WO2015016685A1 - 액정 렌즈용 배향 필름 및 이를 형성하기 위한 금형 - Google Patents

액정 렌즈용 배향 필름 및 이를 형성하기 위한 금형 Download PDF

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박정호
신부건
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    • B29C2059/023—Microembossing

Definitions

  • the present application relates to an alignment film for a liquid crystal lens, a mold for forming the same, and a manufacturing method thereof.
  • Liquid crystal lenses can be used in a variety of applications, for example in 3D display devices. As liquid crystal technology constantly develops, liquid crystal materials are widely applied in various fields.
  • optical zoom lens groups require at least two or more lenses to move in conjunction with each other to achieve a zoom effect.
  • this group of optical zoom lenses is not only relatively thick and heavy, but also bulky and very inconvenient for users to use.
  • An LC lens (Liquid Crystal Lens) is an optical assembly that focuses or diverges a light beam by using birefringence characteristics of liquid crystal molecules and characteristics arranged according to a change in distribution of an electric field.
  • the LC lens realizes the effect of adjusting the focal length by changing the operating voltage and changing the alignment direction of the liquid crystal molecules.
  • a liquid crystal lens fixedly oriented in a specific direction and a separate voltage driving type liquid crystal cell are combined, it is easy to implement a display capable of switching 2D and 3D in one display depending on whether the liquid crystal cell is driven.
  • the LC lens is light and thin, which is a big advantage, and can achieve an effective optical zoom effect in a small space.
  • the present application provides an alignment film for a liquid crystal lens, a mold for forming the same, and a method of manufacturing the same. Specifically, the present application provides an alignment film for a liquid crystal lens that can easily form a fine pattern on a non-planar, curved or three-dimensional surface of a substrate through a simple process, and a mold for forming the same.
  • the present application relates to an alignment film for a liquid crystal lens and a mold for forming the same.
  • the term “mold for forming an alignment film for liquid crystal lenses” includes one or more non-planar surfaces 201 formed so that the liquid crystal injected as the alignment film 200 for liquid crystal lenses can maintain a lens shape; And a mold 100 present on the non-planar surface 201 and configured to form an alignment film 200 for a liquid crystal lens including a protrusion 202 having a dimension capable of exhibiting liquid crystal alignment capability.
  • the protrusion 202 may be formed in a form having a liquid crystal alignment capability to orient the liquid crystal maintained in the lens form.
  • Such a mold for forming a liquid crystal alignment film includes, for example, a bump 102 formed on at least one nonplanar surface or curved surface and having dimensions capable of exhibiting liquid crystal alignment capability. It may have a transfer pattern.
  • the non-planar 101 may be curved to form a liquid crystal lens, and may be formed in a lens shape.
  • the specific aspect of the shape of the non-planar 101 is not particularly limited and may be selected in consideration of the shape of the lens to be formed.
  • the non-planar 101 may have a lenticular lens shape.
  • a lenticular lens is formed by arranging one or more semi-cylindrical lens arrays, and refers to a lens array for enlarging an image that is seen in a slightly different angle and image. Therefore, the non-planar 101 according to the present application may have a form in which the lens shape extends in one direction.
  • 1 illustrates an exemplary form of the mold 100, which includes a form of a transfer pattern including at least one non-planar 101 and protrusions 102 formed on the surface thereof.
  • FIG. 2 illustrates one or more non-planar surfaces 201 having a form in which the non-planar 101 of the mold 100 is transferred as an exemplary form of the alignment film 200, and further, the mold 100.
  • the shape of the liquid crystal aligning pattern including the protrusion 202 of the dimension which can exhibit liquid crystal aligning ability formed by transferring the transfer pattern containing the protrusion part 102 of () is shown. Accordingly, the protrusions 202 of the alignment film 200 correspond to the grooves 103 between the protrusions 102 in the mold 100.
  • the exemplary liquid crystal aligning film-forming die is formed on one or more non-planar 101, as described above, and includes a transfer pattern including a protrusion 102 having dimensions capable of exhibiting liquid crystal alignment capability.
  • the shape of the non-planar 101 and the protrusions 102 on the non-planar 101 may be transferred using the mold to manufacture a corresponding alignment film 200 for a liquid crystal lens.
  • the alignment film may make the injected liquid crystal maintain the lens shape as described above, and may align the injected liquid crystal. Using such a mold, it is possible to easily form a fine pattern on the surface of the base surface of the curved surface and three-dimensional shape through a simple process.
  • the size of the protrusions is preferably controlled in the size of tens to hundreds of nanometers, and the implementation of a pattern having an ultra fine line width and a period on such a non-planar surface is based on conventional expensive semiconductor process-based lithography technology or Not only is it difficult to realize through electron beam lithography, but the large area required for application in a display using this process is technically very difficult.
  • the shape of the lens formed by the non-planar 101 of the mold 100 or the non-planar 201 of the alignment film 200 may have the form of a lenticular lens array having a form extending in one direction.
  • the shape of the lens is not particularly limited. For example, it may have a known shape such as a lenticular lens array composed of a convex lens shape, a concave lens shape, or a Fresnel lens shape.
  • 6 shows a cross-sectional shape of a convex lens-based lenticular lens array that can be formed by the non-planar 201 of the alignment film
  • FIG. 7 shows a Fresnel that can be formed by the non-plane of the alignment film.
  • the cross-sectional shape of the lens-based lenticular lens array is shown as an example.
  • a liquid crystal lens in the form of a Fresnel lens rather than a general GRIN (Grade Refractive Index) lens type, a relatively thin liquid crystal layer can realize a desired focal length, and a fast response speed and a low driving voltage Color values can be implemented.
  • GRIN General Refractive Index
  • the size of the protrusion 102 of the mold for example, the width W, the height H or the pitch P, as shown in FIG. 1, is not particularly limited, and the protrusion of the mold ( It will not be restrict
  • the width of the protrusion 102 of the mold is 0.05 ⁇ m to 10 ⁇ m, 0.1 ⁇ m to 8 ⁇ m, 0.15 ⁇ m to 6 ⁇ m, 0.2 ⁇ m to 4 ⁇ m, 0.25 ⁇ m to 2 ⁇ m or 0.3 ⁇ m to 1 ⁇ m
  • the pitch of the protrusions 102 of the mold may be 0.05 ⁇ m to 20 ⁇ m, 0.2 ⁇ m to 16 ⁇ m, 0.3 ⁇ m to 12 ⁇ m, 0.4 ⁇ m to 8 ⁇ m, 0.5 ⁇ m to 4 ⁇ m, or 0.4 ⁇ m to 2 ⁇ m. .
  • the height or depth of the protrusion 102 of the mold is 0.01 ⁇ m to 5 ⁇ m, 0.05 ⁇ m to 4.8 ⁇ m, 0.1 ⁇ m to 4.5 ⁇ m, 0.15 ⁇ m to 4.3 ⁇ m, 0.2 ⁇ m to 4 ⁇ m, 0.3 ⁇ m to 4 ⁇ m or 0.5 ⁇ m to 4 ⁇ m.
  • the alignment film may exhibit appropriate liquid crystal alignment capability.
  • the non-planar 101 of the mold may have a lens shape extending in one direction.
  • the protrusion 102 of the mold may be formed in a linear shape forming an angle within a range of 0 degrees to 90 degrees with an extension direction of the lens shape.
  • the non-planar 201 of the alignment film may also have a lens shape extending in one direction.
  • the protrusion 202 of the alignment film may be formed in a linear shape forming any angle within the range of 0 degrees to 90 degrees with the extension direction of the lens shape.
  • the mold 100 may have a roll 501 shape. That is, as shown in FIG. 5, the mold 100 may be formed in the shape of the roll 501 having a non-planar 101 outside. In this case, one or more convex portions may be formed in the roll 501 in a linear shape. Curved or three-dimensional shape patterning technology is difficult to manufacture in a very complex process, but by using the mold 100 according to the present application, it is possible to produce a complex fine shape in an easy process, continuous process such as a roll-to-roll process 500 Applicable to Accordingly, the difficulty in the process can be lowered and the application can be facilitated.
  • the alignment film 200 for a liquid crystal lens includes, as an example, a protrusion 202 having a dimension capable of exhibiting liquid crystal alignment capability on one or more non-planar surfaces 201.
  • the liquid crystal aligning pattern mentioned above is formed.
  • the non-planar 201 of the alignment film 200 may have a shape of a recess extending in one direction.
  • the shape, size, and the like of the non-planar 201 and / or the protrusion 202 in the alignment film are not particularly limited, and the non-planar 201 of the alignment film is obtained by transferring the non-planar 101 of the mold described above.
  • the projections 202 of the alignment film may be in the form of a form transferred by the protrusions 102 and the grooves 103 of the above-described mold.
  • the range of the width W, the height H, or the pitch P of the protrusion 202 of the alignment film is not particularly limited, and as long as the protrusion 202 of the alignment film can exhibit liquid crystal alignment capability. It is not particularly limited.
