KR102466773B1 - 광학 소자 - Google Patents

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이영신
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Abstract

본 출원은 광학 소자 및 그 용도에 대한 것이다. 본 출원은 다양한 모드의 구현이 가능하고, 내구성 등이 우수한 광학 소자를 제공한다.

Description

광학 소자{Optical Element}
본 출원은 2019년 02월 25일자 제출된 대한민국 특허출원 제10-2019-0021759호, 2019년 02월 25일자 제출된 대한민국 특허출원 제10-2019-0021761호 및 2019년 02월 25일자 제출된 대한민국 특허출원 제10-2019-0021760호에 기초한 우선권의 이익을 주장하며, 해당 대한민국 특허출원의 문헌에 개시된 모든 내용은 본 명세서의 일부로서 포함된다.
본 출원은 광학 소자에 관한 것이다.
액정 화합물을 이용하여 투과율을 가변할 수 있도록 설계된 광학 소자는 다양하게 알려져 있다.
예를 들면, 주로 액정 화합물인 호스트 물질(host material)과 이색성 염료 게스트(dichroic dye guest)의 혼합물을 적용한 소위 GH(Guest host) 방식을 사용한 투과율 가변 장치가 알려져 있고, 상기 장치에서 호스트 물질로 주로 액정 화합물이 사용된다. 이러한 투과율 가변 장치는, TV나 모니터 등의 일반 디스플레이 장치는 물론 선글라스나 안경 등의 아이웨어(eyewear), 건물 외벽 또는 차량의 선루프 등을 포함한 다양한 용도에 적용되고 있다.
본 출원은, 광학 소자를 제공한다.
이하, 첨부된 도면 등을 참조하여 본 출원을 상세히 설명한다. 첨부된 도면은 본 출원의 예시적인 실시형태를 도시한 것으로, 이는 본 출원의 이해를 돕도록 하기 위해 제공된다. 첨부된 도면에서, 각 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위해 두께는 확대하여 나타낸 것일 수 있고, 도면에 표시된 두께, 크기 및 비율 등에 의해 본 출원의 범위가 제한되는 것은 아니다.
본 명세서에서 언급하는 물성 중에서 측정 온도나, 압력이 결과에 영향을 미치는 경우에 특별히 달리 규정하지 않는 한, 해당 물성은 상온과 상압에서 측정한 것이다.
본 명세서에서 용어 「상온」은, 가온하거나 감온하지 않은 자연 그대로의 온도로서, 일반적으로 약 10℃ 내지 30℃의 범위 내의 어느 한 온도, 약 23℃ 또는 약 25℃ 정도의 온도일 수 있다.
본 명세서에서 용어 「상압」은, 특별히 줄이거나, 높이지 않은 자연 그대로의 압력으로서, 일반적으로 대기압과 같은 1기압 정도의 압력을 의미한다.
본 출원은 광학 소자에 관한 것이다. 상기 광학 소자는 광학 필름을 포함할 수 있다. 도 1은 본 출원의 광학 소자에 포함되는 예시적인 광학 필름의 측면도이다. 도 1에 도시한 것처럼, 본 출원의 광학 필름(100)은 대향 배치된 제 1 기재 필름(110)과 제 2 기재 필름(150)을 포함하고, 상기 제 1 및 2 기재 필름(110, 150) 사이에 광변조층(130)을 포함할 수 있다.
상기 광학 소자는, 투과도 조절 수단(160)을 포함할 수 있다. 상기 투과도 조절 수단(160)은, 외부 전원으로부터 상기 광학 필름(100)에 전계를 인가할 수 있는 수단일 수 있다.
광학 필름(100)은, 상기 제 1 및 제 2 기재 필름(110, 150)의 서로 대향하는 면에는 각각 형성되어 있는 제 1 및 제 2 전극층(120, 140)을 추가로 포함할 수 있다.
기재 필름으로는, 예를 들면, 유리 등으로 되는 무기 필름 또는 플라스틱 필름 등이 사용될 수 있다. 플라스틱 필름으로는, TAC(triacetyl cellulose) 필름; 노르보르넨 유도체 등의 COP(cyclo olefin copolymer) 필름; PMMA(poly(methyl methacrylate) 등의 아크릴 필름; PC(polycarbonate) 필름; PE(polyethylene) 필름; PP(polypropylene) 필름; PVA(polyvinyl alcohol) 필름; DAC(diacetyl cellulose) 필름; Pac(Polyacrylate) 필름; PES(poly ether sulfone) 필름; PEEK(polyetheretherketon) 필름; PPS(polyphenylsulfone) 필름, PEI(polyetherimide) 필름; PEN(polyethylenemaphthatlate) 필름; PET(polyethyleneterephtalate) 필름; PI(polyimide) 필름; PSF(polysulfone) 필름; PAR(polyarylate) 필름 또는 불소 수지 필름 등이 사용될 수 있지만, 이에 제한되는 것은 아니다. 기재 필름에는, 필요에 따라서 금, 은, 이산화 규소 또는 일산화 규소 등의 규소 화합물의 코팅층이나, 반사 방지층 등의 코팅층이 존재할 수도 있다.
기재 필름으로는, 소정 범위의 위상차를 가지는 필름이 사용될 수 있다. 일 예시에서 상기 기재 필름은 정면 위상차가 100 nm 이하일 수 있다. 상기 정면 위상차는 다른 예시에서 약 95 nm 이하, 약 90 nm 이하, 약 85 nm 이하, 약 80 nm 이하, 약 75 nm 이하, 약 70 nm 이하, 약 65 nm 이하, 약 60 nm 이하, 약 55 nm 이하, 약 50 nm 이하, 약 45 nm 이하, 약 40 nm 이하, 약 35 nm 이하, 약 30 nm 이하, 약 25 nm 이하, 약 20 nm 이하, 약 15 nm 이하, 약 10 nm 이하, 약 5 nm 이하, 약 4 nm 이하, 약 3 nm 이하, 약 2 nm 이하, 약 1 nm 이하 또는 약 0.5 nm 이하일 수 있다. 상기 정면 위상차는 다른 예시에서 약 0 nm 이상, 약 1 nm 이상, 약 2 nm 이상, 약 3 nm 이상, 약 4 nm 이상, 약 5 nm 이상, 약 6 nm 이상, 약 7 nm 이상, 약 8 nm 이상, 약 9 nm 이상, 또는 약 9.5 nm 이상일 수 있다.
기재 필름의 두께 방향 위상차의 절대값은, 예를 들면, 200 nm 이하일 수 있다. 상기 두께 방향 위상차의 절대값은 다른 예시에서 190 nm 이하, 180 nm 이하, 170 nm 이하, 160 nm 이하, 150 nm 이하, 140 nm 이하, 130 nm 이하, 120 nm 이하, 110 nm 이하, 100 nm 이하, 90 nm 이하, 85 nm 이하, 80 nm 이하, 70 nm 이하, 60 nm 이하, 50 nm 이하, 40 nm 이하, 30 nm 이하, 20 nm 이하, 10 nm 이하, 5 nm 이하, 4 nm 이하, 3 nm 이하, 2 nm 이하, 1 nm 이하 또는 0.5 nm 이하일 수 있고, 0 nm 이상, 10 nm 이상, 20 nm 이상, 30 nm 이상, 40 nm 이상, 50 nm 이상, 60 nm 이상, 70 nm 이상 또는 75 nm 이상일 수 있다. 상기 두께 방향 위상차는 절대값이 상기 범위 내라면 음수이거나, 양수일 수 있으며, 예를 들면, 음수일 수 있다.
본 명세서에서 용어 「정면 위상차(Rin)」는, 하기 일반식 1로 계산되는 수치이고, 용어 「두께 방향 위상차(Rth) 」는, 하기 일반식 2로 계산되는 수치이며, 특별히 달리 규정하지 않는 한, 상기 정면 및 두께 방향 위상차의 기준 파장은 약 550 nm이다.
[일반식 1]
정면 위상차(Rin) = d Х (nx - ny)
[일반식 2]
두께 방향 위상차(Rth) = d Х (nz - ny)
일반식 1 및 2에서 d는 기재 필름의 두께이고, nx는 기재 필름의 지상축 방향의 굴절률이며, ny는 기재 필름의 진상축 방향의 굴절률이고, nz는 기재 필름의 두께 방향의 굴절률이다.
기재 필름이 광학 이방성인 경우에 대향 배치되어 있는 기재 필름들의 지상축들이 이루는 각도는, 예를 들면, 약 -10도 내지 10도의 범위 내, -7도 내지 7도의 범위 내, -5도 내지 5도의 범위 내 또는 -3도 내지 3도의 범위 내이거나 대략 평행할 수 있다. 또한, 상기 기재 필름의 지상축과 후술하는 편광층의 광 흡수축이 이루는 각도는, 예를 들면, 약 -10도 내지 10도의 범위 내, -7도 내지 7도의 범위 내, -5도 내지 5도의 범위 내 또는 -3도 내지 3도의 범위 내이거나 대략 평행할 수 있거나, 혹은 약 80도 내지 100도의 범위 내, 약 83도 내지 97도의 범위 내, 약 85도 내지 95도의 범위 내 또는 약 87도 내지 92도의 범위 내이거나 대략 수직일 수 있다.
상기와 같은 위상차 조절 또는 지상축의 배치를 통해서 광학적으로 우수하고 균일한 투과 및 차단 모드의 구현이 가능할 수 있다.
기재 필름은, 열팽창 계수가 100 ppm/K 이하일 수 있다. 상기 열팽창 계수는, 다른 예시에서 95 ppm/K 이하, 90 ppm/K 이하, 85 ppm/K 이하, 80 ppm/K 이하, 75 ppm/K 이하, 70 ppm/K 이하 또는 65 ppm/K 이하이거나, 10 ppm/K 이상, 20 ppm/K 이상, 30 ppm/K 이상, 40 ppm/K 이상, 50 ppm/K 이상 또는 55 ppm/K 이상일 수 있다. 기재 필름의 열팽창 계수는, 예를 들면, ASTM D696의 규정에 따라 측정할 수 있고, 해당 규격에서 제공하는 형태로 필름을 재단하고, 단위 온도당 길이의 변화를 측정하여 열팽창 계수를 계산할 수 있으며, TMA(ThermoMechanic Analysis) 등의 공지의 방식으로 측정할 수 있다.
기재 필름으로는, 파단 신율이 90% 이상인 기재 필름을 사용할 수 있다. 상기 파단 신율은 95% 이상, 100% 이상, 105% 이상, 110% 이상, 115% 이상, 120% 이상, 125% 이상, 130% 이상, 135% 이상, 140% 이상, 145% 이상, 150% 이상, 155% 이상, 160% 이상, 165% 이상, 170% 이상 또는 175% 이상일 수 있고, 1,000% 이하, 900% 이하, 800% 이하, 700% 이하, 600% 이하, 500% 이하, 400% 이하, 300% 이하 또는 200% 이하일 수 있다. 기재 필름의 파단 신율은 ASTM D882 규격에 따라 측정할 수 있고, 해당 규격에서 제공하는 형태로 필름을 재단하고, Stress-Strain curve를 측정할 수 있는 장비(힘과 길이를 동시에 측정할 수 있는)를 이용하여 측정할 수 있다.
기재 필름이 상기 열팽창 계수 및/또는 파단 신율을 가지도록 선택되는 것에 의해 보다 우수한 내구성의 광학 소자가 제공될 수 있다.
상기 광학 필름에서 기재 필름의 두께는 특별히 제한되지 않으며, 통상적으로 약 50 ㎛ 내지 200 ㎛ 정도의 범위 내일 수 있다.
본 명세서에서 상기 제 1 전극층이 형성되어 있는 제 1 기재 필름을 제 1 전극 기재 필름이라 지칭하고, 상기 제 2 전극층이 형성되어 있는 제 2 기재 필름을 제 2 전극 기재 필름이라 지칭할 수 있다.
상기 전극 기재 필름은, 예를 들면 가시광 영역에서 투광성을 가질 수 있다. 하나의 예시에서, 전극 기재 필름은 가시광 영역, 예를 들면, 약 400 nm 내지 700 nm 범위 내의 어느 한 파장 또는 550 nm 파장의 광에 대한 투과도가 80% 이상, 85% 이상 또는 90% 이상일 수 있다. 상기 투과도는 그 수치가 높을 수록 유리한 것으로 그 상한은 특별히 제한되지 않으며, 예를 들면, 약 상기 투과도는 약 100% 이하 또는 100% 미만 정도일 수도 있다.
