KR20160107706A

KR20160107706A - 액정 필름

Info

Publication number: KR20160107706A
Application number: KR1020150030821A
Authority: KR
Inventors: 김정운; 김진홍; 오동현
Original assignee: 주식회사 엘지화학
Priority date: 2015-03-05
Filing date: 2015-03-05
Publication date: 2016-09-19
Also published as: KR102001609B1

Abstract

본 출원은 액정 필름 및 광 변조 장치에 관한 것이다. 예시적인 액정 필름은 투과 모드와 산란 모드의 사이를 스위칭할 수 있는 액정 소자에 적용되어 투과 모드에서 광투과도 저해 없이도 산란 모드에서 높은 차광율을 나타낼 수 있으므로 투과 모드와 차단 모드 사이에서 차광율 가변 성능이 우수한 광 변조 장치를 구현할 수 있다. 이러한 광 변조 장치는, 예를 들면, 스마트 윈도우, 윈도우 보호막, 플렉서블 디스플레이 소자, 3D 영상 표시용 액티브 리타더(active retarder) 또는 시야각 조절 필름 등과 같은 다양한 광학 장치에 적용될 수 있다.

Description

액정 필름 {Liquid Crystal Film}

본 출원은, 액정 필름 및 광변조 장치에 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 필름 및 광변조 장치를 제공한다.

예시적인 액정 필름은 중합성 액정 화합물 및 이방성 염료를 포함하는 액정층을 가질 수 있다. 중합성 액정 화합물은 수직 배향 상태로 중합되어 액정층에 포함될 수 있다. 이방성 염료는 상기 중합성 액정 화합물에 의해 배향된 상태로 액정층에 포함될 수 있다. 도 1 은, 예시적인 액정 필름의 모식도이다. 도 1의 액정 필름(1)은 중합성 액정 화합물(1011)과 이방성 염료(1012)를 수직 배향된 상태로 포함하는 액정층(101)을 가진다. 예시적인 액정 필름은 산란 모드와 투과 모드의 사이를 스위칭할 수 있는 액정 소자와 함께 사용되는 경우, 투과 모드에서 광투과도의 저해 없이도 산란 모드에서 차광율을 높일 수 있다.

중합성 액정 화합물은, 예를 들면, 수직 배향 상태로 중합되어 액정층에 포함될 수 있다 본 명세서에서 용어 「수직 배향」은 중합성 액정 화합물을 포함하는 액정층의 광축이 액정층의 평면에 대하여 약 90도 내지 약 65도, 약 90도 내지 약 75도, 약 90도 내지 약 80도, 약 90도 내지 약 85도 약 90도의 경사각을 가지는 경우를 의미할 수 있다. 본 명세서에서 용어 「광축」은 입사광이 해당 영역을 투과할 때의 지상축을 의미할 수 있다. 또한, 상기 광축은 중합성 액정 화합물이 막대(rod) 형상인 경우에는 막대의 장축 방향을 의미할 수 있고, 중합성 액정 화합물이 원반(discostic) 형상인 경우에는 원반 면의 법선 방향일 수 있다.

중합성 액정 화합물로는, 예를 들면, 수직 배향성 중합성 액정 화합물을 사용할 수 있다. 이러한 중합성 액정 화합물의 종류는, 특별히 제한되지 않고, 수직 배향에 적합한 액정 화합물로서 당업계에 공지되어 있는 것을 적절히 선택하여 단독 또는 2종 이상을 배합하여 사용할 수 있다.

이방성 염료는, 예를 들면, 중합성 액정 화합물에 의해 배향된 상태로 액정층에 포함될 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, 소위 게스트-호스트형 액정 소자를 형성할 수 있는 염료, 구체적으로, 중합성 액정 화합물의 배향에 따라 배향될 수 있는 특성을 가지는 것으로 알려진 공지의 염료를 선택하여 사용할 수 있다. 이러한 염료로는, 예를 들면, 아조 염료 또는 안트라퀴논 염료 등으로 공지되어 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 하나의 예시에서, 이방성 염료로는, 예를 들면, 흑색 염료(black dye)를 사용할 수 있다.

