KR20160100574A - 액정 소자 - Google Patents

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Abstract

본 출원은, 액정 소자, 액정 소자의 제조 방법 및 액정 소자의 용도에 대한 것이다. 본 출원의 액정 소자는 차광율 가변 특성이 우수하다. 이러한 액정 소자는 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

액정 소자{Liquid Crystal Device}
본 출원은, 액정 소자, 액정 소자의 제조방법 및 액정 소자의 용도에 관한 것이다.
LCD(Liquid Crystal Display)는, 액정 화합물을 배향시키고, 전압의 인가를 통해 배향을 스위칭시켜서 화상을 구현한다. LCD의 제조 공정은 고비용의 공정이고, 대형의 생산 라인 및 설비가 필요하다.
폴리머 내에 액정 화합물을 분산시켜서 구현되는 소위 PDLC(Polymer Dispersed Liquid Crystal, 본 명세서에서 용어 PDLC는 소위 PNLC(Polymer Network Liquid Crystal)나 PSLC(Polymer Stabilized Liquid Crystal) 등을 포함하는 상위 개념이다.)가 알려져 있다. PDLC는, LCD보다 간단한 공정으로 제조할 수 있다.
특허문헌 1 등에 기재된 바와 같이 PDLC 내에서 통상 액정 화합물은 배향되어 있지 않은 상태로 존재한다. 따라서 PDLC는 전압이 인가되지 않은 상태에서는 뿌연 불투명 상태이고, 이러한 상태는 소위 산란 모드로 호칭된다. PDLC에 전압이 인가되면, 액정 화합물이 그에 따라 정렬되어 투명한 상태가 되는데, 이를 이용하여 투과 모드와 산란 모드의 스위칭이 가능하다.
한국공개특허 제1993-0013794호
본 출원은, 액정 소자, 액정 소자의 제조방법 및 액정 소자의 용도를 제공한다.
본 출원의 예시적인 액정 소자는 액정층을 가질 수 있다. 액정층은 2개 이상의 격벽을 가질 수 있다. 2개 이상의 격벽은 폴리머 네트워크 및 상기 폴리머 네트워크 내에 분산되어 있는 제 1 액정 화합물을 포함할 수 있다. 액정층은, 또한, 제 2 액정 화합물 및 이방성 염료를 포함할 수 있다. 제 2 액정 화합물 및 이방성 염료는 상기 2개 이상의 격벽들의 사이에 형성되는 영역에 존재할 수 있다. 도 1은 이러한 액정 소자를 예시적으로 나타낸다. 도 1에 나타낸 바와 같이, 액정 소자는 폴리머 네트워크(1011) 및 상기 폴리머 네트워크 내에 분산되어 있는 제 1 액정 화합물(1012)을 포함하는 2개 이상의 격벽(101); 및 상기 2개 이상의 격벽들의 사이에 형성되는 영역(102)에 존재하는 제 2 액정 화합물(1021) 및 이방성 염료(1022)를 포함하는 액정층(1)을 포함할 수 있다.
본 출원에서 제 1 액정 화합물은 폴리머 네트워크와는 상분리된 상태로 폴리머 네트워크 내에 존재할 수 있다. 또한, 제 1 액정 화합물은 배향이 스위칭 가능하도록 폴리머 네트워크 내에 분산된 상태로 포함되어 있을 수 있다. 제 2 액정 화합물 및 이방성 염료는 격벽에 의하여 폴리머 네트워크와는 분리된 상태로 액정층 내에 존재할 수 있다. 또한, 제 2 액정 화합물 및 이방성 염료도 배향이 스위칭 가능하도록 격벽들의 사이에 형성되는 영역 내에 포함되어 있을 수 있다. 본 명세서에서 「액정 화합물 또는 이방성 염료의 배향이 스위칭 가능하다는 것」은 액정 화합물 또는 이방성 염료의 정렬 방향이 전압의 인가와 같은 외부 작용에 의해 변경될 수 있다는 것을 의미한다.
제 1 액정 화합물, 제 2 액정 화합물 또는 이방성 염료는 초기 상태에서 정렬되지 않은 상태로 존재할 수 있다. 본 명세서서 용어 「초기 상태」는, 외부 전압과 같이 액정 화합물 또는 이방성 염료의 배향에 영향을 미칠 수 있는 외부 작용이 존재하지 않는 상태를 의미할 수 있다. 액정 화합물 또는 이방성 염료의 초기 상태는 외부 작용에 의해 변환될 수도 있고, 외부 작용이 사라지면 다시 초기 상태로 복귀할 수 있다. 예를 들면, 액정 화합물이 초기 상태에서 정렬되지 않은 상태로 존재할 경우 외부 작용에 의해 정렬되지 않은 상태로 변환될 수 있고, 외부 전압이 사라지면 다시 정렬되지 않은 상태로 복귀할 수 있다.