전극 기재 필름상에 형성되는 전극층의 소재는 특별히 제한되지 않으며, 광학 소자 분야에서 전극층을 형성하는 것에 적용되는 소재라면 특별한 제한 없이 이용될 수 있다.
예를 들면, 전극층으로는, 금속 산화물; 금속 와이어; 금속 나노 튜브; 금속 메쉬; 탄소 나노 튜브; 그래핀; 또는 전도성 폴리머나 이들의 복합 재료 등을 이용하여 형성되는 전극층이 적용될 수 있다.
하나의 예시에서, 전극층으로는, 안티몬(Sb), 바륨(Ba), 갈륨(Ga), 게르마늄(Ge), 하프늄(Hf), 인듐(In), 란티늄(La), 마그네슘(Mg), 셀렌(Se), 알루미늄(Al), 규소(Si), 탄탈(Ta), 티타늄(Ti), 바나듐(V), 이트륨(Y), 아연(Zn) 및 지르코늄(Zr)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 금속을 포함하는 금속 산화물층이 이용될 수 있다.
전극층의 두께는 본 출원의 목적을 손상시키지 않는 범위 내에서 적절히 선택될 수 있다. 통상적으로 전극층의 두께는 50 nm 내지 300 nm의 범위 내 또는 70nm 내지 200 nm 범위 내일 수 있지만, 이에 제한되는 것은 아니다. 전극층은, 전술한 소재로 되는 단층 구조이거나, 또는 적층 구조일 수 있고, 적층 구조일 경우, 각 층을 구성하는 소재는 동일하거나, 또는 상이할 수 있다.
상기 전극 기재 필름은, 상기 제 1 및 제 2 기재 필름상에 상기 전극층을 형성하여 얻을 수 있다.
본 출원에서 상기 전극층은, 광변조층에 외부 에너지에 해당하는 전계를 인가하는 부위(이하, 제 1 영역으로 호칭할 수 있다.)와 상기 전계를 인가할 수 있도록 상기 전극층을 외부 전원과 연결하는 부위(이하, 제 2 영역으로 호칭할 수 있다.)를 포함할 수 있다. 상기 2개의 부위는 서로 물리적으로 분리된 부위 혹은 물리적으로 연속되어 있는 부위이거나, 또는 실질적으로 서로 중복되어 있는 부위일 수도 있다. 통상적으로 상기 제 1 영역은, 대략적으로 광학 소자의 구조에서 상기 광학 소자를 그 표면의 법선 방향을 따라서 관찰할 때에 광변조층과 중복되는 영역이고, 제 2 영역은 외부 단자 등이 형성된 영역(예를 들면, 도 1의 161, 162)일 수 있다.
전극 기재 필름에서 상기 제 2 영역은 각 전극 기재 필름의 전극층에 1개 또는 2개 또는 2개 이상 형성되어 있을 수 있다. 상기 제 2 영역은 기재 필름의 테두리에 형성되어 있을 수 있다. 즉, 상기 제 2 영역은 상기 기재 필름의 테두리 부근의 면상에 형성되어 있을 수 있다. 이러한 제 2 영역은 예를 들면, 외부 전원과 연결되는 단자를 형성하여 형성할 수 있다.
상기 제 2 영역이 각 전극 기재 필름에 1개씩 형성되어 있는 경우에는 상기 제 1 기재 필름상의 전극층의 상기 제 2 영역과 상기 제 2 기재 필름상의 전극층의 상기 제 2 영역은 서로 마주보도록 배치되어 있거나, 혹은 서로 마주보지 않도록 배치되어 있을 수 있다.
제 2 영역이 서로 마주보도록 배치되는 경우는, 도 1을 참조하면, 제 1 기재 필름(110)상의 전극층(120)상의 2개의 단자(161) 중 도면상 오른쪽에만 단자가 형성되는 경우에 하부 기재 필름(150)상의 전극층(140)상의 2개의 단자(162) 중에서도 도면상 오른쪽에만 단자가 형성된 경우이거나, 혹은 제 1 기재 필름(110)상의 전극층(120)상의 2개의 단자(161) 중 도면상 왼쪽에만 단자가 형성되는 경우에 하부 기재 필름(150)상의 전극층(140)상의 2개의 단자(162) 중에서도 도면상 왼쪽에만 단자가 형성된 경우일 수 있다. 이러한 형태는 후술하는 모드 중에서 그라데이션 모드의 구현을 위해 구성된 형태일 수 있다.
상기 제 2 영역이 각 전극 기재 필름에 1개씩 형성되고, 상기 제 1 기재 필름상의 전극층의 상기 제 2 영역과 상기 제 2 기재 필름상의 전극층의 상기 제 2 영역은 서로 마주보지 않도록 배치되는 경우에는 측면 관찰 시에 제 1 기재 필름상의 제 2 영역과 제 2 기재 필름상의 제 2 영역이 서로 엇갈리도록 배치되어 있을 수 있다. 도 1을 참조하면, 제 1 기재 필름(110)상의 전극층(120)상의 2개의 단자(161) 중 도면상 오른쪽에만 단자가 형성되는 경우에 하부 기재 필름(150)상의 전극층(140)상의 2개의 단자(162) 중에서도 도면상 왼쪽에만 단자가 형성된 경우이거나, 혹은 제 1 기재 필름(110)상의 전극층(120)상의 2개의 단자(161) 중 도면상 왼쪽에만 단자가 형성되는 경우에 하부 기재 필름(150)상의 전극층(140)상의 2개의 단자(162) 중에서도 도면상 오른쪽에만 단자가 형성된 경우일 수 있다. 이러한 형태는 후술하는 모드 중에서 균일 투과 모드의 구현을 위해 구성된 형태일 수 있다.
다른 예시에서 상기 제 2 영역은 전술한 형태를 모두 포함하면서 이들간의 스위칭이 가능하도록 형성되어 있을 수도 있다.
이러한 경우에는 전극 기재 필름에서 상기 제 2 영역은, 각 기재 필름의 서로 마주보는 테두리에 각각 형성되어 있을 수 있다. 즉, 이러한 경우에, 전극 기재 필름에서 제 2 영역은 적어도 2개 존재할 수 있으며, 상기 제 2 영역은 기재 필름의 전극층이 형성되어 있는 면을 관찰한 때에 서로 마주보는 테두리의 부근의 면상에 각각 형성되어 있을 수 있다.
위와 같은 경우에 본 명세서에서는 제 1 전극 기재 필름의 2개의 제 2 영역 중 어느 하나는 A 영역으로 부르고, 다른 하나는 B 영역으로 부르며, 제 2 전극 기재 필름의 2개의 제 2 영역 중 어느 하나는 C 영역으로 부르고, 다른 하나는 D 영역으로 부를 수 있다.
광학 소자에서 제 1 및 2 기재 필름은, 상기 A 영역과 C 영역이 서로 대향하고, 상기 B 영역과 D 영역이 서로 대향하도록 배치되어 있을 수 있다.
본 출원의 광학 필름은, 상기 제 1 및 제 2 기재 필름의 사이에 광변조층을 포함할 수 있다. 이러한 광변조층은, 일 예시에서 적어도 액정 화합물을 가지는 능동 액정층일 수 있다. 용어 능동 액정층은, 액정 화합물을 포함하는 층이고, 외부 에너지를 통해 상기 액정 화합물의 배향 상태를 변경할 수 있는 층을 의미할 수 있다. 상기 능동 액정층을 이용해서, 광학 소자는 투과 모드와 차단 모드를 포함한 다양한 모드들의 사이를 선택적으로 스위칭할 수 있고, 따라서 상기 능동 액정층은 광변조층이 될 수 있다.
본 명세서에서 용어 투과 모드는 투과율이 약 10% 이상, 약 15% 이상, 약 20% 이상, 약 25% 이상, 30% 이상, 약 35% 이상, 약 40% 이상, 약 45% 이상 또는 약 50% 이상인 상태를 의미할 수 있다. 또한, 차단 모드는, 투과율이 약 20% 이하, 약 15% 이하, 약 10% 이하 또는 약 5% 이하 정도인 상태를 의미할 수 있다. 상기 투과 모드에서의 투과율은 수치가 높을수록 유리하고, 차단 모드에서의 투과율은 낮을수록 유리하기 때문에 각각의 상한과 하한은 특별히 제한되지 않는다. 일 예시에서 상기 투과 모드에서의 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 차단 모드에서의 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 광학 소자를 입사한 광 대비 상기 입사 방향과 동일한 방향으로 상기 광학 소자를 투과한 광(직진광)의 비율일 수 있다. 일 예시에서 상기 투과율은, 상기 광학 소자의 표면 법선과 평행한 방향으로 입사한 광에 대하여 측정한 결과(법선광 투과율)일 수 있다.
광학 소자에서 투과율이 조절되는 광은, UV-A 영역의 자외선, 가시광 또는 근적외선일 수 있다. 일반적으로 사용되는 정의에 면, UV-A 영역의 자외선은 320 nm 내지 380 nm의 범위 내의 파장을 갖는 방사선을 의미하는 것으로 사용되고, 가시광은 380 nm 내지 780 nm의 범위 내의 파장을 갖는 방사선을 의미하는 것으로 사용되며, 근저외선은 780 nm 내지 2000 nm의 범위 내의 파장을 갖는 방사선을 의미하는 것으로 사용된다.
본 명세서에서 용어 외부 에너지는, 상기 능동 액정층 내에 포함되어 있는 액정 화합물의 배향을 변화시킬 수 있을 정도의 수준으로 외부에서 인가되는 에너지를 의미한다. 일 예시에서, 상기 외부 에너지는 상기 전극층을 통해 유도되는 외부 전압에 의해 생성된 전계일 수 있다.
예를 들면, 능동 액정층은 액정 화합물의 배향 상태가 상기 외부 에너지의 인가 여부, 그 크기 및/또는 인가 위치 등에 의해 변화하면서 상술한 투과 모드와 차단 모드의 사이를 스위칭하거나, 기타 모드의 사이를 스위칭할 수 있다.
상기에서 기타 모드로는 후술하는 제 1 및 제 2 모드 등이 예시될 수 있다.
일 예시에서 상기 능동 액정층은, 소위 게스트 호스트 액정층으로 불리우는 액정층일 수 있으며, 이러한 경우에는 상기 능동 액정층은, 상기 액정 화합물과 함께 이방성 염료를 추가로 포함할 수 있다. 게스트 호스트 액정층은, 소위 게스트 호스트 효과(Guest Host Effect)를 이용한 액정층으로서, 상기 액정 화합물(이하, 액정 호스트라 칭할 수 있다)의 배향 방향에 따라 상기 이방성 염료가 정렬되는 액정층이다. 상기 액정 호스트의 배향 방향은 배향막 및/또는 전술한 외부 에너지를 사용하여 조절할 수 있다.
액정층에 사용되는 액정 호스트의 종류는 특별히 제한되지 않고, 게스트 호스트 효과의 구현을 위해 적용되는 일반적인 종류의 액정 화합물이 사용될 수 있다.
예를 들면, 상기 액정 호스트로는, 스멕틱 액정 화합물, 네마틱 액정 화합물 또는 콜레스테릭 액정 화합물이 사용될 수 있다. 일반적으로는 네마틱 액정 화합물이 사용될 수 있다. 용어 네마틱 액정 화합물은, 액정 분자의 위치에 대한 규칙성은 없지만, 모두 분자축 방향으로 질서를 가지고 배열할 수 있는 액정 화합물을 의미하고, 이러한 액정 화합물은 막대(rod) 형태이거나 원반(discotic) 형태일 수 있다.
이러한 네마틱 액정 화합물은 예를 들면, 약 40°C 이상, 약 50°C 이상, 약 60°C 이상, 약 70°C 이상, 약 80°C 이상, 약 90°C 이상, 약 100°C 이상 또는 약 110°C 이상 이상의 등명점(clearing point)를 가지거나, 상기 범위의 상전이점, 즉 네마틱상에서 등방상으로의 상전이점을 가지는 것이 선택될 수 있다. 일 예시에서 상기 등명점 또는 상전이점은 약 160°C 이하, 약 150°C 이하 또는 약 140°C 이하일 수 있다.
