WO2023229397A1 - 액정 엘라스토머 전구체 용액 물질 및 상기 용액 물질을 이용한 액정 엘라스토머 광중합 제작 장치 - Google Patents

액정 엘라스토머 전구체 용액 물질 및 상기 용액 물질을 이용한 액정 엘라스토머 광중합 제작 장치 Download PDF

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    • C09K2019/121—Compounds containing phenylene-1,4-diyl (-Ph-)
    • C09K2019/122—Ph-Ph

Definitions

  • Hydrogels and shape memory polymers have been widely used as smart materials that change their shape and properties in response to various external stimuli.
  • Hydrogels have the advantage of being capable of reversible shape deformation, but their practical application is limited due to their low mechanical strength, and furthermore, they must be used together with a solvent such as water.
  • SMP does not require the use of a solvent, but has the disadvantage that shape deformation is irreversible.
  • liquid crystal elastomer (LCE) a smart material that has recently been attracting attention, has advantages over hydrogels and SMPs. In particular, it does not require the use of solvents such as water and is known to be capable of reversible deformation. .
  • a Helmholtz coil is mainly used as a method of generating a magnetic field in space. It can be effectively used to generate a magnetic field with an intensity of approximately 10 mT to 50 mT, but in order to generate a high intensity magnetic field, the volume of the coil is very large and generates high heat. There is a problem that requires adding a cooling device to solve the problem.
  • liquid crystals are aligned by heating them to a high temperature during alignment, transforming them into a nematic state, and then cooling them at a very slow rate for approximately one hour or more. Therefore, there was a problem that it took a lot of production time. Furthermore, when manufacturing a liquid crystal ellistomer in multiple layers, there is a problem that it takes too much manufacturing time.
  • the photocurable reactive mesogen is RM257 (1,4-Bis-[4-(3-acryloyloxypropyloxy)benzoyloxy]-2-methylbenzene) or RM82 (1,4-Bis-[4-(6-acryloyloxyhexyloxy)benzoyloxy) ]).
  • it can be prepared by dissolving the photocurable reactive mesogen powder in the 5CB solution at a temperature above room temperature, cooling it to room temperature, and then mixing the EDDET.
  • PI Photo-Initiator
  • PA Photo-Absorber
  • the above object is, according to the present invention, a magnet disposed around the above-described liquid crystal elastomer precursor solution material to form a magnetic field in the liquid crystal elastomer precursor solution material to align the liquid crystal molecules; a driving unit that drives the magnet to control the direction of the magnetic field; and a light source that irradiates light to the liquid crystal elastomer precursor solution material to cure the liquid crystal elastomer precursor solution material through a photopolymerization reaction.
  • the driving unit includes a rotary table; a rotary drive unit that rotates the rotary table; and a rotation driving unit that rotates the plurality of magnets disposed on the rotary table in a circumferential direction about an axis orthogonal to the rotation axis of the rotary table.
  • the magnets may be arranged at equal intervals in the circumferential direction.
  • the liquid crystal alignment direction is not dependent on the printing direction, and there is an advantage that the liquid crystal elastomer can be manufactured by independently controlling curing by photopolymerization reaction and alignment direction control by magnetic field.
  • FIG. 1 shows the composition of a liquid crystal elastomer precursor solution material according to one embodiment of the present invention.
  • Figure 4 shows an example of forming a petal-shaped pattern by independently performing liquid crystal alignment and pattern formation using the device of Figure 2.
  • Figure 7 shows the results of testing the performance of the liquid crystal elastomer according to the time exposed to a magnetic field when manufacturing the liquid crystal elastomer according to the present invention.
  • Figure 8 shows the alignment direction with respect to the longitudinal direction of the pattern when manufacturing the liquid crystal elastomer according to the present invention
  • Figures 9 and 10 the alignment direction as shown in Figure 8 or the longitudinal direction of the liquid crystal elastomer or the direction perpendicular to the longitudinal direction.
  • Figure 13 shows a liquid crystal elastomer film with a double layer structure of passive and active regions according to the present invention.
  • Figure 14 shows various morphing structures and thermal deformations fabricated from a double layer according to the present invention.
  • Figure 15 shows the morphing structure and thermal deformation of flower-shaped flowers with different alignment directions fabricated from double layers according to the present invention.
  • Figure 16 shows a driving unit configured to horizontally rotate a pair of opposing magnets according to an embodiment of the present invention.
  • Figures 17 and 18 show a perspective view of a driving unit capable of changing the direction of a magnetic field in three-dimensional space according to another embodiment of the present invention.
  • Figure 19 is a diagram explaining the change in magnetic field direction according to the rotation direction of the magnet.
  • liquid crystal elastomer (LCE) precursor solution material and a liquid crystal elastomer photopolymerization manufacturing device using the material according to embodiments of the present invention.
  • FIG. 1 shows the configuration of a liquid crystal elastomer precursor solution material according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 2 shows a schematic configuration of a liquid crystal elastomer photopolymerization manufacturing apparatus according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 3 shows a pure The state according to temperature is shown when RM257 and 5CB according to the present invention are mixed at a 1:1 weight.
  • RM257 powder is dissolved in 2 g of 5CB solution (weight ratio 1:1) by stirring at 90°C for 60 minutes.
  • 0.02 g of Phenylbis(2,4,6-trimethylbenzoyl) phosphine oxide, a photoinitiator, and 0.002 g of Sudan I, a light absorber, are added to the solution at a concentration of 1% and 0.1% by weight relative to RM257.
  • 0.3717 EDDET 60 mol% concentration compared to RM257 is mixed, stirred for 10 minutes at room temperature, and stored in a brown vial bottle to complete the preparation.
  • the magnet 100 is disposed around the liquid crystal elastomer precursor solution material to form a magnetic field in the solution material to align the liquid crystal molecules in the solution material according to the direction of the magnetic field.
  • the direction of the magnetic field is controlled in the horizontal direction, but in an embodiment to be described later, the direction of the magnetic field can be controlled in the three-dimensional direction, and the liquid crystal can be aligned in the three-dimensional direction accordingly.
  • FIG. 4 shows an example of forming a petal-shaped pattern by independently performing liquid crystal alignment and pattern formation using the device of FIG. 2, and FIG. 5 shows a polarization optical effect for the liquid crystal elastomer film manufactured according to the present invention.
  • Figure 6 shows the results of an experiment confirming liquid crystal alignment using a microscope
  • Figure 6 is a diagram showing the reversible reaction of the liquid crystal elastomer manufactured according to the present invention
  • Figure 7 shows the results of an experiment exposed to a magnetic field when manufacturing the liquid crystal elastomer according to the present invention.
  • Figure 8 Shows the results of testing the thermal deformation performance of the liquid crystal elastomer over time
  • Figure 8 shows the alignment direction with respect to the longitudinal direction of the pattern when manufacturing the liquid crystal elastomer according to the present invention, and is shown in Figure 8 in Figures 9 and 10.
