KR20200051270A - 광변조 소자 - Google Patents

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Abstract

본 출원의 광변조 소자에 관한 것이다. 본 출원의 광 변조 소자는 투과율과 헤이즈가 서로 상이한 제 1 내지 제 3 상태, 예를 들어, 화이트 투명, 다크 투명 및 다크 헤이즈 상태의 사이를 스위칭할 수 있고, 특히 다크 투명 상태에서 충분한 차단율을 얻을 수 있다. 이러한 광변조 소자는 차량용 윈도우, 스마트 윈도우, 윈도우 보호막, 디스플레이 장치, 디스플레이용 차광판, 3D 영상 표시용 액티브 리타더(active retarder) 또는 시야각 조절 필름 등과 같은 용도에 적용될 수 있다.

Description

광변조 소자{Light modulation element}
본 출원은 광변조 소자에 관한 것이다.
액정 소자는 전압의 인가와 같은 외부 에너지를 통해 액정의 배향을 스위칭시켜 광의 투과도 내지 헤이즈를 조절할 수 있어서, 광 변조 소자로 사용될 수 있다. 이러한 액정 소자는, 각종 정보 장치의 디스플레이 장치는 물론 OLED(Organic Light Emitting Diode)용 차광판 또는 차량용 및 스마트 윈도우 등의 다양한 차광 제품에도 적용될 수 있다.
액정 소자의 차광 및 투광 기작은 전체 투과율(색감)에 따른 화이트 상태와 다크 상태, 헤이즈에 따른 투명 상태와 헤이즈 상태로 분류할 수 있다. 일반적인 액정소자는 화이트 투명 상태와 다크 투명 상태의 사이를 스위칭하거나, 화이트 투명 상태와 헤이즈 상태의 사이를 스위칭하는 이상(double state) 소자이다. 상기에서 화이트 투명 상태는, 광의 직진광 투과율이 높고, 헤이즈가 낮은 상태이고, 다크 투명 상태는 광의 직진광 투과율은 낮고, 헤이즈도 낮은 상태이며, 헤이즈 상태는 광의 직진광 투과율은 낮고, 헤이즈는 높은 상태를 의미할 수 있다. 디스플레이 장치 등에 적용되는 액정소자는 통상 화이트 투명 상태와 다크 투명 상태의 사이를 스위칭하고, 화이트 투명 상태와 헤이즈 상태의 사이를 스위칭하는 소자로는, 예를 들면, 특허문헌 1 등에 기재된 바와 같은 소위 PDLC(Polymer Dispersed Liquid Crystal)가 있다.
대한민국 공개특허공보 제2014-0077861호
본 출원은 투과율과 헤이즈가 서로 상이한 제 1 내지 제 3 상태, 예를 들어, 화이트 투명, 다크 투명 및 다크 헤이즈 상태의 사이를 스위칭할 수 있고, 특히 다크 투명 상태에서 충분한 차단율을 얻을 수 있는 광변조 소자를 제공한다.
본 출원은 광변조 소자에 관한 것이다. 도 1은 본 출원의 광변조 소자를 예시적으로 나타낸다. 상기 광변조 소자는 트리플상 액정셀(1000) 및 상기 액정셀의 일면에 배치된 편광자(2000)를 포함할 수 있다.
상기 트리플상 액정셀은 전체 투과율과 헤이즈가 서로 상이한 제 1 내지 제 3 상태의 사이에서 스위칭될 수 있는 액정셀을 의미할 수 있다. 상기 제 1 내지 제 3 상태는 전압의 크기와 주파수와 같은 외부 에너지 인가 조건에 따라 구현될 수 있다. 하나의 예시에서, 상기 제 1 상태는 화이트 투명 상태일 수 있고, 상기 제 2 상태는 다크 투명 상태일 수 있고, 상기 제 3 상태는 다크 헤이즈 상태일 수 있다.
상기 트리플상 액정셀은 액정층과 상기 액정층의 양면에 각각 배치된 제 1 배향막과 제 2 배향막을 포함할 수 있다. 상기 제 1 배향막과 제 2 배향막은 각각 수직 배향막일 수 있다. 상기 제 1 배향막은 제 2 배향막에 비해 상기 편광자에 가깝게 배치될 수 있다. 이때, 상기 편광자에 가깝게 배치된 제 1 배향막은 일축 배향성을 가질 수 있다. 상기 제 1 배향막의 일축 배향성에 의해 상기 액정층은 제 2 상태에서 일축 배향된 상태로 존재할 수 있다.
다크 투명 상태는 다크 헤이즈 상태보다 투과율이 높은 상태이므로, 다크 투명 상태에서는 충분한 차단율을 얻지 못한다. 다크 투명 상태는 헤이즈가 낮기 때문에 충분한 차단율을 얻기 위해서는 다크 헤이즈 상태 대비 동등 이하의 투과율을 나타내도록 하는 것이 필요하다. 본 출원에 따르면, 제 2 상태에서 일축 배향된 상태로 존재하는 액정층과 상기 편광자에 의한 광 흡수로 인해 제 2 상태에서 낮은 헤이즈를 유지하면서 전체 투과율을 낮출 수 있다.
예를 들어, 상기 트리플상 액정셀의 제 1 내지 제 3 상태에 따라, 상기 광변조 소자의 전체 투과율과 헤이즈는 하기 수식 1 및 2를 만족할 수 있다. 본 명세서에서 액정셀의 전체 투과율과 헤이즈는 광변조 소자의 전체 투과율과 헤이즈와는 상이한 의미이다. 광변조 소자의 전체 투과율과 헤이즈는 상기 트리플상 액정셀과 편광자를 모두 포함하는 구조에 대해 측정한 전체 투과율과 헤이즈를 의미한다.
[수식 1]
T1>T3≥T2
[수식 2]
H3> H1 및 H3>H2
수식 1 및 2에서 T1과 H1은 각각 트리플상 액정셀의 제 1 상태에서의 광변조 소자의 전체 투과율과 헤이즈이고, T2과 H2는 각각 트리플상 액정셀의 제 2 상태에서의 광변조 소자의 전체 투과율과 헤이즈이며, T3과 H3은 각각 트리플상 액정셀의 제 3 상태에서의 광변조 소자의 전체 투과율과 헤이즈이다.
상기 수식 1의 T1, T2 및 T3는 수식 1을 만족하는 범위 내에서 적절히 선택될 수 있다. 또한, 수식 1의 T1, T2 및 T3는 액정셀에 포함되는 염료 등의 첨가제의 함량의 조절 통해 수행될 수 있으며 목적하는 투과도 특성에 따라 적절히 조절될 수 있다.
하나의 예시에서, 상기 수식 1의 T1은 20% 이상일 수 있다. 상기 T1의 상한은 예를 들어 70% 이하일 수 있다. 본 출원의 실시예에 의하면, 수식 1의 T1은 구체적으로 20% 이상, 25% 이상 또는 30% 이상일 수 있고, 70% 이하, 60% 이하, 50% 이하일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
하나의 예시에서, 상기 수식 1의 T2는 30% 이하일 수 있다. 상기 T2의 상한은 예를 들어 1% 이상일 수 있다. 본 출원의 실시예에 의하면, 수식 1의 T2은 구체적으로 30% 이하, 20% 이하 또는 10% 이하일 수 있고, 20% 이상, 25% 이상 또는 30% 이상일 수 있고, 1% 이상 또는 3% 이상일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
하나의 예시에서, 상기 수식 1의 T3는 30% 이하일 수 있다. 상기 T3의 상한은 예를 들어 1% 이상일 수 있다. 본 출원의 실시예에 의하면, 수식 1의 T3는 구체적으로 30% 이하, 20% 이하 또는 15% 이하일 수 있고, 20% 이상, 25% 이상 또는 30% 이상일 수 있고, 1% 이상, 3% 또는 5% 이상일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
전술한 바와 같이, 상기 T1, T2 및 T3의 범위는, 상기 수식 1의 관계를 만족하는 범위 내에서 선택될 수 있다. 예를 들어, T1이 20%인 경우, T2 및 T3는 각각 20% 미만의 범위 내에서, T1(20%)>T3≥T2를 만족하는 범위 내에서 선택되는 것은 자명하다.
상기 수식 2의 H1, H2 및 H3는 수식 2를 만족하는 범위 내에서 적절히 선택될 수 있다.
하나의 예시에서, 상기 수식 2의 H1은 20% 이하일 수 있다. 본 출원의 실시예에 의하면, 수식 2의 H1은 구체적으로 15% 이하, 10% 이하, 8% 이하, 6% 이하 또는 4% 이하일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 H1의 하한은 특별히 제한되지 않으나, 약 0.01% 이상 또는 0.1% 이상일 수 있다.
하나의 예시에서, 상기 수식 2의 H2는 20% 이하일 수 있다. 본 출원의 실시예에 의하면, 수식 2의 H2는 구체적으로 15% 이하, 10% 이하, 7% 이하 또는 5% 이하일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 H2의 하한은 특별히 제한되지 않으나, 약 0.01% 이상 또는 0.1% 이상일 수 있다.
하나의 예시에서, 상기 수식 2의 H3는 80% 이상일 수 있다. 본 출원의 실시예에 의하면, 수식 2의 H3는 구체적으로 85% 이상 또는 90% 이상일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 H3의 상한은 특별히 제한되지 않으나, 약 99.9% 이하 또는 99% 이하일 수 있다.
상기 트리플상 액정셀은 화이트 투명 상태, 다크 투명 상태 및 다크 헤이즈의 상태를 모두 구현할 수 있고, 상기 세 종류의 상태의 사이에서 상호 스위칭이 가능하다.
하나의 예시에서, 상기 트리플상 액정셀의 제 1 상태 내지 제 3 상태는 하기 전체 투과율과 헤이즈를 만족할 수 있다.
