KR20100112592A - 소규모 기능성 물질 - Google Patents

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KR20100112592A
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liquid crystal
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에드워드 오 섀퍼
조이 더블유 스토러
레오나르도 씨 로페즈
토마스 에이치 칼란타르
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다우 글로벌 테크놀로지스 인크.
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Abstract

본 개시물은 외부에서 적용된 장에 반응성인 기능성을 갖는 물질로 침윤된 소규모 기능성 물질을 제공한다.

Description

소규모 기능성 물질 {SMALL SCALE FUNCTIONAL MATERIALS}
본 개시물은 소규모 기능성 물질, 보다 구체적으로 외부에서 적용된 장에 반응성인 기능성을 갖는 물질로 침윤된 소규모 기능성 물질에 관한 것이다.
마이크로- 및 나노-복합 물질은 광학 물질로서 계속해서 중요해지고 있다. 특히, 캡슐화 액정 물질은 디스플레이 용도를 위해 개발되고 있다. 예를 들어, 중합체-분산 액정 (PDLC)은 디스플레이 용도로 전환되고 있다. 이러한 물질은 중합체 매트릭스 내에 분산된 액정 상을 기반으로 작용하는 불균질한 조성물이다. 전형적인 액정 도메인의 크기는 마이크로미터 범위내에 존재할 수 있다.
일반적으로, 이러한 시스템의 중합체 매트릭스 및 액정 상은 중합체 매트릭스의 굴절률이 액정의 굴절률에 매칭(matching)되도록 선택된다. 그러나, PDLC와 같은, 중합체 매트릭스의 대형 도메인 (예를 들어, 최대 치수에 대해 마이크로미터 범위)의 액정은 시스템이 가시광 파장을 산란시키게 할 수 있다. 또한, 유전 이방성을 갖는 액정 방향자(director)가 전기장의 존재하에 정렬될 수 있다.
이러한 물질의 전기광학 특성은, 액적 크기, 형상 및 액정 유형을 포함하는 다수의 파라미터에 의해 제어될 수 있다. 또한, 액적 크기 및 형상은 다른 인자 중에서 조성, 경화 속도 또는 용매 증발 속도, 경화 정도, 매트릭스 단량체 중 액정 물질의 가용성에 의해 결정된다. 따라서, 중합체 매트릭스 중 액정 물질의 형태를 제어하는 것은 복잡한 공정일 수 있으며, 기능성 파장 이하(sub-wavelength) 도메인을 수득하는 것은 이루어지지 않았다.
본 개시물의 실시양태는 소규모 기능성 물질, 소규모 기능성 물질의 제조 방법, 소규모 기능성 물질 및 매트릭스 물질을 포함하는 복합 물질, 및 소규모 기능성 물질을 이용하여 형성된 조정가능한 복굴절 필름을 포함한다.
다양한 실시양태를 위하여, 소규모 기능성 물질은 가시광 파장의 4분의 1 이하의 최대 치수를 갖는 가교 중합체 도메인을 갖는 나노-도메인 및 소규모 기능성 물질을 형성하기 위하여 실질적으로 나노-도메인의 가교 중합체 도메인 전체에 걸쳐 침윤된 외부에서 적용된 장에 반응성인 기능성을 갖는 물질을 포함한다. 다양한 실시양태를 위하여, 물질은 외부에서 적용된 장에 반응성인 (예를 들어, 활성인) 기능성을 가질 수 있다. 다양한 실시양태를 위하여, 가교 중합체 도메인은 약 5 나노미터(nm) 내지 약 175 nm의 부피 평균 직경을 가질 수 있다.
다양한 실시양태를 위하여, 소규모 기능성 물질의 제조 방법은, 각각의 나노-도메인이 가시광 파장의 4분의 1 이하의 최대 치수를 갖는 가교 중합체 도메인을 갖는 나노-도메인의 에멀전을 형성하는 단계, 및 소규모 기능성 물질을 형성하기 위하여 실질적으로 나노-도메인의 가교 중합체 도메인 전체에 걸쳐 외부에서 적용된 장에 반응성인 기능성을 갖는 물질을 침윤시키는 단계를 포함한다. 다양한 실시양태를 위하여, 나노-도메인의 에멀전은 외부에서 적용된 장에 반응성인 기능성을 갖는 물질과 동일한 상에서 형성될 수 있다.
다양한 실시양태를 위하여, 복합 물질은 매트릭스 물질 및 매트릭스 물질에 분산된 소규모 기능성 물질을 포함하며, 여기서 상기 소규모 기능성 물질은 약 5 nm 내지 약 175 nm의 부피 평균 직경을 갖는 가교 중합체 도메인을 갖고, 실질적으로 가교 중합체 도메인 전체에 걸쳐 외부에서 적용된 장에 반응성인 광학 활성 기능성 물질로 침윤된 나노-도메인을 포함한다.
다양한 실시양태를 위하여, 복합 물질은 또한 매트릭스 물질 및 매트릭스 물질에 분산된 소규모 기능성 물질을 포함하고, 여기서 상기 소규모 기능성 물질은 약 5 nm 내지 약 175 nm의 부피 평균 직경을 갖는 가교 중합체 도메인을 갖고, 실질적으로 가교 중합체 도메인 전체에 걸쳐 외부에서 적용된 장에 반응성인 광학 활성 기능성 물질로 침윤된 나노-도메인을 포함하며, 소규모 기능성 물질은 매트릭스 물질에 다양한 농도로 공간 분산되어 매트릭스 물질에 굴절률 구배를 형성한다.
다양한 실시양태를 위하여, 실질적으로 가교 중합체 도메인 전체에 걸쳐 침윤된 물질은 외부에서 적용된 장에 반응성인 광학 활성 기능성 물질일 수 있다. 광학 활성 기능성 물질은 실질적으로 나노-도메인의 가교 중합체 도메인 전체에 걸쳐 침윤될 수 있다. 광학 활성 기능성 물질의 예가 액정 물질, 이색성 염료 및 이들의 조합의 군으로부터 선택될 수 있다. 다양한 실시양태를 위하여, 액정 물질은 네거티브(negative) 유전 이방성을 갖는 액정을 포함할 수 있다.
다양한 실시양태를 위하여, 나노-도메인 중 광학 활성 기능성 물질의 양은 나노-도메인의 총중량을 기준으로 소규모 기능성 물질의 약 6 중량％ 내지 약 60 중량％ 범위일 수 있다. 다양한 실시양태를 위하여, 나노-도메인 중 광학 활성 기능성 물질의 양은 나노-도메인의 총중량을 기준으로 소규모 기능성 물질의 약 6 중량％ 내지 약 30 중량％일 수 있다.
다양한 실시양태를 위하여, 나노-도메인에 침윤된 광학 활성 기능성 물질의 양은 생성된 소규모 기능성 물질의 용도에 따라 달라질 수 있다. 예를 들어, 용도가 액정 디스플레이 (LCD)의 위상 지연 필름을 위한 것일 경우, 사용되는 광학 활성 기능성 물질의 양은 LCD의 함수일 수 있다. 또한, 나노-도메인에 침윤된 광학 활성 기능성 물질의 양은 나노-도메인에 침윤된 광학 활성 기능성 물질의 굴절률 및/또는 복굴절률에 따라 달라질 수 있다.
인지되는 바와 같이, 또한, 특정 용도에 2종 이상의 소규모 기능성 물질의 조합을 사용할 수 있으며, 여기서 각각의 소규모 기능성 물질은 상이한 유형 및/또는 양의 광학 활성 기능성 물질을 가질 수 있다. 또한, 특정 용도를 위한 소규모 기능성 물질에 2종 이상의 광학 활성 기능성 물질의 조합을 사용할 수 있으며, 여기서, 2종 이상의 광학 활성 기능성 물질 각각은 나노-도메인에서 동일한 또는 상이한 양을 가질 수 있다. 어느 접근법이나 목적하는 용도를 위하여 소규모 기능성 물질로 형성된 필름의 광학 성능의 조정을 허용할 것이다.
다양한 실시양태를 위하여, 광학 활성 기능성 물질은 가교 중합체 도메인의 굴절률 값보다 큰 굴절률 값을 가질 수 있다. 또한, 다양한 실시양태를 위하여, 광학 활성 기능성 물질은 소규모 기능성 물질을 통한 적외선, 가시선 및 자외선 주파수 범위 중 적어도 하나의 전자기 스펙트럼의 적어도 일부분의 투과를 방지하는 기능을 할 수 있다.
또다른 실시양태에서, 실질적으로 가교 중합체 도메인 전체에 걸쳐 침윤된 외부에서 적용된 장에 반응성인 물질은 화학 활성 기능성 물질, 광학 활성 기능성 물질, 자기 활성(magnetically-active) 기능성 물질, 전기 활성 기능성 물질, 전기-광학 활성 기능성 물질, 전기 변색 활성 기능성 물질, 열 변색 활성 기능성 물질, 전기 왜곡(electro-strictive) 기능성 물질, 유전 활성 기능성 물질, 열 활성 기능성 물질 및 이들의 조합의 군으로부터 선택될 수 있다.
다양한 실시양태를 위하여, 소규모 기능성 물질은 에멀전으로부터 (예를 들어, 동결 건조를 통해) 분말로 형성될 수 있다. 또한, 소규모 기능성 물질은 수성 액체 및/또는 비수성 액체의 액체 상에 현탁될 수 있다. 소규모 기능성 물질의 현탁액을 사용하여 액체 상의 제거시 소규모 기능성 물질을 갖는 필름을 형성할 수 있다.
다양한 실시양태를 위하여, 매트릭스 물질은 특히 열가소성 중합체, 열경화성 중합체, 액체 상, 잉크 및 졸-겔 전구체의 군으로부터 선택될 수 있다. 또한, 가교 중합체 도메인에 침윤된 물질은 매트릭스 물질에 분산될 때 본질적으로 안정한 양을 유지할 수 있다. 실시양태를 위하여, 소규모 기능성 물질 및 침윤된 물질 (예를 들어, 광학 활성 기능성 물질)은 매트릭스 물질과 별개(discrete)일 수 있다. 또한, 소규모 기능성 물질은 매트릭스 물질에 다양한 농도로 공간 분산되어 매트릭스 물질에 소규모 기능성 물질의 구배 (예를 들어, 매트릭스 물질에 굴절률 구배)를 생성할 수 있다.
일부 실시양태에서, 물질은 중합체 매트릭스 물질에 상관없이 외부에서 적용된 장에 반응할 수 있다. 예를 들어, 소규모 기능성 물질 중 광학 활성 기능성 물질은 외부에서 적용된 장이 매트릭스 물질에 적용될 때 변하는 상태를 가질 수 있다. 다양한 실시양태를 위하여, 복합 물질의 매트릭스 물질의 벌크 역학적 특성은 소규모 기능성 물질에 의해 영향받지 않은 채 유지될 수 있다.
또한, 복합 물질의 실시양태는 광학 활성 기능성 물질이 가교 중합체 도메인의 굴절률 값보다 큰 굴절률 값을 갖고, 가교 중합체 도메인의 굴절률 값이 매트릭스 물질의 굴절률 값보다 큰 배열을 포함할 수 있다.
또다른 실시양태에서, 본 개시물의 복합 물질은 노즐 (예를 들어, 잉크-젯 프린터)로부터 물질의 표면 상으로 분무될 수 있는 용액에 침윤될 수 있다.
정의
본원에서 사용된 용어 "나노-도메인"은 가시광 파장의 4분의 1 이하의 최대 치수를 갖는 가교 중합체 도메인의 입자를 의미한다.
본원에서 사용된 용어 "가시광" 및/또는 가시선 주파수 범위에서 전자기 스펙트럼은 약 400 nm 내지 약 700 nm의 파장을 갖는 가시선 전자기 방사선을 의미한다.
본원에서 사용된 용어 "침윤된"은 외부에서 적용된 장에 반응하는 물질이 나노-도메인의 가교 중합체 도메인으로 및 실질적으로 가교 중합체 도메인 전체에 걸쳐 흡수되어 가교 중합체 도메인을 가로질러 본질적으로 균일한 양의 물질을 제공하는 과정을 의미한다.
본원에서 사용된 용어 "외부에서 적용된 장"은 소규모 기능성 물질에 침윤된 물질로부터 기능적 반응을 끌어내기 위한 목적으로 소규모 기능성 물질에 의도적으로 적용된 에너지를 의미한다.
본원에서 사용된 "액정 물질"은 액정 화합물 또는 2종 이상의 상이한 액정 화합물로 형성된 액정 화합물의 혼합물을 의미한다.
본원에서 사용된 "액정"은 방향자로 칭해지는 공동 축을 따라 향할 수 있는 쌍극자 및/또는 분극성 실체를 갖는 긴 분자를 의미한다.
본원에서 사용된 용어 "별개"는 소규모 기능성 물질이 가교 중합체 도메인 및/또는 매트릭스 물질내로 용해 및/또는 삼출되는 물질없이 매트릭스 물질로 혼합된 상태를 의미한다.
본원에서 사용된 "네거티브 유전 이방성"은 둘레에 액정의 장거리 질서가 정렬된 국소 대칭 축을 의미하는 방향자에 평행한 유전 계수가 방향자에 수직한 유전 계수보다 작은 상태를 포함한다.
본원에서 사용된 용어 "분산된" 또는 "분산액"은 거시적 수준으로 분리없이 소정 농도로 실질적으로 매트릭스 물질 전체에 걸쳐 소규모 기능성 물질을 분배시키는 것을 의미한다.
본원에서 사용된 용어 "공중합체"는 2종 이상의 상이한 단량체의 중합을 통해 생성된 중합체를 의미한다.
본원에서 사용된 "액체"는 용액 또는 순수한 액체 (실온에서 액체 또는 승온에서 용융되는 실온에서 고체)를 의미한다.
본원에서 사용된 용어 "부피 평균 직경"은 가교 중합체 도메인 입자의 조립체의 부피 가중 평균 직경을 의미한다: Dv = Σ{vxDx} (여기서, Dv는 부피 평균 직경이고, vx는 직경 Dx를 갖는 입자의 부피 분율임). 부피 평균 직경은 본원에 전문이 참고로 포함되는 문헌 ["Development and application of an integrated, highspeed, computerized hydrodynamic chromatograph." Journal of Colloid and Interface Science, Volume 89, Issue 1, September 1982, Pages 94-106; Gerald R. McGowan and Martin A. Langhorst]에 기재된 바와 같은 유체역학적 크로마토그래피에 의해 결정된다.
본원에서 사용된 용어 "매트릭스 물질"은 소규모 기능성 물질을 포함하는 복합 물질의 구성 성분을 의미한다. 복합 물질을 위하여, 매트릭스 물질은 소규모 기능성 물질과 비교하여 상이한 물리적 또는 화학적 특성을 가질 수 있다.
본원에서 사용된 용어 "필름"은 두께가 약 50 마이크로미터 내지 약 1 마이크로미터이고, 기재와 접촉되거나 접촉되지 않을 수 있는 소규모 기능성 물질을 이용하여 형성된 물질의 연속 시트 (예를 들어, 구멍 또는 균열이 없음)를 의미한다. 얇은 연속 필름 시트는 소규모 기능성 물질을 이용하여 형성된 물질의 하나 이상의 층으로부터 형성될 수 있으며, 여기서 상기 각각의 층은 소규모 기능성 물질을 이용하여 형성된 동일한 물질, 소규모 기능성 물질을 이용하여 형성된 2종 이상의 상이한 물질, 또는 소규모 기능성 물질을 이용하여 형성된 물질의 여러가지 조합으로 형성될 수 있다.
본원에서 사용된 "LCD"는 액정 디스플레이에 대한 약어이다.
본원에서 사용된 "PDLC"는 중합체-분산된 액정에 대한 약어이다.
본원에서 사용된 "PMMA"는 폴리메틸 메타크릴레이트에 대한 약어이다.
본원에서 사용된 "MMA"는 메틸 메타크릴레이트에 대한 약어이다.
본원에서 사용된 "DPMA"는 디프로필렌글리콜 메틸 에테르 아세테이트에 대한 약어이다.
본원에서 사용된 "Tg"는 유리 전이 온도에 대한 약어이다.
본원에서 사용된 "UV"는 자외선에 대한 약어이다.
본원에서 사용된 "IR"은 적외선에 대한 약어이다.
본원에서 사용된 "GRIN"은 구배-지수에 대한 약어이다.
