KR20200019563A - 광학 디바이스 - Google Patents

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Abstract

본 출원은 광학 디바이스에 대한 것이다. 본 출원의 광학 디바이스는 투과율 가변이 가능하고, 액정 소자와 외곽 기판의 합착에 따라 발생 할 수 있는 주름 등의 외관 불량을 개선할 수 있다. 이러한 광학 디바이스는, 선글라스나 AR(Argumented Reality) 또는 VR(Virtual Reality)용 아이웨어(eyewear) 등의 아이웨어류, 건물의 외벽이나 차량용 선루프 등의 다양한 용도에 사용될 수 있다.

Description

광학 디바이스{Optical Device}
본 출원은 2018년 08월 14일자 제출된 대한민국 특허출원 제10- 2018-0094738호에 기초한 우선권의 이익을 주장하며, 해당 대한민국 특허출원의 문헌에 개시된 모든 내용은 본 명세서의 일부로서 포함된다.
본 출원은 광학 디바이스에 관한 것이다.
액정 화합물을 이용하여 투과율을 가변 할 수 있도록 설계된 광학 디바이스는 다양하게 알려져 있다.
예를 들면, 호스트 물질(host material)과 이색성 염료 게스트(dichroic dye guest)의 혼합물을 적용한 소위 GH셀(Guest host cell)을 사용한 투과율 가변 장치가 알려져 있고, 상기 장치에서 호스트 물질로 주로 액정 화합물이 사용된다.
이러한 투과율 가변 장치는 선글라스나 안경 등의 아이웨어(eyewear), 건물 외벽 또는 차량의 선루프 등을 포함한 다양한 용도에 적용되고 있다.
본 출원의 과제는 투과율 가변이 가능하고, 액정 소자와 외곽 기판의 합착에 따라 발생 할 수 있는 주름 등의 외관 불량이 개선된 광학 디바이스를 제공하는 것이다.
본 출원은 광학 디바이스에 관한 것이다. 상기 광학 디바이스는 제 1 기재층, 액정층 및 제 2 기재층이 순차로 적층되는 구조를 가지는 액정 소자를 포함한다.
도 1은 본 출원의 일 실시예에 따른 액정 소자를 예시적으로 나타낸다. 도 1 에 나타낸 바와 같이, 상기 액정 소자(10)는 제 1 기재층(11a), 액정층(12) 및 제 2 기재층(11b)이 순차로 적층되는 구조를 가질 수 있다. 한편, 상기 제 1 및 제 2 의 표현이 기재층의 선후 내지는 상하 관계를 규정하는 것은 아니다.
하나의 예로서, 상기 액정 소자(10)를 구성하는 제 1 기재층(11a) 및 제 2 기재층(11b) 중 하나 이상은 하기 수식 1의 굽힘 강도(D)가 약 2.2*10-4 N·m 이상 일 수 있다.
[수식 1]
Figure pat00001
상기 수식 1에서 D는 기재층의 굽힘 강도(flexural rigidity)이고, E는 기재층의 영률(Young’s modulus)이며, he는 기재층의 두께이고, υ은 기재층의 푸아송 비(Poisson’s ratio)이다.
상기 수식 1의 굽힘 강도(D)는, 다른 예로 약 2.2*10-4 N·m 이상, 4*10-4 N·m 이상, 6*10-4 N·m 이상, 8*10-4 N·m 이상, 10*10-4 N·m 이상, 20*10-4 N·m 이상, 30*10-4 N·m 이상, 40*10-4 N·m 이상 또는 약 50*10-4 N·m 이상일 수 있으며, 상한은 특별히 제한되지 않으나 약 1 N·m 이하, 5*10-1 N·m 이하, 1*10-1 N·m 이하, 5*10-1 N·m 이하 또는 약 1*10-2 N·m 이하일 수 있다.
기재층이 상기 범위의 굽힘 강도(D)를 만족하는 경우, 상기 기재층을 포함하는 액정 소자가 후술하는 외곽 기판과 합착하여 광학 디바이스를 제조할 때, 주름 등의 외관 불량이 감소될 수 있다.
하나의 예로서, 제 1 기재층 및 제 2 기재층은 각각 상기 수식 1의 굽힘 강도 (D)가 약 2.2*10-4 N·m 이상일 수 있다. 제 1 및 제 2 기재층의 굽힘 강도가 상기 범위를 만족하는 경우, 광학 디바이스의 외관 불량 발생이 보다 효율적으로 감소될 수 있다.
하나의 예시에서, 제 1 기재층 및 제 2 기재층은 각각 영률(Young's modulus, E)이 약 1*109 N/m2 내지 약 1*1010 N/m2 일 수 있다. 다른 예로, 상기 기재층의 영률(E)은 약 1.2*109 N/m2 이상, 1.4*109 N/m2 이상, 1.6*109 N/m2 이상 또는 약 1.8*109 N/m2 이상일 수 있으며, 약 9*109 N/m2 이하, 8*109 N/m2 이하, 7*109 N/m2 이하, 6*109 N/m2 이하, 5*109 N/m2 이하, 4*109 N/m2 이하 또는 약 3*109 N/m2 이하일 수 있다.
상기 영률(E)은, 예를 들면, ASTM D882에 규정된 방식으로 측정할 수 있고, 해당 규격에서 제공하는 형태로 필름을 재단하고, Stress-Strain curve를 측정할 수 있는 장비(힘과 길이를 동시에 측정할 수 있는), 일예로 UTM(Universal testing machine)을 이용하여 측정할 수 있다.
기재층의 영률(E)이 상기 범위를 만족하는 경우, 상기 수식 1의 굽힘 강도(D)가 2.2*10-4 N·m 이상의 범위를 가지는데 유리하다. 따라서 액정 소자가 후술하는 외곽 기판과 합착하여 광학 디바이스를 제조할 때, 주름 등의 외관 불량이 감소될 수 있다
하나의 예로서, 제 1 기재층 및 제 2 기재층은 각각 두께(he)가 약 10 ㎛ 내지 약 1,000 ㎛ 일 수 있다. 다른 예로, 상기 기재층은 두께(he)가 각각 약 20 ㎛ 이상, 40 ㎛ 이상, 60 ㎛ 이상, 80 ㎛ 이상, 100 ㎛ 이상, 120 ㎛ 이상, 140 ㎛ 이상, 160 ㎛ 이상 또는 약 180 ㎛ 이상일 수 있으며, 약 900 ㎛ 이하, 800 ㎛ 이하, 700 ㎛ 이하, 600 ㎛ 이하, 500 ㎛ 이하 또는 약 400 ㎛ 이하일 수 있다.
