KR20220007333A - 광학 디바이스 - Google Patents

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KR20220007333A
KR20220007333A KR1020200085440A KR20200085440A KR20220007333A KR 20220007333 A KR20220007333 A KR 20220007333A KR 1020200085440 A KR1020200085440 A KR 1020200085440A KR 20200085440 A KR20200085440 A KR 20200085440A KR 20220007333 A KR20220007333 A KR 20220007333A
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liquid crystal
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유정선
오동현
김진홍
김정운
김민준
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주식회사 엘지화학
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Abstract

본 출원은 광학 디바이스에 관한 것이다. 본 출원에서는 광학 디바이스의 고온 열처리 후 상온으로 냉각되는 속도를 조절하여, 헤이즈가 낮은 광학 디바이스를 제공할 수 있다.

Description

광학 디바이스{OPTICAL DEVICE}
본 출원은 광학 디바이스에 관한 것이다.
플렉서블 기판을 사용하는 액정 필름셀의 장기 안정성, 대면적 확장성을 위해서는 상부 기판과 하부 기판의 셀갭 유지와 상부 기판과 하부 기판 간의 접착력을 부여하는 것이 중요하다.
특허문헌 1은 한 쪽 기판에 셀갭 높이의 기둥 또는 벽 형태의 패턴을 형성하고, 다른 쪽 기판에 형성된 배향력을 가지는 점착제를 통해 두 개의 기판을 서로 부착하여 셀갭을 유지하는 기술을 개시하고 있다. 이러한 구조를 가지는 광학 디바이스에 발생하는 배향 얼룩 현상을 개선하기 위하여 광학 디바이스를 고온에서 열처리하는 방법이 고려될 수 있는데, 고온 열처리 후 광학 디바이스를 다시 상온에서 냉각하는 과정에서 배향력을 가지는 점착제 내부에 침투했던 액정 분자들이 액정 드랍(drop)을 형성하여 헤이즈를 발생시키는 문제점이 발생하였다.
한국 특허공개공보 10-2016-0100575
본 출원은 광학 디바이스의 고온 열처리 후 상온으로 냉각되는 속도를 조절하여, 헤이즈가 낮은 광학 디바이스를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 출원은 광학 디바이스에 관한 것이다. 용어 광학 디바이스는, 투과율의 조절이 가능한 광학 디바이스로서, 예를 들면, 적어도 투과 모드와 차단 모드 사이를 스위칭할 수 있는 광학 디바이스에 대한 것이다.
도 1은 본 출원의 하나의 예시에 따른 광학 디바이스의 모식도이다. 본 출원의 광학 디바이스는 액정셀, 제 1 외곽 기판 및 제 2 외곽 기판을 포함한다. 상기 액정셀은 제 1 표면에 점착제층(102)이 형성되어 있는 제 1 기판(101), 액정층(300), 및 제 1 표면에 스페이서(S) 및 액정 배향막(202)이 형성되어 있는 제 2 기판(201)을 포함하며, 제 1 기판과 제 2 기판이 서로의 제 1 표면이 마주하도록 대향 배치되어 있다.
본 명세서에서 기판의 제 1 표면은 기판의 주표면과 그 반대측 표면 중에서 어느 하나의 표면을 의미하고, 제 2 표면은 기판의 주표면과 그 반대측 표면 중에서 다른 하나의 표면을 의미한다.
상기 제 1 외곽 기판(400)은 제 1 기판의 제 2 표면 상에 형성되어 있으며, 제 2 외곽 기판(500)은 제 2 기판의 제 2 표면 상에 형성되어 있다. 본 명세서에서 기판의 제 2 표면은 상술한 기판의 제 1 표면과 반대측 표면을 의미한다.
본 출원의 광학 디바이스는 하기 수식 1로 정의되는 쿨링 속도가 15℃/min 이하일 수 있다.
[수식 1]
쿨링 속도 = (T-25℃)/쿨링 시간(min)
상기 수식 1에서, T는 80℃ 이상의 온도이고, 쿨링 시간은 광학 디바이스가 온도 T에서 25℃까지 냉각되는데 걸리는 시간이다.
상기 온도 T는 광학 디바이스 열처리시의 온도이며, 구체적으로 85℃ 이상, 90℃ 이상, 95℃ 이상 또는 100℃ 이상일 수 있다. 상기 온도 T의 상한은 특별히 제한되지 않으나, 예를 들어 150℃ 이하, 140℃ 이하, 130℃ 이하 또는 120℃ 이하일 수 있다.
일반적인 광학 디바이스는 액정 배향 안정화를 위해, 광학 디바이스 제조 후 네마틱-등방성 전이온도(Tni) 이상의 온도에서 열처리를 진행한다. 이 때, 광학 디바이스의 네마틱-등방성 전이온도(Tni)는 약 80~120℃ 정도이다. 또한, 광학 디바이스는 높은 온도(예: 차량용은 100℃ 이상)에서 실사용되므로, 디바이스의 신뢰성 평가를 위해서는 열이력을 인가하여 이상 유무를 판단해야 한다.
본 출원의 광학 디바이스는 상기와 같은 이유로 광학 디바이스가 고온 열처리되는 경우, 열처리 후 상온으로 냉각되는 속도를 조절할 수 있어, 광학 디바이스의 헤이즈를 낮출 수 있다.
하나의 예시에서, 본 출원의 광학 디바이스는 투과 모드일 때의 헤이즈(haze)가 9% 이하일 수 있다. 다른 예시에서, 헤이즈는 약 8% 이하, 7% 이하, 6% 이하, 5%이하, 4% 이하, 3% 이하 또는 2% 이하일 수 있다.
이하, 본 출원의 광학 디바이스를 구체적으로 설명한다.
제 1 기판(101) 및 제 2 기판(201)으로는 특별한 제한 없이 공지의 기판 소재가 사용될 수 있다. 예를 들면, 유리 기판, 결정성 또는 비결정성 실리콘 기판 또는 석영 기판 등의 무기 기판이나 플라스틱 기판 등을 사용할 수 있다. 플라스틱 기판으로는, TAC(triacetyl cellulose) 기판; 노르보르넨 유도체 기판 등의 COP(cyclo olefin copolymer) 기판; PMMA(poly(methyl methacrylate) 기판; PC(polycarbonate) 기판; PE(polyethylene) 기판; PP(polypropylene) 기판; PVA(polyvinyl alcohol) 기판; DAC(diacetyl cellulose) 기판; Pac(Polyacrylate) 기판; PES(poly ether sulfone) 기판; PEEK(polyetheretherketon) 기판; PPS(polyphenylsulfone), PEI(polyetherimide) 기판; PEN(polyethylenemaphthatlate) 기판; PET(polyethyleneterephtalate) 기판 등의 폴리에스테르 기판; PI(polyimide) 기판; PSF(polysulfone) 기판; PAR(polyarylate) 기판 또는 비정질 불소 수지 등을 포함하는 기판을 사용할 수 있지만 이에 제한되는 것은 아니다. 이러한 기판의 두께는 특별히 제한되지 않고, 적절한 범위에서 선택될 수 있다.
상기 액정셀의 제 1 및 제 2 기판에는 액정층에 외부 신호를 인가하기 위한 구성요소로서, 전극층(103, 203)이 형성되어 있을 수 있다. 예를 들면, 제 1 기판에서 제 1 표면과 점착제층의 사이 및/또는 제 2 기판에서 제 1 표면과 스페이서 및 배향막의 사이에는 전극층이 존재할 수 있다.
상기 전극층으로는 공지의 투명 전극층이 사용될 수 있는데, 예를 들면 전도성 고분자층, 전도성 금속층, 전도성 나노와이어층 또는 ITO(Indium Tin Oxide) 등의 금속 산화물층이 상기 전극층으로 사용될 수 있다. 이 외에도 투명 전극층을 형성할 수 있는 다양한 소재 및 형성 방법이 공지되어 있고, 이를 제한없이 적용할 수 있다.
