KR20170085816A - 액정셀 - Google Patents

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Abstract

본 출원은, 액정셀 및 그 용도에 관한 것이다. 예시적인 액정셀은 낮은 구동 전압 및 온도만으로도 헤이즈 모드와 투과 모드, 또는 비헤이즈 모드와 투과 모드 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.
미국 공개특허공보 제2006-0091538호
본 출원은, 액정셀 및 그 용도를 제공한다.
액정셀은 대향 배치된 2개의 기판; 상기 2개의 기판 사이에 배치되고, 액정 화합물을 포함하는 액정층; 상기 액정층에 전압을 인가하는 전극부; 및 상기 액정층에 열을 인가하는 발열부를 포함하고, 상기 전극부 및 발열부 중 적어도 하나는 상기 액정층의 일부 면에 선택적으로 전압 또는 열을 인가하도록 패턴화된다.
액정층은 상기 대향 배치된 2개의 기판의 사이에 존재할 수 있다. 액정층은 또한, 액정 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. 이러한 액정셀은 낮은 구동 전압 및 구동 온도로도 투과 모드와 헤이즈 모드 및 투과 모드와 비헤이즈 모드의 사이를 스위칭할 수 있는 쌍안정 모드를 구현할 수 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 1로 표시되는 액정 화합물을 사용할 수 있다.
[화학식 1]
Figure pat00001
화학식 1에서 A는 단일 결합, -COO- 또는 -OCO-이고, R1 내지 R10은, 각각 독립적으로 수소, 할로겐, 알킬기, 알콕시기, 알콕시카보닐기, 시아노기, 니트로기 또는 화학식 2의 치환기이다.
[화학식 2]
Figure pat00002
화학식 2에서 B는 단일 결합, -COO- 또는 -OCO-이고, R11 내지 R15는, 각각 독립적으로 수소, 할로겐, 알킬기, 알콕시기, 알콕시카보닐기, 시아노기 또는 니트로기이다.
화학식 2에서 B의 좌측의 「-」는, B가 화학식 1의 벤젠에 직접 연결되어 있음을 의미할 수 있다.
화학식 1 및 2에서 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 1 및 2에서 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 1 및 2에서 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, 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.
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 전압이 적절하게 인가될 수 있다. 액정 화합물의 유전율 이방성(△ε)은, 예를 들면, 3 내지 20 범위 내일 수 있다. 또한, 액정 화합물을 수직 유전율 (εㅗ)은 예를 들어, 1 내지 10의 범위 내일 수 있다. 본 명세서에서「수직 유전율 」은 액정 화합물을 포함하는 액정층의 광축과 인가 전압에 의한 전기장의 방향이 실질적으로 수직하도록 전압을 인가한 상태에서 상기 전기장의 방향을 따라 측정한 유전율 값을 의미한다. 하나의 예시에서, 전기장의 방향이 수직인 경우 수직 유전율은 액정 화합물이 수평으로 배향된 상태에서 측정된 유전율 값을 의미할 수 있다. 액정 화합물의 유전율 이방성 및 수직 유전율이 상기 범위를 만족하는 경우, 예를 들면, 낮은 구동 전압으로도 액정셀의 각 모드를 스위칭할 수 있다. 본 명세서에서 특별한 언급이 없는 한 액정 화합물의 유전율은 1 KHz 주파수 및 상온, 예를 들어 25℃에서의 유전율을 의미할 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. 본 명세서에서 특별한 언급이 없는 한 액정 화합물의 굴절률은 589nm 및 상온, 예를 들어 25℃에서의 굴절률을 의미할 수 있다.
액정 화합물을 상전이 온도는 본 출원의 목적을 손상시키지 않는 범위 내에서 적절히 선택될 수 있다. 후술하는 바와 같이 본 출원의 쌍안정 액정셀은 스메틱 A상이 네마틱 상 또는 이소트로픽 상으로 상전이 하는데 필요한 온도까지 액정층을 가열하는 것을 통하여 투과 모드에서 비헤이즈 모드 또는 헤이즈 모드로 스위칭할 수 있다. 액정 화합물의 스메틱 A상이 네마틱 상 또는 이소트로픽 상으로 상전이 하는 온도는 예를 들어, 약 30℃ 내지 100℃ 범위 내일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
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, 3 중량% 이하, 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 전압을 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, 폴리머 네트워크가 연속상의 액정 화합물 중에 분포되어 있는 구조, 소위 PNLC(Polymer Network Liquid Crystal) 구조로 액정층 내에 포함될 수 있다. 또는, 폴리머 네트워크 내에 액정 화합물을 포함하는 액정 영역이 분산되어 있는 상태로 존재하는 구조, 소위 PDLC(Polymer Dispersed Liquid Crystal) 구조로 액정층 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.
이하 예시적인 쌍안정 셀의 구체적인 구조를 설명한다.
발열부
발열부는 도전성 물질을 가지는 발열 전극을 포함할 수 있다. 이러한 발열 전극은 도전물질을 포함하여 전류가 흐르도록 할 수 있으며, 전류가 흐를 시 저항열에 의해 열이 발생되도록 할 수 있다. 이러한 발열 전극은 Al, Ag, Mg, Cr, Ti, Ni, Au, Ta, Cu, Ca, Co, Fe, Mo, W, Pt, Yb 또는 이들을 포함하는 금속, 이들의 합금 또는 이들의 산화물로 형성된 것일 수 있다. 또는, 발열 전극은 ITO, ZnO, SnO2, TiO2, AZO, GZO 또는 WO3 등을 포함하는 투광성 물질로 형성된 것일 수도 있다. 물론 발열부가 포함하는 발열 전극용 물질로 이에 한정되는 것은 아니며, 폴리아세틸렌, 폴리피롤, 폴리아닐린, 폴리페닐렌 또는 PEDOT 등과 같은 전도성 고분자 물질 역시 발열 전극 형성에 사용될 수 있다.
하나의 예시에서, 발열부의 발열 전극은 배선과 같이 폭보다 길이가 긴 형상을 가질 수도 있고, 유기발광 디스플레이 장치의 디스플레이영역에 있어서 일체로 형성되는 대향전극과 같이 통전극과 같은 형상을 가질 수도 있다.
