KR102647662B1 - 광학 렌즈 및 이를 포함하는 웨어러블 디바이스 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 에피설파이드 화합물; 티올 화합물; 및 2개 이상의 수산기를 포함하는 방향족 고리 화합물;을 포함하는 플라스틱 기판을 포함하고, 상기 플라스틱 기판은 유리 전이 온도가 80 ℃ 이상이고, 상기 플라스틱 기판은 회복률(recovery)이 90% 이상인, 광학 렌즈 및 이를 포함하는 웨어러블 디바이스에 관한 것이다.
Description
본 발명은 광학 렌즈 및 이를 포함하는 웨어러블 디바이스에 관한 것이다.
최근 가상 현실 디바이스(Virtual Reality Device) 및 증강 현실 디바이스(Augmented Reality Device) 등을 이용하여, 사용자에게 3차원의 화상을 제공하는 장치의 개발이 이루어지고 있다. 가상 현실 디바이스 또는 증강 현실 디바이스는 파동적 성질에 기초한 회절현상을 이용한 회절 도광판을 포함하고 있으며, 이러한 회절 도광판은 광을 회절 시킬 수 있는 다양한 형태의 나노 패턴을 일면에 형성한 렌즈 기재를 포함한다.
일반적으로, 가상 현실 디바이스 또는 증강 현실 디바이스 용도의 렌즈 기재는 굴절율이 높은 유리를 사용하게 되는데, 유리는 높은 굴절율, 광투과도, 평탄도, 강도 및 긁힘 방지 효과를 가질 수 있으나, 파손 시 사용자의 안구에 치명적인 손상을 가할 수 있고, 밀도가 높아 무게가 무거워 장시간 착용에 불편함이 존재한다.
이에 반해, 고굴절 플라스틱을 렌즈 기재로 이용하여 회절 도광판을 제작하면, 유리 렌즈에 비해 가벼워 착용하기 편하고, 잘 파손되지 않으며 파손되더라도 유리 렌즈에 비해 상대적으로 안전하여 가볍고 안전한 가상 현실 또는 증강 현실 디바이스를 제공할 수 있다. 하지만, 상기 고굴절 플라스틱으로 이용한 렌즈 기재는 유리 렌즈에 비해 고굴절률과 고아베수 구현이 어려운 문제점이 있다.
또한, 고굴절 플라스틱의 일면에 나노 패턴을 형성하기 위하여 나노 패턴 형성용 수지를 도포하고 음각된 몰드를 합착하여 나노 패턴을 전사할 때, 고굴절 플라스틱에 온도와 압력에 의한 외력이 가해지는데, 고굴절 플라스틱의 경도 및 변형에 대한 회복률이 충분히 높지 않은 경우, 형태 변형이 발생하고 복원되지 않아 이를 이용한 가상 현실 디바이스 또는 증강 현실 디바이스에서 광량의 손실 및 이미지 왜곡 현상이 발생하는 문제점이 있다.
또한, 본 발명은 기존의 렌즈 등에 사용되는 유리 혹은 강화 유리에 비해 가볍고, 다양한 색 구현이 가능하고, 고굴절률 구현이 가능하고, 강도 및 경도가 우수하면서도, 스트레인(변형)에 대한 회복률 또한 우수하여 이미지 품질이 우수한 광학 렌즈를 제공하고자 한다.
또한, 가상 현실 디바이스 또는 증강 현실 디바이스 용도로 사용 가능하고, 중첩 이미지가 발생하지 않아 이미지 품질이 우수한 웨어러블 디바이스를 제공하고자 한다.
본 명세서에서는, 에피설파이드 화합물; 티올 화합물; 및 2개 이상의 수산기를 포함하는 방향족 고리 화합물;을 포함하는 플라스틱 기판을 포함하고, 상기 플라스틱 기판은 유리 전이 온도가 80 내지 100 ℃이고, 상기 플라스틱 기판은 회복률(recovery)이 90% 이상인 광학 렌즈를 제공한다.
또한, 본 명세서에서는, 상기 광학 렌즈를 포함하는 웨어러블 디바이스를 제공한다.
이하 발명의 구체적인 구현예에 따른 광학 렌즈 및 이를 포함하는 웨어러블 디바이스에 관하여 보다 상세하게 설명하기로 한다.
본 명세서에서 사용되는 용어는 단지 예시적인 실시예들을 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도는 아니며, 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본 명세서에서 사용되는 '포함'의 의미는 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분을 구체화하며, 다른 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소, 성분 및/또는 군의 존재나 부가를 제외시키는 것은 아니다.
본 명세서에서, 제1, 제2 의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용되며, 상기 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
본 명세서에서 사용되는 ‘에피설파이드 화합물’의 정의는 1개 이상의 에피설파이드를 포함한 화합물을 의미하는 것으로, 이때 에피설파이드는 에폭사이드의 산소(O) 원자가 황(S) 원자로 치환된 화합물을 의미한다.
본 명세서에서 사용되는 ‘티올 화합물’의 정의는 1개 이상의 티올기(-SH)를 포함한 화합물을 의미한다.
본 명세서에서 ‘경화’는 열경화 및 광경화 양쪽 모두를 포함하는 의미로, ‘경화성 조성물’은 열경화 및/또는 광경화 가능한 조성물을 의미한다.
본 명세서에서 고굴절은 350 내지 800nm의 파장 영역 또는 532nm의 파장에서 약 1.6 이상을 의미한다.
발명의 일 구현예에 따르면, 에피설파이드 화합물; 티올 화합물; 및 2개 이상의 수산기를 포함하는 방향족 고리 화합물;을 포함하는 플라스틱 기판을 포함하고, 상기 플라스틱 기판은 유리 전이 온도가 80 내지 100 ℃이고, 상기 플라스틱 기판은 하기 식 1에 따른 회복률(recovery)이 90% 이상인 광학 렌즈가 제공된다.
[식 1]
회복률 = (S1-S2)/S1 X 100
상기 식 1에서,
S1은 상기 플라스틱 기판에 대해 0.1 내지 10.0 MPa의 스트레스(stress)를 40 내지 80 ℃에서 5 내지 15분 동안 가한 직후 측정한 최대 변형률(%)이고,
S2는 상기 스트레스를 제거한 시점으로부터 20분 이상 경과한 시점에서 측정한 잔류 변형률(%)이다.
플라스틱 기판을 웨어러블 디바이스용 광학 렌즈로 사용하는 경우, 플라스틱 기판 상에 회절 도광 패턴 형성시 플라스틱 기판의 형태 변형이 발생하여 최종적으로 이미지 왜곡이 발생하는 문제점이 있다.
그러나, 본 발명자들은, 에피설파이드 화합물, 티올 화합물 및 2개 이상의 수산기를 포함하는 방향족 고리 화합물을 포함하는 플라스틱 기판을 포함하면서도, 플라스틱 기판의 유리 전이 온도를 80 내지 100 ℃로 제어하고, 상기 식 1에 따른 회복률을 90% 이상으로 제어하는 경우, 플라스틱 기판의 강도가 향상되고 스트레인에 대한 회복률이 높아지며, 이로 인해 중첩 이미지가 발생하지 않아 이미지 품질이 우수하다는 점을 확인하고, 본 발명에 이르게 되었다. 이에 따라, 상기 광학 렌즈는 회절 도광판을 필요로 하는 웨어러블 디바이스의 렌즈로 유용하게 적용 가능하다.
상기 광학렌즈는 에피설파이드 화합물; 티올 화합물; 및 2개 이상의 수산기를 포함하는 방향족 고리 화합물을 포함하는 플라스틱 기판을 포함하며, 상기 플라스틱 기판의 유리 전이 온도는 80 내지 100 ℃, 82 내지 100 ℃, 83 내지 98 ℃, 또는 84 내지 97 ℃일 수 있다. 상기 플라스틱 기판의 유리 전이 온도가 지나치게 낮으면 열과 압력 등 외부 환경에 의하여 변형이 쉽게 일어나는 문제점이 있고, 유리 전이 온도가 지나치게 높으면 높은 굴절률을 구현할 수 없으며, 구체적으로, 굴절률이 1.70 미만으로 나타나 웨어러블 디바이스의 렌즈 기재로 적용하기 어려운 문제점이 있다.