  • This is the result of an experiment on the effect on liquid crystal alignment performance when the strength of the magnetic field is varied when manufacturing the liquid crystal elastomer by aligning the liquid crystal in the longitudinal direction of the liquid crystal elastomer or in the direction perpendicular to the longitudinal direction.
  • Figures 11 and 12 are Shows the results of testing the relationship between the curing depth according to the amount of light energy when manufacturing the liquid crystal elastomer according to the present invention
  • Figure 13 shows a liquid crystal elastomer film with a double layer structure of a passive region and an active region according to the present invention
  • Figure 14 shows various morphing structures and thermal deformation made of a double layer according to the present invention
  • FIG. 15 shows a morphing structure and thermal deformation of a flower shape with different alignment directions made of a double layer according to the present invention.
  • the alignment of the liquid crystal by the magnet 100 and the pattern formation process by photocuring can be performed independently.
  • the core is cured without a magnetic field to form the center of the petal, and three pairs of petals extending from the core to opposite sides are formed.
  • light corresponding to the shape of each pair of petals is provided using the DMD 400 and the digital mask 410, and a magnet (100) is used to form a magnetic field in the longitudinal direction of the petal. ) can be controlled differently to align the liquid crystals in the length direction of each of the six petals.
  • Figure 5 shows the results of an experiment confirming liquid crystal alignment of the liquid crystal elastomer film manufactured according to the present invention using a polarizing optical microscope.
  • the liquid crystal alignment appears dark when placed parallel to either of the crossed polarizers and the crossed polarizers are rotated 45 degrees.
  • a brighter area appears, which is due to birefringence, a well-known property of liquid crystals.
  • Figure 7 shows the results of an experiment on the effect of magnetic field exposure time on liquid crystal alignment performance.
  • the magnetic field exposure time is changed from 10 seconds to 10 minutes prior to curing by exposure to ultraviolet rays and the liquid crystal elastomers manufactured according to the present invention are all aligned in the same direction and subjected to thermal deformation, almost the same performance is shown. From this, it can be seen that according to the present invention, liquid crystal alignment is possible within a very short time at room temperature, thereby greatly improving printing efficiency.
  • the magnitude of reversible deformation due to heat can be controlled by controlling the strength of the magnetic field when aligning the liquid crystal.
  • the liquid crystal elastomer precursor solution material according to the present invention is injected between two glass substrates, and the UV exposure time (curing time) is applied to UV rays of a certain intensity using the device of FIG. 2.
  • the curing depth becomes deeper in proportion to the ultraviolet ray exposure time (amount of light energy). Therefore, the printing thickness of a single layer can be controlled by controlling the curing time.
  • a double-layer liquid crystal elastomer can be produced.
  • a multi-layered liquid crystal elastomer can be quickly printed and manufactured by repeatedly manufacturing each layer.
  • the lower layer is cured without magnetic force to form a passive area where the liquid crystals are not aligned
  • the upper layer is cured with the liquid crystals aligned in one direction to form an active area where the liquid crystals are aligned.
  • various types of heat deformation morphing structures can be produced as described in FIGS. 14 and 15.
  • the left side of Figure 14 (a) shows a double-layer morphing structure in which the lower layer is formed as a passive region and the upper layer is formed as an active region in which liquid crystals are aligned in the longitudinal direction of the pattern.
  • the right side of Figure 14 (a) is a double-layer morphing structure in which half of the active and passive regions are formed in the lower and upper layers, respectively, and the active and passive regions are formed in different positions in the lower and upper layers, respectively.
  • Figure 14 (b) shows a double-layer morphing structure in which the lower layer is all passive areas and the upper layer is all active areas, but the liquid crystal alignment directions are different. It can be seen that when each morphing structure created as shown in (b) of FIG. 14 is heated, the shrinkage direction changes depending on the alignment direction, resulting in various curled deformations.
  • the configuration of the driving unit 200 which controls the direction of the magnetic field by driving a magnet in the liquid crystal elastomer photopolymerization manufacturing apparatus according to the present invention, will be described.
  • Figure 16 shows a driving unit configured to horizontally rotate a pair of opposing magnets according to an embodiment of the present invention.
  • the driving unit 200 may include a rotation table 210 and a rotation driving unit 215.
  • a pair of magnets 100 are disposed on the rotary table 210, and the rotary table 210 can rotate by receiving power from the rotary drive unit 215. Therefore, when the liquid crystal elastomer precursor solution material according to the present invention is placed in the center of the pair of magnets 100 and the rotary table 210 is rotated by the rotation driver 215, a magnetic field is generated at the center where the liquid crystal elastomer precursor solution material is located.
  • the direction of can be controlled to be horizontal. Therefore, the alignment direction of the liquid crystal by the magnetic field can be easily controlled.
  • a light source 300, a DMD 400, and a digital mask 410 are disposed on the upper side, so that the light emitted from the light source 300 is disposed of the solution material by the DMD 400 and the digital mask 410.
  • a pattern can be formed through curing through a photopolymerization reaction by selectively reaching a fine area.
  • a distance adjusting unit may be formed that controls the distance between the pair of magnets 200 by horizontally moving at least one of the pair of magnets 100. Therefore, since the distance between the pair of magnets 100 is controlled by the distance control unit, it is possible to control the strength of the magnetic field applied to the liquid crystal elastomer precursor solution material located in the center of the pair of magnets 100 for liquid crystal alignment. there is.
  • the distance adjusting unit includes a support 220 formed on the upper side of the rotary table 210, at least one guide rod 222 connected between the supports 220, and a ball that rotates by receiving power from the motor 223. It may be configured to include a screw 224 and a magnet fixing block 225 that is disposed on the guide rod 222 and fixes the magnet 100. At this time, at least one of the magnetic fixing blocks 225 can move along the guide rod 222. In this embodiment, the left magnetic fixing block 225 moves the guide rod 222 by rotation of the ball screw 224. ) is configured to move horizontally along.
  • the distance between the pair of magnets 100 can be controlled by controlling the rotation direction of the motor 223 to move the magnet fixing block 225 on the left side in the horizontal direction.
  • the configuration of the distance adjusting unit that controls the distance between the pair of magnets 100 is not limited to the form shown and may be modified in various ways.
  • Figures 17 and 18 show a perspective view of a driving unit capable of changing the direction of the magnetic field in three-dimensional space according to another embodiment of the present invention
  • Figure 19 illustrates the change in the direction of the magnetic field according to the rotation direction of the magnet. This is a drawing.
  • the drive unit 200 may include a rotary table 210, a rotation drive unit 215, and a self-cleaning drive unit.
  • the configuration of the rotary table 210 and the rotary driving unit 215 is the same as that of the above-described embodiment.
  • a rotation driving unit may be formed on the rotary table 210.
  • the rotation driving unit rotates a plurality of magnets 100 arranged in the circumferential direction on the rotary table 210 about an axis perpendicular to the rotation axis of the rotary table 210. At this time, it is preferable that the magnets 100 are arranged at equal intervals in the circumferential direction, and in this embodiment, four magnets 100 are arranged in the circumferential direction.
