KR20240039334A - 곡면 적용 가능한 곡면화된 투과도 가변 액정셀 및 이를 포함하는 곡면화된 투과도 가변 필름셀 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 곡면형 광학 기기에 적용할 수 있는 투과도 가변 액정셀 또는 투과도 가변 필름셀에 관한 것으로, 특히 아이웨어, 바이크용 헬멧, 증강현실용 광학기기와 같이 곡면형 광학 기재의 곡면에 투과도 가변 필름셀을 전면 부착하거나 부분 부착하거나 인접하게 위치시켜는 등 적용 시에 이색성 염료를 포함한 액정이 포함된 액정셀 내부에서의 액정 뭉침의 발생을 효과적으로 방지할 수 있도록 곡면형 광학기기의 곡률을 따르는 곡면형 투과도 가변 액정셀 또는 투과도 가변 필름셀을 제공한다.

Description

곡면 적용 가능한 곡면화된 투과도 가변 액정셀 및 이를 포함하는 곡면화된 투과도 가변 필름셀 {CURVED TRANSMITTANCE VARIABLE LIQUID CRYSTAL CELL FOR APPLYING ON A CURVED SURFACE AND CURVED TRANSMITTANCE VARIABLE FILM CELL COMPRISING THE SAME}
본 발명은 투과도 가변 액정셀 및 이를 포함하는 투과도 가변 필름셀에 관한 것으로, 보다 상세하게는 곡면 광학 기재의 내측 또는 외측 곡면에 적용할 수 있는 투과도 가변 필름셀 및 이를 적용한 곡면 광학 기기에 관한 것이다.
투과도 가변 필름셀은 외부 전기 에너지 인가 유무에 따라 필름을 투과하는 가시광선 등 전자기파의 투과도를 가변시킬 수 있는 복합 필름을 의미한다.
이색성 염료가 혼합된 액정을 이용한 투과도 가변 필름셀은 대향 배치된 2장의 투명 도전성 필름(예를 들어, 투명 기재 필름으로 이루어진 기재층 상에 전극층과 배향막층이 형성된 구조를 가짐)과 외곽 봉지부가 형성하는 공간 내에 이색성 염료가 혼합된 액정층을 포함할 수 있고, 전압의 인가 유무 또는 전압의 크기에 따라 액정이 배향함과 동시에 이색성 염료도 배향하며 투과도를 가변할 수 있다.
투과도 가변 디바이스는 외부에서 유입되는 빛의 투과와 차단이 용이하므로, 건축용 스마트 윈도우, 자동차용 선루프, 자동차용 측면유리, 자동차용 선바이저(sunvisor), 자동차용 백미러, 투명 디스플레이의 차광판 등으로 활용될 수 있다. 또한, 바이크 헬맷용 윈드쉴드(windshield), 스포츠용 스마트 아이웨어(eyewear) 등과 같은 아이웨어 제품과 증강현실(augmented reality, AR)용 아이웨어의 정보 시인성 향상 목적에도 활용될 수 있다.
이상에서 언급한 용도 중 상당 수는 곡면형 광학 기재의 표면의 적어도 일부에 부착되거나 또는 곡률에 따라 인접하게 배치되어야 하므로 투과도 가변 필름셀은 광학 기재의 곡률 반경에 최적화된 곡면 구조를 가지고 있으면 유리하다.
한편, 평면으로 제작된 투과도 가변 필름셀을 곡면형 광학 기재 상에 적용하는 경우 액정셀 내부의 셀 간격(cell gap)의 불균일이 발생하여 셀 간격이 증가하는 영역에서 액정 뭉침이 발생하거나 장시간 방치 시 기포가 발생할 수 있는 문제점이 있으므로, 이러한 불량 현상을 근본적으로 방지할 수 있는 곡면(curved)형 필름셀의 제조방법 및 이를 이용하여 제작된 필름셀 제품이 필요하다.
한국등록특허 제10-2101149호 (2020. 04. 09.)
본 발명에서는 아이웨어와 같이 곡면형 광학 기재의 내외측 곡면에 투과도 가변 필름셀을 적용 시 액정이 포함된 액정셀 내부에서의 액정 뭉침을 효과적으로 방지할 수 있는 투과도 가변 필름셀을 제공하는 것에 목적이 있다.
기존에는 평면형 투과도 가변 필름셀을 제조한 후 곡면 광학기기의 기재에 점착필름을 이용하여 부착하여(lamination)하여 곡면형 투과도 가변 광학기기를 제조하는 것이 일반적이었다. 하지만 이 경우 평면형 투과도 가변 필름셀의 액정셀 내부에 액정 뭉침이 발생하는 경향이 관찰되었다.
예를 들어, 곡률반경 R=50mm 전후의 광학 기재의 곡면에 평면으로 제작된 평면형(flat) 투과도 가변 필름셀을 적용 시 액정셀을 구성하는 두장의 투명 도전성 필름들과 이에 적층된 기능성 필름 등에 인장 응력(곡면의 외측 필름) 내지 압축 응력(곡면의 내측 필름)이 발생하고 특히 압축응력이 발생하는 투명 도전성 필름에는 길이의 여유가 발생하여 액정셀 전체 면적 중 일정 부분에 셀 간격(cell gap)의 증가가 발생한다. 정상적인 셀 간격(cell gap)은 액정셀 내에 구비된 스페이서의 높이에 해당한다. 하지만 액정셀 간격이 증가하는 영역에서는 액정의 뭉침이 발생하고, 장기적으로는 그 부분에서 기포가 발생할 수 있다. 이와 같이 액정 뭉침에 의한 얼룩과 장기적으로 발생하는 기포 문제를 해결하는 것은 곡면형 광학 기기에서는 반드시 해결되어야 할 문제다.
여기서 '액정셀'은 이색성 염료를 포함하는 액정을 가두기 위한 공간이다. 액정셀에는 투명 기재, 투명 전극층, 배향막층이 순차적으로 적층된 상하 두 장의 투명 도전성 필름과, 그 중 어느 하나의 투명 도전성 필름 상에는 스페이서가 부착된 상태로 형성되어 있을 수 있다. 액정셀 내부 면적을 규정하고, 액정셀 상하 투명 도전성 필름을 합지하기 위하여 개별 액정셀 외곽부에는 경화성 실런트(sealant)를 이용한 실링(sealing)부가 형성되어 있다. 이색성 염료가 액정과 혼합되어 있으므로 액정의 배향에 따라 이색성 염료도 배향하며, 셀 간격이 들뜬 영역에서는 정상적인 영역과 비교하여 투과도 차이를 유발하게 된다. 전압 무인가 상태에서 액정셀의 정상적인 영역의 투과도가 높다면(normally clear mode) 셀 간격이 들뜬 영역에서는 투과도가 낮아질 것이다. 마찬가지로 전압 무인가 상태에서 액정셀의 정상적인 영역의 투과도가 낮다면(normally black mode) 셀 간격이 들뜬 영역에서는 투과도가 높아질 것이다. 그 이유는 셀 간격이 들뜬 영역에서는 액정과 이색성 염료의 배향이 정상 상태를 벗어나 투과도의 차이를 유발하기 때문이다.
이색성 염료가 없이 액정 만으로 구성된 액정셀의 경우에는 셀 간격이 들떠서 액정의 뭉침이 있더라고 육안으로 확인할 수는 없으나, 액정셀 상하에 두장의 편광필름을 부착하면 정상적인 영역과 셀 간격이 들뜬 영역 간 투과도 차이를 육안으로 확인할 수 있다. 또한 액정과 같이 낮은 점도(약 50cP 이하)의 전기변색(electrochromic) 액체셀은 셀 간격이 들떠 셀 두께가 변화하면 변색 속도 및 투과도의 차이를 유발하므로 상하 전도성 기판을 밀착시켜 셀 간격을 균일하게 유지하는 것이 필요하다.
이러한 관점에서, 본 발명에서는 평면형 투과도 가변 액정셀 내지 필름셀을 광학 기재의 곡면부에 적용하는 경우, 특히 곡률반경이 매우 작은 광학 기재의 곡면부에 적용할 때 발생하는 액정 뭉침과 기포 발생의 근본적 원인을 제거할 수 있는 곡면형 투과도 가변 액정셀 및 필름셀의 제조방법과 그 제품 구조를 제공하는 것에 목적이 있다. 이와 관련, 광학 기재의 곡면부에 '적용' 된다는 의미는 광학 기재의 곡률에 상응하게 전면 접착되거나, 부분 접착되거나, 접착 없이 곡률을 따라 인접하게 위치하도록 배치된다는 의미이다.
또한, 본 발명에서는 기존의 재료와 적층 구조를 그대로 사용하면서도, 부착 시 벤딩(bending)에 의한 액정 뭉침과 기포 발생 등의 문제 없이 광학 기재 상에 적용 가능한 투과도 가변 액정셀/필름셀의 구조 및 그 제조 방법을 제공하는 것에 또 다른 목적이 있다.