기재층의 두께(he)가 약 100 ㎛ 내지 약 1,000 ㎛ 에 해당되는 경우 상기 수식 1의 굽힘 강도(D)가 2.2*10-4 N·m 이상의 범위를 가지는데 유리하고, 따라서 상기 기재층을 포함하는 액정 소자가 후술하는 외곽 기판과 합착하여 광학 디바이스를 제조할 때, 주름 등의 외관 불량이 감소될 수 있다.
하나의 예시에서, 제 1 기재층 및 제 2 기재층은 각각 푸아송 비(Poisson’s ratio, υ)가 약 0.25 내지 약 0.45 일 수 있다. 다른 예로 약 0.25 이상, 0.26 이상, 0.27 이상, 0.28 이상, 0.29 이상 또는 약 0.30 이상 일 수 있으며, 약 0.44 이하, 0.43 이하, 0.42 이하, 0.41 이하 또는 약 0.40 이하일 수 있다.
상기 푸아송 비(υ)는 축방향 변형률(x 방향, εx)에 대한 측방향 변형률(y 방향, εy)의 음의 비이고, ' 푸아송 비 = -εy /εx '의 수식으로 표시 될 수 있다. 푸아송 비는 공지의 다양한 방법으로 측정할 수 있다. 예를 들면, ASTM-D638에 규정된 방식에 따라 표준 크기의 시편을 이용하여 측정할 수 있다. 즉, 2 개의 연신계가 설치된 시편에 대해 인장 시험을 행함으로써 측정할 수 있다. 하나의 연신계는 적용된 인장 응력에 대해 평행하게 정렬되고, 한편 제 2의 연신계는 인장 응력에 대해 수직으로 정렬되며, 여기서 인장 응력은 x 방향으로 적용된다.
상기 범위의 푸아송 비(υ)를 만족하는 경우, 상기 수식 1의 굽힘 강도(D)가 2.2*10-4 N·m 이상의 범위를 가지는데 유리하다.
하나의 예로서, 제 1 기재층 및 제 2 기재층으로는 상기 수식 1의 굽힘 강도(D)가 2.2*10-4 N·m 이상을 만족하는 것이라면 특별히 제한되지 않고 본 출원의 기재층으로 이용할 수 있다. 일 구체예로서 제 1 기재층 및 제 2 기재층은 각각 독립적으로 PEN(polyethylene-naphthalate) 필름, PI(polyimide) 필름, COP(cyclo-olefin polymer) 필름, TAC(tri-acetyl-cellulose) 필름, PET(polyethyleneterephtalate) 필름 또는 PC(polycarbonate) 필름 등이 이용될 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 액정 소자는 적어도 액정 화합물을 포함하는 액정층을 포함할 수 있다. 일예에서 상기 액정층은 소위 게스트 호스트 액정층으로서, 액정 화합물과 이색성 염료 게스트를 포함하는 액정층일 수 있다.
상기 액정층은 소위 게스트 호스트 효과를 이용한 액정층으로서, 상기 액정 화합물(이하, 액정 호스트라 칭할 수 있다)의 배향 방향에 따라 상기 이색성 염료 게스트가 정렬되는 액정층이다.
상기 배향은 광축의 배향을 의미하며, 상기 광축은 예를 들어 액정 화합물이 막대(rod)형인 경우에는 그 장축 방향을 의미할 수 있고, 원반(discotic) 형태인 경우에는 상기 원반 평면의 법선 방향을 의미할 수 있다. 한편, 임의의 배향 상태에서 서로 광축 방향이 다른 복수의 액정 화합물들을 포함하는 경우에 광축은 평균 광축으로 정의될 수 있고, 이 경우 평균 광축은 상기 액정 화합물들의 광축의 백터합을 의미할 수 있다. 배향 방향은 후술하는 에너지의 인가에 의해 조절 될 수 있다.
액정층에 사용되는 액정 호스트의 종류는 특별히 제한되지 않고, 게스트 호스트 효과의 구현을 위해 적용되는 일반적인 종류의 액정 화합물이 사용될 수 있다.
예를 들면, 상기 액정 호스트로는 스멕틱 액정 화합물, 네마틱 액정 화합물 또는 콜레스테릭 액정 화합물이 사용될 수 있다. 일반적으로는 네마틱 액정 화합물이 사용될 수 있다. 용어 네마틱 액정 화합물은 액정 분자의 위치에 대한 규칙성은 없지만, 모두 분자축 방향으로 질서를 가지고 배열할 수 있는 액정 화합물을 의미하고, 이러한 액정 화합물은 막대(rod) 형태이거나 원반(discotic) 형태일 수 있다.
이러한 네마틱 액정 화합물은 예를 들면, 약 40℃ 이상, 50℃ 이상, 60℃ 이상, 70℃ 이상, 80℃ 이상, 90℃ 이상, 100℃ 이상 또는 약 110℃ 이상의 등명점(clearing point)를 가지거나, 상기 범위의 상전이점, 즉 네마틱상에서 등방상으로의 상전이점을 가지는 것이 선택될 수 있다. 일 예시에서 상기 등명점 또는 상전이점은 약 160℃ 이하, 150℃ 이하 또는 약 140℃ 이하일 수 있다.
상기 액정 화합물은 유전율 이방성이 음수 또는 양수일 수 있다. 상기 유전율 이방성의 절대값은 목적을 고려하여 적절히 선택될 수 있다. 예를 들면, 상기 유전율 이방성은 약 3 초과 또는 약 7 초과이거나, 약 -2 미만 또는 약 -3 미만일 수 있다.
액정 화합물은 또한 약 0.01 이상 또는 약 0.04 이상의 광학 이방성(△n)을 가질 수 있다. 액정 화합물의 광학 이방성은 다른 예시에서 약 0.3 이하 또는 약 0.27 이하일 수 있다.