  • the rotation drive unit is disposed on the rotary table 210, the direction of the horizontal magnetic field can be controlled by controlling the rotation angle of the rotary table 210 by the rotation drive unit 215. Therefore, by simultaneously controlling the rotation position of the rotary table 210 and the rotation angle of the magnet 100 by the rotation drive unit, the direction of the magnetic field can be controlled in a three-dimensional direction from the center.
  • the rotating drive unit receives power from a power source and rotates, including a worm gear 230 that is horizontally arranged, a worm wheel 231 that is coupled to and rotates the worm gear 230, and a worm wheel 231 that rotates inside the hole of the worm wheel 231.
  • Gears are coupled to the formed gear train 2311 to rotate, and the magnet 100 may be configured to include a plurality of rotating gears 234 each coupled horizontally. Therefore, when the worm gear 230 is rotated from a single power source, the worm wheel 231 rotates, and the plurality of rotating gears 234 coupled to the gear train 2311 of the worm wheel 231 move in the same direction. It can be rotated at the same speed. Therefore, the magnets 100 coupled to each rotating gear 234 can be simultaneously rotated at the same angle.

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Abstract

본 발명은 액정 엘라스토머 전구체 용액 물질 및 상기 물질을 이용한 액정 엘라스토머 광중합 제작 장치에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 액정 엘라스토머 전구체 용액 물질은 광경화성 반응성 메조겐(Photocurable reactive mesogen), EDDET(2,2'-(Ethylenedioxy)diethanethiol) 및 5CB(4-cyano-4-pentylbiphenyl)를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

액정 엘라스토머 전구체 용액 물질 및 상기 용액 물질을 이용한 액정 엘라스토머 광중합 제작 장치
본 발명은 액정 엘라스토머 전구체 용액 물질 및 상기 물질을 이용한 액정 엘라스토머(LCE) 제작 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 상온에서 적절한 점도를 가지고, 가열 또는 온도 조절 사이클 없이 상온에서 자기장에 의한 액정 정렬을 빠르게 수행하도록 네마틱 상태(nematic state)를 유지할 수 있는 액정 엘라스토머 전구체(precursor) 용액 물질 및 상기 용액 물질에 자기장 및 빛을 조사하여 액정 엘라스토머를 제작하는 액정 엘라스토머 광중합 제작 장치에 관한 것이다.
3D 프린팅에 스마트 소재를 결합한 4D 프린팅은 수년 전 그 개념이 알려진 후 뜨거운 관심을 받고 있다. 하이드로젤과 형상기억고분자(SMP: shape memory polymer)는 다양한 외부 자극에 반응하여 형상, 물성 등이 변형되는 스마트 소재로 널리 사용되어 왔다. 하이드로젤은 가역적인 형태 변형이 가능하다는 장점이 있지만, 낮은 기계적 강도로 인해 실제 적용에 한계가 있고, 나아가 물과 같은 용매를 반드시 함께 사용해야 하는 문제점이 있다. 또한, SMP는 용매를 사용할 필요가 없지만 형상 변형이 비가역적이라는 단점이 있다. 이에 반하여, 최근 주목받고 있는 스마트 소재인 액정 엘라스토머(LCE: Liquid Crystal Elastomer)는 하이드로젤과 SMP를 뛰어 넘는 장점을 가지고 있으며, 특히 물과 같은 용매를 사용할 필요가 없고 가역적인 변형이 가능한 것으로 알려져 있다.
액정고분자(Liquid Crystal Polymer)는 고분자 사슬에 액정(Liquid Crystal) 분자들이 연결되어 있어 액정의 성질을 나타낼 수 있는 고분자를 말한다. 특히, 액정 분자에 탄성체 분자를 연결하여 유연한 성질을 가지면서 낮은 온도에서 액정 상의 가역적 변형을 보일 수 있는 고분자를 액정 엘라스토머라 한다. 액정 분자는 장축과 단축의 길이가 다른 이방성을 가지고 있으며, 액정 엘라스토머는 액정 분자의 장축을 한 방향으로 정렬(배향)시킨 상태로 화학적 가교를 시켜 제조된다. 이때, 특정 온도 이상으로 가열되면 정렬된 액정 분자들이 무질서해지면서 거시적인 수축이 일어나고, 다시 온도가 낮아지면 가교 탄성체의 탄성에 의해 액정 분자들이 최초 정렬 상태를 회복하며 원래의 형상으로 돌아온다. 이러한, 양방향 자가변형 특성은 인공근육, 소프트로봇, 생체 역학 등 다양한 분야에 적용되고 있는데, 형상 변형이 초기 액정 분자 정렬 방향으로 발생하기 때문에 액정 분자의 정렬을 고려한 LCE 제작 기법이 중요하다.
액정 탄성체의 액정 정렬을 위한 방법으로 기계적 연신법, 표면배향법, 자기장 및 전기장을 이용한 방법 등 다양한 방법이 시도되고 있다. 특히, 자기장을 이용한 방법은 비접촉으로 원거리에서 배향을 할 수 있다는 측면에서 큰 장점이 있다. 하지만, 액정 분자 배향을 위해서는 비교적 강한 자기장(100mT~500mT)이 필요해 활용에 큰 제약이 있다. 공간 상에 자기장을 생성하는 방법으로 헬름홀츠 코일(Helmholtz coil)이 주로 사용되는데, 대략 10mT~50mT 세기의 자기장 생성에는 효과적으로 사용될 수 있으나, 높은 강도의 자기장을 생성시키기 위해서는 코일의 부피가 매우 커지고 높은 발열을 해결하기 위한 냉각 장치를 추가해야 하는 문제가 있다.
나아가, 기존 영구자석을 이용하는 방법은 액정 엘라스토머 제조에 사용되는 물질의 특성 때문에 정렬 시 고온으로 가열시켜 네마틱 상태로 변형시킨 후 대략 1시간 이상의 아주 느린 속도로 냉각시키며 액정을 정렬시킨다. 따라서, 제작 시간이 많이 소요된다는 문제점이 있었다. 나아가, 다층으로 액정 엘리스토머를 제조하는 경우에는 제작 시간이 너무 많이 소요된다는 문제가 생긴다.
<특허문헌>
대한민국 등록특허 제10-2127590호
따라서, 본 발명의 목적은 이와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 상온에서 액정 네마틱 상태를 유지하고 적절한 유동성을 유지하여, 고온으로의 온도 상승 또는 온도 사이클링 없이 상온에서 수초 이내의 시간으로 자기장을 이용하여 액정을 정렬시키고 패턴을 형성할 수 있는 액정 엘라스토머(LCE) 전구체(precursor) 용액 물질을 제공함에 있다.