제 1 기판(101)의 제 1 표면에는 점착제층(102)이 형성될 수 있다. 상기 점착제층은 광학적으로 투명할 수 있다. 상기 점착제층은 가시광 영역, 예를 들어 380nm 내지 780nm 파장에 대한 평균 투과도가 약 80% 이상, 85% 이상, 90% 이상 또는 95% 이상일 수 있다.
상기 점착제는 액정 배향성 점착제일 수 있다. 점착제는, 예를 들어, 수직 배향성 점착제이거나 또는 수평 배향성 점착제일 수 있다. 본 명세서에서 『수직 배향성 점착제』는 인접하는 액정 화합물에 대해 수직 배향력을 부여함과 동시에 상부 기판과 하부 기판을 접착시킬 수 있는 부착력을 갖는 점착제를 의미할 수 있다. 본 명세서에서 『수평 배향성 점착제』은 인접하는 액정 화합물에 대해 수평 배향력을 부여함과 동시에 상부 기판과 하부 기판을 접착시킬 수 있는 부착력을 가지고 있는 점착제를 의미할 수 있다. 수직 배향성 점착제에 대한 인접하는 액정 화합물의 프리틸트 각이 80도 내지 90도, 85도 내지 90도 또는 약 87도 내지 90도 범위 내일 수 있고, 수평 배향성 점착제에 대한 인접하는 액정 화합물의 프리틸트 각이 0도 내지 10도, 0도 내지 5도 또는 0도 내지 3도 범위 내일 수 있다. 본 출원의 일 실시예에 따르면, 상기 점착제로는 수직 배향성 점착제를 사용할 수 있다.
본 명세서에서 프리틸트 각도는 전압이 인가되지 않은 상태에서 액정 화합물의 방향자가 액정 배향성 점착제 또는 배향막과 수평한 면에 대하여 이루는 각도를 의미할 수 있다. 본 명세서에서 액정 화합물의 방향자는 액정층의 광축(Optical axis) 또는 지상축(Slow axis)을 의미할 수 있다. 또는 액정 화합물의 방향자는 액정 화합물이 막대(rod) 모양인 경우 장축 방향을 의미할 수 있고, 액정 화합물이 원판(discotic) 모양인 경우 원판 평면의 법선 방향과 평행한 축을 의미할 수 있다. 액정층 내에 방향자가 서로 상이한 복수의 액정 화합물이 존재하는 경우에 상기 방향자는 벡터합일 수 있다
점착제로는 업계에서 소위 OCA(Optically Clear Adhesive)로 공지된 다양한 유형의 점착제를 적절히 사용할 수 있다. 상기 점착제는 부착 대상이 합착되기 전에 경화된다는 점에서 부착 대상이 합착된 후에 경화되는 OCR(Optically Clear Resin) 유형의 접착제와 다를 수 있다. 상기 점착제로는 예를 들면, 아크릴계, 실리콘계, 에폭시계 또는 우레탄계의 점착제가 적용될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 배향력을 가지는 점착제로는 예를 들어 실리콘(Silicone)계 점착제를 사용할 수 있다. 상기 실리콘계 점착제로는 경화성 실리콘 화합물을 포함하는 조성물의 경화물을 사용할 수 있다. 경화성 실리콘 화합물이라면 그 표면 특성 상 배향능이 나타날 수 있으므로, 공지된 실리콘 점착제 중에서 적절한 종류를 선택할 수 있다. 경화성 실리콘 화합물을 포함하는 조성물(이하, 경화성 실리콘 조성물)의 종류는 특별히 제한되지 않으며, 예를 들어 가열 경화성 실리콘 조성물 또는 자외선 경화성 실리콘 조성물을 사용할 수 있다.
하나의 예시에서 상기 경화성 실리콘 조성물은 부가 경화성 실리콘 조성물로서, (1) 분자 중에 2개 이상의 알케닐기를 함유하는 오르가노폴리실록산 및 (2) 분자 중에 2개 이상의 규소결합 수소원자를 함유하는 오르가노폴리실록산을 포함할 수 있다. 상기와 같은 실리콘 화합물은, 예를 들면, 백금 촉매 등의 촉매의 존재 하에서, 부가 반응에 의하여 경화물을 형성할 수 있다.
본 출원에서 사용할 수 있는 상기 (1) 오르가노폴리실록산의 보다 구체적인 예로는, 분자쇄 양말단 트리메틸실록산기 봉쇄 디메틸실록산-메틸비닐실록산 공중합체, 분자쇄 양말단 트리메틸실록산기 봉쇄 메틸비닐폴리실록산, 분자쇄 양말단 트리메틸실록산기 봉쇄 디메틸실록산-메틸비닐실록산-메틸페닐실록산 공중합체, 분자쇄 양말단 디메틸비닐실록산기 봉쇄 디메틸폴리실록산, 분자쇄 양말단 디메틸비닐실록산기 봉쇄 메틸비닐폴리실록산, 분자쇄 양말단 디메틸비닐실록산기 봉쇄 디메틸실록산-메틸비닐실록산 공중합체, 분자쇄 양말단 디메틸비닐실록산기 봉쇄 디메틸실록산-메틸비닐실록산-메틸페닐실록산 공중합체, R1-2SiO1/2로 표시되는 실록산 단위와 R12R2SiO1/2로 표시되는 실록산 단위와 SiO4/2로 표시되는 실록산 단위를 포함하는 오르가노폴리실록산 공중합체, R12R2SiO1/2로 표시되는 실록산 단위와 SiO4/2로 표시되는 실록산 단위를 포함하는 오르가노폴리실록산 공중합체, R1R2SiO2/2로 표시되는 실록산 단위와 R1SiO3/2로 표시되는 실록산 단위 또는 R2SiO3/2로 표시되는 실록산 단위를 포함하는 오르가노폴리실록산 공중합체 및 상기 중 2 이상의 혼합물을 들 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기에서, R1은 알케닐기 외의 탄화수소기로서, 구체적으로는 메틸기, 에틸기, 프로필기, 부틸기, 펜틸기, 헥실기 또는 헵틸기 등의 알킬기; 페닐기, 톨릴기, 크실릴기 또는 나프틸기 등의 아릴기; 벤질기 또는 페넨틸기 등의 아랄킬기; 클로로메틸기, 3-클로로프로필기 또는 3,3,3-트리플루오로프로필기 등의 할로겐 치환 알킬기 등일 수 있다.
또한, 상기에서 R2는 알케닐기로서, 구체적으로는 비닐기, 알릴기, 부테닐기, 펜테닐기, 헥세닐기 또는 헵테닐기 등일 수 있다.
본 발명에서 사용할 수 있는 상기 (2) 오르가노폴리실록산의 보다 구체적인 예로는, 분자쇄 양말단 트리메틸실록산기 봉쇄 메틸하이드로젠폴리실록산, 분자쇄 양말단 트리메틸실록산기 봉쇄 디메틸실록산-메틸하이드로젠 공중합체, 분자쇄 양말단 트리메틸실록산기 봉쇄 디메틸실록산-메틸하이드로젠실록산-메틸페닐실록산 공중합체, 분자쇄 양말단 디메틸하이드로젠실록산기 봉쇄 디메틸폴리실록산, 분자쇄 양말단 디메틸하이드로젠실록산기 봉쇄 디메틸실록산-메틸페닐실록산 공중합체, 분자쇄 양말단 디메틸하이드로젠실록산기 봉쇄 메틸페닐폴리실록산, R13SiO1/2로 표시되는 실록산 단위와 R12HSiO1/2로 표시되는 실록산 단위와 SiO4/2로 표시되는 실록산 단위를 포함하는 오르가노폴리실록산 공중합체, R12HSiO1/2로 표시되는 실록산 단위와 SiO4/2로 표시되는 실록산 단위를 포함하는 오르가노폴리실록산 공중합체, R1HSiO2/2로 표시되는 실록산 단위와 R1SiO3/2로 표시되는 실록산 단위 또는 HSiO3/2로 표시되는 실록산 단위를 포함하는 오르가노폴리실록산 공중합체 및 상기 중 2 이상의 혼합물을 들 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기에서, R1은 알케닐기 외의 탄화수소기로서, 구체적으로는 메틸기, 에틸기, 프로필기, 부틸기, 펜틸기, 헥실기 또는 헵틸기 등의 알킬기; 페닐기, 톨릴기, 크실릴기 또는 나프틸기 등의 아릴기; 벤질기 또는 페넨틸기 등의 아랄킬기; 클로로메틸기, 3-클로로프로필기 또는 3,3,3-트리플루오로프로필기 등의 할로겐 치환 알킬기 등일 수 있다.