상기 액정 화합물은, 유전율 이방성이 음수 또는 양수일 수 있다. 상기 유전율 이방성의 절대값은 목적을 고려하여 적절히 선택될 수 있다. 예를 들면, 상기 유전율 이방성은 3 초과 또는 7 초과이거나, -2 미만 또는 -3 미만일 수 있다.
액정 화합물은 또한 약 0.01 이상 또는 약 0.04 이상의 광학 이방성(△n)을 가질 수 있다. 액정 화합물의 광학 이방성은 다른 예시에서 약 0.3 이하 또는 약 0.27 이하일 수 있다.
게스트 호스트 액정층의 액정 호스트로 사용될 수 있는 액정 화합물은 본 기술 분야에서 공지되어 있다.
액정층이 상기 게스트 호스트 액정층인 경우에 상기 액정층은 상기 액정 호스트와 함께 이방성 염료를 포함할 수 있다. 용어 「염료」는, 가시광 영역, 예를 들면, 380 nm 내지 780 nm 파장 범위 내에서 적어도 일부 또는 전체 범위 내의 광을 집중적으로 흡수 및/또는 변형시킬 수 있는 물질을 의미할 수 있고, 용어 「이방성 염료」는 상기 가시광 영역의 적어도 일부 또는 전체 범위에서 광의 이방성 흡수가 가능한 물질을 의미할 수 있다.
이방성 염료로는, 예를 들면, 액정 호스트의 정렬 상태에 따라 정렬될 수 있는 특성을 가지는 것으로 알려진 공지의 염료를 선택하여 사용할 수 있다. 예를 들면, 이방성 염료로는, 아조 염료 또는 안트라퀴논 염료 등을 사용할 수 있고, 넓은 파장 범위에서의 광 흡수를 달성하기 위해서 액정층은 1종 또는 2종 이상의 염료를 포함할 수도 있다.
이방성 염료의 이색비(dichroic ratio)는 목적을 고려하여 적절히 선택될 수 있다. 예를 들어, 상기 이방성 염료는 이색비가 5 내지 20의 범위 내일 수 있다. 용어「이색비」는, 예를 들어, p형 염료인 경우, 염료의 장축 방향에 평행한 편광의 흡수를 상기 장축 방향에 수직하는 방향에 평행한 편광의 흡수로 나눈 값을 의미할 수 있다. 이방성 염료는 가시광 영역의 파장 범위 내, 예를 들면, 약 380 nm 내지 780 nm 또는 약 400 nm 내지 700 nm의 파장 범위 내에서 적어도 일부의 파장 또는 어느 한 파장 또는 전 범위에서 상기 이색비를 가질 수 있다.
액정층 내에서의 이방성 염료의 함량은 목적을 고려하여 적절히 선택될 수 있다. 예를 들어, 액정 호스트와 이방성 염료의 합계 중량을 기준으로 상기 이방성 염료의 함량은 0.1 내지 10 중량% 범위 내에서 선택될 수 있다. 이방성 염료의 비율은 목적하는 투과율과 액정 호스트에 대한 이방성 염료의 용해도 등을 고려하여 변경할 수 있다.
액정층은 상기 액정 호스트와 이방성 염료를 기본적으로 포함하고, 필요한 경우에 다른 임의의 첨가제를 공지의 형태에 따라 추가로 포함할 수 있다. 첨가제의 예로는, 키랄 도펀트 또는 안정화제 등이 예시될 수 있지만, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 액정층의 두께는, 예를 들면, 목적하는 모드 구현에 적합하도록 적절히 선택될 수 있다. 일 예시에서 상기 액정층의 두께는, 약 0.01μm 이상, 0.05μm 이상, 0.1μm 이상, 0.5μm 이상, 1μm 이상, 1.5μm 이상, 2μm 이상, 2.5μm 이상, 3μm 이상, 3.5μm 이상, 4μm 이상, 4.5μm 이상, 5μm 이상, 5.5μm 이상, 6μm 이상, 6.5μm 이상, 7μm 이상, 7.5μm 이상, 8μm 이상, 8.5μm 이상, 9μm 이상 또는 9.5μm 이상일 수 있다. 상기 액정층의 두께의 상한은 특별히 제한되는 것은 아니며, 일반적으로 약 30 μm 이하, 25 μm 이하, 20 μm 이하 또는 15 μm 이하일 수 있다.
상기와 같은 능동 액정층 또는 이를 포함하는 상기 광학 필름은, 제 1 배향 상태와 상기 제 1 배향 상태와는 다른 제 2 배향 상태의 사이를 스위칭할 수 있다. 상기 스위칭은, 예를 들면, 전압과 같은 외부 에너지의 인가를 통해 조절할 수 있다. 예를 들면, 전압 무인가 상태에서 상기 제 1 및 제 2 배향 상태 중에서 어느 한 상태가 유지되다가, 전압 인가에 의해 다른 배향 상태로 스위칭될 수 있다.
상기 제 1 및 제 2 배향 상태는, 일 예시에서, 각각 수평 배향, 수직 배향, 스프레이 배향, 경사 배향, 트위스트 네마틱 배향 또는 콜레스테릭 배향 상태에서 선택될 수 있다. 예를 들면, 차단 모드에서 액정층 또는 광학 필름은, 적어도 수평 배향, 트위스트 네마틱 배향 또는 콜레스테릭 배향이고, 투과 모드에서 액정층 또는 광학 필름은, 수직 배향 또는 상기 차단 모드의 수평 배향과는 다른 방향의 광축을 가지는 수평 배향 상태일 있다. 액정소자는, 전압 무인가 상태에서 상기 차단 모드가 구현되는 통상 차단 모드(Normally Black Mode)의 소자이거나, 전압 무인가 상태에서 상기 투과 모드가 구현되는 통상 투과 모드(Normally Transparent Mode)를 구현할 수 있다.
위와 같은 능동 액정층은 다양한 모드를 가질 수 있다. 능동 액정층은, 예를 들어, 전압제어복굴절(ECB: Electrically Controlled Birefringence) 모드, 트위스티드 네마틱(TN: Twisted Nematic) 모드 또는 슈퍼 트위스티드 네마틱(STN: Super Twisted Nematic) 모드로 구동될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니며, 이러한 능동 액정층의 구동 모드에 따라 능동 액정층 내 액정 화합물의 정렬 특성이 달라질 수 있다.
하나의 예시에서, 능동 액정층의 하나의 배향 상태에서 액정 화합물은 후술하는 편광층의 흡수축과 어느 하나의 각도를 이루도록 배향된 상태로 존재하거나, 편광층의 흡수축과 수평 또는 수직을 이루도록 배향된 상태로 존재하거나, 또는 트위스티드 배향된 상태로 존재할 수 있다.
본 명세서에서 용어 「트위스티드 배향된 상태」는, 능동 액정층의 광축이 능동 액정층의 평면에 대하여, 약 0도 내지 15도, 약 0도 내지 10도, 약 0도 내지 5도 범위 내의 경사각을 가지고 수평 배향 되어 있으나, 능동 액정층에 포함되어 있는 이웃하는 액정 화합물의 장축 방향의 각도는 조금씩 변하여 비틀어져 배열되어 있는 상태를 의미할 수 있다.
전술한 바와 같이, 능동 액정층 내 액정 화합물은 외부 작용의 인가에 의하여 정렬 특성이 변경될 수 있다.
하나의 예시에서, 외부 작용이 없는 상태에서, 능동 액정층이 수평 배향인 경우 외부 작용의 인가에 의하여 수직 배향 상태로 스위칭함으로써 투과도를 높일 수 있다.
다른 예시에서, 외부 작용이 없는 상태에서, 능동 액정층이 수직 배향인 경우 외부 작용의 인가에 의하여 수평 배향 상태로 스위칭함으로써 투과도를 감소시킬 수 있다. 또한, 초기 수직 배향 상태에서 수평 배향 상태로 스위칭함에 있어서, 액정 화합물의 배향 방향을 결정하기 위하여 일정 방향의 프리 틸트(Pre Tilt)가 필요할 수 있다. 상기에서 프리 틸트를 부여하는 방식은 특별히 제한되지 않고, 예를 들어 의도하는 프리 틸트를 부여할 수 있도록 적절한 배향막을 배치하는 것에 의하여 가능하다.
또한, 상기에서 능동 액정층이 이방성 염료를 추가로 포함하고 액정 화합물이 수직 배향된 상태에서는, 이방성 염료의 정렬 방향이 하부에 존재하는 편광층의 평면에 대하여 수직을 이루므로 편광층을 투과한 광이 능동 액정층의 이방성 염료에 흡수되지 않고 투과될 수 있고, 이를 통해 광학 소자의 투과도를 증가시킬 수 있다. 반면, 능동 액정층의 액정 화합물이 수평 배향된 상태에서는, 이방성 염료의 정렬 방향이 하부에 존재하는 편광층의 평면에 대하여 평행을 이루고 있으므로, 능동 액정층의 광축이 편광층의 흡수축에 대하여 소정의 각도를 가지도록 배치하는 경우, 편광층을 투과한 광의 일부를 이방성 염료에 흡수시킬 수 있고, 이를 통해 광학 소자의 투과도를 감소시킬 수 있다.
하나의 예시에서, 광학 소자는 외부 작용이 존재하는 상태에서, 가시광 영역의 투과도가 15% 이상인 투과 모드가 구현되고, 외부 작용이 존재하지 않는 상태에서, 가시광 영역의 투과도가 3% 이하인 차단 모드가 구현될 수 있다.
능동 액정층이 TN 모드 또는 STN 모드로 구동하는 경우, 능동 액정층은 키랄제(chiral agent)를 추가로 포함할 수 있다. 키랄제는 상기 액정 화합물 및/또는 이방성 염료의 분자 배열이 나선 구조를 갖도록 유도할 수 있다. 상기 키랄제로는, 액정성, 예를 들면, 네마틱 규칙성을 손상시키지 않고, 목적하는 나선 구조를 유발할 수 있는 것이라면, 특별히 제한되지 않고 사용될 수 있다. 액정에 나선 구조를 유발하기 위한 키랄제는 분자 구조 중에 키랄리티(chirality)를 적어도 포함할 필요가 있다. 키랄제로는, 예를 들면, 1개 또는 2개 이상의 비대칭 탄소(asy mmetric carbon)를 가지는 화합물, 키랄 아민 또는 키랄 술폭시드 등의 헤테로원자 상에 비대칭점(asy mmetric point)이 있는 화합물 또는 쿠물렌(cumulene) 또는 비나프톨(binaphthol) 등의 축부제를 가지는 광학 활성인 부위(axially asy mmetric 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 도판트 액정 S-811 또는 BASF사의 LC756 등을 사용할 수도 있다.
액정 화합물의 배향 상태에 따라 액정층의 가시광에 대한 투과도가 결정되므로, 외부 작용에 의해 액정 화합물이 배향되는 양태를 조절하면 그라데이션 모드와 균일 투과 모드의 구현이 가능하다.
액정층의 배향 상태에서 해당 액정층의 광축이 어떤 방향으로 형성되어 있는 것인지를 확인하는 방식은 공지이다. 예를 들면, 액정층의 광축의 방향은, 광축 방향을 알고 있는 다른 편광판을 이용하여 측정할 수 있으며, 이는 공지의 측정 기기, 예를 들면, Jasco사의 P-2000 등의 polarimeter를 사용하여 측정할 수 있다.
액정 호스트의 유전율 이방성, 액정 호스트를 배향시키는 배향막의 배향 방향 등을 조절하여 상기와 같은 통상 투과 또는 차단 모드의 액정소자를 구현하는 방식은 공지이다.
상기 광학 필름은, 상기 제 1 및 제 2 기재필름 상의 제 2 영역에 위치하는 절연층을 추가로 포함할 수 있다.
하나의 예로서, 상기 제 2 영역이 각 전극 기재 필름에 1개씩 형성되어 있으며, 제 1 기재 필름상의 전극층의 제 2 영역과 제 2 기재 필름상의 전극층의 제 2 영역이 서로 마주보도록 배치되는 경우에 절연층은, 도 2와 같이 서로 마주보도록 배치되는 제 2 영역 사이에 절연층(170)이 위치할 수 있다.