또한, 자기장의 방향 전환이 가능한 자기장 생성 장치와 통합된 디지털 광원 프로젝터(DLP: Digital Light Projector)를 이용하여 국부적으로 임의의 3차원 방향으로 액정을 정렬시키며 패턴을 독립적으로 형성할 수 있는 액정 엘라스토머 광중합 제작 장치를 제공함에 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제들은 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 목적은, 본 발명에 따라, 광경화성 반응성 메조겐(Photocurable reactive mesogen), EDDET(2,2'-(Ethylenedioxy)diethanethiol) 및 5CB(4-cyano-4-pentylbiphenyl)를 포함하는 것을 특징으로 하는 액정 엘라스토머 전구체 용액 물질에 의해 달성될 수 있다.
여기서, 상기 광경화성 반응성 메조겐은 RM257(1,4-Bis-[4-(3-acryloyloxypropyloxy)benzoyloxy]-2-methylbenzene) 또는 RM82(1,4-Bis-[4-(6-acryloyloxyhexyloxy)benzoyloxy]) 중 어느 하나일 수 있다.
여기서, 상온 이상의 온도에서 상기 5CB 용액에 상기 광경화성 반응성 메조겐 분말을 용해시키고, 상온으로 식힌 후 상기 EDDET를 혼합하여 제조될 수 있다.
여기서, 광개시제(PI: Photo-Initiator) 및 광흡수제(PA: Photo-Absorber)를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 목적은, 본 발명에 따라, 전술한 액정 엘라스토머 전구체 용액 물질 주위에 배치되어 상기 액정 엘라스토머 전구체 용액 물질에 자기장을 형성시켜 액정 분자를 정렬시키는 자석; 상기 자석을 구동시켜 자기장의 방향을 제어하는 구동부; 및 상기 액정 엘라스토머 전구체 용액 물질에 광을 조사하여 광중합 반응에 의해 상기 액정 엘라스토머 전구체 용액 물질을 경화시키는 광원을 포함하는 것을 특징으로 하는 액정 엘라스토머 광중합 제작 장치에 의해 달성될 수 있다.
여기서, 상기 자석은 상기 액정 엘라스토머 전구체 용액 물질을 중심으로 한 쌍 대향 배치될 수 있다.
여기서, 상기 구동부는 한 쌍의 자석이 수평으로 대향 배치되는 회전 테이블; 및 상기 회전 테이블을 회전시키는 회전 구동부를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 구동부는 한 쌍의 자석 중 적어도 어느 하나를 수평 이동시켜 한 쌍의 자석 사이의 거리를 제어하는 거리 조절부를 더 포함할 수 있다.
여기서, 상기 구동부는 상기 자석을 구동시켜 상기 액정 엘라스토머 전구체 용액 물질에 형성되는 자기장의 방향을 3차원 방향으로 제어할 수 있다.
여기서, 상기 구동부는 회전 테이블; 상기 회전 테이블을 회전시키는 회전 구동부; 및 상기 회전 테이블 상에 상기 회전 테이블의 회전축에 직교하는 축을 중심으로 원주 방향으로 배치되는 복수의 상기 자석을 자전시키는 자전 구동부를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 자석은 원주 방향으로 등 간격으로 배치될 수 있다.
여기서, 상기 자석은 자전축이 상기 회전 테이블의 회전축에 직교하는 축에 평행하게 배치될 수 있다.
여기서, 상기 자전 구동부는 동력원으로부터 동력을 전달 받아 회전하며 수평 배치되는 웜 기어; 상기 웜 기어에 결합되어 회전하는 웜 휠; 및 상기 웜 휠의 관통하는 홀 내측에 형성된 기어열에 기어 결합되어 자전하고, 상기 자석이 각각 결합되는 복수의 자전 기어를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 광원으로부터 조사된 빛을 상기 액정 엘라스토머 전구체 용액 물질을 향하여 패턴을 형성하도록 선택적으로 반사시키는 DMD(digital micro-mirror device) 및 디지털 마스크를 더 포함할 수 있다.
상기한 바와 같은 본 발명에 따른 액정 엘라스토머 전구체 용액 물질은 상온에서 네마틱 상태를 유지하고 적절한 점도를 가질 수 있어 가열 또는 냉각 작업 없이 상온 환경에서 빠르게 자기장에 의해 액정을 정렬시키며 액정 엘라스토머를 제작할 수 있다는 장점이 있다.
또한, 본 발명에 따른 액정 엘라스토머 장치에 따르면 프린팅 방향에 액정 정렬 방향이 종속되지 않고 광중합 반응에 의한 경화와 자기장에 의한 정렬 방향 제어를 각각 독립적으로 제어하여 액정 엘라스토머를 제작할 수 있다는 장점도 있다.
또한, 본 발명에 따른 액정 엘라스토머 장치는 2차원 방향뿐만 아니라 3차원 방향으로 자기장 방향을 제어하며 액정 정렬 방향을 제어할 수 있다는 장점도 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 액정 엘라스토머 전구체 용액 물질의 구성을 도시한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 액정 엘라스토머 광중합 제작 장치의 개략적인 구성을 도시한다.
도 3은 순수 RM257과 본 발명에 따라 RM257과 5CB를 1:1 중량으로 혼합시킨 경우에 있어서 온도에 따른 상태를 도시한다.
도 4는 도 2의 장치를 이용하여 액정 정렬과 패턴의 형성을 독립적으로 수행하며 꽃잎 모양의 패턴을 형성하는 일 예를 도시한다.
도 5는 본 발명에 따라 제조된 액정 엘라스토머 필름에 대하여 편광 광학 현미경을 이용하여 액정 정렬을 확인한 실험 결과를 도시한다.
도 6은 본 발명에 따라 제조된 액정 엘라스토머의 가역 반응을 도시하는 도면이다.
도 7은 본 발명에 따라 액정 엘라스토머를 제작할 때 자기장에 노출된 시간에 따른 액정 엘라스토머의 성능을 실험한 결과를 나타낸다.
도 8은 본 발명에 따라 액정 엘라스토머를 제작할 때 패턴의 길이 방향에 대한 정렬 방향을 도시하고, 도 9와 도 10에서는 도8 에 도시되어 있는 것과 액정 엘라스토머의 길이 방향 또는 길이 방향에 수직인 방향으로 액정을 정렬시켜 액정 엘라스토머를 제작할 때 자기장의 세기가 액정 정렬 성능에 미치는 영향을 실험한 결과이다.
도 11 및 도 12는 본 발명에 따라 액정 엘라스토머를 제작할 때 광 에너지 양에 따른 경화 깊이 사이의 관계를 실험한 결과를 나타낸다.
도 13은 본 발명에 따라 패시브 영역과 액티브 영역의 이중층 구조의 액정 엘라스토머 필름을 도시한다.
도 14는 본 발명에 따라 이중층으로 제작된 다양한 모핑(morphing) 구조 및 열변형을 도시한다.
도 15는 본 발명에 따라 이중층으로 제작된 정렬 방향이 다른 꽃 모양의 모핑 구조 및 열변형을 도시한다.
도 16은 본 발명의 일 실시예에 따른 대향하는 한 쌍의 자석을 수평으로 회전시키는 구조의 구동부를 도시한다.
도 17 및 도 18은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 자기장의 방향을 3차원 공간 상에 변형시킬 수 있는 구동부의 사시도를 도시한다.