게스트 호스트 액정층의 액정 호스트로 사용될 수 있는 액정 화합물은 본 기술 분야의 전문가들에게 공지되어 있으며, 그들로부터 자유롭게 선택될 수 있다.
액정층은 상기 액정 호스트와 함께 이색성 염료 게스트를 포함한다. 용어 염료는 가시광 영역, 예를 들면, 380 nm 내지 780 nm 파장 범위 내에서 적어도 일부 또는 전체 범위 내의 광을 집중적으로 흡수 및/또는 변형시킬 수 있는 물질을 의미할 수 있고, 용어 이색성 염료 게스트는 상기 가시광 영역의 적어도 일부 또는 전체 범위에서 광 흡수가 가능한 물질을 의미할 수 있다.
이색성 염료 게스트로는, 예를 들면 액정 호스트의 배향 상태에 따라 정렬될 수 있는 특성을 가지는 것으로 알려진 공지의 염료를 선택하여 사용할 수 있다. 일 구체예로 이색성 염료 게스트로는 아조 염료 또는 안트라퀴논 염료 등을 사용할 수 있고, 넓은 파장 범위에서의 광 흡수를 달성하기 위해서 액정층은 1종 또는 2종 이상의 염료를 포함할 수도 있다.
이색성 염료 게스트의 이색비(dichroic ratio)는 이색성 염료 게스트의 사용 목적을 고려하여 적절히 선택될 수 있다. 예를 들어, 상기 이색성 염료 게스트는 이색비가 약 5 이상 내지 약 20 이하일 수 있다. 용어 이색비는, 예를 들어, p형 염료인 경우, 염료의 장축 방향에 평행한 편광의 흡수를 상기 장축 방향에 수직하는 방향에 평행한 편광의 흡수로 나눈 값을 의미할 수 있다. 이색성 염료 게스트는 가시광 영역의 파장 범위 내, 예를 들면, 약 380 nm 내지 약 780 nm, 또는 약 400 nm 내지 약 700 nm의 파장 범위 내에서 적어도 어느 한 파장, 일부 범위의 파장 또는 전 범위의 파장에서 상기 이색비를 가질 수 있다.
액정층 내에서의 이색성 염료 게스트의 함량은 이색성 염료 게스트의 사용 목적을 고려하여 적절히 선택될 수 있다. 예를 들어, 액정 호스트와 이색성 염료 게스트의 합계 중량을 기준으로 상기 이색성 염료 게스트의 함량은 약 0.1 중량% 내지 약 10 중량% 범위 내에서 선택될 수 있다. 이색성 염료 게스트의 비율은 후술하는 액정 소자의 투과율과 액정 호스트에 대한 이색성 염료 게스트의 용해도 등을 고려하여 변경할 수 있다.
액정층은 상기 액정 호스트와 이색성 염료 게스트를 기본적으로 포함하고, 필요한 경우에 다른 임의의 첨가제를 공지의 형태에 따라 추가로 포함할 수 있다. 첨가제의 예로는 키랄 도펀트 또는 안정화제 등이 예시될 수 있지만, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 액정 소자는 상기 제 1 기재층 및 제 2 기재층 사이에서 기재층의 간격을 유지하는 스페이서 및/또는 제 1 기재층 및 제 2 기재층의 간격이 유지된 상태로 상기 제 1 기재층 및 제 2 기재층을 부착시킬 수 있는 실런트를 추가로 포함할 수 있다. 상기 스페이서 및/또는 실런트의 재료는 특별한 제한 없이 공지의 소재가 사용될 수 있다.
상기 액정 소자는 도전층 및/또는 배향막을 추가로 포함할 수 있다. 도 2는 도전층 및 배향막이 포함된 일 실시예에 따른 액정 소자를 예시적으로 나타낸다. 도 2에 나타낸 바와 같이, 상기 액정 소자(10)는 제 1 기재층((11a), 도전층(13), 배향막(14), 액정층(12), 배향막(14), 도전층(13) 및 제 2 기재층(11b)이 순차로 적층되는 구조를 가질 수 있다.
상기 도전층(13)은 제 1 기재층 및 제 2 기재층(11a, 11b) 상에 각각 형성될 수 있다. 또한 상기 도전층(13)은 액정층(12)을 향하는 면상에 형성될 수 있다. 기재층의 면상에 존재하는 도전층(13)은 액정층(12)에 전압을 인가하기 위한 구성으로 특별한 제한 없이 공지의 도전층이 적용될 수 있다. 도전층으로는, 예를 들면, 전도성 고분자, 전도성 금속, 전도성 나노와이어 또는 ITO(Indium Tin Oxide) 등의 금속 산화물 등이 적용될 수 있다. 본 출원에서 적용될 수 있는 도전층의 예는 상기에 제한되지 않으며, 이 분야에서 액정 소자에 적용될 수 있는 것으로 알려진 모든 종류의 도전층이 사용될 수 있다.
상기 배향막(14)은 제 1 기재층 및 제 2 기재층(11a, 11b)의 면상에 존재할 수 있다. 예를 들면, 기재층의 일면에 우선 도전층(13)이 형성되고 그 상부에 배향막(14)이 형성될 수 있다.
상기 배향막(14)은 액정층(12)에 포함되는 액정 호스트의 배향을 제어하기 위한 구성이고, 특별한 제한 없이 공지의 배향막을 적용할 수 있다. 업계에서 공지된 배향막으로는, 러빙 배향막이나 광배향막 등이 있고, 본 출원에서 사용될 수 있는 배향막은 상기 공지의 배향막이고, 이는 특별히 제한되지 않는다.
전술한 광축의 배향을 달성하기 위해서 상기 배향막(14)의 배향 방향이 제어될 수 있다. 예를 들면, 대향 배치되어 있는 제 1 기재층 및 제 2 기재층의 각 면에 형성된 2개의 배향막의 배향 방향은 서로 약 -10도 내지 약 10도의 범위 내의 각도, 약 -7도 내지 약 7도의 범위 내의 각도, 약 -5도 내지 약 5도의 범위 내의 각도 또는 약 -3도 내지 약 3도의 범위 내의 각도를 이루거나 서로 대략 평행할 수 있다. 다른 예시에서 상기 2개의 배향막의 배향 방향은 약 80도 내지 약 100도의 범위 내의 각도, 약 83도 내지 약 97도의 범위 내의 각도, 약 85도 내지 약 95도의 범위 내의 각도 또는 약 87도 내지 약 92도의 범위 내의 각도를 이루거나 서로 대략 수직일 수 있다.
