KR20180000314A - 광학 스위칭 소자 - Google Patents

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Abstract

본원은, 액정 물질 및 염료 화합물을 포함하는 스위칭 층, 및 편광 층을 포함하는 광학 스위칭 소자에 관한 것이다. 본원은 또한, 영역 부재(area element)를 통한 광의 통과를 제어하기 위한 상기 광학 스위칭 소자의 용도에 관한 것이다.

Description

광학 스위칭 소자{OPTICAL SWITCHING DEVICE}
본원은, 편광 층 및 스위칭 층을 갖는 광학 스위칭 소자에 관한 것이며, 이때 상기 스위칭 층은, 이색성 염료를 포함하는 액정 물질을 포함한다. 본원은 또한, 영역 부재를 통한 광의 통과를 제어하기 위한, 특히 공간 부재(예컨대, 빌딩 내부 또는 차량 내부) 내의 광의 입사를 제어하기 위한, 상기 광학 스위칭 소자의 용도에 관한 것이다.
본원의 목적을 위해, 용어 "광"은, 특히, UV-A, VIS 및 NIR 영역 내의 전자기 복사선을 의미한다(즉, 320　nm 내지 2000　nm의 파장을 갖는 통상적인 광 정의에 따름).
본 발명에 따른 소자에 의해 통과가 제어되는 광은 바람직하게는 태양광을 의미한다. 태양광은 바람직하게는 태양으로부터 직접 발산된다. 그러나, 이는 또한, 예를 들어 반사, 굴절 또는 흡수를 통해 태양으로부터 간접적으로 발산되고, 임의의 목적하는 물질에 의해 후속적으로 방출될 수 있다.
따라서, 본 발명에 따른 소자는 바람직하게는, 영역 부재를 통한 태양광을 제어하는데, 특히, 영역 부재를 통한 실질적으로 밀폐된 공간 부재 내로의 태양광의 통과를 제어하는데 사용된다. 이러한 유형의 소자는, 일반적인 용어 "스위칭가능한 윈도우" 또는 "스마트 윈도우"로도 공지되어 있다. 이는, 예를 들어 문헌[B. Jelle et al., Solar Energy Materials & Solar Cells 2012, pp. 1 - 28]에서 검토되었다. 본원에서 용어 "스위칭가능한 윈도우"는 또한, 스위칭가능한 광-투과 루프(roof), 예컨대 채광창(skylight) 또는 자동차 루프를 포함한다.
상기 스위칭가능한 윈도우의 변형은 스위칭 층을 위한 물질로서 액정 물질을 사용한다. 다수의 상이한 기능적 원리, 예를 들어 TN 모드, VA 모드 또는 게스트-호스트 모드가, 액정 물질에 의한 스위칭에 기초한 유형의 소자로 공지되어 있다.
상기 소자는 몇몇 측면에서 개선의 필요성이 있다. 이는 특히, 광의 통과를 가능한 완전히 봉쇄하는 능력, 바람직하게는, 상기 소자를 수직으로 볼 경우뿐만 아니라 측면으로부터의 시청자에 대해서도 그러할 수 있는 능력을 포함한다. 또한, 상기 소자는 가능한 가장 넓은 온도 범위 내에서 이를 수행해야 한다. 또한, 상기 소자는 특히 광(특히, UV 광) 및 열에 대한 강한 노출에 대해 장기간 안정해야 한다.
스위칭 층 내의 액정 물질에 기초하고, 가능한 완전히 광을 통과를 봉쇄하는, 당업자에게 공지된 소자는 특히, 스위칭 층에 염료를 포함하지 않는 TN 모드 및 VA 모드에 기초하는 소자이다. 따라서, 가능한 완전히 광의 통과를 봉쇄할 수 있도록 의도된 스위칭 윈도우의 경우, 특히 전술된 TN 및 VA 모드를 갖는 LC 셀이 이러한 관점에서 당업자에게 자명한 선택이 된다. 그러나, 상기 셀은 몇몇 단점, 특히 고온 민감성을 가진다. 또한, 상기 모드의 경우, 광의 봉쇄는, 상기 소자를 보는 특정 각도에서만 일어난다. 이는, 윈도우에 사용시 바람직하지 않으며, 그 이유는, 스위칭가능한 윈도우는, 디스플레이와 달리, 실질적으로 일정한 시야각에서는 보이지 않기 때문이다. 또한, LC 셀에 의해 낮은 봉쇄 작용만 일어나는 각도에서, 스위칭가능 윈도우에 부딪히는 광은 내부 가열에 기여하여, 스위칭가능 윈도우의 암 스위칭 상태가 내부로의 태양광 에너지의 투입을 목적한 만큼 효과적으로 봉쇄하지 못한다.
이러한 상황에 대한 해결책을 탐색하는 중에, 놀랍게도, 편광 층 및 스위칭 층을 포함하는 특정 설계를 갖는 소자(이때, 상기 스위칭 층이 액정 물질 및 이색성 염료를 포함함)가 전술된 목적하는 특성을 가짐이 밝혀졌다.
따라서, 본원은,
- 편광 층, 및
- 상기 편광 층에 평행하게 배열된 스위칭 층
을 포함하는 광학 스위칭 소자에 관한 것이며, 이때 상기 스위칭 층은, 하나 이상의 이색성 염료를 포함하는 액정 물질을 포함하고, 상기 스위칭 층은, 낮은 스위칭 층 투과율을 갖는 암 스위칭 상태 및 높은 스위칭 층 투과율을 갖는 명 스위칭 상태를 가지며,
상기 소자의 암 스위칭 상태에서, EN410 표준에 따를 때, 상기 하나 이상의 이색성 염료의 주흡수 축에 평행하게 편광된 광에 대한 상기 스위칭 층의 광 투과율(Tν)은 5% 미만이다.
