KR102253503B1 - 광변조 소자 - Google Patents

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Abstract

본 출원은 광변조 소자에 관한 것이다. 본 출원의 광변조 소자는 스페이서의 분산도와 분포비를 조절함으로써, 헤이즈를 낮게 하면서 스페이서 뭉침 얼룩이나 셀갭 불균일을 개선할 수 있다. 이러한 광변조 소자는 광변조 기능이 요구되는 원도우 또는 선루프 등과 같은 건물, 용기 또는 차량 등을 포함하는 밀폐된 공간의 개구부나 아이웨어(eyewear) 등에 적용되어 시인성을 향상시킬 수 있다.

Description

광변조 소자{Light modulation element}
본 출원은 광변조 소자에 관한 것이다.
액정셀과 같은 광변조 소자를 제조하기 위해서는, 상부 기판과 하부 기판의 셀갭을 유지시켜줄 수 있는 스페이서가 필요하다. 상기 광변조 소자를 아이웨어 등과 같은 벤딩(bending)이 되어 있는 제품에 적용하기 위해서는 기판으로 필름 기재와 같은 플렉서블(flexible) 기재를 사용하는 것이 필요하다. 상기 필름 기재가 적용된 광변조 소자의 시인성은 스페이서 간의 간격, 분포 등에 의해 좌우될 수 있다.
대한민국 공개특허공보 제2004-0061230호
본 출원은 스페이서의 분산도와 분포비를 조절함으로써, 헤이즈를 낮게 하면서 스페이서 뭉침 얼룩이나 셀갭 불균일을 개선하여, 시인성을 향상시킬 수 있는 광변조 소자를 제공한다.
본 출원은 광변조 소자에 관한 것이다. 본 명세서에서 『광변조 소자』는 외부 에너지 인가에 따라 입사하는 광에 대한 투과도, 헤이즈, 반사도 등을 가변할 수 있는 소자를 의미할 수 있다.
도 1 또는 도 2는 본 출원의 광변조 소자를 예시적으로 나타낸다. 본 출원의 광변조 소자는 제 1 기판(101), 광변조층(200) 및 제 2 기판(102)을 순차로 포함할 수 있다. 상기 광변조 소자는 상기 제 1 기판과 제 2 기판의 사이에 존재하는 스페이서(301 또는 302)를 더 포함할 수 있다. 상기 스페이서는 제 1 기판과 제 2 기판의 간격을 유지하는 기능을 한다.
제 1 기판과 제 2 기판의 사이에는 복수의 스페이서들이 분산된 상태로 존재할 수 있다. 본 출원에 따르면, 상기 스페이서의 분산도 내지 분포도를 조절함으로써 광변조 소자의 시인성을 개선할 수 있다. 상기 스페이서의 분산도 내지 분포도는 필름 기재를 적용한 광변조 소자를 벤딩되어 있는 장치에 적용될 때 시인성 개선의 효과가 더 클 있다.
예를 들어, 스페이서간의 간격이 너무 넓어지면 필름 기재의 벤딩에 의해 스페이서 사이에서 셀갭을 유지하지 못하는 문제가 발생할 수 있다. 또한, 스페이서의 간격이 너무 좁아지면 스페이서의 개수가 증가하여 광변조 소자의 헤이즈가 증가하는 문제가 발생할 수 있다. 또한, 스페이서들이 독립적으로 분포하지 못하고 뭉쳐있게 되면 육안상 스페이서 뭉침에 의한 얼룩이 시인되는 문제가 발생할 수 있다.
본 출원은 상기 문제를 해결하기 위해, 스페이서의 분산도 내지 분포도를 조절하는 것을 하나의 기술적 특징으로 한다.
본 명세서에서 스페이서의 분산도(SD)는 하기 수식 1로 규정될 수 있다. 상기 스페이서는 분산도(SD)가 70% 이상이 되도록 존재할 수 있다. 분산도가 낮아지면 스페이서의 뭉침에 의한 얼룩이 시인되는 문제가 발생하므로 스페이서의 분산도는 상기 범위 내로 조절되는 것이 바람직하다. 상기 분산도는 구체적으로 72% 이상, 74% 이상, 76% 이상, 78% 이상 또는 80% 이상일 수 있다. 상기 분산도의 상한은 특별히 제한되지 않으며, 높을수록 시인성을 개선하는데 더욱 유리하므로, 분산도의 상한은 100%가 되어도 좋다.
[수식 1]
분산도(SD) = A/B × 100
수식 1에 있어서, A는 광변조 소자의 기준 면적 1mm2 당 독립적으로 존재하는 스페이서의 개수이고, B는 광변조 소자의 기준 면적 1mm2 당 존재하는 총 스페이서의 개수이다.
상기 광변조 소자의 면적은 제 1 기판 또는 제 2 기판의 면적에 따라 결정될 수 있다. 따라서, 수식 1에 있어서, A는 제 1 기판의 기준 면적 1mm2 당 독립적으로 존재하는 스페이서의 개수를 의미할 수도 있고, B는 제 1 기판의 기준 면적 1mm2 당 존재하는 총 스페이서의 개수를 의미할 수도 있다.
본 명세서에서 스페이서가 독립적으로 존재한다는 것은 2개 이상의 스페이서가 서로 접한 상태나 뭉친 상태가 아닌 개별적으로 존재하는 것을 의미할 수 있다. 상기 B는 광변조 소자의 기준 면적 1mm2 당 독립적으로 존재하는 스페이서의 개수와 독립적으로 존재하지 않는 스페이서의 개수의 합일 수 있다.
본 명세서에서 스페이서의 분포비(SR)는 하기 수식 2로 규정될 수 있다. 분포비는 스페이서간 간격을 의미하는 지표일 수 있다. 스페이서간 간격은 기준 면적당 스페이서의 개수에 반비례할 수 있다. 단, 뭉쳐있는 스페이서들, 즉 독립적으로 존재하지 않는 스페이서들은 간격에 영향을 주지 않을 것이므로 하기 수식 2와 같이 분산도(SD)의 반영이 필요하다.
[수식 2]
분포비(SR) = B × SD
수식 2에 있어서, B는 광변조 소자의 기준 면적 1mm2 당 존재하는 총 스페이서의 개수이고, SD는 수식 1의 스페이서의 분산도이다.
스페이서는 상기 분포비(SR)가 120 이하가 되도록 존재할 수 있다. 분포비가 높아지면 시인성을 대변하는 헤이즈 값이 높아지는 문제가 발생하므로 분포비는 상기 범위 내로 조절되는 것이 바람직하다. 상기 스페이서의 분포비는 구체적으로 115 이하 또는 110 이하일 수 있다.
스페이서는 상기 분포비(SR)가 5 이상이 되도록 존재할 수 있다. 분포비가 낮아지면 스페이서 간의 간격이 넓어져서 스페이서 사이에서 셀갭을 유지하지 못하는 문제가 발생할 수 있기 때문이다. 상기 스페이서의 분포비는 예를 들어 6 이상 또는 7 이상일 수 있다.
광변조 소자의 기준 면적 1mm2 당 독립적으로 존재하는 스페이서의 개수(A)와 기준 면적 1mm2 당 존재하는 총 스페이서의 개수(B)는 상기 분산도와 분포비를 만족하고 본 출원의 목적을 손상시키지 않는 범위 내에서 적절히 조절될 수 있다.
하나의 예시에서, 광변조 소자의 기준 면적 1mm2 당 존재하는 총 스페이서의 개수(B)는 5개 내지 130개 범위 내일 수 있다. 상기 개수(B)는 구체적으로 5개 이상, 6개 이상 또는 7개 이상일 수 있고, 130개 이하, 125개 이하, 120개 이하 또는 115개 이하일 수 있다. 광변조 소자의 기준 면적 1mm2 당 독립적으로 존재하는 스페이서의 개수(A)는, 상기와 같이 기준 면적 1mm2 당 존재하는 총 스페이서의 개수(B)가 정해지면, 상기 분산도 및 분포비를 만족하도록 하는 범위 내에서 선택될 수 있다.
광변조 소자의 전체 면적은 광변조 소자를 적용하고자 하는 최종 제품에 요구되는 사이즈를 고려하여 적절히 조절될 수 있다. 또한, 스페이서의 분산도와 분포비가 상기 범위를 만족하도록 하고 본 출원의 목적을 손상시키지 않는 범위 내에서 적절히 조절될 수 있다. 예를 들어, 상기 광변조 소자의 전체 면적은 2,000 mm2 내지 5 m2 범위 또는 2,000 mm2 내지 20,000 mm2 범위 내일 수 있다.
