KR20180074594A - 반사율 가변 미러 - Google Patents

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Abstract

본 출원은 액정셀을 이용한 반사율 가변 미러에 관한 것이다. 본 출원의 반사율 가변 미러는 게스트호스트 액정층을 포함하는 제1 액정셀, 제1 반사형 편광 필름, 위상차 가변 액정층을 포함하는 제2 액정셀, 제2 반사형 편광 필름 및 흡수판을 순차로 포함할 수 있다. 본 출원의 반사율 가변 미러는 반사 방지 모드에서 반사율을 낮춤으로써 우수한 반사율 가변 특성을 구현할 수 있다.

Description

반사율 가변 미러{Mirror for variable reflection}
본 출원은 반사율 가변 미러에 관한 것이다.
본 출원은 2016년 12월 23일자 한국 특허 출원 제10-2016-0177578호에 기초한 우선권의 이익을 주장하며, 해당 한국 특허 출원의 문헌에 개시된　모든 내용은 본 명세서의 일부로서 포함된다.
반사율 가변 미러는 입사광의 반사율을 조절할 수 있도록 제작된 미러를 말하는 것으로서, 스마트 미러(Smart Mirror)로 호칭할 수 있다. 기존 일렉트로크로믹 방식의 반사율 가변 미러는 응답속도가 느린 단점으로 인하여 대체 방식에 대한 필요성이 대두되고 있다(특허문헌 1).
일렉트로크로믹 방식의 반사율 가변 미러의 대안으로서 게스트호스트 액정셀, 1/4 파장판 및 미러를 적용하는 방식을 고려할 수 있으나, 기존 일렉트로크로믹 방식의 반사율 가변 미러에 비하여 반사율 가변 특성이 낮은 문제점이 있다.
대한민국 공개특허공보 제2004-0098051호
본 출원의 과제는 액정셀을 이용하여 반사율 가변 특성이 우수한 반사율 가변 미러를 제공하는 것이다.
본 출원은 반사율 가변 미러에 관한 것이다. 상기 반사율 가변 미러는 게스트호스트 액정층을 포함하는 제1 액정셀, 제1 반사형 편광 필름, 위상차 가변층을 포함하는 제2 액정셀, 제2 반사형 편광 필름 및 흡수판을 순차로 포함할 수 있다. 이하, 상기 제1 액정셀은 게스트호스트 액정셀로 호칭될 수도 있고, 상기 제2 액정셀은 위상차 가변 액정셀로 호칭될 수도 있다.
본 명세서에서 각도를 정의하면서, 어느 하나의 각도를 특정하거나, 수직, 평행, 직교 또는 수평 등의 용어를 사용하는 경우, 이는 목적하는 효과를 손상시키지 않는 범위에서의 특정 각도나, 실질적인 수직, 평행, 직교 또는 수평을 의미하는 것으로, 예를 들면, 제조 오차(error) 또는 편차(variation) 등을 감안한 오차를 포함하는 것이다. 예를 들면, 상기 각각의 경우는, 약 ±15도 이내의 오차, 약 ±10도 이내의 오차 또는 약 ±5도 이내의 오차를 포함할 수 있다.
상기 게스트호스트 액정층은 액정 및 이방성 염료를 포함할 수 있다. 본 명세서에서 용어 「게스트호스트 액정층」은 액정의 배열에 따라 이방성 염료가 함께 배열되어, 이방성 염료의 정렬 방향과 상기 정렬 방향의 수직한 방향에 대하여 각각 비등방성 광 흡수 특성을 나타내는 기능성 층을 의미할 수 있다. 예를 들어, 이방성 염료는 빛의 흡수율이 편광 방향에 따라서 달라지는 물질로서, 장축 방향으로 편광된 빛의 흡수율이 크면 p형 염료로 호칭하고 단축 방향으로 편광된 빛의 흡수율이 크면 n형 염료라고 호칭할 수 있다. 하나의 예시에서, p형 염료가 사용되는 경우, 염료의 장축 방향으로 진동하는 편광은 흡수되고 염료의 단축 방향으로 진동하는 편광은 흡수가 적어 투과시킬 수 있다. 이하 특별한 언급이 없는 한 이방성 염료는 p형 염료인 것으로 가정한다.
게스트호스트 액정층은 능동형 편광자(Active Polarizer)로 기능할 수 있다. 본 명세서에서 용어 「능동형 편광자(Active Polarizer)」는 외부 작용 인가에 따라 비등방성 광흡수를 조절할 수 있는 기능성 소자를 의미할 수 있다. 예를 들어 게스트호스트 액정층의 액정 및 이방성 염료의 배열은 자기장 또는 전기장과 같은 외부 작용의 인가에 의하여 조절될 수 있으므로, 게스트호스트 액정층은은 외부 작용 인가에 따라 비등방성 광 흡수를 조절할 수 있다.
상기 게스트호스트 액정층은 전압 인가 유무에 따라 수직 배향 상태와 수평 배향 상태를 전환할 수 있다.
본 명세서에서 수직 배향 상태는 액정 분자의 방향자가 액정층의 평면에 대하여 수직으로 배열된 상태, 예를 들어, 85도 내지 90도, 86도 내지 90도, 87도 내지 90도, 88도 내지 90도, 89도 내지 90도 바람직하게는 90도를 이루는 배열 상태를 의미할 수 있고, 수평 배향 상태는 액정 분자의 방향자가 액정층의 평면에 대하여 수평하게 배열된 상태, 예를 들어, 0도 내지 5도, 0도 내지 4도, 0도 내지 3도, 0도 내지 2도, 0도 내지 1도 바람직하게는 0도를 이루는 배열 상태를 의미할 수 있다. 본 명세서에서 용어 「액정 분자의 방향자」는 액정 분자가 막대 (rod) 모양인 경우 장축을 의미할 수 있고, 액정 분자가 원판 (discotic) 모양인 경우 원판 평면의 법선 방향의 축을 의미할 수 있다.