이와 같은 배향 방향에 따라서 액정층의 광축의 방향이 결정되기 때문에, 상기 배향 방향은 액정층의 광축의 방향을 확인하여 알 수 있다. 액정층의 광축이 어떤 방향으로 형성되어 있는 것인지를 확인하는 방식은 공지이다. 예를 들면, 액정층의 광축의 방향은 광축 방향을 알고 있는 다른 편광판을 이용하여 측정할 수 있으며, 이는 공지의 측정 기기, 예를 들면, Jasco사의 P-2000 등의 polarimeter를 사용하여 측정할 수 있다.
상기와 같은 구성을 가지는 액정 소자의 형태는 특별히 제한되지 않고, 광학 디바이스의 적용 용도에 따라서 정해질 수 있으며, 일반적으로는 필름 또는 시트 형태이다.
상기 액정 소자는 적어도 2개 이상의 광축의 배향 상태, 예를 들면, 제 1 및 제 2 배향 상태의 사이를 스위칭할 수 있다. 상기와 같은 액정 소자에서 배향 상태는 에너지의 인가, 예를 들면 전압의 인가에 의해 변경할 수 있다. 즉 상기 액정 소자는 전압의 인가가 없는 상태에서 상기 제 1 및 제 2 배향 상태 중에서 어느 한 배향 상태를 가지고 있다가 전압이 인가되면 다른 배향 상태로 스위칭 될 수 있다. 한편, 액정 소자의 배향 상태에 따라 투과율이 조절 될 수 있다. 일예로 제 1 또는 제 2 배향 상태 중 어느 한 배향 상태에서 차단 모드가 구현되고, 다른 배향 상태에서 투과 모드가 구현될 수 있다.
상기 투과 모드는 액정 소자가 상대적으로 높은 투과율을 나타내는 상태이고, 차단 모드는 액정 소자가 상대적으로 낮은 투과율을 나타내는 상태이다.
일 예시에서 상기 액정 소자는 상기 투과 모드에서의 투과율이 약 20%, 25%, 30% 이상, 35% 이상, 40% 이상, 45% 이상 또는 약 50% 이상일 수 있다. 또한, 상기 액정 소자는 상기 차단 모드에서의 투과율이 약 20% 미만, 15% 미만 또는 약 10% 미만일 수 있다.
상기 투과 모드에서의 투과율은 수치가 높을수록 유리하고, 차단 모드에서의 투과율은 낮을수록 유리하기 때문에 각각의 상한과 하한은 특별히 제한되지 않는다. 일 예시에서 상기 투과 모드에서의 투과율의 상한은 약 100%, 95%, 90%, 85%, 80%, 75%, 70%, 65% 또는 약 60%일 수 있다. 상기 차단 모드에서의 투과율의 하한은 약 0%, 1%, 2%, 3%, 4%, 5%, 6%, 7%, 8%, 9% 또는 약 10%일 수 있다.
상기 투과율은 직진광 투과율일 수 있다. 용어 직진광 투과율은 소정 방향으로 액정 소자를 입사한 광 대비 상기 입사 방향과 동일한 방향으로 상기 액정 소자를 투과한 광(직진광)의 비율일 수 있다. 일 예시에서 상기 투과율은 상기 액정 소자의 표면 법선과 평행한 방향으로 입사한 광에 대하여 측정한 결과(법선광 투과율)일 수 있다.
본 출원의 액정 소자에서 투과율이 조절되는 광은, UV-A 영역의 자외선, 가시광 또는 근적외선일 수 있다. 일반적으로 사용되는 정의에 따르면, UV-A 영역의 자외선은 320 nm 내지 380 nm의 범위 내의 파장을 가지는 방사선을 의미하는 것으로 사용되고, 가시광은 380 nm 내지 780 nm의 범위 내의 파장을 가지는 방사선을 의미하는 것으로 사용되며, 근적외선은 780 nm 내지 2000 nm의 범위 내의 파장을 가지는 방사선을 의미하는 것으로 사용된다.
필요한 경우에 액정 소자는 상기 투과 모드 및 차단 모드 외에 다른 모드도 구현할 수 있도록 설계될 수 있다. 예를 들면, 상기 투과 모드 및 차단 모드의 투과율 사이에서 임의의 투과율을 나타낼 수 있는 제 3의 모드도 구현될 수 있도록 설계될 수 있다.
본 출원의 광학 디바이스는 제 1 및 제 2 외곽 기판을 포함할 수 있다. 상기 제 1 및 제 2의 표현은 선후 내지는 상하 관계를 규정한 것은 아니다. 일 예시에서 상기 액정 소자는 상기 제 1 및 제 2 외곽 기판의 사이에서 위치할 수 있다. 예를 들면, 도 3에 나타난 바와 같이 대향 배치된 제 1 및 제 2 외곽 기판(20) 사이에 액정 소자(10)가 위치할 수 있다.
상기 제 1 및 제 2 외곽 기판(20)으로는, 예를 들면, 각각 독립적으로 글라스 등의 무기 기판 또는 플라스틱 기판이 사용될 수 있다. 플라스틱 기판으로는 TAC(triacetyl cellulose) 또는 DAC(diacetyl cellulose) 등과 같은 셀룰로오스 필름; 노르보르넨 유도체 등의 COP(cyclo olefin copolymer) 필름; PAR(Polyacrylate) 또는 PMMA(poly(methyl methacrylate) 등의 아크릴 필름; PC(polycarbonate) 필름; PE(polyethylene) 또는 PP(polypropylene) 등의 폴리올레핀 필름; PVA(polyvinyl alcohol) 필름; PI(polyimide) 필름; PSF(polysulfone) 필름; PPS(polyphenylsulfone) 필름; PES(polyethersulfone) 필름; PEEK(polyetheretherketon) 필름; PEI(polyetherimide) 필름; PEN(polyethylenenaphthatlate) 필름; PET(polyethyleneterephtalate) 필름; 또는 불소 수지 필름 등이 사용될 수 있지만, 이에 제한되는 것은 아니다. 제 1 및 제 2 외곽 기판(20)에는, 필요에 따라서 금; 은; 또는 이산화 규소 또는 일산화 규소 등의 규소 화합물의 코팅층이나, 반사 방지층 등의 기능층이 존재할 수도 있다.