본원에서 사용된 "LED"는 발광 다이오드에 대한 약어이다.
본원에서 사용된 "S"는 스티렌에 대한 약어이다.
본원에서 사용된 "EGDMA"는 에틸렌 글리콜 디메타크릴레이트에 대한 약어이다.
본원에서 사용된 "DVB"는 디비닐벤젠에 대한 약어이다.
본원에서 사용된 "SDS"는 나트륨 도데실 술페이트 염에 대한 약어이다.
본원에서 사용된 "BA"는 부틸 아크릴레이트에 대한 약어이다.
본원에서 사용된 "AMA"는 알릴 메타크릴레이트에 대한 약어이다.
본원에서 사용된 "APS"는 암모늄 퍼술페이트에 대한 약어이다.
본원에서 사용된 "TMEDA"는 N,N,N',N'-테트라메틸-에틸렌디아민에 대한 약어이다.
본원에서 사용된 "MEK"는 메틸 에틸 케톤에 대한 약어이다.
본원에서 사용된 "THF"는 테트라히드로푸란에 대한 약어이다.
본원에서 사용된 "UPDI"는 초순수 탈이온화에 대한 약어이다.
본원에서 사용된 "PVC"는 폴리비닐 클로라이드에 대한 약어이다.
본원에서 사용된 "C-V"는 캐패시턴스(capacitance)-전압에 대한 약어이다.
본원에서 사용된 "Al"은 원소 알루미늄에 대한 약어이다.
본원에서 사용된 "TOL"은 톨루엔에 대한 약어이다.
본원에서 사용된 "V"는 볼트에 대한 약어이다.
본원에서 사용된 "E-O"는 전기-광학에 대한 약어이다.
본원에서 사용된 "CHO"는 시클로헥사논에 대한 약어이다.
본원에서 사용된 "RI"는 굴절률에 대한 약어이다.
본원에서 사용된 "APE"는 알킬페놀 에톡실레이트에 대한 약어이다.
본원에서 사용된 "AE"는 알코올 에톡실레이트에 대한 약어이다.
본원에서 사용된 "wt."는 중량에 대한 약어이다.
본원에서 사용된 "nm"는 나노미터에 대한 약어이다.
본원에서 사용된 "μm"는 마이크로미터에 대한 약어이다.
본원에서 사용된 "g"는 그램에 대한 약어이다.
본원에서 사용된 "℃"는 섭씨 온도에 대한 약어이다.
본원에서 사용된 "FTIR"은 푸리에 변환 적외선 분광법(Fourier Transform Infrared Spectroscopy)에 대한 약어이다.
본원에서 사용된 부정관사("a", "an"), 정관사("the") 및 하나 이상("at least one" 및 "one or more")은 교체 사용 가능하다. 용어 "포함하다" 및 그의 변형어는 이들 용어가 명세서 및 특허청구범위에서 나타날 경우 제한된 의미를 갖지 않는다. 따라서, 예를 들어 외부에서 적용된 장에 반응성인 기능성을 갖는 물질을 포함하는 소규모 기능성 물질은 상기 물질이 "하나 이상(one or more)"의 물질을 포함한다는 것을 의미하는 것으로 해석될 수 있다.
용어 "및/또는"은 열거된 요소 중 하나, 하나 초과 또는 전부를 의미한다.
또한, 본원에서 종점에 의한 수 범위의 열거는 그 범위내에 포함된 모든 수를 포함한다 (예를 들어, 1 내지 5는 1, 1.5, 2, 2.75, 3, 3.80, 4, 5 등을 포함함).
본 개시물의 상기 개요는 본 개시물의 각각의 개시된 실시양태 또는 모든 실행을 기술하려는 것이 아니다. 이후의 기재가 보다 구체적으로 예시적인 실시양태를 예시한다. 본원 전체에 걸쳐 몇 군데에서, 다양한 조합으로 사용될 수 있는 실시예의 열거를 통해 가이드가 제공된다. 각각의 경우에, 언급된 열거는 단지 대표적인 군으로 작용하며, 독점적인 열거로 해석되어서는 안된다.
도 1은 본 개시물의 나노-도메인의 크기 분포를 예시하는 그래프이다.
도 2a 내지 2c는 a) 리크리스탈(Licristal; 등록상표) E44 (독일 다름슈타트 소재 머크, 카가아(Merck, KGaA)); b) 실시예 1의 나노-도메인; 및 c) 리크리스탈(등록상표) E44로 침윤된 실시예 1의 나노-도메인의 FTIR 스펙트럼을 제공한다.
도 3은 다양한 액정 물질로 침윤된 실시예 1의 나노-도메인의 X-선 산란 패턴을 예시한다.
도 4는 다양한 액정 물질로 침윤된 실시예 3의 나노-도메인의 X-선 산란 패턴을 예시한다.
도 5a 및 5b는 다양한 아세톤/리크리스탈(등록상표) E44 중량비에 대한 메틸렌 클로라이드 전구체 용액 중 액정 물질 리크리스탈(등록상표) E44의 농도 (도 5a) 및 전구체 용액 중 리크리스탈(등록상표) E44의 다양한 농도에 대한 전구체 용액 중 리크리스탈(등록상표) E44에 대한 아세톤의 중량비 (도 5b)의 함수로서 나노-도메인에 침윤된 액정의 양을 예시한다.
도 6은 본 개시물의 건조 나노-도메인 중 액정 물질의 양의 최소 제곱법 모델의 결과를 예시한다.
도 7은 본 개시물의 액정 물질을 갖는 상이한 물질의 X-선 산란 패턴을 예시한다.
도 8은 다양한 온도에서 본 개시물의 나노-도메인에 침윤된 리크리스탈(등록상표) E44의 양을 예시한다.
도 9는 다양한 온도에서 본 개시물의 나노-도메인에 침윤된 리크리스탈(등록상표) E44의 양의 최소 제곱법 모델의 결과를 예시한다.
도 10은 리크리스탈(등록상표) E44로 침윤된 본 개시물의 상이한 크기의 나노-도메인의 X-선 산란 패턴을 예시한다.
도 11은 리크리스탈(등록상표) E44로 침윤된 본 개시물에 따른 여러가지 조성물의 나노-도메인의 X-선 산란 패턴을 예시한다.
도 12는 나노-도메인 또는 액정 물질이 없는 CHO:TOL에 용해된 9.2 중량％ PMMA의 C-V 스윕(Sweep)을 예시한다.
도 13은 6 중량％ 4-시아노-4'-옥틸비페닐 액정 물질이 첨가된 CHO:TOL에 용해된 9.2 중량％ PMMA의 C-V 스윕을 예시한다.
도 14는 NOA-68 (광학 아크릴레이트 수지, 노랜드(Norland))로 직접 혼합된 6 중량％ 리크리스탈(등록상표) E44의 C-V 스윕을 예시한다.
도 15는 본 개시물의 나노-도메인에 침윤된 22 중량％ 리크리스탈(등록상표) E44의 C-V 스윕을 예시한다.
도 16은 본 개시물의 나노-도메인에 침윤된 14 중량％ 리크리스탈(등록상표) E44의 C-V 스윕을 예시한다.
도 17은 본 개시물의 나노-도메인에 침윤되고 PMMA와 1:1 혼합된 22 중량％ 리크리스탈(등록상표) E44의 C-V 스윕을 예시한다.
도 18은 본 개시물의 나노-도메인에 침윤된 7 중량％ 리크리스탈(등록상표) E44의 C-V 스윕을 예시한다.
도 19는 본 개시물의 나노-도메인에 침윤된 7 중량％ 리크리스탈(등록상표) E44의 C-V 스윕을 예시한다.
도 20은 측정된 E-O 계수 (pm/V) 대 효과적인 리크리스탈(등록상표) E44 중량％를 예시한다.
본 개시물의 실시양태는 가시광 파장의 4분의 1 이하의 최대 치수를 갖는 가교 중합체 도메인을 갖는 나노-도메인 및 소규모 기능성 물질을 형성하기 위하여 실질적으로 가교 중합체 도메인 전체에 걸쳐 침지된 외부에서 적용된 장에 반응성인 기능성을 갖는 물질을 포함하는 소규모 기능성 물질을 포함한다.
본 개시물의 실시양태는 소규모 기능성 물질이 매트릭스 물질로 분산되어 복합 물질을 형성할 수 있게 한다. 또한, 본 개시물의 실시양태는 소규모 기능성 물질이 하나 이상의 층의 필름을 형성할 수 있게 한다. 또한, 하나 초과의 필름을 용품에 사용할 수 있다. 다양한 실시양태를 위하여, 소규모 기능성 물질은 특히 광학, 심미, 전기, 기계 및/또는 화학 기술 분야에서 다수의 용품에서 유용성을 가질 수 있다. 또한, 소규모 기능성 물질을 단독으로, 추가의 성분과 함께 및/또는 복합 물질에 사용하기 위한 다른 용품도 가능하다.
다양한 실시양태에 따라, 소규모 기능성 물질을 가교 중합체의 나노-도메인으로부터 조립하고, 외부에서 적용된 장에 반응성인 물질로 기능성화시킨다. 다양한 실시양태를 위하여, 나노-도메인의 가교 중합체는 가시광 파장의 4분의 1 이하의 최대 치수를 갖는 가교 중합체 도메인을 갖는다. 이러한 값은 나노-도메인의 부피 평균 직경이 약 5 nm 내지 약 175 nm인 입도 분포를 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 다양한 실시양태를 위하여, 나노-도메인은 약 10 nm 내지 약 100 nm의 부피 평균 직경을 가질 수 있다.
또한, 본 개시물의 실시양태는 나노-도메인의 형성 방법을 제공한다. 예를 들어, 나노-도메인은 각각의 나노-도메인이 본원에서 논의된 바와 같은 최대 치수 (예를 들어, 가시광 파장의 4분의 1 이하)를 갖는 유화 공정을 통해 형성될 수 있다 (예를 들어, 모두 본원에 전문이 참고로 포함되는 칼란타르(Kalantar) 등의 미국 공보 제2004/0054111호 및 제2004/0253442호 참조).
다양한 실시양태를 위하여, 유화 공정은 단량체 혼합물 및 계면활성제를 수성 상에서 유화시키는 것을 포함한다. 다양한 실시양태를 위하여, 에멀전은 수성 상 중 안정화된 나노-도메인의 마이크로에멀전이다. 계면활성제의 적합한 예로는 폴리옥시에틸렌화 알킬페놀 (알킬페놀 "에톡실레이트" 또는 APE); 폴리옥시에틸렌화 직쇄 알코올 (알코올 "에톡실레이트" 또는 AE); 폴리옥시에틸렌화 2급 알코올, 폴리옥시에틸렌화 폴리옥시프로필렌 글리콜; 폴리옥시에틸렌화 머캅탄; 장쇄 카르복실산 에스테르; 천연 지방산의 글리세릴 및 폴리글리세릴 에스테르; 프로필렌 글리콜, 소르비톨, 및 폴리옥시에틸렌화 소르비톨 에스테르; 폴리옥시에틸렌 글리콜 에스테르 및 폴리옥시에틸렌화 지방산; 알칸올아민 축합물; 알칸올아미드; 알킬 디에탄올아민; 1:1 알칸올아민-지방산 축합물; 2:1 알칸올아민-지방산 축합물; 3급 아세틸렌 글리콜; 폴리옥시에틸렌화 실리콘; n-알킬피롤리돈; 폴리옥시에틸렌화 1,2-알칸디올 및 1,2-아릴알칸디올; 알킬 폴리에톡실레이트, 알킬 아릴 폴리에톡실레이트, 알킬폴리글리코시드 및 이들의 조합을 들 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 이온성 계면활성제를 사용할 수 있다.
시판용 계면활성제의 예로는 테르지톨(Tergitol; 상표명) 및 트리톤(Triton; 상표명) 계면활성제 (모두 더 다우 케미칼 컴파니(The Dow Chemical Company) 제품)를 들 수 있다. 사용되는 계면활성제의 양은 물 또는 다른 수성 중합 매질에서 형성된 나노-도메인을 적어도 실질적으로 안정화시키기에 충분하여야 한다. 이러한 정확한 양은 선택된 계면활성제 뿐만 아니라, 다른 성분의 유형에 따라 달라질 것이다. 또한, 양은 반응이 배치 반응, 반-배치 반응 또는 연속 반응으로 수행되느냐에 따라 달라질 것이다. 배치 반응은 일반적으로 최대량의 계면활성제를 필요로 할 것이다. 반-배치 및 연속 반응에서, 계면활성제는 입자가 성장함에 따라 표면 대 부피 비가 감소하므로 다시 이용가능해져서, 배치 반응에서와 같은 양의 주어진 크기의 입자를 제조하는데 계면활성제가 덜 필요할 수 있다. 3:1 내지 1:20 및 2.5:1 내지 1:15의 계면활성제:단량체 중량비가 유용하다. 유용한 범위는 사실 이보다 더 넓을 수 있다.
수성 액체 성분은 물, 물과 친수성 용매의 조합 또는 친수성 용매일 수 있다. 사용되는 수성 액체의 양은 반응 혼합물의 총중량을 기준으로 40 중량％ 이상일 수 있다. 다양한 실시양태를 위하여, 사용되는 수성 액체의 양은 반응 혼합물의 총중량을 기준으로 50 중량％ 이상일 수 있다. 다양한 실시양태를 위하여, 사용되는 수성 액체의 양은 반응 혼합물의 총중량을 기준으로 60 중량％ 이상일 수 있다. 또한, 사용되는 수성 액체의 양은 99 중량％ 이하, 95 중량％ 이하, 90 중량％ 이하 및/또는 85 중량％ 이하일 수 있다.
개시제는 자유 라디칼 개시제일 수 있다. 적합한 자유 라디칼 개시제의 예로는, 예를 들어 2,2'-아조비스 (2-아미디노프로판) 디히드로클로라이드 및 산화환원 개시제, 예컨대 H2O2/아스코르브산 또는 tert-부틸 히드로퍼옥시드/아스코르브산, 또는 지용성 개시제, 예컨대 디-t-부틸 퍼옥시드, t-부틸 퍼옥시벤조에이트 또는 2,2'-아조이소부티로니트릴 또는 이들의 조합을 들 수 있다. 첨가되는 개시제의 양은 단량체 100 중량부 당 0.01 내지 5.0, 0.02 내지 3.0, 또는 0.05 내지 2.5 중량부 범위일 수 있다. 또한, 다른 개시제가 가능하다. 자유 라디칼 개시제의 사용 이외에, 중합을 위한 다른 메카니즘으로는 자외선 광을 사용한 경화를 들 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
나노-도메인 형성에 사용되는 단량체는 자유 라디칼 중합을 겪을 수 있는 1종 이상의 단량체일 수 있다. 적합한 단량체로는 1개 이상의 불포화 탄소 대 탄소 결합 및/또는 1개 초과의 탄소 대 탄소 이중 결합을 함유하는 것을 들 수 있다. 나노-도메인의 형성에 단일 유형의 단량체를 사용하거나 2종 이상의 상이한 유형의 단량체를 사용할 수 있다.
적합한 단량체의 예가 스티렌 (예컨대, 스티렌, 알킬 치환된 스티렌, 아릴-알킬 치환된 스티렌, 알키닐아릴 알킬 치환된 스티렌 등); 아크릴레이트 및 메타크릴레이트 (예컨대, 알킬 아크릴레이트 또는 알킬 메타크릴레이트 등); 비닐 (예를 들어, 비닐 아세테이트, 알킬 비닐 에테르 등); 알릴 화합물 (예를 들어, 알릴 아크릴레이트); 알켄, 알카디엔 (예를 들어, 부타디엔, 이소프렌); 디비닐벤젠 또는 1,3-디이소프로페닐벤젠; 알킬렌 글리콜 디아크릴레이트 및 이들의 조합 (예를 들어, 공중합체의 제조를 위한 혼합물)의 군으로부터 선택될 수 있다. 본원에서 사용된 용어 "알킬"은 4 내지 14개의 탄소 (C4-C14)를 갖는 포화 선형 또는 분지형 1가 탄화수소기를 포함할 수 있다. 본원에서 사용된 용어 "알켄"은 4 내지 14개의 탄소 (C4-C14)를 갖는 1개 이상의 탄소-탄소 이중 결합을 갖는 불포화 탄화수소를 포함할 수 있다.
