KR20080039889A - 광학 소자, 편광판, 위상차판, 조명 장치 및 액정 표시장치 - Google Patents

광학 소자, 편광판, 위상차판, 조명 장치 및 액정 표시장치 Download PDF

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KR20080039889A
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고헤이 아라카와
도시히코 호리
슈헤이 오쿠데
마나부 하라구치
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니폰 제온 가부시키가이샤
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Abstract

중합성 액정 화합물, 중합 개시제 및 카이랄제, 나아가 필요에 따라 계면 활성제, 배향 조정제 등을 용제에 용해시킨 도포액을 얻고, 이것을 등방성의 투명 필름 상에 막 형태로 적층하고, 건조시키고, 그 건조시킨 막을 중합시켜 입사각 0도의 광선을 반사시키는 대역의 하한(λL)이, 광원이 방사하는 광 중에서 600nm 내지 700nm의 파장 대역에서 최대 발광 강도를 나타내는 광의 파장(λR1)보다 길고, 입사각 60도에서의 파장 600nm 내지 700nm의 광의 평균 투과율이 40% 이상 90% 이하인 광학 소자를 얻는다.

Description

광학 소자, 편광판, 위상차판, 조명 장치 및 액정 표시 장치{OPTICAL DEVICE, POLARIZING PLATE, RETARDATION FILM, ILLUMINATING DEVICE, AND LIQUID CRYSTAL DISPLAY}
본 발명은 광학 소자, 편광판, 위상차판, 조명 장치 및 액정 표시 장치에 관한 것이다. 구체적으로는, 정면 및 경사 관찰에 있어서 동일한 색균형을 이룬 화상을 표시하기 위하여 사용하는 광학 소자, 편광판, 위상차판, 조명 장치 및 액정 표시 장치에 관한 것이다.
액정 표시 장치는 광원과, 2장의 2색성 편광자와, 이 2색성 편광자에 개재되어 배치된 액정 셀을 포함하는 것이다. 냉음극관, 열음극관, LED(발광 다이오드), EL(일렉트로루미네슨스) 등의 광원으로부터 방사된 광은 청색광(파장 410 내지 470nm), 녹색광(파장 520 내지 580nm) 및 적색광(파장 600 내지 660nm)이 균형을 이루어 백색 발광한다. 이 광은 첫째장의 2색성 편광자에서 직선 편광으로 변환된다. 이 직선 편광은 액정 셀에서의 전압 인가 또는 전압 무인가의 차이에 따라 위상이 그대로 또는 반전된 직선 편광으로 변환된다. 첫째장의 2색성 편광자의 편광 투과축과 둘째장의 2색성 편광자(검광자라고도 함.)의 편광 투과축이 직각인 경우, 액정 셀에서 위상이 반전된 직선 편광은 둘째장의 2색성 편광자를 투과하고, 위상이 그대로인 직선 편광은 둘째장의 2색성 편광자를 통과할 수 없는 구성이 된다. 일반적으로, 입사각 0도에서 입사하는 광에 대하여 위상을 반전시킬 수 있는(즉, 위상을 이분의 일 파장 늦출 수 있는) 것이라 하더라도, 경사 입사하는 광에 대해서는 위상의 지연을 정확히 이분의 일 파장으로 할 수 없어 일그러짐을 발생시킨다. 이 일그러짐의 정도는 파장에 따라 달라진다. 그 결과, 정면 관찰하였을 때의 컬러 화상의 색조와 경사 관찰하였을 때의 컬러 화상의 색조가 다르다.
또한, 휘도를 향상시키기 위하여 반사성 편광자가 사용될 수가 있다. 반사성 편광자에서는 경사 입사하는 광의 선택 반사 대역이 완전히 정면 입사하는 광의 선택 반사 대역에 비하여 단파장 측으로 시프트한다. 정면 입사하는 광에 대하여 가시광 영역 전체를 반사할 수 있는 반사성 편광자라 하더라도 경사 입사하는 광에 대해서는 장파장의 광(적색광)을 반사시킬 수 없을 수가 있다. 이러한 사실로 미루어, 액정 표시 장치에서는 일반적으로 정면 관찰하였을 때의 컬러 화상의 색조와 경사 관찰하였을 때의 컬러 화상의 색조가 다르다.
이 관찰 각도에 따른 색조의 차이를 해소하기 위하여, 특허 문헌 1에서는, 수직 입사광에 대하여 파장(λ1 내지 λ2(λ1＜λ2))에 선택 반사 대역을 나타내는 콜레스테릭 액정층으로 이루어지고, 조합되어 사용되는 광원의 발광 스펙트럼의 극대 파장(λ0)에 대하여 λ1＜λ1을 만족하는 콜리메이터를 백라이트 시스템에 배치 하는 것이 제안된 바 있다. 특허 문헌 1에 기재된 콜리메이터는 다양한 각도로 진행하는 광을 수직 방향으로 진행하는 광에만 맞추는 기능을 갖는 것이다. 따라서, 경사 입사하는 광선은 이 콜리메이터에 의해 반사되어 투과하지 않는다.
또한 특허 문헌 2에서는, 법선 방향의 가시광 영역의 입사광에 대해서는 투과 특성을 갖고, 적외 영역에 반사 파장 대역을 가지며, 법선 방향에 대한 입사각이 커짐에 따라 반사 파장 대역이 단파장 측으로 변화되는 적외 반사층(B)을 조명 장치에 배치하는 것이 제안된 바 있다. 특허 문헌 2에는 적외 반사층(B)으로서 입사각 45도의 파장 710nm, 640nm 또는 610nm의 광의 투과율이 10% 이하가 되는 것이 개시되어 있다. 따라서, 경사 입사하는 적색광은 적외 반사층(B)에 의해 거의 완전히 반사 또는 흡수되게 된다.
특허 문헌 1: 일본 특허 공개 2002-169026호 공보(미국 공개 공보2002/0036735)
특허 문헌 2: 일본 특허 공개 2004-309618호 공보
발명의 개시
발명이 해결하고자 하는 과제
본 발명의 목적은 정면 및 경사 관찰에 있어서 동일한 색균형을 이룬 화상을 표시하기 위하여 사용하는 광학 소자, 편광판, 위상차판, 조명 장치 및 액정 표시 장치를 제공하는 것에 있다. 구체적으로는, 입사 각도에 따라 투과율 등의 특성이 적절하게 변화되는 광학 소자, 편광판, 위상차판, 조명 장치 및 액정 표시 장치를 제공하는 것에 있다.
과제를 해결하기 위한 수단
본 발명자는 상기 특허 문헌에 개시되어 있는 액정 표시 장치를 정면 관찰한 경우에는 청색, 녹색 및 적색이 잘 균형을 이룬 화상을 얻을 수 있지만, 경사 관찰한 경우에는 흑표시 시에 푸른빛을 띤 화상이 되어 버리는 것을 알아내었다. 그리고, 이 원인은 상기 특허 문헌 1 및 2에서 사용하고 있는 콜리메이터 또는 적외 반사층(B)이 경사 입사하는 적색광을 과도하게 차단하고 있기 때문이라는 것에 생각이 미치게 되었다.
따라서 본 발명자는, 광원의 600nm 내지 700nm의 파장 영역 중에서 최대 발광 강도를 나타내는 광의 파장(λR1)보다 긴 파장의 대역(λL 내지 λH)에 입사각 0도의 광을 반사시키는 대역을 가지며, 입사각 60도에서의 파장 600nm 내지 700nm의 광의 평균 투과율이 40% 이상 80% 이하인 광학 소자를 액정 표시 장치의 조명 장치에 구비하였더니, 정면 및 경사 관찰에 있어서 동일한 색균형을 이룬 화상을 표시할 수 있음을 알아내었다.
또한, 본 발명자는 콜레스테릭 규칙성을 갖는 수지층을 갖는 광학 소자로서, 이 수지층의 카이랄 피치가 400nm 이상이고, 입사각 0도에 있어서 선택 반사 대역에서의 최대 반사율이 10% 이상 40% 이하인 광학 소자를 액정 표시 장치의 조명 장치에 구비하였더니, 정면 및 경사 관찰에 있어서 동일한 색균형을 이룬 화상을 표 시할 수 있음을 알아내었다. 이들 깨달음에 기초하여, 본 발명자는 검토를 더 행하여 본 발명을 완성시키기에 이르렀다.
이리하여 본 발명은 이하의 것을 포함한다.
(1)광원을 갖는 장치에 사용하는 광학 소자로서,
입사각 0도의 광선을 반사시키는 파장 대역의 하한(λL)이, 광원이 방사하는 광 중에서 600nm 내지 700nm의 파장 대역에서 최대 발광 강도를 나타내는 광의 파장(λR1)보다 길고,
입사각 60도에서의 파장 600nm 내지 700nm의 광의 평균 투과율이 40% 이상 80% 이하인 광학 소자.