특히, 본 발명에서는 제조공정 중 액정셀 또는 필름셀을 가압 상태에서 벤딩(bending)하여 실런트를 소성 변형(plastic deformation)한 후 일정 온도에서 가열하여 실런트를 완전히 경화시킴에 따라 곡면화된 투과도 가변 액정셀 또는 필름셀을 제작하고, 곡률반경 R=40mm 수준의 매우 작은 곡률반경을 갖는 광학 기재 상에도 효과적으로 적용 가능한 곡면형 투과도 가변 액정셀과, 이를 포함하는 필름셀의 구조 및 그 제조 방법을 제공하고자 한다.
상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 바람직한 일 실시예에서는 투과도 가변을 위한 액정층; 상기 액정층의 일측면에 위치하는 제1 기판; 및 상기 액정층의 타측면에 위치하는 제2 기판;을 포함하는 투과도 가변 액정셀로, 상기 액정셀은 상기 제1 기판과 상기 제2 기판을 합착하기 위한 실링부를 포함하고, 상기 실링부는 상기 투과도 가변 액정셀이 곡면으로 휘어진 상태에서 경화되는 것을 특징으로 하는 곡면화된 투과도 가변 액정셀을 제공한다.
상기 제1 기판과 상기 제2 기판은 상기 액정층을 기준으로 배향막, 투명 전극층, 기재층이 순차적으로 적층되어 이루어질 수 있다.
또한, 상기 액정층 내에는 상기 액정셀의 셀 간격을 유지하기 위한 스페이서가 배치되고, 상기 실링부는 미리 설정된 셀 간격에 따라 이격된 상태에서 상기 제1 기판과 상기 제2 기판을 합착하도록 구성될 수 있다.
상기 스페이서는 상기 제1 기판 또는 상기 제2 기판에 고정되어, 상기 실링부의 내부 영역 내에 배치되고, 상기 액정층은 액정 화합물 및 이색성 염료를 포함하도록 구성될 수 있다.
상기 곡면화된 투과도 가변 액정셀은 평면형 액정셀을 벤딩시키는 곡면화 공정에 의해 곡면화되고, 상기 곡면화 공정 시, 상기 실링부는 상기 액정셀이 벤딩된 상태에서 소성 변형된 후 미리 설정된 온도로 가열됨에 따라 경화될 수 있다.
또한, 상기 제2 기판은 상기 제1 기판에 비해 상기 곡면화된 투과도 가변 액정셀의 곡률 중심에 가깝게 위치하고, 상기 투과도 가변 액정셀의 단면에서, 상기 실링부에 의해 결정되는 상기 제2 기판의 유효 길이는 곡면화 전후로 동일하도록 구성할 수 있다.
상기 제2 기판은 상기 제1 기판에 비해 상기 곡면화된 투과도 가변 액정셀의 곡률 중심에 가깝게 위치하고, 상기 투과도 가변 액정셀의 단면에서, 상기 실링부에 의해 결정되는 상기 제1 기판의 유효 길이와 상기 제2 기판의 유효 길이는 곡면화 전후로 모두 동일하도록 구성할 수 있다.
상기 실링부는 무용제형 열경화성 수지 실런트이며, 상기 실링부는 미경화 상태로 상기 액정셀을 벤딩시키는 곡면화 과정에서 상하 기판의 상대적 이동에 따라 소성 변형된 후 열경화되는 것일 수 있다.
또한, 본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 위와 같은 구성의 곡면화된 투과도 가변 액정셀을 포함하는 곡면화된 투과도 가변 필름셀로, 상기 곡면화된 투과도 가변 액정셀의 일측에 적층되는 점착제층; 및 상기 점착제층 상에 적층되는 커버층;을 포함하는 투과도 가변 필름셀을 제공한다.
본 발명의 바람직한 구현예에 따른 곡면화된 투과도 가변 액정셀 및 필름셀의 경우, 곡면 적용 시 문제가 되던 액정 뭉침을 효과적으로 개선할 수 있으므로, 투과도 가변 필름셀이 부착된 광학 기기의 상품성을 개선할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따른 곡면화된 투과도 가변 액정셀 및 필름셀을 활용할 경우 기존 평판형 액정셀 및 필름셀에 적용되는 적층 구조 및 개별층 소재를 변경하지 않고도 액정셀 내부의 액정 뭉침과 장기적으로 발생하는 기포 문제를 효과적으로 개선할 수 있다.
또한, 기존의 액정셀 외곽 실링부 실런트(sealant) 경화를 위한 열처리 제조공정에 가압 방식을 적용하여 액정셀 상하 투명전도성 기판이 전면적에 걸쳐 균일하게 스페이서의 높이만큼 밀착되도록 개선 가능한 효과가 있다.
이와 같이 개선된 제조 공정은 가압과 동시에 가열하는 단순화된 열처리 공정이며, 본 발명에 따른 제조 공정으로 제조된 곡면화된 액정셀 및 필름셀의 경우 양품률이 높아서 제조 원가를 저감할 수 있는 장점이 있다.
또한, 기존의 평면형 투과도 가변 액정셀 및 필름셀과 동일한 적층 구조를 유지하면서, 곡면형을 제조하여 매우 작은 곡률반경의 광학기기에 불량없이 적용할 수 있다는 장점이 있다.
도 1은 투과도 가변 필름셀의 기본 구조를 예시적으로 나타내는 단면도이다.
도 2는 도 1의 투과도 가변 필름셀에서 액정셀의 세부 구조를 예시적으로 나타내는 단면도이다.
도 3은 곡면을 갖는 광학 제품에 평면형 투과도 가변 필름셀이 부착되는 합지 공정을 개념적으로 나타낸 것이다.
도 4는 종래 투과도 가변 액정셀에서 액정 뭉침이 발생하는 예를 모식적으로 도시한 것으로, 도 4(a)는 액정 뭉침이 발생한 투과도 가변 액정셀의 평면도이고, 도 4(b)는 A-A' 단면도를 나타낸 것이고, 도 4(c)는 실제 액정과 이색성 염료의 뭉침이 발생한 투과도 가변 게스트-호스트 액정셀의 예에 관한 사진이다.
도 5는 평면형 투과도 가변 액정셀과 곡면형 렌즈의 합지 시 액정셀의 변화를 개념적으로 도시한 것으로, 도 5(a)는 합지 전 평면 형태의 액정셀의 주요부를 나타낸 것이고, 도 5(b)는 합지 후 곡면 형태의 액정셀의 주요부를 나타낸 것이다.
도 6에서는 곡면형 광학기재에 평면형 투과도 가변 액정셀을 적용하는 경우 상하 투명 전도성 기판 간 유효길이 차이가 발생하게 되는 것을 개념적으로 설명하고 있는 것이다.
도 7은 본 발명의 바람직한 구현예에 따른 곡면화된 투과도 가변 액정셀의 단면 구조를 도시한 것이다.
도 8은 본 발명의 바람직한 구현예에 따른 곡면화된 투과도 가변 액정셀 또는 필름셀을 제작하기 위한 장치의 예를 도시한 것이다.
도 9a 및 도 9b는 도 8의 장치의 B-B' 단면을 도시한 것으로, 도 9a는 가압 풍선에 의한 가압 전의 단면을 도시한 것이고, 도 9b는 가압 풍선에 의해 가압이 이루어지는 상태에서의 단면을 도시한 것이다.
도 10은 본 발명의 바람직한 구현예에 따른 곡면화된 투과도 가변 액정셀을 도시한 것이다.
이하에서 설명되는 실시예는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 발명을 쉽게 실시할 수 있을 정도로 상세하게 설명하기 위한 것에 불과하며, 이로 인해 본 발명의 보호범위가 한정되는 것을 의미하지는 않는다. 따라서, 본 발명의 필수적인 영역을 벗어나지 않는 범위 내에서 일부 구성요소들에 대한 치환이나 변경이 이루어질 수 있다.
이하 설명에서, 어떤 부분이 다른 부분과 '연결'되어 있다고 할 때, 이는 직접적으로 연결되어 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 소자나 장치를 사이에 두고 연결되어 있는 경우를 포함한다. 또한, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 '포함'한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 언급이 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
본 발명에서의 투과도 가변 필름셀은 외부 전기에너지 인가 유무에 따라 필름셀을 투과하는 가시광선 등 전자기파의 투과도를 가변할 수 있는 액정셀을 포함하는 복합필름을 의미할 수 있다. 이러한 투과도 가변 필름셀은 단독 또는 다른 광학 부품 또는 기능성 필름층에 부착되어 활용될 수 있다.
따라서, 본 명세서에서 투과도 가변 필름셀이라고 하면, 액정셀과 점착제층을 포함하고, 외부 전기에너지 인가 유무에 따라 전자기파의 투과도를 가변시킬 수 있는 복합 필름을 의미하는 것으로 정의하며, 넓게는 다른 기능성 필름층이 점착제층 상에 추가로 부착된 복합 필름까지 포함하는 것으로 확장 해석될 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 구현예에 따른 곡면화된 투과도 가변 액정셀 및 이를 포함하는 투과도 가변 필름셀을 예시적으로 설명하기로 한다. 한편, 첨부된 도면은 본 발명에 따른 곡면화된 투과도 가변 필름셀을 예시적으로 설명하기 위한 것일 뿐, 본 발명은 첨부된 도면에 따른 예로만 제한되는 것은 아니다.