[수식 3]
T1A > T2A 및 T1A > T3A
[수식 4]
H3A > H1A 및 H3A > H2A
수식 3 및 4에서 T1A과 H1A은 각각 트리플상 액정셀의 제 1 상태에서의 전체 투과율과 헤이즈이고, T2A과 H2A는 각각 트리플상 액정셀의 제 2 상태에서의 전체 투과율과 헤이즈이며, T3A과 H3A은 각각 트리플상 액정셀의 제 3 상태에서의 전체 투과율과 헤이즈이다.
수식 3 및 4를 만족하는 트리플상 액정셀에 있어서, 제 1 상태를 화이트 투명 상태로 호칭할 수 있고, 제 2 상태를 다크 투명 상태로 호칭할 수 있으며, 제 3 상태를 다크 헤이즈 상태로 호칭할 수 있다.
상기 수식 3의 T1A, T2A 및 T3A는 수식 3을 만족하는 범위 내에서 적절히 선택될 수 있다. 또한, 수식 1의 T1A, T2A 및 T3A는 액정셀에 포함되는 염료 등의 첨가제의 함량의 조절 통해 수행될 수 있으며 목적하는 투과도 특성에 따라 적절히 조절될 수 있다.
하나의 예시에서, 상기 수식 3의 T1A은 40% 이상일 수 있다. 상기 T1A의 상한은 예를 들어 80% 이하일 수 있다. 본 출원의 실시예에 의하면, 수식 3의 T1A은 구체적으로 40% 이상, 50% 이상, 60% 이상 또는 70% 이상일 수 있고, 80% 이하 또는 75% 이하일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
하나의 예시에서, 상기 수식 3의 T2A는 10% 이상일 수 있다. 상기 T2A의 상한은 예를 들어 60% 이하일 수 있다. 본 출원의 실시예에 의하면, 수식 3의 T2A은 구체적으로 10% 이상, 20% 이상, 30% 이상 또는 40% 이하일 수 있고, 60% 이하, 55% 이하 또는 50% 이하일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
하나의 예시에서, 상기 수식 3의 T3A는 50% 이하일 수 있다. 상기 T3A의 상한은 예를 들어 5% 이상일 수 있다. 본 출원의 실시예에 의하면, 수식 3의 T3A는 구체적으로 45% 이하, 40% 이하 또는 35% 이하일 수 있고, 5% 이상, 10% 이상, 20% 이상 또는 30% 이상일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 하나의 예시에서, 수식 3의 T3A는 T2A에 비해 작은 값을 가질 수 있다.
전술한 바와 같이, 상기 T1A, T2A 및 T3A의 범위는, 상기 수식 3의 관계를 만족하는 범위 내에서 선택될 수 있다. 예를 들어, T1A이 40%인 경우, T2A 및 T3A는 각각 40% 미만의 범위 내에서, T1A(40%)> T2A 및 T1A(40%)>T3A를 만족하는 범위 내에서 선택되는 것은 자명하다.
상기 수식 4의 H1A, H2A 및 H3A 는 수식 4를 만족하는 범위 내에서 적절히 선택될 수 있다.
하나의 예시에서, 상기 수식 4의 H1A은 20% 이하일 수 있다. 본 출원의 실시예에 의하면, 수식 4의 H1A은 구체적으로 15% 이하, 10% 이하, 5% 이하 또는 3% 이하일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 H1A의 하한은 특별히 제한되지 않으나, 약 0.01% 이상 또는 0.1일 수 있다.
하나의 예시에서, 상기 수식 4의 H2A는 20% 이하일 수 있다. 본 출원의 실시예에 의하면, 수식 4의 H2A는 구체적으로 15% 이하, 10% 이하, 5% 이하 또는 3% 이하일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 H2A의 하한은 특별히 제한되지 않으나, 약 0.01% 이상 또는 0.1일 수 있다.
하나의 예시에서, 상기 수식 4의 H3A는 80% 이상일 수 있다. 본 출원의 실시예에 의하면, 수식 4의 H3A는 구체적으로 85% 이상 또는 90% 이상일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 H3A의 상한은 특별히 제한되지 않으나, 약 99.9% 이하 또는 99% 이하일 수 있다.
본 출원에서 전체 투과율, 직진광 투과율 및 헤이즈은 ASTM D1003 규격에 따라서 측정한 수치이다.
상기 트리플상 액정셀은 액정층을 포함할 수 있다. 용어 액정층은 적어도 액정 화합물을 포함하는 층을 의미할 수 있다. 액정셀이 트리플상을 나타내도록 하기 위해서 액정층의 전도도 값이 조절될 수 있다.
트리플상 액정셀의 액정층은 수평 전도도(Conductivity)가 1.0 × 10-4 μS/cm 이상일 수 있다. 이러한 범위의 수평 전도도를 나타내도록 액정층을 조절하면, 인가되는 전압의 크기 및 주파수에 따라서 액정층이 상기 제 1 내지 제 3 상태를 모두 구현하면서, 상기 세 가지 상태 중 어느 한 상태에서 다른 상태로 스위칭이 가능하다. 상기 액정층의 수평 전도도는, 다른 예시에서 2.0 × 10-4 μS/cm 이상, 3.0 × 10-4 μS/cm 이상, 4.0 × 10-4 μS/cm 이상, 5.0 × 10-4 μS/cm 이상, 6.0 × 10-4 μS/cm 이상, 7.0 × 10-4 μS/cm 이상, 8.0 × 10-4 μS/cm 이상, 9.0 × 10-4 μS/cm 이상 또는 1.0 × 10-3 μS/cm 이상일 수 있다. 상기 수평 전도도는 다른 예시에서 5.0 × 10-2 μS/cm 이하, 3.0 × 10-2 μS/cm 이하, 1.0 × 10-2 μS/cm 이하, 9.0 × 10-3 μS/cm 이하, 7.0 × 10-3 μS/cm 이하, 5.0 × 10-3 μS/cm 이하, 3.0 × 10-3 μS/cm 이하 또는 2.5 × 10-3 μS/cm 이하일 수 있다.
본 출원에서 용어 수평 전도도는, 상기 액정층에 전압을 인가하면서 측정한 전도도로서, 상기 액정층의 광축과 상기 인가 전압에 의한 전기장의 방향이 실질적으로 수평하도록 전압을 인가한 상태에서 상기 전기장의 방향을 따라 측정한 값일 수 있다. 상기에서 인가되는 전압의 측정 주파수는 60 Hz이고, 측정 전압은 0.5V일 수 있다.
한편, 후술하는 수직 전도도는, 역시 상기 액정층에 전압을 인가하면서 측정한 전도도로서, 상기 액정층의 광축과 상기 인가 전압에 의한 전기장의 방향이 실질적으로 수직하도록 전압을 인가한 상태에서 상기 전기장의 방향을 따라 측정한 값일 수 있다. 상기에서 인가되는 전압의 측정 주파수는 60 Hz이고, 측정 전압은 0.5V일 수 있다.
액정층의 광축은 액정 화합물의 종류에 따라서 결정될 수 있다. 예를 들어, 액정 화합물이 로드(rod) 형상이라면, 액정층의 광축은 상기 액정층에 포함되는 액정 화합물들이 배향된 상태에서 그 장축 방향을 의미할 수 있다. 예를 들어, 상기 액정층 내의 액정 화합물들이 상기 액정층의 두께 방향과 평행하게 수직 배향되어 있는 상태라면, 상기 수평 전도도는 상기 액정층의 두께 방향을 따라서 전기장이 형성되도록 전압을 인가한 상태에서 상기 두께 방향을 따라서 측정한 전도도일 수 있다. 또한, 액정층 내의 액정 화합물이 로드(rod) 형상이고, 상기 액정 화합물들이 액정층 내에서 수평 배향된 상태라면, 상기 수직 전도도는, 상기 액정층에 두께 방향으로 전기장이 형성되도록 전압을 인가하면서 상기 두께 방향으로 측정한 전도도일 수 있다.
한편, 특별히 달리 규정하지 않는 한, 본 출원에서 상기 수직 또는 수평 전도도는 전술한 바와 같이 액정층에 대하여 인가되는 전압의 측정 주파수를 60 Hz로 하고, 전압은 0.5V로 한 상태에서 상기 각 방법에 따라 상온에서 측정한 전도도를 면적이 1cm2(가로: 1cm, 세로: 1cm)고, 두께가 1 cm인 액정층이 나타내는 수치로 환산한 값일 수 있다.
상기 환산에 적용된 수식은 하기 수식 6 내지 8과 같다.
[수식 6]
C = 1 /ρ
[수식 7]
R = 1/CR
[수식 8]
R = ρ ×D/A
수식 6 내지 8에서 C는 수평 또는 수직 전도도이고, ρ는 액정층의 비저항이며, CR은 는 수평 또는 수직 전도도의 실측값이고, R은 액정층의 저항이며, D는 액정층의 두께이고, A는 액정층의 면적이다.
예를 들면, 일정 두께 및 면적을 가지는 액정층에 대하여 측정한 전도도의 실측값(CR)을 수식 7에 대입하여 저항(R)을 구한 후에 상기 저항(R) 및 수식 8을 사용하여 액정층(면적: 1cm2(=가로: 1cm, 세로: 1cm), 두께: 1 cm)의 비저항(ρ)을 구하고, 그 비저항을 수식 6에 대입하여 수직 또는 수평 전도도를 구할 수 있다.
