KR102634119B1 - 광변조 디바이스 - Google Patents

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김정운
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Abstract

본 출원에서는, 오토클레이브 공정 등과 같이 압력이 가해지는 캡슐화 공정 후에도 설계된 광학 특성을 안정적으로 유지할 수 있는 광변조 디바이스, 광학 디바이스 또는 그 제조 방법을 제공할 수 있다. 또한, 본 출원에서는 상하 기판간의 접착력을 효과적으로 확보하면서, 광변조층의 배향 상태도 안정적으로 유지할 수 있는 광변조 디바이스, 그를 포함하는 광학 디바이스 또는 그 제조 방법을 제공할 수 있다.

Description

광변조 디바이스{Light Modulating Device}
본 출원은 2020년 7월 31일자로 제출된 대한민국 특허출원 제10-2020-0095864호에 기초하여 우선권을 주장하며, 해당 대한민국 특허출원 문헌에 개시된 내용은 본 명세서의 일부로서 포함된다.
본 출원은 광변조 디바이스에 관한 것이다.
두 개의 기판의 사이에 액정 화합물 등을 포함하는 광변조층을 위치시킨 광변조 디바이스는 다양한 용도에 사용되고 있다.
광변조 디바이스가 목적하는 성능을 나타내기 위해서는, 상기 기판 사이에서 상기 액정 화합물의 배향 상태를 제어하는 것이 중요하다. 따라서, 광변조층이 액정층인 경우에는 통상 액정 화합물의 배향을 조절하기 위해서, 액정층의 양측에 모두 액정 배향막을 형성한다.
특허문헌 1에는 액정층의 한측에는 액정 배향막을 형성하고, 다른 측에는 액정 배향막 대신 접착층을 형성한 구조의 광변조 디바이스를 개시한다.
특허문헌 1에 개시된 접착층은, 액정 배향력을 가지기 때문에, 액정층의 한쪽에 액정 배향막을 적용하지 않고, 목적하는 액정 화합물의 배향이 가능한 점을 기재한다.
특허문헌 1에 개시된 광변조 디바이스는, 접착제를 한쪽 기판에 적용하였기 때문에, 대향 배치된 2개의 기판의 접착력을 우수하게 유지할 수 있는 장점을 가진다.
그렇지만, 특허문헌 1에 개시된 접착층만으로는 액정 화합물의 배향을 충분히 안정적으로 유지하는 것이 쉽지 않고, 특히 고온 조건에서 액정 화합물의 배향이 깨져서 광학적 결함이 발생하는 문제가 있다.
대한민국 등록특허공보 제1987373호
본 출원은 광변조 디바이스를 제공한다. 본 출원에서는, 점착제층 또는 접착제층을 적용하여 대향 배치된 기판간의 접착력을 확보하면서 동시에 액정 화합물의 배향을 안정적으로 유지하며, 특히 고온에서도 목적하는 액정 화합물의 배향 상태를 구현할 수 있는 광변조 디바이스를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 명세서에서 각도를 정의하는 수직, 평행, 직교 또는 수평의 용어와 각도의 수치는, 목적 효과를 손상시키지 않는 범위에서의 실질적인 수직, 평행, 직교 또는 수평과 상기 수치를 의미한다. 상기 수직, 평행, 직교 또는 수평과 수치의 범위는 제조 오차(error) 또는 편차(variation) 등의 오차를 포함하는 것이다. 예를 들면, 상기 각각의 경우는, 약 ±10도 이내의 오차, 약 ±9 도 이내의 오차, 약 ±8 도 이내의 오차, 약 ±7 도 이내의 오차, 약 ±6 도 이내의 오차, 약 ±5 도 이내의 오차, 약 ±4 도 이내의 오차, 약 ±3 도 이내의 오차, 약 ±2 도 이내의 오차, 약 ±1 도 이내의 오차, 약 ±0.8 도 이내의 오차, 약 ±0.6 도 이내의 오차 또는 약 ±0.4도 이내의 오차를 포함할 수 있다.
본 명세서에서 언급하는 물성 중에서 측정 온도가 해당 물성에 영향을 미치는 경우에 특별히 달리 규정하지 않는 한, 상기 물성은 상온에서 측정한 물성이다. 용어 상온은 특별히 가온되거나 감온되지 않은 상태에서의 온도로서, 약 10℃ 내지 30℃의 범위 내의 어느 한 온도, 예를 들면, 약 15℃ 이상, 18℃ 이상, 20℃ 이상 또는 약 23℃ 이상이면서, 약 27℃ 이하의 온도를 의미할 수 있다. 또한, 특별히 달리 규정하지 않는 한, 본 명세서에서 언급하는 온도의 단위는 ℃이다.
본 명세서에서 언급하는 위상차, 굴절률 및 굴절률 이방성은, 특별히 달리 규정하지 않는 한 약 550 nm 파장의 광에 대한 위상차, 굴절률 및 굴절률 이방성을 의미한다.
특별히 달리 규정하지 않는 한, 본 명세서에서 언급하는 어느 2개의 방향이 이루는 각도는 상기 두 개의 방향이 이루는 예각 내지 둔각 중 예각이거나, 또는 시계 방향 및 반시계 방향으로 측정된 각도 중에서 작은 각도일 수 있다. 따라서, 특별히 달리 규정하지 않는 한, 본 명세서에서 언급하는 각도는 양수이다. 다만, 경우에 따라서 시계 방향 또는 반시계 방향으로 측정된 각도간의 측정 방향을 표시하기 위해서 상기 시계 방향으로 측정된 각도 및 반시계 방향으로 측정된 각도 중에서 어느 하나의 각도를 양수로 표기하고, 다른 하나의 각도를 음수로 표기할 수도 있다.
본 출원의 광변조 디바이스에 관한 것이다. 용어 광변조 디바이스는, 적어도 2개 이상의 다른 광의 상태의 사이를 스위칭할 수 있는 디바이스를 의미할 수 있다. 상기에서 다른 광의 상태는, 적어도 투과율, 반사율, 색상 및/또는 헤이즈이 다른 상태를 의미할 수 있다.
광변조 디바이스가 구현할 수 있는 상태의 예로는, 투과, 차단, 고반사, 저반사 및/또는 특정 색상을 나타내는 색상 모드 상태 등이 있지만, 이에 제한되는 것은 아니다.
일 예시에서 상기 광변조 디바이스는 적어도 상기 투과 및 차단 모드 상태의 사이를 스위칭할 수 있는 디바이스일 수 있다.
상기 투과 모드 상태에서의 광변조 디바이스의 투과율이 적어도 10% 이상, 15% 이상, 20% 이상, 25% 이상, 30% 이상, 35% 이상, 40% 이상, 45% 이상, 50% 이상, 55% 이상, 60% 이상, 65% 이상, 70% 이상, 75% 이상 또는 80% 이상 정도일 수 있다. 상기 투과 모드에서의 투과율은 다른 예시에서 100% 이하, 95% 이하, 90% 이하 또는 85% 이하 정도일 수도 있다. 그렇지만, 투과 모드에서의 투과율은 높을수록 유리하기 때문에, 그 상한이 특별히 제한되는 것은 아니다.
상기 차단 모드 상태에서 광변조 디바이스의 투과율은 60% 이하, 55% 이하, 50% 이하, 45% 이하, 40% 이하, 35% 이하, 30% 이하, 25% 이하, 20% 이하, 15% 이하, 10% 이하 또는 5% 이하일 수 있다. 상기 차단 모드에서의 투과율은 다른 예시에서 0% 이상, 5% 이상, 10% 이상, 15% 이상, 20% 이상 또는 25% 이상 정도일 수도 있다. 그렇지만, 차단 모드에서는 투과율이 낮을수록 유리하기 때문에, 상기 차단 모드 상태의 투과율의 하한은 특별히 제한되지 않는다.
상기 투과율은, 예를 들면, 직진광 투과율일 수 있다. 직진광 투과율은, 상기 디바이스로 입사한 광에 대한 상기 입사 방향과 동일 방향으로 투과된 광의 비율의 백분율이다. 예를 들어, 상기 디바이스가 필름 또는 시트 형태라면, 상기 필름 또는 시트 표면의 법선 방향과 나란한 방향으로 입사한 광 중에서 역시 상기 법선 방향과 나란한 방향으로 상기 디바이스를 투과한 광의 백분율을 상기 투과율로 정의할 수 있다.
상기 투과율은, 각각 가시광 영역, 예를 들면, 약 400 내지 700 nm 또는 약 380 내지 780 nm 범위 내의 어느 한 파장에 대한 투과율이거나, 상기 가시광 영역 전체에 대한 투과율이거나, 상기 가시광 영역 전체에 대한 투과율 중에서 최대 또는 최소 투과율이거나, 상기 가시광 영역 내의 투과율의 평균치일 수 있다.
본 출원의 광변조 디바이스는, 일 예시에서 상기 투과 모드 및 차단 모드 상태에서 선택된 어느 한 상태 및 다른 한 상태의 사이를 스위칭할 수 있도록 설계될 수 있다. 필요하다면, 상기 상태 외에 다른 기타 제 3의 상태 또는 그 이상의 상태도 구현될 수 있다.
상기 광변조 디바이스의 스위칭은, 외부 신호의 인가, 예를 들면, 전압 등과 같은 전기적 신호의 인가 여부에 따라 조절할 수 있다. 예를 들면, 상기 외부 신호의 인가가 없는 상태에서 광변조 디바이스는 상기 기술한 상태 중에서 어느 한 상태를 유지하다가, 전압이 인가되면 다른 상태로 스위칭될 수 있다. 인가되는 전압의 세기, 주파수 및/또는 형태를 변경함으로써 또 모드의 상태를 변경하거나, 혹은 상기 제 3 의 다른 모드 상태를 구현할 수도 있다.
본 출원의 광변조 디바이스는, 대향 배치된 2개의 기판과 상기 기판의 사이에 위치한 광변조층을 포함할 수 있다. 도 2은 상기 구조의 일 예시를 나타내는 도면이다. 도면과 같이 광변조 디바이스는, 대향 배치된 제 1 기판(100)과 제 2 기판(200)을 포함한다. 상기 제 1 및 제 2 기판은, 각각 제 1 표면과 제 2 표면을 가질 수 있다. 상기에서 제 1 표면은 기판의 하나의 주표면이고, 제 2 표면은 그와 반대측의 주표면을 의미할 수 있다.
제 1 기판(100)의 하나의 표면(예를 들면, 제 1 표면)상에는 기능성층이 형성되고, 다른 제 2 기판(200)의 하나의 표면(예를 들면, 제 1 표면)에는 액정 배향막(2001)이 형성되어 있을 수 있다. 상기에서 기능성층은, 후술하는 접착제층 또는 점착제층일 수 있다. 상기 대향 배치된 제 1 기판(100)과 제 2 기판(200)의 사이에 광변조층(600)이 위치한다. 광변조층의 종류에는 특별한 제한은 없으며, 통상 액정층이 광변조층으로 사용될 수 있다. 광변조층이 액정층인 경우에 통상적으로 제 1 및 제 2 기판(100, 200)의 양쪽 표면 모두에 액정 배향막이 형성되지만, 제 1 기판(100)상에 액정 배향막 대신 점착제층 또는 접착제층을 형성하고, 제 2 기판(200)에만 액정 배향막을 형성함으로써, 특정 용도(예를 들면, smart window나 eye wear)에서 매우 유용한 액정 화합물의 배향 상태가 얻어질 수도 있다. 이러한 경우에는 상기 제 1 기판에는 액정 배향막이 형성되지 않는다. 도면에는 도시되어 있지 않지만, 광변조 디바이스의 제 1 및 제 2 기판 중 어느 한 기판에는 제 1 및 제 2 기판의 간격(cell gap)을 유지하는 스페이서가 존재하는데, 제 1 기판(100)상의 기능성층이 점착제층 또는 접착제층(1001)인 경우에 상기 스페이서에 상기 점착제층 또는 접착제층(1001)이 부착되어 제 1 및 제 2 기판간의 합착력을 크게 개선할 수 있다.