게스트호스트 액정층이 수직 배향 상태인 경우 액정 및 이방성 염료는 수직 배향된 상태로 존재한다. 상기 수직 배향 상태의 게스트호스트 액정층으로 편광되지 않은 광원이 통과하는 경우 상기 광원에 편광성을 부여하지 않는다. 상기 게스트호스트 액정층이 수직 배향 상태인 경우 상기 반사율 가변 미러는 거울 모드를 구현할 수 있다.
게스트호스트 액정층이 수평 배향 상태인 경우 액정 및 이방성 염료는 수평 배향된 상태로 존재한다. 상기 수평 배향 상태의 게스트호스트 액정층으로 편광되지 않은 광원이 통과하는 경우 이방성 염료의 흡수축과 평행한 진동 성분은 흡수되고, 이방성 염료의 흡수축과 직교하는 진동 성분은 투과됨으로써 상기 광원에 편광성을 부여할 수 있다. 상기 게스트 호스트 액정층이 수평 배향 상태인 경우 상기 반사율 가변 미러는 반사 방지 모드를 구현할 수 있다.
하나의 예시에서, 상기 게스트호스트 액정층은 전압 무인가 상태에서 수직 배향 상태로 존재할 수 있다. 상기 게스트호스트 액정층은 전압 인가 시에 수평 배향 상태로 존재할 수 있다. 이러한 배향 상태는 상기 제1 액정셀을 VA 모드 게스트호스트 액정셀로 구현하는 경우에 적합할 수 있다.
액정의 종류 및 물성은 제1 액정셀의 구동 모드를 고려하여 적절히 선택될 수 있다.
하나의 예시에서, 상기 게스트호스트 액정층의 액정은 네마틱(nematic) 액정 또는 스멕틱(smectic) 액정일 수 있다. 네마틱 액정은 막대 모양의 액정 분자가 위치에 대한 규칙성은 없으나 액정 분자의 장축 방향으로 평행하게 배열되어 있는 액정을 의미할 수 있고, 스멕틱 액정은 막대 모양의 액정 분자가 규칙적으로 배열하여 층을 이룬 구조를 형성하며 장축 방향으로 규칙성을 가지고 평행하게 배열되어 있는 액정을 의미할 수 있다.
상기 게스트호스트 액정층의 액정은 유전율 이방성이 양수이거나 음수일 수 있다. 본 명세서에서 용어 「유전율 이방성(△ε)」은 액정의 수평 유전율(ε//)과 수직 유전율(εㅗ,)의 차이(ε// - εㅗ)를 의미할 수 있다. 본 명세서에서 용어「수평 유전율(ε//)」은 액정 분자의 방향자와 인가 전압에 의한 전기장의 방향이 실질적으로 수평하도록 전압을 인가한 상태에서 상기 전기장의 방향을 따라 측정한 유전율 값을 의미하고, 「수직 유전율(εㅗ)」은 액정 분자의 방향자와 인가 전압에 의한 전기장의 방향이 실질적으로 수직하도록 전압을 인가한 상태에서 상기 전기장의 방향을 따라 측정한 유전율 값을 의미한다.
하나의 예시에서, 상기 게스트호스트 액정층을 ECB 모드로 구동하는 경우 유전율 이방성이 양수인 액정을 사용할 수 있다. 다른 예로, 게스트호스트 액정층을 VA모드로 구동하는 경우 유전율 이방성이 음수인 액정을 사용할 수 있다.
하나의 예시에서, 상기 게스트호스트 액정층의 액정의 유전율 이방성은 -20 내지 20일 수 있다. 게스트호스트 액정층의 액정의 유전율 이방성이 상기 범위를 만족하는 경우 응답 속도가 빠르고, 반사율 가변 특성이 우수한 반사율 가변 미러를 구현하는데 유리할 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, 액정의 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 염료의 이색비(dichroic ratio)는 예를 들어, 5 이상, 6 이상 또는 7 이상일 수 있다. 본 명세서에서 용어 「이색비」는, 예를 들어, p형 염료인 경우, 염료의 장축 방향에 평행한 편광의 흡수를 상기 장축 방향에 수직하는 방향에 평행한 편광의 흡수로 나눈 값을 의미할 수 있다. 이방성 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 이색비가 상기 범위를 만족하는 경우 반사율 가변 특성이 우수한 반사율 가변 미러를 구현하는데 유리할 수 있다.
게스트호스트 액정층의 이방성 염료의 함량은 본 출원의 목적을 고려하여 적절히 선택될 수 있다. 예를 들어, 게스트호스트 액정층의 이방성 염료의 함량은 0.1 중량% 이상, 0.25 중량% 이상, 0.5 중량% 이상, 0.75 중량% 이상, 1 중량% 이상, 1.25 중량% 이상 또는 1.5 중량% 이상일 수 있다. 게스트호스트 액정층의 이방성 염료의 함량의 상한은, 예를 들면, 3.0 중량% 미만, 2.75 중량% 이하, 2.5 중량% 이하, 2.25 중량% 이하, 2.0 중량% 이하, 1.75 중량% 이하 또는 1.5 중량% 이하일 수 있다. 게스트호스트 액정층의 이방성 염료의 함량이 상기 범위를 만족하는 경우 반사율 가변 특성이 우수한 반사율 가변 미러를 구현하는데 유리할 수 있다.
게스트호스트 액정층의 두께는 본 출원의 목적을 고려하여 적절히 선택될 수 있다. 게스트호스트 액정층의 두께는 예를 들어 약 3㎛ 내지 20㎛ 또는 3㎛ 내지 15㎛일 수 있다. 게스트호스트 액정층의 두께가 상기 범위를 만족하는 경우 반사율 가변 특성이 우수한 미러 소자를 제공하는 데 유리할 수 있다.
도 3은 본 출원의 반사율 가변 미러의 구조를 예시적으로 나타낸다.