상기 스페이서로는 컬럼(Column) 스페이서 또는 볼(Ball) 스페이서를 사용할 수 있다. 도 1은 컬럼 스페이서(301)를 적용한 광변조 소자를 예시적으로 나타내고, 도 2는 볼 스페이서(302)를 적용한 광변조 소자를 예시적으로 나타낸다.
본 출원에서 시인성 개선의 효과는 볼 스페이서와 컬럼 스페이서 중 어느 것을 사용하더라도 얻을 수 있으며, 스페이서의 종류는 필요에 따라 적절히 선택하여 사용할 수 있다. 예를 들어 칼럼 스페이서는 볼 스페이서에 비해 단위 개수, 분산도 조정이 용이하여 균일한 품질을 얻을 수 있다는 점에서 유리할 수 있으며, 볼 스페이서는 컬럼 스페이서에 비해 직경을 상대적으로 작게할 수 있으므로 전압이 인가되지 않은 상태에서 헤이즈를 더 낮출 수 있다는 점에서 유리할 수 있다.
상기 스페이서의 소재는 특별히 제한되지 않고 예를 들어 경화성 수지, 탄소계 물질, 금속계 물질, 산화물계 물질 및 이들의 복합 물질로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함할 수 있다.
상기 스페이서의 크기는 광변조 소자에 요구되는 셀 갭의 크기를 고려하여 적절히 조절될 수 있다. 스페이서의 크기는, 칼럼 스페이서인 경우 평균 높이를 의미할 수 있고, 볼 스페이서인 경우 평균 입경을 의미할 수 있다. 상기 스페이서의 크기는 예를 들어 1 ㎛ 내지 100 ㎛ 범위 내일 수 있다. 상기 스페이서의 크기는 구체적으로 3 ㎛ 내지 70 ㎛, 3 ㎛ 내지 40 ㎛ 또는 1 ㎛ 내지 20 ㎛ 범위 내일 수 있다.
본 명세서에서 평균 직경 또는 입경은 레이저광 회절법에 의한 입도 분포 측정에서의 체적평균값 D50(즉, 누적 체적이 50%가 될 때의 입자직경 또는 메디안 직경)으로서 입도분석기(Particle Size Analyser)를 이용하여 측정한 값을 나타내는 것을 의미할 수 있다.
상기 스페이서는 제 1 기판 또는 제 2 기판에 고착된 상태로 존재할 수 있다. 스페이서가 제 1 기판과 제 2 기판 중 어느 기판에 고착된 상태로 존재하는 지는 광변조 소자를 분해하였을 때, 스페이서가 어느 기판에 남아 있는지를 관찰함으로써 알 수 있다. 스페이서가 제 1 기판 또는 제 2 기판에 고착된 상태로 존재하는 경우, 스페이서 이동에 의한 셀갭 불균일을 감소시킬 수 있다는 점에서 유리할 수 있다.
상기 스페이서를 제 1 기판 또는 제 2 기판에 고착시키는 방법은 특별히 제한되지 않는다. 이하, 컬럼 스페이서와 볼 스페이서의 형성 방법을 기술하면서 고착시키는 방법에 대해서도 기술한다.
컬럼 스페이서는 포토리소그래피법(photolithography)에 의한 패턴화 공정에 의해 형성될 수 있다. 구체적으로, 컬럼 스페이서는 기판 상에 경화성 수지 조성물을 코팅한 후에 컬럼 스페이서를 형성하고자 하는 영역만 선택적으로 경화시키고 경화되지 않은 영역은 제거함으로써 형성할 수 있다. 상기 선택적 경화는 자외선의 선택적 조사에 의해 수행될 수 있다. 상기 자외선의 선택적 조사는 상기 경화성 수지 조성물의 층 상에 패턴 마스크를 배치한 후 자외선을 조사함으로써 수행될 수 있다. 하나의 예시에서, 상기 경화성 수지 조성물의 층에 패턴 마스크를 라미네이션하여 서로 접촉된 상태에서 자외선을 조사할 수 있다.
상기 패턴 마스크에는 광투과 영역과 광차단 영역이 교대로 배치되어 있을 수 있다. 상기 패턴 마스크의 광투과 영역에 대응하는 경화성 수지 조성물은 경화 영역이 될 수 있고, 상기 패턴 마스크의 광차단 영역에 대응하는 경화 수지 조성물은 미경화 영역이 될 수 있다. 상기 경화되지 않은 경화성 수지 조성물의 영역의 제거는 통상적인 현상 (developing) 공정에 의해 수행될 수 있다. 컬럼 스페이서를 상기와 같이 제조하는 경우 기판에 컬럼 스페이서가 고착된 상태로 존재할 수 있다.
컬럼 스페이서의 높이는 경화성 수지 조성물의 층의 경화 후 두께와 동일할 수 있다. 따라서, 컬럼 스페이서의 높이는 경화성 수지 조성물의 층의 두께를 조절함으로써 제어할 수 있다.
컬럼 스페이서의 단면의 크기는 광 경화성 수지 조성물의 경화 영역의 크기와 유사할 수 있고, 컬럼 스페이서 간의 간격은 경화성 수지 조성물의 미경화 영역의 폭과 유사할 수 있다. 따라서, 컬럼 스페이서의 단면의 크기는 패턴 마스크의 광투과 영역의 크기를 조절함으로써 제어할 수 있고, 컬럼 스페이서 간의 간격은 패턴 마스크의 광차단 영역의 크기를 조절함으로써 제어할 수 있다.
상기 경화성 수지 조성물은 광 경화성 수지 조성물일 수 있다. 상기 경화성 수지 조성물은 경화성 화합물을 포함할 수 있다. 상기 경화성 화합물을 광 경화성 화합물일 수 있고, 구체적으로 자외선 경화성 화합물 수 있다. 상기 광 경화성 화합물로는 말단에 비닐기, (메타)아크릴기, (메타)아크릴로일옥시기, (메타)아크릴아미드기, 비닐옥시기 또는 말레이미드기를 갖는 모노머 또는 올리고머를 예시할 수 있다.
상기 패턴 마스크의 소재는 특별히 제한되지 않으며, 예를 들어, 투광성 기재에 차단 영역에 대응되도록 광 차단성 패턴을 형성한 것을 사용할 수 있다. 상기 투광성 기재로는 투광성 플라스틱 필름을 사용할 수 있다. 상기 광 차단성 패턴은 예를 들어 금속 또는 잉크일 수 있다. 상기 금속은 구리(Cu), 크롬(Cr), 알루미늄(Al), 몰리브덴(Mo), 니켈(Ni), 금(Au), 및 은(Ag) 중 하나 이상을 포함할 수 있으나, 이제 제한되는 것은 아니다. 상기 잉크의 예로는, 카본 블랙(carbon black), 흑연 또는 산화철 등과 같은 무기 안료나, 아조계 안료 또는 프탈로시아닌계 안료 등의 유기 안료를 사용할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 현상 공정은 예를 들어, 패턴 마스크를 통해 노광 후 현상액을 접촉시켜 경화되지 않은 영역을 용해하여 제거함으로써 수행될 수 있다. 상기 현상액으로는 미경화 영역을 녹일 수 있는 적절한 용제가 사용될 수 있다. 본 출원의 일 실시예에 의하면 현상액으로는 염기성 용제가 사용될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
컬럼 스페이서의 분산도(SD) 내지 분산비(SR)는 상기 패턴 마스크의 디자인으로 조절할 수 있다. 구체적으로, 상기 패턴 마스크의 광투과 영역의 피치를 조절하여 기준 면적당 컬럼 스페이서의 개수를 조절할 수 있다. 컬럼 스페이서를 상기 방법으로 제조하는 경우 뭉쳐있는 스페이서는 없다고 볼 수 있으므로 분산도(SD)는 100%가 될 수 있다. 하나의 예시에서, 패턴 마스크의 광투과 영역의 피치는 100㎛ 내지 400㎛ 범위 내일 수 있다. 이에 따라, 상기 컬럼 스페이서의 피치도 100㎛ 내지 400㎛ 범위 내일 수 있다. 하나의 예시에서, 상기 패턴 마스크의 광투과 영역의 크기는, 10㎛ 내지 30㎛일 수 있다. 광투과 영역의 크기는, 광투과 영역의 평균 크기를 의미할 수 있다. 하나의 예시에서, 광 투과 영역의 형상이 원형인 경우 상기 광투과 영역은 크기는 상기 원형의 직경을 의미할 수 있다. 그러나 광투과 영역의 형상이 원형에 제한되는 것은 아니고, 다각형 또는 원형 이외의 곡선 형상을 가질 수도 있다.
