KR20170093618A - 액정층 전구 조성물 - Google Patents

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Abstract

본 출원은 액정층 전구 조성물, 액정 소자의 제조 방법, 액정 소자 및 그 용도에 관한 것이다. 본 출원의 예시적인 액정층 전구 조성물은 공기 중 또는 산소 분위기에서의 중합을 통하여 액정 소자를 제조하는 방법에 이용될 수 있다. 이를 통해 제조된 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

액정층 전구 조성물{Precursor composition for liquid crystal layer}
본 출원은, 액정층 전구 조성물, 액정 소자의 제조 방법, 액정 소자 및 액정 소자의 용도에 관한 것이다.
LCD(Liquid Crystal Display)는, 액정 화합물을 배향시키고, 전압의 인가를 통해 배향을 스위칭 시켜서 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, PDLC는 일반적으로 중합 유도 상분리 (Polymerization induced phase separation, 이하 PIPS) 방법에 의해서 형성될 수 있다. 그러나, 기존의 PIPS 방법에 의하여 PDLC를 제조하는 경우 원하는 셀 갭(Cell Gap)에 대응하는 크기를 가지는 스페이서를 이용하여 셀 갭을 형성한 후 셀 갭을 충진하는 방법(Gap Filling 방법)을 이용하여 액정 셀을 형성한 후 중합을 위한 노광 공정이 진행되므로, 셀 갭의 조정이 자유롭지 못하며, 다양한 곡면 형상을 가지는 PDLC 제조에는 한계가 있다. 또한, 기존의 PIPS 방법에 의하여 PDLC를 제조하는 경우 질소 분위기 또는 상부 기판을 적층함으로써 공기 또는 산소를 차단한 상태에서 노광하여 상 분리가 진행되므로, 반드시 상부 및 하부 2장의 기판이 필요하다는 단점이 있다. 또한, 기존의 PIPS 방법에 의하여 염료(Dye)가 도핑된 PDLC를 형성하는 경우, 액정 셀에 염료를 혼합한 상태에서 노광 등의 공정이 수행되므로 각종 스트레스로 인하여 염료의 변색이 발생할 수 있는 문제점이 있다.
한국공개특허 제2013-0080577호
본 출원은, 기존의 PIPS 방법과는 다른 새로운 방법에 의해 PDLC 소자를 제조할 수 있는 액정층 전구 조성물, 상기 액정층 전구 조성물을 사용한 액정 소자의 제조 방법, 상기 방법을 통해 제조된 액정 소자 및 상기 액정 소자의 용도를 제공한다.
본 출원은 액정층 전구 조성물에 관한 것이다. 본 출원의 예시적인 액정층 전구 조성물은 고분자 전구 물질 및 액정 화합물을 포함할 수 있다. 고분자 전구 물질은 예를 들어, 폴리머 네트워크를 형성할 수 있도록 조성된 전구 물질일 수 있다. 하나의 예시에서, 상기 고분자 전구 물질은 중합성 화합물 및 다관능성 티올 화합물을 포함할 수 있다. 이러한 액정층 전구 조성물은 공기 중 또는 산소 분위기 하에서 오픈 노광을 통하여 액정 소자를 제조할 수 있다.
본 명세서에서 티올 화합물은 티올기(-SH)를 가지는 화합물을 의미할 수 있고, 다관능성 티올 화합물은 티올기를 적어도 2개 이상 가지는 화합물을 의미할 수 있다. 다관능성 티올 화합물로는, 예를 들어 티올기(-SH)를 2개 내지 8개, 2개 내지 7개, 2개 내지 6개, 2개 내지 5개, 2개 내지 4개, 2개 내지 3개 가지는 화합물을 사용할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
다관능성 티올 화합물로는, 예를 들어 0차 티올 화합물, 1차 티올 화합물, 2차 티올 화합물 또는 3차 티올 화합물을 사용할 수 있다. 본 명세서에서 「n차 티올 화합물」은 티올기와 결합하고 있는 탄소 원자에 결합된 수소 중에서 n개의 수소가 치환된 구조의 티올 화합물을 의미한다. 예를 들어, 0차, 1차, 2차 및 3차 티올 화합물은 각각 티올기와 결합하고 있는 탄소 원자에 결합된 수소 중에서 0개, 1개, 2개 및 3개의 수소가 치환된 구조의 티올 화합물을 의미한다. 상기에서 수소를 치환하는 치환기는 특별히 제한되지 않으나, 예를 들어 알킬기, 알콕시기, 아릴기, 알킬렌기, 알킬리덴기, 알케닐렌기, 알키닐렌기, 아릴렌기 또는 중합성 관능기일 수 있고, 상기 치환기는 다시 염소, 브롬 또는 요오드 등과 같은 할로겐 원자, 알킬기, 알콕시기, 알케닐기, 에폭시기, 옥소기, 옥세타닐기, 시아노기, 카복실기, 아크릴로일기, 메타크릴로일기, 아크릴로일옥시기, 메타크릴로일옥시기 또는 아릴기 등에 의하여 치환된 구조를 가질 수 있다.
본 출원의 일 실시예에 의하면, 다관능 화합물로 2차 이상의 티올 화합물, 보다 구체적으로 2차 티올 화합물 또는 3차 티올 화합물을 사용할 수 있다. 2차 이상의 티올기는 예를 들어, 하기 화학식 1로 표시될 수 있다.
[화학식 1]
Figure pat00001
화학식 1에서, A는 알킬렌기이고, R1은 -SH이며, R2는 수소 또는 알킬기이고,
Figure pat00002
는 연결 부위를 의미한다. 화학식 1에서 A는 탄소수 1 내지 20, 탄소수 1 내지 15, 탄소수 1 내지 10, 탄소수 1 내지 6 또는 탄소수 1 내지 4의 알킬렌기일 수 있고, 본 출원의 일 실시예로서 탄소수 1의 알킬렌기를 사용할 수 있다. 또한, 화학식 1에서 R2가 알킬기인 경우 탄소수 1 내지 20, 탄소수 1 내지 15, 탄소수 1 내지 10, 탄소수 1 내지 6 또는 탄소수 1 내지 4의 알킬기일 수 있다.
본 출원의 일 실시예에 의하면, 다관능성 티올 화합물로는, 예를 들어 하기 화학식 2 또는 3으로 표시되는 화합물을 사용할 수 있다.
