KR20150007998A - 액정셀 - Google Patents

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Abstract

본 출원은, 액정셀 및 그 용도에 관한 것이다. 예시적인 액정셀은 낮은 구동 전압으로도 헤이즈 모드와 비헤이즈 모드의 사이를 스위칭하는 쌍안정 모드를 구현할 수 있다. 이러한 액정셀은, 스마트 윈도우, 윈도우 보호막, 플렉서블 디스플레이 소자, 3D 영상 표시용 액티브 리타더(active retarder) 또는 시야각 조절 필름 등과 같은 다양한 광변조 장치에 적용될 수 있다.

Description

액정셀{LIQUID CRYSTAL CELL}
본 출원은, 액정셀 및 그 용도에 관한 것이다.
액정 모드는 안정 상태에 따라서 단안정(monostable) 모드와 쌍안정(bistable) 모드로 분류될 수 있다. 단안정 모드는 액정의 상태 중 적어도 어느 한 상태를 유지하기 위하여 외부 에너지의 인가가 계속 요구되는 모드이며, 쌍안정 모드는 상태 변화 시에만 외부 에너지가 요구되는 모드이다.
특허문헌 1에는 헤이즈 모드와 비헤이즈 모드의 사이를 스위칭할 수 있는 쌍안정 모드 액정셀이 개시되어 있다. 특허문헌 1의 액정셀은 액정 화합물과 소위 EHDI (Electrohydrodynamic instability)를 유발할 수 있는 이온성 화합물을 이용하고, 주파수 가변에 의하여 헤이즈 모드와 비헤이즈 모드의 사이를 스위칭할 수 있다. 그러나 이러한 방식의 액정셀은 헤이즈 모드와 비헤이즈 모드 사이를 스위칭하기 위한 구동 전압이 너무 높아서 실제로 다양한 디스플레이 장치에 적용하는 것에는 한계가 있다. 이에 따라, 최근 디스플레이 장치 분야에서는 낮은 구동 전압으로도 헤이즈 특성이 우수한 헤이즈 모드와 비헤이즈 모드 사이를 스위칭할 수 있는 쌍안정 모드 액정셀에 대한 연구가 증가하고 있는 추세이다.
특허문헌 1: 미국 공개특허공보 제2006-0091538호
본 출원은, 액정셀 및 그 용도를 제공한다.
예시적인 액정셀은 대향 배치된 2개의 기판 및 액정층을 포함할 수 있다. 액정층은 상기 대향 배치된 2개의 기판의 사이에 존재할 수 있다. 액정층은 또한, 액정 화합물 및 이온성 화합물을 포함할 수 있다. 액정 화합물은 스멕틱 액정상을 나타내는 액정화합물 (이하, 스멕틱 액정 화합물로 호칭한다)일 수 있다. 본 명세서에서 스멕틱 액정상은, 액정 화합물의 방향자(director)가 소정 방향으로 정렬하는 동시에 상기 액정 화합물이 층 또는 평면을 형성하면서 배열되는 특성을 가지는 액정상을 의미할 수 있다. 이온성 화합물은 소위 EHDI(Electrohydrodynamic instability)를 유발할 수 있는 이온성 화합물일 수 있다. 이온성 화합물은, 예를 들면, 아이오딘을 2개 이상 포함하는 음이온을 가지는 이온성 화합물일 수 있다. 이러한 액정셀은 낮은 구동 전압으로도 헤이즈 모드와 비헤이즈 모드의 사이를 스위칭할 수 있는 쌍안정 모드를 구현할 수 있다.
도 1은 대향 배치된 2개의 기판(101A, 101B) 및 상기 대향 배치된 2개의 기판 사이에 존재하고 액정 화합물(1021) 및 이온성 화합물(미도시)를 포함하는 액정층(102)을 가지는 액정셀을 예시적으로 나타낸다. 후술하는 바와 같이 액정 화합물은 도 1의 (a)와 같이 수직하게 정렬된 상태로 액정층 내에 포함될 수 있고, 도 1의 (b)와 같이 불규칙하게 배열된 상태로 액정층 내에 포함될 수도 있다.
액정 화합물로는, 스멕틱상을 나타낼 수 있는 액정 화합물이라면 특별한 제한 없이 선택하여 사용할 수 있다. 이러한 스멕틱 액정 화합물은 배향 방식에 따라 다시 스멕틱 A 상 내지 H상 액정 화합물로 분류될 수 있고, 종류에 제한 없이 선택하여 사용할 수 있다. 스멕틱 액정 화합물로는, 예를 들어, 스멕틱 A상을 나타낼 수 있는 액정 화합물을 사용할 수 있다(이하, 스멕틱 A 액정 화합물로 호칭한다). 본 명세서에서 스멕틱 A상은 스멕틱 액정상 중에서 정렬된 액정 화합물의 방향자가 스멕틱 층 또는 평면과 수직을 이루는 액정상을 의미할 수 있다. 스멕틱 액정 화합물로는, 스멕틱 A 액정 화합물 이외에, 전술한 다른 종류의 스멕틱 액정 화합물도 사용할 수 있고, 필요한 경우 후술하는 바와 같이 적절한 배향막과 함께 사용될 수도 있다.
스멕틱 액정 화합물로는, 예를 들어 하기 화학식 2로 표시되는 액정 화합물을 사용할 수 있다.
[화학식 2]
Figure pat00001
화학식 2에서 A는 단일 결합, -COO- 또는 -OCO-이고, R1 내지 R10은, 각각 독립적으로 수소, 할로겐, 알킬기, 알콕시기, 알콕시카보닐기, 시아노기, 니트로기 또는 화학식 3의 치환기이다.
[화학식 3]
Figure pat00002
화학식 3에서 B는 단일 결합, -COO- 또는 -OCO-이고, R11 내지 R15는, 각각 독립적으로 수소, 할로겐, 알킬기, 알콕시기, 알콕시카보닐기, 시아노기 또는 니트로기이다.
화학식 3에서 B의 좌측의 「-」는, B가 화학식 1의 벤젠에 직접 연결되어 있음을 의미할 수 있다.
화학식 2 및 3에서 용어 「단일 결합」은, A 또는 B로 표시되는 부분에 별도의 원자가 존재하지 않는 경우를 의미한다. 예를 들어, 화학식 2에서 A가 단일 결합인 경우, A의 양측의 벤젠이 직접 연결되어 비페닐(biphenyl) 구조를 형성할 수 있다.
화학식 2 및 3에서 할로겐으로는, 예를 들면, 염소, 브롬 또는 요오드 등이 예시될 수 있다.
본 출원에서 용어 「알킬기」는, 특별히 달리 규정하지 않는 한, 예를 들면, 탄소수 1 내지 20, 탄소수 1 내지 16, 탄소수 1 내지 12, 탄소수 1 내지 8 또는 탄소수 1 내지 4의 직쇄 또는 분지쇄 알킬기를 의미하거나, 또는, 예를 들면, 탄소수 3 내지 20, 탄소수 3 내지 16 또는 탄소수 4 내지 12의 시클로알킬기를 의미할 수 있다. 상기 알킬기는 임의적으로 하나 이상의 치환기에 의해 치환될 수 있다.
본 출원에서 용어 「알콕시기」는, 특별히 달리 규정하지 않는 한, 예를 들면, 탄소수 1 내지 20, 탄소수 1 내지 16, 탄소수 1 내지 12, 탄소수 1 내지 8 또는 탄소수 1 내지 4의 알콕시기를 의미할 수 있다. 상기 알콕시기는, 직쇄, 분지쇄 또는 고리형일 수 있다. 또한, 상기 알콕시기는 임의적으로 하나 이상의 치환기에 의해 치환될 수 있다.