본 명세서에서 액정층 또는 액정 화합물의 수평 배향은, 액정 화합물이 로드(rod) 형태인 경우, 액정층의 액정 화합물들이 실질적으로 수평 배향되어 있는 상태이고, 예를 들면, 하기 수식 A에 따른 면상 위상차(Rin)가 150 nm 내지 3,000 nm의 범위 내이고, 하기 수식 B에 따른 두께 방향 위상차(Rth)가 0 nm 내지 100 nm 또는 0 nm 내지 50 nm의 범위 내인 경우를 의미할 수 있고, 용어 액정층 또는 액정 화합물의 수직 배향은, 액정 화합물인 로드(rod) 형태인 경우, 액정층의 액정 화합물들이 실질적으로 수직 배향된 상태이고, 예를 들면, 상기 면상 위상차(Rin)가 0 nm 내지 100 nm 또는 0 nm 내지 50 nm의 범위 내이고, 상기 두께 방향 위상차(Rth)가 150 nm 내지 3000 nm의 범위 내인 경우를 의미할 수 있다.
[수식 A]
Rin = d (nx - ny)
[수식 B]
Rth = d (nz - ny)
수식 A 및 B에서 d는 액정층의 두께이고, nx는 액정층 평면에서 지상축 방향의 굴절률이며, ny는 상기 지상축에 수직하는 방향의 굴절률이고, nz는 두께 방향, 즉 상기 지상축과 그에 수직하는 방향 모두와 수직하는 방향의 굴절률이다. 본 명세서에서 용어 굴절률은 특별히 달리 규정하지 않는 한, 550 nm 파장의 광에 대한 굴절률일 수 있다.
또한, 상기한 바와 같이 본 출원에서 전도도는 특별히 달리 규정하지 않는 한, 측정 주파수 60 Hz 및 측정 전압 0.5V 조건에서 측정한 상온에서의 전도도를 1cm2(가로: 1cm, 세로: 1cm)고, 두께가 1cm인 액정층이 나타내는 수치로 환산한 값이고, 상기에서 전도도는 측정 기기(LCR meter, Aglient社(제), E4980A]를 사용하여 제조사의 매뉴얼에 따라 측정할 수 있다. 한편, 본 명세서에서 기재하는 물성 중에서 측정 온도가 그 수치에 영향을 주는 경우, 특별히 달리 규정하지 않는 한, 해당 물성은 상온에서 측정한 수치이다. 상기에서 용어 상온은, 가온되거나, 감온되지 않은 자연 그대로의 온도로서, 약 10℃ 내지 30℃의 범위 내의 어느 한 온도, 예를 들면, 약 23℃ 또는 약 25℃ 정도의 온도를 의미할 수 있다.
액정층의 전도도 자체를 조정하는 방식은 공지이며, 예를 들면, 액정층에 적절한 첨가제, 예를 들어, 전도도 조절제를 첨가함으로써 전도도의 조절이 가능하다. 상기 전도도 조절제는 이온 불순물, 이온성 액체(ionic liquid), 염(Salt), 반응성 모노머 및 개시제로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함할 수 있다.
상기에서 액정층의 수직 전도도(VC) 및 액정층의 수평 전도도(PC)의 비율(PC/VC)은 약 0.2 이상, 약 0.25 이상, 약 0.3 이상, 약 0.35 이상, 약 0.4 이상, 약 0.45 이상, 약 0.5 이상, 약 0.55 이상, 약 0.6 이상, 약 0.65 이상 또는 약 0.7 이상일 수 있다. 또한, 상기 비율(PC/VC)은 약 2.5 이하, 약 2.0 이하, 약 1.5 이하 또는 약 1.0 이하일 수 있다. 상기에서 액정층의 수평 전도도(PC) 및 액정층의 수직 전도도(VC)의 비율(VC/PC)이 약 2.0 이하, 약 1.9 이하, 약 1.8 이하, 약 1.7 이하, 약 1.6 이하, 약 1.5 이하, 약 1.4 이하, 약 1.3 이하, 약 1.2 이하, 약 1.1 이하 또는 약 1.0 이하일 수 있다. 또한, 상기 비율(VC/PC)은 약 0.5 이상, 약 0.3 이상, 약 0.2 이상 또는 약 0.1 이상일 수 있다. 상기와 같은 전도도(PC, VC)도 전술한 첨가제의 적절한 첨가에 의해 조절이 가능할 수 있다. 전도도의 비율(VC/PC 및/또는 PC/VC)을 상기와 같이 조절하면, 액정 소자의 구동 효율 측면에서 유리할 수 있다.
상기 트리플상 액정셀은 초기 상태에서 상기 제 1 상태일 수 있다. 본 출원에서 용어 초기 상태는, 전압과 같은 액정 화합물의 구동을 위한 외부 에너지가 인가되어 있지 않은 상태를 의미할 수 있다.
상기와 같은 초기 상태에서 소정 주파수에서 전압의 인가를 통해 다른 상태(제 2 내지 제 3 상태 중 어느 한 상태)로 스위칭될 수 있고, 인가되는 전압의 크기를 변경하거나, 인가 전압을 제거함으로써 다른 상태로 스위칭될 수 있다.
트리플상 액정셀에서 제 2 상태의 구현을 위한 인가 주파수(F1) 및 인가 전압(V1)과 제 3 상태의 구현을 위한 인가 주파수(F2) 및 인가 전압(V2)은 하기 조건 1 또는 조건 2를 만족할 수 있다.
[조건 1]
F1 ≥ F2 및 V1 < V2
[조건 2]
F1 > F2 및 V1 ≤ V2
조건 1에 따르면, 제 2 상태를 구현하기 위해 요구되는 인가 전압 (V1)의 크기는 제 3 상태를 구현하기 위해 요구되는 인가 전압 (V2)에 비하여 작을 수 있다. 이때, 제 2 상태를 구현하기 위해 요구되는 인가 주파수 (F1)는 제 3 상태를 구현하기 위해 요구되는 인가 주파수 (F2)와 비교하여 동일하거나 또는 더 클 수 있다. 하나의 예시에서 상기 인가 전압의 비율(V2/V1)은 1.5 이상, 2 이상, 3 이상, 4 이상, 5 이상 또는 5.5 이상일 수 있다. 상기 비율(V2/V1)은 다른 예시에서 20 이하, 15 이하 또는 10 이하일 수 있다.
상기 조건 1에서, 제 2 상태를 구현하기 위해 요구되는 인가 전압 (V1)은 50V 이하, 45V 이하, 40V 이하, 35V 이하, 30V 이하, 25V 이하, 20V 이하 또는 15V 이하일 수 있다. 상기 인가 전압(V1)은 다른 예시에서 5V 이상일 수 있다.
상기 조건 1에서, 제 3 상태를 구현하기 위하여 요구되는 인가 전압(V2)은 50V 이상 또는 60V 이상일 수 있다. 상기 인가 전압(V2)은 다른 예시에서 200V 이하, 150V 이하, 100V 이하, 80V 이하 또는 70V 이하일 수 있다.
상기 조건 1에서, 상기와 같은 인가 전압의 크기에서 인가 주파수는, 10Hz 내지 2,000 Hz 내의 어느 한 수치일 수 있고, 예를 들면, 약 30Hz, 약 60Hz, 약 100Hz, 약 300Hz, 약 500Hz, 약 700Hz 또는 약 1000Hz일 수 있다.
조건 2에 따르면, 제 2 상태를 구현하기 위해 요구되는 인가 주파수 (F1)의 크기는 제 3 상태를 구현하기 위해 요구되는 인가 주파수 (F2)에 비하여 클 수 있다. 이때, 제 2 상태를 구현하기 위해 요구되는 인가 전압 (V1)는 제 3 상태를 구현하기 위해 요구되는 인가 전압 (V2)와 비교하여 동일하거나 또는 더 작을 수 있다. 하나의 예시에서 상기 인가 주파수의 비율(F1/F2)은 1을 초과하고, 예를 들면, 1.5 이상, 2 이상, 2.5 이상 또는 3 이상일 수 있다. 상기 비율(F1/F2)은 다른 예시에서 10 이하, 9 이하, 8 이하, 7 이하, 6 이하, 5 이하 또는 4.5 이하일 수 있다.
상기 조건 2에서, 제 2 상태를 구현하기 위해 요구되는 인가 주파수(F1)는 예를 들면, 90Hz 이상, 100 Hz 이상, 150 Hz 이상, 200 Hz 이상, 250 Hz 이상 또는 300 Hz 이상일 수 있다. 상기 인가 주파수(F1)는 다른 예시에서 600 Hz 이하, 500 Hz 이하 또는 400 Hz 이하일 수 있다.
상기 조건 2에서, 제 3 상태를 구현하기 위하여 요구되는 인가 주파수(F2)는 110 Hz 이하, 100 Hz 이하, 90 Hz 이하, 80 Hz 이하, 70 Hz 이하, 60 Hz 이하, 50 Hz 이하 또는 40 Hz 이하일 수 있다. 상기 인가 주파수(F2)는 다른 예시에서 10 Hz 이상 또는 20 Hz 이상일 수 있다.
상기 조건 2에서, 제 2 상태를 구현하기 위해 요구되는 인가 전압(V1)은, 예를 들면, 50V 이하, 45V 이하, 40V 이하, 35V 이하, 30V 이하, 25V 이하, 20V 이하 또는 15V 이하일 수 있다. 상기 인가 전압(V1)은 다른 예시에서 5V 이상일 수 있다.
상기 조건 2에서, 제 3 상태를 구현하기 위하여 요구되는 인가 전압(V2)은 50V 이상 또는 65V 이상일 수 있다. 상기 인가 전압(V2)은 다른 예시에서 200V 이하, 150V 이하, 100V 이하, 80V 이하 또는 70V 이하일 수 있다.
상기 인가 주파수(F1 및/또는 F2) 및/또는 인가 전압(V1 및/또는 V2)은, 상기 조건 1 및/또는 2를 만족하는 범위 내에서 예를 들면, 상기 액정층의 전도도의 변화에 따라서 조절될 수 있다.
상기 트리플상 액정셀은 예를 들어 하기 수식 A를 만족할 수 있다.
