WO2020180086A1 - 광변조 소자 - Google Patents

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임은정
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김진홍
이현준
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Definitions

  • the present application relates to an optical modulation device.
  • the light scattering device may mean a device that varies between a light transmission mode and a scattering mode.
  • the dynamic scattering mode may implement the light scattering mode by adding a conductive material to the nematic liquid crystal.
  • a light-transmissive mode and a dark-scattering mode can be implemented, thereby implementing a transparent bright state and an opaque and dark state.
  • the dynamic scattering mode liquid crystal cell in the absence of voltage, the liquid crystal molecules achieve a uniform vertical alignment due to the alignment force of the vertical alignment layer, and the dye stands vertically according to the alignment of the liquid crystal molecules, so light absorption is minimized. I can.
  • the liquid crystal molecules are polarized by an electric field to achieve horizontal alignment, and the conductive material generates eddy current between the two electrodes, thereby disturbing the alignment of the liquid crystal molecules. Since the dye is also oriented horizontally and the orientation is disturbed, light absorption is maximized and light scattering occurs, thus implementing a scattering mode.
  • Such a dynamic scattering device may be used as a light shielding plate for a transparent display such as an OLED (Organic Light Emitting Device) or a screen such as a projector.
  • a transparent display such as an OLED (Organic Light Emitting Device) or a screen such as a projector.
  • OLED Organic Light Emitting Device
  • a screen such as a projector.
  • the transmittance exceeds 10%, the rear image can be blocked, but the brightness of the black color decreases to gray, so the brightness of the second display decreases very much.
  • CR contrast ratio
  • the present application provides an optical modulation device capable of changing between a bright transparent mode and a dark scattering mode and improving contrast ratio and haze variable characteristics without precipitation of a dichroic dye and an increase in power consumption.
  • the present application relates to an optical modulation device.
  • the optical modulation device may include an optical modulation layer.
  • the term light modulation device or light modulation layer may mean a device or layer having a function of blocking or transmitting light according to the application of external energy, for example, whether or not external energy is applied. .
  • the optical modulation device may switch between a blocking state and a transmissive state according to the application of external energy.
  • the blocking state means a state in which the total transmittance is relatively low (hereinafter, it may be referred to as a dark state) and/or a state in which the haze is relatively high (hereinafter, it may be referred to as a scattering state).
  • the transmission state means a state in which the total transmittance is relatively high (hereinafter, it may be referred to as a bright state) and/or a state in which the haze is relatively low (hereinafter, it may be referred to as a transparent state). I can.
  • the optical modulation device may include a first optical modulation layer and a second optical modulation layer.
  • the first light modulation layer and the second light modulation layer may be included in a state of overlapping each other. Accordingly, light transmitted through the first optical modulation layer may be incident on the second optical modulation layer, and conversely, light transmitted through the second optical modulation layer may be incident on the first optical modulation layer.
  • 1 is a diagram schematically showing states of a first optical modulation layer 100 and a second optical modulation layer 200 overlapping each other as described above. This structure may be referred to as a double cell structure in this specification.
  • Each of the first light modulation layer and the second light modulation layer may be a haze variable layer.
  • the haze variable layer may be switched between a first state and a second state having different haze according to the application of external energy, and the difference between the haze of the first state and the second state is 10% or more, 20% or more, It may mean a layer of 30% or more, 40% or more, 50% or more, 60% or more, 70% or more, or 80% or more.
  • Each of the first light modulation layer and the second light modulation layer may be a variable transmittance layer.
  • the transmittance variable layer can be switched between the third state and the fourth state in which the total transmittance is different according to the application of external energy, and the difference between the total transmittance of the third state and the fourth state is 20% or more and 25% or more. , It may mean a layer of 30% or more or 40% or more.
  • the first light modulation layer and the second light modulation layer may be in a bright state and a transparent state when a voltage is not applied, and may be in a dark state and a scattering state when a voltage is applied.
  • An optical modulation device including the first light modulation layer and the second light modulation layer may also be in a bright state and a transparent state when a voltage is not applied, and may be in a dark state and a scattering state when a voltage is applied.
  • the first light modulation layer and the second light modulation layer may have a total transmittance of 50% or more, and a haze of 20% or less, 15% or less, or 10% or less when no voltage is applied, respectively.
  • the total transmittance when a voltage is applied to each of the first and second light modulation layers, for example, when a voltage of 60V is applied, the total transmittance may be 20% or less, and the haze is 80. May be more than %.
  • the contrast ratio and The haze variable characteristic can be improved.
  • the optical modulation device may have a contrast ratio (CR) of 10 or more calculated by Equation 1 below.
  • T(0V) is the total transmittance (%) of the optical modulation device in the state where no voltage is applied to the first and second optical modulation layers, respectively
  • T(60V) is the first optical modulation layer. It is the total transmittance (%) of the optical modulation device in a state in which a voltage of 60V is applied to each of the and second optical modulation layers.
  • the light modulation device may have a haze difference ( ⁇ H) of 50% or more calculated by Equation 2 below.
  • the haze difference may be 50% or more, 60% or more, 70% or more, 80% or more, or 82% or more.
  • H(0V) is the haze (%) of the optical modulation device in the state in which no voltage is applied to the first and second optical modulation layers
  • H(60V) is the first optical modulation layer and It is the haze (%) of the optical modulation device in a state in which a voltage of 60V is applied to each of the second optical modulation layers.
  • the content may be applicable to both the first optical modulation layer and the second optical modulation layer unless otherwise specified.
  • Each of the first light modulation layer and the second light modulation layer may be a liquid crystal layer including a nematic liquid crystal.
  • the nematic liquid crystal may refer to a liquid crystal having a liquid crystal phase in which directors of liquid crystal molecules are aligned in a predetermined direction, but without forming a layered structure or a planar structure.
  • a non-reactive liquid crystal compound can be used in that the orientation of the liquid crystal can be changed by applying an external action such as a voltage.
  • the non-reactive liquid crystal compound may mean a liquid crystal compound that does not have a reactive group, for example, a polymerizable group or a crosslinkable group.
  • the polymerizable group or crosslinkable group may include an acryloyl group, an acryloyloxy group, a methacryloyl group, a methacryloyloxy group, a carboxyl group, a vinyl group, an epoxy group, etc., but is not limited thereto, and polymerization Known reactive functional groups known as sexual or crosslinkable groups may be included.
  • the dielectric anisotropy of the nematic liquid crystal may be appropriately selected within a range not impairing the object of the present application.
  • the term "dielectric anisotropy ( ⁇ )” refers to the difference ( ⁇ // - ⁇ ⁇ ) between the horizontal permittivity ( ⁇ // ) and the vertical permittivity ( ⁇ ⁇ ) of a liquid crystal.
  • ⁇ horizontal permittivity ( ⁇ // )'' refers to a dielectric constant value measured along the direction of the electric field while applying a voltage so that the direction of the electric field due to the applied voltage and the optical axis of the liquid crystal is substantially horizontal.
  • vertical permittivity ( ⁇ ⁇ ) refers to a dielectric constant value measured along the direction of the electric field while applying a voltage so that the direction of the electric field by the applied voltage is substantially perpendicular to the optical axis of the liquid crystal.
  • the dielectric anisotropy ( ⁇ ) of the nematic liquid crystal may be negative.
  • the absolute value of the dielectric anisotropy ( ⁇ ) of the nematic liquid crystal may be in the range of about 1 to 20, for example.
  • the lower limit of the absolute value of the dielectric anisotropy ( ⁇ ) of the nematic liquid crystal may be 1 or more, 2 or more, or 3 or more, and the upper limit of the absolute value of the dielectric anisotropy ( ⁇ ) of the nematic liquid crystal is 20 or less and 18 or less , 16 or less, 14 or less, 12 or less, 10 or less, 8 or less, or 6 or less.
  • the dielectric anisotropy of the nematic liquid crystal satisfies the above range, it can be driven with a low driving voltage and exhibit excellent haze characteristics, which is advantageous for realizing a liquid crystal cell that switches between a transparent mode and a scattering mode. .
  • the refractive index anisotropy of the nematic liquid crystal may be appropriately selected in consideration of target physical properties, for example, haze characteristics of a light modulation device.
  • the term "refractive index anisotropy" may mean a difference between an extraordinary refractive index and a normal refractive index of a liquid crystal.
  • the refractive index anisotropy of the liquid crystal may be, for example, 0.1 or more, 0.12 or more, or 0.15 or more, and may be in a range of 0.3 or less, 0.25 or less, or 0.23 or less.
  • an optical modulation device having excellent haze characteristics may be implemented.
  • Each of the first light modulation layer and the second light modulation layer may further include a dichroic dye.
  • the dichroic dye may cause the light modulation layer or the light modulation element to exhibit variable characteristics with respect to the total transmittance according to the application of an external voltage.
  • the term “dye” may refer to a material capable of intensively absorbing and/or modifying light in at least a part or the entire range in a visible light region, for example, 400 nm to 700 nm wavelength range
  • the term “anisotropic dye” may mean a material capable of anisotropic absorption of light in at least a part or the entire range of the visible light region.
  • the dichroic dye for example, a known dye known to have a property that can be aligned according to the alignment state of the liquid crystal compound by a so-called host guest effect can be selected and used.
  • black dye can be used, for example.
  • Such dyes are known as, for example, azo dyes or anthraquinone dyes, but are not limited thereto.
  • Dichroic dyes have a dichroic ratio, that is, a value obtained by dividing the absorption of polarized light parallel to the long axis direction of the anisotropic dye by the absorption of polarized light parallel to the direction perpendicular to the long axis direction is 5 or more, 6 or more, or 7 or more. Dyes can be used. The dye may satisfy the dichroic ratio in at least some wavelengths or in any one wavelength within a wavelength range of a visible light region, for example, in a wavelength range of about 380 nm to 700 nm or about 400 nm to 700 nm. The upper limit of the dichroic ratio may be, for example, 20 or less, 18 or less, 16 or less, or about 14 or less.
  • the ratio of the dichroic dye in the light modulation layer may be selected in consideration of a variable characteristic of a desired contrast ratio or transmittance. Increasing the concentration of the dichroic dye can improve the contrast ratio, but if the concentration of the dichroic dye is too high, the precipitation of the dye is concerned. If the transmittance plot by concentration is performed, the decrease in the transmittance of the scattering mode increases as the concentration of the dye increases. It tends to go down.
  • the ratio of the dichroic dye is 5 wt% or less, 4 wt% or less, 3 wt% or less, 2.5 wt% or less, 2 wt% or less, or 1.5 wt% or less
  • the lower limit of the content of the dichroic dye may be, for example, 0.01 wt% or more or 0.1 wt% or more.
  • the concentration (wt%) of the dichroic dye may be a value obtained as a percentage of the weight of the dichroic dye to the weight of the nematic liquid crystal and the conductive additive. .
  • Each of the first light modulation layer and the second light modulation layer may further include a conductive additive.
  • the conductive additive may cause the light modulation layer or the light modulation device to exhibit variable characteristics with respect to haze according to the application of an external voltage.