상기 (2) 오르가노폴리실록산의 함량은, 적절한 경화가 이루어질 수 있을 정도로 포함된다면 특별히 한정되지 않는다. 예를 들면, 상기 (2) 오르가노폴리실록산은, 전술한 (1) 오르가노폴리실록산에 포함되는 알케닐기 하나에 대하여, 규소결합 수소원자가 0.5 내지 10개가 되는 양으로 포함될 수 있다. 이러한 범위에서 경화를 충분하게 진행시키고, 내열성을 확보할 수 있다.
상기 부가경화성 실리콘 조성물은, 경화를 위한 촉매로서, 백금 또는 백금 화합물을 추가로 포함할 수 있다. 이와 같은, 백금 또는 백금 화합물의 구체적인 종류는 특별한 제한은 없다. 촉매의 비율도 적절한 경화가 이루어질 수 있는 수준으로 조절되면 된다.
상기 부가경화성 실리콘 조성물은, 저장 안정성, 취급성 및 작업성 향상의 관점에서 필요한 적절한 첨가제를 적정 비율로 또한 포함할 수도 있다.
다른 예시에서 상기 실리콘 조성물은, 축합경화성 실리콘 조성물로서, 예를 들면 (a) 알콕시기 함유 실록산 폴리머; 및 (b) 수산기 함유 실록산 폴리머를 포함할 수 있다.
상기 (a) 실록산 폴리머는, 예를 들면, 하기 화학식 1로 표시되는 화합물일 수 있다.
[화학식 1]
R1 aR2 bSiOc(OR3)d
화학식 1에서 R1 및 R2는, 각각 독립적으로, 수소 원자 또는 치환 또는 비치환된 1가 탄화수소기를 나타내고, R3은 알킬기를 나타내며, R1, R2 및 R3가 각각 복수개 존재하는 경우에는 서로 동일하거나 상이할 수 있고, a 및 b는 각각 독립적으로 0 이상, 1 미만의 수를 나타내고, a+b는 0 초과, 2 미만의 수를 나타내며, c는 0 초과, 2 미만의 수를 나타내고, d는 0 초과, 4 미만의 수를 나타내며, a+b+c×2+d는 4이다.
화학식 1의 정의에서, 1가 탄화수소는, 예를 들면, 탄소수 1 내지 8의 알킬기, 페닐기, 벤질기 또는 톨릴기 등일 수 있고, 이 때 탄소수 1 내지 8의 알킬기로서는, 메틸기, 에틸기, 프로필기, 이소프로필기, 부틸기, 펜틸기, 헥실기, 헵틸기 또는 옥틸기 등일 수 있다. 또한, 화학식 1의 정의에서, 1가 탄화수소기는, 예를 들면, 할로겐, 아미노기, 머캅토기, 이소시아네이트기, 글리시딜기, 글리시독시기 또는 우레이도기 등의 공지의 치환기로 치환되어 있을 수 있다.
화학식 1의 정의에서, R3의 알킬기의 예로는, 메틸기, 에틸기, 프로필기, 이소프로필기 또는 부틸기 등을 들 수 있다. 알킬기 중에서, 메틸기 또는 에틸기 등이 통상 적용되지만, 이에 제한되는 것은 아니다.
화학식 1의 폴리머 중 분지상 또는 3차 가교된 실록산 폴리머를 사용할 수 있다. 또한, 이 (a) 실록산 폴리머에는, 목적을 손상시키지 않는 범위 내에서, 구체적으로는 탈알코올 반응을 저해하지 않는 범위 내에서 수산기가 잔존하고 있을 수 있다.
상기 (a) 실록산 폴리머는, 예를 들면, 다관능의 알콕시실란 또는 다관능 클로로 실란 등을 가수분해 및 축합시킴으로써 제조할 수 있다. 이 분야의 평균적 기술자는, 목적하는 (a) 실록산 폴리머에 따라 적절한 다관능 알콕시실란 또는 클로로 실란을 용이하게 선택할 수 있으며, 그를 사용한 가수분해 및 축합 반응의 조건 또한 용이하게 제어할 수 있다. 한편, 상기 (a) 실록산 폴리머의 제조시에는, 목적에 따라서, 적절한 1관능의 알콕시 실란을 병용 사용할 수도 있다.
상기 (a) 실록산 폴리머로는, 예를 들면, 신에쯔 실리콘사의 X40-9220 또는 X40-9225, GE 토레이 실리콘사의 XR31-B1410, XR31-B0270 또는 XR31-B2733 등과 같은, 시판되고 있는 오르가노실록산 폴리머를 사용할 수 있다.
상기 축합경화성 실리콘 조성물에 포함되는, (b) 수산기 함유 실록산 폴리머로는, 예를 들면, 하기 화학식 2으로 나타나는 화합물을 사용할 수 있다.
[화학식 2]
Figure pat00001
화학식 2에서, R4 및 R5은 각각 독립적으로, 수소원자 또는 치환 또는 비치환된 1가의 탄화수소기를 나타내고, R5 및 R6이 각각 복수 존재하는 경우에는, 상기는 서로 동일하거나, 상이할 수 있으며, n은 5 내지 2,000의 정수를 나타낸다.
화학식 2의 정의에서, 1가 탄화수소기의 구체적인 종류로는, 예를 들면, 상기 화학식 1의 경우와 동일한 탄화수소기를 들 수 있다.
상기 (b) 실록산 폴리머는, 예를 들면, 디알콕시실란 및/또는 디클로로 실란 등을 가수분해 및 축합시킴으로써 제조할 수 있다. 이 분야의 평균적 기술자는, 목적하는 (b) 실록산 폴리머에 따라 적절한 디알콕시 실란 또는 디클로로실란을 용이하게 선택할 수 있으며, 그를 사용한 가수분해 및 축합 반응의 조건 또한 용이하게 제어할 수 있다. 상기와 같은 (b) 실록산 폴리머로는, 예를 들면, GE 토레이 실리콘사의 XC96-723, YF-3800, YF-3804 등과 같은, 시판되고 있는 2관능 오르가노실록산 폴리머를 사용할 수 있다.
위에 기술한 부가 경화형 혹은 축합 경화형 실리콘 조성물은 본 출원에서 적용되는 실리콘 접착제를 형성하기 위한 재료의 하나의 예시이다. 즉, 기본적으로 업계에서 OCA 또는 OCR 등으로 알려진 실리콘 점착제가 모두 본 출원에서 적용될 수 있다.
배향력을 가지는 점착제의 타입은 특별히 제한되지 않고 목적하는 용도에 따라 적절히 선택될 수 있다. 예를 들어 고상 접착제, 반고상 접착제, 탄성 접착제, 또는 액상 접착제를 적절히 선택하여 사용할 수 있다. 고상 접착제 또는 반고상 접착제 또는 탄성 접착제는 소위 감압성 접착제(PSA; Pressure Sensitive Adhesive)로 호칭될 수 있으며, 접착 대상이 합착되기 전에 경화될 수 있다. 본 출원에서 예를 들어, 배향력을 가지는 PSA 타입의 접착제로서 폴리디메틸실록산 접착제(Polydimethyl siloxane adhesive) 또는 폴리메틸비닐실록산 접착제(Polymethylvinyl siloxane adhesive)를 사용할 수 있고, 배향력을 가지는 OCR 타입의 접착제로서 알콕시실리콘 접착제(Alkoxy silicone adhesive)를 사용할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 점착제층의 두께는 특별히 제한되지 않고, 목적하는 접착력의 확보를 위해 적정한 범위로 선택될 수 있다. 상기 두께는 대략 1㎛ 내지 50㎛의 범위 내일 수 있다. 상기 두께는 다른 예시에서 2㎛ 이상, 3㎛ 이상, 4㎛ 이상, 5㎛ 이상, 6㎛ 이상, 7㎛ 이상, 8㎛ 이상, 9㎛ 이상 또는 10㎛ 이상이거나, 45㎛ 이하, 40㎛ 이하, 35㎛ 이하, 30㎛ 이하, 25㎛ 이하, 20㎛ 이하, 15㎛ 이하 또는 10㎛ 이하 정도일 수도 있다.