본 출원에서 폴리머 네트워크는 중합성 화합물을 포함하는 전구 물질의 네트워크일 수 있고, 상기 중합성 화합물은 중합된 상태로 폴리머 네트워크를 형성할 수 있다. 중합성 화합물로는, 예를 들면, 소위 PDLC의 폴리머 네트워크를 형성할 수 있는 것으로 알려진 하나 이상의 중합성 관능기를 가지는 화합물을 사용할 수 있다. 또는 필요한 경우 중합성 관능기가 없는 비중합성 화합물을 추가로 사용할 수 있다. 중합성 관능기로는 예를 들어, 알케닐기, 에폭시기, 시아노기, 카복실기, (메타)아크릴로일기 또는 (메타)아크릴로일옥시기 등이 예시될 수 있고, 본 출원의 일 실시예에 따르면, (메타)아크릴로일기를 가지는 화합물을 사용할 수 있다. 보다 구체적으로, 중합성 화합물로는 일 관능성 아크릴레이트, 이 관능성 아크릴레이트, 다관능성 아크릴레이트 또는 우레탄 아크릴레이트 다관능성 올리고머를 사용할 수 있다.
폴리머 네트워크는, 예를 들어, 일 관능성 아크릴레이트, 이 관능성 아크릴레이트, 3 관능 이상의 다 관능성 아크릴레이트 및 우레탄 아크릴레이트 다관능성 올리고머 중 1종 이상을 포함할 수 있고, 이들의 비율은 본 출원의 목적을 손상시키지 않는 범위 내에서 적절히 조절될 수 있다. 본 출원의 일 실시예에 따르면, 폴리머 네트워크는 일 관능성 아크릴레이트 10 내지 90 중량부, 이 관능성 아크릴레이트 1 내지 90 중량부, 다 관능성 아크릴레이트 1 내지 50 중량부 및 우레탄 아크릴레이트 다관능성 올리고머를 1 내지 50 중량부로 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
이관능성 아크릴레이트로는, 예를 들어 하기 화학식 1로 표시되는 화합물을 사용할 수 있다.
[화학식 1]
Figure pat00001
화학식 1에서 R은 각각 독립적으로 수소 또는 탄소수 1 내지 4의 알킬기이고, X는 탄소수 1 내지 20의 알킬렌기 또는 알킬리덴기이다.
다관능성 아크릴레이트로는, 예를 들어 하기 화학식 2로 표시되는 화합물을 사용할 수도 있다.
[화학식 2]
Figure pat00002
화학식 2에서 n은 3 이상의 수이고, m은 0 내지 5의 수이며, R은 각각 독립적으로 수소 또는 탄소수 1 내지 4의 알킬기이고, X는 (m+n)가의 라디칼이며, Y는 수소 또는 알킬기이다.
일관능성 아크릴레이트로는, 예를 들면, 하기 화학식 3로 표시되는 화합물을 사용할 수 있다.
[화학식 3]
Figure pat00003
화학식 3에서 R은 수소 또는 탄소수 1 내지 4의 알킬기이고, X는 탄소수 1 내지 20의 알킬기이다.
화학식 1 내지 3에서 R 또는 Y에 존재할 수 있는 알킬기의 예로는 메틸기 또는 에틸기를 들 수 있다.
화학식 1에서 X의 알킬렌기 또는 알킬리덴기는, 예를 들면, 탄소수 1 내지 16, 탄소수 1 내지 12, 탄소수 1 내지 10, 탄소수 1 내지 8, 탄소수 2 내지 8 또는 탄소수 4 내지 8의 알킬렌기 또는 알킬리덴기일 수 있다. 상기는, 예를 들면, 직쇄, 분지쇄 또는 고리형일 수 있다.
화학식 2에서 n은, 3 이상, 3 내지 8, 3 내지 7, 3 내지 6, 3 내지 5 또는 3 내지 4의 범위 내의 어느 하나의 수일 수 있다. 또한, 화학식 2에서 m은 0 내지 5, 0 내지 4, 0 내지 3, 0 내지 2 또는 0 내지 1의 범위 내의 어느 하나의 수일 수 있다.
화학식 2에서 X는 (m+n)가의 라디칼이고, 예를 들면, 예들 들면, 탄소수 2 내지 20, 탄소수 2 내지 16, 탄소수 2 내지 12, 탄소수 2 내지 8 또는 탄소수 2 내지 6의 하이드로카본, 예를 들면, 직쇄 또는 분지쇄의 알칸으로부터 유도된 (m+n)가 라디칼일 수 있다.
화학식 3에서 X의 알킬기는, 예를 들면, 탄소수 1 내지 20, 탄소수 1 내지 16, 탄소수 1 내지 12, 탄소수 4 내지 12, 탄소수 6 내지 12의 직쇄 또는 분지쇄 알킬기일 수 있다.