[수식 A]
20 ≤ H1/H2
수식 A에서 H1은 30 Hz의 주파수 및 60 V의 전압이 인가된 상태에서의 상기 트리플상 액정셀의 헤이즈이고, H2는 전압 미인가 상태 또는 100 Hz의 주파수 및 10 V의 전압이 인가된 상태에서의 상기 트리플상 액정셀의 헤이즈이다.
상기 수식 A에서 H1/H2는 상기 제 3 상태에서 발현되는 상기 액정셀의 헤이즈(H1)와 상기 제 1 또는 제 2 상태에서 발현되는 상기 액정셀의 헤이즈(H2)의 비율일 수 있다. 본 출원에서는 액정층의 전도도를 상기 범위로 조절함으로써 상기 수식 A와 같은 범위의 헤이즈 차이를 구현할 수 있다. 상기 수식 A에서 H1/H2는, 다른 예시에서 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 또는 90 이상일 수 있다. 수식 A에서 H1/H2는 다른 예시에서 100 이하 또는 98 이하 또는 96 이하일 수 있다.
상기 트리플상 액정셀은 예를 들어 하기 수식 B를 만족할 수 있다.
[수식 B]
5 ≤ T1/T2
수식 B에서 T1은 전압 미인가 상태 또는 100 Hz의 주파수 및 10 V의 전압이 인가된 상태에서의 상기 트리플상 액정셀의 직진광 투과율이고, T2는 30 Hz의 주파수 및 60 V의 전압이 인가된 상태에서의 상기 트리플상 액정셀의 헤이즈이다.
상기 수식 B에서 T1은 상기 제 1 상태에서의 직진광 투과도일 수 있고, T2는 상기 제 2 또는 제 3 상태에서의 직진광 투과도일 수 있다. 본 출원에서는 액정층의 전도도를 상기 범위로 조절함으로써 상기 수식 B와 같은 범위의 직진광 투과도의 차이를 구현할 수 있다. 상기 수식 B에서 T1/T2는, 다른 예시에서 10 이상, 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 또는 90 이상일 수 있다. 수식 B에서 T1/T2는 다른 예시에서 100 이하 또는 98 이하 또는 96 이하일 수 있다.
상기 액정층은 액정 화합물을 포함할 수 있다. 액정 화합물로는, 특별한 제한 없이 용도에 따라 적합한 종류를 선택할 수 있다. 하나의 예시에서 액정 화합물로는 네마틱 액정 화합물을 사용할 수 있다. 상기 액정 화합물은, 비반응성 액정 화합물일 수 있다. 용어 비반응성 액정 화합물은, 중합성기를 가지지 않는 액정 화합물을 의미할 수 있다. 상기에서 중합성기로는, 아크릴로일기, 아크릴로일옥시기, 메타크릴로일기, 메타크릴로일옥시기, 카복실기, 히드록시기, 비닐기, 에폭시기 등이 예시될 수 있으나, 이에 제한되지 않고, 중합성기로서 알려진 공지의 관능기가 포함될 수 있다.
액정층에 포함되는 액정 화합물은 음의 유전율 이방성을 가질 수 있다. 본 출원에서 용어「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. 액정 화합물의 유전율 이방성은 예를 들어 ±40 이내, ±30 이내, ±10 이내, ±7 이내, ±5 이내 또는 ±3 이내의 범위 내일 수 있다. 액정 화합물의 유전율 이방성을 상기 범위로 조절하면 액정 소자의 구동 효율 측면에서 유리할 수 있다.
액정층 내에 존재하는 액정 화합물의 굴절률 이방성은 목적 물성, 예를 들어, 액정 소자의 헤이즈 특성을 고려하여 적절히 선택될 수 있다. 용어 「굴절률 이방성」은 액정 화합물의 이상 굴절률(extraordinary refractive index)과 정상 굴절률(ordinary refractive index)의 차이를 의미할 수 있다. 액정 화합물의 굴절률 이방성은 예를 들어 0.1 이상, 0.12 이상 또는 0.15 이상 내지 0.23 이하 0.25 이하 또는 0.3 이하의 범위 내에 있을 수 있다. 액정 화합물의 굴절률 이방성이 상기 범위를 만족하는 경우, 예를 들면, 헤이즈 특성이 우수한 광 변조 소자를 구현할 수 있다.
액정층은 동적 산란(dynamic scattering)을 유발하기 위한 첨가제를 더 포함할 수 있다. 상기 첨가제는 액정층의 전도도를 조정함으로써, 상기 제 1 상태 내지 제 3 상태 사이의 스위칭을 가능하게 할 수 있다.
액정층의 전도도를 조절할 수 있는 상기 성분들은 공지이며, 예를 들면, 상기 이온 불순물로는 TEMPO(2,2,6,6-Tetramethylpiperidine-1-Oxyl Free radical) 등이 있고, 이온성 액체로는 BMIN-BF4([1-butyl-3-methylimideazolium]BF4) 등이 있으며, 염으로는, CTAB(Cetrimonium bromide), CTAI(Cetrimonium Iodide) 또는 CTAI3(Cetrimonium triiodide) 등이 있고, 반응성 모노머로는 액정과 혼합성이 좋은 메소겐(mesogen) 작용기를 가가지는 반응성 메소겐(Reactive mesogen) 등을 사용할 수 있으며, 개시제로는 예를 들어 TPO(2,4,6-Trimethylbenzoyl-diphenyl-phosphineoxide) 등을 사용할 수 있고, 이방성 염료로는 예를 들어 아조(azo) 계열의 염료, 예를 들어 BASF사의 X12 등을 사용할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 액정 층 내에서 상기 화합물의 비율은 목적하는 전도도와 액정 화합물의 배향성 등을 고려하여 적절하게 선택될 수 있다.
하나의 예시에서 상기 액정층은, 전술한 전도도를 효과적으로 확보하면서도 액정에 대한 용해도(solubility)가 우수하고, 분산 특성의 차이를 줄이면서 우수한 물성의 액정층을 형성하기 위하여 상기 전도도 조절을 위한 첨가제로서 반응성 메소겐을 포함할 수 있다. 용어 반응성 메소겐은 중합성 관능기를 하나 이상 가지는 액정 화합물을 의미할 수 있다. 예를 들면, 상기 비반응성 액정 화합물에 전도도 조절제로서 반응성 메소겐을 혼합하게 되면, 전술한 전도도를 효과적으로 달성하면서 액정층의 물성도 안정적으로 유지할 수 있다. 반응성 메소겐은, 상기 액정층 내에서 비반응된 상태, 즉 중합이 이루어지지 않은 상태로 존재할 수 있으며, 필요한 경우에는 적어도 일부는 중합되어 있을 수도 있다.
본 출원에서 사용할 수 있는 반응성 메소겐으로는, 1개 내지 6개, 1개 내지 5개, 1개 내지 4개 또는 1개 내지 3개의 방향족 고리 구조 또는 지방족 고리 구조를 포함하는 메소겐 코어에 중합성 관능기가 연결되어 있는 반응성 메소겐을 사용할 수 있다. 상기에서 방향족 또는 지방족 고리 구조가 2개 이상인 경우에 상기 2개 이상의 고리 구조는 서로 직접 연결되거나, 혹은 링커에 의해 연결되어 메소겐 코어를 구성할 수 있다. 상기에서 링커로는, 탄소수 1 내지 10, 탄소수 1 내지 8 또는 탄소수 1 내지 6의 알킬렌기, 에스테르기(-C(=O)-O- 또는 -O-C(=O)-), 에테르기, 탄소수 2 내지 10, 탄소수 2 내지 8 또는 탄소수 2 내지 6의 알케닐렌기, 탄소수 1 내지 10, 탄소수 1 내지 8 또는 탄소수 1 내지 6의 옥시알키렌기(-O-알킬렌기-, -알킬렌기-O- 또는 알킬렌기-O-알킬렌기-) 등이 예시될 수 있다. 상기에서 방향족 고리 구조로는, 탄소수 6 내지 20, 탄소수 6 내지 16 또는 탄소수 6 내지 12의 방향족 고리 구조를 예시할 수 있고, 예를 들면, 벤젠 구조일 수 있다. 또한, 상기에서 지방족 고리 구조로는, 탄소수 6 내지 20, 탄소수 6 내지 16 또는 탄소수 6 내지 12의 지방족 고리 구조를 예시할 수 있고, 예를 들면, 사이클로헥산 구조일 수 있다. 한편 상기 반응성 메소겐은, 1개 내지 10개, 1개 내지 8개, 1개 내지 6개, 1개 내지 4개 또는 1개 또는 2개의 중합성기를 포함할 수 있다. 이러한 중합성기는 상기 메소겐 코어에 연결되어 있을 수 있다. 이 중합성기는 직접 상기 메소겐 코어에 연결되어 있거나, 혹은 적절한 스페이서에 의해 연결되어 있을 수 있는데, 상기에서 스페이서로는 상기 링커와 동일한 종류가 예시될 수 있다. 또한, 상기 중합성 관능기로는, 아크릴로일기, 아크릴로일옥시기, 메타크릴로일기, 메타크릴로일옥시기, 카복실기, 히드록시기, 비닐기, 에폭시기 등이 예시될 수 있지만, 이에 제한되는 것은 아니다.
본 출원에서 반응성 메소겐의 액정층 내에서의 비율은 상기 전도도를 달성할 수 있는 범위 내에서 조절될 수 있다. 예를 들면, 상기 반응성 메소겐은, 상기 비반응성 액정 화합물 100 중량부 대비 1 내지 30 중량부의 비율로 포함될 수 있다. 상기 비율은 다른 예시에서 5 중량부 이상일 수 있고, 25 중량부 이하, 20 중량부 이하 또는 15 중량부 이하일 수 있다.