[화학식 2]
Figure pat00003
[화학식 3]
Figure pat00004
화학식 2 또는 3에서, m은 2 이상의 정수, 보다 구체적으로 2 내지 4의 정수일 수 있고, X는 m가의 지방족 탄화 수소, m가의 지환족 탄화 수소 또는 m가의 방향족 탄화 수소일 수 있으며, n은 2이상의 정수, 보다 구체적으로 3일 수 있고, Y는 질소(N)일 수 있으며, B는 알킬렌기일 수 있고, D는 하기 화학식 1로 표시되는 2차 이상의 티올기일 수 있다.
[화학식 1]
Figure pat00005
화학식 1에서, A는 알킬렌기이고, R1은 -SH이며, R2는 수소 또는 알킬기이고,
Figure pat00006
는 연결 부위를 의미한다. 화학식 1에서 A는 탄소수 1 내지 20, 탄소수 1 내지 15, 탄소수 1 내지 10, 탄소수 1 내지 6 또는 탄소수 1 내지 4의 알킬렌기일 수 있고, 본 출원의 일 실시예로서 탄소수 1의 알킬렌기를 사용할 수 있다. 또한, 화학식 1에서 R2가 알킬기인 경우 탄소수 1 내지 20, 탄소수 1 내지 15, 탄소수 1 내지 10, 탄소수 1 내지 6 또는 탄소수 1 내지 4의 알킬기일 수 있다.
화학식 2에서, m가의 지방족 탄화 수소는 예를 들어, 탄소수 1 내지 20, 탄소수 2 내지 16, 탄소수 2 내지 12, 탄소수 2 내지 8 또는 탄소수 2 내지 6의 탄화 수소, 예를 들면, 직쇄 또는 분지쇄의 알칸으로부터 유도된 m가의 지방족 탄화 수소일 수 있다. 또한, 화학식 2에서 m가의 지환족 탄화 수소는 예를 들어, 탄소수 3 내지 20, 탄소수 3 내지 16, 탄소수 3 내지 12, 탄소수 3 내지 8 또는 탄소수 3 내지 6의 싸이클로 알칸으로부터 유도된 m가의 지환족 탄화 수소일 수 있다. 또한, 화학식 2에서 m가의 방향족 탄화수소는 예를 들어, 탄소수 6 내지 18, 탄소수 6 내지 14, 탄소수 6 내지 10, 탄소수 6의 방향족 탄화수소로부터 유도된 m가의 방향족 탄화수소일 수 있다. 또한, 화학식 2 또는 3에서 B는 각각 독립적으로 탄소 수 1 내지 20, 1 내지 10, 1 내지 5의 알킬렌기일 수 있고, 본 출원의 일 실시예로서 탄소수 1의 알킬렌기를 사용할 수 있다.
다관능성 티올 화합물의 구체적인 예로, 하기 화학식 A 내지 C로 표시되는 화합물을 예시할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
[화학식 A]
Figure pat00007
[화학식 B]
Figure pat00008
[화학식 C]
Figure pat00009
고분자 전구 물질 내의 다관능성 티올 화합물의 비율을 본 출원의 목적을 손상시키지 않는 범위 내에서 적절히 선택될 수 있다. 고분자 전구 물질 내의 다관능성 티올 화합물의 비율은 15 중량% 이상, 17 중량% 이상, 19 중량% 이상, 21 중량% 이상, 23 중량% 이상, 25 중량% 이상 또는 27 중량% 이상의 비율로 포함될 수 있고, 또한, 40 중량% 이하, 38 중량% 이하, 36 중량% 이하, 34 중량% 이하, 32 중량% 이하, 30 중량% 이하 또는 28 중량% 이하의 범위 내로 포함될 수 있다. 고분자 전구 물질 내의 다관능성 티올 화합물이 상기 비율로 포함되는 경우 공기 중 또는 산소 분위기 하에서 오픈 노광을 통하여 액정 소자를 효과적으로 제조할 수 있다.
고분자 전구 물질은 또한, 중합성 화합물을 포함할 수 있다. 중합성 화합물로는 예를 들어, 소위 PDLC의 폴리머 네트워크를 형성할 수 있는 것으로 알려진 하나 이상의 중합성 관능기를 포함하는 화합물을 사용할 수 있다. 중합성 관능기로는 예를 들어, 알케닐기, 에폭시기, 시아노기, 카복실기, (메타)아크릴로일기 또는 (메타)아크릴로일옥시기 등이 예시될 수 있다. 본 출원의 일 실시예로서, (메타)아크릴로일기를 포함하는 화합물을 사용할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다, 본 명세서에서 (메타)아크릴로일은 메타아크릴로일 또는 아크릴로일을 의미할 수 있다.
중합성 화합물은 이관능성 아크릴레이트를 포함할 수 있다. 본 명세서에서 이관능성 아크릴레이트는 (메타)아크릴로일기를 2개 포함하는 화합물을 의미할 수 있다. 이관능성 아크릴레이트 화합물로는, 예를 들어, 하기 화학식 4로 표시되는 화합물을 사용할 수 있다.
[화학식 4]
Figure pat00010
화학식 4에서 R은 각각 독립적으로 수소 또는 탄소수 1 내지 4의 알킬기이고, X는 탄소수 1 내지 20의 알킬렌기 또는 알킬리덴기이다.
고분자 전구 물질 내에서 이관능성 아크릴레이트의 비율은 본 출원의 목적을 손상시키지 않는 범위 내에서 적절히 선택될 수 있다. 예를 들어, 고분자 전구 물질은 다관능성 티올계 모노머 15 내지 40 중량부 대비 이관능성 아크릴레이트 모노머를 20 내지 60 중량부 비율로 포함할 수 있다. 전구 물질 내에서 이관능성 아크릴레이트의 비율이 상기 범위 내인 경우 공기 중 또는 산소 분위기 하에서 오픈 노광을 통하여 액정 소자를 효과적으로 제조할 수 있다.
중합성 화합물은 또한, 일관능성 아크릴레이트를 추가로 포함할 수 있다. 본 명세서에서 일관능성 아크릴레이트는 (메타)아크릴로일기를 1개 포함하는 화합물을 의미할 수 있다. 일관능성 아크릴레이트로는, 예를 들면, 하기 화학식 5로 표시되는 화합물을 사용할 수 있다.