광 투과율(Tν)은, 대응 표준 EN410, 식 (1)에 제시된 바와 같이 결정된다. 이는, 표준 광원의 상대적 스펙트럼 분포 및 표준 관측기의 스펙트럼 휘도 민감도를 고려하여, 측정된 스펙트럼 투과율로부터 결정된다. 이는, 기준으로서, 스위칭 층 내에 염료가 없는 것을 제외하고는 다른 것은 동일한 스위칭 층에 대한 %로서 인용된다(즉, 염료를 포함하는 스위칭 층을 통과하는 광 강도(분자)와, 염료 없이 동일한 구성을 갖는 스위칭 층을 통과하는 기준 빔의 강도(분모)의 몫에 대응함). 본원의 목적을 위해, 광 투과율(Tν)은, 20℃의 온도에서의 광 투과율이다. Tν의 결정을 위한 정확한 방법은 작업 실시예에 제시된다.
본원에서 "액정 물질"은, 하나 이상의 온도 범위에서 액정 특성을 나타내는 물질을 의미한다. 이는 바람직하게는 -50℃ 내지 200℃의 스팬(span), 특히 바람직하게는 -30℃ 내지 150℃의 스팬 내의 온도 범위를 의미한다. 액정 특성은 바람직하게는 네마틱 액정 특성을 의미한다.
양의 이색성 염료의 경우, 하나 이상의 이색성 염료의 주흡수 축은, 이에 평행하게 화합물이 가장 큰 치수를 갖는 축(종방향 축)을 의미한다. 대응적으로, 음의 이색성 염료의 경우, 상기 주흡수 축은, 이에 수직으로 화합물이 가장 큰 치수를 갖는 축(횡방향 축)을 의미한다.
상기 소자는 바람직하게는, 암 스위칭 상태에서, EN410 표준에 따라 결정시 5% 미만, 특히 바람직하게는 3% 미만, 매우 특히 바람직하게는 2% 미만, 가장 바람직하게는 1% 미만의 광 투과율을 가진다. 상기 소자의 광 투과율은 작업 실시예에 제시되는 바와 같이 결정되며, 20℃의 소자 온도에 관한 것이다.
상기 하나 이상의 이색성 염료의 주흡수 축에 평행하게 편광된 광에 대한, 상기 소자의 암 스위칭 상태에서의 상기 스위칭 층의 광 투과율(Tν)은 바람직하게는 4% 미만, 특히 바람직하게는 3% 미만, 매우 특히 바람직하게는 2% 미만이다.
상기 소자는 바람직하게는 하기 층 순서를 가지며, 이때 다른 층이 추가적으로 존재할 수 있다. 하기 제시되는 층들은 바람직하게는 상기 소자 내에서 서로 직접 인접한다:
- 편광 층,
- 바람직하게는 유리 또는 중합체를 포함하는 기판 층,
- 바람직하게는 ITO를 포함하는 전기 전도성 투명 층,
- 배향 층,
- 액정 물질 및 하나 이상의 이색성 염료를 포함하는 스위칭 층,
- 배향 층,
- 바람직하게는 ITO를 포함하는 전기 전도성 투명 층,
- 바람직하게는 유리 또는 중합체를 포함하는 기판 층.
원칙적으로, 당업자에게 공지된 모든 제품을 편광 층에 사용할 수 있다. 바람직하게는 박형 광학 필름 형태의 편광기가 사용된다. 본 발명에 따른 소자에 사용될 수 있는 반사형 편광기의 예는 DRPF(확산식 반사형 편광기 필름, 3M), DBEF(이중 휘도 개선 필름, 3M), DBR(미국 특허 제　7,038,745 호 및　제 6,099,758 호에 기술된 바와 같은 층상-중합체 분포된 브래그(Bragg) 반사기) 및 APF(고급(advanced) 편광기 필름, 3M, 문헌[Technical Digest SID 2006, 45.1] 및 미국 특허 출원 공개 제　2011/0043732 호 및 미국 특허 제　7023602 호 참조)이다. 또한, 와이어-그리드 편광기(WGP)를 사용할 수 있다. 본 발명에 따른 소자에 사용할 수 있는 흡수형 편광기의 예는 이토스(Itos) XP38 편광기 필름, 닛토 덴코(Nitto Denko) GU-1220DUN 편광기 필름 및 이토스 XP40HT 편광기 필름이다.
편광 층은 바람직하게는, 통상의 고정된 공간 배향을 갖고 가시광 영역 내의 광을 흡수하는 하나 이상의 상이한 유기 화합물을 포함하는 물질로부터, 예를 들어 XP40HT 편광기 필름으로 형성된다. 편광 층은 특히 바람직하게는, 통상의 고정된 공간 배향을 갖는 하나 이상의 상이한 유기 염료 화합물을 포함하는 물질로부터 형성된다. 이 경우, 염료 화합물은 상기 층 중에, 예를 들어 연신에 의해 수득될 수 있는 배향된 중합체와의 혼합물로 또는 액정 물질과의 혼합물로 존재한다. 이러한 유형의 편광기의 예는 문헌[Thulstrup et al., Spectrochimica Acta 1988, 8, 767-782] 및 국제 특허 출원 공개 제 WO　2013/097919 호의 작업 실시예에 개시되어 있다. 이러한 유형의 편광 층은, 특히 태양광 및/또는 고온에 대한 강한 노출시 매우 장기간 안정한 스위칭 소자가 수득될 수 있도록 하는 것으로 밝혀졌다. 또한, 와이어 그리드(WGP, 와이어-그리드 편광기)로 이루어진 편광 층을 사용하는 것도 가능하다. 따라서, 매우 긴 서비스 수명을 갖는 소자가 마찬가지로 수득될 수 있다. 다른 대안으로서, 연신된 중합체(바람직하게는 PVA) 및 요오드를 내부에 포함하는 편광 층을 사용하는 것도 가능하다.
본 발명에 따른 소자의 편광 층은 바람직하게는 고도로 효과적이다(즉, 매우 높은 비율로 광을 편광시킨다). 특히, 각각의 경우 550 nm의 광 파장에서, 편광 층이 95% 초과, 특히 바람직하게는 98% 초과, 매우 특히 바람직하게는 99% 초과의 편광도를 갖는 것이 바람직하다. 본원에서 "편광도"는, 통과 방향에서의 투과율 및 봉쇄 방향에서의 투과율 차이와, 통과 방향에서의 투과율 및 봉쇄 방향에서의 투과율 합 간의 몫으로서 정의된다. 이는, 하기 수학식 1에 대응한다:
[수학식 1]
P = (T1-T2) / (T1+T2),
상기 식에서,
P는 편광도이고,
T1은 통과 방향에서의 투과율이고,
T2는 봉쇄 방향에서의 투과율이다.
