KR20210036302A - 광학 디바이스 - Google Patents

Abstract

본 출원은, 광학 디바이스, 그의 제조를 위한 액정 조성물 및 상기 광학 디바이스의 용도에 대한 것이다. 본 출원에서는 적어도 투과 모드와 산란 모드의 사이에서 효율적으로 스위칭되며, 내구성도 우수하여, 예를 들면, 각종 아이웨어, 차량용 윈도우, 스마트 윈도우, 윈도우 보호막, 디스플레이 장치, 디스플레이용 차광판, 3D 영상 표시용 액티브 리타더(active retarder) 또는 시야각 조절 필름 등과 같은 다양한 용도에 적용될 수 있는 광학 디바이스를 제공한다.

Description

광학 디바이스{Optical Device}

본 출원은, 광학 디바이스, 그 제조를 위한 액정 조성물 및 상기 광학 디바이스의 용도에 관한 것이다.

전압과 같은 외부 신호를 통해 광의 투과도나 산란 상태 등을 조절하는 광학 디바이스는, 각종 디스플레이 장치는 물론 OLED(Organic Light Emitting Diode)용 차광판 또는 차량용 및 스마트 윈도우 등의 다양한 차광 제품에도 적용될 수 있다.

광학 디바이스의 차광 또는 투광 상태는, 투명 화이트, 투명 블랙 또는 산란 상태 등으로 분류될 수 있고, 통상 광학 디바이스는 투명 화이트 및 투명 블랙 상태의 사이를 스위칭하거나, 투명 화이트 및 산란 상태의 사이를 스위칭한다.

본 출원은, 광학 디바이스, 그 제조를 위한 액정 조성물 및 상기 광학 디바이스의 용도를 제공한다.

본 명세서에서 언급하는 물성 중에서 측정 온도가 그 수치에 영향을 미치는 물성의 경우, 특별히 달리 규정하지 않는 한 해당 물성은 상온에서 측정한 물성이다. 용어 상온은 가온하거나 감온하지 않은 자연 그대로의 온도로서, 예를 들면, 약 10℃ 내지 30℃의 범위 내의 어느 한 온도, 약 23℃ 또는 약 25℃ 정도의 온도를 의미할 수 있다.

본 명세서에서 언급하는 물성 중에서 측정 압력이 그 수치에 영향을 미치는 물성의 경우, 특별히 달리 규정하지 않는 한 해당 물성은 상압에서 측정한 물성이다. 용어 상압은 가압 및 감압되지 않은 자연 그대로의 압력이고, 통상 대기압과 같은 1기압 정도를 의미한다.

본 명세서에서 언급하는 용어 수직 전도도 및 수직 유전율은 다음의 방식으로 측정한 값이다.

우선 일면에 ITO(Indium Tin Oxide) 전극층과 수평 배향막이 순차 형성된 유리 기판을 2개 준비하고, 상기 2개의 유리 기판을 수평 배향막이 서로 마주하도록 대향시키고, 그 사이에 측정 대상 액정 화합물(또는 액정 조성물)을 주입하여 테스트용 시편을 제조한다. 상기에서 ITO 전극층과 수평 배향막으로는 공지의 요소를 적용할 수 있다. 상기 액정 화합물 또는 액정 조성물의 주입은 주입되는 액정 화합물 또는 액정 조성물이 nematic phase 또는 isotropic phase가 되는 온도에서 수행될 수 있다.

상기 테스트용 시편에서 셀갭(cell gap)은 10μm 정도로 하고, 면적(2개의 유리 기판 사이의 액정층의 면적)은 가로 및 세로를 각각 2.7 cm로 한다. 이어서 LCR 미터를 사용하여 Cp(capacitance)값 및 G(conductance)값을 측정하고, 그 결과를 하기 수식 A 및 B에 대입하여 수직 유전율과 수직 전도도를 측정할 수 있다. 상기 Cp 및 G의 측정 시에는 입력 전압은 100 mV, 입력 주파수는 1kHz로 한다.

[수식 A]

Cp = ε×ε₀×A/d

[수식 B]

σ = G×d/A

수식 A 및 B에서 Cp는 LCR 미터로 측정된 capacitance이고, ε는 수직 유전율이며, ε₀는 진공 유전율(8.854×10^-23F/m)이고, A는 2.7×2.7cm²이며, d는 상기 셀갭(10 μm)이고, σ는 상기 수직 전도도이며, G는 LCR 미터로 측정한 conductance이다.

동일한 방식으로 유전율과 전도도를 측정하되, 상기 배향막을 수직 배향막으로 변경하면, 각각 수평 유전율과 수평 전도도의 측정이 가능하다. 이 경우에 수식 A의 ε는 수평 유전율이 되고, 수식 B의 σ는 수평 전도도가 된다.

본 출원은, 광학 디바이스에 대한 것이다. 본 출원의 광학 디바이스는, 적어도 투과 상태와 산란 상태의 사이를 스위칭할 수 있다. 본 출원의 광학 디바이스는, 적어도 상기 투과 상태 및 산란 상태의 사이를 스위칭할 수 있는 2상(Double state) 디바이스일 수 있으며, 필요하다면, 추가적인 상태도 구현할 수 있는 3상(Triple state)의 디바이스일 수도 있다.

본 출원에서 용어 투과 상태는, 광학 디바이스 또는 액정층의 직진광 투과율이 20% 이상인 상태일 수 있으며, 용어 산란 상태는, 광학 디바이스 또는 액정층의 헤이즈가 30% 이상인 상태를 의미할 수 있다.

상기 투과 상태에서 직진광 투과율은 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. 또한, 상기 직진광 투과율은, 100% 이하, 90% 이하, 80% 이하, 70% 이하, 60% 이하 또는 50% 이하 정도일 수 있다.

상기 투과 상태에서 광학 디바이스 또는 액정층은, 낮은 헤이즈를 나타낼 수 있으며, 예를 들면, 상기 투과 상태에서 헤이즈는 15% 이하, 10% 이하 또는 8% 이하 정도일 수 있다. 이 헤이즈는 다른 예시에서 0% 이상, 1% 이상, 2% 이상, 3% 이상, 4% 이상, 5% 이상 또는 6% 이상 정도일 수도 있다.

상기 산란 상태에서의 헤이즈는 다른 예시에서 35% 이상, 40% 이상, 45% 이상, 50% 이상, 55% 이상, 60% 이상, 65% 이상, 70% 이상, 75% 이상 또는 80% 이상일 수 있고, 이는 100% 이하, 95% 이하, 90% 이하 또는 85% 이하 정도일 수도 있다.

상기 산란 상태에서 광학 디바이스 또는 액정층은, 낮은 직진광 투과율을 나타낼 수 있으며, 예를 들면, 상기 산란 상태에서 직진광 투과율은 35% 이하, 30% 이하, 25% 이하, 20% 이하, 15% 이하, 10% 이하 또는 8% 이하 정도일 수 있다. 이 직진광 투과율은 다른 예시에서 0% 이상, 1% 이상, 2% 이상, 3% 이상, 4% 이상, 5% 이상, 6% 이상, 7% 이상, 8% 이상, 9% 이상 또는 10% 이상 정도일 수도 있다.

본 출원에서 투과율, 직진광 투과율 및 헤이즈은 ASTM D1003 규격에 따라서 측정한 수치이다.

본 출원의 광학 디바이스는 액정층을 포함한다. 용어 액정층은 적어도 액정 화합물을 포함하는 층을 의미할 수 있다.

상기 액정층은, 일 예시에서 네마틱 액정 화합물(Nematic Liquid Crystal Compound)과 스멕틱 액정 화합물(Smectic Liquid Crystal)을 포함할 수 있다. 상기에서 스멕틱 액정 화합물로는 인 함유 스멕틱 액정 화합물을 사용할 수 있다. 본 출원의 광학 디바이스에 포함되는 상기 액정 화합물들은 비반응성 액정 화합물일 수 있다. 용어 비반응성 액정 화합물은, 중합성기를 가지지 않는 액정 화합물 또는 중합성기를 가지는 경우에도 라디칼 개시제나 양이온 개시제 등과 같이 상기 중합성기의 중합 반응을 개시시킬 수 있는 성분이 존재하지 않아서 중합될 수 없는 상태의 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.

본 출원에서 용어 네마틱 액정 화합물의 의미는 업계에서 공지된 바와 같이 적어도 일정 온도에서 네마틱상(Nematic Phase)을 나타낼 수 있는 액정 화합물을 의미한다.