도 1을 참고하면, 발열부(140)는 금속재질의 지그재그 패턴으로 형성된 투명발열전극(141, 142)일 수 있다. 상기 패턴의 형상은 지그재그패턴으로 한정되지 않으며 메시패턴(Mesh Pattern) 또는 임의의 패턴을 형성할 수 있다. 이때, 발열 전극을 투명하게 하기 위하여 투명발열전극의 선폭은 7μm이하로 형성될 수 있다.
발열부(140)는 투명발열전극(141, 142)의 가장자리에 전기적으로 연결되는 터미널 전극(143)을 포함한다. 여기서, 터미널 전극(143)은 투명발열전극(141, 142)과 동일한 성분을 이용하여 일체로 형성할 수 있다. 다만, 이는 예시적인 것이 불과한 것이고, 터미널 전극(143)은 스크린 인쇄법(Screen Printing), 그라비아 인쇄법(Gravure Printing) 또는 잉크젯 인쇄법(Inkjet Printing) 등을 이용하여 투명발열전극(141, 142)과 별도로 인쇄할 수 있다. 이때, 터미널 전극(143)의 재료로는 전기 전도도가 뛰어난 은 페이스트(Ag paste) 또는 유기은으로 조성된 물질을 사용할 수 있다. 한편, 도면상 터미널 전극(143)은 투명발열전극(141, 142)의 양단에 연결되었지만 이는 예시적인 것으로, 투명발열전극(141, 142)의 일단에만 연결될 수 있음은 물론이다.
여기서, 터미널 전극(143)은 투명발열전극(141, 142)의 가장자리에 전기적으로 연결되어, 투명발열전극(141, 142)으로 전기를 공급한다. 이때, 터미널 전극(143)은 직사각형의 일자형 바(bar)형태로 한 쌍으로 형성되어 투명발열전극(141, 142)의 양측에 위치될 수 있지만, 터미널 전극(143)의 형태 및 위치가 여기에 반드시 한정되는 것은 아니다. 또한, 터미널 전극(143)은 전원공급수단 및 스위치를 포함하는 전원 제어부(V1, V2)를 통해 전기를 공급받을 수 있다.
여기서, 투명발열전극(141, 142)은 상기 액정층의 일부 면에 선택적으로 열을 인가하도록 패턴화된 형태로 기판에 다수로 형성될 수 있다. 이때, 투명발열전극(141, 142)이 일정높이 간격으로 이격되어 다수의 열 또는 행으로 패터닝될 수 있으나, 그 패터닝 형태가 다수의 열 또는 행으로 반드시 한정되는 것은 아니다. 하나의 구체 예에서 투명발열전극은 제 1 전원 제어부(V1)와 연결된 다수의 제 1 투명발열전극(141)과 제 2 전원 제어부(V2)와 연결된 다수의 제 2 투명발열전극(142)으로 구분되어 패턴화 될 수 있다.
또한, 터미널 전극(143)이 상기 다수로 패터닝된 투명발열전극(141, 142)의 가장자리 양측에 각각 연결되도록 다수의 연결단자(144)가 연장형성된다. 이로 인해, 터미널 전극(143)이 전원 제어부(V1, V2)를 통해 공급받는 전기를 다수의 연결단자(144)를 통해 다수의 투명발열전극(141, 142)으로 각각 전달할 수 있다.
투명발열전극(141, 142)의 형성은 예를 들어 포토 레지스트(photo resist), 은염 처리 또는 롤투롤(roll to roll) 방법으로 형성될 수 있지만 본 발명의 투명발열전극(141, 142) 형성방법이 여기에 반드시 한정되는 것은 아니다.
여기서, 포토 레지스트 방법으로 투명발열전극을 형성시키는 방법은, 먼저 금속박을 기판에 적층시키고, 드라이 필름(Dry Film)을 금속박의 상부에 적층시킨다. 그리고, 자외선을 조사하여 드라이 필름을 노광시키면, 드라이 필름은 선택적으로 경화된다. 또한, 드라이 필름을 선택적으로 경화시켰으므로, 드라이 필름 중 경화되지 않은 부분을 탄산나트륨(Na2CO3) 또는 탄산칼륨(K2CO3)등의 현상액으로 용해시켜 제거할 수 있다. 아울러, 드라이 필름을 선택적으로 제거함으로써 개구부가 형성되도록 패터닝할 수 있다. 이에 따라, 드라이 필름의 개구부를 통해서 노출된 금속박을 선택적으로 에칭하여 패터닝함으로써 금속재질의 메시패턴 투명발열전극을 형성할 수 있다.
또한, 은염 처리 방법으로 투명발열전극을 형성시키는 방법은, 은염(銀鹽) 에멀젼(emulsion)을 기판에 도포시키고, 은염 에멀젼에 선택적으로 노광을 주면 금속은이 선택적으로 남아 패턴이 형성됨에 따라, 금속재질의 메시패턴 투명발열전극이 형성된다. 이때, 은염은 예를 들어 염화은(Silverchloride, AgCl)으로 이루어질 수 있다.
아울러, 롤투롤(roll to roll) 방법으로 투명발열전극을 형성시키는 방법은, 은(Ag) 나노 잉크를 스크린 인쇄 등으로 기판에 메시형태로 패턴 인쇄(DPT: Direct Printing Technology)하여 금속재질의 메시패턴 투명발열전극을 형성한다.
기판
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.
전극부
액정셀의 전극부는 하나 이상의 전극층을 포함할 수 있고, 전극층은 액정층과 인접하게 배치될 수 있다. 이러한 전극층은 액정층 내의 액정 화합물의 정렬 상태를 전환할 수 있도록 액정층에 수직 또는 수평 전압을 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.
도 2 및 도 3을 참고하면, 상기 전극부(120, 220)는 상기 액정층의 일부 면에 선택적으로 수직 전압 또는 수평 전압을 인가하도록 적절하게 패턴화되어 있을 수도 있다. 하나의 구체 예에서 상기 전극부(120, 220)는 제 1 전원 제어부(미도시)와 연결된 다수의 제 1 전극(121, 221)과 제 2 전원 제어부(미도시)와 연결된 다수의 제 2 전극(122, 222)으로 구분되어 패턴화 될 수 있다.
상기 전극부의 패턴 모양은 특별히 제한되지 않으며, 상기 투명발연전극과 같은 열 또는 행 형상, 도 2에 도시된 바와 같은 격자 형상, 도 3에 도시된 바와 같은 메시 형상의 패턴화될 수 있다.