(2)입사각 0도에서의 파장 600nm 내지 700nm의 광의 평균 투과율이 60% 이상이고, 입사각 0도에서의 파장 600nm 내지 700nm의 광의 평균 투과율이 입사각 60도에서의 파장 600nm 내지 700nm의 광의 평균 투과율보다 큰 상기 광학 소자.
(3)입사각 60도에서의 파장 600nm 내지 700nm의 광의 평균 투과율이 50% 이상 80% 이하인 상기 광학 소자.
(4)콜레스테릭 규칙성을 갖는 수지층을 포함하는 상기 광학 소자.
(5)콜레스테릭 규칙성을 갖는 수지층을 갖는 광학 소자로서, 이 수지층의 카이랄 피치가 400nm 이상이고, 입사각 0도에 있어서, 선택 반사 대역에서의 최대 반사율이 10% 이상 40% 이하인 상기 광학 소자.
(6)입사각 0도에서의 선택 반사 대역에서 최대 반사율을 나타내는 파장의 광 을 입사각 60도로 입사시켰을 때의 반사율이, 입사각 0도에서의 상기 최대 반사율의 50% 이상 90% 이하인 상기 광학 소자.
(7)입사각 60도에서의 파장 600nm 내지 700nm의 광의 평균 반사율이 20% 이상 60% 이하인 상기 광학 소자.
(8)콜레스테릭 규칙성을 갖는 수지층을 갖는 광학 소자로서,
이 수지층의 카이랄 피치가 400nm 이상이고,
입사각 0도에 있어서, 선택 반사 대역에서의 최대 반사율이 10% 이상 40% 이하인 상기 광학 소자.
(9)입사각 0도에서의 선택 반사 대역에서 최대 반사율을 나타내는 파장의 광을 입사각 60도로 입사시켰을 때의 반사율이, 입사각 0도에서의 상기 최대 반사율의 50% 이상 90% 이하인 상기 광학 소자.
(10)입사각 60도에서의 파장 600nm 내지 700nm의 광의 평균 반사율이 20% 이상 60% 이하인 상기 광학 소자.
(11)상기 광학 소자와 직선 평광자를 적층시킨 편광판.
(12)상기 광학 소자와 위상차 소자를 적층시킨 위상차판.
(13)광반사 소자, 광원, 광확산 소자 및 상기 광학 소자가 이 순서로 배치된 조명 장치.
(14)광반사 소자, 광원, 광확산 소자 및 상기 편광판이 이 순서로 배치된 편광 조명 장치.
(15)광반사 소자, 광원, 광확산 소자, 상기 광학 소자, 직선 편광자, 액정 패널 및 검광자가 이 순서로 배치된 액정 표시 장치.
(16)광원이 냉음극관, 열음극관, 발광 다이오드 및 일렉트로루미네슨스로부터 선택되는 것인 액정 표시 장치.
발명의 효과
종래의 액정 표시 장치에서는 경사 관찰하였을 때 붉은빛을 띠는 경우가 많았다. 그것은, 정면 관찰하였을 때의 청색, 녹색 및 적색의 광량 밸런스에 대하여 경사 관찰하였을 때의 적색의 광량이 청색 및 녹색의 광량에 비하여 상대적으로 높아지기 때문이다. 한편, 특허 문헌 1 및 2와 같이 경사 입사하는 파장 710nm, 640nm 또는 610nm의 광의 투과율을 10% 이하로 하게 되면 정면 관찰하였을 때의 청색, 녹색 및 적색의 광량 밸런스에 대하여 경사 관찰하였을 때의 적색의 광량이 청색 및 녹색의 광량에 비하여 상대적으로 과도하게 낮아지게 된다. 그 결과, 액정 표시 장치를 경사 관찰하였을 때 푸른빛이나 붉은빛을 띠거나 어두워지는 경향이 있었다.
본 발명의 광학 소자는 입사각 60도로 입사하는 파장 600nm 내지 700nm의 광을 40% 이상 80% 이하의 범위에서 투과시키므로, 이것을 광원을 갖는 장치에 설치하면 경사 관찰하였을 때의 청색, 녹색 및 적색의 색균형을 정면 관찰하였을 때의 청색, 녹색 및 적색의 밸런스와 동일한 밸런스로 조정할 수 있다. 그 결과, 경사 관찰하였을 때 붉은빛을 띠거나 푸른빛을 띠지 않게 되어 색 재현 범위를 넓힐 수 있다.
본 발명의 광학 소자는 카이랄 피치 400nm 이상인 콜레스테릭 수지층을 가지며, 입사각 0도에서의 선택 반사 대역에서의 최대 반사율이 10% 이상 40% 이하이다. 콜레스테릭 수지층은 입사각이 커지면 선택 반사 대역이 단파장 측으로 시프트하므로, 본 발명의 광학 소자를 광원을 갖는 장치에 설치하면 경사 관찰하였을 때의 청색, 녹색 및 적색의 색균형을 정면 관찰하였을 때의 청색, 녹색 및 적색의 밸런스와 동일한 밸런스로 조정할 수 있다. 그 결과, 경사 관찰하였을 때 붉은빛을 띠거나 푸른빛을 띠거나 하지 않게 되어 색 재현 범위를 넓힐 수 있다.
또한, 본 명세서에 있어서 "x 이상" 및 "y 이하"라 나타낼 때에는 그 경계값(x 및 y)을 포함한다. "x 미만" 및 "y 초과"라 나타낼 때에는 그 경계값(x 및 y)을 포함하지 않는다. 또한 "x 내지 y"로 나타낸 범위의 경계값(x 및 y)은 그 범위에 포함한다.
도 1은 광원의 발광 스펙트럼의 일례를 도시한 도면.
도 2는 선택 반사 대역을 설명하기 위한 도면.
도 3은 본 발명의 광학 소자(원편광 반사판)의 일례를 도시한 도면.
도 4는 본 발명의 액정 표시 장치의 일례의 구성을 도시한 도면.
<부호의 설명>
1: 투명 기재
2: 배향막
3: 콜레스테릭 수지층
11: 편광자 Y(검광자)
12: 액정 셀
13: 편광자 X
17: 본 발명의 광학 소자(원편광 반사판)
18: 광확산판
19: 냉음극관
20: 반사판
본 발명의 광학 소자는 입사각 0도의 광선을 반사시키는 파장 대역의 하한(λL)이, 광원이 방사하는 광 중에서 600nm 내지 700nm의 파장 대역에서 최대 발광 강도를 나타내는 광의 파장(λR1)보다 길고, 입사각 60도에서의 파장 600nm 내지 700nm의 광의 평균 투과율이 40% 이상 80% 이하이다. 또한, 본 발명의 광학 소자는 광원과 함께 사용되는 부재로서, 이 광원의 광출사측에 배치되는 것이며, 구체적으로는, 반사성 편광자, 그 중에서도 원편광 반사판으로 할 수 있다.
본 발명의 광학 소자는 광선을 반사시키는 파장 대역(이하, 선택 반사 대역이라 할 수 있음.)이 있다. 도 2의 실선 30은 입사각 0도에서의 반사율의 파장 의존성을 나타낸 것이다. 선택 반사 대역은 실선 30과 같이 특정 파장 영역(λL부터 λH 사이의 파장 영역)에 있어서 반사율이 다른 부분보다 크게 되어 있는 부분이다. 도 2에서는 선택 반사 대역과 비선택 반사 대역과의 경계에서 확실하게 반사율이 변화되고, 그래프가 사각형 또는 사다리꼴을 이루고 있으나, 반사율이 완만하게 변화하여 그래프가 포물선과 같은 완만한 산 형상을 이루고 있을 수도 있다. 여기서 선택 반사 대역의 하한(λL) 및 상한(λH)은 선택 반사 대역에서의 최대 반사율의 1/2배의 반사율을 나타내는 파장 중에서 각각 가장 짧은 것 및 가장 긴 것이다.
도 1은 액정 표시 장치에 사용되고 있는 광원(냉음극관)의 발광 스펙트럼의 일례를 도시한 것이다. λR1은 광원이 방사하는 광 중에서 600nm 내지 700nm의 파장 대역에서 최대 발광 강도를 나타내는 광의 파장이다.
상기한 광선을 반사시키는 대역(선택 반사 대역)은 입사각에 따라 파장 범위가 변화된다. 본 발명에서는 입사각 0도의 광선을 반사시키는 대역의 하한 파장(λL)이 상기 파장(λR1)보다 길다.
더욱이, 본 발명의 광학 소자는 λL이 광원이 방사하는 광 중에서 630 내지 700nm의 파장 대역에서 최대 발광 강도를 나타내는 광의 파장(λR2)보다 긴 것이 바람직하다. λL이 보다 긴 파장이 됨으로써 정면 관찰하였을 때의 색균형을 양호하게 할 수 있고, 또는 색도 영역에 대한 색재현 범위의 면적비의 값을 높일 수 있다.