상기 기판으로는, 특별한 제한 없이 공지의 기판 소재가 사용될 수 있다. 예를 들면, 기판으로는 유리 기판, 결정성 또는 비결정성 실리콘 기판 또는 석영 기판 등의 무기 기판이나 플라스틱 기판 등을 사용할 수 있다. 플라스틱 기판으로는, TAC(triacetyl cellulose) 기판; 노르보르넨 유도체 기판 등의 COP(cyclo olefin copolymer) 기판; PMMA(poly(methyl methacrylate) 기판; PC(polycarbonate) 기판; PE(polyethylene) 기판; PP(polypropylene) 기판; PVA(polyvinyl alcohol) 기판; DAC(diacetyl cellulose) 기판; Pac(Polyacrylate) 기판; PES(poly ether sulfone) 기판; PEEK(polyetheretherketon) 기판; PPS(polyphenylsulfone), PEI(polyetherimide) 기판; PEN(polyethylenemaphthatlate) 기판; PET(polyethyleneterephtalate) 기판 등의 폴리에스테르 기판; PI(polyimide) 기판; PSF(polysulfone) 기판; PAR(polyarylate) 기판 또는 비정질 불소 수지 등을 포함하는 기판을 사용할 수 있지만 이에 제한되는 것은 아니다. 이러한 기판의 두께는 특별히 제한되지 않고, 적절한 범위에서 선택될 수 있다.
하나의 예시에서 상기 기판으로는, 광학적 비등방성인 필름을 적용할 수도 있다. 이러한 광학적 비등방성을 가지는 필름은, 통상 기계적 물성도 비등방성이며, 이러한 비등방성을 활용하여 보다 우수한 내구성 등을 가지는 광변조 디바이스를 제공할 수 있다.
일 예시에서 상기 비등방성 필름은, 면내 위상차가, 약 500 nm 이상일 수 있다. 상기 면내 위상차는, 550 nm 파장의 광에 대한 값이고, 하기 수식 A로 규정되는 물리량이다. 상기 위상차 필름의 면내 위상차는 다른 예시에서, 600 nm 이상, 700 nm 이상, 800 nm 이상, 900 nm 이상, 1000 nm 이상, 1100 nm 이상, 1200 nm 이상, 1300 nm 이상, 1400 nm 이상, 1500 nm 이상, 2000 nm 이상, 2500 nm 이상, 3000 nm 이상, 3500 nm 이상, 4000 nm 이상, 4500 nm 이상, 5000 nm 이상, 5500 nm 이상, 6000 nm 이상, 6500 nm 이상, 7000 nm 이상, 7500 nm 이상, 8000 nm 이상, 8500 nm 이상, 9000 nm 이상 또는 9500 nm 이상이거나, 100000 nm 이하, 90000 nm 이하, 80000 nm 이하, 70000 nm 이하, 60000 nm 이하, 50000 nm 이하, 40000 nm 이하, 30000 nm 이하, 20000 nm 이하, 15000 nm 이하, 14000 nm 이하, 13000 nm 이하, 12000 nm 이하, 10000 nm 이하, 9500 nm 이하, 9000 nm 이하, 8500 nm 이하, 8000 nm 이하,7500 nm 이하, 7000 nm 이하, 6500 nm 이하, 6000 nm 이하, 5500 nm 이하, 5000 nm 이하 또는 4500 nm 이하 정도일 수도 있다.
기판으로 적용할 수 있는 상기 필름의 구체적이 종류는, 상기 언급한 범위의 면내 위상차를 나타내는 한 특별한 제한은 없다. 예를 들면, 연신에 의해서 광학적 이방성을 부여한 이방성 고분자 필름 등이 적용될 수 있다. 고분자 필름으로는, 예를 들면, 폴리에틸렌 필름 또는 폴리프로필렌 필름 등의 폴리올레핀 필름, 폴리노르보넨 필름 등의 고리형 올레핀 폴리머(COP: Cycloolefin polymer) 필름, 폴리염화비닐 필름, 폴리아크릴로니트릴 필름, 폴리설폰 필름, 폴리아크릴레이트 필름, PVA(poly(vinyl alcohol)) 필름 또는 TAC(Triacetyl cellulose) 필름 등의 셀룰로오스 에스테르계 폴리머 필름, 폴리에스테르 필름 또는 폴리카보네이트 필름이나 상기 폴리머를 형성하는 단량체 중에서 2종 이상의 단량체의 공중합체 필름 등이 예시될 수 있다.
하나의 예시에서 상기 필름으로는, PET(poly(ethylene terephthalate)) 필름 등과 같은 폴리에스테르 필름이 적용될 수 있다. 즉, 전술한 범위의 면내 위상차를 나타내는 필름은 업계에서 공지되어 있고, 고분자 필름의 경우, 상기와 같은 필름은 광학적으로 큰 비등방성은 물론 제조 과정에서의 연신 등에 의해 기계적 물성도 비대칭성을 나타낸다. 업계에 공지된 이러한 위상차 필름의 대표적인 예로는, 연신 PET(poly(ethylene terephthalate)) 필름 등과 같은 연신 폴리에스테르 필름이다.
따라서, 하나의 예시에서 상기 필름으로는 PET 필름과 같은 폴리에스테르 필름을 적용할 수 있지만, 본 출원에서 기판으로 적용 가능한 필름의 종류에 이에 제한되는 것은 아니다.
또한, 상기 면내 위상차는 하기 수식 A에 따른 물리량이다.
[수식 A]
Rin = d × (nx - ny)
수식 A에서 Rin은 면내 위상차이고, nx는 필름의 지상축 방향 굴절률이며, ny는 필름의 진상축 방향 굴절률이고, d는 필름의 두께이다. 상기에서 지상축과 진상축의 의미는 업계에서 공지되어 있다.
상기 비등방성 필름이 제 1 및 제 2 기판으로 동시에 적용되는 경우에, 그들간의 지상축이 서로 평행 또는 수직하도록 상기 기판들이 배치될 수 있다.
상기 기판의 사이에 존재하는 광변조층은 외부 신호의 인가 여부에 따라, 단독으로 혹은 다른 구성 요소와 연계하여, 광의 투과도, 반사도, 헤이즈 및/또는 색상 등을 변경할 수 있는 기능성 층이다. 이와 같은 광변조층은, 본 명세서에서 능동 광변조층으로 호칭될 수 있다.
본 명세서에서 외부 신호란, 광변조층(예를 들면, 액정층) 내에 포함되는 광변조 물질(예를 들면, 액정 화합)의 거동에 영향을 줄 수 있는 외부에 요인, 예를 들면 전압 등의 전기적 신호를 의미할 수 있다. 따라서, 외부 신호가 없는 상태란, 외부에서 전기적 신호의 인가가 없는 상태를 의미할 수 있다. 상기 외부 신호가 없는 상태는 초기 상태로도 불리울 수 있다.
본 출원에서 광변조층의 종류는 상기 기술한 기능을 가지는 것이라면 특별히 제한되지 않고, 공지의 광변조층이 적용될 수 있다. 상기 광변조층은, 예를 들면, 액정층, 전기 변색 물질층, 광 변색 물질층, 전기 영동 물질층 또는 분산 입자 배향층일 수 있다.
하나의 예시에서 광변조층으로는 상기 액정층이 적용될 수 있다. 액정층은, 액정 화합물을 포함하는 층이다. 본 명세서에서 용어 액정층의 범위에는 액정 화합물을 포함하고 있는 층이 모두 포함되며, 예를 들어 액정 화합물(액정 호스트)과 이색성 염료를 포함하는 소위 게스트 호스트층이나 키랄 도펀트 등 기타 첨가제를 액정 화합물과 함께 포함하는 층도 본 명세서에서 규정하는 액정층의 일종이다. 상기 액정층은, 외부 신호의 인가 여부에 따라 배향 방향이 변하도록 형성된 액정 화합물을 포함할 수 있다. 액정 화합물로는 외부 신호의 인가에 의하여 그 배향 방향이 변경될 수 있는 것이라면 모든 종류의 액정 화합물을 사용할 수 있다. 예를 들며, 액정 화합물로는 스멕틱(smectic) 액정 화합물, 네마틱(nematic) 액정 화합물 또는 콜레스테릭(cholesteric) 액정 화합물 등을 사용할 수 있다. 또한, 외부 신호의 인가에 의하여 그 배향 방향이 변경될 수 있도록, 액정 화합물은 예를 들어 중합성기 또는 가교성기를 가지지 않는 화합물이거나, 가지도라도 중합 및 가교되지 않은 상태로 존재하는 화합물일 수 있다.
액정층은 유전율 이방성이 양수 또는 음수인 액정 화합물을 포함할 수 있다. 액정의 유전율 이방성의 절대값은 본 출원의 목적을 고려하여 적절히 선택될 수 있다. 용어 「유전율 이방성(△ε)」은 액정의 수평 유전율(ε//)과 수직 유전율(ε⊥)의 차이(ε// - ε⊥)를 의미할 수 있다. 본 명세서에서 용어 수평 유전율(ε//)은 액정 분자의 방향자와 인가 전압에 의한 전기장의 방향이 실질적으로 수평하도록 전압을 인가한 상태에서 상기 전기장의 방향을 따라 측정한 유전율 값을 의미하고, 수직 유전율(ε⊥)은 액정 분자의 방향자와 인가 전압에 의한 전기장의 방향이 실질적으로 수직하도록 전압을 인가한 상태에서 상기 전기장의 방향을 따라 측정한 유전율 값을 의미한다.
예를 들면, 상기 액정층의 굴절률 이방성(△n)은 0.01 내지 0.5의 범위 내에 있을 수 있다. 상기 굴절률 이방성은 다른 예시에서 0.02 이상, 0.03 이상, 0.04 이상, 0.05 이상, 0.06 이상, 0.07 이상, 0.08 이상 또는 0.085 이상이거나, 0.45 이하, 0.4 이하, 0.35 이하, 0.3 이하, 0.25 이하, 0.2 이하, 0.15 이하 또는 0.1 이하 정도일 수 있다. 액정층의 굴절률 이방성은 목적에 따라 선택되는 것으로 상기에 제한되는 것은 아니다.
액정층의 구동 모드는, 예를 들어, DS(Dynamic Scattering) 모드, ECB(Electrically Controllable Birefringence) 모드, IPS(In-Plane Switching) 모드, FFS(Fringe-Field Wwitching)모드, OCB(Optially Compensated Bend) 모드, VA(Vertical Alignment) 모드, MVA(Multi-domain Vertical Alignment) 모드, PVA(Patterned Vertical Alignment) 모드, HAN(Hybrid Aligned Nematic) 모드, TN(Twisted Nematic) 모드, STN (Super Twisted Nematic) 모드 또는 R-TN(Reversed Twisted Nematic) 모드 등을 예시할 수 있다.
본 출원의 액정층은, 상기 모드 중에서 적어도 트위스티드(twisted) 배향을 구현할 수 있도록 설계(형성)되어 있을 수 있다. 상기 트위스티드 배향은 액정층 내의 액정 화합물들이 가상의 나선축을 기준으로 꼬인 형태로 배향된 상태를 의미하고, 이러한 트위스티드 배향은, 액정층의 액정 화합물이 수평 배향된 상태, 수직 배향된 상태, 경사 배향된 상태 또는 스프레이 배향된 상태에서 구현될 수 있다. 또한, 상기 트위스티드 배향은, 액정층의 상기 초기 상태에서 구현되거나, 혹은 외부 신호가 인가된 상태에서 구현될 수도 있다.
일 예시에서 상기 액정층은, 적어도 수직 배향 상태 및 상기 트위스티드 배향 상태의 사이를 스위칭할 수 있도록 설계(형성)되어 있을 수 있다. 예를 들어, 상기 2가지 상태 중 어느 한 상태를 초기 상태에서 구현하거나, 외부 신호(예를 들면, 전압 등의 전기적 신호)가 인가되면 다른 상태로 스위칭될 수 있다. 하나의 예시에서 상기 초기 상태에서는 상기 수직 배향 상태가 구현될 수 있다.
본 출원의 광변조 디바이스는 상기와 같은 액정층의 배향 상태(특히, 상기 수직 배향 상태)가 고온에서도 안정적으로 유지될 수 있도록 설계될 수 있다.
예를 들면, 상기 각각 제 1 표면과 제 2 표면을 가지며, 서로의 제 1 표면이 마주하도록 대향 배치되어 있는 제 1 및 제 2 기판; 및 상기 제 1 및 제 2 기판의 사이에 존재하는 액정층을 포함하는 광변조 디바이스는 하기 식 1을 충족할 수 있다.