이방성 염료는, 이색비(dichroic ratio), 즉 이방성 염료의 장축 방향에 평행한 편광의 흡수를 상기 장축 방향에 수직하는 방향에 평행한 편광의 흡수로 나눈 값이 3 이상, 4 이상, 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 함량은 본 출원의 목적을 손상시키지 않는 범위 내에서 액정 필름의 용도에 따라 적절히 설정될 수 있다. 하나의 예시에서, 액정층 내에서 이방성 염료는 중합성 액정 화합물 100 중량부 대비 0.1 중량부 이상, 0.5 중량부 이상, 1 중량부 이상, 1.5 중량부 이상, 2.0 중량부 이상, 2.5 중량부 이상, 3.0 중량부 이상, 3.5 중량부 이상. 4.0 중량부 이상, 4.5 중량부 이상 또는 5.0 중량부 이상의 범위로 포함될 수 있다. 액증층 내에서 이방성 염료의 비율의 상한은 예를 들어, 중합성 액정 화합물 100 중량부 대비 10 중량부 이하, 9.5 중량부 이하, 9.0 중량부 이하, 8.5 중량부 이하, 8.0 중량부 이하, 7.5 중량부 이하, 7.0 중량부 이하, 6.5 중량부 이하 또는 5.5 중량부 이하일 수 있다. 액정 필름은 이방성 염료의 함량을 상기 범위로 조절함으로써 차단 모드와 투과 모드의 사이를 스위칭할 수 있는 액정 소자와 함께 사용되는 경우 투과도 저해없이 차광율을 향상시킬 수 있다.

액정 필름의 두께는 본 출원의 목적을 손상시키지 않는 범위 내에서 목적하는 액정 필름의 용도에 따라 적절히 설정될 수 있다. 하나의 예시에서, 액정 필름의 두께는 약 3㎛ 이상, 4㎛ 이상, 5㎛ 이상, 6㎛ 이상, 7㎛ 이상, 8㎛ 이상, 9㎛ 이상 또는 10㎛ 이상 이상일 수 있고, 20㎛ 이하, 19㎛ 이하, 18㎛ 이하, 17㎛ 이하, 16㎛ 이하, 15㎛ 이하, 14㎛ 이하, 13㎛ 이하, 12㎛ 이하, 11㎛ 이하 또는 10㎛ 미만일 수 있다. 액정 필름은 상기 두께 범위를 만족함으로써 차단 모드와 투과 모드의 사이를 스위칭할 수 있는 액정 소자와 함께 사용되는 경우 투과도 저해없이 차광율을 향상시킬 수 있다.

액정 필름은 중합성 액정 화합물의 배향 상태를 조절하기 위하여 배향막을 추가로 포함할 수 있다. 이러한 배향막은, 예를 들면, 액정층과 인접하게 배치될 수 있다. 본 명세서에서 배향막이 액정층과 인접하게 배치되어 있다는 것은, 배향막이 액정층의 중합성 액정 화합물의 배향에 영향을 미칠 수 있도록 배치되어 있음을 의미할 수 있다. 도 2는 액정층(101)에 인접하게 배치된 배향막(201)를 포함하는 액정 필름(2)을 예시적으로 나타낸다.

배향막으로는, 예를 들면, 수직 배향막을 사용할 수 있다. 이러한 수직 배향막으로는, 인접하는 액정층의 액정 화합물에 대하여 수직 배향능을 가지는 배향막이라면 특별한 제한없이 선택하여 사용할 수 있다. 이러한 배향막으로는, 예를 들면, 러빙 배향막과 같이 접촉식 배향막이거나 또는 광배향막 화합물을 포함하여 직선 편광의 조사 등과 같은 비접촉식 방식에 의해 배향 특성을 나타낼 수 있는 것으로 공지된 배향막을 사용할 수 있다.

액정 필름은, 중합성 액정 화합물의 배향 상태를 조절하기 위하여 배향성이 부여된 기재를 추가로 포함할 수 있다. 이러한 기재는, 예를 들면, 액정층과 인접하여 존재할 수 있다. 본 명세서에서 배향성이 부여된 기재가 액정층과 인접하게 배치되어 있다는 것은, 상기 기재가 액정층의 중합성 액정 화합물의 배향에 영향을 미칠 수 있도록 배치되어 있음을 의미할 수 있다. 도 3은 액정층(101)에 인접하게 배치된 기재(301)를 포함하는 액정 필름(3)을 예시적으로 나타낸다.