통상적으로 대향 배치되는 2개의 기판의 양쪽 모두에 액정 배향막이 형성되지만, 상기와 같이 제 1 기판에 액정 배향막 대신 점착제층을 형성하고, 제 2 기판에만 액정 배향막을 형성함으로써, 특정 용도(예를 들면, smart window나 eye wear)에서 매우 유용한 액정 화합물의 배향 상태가 얻어질 수 있다. 따라서, 본 출원의 제 1 기판에는 액정 배향막이 형성되지 않을 수 있다.
상기 제 1 기판(101)과 제 2 기판(201) 사이에는 액정층(300)이 존재할 수 있다. 액정층은 액정 화합물을 포함할 수 있다. 액정 화합물로는 외부 신호의 인가에 의하여 그 배향 방향이 변경될 수 있는 것이라면 모든 종류의 액정 화합물을 사용할 수 있다. 예를 들며, 액정 화합물로는 스멕틱(smectic) 액정 화합물, 네마틱(nematic) 액정 화합물 또는 콜레스테릭(cholesteric) 액정 화합물 등을 사용할 수 있다. 또한, 외부 작용의 인가에 의하여 그 배향 방향이 변경될 수 있도록, 액정 화합물은 예를 들어 중합성기 또는 가교성기를 가지지 않는 화합물일 수 있다. 본 명세서에서 용어 『외부 작용』이란, 액정층 내 포함되는 물질의 거동에 영향을 줄 수 있는 외부에 모든 요인, 예를 들면 외부 전압 등을 의미할 수 있다. 따라서, 외부 작용이 없는 상태란, 외부 전압 등의 인가가 없는 상태를 의미할 수 있다.
액정층은 유전율 이방성이 양수인 액정 화합물을 포함하거나 또는 액정층은 상기 언급된 유전율 이방성을 나타낼 수 있다. 유전율 이방성의 절대값은 본 출원의 목적을 고려하여 적절히 선택될 수 있다. 용어 「유전율 이방성(Δε)」은 수평 유전율(ε//)과 수직 유전율(ε⊥)의 차이(ε// - ε⊥)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(ε⊥)은 액정 분자의 방향자와 인가 전압에 의한 전기장의 방향이 실질적으로 수직하도록 전압을 인가한 상태에서 상기 전기장의 방향을 따라 측정한 유전율 값을 의미한다.
액정층은 굴절률 이방성(Δn)이 약 0.05 내지 0.1의 범위 내인 액정 화합물을 포함할 수 있다. 본 출원에서 말하는 굴절률 이방성(Δn)은 이상 굴절률(ne, extraordinary refractive index)과 정상 굴절률(no, ordinary refractive index)의 차이(ne-no)이고, 이는 Abbe 굴절계를 이용하여 확인할 수 있다.
액정층은 이색성 염료를 추가로 포함할 수 있다. 액정층이 이색성 염료를 포함할 경우 광 투과 특성을 제어하는데 유리할 수 있다. 액정층이 이색성 염료를 포함하는 경우 액정층은 게스트호스트 액정층(Guest host liquid crystal layer)으로 불릴 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 『이색성 염료』는 상기 가시광 영역의 적어도 일부 또는 전체 범위에서 광의 이방성 흡수가 가능한 물질을 의미할 수 있다. 이러한 염료로는, 예를 들면, 아조 염료 또는 안트라퀴논 염료 등으로 공지되어 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
액정층은 키랄제를 추가로 포함할 수 있다. 액정층이 키랄제를 포함하는 경우 트위스트 배향 상태를 구현할 수 있다. 액정층에 포함될 수 있는 키랄제(chiral agent 혹은 chiral dopant)로는, 액정성, 예를 들면, 네마틱 규칙성을 손상시키지 않고, 목적하는 회전(twisting)을 유도할 수 있는 것이라면, 특별히 제한되지 않고 사용될 수 있다. 액정 분자에 회전을 유도하기 위한 키랄제는 분자 구조 중에 키랄리티(chirality)를 적어도 포함할 필요가 있다. 키랄제로는, 예를 들면, 1개 또는 2개 이상의 비대칭 탄소(asymmetric carbon)를 가지는 화합물, 키랄 아민 또는 키랄 술폭시드 등의 헤테로원자 상에 비대칭점(asymmetric point)이 있는 화합물 또는 크물렌(cumulene) 또는 비나프톨(binaphthol) 등의 축부제를 가지는 광학 활성인 부위(axially asymmetric, optically active site)를 가지는 화합물이 예시될 수 있다. 키랄제는 예를 들면 분자량이 1,500 이하인 저분자 화합물일 수 있다. 키랄제로는, 시판되는 키랄 네마틱 액정, 예를 들면, Merck사에서 시판되는 키랄 도판트 액정 S-811 또는 BASF사의 LC756 등을 사용할 수도 있다.
제 2 기판(201)에는 제 1 및 제 2 기판의 간격(cell gap)을 유지하는 스페이서(S)가 존재한다. 하나의 예시에서, 본 출원의 스페이서는 격벽형 스페이서일 수 있다. 상기 격벽형 스페이서로는 허니컴(honeycomb)형, 사각형의 격벽형 스페이서 또는 랜덤형 스페이서가 적용될 수 있다. 상기에서 허니콤형 또는 사각형의 격벽형 스페이서는 공지된 바와 같이 기판 상에 형성된 격벽형 스페이서의 형태를 기판의 법선 방향에서 관찰한 때에 상기 격벽형 스페이서에 의해 형성되는 도형이 허니콤형 또는 사각형인 경우를 의미한다. 상기 허니콤형은 통상 정육각형의 조합으로 되고, 사각형의 경우 정사각형, 직사각형 또는 정사각형과 직사각형의 조합이 있을 수 있다. 또한, 상기에서 랜덤형 스페이서는 격벽들이 랜덤하게 배치된 경우로서 해당 격벽들이 도형을 형성하지 않거나 형성하여도 정형화된 도형이 아닌 랜덤하게 도형을 형성한 경우를 의미한다.
상기 격벽형 스페이서의 피치는 목적하는 부착력이나 셀갭의 유지 효율 등을 고려하여 적절하게 선택될 수 있다. 본 명세서에서 용어 피치(Pitch)는, 상기 스페이서를 상부에서 관찰한 때에 확인되는 사각형의 각 변의 길이를 의미한다. 본 명세서에서 스페이서를 상부에서 관찰한다는 것은, 스페이서와 기판의 면의 법선 방향과 평행하게 상기 스페이서를 관찰하는 것을 의미한다. 상기 사각형의 각 변의 길이가 모두 동일한 경우(즉, 사각형이 정사각형인 경우)에는 그 동일한 변의 길이가 피치로서 규정되고, 각 변의 길이가 동일하지 않은 경우(예를 들면, 사각형이 직사각형인 경우), 모든 변들의 길이의 산술 평균이 상기 피치로서 규정될 수 있다.