액정층은 이온성 화합물, 예를 들면, 전술한 이온성 액체나 염 등을 가급적 포함하지 않을 수 있다. 이러한 이온성 화합물은, 액정층의 전도도를 조절하기 위한 첨가제로서 널리 알려져 있는 것이나, 본 발명자들은 이러한 화합물은, 액정 화합물에 대한 용해도가 좋지 않아서 액정층의 물성을 악화시키는 것을 확인하였다. 따라서, 상기 액정층 내에서의 이온성 화합물의 비율은 2 중량% 이하, 1.5 중량% 이하, 1 중량% 이하 또는 약 0.7 중량% 이하일 수 있다. 상기 이온성 화합물은, 임의 성분이기 때문에 상기 비율의 하한은 0 중량%이다.
액정층은 이방성 염료를 추가로 포함할 수 있다. 이방성 염료는, 예를 들면, 액정셀의 차광율을 개선하여 투과도 가변에 기여할 수 있다. 본 출원에서 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, 소위 호스트 게스트(host guest) 효과에 의해 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, 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, 2.5 중량% 이하 2 중량% 이하 또는 1.5 중량% 이하의 비율로 있다. 액정층 내에서 이방성 염료의 적절한 용해도를 확보하기 위해, 이방성 염료의 함량은 상기 범위 내로 조절될 수 있다.
액정층은 폴리머 네트워크를 추가로 포함할 수 있다. 폴리머 네트워크는, 예를 들어 액정층 내부에 갭(gap)을 유지해주는 스페이서(Spacer) 역할을 할 수 있다. 폴리머 네트워크는, 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 있고, 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, 액정 소자의 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.
상기 트리플상 액정셀은 2개의 기판을 추가로 포함하고, 액정층은 상기 2개의 기판의 사이에 존재할 수 있다. 이때, 제 1 배향막과 제 2 배향막은 상기 기판의 액정층 측면에 형성되어 있을 수 있다. 도 2에 예시적으로 나타낸 바와 같이 상기 액정셀에서 제 1 기판(201)과 제 2 기판(202)은 서로 대향 배치되어 있고, 상기 액정층(100)은 상기 대향 배치된 2개의 기판(201, 202) 사이에 존재할 수 있다.
상기 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 무기 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.
상기 액정셀은, 전극층을 추가로 포함할 수 있다. 도 2에 예시적으로 나타낸 바와 같이, 제 1 전극층(301)은 제 1 기판(201)의 액정층(100) 측면에 존재할 수 있고, 제 2 전극층(302)는 제 2 기판(202)의 액정층(100) 측면에 존재할 수 있다. 이때, 제 1 배향막(401)은 제 1 전극층(301)의 액정층(100) 측면에 존재할 수 있고, 제 2 배향막(402)은 제 2 전극층(302)의 액정층(100) 측면에 존재할 수 있다. 이러한 전극층은 액정층 내의 액정 화합물의 정렬 상태를 전환할 수 있도록 액정층에 전계를 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. 필요한 경우에, 기판의 표면에 형성되는 전극층은, 적절하게 패턴화되어 있을 수도 있다.
상기 배향막은 액정 배향성을 가질 수 있다. 본 출원에서 용어 「액정 배향성」은 인접하는 액정 화합물의 배향에 영향을 미칠 수 있는, 예를 들어 인접하는 액정 화합물을 소정 방향으로 정렬시킬 수 있는 배향능을 의미할 수 있다.
액정층은 제 1 배향막과 제 2 배향막의 사이에 존재함으로써 초기 상태뿐만 아니라, 제 2 상태에서 적절한 배향 상태를 유지할 수 있다. 전술한 바와 같이, 상기 제 1 배향막과 제 2 배향막은 각각 수직 배향막일 수 있다. 본 명세서에서 「수직 배향막」은 액정 화합물을 수직 방향으로 배향시킬 수 있는 배향능을 가진 배향막을 의미할 수 있고, 본 명세서에서 「수평 배향막」은 액정 화합물을 수평 방향으로 배향시킬 수 있는 배향능을 가진 배향막을 의미할 수 있다.
배향막의 액정 배향성은 프리틸트(pretilt)로 규정될 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.
배향막의 수직 배향성 또는 수평 배향성은 프리틸트 각도로 규정될 수 있다. 상기 프리틸트 각도는 액정 화합물의 광축이 배향막과 수평한 면에 대하여 이루는 각도를 의미할 수 있다. 하나의 예시에서, 수직 배향막은 프리틸트 각도가 약 70도 내지 90도, 75도 내지 90도, 80도 내지 90도 또는 85도 내지 90도일 수 있다. 하나의 예시에서, 수평 배향막의 프리틸트 각도는 약 0도 내지 20도, 0도 내지 15도, 0도 내지 10도 또는 0도 내지 5도일 수 있다.
배향막의 일축 배향성은 프리틸트 방향으로 규정될 수 있다. 따라서, 본 명세서에서 배향막의 일축 배향의 방향은 프리틸트 방향과 동일한 의미로 사용될 수 있다. 프리틸트 방향은 액정 화합물의 광축이 배향막의 수평한 면에 사영된 방향을 의미할 수 있다. 상기 프리틸트 방향은 상기 사영된 방향과 액정층의 가로축(WA)이 이루는 각도일 수 있다. 본 명세서에서 상기 액정층의 가로축(WA)은 액정층의 장축 방향과 평행한 방향 또는 광 변조 소자가 아이웨어 또는 TV 등의 디스플레이 장치에 적용되었을 때에 그 아이웨어를 착용한 관찰자 또는 디스플레이 장치를 관찰하는 관찰자의 양 눈을 연결하는 선과 평행한 방향을 의미할 수 있다.
상기 배향막이 일축 배향성을 갖도록 하는 방법은 특별히 제한되지 않공지이다. 상기 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 것으로 공지된 배향막을 사용할 수 있다. 상기 배향막의 재료로는 예를 들어 폴리아미드, 폴리이미드, 폴리비닐알코올, 폴리아믹산, 폴리 신나메이트 등을 예시할 수 있다.
러빙 배향막 또는 광 배향막의 프리틸트 방향 및 각도를 조절하는 것은 공지이다. 러빙 배향막인 경우 프리틸트 방향은 러빙 방향과 평행할 수 있고, 프리틸트 각도는 러빙 조건 예를 들어 러빙 시의 압력 조건, 러빙 세기 등을 제어하여 달성할 수 있다. 광 배향막인 경우 프리틸트 방향은 조사되는 편광의 방향 등에 의해 조절될 수 있고, 프리틸트 각도는 광의 조사 각도, 광의 조사 세기 등에 의해 조절될 수 있다. 따라서, 상기 일축 배향성을 갖는 배향막은 일축 방향으로 러빙 배향 처리 되거나 또는 일축 방향으로 광 배향 처리되어 있을 수 있다.
배향막의 프리틸트 방향은 액정셀의 배향막 형성 과정에서는 상기 러빙 방향이나 편광의 방향에 의해 알 수 있다. 제조가 완성된 액정셀에서, 프리틸트 방향은, 액정셀을 수평 배향시킨 상태에서 액정셀의 일면에 흡수형 선형 편광자를 배치하고, 상기 편광자를 360도 회전시키면서 투과율을 측정함으로써 확인할 수 있다. 예를 들면, 상기 편광자를 360도 회전시키는 과정에서 투과율이 최소가 될 때에 상기 편광자의 흡수축과 수직을 이루는 각도 또는 수평을 이루는 각도를 프리틸트 방향으로 규정할 수 있다.
전술한 바와 같이, 상기 편광자에 더 가까이 배치되는 제 1 배향막은 일축 배향성을 가질 수 있다. 즉, 일 방향의 프리틸트 방향을 가질 수 있다. 이를 통해, 제 2 상태에서 일축 배향된 상태의 액정층을 투과한 광이 편광자에 입사하면서, 상기 편광자에 의한 광 흡수로 인해, 광변조 소자 전체 투과 광을 감소시킬 수 있다.
하나의 예시에서, 상기 제 2 배향막, 즉 편광자에 대하여 더 멀리 배치된 배향막은 일축 배향성을 갖지 않을 수 있다. 다른 하나의 예시에서, 상기 제 2 배향막, 즉 편광자에 대하여 더 멀리 배치된 배향막은 일축 배향성을 가질 수 있다. 배향막이 일축 배향성을 갖지 않는다는 것은 랜덤 배향성을 갖는 것을 의미할 수 있다. 즉, 상기 액정셀에 제 2 상태를 구현하기 위한 전압을 인가할 때, 액정 화합물이 눕는 방향이 어느 하나의 방향으로 일치하지 않을 수 있다. 이와 같이, 편광자에 대하여 더 멀리 배치된 제 2 배향막이 일축 배향성을 갖는 것과 무관하게 상기 액정셀에서 편광자에 더 가깝게 배치된 제 1 배향막만이 일축 배향성을 갖도록 하는 경우에도 본 출원의 효과를 얻을 수 있다.
하나의 예시에서, 제 1 배향막과 제 2 배향막이 모두 일축 배향성을 갖는 경우에, 제 1 배향막의 일축 배향의 방향과 재 2 배향막의 일축 배향의 방향은 서로 평행할 수 있다. 제 1 배향막과 제 2 배향막의 프리틸트 방향이 서로 평행인 경우, 제 1 배향막과 제 2 배향막의 프리틸트 방향은 서로 역평행(anti-parallel)일 수 있는데, 예를 들어, 프리틸트 방향이 서로 170도 내지 190도, 175도 내지 185도 또는 바람직하게 180도를 이룰 수 있다. 이러한 역평행 구조는 액정셀의 구동 시에 리버스 틸트 도메인의 발생을 감소시킨다는 측면에서 유리할 수 있다.
상기 트리플상 액정셀은 전술한 구성 외에도 필요한 경우 공지의 임의의 구성을 추가로 포함할 수 있다.
