KR20150037650A - 광학 소자 - Google Patents

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KR20150037650A
KR20150037650A KR20140130802A KR20140130802A KR20150037650A KR 20150037650 A KR20150037650 A KR 20150037650A KR 20140130802 A KR20140130802 A KR 20140130802A KR 20140130802 A KR20140130802 A KR 20140130802A KR 20150037650 A KR20150037650 A KR 20150037650A
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Abstract

본 출원은 광학 소자 및 광학 소자의 용도에 관한 것이다. 예시적인 광학 소자는 중합성 액정 화합물 및 이색성 염료를 포함하는 게스트호스트형 염료층을 이용하여 편광 특성이 패턴화된 편광층을 사용함으로써 위상차 필름 없이도 정면뿐만 아니라 측면에서도 투과 및 차단 특성이 우수한 스마트 블라인드를 구현할 수 있다. 이러한 광학 소자는, 예를 들어, 스마트 블라인드, 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

광학 소자{OPTICAL ELEMENT}
본 출원은, 광학 소자 및 스마트 블라인드에 대한 것이다.
스마트 블라인드는 태양광의 투과율을 조절할 수 있는 블라인드이고, 스마트 윈도우, 전자 커튼, 투과도 가변 유리 또는 조광 유리 등으로도 불린다.
스마트 블라인드는, 예를 들어, 광의 투과량을 조절할 수 있는 광투과량 조절층과, 상기 광투과량 조절층에 신호를 인가하여 제어하는 구동회로로 이루어질 수 있다. 상기와 같이 구성된 스마트 블라인드는 인가된 전압의 상태에 따라 유리 전체를 빛이 투과하거나 투과하지 못하도록 하고 또한 투과량을 조절하여 명암을 달리할 수 있다. 다만, 상기와 같은 방식은 스마트 블라인드를 구동하기 위해서 별도의 외부 전원을 공급하여야 하므로 전력 공급 계통 구조가 복잡하다는 문제점이 있다.
이에 최근에는, 특허문헌 1과 같이 별도의 외부 전원이 필요하지 않도록, 편광판과 위상차 필름을 조합하여 스마트 블라인드를 제조하는 기술이 개발되고 있다. 상기 위상차 필름으로는 주로 서로 상이한 방향의 광축을 가지는 영역들로 패턴화되어 있는 액정 필름을 사용하고 있는데, 이 경우에 측면에서 미세한 광축 편차로 인한 광특성 불균일이 초래되어 측면에서 균일한 시감을 구현할 수 없는 문제점이 있다.
한국 특허 공개 제2004-0004138호 공보
본 출원은, 광학 소자 및 스마트 블라인드를 제공한다.
예시적인 광학 소자는 서로 마주보도록 배치되어 있는 제 1 편광층 및 제 2 편광층을 포함할 수 있다. 상기 제 1 및 제 2 편광층은 각각 제 1 방향으로 형성된 흡수축을 가지는 제 1 영역과 상기 제 1 방향과는 상이한 제 2 방향으로 형성된 흡수축을 가지는 제 2 영역을 포함할 수 있다. 또한, 상기 제 1 및 제 2 편광층 중 적어도 하나는 중합성 액정 화합물 및 이색성 염료를 포함하는 염료층일 수 있다. 이러한 염료층은 소위 게스트호스트형 편광 소자로 불리며, 예를 들어, 중합성 액정 화합물의 배열에 따라 이색성 염료가 함께 배열되어 염료의 정렬 방향과 평행한 광은 흡수하고 수직한 광은 투과시킴으로써 비등방성 광흡수 효과를 나타낼 수 있다.
예시적인 광학 소자는, 예를 들어, 스마트 블라인드로 사용될 수 있다. 본 출원에서 「스마트 블라인드」는 전면 투과 및 전면 차단 모드는 물론 블라인드의 소정 부위에서만 투과 또는 차단 모드를 구현할 수 있는 기능성 부재를 의미할 수 있다.
본 출원에서 「편광층」은 일 방향으로 형성된 투과축을 가지면서 입사 광에 대하여 비등방성 투과 특성을 나타내는 기능성 층을 의미할 수 있다. 예를 들어, 편광층은 여러 방향으로 진동하는 입사 광으로부터 어느 한쪽 방향으로 진동하는 광은 투과하고, 나머지 방향으로 진동하는 광은 흡수하는 기능을 가질 수 있다.
제 1 및 제 2 편관층은 서로에 대한 상대적 위치가 변화될 수 있도록 배치될 수 있다. 후술하는 바와 같이, 광학 소자는 제 1 및 제 2 편광층의 상대적 위치 변화에 기초하여 광 투과량을 조절할 수 있다. 도 1의 (a)는 제 1 및 제 2 영역(1011, 1012)를 포함하는 제 1 편광층(101) 및 제 1 및 제 2 영역(1021, 1022)을 포함하는 제 2 편광층(102)이 서로 마주보도록 배치되어 포함되어 있는 광학 소자를 예시적으로 나타내고, 도 1의 (b)는 제 1 편광층(101) 및 제 2 편관층(102)이 서로에 대한 상대적 위치가 변화된 상태의 광학 소자를 예시적으로 나타낸다.