배향성이 부여된 기재로는, 예를 들면, 수직 배향성이 부여된 기재를 사용할 수 있다. 이러한 기재로는, 인접하는 액정층의 액정 화합물에 대하여 수직 배향능을 가지는 기재라면 특별한 제한없이 선택하여 사용할 수 있다. 이러한 수직 배향성 기재로서, 예를 들면, 친수성 표면을 가진 기재를 사용할 수 있다.

친수성 표면을 가진 기재는, 예를 들면, 물에 대한 젖음각(wetting angle)이 0도 내지 50도, 0도 내지 40도, 0도 내지 30도, 0도 내지 20도 또는 0도 내지 10도이거나, 10도 내지 50도, 20도 내지 50도, 30도 내지 50도 정도일 수 있다. 이러한 범위의 젖음각을 가지는 기재의 면에 액정 층을 형성하면, 수직 배향된 중합성 액정 화합물들을 적절하게 형성할 수 있다. 상기에서 기재의 물에 대한 젖음각을 측정하는 방식은 특별히 제한되지 않고, 이 분야에서 공지되어 있는 젖음각의 측정 방식을 사용할 수 있으며, 예를 들면, KRUSS사제의 DSA100 기기를 사용하여, 제조사의 매뉴얼에 따라 측정할 수 있다.

기재가 상기 젖음각을 가지도록 하기 위해서는, 기재의 면에 친수화 처리를 수행하거나, 또는 기재로서 친수성 관능기를 포함하는 기재를 사용하면 된다. 이 분야에서는 기재의 젖음각을 상기 범위로 제어할 수 있는 다양한 친수화 처리 방식이나, 상기와 같은 젖음각을 가지는 기재가 다양하게 공지되어 있다. 친수화 처리로는, 코로나 처리, 플라즈마 처리 또는 알칼리 처리 등이 예시될 수 있다. 따라서, 하나의 예시에서 상기 기재의 면에는 코로나 처리층, 플라즈마 처리층 또는 알칼리 처리층이 형성되어 있을 수 있다.

본 출원은, 또한, 광 변조 장치에 관한 것이다. 예시적인 광 변조 장치는 액정 소자 및 액정 필름을 포함할 수 있다. 액정 소자는, 예를 들면, 산란 모드와 투과 모드의 사이를 스위칭할 수 있는 광학 소자일 수 있다. 액정 필름은, 예를 들면, 중합되어 있는 중합성 액정 화합물 및 상기 액정 화합물에 의해 배향되어 있는 이방성 염료를 포함하는 액정층을 가질 수 있다. 이러한 액정 소자는, 예를 들면, 광출사측에 배치될 수 있다.

액정 필름 내의 중합성 액정 화합물은, 예를 들면, 일 방향으로 배향된 상태로 중합되어 존재할 수 있다. 하나의 예시에서, 액정 필름 내의 중합성 액정 화합물은, 예를 들면, 액정층의 평면에 대한 평균 경사각이 약 5도 내지 90도, 약 10도 내지 90도, 약 20도 내지 90도, 약 30도 내지 90도, 약 40도 내지 90도, 약 50도 내지 90도, 약 60도 내지 90도, 약 70도 내지 90도, 약 80도 내지 90도 또는 약 85도 내지 90도를 이루도록 배향된 상태로 중합되어 존재할 수 있다. 이러한 광변조 장치에 포함되는 액정 필름에 대한 구체적인 내용은 상기 액정 필름의 항목에서 기술한 내용이 동일하게 적용될 수 있다.