화학식 1 내지 3에서 정의된 치환기, 예를 들면, 알킬기, 알킬렌기, 알킬리덴기 또는 (m+n)가 라디칼 등은, 필요하다면 하나 이상의 치환기에 의해 치환되어 있을 수 있고, 이 때 치환기로는, 예를 들면, 알킬기, 알콕시기, 에폭시기, 옥소기, 옥세타닐기, 티올기, 시아노기, 카복실기 또는 아릴기 등이 예시될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
다관능성 올리고머로는 예를 들어 아크릴로일기 또는 메타크릴로일기를 2개 이상 가지는 올리고머(이하, 아크릴레이트 다관능성 올리고머로 호칭될 수 있다.)를 사용할 수 있다. 아크릴레이트 다관능성 올리고머로는 경화성 등을 고려하여 2개의 아크릴로일기 또는 메타크로일기를 가지는 화합물을 사용할 수 있다. 아크릴레이트 다관능성 올리고머로는 예를 들어 우레탄 아크릴레이트 다관능 올리고머를 사용할 수 있다. 우레탄 아크릴레이트 다관능성 올리고머로는, 예를 들어, 하기 화학식 4로 표시되는 화합물을 사용할 수 있다.
[화학식 4]
Figure pat00004
상기 화학식 4에서 R1은 수소 또는 메틸기이고, R2는 탄소수 2 내지 12의 지방족 알킬기이며, R3는 톨루엔, 디페닐메탄, 헥사메틸렌, 이소포론, 테트라메틸자일렌, 디사이클로헥실메탄, 나프탈렌 또는 페닐렌이고, X는 -(CH2CH2O)m-CH2CH2 -또는 -(CH2CH(CH3)O)m-CH2CH(CH3)-이며, m1 및 m2는, 각각 1 이상의 정수이며, n은 1 내지 20 범위 내의 정수이다.
다관능성 올리고머의 중량평균분자량은, 목적하는 물성을 손상시키지 않는 범위 내에서 적절히 선택될 수 있다. 예를 들어, 올리고머는, 1,500 이상, 1,600 이상, 1,700 이상, 1,800이상, 1,900 이상, 2,000 이상, 2,100 이상, 2,200 이상, 2,300 이상, 2,400 이상 또는 2,500 이상일 수 있고, 상한은 7,000 이하, 6,800 이하, 6,600 이하, 6,400 이하, 6,200 이하, 6,000 이하, 5,800 이하, 5,600 이하, 5,400 이하, 5,200 이하 또는 5,000 이하의 중량평균분자량을 가질 수 있다.
본 명세서에서 알킬기는, 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 알킬기일 수 있다. 상기 알킬기는 임의적으로 하나 이상의 치환기에 의해 치환되어 있을 수 있다.
본 명세서에서 아릴기 또는 아릴렌기는, 특별히 달리 규정하지 않는 한, 벤젠을 포함하거나 또는 2개 이상의 벤젠이 2개 또는 1개의 탄소 원자를 공유하면서 축합되거나 결합되어 있는 구조를 포함하는 방향족 화합물 또는 그 유도체로부터 유래하는 1가 잔기 또는 2가 잔기를 의미할 수 있다. 상기 아릴기 또는 아릴렌기는, 예를 들면, 탄소수 6 내지 22, 탄소수 6 내지 20, 탄소수 6 내지 18, 탄소수 6 내지 16, 탄소수 6 내지 14 또는 탄소수 6 내지 12의 아릴기 또는 아릴렌기일 수 있으며, 상기 아릴기 또는 아릴렌기는 임의적으로 하나 이상의 치환기에 의해 치환되어 있을 수 있다.
본 명세서에서 알킬렌기 또는 알킬리덴기는, 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 알킬렌기 또는 알킬리덴기를 의미할 수 있다. 상기 알킬렌기 또는 알킬리덴기는, 예를 들면, 직쇄, 분지쇄 또는 고리형일 수 있다. 또한, 상기 알킬렌기 또는 알킬리덴기는 임의적으로 하나 이상의 치환기에 의해 치환되어 있을 수 있다.
본 명세서에서 알킬기, 아릴기, 알킬렌기 또는 알킬리덴기 등에 치환되어 있을 수 있는 치환기로는, 염소, 브롬 또는 요오드 등과 같은 할로겐 원자, 알킬기, 알콕시기, 알케닐기, 에폭시기, 옥소기, 옥세타닐기, 티올기, 시아노기, 카복실기, 아크릴로일기, 메타크릴로일기, 아크릴로일옥시기, 메타크릴로일옥시기 또는 아릴기 등이 예시될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
전구 물질에 포함될 수 있는 중 경화성 화합물로는 전술한 물질 중의 1종 또는 2종 이상의 혼합이 선택되거나, 혹은 상기 외에 PDLC의 폴리머 네트워크를 형성할 수 있는 것으로 공지된 물질 또는 그 물질과 상기 물질 중 1종 또는 2종 이상의 혼합물도 사용될 수 있다.