상기 트리플상 액정셀은 인가 주파수 및/또는 인가 전압에 따라서 전술한 제 1 내지 제 3 상태 중에서 어느 한 상태를 구현할 수 있고, 상기 주파수 및/또는 전압의 변화 또는 제거 등에 의하여 다른 상태로 스위칭될 수 있다.
하나의 예시에서, 상기 트리플상 액정셀의 액정층은 제 1 상태에서 수직 배향 상태로 존재할 수 있다. 수직 배향 상태는 내부의 액정 화합물들이 실질적으로 수직 배향되어 있는 상태로서 전술한 면상 및 두께 방향 위상차(Rin, Rth)를 가지는 상태일 수 있다.
하나의 예시에서, 상기 트리플상 액정셀의 액정층은 제 2 상태에서 일축 배향된 상태로 존재할 수 있다. 상기 일축 배향된 상태는, 상기 수직 배향막의 일축 배향성에 따라 일축 배향된 상태이다. 상기 일축 배향된 상태는 실질적으로 수평 배향된 상태를 의미할 수 있다. 상기에서 수평 배향 상태는 내부의 액정 화합물들이 실질적으로 수평 배향되어 있는 상태로서 전술한 면상 및 두께 방향 위상차(Rin, Rth)를 가지는 상태일 수 있다.
상기 트리플상 액정셀은 낮은 전압 또는 높은 주파수에서, 예를 들어, 제 2 상태에서는 스테틱 구동을 하고, 전압이 높아지거나 주파수가 낮아지면, 예를 들어, 제 3 상태에서는 다이나믹 구동을 할 수 있다. 일축 배향성을 갖는 배향막이 적용된 트리플상 액정셀은, 스테틱 구동을 하는 낮은 전압 또는 높은 주파수에서는 액정 화합물이 상기 배향막의 일축 배향성에 따라 일축 배향되며, 다이나믹 구동을 하는 높은 전압 또는 낮은 주파수에서 불규칙한 배향 상태로 전환되며, 상기 일축 배향성이 기능을 하지 않는다.
상기 트리플상 액정셀은 상기 제 2 상태에서 액정층의 일축 배향과 편광자의 광 흡수에 의하여 낮은 헤이즈를 유지하면서 전체 투과율을 낮출 수 있다.
하나의 예시에서, 상기 트리플 액정셀의 제 2 상태의 액정층의 일축 배향의 방향은 상기 편광자의 광 흡수축과 80도 내지 100도 또는 85도 내지 95도를 이룰 수 있다. 이러한 범위 내에서, 상기 트리플 액정셀의 제 2 상태를 투과한 광이 상기 편광자에 의해 효과적으로 흡수될 수 있으므로 전체 투과광을 감소시킬 수 있다.
하나의 예시에서, 상기 트리플상 액정셀의 액정층은 제 3 상태에서 전기 수력학적 불안정 상태(EHDI, electrohydrodynamic instability)일 수 있다. 상기 상태에서 액정 화합물은 일정한 규칙성이 없이 랜덤 배향되어 있을 수 있고, 이에 따라 높은 헤이즈가 유도될 수 있다. 상기 트리플상 액정셀은 제 3 상태의 구현을 위한 외부 에너지 인가 시 동적 산란(Dynamic Scattering) 방식에 의해 헤이즈 모드를 구현할 수 있다. 동적 산란 방식은 액정셀에 전계를 인가하는 경우 전류의 흐름에 의해 난류(Turbulent Flow)를 발생시켜 액정 화합물의 불규칙적인 배열 상태에 의해 산란 광을 생성하는 방식을 의미할 수 있다.
본 명세서에서 편광자는 입사 광에 대하여 선택적 투과 및 흡수 특성을 나타내는 소자를 의미한다. 편광자는 예를 들어, 여러 방향으로 진동하는 입사 광으로부터 어느 한쪽 방향으로 진동하는 광은 투과하고, 나머지 방향으로 진동하는 광은 흡수할 수 있다.
상기 편광자는 선편광자일 수 있다. 본 명세서에서 선편광자는 선택적으로 투과하는 광이 어느 하나의 방향으로 진동하는 선편광이고 선택적으로 흡수하는 광이 상기 선편광의 진동 방향과 직교하는 방향으로 진동하는 선편광인 경우를 의미한다. 따라서, 상기 선 편광자는 일 방향의 흡수축과 상기 일 방향과 직교하는 방향의 투과축을 가질 수 있다.
상기 편광자는 요오드 또는 이방성 염료를 일축 배향된 상태로 포함할 수 있다. 하나의 예시에서, 상기 일축 배향된 상태는, 일 방향으로 수평 배향된 상태를 의미할 수 있다. 하나의 예시에서, 상기 편광자는 요오드 또는 이방성 염료를 일축 배향이 고정된 상태로 포함할 수 있다. 본 명세서에서 일축 배향이 고정되어 있다는 것은 편광자에 외부 에너지의 인가 유무에 관계 없이 그 일축 배향을 유지하는 것을 의미할 수 있다. 이러한 편광자의 예로는 예를 들어, 요오드를 염착한 고분자 연신 필름을 예시할 수 있다. 상기 고분자 연신 필름으로는 예를 들어 PVA계 연신 필름을 사용할 수 있으나, 이제 제한되는 것은 아니다. 이러한 편광자의 다른 예로는 배향된 상태로 중합된 액정을 호스트로 하고, 상기 액정의 배향에 따라 배열된 이방성 염료를 게스트로 하는 게스트-호스트형 필름을 들 수 있다.
다른 하나의 예시에서, 상기 편광자는 이방성 염료를 일축 배향 상태와 상기 일축 배향과 상이한 다른 배향 상태의 사이를 스위칭할 수 있도록 포함할 수 있다. 상기 배향 상태의 스위칭은 외부 에너지의 인가에 의해 가능하다. 이러한 편광자의 예로는 호스트 액정과 게스트 이방성 염료를 포함하는 액정층(GHLC 층으로 호칭할 수 있다.)을 포함하는 게스트호스트 액정셀(GHLC 셀)일수 있다. 상기 호스트 액정은 중합되지 않은 상태로 GHLC 셀 내에 포함될 수 있다.
본 명세서에서 용어 「GHLC셀」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.
GHLC셀은 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 GHLC셀은 액정 및 이방성 염료의 배열을 조절함으로써 상기 이방성 염료의 배열 방향과 평행한 방향의 편광 및 수직한 방향의 편광에 대한 비등방성 광 흡수를 조절할 수 있다. 액정 및 이방성 염료의 배열은 자기장 또는 전기장과 같은 외부 작용의 인가에 의하여 조절될 수 있으므로, GHLC층은 외부 작용 인가에 따라 비등방성 광 흡수를 조절할 수 있다.
상기 GHLC층의 두께는, 약 0.01㎛ 이상, 0.05㎛ 이상, 0.1㎛ 이상, 0.5㎛ 이상, 1㎛ 이상, 1.5㎛ 이상, 2㎛ 이상, 2.5㎛ 이상, 3㎛ 이상, 3.5㎛ 이상, 4㎛ 이상, 4.5㎛ 이상, 5㎛ 이상, 5.5㎛ 이상, 6㎛ 이상, 6.5㎛ 이상, 7㎛ 이상, 7.5㎛ 이상, 8㎛ 이상, 8.5㎛ 이상, 9㎛ 이상 또는 9.5㎛ 이상일 수 있다. 이와 같이 두께를 제어함으로써, 투과 상태에서의 투과율과 치딘 상태에서의 투과율의 차이가 큰 필름, 즉 콘트라스트 비율이 큰 광 변조 소자를 구현할 수 있다. 상기 두께는 두꺼울수록 높은 콘트라스트 비율의 구현이 가능하여 특별히 제한되는 것은 아니지만, 일반적으로 약 30㎛ 이하, 25㎛ 이하, 20㎛ 이하 또는 15㎛ 이하일 수 있다.
상기 GHLC층의 이방성 염료의 함량은 본 출원의 목적을 고려하여 적절히 선택될 수 있다. 예를 들어, 상기 GHLC층의 이방성 염료의 함량은 0.1 중량% 이상 내지 10 중량% 이하일 수 있다. 상기 이방성 염료의 비율은 목적하는 투과율 등을 고려하여 변경할 수 있다.
상기 GHLC층에 포함되는 액정으로는 전압 인가에 따라 배열 상태를 스위칭할 수 있는 액정을 적절히 선택하여 사용할 수 있다. 상기 액정으로는 예를 들어 네마틱 액정 화합물을 사용할 수 있다. 본 명세서에서 네마틱 액정 화합물은 막대 모양의 액정 분자가 위치에 대한 규칙성은 없으나 액정 분자의 장축 방향으로 평행하게 배열되어 있는 액정을 의미할 수 있다. 하나의 예시에서, 상기 GHLC층에 포함되는 액정은 중합성기를 갖지 않는 비반응성 액정 화합물일 수 있다.
상기 GHLC층에 포함되는 이방성 염료로는, 상기 트리플상 액정셀에서 기술한 이방성 염료에 대한 내용이 동일하게 적용될 수 있다. 상기 GHLC 층은 GHLC셀의 구동 모드에 따라 다른 첨가제를 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 트위스트 배향 상태가 필요한 경우 상기 네마틱 액정 화합물에 키랄제를 더 포함할 수도 있다.
GHLC셀은 제 1 기판과 제 2 기판을 더 포함할 수 있다. 상기 GHLC층은 상기 제 1 기판과 제 2 기판의 사이에 배치될 수 있다. 상기 제 1 기판과 제 2 기판으로는, 상기 트리플상 액정셀에서 기술한 기판들이 사용될 수 있다.
