KR102354935B1 - 광변조 소자 - Google Patents

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Abstract

본 출원은 광변조 소자에 관한 것이다. 본 출원의 광변조 소자는 화이트 컬러에서 헤이즈 상태와 투명 상태 사이의 스위칭이 가능하며, 염료의 변색이 없어 고온고습 내구성이 우수하다. 이러한 광변조 소자는 차량용 윈도우, 스마트 윈도우, 윈도우 보호막, 디스플레이 장치, 디스플레이용 차광판, 3D 영상 표시용 액티브 리타더(active retarder) 또는 시야각 조절 필름 등과 같은 용도에 적용될 수 있다.

Description

광변조 소자{Light modulation element}
본 출원은 광변조 소자에 관한 것이다.
액정 소자는 전압의 인가와 같은 외부 에너지를 통해 액정의 배향을 스위칭시켜 광의 투과도 내지 헤이즈를 조절할 수 있어서, 광변조 소자로 사용될 수 있다. 이러한 액정 소자는, 각종 정보 장치의 디스플레이 장치는 물론 OLED(Organic Light Emitting Diode)용 차광판 또는 차량용 및 스마트 윈도우 등의 다양한 차광 제품에도 적용될 수 있다.
액정 소자의 차광 및 투광 기작은 전체 투과율(색감)에 따른 화이트 상태와 다크 상태, 헤이즈에 따른 투명 상태와 헤이즈 상태로 분류할 수 있다. 특허문헌 1 등에 기재된 바와 같은 소위 PDLC셀(Polymer dispersed liquid crystal cell) 또는 PILC셀(Pixel isolated liquid crystal cell), PNLC셀(Polymer network liquid crystal cell) 등은 화이트 상태에서, 투명 상태와 헤이즈 상태를 가변할 수 있는 헤이즈 가변 소자이다. 그러나 이러한 헤이즈 가변 소자는 다크 컬러는 구현하지 못하고 투과율 가변 범위가 좁은 한계가 있다. 상기와 같은 헤이즈 가변 소자에 이방성 염료를 적용하는 경우 염료의 흡광을 조절하여 투과율 가변 범위를 증대시켜 다크 컬러의 구현이 가능할 수 있다. 그러나 액정 화합물과 폴리머 전구체의 경화 과정에서 폴리머 내에 염료의 오염으로 의한 투과율 가변 범위가 감소하는 문제가 있다. 또한, 폴리머 전구체 내의 개시제에 의해 염료의 변색 문제도 발생한다.
대안으로, DS 액정셀(Dynamic scattering liquid crystal cell)에 이방성 염료를 적용하면 폴리머 내에 염료의 오염 없이 투과율 가변 범위를 증대시킬 수 있어 다크 상태에서, 투명 상태와 헤이즈 상태를 가변할 수 있다. 그러나, DS 액정셀은 동적 산란 구동을 위해 전도도 조절제와 같은 첨가제를 포함하는데, 상기 첨가제에 의한 염료의 변색 문제가 발생한다.
대한민국 공개특허공보 제2014-0077861호
본 출원은 염료의 화이트 컬러에서 헤이즈 상태와 투명 상태 사이의 스위칭이 가능하며, 염료의 변색 없어 고온고습 내구성이 우수한 광변조 소자를 제공한다.
본 출원은 광변조 소자에 관한 것이다. 상기 광변조 소자는 광변조층을 포함할 수 있다. 본 출원에서 용어 광변조 소자 내지 광변조층은 외부 에너지의 인가에 따라, 예를 들어, 인가 유무에 따라, 광을 차단 또는 투과할 수 있는 기능을 갖는 소자 내지 층을 의미할 수 있다.
상기 광변조 소자는 외부 에너지 인가에 따라, 차단 상태와 투과 상태의 사이를 스위칭할 수 있다. 상기 차단 상태는 전체 투과율이 상대적으로 낮은 상태(이하, 다크 상태로 호칭할 수 있다.) 및/또는 헤이즈가 상대적으로 높은 상태(이하, 헤이즈 상태로 호칭할 수 있다.)를 의미할 수 있다. 상기 투과 상태는 전체 투과율이 상대적으로 높은 상태(이하, 화이트 상태로 호칭할 수 있다.) 및/또는 헤이즈가 상대적으로 낮은 상태(이하, 투명 상태로 호칭할 수 있다.)를 의미할 수 있다.
상기 광변조 소자는 제 1 광변조층과 제 2 광변조층을 포함할 수 있다. 상기 제 1 광변조층과 제 2 광변조층은 각각 액정 화합물을 포함할 수 있다. 상기 제 1 광변조층과 제 2 광변조층은 서로 중첩되어 포함되어 있을 수 있다. 이에 따라서 상기 제 1 광변조층을 투과한 광은 제 2 광변조층으로 입사될 수 있고, 반대로 제 2 광변조층을 투과한 광도 제 1 광변조층으로 입사될 수 있다. 도 1은, 상기와 같이 서로 중첩되어 있는 제 1 광변조층(100) 및 제 2 광변조층(200)의 상태를 모식적으로 나타낸 도면이다. 이러한 구조는 본 명세서에서 더블셀(double cell) 구조로 호칭될 수 있다.
상기 제 1 광변조층은 헤이즈 가변층일 수 있고, 상기 제 2 광변조층은 투과율 가변층일 수 있다. 본 출원에서 헤이즈 가변층은 외부 에너지 인가에 따라 헤이즈가 상이한 제 1 상태와 제 2 상태의 사이에서 스위칭될 수 있고, 제 1 상태와 제 2 상태의 헤이즈의 차이가 10% 이상, 20% 이상, 30% 이상, 40% 이상, 50% 이상, 60% 이상, 70% 이상, 80% 이상 또는 90% 이상인 층을 의미할 수 있다. 이하, 헤이즈가 더 높은 상태를 제 1 상태로 호칭하고, 헤이즈가 더 낮은 상태를 제 2 상태로 호칭한다.
상기 제 2 광변조층은 투과율 가변층일 수 있다. 본 출원에서 투과율 가변층은 외부 에너지 인가에 따라 전체 투과율이 상이한 제 3 상태와 제 4 상태 사이에서 스위칭될 수 있고, 제 3 상태와 제 4 상태의 전체 투과율 차이가 20% 이상, 25% 이상, 30% 이상 또는 35% 이상인 층을 의미할 수 있다. 이하, 전체 투과율이 더 높은 상태를 제 3 상태로 호칭하고, 전체 투과율이 더 낮은 상태를 제 4 상태로 호칭한다.
상기 제 1 광변조층은 화이트 컬러에서, 헤이즈를 가변할 수 있다. 예를 들어, 상기 제 1 광변조층은, 제 1 상태와 제 2 상태에서 각각 전체 투과율이 50% 이상일 수 있다. 하나의 구체적인 예로, 상기 제 1 광변조층은 헤이즈가 더 높은 상태인 제 1 상태에서 전체 투과율이 50% 내지 70% 범위 내일 수 있고, 헤이즈가 더 낮은 상태인 제 2 상태에서 전체 투과율이 70% 내지 90% 범위 내일 수 있다.
상기 제 2 광변조층은 투명 상태에서, 전체 투과율을 가변할 수 있다. 예를 들어, 상기 제 2 광변조층은 제 3 상태와 제 4 상태에서 각각 헤이즈가 5% 이하일 수 있다.