액정 소자로는, 산란 모드와 투과 모드의 사이를 스위칭할 수 있는 광학 소자라면 특별한 제한없이 선택하여 사용할 수 있다. 하나의 예시에서, 액정 소자는, 폴리머 네트워크 및 상기 폴리머 네트워크 내에 존재하는 액정 화합물을 포함하는 액정 영역을 가지는 제 2 액정층을 포함하는 고분자 분산형 액정 소자일 수 있다. 이러한 액정 영역은 액정 영역은, 예를 들면, 폴리머 네트워크 내에 분산된 상태로 존재할 수 있다. 액정 영역은, 또한, 제 2 이방성 염료를 추가로 포함할 수 있다. 제 2 이방성 염료로는, 액정 영역 내의 액정 화합물의 배향에 따라 배향될 수 있는 특성을 가지는 것으로 공지된 모든 종류의 염료가 사용될 수 있고, 예를 들면, 흑색 염료(black dye)를 사용할 수 있다. 이러한 제 2 이방성 염료에 대해서는 상기 액정 필름의 이방성 염료 항목에서 기술한 내용이 동일하게 적용될 수 있다.

도 4는 예시적인 액정 소자의 모식도로서, 폴리머 네트워크(4011), 및 상기 폴리머 네트워크 내에 분산된 상태로 존재하는 액정 화합물(4012)과 제 2 이방성 염료(4013)를 포함하는 액정 영역(4013)을 가지는 제 2 액정층(401)을 포함하는 액정 소자(4)를 예시적으로 나타낸다.

도 5는 액정 소자로서 고분자 분산형 액정 소자를 적용한 광변조 장치를 예시적으로 나타낸다. 도 5를 참조하면, 광변조 장치(5)는 고분자 분산형 액정 소자(4) 및 광출사측에 배치되어 있는 액정 필름(1)을 포함할 수 있다. 도 5에서 고분자 분산형 액정 소자(4)는 도 4의 액정 소자와 동일한 구조일 수 있고, 상기 액정 필름은 상기 액정 필름의 항목에서 기술한 도 1의 액정 필름과 동일한 구조일 수 있다.

액정 소자는, 액정 영역이 폴리머 네트워크와는 상분리된 상태로 폴리머 네트워크 내에 존재할 수 있다. 하나의 예시에서, 액정 영역은, 제 2 이방성 염료 및 액정 화합물이 배향이 스위칭 가능하도록 폴리머 네트워크 내에 분산된 상태로 포함되어 있을 수 있다. 본 명세서에서 「제 2 이방성 염료 또는 액정 화합물의 배향이 스위칭 가능하다는 것」은 제 2 이방성 염료 또는 액정 화합물의 정렬 방향이 전압의 인가와 같은 외부 작용에 의해 변경될 수 있다는 것을 의미한다.

하나의 예시에서, 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, 예를 들면, 소위 PDLC소자의 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 화합물의 예시로는 아크릴레이트 화합물을 들 수 있다. 아크릴레이트 화합물로는, 이관능성 아크릴레이트 화합물, 3관능 이상의 다관능성 아크릴레이트 화합물 및 단관능성 아크릴레이트 화합물 중 적어도 하나가 예시될 수 있다. 본 출원에서 용어 아크릴레이트 화합물은, 아크릴로일기 또는 메타크릴로일기를 포함하는 화합물을 의미하고, 상기 관능기를 하나 포함하는 화합물은 단관능성 아크릴레이트 화합물이고, 2개 이상 포함하는 화합물은 다관능성 아크릴레이트 화합물이다. 구별의 편의를 위하여 이하에서 상기 관능기를 2개 포함하는 화합물은 이관능성 아크릴레이트 화합물로 호칭하며, 3관능 이상, 즉 상기 관능기를 3개 이상 포함하는 아크릴레이트 화합물은, 단순히 다관능성 아크릴레이트 화합물로 호칭한다. 다관능성 아크릴레이트 화합물은, 상기 관능기를 예를 들면, 3개 내지 8개, 3개 내지 7개, 3개 내지 6개, 3개 내지 5개 또는 3개 내지 4개 포함할 수 있다. 아크릴레이트 화합물의 종류는 목적 물성을 손상시키지 않는 것이라면 특별히 제한되지 않는다.

예를 들면, 상기 이관능성 아크릴레이트 화합물로는, 하기 화학식 1로 표시되는 화합물을 사용할 수 있다.