도 1에서는 λR1은 약 610nm이므로, λL은 610nm보다 긴 파장으로 하는 것이 바람직하다. 도 2의 실선 30으로 나타낸 선택 반사 대역의 λL은 약 680nm이다. 선택 반사 대역의 폭(λH와 λL의 차)은 바람직하게는 50nm 이상, 특히 바람직하게는 80nm 이상이다.
입사각 0도에서의 선택 반사 대역의 최대 반사율은 바람직하게는 10% 이상 40% 이하, 보다 바람직하게는 15% 이상 35% 이하이다. 최대 반사율이 상기 범위에 있으면, 액정 표시 장치의 표시 화면을 경사 관찰한 경우에 있어서, 정면 관찰한 경우와 동일한 색균형을 이룬 화상을 얻을 수 있다. 최대 반사율이 낮으면 경사 관찰하였을 때 화상이 붉은빛을 띤다. 최대 반사율이 높으면 경사 관찰하였을 때 화상이 푸른빛을 띤다.
본 발명의 광학 소자는 입사각 0도에서의 선택 반사 대역에서 최대 반사율을 나타내는 파장의 광을 입사각 60도로 입사시켰을 때의 반사율이, 입사각 0도에서의 상기 최대 반사율의 바람직하게는 50% 이상 90% 이하, 보다 바람직하게는 60% 이상 85% 이하이다.
본 발명의 광학 소자는, 입사각 0도에서의 파장 600nm 내지 700nm의 광의 평균 투과율이 바람직하게는 60% 이상, 보다 바람직하게는 70% 이상이다. 더욱이 입사각 0도에서의 파장 600nm 내지 700nm의 광의 평균 투과율이 후기한 입사각 60도에서의 파장 600nm 내지 700nm의 광의 평균 투과율보다 큰 것이 바람직하다. 구체적으로는, 입사각 60도에서의 파장 600nm 내지 700nm의 광의 평균 투과율이 입사각 0도에서의 파장 600nm 내지 700nm의 광의 평균 투과율의 94% 이하인 것이 바람직하다.
청색광 및 녹색광의 입사각 0도에서의 광선 투과율은 적색광에 대한 광량 밸런스를 고려하여 적당히 선택할 수 있다. 입사각 0도에서의 청색광(파장 400nm 내지 500nm) 및 녹색광(파장 500nm 내지 600nm)의 평균 투과율은, 바람직하게는 60% 이상, 보다 바람직하게는 70% 이상이다. 또한, 본 명세서에 있어서 평균 투과율이란 10nm의 파장 간격으로 측정한 투과율의 산술 평균값이다.
상기한 선택 반사 대역은, 광선의 입사 각도가 커지면 단파장 측으로 시프트하는 것이 바람직하다. 구체적으로는 입사각 60도에서의 선택 반사 대역이 파장(λR1 또는 λR2)을 포함하도록 이루어지는 것이 바람직하다. 입사각이 커지면 선택 반사 대역은 단파장 측으로 시프트한다. 이에 따라, 입사각 60도에서의 파장 600nm 내지 700nm의 광의 평균 투과율을 낮출 수 있다.
도 2의 파선 31은 입사각 60도에서의 선택 반사 대역의 일례를 도시한 것이다. 도 2에서는 선택 반사 대역의 하한이 약 610nm로 되어 있다.
본 발명의 광학 소자는 그 입사각 60도에서의 파장 600nm 내지 700nm의 광의 평균 투과율이 40% 이상 80% 이하, 바람직하게는 50% 이상 80% 이하이다. 광선 투과율이 상기 범위 미만이 되면, 경사 관찰하였을 때의 표시 화상이 푸른빛을 띠게 된다. 광선 투과율이 상기 범위를 초과하면 경사 관찰하였을 때의 표시 화상이 붉은빛을 띠게 된다.
본 발명의 광학 소자에서는, 입사각 60도에서의 청색광(파장 400nm 내지 500nm) 및 녹색광(파장 500nm 내지 600nm)의 평균 투과율이, 바람직하게는 60% 이상, 보다 바람직하게는 70% 이상이다.
또한, 입사각 60도에서의 파장 600nm 내지 700nm의 광의 평균 투과율은, 입사각 60도에서의 청색광(파장 400nm 내지 500nm) 및 녹색광(파장 500 내지 600nm)의 평균 투과율보다 작은 것, 구체적으로는 입사각 60도에서의 청색광(파장 400 내지 500nm) 및 녹색광(파장 500nm 내지 600nm)의 평균 투과율보다 5 내지 30% 작은 것이 바람직하다.
본 발명의 광학 소자는, 입사각 60도에서의 파장 600nm 내지 700nm의 광의 평균 반사율이 바람직하게는 20% 이상 60% 이하, 보다 바람직하게 25% 이상 50% 이하이다.
본 발명의 광학 소자는, 상기와 같이 입사 각도에 따라 투과율 또는 반사율의 특성이 변화되는 것이면, 그 구조에 의해 제한되지 않는다. 본 발명의 광학 소자로서, 예컨대 굴절률이 서로 다른 무기 산화물을 교대로 증착한 다층 박막(예컨대 콜드 필터 등); 굴절률이 서로 다른 수지의 박막을 적층한 박막; 굴절률이 서로 다른 수지의 다층막을 2축 연신하여 얻어지는 적외 반사 필름; 굴절률이 서로 다른 2종의 수지막을 1축 연신하여 적외 반사 필름을 얻고, 그것을 직교시켜 적층한 것; 콜레스테릭 규칙성을 갖는 수지층을 포함하는 원편광 반사판의 선택 반사 대역을 적외 영역으로 한 것; 상기 원편광 반사판의 우측으로 비틀린 것과 좌측으로 비틀린 것을 적층한 것; 동일 비틀림 방향의 콜레스테릭 규칙성을 갖는 수지층을 포함하는 원편광 반사판 2장을 1/2 파장을 통하여 적층한 것; 그리드 편광자 등을 들 수 있다.
본 발명의 광학 소자는 콜레스테릭 규칙성을 갖는 수지층을 갖는 광학 소자로서, 이 수지층의 카이랄 피치가 400nm 이상이고, 입사각 0도에 있어서 선택 반사 대역에서의 최대 반사율이 10% 이상 40% 이하이다.
본 발명의 광학 소자는 콜레스테릭 규칙성을 갖는 수지(이하, 콜레스테릭 수지라 할 수 있음.)층을 갖는 것이다. 콜레스테릭 규칙성은 일 평면 상에서는 분자축이 일정한 방향으로 나란하나, 다음 평면에서는 분자축의 방향이 조금 각도를 이루어 어긋나고, 그 다음 평면에서는 각도가 더 어긋나는 방식으로, 이 평면의 법선 방향으로 분자축의 각도가 계속 어긋나(비틀려져) 가는 구조이다. 이와 같이 분자축의 방향이 비틀려져 가는 구조는 카이랄 구조라 불린다. 이 평면의 법선(카이랄축)은 콜레스테릭 수지층의 두께 방향으로 대략 평행하게 되어 있는 것이 바람직하다. 콜레스테릭 수지층의 두께는 1μm 내지 10μm가 바람직하고, 1μm 내지 5μm가 특히 바람직하다.
본 발명에 사용하는 콜레스테릭 수지층은 그 카이랄 피치가 400nm 이상, 바람직하게는 430nm 이상이다. 카이랄 피치란 카이랄 구조에 있어서 분자축의 방향이 평면을 진행함에 따라 조금씩 각도가 어긋나져 가다가, 그리고 다시 원래의 분자축 방향으로 되돌아올 때까지의 카이랄축 방향의 거리를 말한다.
이들 중 콜레스테릭 규칙성을 갖는 수지층을 포함하는 원편광 반사판은 선택 반사 대역의 조정이 비교적 용이하다. 따라서, 콜레스테릭 규칙성을 갖는 수지층을 포함하는 원편광 반사판에 대하여 설명하기로 한다.
도 3은 본 발명의 광학 소자(원편광 반사판)의 일례의 구조를 도시한 도면이다.
이 원편광 반사판은, 시트형의 투명 기재(1)에 배향막(2)을 형성하고, 그 위에 콜레스테릭 규칙성을 갖는 수지층(3)을 더 형성함으로써 얻을 수 있다.
〔투명 기재〕
투명 기재는 광학적으로 투명한 기재이면 특별히 한정되지 않으나, 편광이 변화하는 것을 피하기 위해서는 복굴절에 의한 위상차가 작고, 광학적으로 등방성인 것이 바람직하다. 이러한 투명 기재로는 투명 수지 필름, 유리 기판 등을 들 수 있으며, 효율적으로 제조할 수 있는 관점에서 길다란 투명 수지 필름이 보다 바람직하다. 투명 수지 필름은 단층의 필름일 수도 복층 필름일 수도 있으나, 1mm 두께이고 전광선 투과율이 80% 이상인 것이 바람직하다.