액정셀
제 1 실시형태에 따른 쌍안정 액성셀이 도 4에 도시되어 있다. 도 1을 참고하면, 쌍안정 액정셀(10)에서, 발열부는 액정층(130)의 일부 면에 선택적으로 열을 인가하도록 패턴화된 발열 전극(141, 142)이고, 전극부(120)와 상기 발열 전극(141, 142)이 대향 배치되어, 상기 액정층(130)에 수직 전압을 인가한다. 쌍안정 액정셀(10)은 상기 액정층(130)에 인접하게 배치되는 수평 배향막(미도시)을 추가로 포함할 수 있다.
도면에서 발열 전극(141, 142)이 하부 기판(111) 상에 형성되어 있는 것으로 도시되어 있으나, 액정셀(10)에 포함된 액정화합물의 상전이를 일으킬 수 있을 정도의 열을 가할 수 있는 한, 그 위치는 제한되지 않는다. 예를 들어, 발열 전극(141, 142)은 상부 기판(112) 아래에 위치하거나, 하부 기판(111) 아래에도 위치할 수 있다. 상부 기판(112) 및 하부기판(111) 각각에 패턴화되어 형성될 수도 있고, 이는 하기에 설명하는 다른 실시예에서도 동일하게 적용될 수 있다.
또한 도면에는 액정셀에서 발열 전극(141, 142)이 하나의 층만 존재하는 것으로 도시되어 있으나, 액정셀은 온도 상승 속도를 증가시키기 위하여 하나 이상의 발열 전극을 추가로 포함할 수 있다. 액정셀(10)을 예를 들면 액정층(130) 하부와 하부 기판(111) 사이에 형성된 제1발열전극층과 액정층(130) 상부와 상부 기판(112) 사이에 형성된 제2발열전극을 포함할 수 있고, 이는 하기에 설명하는 다른 실시예에서도 동일하게 적용될 수 있다.
제 2 실시형태에 따른 쌍안정 액성셀이 도 5에 도시되어 있다. 제 2 실시형태에 따른 쌍안정 액성셀(20)은 전극부가 패턴화 되어 있다. 즉, 제 2 실시형태에 따른 쌍안정 액성셀(20)에서, 전극부는 액정층(230)의 일부 면에 선택적으로 전압을 인가하도록 패턴화된 제 1 전극(221) 및 제 2 전극(222)을 포함하고, 발열부는 상기 패턴화된 제 1 전극(221) 및 제 2 전극(222)과 대향 배치되어, 액정층(230)에 수직 전압을 인가하는 발열 전극(240)이다.
또한 제 2 실시형태에 따른 쌍안정 액성셀(20)은 액정층(230)에 인접하게 배치되는 한 쌍의 수평 배향막(250)을 포함한다. 본 명세서에서 배향막(250)이 액정층과 인접하게 배치되어 있다는 것은, 배향막(250)이 액정층의 액정 화합물의 배향에 영향을 미칠 수 있도록 배치되어 있음을 의미할 수 있다.
배향막(250)의 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 배향막(250)이 반드시 필요한 것은 아니지만, 액정 화합물의 정렬 상태를 조절하기 위하여 배향막(250)을 추가로 사용할 수 있다. 이러한 배향막(250)으로는 인접하는 액정층의 액정 화합물에 대하여 배향능을 가지는 배향막(250)이라면 특별한 제한없이 선택하여 사용할 수 있다. 이러한 배향막(250)으로는, 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.
제 3 실시형태에 따른 쌍안정 액성셀(30)이 도 6에 도시되어 있다. 제 3 실시형태에 따른 쌍안정 액성셀(30)은 제 1 발열 전극(341) 및 제 2 발열 전극(342) 역시 액정층(330)의 일부 면에 선택적으로 열을 인가하도록 패턴화되었다는 점을 제외하고는 제 2 실시형태의 쌍안정 액정셀(20)과 동일하다. 이 경우 제 1 발열 전극(341) 및 제 2 발열 전극(342)의 패턴은 각각 제 1 전극(321) 및 제 2 전극(322)에 마주보게 위치할 수 있다.
제 4 실시형태에 따른 쌍안정 액성셀(40)이 도 7에 도시되어 있다. 제 4 실시형태에 따른 쌍안정 액성셀(40)은 한 쌍의 전극이 대향 배치되어 액정층(430)에 수직전압을 인가한다. 대향 전극의 상부는 제 1 대향 전극(421) 및 제 2 대향 전극(422)으로 패턴화되어 액정층(430)의 일부 면에 선택적으로 수직 전압을 인가할 수 있다. 이 경우 대향 전극의 하부는 상부의 제 1 대향 전극(421) 및 제 2 대향 전극(422)에 대응하여 패턴화될 수도 있고, 도 7에 도시된 바와 같이 하나의 전극층(420)으로 형성될 수도 있다.
또한 제 4 실시형태에 따른 쌍안정 액성셀(40)은 액정층(430)에 인접하게 배치되는 한 쌍의 수평 배향막(450)과 발열 전극(440)을 포함한다. 도면에 도시하지는 않았지만 상기 발열 전극(440) 역시 상부의 제 1 대향 전극(421) 및 제 2 대향 전극(422)에 대응하여 패턴화되어 액정층의 일부 면에 선택적으로 열을 인가할 수도 있다.
한편 제 4 실시형태에 따른 쌍안정 액성셀(40)은 상기 발열 전극(440)과 발열 전극(440)과 인접하는 대향 전극(420) 사이에 형성되어 각 전극을 전기적으로 차단하는 절연막으로 기능하는 베리어층(460)을 더 포함할 수 있다. 베리어층(460)으로는 상기 전기적인 절연막 기능을 갖는 한, 유기 절연막 또는 무기 절연막을 특별한 제한 없이 의도된 용도에 따라서 적합하게 선택하여 사용할 수 있다.