본 명세서에서 특정 관능기에 치환되어 있을 수 있는 치환기로는, 알킬기, 알콕시기, 알케닐기, 에폭시기, 옥소기, 옥세타닐기, 티올기, 시아노기, 카복실기, 아릴기 또는 규소를 포함하는 치환기 등이 예시될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
화학식 2 및 3에서 R1 내지 R15 중 어느 하나는 탄소수 5, 이상, 6 이상, 7 이상, 8 이상, 9 이상 또는 10 이상의 알킬기, 알콕시기 또는 알콕시카보닐기일 수 있다. 이러한 액정 화합물은, 예를 들어, 네마틱 상을 나타내는 온도보다 낮은 온도와 고화되는 온도의 사이에서 전형적인 층 형상으로 배열되면서 스멕틱 상을 나타낼 수 있다. 이러한 액정 화합물로의 예로, 4-시아노-4'헵틸바이페닐, 4-시아노-4'헵틸옥시바이페닐, 4-시아노-4'옥틸바이페닐, 4-시아노-4'옥틸옥시바이페닐, 4-시아노-4'노닐바이페닐, 4-시아노-4'노닐옥시바이페닐, 4-시아노-4'데실바이페닐 또는 4-시아노-4'데실옥시바이페닐 등이 예시될 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다. 하나의 구체적인 예로서, 액정 화합물로는 HCCH사의 HJA1512000-000을 사용할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
스멕틱 액정 화합물은 불규칙하게 배열된 상태 및, 수직 정렬 상태 또는 수평 정렬 상태의 사이에서 상호 전환될 수 있다. 불규칙하게 배열된 상태는, 상기 이온성 화합물에 의해 유도된 EHDI에 의해 액정 화합물이 불규칙하게 배열된 상태를 의미할 수 있고, 수직 또는 수평 정렬 상태는 스멕틱 액정 화합물의 특성에 따라 액정층 내에서 층을 이루며 수직 또는 수평하게 정렬된 상태를 의미할 수 있다. 도 1의 (a)는, 액정 화합물이 수직하게 정렬된 상태를 예시적으로 나타내고, 도 1의 (b)는 액정 화합물이 불규칙하게 배열된 상태를 예시적으로 나타낸다.
본 명세서에서 「수직 정렬」은 액정 화합물의 광축이 액정층의 평면에 대하여 약 90도 내지 65도, 약 90도 내지 75도, 약 90도 내지 80도, 약 90도 내지 85도 또는 약 90도의 경사각을 가지는 경우를 의미할 수 있고, 「수평 정렬」은 액정 화합물의 광축이 액정층의 평면에 대하여 약 0 도 내지 25도, 약 0도 내지 15도, 약 0도 내지 10도, 약 0도 내지 5도 또는 약 0도의 경사각을 가지는 경우를 의미할 수 있다. 본 명세서에서 용어 「광축」은 액정 화합물이 막대 (rod) 모양인 경우 액정 화합물의 장축 방향의 축을 의미할 있고, 액정 화합물이 원판 (discotic) 모양인 경우 평면의 법선 방향의 축을 의미할 수 있다.
액정 화합물은 양의 유전율 이방성 또는 음의 유전율 이방성을 가질 수 있다. 본 명세서에서 「유전율 이방성」은 액정 화합물의 이상 유전율(εe, extraordinary dielectric anisotropy, 장축 방향의 유전율)과 정상 유전율(εo, ordinary dielectric anisotropy, 단축 방향의 유전율)의 차이를 의미할 수 있다. 후술하는 바와 같이 액정 화합물이 가지는 유전율 이방성에 따라서 정렬을 위하여 수직 또는 수평 전계가 적절하게 인가될 수 있다. 액정 화합물의 유전율 이방성은, 예를 들면, 3 내지 20 범위 내일 수 있다. 액정 화합물의 유전율 이방성이 상기 범위를 만족하는 경우, 예를 들면, 낮은 구동 전압으로도 액정셀의 각 모드를 스위칭할 수 있다.
액정 화합물의 탄성 계수는 목적 물성, 예를 들면, 불규칙하게 배열된 상태 및, 수직 또는 수평 정렬 상태의 상호 전환 특성 등을 고려하여 적절히 선택될 수 있다. 본 명세서에서 「액정 화합물의 탄성 계수」는 액정 화합물이 전압과 같은 외부의 작용에 의하여 균일한 분자 배열이 변화된 상태에서 탄성 복원력에 의해 원위치로 복원되는 힘의 세기를 계량화한 값을 의미할 수 있다. 하나의 예시에서, 액정 화합물의 탄성 계수는 5 내지 30의 범위 내일 수 있다. 액정 화합물의 탄성 계수가 상기 범위를 만족하는 경우, 예를 들면, 이온 화합물과의 상호 작용을 통해 안정적인 쌍안정 모드를 구현할 수 있다.
액정 화합물의 굴절률 이방성은 목적 물성, 예를 들어, 액정셀의 헤이즈 또는 투과도 특성 등을 고려하여 적절히 선택될 수 있다. 본 명세서에서 「굴절률 이방성」은 액정 화합물의 정상 굴절률(ordinary refractive index)과 이상 굴절률(extraordinary refractive index)의 차이를 의미할 수 있다. 하나의 예시에서, 액정 화합물의 굴절률 이방성은 0.1 내지 0.25 범위 내에 있을 수 있다. 액정 화합물의 정상 굴절률 및 이상 굴절률은 그 차이가 상기 범위를 만족하는 한 적절히 선택될 수 있고, 예를 들면, 액정 화합물의 정상 굴절률은 1.4 내지 1.6 범위 내일 수 있고, 이상 굴절률은 1.5 내지 1.8 범위 내일 수 있다. 액정 화합물의 굴절률 이방성이 상기 범위를 만족하는 경우, 예를 들면, 헤이즈 특성이 우수한 헤이즈 모드와 비헤이즈 모드의 사이를 스위칭할 수 있는 액정셀을 구현할 수 있다.
이온성 화합물은, 예를 들면, 하기 화학식 1의 음이온을 가지는 이온성 화합물일 수 있다.
[화학식 1]
In -
화학식 1에서, n은 2 이상의 수일 수 있다. I는 아이오딘 원소를 의미한다. n은, 이온성 화합물의 목적 물성, 예를 들면, 스멕틱 액정 화합물의 불규칙한 배열 상태를 유발할 수 있는 특성 등을 고려하여 2 이상의 수에서 적절히 선택될 수 있다. n은, 예를 들면, 2 내지 30, 2 내지 25, 2 내지 20, 2 내지 15, 3 내지 10, 3 내지 8 또는 3 내지 5의 범위 내의 수일 수 있다. 하나의 구체적인 예시에서, n은 3 내지 5의 범위 내의 수일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 이러한 이온성 화합물을 사용하는 경우, 예를 들면, 낮은 구동 전압으로도 헤이즈 특성이 우수한 헤이즈 모드와 비헤이즈 모드의 사이를 스위칭할 수 있는 쌍안정 모드 액정셀을 구현할 수 있다.
이온성 화합물은, 예를 들면, 양이온과 상기 화학식 1의 음이온을 포함하는 염 형태의 화합물일 수 있다. 양이온은, 상기 화학식 1의 음이온과 전기적 특성에 의하여 염 형태의 화합물을 형성할 수 있는 것이라면 특별한 제한없이 사용할 수 있다. 이러한 이온성 화합물로는, 예를 들면, 질소-함유 오늄염, 황-함유 오늄염 또는 인-함유 오늄염 등이 예시될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
이온성 화합물은, 예를 들면, 하기 화학식 4 내지 7 중 어느 하나로 표시되는 양이온을 포함할 수 있다.
[화학식 4]
Figure pat00003
화학식 4에서, Ra는 탄소수 4 내지 20의 탄화수소기이고, 헤테로 원자를 포함할 수 있으며, Rb 및 Rc는 각각 수소 또는 탄소수 1 내지 16의 탄화수소기이고, 헤테로 원자를 포함할 수 있다. 단, 질소 원자가 2중 결합을 포함하는 경우 Rc는 존재하지 않는다.