투명 수지 필름의 수지 재료로는 지환식 구조 함유 중합체 수지, 폴리에틸렌이나 폴리프로필렌 등의 쇄상 올레핀 중합체, 트라이아세틸셀룰로오스, 폴리바이닐알코올, 폴리이미드, 폴리아릴레이트, 폴리에스터, 폴리카보네이트, 폴리설폰, 폴리에터설폰, 비정질 폴리올레핀, 변성 아크릴 폴리머, 에폭시 수지 등을 들 수 있다. 이들은 1종 단독으로 또는 2종 이상을 조합하여 사용할 수 있다. 이들 중에서도 지환식 구조 함유 중합체 수지 또는 쇄상 올레핀 중합체가 바람직하고, 투명성, 저흡습성, 치수 안정성, 경량성 등의 관점에서 지환식 구조 함유 중합체 수지가 보다 바람직하다.
지환식 구조 함유 중합체 수지로는 (1)노보넨계 중합체, (2)단환의 환상 올레핀계 중합체, (3)환상 공역 다이엔계 중합체, (4)바이닐 지환식 탄화수소 중합체 및 이들의 수소 첨가물 등을 들 수 있다. 이들 중에서도 투명성이나 성형성의 관점에서 노보넨계 중합체가 바람직하다.
노보넨계 중합체로는 예컨대, 노보넨계 모노머의 개환 중합체, 노보넨계 모노머와 개환 공중합 가능한 기타 모노머와의 개환 공중합체 및 그들의 수소 첨가물; 노보넨계 모노머의 부가 중합체, 노보넨계 모노머와 공중합 가능한 기타 모노머와의 부가 공중합체 등을 들 수 있다. 이들 중에서도 투명성의 관점에서 노보넨계 모노머의 개환 중합체 수소 첨가물이 가장 바람직하다. 상기한 지환식 구조를 갖는 중합체는 예컨대 일본 특허 공개 2002-321302호 공보 등에 개시되어 있는 공지의 중합체로부터 선택된다.
본 발명에 적합한 투명 수지 필름의 수지 재료는 그 유리 전이 온도가 바람직하게는 80℃ 이상, 보다 바람직하게는 100 내지 250℃의 범위이다. 유리 전이 온도가 이러한 범위에 있는 수지 재료로 이루어지는 투명 수지 필름은 고온 하에서의 사용에 있어서 변형이나 응력이 발생하지 않아 내구성이 뛰어나다.
본 발명에 적합한 투명 수지 필름의 수지 재료의 분자량은 용매로서 사이클로헥산(중합체 수지가 용해되지 않는 경우에는 톨루엔)을 이용한 겔 침투 크로마토그래피(이하, "GPC"라고 약칭함.)로 측정한 폴리아이소프렌(용매가 톨루엔일 때에는 폴리스타이렌 환산)의 중량 평균 분자량(Mw)으로서, 통상 10,000 내지 100,000, 바람직하게는 25,000 내지 80,000, 보다 바람직하게는 25,000 내지 50,000이다. 중량 평균 분자량이 이러한 범위에 있을 때 필름 기계적 강도 및 성형 가공성이 고도로 균형을 이루어 적합하다.
본 발명에 적합한 투명 수지 필름의 수지 재료의 분자량 분포(중량 평균 분자량(Mw)/수 평균 분자량(Mn))는 특별히 제한되지 않으나, 통상 1.0 내지 10.0, 바람직하게는 1.0 내지 4.0, 보다 바람직하게는 1.2 내지 3.5의 범위이다.
본 발명에 적합한 투명 수지 필름의 수지 재료는 그 분자량 2,000 이하의 수지 성분(즉, 올리고머 성분)의 함유량이 바람직하게는 5중량% 이하, 보다 바람직하게는 3중량% 이하, 더욱 바람직하게는 2중량% 이하이다. 올리고머 성분의 양이 많으면 표면에 미세한 볼록부가 발생하거나 두께 불균일을 발생시켜 면 정밀도가 나빠진다. 올리고머 성분의 양을 저감하기 위해서는 중합 촉매나 수소화 촉매의 선택, 중합, 수소화 등의 반응 조건, 수지를 성형용 재료로서 펠렛화하는 공정에서의 온도 조건 등을 최적화하면 된다. 올리고머의 성분량은 사이클로헥산(수지 재료가 용해되지 않는 경우에는 톨루엔)을 사용하는 GPC에 의해 측정할 수 있다.
본 발명에 사용하는 투명 기재의 두께는 특별히 제한되지 않으나, 재료 비용이나 박형·경량화의 관점에서, 그 두께는 통상 1 내지 1000μm, 바람직하게는 5 내지 300μm, 보다 바람직하게는 30 내지 100μm이다.
또한, 본 발명에 사용하는 투명 기재는 미리 표면 처리되어 있는 것이 바람직하다. 표면 처리를 실시함으로써 투명 기재와 상기 배향막과의 밀착성을 높일 수 있다. 표면 처리의 수단으로는 글로 방전 처리, 코로나 방전 처리, 자외선(UV) 처리, 화염 처리 등을 들 수 있다. 또한, 투명 기재 상에 접착층(하도층)을 형성하는 것도 투명 기재와 배향막과의 밀착성을 높이는 데 있어 바람직하다.
〔광학 소자의 배향막〕
상기 배향막은 콜레스테릭 규칙성을 갖는 수지층을 면 내에서 일방향으로 배향 규제하기 위하여 투명 기재의 표면에 형성된다. 배향막은, 예컨대 폴리이미드, 폴리바이닐알코올, 폴리에스터, 폴리아릴레이트, 폴리아마이드이미드, 폴리에터이미드 등의 폴리머를 함유하는 것이다. 배향막은 이러한 폴리머를 함유하는 용액(배향막용 조성물)을 막 형태로 적층하고, 건조시키고, 그리고 일방향으로 러빙 등 함으로써 얻을 수 있다.
막 형태로 적층하는 방법으로는 스핀 코팅법, 롤 코팅법, 플로 코팅법, 프린트법, 딥 코팅법, 유연 제막법, 바 코팅법, 다이 코팅법, 그라비아 인쇄법 등을 들 수 있다.
러빙의 방법은 특별히 제한되지 않으나, 예컨대 나일론 등의 합성 섬유, 목면 등의 천연 섬유로 이루어지는 천이나 펠트를 둘러감은 롤로 일정 방향으로 배향막을 문지르는 방법을 들 수 있다. 러빙하였을 때 발생하는 미분말(이물질)을 제거하여 배향막의 표면을 청정한 상태로 하기 위하여, 형성된 배향막을 아이소프로필알코올 등에 의해 세정하는 것이 바람직하다.
또한, 러빙하는 방법 이외에, 배향막의 표면에 편광 자외선을 조사하는 방법에 의해서도 배향막에 콜레스테릭 규칙성을 갖는 수지층을 면 내에서 일방향으로 배향 규제하는 기능을 부여할 수 있다.
배향막의 두께는 0.01 내지 5μm인 것이 바람직하고, 0.05 내지 1μm인 것이 더욱 바람직하다.
〔콜레스테릭 수지층〕
상기 원편광 반사판은 콜레스테릭 규칙성을 갖는 수지층을 포함하는 것이다. 콜레스테릭 규칙성은 일 평면 상에서는 분자축이 일정한 방향으로 나란하나, 다음 평면에서는 분자축의 방향이 조금 각도를 이루어 어긋나고, 그 다음 평면에서는 각도가 더 어긋나는 방식으로, 이 평면의 법선 방향으로 분자축의 각도가 계속 어긋나(비틀려져) 가는 구조이다. 이와 같이 분자축의 방향이 비틀려져 가는 구조는 카이랄 구조라 불린다. 이 평면의 법선(카이랄축)은 콜레스테릭 수지층의 두께 방향으로 대략 평행하게 되어 있는 것이 바람직하다. 콜레스테릭 수지층의 두께는 1μm 내지 10μm가 바람직하고, 1μm 내지 5μm가 특히 바람직하다.
<콜레스테릭 수지층을 형성하는 재료(1): 액정 폴리머>
콜레스테릭 수지층을 형성하는 재료로는 먼저 액정 폴리머를 들 수 있다.
일반적으로 물질은 온도나 압력 등의 조건에 의해 기체, 액체, 고체의 3개의 상태(상) 중 어느 하나가 된다. 액정은 "액체와 고체의 중간 상태에 있는 것"으로 설명되어 있다. 일반적으로 액정 물질은 다른 물질과 마찬가지로 저온에서는 고체이고 고온에서는 투명한 액체인데, 그 중간의 온도 범위에서 탁한 액상이 된다. 이 상태가 액정 상태이다. 이러한 상태를 나타내는 액정 물질은 그 분자 구조 중에 가늘고 긴 봉형상 또는 편평한 판형상을 이루는 부분이 있다. 액정 상태에서는 이 부분이 "고체인 상태", 즉 규칙적으로 배열하고자 하는 상태가 되고, 다른 부분이 "액체인 상태", 즉 유동적으로 자유로운 위치를 유지할 수 있는 상태에 있다. 액정의 분자는 이 "고체인 상태"인 부분이 전계, 온도 등 주위 조건에 따라 규칙적으로 배열되거나 그 배열 상태가 바뀌거나, 나아가 흐트러짐으로써 광학적인 특성이 변화된다. 액정 물질은 액정 상태에서는 액상으로서 유동적이지만, 분자가 어떤 규칙성을 가지고 배열되어 있으므로 결정과 동일한 성격을 나타낸다. 즉 "액상이되 결정의 성격을 갖는 상태"이다. 액정 폴리머는 이러한 액정성을 갖는 폴리머이다. 이 액정 폴리머를 배향막 상에 막 형태로 적층함으로써 콜레스테릭 수지층을 얻을 수 있다.