상기 소자는 바람직하게는 정확히 하나의 편광 층만 포함한다. 이는 바람직하게는 바깥쪽으로 대면하는 스위칭 층의 측면 상에(즉, 광원(특히, 태양)과 스위칭 층 사이에) 배열된다.
상기 편광 층은 바람직하게는 광을 선형 편광시킨다.
광을 선형 편광시키는 편광 층의 흡수 축은, 스위칭 층의 암 스위칭 상태에서, 바람직하게는 하나 이상의 이색성 염료의 주흡수 축에 대해 70° 내지 110°의 각도로 배열된다. 광을 선형 편광시키는 편광 층의 흡수 축은, 스위칭 층의 암 스위칭 상태에서, 하나 이상의 이색성 염료의 주흡수 축에 대해, 특히 바람직하게는 80° 내지 100°의 각도로, 매우 특히 바람직하게는 85° 내지 95°의 각도로, 가장 바람직하게는 90°의 각도로 배열된다.
"편광 층의 흡수 축"은, 상기 축에 대해 평행하게 편광된 광이 사전결정된 비율로 흡수되는 편광 층의 평면 내의 축을 의미한다. 반대로, 흡수 축에 수직으로 편광된 광은 사전결정된 비율로 흡수되지 못하며, 오히려 통과된다. 편광 층의 흡수 축은, 소위 편광 층의 통과 방향에 수직이다.
본 발명에 따른 소자는 바람직하게는 하나 이상, 특히 2개의 배향 층을 포함한다. 배향 층들은 바람직하게는 스위칭 층의 2개의 측면에 직접 인접한다.
본 발명에 따른 소자에 사용될 수 있는 배향 층은, 이러한 목적을 위해 당업자에게 공지된 임의의 바람직한 층이다. 폴리이미드 층, 특히 바람직하게는 러빙된 폴리이미드를 포함하는 층이 바람직하다. 당업자에게 공지된 특정 방식으로 러빙된 폴리이미드는, 액정 물질의 분자들이 배향 층에 평행한 경우(평면 배향), 러빙 방향으로 액정 물질의 분자들의 배향을 제공한다. 액정 물질의 분자들이 배향 층 상에서 완전히 편평한 형태가 아니고 대신 약간의 선경사 각을 갖는 것이 바람직하다. 배향 층의 표면에 대한 분자들의 수직 배향(호메오트로픽 배향)을 달성하기 위해서는, 바람직하게는, 특정 방향으로 처리된 폴리이미드(매우 높은 선경사 각을 위한 폴리이미드)가 배향 층을 위한 물질로서 사용된다. 또한, 배향 축에 따른 분자들의 배향(광배향)을 달성하기 위해서는, 편광된 광에 노출시켜 수득된 중합체를 배향 층으로서 사용할 수 있다. 예시적인 물질은 폴리아크릴레이트로 이루어지거나, 또는 중합가능한 기(예컨대, 아크릴레이트)를 함유하는 신남산으로도 이루어진다.
본 발명에 따른 소자 내의 스위칭 층을 둘러싸는 2개의 배향 층의 배향 방향이 0° 내지 270°의 각도를 형성하는 것이 바람직하다.
본원에서 용어 "배향 방향"은, 배향 층이 스위칭 층의 분자들을 배향시키는 방향을 의미한다. 이는, 예를 들어, 배향 층의 제조 유형, 러빙 방향, 또는 (광배향의 경우) 상기 중합체의 배향 방향에 의존할 수 있다.
스위칭 층은 바람직하게는 1 μm 내지 150 μm, 특히 바람직하게는 2 내지 15 μm, 매우 특히 바람직하게는 5 내지 10 μm의 두께를 가진다. 가요성 기판과 함께 본 발명의 더 박형의 스위칭 층은 더 안정한 소자를 제공하며, 특히 기판 층에 대한 스페이서의 바람직하지 않은 이동이 덜 쉽게 일어난다.
스위칭 층은 바람직하게는, 전압의 인가 및 결과적으로 스위칭 층 내의 전기장의 형성에 의해 스위칭된다. 전압은 바람직하게는, 액정 물질을 포함하는 스위칭 층의 양쪽 측면에 적용되는 전극에 인가된다. 전극은 바람직하게는 ITO로 이루어지거나, 박형의, 바람직하게는 투명한 금속 또는 금속 옥사이드 층으로 이루어지고, 예를 들어 은 또는 이러한 목적을 위해 당업자에게 공지된 대안적 물질을 포함한다. 전극은 바람직하게는 전기 접속부(connection)를 구비한다. 전원은 바람직하게는 전지, 2차 전지, 수퍼커패시터 또는 외부 전원에 의해 공급된다.
전압 인가에 의한 스위칭은 바람직하게는, 전압이 없는 암 스위칭 상태로부터 전압이 있는 명 스위칭 상태로 일어난다. 본원에서 용어 "암 스위칭 상태"는, 아주 적은 광만 소자를 통과하도록 함(즉, 소자의 투과율이 낮음)을 의미한다. 대응적으로, 본원에서 용어 "명 스위칭 상태"는, 더 많은 광이 소자를 통과하도록 하는(즉, 소자의 투과율이 비교적 높은) 스위칭 상태를 의미한다.
스위칭 층의 액정 물질은 바람직하게는 이들 두 스위칭 상태에서 네마틱이다. 무전압 상태는 바람직하게는, 액정 물질의 분자들 및 이에 따른 하나 이상의 이색성 염료가 배향 층에 평행하게 배향되는 것을 특징으로 한다. 이는 바람직하게는, 대응적으로 선택된 배향 층에 의해 달성된다. 전압 하의 상태는 바람직하게는, 액정 물질의 분자들 및 이에 따른 하나 이상의 이색성 염료가 배향 층에 수직인 것을 특징으로 한다.