또한, 상기 플라스틱 기판은 하기 식 1에 따른 회복률(recovery)이 90 % 이상, 90 내지 100 %, 91 내지 99%, 또는 92 내지 98.5 %일 수 있다.
[식 1]
회복률 = (S1-S2)/S1 X 100
상기 식 1에서,
S1은 상기 플라스틱 기판에 대해 0.1 내지 10.0 MPa의 스트레스를 40 내지 80 ℃에서 5 내지 15분 동안 가한 직후 측정한 최대 변형률(%)이고,
S2는 상기 스트레스를 제거한 시점으로부터 20분 이상이 경과한 시점에서 측정한 잔류 변형률(%)이다.
상기 플라스틱 기판에 대한 회복률이 90 % 미만이면 회절 도광 패턴 형성시 발생한 변형으로 인해 광학 렌즈를 이용한 디바이스에서 이미지의 이중상이 발생하여 선명도가 저하될 수 있다.
상기 플라스틱 기판에 대한 최대 변형률(S1)과 잔류 번형률(S2)은 3점 휨(3 Point Bending) 지오메트리가 포함된 DMA Q800(TA instruments사) 장치를 통해 측정할 수 있다.
구체적으로, 상기 점 휨(3 Point Bending) 지오메트리에 플리스틱 기판을 위치시키고, 일정 온도 조건을 유지한 상태에서, 플라스틱 기판에 0.1 내지 10.0 MPa의 스트레스를 5 내지 15분 동안 가한 직후 최대 변형률(%)을 상기 DMA Q800 장치를 통해 측정할 수 있다. 이후, 상기 스트레스를 플라스틱 기판에서 제거한 시점으로부터 20분 이상 경과한 후 잔류 변형률을 상기 DMA Q800 장치를 통해 측정할 수 있다.
한편, 상기 플라스틱 기판에 가해진 스트레스는 0.1 내지 10.0 MPa, 0.2 내지 5.0 MPa, 또는 0.4 내지 1.0 MPa일 수 있다.
또한, 상기 회복률 측정시 온도 조건은 40 내지 80 ℃, 50 내지 70 ℃, 또는 60 ℃일 수 있고, 온도는 변하지 않고 일정하게 유지될 수 있다.
또한, 상기 스트레스는 5 내지 15 분, 7 내지 13 분, 또는 10 분 동안 플라스틱 기판에 가해질 수 있다.
또한, 잔류 변형률은 상기 스트레스를 제거한 시점으로부터 20분 이상, 또는 20분에 측정될 수 있다.
상기 플라스틱 기판은 에피설파이드 화합물; 티올 화합물; 및 2개 이상의 수산기를 포함하는 방향족 고리 화합물을 포함한다.
상기 플라스틱 기판에 포함되는 상기 티올 화합물 및 2개 이상의 수산기를 포함하는 방향족 고리 화합물의 중량비는 7:3 내지 9:1, 7:3 내지 8.5:1.5, 또는 7:3 내지 8:2일 수 있다. 상기 티올 화합물 및 2개 이상의 수산기를 포함하는 방향족 고리 화합물의 중량비가 7:3 미만이면 고굴절률을 구현하기 어려울 수 있고, 9:1 초과하면 급격한 경화 반응이 진행되어 렌즈 기재로의 성형 공정이 수행되기 어려울 수 있으며, 만일, 렌즈 기재로 성형되더라도 두께 편차가 1 % 이상으로 나타나 두께가 불균일 할 수 있다. 상기 렌즈 기재가 두께 균일도가 저하되는 경우, 렌즈 기재 내에서 회절하며 진행하는 빛의 경로가 틀어질 수 있으며, 이로 인해 이러한 렌즈 기재를 이용한 웨어러블 디바이스에서 이중상이 발생할 수 있다.
한편, 상기 에피설파이드 화합물은 하기 화학식 1로 표시되는 화합물을 포함할 수 있다.
[화학식 1]
상기 화학식 1에서,
R1 및 R2는 각각 독립적으로 수소 또는 탄소수 1 내지 10의 알킬이고,
R3 및 R4는 각각 독립적으로 단일결합 또는 탄소수 1 내지 10의 알킬렌이고,
a는 0 내지 4의 정수이고,
b는 0 내지 6의 정수일 수 있다.
상기 화학식 1로 표시되는 에피설파이드 화합물은, 분자의 양 말단에 에피설파이드가 연결된 지방족 사슬형 골격을 가지고 있으며, 지방족 사슬 내에서는 알킬렌 그룹이 황(S) 원자에 의해 연결되는 티오에터(thio ether) 형태의 반복 단위를 구비할 수 있다.
상기 에피설파이드 화합물은 상술한 특정 화학 구조로 인하여 분자 내에 원자 굴절이 큰 황(S) 원자를 높은 함량으로 포함할 수 있는데, 이러한 높은 황 원자 함량에 의해 광학 렌즈의 굴절률을 높일 수 있다.
또한, 상기 광학 렌즈는 상기 에피설파이드 화합물은 개환 중합에 의해 형성된 알킬렌 설파이드 그룹을 포함할 수 있고, 이로 인해 상기 광학 렌즈는 고굴절률이 더욱 높아질 수 있다.
한편, 상기 화학식 1에서, R1 및 R2는 각각 독립적으로 수소 또는 메틸기일 수 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다.
또한, R3 및 R4는 각각 독립적으로 단일결합, 메틸렌, 에틸렌, 프로필렌, 이소프로필렌, 부틸렌, 또는 이소부틸렌일 수 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다.
또한, a 및 b는 각각 독립적으로 0 또는 1일 수 있다.
화학식 1의 a는, 티오에터 반복 단위에 포함된 알킬렌 그룹의 탄소수에 관한 것으로, a가 지나치게 큰 경우, 분자 내에 탄소 사슬의 길이가 길어지게 되어, 유리 전이 온도가 낮아지게 되고, 이에 따라 광학 렌즈의 내열성이 저하되는 문제점이 발생할 수 있으며, 또한, 상대적인 황의 함량이 낮아지게 되어 광학 렌즈의 굴절률이 낮아지는 문제점이 발생할 수 있다.
화학식 1의 b는, 알킬렌 그룹이 황(S) 원자에 의해 연결되는 티오에터(thio ether) 반복 단위의 반복 수로, b가 지나치게 큰 경우, 분자의 사슬 길이가 길어지게 되어 유리 전이 온도가 낮아지게 되고, 이에 따라 광학 렌즈의 내열성이 저하되는 문제점이 발생할 수 있다.
또한, 상기 화학식 1로 표시되는 화합물을 단독으로 사용하거나, 혹은 2종 이상 혼합하여 사용할 수도 있다.
상기 에피설파이드 화합물은, 예를 들어, 비스(β-에피티오프로필)설파이드, 비스(β-에피티오프로필)디설파이드, 비스(β-에피티오프로필티오)메탄, 1,2-비스(β-에피티오프로필티오)에탄, 1,3-비스(β-에피티오프로필티오)프로판, 1,4-비스(β-에피티오프로필티오)부탄 등으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있지만, 본 발명이 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 에피설파이드 화합물의 함량은, 전체 광학 렌즈 100중량%에 대하여, 50 내지 99중량%, 60 내지 95중량%, 또는 70 내지 90중량%일 수 있다. 상기 에피설파이드 화합물의 함량이 지나치게 적으면 황원자의 함량이 적어져 굴절률이 낮아지는 문제점이 발생할 수 있으며, 상기 에피설파이드 화합물의 함량이 지나치게 많으면 유리 전이 온도가 낮아지거나 경화물의 황색도(YI; Yellow Index)가 높아지는 문제점이 있다.
상기 티올 화합물은 하기 화학식 2 또는 3으로 표시되는 화합물 중에서 선택되는 적어도 하나를 포함할 수 있다.