[화학식 5]
Figure pat00004
화학식 5에서, Rd는 탄소수 2 내지 20의 탄화수소기이고, 헤테로 원자를 포함할 수 있으며, Re, Rf 및 Rg는 각각 수소 또는 탄소수 1 내지 16의 탄화수소기이고, 헤테로 원자를 포함할 수 있다.
[화학식 6]
Figure pat00005
화학식 6에서, Rh는 탄소수 2 내지 20의 탄화수소기이고, 헤테로 원자를 포함할 수 있으며, Ri, Rj 및 Rk는 각각 수소 또는 탄소수 1 내지 16의 탄화수소기이고, 헤테로 원자를 포함할 수 있다.
[화학식 7]
Figure pat00006
화학식 7에서, Z는 질소, 황 또는 인 원자이고, Rl, Rm, Rn 및 Ro는 각각 탄소수 1 내지 20의 탄화수소기이며, 헤테로 원자를 포함할 수 있다. 단, Z가 황 원자인 경우, Ro는 존재하지 않는다.
화학식 4로 표시되는 양이온으로는, 예를 들면, 피리디늄 양이온, 피페리디윰 양이온, 피롤리디늄 양이온, 피롤린 골격을 갖는 양이온, 피롤 골격을 갖는 양이온 등을 들 수 있다. 이러한 양이온의 예로, 1-에틸피리디늄 양이온, 1-뷰틸피리디늄 양이온, 1-헥실피리디늄 양이온, 1-뷰틸-3-메틸피리디늄 양이온, 1-뷰틸-4-메틸피리디늄 양이온, 1-헥실-3-메틸피리디늄 양이온, 1-뷰틸-3,4-다이메틸피리디늄 양이온, 1, 1-다이메틸피롤리디늄 양이온, 1-에틸-1-메틸피롤리디늄 양이온, 1-메틸-1-프로필피롤리디늄 양이온, 2-메틸-1-피롤린 양이온, 1-에틸-2-페닐인돌 양이온, 1,2-다이메틸인돌 양이온, 1-에틸카바졸 양이온 등을 예시할 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다.
화학식 5으로 표시되는 양이온으로는, 예를 들면 이미다졸륨 양이온, 테트라하이드로피리미디늄 양이온, 다이하이드로피리미디늄 양이온 등을 들 수 있다. 이러한 양이온의 예로, 1,3-다이메틸이미다졸륨 양이온, 1,3-다이에틸이미다졸륨 양이온, 1-에틸-3-메틸이미다졸륨 양이온, 1-뷰틸-3-메틸이미다졸륨 양이온, 1-헥실-3-메틸이미다졸륨 양이온, 1-옥틸-3-메틸이미다졸륨 양이온, 1-데실-3-메틸이미다졸륨 양이온, 1-도데실-3-메틸이미다졸륨 양이온, 1-테트라데실-3-메틸이미다졸륨 양이온, 1,2-다이메틸-3-프로필이미다졸륨 양이온, 1-에틸-2,3-다이메틸이미다졸륨 양이온, 1-뷰틸-2,3-다이메틸이미다졸륨 양이온, 1-헥실-2,3-다이메틸이미다졸륨 양이온, 1,3-다이메틸-1,4,5,6-테트라하이드로피리미디늄 양이온, 1,2,3-트라이메틸-1,4,5,6-테트라하이드로피리미디늄 양이온, 1,2,3,4-테트라메틸-1,4,5,6-테트라하이드로피리미디늄 양이온, 1,2,3,5-테트라메틸-1,4,5,6-테트라하이드로피리미디늄 양이온, 1,3-다이메틸-1,4-다이하이드로피리미디늄 양이온, 1,3-다이메틸-1,6-다이하이드로피리미디늄 양이온, 1,2,3-트라이메틸-1,4-다이하이드로피리미디늄 양이온, 1,2,3-트라이메틸-1,6-다이하이드로피리미디늄 양이온, 1,2,3,4-테트라메틸-1,4-다이하이드로피리미디늄 양이온, 1,2,3,4-테트라메틸-1,6-다이하이드로피리미디늄 양이온 등을 예시할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
화학식 6로 표시되는 양이온으로는, 예를 들면, 피라졸륨 양이온, 피라졸리늄 양이온 등을 들 수 있다. 이러한 양이온의 예로, 1-메틸피라졸륨 양이온, 3-메틸피라졸륨 양이온, 1-에틸-2-메틸피라졸리늄 양이온 등을 예시할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
화학식 7로 표시되는 양이온으로는, 예를 들면 테트라알킬암모늄 양이온, 트라이알킬설포늄 양이온, 테트라알킬포스포늄 양이온이나, 상기 알킬기의 일부가 알켄일기나 알콕실기, 추가로 에폭시기에 치환된 것 등을 들 수 있다. 이러한 양이온의 예로, 테트라메틸암모늄 양이온, 테트라에틸암모늄 양이온, 테트라프로필암모늄 양이온, 테트라뷰틸암모늄 양이온, 테트라펜틸암모늄 양이온, 테트라헥실암모늄 양이온, 테트라헵틸암모늄 양이온, 트라이에틸메틸암모늄 양이온, 트라이뷰틸에틸암모늄 양이온, 트라이메틸데실암모늄 양이온, 트라이옥틸메틸암모늄 양이온, 트라이펜틸뷰틸암모늄 양이온, 트라이헥실메틸암모늄 양이온, 트라이헥실펜틸암모늄 양이온, 트라이헵틸메틸암모늄 양이온, 트라이헵틸헥실암모늄 양이온, N,N-다이에틸-N-메틸-N-(2-메톡시에틸)암모늄 양이온, 글라이시딜트라이메틸암모늄 양이온, 다이알릴다이메틸암모늄 양이온, N,N-다이메틸-N,N-다이프로필암모늄 양이온, N,N-다이메틸-N,N-다이헥실암모늄 양이온, N,N-다이프로필-N,N-다이헥실암모늄 양이온, N,N-다이메틸-N-에틸-N-프로필암모늄 양이온, N,N-다이메틸-N-에틸-N-뷰틸암모늄 양이온, N,N-다이메틸-N-에틸-N-펜틸암모늄 양이온, N,N-다이메틸-N-에틸-N-헥실암모늄 양이온, N,N-다이메틸-N-에틸-N-헵틸암모늄 양이온, N,N-다이메틸-N-프로필-N-뷰틸암모늄 양이온, N,N-다이메틸-N-프로필-N-펜틸암모늄 양이온, N,N-다이메틸-N-프로필-N-헥실암모늄 양이온, N,N-다이메틸-N-프로필-N-헵틸암모늄 양이온, N,N-다이메틸-N-뷰틸-N-헥실암모늄 양이온, N,N-다이메틸-N-뷰틸-N-헵틸암모늄 양이온, N,N-다이메틸-N-펜틸-N-헥실암모늄 양이온, N,N-다이메틸-N-헥실-N-헵틸암모늄 양이온, 트라이메틸헵틸암모늄 양이온, N,N-다이에틸-N-메틸-N-프로필암모늄 양이온, N,N-다이에틸-N-메틸-N-펜틸암모늄 양이온, N,N-다이에틸-N-메틸-N-헵틸암모늄 양이온, N,N-다이에틸-N-프로필-N-펜틸암모늄 양이온, 트라이에틸메틸암모늄 양이온, 트라이에틸프로필암모늄 양이온, 트라이에틸펜틸암모늄 양이온, 트라이에틸헵틸암모늄 양이온, N,N-다이프로필-N-메틸-N-에틸암모늄 양이온, N,N-다이프로필-N-메틸-N-펜틸암모늄 양이온, N,N-다이프로필-N-뷰틸-N-헥실암모늄 양이온, N,N-다이뷰틸-N-메틸-N-펜틸암모늄 양이온, N,N-다이뷰틸-N-메틸-N-헥실암모늄 양이온, 트라이옥틸메틸암모늄 양이온, N-메틸-N-에틸-N-프로필-N-펜틸암모늄 양이온, 트라이메틸설포늄 양이온, 트라이에틸설포늄 양이온, 트라이뷰틸설포늄 양이온, 트라이헥실설포늄 양이온, 다이에틸메틸설포늄 양이온, 다이뷰틸에틸설포늄 양이온, 다이메틸데실설포늄 양이온, 테트라메틸포스포늄 양이온, 테트라에틸포스포늄 양이온, 테트라뷰틸포스포늄 양이온, 테트라펜틸포스포늄 양이온, 테트라헥실포스포늄 양이온, 테트라헵틸포스포늄 양이온, 테트라옥틸포스포늄 양이온, 트라이에틸메틸포스포늄 양이온, 트라이뷰틸에틸포스포늄 양이온, 트라이메틸데실포스포늄 양이온 등을 예시할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