예를 들어, 상기 격벽형 스페이서의 피치는 100 ㎛ 내지 1500 ㎛의 범위일 수 있다. 상기 피치는 다른 예시에서 150㎛ 이상, 200㎛ 이상, 250㎛ 이상, 300㎛ 이상, 350㎛ 이상, 400㎛ 이상 또는 450㎛ 이상이거나, 1450㎛ 이하, 1400㎛ 이하, 1350㎛ 이하, 1300㎛ 이하, 1250㎛ 이하, 1200㎛ 이하, 1150㎛ 이하 또는 1100㎛ 이하일 수 있다. 격벽형 스페이서에서 피치를 구하는 방식은 공지이다. 예를 들어, 격벽형 스페이서가 허니콤형이라면 상기 허니콤을 이루는 육각형에서 마주보는 변들의 간격을 통해 피치를 구하고, 사각형인 경우에 사각형의 변의 길이를 통해 피치를 구한다. 상기 허니콤을 이루는 육각형에서 마주보는 변들의 간격이나 사각형의 변의 길이가 일정하지 않은 경우에는 그들의 평균치를 피치로 규정할 수 있다.
한편, 상기 격벽형 스페이서의 선폭, 예를 들면, 상기 허니콤을 이루는 육각형이나 사각형의 각 벽의 폭은 예를 들면 약 5 ㎛ 내지 50 ㎛의 범위 내에 있을 수 있다. 상기 선폭은 다른 예시에서 약 10 ㎛ 이상 또는 15 ㎛ 이상이거나 45 ㎛ 이하, 40 ㎛ 이하, 35 ㎛ 이하, 30 ㎛ 이하, 25 ㎛ 이하 또는 20 ㎛ 이하일 수 있다. 상기와 같은 범위에서 셀갭이 적절하게 유지되고, 기판 간의 부착력도 우수하게 유지할 수 있다.
본 출원에서 상기 스페이서는 격벽 형태의 스페이서를 제조하기 위한 통상적인 방식을 적용하여 제조할 수 있다. 통상 격벽 형태의 스페이서는 경화성 수지 조성물을 사용한 방식(예를 들면, 포토 패터닝 방식 등)으로 제조할 수 있다. 따라서, 본 출원의 상기 스페이서는 경화성 수지 조성물의 경화물을 포함할 수 있다. 경화성 수지 조성물로는 특별한 제한 없이 스페이서 형성을 위해 적용되고 있는 공지의 종류를 적용할 수 있다. 이러한 수지 조성물은 통상 가열 경화성 수지 조성물 또는 광 경화성 수지 조성물, 예를 들어 자외선 경화성 수지 조성물이 있다.
가열 경화성 수지 조성물로는 예를 들어, 실리콘 수지 조성물, 프란 수지 조성물, 폴리우레탄 수지 조성물, 에폭시 수지 조성물, 아미노 수지 조성물, 페놀 수지 조성물, 요소 수지 조성물, 폴리에스테르 수지 조성물 또는 멜라민 수지 조성물 등을 사용할 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다.
자외선 경화성 수지 조성물로는 대표적으로 아크릴 중합체, 예를 들어 폴리에스테르 아크릴레이트 중합체, 폴리스티렌 아크릴레이트 중합체, 에폭시 아크릴레이트 중합체, 폴리우레탄 아크릴레이트 중합체 또는 폴리 부타디엔 아크릴레이트 중합체, 실리콘 아크릴레이트 중합체 또는 알킬 아크릴레이트 중합체 등을 포함하는 수지 조성물을 사용할 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다. 다른 예시로는, 실리콘 중합체를 사용하여 형성할 수도 있으며 스페이서를 실리콘 중합체를 사용하여 형성하는 경우, 스페이서의 오목한 영역에 잔존하는 실리콘 중합체가 수직 배향막의 역할을 수행할 수 있으므로 후술하는 바와 같이 스페이서가 존재하는 기판에 추가의 수직 배향막을 사용하지 않을 수도 있다. 실리콘 중합체로는 규소와 산소의 결합(Si-O-Si)을 주축으로 하는 공지의 중합체를 사용할 수 있고, 예를 들어, 폴리디메틸실록산(PDMS, Polydimethylsiloxane)를 사용할 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다.
제 2 기판(201)의 액정 배향막(202)은 스페이서(S) 상에 존재할 수 있다. 배향막으로는 수평 배향막 또는 수직 배향막을 사용할 수 있다. 상기 배향막으로는 러빙 배향막과 같은 접촉식 배향막이나 광 배향막과 같은 비 접촉식 배향막을 사용할 수 있다.
본 출원의 액정셀 구동 모드는 예를 들어, DS(Dynamic Scattering) 모드, ECB(Electrically Controllable Birefringence) 모드, IPS(In-Plane Switching) 모드, FFS(Fringe-Field Wwitching)모드, OCB(Optially Compensated Bend) 모드, VA(Vertical Alignment) 모드, MVA(Multi-domain Vertical Alignment) 모드, PVA(Patterned Vertical Alignment) 모드, HAN(Hybrid Aligned Nematic) 모드, TN(Twisted Nematic) 모드, STN (Super Twisted Nematic) 모드 또는 R-TN(Reversed Twisted Nematic) 모드 등을 예시할 수 있다.
액정셀은 인가되는 전압에 따라 액정층의 배향 상태를 스위칭할 수 있다. 하나의 예시에서, 액정셀에 전압이 인가되지 않은 상태에서 액정층은 제 1 배향 상태를 가질 수 있고, 액정셀에 전압이 인가된 상태에서 액정층은 제 1 배향 상태와 다른 제 2 배향 상태를 가질 수 있다. 상기 제 1 배향 상태 및/또는 제 2 배향 상태로는 수평 배향 상태, 수직 배향 상태, 트위스트 배향 상태, 경사 배향 상태, 하이브리드 배향 상태 등을 예시할 수 있다.
본 명세서에서 『수평 배향 상태』는 액정층 내의 액정 화합물의 방향자가 상기 액정층의 평면에 대하여 대략 평행하게 배열된 상태이고, 예를 들면, 상기 액정층의 평면에 대하여 상기 방향자가 이루는 각도는, 예를 들어, 약 -10도 내지 10도 또는 -5도 내지 5도의 범위 내이거나, 대략 약 0도를 이룰 수 있다.
본 명세서에서 『수직 배향 상태』는 액정층 내의 액정 화합물의 방향자가 액정층의 평면에 대하여 대략 수직하게 배열된 상태이고, 예를 들면, 액정층의 평면에 대하여 상기 방향자가 이루는 각도는, 예를 들어, 약 80도 내지 100도 또는 85도 내지 95도의 범위 내이거나, 대략 약 90도를 이룰 수 있다.
본 명세서에서 『트위스트 배향 상태』는 액정층 내에서 액정 화합물들의 방향자가 가상의 나선축을 따라서 꼬이면서 층을 이루며 배향한 나선형의 구조를 의미할 수 있다. 상기 트위스트 배향 상태는, 수직, 수평 또는 경사 배향 상태에서 구현될 수 있는데, 즉, 수직 트위스트 배향 모드는 개개의 액정 화합물이 수직 배향된 상태로 나선축을 따라 꼬이면서 층을 이루는 상태이고, 수평 트위스트 배향 모드는 개개의 액정 화합물이 수평 배향된 상태로 나선축을 따라 꼬이면서 층을 이루는 상태이며, 경사 트위스트 배향 모드는 개개의 액정 화합물이 경사 배향된 상태로 나선축을 따라 꼬이면서 층을 이루는 상태이다.
본 명세서에서 『하이브리드 배향 상태』는 액정층 내의 액정 화합물의 방향자가 액정층 평면에 대해 이루는 각도인 틸트각이 액정층의 두께 방향을 따라 점진적으로 증가하거나 또는 감소하는 배향 상태를 의미할 수 있다.
본 명세서에서 액정 분자 또는 액정 화합물의 방향자는 액정층의 광축(Optical axis) 또는 지상축(Slow axis)을 의미할 수 있다. 상기 액정 분자의 방향자는 액정 분자가 막대(rod) 모양인 경우 장축 방향을 의미할 수 있고, 액정 분자가 원판(discotic) 모양인 경우 원판 평면의 법선 방향의 축을 의미할 수 있다. 액정층 내에 서로 방향자가 상이한 액정 화합물이 복수 존재하는 경우에 상기 방향자는 벡터합이다.