다른 예로서, 상기 제 2 영역이 각 전극 기재 필름에 1개씩 형성되어 있으며, 제 1 기재 필름상의 전극층의 제 2영역과 제 2 기재 필름상의 전극층의 제 2 영역이 서로 마주보지 않도록 배치되는 경우에 절연층은, 도 3과 같이 제 1 기재 필름상의 제 2 영역 및 상기 제 1 기재 필름상의 제 2 영역과 마주보는 제 2 기재 필름상의 제 1 영역; 및 제 2 기재 필름상의 제 2 영역 및 상기 제 2 기재 필름상의 제 2 영역과 마주보는 제 1 기재 필름상의 제 1 영역에 절연층(170)이 위치할 수 있다.
또 다른 예로서, 상기 제 2 영역이 각 전극 기재 필름에 2개 이상 존재하는 경우에는 절연층은, 도 4와 같이 제 1 기재 필름(110)상의 제 2 영역 및 상기 제 2 기재 필름(150) 상의 제 2 영역 마다 각각 위치할 수 있다. 따라서, 제 1 기재 필름상의 제 2 영역과 제 1 기재 필름상의 제 2 영역이 마주보는 경우 제 1 기재 필름의 제 2 영역과 제 1 기재필름의 제 2 영역 사이에 절연층이 위치될 수 있다. 또한, 제 1 기재 필름상의 제 2 영역과 제 1 기재 필름상의 제 2 영역이 마주보지 않는 경우 제 1 기재 필름상의 제 2 영역과 제 2 기재 필름상의 제 1 영역 사이, 및 제 2 기재 필름상의 제 2 영역과 제 1 기재 필름상의 제 1 영역 사이에 절연층이 위치될 수 있다.
상기 광학 필름은, 상기 2장의 기재 필름의 사이에서 상기 2장의 기재 필름의 간격을 유지하는 스페이서 및/또는 대향 배치된 2장의 기재 필름의 간격이 유지된 상태로 상기 기재 필름을 부착시키고 있는 실런트 등을 추가로 포함할 수 있다. 상기 스페이서 및/또는 실런트로는, 특별한 제한 없이 공지의 소재가 사용될 수 있다.
상기 광학 필름에서 스페이서 및/또는 실런트의 위치는 특별히 제한되지 않으며, 광학 소자의 투과율, 광학 소자의 내구성 및 절연층의 존재 유무 등에 따라 적절한 위치에 존재할 수 있다.
하나의 예로서, 광학 필름에 절연층이 존재 하지 않는 경우, 상기 스페이서 및/또는 실런트(이하, '실런트 등'으로 호칭할 수 있다)는 제 1 및 제 2 기재 필름 사이에서 가장 외측 부위에 존재할 수 있다.
다른 예로서, 광학 필름에 절연층이 존재하며, 제 1 기재 필름상의 전극층의 제 2 영역과 제 2 기재 필름상의 전극층의 제 2 영역이 서로 마주보도록 배치되는 경우, 도 2와 같이 제 2 영역이 서로 마주보도록 배치되는 쪽(예를 들면, 도 4의 왼쪽)의 실런트 등(180)은 절연층(170)과 광변조층(130) 사이에 존재하고, 제 2 영역이 서로 마주보도록 배치되는 쪽의 반대쪽(예를 들면, 도 4의 오른쪽)은 제 1 및 제 2 기재 필름 사이에서 가장 외측 부위에 존재할 수 있다.
또 다른 예로서, 광학 필름에 절연층이 존재하며, 제 1 기재 필름상의 전극층의 제 2 영역과 제 2 기재 필름상의 전극층의 제 2 영역이 서로 마주보지 않도록 배치되는 경우, 실런트 등은 도 3과 같이 절연층(170)과 광변조층(130) 사이에 존재할 수 있다.
광학 필름에서 상기 기재 필름의 일면, 예를 들면, 상기 광변조층(예를 들면, 능동 액정층)을 향하는 면상에는 배향막이 존재할 수 있다. 예를 들면, 상기 전극층상에 상기 배향막이 존재할 수 있다.
배향막은 능동 액정층과 같은 광변조층에 포함되는 액정 호스트의 배향을 제어하기 위한 구성이고, 특별한 제한 없이 공지의 배향막을 적용할 수 있다. 업계에서 공지된 배향막으로는, 러빙 배향막이나 광배향막 등이 있다.
전술한 광축의 배향을 달성하기 위해서 상기 배향막의 배향 방향이 제어될 수 있다. 예를 들면, 대향 배치되어 있는 2장의 기재 필름의 각 면에 형성된 2개의 배향막의 배향 방향은 서로 약 -10도 내지 10도의 범위 내의 각도, -7도 내지 7도의 범위 내의 각도, -5도 내지 5도의 범위 내의 각도 또는 -3도 내지 3도의 범위 내의 각도를 이루거나 서로 대략 평행할 수 있다. 다른 예시에서 상기 2개의 배향막의 배향 방향은 약 80도 내지 100도의 범위 내의 각도, 약 83도 내지 97도의 범위 내의 각도, 약 85도 내지 95도의 범위의 각도 내 또는 약 87도 내지 92도의 범위 내의 각도를 이루거나 서로 대략 수직일 수 있다.
이와 같은 배향 방향에 따라서 능동 액정층의 광축의 방향이 결정되기 때문에, 상기 배향 방향은 능동 액정층의 광축의 방향을 확인하여 확인할 수 있다.
광학 소자는, 상기 광학 필름과 함께 편광층을 추가로 포함할 수 있다. 상기 편광층으로는, 예를 들면, 흡수형 편광층, 즉 일방향으로 형성된 광흡수축과 그와는 대략 수직하게 형성된 광투과축을 가지는 편광층을 사용할 수 있다.
상기 편광층은, 상기 광학 필름의 제 1 배향 상태에서 상기 차단 상태가 구현된다고 가정하는 경우에 상기 제 1 배향 상태의 평균 광축(광축의 벡터함)과 상기 편광층의 광흡수축이 이루는 각도가 80도 내지 100도 또는 85도 내지 95도를 이루거나, 대략 수직이 되도록 배치되어 있거나, 혹은 35도 내지 55도 또는 약 40도 내지 50도가 되거나 대략 45도가 되도록 배치되어 있을 수 있다.
배향막의 배향 방향을 기준으로 할 때에, 전술한 것과 같이 대향 배치된 광학 필름의 2장의 기재 필름의 각 면상에 형성된 배향막의 배향 방향이 서로 약 -10도 내지 10도의 범위 내의 각도, -7도 내지 7도의 범위 내의 각도, -5도 내지 5도의 범위 내의 각도 또는 -3도 내지 3도의 범위 내의 각도를 이루거나 서로 대략 평행한 경우에 상기 2개의 배향막 중에서 어느 하나의 배향막의 배향 방향과 상기 편광층의 광흡수축이 이루는 각도가 80도 내지 100도 또는 85도 내지 95도를 이루거나, 대략 수직이 될 수 있다.
다른 예시에서 상기 2개의 배향막의 배향 방향이 약 80도 내지 100도의 범위 내의 각도, 약 83도 내지 97도의 범위 내의 각도, 약 85도 내지 95도의 범위의 각도 내 또는 약 87도 내지 92도의 범위 내의 각도를 이루거나 서로 대략 수직인 경우에는 2장의 배향막 중에서 상기 편광층에 보다 가깝게 배치된 배향막의 배향 방향과 상기 편광층의 광흡수축이 이루는 각도가 80도 내지 100도 또는 85도 내지 95도를 이루거나, 대략 수직이 될 수 있다.
예를 들면, 상기 광학 필름과 상기 편광층는 서로 적층되어 있는 상태일 수 있다. 또한, 상기 상태에서 상기 광학 필름의 제 1 배향 방향의 광축(평균 광축)과 상기 편광층의 광 흡수축이 상기 관계가 되도록 배치될 수 있다.
일 예시에서 상기 편광층가 후술하는 편광 코팅층인 경우에는 상기 편광 코팅층이 상기 광학 필름의 내부에 존재하는 구조가 구현될 수 있다. 예를 들면, 상기 광학 필름의 기재 필름 중 어느 하나의 기재 필름과 상기 광변조층의 사이에 상기 편광 코팅층이 존재하는 구조가 구현될 수 있다. 예를 들면, 광학 필름의 2개의 기재 필름 중 적어도 하나의 기재 필름상에는 상기 전극층, 상기 편광 코팅층 및 상기 배향막이 순차 형성되어 있을 수 있다.
광학 소자에서 적용될 수 있는 상기 편광층의 종류는 특별히 제한되지 않는다. 예를 들면, 편광층으로는, 기존 LCD 등에서 사용되는 통상의 소재, 예를 들면, PVA(poly(vinyl alcohol)) 편광층 등이나, 유방성 액정(LLC: Lyotropic Liquid Cystal)이나, 반응성 액정(RM: Reactive Mesogen)과 이색성 색소(dichroic dye)를 포함하는 편광 코팅층과 같이 코팅 방식으로 구현한 편광층을 사용할 수 있다. 본 명세서에서 상기와 같이 코팅 방식으로 구현된 편광층은 편광 코팅층으로 호칭될 수 있다. 상기 유방성 액정으로는 특별한 제한 없이 공지의 액정을 사용할 수 있으며, 예를 들면, 이색비(dichroic ratio)가 30 내지 40 정도인 유방성 액정층을 형성할 수 있는 유방성 액정을 사용할 수 있다. 한편, 편광 코팅층이 반응성 액정(RM: Reactive Mesogen)과 이색성 색소(dichroic dye)를 포함하는 경우에 상기 이색성 색소로는 선형의 색소를 사용하거나, 혹은 디스코팅상의 색소(discotic dye)가 사용될 수도 있다.
본 출원의 광학 소자는 상기와 같은 광학 필름과 편광층을 각각 하나씩만 포함하거나, 혹은 그 중 어느 하나를 2개 이상 포함할 수 있다. 따라서, 일 예시에서 상기 광학 소자는 오직 하나의 상기 광학 필름과 오직 하나의 상기 편광층을 포함할 수 있지만, 이에 제한되는 것은 아니다.
예를 들면, 본 출원의 광학 소자는, 대향하는 2개의 편광층을 포함하고, 상기 광변조층이 상기 2개의 편광층의 사이에 존재하는 구조를 가질 수도 있다. 이러한 경우에 상기 대향하는 2개의 편광층(제 1 및 제 2 편광층)의 흡수축은, 서로 수직하거나, 혹은 수평할 수 있다. 상기에서 수직 및 수평은, 각각 실질적인 수직 및 수평으로서, ±5도, ±4도, ±3도, ±2도 이내의 오차를 포함하는 것으로 이해할 수 있다.
광학 소자는, 대향 배치되어 있는 2장의 외곽 기판을 추가로 포함할 수 있다. 본 명세서에서는 편의상 상기 2장의 외곽 기판 중에서 어느 하나를 제 1 외곽 기판으로 호칭하고, 다른 하나를 제 2 외곽 기판으로 호칭할 수 있으나, 상기 제 1 및 2의 표현이 외곽 기판의 선후 내지는 상하 관계를 규정하는 것은 아니다.
일 예시에서 상기 광학 필름 또는 상기 광학 필름과 편광층은 상기 2장의 외곽 기판의 사이에서 캡슐화되어 있을 수 있다. 이러한 캡슐화는 접착 필름을 사용하여 이루어질 수 있다. 예를 들면, 도 5에 나타난 바와 같이 상기 대향 배치된 2장의 외곽 기판(30)의 사이에 상기 광학 필름(10)과 편광층(20)이 존재할 수 있다.
상기 외곽 기판으로는, 예를 들면, 글라스 등으로 되는 무기 기판 또는 플라스틱 기판이 사용될 수 있다. 플라스틱 기판으로는, TAC(triacetyl cellulose) 필름; 노르보르넨 유도체 등의 COP(cyclo olefin copolymer) 필름; PMMA(poly(methyl methacrylate) 등의 아크릴 필름; PC(polycarbonate) 필름; PE(polyethylene) 필름; PP(polypropylene) 필름; PVA(polyvinyl alcohol) 필름; DAC(diacetyl cellulose) 필름; Pac(Polyacrylate) 필름; PES(poly ether sulfone) 필름; PEEK(polyetheretherketon) 필름; PPS(polyphenylsulfone) 필름, PEI(polyetherimide) 필름; PEN(polyethylenemaphthatlate) 필름; PET(polyethyleneterephtalate) 필름; PI(polyimide) 필름; PSF(polysulfone) 필름; PAR(polyarylate) 필름 또는 불소 수지 필름 등이 사용될 수 있지만, 이에 제한되는 것은 아니다. 외곽 기판에는, 필요에 따라서 금, 은, 이산화 규소 또는 일산화 규소 등의 규소 화합물의 코팅층이나, 반사 방지층 등의 코팅층이 존재할 수도 있다.