양이온으로는, 구체적으로, 트라이에틸메틸암모늄 양이온, 트라이뷰틸에틸암모늄 양이온, 트라이메틸데실암모늄 양이온, 트라이옥틸메틸암모늄 양이온, 트라이펜틸뷰틸암모늄 양이온, 트라이헥실메틸암모늄 양이온, 트라이헥실펜틸암모늄 양이온, 트라이헵틸메틸암모늄 양이온, 트라이헵틸헥실암모늄 양이온, N,N-다이에틸-N-메틸-N-(2-메톡시에틸)암모늄 양이온, 글라이시딜트라이메틸암모늄 양이온, N,N-다이메틸-N-에틸-N-프로필암모늄 양이온, N,N-다이메틸-N-에틸-N-뷰틸암모늄 양이온, N,N-다이메틸-N-에틸-N-펜틸암모늄 양이온, N,N-다이메틸-N-에틸-N-헥실암모늄 양이온, N,N-다이메틸-N-에틸-N-헵틸암모늄 양이온, N,N-다이메틸-N-에틸-N-노닐암모늄 양이온, N,N-다이메틸-N-프로필-N-뷰틸암모늄 양이온, N,N-다이메틸-N-프로필-N-펜틸암모늄 양이온, N,N-다이메틸-N-프로필-N-헥실암모늄 양이온, N,N-다이메틸-N-프로필-N-헵틸암모늄 양이온, N,N-다이메틸-N-뷰틸-N-헥실암모늄 양이온, N,N-다이메틸-N-뷰틸-N-헵틸암모늄 양이온, N,N-다이메틸-N-펜틸-N-헥실암모늄 양이온, N,N-다이메틸-N-헥실-N-헵틸암모늄 양이온, N,N-다이메틸-N,N-다이헥실암모늄 양이온, 트라이메틸헵틸암모늄 양이온, N,N-다이에틸-N-메틸-N-프로필암모늄 양이온, N,N-다이에틸-N-메틸-N-펜틸암모늄 양이온, N,N-다이에틸-N-메틸-N-헵틸암모늄 양이온, N,N-다이에틸-N-프로필-N-펜틸암모늄 양이온, 트라이에틸프로필암모늄 양이온, 트라이에틸펜틸암모늄 양이온, 트라이에틸헵틸암모늄 양이온, N,N-다이프로필-N-메틸-N-에틸암모늄 양이온, N,N-다이프로필-N-메틸-N-펜틸암모늄 양이온, N,N-다이프로필-N-뷰틸-N-헥실암모늄 양이온, N,N-다이프로필-N,N-다이헥실암모늄 양이온, N,N-다이뷰틸-N-메틸-N-펜틸암모늄 양이온, N,N-다이뷰틸-N-메틸-N-헥실암모늄 양이온, N-메틸-N-에틸-N-프로필-N-펜틸암모늄 양이온 등의 테트라알킬암모늄 양이온, 트라이메틸설포늄 양이온, 트라이에틸설포늄 양이온, 트라이뷰틸설포늄 양이온, 트라이헥실설포늄 양이온, 다이에틸메틸설포늄 양이온, 다이뷰틸에틸설포늄 양이온, 다이메틸데실설포늄 양이온 등의 트라이알킬설포늄 양이온, 테트라메틸포스포늄 양이온, 테트라에틸포스포늄 양이온, 테트라뷰틸포스포늄 양이온, 테트라펜틸포스포늄 양이온, 테트라헥실포스포늄 양이온, 테트라헵틸포스포늄 양이온, 테트라옥틸포스포늄 양이온, 트라이에틸메틸포스포늄 양이온, 트라이뷰틸에틸포스포늄 양이온, 트라이메틸데실포스포늄 양이온 등의 테트라알킬포스포늄 양이온 등을 선택하여 사용할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
이온성 화합물의 액정층 내에서의 비율은 목적 물성, 예를 들면, 스멕틱 액정 화합물의 불규칙한 배열 상태를 유발할 수 있는 특성 등을 고려하여 적절히 선택될 수 있다. 이온성 화합물은, 예를 들면, 0.005 중량% 이상, 0.006 중량% 이상, 0.007중량% 이상, 0.008 중량% 이상, 0.009 중량% 이상, 0.01 중량% 이상, 0.02 중량% 이상, 0.04 중량% 이상, 0.06 중량% 이상, 0.08 중량% 이상, 0.10 중량% 이상, 0.12 중량% 이상, 0.14 중량% 이상, 0.16 중량% 이상, 0.18 중량% 이상, 0.20 중량%, 0.22 중량% 이상 또는 0.24중량% 이상의 비율로 액정층 내에 포함될 수 있다. 이온성 화합물의 액정층 내에서의 비율의 상한은, 예를 들면, 0.5 중량% 이하, 0.48 중량% 이하, 0.46 중량% 이하, 0.44 중량% 이하, 0.42 중량% 이하, 0.40 중량% 이하, 0.38 중량% 이하, 0.36 중량% 이하, 0.34 중량% 이하, 0.32 중량% 이하, 0.30 중량% 이하, 0.28 중량% 이하 또는 0.26 중량% 이하일 수 있다. 이온성 화합물의 액정층 내에서의 비율이 상기 범위를 만족하는 경우, 예를 들면, 낮은 구동 전압으로도 헤이즈 특성이 우수한 헤이즈 모드와 투과 모드의 사이를 스위칭할 수 있는 쌍안정 모드 액정셀을 구현할 수 있다.
액정셀은 액정 화합물의 정렬 상태를 조절하고 전압과 같은 외부 작용의 인가 등을 통해 헤이즈 모드와 비헤이즈 모드의 사이를 스위칭할 수 있다. 예를 들면, 액정 화합물이 불규칙하게 배열된 상태로 존재하는 경우 액정셀은 헤이즈 모드를 나타낼 수 있고, 액정 화합물이 정렬된 상태로 존재하는 경우 액정셀은 비헤이즈 모드를 나타낼 수 있다. 본 명세서에서 「헤이즈 모드」는 액정셀이 예정된 일정 수준 이상의 헤이즈를 나타내는 모드를 의미하고, 「비헤이즈 모드」는 광의 투과가 가능한 상태 또는 예정된 일정 수준 이하의 헤이즈를 나타내는 모드를 의미할 수 있다.
예를 들어, 헤이즈 모드에서 액정셀은, 헤이즈가 10% 이상, 15% 이상, 20% 이상, 25% 이상, 30% 이상, 35% 이상, 40% 이상, 45% 이상, 50% 이상, 55% 이상, 60% 이상, 65% 이상, 70% 이상, 75% 이상, 80% 이상, 85% 이상, 90% 이상 또는 95% 이상일 수 있다. 비헤이즈 모드에서 액정셀은, 예를 들어, 헤이즈가 10% 이하, 8% 이하, 6% 이하 또는 5% 이하일 수 있다. 상기 헤이즈는, 측정 대상을 투과하는 전체 투과광의 투과율에 대한 확산광의 투과율의 백분율일 수 있다. 상기 헤이즈는, 헤이즈미터(hazemeter, NDH-5000SP)를 사용하여 평가할 수 있다. 헤이즈는 상기 헤이즈미터를 사용하여 다음의 방식으로 평가할 수 있다. 즉, 광을 측정 대상을 투과시켜 적분구 내로 입사시킨다. 이 과정에서 광은 측정 대상에 의하여 확산광(DT)과 평행광(PT)으로 분리되는데, 이 광들은 적분구 내에서 반사되어 수광 소자에 집광되고, 집광되는 광을 통해 상기 헤이즈의 측정이 가능하다. 즉, 상기 과정에 의한 전 투과광(TT)는 상기 확산광(DT)과 평행광(PT)의 총합(DT+PT)이고, 헤이즈는 상기 전체 투과광에 대한 확산광의 백분율(Haze(%) = 100×DT/TT)로 규정될 수 있다.