상기와 같은 제 1 및 제 2 외곽 기판(20)의 두께는 특별히 제한되지 않으며, 예를 들면 각각 약 0.3 mm 이상일 수 있다. 다른 예시에서 상기 두께는 약 0.5 mm 이상, 1 mm 이상, 1.5 mm 이상 또는 약 2 mm 이상일 수 있고, 약 10 mm 이하, 9 mm 이하, 8 mm 이하, 7 mm 이하, 6 mm 이하, 5 mm 이하, 4 mm 이하 또는 약 3 mm 이하일 수도 있다.
상기 제 1 및 제 2 외곽 기판(20)은 평편(flat)한 기판이거나 혹은 곡면 형상을 가지는 기판일 수 있다. 예를 들면, 상기 제 1 및 제 2 외곽 기판은 동시에 평편한 기판이거나, 동시에 곡면 형상을 가지거나, 혹은 어느 하나는 평편한 기판이고 다른 하나는 곡면 형상의 기판일 수 있다.
또한, 상기에서 동시에 곡면 형상을 가지는 경우에는 각각의 곡률 또는 곡률 반경은 동일하거나 상이할 수 있다.
본 명세서에서 곡률 또는 곡률 반경은, 업계에서 공지된 방식으로 측정할 수 있으며, 예를 들면, 2D Profile Laser Sensor (레이저 센서), Chromatic confocal line sensor (공초점 센서) 또는 3D Measuring Conforcal Microscopy 등의 비접촉식 장비를 이용하여 측정할 수 있다. 이러한 장비를 사용하여 곡률 또는 곡률 반경을 측정하는 방식은 공지이다.
또한, 상기 제 1 및 제 2 외곽 기판과 관련해서 예를 들어, 표면과 이면에서의 곡률 또는 곡률 반경이 다른 경우에는 각각 마주보는 면의 곡률 또는 곡률 반경, 즉 제 1 외곽 기판의 경우, 제 2 외곽 기판과 대향하는 면의 곡률 또는 곡률 반경과 제 2 외곽 기판의 경우, 제 1 외곽 기판과 대향하는 면의 곡률 또는 곡률 반경이 기준이 될 수 있다. 또한, 해당 면에서의 곡률 또는 곡률 반경이 일정하지 않고, 상이한 부분이 존재하는 경우에는 가장 큰 곡률 또는 곡률 반경이 기준이 되거나, 가장 작은 곡률 또는 곡률 반경이 기준일 될 수 있고, 또는 평균 곡률 또는 평균 곡률 반경이 기준이 될 수 있다.
상기 제 1 및 제 2 외곽 기판은, 양자가 곡률 또는 곡률 반경의 차이가 약 10% 이내, 9% 이내, 8% 이내, 7% 이내, 6% 이내, 5% 이내, 4% 이내, 3% 이내, 2% 이내 또는 약 1% 이내일 수 있다. 상기 곡률 또는 곡률 반경의 차이는 큰 곡률 또는 곡률 반경을 CL이라고 하고, 작은 곡률 또는 곡률 반경을 CS라고 할 때에 100×(CL-CS)/CS로 계산되는 수치이다. 또한, 상기 곡률 또는 곡률 반경의 차이의 하한은 특별히 제한되지 않는다. 제 1 및 제 2 외곽 기판의 곡률 또는 곡률 반경의 차이는 동일할 수 있기 때문에, 상기 곡률 또는 곡률 반경의 차이는 약 0% 이상이거나, 약 0% 초과일 수 있다.
제 1 및 제 2 외곽 기판이 모두 곡면인 경우에 양자의 곡률은 동일 부호일 수 있다. 다시 말하면, 상기 제 1 및 제 2 외곽 기판은 모두 동일한 방향으로 굴곡되어 있을 수 있다. 즉, 상기 경우는 제 1 외곽 기판의 곡률 중심과 제 2 외곽 기판의 곡률 중심이 모두 제 1 및 제 2 외곽 기판의 상부 및 하부 중에서 같은 부분에 존재하는 경우이다.
제 1 및 제 2 외곽 기판의 각각의 곡률 또는 곡률 반경의 구체적인 범위는 특별히 제한되지 않는다. 일 예시에서 상기 제 1 및 제 2 외곽 기판은 각각 곡률 반경이 약 100R 이상, 200R 이상, 300R 이상, 400R 이상, 500R 이상, 600R 이상, 700R 이상, 800R 이상 또는 약 900R 이상이거나, 약 10,000R 이하, 9,000R 이하, 8,000R 이하, 7,000R 이하, 6,000R 이하, 5,000R 이하, 4,000R 이하, 3,000R 이하, 2,000R 이하, 1,900R 이하, 1,800R 이하, 1,700R 이하, 1,600R 이하, 1,500R 이하, 1,400R 이하, 1,300R 이하, 1,200R 이하, 1,100R 이하 또는 약 1,050R 이하일 수 있다. 상기에서 R은 반지름이 1 mm인 원의 휘어진 정도를 의미한다. 따라서, 상기에서 예를 들어, 100R은 반지름이 100mm인 원의 휘어진 정도 또는 그러한 원에 대한 곡률 반경이다. 물론 기판이 평편한 경우에 곡률은 0이고, 곡률 반경은 무한대이다.
제 1 및 제 2 외곽 기판은 상기 범위에서 동일하거나 상이한 곡률 반경을 가질 수 있다. 일 예시에서 제 1 및 제 2 외곽 기판의 곡률이 서로 다른 경우에, 그 중에서 곡률이 큰 기판의 곡률 반경이 상기 범위 내일 수 있다.
일 예시에서 제 1 및 제 2 외곽 기판의 곡률이 서로 다른 경우에는 그 중에서 곡률이 큰 기판이 광학 디바이스의 사용 시에 보다 중력 방향으로 배치되는 기판일 수 있다.