[화학식 2]
상기 화학식 2에서,
R5 및 R6은 각각 독립적으로 단일결합 또는 탄소수 1 내지 10의 알킬렌이고,
c는 0 내지 4의 정수이고,
d는 0 내지 6의 정수이고,
[화학식 3]
상기 화학식 3에서,
A 고리는 질소(N) 및 황(S) 원자 중 1개 이상을 포함하는 5원 또는 6원의 방향족 헤테로 고리이고,
e는 1 내지 3의 정수일 수 있다.
구체적으로, 상기 화학식 2로 표시되는 티올 화합물은, 분자의 양 말단에 티올기(-SH)가 연결된 지방족 사슬형 골격을 가지고 있으며, 지방족 사슬 내에서는, 알킬렌 그룹이 황(S) 원자에 의해 연결되는 티오에터(thio ether) 형태의 반복 단위를 구비할 수 있다.
한편, 화학식 3으로 표시되는 티올 화합물은, 질소(N) 및/또는 황(S)과 같은 헤테로 원자를 포함하는, 5원 또는 6원 방향족 고리에, 1개 이상의 티올기가 연결될 수 있다.
또한, 상기 광학 렌즈는 에피설파이드 그룹의 개환 중합 반응에 의해, 상기 화학식 2 또는 3으로 표시되는 티올 화합물과 에피설파이드 그룹과 반응하여 이황화 결합 등을 포함할수 있고, 이로 인해, 분자 내에 원자 굴절이 큰 황(S) 원자를 높은 함량으로 포함하여 광학 렌즈의 굴절률을 더욱 높일 수 있다.
한편, 상기 화학식 2에서, R5 및 R6은 각각 독립적으로 단일결합, 메틸렌, 에틸렌, 프로필렌, 이소프로필렌, 부틸렌, 또는 이소부틸렌일 수 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다.
또한, c 및 d는 각각 독립적으로 0 또는 1일 수 있다.
화학식 2의 c는, 티오에터 반복 단위에 포함된 알킬렌 그룹의 탄소 수에 관한 것으로, c가 지나치게 큰 경우, 분자 내에 탄소 사슬의 길이가 길어지게 되어, 유리 전이 온도가 낮아지게 되고, 이에 따라 광학 렌즈의 내열성이 저하되는 문제점이 발생할 수 있으며, 또한, 상대적인 황의 함량이 낮아지게 되어 광학 렌즈의 굴절률이 낮아지는 문제점이 발생할 수 있다.
화학식 1의 d는, 알킬렌 그룹이 황(S) 원자에 의해 연결되는 티오에터(thio ether) 반복 단위의 반복 수로, d가 지나치게 큰 경우, 분자의 사슬 길이가 길어지게 되어 광학 렌즈의 유리 전이 온도가 낮아지게 되고, 이에 따라 광학 렌즈의 내열성이 저하되는 문제점이 발생할 수 있다.
또한, 상기 화학식 3에서, A 고리는 피리딘, 피리미딘, 트리아진, 이미다졸, 싸이오펜, 티아졸 또는 티아디아졸일 수 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다.
또한, e는 2 또는 3일 수 있다.
또한, 상기 화학식 2 또는 3으로 표시되는 화합물을 단독으로 사용하거나, 혹은 2종 이상 혼합하여 사용할 수도 있다.
상기 티올 화합물은, 예를 들어, 하기 화합물 중에서 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 티올 화합물의 함량은, 전체 경화성 조성물 100중량%에 대하여, 1 내지 30중량%, 5 내지 25중량%, 또는 7 내지 10중량%일 수 있다. 상기 티올 화합물의 함량이 지나치게 많으면 급격한 경화 반응이 진행되어 렌즈 기재로의 성형 공정이 수행되기 어려울 수 있으며, 만일 렌즈 기재로 성형되더라도 두께가 균일도가 저하되고, 이로 인해 이러한 렌즈 기재를 이용한 웨어러블 디바이스에서 이중상이 발생할 수 있고, 상기 티올 화합물의 함량이 지나치게 적으면 렌즈 기재의 굴절률이 낮아지는 문제점이 있다.
상기 2개 이상의 수산기를 포함하는 방향족 고리 화합물은 하기 화학식 4 및 5로 표시되는 화합물 중에서 선택되는 적어도 하나를 포함할 수 있다.
[화학식 4]
상기 화학식 4에서,
R7 및 R8은 각각 독립적으로 중수소, 할로겐, 시아노, 니트릴, 니트로, 아미노, 탄소수 1 내지 40의 알킬, 탄소수 1 내지 40의 알콕시, 탄소수 3 내지 40의 사이클로알킬, 탄소수 1 내지 40의 알케닐, 탄소수 6 내지 60의 아릴, 또는 O, N, Si 및 S 중 1개 이상을 포함하는 탄소수 1 내지 40의 헤테로아릴이고,
f 및 g는 각각 독립적으로 1 내지 7의 정수이고,
h 및 i는 각각 독립적으로 0 내지 6의 정수이고,
f+h는 7 이하이고, g+i는 7 이하이고,
[화학식 5]
상기 화학식 5에서,
Ar1 및 Ar2는 각각 독립적으로 1개 이상의 수산기가 치환된 탄소수 6 내지 60의 아릴이고,
R9 및 R10은 각각 독립적으로 중수소, 할로겐, 시아노, 니트릴, 니트로, 아미노, 탄소수 1 내지 40의 알킬, 탄소수 1 내지 40의 알콕시, 탄소수 3 내지 40의 사이클로알킬, 탄소수 1 내지 40의 알케닐, 탄소수 6 내지 60의 아릴, 또는 O, N, Si 및 S 중 1개 이상을 포함하는 탄소수 1 내지 40의 헤테로아릴이고,
m 및 n은 각각 독립적으로 0 내지 4의 정수일 수 있다.
구체적으로, 상기 화학식 4로 표시되는 2개 이상의 수산기를 포함하는 방향족 고리 화합물은, 2개의 나프탈렌이 연결된 골격을 가지고 있으며, 각각의 나프탈렌에 1개 이상의 수산기가 연결될 수 있다.
한편, 화학식 5로 표시되는 2개 이상의 수산기를 포함하는 방향족 고리 화합물은, 플루오렌의 9번 위치에 1개 이상의 수산기가 치환된 아릴기가 2개 치환된 형태를 나타낼 수 있다.
또한, 상기 2개 이상의 수산기를 포함하는 방향족 고리 화합물은, 방향족 작용기의 컨쥬게이션(Conjugation)계에 의해 광학 렌즈의 고굴절률을 구현할 수 있고, 또한, 이러한 방향족 작용기로 인해, 광학 렌즈에서 상기 방향족 고리 화합물을 포함함에 따라 황 원자의 함량이 감소하더라도, 굴절률 감소를 최소화시킬 수 있으며, 나아가, 상기 경화물의 유리 전이 온도(Tg)를 증가시켜 기계적 특성을 향상시킬 수 있다.
한편, 상기 화학식 4에서, R7 및 R8은 각각 독립적으로 중수소, 할로겐, 시아노, 니트릴, 니트로, 아미노, 메틸 또는 에틸일 수 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다.
또한, f 및 g는 각각 독립적으로 1 또는 2일 수 있다.
또한, h 및 i는 각각 독립적으로 0 또는 1일 수 있다.
또한, 상기 화학식 5에서, Ar1 및 Ar2는 각각 독립적으로 1 또는 2개의 수산기가 치환된 페닐 또는 나프탈레닐일 수 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다.
또한, R9 및 R10은 각각 독립적으로 중수소, 할로겐, 시아노, 니트릴, 니트로, 아미노, 메틸 또는 에틸일 수 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다.
또한, m 및 n은 각각 독립적으로 0 또는 1일 수 있다.
또한, 상기 화학식 4 또는 5로 표시되는 화합물을 단독으로 사용하거나, 혹은 2종 이상 혼합하여 사용할 수도 있다.