컬럼 스페이서의 단면의 형상은, 상기 패턴 마스크의 광투과 영역의 형상에 따라 결정될 수 있다. 패턴 마스크를 통해 제조된 컬럼 스페이서는, 상기 패턴 마스크의 광투과 영역에 비해 실제로 약간 더 넓게 경화될 수 있다. 컬럼 스페이서의 단면의 크기는 예를 들어, 15㎛ 내지 35㎛일 수 있다. 컬럼 스페이서의 단면의 크기는, 컬럼 스페이서의 단면의 평균 크기를 의미할 수 있다. 하나의 예시에서, 컬럼 스페이서의 단면이 원형인 경우 컬럼 스페이서의 단면의 크기는 원형의 직경을 의미할 수 있다. 그러나 칼럼 스페이서의 단면의 형상이 원형에 제한되는 것은 아니고, 다각형 또는 원형 이외의 다양한 곡선 형상을 가질 수도 있다.
볼 스페이서는, 기판 또는 전극층 상에 코팅되는 배향막 조성물에 볼 스페이서를 포함시킴으로써, 기판 상에 고착되도록 형성될 수 있다. 배향막 조성물은, 배향막 용액을 포함할 수 있다. 상기 배향막 용액은 배향막 형성용 물질을 적절한 용매에 분산, 희석 및/또는 용해시켜서 제조한 용액을 의미하며, 이에 대해서는 하기에서 자세히 기술한다. 볼 스페이서를 제조함에 있어서, 상기 배향막 조성물로는 배향막 용액에 볼 스페이서를 더 포함한 조성물을 사용할 수 있다.
볼 스페이서를 형성함에 있어서, 상기 배향막 조성물은 나노 입자를 더 포함할 수 있다. 배향막 조성물이 나노 입자를 더 포함하는 경우 볼 스페이서의 분산도를 더욱 향상시킬 수 있다.
상기 나노 입자는 볼 스페이서에 비해 더 높은 밀도를 가질 수 있다. 나노 입자의 밀도가 볼 스페이서의 밀도보다 높은 경우, 나노 입자가 기판에 가까이 위치하여 요철을 형성함으로써 볼 스페이서의 분산도를 향상시킬 수 있다.
하나의 예시에서, 스페이서의 밀도(A) 및 나노 입자의 밀도(B)의 비율(B/A)은 1 내지 10의 범위 내일 수 있다. 다른 예시에서 상기 비율(B/A)은, 약 1.2 이상, 1.4 이상, 1.6 이상 또는 1.8 이상이거나, 9 이하, 8 이하, 7 이하, 6 이하, 5 이하, 4 이하 또는 3 이하일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
이때, 상기 볼 스페이서의 밀도는 1 g/cm3 내지 5 g/cm3의 범위 내일 수 있고, 구체적으로 1 g/cm3 내지 4 g/cm3, 1 g/cm3 내지 3.5 g/cm3, 1 g/cm3 내지 3 g/cm3, 1 g/cm3 내지 2.5 g/cm3, 1 g/cm3 내지 2 g/cm3, 1 g/cm3 내지 1.5 g/cm3 정도의 범위 내일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
광변조 소자의 기준 면적당 존재하는 총 볼 스페이서의 개수는 상기 배향막 조성물 중 볼 스페이서의 함량에 따라 제어할 수 있고, 함량이 높을수록 볼 스페이서의 개수는 많아질 수 있다. 하나의 예시에서, 배향막 용액 100 중량부 대비 볼 스페이서의 함량은 0.01 내지 10 중량부 범위 내일 수 있고, 상한은 구체적으로, 10 중량부 이하, 5 중량부 이하, 3 중량부 이하, 1 중량부 이하 또는 0.5 중량부 이하일 수 있다. 볼 스페이서의 함량이 상기 범위 내인 경우 분산도(SD) 및 분포비(SR)를 상기 범위 내로 제어하기에 적절할 수 있다.
상기 나노 입자의 D50 입경은 1㎛ 이하일 수 있고, 구제척으로 10 nm 내지 1,000 nm일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 나노 입자의 D50 입경은, 다른 예시에서 10 nm 이상, 20 nm 이상, 30 nm 이상, 40 nm 이상, 50 nm 이상, 60 nm 이상, 70 nm 이상, 80 nm 이상 또는 90 nm 이상 정도이거나, 900 nm 이하, 800 nm 이하, 700 nm 이하, 600 nm 이하, 500 nm 이하, 400 nm 이하, 300 nm 이하 또는 200 nm 이하 정도일 수 있다. 상기 범위 내의 나노 입자인 경우, 상기 나노 입자를 분산시키는데 용이하다.
상기 나노 입자는 밀도가 1.5 내지 10 g/cm3의 범위 내에 있을 수 있다. 상기 밀도는 다른 예시에서 1.5 g/cm3 내지 9 g/cm3, 1.5 g/cm3 내지 8 g/cm3, 1.5 g/cm3 내지 7 g/cm3 , 1.5 g/cm3 내지 6 g/cm3, 1.5 g/cm3 내지 5.5 g/cm3, 1.5 g/cm3 내지 5 g/cm3, 1.5 g/cm3 내지 4.5 g/cm3, 1.5 g/cm3 내지 4 g/cm3, 1.5 g/cm3 내지 3.5 g/cm3 또는 1.5 g/cm3 내지 3 g/cm3 또는 2 g/cm3 내지 3 g/cm3 정도 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 일반적인 PMMA 계열 스페이서의 밀도는 1.5 g/cm3 이하이나, 배향막 코팅 후 건조 시, 나노 입자가 스페이서보다 먼저 침전되어 요철을 형성하기 위해서는 상기 나노 입자의 밀도가 1.5 g/cm3 이상이어야 하고, 일반적으로 분산하여 사용하는 무기 나노 입자의 밀도가 10 g/cm3 이하이다.
상기 나노 입자의 함량은 상기 배향막 용액과 볼 스페이서의 합계 중량 100 중량부 대비 0.001 내지 20 중량부 범위 내일 수 있고, 구체적으로, 0.001 중량부 이상, 0.005 중량부 이상 또는 0.01 중량부 이상일 수 있고, 20 중량부 이하, 15 중량부 이하, 10 중량부 이하, 5 중량부 이하 또는 1 중량부 이하일 수 있다. 상기 나노 입자의 함량이 지나치게 높은 경우 헤이즈(Haze)가 증가하여 투과율이 낮아질 수 있으며 지나치게 낮은 경우 볼 스페이서의 분산도 내지 분산비를 향상시키에 부족할 수 있으므로, 나노 입자의 함량은 상기 범위 내에서 조절되는 것이 바람직할 수 있다.
상기 나노 입자의 종류는 실리카(이산화규소), 산화알루미늄, 이산화 티타늄, 산화아연, 산화하프늄, 산화지르코늄, 산화주석, 산화세륨, 산화마그네슘, 산화니켈, 산화칼슘 및 산화이트륨로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상일 수 있고, 예를 들면 실리카일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 제 1 기판 및/또는 제 2 기판으로는 유리 또는 실리콘 등의 무기 재료의 기판 또는 플라스틱 등의 유기 재료의 기판을 사용할 수 있다. 제 1 기판 및/또는 제 2 기판에는, 필요에 따라서 금, 은, 이산화 규소 또는 일산화 규소 등의 규소 화합물의 코팅층이나, 반사 방지층 등의 코팅층, 보호필름, 점착제층 또는 이형필름 등이 존재할 수도 있다.
하나의 예시에서, 상기 제 1 기판 및 제 2 기판으로는 필름 기재를 사용할 수 있다. 상기와 같이 스페이서의 분산도와 분포비가 조절된 광변조 소자는 제 1 기판 또는 제 2 기판으로 필름 기재를 사용할 경우 시인성 개선의 측면에서 더욱 의미가 있을 수 있다. 광변조 소자를 벤딩이 되어 있는 제품에 적용하고자 하는 경우 필름 기재를 사용하는 것이 필요하며, 이러한 광변조 소자가 벤딩이 되어 있는 제품에 적용되는 경우 스페이서의 스페이서의 간격, 분포 등에 의해 시인성이 좌우될 수 있기 때문이다.