[화학식 1]

화학식 1에서 R은 각각 독립적으로 수소 또는 탄소수 1 내지 4의 알킬기이고, X는 탄소수 1 내지 20의 알킬렌기 또는 알킬리덴기이다.

상기 다관능성 아크릴레이트 화합물로는 하기 화학식 2로 표시되는 화합물을 사용할 수도 있다.

[화학식 2]

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.

상기 단관능성 아크릴레이트 화합물로는, 예를 들면, 하기 화학식 3로 표시되는 화합물을 사용할 수 있다.

[화학식 3]

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.

아크릴레이트 화합물과 같은 중합성 화합물의 전구 물질 내에서의 비율은 목적 물성을 손상시키지 않는다면, 특별히 제한되지 않는다.

전구 물질에 포함되는 중합성 화합물로서 액정성 화합물이 필요한 경우에 액정성 화합물로는, 예를 들면, 업계에서 소위 반응성 메소겐(RM, Reactive Mesogen)으로 공지된 화합물을 사용할 수 있다.

전구 물질에 포함될 수 있는 중합성 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.

액정 영역 내의 액정 화합물은 배향이 스위칭 가능하도록 폴리머 네트워크 내에 분산되어 존재할 수 있다. 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, 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.

예를 들면, 액정 화합물로는 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, 중합성기 또는 가교성기를 가지지 않는 화합물일 수 있다.

하나의 예시에서, 액정층은 폴리머 네트워크 5 중량부 내지 70 중량부 및 액정 화합물 30 중량부 내지 95 중량부를 포함할 수 있다. 다른 하나의 예시에서, 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 중량부를 포함할 수 있다. 이러한 중량 비율의 범위 내에서 목적 물성, 예를 들면, 폴리머 네트워크의 배향성이 적절하게 유지될 수 있다.

하나의 예시에서, 액정 영역 내의 액정 화합물은 정렬된 상태 또는 정렬되지 않은 상태로 폴리머 네트워크 내에 분산되어 존재할 수 있다. 하나의 예시에서, 액정 영역 내의 액정 화합물은 초기 상태에서 정렬되지 않은 상태로 존재할 수 있다. 본 명세서에서 용어「초기 상태」는, 외부 전압과 같이 액정 화합물의 배향에 영향을 미칠 수 있는 외부 작용이 존재하지 않는 상태를 의미할 수 있다. 액정 소자에서 액정 화합물은 초기 상태가 외부 작용에 의해 변환될 수도 있고, 외부 작용이 사라지면 다시 초기 상태로 복귀할 수 있다. 예를 들면, 액정 영역 내의 액정 화합물 이 초기 상태에서 정렬되지 않은 상태로 존재할 경우 외부 작용에 의해 정렬되지 않은 상태로 변환될 수 있고, 외부 전압이 사라지면 다시 초기 정렬되지 않은 상태로 복귀할 수 있다.

하나의 예시에서, 액정 영역 내의 액정 화합물은 랜덤 배향 상태와 수직 배향 상태의 사이를 스위칭할 수 있도록 폴리머 네트워크 내에 분산되어 존재할 수 있다. 하나의 예시에서, 액정 영역 내의 액정 화합물이 초기 상태에서 랜덤 배향 상태로 존재할 경우 외부 작용에 의해 수직 배향 상태로 변환될 수 있고, 외부 전압이 사라지면 다시 초기 랜덤 배향 상태로 복귀할 수 있다.

액정 소자는 액정 화합물의 초기 정렬 상태를 조절하고 전압과 같은 외부 작용의 인가 등을 통해 다양한 모드 사이를 스위칭할 수 있다. 하나의 예시에서, 액정 소자는 산란 모드 및 투과 모드 사이 또는 흑색 모드와 백색 모드 사이를 스위칭 할 수 있다. 본 명세서에서 용어 산란 모드는 액정 소자가 예정된 일정 수준 이상의 헤이즈를 나타내는 모드를 의미하고, 투과 모드는 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. 상기 헤이즈는, 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.