본 출원에서는, 이러한 전기광학 특성을 갖는 제 1 광변조층과 제 2 광변조층을 중첩 배치함으로써, 화이트 컬러에서 헤이즈 상태와 투명 상태 사이의 스위칭이 가능하며, 염료의 변색 없어 고온고습 내구성이 우수한 광변조 소자를 제공할 수 있다. 이하, 본 출원의 광변조 소자에 대해 구체적으로 설명한다.
상기 제 1 광변조층과 제 2 광변조층은 각각 액정 화합물을 포함하는 액정층일 수 있다. 상기와 같은 전기 광학 특성을 나타내도록 하기 위해, 제 1 광변조층과 제 2 광변조층은 각각 적절한 물질을 더 포함할 수 있다.
제 1 광변조층은 액정 화합물을 포함하지만 이방성 염료는 포함하지 않는다. 전술한 바와 같이 제 1 광변조층은 헤이즈 가변층으로서, 헤이즈 가변 특성을 나타내기 위해, 후술하는 폴리머 또는 전도도 조절제와 같은 첨가제를 더 포함할 수 있다. 폴리머 또는 전도도 조절제는 이방성 염료의 변색을 유발하여 광변조 소자의 고온고습 내구성을 저하시키므로, 제 1 광변조층은 이방성 염료를 포함하지 않는다.
상기 액정 화합물로는, 특별한 제한 없이 용도에 따라 적합한 종류를 선택할 수 있다. 하나의 예시에서 액정 화합물로는 네마틱 액정 화합물을 사용할 수 있다. 상기 액정 화합물은, 비반응성 액정 화합물일 수 있다. 용어 비반응성 액정 화합물은, 중합성기를 가지지 않는 액정 화합물을 의미할 수 있다. 상기에서 중합성기로는, 아크릴로일기, 아크릴로일옥시기, 메타크릴로일기, 메타크릴로일옥시기, 카복실기, 히드록시기, 비닐기, 에폭시기 등이 예시될 수 있으나, 이에 제한되지 않고, 중합성기로서 알려진 공지의 관능기가 포함될 수 있다.
상기 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. 액정 화합물은 유전율 이방성은 목적하는 구동 모드에 따라 적절히 선택될 수 있다.
상기 액정 화합물의 굴절률 이방성은 목적 물성, 예를 들어, 광변조 소자의 헤이즈 특성을 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. 액정 화합물의 굴절률 이방성이 상기 범위를 만족하는 경우, 예를 들면, 헤이즈 특성이 우수한 광변조 소자를 구현할 수 있다.
상기 제 1 광변조층의 헤이즈가 높은 제 1 상태에서 상기 액정 화합물은 랜덤 배향 상태로 존재할 수 있다. 본 출원에서 랜덤 배향 상태는 불규칙적인 배향 상태를 의미할 수 있다. 한편, 상기 제 1 광변조층의 헤이즈가 낮은 제 2 상태에서 상기 액정 화합물은 수직 배향 상태로 존재할 수 있다.
본 출원에서 수직 배향 상태는 액정 화합물의 광축이 액정층과 수평한 면에 대하여 이루는 각도가 약 70도 내지 90도, 75도 내지 90도, 80도 내지 90도 또는 85도 내지 90도인 상태를 의미할 수 있다. 본 출원에서 수평 배향 상태는 액정 화합물의 광축이 액정층과 수평한 면에 대하여 이루는 각도가 약 0도 내지 20도, 0도 내지 15도, 0도 내지 10도 또는 0도 내지 5인 상태를 의미할 수 있다.
상기 제 1 광변조층의 액정층은 헤이즈 가변 특성을 나타낼 수 있도록 폴리머 네트워크를 더 포함할 수 있다. 상기 폴리머 네트워크는 상기 액정 화합물과는 상 분리된 상태로 존재할 수 있다. 하나의 예시에서, 상기 폴리머 네트워크는 연속상의 액정 화합물 중에 분포되어 있을 수 있다. 이러한 구조의 액정셀을, 소위 PNLC셀(Polymer Network Liquid Crystal cell)로 호칭할 수 있다. 다른 하나의 예시에서, 상기 폴리머 네트워크는, 폴리머 네트워크 내에 액정 화합물을 포함하는 액정 영역이 분산되어 있는 상태로 존재할 수 있다. 이러한 구조의 액정셀을, 소위 PDLC셀(Polymer Dispersed Liquid Crystal cell)로 호칭할 수 있다. 다른 하나의 예시에서, 상기 폴리머 네트워가 격벽을 형성하고 있고, 액정 화합물은 상기 폴리머 네트워크 격벽에 의해 고립된 상태로 존재할 수 있다. 이러한 구조의 액정셀을 PILC셀(Pixel isolated liquid crystal cell)로 호칭할 수 있다.
폴리머 네트워크는, 예를 들면 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 예시할 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다.
폴리머 네트워크의 액정층 내의 비율은, 목적 물성, 예를 들면, 광변조 소자의 헤이즈 또는 투과도 특성 등을 고려하여 적절히 선택될 수 있다. 폴리머 네트워크는, 예를 들어, 40 중량% 이하, 38 중량% 이하, 36 중량% 이하, 34 중량% 이하, 32 중량% 이하 또는 30 중량% 이하의 비율로 액정층 내에 포함될 수 있다. 폴리머 네트워크의 액정층 내의 비율의 하한은 특별히 제한되지 않으나, 예를 들어, 0.1 중량% 이상, 1 중량%, 2 중량% 이상, 3 중량% 이상, 4 중량% 이상, 5 중량% 이상, 6 중량% 이상, 7 중량% 이상, 8 중량% 이상, 9 중량% 이상 또는 10 중량% 이상일 수 있다.
폴리머 네트워크를 이용한 헤이즈 가변 특성의 조절은 공지이다. 예를 들어, 폴리머 네트워크를 포함하는 액정층은 액정 화합물과 폴리머 네트워크의 굴절률의 관계로 인해 헤이즈를 유발할 수 있다. 폴리머 네트워크를 포함하는 액정층은 외부 에너지 인가에 따라 일축 배향 상태와 랜덤 배향 상태의 사이를 스위칭할 수 있다. 상기 일축 배향 상태는 예를 들어 수직 배향 상태일 수 있다. 액정 화합물이 수직 배향 상태로 존재하는 경우, 폴리머 네트워크와의 굴절률 차이를 작게 하여 산란이 유발되지 않도록 함으로써, 헤이즈가 낮은 상태를 구현할 수 있다. 액정 화합물이 랜덤 배향 상태로 존재하는 경우, 폴리머 네트워크와의 소정의 굴절률 차이를 갖도록 하여 산란이 발생하도록 함으로써, 헤이즈가 높은 상태를 구현할 수 있다.
하나의 예시에서, 폴리머 네트워크를 포함하는 액정층은, 외부 에너지가 인가되지 않은 상태에서 액정 화합물이 랜덤 배향 상태로 존재하고, 외부 에너지가 인가된 상태에서 액정 화합물은 수직 배향된 상태로 존재할 수 있다. 이때, 양의 유전율 이방성을 갖는 액정 화합물을 사용할 수 있다. 이러한 가변 특성을 갖는 소자를 전술한 PDLC셀, PNLC셀 또는 PILC셀로 호칭할 수 있다.