베리어층(460)은 비도전성 물질이라면 제한 없이 사용될 수 있다. 배리어층의 구체적인 예는 In, Sn, Pb, Au, Cu, Ag, Al, Ti 및 Ni 등의 금속; TiO, TiO2, Ti3O3, Al2O3, MgO, SiO, SiO2, GeO, NiO, CaO, BaO, Fe2O3, Y2O3, ZrO2, Nb2O3 및, CeO2및 등의 금속 산화물; SiN 등의 금속 질화물; SiON 등의 금속 산질화물; MgF2, LiF, AlF3 및 CaF2 등의 금속 불화물; 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리이미드, 폴리우레아, 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리클로로트리플루오로에틸렌, 폴리디클로로디플루오로에틸렌, 또는 클로로트리플루오로에틸렌과 디클로로디플루오로에틸렌의 공중합체; 적어도 1종의 코모노머를 포함한 코모노머 혼합물과 테트라플루오로에틸렌의 공중합에 의해 획득된 공중합체; 공중합 주쇄에 환상 구조를 갖는 함불소 공중합체; 흡수율 1% 이상인 흡수성 재료; 및 흡수 계수 0.1% 이하인 방습성 재료를 포함한다. 하나의 예시에서, 배리어층의 단층 구조이거나 또는 복층 구조일 수 있다.
베리어층의 두께는 특별히 한정되지 않으며, 의도된 용도에 따라서 적합하게 선택될 수 있다. 하나의 예시에서, 베리어층의 두께는 5 nm 내지 1000 nm, 7 nm 내지 750 nm 또는 10 nm 내지 500 nm 일 수 있다. 베리어층의 두께가 상기 수치범위를 만족하는 경우, 전기적인 절연막으로서의 기능이 충분하고, 적절한 광 투과율을 가져 투명 기판의 투명성을 유지할 수 있다.
베리어층의 광 투과율은, 특별히 제한되지 않으며, 의도된 용도에 따라서 적합하게 선택될 수 있다. 하나의 예시에서, 베리어층의 광 투과율은, 약 80% 이상, 85%이상 또는 90%이상일 수 있다.
제 5 실시형태에 따른 쌍안정 액성셀(50)이 도 8에 도시되어 있다. 제 5 실시형태에 따른 쌍안정 액성셀(50)은 액정층(530)의 일부 면에 선택적으로 수평 전압을 인가하도록 패턴화된 수평 전극(520)을 포함한다. 수평 전극(520)의 일부는 제 3 전원 제어부(V3)와 연결되어 있고, 다른 일부는 제 4 전원 제어부(V4)와 연결되어 있다. 각각의 전원 제어부는 전원공급수단 및 스위치를 포함한다. 따라서, 액정층(530)의 일부 면에 선택적으로 수평 전압을 인가할 수 있다.
또한 제 5 실시형태에 따른 쌍안정 액성셀(50)은 액정층(530)에 인접하게 배치되는 한 쌍의 수직 배향막(550)과 발열 전극(540)을 포함한다. 발열 전극(540)은 수평 전압을 인가하는 전원 제어부와 구별되는 제 5 전원 제어부(V5)를 통하여 액정층(530)에 열을 가할 수 있다. 또한, 상기 발열 전극(540)과 발열 전극과 인접하는 기판(510) 사이에 형성되는 베리어층을 더 포함할 수 있다. 베리어 층에 대해서는 제 4 실시형태에서 기술한 내용이 동일하게 적용될 수 있다. 또한, 도면에 도시하지는 않았지만 상기 발열 전극(540) 역시 상부의 패턴화된 수평 전극(520)에 대응하여 패턴화되어 액정층의 일부 면에 선택적으로 열을 인가할 수도 있다.
액정셀의 구동
이러한 액정셀은 다양한 방식으로 구동될 수 있다. 액정셀은 쌍안정 모드(bistable)로 구동될 수 있다. 예를 들어, 액정셀은 투과 모드와 헤이즈 모드, 투과 모드와 비헤이즈 모드의 사이를 스위칭할 수 있고, 이러한 모드의 전환 시에만 전압 또는 열과 같은 외부 에너지의 인가가 요구된다. 이러한 액정셀은 액정 화합물의 정렬 상태에 따라 투과 모드, 헤이즈 모드와 비헤이즈 모드의 사이를 스위칭할 수 있고, 전압 및 열과 같은 외부 에너지는 상기 액정 화합물의 정렬 상태의 변화시에 요구된다.
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 15% 이상, 20% 이상, 25% 이상, 30% 이상, 35% 이상, 40% 이상, 45% 이상, 50% 이상일 수 있다. 헤이즈 모드에서 액정셀의 투과도는 10 내지 50%, 20 내지 45%, 30 내지 40%일 수 있다.
비헤이즈 모드에서 액정셀은, 예를 들어, 헤이즈가 10% 이하, 8% 이하, 6% 이하 또는 5% 이하일 수 있다. 헤이즈 모드에서 액정셀의 투과도는 10 내지 50%, 20 내지 45%, 30 내지 40%일 수 있다.
또한 본 명세서에서 「투과 모드」는 액정셀이 예정된 일정 수준 이상의 투과도를 나타내는 모드를 의미한다. 예를 들어, 투과 모드에서 액정셀은, 투과도가 50% 이상, 55% 이상, 60% 이상, 65% 이상일 수 있다. 또한 투과 모드에서 액정셀의 헤이즈는 5% 이하, 3% 이하, 2% 이하 또는 1% 이하일 수 있다.
상기 투과도 및 헤이즈는, 헤이즈미터(hazemeter, NDH-5000SP)를 사용하여 평가할 수 있다. 상기 헤이즈는, 측정 대상을 투과하는 전체 투과광의 투과율에 대한 확산광의 투과율의 백분율일 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.
상기 제 1 실시형태의 액정셀(10)은 배향막을 포함하고 있지 않다. 전극(120)과 발열 전극(141, 142)을 구동하여 액정층(130)의 전 영역에 수직 전압이 인가되면 액정층(130) 내의 액정 화합물(131)이 수직으로 정렬되어 투과도가 50% 이상인 전면 투과 모드로 스위칭된다. 전면 투과 모드로 전환 후에는 전압을 제거하더라도 투과 모드의 상태를 유지할 수 있다. 투과 모드 상태에서 발열부 중 제 1 발열 전극(141)만을 구동하여 수직 정렬된 액정층(130)을 가열하면 해당 영역의 액정층 내의 액정 화합물(132)만이 불규칙하게 정렬되어 헤이즈가 15%이상인 헤이즈 모드로 스위칭된다. 이때 구동되지 않은 제 2 발열 전극(142)에 해당하는 영역의 액정층은 여전히 수직으로 정렬되어 투과 모드 상태를 유지하고 있으므로, 투과 모드와 헤이즈 모드로 패턴화된 패턴화 모드가 구현된다. 이 후 발열 전극(141, 142)을 통하여 액정층(130)의 전체 면을 가열하면 가열된 액정층 내의 액정 화합물이 모두 불규칙하게 정렬되어 헤이즈가 15%이상인 전면 헤이즈 모드로 스위칭된다. 따라서 제 1 실시형태의 액정셀(10)은 전면 투과 모드, 헤이즈 모드와 투과 모드를 동시에 가지는 패턴화 모드, 전면 헤이즈 모드로 스위칭될 수 있다.