이 액정 폴리머로는 메소젠 구조를 갖는 폴리머가 있다. 메소젠은 액정 배향성을 부여하는 공역성의 직선형 원자단이다.
메소젠 구조를 갖는 폴리머로는 폴리에스터, 폴리아마이드, 폴리카보네이트 및 폴리에스터이미드 등의 폴리머 주쇄에 직접 또는 굴곡성을 부여하는 스페이서부를 통하여 파라 치환 환상 화합물 등으로 이루어지는 메소젠기를 결합한 구조를 갖는 것; 폴리아크릴레이트, 폴리메타크릴레이트, 폴리실록산, 폴리말로네이트 등을 폴리머 주쇄에 직접 또는 공역성의 원자단으로 이루어지는 스페이서부를 통하여 파라 치환 환상 화합물 등으로 이루어지는 저분자 결정 화합물(메소젠부)을 결합한 구조를 갖는 것을 들 수 있다.
상기 스페이서부로는 폴리메틸렌쇄나 폴리옥시메틸렌쇄 등을 들 수 있다. 스페이서부를 형성하는 구조 단위에 포함되는 탄소수는 메소젠부의 화학 구조 등에 따라 적당히 결정되며, 일반적으로는 폴리메틸렌쇄의 경우에는 이 탄소 원자수가 1 내지 20, 바람직하게는 2 내지 12이고, 폴리옥시메틸렌쇄의 경우에는 이 탄소 원자수가 1 내지 10, 바람직하게는 1 내지 3이다.
또한, 상기 액정 폴리머의 다른 예로는 저분자 카이랄제 함유의 네마틱 액정 폴리머; 카이랄 성분 도입의 액정 폴리머; 네마틱 액정 폴리머와 콜레스테릭 액정 폴리머의 혼합물 등을 들 수 있다. 카이랄 성분 도입의 액정 폴리머란 그 자체가 카이랄제의 기능을 하는 액정 폴리머이다. 네마틱 액정 폴리머와 콜레스테릭 액정 폴리머의 혼합물은 그들의 혼합 비율을 바꿈으로써 네마틱 액정 폴리머의 카이랄 구조의 피치를 조정할 수 있는 것이다.
더욱이, 아조메틴형, 아조형, 아조옥시형, 에스터형, 바이페닐형, 페닐사이클로헥산형 및 바이사이클로헥산형과 같은 파라 치환 방향족 단위나 파라 치환 사이클로헥실 단위 등으로 이루어지는 네마틱 배향성을 부여하는 파라 치환 환상 화합물을 갖는 것에 비대칭 탄소를 갖는 화합물 등으로 이루어지는 적당한 카이랄 성분이나 저분자 카이랄제 등을 도입하는 방법 등에 의해 콜레스테릭 규칙성을 부여한 것(일본 특허 공개 소 55-21479호 공보, 미국 특허 제5332522호 등을 참조)도 들 수 있다. 또한, 파라 치환 환상 화합물에서의 파라 위치의 말단 치환기로는 시아노기나 알킬기, 알콕실기 등을 들 수 있다.
액정 폴리머는 그 제조법에 의해 제한되지 않는다. 액정 폴리머는 예컨대, 메소젠 구조를 갖는 모노머를 라디칼 중합, 양이온 중합 또는 음이온 중합함으로써 얻을 수 있다. 메소젠 구조를 갖는 모노머는 예컨대 아크릴산 에스터나 메타크릴산 에스터와 같은 바이닐계 모노머에 직접 또는 스페이서부를 통하여 메소젠기를 공지의 방법으로 도입함으로써 얻을 수 있다. 또한, 액정 폴리머는 폴리옥시메틸실릴렌의 Si-H 결합을 통하여 백금계 촉매의 존재 하에 바이닐 치환 메소젠 모노머를 부가 반응시킴으로써; 주쇄 폴리머에 부여한 작용기를 통하여 상간 이동 촉매를 이용한 에스터화 반응에 의해 메소젠기를 도입함으로써; 말론산의 일부에 필요에 따라 스페이서부를 통하여 메소젠기를 도입한 모노머와 다이올을 중축합 반응시킴으로써 얻을 수 있다.
(액정 폴리머에 도입 또는 함유시키는 카이랄제)
액정 폴리머에 도입 또는 함유시키는 카이랄제로는 종래 공지의 것을 사용할 수 있다. 예컨대, 일본 특허 공개 평 6-281814호 공보에 기재된 카이랄 모노머, 일본 특허 공개 평 8-209127호 공보에 기재된 카이랄제, 일본 특허 공개 2003-131187호 공보에 기재된 광반응형 카이랄 화합물 등을 들 수 있다.
또한 카이랄제로는 카이랄제의 첨가에 의해 의도하지 않는 상전이 온도의 변화를 피하기 위하여, 카이랄제 자신이 액정성을 나타내는 것이 바람직하다. 더욱이, 경제성의 관점에서는 액정 폴리머를 비트는 효율을 나타내는 지표인 HTP(=1/P·c)가 큰 것이 바람직하다. 여기서, P는 카이랄 구조의 피치 길이를 나타내고, c는 카이랄제의 농도를 나타낸다. 카이랄 구조의 피치 길이란 카이랄 구조에 있어서 분자축의 방향이 평면을 진행함에 따라 조금씩 각도가 어긋나 가다가, 그리고 다시 원래의 분자축 방향으로 되돌아올 때까지의 카이랄축 방향의 거리를 말한다.
<콜레스테릭 수지층을 형성하는 재료(2): 중합성 조성물>
콜레스테릭 수지층을 형성하는 적합한 재료로서 중합성 액정 화합물을 함유하는 중합성 조성물, 바람직하게는 중합성 액정 화합물, 중합 개시제 및 카이랄제를 함유하는 중합성 조성물을 들 수 있다. 이 재료를 이용하여 콜레스테릭 수지층을 형성하는 방법의 예로는 중합성 액정 화합물, 중합 개시제 및 카이랄제, 또한 필요에 따라 계면 활성제, 배향 조정제 등을 용제에 용해시킨 도포액을 얻고, 이것을 기재에 막 형태로 적층하고, 건조시키고, 그 건조시킨 막을 중합시키는 방법이 있다.
(중합성 조성물에 함유시키는 중합성 액정 화합물)
중합성 액정 화합물로는 봉형상 액정 화합물이 바람직하게 사용된다.
봉형상 액정 화합물로는 식 (1)로 표시되는 화합물을 들 수 있다.
R1-B1-A1-B3-M-B4-A2-B2-R2 식(1)
또한, 식 (1) 중의 A1 및 A2는 후술하는 바와 같이 스페이서기인데, 이 스페이서기를 생략하고 직접 B1과 B3 또는 B4와 B2가 결합되어 있을 수도 있다.
식 (1) 중, R1 및 R2는 중합성기를 나타낸다. 중합성기인 R1, R2의 구체적인 예로서 (r-1) 내지 (r-15)를 들 수 있는데, 이들에 한정되지 않는다.
Figure 112008007766503-PCT00001
B1, B2, B3 및 B4는 각각 독립적으로 단결합 또는 2가의 연결기를 나타낸다. 또한, B3, B4 중 적어도 하나는 -O-CO-O-인 것이 바람직하다.
A1 및 A2는 탄소 원자수 1 내지 20의 스페이서기를 나타낸다. 스페이서기로는 예컨대, 폴리메틸렌기나 폴리옥시메틸렌기 등을 들 수 있다. 스페이서기를 형성하는 구조 단위에 포함되는 탄소수는 메소젠기의 화학 구조 등에 의해 적당히 결정된다. 일반적으로는 폴리메틸렌기의 경우에는, 탄소 원자수가 1 내지 20, 바람직하게는 2 내지 12이고, 폴리옥시메틸렌기의 경우에는 탄소 원자수가 1 내지 10, 바람직하게는 1 내지 3이다.
M은 메소젠기를 나타낸다. 메소젠기(M)의 형성 재료로는 특별히 제한되지 않으나, 아조메틴류, 아조옥시류, 시아노바이페닐류, 시아노페닐에스터류, 벤조산 에스터류, 사이클로헥산카르복실산 페닐에스터류, 시아노페닐사이클로헥산류, 시아노 치환 페닐피리미딘류, 알콕시 치환 페닐피리미딘류, 페닐다이옥산류, 톨란류 및 알케닐사이클로헥실벤조나이트릴류가 바람직하게 사용된다.