상기 필름 기재로는 플라스틱 필름이 사용될 수 있다. 플라스틱 필름으로는, 예를 들어, 폴리에틸렌테레프탈레이트(polyethylene terephthalate), 폴리테트라플루오로에틸렌(polytetrafluoroethylene), 폴리에틸렌(polyethylene), 폴리프로필렌(polypropylene), 폴리부텐(polybutene), 폴리부타디엔(polybutadiene), 염화비닐 공중합체(vinyl chloride copolymer), 폴리우레탄(polyurethane), 에틸렌-비닐 아세테이트(ethylene-vinyl acetate), 에틸렌-프로필렌 공중합체(ethylene-propylene copolymer), 에틸렌-아크릴산 에틸 공중합체(ethylene-ethyl acrylic acid copolymer), 에틸렌-아크릴산 메틸 공중합체(ethylene-methyl acrylic acid copolymer) 및 폴리이미드(polyimide)로 이루어진 군으로부터 선택된 하나를 사용할 수 있다.
상기 광변조 소자는 전극층을 더 포함할 수 있다. 예를 들어 상기 광 변조 소자는 상기 제 1 기판과 광변조층 사이의 제 1 전극층과 제 2 기판과 광변조층 사이의 제 2 전극층을 더 포함할 수 있다. 구체적인 예로 상기 광변조 소자는 상기 제 1 기판의 일 측에 형성된 제 1 전극층을 포함할 수 있고, 상기 제 2 기판의 일 측에 형성된 제 2 전극층을 포함할 수 있다. 상기 제 1 기판의 일 측과 제 2 기판의 일 측은, 상기 광변조층을 향하는 측을 의미할 수 있다.
전극층은 광변조층 내의 광변조 물질이 광변조 기능을 전환할 수 있도록 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.
상기 광변조 소자는 배향막을 더 포함할 수 있다. 예를 들어 상기 제 1 기판과 광변조층 사이의 제 1 배향막과 제 2 기판과 광변조층 사이의 제 2 배향막을 더 포함할 수 있다. 구체적인 예로 상기 광변조 소자는 상기 제 1 기판의 일 측에 형성된 제 1 배향막을 포함할 수 있고, 상기 제 2 기판의 일 측에 형성된 제 2 배향막을 포함할 수 있다. 상기 제 1 기판의 일 측과 제 2 기판의 일 측은, 상기 광변조층을 향하는 측을 의미할 수 있다. 상기 광변조 소자가 상기와 같이 제 1 전극층과 제 2 전극층을 포함하는 경우, 상기 제 1 배향막은 제 1 전극층 상에 형성되어 있을 수 있고, 제 2 배향막은 제 2 전극층 상에 형성되어 있을 수 있다.
상기 배향막으로는 예를 들어, 러빙 배향막과 같은 접촉식 배향막 또는 광배향성 화합물을 포함하여 직선 편광의 조사 등과 같은 비접촉식 방식에 의해 배향 특성을 나타낼 수 있는 것으로 공지된 광 배향막을 사용할 수 있다.
상기 배향막은 기판 또는 전극층 상에 배향막 조성물을 코팅함으로써 형성할 수 있다. 상기 배향막 조성물은 배향막 형성용 물질을 적절한 용매에 분산, 희석 및/또는 용해시켜서 제조한 배향막 용액을 포함할 수 있다.
상기에서 배향막 형성용 물질은 러빙 배향막 형성용 물질 또는 광 배향막 형성용 물질일 수 있고, 배향막 형성용 물질의 종류는, 적절한 처리에 의해 액정에 대한 수직 또는 수평 배향능과 같은 배향능을 나타낼 수 있는 것으로 공지되어 있는 모든 종류의 물질을 사용할 수 있다. 이러한 물질로는, 폴리이미드(polyimide) 화합물, 폴리비닐알코올(poly(vinyl alcohol)) 화합물, 폴리아믹산(poly(amic acid)) 화합물, 폴리스티렌(polystylene) 화합물, 폴리아미드(polyamide) 화합물 및 폴리옥시에틸렌(polyoxyethylene) 화합물 등과 같이 러빙 배향에 의해 배향능을 나타내는 것으로 공지된 물질이나, 폴리이미드(polyimide) 화합물, 폴리아믹산(polyamic acid) 화합물, 폴리노르보넨(polynorbornene) 화합물, 페닐말레이미드 공중합체(phenylmaleimide copolymer) 화합물, 폴리비닐신나메이트(polyvinylcinamate) 화합물, 폴리아조벤젠(polyazobenzene) 화합물, 폴리에틸렌이민(polyethyleneimide) 화합물, 폴리비닐알콜(polyvinylalcohol) 화합물, 폴리아미드(polyimide) 화합물, 폴리에틸렌(polyethylene) 화합물, 폴리스타일렌(polystylene) 화합물, 폴리페닐렌프탈아미드(polyphenylenephthalamide) 화합물, 폴리에스테르(polyester) 화합물, CMPI(chloromethylated polyimide) 화합물, PVCI(polyvinylcinnamate) 화합물 및 폴리메틸 메타크릴레이트(polymethyl methacrylate) 화합물 등과 같이 광조사에 의해 배향능을 나타낼 수 있는 것으로 공지된 물질 등이 예시될 수 있으나, 특별히 제한되지는 않는다.
배향막 용액 내에서 배향막 형성용 물질의 비율은 0.1 내지 10 중량%일 수 있다. 상기 비율은 다른 예시에서 약 0.3중량% 이상, 약 0.5 중량% 이상, 약 0.7 중량% 이상, 약 0.9 중량% 이상, 약 1.1 중량% 이상 또는 약 1.3 중량% 이상이거나, 약 9 중량% 이하, 약 8 중량% 이하, 약 7 중량% 이하, 약 6 중량% 이하, 약 5 중량% 이하, 약 4 중량% 이하, 약 3 중량% 이하 또는 약 2 중량% 이하 정도일 수도 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 배향막 형성용 물질의 비율이 상기 범위보다 미만이면, 배향막이 너무 얇게 코팅되어 스페이서와 나노 입자를 고착시키기 어렵고, 상기 범위를 초과하는 경우, 배향막의 두께가 두꺼워 광학디바이스 제작 시 셀갭 유지 및 스페이서 주변의 테일 발생에 의해 빛샘 등의 문제가 발생한다.
배향막 용액은 상기와 같은 배향막 형성용 물질을 용매에 희석, 분산 및/또는 용해시켜 제조할 수 있다. 이때 적용될 수 있는 용매는 기본적으로 특별하게 제한되지는 않는다. 예를 들면, 용매로는, 사이클로헥산(cyclohexane) 등의 탄소수 3 내지 12 또는 탄소수 3 내지 8의 사이클로알칸, DMSO(dimethyl sulfoxide), THF(tetrahydrofuran), DMF(dimethylformamide), NMP(NMethyl-pyrrolidone), 클로로포름(CHCl3), 감마-부티로락톤이나 사이클로펜타논 등의 케톤 용매, 2-부톡시에탄올 등의 알코올 또는 에틸렌글리콜 등의 글리콜 중에서 선택된 어느 하나 또는 상기 중에서 선택된 2종 이상의 혼합 용매를 적용할 수 있다.
전술한 바와 같이, 광변조 소자가 볼 스페이서를 적용하는 경우, 상기 배향막 조성물은 배향막 용액에 볼 스페이서를 더 포함할 수 있고, 나노 입자를 더 포함할 수 있다.
기판 내지 전극층 상에 배향막을 형성하는 방법은 특별히 제한되지 않는다. 예를 들면, 배향막 형성 공정은, 기판 상에 배향막 조성물의 층을 형성하고, 상기 형성된 층에 상기 배향 처리 등의 공지의 처리를 수행하는 공정을 포함할 수 있다. 또한, 상기 배향막 조성물의 층을 도포 등에 의해 형성하고, 소성까지의 시간이 기판마다 일정하지 않은 경우나, 도포 후 즉시 소성되지 않은 경우에는 건조 공정 등과 같은 전처리 공정이 수행될 수도 있다. 예를 들면, 상기 건조 및/또는 열처리 등의 공정은, 적절한 건조기, 오븐 또는 핫플레이트 등을 사용하여 수행할 수 있다.
상기 배향막 조성물의 도포 방법으로는, 공지의 코팅 방법을 사용할 수 있으며, 예를 들어, 스핀 코팅, 바 코팅, 롤 코팅, 그라비아 코팅, 블레이드 코팅 등의 방법을 사용할 수 있다.