  • the width of the protrusion 202 of the alignment film may be 0.5 ⁇ m to 10 ⁇ m
  • the pitch of the protrusion 202 of the alignment film may be 0.0.5 ⁇ m to 20 ⁇ m.
  • the height or depth of the protrusion 202 of the alignment film may be 0.01 ⁇ m to 5 ⁇ m.
  • the protrusion formed by adjusting the size within the above range may exhibit appropriate liquid crystal alignment capability.
  • a mold and an alignment film of the present application may produce a liquid crystal film having a liquid crystal lens shape, and the liquid crystal film may be used to implement an autostereoscopic imaging apparatus.
  • the present application also relates to a method for producing the alignment film or mold.
  • the alignment film may be prepared by transferring the transfer pattern of the above-described mold onto the transfer target to form a liquid crystal alignment pattern.
  • the alignment film may be manufactured by a roll-to-roll process through a mold having a roll shape as shown in FIG. 5.
  • FIG. 3 shows an exemplary method of making the liquid crystal aligning film.
  • the manufacturing method forms a pattern including the protrusion 202 having a dimension capable of exhibiting liquid crystal alignment capability in the planar transfer layer 302, and the transfer layer having the pattern formed thereon ( Forming the surface of 302 into non-planar 201.
  • the non-planar 201 of the alignment film may be a non-planar 201 forming a lens shape.
  • forming the surface of the transfer layer 302 as the non-planar 201 may be performed to maintain the shape of the protrusion 202 on the surface of the non-planar 201.
  • forming the protrusion 202 and / or forming the non-planar 201 may be performed by a method known in the art, for example, hot embossing or nanoimprint. It may be performed through the process, but is not limited thereto.
  • the term "hot embossing” means a process of replicating a shape by applying a certain amount of pressure and temperature using a mold in which a desired shape is imprinted on the transfer layer.
  • the transfer layer may be a thermoplastic plastic, and the thermoplastic shows a flow behavior of a viscous fluid as the temperature increases, wherein a specific shape of an intaglio or an embossment is pressed using a stamped mold. In this case, the empty space of the shape is filled with the plastin fluid, and then the mold may be removed to duplicate the shape.
  • the material constituting the planar transfer layer 302 is not particularly limited as long as the material can form a shape by, for example, a hot embossing process.
  • the transfer layer 302 is easily stamped with a highly reliable ultra fine uneven structure shape, and is used in the hot embossing process.
  • the polymer material is not particularly limited as long as it does not pyrolyze and has excellent thermoforming in which unwanted side reactions are not involved in other thermoforming processes.
  • a material having no solubility in the solution coating process of the support layer material is preferable.
  • the planar transfer layer 302 may include a thermoplastic polymer.
  • the transfer layer 302 may be polymethyl methacrylate (PMMA), ethylene vinyl acetate (EVA), polyethylene terephthalate (PET), polyamide (PA), cycloolefin polymer (COP), cycloolefin.
  • Copolymer COC
  • PVC polyvinyl chloride
  • PEN polyethylene naphthalate
  • PC polycarbonate
  • PES polyethersulfone
  • PBT polybutylene terephthalate
  • ABS acrylonitrile-butadiene-styrene
  • POM polyacetal
  • PEI polyetherimide
  • PPSU polyphenylsulfone
  • PAI polyamideimide
  • PP polypropylene
  • the method of manufacturing the alignment film 200 of the present application may include forming the support layer 303 on a pattern before forming the surface of the transfer layer 302 into the non-planar 201.
  • the shape of the protrusion 202 may not be maintained.
  • the support layer 303 may be formed on a pattern already formed before forming the embossing, that is, the non-planar 201.
  • the support layer 303 is formed to maintain the shape of the pattern including the protrusion 202 in the embossing process
  • a specific formation method or material is not particularly limited.
  • the support layer 303 may be formed by a solution coating process method using a polymer solution, a nanoparticle dispersion, or a metal oxide derivative, or may be formed by a dry deposition method such as sputtering or vapor deposition (CVD, PVD). have.
  • any material may be used as long as the material of the support layer may maintain the shape of the pattern including the protrusion 202 in the embossing process and may be selectively removed later.
  • the support layer is poly vinyl alcohol (PVA), poly vinyl pyrollidone (PVP), polyethylene oxide (PEO), poly acrylamide (PAAM) , Poly acrylic acid, poly styrenesulfonic acid (PSSA), polysilicic acid (PSiA), poly phosphoric acid (PPA), polyethylene sulfonic acid, PESA), polyethyleneimine (PEI), polyamideamine (Polyamideamine, PAMAM), and may include one or more selected from the group consisting of polyamines (Polyamine).
  • the support layer may include at least one selected from the group consisting of titanium alkoxide, zirconium alkoxide, tungsten alkoxide, tin alkoxide, zinc alkoxide, aluminum alkoxide, cesium alkoxide, iridium alkoxide and silicon alkoxide.
  • the support layer 303 may be formed by a wet coating method or a dry deposition method, but is not limited thereto.
  • the forming of the support layer 303 may include spin coating, roll coating, deep coating, spray coating, dip coating, and flow coating. (flow coating), bar coating (bar coating), doctor blade (doctor blade), dispensing (dispensing) or thin film laminating (thin film laminating) may be carried out by one or more methods selected.
  • the dry deposition method may be performed by a method selected from the group consisting of chemical vapor deposition (PCVD), plasma sputtering, evaporation, and atomic layer deposition. Can be.
  • CVD chemical vapor deposition
  • plasma sputtering evaporation
  • atomic layer deposition atomic layer deposition
  • the manufacturing method according to the exemplary embodiment of the present application may further perform removing the support layer 303 after forming the non-planar 201.
  • Removing the support layer 303 may be performed using a material that is etchable for the support layer and not etchable for the transfer layer 302.
  • a material that is etchable for the support layer and not etchable for the transfer layer 302. For example, in the case of the water-soluble polymer such as PVA and PVP described above, selective removal is easy using water or an alcohol solution, for example, isopropyl alcohol (IPA).
  • IPA isopropyl alcohol
  • the aforementioned sol-gel type metal oxide may be removed by dilute acidic aqueous solution, and specifically, may be selectively removed by 1% aqueous HCl solution, but is not limited thereto.
  • the support layer 303 may serve to maintain a pattern including the protrusion 202 during hot embossing. After the non-planar 201 is formed, the support layer 303 is removed to form the protrusion 202. May be formed on the non-planar surface 201.
  • the mold 100 may be formed by modeling the alignment film manufactured by the above-described method.
  • the method for manufacturing a mold includes forming a pattern including a projection having a dimension capable of exhibiting liquid crystal alignment capability on a planar transfer layer, and forming a surface of the transfer layer on which the pattern is formed in a non-planar manner. And transfer the shape of the non-planar to the transfer target.
  • the mold 100 may include at least one non-planar 101 that may form a lens shape, and at least one protrusion that may be formed on the surface of the non-planar 101 and may form a groove 103 having liquid crystal alignment capability. It may be a mold 100 including a 102.
  • the present application also relates to a method for producing a liquid crystal film through the above-described alignment film.
  • An exemplary method of manufacturing a liquid crystal film may include injecting a liquid crystal material onto the non-planar surface of the above-described alignment film to form a liquid crystal layer.
  • the manufacturing method may include forming an alignment layer to seal the liquid crystal material on the liquid crystal layer.
  • the alignment layer may be manufactured using a material known in the art, and may be formed, for example, by a fine linear uneven pattern alignment process, a photo alignment process, or a rubbing alignment process.
  • the alignment film is not particularly limited as long as the alignment film can exhibit liquid crystal alignment ability, and a known alignment film can be applied.
  • the alignment layer may be formed such that an alignment direction indicating liquid crystal alignment ability corresponds to an alignment direction of the protrusion of the lower liquid crystal layer.
  • the protrusion of the liquid crystal layer may mean a protrusion formed of the liquid crystal material by the protrusion or the groove of the alignment film by injecting the liquid crystal material into the aforementioned alignment film.
  • the injected liquid crystal material may finally form a liquid crystal layer through a curing process, and the curing process may be performed by a known method, for example, ultraviolet irradiation or thermosetting.
  • the alignment layer may be stacked on the opposite side of the surface on which the protrusions of the liquid crystal layer are formed to orient the liquid crystal.
  • the region close to the surface on which the protrusion is formed is well formed in the liquid crystal alignment, whereas the opposite surface is not well formed, and thus may serve to align the liquid crystal molecules formed on the opposite surface.
  • uniform liquid crystal alignment may be induced in the entire region of the lens filled with the liquid crystal.
  • the present application can provide an alignment film or a mold for forming the same, which can effectively manufacture a liquid crystal lens in which the liquid crystal is well aligned therein.
  • the liquid crystal filled in a non-planar space such as a curved surface may be effectively oriented to form a liquid crystal lens.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view of a mold according to one example of the present application.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view of an oriented film according to one example of the present application.