상기 2개 이상의 수산기를 포함하는 방향족 고리 화합물은, 예를 들어, 하기 화합물 중에서 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 2개 이상의 수산기를 포함하는 방향족 고리 화합물의 함량은, 전체 경화성 조성물 100중량%에 대하여, 0.1 내지 10중량%, 0.5 내지 5중량%, 또는 1 내지 3중량%일 수 있다. 상기 2개 이상의 수산기를 포함하는 방향족 고리 화합물의 함량이 지나치게 많거나 적은 경우 굴절률이 저하되거나 조성물 내에 용해도가 저하되는 문제점이 있다.
상기 플라스틱 기판은 하기 방법으로 제조될 수 있다.
구체적으로, 상기 플라스틱 기판 제조방법은, 평판형 하부 기판, 평판형 상부 기판, 및 상기 평판형 하부 기판과 상기 평판형 상부 기판 사이에 완충형 스페이서를 포함하고, 상기 완충형 스페이서에 의하여 몰딩 공간이 구획되는 몰드 장비를 준비하는 단계;
상기 몰딩 공간에 경화성 조성물을 완충하는 단계; 및
상기 평판형 상부 기판의 하중으로 상기 경화성 조성물을 압축하며, 상기 경화성 조성물을 경화하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 평판형 상부 기판의 하중으로 상기 경화성 조성물을 압축하며, 상기 경화성 조성물을 경화하는 단계는 하기 식 2를 만족할 수 있다.
[식 2]
{(평판형 상부 기판의 하중 + 경화성 조성물의 경화 수축력) Х 0.95} ≤ 완충형 스페이서의 압축 응력 ≤ {(평판형 상부 기판의 하중 + 경화성 조성물의 경화 수축력) Х 1.05}.
상기 몰딩 공간에 완충되는 경화성 조성물은 상술한 에피설파이드 화합물; 티올 화합물; 및 2개 이상의 수산기를 포함하는 방향족 고리 화합물을 포함할 수 있다. 또한, 상기 경화성 조성물에서 상기 티올 화합물 및 2개 이상의 수산기를 포함하는 방향족 고리 화합물의 중량비는 7:3 내지 9:1일 수 있다.
또한, 상기 경화성 조성물은 촉매를 더 포함 수 있다. 상기 촉매는 경화성 조성물의 경화 반응을 빠르게 해주는 역할을 하는 것이라면 특별히 한정하지 않으나, 예를 들어, 이미다졸, 2-메틸이미다졸, 2-에틸이미다졸, 2-에틸-4-메틸이미다졸, 2-페닐이미다졸, 4-페닐이미다졸, 1-시아노에틸-2-페닐이미다졸, 1-(2-시아노에틸)-2-에틸-4-메틸이미다졸 등의 이미다졸 유도체; 디시안디아미드, 벤질디메틸아민, 4-(디메틸아미노)-N,N-디메틸 벤질아민, 4-메톡시-N,N-디메틸벤질아민, 4-메틸-N,N-디메틸벤질아민, N,N-디사이클로헥실메틸아민 등의 아민 화합물; 아디프산디히드라지드, 세박산 디히드라지드 등의 히드라진 화합물; 트리페닐포스핀 등의 인 화합물 등을 들 수 있다. 또한, 시판되고 있는 것으로서는, 예를 들면 시코쿠 가세이 고교사 제조의 2MZ-A, 2MZ-OK, 2PHZ, 2P4BHZ, 2P4MHZ(모두 이미다졸계 화합물의 상품명), 산아프로사 제조의 U-CAT3503N, UCAT3502T(모두 디메틸아민의 블록이소시아네이트 화합물의 상품명), DBU, DBN, U-CATSA102, U-CAT5002(모두 이환식 아미딘 화합물 및 그의 염)등을 들 수 있다.
상기 촉매의 함량은, 전체 경화성 조성물 100 중량%에 대하여, 0.001 내지 10 중량%, 0.01 내지 5 중량%, 또는 0.05 내지 1 중량%일 수 있다. 상기 촉매의 함량이 지나치게 많으면 경화 반응이 급속히 진행되어 과열에 의한 경화성 조성물 취급 안전상의 문제가 있고, 장기 보관이 어렵고 맥리 현상이 발생할 수 있다. 한편, 촉매의 함량이 지나치게 적으면 미경화로 인해 광학 및 기계적 물성이 저하될 수 있다.
또한, 상기 경화성 조성물은, 이 외에도, 자외선 흡수제, 블루잉제, 안료 등, 본 발명이 속한 기술 분야에서, 디스플레이용 기판에 특정 기능을 부여하기 위해 사용되는 기타 첨가제를 더 포함할 수도 있다.
또한, 상기 경화성 조성물의 경화시 승온 속도는 2 ℃/min 이하 또는 1 ℃/min 이하일 수 있다. 상기 승온 속도가 상기 범위 내인 경우, 상기 경화성 조성물에 전달되는 열의 위치 간 편차를 최소화하고 반응열의 배출 불균일을 최소화하여 상기 경화성 조성물의 균일한 경화를 유도할 수 있다.
또한 경화시 최종 온도는 80 ℃ 내지 100 ℃일 수 있으며, 상기 최종 온도 도달 전 최종 온도보다 낮은 온도에서 등온 유지 구간을 세 번 이상 둠으로써 상기 경화성 조성물에 전달되는 열의 위치 간 편차를 최소화할 수 있다. 상기 등온 유지 구간 사이의 온도 차이는 10 ℃ 내지 20 ℃일 수 있으며, 상기 등온 유지 구간의 유지 시간은 각각 1 시간 내지 5 시간일 수 있다. 예를 들어, 상기 경화성 조성물을 상온(25 ℃)에서 2 시간 방치 한 후, 45 ℃에서 2 시간, 60 ℃에서 2 시간, 75 ℃에서 2 시간, 90 ℃에서 4 시간 동안 열경화하여 플라스틱 기판을 제조할 수 있다.
한편, 상기 몰드 장비에 포함되는 상기 평판형 하부 기판 및 상기 평판형 상부 기판의 굴곡 탄성율은 각각 3 GPa 이상, 10 GPa 이상, 20 GPa 이상, 40 GPa 이상, 40 내지 80 GPa일 수 있다. 또한, 상기 평판형 하부 기판 및 상기 평판형 상부 기판의 표면 평탄도는 각각 5 ㎛ 이하, 2 ㎛ 이하, 1 ㎛ 이하, 또는 0.1 내지 0.001㎛일 수 있다. 또한, 상기 완충형 스페이서의 압축 탄성 계수는 0.1 MPa 내지 10 MPa, 0.1 MPa 내지 5 MPa, 0.1 MPa 내지 3 MPa, 또는 0.1 MPa 내지 2 MPa일 수 있다.
상기 플라스틱 기판의 두께는 0.4 내지 5.0 mm, 0.5 내지 4.0 mm, 0.5 내지 3.0 mm, 또는 0.5 내지 2.0 mm일 수 있다.
또한, 상기 플라스틱 기판은 두께 편차가 1 % 이하, 0.9 % 이하, 0.5 내지 0.01 %일 수 있다. 상기 플라스틱 기판의 두께 편차 값이 1 % 초과하면 두께의 균일도가 저하되어 이를 이용한 이미지의 선명도가 낮아질 수 있다.
상기 플라스틱 기판의 두께는 상술한 플라스틱 제조 공정의 몰드 장치에서 상기 평판형 하부 기판 및 상기 평판형 상부 기판의 이격 거리 및 상기 경화성 조성물의 경화 수축률에 따라 조절될 수 있다. 나아가, 상기 플라스틱 기판의 용도에 따라 상기 범위 내에서 상기 플라스틱 기판의 두께를 조절할 수 있다.
또한, 상기 플라스틱 기판의 두께 편차는 하기 식 3과 같이 도출될 수 있다.