제 1 및 제 2 편광층은 각각, 제 1 방향으로 형성된 흡수축을 가지는 제 1 영역과 상기 제 1 방향과는 상이한 제 2 방향, 예를 들어, 상기 제 1 방향과 수직한 방향으로 형성된 흡수축을 가지는 제 2 영역을 포함할 수 있다. 이러한 제 1 및 제 2 편광층의 제 1 영역(1011, 1021) 및 제 2 영역(1021, 1022)은 예를 들어, 도 2 및 도 3에 나타낸 바와 같이 서로 공통 방향으로 연장하는 스트라이프 형상을 가지면서 서로 교대로 배치되어 있을 수 있다. 스트라이프 형상의 간격 및 피치는, 특별히 제한되지 않고 목적하는 광학 소자의 용도에 따라 적절히 선택될 수 있다.
광학 소자는 예를 들어, 도 1의 (a)에 나타낸 바와 같이, 제 1 편광층의 제 1 영역(1011)과 제 2 편광층의 제 1 영역(1021)이 서로 마주보는 제 1 상태로 배치될 수 있다. 이 경우에 광학 소자는 예를 들어, 제 1 편광층의 제 1 영역(1011)과 제 2 편광층의 제 1 영역(1021)의 흡수축 (↔)이 서로 평행을 이루도록 배치될 수 있으며, 제 1 편광층의 제 2 영역(1012)과 제 2 편광층의 제 2 영역(1022)의 흡수축(↔)이 서로 평행을 이루도록 배치되어 있을 수 있다. 이 경우에 광학 소자는, 입사 광 중에서 상기 제 1 및 제 2 편광층의 마주보는 영역들의 흡수축과 평행한 방향의 편광을 그대로 투과시킬 수 있다.
광학 소자는 예를 들어, 도 1의 (b)에 나타낸 바와 같이, 제 2 편광층의 제 1 영역(1021)과 마주보록 배치되어 있는 제 1 편광층의 제 1 영역(1011)이 상기 제 2 편광층의 제 2 영역(1022)과 마주보는 제 2 상태로 이동될 수 있도록 상기 제 1 및 제 2 편광층의 상대적 위치가 변경될 수 있다. 마주보는 제 1 편광층의 제 1 영역(1011)과 제 2 편광층의 제 2 영역(1022)의 흡수축(↔)은 서로 수직을 이룰 수 있다. 이 경우에 광학 소자는, 제 1 및 제 2 편광층의 마주보는 영역들 간의 흡수축(↔)이 수직을 이루므로 입사 광을 차단할 수 있다.
제 1 및 제 2 편광층은 전술한 바와 같이, 제 1 및 제 2 편광층 중 어느 하나가 상기 게스트호스트형 염료층일 수도 있고 또는 제 1 및 제 2 편광층 각각이 상기 게스트호스트형 염료층일 수 있다. 제 1 및 제 2 편광층 중 어느 하나가 게스트호스트형 염료층인 경우 나머지 하나의 편광층은 일 방향으로 형성된 투과축을 가지는 편광자와 패턴화된 위상차 필름의 조합일 수도 있다. 다만, 본 출원이 의도하는 투과 및 차단 특성이 우수한 스마트 블라인드를 구현한다는 측면에서 제 1 및 제 2 편광층은 모두 게스트호스트 염료층인 것이 바람직하다.
게스트호스트형 염료층은 예를 들어, 중합성 액정 화합물 및 이색성 염료를 포함하는 편광 물질의 코팅층일 수 있다. 따라서, 광학 소자는, 롤투롤 공정으로 간단하고 연속적으로 제조될 수 있을 뿐만 아니라, 구조 단순화를 통한 소자의 박형화가 가능하다.
본 출원에서 「중합성 액정 화합물」은, 액정성을 나타낼 수 있는 부위, 예를 들면 메조겐(mesogen) 골격 등을 포함하고, 중합성 관능기를 하나 이상 포함하는 화합물을 의미할 수 있다. 중합성 액정 화합물은, 예를 들어, 중합된 상태로 편광층 내에 포함될 수 있다. 본 출원에서「중합성 액정 화합물이 중합된 형태로 포함되어 있다는 것」은 상기 액정 화합물이 중합되어 편광층 내에서 액정 고분자의 주쇄 또는 측쇄와 같은 골격을 형성하고 있는 상태를 의미할 수 있다.
중합성 액정 화합물은, 예를 들어, 하기 화학식 1로 표시되는 화합물을 사용할 수 있다.