  • FIG 3 is a cross-sectional view showing a manufacturing process of an alignment film according to one example of the present application.
  • FIG 4 is a perspective view of a mold according to one example of the present application.
  • FIG. 5 is a perspective view illustrating a roll-to-roll process according to one example of the present application.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view of a convex lens based lenticular lens array according to one example of the present application.
  • FIG. 7 is a cross-sectional view of a Fresnel lens-based lenticular lens array according to one example of the present application.
  • 8 to 13 are SEM images of alignment films according to examples and comparative examples of the present application.
  • FIG. 14 is a photograph of a mold according to an embodiment of the present application.
  • 15 is a photograph of a liquid crystal film made of an alignment film according to Examples and Comparative Examples of the present application.
  • the pattern master mold of pitch 8 micrometers, width 2 micrometers, and height 2.5 micrometers was produced, respectively.
  • a fluorinated silane (OPTOOL TM , Daikin Industires, LTD.) Solution diluted to 1% by weight on a quartz substrate was applied by spin coating, and dried at 120 ° C.
  • UV curing PUV Poly urethane acrylate
  • SRMO4 Minutatech Co., Ltd.
  • a liquid crystal alignment film was manufactured according to the method shown in FIG. 3.
  • a transfer layer 302 was formed using a PMMA film having a thickness of about 180 ⁇ m, and then the transfer layer was subjected to a hot embossing process.
  • a pattern including the projections 202 was formed through the above-described mold (pitch about 8 mu m, height about 2.5 mu m, width about 2 mu m).
  • a support layer 303 was formed on the pattern 202.
  • the support layer was prepared by forming a titanium dioxide (TiO 2 ) layer on the pattern 202 by spin coating using a known sol-gel reactive titanium alkoxide.
  • the TiO 2 sol-gel precursor solution was mixed with 50 mL of isopropyl alcohol, a solvent of titanium dioxide, 125 mL of tartan isoproppoxide, and 2 mL of hydrochloric acid as a catalyst, in a glove box filled with nitrogen. After stirring for about 10 minutes, a sol-gel coating solution was prepared.
  • titanium oxides titanium dioxide, TiO 2
  • a secondary hot embossing process was performed on the PMMA film on which the support layer 303 was formed through a lenticular lens-shaped mold (machining). Thereafter, the support layer (TiO 2 ) was etched with an aqueous hydrochloric acid (HCl) solution (hydrochloric acid concentration: 1 wt%) to prepare a liquid crystal aligning film.
  • HCl hydrochloric acid
  • FIG. 8 (a) is an SEM image of the sol-gel TiO 2 precursor selectively filled in the protrusion 202 to form a support layer 303, and (b) is a view after TiO 2 is selectively removed.
  • SEM images, and (c) and (d) are SEM images showing that fine patterns are well formed even in rapid bending of the lens shape.
  • the alignment film was prepared in the same manner as in Example 1, except that the hot embossing process was performed by using a fresnel lens-shaped mold (machining). Prepared.
  • 9 and 10 are SEM images of the alignment film prepared according to Example 2, and it is confirmed that the fine patterns are well formed even in the bent curve having a sharp inclination constituting a Fresnel lens of a complex shape through the image. Can be.
  • FIG. 9 illustrates that the lens axis and the fine linear pattern are aligned in parallel when the extending direction in which the linear Fresnel lens shape extends in one direction and the extending direction of the linear shape of the protrusion are 0 degrees.
  • 10 is an SEM image showing a structure in which a linear Fresnel lens shape extends in one direction and a linear extension direction of a protrusion is 90 degrees, that is, the lens axis and the fine linear pattern are vertically aligned. to be.
  • metal oxides which are selectively filled in the protrusions through the sol-gel reaction, are disconnected without being connected to each other, which is a secondary embossing process, that is, a lens-shaped thermoforming process.
  • a secondary embossing process that is, a lens-shaped thermoforming process.
  • polyvinylpyrrolidone polymer was used as the material of the support layer 303 instead of the TiO 2 sol-gel precursor.
  • the support layer 303 is filled with the polyvinylpyrrolidone polymer by spin coating of a solution.
  • the polyvinylpyrrolidone polymer solution was prepared by dissolving 10 to 20% by weight in isopropyl alcohol.
  • the second embossing was transferred to a lens shape using a Fresnel lens-shaped mold, and then immersed in water or isopropyl alcohol for about 1 minute to selectively remove the polypyrrolidone polymer as a support layer to complete the process.
  • FIG. 11 and 12 are SEM images of the alignment film prepared according to Example 3, and it can be seen from the image that fine patterns are well formed even in the curvature of the Fresnel lens having a complicated shape.
  • FIG. 11 illustrates a structure in which the linear micro concave portion (groove) extends in one direction and the lens axis of the Fresnel lens is 90 degrees, that is, the lens axis and the fine linear pattern are vertically aligned.
  • SEM image. 12 shows that the lens axis and the fine linear pattern are aligned in parallel when the extension direction in which the linear fine concave portion (groove) extends in one direction and the lens axis of the Fresnel lens are 0 degrees.
  • the polypyrrolidone polymer is used as the support layer 303, and after maintaining the fine pattern and removing the support layer, a continuous linear pattern structure can be obtained without breaking the protrusions. there was.
  • the polypyrrolidone polymer is formed into a Fresnel lens unevenness and curved surface in a planar pattern surface in the second embossing process, so that the empty surface of the fine pattern is equal to the thermal flow of the transfer layer film in the process of increasing the specific surface area. It is the result obtained by extending
  • an alignment film was prepared in the same manner as in Example 3 using the above mold in which the nanowire lattice structure was imprinted.
  • FIG. 13 is an SEM image of a Fresnel lens-shaped alignment film prepared using a nano linear grating having a width of about 0.075 ⁇ m, a pitch of about 0.150 ⁇ m, and a height of about 0.150 ⁇ m.
  • the alignment direction of the protrusions was made to form a 45 degree direction with the lens axis of the lenticular lens array, and it can be seen that the nano-scale protrusions are uniformly formed on the upper curved surface and the uneven upper portion of the Fresnel lens shape.
  • Copper-cobalt (Cu-Co) was deposited to a thickness of about 0.015 ⁇ m by vacuum deposition and sputtering on the surface on which the alignment film (110 mm ⁇ 110 mm) of the alignment film produced in Example 4 was formed, and subjected to electroplating ( Copper was plated to a thickness of about 800 ⁇ m by an electro deposition method. Finally, the alignment film was removed to prepare a pole mold in which the fine shape of the alignment film was duplicated.
  • Fig. 14 shows an image of a mold in the shape of a Fresnel lens array in which the protrusions for liquid crystal alignment are stamped.
  • a liquid crystal sheet was prepared in such a manner that a liquid crystal layer was formed by filling a liquid crystal polymer on the concave curved upper portion of the alignment film formed in Example 4, and sealing the liquid crystal layer with an upper substrate. At this time, the alignment film in the same direction as the alignment pattern formed on the lower lens-shaped liquid crystal layer was also introduced into the upper substrate.
  • the alignment layer was manufactured using a photoalignment process. Place the upper film having the photo-alignment film and the lens-shaped liquid crystal layer facing each other and align the same direction in which the orientation is imparted. Then, the liquid crystal composition (BASF LC242) is cured on the surface of the lenticular lens. After coating so as to have a thickness, the alignment film subjected to the alignment treatment was laminated thereon, and ultraviolet light was irradiated with ultraviolet (500 mJ / cm 2 ) to the substrate surface of the alignment film to form a liquid crystal film.
  • ultraviolet light 500 mJ / cm 2
  • FIG. 15 is a photograph in which each liquid crystal film manufactured through Example 6 and Comparative Example 1 is placed between two polarizing plates having optical axes intersected with each other, and confirms alignment characteristics.

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Abstract

본 출원은 액정 렌즈용 배향 필름, 이를 형성하기 위한 금형 및 이들의 제조방법에 관한 것으로서, 내부에 액정이 잘 배향되어 있는 액정 렌즈를 효과적으로 제조할 수 있는 배향 필름 또는 이를 형성하기 위한 금형을 제공할 수 있다. 특히 본 출원에 따르면, 렌즈의 형상을 구현하기 위하여 곡면과 같은 비평면상의 공간에 충전된 액정이 효과적으로 배향되어 액정 렌즈가 형성될 수 있다. 또한 복합 미세 패턴을 간단한 공정으로 제작 가능하고, 롤투롤 공정과 같은 연속 공정에도 적용이 가능하다.

Description

액정 렌즈용 배향 필름 및 이를 형성하기 위한 금형
본 출원은 액정 렌즈용 배향 필름, 이를 형성하기 위한 금형 및 이들의 제조방법에 관한 것이다.
액정 렌즈는 다양한 용도에 사용될 수 있는데, 예를 들면, 3D 디스플레이 장치에 사용될 수 있다. 액정 기술이 끊임없이 발전함에 따라, 액정 재료는 다양한 분야에 광범위하게 응용되고 있다.