상기에서 열처리 및/또는 건조 공정 등이 수행되는 경우에는 그 처리 온도나 시간은 특별히 제한되지 않고, 적절하게 조절될 수 있다. 예를 들면, 상기 공정은, 약 50℃ 이상, 약 60℃ 이상, 약 70℃ 이상, 약 80℃ 이상, 약 90℃ 이상, 약 100℃ 이상, 약 110℃ 이상 또는 약 120℃ 이상의 온도에서 수행될 수 있다. 또한, 상기 온도는 약 300℃ 이하, 약 280℃ 이하, 약 260℃ 이하, 약 240℃ 이하, 약 230℃ 이하, 약 220℃ 이하, 약 210℃ 이하, 약 200℃ 이하, 약 180℃ 이하 또는 약 160℃ 이하 정도일 수 있다.
상기 공정의 처리 온도도 배향막 조성물의 상태나 상기 온도 등을 고려하여 선택될 수 있으며, 예를 들면, 약 1분 내지 2시간의 범위 내에서 적정 시간이 선택될 수 있다.
상기 배향막 조성물의 층을 형성한 후에, 상기 형성된 층에 배향 처리가 수행할 수 있다. 이러한 경우에 배향 처리는 공지의 방식으로 수행할 수 있다. 예를 들면, 러빙 배향막인 경우에 적절한 러빙 처리를 하거나, 광배향막인 경우에 적절한 광 조사 처리를 통해 상기 배향 처리를 수행할 수 있다. 상기 각 처리를 수행하는 구체적인 방식은 특별히 제한되지 않으며, 예를 들면, 러빙 공정은, 코튼, 레이온 또는 나일론 형성 같은 러빙 천을 사용한 방식을 적용할 수 있으며, 광조사 공정은 적절한 직선 편광을 조사하는 방식 등을 적용할 수 있다.
본 명세서에서 언급하는 물성 중에서 측정 온도가 그 결과에 영향을 미치는 경우에, 특별히 달리 언급하지 않는 한 그 물성은 상온에서 측정한 물성이다. 용어 상온은, 가온 및 감온되지 않는 자연 그대로의 온도이고, 예를 들면, 약 10℃ 내지 30℃의 범위 내의 어느 한 온도이거나, 약 23℃ 또는 약 25℃ 정도의 온도일 수 있다. 본 명세서에서 언급하는 물성 중에서 측정 압력이 그 결과에 영향을 미치는 경우에, 특별히 달리 언급하지 않는 한 그 물성은 상압에서 측정한 물성이다. 용어 상압은 특별하게 압력을 올리거나 내리지 않은 자연 그대로의 압력이고, 일반적으로 대기압과 같은 약 1기압 정도의 압력을 의미한다.
상기 배향막의 배향력은 광변조 물질에 요구되는 배향 상태를 고려하여 적절히 조절될 수 있다. 예를 들어 상기 제 1 배향막과 제 2 배향막의 프리틸트 방향과 프리틸트 각도는 광변조 물질에 요구되는 배향 상태를 고려하여 적절히 조절될 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 액정 화합물의 광축이 배향막과 수평한 면에 대하여 이루는 각도를 의미할 수 있다.
하나의 예시에서, 수직 배향막은 프리틸트 각도가 약 70도 내지 90도, 75도 내지 90도, 80도 내지 90도 또는 85도 내지 90도일 수 있다. 하나의 예시에서, 수평 배향막의 프리틸트 각도는 약 0도 내지 20도, 0도 내지 15도, 0도 내지 10도 또는 0도 내지 5도일 수 있다. 상기 프리틸트 방향은 액정 화합물의 광축이 배향막의 수평한 면에 사영된 방향을 의미할 수 있다. 상기 프리틸트 방향은 상기 사영된 방향과 액정층의 가로축(WA)이 이루는 각도일 수 있다. 본 명세서에서 상기 액정층의 가로축(WA)은 액정층의 장축 방향과 평행한 방향 또는 광변조 소자가 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.
상기 제 1 배향막과 제 2 배향막의 프리틸트 방향은 액정층과 같은 광변조층의 배향을 고려하여 적절히 조절될 수 있다. 하나의 예시에서, 수평 배향을 위해 제 1 배향막과 제 2 배향막의 프리틸트 방향은 서로 평행할 수 있고, 비틀림 각도가 90도 또는 270도인 트위스트 배향을 위해 제 1 배향막과 제 2 배향막의 프리틸트 방향은 서로 90도를 이룰 수 있고, 비틀림 각도가 360도인 트위스트 배향을 위해 제 1 배향막과 제 2 배향막의 프리틸트 방향은 서로 평행할 수 있다. 제 1 배향막과 제 2 배향막의 프리틸트 방향이 서로 평행인 경우, 제 1 배향막과 제 2 배향막의 프리틸트 방향은 서로 역평행(anti-parallel)일 수 있는데, 예를 들어, 서로 170도 내지 190도, 175도 내지 185도, 바람직하게 180도를 이룰 수 있다.
러빙 배향막 또는 광 배향막의 프리틸트 방향 및 프리틸트 각도를 조절하는 것은 공지이다. 러빙 배향막인 경우 프리틸트 방향은 러빙 방향과 평행할 수 있고, 프리틸트 각도는 러빙 조건 예를 들어 러빙 시의 압력 조건, 러빙 세기 등을 제어하여 달성할 수 있다. 광 배향막인 경우 프리틸트 방향은 조사되는 편광의 방향 등에 의해 조절될 수 있고, 프리틸트 각도는 광의 조사 각도, 광의 조사 세기 등에 의해 조절될 수 있다.
상기 광변조층은 광변조 물질을 포함할 수 있다. 상기 광변조 물질은 제 1 기판과 제 2 기판의 사이에 스페이서가 존재하지 않는 영역 내에 존재할 수 있다. 상기 광변조 물질은 액정 화합물, 전기 변색 물질 또는 전기 영동 물질을 포함할 수 있다. 하나의 예시에서, 상기 광 변조층은 액정 화합물을 포함하는 액정층일 수 있다.
상기 액정 화합물은 네마틱(nematic) 액정 또는 스멕틱(smectic) 액정일 수 있다. 네마틱 액정은 막대 모양의 액정 분자가 위치에 대한 규칙성은 없으나 액정 분자의 장축 방향으로 평행하게 배열되어 있는 액정을 의미할 수 있고, 스멕틱 액정은 막대 모양의 액정 분자가 규칙적으로 배열하여 층을 이룬 구조를 형성하며 장축 방향으로 규칙성을 가지고 평행하게 배열되어 있는 액정을 의미할 수 있다.
상기 액정 화합물의 굴절률 이방성은 목적 물성, 예를 들어, 투과도 가변 특성을 고려하여 적절히 선택될 수 있다. 본 명세서에서 용어 「굴절률 이방성」은 액정 분자의 이상 굴절률(extraordinary refractive index)과 정상 굴절률(ordinary refractive index)의 차이를 의미할 수 있다. 상기 액정 분자의 굴절률 이방성은 예를 들어 0.01 내지 0.3일 수 있다. 액정 화합물의 유전율 이방성을 상기 범위로 조절하면 광 변조 소자의 광변조 기능 측면에서 유리할 수 있다.
상기 액정 화합물의 유전율 이방성은 목적하는 액정셀의 구동 방식을 고려하여 양의 유전율 이방성 또는 음의 유전율 이방성을 가질 수 있다. 본 명세서에서 용어「유전율 이방성」은 액정 분자의 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 분자의 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 광 변조 소자의 구동 효율 측면에서 유리할 수 있다.
상기 광변조층은 이색성 염료를 더 포함할 수 있다. 하나의 예시에서, 상기 광변조층은 액정 화합물 및 이색성 염료를 포함하는 액정층일 수 있다. 이러한 액정층을 게스트호스트 액정층(GHLC층; Guest host liquid crystal layer)으로 호칭할 수 있다. 본 명세서에서 용어 「GHLC층」은, 액정 화합물의 배열에 따라 이색성 염료가 함께 배열되어, 이색성 염료의 정렬 방향과 상기 정렬 방향의 수직한 방향에 대하여 각각 비등방성 광 흡수 특성을 나타내는 기능성 층을 의미할 수 있다. 예를 들어, 이색성 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 이색성 염료는 p형 염료인 것으로 가정한다.
게스트 물질로서 이색성 염료는 예를 들어 호스트 물질로서 액정 화합물의 배향에 따라 배향되어 광변조 소자의 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.