[화학식 5]
Figure pat00011
화학식 5에서 R은 수소 또는 탄소수 1 내지 4의 알킬기이고, X는 탄소수 1 내지 20의 알킬기이다. 화학식 5에서 R에 존재할 수 있는 알킬기의 예로는 메틸기 또는 에틸기를 들 수 있다. 화학식 5에서 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. 구체적으로, 화학식 5에서 X의 알킬기는, 예를 들면, 2-에틸헥실기 또는 이소옥틸기일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
다른 하나의 예시에서, 일관능성 아크릴레이트는 이관능성 아크릴레이트 100 중량부 대비 0 중량부 초과 내지 150 중량부 범위 내의 비율로 포함될 수 있다. 보다 구체적으로, 일관능성 아크릴레이트는 이관능성 아크릴레이트 100 중량부 대비 0 중량부 초과 내지 150 중량부 이하, 130 중량부 이하, 110 중량부 이하, 90 중량부 이하, 70 중량부 이하, 50 중량부 이하, 30 중량부 이하 또는 10 중량부 이하의 비율로 포함될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
중합성 화합물은 또한, 규소 화합물을 추가로 포함할 수 있다. 상기 규소 화합물로는, 중합성 규소 화합물일 수 있다. 본 명세서에서 중합성 규소 화합물은 하나 이상의 중합성 관능기를 포함하는 규소 화합물을 의미할 수 있다. 이 경우, 폴리머 네트워크는 상기 중합성 규소 화합물과 전술한 다른 중합성 화합물이 가교 또는 중합되어 형성된 네트워크일 수 있다. 본 출원의 일 실시예에 의하면, 중합성 규소 화합물로서 중합성 관능기를 하나 포함하는 규소 화합물을 사용할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
규소 화합물로는, 예를 들면, 하기 화학식 6 또는 7의 화합물이 사용될 수 있다.
[화학식 6]
Figure pat00012
[화학식 7]
Figure pat00013
화학식 6 또는 7에서, n은 0 내지 10의 범위 내의 수이고, m은 2 내지 8의 범위 내의 수이며, X는 -O- 또는 -NW-이고, R1 내지 R6는 각각 독립적으로 알킬기, 알콕시기, 아릴기, 중합성 관능기, -A-R7 또는 -L-Si(R8)p(R9)(3-p)이며, 상기 A 및 L은 각각 독립적으로 알킬렌기, 알키닐렌기, 아릴렌기, 알케닐렌기, 알킬리덴기, -O- 또는 -NW-이고, R7은, 알킬기, 알콕시기, 아릴기 또는 중합성 관능기이며, R8은 중합성 관능기이고, R9은 알킬기, 알콕시기 또는 아릴기이며, p는 0 내지 3의 수이고, W는 수소 또는 알킬기이다. 상기에서 중합성 관능기로는, 예를 들면, 알케닐기, 에폭시기, 시아노기, 카복실기, (메타)아크릴로일기 또는 (메타)아크릴로일옥시기 등이 예시될 수 있다.
화학식 6 또는 7의 화합물이 중합성 규소 화합물인 경우에는 상기 화학식 1 또는 2의 화합물은 상기 중합성 관능기를 적어도 1개 포함할 수 있고, 예를 들면, 2개 이상, 2개 내지 10개, 2개 내지 8개, 2개 내지 6개, 2개 내지 5개, 2개 내지 4개, 4개 또는 2개 포함할 수 있다. 중합성 관능기는 상기 언급한 종류 중에서 선택될 수 있으며, 통상적으로는 비닐기 또는 알릴기 등의 탄소수 2 내지 8 또는 탄소수 2 내지 4의 알케닐기, (메타)아크릴로일기 또는 (메타)아크릴로일옥시기 등이 사용될 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 알콕시기는, 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. 상기 알콕시기는 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 알케닐렌기 또는 알키닐덴기는, 특별히 달리 규정하지 않는 한, 예를 들면, 탄소수 2 내지 20, 탄소수 2 내지 16, 탄소수 2 내지 12, 탄소수 2 내지 8 또는 탄소수 2 내지 4의 알케닐렌기 또는 알키닐리덴기를 의미할 수 있다. 상기 알케닐렌기 또는 알키닐리덴기는, 예를 들면, 직쇄, 분지쇄 또는 고리형일 수 있다. 또한, 상기 알케닐렌기 또는 알키닐리덴기는 임의적으로 하나 이상의 치환기에 의해 치환되어 있을 수 있다.
본 명세서에서 알케닐기는, 특별히 달리 규정하지 않는 한, 예를 들면, 탄소수 2 내지 20, 탄소수 2 내지 16, 탄소수 2 내지 12, 탄소수 2 내지 8 또는 탄소수 2 내지 4의 알케닐기일 수 있다. 상기 알케닐기는, 예를 들면, 직쇄, 분지쇄 또는 고리형일 수 있다. 또한, 상기 알케닐기는 임의적으로 하나 이상의 치환기에 의해 치환되어 있을 수 있다.
본 명세서에서 알킬기, 알콕시기, 아릴기, 알킬렌기, 알킬리덴기, 알케닐렌기, 알키닐렌기, 아릴렌기 또는 중합성 관능기 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.
고분자 전구 물질 내의 규소 화합물의 비율은 본 출원의 목적을 손상시키지 않는 범위 내에서 적절히 선택될 수 있다. 예를 들어, 규소 화합물은 고분자 전구 물질 내에 0 중량% 초과 내지 20 중량%이하의 범위 내로 포함될 수 있다. 보다 구체적으로, 규소 화합물은 고분자 전구 물질 내에 0 중량% 초과, 1 중량% 이상, 2 중량% 이상, 3 중량% 이상, 4 중량% 이상 또는 5 중량% 이상의 범위 내로 포함될 수 있고, 20 중량%이하, 19 중량% 이하, 18 중량% 이하, 17 중량% 이하, 16 중량% 이하 또는 15 중량% 이하의 범이 내로 포함될 수 있다. 다른 하나의 예시에서, 규소 화합물은 이관능성 아크릴레이트 100 중량부 대비, 0 중량부 초과 내지 50 중량부 이하의 범위 내로 포함될 수 있다. 보다 구체적으로, 규소 화합물은 이관능성 아크릴레이트 100 중량부 대비, 0 중량부 초과 내지 45 중량부 이하, 40 중량부 이하 또는 35 중량부 이하의 범위 내로 포함될 수 있다. 고분자 전구 물질이 규소 화합물을 상기 비율로 포함하는 경우, 공기 중 또는 산소 분위기 하에서 오픈 노광을 통하여 액정 소자를 효과적으로 제조할 수 있다.