폴리머 네트워크 또는 그 전구 물질은, 상기 언급한 화합물에 추가로 필요한 경우에 용매, 라디칼 또는 양이온 개시제, 염기성 물질, 네트워크를 형성할 수 있는 기타 반응성 화합물, 액정 화합물 또는 계면 활성제 등의 첨가제를 추가로 포함할 수 있다.
제 1 액정 화합물로는, 폴리머 네트워크 내에서 배향이 스위칭될 수 있는 상태로 존재할 수 있고, 그 배향의 스위칭에 의해 액정 소자의 광변조 특성을 조절할 수 있는 것이라면 특별한 제한 없이 다양한 종류를 사용 가능하다. 예를 들면, 제 1 액정 화합물로는, 그 배향이 소정 방향으로 규칙적으로 정렬되어 있지 않고 랜덤하게 배치된 경우에 폴리머 네트워크와의 작용을 통해 광의 산란을 유도할 수 있고, 그 배향이 소정 방향으로 규칙적으로 정렬된 경우에는 그 배향 방향에 따라 투과 모드 또는 적절한 위상차를 나타내는 모드로 작용할 수 있는 화합물을 사용할 수 있다.
제 1 액정 화합물로는 예를 들어 스멕틱(smectic) 액정 화합물, 네마틱(nematic) 액정 화합물 또는 콜레스테릭(cholesteric) 액정 화합물 등을 사용할 수 있다. 액정 화합물은, 폴리머 네트워크와는 결합되어 있지 않으며, 외부에서 전압이 인가될 경우에 그에 따라서 배향이 변경될 수 있는 형태일 수 있다. 이를 위하여, 예를 들면, 액정 화합물은, 경화성기 또는 중합성기를 가지지 않는 화합물일 수 있다.
하나의 예시에서 제 1 액정 화합물로는, 예를 들면, 하기 수식 A를 만족하는 네마틱 액정 화합물을 사용할 수 있다.
[수식 A]
(ne+no)/2 - b ≤ {(2no 2 + ne 2)/3}0.5 ≤ (ne+no)/2 + b
수식 A에서 ne는 액정 화합물의 이상 굴절률이고, no는 액정 화합물의 정상 굴절률이며, b는 0.1 내지 1의 범위 내의 어느 한 수이다. 수식 A에서 b는 다른 예시에서는 0.1 내지 0.9, 0.1 내지 0.7, 0.1 내지 0.5 또는 0.1 내지 0.3일 수 있다.
제 1 액정 화합물로는, 예를 들어 양의 유전율 이방성 또는 음의 유전율 이방성을 가지는 액정 화합물을 사용할 수 있다. 본 출원에서 유전율 이방성은 이상 유전율(장축 방향의 유전율, εe, extraordinary dielectric anisotropy)과 정상 유전율(단축 방향의 유전율, εo, ordinary dielectric anisotropy)의 차이를 의미하고, 양의 유전율 이방성은 이상 유전율이 정상 유전율에 비해 큰 경우를 의미하며, 음의 유전율 이방성은 이상 유전율이 정상 유전율이 비해 작은 경우를 의미한다. 제 1 액정 화합물은 이상 유전율과 정상 유전율의 차이가 4 이상, 6 이상, 8 이상 또는 10 이상일 수 있다. 이러한 유전율을 가지면 구동 전압 특성이 우수한 소자를 제공할 수 있다. 상기 유전율의 차이는, 그 수치가 높을수록 소자가 적절한 특성을 나타낼 수 있는 것으로, 그 상한은 특별히 제한되지 않는다. 예를 들어, 액정 화합물로는 이상 유전율이 6 내지 50 정도이고, 정상 유전율이 2.5 내지 7 정도인 화합물을 사용할 수 있다.
격벽은, 폴리머 네트워크 5 중량부 내지 80 중량부 및 제 1 액정 화합물 30 중량부 내지 99 중량부를 포함할 수 있다. 다른 하나의 예시에서, 격벽은 폴리머 네트워크 5 중량부 내지 65 중량부 및 액정 화합물 35 중량부 내지 95 중량부, 폴리머 네트워크 5 중량부 내지 60 중량부 및 액정 화합물 40 중량부 내지 95 중량부, 폴리머 네트워크 5 중량부 내지 55 중량부 및 액정 화합물 55 중량부 내지 95 중량부, 폴리머 네트워크 5 중량부 내지 50 중량부 및 액정 화합물 50 중량부 내지 95 중량부, 폴리머 네트워크 5 중량부 내지 45 중량부 및 액정 화합물 55 중량부 내지 95 중량부, 폴리머 네트워크 5 중량부 내지 40 중량부 및 액정 화합물 60 중량부 내지 95 중량부, 폴리머 네트워크 5 중량부 내지 35 중량부 및 액정 화합물 65 중량부 내지 95 중량부, 폴리머 네트워크 5 중량부 내지 30 중량부 및 액정 화합물 70 중량부 내지 95 중량부, 폴리머 네트워크 5 중량부 내지 25 중량부 및 액정 화합물 75 중량부 내지 95 중량부, 폴리머 네트워크 20 중량부 내지 50 중량부 및 액정 화합물 80 중량부 내지 95 중량부 또는 폴리머 네트워크 5 중량부 내지 15 중량부 및 액정 화합물 85 중량부 내지 95 중량부을 포함할 수 있다. 이러한 중량 비율의 범위 내에서 목적 물성, 예를 들면, 폴리머 네트워크의 배향성이 적절하게 유지될 수 있다.