상기 액정층의 이색성 염료의 함량은 원하는 투과도 가변 특성을 고려하여 적절히 조절될 수 있다. 예를 들어, 액정층의 이색성 염료의 함량은 0.1 중량% 내지 20 중량%, 0.1 중량% 내지 15 중량%, 0.1 중량% 내지 10 중량% 또는 0.1 중량% 내지 5 중량% 범위 내일 수 있다.
상기 광변조층은 임의의 첨가제를 더 포함할 수 있다. 하나의 예시에서, 상기 광변조층이 액정층인 경우에, 상기 액정층은 키랄제를 더 포함할 수 있다. 액정층이 키랄제를 더 포함하는 경우 액정층에 트위스트 배향을 유도할 수 있다. 액정층에 포함될 수 있는 키랄제(chiral agent)로는, 액정성, 예를 들면, 네마틱 규칙성을 손상시키지 않고, 목적하는 회전을 유도할 수 있는 것이라면, 특별히 제한되지 않고 사용될 수 있다. 액정 화합물에 회전을 유도하기 위한 키랄제는 분자 구조 중에 키랄리티(chirality)를 적어도 포함할 필요가 있다. 키랄제로는, 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. 키랄제는 예를 들면 분자량이 1,500 이하인 저분자 화합물일 수 있다. 키랄제로는, 시판되는 키랄 네마틱 액정, 예를 들면, Merck사에서 시판되는 키랄 도펀트 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.
상기 광변조층이 액정층인 경우 초기 상태의 배향은 원하는 광변조 기능을 고려하여 적절히 선택될 수 있다. 본 명세서에서 초기 상태는 광변조 소자에 전계와 같은 외부 에너지가 인가되지 않은 상태를 의미할 수 있다. 상기 액정층은 예를 들어 인가되지 않은 상태에서, 수직 배향 상태, 수평 배향 상태, 경사 배향 상태, 스프레이 배향 상태, 트위스트 배향 상태 또는 하이브리드 배향 상태 등으로 존재할 수 있다. 상기 광변조 소자에 외부 에너지가 인가되면 상기 초기 상태의 배향 상태가 다른 상태로 바뀌면서 투과도, 헤이즈, 반사도 등을 가변할 수 있다.
광변조층을 형성하는 방법은 특별히 제한되지 않으며, 제 1 기판과 제 2 기판을 합착한 후에 광변조 물질을 주입하거나 또는 스페이서가 형성된 제 1 기판에 광변조 물질을 도포한 후 제 2 기판을 합착하는 방식에 의해 수행될 수 있다.
본 명세서에서 각도를 정의하면서, 수직, 수평, 직교 또는 평행 등의 용어를 사용하는 경우, 이는 목적하는 효과를 손상시키지 않는 범위에서의 실질적인 수직, 수평, 직교 또는 평행을 의미하는 것으로, 예를 들면, 제조 오차(error) 또는 편차(variation) 등을 감안한 오차를 포함하는 것이다. 예를 들면, 상기 각각의 경우는, 약 ±15도 이내의 오차, 약 ±10도 이내의 오차 또는 약 ±5도 이내의 오차를 포함할 수 있다.
본 출원의 광변조 소자는 낮은 헤이즈를 보임으로써 우수한 시인성을 나타낼 수 있다. 예를 들어, 상기 광변조 소자는 1.5% 이하의 헤이즈를 나타낼 수 있다. 상기 헤이즈는 광변조 소자에 전압이 인가되지 않은 상태에서 측정된 값일 수 있다. 광변조 소자의 헤이즈는 구체적으로 1.4% 이하 또는 1.3% 이하일 수 있다. 상기 헤이즈는 낮을수록 시인성이 우수한 것을 의미하는 것으로서 하한은 특별히 제한되지 않지만, 예를 들어, 0.1% 이상일 수 있다.
상기 광변조 소자는 투과도 가변 특성과 같은 광변조 기능이 요구되는 다양한 용도에 적용될 수 있다. 투과도 가변 특성이 요구되는 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 아이웨어가 포함될 수 있다. 본 출원의 광변조 소자는 아이웨어와 같이 벤딩이 되어 있는 제품에 적용 시 시인성을 개선하는 데 더욱 유리할 수 있다. 아이웨어와 같이 눈 앞에 바로 착용하는 제품 군에서는 우수한 시인성의 확보가 특히 더 중요하기 때문이다. 그러나 본 출원의 광변조 소자의 용도가 아이웨어에 제한되는 것은 아니며, 전술한 바와 같이 광변조 기능이 요구되는 다양한 용도에 적용될 수 있다.
본 출원의 광변조 소자는 스페이서의 분산도와 분포비를 조절함으로써, 헤이즈를 낮게 하면서 스페이서 뭉침 얼룩이나 셀갭 불균일을 개선할 수 있다. 이러한 광변조 소자는 광변조 기능이 요구되는 원도우 또는 선루프 등과 같은 건물, 용기 또는 차량 등을 포함하는 밀폐된 공간의 개구부나 아이웨어(eyewear) 등에 적용되어 시인성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 출원의 광변조 소자를 예시적으로 나타낸다.
도 2는 본 출원의 광변조 소자를 예시적으로 나타낸다.
도 3은 셀갭 불균일을 관찰한 이미지이다.
도 4는 스페이서 뭉침 얼룩을 관찰한 이미지이다.
도 5는 스페이서 분포비와 광변조 소자의 헤이즈의 관계를 보여주는 그래프이다.
이하, 본 출원에 따른 실시예 및 본 출원에 따르지 않는 비교예를 통하여 본 출원을 구체적으로 설명하지만, 본 출원의 범위가 하기 제시된 실시예에 의해 제한되는 것은 아니다.
실시예 1.
PC(polycarbonate polymer) 필름 상에 ITO(Indium Tin Oxide) 전극층이 형성된 필름(Tejin사 제품)(가로×세로= 100 mm×100 mm)을 준비하였다. 상기 필름의 ITO 층 상에 자외선 경화성 수지(아크릴 수지)를 코팅하였다. 상기 코팅 층의 상부에 필름 마스크를 라미네이션한 후 자외선을 조사하여 필름 마스크에 노출된 부분의 코팅층을 경화시켰다. 다음으로 필름 마스크에 의해 가려져 경화되지 않은 부분을 현상액(LG화학의 LGS-202 제품)을 이용하여 현상하여 제거함으로써 컬럼 스페이서를 형성하였다. 상기 경화성 수지의 코팅층의 두께는 12㎛이며, 필름 마스크의 광 투과 영역의 크기는 약 20㎛이고, 피치는 150㎛이다. 형성된 컬럼 스페이서의 직경은 약 25㎛ 내지 30㎛이다.
상기 컬럼 스페이서가 형성된 필름 상에 수평 배향막 조성물을 코팅한 후 일 방향으로 러빙 처리함으로써 제 1 기판을 준비하였다. 상기 배향막 조성물은 러빙 배향막 형성 물질인 폴리이미드(Nissan社, SE-7492)를, 혼합 용매로서 NMP(N-Methyl-2-pyrrolidone), GBL(gamma-Butyrolactone) 및 BC(Butyl cellosolve)의 혼합 용매(17:70:13의 중량 비율로 혼합)에 고형분 농도가 약 1.5wt%가 되도록 희석시킨 배향막 용액이다.
제 2 기판의 제조
PC(polycarbonate polymer) 필름 상에 ITO(Indium Tin Oxide) 전극층이 형성된 필름(Tejin사 제품)(가로×세로= 100 mm×100 mm) 필름의 ITO층 상에 제 1 기판과 동일한 수평 배향막 조성물을 코팅한 후 일 방향으로 러빙 처리함으로써 제 2 기판을 준비하였다..
광변조 소자의 제조
굴절률 이방성(△)이 0.13이고, 양의 유전율 이방성을 갖는 액정(MDA-16-1235, Merck사 제품)과 이색성 염료(X12, Merck사 제품)를 혼합한 GHLC 조성물에, 키랄 도펀트(S11, Merck사 제품)를 상기 GHLC 조성물 100 중량부 대비 0.656 중량부로 첨가하여 광변조 조성물을 준비하였다. 제 1 기판 상에 광변조 조성물을 도포한 후, 제 2 기판을 합착하여 광변조 소자를 제조하였다. 이때, 제 1 기판의 배향막의 러빙 방향과 제 2 기판의 배향막의 러빙 방향이 역평행이 되도록(anti-parallel) 합착하였다
실시예 2.