다른 하나의 예시에서, 폴리머 네트워크를 포함하는 액정층은, 외부 에너지가 인가되지 않은 상태에서 액정 화합물이 수직 배향 상태로 존재하고, 외부 에너지가 인가된 상태에서 액정 화합물은 랜덤 배향된 상태로 존재할 수 있다. 이때, 음의 유전율 이방성을 갖는 액정 화합물을 사용할 수 있다. 또한, 상기 액정층의 양면에는 각각 수직 배향막이 형성되어 있을 수 있다. 이러한 가변 특성을 갖는 소자를 reverse PDLC셀, reverse PNLC셀 또는 reverse PILC 셀로 호칭할 수 있다.
상기 폴리머 전구 물질은 용매, 상기 중합성 액정 화합물의 중합을 유도할 수 있는 라디칼 또는 양이온 개시제, 염기성 물질, 네트워크를 형성할 수 있는 기타 반응성 화합물 또는 계면 활성제 등의 첨가제를 추가로 포함할 수 있다.
상기 제 1 광변조층의 액정층은 헤이즈 가변 특성을 나타낼 수 있도록 전도도 조절제와 같은 첨가제를 더 포함할 수 있다. 액정층이 소정 범위 이상의 전도도를 갖게 되는 경우, 액정층에 전계를 인가하는 경우 전류의 흐름에 의해 난류(Turbulent Flow)를 발생시켜 액정 화합물의 불규칙적인 배열 상태에 의해 산란 광을 생성할 수 있다. 이러한 방식의 액정셀은 DS 액정셀(Dynamic scattering liquid crystal cell)로 호칭할 수 있다.
액정층의 전도도 자체를 조정하는 방식은 공지이며, 예를 들면, 액정층에 적절한 첨가제, 예를 들어, 전도도 조절제를 첨가함으로써 전도도의 조절이 가능하다. 상기 전도도 조절제는 이온 불순물, 이온성 액체(ionic liquid), 염(Salt), 반응성 모노머 및 개시제로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함할 수 있다.
액정층의 전도도를 조절할 수 있는 상기 성분들은 공지이며, 예를 들면, 상기 이온 불순물로는 TEMPO(2,2,6,6-Tetramethylpiperidine-1-Oxyl Free radical) 등이 있고, 이온성 액체로는 BMIN-BF4([1-butyl-3-methylimideazolium]BF4) 등이 있으며, 염으로는, CTAB(Cetrimonium bromide), CTAI(Cetrimonium Iodide) 또는 CTAI3(Cetrimonium triiodide) 등이 있고, 반응성 모노머로는 액정과 혼합성이 좋은 메소겐(mesogen) 작용기를 가가지는 반응성 메소겐(Reactive mesogen) 등을 사용할 수 있으며, 개시제로는 예를 들어 TPO(2,4,6-Trimethylbenzoyl-diphenyl-phosphineoxide) 등을 사용할 수 있고, 이방성 염료로는 예를 들어 아조(azo) 계열의 염료, 예를 들어 BASF사의 X12 등을 사용할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 액정 층 내에서 상기 화합물의 비율은 목적하는 전도도와 액정 화합물의 배향성 등을 고려하여 적절하게 선택될 수 있다.
하나의 예시에서 상기 액정층은, 전술한 전도도를 효과적으로 확보하면서도 액정에 대한 용해도(solubility)가 우수하고, 분산 특성의 차이를 줄이면서 우수한 물성의 액정층을 형성하기 위하여 상기 전도도 조절을 위한 첨가제로서 반응성 메소겐을 포함할 수 있다. 용어 반응성 메소겐은 중합성 관능기를 하나 이상 가지는 액정 화합물을 의미할 수 있다. 예를 들면, 상기 비반응성 액정 화합물에 전도도 조절제로서 반응성 메소겐을 혼합하게 되면, 전술한 전도도를 효과적으로 달성하면서 액정층의 물성도 안정적으로 유지할 수 있다. 반응성 메소겐은, 상기 액정층 내에서 비반응된 상태, 즉 중합이 이루어지지 않은 상태로 존재할 수 있으며, 필요한 경우에는 적어도 일부는 중합되어 있을 수도 있다.
본 출원에서 사용할 수 있는 반응성 메소겐으로는, 1개 내지 6개, 1개 내지 5개, 1개 내지 4개 또는 1개 내지 3개의 방향족 고리 구조 또는 지방족 고리 구조를 포함하는 메소겐 코어에 중합성 관능기가 연결되어 있는 반응성 메소겐을 사용할 수 있다. 상기에서 방향족 또는 지방족 고리 구조가 2개 이상인 경우에 상기 2개 이상의 고리 구조는 서로 직접 연결되거나, 혹은 링커에 의해 연결되어 메소겐 코어를 구성할 수 있다. 상기에서 링커로는, 탄소수 1 내지 10, 탄소수 1 내지 8 또는 탄소수 1 내지 6의 알킬렌기, 에스테르기(-C(=O)-O- 또는 -O-C(=O)-), 에테르기, 탄소수 2 내지 10, 탄소수 2 내지 8 또는 탄소수 2 내지 6의 알케닐렌기, 탄소수 1 내지 10, 탄소수 1 내지 8 또는 탄소수 1 내지 6의 옥시알키렌기(-O-알킬렌기-, -알킬렌기-O- 또는 알킬렌기-O-알킬렌기-) 등이 예시될 수 있다. 상기에서 방향족 고리 구조로는, 탄소수 6 내지 20, 탄소수 6 내지 16 또는 탄소수 6 내지 12의 방향족 고리 구조를 예시할 수 있고, 예를 들면, 벤젠 구조일 수 있다. 또한, 상기에서 지방족 고리 구조로는, 탄소수 6 내지 20, 탄소수 6 내지 16 또는 탄소수 6 내지 12의 지방족 고리 구조를 예시할 수 있고, 예를 들면, 사이클로헥산 구조일 수 있다. 한편 상기 반응성 메소겐은, 1개 내지 10개, 1개 내지 8개, 1개 내지 6개, 1개 내지 4개 또는 1개 또는 2개의 중합성기를 포함할 수 있다. 이러한 중합성기는 상기 메소겐 코어에 연결되어 있을 수 있다. 이 중합성기는 직접 상기 메소겐 코어에 연결되어 있거나, 혹은 적절한 스페이서에 의해 연결되어 있을 수 있는데, 상기에서 스페이서로는 상기 링커와 동일한 종류가 예시될 수 있다. 또한, 상기 중합성 관능기로는, 아크릴로일기, 아크릴로일옥시기, 메타크릴로일기, 메타크릴로일옥시기, 카복실기, 히드록시기, 비닐기, 에폭시기 등이 예시될 수 있지만, 이에 제한되는 것은 아니다.
본 출원에서 반응성 메소겐의 액정층 내에서의 비율은 상기 전도도를 달성할 수 있는 범위 내에서 조절될 수 있다. 예를 들면, 상기 반응성 메소겐은, 상기 비반응성 액정 화합물 100 중량부 대비 1 내지 30 중량부의 비율로 포함될 수 있다. 상기 비율은 다른 예시에서 5 중량부 이상일 수 있고, 25 중량부 이하, 20 중량부 이하 또는 15 중량부 이하일 수 있다.