GHLC셀은 제 1 전극층과 제 2 전극층을 더 포함할 수 있다. 상기 제 1 전극층은 제 1 기판의 GHLC층 측면에 존재할 수 있고, 제 2 전극층은 제 2 기판의 GHLC층 측면에 존재할 수 있다. 상기 제 1 전극층과 제 2 전극층으로는, 상기 트리플상 액정셀에서 기술한 전극층들이 사용될 수 있다.
GHLC 셀은 제 1 배향막과 제 2 배향막을 더 포함할 수 있다. 이때, 제 1 배향막은 제 1 전극층의 GHLC층 측면에 존재할 수 있고, 제 2 배향막은 제 2 전극층의 GHLC층 측면에 존재할 수 있다. 상기 제 1 배향막과 제 2 배향으로는 수직 배향막 또는 수평 배향막을 사용할 수 있다.
제 1 배향막 및 제 2 배향막으로는 수직 배향막 또는 수평 배향막이 적용될 수 있다. 상기 GHLC셀은 일축 배향, 구체적으로, 수평 방향으로 일축 배향된 어느 하나의 상태를 가질 수 있는 액정셀 모드를 구현할 수 있도록 적절한 배향막이 적용될 수 있다. 상기 GHLC셀의 구동 모드로는 예를 들어, VA 모드, ECB 모드, STN 모드, reverse STN 모드 등을 예시할 수 있다.
하나의 예시에서, 초기 상태에서 일축 배향 상태를 나타내는 GHLC셀을 구현하기 위해서는, 예를 들어, ECB 모드 또는 STN 모드를 구현하기 위해서는, 상기 제 1 배향막 및 제 2 배향막으로 수평 배향막을 사용할 수 있다. 이때 호스트 액정 화합물은 양의 유전율 이방성을 갖는 액정 화합물을 사용할 수 있다. 다른 하나의 예시에서, 전압이 인가된 상태에서 일축 배향 상태를 나타내는 GHLC셀을 구현하기 위해서는 예를 들어, VA 모드 또는 reverse STN 모드를 구현하기 위해서는, 제 1 배향막 및 제 2 배향막으로 수직 배향막을 사용할 수 있다. 이때 호스트 액정 화합물은 음의 유전율 이방성을 갖는 액정 화합물을 사용할 수 있다. 상기 제 1 배향막과 제 2 배향막의 프리틸트 방향은 서로 평행할 수 있고, 구체적으로 역평행할 수 있다.
하나의 예시에서, 상기 트리플상 액정셀과 편광자는 접착제 또는 점착제를 매개로 부착되어 있을 수 있다. 상기 접착제 또는 점착제로는 광학 소자를 부착하는 데 사용되는 공지의 투명 접착제를 사용할 수 있고, 예를 들어, OCA(Optically clear adhesive) 또는 OCR(Optically clear adhesive)를 사용할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 점착제 또는 접착제로는 아크릴계, 실리콘계, 에폭시계 점착제 또는 접착제를 사용할 수 있으나, 이제 제한되는 것은 아니다.
다른 하나의 예시에서, 상기 트리플상 액정셀과 편광자는 직접 접하고 있을 수 있다. 예를 들어 편광자가 코팅에 의해 형성할 수 있는 코팅 타입 편광자인 경우, 상기 트리플상 액정셀의 기판의 배면에 직접 코팅함으로써 편광자를 형성할 수 있다. 상기 코팅 타입에 의한 편광자는 예를 들어, 호스트 액정과 게스트 이방성 염료를 포함하는 하는 게스트-호스트형 필름 또는 액정셀을 들 수 있다.
본 출원은 또한, 상기 광변조 소자의 용도에 관한 것이다. 상기 광변조 소자는 광변조 기능이 요구되는 다양한 용도에 적용될 수 있으며, 예를 들면, 차량용 윈도우, 스마트 윈도우, 윈도우 보호막, 디스플레이 장치, 디스플레이용 차광판, 3D 영상 표시용 액티브 리타더(active retarder) 또는 시야각 조절 필름 등과 같은 용도에 적용될 수 있다.
본 출원의 광변조 소자에 관한 것이다. 본 출원의 광 변조 소자는 투과율과 헤이즈가 서로 상이한 제 1 내지 제 3 상태, 예를 들어, 화이트 투명, 다크 투명 및 다크 헤이즈 상태의 사이를 스위칭할 수 있고, 특히 다크 투명 상태에서 충분한 차단율을 얻을 수 있다. 이러한 광변조 소자는 차량용 윈도우, 스마트 윈도우, 윈도우 보호막, 디스플레이 장치, 디스플레이용 차광판, 3D 영상 표시용 액티브 리타더(active retarder) 또는 시야각 조절 필름 등과 같은 용도에 적용될 수 있다.
도 1은 본 출원의 광변조 소자를 예시적으로 나타낸다.
도 2는 본 출원의 광변조 소자를 예시적으로 나타낸다.
이하, 본 출원에 따른 실시예 및 본 출원에 따르지 않는 비교예를 통하여 본 출원을 구체적으로 설명하지만, 본 출원의 범위가 하기 제시된 실시예에 의해 제한되는 것은 아니다.
1. 헤이즈 및 투과율 측정
액정셀 내지 광변조 소자에 대하여 헤이즈미터, NDH-5000SP를 이용하여, ASTM D1003 규격에 따라 헤이즈 및 투과율을 측정하였다. 즉, 광을 측정 대상을 투과시켜 적분구 내로 입사시키며, 이 과정에서 광은 측정 대상에 의하여 확산광(DT, 확산되어 출광된 모든 광의 합을 의미)과 직진광(PT, 확산광을 배제한 정면 방향의 출광을 의미)으로 분리되는데, 이 광들은 적분구 내에서 수광 소자에 집광되고, 집광되는 광을 통해 상기 헤이즈의 측정이 가능하다. 즉, 상기 과정에 의한 전체 투과광(TT)은 상기 확산광(DT)과 직진광(PT)의 총합(DT+PT)이고, 헤이즈는 상기 전체 투과광에 대한 확산광의 백분율(Haze(%)=100XDT/TT)로 규정될 수 있다. 또한, 하기 시험예에서 전체 투과율은 상기 전체 투과광(TT)을 의미하고, 직진 투과율은 상기 직진광(PT)를 의미한다.
제조예 1 트리플상 액정셀
PC(polycarbonate polymer) 필름 상에 ITO(Indium Tin Oxide)층이 형성된 필름 기재(Tejin사 제품)을 준비하였다. 상기 필름 기재의 ITO층 면에 수직 배향막(SE-5661, Nissan사 제품)을 바코팅으로 코팅 후 120℃ 온도에서 1시간 동안 소성하여, 300nm 두께의 배향막을 얻었다. 상기 배향막을 러빙포를 이용하여 일 방향으로 러빙 처리하여 제 1 기판을 준비하였다.
PC(polycarbonate polymer) 필름 상에 ITO(Indium Tin Oxide)층이 형성된 필름 기재(Tejin사 제품)의 ITO층 상에 높이가 10㎛이고, 직경이 15㎛인 컬럼 스페이서를 250㎛ 간격으로 배치하였다. 다음으로, 상기 필름 기재의 컬럼 스페이서가 형성된 ITO층 면에 수직 배향막(SE-5661, Nissan사 제품)을 바코팅으로 코팅 후 120℃ 온도에서 1시간 동안 소성하여, 300nm 두께의 배향막을 형성함으로써 제 2 기판을 준비하였다. 단, 제 2 기판의 배향막에는 러빙 처리를 수행하지 않았다.
액정 조성물은 굴절률 이방성이 0.153이고, 유전율 이방성이 -5.0인 호스트 액정((MAT-13-1422, Merck社), 이방성 염료(X12, BASF社) 및 반응성 메소겐((HCM009, HCCH社)을 호스트 액정:이방성 염료:반응성 메소겐= 90:2.6:10의 중량 비율로 혼합한 것을 사용하였다.
제 2 기판의 배향막 표면 위 테두리에 실란트를 실 디스펜서(seal dispenser)로 그렸다. 제 2 기판의 배향막 상에 상기 액정 조성물을 도포한 후, 제 1 기판을 라미네이션하여 액정셀을 제조하였다.
제조예 2 트리플상 액정셀
제 1 기판의 배향막과 제 2 기판의 배향막에 모두 러빙 처리를 수행한 것을 제외하고 제조예 1과 동일하게 액정셀을 제조하였다. 이때, 제 1 기판의 배향막의 러빙 방향과 제2기판의 배향막의 러빙 방향은 역평행(anti parallel)하도록 라미네이션하였다.
제조예 3 트리플상 액정셀
제 1 기판의 배향막과 제 2 기판의 배향막에 러빙 처리를 수행하지 않은 것을 제외하고는, 제조예 1과 동일하게 액정셀을 제조하였다.
제조예 4 GH 액정셀 (VA)
제 1 기판의 배향막과 제 2 기판의 배향막에 모두 러빙 처리를 수행하고, 액정 조성물로 다음의 GHLC 조성물을 사용한 것을 제외하고는 제조예 1과 동일하게 액정셀을 제조하였다. 이때, 제 1 기판의 배향막의 러빙 방향과 제 2 기판의 배향막의 러빙 방향은 역평행(anti parallel)하도록 라미네이션하였다. GHLC 조성물은 이방성(△n)이 0.13이고, 음의 유전율 이방성을 갖는 액정(MAT-16-568, Merck)과 이방성 염료(Merck)의 혼합물이다. 제조된 액정셀은, VA 모드 액정셀이다.