[화학식 1]
Figure pat00001
상기 화학식 1에서 A는 단일 결합, -COO- 또는 -OCO-이고, R1 내지 R10은, 각각 독립적으로 수소, 할로겐, 알킬기, 알콕시기, 알콕시카보닐기, 시아노기, 니트로기, -O-Q-P 또는 하기 화학식 2의 치환기이되, R1 내지 R10 중 적어도 하나는 -O-Q-P 또는 하기 화학식 2의 치환기이거나, R1 내지 R5 중 인접하는 2개의 치환기 또는 R6 내지 R10 중 인접하는 2개의 치환기는 서로 연결되어 -O-Q-P로 치환된 벤젠을 형성하고, 상기에서 Q는 알킬렌기 또는 알킬리덴기이며, P는, 알케닐기, 에폭시기, 시아노기, 카복실기, 아크릴로일기, 메타크릴로일기, 아크릴로일옥시기 또는 메타크릴로일옥시기 등의 중합성 관능기이다:
[화학식 2]
Figure pat00002
상기 화학식 2에서 B는 단일 결합, -COO- 또는 -OCO-이고, R11 내지 R15는, 각각 독립적으로 수소, 할로겐, 알킬기, 알콕시기, 알콕시카보닐기, 시아노기, 니트로기 또는 -O-Q-P이되, R11 내지 R15 중 적어도 하나는 -O-Q-P이거나, R11 내지 R15 중 인접하는 2개의 치환기는 서로 연결되어 -O-Q-P로 치환된 벤젠을 형성하고, 상기에서 Q는 알킬렌기 또는 알킬리덴기이며, P는, 알케닐기, 에폭시기, 시아노기, 카복실기, 아크릴로일기, 메타크릴로일기, 아크릴로일옥시기 또는 메타크릴로일옥시기 등의 중합성 관능기이다.
상기 화학식 1 및 2에서 인접하는 2개의 치환기는 서로 연결되어 -O-Q-P로 치환된 벤젠을 형성한다는 것은, 인접하는 2개의 치환기가 서로 연결되어 전체적으로 -O-Q-P로 치환된 나프탈렌 골격을 형성하는 것을 의미할 수 있다.
상기 화학식 2에서 B의 좌측의 "-"은 B가 화학식 1의 벤젠에 직접 연결되어 있음을 의미할 수 있다.
상기 화학식 1 및 2에서 용어 "단일 결합"은 A 또는 B로 표시되는 부분에 별도의 원자가 존재하지 않는 경우를 의미한다. 예를 들어, 화학식 1에서 A가 단일 결합인 경우, A의 양측의 벤젠이 직접 연결되어 비페닐(biphenyl) 구조를 형성할 수 있다.
상기 화학식 1 및 2에서 할로겐으로는, 염소, 브롬 또는 요오드 등이 예시될 수 있다.
본 출원에서 용어 알킬기는, 특별히 달리 규정하지 않는 한, 탄소수 1 내지 20, 탄소수 1 내지 16, 탄소수 1 내지 12, 탄소수 1 내지 8 또는 탄소수 1 내지 4의 직쇄 또는 분지쇄 알킬기 또는 탄소수 3 내지 20, 탄소수 3 내지 16 또는 탄소수 4 내지 12의 시클로알킬기를 의미할 수 있다. 상기 알킬기는 임의적으로 하나 이상의 치환기에 이해 치환될 수 있다.
본 출원에서 용어 알콕시기는, 특별히 달리 규정하지 않는 한, 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 이해 치환될 수 있다.
또한, 본 출원에서 용어 알킬렌기 또는 알킬리덴기는, 특별히 달리 규정하지 않는 한, 탄소수 1 내지 12, 탄소수 4 내지 10 또는 탄소수 6 내지 9의 알킬렌기 또는 알킬리덴기를 의미할 수 있다. 상기 알킬렌기 또는 알킬리덴기는, 직쇄, 분지쇄 또는 고리형일 수 있다. 또한, 상기 알킬렌기 또는 알킬리덴기는 임의적으로 하나 이상의 치환기에 이해 치환될 수 있다.
또한, 본 출원에서 알케닐기는, 특별히 달리 규정하지 않는 한, 탄소수 2 내지 20, 탄소수 2 내지 16, 탄소수 2 내지 12, 탄소수 2 내지 8 또는 탄소수 2 내지 4의 알케닐기를 의미할 수 있다. 상기 알케닐기는, 직쇄, 분지쇄 또는 고리형일 수 있다. 또한, 상기 알케닐기는 임의적으로 하나 이상의 치환기에 이해 치환될 수 있다.
또한, 상기 화학식 1 및 2에서 P는 바람직하게는 아크릴로일기, 메타크릴로일기, 아크릴로일옥시기 또는 메타크릴로일옥시기이고, 보다 바람직하게는 아크릴로일옥시기 또는 메타크릴로일옥시기이며, 더욱 바람직하게는 아크릴로일옥시기일 수 있다.
본 출원에서 특정 관능기에 치환되어 있을 수 있는 치환기로는, 알킬기, 알콕시기, 알케닐기, 에폭시기, 옥소기, 옥세타닐기, 티올기, 시아노기, 카복실기, 아크릴로일기, 메타크릴로일기, 아크릴로일옥시기, 메타크릴로일옥시기 또는 아릴기 등이 예시될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
중합성 액정 화합물은, 예를 들어, 수평 배항된 상태로 편광층 내에 포함되어 있을 수 있다. 본 출원에서 「수평 배향」은, 중합된 액정 화합물을 포함하는 편광층의 광축이 편광층의 평면에 대하여 약 0도 내지 약 25도, 약 0도 내지 약 15도, 약 0도 내지 약 10도, 약 0도 내지 약 5도 또는 약 0도의 경사각을 가지는 경우를 의미할 수 있다.