  • the conductive additive may function to implement electro hydro dynamic instability (EHDI) characteristics in the liquid crystal layer by increasing the conductivity of the liquid crystal layer.
  • Scattering may occur when an AC voltage is applied in a vertical direction to a liquid crystal layer including a conductive additive and a nematic liquid crystal. Specifically, when an electric field is applied in a direction perpendicular to the substrate of the liquid crystal layer, the liquid crystal molecules are laid horizontally due to negative dielectric anisotropy, and the conductive additive and the dichroic dye are also laid down. At this time, the mobility of impurity ions to the AC voltage increases due to the high conductivity of the conductive additive, so that strong tremors are given to the lying liquid crystal molecules.
  • the physical vibration of molecules means the vibration of the refractive index of light, which can cause light scattering. This type of scattering mode may be referred to as a dynamic scattering mode.
  • the conductive additive may be a highly conductive compound.
  • the electrical conductivity of the conductive additive may be in the range of 2 ⁇ 10 -4 uS/cm to 5 ⁇ 10 -3 uS/cm, for example. This range of electrical conductivity may be suitable for implementation of the dynamic scattering mode.
  • liquid crystal monomer may mean a compound including a moiety capable of displaying liquid crystallinity, for example, a mesogen skeleton and including at least one reactive functional group. Such a liquid crystal monomer may be referred to as a reactive mesogen to be described later.
  • liquid crystal single molecule may refer to a compound that includes a moiety capable of showing liquid crystallinity, for example, a mesogen skeleton, but does not contain a reactive functional group.
  • the types of conductive additives for implementing the dynamic scattering mode are known, and for example, ionic impurities, ionic liquids, salts, initiators, and the like may be used.
  • ionic impurity for example, TEMPO (2,2,6,6-Tetramethylpiperidine-1-Oxyl Free radical) may be used, and as an ionic liquid, for example, BMIN-BF4 ([1-butyl-3- methylimideazolium]BF4), etc.
  • CTAB Cosmetic Acid
  • CTAI Cosmetic Acid Iodide
  • CTAI 3 Cosmetic Acid triiodide
  • TPO 2,4,6-Trimethylbenzoyl-diphenyl-phosphineoxide
  • a reactive mesogen may be used as the conductive additive.
  • a conductive additive reactive mesogen can secure solubility in a nematic liquid crystal medium, so if necessary, a larger amount of reactive mesogen can be freely used compared to ionic compounds used as conventional additives, thereby manufacturing a liquid crystal cell. You can increase the degree of freedom in doing.
  • the reactive mesogen may be a compound including a mesogen skeleton and at least one reactive functional group.
  • the reactive functional group for example, a polymerizable functional group or a crosslinkable functional group may be exemplified.
  • the reactive mesogen may exist in an unreacted state, that is, in a state in which polymerization is not performed, in the liquid crystal layer, and if necessary, at least part of the reactive mesogen may be polymerized.
  • the reactive mesogen may include a polyfunctional reactive mesogen or a monofunctional reactive mesogen.
  • polyfunctional reactive mesogen may mean a compound including two or more reactive functional groups among the mesogens.
  • the multifunctional reactive mesogen is 2 to 10, 2 to 8, 2 to 6, 2 to 5, 2 to 4, 2 to 3 or 2 reactive functional groups.
  • the term "monofunctional reactive mesogen” may mean a compound including one reactive functional group among the mesogens.
  • the reactive mesogen may be, for example, a compound represented by Formula 1 below.
  • P is a (meth) acrylate group, a carboxyl group, a hydroxy group, a vinyl group, an epoxy group or a nitro group,
  • X is a single bond, a substituted or unsubstituted C 1 to C 10 alkylene group or a substituted or unsubstituted C 1 to C 10 alkoxyylene group,
  • L is a single bond, a substituted or unsubstituted alkylene group having 1 to 10 carbon atoms, a substituted or unsubstituted alkenylene group having 1 to 10 carbon atoms, a substituted or unsubstituted alkynylene group having 1 to 10 carbon atoms, a substituted or unsubstituted Alkoxyl group having 1 to 10 carbon atoms, -O- or -COO-,
  • Y is hydrogen, halogen, cyano group, substituted or unsubstituted alkyl group having 1 to 10 carbon atoms, or cyano group, halogen and alkenyl group substituted or unsubstituted with one or more substituents selected from the group consisting of 1 to 10 carbon atoms It is an alkoxy group.
  • the conductive additive or reactive mesogen may be included in a ratio of 0.1 to 30 parts by weight based on 100 parts by weight of the nematic liquid crystal.
  • the conductive additive or reactive mesogen is 0.1 parts by weight or more, 1 part by weight or more, 2 parts by weight or more, 3 parts by weight or more, 4 parts by weight or more, 5 parts by weight or more, 6 parts by weight based on 100 parts by weight of the nematic liquid crystal In a ratio of more than, 7 parts by weight, 8 parts by weight or more, 9 parts by weight or more, or 10 parts by weight or more, 30 parts by weight or less, 28 parts by weight or less, 26 parts by weight or less, 24 parts by weight or less, 22 parts by weight or less, It may be included in a ratio of 20 parts by weight or less, 18 parts by weight or less, 16 parts by weight or less, 14 parts by weight or less, or 12 parts by weight or less.
  • the light modulation layer may not contain an ionic compound, for example, the aforementioned ionic liquid or salt.
  • an ionic compound is widely known as an additive for controlling the conductivity of a liquid crystal layer, but such an ionic compound has poor solubility in a host liquid crystal and may deteriorate the physical properties of the liquid crystal layer. Accordingly, the proportion of the ionic compound in the light modulation layer may be 2% by weight or less, 1.5% by weight or less, 1% by weight or less, or about 0.7% by weight or less. Since the ionic compound is an optional component, the lower limit of the ratio is 0% by weight.
  • the conductivity of the liquid crystal layer may be, for example, a horizontal conductivity of 1.0 ⁇ 10 -4 ⁇ S/cm or more. If the liquid crystal layer is adjusted to exhibit such a range of horizontal conductivity, it may be suitable for implementing a dynamic scattering mode.
  • the horizontal conductivity of the liquid crystal layer is 2.0 ⁇ 10 -4 ⁇ S/cm or more, 3.0 ⁇ 10 -4 ⁇ S/cm or more, 4.0 ⁇ 10 -4 ⁇ S/cm or more, 5.0 ⁇ 10 -4 ⁇ S/cm or more in other examples.
  • the horizontal conductivity is 5.0 ⁇ 10 -2 ⁇ S/cm or less, 3.0 ⁇ 10 -2 ⁇ S/cm or less, 1.0 ⁇ 10 -2 ⁇ S/cm or less, 9.0 ⁇ 10 -3 ⁇ S/cm or less, 7.0 ⁇ 10 It may be -3 ⁇ S/cm or less, 5.0 ⁇ 10 -3 ⁇ S/cm or less, 3.0 ⁇ 10 -3 ⁇ S/cm or less, or 2.5 ⁇ 10 -3 ⁇ S/cm or less.
  • the vertical conductivity to be described later is also the conductivity measured while applying a voltage to the liquid crystal layer, and the voltage is applied so that the optical axis of the liquid crystal layer and the direction of the electric field by the applied voltage are substantially vertical. It may be a value measured along the direction.
  • the measurement frequency of the voltage applied above may be 60 Hz, and the measurement voltage may be 0.5V.
  • the optical axis of the liquid crystal layer may be determined according to the type of the liquid crystal compound.
  • the optical axis of the liquid crystal layer may mean the direction of the major axis in a state in which the liquid crystal compounds included in the liquid crystal layer are aligned.
  • the horizontal conductivity is in the state where a voltage is applied so that an electric field is formed along the thickness direction of the liquid crystal layer. It may be the conductivity measured along the thickness direction.
  • the vertical conductivity is determined by applying a voltage so that an electric field is formed in the liquid crystal layer in the thickness direction. It may be the conductivity measured in the thickness direction.
  • the vertical or horizontal conductivity is applied to each of the above methods while the measurement frequency of the voltage applied to the liquid crystal layer is 60 Hz and the voltage is 0.5 V, as described above. Accordingly, the conductivity measured at room temperature may be a value converted into a value indicated by a liquid crystal layer having an area of 1 cm 2 (width: 1 cm, length: 1 cm) and a thickness of 1 cm.
  • Formulas applied to the conversion are as shown in Formulas 1 to 3 below.
  • Equations 1 to 3 C is the horizontal or vertical conductivity, ⁇ is the specific resistance of the liquid crystal layer, CR is the measured value of the horizontal or vertical conductivity, R is the resistance of the liquid crystal layer, D is the thickness of the liquid crystal layer, and A is It is the area of the liquid crystal layer.
  • the conductivity in the present application is 1 cm 2 (width: 1 cm, length: 1 cm), and the conductivity at room temperature measured under the conditions of a measurement frequency of 60 Hz and a measurement voltage of 0.5 V, unless otherwise specified otherwise, Is a value converted into a value indicated by a liquid crystal layer having 1 cm, and the conductivity can be measured according to the manufacturer's manual using a measuring device (LCR meter, Aglient (manufactured by Aglient), E4980A).
  • the corresponding physical property is a value measured at room temperature, unless otherwise specified.
  • room temperature in the above is a natural temperature that is not heated or reduced, It may mean any temperature in the range of about 10°C to 30°C, for example, about 23°C or about 25°C.
  • the ratio (PC/VC) of the vertical conductivity (VC) of the liquid crystal layer and the horizontal conductivity (PC) of the liquid crystal layer is about 0.2 or more, about 0.25 or more, about 0.3 or more, about 0.35 or more, about 0.4 or more, about 0.45 or more , About 0.5 or more, about 0.55 or more, about 0.6 or more, about 0.65 or more, or about 0.7 or more.
  • the ratio (PC/VC) may be about 2.5 or less, about 2.0 or less, about 1.5 or less, or about 1.0 or less.
  • the ratio (VC/PC) of the horizontal conductivity (PC) of the liquid crystal layer and the vertical conductivity (VC) of the liquid crystal layer is about 2.0 or less, about 1.9 or less, about 1.8 or less, about 1.7 or less, about 1.6 or less, about 1.5 or less , About 1.4 or less, about 1.3 or less, about 1.2 or less, about 1.1 or less, or about 1.0 or less.
  • the ratio (VC/PC) may be about 0.5 or more, about 0.3 or more, about 0.2 or more, or about 0.1 or more.
  • Conductivity (PC, VC) as described above may also be adjustable by appropriate addition of the above-described additives. If the ratio of conductivity (VC/PC and/or PC/VC) is adjusted as described above, it may be advantageous in terms of driving efficiency of a liquid crystal device.
  • the thicknesses of the first light modulation layer and the second light modulation layer may be 4 ⁇ m or more, 6 ⁇ m or more, 8 ⁇ m or more, or 10 ⁇ m or more, respectively. If the concentration of the dichroic dye is constant, the thicker the light modulation layer, the higher the contrast ratio can be. However, if the thickness is too thick, a problem of increasing power consumption may occur as the applied voltage increases significantly, and even if the dye is reduced according to the increased cell gap, the variable rate may be limited. In consideration of this point, the thickness may be, for example, about 25 ⁇ m or less.