예를 들면, 전통적인 광학 줌 렌즈 그룹은 적어도 두 개 이상의 렌즈가 서로 결합하여 이동해야 줌 효과에 도달할 수 있다. 실제적 응용과정에서, 이러한 광학 줌 렌즈 그룹은 비교적 두껍고 무거울 뿐만 아니라 부피가 커서 사용자가 사용하기 매우 불편하다.
LC Lens(Liquid Crystal Lens, 액정 렌즈)는 액정 분자의 복굴절 특성 및 전기장의 분포 변화에 따라 배열되는 특성을 이용하여 광빔(light beam)을 집속(focusing)하거나 또는 발산시키는 광학 어셈블리이다. LC Lens는 동작 전압(operating voltage)을 변화시켜 액정 분자의 배열 방향을 바꿈으로써 초점거리를 조절하는 효과를 실현한다. 이외에도, 특정 방향으로 고정 배향된 액정 렌즈와 별도의 전압 구동 방식의 액정 셀을 조합할 경우, 액정 셀의 구동 여부에 따라 하나의 디스플레이에서 2D와 3D를 스위칭할 수 있는 디스플레이의 구현이 용이하다. 한편, LC Lens가 가볍고 얇은 특성은 큰 장점으로서, 작은 공간 내에서 효과적인 광학 줌 효과에 도달할 수 있다.
본 출원은 액정 렌즈용 배향 필름, 이를 형성하기 위한 금형 및 이들의 제조방법을 제공한다. 구체적으로, 본 출원은 비평면, 곡면 또는 3차원 형상의 기재 표면에 미세 패턴을, 간단한 공정을 통해 손쉽게 형성시킬 수 있는 액정 렌즈용 배향 필름 및 이를 형성하기 위한 금형을 제공한다.
이하에서 첨부하는 도면을 참조하여 본 출원의 구현예들을 보다 구체적으로 설명하기로 한다. 또한, 본 출원을 설명함에 있어서, 관련된 공지의 범용적인 기능 또는 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다. 또한, 첨부되는 도면은 본 출원의 이해를 돕기 위한 개략적인 것으로 본 출원을 보다 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였다.
본 출원은 액정 렌즈용 배향 필름 및 이를 형성하기 위한 금형에 관한 것이다. 본 명세서에서 용어 「액정 렌즈용 배향 필름을 형성하기 위한 금형」은, 액정 렌즈용 배향 필름(200)으로서 주입된 액정이 렌즈 형태를 유지할 수 있도록 형성되어 있는 하나 이상의 비평면(201); 및 상기 비평면(201)상에 존재하고, 액정 배향능을 나타낼 수 있는 치수의 돌기부(202)를 포함하는 액정 렌즈용 배향 필름(200)을 형성할 수 있도록 되어있는 금형(100)을 의미한다. 상기에서, 돌기부(202)는 상기 렌즈 형태로 유지된 액정을 배향시킬 수 있도록 액정 배향능을 가지는 형태로 형성되어 있을 수 있다.
이러한 액정 배향 필름 형성용 금형은, 예를 들면, 하나 이상의 비평면(101, nonplanar surface or curved surface)상에 형성되어 있고, 액정 배향능을 나타낼 수 있는 치수를 가지는 돌기부(102, bump)를 포함하는 전사 패턴을 가질 수 있다. 상기에서 비평면(101)은 액정 렌즈의 형성을 위하여 곡면 형상일 있으며, 렌즈 형상으로 형성되어 있을 수 있다. 상기 비평면(101)의 형태의 구체적인 태양은 특별히 제한되지 않고, 형성하고자 하는 렌즈의 형태를 고려하여 선택할 수 있다. 예를 들면, 상기 비평면(101)은 렌티큘러 렌즈 형상일 수 있다. 렌티큘러(lenticular lens)는 반원통형의 렌즈 어레이를 하나 이상 배열하여 세운 것으로서, 미세하게 다른 각도와 이미지에서 보여지는 상을 확대하기 위한 렌즈 배열을 의미한다. 따라서, 본 출원에 따른 상기 비평면(101)은 렌즈 형상이 일 방향으로 연장되는 형태을 가질 수 있다. 도 1은 상기 금형(100)의 예시적인 형태로서, 하나 이상의 비평면(101)과 그 표면에 형성되어 있는 돌기부(102)를 포함하는 전사 패턴 형태를 나타낸다. 또한, 도 2는 상기 배향 필름(200)의 예시적인 형태로서, 상기 금형(100)의 비평면(101)이 전사된 형태를 가지는 하나 이상의 비평면(201)을 나타내고, 또한, 상기 금형(100)의 돌기부(102)를 포함하는 전사 패턴이 전사됨으로써 형성되는, 액정 배향능을 나타낼 수 있는 치수의 돌기부(202)를 포함하는 액정 배향 패턴 형태를 나타낸다. 따라서, 상기 배향 필름(200)의 돌기부(202)는 상기 금형(100)에서의 각 돌기부(102) 사이의 홈(103)과 대응된다.
구체적으로, 예시적인 액정 배향 필름 형성용 금형은, 전술한 바와 같이, 하나 이상의 비평면(101)상에 형성되어 있고, 액정 배향능을 나타낼 수 있는 치수를 가지는 돌기부(102)를 포함하는 전사 패턴을 가질 수 있다. 본 출원의 구체예에서, 상기 금형을 사용하여, 상기 비평면(101) 및 비평면(101)상의 돌기부(102)의 형태가 전사되어 대응되는 액정 렌즈용 배향 필름(200)을 제조할 수 있다. 상기 배향 필름은 전술한 바와 같이 주입된 액정이 렌즈 형태를 유지할 수 있도록 만들고, 주입된 액정을 배향시킬 수 있다. 상기와 같은 금형을 사용하여, 곡면 및 3차원 형상의 기재 표면에 미세 패턴을 간단한 공정을 통해 손쉽게 형성시킬 수 있다. 이와 같이, 비평면 상에 액정 배향능을 나타낼 수 있는 치수의 돌기부를 형성함에 있어서, 액정 분자들이 분자간 상호작용이 크다 하더라도 분자 자체의 크기를 고려할 때, 액정 분자의 배향 방향에 물리적 영향을 효과적으로 유도하기 위해서는, 돌기부의 크기가 작으면 작을수록 액정 분자의 배향에 미치는 구속력이 커지므로, 우수한 배향능을 얻는데 유리하다. 이에 따라, 돌기부의 크기는 수 십에서 수 백 나노미터의 크기로 제어되는 것이 바람직한데, 이러한 비평면 상에 초미세 선폭 및 주기를 갖는 패턴을 구현하는 것은 기존 고가의 반도체 공정 기반의 리소그래피 기술 또는 전자빔 리소그래피 기술을 통해서도 구현하기 힘들뿐만 아니라, 이러한 공정을 이용해 디스플레이에서 응용이 요구되는 대면적화는 기술적으로 매우 어렵다고 할 수 있다.
상기 금형(100)의 비평면(101) 또는 상기 배향 필름(200)의 비평면(201)에 의해 형성되는 렌즈의 형상은 일방향으로 연장되는 형태를 가지는 렌티큘러 렌즈 어레이 형태를 가질 수 있고, 상기 어레이에서 렌즈의 형상은 특별히 제한되지 않는다. 예를 들면, 볼록 렌즈 형상, 오목 렌즈 형상 또는 프레넬 렌즈 형상으로 구성된 렌티큘러 렌즈 어레이 등과 같은 공지의 형상을 가질 수 있다. 첨부된 도 6은 상기 배향 필름의 비평면(201)에 의해 형성될 수 있는 볼록 렌즈 기반의 렌티큘러 렌즈 어레이의 단면 형상을 나타내고, 도 7은 상기 배향 필름의 비평면에 의해 형성될 수 있는 프레넬 렌즈 기반의 렌티큘러 렌즈 어레이의 단면 형태를 예시적으로 나타낸다. 액정 렌즈를 일반 GRIN(Grade Refractive Index, 일반 볼록 렌즈) 렌즈 타입이 아닌 프레넬 렌즈 형태로 구현하면, 상대적으로 얇은 액정층으로 원하는 초점거리 구현이 가능할 뿐만 아니라, 낮은 구동전압으로 빠른 응답속도 및 낮은 색수치를 구현할 수 있다.