액정층은 이온성 화합물, 예를 들면, 전술한 이온성 액체나 염 등을 가급적 포함하지 않을 수 있다. 이러한 이온성 화합물은, 액정층의 전도도를 조절하기 위한 첨가제로서 널리 알려져 있는 것이나, 본 발명자들은 이러한 화합물은, 액정 화합물에 대한 용해도가 좋지 않아서 액정층의 물성을 악화시키는 것을 확인하였다. 따라서, 상기 액정층 내에서의 이온성 화합물의 비율은 2 중량% 이하, 1.5 중량% 이하, 1 중량% 이하 또는 약 0.7 중량% 이하일 수 있다. 상기 이온성 화합물은, 임의 성분이기 때문에 상기 비율의 하한은 0 중량%이다.
상기 전도도 조절제를 포함하는 액정층은 외부 에너지 인가에 따라 일축 배향 상태와 랜덤 배향 상태의 사이를 스위칭할 수 있다. 상기 일축 배향 상태는 예를 들어, 수직 배향 상태일 수 있다.
동적 산란을 유발하기 위한 액정층의 전도도는 예를 들어 수평 전도도(Conductivity)가 1.0 × 10-4 μS/cm 이상일 수 있다. 이러한 범위의 수평 전도도를 나타내도록 액정층을 조절하면, 인가되는 전압의 크기 및 주파수에 따라서 액정층이 투명 상태와 헤이즈 상태의 사이의 스위칭이 가능하다. 상기 액정층의 수평 전도도는, 다른 예시에서 2.0 × 10-4 μS/cm 이상, 3.0 × 10-4 μS/cm 이상, 4.0 × 10-4 μS/cm 이상, 5.0 × 10-4 μS/cm 이상, 6.0 × 10-4 μS/cm 이상, 7.0 × 10-4 μS/cm 이상, 8.0 × 10-4 μS/cm 이상, 9.0 × 10-4 μS/cm 이상 또는 1.0 × 10-3 μS/cm 이상일 수 있다. 상기 수평 전도도는 다른 예시에서 5.0 × 10-2 μS/cm 이하, 3.0 × 10-2 μS/cm 이하, 1.0 × 10-2 μS/cm 이하, 9.0 × 10-3 μS/cm 이하, 7.0 × 10-3 μS/cm 이하, 5.0 × 10-3 μS/cm 이하, 3.0 × 10-3 μS/cm 이하 또는 2.5 × 10-3 μS/cm 이하일 수 있다.
한편, 후술하는 수직 전도도는, 역시 상기 액정층에 전압을 인가하면서 측정한 전도도로서, 상기 액정층의 광축과 상기 인가 전압에 의한 전기장의 방향이 실질적으로 수직하도록 전압을 인가한 상태에서 상기 전기장의 방향을 따라 측정한 값일 수 있다. 상기에서 인가되는 전압의 측정 주파수는 60 Hz이고, 측정 전압은 0.5V일 수 있다.
액정층의 광축은 액정 화합물의 종류에 따라서 결정될 수 있다. 예를 들어, 액정 화합물이 로드(rod) 형상이라면, 액정층의 광축은 상기 액정층에 포함되는 액정 화합물들이 배향된 상태에서 그 장축 방향을 의미할 수 있다. 예를 들어, 상기 액정층 내의 액정 화합물들이 상기 액정층의 두께 방향과 평행하게 수직 배향되어 있는 상태라면, 상기 수평 전도도는 상기 액정층의 두께 방향을 따라서 전기장이 형성되도록 전압을 인가한 상태에서 상기 두께 방향을 따라서 측정한 전도도일 수 있다. 또한, 액정층 내의 액정 화합물이 로드(rod) 형상이고, 상기 액정 화합물들이 액정층 내에서 수평 배향된 상태라면, 상기 수직 전도도는, 상기 액정층에 두께 방향으로 전기장이 형성되도록 전압을 인가하면서 상기 두께 방향으로 측정한 전도도일 수 있다.
한편, 특별히 달리 규정하지 않는 한, 본 출원에서 상기 수직 또는 수평 전도도는 전술한 바와 같이 액정층에 대하여 인가되는 전압의 측정 주파수를 60 Hz로 하고, 전압은 0.5V로 한 상태에서 상기 각 방법에 따라 상온에서 측정한 전도도를 면적이 1cm2(가로: 1cm, 세로: 1cm)고, 두께가 1 cm인 액정층이 나타내는 수치로 환산한 값일 수 있다.
상기 환산에 적용된 수식은 하기 수식 1 내지 3과 같다.
[수식 1]
C = 1 /ρ
[수식 2]
R = 1/CR
[수식 3]
R = ρ × D/A
수식 1 내지 3에서 C는 수평 또는 수직 전도도이고, ρ는 액정층의 비저항이며, CR은 는 수평 또는 수직 전도도의 실측값이고, R은 액정층의 저항이며, D는 액정층의 두께이고, A는 액정층의 면적이다.
예를 들면, 일정 두께 및 면적을 가지는 액정층에 대하여 측정한 전도도의 실측값(CR)을 수식 2에 대입하여 저항(R)을 구한 후에 상기 저항(R) 및 수식 8을 사용하여 액정층(면적: 1cm2(=가로: 1cm, 세로: 1cm), 두께: 1 cm)의 비저항(ρ)을 구하고, 그 비저항을 수식 1에 대입하여 수직 또는 수평 전도도를 구할 수 있다.
또한, 상기한 바와 같이 본 출원에서 전도도는 특별히 달리 규정하지 않는 한, 측정 주파수 60 Hz 및 측정 전압 0.5V 조건에서 측정한 상온에서의 전도도를 1cm2(가로: 1cm, 세로: 1cm)고, 두께가 1cm인 액정층이 나타내는 수치로 환산한 값이고, 상기에서 전도도는 측정 기기(LCR meter, Aglient社(제), E4980A]를 사용하여 제조사의 매뉴얼에 따라 측정할 수 있다. 한편, 본 명세서에서 기재하는 물성 중에서 측정 온도가 그 수치에 영향을 주는 경우, 특별히 달리 규정하지 않는 한, 해당 물성은 상온에서 측정한 수치이다. 상기에서 용어 상온은, 가온되거나, 감온되지 않은 자연 그대로의 온도로서, 약 10℃ 내지 30℃의 범위 내의 어느 한 온도, 예를 들면, 약 23℃ 또는 약 25℃ 정도의 온도를 의미할 수 있다.
상기에서 액정층의 수직 전도도(VC) 및 액정층의 수평 전도도(PC)의 비율(PC/VC)은 약 0.2 이상, 약 0.25 이상, 약 0.3 이상, 약 0.35 이상, 약 0.4 이상, 약 0.45 이상, 약 0.5 이상, 약 0.55 이상, 약 0.6 이상, 약 0.65 이상 또는 약 0.7 이상일 수 있다. 또한, 상기 비율(PC/VC)은 약 2.5 이하, 약 2.0 이하, 약 1.5 이하 또는 약 1.0 이하일 수 있다. 상기에서 액정층의 수평 전도도(PC) 및 액정층의 수직 전도도(VC)의 비율(VC/PC)이 약 2.0 이하, 약 1.9 이하, 약 1.8 이하, 약 1.7 이하, 약 1.6 이하, 약 1.5 이하, 약 1.4 이하, 약 1.3 이하, 약 1.2 이하, 약 1.1 이하 또는 약 1.0 이하일 수 있다. 또한, 상기 비율(VC/PC)은 약 0.5 이상, 약 0.3 이상, 약 0.2 이상 또는 약 0.1 이상일 수 있다. 상기와 같은 전도도(PC, VC)도 전술한 첨가제의 적절한 첨가에 의해 조절이 가능할 수 있다. 전도도의 비율(VC/PC 및/또는 PC/VC)을 상기와 같이 조절하면, 액정 소자의 구동 효율 측면에서 유리할 수 있다.