본 출원에서 적용될 수 있는 액정 화합물의 종류에는 특별한 제한은 없다. 예를 들면, 본 출원의 광학 디바이스는 소위 DS(Dynamic Scattering) 방식으로 상기 산란 모드를 구현할 수 있는데, 이와 같은 용도에 적용될 수 있는 것으로 알려진 다양한 네마틱 액정 화합물이 본 출원에서 적용될 수 있다.

상기 네마틱 액정 화합물로는, 양의 유전율 이방성 또는 음의 유전율 이방성을 가지는 것을 사용할 수 있고, 적절하게는 음의 유전율 이방성을 가지는 것이 사용될 수 있다. 본 출원에서 용어 유전율 이방성은 액정 화합물의 이상 유전율(ε_e, extraordinary dielectric anisotropy, 장축 방향의 유전율)과 정상 유전율(ε_o, 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. 네마틱 액정 화합물의 유전율 이방성을 상기 범위로 조절하면 광학 디바이스의 구동 효율 측면에서 유리할 수 있다.

네마틱 액정 화합물의 굴절률 이방성은 목적 물성, 예를 들어, 광학 디바이스의 헤이즈 특성을 고려하여 적절히 선택될 수 있다. 용어 굴절률 이방성은 액정 화합물의 이상 굴절률(extraordinary refractive index)과 정상 굴절률(ordinary refractive index)의 차이를 의미할 수 있다. 네마틱 액정 화합물의 굴절률 이방성은 예를 들어 0.1 이상, 0.12 이상 또는 0.15 이상 내지 0.23 이하 0.25 이하 또는 0.3이하의 범위 내에 있을 수 있다. 네마틱 액정 화합물의 굴절률 이방성이 상기 범위를 만족하는 경우, 예를 들면, 헤이즈 특성이 우수한 디바이스를 구현할 수 있다.

네마틱 액정 화합물로는 수직 유전율은 6 내지 15 F/m의 범위 내에 있는 화합물을 사용할 수 있다. 상기 수직 유전율은 다른 예시에서 약 6.5 F/m 이상, 7 F/m 이상, 7.5 F/m 이상, 8 F/m 이상, 8.5 F/m 이상 또는 9 F/m 이상이거나, 약 14.5 F/m 이하, 14 F/m 이하, 13.5 F/m 이하, 13 F/m 이하, 12.5 F/m 이하, 12 F/m 이하, 11.5 F/m 이하, 11 F/m 이하, 10.5 F/m 이하 또는 10 F/m 이하 정도일 수도 있다.

상기 네마틱 화합물은 상기 수직 유전율(E_V)과 수평 유전율(E_P)의 비율(E_V/E_P)이 대략 1 내지 5의 범위 내일 수 있다. 상기 비율은 다른 예시에서 약 1.1 이상, 1.2 이상, 1.3 이상, 1.4 이상, 1.5 이상, 1.6 이상 또는 1.7 이상이거나, 약 4.5 이하, 약 4 이하, 약 3.5 이하, 약 3 이하, 약 2.5 이하 또는 2 이하 정도일 수도 있다.

네마틱 액정 화합물로는 수직 전도도가 0.05 내지 0.9 nS/cm의 범위 내에 있는 화합물을 사용할 수 있다. 상기 수직 전도도는 다른 예시에서 약 0.07 nS/cm 이상, 0.09 nS/cm 이상 또는 0.11 nS/cm 이상이거나, 약 0.85 nS/cm 이하, 0.8 nS/cm 이하, 0.75 nS/cm 이하, 0.7 nS/cm 이하, 0.65 nS/cm 이하, 0.6 nS/cm 이하, 0.55 nS/cm 이하, 0.5 nS/cm 이하, 0.45 nS/cm 이하, 0.4 nS/cm 이하, 0.35 nS/cm 이하, 0.3 nS/cm 이하, 0.25 nS/cm 이하, 0.2 nS/cm 이하 또는 0.15 nS/cm 이하 정도일 수도 있다.

네마틱 액정 화합물로는 공지된 액정 화합물 중에서 상기와 같은 특성을 가지는 액정 화합물을 자유롭게 선택하여 사용할 수 있다.

액정층 내에서 상기 네마틱 액정 화합물은 주성분으로 포함되어 있을 수 있다. 따라서, 상기 네마틱 액정 화합물의 액정층 내에서의 비율은 대략 55 중량% 이상, 60 중량% 이상, 65 중량% 이상, 70 중량% 이상, 75 중량% 이상, 80 중량% 이상 또는 85 중량% 이상 정도일 수 있고, 이 비율은 100 중량% 미만, 95 중량% 이하 또는 90 중량% 이하 정도일 수 있다.

액정층은 상기 네마틱 액정 화합물과 함께 스멕틱 액정 화합물을 포함하며, 이 화합물의 의미는 업계에서 공지된 바와 같이 적어도 일정 온도에서 스멕틱(Smectic Phase)을 나타낼 수 있는 액정 화합물이다.

일 예시에서 상기 스멕틱 액정 화합물로는 인 함유 스멕틱 액정 화합물이 사용될 수 있다.

본 출원에서 적용될 수 있는 스멕틱 액정 화합물의 종류에는 특별한 제한은 없으며, 예를 들면, 공지의 스멕틱 액정 화합물 중에서 하기와 같은 특성을 가지는 스멕틱 액정 화합물을 적용할 수 있다.

예를 들면, 스멕틱 액정 화합물로는, 그 수직 유전율이 상기 네마틱 액정 화합물의 수직 유전율보다 작은 화합물이 선택될 수 있다.

예를 들면, 스멕틱 액정 화합물로는 수직 유전율이 약 2 내지 10 F/m의 범위 내에 있는 화합물을 사용할 수 있다. 상기 수직 유전율은 다른 예시에서 약 2.5 F/m 이상, 3 F/m 이상, 3.5 F/m 이상 또는 4 F/m 이상이거나, 약 9 F/m 이하, 8.5 F/m 이하, 8 F/m 이하, 7.5 F/m 이하, 7 F/m 이하, 6.5 F/m 이하, 6 F/m 이하, 5.5 F/m 이하, 5 F/m 이하 또는 4.5 F/m 이하 정도일 수도 있다.

상기 스멕틱 화합물은 상기 수직 유전율(E_V)과 수평 유전율(E_P)의 비율(E_V/E_P)이 대략 0.01 내지 0.95의 범위 내일 수 있다. 상기 비율은 다른 예시에서 약 0.05 이상, 0.1 이상, 0.2 이상, 0.3 이상, 0.4 이상, 0.5 이상, 0.6 이상, 0.7 이상 또는 0.8 이상이거나, 약 0.9 이하 또는 약 0.85 이하 정도일 수도 있다.

상기에서 네마틱 액정 화합물의 수직 유전율(E_N)과 스멕틱 액정 화합물의 수직 유전율(E_S)의 비율(E_N/E_S)은 1.1 내지 10의 범위 내에 있을 수 있다. 상기 비율(E_N/E_S)은 다른 예시에서 약 1.5 이상 또는 2 이상이거나, 약 9 이하, 약 8 이하, 약 7 이하, 약 6 이하, 약 5 이하, 약 4 이하 또는 약 3 이하 정도일 수 있다.

일 예시에서 스멕틱 액정 화합물로는 수직 전도도가 상기 네마틱 액정 화합물의 수직 전도도보다 큰 화합물을 사용할 수 있다.

하나의 예시에서 상기 네마틱 액정 화합물의 수직 전도도(S_N)와 스멕틱 액정 화합물의 수직 전도도(S_S)의 비율(S_S/S_N)은, 1 내지 15의 범위 내에 있을 수 있다. 상기 비율(S_S/S_N)은 다른 예시에서 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 또는 6.5 이상이거나, 약 14 이하, 13 이하, 12 이하, 11 이하, 10 이하, 9 이하, 8 이하 또는 7 이하 정도일 수도 있다.

스멕틱 액정 화합물로는 공지된 액정 화합물 중에서 상기와 같은 특성을 가지는 액정 화합물을 선택하여 사용할 수 있다.

상기 스멕틱 액정 화합물과 상기 네마틱 액정 화합물을 포함하는 액정층은, 수직 전도도가 0.05 내지 5 nS/cm의 범위 내에 있을 수 있다. 상기 수직 전도도는 다른 예시에서 0.1 nS/cm 이상, 0.15 nS/cm 이상, 0.2 nS/cm 이상, 0.25 nS/cm 이상, 0.3 nS/cm 이상, 0.35 nS/cm 이상, 0.4 nS/cm 이상 또는 0.45 nS/cm 이상의 범위 내 및/또는 4 nS/cm 이하, 3 nS/cm 이하, 2 nS/cm 이하, 1 nS/cm 이하, 0.8 nS/cm 이하, 0.6 nS/cm 이하, 0.5 nS/cm 이하 또는 0.45 nS/cm 이하의 범위 내에 있을 수도 있다.