도 1은 일반적인 투과도 가변 필름셀의 구조를 예시적으로 나타내는 것이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 일반적인 평면형 투과도 가변 필름셀은 액정셀(10)과 액정셀(10)의 양측에 적층 배치되는 한 쌍의 점착제층들에 해당되는 제1 점착제층(20)과 제2 점착제층(30)을 포함할 수 있다. 또한, 제1 점착제층(20)과 제2 점착제층(30)에 각각 부착되는 제1 커버층(40)과 제2 커버층(50)이 더 포함될 수 있다. 여기에서 커버층은 점착제층을 이물로부터 보호하기 위한 이형필름일 수 있으며, 다양한 기능을 부여하기 위한 기능성 필름층일 수 있다.
도 1의 예는 투과도 가변 필름셀에 대한 설명의 편의를 위해 내부 적층 구조를 보다 간단하게 나타낸 것으로, 도 1의 액정셀(10)은 투과도 가변 기능을 제공하기 위해 제공되는 액정층을 포함하는 셀 조립체이며, 액정셀(10)의 구체적인 구성에 대한 예시는 도 2에 도시되어 있다.
참고로, 도 2의 예는 본 발명의 바람직한 구현예에 따른 액정셀의 기본 구조를 설명하기 위해 제공되는 것으로, 도 2의 액정셀은 투과도 가변이 가능한 평면형 액정셀이다. 한편, 본 발명의 바람직한 구현예에 따른 액정셀은 곡면화(bending) 공정을 통해 곡면화된 투과도 가변 액정셀로서, 도 2의 평면형 액정셀과 기본적인 적층 구조는 동일할 수 있다. 다만, 도 2의 평면형 액정셀은, 본 발명의 실시예들에서와 같이 액정 뭉침 등을 방지하기 위한 공정을 통해 곡면화가 이루어지지 않았다는 점에서 차이가 있다. 따라서, 본 발명의 바람직한 구현예에 따른 투과도 가변 액정셀을 설명함에 있어서, 기본적인 적층 구조를 공유하는 도 2의 평면형 액정셀을 기준으로 액정셀의 적층 구조를 설명하는 한편, 곡면화를 위한 공정 등에 대한 설명을 다른 도면을 참조하여 후술하기로 한다.
또한, 도 1 및 도 2의 예에서는 투과도 가변을 위한 액정층을 포함하는 단일 액정셀 또는 단일 투과도 가변 필름셀의 단면을 예시하고 있으나, 본 발명의 바람직한 구현예에 따른 투과도 가변 액정셀은 액정셀들이 평면상에서 2개 이상 배치되어 있는 정사각형 또는 직사각형의 '액정셀 복합필름' 또는 2개의 이상의 필름셀을 포함하는 '필름셀 복합필름'을 포함할 수 있다. 이러한 액정셀 복합필름 또는 필름셀 복합필름은 곡면화 과정 이후, 요구되는 형태로 개별 액정셀들 내지 필름셀들로 재단되어 사용될 수 있다.
본 발명에서의 액정셀은 전압 등 외부에서 인가되는 전기적 신호에 의한 스위칭 동작을 통해 투과도를 가변시킬 수 있는 적층구조체이며, 액정 화합물을 포함하는 액정층을 포함할 수 있다. 이색성 염료가 포함된 액정 화합물을 사용하면 필름셀에 편광필름을 사용하지 않고도 투과도 가변 특성을 구현할 수 있다. 이러한 액정셀을 게스트(이색성 염료)-호스트(액정) 액정셀이라고 한다. 반면 이색성 염료를 사용하지 않으면 투과도 가변을 위하여 액정셀 상하에 두 장의 편광필름을 기능성필름으로서 사용할 수 있다. 본 발명에서는 이색성 염료가 혼합된 액정 화학물을 포함하는 경우를 예시적으로 설명하나 반드시 이에 국한된 것은 아니다. 예를 들어, 이러한 게스트-호스트 액정셀은 전압 신호와 같은 외부 신호에 따라 액정층 내 액정 화합물과 이색성 염료의 배열 상태 변화가 유도되어 투과도 가변이 가능한 구성일 수 있으며, 가령, 전압과 같은 외부 신호 인가 유무에 따라 서로 다른 투과율을 갖는 상태로 스위칭 가능한 적층 구조체를 의미하는 것일 수 있다.
액정셀의 스위칭 가능한 상태 모드는 전압 인가 여부에 따라 투과 모드와 차단 모드가 결정되는 것일 수 있다. 투과 모드 상태에서는 액정셀을 포함하는 투과도 가변 필름의 투과율이 적어도 20% 이상, 25% 이상, 30% 이상, 35% 이상, 40% 이상, 45% 이상, 50% 이상, 55% 이상, 60% 이상, 65% 이상, 70% 이상, 75% 이상 또는 80% 이상 정도일 수 있다. 또한, 상기 차단 모드 상태에서 투과도 가변 필름의 투과율은 60% 이하, 55% 이하, 50% 이하, 45% 이하, 40% 이하, 35% 이하, 30% 이하, 25% 이하, 20% 이하, 15% 이하, 10% 이하 또는 5% 이하일 수 있다. 투과 모드에서 투과율은 높을수록 유리하며, 차단 모드에서는 투과율이 낮을수록 유리하기 때문에, 상기 투과 모드 상태의 투과율의 상한과 차단 모드 상태의 투과율의 하한은 특별히 제한되지 않고, 일 예시에서 상기 투과 모드 상태의 투과율의 상한은 약 90%이고, 차단 모드 상태에서의 투과율의 하한은 약 3%일 수 있다.
또한, 투과율과 관련된 상태 변화는 투과 모드와 차단 모드 두 가지의 상태모드를 택일적으로 제공하는 것으로 국한되는 것은 아니며, 예를 들어 전압 제어를 통해 투과율을 원하는 수준으로 단계적으로 제어 가능하도록 다양한 상태 모드를 제공하도록 구성할 수도 있다. 투과도 가변 필름셀을 구성하기 위해 제공되는 액정셀의 구조는 이미 공지된 구조를 채용할 수 있으며, 본 명세서에서는 이러한 액정셀의 기본 구조를 첨부된 예시를 통해 간략하게 설명하도록 한다.
본 발명에서의 액정셀은 대향 배치된 2개의 투명 전도성 기판과 테두리 실링부(111)로 형성된 공간 내에 위치한 액정층을 가지는 밀폐 공간 구조로서, 투명 전도성 상하 기판에 외부 전압의 인가 여부에 따라 액정셀 내부 액정 화합물과 이색성 염료의 배향 상태를 변화시켜 투과도를 가변시킬 수 있도록 구성된 셀 조립체일 수 있다.
도 2의 예시를 참조하면, 액정셀(10)은 이색성 염료를 포함하는 액정이 내부에 가두어진 액정층(110)을 기준으로 상하로 투명 전도성 기판이 적층된 구조이며, 이러한 투명 전도성 기판은 상부의 제1 기판과 하부의 제2 기판으로 구분될 수 있다. 또한, 각각의 투명 전도성 기판, 즉 제1 기판(120)과 제2 기판(130)은 배향막(121, 131), 투명 전극층(122, 132), 기재층(123, 133)이 순차적으로 적층된 구조를 가지며 액정셀(10)을 기준으로 서로 대칭적으로 적층된 것일 수 있다. 예를 들어, 이러한 액정셀은 PET(polyethylene terephthalate) 필름 등으로 이루어질 수 있는 제1 기재층(123) 상에 ITO(indium tin oxide) 박막 등으로 이루어진 제1 전극층(122)과 액정 화합물에 대한 배향능을 갖는 제1 배향막(121)을 형성하고, 그 위로 액정층(110)을 주입한 구조일 수 있다. 또한, 액정층(110)의 상부로는 제2 배향막(131), ITO(indium tin oxide) 박막의 제2 전극층(132) 및 PET(polyethylene terephthalate) 필름의 제2 기재층(133)이 액정층(110)을 기준으로 대칭되게 순차적으로 적층된 구조일 수 있다.
상기 기재층으로는 플라스틱 필름 등을 사용할 수 있다. 플라스틱 필름의 구체적인 예로, TAC(triacetyl cellulose); 노르보르넨 유도체 등의 COP(cyclo olefin copolymer); PMMA(polymethyl methacrylate); PC(polycarbonate); PE(polyethylene); PP(polypropylene); PVA(polyvinyl alcohol); DAC(diacetyl cellulose); PAC(Polyacrylate); PES(polyether sulfone); PEEK(polyether ether ketone); PPS(polyphenylene sulfide), PEI(polyether imide); PEN(polyethylene naphthalate); PET(polyethylene terephthalate); PI(polyimide); PSF(polysulfone); PAR(polyarylate) 또는 비정질 불소 수지 등을 포함하는 필름이 예시될 수 있지만 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 전극층은 액정층의 배향 상태를 전환시킬 수 있도록 액정층에 전기적 에너지를 인가할 수 있는 공지의 투명 전극층이 적용될 수 있다. 이러한 투명 전극층의 예로는 전도성 고분자층, 전도성 금속층, 전도성 나노와이어층 또는 ITO(indium tin oxide) 등의 금속 산화물층이 사용될 수 있다.