다양한 실시양태를 위하여, 나노-도메인은 메틸 메타크릴레이트 (MMA) 및 부틸 아크릴레이트의 단량체로부터 형성될 수 있다. 다양한 실시양태를 위하여, 나노-도메인은 MMA, 부틸 아크릴레이트 및 스티렌 단량체로부터 형성될 수 있다. 또한, 나노-도메인을 위한 다른 공중합체 배열이 가능하다.
또한, 액정 중합체의 단량체가 본 개시물의 나노-도메인의 형성에 사용될 수 있다. 이러한 단량체는 p-히드록시벤조산 및 관련 단량체를 기재로 하는 부분적으로 결정성 방향족 폴리에스테르를 포함할 수 있다. 공중합된 액체 결정성 기능성을 갖는 나노-도메인을 형성하기 위하여 중합될 수 있는 단량체의 특정 예로는 2-프로펜산, 4'-시아노[1,1'-비페닐]-4-일 에스테르; 콜레스트-5-엔-3-올 (3β), 2-프로페노에이트; 벤조산, 4-[[[4-[(1-옥소-2-프로페닐)옥시]부톡시]카르보닐]옥시], 2-메틸-1,4-페닐렌 에스테르; 벤조산, 3,4,5-트리스[[11-[(1-옥소-2-프로펜-1-일)옥시]운데실]옥시], 나트륨염 (1:1); 페놀, 4-[2-(2-프로펜-1-일옥시)에톡시]; [1,1'-비페닐]-4-카르보니트릴, 4'-(4-펜텐-1-일옥시); 페놀, 4-(10-운데세닐옥시); 벤조산, 4-[2-(2-프로페닐옥시)에톡시]; 1,4-시클로헥산디카르복실산, 비스[4-(10-운데세닐옥시)페닐] 에스테르, 트랜스; 벤조산, 4-[[6-[(1-옥소-2-프로페닐)옥시]헥실]옥시]-, 2-클로로-1,4-페닐렌 에스테르; 및 벤조산, 4-[[6-[(1-옥소-2-프로페닐)옥시]헥실]옥시]-, 2-클로로-1,4-페닐렌 에스테르, 단일중합체를 들 수 있다.
다양한 실시양태에 따라, 나노-도메인은 자외선 광의 사용 또는 라디칼 개시된 가교 공정을 통해 가교된다. 나노-도메인의 가교는 물질의 침윤 전 및/또는 후에 일어날 수 있다. 이러한 실시양태에서, 단량체의 적어도 일부분은 1개 초과의 불포화 탄소 대 탄소 결합을 가질 것이다. 디비닐벤젠 또는 1,3-디이소프로페닐벤젠을 갖는 스티렌 단량체를 사용하는 것이 유용한 실시양태이다. 사용되는 가교 단량체 (예를 들어, 반응에 이용가능한 1개 초과의 탄소 대 탄소 이중 결합을 갖는 단량체)의 양은 단량체의 총중량을 기준으로 약 100 중량％ 미만, 약 70 중량％ 미만, 약 50 중량％ 미만 및 약 1 중량％ 초과 또는 약 5 중량％ 초과일 수 있다. 조성물에 첨가되는 단량체의 총량은 조성물의 총중량을 기준으로 약 1 내지 약 65 중량％, 약 3 내지 약 45 중량％ 또는 약 5 내지 약 35 중량％ 범위이다.
임의로, 소수성 용매를 단량체에 첨가할 수 있으며, 여기서 이러한 용매의 비제한적 예로는 톨루엔, 에틸벤젠, 메시틸렌, 시클로헥산, 헥산, 크실렌, 옥탄 등 및 이들의 조합을 들 수 있다. 사용될 경우, 소수성 용매의 양은 소수성 액체의 약 1 내지 약 95 중량％, 약 2 내지 약 70 중량％ 또는 약 5 내지 약 50 중량％일 수 있다. 소수성 액체의 총량은 전체 혼합물의 약 1 내지 약 60 중량％, 약 3 내지 약 45 중량％ 또는 약 5 내지 약 35 중량％일 수 있다.
본 개시물의 나노-도메인의 제조에 사용되는 공정은 칼란타르 등의 미국 공보 제2004/0054111호 및 제2004/0253442호에서 논의된 바와 같은 배치 공정, 다중-배치 공정, 반-배치 공정 또는 연속 공정으로 수행될 수 있다. 적합한 반응 온도는 약 25℃ 내지 약 120℃ 범위일 수 있다.
나노-도메인은 형성되면, 에멀전을 물에 적어도 부분적으로 가용성인 유기 용매 또는 용매 혼합물과 혼합하여 (형성된 중합체는 생성된 수성 액체-용매 혼합물에 실질적으로 불용성임) 침전시킬 수 있다. 이러한 용매의 예로는 아세톤, 메틸 에틸 케톤 및 메탄올을 들 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 이 단계는 나노-도메인을 침전시키며, 나노-도메인은 건조물로 사용되거나, 후속 사용을 위하여 감마 부티로락톤, 테트라히드로푸란, 시클로헥사논, 메시틸렌 또는 디프로필렌글리콜 메틸 에테르 아세테이트 (DPMA)와 같은 적합한 유기 용매에 재분산시킬 수 있다. 또한, 침전은 나노-도메인으로부터 상당량의 계면활성제 잔류물을 제거하는데 유용하다.
또한, 나노-도메인은 당업계에 공지된 다양한 방법, 예컨대 침전 전에 이온 교환 수지 층을 통해 통과시키고; 탈이온수 및 임의로 나노-도메인이 불용성인 용매를 이용하여 침전 및 격렬하게 세척하고; 침전시키고, 나노-도메인을 유기 용매에 분산시키고, 분산액을 상기 용매에서 실리카 겔 또는 알루미나 컬럼을 통해 통과시킴으로써 정제시킬 수 있다.
침전 후, 분무 건조 단계를 사용하여 나노-도메인의 분말을 형성할 수 있으며, 여기서 건조 온도는 나노-도메인 상 잔여 반응성 기의 반응, 응집화 및 나노-도메인 입도 증가를 야기시킬 정도로 높지 않다. 또한, 동결 건조를 사용하여 나노-도메인의 분말을 형성할 수 있다.
또한, 본 개시물을 위한 나노-도메인을 형성하기 위한 다른 방법이 가능하다. 예로는 문헌 [Mecerreyes, et al. Adv. Mater. 2001, 13, 204]; [Funke, W. British Polymer J. 1989, 21, 107]; [Antonietti, et al. Macromolecules 1995, 28, 4227]; [Gallagher, et al. PMSE. 2002, 87, 442]; 및 [Gan, et al. Langmuir 2001, 17, 4519]에 기재된 것을 들 수 있다.
다양한 실시양태를 위하여, 나노-도메인은 소규모 기능성 물질을 형성하기 위하여 실질적으로 가교 중합체 도메인 전체에 걸쳐 외부에서 적용된 장에 반응성인 기능성을 갖는 물질을 침윤시킴으로써 기능성화될 수 있다. 물질에 의해 소규모 기능성 물질에 부여되는 기능성으로는 전기, 광학, 자성, 화학, 전기 광학, 전기 변색, 마그네토-광학, 열변색, 유전 및/또는 열 특성을 들 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 다양한 실시양태를 위하여, 기능성 반응을 갖는 물질을 나노-도메인의 가교 중합체 도메인에 침윤시키는 것은 가교 중합체 도메인의 형성 후 및/또는 그 동안 수행될 수 있다.
본원에서 논의된 바와 같이, 가교 중합체는 하나 이상의 다양한 외부에서 적용된 장에 반응성이도록 기능성화될 수 있다. 이러한 외부에서 적용되는 장의 예로는 전기장, 자기장, 전자기장, 열 구배, 화학 구배 및/또는 기계적 힘, 예컨대 기계적 압력을 들 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
다양한 실시양태를 위하여, 가교 중합체 도메인은 나노-도메인의 횡단면 치수를 통해 연장되는 연속적인 실질적으로 균일한 네트워크를 제공하는 구조를 갖는다 (예를 들어, 그것은 구불구불한 다공성 네트워크를 갖는 고체 입자임). 다양한 실시양태를 위하여, 구조의 다공성은 기능성 반응을 제공하는 물질이 나노-도메인 구조에 침윤될 수 있게 한다. 즉, 가교 중합체 도메인은 스펀지처럼 작용하여 물질을 침윤 및 유지할 수 있다. 이러한 구조는 예를 들어 다량의 물질을 유지하는 쉘(shell)과 대비된다.
다양한 실시양태를 위하여, 침윤된 물질을 실질적으로 나노-도메인의 가교 중합체 도메인 전체에 걸쳐 균일하게 분산시킬 수 있다. 이것은 가교 중합체 도메인 내에 및/또는 그것을 가로질러 위치에 무관하게 나노-도메인을 통해 본질적으로 균일한 물질의 농도를 허용한다. 또한, 나노-도메인의 다공성은 물질이 또한 매트릭스 물질에 분산될 경우 가교 중합체 도메인에서 본질적으로 안정한 농도를 유지할 수 있게 한다. 본원에서 논의된 바와 같이, 매트릭스 물질은 무기 및/또는 유기 중합체 매트릭스 물질을 포함할 수 있다. 또한, 다른 매트릭스 물질이 가능하다.
다양한 물질을 사용하여 소규모 기능성 물질의 나노-도메인을 기능성화시킬 수 있다. 예를 들어, 외부에서 적용된 장에 반응성인 기능성을 갖는 적합한 물질은 화학 활성 기능성 물질, 광학 활성 기능성 물질, 자성 활성 기능성 물질, 전기 활성 기능성 물질, 전기 광학 활성 기능성 물질, 전기 변색 활성 기능성 물질, 열 변색 활성 기능성 물질, 전기 왜곡 기능성 물질, 유전 활성 기능성 물질, 열 활성 기능성 물질 및 이들의 조합의 군으로부터 선택될 수 있다.
예를 들어, 적합한 물질은 액정 물질, 이색성 염료 및 이들의 조합의 군으로부터 선택되는 것을 비롯한, 외부에서 적용되는 장에 반응성인 광학 활성 기능성 물질을 포함할 수 있다. 나노-도메인에 침윤된 광학 활성 기능성 물질의 양은 소규모 기능성 물질의 약 6 중량％ 내지 약 60 중량％ 범위일 수 있다. 또한, 광학 활성 기능성 물질은 가교 중합체 도메인의 굴절률 값보다 큰 굴절률 값을 가질 수 있다.
다양한 실시양태를 위하여, 나노-도메인에 침윤된 광학 활성 기능성 물질의 양은 생성된 소규모 기능성 물질의 용도에 따라 달라질 수 있다. 따라서, 예를 들어 용도가 액정 디스플레이 (LCD)의 위상 지연 필름을 위한 것일 경우, 사용되는 광학 활성 기능성 물질의 양은 목적하는 LCD의 함수일 것이다. 또한, 나노-도메인에 침지된 광학 활성 기능성 물질의 양은 나노-도메인에 침윤된 광학 활성 기능성 물질의 이방성, 굴절률 및/또는 복굴절률에 따라 달라질 수 있다.
인지된 바와 같이, 또한 2종 이상의 소규모 기능성 물질의 조합을 특정 용도에 사용할 수 있으며, 여기서 소규모 기능성 물질은 광학 활성 기능성 물질과 상이한 유형 및/또는 양을 가질 수 있다. 예를 들어, 제1 소정량으로 제1 물질로 기능성화된 제1 나노-도메인을 함유하는 소규모 기능성 물질의 제1 층 및 제2 소정량으로 제2 물질로 기능성화된 제2 나노-도메인을 함유하는 소규모 기능성 물질의 제2 층을 갖는 필름을 가질 수 있다. 이러한 또는 다른 접근법을 사용하여, 소규모 기능성 물질을 갖는 2개 이상의 층을 사용하여 이러한 목적을 수행할 경우, 목적하는 용도를 위해 생성된 다층 필름을 "조정"할 수 있다.
소규모 기능성 물질의 나노-도메인에 침윤시키기에 적합한 액정 물질의 예로는 등방성 상, 네마틱 상, 트위스트형 네마틱 상, 스멕틱 상, 키랄 네마틱 상 및/또는 디스코틱 상의 것을 들 수 있다. 다양한 실시양태를 위하여, 적합한 액정 물질로는 4-펜틸페닐 4-펜틸벤조에이트; 4-펜틸페닐 4-메톡시벤조에이트; 4-펜틸페닐 4-메틸벤조에이트; 4-펜틸페닐 4-옥틸옥시벤조에이트; 4-펜틸페닐 4-프로필벤조에이트; 2,5-디메틸-3-헥신-2,5-디올; 6-[4-(4-시아노페닐)페녹시]헥실 메타크릴레이트; 폴리(4-히드록시 벤조산-코-에틸렌 테레프탈레이트); p-아세톡시벤질리덴 p-부틸아닐린; p-아족시아니솔; 4,4'-아족시디페네톨; 비스(p-부톡시벤질리덴) a,a'-비-p-톨루이딘; 비스(p-헵틸옥시벤질리덴) p-페닐렌디아민; 비스(p-옥틸옥시벤질리덴) 2-클로로-1,4-페닐렌디아민; p-부톡시벤조산; p-부톡시벤질리덴 p-부틸아닐린; p-부톡시벤질리덴 p-에틸아닐린; p-부톡시벤질리덴 p-헵틸아닐린; p-부톡시벤질리덴 p-옥틸아닐린; p-부톡시벤질리덴 p-펜틸아닐린; p-부톡시벤질리덴 p-프로필아닐린; 부틸 p-헥실옥시벤질리덴 p-아미노벤조에이트; 콜레스테릴 벤조에이트; 콜레스테릴 데카노에이트 (카프레이트); 콜레스테릴 도데카노에이트 (라우레이트); 콜레스테릴 엘라이데이트; 콜레스테릴 에루케이트; 콜레스테릴 에틸 카르보네이트; 콜레스테릴 헵타노에이트 (에난테이트); 콜레스테릴 헥사데실 카르보네이트; 콜레스테릴 메틸 카르보네이트; 콜레스테릴 옥타노에이트 (카프릴레이트); 콜레스테릴 올레일 카르보네이트; 콜레스테릴 펜타노에이트 (발레레이트); 콜레스테릴 테트라데카노에이트 (미리스테이트); p-시아노벤질리덴 p-노닐옥시아닐린; 4-시아노-4'-부틸비페닐; 4-시아노-4'-헥실비페닐; 4-시아노-4'-옥틸비페닐; 4-시아노-4'-펜틸비페닐; 4-시아노-4'-펜틸옥시비페닐; p-데실옥시벤조산; p-데실옥시벤질리덴 p-부틸아닐린; p-데실옥시벤질리덴 p-톨루이딘; 디벤질리덴 4,4'-비페닐렌디아민; 4,4'-디헵틸아족시벤젠; 4,4'-디헵틸옥시아족시벤젠; 4,4'-디헥실아족시벤젠; 4,4'-디헥실옥시아족시벤젠; 4,4'-디헥실옥시아족시벤젠; 4,4'-디노닐아족시벤젠; 4,4'-디옥틸아족시벤젠; 4,4'-디펜틸아족시벤젠; p-도데실옥시벤조산; p-에톡시벤질리덴 p-부틸아닐린; p-에톡시벤질리덴 p-시아노아닐린; p-에톡시벤질리덴 p-헵틸아닐린; 에틸 4-(4-펜틸옥시벤질리덴아미노)벤조에이트; p-헵틸옥시벤질리덴 p-부틸아닐린; 4-헵틸옥시벤질리덴 4-헵틸아닐린; p-헥사데실옥시벤조산; p-헥실옥시벤즈알라진; p-헥실옥시벤조산; 4-(4-헥실옥시벤조일옥시)벤조산; p-헥실옥시벤질리덴 p-아미노벤조니트릴; p-헥실옥시벤질리덴 p-부틸아닐린; p-헥실옥시벤질리덴 p-옥틸아닐린; p-메톡시벤질리덴 p-비페닐아민; p-메톡시벤질리덴 p-부틸아닐린; p-메톡시벤질리덴 p-시아노아닐린; p-메톡시벤질리덴 p-데실아닐린; p-메톡시벤질리덴 p-에틸아닐린; p-메톡시벤질리덴 p-페닐아조아닐린; 4-메톡시페닐 4'-(3-부테닐옥시)벤조에이트; p-메틸벤질리덴 p-부틸아닐린; p-니트로페닐 p-데실옥시벤조에이트; p-노닐옥시벤조산; p-노닐옥시벤질리덴 p-부틸아닐린; p-옥틸옥시벤조산; p-옥틸옥시벤질리덴 p-시아노아닐린; p-펜틸벤조산; p-펜틸옥시벤조산; p-펜틸옥시벤질리덴 p-헵틸아닐린; 4-펜틸페닐 4'-프로필벤조에이트; p-프로폭시벤조산; 테레프탈릴리덴 비스(p-부틸아닐린); 테레프탈릴리덴 비스(p-노닐아닐린); p-운데실옥시벤조산 및/또는 4-펜틸-4'-시아노 비페닐을 들 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 시판용 액정 물질로는 상표명 리크리스탈(등록상표) E44 (E44); 리크리스탈(등록상표) E7 (E7); 리크리스탈(등록상표) E63 (E63); 리크리스탈(등록상표) BL006 (BL006); 리크리스탈(등록상표) BL048 (BL048); 리크리스탈(등록상표) ZLI-4853 (ZLI-4853) 및 리크리스탈(등록상표) MLC-6041 (MLC-6041) 하에 머크 (독일 다름슈타트 소재 카가아)로부터 시판되는 것을 들 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 다른 시판용 액정 물질 또한 가능하다.
