KR920001116B1 - 플라스틱 광학 위상판 및 그 제조공정 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

플라스틱 광학 위상판 및 그 제조공정

제1도는 액정소자의 구조 설명도.

제2도는 볼 발명의 플라스틱 광학 위상판의 기본원리 설명도.

제3도는 폴리비닐리덴 플루오라이드/폴리메틸 메타크릴레이트 혼합물에서 폴리머들 구성의 비율과 광투과율 사이의 관계도.

제4도는 폴리비닐리덴 플루오라이드/폴리메틸 메타크릴레이트 폴리머 혼합물에서 폴리머들 구성의 비율과 연신률 사이의 관계도.

제5a도와 제5b도는 분석기의 회전각과 투과된 광의 세기 사이의 관계도.

제6도는 실시예들에서 얻어진 위상판들(필름들)에서 액정의 대비비율과 레터데이션사이의 관계도.

제7도와 제8도는 제6도에 도시된 상태에서 얻어진 색도도.

본 발명은 플라스틱 광학 위상판에 관한 것이고, 특히, 본 발명은 폴리비닐리덴 플루오라이드와 폴리메틸메타크릴레이트로 구성된 폴리머 혼합물로 이루어진 광학 위상판에 관한 것이다. 광원과 같은 레이저를 사용하는 광통신의 발달로, 광스위치와 광변 조기등의, 이런 광통신에 사용되는 다양한 광제어소자들이 개선되어 왔다.

위상판등의 광제어소자는 광통신 분야 뿐만 아니라 플라즈마 표시장치등의 표시장치 또는 액정표시 소자에 널리 사용되고 있다.

예를들면, 단순 매트릭스 시스템을 채택하는 액정 표시장치의 경우에, 전기광학 특성이 샤프하기 때문에, 표시는 STN(super twised nema-tic)액정을 사용하므로써 얻어진다. 그러나 액정은 광학적 이방성을 나타내기 때문에, 표시는 반드시 착색되어야 하고 흑백표시는 얻어질 수 없다.

특히, 제1도에 도시된 바와 같이, 만약 원편광이 편광판 1을 통하여 직선 편광으로 변환되고 직선 편광이 액정셀 2에 입사된다면, 액정은 광학적 이방성을 가지므로, 광은 액정셀 2로부터 타원편광의 모양으로 방출된다. 타원편광의 타원은 파장에 따라 좌우된다.

따라서, 이 방출된 광은 광학위상평판 3(보상막)에 입사되고, 광을 본래의 직선편광으로 변환하기 위하여 액정셀에 의한 입사광에 실행된 동작을 역으로 한다. 그리고, 이 직선 편광은 화상표시로 분석기 4를 통하여 방출된다. 광학 위상판은 산성인산 이수소카륨(KH₂PO₄; 간단히 KDP라 칭함) 또는 니오브산 리튬(LiNbo₃) 등의 이방성 광학결정을 사용하므로써 지금가지 구성되어 왔다.

이 재료의 결정성장에 의한 무기소자의 형성, 절단과 성장결정을 광내는 것은 많은 노력과 시간이 요구되고, 소자의 값이 매우 비싸다. 따라서, 액정의 사용에 의한 흑백표시를 실현하고, 이 표시시스템의 사용을 널리 보급시키기 위해서는, 광학 위상판의 비용을 절감하는 것이 필요하다 또한, 종래의 기술은 넓은 영역을 가지는 소자를 제조하는 것이 어려운 단점이 있다.

또한, 2개의 겹쳐진 액정셀들을 사용함으로써 흑백 표시를 얻기 위한 흑백패널은 무겁고, 두껍고, 비싸다. 만일 편향판이 채택되면, 표시는 너무 어둡다.

상술한 상황에서는, 보상판의 두께와 무게는 반드시 감소되어야 하고, 비용은 반드시 절감되어야 하고, 밝은 표시가 가능해야 한다. 일부 폴리메릭(polymeric) 재료들(예를들면, 폴리카보나이트)이 광학적 이방성을 가지므로, 폴리메릭 재료와 같은 것을 사용함으로써 실용적 광학 위상판을 제조하기 위해 시도하였으나, 실용성을 지닐 폴리메릭 재료의 광학 위상판은 실현되지 않았다.