  • the first light modulation layer and the second light modulation layer may switch between a uniaxial alignment state and a random alignment state according to the application of external energy.
  • the uniaxial orientation state may be, for example, a vertical orientation state.
  • the first light modulation layer and the second light modulation layer may include a nematic liquid crystal and a dichroic dye aligned in one direction in a state in which no voltage is applied.
  • the first light modulation layer and the second light modulation layer may each include a nematic liquid crystal and a dichroic dye in a vertically aligned state when no voltage is applied.
  • the vertical alignment state refers to a state in which the angle formed by the optical axis of the liquid crystal molecules with respect to the liquid crystal layer and the horizontal plane is about 70 degrees to 90 degrees, 75 degrees to 90 degrees, 80 degrees to 90 degrees, or 85 degrees to 90 degrees. can do.
  • the horizontal alignment state may mean a state in which the angle formed with respect to the liquid crystal layer and the horizontal plane is about 0 degrees to 20 degrees, 0 degrees to 15 degrees, 0 degrees to 10 degrees, or 0 degrees to 5 degrees.
  • the optical modulation device may further include a first substrate and a second substrate disposed opposite to both sides of the first light modulation layer, and a third and fourth substrate disposed opposite to both sides of the second light modulation layer.
  • Each of the first substrate, the second substrate, the third substrate, and the fourth substrate may sequentially include a base layer, an electrode layer, and an alignment layer.
  • the first light modulation layer may be adjacent to the alignment layer of the first substrate and the alignment layer of the second substrate.
  • the second light modulation layer may be adjacent to the alignment layer of the third substrate and the alignment layer of the fourth substrate.
  • a structure including a first substrate, a first optical modulation layer, and a second substrate may be referred to as a first liquid crystal cell, and a structure including a third substrate, a second optical modulation layer, and a fourth substrate may be referred to as a second liquid crystal cell. It can be called as.
  • an optical modulation device having two liquid crystal cells may be referred to as an optical modulation device having a double cell structure.
  • the first liquid crystal cell and the second liquid crystal cell may be attached through an adhesive or an adhesive.
  • the second substrate of the first liquid crystal cell and the third substrate of the second liquid crystal cell may be attached to each other through the pressure-sensitive adhesive or adhesive.
  • a known transparent adhesive used to attach an optical element may be used, for example, OCA (Optically clear adhesive) or OCR (Optically clear adhesive) may be used, but is not limited thereto.
  • OCA Optically clear adhesive
  • OCR Optically clear adhesive
  • the pressure-sensitive adhesive or adhesive an acrylic, silicone-based, epoxy-based pressure-sensitive adhesive or adhesive may be used, but is not limited thereto.
  • the base layer a known material may be used without particular limitation.
  • a glass substrate, a silicone substrate, or a plastic film substrate can be used.
  • the substrate may be an optically isotropic substrate or an optically anisotropic substrate having a retardation value.
  • the base layer may be provided with a coating layer of a silicon compound such as gold, silver, silicon dioxide or silicon monoxide, or a coating layer such as an antireflection layer, if necessary.
  • TAC triacetyl cellulose
  • COP cycloolefin copolymer
  • PMMA poly(methyl methacrylate); PC(polycarbonate); PE(polyethylene); PP(polypropylene)) PVA(polyvinyl alcohol); DAC(diacetyl cellulose); Pac(Polyacrylate); PES(poly ether sulfone); PEEK(polyetheretherketon) ); PPS (polyphenylsulfone), PEI (polyetherimide); PEN (polyethylenemaphthatlate); PET (polyethyleneterephtalate); PI (polyimide); PSF (polysulfone); PAR (polyarylate) or amorphous fluororesin, etc. It is not limited thereto.
  • the substrate layers included in the first substrate, the second substrate, the third substrate, and the fourth substrate may each independently be a glass substrate or a plastic film substrate.
  • the substrate layers included in the first substrate, the second substrate, the third substrate, and the fourth substrate may be referred to as a first substrate layer, a second substrate layer, a third substrate layer, and a fourth substrate layer, respectively.
  • the first substrate layer, the second substrate layer, the third substrate layer, and the fourth substrate layer may all be glass substrates.
  • the first base layer, the second base layer, the third base layer, and the fourth base layer may all be a plastic film base.
  • the first substrate layer and the second substrate layer may be a glass substrate, and the third and fourth substrate layers may be a plastic film substrate.
  • the first base layer and the second base layer may be a plastic film base, and the third base layer and the fourth base layer may be a glass base.
  • Each of the electrode layers included in the first substrate, the second substrate, the third substrate, and the fourth substrate may apply an electric field to the liquid crystal layer so as to switch the alignment of liquid crystal molecules in the liquid crystal layer.
  • the electrode layer may be formed by depositing a conductive polymer, a conductive metal, a conductive nanowire, or a metal oxide such as ITO (Indium Tin Oxide).
  • the electrode layer may be formed to have transparency. In this field, various materials and methods for forming a transparent electrode layer are known, and all of these methods can be applied. If necessary, the electrode layer formed on the surface of the substrate may be appropriately patterned.
  • Each of the alignment layers included in the first substrate, the second substrate, the third substrate, and the fourth substrate may be a vertical alignment layer.
  • the vertical alignment layer any alignment layer having a vertical alignment ability with respect to liquid crystal molecules in an adjacent liquid crystal layer may be selected and used without particular limitation.
  • an alignment layer for example, an alignment layer known to be capable of exhibiting alignment characteristics by a non-contact method such as irradiation of linearly polarized light including a contact alignment layer or a photo alignment layer compound, such as a rubbing alignment layer, may be used.
  • the light modulation device can be applied to various applications requiring a light modulation function, for example, a smart window, a window protective film, a flexible display device, a light shielding plate for a transparent display, or a screen application such as a projector.
  • a light modulation function for example, a smart window, a window protective film, a flexible display device, a light shielding plate for a transparent display, or a screen application such as a projector.
  • the transparent display can be, for example, an OLED.
  • the optical modulation device of the present application may change between a bright transparent mode and a dark scattering mode, and improve contrast ratio and haze variable characteristics without precipitation of dichroic dyes and an increase in power consumption.
  • FIG 1 shows an optical modulation device of the present application by way of example.
  • haze and transmittance according to voltage application were measured according to ASTM D1003 standard using a haze meter (NDH-5000SP). The voltage was applied using the equipment of NF's EC1000S model, AC power was connected to the upper and lower ITO layers, and a voltage of 0 to 70 Vrms was applied at a frequency of 60 Hz with a square wave type voltage.
  • DT meaning the sum of all the diffused light
  • PT parallel light
  • PT excluding diffused light
  • TT The total transmitted light (TT) by the above process is the sum (DT+PT) of the diffused light (DT) and the parallel light (PT)
  • the total transmittance means the total transmitted light (TT).
  • a PET-ITO film (Hansung Co., Ltd.) having a thickness of 50 ⁇ m in which an ITO (Indium Tin Oxide) layer was formed on a PET (polyethylene terephthalate) film was prepared.
  • a release film made of PET is attached to the PET side of the PET-ITO film as a protective film.
  • a nematic liquid crystal HNG726200-100, HCCH company, dielectric anisotropy: -4.0, refractive index anisotropy: 0.225
  • conductive additive 0.4 g of the following formula A
  • dichroic dye X12, BASF company
  • the concentration of the dichroic dye may be a percentage of the weight of the dichroic dye with respect to the total weight of the nematic liquid crystal and the conductive additive, and the concentration of the dichroic dye is 1.5 wt%.
  • a single cell structure optical modulation device was manufactured in the same manner as in Comparative Example 1, except that the cell gap size and the dye concentration were changed as shown in Tables 1 to 4 below.
  • the CR value increases as the cell gap decreases, but a CR of 10 or more cannot be obtained.
  • the concentration of the dichroic dye must be 5 wt% or more, and the cell gap must be lowered to 8 ⁇ m or less.
  • this may cause a problem of deposition of the dye (the saturation concentration of the dye is about 3 w% for the host liquid crystal), and a problem of fairness due to a decrease in the cell gap may be caused.
  • a single cell optical modulation device was manufactured in the same manner as in Comparative Example 1, except that the size of the cell gap was set to 10 ⁇ m and the concentration of the dichroic dye was changed to 1.71 wt%.
  • a single cell optical modulation device was manufactured in the same manner as in Comparative Example 1, except that the size of the cell gap was set to 8 ⁇ m and the concentration of the dichroic dye was changed to 2.2 wt%.
  • a first liquid crystal cell and a second liquid crystal cell were manufactured in the same manner as in Comparative Example 1, except that the size of the cell gap was set to 10 ⁇ m and the concentration of the dichroic dye was changed to 1.71 wt%.
  • an optical modulation device having a double cell structure was manufactured.
  • a first liquid crystal cell and a second liquid crystal cell were manufactured in the same manner as in Comparative Example 1, except that the size of the cell gap was set to 8 ⁇ m and the concentration of the dichroic dye was changed to 2.2 wt%.
  • an optical modulation device having a double cell structure was manufactured.
  • a first liquid crystal cell was manufactured in the same manner as in Comparative Example 1, except that the size of the cell gap was set to 10 ⁇ m and the concentration of the dichroic dye was changed to 1.71 wt%.
  • a second liquid crystal cell was manufactured in the same manner as in Comparative Example 1, except that the size of the cell gap was set to 8 ⁇ m and the concentration of the dichroic dye was changed to 2.2 wt%.
  • a first liquid crystal cell was manufactured in the same manner as in Comparative Example 1, except that the size of the cell gap was set to 10 ⁇ m and the concentration of the dichroic dye was changed to 1.71 wt%.
  • a second liquid crystal cell was manufactured in the same manner as in Comparative Example 1, except that the size of the cell gap was set to 12 ⁇ m and the concentration of the dichroic dye was changed to 1 wt%.

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Abstract

본 출원은 광변조 소자에 관한 것이다. 본 출원의 광변조 소자는 밝은 투명 모드와 어두운 산란 모드의 사이를 가변할 수 있고, 이색성 염료의 석출 및 소비 전력의 상승 없이, 명암비와 헤이즈 가변 특성을 향상시킬 수 있다.

Description

광변조 소자
본 출원은 광변조 소자에 관한 것이다.
본 출원은 2019년 3월 7일자 한국 특허 출원 제10-2019-0026114호에 기초한 우선권의 이익을 주장하며, 해당 한국 특허 출원의 문헌에 개시된　모든 내용은 본 명세서의 일부로서 포함된다.
광 산란 소자는 빛의 투과 모드와 산란 모드의 사이를 가변하는 소자를 의미할 수 있다. 예를 들어, 동적 산란(dynamic scattering) 모드는 네마틱 액정에 전도성 물질을 첨가함으로써 광 산란 모드를 구현할 수 있다.