액정셀은, 예를 들어, 적절한 주파수의 전계를 인가하는 경우 헤이즈 모드와 비헤이즈 모드 사이의 스위칭이 가능할 수 있다. 예를 들면, 비헤이즈 모드에서 헤이즈 모드로 스위칭하기 위해 요구되는 전계 주파수는, 1 내지 500 Hz 범위 내의 저 주파수일 수 있고, 헤이즈 모드에서 비헤이즈 모드로 스위칭하기 위해 요구되는 전계 주파수는, 1 kHz 이상의 고 주파수일 수 있다. 액정셀의 각 모드를 스위칭하기 위해 요구되는 전계 주파수의 범위는 상기 범위에 제한되는 것은 아니고, 목적 물성, 예를 들어, 각 모드의 헤이즈 또는 투과도 특성 등을 고려하여 적절히 변경될 수 있다.
액정셀은 낮은 구동 전압으로도 헤이즈 모드와 비헤이즈 모드 사이의 스위칭이 가능하다. 예를 들어, 액정셀은 헤이즈가 80% 이상인 헤이즈 모드와 헤이즈가 10% 이하인 비헤이즈 모드의 사이를 스위칭하기 위한 요구 전압이 120V 이하, 118 V 이하, 116 V 이하, 114 V 이하, 112 V 이하, 110 V 이하, 108 V 이하, 106 V 이하, 104 V 이하, 102 V 이하, 100V 이하, 98V 이하, 96V 이하, 94V 이하, 92V 이하, 90V 이하, 88V 이하, 86V 이하, 84V 이하, 82V 이하 또는 80V 이하일 수 있다. 액정셀은, 예를 들면, 이온성 화합물로서 상기 화학식 1의 음이온을 가지는 이온성 화합물을 선택하여 사용함으로써 이렇게 낮은 구동 전압으로도 헤이즈 모드와 비헤이즈 모드 사이의 스위칭이 가능할 수 있다.
액정셀은, 투과도 가변 특성을 가질 수 있다. 액정셀의 투과도 가변 특성의 정도는, 특별히 제한되지 않으나, 예를 들어, 액정셀은 투과도의 차이가 약 2 내지 3% 범위 내인 2개 모드의 사이를 스위칭할 수 있도록 구현될 수 있다. 하나의 예시에서, 액정셀은, 투과도가 85% 이상인 투과 모드와 투과도가 83% 이하인 화이트 모드의 사이를 스위칭할 수 있도록 구현될 수 있다. 액정셀이 투과 모드와 화이트 모드의 사이를 스위칭할 수 있도록 구현되는 경우, 액정 화합물은, 예를 들어, 투과 모드에서 정렬된 상태로 존재할 수 있고, 화이트 모드에서는 불규칙하게 배열된 상태로 존재할 수 있다. 이러한 투과도 가변 특성은, 예를 들면, 액정셀에 적절한 주파수의 전계를 인가하여 액정 화합물의 정렬 상태를 조절함으로써 달성될 수 있다.
액정셀은, 액정층 내에 이방성 염료를 추가로 포함할 수 있다. 이방성 염료는, 예를 들면, 액정셀의 투과도 가변 특성을 향상시킬 수 있다. 본 명세서에서 용어 「염료」는, 가시광 영역, 예를 들면, 400 nm 내지 700 nm 파장 범위 내에서 적어도 일부 또는 전체 범위 내의 광을 집중적으로 흡수 및/또는 변형시킬 수 있는 물질을 의미할 수 있고, 용어 「이방성 염료」는 상기 가시광 영역의 적어도 일부 또는 전체 범위에서 광의 이방성 흡수가 가능한 물질을 의미할 수 있다.
이방성 염료로는, 예를 들면, 액정 화합물의 정렬 상태에 따라 정렬될 수 있는 특성을 가지는 것으로 알려진 공지의 염료를 선택하여 사용할 수 있다. 이방성 염료로는, 예를 들면, 흑색 염료(black dye)를 사용할 수 있다. 이러한 염료로는, 예를 들면, 아조 염료 또는 안트라퀴논 염료 등으로 공지되어 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
이방성 염료는, 이색비(dichroic ratio), 즉 이방성 염료의 장축 방향에 평행한 편광의 흡수를 상기 장축 방향에 수직하는 방향에 평행한 편광의 흡수로 나눈 값이 5 이상, 6 이상 또는 7 이상인 염료를 사용할 수 있다. 상기 염료는 가시광 영역의 파장 범위 내, 예를 들면, 약 380 nm 내지 700 nm 또는 약 400 nm 내지 700 nm의 파장 범위 내에서 적어도 일부의 파장 또는 어느 한 파장에서 상기 이색비를 만족할 수 있다. 상기 이색비의 상한은, 예를 들면 20 이하, 18 이하, 16 이하 또는 14 이하 정도일 수 있다.
이방성 염료의 액정층 내의 비율은 목적 물성, 예를 들면, 액정셀의 목적하는 투과도 가변 특성에 따라 적절히 선택될 수 있다. 예를 들어, 이방성 염료는 0.01 중량% 이상, 0.1 중량% 이상, 0.2 중량% 이상, 0.3 중량% 이상, 0.4 중량% 이상, 0.5 중량% 이상, 0.6 중량% 이상, 0.7 중량% 이상, 0.8 중량% 이상, 0.9 중량% 이상, 또는 1.0 중량% 이상의 비율로 액정층 내에 포함될 수 있다. 이방성 염료의 액정층 내의 비율의 상한은, 예를 들면, 2 중량% 이하, 1.9 중량% 이하, 1.8 중량% 이하, 1.7 중량% 이하, 1.6 중량% 이하, 1.5 중량% 이하, 1.4 중량% 이하, 1.3 중량% 이하, 1.2 중량% 이하 또는 1.1 중량% 이하일 수 있다. 액정층 내의 이방성 염료의 비율이 상기 범위를 만족하는 경우, 예를 들면, 이방성 염료를 포함하지 않는 경우에 비하여 액정셀의 투과도 가변 특성을 약 10% 이상 향상시킬 수 있다.
액정셀은, 전술한 바와 같이, 이방성 염료를 포함하는 경우 우수한 투과도 가변 특성을 나타낼 수 있다. 예를 들어, 액정셀은 투과도가 50 %이상, 55 %이상, 60 %이상, 65 %이상, 70%이상, 75 %이상, 80 %이상, 85 %이상, 90 %이상 또는 95 %이상인 투과 모드와, 투과도가 40% 이하, 35% 이하, 30% 이하, 25% 이하, 20% 이하, 15% 이하, 10% 이하 또는 5% 이하인 블랙 모드의 사이를 스위칭할 수 있도록 구현될 수 있다. 액정셀이 투과 모드와 블랙 모드의 사이를 스위칭할 수 있도록 구현되는 경우, 액정 화합물은, 예를 들어, 투과 모드에서 정렬된 상태로 존재할 수 있고, 블랙 모드에서는 불규칙하게 배열된 상태로 존재할 수 있다. 이러한 우수한 투과도 가변 특성은, 예를 들면, 액정셀에 이방성 염료를 추가로 포함하고, 적절한 주파수의 전계를 인가하여 액정 화합물의 정렬 상태를 조절함으로써 달성될 수 있다. 또한, 상기 투과도 범위는, 액정층 내의 이방성 염료의 비율, 이방성 염료의 흡수 파장 또는 흡광 계수 등을 적절히 선택함으로써, 조절될 수 있다.