또한, 다양한 실시양태를 위하여, 유용한 액정 물질로는 네거티브 유전 이방성을 갖는 것을 들 수 있다. 본원에서 사용된 "네거티브 유전 이방성"은 방향자에 평행한 유전 계수가 방향자에 수직인 유전 계수보다 작은 상태를 포함하며, 여기서 방향자는 둘레에 물질 중 액정의 장거리 질서가 정렬된 국소 대칭 축을 의미한다. 네거티브 유전 이방성을 갖는 액정 물질의 예로는 미국 특허 제4,173,545호에 개시된 것 (예를 들어, p-알킬-페놀-4'-히드록시벤조에이트-4-알킬(알콕시)-3-니트로벤조에이트), 포지티브(positive) 또는 네거티브 유전 이방성을 갖는 것, 또는 4-시아노-4'-헥실비페닐 및 살리실알디민의 경우와 같이 포지티브에서 네거티브로 변할 수 있는 것 (문헌 [Physica B: Condensed Matter, Vol. 393, (1-2), pp 270-274] 참조), 문헌 ["Advanced Liquid Crystal Materials with Negative Dielectric Anisotropy for Monitor and TV Applications" by Klasen-Memmer et al. (Proc Int Disp Workshops, vol. 9, pages 93-95, 2002)]에서 논의된 것, 문헌 ["Nematic materials with negative dielectric anisotropy for display applications" by Hird et al. (Proc. SPIE Vol. 3955, p. 15-23, Liquid Crystal Materials, Devices, and Flat Panel Displays, March 2000)]에 개시된 것, 및 문헌 ["Stable Liquid Crystals with Large Negative Dielectric Anisotropy" by Osman et al., (Helvetica Chimica Acta, Vol. 66, Issue 6, pp 1786-1789)]에 개시된 것을 들 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 광학 활성 기능성 물질은 소규모 기능성 물질을 통한 적외선, 가시선 및 자외선 주파수 범위 중 적어도 하나의 방사선 에너지 (예를 들어, 광)의 적어도 일부분의 투과를 방지하는 기능을 할 수 있다.
상기 배경기술에서 논의된 바와 같이, 중합체 매트릭스에서 액정 물질의 형태를 제어하는 것은 복잡한 과정이며, 본 개시물에 이를 때까지, 기능성인 파장 이하 도메인이 얻어지지 않았다. 본 발명에 이를 때까지 이것이 불가능했던 이유와 관련된 한 이론은 액정 분자가 큰 구조로 자가-조직화되는 경향을 갖고 있다는 것이다. 이러한 큰 구조는 외부에서 적용된 장 하에 회전하려고 하기 때문에, 그것이 함유되는 도메인의 벽에 의해 부과되는 마찰력에 의해 부정적인 영향을 받을 수 있다. 즉, 자가-조직화된 액정 분자는 도메인의 부피에 비해 너무 크기 때문에 (도메인에 대한 표면적에 대한 부피의 비는 표면적이 우세함), 자가-조직화된 액정 분자에 상당한 해로운 마찰력이 부과된다.
그러나, 놀랍게도, 본 개시물의 실시양태는 이러한 문제에 직면하지 않는다. 오히려, 실질적으로 소규모 기능성 물질의 나노-도메인의 전체에 걸쳐 침윤된 액정 물질의 자가-조직화가 최소화되는 것으로 생각된다. 이에 대한 가능한 근거는, 가교 중합체 도메인의 구조가 액정 물질이 그 자체와 너무 회합되는 정도로 조직화되는 능력을 최소화하는데 도움을 준다는 것이다 (예를 들어, 너무 커지지 않음). 그 결과, 가교 중합체 도메인 중 액정 물질에 의해 직면하게 되는 마찰력은 다른 도메인 구조에 비해 최소화될 수 있다.
액정 물질 이외에, 소규모 기능성 물질의 나노-도메인에 침윤시키기 위한 다른 가능한 물질로는 전기-반응성 및/또는 마그네토-반응성을 갖는 것을 들 수 있다. 이것은 소규모 기능성 물질의 전도성/절연성에 영향을 주어 전기 및/또는 열 전도에 영향을 미치도록 사용될 수 있는 물질을 포함할 수 있다. 또한, 소규모 기능성 물질의 유전 상수에 영향을 미치는 물질을 사용하여 나노-도메인 물질의 유전 상수를 증가 또는 감소시킬 수 있다. 예를 들어, 나노-도메인의 유전 상수는 고 유전 물질, 예컨대 바륨 스트론튬 티타네이트, 바륨 티타네이트, 구리 프탈로시아닌 올리고머 (o-CuPc) 나노입자 (문헌 [Appl. Phys. Lett. 87, 182901 (2005)] 참조), 은 나노입자, 알루미늄 옥시히드록시드 AlO[OH]n, 염, 예컨대 LiN(C2F5SO2)2 또는 LiClO4, Al2O3, ZnO, SnO 및 다양한 산화 상태의 다른 나노 금속 산화물 충전제 또는 일부 경우에 금, 은, 구리 또는 이들 금속의 합금과 같은 금속을 가짐으로써 증가할 수 있다.
또한, 강유전성 및/또는 강자성 물질을 나노-도메인에 첨가하여 나노-도메인 및/또는 물질의 특성을 개선시킬 수 있다. 이러한 물질의 예는 유기 기와 주요 기의 1개 이상의 탄소 원자 사이에 결합 상호작용이 있는 유기금속 화합물, 전이 금속 원자(들), 란탄족 금속 원자(들) 또는 악티니드 금속 원자(들)일 수 있다. 또한, 다른 유기 분자가 나노-도메인 구조에 침윤될 수 있다.
다양한 실시양태를 위하여, 침윤된 물질의 기능적 특성은 나노-도메인 구조에 침윤되면 크게 영향을 받지 않는다. 또한, 나노-도메인은 실질적으로 나노-도메인 전체에 결쳐 침윤된 물질에 대해 질서를 유도할 수 있다. 물질 및 나노-도메인에 대한 유사한 특징적인 길이의 정렬된 구조를 하기 실시예 부분에서 제공되는 바와 같은 X-선 산란 결과로 측정할 수 있다. 이러한 결과는 가교 중합체 도메인에 의해 질서가 유도될 수 있다는 것을 시사한다. 예를 들어, 액정 물질이 실질적으로 나노-도메인의 가교 중합체 도메인 전체에 걸쳐 침윤될 경우, 본원에서 논의된 산란 연구는 약 4 nm의 특징적인 길이를 갖는 액정 정렬 구조를 지시한다. 나노-도메인에 의해 유도된 이러한 질서는 순수한 액정 물질 또는 폴리메틸 메타크릴레이트 중 액정 물질의 용액에서는 관찰되지 않는다. 또한, 액정 물질이 실질적으로 나노-도메인의 가교 중합체 도메인 전체에 걸쳐 침윤될 경우 액정의 전기 광학 활성이 유지된다.
또다른 실시양태에서, 물질을 나노-도메인의 가교 중합체 도메인에 침윤시킨 후에 소규모 기능성 물질의 가교 중합체 도메인의 가교 밀도를 증가시킬 수 있다. 다양한 실시양태를 위하여, 후-침윤 가교를 사용하여 비-구형 나노-도메인 (예를 들어, 타원형)을 형성할 수 있다. 또한, 물질은 침윤되면 나노-도메인의 중합체 도메인과 가교될 수 있다. 소규모 기능성 물질은 형성되면 저장 및 본원에 논의된 바와 같은 후속 용도를 위하여 분말 (예를 들어, 동결 건조됨)로 제조될 수 있다.
다양한 실시양태를 위하여, 소규모 기능성 물질을 매트릭스 물질과 블렌딩할 수 있으며, 여기서 소규모 기능성 물질 및 매트릭스 물질은 별개로 남아있다. 또한, 소규모 기능성 물질을 매트릭스 물질의 벌크 역학적 특성에 영향을 미치지 않는 농도로 매트릭스 물질에 도입할 수 있다. 따라서, 물질은 중합체 매트릭스 물질과 상관없이 외부에서 적용된 장에 반응할 수 있다.
다양한 실시양태를 위하여, 매트릭스 물질을 변형시키기 위하여 사용된 소규모 기능성 물질은 비변형된 매트릭스 물질과 비교하여 매트릭스 물질의 투명도와 관련된 헤이즈(haze) 또는 다른 문제를 일으키지 않고, 매트릭스 물질을 변형시킬 수 있다. 논의된 바와 같이, 이를 위한 한 근거는 소규모 기능성 물질의 나노-도메인이 가시광 파장의 4분의 1 이하의 최대 치수를 갖는다는 것일 수 있다. 나노-도메인의 크기를 제어하여, 예를 들어 광을 산란시킬 수 있는 크기의 도메인을 제거함으로써 광학 용품에 대해 매트릭스 물질의 투명성을 유지시킬 수 있다. 또한, 소규모 기능성 물질은 매트릭스 물질에 분산가능하지 않은 기능성 물질을 분산시키는데 유용할 수 있다.
다양한 실시양태를 위하여, 소규모 기능성 물질이 도입된 매트릭스 물질은 유기 및/또는 무기 중합체를 포함할 수 있다. 이러한 중합체는 열가소성 중합체를 포함할 수 있다. 다양한 실시양태를 위하여, 소규모 기능성 물질을 열경화성 수지의 가교 전에 열경화성 수지에 분산시킬 수 있다. 별법으로, 소규모 기능성 물질을 잉크 용액 및/또는 액체 매질, 예컨대 유기 및/또는 무기 매질에 현탁시켜 복굴절을 개선시키거나, 용액의 굴절률을 변형시킬 수 있다. 또한, 소규모 기능성 물질을 졸-겔 전구체 용액 (예를 들어, 테트라에틸 오르토실리케이트)과 혼합할 수 있다. 또한, 소규모 기능성 물질을 다른 고체 물질과 혼합하여 고체 혼합물을 형성할 수 있다.
또한, 다른 첨가제를 각각의 물질이 상이한 기능성을 가질 수 있는 1종 이상의 소규모 기능성 물질을 포함하는 매트릭스 물질에 분산시킬 수 있다. 상이한 기능성 이외에, 소규모 기능성 물질은 동일한 양 또는 상이한 양을 포함하는 다양한 양을 가질 수 있다. 선택되는 양은 소규모 기능성 물질을 갖는 생성된 물질로부터 목적하는 반응에 따라 달라질 수 있다.
나노-도메인 사용에 대한 한 장점은 기능성 반응을 갖는 물질이 광의 4분의 1 파장 미만의 길이 규모로 여전히 별개로 존재하여 매트릭스 물질의 심미적 특성을 보존한다는 것이다. (용해되기보다는) 별개로 존재함으로써, 물질은 그의 바람직한 방식으로 작용할 수 있다. 예를 들어, 본원에서 논의된 바와 같이, 매트릭스 물질에 분산된 소규모 기능성 물질 중 광학 활성 기능성 물질 (예를 들어, 액정 물질)의 상태를 복합 물질에 적용된 외부에서 적용된 장에 의해 변화시켜 복합 물질의 벌크 전기 광학 특성을 제어할 수 있다. 이것은 매트릭스 물질의 광학 투명성을 유지하면서 수행할 수 있다.
또한, 물질을 별개로 유지함으로써, 매트릭스 물질의 연속 특성이 우수하게 보존될 수 있으며, 예를 들어 매트릭스 물질의 레올로지 및 역학적 특성을 보존할 수 있다. 보존 및/또는 강화될 수 있는 매트릭스 물질의 다른 특성으로는 기체 확산 배리어, 광학 및 전기/자기 (유전) 특성을 들 수 있다. 중합체 가공 방법, 예컨대 압출, 사출 성형, 분무-코팅 및/또는 잉크-젯 인쇄에 의해 이러한 활성 분산액을 가공하는 능력은 그것을 균질 물질로서 엄두도 못 낼 수 있는 다수의 용도에 사용할 수 있게 한다.
다양한 실시양태를 위하여, 매트릭스 물질 중 소규모 기능성 물질의 분산액은 균일할 수 있다. 대안적인 실시양태에서, 소규모 기능성 물질의 분산액은 매트릭스 물질을 통해 및/또는 그것을 가로질러 연장되는 농도 구배를 생성할 수 있다. 예를 들어, 소규모 기능성 물질은 매트릭스 물질에서 다양한 농도로 공간 분산되어 매트릭스 물질에 굴절률 구배를 생성할 수 있다. 다양한 실시양태를 위하여, 농도 구배는 매트릭스 물질의 두께를 통해 및/또는 매트릭스 물질의 폭 또는 길이를 가로질러 연장될 수 있다.
다양한 실시양태를 위하여, 가교 중합체 도메인의 선택은 부분적으로 소규모 기능성 물질이 도입된 중합체 매트릭스 물질(들)을 바탕으로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 가교 중합체 도메인은 소규모 기능성 물질이 중합체 매트릭스 물질 (예를 들어, 중합체 용융물) 내에 분산되도록 선택될 수 있다. 실질적으로 매트릭스 물질 전체에 걸쳐 소규모 기능성 물질을 분산시키기 위한 접근법은 통상적인 중합체 가공 장비, 예컨대 단일 스크류 압출기, 트윈(twin) 스크류 압출기, 투 롤 밀(two roll mill) 및/또는 혼합기, 예컨대 헨쉘(Henschel) 유형의 혼합기, 하케(Haake) 유형의 혼합기 등에서 수행할 수 있다.
본 개시물의 실시양태는 다양한 용품에 유용할 수 있다. 이러한 용품으로는 광학 용품, 예컨대 특히 디스플레이, 안과용 렌즈, 섬유 광학, 브래그 반사기(Bragg reflector) 및 도파관(wave guide)을 들 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 소규모 기능성 물질의 나노-도메인은 나노-도메인을 형성하기 위해 사용되는 단량체 (예를 들어, 가교 중합체 도메인의 Tg) 및/또는 가교 중합체 도메인의 가교 밀도의 선택에 의해 보다 경질 또는 덜 경질로 만들어질 수 있다. 또한, 다양한 실시양태를 위하여, 액정 물질 및 가교 중합체 도메인의 이동성을 변형 (예를 들어, 감소)시키기 위하여 가교 중합체 도메인의 Tg를 조정할 수 있다. 매트릭스 물질은 복합 물질을 위한 용도의 가공 및 온전함 요건을 충족시키도록 선택될 수 있다. 또한, 소규모 기능성 물질은 다양한 혼합, 압출 및/또는 인쇄 기술을 사용하여 농도 구배로 공간 분산되어 광학 물질, 예컨대 구배 굴절률 렌즈, 반사방지 필름 또는 예를 들어 시야각을 조절하는 필름을 생성할 수 있다.
