. 또한, 비교예 1의 경우, 정상화 투과율을 90%에서 10%까지 조절하는 것에 걸린 시간은 약 약 1.8s였고, 95%에서 5%까지 조절하는 것에 걸린 시간은 약 2s 초과였다.
Claims (11)
- 액정 화합물를 포함하는 능동 액정층을 포함하고,
상기 능동 액정층의 광축은 수직 배향 상태와 수평 배향 상태의 사이를 스위칭하며,
상기 능동 액정층의 두께(d) 및 상기 수직 배향 상태에서의 상기 액정 화합물의 피치(p)의 비율(d/p)이 0.1 내지 0.2의 범위 내이고,
상기 수직 배향 상태는 상기 능동 액정층의 광축이 상기 능동 액정층의 평면의 법선 방향과 -10도 내지 10도의 범위 내의 각도를 이루는 경우를 의미하고, 상기 수평 배향 상태는 상기 능동 액정층의 광축이 상기 능동 액정층의 법선 방향과 수직한 방향과 -10도 내지 10도의 범위 내의 각도를 이루는 경우를 의미하는 광학 소자. - 제 1 항에 있어서, 액정 화합물은 네마틱 액정인 광학 소자.
- 제 1 항에 있어서, 능동 액정층은 이색성 염료 게스트를 추가로 포함하는 광학 소자.
- 제 3 항에 있어서, 이색성 염료는, 아조 염료, 안트라퀴논 염료, 메틴 염료, 아조메틴 염료, 메로시아닌 염료, 나프토퀴논 염료, 테트라진 염료, 페닐렌 염료, 퀴터릴렌 염료, 벤조티아다이아졸 염료, 다이케토피롤로피롤 염료, 스쿠아레인 염료 또는 파이로메텐 염료인 광학 소자.
- 제 1 항에 있어서, 액정층은, 키랄 도펀트를 추가로 포함하는 광학 소자.
- 제 1 항에 있어서, 수직 배향 상태에서 액정 화합물의 프리틸트각이 70도 이상이면서 90도 미만인 범위 내에 있는 광학 소자.
- 제 1 항에 있어서, 액정층의 두께(d)가 4 ㎛ 이상인 광학 소자.
- 제 1 항의 광학 소자; 상기 광학 소자에 포함되는 능동 액정층과 중첩 배치되는 제 2 능동 액정층 또는 수동 편광층을 포함하는 투과율 가변 장치.
- 제 8 항에 있어서, 제 2 능동 액정층의 광축은 수평 배향 상태와 수직 배향 상태를 스위칭하는 투과율 가변 장치.
- 좌안용 렌즈와 우안용 렌즈; 및 상기 좌안용 렌즈와 우안용 렌즈를 지지하는 프레임을 포함하는 아이웨어로서,
상기 좌안용 렌즈 및 우안용 렌즈는 각각 제 1 항의 광학 소자를 포함하는 아이웨어. - 제 10 항에 있어서, 증강 현실 체험용 기기인 아이웨어.
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