상기 스멕틱 액정 화합물과 상기 네마틱 액정 화합물을 포함하는 액정층은, 수평 전도도가 0.1 내지 5 nS/cm의 범위 내에 있을 수 있다. 상기 수직 전도도는 다른 예시에서 0.15 nS/cm 이상, 0.2 nS/cm 이상, 0.25 nS/cm 이상, 0.3 nS/cm 이상, 0.35 nS/cm 이상, 0.4 nS/cm 이상, 0.45 nS/cm 이상, 0.5 nS/cm 이상, 0.55 nS/cm 이상, 0.6 nS/cm 이상 또는 0.65 nS/cm 이상의 범위 내 및/또는 5 nS/cm 이하, 4 nS/cm 이하, 3 nS/cm 이하, 2 nS/cm 이하, 1 nS/cm 이하, 0.8 nS/cm 이하, 0.7 nS/cm 이하, 0.65 nS/cm 이하 또는 0.6 nS/cm 이하의 범위 내에 있을 수도 있다.

또한, 상기 액정층의 수평 전도도(PC)의 수직 전도도(VC)에 대한 비율(PC/VC)이 0.1 내지 10의 범위 내에 있을 수 있다. 상기 비율은 다른 예시에서 9 이하, 8 이하, 7 이하, 6 이하, 5 이하, 4 이하, 3 이하, 2 이하, 1 이하, 0.8 이하 또는 0.7 이하의 범위 내 및/또는 0.2 이상, 0.3 이상, 0.4 이상, 0.5 이상, 0.6 이상 또는 0.7 이상 정도일 수도 있다.

상기 액정층의 수직 및 수평 전도도와 그 비율은 상기 액정층이 면적이 1cm²(가로: 1cm, 세로: 1cm)고, 두께가 1 cm인 액정층인 것으로 환산한 결과이며, 이 환산 방법은 실시예에 기재되어 있다.

상기 수직 및 수평 전도도는 네마틱 액정 화합물과 스멕틱 액정 화합물의 배합 비율에 따라 변하며, 따라서, 상기 액정층 또는 후술하는 액정 조성물 내에서의 상기 네마틱 액정 화합물과 스멕틱 액정 화합물의 비율은 상기 전도도 특성을 나타내도록 제어될 수 있다.

하나의 예시에서 상기 스멕틱 액정 화합물로는 하기 화학식 1 또는 2로 표시되는 화합물을 적용할 수 있다.

하기 화학식 1 또는 2의 화합물은 한국 등록 특허 제2069479호에서 공지된 화합물이다. 다만, 상기 특허문헌에서는 상기 화합물을 네마틱 액정 화합물과 혼합하여 적용하였을 때에 투과 모드와 산란 모드의 사이를 효과적으로 스위칭하면서 우수한 내구성을 가지는 광학 디바이스를 얻을 수 있다는 점에 대해서는 기재하고 있지 않다.

[화학식 1]

[화학식 2]

화학식 1 또는 2에서, M¹ 및 M²는 서로 같거나 다른 칼라미틱(calamitic) 메조겐기이고, L¹ 및 L²는 서로 같거나 다른 연결기이며, P¹ 및 P²는 서로 같거나 다른 인을 포함하는 라디칼이다.

본 출원에 따른 화학식 1 또는 2로 표시되는 액정 화합물에 포함될 수 있는 인은 연결기를 매개로 칼라미틱(calamitic) 메조겐기와 연결되어 하나의 액정 화합물을 형성할 수 있는 것이라면, 제한 없이 채택되어 이용될 수 있다.

하나의 예시에서, P¹은 하기 화학식 3 또는 4로 표시될 수 있다.

[화학식 3]

[화학식 4]

화학식 3 및 4에서, A¹ 내지 A⁷는 각각 독립적으로 -F, -Cl, -OH, -Br, -OF₃, -CN, -NCS, -SF₅, 알킬기, 알콕시기 또는 아릴기이고, X¹은 -O-, -S-, -COO-, -CO-, 알킬렌기, 알케닐렌기, 아릴렌기, 시클로 알킬렌기 또는 단일 결합이며, X² 및 X³는 각각 독립적으로 -O-, -S-, -COO-, -CO-, 알킬렌기, 알케닐렌기, 아릴렌기 또는 시클로 알킬렌기이고, B¹ 내지 B⁵는 각각 독립적으로 산소 원자 또는 황 원자 이며, n¹은 0 또는 양의 정수이고, n²는 양의 정수이다.

화학식 3 및 4에서, 인접하는 A¹ 내지 A⁷ 사이에서는 고리 구조가 형성되어 있을 수 있다. 구체적으로, A²와 A³, A⁴와 A⁵ 및 A⁶과 A⁷은 각각 독립적으로 알킬기 또는 알콕시기로서, 서로 결합하여 고리 구조를 형성하고 있을 수 있다.

본 출원에서 용어 알킬기 또는 알콕시기는, 특별히 달리 규정하지 않는 한, 탄소수 1 내지 24, 1 내지 20, 탄소수 1 내지 16, 탄소수 1 내지 12, 탄소수 1 내지 8 또는 탄소수 1 내지 4의 알킬기 또는 알콕시기를 의미할 수 있다. 상기 알킬기 또는 알콕시기는 직쇄형 또는 분지쇄형이거나, 고리형일 수 있으며, 임의적으로 하나 이상의 치환기로 치환되어 있을 수 있다.

본 출원에서 용어 알케닐기는, 특별히 달리 규정하지 않는 한, 탄소수 2 내지 24, 2 내지 20, 탄소수 2 내지 16, 탄소수 2 내지 12, 탄소수 2 내지 8 또는 탄소수 2 내지 4의 알케닐기일 수 있다. 상기 알케닐기는 직쇄형, 분지쇄형 또는 고리형일 수 있다. 또한, 알케닐기는 임의적으로 하나 이상의 치환기로 치환되어 있을 수 있다.

본 출원에서 용어 아릴기는, 특별히 달리 규정하지 않는 한, 벤젠 고리 또는 2개 이상의 벤젠 고리가 축합 또는 결합된 구조를 포함하는 화합물 또는 그 유도체로부터 유래하는 1가 잔기를 의미할 수 있다. 아릴기의 범위에는 통상적으로 아릴기로 호칭되는 관능기는 물론 소위 아르알킬기(aralkyl group), 아릴알킬기 또는 아릴기의 고리 내 탄소 원자가 임의의 다른 원자로 치환되어 있는 헤테로 아릴기 등도 포함할 수 있다. 아릴기는, 예를 들면, 탄소수 6 내지 25, 탄소수 6 내지 21, 탄소수 6 내지 18 또는 탄소수 6 내지 12의 아릴기일 수 있다. 아릴기로는, 페닐기, 비페닐기, 페녹시기, 페녹시페닐기, 페녹시벤질기, 디클로로페닐, 클로로페닐, 페닐에틸기, 페닐프로필기, 벤질기, 톨릴기, 크실릴기(xylyl group) 또는 나프틸기 등이 예시될 수 있다. 또한, 상기 아릴기는 임의적으로 하나 이상의 치환기로 치환되어 있을 수 있다.

본 출원에서 용어 「알킬렌기」는, 특별히 달리 규정하지 않는 한, 예를 들면, 탄소수 1 내지 24, 1 내지 20, 탄소수 1 내지 16, 탄소수 1 내지 12, 탄소수 1 내지 8 또는 탄소수 1 내지 4의 알킬렌기를 의미할 수 있다. 상기 알킬렌기는, 예를 들면, 직쇄, 분지쇄 또는 고리형일 수 있다. 또한, 상기 알킬렌기는 임의적으로 하나 이상의 치환기에 의해 치환될 수 있다.

본 출원에서 용어 알케닐렌기는, 특별히 달리 규정하지 않는 한, 탄소수 2 내지 24, 2 내지 20, 탄소수 2 내지 16, 탄소수 2 내지 12, 탄소수 2 내지 8 또는 탄소수 2 내지 4의 탄소 원자를 가지며, 하나 이상의 탄소-탄소 이중 결합을 함유하는 구조식으로부터 유래하는 2가 잔기를 의미할 수 있다. 상기 알케닐렌기는 직쇄형, 분지쇄형 또는 고리형일 수 있다. 또한, 알케닐렌기는 임의적으로 하나 이상의 치환기로 치환되어 있을 수 있다.