본 출원에서「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 있으며, 「이색성 염료」는 가시광 영역의 적어도 일부 또는 전체 범위에서 광의 이방성 흡수가 가능한 물질을 의미할 수 있다.
이색성 염료로는, 예를 들어, 소위 게스트호스트형 편광 소자를 형성할 수 있는 것으로 알려진 것, 예를 들어, 중합성 액정 화합물의 배향에 따라 배열될 수 있는 특성을 가지는 것으로 알려진 공지의 염료을 선택하여 사용할 수 있다. 이러한 이색성 염료로는, 예를 들어, 아조 염료 또는 안트라퀴논 염료 등의 공지된 염료를 사용할 수 있고, 구체적으로, 아조 염료 F355(등록 상표), F357(등록 상표) 또는 F593(등록 상표)(Nippon Kankoh Shikiso kenkyusho Ltd) 등이나, 상기와 대등한 효과를 나타내는 것으로 공지되어 있는 종류의 염료 등이 사용될 수 있지만 이에 제한되는 것은 아니다.
이색성 염료의 이색비(dichroic ratio)는 목적하는 물성을 손상시키지 않는 범위 내에서 적절히 선택될 수 있다. 본 출원에서 이색비는 이색성 염료의 장축 방향에 평행한 편광의 흡수를 상기 장축 방향에 수직하는 방향에 평행한 편광의 흡수로 나눈 값을 의미할 수 있다. 이색성 염료는, 예를 들어, 5 이상, 6 이상 또는 7 이상의 이색비를 가질 수 있다. 이색성 염료는, 예를 들어, 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.
광학 소자는 전술한 바와 같이, 중합성 액정 화합물 및 이색성 염료를 포함하는 게스트호스트형 염료층을 이용하여 편광 특성이 패턴화된 제 1 및 제 2 편광층을 사용함으로써 정면뿐만 아니라 측면에서도 균일한 편광 특성을 나타내며 전체적으로 투과 및 차단 특성이 우수한 스마트 블라인드를 구현할 수 있다.
반면, 도 4는 종래 편광판 및 액정 필름의 조합을 이용한 스마트 블라인드의 구조를 예시적으로 나타낸다. 도 4의 스마트 블라인드의 경우, 전체적으로 어느 일 방향으로 형성된 투과축을 가지는 편광층(401, 404) 및 서로 상이한 방향의 광축(↔)을 가지는 영역들로 패턴화되어 있는 패턴화된 위상차 필름(402, 403)을 포함하는 편광 유닛들을 서로 마주보도록 배치한 구조를 포함한다. 도 4의 스마트 블라인드의 경우, 광학 소자로 입사되는 광의 편광 특성은 패턴화된 위상차 필름의 광축 변화에 따라 조절되는데, 이 경우에 측면에서 관찰할 경우 광축 편차가 발생하여 측면에서 균일한 편광 특성을 얻을 수 없으며, 이로 인해 측면에서 균일한 시감을 구현하기 힘든 문제점, 즉 보는 방향에 따라 시감이 상이한 문제점이 있다. 반면, 본 출원의 광학 소자는 입사되는 광의 편광 특성이 편광층 자체에 패턴화되어 있는 흡수축에 따라 조절될 수 있으므로 측면에서도 균일한 편광 특성을 나타낼 수 있다.
광학 소자는, 제 1 및 제 2 편광층의 일면에 존재하는 배향막을 추가로 포함할 수 있다. 도 5는 서로 상이한 방향으로 배향된 배향 영역들을 가지는 배향막(501) 및 상기 배향막 상에 존재하는 게스트호스트형 염료층(502)을 예시적으로 나타낸다.
배향막으로는, 인접하는 편광층 내의 중합성 액정 화합물의 배향을 적절하게 조절할 수 있는 것이라면 어떠한 종류도 사용될 수 있고, 예를 들면, 러빙 배향막과 같이 접촉식 배향막이거나 또는 광배향막 화합물을 포함하여, 예를 들면, 직선 편광의 조사 등과 같은 비접촉식 방식에 의해 배향 특성을 나타낼 수 있는 것으로 공지된 배향막을 사용할 수 있다.
배향막으로는, 예를 들어, 광배향성 화합물을 포함하는 광배향막을 사용할 수 있다. 본 출원에서 용어 광배향성 화합물은, 광의 조사를 통하여 소정 방향으로 정렬(orientationally ordered)되고, 상기 정렬 상태에서 인접하는 액정 화합물 등을 역시 소정 방향으로 배향시킬 수 있는 화합물을 의미할 수 있다. 배향성 화합물은, 단분자 화합물, 단량체성 화합물, 올리고머성 화합물 또는 고분자성 화합물일 수 있다.