도 3에 나타낸 바와 같이, 제1 액정셀은 배향막을 더 포함할 수 있다. 상기 배향막은 상기 게스트호스트 액정층에 인접하도록 배치될 수 있다. 하나의 예시에서, 제1 액정셀은 상기 게스트호스트 액정층의 양면에 대향 배치된 2개의 배향막(이하, 제1 및 제2 배향막(도 3의 11A 및 11B)으로 호칭)을 포함할 수 있다.
제1 및 제2 배향막은 액정 및 이방성 염료의 초기 상태의 정렬을 제어할 수 있는 배향력을 가질 수 있다. 본 명세서에서 초기 상태는 외부 전압이 인가되지 않은 상태를 의미할 수 있다.
게스트호스트 액정층 내지 위상차 가변 액정층의 배향 상태는 배향막의 프리틸트에 의해 조절할 수 있다. 본 명세서에서 프리틸트는 각도(angle)와 방향(direction)을 가질 수 있다. 상기 프리틸트 각도는 극각(Polar angle)으로 호칭할 수 있고, 상기 프리틸트 방향은 방위각(Azimuthal angle)으로 호칭할 수도 있다.
상기 프리틸트 각도는 액정 분자의 광축이 배향막과 수평한 면에 대하여 이루는 각도를 의미할 수 있다. 상기 프리틸트 방향은 액정 분자의 광축이 배향막의 수평한 면에 사영된 방향을 의미할 수 있다.
상기 제1 및 제2 배향막은 각각 수평 배향막 또는 수직 배향막일 수 있다. 하나의 예시에서, 상기 제1 및 제2 배향막이 각각 수직 배향막일 수 있다. 이 경우 액정 분자의 방향자는 수직 배향막 평면에 대하여 수직으로 배열될 수 있다. 다른 하나의 예시에서, 상기 제1 및 제2 배향막이 각각 수평 배향막일 수 있다. 이 경우 액정 분자의 방향자는 상기 배향막 평면에 대하여 수평하게 배열될 수 있다.
제1 및 제2 배향막으로는 액정 분자에 대한 배향력을 가지는 것으로 당업계에 공지된 배향막을 적절히 선택하여 사용할 수 있다. 배향막으로는 예를 들어 러빙 배향막과 같이 접촉식 배향막 또는 광배향막 화합물을 포함하여 직선 편광의 조사 등과 같은 비접촉식 방식에 의해 배향 특성을 나타낼 수 있는 광배향막을 사용할 수 있다.
도 3에 나타낸 바와 같이, 제1 액정셀은 투명 전극 기재를 더 포함할 수 있다. 상기 투명 전극 기재는 기재층 및 상기 기재층 상에 투명 전극층을 포함할 수 있다. 상기 전극층은 액정 및 이방성 염료의 정렬 상태를 전환할 수 있도록 게스트호스트 액정층에 적절한 전계를 인계할 수 있다. 하나의 예시에서, 상기 제1 액정셀은 상기 게스트호스트 액정층의 양면에 대향 배치된 2개의 투명 전극 기재(이하, 제1 및 제2 투명 전극 기재(도 3의 12A 및 12B)로 호칭)를 포함할 수 있다. 제1 액정셀이 제1 및 제2 배향막을 포함하는 경우 상기 제1 및 제2 투명 전극 기재는 각각 상기 제1 및 제2 배향막의 게스트호스트 액정층의 반대 측면에 인접하여 배치될 수 있다.
상기 전극층으로는 투명 전극 층을 사용할 수 있다. 투명 전극층으로는, 예를 들면, 전도성 고분자, 전도성 금속, 전도성 나노와이어 또는 ITO(Indium Tin Oxide) 등의 금속 산화물 등을 증착하여 형성한 것을 사용할 수 있다. 이외에도 투명 전극을 형성할 수 있는 다양한 소재 및 형성 방법이 공지되어 있고, 이를 제한없이 적용할 수 있다.
상기 기재층으로는 투명 기재층을 사용할 수 있다. 예를 들면, 기재층으로는 유리 기판, 결정성 또는 비결정성 실리콘 필름, 석영 또는 ITO(Indium Tin Oxide) 필름 등의 무기계 필름이나 플라스틱 필름 등을 사용할 수 있다. 기재층으로는, 또한, 광학적으로 등방성인 기재 또는 위상차층과 같이 광학적으로 이방성인 기재를 사용할 수 있다.
플라스틱 필름의 구체적인 예로, 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 필름이 예시될 수 있지만 이에 제한되는 것은 아니다.
본 명세서에서 반사형 편광 필름은 입사 광에 대하여 선택적 투과 및 반사 특성을 가질 수 있다. 예를 들어 상기 반사형 편광 필름은 빛의 횡파와 종파 성분 중 한 성분을 투과하고 다른 성분은 반사하는 특성을 가질 수 있다. 상기 반사형 편광 필름에 광이 입사되는 경우 반사형 편광 필름을 투과하는 광과 반사형 편광 필름으로부터 반사되는 광은 편광 특성을 가질 수 있다. 하나의 예시에서, 상기 투과하는 광의 편광 방향과 상기 반사되는 광의 편광 방향은 서로 직교일 수 있다. 즉, 반사형 편광 필름은 면 방향으로 직교하는 투과축 및 반사축을 가질 수 있다. 반사형 편광 필름은 빛의 횡파와 종파 성분 중 한 성분은 대부분 투과하고 다른 성분은 대부분 반사하는 특성을 가지므로, 반 거울(Half Mirror) 형태로 구현할 수 있다. 상기 반사형 편광 필름으로는 예를 들어 DBEF(Dual Brightness Enhancement Film)를 사용할 수 있다. 상기 반사형 편광 필름에 대한 사항은 후술하는 제1 및 제2 반사형 편광 필름에 적용될 수 있다.