격벽의 폭, 높이, 격벽 간의 간격 및 액정층 내에서의 격벽의 면적 비율은 본 출원의 목적을 손상시키지 않는 범위 내에서 적절히 선택될 수 있다. 격벽의 폭은 예를 들어, 3㎛ 이상 내지 100㎛ 이하의 범위 내로, 격벽의 높이는 예를 들어 3㎛ 이상 내지 100 ㎛ 이하의 범위 내로, 격벽 간의 간격은 예를 들어 10㎛ 이상 내지 1000㎛ 이하의 범위 내로 조절될 수 있다. 또한, 액정층의 전체 면적 100% 대비 격벽의 면적 비율은 예를 들어 0.1% 내지 50% 범위 내로 조절될 수 있다. 격벽 또는 기둥의 배열 방식은 특별히 제한되지 않으며, 목적하는 배열 방식에 따라 규칙적으로 또는 불규칙적으로 배열될 수 있다.
격벽들의 사이에 형성되는 영역에는 전술한 바와 같이 제 2 액정 화합물 및 이방성 염료가 존재할 수 있다. 제 2 액정 화합물로는, 예를 들면 제 1 액정 화합물의 항목에서 기술한 액정 화합물 중에서 적절한 종류를 선택할 수 있다. 제 1 액정 화합물과 제 2 액정 화합물은 서로 동일하거나 또는 상이한 종류일 수 있다.
이방성 염료와 관련하여, 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. 상기와 같은 염료의 사용을 통해서 액정 소자가 표시 장치에 적용되었을 경우에 장치의 색감을 조절할 수 있다.
이방성 염료로는 특별히 제한되지 않으며, 상기와 같은 특성을 가지면서 액정 화합물의 배향에 따라 배향될 수 있는 특성을 가지는 것으로 공지된 모든 종류의 염료가 사용될 수 있다. 이방성 염료로는 예를 들어, 예를 들면 흑색 염료(black dye) 또는 컬러 염료(color dye)를 사용할 수 있다. 상기 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 이색비는 높을수록 차광율 개선 또는 컬러 구현에 효과적이므로 상한은 특별히 제한되지 않고 의도하는 컬러 구현의 정도를 고려하여 적절한 이색비를 가지는 이방성 염료를 선택하여 사용할 수 있다. 이색비의 상한은, 예를 들면 20, 18, 16 또는 14 정도일 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다.
예시적인 액정 소자는, 이러한 이방성 염료를 폴리머 네트워크와 물리적으로 분리된 상태로 포함할 수 있다. 따라서, 이방성 염료가 폴리머 네트워크 내로 오염되는 것을 방지함으로써 이방성 염료에 의한 투과도 저해 요인을 해소할 수 있으므로 우수한 차광율 가변 특성을 나타낼 수 있다. 또한, 이방성 염료가 폴리머 네트워크를 형성하기 위한 에너지를 차단하지 않으므로 폴리머 네트워크의 경화 특성이 향상되어 접착력이 향상될 수 있다. 또한, 이방성 염료가 폴리머 전구 물질 내의 개시제와 접촉하지 않으므로 염료가 개시제에 의하여 열화되어 컬러가 변색되는 문제점을 개선할 수 있다.
액정층의 두께는 목적하는 물성, 예를 들면 투과도 가변 특성 등을 손상시키지 않는 범위 내에서 적절히 선택될 수 있고, 예를 들면, 1㎛ 내지 10㎛ 정도의 범위 내에 있을 수 있다.
액정 소자는 액정층과 인접하는 기재층을 추가로 포함할 수 있다. 기재층은 예를 들어 격벽 또는 제 액정 화합물 및 이방성 염료가 존재하는 영역과 인접하고 있을 수 있다. 통상적으로, 액정층은 대향 배치된 2개의 기재층의 사이에 배치될 수 있다. 도 2는, 서로 소정 간격으로 이격되어 대향 배치되어 있는 기재층(201A, 201B)의 사이에 존재하는 액정층(1)을 포함하는 액정 소자를 예시적으로 나타낸다.