[식 1]
T2 ≤ 3 × T1
식 1에서 T1은, 상기 액정층을 수직 배향시키고, 직교 편광자의 사이에 위치시킨 후에 측정한 초기 투과율이고, T2는 상기 T1의 투과율을 나타내는 액정층을 수직 배향시킨 상태에서 100℃에서 5분 유지한 후에 상기 직교 편광자의 사이에 위치시킨 후에 측정한 투과율이다.
상기에서 T1과 T2의 단위는 %이다. 또한, 상기에서 초기 투과율 T1은 상온에서 측정하고, 투과율 T2는 상기 100℃에서 5분 유지한 후에 온도를 그대로 100℃로 유지한 상태에서 측정한다.
또한, 상기 투과율 T1 및 T2의 측정 파장은 가시광 파장(380 nm 내지 770 nm)이다.
도 1은, 상기 T1 및 T2를 확인하는 과정을 보여주는 도면이다.
도 1과 같이 2매의 직교 편광자(101, 102)의 사이에 상기 액정층 또는 광변조 디바이스(200)를 위치시킨 상태에서 상기 투과율 T1 및 T2를 측정할 수 있다. 이 때 투과율은 도 1에 나타난 바와 같이 2매의 직교 편광자(101, 102) 중 어느 한 편광자(101)쪽에 광이 입사(도 1의 화살표 방향)하도록 한 후에 다른 편광자(102)쪽에서 측정한 투과율이다.
직교 편광자는, 2매의 편광자의 광 흡수축이 서로 수직한 상태를 의미한다. 통상 2매의 편광자 중 하나의 편광자의 광 흡수축을 고정한 상태에서 다른 하나의 편광자의 광 흡수축을 상기 광 흡수축에 대해서 회전시키면서 투과율을 측정할 때에 가장 낮은 투과율이 나타나는 지점이 2매의 편광자의 광 흡수축이 서로 수직한 지점으로 본다.
액정층이 수직 배향 상태인 경우에 도 1과 같이 2매의 직교 편광자의 사이에 위치되고, 투과율을 측정하면, 투과율은 낮게 측정된다. 따라서, 상기 T1은, 매우 낮은 수치로 나타나게 된다. 액정층이 수직 배향된 상태에서 고온에서 일정 시간 유지(100℃에서 5분 유지)되는 동안 액정층의 수직 배향성이 손상되거나 떨어지는 경우에 상기에서 측정되는 T2는 T1 대비 높게 나타나게 된다. 상기 T1 및 T2를 측정하는 과정에서 광변조 디바이스의 제 1 및/또는 제 2 기판이 비등방성 기판인 경우에 해당 기판의 지상축을 2매의 편광자 중 어느 하나의 편광자의 광 흡수축과 평행하도록 배치한다.
그렇지만, 본 출원의 광변조 디바이스에서는 액정층의 배향성(특히 수직 배향성)이 고온에서도 안정적으로 유지될 수 있기 때문에, 상기 T2는 T1의 3배 이하(3×T1 이하)가 될 수 있다. 상기 T2는 다른 예시에서 T1의 2.5배 이하(2.5×T1 이하), T1의 2배 이하(2×T1 이하), T1의 1.5배 이하(1.5×T1 이하) 또는 T1의 1배 이하(T1 이하) 정도일 수도 있다. 상기 T2의 하한에는 특별한 제한은 없고, 일 예시에서 T1의 0.5배 이상(0.5×T1 이상), T1의 0.7배 이상(0.7×T1 이상) 또는 T1의 0.9배 이상(0.9×T1 이상)일 수도 있다. 하나의 예시에서 T1과 T2는 실질적으로 동일할 수 있다.
상기 T2의 구체적인 수치는 특별히 제한은 없으나, 일 예시에서 2% 이하 정도일 수 있다. T2는 다른 예시에서, 1.8% 이하, 1.6% 이하, 1.4% 이하, 1.2% 이하, 1% 이하, 0.8% 이하, 0.6% 이하, 0.4% 이하 또는 0.2% 이하 정도일 수 있다. T2의 하한에는 제한이 없으며, 예를 들면, T2는 0% 이상일 수 있다.
상기 T1과 T2의 측정 방법은 구체적으로는 실시예에서 기술한다.
액정층인 광변조층은, 상기 액정 화합물을 기본적으로 포함하고, 필요한 경우에 추가적인 성분도 포함할 수 있다.
예를 들면, 광변조층인 액정층은 액정 화합물과 함께 소위 키랄 도펀트(chiral dopant)를 포함할 수도 있다. 이러한 키랄 도펀트는 액정 화합물에 나선 구조의 배향, 즉 상기 트위스티드 배향을 유도할 수 있다.
키랄 도펀트(Chiral dopant)로는, 액정성, 예를 들면, 네마틱 규칙성을 손상시키지 않고 목적하는 회전(twisting)을 유도할 수 있는 것이라면, 특별히 제한되지 않고 사용될 수 있다. 액정 분자에 회전을 유도하기 위한 키랄 도펀트는 분자 구조 중에 키랄리티(chirality)를 적어도 포함할 필요가 있다. 키랄 도펀트는, 예를 들면, 1개 또는 2개 이상의 비대칭 탄소(asymmetric carbon)를 가지는 화합물, 키랄 아민 또는 키랄 술폭시드 등의 헤테로원자 상에 비대칭점(asymmetric point)이 있는 화합물 또는 크물렌(cumulene) 또는 비나프톨(binaphthol) 등의 축부제를 가지는 광학 활성인 부위(axially asymmetric, optically active site)를 가지는 화합물이 예시될 수 있다. 키랄 도펀트는 예를 들면, 분자량이 1,500 이하인 저분자 화합물일 수 있다. 키랄 도펀트로는, 시판되는 키랄 네마틱 액정, 예를 들면, Merck사에서 시판되는 키랄 도판트 액정 S811 또는 BASF사의 LC756 등이 적용될 수 있다.
키랄 도펀트의 비율에도 특별한 제한은 없으나, 광변조층의 두께(d, cell gap)와 상기 키랄 도펀트의 첨가에 의해 발생하는 액정 화합물의 나선 구조의 피치(상기 트위스티드 배향의 피치)(p)의 비율(d/p)이 후술하는 K값을 만족시킬 수 있도록 첨가될 수 있다.
키랄 도펀트가 적용된 소위 트위스트 배향의 광변조층(액정층)의 피치(p)는, Wedge cell을 이용한 계측 방법으로 측정할 수 있고, D.Podolskyy 등의 Simple method for accurate measurements of the cholesteric pitch using a stripe-wedge Grandjean-Cano cell(Liquid Crystals, Vol. 35, No. 7, July 8\2008, 789-791)에 기재된 방식으로 측정할 수 있다. 또한, 키랄 도펀트의 함량(중량%)은, 100/(HTP(Helixcal Twisting power) × 피치(nm)의 수식으로 계산되며, 목적하는 피치(p)를 고려하여 적정 비율로 선택될 수 있다.
액정층은, 상기 트위스티드 배향의 피치(p)와 광변조층(액정층)의 두께(d, cell)의 비율(d/p)은, 1 미만이 되도록 설계될 수 있다. 상기 비율(d/p)은 다른 예시에서 0.95 이하, 0.9 이하, 0.85 이하, 0.8 이하, 0.75 이하, 0.7 이하, 0.65 이하, 0.6 이하, 0.55 이하, 0.5 이하, 0.45 이하, 0.4 이하, 0.35 이하, 0.3 이하, 0.25 이하 또는 0.2 이하이거나, 0.1 이상, 0.15 이상, 0.2 이상, 0.25 이상, 0.3 이상, 0.35 이상, 0.4 이상, 0.45 이상 또는 0.5 이상 정도일 수도 있다.
액정층은, 상기 트위스티드 배향의 피치(p)가, 1 내지 100μm의 범위 내가 되도록 설계될 수 있다. 상기 비율은 다른 예시에서 2μm 이상, 3 μm 이상, 4 μm 이상, 5 μm 이상, 6 μm 이상, 7 μm 이상, 8 μm 이상, 9 μm 이상, 10 μm 이상, 11 μm 이상, 12 μm 이상, 13 μm 이상, 14 μm 이상, 15 μm 이상, 16 μm 이상, 17 μm 이상, 18 μm 이상, 19 μm 이상 또는 19.5 μm 이상이거나, 95μm 이하, 90μm 이하, 85μm 이하, 80μm 이하, 75μm 이하, 70μm 이하, 65μm 이하, 60μm 이하, 55μm 이하, 50μm 이하, 45μm 이하, 40μm 이하, 35μm 이하, 30 μm 이하 또는 25 μm 이하 정도일 수도 있다.
상기 액정층의 두께(d, cell gap)는, 0.5μm 내지 50μm의 범위 내에 있을 수 있다. 상기 두께(d, cell gap)는, 다른 예시에서 1 μm 이상, 1.5 μm 이상, 2 μm 이상, 2.5 μm 이상, 3 μm 이상 또는 3.5 μm 이상, 4 μm 이상, 4.5 μm 이상, 5 μm 이상, 5.5 μm 이상, 6 μm 이상, 6.5 μm 이상, 7 μm 이상, 7.5 μm 이상, 8 μm 이상, 8.5 μm 이상, 9 μm 이상, 9.5 μm 이상 또는 10 μm 이상이거나, 48 μm 이하, 46μm 이하, 44μm 이하, 42μm 이하, 30μm 이하, 38μm 이하, 36μm 이하, 34μm 이하, 32μm 이하, 30μm 이하, 28μm 이하, 26μm 이하, 24μm 이하, 22μm 이하, 20μm 이하, 18μm 이하, 16μm 이하, 14μm 이하, 12 μm 이하 또는 10 μm 이하 정도일 수도 있다.
위와 같은 설계를 통해 본 출원의 목적이 보다 효율적으로 달성되는 광변조 디바이스를 제공할 수 있다.
상기 광변조층(액정층)에는, 기타 필요한 추가 성분(예를 들면, 이색성 색소 등)이 포함되어 있을 수도 있다.
광변조 디바이스에서 제 1 기판의 제 1 표면상에 접착제층 또는 점착제층을 형성하는 경우에, 그 점착제층 또는 접착제층의 종류는 특별히 제한되지 않지만, 하기 화학식 1의 화합물(이하, 규소 화합물이라 불리울 수 있다.)과 배합되어 목적하는 효과를 발휘하는 것이 용이하다는 측면에서, 실리콘계 점착제층 또는 실리콘계 접착제층이 적용될 수 있다. 예를 들면, 업계에서 소위 OCA(Optically Clear Adhesive) 또는 OCR(Opticall Clear Resin)로 공지된 다양한 유형의 실리콘계 점착제 또는 실리콘계 접착제가 존재하며, 이러한 점착제 또는 접착제들은 후술하는 규소 화합물을 포함하는 상태에서 액정 배향막과 조합되어 액정 화합물의 적합한 배향을 유도할 수 있다.
즉, 상기 규소 화합물을 포함하는 실리콘계 점착제 또는 접착제가 가지는 특유의 표면 특성은 액정 배향막(특히, 수직 배향막)과 조합되어 목적에 적합한 액정 화합물의 배향 상태를 유도할 수 있다.
상기 실리콘계 점착제 또는 접착제는, 경화성 실리콘 접착제 또는 점착제 조성물(이하, 단순히 경화성 실리콘 조성물이라 호칭할 수 있다.)의 경화물을 사용할 수 있다. 경화성 실리콘 조성물의 종류는 특별히 제한되지 않으며, 예를 들어 가열 경화성 실리콘 조성물 또는 자외선 경화성 실리콘 조성물을 사용할 수 있다.
하나의 예시에서 상기 경화성 실리콘 조성물은 부가 경화성 실리콘 조성물로서, (1) 분자 중에 2개 이상의 알케닐기를 함유하는 오르가노폴리실록산 및 (2) 분자 중에 2개 이상의 규소결합 수소원자를 함유하는 오르가노폴리실록산을 포함할 수 있다. 상기와 같은 실리콘 화합물은, 예를 들면, 백금 촉매 등의 촉매의 존재 하에서, 부가 반응에 의하여 경화물을 형성할 수 있다.