고분자 전구 물질은, 또한 개시제를 추가로 포함할 수 있다. 개시제로는 전구 물질의 중합을 개시할 수 있는 것이라면 특별한 제한 없이 선택하여 사용할 수 있고, 예를 들어 라디칼 중합을 개시할 수 있는 광 개시제 사용할 수 있다. 개시제로는 예를 들어, 옥심에스테르계, 벤조페논계, α-아미노케논계 또는 아크릴포스핀옥사이드계 등의 개시제를 사용할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 전구 물질 내의 개시제의 비율은 본 출원의 목적을 손상시키지 않는 범위 내에서 적절히 선택될 수 있다. 예를 들어, 개시제는 전구 물질 내에 0.1 중량% 내지 3 중량%, 0.5 중량% 내지 2.5 중량%, 1 중량% 내지 2 중량%의 비율 범위로 포함될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 개시제가 상기 비율로 포함되는 경우, 예를 들면, 중합성 화합물의 중합을 효과적으로 개시하여 폴리머 네트워크를 형성할 수 있다.
고분자 전구 물질은 필요에 따라 계면 활성제를 추가로 포함할 수 있다. 계면 활성제로는 당업계에 일반적으로 공지된 계면 활성제를 사용할 수 있고, 예를 들어 규소계 또는 불소계 계면 활성제를 사용할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 고분자 전구 물질이 계면 활성제를 더 포함하는 경우 기재에 대한 코팅성을 확보할 수 있는 효과가 있다. 이러한 계면 활성제는 필요에 따라 선택적으로 사용할 수 있다.
고분자 전구 물질이 계면 활성제를 추가로 포함하는 경우, 고분자 전구 물질 내의 계면 활성제의 비율은 본 출원의 목적을 손상시키지 않는 범위 내에서 적절히 선택될 수 있다. 예를 들어, 계면 활성제는 전구 물질 내에 0.001 중량% 내지 1 중량%, 0.01 중량% 내지 0.5 중량% 또는 0.1 중량% 내지 0.3 중량%의 비율 범위로 포함될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
또한, 액정 화합물로는 폴리머 네트워크 내에서 배향이 스위칭될 수 있는 상태로 존재할 수 있고, 그 배향의 스위칭에 의해 액정층의 광학적 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.
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, 중합성기를 가지지 않는 비중합성 액정 화합물을 사용할 수 있다.
액정 화합물로는, 예를 들어 양의 유전율 이방성 또는 음의 유전율 이방성을 가지는 액정 화합물을 사용할 수 있다. 본 명세서에서 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. 액정 화합물로는, 예를 들어, 이상 유전율과 정상 유전율의 차이가 3 이상, 3.5 이상, 4 이상, 6 이상, 8 이상 또는 10 이상인 액정 화합물을 사용할 수 있다. 이러한 액정 화합물이 유전율을 가지면 구동 전압 특성이 우수한 소자를 제공할 수 있으나, 유전율의 차이가 상기에 범위에 제한되는 것은 아니다. 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 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
고분자 전구 물질과 액정 화합물의 중량 비율은 목적 물성을 손상시키지 않는 범위 내에서 적절히 조절될 수 있다. 예를 들어, 액정층은 고분자 전구 물질 30 내지 50 중량부 및 액정 화합물 50 내지 80 중량부를 포함할 수 있다. 보다 구체적으로, 액정층은 고분자 전구 물질 30 중량부 및 액정 화합물 80 중량부를 포함하거나, 고분자 전구 물질 35 중량부 및 액정 화합물 75 중량부를 포함하거나, 고분자 전구 물질 40 중량부 및 액정 화합물 70 중량부를 포함하거나, 고분자 전구 물질 45 중량부 및 액정 화합물 65 중량부를 포함하거나, 고분자 전구 물질 50 중량부 및 액정 화합물 60 중량부를 포함하거나, 고분자 전구 물질 50 중량부 및 액정 화합물 55 중량부를 포함하거나, 고분자 전구 물질 50 중량부 및 액정 화합물 50 중량부를 포함할 수 있다. 이러한 중량 비율의 범위 내에서 목적 물성, 예를 들면, 폴리머 네트워크의 배향성이 적절하게 유지될 수 있다.
본 출원은 또한, 액정 소자의 제조 방법에 관한 것이다. 상기 제조 방법은 예를 들어 전술한 액정층 전구 조성물을 이용하여 액정 소자를 제조하는 방법에 관한 것이다. 따라서, 후술하는 액정층 전구 조성물에 대한 구체적인 사항은 액정층 전구 조성물에 기술한 내용이 동일하게 적용될 수 있다.
상기 액정 소자의 제조 방법은 하부 기재층 상에 상기 액정 층 전구 조성물의 층을 형성한 후 중합시키는 것을 포함할 수 있다. 상기 중합을 통하여 폴리머 네트워크 내에 분산되어 있는 액정 화합물을 포함하는 액정층을 형성할 수 있다.
상기에서, 액정층 전구 조성물 층의 중합은 중합을 유도할 수 있는 적절한 에너지, 예를 들어 라디칼 중합을 유도할 수 있는 에너지를 액정층 전구 조성물의 층에 조사함으로써 수행할 수 있다.
중합을 위한 에너지의 인가, 예를 들면, 광의 조사 조건은, 중합성 화합물이 중합되어 폴리머 네트워크가 형성되고, 액정 화합물이 상 분리되어 액정 영역을 형성할 수 있도록 수행되는 한 특별히 제한되지 않는다. 필요한 경우에 폴리머 네트워크의 형성을 보다 촉진하기 위하여 상기 광의 조사 공정의 전 또는 후, 또는 그와 동시에 적절한 열의 인가 또는 노광 공정을 수행할 수 있다.
하나의 예시에서, 액정층 전구 조성물의 중합은 공기 중 또는 산소 분위기에서 수행될 수 있다. 이는 기존의 PIPS 방법이 질소 분위기 또는 상부 기판을 액정층 상에 적층한 후 공기 또는 산소를 차단한 상태에서 중합을 위한 에너지를 인가하는 것과는 차이가 있다. 즉, 본 출원의 제조 방법은 액정층 상에 상부 기재층의 적층없이 액정층 전구 조성물의 층에 중합을 위한 에너지를 직접 조사함으로써 수행될 수 있다. 하나의 예시에서, 중합을 위한 에너지의 인가는 액정층 전구 조성물의 성분 및 함량에 따라 적절히 조절되어 수행될 수 있다. 예를 들어, 0.5 J 내지 1 J의 범위 내의 노광 에너지를 조사하는 것에 의하여 수행될 수 있다. 하부 기재층 상에 액정층 전구 조성물의 층을 형성하는 방식은 특별히 제한되지 않고, 예를 들어 코팅에 의하여 형성이 가능하다. 또한, 본 출원의 방법은 액정층 전구 조성물의 중합을 공기 중 또는 산소 분위기에서 수행할 수 있으므로 상부 기판의 사용이 필수적이지 않다. 이는 기존의 PIPS 방법이 원하는 셀 갭에 대응하는 스페이서를 이용하여 셀 갭을 형성한 후 액정층 전구 조성물을 셀 갭 내에 충진하는 방식과는 차이가 있다. 즉, 본 출원의 방법은 코팅 방식에 의하여 액정 소자를 제조할 수 있으므로 코팅 두께를 조절함으로써 셀 갭을 자유롭게 조정할 수 있다. 또한, 본 출원의 액정 소자는 코팅 방식에 의하여 형성이 가능하므로, 하부 기재층이 평면 형상일 뿐만 아니라 곡면 형상인 경우에도 액정 소자를 효과적으로 제조할 수 있다. 상기 코팅 방식은 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 적용할 수 있다.