상기 제1 반사형 편광 필름은 상기 제1 액정층의 하부에 배치될 수 있다. 상기 제1 반사형 편광 필름은 일 방향으로 형성된 제1 반사축을 가질 수 있다. 상기 제1 반사축은 상기 게스트호스트 액정층의 수평 배향시의 이방성 염료의 흡수축 방향과 평행할 수 있다. 상기 제1 반사형 편광 필름은 제1 반사축과 직교하는 제1 투과축을 가질 수 있다. 상기 제1 반사축과 제 1 투과축은 수평 방향(면 방향)으로 형성될 수 있다.
상기 제2 액정셀은 상기 제 1 반사형 편광 필름의 하부에 배치될 수 있다. 상기 제2 액정셀은 위상차 모드와 비위상차 모드의 사이를 전환하는 위상차 가변 액정층을 포함할 수 있다. 상기 위상차 가변 액정층은 액정을 포함할 수 있다. 상기 액정의 종류 및 물성은 제2 액정셀의 구동 모드를 고려하여 적절히 선택될 수 있다.
상기 위상차 가변 액정층은 전압 인가 유무에 따라 위상차 모드와 비위상차 모드를 전환할 수 있다.
상기 위상차 가변 액정층이 위상차 모드인 경우 입사 광에 대하여 위상지연특성을 가질 수 있다. 상기 위상차 가변 액정층은 위상차 모드에서 입사하는 선 편광의 진동 방향을 80도 내지 100도, 82도 내지 98도, 84도 내지 96도, 86도 내지 94도, 88도 내지 92도, 바람직하게는 90도 회전시키는 위상지연특성을 가질 수 있다. 상기 위상차 가변 액정층이 위상차 모드인 경우 상기 반사율 가변 미러는 거울 모드를 구현할 수 있다.
상기 위상차 가변 액정층이 비위상차 모드인 경우 입사 광에 대하여 위상지연특성을 가지지 않는 모드를 의미할 수 있다. 상기 위상차 가변 액정층은 비위상차 모드에서 입사하는 선 편광의 진동 방향을 변화시키지 않는다. 상기 위상차 가변 액정층이 위상차 모드인 경우 상기 반사율 가변 미러는 반사 방지 모드를 구현할 수 있다.
하나의 예시에서, 상기 위상차 가변 액정층은 전압 무인가 상태에서 위상차 모드를 구현할 수 있고, 전압 인가 상태에서 비위상차 모드를 구현할 수 있다. 이러한 배향 상태는 상기 제2 액정셀을 90도 TN 액정셀로 구현하는 경우에 적합할 수 있다.
상기 제2 액정셀은 상기 위상차 모드와 비위상차 모드의 사이를 전환할 수 있도록 적절한 모드로 구동될 수 있다. 상기 제2 액정셀은 위상차 가변 특성이 1/2 파장판과 동일한 역할을 하는 액정 기반의 모드로 구현되거나 혹은 상기 역할을 하는 액정 기반의 모드와 보상 필름의 적층 소자로 구현될 수 있다. 하나의 예시에서, 상기 제2 액정셀은 90도 TN 모드 액정셀, 270도 STN 모드 액정셀, ECB 모드 액정셀 또는 1/2 파장판과 VA 모드 액정셀의 적층체일 수 있다.
TN(Twisted nematic) 모드 액정셀은 액정층 내의 액정 분자들이 전압 무인가 상태에서 90도 이하의 비틀림 각도로 트위스트 배향 상태로 존재할 수 있고, 전압 인가 상태에서 수직 배향 상태로 존재할 수 있다. 90도 TN 액정셀은 상기 비틀림 각도가 90도인 TN 액정셀을 의미할 수 있다.
STN(Super twisted nematic) 모드 액정셀은 액정층 내의 액정 분자들이 전압 무인가 상태에서 90도 초과의 비틀림 각도로 트위스트 배향 상태로 존재할 수 있고, 전압 인가 상태에서 수직 배향 상태로 존재할 수 있다. 270도 STN 액정셀은 상기 비틀림 각도가 270도인 STN 액정셀을 의미할 수 있다.
ECB (Electrically Controllable Birefringence) 모드 액정셀은 액정층 내의 액정 분자들이 전압 무인가 상태에서 수평 배향 상태로 존재할 수 있고, 전압 인가 상태에서 수직 배향 상태로 존재할 수 있다.
VA (Vertical Alignment) 모드 액정셀은 액정층 내의 액정 분자들이 전압 무인가 상태에서 수직 배향 상태로 존재할 수 있고, 전압 인가 상태에서 수평 배향 상태로 존재할 수 있다.
상기 비틀림 각도는 트위스트 배향 액정층에서 가장 하부에 존재하는 액정 분자의 광축과 가장 상부에 존재하는 액정 분자의 광축이 이루는 각도를 의미한다. 상기 전압의 인가는 제3 및 제4 투명 전극 기재의 면과 수직한 방향으로 인가될 수 있다.
위상차 가변 액정층의 두께는 본 출원의 목적을 고려하여 적절히 선택될 수 있다. 위상차 가변 액정층의 두께는 예를 들어 약 3㎛ 내지 20㎛ 또는 3㎛ 내지 15㎛일 수 있다. 위상차 가변 액정층의 두께가 상기 범위를 만족하는 경우 반사율 가변 특성이 우수한 미러 소자를 제공하는 데 유리할 수 있다.
상기 제2 액정셀은 배향막을 더 포함할 수 있다. 하나의 예시에서, 상기 제2 액정셀은 상기 위상차 가변 액정층의 양측에 대향 배치된 제3 및 제4 배향막(도 3의 31A 및 31B)을 더 포함할 수 있다. 제3 및 제4 배향막에 대해서는 상기 제1 및 제2 배향막의 항목에서 기술한 내용이 동일하게 적용될 수 있고, 제2 액정셀의 구동 모드에 적합한 배향막을 적용할 수 있다.