상기 (1) 오르가노폴리실록산은, 실리콘 경화물을 구성하는 주성분으로서, 1 분자 중 적어도 2개의 알케닐기를 포함한다. 이 때, 알케닐기의 구체적인 예에는, 비닐기, 알릴기, 부테닐기, 펜테닐기, 헥세닐기 또는 헵테닐기 등이 포함되고, 이 중 비닐기가 통상 적용되지만, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 (1) 오르가노폴리실록산에서, 전술한 알케닐기의 결합 위치는 특별히 한정되지 않는다. 예를 들면, 상기 알케닐기는 분자쇄의 말단 및/또는 분자쇄의 측쇄에 결합되어 있을 수 있다. 또한, 상기 (1) 오르가노폴리실록산에서, 전술한 알케닐 외에 포함될 수 있는 치환기의 종류로는, 메틸기, 에틸기, 프로필기, 부틸기, 펜틸기, 헥실기 또는 헵틸기 등의 알킬기; 페닐기, 톨릴기, 크실릴기 또는 나프틸기 등의 아릴기; 벤질기 또는 페넨틸기 등의 아랄킬기; 클로로메틸기, 3-클로로프로필기 또는 3,3,3-트리플루오로프로필기 등의 할로겐 치환 알킬기 등을 들 수 있고, 이 중 메틸기 또는 페닐기가 통상 적용되지만, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 (1) 오르가노폴리실록산의 분자 구조는 특별히 한정되지 않고, 예를 들면, 직쇄상, 분지상, 고리상, 망상 또는 일부가 분지상을 이루는 직쇄상 등과 같이, 어떠한 형상이라도 가질 수 있다. 통상 상기와 같은 분자 구조 중 특히 직쇄상의 분자 구조를 가지는 것이 적용되지만, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 (1) 오르가노폴리실록산의 보다 구체적인 예로는, 분자쇄 양말단 트리메틸실록산기 봉쇄 디메틸실록산-메틸비닐실록산 공중합체, 분자쇄 양말단 트리메틸실록산기 봉쇄 메틸비닐폴리실록산, 분자쇄 양말단 트리메틸실록산기 봉쇄 디메틸실록산-메틸비닐실록산-메틸페닐실록산 공중합체, 분자쇄 양말단 디메틸비닐실록산기 봉쇄 디메틸폴리실록산, 분자쇄 양말단 디메틸비닐실록산기 봉쇄 메틸비닐폴리실록산, 분자쇄 양말단 디메틸비닐실록산기 봉쇄 디메틸실록산-메틸비닐실록산 공중합체, 분자쇄 양말단 디메틸비닐실록산기 봉쇄 디메틸실록산-메틸비닐실록산-메틸페닐실록산 공중합체, R1 2SiO2/2로 표시되는 실록산 단위와 R1 2R2SiO1/2로 표시되는 실록산 단위와 SiO4/2로 표시되는 실록산 단위를 포함하는 오르가노폴리실록산 공중합체, R12R2SiO1/2로 표시되는 실록산 단위와 SiO4/2로 표시되는 실록산 단위를 포함하는 오르가노폴리실록산 공중합체, R1R2SiO2/2로 표시되는 실록산 단위와 R1SiO3/2로 표시되는 실록산 단위 또는 R2SiO3/2로 표시되는 실록산 단위를 포함하는 오르가노폴리실록산 공중합체 및 상기 중 2 이상의 혼합물을 들 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기에서, R1은 알케닐기 외의 탄화수소기로서, 구체적으로는 메틸기, 에틸기, 프로필기, 부틸기, 펜틸기, 헥실기 또는 헵틸기 등의 알킬기; 페닐기, 톨릴기, 크실릴기 또는 나프틸기 등의 아릴기; 벤질기 또는 페넨틸기 등의 아랄킬기; 클로로메틸기, 3-클로로프로필기 또는 3,3,3-트리플루오로프로필기 등의 할로겐 치환 알킬기 등일 수 있다. 또한, 상기에서 R2는 알케닐기로서, 구체적으로는 비닐기, 알릴기, 부테닐기, 펜테닐기, 헥세닐기 또는 헵테닐기 등일 수 있다.
상기 부가경화성 실리콘 조성물에서, (2) 오르가노폴리실록산은 상기 (1) 오르가노폴리실록산을 가교시키는 역할을 수행할 수 있다. 상기 (2) 오르가노폴리실록산에서, 수소원자의 결합 위치는 특별히 한정되지 않으며, 예를 들면, 분자쇄의 말단 및/또는 측쇄에 결합되어 있을 수 있다. 또한, 상기 (2) 오르가노폴리실록산에서, 상기 규소결합 수소원자 외에 포함될 수 있는 치환기의 종류는 특별히 한정되지 않으며, 예를 들면, (1) 오르가노폴리실록산에서 언급한 바와 같은, 알킬기, 아릴기, 아랄킬기 또는 할로겐 치환 알킬기 등을 들 수 있고, 이 중 통상 메틸기 또는 페닐기가 적용되지만, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 (2) 오르가노폴리실록산의 분자 구조는 특별히 한정되지 않고, 예를 들면, 직쇄상, 분지상, 고리상, 망상 또는 일부가 분지상을 이루는 직쇄상 등과 같이, 어떠한 형상이라도 가질 수 있다. 상기와 같은 분자 구조 중 통상 직쇄상의 분자 구조를 가지는 것이 적용되지만, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 (2) 오르가노폴리실록산의 보다 구체적인 예로는, 분자쇄 양말단 트리메틸실록산기 봉쇄 메틸하이드로젠폴리실록산, 분자쇄 양말단 트리메틸실록산기 봉쇄 디메틸실록산-메틸하이드로젠 공중합체, 분자쇄 양말단 트리메틸실록산기 봉쇄 디메틸실록산-메틸하이드로젠실록산-메틸페닐실록산 공중합체, 분자쇄 양말단 디메틸하이드로젠실록산기 봉쇄 디메틸폴리실록산, 분자쇄 양말단 디메틸하이드로젠실록산기 봉쇄 디메틸실록산-메틸페닐실록산 공중합체, 분자쇄 양말단 디메틸하이드로젠실록산기 봉쇄 메틸페닐폴리실록산, R1 3SiO1/2로 표시되는 실록산 단위와 R1 2HSiO1/2로 표시되는 실록산 단위와 SiO4/2로 표시되는 실록산 단위를 포함하는 오르가노폴리실록산 공중합체, R1 2HSiO1/2로 표시되는 실록산 단위와 SiO4/2로 표시되는 실록산 단위를 포함하는 오르가노폴리실록산 공중합체, R1HSiO2/2로 표시되는 실록산 단위와 R1SiO3/2로 표시되는 실록산 단위 또는 HSiO3/2로 표시되는 실록산 단위를 포함하는 오르가노폴리실록산 공중합체 및 상기 중 2 이상의 혼합물을 들 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기에서, R1은 알케닐기 외의 탄화수소기로서, 구체적으로는 메틸기, 에틸기, 프로필기, 부틸기, 펜틸기, 헥실기 또는 헵틸기 등의 알킬기; 페닐기, 톨릴기, 크실릴기 또는 나프틸기 등의 아릴기; 벤질기 또는 페넨틸기 등의 아랄킬기; 클로로메틸기, 3-클로로프로필기 또는 3,3,3-트리플루오로프로필기 등의 할로겐 치환 알킬기 등일 수 있다.
상기 (2) 오르가노폴리실록산의 함량은, 적절한 경화가 이루어질 수 있을 정도로 포함된다면 특별히 한정되지 않는다. 예를 들면, 상기 (2) 오르가노폴리실록산은, 전술한 (1) 오르가노폴리실록산에 포함되는 알케닐기 하나에 대하여, 규소결합 수소원자가 0.5 내지 10개가 되는 양으로 포함될 수 있다. 이러한 범위에서 경화를 충분하게 진행시키고, 내열성을 확보할 수 있다.
상기 부가경화성 실리콘 조성물은, 경화를 위한 촉매로서, 백금 또는 백금 화합물을 추가로 포함할 수 있다. 이와 같은, 백금 또는 백금 화합물의 구체적인 종류는 특별한 제한은 없다. 촉매의 비율도 적절한 경화가 이루어질 수 있는 수준으로 조절되면 된다.
상기 부가경화성 실리콘 조성물은, 저장 안정성, 취급성 및 작업성 향상의 관점에서 필요한 적절한 첨가제를 적정 비율로 또한 포함할 수도 있다.
다른 예시에서 상기 실리콘 조성물은, 축합경화성 실리콘 조성물로서, 예를 들면 (a) 알콕시기 함유 실록산 폴리머; 및 (b) 수산기 함유 실록산 폴리머를 포함할 수 있다.
상기 (a) 실록산 폴리머는, 예를 들면, 하기 화학식 I로 표시되는 화합물일 수 있다.
[화학식 I]
R1 aR2 bSiOc(OR3)d
화학식 I에서 R1 및 R2는, 각각 독립적으로, 수소 원자 또는 치환 또는 비치환된 1가 탄화수소기를 나타내고, R3은 알킬기를 나타내며, R1, R2 및 R3가 각각 복수개 존재하는 경우에는 서로 동일하거나 상이할 수 있고, a 및 b는 각각 독립적으로 0 이상, 1 미만의 수를 나타내고, a+b는 0 초과, 2 미만의 수를 나타내며, c는 0 초과, 2 미만의 수를 나타내고, d는 0 초과, 4 미만의 수를 나타내며, a+b+c×2+d는 4이다.
화학식 I의 정의에서, 1가 탄화수소는, 예를 들면, 탄소수 1 내지 8의 알킬기, 페닐기, 벤질기 또는 톨릴기 등일 수 있고, 이 때 탄소수 1 내지 8의 알킬기로서는, 메틸기, 에틸기, 프로필기, 이소프로필기, 부틸기, 펜틸기, 헥실기, 헵틸기 또는 옥틸기 등일 수 있다. 또한, 화학식 1의 정의에서, 1가 탄화수소기는, 예를 들면, 할로겐, 아미노기, 머캅토기, 이소시아네이트기, 글리시딜기, 글리시독시기 또는 우레이도기 등의 공지의 치환기로 치환되어 있을 수 있다.
화학식 I의 정의에서, R3의 알킬기의 예로는, 메틸기, 에틸기, 프로필기, 이소프로필기 또는 부틸기 등을 들 수 있다. 알킬기 중에서, 메틸기 또는 에틸기 등이 통상 적용되지만, 이에 제한되는 것은 아니다.
화학식 I의 폴리머 중 분지상 또는 3차 가교된 실록산 폴리머를 사용할 수 있다. 또한, 이 (a) 실록산 폴리머에는, 목적을 손상시키지 않는 범위 내에서, 구체적으로는 탈알코올 반응을 저해하지 않는 범위 내에서 수산기가 잔존하고 있을 수 있다.
상기 (a) 실록산 폴리머는, 예를 들면, 다관능의 알콕시실란 또는 다관능 클로로 실란 등을 가수분해 및 축합시킴으로써 제조할 수 있다. 이 분야의 평균적 기술자는, 목적하는 (a) 실록산 폴리머에 따라 적절한 다관능 알콕시실란 또는 클로로 실란을 용이하게 선택할 수 있으며, 그를 사용한 가수분해 및 축합 반응의 조건 또한 용이하게 제어할 수 있다. 한편, 상기 (a) 실록산 폴리머의 제조 시에는, 목적에 따라서, 적절한 1관능의 알콕시 실란을 병용 사용할 수도 있다.
상기 (a) 실록산 폴리머로는, 예를 들면, 신에쯔 실리콘사의 X40-9220 또는 X40-9225, GE 토레이 실리콘사의 XR31-B1410, XR31-B0270 또는 XR31-B2733 등과 같은, 시판되고 있는 오르가노실록산 폴리머를 사용할 수 있다.
상기 축합경화성 실리콘 조성물에 포함되는, (b) 수산기 함유 실록산 폴리머로는, 예를 들면, 하기 화학식 II로 나타나는 화합물을 사용할 수 있다.