대안적 실시양태에서, 상기 소자는, 전압의 인가에 의해, 전압 없이 존재하는 명 스위칭 상태에서 암 스위칭 상태로 전환된다. 상기 액정 물질은 바람직하게는 이들 두 상태에서 네마틱이다. 무전압 상태는 바람직하게는, 상기 액정 물질의 분자들 및 이에 따른 하나 이상의 이색성 염료가 배향 층에 수직으로 배향되는 것을 특징으로 한다. 이는 바람직하게는, 대응적으로 선택된 배향 층에 의해 달성된다. 전압 하의 상태는 바람직하게는, 액정 물질의 분자들 및 이에 따른 하나 이상의 이색성 염료가 배향 층에 평행하게 배향되는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는 스위칭 층의 암 스위칭 상태에 대응하는 평면 상태에서 스위칭 층의 액정 물질의 분자들의 배향은 바람직하게는 스위칭 층의 전체 두께에 걸쳐 동일하거나, 스위칭 층 내에서 비틀림을 가진다. 이러한 비틀림의 바람직한 값은 30° 내지 360°, 특히 바람직하게는 90° 내지 270°이다. 비틀림을 갖는 경우, 이러한 비틀림은 바람직하게는 90°의 배수(multiple)인 값을 가진다. 특히 바람직한 비틀림 값은 90°, 180° 또는 270°이다. 비틀림은, 스위칭 층에 인접하여 사용되어 서로 대응 각을 형성하는 배향 층들 상의 배향 방향에 의해 달성되는 것이다. 비틀림의 경우, 스위칭 층의 액정 물질이 키랄 도판트를 포함하는 것이 또한 바람직하다.
키랄 도판트는 바람직하게는 액정 물질 중에 0.01 중량% 내지 3 중량%, 특히 바람직하게는 0.05 중량% 내지 1 중량%의 총 농도로 사용된다. 더 높은 비틀림 값을 수득하기 위해서, 키랄 도판트의 총 농도를 또한 3 중량% 초과, 바람직하게는 최대 10 중량%까지 선택할 수 있다.
바람직한 도판트는 하기 표에 도시되는 화합물이다.
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상기 스위칭 층의 액정 물질은 또한 바람직하게는 하나 이상의 안정화제를 포함한다. 안정화제의 총 농도는 바람직하게는 전체 액정 물질의 0.00001 중량% 내지 10 중량%, 특히 바람직하게는 0.0001 중량% 내지 1 중량%이다.
바람직한 안정화제는 하기 표에 도시된다.
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상기 소자는 바람직하게는, 스위칭 층이 2종 이상의 상이한 이색성 염료, 특히 바람직하게는 정확히 2, 3, 4, 5 또는 6종의 상이한 이색성 염료, 매우 특히 바람직하게는 정확히 2, 3 또는 4종의 상이한 이색성 염료를 포함하는 것을 특징으로 한다. 이색성 염료는 바람직하게는 유기 화합물이다.
또한, 이색성 염료 중 적어도 하나가 발광성, 바람직하게는 형광성인 것이 바람직하다.
상기 액정 매질에서 이색성 염료들의 흡수 스펙트럼은 바람직하게는, 상기 소자의 흑색 칼라의 효과가 눈에 일어나도록 하는 방식으로, 서로 상보적이다. 상기 소자는 특히 바람직하게는, 이의 모든 스위칭 상태에서 들여다 보았을 때 무색이며, 이 경우 회색 또는 흑색 효과도 마찬가지로 무색으로서 간주된다.
상기 액정 물질의 2종 이상의 이색성 염료는 바람직하게는 가시광 스펙트럼의 대부분을 커버한다. 이는 바람직하게는, 적색 광을 흡수하는 하나 이상의 이색성 염료, 녹색 내지 황색 광을 흡수하는 하나 이상의 이색성 염료, 및 청색 광을 흡수하는 하나 이상의 이색성 염료에 의해 달성된다.
눈에 흑색 또는 회색으로 나타나는 이색성 염료들의 혼합물을 제조할 수 있는 정확한 방법은 당업자에게 공지되어 있으며, 예를 들어 왈터 데 그루이터 앤 캄파니(Walter de Gruyter & Co.)에 의해 발행된 문헌[Manfred Richter, Einfuhrung in die Farb-metrik [Introduction to Colorimetry], 2nd Edition, 1981, ISBN 3-11-008209-8]에 기술되어 있다.
또한, 상기 이색성 염료는 바람직하게는 주로 UV-VIS-NIR 영역(즉, 320 내지 2000　nm의 파장)의 광을 흡수한다. UV 광, 가시광 및 NIR 광은 상기와 같이 정의된다. 상기 이색성 염료는 특히 바람직하게는, 400 내지 1300　nm 범위에 놓인 흡수 최대값을 가진다.
상기 액정 물질의 이색성 염료의 총 비율은 바람직하게는 0.01 내지 20 중량%, 특히 바람직하게는 0.1 내지 15 중량%, 매우 특히 바람직하게는 0.2 내지 12 중량%이다. 상기 하나 이상의 염료 중 각각의 염료의 비율은 바람직하게는 0.01 내지 15 중량%, 바람직하게는 0.05 내지 12 중량%, 매우 특히 바람직하게는 0.1 내지 10 중량%이다.
상기 하나 이상의 이색성 염료는 바람직하게는 상기 액정 물질에 용해된다. 상기 염료는 바람직하게는, 상기 액정 물질의 분자들의 배향에 의해 이의 배향이 영향을 받는다.
상기 하나 이상의 이색성 염료는 바람직하게는, 문헌[B. Bahadur, Liquid Crystals - Applications and Uses, Vol. 3, 1992, World Scientific Publishing, section 11.2.1]에 제시된 부류의 화합물, 특히 바람직하게는 상기 문헌 내의 표에 제시된 명시적 화합물로부터 선택된다.
상기 하나 이상의 이색성 염료는 바람직하게는 아조 화합물, 안트라퀴논, 메틴 화합물, 아조메틴 화합물, 메로시아닌 화합물, 나프토퀴논, 테트라진; 릴렌, 특히 페릴렌 및 터릴렌; 벤조티아다이아졸, 피로메텐 및 다이케토피롤로피롤로부터 선택된다. 물론, 이들 중에서, 아조 화합물, 안트라퀴논, 특히 국제 특허 출원 공개 제 WO　2014/187529 호에 개시된 바와 같은 벤조티아다이아졸, 특히 국제 특허 출원 공개 제 WO 2015/090497 호에 개시된 바와 같은 다이케토피롤로피롤, 및 특히 국제 특허 출원 공개 제 WO 2014/090373 호에 개시된 바와 같은 릴렌이 특히 바람직하다. 상기 하나 이상의 이색성 염료는 매우 특히 바람직하게는 아조 염료, 벤조티아다이아졸 염료 및 릴렌 염료로부터 선택된다.