[식 3]
두께 편차(%) = {(최대 두께 - 최소 두께)/평균 두께} × 100
부재의 최대 두께, 최소 두께 및 평균 두께는 25 ℃ 및 50 RH%에서 파이버프로 사의 OWTM(Optical Wafer Thickness Measurement system) 장비를 이용한 비접촉식 측정 방법으로 구할 수 있다. 구체적으로, 크기 50 ㎜ × 50 ㎜의 샘플을 준비하고, 각 모서리의 말단으로부터 5 ㎜씩을 제외한 40 ㎜ × 40 ㎜ 의 면적에 대하여 가로, 세로 1 ㎜ 간격으로 두께를 측정하여, 총 1681점에 대한 두께 값을 얻은 후, 이 중 가장 높은 값은 최대 두께로 하고, 가장 낮은 값을 최소 두께로 하며, 측정된 총 1681점에 대한 산술 평균 값을 통하여 평균 두께를 구할 수 있다.
"평균 두께에 대한 두께 편차"는 "두께 편차"와 동일한 의미로 사용될 수 있다. 상기 플라스틱 렌즈 기재의 두께 편차는 일반적인 플라스틱 렌즈 기재의 두께편차(2 % 내지 5 %)에 비하여 월등하게 낮은 값을 가지므로, 상기 웨어러블 디바이스는 우수한 해상도의 광정보를 출력할 수 있다.
상기 일 구현예에 따른 광학 렌즈는, 상기 플라스틱 기판 상에 구비되고 회절 도광 패턴을 갖는 회절 도광부를 더 포함할 수 있다. 또한, 상기 회절 도광부는 광이 입사되는 제1 영역 및 광이 추출되는 제2 영역을 포함할 수 있다.
상기 회절 도광 패턴의 피치는 100 nm 이상 800 nm 이하일 수 있고, 높이는 0 nm 초과 500 nm 이하일 수 있다. 구체적으로는, 상기 회절 도광 패턴의 피치는 100 nm 이상 500 nm 이하, 100nm 이상 300 nm 이하, 200 nm 이상 700 nm 이하, 200 nm 이상 500 nm 이하, 200 nm 이상 300 nm 이하, 300 nm 이상 700 nm 이하, 300 nm 이상 500 nm 이하, 400 nm 이상 700 nm 이하 또는 400 nm 이상 500 nm 이하일 수 있다.
또한, 구체적으로 상기 회절 도광 패턴의 높이는 0 nm 초과 400 nm 이하, 0 nm 초과 300 nm 이하 또는 0 nm 초과 200 nm 이하일 수 있다. 회절 도광 패턴이 상기 범위 내의 피치 및 높이를 가짐으로써, 회절광이 플라스틱 렌즈 기재 내에서 효율적으로 전반사될 수 있다.
상기 회절 도광 패턴의 듀티(Duty)와 경사각(Slanted angle)은 통상의 회절 도광 패턴에 적용되는 범위 내에서 적절히 조절될 수 있다.
상기 회절 도광부는 임프린트 수지 조성물 및 회절 도광 패턴이 음각된 몰드를 이용하는 임프린팅 공정을 통해 형성될 수 있다.
구체적으로, 상기 플라스틱 기판 상에 상기 임프린트 수지 조성물을 도포한 후, 상기 임프린트 수지 조성물의 표면에 회절 도광 패턴이 음각된 몰드를 사용하여 임프린팅하는 공정을 통해 상기 회절 도광부가 형성될 수 있다. 이때, 상기 몰드에 음각된 회절 도광 패턴은 상기 회절 도광부의 회절 도광 패턴과 대응될 수 있다.
또한, 상기 회절 도광 패턴이 음각된 몰드가 상기 임프린트 수지 조성물에 임프린팅될 때, 상기 임프린트 수지 조성물이 도포된 플라스틱 기판에도 응력(strain)이 가해진다. 이때, 상기 플라스틱 기판이 충분한 강도 및 회복력을 갖지 못하는 경우 플라스틱 기판이 변형되어, 최종적으로 상기 광학 렌즈의 이미지 품질이 저하될 수 있다.
그러나, 상기 일 구현예에 따른 광학 렌즈는, 에피설파이드 화합물; 티올 화합물; 및 2개 이상의 수산기를 포함하는 방향족 고리 화합물;을 포함하는 플라스틱 기판을 포함하고, 유리 전이 온도가 80 내지 100 ℃이고, 상기 식 1에 따른 회복률(recovery)이 90% 이상인 플라스틱 기판을 포함함으로 인해, 회절 도광부 형성시 가해지는 스트레인에서도 변형이 발생하지 않아 광학 렌즈의 이미지 품질이 향상될 수 있다.
한편, 상기 임프린트 수지 조성물을 경화시키는 공정은 상기 임프린트 수지 조성물의 표면에 몰드를 임프린팅하는 공정과 수행될 수 있고, 또는 몰드를 제거한 후에 수행될 수 있다.
한편, 상기 임프린트 수지 조성물은 상기 플라스틱 기판을 형성하는 열경화성 조성물과 동일하거나 상이할 수 있다. 예를 들어, 상기 임프린트 수지 조성물은 고굴절 성분을 함유하는 열경화성 수지 또는 광경화성 수지를 포함할 수 있다. 구체적으로, 상기 열경화성 수지 또는 광경화성 수지는 우레탄 아크릴레이트 또는 에폭시 아크릴레이트 등을 포함하는 아크릴계 수지, 폴리아미드 수지, 폴리이미드 수지, 실리콘 수지, 에폭시 수지 및 폴리에스테르 중에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있으나, 그 종류를 제한하는 것은 아니다.
상기 일 구현예에 따른 광학 렌즈는 532 nm의 파장에서 굴절률이 1.70 이상, 1.70 내지 2.00, 또는, 1.74 내지 1.90일 수 있다. 일반적인 유리 기재의 경우, 광굴절율이 532 ㎚ 파장에서 1.65 이상이므로, 상기 광학 렌즈는 플라스틱 재질임에도 불구하고, 유리 기재와 동등한 수준의 광굴절율을 구현할 수 있으므로, 유리 기재를 대체할 수 있는 장점이 있다.
또한, 상기 광학 렌즈는 532 nm의 파장에서 JIS K 7361에 따라 측정된 광투과율이 80 % 이상, 80 내지 99 %, 또는 85 내지 90 %일 수 있다.
또한, 상기 광학 렌즈는 ASTM E313-1973에 따라 측정된 황색도(YI; Yellow Index)가 1 내지 30, 2 내지 22, 2.1 내지 10, 2.2 내지 5, 또는 2.3 내지 4일 수 있다.
또한, 상기 광학 렌즈는 JIS K 7136에 따라 측정된 헤이즈 값이 1 % 이하, 0.01 내지 1 %, 또는 0.01 내지 0.5 %일 수 있다.
또한, 상기 광학 렌즈는 시야각이 30 °이상, 30 내지 60 °, 35 내지 60°일 수 있다. 상기 광학 렌즈가 전술한 범위의 시야각을 가짐으로써 더 넓은 범위의 이미지를 제공할 수 있어 우수한 품질의 영상을 사용자에게 제공할 수 있다. 이때, 상기 시야각(FOV, Field Of View)이란, 회절광의 진행각이 상기 광학 렌즈의 플라스틱 기판 내에서 전반사가 가능한 최소 진행각보다 크게 되는 입사각의 범위를 의미할 수 있다.
다른 구현예에 따르면, 상기 광학 렌즈를 포함하는 웨어러블 디바이스를 제공한다. 구체적으로, 상기 광학 렌즈는 웨어러블 디바이스의 유리 렌즈를 대체하여 사용될 수 있다.
특히, 상기 웨어러블 디바이스는 증강현실 디바이스 또는 가상현실 디바이스일 수 있다. 상기 증강현실 디바이스 또는 가상현실 디바이스 등은 증강현실(AR: Augmented Reality), 혼합현실(MR: Mixed Reality), 또는 가상현실(VR: Virtual Reality)을 구현하는 디스플레이 유닛은 광의 파동적 성질에 기초한 회절 현상을 이용하는 회절 도광판을 포함하고 있으며, 상기 광학 렌즈는 이러한 회절 도광판으로 사용될 수 있다.