[화학식 II]
Figure 112021087128317-pat00001
화학식 II에서, R4 및 R5은 각각 독립적으로, 수소원자 또는 치환 또는 비치환된 1가의 탄화수소기를 나타내고, R5 및 R6이 각각 복수 존재하는 경우에는, 상기는 서로 동일하거나, 상이할 수 있으며, n은 5 내지 2,000의 정수를 나타낸다.
화학식 II의 정의에서, 1가 탄화수소기의 구체적인 종류로는, 예를 들면, 상기 화학식 I의 경우와 동일한 탄화수소기를 들 수 있다.
상기 (b) 실록산 폴리머는, 예를 들면, 디알콕시실란 및/또는 디클로로 실란 등을 가수분해 및 축합시킴으로써 제조할 수 있다. 이 분야의 평균적 기술자는, 목적하는 (b) 실록산 폴리머에 따라 적절한 디알콕시 실란 또는 디클로로 실란을 용이하게 선택할 수 있으며, 그를 사용한 가수분해 및 축합 반응의 조건 또한 용이하게 제어할 수 있다. 상기와 같은 (b) 실록산 폴리머로는, 예를 들면, GE 토레이 실리콘사의 XC96-723, YF-3800, YF-3804 등과 같은, 시판되고 있는 2관능 오르가노실록산 폴리머를 사용할 수 있다.
위에 기술한 부가 경화형 혹은 축합 경화형 실리콘 조성물은 본 출원에서 적용되는 실리콘 점착제 또는 접착제를 형성하기 위한 재료의 하나의 예시이다. 즉, 기본적으로 업계에서 OCA 또는 OCR 등으로 알려진 시릴콘 점착제 또는 접착제가 모두 본 출원에서 적용될 수 있다.
상기 점착제 또는 접착제 혹은 그를 형성하는 경화성 조성물의 유형은 특별히 제한되지 않고, 목적하는 용도에 따라 적절히 선택될 수 있다. 예를 들면, 고상, 반고상 또는 액상의 점착제 또는 접착제 또는 경화성 조성물이 사용될 수 있다. 고상 또는 반고상의 점착제 또는 접착제 또는 경화성 조성물은 접착 대상이 합착되기 전에 경화될 수 있다. 액상의 점착제 또는 접착제 또는 경화성 조성물은, 소위 광학 투명 레진(OCR; Optical Clear Resin)으로 호칭되고, 접착 대상이 합착된 후에 경화될 수 있다. 일 예시에 따르면 상기 점착제 또는 접착제 또는 경화성 조성물로서는, 소위 폴리디메틸실록산계(Polydimethyl siloxane-based) 점착제 또는 접착제 또는 경화성 조성물 또는 폴리메틸비닐실록산계(Polymethylvinyl siloxane-based) 점착제 또는 접착제 또는 경화성 조성물 또는 알콕시실리콘계(Alkoxy silicone-based) 점착제 또는 접착제 또는 경화성 조성물 등을 사용할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 실리콘 점착제층 또는 접착제층에는 특정한 규소 화합물이 포함된다. 상기 규소 화합물로는, 하기 화학식 1의 치환기를 3개 이상 가지는 화합물이 적용될 수 있다. 이러한 화합물은, 실리콘 점착제층 또는 접착제층의 표면 특성 등을 제어하여 액정 화합물의 배향을 효과적으로 형성 및 유지할 수 있고, 이러한 배향이 고온 조건에서도 안정적으로 유지되도록 할 수 있다.
[화학식 1]
Figure 112021087128317-pat00002
화학식 1에서 R1 내지 R3는 각각 독립적으로 수소 원자 또는 알킬기이되, R1 내지 R3 중 적어도 2개는 알킬기일 수 있다. 또한, 화학식 1에서 *는 해당 부위가 연결되는 것을 의미한다.
화학식 1에서 알킬기는 탄소수 1 내지 20, 탄소수 1 내지 16, 탄소수 1 내지 12, 탄소수 1 내지 8 또는 탄소수 1 내지 4의 직쇄형, 분지쇄형 또는 고리형의 알킬기일 수 있다. 이러한 알킬기는 임의로 하나 이상의 치환기에 의해 치환되어 있거나, 혹은 비치환의 알킬기일 수 있다.
하나의 예시에서 상기 화학식 1의 알킬기는 탄소수 1 내지 20, 탄소수 1 내지 16, 탄소수 1 내지 12, 탄소수 1 내지 8 또는 탄소수 1 내지 4의 직쇄형 또는 분지쇄형 알킬기이거나, 직쇄형 알킬기일 수 있다.
일 예시에서 화학식 1의 R1 내지 R3 중 어느 하나는 수소 원자이고, 나머지 2개는 상기 알킬기일 수 있다. 또한, 일 예시에서 상기 화학식 1의 R1 내지 R3 중 어느 하나는 수소 원자이고, 나머지 2개는 탄소수 1 내지 20, 탄소수 1 내지 16, 탄소수 1 내지 12, 탄소수 1 내지 8 또는 탄소수 1 내지 4의 직쇄형 또는 분지쇄형 알킬기이거나, 직쇄형 알킬기일 수 있으며, 이러한 알킬기는 임의로 하나 이상의 치환기로 치환되어 있거나, 비치환 알킬기일 수 있다.
상기 화학식 1의 치환기를 3개 이상 가지는 화합물은 상기 화학식 1의 치환기를 3개 내지 10개, 3개 내지 9개, 3개 내지 8개, 3개 내지 7개, 3개 내지 6개, 3개 내지 5개 또는 3개 내지 4개 포함할 수 있다.
상기 화합물로는 상기 화학식 1의 치환기를 포함하는 다양한 종류의 화합물이 적용될 수 있으며, 그 하나의 예시는 하기 화학식 2로 표시되는 화합물이다.
[화학식 2]
Figure 112021087128317-pat00003
화학식 2에서 R4 내지 R7은 각각 독립적으로 수소, 알킬기 또는 상기 화학식 1의 치환기이되, R4 내지 R7 중 3개 이상 또는 모두는 상기 화학식 1의 치환기이다.
화학식 2에서 알킬기는 탄소수 1 내지 20, 탄소수 1 내지 16, 탄소수 1 내지 12, 탄소수 1 내지 8 또는 탄소수 1 내지 4의 직쇄형, 분지쇄형 또는 고리형의 알킬기일 수 있다. 이러한 알킬기는 임의로 하나 이상의 치환기에 의해 치환되어 있거나, 혹은 비치환의 알킬기일 수 있다.
하나의 예시에서 상기 화학식 2의 알킬기는 탄소수 1 내지 20, 탄소수 1 내지 16, 탄소수 1 내지 12, 탄소수 1 내지 8 또는 탄소수 1 내지 4의 직쇄형 또는 분지쇄형 알킬기이거나, 직쇄형 알킬기일 수 있다.
실리콘 점착제층 또는 접착제층 내에서 상기 화학식 1의 치환기를 3개 이상 가지는 화합물(규소 화합물)의 비율에는 특별한 제한은 없지만, 상기 비율은, 1 내지 50 중량%의 범위 내에서 조절될 수 있다. 상기 비율은 다른 예시에서 2중량% 이상, 3중량% 이상, 4중량% 이상, 5중량% 이상, 6중량% 이상, 7중량% 이상, 8중량% 이상, 9중량% 이상, 10중량% 이상, 11중량% 이상, 12중량% 이상, 13중량% 이상, 14중량% 이상 또는 15중량% 이상이거나, 49중량% 이하, 48중량% 이하, 47중량% 이하, 46중량% 이하, 45중량% 이하, 44중량% 이하, 43중량% 이하, 42중량% 이하, 41중량% 이하, 30중량% 이하, 39중량% 이하, 38중량% 이하, 37중량% 이하, 36중량% 이하, 35중량% 이하, 34중량% 이하, 33중량% 이하, 32중량% 이하, 31중량% 이하, 30중량% 이하, 29중량% 이하, 28중량% 이하, 27중량% 이하, 26중량% 이하, 25중량% 이하, 24중량% 이하, 23중량% 이하, 22중량% 이하, 21중량% 이하, 20중량% 이하, 19중량% 이하, 18중량% 이하, 17중량% 이하, 16중량% 이하, 15중량% 이하, 14중량% 이하, 13중량% 이하, 12중량% 이하, 11중량% 이하 또는 10중량% 이하 정도일 수도 있다. 상기 비율 범위에서 목적하는 액정 화합물의 배향성 및 고온 안정성을 보다 효과적으로 확보할 수 있다.
일 예시에서 상기 화학식 1의 치환기를 가지는 화합물(규소 화합물)은, 하기 수식 1에 따른 K값이 2μm 이상이 되도록 선택 및 적용될 수 있다.
[수식 1]
K = A×B×D
수식 1에서 A는 하기 수식 2에 의해 정해지는 값이고, B는 화학식 1의 치환기를 3개 이상 가지는 화합물(규소 화합물)이 포함하는 상기 화학식 1의 치환기의 수이며, D는 실리콘 점착제층 또는 접착제층의 두께이다. 상기에서 실리콘 점착제층 또는 접착제층의 두께(D)의 단위는 μm이다.
[수식 2]
A = S/(S+O)
수식 2에서 S는 실리콘 점착제층 또는 접착제층에 포함된 화학식 1의 치환기를 3개 이상 가지는 화합물(규소 화합물)의 무게이고, O는 상기 화학식 1의 치환기를 3개 이상 가지는 화합물을 제외한 상기 점착제층 또는 접착제층의 무게이다. 상기 S 및 O의 무게의 단위는 서로 동일하다면 다양한 단위가 사용될 수 있지만, 일반적으로는 g이 적용된다.
상기 수식 1의 K값은 다른 예시에서 2.5 이상 또는 3 이상이거나, 10 이하, 9 이하, 8 이하, 7 이하, 6 이하, 5 이하 또는 4.5 이하 정도일 수 있다. 이러한 범위 내에서 목적하는 액정 화합물의 배향과 고온 배향 안정성이 보다 안정적으로 확보될 수 있다.
상기 수식 1에서 A는, 예를 들면, 0.01 내지 0.5의 범위 내에 있을 수 있다. 상기 A는 다른 예시에서 0.02 이상, 0.03 이상, 0.04 이상, 0.05 이상, 0.06 이상, 0.07 이상, 0.08 이상, 0.09 이상, 0.10 이상, 0.11 이상, 0.12 이상, 0.13 이상, 0.14 이상 또는 0.15 이상이거나, 0.49 이하, 0.48 이하, 0.47 이하, 0.46 이하, 0.45 이하, 0.44 이하, 0.43 이하, 0.42 이하, 0.41 이하, 0.30 이하, 0.39 이하, 0.38 이하, 0.37 이하, 0.36 이하, 0.35 이하, 0.34 이하, 0.33 이하, 0.32 이하, 0.31 이하, 0.30 이하, 0.29 이하, 0.28 이하, 0.27 이하, 0.26 이하, 0.25 이하, 0.24 이하, 0.23 이하, 0.22 이하, 0.21 이하, 0.20 이하, 0.19 이하, 0.18 이하, 0.17 이하, 0.16 이하, 0.15 이하, 0.14 이하, 0.13 이하, 0.12 이하, 0.11 이하 또는 0.10 이하 정도일 수도 있다. 상기 비율 범위에서 목적하는 액정 화합물의 배향성 및 고온 안정성을 보다 효과적으로 확보할 수 있다. 이러한 범위 내에서 목적하는 액정 화합물의 배향과 고온 배향 안정성이 보다 안정적으로 확보될 수 있다.
상기 수식 1의 D, 즉 상기 실리콘 점착제층 또는 접착제층의 두께는, 예를 들면, 0.5μm 내지 50μm의 범위 내에 있을 수 있다. 상기 두께(d, cell gap)는, 다른 예시에서 1 μm 이상, 1.5 μm 이상, 2 μm 이상, 2.5 μm 이상, 3 μm 이상 또는 3.5 μm 이상, 4 μm 이상, 4.5 μm 이상, 5 μm 이상, 5.5 μm 이상, 6 μm 이상, 6.5 μm 이상, 7 μm 이상, 7.5 μm 이상, 8 μm 이상, 8.5 μm 이상, 9 μm 이상, 9.5 μm 이상 또는 10 μm 이상이거나, 48 μm 이하, 46μm 이하, 44μm 이하, 42μm 이하, 30μm 이하, 38μm 이하, 36μm 이하, 34μm 이하, 32μm 이하, 30μm 이하, 28μm 이하, 26μm 이하, 24μm 이하, 22μm 이하, 20μm 이하, 18μm 이하, 16μm 이하, 14μm 이하, 12 μm 이하 또는 10 μm 이하 정도일 수도 있다. 이러한 범위 내에서 목적하는 액정 화합물의 배향과 고온 배향 안정성이 보다 안정적으로 확보될 수 있다.