상기 배향막은 액정 화합물을 배향시키기 위해 제공되는 것으로, 액정층의 배향을 제어할 수 있는 배향력을 가질 수 있다. 배향막으로는 액정 분자에 대한 배향력을 가지는 것으로 공지된 물질들이 사용될 수 있으며, 예를 들어, 러빙 배향에 의해 배향능을 나타내는 물질 또는 광조사에 의해 배향능을 나타내는 물질을 포함하여 이루어질 수 있다. 러빙 배향에 의해 배향능을 나타내는 물질로는 폴리이미드(polyimide) 화합물, 폴리비닐알코올(polyvinyl alcohol) 화합물, 폴리아믹산(polyamic acid) 화합물, 폴리스티렌(polystyrene) 화합물, 폴리아미드(polyamide) 화합물 및 폴리옥시에틸렌(polyoxyethylene) 화합물 등이 사용될 수 있으며, 광조사에 의해 배향능을 나타낼 수 있는 물질로는 폴리이미드(polyimide) 화합물, 폴리아믹산(polyamic acid) 화합물, 폴리노르보넨(polynorbornene) 화합물, 페닐말레이미드 공중합체(phenylmaleimide copolymer) 화합물, 폴리비닐신나메이트(polyvinyl cinnamate) 화합물, 폴리아조벤젠(polyazobenzene) 화합물, 폴리에틸렌이민(polyethylene imine) 화합물, 폴리비닐알콜(polyvinyl alcohol) 화합물, 폴리아미드(polyamide) 화합물, 폴리에틸렌(polyethylene) 화합물, 폴리스타일렌(polystyrene) 화합물, 폴리페닐렌프탈아미드(polyphenylene phthalamide) 화합물, 폴리에스테르(polyester) 화합물, CMPI(chloromethylated polyimide) 화합물 및 폴리메틸 메타크릴레이트(polymethyl methacrylate) 화합물 등이 사용될 수 있으며, 예시된 것 이외에 배향능을 제공할 수 있는 공지의 물질이 사용될 수 있다.
액정층은 액정 화합물을 포함하고 있는 층을 의미하며, 예를 들어 액정 화합물(호스트)과 이색성 염료(게스트)를 포함하는 게스트-호스트 액정층(guest- host liquid crystal layer)일 수 있다.
액정 화합물은 외부 전압 신호의 인가 여부에 따라 배향 방향이 변하도록 액정층 내에 존재할 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 신호의 인가에 의하여 그 배향 방향이 자유롭게 변경될 수 있도록, 액정 화합물은 예를 들어 중합성기 또는 가교성기를 가지지 않는 화합물일 수 있다.
이색성 염료는 빛의 흡수율이 편광 방향에 따라서 달라지는 물질로서, 투과도 가변 특성을 제공하기 위해 가시광 영역, 예를 들면, 400 nm 내지 700 nm 파장 범위 내에서 적어도 일부 또는 전체 범위 내의 광을 집중적으로 흡수할 수 있는 유기 물질을 의미할 수 있다. 예를 들어, 이색성 염료는 흑색 염료(black dye)를 사용할 수 있다. 이러한 염료로는, 예를 들면, 아조 화합물 염료(azo compound dye) 또는 안트라퀴논 염료(anthraquinone dye) 등으로 공지되어 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
또한, 액정층(110) 내에는 스페이서(spacer; 140)가 더 포함될 수 있다. 이러한 스페이서(140)는 액정셀 내부에 존재하여 상하 기판 사이의 간격 즉, 셀 갭(cell gap)을 유지하는 기능을 가지며, 투명 도전성 기판 상에 스페이서(140)가 부착된 상태로 제공될 수 있다.
이러한 스페이서(140)로는 칼럼 스페이서(column spacer) 또는 볼 스페이서(ball spacer)를 사용할 수 있다. 상기 스페이서는 탄소계 물질, 금속계 물질, 산화물계 물질 및 이들의 복합 물질로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함할 수 있다. 하나의 예시에서, 상기 칼럼 스페이서는 상부 기판 또는 하부 기판에서 투명 전극 필름에 배향막을 형성하기 전에 형성할 수 있다. 하나의 예시에서, 상기 볼 스페이서는 상부 기판 또는 하부 기판에서 상부 전극 필름 또는 하부 전극 필름에 배향막 코팅 시 배향막에 볼 스페이서를 혼합하여 코팅함으로써 형성할 수 있다. 상기 컬럼 스페이서의 폭(지름) 및 두께(높이) 및 볼 스페이서의 지름(높이)은 최종 타겟(target) 제품의 사이즈에 따라 적절히 변경할 수 있다.
또한, 액정셀의 면적을 규정하고 액정셀 상하 투명 전도성 기판을 합지하기 위해 액정셀의 외곽 테두리부 인근에는 경화성 실런트(sealant)를 이용한 실링부가 형성될 수 있다. 바람직하게는, 경화성 실런트는 무용제 열경화성 실런트일 수 있으며, 이러한 무용제 열경화성 실런트는 경화 전 소성 변형이 가능한 수지(resin) 화합물일 수 있다. 경화가 되기 전 실런트는 점도가 낮은 수지(resin) 화합물이므로 벤딩으로 인하여 상하 기판의 상대적 이동이 발생하면 용이하게 소성 변형(plastic deformation)을 하게 된다.
또한, 실링부에도 스페이서가 배치되어 있을 수 있으며, 곡면화 공정 중 가압 하에 실링부 열경화 시 실런트의 최소 두께는 스페이서의 높이에 의해 결정될 수 있다.
본 발명의 바람직한 구현예에 따른 투과도 가변 액정셀 또는 필름셀은 곡면형 광학 부품 등에 적용됨에 따라 액정셀 또는 필름셀의 휨 발생으로 인한 액정 뭉침과 장기적으로는 액정셀 내부 기포 발생을 억제하기 위한 것으로, 특정한 적층 구조의 액정셀에 한정되는 것은 아니다. 따라서, 도 2에서 제시된 액정셀의 구조는 본 발명을 설명하기 위한 액정셀 적층 구조에 관한 하나의 예시일 뿐이며, 본 발명에 따른 투과도 가변 액정셀 및 이를 포함하는 필름셀은 예시되지 않은 다양한 액정셀의 적층 구조를 포함하도록 구성될 수 있다.
또한, 본 발명의 바람직한 구현예에서는 투과도 가변을 위한 액정셀을 포함하는 것을 예시하고 있으나, 본 발명은 액정셀을 포함하는 예시에 한정되는 것은 아니며, 곡면 렌즈에 부착 시 셀 간격이 벌어지거나 내부에 기포가 발생할 수 있는 다른 형태의 셀 조립체, 예를 들어 전기 변색 물질을 통해 투과도를 조절할 수 있는 전기 변색(electrochromic) 필름셀과 같은 액체셀에도 적용될 수 있다.
또한, 본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 액정셀 양면에 스크래치 방지 또는 김서림 방지 등과 같이 다양한 기능을 제공할 수 있는 기능성 필름 또는 이형 필름 등으로 이루어진 커버층이 부착될 수 있다.
이러한 커버층은 투과도 가변 필름셀을 보호하거나 필요한 기능을 부여하기 위한 기능성 필름층일 수 있으며, 이러한 기능성 필름으로는, 하드코팅층, 자외선 차단층, 근적외선 차단층, 반사 방지층, 지문 방지층, 김서림 방지층 및 미러층, 편광필름층, 색상보정층, 투과도조정층으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함하여 이루어지는 것일 수 있으며, 언급된 것들 이외에도 요구되는 성능을 만족시키기 위한 기능성 필름이 사용될 수 있다.
커버층은 외부로 노출되는 면에 위치하며, 내부층에 대한 보호 필름으로 기능할 수 있다. 이러한 커버층은 플라스틱 필름을 사용할 수 있으며, 예를 들어, 상기 플라스틱 필름은, TAC(triacetyl cellulose); 노르보르넨 유도체 등의 COP(cyclo olefin copolymer); PMMA(polymethyl methacrylate); PC(polycarbonate); PE(polyethylene); PP(polypropylene); PVA(polyvinyl alcohol); DAC(diacetyl cellulose); PAC(polyacrylate); PES(poly ether sulfone); PEEK(polyether ether ketone); PPS(polyphenylene sulfide), PEI(polyether imide); PEN(polyethylene naphthalate); PET(polyethylene terephthalate); PI(polyimide); PSF(polysulfide); PAR(polyarylate) 또는 비정질 불소 수지 등을 포함할 수 있다.