하나의 예시에서, 상기 제2 액정셀이 90도 TN 액정셀 또는 270 STN 액정셀인 경우 제3 및 제4 배향막 중 제1 반사형 편광 필름에 더 가깝게 배치되는 제3 배향막의 프리틸트 방향은 제1 반사형 편광 필름의 반사축과 직교할 수 있고, 제4 배향막의 프리틸트 방향은 제1 반사형 편광 필름의 반사축과 평행할 수 있다.
다른 하나의 예시에서, 상기 제2 액정셀이 ECB 모드 액정셀인 경우 제3 및 제4 배향막의 프리틸트 방향은 제1 반사형 편광 필름의 반사축과 약 45도를 이룰 수 있다.
다른 하나의 예시에서, 상기 제2 액정셀이 1/2 파장판과 VA 모드 액정셀의 적층체인 경우, 상기 1/2 파장판의 지상축과 제1 반사형 편광 필름의 반사축은 약 45도를 이룰 수 있고, 상기 1/2 파장판의 지상축과 VA 모드 액정셀의 수평 배향의 방향(VA 모드 액정셀의 배향막의 프리틸트 방향)은 약 45도를 이룰 수 있다. 이 경우 VA 액정셀에 전압 비인가 상태에서 미러 모드를 구현할 수 있고, 전압 인가 상태에서 반사 방지 모드를 구현할 수 있다.
상기 제2 액정셀은 투명 전극 기재를 더 포함할 수 있다. 하나의 예시에서, 상기 제2 액정셀은 상기 위상차 가변 액정층의 양측에 제3 및 제4 투명 전극 기재(도 3의 32A 및 32B)를 더 포함할 수 있다. 제3 및 제4 투명 전극 기재에 대해서는 상기 제1 및 제2 투명 전극 기재의 항목에서 기술한 내용이 동일하게 적용될 수 있고, 제2 액정셀의 구동 모드에 적합한 투명 전극 기재를 적용할 수 있다.
상기 제2 반사형 편광 필름은 상기 제2 액정셀의 하부에 배치될 수 있다. 상기 제2 반사형 편광 필름은 상기 제1 반사축과 평행하는 방향으로 형성된 제2 반사축을 가질 수 있다. 상기 제2 반사형 편광 필름은 제2 반사축과 직교하는 제2 투과축을 가질 수 있다. 상기 제2 반사축과 제2 투과축은 수평 방향(면 방향)으로 형성될 수 있다. 상기 제2 반사축은 상기 제2 액정셀의 상기 위상차 가변 액정층의 위상차 모드를 통과한 선 편광의 진동 방향과 평행을 이룰 수 있다.
상기 흡수판은 상기 제2 반사형 편광 필름의 하부에 배치될 수 있다. 상기 흡수판은 상기 제1 액정셀, 제1 반사형 편광 필름, 제2 액정셀 및 제2 반사형 편광 필름을 투과한 잔광을 흡수하고 소멸하는 역할을 할 수 있다. 상기 흡수판은 공지의 광 흡수 물질을 포함할 수 있다. 상기 광 흡수 물질로는 예를 들어 카본 블랙(carbon black) 잉크, 흑연 또는 산화철 등과 같은 흑색 무기 안료나, 아조계 안료 또는 프탈로시아닌계 안료 등의 흑색 유기 안료 잉크(Black organic pigment ink)를 포함하는 잉크를 들 수 있다.
상기 흡수판의 광 흡수율은 약 90% 이상, 95% 이상 또는 98% 이상일 수 있다. 상기 광 흡수율은 가시광 영역, 예를 들어 약 380 nm 내지 780nm 파장의 광에 대한 광 흡수율을 의미할 수 있다. 상기 광 흡수율은 상기 380 nm 내지 780nm의 파장 대역 중 어느 하나의 파장 또는 소정 파장 대역의 광 흡수율을 의미하거나, 상기 파장 대역의 모든 파장에서의 광 흡수율을 의미하거나, 또는 상기 파장 대역의 평균 광 흡수율을 의미할 수 있다.
상기 반사율 가변 미러는 전압 인가의 유무에 따라 거울 모드와 반사 방지 모드를 전환할 수 있다. 본 명세서에서 거울 모드는 전면광 반사율이 약 50% 이상인 모드를 의미할 수 있고, 반사 방지 모드는 전면광 투과율이 약 10% 이하인 모드를 의미할 수 있다.
도 1 및 도 2는 각각 제1 액정셀이 VA 모드의 게스트호스트 액정셀이고, 제2 액정셀이 90도 TN 모드 액정셀인 경우인 반사율 가변 미러의 거울 모드와 반사 방지 모드의 구현 원리를 예시적으로 나타낸다. 도 1 및 도 2에 예시적으로 나타낸 바와 같이, 반사율 가변 미러는 액정(101) 및 이방성 염료(102)를 포함하는 게스트호스트 액정층(10), 제1 반사축(R1)을 갖는 제1 반사형 편광 필름(20), 액정(301)을 포함하는 위상차 가변 액정층(30), 제2 반사축(R2)을 갖는 제2 반사형 편광 필름(40) 및 흡수판(50)을 순차로 포함할 수 있다.
도 1 및 2에서 실선
Figure pat00001
은 편광되지 않은 광을 의미하고, 점선
Figure pat00002
은 0도 진동 성분을 의미하고, 점선
Figure pat00003
는 90도 진동 성분을 의미한다.
상기 예시적인 반사율 가변 미러는 제1 액정셀 및 제2 액정셀 각각에 전압 무인가 상태에서 거울 모드를 구현할 수 있다. 이하, 도 1의 미러 모드 구현 시의 광 경로를 예시적으로 설명한다. 제1 및 제2 반사형 편광 필름의 반사축을 각각 0도로 가정한다.