제 1 기판의 제 1 표면에 상기와 같은 점착제층 또는 접착제층이 형성되는 경우에, 제 1 기판에는 액정 배향막은 형성되지 않을 수 있다.
광변조 디바이스에서 제 2 기판의 제 1 표면상에 형성될 수 있는 액정 배향막의 종류에는 특별한 제한은 없다. 상기 배향막으로는 목적하는 초기 배향 등을 고려하여 공지의 수직 혹은 수평 배향막이나 기타 배향막을 적용할 수 있다. 배향막의 유형도 러빙 배향막과 같은 접촉식 배향막이나, 광배향막과 같은 비접촉식 배향막이 적용될 수 있다. 하나의 예시에서 상기 배향막으로는 수직 배향막을 사용할 수 있다. 예를 들어, 수직 배향막과 전술한 점착제층 또는 접착제층의 조합은 다양한 용도에 적합한 액정 화합물의 배향 상태를 유도할 수 있다.
광변조층인 액정층에서 상기 액정 배향막 및/또는 점착제층 또는 접착제층과 액정 배향막에 의해 형성되는, 액정 화합물의 초기 배향은, 수직 배향, 수평 배향, 경사 배향 또는 스프레이 배향일 수 있다. 또한, 상기 수직 배향, 수평 배향, 경사 배향 상태 또는 스프레이 배향 상태에서 액정 화합물은 트위스티드되어 상기 트위스티드 배향 또는 콜레스테릭 배향 상태로 존재하거나, 그렇지 않을 수도 있다. 상기 초기 배향은, 전술한 초기 상태에서의 액정 화합물의 배향을 의미한다.
상기 수평 배향, 경사 배향, 수직 배향 또는 스프레이 배향의 의미는 업계에서 공지된 바와 같다. 광변조층의 액정 화합물은 초기 상태에서 상기 수평 배향, 경사 배향, 수직 배향 또는 스프레이 배향의 상태를 유지하다가, 외부 신호에 따라서 그와는 다른 배향 상태로 변경될 수 있다.
하나의 예시에서 상기 광변조층에서의 액정 화합물의 초기 배향은 수직 배향 또는 수직 배향과 유사한 배향 상태이고, 외부 신호 인가 시에 상기 트위스티드 배향이 구현될 수 있다. 이러한 배향 상태는 상기 액정 배향막으로서 수직 배향막을 적용함으로써 얻어진다. 이와 같은 배향은 소위 R-TN(Reversed Twisted Nematic) 배향을 구현하는 소자에서 유용하다.
상기 수직 배향 또는 수직 배향과 유사한 배향 상태에서 광변조층의 면내 위상차(550 nm 파장 기준)는, 예를 들면, 약 30 nm 이하, 25 nm 이하, 20 nm 이하, 15 nm 이하, 10 nm 이하 또는 5 nm 이하이거나, 0 nm 이상 또는 0 nm 초과일 수 있다.
상기 면내 위상차는, 상기 수식 A에 따라서 구해지고, 이 경우 수식 A에서 nx, ny 및 d는 각각 광변조층의 지상축 방향 굴절률, 진상축 방향 굴절률 및 두께이다.
광변조 디바이스는, 상기 제 1 및 제 2 기판의 간격(spacer)을 유지하는 스페이서를 추가로 포함할 수 있다. 스페이서로는 통상적으로 적용되는 스페이서로서, 볼 스페이서, 컬럼 스페이서 또는 격벽형 스페이서 또는 상기 중 2종 이상의 조합이 적용될 수 있다. 적절한 예시에서 상기 스페이서로는 상기 격벽형 스페이서가 사용될 수 있으며, 특히 상기 격벽들이 적어도 하나의 폐도형을 형성하고 있는 격벽형 스페이서가 적용될 수 있다. 상기 격벽형 스페이서가 형성하는 폐도형으로는 육각형(예를 들면, 정육각형 등)이나 사각형(예를 들면, 정사각형 또는 직사각형)이 예시될 수 있다. 상기 폐도형이 육각형, 특히 정육각형인 격벽형 스페이서는 소위 허니콤(honeycomb)형 스페이서로도 불리운다. 이와 같은 허니콤형 또는 사각형의 격벽형 스페이서는 공지된 바와 같이 기판상에 형성된 격벽형 스페이서의 형태를 기판의 법선 방향에서 관찰한 때에 상기 격벽형 스페이서에 의해 형성되는 도형이 허니콤형 또는 사각형인 경우를 의미한다. 상기 허니콤형은 통상 정육각형의 조합으로 되고, 사각형의 경우, 정사각형, 직사각형 또는 정사각형과 직사각형의 조합 등이 있을 수 있다. 제 1 및 제 2 기판간의 부착력을 고려하여 스페이서로는 격벽형 스페이서를 적용할 수 있지만, 이에 제한되는 것은 아니다.
스페이서의 피치 등도 목적하는 부착력이나 셀갭의 유지 효율 등을 고려하여 적절하게 선택될 수 있다. 예를 들어, 격벽형 스페이서가 적용되는 경우, 상기 격벽형 스페이서의 피치가 50μm 내지 2,000μm의 범위 내일 수 있다. 격벽형 스페이서에서 피치를 구하는 방식은 공지이다. 예를 들어, 격벽형 스페이서가 허니콤형이라면, 상기 허니콤을 이루는 육각형에서 마주보는 변들의 간격을 통해 피치를 구하고, 사각형인 경우에 사각형의 변의 길이를 통해 피치를 구한다. 상기 허니콤을 이루는 육각형에서 마주보는 변들의 간격이나, 사각형의 변의 길이가 일정하지 않은 경우에는 그들의 평균치를 피치로 규정할 수 있다.
상기 격벽형 스페이서가 폐도형을 구성하는 경우에, 예를 들면, 상기 폐도형의 면적(즉, 예를 들면, 육각형이나 사각형의 면적)은, 예를 들면, 약 1 내지 200 mm2의 범위 내일 수 있다. 격벽형 스페이서에 의해서 복수의 폐도형이 형성되고, 그 폐도형들의 면적이 각기 상이한 경우에는 상기 면적은 산술 평균치이다.
상기 격벽형 스페이서의 선폭, 예를 들면, 상기 허니콤을 이루는 육각형이나 사각형의 각 벽의 폭은, 예를 들면, 약 5μm 내지 50μm의 범위 내에 있을 수 있다. 상기 선폭은 다른 예시에서 약 10 μm 이상 또는 15 μm 이상이거나, 45 μm 이하, 40 μm 이하, 35 μm 이하, 30 μm 이하, 25 μm 이하 또는 20 μm 이하 정도일 수도 있다.
위와 같은 범위에서 셀갭이 적절하게 유지되고, 기판간의 부착력도 우수하게 유지할 수 있다. 예를 들어, 제 1 기판에 상기 점착제층 또는 접착제층이 형성되는 경우에 격벽형 스페이서와의 조합은 매우 탁월한 기판간의 접착력을 부여할 수 있다.
상기 광변조 디바이스의 각 기판에는 광변조층에 외부 신호를 인가하기 위한 구성요소로서, 전극층이 형성되어 있을 수 있다. 예를 들면, 제 1 기판에서 제 1 표면과 상기 기능성층(액정 배향막, 점착제 또는 접착제층의 사이(도 2에서 100과 1001의 사이)) 및/또는 제 2 기판에서 제 1 표면과 액정 배향막의 사이(도 2에서 200과 2001의 사이)(스페이서가 존재하는 경우, 스페이서 및 배향막의 사이)에는 전극층이 존재할 수 있다. 제 2 기판의 경우, 제 1 표면에 우선 전극층을 형성하고, 그 상부에 스페이서 및 배향막을 순차 형성하는 것이 일반적이기 때문에 스페이서가 존재하는 경우, 전극층은 제 2 기판의 제 1 표면과 스페이서 및 배향막의 사이에 위치할 수 있다.
전극층으로는, 공지의 투명 전극층이 적용될 수 있는데, 예를 들면, 소위 전도성 고분자층, 전도성 금속층, 전도성 나노와이어층 또는 ITO(Indium Tin Oxide) 등의 금속 산화물층이 상기 전극층으로 사용될 수 있다. 이외에도 투명 전극층을 형성할 수 있는 다양한 소재 및 형성 방법이 공지되어 있고, 이를 제한없이 적용할 수 있다.
광변조 디바이스는 상기 광변조 디바이스를 기본적으로 포함하면서, 필요에 따라서 추가의 다른 구성을 포함할 수도 있다. 즉, 구동 모드에 따라서는 상기 광변조 디바이스 단독으로도 전술한 투과, 차단, 고반사 및/또는 저반사 모드의 구현 및 그들간의 스위칭이 가능하지만, 이러한 모드의 구현 내지 스위칭을 용이하게 하기 위해서 추가적인 구성의 포함도 가능하다.
예를 들면, 상기 디바이스는, 상기 광변조 디바이스의 일측 또는 양측에 배치된 편광층(수동 편광층)를 추가로 포함할 수 있다. 도 3은 상기 구조의 예시로서, 도 2의 구조에서 광변조 디바이스의 일면에만 편광층(400)이 배치된 경우이고, 도 4는 도 2의 구조에서 광변조 디바이스의 양면에 편광층(400)이 배치된 경우이다. 또한, 스페이서로서 상기 격벽형 스페이서가 적용되고, 그 형태가 사각형(정사각형 또는 직사각형)인 경우에 상기 사각형의 변과 상기 편광층의 흡수축은 서로 실질적으로 수직 또는 수평을 이루도록 배치되는 것이 적절하다.
용어 편광층은 자연광 내지 비편광을 편광으로 변화시키는 소자를 의미할 수 있다. 하나의 예시에서, 상기 편광층은 선 편광층일 수 있다. 선편광층은 선택적으로 투과하는 광이 어느 하나의 방향으로 진동하는 선 편광이고 선택적으로 흡수 또는 반사하는 광이 상기 선편광의 진동 방향과 직교하는 방향으로 진동하는 선편광인 경우를 의미한다. 즉, 상기 선 편광층은 면 방향으로 서로 직교하는 투과축 및 흡수축 내지 반사축을 가질 수 있다.
상기 편광층은 흡수형 편광층 또는 반사형 편광층일 수 있다. 상기 흡수형 편광층으로는, 예를 들어, PVA(poly(vinyl alcohol)) 연신 필름 등과 같은 고분자 연신 필름에 요오드를 염착한 편광층 또는 배향된 상태로 중합된 액정을 호스트로 하고, 상기 액정의 배향에 따라 배열된 이색성 염료를 게스트로 하는 게스트-호스트형 편광층을 사용할 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 반사형 편광층으로는, 예를 들면, 소위 DBEF(Dual Brightness Enhancement Film)으로 공지되어 있는 반사형 편광층이나 LLC(Lyotropic liquid crystal)과 같은 액정 화합물을 코팅하여 형성되는 반사형 편광층을 사용할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
도 4와 같이 광변조 디바이스의 양측 모두에 상기 편광층이 배치된 구조일 수도 있다. 이러한 경우에 상기 양측에 배치된 편광층의 투과축이 이루는 각도는 85도 내지 95도의 범위 내 또는 대략 수직일 수 있다.
일 예시에서 상기 광학 디바이스는 편광층을 포함하지 않고, 구성될 수도 있다. 예를 들면, 상기 액정층에 추가 성분으로서 이색성 염료를 배합한 후에 편광층을 적용하지 않고, 광학 디바이스가 구성될 수도 있다.
광변조 디바이스는 상기 구성에 추가로 필요한 다른 구성을 포함할 수 있다.
예를 들면, 광변조 디바이스는, 하기 수식 3의 굴절률 관계를 만족하는 광학 이방성 필름을 추가로 포함할 수 있다. 이러한 필름은, 기판이나, 광변조층을 광학적으로 보상하여 상기 다바이스의 성능을 보다 개선할 수 있다.