동적 산란 모드의 액정 조성물에 이색성 흡수를 갖는 염료를 첨가하면 명-투과 모드와 암-산란 모드를 구현하여 투명하게 밝은 상태와 불투명하고 어두운 상태를 구현할 수 있다. 동적 산란 모드 액정셀은 전압이 없는 상태에서는 수직 배향막의 배향력으로 인해 액정 분자들은 균일한 수직 배향을 이루며, 액정 분자의 배향에 따라 염료도 수직으로 서기 때문에 광 흡수가 최소가 되므로 투과 모드를 구현할 수 있다. 상기 액정셀에 교류 전압을 인가하면 액정 분자들은 전기장에 의해 분극이 발생되어 수평 배향을 이루게 되며, 전도성 물질은 두 전극 사이에서 와류를 발생시키며 액정 분자의 배향성을 흐트리게 된다. 염료도 수평으로 배향하며 배향이 흐트러지기 때문에 광 흡수가 최대가 되어 광 산란이 발생되어 산란 모드를 구현할 수 있다.
이러한 동적 산란 소자는 OLED(Organic light emitting device)와 같은 투명 디스플레이의 차광판이나 프로젝터(projector) 등의 스크린(screen)의 용도로 사용될 수 있다. 그러나 광 산란 모드에서 투과율이 10% 이상이 되면 뒤의 이미지를 차단할 수 있지만 검은색의 명도가 회색으로 떨어지게 되므로, second display의 명도가 매우 떨어지게 된다. 이를 해결하기 위하여, 광 산란 소자의 투과율을 더 어둡게 할 수 있는 명암비(CR, contrast ratio)를 개선하는 노력이 필요하다(특허문헌 1: 대한민국 특허공개공보 제2014-0070480호).
본 출원은 밝은 투명 모드와 어두운 산란 모드의 사이를 가변할 수 있고, 이색성 염료의 석출 및 소비 전력의 상승 없이, 명암비와 헤이즈 가변 특성을 향상시킬 수 있는 광변조 소자를 제공한다.
본 출원은 광변조 소자에 관한 것이다. 상기 광변조 소자는 광변조층을 포함할 수 있다. 본 출원에서 용어 광변조 소자 내지 광변조층은 외부 에너지의 인가에 따라, 예를 들어, 외부 에너지의 인가 유무에 따라, 광을 차단 또는 투과할 수 있는 기능을 갖는 소자 내지 층을 의미할 수 있다.
상기 광변조 소자는 외부 에너지의 인가에 따라, 차단 상태와 투과 상태의 사이를 스위칭할 수 있다. 상기 차단 상태는 전체 투과율이 상대적으로 낮은 상태(이하, 암(暗) 상태로 호칭할 수 있다.) 및/또는 헤이즈가 상대적으로 높은 상태(이하, 산란 상태로 호칭할 수 있다.)를 의미할 수 있다. 상기 투과 상태는 전체 투과율이 상대적으로 높은 상태(이하, 명(明) 상태로 호칭할 수 있다.) 및/또는 헤이즈가 상대적으로 낮은 상태(이하, 투명 상태로 호칭할 수 있다.)를 의미할 수 있다.
상기 광변조 소자는 제 1 광변조층과 제 2 광변조층을 포함할 수 있다. 상기 제 1 광변조층과 제 2 광변조층은 서로 중첩하여 배치된 상태로 포함되어 있을 수 있다. 이에 따라서 상기 제 1 광변조층을 투과한 광은 제 2 광변조층으로 입사될 수 있고, 반대로 제 2 광변조층을 투과한 광도 제 1 광변조층으로 입사될 수 있다. 도 1은, 상기와 같이 서로 중첩되어 있는 제 1 광변조층(100) 및 제 2 광변조층(200)의 상태를 모식적으로 나타낸 도면이다. 이러한 구조는 본 명세서에서 더블셀(double cell) 구조로 호칭될 수 있다.
제 1 광변조층과 제 2 광변조층은 각각 헤이즈 가변층일 수 있다.
본 출원에서 헤이즈 가변층은 외부 에너지 인가에 따라 헤이즈가 상이한 제 1 상태와 제 2 상태의 사이에서 스위칭될 수 있고, 제 1 상태와 제 2 상태의 헤이즈의 차이가 10% 이상, 20% 이상, 30% 이상, 40% 이상, 50% 이상, 60% 이상, 70% 이상 또는 80% 이상인 층을 의미할 수 있다.
제 1 광변조층과 제 2 광변조층은 각각 투과율 가변층일 수 있다.
본 출원에서 투과율 가변층은 외부 에너지 인가에 따라 전체 투과율이 상이한 제 3 상태와 제 4 상태 사이에서 스위칭될 수 있고, 제 3 상태와 제 4 상태의 전체 투과율의 차이가 20% 이상, 25% 이상, 30% 이상 또는 40% 이상인 층을 의미할 수 있다.
제 1 광변조층과 제 2 광변조층은 각각 전압이 인가되지 않은 상태에서 명 상태이면서 투명 상태일 수 있고, 전압이 인가된 상태에서 암 상태이면서 산란 상태일 수 있다.
상기 제 1 광변조층과 제 2 광변조층을 포함하는 광 변조 소자도 전압이 인가되지 않은 상태에서 명 상태이면서 투명 상태일 수 있고, 전압이 인가된 상태에서 암 상태이면서 산란 상태일 수 있다.
하나의 예시에서, 제 1 광변조층과 제 2 광변조층은 각각 전압이 인가되지 않은 상태에서 전체 투과율이 50% 이상일 수 있고, 헤이즈는 20% 이하, 15% 이하 또는 10% 이하일 수 있다.
하나의 예시에서, 제 1 광변조층과 제 2 광변조층은 각각 전압이 인가된 상태에서, 예를 들어, 60V의 전압이 인가된 상태에서, 전체 투과율이 20% 이하일 수 있고, 헤이즈는 80% 이상일 수 있다.
본 출원에서는, 이러한 전기광학 특성을 갖는 제 1 광변조층과 제 2 광변조층을 중첩 배치함으로써, 밝은 투명 모드와 어두운 산란 모드의 사이를 가변할 수 있는 광 변조 소자를 제공하면서, 명암 비와 헤이즈 가변 특성을 향상시킬 수 있다.
상기 광변조 소자는 하기 수식 1로 계산되는 명암 비(CR)가 10 이상일 수 있다.
[수식 1]
CR = T(0V)/T(60V)
수식 1에서 T(0V)는 제 1 광변조층과 제 2 광변조층에 각각 전압이 인가되지 않은 상태에서의 광변조 소자의 전체 투과율(%)이고, T(60V)는 제 1 광변조층과 제 2 광변조층에 각각 60V의 전압이 인가된 상태에서의 광변조 소자의 전체 투과율(%)이다.
상기 광변조 소자는 하기 수식 2로 계산되는 헤이즈 차이(△H)가 50% 이상일 수 있다. 상기 헤이즈 차이는 50% 이상, 60% 이상, 70% 이상, 80% 이상 또는 82% 이상일 수 있다.
[수식 2]
△H = H(60V) - H(0V)
수식 2에서 H(0V)는 제 1 광변조층과 제 2 광변조층에 각각 전압이 인가되지 않은 상태에서의 광변조 소자의 헤이즈(%)이고, H(60V)는 제 1 광변조층과 제 2 광변조층에 각각 60V의 전압이 인가된 상태에서의 광변조 소자의 헤이즈(%)이다.
본 명세서에서 광 변조층에 대해 설명하면서, 특별한 언급이 없는 한, 제 1 광변조층과 제 2 광변조층에 모두 적용될 수 있는 내용일 수 있다.
상기 제 1 광변조층과 제 2 광변조층은 각각 네마틱 액정을 포함하는 액정층일 수 있다. 본 명세서에서 네마틱 액정은 액정 분자의 방향자(director)가 소정 방향으로 정렬하되 층상 구조 또는 평면 구조는 형성하지 않으면서 배열되는 액정상을 갖는 액정을 의미할 수 있다.
네마틱 액정으로는 전압과 같은 외부 작용 인가에 의하여 액정의 배향이 변경될 수 있도록 한다는 측면에서 비반응성 액정 화합물을 사용할 수 있다. 본 출원에서 비반응성 액정 화합물은, 반응성기, 예를 들어, 중합성기 또는 가교성기를 가지지 않는 액정 화합물을 의미할 수 있다. 상기에서 중합성기 또는 가교성기로는, 아크릴로일기, 아크릴로일옥시기, 메타크릴로일기, 메타크릴로일옥시기, 카복실기, 비닐기, 에폭시기 등이 예시될 수 있으나, 이에 제한되지 않고, 중합성기 또는 가교성기로서 알려진 공지의 반응성 관능기가 포함될 수 있다.
상기 네마틱 액정의 유전율 이방성은 본 출원의 목적을 손상시키지 않는 범위 내에서 적절히 선택될 수 있다. 본 명세서에서 용어 「유전율 이방성(△ε)」은 액정의 수평 유전율(ε//)과 수직 유전율(ε⊥)의 차이(ε//- ε⊥)를 의미한다. 또한, 본 명세서에서 용어 「수평 유전율(ε//)」은 액정의 광축과 인가 전압에 의한 전기장의 방향이 실질적으로 수평하도록 전압을 인가한 상태에서 상기 전기장의 방향을 따라 측정한 유전율 값을 의미하고, 용어「수직 유전율(ε⊥)」은 액정의 광축과 인가 전압에 의한 전기장의 방향이 실질적으로 수직하도록 전압을 인가한 상태에서 상기 전기장의 방향을 따라 측정한 유전율 값을 의미한다.
네마틱 액정의 유전율 이방성(△ε)은 음수일 수 있다. 이 경우 상기 네마틱 액정의 유전율 이방성(△ε)의 절대값은 예를 들어 약 1 내지 20 범위 내일 수 있다. 상기 네마틱 액정의 유전율 이방성(△ε)의 절대값의 하한은 1 이상, 2 이상 또는 3 이상일 수 있고, 상기 네마틱 액정의 유전율 이방성(△ε)의 절대값의 상한은 20 이하, 18 이하, 16 이하, 14 이하, 12 이하, 10 이하, 8 이하 또는 6 이하일 수 있다. 네마틱 액정의 유전율 이방성이 상기 범위를 만족하는 경우, 낮은 구동 전압으로도 구동이 가능하며, 우수한 헤이즈 특성을 나타낼 수 있어, 투명 모드와 산란 모드의 사이를 스위칭하는 액정셀을 구현하는 데 유리하다.
네마틱 액정의 굴절률 이방성은 목적 물성, 예를 들어, 광변조 소자의 헤이즈 특성을 고려하여 적절히 선택될 수 있다. 용어 「굴절률 이방성」은 액정의 이상 굴절률(extraordinary refractive index)과 정상 굴절률(ordinary refractive index)의 차이를 의미할 수 있다. 액정의 굴절률 이방성은 예를 들어 0.1 이상, 0.12 이상 또는 0.15 이상일 수 있고, 0.3 이하, 0.25 이하 또는 0.23 이하의 범위 내에 있을 수 있다. 액정의 굴절률 이방성이 상기 범위를 만족하는 경우, 예를 들면, 헤이즈 특성이 우수한 광변조 소자를 구현할 수 있다.