액정셀은, 액정층 내에 폴리머 네트워크를 추가로 포함할 수 있다. 폴리머 네트워크는, 예를 들면, 액정셀의 헤이즈 또는 투과도 특성을 조절하기 위하여 추가로 포함될 수 있다. 폴리머 네트워크는 또한, 액정 화합물과는 상 분리된 상태로 존재할 수 있다. 액정층 내의 폴리머 네트워크는, 예를 들면, 도 2에 도시된 바와 같이, 폴리머 네트워크(201)가 연속상의 액정 화합물(1021) 중에 분포되어 있는 구조, 소위 PNLC(Polymer Network Liquid Crystal) 구조로 액정층(102) 내에 포함될 수 있고, 또는, 도 3에 도시된 바와 같이, 폴리머 네트워크(301) 내에 액정 화합물(1021)을 포함하는 액정 영역(302)이 분산되어 있는 상태로 존재하는 구조, 소위 PDLC(Polymer Dispersed Liquid Crystal) 구조로 액정층(102) 내에 포함될 수 있다.
폴리머 네트워크는, 예를 들면 중합성 화합물을 포함하는 전구 물질의 네트워크일 수 있다. 따라서, 폴리머 네트워크는 중합된 상태로 중합성 화합물을 포함할 수 있다. 중합성 화합물로는, 액정성을 나타내지 않는 비액정성 화합물이 사용될 수 있다. 중합성 화합물로는, 소위 PDLC 또는 PNLC 소자의 폴리머 네트워크를 형성할 수 있는 것으로 알려진 하나 이상의 중합성 관능기를 가지는 화합물 또는 필요한 경우 중합성 관능기가 없는 비중합성 화합물을 사용할 수 있다. 전구 물질에 포함될 수 있는 중합성 화합물로 아크릴레이트 화합물 등이 예시할 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다.
폴리머 네트워크의 액정층 내의 비율은, 목적 물성, 예를 들면, 액정셀의 헤이즈 또는 투과도 특성 등을 고려하여 적절히 선택될 수 있다. 폴리머 네트워크는, 예를 들어, 40 중량% 이하, 38 중량% 이하, 36 중량% 이하, 34 중량% 이하, 32 중량%이하 또는 30 중량% 이하의 비율로 액정층 내에 포함될 수 있다. 폴리머 네트워크의 액정층 내의 비율의 하한은 특별히 제한되지 않으나, 예를 들어, 0.1 중량% 이상, 1 중량%, 2 중량% 이상, 3 중량% 이상, 4 중량% 이상, 5 중량% 이상, 6 중량% 이상, 7 중량% 이상, 8 중량% 이상, 9 중량% 이상 또는 10 중량% 이상일 수 있다.
액정셀은, 대향 배치된 2개의 기판을 포함하고, 액정층은 상기 대향 배치된 2개의 기판의 사이에 존재할 수 있다. 기판으로는, 특별한 제한 없이 공지의 소재를 사용할 수 있다. 예를 들면, 유리 필름, 결정성 또는 비결정성 실리콘 필름, 석영 또는 ITO(Indium Tin Oxide) 필름 등의 무기계 필름이나 플라스틱 필름 등을 사용할 수 있다. 기판으로는, 광학적으로 등방성인 기판이나, 위상차층과 같이 광학적으로 이방성인 기판 또는 편광판이나 컬러 필터 기판 등을 사용할 수 있다.
플라스틱 기판으로는, TAC(triacetyl cellulose); 노르보르넨 유도체 등의 COP(cyclo olefin copolymer); PMMA(poly(methyl methacrylate); PC(polycarbonate); PE(polyethylene); PP(polypropylene); PVA(polyvinyl alcohol); DAC(diacetyl cellulose); Pac(Polyacrylate); PES(poly ether sulfone); PEEK(polyetheretherketon); PPS(polyphenylsulfone), PEI(polyetherimide); PEN(polyethylenemaphthatlate); PET(polyethyleneterephtalate); PI(polyimide); PSF(polysulfone); PAR(polyarylate) 또는 비정질 불소 수지 등을 포함하는 기판을 사용할 수 있지만 이에 제한되는 것은 아니다. 기판에는, 필요에 따라서 금, 은, 이산화 규소 또는 일산화 규소 등의 규소 화합물의 코팅층이나, 반사 방지층 등의 코팅층이 존재할 수도 있다.
액정셀은, 배향막을 추가로 포함할 수 있다. 배향막은 액정층과 인접하게 배치될 수 있다. 예를 들어, 배향막은 도 6 및 도 7에 나타낸 바와 같이, 대향하는 2개의 기판(101A, 101B)의 액정층(102) 측면에 존재할 수 있다(601A, 601B 및 701A, 702B로 도시). 본 명세서에서 배향막이 액정층과 인접하게 배치되어 있다는 것은, 배향막이 액정층의 액정 화합물의 배향에 영향을 미칠 수 있도록 배치되어 있음을 의미할 수 있다.
배향막의 종류는, 예를 들어, 액정층에 포함되는 스멕틱 액정 화합물의 종류에 따라 적절히 선택될 수 있다. 하나의 예시에서, 액정층에 포함되는 스멕틱 액정 화합물이 스멕틱 A 액정 화합물인 경우 액정 소자의 구동에 배향막이 반드시 필요한 것은 아니지만, 액정 화합물의 정렬 상태를 조절하기 위하여 배향막을 추가로 사용할 수 있다. 이러한, 배향막은, 예를 들면, 수직 또는 수평 배향막일 수 있다. 수직 또는 수평 배향막으로는, 인접하는 액정층의 액정 화합물에 대하여 수직 또는 수평 배향능을 가지는 배향막이라면 특별한 제한없이 선택하여 사용할 수 있다. 이러한 배향막으로는, 예를 들어, 러빙 배향막과 같이 접촉식 배향막 또는 광배향막 화합물을 포함하여 직선 편광의 조사 등과 같은 비접촉식 방식에 의해 배향 특성을 나타낼 수 있는 것으로 공지된 배향막을 사용할 수 있다.
액정셀은, 전극층을 추가로 포함할 수 있다. 전극층은 액정층과 인접하게 배치될 수 있다. 예를 들어, 전극층은 도 4 및 도 5에 나타낸 바와 같이, 대향하는 2개의 기판(101A, 101B)의 액정층(102) 측면에 존재할 수 있다(401A, 401B 및 501A, 501B로 도시). 이러한 전극층은 액정층 내의 액정 화합물의 정렬 상태를 전환할 수 있도록 액정층에 수직 또는 수평 전계를 인가할 수 있다. 전극층은, 예를 들면, 전도성 고분자, 전도성 금속, 전도성 나노와이어 또는 ITO(Indium Tin Oxide) 등의 금속 산화물 등을 증착하여 형성할 수 있다. 전극층은, 투명성을 가지도록 형성될 수 있다. 이 분야에서는, 투명 전극층을 형성할 수 있는 다양한 소재 및 형성 방법이 공지되어 있고, 이러한 방법은 모두 적용될 수 있다. 필요한 경우에, 기판의 표면에 형성되는 전극층은, 적절하게 패턴화되어 있을 수도 있다.
액정셀은 쌍안정 모드(bistable)로 구동될 수 있다. 예를 들어, 액정셀은 헤이즈 모드와 비헤이즈 모드의 사이를 스위칭할 수 있고, 이러한 모드의 전환 시에만 전압과 같은 외부 에너지의 인가가 요구된다. 이러한 액정셀은 액정 화합물의 정렬 상태에 따라 헤이즈 모드와 비헤이즈 모드의 사이를 스위칭할 수 있고, 전압과 같은 외부 에너지는 상기 액정 화합물의 정렬 상태의 변화시에 요구된다.