기재층으로는, 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. 기재층으로는, 광학적으로 등방성인 기재층이나, 위상차층과 같이 광학적으로 이방성인 기재층 또는 편광판이나 컬러 필터 기판 등을 사용할 수 있다. 예를 들어, 편광층이 기재층의 내측, 즉 액정층과 기재층의 사이에 존재하는 경우에는 기재층으로서 이방성 기재층이 사용되는 경우에도 적절한 성능의 소자가 구현될 수 있다.
플라스틱 기재층으로는, 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 기재층을 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.
액정 소자는 액정층과 인접하는 전극층을 추가로 포함할 수 있다. 전극층은, 예를 들면, 격벽 또는 제 2 액정 화합물이 존재하는 영역과 인접하여 배치될 수 있다. 액정 소자가 기재층을 포함하는 경우, 기재층의 내측, 예를 들면, 액정층과 기재층의 사이에 전극층이 배치될 수 있다. 도 3은, 서로 소정 간격으로 이격되어 대향 배치되어 있는 기재층(201A, 201B 및 전극층(301A, 301B)의 사이에 존재하는 액정층(1)을 포함하는 액정 소자를 예시적으로 나타낸다. 전극층은, 액정 화합물 또는 이방성 염료의 배향을 스위칭할 수 있도록 액정층에 전압을 인가한다. 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, 기재층의 표면에 형성되는 전극층은, 적절하게 패턴화되어 있을 수도 있다.
액정 소자는 차광율 가변 특성이 우수하다. 액정 소자는, 예를 들면, 초기 상태 및 전압의 인가와 같은 외부 작용이 존재하는 상태에서의 차광율이 3% 내지 90% 범위 내에서 가변하는 소자일 수 있다. 본 출원에 따른 액정 소자는, 이방성 염료가 폴리머 네트워크로 오염되는 것을 방지함으로써, 투과도 저해 요인을 해소할 수 있으므로 우수한 차광율 가변 특성을 나타낼 수 있다.
액정 소자는 전압과 같은 외부 작용의 인가 등을 통하여 산란 모드 및 투과 모드의 사이를 스위칭할 수 있다. 액정 소자는 예를 들어, 초기 상태에서 산란 모드일 수 있고 전압이 인가된 상태에서 투과모드일 수 있다. 본 명세서에서 용어 「산란 모드」는, 액정 소자가 예정된 일정 수준 이상의 헤이즈를 나타내는 모드를 의미하고, 「투과 모드」는 광의 투과가 가능한 상태 또는 예정된 일정 수준 이하의 헤이즈를 나타내는 모드를 의미할 수 있다. 예를 들어, 투과 모드에서 액정 소자의 헤이즈는 10% 이하, 8% 이하, 6% 이하 또는 5% 이하일 수 있다. 예를 들어, 산란 모드에서는 액정 소자는, 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.
본 출원은, 또한, 상기 액정 소자의 제조 방법에 관한 것이다. 예시적인 액정 소자의 제조 방법은 경화성의 폴리머 네트워크 전구 물질과 제 1 액정 화합물을 포함하는 조성물(이하, PDLC 조성물)을 사용하여 2개 이상의 격벽을 형성하고, 상기 2개 이상의 격벽들의 사이에 형성되어 있는 영역에 제 2 액정 화합물 및 이방성 염료를 위치시키는 것을 포함한다. 상기 제조 방법에서 폴리머 네트워크 전구 물질, 제 1 액정 화합물, 격벽, 제 2 액정 화합물 및 이방성 염료는 상기 액정 소자의 항목에서 기술한 내용이 동일하게 적용될 수 있다.
격벽은 PDLC 조성물의 층을 임프린팅하여 형성될 수 있다. PDLC 조성물의 층을 형성하는 방법은 특별히 제한되지 않고, 예를 들면, 롤 코팅, 인쇄법, 잉크젯 코팅, 슬릿 노즐법, 바 코팅, 콤마 코팅, 스핀 코팅 또는 그라비어 코팅 등과 같은 공지의 코팅 방식을 통한 코팅에 의해 형성될 수 있다. 격벽은, PDLC 조성물의 층을 경화 또는 중합시켜 형성할 수 있다. 상기 경화 또는 중합은, 경화 또는 중합을 유도할 수 있는 적절한 에너지, 예를 들면, 광을 조사하여 수행할 수 있다. 이 경우, 격벽은 부분 경화 상태일 수 있고, 후술하는 바와 같이 제 2 액정 화합물을 포함하는 층이 적층된 이후에 추가적인 에너지 조사로 인하여 완전 경화 상태가 될 수 있다.