제 1 및 제 2 기판의 곡률 또는 곡률 반경을 위와 같이 제어하게 되면, 후술하는 접착 필름에 의한 합착력이 떨어지게 되어도 복원력과 중력의 합인 알짜힘이 작용하여 벌어짐을 막아줄 수 있고, 오토클레이브(Autoclave)와 같은 공정 압력에도 잘 견딜 수 있다.
본 출원의 광학 다비이스는 편광자 및/또는 접착 필름을 추가로 포함할 수 있다. 도 4는 편광자 및 접착 필름을 포함된 일 실시예에 따른 광학 디바이스를 예시적으로 나타낸다. 도 4에 나타낸 바와 같이, 상기 광학 디바이스(100)는 제 1 외곽 기판(20), 접착 필름(40), 액정 소자(10), 접착 필름(40), 편광자(30), 접착 필름(40) 및 제 2 외곽 기판(20)이 순차로 적층되는 구조를 가질 수 있다.
상기 편광자(30)로는, 예를 들면 흡수형 선형 편광자, 즉 일방향으로 형성된 광흡수축과 그와는 대략 수직하게 형성된 광투과축을 가지는 편광자를 사용할 수 있다.
상기 편광자(30)는 상기 액정 소자(10)의 제 1 배향 상태에서 상기 차단 상태가 구현된다고 가정하는 경우에 상기 제 1 배향 상태의 평균 광축(광축의 벡터합)과 상기 편광자의 광흡수축이 이루는 각도가 약 80도 내지 약 100도 또는 약 85도 내지 약 95도를 이루거나, 대략 수직이 되도록 광학 디바이스에 배치되어 있거나, 혹은 약 35도 내지 약 55도 또는 약 40도 내지 약 50도가 되거나 대략 45도가 되도록 광학 디바이스에 배치되어 있을 수 있다.
배향막의 배향 방향을 기준으로 할 때에, 전술한 것과 같이 제 1 및 제 2 기재층의 각 면상에 형성된 배향막의 배향 방향이 서로 약 -10도 내지 약 10도의 범위 내의 각도, 약 -7도 내지 약 7도의 범위 내의 각도, 약 -5도 내지 약 5도의 범위 내의 각도 또는 약 -3도 내지 약 3도의 범위 내의 각도를 이루거나 서로 대략 평행한 경우에 상기 2개의 배향막 중에서 어느 하나의 배향막의 배향 방향과 상기 편광자의 광흡수축이 이루는 각도가 약 80도 내지 약 100도 또는 약 85도 내지 약 95도를 이루거나, 대략 수직이 될 수 있다.
다른 예시에서 상기 2개의 배향막의 배향 방향이 약 80도 내지 약 100도의 범위 내의 각도, 약 83도 내지 약 97도의 범위 내의 각도, 약 85도 내지 약 95도의 범위 내의 각도 또는 약 87도 내지 약 92도의 범위 내의 각도를 이루거나 서로 대략 수직인 경우에는 2장의 배향막 중에서 상기 편광자에 보다 가깝게 배치된 배향막의 배향 방향과 상기 편광자의 광흡수축이 이루는 각도가 약 80도 내지 약 100도 또는 약 85도 내지 약 95도를 이루거나, 대략 수직이 될 수 있다.
본 출원의 광학 디바이스에서 적용될 수 있는 상기 편광자의 종류는 특별히 제한되지 않는다. 예를 들면, 편광자로는 기존 LCD 등에서 사용되는 통상의 소재, 예를 들면, PVA(poly(vinyl alcohol)) 편광자 등이나, 유방성 액정(LLC: Lyotropic Liquid Cystal)이나, 반응성 액정(RM: Reactive Mesogen)과 이색성 색소(dichroic dye)를 포함하는 편광 코팅층과 같이 코팅 방식으로 구현한 편광자을 사용할 수 있다. 본 명세서에서 상기와 같이 코팅 방식으로 구현된 편광자는 편광 코팅층으로 호칭될 수 있다. 상기 유방성 액정으로는 특별한 제한 없이 공지의 액정을 사용할 수 있으며, 예를 들면, 이색비(dichroic ratio)가 약 30 내지 약 40 정도인 유방성 액정층을 형성할 수 있는 유방성 액정을 사용할 수 있다. 한편, 편광 코팅층이 반응성 액정(RM: Reactive Mesogen)과 이색성 염료(dichroic dye)를 포함하는 경우에 상기 이색성 염료로는 선형의 염료를 사용하거나, 혹은 디스코틱형의 염료(discotic dye)가 사용될 수도 있다.
본 출원의 광학 디바이스는 상기와 같은 액정 소자와 편광자를 각각 하나씩만 포함할 수 있다. 따라서, 상기 광학 디바이스는 오직 하나의 상기 액정 소자만을 포함하고, 오직 하나의 편광자만을 포함할 수 있다.
상기 접착 필름(40)은, 예를 들면, 도 4에 나타난 바와 같이 외곽 기판(20)과 액정 소자(10)의 사이, 액정 소자(10)과 편광자(30)의 사이 및 편광자(30)와 외곽 기판(20)의 사이에 존재할 수 있고, 상기 액정 소자(10)와 편광자(30)의 측면, 적절하게는 모든 측면에 존재할 수 있다.
한편, 상기 외곽 기판(20)과 액정 소자(10)의 사이, 액정 소자(10)과 편광자(30)의 사이, 편광자(30)와 외곽 기판(20)의 사이 및/또는 상기 액정 소자(10)와 편광자(30)의 측면에 위치하는 접착 필름은 동일하거나 상이한 접착 필름일 수 있다.
상기 접착 필름(40)은, 상기 외곽 기판(20)과 액정 소자(10), 액정 소자 (10)와 편광자(30) 및 편광자(30)와 외곽 기판(20)들을 서로 접착시키면서, 상기 액정 소자(10)와 편광자(30)를 봉지화하고 있을 수 있다. 본 출원에서 용어 봉지(또는 캡슐화(encapsulation))는 접착 필름으로 액정 소자 및/또는 편광자의 전면을 피복하는 것을 의미할 수 있다. 예를 들면, 목적하는 구조에 따라서 외곽 기판, 액정 소자, 편광자 및 접착 필름을 적층한 후에 진공 상태에서 압착하는 방식으로 상기 구조를 구현할 수 있다.