도 19는 자석의 회전 방향에 따른 자기장 방향의 변화를 설명하는 도면이다.
실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다
이하, 본 발명의 실시예들에 의하여 액정 엘라스토머(LCE) 전구체(precursor) 용액 물질 및 상기 물질을 이용한 액정 엘라스토머 광중합 제작 장치를 설명하기 위한 도면들을 참고하여 본 발명에 대해 설명하도록 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 액정 엘라스토머 전구체 용액 물질의 구성을 도시하고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 액정 엘라스토머 광중합 제작 장치의 개략적인 구성을 도시하고, 도 3은 순수 RM257과 본 발명에 따라 RM257과 5CB를 1:1 중량으로 혼합시킨 경우에 있어서 온도에 따른 상태를 도시한다.
도 1에 도시되어 있는 것과 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 액정 엘라스토머(LCE) 전구체(precursor) 용액 물질은 RM257 (1,4-Bis-[4-(3-acryloyloxypropyloxy)benzoyloxy]-2-methylbenzene), EDDET(2,2'-(Ethylenedioxy)diethanethiol) 및 5CB (4-cyano-4-pentylbiphenyl)를 포함하여 구성될 수 있다. 본 발명에 따라 아크릴레이트-티올 광중합 반응(acrylate-thiol photopolymerization reaction)으로 경화 반응을 할 때, RM257은 메조겐 디아크릴레이트 단량체(mesogenic diacrylate monomer)로 EDDET는 디티올 스페이서(dithiol spacer)로 작용한다.
본 실시예에서는 메조겐으로 RM257이 사용되는 것을 설명하나, RM257를 포함하는 광경화성 반응성 메조겐(Photocurable reactive mesogen) 물질이 메조겐으로 사용될 수 있다. 예를 들어, RM257 외에 RM82(1,4-Bis-[4-(6-acryloyloxyhexyloxy)benzoyloxy])이 사용될 수 있다.
순수한 RM257은 70℃ 이상의 온도로 가열되지 않으면 네마틱 상태로 되지 않으나, 본 발명에서와 같이 비반응성 메조겐성 용매(non-reactive mesogenic solvent)인 5CB를 용매로 사용하여 RM257을 용해시키면 상온에서 네마틱 상태가 유지될 수 있다. 또한, 도 3에 도시되어 있는 것과 같이 네마틱 상태와 이방성 상태 사이의 전이 온도도 순수 RM275는 130℃이나 RM275와 5CB의 혼합물은 80℃ 보다 낮아질 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 액정 엘라스토머 전구체 용액 물질은 광중합 반응을 위한 광개시제(PI: Photo-Initiator) 및 광흡수제(PA: Photo-Absorber)를 더 포함할 수 있다. 본 실시예에서 광개시제로 Phenylbis(2,4,6-trimethylbenzoyl) phosphine oxide가 사용되고, 광흡수제로 Sudan I 가 사용될 수 있는데, 이에 한정되는 것은 아니다.
본 발명에 따른 액정 엘라스토머 전구체 용액 물질의 제조 과정의 일 예를 보다 자세히 설명하기로 한다.
먼저, RM257 분말 2g을 5CB 용액 2g(중량비 1:1)에 90℃에서 60분간 교반하여 용해시킨다. 광개시제인 Phenylbis(2,4,6-trimethylbenzoyl) phosphine oxide 0.02g 및 광흡수제인 Sudan I 0.002g을 상기 RM257에 대한 중량비 1% 및 0.1%의 농도로 상기 용액에 첨가시킨다. 실온으로 식힌 후, 0.3717의 EDDET(RM257대비 60몰% 농도)를 혼합하고 실온에서 10분간 교반시킨 후, 갈색 바이알 병에 보관하여 제조가 완료된다.
전술한 액정 엘라스토머 전구체 용액 물질을 이용한 본 발명의 일 실시예에 따른 액정 엘라스토머 광중합 제작 장치는 자석(100), 구동부(200), 및 광원(300)을 포함하여 구성될 수 있다.
자석(100)은 액정 엘라스토머 전구체 용액 물질 주위에 배치되어 상기 용액 물질에 자기장을 형성시켜 용액 물질 내 액정 분자를 자기장의 방향에 따라 정렬시킨다.
이때, 액정 엘라스토머 전구체 용액 물질은 광이 통과하는 글라스 기판(S) 사이 또는 글라스로 형성된 용기 내에 주입될 수 있다.
자기장을 형성하는 자석(100)은 영구자석일 수 있다. 또한, 반대 극이 마주보는 한 쌍의 자석으로 형성될 수 있으며, 구동부(200)에 의해 상기 자석(100)은 수평 방향으로 회전하도록 구성될 수 있다. 따라서, 한 쌍의 자석(100) 중간에 상기 액정 엘라스토머 전구체 용액 물질을 배치시킨 상태에서, 구동부(200)에 의해 상기 자석(100)을 수평 방향으로 회전시키며 상기 액정 엘라스토머 전구체 용액 물질이 위치하는 영역의 자기장 방향을 자유롭게 제어할 수 있다. 따라서, 액정 엘라스토머 전구체 용액 물질에 형성되는 자기장의 방향에 따라 액정을 정렬시킬 수가 있다.
본 실시예에서는 수평 방향으로 자기장의 방향을 제어하지만, 후술할 실시예에서는 자기장의 방향을 3차원 방향으로도 제어할 수 있어서, 이에 따라 3차원 방향으로 액정을 정렬시킬 수도 있다.
광원(300)은 액정 엘라스토머 전구체 용액 물질에 광을 조사하여 광중합 반응에 의해 액정 엘라스토머 전구체 용액 물질을 경화시켜 패턴(형상)을 형성한다. 본 실시예에서 광원(300)으로 UV LED가 사용될 수 있다. 또한, 광원(300)으로부터 조사된 빛을 픽셀 단위로 액정 엘라스토머 전구체 용액 물질을 향하여 선택적으로 반사시켜 전달하는 DMD(digital micromirror device)(400) 및 패턴이 형성된 디지털 마스크(410)가 형성될 수 있다. 따라서, DMD(400) 및 디지털 마스크(410)에 의해 광원에서 조사된 빛을 미세 크기로 디지털 마스크의 형상에 따라 선택적으로 액정 엘라스토머 전구체 용액 물질에 전달하여 경화시킴으로써 복잡한 형상의 패턴도 용이하게 형성할 수 있다.