용어 아릴렌기는, 특별히 달리 규정하지 않는 한, 벤젠 고리 또는 2개 이상의 벤젠 고리가 축합 또는 결합된 구조를 포함하는 화합물 또는 그 유도체로부터 유래하는 2가 잔기를 의미할 수 있다. 아릴렌기는, 예를 들면, 탄소수 6 내지 30, 6 내지 25, 탄소수 6 내지 21, 탄소수 6 내지 18 또는 탄소수 6 내지 12의 아릴렌기일 수 있다. 또한 상기 아릴렌기는 임의적으로 하나 이상의 치환기로 치환되어 있을 수 있다.

본 출원에서 용어 시클로 알킬렌기는, 특별히 달리 규정하지 않는 한, 탄소수 3 내지 8, 예를 들면 탄소수 3, 5 또는 8의 고리형 알킬기의 2가 잔기를 의미하는 것으로써, 탄소수 3, 5, 6, 또는 8의 고리형 알킬렌기를 의미할 수 있다.

본 출원에서 용어 단일 결합은, 해당 부분의 별도의 원자가 존재하지 않는 경우를 의미한다. 예를 들어, 화학식 3에서 X¹이 단일 결합인 경우, 인 원자와 인 원자가 직접 접하고 있거나 또는 후술하는 연결기와 인 원자가 직접 연결되는 구조를 형성할 수 있다.

본 출원에서 특정 관능기에 치환되어 있을 수 있는 치환기로는, 알킬기, 알콕시기, 알케닐기, 에폭시기, 옥소기, 옥세타닐기, 티올기, 시아노기, 카복실기, 아릴기, 또는 규소를 포함하는 치환기 등이 예시될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

상기 n¹은 0 또는 양의 정수, 예를 들면 1 내지 5 범위 내의 정수 일 수 있다. 또한, 상기 n²는 양의 정수, 예를 들면 1 내지 5 범위 내의 정수 일 수 있다.

다른 예시에서, P²은 하기 화학식 5로 표시될 수 있다.

[화학식 5]

화학식 5에서, A⁸ 및 A⁹는 각각 독립적으로 각각 독립적으로 -F, -Cl, -OH, -Br, -OF₃, -CN, -NCS, -SF₅, 알킬기, 알콕시기 또는 아릴기이고, X⁴는 -O-, -S-, -COO-, -CO-, 알킬렌기, 알케닐렌기, 아릴렌기, 사이클로 알킬렌기 또는 단일 결합이며, B⁶ 및 B⁷는 각각 독립적으로 산소 원자 또는 황 원자이고, n³은 양의 정수, 예를 들면 1 내지 5 범위 내의 정수이다.

상기 스멕틱 액정 화합물에서 상기 화학식 1 또는 2에서, M¹ 및 M²는 서로 같거나 다른 칼라미틱(calamitic) 메조겐기이다.

용어 메조겐기는, 액정 화합물이 액정상의 거동을 나타낼 수 있도록 하는 메조상(meso phase) 부위를 가지는 작용기를 의미할 수 있다. 또한, 용어 칼라미틱(calamitic) 메조겐기는 한 방향으로 연결된 하나 또는 그 이상의 방향족 또는 지방족 고리를 포함하는 봉상모양으로써, 봉상 액정구조를 형성할 수 있는 메조겐기를 의미할 수 있다.

하나의 예시에서, 칼라미틱(calamitic) 메조겐기는 하기 화학식 6으로 표시될 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다.

[화학식 6]

화학식 6에서 A¹⁰ 및 A¹¹은 각각 독립적으로, 고리 내 질소, 산소 및 황으로부터 선택되는 어느 하나 이상의 헤테로 원자를 포함하거나 포함하지 않는 아릴기 또는 시클로 알킬기이며, 상기 Z¹은 알킬기, -F, -Cl, -Br, -OCF₃, -SF₅, -NCS, -CN, -OCH₃ 또는 -C=C이고, 상기 Z²는-O-, -S-, -CO-, -COO-, OCO-, -S-CO-, -CO-S-, -O-COO-, -CO- NR⁰-, -NR⁰-CO-, -NR⁰-CO-NR⁰⁰, -NR⁰-CO-O-, -O-CO-NR⁰, -OCH₂-, -CH₂O-, -SCH₂-, -CH₂S-, -CF₂O-, -OCF₂-, -CF₂S-, -SCF₂-, -CH₂CH₂-, -(CH₂)₄-, -CF₂CH₂-, -CH₂CHF₂-, -CH=N-, -N=CH-, -NH-NH-, -N=N-, -CH=CR⁰-, -CY¹=CY², -C=C-, -CH=CH-COO-, -OCO-CH=CH- 또는 단일 결합이고, 상기 R⁰ 및 R⁰⁰는 각각 독립적으로 수소 또는 알킬기이며, 상기 Y¹ 및 Y²는 각각 독립적으로 H, F, Cl 또는 CN이고, n⁴은 0 또는 양의 정수, 예를 들면 1 내지 5 범위 내의 정수이다.

하나의 예시에서, 상기 Z¹은 시안(-CN), -OCF₃, 또는 메틸(-CH₃)일 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다.

또한, 상기 아릴기 또는 시클로 알킬기는 수소 원자 중 어느 하나가 불소 원자로 치환되어 있을 수 있다.

즉, 화학식 6에서 A¹⁰ 및 A¹¹은 각각 독립적으로, 고리 내 질소, 산소 및 황으로부터 선택되는 어느 하나 이상의 헤테로 원자를 포함하거나 포함하지 않으며, 불소 원자를 포함하는 아릴기 또는 시클로 알킬기일 수 있다.

상기 스멕틱 액정 화합물은, 소정 부피의 칼라미틱(calamitic) 메조겐기를 포함할 수 있다.

하나의 예시에서, 상기 액정 화합물은, 화학식 1 및 2에서 칼라미틱(calamitic) 메조겐기를 의미하는, M¹ 또는 M²의 부피 대비 화학식 1 또는 2의 전체 부피가 3 내지 20의 범위 내에 있을 수 있다. 상기 칼라미틱(calamitic) 메조겐기의 부피 비율 범위 내에서 목적하는 상용성이 우수한 스멕틱 A상을 가지는 열방성(Themotropic) 액정 화합물을 형성할 수 있다.

상기 화학식 1 또는 2에서, L¹ 및 L²는 서로 같거나 다른 연결기이다.

용어 연결기는 액정 화합물에 유동성을 부여하면서, 메조겐기와 인을 연결시키는 역할을 수행할 수 있는 부위를 의미할 수 있다.

하나의 예시에서, 상기 연결기는 하기 화학식 7로 표시될 수 있다.

[화학식 7]

화학식 7에서 R¹는 알킬렌기 또는 알케닐렌기이고, B⁸은 산소 원자 또는 황 원자이며, B⁹는 산소 원자, 황 원자 또는 단일 결합이고, n⁵는 양의 정수, 예를 들면 1 내지 5 범위 내의 정수이다.

본 출원에서는 상기 구조의 스멕틱 액정 화합물 중에서 적정한 종류가 선택되어 사용될 수 있으며, 예를 들면, 상기 기술한 특성(예를 들면, 상기 기술한 수직 전도도 및/또는 수평 전도도나 수직 유전율 및/또는 수평 유전율 등)을 가지는 종류가 선택될 수 있다.

일 예시에서 상기 스멕틱 액정 화합물로는 하기 화학식 8로 표시되는 화합물이 사용될 수 있다.