상기 제 2 내지 제 4 실시형태의 액정셀(20, 30, 40)은 수평 배향막(250, 350, 450)을 포함하고 있다. 발열 전극(240, 341, 342, 440)을 통하여 액정층(230, 330, 430)의 전체 영역을 가열하면 제1실시형태와 상이하게 수평 배향막(250, 350, 450)의 영향으로 액정층(230, 330, 430) 내의 액정 화합물(232, 332, 432)이 수평으로 정렬되어 헤이즈가 10%이하인 전면 비헤이즈 모드로 스위칭된다. 전면 비헤이즈 모드 상태에서 패턴화된 전극 중 제 1 전극(221, 321, 421)만을 구동하여 수평 정렬된 액정층(230, 330, 430)에 수직 전압을 인가하면 해당 영역의 액정층 내의 액정 화합물(231, 331, 431)만이 수직으로 정렬되어 투과도가 50% 이상인 투과 모드로 스위칭된다. 이때 구동되지 않은 제 2 전극(222, 322, 422)에 해당하는 영역의 액정층은 여전히 수평으로 정렬되어 비헤이즈 모드 상태를 유지하고 있으므로, 투과 모드와 비헤이즈 모드로 패턴화된 패턴화 모드가 구현된다. 이 후 전극(221, 222, 321, 322, 421, 422)과 발열 전극(240, 341, 342, 420)을 구동하여 액정층(230, 330, 430)의 전체 면에 수직 전압이 인가되면 액정층(230, 330, 430) 내의 액정 화합물(231, 331, 431)이 수직으로 정렬되어 투과도가 50% 이상인 전면 투과 모드로 스위칭된다. 전면 투과 모드로 전환 후에는 전압을 제거하더라도 투과 모드의 상태를 유지할 수 있다. 또한 패턴화 모드에서 발열 전극을 전면으로 구동하면 전면 비헤이즈 모드로 스위칭할 수도 있고, 전면 비헤이즈 모드에서 수직 전압을 전면에 인가하는 경우 전면 투과 모드로 스위칭될 수도 있다. 상기 제 2 내지 제 4 실시형태의 경우 일부분에만 열을 가하여 구동하는 제 1 실시 형태에 비하여, 수직 전압이 인가된 부분만 정확히 거동하게 되므로 제 1 실시 형태에 비하여 선명한 패턴을 얻을 수 있다. 이와 같은 구동 방법을 도 10에 도시하였다.
상기 제 5 실시형태의 액정셀(50)은 수직 배향막(550)을 포함하고 있다. 발열 전극(540)을 통하여 액정층(530)의 전체 영역을 가열하면 제1실시형태와 상이하게 수직 배향막(550)의 영향으로 액정층(530) 내의 액정 화합물(531)이 수직으로 정렬되어 투과도가 50% 이상인 전면 투과 모드로 스위칭된다. 전면 투과 모드 상태에서 제 3 전원 제어부만을 구동하여 수평 전극(520)을 통하여 수직 정렬된 액정층(530)에 수평 전압을 인가하면 해당 영역의 액정층 내의 액정 화합물(532)만이 수평으로 정렬되어 헤이즈가 10% 이하인 비헤이즈 모드로 스위칭된다. 이때 구동되지 않은 제 4 전원 제어부와 연결된 전극(520)에 해당하는 영역의 액정층은 여전히 수직으로 정렬되어 투과 모드 상태를 유지하고 있으므로, 투과 모드와 비헤이즈 모드로 패턴화된 패턴화 모드가 구현된다. 이 후 수평 전극(520)을 구동하여 액정층(530)의 전체 면에 수평 전압을 가하면 전압이 인가된 액정층(530) 내의 액정 화합물(532)이 수평으로 정렬되어 헤이즈가 10% 이하인 전면 비헤이즈 모드로 스위칭된다. 또한 패턴화 모드에서 발열 전극을 전면으로 구동하면 전면 투과 모드로 스위칭할 수도 있고, 전면 투과 모드에서 수평 전압을 전면에 인가하는 경우 전면 비헤이즈 모드로 스위칭될 수도 있다.
상기 제 5 실시형태의 경우 일부분에만 열을 가하여 구동하는 제 1 실시 형태에 비하여, 수평 전압이 인가된 부분만 정확히 거동하게 되므로 제 1 실시 형태에 비하여 선명한 패턴을 얻을 수 있다. 이와 같은 구동 방법을 도 11에 도시하였다.
하나의 예시에서, 비헤이즈 모드 또는 헤이즈 모드에서 투과 모드로 스위칭하기 위해 요구되는 수직 전계의 주파수는, 약 1 Hz 내지 1 kHz, 구체적으로, 약 1 Hz 내지 500 Hz 범위 내의 저 주파수일 수 있다. 다른 하나의 예시에서, 투과 모드에서 비헤이즈 모드 또는 헤이즈 모드로 스위칭하기 위해 요구되는 수평 전계 주파수는 약 1 Hz 내지 1 kHz, 구체적으로, 약 1 Hz 내지 500 Hz일 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 각 모드 사이의 전환이 가능하다. 하나의 예시에서, 액정셀은 비헤이즈 모드에서 투과 모드로 스위칭하기 위한 요구 전압 또는 투과 모드에서 비헤이즈 모드 또는 헤이즈 모드로 스위칭하기 위한 요구 전압의 하한이 예를 들어, 셀 갭이 9um이고 면적이 5 cm x 5 cm (가로 x 세로)인 액정 셀을 기준으로 약 50V 이상, 55V 이상, 60V 이상, 65 V 이상, 70 V 이상, 75V이상 또는 80V 이상일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
하나의 예시에서, 발열부를 통하여 액정층에 열을 인가하여 각 모드를 스위칭하기 위해 요구되는 구동 온도는 사용되는 액정화합물의 종류에 따라 변할 수 있다. 구체적으로 스메틱 A상이 네마틱 상 또는 이소트로픽 상으로 상전이 하는데 필요한 온도까지 액정층을 가열할 필요가 있다. 예를 들어, 발열부를 통하여 액정층에 열을 인가하여 각 모드를 스위칭하기 위해 요구되는 구동 온도는 약 30℃ 내지 100℃ 범위 내일 수 있다. 보다 구체적으로, 구동 온도의 하한은 30℃ 이상, 35℃ 이상, 40℃ 이상, 45℃ 이상, 50℃ 이상 또는 55℃ 이상일 수 있고, 구동 온도의 상한은 100℃ 이하, 95℃ 이하, 90℃ 이하, 85℃ 이하, 80℃ 이하, 75℃ 이하, 70℃ 이하, 65℃ 이하 또는 60℃ 이하일 수 있다.