예시적인 액정 소자는, 초기 상태에서 액정 화합물 및 제 2 이방성 염료가 정렬되지 않은 상태로 존재하고, 외부 전압이 인가된 상태에서 액정 화합물 및 제 2 이방성 염료가 수직 배향된 상태로 존재할 수 있다. 이 경우에, 액정 소자는 초기 상태에서 헤이즈가 90%이상인 블랙 모드 및 전압 인가 상태에서 헤이즈가 10%이하인 화이트 모드 사이를 스위칭할 수 있다.

예시적인 광 변조 장치는 상기 액정 소자의 투과 모드와 산란 모드 사이를 스위칭함에 있어서, 예를 들면, 전압이 인간된 상태에서의 투과도와 전압이 인가되지 않은 상태에서의 투과도의 차이를 벌릴 수 있다. 예를 들면, 액정 소자는 초기 상태에서 50% 이상, 60% 이상 또는 70% 이상의 투과율을, 외부 전압이 인가된 상태에서 70% 이상, 80% 이상 또는 90% 이상의 투과율을 나타낸다. 본 출원에 따른 광 변조 장치는 초기 상태에서 10% 이상, 20% 이상 또는 30% 이상의 투과율을 나타낼 수 있고, 외부 전압이 인가된 상태에서 60% 이상, 70% 이상 또는 80% 이상의 투과율을 나타낼 수 있다. 상기에서 차단율 및 투과율은, 가시광 영역, 예를 들면, 약 400 nm 내지 700 nm 범위의 파장에 대해 측정된 값일 수 있다. 이러한 광 변조 장치의 높은 투과율 변화량은, 액정 소자의 광출사측에, 예를 들면, 상기 기술한 액정 필름을 배치하여 함께 사용함으로써 얻을 수 있다.

광 변조 장치는, 예를 들면, 액정 필름을 액정 소자에 비해 관찰자 측에 가깝게 배치되도록 포함할 수 있다. 따라서, 액정 소자를 출사한 광은 액정 필름에 의하여 색특성 및 차광율이 개선되어 관찰자에게 전달될 수 있다.

광 변조 장치는, 하나 또는 2개 이상의 기재층을 추가로 포함할 수 있다. 통상적으로, 액정 소자의 제 2 액정층은 대향 배치된 2개의 기재층 사이에 존재할 수 있다. 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.

광 변조 장치는, 전극층을 추가로 포함할 수 있다. 이러한 전극층은, 예를 들면, 상기 기재층의 제 2 액정층 측면에 존재할 수 있다. 도 6은 대향 배치된 2개의 전극층(601A, 601B)의 사이에 액정 소자의 제 2 액정층(401)이 배치된 광 변조 장치(6)를 예시적으로 나타낸다. 전극층은, 액정 화합물의 배향을 스위칭할 수 있도록 제 2 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.

도 7 및 8은 예시적인 광 변조 장치의 구동 원리를 나타낸다(화살표는 광의 진행 방향을 나타낸다). 도 7은 초기 상태에서 액정 화합물 및 제 2 이방성 염료가 정렬되지 않은 상태로 존재하는 경우의 구동 원리를 나타내고, 도 8은 외부 전압이 인가된 상태에서 액정 화합물 및 제 2 이방성 염료가 수직 배향된 상태로 존재하는 경우의 구동 원리를 나타낸다. 도 7에 나타낸 바와 같이, 초기 상태에서는 액정 화합물 및 폴리머 네트워크에 의해 산란된 광 중에서 제 2 이방성 염료에 의해 흡수되지 못해 액정 소자를 통과하는 광은 액정 필름에 존재하는 이방성 염료에 흡수될 수 있으므로, 차광율이 높은 블랙 모드(산란 또는 차단모드)를 구현할 수 있다. 도 8에 나타낸 바와 같이 전압이 인가된 상태에서는, 액정 화합물 및 제 2 이방성 염료가 수직 배향된 상태로 존재하는 액정 소자를 통과한 광이 이방성 염료 및 중합성 액정 화합물이 수직 배향된 상태로 존재하는 액정 필름을 그대로 통과할 수 있으므로 투과도가 높은 화이트 모드(투과 모드)를 구현할 수 있다.