제 2 광변조층은 액정 화합물과 이방성 염료를 포함하는 액정층일 수 있다. 제 2 광변조층의 액정 화합물에 대해서는 상기 제 1 광변조층에서 기술한 액정 화합물이 동일하게 적용될 수 있다. 상기 제 2 광변조층은 투명 상태에서 투과율 가변 특성을 나타내기 위한 층으로서, 헤이즈 가변 특성을 나타내기 위한 폴리머 네트워크나, 전도도 조절제를 더 포함하지 않는다는 점에서, 제 1 광변조층과 조성의 차이가 있다. 또한, 제 2 광변조층은 투과율을 가변하기 위한 이방성 염료를 더 포함한다는 점에서 제 1 광변조층과 조성의 차이가 있다.
이방성 염료는, 예를 들면, 광변조층의 전체 투과율을 제어할 수 있다. 제 2 광변조층은 이방성 염료를 포함함으로써 투명 상태에서 화이트 상태와 다크 상태의 스위칭이 가능할 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 「이방성 염료」는 상기 가시광 영역의 적어도 일부 또는 전체 범위에서 광의 이방성 흡수가 가능한 물질을 의미할 수 있다.
이방성 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. 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.
이방성 염료는, 이색비(dichroic ratio), 즉 이방성 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.
상기 제 2 광변조층은 GHLC층으로 호칭될 수 있고, GHLC층을 포함하는 액정셀을 GHLC셀로 호칭할 수 있다. 본 명세서에서 용어 「GHLC셀」은, 액정의 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.
GHLC셀은 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 GHLC셀은 액정 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, GHLC층은 외부 작용 인가에 따라 비등방성 광 흡수를 조절할 수 있다.
상기 GHLC층의 두께는, 약 0.01㎛ 이상, 0.05㎛ 이상, 0.1㎛ 이상, 0.5㎛ 이상, 1㎛ 이상, 1.5㎛ 이상, 2㎛ 이상, 2.5㎛ 이상, 3㎛ 이상, 3.5㎛ 이상, 4㎛ 이상, 4.5㎛ 이상, ㎛m 이상, 5.5㎛ 이상, 6㎛ 이상, 6.5㎛ 이상, 7㎛ 이상, 7.5㎛ 이상, 8㎛ 이상, 8.5㎛ 이상, 9㎛ 이상 또는 9.5㎛ 이상일 수 있다. 이와 같이 두께를 제어함으로써, 투과 상태에서의 투과율과 차단 상태에서의 투과율의 차이가 큰 필름, 즉 콘트라스트 비율이 큰 광 변조 소자를 구현할 수 있다. 상기 두께는 두꺼울수록 높은 콘트라스트 비율의 구현이 가능하여 특별히 제한되는 것은 아니지만, 일반적으로 약 30 ㎛이하, 25 ㎛ 이하, 20 ㎛ 이하 또는 15㎛ 이하일 수 있다.
상기 GHLC층의 이방성 염료의 함량은 목적하는 투과율 가변 특성을 고려하여 적절히 선택될 수 있다. GHLC층의 이방성 염료의 함량이 높아질수록 전체 투과율을 낮출 수 있다. 예를 들어, 상기 GHLC층의 이방성 염료의 함량은 0.01 중량% 내지 5 중량% 범위 내일 수 있고, 구체적으로, 0.1 중량% 이상, 0.5 중량% 이상 또는 1 중량% 이상일 수 있고, 5 중량% 이하 또는 3 중량% 이하일 수 있다. GHLC층의 이방성 염료의 함량이 상기 범위 내인 경우 호스트 액정 내에서 이방성 염료의 적절한 용해도를 확보하면서, 목적하는 투과율 범위를 조절할 수 있다.
상기 GHLC층에 포함되는 액정으로는 전압 인가에 따라 배열 상태를 스위칭할 수 있는 액정을 적절히 선택하여 사용할 수 있다. 상기 액정으로는 예를 들어 네마틱 액정 화합물을 사용할 수 있다. 본 명세서에서 네마틱 액정 화합물은 막대 모양의 액정 분자가 위치에 대한 규칙성은 없으나 액정 분자의 장축 방향으로 평행하게 배열되어 있는 액정을 의미할 수 있다. 상기 GHLC 층은 GHLC셀의 구동 모드에 따라 다른 첨가제를 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 트위스트 배향 상태가 필요한 경우 상기 네마틱 액정 화합물에 키랄제를 더 포함할 수도 있다.
상기 제 2 광변조층의 전체 투과율이 높은 제 3 상태에서, 상기 액정 화합물과 이방성 염료는 수직 배향된 상태로 존재할 수 있다. 한편, 상기 제 2 광변조층의 전체 투과율이 낮은 제 4 상태에서, 상기 액정 화합물과 이방성 염료는 수평 배향 상태 또는 트위스트 배향된 상태로 존재할 수 있다.
본 출원에서 트위스트 배향 상태는 액정층 내에서 액정 분자들의 광축이 가상의 나선축을 따라서 꼬이면서 층을 이루며 배향한 나선형의 구조를 가질 수 있다. 상기 나선축은 액정층의 두께 방향과 평행하도록 형성되어 있을 수 있다. 본 명세서에서 액정층의 두께 방향은, 상기 액정층의 최하부와 최상부를 최단거리로 연결하는 가상의 선과 평행한 방향을 의미할 수 있다. 하나의 예시에서 상기 액정층의 두께 방향은 액정층의 면과 수직한 방향으로 형성된 가상의 선과 평행한 방향일 수 있다. 본 출원에서 비틀림 각도는 트위스트 배향 액정층에서 가장 하부에 존재하는 액정 분자의 광축과 가장 상부에 존재하는 액정 분자의 광축이 이루는 각도를 의미한다. 상기 비틀림 각도가 0도 초과 내지 90도 이하인 경우 TN 모드로 호칭할 수 있고, 90도 초과인 경우 STN 모드로 호칭할 수 있다.
제 2 광변조층의 구동 모드는, 외부 에너지 인가에 따라, 수직 배향 상태와 수평 배향 상태 내지 트위스트 배향 상태의 사이에서 스위칭될 수 있는 범위 내에서 적절히 선택될 수 있다.
하나의 예시에서, 상기 제 2 광변조층은 초기 상태, 외부 에너지가 인가되지 않은 상태에서, 수직 배향 상태를 나타낼 수 있고, 외부 에너지가 인가된 상태에서 수평 배향 상태를 나타낼 수 있다. 이러한 구동 모드를 VA 모드로 호칭할 수 있다. VA 모드로 구동하기 위해서는, 제 2 광변조층의 양면에 수직 배향막이 배치될 수 있고, 음의 유전율 이방성을 갖는 액정 화합물을 사용할 수 있다.
하나의 예시에서, 상기 제 2 광변조층은 초기 상태, 외부 에너지가 인가되지 않은 상태에서, 수직 배향 상태를 나타낼 수 있고, 외부 에너지가 인가된 상태에서 트위스트 배향 상태를 나타낼 수 있다. 이러한 구동 모드를 reverse TN 모드 reverse STN 모드로 호칭할 수 있다. reverse TN 또는 reverse STN 모드로 구동하기 위해서는, 제 2 광변조층의 양면에 수직 배향막이 배치될 수 있고, 음의 유전율 이방성을 갖는 액정 화합물을 사용할 수 있으며, 액정층은 키랄제를 더 포함할 수 있다.