상기 제조 방법은 중합된 액정층 상부에 이방성 염료를 포함하는 조성물의 층을 추가로 형성하는 것을 포함할 수 있다. 이를 통해 이방성 염료가 중합된 액정층의 내부로 확산되어 Dye-dope PDLC 소자를 효과적으로 제조할 수 있다. 또한, 이 경우 중합된 액정층 내의 액정 영역으로 이색성 염료가 확산되어 존재하며, 폴리머 네트워크로는 이색성 염료가 확산되지 않게 된다. 따라서, 폴리머 네트워크 내의 이방성 염료의 오염으로 인하여 투과도 가변 특성이 저하되는 문제점을 해소할 수 있는 장점이 있다. 즉, 기존 PIPS 방법과 같이 액정층 상부에 기판을 적층한 후 중합을 위한 에너지를 인가하는 경우에는 이방성 염료의 확산을 통한 제조에 한계가 있으나, 본 출원의 액정 소자는 상부 표면층을 통한 이방성 염료의 확산을 통한 제조 방법도 적용 가능하므로, 이방성 염료를 액정층 전구 조성물에 혼합시킨 후 에너지를 조사하는 방법 대비 이방성 염료의 변색을 효과적으로 감소시킬 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. 상기와 같은 염료의 사용을 통해서 액정셀이 표시 장치에 적용되었을 경우에 장치의 색감을 조절할 수 있다.
이방성 염료의 종류는 특별히 제한되지 않으며, 예를 들면, 상기와 같은 특성을 가지면서 액정 화합물의 배향에 따라 배향될 수 있는 특성을 가지는 것으로 공지된 모든 종류의 염료가 사용될 수 있다. 이방성 염료로는, 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 차단율 개선 또는 컬러 구현에 효과적이므로 상한은 특별히 제한되지 않고 의도하는 컬러 구현의 정도를 고려하여 적절한 이색비를 가지는 이방성 염료를 선택하여 사용할 수 있다.
또한, 중합된 액정층 내에서 이방성 염료의 비율은 본 출원의 목적을 손상시키지 않는 범위 내에서 적절히 선택될 수 있다. 예를 들어, 이방성 염료는 액정 화합물 100 중량부 대비 0.01 중량부 내지 5 중량부 정도의 비율로 포함될 수 있으나, 상기 비율은 필요에 따라 적정 범위로 변경될 수 있다.
본 출원은 또한 액정 소자에 관한 것이다. 액정 소자는 예를 들어, 전술한 방법에 의하여 제조된 것일 수 있다. 예시적인 액정 소자(liquid crystal device)는 폴리머 네트워크 및 액정 영역을 포함하는 액정층을 가질 수 있다. 상기 액정 영역은 액정 화합물을 포함할 수 있다. 또한, 액정 영역은 폴리머 네트워크 내에 분산된 상태로 존재할 수 있다. 또한, 액정 영역은 폴리머 네트워크와는 상분리된 상태로 존재할 수 있다. 상기 액정 화합물은 폴리머 네트워크 내에 배향이 스위칭 가능하도록 분산되어 존재할 수 있다. 본 명세서에서 액정 화합물의 배향이 스위칭 가능하다는 것은 액정 화합물의 정렬 방향이 전압의 인가와 같은 외부 작용에 의해 변경될 수 있다는 것을 의미한다. 하나의 예시에서, 상기 액정층은 액정 영역 대비 폴리머 네트워크의 부피 비율이 높은 상부 표면층을 가질 수 있다. 도 1은 본 출원의 액정 소자를 예시적으로 나타낸다. 본 출원의 액정 소자는 도 1 에 나타낸 바와 같이, 폴리머 네트워크(101) 및 상기 폴리머 네트워크 내에 분산된 상태로 존재하고 액정 화합물(미도시)을 포함하는 액정 영역(102)을 포함하는 액정층(1)을 가지며, 상기 액정층에는 액정 영역 대비 폴리머 네트워크의 부피 비율이 높은 상부 표면층(103)이 형성되어 있다. 도 1에서, 액정 영역(102)은 폴리머 네트워크(101) 내에서 상 분리된 상태(붉은 색 원으로 표시)로 존재하고 있다.
폴리머 네트워크는 고분자 전구 물질의 폴리머 네트워크일 수 있다. 상기 고분자 전구 물질은 중합성 화합물 및 다관능성 티올 화합물을 포함할 수 있다. 폴리머 네트워크는 상기 고분자 전구 물질을 그 상태로 포함하거나, 혹은 상기 전구 물질의 반응물, 예를 들면 중합 반응물을 포함할 수 있다. 고분자 전구 물질 및 액정 화합물에 대한 구체적인 사항은 액정층 전구 조성물의 항목에서 기술한 내용이 동일하게 적용될 수 있다. 예를 들어, 중합성 화합물로는 이관능성 아크릴레이트를 포함할 수 있고, 일관능성 아크릴레이트 및 중합성 규소 화합물을 추가로 포함할 수 있다. 또한, 다관능성 티올 화합물로는 0차 내지 3차 티올 화합물, 보다 구체적으로 2차 이상의 티올 화합물을 사용할 수 있다. 중합성 화합물 및 다관능성 티올 화합물에 대한 보다 구체적인 사항은 액정층 전구 조성물의 항목에서 기술한 내용이 동일하게 적용될 수 있다. 또한, 액정 화합물로는 비중합성 액정 화합물을 사용할 수 있다. 액정 화합물에 대한 보다 구체적인 사항은 상기 액정층 전구 조성물의 항목에서 기술한 내용이 동일하게 적용될 수 있다액정층 내에서 액정 화합물은 정렬된 상태 또는 정렬되지 않은 상태로 폴리머 네트워크 내에 분산되어 존재할 수 있다. 액정 화합물은, 예를 들어, 초기 상태에서 정렬되지 않은 상태로 존재할 수 있고, 외부 작용이 존재하는 상태에서는 정렬된 상태로 존재할 수 있다. 본 명세서에서 용어「초기 상태」는, 외부 에너지, 예를 들어 외부 전압과 같이 액정 화합물의 배향에 영향을 미칠 수 있는 외부 작용 존재하지 않는 상태를 의미할 수 있다. 액정 화합물의 초기 상태는 외부 작용에 의해 변환될 수도 있고, 외부 작용이 사라지면 다시 초기 상태로 복귀할 수 있다. 그러나, 액정 화합물이 초기 상태에서 정렬되지 않은 상태로만 존재할 수 있는 것은 아니고, 액정층과 인접하는 배향막을 배치하거나 또는 배향성 고분자 네트워크를 사용함으로써 초기 상태에서 액정 화합물이 정렬된 상태로 존재하도록 형성할 수 있다.