상기에서 금형의 돌기부(102)의 사이즈, 예를 들면 도 1에 도시된 바와 같은, 그 폭(W), 높이(H) 또는 피치(P)의 범위는 특별히 제한되지 않고, 상기 금형의 돌기부(102)가 액정 배향능을 나타낼 수 있는 패턴을 전사할 수 있는 범위라면 특별히 제한되지 않는다. 예를 들면, 상기 금형의 돌기부(102)의 폭은 0.05 ㎛ 내지 10 ㎛, 0.1㎛ 내지 8㎛, 0.15㎛ 내지 6㎛, 0.2㎛ 내지 4㎛, 0.25㎛ 내지 2㎛ 또는 0.3㎛ 내지 1㎛ 일 수 있고, 금형의 돌기부(102)의 피치는 0.05 ㎛ 내지 20 ㎛, 0.2㎛ 내지 16㎛, 0.3㎛ 내지 12㎛, 0.4㎛ 내지 8㎛, 0.5㎛ 내지 4㎛ 또는 0.4㎛ 내지 2㎛ 일 수 있다. 또한, 상기 금형의 돌기부(102)의 높이 또는 깊이는 0.01 ㎛ 내지 5 ㎛, 0.05㎛ 내지 4.8㎛, 0.1㎛ 내지 4.5㎛, 0.15㎛ 내지 4.3㎛, 0.2㎛ 내지 4㎛, 0.3㎛ 내지 4㎛ 또는 0.5㎛ 내지 4㎛일 수 있다. 상기 범위 내로 사이즈를 조절하여 형성된 돌기부가 전술한 배향 필름에 전사됨에 따라, 상기 배향 필름은 적절한 액정 배향능을 나타낼 수 있다.
하나의 예시에서, 상기 금형의 비평면(101)은, 도 4에 도시된 바와 같이, 일 방향으로 연장되는 렌즈 형상을 가질 수 있다. 또한, 상기 금형의 돌기부(102)는 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 렌즈 형상의 연장 방향과 0도 내지 90도의 범위 내에서 어느 한 각도를 이루는 선 형상으로 형성되어 있을 수 있다. 이에 따라 상기 배향 필름의 비평면(201) 또한, 일 방향으로 연장되는 렌즈 형상을 가질 수 있다. 또한, 상기 배향 필름의 돌기부(202)는 상기 렌즈 형상의 연장 방향과 0도 내지 90도의 범위 내에서 어느 한 각도를 이루는 선 형상으로 형성되어 있을 수 있다.
도 5에서 도시된 바와 같이, 상기 금형(100)은 롤(501) 형상일 수 있다. 즉, 도 5에서와 같이 상기 금형(100)은 비평면(101)이 외부에 존재하는 상태의 롤(501) 형상으로 형성되어 있을 수 있다. 이 경우, 하나 이상의 볼록부가 선 형상으로 롤(501)에 형성되어 있을 수 있다. 곡면 또는 3차원 형상 패터닝 기술은 매우 복잡한 공정으로 제작이 어려우나, 본 출원에 따른 금형(100)을 사용함으로써, 복합 미세 형상을 용이한 공정으로 제작 가능하고, 롤투롤 공정(500)과 같은 연속 공정에 적용할 수 있다. 이에 따라, 공정상의 난이도가 낮아져서 적용이 용이해질 수 있다.
본 출원의 구체예에 의한 액정 렌즈용 배향 필름(200)은, 일례로 도 2에 도시된 바와 같이, 하나 이상의 비평면상(201)에 액정 배향능을 나타낼 수 있는 치수의 돌기부(202)를 포함하는 액정 배향 패턴이 형성되어 있다. 하나의 예시에서, 상기 배향 필름(200)의 비평면(201)은 일 방향으로 연장되는 오목부의 형상을 가질 수 있다.
상기 배향 필름에서의 비평면(201) 및/또는 돌기부(202)의 형태, 사이즈 등은 특별히 제한되지 않고, 상기 배향 필름의 비평면(201)은 전술한 금형의 비평면(101)이 전사된 형태일 수 있으며, 마찬가지로 배향 필름의 돌기부(202)는 전술한 금형의 돌기부(102) 및 홈(103)에 의해 전사된 형태일 수 있다.
상기에서 배향 필름의 돌기부(202)의 폭(W), 높이(H) 또는 피치(P)의 범위는 특별히 제한되지 않고, 상기 배향 필름의 돌기부(202)가 액정 배향능을 나타낼 수 있는 범위라면 특별히 제한되지 않는다. 예를 들면, 배향 필름의 돌기부(202)의 폭은 0.5 ㎛ 내지 10 ㎛ 일 수 있고, 배향 필름의 돌기부(202)의 피치는 0.0.5 ㎛ 내지 20 ㎛ 일 수 있다. 또한, 배향 필름의 돌기부(202)의 높이 또는 깊이는 0.01 ㎛ 내지 5 ㎛일 수 있다. 상기 범위 내로 사이즈를 조절하여 형성된 돌기부가 적절한 액정 배향능을 나타낼 수 있다.
본 출원의 금형 및 배향 필름으로 전술한 바와 같이 액정 렌즈 형상의 액정 필름을 제조할 수 있고, 상기 액정 필름은 무안경의 입체 영상 장치를 구현하는데 사용될 수 있다.
본 출원은 또한 상기 배향 필름 또는 금형의 제조 방법에 대한 것이다. 하나의 예시에서, 상기 배향 필름은 전술한 금형의 전사 패턴을 피전사체 상으로에 전사시켜서 액정 배향 패턴을 형성함으로써 제조할 수 있다. 하나의 예시에서, 상기 배향 필름의 제조는 도 5와 같이 롤 형상을 하는 금형을 통해 롤-투-롤 공정으로 제조할 수 있다.
또 다른 구체예에서, 도 3은 상기 액정 배향 필름의 예시적인 제조 방법을 나타낸다. 도 3과 같이 상기 제조 방법은, 평면상의 피전사층(302)에 액정 배향능을 나타낼 수 있는 치수를 가지는 돌기부(202)를 포함하는 패턴을 형성하고, 상기 패턴이 형성되어 있는 피전사층(302)의 표면을 비평면(201)으로 형성하는 것을 포함한다. 상기에서, 배향 필름의 비평면(201)은 렌즈 형상을 형성하는 비평면(201)일 수 있다. 또한, 상기 피전사층(302)의 표면을 비평면(201)으로 형성하는 것은 상기 비평면(201)의 표면에 상기 돌기부(202)의 형태가 유지되도록 수행할 수 있다. 상기와 같은 제조 방법에 따라 배향 필름을 형성하는 경우, 높은 곡률 반경을 갖는 곡면 및 복잡한 3차원 형상에 신뢰성이 높은 미세 패턴을 형성할 수 있다. 상기에서, 돌기부(202)를 형성하는 것 및/또는 비평면(201)을 형성하는 것은 당업계의 공지의 방법으로 수행될 수 있으며, 예를 들면, 핫엠보싱(hot embossing) 또는 나노임프린트(nanoimprint)공정을 통해 수행될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
본 명세서에서 용어 「핫엠보싱」은, 피전사층 상에 원하는 형상이 각인된 몰드를 이용하여 일정량의 압력과 온도를 가하여 형상을 복제해 내는 공정을 의미한다. 하나의 예시에서, 상기 피전사층은 열가소성 플라스틱일 수 있으며, 상기 열가소성 플라스틱은 온도가 높아짐에 따라 점성을 갖는 유체의 흐름 거동을 보이는데, 이때 음각 또는 양각의 특정 형상이 각인된 몰드를 이용하여 압착하면, 형상의 빈 공간을 플라스틴 유체가 채우게 되며, 이후 몰드를 제거하여 형상을 복제할 수 있다.
상기 평면상의 피전사층(302)을 구성하는 소재는 예를 들어 핫 엠보싱(hot embossing) 공정에 의해 형태를 형성할 수 있는 소재라면 특별히 제한되지 않는다. 상기 피전사층(302)은 핫엠보싱 단계를 통해 액정 배향능을 나타낼 수 있는 치수를 가지는 돌기부(202)의 형성에 있어서, 신뢰성이 높은 초미세 요철 구조 형상의 각인이 용이하며, 핫엠보싱 공정에서 열분해가 되지 않고, 기타 열성형 공정에서 원치 않은 부반응이 개입되지 않는 우수한 열성형성을 갖는 고분자 소재라면 특별히 한정되지 않는다. 이와 더불어, 후술하는 지지층(303)을 형성함에 있어서, 지지층 소재의 용액 코팅 공정에서 용해도가 없는 소재가 바람직하다. 하나의 예시에서, 상기 평면상의 피전사층(302)은 열가소성 폴리머를 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 피전사층(302)은 폴리메틸 메타크릴레이트(PMMA), 에틸렌비닐아세테이트(EVA), 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리아미드(PA), 사이클로올레핀 폴리머(COP), 사이클로올레핀 코폴리머(COC), 폴리염화비닐(PVC), 폴리에틸렌 나프탈레이트(PEN), 폴리카보네이트(PC), 폴리에테르설폰(PES), 폴리부틸렌 테레프탈레이트(PBT), 아크릴로니트릴-부타디엔-스타이렌(ABS), 폴리아세탈(POM), 폴리에테르이미드(PEI) 폴리페닐설폰(PPSU), 폴리아마이드이미드(PAI) 및 폴리프로필렌(PP)으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상을 포함할 수 있다.