또한, 외부에서 적용된 장에 반응성인 기능성을 갖는 물질을 소규모 기능성 물질의 나노-도메인에 침윤시켜 소규모 기능성 물질의 나노-도메인 및/또는 매트릭스 물질 모두의 굴절률을 변화시킬 수 있다. 이것은 소규모 기능성 물질 및/또는 침윤된 물질의 조성을 통해 굴절률을 "조정가능"하게 할 것이다. 굴절률은 매트릭스 물질 또는 소규모 기능성 물질의 나노-도메인보다 작거나 크게 변형될 수 있다. 굴절률 변형제의 원칙적 장점은 관찰자의 눈에 광학적으로 투명하게 유지되면서 매트릭스 물질 또는 소규모 기능성 물질의 나노-도메인의 굴절률이 변형될 수 있다는 것이다. 더 높은 또는 더 낮은 굴절률을 갖는 물질을 얻기 위한 한 방법은 소규모 기능성 물질의 나노-도메인 및/또는 매트릭스 물질보다 더 높은 또는 더 낮은 굴절률을 갖는 침윤된 물질을 갖는 소규모 기능성 물질을 포함하는 것이다.
또한, 적합한 액정 물질을 소규모 기능성 물질의 나노-도메인에 침윤시켜 (예를 들어, 전기장의 사용을 통해) 전환가능한 굴절률을 얻을 수 있다. 또한, 예를 들어, 키랄 네마틱 또는 스멕틱-콜레스테릭 액정으로도 공지된 강유전성 액정을 소규모 기능성 물질의 나노-도메인에 침윤시킬 수 있다. 강유전성 액정의 장점은 그것을 사용하여 외부에서 적용된 장의 적용 후에 굴절률에서 쌍안정(bi-stable) 변화 (및 따라서, 지속적인 전압을 필요로 하지 않음)를 생성할 수 있다는 것이다 (예를 들어, 그것은 전환가능함).
또한, 본 개시물의 소규모 기능성 물질로 형성된 조정가능한 복굴절 필름은 광범위한 다양한 광학 용도에 유용할 것이다. 이러한 광학 용도의 예로는 광학 스위칭(switching), 도파관 다중화(multiplexing), 빔 조정(beam steering), 동적 초점 조정(dynamic focusing), 디스플레이, 스마트 윈도우(smart window), 안경 및 산업용 광학 시스템을 들 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
다양한 실시양태를 위하여, 조정가능한 복굴절 필름은 2개 이상의 전극 사이에 배치된 소규모 기능성 물질을 사용하여 형성될 수 있다. 전극의 예로는 전도성 물질, 예컨대 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜), 인듐 주석 옥시드 (ITO) 및/또는 ITO 코팅된 기재로 형성된 것을 들 수 있다. 전극의 다른 유형 및 형태가 가능하다. 전극을 조정가능한 복굴절 필름을 가로질러 전류를 적용하기 위해 사용되는 드라이버와 연결할 수 있다. 적용된 전류는 적용된 전류의 함수로서 조정가능한 복굴절 필름의 복굴절을 변화시키도록 작용할 수 있다. 다양한 실시양태를 위하여, 2개 이상의 조정가능한 복굴절 필름을 광학 용도에 함께 사용할 수 있다.
본 개시물의 조정가능한 복굴절 필름을 위한 한 특정 용도가 LCD내에 존재할 수 있다. 이러한 용도에서, 조정가능한 복굴절 필름을 사용하여 LCD를 위한 동적 프라이버시 필름(dynamic privacy film)을 형성할 수 있다. 동적 프라이버시 필름은 조정가능한 복굴절 필름의 위상 지연 보상 값을 외부에서 적용된 장의 함수로서 "조정"되게 할 수 있으며, 시야각의 함수로서 LCD의 콘트라스트(contrast) 비를 변화시킬 것이다. 이것은 LCD의 시야각을 동적으로 제어하는 능력을 허용할 것이다.
시야각을 동적으로 제어하는 능력은 그의 시야에 고유한 프라이버시를 변화시키고 싶어 하는 다수의 LCD 사용자에게 매력적일 것이다. 본 개시물의 조정가능한 복굴절 필름은, 예를 들어 프라이버시 보기를 가능하게 하는 개인 휴대용 컴퓨터, 휴대폰 또는 현금 자동 입출금기 (ATM) 상 스위치를 허용할 것이다. 이러한 스위치는 조정가능한 복굴절 필름을 제어하여 액정 셀로부터 위상 지연 보상 출력을 변경시키고, 사용자가, 예를 들어 비행기 또는 다른 공공 장소에서 재검토될 정보를 더 잘 보호할 수 있게 할 것이다.
본 개시물의 조정가능한 복굴절 필름은 적용된 전기장으로 변화될 수 있는 굴절률 타원체(index ellipsoid)를 포함할 수 있다. 이것을 달성하기 위한 한 방법은 용액으로부터 직접 코팅하거나, 또다른 중합체 매트릭스에 첨가된 본 개시물의 소규모 기능성 물질을 사용하는 것이다. 코팅 또는 필름 형성 동안, 단축 장력 또는 전단을 장형 소규모 기능성 물질에 적용하여 액정 물질을 예비정렬시킬 수 있다. 전기장이 필름의 두께를 가로질러 적용되면, 액정 물질은 전기장에서 회전하고 정렬될 것이다.
또한, 1종 이상의 액정 물질 이외에 이색성 염료가 침윤될 수 있다. 별법으로, 이색성 염료는 단독으로 및/또는 본원에 논의된 1종 이상의 다른 기능성 물질과 함께 침윤될 수 있다. 디스코틱 액정 (원주형 및 네마틱 둘다)을 갖는 물질 또한 침윤될 수 있다. 적합한 이색성 염료 및/또는 추가의 액정 물질의 예로는 특히 미국 특허 제4,401,369호 및 제5,389,285호; WO 1982/002209호에 개시된 것; 아릴아조피리미딘; 벤조-2,1,3-티아디아졸 (문헌 [J. Mater. Chem., 2004, 14, 1901-1904] 참조); 머크 리크리스탈(등록상표) 및 머크 리크릴라이트(Licrilite; 등록상표)를 들 수 있다.
다양한 추가의 물질이 나노-도메인에 침윤되어 소규모 기능성 물질 및/또는 매트릭스 물질의 외양에 영향을 미칠 수 있다. 예를 들어, 나노-도메인 물질의 굴절률을 적절하게 선택함으로써 (예를 들어, 기능성 물질의 굴절률은 나노-도메인 물질의 굴절률보다 크고, 매트릭스 물질의 굴절률보다 큼), 매트릭스 물질 및/또는 물질이 내부 전반사에 대한 프레넬(Fresnel) 영향으로 인해 더 밝게 보일 수 있다.
또한, 염료 또는 안료를 나노-도메인에 첨가하여 반사 색상을 제공할 수 있다. 또한, 특정 주파수에서 광을 흡수하는 다양한 다른 화합물을 침윤시키고 사용하여 감색에 의해 나노-도메인을 착색할 수 있다. 또한, 나노-도메인 중 나노 크기 금속 입자는 플라스몬(plasmon) 산란을 통해 색을 낼 수 있다. 생성된 색은 금속 유형, 농도 및/또는 입자의 크기의 함수일 수 있다.
또한, 또다른 실시양태에서, 나노-도메인의 반투명성이 조정될 수 있다. 예를 들어, 나노-도메인의 반투명성의 조정은 가교 중합체 도메인의 크기 및 굴절률을 조정함으로써 수행될 수 있다. 또한, 침윤된 물질을 사용하여 감색과 유사한 특정 파장 (예를 들어, UV, IR)의 흡수 및/또는 반사가 가능하다. 예를 들어, 물질로서 ZnO를 사용하여 UV 광을 흡수할 수 있다. 또한, 가교 중합체 도메인을 광의 특정 주파수를 반사시키는데 보조하도록 선택할 수 있다.
본원에서 논의된 용품 및 다른 것은 본원에서 논의된 가공 기술로부터 형성될 수 있다. 예로는 사출 성형, 블로우 성형(blow molding), 필름 압출, 시트 압출, 공압출, 압축 성형, 회전 성형(roto-molding), 열성형 및/또는 진공 성형 공정으로 소규모 기능성 물질 및 중합체 매트릭스 물질의 분산액을 열 가공하는 것을 들 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 별법으로, 용품은 소규모 기능성 물질 및 매트릭스 물질의 분산액으로부터 발포 공정 및/또는 코팅 공정을 통해 형성될 수 있다. 코팅 공정으로는 특히 드로잉 코팅(draw coating), 닥터-블레이드(doctor-blade) 코팅, 스핀 코팅, 페인팅, 정전기적 페인팅, 잉크 젯 인쇄, 스크린 인쇄, 그라비어 인쇄(gravure printing), 커튼 코팅(curtain coating) 및/또는 분무 코팅을 들 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
본 개시물의 소규모 기능성 물질 및/또는 복합 물질을 다양한 용도에 사용할 수 있다. 예를 들어, 외부에서 적용된 장 하에 굴절률을 변형시키는 소규모 기능성 물질을 동적 복굴절 필름, 편광기 기술 및 다층 디스플레이에 사용할 수 있다. 또한, 그것은, 나노-도메인이 확대되어 광 산란을 야기시킬 경우, 보다 통상적인 중합체 분산 액정으로 사용될 수 있다. 또한, 다양한 전기 발광 기능성 물질을 사용하여 디스플레이에 사용하기 위한 전기 발광 필름 또는 잉크를 제조할 수 있다.
또한, 본 개시물의 소규모 기능성 물질을 다층 필름에 첨가하여 외부에서 적용된 장의 함수로서 적외선 및/또는 자외선 광을 여과하는 층을 생성할 수 있다. 또한, 나노-도메인이 불소 도핑된 주석 옥시드 또는 근적외선 스펙트럼에서 표면 플라즈몬 공명 효과로 인해 반사성 및/또는 흡수성을 나타내는 다른 물질을 포함할 경우, 저 방사성 코팅이 가능하다.
또다른 용도에서, 고 굴절률을 갖는 본 개시물의 소규모 기능성 물질을 섬유 광학 케이블에 첨가하여 중심에서부터 연부로 굴절률의 구배 (예를 들어, 로우(low)에서 하이(high)로)를 제공하거나, 광섬유의 외부의 피복에 사용하여 섬유 하부로 이동하는 광파의 내부 반사를 증가시킬 수 있다. 별법으로, 매트릭스 물질보다 높은 또는 낮은 굴절률을 갖는 소규모 기능성 물질을 잉크 젯 인쇄 또는 마이크로스탬핑(microstamping)과 같은 방법을 사용하여 격자 패턴으로 공간 분산시켜 브래그 반사기를 생성할 수 있다. 또한, 굴절률이 외부에서 적용된 장 (예를 들어, 적용된 전기장)에 의해 변하여 브래그 반사기를 켜고 끌 수 있는 물질로 소규모 기능성 물질을 충전시킬 수 있다. 또한, 3차원으로 소규모 기능성 물질을 인쇄할 수 있는 능력으로 인하여, 홀로그래피 브래그 반사기가 또한 가능할 수 있다.
또한, 본 개시물의 소규모 기능성 물질은 안과용 렌즈 분야에 유용할 수 있다. 예를 들어, 고 굴절률을 갖는 소규모 기능성 물질을 안과용 렌즈 물질 (예를 들어, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리카르보네이트, 폴리우레탄)로 혼합 및 분산시켜 렌즈의 굴절률을 증가시켜 렌즈 디자인에 보다 유연성과 제어성을 허용할 수 있다. 또한, 소규모 기능성 물질을 갖는 렌즈는 그의 굴절률이 적용된 전기장에 의해 제어될 수 있도록 디자인될 수 있다 (예를 들어, 동적 굴절률 렌즈).
또한, 매트릭스 물질 중 소규모 기능성 물질을 구배-지수 (GRIN) 광학 (예를 들어, 두께 및/또는 곡률보다는 굴절률의 변화에 의해 집광하는 렌즈)에 사용할 수 있다. 예를 들어, 상이한 굴절률을 갖는 소규모 기능성 물질을 다양한 농도로 공간 분산시켜 GRIN 렌즈를 생성할 수 있다. 다시, 소규모 기능성 물질의 굴절률을 외부에서 적용된 장에 의해 활성화시켜 렌즈를 켜고 끄고/거나 렌즈의 초점 거리를 조정할 수 있다.
또한, 매트릭스 물질 중 소규모 기능성 물질을 발광 다이오드 (LED) 장치에 사용할 수 있다. 예를 들어, 소규모 기능성 물질을 갖는 매트릭스 물질을 높은 굴절률을 사용하여 LED로부터 방출되는 광의 각 분포를 개선시킬 수 있는 LED 패키지에 사용할 수 있다.
또한, 매트릭스 물질 중 소규모 기능성 물질을 사용하여 매트릭스 물질에 반사방지성을 생성할 수 있다. 예를 들어, 그의 소규모 기능성 물질을 갖는 매트릭스 물질을 UV 리소그래피 용도를 위한 반사방지 코팅에 사용할 수 있다. 또한, 그의 소규모 기능성 물질을 갖는 매트릭스 물질을 범용 반사방지 물질로 사용할 수 있다.
다양한 실시양태를 위하여, 소규모 기능성 물질을 다층 필름의 하나 이상의 층에 도입할 수 있다. 다양한 실시양태를 위하여, 소규모 기능성 물질을 갖는 층을 사용하여 다층 필름의 하나 이상의 층의 굴절률을 변형시킬 수 있다. 이러한 변형은 정적 또는 동적일 수 있다. 예를 들어, 동적 광학 효과 (가변적 파장 반사 및 투과)는 전기장 또는 열 장(thermal field)을 적용하여 필름의 온도를 변화시킴으로써 달성될 수 있으며, 여기서, 온도 변화는 층(들)의 Tg가 달성될 때 하나 이상의 층에서 중합체(들)의 배향이 랜덤해지도록 할 수 있다 (예를 들어, 중합체가 중합체 Tg 이상에서 보다 결정성 상태에서 무정형 상태로 변함).
또한, 본 개시물의 실시양태는 소규모 기능성 물질이 큰 부피 분율의 소규모 기능성 물질을 함유하는 모노리스(monolith)를 형성하는데 사용될 수 있게 한다. 본원에서 사용된 용어 모노리스는 조성물의 부피 분율의 대부분이 소규모 기능성 물질인 소규모 기능성 물질의 조성물로부터 형성된 또는 이것으로 형성된 구조 (예를 들어, 필름 또는 코팅)를 의미한다. 대부분에 적합한 값은 조성물의 적어도 60％ 부피 분율이 소규모 기능성 물질인 것을 포함하며, 나머지 부피 분율은 소규모 기능성 물질을 현탁시키는데 사용된 휘발성 액체 종을 포함할 수 있다. 소규모 기능성 물질의 다른 부피 분율 (예를 들어, 70％ 이상, 80％ 이상) 또한 가능하다.
또다른 실시양태에서, 본 개시물의 소규모 기능성 물질은 특히 장식용 필름, 전기 발광 필름, 안료/잉크, 광택제, 전자기/전자 용품, 예컨대 캐패시터, 투명 전도체, 높은 K/Gate 유전체, 언더필(underfill) 열 페이스트, 자성 저장 매체 및 광학 저장 매체에 사용될 수 있다.
본 개시물은 다음의 실시예에 의해 예시된다. 특정 실시예, 물질, 양 및 절차는 본원에 기재된 개시물의 범위 및 취지에 따라 광의로 해석되어야 함을 이해하여야 한다.
<실시예>
본 개시물의 다양한 측면이 다음의 실시예에 의해 예시된다. 특정 실시예, 물질, 양 및 절차는 본원에 기재된 개시물의 범위에 따라 광의로 해석되어야 함을 이해하여야 한다. 달리 지시되지 않는다면, 모든 부 및 백분율은 중량을 기준으로 하며, 모든 분자량은 수평균 분자량이다. 달리 명시되지 않는다면, 사용된 모든 화학 약품은 본원에 지시된 바와 같은 시판용 제품이다.
시약: 메틸 메타크릴레이트 (MMA, 99％, 안정화됨, 아크로스 오가닉스(Acros Organics)); 스티렌 (S, 99％, 알드리치(Aldrich)), 에틸렌 글리콜 디메타크릴레이트 (EGDMA, 98％, 안정화됨, 아크로스 오가닉스); 디비닐벤젠 (DVB, 98％, 알드리치); 나트륨 도데실 술페이트 염 (SDS, 98％, 아크로스 오가닉스); 1-펜탄올 (99％, 아크로스 오가닉스); 메틸렌 클로라이드 (HPLC 등급, 버딕 앤드 잭슨(Burdick and Jackson)); 아세톤 (HPLC 등급, 제이. 티. 베이커(J. T. Baker)); 액정 물질 리크리스탈(등록상표) (독일 다름슈타트 소재 머크, 카가아); 분자량 15,000의 폴리(메틸 메타크릴레이트) (알드리치); 부틸 아크릴레이트 (BA, 99％, 안정화됨, 알드리치); 알릴 메타크릴레이트 (AMA, 아크로스 오가닉스, 98％); 암모늄 퍼술페이트 (APS, 아크로스 오가닉스, 98％); 및 N,N,N',N'-테트라메틸에틸렌디아민 (TMEDA, 아크로스 오가닉스, 99％).