[수식 3]
nz < ny
수식 3에서 ny는 광학 이방성 필름의 진상축 방향의 550 nm 파장에 대한 굴절률이고, nz는 광학 이방성 필름의 두께 방향의 550 nm 파장에 대한 굴절률이다.
상기 수식 3의 관계를 만족하는 광학 이방성 필름은 소위 네거티브(Negative) C 플레이트의 성질을 나타내는 필름이다.
이러한 광학 이방성 필름의 두께 방향 위상차는 예를 들면, 550 nm 파장을 기준으로 0 nm 미만에서 -600 nm 이상의 범위 내일 수 있다. 상기 광학 이방성 필름은, 광학 디바이스 내에 1층 또는 2층 이상 존재할 수도 있는데, 상기 두께 방향 위상차는, 광학 이방성 필름이 1층 존재하는 경우에는 그 1층의 필름의 두께 방향 위상차이고, 2층 이상 복수 존재하는 경우에는 모든 필름의 두께 방향 위상차의 합계이다.
또한, 상기 두께 방향 위상차는 하기 수식 4에 의해 정해지는 물리량이다.
[수식 4]
Rth = d × (nz - ny)
수식 4에서 Rth는 두께 방향 위상차이고, nz는 필름의 두께 방향 굴절률이며, ny는 필름의 진상축 방향 굴절률이고, d는 필름의 두께이다. 상기에서 두께 방향과 진상축의 의미는 업계에서 공지되어 있다.
상기 광학 이방성 필름으로는, 공지된 위상차 필름으로서, 상기 수식 3을 만족하는 필름을 적용할 수 있으며, 업계에서는 이러한 종류의 필름으로서, 예를 들면, 연신 고분자 필름이나 액정 필름 등이 다양하게 알려져 있다.
상기 광학 이방성 필름은, 제 1 및/또는 제 2 기판에 존재할 수 있는데, 예를 들면, 제 1 및/또는 제 2 기판의 제 1 표면상에 형성될 수 있다. 이 때 광학 이방성 필름은, 제 1 및/또는 2 기판과 광변조층의 사이에 존재할 수 있으며, 상기 제 1 표면상에 액정 배향막이나 상기 점착제층 또는 접착제층(액정 배향막 등)이 형성되는 경우에는 제 1 및/또는 2 기판과 상기 액정 배향막 등의 사이에 형성될 수 있고, 상기 제 1 표면상에 전극층이 형성되는경우에는 제 1 및/또는 제 2 기판과 상기 전극층의 사이에 형성될 수도 있다.
광변조 디바이스는 상기 구성 외에도 필요한 경우에 다른 구성을 포함할 수도 있다. 예를 들면, 상기 제 1 기판의 제 1 표면상에 형성되는 점착제층 또는 접착제층 외에 다른 구성 요소를 부착시키기 위한 점착제층이나 접착제층, 하드코팅 필름, 반사 방지 필름 및/또는 NIR(Near-Infrared) 차단(cut)층 등과 같이 광변조 디바이스의 구동 내지 사용에 필요한 임의의 다른 구성이 추가될 수 있다.
상기 광변조 디바이스를 제조하는 방식은 특별히 제한되지 않으며, 각 구성 요소로서 상기 요소가 적용되는 것 외에는 공지의 방식을 통해 상기 디바이스를 제조할 수 있다.
이러한 광학 디바이스는 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.
본 출원에서는, 오토클레이브 공정 등과 같이 압력이 가해지는 캡슐화 공정 후에도 설계된 광학 특성을 안정적으로 유지할 수 있는 광변조 디바이스, 광학 디바이스 또는 그 제조 방법을 제공할 수 있다. 또한, 본 출원에서는 상하 기판간의 접착력을 효과적으로 확보하면서, 광변조층의 배향 상태도 안정적으로 유지할 수 있는 광변조 디바이스, 그를 포함하는 광학 디바이스 또는 그 제조 방법을 제공할 수 있다.
도 1은 투과율 T1 및 T2를 측정하는 과정을 보여주는 도면이다.
도 2 내지 4는 본 출원의 예시적인 광변조 디바이스의 모식도이다.
도 5는 실시예 1의 광변조 디바이스의 고온 배향 안정성을 평가한 결과이다.
도 6은 비교예 1의 광변조 디바이스의 고온 배향 안정성을 평가한 결과이다.
이하 실시예를 통하여 본 출원을 구체적으로 설명하지만, 본 출원의 범위가 하기 실시예에 의해 제한되는 것은 아니다.
1. 투과율 T 1 및 T 2 의 측정
실시예 또는 비교예에서 제조된 광변조 디바이스에 대해서 투과율 T1 및 T2를 측정하였다. 이 때 측정에 적용된 광변조 디바이스는, 제 1 및 제 2 기판의 제 2 표면에 PVA(poly(vinyl alcohol)) 편광층을 부착하기 전의 디바이스이다. 또한, 실시예 또는 비교예의 광변조 디바이스는, 초기 배향이 수직 배향이 되도록 구성한 디바이스이기 때문에, 별도의 전원을 인가하지 않고, 투과율 T1 및 T2를 측정하였다.
올림푸스 BX51 편광 현미경에서 내장된 편광자의 광 흡수축이 서로 직교하도록 설정하고, 현미경의 메탈 할라이드 광원을 킨 후에 Linkam LTS420 hot stage를 현미경 스테이지상에 설치하였다. 상기 Linkam LTS420 hot stage상에 샘플(상기 광변조 디바이스)을 위치시켰다. 이 때 광변조 디바이스의 기판의 지상축은 BX51 편광 현미경에 내장된 편광자 중 하나의 편광자의 광흡수축과 평행하도록 하였다. 상기 상태에서 투과율 T1을 측정하였다. 투과율은 StellarNet사의 Blue-Wave, UVN 분광기를 현미경에 설치하여 측정하였고, 측정 파장은 가시광 파장 범위(약 380 nm 내지 770 nm)로 설정하였다.
투과율 T1을 측정한 후에 상기 Linkam LTS420 hot stage의 온도를 100℃로 설정하고, 그 상태에서 5분간 유지하였다.
상기 고온 조건에서 유지한 후에 투과율 T1과 동일한 방법으로 투과율 T2를 측정하였다. 단, 투과율 T2는 Linkam LTS420 hot stage를 사용하여 100℃에서 5분간 유지 직후 온도를 그대로 유지한 상태에서 측정하였다.
2. 위상차 평가
필름의 면내 위상차 값(Rin)은 Agilent사의 UV/VIS spectroscope 8453 장비를 이용하여 550nm 파장의 광에 대하여 측정하였다. UV/VIS spectroscope에 2장의 편광자를 투과축이 서로 직교하도록 설치하고, 상기 2장의 편광자 사이에 고분자 필름의 지상축이 2장의 편광자의 투과축과 각각 45도를 이루도록 설치한 후, 파장에 따른 투과도를 측정하였다. 파장에 따른 투과도 그래프에서 각 피크(peak)들의 위상 지연 차수(Phase retardation order)를 구한다. 구체적으로, 파장에 따른 투과도 그래프에서 파형은 하기 수식 A를 만족하고, 사인(Sine) 파형에서 최대 피크(Tmax) 조건은 하기 수식 B을 만족한다. 수식 A에서 λmax인 경우, 수식 A의 T와 수식 B의 T는 동일하기 때문에 수식을 전개한다. n+1, n+2 및 n+3에 대해서도 수식을 전개하고, n과 n+1 수식을 정리해서 R을 소거하여 n을 λn 및 λn+1 수식으로 정리하면, 하기 수식 C가 도출된다. 수식 A의 T와 수식 B의 T가 동일함에 근거하여 n과 λ를 알 수 있으므로 각 λn, λn+1, λn+2 및 λn+3 대해 R을 구한다. 4 포인트에 대해 파장에 따른 R값의 직선 추세선을 구하고 수식 550 nm에 대한 R 값을 산정한다. 직선 추세선의 함수는 Y=ax+b이고, a 및 b는 상수이다. 상기 함수의 x에 550nm를 대입했을 때의 Y 값이 550nm파장의 광에 대한 Rin 값이다.
[수식 A]
T = sin2[(2πR/λ)]
[수식 B]
T = sin2[((2n+1)π/2)]
[수식 C]
n = (λn -3λn+1)/(2λn+1 +1-2λn)
상기에서 R은 면내 위상차(Rin)를 의미하고, λ는 파장을 의미하고, n은 사인파형의 꼭지 차수를 의미한다.
3. 두께 평가
액정층과 실리콘 점착제층의 두께는 측정 장비(F20, Filmetric사제)를 사용하여 확인하였다. 상기에서 액정층의 두께는 cell gap이고, 스페이서의 높이를 통해서 확인하였다.
실시예 1.
광변조 디바이스의 제조
광변조 디바이스의 제 1 기판으로서, 일면에 ITO(Indium Tin Oxide) 전극층이 증착되어 있는 두께 145 μm 정도의 PET(poly(ethylene terephthalate)) 필름(SKC, 고연신 PET 제품)을 사용하였다. 상기 PET 필름의 면내 위상차(550 nm)는 대략 10,000 nm 정도였다. 상기 PET 필름의 ITO 전극층 표면에 실리콘 점착제층을 형성하였다.
상기 실리콘 점착제층은, 용매인 톨루엔에 실리콘 점착제 전구체가 약 60 중량%의 고형분 농도로 용해되어 있는 실리콘 점착제 전구체 용액(Shin-Etsu Chemical제, KR-3700)에 촉매(Shin-Etsu, CAT-PL-56) 및 하기 화학식 A의 화합물을 첨가하여 제조한 점착제 용액을 상기 ITO층상에 바 코팅하고, 약 150℃ 정도에서 5분 동안 유지하여 8 μm 정도의 두께로 형성하였다. 상기에서 실리콘 점착제 전구체, 촉매 및 화학식 A의 화합물의 중량 비율(전구체(용매 제외):촉매:화학식 A의 화합물)은 60:0.5:6.7이다.
상기 점착제 용액 내에서 실리콘 점착제 전구체(Shin-Etsu Chemical제, KR-3700), 촉매(Shin-Etsu, CAT-PL-56) 및 화학식 A의 화합물의 중량 비율은 약 60:0.5:6.7이기 때문에, 형성된 점착제층 내에서 하기 수식 2에 따른 A값은 약 0.1이다.
제 2 기판으로서, 제 1 표면에 ITO(Indium Tin Oxide)층이 증착되어 있는 두께 80 μm 정도의 PET(poly(ethylene terephthalate)) 필름(Toyobo제, SRF 제품)을 사용하였다. 상기 PET 필름의 면내 위상차(550 nm)는 대략 9,000 정도였다. 상기 PET 필름의 ITO층상에 사각형의 격벽형 스페이서로서, 피치가 약 350 μm 정도이고, 선폭이 약 10 μm 정도이며, 높이가 6μm 정도인 격벽형 스페이서를 약 9%의 면적비(전체 기판 면적 중 스페이서가 차지하는 면적의 비율)로 형성하였다. 상기 스페이서상에 수직 배향막(5661LB3, Nissan社)을 형성하였다. 상기 배향막은 상기 배향막 재료(5661LB3, Nissan社)를 용매에 약 2.2중량%의 고형분을 가지도록 희석하고, #2 바코팅 후에 100℃에서 10분 정도 유지하여 형성하였다. 상기 수직 배향막은 일 방향으로 러빙 처리하여 형성하였다. 상기 러빙 방향은 제 2 기판의 지상축 방향과 수직하도록 하였다.
이어서 상기 제 2 기판의 수직 배향막의 표면에 액정 조성물을 코팅하고, 상기 제 1 기판의 점착제층을 상기 액정 조성물의 코팅된 면과 마주보도록 하여 합지하였다. 이 때 제 1 및 제 2 기판의 지상축은 서로 평행하도록 위치를 조절하였다.
상기에서 액정 조성물로는, 액정 화합물(Merck, MAT-19-1205) 및 키랄 도펀트(Merck, S811)를 포함하는 조성물을 사용하였다. 상기 키랄 도펀트의 함량은 트위스티드 배향의 피치(키랄 피치)(p)가 약 20 μm 정도가 되도록 조절하였다.