하나의 예시에서, 상기 제 2 광변조층은 초기 상태, 외부 에너지가 인가되지 않은 상태에서, 수평 배향 상태를 나타낼 수 있고, 외부 에너지가 인가된 상태에서 수직 상태를 나타낼 수 있다. 이러한 구동 모드를 ECB 모드로 호칭할 수 있다. ECB 모드로 구동하기 위해서는, 제 2 광변조층의 양면에 수평 배향막이 배치될 수 있고, 양의 유전율 이방성을 갖는 액정 화합물을 사용할 수 있다.
하나의 예시에서, 상기 제 2 광변조층은 초기 상태, 외부 에너지가 인가되지 않은 상태에서, 트위스트 배향 상태를 나타낼 수 있고, 외부 에너지가 인가된 상태에서 수직 배향 상태를 나타낼 수 있다. 이러한 구동 모드를 TN 모드 STN 모드로 호칭할 수 있다. TN 또는 STN 모드로 구동하기 위해서는, 제 2 광변조층의 양면에 수평 배향막이 배치될 수 있고, 양의 유전율 이방성을 갖는 액정 화합물을 사용할 수 있으며, 액정층은 키랄제를 더 포함할 수 있다.
본 출원에서 광변조 소자는, 제 1 광변조층과 제 2 광변조층에 각각 외부 에너지 인가에 따라, 배향 상태를 스위칭함으로써, 차단 모드와 투과 모드의 사이를 스위칭할 수 있다.
상기 제 1 광변조층이 헤이즈가 높은 제 1 상태로 존재하는 경우, 제 2 광변조층이 전체 투과율이 낮은 제 4 상태로 존재하며, 상기 광변조 소자는 차단 상태를 구현할 수 있다.
한편, 제 1 광변조층이 헤이즈가 낮은 제 2 상태로 존재하는 경우, 제 2 광변조층이 전체 투과율이 높은 제 3 상태로 존재하며, 상기 광변조 소자는 투과 상태를 구현할 수 있다.
상기 광변조 소자는, 차단 상태와 투과 상태의 투과율 가변 범위를 높게 유지하면서, 차단 상태의 투과율을 낮출 수 있다. 광변조 소자는, 예를 들어, 차단 상태에서 헤이즈가 약 70% 이상일 수 있다. 광변조 소자는, 예를 들어, 투과 상태에서 헤이즈가 약 10% 이하일 수 있다. 광변조 소자의 차단 상태와 투과 상태의 전체 투과율은 각각 제 2 광변조층의 셀 갭과 이방성 염료의 함량과 같은 변수에 영향을 받을 수 있다 있다. 하나의 예시에서, 광변조 소자의 차단 상태의 전체 투과율은 약 3% 내지 40% 범위 내일 수 있고, 투과 상태에서의 전체 투과율은 약 30% 내지 80% 범위 내일 수 있다. 이때, 광변조 소자의 차단 상태와 투과 상태의 전체 투과율의 차이는 약 20% 이상, 30% 이상 또는 40% 이상일 수 있다.
상기 광변조 소자는, 전극층을 더 포함할 수 있다. 전극층은 액정층 내의 액정 화합물의 정렬 상태를 전환할 수 있도록 액정층에 전계를 인가할 수 있다. 상기 광변조 소자는 예를 들어, 순차로 배치된 제 1 전극층, 제 2 전극층, 제 3 전극층 및 제 4 전극층을 더 포함할 수 있다. 도 2 내지 도 3에 나타낸 바와 같이, 제 1 광변조층(100)은 제 1 전극층(301)과 제 2 전극층(302) 사이에 배치되고, 제 2 광변조층(200)은 제 3 전극층(303)과 제 4 전극층(304) 사이에 배치될 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, 기재층을 더 포함할 수 있다. 상기 전극층은 기재층의 일면에 형성되어 있을 수 있다. 상기 기재층으로는, 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 무기 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.
하나의 예시에서, 상기 광변조 소자는 순차로 배치된 제 1 기재층, 제 2 기재층, 제 3 기재층 및 제 4 기재층을 더 포함할 수 있다. 도 2에 나타낸 바와 같이, 제 1 광변조층(100)은 제 1 기재층(401)과 제 2 기재층(402) 사이에 배치되고, 제 2 광변조층(200)은 제 3 기재층(403)과 제 4 기재층(404) 사이에 배치될 수 있다. 제 1 전극층(301)은 제 1 기재층(401)의 제 1 광변조층(100) 측면에 배치되고, 제 2 전극층(302)은 제 2 기재층(402)의 제 1 광변조층(100) 측면에 배치되고, 제 3 전극층(303)은 제 3 기재층(403)의 제 2 광변조층(200) 측면에 배치되고, 제 4 전극층(304)은 제 4 기재층(404)의 제 2 광변조층(200) 측면에 배치될 수 있다.
이러한 구조는 제 1 광변조층과 제 2 광변조층이 각각 별개의 액정셀 구조로 존재하는 것을 의미한다. 제 1 기재층(401), 제 1 전극층(301), 제 1 광변조층(100), 제 2 전극층(302) 및 제 2 기재층(402)를 포함하는 것을 제 1 액정셀로 호칭할 수 있다. 제 3 기재층(403), 제 3 전극층(303), 제 2 광변조층(200), 제 4 전극층(304) 및 제 4 기재층(404)를 포함하는 것을 제 2 액정셀로 호칭할 수 있다.
상기 제 1 액정셀과 제 2 액정셀은 접착제 또는 점착제를 매개로 부착되어 있을 수 있다. 구체적으로, 도 2에 나타낸 바와 같이, 제 2 기재층(402)과 제 3 기재층(403)은 액정층 반대 측면에서 점착제 또는 접착제(500)를 매개로 부착되어 있을 수 있다. 상기 접착제 또는 점착제로는 광학 소자를 부착하는 데 사용되는 공지의 투명 접착제를 사용할 수 있고, 예를 들어, OCA(Optically clear adhesive) 또는 OCR(Optically clear adhesive)를 사용할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 점착제 또는 접착제로는 아크릴계, 실리콘계, 에폭시계 점착제 또는 접착제를 사용할 수 있으나, 이제 제한되는 것은 아니다.
다른 하나의 예시에서, 상기 광변조 소자는 순차로 배치된 제 1 기재층, 제 2 기재층 및 제 3 기재층을 더 포함할 수 있다. 도 3에 나타낸 바와 같이, 제 1 광변조층(100)은 제 1 기재층(401)과 제 2 기재층(402) 사이에 배치되고, 제 2 광변조층(200)은 제 2 기재층(402)과 제 3 기재층(403) 사이에 배치될 수 있다. 제 1 전극층(301)은 제 1 기재층(401)의 제 1 광변조층(100) 측면에 배치되고, 제 2 전극층(302)은 제 2 기재층(402)의 제 1 광변조층(100) 측면에 배치되고, 제 3 전극층(303)은 제 2 기재층(402)의 제 2 광변조층(200) 측면에 배치되고, 제 4 전극층(304)은 제 3 기재층(403)의 제 2 광변조층(200) 측면에 배치될 수 있다.