본 출원은 또한, 액정셀의 용도에 관한 것이다. 예시적인 액정셀은, 낮은 구동 전압으로도 헤이즈 모드(또는 비헤이즈 모드)와 투과 모드 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 전압 및 가열 온도만으로도 헤이즈 모드와 투과 모드 사이; 또는 비헤이즈 모드와 투과 모드 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 도 3은 발열부의 패턴을 예시적으로 나타낸다.
도 4 내지 8은 제 1 내지 5 실시형태에 따른 액정셀을 예시적으로 나타낸다.
도 9는 실시예 1의 패턴화된 액정셀의 구동 상태를 나타낸다.
도 10은 실시예 2의 패턴화된 액정셀의 구동 상태를 나타낸다.
도 11은 실시예 3의 패턴화된 액정셀의 구동 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. 제 1 실시형태에 따른 액정셀의 제조
유리 기재 (가로x세로=5cmx5cm) 상의 일부 영역에 발열 전극용 ITO층의 패턴을 형성한 후, 전면에 투명 전극용 ITO층 및 공지의 수평 배향막(광 배향막)을 순차로 형성하여 제 1 기판 적층체를 제조하였다. 발열 전극은 도 1에 도시되어 있는 형상으로 패턴화되었다. 상기 발열 전극의 패터닝은 공지의 photo 공정 및 etching 공정을 통하여 수행하였다.
유리 기재 (가로x세로=5cmx5cm) 상부 전면에 투명 전극용 ITO층 및 공지의 수평 배향막(광 배향막)을 순차로 형성하여 제 2 기판 적층체를 제조하였다.
제1 및 제2 기판 적층체를 상기 수평 배향막이 서로 대향하고, 간격이 약 9 ㎛ 정도가 되도록 합착한 후, 상기 제 1 및 제 2 기판 적층체의 사이에 액정 조성물을 주입하고, 에지(edge)를 실링하여 액정셀을 제작하였다. 상기 액정 조성물은, 스멕틱 A상을 나타내는 액정 화합물(HJA151200-000, HCCH 社제) 및 이방성 염료(X12, BASF 社제)를 99.3:0.7의 중량 비율(액정 화합물: 이방성 염료)로 혼합하여 제조된 것을 사용하였다.
실시예 2. 제 4 실시 형태에 따른 액정셀의 제조
유리 기재 (가로x세로=5cmx5cm) 상의 일부 영역에 투명 전극용 ITO층의 패턴을 형성한 후 전면에 공지의 수평 배향막(광 배향막)을 순차로 형성하여 제 1 기판 적층체를 제조하였다. 투명 전극은 도 3에 도시되어 있는 형상으로 패턴화되었다. 상기 투명 전극의 패터닝은 공지의 photo 공정 및 etching 공정을 통하여 수행하였다.
유리 기재 (가로x세로=5cmx5cm) 상부 전면에 투명 전극용 ITO층, 400 nm 두께의 SiOx층, 발열 전극용 ITO층 및 공지의 수평 광 배향막을 순차로 형성하여 제 2 기판 적층체를 제조하였다.
제1 및 제2 기판 적층체를 상기 수평 배향막이 서로 대향하고, 간격이 약 9 ㎛ 정도가 되도록 합착한 후, 상기 제 1 및 제 2 기판 적층체의 사이에 액정 조성물을 주입하고, 에지(edge)를 실링하여 액정셀을 제작하였다. 상기 액정 조성물은, 스멕틱 A상을 나타내는 액정 화합물(HJA151200-000, HCCH 社제) 및 이방성 염료(X12, BASF 社제)를 99.3:0.7의 중량 비율(액정 화합물: 이방성 염료)로 혼합하여 제조된 것을 사용하였다.
실시예 3. 제 5 실시 형태에 따른 액정셀의 제조
유리 기재 (가로x세로=5cmx5cm) 상의 일부 영역에 수평 전계의 인가가 가능하도록 투명 전극용 ITO층의 패턴을 형성한 후, 전면에 공지의 수평 배향막(광 배향막)을 순차로 형성하여 제 1 기판 적층체를 제조하였다. 투명 전극은 도 3에 도시되어 있는 형상으로 패턴화되었다. 상기 투명 전극의 패터닝은 공지의 photo 공정 및 etching 공정을 통하여 수행하였다.
유리 기재 (가로x세로=5cmx5cm) 상부 전면에 발열 전극용 ITO층 및 공지의 수직 배향막을 순차로 형성하여 제 2 기판 적층체를 제조하였다. 제1 및 제2 기판 적층체를 을 상기 수평 배향막이 서로 대향하고, 간격이 약 9 ㎛ 정도가 되도록 합착 후, 상기 제 1 및 제 2 기판 적층체의 사이에 액정 조성물을 주입하고, 에지(edge)를 실링하여 액정셀을 제작하였다. 상기 액정 조성물은, 스멕틱 A상을 나타내는 액정 화합물(HJA151200-000, HCCH 社제) 및 이방성 염료(X12, BASF 社제)를 99.3:0.7의 중량 비율(액정 화합물: 이방성 염료)로 혼합하여 제조된 것을 사용하였다.
시험예 1. 액정 셀의 구동
실시예에서 제조된 각각의 액정셀의 ITO 투명 전극층 및 발열 전극에 전원을 연결하고, 구동 전압과 열을 인가하면서 액정 셀을 구동하였다.