하나의 예시에서 상기 액정층에서의 액정 화합물의 초기 배향은 수직 배향이거나, 혹은 수직 배향과 유사한 상태의 배향 상태일 수 있다. 이러한 배향 상태는 상기 액정 배향막으로서 수직 배향막을 적용함으로써 얻어진다. 이와 같은 배향은 소위 R-TN(Reversed Twisted Nematic) 배향을 구현하는 디바이스에서 유용하다.
상기 제 1 기판(101)의 제 2 표면 및 제 2 기판(201)의 제 2 표면에는 각각 제 1 외곽 기판(400)과 제 2 외곽 기판(500)이 형성될 수 있다. 상기 제 1 및 제 2 외곽 기판의 열전도도(k)와 두께(△x)는 하기 수식 2를 만족할 수 있다.
[수식 2]
k/△x ≤ 300 W/ m2·K
구체적인 예시에서, k/△x 값의 상한은 290 W/ m2·K 이하, 280 W/ m2·K 이하, 270 W/ m2·K 이하, 260 W/ m2·K 이하, 250 W/ m2·K 이하, 240 W/ m2·K 이하, 230 W/ m2·K 이하, 220 W/ m2·K 이하, 210 W/ m2·K 이하, 200 W/ m2·K 이하, 190 W/ m2·K 이하 또는 180 W/ m2·K 이하일 수 있다. 상기 k/△x 값의 하한은 특별히 제한되지 않으나, 10 W/ m2·K 초과, 20 W/ m2·K 초과, 30 W/ m2·K 초과, 40 W/ m2·K 초과 또는 50 W/ m2·K를 초과할 수 있다.
상술한 바와 같이, 수직 배향력을 가지는 점착제층을 사용한 광학 디바이스는 점착제의 표면 특성과 제조 공정에서 가해지는 전단력(shear) 등에 의한 표면 데미지에 의해 액정 배향 이상에 의한 액정 얼룩이 발생할 수 있다. 액정 배향 얼룩을 제거하기 위해, 액정셀을 제조한 이후 적정한 온도에서 소정 시간 동안 액정셀을 열처리하는 공정을 수행할 수 있다. 그러나, 고온(80℃ 이상)에서 액정셀을 열처리하는 경우 점착제층의 모듈러스 저하, 표면 에너지 변화 등 물성의 변화가 발생하여 액정 분자가 점착제층 내부로 침투하게 된다. 고온에서 열처리하는 동안에는 액정 분자가 미세하게 분산되어 있어 액정 분자의 침투가 인식되지 않으나, 열처리 후 상온에서 액정셀을 냉각하는 동안 점착제층 내부에 침투해 있던 액정 분자들 중 일부가 빠져나가지 못하고 점착제층 내에 존재하게 된다. 이러한 액정 분자들은 점착제층 성분과의 표면 에너지 차이에 의한 반발력에 의해 서로 뭉쳐져 액정 드랍(drop)을 형성하여, 육안으로 인식되는 액정셀의 헤이즈를 유발할 수 있다.
본 출원은 열전도도 및 두께 관계가 상기 수식 2를 만족하는 제 1 및 제 2 외곽 기판을 액정셀 외곽에 배치하여, 액정 드랍(drop)으로 인해 발생하는 헤이즈를 낮출 수 있다.
제 1 및 제 2 외곽 기판으로는 상기 수식 1을 만족하는 기판이라면 특별한 제한 없이 공지된 기판을 선택하여 사용할 수 있다. 예를 들어, 제 1 및 제 2 외곽 기판으로는 유리 기판을 사용할 수 있으며, 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; TAC(triacetyl cellulose) 필름; 노르보르넨 유도체 필름 등의 COP(cyclo olefin copolymer) 필름; PMMA(poly(methyl methacrylate) 필름; PC(polycarbonate) 필름; PE(polyethylene) 필름; PP(polypropylene) 필름; DAC(diacetyl cellulose) 필름; Pac(Polyacrylate) 필름; PAR(polyarylate) 필름 등의 플라스틱 기판을 사용할 수도 있지만, 이에 제한되는 것은 아니다.
하나의 예시에서, 상기 제 1 및 제 2 외곽 기판은 각각 단층 또는 다층 구조일 수 있다. 제 1 및 제 2 외곽 기판이 단층 구조인 경우 제 1 외곽 기판 및 제 2 외곽 기판으로 같은 종류의 기판을 사용하거나, 서로 다른 종류의 기판을 조합하여 사용할 수 있다. 또한, 제 1 및/또는 제 2 외곽 기판이 다층 구조인 경우 다층 구조를 이루는 각각의 제 1 및/또는 제 2 기판은 같은 종류의 기판으로 이루어지거나, 서로 다른 종류의 기판을 조합하여 이루어질 수도 있다.
하나의 예시에서, 상기 제 1 및 제 2 외곽 기판이 각각 다층 구조인 경우, 상기 외곽 기판은 서로 점착제 또는 접착제로 부착되어 있을 수 있다. 상기와 같은 점착제 또는 접착제는 상술한 물성 또는 후술하는 물성에 영향을 미치지 않는 수준에서 사용될 수 있다.
하나의 예시에서, 상기 제 1 및 제 2 외곽 기판의 두께는 상기 수식 2를 만족하는 한도 내에서 적절히 선택될 수 있다. 구체적으로, 상기 제 1 및 제 2 외곽 기판의 두께는 50㎛ 내지 30mm 범위일 수 있다. 상기 두께는 다른 예시에서, 약 100㎛ 이상, 150 ㎛ 이상, 200㎛ 이상, 250㎛ 이상, 300㎛ 이상, 350㎛ 이상, 400㎛ 이상, 450㎛ 이상, 500㎛ 이상 또는 550㎛ 이상일 수 있으며, 25mm 이하, 20mm 이하, 15mm 이하, 10mm 이하 또는 5mm 이하일 수 있다. 냉각 속도를 느리게 조절하기 위해서는 외곽 기판의 두께가 두꺼울수록 유리하나, 기판의 두께가 너무 두꺼운 경우 무게 증가, 투과도 감소 등의 문제가 생길 수 있다. 또한, 두께가 너무 얇아지만 그만큼 열전도도를 작게 조절해야 하므로 공정상의 어려움이 생길 수 있는 바, 상기한 두께 범위의 외곽 기판을 사용하는 것이 바람직하다.
하나의 예시에서, 상기 제 1 및 제 2 외곽 기판의 열전도도는 상기 수식 2를 만족하는 한도 내에서 적절히 선택될 수 있다. 구체적으로, 상기 제 1 및 제 2 외곽 기판의 열전도도는 0.015 내지 9W/m·K일 수 있다. 상기 열전도도는 다른 예시에서 0.03W/m·K 이상, 0.05W/m·K 이상, 0.07W/m·K 이상, 0.09W/m·K 이상, 0.11W/m·K 이상, 0.13W/m·K 이상, 0.15W/m·K 이상 또는 0.17W/m·K 이상일 수 있으며, 8 W/m·K 이하, 7W/m·K 이하, 6W/m·K 이하, 5W/m·K 이하, 4 W/m·K 이하 또는 3 W/m·K 이하일 수 있다.
열전도도는 ASTM D5470 규격에 따라 측정할 수 있다. ASTM D5470 규격에 따라 2개의 구리 막대 사이에 외곽 기판을 위치시킨 후에 상기 2개의 구리 막대 중 하나는 히터와 접촉시키고, 다른 하나는 쿨러(cooler)와 접촉시킨 후에 상기 히터가 일정 온도를 유지시키도록 하고, 쿨러의 용량을 조절하여, 열평형 상태(5분에 약 0.1℃ 이하의 온도 변화를 보이는 상태)를 만든다. 열평형 상태에서 각 구리 막대의 온도를 측정하고, 하기 수식 3에 따라서 열전도도(k)를 평가할 수 있다. 열전도도 평가 시에 외곽 기판에 걸리는 압력은 약 11kg/25cm2 정도가 되도록 조절한다.