도 4는 도 2의 장치를 이용하여 액정 정렬과 패턴의 형성을 독립적으로 수행하며 꽃잎 모양의 패턴을 형성하는 일 예를 도시하고, 도 5는 본 발명에 따라 제조된 액정 엘라스토머 필름에 대하여 편광 광학 현미경을 이용하여 액정 정렬을 확인한 실험 결과를 도시하고, 도 6은 본 발명에 따라 제조된 액정 엘라스토머의 가역 반응을 도시하는 도면이고, 도 7은 본 발명에 따라 액정 엘라스토머를 제작할 때 자기장에 노출된 시간에 따른 액정 엘라스토머의 열변형 성능을 실험한 결과를 나타내고, 도 8은 본 발명에 따라 액정 엘라스토머를 제작할 때 패턴의 길이 방향에 대한 정렬 방향을 도시하고, 도 9와 도 10에서는 도8 에 도시되어 있는 것과 액정 엘라스토머의 길이 방향 또는 길이 방향에 수직인 방향으로 액정을 정렬시켜 액정 엘라스토머를 제작할 때 자기장의 세기를 달리할 때 액정 정렬 성능에 미치는 영향을 실험한 결과이고, 도 11 및 도 12는 본 발명에 따라 액정 엘라스토머를 제작할 때 광 에너지 양에 따른 경화 깊이 사이의 관계를 실험한 결과를 나타내고, 도 13은 본 발명에 따라 패시브 영역과 액티브 영역의 이중층 구조의 액정 엘라스토머 필름을 도시하고, 도 14는 본 발명에 따라 이중층으로 제작된 다양한 모핑 구조 및 열변형을 도시하고, 도 15는 본 발명에 따라 이중층으로 제작된 정렬 방향이 다른 꽃 모양의 모핑 구조 및 열변형을 도시한다.
이와 같이, 본 발명에 따르면 자석(100)에 의한 액정의 정렬과 광경화에 의한 패턴 형성 과정이 독립적으로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 도 4에 도시되어 있는 것과 같이 코어에는 자기장 없이 경화만 수행하여 꽃잎의 중앙을 형성하고, 코어를 중심으로 반대쪽으로 연장되는 세 쌍의 꽃잎을 각각 형성한다. 이때, 각 쌍의 꽃잎을 순차적으로 제작할 때, DMD(400) 및 디지털 마스크(410)를 이용하여 각 쌍의 꽃잎 형상에 대응하는 빛을 제공하되, 꽃잎의 길이 방향으로 자기장이 형성되도록 자석(100)의 위치를 각각 다르게 제어하여, 6개의 각 꽃잎의 길이 방향으로 액정을 정렬시킬 수가 있다.
도 5는 본 발명에 따라 제조된 액정 엘라스토머 필름을 편광 광학 현미경을 이용하여 액정 정렬을 확인한 실험 결과를 도시한다. 실험 결과에서 나타나는 것과 같이, 편광 광학 현미경을 이용하여 본 발명에 따라 제조된 일축 정렬된 액정 엘라스토머 필름에 대해 액정 정렬이 교차 편광판 중 어느 하나에 평행하게 배치되면 어둡게 나타나고 교차된 편광판을 45도 회전시켰을 때 더 밝은 영역이 나타나는데, 이는 액정의 잘 알려진 특성인 복굴절에 기인하는 것이다.
도 6에 도시되어 있는 것과 같이, 본 발명에 따라 제조된 일축 정렬된 액정 엘라스토머 필름은 전이 온도(TNI) 이하의 상온에서는 액정 분자가 모두 동일한 방향을 향하는 네마틱 상태에 있고, 이를 전이 온도(TNI) 이상으로 가열시키면 액정 분자의 정렬이 해제되는 등방성 상태로 바뀌게 된다. 이때, 거시적으로는 액정 정렬 방향으로는 수축하고 액정 정렬에 수직인 방향으로는 팽창하게 된다. 또한, 상온으로 다시 냉각을 하면 필름의 초기 모양으로 회복되어, 열에 의한 가역적 변형이 발생함을 확인할 수 있다.
도 7에서는 자기장의 노출 시간이 액정 정렬 성능에 미치는 영향을 실험한 결과이다. 자외선 노출에 의한 경화에 앞서 자기장의 노출 시간을 10초에서 10분으로 바꾸어가며 본 발명에 따라 모두 같은 방향으로 정렬 제조된 각각의 액정 엘라스토머에 대해 열 변형을 시켰을 때, 거의 동일한 성능을 나타낸다. 이로부터, 본 발명에 따르면 상온에서 매우 짧은 시간 내에 액정 정렬이 가능하여 프린팅 효율이 크게 향상됨을 확인할 수 있다.
도 9와 도 10에서는 도 8에 도시되어 있는 것과 같이 본 발명에 따라 액정 엘라스토머 패턴의 길이 방향(Parallel) 또는 패턴의 길이 방향에 수직인 방향(Perpendicular)으로 액정을 정렬시켜 액정 엘라스토머를 제작할 때, 자기장의 세기가 액정 정렬 성능에 미치는 영향을 실험한 결과이다. 도 9에 도시되어 있는 것과 같이, 패턴에 평행 정렬된 필름은 수축으로 인해 마이너스 수축 변형을 나타내었고, 자기장의 세기가 100mT에서 500mT로 증가함에 따라서 작동 변형률은 -12.1%에서 -35.6%로 증가함을 확인할 수 있다. 마찬가지로, 도 10에 도시되어 있는 것과 같이, 패턴에 수직으로 정렬된 필름은 팽창 변형을 나타내었고, 자기장의 세기가 100mT에서 500mT로 증가함에 따라서 작동 변형률은 5.9%에서 29.0%로 증가함을 확인할 수 있다. 따라서, 본 발명에 따르면 액정을 정렬시킬 때 자기장의 세기를 제어하여 열에 의한 가역 변형 크기를 제어할 수가 있다.
도 11 및 도 12에 도시되어 있는 것과 같이, 두 개의 유리 기판 사이에 본 발명에 따른 액정 엘라스토머 전구체 용액 물질을 주입시키고, 도 2의 장치를 이용하여 일정한 세기의 자외선으로 자외선 노출 시간(경화 시간)을 달리하여 액정 엘라스토머를 제작하는 경우, 자외선 노출 시간(광에너지량)에 비례하여 경화 깊이가 더 깊어짐을 확인할 수 있다. 따라서, 경화 시간을 제어하여 단일 층의 프린팅 두께를 제어할 수 있다.
도 13에 도시되어 있는 것과 같이 이중층 형태의 액정 엘라스토머를 제작할 수 있다. 물론, 도시되어 있지 않지만 본 발명에 따르면 각 층을 반복하여 제작함으로써 다층 형태의 액정 엘라스토머도 빠르게 프린팅하여 제작할 수 있다. 이때, 하층은 자력을 형성하지 않은 상태에서 경화시켜 액정이 정렬되지 않은 패시브 영역을 형성하고 상층은 일 방향으로 액정을 정렬시키며 경화시켜 액정이 정렬된 액티브 영역이 형성된다. 이와 같이 본 발명에 따라 이중층 형태의 필름을 제작하여 도 14 및 도 15에서 설명하는 것과 같이 다양한 형태의 열변형 모핑 구조를 제작할 수가 있다.