광배향성 화합물은, 광감응성 잔기(photosensitive moiety)를 포함하는 화합물일 수 있다. 액정 화합물의 배향에 사용될 수 있는 광배향성 화합물은 다양하게 공지되어 있다. 광배향성 화합물로는, 예를 들면, 트랜스-시스 광이성화(trans-cis photoisomerization)에 의해 정렬되는 화합물; 사슬 절단(chain scission) 또는 광산화(photo-oxidation) 등과 같은 광분해(photo-destruction)에 의해 정렬되는 화합물; [2+2] 첨가 환화([2+2] cycloaddition), [4+4] 첨가 환화 또는 광이량화(photodimerization) 등과 같은 광가교 또는 광중합에 의해 정렬되는 화합물; 광 프리즈 재배열(photo-Fries rearrangement)에 의해 정렬되는 화합물 또는 개환/폐환(ring opening/closure) 반응에 의해 정렬되는 화합물 등을 사용할 수 있다. 트랜스-시스 광이성화에 의해 정렬되는 화합물로는, 예를 들면, 술포화 디아조 염료(sulfonated diazo dye) 또는 아조고분자(azo polymer) 등의 아조 화합물이나 스틸벤 화합물(stilbenes) 등이 예시될 수 있고, 광분해에 의해 정렬되는 화합물로는, 시클로부탄 테트라카복실산 이무수물(cyclobutane-1,2,3,4-tetracarboxylic dianhydride), 방향족 폴리실란 또는 폴리에스테르, 폴리스티렌 또는 폴리이미드 등이 예시될 수 있다. 또한, 광가교 또는 광중합에 의해 정렬되는 화합물로는, 신나메이트(cinnamate) 화합물, 쿠마린(coumarin) 화합물, 신남아미드(cinnamamide) 화합물, 테트라히드로프탈이미드(tetrahydrophthalimide) 화합물, 말레이미드(maleimide) 화합물, 벤조페논 화합물 또는 디페닐아세틸렌(diphenylacetylene) 화합물이나 광감응성 잔기로서 찰코닐(chalconyl) 잔기를 가지는 화합물(이하, 찰콘 화합물) 또는 안트라세닐(anthracenyl) 잔기를 가지는 화합물(이하, 안트라세닐 화합물) 등이 예시될 수 있고, 광 프리즈 재배열에 의해 정렬되는 화합물로는 벤조에이트(benzoate) 화합물, 벤조아미드(benzoamide) 화합물, 메타아크릴아미도아릴 (메타)아크릴레이트(methacrylamidoaryl methacrylate) 화합물 등의 방향족 화합물이 예시될 수 있으며, 개환/폐환 반응에 의해 정렬하는 화합물로는 스피로피란 화합물 등과 같이 [4+2] π 전자 시스템([4+2] π electronic system)의 개환/폐환 반응에 의해 정렬하는 화합물 등이 예시될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
광배향성 화합물은, 단분자 화합물, 단량체성 화합물, 올리고머성 화합물 또는 고분자성 화합물이거나, 상기 광배향성 화합물과 고분자의 블랜드(blend) 형태일 수 있다. 상기에서 올리고머성 또는 고분자성 화합물은, 상기 기술한 광배향성 화합물로부터 유도된 잔기 또는 상기 기술한 광감응성 잔기를 주쇄 내 또는 측쇄에 가질 수 있다.
광배향성 화합물로부터 유도된 잔기 또는 광감응성 잔기를 가지거나, 상기 광배향성 화합물과 혼합될 수 있는 고분자로는, 폴리노르보넨, 폴리올레핀, 폴리아릴레이트, 폴라아크릴레이트, 폴리(메타)아크릴레이트, 폴리이미드, 폴리암산(poly(amic acid)), 폴리말레인이미드, 폴리아크릴아미드, 폴리메타크릴아미드, 폴리비닐에테르, 폴리비닐에스테르, 폴리스티렌, 폴리실록산, 폴리아크릴니트릴 또는 폴리메타크릴니트릴 등이 예시될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
배향성 화합물에 포함될 수 있는 고분자로는, 대표적으로는 폴리노르보넨 신나메이트, 폴리노르보넨 알콕시 신나메이트, 폴리노르보넨 알릴로일옥시 신나메이트, 폴리노르보넨 불소화 신나메이트, 폴리노르보넨 염소화 신나메이트 또는 폴리노르보넨 디신나메이트 등이 예시될 수 있지만, 이에 제한되는 것은 아니다.
배향성 화합물이 고분자성 화합물인 경우에 상기 화합물은, 예를 들면 약 10,000 g/mol 내지 500,000 g/mol 정도의 수평균분자량을 가질 수 있지만, 이에 제한되는 것은 아니다.
배향층 또는 배향층을 형성하는 전구 물질은 상기 광배향성 화합물에 추가로 광개시제를 포함할 수 있다. 광개시제로는, 예를 들면, 광의 조상 의하여 자유 라디칼 반응을 유도할 수 있는 것이라면 특별한 제한없이 사용할 수 있다. 이러한 광개시제로는, 알파 히드록시 케톤 화합물, 알파 아미노 케톤 화합물, 페닐 글리옥실레이트 화합물 또는 옥심 에스테르 화합물 등이 예시될 수 있고, 예를 들면, 옥심 에?르 화합물이 사용될 수 있다. 전구 물질 내에서 광개시제의 비율은 특별히 제한되지 않고, 적절한 반응을 유도할 수 있는 정도로 포함되면 된다.