본 출원은 또한, 상기 광변조 소자의 용도에 관한 것이다. 상기 광변조 소자는 광변조 기능이 요구되는 다양한 용도에 적용될 수 있으며, 예를 들면, 차량용 윈도우, 스마트 윈도우, 윈도우 보호막, 디스플레이 장치, 디스플레이용 차광판, 3D 영상 표시용 액티브 리타더(active retarder) 또는 시야각 조절 필름 등과 같은 용도에 적용될 수 있다.
본 출원은 광변조 소자에 관한 것이다. 본 출원의 광변조 소자는 화이트 컬러에서 헤이즈 상태와 투명 상태 사이의 스위칭이 가능하며, 염료의 변색이 없어 고온고습 내구성이 우수하다. 이러한 광변조 소자는 차량용 윈도우, 스마트 윈도우, 윈도우 보호막, 디스플레이 장치, 디스플레이용 차광판, 3D 영상 표시용 액티브 리타더(active retarder) 또는 시야각 조절 필름 등과 같은 용도에 적용될 수 있다.
도 1은 본 출원의 광변조 소자를 예시적으로 나타낸다.
도 2는 본 출원의 광변조 소자를 예시적으로 나타낸다.
도 3은 본 출원의 광변조 소자를 예시적으로 나타낸다.
도 4는 시험예에서 전체 투과율과 헤이즈를 측정한 결과를 보여주는 도면이다.
도 5는 고온 신뢰성 평가 결과, 색 변화를 보여주는 도면이다.
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.
1. 헤이즈 및 투과율 측정
액정셀 내지 광변조 소자에 대하여 헤이즈미터, NDH-5000SP를 이용하여, ASTM D1003 규격에 따라 헤이즈 및 투과율을 측정하였다. 즉, 광을 측정 대상을 투과시켜 적분구 내로 입사시키며, 이 과정에서 광은 측정 대상에 의하여 확산광(DT, 확산되어 출광된 모든 광의 합을 의미)과 직진광(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)은 상기 확산광(DT)과 직진광(PT)의 총합(DT+PT)이고, 헤이즈는 상기 전체 투과광에 대한 확산광의 백분율(Haze(%)=100XDT/TT)로 규정될 수 있다. 또한, 하기 시험예에서 전체 투과율은 상기 전체 투과광(TT)을 의미하고, 직진 투과율은 상기 직진광(PT)를 의미한다.
제조예 1. PLLC 소자
PC(polycarbonate polymer) 필름 상에 ITO(Indium Tin Oxide)층이 형성된 필름 기재(Tejin사 제품)을 2장 준비하였다.
PDLC 조성물로는 우레탄 아크릴레이트 다관능성 올리고머(SUS30, Mw: 5,000, 솔텍사社) 100mg, 2 관능성 아크릴레이트(HDDA, aldrich社) 300mg, 3 관능성 아크릴레이트(PETA, aldrich社) 20mg, 일관능성 아크릴레이트(EHA, TCI社) 570mg, 광 개시제로서 Zs-539(fuji film社) 10mg 및 액정 화합물로서 HPC21600(HCCH社) 2.3g을 혼합한 것을 사용하였다.
상기 필름 기재의 ITO층 면에 상기 PDLC 조성물을 도포하고, 다른 필름 기재를 라미네이션하였다. 다음으로, 30mW의 고압 수은등 하에서 20초 동안 UV를 조사하여 경화시켜 두께 20um의 PDLC셀을 제조하였다.
제조예 2.GHLC셀
PC(polycarbonate polymer) 필름 상에 ITO(Indium Tin Oxide)층이 형성된 필름 기재(Tejin사 제품)을 준비하였다. 상기 필름 기재의 ITO층 면에 수평 배향막(SE-7492, Nissan사 제품)을 바코팅으로 코팅 후 120℃ 온도에서 1시간 동안 소성하여, 300nm 두께의 배향막을 얻었다. 상기 배향막을 러빙포를 이용하여 일 방향으로 러빙 처리하여 제 1 기판을 준비하였다.
제 1 기판과 동일한 필름의 ITO층 상에 높이가 12μm이고, 직경이 15μm인 컬럼 스페이서를 250μm 간격으로 배치하였다. 다음으로, 제 1 기판과 동일하게 수평 배향막을 형성한 후 러빙포를 이용하여 일 방향으로 러빙 처리하여 제 2 기판을 준비하였다.
GHLC 조성물은, 굴절률 이방성(△n)이 0.13이고, 양의 유전율 이방성을 갖는 액정(MDA-16-1235, Merck) 및 이방성 염료(Merck)를 포함하는 조성물에 키랄 도펀트(S811, Merck사)를 0.656 wt%를 첨가한 것을 사용하였다.
제 2 기판의 배향막 표면 위 테두리에 실란트를 실 디스펜서(seal dispenser)로 그렸다. 제 2 기판의 배향막 상에 상기 액정 조성물을 도포한 후, 제 1 기판을 라미네이션하여 액정셀을 제조하였다. 이때, 제 1 기판의 배향막의 러빙 방향과 제 2 기판의 배향막의 러빙 방향은 역평행(anti parallel)하도록 라미네이션하였다. 제조된 액정셀은, 360도 STN 모드 액정셀이다.
실시예 1. Double cell
제조예 1의 PDLC셀과 제조예 2의 GHLC셀을 OCA(LGC, V310) 접착제를 매개로 부착하여 광변조 소자를 제조하였다.
비교예 1. Dye-PDLC
제조예 1에 있어서, PDLC 조성물에 이방성 염료(X12, BASF사)를 1 wt% 더 첨가한 것을 제외하고는 제조예 1과 동일한 방법으로 광변조 소자를 제조하였다.
비교예 2. Dye-D/S Cell
PC(polycarbonate polymer) 필름 상에 ITO(Indium Tin Oxide)층이 형성된 필름 기재(Tejin사 제품)을 준비하였다. 상기 필름 기재의 ITO층 면에 수직 배향막(SE-5661, Nissan사 제품)을 바코팅으로 코팅 후 120℃ 온도에서 1시간 동안 소성하여, 300nm 두께의 배향막을 형성함으로써 제 1 기판을 준비하였다.
제 1 기판과 동일한 필름의 ITO층 상에 높이가 10μm이고, 직경이 15μm인 컬럼 스페이서를 250μm 간격으로 배치하였다. 다음으로 제 1 기판과 동일한 방법으로 수직 배향막을 형성함으로써 제 2 기판을 준비하였다.
액정 조성물은 굴절률 이방성이 0.153이고, 유전율 이방성이 -5.0인 호스트 액정((MAT-13-1422, Merck社), 이방성 염료(X12, BASF社) 및 반응성 메소겐((HCM009, HCCH社)을 호스트 액정:이방성 염료:반응성 메소겐= 90:2.6:10의 중량 비율로 혼합한 것을 사용하였다.
제 2 기판의 배향막 표면 위 테두리에 실란트를 실 디스펜서(seal dispenser)로 그렸다. 제 2 기판의 배향막 상에 상기 액정 조성물을 도포한 후, 제 1 기판을 라미네이션하여 액정셀을 제조하였다.