액정 소자는 액정 화합물의 초기 정렬 상태를 조절하고 전압과 같은 외부 작용의 인가 등을 통해 다양한 모드 사이를 스위칭할 수 있다. 예를 들어, 액정 소자는, 헤이즈 모드와 비헤이즈 모드의 사이를 스위칭할 수 있다. 본 명세서에서 헤이즈 모드는 액정 소자가 예정된 일정 수준 이상의 헤이즈를 나타내는 모드를 의미하고, 비헤이즈 모드는 광의 투과가 가능한 상태 또는 예정된 일정 수준 이하의 헤이즈를 나타내는 모드를 의미할 수 있다.
예를 들어, 비헤이즈 모드에서 액정 소자의 헤이즈는 10% 이하, 8% 이하, 6% 이하 또는 5% 이하일 수 있다. 예를 들어, 헤이즈 모드에서는 액정 소자는, 헤이즈가 10% 초과, 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, 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.
액정 소자는 또한, 액정 화합물의 초기 정렬 상태를 조절하고 전압과 같은 외부 작용의 인가 등을 통해 투과도 가변 특성을 나타낼 수 있다. 예를 들어, 액정 소자는, 초기 상태에서 투과율이 45% 이하, 40% 이하, 35% 이하, 30% 이하, 25% 이하, 20% 이하, 15% 이하, 38% 이하, 10% 이하, 5% 이하, 4% 이하, 3% 이하, 2% 이하 또는 1% 이하인 차단 모드일 수 있고, 외부 에너지 인가에 의하여 투과율이 55% 이상, 60% 이상, 65% 이상, 70% 이상, 75% 이상, 77.5% 이상, 80% 이상, 82.5% 이상, 85% 이상, 87.5% 이상 또는 90% 이상인 투과 모드로 스위칭될 수 있다. 상기 광 투과율은, 가시광 영역, 예를 들면, 약 400 nm 내지 700 nm 범위 내의 어느 한 파장에 대한 광 투과율일 수 있다.
액정층은 액정 영역이 부피 대비 폴리머 네트워크의 부피의 비율이 높은 상부 표면층을 가질 수 있다. 또한, 액정층에서 상부 표면층을 제외한 하부 층은 액정 영역의 부피 대비 폴리머 네트워크의 부피의 비율이 상부 표면층 대비 낮도록 형성될 수 있다. 예를 들어, 액정층은 액정 영역의 부피(VL)에 대한 폴리머 네트워크의 부피(VP)의 비율(VP/VL)이 1이상, 1.2 이상, 1.4 이상, 1.6 이상 또는 2.0 이상인 상부 표면층을 가질 수 있다. 또한, 액정층에서 상부 표면층을 제외한 하부 층의 액정 영역의 부피(VL)에 대한 폴리머 네트워크의 부피(VP)의 비율(VP/VL)이 1이하, 0.9 이하, 0.8 이하, 0.7 이하, 0.6 이하 또는 0.5 이하일 수 있다. 그러나, 액정 영역의 부피(VL)에 대한 폴리머 네트워크의 부피(VP)의 비율(VP/VL)은 상기에 제한되는 것은 아니고, 본 출원의 목적을 손상시키지 않는 범위 내에서 적절히 조절될 수 있다.
하나의 예시에서, 액정층은 액정 영역의 크기가 상부 표면층에서 하부 층으로 내려감에 따라 증가하도록 형성되어 있을 수 있다. 따라서, 액정 영역의 부피(VL)에 대한 폴리머 네트워크의 부피(VP)의 비율(VP/VL)은 상부 표면층에서 하부 층으로 내려감에 따라 감소되도록 형성되어 있을 수 있다. 또한, 액정층은 액정 영역의 밀도가 액정층의 상부 표면층에서 하부 층으로 내려감에 따라 증가하도록 형성되어 있을 수 있다.
액정층은 상기와 같이 액정 영역의 부피 대비 폴리머 네트워크의 부피의 비율이 높은 상부 표면층을 가짐으로써, 액정층에 상부 기판을 적층하지 않더라도 액정 소자를 효과적으로 구현할 수 있다. 후술하는 바와 같이, 액정 소자를 수평 전극층으로 구동하는 경우, 액정층의 상부 표면층의 반대측 일면에만 기재층 및 수평 전극층을 형성함으로써, 액정 소자의 구동이 가능하다. 또한, 액정층은 액정 영역의 부피 대비 폴리머 네트워크의 부피의 비율이 높은 상부 표면층을 통하여 이방성 염료를 확산하는 것에 의하여 이방성 염료를 포함하는 액정 소자를 제조할 수 있으므로, 기존 PIPS 방법과 같이 이방성 염료를 액정 조성물에 혼합시켜 노광하는 방법과 비교하여 이방성 염료의 변색을 효과적으로 감소시킬 수 있다.
액정층은 또한 이방성 염료를 추가로 포함할 수 있다. 상기 이방성 염료는 액정 영역 내에서 폴리머 네트워크와 상 분리된 상태로 존재할 수 있다. 또한, 이방성 염료는 폴리머 네트워크 내에서 액정 화합물의 배향 스위칭에 따라서 배향이 스위칭될 수 있는 상태로 존재할 수 있다. 액정층 내에서 이방성 염료의 비율은 본 출원의 목적을 손상시키지 않는 범위 내에서 적절히 선택될 수 있다. 예를 들어, 이방성 염료는 액정 화합물 100 중량부 대비 0.01 중량부 내지 5 중량부 정도의 비율로 포함될 수 있으나, 상기 비율은 필요에 따라 적정 범위로 변경될 수 있다.