광배향막의 배향은 서로 다른 방향으로 배향된 제 1 및 제 2 배향 영역을 포함하도록 수행될 수 있으며, 상기 배향과정은 직선 편광된 광의 조사를 통해 수행될 수 있다. 상기 배향 과정에서 상기 배향층의 적어도 일부 영역은 서로 상이한 방향으로 편광된 직선 편광에 동시에 또는 순차로 노출될 수 있다.
광학 소자는 또한, 제 1 및 제 2 편광층의 어느 일면에 존재하는 기재층을 추가로 포함할 수 있다. 광학 소자가 배향막을 추가로 포함하는 경우, 상기 기재층 상에 배향막 및 편광층이 순차로 형성되어 있을 수 있다. 기재층으로는, 특별한 제한 없이 공지의 기재층 소재를 사용할 수 있다. 기재층으로는, 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. 기재층으로는, 또한, 광학적으로 등방성인 기판 또는 위상차층과 같이 광학적으로 이방성인 기판을 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. 기재층에는, 필요에 따라서 금, 은, 이산화 규소 또는 일산화 규소 등의 규소 화합물의 코팅층이나, 반사 방지층 등의 코팅층이 존재할 수도 있다.
본 출원은 또한, 상기 광학 소자의 용도에 관한 것이다. 광학 소자는, 전술한 바와 같이, 제 1 및 제 2 편광층의 상대적 위치 변화에 기초하여 광 투과량을 조절할 수 있고, 예를 들어, 투과 모드와 차단 모드의 사이를 스위칭할 수 있다. 또한, 광학 소자는 중합성 액정 화합물 및 이색성 염료를 포함하는 게스트호스트형 염료층을 이용하여 편광 특성이 패턴화되어 있는 편광층을 사용함으로써 별도의 위상차 필름 없이도 정면뿐만 아니라 측면에서도 투과 및 차단 특성이 우수한 스마트 블라인드를 구현할 수 있다. 이러한 광학 소자는, 예를 들어, 광변조 장치로 사용될 수 있다. 광변조 장치로는, 스마트 블라인드, 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 광 변조 장치를 구성하는 방식은 특별히 제한되지 않고, 상기 광학 소자가 사용되는 한 통상적인 방식이 적용될 수 있다.
본 출원의 광학 소자는 중합성 액정 화합물 및 이색성 염료를 포함하는 게스트호스트형 염료층을 이용하여 편광 특성이 패턴화되어 있는 편광층으로 사용함으로써 별도의 위상차 필름 없이도 정면뿐만 아니라 측면에서도 투과 및 차단 특성이 우수한 스마트 블라인드를 구현할 수 있다. 이러한 광학 소자는, 예를 들어, 스마트 블라인드, 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 1은 본 출원의 광학 소자를 예시적으로 나타낸다.
도 2 내지 3은 각각 제 1 및 제 2 편광층을 예시적으로 나타낸다.
도 4는 종래 스마트 블라인드를 예시적으로 나타낸다.
도 5는 배향막 및 게스트호스트형 염료층을 예시적으로 나타낸다.
도 6은 실시예 1에서 제조된 제 1 편광층의 이미지를 나타낸다.
도 7 은 실시예 1의 광학 소자의 차단 모드(a) 및 투과 모드(b)의 정면 이미지를 나타낸다.
도 8은 실시예 1의 광학 소자의 차단 모드(a) 및 투과 모드(b)의 측면 이미지를 나타낸다.
도 9는 비교예 1의 광학 소자의 차단 모드(a) 및 투과 모드(b)의 측면 이미지를 나타낸다.
도 10은 평가예 1의 측면에서 색 변화 측정 원리를 나타낸다.
도 11 은 실시예 1 및 비교예 1의 광학 소자의 투과 모드에서 측면 색 변화 측정 결과를 나타낸다.
도 12는 실시예 1 및 비교예 1의 광학 소자의 차단 모드에서 측면 색 변화 측정 결과를 나타낸다.
이하 본 발명에 따르는 실시예를 통하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명하지만, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 의해 제한되는 것은 아니다.
실시예 1
유리의 일면에 광배향막 형성용 조성물을 건조 후의 두께가 약 1,000 Å이 되도록 코팅하고, 80℃의 오븐에서 2 분 동안 건조시켰다. 상기에서 광배향막 형성용 조성물로는, 5-노보넨-2-메틸신나메이트(제조사: LG화학)를 톨루엔 용매에 고형분 농도가 2 wt%가 되도록 용해시켜 제조한 조성물을 사용하였다.