하기 화합물은 바람직한 이색성 염료의 예이다.
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상기 스위칭 층의 액정 물질은 바람직하게는 상기 소자의 작동 온도에서 네마틱 액정이다. 이는 특히 바람직하게는 상기 소자의 작동 온도보다 위아래로 ±20℃ 범위, 매우 특히 바람직하게는 ±30℃ 범위에서 네마틱 액정이다. 상기 액정 물질은 또한 바람직하게는 80℃ 초과, 특히 바람직하게는 100℃ 초과, 매우 특히 바람직하게는 120℃ 초과, 가장 바람직하게는 130℃ 초과의 등명점, 바람직하게는 네마틱 액정 상태에서 등방성 상태로의 상 전이를 가진다.
상기 액정 물질은 또한 바람직하게는 3 내지 30종의 상이한 화합물, 바람직하게는 6 내지 20종, 특히 바람직하게는 8 내지 18종의 상이한 화합물을 포함한다.
상기 액정 물질은 또한 바람직하게는 0.01 내지 0.3, 특히 바람직하게는 0.04 내지 0.27의 광학 이방성(Δn)을 가진다. 마찬가지로, 상기 액정 물질은 바람직하게는 2 내지 70 또는 -1.5 내지 -10의 유전 이방성(Δε)을 가진다.
상기 액정 물질의 구성성분으로서 사용될 수 있는 화합물은 당업자에게 공지되어 있으며, 근본적으로 원하는 바에 따라 선택될 수 있다. 상기 액정 물질이, 1,4-페닐렌 및 1,4-사이클로헥실렌에 기초한 구조 요소를 함유하는 화합물을 하나 이상 포함하는 것이 바람직하다. 상기 액정 물질은 특히 바람직하게는, 1,4-페닐렌 및 1,4-사이클로헥실렌에 기초한 구조 요소를 2, 3 또는 4개, 특히 바람직하게는 3 또는 4개 함유하는 화합물을 하나 이상 포함한다. 상기 액정 물질은 또한 바람직하게는 하기 화학식 (I)의 화합물을 포함한다:
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상기 식에서, R1은 탄소수 1 내지 10의 알킬 기로부터 선택된다.
상기 소자는 바람직하게는 하나 이상의 기판 층, 특히 바람직하게는 정확히 2개의 기판 층을 포함하며, 이들 사이에 상기 스위칭 층이 배열된다. 기판 층은 바람직하게는 유리 또는 중합체로부터 형성되고, 특히 바람직하게는 중합체로부터 형성된다. 특히, 편광기에 인접한 기판 층에는 저 복굴절률을 갖는 중합체가 바람직하다. 기판 층에 바람직한 중합체 물질은 PMMA, 폴리카보네이트, PET, PEN, COP 또는 PVB이다. 중합체 물질을 포함하는 기판 층의 사용은, 힘든 노력 없이 만곡된 기판 층을 제조할 수 있으며, 대응하는 만곡된 유리 층보다 더 낮은 응력 복굴절률을 갖는다는 이점이 있다. 또한, 중합체 물질을 포함하는 기판 층은, UV 광 및 이로 인해 유발되는 분해로부터 액정 물질 및 이색성 염료를 보호하는 매우 효과적인 UV 필터를 구비할 수 있다.
본 발명에 따른 소자의 기판 층은 바람직하게는 중합체를 포함하고, 바람직하게는 광학 등방성 중합체를 포함한다. 상기 소자 내에서 편광기에 인접한 기판 층은 특히 바람직하게는 중합체를 포함하고, 바람직하게는 광학 등방성 중합체를 포함한다. 상기 기판 층은 바람직하게는 응력 복굴절률을 갖지 않거나 단지 낮은 응력 복굴절률을 가진다. 이는 특히, 중합체를 포함하는 기판 층에 의해 달성될 수 있다. 기판 층으로서 사용될 수 있는 광학 등방성 물질은 당업자에게 공지되어 있다. 본 발명에 따른 소자 내의 광학 등방성 기판 층으로서 지연을 갖지 않거나 단지 적은 지연을 갖는 광학 등방성 중합체를 사용하는 것이 바람직하다. 상기 소자의 기판 층과 관련하여 "광학 등방성"은, 복굴절률이 실질적으로 없고, 바람직하게는 완전히 없음을 의미하며, 이때 응력 복굴절률은 용어 "복굴절률"에 포함된다.
상기 스위칭 층 쪽에서 볼 때, 하나 이상의 추가의 층이 편광기와 그 다음 기판 층 사이에 위치하는 것이 바람직하다. 이러한 층은 바람직하게는 편광 층과 기판 층의 상이한 열팽창 계수를 보상한다. 접착제 층 및 접착제 필름, 예를 들어 3M으로부터의 광학 투명 접착제, 또는 PVB(폴리비닐부티랄), 또는 EVA(에틸렌 비닐 아세테이트)로부터 선택되는 층이 이러한 목적에 바람직하다.
상기 광학 스위칭 소자는 디스플레이 소자(디스플레이) 또는 스위칭 윈도우에 사용될 수 있다. "스위칭 윈도우"는, 영역 부재를 통한 광의 통과를 균일하게 제어하기 위한, 특히 태양광의 통과를 제어하기 위한 장치를 의미한다. 상기 소자는 바람직하게는 스위칭 윈도우에 사용된다. 본원에서 "균일한 제어"란, 영역 부재를 내의 모든 지점에서 투과율이 실질적으로 동일함을 의미한다.
본원에서 영역 부재는 바람직하게는 0.05 m2 이상, 특히 바람직하게는 0.1 m2 이상, 특히 바람직하게는 0.2 m2 이상의 치수를 가진다. 건물의 윈도우에 사용되는 경우, 0.5 m2 이상, 특히 바람직하게는 0.8 m2 이상의 더 큰 영역 부재가 바람직하다.