상기 외곽 기판의 두께는 특별히 제한되지 않으며, 예를 들면 약 0.3 mm 이상일 수 있다. 상기 두께는 다른 예시에서 약 0.5 mm 이상, 약 1 mm 이상, 약 1.5 mm 이상 또는 약 2 mm 이상 정도일 수 있고, 10 mm 이하, 9 mm 이하, 8 mm 이하, 7 mm 이하, 6 mm 이하, 5 mm 이하, 4 mm 이하 또는 3 mm 이하 정도일 수도 있다.
상기 외곽 기판은, 평편(flat)한 기판이거나, 혹은 곡면 형상을 가지는 기판일 수 있다. 예를 들면, 상기 2장의 외곽 기판은 동시에 평편한 기판이거나, 동시에 곡면 형상을 가지거나, 혹은 어느 하나는 평편한 기판이고, 다른 하나는 곡면 형상의 기판일 수 있다.
또한, 상기에서 동시에 곡면 형상을 가지는 경우에는 각각의 곡률 또는 곡률 반경은 동일하거나 상이할 수 있다.
본 명세서에서 곡률 또는 곡률 반경은, 업계에서 공지된 방식으로 측정할 수 있으며, 예를 들면, 2D Profile Laser Sensor(레이저 센서), Chromatic confocal line sensor(공초점 센서) 또는 3D Measuring Conforcal Microscopy 등의 비접촉식 장비를 이용하여 측정할 수 있다. 이러한 장비를 사용하여 곡률 또는 곡률 반경을 측정하는 방식은 공지이다.
또한, 상기 기판과 관련해서 예를 들어, 표면과 이면에서의 곡률 또는 곡률 반경이 다른 경우에는 각각 마주보는 면의 곡률 또는 곡률 반경, 즉 제 1 외곽 기판의 경우, 제 2 외곽 기판과 대향하는 면의 곡률 또는 곡률 반경과 제 2 외곽 기판의 경우 제 1 외곽 기판과 대향하는 면의 곡률 또는 곡률 반경이 기준이 될 수 있다. 또한, 해당 면에서의 곡률 또는 곡률 반경이 일정하지 않고, 상이한 부분이 존재하는 경우에는 가장 큰 곡률 또는 곡률 반경 또는 가장 작은 곡률 또는 곡률 반경 또는 평균 곡률 또는 평균 곡률 반경이 기준이 될 수 있다.
상기 기판은, 양자가 곡률 또는 곡률 반경의 차이가 10% 이내, 9% 이내, 8% 이내, 7% 이내, 6% 이내, 5% 이내, 4% 이내, 3% 이내, 2% 이내 또는 1% 이내일 수 있다. 상기 곡률 또는 곡률 반경의 차이는, 큰 곡률 또는 곡률 반경을 CL이라고 하고, 작은 곡률 또는 곡률 반경을 CS라고 할 때에 100Х(CL-CS)/CS로 계산되는 수치이다. 또한, 상기 곡률 또는 곡률 반경의 차이의 하한은 특별히 제한되지 않는다. 2장의 외곽 기판의 곡률 또는 곡률 반경의 차이는 동일할 수 있기 때문에, 상기 곡률 또는 곡률 반경의 차이는 0% 이상이거나, 0% 초과일 수 있다.
상기와 같은 곡률 또는 곡률 반경의 제어는, 본 출원의 광학 소자와 같이 광학 필름 및/또는 편광층이 접착 필름으로 캡슐화된 구조에 있어서 유용하다.
제 1 및 제 2 외곽 기판이 모두 곡면인 경우에 양자의 곡률은 동일 부호일 수 있다. 다시 말하면, 상기 2개의 외곽 기판은 모두 동일한 방향으로 굴곡되어 있을 수 있다. 즉, 상기 경우는, 제 1 외곽 기판의 곡률 중심과 제 2 외곽 기판의 곡률 중심이 모두 제 1 및 제 2 외곽 기판의 상부 및 하부 중에서 같은 부분에 존재하는 경우이다.
도 6은, 제 1 및 제 2 외곽 기판(30)의 사이에 광학 필름 등을 포함하는 캡슐화 부위(400)가 존재하는 측면 예시인데, 이 경우는 제 1 및 제 2 외곽 기판(30) 모두의 곡률 중심은 도면에서 하부에 존재하는 경우이다.
제 1 및 제 2 외곽 기판의 각각의 곡률 또는 곡률 반경의 구체적인 범위는 특별히 제한되지 않는다. 일 예시에서 상기 각각의 기판의 곡률 반경은, 100R 이상, 200R 이상, 300R 이상, 400R 이상, 500R 이상, 600R 이상, 700R 이상, 800R 이상 또는 900R 이상이거나, 10,000R 이하, 9,000R 이하, 8,000R 이하, 7,000R 이하, 6,000R 이하, 5,000R 이하, 4,000R 이하, 3,000R 이하, 2,000R 이하, 1,900R 이하, 1,800R 이하, 1,700R 이하, 1,600R 이하, 1,500R 이하, 1,400R 이하, 1,300R 이하, 1,200R 이하, 1,100R 이하 또는 1,050R 이하일 수 있다. 상기에서 R은 반지름이 1 mm인 원의 휘어진 경도를 의미한다. 따라서, 상기에서 예를 들어, 100R은 반지름이 100mm인 원의 휘어진 정도 또는 그러한 원에 대한 곡률 반경이다. 물론 기판이 평편한 경우에 곡률은 0이고, 곡률 반경은 무한대이다.
제 1 및 제 2 외곽 기판은 상기 범위에서 동일하거나 상이한 곡률 반경을 가질 수 있다. 일 예시에서 제 1 및 제 2 외곽 기판의 곡률이 서로 다른 경우에, 그 중에서 곡률이 큰 기판의 곡률 반경이 상기 범위 내일 수 있다.
일 예시에서 제 1 및 제 2 외곽 기판의 곡률이 서로 다른 경우에는 그 중에서 곡률이 큰 기판이 광학 소자의 사용 시에 보다 중력 방향으로 배치되는 기판일 수 있다.
일 예시에서 상기 제 1 및 제 2 외곽 기판 중에서 상부 기판에 비해서 하부 기판이 보다 큰 곡률을 가질 수 있다. 이러한 경우에 상기 제 1 및 제 2 외곽 기판의 곡률의 차이는 전술한 범위일 수 있다. 또한, 상기에서 상부는, 제 1 및 제 2 외곽 기판이 모두 곡면 기판이거나, 혹은 제 1 및 제 2 외곽 기판 중 어느 하나가 곡면 기판이고, 다른 하나는 평면 기판인 경우에 상기 곡면의 볼록한 부위를 향하는 방향을 따라서 결정되는 위치 관계이다. 예를 들어, 도 6의 경우, 도면의 하부에서 상부로 볼록한 방향이 형성되어 있기 때문에 상부의 외곽 기판이 상부 기판이 되고, 하부의 외곽 기판이 하부 기판이 된다. 이러한 구조에서는 접착 필름(400)에 의해서 서로 부착되어 있는 외곽 기판 중 곡면 기판이 나타내는 복원력에 의해 광학 소자의 중심부로 일정 수준의 압력이 발생하게 되어서 내부에 기포 등의 불량의 발생이 억제, 경감, 완화 및/또는 방지될 수 있다.
상기 캡슐화를 위해서는, 후술하는 바와 같이 접착 필름을 사용한 오토클레이브(Autoclave) 공정이 수행될 수 있고, 이 과정에서는 통상 고온 및 고압이 적용된다. 그런데, 이와 같은 오토클레이브 공정 후에 캡슐화에 적용된 접착 필름이 고온에서 장시간 보관되는 등의 일부 경우에는 일부 재융해 등이 일어나서, 외곽 기판이 벌어지는 문제가 발생할 수 있다. 이와 같은 현상이 일어나게 되면, 캡슐화된 능동 액정 소자 및/또는 편광층에 힘이 작용하고, 내부에 기포가 형성될 수 있다.
그렇지만, 기판간의 곡률 또는 곡률 반경을 위와 같이 제어하게 되면, 접착 필름에 의한 합착력이 떨어지게 되어도 복원력과 중력의 합인 알짜힘이 작용하여 벌어짐을 막아줄 수 있고, 오토클레이브와 같은 공정 압력에도 잘 견딜 수 있다. 또한, 상기 복원력과 중력의 합인 알짜힘이 광학 소자의 중심부에서 작용하기 때문에 실제 투과율 등이 조절되는 영역에서 기포 등의 불량의 발생을 보다 효과적으로 억제, 경감, 완화 및/또는 방지할 수 있다.
광학 소자는 상기 광학 필름 및/또는 편광층을 상기 외곽 기판 내에서 캡슐화하고 있는 접착 필름을 추가로 포함할 수 있다. 이러한 접착 필름(40)은, 예를 들면, 도 7에 나타난 바와 같이 외곽 기판(30)과 광학 필름(10)의 사이, 광학 필름(10)과 편광층(20)의 사이 및/또는 편광층(20)와 외곽 기판(30)의 사이에 존재할 수 있고, 상기 광학 필름(10)과 편광층(20)의 측면, 적절하게는 모든 측면에 존재할 수 있다.
접착 필름은, 상기 외곽 기판(30)과 광학 필름(10), 광학 필름(10)과 편광층(20) 및 편광층(20)와 외곽 기판(30)들을 서로 접착시키면서, 상기 광학 필름(10)과 편광층(20)를 캡슐화하고 있을 수 있다.
예를 들면, 목적하는 구조에 따라서 외곽 기판, 광학 필름, 편광층 및 접착 필름을 적층한 후에 진공 상태에서 압착하는 방식으로 상기 구조를 구현할 수 있다.
상기 접착 필름으로는, 공지의 소재가 사용될 수 있고, 예를 들면, 공지된 열가소성 폴리우레탄 접착 필름(TPU: Thermoplastic Polyurethane), TPS(Thermoplastic Starch), 폴리아마이드 접착 필름, 폴리에스테르 접착 필름, EVA(Ethylene Vinyl Acetate) 접착 필름, 폴리에틸렌 또는 폴리프로필렌 등의 폴리올레핀 접착 필름 또는 폴리올레핀 엘라스토머 필름(POE 필름) 등 중에서 후술하는 물성을 만족하는 것이 선택될 수 있다.
접착 필름으로는, 소정 범위의 위상차를 가지는 필름이 사용될 수 있다. 일 예시에서 상기 접착 필름은 정면 위상차가 100 nm 이하일 수 있다. 상기 정면 위상차는 다른 예시에서 약 95nm 이하, 약 90nm 이하, 약 85nm 이하, 약 80nm 이하, 약 75nm 이하, 약 70nm 이하, 약 65nm 이하, 약 60nm 이하, 약 55nm 이하, 약 50nm 이하, 약 45nm 이하, 약 40nm 이하, 약 35nm 이하, 약 30nm 이하, 약 25nm 이하, 약 20 nm 이하, 약 15 nm 이하, 약 10nm 이하, 약 9nm 이하, 약 8nm 이하, 약 7nm 이하, 약 6nm 이하, 약 5nm 이하, 약 4nm 이하, 약 3nm 이하, 약 2nm 이하 또는 약 1nm 이하일 수 있다. 상기 정면 위상차는 다른 예시에서 약 0nm 이상, 약 1nm 이상, 약 2nm 이상, 약 3nm 이상, 약 4nm 이상, 약 5nm 이상, 약 6nm 이상, 약 7nm 이상, 약 8nm 이상, 약 9nm 이상, 또는 약 9.5nm 이상일 수 있다.
접착 필름의 두께 방향 위상차의 절대값은, 예를 들면, 200 nm 이하일 수 있다. 상기 절대값은 다른 예시에서 약 190nm 이하, 180nm 이하, 170nm 이하, 160nm 이하, 150nm 이하, 140nm 이하, 130nm 이하, 120 nm 이하 또는 115 nm 이하일 수 있거나nm 이상, 0nm 이상, 10nm 이상, 20nm 이상, 30nm 이상, 40nm 이상, 50nm 이상, 60nm 이상, 70nm 이상, 80 nm 이상 또는 90 nm 이상일 수 있다. 상기 두께 방향 위상차는 상기 범위 내의 절대값을 가지는 한 음수이거나nm 이상, 양수일 수 있다.