① VA 모드의 게스트호스트 액정셀은 전압 무인가 상태에서 수직 배향 상태로 존재한다. 상기 수직 배향 게스트호스트 액정층에 입사하는 편광되지 않은 광원은 상기 게스트호스트 액정층에 일부 흡광되며 상기 게스트호스트 액정층을 통과하면서 비편광 상태를 유지한다. ② 상기 게스트호스트 액정층을 투과한 광 중에서 제1 반사형 편광 필름의 제1 반사축 0도와 평행하게 진동하는 0도 진동광원은 제1 반사형 편광 필름에 의해서 반사되고 상기 게스트호스트 액정층을 통하여 출광된다. ③ 상기 게스트호스트 액정층을 통과한 광 중에서 제1 반사형 편광 필름의 제1 반사축과 직교하는 90도 진동광원 및 일부 0도 진동 광원은 제1 반사형 편광 필름을 투과한다. ④ 제1 반사형 편광 필름을 투과한 빛은 TN 모드 액정셀의 위상차 가변 액정층을 지나며 90도 위상지연 된다. 즉, 90도 진동광원은 위상차 가변 액정층을 지나 0도 진동 광원 성분으로 변화된다. ⑤ 상기 ④에서 0도 진동광원은 제2 반사형 편광 필름의 제2 반사축과 평행한 광원성분이므로 반사된다. ⑥ 상기 ⑤에서 반사된 0도 진동광원은 상기 ④에서 발생된 효과와 마찬가지로, 위상차 가변 액정층을 통과하며 90도 위상지연되어 90도 진동광원으로 변화된다. ⑦ 제1 반사형 편광 필름의 투과축은 90도이므로 상기 ⑥에서 발현된 90도 진동광원은 모두 제1 반사형 편광 필름을 투과한다. 따라서 입사광원의 0도, 90도 편광 성분을 대부분을 반사 광원으로 추출 가능하다.
상기 예시적인 반사율 가변 미러는 제1 액정셀 및 제2 액정셀 각각에 전압 인가 상태에서 반사 방지 모드를 구현할 수 있다. 이하, 도 2의 반사 방지 모드 구현 시의 광 경로를 예시적으로 설명한다. 제1 및 제2 반사형 편광 필름의 반사축을 각각 0도로 가정한다.
① VA 모드의 게스트호스트 액정셀은 전압 인가 상태에서 수평 배향 상태로 존재한다. 상기 수평 배향 시의 이방성 염료의 흡수축을 0도로 가정한다. 상기 수직 배향 게스트호스트 액정층에 입사하는 편광되지 않은 광원은 상기 이방성 염료의 흡수축이 0도인 수평 배향 게스트호스트 액정층을 지나면서 0도 진동성분 흡수되어 90도 진동 성분의 편광이 발생한다. ② 상기 게스트호스트 액정층을 통과한 일부 편광된 광원 중 제1 반사형 편광 필름의 제1 반사축 0도와 평행하게 진동하는 0도 진동광원 성은 반사되고, 상기 게스트호스트 액정층을 통과하면서 추가 흡광이 발생하여 출광된다. ③ 상기 게스트호스트 액정층을 통과한 일부 편광된 광원 중 제1 반사형 편광 필름의 제1 반사축과 직교하는 90도 진동광 및 일부 0도 진동 광원은 제1 반사형 편광 필름을 투과한다. ④ 상기 TN 모드 액정셀은 전압 인가 상태에서 수직 배향된 상태로 존재한다. 따라서, 상기 위상차 가변 액정층은 위상지연특성을 가지지 않으므로 제1 반사형 편광 필름을 투과한 빛은 상기 위상차 가변 액정층을 그대로 통과한다. 즉, 90도 진동광원은 90도 진동광원성분으로 유지된다. ⑤ 상기 ④에서 90도 진동광원은 제2 반사형 편광 필름의 제2 투과축과 평행한 광원성분이므로 그대로 투과되어 흡수판에 흡광 및 소멸된다. ⑥ 상기 ⑤에서 일부 반사된 0도 및 90도 진동광원은 그대로 위상차 가변 액정층을 통과한다. ⑦ 제1 반사형 편광 필름의 투과축은 90도이므로 상기 ⑥의 잔류 광원 중 90도 진동광원은 게스트호스트 액정층의 단축 흡수에 의해 흡광이 발생되고, 90도 진동광원은 제1 반사형 편광 필름에서 추가 반사 및 일부 출광되나, 게스트호스트 액정층의 장축의 흡수축과 평행하므로 추가 흡광이 발생한다. 따라서 입사광원의 0도, 90도 편광성분의 반사를 방지할 수 있다.
본 출원의 반사율 가변 미러는 상기 거울 모드와 반사 방지 모드의 구현 원리에 따라 반사 방지 모드에서 반사율을 10% 이하로 구현할 수 있다. 이에 따라 상기 반사율 가변 미러는 우수한 반사율 가변 특성을 가질 수 있다. 예를 들어, 상기 반사율 가변 미러의 거울 모드와 반사 방지 모드의 반사율 차이는 50% 이상일 수 있다. 또한, 본 출원의 반사율 가변 미러는 액정셀을 기반으로 하므로 응답 속도가 빠르다는 장점이 있다.
본 출원의 반사율 가변 미러는 반사율 가변 미러의 적용이 필요한 다양한 광학 소자에 적용될 수 있다. 상기 반사율 가변 미러를 포함하는 한 다른 부품 내지 구조 등은 특별히 제한되지 않으며 이 분야에서 공지되어 있는 모든 내용이 적절하게 적용될 수 있다. 그러나 본 출원의 반사율 가변 미러는 화상 표시 패널을 포함하지 않을 수 있다. 즉 본 출원의 반사율 가변 미러는 화상 표시 장치가 아니다.
본 출원의 반사율 가변 미러는 반사 방지 모드에서 반사율을 낮춤으로써 우수한 반사율 가변 특성을 구현할 수 있다.
도 1은 본 출원의 반사율 가변 미러의 거울 모드의 구현 원리를 예시적으로 나타낸다.
도 2는 본 출원의 반사율 가변 미러의 반사 방지 모드의 구현 원리를 예시적으로 나타낸다.