영역 부재를 통한 광의 통과를 제어하기 위한 소자는 바람직하게는 층 형태의 혼합물을 포함한다. 상기 층은 바람직하게는 스위칭가능하다(즉, 스위칭 층을 나타낸다. 상기 층은 바람직하게는 12 내지 40 μm, 특히 바람직하게는 14 내지 30 μm, 매우 특히 바람직하게는 15 내지 25 μm의 두께를 가진다.
본 발명에 따른 소자는 바람직하게는 주위환경으로부터 공간 내로의 태양광 형태의 광의 통과를 제어하는데 적합하다. 본원에서 "공간"은, 주위환경으로부터 실질적으로 밀폐된 임의의 바람직한 공간, 예를 들어 건물, 차량 또는 컨테이너일 수 있다. 특히, 공간이 주위환경과 제한된 공기 교환만 갖고, 바깥쪽으로부터의 에너지의 유입이 광 에너지 형태로 일어날 수 있는 광-투과 경계 표면을 갖는 경우, 상기 소자는 일반적으로 임의의 바람직한 공간에 사용될 수 있다. 상기 소자는 특히 바람직하게는, 광 투과 영역을 통해, 예를 들어 윈도우 영역을 통해 단열이 잘 되는 공간에 사용된다. 이러한 공간의 예는, 바깥쪽에 대한 큰 윈도우 영역을 갖는 공간 및 차량(예컨대, 차량, 선박 또는 항공기, 특히 자동차)의 내부이다. 자동차에 사용되는 경우, 루프 영역, 특히 슬라이딩 루프 및 파노라마 루프에 사용되는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 소자는 바람직하게는 비교적 큰 2차원 구조의 개구부 내에 배열되며, 이때 상기 2차원 구조 자체는 적은 광의 통과만 허용하거나 광의 통과를 전혀 허용하지 않고, 상기 개구부는 상대적 측면에서 더 큰 정도로 광을 투과한다. 상기 2차원 구조는 바람직하게는 벽, 또는 바깥쪽으로부터의 공간의 또다른 한계이다.
본 발명에 따른 소자는 바람직하게는, 광을 태양 전지로 이송하는 광학 도파관 시스템, 또는 바람직하게는 국제 특허 출원 공개 제 WO　2009/141295 호에 기술된 바와 같이, 광 및/또는 열 에너지를 전기 에너지로 전환시키기 위한 다른 장치를 포함한다.
상기 소자는 바람직하게는 건물 내의 윈도우에 사용된다. 이 경우, 본 발명에 따른 소자는, 이의 광 투과율이 스위칭될 수 있는 윈도우, 특히 바람직하게는 하나 이상의 유리 영역을 포함하는 윈도우, 매우 특히 바람직하게는 다중-판유리 절연 유리를 포함하는 윈도우의 컴포넌트이다. 본원에서 "윈도우"는, 프레임 및 상기 프레임으로 둘러싸인 하나 이상의 판유리를 포함하는, 건물 내의 구조물을 의미한다. 이는 바람직하게는 단열 프레임 및 2개 이상의 판유리(다중-판유리 절연 유리)를 포함한다. 바람직한 실시양태에 따라, 본 발명에 따른 소자는 윈도우의 유리 영역에, 다중-판유리 절연 유리의 2개의 판유리들 사이의 사이공간에 직접 적용된다.
상기 소자는 또한 바람직하게는, 부분적으로 광-투명하고 스위칭가능한 자동차 루프 또는 스위칭가능한 자동차 윈도우의 능동 스위칭 컴포넌트로서 사용된다.
본원에서 층 순서는 바람직하게는
- 편광 층,
- 바람직하게는 유리 또는 중합체를 포함하는 기판 층,
- 바람직하게는 ITO를 포함하는 전기 전도성 투명 층,
- 배향 층,
- 액정 물질 및 하나 이상의 이색성 염료를 포함하는스위칭 층,
- 배향 층,
- 바람직하게는 ITO를 포함하는 전기 전도성 투명 층, 및
- 바람직하게는 유리 또는 중합체를 포함하는 기판 층
이며, 이때 상기 편광 층은 바깥쪽으로, 광원 쪽으로, 특히 태양 쪽으로 대면한다.
다르게는, 상기 편광 층은 또한, 2개의 기판 층 사이에, 또는 태양으로부터 먼 쪽에 대면하는 상기 소자의 측면 상에 위치할 수 있다. 이 경우, 상기 스위칭 층의 바깥쪽에 놓이는 층이 UV 광을 흡수하는 것이 바람직하다. 특히, 상기 기판 층이 UV-흡수성 첨가제를 포함하거나, UV 필터가 상기 기판 층에 적용된 것이 바람직하다.
특히, 상기 소자를 스위칭가능한 자동차 루프에 사용하는 경우, 상기 소자는 편평하지 않고, 대신, 공간 내에서 만곡된 것이 또한 바람직하다. 이는 바람직하게는, 만곡된 기판 층을 사용함으로써 달성된다. 바람직하게는, 본원에서 광학적으로 등방성인 중합체 기판 층이 사용된다. 이는, 2차원 또는 3차원적으로 만곡되고 균일한 투과율을 가지며 칼라 변화를 간섭하지 않는 소자가 수득될 수 있게 한다.
작업 실시예
1) 스위칭 층에 사용되는 물질
액정 화합물의 구조는 약어(두문자어)에 의해 재현된다. 약어가 사용되는 경우, 국제 특허 출원 공개 제 WO　2012/052100 호의 페이지 63 내지 89의 설명을 참조한다.
모든 물리적 특성은 문헌["Merck Liquid Crystals, Physical Properties of Liquid Crystals", Status Nov. 1997, Merck KGaA, Germany]에 따라 결정되며, 20℃의 온도를 적용한다.
하기 호스트 혼합물을 제조하였다.
Figure pat00035
하기 염료 화합물을 사용하였다.