도 1은 쌍안정 모드 액정셀을 예시적으로 나타낸다. 도 1에 나타낸 바와 같이, 예시적인 액정셀은 액정층(102) 내의 스멕틱 액정 화합물(1021)이 층간 정렬도를 가지며 각층의 장축이 층면과 수직한 방향으로 정렬된 상태를 가지면서 비헤이즈 모드(a)를 구현할 수 있고, 이러한 액정 화합물은 이온성 화합물(미도시)에 의해 유발되는 EHDI에 의해 불규칙한 배열 상태를 가지면서 헤이즈 모드(b)로 상호 전환될 수 있다. 헤이즈 모드로의 전환은 저주파수의 전계의 인가에 의하여 수행될 수 있고, 전환 후에는 전계를 제거하더라도 헤이즈 모드의 상태를 유지할 수 있다. 또한, 이러한 헤이즈 모드의 액정셀에 고주파수의 전계를 인가하는 경우 비헤이즈 모드로 전환될 수 있고 전환 후에는 전계를 제거하더라도 비헤이즈 모드의 상태를 유지할 수 있다.
이러한 액정셀은 다양한 방식으로 구동될 수 있다. 도 4 내지 7은 양의 유전율 이방성을 가지는 스멕틱 액정화합물을 이용한 액정셀의 구동 방식을 예시적으로 나타낸다(이온성 화합물 미도시). 도 4는 대향하는 2개의 기판(101A, 101B)의 액정층(102) 측면에 수직 전계를 인가할 수 있도록 형성된 전극층(401A, 401B)에 의해, 수직 정렬 상태 (a)와 불규칙한 배열 상태 (b)의 사이를 스위칭하는 액정셀의 구동 방식을 예시적으로 나타낸다. 도 5는 대향하는 2개의 기판(101A, 101B)의 액정층(102) 측면에 수평 전계를 인가할 수 있도록 형성된 전극층(501A, 501B)에 의해, 수평 정렬 상태 (a)와 불규칙한 배열 상태 (b)의 사이를 스위칭하는 액정셀의 구동 방식을 예시적으로 나타낸다. 도 4 및 도 5 에 도시된 예시적인 액정 화합물은 저주파수의 전계의 인가에 의하여 수직 또는 수평 정렬 상태에서 불규칙한 배열 상태로의 전환이 가능하고, 고주파수의 전계의 인가에 의하여 불규칙한 배열 상태에서 수직 또는 수평 정렬 상태로의 전환이 가능하다. 액정 화합물이 음의 유전율 이방성을 나타내는 경우에는 도 4와 같이 수직 정렬을 위해서는 수평 전계가 인가될 수 있고, 도 5와 같이 수평 정렬을 위해서는 수직 전계가 인가될 수 있다.
액정셀은, 상술한 바와 같이, 액정 화합물의 정렬 상태를 조절하기 위하여 대향하는 2개의 기판의 액정층 측면에 배향막을 추가로 포함할 수 있다. 도 6는 도 4의 액정셀에 배향막(601A, 601B)을 추가로 포함하는 액정셀의 구동 방식을 예시적으로 나타내고, 도 7은 도 5의 액정셀에 배향막(701A, 701B)을 추가로 포함하는 액정셀의 구동방식을 예시적으로 나타낸다.
본 출원은 또한, 액정셀의 용도에 관한 것이다. 예시적인 액정셀은, 낮은 구동 전압으로도 헤이즈 모드와 비헤이즈 모드의 사이를 스위칭하는 쌍안정 모드를 구현할 수 있다. 이러한 액정셀은 광변조 장치에 유용하게 사용될 수 있다. 광변조 장치로는, 스마트 윈도우, 윈도우 보호막, 플렉서블 디스플레이 소자, 3D 영상 표시용 액티브 리타더(active retarder) 또는 시야각 조절 필름 등이 예시될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기와 같은 광 변조 장치를 구성하는 방식은 특별히 제한되지 않고, 상기 액정셀이 사용되는 한 통상적인 방식이 적용될 수 있다.
예시적인 액정셀은 낮은 구동 전압으로도 헤이즈 모드와 비헤이즈 모드의 사이를 스위칭하는 쌍안정 모드를 구현할 수 있다. 이러한 액정셀은, 스마트 윈도우, 윈도우 보호막, 플렉서블 디스플레이 소자, 3D 영상 표시용 액티브 리타더(active retarder) 또는 시야각 조절 필름 등과 같은 다양한 광변조 장치에 적용될 수 있다.
도 1 내지 3은 액정셀을 예시적으로 나타낸다.
도 4 내지 7은 액정셀의 구동 방식을 예시적으로 나타낸다.
도 8은 실시예 1의 액정셀의 비헤이즈 모드에서의 상태를 나타낸다.
도 9는 실시예 1의 액정셀의 헤이즈 모드에서의 상태를 나타낸다.
이하 실시예 및 비교예를 통하여 상기 내용을 보다 구체적으로 설명하지만, 본 출원의 범위가 하기 제시된 내용에 의해 제한되는 것은 아니다.
1. 투과도 및 헤이즈의 측정
실시예 및 비교예에서 제조된 액정셀에 대하여 헤이즈미터, NDH-5000SP를 이용하여, ASTM 방식으로 투과도 및 헤이즈를 측정하였다.
실시예 1
표면에 수직 전계의 인가가 가능하도록 형성된 ITO(Indium Tin Oxide) 투명 전극층과 공지의 수직 배향막이 순차 형성되어 있는 2장의 PC(polycarbonate) 필름을 상기 배향막이 서로 대향하고, 간격이 약 9 ㎛ 정도가 되도록 이격 배치시킨 후에 상기 이격 배치된 2장의 PC 필름의 사이에 액정 조성물을 주입하고, 에지(edge)를 실링하여 액정셀을 제작하였다. 상기 액정 조성물은, 스멕틱 A상을 나타내는 액정 화합물(HJA151200-000, HCCH 社제), 이방성 염료(X12, BASF 社제) 및 하기 화학식 A의 양이온과 하기 화학식 B의 음이온을 포함하는 이온성 화합물을 99.2:0.7:0.1의 중량 비율(액정 화합물: 이방성 염료: 이온성 화합물)로 혼합하여 제조된 것을 사용하였다. 제조된 액정셀은 전압이 인가되지 않은 경우에 투과율이 약 62.39%이고, 헤이즈가 약 1.36%였다(이하, 비헤이즈 모드 상태로 호칭할 수 있다.).
[화학식 A]
Figure pat00007
[화학식 B]
I3 -
실시예 2
전극층 표면에 배향막을 형성되지 않은 PC 필름을 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방식으로 액정셀을 제조하였다. 제조된 액정셀은 전압이 인가되지 않은 경우에 투과율이 약 36.31%이고, 헤이즈가 약 90.28%였다(이하, 비헤이즈 모드 상태로 호칭할 수 있다.).
비교예 1
이온성 화합물로서, 상기 화학식 A의 양이온과 하기 화학식 C의 음이온을 가지는 화합물을 사용한 것을 제외하고는 실시예 2와 동일한 방식으로 액정셀을 제조하였다. 제조된 액정셀은 전압이 인가되지 않은 경우에 투과율이 약 35.80%이고, 헤이즈가 약 88.28%였다(이하, 비헤이즈 모드 상태로 호칭할 수 있다.).
[화학식 C]
Br-
시험예 1. 구동 전압의 평가
실시예 및 비교예에서 제조된 각각의 액정셀의 ITO 투명 전극층에 전원을 연결하고, 구동 전압을 인가하면서 모드를 스위칭시키면서 스위칭에 요구되는 전압을 평가하였다. 즉, 실시예 1과 같이 비헤이즈 모드인 경우에는 그 모드를 투과도가 40% 이하이고, 헤이즈가 90% 이상인 헤이즈 모드로 스위칭하기 위하여 요구되는 전압을 측정하였고, 비교예 1이나 실시예 2와 같은 헤이즈 모드인 경우에 그 모드를 투과율이 60% 이상이고, 헤이즈가 2% 이하인 비헤이즈 모드로 전환시키는 것에 요구되는 전압을 측정하였다. 도 8은 실시예 1의 액정셀의 비헤이즈 모드에서의 상태를 측정한 것이고, 도 9는 실시예 1의 액정셀의 헤이즈 모드에서의 상태를 측정한 것이다.