실시예 1 액정셀의 구동
실시예 1의 액정셀의 경우, 액정셀의 전 영역에 60 Hz 주파수 및 80V 전압으로 상하 수직 전압을 인가하여 투과율이 약 69.06%이고, 헤이즈가 약 0.5%인 전면 투과 모드를 구현하였다. 그 후, 액정셀의 일부 영역에만 발열 전극을 부분 구동하여 온도를 60℃까지 가열하여 투과율이 약 39.72%이고, 헤이즈가 약 1.16%인 패턴화 비헤이즈 모드로 전환하였다. 도 9는 투과 모드와 비헤이즈 모드가 패턴화되어 있는 상태의 액정셀의 이미지이다. 또한, 투과 모드 구현에 있어서 상하 수직 전압을 제거하여도 약 240시간 이상 투과 모드를 유지하였으며, 비헤이즈 모드로 전환 후에 발열 전극을 구동하지 않아도 약 240시간 이상 비헤이즈 모드를 유지하였다.
실시예 2 액정셀의 구동
실시예 2의 액정셀의 경우, 액정셀의 전 영역에 60Hz 주파수 및 80V 전압으로 상하 수직 전압을 인가하여 투과율이 약 69.06%이고, 헤이즈가 약 0.5%인 전면 투과 모드(도 10a)를 구현하였다. 그 후, 액정셀의 전 영역에 발열 전극을 구동하여 온도를 60℃까지 가열하여 투과율이 약 39.72%이고, 헤이즈가 약 1.16%인 전면 비헤이즈 모드를 구현하였다 (도 10b). 그 후, 액정셀의 일부 영역에만 60Hz 주파수 및 80V 전압으로 상하 수직 전압을 인가하여 투과율이 약 69.06%이고, 헤이즈가 약 0.5%인 패턴화 투과 모드를 구현하였다(도 10c). 또한, 상기 패턴화 투과 모드에서 액정셀의 전면에 발열 전극을 구동하는 경우 전면 비헤이즈 모드로 전환할 수 있고, 상기 전면 비헤이즈 모드에서 액정셀의 전면에 상하 수직 전압을 인가하는 경우 전면 투과 모드로 전환할 수 있다. 도 10은 이러한 구동 방식에 따른 액정셀의 상태 이미지이다. 또한, 투과 모드 구현에 있어서 상하 수직 전압을 제거하여도 약 240시간 이상 투과 모드를 유지하였으며, 비헤이즈 모드로 전환 후에 발열 전극을 구동하지 않아도 약 240시간 이상 비헤이즈 모드를 유지하였다. 또한, 실시예 2의 구동 방식의 경우 실시예 1의 구동 방식에 비하여 선명한 패턴을 얻을 수 있다.
실시예 3 액정셀의 구동
실시예 3의 액정셀의 경우, 액정셀의 전 영역에 60Hz 주파수 및 100V 전압으로 수평 전압을 인가하여 투과율이 약 39.72%이고, 헤이즈가 약 1.16%인 전면 비헤이즈 모드(도 11a)를 구현하였다. 그 후, 액정셀의 전 영역에 발열 전극을 구동하여 온도를 60℃까지 가열하여 투과율이 약 69.06%이고, 헤이즈가 약 0.5%인 전면 투과 모드를 구현하였다 (도 11b). 그 후, 액정셀의 일부 영역에만 60Hz 주파수 및 80V 전압으로 수평 전압을 인가하여 투과율이 약 39.72%이고, 헤이즈가 약 1.16%인 패턴화 비헤이즈 모드를 구현하였다(도 11c). 또한, 상기 패턴화 비헤이즈 모드에서 액정셀의 전면에 발열 전극을 구동하는 경우 전면 투과 모드로 전환할 수 있고, 상기 전면 투과 모드에서 액정셀의 전면에 수평 전압을 인가하는 경우 전면 비헤이즈 모드로 전환할 수 있다. 도 11은 이러한 구동 방식에 따른 액정셀의 상태 이미지이다. 또한, 비헤이즈 모드 구현에 있어서 수평 전압을 제거하여도 약 240시간 이상 비헤이즈 모드를 유지하였으며, 투과 모드로 전환 후에 발열 전극을 구동하지 않아도 약 240시간 이상 투과 모드를 유지하였다. 또한, 실시예 3의 구동 방식의 경우 실시예 1의 구동 방식에 비하여 선명한 패턴을 얻을 수 있다.
80V [60Hz] 전압 인가 60℃가열
실시예 1 전체 투과율 69.06% 전체 투과율 39.72%
헤이즈 0.5% 헤이즈 1.16%
실시예 2 전체 투과율 69.38% 전체 투과율 40.21%
헤이즈 0.5% 헤이즈 0.8%
실시예 3 전체 투과율 42.12% 전체 투과율 69.72%
헤이즈 1.0% 헤이즈 1.06%
111: 하부 기판, 112: 상부 기판
210, 310, 410, 510: 기판
130, 230, 330, 430, 530: 액정층
131,132, 231, 232, 331, 332, 431, 432, 531, 532: 스멕틱 액정 화합물
120, 220, 320, 420, 520: 전극부
121, 221, 321, 421: 패턴화된 제 1 전극
122, 222, 322, 422: 패턴화된 제 2 전극
140, 240, 340, 440, 540: 발열부
141, 142: 투명발열전극
143: 터미널 전극
144: 연결 단자
250, 350, 450, 550: 배향막

Claims (28)

  1. 대향 배치된 2개의 기판;
    상기 2개의 기판 사이에 배치되고, 액정 화합물을 포함하는 액정층;
    상기 액정층에 전압을 인가하는 전극부; 및
    상기 액정층에 열을 인가하는 발열부를 포함하고,
    상기 전극부 및 발열부 중 적어도 하나는 상기 액정층의 일부 면에 선택적으로 전압 또는 열을 인가하도록 패턴화된 쌍안정 액정셀.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 액정 화합물은 스멕틱 A 액정 화합물인 쌍안정 액정셀.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 액정층은 이방성 염료를 추가로 포함하는 쌍안정 액정셀.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 이방성 염료는 0.01 중량% 내지 3 중량% 범위 내의 비율로 액정층에 포함되는 쌍안정 액정셀.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 발열부는 도전성 물질을 가지는 발열 전극을 포함하는 쌍안정 액정셀.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 도전성 물질은 금속 또는 금속산화물인 쌍안정 액정셀.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 발열 전극은 폭보다 길이가 긴 선형으로 임의의 형상으로 패턴화된 쌍안정 액정셀.