하나의 예시에서, 본 출원의 배향 필름(200) 제조방법은, 상기 피전사층(302)의 표면을 비평면(201)으로 형성하기 전에, 패턴상에 지지층(303)을 형성하는 것을 포함할 수 있다. 즉, 배향 필름의 돌기부(202)를 우선 형성하고, 다시 비평면(201)을 엠보싱에 의해 형성함에 있어서, 경우에 따라서는 상기 비평면(201)을 형성하는 과정에서 가해지는 열 등에 의해 이미 형성되어 있는 돌기부(202)의 형태가 유지되지 못할 수 있다. 이러한 점을 방지하기 위하여 상기 엠보싱, 즉 비평면(201)을 형성하기 전에 이미 형성되어 있는 패턴 상에 지지층(303)을 형성할 수 있다.
상기에서 지지층(303)은 엠보싱 과정에서 돌기부(202)를 포함하는 패턴의 형태를 유지할 수 있도록 형성되는 한, 구체적인 형성 방식이나 소재는 특별히 제한되지 않는다. 예를 들어, 상기 지지층(303)은, 고분자 용액, 나노 입자 분산액, 또는 금속 산화물 유도체를 이용한 용액 코팅 공정 방식으로 형성하거나, 스퍼터링이나 증착 방식(CVD, PVD) 등과 같은 건식 증착 방식으로 형성할 수 있다. 또한, 상기 지지층의 소재는, 엠보싱 과정에서는 돌기부(202)를 포함하는 패턴의 형태를 유지할 수 있고, 추후 필요한 때에 선택적으로 제거될 수 있는 것이라면 어떠한 소재도 사용 가능하다. 하나의 예시에서, 상기 지지층은 폴리비닐알코올(Poly vinyl alcohol, PVA), 폴리비닐 피롤리돈(Poly vinyl pyrollidone, PVP), 폴리에틸렌 옥사이드(Polyethylene oxide, PEO), 폴리아크릴아마이드(Poly acrylamide, PAAM), 폴리아크릴산(Polye acrylic acid), 폴리스타이렌설포닉산(Poly styrenesulfonic acid, PSSA), 폴리실리식산(Polysilicic acid, PSiA), 폴리포스포릭산(Poly phosphoric acid, PPA), 폴리에틸렌 설포닉산(Polyethylene sulfonic acid, PESA), 폴리에틸렌이민(Polyethyleneimine, PEI), 폴리아마이드아민(Polyamideamine, PAMAM), 및 폴리아민(Polyamine)으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상을 포함할 수 있다. 상기와 같은 수용성 고분자 용액 또는 고분자 나노 입자 용액의 코팅으로 형성할 수 있으며, 경우에 따라서는 용액 공정이 가능한 가수분해 또는 축합 반응 기반의 졸-겔형 금속산화물 전구체와 금속 산화물 나노입자 용액 또는 이들의 혼합물을 통해 코팅을 할 수 있다. 예를 들어, 상기 지지층은 티타늄 알콕사이드, 지르코디움 알콕사이드, 텅스텐 알콕사이드, 주석 알콕사이드, 아연 알콕사이드, 알루미늄 알콕사이드, 세슘 알콕사이드, 이리듐 알콕사이드 및 실리콘 알콕사이드로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상을 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 지지층(303)은 습식 코팅 또는 건식 증착 방식으로 형성할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
구체적으로, 상기 지지층(303)을 형성하는 단계는 스핀 코팅(spin coating), 롤 코팅(roll coating), 딥 코팅(deep coating), 분무 코팅(spray coating), 딥 코팅(dip coating), 플로우 코팅(flow coating), 바 코팅(bar coating), 닥터 블레이드(doctor blade), 디스펜싱(dispensing) 또는 박막 라미네이팅(thin film laminating)으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 방법으로 수행할 수 있다.
하나의 예시에서, 상기 건식 증착 방법은 화학 기상 증착법(Chemical Vapor Deposition), 플라즈마 스퍼터링(Plasma Sputtering), 증발 증착법(Evaporation), 및 원자층 증착법(Atomic Layer Deposition)으로 이루어진 군에서 선택한 방법으로 수행할 수 있다.
본 출원의 일 구현예에 따른 상기 제조 방법은, 상기 비평면(201)으로 형성한 후에, 지지층(303)을 제거하는 것을 추가로 수행할 수 있다. 상기 지지층(303)을 제거하는 단계는 지지층에 대해서는 에칭성이 있고 피전사층(302)에 대해서는 에칭성이 없는 물질을 사용하여 수행할 수 있다. 예를 들면, 전술한 PVA나 PVP와 같은 수용성 고분자의 경우, 물이나 알코올 용액, 예를 들면, 이소프로필 알코올(Isopropyl alcohol, IPA)을 이용하여 선택적인 제거가 용이하다. 한편, 전술한 졸-겔형 금속 산화물의 경우 희석된 산성 수용액으로 제거할 수 있고, 구체적으로, 1%의 HCl 수용액으로 선택적으로 제거할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 지지층(303)은 상기 설명한 바와 같이, 핫엠보싱 시 돌기부(202)를 포함하는 패턴을 유지시켜주는 역할을 할 수 있으며, 상기 비평면(201)을 형성한 후에는, 제거되어 돌기부(202)가 비평면(201)상에 형성되도록 할 수 있다.
본 출원은 또한, 액정 렌즈용 배향 필름(200)을 형성하기 위한 금형(100)의 제조 방법에 관한 것이다. 하나의 예시에서, 금형(100)은 전술한 방법으로 제조된 배향 필름을 본 떠서 형성될 수 있다. 상기 금형의 제조 방법은 평면상의 피전사층에 액정 배향능을 나타낼 수 있는 치수를 가지는 돌기부를 포함하는 패턴을 형성하고, 상기 패턴이 형성되어 있는 피전사층의 표면을 비평면으로 형성한 후에 상기 비평면의 형태를 피전사체에 전사시키는 것을 포함할 수 있다. 상기 금형(100)은 렌즈 형상을 형성할 수 있는 하나 이상의 비평면(101) 및 상기 비평면(101)의 표면에 형성되어 있으며 액정 배향능을 가지는 홈(103)을 형성할 수 있는 하나 이상의 돌기부(102)를 포함하는 금형(100)일 수 있다.
또한, 본 출원은 전술한 배향 필름을 통해 액정 필름을 제조하는 방법에 관한 것이다. 예시적인, 액정 필름의 제조 방법은 전술한 배향 필름의 비평면상에 액정 물질을 주입하여 액정층을 형성하는 것을 포함할 수 있다. 또한, 상기 제조 방법은 액정층 상에 액정 물질을 밀봉하도록 배향막을 형성하는 것을 포함할 수 있다. 한편, 상기 배향막은, 당업계의 공지의 소재를 사용하여 제조할 수 있으며, 예를 들면, 미세 선형 요철 패턴 배향 공정, 광배향 공정 또는 러빙(rubbing) 배향 공정으로 형성될 수 있다. 또한, 상기 배향막은 액정 배향능을 나타낼 수 있는 것이라면 특별히 제한되지 않고 공지의 배향막을 적용할 수 있다. 하나의 예시에서, 상기 배향막은 액정 배향능을 나타내는 배향 방향이 하부의 액정층의 돌기부의 정렬 방향과 대응되도록 형성될 수 있다. 상기에서, 액정층의 돌기부란, 전술한 배향 필름에 액정 물질을 주입함으로써, 배향필름의 돌기부 또는 홈부에 의해, 액정 물질로 형성된 돌기부를 의미할 수 있다. 또한, 주입된 액정 물질은 경화 공정을 거쳐 최종적으로 액정층을 형성할 수 있으며, 상기 경화 공정은 공지의 방법으로 진행할 수 있고, 예를 들면, 자외선 조사 또는 열경화 공정을 실시할 수 있다. 하나의 예시에서, 상기 배향막은, 액정층의 돌기부가 형성된 면의 반대 면에 적층되어 액정을 배향할 수 있다. 즉, 두꺼운 액정층에서, 돌기부가 형성된 면과 가까운 영역은 액정 배향이 잘 형성되지만, 그 반대면은 배향이 잘 형성되지 않으므로, 반대면에 형성된 액정 분자를 배향하는 역할을 할 수 있다. 이를 통해 액정이 충진된 렌즈의 영역 전체에도 균일한 액정 배향을 유도할 수 있다.
본 출원에서는 내부에 액정이 잘 배향되어 있는 액정 렌즈를 효과적으로 제조할 수 있는 배향 필름 또는 이를 형성하기 위한 금형을 제공할 수 있다. 특히 본 출원에 따르면, 렌즈의 형상을 구현하기 위하여 곡면과 같은 비평면상의 공간에 충전된 액정이 효과적으로 배향되어 액정 렌즈가 형성될 수 있다.
도 1는 본 출원의 하나의 예시에 따른 금형의 단면도이다.
도 2은 본 출원의 하나의 예시에 따른 배향 필름의 단면도이다.
도 3은 본 출원의 하나의 예시에 따른 배향 필름의 제조 공정을 나타내는 단면도이다.