하기 표 1과 같이 실시예 1의 액정셀의 경우, 비헤이즈 모드를 투과도가 약 37.37%이고, 헤이즈가 약 92.37%인 헤이즈 모드로 전환시키기 위해서 60Hz의 주파수로 80V의 전압을 인가하는 것이 필요하였으며, 헤이즈 모드 전환 후에 외부 전압을 제거하여도 약 240 시간 이상 헤이즈 모드를 안정적으로 유지하였다. 또한, 상기 헤이즈 모드를 원래와 같은 비헤이즈 모드로 전환시키기 위하여는 6 kHz의 주파수로 역시 80V의 전압을 인가하는 것이 요구되었다. 또한, 실시예 2의 액정셀의 경우, 헤이즈 모드를 투과도가 약 62.54%이고, 헤이즈가 약 1.39%인 비헤이즈 모드로 전환시키기 위해서 6kHz의 주파수로 80V의 전압을 인가하는 것이 필요하였으며, 모드 전환 후에 외부 전압을 제거하여도 약 240 시간 이상 비헤이즈 모드를 안정적으로 유지하였다. 또한, 상기 비헤이즈 모드를 원래와 같은 헤이즈 모드로 전환시키기 위하여는 60 Hz의 주파수로 역시 80V의 전압을 인가하는 것이 요구되었다. 반면, 비교예 1의 경우, 유사한 헤이즈 모드 및 비헤이즈 모드의 전환을 위하여 동일 주파수에서 약 120V의 높은 구동 전압이 요구되었다.
상하 전계 80V [60Hz] 인가 상하 전계 80V [6kHz] 인가
실시예 1 투과도 37.37% 투과도 62.39%
헤이즈 92.37% 헤이즈 1.36%
실시예 2 투과도 36.31% 투과도 62.54%
헤이즈 90.28% 헤이즈 1.39%
상하 전계 120V [60Hz] 인가 상하 전계 120V [6kHz] 인가
비교예 1 투과도 35.80% 투과도 63.04%
헤이즈 88.23% 헤이즈 1.9%
101A, 101B: 기판
102: 액정층
1021: 스멕틱 액정 화합물
201, 301: 폴리머 네트워크
302: 액정 영역
401A, 401B, 501A, 501B: 전극층
601A, 601B, 701A, 701B: 배향막

Claims (19)

  1. 대향 배치된 2개의 기판; 및 상기 2개의 기판의 사이에 존재하고, 스멕틱 액정 화합물 및 하기 화학식 1의 음이온을 가지는 이온성 화합물을 포함하는 액정층을 가지는 쌍안정 액정셀:
    [화학식 1]
    In -
    화학식 1에서 n은 2 이상의 수이다.
  2. 제 1 항에 있어서, 액정 화합물은 스멕틱 A 액정 화합물인 쌍안정 액정셀
  3. 제 1 항에 있어서, 스멕틱 액정 화합물은 하기 화학식 2로 표시되는 화합물인 쌍안정 액정셀:
    [화학식 2]
    Figure pat00008

    화학식 2에서 A는 단일 결합, -COO- 또는 -OCO-이고, R1 내지 R10은, 각각 독립적으로 수소, 할로겐, 알킬기, 알콕시기, 알콕시카보닐기, 시아노기, 니트로기 또는 하기 화학식 3의 치환기이다. 단, 상기 화학식 2 및 하기 화학식 3에서, R1 내지 R15 중 어느 하나는 탄소수 5 이상의 알킬기, 알콕시기 또는 알콕시카보닐기이다.
    [화학식 3]
    Figure pat00009

    화학식 3에서 B는 단일 결합, -COO- 또는 -OCO-이고, R11 내지 R15는, 각각 독립적으로 수소, 할로겐, 알킬기, 알콕시기, 알콕시카보닐기, 시아노기 또는 니트로기이다.
  4. 제 1 항에 있어서, 화학식 1에서 n은 3 내지 10의 범위 내의 수인 쌍안정 액정셀.
  5. 제 1 항에 있어서, 이온성 화합물은 질소-함유 오늄염, 황-함유 오늄염 또는 인-함유 오늄염인 쌍안정 액정셀.
  6. 제 1 항에 있어서, 이온성 화합물은 하기 화학식 4 내지 7 중 어느 하나로 표시되는 양이온을 포함하는 쌍안정 액정셀:
    [화학식 4]
    Figure pat00010

    화학식 4에서, Ra는 탄소수 4 내지 20의 탄화수소기이고, 헤테로 원자를 포함할 수 있으며, Rb 및 Rc는 각각 수소 또는 탄소수 1 내지 16의 탄화수소기이고, 헤테로 원자를 포함할 수 있다. 단, 질소 원자가 2중 결합을 포함하는 경우 Rc는 존재하지 않는다.
    [화학식 5]
    Figure pat00011

    화학식 5에서, Rd는 탄소수 2 내지 20의 탄화수소기이고, 헤테로 원자를 포함할 수 있으며, Re, Rf 및 Rg는 각각 수소 또는 탄소수 1 내지 16의 탄화수소기이고, 헤테로 원자를 포함할 수 있다.
    [화학식 6]
    Figure pat00012

    화학식 6에서, Rh는 탄소수 2 내지 20의 탄화수소기이고, 헤테로 원자를 포함할 수 있으며, Ri, Rj 및 Rk는 각각 수소 또는 탄소수 1 내지 16의 탄화수소기이고, 헤테로 원자를 포함할 수 있다.
    [화학식 7]
    Figure pat00013

    화학식 7에서, Z는 질소, 황 또는 인 원자이고, Rl, Rm, Rn 및 Ro는 각각 탄소수 1 내지 20의 탄화수소기이며, 헤테로 원자를 포함할 수 있다. 단, Z가 황 원자인 경우, Ro는 존재하지 않는다.
  7. 제 1 항에 있어서, 이온성 화합물의 액정층 내에서의 비율이 0.005 중량% 내지 5.0 중량%의 범위 내인 쌍안정 액정셀.
  8. 제 1 항에 있어서, 헤이즈가 80% 이상인 헤이즈 모드와 헤이즈가 10% 이하인 비헤이즈 모드의 사이를 스위칭할 수 있도록 형성된 쌍안정 액정셀.
  9. 제 8 항에 있어서, 헤이즈 모드 및 비헤이즈 모드 사이를 스위칭하기 위한 요구 전압이 120 V 이하인 쌍안정 액정셀.
  10. 제 1 항에 있어서, 투과도가 85% 이상인 투과 모드와 투과도가 83% 이하인 화이트 모드의 사이를 스위칭할 수 있도록 형성된 쌍안정 액정셀.
  11. 제 1 항에 있어서, 액정층은 이방성 염료를 추가로 포함하는 쌍안정 액정셀.
  12. 제 11 항에 있어서, 이방성 염료는 0.01 중량% 내지 2 중량% 범위 내의 비율로 액정층에 포함되는 쌍안정 액정셀.
  13. 제 11 항에 있어서, 투과도가 50% 이상인 투과 모드와 투과도가 40% 이하인 블랙 모드의 사이를 스위칭할 수 있도록 형성된 쌍안정 액정셀.
  14. 제 1 항에 있어서, 액정층은 폴리머 네트워크를 추가로 포함하는 액정셀.
  15. 제 14 항에 있어서, 폴리머 네트워크는 40 중량% 이하의 비율로 액정층에 포함되는 액정셀.
  16. 제 1 항에 있어서, 기판의 액정층 측면에 존재하는 배향막을 추가로 포함하는 쌍안정 액정셀.
  17. 제 1 항에 있어서, 기판의 액정층 측면에 존재하는 전극층을 추가로 포함하는 쌍안정 액정셀.
  18. 제 1 항의 액정셀을 포함하는 광변조 장치.
  19. 제 1 항의 액정셀을 포함하는 스마트 윈도우.
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