예시적인 광 변조 장치는 투과 모드에서 광투과도 저해 없이 산란 모드에서 높은 차광율을 나타낼 수 있으므로 투과 모드와 차단 모드의 사이에서 차광율 가변 성능이 우수하다. 이러한 광 변조 장치의 용도로는, 예를 들면, 스마트 윈도우, 윈도우 보호막, 플렉서블 디스플레이 소자, 3D 영상 표시용 액티브 리타더(active retarder) 또는 시야각 조절 필름 등의 광학 장치가 예시될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기와 같은 광학 장치를 구성하는 방식은 특별히 제한되지 않고, 상기 광 변조 장치가 사용되는 한 통상적인 방식이 적용될 수 있다.

본 출원의 예시적인 액정 필름은 투과 모드와 산란 모드의 사이를 스위칭할 수 있는 액정 소자에 적용되어 투과 모드에서 광투과도 저해 없이도 산란 모드에서 높은 차광율을 나타낼 수 있으므로 투과 모드와 차단 모드 사이에서 차광율 가변 성능이 우수한 광 변조 장치를 구현할 수 있다. 이러한 광 변조 장치는, 예를 들면, 스마트 윈도우, 윈도우 보호막, 플렉서블 디스플레이 소자, 3D 영상 표시용 액티브 리타더(active retarder) 또는 시야각 조절 필름 등과 같은 다양한 광학 장치에 적용될 수 있다.

도 1 내지 도 3은 예시적인 액정 필름의 모식도이다.
도 4는 예시적인 액정 소자의 모식도이다.
도 5 및 6은 예시적인 광 변조 장치의 모식도이다.
도 7 및 도 8은 예시적인 광 변조 장치의 구동원리는 나타낸다.
도 9는 실시예 1의 액정 필름의 시야각에 따른 투과도 평가 결과를 나타낸다.
도 10은 실시예 1 및 비교예 1의 액정 소자의 구동 전압에 따른 총 투과율 평가 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

액정 필름의 제조

공지의 수직 배향막을 PET/ITO film의 ITO 반대 면에 코팅 건조한 후 25wt%의 중합성 액정 화합물(RMM28B, Merck사제)에 이방성 염료(X12, BASF 사제)를 3wt% 함량으로 첨가한 용액을 mayer bar(#6)를 이용하여 바 코팅한 후 100℃ 오븐에서 건조하였다. 그 후 30 mW의 고압 수은등 하에서 10초 동안 UV를 조사하여 중합성 액정 화합물과 이방성 염료를 수직 배향된 상태로 포함하는 액정 필름을 제조하였다.

PDLC 소자의 제조

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) 2.3g 및 이방성 염료(X12, BASF사제) 16mg을 첨가한 후, 직경 15㎛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 PDLC 소자를 제조하였다. 이어서, 상기 제조된 PDLC 소자의 광 출사 측에 상기 제조된 액정 필름을 배치하였다.

비교예 1

실시예 1의 액정 필름 대신에 공지의 자동차용 썬팅지로서, 투과도 50% 수준의 블랙필름을 PDLC 소자의 광 출사 측에 배치한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법을 수행하여 PDLC 소자를 제조하였다.

시험예 1 액정 소자의 차광율 평가

실시예 1의 액정 필름에 대하여 LCMS-200(세심광전자) 장비를 이용하여 시야각에 따른 투과도를 평가하였고, 실시예 1 및 비교예 1의 소자에 대하여 전압을 인가하면서 헤이즈미터(hazemeter, NDH-5000SP)를 이용하여 초기 상태와 전압이 인가된 상태에서의 총 투과도 평가하였으며, 그 결과를 각각 도 9 및 도 10에 나타내었다.