이러한 커버층(40, 50)은 별도의 공정을 위해 제거 가능한 필름층으로 이루어질 수 있다. 예를 들어 커버층을 이형 필름으로 구성하는 경우, 투과도 가변 필름셀의 점착층에 부착된 이형 필름을 제거한 다음, 요구되는 성능에 따라 기능성 필름을 부착하는 방식으로 활용될 수 있다. 따라서, 본 발명에서의 커버층은 점착제층을 매개로 액정셀에 부착될 수 있으며, 이형필름과 같이 제거 가능한 필름층 또는 영구적으로 부착되는 필름층일 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 투과도 가변 필름셀은 아이웨어용 광학 렌즈 또는 증강현실용 광학 렌즈와 같이 곡면을 갖는 광학 부품에 효과적으로 부착될 수 있다.
이와 관련하여, 점착제층은 액정셀을 인접한 다른 층에 부착시키기 위해 제공되는 것으로, 액정셀의 양면에는 점착제층이 각각 형성될 수 있다. 특히, 액정셀의 상하 양면에 형성되는 두 개의 점착제층 중 어느 하나는 곡면을 갖는 렌즈와 같은 광학 부품에 액정셀을 직접 부착시키기 위한 용도로 활용될 수 있다.
한편, 앞서의 기능성 필름과 마찬가지로 곡면형 광학 부품은 후속 공정을 통해 부착될 수 있으며, 본 발명에 따른 투과도 가변 필름셀은 이러한 곡면형 광학 부품에 직접 부착된 것은 물론, 곡면형 광학 부품에 부착될 수 있도록 점착제층 상에 이형 필름이 부착되어 준비된 투과도 가변 필름셀을 포함한다. 따라서, 본 발명의 바람직한 실시예들의 경우, 곡면형 광학 부품에 부착 가능하도록 점착제층이 노출된 투과도 가변 필름셀, 또는 커버층에 의해 점착제층이 노출되지 않는 투과도 가변 필름셀, 또는 곡면형 광학 부품에 직접 부착된 투과도 가변 필름셀을 포함할 수 있다.
이와 관련, 도 1에서는 액정셀이 인접한 커버층(40, 50)과 점착제층(20, 30)을 매개로 접하면서 적층된 단면 구조를 형성하는 예를 도시하고 있다.
전술한 바와 같이, 점착제층은 렌즈 또는 커버층 등을 액정셀에 효과적으로 부착하기 위해 제공되는 것이며, 본 발명에서의 점착제층은 점착층 및 접착층을 포괄하는 의미로 사용된다. 이러한 점착제층은 예를 들어 실리콘계, 아크릴계 또는 우레탄계 감압성 점착제(pressure sensitive adhesive: PSA) 조성물 또는 광학 투명 접착제(optically clear adhesive: OCA) 조성물을 사용하여 형성될 수 있다. 특히 바람직하게는 상기 점착제층은 실리콘계 광학 투명 접착제(optically clear adhesive: OCA) 조성물로 형성된 OCA 필름층일 수 있다.
OCA 조성물로 이루어진 점착제층은 부착하고자 하는 대상에 부착되기 전 경화되어 점착성을 나타낼 수 있으며, 이러한 OCA 조성물을 사용한 필름층은 공지의 점착제 조성물을 사용할 수 있다.
투과도 가변 필름 내에 제공되는 점착제층은 점착제 조성물이 경화된 상태의 점착제 조성물의 경화체를 사용할 수 있다. 여기서 '경화체'는 점착제 조성물에 포함되어 있는 성분들이 물리적 혼합 내지 화학적 반응을 통하여 점착제 조성물의 접착성 또는 점착성이 발현된 상태의 물질을 의미하며, 조성물을 경화시키기 위해, 일정 시간 동안 열 및/또는 광을 인가하여 점착 조성물에 적절한 에너지를 가하는 과정이 실시될 수 있다.
상기 점착제 조성물은, 예를 들어, 경화성 화합물을 포함할 수 있다. 본 명세서에서 용어 '경화성 화합물'은 경화성 관능기를 하나 이상 가지는 화합물을 의미할 수 있다. 상기 점착제 조성물은, 예를 들어, 열 경화성 화합물, 활성 에너지선 경화성 화합물 또는 열 경화성 화합물과 활성 에너지선 경화성 화합물을 모두 포함할 수 있다.
하나의 예시에서, 경화성 화합물로는 아크릴계 모노머, 에폭시계 모노머 또는 실리콘계 모노머 등을 사용할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니고, 점착제를 형성할 수 있는 것으로 알려진 공지의 모노머 성분을 사용할 수 있다.
하나의 예시에서, 상기 점착제층으로는 예를 들어 아크릴계 점착제, 우레탄계 점착제, 또는 실리콘계 점착제를 사용할 수 있으며, 바람직하게는 아크릴계 점착제를 사용할 수 있다.
곡면을 갖는 제품에 평면형 투과도 가변 액정셀이 부착되는 합지 공정에 관해서는 도 3에 예시되어 있다.
도 3에 도시된 바와 같이, 종래 플랫(flat)한 필름 형태의 평면형 투과도 가변 필름셀은 렌즈와 같은 곡면형 광학 부품 상에 밀착되면서 일체로 부착되어 곡면형 광학 제품을 제작하는 방식이 활용되고 있다.
이 때, 도 3에서와 같은 합지 공정을 실시하기 전, 광학 제품에 요구되는 형태로 투과도 가변 필름셀을 미리 재단하여 사용할 수 있으며, 다른 기능성 필름층을 추가로 적층한 상태에서 곡면형 광학 부품과의 합지 공정이 실시될 수 있다.
예를 들어, 도 1에서와 같은 적층 구조를 갖는 투과도 가변 필름셀을 우선 준비하고, 준비된 투과도 가변 필름셀의 최외측의 제1 이형필름층에 해당되는 제1 커버층(40)을 제거한 다음, 제1 이형필름층이 제거됨에 따라 노출된 투과도 가변 필름셀의 제1 점착제층(20)을 곡면형 렌즈(60)의 내부 곡면에 부착하여 투과도 가변이 가능한 곡면형 광학 기기를 제작할 수 있다.
다른 예로는, 도 2에서와 같은 투과도 가변 액정셀에 일측에 점착제층을 형성하고, 형성된 점착제층을 곡면형 렌즈(60)의 내부 곡면에 부착하는 방식으로 곡면형 광학 기기를 제작할 수도 있다.
이와 같이, 기존에는 도 2에서와 같은 평면형 투과도 가변 액정셀을 제작한 후, 점착필름을 이용하여 점착층을 포함하는 투과도 가변 필름셀을 제작한 다음, 도 3에서와 같이 이러한 점착층을 매개로 곡면형 광학기기의 곡면기재 상에 투과도 가변 필름셀을 부착(lamination)하여 곡면형 투과도 가변 광학기기를 제조하는 것이 일반적이었다.
한편, 위와 같은 제조 공정에 의하는 경우, 투과도 가변 필름셀의 액정셀 내부에 액정 뭉침이 발생하는 경향이 지속적으로 확인되었는데, 도 4는 종래 투과도 가변 액정셀에서 액정 뭉침이 발생하는 예를 모식적으로 도시하고 있다.
도 4(a)는 액정 뭉침이 발생한 투과도 가변 액정셀의 평면도이고, 도 4(b)는 A-A' 단면도를 나타낸 것이고, 도 4(c)는 실제 액정 뭉침이 발생한 게스트-호스트 투과도 가변 액정셀의 예에 관한 사진이다.
도 4(a)에서는 투과도 가변 액정셀의 양측 에지 부분에 액정 뭉침(L)이 발생한 예를 도시한 것으로, 도 4(b)의 단면도를 참고하면, 액정셀 양측 에지 부분에서는 셀 간격이 증가하게 되고, 이러한 셀 간격의 증가로 인해 액정 뭉침(L)이 발생하게 된다. 액정의 뭉침은 정상 부분과 달리 셀 간격의 들뜸으로 인하여 액정의 배향상태가 달라진 것에 기인하여 발생하며, 이색성 염료가 포함된 경우 액정 뭉침 부분의 투과도가 정상부분과 확연한 차이를 나타내게 된다.
이와 관련, 도 4(c)에서는 실제 액정셀에 액정 뭉침이 발생한 예를 보여준다. 사진에서 이색성 염료가 액정과 함께 액정층을 형성하는 수직 배향(normally clear) 게스트-호스트 액정셀의 경우 이색성 염료는 액정의 배향을 따르므로 셀 간격이 커져서 액정뭉침이 발생하는 영역에서 이색성 염료의 배향도 깨져서 검은 색으로 보인다.
이와 관련, 도 5에서는 평면형 투과도 가변 액정셀과 곡면형 광학 렌즈의 합지 시 액정셀의 디멘전(dimension) 변화를 개념적으로 도시한 것으로, 도 5(a)는 합지 전 평면 형태의 액정셀의 주요부의 디멘전을 나타낸 것이고, 도 5(b)는 합지 후 곡면 형태의 액정셀의 주요부의 디멘전을 나타낸 것이다.