격벽은 PDLC 조성물의 층을 임프린팅하여 형성할 수 있고, 임프린팅은 상기 조성물이 용매 등을 포함하는 경우에는, 적절한 조건에서 건조하여 용매를 휘발시킨 후에 수행할 수 있다. 임프린팅 공정은 공지의 방식에 의해 수행될 수 있다. 임프린팅 공정은, 예를 들면, PDLC 조성물의 층에 목적하는 형상의 격벽을 전사시킬 수 있는 패턴을 가진 스탬프 또는 롤러를 사용하여 수행될 수 있다. PDLC 조성물의 층의 경화 또는 중합을 위한 에너지의 조사는, 임프린팅 과정 또는 임프린팅 과정 후에 조성물의 층에 자외선을 조사함으로써 수행될 수 있다. 상기 격벽의 패턴 형상은 액정 소자의 구체적인 용도에 따라 적절히 변경될 수 있고, 예를 들면, 격자 형상 또는 허니콤보(honeycomb) 형상일 수 있다.
액정 소자는 PDLC 조성물을 사용하여 형성한 2개 이상의 격벽이 표면에 존재하는 제 1 기재와 제 2 액정 화합물 및 이방성 염료를 포함하는 층이 형성되어 있는 제 2 기재를 서로 적층하는 것을 포함할 수 있다. 제 2 액정 화합물 및 이방성 염료를 포함하는 층을 형성하는 방법은 특별히 제한되지 않고, 예를 들면, 롤 코팅, 인쇄법, 잉크젯 코팅, 슬릿 노즐법, 바 코팅, 콤마 코팅, 스핀 코팅 또는 그라비어 코팅 등과 같은 공지의 코팅 방식을 통한 코팅에 의해 형성될 수 있다. 제 1 기재상의 격벽의 폴리머 네트워크 전구 물질은, 제 2 기재와 적층되기 전에 경화된 상태로 존재할 수 있다. 이에 따라 제조된 액정 소자는 이방성 염료가 경화된 폴리머 네트워크 내로 오염되는 것을 최소할 수 있다.
본 출원은 또한, 상기 액정 소자의 용도에 대한 것이다. 예시적인 액정 소자는 차광율 가변 특성이 우수하다. 이러한 액정 소자는 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 액정 소자가 사용되는 한 통상적인 방식이 적용될 수 있다.
본 출원의 액정 소자는 차광율 가변 특성이 우수하다. 이러한 액정 소자는 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 예시적인 액정 소자의 모식도이다.
도 4는 차광율 평과 결과를 나타낸다
이하 실시예 및 비교예를 통하여 상기 기술한 내용을 보다 구체적으로 설명하지만, 본 출원의 범위가 하기 제시된 내용에 의해 제한되는 것은 아니다.
실시예 1
우레탄 아크릴레이트 다관능성 올리고머(SU530, Mw: 5,000, 솔텍사제) 100mg, 2관능성 아크릴레이트(HDDA, aldrich사제) 300mg, 3관능성 아크릴레이트(PETA, aldrich사제) 20 mg, 일관능성 아크릴레이트(EHA, TCI사제) 570 mg 및 광 개시제(Zs-539, fuji film사제) 10 mg을 혼합하여 고분자 전구 물질을 제조하고, 상기 전구 물질에 액정 화합물 (HPC21600, HCCH사제) 2.3g을 첨가한 후, 직경 10㎛의 볼타입의 스페이서 40 mg 넣고, 7시간 동안 교반기에서 교반한 후 PDLC 조성물을 제조하였다. 상기 액정 조성물로 ITO 투명 전극층이 증착된 PET 필름(100mm x 100mm)(이하, PET/ITO 필름)의 ITO 층 표면에 상기 PDLC 조성물을 mayer bar(#10)를 이용하여 바 코팅하여, soft mold(직경: 200 um, 격벽 폭: 20 um, 격벽 높이: 15 um)를 덮어 라미네이션 후 30 mW의 고압 수은등 하에서 20초 동안 UV를 조사하여 PET/ITO 필름 면으로 Imprinted PDLC를 전사 시킨 후, 다른 PET/ITO 필름에 액정 화합물 (HPC21600, HCCH사제) 2g 및 이방성 염료(X12, BASF사제) 20mg 포함하는 제 2 액정 조성물을 코팅하여, 두 필름을 라미네이션하였다.
비교예 1
우레탄 아크릴레이트 다관능성 올리고머(SU530, Mw: 5,000, 솔텍사제) 100mg, 2관능성 아크릴레이트(HDDA, aldrich사제) 300mg, 3관능성 아크릴레이트(PETA, aldrich사제) 20 mg, 일관능성 아크릴레이트(EHA, TCI사제) 570 mg, 이방성 염료(X12, BASF사제) 23mg 및 광 개시제(Zs-539, fuji film사제) 10 mg을 혼합하여 고분자 전구 물질을 제조하고, 상기 전구 물질에 액정 화합물 (HPC21600, HCCH사제) 2.3g 및 이방성 염료(X12, BASF사제) 20mg을 첨가한 후, 직경 25㎛의 볼타입의 스페이서 20 mg 넣고, 7시간 동안 교반기에서 교반한 후, 액정 조성물을 제조하였다. 그 후, PET/ITO 필름의 ITO층 표면에 상기 액정 조성물을 mayer bar(#14)를 이용하여 바 코팅하였다. 코팅된 조성물 상에 다른 PET/ITO 필름이 접하도록 적층한 후에 30 mW의 고압 수은등 하에서 20초 동안 UV를 조사하여 액정 소자를 제조하였다.