액정 필름의 시야각 평가 결과, 도 9에 나타낸 바와 같이 0도를 기준으로 각도가 증가함에 따라 투과도가 감소하는 것을 확인할 수 있으며, 이에 따라 상기 액정 필름을 PDLC 소자에 적용 시 초기 산란 모드에서 액정 필름의 측면으로 입사하는 빛으로 인한 0V에서의 총 투과도 값이, 일반 블랙 대비 더 낮게 측정될 수 있다. 이와 관련하여, 도 10은 실시예 1 및 비교예 1의 소자에 대하여 헤이즈미터(hazemeter, NDH-5000SP)를 이용하여 전압을 인가하면서 측정한 총 투과도 값을 나타낸다. 전압에 따른 총 투과도 변화 평가 결과, 도 10에 나타낸 바와 같이, 비교예 1의 액정 소자는 초기 상태 및 전압이 인가된 상태에서의 총 투과율이 12% 내지 31% 사이에서 변화하는 반면, 실시예 1의 액정 소자는 초기 상태 및 전압이 인가된 상태에서의 총 투과율이 5% 내지 33% 사이에서 변화하는 것을 확인할 수 있다. 이러한 차광율 평가 결과로부터, 실시예 1의 액정 소자는 액정 필름 적용으로 초기 산란 모드에서 더 낮은 총 투과도를 나타내어 총 투과도 가변 특성이 더욱 우수하다는 점을 알 수 있다.

1, 2, 3: 액정필름
101: 액정필름의 액정층
1011: 중합성 액정 화합물
1012: 이방성 염료
201: 배향막
301: 기재
4: 액정 소자
401: 액정 소자의 액정층
4011: 폴리머 네트워크
4012: 액정 화합물
4013: 제 2 이방성 염료
4014: 액정 영역
5, 6: 광 변조 장치
601A, 601B: 전극층

Claims

수직 배향 상태로 중합되어 있는 중합성 액정 화합물 및 상기 중합성 액정 화합물에 의해 배향되어 있는 이방성 염료를 포함하는 액정층을 가지는 액정 필름.
제 1 항에 있어서, 이방성 염료는 이색성비가 3 내지 20 범위 내인 액정 필름.
제 1 항에 있어서, 이방성 염료는 흑색 염료인 액정 필름.
제 1 항에 있어서, 액정층은, 중합성 액정 화합물 100 중량부 대비 0.1 내지 10 중량부 범위 내의 비율로 이방성 염료를 포함하는 액정 필름.
제 1 항에 있어서, 액정 필름의 두께가 3㎛ 내지 100㎛ 범위 내인 액정 필름.
제 1 항에 있어서, 액정층과 인접하는 수직 배향막을 추가로 포함하는 액정 필름.
산란 모드와 투과 모드의 사이를 스위칭할 수 있는 액정 소자; 및 상기 액정 소자의 광출사측에 배치되어 있고, 일 방향으로 배향된 상태로 중합되어 있는 중합성 액정 화합물 및 상기 중합성 액정 화합물에 의해 배향되어 있는 이방성 염료를 포함하는 액정층을 가지는 액정 필름을 포함하는 광변조 장치.
제 7 항에 있어서, 중합성 액정 화합물은 액정층의 광축이 액정층의 평면에 대하여 85 내지 90도의 경사각을 이루도록 배향된 상태로 중합되어 있는 광변조 장치.
제 7 항에 있어서, 액정 소자는, 폴리머 네트워크 및 상기 폴리머 네트워크 내에 존재하는 액정 화합물을 포함하는 액정 영역을 가지는 제 2 액정층을 포함하는 고분자 분산형 액정 소자인 광변조 장치.
제 9 항에 있어서, 액정 영역은 제 2 이방성 염료를 추가로 포함하는 광변조 장치.
제 10 항에 있어서, 제 2 이방성 염료는 흑색 염료인 광변조 장치.
제 9 항에 있어서, 액정 영역 내의 액정 화합물은 랜덤 배향 상태와 수직 배향 상태의 사이를 스위칭할 수 있도록 포함되어 있는 광변조 장치.
제 7 항에 있어서, 헤이즈가 90%이상인 블랙 모드와 헤이즈가 10%이하인 화이트 모드 사이를 스위칭할 수 있도록 형성된 광변조 장치.
제 9 항에 있어서, 서로 대향하여 배치된 2개의 기재층을 추가로 포함하고, 제 2 액정층이 상기 대향 배치된 2개의 기재층 사이에 형성되어 있는 광변조 장치.
제 14 항에 있어서, 기재층의 액정층 측면에는 전극층이 존재하는 광변조 장치.