도 3은 실시예 1의 반사율 가변 미러를 예시적으로 나타낸다.
도 4는 비교예 1의 반사율 가변 미러를 예시적으로 나타낸다.
이하 실시예를 통하여 본 출원의 반사율 가변 미러를 구체적으로 설명하지만 본 출원의 범위가 하기 제시된 내용에 의해 제한되는 것은 아니다.
제조예 1 VA 모드 GHLC셀의 제조
폴리카보네이트 필름 (가로×세로= 15cm×5cm) 상에 ITO 전극층 및 수직 배향막이 순차로 형성된 2개의 셀 기판을 수직 배향막이 서로 마주보고, 셀 갭이 8㎛이 되도록 이격 배치하고, 그 사이에 액정 조성물을 주입하고 에지를 실링하여 VA 모드 GHLC 셀을 제조하였다. 액정 조성물은 네마틱 액정 (HCCH사의 HNG7306, 유전율 이방성: -5.0) 및 이방성 염료 (BASF사의 X12)를 포함하며, 이방성 염료의 함량은 1.4 중량%이다.
제조예 2 VA 모드 GHLC셀의 제조
폴리카보네이트 필름 (가로×세로= 15cm×5cm) 상에 ITO 전극층 및 수직 배향막이 순차로 형성된 2개의 셀 기판을 수직 배향막이 서로 마주보고, 셀 갭이 8㎛이 되도록 이격 배치하고, 그 사이에 액정 조성물을 주입하고 에지를 실링하여 VA 모드 GHLC 셀을 제조하였다. 액정 조성물은 네마틱 액정 (HCCH사의 HNG7306, 유전율 이방성: -5.0) 및 이방성 염료 (BASF사의 X12)를 포함하며, 이방성 염료의 함량은 1.0 중량%이다.
제조예 3. ECB 모드 GHLC셀의 제조
글라스(가로×세로= 15cm×5cm) 상에 ITO 전극층 및 수평 배향막이 순차로 형성된 2개의 셀 기판을 마주보는 수평 배향막의 배향 방향이 평행하고, 셀 갭이 11㎛이 되도록 이격 배치한 후, 그 사이에 액정 조성물을 주입하고 에지를 실링하여 ECB 모드 GHLC 셀을 제조하였다. 액정 조성물은 네마틱 액정 (HCCH사의 HPC2160, 유전율 이방성: 18.2) 및 이방성 염료 (BASF사의 X12)를 포함하며, 이방성 염료의 함량은 1.5 중량%이다.
제조예 4 VA 모드 GHLC셀의 제조
폴리카보네이트 필름 (가로×세로= 15cm×5cm) 상에 ITO 전극층 및 수직 배향막이 순차로 형성된 2개의 셀 기판을 수직 배향막이 서로 마주보고, 셀 갭이 12㎛이 되도록 이격 배치하고, 그 사이에 액정 조성물을 주입하고 에지를 실링하여 VA 모드 GHLC 셀을 제조하였다. 액정 조성물은 네마틱 액정 (HCCH사의 HNG7306, 유전율 이방성: -5.0) 및 이방성 염료 (BASF사의 X12)를 포함하며, 이방성 염료의 함량은 1.4 중량%이다.
제조예 5 TN 모드 액정셀의 제조
폴리카보네이트 필름 (가로×세로= 15cm×5cm) 상에 ITO 전극층 및 수평 배향막이 순차로 형성된 2개의 셀 기판을 마주보는 수평 배향막의 배향 방향이 직교하고, 셀 갭이 7㎛이 되도록 이격 배치하고, 그 사이에 액정 조성물을 주입하고 에지를 실링하여 90도 TN 모드 GHLC 셀을 제조하였다. 액정 조성물은 네마틱 액정 (Merck사의 MAT-16-970, 유전율 이방성: 5.0) 및 키랄제 (S811, HCC사) 를 포함하며, 키랄제의 함량은 0.08 중량%이다. 제조된 TN 모드 액정셀의 셀 갭 x △n(액정의 굴절률 이방성) 값은 약 480 nm이다.
실시예 1
제1 및 제2 반사형 편광 필름으로 각각 비편광 입사 광에 대한 반사율이 52%인 DBEF(Dual Brightness Enhancement Film, 3M사)를 준비하였다. 흡수판으로 흡수율이 98% 이상인 블랙시트(LG화학)를 준비하였다.
제조예 1의 VA 모드 GHLC셀(10), 제1 반사형 편광 필름(20), 제조예 5의 TN 모드 액정셀(30), 제2 반사형 편광 필름(40) 및 흡광판(50)을 도 3과 같이 순차로 적층하여 반사율 가변 미러를 제작하였다. 제1 반사형 편광 필름의 반사축(R1)과 제2 반사형 편광 필름의 반사축(R2)은 평행하도록 배치하였다. 제1 반사형 편광 필름의 반사축은 GHLC셀의 수평 배향 시의 흡수축 방향과 평행하고, 제2 반사형 편광 필름의 반사축은 상기 TN 모드 액정셀의 제2 반사형 편광 필름의 측의 배향 방향과 직교하도록 배치하였다.
실시예 2
제조예 1의 VA 모드 GHLC셀 대신에 제조예 2의 VA 모드 GHLC셀을 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 반사율 가변 미러를 제작하였다.
비교예 1
제조예 3의 ECB 모드 GHLC셀(60), 1/4 파장판(70) 및 반사율이 90%인 상용 미러(80)를 도 4와 같이 순차로 적층하여 반사율 가변 미러를 제작하였다. GHLC셀의 수평 배향 시의 흡수축(a) 과 1/4 파장판의 광축(o)이 약 45도를 이루도록 배치하였다.
비교예 2
제조예 3의 ECB 모드 GHLC셀 대신에 제조예 4의 VA 모드 GHLC셀을 사용한 것을 제외하고는 비교예 1과 동일하게 반사율 가변 미러를 제작하였다.