도 4는 본 출원의 하나의 예시에 따른 금형의 사시도이다.
도 5는 본 출원의 하나의 예시에 따른 롤투롤 공정을 나타내는 사시도이다.
도 6은 본 출원의 하나의 예시에 따른 볼록 렌즈 기반의 렌티큘러 렌즈 어레이의 단면도이다.
도 7은 본 출원의 하나의 예시에 따른 프레넬 렌즈 기반의 렌티큘러 렌즈 어레이의 단면도이다.
도 8 내지 도 13은 본 출원의 실시예 및 비교예에 따른 배향 필름의 SEM 이미지이다.
도 14는 본 출원의 실시예에 따른 금형의 사진이다.
도 15는 본 출원의 실시예 및 비교예에 따른 배향 필름으로 제조된 액정 필름의 사진이다.
[부호의 설명]
100: 금형
101: 비평면(렌즈 형상)
102: 금형의 돌기부
103: 홈
200: 배향 필름
201: 비평면(렌즈 형상)
202: 배향 필름의 돌기부
301: 보호 필름
302: 평면상의 피전사층
303: 지지층
304: 액정 물질
500: 롤투롤 공정
501: 롤
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
포토 리소그래피 공정과 건식 식각 공정을 이용하여, 피치 8㎛, 폭 2㎛ 및 높이 3.5㎛의 선형 격자 석영 기재를 형성하고, 2mTorr, C4F8 = 30 sccm, ICP : RF = 1000 : 50W의 조건으로 건식 식각 공정을 통해, 피치 8㎛, 폭 2㎛ 및 높이 2.5㎛의 패턴 마스터 몰드를 각각 제작하였다. 이 후, 석영 기재에 1 중량%로 희석된 불소화 실란(Fluorinated silane)(OPTOOLTM, Daikin Industires, LTD.) 용액을 스핀코팅을 통해 도포하고, 120℃에서 30분간 건조시켜 이형 처리를 진행하고, 자외선 경화용 PUV(Poly urethane acrylate) (SRMO4, ㈜미뉴타텍)를 패턴 면에 스핀코팅 방법으로(500rpm, 30초) 도포한 후, 180㎛ 두께의 PET 기재를 합지하여 자외선 조사(100W/cm-2, 120초)를 통해 경화 및 이형을 실시하여 패턴을 복제함으로써 몰드를 제조하였다.
상기 몰드를 사용하여, 액정 배향능을 나타낼 수 있는 치수를 가지는 돌기부(202)를 포함하는 패턴을 형성하는데 사용하였다. 즉, 도 3에 나타난 방식에 준하여 액정 배향 필름을 제조하였는데, 우선, 두께가 약 180㎛ 정도인 PMMA 필름을 사용하여 피전사층(302)을 형성하고, 이어서, 핫엠보싱 공정으로 상기 피전사층(302)상에, 전술한 몰드(피치가 약 8 ㎛ 정도이고, 높이가 약 2.5㎛ 정도이며, 폭이 약 2 ㎛ 정도)를 통해, 돌기부(202)를 포함하는 패턴을 형성하였다. 이어서 상기 패턴(202)상에 지지층(303)을 형성하였다. 지지층은, 공지의 졸-겔 반응성 티탄 알콕시드를 사용한 스핀 코팅 방식으로 이산화티탄(TiO2)층을 패턴(202)상에 형성하여 제조하였다.
상기 TiO2 졸-겔 전구체 용액은 질소가 충전된 글로브 박스에서 용매인 이소프로필 알코올(isopropyl alcohol) 50mL에 이산화 티탄의 전구체인 타탄 이소프로프옥사이드(Ti-isoproppoxide) 125mL와 촉매인 염산 2mL를 혼합하고, 약 10분간 교반하여 졸-겔 코팅 용액을 제조하였다.
이이서, 공기 중의 수분과 반응을 통해 가수 분해 및 축합 반응으로 티타늄 산화물(이산화 티탄, TiO2)이 형성될 수 있도록, 상온 및 65%의 상대 습도의 조건 하에서 방치하여 겔화시켰다.
이후, 상기 지지층(303)이 형성된 PMMA 필름에 렌티큘러 렌즈 형상의 몰드(기계 가공)를 통해 2차 핫엠보싱 공정을 진행하였다. 그 후, 염산(HCl) 수용액(염산 농도: 1 중량%)으로 지지층(TiO2)을 에칭시켜서 액정 배향 필름을 제조하였다. 도 8에 따르면, (a)는 상기 졸-겔 TiO2 전구체가 돌기부(202)에 선택적으로 충진되어 지지층(303)이 형성된 상태의 SEM 이미지고, (b)는 TiO2가 선택적으로 제거된 후의 SEM 이미지며, (c) 및 (d)는 렌즈 형상의 급격한 굴곡에도 미세 패턴이 잘 형성되어 있는 것을 보여주는 SEM 이미지이다.
실시예 2
실시예 1의 2차 핫엠보싱 공정에서 볼록 렌즈 기반의 렌티큘러 렌즈 형상 대신, 프레넬 렌즈 형상의 몰드(기계 가공)로 핫엠보싱 공정을 진행한 것을 제외하고, 실시예 1과 동일한 방법으로 배향 필름을 제조하였다.
도 9 및 도 10은 상기 실시예 2에 따라 제조한 배향 필름의의 SEM 이미지이고, 상기 이미지를 통해 복잡한 형상의 프레넬 렌즈를 구성하는 급격한 경사를 갖는 굴곡에도 미세 패턴이 잘 형성되어 있는 것을 확인할 수 있다.
구체적으로, 도 9는 선 형상의 프레넬 렌즈 형상이 일 방향으로 연장되는 연장 방향과 돌기부의 선 형상의 연장 방향이 0도인 경우, 렌즈 축과 미세 선형 패턴이 평행하게 정렬된 것을 나타낸다. 또한, 도 10은 선 형상의 프레넬 렌즈 형상이 일 방향으로 연장되는 연장 방향과 돌기부의 선 형상의 연장 방향이 90도인 경우, 즉 렌즈 축과 미세 선형 패턴이 수직하게 정렬된 구조를 나타낸 SEM 이미지이다.
이는, 본 출원의 금형 및/또는 배향 필름에 따라 형성되는 렌즈의 렌즈의 배열 및 액정의 배향 방향이 자유롭게 제어될 수 있음을 나타낸다.
한편, 도 8 내지 10을 살펴보면, 졸-겔 반응을 통해 돌기부에 선택적으로 충진된 금속 산화물(TiO2)이 서로 연결되지 않고 끊어져 있는데, 이는 2차 엠보싱 공정, 즉, 렌즈 형상의 열성형 과정에서 피전사층의 표면 성형 및 표면적의 증가에 따라, 몰드의 경계 영역에서 피전사층 고분자의 전단 흐름(Shear flow)이 피전사층 전면에서 일어나는데 반해, 금속산화물은 피전사층의 열성형 온도에 아무런 형상의 변화를 보이지 않는다는 것을 의미한다.
실시예 3
실시예 2의 배향 필름 제조 방법에 있어서, 지지층(303)의 소재를 TiO2 졸-겔 전구체 대신 폴리비닐피롤리돈 고분자를 사용하였다.
실시예 2와 동일하게 1차 엠보싱 공정을 진행한 후, 폴리비닐피롤리돈 고분자를 용액의 스핀 코팅으로 지지층(303)을 충진시킨다. 이때 폴리비닐피롤리돈 고분자 용액은 이소프로필알코올에 10 내지 20 중량%로 용해시켜 준비하였다. 2차 엠보싱을 프레넬 렌즈 형상의 몰드를 이용해 렌즈 형상을 전사하고, 물 또는 이소프로필 알코올에 1분 정도 담지하여 지지층인 폴리피롤리돈 고분자를 선택적으로 제거하여 공정을 완성하였다.
도 11 및 12는 상기 실시예 3에 따라 제조한 배향 필름의 SEM 이미지이고, 상기 이미지를 통해 복잡한 형상의 프레넬 렌즈의 굴곡에도 미세 패턴이 잘 형성되어 있는 것을 확인할 수 있다. 구체적으로, 도 11은 선 형상의 미세 오목부(홈부)가 일 방향으로 연장되는 연장 방향과 프레넬 렌즈의 렌즈 축이 90도인 경우, 즉 렌즈 축과 미세 선형 패턴이 수직하게 정렬된 구조를 나타낸 SEM 이미지이다. 또한, 도 12은 선 형상의 미세 오목부(홈부)가 일 방향으로 연장되는 연장 방향과 프레넬 렌즈의 렌즈 축이 0도인 경우, 렌즈 축과 미세 선형 패턴이 평행하게 정렬된 것을 나타낸다.