컬럼 스페이서 형성 시에, 경화성 수지의 코팅층의 두께를 12㎛로 하고, 필름 마스크의 광 투과 영역의 피치를 227㎛로 한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 광변조 소자를 제조하였다.
실시예 3.
컬럼 스페이서 형성 시에, 경화성 수지의 코팅층의 두께를 6㎛로 하고, 필름 마스크의 광 투과 영역의 피치를 227㎛로 한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 광변조 소자를 제조하였다.
실시예 4.
컬럼 스페이서 형성 시에, 경화성 수지의 코팅층의 두께를 6㎛로 하고, 필름 마스크의 광 투과 영역의 피치를 277㎛로 한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 광변조 소자를 제조하였다.
실시예 5.
컬럼 스페이서 형성 시에, 경화성 수지의 코팅층의 두께를 12㎛로 하고, 필름 마스크의 광 투과 영역의 피치를 377㎛로 한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 광변조 소자를 제조하였다.
비교예 1.
컬럼 스페이서 형성 시에, 경화성 수지의 코팅층의 두께를 12㎛로 하고, 필름 마스크의 광 투과 영역의 피치를 500㎛로 한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 광변조 소자를 제조하였다.
비교예 2.
컬럼 스페이서 형성 시에, 경화성 수지의 코팅층의 두께를 6㎛로 하고, 필름 마스크의 광 투과 영역의 피치를 500㎛로 한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 광변조 소자를 제조하였다
실시예 6.
제 1 기판의 제조
PC(polycarbonate polymer) 필름 상에 ITO(Indium Tin Oxide) 전극층이 형성된 필름(Tejin사 제품)(가로×세로= 100 mm×100 mm)을 준비하였다. 상기 필름의 ITO 층 상에 배향막 조성물을 바(Bar) 코팅한 후 130℃에서 20분 동안 건조시킨 후에 일 방향으로 러빙 처리함으로써 제 1 기판을 제조하였다.
상기 배향막 조성물로는, 러빙 배향막 형성 물질인 폴리이미드(Nissan社, SE-7492)를, NMP(N-Methyl-2-pyrrolidone), GBL(gamma-Butyrolactone) 및 BC(Butyl cellosolve)의 혼합 용매에 고형분 농도가 약 1.5wt%가 되도록 희석시킨 배향막 용액에 볼 스페이서와 나노 입자를 더 첨가시킨 것을 사용하였다.
볼 스페이서는 평균 입경이 6㎛인 Sekisui社의 KBN-506 제품이며, 볼 스페이서의 함량은 배향막 용액 100 중량부 대비 0.3 중량부이다.
나노 입자는 평균 직경(D50 직경)이 약 100 nm 정도이고, 밀도가 약 2.7 g/cm3 정도인 구상 실리카(SiO2) 나노 입자이며, 나노 입자의 함량은 배향막 용액과 볼 스페이서의 합계 중량 100 중량부 대비 0.02 중량부이다.
제 2 기판의 제조
PC(polycarbonate polymer) 필름 상에 ITO(Indium Tin Oxide) 전극층이 형성된 필름(Tejin사 제품)(가로×세로= 100 mm×100 mm) 필름의 ITO층 상에 제 1 기판과 동일한 배향막 용액을 코팅한 후 일 방향으로 러빙 처리함으로써 제 2 기판을 준비하였다.
광변조 소자의 제조
굴절률 이방성(△)이 0.13이고, 양의 유전율 이방성을 갖는 액정(MDA-16-1235, Merck사 제품)과 이색성 염료(X12, Merck사 제품)를 혼합한 GHLC 조성물에, 키랄 도펀트(S11, Merck사 제품)를 상기 GHLC 조성물 100 중량부 대비 0.656 중량부로 첨가하여 광변조 조성물을 준비하였다. 제 1 기판 상에 광변조 조성물을 도포한 후, 제 2 기판을 합착하여 광변조 소자를 제조하였다. 이때, 제 1 기판의 배향막의 러빙 방향과 제 2 기판의 배향막의 러빙 방향이 역평행이 되도록(anti-parallel) 합착하였다.
실시예 7
제 1 기판의 배향막 조성물의 제조 시에, 볼 스페이서의 평균 입경이 6㎛(Sekisui社의 KBN-506 제품)이고, 볼 스페이서의 함량이 배향막 용액 100 중량부 대비 0.2 중량부가 되도록 한 것을 제외하고는 실시예 6과 동일한 방법으로 광변조 소자를 제조하였다.
실시예 8
제 1 기판의 배향막 조성물의 제조 시에, 볼 스페이서의 평균 입경이 12㎛(Sekisui社의 KBN-512 제품)이고, 볼 스페이서의 함량이 배향막 용액 100 중량부 대비 0.5 중량부가 되도록 한 것을 제외하고는 실시예 6과 동일한 방법으로 광변조 소자를 제조하였다.
실시예 9
제 1 기판의 배향막 조성물의 제조 시에, 볼 스페이서의 평균 입경이 12㎛(Sekisui社의 KBN-512 제품)이고, 볼 스페이서의 함량이배향막 용액 100 중량부 대비 0.3 중량부가 되도록 한 것을 제외하고는 실시예 6과 동일한 방법으로 광변조 소자를 제조하였다.
실시예 10
제 1 기판의 배향막 조성물의 제조 시에, 볼 스페이서의 평균 입경이 6㎛(Sekisui社의 KBN-506 제품)이고, 볼 스페이서의 함량이 배향막 용액 100 중량부 대비 0.1 중량부가 되도록 한 것을 제외하고는 실시예 6과 동일한 방법으로 광변조 소자를 제조하였다.
실시예 11
제 1 기판의 배향막 조성물의 제조 시에, 볼 스페이서의 평균 입경이 6㎛(Sekisui社의 KBN-506 제품)이고, 볼 스페이서의 함량이 배향막 용액 100 중량부 대비 0.05 중량부가 되도록 한 것을 제외하고는 실시예 6과 동일한 방법으로 광변조 소자를 제조하였다.
실시예 12
제 1 기판의 배향막 조성물의 제조 시에, 볼 스페이서의 평균 입경이 12㎛(Sekisui社의 KBN-512 제품)이고, 볼 스페이서의 함량이 배향막 용액 100 중량부 대비 0.1 중량부가 되도록 한 것을 제외하고는 실시예 6과 동일한 방법으로 광변조 소자를 제조하였다.
비교예 3
제 1 기판의 배향막 조성물의 제조 시에, 볼 스페이서의 평균 입경이 12㎛(Sekisui社의 KBN-512 제품)이고, 볼 스페이서의 함량이 배향막 용액 100 중량부 대비 0.7 중량부가 되도록 한 것을 제외하고는 실시예 6과 동일한 방법으로 광변조 소자를 제조하였다.
비교예 4
제 1 기판의 배향막 조성물의 제조 시에, 볼 스페이서의 평균 입경이 12㎛(Sekisui社의 KBN-512 제품)이고, 볼 스페이서의 함량이 배향막 용액 100 중량부 대비 0.6 중량부가 되도록 하고, 나노 입자는 포함시키지 않은 것을 제외하고는 실시예 6과 동일한 방법으로 광변조 소자를 제조하였다.
비교예 5
제 1 기판의 배향막 조성물의 제조 시에, 볼 스페이서의 평균 입경이 6㎛(Sekisui社의 KBN-506 제품)이고, 볼 스페이서의 함량이 배향막 용액 100 중량부 대비 0.5 중량부가 되도록 한 것을 제외하고는 실시예 6과 동일한 방법으로 광변조 소자를 제조하였다
평가예 1. 셀갭 평가
광변조 소자의 셀 갭은 FE-SEM(Hitachi, S-4800)으로 확인한다.
평가예 2. 분산도 및 분포도 평가
하기 수식 1과 수식 2에 따라, 스페이서의 분산도(SD)와 분포도(SR)를 얻었다. 기준 면적(1 mm2)당 독립적으로 존재하는 스페이서의 개수(A)와 기준 면적(1 mm2)당 존재하는 총 스페이서의 개수(B)는 (40×배율)현미경으로 관찰하여 실제 개수를 확인한다.