(중합성 조성물에 함유시키는 중합 개시제)
상기 중합 개시제에는 열중합 개시제와 광중합 개시제가 있는데, 중합 반응이 빠른 것에서 광중합 개시제가 바람직하다.
광중합 개시제로는 다핵 퀴논 화합물(미국 특허 3046127호 공보, 동 2951758호 공보), 옥사다이아졸 화합물(미국 특허 4212970호 공보), α-카보닐 화합물(미국 특허 2367661호 공보, 동 2367670호 공보), 아실로인에터(미국 특허 2448828호 공보), α-탄화수소 치환 방향족 아실로인 화합물(미국 특허 2722512호 공보), 트라이아릴이미다졸다이머와 p-아미노페닐케톤과의 조합(미국 특허 3549367호 공보), 아크리딘 및 페나딘 화합물(일본 특허 공개 소 60-105667호 공보, 미국 특허 4239850호 공보) 등을 들 수 있다.
중합 개시제의 양은 중합성 액정 화합물 100중량부에 대하여 1 내지 10중량부인 것이 바람직하고, 1 내지 5중량부인 것이 더욱 바람직하다. 광중합 개시제를 사용하였을 때에는 조사광으로 자외선을 사용하는 것이 바람직하다. 조사 에너지는 0.1mJ/cm2 내지 50J/cm2인 것이 바람직하고, 0.1mJ/cm2 내지 800mJ/cm2인 것이 더욱 바람직하다.
자외선의 조사 방법은 특별히 제한되지 않는다. 또한, 중합 전화율이 100%가 될 때까지의 자외선 조사량은 중합성 액정 화합물의 종류에 따라 적당히 선택된다.
(중합성 조성물에 함유시키는 카이랄제)
상기 중합성 조성물에 함유시키는 카이랄제로는 일본 특허 공개 2003-66214호 공보, 일본 특허 공개 2003-313187호 공보, 미국 특허 제6468444호 공보, WO98/00428 등에 게재되는 것을 적당히 사용할 수 있는데, 액정 화합물을 비트는 효율을 나타내는 지표인 HTP가 큰 것이 경제성의 관점에서 바람직하다. HTP는 식: HTP=1/P·c로 표시된다. 여기서, P는 카이랄 구조의 피치 길이를 나타내고, c는 카이랄제의 농도를 나타낸다. 또한, 카이랄제의 첨가에 의한 의도하지 않는 상전이 온도의 변화를 피하기 위하여 카이랄제 자신이 액정성을 나타내는 것을 사용하는 것이 바람직하다.
(중합성 조성물에 함유시키는 기타 배합제)
상기 도포액 및 중합전의 상기 도포액의 막의 표면 장력을 조정하기 위하여 계면 활성제를 사용할 수 있다. 특히 바람직하게는 비이온계의 계면 활성제이며, 분자량이 수천 정도인 올리고머인 것이 바람직하다. 이러한 계면 활성제로는 세이미 케미칼사 제조 KH-40 등을 들 수 있다.
상기 배향 조정제는 기재 상에 형성된 콜레스테릭 수지층의 공기측 표면의 배향 상태를 제어하기 위한 것으로서, 상기 계면 활성제를 겸하는 경우도 있으나, 목적으로 하는 배향 상태에 따라서는 적당히 수지류가 사용된다. 이러한 수지로는 폴리바이닐알코올, 폴리바이닐뷰티랄, 또는 이들의 변성물이 사용되는데 반드시 그러한 것은 아니다.
도포액의 조제에 사용하는 용매로는 유기 용매가 바람직하게 사용된다. 유기 용매의 예에는 케톤류, 알킬할라이드류, 아마이드류, 설폭사이드류, 헤테로환 화합물, 탄화수소류, 에스터류 및 에터류가 포함된다. 특히 환경에의 부하를 고려한 경우에는 케톤류가 바람직하다. 2종류 이상의 유기 용매를 병용할 수도 있다.
도포액을 막 형태로 적층하려면 공지의 방법, 예컨대, 압출 코팅법, 다이렉트 그라비아 코팅법, 리버스 그라비아 코팅법 및 다이 코팅법 등을 실시할 수 있다.
본 발명에 사용하는 콜레스테릭 수지층은 비액정성의 수지층인 것이 바람직하다. 비액정성의 것이면 주위의 온도나 전계 등에 의해 콜레스테릭 규칙성이 변화되지 않기 때문이다. 비액정성의 콜레스테릭 수지층은 상기 중합성 조성물로서 중합성기를 2이상 갖는 중합성 액정 화합물을 함유한 것을 선택하고, 그것을 중합 함으로써 얻을 수 있다. 중합성기를 2이상 갖는 중합성 액정 화합물에 의해 콜레스테릭 수지에 비교적 강직한 가교 구조가 도입되며, 액정성을 발생시키지 않는 수지가 얻어지는 것이다.
콜레스테릭 규칙성을 갖는 수지층에 광이 입사하면, 특정 파장 영역의 좌회전 또는 우회전 중 어느 하나의 원편광만이 반사된다. 반사된 원편광 이외의 광은 투과한다. 이 원편광이 반사되는 특정 파장 영역을 선택 반사 대역이라고 한다.
도 3에 도시한 바와 같이, 원편광 반사판의 콜레스테릭 수지층에 입사각(θ1)으로 입사한 백색광은 콜레스테릭 수지층 표면에서 굴절하여 굴절각(θ2)으로 콜레스테릭 수지층 내를 통과하고, 파장(λ)에 대응한 피치 길이(P)를 갖는 콜레스테릭 수지층(도 3에서는 P2로 표기된 층)에서 어느 하나의 원편광이 반사각(θ2)으로 반사하고, 콜레스테릭 수지층 표면에서 굴절하여 출사각(θ1)으로 출사한다. 굴절은 스넬의 법칙에 따라서 행해진다.
카이랄 구조에 있어서 분자축이 비틀릴 때의 회전축을 나타내는 나선축(4)과 콜레스테릭 수지층의 법선이 평행한 경우, 카이랄 구조의 피치 길이(P)와 반사되는 원편광의 파장(λ)은 식 (2) 및 식 (3)의 관계를 갖는다.
λc=n×P×cosθ2 식 (2)
no×P×cosθ2≤λ≤ne×P×cosθ2 식 (3)
식중, no는 봉형상 액정 화합물의 단축 방향의 굴절률을 나타내고, ne는 봉 형상 액정 화합물의 장축 방향의 굴절률을 나타내고, n=(ne+no)/2, P는 카이랄 구조의 피치 길이를 나타낸다.
즉, 선택 반사 대역의 중심 파장(λc)은 콜레스테릭 수지층에서의 카이랄 구조의 피치 길이(P)에 의존한다. 이 카이랄 구조의 피치 길이를 바꿈으로써 선택 파장 대역을 바꿀 수 있다. 또한, 반사율은 카이랄 구조의 적층수에 비례한다. 반사율을 조정하기 위하여 카이랄 구조의 층수, 즉 두께를 조정한다. 선택 반사 대역의 폭은 no와 ne의 차에 의존하므로, 제조하기 쉬운 적절한 액정 화합물을 선택한다.
본 발명의 광학 소자를 직선 편광자와 적층시킴으로써 편광판을 얻을 수 있다. 또한, 본 발명의 광학 소자를 위상차 소자와 적층시킴으로써 위상차판을 얻을 수 있다. 직선 편광자나 위상차 소자와 적층함으로써 각 소자간의 공기층이 배제되고, 계면에서의 불필요한 반사나 간섭을 저감할 수 있다. 또한, 직선 편광자 또는 위상차 소자를 상기 콜레스테릭 수지층을 적층시키는 투명 기재 대신 사용함으로써 콜레스테릭 수지층을 직접 직선 편광자 또는 위상차 소자에 적층할 수 있다.
또한 본 발명의 광학 소자를 다른 광학 소자와 조합함으로써 조명 장치, 편광 조명 장치 및 액정 표시 장치를 얻을 수 있다.
상기 직선 편광자는 직각으로 교차하는 두 개의 직선 편광 중 하나를 투과하는 것이다. 예컨대, 폴리바이닐알코올 필름이나 에틸렌아세트산 바이닐 부분 검화 필름 등의 친수성 고분자 필름에 아이오딘이나 2색성 염료 등의 2색성 물질을 흡착 시켜 1축 연신시킨 것, 상기 친수성 고분자 필름을 1축 연신하여 2색성 물질을 흡착시킨 것, 폴리바이닐알코올의 탈수 처리물이나 폴리염화 바이닐의 탈염산 처리물 등의 폴리엔 배향 필름 등을 들 수 있다. 그 이외에, 그리드 편광자, 다층 편광자 등의 편광을 반사광과 투과광으로 분리하는 기능을 갖는 편광자를 들 수 있다. 이들 중 폴리바이닐알코올을 함유하는 편광자가 바람직하다.