도 5(b)에 도시된 바와 같이, 곡면형 광학 렌즈와 같은 곡면형 광학 기재 상에 평면형 투과도 가변 액정셀을 합지하는 경우, 도 5(a)의 합지 전 평면 형태의 액정셀에 비해 하부 투명 전도성 기판 영역에서의 길이 변화가 발생하게 되는데, 이러한 길이 변화로 인해 도 5(b)의 실선의 주름으로 표시된 부분에서와 같이, 투명 전도성 기판의 주름진 부분으로 인하여 액정셀의 셀 간격 증가가 국부적으로 발생하게 된다. 이러한 셀 간격 변화가 발생하는 이유는 하부 기판의 유효 길이(l')의 감소로 인한 것으로, 여기서 유효길이는 액정셀의 단면에서 양쪽 실링부에 의해 결정되는 원주의 길이를 의미한다. 따라서 도 5(b)에서 하부기판에서의 유효길이는 실제길이보다 짧아지며, 짧아진 만큼의 길이가 셀 간격을 벌리게 된다.
더욱 상세하게는, 외곽 실링부가 완전 경화된 상태로 고정되어 제조된 평면형 액정셀 및 필름셀을 곡면형 광학기재에 적용할 경우 곡면 외측 대비 곡면 내측의 투명 도전성 기판(전극층과 기재층을 포함하는 필름)에 길이의 여유가 발생하여 액정셀 내부 어딘가에서 셀 간격이 증가하게 되기 때문으로 추정된다.
이와 관련, 도 6에서는 곡면형 광학기재에 평면형 투과도 가변 액정셀을 적용하는 경우 상하 투명 전도성 기판 간 유효 길이 차이(l-l')가 발생하게 되는 것을 개념적으로 설명하고 있다.
도 6에 도시된 바와 같이, 평면형 액정셀의 곡면 적용시 액정셀 내측 투명 도전성 기판의 여유길이에 영향을 주는 것은 셀 간격 d, 평면형 액정셀의 단면도에서 실링부 사이 유효 길이 l, 곡률 반경 R 이다. 상부 투명 전도성 기판의 곡면 적용 전후의 길이 차이가 없다고 가정하면, 곡면 적용 후 상하 투명 전도성 기판 간의 유효 길이 차이(l-l')는 아래와 같이 정의될 수 있다.
Figure pat00001
단, θ는 반경이 R인 원에서 원주가 l인 경우의 중심각(radian)이며, d는 셀 간격이다.
유효 길이 차이(l-l')는 일정 곡률반경(R)에서 액정셀의 크기(l)와 셀 간격(d)에 비례할 수 있으며, 이러한 관점에서 액정셀의 면적이 증가하거나 셀 간격이 증가하는 경우 액정 뭉침 불량이 발생할 가능성이 증가한다.
따라서, 평면형 액정셀을 곡면형 광학기재에 적용하는 경우, 평면형 액정셀은 광학 기재의 곡률에 따라 적용되기 위해 상하 투명 전도성 기판 간 유효 길이의 차이를 상쇄시켜야 하고, 이로 인해 압축력이 발생하는 하부 투명 전도성 기판에서 길이의 왜곡이 발생하게 된다. 따라서 곡률방향으로 액정셀 양쪽 가장자리 부분 등에는 여유 길이(내측 곡면의 유효 길이 감소를 상쇄하기 위한 하부 기판의 실제 길이 여유분)로 인한 셀 간격의 벌어짐이 발생할 수 있다. 이때 발생하는 여유 길이는 셀 간격에 비례하고, 액정셀의 크기에 비례하며, 곡률반경에는 반비례한다.
여유 길이와 관련된 전술한 파라미터들 중, 곡률 방향 액정셀의 길이와 곡률 반경은 적용하고자 하는 광학기기의 크기와 곡률반경에 의하여 결정되기 때문에, 언급한 두가지 파라미터들, 즉, 곡률 방향 액정셀 길이와 곡률반경은 변경이 불가능한 파라미터들이다. 따라서 평면형 액정셀 내지 필름셀을 곡면 적용 시, 상술한 여유 길이 차이를 최소화하기 위해서는 셀 간격을 줄이는 방법이 유일한 방법이다. 하지만 액정셀의 셀 간격을 줄이면 광학적 특성 예를 들어 투과도 수준 및 투과도의 가변범위에 영향을 주므로, 일정 높이 이상의, 예를 들면 4um 이상의 액정셀 간격이 통상적으로 요구되는 바, 셀 간격을 감소시키는 것 또한 쉽지 않다.
이러한 관점에서, 본 발명에서는 평면형 투과도 가변 액정셀 내지 필름셀을 곡률반경이 매우 작은 광학기기의 곡면 기재에 전면 부착하거나 일부 부착하거나 인접하게 적용할 때 발생하는 액정 뭉침과 기포 발생의 근본적 원인을 제거하는 방법으로, 여유 길이로 인한 셀 간격 변화를 효과적으로 억제할 수 있도록 곡면화된 투과도 가변 액정셀 및 필름셀의 제조방법과 제품 구조를 제안한다.
본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 평면형 투과도 가변 액정셀을 미경화 실링부를 통하여 상하 투명 전도성 기판을 합착하여 준비한 다음, 상기 평면형 액정셀을 가압 하에 벤딩(bending)하면서 미경화 실런트를 소성변형한 후 일정 온도(예를 들어 100℃)에서 가열하여 완전히 경화시켜 곡면화된 투과도 가변 액정셀을 제작할 수 있다.
본 발명의 바람직한 구현예에 따른 곡면화된 투과도 가변 액정셀의 제작 방법에 있어서, 평면형 액정셀을 제작하는 과정의 경우 기존의 액정셀 제작 방법과 동일할 수 있다.
구체적으로, 기재층, 전극층, 배향막층이 순차적으로 적층된 투명 도전성 기판 한 쌍을 준비한다. 이 때, 한 쌍의 투명 도전성 기판 중 어느 하나의 투명 도전성 기판에는 스페이서가 부착 형성될 수 있다. 액정셀의 유효 면적과 유효 길이가 규정될 수 있도록 경화성 실런트로 한 쌍의 투명 도전성 기판 중 어느 하나 위에 실링부를 형성한다. 스페이서는 실링부에도 배치될 수 있으며, 액정셀의 유효면적 뿐 아니라 실런트 두께와 액정셀 간격을 규정할 수 있다.
다음으로, 실링부에 의해 구획된 내부 영역에 이색성 염료와 액정 등의 혼합액을 디스펜스(dispense)하여 실링부에 의해 구획되는 내부 영역에 채워 액정층을 형성하고, 두 개의 투명 도전성 기판을 진공 합착 등의 방식으로 합지하여 평면형 투과도 가변 액정셀을 제작할 수 있다.
한편, 본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 상기의 평면형 액정셀 상태에서의 실링부는 경화되기 전의 상태를 유지하며, 이후 곡면화 공정을 통해 가압 하에서 벤딩되면서 실링부가 소성변형된 모양으로 가열에 의해 완전히 경화되게 된다. 실링부 영역에도 상기의 셀 간격을 유지하기 위한 스페이서가 존재하므로, 미경화 실런트는 기판에 평행한 방향으로는 소성변형하지만 기판에 수직한 방향으로는 소성변형하는 것이 최소화된다.
실런트의 소성변형은 액정셀의 벤딩에 기인한 상하 투명 전도성 기판의 개별적 이동에 따라 기판에 평행한 방향으로 발생하며, 평면형 투과도 가변 액정셀을 가압 벤딩시킨 상태에서 가열시키면서 소성변형된 모양으로 실링부를 경화시키게 된다.
이와 관련, 도 7에서는 본 발명의 바람직한 구현예에 따른 곡면화된 투과도 가변 액정셀에서 상하 투명 전도성 기판의 유효 길이를 동일하게 유지하면서 실링부가 소성 변형된 모양으로 경화된 예를 도시하고 있는 것으로, 곡면화된 액정셀의 단면 구조를 개념적으로 도시하고 있다. 여기서 기판의 유효길이는 액정셀의 단면에서 양쪽 실링부 사이의 원주 길이를 의미할 수 있다.
도 7과 관련, 곡면화 전 평면형 투과도 가변 액정셀의 구조는 도 5(a)와 동일한 반면, 도 7과 같이 가압 벤딩 후 가열을 통해 곡면화가 이루어지는 경우에는 도 5(b)와 달리 하부 투명 전도성 필름 측의 국부적인 셀 간격 변화가 바람직하게 효과적으로 억제될 수 있다.