시험예 1 액정 소자의 차광율 평가
실시예 1 및 비교예 1의 액정 소자에 대하여, 헤이즈미터(hazemeter, NDH-5000SP)의 장치를 이용하여 초기 상태에서의 총 투과율 및 전압이 인가된 상태에서의 총 투과율을 측정하여 차광율을 평가하였고, 그 결과를 도 4 및 표 1에 나타내었다. 총 투과율 평가 결과, 비교예 1의 액정 소자는 초기 상태 및 전압이 인가된 상태에서의 총 투과율이 21 % 내지 55 % 사이에서 변화하는 반면, 실시예 1의 액정 소자는 초기 상태 및 전압이 인가된 상태에서의 총 투과율이 23 % 내지 72 % 사이에서 변화했다. 이러한 차광율 평가 결과로부터, 비교예 1의 액정 소자는 이방성 염료에 의한 폴리머 네트워크의 오염으로 인해 차광율 가변 특성이 저하되는 반면, 실시예 1의 액정 소자는 이방성 염료에 의한 폴리머 네트워크 오염을 줄일 수 있으므로 차광율 가변 특성이 우수하다는 것을 확인할 수 있다.
실시예 1 비교예 1
차광율 초기 상태(0V) 23% 21%
전압 인가(100V) 72% 55%
1: 액정층
101: 격벽
1011: 폴리머 네트워크
1012: 제 1 액정 화합물
102: 격벽들의 사이에 형성되어 있는 영역
1021: 제 2 액정 화합물
1022: 이방성 염료
201A, 201B: 기재층
301A, 301B: 전극층

Claims (14)

  1. 폴리머 네트워크 및 상기 폴리머 네트워크 내에 분산된 상태로 존재하는 제 1 액정 화합물을 포함하는 2개 이상의 격벽; 및 상기 2개 이상의 격벽들의 사이에 형성되는 영역에 존재하는 제 2 액정 화합물 및 이방성 염료를 포함하는 액정층을 가지는 액정 소자.
  2. 제 1 항에 있어서,
    격벽 간의 간격이 10㎛ 이상 내지 1000㎛ 이하의 범위 내인 액정 소자.
  3. 제 1 항에 있어서,
    격벽의 폭은 3㎛ 이상 내지 100㎛ 이하의 범위 내인 액정 소자.
  4. 제 1 항에 있어서,
    격벽의 높이는 3㎛ 이상 내지 100㎛ 이하의 범위 내인 액정 소자.
  5. 제 1 항에 있어서,
    액정층의 전체 면적 100% 대비 격벽의 면적 비율은 0.1% 내지 50% 범위 내인 액정 소자.
  6. 제 1 항에 있어서,
    제 1 액정 화합물, 제 2 액정 화합물 또는 이방성 염료는 정렬되지 않은 상태로 존재하는 액정 소자.
  7. 제 1 항에 있어서,
    이방성 염료는 흑색 염료 또는 컬러 염료인 액정 소자.
  8. 제 1 항에 있어서,
    격벽; 또는 제 2 액정 화합물 및 이방성 염료가 존재하는 영역과 인접하고 있는 기재층을 추가로 포함하는 액정 소자.
  9. 제 1 항에 있어서,
    격벽; 또는 제 2 액정 화합물 및 이방성 염료가 존재하는 영역과 인접하고 있는 전극층을 추가로 포함하는 액정 소자.
  10. 제 1 항에 있어서, 차광율이 3% 내지 90% 범위 내에서 가변하는 액정 소자.
  11. 경화성의 폴리머 네트워크 전구 물질과 제 1 액정 화합물을 포함하는 조성물을 사용하여 2개 이상의 격벽을 형성하고, 상기 2개 이상의 격벽들의 사이에 형성되어 있는 영역에 제 2 액정 화합물 및 이방성 염료를 위치시키는 것을 포함하는 액정 소자의 제조 방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    격벽은 경화성의 폴리머 네트워크의 전구 물질과 제 1 액정 화합물을 포함하는 조성물의 층을 임프린팅하여 형성하는 액정 소자의 제조 방법.
  13. 제 11 항에 있어서,
    경화성의 폴리머 네트워크 전구 물질과 제 1 액정 화합물을 포함하는 조성물을 사용하여 형성한 2개 이상의 격벽이 표면에 존재하는 제 1 기재와 제 2 액정 화합물 및 이방성 염료를 포함하는 층이 형성되어 있는 제 2 기재를 서로 적층하는 것을 포함하는 액정 소자의 제조 방법.
  14. 제 1 항의 액정 소자를 포함하는 광 변조 장치.
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