본 발명에 따르면, 기존의 렌즈 등에 사용되는 유리 혹은 강화 유리에 비해 가볍고, 다양한 색 구현이 가능하고, 고굴절률 구현이 가능하고, 강도 및 경도가 우수하면서도, 스트레인에 대한 회복률 또한 우수하여 이미지 품질이 우수한 광학 렌즈 및 상기 광학 렌즈를 포함하여 중첩 이미지가 발생하지 않아 이미지 품질이 우수한 웨어러블 디바이스를 제공할 수 있다.
도 1은 실시예 1 및 비교예 1의 회복률을 나타낸 그래프이다.
도 2는 회절 도광판 평가 시스템을 모식적으로 나타낸 도면이다.
도 3은 실시예 1의 광학 렌즈를 이용한 회절 도광판 평가 시스템에서 촬상된 이미지이다.
도 4는 실시예 3의 광학 렌즈를 이용한 회절 도광판 평가 시스템에서 촬상된 이미지이다.
도 5는 비교예 1의 광학 렌즈를 이용한 회절 도광판 평가 시스템에서 촬상된 이미지이다.
도 2는 회절 도광판 평가 시스템을 모식적으로 나타낸 도면이다.
도 3은 실시예 1의 광학 렌즈를 이용한 회절 도광판 평가 시스템에서 촬상된 이미지이다.
도 4는 실시예 3의 광학 렌즈를 이용한 회절 도광판 평가 시스템에서 촬상된 이미지이다.
도 5는 비교예 1의 광학 렌즈를 이용한 회절 도광판 평가 시스템에서 촬상된 이미지이다.
이하, 발명의 구체적인 실시예를 통해, 발명의 작용 및 효과를 보다 상술하기로 한다. 다만, 이러한 실시예는 발명의 예시로 제시된 것에 불과하며, 이에 의해 발명의 권리범위가 정해지는 것은 아니다.
실시예 1
(1) 경화성 조성물 제조
에피설파이드 화합물인 하기 70A 90 g, 티올 화합물인 하기 T1 7 g 및 2개의 수산기를 포함하는 방향족 고리 화합물인 하기 A1 3 g을, 20 ℃에서 1 시간 동안 격렬하게 혼합한 후, 기공 크기가 1 ㎛인 glass filter를 이용하여 여과하고, 기공 크기가 0.45 ㎛인 PVDF filter를 이용하여 다시 한번 여과를 진행하였다. 이후, 촉매로 N,N-디사이클로헥실메틸아민 0.5g을 첨가하고, 5분 간 혼합하여 경화성 조성물을 제조하였다.
(2) 플라스틱 기판 제조
하부 기판으로서 굴곡 탄성률 70 GPa, 표면 평탄도가 0.5 ㎛, 두께가 30 ㎜, 지름이 230 ㎜인 유리 기판을 이용하고, 압축 탄성 계수가 1.0 MPa, 높이가 1050 ㎛, 단면적이 10 Х 10 ㎟인 실리콘 재질의 완충형 스페이서를 상기 하부 기판의 원주에 접하도록 120° 간격으로 구비하여 몰딩 공간을 형성한 후, 상기 경화성 조성물을 몰딩 공간에 주입한 후, 상부 기판으로서 굴곡 탄성률 70 GPa, 하중이 10.8 N, 지름이 230 ㎜, 표면 평탄도가 0.5 ㎛인 유리 기판을 이용하여 상기 경화성 조성물을 몰딩 공간에 충진시켰다.
나아가, 상기 경화성 조성물을 제이오텍 사의 대류 오븐에 넣고, 상온에서 2 시간 방치 한 후, 승온 속도를 1 ℃/min으로 설정한 후 45 ℃에서 2 시간, 60 ℃에서 2 시간, 75 ℃에서 2 시간, 90 ℃에서 4 시간 동안 열경화하여 플라스틱 기판을 제조하였다.
제조된 플라스틱 기판의 두께는 1.0 mm이고, 이러한 두께는 파이버프로 사의 OWTM(Optical Wafer Thickness Measurement system) 장비를 이용한 비접촉식 측정 방법으로 측정되었다.
(3) 회절 도광 패턴 형성하여 광학 렌즈(회절 도광판) 제조
플라스틱 기판을 50 × 50 ㎟로 재단하였다. 이후, 재단된 플라스틱 기판에 임프린트 수지 조성물(굴절률 1.74)을 1 ㎛ 두께로 도포하고 80 ℃에서 약 3 분간 건조하였다. 이후, 도포된 임프린트 수지 조성물 상에 피치 405 nm, 높이 200 nm, 듀티 0.4, 및 경사각 35 °인 회절 도광 패턴이 음각된 몰드(가로 50 mm, 세로 50 mm, 두께 100 ㎛, 폴리에틸렌테레프탈레이트 기재)를 배치하고 40 ℃ 온도 및 20 bar 압력 조건에서 압착하여 회절 격자를 형성한 후, 100 mW/cm2의 세기를 가지는 자외선을 2 분 이상 조사 및 경화하여, 회절 도광 패턴이 형성된 광학 렌즈(회절 도광판)를 제조하였다.
이때, 상기 임프린트용 수지 조성물은 광반응성 단량체인 HR6022 (미원specialty 사, HR6022 자체만 경화시킨 경화물의 589nm 파장에서의 광굴절률은 약 1.63), 광개시제인 irgacure 184 (BASF사), 계면활성제인 DIC-F477 (DIC사), 무기입자로서 지르코니아 (프로필렌글라이콜모노메틸에터아세테이트(PGMEA)가 1:1 중량비로 혼합된 제품, PCPA-50-PGA, Pixelligent 사, 589nm 광굴절률: 2.1, 평균 직경: 8 mm)를 포함하였고, 고형분은 약 27.7 중량%이었다. 또한, 고형분 100 중량부에 대하여 무기입자인 지르코니아의 함량은 약 84 중량부, 광반응성 단량체인 HR6022의 함량은 약 15 중량부, 광개시제인 Irgacure 184의 함량은 0.9 중량부, 계면활성제인 DIC-F477의 함량은 0.1 중량부였다.
실시예 2 내지 9 및 비교예 1 내지 8
상기 에피설파이드 화합물, 티올 화합물, 및 2개 이상의 수산기를 포함하는 방향족 고리 화합물으로 하기 표 1에 기재된 화합물 및 함량으로 사용한 것을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 광학 렌즈를 제조하였다. 또한, 하기 표 1에서 70B, T2, A2 및 A3는 다음과 같습니다.
| (단위: g) | 에피설파이드 화합물 | 티올 화합물 | 2개 이상의 수산기를 포함하는 방향족 고리 화합물 | ||||
| 70A | 70B | T1 | T2 | A1 | A2 | A3 | |
| 실시예 1 | 90 | - | 7 | - | 3 | - | - |
| 실시예 2 | 90 | 1 | 8 | - | 1 | - | - |
| 실시예 3 | 90 | 1 | 7 | - | 2 | - | - |
| 실시예 4 | 90 | 2 | 3 | 4 | 1 | - | - |
| 실시예 5 | 90 | - | 6 | 3 | - | 1 | - |
| 실시예 6 | 90 | - | 9 | - | - | - | 1 |
| 실시예 7 | 90 | 5 | 3 | - | - | - | 2 |
| 비교예 1 | 90 | 10 | - | - | - | - | - |
| 비교예 2 | 90 | 9.3 | - | - | 0.7 | - | - |
| 비교예 3 | 90 | 9.5 | - | - | - | 0.5 | - |
| 비교예 4 | 90 | 6.7 | - | - | 3.3 | - | - |
| 비교예 5 | 90 | 6 | - | - | - | 4 | - |
| 비교예 6 | 90 | - | 10 | - | - | - | - |
물성 평가
1. 투과율 및 헤이즈 측정
실시예 및 비교예의 플라스틱 기판에 대해, 두께 방향으로 Nippon Denshoku Industries Co. LTD 사의 COH400 분광계를 이용하여 투과율(JIS K 7361) 및 헤이즈(JIS K 7136)를 측정하고, 그 결과를 하기 표 2에 나타내었다.