제 1 광변조층과 제 2 광변조층은 각각 이색성 염료를 더 포함할 수 있다. 이색성 염료는 광 변조층 내지 광 변조 소자가 외부 전압 인가에 따라 전체 투과율에 대한 가변 특성을 나타내도록 할 수 있다.
본 출원에서 용어 「염료」는, 가시광 영역, 예를 들면, 400 nm 내지 700 nm 파장 범위 내에서 적어도 일부 또는 전체 범위 내의 광을 집중적으로 흡수 및/또는 변형시킬 수 있는 물질을 의미할 수 있고, 용어 「이방성 염료」는 상기 가시광 영역의 적어도 일부 또는 전체 범위에서 광의 이방성 흡수가 가능한 물질을 의미할 수 있다.
이색성 염료로는, 예를 들면, 소위 호스트 게스트(host guest) 효과에 의해 액정 화합물의 정렬 상태에 따라 정렬될 수 있는 특성을 가지는 것으로 알려진 공지의 염료를 선택하여 사용할 수 있다. 이색성 염료로는, 예를 들면, 흑색 염료(black dye)를 사용할 수 있다. 이러한 염료로는, 예를 들면, 아조 염료 또는 안트라퀴논 염료 등으로 공지되어 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
이색성 염료는, 이색비(dichroic ratio), 즉 이방성 염료의 장축 방향에 평행한 편광의 흡수를 상기 장축 방향에 수직하는 방향에 평행한 편광의 흡수로 나눈 값이 5 이상, 6 이상 또는 7 이상인 염료를 사용할 수 있다. 상기 염료는 가시광 영역의 파장 범위 내, 예를 들면, 약 380 nm 내지 700 nm 또는 약 400 nm 내지 700 nm의 파장 범위 내에서 적어도 일부의 파장 또는 어느 한 파장에서 상기 이색비를 만족할 수 있다. 상기 이색비의 상한은, 예를 들면 20 이하, 18 이하, 16 이하 또는 14 이하 정도일 수 있다.
이색성 염료의 광 변조층 내의 비율은 목적하는 명암비 또는 투과율의 가변 특성을 고려하여 선택될 수 있다. 이색성 염료의 농도를 높이면 명암비를 개선할 수 있으나, 이색성 염료의 농도가 지나치게 높은 경우 염료의 석출이 우려되며 농도별 투과율 플롯을 진행하면 염료의 농도가 증가할수록 산란 모드의 투과율에 대한 감소폭이 낮아지는 경향이 있다.
호스트 액정 내에서 이색성 염료의 적절한 용해도를 확보한다는 측면에서 이색성 염료는 5 wt% 이하, 4 wt% 이하, 3 wt% 이하, 2.5 wt% 이하, 2 wt% 이하 또는 1.5 wt% 이하의 비율로 포함될 수 있다. 이색성 염료의 함량의 하한은 예를 들어 0.01 wt% 이상 또는 0.1 wt% 이상일 수 있다. 광 변조층이 후술하는 바와 같이 전도성 첨가제를 더 포함하는 경우, 상기 이색성 염료의 농도(wt%)는 네마틱 액정과 전도성 첨가제의 함계 중량에 대한 이색성 염료의 중량의 백분율로 구해진 값일 수 있다.
제 1 광변조층과 제 2 광변조층은 각각 전도성 첨가제를 더 포함할 수 있다. 전도성 첨가제는 광 변조층 내지 광 변조 소자가 외부 전압 인가에 따라 헤이즈에 대한 가변 특성을 나타내도록 할 수 있다.
전도성 첨가제는 액정층의 전도도를 높임으로써 액정층에 EHDI(Electro hydro dynamic instability; 전기 유체 역학적 불안정 상태) 특성을 구현하는 기능을 할 수 있다. 전도성 첨가제와 네마틱 액정을 포함하는 액정층에 수직 방향으로 교류 전압을 인가하는 경우 산란이 발생할 수 있다. 구체적으로, 액정층의 기판에 수직한 방향으로 전기장을 인가해줄 경우, 액정 분자는 음의 유전율 이방성 때문에 수평으로 눕게 되고 전도성 첨가제와 이색성 염료도 따라 눕게 된다. 이때, 전도성 첨가제의 높은 전도도로 인해 불순 이온들의 교류 전압에 대한 이동성이 크게 되므로 누워있는 액정 분자들에 강한 떨림을 주게 된다. 분자들의 물리적인 떨림은 빛의 굴절률의 떨림을 의미하며, 이 때문에 빛의 산란이 발생할 수 있다. 이러한 방식의 산란 모드를 동적 산란(Dynamic scattering) 모드로 호칭할 수 있다.
전도성 첨가제는 고전도성 화합물일 수 있다. 전도성 첨가제의 전기 전도도는 예를 들어 2×10-4 uS/cm 내지 5×10-3 uS/cm 범위 내일 수 있다. 이러한 전기 전도도의 범위는 동적 산란 모드의 구현에 적합할 수 있다.
전도성 첨가제로는 예를 들어, 액정 모노머 또는 액정 단분자를 사용할 수 있다. 본 명세서에서 용어 「액정 모노머」는 액정성을 나타낼 수 있는 부위, 예를 들면, 메소겐 골격을 포함하고, 적어도 하나의 반응성 관능기를 포함하는 화합물을 의미할 수 있다. 이러한 액정 모노머는 후술하는 반응성 메소겐(reactive mesogen)으로 호칭될 수 있다. 본 명세서에서 용어 「액정 단분자」는 액정성을 액정성을 나타낼 수 있는 부위, 예를 들면, 메소겐 골격을 포함하되, 반응성 관능기를 포함하지 않는 화합물을 의미할 수 있다.
액정 모노머 또는 액정 단분자 이외에도, 동적 산란 모드를 구현하기 위한 전도성 첨가제의 종류는 공지이며, 예를 들면, 이온 불순물, 이온성 액체(ionic liquid), 염(Salt), 개시제 등도 사용될 수 있다. 이온 불순물로는 예를 들어 TEMPO(2,2,6,6-Tetramethylpiperidine-1-Oxyl Free radical) 등을 사용할 수 있고, 이온성 액체로는 예를 들어 BMIN-BF4([1-butyl-3-methylimideazolium]BF4) 등을 사용할 수 있으며, 염으로는, 예를 들어 CTAB(Cetrimonium bromide), CTAI(Cetrimonium Iodide) 또는 CTAI3(Cetrimonium triiodide) 등을 사용할 수 있고, 개시제로는 예를 들어 TPO(2,4,6-Trimethylbenzoyl-diphenyl-phosphineoxide) 등을 사용할 수 있다.
하나의 예시에서, 호스트 액정에 대한 용해도(solubility)가 우수하고, 분산 특성의 차이를 줄이면서 우수한 물성의 액정층을 형성하기 위하여 상기 전도성 첨가제로는 반응성 메소겐을 사용할 수 있다. 전도성 첨가제로서 반응성 메소겐은 네마틱 액정 매질 내에서의 용해도를 확보할 수 있으므로, 필요한 경우 종래 첨가제로 사용되었던 이온성 화합물에 비하여 더 많은 양의 반응성 메소겐을 자유롭게 사용할 수 있으므로, 액정셀을 제조함에 있어서 자유도를 높일 수 있다.
전술한 바와 같이, 반응성 메소겐은 메소겐 골격과 적어도 하나의 반응성 관능기를 포함하는 화합물일 수 있다. 상기 반응성 관능기로는, 예를 들어, 중합성 관능기 또는 가교성 관능기가 예시될 수 있다. 반응성 메소겐은, 상기 액정층 내에서 비반응된 상태, 즉 중합이 이루어지지 않은 상태로 존재할 수 있으며, 필요한 경우에는 적어도 일부는 중합되어 있을 수도 있다.
반응성 메소겐은, 다관능성 반응성 메소겐 또는 단관능성 반응성 메소겐을 포함할 수 있다. 본 명세서에서 용어 「다관능성 반응성 메소겐」은, 상기 메소겐 중에서 반응성 관능기를 2개 이상 포함하는 화합물을 의미할 수 있다. 하나의 예시에서 다관능성 반응성 메소겐은 반응성 관능기를 2개 내지 10개, 2개 내지 8개, 2개 내지 6개, 2개 내지 5개, 2개 내지 4개, 2개 내지 3개 또는 2개 포함할 수 있다. 또한, 용어 「단관능성 반응성 메소겐」은, 상기 메소겐 중에서 하나의 반응성 관능기를 포함하는 화합물을 의미할 수 있다.
상기 반응성 메소겐은 예를 들어 하기 화학식 1로 표시되는 화합물일 수 있다.
[화학식 1]
Figure PCTKR2020002995-appb-I000001
화학식 1에서, P는 (메트) 아크릴레이트기, 카복실기, 히드록시기, 비닐기, 에폭시기 또는 니트로기이고,
X는 단일결합, 치환 또는 비치환된 탄소수 1 내지 10의 알킬렌기 또는 치환 또는 비치환된 탄소수 1 내지 10의 알콕실렌기이며,
L는 단일 결합, 치환 또는 비치환된 탄소수 1 내지 10의 알킬렌기, 치환 또는 비치환된 탄소수 1 내지 10의 알케닐렌기, 치환 또는 비치환된 탄소수 1 내지 10의 알키닐렌기, 치환 또는 비치환된 탄소수 1 내지 10의 알콕실렌기, -O- 또는 -COO-이고,
Y는 수소, 할로젠, 시아노기, 치환 또는 비치환된 탄소수 1 내지 10의 알킬기 또는, 시아노기, 할로젠 및 알케닐기로 이루어지는 군으로부터 선택된 하나 이상의 치환기로 치환 또는 비치환된 탄소수 1 내지 10의 알콕시기이다.
하나의 예시에서, 전도성 첨가제 또는 반응성 메소겐은 상기 네마틱 액정 100 중량부 대비 0.1 내지 30 중량부의 비율로 포함될 수 있다. 구체적으로, 전도성 첨가제 또는 반응성 메소겐은 상기 네마틱 액정 100 중량부 대비 0.1 중량부 이상, 1 중량부 이상, 2 중량부 이상, 3 중량부 이상, 4 중량부 이상, 5 중량부 이상, 6 중량부 이상, 7 중량부 이상, 8 중량부 이상, 9 중량부 이상 또는 10 중량부 이상의 비율로, 30 중량부 이하, 28 중량부 이하, 26 중량부 이하, 24 중량부 이하, 22 중량부 이하, 20 중량부 이하, 18 중량부 이하, 16 중량부 이하, 14 중량부 이하 또는 12 중량부 이하의 비율로 포함될 수 있다. 전도성 첨가제 또는 반응성 메소겐 비율이 상기 범위를 만족하는 경우, 상기 목적하는 물성을 효과적으로 구현하여, 구동 전압 특성 및 헤이즈 특성이 우수한 액정셀을 제공할 수 있다.