제조예 5 GH 액정셀 (reverse STN)
제 1 기판의 배향막과 제 2 기판의 배향막에 모두 러빙 처리를 수행하고, 액정 조성물로 다음의 GHLC 조성물을 사용한 것을 제외하고 제조예 1과 동일하게 액정셀을 제조하였다. 이때, 제 1 기판의 배향막의 러빙 방향과 제 2 기판의 배향막의 러빙 방향은 역평행(anti parallel)하도록 라미네이션하였다. GHLC 조성물로는 굴절률 이방성(△n)이 0.13이고, 음의 유전율 이방성을 갖는 액정(MAT-16-568, Merck) 및 이방성 염료(Merck)를 포함하는 조성물에 키랄 도펀트(S811, Merck사)를 0.8 wt%를 더 첨가한 것을 사용하였다. 제조된 액정셀은, 360도 reverse STN 모드 액정셀이다.
실시예 1
제조예 1의 액정셀과 편광자를 접착제를 매개로 부착하여 광변조 소자를 제조하였다. 상기 편광자는 요오드가 염착된 PVA계 연신 필름이며(LGC사 제품), 단체 투과율이 43%이다. 상기 접착제로는 OCA(LGC, V310)를 사용하였다. 또한, 제조예 1의 액정셀의 제 1 기판이 제 2 기판에 비해 편광자에 가깝게 배치되도록 부착하였다.
실시예 2
제조예 1의 액정셀 대신에, 제조예 2의 액정셀을 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 광변조 소자를 제조하였다.
실시예 3
편광자로 제조예 4의 GHLC셀을 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 광변조 소자를 제조하였다.
실시예 4
편광자로 제조예 5의 GHLC셀을 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 광변조 소자를 제조하였다.
비교예 1
제조예 1의 액정셀 대신에, 제조예 3의 액정셀을 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 광변조 소자를 제조하였다.
비교예 2
제조예 3의 액정셀과 제조예 4의 액정셀을 OCA(LGC, V310) 접착제를 매개로 부착하여 광변조 소자를 제조하였다.
비교예 3
제조예 3의 액정셀과 제조예 5의 액정셀을 OCA(LGC, V310) 접착제를 매개로 부착하여 광변조 소자를 제조하였다.
시험예 1.
제조예 1 내지 5의 액정셀에 대해 인가되는 전압 및 주파수에 따라, 실시예 1 내지 4 및 비교예 1 내지 3에 대하여 전체 투과율과 헤이즈를 측정하고, 그 결과를 표 1 내지 3에 나타내었다. 표 4는 제조에 1 내지 3의 액정셀에 인가되는 전압 및 주파수에 따른, 액정셀의 전체 투과율과 헤이즈 측정 결과이다. 표 5는 제조에 4 내지 5의 액정셀에 인가되는 전압 및 주파수에 따른, 액정셀의 전체 투과율과 헤이즈 측정 결과이다.
시험 결과, 표 1 내지 표 3에 기재한 바와 같이, 비교예는 다크 투명의 제 2 상태의 전체 투과율이 다크 헤이즈의 제 3 상태에 비해 전체 투과율에 비해 높으나, 실시예는 다크 투명의 제 2 상태의 전체 투과율이 다크 헤이즈의 제 3 상태에 비해 전체 투과율에 비해 더 낮은 것을 확인할 수 있다.
D/S 셀 Total Transmittance [%] Haze [%]
전압(V) 주파수(Hz) 실시예 1 실시예 2 비교예 1 실시예 1 실시예 2 비교예 1
제1상태 0 60 31.1 31.0 31.2 2.1 2.2 1.6
제2상태 5 60 8.1 8.9 16.6 3.6 3.3 2.8
60 1,000 6.3 6.7 16.1 3.7 3.5 3.1
제3상태 60 60 14.2 14.5 14.3 95.1 94.8 94.7
D/S 셀 VA & R-STN Total Transmittance [%]
전압(V) 주파수(Hz) 전압(V) 주파수(Hz) 실시예 3 실시예 4 비교예 2 비교예 3
제1상태 0 60 0 60 39.5 40.9 39.5 41.0
제2상태 5 60 15 60 5.7 5.1 10.6 7.1
60 1,000 15 60 3.4 3.9 10.2 7.2
제3상태 60 60 15 60 9.8 5.8 9.9 5.9
D/S 셀 VA & R-STN Haze [%]
전압(V) 주파수(Hz) 전압(V) 주파수(Hz) 실시예 3 실시예 4 비교예 2 비교예 3
제1상태 0 60 0 60 2.2 1.5 2.3 1.5
제2상태 5 60 15 60 4.1 3.3 3.4 3.0
60 1,000 15 60 4.3 3.3 3.9 3.6
제3상태 60 60 15 60 94.7 94.5 94.3 93.9
D/S 셀 Total Transmittance [%] Haze [%]
전압(V) 주파수(Hz) 제조예 1 제조예 2 제조예 1 제조예 1 제조예 2 제조예 1
제1상태 0 60 72.5 72.7 72.8 0.9 1.0 1.0
제2상태 5 60 45.4 46.5 46.0 1.3 1.3 2.0
60 1,000 40.8 40.9 40.9 1.0 1.1 1.2
제3상태 60 60 33.6 34.5 34.0 95.7 95.4 95.4
VA & R-STN Total Transmittance [%] Haze [%]
전압(V) 주파수(Hz) 제조예 4 제조예 5 제조예 4 제조예 5
제1상태 0 60 54.4 56.5 1.3 0.9
제2상태 15 60 29.6 17.7 1.5 1.2
15 60 29.6 17.7 1.5 1.2
제3상태 15 60 29.6 17.7 1.5 1.2
1000: 트리플상 액정셀 2000: 편광자 100: 액정층 201: 제 1 기판, 202: 제 2 기판, 301: 제 1 전극층, 302: 제 2 전극층, 401: 제 1 배향막, 402: 제 2 배향막

Claims (15)

  1. 전체 투과율과 헤이즈가 서로 상이한 제 1 내지 제 3 상태의 사이에서 스위칭되는 트리플상 액정셀 및 상기 트리플상 액정셀의 일면에 배치된 편광자를 포함하는 광변조 소자이고,
    상기 트리플상 액정셀은 액정층 및 상기 액정층의 양면에 각각 배치된 제 1 배향막과 제 2 배향막을 포함하며, 상기 제 1 배향막과 제 2 배향막은 각각 수직 배향막이고, 상기 제 1 배향막은 제 2 배향막에 비해 상기 편광자에 가깝게 배치되며 일축 배향성을 가지며,
    상기 트리플상 액정셀의 제 1 내지 제 3 상태에 따라, 상기 광변조 소자의 전체 투과율과 헤이즈는 하기 수식 1 및 2를 만족하는 광변조 소자:
    [수식 1]
    T1>T3≥T2
    [수식 2]
    H3> H1 및 H3>H2
    수식 1 및 2에서 T1과 H1은 각각 트리플상 액정셀의 제 1 상태에서의 광변조 소자의 전체 투과율과 헤이즈이고, T2과 H2는 각각 트리플상 액정셀의 제 2 상태에서의 광변조 소자의 전체 투과율과 헤이즈이며, T3과 H3은 각각 트리플상 액정셀의 제 3 상태에서의 광변조 소자의 전체 투과율과 헤이즈이다.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 트리플상 액정셀의 제 1 상태 내지 제 3 상태는 하기 전체 투과율과 헤이즈를 만족하는 광변조 소자:
    [수식 3]
    T1A > T2A 및 T1A > T3A
    [수식 4]
    H3A > H1A 및 H3A > H2A
    수식 3 및 4에서 T1A과 H1A은 각각 트리플상 액정셀의 제 1 상태에서의 전체 투과율과 헤이즈이고, T2A과 H2A는 각각 트리플상 액정셀의 제 2 상태에서의 전체 투과율과 헤이즈이며, T3A과 H3A은 각각 트리플상 액정셀의 제 3 상태에서의 전체 투과율과 헤이즈이다.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 트리플상 액정셀의 제 1 상태는 전압이 인가되지 않은 상태인 광변조 소자.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 트리플상 액정셀의 제 2 상태의 구현을 위한 인가 주파수(F1) 및 인가 전압(V1)과 제 3 상태의 구현을 위한 인가 주파수(F2) 및 인가 전압(V2)이 하기 조건 1 또는 조건 2를 만족하는 광변조 소자:
    [조건 1]
    F1 ≥ F2 및 V1 < V2
    [조건 2]
    F1 > F2 및 V1 ≤ V2.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 트리플상 액정셀의 액정층은 제 1 상태에서 수직 배향 상태로 존재하는 광변조 소자.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 트리플상 액정셀의 액정층은 제 2 상태에서 상기 제 1 배향막의 일축 배향성에 따라 일축 배향된 상태로 존재하는 광변조 소자.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 트리플상 액정셀의 제 2 상태의 일축 배향의 방향은 상기 편광자의 광 흡수축과 80도 내지 100도를 이루는 광변조 소자.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 배향막은 일축 방향으로 러빙 배향 처리 되거나 또는 일축 방향으로 광 배향 처리된 배향막인 광변조 소자.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 제 2 배향막은 일축 배향성을 갖지 않는 광변조 소자.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 제 2 배향막은 일축 배향성을 갖는 광변조 소자.
  11. 제 1 항에 있어서, 상기 트리플상 액정셀의 액정층은 제 3 상태에서 전기 수력학적 불안정 상태로 존재하는 광변조 소자.
  12. 제 1 항에 있어서, 상기 액정층은 비반응성 액정 화합물, 이방성 염료 및 반응성 메소겐을 포함하는 광변조 소자.
  13. 제 12 항에 있어서, 상기 비반응성 액정 화합물은 음의 유전율 이방성을 갖는 광변조 소자.
  14. 제 1 항에 있어서, 상기 편광자는 요오드 또는 이방성 염료를 일축 배향이 고정된 상태로 포함하는 광변조 소자.
  15. 제 1 항에 있어서, 상기 편광자는 이방성 염료를 일축 배향 상태와 상기 일축 배향과 상이한 다른 배향 상태의 사이를 스위칭할 수 있도록 포함하는 광변조 소자.
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