모든 중합은 질소하에 초고순도의 탈이온수 (UPDI 물, 바른스테드(Barnstead) 정제기를 통해 통과함, 전도성 < 10-17 Ω-1)에서 수행되었다.
나노-도메인의 제조
본 실시양태를 위하여, MMA 또는 BA 또는 S 또는 이들 단량체의 혼합물을 표 1에 제공되는 양에 따라 가교 단량체로 작용하는 AMA 또는 DVB와 혼합하였다. 혼합물을 염기성 산화알루미늄 (아크로스 오가닉스)으로 부분적으로 패킹된 컬럼을 통해 여과하여 안정화제를 제거하고, 100 ml 유리 시린지에 충전시켰다. 표 1에 제공된 바와 같은 SDS 및 1-펜탄올을 UPDI 물과 합하고, 반응기에 충전하고, 혼합물을 저속 (200 rpm)으로 교반하고, 30℃에서 20분 동안 질소로 퍼징하였다.
등몰량의 APS 및 TMEDA를 2종의 개시제로서 사용하였다. 표 1에 열거된 각 실시예에 대하여, UPDI 물 10 ml 중 표 1에 제공된 바와 같은 APS를 제1 개시제로 사용하고, UPDI 물 10 ml 중 표 1에 제공된 바와 같은 TMEDA를 제2 개시제로 사용하였다.
표 1에 제공된 바와 같은 단량체 혼합물 및 개시제의 초기 부분을 반응기에 충전시켜 시드 중합(seed polymerization)을 개시하였다. 30분 후에 시린지 펌프(KD 사이언티픽(Scientific))를 통해 표 1에 지시된 속도로 단량체의 나머지의 주입을 개시하였다. 반응기(100)를 질소로 퍼징하고, 온도를 반응 전체에 걸쳐 28℃에서 유지시켰다. 중합을 1시간 동안 계속하였다. 단량체 주입이 완결되면, 생성된 나노-도메인을 유리 병에 수집하고, 펜스탑(PennStop; 상표명) (알드리치)의 약간의 액적을 병에 첨가하여 중합 반응을 중단시켰다.
Figure pct00001
(문헌 ["Development and application of an integrated, high-speed, computerized hydrodynamic chromatograph." Journal of Colloid and Interface Science, Volume 89, Issue 1, September 1982, Pages 94-106; Gerald R. McGowan and Martin A. Langhorst]에 기재된) 유체역학적 크로마토그래피에 의해 측정된 실시예 1 내지 5의 나노-도메인의 입도 분포가 도 1에 도시되어 있다. 나노-도메인에 대한 부피 평균 직경의 값은 10 nm 내지 100 nm일 수 있다. 입도 분포에 대하여, 나노-도메인의 70％는 50 nm보다 작은 부피 평균 직경을 가졌으며, 30 nm의 부피 평균 직경을 갖는 나노-도메인이 발견되었다.
나노-도메인을 3가지 방법 중 하나에 따라 단리시켰다. 제1 방법에서, 비희석된 나노-도메인 현탁액 또는 라텍스의 주어진 부피에 같은 부피의 메틸 에틸 케톤 (MEK, 피셔(Fisher), HPLC 등급)을 첨가하였다. 생성된 현탁액을 2,000 rpm에서 20분 동안 원심분리시켰다 (IEC 센트라(Centra) GP8R; 1500 G-힘). 액체를 경사분리하고, 나노-도메인을 1:1 UPDI 물:아세톤의 원래 부피 x1에 재현탁시켰다. 재현탁된 나노-도메인을 원심분리하고 2회 더 경사분리하였다. 나노-도메인을 약 70시간 동안 건조 공기의 스트림으로 건조시켰다.
제2 방법에서, 비희석된 나노-도메인 현탁액 또는 라텍스의 주어진 부피에 같은 부피의 MEK를 첨가하였다. 생성된 현탁액을 상기와 같이 원심분리하였다. 액체를 경사분리하고, 나노-도메인을 UPDI 물에서 블렌딩하고, 아세톤 (같은 부피)에 첨가하였다. 나노-도메인 현탁액을 여과하고, 수 부피의 메탄올 (피셔, HPLC 등급) 또는 1:1 UPDI 물:아세톤, UPDI 물, 그 후 메탄올로 세척하였다. 그 후, 나노-도메인을 약 70시간 동안 건조 공기의 스트림으로 건조시켰다.
제3 방법에서, 비희석된 나노-도메인 현탁액 또는 라텍스의 주어진 부피에 같은 부피의 MEK를 첨가하였다. 생성된 현탁액을 상기와 같이 원심분리하였다. 액체를 경사분리하고, 나노-도메인을 최소량의 테트라히드로푸란 (THF, 피셔, HPLC 등급)에 용해시켰다. THF 용액을 5 내지 10배 과량의 메탄올에 천천히 첨가하여 나노-도메인을 침전시켰다. 침전된 나노-도메인을 여과하고, 메탄올 (피셔, HPLC 등급)로 세척한 후, 상기한 바와 같이 건조시켰다.
액정 물질
다양한 액정 물질을 본원에 제공된 실시예에 사용하였다. 제1 실시예는 리크리스탈(등록상표) E44 (독일 다름슈타트 소재 머크, 카가아), 4-펜틸-4'-시아노 비페닐 (100℃의 투명점 (등방성 유체로 전이), +16.8의 유전 이방성 (Δε) 및 0.2627의 광학 이방성 (Δn)을 갖는 네마틱 액정 물질임)을 포함하였다. 본 실시예에 사용된 다른 액정 물질은 4-시아노-4'-옥틸비페닐 (프린톤 래버러터리즈(Frinton Laboratories), 미국 뉴저지주 소재); 리크리스탈(등록상표) E7; 리크리스탈(등록상표) E63; 리크리스탈(등록상표) BL006; 리크리스탈(등록상표) BL048; 리크리스탈(등록상표) ZLI-4853 및 리크리스탈(등록상표) MLC-6041 (각각 독일 다름슈타트 소재 머크, 카가아 제품)을 포함하였다. 다양한 실시예에서, 액정 물질 및/또는 액정 물질의 혼합물을 사용하여 그의 나노-도메인에서 질서에 미치는 영향을 관찰하였다.
표 2는 액정 물질의 특성의 일부를 나타내었다. 액정 물질을 적어도 부분적으로 그의 고 굴절률 이방성 및 비교적 낮은 스위칭 전압을 위하여 선택하였다. 스위칭 전압과 관련하여, 액정 물질의 스위칭 전압을 규정하기 위해 사용된 2개의 일반적인 측정법이 존재한다. 제1 방법은 반응을 생성하는데 필요한 디스플레이 픽셀 (액정 물질을 함유함)을 가로지르는 전압의 양인 한계 전압 Vth이었다. 다른 것은 반응의 "예리함(sharpness)"의 측정이며, 10％에서 90％의 휘도로 가기 위해 필요한 전압 차 (V10 - V90으로 기재)를 밝혀냄으로써 계산된다. 본 실시예에서 액정 물질은 V10 - V90 값으로 나타내지는 급격한 전이를 갖는다.
Figure pct00002
액정 물질의 나노-도메인으로의 침윤
액정 물질의 샘플을 표 3에 제공된 바와 같이, 유리 용기에서 메틸렌 클로라이드에 용해시켜 용액을 형성하였다. 아세톤을 상기 용액에 첨가하고, 눈으로 보기에 투명한 용액이 수득될 때까지 혼합하였다. 나노-도메인의 수성 분산액을 칭량하고, 용액에 첨가하여 혼합물을 형성하였다. 혼합물을 실온 (약 21℃)에서 밤새 교반하였다.
상기한 바와 같은 액정 물질의 나노-도메인으로의 침윤은 물-메틸렌 클로라이드 계면을 가로지르는 액정 분자의 분산된 나노-도메인으로의 이동을 바탕으로 하였다. 수성 분산액과 용액의 혼합시 이러한 과정의 징후가 존재하였다. 혼합시, 나노-도메인의 수성 분산액은 그의 광 산란 능력을 상당히 증가시켰다. 이것은 입자의 용해 또는 응집에 의한 나노-도메인의 팽윤에 의해 평균 입도가 증가함을 시사하였다. 나노-도메인의 수성 분산액은 실질적으로 혼합, 교반 및 경사분리 공정 전체에 걸쳐 작업 범위내에서 안정함을 유지하였으며, 예를 들어 나노-도메인의 침전은 없었다.
혼합물을 실온 (약 21℃)에서 3시간 동안 상 분리시켰다. 2개의 상이 용기에서 나타났다: 용기의 하부에서 메틸렌 클로라이드 풍부 상 및 상부에서 수성 상. 수성 상을 경사분리하고, 동결 건조시켜 액정 물질로 침윤된 나노-도메인을 수득하였다. 액정 물질로 침윤된 생성된 나노-도메인은 솜털같은 백색 분말의 외양을 가졌다.
실시예에서 제공된 액정 물질은 모두 상기한 동일한 절차를 사용하여 (상기) 실시예 1 내지 5의 나노-도메인에 성공적으로 침윤시켰다. 표 3은 다양한 액정 물질로 침윤된 실시예 1의 나노-도메인 중 액정의 양을 나타낸다. 나노-도메인 중 액정 물질의 양은 소규모 기능성 물질의 약 6 중량％ 내지 약 25 중량％로 다양하였다. 최저량 (6.2 중량％)은 리크리스탈(등록상표) ZLI-4853, 그 다음은 리크리스탈(등록상표) MLC-6041 (11.6 중량％) 및 리크리스탈(등록상표) BL048 (13.2 중량％)에 상응하였다. 리크리스탈(등록상표) E44 (24.6 중량％) 및 리크리스탈(등록상표) E7 (23.1 중량％)은 나노-도메인의 실시예 1에서 최대량으로 침윤되었다. 약간 더 많은 양을 사용한 유사한 결과가 60 nm 부피 평균 직경의 실시예 1의 나노-도메인을 사용하여 수득되었다.
Figure pct00003
FTIR 분광법
FTIR 분광법 (니콜렛(Nicolet) 710 FTIR)을 사용하여 실시예 1의 나노-도메인에 침윤된 액정 물질의 존재 및 양을 측정하였다.
FTIR의 보정을 위하여, 폴리(메틸 메타크릴레이트) 0.887 g을 메틸렌 클로라이드 16.78 g에 용해시켰다. 눈으로 보기에 균질한 투명한 용액이 수득될 때까지 혼합물을 교반하였다. 이 용액에, 필요량의 액정 물질을 첨가하고, 혼합물이 눈으로 보기에 투명해질 때까지 교반하였다. 용액을 폴리(테트라플루오로에틸렌)의 릴리스(release) 표면 (예를 들어, 시트) 상에 붓고, 실온 (약 21℃)에서 작동하는 진공 오븐에 넣어 메틸렌 클로라이드를 증발시켰다. 수득된 필름을 사용하여 FTIR 측정치를 보정하였다.
생성된 소규모 기능성 물질을 FTIR 및 X-선 산란을 이용하여 규정하였다. FTIR 분광법을 사용하여 나노-도메인 중 액정 물질의 양을 측정하였다.
리크리스탈(등록상표) E44, 실시예 1의 나노-도메인 및 리크리스탈(등록상표) E44로 침윤된 실시예 1의 나노-도메인에 대한 전형적인 스펙트럼을 도 2a 내지 2c에 도시하였다. 리크리스탈(등록상표) E44의 FTIR 스펙트럼은 약 2230 cm-1 (도 2a)에서 방향족 C≡N 선을 특징으로 하였다. 도 2b는 실시예 1의 나노-도메인에 대한 스펙트럼을 예시하였다. 리크리스탈(등록상표) E44를 함유하는 나노-도메인의 스펙트럼은 약 2230 cm-1에서 C≡N 밴드를 나타내었으며, 이는 나노-도메인 중 액정 물질의 존재를 입증하였다 (도 2c).
액정 물질의 C≡N 선 대 나노-도메인의 C=O 선 (약 1730 cm-1)의 비를 사용하여 나노-도메인 중 액정 물질 양을 측정하였다. 공지된 양의 액정/나노-도메인 표준 조성물을 보정을 위해 제조하였다. 모든 다른 액정 물질은 방향족 C≡N 선이 존재하기 때문에, 동일한 방법을 사용하여 나노-도메인 입자 중 액정 물질 양을 규정하였다. 표준 조성물을 보정을 위하여 각각의 액정 물질 및 나노-도메인 조성물에 대해 제조하였다.
도 3은 실시예의 액정 물질로 침윤된 실시예 1의 나노-도메인의 X-선 산란 패턴을 나타내었다. 예시된 바와 같이, 산란 패턴은 각각의 액정 물질에 대해 유사하였다. 산란 밴드는 액정 물질에 대해 동일한 2θ 각도에 위치하는 것으로 보이며, 단지 리크리스탈(등록상표) E7만이 더 큰 각도 (더 작은 크기 특징)로 매우 조금 이동한 것으로 보였다. 산란 피크는 4 nm의 특징적인 길이를 갖는 액정 정렬 구조에 상응하였다. 나노-도메인에 의해 유도된 이러한 질서는 순수한 액정 물질 또는 PMMA 중 액정 물질의 용액에서는 관찰되지 않았다. 이것은 길이 규모가 나노-도메인의 조성 및 구조에 의해 결정됨을 시사할 수 있다. 그러나, 본원에서 논의된 바와 같이, 나노-도메인 조성 (예를 들어, 공중합체)은 실시예의 조성물에 대한 특징적인 길이에 유의한 영향을 미치는 것으로 보이지 않았다. 예를 들어, 도 4는 유사한 결과가 다양한 액정 물질로 침윤된 실시예 3의 나노-도메인 (MMA/S 1:1)에서 관찰됨을 예시한다.
또한, 침윤된 나노-도메인의 제조 동안 광 산란의 증가는 나노-도메인 침윤에 사용된 액정 물질 중 아세톤의 양에 따라 달라지는 것으로 관찰되었다. 이것은 나노-도메인에 침윤된 액정 물질에 대한 아세톤 함량의 영향을 시사하였다. 이것을 시험하기 위하여, 하나의 중심점을 갖는 3X6 팩토리얼 디자인(factorial design) 실험을 사용하는, 침윤 과정에 영향을 미치는 인자의 연구를 수행하였다. 연구에서 침윤 용액 중 액정 물질의 농도 및 액정 물질에 대한 아세톤의 중량비를 변수로 사용하였다. 연구 동안 제조 온도 및 교반 조건을 일정하게 유지시켰다.
표 4는 FTIR에 의해 측정된 디자인, 다양한 농도 및 동결 건조 후 액정 물질 양을 제공한다. 침윤 용액 중 액정 물질의 최대 농도는 30 중량％이었다. 액정 물질에 대한 아세톤의 최대 중량비는 2.0이었다. 이 값은 나노-도메인의 수성 분산액의 안정성에 의해 제한되었다. 더 높은 농도의 아세톤은 분산액으로부터 입자의 응집 및 침전을 개시시켰다. 이들 실험에서 건조 나노-도메인에 침윤된 리크리스탈(등록상표)의 최대량은 20 중량％이었다.