시험예 1. 전기광학 특성
제조예 1 내지 2, 실시예 1, 비교예 1 및 2에 대하여, 전압 인가 유무에 따라 투과(화이트 내지 투명) 상태와 차단(다크 내지 헤이즈) 상태를 구현한 후, 헤이즈 가변 액정셀 측으로 광을 입사시켜 전체 투과율과 헤이즈를 측정하고, 그 결과를 도 4 및 표 1 내지 2에 나타내었다. 제조예 1의 PDLC셀의 투과 상태는 100V 전압 인가 상태이고, 차단 상태는 전압이 인가되지 않은 상태이다. 제조예 2의 GHLC셀의 투과 상태는 15V 전압이 인가된 상태이고, 차단 상태는 전압이 인가되지 않은 상태이다. 실시예 1의 광변조 소자의 투과 상태는 제조예 1의 PDLC셀에 100V 전압이 인가되고, 제조예 2의 GHLC셀에 15V 전압이 인가된 상태이며, 차단 상태는 제조예 1의 PDLC셀와 제조예 2의 GHLC셀에 모두 전압이 인가되지 않은 상태이다. 비교예 1의 Dye PDLC셀의 투과 상태는 100V 전압 인가 상태이고, 차단 상태는 전압이 인가되지 않은 상태이다. 비교예 2의 Dye-D/S 액정셀의 투과 상태는 전압이 인가되지 않은 상태이고, 차단 상태는 60V 전압 인가된 상태이다. 시험 결과, 실시예와 비교예는 모두 유사한 투과율 가변 범위와 헤이즈 값을 나타냈다.
전체 투과율(%)
제조예 1 제조예 2 실시예 1 비교예 1 비교예 2
투과 90.3 60.4 55.5 58.8 52.9
차단 74.9 24.1 16.2 22.5 13.4
△T 15.4 36.3 39.3 36.3 39.5
헤이즈(%)
제조예 1 제조예 2 실시예 1 비교예 1 비교예 2
투과 3.8 1.6 3.9 3.2 2.1
차단 94.1 1.2 96.2 95.3 95.4
△H 90.3 0.4 92.3 92.1 93.3
시험예 2. 고온고습 신뢰성 평가 후
실시예 1과 비교예 1 및 2의 광변조 소자를 고온고습(60℃ 및 상대습도 90%)에서 500 시간 보관한 후, 컬러 변화를 관찰하였다. 도 5는 광변조 소자의 고온고습 신뢰성 평가 전과 후의 광변조 소자의 이미지이다. 실시예 1은 고온고습 신뢰성 평가 전과 후에 컬러 변화가 없는 반면, 비교예 1 및 2는 고온고습 신뢰성 평과 전과 비교하여 후에 컬러 변화가 생기는 것을 확인할 수 있다.
100: 제 1 광변조층, 200: 제 2 광변조층, 301: 제 1 전극층, 302: 제 2 전극층, 303: 제 3 전극층, 304: 제 4 전극층, 401: 제 1 기재층, 402: 제 2 기재층, 403: 제 3 기재층, 404: 제 4 기재층, 500: 점착제 또는 접착제

Claims (16)

  1. 외부 에너지 인가에 따라, 헤이즈가 상이한 제 1 상태와 제 2 상태의 사이에서 스위칭되고, 제 1 상태와 제 2 상태에서 각각 전체 투과율이 50% 이상이며, 상기 제 1 상태는 제 2 상태에 비해 헤이즈가 더 높고, 제 1 상태와 제 2 상태에 헤이즈의 차이는 50% 이상인 제 1 광변조층 및 외부 에너지 인가에 따라, 전체 투과율이 상이한 제 3 상태와 제 4 상태의 사이에서 스위칭되고, 상기 제 3 상태는 제 4 상태에 비해 전체 투과율이 더 높고, 상기 제 3 상태와 제 4 상태의 전체 투과율의 차이는 20% 이상인 제 2 광변조층을 포함하고, 상기 제 1 광변조층과 제 2 광변조층은 서로 중첩하여 배치된 광변조 소자.
  2. 제 1 항에 있어서, 제 1 광변조층은 액정 화합물을 포함하고, 이방성 염료를 포함하지 않는 광변조 소자.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 제 1 광변조층은 폴리머 네트워크를 더 포함하며, 상기 액정 화합물과 폴리머 네트워크는 상 분리된 상태로 존재하는 광변조 소자.
  4. 제 2 항에 있어서, 상기 제 1 광변조층은 전도도 조절제를 더 포함하고, 상기 전도도 조절제는 이온 불순물, 이온성 액체(ionic liquid), 염(Salt), 반응성 모노머 및 개시제로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함하는 광변조 소자.
  5. 제 2 항에 있어서, 상기 제 1 광변조층의 헤이즈가 높은 제 1 상태에서 상기 액정 화합물은 랜덤 배향 상태로 존재하는 광변조 소자.
  6. 제 2 항에 있어서, 상기 제 1 광변조층의 헤이즈가 낮은 제 2 상태에서 상기 액정 화합물은 수직 배향 상태로 존재하는 광변조 소자.
  7. 제 1 항에 있어서, 제 2 광변조층는 제 3 상태와 제 4 상태에서 각각 헤이즈가 5% 이하인 광변조 소자
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 제 2 광변조층은 액정 화합물과 이방성 염료를 포함하는 광변조 소자.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 제 2 광변조층의 전체 투과율이 높은 제 3 상태에서, 상기 액정 화합물과 이방성 염료는 수직 배향된 상태로 존재하는 광변조 소자.
  10. 제 8 항에 있어서, 상기 제 2 광변조층의 전체 투과율이 낮은 제 4 상태에서, 상기 액정 화합물과 이방성 염료는 수평 배향 상태 또는 트위스트 배향된 상태로 존재하는 광변조 소자.
  11. 제 1 항에 있어서, 제 1 광변조층이 헤이즈가 높은 제 1 상태로 존재하는 경우, 제 2 광변조층이 전체 투과율이 낮은 제 4 상태로 존재하며, 상기 광변조 소자는 차단 상태를 구현하는 광변조 소자.
  12. 제 1 항에 있어서, 제 1 광변조층이 헤이즈가 낮은 제 2 상태로 존재하는 경우, 제 2 광변조층이 전체 투과율이 높은 제 3 상태로 존재하며, 상기 광변조 소자는 투과 상태를 구현하는 광변조 소자.
  13. 제 1 항에 있어서, 순차로 배치된 제 1 전극층, 제 2 전극층, 제 3 전극층 및 제 4 전극층을 더 포함하고, 제 1 광변조층은 제 1 전극층과 제 2 전극층 사이에 배치되고, 제 2 광변조층은 제 3 전극층과 제 4 전극층 사이에 배치되는 광변조 소자.
  14. 제 13 항에 있어서, 순차로 배치된 제 1 기재층, 제 2 기재층, 제 3 기재층 및 제 4 기재층을 더 포함하고, 제 1 광변조층은 제 1 기재층과 제 2 기재층 사이에 배치되고, 제 2 광변조층은 제 3 기재층과 제 4 기재층 사이에 배치되는 광변조 소자.
  15. 제 14 항에 있어서, 상기 제 2 기재층과 제 3 기재층은 점착제 또는 접착제를 매개로 부착되어 있는 광변조 소자.
  16. 제 13 항에 있어서, 순차로 배치된 제 1 기재층, 제 2 기재층 및 제 3 기재층을 더 포함하고, 제 1 전극층은 제 1 기재층의 제 1 광변조층 측면에 배치되고, 제 2 전극층은 제 2 기재층의 제 1 광변조층 측면에 배치되고, 제 3 전극층은 제 2 기재층의 제 2 광변조층 측면에 배치되고, 제 4 전극층은 제 3 기재층의 제 2 광변조층 측면에 배치되는 광변조 소자.
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