[수식 3]
k= (Q×dx)/(A×dT)
상기 수식 3에서, k는 제 1 외곽 기판 또는 제 2 외곽 기판의 열전도도(단위: W/m·K)이고, Q는 단위 시간당 이동한 열(단위: W)이며, dx는 제 1 외곽 기판 또는 제 2 외곽 기판의 두께(단위: mm)이고, A는 제 1 외곽 기판 또는 제 2 외곽 기판의 단면적(단위: m2)이며, dT는 구리 막대의 온도차(단위: K)이다.
하나의 예시에서, 제 1 외곽 기판과 제 2 외곽 기판은 액정셀 외곽에 OCA(Optically Clear Adhesive) 또는 OCR(optically clear resin) 점착제 또는 열가소성 필름 점착제를 통해 부착될 수 있다. 상기 OCA 점착제는 아크릴계 점착제, 실리콘계 점착제, 고무계 점착제, 우레탄 점착제 등 공지의 점착제를 특별히 제한없이 사용할 수 있다. 열가소성 필름 점착제로는 PU(polyurethane), TPU(thermoplastic polyurethane), PES(polyether sulfone), PA(polyamide), 및 EVA(ethylene-vinyl acetate copolymer)으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 이상을 사용할 수 있다.
본 출원의 광학 디바이스는 하기 수식 1로 정의되는 쿨링 속도가 15℃/min 이하일 수 있다.
[수식 1]
쿨링 속도 = (T-25℃)/쿨링 시간(min)
상기 수식 1에서, T는 80℃ 이상의 온도이고, 쿨링 시간은 광학 디바이스가 온도 T에서 25℃까지 냉각되는데 걸리는 시간이다.
상기 온도 T는 광학 디바이스 열처리시의 온도이며, 구체적으로 85℃ 이상, 90℃ 이상, 95℃ 이상, 100℃ 이상일 수 있다. 상기 온도 T의 상한은 특별히 제한되지 않으나, 예를 들어 150℃ 이하, 140℃ 이하, 130℃ 이하 또는 120℃ 이하일 수 있다.
하나의 예시에서, 본 출원의 광학 디바이스 쿨링 속도는 14 ℃/min 이하, 13 ℃/min 이하, 12 ℃/min 이하, 11 ℃/min 이하, 10 ℃/min 이하 또는 9 ℃/min 이하일 수 있다. 본 출원은 광학 디바이스의 쿨링 속도를 느리게 조절하여, 액정 분자들이 액정층으로 이동할 수 있는 충분한 시간을 확보하여 냉각 후에도 점착제층 내부에 액정 드랍이 존재하지 않도록 한다. 광학 디바이스의 쿨링 속도가 너무 빠른 경우 점착제층 내부에 침투해있던 액정 분자들이 이동하기 전에 점착제층 성분의 물성이 복구되기 때문에, 액정 분자들이 빠져나오지 못하고 점착제층 내부에서 액정 드랍을 형성하여 헤이즈를 유발할 수 있기 때문에 상술한 범위가 바람직하다. 본 출원에서 쿨링 속도는 낮을수록 유리하므로, 냉각 속도의 하한은 제한되지 않으나, 하나의 예시에서 4 ℃/min 이상, 5 ℃/min 이상 또는 6 ℃/min 이상의 속도로 냉각될 수 있다.
상기와 같은 광변조 디바이스를 제조하는 방식은 특별히 제한되지 않으며, 각 구성 요소로서 상기 요소가 적용되는 것 외에는 공지의 방식을 통해 상기 디바이스를 제공할 수 있다.
본 출원의 광학 디바이스는 다양한 용도에 적용될 수 있다. 광학 디바이스가 적용될 수 있는 용도에는, 윈도우 또는 선루프 등과 같은 건물, 용기 또는 차량 등을 포함하는 밀폐된 공간의 개구부나 아이웨어(eyewear) 등이 예시될 수 있다. 상기에서 아이웨어의 범위에는 일반적인 안경, 선글라스, 스포츠용 고글 내지는 헬맷 또는 증강 현실 체험용 기기 등과 같이 관찰자가 렌즈를 통하여 외부를 관찰할 수 있도록 하는 모든 아이웨어가 포함될 수 있다.
본 출원에 따른 광학 디바이스는 고온 열처리 후 상온으로 냉각되는 속도를 조절하여, 헤이즈가 낮은 광학 디바이스를 제공할 수 있다.
도 1은 본 출원의 하나의 예시에 따른 광학 디바이스의 모식도이다.
도 2는 전압 미인가시 실시예 1의 편광 현미경 이미지이다.
도 3은 전압 미인가시 실시예 2의 편광 현미경 이미지이다.
도 4는 전압 미인가시 비교예 1의 편광 현미경 이미지이다.
도 5는 전압 미인가시 비교예 2의 편광 현미경 이미지이다.
도 6은 전압 미인가시 비교예 3의 편광 현미경 이미지이다.
이하 본 발명에 따르는 실시예 및 본 발명에 따르지 않는 비교예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명하나, 본 발명의 범위가 하기 제시된 실시예에 의해 제한되는 것은 아니다.
실시예 1
실리콘 점착제 조성물(ShinEtsu社, KR3700)을 고형분 농도가 25 wt%가 되도록 톨루엔 용매에 혼합한 용액을 불소 이형 필름(Nippa社, FSC6) 상에 바 코팅하고, 약 150℃ 정도에서 5분 동안 건조하여 10 ㎛의 두께로 형성하였다. 실리콘 점착제가 코팅된 이형 필름을 ITO(Indium Tin Oxide) 층이 약 30 nm 정도의 두께로 증착된 두께 145 ㎛ 정도의 PET(poly(ethylene terephthalate)) 필름(SKC社)과 합지하여 제 1 기판을 형성하였다.
제 2 기판으로서, ITO(Indium Tin Oxide)층이 약 30 nm 정도의 두께로 증착된 두께 145 ㎛ 정도의 PET(poly(ethylene terephthalate)) 필름(SKC社)을 사용하였다. 상기 PET 필름의 ITO 층 상에 우선 정사각형 격벽 스페이서로서, 피치가 약 350㎛ 정도이고, 높이(cell gap)가 약 8㎛ 정도이며, 선폭이 약 15㎛인 격벽형 스페이서를 형성하였다. 형성된 상기 스페이서 상에 수직 배향막(Nissan 社, 5661LB3)을 약 300 nm의 정도의 두께로 형성하였다. 상기 수직 배향막은 일 방향으로 러빙 처리하여 형성하였다.
그 후, 제 2 기판의 수직 배향막 표면에 액정 조성물을 코팅하고, 상기 제 1 기판에서 이형 필름을 박리하여 드러난 실리콘 광학 투명 접착제층을 제 2 기판의 액정 조성물이 코팅된 면과 마주보도록 하여 합지하여 제 1 기판과 제 2 기판이 서로의 제 1 표면이 마주하도록 액정셀을 형성하였다. 코팅된 액정 조성물은 △n=0.094인 액정 화합물(JNC社, SHIN-7002XX T12)과 키랄 도펀트(Merck社, S811)를 포함하는 조성물을 사용하였고, 상기 키랄 도펀트의 함량은 피치가 약 20 ㎛가 되도록 형성하였다.
그 후, 제 1 기판과 제 2 기판의 제 2 표면에 열전도도가 0.15 W/ m·K인 188 ㎛ 두께의 PET(poly(ethylene terephthalate)) 필름(SKC社)을 각각 3층으로 적층하여 제 1 외곽 기판과 제 2 외곽 기판을 총 두께 564 ㎛가 되도록 형성하였다. 이 때, PET 필름을 기판에 접착시키기 위해 기판에 OCA(LG화학社)를 바 코팅하고, 약 150 ℃ 정도에서 5분 동안 건조하여 25㎛ 정도의 두께로 형성하였다. 실험의 편의성 및 외곽 기판으로 인한 물성확인을 위해, 점착제 또는 접착제를 사용하지 않고 각각의 PET 필름만을 적층하여 실험하였으며, 적층된 필름은 서로 동일한 재료이므로 적층 수에 상관 없이 전체적인 열전도도는 동일하게 유지된다.