또한, 실시예 2에서의 TiO2 산화물이 서로 연결되어 있지 않고 끊어져 있는데, 폴리피롤리돈 고분자를 지지층(303)으로 사용하여 미세 패턴 유지 및 지지층 제거 후, 돌기부가 끊어짐 없이 연속적인 선형 패턴 구조를 얻을 수 있었다. 이는 폴리피롤리돈 고분자가, 2차 엠보싱 공정에서 평면상의 패턴 표면에서 프레넬 렌즈 요철 및 곡면으로 성형됨에 따라 비표면적이 넓어지는 과정에서, 미세 패턴의 빈 공간을, 피전사층 필름의 열적 유동과 동일한 비율로 균일하게 연신되어 얻어진 결과이다.
실시예 4
실시예 1과 동일한 방법으로 몰드를 제조하되, 초미세 돌기부를 형성하기 위해, 나노 선격자 구조, 폭이 약 75nm 정도, 피치가 약 150nm 정도 및 높이가 150nm 정도의 패턴을 마스터 몰드로 사용하여 형상을 복제하여 제조하였다.
초미세 오목부를 형성하기 위해, 나노선 격자 구조가 각인된 상기 몰드를 사용하여, 실시예 3과 동일한 방법으로 배향 필름을 제조하였다.
도 13는 폭이 약 0.075㎛ 정도, 피치가 약 0.150㎛ 정도 및 높이가 0.150㎛ 정도인 나노 선형 격자를 이용하여 제조된, 프레넬 렌즈 형상의 배향 필름의 SEM 이미지이다. 돌기부의 정렬 방향은 렌티큘러 렌즈 어레이의 렌즈축과 45도 방향을 이루도록 제작되었으며, 나노 크기의 돌기부가 프레넬 렌즈 형상의 상부 곡면 및 요철 상부에 균일하게 형성되어 있는 것을 확인할 수 있다.
실시예 5
실시예 4에서 제작한 배향 필름(110mm × 110mm)의 액정 배향용 돌기부가 형성된 면에, 진공 증착 및 스퍼터링 방법으로, 구리-코발트(Cu-Co)를 약 0.015㎛ 두께로 증착하고, 전해도금(electro deposition)방법을 통해 구리를 약 800㎛의 두께로 도금하였다. 최종적으로, 상기 배향 필름을 제거하여, 배향 필름의 미세 형상이 복제된 전주 금형을 제작하였다. 도 14은 액정 배향용 돌기부가 각인된 프레넬 렌즈 어레이 형상의 금형의 이미지를 나타낸다.
실시예 6
<액정 배향 테스트>
실시예 4에서 제작한 배향 필름 상부의 오목한 곡면 상부에 액정 고분자를 채워서 액정층을 형성하고, 상부 기재로 상기 액정층을 밀봉하는 형태로 액정 시트를 제작하였다. 이때 상부 기재에도 하부의 렌즈 형상의 액정층에 형성된 배향 패턴과 동일한 방향으로의 배향막을 도입하였다.
구체적으로 살펴보면, 상기 배향막은 광배향 공정을 이용하여 제조하였다. 제작한 광배향막을 갖는 상부 필름과 상기 렌즈 형상의 액정층을 서로 마주보게 놓고 배향성을 부여한 방향이 동일하게 되도록 맞춘 다음, 렌티큘러 렌즈의 면에 액정 조성물(BASF사 LC242)을 경화 후의 두께가 렌즈의 두께가 되도록 도포한 후에, 그 상부에 상기 배향 처리된 배향막을 라미네이트하고, 자외선을 상기 배향막의 기재면으로 자외선 조사(500mJ/cm2)하여 액정 필름을 형성하였다.
비교예 1
프레넬 렌즈에 액정 배향용 돌기부가 없는 렌즈 필름을 제작하여 실시예 6과 동일한 공정으로 액정 배향 테스트용 샘플을 제작하였다. 도 15는 실시예 6과 비교예 1을 통해 제조한 각각의 액정 필름을 광축이 서로 교차된 두개의 편광판 사이에 두고, 배향 특성을 확인한 사진이다. 즉, 액정 배향용 돌기부의 유무에 따른 액정 배향 정도를 보여주고 있는 것으로 프레넬 렌즈에 나노 크기의 돌기부가 있는 필름의 경우, 우수한 액정 배향 특성을 보인다.

Claims (26)

  1. 하나 이상의 비평면상에 형성되어 있고, 액정 배향능을 나타낼 수 있는 치수를 가지는 돌기부를 포함하는 전사 패턴을 가지는 액정 배향 필름 형성용 금형.
  2. 제 1 항에 있어서, 비평면은, 렌즈 형상으로 형성되어 있는 금형.
  3. 제 2 항에 있어서, 비평면은, 렌즈 형상이 일 방향으로 연장되는 형태를 가지는 금형.
  4. 제 2 항에 있어서, 렌즈 형상은 볼록 렌즈 형상, 오목 렌즈 형상 또는 프레넬 렌즈 형상을 나타내는 금형.
  5. 제 1 항에 있어서, 돌기부의 폭은 0.05 ㎛ 내지 10 ㎛의 범위 내에 있는 금형.
  6. 제 1 항에 있어서, 돌기부의 피치는 0.05 ㎛ 내지 20 ㎛의 범위 내에 있는 금형.
  7. 제 1 항에 있어서, 돌기부의 높이는 0.01 ㎛내지 5 ㎛의 범위 내에 있는 금형.
  8. 제 1 항에 있어서, 비평면은 일 방향으로 연장되는 렌즈 형상을 가지고, 돌기부는 상기 렌즈 형상의 연장 방향과 0도 내지 90도의 범위 내에서 어느 한 각도를 이루는 선 형상으로 형성되어 있는 금형.
  9. 제 1 항에 있어서, 비평면이 외부에 존재하는 상태의 롤 형상으로 형성되어 있는 금형.
  10. 하나 이상의 비평면상에 액정 배향능을 나타낼 수 있는 치수의 돌기부를 포함하는 액정 배향 패턴이 형성되어 있는 액정 배향 필름.
  11. 제 10 항에 있어서, 비평면은, 렌즈 형상으로 형성되어 있는 액정 배향 필름.
  12. 제 11 항에 있어서, 비평면은, 렌즈 형상이 일 방향으로 연장되는 형태를 가지는 액정 배향 필름.
  13. 제 11 항에 있어서, 렌즈 형상은 볼록 렌즈 형상, 오목 렌즈 형상 또는 프레넬 렌즈 형상을 나타내는 액정 배향 필름.
  14. 제 10 항에 있어서, 돌기부의 폭은 0.05 ㎛ 내지 10 ㎛의 범위 내에 있는 액정 배향 필름.
  15. 제 10 항에 있어서, 돌기부의 피치는 0.05 ㎛ 내지 20 ㎛의 범위 내에 있는 액정 배향 필름.
  16. 제 10 항에 있어서, 돌기부의 높이는 0.01 ㎛ 내지 5 ㎛의 범위 내에 있는 액정 배향 필름.
  17. 제 10 항에 있어서, 비평면은 일 방향으로 연장되는 렌즈 형상을 가지고, 돌기부는 상기 렌즈 형상의 연장 방향과 0도 내지 90도의 범위 내에서 어느 한 각도를 이루는 선 형상으로 형성되어 있는 액정 배향 필름.
  18. 평면상의 피전사층에 액정 배향능을 나타낼 수 있는 치수를 가지는 돌기부를 포함하는 패턴을 형성하고, 상기 패턴이 형성되어 있는 피전사층의 표면을 비평면으로 형성하는 것을 포함하는 액정 배향 필름의 제조 방법.
  19. 제 18 항에 있어서, 비평면으로 형성하기 전에 패턴상에 지지층을 형성하는 것을 추가로 포함하는 제조 방법.
  20. 제 19 항에 있어서, 비평면으로 형성한 후에 지지층을 제거하는 것을 추가로 포함하는 제조 방법.
  21. 제 1 항의 금형의 전사 패턴을 피전사체 상으로 전사시키는 것을 포함하는 액정 배향 필름의 제조 방법.
  22. 평면상의 피전사층에 액정 배향능을 나타낼 수 있는 치수를 가지는 돌기부를 포함하는 패턴을 형성하고, 상기 패턴이 형성되어 있는 피전사층의 표면을 비평면으로 형성한 후에 상기 비평면의 형태를 피전사체에 전사시키는 것을 포함하는 금형의 제조 방법.
  23. 제 10 항에 따른 배향 필름의 비평면상에 액정 물질을 주입하여 액정층을 형성하는 것을 포함하는 액정 필름의 제조 방법.
  24. 제 23 항에 있어서, 액정층 상에 배향막을 형성하는 것을 포함하는 액정 필름의 제조 방법.
  25. 제 24 항에 있어서, 배향막은 미세 선형 패턴 배향 공정, 광배향 공정 또는 러빙 배향 공정으로 형성하는 액정 필름의 제조 방법.
  26. 제 24 항에 있어서, 배향막은 액정 배향능을 나타낼 수 있고, 상기 배향막의 배향 방향이 하부의 액정층의 돌기부의 정렬 방향과 대응되도록 형성되어 있는 액정 필름의 제조 방법.
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