Figure pat00036
Figure pat00037
Figure pat00038
이들을 사용하여, 하기 조성을 갖는 혼합물 M1 및 M2를 제조하였다:
M1: 0.47 중량%의 D1, 1.03 중량%의 D2 및 0.892 중량%의 D3을 포함하는 H1,
M2: 0.6 중량%의 D4; 0.3 중량%의 D5; 1.0 중량%의 D6; 1.5 중량%의 D7 및 1.5 중량%의 D8을 포함하는 H1.
2) 스위칭 소자의 제조
본 발명에 따른 소자는 하기의 일반 층 순서를 가진다:
a0) ITOS XP40HT 편광기 필름,
a) 125 μm의 폴리카보네이트를 포함하고 10 nm 미만의 지연을 갖는 중합체 층,
b) 인듐 아연 옥사이드(ITO) 층, 200 Å,
c) 제이에스알(JSR)로부터의 폴리이미드 AL-1054 배향 층, 300 Å,
d) 스위칭 층, 두께 10 μm,
e) c)와 동일,
f) b)와 동일,
g) a)와 동일.
상기 배향 층은, 상기 액정 물질의 분자들의 우선 방향을 달성하기 위해 러빙된다. 90°의 비틀림이 달성되어야 하는 경우, 2개의 배향 층은 상기 소자 내에서 서로 교차하여(즉, 러빙 방향들이 서로 90°의 각도를 형성하도록 하는 방식으로) 배열된다. 또한, 이 경우 0.05 중량%의 키랄 도판트 S-811이 상기 액정 물질 중에 존재한다. ITO 층(다르게는, 당업자에게 공지된 다른 전기 전도성 투명 층이 사용될 수 있음)은, 전기적으로 스위칭가능하게 되도록, 대응 접촉부를 구비한다. 스위칭 소자가 제조되는 경우, 전압이 없는 상태가 암 상태이다. 상기 액정 물질의 분자들을 상기 배향 층의 평면에 대해 수직 위치로 설정하는 전압을 인가함으로써, 상기 소자가 명 스위칭 상태로 스위칭된다.
하기 스위칭 소자를 제조하였다:
E1: 혼합물 M1을 포함하는 스위칭 층, 90° 비틀림,
E2: 혼합물 M1을 포함하는 스위칭 층, 0° 비틀림,
E3: 혼합물 M2을 포함하는 스위칭 층, 0° 비틀림.
3) 스위칭 소자의 성능 데이터
a) 스위칭 층의 광 투과율(Tν암) 결정
광 투과율(Tν암)은, 유럽 표준 EN410, 식 (1)(판유리(glazing)의 발광 및 태양 특성 결정)에 따라, 표준 광원의 상대적 스펙트럼 분포 및 표준 관측기의 스펙트럼 휘도 민감성을 고려하여, 측정된 스펙트럼 투과율로부터 결정된다. 상기 소자의 암 스위칭 상태에서, 이색성 염료의 주흡수 축에 평행하게 편광된 광에 대한 상기 소자의 스위칭 층의 투과율(Tν암)을 측정한다.
스위칭 층의 특성을 측정하기 위해, 분광계에, 기준 및 측정 빔에 2개의 글랜 톰슨(Glan Thompson) 석영 편광기를 장착하였다. 측정할 소자를, 이의 표면이 광 빔에 정확히 수직이 되도록 장착하였다. 광 빔과 대면하는 제 1 소자 기판의 배향 방향을, 예를 들어 아래로부터 위로 (즉, 실험실 공간에 대해 수직으로) 배열되도록 선택한다. 양의(positive) 이색성 염료는 정확히 이 방향을 따라 배향되기 때문에, 비틀리지 않은 실시예 E2 및 E3의 경우 가장 강한 주흡수 축은 이 방향과 정확히 평행하다(비틀린 실시예 E1의 경우, 제 1 층은 마찬가지로 이 방향과 정확히 평행하고, 마지막 층은 이 방향에 정확히 수직임).
2개의 글랜 톰슨 편광기는, 투과율이 정확히 이러한 각도 위치에서 가능한 가장 낮은 값에 대응적으로 도달하도록 하는 방식으로 배향된다.
스펙트럼 투과율의 측정값을, 기준으로서, 스위칭 층 내에 염료가 없는 것을 제외하고는 다른 것은 동일한 소자와 비교한다(즉, 염료(들)가 있는 스위칭 층을 통한 광의 강도(분자)와 염료(들)가 없는 스위칭 층을 통한 광의 강도(분모)의 몫에 대응함).
Figure pat00039
b) 편광기를 갖는 완전한 소자의 광 투과율(Tν암) 결정
이를 위해, 상기 a) 하의 절차를 따르되, 단, 광 투과율을 계산하기 위해, 편광기를 갖는 완전한 소자를 통한 광의 통과 이후의 강도를 결정하고(분자), 이를, 편광기가 없는 소자 및 염료가 없는 소자의 강도와 비교한다.
Figure pat00040
상기 결과는, 본 발명에 따른 소자를 사용하여, 상기 소자의 암 스위칭 상태에서 탁월한 암화(darkening)가 달성됨을 보여준다(Tν암 = 0.5% - 0.7%). 또한, 넓은 온도 범위에 걸쳐 매우 어두운 스위칭 상태가 달성된다. 심지어, 호스트 혼합물의 등명점보다 높은 온도에서도, 한자릿수 % 범위의 낮은 Tν암 값이 여전히 수득된다.
c) 투과율의 각도 의존성 결정
파장의 함수로서의 투과율을, 각각의 경우 극성 각(polar angle)(θ) 및 방위각(φ)의 다양한 값 쌍에 대해, 소자 E1 내지 E3에 대해 결정하였다. 스펙트럼 투과율은, 광이 상기 소자를 통과하는 각도에 실질적으로 독립적임이 밝혀졌다. 이는, 넓은 파장 범위와 관련된다. 따라서, 상기 소자는, 상이한 시야각으로부터 관찰될 경우, 관찰자에게 바람직하지 않은 칼라를 갖지 않는다. 다른 이점은, 상기 소자가 암 스위칭 상태로 스위칭 되는 경우, 넓은 범위에 대해 광을 효과적으로 봉쇄한다는 것이다.
소자 E1, E2 및 E3에 대한 최대 투과율 변화를 하기 표에 제시한다.