본 발명에 사용하는 직선 편광자의 편광도는 특별히 한정되지 않으나, 바람직하게는 98% 이상, 보다 바람직하게는 99% 이상이다. 직선 편광자의 평균 두께는 바람직하게는 5μm 내지 80μm이다.
한 쌍의 직선 편광자(이하, 한 쌍의 직선 편광자를 따로따로 직선 편광자 X, 직선 편광자 Y(검광자)라 할 수 있음.)의 편광 투과축이 서로 평행 또는 직각이 되도록 액정 셀을 개재시켜 배치한다. 직선 편광자는 흡습에 의해 편광 성능이 변화할 수가 있다. 이를 방지하기 위하여 보호 필름이 직선 편광자 X 또는 검광자의 양면에 통상 접합되어 있다. 검광자에 접합되는 보호 필름에는 반사 방지층, 방오층, 방현층 등이 구비되어 있을 수도 있다.
상기 위상차 소자는 광의 위상을 변화시킬 수 있는 소자이다. 예컨대, 고분자 필름을 연신하여 배향시킨 것을 들 수 있다. 위상차 소자는 직선 편광자에 접합되는 상기 보호 필름으로서 사용할 수 있다.
본 발명의 조명 장치는 광반사 소자, 광원, 광확산 소자 및 본 발명의 광학 소자가 이 순서로 배치된 것이다. 또한 본 발명의 편광 조명 장치는 광반사 소자, 광원, 광확산 소자 및 본 발명의 편광판이 이 순서로 배치된 것이다. 또한, 편광 판은 본 발명의 광학 소자가 직선 편광자보다 광확산 소자측이 되도록 배치하는 것이 바람직하다. 그 이외에, 프리즘 시트, 반사성 편광자, 1/4 파장판, 1/2 파장판, 시야각 보상 필름, 반사 방지 필름, 방현 필름 등이 배치되어 있을 수도 있다.
상기 광반사 소자는 광을 반사시킬 수 있는 소자이다. 구체적으로는, 반사성 금속막이나 백색막을 구비한 반사판을 들 수 있다. 본 발명에 사용하는 광원은 백색광을 방사하는 것이면 되며, 냉음극관, 열음극관, 발광 다이오드 및 일렉트로루미네슨스로부터 선택된다. 상기 광확산 소자는 휘도의 면내 분포를 없애기 위하여 광을 산란하여 확산광으로 만드는 소자이다. 구체적으로는 투명 기재 중에 실리콘 비즈 등의 광확산 재료를 분산시킨 것(광확산판이라 칭할 수도 있음), 투명 기재 표면에 광확산 재료를 도포한 것(광확산 시트라 칭할 수도 있음) 등을 들 수 있다.
본 발명의 액정 표시 장치는 본 발명의 광학 소자를 구비하는 것이다. 더욱이, 상기 편광판, 상기 위상차판, 상기 조명 장치 또는 상기 편광 조명 장치를 구비하는 것이다. 특히, 광원, 본 발명의 광학 소자, 직선 편광자 X, 액정 셀 및 직선 편광자 Y가 이 순서로 배치된 것이 바람직하다. 그 이외에, 반사 소자, 도광판, 광확산 소자, 프리즘 시트, 반사성 편광자, 1/4 파장판, 1/2 파장판, 시야각 보상 필름, 반사 방지 필름, 방현 필름 등이 배치되어 있을 수도 있다.
액정 셀은 수μm의 갭을 두고 대향하는 투명 전극을 설치한 2장의 유리 기판 사이에 액정 물질을 충전하고, 이 전극에 전압을 가하여 액정의 배향 상태를 변화시켜 여기를 통과하는 광의 양을 제어하는 것이다.
액정 물질의 배향 상태를 변화시키는 방식(동작 모드) 등에 따라 액정 셀은 분류되며, 예컨대, TN(Twisted Nematic)형 액정 셀, STN(Super Twisted Nematic)형 액정 셀, HAN(Hybrid Alignment Nematic)형 액정 셀, IPS(In Plane Switching)형 액정 셀, VA(Vertical Alignment)형 액정 셀, MVA(Multi-domain Vertical Alignment)형 액정 셀, OCB(Optical Compensated Bend)형 액정 셀 등을 들 수 있다.
도 4는 본 발명의 액정 표시 장치의 일례의 구성을 도시한 도면이다. 도 4에 도시한 바와 같이, 반사판(20), 냉음극관(19), 광확산판(18), 원편광 반사판(17), 직선 편광자 X, 액정 셀(12), 직선 편광자 Y의 순서로 배치되어 있다. 광원으로부터 방사된 광이 입사각 0도로 원편광 반사판에 입사한 경우에는, 광학 소자의 선택 반사 대역은 적외 영역 부근에 있으므로 청색, 녹색, 적색의 각 광이 그대로 투과한다. 입사각이 커지면, 선택 반사 대역이 단파장 측으로 시프트하고, 적색광을 일부 반사시키게 되어, 적색광의 광선 투과율이 낮아져 간다.
그리고 입사각 60도에 있어서 600nm 내지 700nm의 파장의 광의 평균 투과율이 40% 이상 80% 이하로 조정된다. 또한, 파장 600nm 내지 700nm의 파장의 광의 평균 반사율이 조정된다.
이에 따라, 적색광의 청색광 및 녹색광에 대한 밸런스가 조정되고, 정면 및 경사 관찰에 있어서 동일한 색균형을 이룬 화상을 표시할 수 있다.
이하, 실시예 및 비교예를 들어 본 발명을 더욱 구체적으로 설명하는데, 본 발명은 하기의 실시예에 제한되지 않는다. 또한, 부 및 %는 특별히 기재가 없는 한 중량 기준이다.
실시예 1
노보넨계 중합체로 이루어지는 두께 100μm의 광학적으로 등방성인 필름(니폰 제온사 제품, 상품명 "제오노아 필름 ZF14")을 투명 기재로 사용하였다. 이 투명 기재의 양면을 젖음 지수가 56dyne/cm가 되도록 플라즈마 처리하였다. 폴리바이닐알코올 5부 및 물 95부로 이루어지는 배향막용 조성물을 투명 기재의 한쪽 면에 도포하고, 건조하여 막을 형성하였다. 이어서, 투명 기재의 길이 방향으로 평행한 방향으로 펠트의 롤로 러빙하여 평균 두께 0.1μm의 배향막을 얻었다.
네마틱 액정 화합물(BASF사 제조, 상품명 "LC242") 100부, 카이랄제(BASF사 제조, 상품명 "LC756") 3.60부, 광중합 개시제(치바 스페셜티 케미칼사 제조, 상품명 "Irgacure907) 3.21부 및 계면 활성제(세이미 케미칼사 제조, 상품명 "KH-40") 0.11부를 메틸에틸케톤 160부에 용해하고, 구멍 크기 2μm의 폴리플루오로에틸렌제 CD/X 실린지 필터를 이용하여 여과함으로써 액정 도공액을 조제하였다.
배향막 상에 액정 도공액을 건조 두께가 1.85μm가 되도록 도공하고, 100℃에서 5분간 건조하였다. 이어서, 자외선을 150mJ/cm2로 조사하고, 콜레스테릭 수지층을 형성하고, 원편광 반사판을 얻었다.
이 원편광 반사판에 도 1에 도시한 발광 스펙트럼을 갖는 평행화된 백색광을 입사각 0도로 입사시키고, 광선 투과율을 분광기(소우마 광학사 제조, 상품명 "S-2600")로 측정하였다. 입사각 0도에서의 선택 반사 대역은 파장 700 내지 820nm이었고, 입사각 0도에서의 파장 600nm 내지 700nm의 광의 평균 투과율은 89%이었다.
다음, 평행화된 백색광(600nm 내지 700nm의 파장 대역에서 최대 발광 강도를 나타내는 광의 파장(λR1)이 630nm인 광)을 입사각 60도로 입사하고, 광선 투과율을 동일한 방법으로 측정하였다. 입사각 60도에서의 파장 600nm 내지 700nm의 광의 평균 투과율은 71%이었다. 그 이외의 물성을 아울러 표 1에 나타내었다.
상기 원편광 반사판을 도 4에 도시한 구성의 액정 표시 장치에 조립해 넣고, 관찰 각도에 따른 색도 변화를 육안 평가하였다. 좌우 0 내지 80도의 범위에서 거의 색도 변화가 보이지 않았다.
Figure 112008007766503-PCT00002
비교예 1
노보넨계 중합체로 이루어지는 필름(니폰 제온사 제조, 상품명 "제오노아 필름 ZF14", 두께 100μm)을 이용하여 실시예 1과 동일한 방법으로 광선 투과율을 측정하였다. 선택 반사 대역은 확인되지 않았고, 평행화된 백색광을 입사각 0도로 입사시킨 경우의 파장 600nm 내지 700nm의 광의 평균 투과율은 90%이었다. 평행화된 백색광을 입사각 60도로 입사시킨 경우의 파장 600nm 내지 700nm의 광의 평균 투과율은 82%이었다. 그 이외의 물성을 아울러 표 1에 나타내었다.