상기 접착 필름의 정면 위상차(Rin) 및 두께 방향 위상차(Rth)는 각각 상기 수식 1 및 2에서 두께(d), 지상축 방향 굴절률(nx), 진상축 방향 굴절률(ny) 및 두께 방향의 굴절률(nz)을 접착 필름의 두께(d), 지상축 방향 굴절률(nx), 진상축 방향 굴절률(ny) 및 두께 방향의 굴절률(nz)로 대체하여 계산하는 것 외에는 동일하게 계산될 수 있다.
상기 접착 필름의 두께는 상기 외곽 기판(30)과 능동 액정층(10)의 사이의 접착 필름의 두께, 예를 들면 상기 양자간의 간격, 광학 필름(10)과 편광층(20)의 사이의 접착 필름의 두께, 예를 들면 상기 양자간의 간격 및 편광층(20)와 외곽 기판(30)의 사이의 접착 필름의 두께, 예를 들면 상기 양자간의 간격일 수 있다.
접착 필름의 두께는 특별히 제한되지 않으며, 예를 들면 약 200 μm 내지 600μm 정도의 범위 내일 수 있다. 상기에서 접착 필름의 두께는 상기 외곽 기판(30)과 광학 필름(10)의 사이의 접착 필름의 두께, 예를 들면 상기 양자간의 간격, 광학 필름(10)과 편광층(20)의 사이의 접착 필름의 두께, 예를 들면 상기 양자간의 간격 및 편광층(20)와 외곽 기판(30)의 사이의 접착 필름의 두께, 예를 들면 상기 양자간의 간격일 수 있다.
광학 소자는 상기 구성 외에도 필요한 임의 구성을 추가로 포함할 수 있고, 예를 들면, 위상차층, 광학 보상층, 반사 방지층, 하드코팅층 등의 공지의 구성을 적절한 위치에 포함할 수 있다.
상기와 같은 본 출원의 광학 소자는, 전술한 투과 모드 및 차단 모드를 포함한 다양한 모드를 구현할 수 있다. 본 출원의 광학 소자가 구현할 수 있는 모드 중에는 그라데이션 모드(이하, 제 1 모드라고 부를 수 있다.) 및 균일 투과 모드(이하, 제 2 모드라고 부를 수 있다.)가 있으며, 본 출원의 광학 소자는 상기 2 모드 중 어느 하나를 구현하거나, 혹은 양 모드를 모두 구현할 수 있고, 그 모드의 사이를 스위칭할 수 있도록 형성되어 있을 수도 있다.
예를 들면, 상기 언급한 각 전극 기재 필름의 제 2 영역은 제 1 영역과 전기적으로 연결될 수 있는데, 이 때 제 2 영역 중 외부 전원이 인가되는 부위를 변경함으로써 상기 모드의 구현이 가능하다. 본 명세서에서 용어 「전기적으로 연결」은, 전기적으로 연결된 두 구성요소 중 어느 하나의 구성요소에 전류가 인가될 경우, 다른 구성요소에서도 전류가 흐르도록 구성되어 있는 것을 의미할 수 있다. 따라서, 전기적으로 연결된 두 구성요소는 직접 접촉하고 있을 수도 있고, 상기 두 구성요소가 전기 전도체에 의해 연결되어 있을 수도 있다.
상기와 같이 제 2 영역이 제 1 영역과 전기적으로 연결되어 있는 경우, 전원이 제 2 영역과 연결됨으로써 제 1 영역에 의해 능동 액정층에 전계가 인가될 수 있다.
본 출원의 광학 소자는, 제 2 영역 중에서 상기 전원이 연결되는 부위를 선택할 수 있는 구동 수단을 포함할 수 있다. 상기 구동 수단은, 예를 들면, 하기와 전원이 제 2 영역 중에서 특정 영역에 선택적으로 연결되도록 할 수 있고, 또한 이러한 연결 상태를 필요에 따라 변경할 수 있도록 구성되어, 그라데이션 모드와 균일 투과 모드를 구현할 수 있다.
그라데이션 모드는, 광학 소자의 투과도, 예를 들면, 가시광에 대한 투과도가 임의의 일 방향으로 진행하면서 연속적으로 증가 또는 감소하는 상태를 지칭할 수 있다.
균일 투과 모드는, 광학 소자의 투과도, 예를 들면, 가시광에 대한 투과도가 실질적으로 균일한 상태를 지칭할 수 있다. 가시광에 대한 투과도가 대체로 균일하다는 것은, 예를 들면, 가시광에 대한 투과도의 증가 또는 감소폭이 10% 이하 또는 5% 이하인 상태를 의미할 수 있다. 또한, 상기 균일 투과 모드는 상술한 균일한 투과도를 만족하는 한, 광학 소자가 가시광에 대한 투과도가 0.1% 내지 99.9%인 상태를 지칭할 수 있다.
상기 그라데이션 모드 및 균일 투과 모드는, 예를 들면, 아래와 같은 원리에 의해 구현될 수 있다.
상기 외부 작용이 액정층에 인가되는 전계일 경우, 능동 액정층에 가해지는 외부 전압이 액정층의 길이 방향으로 나아가면서 연속적으로 증가 또는 감소할 경우, 액정 화합물의 배향 정도가 연속적으로 변화하므로, 액정 화합물의 광축이 연속적으로 변화할 수 있다. 따라서, 광학 소자에 마련된 편광층의 흡수축과의 관계에 따라 투과도가 능동 액정층의 길이 방향으로 연속적으로 증가 또는 감소하면서, 그라데이션 모드가 구현될 수 있다.
도 8은 그라데이션 모드(제 1 모드)를 구현할 때의 광학 소자의 상태를 예시적으로 설명한 도면이다. 도 8에 나타난 바와 같이, 제 1 영역이 광변조층(130)에 대해서 전계를 발생시키도록 할 때에, 제 1 및 제 2 기재 필름상에 각각 형성된 전극층의 제 2 영역 중에서 서로 대향하는 제 2 영역(A 및 C 영역 또는 B 및 D 영역)을 통해 외부 전원(163)을 인가하게 되면, 상기 그라데이션 모드가 구현될 수 있다.
이러한 경우에 있어서, 외부 전원은 제 1 기재 필름상에 형성된 제 2 영역인 A 및 B 영역 중에서 어느 한 영역과만 연결되고, 제 2 기재 필름상에 형성된 제 2 영역인 C 및 D 영역 중에서 어느 한 영역과만 연결될 수 있다. 즉, 상기 제 1 모드를 A 및 C 영역을 외부 전원과 연결하여 구현하는 경우에 B 및 D 영역은 외부 전원과 연결되지 않고, 반대로 상기 제 1 모드를 B 및 D 영역을 외부 전원과 연결하여 구현하는 경우에 A 및 C 영역은 외부 전원과 연결되지 않을 수 있다. 또한, 일 예시에서 상기 제 1 모드의 구현 시에는 제 1 기재 필름의 전극층에서 외부 전원과 연결되는 부위는 상기 A 또는 B 영역 중 어느 하나만이고, 제 2 기재 필름의 전극층에서 외부 전원과 연결되는 부위는 상기 C 또는 D 영역 중 어느 하나만일 수 있다.
상기와 같은 경우는 전술한 구조 중에서 각 기재 필름상에 제 2 영역이 1개 존재하고, 제 1 및 제 2 기재 필름의 제 2 영역이 서로 마주하도록 배치된 경우에도 동일하다.
상기와 같은 방식으로 외부 전원이 인가되면, 광변조층(예를 들면, 능동 액정층)(130)에 인가되는 전계의 세기가 상기 A 및 C 영역 또는 B 및 D 영역을 기점으로 상기 영역으로부터 멀어지면서 감소하게 된다. 이에 따라서, 전계에 의해 배향된 액정 화합물의 평균 광축도 전계의 세기에 따라서 연속적으로 변화하여 그라데이션 모드를 구현할 수 있다.
도 9는, 균일 투과 모드(제 2 모드)를 구현하는 예시적인 광학 소자의 모식도이다. 도 9와 같이 제 1 영역이 광변조층(130)에 대해서 전계를 발생시키도록 할 때에, 제 1 및 제 2 기재 필름상에 각각 형성된 전극층의 제 2 영역 중에서 서로 엇갈리게 배치된 제 2 영역(A 및 D 영역 또는 B 및 C 영역)을 통해 외부 전원(163)을 인가하게 되면, 상기 제 2 모드가 구현될 수 있다.
이러한 경우에 있어서, 외부 전원은 제 1 기재 필름상에 형성된 제 2 영역인 A 및 B 영역 중에서 어느 한 영역과만 연결되고, 제 2 기재 필름상에 형성된 제 2 영역인 C 및 D 영역 중에서 어느 한 영역과만 연결될 수 있다. 즉, 상기 제 2 모드를 A 및 D 영역을 외부 전원과 연결하여 구현하는 경우에 B 및 C 영역은 외부 전원과 연결되지 않고, 반대로 상기 제 2 모드를 B 및 C 영역을 외부 전원과 연결하여 구현하는 경우에 A 및 D 영역은 외부 전원과 연결되지 않을 수 있다. 또한, 일 예시에서 상기 제 2 모드의 구현 시에도 제 1 기재 필름의 전극층에서 외부 전원과 연결되는 부위는 상기 A 또는 B 영역 중 어느 하나만이고, 제 2 기재 필름의 전극층에서 외부 전원과 연결되는 부위는 상기 C 또는 D 영역 중 어느 하나만일 수 있다.
상기와 같은 경우는 전술한 구조 중에서 각 기재 필름상에 제 2 영역이 1개 존재하고, 제 1 및 제 2 기재 필름의 제 2 영역이 서로 마주하지 않도록 배치된 경우에도 동일하다.
이와 같은 방식으로 외부 전원과 연결하여 광변조층(예를 들면, 능동 액정층)에 전계를 발생시키게 되면, 제 1 영역은 광변조층 전체에 상대적으로 균일한 전위차를 발생시킬 수 있고, 이에 따라서 제 2 모드가 구현될 수 있다.
상기 도 8 및 도 9에서 본 출원의 그라데이션 모드 및 균일 투과 모드를 구현하기 위한 투과도 조절 수단의 제 2 영역의 형성 위치 및 전원의 연결 상태를 예시적으로 도시하였으나, 상기 도 8 및 도 9는 예시에 불과하며 본 출원의 투과도 조절 수단의 양태가 상기 도면에 도시한 것에 한정되는 것은 아니다.
예를 들면, 상기 제 2 영역을 형성하는 본 출원의 투과도 조절 수단의 제 1 및 2 전극 단자부는 반드시 제 1 및/또는 2 전극 기재 필름상에 고정되어 형성될 필요는 없으며, 투과도 조절 수단에 포함하는 구동 수단이 전원과 연결된 제 1 및 2 전극 단자부가 제 1 및 제 2 전극 기재 필름과 제 1 및 제 2 전극 기재 필름상의 임의의 위치에 연결되도록 할 수 있다. 다만, 당업자라면 그라데이션 모드가 구현되기 위해서는 전원과 연결된 제 1 및 제 2 전극 단자부가 도 8에 도시한 예시와 같이 전계의 세기가 능동 액정층의 길이 방향으로 연속적으로 증가 또는 감소하도록 제 1 및 제 2 전극 단자부가 제 1 및 제 2 전극 기재 필름과 연결되어야 한다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 또한, 당업자는 균일 투과 모드가 구현되기 위해서는 제 1 및 제 2 전극 단자부가 도 9에 도시한 예시와 같이 전계의 세기가 능동 액정층의 길이 방향으로 대략적으로 균일하도록 전원과 연결된 제 1 및 제 2 전극 단자부가 제 1 및 제 2 전극 기재 필름과 연결되어야 한다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
상기 투과도 조절 수단은 전원이 연결되는 전극 단자부를 선택할 수 있는 구동 수단을 포함할 수 있다. 예를 들면, 상기 구동 수단에 의해 전원, 전극 단자부 및 전극 기재 필름부의 연결 상태가 도 8에 도시된 연결 상태 및 도 9에 도시된 연결 상태간의 전환이 이루어 질 수 있으며, 따라서 그라데이션 모드와 균일 투과 모드의 전환이 가능할 수 있다.