[화학식 8]

화학식 8에서, A¹ 내지 A³는 각각 독립적으로 -F, -Cl, -OH, -Br, -OF₃, -CN, -NCS, -SF₅, 알킬기, 알콕시기 또는 아릴기이고, X¹은 -O-, -S-, -COO-, -CO-, 알킬렌기, 알케닐렌기, 아릴렌기, 시클로 알킬렌기 또는 단일 결합이며, B¹ 및 B²는 각각 독립적으로 산소 원자 또는 황 원자이며, n¹은 0 또는 양의 정수이고, R¹는 알킬렌기 또는 알케닐렌기이고, B⁸은 산소 원자 또는 황 원자이며, B⁹는 산소 원자, 황 원자 또는 단일 결합이고, n⁵는 양의 정수, 예를 들면 1 내지 5 범위 내의 정수이며, A¹⁰ 및 A¹¹은 각각 독립적으로, 고리 내 질소, 산소 및 황으로부터 선택되는 어느 하나 이상의 헤테로 원자를 포함하거나 포함하지 않는 아릴기 또는 시클로 알킬기이며, 상기 Z¹은 알킬기, -F, -Cl, -Br, -OCF₃, -SF₅, -NCS, -CN, -OCH₃ 또는 -C=C이고, 상기 Z²는-O-, -S-, -CO-, -COO-, OCO-, -S-CO-, -CO-S-, -O-COO-, -CO- NR⁰-, -NR⁰-CO-, -NR⁰-CO-NR⁰⁰, -NR⁰-CO-O-, -O-CO-NR⁰, -OCH₂-, -CH₂O-, -SCH₂-, -CH₂S-, -CF₂O-, -OCF₂-, -CF₂S-, -SCF₂-, -CH₂CH₂-, -(CH₂)₄-, -CF₂CH₂-, -CH₂CHF₂-, -CH=N-, -N=CH-, -NH-NH-, -N=N-, -CH=CR⁰-, -CY¹=CY², -C=C-, -CH=CH-COO-, -OCO-CH=CH- 또는 단일 결합이고, 상기 R⁰ 및 R⁰⁰는 각각 독립적으로 수소 또는 알킬기이며, 상기 Y¹ 및 Y²는 각각 독립적으로 H, F, Cl 또는 CN이고, n⁴은 0 또는 양의 정수, 예를 들면 1 내지 5 범위 내의 정수이다.

구체적인 예시에서 상기 스멕틱 액정 화합물로는, 화학식 8에서, A¹ 내지 A³는 각각 독립적으로 알킬기 또는 알콕시기이고, X¹은 -O-, 알킬렌기 또는 단일 결합이며, B¹ 및 B²는 각각 독립적으로 산소 원자이며, n¹은 0 또는 양의 정수로서, 예를 들면, 0 내지 5, 0 내지 4, 0 내지 3, 0 내지 2, 0 내지 1의 범위 내의 정수이거나 또는 0이고, R¹는 알킬렌기이고, B⁸ 및 B⁹는 산소 원자이고, n⁵는 양의 정수, 예를 들면 1 내지 5 범위 내, 1 내지 4의 범위 내, 1 내지 3의 범위 내, 1 내지 2의 범위 내의 정수이거나 1이며, A¹⁰ 및 A¹¹은 각각 독립적으로, 아릴기이며, 상기 Z¹은 알킬기, -F, -Cl, -Br, -OCF₃, -SF₅, -NCS, -CN 또는 -OCH₃이고, 상기 Z²는 -O-, -S-, -CO-, -COO-, OCO- 또는 단일 결합이고, n⁴은 0 또는 양의 정수, 예를 들면 1 내지 5 범위 내, 1 내지 4의 범위 내, 1 내지 3의 범위 내, 1 내지 2의 범위 내의 정수이거나 1인 화합물이 사용될 수 있지만, 이에 제한되는 것은 아니다.

상기 구조의 화합물은 보다 네마틱 화합물과 우수한 상용성을 나타내면서 본원의 목적에 맞는 디바이스를 구현할 수 있게 한다. 상기 구조의 화합물은 상기 특허 문헌에 기재된 방식에 따라서 합성할 수 있다.

이상 기술한 특성의 네마틱 및 스멕틱 액정 화합물을 혼합하게 되면, 상기 스멕틱 액정 화합물의 비율에 따라 전체적인 수직 및 수평 유전율과 수직 및 수평 전도도가 변화하게 된다. 따라서, 상기 양자의 비율을 적정하게 조정함으로써, 목적하는 투과 특성과 산란 특성을 나타낼 수 있는 디바이스의 제공이 가능하다.

일 예시에서 상기와 같은 특성을 나타내도록 하기 위해서 상기 네마틱 및 스멕틱 액정 화합물의 혼합물은, 0℃ 이상에서 등방상 전이 온도 이하까지의 온도 범위에서 스멕틱상을 나타내지 않도록 혼합될 수 있다. 상기에서 등방성 전이 온도는 상기 혼합물이 등방상을 나타내는 온도이고, 이는 혼합물 내의 네마틱 및 스멕틱 액정 화합물의 비율에 따라서 조절될 수 있다.

다른 예시에서 상기 네마틱 및 스멕틱 액정 화합물의 혼합물은, 그 혼합물의 유전율 이방성이 음수가 될 수 있도록 배합될 수도 있다.

구체적인 일 예시에서 상기 스멕틱 액정 화합물은 상기 네마틱 액정 화합물 100 중량부 대비 대략 1 내지 20 중량부의 비율로 액정층에 포함될 수 있다. 상기 비율은 다른 예시에서 약 18 중량부 이하, 16 중량부 이하, 14 중량부 이하 또는 12 중량부 이하 정도일 수 있다. 상기 비율은 다른 예시에서 약 3 중량부 이상, 5 중량부 이상 또는 7 중량부 이상 정도일 수도 있다.

액정층은 위와 같은 2종의 액정 화합물을 기본적으로 포함하고, 추가적인 성분을 포함할 수도 있다. 예를 들면, 상기 액정층은 이방성 염료를 추가로 포함할 수 있다. 이방성 염료는, 예를 들면, 광학 디바이스의 차광율을 개선하여 투과도 가변에 기여할 수 있다. 본 출원에서 용어 염료는, 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 염료는 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 상기 네마틱 액정 화합물 100 중량부 대비 0.01 중량부 이상, 0.1 중량부 이상, 0.2 중량부 이상, 0.3 중량부 이상, 0.4 중량부 이상, 0.5 중량부 이상, 0.6 중량부 이상, 0.7 중량부 이상, 0.8 중량부 이상, 0.9 중량부 이상, 1.0 중량부 이상, 1.5 중량부 이상, 2 중량부 이상 또는 2.5 중량부 이상의 비율로 액정층 내에 포함될 수 있다. 이방성 염료의 액정층 내의 비율은 상기 네마틱 액정 화합물 100 중량부 대비 10 중량부 이하, 8 중량부 이하, 6 중량부 이하 또는 4 중량부 이하 정도일 수 있지만, 이에 제한되는 것은 아니다.

액정층은 상기 성분 외에도 필요한 다른 성분을 추가적으로 포함할 수 있다. 다만, 본 출원에서 액정층은, 소위 DS(Dynamic Scattering) 효과를 구현하기 위하여 액정층의 전도도를 조절하기 위해 통상 사용되는 이온성 화합물(ex. 이온성 액체, 염 등)은 포함하지 않는 것이 적절하다. 이러한 이온성 화합물은, 액정층의 전도도를 조절하기 위한 첨가제로서 널리 알려져 있는 것이나, 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 화합물의 비율은 실질적으로 0 중량%이다.

상기 액정층은 또한 소위 폴리머 네트워크를 포함하지 않을 수 있다. 즉, 본 출원의 액정층은, 소위 PNLC(Polymer Network Liquid Crystal)와는 다르다.

상기 액정층은 전술한 투과 상태에서는 수직 배향 상태일 수 있다. 상기 수직 배향은 다른 용어로는 호메오트로픽(homeotrophic) 배향으로도 불리오며, 그 의미는 업계에서 공지된 바와 같다. 상기 수직 배향 상태는 전압 무인가 상태에서 구현되어 있을 수 있다.

이러한 상태에서 상하 수직 전압을 인가하게 되면, 네마틱 액정 화합물이 수평 배향하려는 경향을 나타내고, 스멕틱 액정 화합물과 존재하는 경우 이방성 염료도 수평 배향하려는 경향을 보이는데, 이 상태에서 상기 스멕틱 액정 화합물에 의해서 강한 진동이 발생하고, 이는 굴절률의 진동으로 이어져서 산란 상태가 구현될 수 있다.

상기 액정층의 두께(cell gap)는 특별히 제한되지 않으며, 목적하는 헤이즈나 투과율 정도를 고려하여 적정 범위로 제어할 수 있다. 통상 액정층의 두께(cell gap)는 약 1μm 내지 50μm 정도일 수 있지만, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 두께는 다른 예시에서 약 3 μm 이상, 5 μm 이상, 7 μm 이상 또는 9 μm 이상이거나, 45 μm 이하, 40 μm 이하, 35 μm 이하, 30 μm 이하, 25 μm 이하, 20 μm 이하 또는 15 μm 이하 정도일 수도 있다.