실시예 1에서 사용한 원편광 반사판 대신 상기 노보넨계 중합체로 이루어지는 필름을 도 4에 도시한 구성의 액정 표시 장치에 조립해 넣고, 관찰 각도에 따른 색도 변화를 육안 평가하였다. 좌우 방향 60도 이상에서 붉은빛을 띠었다.
실시예 2
노보넨계 중합체로 이루어지는 두께 100μm의 광학적으로 등방성인 필름(니폰 제온사 제조, 상품명 "제오노아 필름 ZF14")을 투명 기재로 사용하였다. 이 투명 기재의 양면을 젖음 지수가 56dyne/cm가 되도록 플라즈마 처리하였다. 폴리바이닐알코올 5부 및 물 95부로 이루어지는 배향막용 조성물을 투명 기재의 한쪽 면에 도포하고, 건조하여 막을 형성하였다. 이어서, 투명 기재의 길이 방향으로 평행한 방향으로 펠트의 롤로 러빙하여 평균 두께 0.1μm의 배향막을 얻었다.
네마틱 액정 화합물(BASF사 제조, 상품명 "LC242") 100부, 카이랄제(BASF사 제조, 상품명 "LC756") 3.46부, 광중합 개시제(치바 스페셜티 케미칼사 제조, 상품명 "Irgacure907") 3.21부 및 계면 활성제(세이미 케미칼사 제조, 상품명 "KH-40") 0.11부를 메틸에틸케톤 160부에 용해하고, 구멍 크기 2μm의 폴리플루오로에틸렌제 CD/X 실린지 필터를 이용하여 여과함으로써 액정 도공액을 조제하였다.
배향막 상에 액정 도공액을 건조 두께가 1.88μm가 되도록 도공하고, 100℃에서 5분간 건조하였다. 이어서, 자외선을 150mJ/cm2로 조사하고, 콜레스테릭 수지층을 형성하고, 원편광 반사판을 얻었다.
원편광 반사판의 단면을 SEM 관찰하였더니, 콜레스테릭 수지층의 나선 피치는 470nm이었다. 그 이외의 물성을 아울러 표 1에 나타내었다.
이 원편광 반사판에 도 1에 도시한 발광 스펙트럼을 갖는 평행화된 백색광을 입사각 0도로 입사시키고, 광선 반사율을 분광기(소우마 광학 제조, 상품명 "S-2600")로 측정하였다. 선택 반사 대역은 690nm 내지 850nm에 있었고, 파장 760nm에서 최대 반사율 24%를 나타내었다.
다음 평행화된 백색광을 입사각 60도로 입사시키고, 광선 반사율을 동일한 방법으로 측정하였더니 파장 760nm에서의 반사율은 20%이었고, 입사각 0도에서의 파장 760nm의 반사율의 83%이었다. 또한, 입사각 60도에서의 파장 600nm 내지 700nm의 광의 평균 반사율은 29%이었다.
상기 원편광 반사판을 도 4에 도시한 구성의 액정 표시 장치에 조립해 넣고, 관찰 각도에 따른 색도 변화를 육안 평가하였다. 좌우 0 내지 80도의 범위에서 거의 색도 변화가 보이지 않았다.
비교예 2
노보넨계 중합체로 이루어지는, 두께 100μm의 광학적으로 등방성인 필름(니폰 제온사 제조, 상품명 "제오노아 필름 ZF14")을 투명 기재로 사용하였다. 이 투명 기재의 양면을 젖음 지수가 56dyne/cm가 되도록 플라즈마 처리하였다. 폴리바이닐알코올 5부 및 물 95부로 이루어지는 배향막용 조성물을 투명 기재의 한쪽 면에 도포하고, 건조하여 막을 형성하였다. 이어서, 투명 기재의 길이 방향으로 평행한 방향으로 펠트의 롤로 러빙하여 평균 두께 0.1μm의 배향막을 얻었다.
네마틱 액정 화합물(BASF사 제조, 상품명 "LC242") 100부, 카이랄제(BASF사 제조, 상품명 "LC756") 4.98부, 광중합 개시제(치바 스페셜티 케미칼사 제조, 상품명 "Irgacure907") 3.24부 및 계면 활성제(세이미 케미칼사 제조, 상품명 "KH-40") 0.12부를 메틸에틸케톤 162부에 용해하고, 구멍 크기 2μm의 폴리플루오로에틸렌제 CD/X 실린지 필터를 이용하여 여과함으로써 액정 도공액을 조제하였다.
배향막 상에 액정 도공액을 건조 두께가 1.50μm가 되도록 도공하고, 100℃에서 5분간 건조하였다. 이어서, 자외선을 150mJ/cm2로 조사하고, 콜레스테릭 수지층을 형성하고, 원편광 반사판을 얻었다.
원편광 반사판의 단면을 SEM 관찰하였더니, 콜레스테릭 수지층의 나선 피치는 365m이었다. 그 이외의 물성을 아울러 표 1에 나타내었다.
나아가, 실시예 2와 동일한 방법으로 광선 반사율을 측정하였다. 선택 반사 대역은 530nm 내지 630nm에 있었고, 파장 555nm에서 최대 반사율 28%를 나타내었다. 평행화된 백색광을 입사각 60도로 입사시킨 경우의 파장 555nm에서의 반사율은 12%이었고, 입사각 0도에서의 파장 555nm의 반사율의 43%이었다. 또한, 입사각 60도에서의 파장 600nm 내지 700nm의 광의 평균 반사율은 18%이었다.
실시예 2에서 사용한 원편광 반사판 대신 상기 원편광 반사판을 도 4에 도시한 구성의 액정 표시 장치에 조립해 넣고, 관찰 각도에 따른 색도 변화를 육안 평가하였다. 좌우 방향 60도 이상에서 황록색을 이루고 있었다.

Claims (13)

  1. 광원을 갖는 장치에 사용하는 광학 소자로서,
    입사각 0도의 광선을 반사시키는 파장 대역의 하한(λL)이, 광원이 방사하는 광 중에서 600nm 내지 700nm의 파장 대역에서 최대 발광 강도를 나타내는 광의 파장(λR1)보다 길고,
    입사각 60도에서의 파장 600nm 내지 700nm의 광의 평균 투과율이 40% 이상 80% 이하인 광학 소자.
  2. 제 1 항에 있어서,
    입사각 0도에서의 파장 600nm 내지 700nm의 광의 평균 투과율이 60% 이상이고,
    입사각 0도에서의 파장 600nm 내지 700nm의 광의 평균 투과율이 입사각 60도에서의 파장 600nm 내지 700nm의 광의 평균 투과율보다 큰 광학 소자.
  3. 제 1 항에 있어서,
    입사각 60도에서의 파장 600nm 내지 700nm의 광의 평균 투과율이 50% 이상 80% 이하인 광학 소자.
  4. 제 1 항에 있어서,
    콜레스테릭 규칙성을 갖는 수지층을 포함하는 광학 소자.
  5. 제 1 항에 있어서,
    콜레스테릭 규칙성을 갖는 수지층을 갖는 광학 소자로서,
    이 수지층의 카이랄 피치가 400nm 이상이고,
    입사각 0도에 있어서, 선택 반사 대역에서의 최대 반사율이 10% 이상 40% 이하인 광학 소자.
  6. 제 1 항에 있어서,
    입사각 0도에서의 선택 반사 대역에서 최대 반사율을 나타내는 파장의 광을 입사각 60도로 입사시켰을 때의 반사율이, 입사각 0도에서의 상기 최대 반사율의 50% 이상 90% 이하인 광학 소자.
  7. 제 1 항에 있어서,
    입사각 60도에서의 파장 600nm 내지 700nm의 광의 평균 반사율이 20% 이상 60% 이하인 광학 소자.
  8. 제 1 항에 기재된 광학 소자와 직선 편광자를 적층시킨 편광판.
  9. 제 1 항에 기재된 광학 소자와 위상차 소자를 적층시킨 위상차판.
  10. 광반사 소자, 광원, 광확산 소자 및 제 1 항에 기재된 광학 소자가 이 순서로 배치된 조명 장치.
  11. 광반사 소자, 광원, 광확산 소자 및 제 8 항에 기재된 편광판이 이 순서로 배치된 편광 조명 장치.
  12. 광반사 소자, 광원, 광확산 소자, 제 1 항에 기재된 광학 소자, 직선 편광자, 액정 패널 및 검광자가 이 순서로 배치된 액정 표시 장치.
  13. 제 12 항에 있어서,
    광원이 냉음극관, 열음극관, 발광 다이오드 및 일렉트로루미네슨스로부터 선택되는 것인 액정 표시 장치.
KR1020087002497A 2005-08-10 2006-08-10 광학 소자, 편광판, 위상차판, 조명 장치 및 액정 표시장치 KR20080039889A (ko)

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