상기 투과도 조절 수단은 제 1 전극 단자부 및 제 2 전극 단자부에 인가되는 전위차를 조절할 수 있는 전위차 조절 수단을 포함할 수 있다. 투과도 조절 수단이 상술한 전위차 조절 수단을 포함함으로써, 액정층에 인가되는 전계의 세기를 보다 세밀하게 조절할 수 있고, 광학 소자가 가시광에 대해 다양한 투과도를 구현하도록 할 수 있다.
상기 전위차 조절 수단은 능동 액정층에 인가되는 전계의 세기를 조절할 수 있는 것이라면 공지의 수단을 사용할 수 있으며, 예를 들면, 전원과 제 1 또는 제 2 전극 단자부 사이에 위치하는 저항 및/또는 캐패시터를 사용하여 능동 액정층에 인가되는 전계의 세기를 조절할 수 있다.
한편, 전술한 구동 수단과 상기 전위차 조절 수단은 투과도 조절 효율 또는 광학 소자의 에너지 효율 등을 고려하여 적절히 배치될 수 있다. 일예로 외부전원/구동수단/전위차 조절 수단/단자부 순으로 전류가 흐르도록 배치될 수 있다. 다른예로 외부전원/전위차 조절 수단/구동수단/단자부 순으로 전류가 흐르도록 배치될 수 있다.
필요한 경우에 상기 저항체 또는 축전체를 추가로 포함할 수 있다. 이러한 경우에 상기 외부 전원은 상기 저항체 또는 축전체를 매개로 상기 제 2 영역에 연결되어 있을 수 있다. 이러한 구성에 의해서 제 2 영역으로 인가되는 전원의 세기 및/또는 상태 등을 보다 용이하게 제어하여 목적하는 모드를 보다 손쉽게 구현할 수 있다. 본 출원에서 적용될 수 있는 상기 저항체 또는 축전체의 종류는 특별히 제한되지 않으며, 목적에 따라 공지의 수단을 적절하게 선택할 수 있다.
본 출원의 상기 광학 소자를 제조하는 방법은 특별히 제한되지 않는다. 일 예시에서 상기 광학 소자는, 전술한 캡슐화를 위해서 오토클레이브 공정을 거쳐 제조될 수 있다.
예를 들면, 상기 광학 소자의 제조 방법은, 대향 배치되어 있는 제 1 및 제 2 외곽 기판의 사이에 있는 광학 필름 및/또는 편광층을 접착 필름을 사용한 오토클레이브 공정을 통해 캡슐화하는 단계를 포함할 수 있다. 이 과정에서 상기 제 1 및 제 2 외곽 기판의 곡률의 차이 등을 포함한 구체적인 사항은 전술한 바와 같다.
상기 오토클레이브 공정은, 외곽 기판의 사이에 목적하는 캡슐화 구조에 따라서 접착 필름과 능동 액정소자 및/또는 편광층을 배치하고, 가열/가압에 의해 수행할 수 있다.
예를 들어, 외곽 기판(30), 접착 필름(40), 능동 액정층(10), 접착 필름(40), 편광층(20), 접착 필름(40) 및 외곽 기판(30)을 상기 순서로 배치하고, 능동 액정층(10)과 편광층(20)의 측면에도 접착 필름(40)을 배치한 적층체를 오토클레이브 공정으로 가열/가압 처리하면, 도 7에 나타난 것과 같은 광학 소자가 형성될 수 있다.
상기 오토클레이브 공정의 조건은 특별한 제한이 없고, 예를 들면, 적용된 접착 필름의 종류에 따라 적절한 온도 및 압력 하에서 수행할 수 있다. 통상의 오토클레이트 공정의 온도는 약 80°C 이상, 90°C 이상 또는 100°C 이상이며, 압력은 2기압 이상이나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 공정 온도의 상한은 약 200°C 이하, 190°C 이하, 180°C 이하 또는 170°C 이하 정도일 수 있고, 공정 압력의 상한은 약 10기압 이하, 9기압 이하, 8기압 이하, 7기압 이하 또는 6기압 이하 정도일 수 있다.
상기와 같은 광학 소자는 다양한 용도로 사용될 수 있으며, 예를 들면, 선글라스나 AR(Argumented Reality) 또는 VR(Virtual Reality)용 아이웨어(eyewear) 등의 아이웨어류, 건물의 외벽이나 차량용 선루프 등에 사용될 수 있다.
하나의 예시에서 상기 광학 소자는, 그 자체로서 차량용 선루프일 수 있다.
예를 들면, 적어도 하나 이상의 개구부가 형성되어 있는 차체를 포함하는 자동차에 있어서 상기 개구부에 장착된 상기 광학 소자 또는 차량용 선루프를 장착하여 사용될 수 있다.
이 때 외곽 기판의 곡률 또는 곡률 반경이 서로 상이한 경우에는 그 중에서 곡률 반경이 더 작은 기판, 즉 곡률이 더 큰 기판이 보다 중력 방향으로 배치될 수 있다.
선루프는, 차량의 천장에 존재하는 고정된 또는 작동(벤팅 또는 슬라이딩)하는 개구부(opening)로서, 빛 또는 신선한 공기가 차량의 내부로 유입되도록 하는 기능을 할 수 있는 장치를 통칭하는 의미일 수 있다. 본 출원에서 선루프의 작동 방식은 특별히 제한되지 않으며, 예를 들어, 수동으로 작동하거나 또는 모터로 구동할 수 있으며, 선루프의 형상, 크기 또는 스타일은 목적하는 용도에 따라 적절히 선택될 수 있다. 예를 들어, 선루프는 작동 방식에 따라 팝-업 타입 선루프, 스포일러(tile & slide) 타입 선루프, 인빌트 타입 선루프, 폴딩 타입 선루프, 탑-마운트 타입 선루프, 파노라믹 루프 시스템 타입 선루프, 제거 가능한 루프 패널즈(t-tops 또는 targa roofts) 타입 선루프 또는 솔라 타입 선루프 등이 예시될 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다.
본 출원의 예시적인 선루프는 본 출원의 상기 광학 소자를 포함할 수 있고, 이 경우 광학 소자에 대한 구체적인 사항은 상기 광학 소자의 항목에서 기술한 내용이 동일하게 적용될 수 있다.
본 출원은 다양한 모드의 구현이 가능하고, 내구성 등이 우수한 광학 소자를 제공한다.
도 1 내지 4는 예시적인 광학 필름의 측면도이다.
도 5 내지 7은, 예시적인 광학 소자의 측면도이다.
도 8은 그라데이션 모드를 구현하는 광학 필름의 예시적인 측면도이다.
도 9는, 균일 투과 모드를 구현하는 광학 필름의 예시적인 측면도이다.
도 10은 본 출원의 시험예에서 광투과도가 측정된 영역을 나타낸 그림이다.
이하 실시예를 통하여 본 출원을 보다 상세히 설명하나, 본 출원의 범위가 하기 실시예로 제한되는 것은 아니다.
투과도의 측정
광학 소자가 의도한 모드를 구현하고 있는 것인지를 확인하기 위해서 광학 소자의 광투과도 조절 영역을 임의로 분할하여 각 영역에서의 투과도를 측정하였다. 구체적으로는 도 10에 나타난 바와 같이 광학 소자의 광투과도 조절 영역을 동일 면적의 12개의 영역으로 나누고, 각 영역별로 광투과도를 측정하였다. 도 10은 광학 소자의 광투과도 조절 영역을 정면에서 본 경우를 나타낸다. 상기 광투과도는, Nippon Denshoku社의 NDH-5000SP를 이용하여 ISO 13468 규격에 의거하여 측정하였다.
광학 소자의 제조
제조예 1
광변조층으로서, GH(Guest-Host) 액정층을 가지는 광학 필름을 제조하였다. 일면에 ITO(Indium Tin Oxide) 전극층(도 1의 120, 140)과 액정 배향막(도 1에는 미도시)이 순차 형성되어 있는 2장의 PC(polycarbonate) 필름(도 1의 110, 150)을 약 12㎛ 정도의 셀갭(cell gap)이 유지되도록 대향 배치한 상태에서 그 사이에 액정 호스트(Merck社의 MAT-16-969 액정) 및 이색성 염료 게스트(BASF社, X12)의 혼합물을 주입하고, 실런트로 테두리를 봉하여 광학 필름을 제작하였다. 상기 PC 필름의 대향 배치는 서로 배향막이 형성된 면이 마주보도록 하였다. 상기 GH 액정층은, 전압 무인가시에는 수평 배향 상태이고, 전압 인가에 의해 수직 배향 상태로 스위칭될 수 있다. 각 기재 필름상에 형성된 전극층의 마주보는 테두리의 전극층으로서, 실런트가 형성된 부위를 기준으로 외측에 외부 전원으로부터 광학 필름에 전계를 인가할 수 있는 투과도 조절 수단(케이피社의 RV1601-15SP-500 및 SMG 1채널 5V 릴레이 모듈(SZH-EK082))이 연결될 수 있도록 단자(161, 162)를 도 1과 같이 형성하여 제 2 영역을 형성하였다. 이 때 제 1 기재 필름상의 전극층상에 하나의 단자(161)를 형성하고, 제 2 기재 필름상의 전극층상에도 하나의 단자(162)를 형성한 후에 이들이 서로 엇갈리도록 기재 필름을 배치하였다(즉, 도 1의 제 1 기재 필름상의 단자(161) 중 도면상 왼쪽의 단자만 형성하고, 제 2 기재 필름상의 단자(162) 중에서도 도면상 오른쪽의 단자만 형성하였다.).
상기 광학 필름과 PVA(polyvinylalcohol)계 편광층을 2장의 외곽 가판의 사이에서 열가소성 폴리우레탄 접착 필름(두께: 약 0.38 mm, 제조사: Argotec사, 제품명: ArgoFlex)으로 캡슐화하여 광학 소자를 제조하였다. 상기에서 외곽 기판으로는 두께가 약 3mm 정도인 글라스 기판을 사용하였으며, 곡률 반경이 약 1030R인 기판(제 1 외곽 기판)과 곡률 반경이 1000R인 기판(제 2 외곽 기판)을 사용하였다. 상기 제 1 외곽 기판, 상기 접착 필름, 상기 광학 필름, 상기 접착 필름, 상기 편광층, 상기 접착 필름 및 상기 제 2 외곽 기판을 상기 순서로 적층하고, 광학 필름의 모든 측면에도 상기 접착 필름을 배치하여 적층체를 제조하였다(제 1 외곽 기판에 비해서 제 2 외곽 기판이 중력 방향으로 배치). 그 후, 약 100°C의 온도 및 2기압 정도의 압력으로 오토클레이브 공정을 수행하여 광학 소자를 제조하였다.
제조예 2
광변조층으로서, GH(Guest-Host) 액정층을 가지는 광학 필름을 제조하였다. 일면에 ITO(Indium Tin Oxide) 전극층(도 1의 120, 140)과 액정 배향막(도 1에는 미도시)이 순차 형성되어 있는 2장의 PC(polycarbonate) 필름(도 1의 110, 150)을 약 12㎛ 정도의 셀갭(cell gap)이 유지되도록 대향 배치한 상태에서 그 사이에 액정 호스트(Merck社의 MAT-16-969 액정) 및 이색성 염료 게스트(BASF社, X12)의 혼합물을 주입하고, 실런트로 테두리를 봉하여 광학 필름을 제작하였다. 상기 PC 필름의 대향 배치는 서로 배향막이 형성된 면이 마주보도록 하였다. 상기 GH 액정층은, 전압 무인가시에는 수평 배향 상태이고, 전압 인가에 의해 수직 배향 상태로 스위칭될 수 있다. 각 기재 필름상에 형성된 전극층의 마주보는 테두리의 전극층으로서, 실런트가 형성된 부위를 기준으로 외측에 외부 전원으로부터 광학 필름에 전계를 인가할 수 있는 투과도 조절 수단 투과도 조절 수단(케이피社의 RV1601-15SP-500 및 SMG 1채널 5V 릴레이 모듈(SZH-EK082))이 연결될 수 있도록 단자(161, 162)를 도 1과 같이 형성하여 제 2 영역을 형성하였다. 이 때 제 1 기재 필름상의 전극층상에 하나의 단자(161)를 형성하고, 제 2 기재 필름상의 전극층상에도 하나의 단자(162)를 형성한 후에 이들이 서로 마주하도록 기재 필름을 배치하였다(즉, 도 1의 제 1 기재 필름상의 단자(161) 중 도면상 오른쪽의 단자만 형성하고, 제 2 기재 필름상의 단자(162) 중에서도 도면상 오른쪽의 단자만 형성하였다.).