Figure pct00004
도 5a 및 5b는 다양한 아세톤/리크리스탈(등록상표) E44 중량비에 대한 메틸렌 클로라이드 전구체 용액 중 리크리스탈(등록상표) E44의 농도의 함수 (도 5a), 및 전구체 용액 중 다양한 농도의 리크리스탈(등록상표) E44에 대한 전구체 용액 중 리크리스탈(등록상표) E44에 대한 아세톤의 중량비의 함수 (도 5b)로서, 실시예 1의 나노-도메인에 침윤된 액정 물질의 양을 도시한다. 두 곡선 모두 건조 나노-도메인 중 액정 물질 양과 두 변수 사이의 직접적인 상관관계를 지시하였다. 건조 나노-도메인 중 액정 물질의 양은 침윤 용액 중 액정 물질의 농도 및 액정 물질에 대한 아세톤의 중량비와 함께 직접적으로 증가하였다. 또한, 상기 논의된 2개의 변수 사이에 연관성이 존재하였다. 건조 나노-도메인 중 액정 물질의 양의 최소 제곱법 모델의 결과가 도 6에 도시되어 있다. 2개의 변수 및 크로스 항(cross term)이 사용될 경우, 데이터의 통계학적으로 유의한 상관성 (R2 = 0.9799)이 수득되었다 (3개의 항에 대해 분산 P<O.0001의 분석에 의해 도시됨). 이러한 상관성에 따라, 건조 나노-도메인 중 액정 물질의 양을 다음과 같이 표현할 수 있다:
Figure pct00005
여기서, ％LC는 건조 나노-도메인 중 액정 물질의 양이고, LCS％는 침윤 용액 중 액정 물질의 농도이고; AC/LC 비는 침윤 용액 중 액정 물질에 대한 아세톤의 중량비이고; (LCS％ x AC/LC 비)는 크로스 항이다. 또한, 정합 모델은 비-제로 절편(nonzero intercept)을 포함하였다. 이러한 상관성은 나노-도메인 중 액정 물질 양의 변화의 약 98％가 액정 물질의 농도 및 침윤 용액 중 액정 물질에 대한 아세톤의 중량비에 의해 야기됨을 설명하는 것으로 보인다.
리크리스탈(등록상표) E44는 네마틱 액정 물질로서 시판되고 있다. 이 액정은 액정이 등방성 유체가 되는 투명점 (100℃) 이하에서 그의 배향 질서를 유지하였다. 액정 물질의 나노-도메인으로의 침윤은 액정 및/또는 나노-도메인의 형태에 영향을 미칠 수 있다. X-선 산란 기술을 사용하여 액정 물질 침윤 나노-도메인의 형태를 조사하였다.
선택된 물질의 X-선 산란 패턴이 도 7에 제시되어 있다. 액정 물질이 없는 실시예 1의 나노-도메인에 상응하는 산란 패턴은 곡선 700에 의해 나타내었다. 이 곡선은 특정 구조 배열이 없는 무정형 중합체 물질의 넓은 광륜(halo)을 나타내었다. 곡선 710은 PMMA 중합체 중 리크리스탈(등록상표) E44의 용액에 상응하였다. 이 곡선은 결정성 또는 스멕틱 액정 상을 지시하는 최대 각도에서 작은 피크를 갖는 매우 유사한 무정형 패턴을 나타내었다. 반대로, 곡선 720은 40 옹스트롬(Å) 특징부를 나타내는 선행 피크를 갖는 스멕틱 또는 결정성 질서의 존재를 지시하는 몇개의 회절 피크를 갖는 리크리스탈(등록상표) E44로 침윤된 실시예 1의 나노-도메인에 상응하였다. 이러한 특징부 길이는 리크리스탈(등록상표) E44에서 이중층 d-공간과 일치하였다.
공정 온도
온도가 침윤 공정에 미치는 영향을 실시예 1의 나노-도메인에 침윤된 리크리스탈(등록상표) E44에 대해 시험하였다. 주위 온도 (21℃) 내지 50℃의 온도에서 분석하였다. 최고 온도를 선택하여 나노-도메인/침윤 용액 2상 시스템의 불안정성을 방지하고, 침윤 공정에서 나노-도메인의 침전을 방지하였다.
표 5 및 도 8은 침윤 온도의 함수로서 나노-도메인 중 액정 물질 양을 나타내었다. 데이터는 침윤 온도가 높을수록 나노-도메인 중 액정 물질의 양이 더 많도록 촉진된다는 것을 시사하였다. 도 9는 온도의 함수로서 실시예 1의 나노-도메인에 침윤된 리크리스탈(등록상표) E44의 양의 최소 제곱법 모델의 결과를 예시하였다. 나노-도메인 중 액정 물질의 양의 변화의 약 75％가 온도의 영향으로 인한 것일 수 있음을 나타내는 데이터의 통계학적으로 유의한 상관성 (R2 = 0.7396 및 분산 P<O.0007의 분석을 가짐)이 수득되었다. 분석은 실시예 1의 나노-도메인 중 리크리스탈(등록상표) E44의 양에 대해 0.44의 온도 계수를 제공하였다.
Figure pct00006
나노-도메인 크기
X-선 산란 데이터는 리크리스탈(등록상표) E44로 침윤된 실시예 1의 나노-도메인이 40Å 특징부를 나타내는 선행 피크를 갖는 스멕틱 또는 결정성 질서의 존재를 지시하는 몇개의 회절 피크를 갖는다는 것을 나타내었다. 이러한 특징부 길이는 리크리스탈(등록상표) E44에서 이중층 d-공간과 일치하였다. 이러한 발견을 바탕으로, 더 큰 크기의 나노-도메인에 대하여, 나노-도메인의 복합 형태가 영향을 받는지의 여부를 더 잘 이해할 수 있었다. 표 6은 다양한 액정 물질로 침윤된 30 nm 및 60 nm의 크기를 갖는 실시예 1의 나노-도메인의 조성을 나타낸다. 결과는 나노-도메인 중 액정 물질의 양이 더 큰 나노-도메인에 대해 약간 더 많다는 것을 지시하였다. 예를 들어, 리크리스탈(등록상표) E7로 침윤된 30 nm 나노-도메인은 23.1 중량％의 액정 물질이 존재하였다. 동일한 액정 물질로 침윤된 60 nm의 나노-도메인은 26.1 중량％를 함유하였다. 다른 액정 물질은 나노-도메인의 크기가 30 nm에서 60 nm로 증가할수록 유사한 양의 증가를 나타내었다. 그러나, 이러한 액정 물질 양의 변화는 나노-도메인/액정 형태가 하나의 코어-쉘 특성을 갖는다는 것을 시사하기에는 충분히 유의하지는 않는 것으로 생각된다.
리크리스탈(등록상표) E44로 침윤된 30 nm 및 106 nm의 실시예 1의 나노-도메인의 X-선 산란 패턴이 도 10에 도시되어 있다. 주요 산란 특징부는 2개의 조성물에 대해 유사하며, 유사한 정렬 구조를 나타내었다. 주요 피크는 두 경우에서 4 nm의 특징적인 길이와 일치하였다. 또한, 도 10은 마이크로에멀전 중합에서 2배의 농도의 AMA를 사용함으로써 가교 밀도가 증가된 60 nm 나노-도메인에 대한 산란 패턴을 나타내었다. 이러한 패턴은 동일하게 결합된 특징적인 길이 (4 nm)를 갖는 다른 모든 것과 유사한 특징부를 가졌다. 이러한 나노-도메인 중 액정 물질 양 (리크리스탈(등록상표) E44)은 23.2 중량％ (표 6)이었으며, 절반의 농도의 가교제를 갖는 30 nm 나노-도메인의 것 (24.6 중량％)과 유사하였다. 이것은 이러한 나노-도메인 중 가교제의 높은 농도가 이러한 실시예를 위해 사용된 공정 및 조건을 이용하여 액정 물질을 침윤시키는 것을 방해하지 못함을 시사하였다.
Figure pct00007
나노-도메인 조성물
도 11은 리크리스탈(등록상표) E44로 침윤된 다양한 조성물의 나노-도메인의 X-선 산란 패턴을 나타낸다. 3개의 조성물은 표 1로부터의 실시예 1, 3 및 4였다. 3개의 나노-도메인 조성물은 약 30 내지 약 40 nm의 부피 평균 직경을 가졌다. 이러한 패턴은 모든 조성물에서 정렬된 구조를 나타내었다. 주요 산란 특징부는 모든 조성물에서 유사하였으며, 동일한 각도에 위치하였다. 주요 피크는 4 nm의 특징적인 길이와 일치하였다. 그럼에도 불구하고, 패턴에 작은 차이가 있었다. 예를 들어, 실시예 1의 나노-도메인은 2θ=2.5°에서 작은 피크를 나타내었으며, 이는 실시예 3 및 4의 나노-도메인에서는 보이지 않았다.
소규모 기능성 물질의 필름 형성 특징
3개의 상이한 소규모 기능성 물질 (상기 실시예 19, 27 및 30) 각각에 대한 필름 형성 용액을 본원에 논의된 바와 같이 제조하였다. 각각의 필름 형성 용액은 소규모 기능성 물질 (분말 형태의 실시예 19, 27 및 30) 0.2 g을 20℃에서 20분 동안 톨루엔 (알드리치, HPLC 등급) 90 g, 디부틸 말레에이트 (알드리치, 99.9％) 9.4 g 및 BYK-320 (실리콘 레벨링제(leveling agent), BYK 케미(Chemie)) 0.2 g에 현탁시켜 형성하였다. 놀랍게도, 톨루엔과 디부틸 말레에이트 약 9 내지 약 10 중량％를 갖는 필름 형성 용액으로 형성된 필름에 대한 헤이즈％ 측정에서 급강하가 존재한다는 것이 발견되었다.
3개의 소규모 기능성 물질 각각에 대한 필름은 연신 코팅 공정에 의해 형성하였다. 공정을 위하여, 필름 형성 용액 200 μL 샘플을 유리 슬라이드 상에 침착시켰으며, 유리 슬라이드를 가로질러 높이 0.020 인치의 연신 바가 자동 연신기 (가드코(Gardco), DP-8201)를 사용하여 3.8 인치/초로 연신되었다. 샘플을 완전히 건조시켰으며, 두께는 약 36.2 μm이었다.
상기 필름 형성 용액으로 형성된 필름 각각은 유리 기재 상에 있는 동안 약 2％ 헤이즈 미만 사이의 총 헤이즈 (하기에 논의되는 바와 같이 측정됨) 및 90％ 이상의 총 투과율 (하기에 논의되는 바와 같이 측정됨)을 가졌다. 이러한 낮은 헤이즈 및 높은 투과율 결과를 갖는, 고품질 광학 (낮은 헤이즈 및 높은 투과율)을 갖는 필름 형성제로서 소규모 기능성 물질의 거동은 이러한 물질을 광학 용품, 예컨대 다른 용품 중에서도 특히 위상 지연 필름, 렌즈, 그레이딩(grading), 반사방지 코팅 및 프라이버시 코팅에 사용할 수 있게 할 수 있다.
필름의 광학 및 전기 광학 성능 특징
실시예 1의 나노-도메인 (침윤된 액정 물질 없음)을 갖는 필름 형성 용액 및 리크리스탈(등록상표) E44 22 중량％로 침윤된 실시예 1의 나노-도메인의 소규모 기능성 물질을 갖는 필름 형성 용액을 본원에서 논의된 바와 같이 제조하였다 (실시예 1의 나노-도메인 0.2 g 또는 소규모 기능성 물질을 톨루엔 90 g, 디부틸 말레에이트 9.4 g 및 BYK-320 0.2 g에 현탁시킴). 2개의 필름 형성 용액 각각을 사용하여 필름 형성 용액 5 ml 샘플을 3,000 RPM으로 90초 동안 회전하는 직경 10.16 cm의 규소 웨이퍼의 표면 상에 붓는 스핀 코팅 공정에 의해 필름을 형성하였다. 필름을 실온에서 건조시켰으며, 두께는 약 2 내지 약 7 마이크로미터였다.
실시예 1의 나노-도메인으로 형성된 필름 (침윤된 액정 물질이 없음)은 메트리콘 2010 프리즘 커플러(Metricon 2010 Prism coupler)에 의해 측정시 632.8 nm에서 1.4753의 굴절률을 가졌다. 리크리스탈(등록상표) E44 22 중량％로 침윤되고 실시예 1의 나노-도메인을 갖는 소규모 기능성 물질로 형성된 필름은 메트리콘 2010 프리즘 커플러로 측정시 632.8 nm에서 1.5124의 굴절률을 가졌다. 이러한 굴절률 데이터는 액정 물질의 굴절률의 영향을 소규모 기능성 물질로 형성된 필름의 광학 특징으로 표현할 수 있다는 것을 시사하였다.
실시예 1의 나노-도메인 (침윤된 액정 물질 없음)으로 형성된 필름과 비교하여, 리크리스탈(등록상표) E44 22 중량％로 침윤된 실시예 1의 나노-도메인을 갖는 소규모 기능성 물질로 형성된 필름은 0.037의 굴절률 변화를 생성하였으며, 약 185 nm의 상당한 위상 지연 효과를 제공하였다. 또한, 이러한 효과는 필름의 두께를 조정함으로써 증대 (또는 용도에 따라 조정)될 수 있으며, 예를 들어, 상기 논의된 나노-도메인 및 소규모 기능성 물질로 형성된 두께 23 μm의 필름은 851 nm의 위상 지연 효과를 생성할 수 있다. 이러한 유형의 성능은 액정 디스플레이 산업의 상당 부분의 응용 요구를 위해 제공될 수 있다.
액정 중합체 시스템의 캐패시턴스-전압 스윕
캐패시턴스-전압 (C-V) 스윕을 사용하여 나노-도메인에 침윤된 액정 물질의 스위칭 능력을 연구하였다. 또한, C-V 스윕을 사용하여 나노-도메인 형성에 사용된 중합체 및 액정 물질의 복합물에 대한 굴절률 변화를 측정하였다. C-V 스윕은 캐패시턴스의 측정된 변화가 굴절률 제곱과 비례하는 필름의 유전 상수와 정비례하는 것으로 가정함으로써 액정 물질 및 중합체의 복합물에 대한 굴절률 변화의 측정을 허용한다. 또한, 메트리콘 프리즘 커플링 방법을 사용하여 C-V 접근법을 보상하고, 코팅의 굴절률을 측정하였다.
2개의 시스템을 연구하였다: 직접 혼합 및 나노-도메인. 직접 혼합 시스템에서, 액정 물질을 중합체 용액에 직접 첨가하고 혼합하였다. 2개의 중합체 화학 물질, 즉 PMMA 및 PVC를 직접 혼합 시스템에 사용하였다. 나노-도메인 시스템에서, 유기 용매 중 액정 물질의 용액을 상기한 바와 같은 실시예 1의 나노-도메인의 에멀전에 첨가하였다.
상기 시스템을 위하여, 머크로부터의 리크리스탈(등록상표) E44, 4-시아노-4'-옥틸비페닐 (옥틸), 4-시아노-4'-펜틸비페닐 (페닐) 및 p-메토시베닐리덴 p-부틸아날린 (아날린)을 비롯한 다양한 액정 물질이 연구되었다. 나노-도메인 또는 중합체를 톨루엔 또는 시클로헥사논(CHO)과 톨루엔(TOL)의 50:50 (wt./wt.) 혼합물에 용해시켰다. 모든 용액을 깨끗한 공간에서 규소 웨이퍼 상에 스핀 코팅하고, 80℃에서 30초 동안 베이킹(baking)하였다. 그 후, 캐패시턴스 측정을 위하여 Al 도트(dot)로 금속화하였다.
C-V 스윕에 사용되는 용액을 표 7에 열거하였다. 또한, 논의된 바와 같이, 프리즘 커플링 (메트리콘 2010 프리즘 커플러, 메트리콘 코포레이션)을 사용하여 60,032.8 nm에서 굴절률 (RI)을 측정하고, 프로필측정법(profilometry)으로 필름 두께를 측정하였다. 표 7에서 굴절률 측정을 사용하여 C-V로부터 계산된 유전 상수의 제곱근이 0 V에서 측정된 굴절률과 동일하도록 캐패시턴스 측정치를 조정하였다.
Figure pct00008
도 12는 액정 물질이 없거나 액정-나노-도메인이 첨가된 순수한 PMMA에 대한 C-V 결과를 도시한다. 기준선은 적용된 전기장으로 캐패시턴스에서 아마도 약간의 이동을 갖고 꽤 안정하였다. 도 13에서, 6 중량％ 옥틸 액정 물질을 갖는 순수한 PMMA 용액에 대한 C-V 스윕이 플롯팅되었다. 다시, 캐패시턴스 또는 굴절률은 외부에서 적용된 장으로 강한 기능을 나타내지 않았다. 이것은 직접 혼합된 액정 물질이 전기장의 적용 동안 협동 배향되지 않는다는 것을 시사한다. 유사하게, 도 14에서, 리크리스탈(등록상표) E44를 일반적인 광학 수지 (NOA-68)에 직접 용해시켰으며, 다시 캐패시턴스와 외부에서 적용된 장 사이에 강한 효과는 관찰되지 않았다.