Figure pat00041
Figure pat00042
Figure pat00043
d) 3차원 만곡된 소자의 제조
상기 2) 하에 수득된 소자를, 큰 반경을 갖는 2개의 시계 유리 사이에 고정하고, 상기 소자가 상기 시계 유리와 접촉하여 이의 곡률을 취하도록, 상기 소자를 상기 시계 유리에 대해 압박함으로써 만곡된 형태로 전환시켰다.
후속적으로, 상기 소자를 스위칭하고, 이의 투과율을 측정하였다. 암 스위칭 상태 및 또한 명 스위칭 상태 둘 다에서, 상기 소자의 면적에 걸쳐 균일한 투과율이 관찰되었다. 또한, 육안으로 알아볼 수 있는 칼라 변화는 관찰되지 않았다.
이는, 균일한 투과율 및 칼라를 갖는 만곡된 소자가, 중합체를 포함하는 기판 층을 포함하는 소자를 사용하여 수득될 수 있음을 보여준다.
4) 유리 기판 층을 포함하는 스위칭 소자
상기 2) 하에 제시된 바와 같되, 단, 층 a) 및 b) 대신, 하기 제시되는 바와 같은 층 a') 및 b')를 갖는 소자를 제조하였다:
a') 코닝(Corning)으로부터의 1.1 mm의 소다-라임 유리를 포함하는 유리 층, 및
b') ITO 층, 200 Å.
상기 소자를 사용하여, 중합체 기판 층을 갖는 소자에 대해 상기 제시된 바와 같은 광 투과율(Tν)과 동일한 값이 수득되었다. 상기 제시된 최대 투과율 변화와 동일한 값이 또한 수득되었다.
그러나, 상당히 덜 우수한 만곡을 갖는 소자가 제조될 수 있으며, 그 이유는, 상기 소자가 예상치 못하게 쉽게 파괴될 수 있기 때문이다. 또한, 유리 기판 층을 갖는 이러한 유형의 만곡된 소자는, 수직이 아닌 각도로 봤을 때, 칼라 효과를 나타낸다.

Claims (17)

  1. - 편광 층, 및
    - 하나 이상의 이색성 염료를 포함하는 액정 물질을 포함하고 상기 편광 층에 평행하게 배열된 스위칭 층
    을 포함하는 광학 스위칭 소자로서, 이때
    상기 스위칭 층은, 낮은 스위칭 층 투과율을 갖는 암(dark) 스위칭 상태 및 높은 스위칭 층 투과율을 갖는 명(bright) 스위칭 상태를 갖고,
    상기 소자의 암 스위칭 상태에서, EN410 표준에 따를 때, 상기 하나 이상의 이색성 염료의 주흡수 축에 평행하게 편광된 광에 대한 상기 스위칭 층의 광 투과율(Tν)이 5% 미만인, 광학 스위칭 소자.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 소자가,
    - 편광 층,
    - 기판 층,
    - 전기 전도성 투명 층,
    - 배향 층,
    - 하나 이상의 이색성 염료를 포함하는 액정 물질을 포함하는 스위칭 층,
    - 배향 층,
    - 전기 전도성 투명 층, 및
    - 기판 층
    의 층 순서를 갖는 것을 특징으로 하는, 광학 스위칭 소자.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 소자가 정확히 하나의 편광 층을 포함하는 것을 특징으로 하는, 광학 스위칭 소자.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 편광 층이, 통상의 고정된 공간 배향을 갖는 하나 이상의 상이한 유기 염료 화합물을 포함하는 물질로부터 형성된 것을 특징으로 하는, 광학 스위칭 소자.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 편광 층이 광을 선형 편광시키는 것을 특징으로 하는, 광학 스위칭 소자.
  6. 제 5 항에 있어서,
    광을 선형 편광시키는 편광 층의 흡수 축이, 상기 스위칭 층의 암 스위칭 상태에서, 상기 하나 이상의 이색성 염료의 주흡수 축에 대해 70° 내지 110°의 각도로 배열된 것을 특징으로 하는, 광학 스위칭 소자.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 스위칭 층을 둘러싸는 2개의 배향 층의 배향 방향이 0° 내지 270°의 각도를 형성하는 것을 특징으로 하는, 광학 스위칭 소자.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 스위칭 층이 2 내지 15 μm의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는, 광학 스위칭 소자.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 스위칭 층의 액정 물질의 분자가, 상기 소자의 하나 이상의 스위칭 상태에서 편평한 방식으로 비틀리고, 이러한 비틀림(twist)이 상기 스위칭 층의 두께에 걸쳐 30° 내지 360°의 값을 갖는 것을 특징으로 하는, 광학 스위칭 소자.
  10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 스위칭 층의 이색성 염료 중 적어도 하나가 형광성인 것을 특징으로 하는, 광학 스위칭 소자.
  11. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 스위칭 층의 이색성 염료 중 적어도 하나가 아조 화합물, 안트라퀴논, 벤조티아다이아졸, 다이케토피롤로피롤 및 릴렌으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는, 광학 스위칭 소자.
  12. 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 액정 물질이 하기 화학식 (I)의 화합물을 포함하는 것을 특징으로 하는, 광학 스위칭 소자:
    Figure pat00044

    상기 식에서, R1은 탄소수 1 내지 10의 알킬 기로부터 선택된다.
  13. 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 편광 층과 인접하는 기판 층이 중합체로 이루어진 것을 특징으로 하는, 광학 스위칭 소자.
  14. 제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 소자가 공간 내에서 만곡된(curved) 것을 특징으로 하는, 광학 스위칭 소자.
  15. 제 1 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 소자가 하나 이상의 기판 층을 포함하고,
    상기 소자가, 상기 스위칭 층 쪽에서 볼 때, 상기 편광 층과 그 다음 기판 층 사이에, 접착 층(adhesive layer) 및 접착 필름으로부터 선택되는 층을 포함하는 것을 특징으로 하는, 광학 스위칭 소자.
  16. 건물, 컨테이너 또는 자동차용 윈도우로서,
    상기 윈도우가 제 1 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 따른 광학 스위칭 소자를 포함하는 것을 특징으로 하는, 윈도우.
  17. 주위환경으로부터 공간 내로의 태양광의 통과를 제어하기 위한, 제 1 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 따른 광학 스위칭 소자의 용도.
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