도 14의 (a)에서 좌측은 하층은 모두 패시브 영역으로 형성되고 상층은 모두 패턴의 길이 방향으로 액정이 정렬된 액티브 영역으로 형성된 이중층 형태의 모핑 구조를 도시한다. 도 14의 (a)에서 우측은 하층과 상층에는 각각 액티브 영역과 패시브 영역이 절반 형성하되, 하층과 상층에 액티브 영역과 패시브 영역이 각각 다른 위치에 형성되는 이중층 형태의 모핑 구조이다. 도 14의 (a)에 도시된 것과 같이 만들어진 모핑 구조를 각각 가열시키면, 좌측은 상층이 액정 정렬 방향으로 수축되어 위로 'C'자 형태로 말리는 변형을 하며, 우측은 상층과 하층의 액정이 정렬된 영역이 각각 액정 정렬 방향으로 수축되어 'S'자 형태로 말리는 변형을 한다.
또한, 도 14의 (b)에서는 하층은 모두 패시브 영역으로 형성되고 상층은 모두 액티브 영역으로 형성되되 액정 정렬 방향이 서로 다르게 제작된 이중층 형태의 모핑 구조를 도시한다. 도 14의 (b)에 도시된 것과 같이 만들어진 모핑 구조를 각각 가열시키면 정렬 방향에 따라 수축 방향이 달라져 다양한 형태로 말리는 변형이 발생함을 확인할 수 있다.
도 15는 하층은 패시브 영역으로 상층은 액티브 영역으로 이중층 구조의 꽃 모양의 모핑 구조를 형성하되, 꽃잎의 액정 정렬 방향을 각각 다르게 제작하여 열변형을 수행한 결과를 도시한다. 도시되어 있는 것과 같이, 액정의 정렬 방향에 따라 수축 방향이 달라져 다양한 형태의 꽃 모양을 형성하며 열변형 됨을 확인할 수 있다.
도 14 및 도 15에 도시되어 있는 것과 같이, 본 발명에 따르면 패시브 영역과 액티브 영역으로 구분 형성되는 다층의 구조를 용이하게 형성하고 나아가 액정 정렬 방향을 다양하게 바꾸며 액정 엘라스토머를 제작할 수 있어서, 다양한 패턴 형상을 가지며 다양한 형태로 열변형을 할 수 있는 액정 엘라스토머를 쉽게 제작할 수가 있다.
이하, 본 발명에 따른 액정 엘라스토머 광중합 제작 장치에 있어서 자석을 구동시켜 자기장의 방향을 제어하는 구동부(200)의 구성에 대해 설명하기로 한다.
도 16은 본 발명의 일 실시예에 따른 대향하는 한 쌍의 자석을 수평으로 회전시키는 구조의 구동부를 도시한다.
상기 구동부(200)는 회전 테이블(210) 및 회전 구동부(215)를 포함하여 구성될 수 있다.
회전 테이블(210) 위에는 한 쌍의 자석(100)이 배치되며, 회전 테이블(210)은 회전 구동부(215)로부터 동력을 전달받아 회전할 수 있다. 따라서, 한 쌍의 자석(100) 중앙에 본 발명에 따른 액정 엘라스토머 전구체 용액 물질을 배치시키고, 회전 구동부(215)에 의해 회전 테이블(210)을 회전시키면 액정 엘라스토머 전구체 용액 물질이 위치하는 중앙에 자기장의 방향이 수평 방향으로 제어될 수 있다. 따라서, 자기장에 의한 액정의 정렬 방향을 쉽게 제어할 수 있다. 도시되어 있지 않지만, 상측에는 광원(300), DMD(400) 및 디지털 마스크(410)가 배치되어 광원(300)으로부터 조사된 빛이 DMD(400) 및 디지털 마스크(410)에 의해 용액 물질이 배치된 미세한 영역에 선택적으로 도달하도록 하여 광중합 반응에 의한 경화로 패턴을 형성할 수 있다.
본 발명에서는 한 쌍의 자석(100) 중 적어도 어느 하나를 수평 이동시켜 한 쌍의 자석(200) 사이의 거리를 제어하는 거리 조절부가 형성될 수 있다. 따라서, 거리 조절부에 의해 한 쌍의 자석(100) 사이의 거리가 제어되므로, 액정 정렬을 위해 한 쌍의 자석(100) 중앙에 위치하는 액정 엘라스토머 전구체 용액 물질에 미치는 자기장의 세기를 제어할 수가 있다.
본 실시예에서 거리 조절부는 회전 테이블(210) 상측에는 형성된 지지대(220), 지지대(220) 사이를 연결하는 적어도 하나 이상의 가이브 봉(222), 모터(223)로부터 동력을 전달받아 회전하는 볼스크류(224), 상기 가이드 봉(222)에 배치되며 자석(100)을 고정시키는 자석 고정 블록(225)을 포함하여 구성될 수 있다. 이때, 자석 고정 블록(225) 중 적어도 어느 하나는 가이드 봉(222)을 따라 이동할 수 있는데, 본 실시예에서는 좌측의 자석 고정 블록(225)이 볼스크류(224)의 회전에 의해 가이드 봉(222)을 따라 수평 이동하도록 구성된다.
따라서, 모터(223)의 회전 방향을 제어하여 좌측의 자석 고정 블록(225)을 수평 방향으로 이동시켜 한 쌍의 자석(100) 사이의 거리를 제어할 수가 있다. 한 쌍의 자석(100) 사이의 거리를 제어하는 거리 조절부의 구성은 도시된 형태에 한정되지 않고 다양하게 변형될 수 있다.
도 17 및 도 18은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 자기장의 방향을 3차원 공간 상에 변형시킬 수 있는 구동부의 사시도를 도시하고, 도 19는 자석의 회전 방향에 따른 자기장 방향의 변화를 설명하는 도면이다.
본 실시예에서 구동부(200)는 자석(100)을 구동시켜 액정 엘라스토머 전구체 용액 물질에 형성되는 자기장의 방향을 공간 상에 3차원 방향으로 제어할 수 있다.
본 실시예에서 구동부(200)는 회전 테이블(210), 회전 구동부(215) 및 자정 구동부를 포함하여 구성될 수 있다. 회전 테이블(210) 및 회전 구동부(215)의 구성은 전술한 실시예와 동일하다. 회전 테이블(210) 위에는 자전 구동부가 형성될 수 있다. 자전 구동부는 회전 테이블(210) 상에 회전 테이블(210)의 회전축에 직교하는 축을 중심으로 원주 방향으로 배치되는 복수의 자석(100)을 자전시킨다. 이때, 자석(100)은 원주 방향으로 등 간격으로 배치되는 것이 바람직하고, 본 실시예에서는 4개의 자석(100)이 원주 방향으로 배치된다.
도 19의 (a)에 도시되어 있는 것과 같이 4개의 NS 자석(100)이 원주 방향으로 등 간격으로 4개 배치되고 회전 테이블(210)의 회전축에 직교하는 축에 평행하게 배치되는 경우, 중앙에는 각 자석(100)에서 발생하는 자기장이 합해져서 화살표로 표시된 좌측을 향하는 자기장이 형성될 수 있다. 이때, 도 19의 (b)에 도시되어 있는 것과 같이 4개의 자석(100)을 각각 동일한 각도로 일정 각도 자전 회전시키면 중앙에서 자기장의 방향은 좌측 상단을 향하게 된다. 이와 같이, 각 자석(100)의 자전 각도 크기를 제어하면 중앙에서 자석(100)이 배치되는 원주 방향으로 자기장의 방향을 제어할 수 있다.