본 출원의 광학 디바이스는, 예를 들면, 2개의 기판을 추가로 포함하고, 액정층이 상기 기판의 사이에 존재할 수 있다. 도 1에 예시적으로 나타낸 바와 같이 광학 디바이스에서 상기 2개의 기판(1011, 1012)은 서로 대향 배치되어 있고, 상기 액정층(102)은 상기 대향 배치된 2개의 기판(1011, 1012) 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 기판은 액정 배향성을 가지는 기판일 수 있다. 본 출원에서 용어 「액정 배향성을 가지는 기판」은 인접하는 액정 화합물의 배향에 영향을 미칠 수 있는, 예를 들어 인접하는 액정 화합물을 소정 방향으로 정렬시킬 수 있는 배향능이 부여된 기판을 의미할 수 있다. 액정층은 액정 배향성을 가지는 2개의 기판 사이에 존재함으로써 초기 상태에서 적절한 배향 상태를 유지할 수 있다. 광학 디바이스에서 대향 배치된 2개의 기판은 예를 들어 수직 배향성 또는 수평 배향성을 가지는 기판일 수 있다. 본 출원에서 용어 「수직 배향성 또는 수평 배향성을 가지는 기판」은 인접하는 액정 화합물을 수직 방향 또는 수평 방향으로 배향시킬 수 있는 배향성을 가지는 기판을 의미할 수 있다.

액정 배향성을 가지는 기판으로는, 예를 들어 배향막이 형성된 기판을 사용할 수 있다. 이에 따라 광학 디바이스는 상기 액정층과 인접하는 배향막을 추가로 포함할 수 있다. 예를 들어, 배향막(201, 202)은 도 2에 나타낸 바와 같이, 대향하는 2개의 기판(1011, 1012)의 액정층(102) 측면에 존재할 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 것으로 공지된 배향막을 사용할 수 있다.

배향이 유도된 기판의 다른 예로는, 액정 배향성을 직접 부여한 기판을 사용할 수 있다. 예를 들어, 수직 배향능이 부여된 기판으로서 친수성 표면을 가진 기판을 사용할 수 있다. 친수성 표면을 가진 기판은, 예를 들면, 물에 대한 젖음각(wetting angle)이 0도 내지 50도, 0도 내지 40도, 0도 내지 30도, 0도 내지 20도 또는 0도 내지 10도이거나, 10도 내지 50도, 20도 내지 50도, 30도 내지 50도 정도일 수 있다. 상기에서 기판의 물에 대한 젖음각을 측정하는 방식은 특별히 제한되지 않고, 이 분야에서 공지되어 있는 젖음각의 측정 방식을 사용할 수 있으며, 예를 들면, KRUSS사제의 DSA100 기기를 사용하여, 제조사의 매뉴얼에 따라 측정할 수 있다. 기판에 친수성 표면을 가지도록 하기 위해서는 예를 들어 기판의 면에 친수화 처리를 수행하거나 또는 친수성 관능기를 포함하는 기판을 사용할 수 있다. 친수화 처리로는, 코로나 처리, 플라즈마 처리 또는 알칼리 처리 등이 예시될 수 있다.

광학 디바이스는, 전극층, 예를 들면, 액정층과 인접하는 전극층을 추가로 포함할 수 있다. 예를 들어, 전극층(301, 302)은 도 3에 나타낸 바와 같이, 대향하는 2개의 기판(1011, 1012)의 액정층(102) 측면에 존재할 수 있다. 기판의 액정층 측면에 배향막이 존재하는 경우에는, 기판, 전극층 및 배향막이 순차로 존재할 수 있다. 이러한 전극층은 액정층 내의 액정 화합물의 정렬 상태를 전환할 수 있도록 액정층에 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.

액정층은 필요한 경우에 액정층의 일측 또는 양측에 배치된 편광층을 추가로 포함할 수 있다. 편광층은, 액정 화합물의 배향 상태에 따라서 광학 디바이스의 광투과율을 조절하는 역할을 할 수 있다. 편광층으로는 특별한 제한 없이 공지의 소재를 사용할 수 있으며, 예를 들면, PVA(poly(vinyl alcohol))계 편광층, LLC(Lyotropic Liquid Crystal)이나 RM(Reactive Mesogen)과 이방성 색소의 배향층과 같은 액정층을 적용할 수도 있다. 편광층이 액정층의 양측에 배치되는 경우에 그 편광층들의 광투과축의 관계는 특별히 제한되지 않고, 목적하는 모드에 따라서 조절될 수 있다.

광학 디바이스는 전술한 구성 외에도 필요한 경우 공지의 임의의 구성을 추가로 포함할 수 있다.

상기와 같은 광학 디바이스의 구현 방법은 특별히 제한되지 않고, 액정층으로 본 출원의 상기 액정층을 적용하는 것 외에는 일반적인 광학 디바이스의 제조 방법을 적용하여 구현할 수 있다.

본 출원은 또한 액정 조성물에 대한 것이고, 상기 액정 조성물은 상기 광학 디바이스의 액정층을 형성하는 것일 수 있다.

이에 따라 상기 액정 조성물은 상기 언급한 네마틱 액정 화합물과 스멕틱 액정 화합물을 포함할 수 있다. 이러한 액정 조성물의 성분에 대한 구체적인 내용은 상기 광학 디바이스의 액정층에서 기술한 내용과 같고, 그 내용은 동일하게 액정 조성물 항목에도 적용될 수 있다.

예를 들면, 액정층의 수직 및 수평 전도도와 그 비율에 대한 내용은 액정 조성물의 수직 및 수평 전도도와 그 비율에 대한 내용으로 이해될 수 있으며, 측정 방법도 동일하다.

또한, 예를 들어, 상기 언급한 내용 중에서 액정층 내에서의 액정 화합물의 비율 등은 액정 조성물 내에서의 비율이 될 수 있다.

또한, 상기 액정 조성물은 상기 액정층을 형성하기 위한 것이기 때문에, 액정의 중합을 위한 성분(예를 들면, 라디칼 또는 양이온 개시제 등)을 포함하지 않을 수 있다.

본 출원은 또한, 광학 디바이스의 용도에 대한 것이고, 예를 들면, 상기 광학 디바이스를 포함하는 광변조 장치에 대한 것이다. 이러한 광변조 장치는 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.

특히 상기 광학 디바이스는 디스플레이 장치(특히 투명 디스플레이 장치)의 차광판으로 효과적으로 적용될 수도 있다.

본 출원에서는 적어도 투과 모드와 산란 모드의 사이에서 효율적으로 스위칭되며, 내구성도 우수하여, 예를 들면, 각종 아이웨어, 차량용 윈도우, 스마트 윈도우, 윈도우 보호막, 디스플레이 장치, 디스플레이용 차광판, 3D 영상 표시용 액티브 리타더(active retarder) 또는 시야각 조절 필름 등과 같은 다양한 용도에 적용될 수 있는 광학 디바이스를 제공한다.

도 1 내지 3은 광학 디바이스를 예시적으로 나타낸다.

이하 실시예 및 비교예를 통하여 상기 내용을 보다 구체적으로 설명하지만, 본 출원의 범위가 하기 제시된 내용에 의해 제한되는 것은 아니다.

1. 전도도 및 유전율의 평가

수직 및 수평 전도도는 다음의 방식으로 평가하였다. 우선 유리 기판상에 결정질 ITO(Indium Tin Oxide) 전극층을 형성하고, 그 위에 수평 배향막(Nissan, SE-7432)을 형성하였다. 상기와 같은 유리 기판을 2개 준비하였다. 이어서 상기 2개의 유리 기판을 서로의 수평 배향막이 서로 마주하도록 대향시키고, 그 사이에 측정 대상 액정 화합물 또는 액정 조성물을 주입하고, 실런트로 봉하여 테스트용 시편을 제조하였다. 이 때 셀갭(cell gap)은 10μm 정도로 하고, 면적(2개의 유리 기판 사이의 액정층의 면적)은 가로 및 세로를 각각 2.7 cm로 하였다.

또한, 상기 주입은 상기 액정 화합물 또는 액정 조성물이 nematic phase 또는 isotropic phase가 되는 온도에서 수행하였다.

이어서 LCR 미터(E4980A, Agilent社)를 사용하여 G(conductance)값을 측정하고, 그 결과를 하기 수식 B에 대입하여 수직 전도도를 측정하였다. 상기 측정 시에는 입력 전압은 100 mV, 입력 주파수는 1kHz로 하였다.