[수식 1]
분산도(SD) = A/B ×100
[수식 2]
분포비(SR) = B ×SD
평가예 3. 헤이즈 평가
광변조 소자에 대하여 헤이즈미터, NDH-5000SP를 이용하여, ASTM 방식으로 헤이즈를 측정하였다. 즉, 광을 측정 대상을 투과시켜 적분구 내로 입사시키며, 이 과정에서 광은 측정 대상에 의하여 확산광(DT, 확산되어 출광된 모든 광의 합을 의미)과 평행광(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)는 상기 확산광(DT)과 평행광(PT)의 총합(DT+PT)이고, 헤이즈는 상기 전체 투과광에 대한 확산광의 백분율(Haze(%)=100XDT/TT)로 규정될 수 있다. 또한, 전체 투과도는 상기 전체 투과광(TT)을 의미한다.
평가예 4. 스페이서 뭉침 얼룩 평가
백라이트 위에 광변조 소자를 위치시킨 후 액정 화합물과 염료가 기판에 수평하게 배향되어 있는 초기 상태(차단 상태)의 액정셀에 대하여 빛샘 여부를 육안으로 확인함으로써, 스페이서 뭉침 얼룩을 평가하였다. 평가 기준은 다음과 같다.
O: 육안상 빛샘이 인지되지 않음
X: 육안상 빛샘이 인지됨
평가예 5. 셀갭 불균일 평가
백라이트 위에 광변조 소자를 위치시킨 후 액정 화합물과 염료가 기판에 수평하게 배향되어 있는 초기 상태(차단 상태)의 액정셀의 투과율 균일도를 육안으로 확인함으로써, 셀갭 불균일을 평가하였다. 평가 기준은 다음과 같다.
O: 육안상 균일한 투과율이 관찰됨
X: 육안상 투과율이 균일하지 않고 얼룩이 인지됨
실시예 및 비교예의 광변조 소자에 대하여, 상기 평가예 1 내지 5를 수행하고, 그 결과를 하기 표 1 내지 표 3에 기재하였다. 평가 결과, 본 출원에서 규정하는 스페이서의 분산도 및 분포비를 모두 만족하는 실시예는 헤이즈 평가, 스페이서 뭉침 얼룩과 셀갭 불균일 평가에서 모두 양호한 결과를 나타냈으나, 본 출원에서 규정하는 스페이서의 분산도와 분포비 중 어느 하나라도 만족하지 않는 비교예는 헤이즈 평가, 스페이서 뭉침 얼룩과 셀갭 불균일 평가 중 하나 이상에서 양호하지 않은 결과를 나타냈다.
또한, 도 3은 셀갭 불균일을 관찰한 이미지이며, 백라이트 위에 액정셀을 위치시키고 카메라로 셀 전체를 촬영한 이미지이다. 관찰 결과, 실시예는 균일한 투과율을 보이는 반면, 비교예는 투과율이 균일하지 못하고 얼룩이 인지되므로, 비교예가 실시예에 비해 셀갭 불균일이 심하다는 것을 확인할 수 있다.
또한, 도 4는 스페이서 뭉침 얼룩을 관찰한 이미지이다. 도 4의 좌측의 푸른색은 백라이트 위에 액정셀을 위치시키고 카메라로 근접 이미지를 촬영한 것이다. 관찰 결과, 실시예는 빛샘이 관찰되지 않는 반면 비교예는 빛샘(백점)이 인지되었다. 도 4의 우측의 회색은 ×40 배율의 현미경 이미지이다. 관찰 결과, 실시예는 대부분 스페이서들이 독립적으로 존재하는 반면, 비교예는 뭉쳐있는 스페이서들이 다수 관찰되었다. 이러한 관찰 결과로부터 비교예가 실시예에 비해 스페이서 뭉침 얼룩이 심하다는 것을 확인할 수 있다.
또한, 도 5는 스페이서 분포비와 광변조 소자의 헤이즈의 관계를 보여주는 그래프이다. 도 5에 나타낸 바와 같이, 스페이서의 분포비와 헤이즈는 거의 선형 그래프를 나타내며, 1.5%의 헤이즈를 만족하기 위해 스페이서의 분포비가 약 120 이하가 되어야 함을 알 수 있다.
실시예 1 실시예 2 실시예 3 실시예 4 실시예 5
스페이서
종류		 칼럼 스페이서
셀 갭 (㎛) 12 12 6 6 12
기준 면적당 총 개수 44 19 19 13 7
분산도(SD) 100% 100% 100% 100% 100%
분포비(SR) 44 19 19 13 7
헤이즈(%) 1.01 0.68 0.76 0.61 0.41
스페이서 뭉침얼룩 ○ ○ ○ ○ ○
셀갭 불균일 ○ ○ ○ ○ ○
실시예 6 실시예 7 실시예 8 실시예 9 실시예 10 실시예 11 실시예 12
스페이서
종류		 볼 스페이서
셀 갭 (㎛) 6 6 12 12 6 6 12
기준 면적당 총 개수 116 105 100 65 47 40 22
분산도(SD) 92 81 89 54 43 40 18
분포비(SR) 106 86 89 54 43 40 18
헤이즈(%) 1.26 1.22 1.03 0.97 0.90 0.89 0.51
스페이서 뭉침얼룩 ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○
셀갭 불균일 ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○
비교예 1 비교예 2 비교예 3 비교예 4 비교예 5
스페이서
종류		 칼럼 스페이서 볼 스페이서
셀 갭 (㎛) 12 6 12 12 6
기준 면적당 총 개수 4 4 150 135 227
분산도(SD) 100% 100% 81% 65% 79%
분포도(SR) 4 4 122 88 179
헤이즈(%) 5% 5% 1.67 1.19 1.77
스페이서 뭉침얼룩 ○ ○ ○ X ○
셀갭 불균일 X X ○ ○ ○
101: 제 1 기판, 102: 제 2 기판, 200: 광변조층, 301,302: 스페이서

Claims (13)

  1. 제 1 기판, 광변조층 및 제 2 기판을 순차로 포함하고,
    상기 제 1 기판과 제 2 기판의 사이에 존재하면서 제 1 기판과 제 2 기판의 간격을 유지하는 스페이서를 더 포함하며,
    상기 스페이서는 하기 수식 1의 분산도(SD)가 70% 이상이고, 하기 수식 2의 분포비(SR)가 7 이상 내지 120 이하가 되도록 존재하는 광변조 소자이고,
    상기 광변조 소자의 기준 면적 1mm2 당 존재하는 총 스페이서의 개수(B)는 5개 내지 130개 범위 내인 광변조 소자:
    [수식 1]
    분산도(SD) = A/B ×100
    [수식 2]
    분포비(SR) = B ×SD
    수식 1 및 2에 있어서, A는 광변조 소자의 기준 면적 1mm2 당 독립적으로 존재하는 스페이서의 개수이고, B는 광변조 소자의 기준 면적 1mm2 당 존재하는 총 스페이서의 개수이며, 스페이서가 독립적으로 존재한다는 것은 2개 이상의 스페이서가 서로 접한 상태나 뭉친 상태가 아닌 개별적으로 존재하는 것을 의미한다.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 스페이서는 컬럼 스페이서 또는 볼 스페이서인 광변조 소자.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 스페이서의 크기는 1 ㎛ 내지 100 ㎛ 범위 내인 광변조 소자.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 스페이서는 제 1 기판 또는 제 2 기판에 고착된 상태로 존재하는 광변조 소자.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 기판 및 제 2 기판은 각각 필름 기재인 광변조 소자.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 기판과 광변조층 사이의 제 1 전극층과 제 2 기판과 광변조층 사이의 제 2 전극층을 더 포함하는 광변조 소자.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 기판과 광변조층 사이의 제 1 배향막과 제 2 기판과 광변조층 사이의 제 2 배향막을 더 포함하는 광변조 소자.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 광변조층은 광변조 물질을 포함하고, 상기 광변조 물질은 제 1 기판과 제 2 기판의 사이에 스페이서가 존재하지 않는 영역에 존재하는 광변조 소자.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 광변조층은 광변조 물질로서 액정 화합물, 전기 변색 물질 또는 전기 영동 물질을 포함하는 광변조 소자.
  11. 제 10 항에 있어서, 상기 광변조층은 이색성 염료를 더 포함하는 광변조 소자.
  12. 제 1 항에 있어서, 상기 광변조층은 액정층이고, 상기 액정층은 전압이 인가되지 않은 상태에서, 수직 배향 상태, 수평 배향 상태, 경사 배향 상태, 스프레이 배향 상태, 트위스트 배향 상태 또는 하이브리드 배향 상태로 존재하는 광변조 소자.
  13. 제 1 항에 있어서, 상기 광변조 소자는 전압이 인가되지 않은 상태에서 헤이즈가 1.5% 이하인 광변조 소자.
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