그 결과, 제 1 외곽 필름/액정셀/제 2 외곽 필름의 구조를 포함하는 광변조 디바이스가 형성되었다.
실시예 2
제 1 기판과 제 2 기판의 제 2 표면에 열전도도가 0.8 W/ m·K이고, 두께 3 mm 정도의 유리 기판(SMTECH社)을 각각 적층하여 제 1 외곽 기판과 제 2 외곽 기판을 형성한 것 외에는 실시예 1과 동일한 방법에 의해 광학 디바이스를 제조하였다.
비교예 1
제 1 기판과 제 2 기판의 제 2 표면에 188 ㎛ 두께의 PET 필름을 각각 1층으로 적층하여 제 1 외곽 기판과 제 2 외곽 기판을 형성한 것 외에는 실시예 1과 동일한 방법에 의해 광학 디바이스를 제조하였다.
비교예 2
제 1 기판과 제 2 기판의 제 2 표면에 188 ㎛ 두께의 PET 필름을 각각 2층으로 적층하여 총 두께 376 ㎛의 제 1 외곽 기판과 제 2 외곽 기판을 형성한 것 외에는 실시예 1과 동일한 방법에 의해 광학 디바이스를 제조하였다.
비교예 3
제 1 기판과 제 2 기판의 제 2 표면에 2 mm 두께의 유리 기판을 각각 적층하여 제 1 외곽 기판과 제 2 외곽 기판을 형성한 것 외에는 실시예 2와 동일한 방법에 의해 광학 디바이스를 제조하였다.
실험예 1. 냉각 속도 평가
실시예 및 비교예에서 형성된 광학 디바이스를 약 100℃에서 10분 동안 오븐에 넣고 열처리를 수행하고, 오븐에서 꺼내 상온까지 냉각되는 속도를 확인하였다. 적외선 온도계(BLUETEC社, BO-842A)를 이용하여, 100℃에서 상온까지 냉각되는 시간을 측정하여 냉각 속도를 계산하였다.
실험예 2. 빛샘 관찰
상기 실험예 1에 따라 상온으로 냉각된 실시예 및 비교예의 광학 디바이스에서 빛샘이 발생하였는지 관찰하였다.
먼저, 편광 현미경의 2개의 편광판의 투과축을 서로 직교시킨 상태에서 상기 두 개의 편광판 사이에 광학 디바이스를 배치하였다. 이 때, 상기 광학 디바이스는 제 2 외곽 기판 측에 부착되는 편광판의 흡수축과 배향막의 러빙 방향이 일치하도록 배치하였다.
상기 상태에서 편광 현미경을 이용하여 광학 디바이스에서 빛샘 현상이 발생하는지 관찰하였다. 실시예 및 비교예의 광학 디바이스에 대한 편광 현미경을 이용하여 얻은 이미지를 도 2 내지 도 6에 나타내었다.
실험예 3. 헤이즈 관찰
실시예 및 비교예에서 제조한 광학 디바이스에 대하여, 헤이즈 미터(NDH5000SP, 세코스社)를 이용하여, ASTM D1003 규격에 따라, 전압 미인가시의 헤이즈를 측정하였다.
k(W/m·K) 두께(mm) 냉각속도
(℃/min)		 k/dx
(W/m2·K)		 헤이즈(%)
실시예 1 0.15 0.564 14.1 265.96 1.81
실시예 2 0.8 3.0 9.5 266.67 1.78
비교예 1 0.15 0.188 48.1 797.87 18
비교예 2 0.15 0.376 29.8 398.94 10.92
비교예 3 0.8 2.0 27.7 400.00 9.1
외곽 기판의 열전도도와 두께에 따라 100℃에서의 열처리 후 상온 방치 시 냉각 속도가 달라짐을 확인할 수 있었다. 실시예와 같이 외곽 기판의 열전도도와 두께 관계가 300 W/m2·K 미만을 만족하는 경우 쿨링 속도를 15℃/min 이하로 제어할 수 있었다.
도 2 내지 도 6를 참조하면, 비교예 1 내지 3의 광학 디바이스는 고온에서 상온으로 냉각되면서 실리콘 투명 접착제 내부에 침투해있던 액정 분자들이 모여 액정 드롭(drop)이 형성되어 빛샘 및 육안상의 헤이즈가 관찰되었다. 반면, 쿨링 속도를 15℃/min 이하로 제어한 실시예 1 및 2의 광학 디바이스는 빛샘이 관찰되지 않았다.
또한, 상기 표 1을 참조하면, 비교예 1 내지 3과 비교하였을 때, 쿨링 속도를 15℃/min 이하로 제어한 실시예 1 및 2는 2% 미만의 낮은 헤이즈 값을 보였다.
101: 제 1 기판
102: 점착제층
103, 203: 전극층
202: 액정 배향막
201: 제 2 기판
300: 액정층
400: 제 1 외곽 기판
500: 제 2 외곽 기판
S: 스페이서

Claims (13)

  1. 제 1 표면에 점착제층이 형성되어 있는 제 1 기판, 액정층 및 제 1 표면에 스페이서 및 액정 배향막이 형성되어 있는 제 2 기판을 포함하며, 상기 제 1 및 제 2 기판은 서로의 제 1 표면이 마주하도록 대향 배치되어 있는 액정셀;
    상기 제 1 기판의 제 2 표면 상에 형성된 제 1 외곽 기판; 및
    상기 제 2 기판의 제 2 표면 상에 형성된 제 2 외곽 기판;을 포함하며,
    하기 수식 1로 정의되는 쿨링 속도가 15℃/min 이하인 광학 디바이스:
    [수식 1]
    쿨링 속도 = (T-25℃)/쿨링 시간(min)
    상기 수식 1에서, T는 80℃ 이상의 온도이고, 쿨링 시간은 광학 디바이스가 온도 T에서 25℃까지 냉각되는데 걸리는 시간이다.
  2. 제 1 항에 있어서, 점착제층은 실리콘계 점착제층인 광학 디바이스.
  3. 제 1 항에 있어서, 점착제층은 배향력을 가지는 광학 디바이스.
  4. 제 1 항에 있어서, 제 1 기판에는 배향막이 형성되어 있지 않은 광학 디바이스.
  5. 제 1 항에 있어서, 제 1 기판의 제 1 표면과 점착제층 사이에 전극층이 형성되어 있는 광학 디바이스.
  6. 제 1 항에 있어서, 스페이서는 격벽형 스페이서인 광학 디바이스.
  7. 제 1 항에 있어서, 제 2 기판의 제 1 표면과 스페이서 및 배향막 사이에는 전극층이 형성되어 있는 광학 디바이스.
  8. 제 1 항에 있어서, 액정층은 액정 화합물을 포함하는 광학 디바이스.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 및 제 2 외곽 기판의 열전도도(k)와 두께(△x)는 하기 수식 2를 만족하는 광학 디바이스:
    [수식 2]
    k/△x ≤ 300 W/ m2·K
  10. 제 1 항에 있어서, 제 1 및 제 2 외곽 기판의 두께는 50㎛ 내지 30mm인 광학 디바이스.
  11. 제 1 항에 있어서, 제 1 및 제 2 외곽 기판의 열전도도는 0.015 내지 9 W/m·K인 광학 디바이스.
  12. 제 1 항에 있어서, 제 1 외곽 기판 및 제 2 외곽 기판은 각각 단층 구조인 광학 디바이스.
  13. 제 1 항에 있어서, 제 1 외곽 기판 및 제 2 외곽 기판은 각각 다층 구조인 광학 디바이스.
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WO2023191547A1 (ko) * 2022-03-30 2023-10-05 주식회사 엘지화학 광학 디바이스

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