또한, 상기 자전 구동부는 회전 테이블(210) 상에 배치되므로, 회전 구동부(215)에 의해 회전테이블(210)의 회전 각도를 제어하면 수평 방향의 자기장의 방향을 제어할 수 있다. 따라서, 회전 테이블(210)의 회전 위치와 자전 구동부에 의한 자석(100)의 자전 각도를 함께 제어하면 중앙에서 3차원 방향으로 자기장의 방향을 제어할 수 있다.
따라서, 본 실시예에서는 수평 방향뿐만 아니라 공간 상의 3차원 방향으로 자기장 방향을 제어하여 3차원 방향으로 액정의 정렬 방향을 제어할 수가 있다.
일 예로, 자전 구동부는 동력원으로부터 동력을 전달 받아 회전하며 수평 배치되는 웜 기어(230), 웜 기어(230)에 결합되어 회전하는 웜 휠(231), 웜 휠(231)의 관통하는 홀 내측에 형성된 기어열(2311)에 기어 결합되어 회전하고, 자석(100)이 수평으로 각각 결합되는 복수의 자전기어(234)를 포함하여 구성될 수 있다. 따라서, 단일 동력원으로부터 웜 기어(230)를 회전시키면, 웜 휠(231)이 회전하게 되고, 웜 휠(231)의 상기 기어열(2311)에 기어 결합되는 복수의 자전기어(234)를 같은 방향으로 같은 속도로 회전시킬 수 있다. 따라서, 각각의 자전기어(234)에 결합되는 자석(100)을 같은 각도로 동시에 자전시킬 수가 있다.
이때, 각각의 자석(100) 사이의 이격 공간을 통해 광원으로부터 조사된 빛이 자석 중앙에 배치되는 액정 엘라스토머 전구체 용액에 도달시킬 수 있다.
본 발명의 권리범위는 상술한 실시예에 한정되는 것이 아니라 첨부된 특허청구범위 내에서 다양한 형태의 실시예로 구현될 수 있다. 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 변형 가능한 다양한 범위까지 본 발명의 청구범위 기재의 범위 내에 있는 것으로 본다.

Claims (14)

  1. 광경화성 반응성 메조겐(Photocurable reactive mesogen), EDDET(2,2'-(Ethylenedioxy)diethanethiol) 및 5CB(4-cyano-4-pentylbiphenyl)를 포함하는 것을 특징으로 하는 액정 엘라스토머 전구체 용액 물질.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 광경화성 반응성 메조겐은 RM257(1,4-Bis-[4-(3-acryloyloxypropyloxy)benzoyloxy]-2-methylbenzene) 또는 RM82(1,4-Bis-[4-(6-acryloyloxyhexyloxy)benzoyloxy]) 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 액정 엘라스토머 전구체 용액 물질.
  3. 제1 항에 있어서,
    상온 이상의 온도에서 상기 5CB 용액에 상기 광경화성 반응성 메조겐 분말을 용해시키고, 상온으로 식힌 후 상기 EDDET를 혼합하여 제조된 것을 특징으로 하는 액정 엘라스토머 전구체 용액 물질.
  4. 제1 항에 있어서,
    광개시제(PI: Photo-Initiator) 및 광흡수제(PA: Photo-Absorber)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 액정 엘라스토머 전구체 용액 물질.
  5. 제1 항의 액정 엘라스토머 전구체 용액 물질 주위에 배치되어 상기 액정 엘라스토머 전구체 용액 물질에 자기장을 형성시켜 액정 분자를 정렬시키는 자석;
    상기 자석을 구동시켜 자기장의 방향을 제어하는 구동부; 및
    상기 액정 엘라스토머 전구체 용액 물질에 광을 조사하여 광중합 반응에 의해 상기 액정 엘라스토머 전구체 용액 물질을 경화시키는 광원을 포함하는 것을 특징으로 하는 액정 엘라스토머 광중합 제작 장치.
  6. 제5 항에 있어서,
    상기 자석은 상기 액정 엘라스토머 전구체 용액 물질을 중심으로 한 쌍 대향 배치되는 것을 특징으로 하는 액정 엘라스토머 광중합 제작 장치.
  7. 제6 항에 있어서,
    상기 구동부는 한 쌍의 자석이 수평으로 대향 배치되는 회전 테이블; 및
    상기 회전 테이블을 회전시키는 회전 구동부를 포함하는 것을 특징으로 하는 액정 엘라스토머 광중합 제작 장치.
  8. 제7 항에 있어서,
    상기 구동부는 한 쌍의 자석 중 적어도 어느 하나를 수평 이동시켜 한 쌍의 자석 사이의 거리를 제어하는 거리 조절부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 액정 엘라스토머 광중합 제작 장치.
  9. 제5 항에 있어서,
    상기 구동부는 상기 자석을 구동시켜 상기 액정 엘라스토머 전구체 용액 물질에 형성되는 자기장의 방향을 3차원 방향으로 제어하는 것을 특징으로 하는 액정 엘라스토머 광중합 제작 장치.
  10. 제9 항에 있어서,
    상기 구동부는
    회전 테이블;
    상기 회전 테이블을 회전시키는 회전 구동부; 및
    상기 회전 테이블 상에 상기 회전 테이블의 회전축에 직교하는 축을 중심으로 원주 방향으로 배치되는 복수의 상기 자석을 자전시키는 자전 구동부를 포함하는 것을 특징으로 하는 액정 엘라스토머 광중합 제작 장치.
  11. 제10 항에 있어서,
    상기 자석은 원주 방향으로 등 간격으로 배치되는 것을 특징으로 하는 액정 엘라스토머 광중합 제작 장치.
  12. 제10 항에 있어서,
    상기 자석은 자전축이 상기 회전 테이블의 회전축에 직교하는 축에 평행하게 배치되는 것을 특징으로 하는 액정 엘라스토머 광중합 제작 장치.
  13. 제10 항에 있어서,
    상기 자전 구동부는
    동력원으로부터 동력을 전달 받아 회전하며 수평 배치되는 웜 기어;
    상기 웜 기어에 결합되어 회전하는 웜 휠; 및
    상기 웜 휠의 관통하는 홀 내측에 형성된 기어열에 기어 결합되어 자전하고, 상기 자석이 각각 결합되는 복수의 자전 기어를 포함하는 것을 특징으로 하는 액정 엘라스토머 광중합 제작 장치.
  14. 제5 항에 있어서,
    상기 광원으로부터 조사된 빛을 상기 액정 엘라스토머 전구체 용액 물질을 향하여 패턴을 형성하도록 선택적으로 반사시키는 DMD(digital micro-mirror device) 및 디지털 마스크를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 액정 엘라스토머 광중합 제작 장치.
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