이어서 상기 제 1 및 제 2 기판의 제 2 표면에 각각 PVA(poly(vinyl alcohol)) 편광층을 부착하였다. 이 때 상기 제 2 기판에 부착된 PVA 편광층의 흡수축은 제 2 기판의 지상축과 수직하도록 하였고, 제 1 기판에 부착된 PVA 편광층의 흡수축은 제 1 기판의 지상축과 수평하도록 하였다.
[수식 2]
A = S/(S+O)
수식 2에서 S는 점착제층 내의 규소 화합물(실시예 1의 경우 화학식 A의 화합물)의 무게이고, O는 상기 규소 화합물을 제외한 점착제층의 무게이다.
[화학식 A]
Figure 112021087128317-pat00004
실시예 2.
실리콘 점착제층의 두께를 약 10 μm 정도로 형성한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 광변조 디바스를 제작하였다.
실시예 3.
수식 2의 A값이 약 0.125가 되도록 화학식 A의 화합물의 비율을 조절하고, 실리콘 점착제층의 두께가 약 6 μm 정도가 되도록 한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 광변조 디바스를 제작하였다.
실시예 4.
화학식 A의 화합물 대신 하기 화학식 B의 화합물을 적용하고, 수식 2의 A값이 약 0.15가 되도록 상기 화학식 B의 화합물의 비율을 조절하며, 실리콘 점착제층의 두께가 약 8 μm 정도가 되도록 한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 광변조 디바스를 제작하였다.
[화학식 B]
Figure 112021087128317-pat00005
비교예 1.
화학식 A의 화합물 대신 하기 화학식 C의 화합물을 적용하고, 수식 2의 A값이 약 0.15가 되도록 상기 화학식 C의 화합물의 비율을 조절하며, 실리콘 점착제층의 두께가 약 4 μm 정도가 되도록 한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 광변조 디바스를 제작하였다.
[화학식 C]
Figure 112021087128317-pat00006
비교예 2.
화학식 A의 화합물 대신 비교예 1의 화학식 C의 화합물을 적용하고, 수식 2의 A값이 약 0.15가 되도록 상기 화학식 C의 화합물의 비율을 조절하며, 실리콘 점착제층의 두께가 약 15 μm 정도가 되도록 한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 광변조 디바스를 제작하였다.
비교예 3.
화학식 A의 화합물 대신 하기 화학식 D의 화합물을 적용하고, 실리콘 점착제층의 두께가 약 5 μm 정도가 되도록 한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 광변조 디바스를 제작하였다.
[화학식 D]
Figure 112021087128317-pat00007
비교예 4.
화학식 A의 화합물 대신 비교예 3의 화학식 D의 화합물을 적용하고, 실리콘 점착제층의 두께가 약 12 μm 정도가 되도록 한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 광변조 디바스를 제작하였다.
비교예 5.
화학식 A의 화합물 대신 하기 화학식 E의 화합물을 적용하고, 실리콘 점착제층의 두께가 약 3.6 μm 정도가 되도록 한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 광변조 디바스를 제작하였다.
[화학식 E]
Figure 112021087128317-pat00008
비교예 6.
화학식 A의 화합물 대신 비교예 5의 화학식 E의 화합물을 적용하고, 실리콘 점착제층의 두께가 약 14 μm 정도가 되도록 한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 광변조 디바스를 제작하였다.
상기 실시예 및 비교예의 점착제층에 대한 K값을 하기 표 1 및 2에 정리하여 기재하였다.
실시예
1 2 3 4
A(하기 수식 2에 의해 정해짐) 0.1 0.1 0.125 0.15
D(점착제층의 두께, μm) 8 10 6 8
B(규소 화합물의 디알킬실록시기의 수) 4 4 4 3
K=A×B×D 3.2μm 4μm 3μm 3.6μm
(수식 2) A=S/(S+O)
수식 2에서 S는 점착제층 내의 규소 화합물의 무게이고, O는 상기 규소 화합물을 제외한 점착제층의 무게이다.
비교예
1 2 3 4 5 6
A(하기 수식 2에 의해 정해짐) 0.15 0.15 0.15 0.15 0.15 0.15
D(점착제층의 두께, μm) 4 15 5 12 3.6 14
B(규소 화합물의 디알킬실록시기의 수) 2 2 0 0 0 0
K=A×B×D 1.2μm 4.5μm 0μm 0μm 0μm 0μm
(수식 2) A=S/(S+O)
수식 2에서 S는 점착제층 내의 규소 화합물의 무게이고, O는 상기 규소 화합물을 제외한 점착제층의 무게이다.
상기 실시예 및 비교예의 광변조 디바이스에 대해서 상기 확인한 투과율 T1 및 T2를 하기 표 3에 정리하여 기재하였다.
실시예 비교예
1 2 3 4 1 2 3 4 5 6
투과율T1(%) 0.2 0.2 0.2 0.2 0.2 0.2 0.2 0.2 0.2 0.2
투과율T2(%) 0.2 0.2 0.2 0.2 4.7 5.5 5.5 5.5 5.5 5.4
표 3의 결과로부터 본 출원에 따른 광변조 디바이스는, 고온 유지 전후에 설계된 액정 배향성(수직 배향성)이 안정적으로 유지되어 투과율 T1 및 T2가 동일하게 측정되는 것을 확인할 수 있다.
광변조 디바이스의 고온에서의 수직 배향성을 다른 방식으로 추가로 확인하였다. 수직 배향성은 광변조 디바이스의 일측에서 광을 조사하면서, 상기 디바이스에 외부 신호를 인가하지 않은 상태에서 온도 조절 장치(LTS-350, Linkam)를 사용하여 상기 디바이스의 주변 온도를 변화시켜 가면서 평가하였다. 광변조층의 양측에 직교 편광층이 배치되어 있는 상태이기 때문에, 수직 배향이 적절하게 유지된다면, 상기 광이 조사되는 측과는 반대측 광변조 디바이스에서 빛샘이 유발되지 않는다. 상기 디바이스의 온도를 100℃로 유지한 상태에서 상기 방식으로 수직 배향성을 평가하고 그 결과를 하기 표 4에 정리하였다. 하기 표 4에서 P는 빛샘이 발생하지 않은 경우(수직 배향이 안정적으로 유지되는 경우)이고, N은 빛샘이 발생한 경우(수직 배향 상태가 유지되지 못하는 경우)이다.
실시예 비교예
1 2 3 4 1 2 3 4 5 6
수직
배향성		 P P P P N N N N N N
표 4에 정리된 바와 같이 실시예의 디바이스는, 고온에서도 초기 상태의 수직 배향이 안정적으로 유지되어 빛샘이 발생하지 않았으나, 비교예의 디바이스가 고온에서 수직 배향 상태가 깨져서 빛샘이 발생하는 것이 관측되었다.
도 5는 실시예 1에 대해서 상기 빛샘을 평가한 결과이고, 도 6은 비교예 1에 대한 결과이다.

Claims (19)

  1. 각각 제 1 표면과 제 2 표면을 가지며, 서로의 제 1 표면이 마주하도록 대향 배치되어 있는 제 1 및 제 2 기판; 및
    상기 제 1 및 제 2 기판의 사이에 존재하는 액정층을 포함하고,
    상기 제 1 기판의 제 1 표면상에는 하기 화학식 1의 치환기를 3개 이상 가지는 화합물을 포함하는 실리콘 점착제층 또는 접착제층이 존재하며,
    상기 화학식 1의 치환기를 3개 이상 가지는 화합물은 하기 화학식 2로 표시되는 광변조 디바이스:
    [화학식 1]

    화학식 1에서 R1 내지 R3는 각각 독립적으로 수소 원자 또는 알킬기이되, R1 내지 R3 중 적어도 2개는 알킬기이다:
    [화학식 2]

    화학식 2에서 R4 내지 R7은 각각 독립적으로 수소, 알킬기 또는 상기 화학식 1의 치환기이되, R4 내지 R7 중 3개 이상은 상기 화학식 1의 치환기이다.
  2. 제 1 항에 있어서, 하기 식 1을 충족하는 광변조 디바이스:
    [식 1]
    T2 ≤ 3 × T1
    식 1에서 T1은, 상기 액정층을 수직 배향시키고, 직교 편광자의 사이에 위치시킨 후에 10℃ 내지 30℃의 범위 내의 온도에서 측정한 초기 투과율이고, T2는 상기 T1의 투과율을 나타내는 액정층을 수직 배향시킨 상태에서 100℃에서 5분 유지한 후에 상기 직교 편광자의 사이에 위치시킨 후에 측정한 투과율이다.
  3. 제 2 항에 있어서, 투과율 T2가 2% 이하인 광변조 디바이스.
  4. 제 1 항에 있어서, 액정층은 수직 배향 상태 및 트위스티드 배향 상태를 스위칭할 수 있도록 형성되어 있는 광변조 디바이스.
  5. 제 1 항에 있어서, 화학식 1에서 R1 내지 R3 중 어느 하나는 수소 원자이고, 나머지 2개는 알킬기인 광변조 디바이스.
  6. 제 1 항에 있어서, 화학식 1에서 R1 내지 R3 중 어느 하나는 수소 원자이고, 나머지 2개는 탄소수 1 내지 20의 직쇄형 알킬기인 광변조 디바이스.
  7. 제 1 항에 있어서, 화학식 1의 치환기를 3개 이상 가지는 화합물은 상기 화학식 1의 치환기를 3개 내지 10개 포함하는 광변조 디바이스.
  8. 삭제
  9. 제 1 항에 있어서, 실리콘 점착제층 또는 접착제층은, 화학식 1의 치환기를 3개 이상 가지는 화합물을 1 내지 50 중량%의 비율로 포함하는 광변조 디바이스.
  10. 제 1 항에 있어서, 하기 수식 1에 따른 K값이 2 μm 이상인 광변조 디바이스:
    [수식 1]
    K = A×B×D
    수식 1에서 A는 하기 수식 2에 의해 정해지는 값이고, B는 화학식 1의 치환기를 3개 이상 가지는 화합물이 포함하는 상기 화학식 1의 치환기의 수이며, D는 실리콘 점착제층 또는 접착제층의 두께(단위: μm)이다:
    [수식 2]
    A = S/(S+O)
    수식 2에서 S는 실리콘 점착제층 또는 접착제층에 포함된 화학식 1의 치환기를 3개 이상 가지는 화합물의 무게이고, O는 상기 화학식 1의 치환기를 3개 이상 가지는 화합물을 제외한 상기 점착제층 또는 접착제층의 무게이다.
  11. 제 10 항에 있어서, 수식 1의 A가 0.01 내지 0.5의 범위 내에 있는 광변조 디바이스.
  12. 제 10 항에 있어서, 수식 1의 D가 0.5 내지 50μm의 범위 내에 있는 광변조 디바이스.
  13. 제 1 항에 있어서, 제 1 기판에는 액정 배향막이 형성되어 있지 않은 광변조 디바이스.
  14. 제 1 항에 있어서, 제 2 기판의 제 1 표면에는 액정 배향막이 형성되어 있는 광변조 디바이스.
  15. 제 1 항에 있어서, 제 1 또는 제 2 기판은 550 nm 파장의 광에 대한 면내 위상차가 500 nm 이상인 광변조 디바이스.
  16. 제 1 항에 있어서, 제 1 또는 제 2 기판의 제 2 표면상에 배치된 편광층을 추가로 포함하는 광변조 디바이스.
  17. 제 1 항에 있어서, 제 1 또는 제 2 기판과 액정층의 사이에 존재하며, 하기 수식 3을 만족하는 광학 이방성 필름을 추가로 포함하는 광변조 디바이스:
    [수식 3]
    nz < ny
    수식 3에서 ny는 광학 이방성 필름의 진상축 방향의 550 nm 파장에 대한 굴절률이고, nz는 광학 이방성 필름의 두께 방향의 550 nm 파장에 대한 굴절률이다.
  18. 제 1 항의 광변조 디바이스를 포함하는 윈도우.
  19. 제 1 항의 광변조 디바이스를 포함하는 선루프.
KR1020210098978A 2020-07-31 2021-07-28 광변조 디바이스 KR102634119B1 (ko)

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KR20200095864 2020-07-31

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