[수식 B]

σ = G×d/A

수식 B에서 σ는 수직 전도도이고, A는 2.7×2.7cm²이며, d는 상기 셀갭(10 μm)이고, G는 LCR 미터로 측정한 conductance이다.

수평 전도도는 상기 배향막을 수직 배향막(Nissan, RN-3954)으로 변경하고, 동일한 방식으로 평가하였다.

수평 전도도의 측정도 수식 B를 통해 수행하며, 이 때 σ는 수평 전도도이다.

2. 헤이즈 및 투과율 평가

실시예 및 비교예에서 제조된 광학 디바이스에 대하여 헤이즈미터, NDH-5000SP를 이용하여, ASTM D1003 규격에 따라 헤이즈 및 투과율을 측정하였다. 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(%)=100×DT/TT)로 규정될 수 있다. 또한, 하기 시험예에서 전체 투과율은 상기 전체 투과광(TT)을 의미하고, 직진 투과율은 상기 직진광(PT)를 의미한다.

평가예 1.

스멕틱 액정 화합물로서 하기 화학식 A 및 B의 화합물에 대해서 수직 및 수평 전도도를 평가하였다. 또한, 추가로 하기 화학식 C의 화합물에 대해서도 수직 및 수평 전도도를 평가하였다.

하기 화학식 A의 화합물은 한국 등록 특허 제2069479호의 제조예 13의 화합물이고, 화학식 B의 화합물은 한국 등록 특허 제2069479호의 제조예 14의 화합물이다.

또한, 하기 화학식 C의 화합물은 HCC사의 HCM-021 화합물이다.

[화학식 A]

[화학식 B]

[화학식 C]

상기 화학식 A의 화합물을 네마틱 액정 화합물(HCCH社, 상품명: HNG726200-100)과 배합한 액정 조성물(A), 상기 화학식 B의 화합물을 네마틱 액정 화합물(HCCH社, 상품명: HNG726200-100)과 배합한 액정 조성물(B) 및 상기 화학식 C의 화합물을 네마틱 액정 화합물(HCCH社, 상품명: HNG726200-100)과 배합한 액정 조성물(C)에 대해서 수직 및 수평 전도도를 평가하였다.

상기 각 액정 조성물에서 네마틱 액정 화합물과 화학식 A, B 또는 C의 화합물의 배합 중량 비율(네마틱:화학식 A, B 또는 C)은 9:1로 하였다.

상기 수평 및 수직 전도도는 하기 표 1과 같다.

	수직 전도도(μS)	수평 전도도(μS)
액정조성물(A)	3.3	5.0
액정조성물(B)	3.0	4.1
액정조성물(C)	7.9	10.8

상기 표 1의 각 수직 및 수평 전도도를 면적이 1cm²(가로: 1cm, 세로: 1cm)고, 두께가 1 cm인 액정층에서의 값으로 환산하여 하기 표 2에 나타냈다.

상기 환산에 적용된 수식은 하기 수식 I 내지 III과 같다.

[수식 I]

C = 1 /ρ

[수식 II]

R = 1/CR

[수식 III]

R = ρ ×D/A

수식 I 내지 III에서 C는 수평 또는 수직 전도도이고, ρ는 액정층의 비저항이며, CR은 수평 또는 수직 전도도의 실측값이고, R은 액정층의 저항이며, D는 액정층의 두께이고, A는 액정층의 면적이다.

상기 표 1의 실측값(CR)을 수식 II에 대입하여 저항(R)을 구한 후에 상기 저항(R) 및 수식 III을 사용하여 액정층(면적: 1cm²(=가로: 1cm, 세로: 1cm), 두께: 1 cm)의 비저항(ρ)을 구하고, 그 비저항을 수식 I에 대입하여 수직 또는 수평 전도도를 구할 수 있다.

그 결과는 하기와 같다.

	수직 전도도(nS/cm)	수평 전도도(nS/cm)
액정조성물(A)	0.453	0.686
액정조성물(B)	0.412	0.562
액정조성물(C)	1.08	1.48

상기 표 1의 각 수직 및 수평 전도도를 면적이 1cm²(가로: 1cm, 세로:

한편, 상기 측정에 사용된 네마틱 액정 화합물(HCCH社, 상품명: HNG726200-100)에 대한 수직 및 수평 유전율과 수직 전도도를 위에 기재한 방식으로 평가하였다. 상기 네마틱 액정 화합물의 수직 유전율은 약 9.04 F/m이였고, 수평 유전율은 약 5.21 F/m이였으며, 수직 전도도는 약 0.12 nS/cm이였다.

실시예 1

ITO(Indium Tin Oxide) 투명 전극층과 수직 배향막(JSR社, R4)이 순차 형성되어 있는 2개의 PET(poly(ethylene terephtalate)) 필름을 상기 수직 배향막이 서로 대향하고, 간격(cell gap)이 약 10 ㎛ 정도가 되도록 이격 배치시킨 후에 상기 이격 배치된 2장의 PET 필름의 사이에 액정 조성물을 주입하고, 에지(edge)를 실링하여 광학 디바이스를 제작하였다. 상기 액정 조성물로는 상기 평가예 1에서 적용된 네마틱 액정 화합물(HCCH社, 상품명: HNG726200-100), 화학식 A의 스멕틱 액정 화합물 및 이방성 염료(X12)를 87.5:2.5:10의 중량 비율(네마틱:염료:스멕틱)로 혼합한 것을 적용하였다.

실시예 2

ITO(Indium Tin Oxide) 투명 전극층과 수직 배향막(JSR社, R4)이 순차 형성되어 있는 2개의 PET(poly(ethylene terephtalate)) 필름을 상기 수직 배향막이 서로 대향하고, 간격(cell gap)이 약 10 ㎛ 정도가 되도록 이격 배치시킨 후에 상기 이격 배치된 2장의 PET 필름의 사이에 액정 조성물을 주입하고, 에지(edge)를 실링하여 광학 디바이스를 제작하였다. 상기 액정 조성물로는 상기 평가예 1에서 적용된 네마틱 액정 화합물(HCCH社, 상품명: HNG726200-100), 화학식 B의 스멕틱 액정 화합물 및 이방성 염료(X12)를 87.5:2.5:10의 중량 비율(네마틱:염료:스멕틱)로 혼합한 것을 적용하였다.

비교예 1

ITO(Indium Tin Oxide) 투명 전극층과 수직 배향막(JSR社, R4)이 순차 형성되어 있는 2개의 PET(poly(ethylene terephtalate)) 필름을 상기 수직 배향막이 서로 대향하고, 간격(cell gap)이 약 10 ㎛ 정도가 되도록 이격 배치시킨 후에 상기 이격 배치된 2장의 PET 필름의 사이에 액정 조성물을 주입하고, 에지(edge)를 실링하여 광학 디바이스를 제작하였다. 상기 액정 조성물로는 상기 평가예 1에서 적용된 네마틱 액정 화합물(HCCH社, 상품명: HNG726200-100), 화학식 C의 액정 화합물 및 이방성 염료(X12)를 87.5:2.5:10의 중량 비율(네마틱:염료:화학식 C의 액정 화합물)로 혼합한 것을 적용하였다.

시험예 1. 신뢰성 평가

실시예 1과 2 및 비교예 1에서 제조된 광학 디바이스에 대하여 구동 주파수를 60 Hz로 고정하고, 인가 전압의 크기를 변경하여 가면서 초기 상태 및 내구 조건 후의 투과율과 헤이즈를 평가하고, 그 결과를 표 3에 정리하였다. 내구 조건은, 광학 디바이스를 약 60

에서 300 시간 정도 방치한 후에 투과율과 헤이즈를 평가한 것이다. 따라서, 하기 표 3에서 초기 T 및 초기 H는 각각 광학 디바이스의 제조 직후의 투과율 및 헤이즈이고, 내구 T 및 H는 각각 상기 내구 조건에서 유지한 후에 측정한 투과율과 헤이즈이다.