액정층 내에 이방성 염료를 포함시키는 방법은 특별히 제한되지 않는다. 예를 들어, 상기 액정층 전구 조성물 내에 이방성 염료를 추가로 혼합한 조성물을 사용하여 중합을 수행하거나 또는 전술한 바와 같이 액정층 전구 조성물의 층을 중합한 액정층의 상부에 이방성 염료를 포함하는 조성물의 층을 형성한 후 상부 표면층을 통하여 이방성 염료를 확산하는 것에 의해서도 형성이 가능하다.
액정 소자는 또한 액정층에 일면 또는 양면에 인접하여 존재하는 기재층을 포함할 수 있다. 통상적으로, 액정층은 도 2에 나타낸 바와 같이, 대향 배치된 2개의 상부 및 하부 기재층(201A, 201B) 사이에 배치될 수 있다. 또한, 본 출원의 액정층 전구 조성물을 이용한 액정 소자의 제조 방법에 의하면, 상부 기재층 적층 없이 공기 중 또는 산소 분위기에서 오픈 노광에 의하여 액정 소자를 제조할 수 있으므로, 도 3에 나타낸 바와 같이 하부 기재층(201B)만이 존재하고, 상부 기재층이 존재하지 않는 구조의 액정 소자도 효과적으로 구현할 수 있다. 또한, 본 출원 액정층 전구 조성물을 이용한 액정 소자의 제조 방법에 의하면, 액정층 전구 조성물의 층을 코팅 방식에 의하여 형성할 수 있으므로 하부 기재층이 평면 형상을 가지거나 또는 곡면 형상을 가지더라도 액정 소자를 용이하게 제조할 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 컬러 필터 기판 등을 사용할 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 또한, 액정 화합물의 초기 정렬을 조절하기 위하여 배향막을 추가로 포함할 수 있다. 배향막은, 예를 들면, 액정층과 인접하여 배치되어 있을 수 있다. 본 출원에서 배향막이 액정층과 인접하여 배치되어 있다는 것은, 배향막이 액정층의 배향에 영향을 미칠 수 있도록 배치되어 있음을 의미할 수 있다. 배향막으로는, 특별한 제한 없이 공지의 수직 또는 수평 배향막을 사용할 수 있다. 이러한 배향막은, 러빙 배향막과 같이 접촉식 배향막이거나, 혹은 광배향성 화합물을 포함하여, 예를 들면 직선 편광의 조사 등과 같은 비접촉식 방식에 의해 배향 특성을 나타낼 수 있는 것으로 공지된 배향막을 사용할 수 있다.
액정 소자는 또한, 액정층의 일면 또는 양면에 인접하여 존재하는 전극층을 추가로 포함할 수 있다. 도 4에 나타낸 바와 같이, 액정 소자가 상부 및 하부 기재층을 포함하는 경우에, 상부 및 하부 전극층(401A, 401B)은 기재층의 액정층 측면의 표면에 배치될 수 있다. 전극층으로는 액정층에 수평 전계를 인가할 수 있는 수평 전극층 또는 수직 전계를 인가할 수 있는 수직 전극층을 사용할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 수직 전극층이 사용되는 경우 액정층의 양면에 2개의 수직 전극층이 인접하도록 배치될 수 있고, 수평 전극층이 사용되는 경우 액정층의 일면에 하나의 수평 전극층이 인접하도록 배치될 수 있다. 하나의 예시에서, 수평 전극층은 액정층의 상부 표면층의 반대 측 일면에 인접하여 존재할 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, 기재층의 표면에 형성되는 전극층은, 적절하게 패턴화되어 있을 수도 있다.
본 출원은 또한, 상기 액정 소자의 용도에 대한 것이다. 본 출원의 액정 소자는 헤이즈 모드와 비헤이즈 모드의 사이 또는 투과 모드와 차단 모드의 사이를 스위칭할 수 있다. 또한, 본 출원의 액정 소자는 액정층의 셀 갭 형성이 자유롭고, 다양한 곡면 형상을 가질 수 있으며, 하나의 기재층으로도 구현이 가능할 뿐만 아니라 염료의 확산을 통하여 염료를 포함하는 액정 소자를 구현할 수 있으므로 염료의 변색을 효과적으로 감소시킬 수 있다. 이러한 액정 소자는 예를 들어, 광변조 장치에 적용될 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 액정층 전구 조성물은 공기 중 또는 산소 분위기에서의 중합을 통하여 액정 소자를 제조하는 방법에 이용될 수 있다. 이를 통해 제조된 액정 소자는 헤이즈 모드와 비헤이즈 모드의 사이 또는 투과 모드와 차단 모드의 사이를 스위칭할 수 있다. 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 5는 액정 소자를 예시적으로 나타낸다.
도 6은 실시예의 액정 소자의 단면 이미지이다.
도 7은 비교예의 액정 소자의 단면 이미지이다.
이하 실시예 및 비교예를 통하여 상기 기술한 내용을 보다 구체적으로 설명하지만, 본 출원의 범위가 하기 제시된 내용에 의해 제한되는 것은 아니다.
실시예
액정층 전구 조성물의 제조
일관능성 아크릴레이트(2-에틸헥실 아크릴레이트, 시그마 알드리치社), 중합성 규소 화합물(3-(트리메톡시실릴)프로필 아크릴레이트, 시그마 알드리치社), 이관능성 아크릴레이트(1,6-헥산디올 디아크릴레이트, 시그마 알드리치社) 및 다관능성 티올 화합물(2가 티올 화합물, PE1, 쇼와덴코社) 을 30:10:30:30의 중량 비율로 혼합하고, 상기 혼합물의 고형분 100 중량부 대비 중합 개시제(TPO, BASF社) 3 중량부 및 계면 활성제(BYK-337, BYK社) 0.2 중량부를 혼합하여 고분자 전구 물질을 제조하였다. 다음으로, 제조된 고분자 전구 물질 30 중량부 및 액정 화합물(E7) 70 중량부를 혼합한 후 직경 20 ㎛의 볼타입의 스페이서를 고분자 전구 물질 및 액정 화합물 100 중량부 대비 1 중량부로 넣고, 7 시간 동안 교반기에서 교반한 후 액정층 전구 조성물을 제조하였다.