도 15는 PMMA 나노-도메인에 침윤된 22 중량％ 리크리스탈(등록상표) E44의 C-V 스윕을 플롯팅하였다. 포지티브 전기장의 적용으로 캐패시턴스 또는 굴절률의 강한 증가가 존재하였다. 이러한 결과는 액정 물질이 전기장의 영향 하에 협동 회전하게 하는 중합체 라텍스 입자에 분산된 액정 물질의 도메인의 모델과 일치하였다.
또한, 액정 물질이 나노-도메인에 침윤되어 있을 경우, 액정 물질의 전기 광학 활성은 유지되었다. C-V 스윕은 침윤된 액정 물질의 유전 상수가 적용된 전압에 의해 변화된다는 것을 보여주었다. 이것은 외부에서 적용된 장 하에 분자 정렬을 시사하였다. 유전 상수의 이러한 변화는 액정 물질의 굴절률 이방성과 직접적으로 관련이 있으며, 이러한 소규모에서 조정가능한 광학적 거동을 허용할 수 있다.
언급된 바와 같이, 유전 상수의 변화는 결국 굴절률의 변화가 될 수 있는 액정 물질의 배향의 결과임을 가정하였다. 캐패시턴스의 변화가 액정 물질과 관련이 있다는 것을 나타내기 위하여, 나노-도메인 중 액정 물질의 양을 조정하거나, 22 중량％의 액정 나노-도메인과 PMMA를 혼합함으로써 필름 중 액정 물질의 총량을 감소시키는 일련의 실험을 수행하였다. 다시, C-V 스윕을 사용하여 도 16 내지 19에 플롯팅된 이들 샘플에 대한 캐패시턴스 반응 대 전기장을 측정하였다.
도 15 내지 19를 사용하여, 굴절률 대 0 내지 20 V/um의 전기장의 기울기를 결정하였다. 이러한 기울기를 제1 전기 광학 계수로 칭하였다. 도 20은 측정된 E-O 계수 대 효과적인 리크리스탈(등록상표) E44 백분율의 플롯을 나타낸다. 보여지는 바와 같이, E-O 계수는 리크리스탈(등록상표) E44의 중량％의 증가와 함께 증가하였으며, 이것은 관찰된 캐패시턴스 변화가 실제로 나노-분산된 도메인에서 액정 분자의 배향으로 인한 것임을 강하게 시사하였다.
잉크 젯 인쇄에 유용한 침윤된 염료를 갖는 소규모 기능성 물질
잉크 젯 인쇄에 사용되는 잉크 용액은 색 안정성, 필름 형성제, 신속한 건조, 및 일반적인 사용 조건하에서 흐르거나 번지지 않는 경향이 요구된다. 또한, 잉크 용액에 사용되는 입자는 전형적으로 100 nm 미만의 크기 제한 (예를 들어, 최대 치수)을 갖는다. 이러한 크기 제한보다 큰 입자는 인쇄 공정 동안 잉크 젯 카트리지를 막히게 할 가능성을 증가시킬 수 있다. 또한, 잉크 용액은 잉크 젯 프린터에서 연속 작업을 위하여 제제화될 필요가 있다.
잉크 용액 중 성분으로서 유용한 본 개시물의 소규모 기능성 물질의 능력을 예증하기 위하여, 염료를 실질적으로 나노-도메인의 가교 중합체 도메인 전체에 걸쳐 침윤시켰다. 실험을 위하여, 메틸렌 클로라이드 중 2 중량％ 적색 염료 넘버 1 [CAS 3564-09-8]의 용액을 유리 용기에서 형성하였다. 나노-도메인의 수성 분산액을 칭량하고, 용액에 첨가하여 혼합물을 형성하였다. 혼합물을 실온 (약 21℃)에서 밤새 교반하였다. 나노-도메인의 수성 분산액은 실질적으로 혼합, 교반 및 경사분리 공정 전체에 걸쳐 작업 범위내에서 안정하게 유지되었으며, 예를 들어 나노-도메인이 침전되지 않았다.
혼합물을 실온 (약 21℃)에서 3시간 동안 상 분리시켰다. 2개의 상이 용기내에서 나타났다: 용기의 하부에서 메틸렌 클로라이드 풍부 상 및 상부에서 수성 상. 수성 상을 경사분리하고, 동결 건조시켜 염료로 침윤된 나노-도메인을 수득하였다. 생성된 염료로 침윤된 나노-도메인은 솜털같은 분말의 외양을 가졌다.
염료가 소규모 기능성 물질에 침윤된다는 것을 예증하기 위하여, (상기 논의된 바와 같은, 나노-도메인의 형성 동안 사용된) 계면활성제를 소량의 아세톤을 첨가하여 제거하였다. 아세톤을 첨가한 후, 용액으로부터 소규모 기능성 물질이 침전하였고, 용액은 깨끗하게 남아있었다. 이러한 결과는 염료 분자가 나노-도메인에 침윤되어 소규모 기능성 물질을 생성한다는 것을 입증하였다.
침윤된 염료를 갖는 소규모 기능성 물질을 동결 건조 또는 분무 건조시킬 수 있다. 생성된 분말화된 소규모 기능성 물질을 잉크 젯 인쇄에 사용하기 위한 잉크 용액으로 도입할 수 있다. 나노-도메인을 형성하기 위한 적합한 단량체를 선택함으로써 (예를 들어, 유리 전이 온도를 조정), 나노-도메인의 Tg는, 침윤된 염료가 소규모 기능성 물질에 포획된 채로 잔류하고, 열 잉크 젯 인쇄에 고유한 열 변형이 나노-도메인을 붕괴시키지 않고 침윤된 염료를 제거하지 않는다는 것을 모두 보장하기에 충분히 높을 수 있다.
소규모 기능성 물질 및 구배 지수 레이어링(layering)을 갖는 발광 다이오드
발광 다이오드 (LED)는 전기적으로 바이어스될 경우, 좁은 스펙트럼의 광을 방출하는 반도체 다이오드이다. LED는 전형적으로 고유한 높은 유전 상수 및 상응하게 높은 굴절률 (대략 굴절률 = 2.4 내지 3.6)을 갖는다. LED는 보통 비교적 저 굴절률 열경화성 중합체 (예를 들어, 에폭시) 또는 열가소성 중합체로 캡슐화된다. LED와 캡슐화제의 굴절률 차이는 이들 물질 사이에 굴절률 불일치를 제공하여 프레넬 반사 (상이한 굴절률을 갖는 2개의 매질 사이의 개별 계면에서 입사광의 일부분의 반사)로 칭해지는 상당한 내부 반사를 생성할 수 있다. LED에서 프레넬 반사를 제한하는 한 방법은 LED의 굴절률 값에 대한 캡슐화제 물질의 굴절률 값을 상승시키는 것이다.
본 실시예의 경우, 다층 구배 굴절률 필름으로 LED를 캡슐화하는 것을 제안하였다. 다층 구배 굴절률 필름의 각각의 층은 그 자체로 또는 다른 성분과 함께 인접 층의 굴절률 값과 약간 상이한 굴절률 값을 부여할 수 있는 소규모 기능성 물질을 함유할 수 있다. 이러한 접근법을 사용하여, 다층 구배 굴절률 필름은 다층 구배 굴절률 필름의 최외곽 표면에서 LED를 위한 비교적 높은 값으로부터 비교적 낮은 값의 굴절률의 거의 연속적인 구배를 제공하여 LED의 광 효율을 최대화할 수 있다. 또한, 다층 구배 굴절률 필름은 다층 구배 굴절률 필름에 의해 캡슐화된 LED를 위한 프레넬 반사를 최소화하는데 도움을 줄 수 있다.
예를 들어, LED를 캡슐화하는 LED 패키지는 10개의 층을 포함하는 다층 구배 굴절률 필름으로부터 형성될 수 있다. 10개의 층 각각의 경우, 굴절률 값이 소정량으로 (예를 들어, 약 0.2 내지 약 0.3 굴절률 단위) 변할 수 있다. 이러한 유형의 다층 구배 굴절률 필름은 각각의 층의 소규모 기능성 물질을 기존의 LED 패키지 상에 분무 코팅함으로써 형성될 수 있다. 별법으로, 다층 구배 굴절률 필름을 LED 패키지의 형성에 통합시킬 수 있다.
이러한 다층 필름에 의해 형성된 굴절률의 연속적인 구배로 인하여, 다층 구배 굴절률 필름은 LED의 성분 사이의 굴절률 불일치 (특히, 유리에서 플라스틱으로 전이)로 인해 발생될 수 있는 프레넬-유형의 내부 반사를 감소시키는 것을 바탕으로 LED의 광 효율을 약 88％ 내지 약 95％ 잠재적으로 개선시킬 수 있다. 이러한 유형의 광 효율 이득은 LED 기재 장치에서 전력 소모 및 열 발생에 중요하다.
다층 구배 굴절률 필름의 층의 굴절률 저하를 위한 소규모 기능성 물질을 형성하기 위해 침윤에 유용한 물질의 예로는 공기, 옥탄, 옥텐, 노난, 데칸, 도데칸 및 다른 탄화수소 및 플루오르화 또는 퍼플루오르화 탄화수소를 들 수 있다. 다층 구배 굴절률 필름의 층의 굴절률 상승을 위한 소규모 기능성 물질을 형성하기 위해 침윤에 유용한 물질의 예로는 액정 물질, 브로모-나프탈렌, 아닐린, 아니솔, 벤즈알데히드, 벤조니트릴, 벤조페논, 벤질아민, 비페닐, 브로모아날린, 브로모옥타데칸, 브로모헥사데칸, 브로모운데칸, 캄판디온, 시클로헵타실록산, 데칸올, 글리세롤, 글리콜, 헥사논, 락트산, m-니트로톨루엔, 말레산 무수물, 메톡시페놀, 퀴놀린 및 발레로니트릴과 같은 고 유전 상수 유기 액체를 들 수 있다.
본원에 인용된 모든 특허, 가특허 출원을 포함하는 특허 출원, 공보 및 전자적으로 입수가능한 자료 또는 문헌의 완전한 개시 내용은 본원에 참고로 포함된다. 상기 상세한 기재 및 실시예는 단지 이해의 명확성을 위하여 제공되었다. 그로부터 어떠한 불필요한 제한도 의도하지 않음을 이해하여야 한다. 본 개시물의 실시양태는 도시되고 기재된 정확한 상세 사항에 제한되지 않으며, 다수의 변화가 당업자에게 명백할 것이고, 특허청구범위에 의해 한정된 개시물내에 포함된다.

Claims (26)

  1. 가시광 파장의 4분의 1 이하의 최대 치수를 갖는 가교 중합체 도메인을 갖는 나노-도메인; 및
    소규모 기능성 물질을 형성하기 위하여 실질적으로 나노-도메인의 가교 중합체 도메인 전체에 걸쳐 침윤된 외부에서 적용된 장에 반응성인 기능성을 갖는 물질
    을 포함하는 소규모 기능성 물질.
  2. 제1항에 있어서, 외부에서 적용된 장에 반응성인 기능성을 갖는 물질이 적용된 장에 반응성인 광학 활성 기능성 물질인 물질.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 광학 활성 기능성 물질이 액정 물질, 이색성 염료 및 이들의 조합의 군으로부터 선택된 것인 물질.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 액정 물질이 네거티브(negative) 유전 이방성을 갖는 액정을 포함하는 것인 물질.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 나노-도메인 중 광학 활성 기능성 물질의 양이 약 6 중량％ 내지 약 60 중량％인 물질.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 광학 활성 기능성 물질이 가교 중합체 도메인의 굴절률 값보다 큰 굴절률 값을 갖는 것인 물질.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 광학 활성 기능성 물질이 소규모 기능성 물질을 통한 적외선, 가시선 및 자외선 주파수 범위 중 적어도 하나의 광의 적어도 일부분의 투과를 방지하는 기능을 하는 것인 물질.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 가교 중합체 도메인이 메틸 메타크릴레이트, 스티렌, 부틸 아크릴레이트 및 이들의 혼합물의 단량체로부터 형성된 것인 물질.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항의 물질을 갖는 액정 디스플레이.
  10. 각각의 나노-도메인이 가시광 파장의 4분의 1 이하의 최대 치수를 갖는 가교 중합체 도메인을 갖는 나노-도메인의 에멀전을 형성하는 단계; 및
    소규모 기능성 물질을 형성하기 위하여 실질적으로 나노-도메인의 가교 중합체 도메인 전체에 걸쳐 외부에서 적용된 장에 반응성인 기능성을 갖는 물질을 침윤시키는 단계
    를 포함하는, 소규모 기능성 물질의 제조 방법.
  11. 제10항에 있어서, 물질을 침윤시키는 단계가 실질적으로 나노-도메인의 가교 중합체 도메인 전체에 걸쳐 적용된 장에 반응성인 광학 활성 기능성 물질을 침윤시키는 것을 포함하는 방법.
  12. 제10항 또는 제11항에 있어서, 광학 활성 기능성 물질이 가교 중합체 도메인의 굴절률 값보다 큰 굴절률 값을 갖는 것인 방법.
  13. 제10항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 에멀전을 형성하는 단계가 메틸 메타크릴레이트, 스티렌, 부틸 아크릴레이트 및 이들의 혼합물의 단량체의 유화 중합을 포함하는 방법.
  14. 제10항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 실질적으로 나노-도메인의 가교 중합체 도메인 전체에 걸쳐 광학 활성 기능성 물질을 침윤시킨 후 소규모 기능성 물질의 가교 중합체 도메인의 가교 밀도를 증가시키는 단계를 포함하는 방법.
  15. 제10항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 가교 밀도를 증가시키는 단계가 비-구형 나노-도메인을 형성하는 것을 포함하는 방법.
  16. 제10항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서, 물질을 나노-도메인의 가교 중합체 도메인에 화학 결합시키는 단계를 포함하는 방법.
  17. 매트릭스 물질; 및
    매트릭스 물질에 분산된 소규모 기능성 물질을 포함하며, 상기 소규모 기능성 물질은 약 5 나노미터(nm) 내지 약 175 nm의 부피 평균 직경을 갖는 가교 중합체 도메인을 갖고, 실질적으로 가교 중합체 도메인 전체에 걸쳐 외부에서 적용된 장에 반응성인 광학 활성 기능성 물질로 침윤된 나노-도메인을 포함하는 것인 복합 물질.
  18. 제17항에 있어서, 광학 활성 기능성 물질이 중합체 매트릭스 물질과 상관없이 외부에서 적용된 장에 반응하는 것인 복합 물질.
  19. 제17항 또는 제18항에 있어서, 소규모 기능성 물질 중 광학 활성 기능성 물질이 외부에서 적용된 장이 매트릭스 물질에 적용될 때 변하는 상태를 갖는 것인 복합 물질.
  20. 제17항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서, 소규모 기능성 물질이 매트릭스 물질에 다양한 농도로 공간 분산되어 매트릭스 물질에 굴절률 구배를 생성하는 것인 복합 물질.
  21. 제17항 내지 제20항 중 어느 한 항에 있어서, 잉크 젯 프린터의 노즐로부터 분무될 수 있는 복합 물질.
  22. 제17항 내지 제21항 중 어느 한 항에 있어서, 1개 이상의 층의 필름을 형성할 수 있는 복합 물질.
  23. 제17항 내지 제22항 중 어느 한 항에 있어서, 광학 활성 기능성 물질이 매트릭스 물질에 분산될 때 가교 중합체 도메인에서 본질적으로 안정한 농도를 유지하는 것인 복합 물질.
  24. 제17항 내지 제23항 중 어느 한 항의 복합 물질을 갖는 액정 디스플레이.
  25. 매트릭스 물질; 및
    매트릭스 물질에 분산된 소규모 기능성 물질을 포함하며, 상기 소규모 기능성 물질은 약 5 nm 내지 약 175 nm의 부피 평균 직경을 갖는 가교 중합체 도메인을 갖고, 실질적으로 가교 중합체 도메인 전체에 걸쳐 외부에서 적용된 장에 반응성인 광학 활성 기능성 물질로 침윤된 나노-도메인을 포함하며, 매트릭스 물질에 다양한 농도로 공간 분산되어 매트릭스 물질에 굴절률 구배를 생성하는 것인 복합 물질.
  26. 제17항 내지 제23항 및 제25항 중 어느 한 항의 복합 물질로 형성된 구배 지수 (GRIN) 렌즈.
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