광 변조층은 이온성 화합물, 예를 들면, 전술한 이온성 액체나 염 등을 가급적 포함하지 않을 수 있다. 이러한 이온성 화합물은, 액정층의 전도도를 조절하기 위한 첨가제로서 널리 알려져 있는 것이나, 이러한 이온성 화합물은, 호스트 액정에 대한 용해도가 좋지 않아서 액정층의 물성을 악화시킬 수 있다. 따라서, 광 변조층 내에서의 이온성 화합물의 비율은 2 중량% 이하, 1.5 중량% 이하, 1 중량% 이하 또는 약 0.7 중량% 이하일 수 있다. 상기 이온성 화합물은, 임의 성분이기 때문에 상기 비율의 하한은 0 중량%이다.
상기 액정층의 전도도는 예를 들어 수평 전도도(Conductivity)가 1.0 × 10-4 μS/cm 이상일 수 있다. 이러한 범위의 수평 전도도를 나타내도록 액정층을 조절하면, 동적 산란 모드의 구현에 적합할 수 있다. 상기 액정층의 수평 전도도는, 다른 예시에서 2.0 × 10-4 μS/cm 이상, 3.0 × 10-4 μS/cm 이상, 4.0 × 10-4 μS/cm 이상, 5.0 × 10-4 μS/cm 이상, 6.0 × 10-4 μS/cm 이상, 7.0 × 10-4 μS/cm 이상, 8.0 × 10-4 μS/cm 이상, 9.0 × 10-4 μS/cm 이상 또는 1.0 × 10-3 μS/cm 이상일 수 있다. 상기 수평 전도도는 다른 예시에서 5.0 × 10-2 μS/cm 이하, 3.0 × 10-2 μS/cm 이하, 1.0 × 10-2 μS/cm 이하, 9.0 × 10-3 μS/cm 이하, 7.0 × 10-3 μS/cm 이하, 5.0 × 10-3 μS/cm 이하, 3.0 × 10-3 μS/cm 이하 또는 2.5 × 10-3 μS/cm 이하일 수 있다.
한편, 후술하는 수직 전도도는, 역시 상기 액정층에 전압을 인가하면서 측정한 전도도로서, 상기 액정층의 광축과 상기 인가 전압에 의한 전기장의 방향이 실질적으로 수직하도록 전압을 인가한 상태에서 상기 전기장의 방향을 따라 측정한 값일 수 있다. 상기에서 인가되는 전압의 측정 주파수는 60 Hz이고, 측정 전압은 0.5V일 수 있다.
액정층의 광축은 액정 화합물의 종류에 따라서 결정될 수 있다. 예를 들어, 액정 화합물이 로드(rod) 형상이라면, 액정층의 광축은 상기 액정층에 포함되는 액정 화합물들이 배향된 상태에서 그 장축 방향을 의미할 수 있다. 예를 들어, 상기 액정층 내의 액정 화합물들이 상기 액정층의 두께 방향과 평행하게 수직 배향되어 있는 상태라면, 상기 수평 전도도는 상기 액정층의 두께 방향을 따라서 전기장이 형성되도록 전압을 인가한 상태에서 상기 두께 방향을 따라서 측정한 전도도일 수 있다. 또한, 액정층 내의 액정 화합물이 로드(rod) 형상이고, 상기 액정 화합물들이 액정층 내에서 수평 배향된 상태라면, 상기 수직 전도도는, 상기 액정층에 두께 방향으로 전기장이 형성되도록 전압을 인가하면서 상기 두께 방향으로 측정한 전도도일 수 있다.
한편, 특별히 달리 규정하지 않는 한, 본 출원에서 상기 수직 또는 수평 전도도는 전술한 바와 같이 액정층에 대하여 인가되는 전압의 측정 주파수를 60 Hz로 하고, 전압은 0.5V로 한 상태에서 상기 각 방법에 따라 상온에서 측정한 전도도를 면적이 1cm2(가로: 1cm, 세로: 1cm)고, 두께가 1 cm인 액정층이 나타내는 수치로 환산한 값일 수 있다.
상기 환산에 적용된 수식은 하기 수식 1 내지 3과 같다.
[수식 1]
C = 1 /ρ
[수식 2]
R = 1/CR
[수식 3]
R = ρ ×D/A
수식 1 내지 3에서 C는 수평 또는 수직 전도도이고, ρ는 액정층의 비저항이며, CR은 수평 또는 수직 전도도의 실측값이고, R은 액정층의 저항이며, D는 액정층의 두께이고, A는 액정층의 면적이다.
예를 들면, 일정 두께 및 면적을 가지는 액정층에 대하여 측정한 전도도의 실측값(CR)을 수식 2에 대입하여 저항(R)을 구한 후에 상기 저항(R) 및 수식 3을 사용하여 액정층(면적: 1cm2(=가로: 1cm, 세로: 1cm), 두께: 1 cm)의 비저항(ρ)을 구하고, 그 비저항을 수식 1에 대입하여 수직 또는 수평 전도도를 구할 수 있다.
또한, 상기한 바와 같이 본 출원에서 전도도는 특별히 달리 규정하지 않는 한, 측정 주파수 60 Hz 및 측정 전압 0.5V 조건에서 측정한 상온에서의 전도도를 1cm2(가로: 1cm, 세로: 1cm)고, 두께가 1cm인 액정층이 나타내는 수치로 환산한 값이고, 상기에서 전도도는 측정 기기(LCR meter, Aglient社(제), E4980A]를 사용하여 제조사의 매뉴얼에 따라 측정할 수 있다. 한편, 본 명세서에서 기재하는 물성 중에서 측정 온도가 그 수치에 영향을 주는 경우, 특별히 달리 규정하지 않는 한, 해당 물성은 상온에서 측정한 수치이다. 상기에서 용어 상온은, 가온되거나, 감온되지 않은 자연 그대로의 온도로서, 약 10℃ 내지 30℃의 범위 내의 어느 한 온도, 예를 들면, 약 23℃ 또는 약 25℃ 정도의 온도를 의미할 수 있다.
상기에서 액정층의 수직 전도도(VC) 및 액정층의 수평 전도도(PC)의 비율(PC/VC)은 약 0.2 이상, 약 0.25 이상, 약 0.3 이상, 약 0.35 이상, 약 0.4 이상, 약 0.45 이상, 약 0.5 이상, 약 0.55 이상, 약 0.6 이상, 약 0.65 이상 또는 약 0.7 이상일 수 있다. 또한, 상기 비율(PC/VC)은 약 2.5 이하, 약 2.0 이하, 약 1.5 이하 또는 약 1.0 이하일 수 있다. 상기에서 액정층의 수평 전도도(PC) 및 액정층의 수직 전도도(VC)의 비율(VC/PC)이 약 2.0 이하, 약 1.9 이하, 약 1.8 이하, 약 1.7 이하, 약 1.6 이하, 약 1.5 이하, 약 1.4 이하, 약 1.3 이하, 약 1.2 이하, 약 1.1 이하 또는 약 1.0 이하일 수 있다. 또한, 상기 비율(VC/PC)은 약 0.5 이상, 약 0.3 이상, 약 0.2 이상 또는 약 0.1 이상일 수 있다. 상기와 같은 전도도(PC, VC)도 전술한 첨가제의 적절한 첨가에 의해 조절이 가능할 수 있다. 전도도의 비율(VC/PC 및/또는 PC/VC)을 상기와 같이 조절하면, 액정 소자의 구동 효율 측면에서 유리할 수 있다.
제 1 광변조층과 제 2 광변조층의 두께는 각각 4㎛ 이상, 6㎛ 이상, 8㎛ 이상 또는 10㎛ 이상일 수 있다. 이색성 염료의 농도가 일정하다면, 광변조층의 두께가 두꺼울수록 높은 명암비를 나타낼 수 있다. 다만, 두께가 지나치게 두꺼운 경우 인가되는 전압이 크게 증가하면서 소비 전력이 높아지는 문제가 생길 수 있으며, 증가되는 셀 갭에 따라서 염료를 줄이더라도 가변율에 한계가 생길 수 있다. 이러한 점을 고려하면, 상기 두께는 예를 들어, 약 25㎛ 이하일 수 있다.
제 1 광변조층과 제 2 광변조층은 외부 에너지 인가에 따라 일축 배향 상태와 랜덤 배향 상태의 사이를 스위칭할 수 있다. 상기 일축 배향 상태는 예를 들어, 수직 배향 상태일 수 있다.
제 1 광변조층과 제 2 광변조층은 전압이 인가되지 않은 상태에서 네마틱 액정 및 이색성 염료를 일 방향으로 정렬된 상태로 포함할 수 있다. 하나의 예시에서, 제 1 광변조층과 제 2 광변조층은 각각 전압이 인가되지 않은 상태에서 네마틱 액정 및 이색성 염료를 수직 배향된 상태로 포함할 수 있다.
본 출원에서 수직 배향 상태는 액정 분자의 광축이 액정층과 수평한 면에 대하여 이루는 각도가 약 70도 내지 90도, 75도 내지 90도, 80도 내지 90도 또는 85도 내지 90도인 상태를 의미할 수 있다. 본 출원에서 수평 배향 상태는 액정층과 수평한 면에 대하여 이루는 각도가 약 0도 내지 20도, 0도 내지 15도, 0도 내지 10도 또는 0도 내지 5인 상태를 의미할 수 있다.
광변조 소자는 제 1 광변조층의 양측에 대향 배치된 제 1 기판과 제 2 기판 및 제 2 광변조층의 양측에 대향 배치된 제 3 기판과 제 4 기판을 더 포함할 수 있다. 상기 제 1 기판, 제 2 기판, 제 3 기판 및 제 4 기판은 각각 기재 층, 전극 층 및 배향 막을 순차로 포함할 수 있다. 제 1 광변조층은 제 1 기판의 배향 막과 제 2 기판의 배향 막에 인접할 수 있다. 제 2 광변조층은 제 3 기판의 배향 막과 제 4 기판의 배향 막에 인접할 수 있다.
제 1 기판, 제 1 광변조층 및 제 2 기판을 포함하는 구조를 제 1 액정셀로 호칭할 수 있고, 제 3 기판, 제 2 광변조층 및 제 4 기판을 포함하는 구조를 제 2 액정셀로 호칭할 수 있다. 이렇게 2개의 액정셀을 갖는 광변조 소자를 더블셀 구조의 광변조 소자로 호칭할 수 있다.
상기 제 1 액정셀과 제 2 액정셀은 점착제 또는 접착제를 매개로 부착되어 있을 수 있다. 구체적으로, 제 1 액정셀의 제 2 기판과 제 2 액정셀의 제 3 기판이 상기 점착제 또는 접착제를 매개로 부착되어 있을 수 있다.
상기 접착제 또는 점착제로는 광학 소자를 부착하는 데 사용되는 공지의 투명 접착제를 사용할 수 있고, 예를 들어, OCA(Optically clear adhesive) 또는 OCR(Optically clear adhesive)를 사용할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 점착제 또는 접착제로는 아크릴계, 실리콘계, 에폭시계 점착제 또는 접착제를 사용할 수 있으나, 이제 제한되는 것은 아니다.