액정 소자의 제조
ITO 투명 전극층이 증착된 PET 필름(100 mm x 100 mm)의 표면에 상기 액정층 전구 조성물을 mayer bar(#14)를 이용하여 15 ㎛의 두께로 바 코팅하였다. 다음으로, 액정층 전구 조성물의 코팅층에 공기 중에서 30 mW의 고압 수은등 하에서 20 초 동안 UV를 조사하여 액정 소자를 제조하였다.
도 6은 제조된 액정 소자의 단면 이미지이다. 도 6에 나타낸 바와 같이, 실시예의 액정 소자는 액정층의 상부에 액정 영역의 부피 대비 폴리머 네트워크의 부피의 비율이 매우 높은 표면층이 형성된 것을 확인할 수 있으며, 또한, 액정 영역의 크기가 상부 표면층에서 하부로 내려갈수록 커지는 것을 확인할 수 있다.
비교예
액정층 전구 조성물의 제조
일관능성 아크릴레이트(2-에틸헥실 아크릴레이트, 시그마 알드리치社), 중합성 규소 화합물(3-(트리메톡시실릴)프로필 아크릴레이트, 시그마 알드리치社) 및 이관능성 아크릴레이트(1,6-헥산디올 디아크릴레이트, 시그마 알드리치社) 를 60:10:30의 중량 비율로 혼합하고, 상기 혼합물의 고형분 100 중량부 대비 중합 개시제(TPO, BASF社) 3 중량부를 혼합한 것을 제외하고 실시예와 동일한 방식으로 액정층 전구 조성물을 제조하였다.
액정 소자의 제조
ITO 투명 전극층이 증착된 하부 PET 필름(100 mm x 100 mm)의 표면에 상기 액정층 전구 조성물을 mayer bar(#14)를 이용하여 15 ㎛의 두께로 바 코팅하였다. 다음으로, 코팅된 조성물 상에 상부 PET 필름(100 mm x 100 mm)을 덮음과 동시에, 공기를 차단한 상태에서, 30 mW의 고압 수은등 하에서 20 초 동안 UV를 조사하여 액정 소자를 제조하였다.
도 7은 제조된 액정 소자의 단면 이미지이다. 도 7에 나타낸 바와 같이, 비교예의 액정 소자는 실시예의 액정 소자와 다른 구조를 형성하는 것을 확인할 수 있다.
1: 액정층
101: 폴리머 네트워크
102: 액정 영역
103: 상부 표면층
201A, 201B: 상부 및 하부 기재층
401A, 401B: 상부 및 하부 전극층

Claims (21)

  1. 중합성 화합물 및 다관능성 티올 화합물을 포함하는 고분자 전구 물질; 및 비중합성 액정 화합물을 포함하는 액정층 전구 조성물.
  2. 제 1 항에 있어서, 중합성 화합물은 이관능성 아크릴레이트를 포함하는 액정층 전구 조성물.
  3. 제 2 항에 있어서, 이관능성 아크릴레이트 20 내지 60 중량부 및 다관능성 티올 화합물 15 내지 40 중량부를 포함하는 액정층 전구 조성물.
  4. 제 2 항에 있어서, 중합성 화합물은 이관능성 아크릴레이트 100 중량부 대비 0 중량부 초과 내지 150 중량부 범위 내의 일관능성 아크릴레이트를 추가로 포함하는 액정층 전구 조성물.
  5. 제 2 항에 있어서, 고분자 전구물질은 이관능성 아크릴레이트 100 중량부 대비 0 중량부 초과 내지 50 중량부 범위 내의 중합성 규소 화합물을 추가로 포함하는 액정층 전구 조성물.
  6. 제 1 항에 있어서, 다관능성 티올 화합물은 2차 이상의 티올기를 가지는 액정층 전구 조성물.
  7. 제 6 항에 있어서, 2차 이상의 티올기는 하기 화학식 1로 표시되는 액정층 전구 조성물:
    [화학식 1]
    Figure pat00014

    화학식 1에서, A는 알킬렌기이고, R1은 -SH이며, R2는 수소 또는 알킬기이다.
  8. 하부 기재층 상에 제 1 항의 액정층 전구 조성물의 층을 형성한 후 중합시켜 액정층을 형성하는 것을 포함하는 액정 소자의 제조 방법.
  9. 제 8 항에 있어서, 액정층의 중합은 공기 중 또는 산소 분위기에서 수행되는 액정 소자의 제조 방법.
  10. 제 8 항에 있어서, 액정층의 중합은 상부 기재층의 적층없이 액정층 전구 조성물의 층에 중합을 위한 에너지를 직접 조사함으로써 수행하는 액정 소자의 제조 방법.
  11. 제 8 항에 있어서, 액정층 전구 조성물의 층은 코팅 방식에 의하여 하부 기재층 상에 형성되는 액정 소자의 제조 방법.
  12. 제 8 항에 있어서, 하부 기재층은 평면 형상 또는 곡면 형상을 가지는 액정 소자의 제조 방법.
  13. 제 8 항에 있어서, 중합된 액정층 상에 이방성 염료를 포함하는 조성물의 층을 추가로 형성하는 것을 포함하는 액정 소자의 제조 방법.
  14. 제 8 항의 방법에 의해 제조된 액정 소자이고, 폴리머 네트워크; 및 상기 폴리머 네트워크 내에 분산된 상태로 존재하고 액정 화합물을 포함하는 액정 영역을 포함하는 액정층을 가지며, 상기 액정층에는 액정 영역이 부피 대비 폴리머 네트워크의 부피의 비율이 높은 상부 표면층이 형성되어 있는 액정 소자.
  15. 제 14 항에 있어서, 액정 영역의 크기는 상부 표면층에서 하부 층으로 내려감에 따라 증가하는 액정 소자.
  16. 제 14 항에 있어서, 액정 영역의 밀도는 액정층의 상부 표면층에서 하부 층으로 내려감에 따라 증가하는 액정 소자.
  17. 제 14 항에 있어서, 액정층은 액정 영역 내에 존재하는 이방성 염료를 추가로 포함하는 액정 소자.
  18. 제 14 항에 있어서, 액정층의 일면 또는 양면에 인접하여 존재하는 기재층을 추가로 포함하는 액정 소자.
  19. 제 14 항에 있어서, 액정층의 일면 또는 양면에 인접하여 존재하는 전극층을 추가로 포함하는 액정 소자.
  20. 제 19 항에 있어서, 전극층은 수평 전극층이고, 상기 수평 전극층은 액정층의 상부 표면층의 반대 측 일면에 인접하여 존재하는 액정 소자.
  21. 제 14 항의 액정 소자를 포함하는 광 변조 장치.
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