2. 황 원자 함량 측정
실시예 및 비교예의 플라스틱 기판에 대해, 원소 분석법을 이용하여 황 원자의 함량을 측정하고, 그 결과를 하기 표 2에 나타내었다.
3. 굴절률 측정
실시예 및 비교예의 플라스틱 기판에 대해, Spectroscopic Elipsometry (Ellipsometer M-2000. J.A. Woollam)를 사용하고, Cauchy Film Model을 이용하여 532nm 파장을 기준으로 광굴절율(25 ℃, 50 RH%)을 측정하여 하기 표 2에 나타내었다.
4. 유리 전이 온도 측정
실시예 및 비교예의 플라스틱 기판에 대해, DSC TA2500 (TA Instrument사)를 이용하여 -15 ℃ 내지 200 ℃의 온도범위에서 가열속도 10 ℃/min으로 승온하면서 유리 전이 온도를 측정하였다. 구체적으로, DSC TA2500를 통해 측정된 DSC 곡선에서 중간점이 유리 전이 온도로, 이를 하기 표 2에 나타내었다.
5. 두께 편차 측정
실시예 및 비교예의 플라스틱 기판에 대해, 하기 식 3으로 두께 편차를 계산하고, 두께 편차가 0.5 % 미만이면 하기 표 2에서 ○로 나타내고, 두께 편차가 0.5 % 이상이면 하기 표 2에서 X로 나타내었다.
[식 3]
두께 편차(%) = {(최대 두께 - 최소 두께)/평균 두께} × 100
구체적으로, 플라스틱 기판의 최대 두께, 최소 두께 및 평균 두께는 25 ℃ 및 50 RH%에서 파이버프로 사의 OWTM(Optical Wafer Thickness Measurement system) 장비를 이용한 비접촉식 측정 방법으로 측정하였다. 크기 50 ㎜ × 50 ㎜의 샘플을 준비하고, 각 모서리의 말단으로부터 5 ㎜씩을 제외한 40 ㎜ × 40 ㎜ 의 면적에 대하여 가로, 세로 1 ㎜ 간격으로 두께를 측정하여, 총 1681점에 대한 두께 값을 얻은 후, 이 중 가장 높은 값은 최대 두께로 하고, 가장 낮은 값을 최소 두께로 하며, 측정된 총 1681점에 대한 산술 평균 값을 통하여 평균 두께를 구하였다.
6. 회복률 평가
실시예 및 비교예의 플라스틱 기판에 대해, 하기 방법으로 회복률을 평가하고, 그 결과를 하기 표 2에 나타내었다.
구체적으로, DMA Q800(TA instruments사)의 3점 휨(3 Point Bending) 지오메트리에 플라스틱 기판을 위치시키고, 상기 플라스틱 기판에 대해 4.0 Mpa의 스트레스를 60 ℃의 온도 조건에서 10분 동안 가한 직후 최대 변형률(S1)을 측정하였다.
이후, 상기 플라스틱 기판에 대한 스트레스를 제거하고, 제거한 시점으로부터 20분 후 플라스틱 기판의 잔류 변형률(S2)을 측정하였다. 이후, 상기 최대 변형률 및 잔류 변형률을 하기 식 1에 대입하여 회복률을 계산하고, 그 결과를 하기 표 2에 나타내었다. 한편, 도 1은 실시예 1 및 비교예 1의 회복률을 나타낸 그래프이다.
[식 1]
회복률 = (S1-S2)/S1 X 100
7. 이미지 선명도 평가
실시예 및 비교예의 플라스틱 기판상에 상기 (3) 회절 도광 패턴 형성하여 광학 렌즈(회절 도광판)를 제조하였으며, 도 2의 회절 도광판 평가 시스템의 광학 렌즈로 적용하고 이중상 발생 여부를 확인하는 이미지 선명도 평가를 수행하였다.
구체적으로, 도 2의 회절 도광판 평가 시스템은, 광을 안내하기 위한 상기 실시예 및 비교예의 플라스틱 기판(10)과, 특정 파장대역의 광에 대응하도록 구성된 복수의 회절 도광부(20, 30)을 구비하며, 상기 복수의 회절 도광부 중 어느 하나는 광원으로부터 출력된 광이 입력되어 상기 플라스틱 기판 상에서 안내될 수 있도록 상기 입력된 광을 회절시키는 입력 회절 도광부 (20)이고, 다른 하나는 상기 광학 렌즈 상에서 안내되는 광이 회절에 의해 상기 광학 렌즈로부터 출력되도록 구성되는 출력 회절 도광부(30)인 회절 도광판의 품질을 평가하기 위한 시스템이다.
상기 회절 도광판 평가 시스템은 특정 파장대역과 중첩되되 서로 다른 파장대역을 가지는 복수의 입사광을 동일한 입사각으로 상기 입력 회절 도광부(20) 영역에 입사시키는 광원모듈(200); 및 상기 출력 회절 도광부(30) 영역으로부터 출사되는 상기 서로 다른 파장대역을 가지는 복수의 출사광을 구별하여 촬상하는 촬상모듈(300)을 포함한다. 또한, 상기 회절 도광판 평가 시스템은 상기 촬상모듈에 의해 촬상된 복수의 출사광의 이미지의 틀어짐 정도를 분석하는 분석 모듈을 포함한다. 상기 분석 모듈은 상기 복수의 출사광의 이미지 각각의 중심 좌표를 비교하는 기능을 가진다.
따라서, 상기 광학 렌즈를 포함하는 회절 도광판 평가 시스템을 이용하여 촬상된 이미지에 이중상에 발생하는지 여부를 하기 평가 기준에 따라 판단하고, 그 결과를 하기 표 2에 나타내었다. 한편, 도 3 및 4는 각각 실시예 1 및 3의 이미지이며 이중상이 발생하지 않음을 확인했다. 반면, 도 5는 비교예 1의 이미지이며 이중상이 발생함을 확인했다.
<평가 기준>
○: 이중상이 발생하지 않음.
X: 이중상이 발생
| 투과율 (%) | 헤이즈 (%) | 황 원자 함량 (중량%) | 굴절률 | 유리 전이 온도 (℃) | 두께편차(<0.5%) | 회복률 (%) | 이미지 선명도 | |
| 실시예 1 | 87.7 | 0.3 | 53.02 | 1.739 | 86.8 | ○ | 92.5% | ○ |
| 실시예 2 | 87.5 | 0.3 | 54.28 | 1.741 | 86 | ○ | 93.1% | ○ |
| 실시예 3 | 87.3 | 0.3 | 53.64 | 1.740 | 86 | ○ | 92.5% | ○ |
| 실시예 4 | 86.8 | 0.4 | 53.87 | 1.738 | 94 | ○ | 93.5% | ○ |
| 실시예 5 | 87.6 | 0.3 | 54.01 | 1.730 | 96 | ○ | 93.8% | ○ |
| 실시예 6 | 87.5 | 0.3 | 54.30 | 1.728 | 89 | ○ | 90.8% | ○ |
| 실시예 7 | 87.5 | 0.3 | 53.57 | 1.740 | 82 | ○ | 90.2% | ○ |
| 비교예 1 | 88 | 0.3 | 54.77 | 1.705 | 74 | X | 82.5% | X |
| 비교예 2 | 87.3 | 0.3 | 54.33 | 1.702 | 77 | X | 84.2% | X |
| 비교예 3 | 87.3 | 0.3 | 54.46 | 1.703 | 73 | X | 85.6% | X |
| 비교예 4 | 87.4 | 0.4 | 52.71 | 1.699 | 77 | ○ | 88.0% | X |
| 비교예 5 | 86.4 | 0.3 | 52.28 | 1.685 | 78 | ○ | 88.9% | X |
| 비교예 6 | 87.5 | 0.4 | 54.94 | 1.730 | 92 | X | 91.5% | X |
상기 표 2를 참조하면, 실시예는 투과율이 높고, 헤이즈 값이 낮으면서도, 상대적으로 높은 굴절률을 가지고, 유리 전이 온도 및 회복률이 현저히 높고, 이를 웨어러블 디바이스의 회절 도광판으로 적용시 이중상이 발생하지 않아 이미지가 선명함을 확인했다.