  8. 제 5 항에 있어서,
    상기 발열부는 상기 발열 전극의 가장자리에 형성되는 터미널 전극을 추가로 포함하는 쌍안정 액정셀.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 발열전극은 기판 상에 다수의 열 또는 행으로 형성되고,
    상기 터미널 전극은 다수의 열 또는 행으로 형성된 상기 발열전극에 각각 연결되도록 연장 형성된 다수의 연결단자를 더 포함하는 쌍안정 액정셀.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 발열부는 액정층을 30℃ 내지 100℃ 범위 내의 온도로 가열하는 쌍안정 액정셀.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 발열부는 액정층의 일부 면에 선택적으로 열을 인가하도록 패턴화된 발열 전극이고,
    상기 전극부와 상기 발열 전극이 대향 배치되어, 상기 액정층에 수직 전압을 인가하는 쌍안정 액정셀.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 액정층에 인접하게 배치되는 수평 배향막을 추가로 포함하는 쌍안정 액정셀. 쌍안정 액정셀.
  13. 제 11 항에 있어서,
    상기 액정층에 수직 전압이 인가되면 액정층 내의 액정 화합물이 수직으로 정렬되어 투과도가 50% 이상인 전면 투과 모드로 스위칭되고,
    상기 발열 전극을 통하여 상기 액정층의 일부 면을 선택적으로 가열하면 가열된 액정층 내의 일부 면의 액정 화합물은 불규칙하게 정렬되어 헤이즈가 15%이상인 헤이즈 모드와 가열되지 않은 액정층 내의 다른 면의 액정 화합물은 수직으로 정렬되어 투과도가 50% 이상인 투과 모드를 동시에 가지는 패턴화 모드로 스위칭되며,
    상기 발열 전극을 통하여 상기 액정층의 전체 면을 가열하면 가열된 액정층 내의 액정 화합물이 불규칙하게 정렬되어 헤이즈가 15%이상인 전면 헤이즈 모드로 스위칭되는 쌍안정 액정셀.
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 전극부는 상기 액정층의 일부 면에 선택적으로 전압을 인가하도록 패턴화된 전극이고,
    상기 발열부는 상기 전극부와 대향 배치되어, 상기 액정층에 수직 전압을 인가하는 발열 전극인 쌍안정 액정셀.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 액정층에 인접하게 배치되는 수평 배향막을 추가로 포함하는 쌍안정 액정셀.
  16. 제 14 항에 있어서,
    상기 발열 전극은 액정층의 일부 면에 선택적으로 열을 인가하도록 패턴화된 쌍안정 액정셀.
  17. 제 1 항에 있어서,
    상기 전극부는 상기 액정층의 일부 면에 선택적으로 수직 전압을 인가하도록 패턴화된 대향 전극이고,
    상기 발열부는 발열 전극인 쌍안정 액정셀.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 액정층에 인접하게 배치되는 수평 배향막을 추가로 포함하는 쌍안정 액정셀.
  19. 제 17 항에 있어서,
    상기 발열 전극은 액정층의 일부 면에 선택적으로 열을 인가하도록 패턴화된 쌍안정 액정셀.
  20. 제 17 항에 있어서,
    상기 발열 전극과 발열 전극과 인접하는 대향 전극 사이에 형성되는 베리어층을 추가로 포함하는 쌍안정 액정셀.
  21. 제 14 항 또는 제 17항에 있어서,
    상기 발열 전극을 통하여 상기 액정층을 가열하면 액정층 내의 액정 화합물이 수평으로 정렬되어 헤이즈가 10% 이하인 전면 비헤이즈 모드로 스위칭되고,
    상기 패턴화된 전극 또는 패턴화된 대향 전극을 통하여 상기 액정층의 일부 면에 선택적으로 수직 전압을 가하면 전압이 인가된 액정층 내의 일부 면의 액정 화합물은 수직으로 정렬되어 투과도가 50% 이상인 투과 모드와 전압이 인가되지 않은 액정층 내의 다른 면의 액정 화합물은 수평으로 정렬되어 헤이즈가 10% 이하인 비헤이즈 모드를 동시에 가지는 패턴화 모드로 스위칭되며,
    상기 패턴화된 전극 또는 패턴화된 대향 전극을 통하여 상기 액정층의 전체 면에 수직 전압을 가하면 전압이 인가된 액정층 내의 액정 화합물이 수직으로 정렬되어 투과도가 50% 이상인 전면 투과 모드로 스위칭되는 쌍안정 액정셀.
  22. 제 1 항에 있어서,
    상기 전극부는 상기 액정층의 일부 면에 선택적으로 수평 전압을 인가하도록 패턴화된 수평 전극이고,
    상기 발열부는 발열 전극인 쌍안정 액정셀.
  23. 제 22 항에 있어서,
    상기 액정층에 인접하게 배치되는 수직 배향막을 추가로 포함하는 쌍안정 액정셀.
  24. 제 22 항에 있어서,
    상기 발열 전극과 발열 전극과 인접하는 기판 사이에 형성되는 베리어층을 추가로 포함하는 쌍안정 액정셀.
  25. 제 22 항에 있어서,
    상기 발열 전극은 액정층의 일부 면에 선택적으로 열을 인가하도록 패턴화된 쌍안정 액정셀.
  26. 제 22 항에 있어서,
    상기 발열 전극을 통하여 상기 액정층을 가열하면 액정층 내의 액정 화합물이 수직으로 정렬되어 투과도가 50% 이상인 전면 투과 모드로 스위칭되고,
    상기 수평 전극을 통하여 상기 액정층의 일부 면에 선택적으로 수평 전압을 가하면 전압이 인가된 액정층 내의 일부 면의 액정 화합물이 수평으로 정렬되어 헤이즈가 10% 이하인 비헤이즈 모드와 전압이 인가되지 않은 액정층 내의 다른 면의 액정 화합물은 투과도가 50% 이상인 투과 모드를 동시에 가지는 패턴화 모드로 스위칭되며,
    상기 수평 전극을 통하여 상기 액정층의 전체 면에 수평 전압을 가하면 전압이 인가된 액정층 내의 액정 화합물이 수평으로 정렬되어 헤이즈가 10% 이하인 전면 비헤이즈 모드로 스위칭되는 쌍안정 액정셀.
  27. 제 1 항의 액정셀을 포함하는 광변조 장치.
  28. 제 1 항의 액정셀을 포함하는 스마트 윈도우.
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