그러므로, 본 발명의 첫 번째 목적은 전술한 문제를 풀고, 만족한 실용성 있는 광학 위상판을 제공하는 것이다. 특히 본 발명에 따라, 폴리비닐리덴 플루오라이드를 30 내지 85중량%를 포함하는 폴리메틸 메틸메타크릴레이트와 폴리비닐리덴 풀루오라이드의 폴리머 혼합물로 구성된 플라스틱 광학 위상판이 제공되어 있으며, 그중에 폴리머 혼합물에서 극성기는 소정방향으로 배향된다.

폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF)는 다음과 같은 구조식에 의해 묘사되고,

PVDF가 C-F결합을 가지므로, PVDF는 커다란 쌍극자 원소를 갖는다. PVDF는 α형 결정과 β형 결정으로 나누어진다. α형 결정에서는, 단위격자를 구성하는 극성기의 배향방향이 역으로 된다. 따라서, 이러한 극성기는 상쇄되고, 단위격자는 극성을 띠지 않는다.

한편, β형 결정에서는, 단위격자를 구성하는 모든 극성기는 소정방향으로 배향되므로, 높은 유전체 상수를 가지는 극성 결정이 구성된다.

α형 결정이 유리전이 온도보다 높은 온도에서 강한 전계를 인가함으로써, 또는 단일축 또는 이중축 방향으로 판을 드로우잉(drawing)하므로써 β형 결정으로 변환될 수 있다는 것은 이미 공지되어 있다. 광학소자의 광투과율은 반드시 높아야 하나, PVDF의 광투과율 12% 만큼 낮아, PVDF는 광학재료로써 사용될 수 없다.

제3도는 비율(PMMA(Polymethy methachylate)와 PVDF의 혼합중량비)과 광투광율 사이의 관계를 설명한다.

PVDF만의 광투과율은 위에서 지시한 것과 같이 단지 약 12% 이지만 광투과율은 추가된 PMMA양이 증가로 갑자기 증가한다. 그리고, 만일 PMMA/PVDF중량비가 20/80을 초과한다면, 광투과율은 50% 이상이 될 것이다. 따라서, 플라스틱 광학 위상판을 제조할 때, 높은 광투과율을 얻기 위하여, PVDF의 비율은 가능한한 높아야 한다. 이런 견지에서, PVDF의 바람직한 함량은 80-85% 이하이다.

제4도는 PMMA/PVDF비율과 연신률 사이의 관계를 설명한다. PVD와 PMMA의 고용체에서 극성기가 소정방향으로 배향되도록, 본 발명의 플라스틱 광학 위상판이 판을 단일축 방향으로 드로우잉하므로써 형성되기 때문에, 바람직한 개시 고용체는 풍부한 드로우잉능역을 가진다.

제4도로부터 명백한 것과 같이, 30-85%의 PVDF함량을 가지는 PMMA와 PVDF의 혼합물릉 단일축 또는 이중축 드로우잉법에 의한여 PMMA/PVDF고용체로 구성된 광학적 이방성 위상판의 제조에 대해 적합하다. PVDF의 비율이 약 70%일때 가장높은 연신률이 얻어진다. 그러나, 연신률이 아주좋기 때문에, 롤러 트레이스들(roller traces)형성의 문제가 발생한다.

제3도와 제4도를 함께 고려할때, 30-85%, 특히 약 56-80%의 PVDF비율을 가지는 재료는 뛰어난 광투과율과 드로우잉 능력을 갖는 것을 알 수 있다. 만약 PVDF비율이 이범위 내라면, 90% 보다 더 높은 평행광투과율을 가지는 재료가 얻어질 수 있다(제3도 참조).

제2도는 광학 위상판에서 레터데이션(복굴절률) R과 대비사이의 관계를 설명하고, 본 발명은 이 원리를 이용한다. 제2도로부터 명백한 것과 같이, 만약 레터데이션 R이 550 내지 650㎚라면, 예리한 대비가 얻어진다. 즉, 레터데이션 R은 공식 R=△n×d로 표현되고, 여기서 △n는 고유복굴절을 나타내고 d는 두께를 나타낸다.

특히, 본 발명에서, “판”라는 단어는 약 2㎜까지의 두께를 가지는 판으로 규정한다. 따라서, 이 단어는 또한 막의 의미도 포함한다.