상기 기재층으로는, 특별한 제한 없이 공지의 소재를 사용할 수 있다. 예를 들면, 유리 기재, 실리콘 기재 또는 플라스틱 필름 기재를 사용할 수 있다. 상기 기재는 광학적으로 등방성 기재이거나 또는 위상차 값을 갖는 광학적으로 이방성인 기재일 수 있다. 기재 층에는, 필요에 따라서 금, 은, 이산화 규소 또는 일산화 규소 등의 규소 화합물의 코팅층이나, 반사 방지층 등의 코팅층이 존재할 수도 있다.
상기 플라스틱 필름 기재로는, TAC(triacetyl cellulose); 노르보르넨 유도체 등의 COP(cyclo olefin copolymer); PMMA(poly(methyl methacrylate); PC(polycarbonate); PE(polyethylene); PP(polypropylene); PVA(polyvinyl alcohol); DAC(diacetyl cellulose); Pac(Polyacrylate); PES(poly ether sulfone); PEEK(polyetheretherketon); PPS(polyphenylsulfone), PEI(polyetherimide); PEN(polyethylenemaphthatlate); PET(polyethyleneterephtalate); PI(polyimide); PSF(polysulfone); PAR(polyarylate) 또는 비정질 불소 수지 등을 포함하는 필름 기재를 사용할 수 있지만 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 제 1 기판, 제 2 기판, 제 3 기판 및 제 4 기판에 포함되는 기재 층들은 각각 독립적으로 유리 기재 또는 플라스틱 필름 기재일 수 있다. 제 1 기판, 제 2 기판, 제 3 기판 및 제 4 기판에 포함되는 기재 층을 각각 제 1 기재 층, 제 2 기재 층, 제 3 기재 층 및 제 4 기재 층으로 호칭할 수 있다.
하나의 예로, 제 1 기재 층, 제 2 기재 층, 제 3 기재 층 및 제 4 기재 층이 모두 유리 기재일 수 있다. 다른 예로, 제 1 기재 층, 제 2 기재 층, 제 3 기재 층 및 제 4 기재 층이 모두 플라스틱 필름 기재일 수 있다. 다른 예로, 제 1 기재 층과 제 2 기재 층은 유리 기재이고, 제 3 기재 층과 제 4 기재 층은 플라스틱 필름 기재일 수 있다. 또는 제 1 기재 층과 제 2 기재 층은 플라스틱 필름 기재이고, 제 3 기재 층과 제 4 기재 층은 유리 기재일 수 있다
상기 제 1 기판, 제 2 기판, 제 3 기판 및 제 4 기판에 포함되는 각각의 전극층은 액정층 내의 액정 분자의 정렬 상태를 전환할 수 있도록 액정층에 전계를 인가할 수 있다. 전극층은, 예를 들면, 전도성 고분자, 전도성 금속, 전도성 나노와이어 또는 ITO(Indium Tin Oxide) 등의 금속 산화물 등을 증착하여 형성할 수 있다. 전극층은, 투명성을 가지도록 형성될 수 있다. 이 분야에서는, 투명 전극층을 형성할 수 있는 다양한 소재 및 형성 방법이 공지되어 있고, 이러한 방법은 모두 적용될 수 있다. 필요한 경우에, 기판의 표면에 형성되는 전극층은, 적절하게 패턴화되어 있을 수도 있다.
상기 제 1 기판, 제 2 기판, 제 3 기판 및 제 4 기판에 포함되는 각각의 배향막은 수직 배향막일 수 있다. 수직 배향막으로는 인접하는 액정층 내의 액정 분자에 대하여 수직 배향능을 가지는 배향막이라면 특별한 제한없이 선택하여 사용할 수 있다. 이러한 배향막으로는, 예를 들어, 러빙 배향막과 같이 접촉식 배향막 또는 광배향막 화합물을 포함하여 직선 편광의 조사 등과 같은 비접촉식 방식에 의해 배향 특성을 나타낼 수 있는 것으로 공지된 배향막을 사용할 수 있다.
상기 광변조 소자는 광변조 기능이 요구되는 다양한 용도에 적용될 수 있으며, 예를 들면, 스마트 윈도우, 윈도우 보호막, 플렉서블 디스플레이 소자, 투명 디스플레이용 차광판 또는 프로젝터(projector) 등의 스크린(screen) 용도에 적용될 수 있다. 상기 투명 디스플레이는 예를 들어 OLED 일 수 있다.
본 출원의 광변조 소자는 밝은 투명 모드와 어두운 산란 모드의 사이를 가변할 수 있고, 이색성 염료의 석출 및 소비 전력의 상승 없이, 명암비와 헤이즈 가변 특성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 출원의 광변조 소자를 예시적으로 나타낸다.
도 2는 표 1의 실험 결과 그래프이다.
도 3은 표 2의 실험 결과 그래프이다.
도 4는 표 3의 실험 결과 그래프이다.
도 5는 표 4의 실험 결과 그래프이다.
이하, 본 출원에 따른 실시예 및 본 출원에 따르지 않는 비교예를 통하여 본 출원을 구체적으로 설명하지만, 본 출원의 범위가 하기 제시된 실시예에 의해 제한되는 것은 아니다.
측정예 1. 전기광학 특성 측정
실시예 및 비교예에서 제조된 광 변조 소자에 대하여, 헤이즈미터(NDH-5000SP)를 이용하여, ASTM D1003 규격에 따라, 전압 인가에 따른 헤이즈 및 투과율을 측정하였다. 전압의 인가는 NF사의 EC1000S 모델의 장비를 이용하였고, 상하 ITO 층에 AC 전원을 연결하고, 사각파 형의 전압을 60 Hz 주파수로 0 내지 70 Vrms 크기로 전압을 인가하였다.
구체적으로, 광을 측정 대상을 투과시켜 적분구 내로 입사시키며, 이 과정에서 광은 측정 대상에 의하여 확산광(DT, 확산되어 출광된 모든 광의 합을 의미)과 평행광(PT, 확산광을 배제한 정면 방향의 출광을 의미)으로 분리되는데, 이 광들은 적분구 내에서 수광 소자에 집광되고, 집광되는 광을 통해 헤이즈의 측정이 가능하다. 상기 과정에 의한 전체 투과광(TT)은 상기 확산광(DT)과 평행광(PT)의 총합(DT+PT)이고, 헤이즈는 상기 전체 투과광에 대한 확산광의 백분율(Haze(%)=100XDT/TT)로 규정될 수 있다. 하기 시험예에서 전체 투과율은 상기 전체 투과광(TT)을 의미한다.
비교예 1: Single cell의 제조
PET(polyethylene terephthalate) 필름 상에 ITO(Indium Tin Oxide) 층이 형성된 두께가 50㎛인 PET-ITO 필름(한성社)을 준비하였다. 상기 PET-ITO 필름의 PET 면에는 보호 필름으로서 PET 재질의 이형 필름이 부착되어 있다. 상기 필름의 ITO 층 상에 수직 배향막 형성용 조성물(RN-3954, Nissan社)을 3# bar를 이용하여 코팅한 후, 150℃에서 20분 동안 경화하여 두께가 약 200 nm인 수직 배향막을 형성함으로써, 제 1 기판을 제조하였다.
상기 PET-ITO 필름과 동일한 PET-ITO 필름의 ITO층 상에 높이가 8㎛이고, 직경이 15㎛ 인 컬럼 스페이서를 250㎛ 간격으로 배치하였다. 다음으로 제 1 기판과 동일한 방법으로 수직 배향막을 형성함으로써 제 2 기판을 준비하였다.
10 mL 바이알(vial)에 네마틱 액정(HNG726200-100, HCCH社, 유전율 이방성: -4.0, 굴절률 이방성: 0.225) 3.6 g, 하기 화학식 A의 전도성 첨가제 0.4g 및 이색성 염료(X12, BASF社) 0.06g를 첨가한 후 100℃에서 24 시간 동안 교반하여 액정 조성물을 제조하였다. 이색성 염료의 농도는 네마틱 액정과 전도성 첨가제의 합계 중량에 대한 이색성 염료의 중량의 백분율로 할 수 있고, 상기 이색성 염료의 농도는 1.5 wt%이다.
제 2 기판의 배향막 표면 위 테두리에 실란트를 실 디스펜서(seal dispenser)로 그렸다. 제 2 기판의 배향막 상에 상기 액정 조성물을 도포한 후, 제 1 기판을 라미네이션하여 셀 갭이 8㎛이고, 면적이 가로×세로=4.0cm×2.2cm인 싱글셀 구조의 광변조 소자를 제조하였다.
[화학식 A]
Figure PCTKR2020002995-appb-I000002
비교예 2 내지 14
셀 갭의 크기 및 염료의 농도를 하기 표 1 내지 4와 같이 변경한 것을 제외하고는 비교예 1과 동일한 방법으로 싱글셀 구조의 광변조 소자를 제조하였다.
비교예 1 내지 14에 대하여, 전압이 인가되지 않은 상태의 전체 투과율(T(0V))과 60V 전압이 인가된 상태의 전체 투과율(T(0V))을 측정하고, 그 결과를 하기 표 1 내지 4에 기재하였다. 표 1 내지 4에서 명암비 CR은 T(0V)/T(60V)의 비이다. 도 2, 도 3, 도 4 및 도 5는 각각 표 1, 표 2, 표 3 및 표 4의 실험 결과 그래프이다. 실험 결과 그래프에서 y축은 전체 투과율(T.T) (%)을 의미하고, x축은 이색성 염료의 농도(%)를 의미한다.
셀 갭 염료 농도(wt%) T(0V) (%) T(60V) (%) CR
비교예 1 8 ㎛ 1.5 68.52 30.2 2.27
비교예 2 8 ㎛ 2 62.84 21.83 2.88
비교예 3 8 ㎛ 2.55 57.94 16.73 3.46
셀 갭 염료 농도(wt%) T(0V) (%) T(60V) (%) CR
비교예 4 10 ㎛ 1 71.39 35.09 2.03
비교예 5 10 ㎛ 1.5 66.17 25.91 2.55
비교예 6 10 ㎛ 2 58.98 17.73 3.33
비교예 7 10 ㎛ 2.55 52.17 12.12 4.30
셀 갭 염료 농도(wt%) T(0V) (%) T(60V) (%) CR
비교예 8 12 ㎛ 1 59.3 19.56 3.03
비교예 9 12 ㎛ 2 53.08 12.97 4.09
비교예 10 12 ㎛ 2.55 45.3 7.99 5.70
셀 갭 염료 농도(wt%) T(0V) (%) T(60V) (%) CR
비교예 11 15 ㎛ 1 50.28 14.85 3.39
비교예 12 15 ㎛ 1.5 43.08 8.32 5.18
비교예 13 15 ㎛ 2 30.79 3.58 8.60
비교예 14 15 ㎛ 2.55 21.53 2.26 9.53
비교예 15 내지 18
도 2, 도 3, 도 4 및 도 5의 실험 결과 그래프의 추세선(trend line)을 이용하여, 각 셀 갭에서 전압이 인가되지 않은 상태 (0V)에서 전체 투과율이 40%가 되는 이색성 염료의 농도를 구하고, 그 농도에서의 60V 전압 인가 시의 전체 투과율을 구하여 하기 표 5에 기재하였다. 도 2 내지 도 5의 지수 y=ae-bx에서, y는 전체 투과율(T.T) (%)을 의미하고, x는 이색성 염료의 농도(%)를 의미한다
셀 갭 염료 농도(wt%) T(0V) (%) T(60V) (%) CR
비교예 15 8 ㎛ 4.845 40 4.56 8.77
비교예 16 10 ㎛ 3.88 40 4.85 8.25
비교예 17 12 ㎛ 3.46 40 5.17 7.74
비교예 18 15 ㎛ 1.503 40 7.80 5.13
상기 표 5로부터, 셀 갭이 낮을수록 CR 값이 증가하지만, 10 이상의 CR은 얻을 수 없음을 알 수 있다. CR 값을 10 이상으로 하기 위해서는 이색성 염료의 농도를 5 wt% 이상으로 하고, 셀 갭은 8㎛ 이하로 낮아져야 한다. 그러나, 이는 염료의 석출 문제 (호스트 액정에 대해서 염료의 포화 농도는 약 3 w%이다.)를 야기할 수 있으며, 셀 갭 감소에 의한 공정성의 문제가 야기될 수 있다.