상기 광학 필름과 PVA(polyvinylalcohol)계 편광층을 2장의 외곽 가판의 사이에서 열가소성 폴리우레탄 접착 필름(두께: 약 0.38 mm, 제조사: Argotec사, 제품명: ArgoFlex)으로 캡슐화하여 광학 소자를 제조하였다. 상기에서 외곽 기판으로는 두께가 약 3mm 정도인 글라스 기판을 사용하였으며, 곡률 반경이 약 1030R인 기판(제 1 외곽 기판)과 곡률 반경이 1000R인 기판(제 2 외곽 기판)을 사용하였다. 상기 제 1 외곽 기판, 상기 접착 필름, 상기 광학 필름, 상기 접착 필름, 상기 편광층, 상기 접착 필름 및 상기 제 2 외곽 기판을 상기 순서로 적층하고, 광학 필름의 모든 측면에도 상기 접착 필름을 배치하여 적층체를 제조하였다(제 1 외곽 기판에 비해서 제 2 외곽 기판이 중력 방향으로 배치). 그 후, 약 100°C의 온도 및 2기압 정도의 압력으로 오토클레이브 공정을 수행하여 광학 소자를 제조하였다.
제조예 3
광변조층으로서, GH(Guest-Host) 액정층을 가지는 광학 필름을 제조하였다. 일면에 ITO(Indium Tin Oxide) 전극층(도 1의 120, 140)과 액정 배향막(도 1에는 미도시)이 순차 형성되어 있는 2장의 PC(polycarbonate) 필름(도 1의 110, 150)을 약 12㎛ 정도의 셀갭(cell gap)이 유지되도록 대향 배치한 상태에서 그 사이에 액정 호스트(Merck社의 MAT-16-969 액정) 및 이색성 염료 게스트(BASF社, X12)의 혼합물을 주입하고, 실런트로 테두리를 봉하여 광학 필름을 제작하였다. 상기 PC 필름의 대향 배치는 서로 배향막이 형성된 면이 마주보도록 하였다. 상기 GH 액정층은, 전압 무인가시에는 수평 배향 상태이고, 전압 인가에 의해 수직 배향 상태로 스위칭될 수 있다. 각 기재 필름상에 형성된 전극층의 마주보는 테두리의 전극층으로서, 실런트가 형성된 부위를 기준으로 외측에 외부 전원으로부터 광학 필름에 전계를 인가할 수 있는 투과도 조절 수단 투과도 조절 수단(케이피社의 RV1601-15SP-500 및 SMG 1채널 5V 릴레이 모듈(SZH-EK082))이 연결될 수 있도록 단자(161, 162)를 도 1과 같이 형성하여 제 2 영역(A 내지 D 영역)을 형성하였다.
상기 광학 필름과 PVA(polyvinylalcohol)계 편광층을 2장의 외곽 가판의 사이에서 열가소성 폴리우레탄 접착 필름(두께: 약 0.38 mm, 제조사: Argotec사, 제품명: ArgoFlex)으로 캡슐화하여 광학 소자를 제조하였다. 상기에서 외곽 기판으로는 두께가 약 3mm 정도인 글라스 기판을 사용하였으며, 곡률 반경이 약 1030R인 기판(제 1 외곽 기판)과 곡률 반경이 1000R인 기판(제 2 외곽 기판)을 사용하였다. 상기 제 1 외곽 기판, 상기 접착 필름, 상기 광학 필름, 상기 접착 필름, 상기 편광층, 상기 접착 필름 및 상기 제 2 외곽 기판을 상기 순서로 적층하고, 광학 필름의 모든 측면에도 상기 접착 필름을 배치하여 적층체를 제조하였다(제 1 외곽 기판에 비해서 제 2 외곽 기판이 중력 방향으로 배치). 그 후, 약 100°C의 온도 및 2기압 정도의 압력으로 오토클레이브 공정을 수행하여 광학 소자를 제조하였다.
실시예 1
제조예 1에서 제조한 광학 소자의 각 단자부에 외부 전원을 연결하였다. 이러한 형태는 도 9에 나타난 방식으로 외부 전원이 연결된 경우와 동일하다. 그 후, 60 Hz 스퀘어(square) 파형의 0V 내지 30V의 RMS(root mean square) 전압을 가지는 전원을 인가하고, 영역별로 광투과도를 측정하였고, 결과는 표 1에 나타내었다.
실시예 2
제조예 2에서 제조한 광학 소자의 각 단자부에 외부 전원을 연결하였다. 이러한 형태는 도 8에 나타난 방식으로 외부 전원이 연결된 경우와 동일하다. 그 후, 60 Hz 스퀘어(square) 파형의 0V 내지 30V의 RMS(root mean square) 전압을 가지는 전원을 인가하고, 영역별로 광투과도를 측정하였고, 결과는 표 1에 나타내었다.
구분 실시예 1 실시예 2
위치 1 2 3 4 1 2 3 4
5 6 7 8 5 6 7 8
9 10 11 12 9 10 11 12
투과도(%) 12.53 12.14 12.2 12.57 9.35 9.94 11.05 12.09
12.52 12.11 12.26 12.6 9.26 9.8 10.67 12.12
12.53 12.11 12.21 12.58 9.09 9.64 10.53 11.89
표 1에 기재한 투과도의 각 값은 도 10에 도시한 위치에 대응되도록 기재하였으며, 이 위치는 상기 표 1의 위치 항목에 기술한 것과 같다.
표 1에 나타난 투과도로부터 실시예 1의 경우는, 전체 영역에서 균일한 투과도가 구현되었다. 한편, 실시예 2의 경우는, 외부 전원이 인가되는 부분(도 10의 4,8,12 위치)으로부터 투과도가 점차 감소하는 그라데이션 모드가 구현되었다.
실시예 3.
제조예 3에서 제조한 광학 소자의 광학 필름의 단자(161, 162)를 60 Hz 스퀘어(square) 파형의 0V 내지 30V의 RMS(root mean square) 전압을 가지는 외부 전원을 인가하였다. 한편, SMG 1채널 5V 릴레이 모듈(SZH-EK082)을 이용하여 도 8에 나타난 형태 및 도 9에 나타난 형태를 전환 하였다.
도 8의 형태가 되도록 외부 전원을 연결한 경우는 그라데이션 모드가 구현되고, 도 9의 형태가 되도록 외부 전원을 연결한 경우에는 균일 투과 모드가 구현 됨을 확인 할 수 있었다. 이를 통해 투과도 조절 수단에 의해서 광학 디바이스가 다양한 모드를 용이하게 구현 할 수 있음을 확인 할 수 있다.
10: 광학 필름
20: 편광층
30: 외곽 기판
40: 접착 필름
100: 광학 소자
110: 제 1 전극 기재 필름
120: 제 1 전극층
130: 광변조층
140: 제 2 전극층
150: 제 2 전극 기재 필름
160: 투과도 조절 수단
161: 제 1 전극 단자부
162: 제 2 전극 단자부
163: 전원
170: 절연층
180: 실런트 등
400: 캡슐화 부위

Claims (16)

  1. 그라데이션 모드를 구현할 수 있는 광학 소자로서,
    상기 광학 소자는 광학 필름 및 투과도 조절 수단을 포함하고, 상기 광학 필름은 2장의 외곽 기판 사이에서 캡슐화제에 의해 전면이 캡슐화되며,
    상기 광학 필름은 대향 배치된 제 1 및 제 2 기재 필름; 상기 제 1 및 제 2 기재 필름의 사이에 존재하고 액정 호스트 및 이방성 염료 게스트를 포함하는 광변조층; 및 상기 제 1 및 제 2 기재 필름의 서로 대향하는 면에 각각 형성되어 있는 전극층을 포함하고,
    상기 전극층은, 상기 광변조층에 전계를 인가할 수 있도록 형성된 제 1 영역과 상기 제 1 영역이 상기 전계를 인가할 수 있도록 상기 전극층을 외부 전원과 연결하고 있는 제 2 영역을 포함하고, 상기 제 1 영역은 광학 소자를 그 표면의 법선 방향을 따라서 관찰할 때에 광변조층과 중복되는 영역이며, 상기 제 2 영역은 제 1 영역과 전기적으로 연결되고(단, 상기 제 1 영역이 전기적으로 연결되지 않는 복수의 영역으로 구성되는 경우는 제외하고, 상기 제 2 영역이 광 변조층에 접하는 경우는 제외한다),
    외부 전원은 상기 투과도 조절 수단을 매개로 제 2 영역에 연결되어 있으며,
    상기 광학 필름은 상기 제 1 및 제 2 기재필름 상의 제 2 영역에 위치하는 절연층을 추가로 포함하는 광학 소자.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 투과도 조절 수단은 구동 수단 및 전위차 조절 수단을 포함하는 광학 소자.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 기재 필름상의 상기 제 2 영역과 상기 제 2 기재 필름상의 상기 제 2 영역은 서로 마주보지 않도록 배치되어 있는 광학 소자.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 기재 필름상의 전극층의 상기 제 2 영역과 상기 제 2 기재 필름상의 전극층의 상기 제 2 영역은 서로 마주보도록 배치되어 있는 광학 소자.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 기재 필름상의 상기 제 2 영역은 상기 제 1 기재 필름의 마주보는 테두리에 각각 형성되어 있는 A 및 B 영역을 포함하고, 상기 제 2 기재 필름상의 상기 제 2 영역은 상기 제 2 기재 필름의 마주보는 테두리에 각각 형성되어 있는 C 및 D 영역을 포함하며,
    상기 A 영역과 C 영역은 서로 대향하고, 상기 B 영역과 D 영역은 서로 대향하며,
    상기 A 및 C 영역 또는 상기 B 및 D 영역이 외부 전원과 연결되어 상기 제 1 영역에서 전계가 발생되는 제 1 모드와 상기 A 및 D 영역 또는 상기 B 및 C 영역이 외부 전원과 연결되어 상기 제 1 영역에서 전계가 발생되는 제 2 모드의 사이를 스위칭할 수 있도록 형성된 광학 소자.
  6. 삭제
  7. 제 1 항에 있어서, 광변조층은, 적어도 2가지 서로 다른 배향 상태의 사이를 스위칭할 수 있는 능동 액정층인 광학 소자.
  8. 제 7 항에 있어서, 서로 다른 배향 상태는 수직 배향 상태와 수평 배향 상태를 포함하는 광학 소자.
  9. 제 1 항에 있어서, 편광층을 추가로 포함하는 광학 소자.
  10. 제 8 항에 있어서, 편광층을 추가로 포함하며, 상기 편광층은, 능동 액정층의 수평 배향 상태의 평균 광축과 편광층의 광흡수축이 이루는 각도가 80도 내지 100도 또는 35도 내지 55도의 범위 내 가 되도록 배치되어 있는 광학 소자.
  11. 제 1 항에 있어서, 제 1 및 제 2 기재 필름의 광변조층을 향하는 면상에 존재하는 배향막을 추가로 포함하는 광학 소자.
  12. 제 11 항에 있어서, 제 1 및 제 2 기재 필름상의 배향막의 배향 방향이 이루는 각도는 -10도 내지 10도의 범위 내 또는 80도 내지 100도의 범위 내인 광학 소자.
  13. 제 1 항에 있어서, 광학 필름의 적어도 일측에 배치된 편광층을 포함하고, 상기 광학 필름은, 제 1 및 제 2 기재 필름의 광변조층을 향하는 면상에 존재하는 배향막을 추가로 포함하며, 상기 제 1 및 제 2 기재 필름 중에서 상기 편광층에 가까운 기재 필름상에 형성된 배향막의 배향 방향과 상기 편광층의 광 흡수축이 이루는 각도가 80도 내지 90도의 범위 내인 광학 소자.
  14. 삭제
  15. 삭제
  16. 하나 이상의 개구부가 형성되어 있는 차체; 및 상기 개구부에 장착된 제 1 항의 광학 소자를 포함하는 자동차.
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