본 발명의 플라스틱 광학 위상판의 실제 실시예는 다음과 같은 실시예에 의거하여 지금부터 설명할 것이다.

[실시예 1]

PVDF/PMMA 비율이 70/30인 PVDF와 PMMA의 혼합물을 유리도가니에 채웠으며, 시료용융시 기포의 합체를 막기위하여, 감압장치에 도가니를 놓음으로써 도가니 내의 공기가 제거되었다. 이 상태에서, 시료를 150℃ 즉, 혼합물의 열변형 온도보다 20℃만큼 더 높은 온도 즉, 170℃에서 가열하여 용융시켰다. 0.5㎜의 두께를 가지는 박판은 이 용융물을 사용하므로써 형성되었다.

플라스틱 박판은 평행한 적극 사이에 맞물려 있으며, 5KV/㎝의 직류전계가 Z방향에 있는 전계의 방향으로 분극 및 배향효과를 위하여 150℃의 온도에서 인가되었다. 어셈블리는 전계가 인가된 상태에서 실온으로 자연냉각되었고, 전극을 제거하였다. 그것에 의하여 633㎚에 대한 1/4파장판이 얻어졌다.

[실시예 2]

실시예 1에서 사용된 것과 같이 70/30의 PVDF/PMMA의 동일한 혼합물이 열변형 온도에서 즉 150℃, 0.5㎜의 두께를 가지는 633㎚의 파장에 대한 1/4파장 판을 얻기 위하여, 4배의 드로우잉 비율로 단일축방향 드로우잉을 하엿다.

제5도는 상술된 2가지 방법에 따라 제조된, 633㎚의 파장에 대한 1/4파장 판들에서의 분석기의 다양한 회전각에서 투과된 광의 세기를 보여준다.

특히, 제5a도는 633㎚의 파장으로 가지는 선편광이 입사되었을 때 얻어진 결과를 도시하고 있다. 도시된 바와 같이, 고질의 원편광이 얻어졌다.

제5b도는 분극소자가 제거되고 원편광이 입사되었을때에 얻어진 결과를 도시하고 있다. 도시된 바와 같이, 원편광이 선편광으로 변환되었다.

[실시예3]

PVDF/PMMA비율이 70/30인 PVDF와 PMMA의 혼합물을 유리도가니에 채웠으며, 시료용융시 기포의 합체를 막기위하여, 도가니네 공기를 감압장치에 놓아 제거하였다. 이 상태에서, 혼합물을 100℃ 즉, 혼합물의 열변형온도에서 150㎛의 두께와 600㎚의 레터데이션 R을 갖는 광학 위상판을 얻기위하여, 1.2배의 드로우잉 비로 단일축 방향 드로우잉 하였다.

제6도는 상술된 방법에 따라 제조된, 광학 위상판(보상막)의 레터데이션과 액정의 대비[ON상태(white)와 off상태(Black) 사이의 휘도비] 사이의 관계를 도시하고 있다. 도시된 바와 같이, 레터데이션 R이 550 내지 650㎚일때에 좋은 대비가 얻어졌다. 특히, 레터데이션은 막 두께 d를 일정하게 유지하는 동안 고유복굴절 △n값을 변화시켜서 측정하였다.

제7도는 국제조명위원회(CIE)의 규정에 따른 색도도이다. 제7도에서, 백색원은 ON상태에서의 색을 나타내고, 흑색원은 OFF상태에서의 색을 나타낸다. 흑백원들 옆에 도시된 값들은 각각의 레터데이션 R을 나타내고, 그들 값들은 제6도에 도시된 샘플들에 대응한다. 균일치 않은 막 두께로 인한 레터데이션의 분산을 제거하기 위하여, 파장을 각 측정점에서 실제로 측정하였으며, 각 측정점에서 색도를 측정하였다. 얻어진 값들은 제8도에 도시된 색도도를 얻기 위하여 평균하였다.

이 도면들로부터, 만약 레터데이션이 550 내지 650㎚라면, 흑백은 서로 분명히 구별될 수 있다.