이어서, 상기 건조된 광배향막 형성용 조성물을 한국 특허출원 제2010-0009723호에 개시된 방법에 따라 배향 처리하여, 서로 다른 방향으로 배향된 제 1 및 제 2 배향 영역을 포함하는 광배향막을 형성하였다. 구체적으로는 상기 건조된 조성물의 상부에 폭이 약 450 ㎛인 스트라이프 형상의 광투과부 및 광차단부가 상하 및 좌우로 교대로 형성되어 있는 패턴 마스크를 위치시키고, 또한 상기 패턴 마스크의 상부에는 각각 서로 다른 편광을 투과시키는 두개의 영역이 형성된 편광판을 위치시켰다. 그 후, 상기 광배향막이 형성되어 있는 유리를 약 3 m/min의 속도로 이동시키면서, 상기 편광판 및 패턴 마스크를 매개로 광배향막 형성용 조성물에 자외선(300 mW/cm2)을 약 30초 동안 조사하여 배향 처리를 수행하였다. 이어서, 배향 처리된 배향층 상에 이색성 염료(G241, 나가세 社)와 중합성 액정 화합물(LC 242, BASF 社)를 포함하는 편광 조성물(G241:LC242=1:20(중량부))을 약 1㎛ 의 건조 두께가 되도록 도포하고, 하부의 배향층에 배향에 따라 배향시킨 후에, 자외선(300mW/cm2)을 약 10초 동안 조사하여 액정을 가교 및 중합시켜, 하부 광배향막의 배향에 따라서 서로 직교하는 흡수축을 가지는 제 1 및 제 2 영역이 형성되어 있는 편광 물질층을 형성하여 제 1 편광층을 제조하였다. 도 6은 실시예 1에서 제조된 제 1 편광층의 이미지를 나타낸다.
다음으로, 제 1 편광층의 제조 방법과 동일한 방법에 의하여 제 2 편광층을 제조한 후, 상기 제 1 및 제 2 편광층이 서로 마주보도록 배치하여 스마트 블라인드를 제조하였다.
마주보는 제 1 및 제 2 편광층의 영역들의 흡수축이 서로 평행을 이루도록 배치하여 투과 모드(white mode)를 구현하였고, 마주보는 제 1 및 제 2 편광층의 각 영역의 흡수축이 서로 수직을 이루도록 제 2 편광층의 상대적 위치를 변화하여 차단 모드(black mode)를 구현하였다. 도 7은 실시예 1의 스마트 블라인드의 차단 모드(a) 및 투과 모드(b)의 정면 이미지를 나타낸다. 또한 도 8은 실시예 1의 스마트 블라인드의 차단 모드(a) 및 투과 모드(b)를 정면에서 약 30° 내지 50°범위 내의 측면에서 관찰한 이미지를 나타낸다. 도 7 및 도 8에 나타낸 바와 같이, 실시예 1의 스마트 블라인드는 정면뿐만 아니라 측면에서 관찰한 경우에도 균일한 편광 특성을 나타내며, 전체적으로 우수한 투과 및 차단 특성을 나타내는 것을 확인할 수 있다.
비교예 1
일 방향으로 형성된 흡수축을 가지는 편광층상에, 광축이 서로 수직한 제 1 및 제 2 영역이 공통 방향으로 연장하는 스트라이프 형상을 가지면서 서로 교대로 배치되어 있는 1/4 파장판을 적층하여 제 1 편광 유닛을 제조하였다. 다음으로, 상기 제 1 편광 유닛의 제조 방법과 동일한 방법에 의하여 제 2 편광 유닛을 제조하였다. 상기 편광층으로는, 요오드 염착 PVA 연신 필름(제조사: LG화학)을 사용하였고, 1/4 파장판으로는, 상기 실시예 1에서 제조된 광배향막 상에 중합성 액정 화합물(LC 242, BASF 社)을 포함하는 액정 조성물을 약 1㎛ 의 건조 두께가 되도록 도포하고, 하부의 배향막의 배향에 따라 배향시킨 후에, 자외선(300mW/cm2)을 약 10초 동안 조사하여 액정을 가교 및 중합시켜 제조한 액정 필름을 사용하였다.
다음으로, 제 1 및 제 2 편광 유닛의 1/4 파장판이 서로 마주보도록 제 1 및 제 2 편광 유닛을 배치하되, 제 1 및 제 2 편광 유닛의 편광층의 흡수축은 서로 수직하도록 배치하여 비교예 1의 스마트 블라인드를 제조하였다.
제 1 및 제 2 편광 유닛의 마주보는 1/4 파장판의 각 영역의 광축이 서로 평행을 이루도록 배치하여 투과 모드(white mode)를 구현하였고, 마주보는 1/4 파장판의 각 영역의 광축이 서로 수직을 이루도록 제 2 편광 유닛의 상대적 위치를 변화하여 차단 모드(black mode)를 구현하였다. 도 9는 비교예 1의 스마트 블라인드의 차단 모드(a) 및 투과 모드(b)를 정면에서 약 30° 내지 50°범위 내의 측면에서 관찰한 이미지를 나타낸다. 도 9에 나타낸 바와 같이, 비교예 1의 스마트 블라인드는 측면에서 관찰하는 경우 광축 편차로 인하여 균일한 편광 특성을 얻을 수 없고 이로 인하여 측면에서 균일한 시감을 구현할 수 없음을 확인할 수 있다.