	실시예1		실시예2		비교예1
인가전압	0V	60V	0V	60V	0V	60V
초기T(%)	57.8	15.9	54.8	13	54.5	14.3
내구T(%)	56.3	14.0	53.7	12.7	53.3	22.3
초기H(%)	8.4	84.5	7.6	83.0	7.3	84.3
내구H(%)	7.7	82.9	7.9	81.5	7.5	83.8

1011, 1012: 대향 배치된 2개의 기판
102: 액정층
201, 202: 배향막
301, 302: 전극층

Claims (17)

1. 투과 모드 및 산란 모드의 사이를 스위칭 가능하고,
   네마틱 액정 화합물 및 인 함유 스멕틱 화합물을 포함하는 액정층을 가지는 광학 디바이스.
2. 제 1 항에 있어서, 액정층의 수직 전도도가 0.05 내지 5 nS/cm의 범위 내에 있는 광학 디바이스.
3. 제 1 항에 있어서, 액정층은, 수평 전도도가 0.1 내지 5 nS/cm의 범위 내에 있는 광학 디바이스.
4. 제 1 항에 있어서, 액정층의 수평 전도도(PC)의 수직 전도도(VC)에 대한 비율(PC/VC)이 0.5 내지 10의 범위 내에 있는 광학 디바이스.
5. 제 1 항에 있어서, 인 함유 스멕틱 액정 화합물은 하기 화학식 8로 표시되는 광학 디바이스:
   [화학식 8]
   

   

   
   화학식 8에서, A¹ 내지 A³는 각각 독립적으로 -F, -Cl, -OH, -Br, -OF₃, -CN, -NCS, -SF₅, 알킬기, 알콕시기 또는 아릴기이고, X¹은 -O-, -S-, -COO-, -CO-, 알킬렌기, 알케닐렌기, 아릴렌기, 시클로 알킬렌기 또는 단일 결합이며, B¹ 및 B²는 각각 독립적으로 산소 원자 또는 황 원자이며, n¹은 0 또는 양의 정수이고, R¹는 알킬렌기 또는 알케닐렌기이고, B⁸은 산소 원자 또는 황 원자이며, B⁹는 산소 원자, 황 원자 또는 단일 결합이고, n⁵는 양의 정수, 예를 들면 1 내지 5 범위 내의 정수이며, A¹⁰ 및 A¹¹은 각각 독립적으로, 고리 내 질소, 산소 및 황으로부터 선택되는 어느 하나 이상의 헤테로 원자를 포함하거나 포함하지 않는 아릴기 또는 시클로 알킬기이며, 상기 Z¹은 알킬기, -F, -Cl, -Br, -OCF₃, -SF₅, -NCS, -CN, -OCH₃ 또는 -C=C이고, 상기 Z²는-O-, -S-, -CO-, -COO-, OCO-, -S-CO-, -CO-S-, -O-COO-, -CO- NR⁰-, -NR⁰-CO-, -NR⁰-CO-NR⁰⁰, -NR⁰-CO-O-, -O-CO-NR⁰, -OCH₂-, -CH₂O-, -SCH₂-, -CH₂S-, -CF₂O-, -OCF₂-, -CF₂S-, -SCF₂-, -CH₂CH₂-, -(CH₂)₄-, -CF₂CH₂-, -CH₂CHF₂-, -CH=N-, -N=CH-, -NH-NH-, -N=N-, -CH=CR⁰-, -CY¹=CY², -C=C-, -CH=CH-COO-, -OCO-CH=CH- 또는 단일 결합이고, 상기 R⁰ 및 R⁰⁰는 각각 독립적으로 수소 또는 알킬기이며, 상기 Y¹ 및 Y²는 각각 독립적으로 H, F, Cl 또는 CN이고, n⁴은 0 또는 양의 정수이다.
6. 제 5 항에 있어서, 화학식 8에서, A¹ 내지 A³는 각각 독립적으로 알킬기 또는 알콕시기이고, X¹은 -O-, 알킬렌기 또는 단일 결합이며, B¹ 및 B²는 각각 독립적으로 산소 원자이며, n¹은 0 또는 양의 정수이고, R¹는 알킬렌기이고, B⁸ 및 B⁹는 산소 원자이고, n⁵는 양의 정수이며, A¹⁰ 및 A¹¹은 각각 독립적으로, 아릴기이며, Z¹은 알킬기, -F, -Cl, -Br, -OCF₃, -SF₅, -NCS, -CN 또는 -OCH₃이고, 상기 Z²는 -O-, -S-, -CO-, -COO-, OCO- 또는 단일 결합이고, n⁴은 0 또는 양의 정수인 광학 디바이스.
7. 제 1 항에 있어서, 액정층은 네마틱 액정 화합물 100 중량부 대비 1 내지 20 중량부의 스멕틱 액정 화합물을 포함하는 광학 디바이스.
8. 제 1 항에 있어서, 액정층은 이방성 염료를 추가로 포함하는 광학 디바이스.
9. 네마틱 액정 화합물 및 인 함유 스멕틱 화합물을 포함하는 액정 조성물.
10. 제 9 항에 있어서, 수직 전도도가 0.05 내지 5 nS/cm의 범위 내에 있는 액정 조성물.
11. 제 9 항에 있어서, 수평 전도도가 0.1 내지 5 nS/cm의 범위 내에 있는 액정 조성물.
12. 제 9 항에 있어서, 수평 전도도(PC)의 수직 전도도(VC)에 대한 비율(PC/VC)이 0.5 내지 10의 범위 내에 있는 액정 조성물.
13. 제 9 항에 있어서, 스멕틱 액정 화합물은 하기 화학식 8로 표시되는 액정 조성물:
    [화학식 8]
    

    

    
    화학식 8에서, A¹ 내지 A³는 각각 독립적으로 -F, -Cl, -OH, -Br, -OF₃, -CN, -NCS, -SF₅, 알킬기, 알콕시기 또는 아릴기이고, X¹은 -O-, -S-, -COO-, -CO-, 알킬렌기, 알케닐렌기, 아릴렌기, 시클로 알킬렌기 또는 단일 결합이며, B¹ 및 B²는 각각 독립적으로 산소 원자 또는 황 원자이며, n¹은 0 또는 양의 정수이고, R¹는 알킬렌기 또는 알케닐렌기이고, B⁸은 산소 원자 또는 황 원자이며, B⁹는 산소 원자, 황 원자 또는 단일 결합이고, n⁵는 양의 정수, 예를 들면 1 내지 5 범위 내의 정수이며, A¹⁰ 및 A¹¹은 각각 독립적으로, 고리 내 질소, 산소 및 황으로부터 선택되는 어느 하나 이상의 헤테로 원자를 포함하거나 포함하지 않는 아릴기 또는 시클로 알킬기이며, 상기 Z¹은 알킬기, -F, -Cl, -Br, -OCF₃, -SF₅, -NCS, -CN, -OCH₃ 또는 -C=C이고, 상기 Z²는-O-, -S-, -CO-, -COO-, OCO-, -S-CO-, -CO-S-, -O-COO-, -CO- NR⁰-, -NR⁰-CO-, -NR⁰-CO-NR⁰⁰, -NR⁰-CO-O-, -O-CO-NR⁰, -OCH₂-, -CH₂O-, -SCH₂-, -CH₂S-, -CF₂O-, -OCF₂-, -CF₂S-, -SCF₂-, -CH₂CH₂-, -(CH₂)₄-, -CF₂CH₂-, -CH₂CHF₂-, -CH=N-, -N=CH-, -NH-NH-, -N=N-, -CH=CR⁰-, -CY¹=CY², -C=C-, -CH=CH-COO-, -OCO-CH=CH- 또는 단일 결합이고, 상기 R⁰ 및 R⁰⁰는 각각 독립적으로 수소 또는 알킬기이며, 상기 Y¹ 및 Y²는 각각 독립적으로 H, F, Cl 또는 CN이고, n⁴은 0 또는 양의 정수이다.
14. 제 13 항에 있어서, 화학식 8에서, A¹ 내지 A³는 각각 독립적으로 알킬기 또는 알콕시기이고, X¹은 -O-, 알킬렌기 또는 단일 결합이며, B¹ 및 B²는 각각 독립적으로 산소 원자이며, n¹은 0 또는 양의 정수이고, R¹는 알킬렌기이고, B⁸ 및 B⁹는 산소 원자이고, n⁵는 양의 정수이며, A¹⁰ 및 A¹¹은 각각 독립적으로, 아릴기이며, Z¹은 알킬기, -F, -Cl, -Br, -OCF₃, -SF₅, -NCS, -CN 또는 -OCH₃이고, 상기 Z²는 -O-, -S-, -CO-, -COO-, OCO- 또는 단일 결합이고, n⁴은 0 또는 양의 정수인 액정 조성물.
15. 제 9 항에 있어서, 네마틱 액정 화합물 100 중량부 대비 1 내지 20 중량부의 스멕틱 액정 화합물을 포함하는 액정 조성물.
16. 제 9 항에 있어서, 이방성 염료를 추가로 포함하는 액정 조성물.
17. 제 1 항의 광학 디바이스를 차광판으로 포함하는 디스플레이 장치.

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