상기 접착 필름(40)으로는 특별한 제한 없이 공지의 소재가 사용될 수 있고, 예를 들면, 공지된 열가소성 폴리우레탄 접착 필름(TPU: Thermoplastic Polyurethane), TPS(Thermoplastic Starch), 폴리아마이드 접착 필름, 폴리에스테르 접착 필름, EVA(Ethylene Vinyl Acetate) 접착 필름, 폴리에틸렌 또는 폴리프로필렌 등의 폴리올레핀 접착 필름 또는 폴리올레핀 엘라스토머 필름(POE 필름) 등 중에서 선택될 수 있다.
상기와 같은 접착 필름의 두께는 특별히 제한되지 않으며, 예를 들면 약 200 ㎛ 내지 약 600 ㎛ 정도의 범위 내일 수 있다. 상기에서 접착 필름의 두께는 상기 외곽 기판(20)과 액정 소자(10)의 사이의 접착 필름의 두께, 예를 들면 상기 양자간의 간격; 액정 소자(10)와 편광자(30)의 사이의 접착 필름의 두께, 예를 들면 상기 양자간의 간격; 및 편광자(30)와 외곽 기판(20)의 사이의 접착 필름의 두께, 예를 들면 상기 양자간의 간격일 수 있다.
광학 디바이스는 상기 구성 외에도 필요한 임의 구성을 추가로 포함할 수 있고, 예를 들면, 버퍼층, 위상차층, 광학 보상층, 반사 방지층 또는 하드코팅층 등의 공지의 구성을 적절한 위치에 포함할 수 있다.
본 출원의 상기 광학 디바이스를 제조하는 방법은 특별히 제한되지 않는다. 일 예시에서 상기 광학 디바이스는, 전술한 봉지화를 위해서 오토클레이브 공정을 거쳐 제조될 수 있다.
예를 들면, 상기 광학 디바이스의 제조 방법은 대향 배치되어 있는 제 1 및 제 2 외곽 기판의 사이에 있는 액정 소자 및/또는 편광자를 접착 필름을 사용한 오토클레이브 공정을 통해 봉지화하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 오토클레이브 공정은 외곽 기판의 사이에 목적하는 봉지화 구조에 따라서 접착 필름과 액정 소자 및/또는 편광자를 배치하고, 가열/가압에 의해 수행할 수 있다.
예를 들어, 외곽 기판(20), 접착 필름(40), 액정 소자(10), 접착 필름(40), 편광자(30), 접착 필름(40) 및 외곽 기판(20)을 상기 순서로 배치하고, 액정 소자(10)와 편광자(30)의 측면에도 접착 필름(40)을 배치한 적층체를 오토클레이브 공정으로 가열/가압 처리하면, 도 5에 나타난 것과 같은 광학 디바이스가 형성될 수 있다.
상기 오토클레이브 공정의 조건은 특별한 제한이 없고, 예를 들면, 적용된 접착 필름의 종류에 따라 적절한 온도 및 압력 하에서 수행할 수 있다. 통상의 오토클레이트 공정의 온도는 약 80°C 이상, 90°C 이상 또는 약 100°C 이상이며, 압력은 2기압 이상이나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 공정 온도의 상한은 약 200°C 이하, 190°C 이하, 180°C 이하 또는 약 170°C 이하 정도일 수 있고, 공정 압력의 상한은 약 10기압 이하, 9기압 이하, 8기압 이하, 7기압 이하 또는 약 6기압 이하 정도일 수 있다.
상기와 같은 광학 디바이스는 다양한 용도로 사용될 수 있으며, 예를 들면, 선글라스나 AR(Argumented Reality) 또는 VR(Virtual Reality)용 아이웨어(eyewear) 등의 아이웨어류, 건물의 외벽이나 차량용 선루프 등에 사용될 수 있다.
하나의 예시에서 상기 광학 디바이스는, 그 자체로서 차량용 선루프일 수 있다.
예를 들면, 적어도 하나 이상의 개구부가 형성되어 있는 차체를 포함하는 자동차에 있어서 상기 개구부에 장착된 상기 광학 디바이스 또는 차량용 선루프를 장착하여 사용될 수 있다.
본 출원은 투과율 가변이 가능하고, 액정 소자와 외곽 기판의 합착에 따라 발생 할 수 있는 주름 등의 외관 불량이 개선된 광학 디바이스를 제공할 수 있다. 이러한 광학 디바이스는, 선글라스나 AR(Argumented Reality) 또는 VR(Virtual Reality)용 아이웨어(eyewear) 등의 아이웨어류, 건물의 외벽이나 차량용 선루프 등의 다양한 용도에 사용될 수 있다.
도 1 내지 2는 본 출원의 광학 디바이스에 사용될 수 있는 액정 소자의 예시적인 단면도 이다.
도 3 내지 5는 본 출원의 예시적인 광학 디바이스를 나타내는 예시적인 단면도이다.
도 6 내지 도 8은 실시예 1, 실시예 2 및 비교예에 따라 제조된 광학 디바이스를 고온 장기 내구성 테스트에 적용한 후에 디지털 카메라를 이용하여 촬영한 이미지이다.
이하 실시예 및 비교예를 통하여 본 출원을 구체적으로 설명하지만, 본 출원의 범위가 하기 실시예에 의해 제한되는 것은 아니다.
외관 불량 측정 방법
외관 불량은 실시예 1, 실시예 2 및 비교예에서 제조된 액정 소자가 Autoclave 공정 이후에 제 1 및 제 2 외곽 기판 사이에 캡슐화 되어 있는 상태에서 측정하였다. 제 1 및 제 2 외곽 기판 사이에 캡슐화 되어 있는 액정 소자를 고온 장기 내구성 테스트(100℃의 온도에서 약 168 시간 유지)에 적용하고, 상온에서 24시간 이상 방치하였을 때 광학 디바이스의 외관에 주름 발생 광학 디바이스의 외관 불량을 측정 하였다.
실시예 1
액정 소자
제 1 및 제 2 기재층으로 굽힘 강도(D)가 약 5.73*10-3 N·m인 폴리카보네이트 필름(두께: 300 ㎛, 제조사: Keiwa 社)을 사용하였으며, 제 1 기재층 및 제 2 기재층 상에 각각 ITO(indium-tin-oxide)를 200 nm 두께로 증착하여 도전층을 형성하였다. 상기 도전층 상에 수평 배향막(SE-7492, Nissan chemical 社)을 100~300 nm 두께로 코팅 및 경화하여 제 1 및 제 2 배향막을 형성하였다.