비교예 19
셀 갭의 크기를 10㎛로 하고, 이색성 염료의 농도를 1.71 wt%로 변경한 것을 제외하고는 비교예 1과 동일한 방법으로 싱글셀 구조의 광변조 소자를 제조하였다.
비교예 20
셀 갭의 크기를 8㎛로 하고, 이색성 염료의 농도를 2.2 wt%로 변경한 것을 제외하고는 비교예 1과 동일한 방법으로 싱글셀 구조의 광변조 소자를 제조하였다.
실시예 1
셀 갭의 크기를 10㎛로 하고, 이색성 염료의 농도를 1.71 wt%로 변경한 것을 제외하고는 비교예 1과 동일한 방법으로 각각 제 1 액정셀 및 제 2 액정셀을 제조하였다. 제 1 액정셀과 제 2 액정셀을 OCA(LGC, V310) 접착제를 매개로 부착하여, 더블 셀 구조의 광변조 소자를 제조하였다.
실시예 2
셀 갭의 크기를 8㎛로 하고, 이색성 염료의 농도를 2.2 wt%로 변경한 것을 제외하고는 비교예 1과 동일한 방법으로 각각 제 1 액정셀 및 제 2 액정셀을 제조하였다. 제 1 액정셀과 제 2 액정셀을 OCA(LGC, V310) 접착제를 매개로 부착하여, 더블 셀 구조의 광변조 소자를 제조하였다.
실시예 3
셀 갭의 크기를 10㎛로 하고, 이색성 염료의 농도를 1.71 wt%로 변경한 것을 제외하고는 비교예 1과 동일한 방법으로 제 1 액정셀을 제조하였다. 셀 갭의 크기를 8㎛로 하고, 이색성 염료의 농도를 2.2 wt%로 변경한 것을 제외하고는 비교예 1과 동일한 방법으로 제 2 액정셀을 제조하였다. 제 1 액정셀과 제 2 액정셀을 OCA(LGC, V310) 접착제를 매개로 부착하여, 더블 셀 구조의 광변조 소자를 제조하였다.
실시예 4
셀 갭의 크기를 10㎛로 하고, 이색성 염료의 농도를 1.71 wt%로 변경한 것을 제외하고는 비교예 1과 동일한 방법으로 제 1 액정셀을 제조하였다. 셀 갭의 크기를 12㎛로 하고, 이색성 염료의 농도를 1 wt%로 변경한 것을 제외하고는 비교예 1과 동일한 방법으로 제 2 액정셀을 제조하였다. 제 1 액정셀과 제 2 액정셀을 OCA(LGC, V310) 접착제를 매개로 부착하여, 더블 셀 구조의 광변조 소자를 제조하였다.
비교예 19, 20 및 실시예 1 내지 4에 대하여, 전압이 인가되지 않은 상태에서의 전체 투과율 T(0V)과 헤이즈 H(0V) 및 60V 전압이 인가된 상태에서의 전체 투과율 T(60V)과 헤이즈 H(0V)를 측정하고, 그 결과를 하기 표 6 내지 표 11에 기재하였다.
전체 투과율(%) 헤이즈 (%)
비교예 19(싱글 셀) T(0V) 60.4 H(0V) 6.84
T(60V) 18,86 H(60V) 87.56
CR[T(0V)/T(60V)] 3.20 △H[H(60V)-H(0V)] 80.81
전체 투과율(%) 헤이즈 (%)
실시예 1(더블 셀) T(0V) 39.6 H(0V) 9.32
T(60V) 3.62 H(60V) 93.92
CR[T(0V)/T(60V)] 10.94 △H[H(60V)-H(0V)] 84.6
전체 투과율 (%) 헤이즈 (%)
비교예 20(싱글셀) T(0V) 59.7 H(0V) 6.71
T(60V) 17.67 H(60V) 87.15
CR[T(0V)/T(60V)] 3.4 ΔH[H(60V)-H(0V] 80.44
전체 투과율 (%) 헤이즈 (%)
실시예 2(더블셀) T(0V) 41.32 H(0V) 9.51
T(60V) 3.61 H(60V) 94.01
CR[T(0V)/T(60V)] 11.45 ΔH[H(60V)-H(0V] 84.5
전체 투과율 (%) 헤이즈 (%)
실시예 3(더블셀) T(0V) 40.12 H(0V) 9.17
T(60V) 3.65 H(60V) 93.43
CR[T(0V)/T(60V)] 10.99 ΔH[H(60V)-H(0V] 84.26
전체 투과율 (%) 헤이즈 (%)
실시예 4(더블셀) T(0V) 41.31 H(0V) 9.43
T(60V) 4.03 H(60V) 93.66
CR[T(0V)/T(60V)] 10.25 ΔH[H(60V)-H(0V] 84.23
비교예 19 및 20의 싱글셀 구조의 광변조 소자와 실시예 1 내지 4의 더블셀 구조의 광변조 소자는 모두 염료 석출의 문제와 공정성의 문제는 없겠으나, 실시예 1 내지 4가 비교예 1 및 2에 비하여 명암비(CR)와 헤이즈의 가변 특성이 현저히 우수한 것을 알 수 있다.
[부호의 설명]
100: 제 1 광변조층, 200: 제 2 광변조층

Claims (14)

  1. 네마틱 액정 및 이색성 염료를 포함하고, 전압이 인가된 상태에서 산란 모드를 구현하는 제 1 광변조층 및
    네마틱 액정 및 이색성 염료를 포함하고, 전압이 인가된 상태에서 산란 모드를 구현하는 제 2 광변조층을 포함하고,
    상기 제 1 광변조층과 상기 제 2 광변조층은 서로 중첩하여 배치된 광변조 소자.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 광변조 소자는 하기 수식 1로 계산되는 명암비(CR)가 10 이상인 광변조 소자:
    [수식 1]
    CR = T(0V)/T(60V)
    수식 1에서 T(0V)는 제 1 광변조층과 제 2 광변조층에 각각 전압이 인가되지 않은 상태에서의 광변조 소자의 전체 투과율(%)이고, T(60V)는 제 1 광변조층과 제 2 광변조층에 각각 60V의 전압이 인가된 상태에서의 광변조 소자의 전체 투과율(%)이다.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 광변조 소자는 하기 수식 2로 계산되는 헤이즈의 차이(△H)가 50% 이상인 광변조 소자:
    [수식 2]
    △H = H(60V) - H(0V)
    수식 2에서 H(0V)는 제 1 광변조층과 제 2 광변조층에 각각 전압이 인가되지 않은 상태에서의 광변조 소자의 헤이즈(%)이고, H(60V)는 제 1 광변조층과 제 2 광변조층에 각각 60V의 전압이 인가된 상태에서의 광변조 소자의 헤이즈(%)이다.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 광변조층과 상기 제 2 광변조층은 각각, 전압이 인가되지 않은 상태에서, 상기 네마틱 액정 및 이색성 염료를 수직 배향된 상태로 포함하는 광변조 소자.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 광변조층과 상기 제 2 광변조층에 각각 포함되는 네마틱 액정은 음의 유전율 이방성을 갖는 광변조 소자.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 광변조층과 상기 제 2 광변조층은 각각 전도성 첨가제를 더 포함하는 광변조 소자.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 전도성 첨가제의 전기 전도도는 2×10-4 uS/cm 내지 5×10-3 uS/cm 범위 내인 광변조 소자.
  8. 제 6 항에 있어서, 상기 전도성 첨가제는 반응성 메소겐을 포함하는 광변조 소자.
  9. 제 6 항에 있어서, 상기 전도성 첨가제는 하기 화학식 1로 표시되는 화합물인 광변조 소자:
    [화학식 1]
    Figure PCTKR2020002995-appb-I000003
    화학식 1에서, P는 (메트) 아크릴레이트기, 카복실기, 히드록시기, 비닐기, 에폭시기 또는 니트로기이고,
    X는 단일결합, 치환 또는 비치환된 탄소수 1 내지 10의 알킬렌기 또는 치환 또는 비치환된 탄소수 1 내지 10의 알콕실렌기이며,
    L는 단일 결합, 치환 또는 비치환된 탄소수 1 내지 10의 알킬렌기, 치환 또는 비치환된 탄소수 1 내지 10의 알케닐렌기, 치환 또는 비치환된 탄소수 1 내지 10의 알키닐렌기, 치환 또는 비치환된 탄소수 1 내지 10의 알콕실렌기, -O- 또는 -COO-이고,
    Y는 수소, 할로젠, 시아노기, 치환 또는 비치환된 탄소수 1 내지 10의 알킬기 또는, 시아노기, 할로젠 및 알케닐기로 이루어지는 군으로부터 선택된 하나 이상의 치환기로 치환 또는 비치환된 탄소수 1 내지 10의 알콕시기이다.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 광변조층과 상기 제 2 광변조층에 각각 포함되는 이색성 염료의 농도는 0.01 wt% 내지 5 wt%의 범위 내인 광변조 소자.
  11. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 광변조층과 상기 제 2 광변조층의 두께는 각각 4 ㎛ 내지 25 ㎛ 범위 내인 광변조 소자.
  12. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 광변조층의 양측에 대향 배치된 제 1 기판과 제 2 기판 및 상기 제 2 광변조층의 양측에 대향 배치된 제 3 기판과 제 4 기판을 더 포함하며, 상기 제 1 기판, 제 2 기판, 제 3 기판 및 제 4 기판은 각각 기재 층, 전극 층 및 수직 배향막을 순차로 포함하는 광변조 소자.
  13. 제 12 항에 있어서, 상기 제 2 기판과 상기 제 3 기판은 점착제 또는 접착제를 매개로 부착되어 있는 광변조 소자.
  14. 제 12 항에 있어서, 상기 제 1 기판, 제 2 기판, 제 3 기판 및 제 4 기판에 포함되는 기재 층들은 각각 독립적으로 유리 기재 또는 플라스틱 필름 기재인 광변조 소자.
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