반면, 비교예 1 내지 5의 광학 렌즈는 유리 전이 온도 및 회복률이 낮으면서도, 이를 디바이스의 회절 도광판으로 적용시 이중상이 발생하여 이미지가 선명하지 않음을 확인했다. 또한, 비교예 6은 2개 이상의 수산기를 포함하는 방향족 고리 화합물을 포함하지 않아, 두께 편차가 크면서도, 이를 디바이스의 회절 도광판으로 적용시 이중상이 발생하여 이미지가 선명하지 않음을 확인했다
10: 플라스틱 기판 20: 입력 회절 도광부
30: 출력 회절 도광부 200: 광원모듈
300: 촬상모듈 1000: 회절 도광판 평가 시스템
30: 출력 회절 도광부 200: 광원모듈
300: 촬상모듈 1000: 회절 도광판 평가 시스템
Claims (16)
- 에피설파이드 화합물; 티올 화합물; 및 2개 이상의 수산기를 포함하는 방향족 고리 화합물;을 포함하는 플라스틱 기판을 포함하고,
상기 플라스틱 기판은 유리 전이 온도가 80 내지 100 ℃이고,
상기 플라스틱 기판은 하기 식 1에 따른 회복률(recovery)이 90% 이상인, 광학 렌즈:
[식 1]
회복률 = (S1-S2)/S1 X 100
상기 식 1에서,
S1은 상기 플라스틱 기판에 대해 0.1 내지 10.0 MPa의 스트레스(stress)를 40 내지 80 ℃에서 5 내지 15분 동안 가한 직후 측정한 최대 변형률(%)이고,
S2는 상기 스트레스를 제거한 시점으로부터 20분 이상이 경과한 시점에서 측정한 잔류 변형률(%)이다.
- 제1항에 있어서,
상기 티올 화합물 및 2개 이상의 수산기를 포함하는 방향족 고리 화합물의 중량비는 7:3 내지 9:1인, 광학 렌즈.
- 제1항에 있어서,
상기 에피설파이드 화합물은 하기 화학식 1로 표시되는 화합물을 포함하는, 광학 렌즈:
[화학식 1]
상기 화학식 1에서,
R1 및 R2는 각각 독립적으로 수소 또는 탄소수 1 내지 10의 알킬이고,
R3 및 R4는 각각 독립적으로 단일결합 또는 탄소수 1 내지 10의 알킬렌이고,
a는 0 내지 4의 정수이고,
b는 0 내지 6의 정수이다.
- 제1항에 있어서,
상기 티올 화합물은 하기 화학식 2 또는 3으로 표시되는 화합물 중에서 선택되는 적어도 하나를 포함하는, 광학 렌즈:
[화학식 2]
상기 화학식 2에서,
R5 및 R6은 각각 독립적으로 단일결합 또는 탄소수 1 내지 10의 알킬렌이고,
c는 0 내지 4의 정수이고,
d는 0 내지 6의 정수이고,
[화학식 3]
상기 화학식 3에서,
A 고리는 질소(N) 및 황(S) 원자 중 1개 이상을 포함하는 5원 또는 6원의 방향족 헤테로 고리이고,
e는 1 내지 3의 정수이다.
- 제1항에 있어서,
상기 2개 이상의 수산기를 포함하는 방향족 고리 화합물은 하기 화학식 4 및 5로 표시되는 화합물 중에서 선택되는 적어도 하나를 포함하는, 광학 렌즈:
[화학식 4]
상기 화학식 4에서,
R7 및 R8은 각각 독립적으로 중수소, 할로겐, 시아노, 니트릴, 니트로, 아미노, 탄소수 1 내지 40의 알킬, 탄소수 1 내지 40의 알콕시, 탄소수 3 내지 40의 사이클로알킬, 탄소수 1 내지 40의 알케닐, 탄소수 6 내지 60의 아릴, 또는 O, N, Si 및 S 중 1개 이상을 포함하는 탄소수 1 내지 40의 헤테로아릴이고,
f 및 g는 각각 독립적으로 1 내지 7의 정수이고,
h 및 i는 각각 독립적으로 0 내지 6의 정수이고,
f+h는 7 이하이고, g+i는 7 이하이고,
[화학식 5]
상기 화학식 5에서,
Ar1 및 Ar2는 각각 독립적으로 1개 이상의 수산기가 치환된 탄소수 6 내지 60의 아릴이고,
R9 및 R10은 각각 독립적으로 중수소, 할로겐, 시아노, 니트릴, 니트로, 아미노, 탄소수 1 내지 40의 알킬, 탄소수 1 내지 40의 알콕시, 탄소수 3 내지 40의 사이클로알킬, 탄소수 1 내지 40의 알케닐, 탄소수 6 내지 60의 아릴, 또는 O, N, Si 및 S 중 1개 이상을 포함하는 탄소수 1 내지 40의 헤테로아릴이고,
m 및 n은 각각 독립적으로 0 내지 4의 정수이다.
- 제1항에 있어서,
상기 에피설파이드 화합물은 비스(β-에피티오프로필)설파이드, 비스(β-에피티오프로필)디설파이드, 비스(β-에피티오프로필티오)메탄, 1,2-비스(β-에피티오프로필티오)에탄, 1,3-비스(β-에피티오프로필티오)프로판 및 1,4-비스(β-에피티오프로필티오)부탄으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나를 포함하는, 광학 렌즈.
- 제1항에 있어서,
상기 티올 화합물은 하기 화합물 중에서 선택된 적어도 하나를 포함하는, 광학 렌즈:
- 제1항에 있어서,
상기 2개 이상의 수산기를 포함하는 방향족 고리 화합물은 하기 화합물 중에서 선택된 적어도 하나를 포함하는, 광학 렌즈:
- 제1항에 있어서,
상기 플라스틱 기판의 두께는 0.4 내지 5mm이고,
상기 플라스틱 기판은 두께 편차가 1% 이하인, 광학 렌즈.
- 제1항에 있어서,
상기 플라스틱 기판 상에 구비되고, 회절 도광 패턴을 갖는 회절 도광부를 더 포함하는, 광학 렌즈.
- 제1항에 있어서,
상기 광학 렌즈는 헤이즈(Haze)가 1 % 이하인, 광학 렌즈.
- 제1항에 있어서,
상기 광학 렌즈는 532 nm의 파장에서 굴절률이 1.70 이상이고,
상기 광학 렌즈는 532 nm의 파장에서 광투과율이 80 % 이상인, 광학 렌즈.
- 제1항에 있어서,
상기 광학 렌즈는 황색도(YI; Yellow Index)가 1 내지 30인, 광학 렌즈.
- 제1항에 있어서,
상기 광학 렌즈는 시야각이 30 °이상인, 광학 렌즈.
- 제1항에 따른 광학 렌즈를 포함하는 웨어러블 디바이스.
- 제15항에 있어서,
상기 웨어러블 디바이스는 증강현실 디바이스 또는 가상현실 디바이스인, 웨어러블 디바이스.
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|---|---|---|---|
| KR1020200006112A KR102647662B1 (ko) | 2020-01-16 | 2020-01-16 | 광학 렌즈 및 이를 포함하는 웨어러블 디바이스 |
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| KR1020200006112A KR102647662B1 (ko) | 2020-01-16 | 2020-01-16 | 광학 렌즈 및 이를 포함하는 웨어러블 디바이스 |
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|---|---|
| KR20210092565A KR20210092565A (ko) | 2021-07-26 |
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| KR1020200006112A KR102647662B1 (ko) | 2020-01-16 | 2020-01-16 | 광학 렌즈 및 이를 포함하는 웨어러블 디바이스 |
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| JP6406265B2 (ja) * | 2013-11-01 | 2018-10-17 | 三菱瓦斯化学株式会社 | ポリチオール化合物およびその製造方法 |
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-
2020
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