도 7을 참조하면, 본 발명의 바람직한 구현예에 따른 곡면화된 투과도 가변 액정셀 또는 필름셀의 경우, 실링부가 완전히 경화되지 않은 상태에서 가압을 통해 미리 결정된 굽힘량 또는 곡률반경에 따라 벤딩된다. 이러한 가압 벤딩 과정 이후에 실링부의 경화에 적합한 조건으로 가열이 이루어질 수 있다. 경화를 위한 가열 도중에도 이전에 가했던 가압조건을 유지하는데 이는 경화를 위함이 아니고 실링부 간격과 셀 간격을 전 면적에 걸쳐 균일하게 유지하기 위함이다.
따라서, 평면형 투과도 가변 액정셀이 원하는 곡률로 벤딩된 상태가 되도록 실링부가 소성 변형 및 경화될 수 있다. 통상적인 필름 구조에 따라 상하 기판 각각의 두께가 충분히 얇아서 벤딩으로 인한 상하 기판 각각의 유효 길이 변화를 무시할 수 있다고 가정하면, 실링부는 경화 전 소성변형을 한 후에 가열 상태에서 경화되므로 상하 투명 전도성 기판 간 유효길이 차이가 발생하지 않을 수 있다. (l-l'= 0)
실란트는 기본적으로 열경화성 무용제 형태의 수지 화학물로서 필요에 따라서는 UV 경화도 동시에 가능하도록 설계할 수 있다. 벤딩공정에서 가압을 하는 이유는 실란트를 경화시키기 위함이 아니고, 액정셀 유효 면적 전체에서 셀 간격을 균일하게 유지하고, 실링부의 두께를 균일하게 유지하기 위함이다. 액정셀이 곡률이 있는 벤딩 상태에 놓여지면 상하 투명 도전성 기판 간 유효길이의 차이(l-l')가 발생하고, 그 차이가 최소화되도록 벤딩 시 상하 기판은 각각, 실링부를 기준으로 기판 표면의 접선 방향으로 상대적인 이동을 하게 된다. 상하 기판의 상대적 이동은 실란트의 소성변형을 유발한다.
이 때, 실링부가 경화되기 전 액정셀의 벤딩이 이루어지게 되는데, 실링부의 경화 전 벤딩이 이루어짐에 따라 실링부는 굽힘량에 맞추어 소성 변형되고, 상하 제1 기판과 제2 기판의 유효 길이, 특히 제1 기판에서 양측 실링부 내측 사이의 유효 길이(l)가 곡면화 전후로 대체적으로 일정하게 유지되는 것으로 가정하고, 제2 기판의 유효 길이(l')가 상대적으로 감소하는 것으로 가정할 수 있다. 그 이유는 유효 길이 자체보다는 유효 길이의 차이(l-l')에 큰 의미가 있기 때문이며, 유효 길이가 감소하는 기판 쪽에서 발생하는 실제길이와 유효길이의 차이, 즉 길이의 여유분이 셀 간격의 증가를 유발하고 액정 뭉침의 원인을 제공하기 때문이다.
따라서 본 발명의 바람직한 구현예에서는 하부 제2 기판의 유효 길이가 액정셀의 곡면화 전후로 감소하지 않고 동일한 유효길이를 유지하는 것에 특징이 있다. 아울러 액정셀이 곡면화된 후에도 하부 제2 기판의 유효 길이와 상부 제1 기판의 유효길이가 실질적으로 동일하게 유지될 수 있다.
이를 통해 액정셀의 셀 간격 변화로 인한 액정 뭉침을 방지할 수 있다.
여기서 하부 제2 기판의 유효 길이의 경우 투과도 가변 액정셀의 단면에서, 양 측 실링부(211)에 의해 구획되는 제2 기판의 횡단면 내측 길이에 해당하며, 본 명세서에서는 이를 제2 기판의 유효 길이라고 정의한다. 따라서, 본 명세서에서 기판의 유효 길이라 함은, 평면형(flat) 상태에서는 액정셀의 단면을 기준으로, 양 쪽 실링부의 내측면들, 즉 액정 혼합물에 접촉하는 실링부의 내측면들 사이에서 결정되는 기판의 직선 길이를 의미하며, 횡단면을 기준으로 실링부에 의해 구획되는 액정층 내부의 유효한 영역에서의 직선 길이로, 벤딩된(bended) 상태에서는 단면 상 벤딩된 곡선의 원주 길이를 의미한다. 참고로, 유효 길이를 특정하기 위한 액정셀의 단면은 곡면화된 액정셀의 단면으로 정의되는 임의의 단면이 될 수 있으며, 바람직하게는 벤딩된 액정셀의 곡률이 최대가 되는 액정셀의 단면을 유효 길이를 특정하기 위한 액정셀의 단면으로 할 수 있다.
또한, 제1 기판(220)과 제2 기판(230)의 유효 길이를 비교하면, 기본적으로, 곡면화 이전, 즉 평면형으로 제공되는 투과도 가변 액정셀의 경우, 도 5(a)에서와 같이 상부 제1 기판의 유효 길이와 하부 제1 기판의 유효 길이는 모두 동일하게 형성되어 있다. 한편, 도 7에서와 같이 곡면화가 이루어진 이후, 본 발명의 바람직한 구현예에 따른 투과도 가변 액정셀에서는, 그 액정셀의 단면에서, 제1 기판의 유효 길이와 제2 기판의 유효 길이는 동일하며, 따라서 제1 기판의 유효 길이와 제2 기판의 유효 길이는 곡면화 전후로 동일하게 제어될 수 있다. 참고로 본 발명의 바람직한 구현예에서는 곡면화된 액정셀 내부 영역에서 하부 제2 기판의 실제 길이와 유효 길이는 동일하며, 셀 간격 또한 액정셀 내부 전 영역에서 균일하다.
이를 통해 상하 투명 전도성 기판 간의 셀 간격을 일정하게 유지할 수 있으며, 따라서 액정셀 내부 액정 뭉침의 발생을 효과적으로 억제할 수 있다.
이 때, 액정셀의 굽힘량은 적용하고자 하는 곡면형 광학기재의 곡률에 적합하게 설정될 수 있으며, 바람직하게는 곡면화 공정 후 곡면화된 투과도 가변 액정셀 또는 필름셀의 곡률이 합지될 곡면형 광학기재의 요구되는 곡률에 일치하도록 굽힘량이 결정될 수 있다.
도 8은 본 발명의 바람직한 구현예에 따른 곡면화된 투과도 가변 액정셀 또는 필름셀을 제작하기 위한 장치의 예를 도시한 것이다. 또한, 도 9a 및 도 9b는 도 8의 장치의 B-B' 단면을 도시한 것으로, 도 9a는 가압 풍선에 의한 가압 전의 단면을 도시한 것이고, 도 9b는 가압 풍선에 의해 가압이 이루어지는 상태에서의 단면을 도시한 것이다.
도 8에 도시된 바와 같이, 곡면화 장치(800)는 평면형 액정셀을 벤딩시키기 위한 곡률 반경이 특정된 원통형 파이프(810)와, 이 원통형 파이프(810) 내부에 삽입된 평면형 액정셀을 원통형 파이프(810) 내측면으로 가압하기 위한 가압 풍선(820)을 포함할 수 있다. 또한, 가압 풍선 내 가스를 충진하여 가압력을 형성하기 위한 구동부(830)을 포함할 수 있다. 이러한 구동부는 가압 풍선(820) 내로의 가스 주입과 배기를 제어 가능하도록 구성될 수 있으며, 또한 가압 풍선(820)을 원통형 파이프(810) 내부로 이동 시킬 수 있도록 구성될 수 있다.
도 8의 장치를 이용하여 곡면화 공정이 이루어지는 구체적인 과정은 아래와 같다.
한 쌍의 투명 전도성 기판으로 구성된 제1 기판과 제2 기판을 준비하고, 제1 기판과 제2 기판 중 어느 하나의 기판 위에 경화성 실런트로 액정셀 모양의 내부 공간을 구획하는 외곽 실링부를 디스펜스하여 형성하고, 액정셀 모양의 내부 공간에 액정 화합물과 이색성 염료가 혼합된 액정층을 정량 디스펜스하여 형성한 다음, 제1 기판과 제2 기판을 진공 합착시켜 평면형 투과도 가변 액정셀을 제작한다.
이후, 평면형 투과도 가변 액정셀을 벤딩시켜 원통형 파이프(810) 내에 삽입하고, 도 9a에서와 같이 액정셀(840)이 원통형 파이프(810) 내에 삽입된 상태, 즉, 액정셀(840)이 원통형 파이프(810) 내측면에 가이드되면서 벤딩된 상태에서 원통형 파이프(810) 내부로 가압 풍선(820)을 위치시켜 공정을 준비한다. 이후 도 9b에서와 같이 가압 풍선(820)에 가스를 주입하여 원통형 파이프(810) 내부의 액정셀(840)로 일정한 압력을 부가함에 따라 액정셀(840)의 셀 간격과 실링부 간격을 균일하게 유지하면서 원통형 파이프(810) 내에 밀착시킨다. 이 때 원통형 파이프(810)는 가열 수단을 포함할 수 있으며, 이러한 가열 수단을 통해 액정셀 내부 실링부가 소정의 온도로 가열되어 경화될 수 있다.