제 1 배향막의 외주에 실란트를 도포하고, 상기 실란트의 내부 영역에 액정(MDA 14-4145, Merck사제)을 도포하고, 제 2 배향막을 합지하여 액정 소자를 제조하였다. 제조된 액정 소자의 면적은 600 mmХ300 mm이고, 셀 갭은 12 ㎛이다.
광학 디바이스
제 1 외곽 기판, 접착 필름, 상기 액정 소자, 접착 필름, 편광판, 접착 필름 및 제 2 외곽 기판을 상기 순서로 적층하고, 상기 액정 소자의 모든 측면에도 접착 필름을 배치하여 적층체를 제조하였다.(제 1 외곽 기판에 비해서 제 2 외곽 기판이 중력 방향으로 배치)
상기 제 1 및 제 2 외곽 기판으로는 두께가 약 3mm 정도인 글라스 기판을 사용하였으며, 곡률 반경이 약 2,470R인 기판(제 1 외곽 기판)과 곡률 반경이 약 2,400R인 기판(제 2 외곽 기판)을 사용하였다. 한편, 접착 필름으로는 열가소성 폴리우레탄 접착필름(두께: 약 0.38 mm, 제조사: Argotec사, 제품명: ArgoFlex)을 사용하였다.
상기 적층체를 약 105℃의 온도 및 2기압 정도의 압력으로 오토클레이브 (Autoclave) 공정을 수행하여 광학 디바이스를 제조하였다.
실시예 2
액정 소자의 제 1 및 제 2 기재층으로 굽힘 강도(D)가 약 8.17*10-4 N·m 정도인 폴리에틸렌 테레프탈레이트(두께: 145 ㎛, 제조사: SKC 社) 필름을 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 액정 소자 및 광학 디바이스를 제조하였다.
비교예
액정 소자의 제 1 및 제 2 기재층으로 굽힘 강도(D)가 약 2.12*10-4 N·m인 폴리카보네이트 필름(두께: 100 ㎛, 제조사: Keiwa 社)을 사용한 것을 제외하고는 실시예와 동일하게 액정 소자 및 광학 디바이스를 제조하였다.
도 6 내지 도 8은, 상기 내구성 테스트 후의 광학 디바이스의 사진으로, 도 6은 실시예 1의 디바이스 사진이고, 도 7은 실시예 2의 디바이스 사진이며, 도 8은 비교예의 디바이스 사진이다. 실시예 1 및 실시예 2의 광학 디바이스는 주름 등의 외관불량이 발생됨이 없이 안정적으로 광학 디바이스가 제조된 것을 확인할 수 있고, 이와 대조적으로 비교예의 디바이스는 주름 등의 외관불량이 발생된 것을 확인할 수 있다.
10: 액정 소자
11a: 제 1 기재층
11b: 제 2 기재층
12: 액정층
13: 도전층
14: 배향막
20: 외곽 기판
30: 편광자
40: 접착 필름
100: 광학 디바이스

Claims (12)

  1. 제 1 및 제 2 외곽 기판;
    상기 제 1 및 제 2 외곽 기판 사이에 위치하고, 제 1 기재층, 액정층 및 제 2 기재층이 순차로 적층되는 구조를 가지는 액정 소자; 및
    제1 외곽 기판과 액정소자 사이 및 제 2 외곽 기판과 액정 소자 사이에 위치하는 접착필름을 포함하고,
    상기 제 1 기재층 및 제 2 기재층 중 하나 이상은 하기 수식 1의 굽힘강도(D)가 2.2*10-4 N·m 이상인 광학 디바이스.
    [수식 1]
    Figure pat00002

    상기 수식 1에서 D는 기재층의 굽힘 강도(flexural rigidity)이고, E는 기재층의 영률(Young’s modulus)이며, he는 기재층의 두께이고, υ은 기재층의 푸아송 비(Poisson’s ratio)이다.
  2. 제 1 항에 있어서, 제 1 기재층 및 제 2 기재층은 각각 상기 수식 1의 굽힘 강도(D)가 2.2*10-4 N·m 이상인 광학 디바이스.
  3. 제 1 항에 있어서, 제 1 기재층 및 제 2 기재층은 각각 영률(Young’s modulus)이 1*109 N/m2 내지 1*1010 N/m2인 광학 디바이스.
  4. 제 1 항에 있어서, 제 1 기재층 및 제 2 기재층은 각각 두께(he)가 10 ㎛ 내지 1,000 ㎛ 인 광학 디바이스.
  5. 제 1 항에 있어서, 제 1 기재층 및 제 2 기재층은 각각 독립적으로 PEN(polyethylene-naphthalate) 필름, PI(polyimide) 필름, COP(cyclo-olefin polymer) 필름, TAC(tri-acetyl-cellulose), PET(polyethyleneterephtalate) 필름 또는 PC(polycarbonate) 필름인 광학 디바이스.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 액정층은 이색성 염료 게스트를 포함하는 광학 디바이스.
  7. 제 1 항에 있어서, 액정 소자는 상기 제 1 기재층 및 제 2 기재층 상에 각각 형성되는 도전층을 포함하는 광학 디바이스.
  8. 제 7 항에 있어서, 액정 소자는 상기 도전층 상에 형성되는 배향막을 포함하는 광학 디바이스.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 액정 소자는 제 1 및 제 2 배향 상태를 스위칭할 수 있는 광학 디바이스.
  10. 제 1 항에 있어서, 제 1 및 제 2 외곽 기판 사이에 위치하는 편광자를 추가로 포함하는 광학 디바이스.
  11. 제 10 항에 있어서, 접착필름은 제 1 외곽 기판과 액정 소자 사이, 액정 소자와 편광자 사이 및 제 2 외곽 기판과 편광자 사이에 위치하는 광학 디바이스.
  12. 하나 이상의 개구부가 형성되어 있는 차체; 및 상기 개구부에 장착된 제 1 항 내지 제 11 항의 광학 디바이스를 포함하는 자동차.
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