평가예 1. 측면에서의 색 변화 관찰
실시예 1 및 비교예 1에서 제조된 광학 소자를 BLU(Black light Unit) 상에 전술한 투과 모드(white mode) 또는 차단 모드(black mode)를 구현하도록 배치하고, ELDIM 장비를 이용하여 도 10에 나타낸 바와 같이 입사각(incident angle) 50°에서 360°회전하면서 광학 소자의 색 변화를 측정하였고, 그 결과를 도 11 내지 도 12 및 하기 표 1에 나타내었다. 하기 표 1에서 △x는 x좌표의 최대 값과 최소 값의 차이를 의미하고, △y는 y좌표의 최대 값과 최소 값의 차이를 의미한다.
투과 모드 (white mode) 차단 모드 (black mode)
△x △y △x △y
실시예 1 0.024 0.042 0.048 0.086
비교예 1 0.195 9.160 0.103 0.118
도 11 내지 도 12 및 상기 표 1에 나타낸 바와 같이, 액정 필름과 편광판을 조합하여 사용하는 비교예 1의 경우, 실시예 1에 비하여 측면에서 보는 방향에 따라 색 변화가 큰 것을 확인할 수 있고, 이로부터 비교예 1의 경우 측면에서 균일한 시감을 구현하기 어렵다는 것을 알 수 있다. 특히, 도 9의 (b)에 나타낸 바와 같이, 비교예 1은 측면에서 투과 모드(white mode)를 관찰할 경우 균일한 색을 나타내지 못하고 노란색과 파란색을 나타내는 것을 확인할 수 있는데, 이는 도 11의 (a)에 나타낸 바와 같이 비교예 1의 경우 투과 모드(white mode)에서 회전에 따라 노란색부터 파란색까지 색 변화가 생기는 현상에 기인하는 것으로 사료된다.
101, 102: 제 1 및 제 2 편광층
1011, 1021: 제 1 영역
1021, 1022: 제 2 영역
401, 404: 일 방향으로 형성된 투과축을 가지는 편광층
402, 403: 패턴화된 위상차 필름
501: 배향막
502: 게스트호스트형 염료층

Claims (14)

  1. 각각 제 1 방향으로 형성된 흡수축을 가지는 제 1 영역과 상기 제 1 방향과는 상이한 제 2 방향으로 형성된 흡수축을 가지는 제 2 영역을 포함하는 제 1 및 제 2 편광층이 서로 마주보도록 배치되어 포함되어 있고, 상기 제 1 및 제 2 편광층 중 적어도 하나는 중합성 액정 화합물 및 이색성 염료를 포함하는 게스트호스트형 염료층인 광학 소자.
  2. 제 1 항에 있어서, 제 1 및 제 2 영역은 서로 공통 방향으로 연장하는 스트라이프 형상을 가지면서 서로 교대로 배치되어 있는 광학 소자.
  3. 제 1 항에 있어서, 제 1 편광층의 제 1 영역은 제 2 편광층의 제 1 영역과 마주보도록 배치되어 있는 제 1 상태에서 상기 제 1 편광층의 제 1 영역이 상기 제 2 편광층의 제 2 영역과 마주보는 제 2 상태로 이동될 수 있도록 상기 제 1 및 제 2 편광층의 상대적 위치가 변경될 수 있도록 제 1 및 제 2 편광층이 배치되어 있는 광학 소자.
  4. 제 3 항에 있어서, 제 1 편광층의 제 1 영역과 제 2 편광층의 제 1 영역은 흡수축이 서로 평행을 이루도록 배치되어 있으며, 제 1 편광층의 제 2 영역과 제 2 편광층의 제 2 영역은 흡수축이 서로 평행을 이루도록 배치되어 있는 광학 소자.
  5. 제 3 항에 있어서, 제 1 편광층의 제 1 영역과 제 2 편광층의 제 2 영역의 흡수축은 서로 수직을 이루도록 배치되어 있으며, 제 1 편광층의 제 2 영역과 제 2 편광층의 제 1 영역의 흡수축은 서로 수직을 이루도록 배치되어 있는 광학 소자.
  6. 제 1 항에 있어서, 제 1 및 제 2 편광층은 각각, 중합성 액정 화합물 및 이색성 염료를 포함하는 게스트호스트형 염료층인 광학 소자.
  7. 제 1 항에 있어서, 염료층은 중합성 액정 화합물 및 이색성 염료를 포함하는 편광 물질의 코팅층인 광학 소자.
  8. 제 1 항에 있어서, 중합성 액정 화합물은 수평 배항된 상태로 제 1 편광층 또는 제 2 편광층에 포함되어 있는 광학 소자.
  9. 제 1 항에 있어서, 이색성 염료는 400 nm 내지 700 nm 파장 범위 내에서 최대 흡광도를 나타내는 광학 소자.
  10. 제 1 항에 있어서, 이색성 염료의 이색비는 5 이상인 내인 광학 소자.
  11. 제 1 항에 있어서, 제 1 및 제 2 편광층의 일면에 형성되어 있는 배향막을 추가로 포함하는 광학 소자.
  12. 제 11 항에 있어서, 배향막은 광배향성 화합물을 포함하는 광배향막인 광학 소자.
  13. 제 1 항에 있어서, 제 1 및 제 2 편광층의 일면에 형성되는 있는 기재층을 추가로 포함하는 광학 소자.
  14. 제 1 항의 광학 소자를 포함하는 스마트 블라인드.
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