따라서, 원통형 파이프(810) 내측면에 밀착된 액정셀(840)은 원통형 파이프(810)와 가압 풍선(820)을 통해 가열 및 가압되고, 이러한 과정을 통해 실링부를 구성하는 실런트가 완전히 경화될 수 있다.
도 8의 곡면화 장치를 이용함에 있어서, 투과도 가변 액정셀 복합필름 또는 투과도 가변 필름셀 복합필름이 활용될 수 있다.
예를 들어, 평면 상에서 이색성 염료와 액정이 포함된 액정셀 외곽 실링부까지 형성하고 상하 투명 도전성 기판을 합지하여 평면형 액정셀을 제조한 후 상기 평면형 액정셀을 가압 가열 벤딩하면서 실링부의 실런트를 완전 가열 경화시킨 다음, 상온에서 곡면형 액정셀 위에 점착층이 형성된 기능성 필름을 롤 라미네이션(roll lamination)에 의해 적층하여 액정셀의 곡면과 유사한 곡률반경을 갖는 필름셀을 쉽게 얻을 수 있다.
또한, 다른 예에 있어서, 평면형 액정셀에 기능성 필름을 평면상에서 적층하여 얻은 평면형 필름셀을 가압 벤딩하면서 실런트를 완전 가열시켜 곡면화 장치에 의해 곡면형 투과도 가변 필름셀을 직접 얻을 수 있다.
또한, 또 다른 예에 있어서, 기능성 필름들을 평면상에서 적층하여 얻은 상하 투명 도전성 기판을 준비하고, 평면상에서 이색성 염료와 액정이 포함된 액정셀 외곽 실링부까지 형성하고, 준비된 상하 투명 도전성 기판을 합지하여 평면형 필름셀을 제조한 후 상기 평면형 필름셀을 가압 벤딩하면서 실링부의 실런트를 완전 가열 경화하여 곡면형 투과도 가변 필름셀을 얻을 수 있다.
도 10은 본 발명의 바람직한 구현예에 따른 곡면화된 투과도 가변 액정셀(200)의 단면을 도시한 것으로, 액정셀 내부 전면적에 걸쳐 셀 간격이 일정하도록 상하 투명 전도성 기판들(220, 230)이 밀착된 상태에서 제조되어 곡면 적용 시에도 액정 뭉침 현상이 발생하지 않는 액정셀 단면 구조이다.
전술한 바와 같이, 도 10의 기본적인 적층구조는 각각의 투명 전도성 기판이 배향막(221, 231), 투명 전극층(222, 232), 기재층(223, 233)이 순차적으로 적층된 구조를 가질 수 있다는 점에서 앞서 도 1 및 도 5(a)의 경우와 기본적으로 동일하나, 도 8의 예와 같이 가압 벤딩 후 가열 경화에 의한 곡면화 공정을 통해 액정셀 내부 셀 간격 및 액정셀 내부 실링부(211) 사이 유효 길이가 일정하게 유지되므로, 곡면 광학기기의 곡면 기재에 적용 시에도 액정 뭉침이 발생하지 않게 된다.
한편, 본 발명의 바람직한 구현예에 따른 곡면화된 투과도 가변 필름셀의 단면 구조는 도 10의 곡면화된 액정셀의 기본 구조를 포함하되, 그 상하로 점착제층에 의해 커버층 등 요구되는 기능을 제공할 수 있는 필름층들이 추가로 적층 구성된 형태로, 그 구체적인 적층 구조의 경우 도 1의 예와 실질적으로 동일할 수 있다.
이상에서, 본 발명은 실시예 및 첨부도면에 기초하여 상세히 설명되었다. 그러나, 이상의 실시예들 및 도면에 의해 본 발명의 범위가 제한되지는 않으며, 본 발명의 범위는 후술한 특허청구범위에 기재된 내용에 의해서만 제한될 것이다.
10: 액정셀
20: 제1 점착제층 30: 제2 점착제층
40: 제1 커버층 50: 제2 커버층
60: 곡면형 렌즈 70: 기능성 필름층
110: 액정층
111: 실링부 120: 제1 기판
130: 제2 기판 140: 스페이서
121: 제1 배향막층 131: 제2 배향막층
122: 제1 전극층 132: 제2 전극층
123: 제1 기재층 133: 제2 기재층
200: 액정셀 210: 액정층
211: 실링부 220: 제1 기판
230: 제2 기판 240: 스페이서
221: 제1 배향막층 231: 제2 배향막층
222: 제1 전극층 232: 제2 전극층
223: 제1 기재층 233: 제2 기재층

Claims (10)

  1. 투과도 가변을 위한 액정층;
    상기 액정층의 일측면에 위치하는 제1 기판; 및
    상기 액정층의 타측면에 위치하는 제2 기판;을 포함하는 투과도 가변 액정셀로,
    상기 액정셀은 상기 제1 기판과 상기 제2 기판을 합착하기 위한 실링부를 포함하고,
    상기 실링부는 상기 투과도 가변 액정셀이 곡면으로 휘어진 상태에서 경화되는 것을 특징으로 하는 곡면화된 투과도 가변 액정셀.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 기판과 상기 제2 기판은 상기 액정층을 기준으로 배향막, 투명 전극층, 기재층이 순차적으로 적층되어 이루어진 것을 특징으로 하는 곡면화된 투과도 가변 액정셀.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 액정층 내에는 상기 액정셀의 셀 간격을 유지하기 위한 스페이서가 배치되고,
    상기 실링부는 미리 설정된 셀 간격에 따라 이격된 상태에서 상기 제1 기판과 상기 제2 기판을 합착하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 곡면화된 투과도 가변 액정셀.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 스페이서는 상기 제1 기판 또는 상기 제2 기판에 고정되어, 상기 실링부의 내부 영역 내에 배치되고,
    상기 액정층은 액정 화합물 및 이색성 염료를 포함하는 것을 특징으로 하는 곡면화된 투과도 가변 액정셀.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 곡면화된 투과도 가변 액정셀은 평면형 액정셀을 벤딩시키는 곡면화 공정에 의해 곡면화되고,
    상기 곡면화 공정 시, 상기 실링부는 상기 액정셀이 벤딩된 상태에서 소성 변형된 후 미리 설정된 온도로 가열됨에 따라 경화되는 것을 특징으로 하는 곡면화된 투과도 가변 액정셀.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 제2 기판은 상기 제1 기판에 비해 상기 곡면화된 투과도 가변 액정셀의 곡률 중심에 가깝게 위치하고,
    상기 투과도 가변 액정셀의 단면에서, 상기 실링부에 의해 결정되는 상기 제2 기판의 유효 길이는 곡면화 전후로 동일한 것을 특징으로 하는 곡면화된 투과도 가변 액정셀.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 제2 기판은 상기 제1 기판에 비해 상기 곡면화된 투과도 가변 액정셀의 곡률 중심에 가깝게 위치하고,
    상기 투과도 가변 액정셀의 단면에서, 상기 실링부에 의해 결정되는 상기 제1 기판의 유효 길이와 상기 제2 기판의 유효 길이는 곡면화 전후로 모두 동일한 것을 특징으로 하는 곡면화된 투과도 가변 액정셀.
  8. 청구항 5에 있어서,
    상기 실링부는 무용제형 열경화성 수지 실런트이며,
    상기 실링부는 미경화 상태로 상기 액정셀을 벤딩시키는 곡면화 과정에서 상하 기판의 상대적 이동에 따라 소성 변형된 후 열경화되는 것을 특징으로 하는 곡면화된 투과도 가변 액정셀.
  9. 청구항 1 내지 청구항 8 중 어느 한 항에 따른 곡면화된 투과도 가변 액정셀을 포함하고,
    상기 곡면화된 투과도 가변 액정셀의 일측에 적층되는 점착제층; 및
    상기 점착제층 상에 적층되는 커버층;을 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 투과도 가변 필름셀.
  10. 투과도 가변을 위한 액정층을 포함하는 액정셀;
    상기 액정셀의 일측면에 위치하는 점착제층; 및
    상기 점착제층 상에 적층되는 커버층;을 포함하여 이루어지는 투과도 가변 필름셀로,
    상기 액정셀은,
    투과도 가변을 위한 액정층;
    상기 액정층의 일측면에 위치하는 제1 기판;
    상기 액정층의 타측면에 위치하는 제2 기판; 및
    상기 제1 기판과 상기 제2 기판을 합착하기 위한 실링부;를 포함하여이루어지고,
    상기 실링부는 상기 투과도 가변 액정셀이 곡면화된 상태에서 경화되는 것을 특징으로 하는 곡면화된 투과도 가변 필름셀.
KR1020220117752A 2022-09-19 2022-09-19 곡면 적용 가능한 곡면화된 투과도 가변 액정셀 및 이를 포함하는 곡면화된 투과도 가변 필름셀 KR20240039334A (ko)

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR102101149B1 (ko) 2017-12-20 2020-04-17 주식회사 엘지화학 투과도 가변 필름 및 이의 용도

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