비교예 3
실시예 2에서 제1 액정셀을 제외한 구조로 반사율 가변 미러를 제작하였다.
평가예 1. 반사율 가변 특성 평가
실시예 1 내지 2 및 비교예 1 내지 3의 반사율 가변 미러의 제작에 사용된 GHLC셀에 대하여 전압 인가 유무에 따른 투과율을 측정하여 하기 표 1에 기재하였다. 실시예 1 내지 2 및 비교예 1 내지 3의 반사율 가변 미러에 대하여 전압 인가 유무에 따라 반사율을 측정하여 하기 표 1에 기재하였다.
투과율은 배면광 투과율이고, 반사율을 전면광 반사율이다. 전면광은 시인 측에서 반사율 가변 미러로 입사되는 광이고, 배면광은 시인 측의 반대 측에서 반사율 가변 미러로 입사되는 광이며, 상기 배면광 투과율 및 전면광 반사율은 시인 측에서 측정된 값이다.
실시예 1 내지 2 및 비교예 1 내지 3에서 시인 측은 GHLC 셀 측이다. 상기 반사율은 KONICA MINOLTA사의 CM-2600d를 이용하여 SCI(specular component included, 정반사광 포함) 방식으로, 380nm 내지 780nm 파장의 광에 대하여 측정한 값이다. 하기 표 2의 전면광 반사율은 전면광 입사광량을 각각 100%로 한 경우에 대한 수치이다.
GHLC Cell 단품 특성
0V 투과율(%) 15V 투과율(%)
제조예 1 71.5 41
제조예 2 77 46
제조예 3 35 58.6
제조예 4 59 33
반사율 가변 미러 특성
0V 반사율(%) 15V 반사율(%) 반사율 차이(%)
실시예 1 57.7 3.5 54.2
실시예 2 68 9 59
비교예 1 16 55 39
비교예 2 55 12.5 42.5
비교예 3 91% 51% 40
10: 게스트호스트 액정층 101: 액정 102: 이방성 염료 11A 및 11B: 제1 및 제2 배향막 12A 및 12B: 제1 및 제2 투명 전극 기재, 20: 제1 반사형 편광 필름 30: 위상차 가변 액정층 301: 액정 31A 및 31B: 제3 및 제4 배향막, 32A 및 32B: 제3 및 제4 투명 전극 기재 40: 제2 반사형 편광 필름 50: 흡수판 60: 게스트호스트 액정층 601: 액정 602: 이방성 염료 61A, 61B: 배향막 62A, 62B: 투명 전극 층 63: 기재 층 70: 1/4 파장판 80: 미러 R1: 제1 반사형 편광 필름의 반사축 R2: 제2 반사형 편광 필름의 반사축 a: 게스트호스트 액정층(60)의 흡수축 o: 1/4파장판(70)의 광축

Claims (15)

  1. 액정 및 이방성 염료를 포함하는 게스트호스트 액정층을 갖는 제1 액정셀,
    일 방향으로 형성된 제1 반사축을 갖는 제1 반사형 편광 필름,
    선 편광의 진동 방향을 90도 회전시키는 위상차 모드와 비위상차 모드를 전환하는 위상차 가변 액정층을 갖는 제2 액정셀.
    상기 제1 반사축과 평행한 제2 반사축을 갖는 제2 반사형 편광 필름 및
    흡수판을 순차로 포함하는 반사율 가변 미러.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 게스트호스트 액정층은 전압 인가 유무에 따라 수직 배향 상태와 수평 배향 상태를 전환하는 반사율 가변 미러.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 액정셀은 상기 게스트호스트 액정층의 양측에 대향 배치된 제1 및 제2 배향막을 더 포함하는 반사율 가변 미러.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1 액정셀은 상기 게스트호스트 액정층의 양측에 대향 배치된 제1 및 제2 투명 전극 기재를 더 포함하는 반사율 가변 미러.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1 반사형 편광 필름은 제1 반사축과 직교하는 제1 투과축을 가지며, 상기 제1 반사축과 제 1 투과축은 수평 방향으로 형성된 반사율 가변 미러.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1 반사형 편광 필름의 제1 반사축은 상기 게스트호스트 액정층의 수평 배향시의 이방성 염료의 흡수축 방향과 평행하는 반사율 가변 미러,
  7. 제1항에 있어서,
    상기 위상차 가변 액정층은 전압 인가 유무에 따라 위상차 모드와 비위상차 모드를 전환하는 반사율 가변 미러.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제2 액정셀은 상기 위상차 가변 액정층의 양측에 대향 배치된 제3 및 제4 배향막을 더 포함하는 반사율 가변 미러.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 제2 액정셀은 상기 위상차 가변 액정층의 양측에 대향 배치된 제3 및 제4 투명 전극 기재를 더 포함하는 반사율 가변 미러.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 제2 액정셀은 90도 TN 모드 액정셀, 270도 STN 모드 액정셀, ECB 모드 액정셀, 또는 1/2 파장판과 VA 모드 액정셀의 적층체인 반사율 가변 미러.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 제2 반사형 편광 필름은 제2 반사축과 직교하는 제2 투과축을 가지며, 상기 제2 반사축과 제 2 투과축은 수평 방향으로 형성된 반사율 가변 미러.
  12. 제1 항에 있어서,
    상기 제2 반사형 편광 필름의 제2 반사축은 상기 위상차 가변 액정층의 위상차 모드를 통과한 선 편광의 진동 방향과 평행하는 반사율 가변 미러.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 반사율 가변 미러는 상기 제1 액정셀이 수직 배향 상태이고, 제2 액정셀이 위상차 모드인 경우에 거울 모드를 구현하는 반사율 가변 미러.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 반사율 가변 미러는 제1 액정셀이 수평 배향 상태이고 제2 액정셀이 비위상차 모드인 경우에 반사 방지 모드를 구현하는 반사율 가변 미러.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 반사율 가변 미러는 화상 표시 패널을 포함하지 않는 반사율 가변 미러.
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