본 발명의 광학 위상판의 색 대비를 보다 개선하기 위하여, 유기체 형광성 염료가 (예를들면, 페릴렌 염료 또는 나프탈이미드염료) 상술된 고용체에서 합체될 수 있다. 페릴렌 또는 나프탈이미드 형 유기체 형광성 염료의 전형적인 시료로서, 다음과 같은 화학식에 의해 나타낸 페릴렌 유도체와 나프탈아미드 유도체가 언급될 수 있다.

여기서, Ar은 아릴기를 나타내고 R은 알킬기와 같은 원자기를 나타낸다. 실시예 3에서 얻어진 판은 분극판(산리쓰 덴키에 의해 제공된)과 유리판 사이에 맞물려, 약 90℃의 열저항 온도를 가지는 아크릴 점착제를 사용하여 결합하였다. 열저항 값을 구하기 위한 기포 시험은 30분 동안 5㎏/㎠의 하중하에서 70℃로 실행하였으며, 3시간 동안 동일 하중하에서 80℃로 실행하였다. 비교하기 위해, 100 또는 60㎛의 두께를 가지는 단일축 방향 드로우잉된 폴리카보네이트 박들을 유사하게 시험하였다.

본 발명에 따른 PVDF/PMMA고용체에 구성된 막에서는 기포가 발견되지 않으나, 폴리카보네이트 막들의 각각에서는 2 내지 3㎜의 직경을 가지는 기포가 분극 평판과 전체 면적의 약 10% 비율 지역에서의 막사이에 형성되었다.

본 발명의 방법에 의해 형성되는 플라스틱 광학 위상판은 KDP 또는 LiNbO₃등의 무기광학 결정을 사용하므로써 형성되는 광학 위상판의 성능에 필적하는 성능를 갖는다. 그러므로, 보다 넓은 영역을 가지는 광학 위상판은 낮은 가격으로 제조될 수 있다.

더우기, 상술된 구조를 채택하므로써, 폴리카보네이트 필름과 같은, 종래의 광학 위상판 보다 우수한 질의 표시, 대비, 복굴절 분포의 균일성 및 투명성을 가지는 광학 위상판을 저렴한 가격으로 대량 생산할 수 있다.

특히, 광한 위상판은 하나의 얇은 플라스틱 판으로 구성될 수 있다. 그러므로, 얇고, 가볍고, 넓은 영역의 광학 위상판이 실현될 수 있고, 이 광학 위상판은 액정표시장치에서 광학 보상막으로 아주 적합하다.

Claims (9)

1. 폴리비닐리덴 플루오라이드의 30 내지 85중량%를 포함하는 폴리비닐리덴 플루오라이드와 폴리메틸 메틸 메타크릴 레이트의 폴리머 혼합물로 구성되며, 폴리머혼합물에서 극성기가 판을 분극배향하거나 단일축 또는 이중축 드러우잉에 의하여 소정방향으로 배향되는 플라스틱 광학 위상판.
2. 제1항에 있어서, 폴리비닐리덴 플루오라이드의 함량이 56 내지 80중량%인 플라스틱 광학 위상판.
3. 제1항에 있어서, 레터데이션 R이 550 내지 650㎚인 플라스틱 광학 위상판.
4. 제1항에 있어서, 폴리머 혼합물이 폴리머 혼합물에 형광성 염료의 합체에 의해 착색되는 플라스틱 광학 위상판.
5. 제1항에 있어서, 평행관 투과율이 적어도 90%인 플라스틱 광학 위상판.
6. 제1항에 있어서, 광학 위상판이 1/4파장 또는 파장광학 위상판인 플라스틱 광학 위상판.
7. 제1항에 있어서, 광학 위상판이 액정장치에서 광학 보상막인 플라스틱 광학 위상판.
8. 30 내지 85중량%의 폴리비닐리덴 플루오라이드를 포함하는 폴리비닐리덴 플루오라이드와 폴리메틸 메라크릴레이트의 폴리머 혼합물을 형성하고, 판을 분극 배향하거나, 단일축 또는 이중축 드로우잉에 의하여 폴리머 혼합물에서 극성기를 소정방향으로 배향시키는 것으로 이루어지는 플라스틱 광학 위상판의 제조공정.
9. 제8항에 있어서, 배향이 직류전계에 의한 판의 분극 배향에 의하여 실행되는 공정.

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