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KR20220057462A - 광학 디바이스 - Google Patents

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KR20220057462A
KR20220057462A KR1020210145584A KR20210145584A KR20220057462A KR 20220057462 A KR20220057462 A KR 20220057462A KR 1020210145584 A KR1020210145584 A KR 1020210145584A KR 20210145584 A KR20210145584 A KR 20210145584A KR 20220057462 A KR20220057462 A KR 20220057462A
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KR
South Korea
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liquid crystal
layer
optical device
outer substrate
substrate
Prior art date
Application number
KR1020210145584A
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English (en)
Inventor
김정운
오동현
유정선
김진홍
임은정
김민준
Original Assignee
주식회사 엘지화학
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 주식회사 엘지화학 filed Critical 주식회사 엘지화학
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Abstract

본 출원은 광학 디바이스에 관한 것이다. 본 출원의 광학 디바이스는 액정 소자의 셀갭이 적절히 유지되고 상부 기판과 하부 기판의 우수한 부착력을 가지며, 외곽 기판의 합착 공정에서 눌림이나 몰림 등의 불량을 최소화하여, 구조적 안정성과 양호한 품질의 균일도를 확보할 수 있다.

Description

광학 디바이스{Optical Device}
본 출원은 광학 디바이스에 관한 것이다.
본 출원은 2020년 10월 29일자 한국 특허 출원 제10-2020-0142093호에 기초한 우선권의 이익을 주장하며, 해당 한국 특허 출원의 문헌에 개시된 모든 내용은 본 명세서의 일부로서 포함된다.
플렉서블 기판을 사용하는 액정셀의 장기 안정성, 대면적 확장성을 위해서는 상부 기판과 하부 기판 사이의 셀갭의 유지와 상부 기판과 하부 기판 간의 접착력을 부여하는 것이 중요하다.
비특허문헌 1은 한쪽 기판에 셀 갭 높이의 기둥 또는 벽 형태의 유기막 패턴을 형성하고 접착제를 이용하여 반대편 기판에 고정시키는 기술을 개시하고 있다. 그러나, 이러한 기술은 접착제가 기둥면 또는 벽면에만 위치해야 하는데 기둥면 또는 벽면에 접착제를 마이크로 스탬핑(Micro Stamping)하는 기술은 공정 난이도가 높으며, 접착제의 두께 및 면적의 컨트롤이 어렵고, 상하 기판 합착 시 접착제가 밖으로 밀려나올 가능성이 높으며, 접착제가 배향막 또는 액정 내로 오염될 우려가 있다.
Tight Bonding of Two Plastic Substrates for Flexible LCDs" SID Symposium Digest, 38, pp. 653-656 (2007)
액정셀의 셀갭을 유지하고, 상부 기판과 하부 기판의 부착력을 확보하기 위해, 하부 기판에 스페이서와 배향막을 형성하고, 상부 기판에 액정 배향력과 부착력을 모두 갖는 점착제 층을 형성한 후 합착하는 것을 고려할 수 있다. 그러나, 이러한 구조는 점착제 층의 매우 낮은 모듈러스로 인해 외부 압력에 취약하여 고온고압의 오토클레이브(autoclave) 공정에서 양호한 품위를 얻기 힘들다. 구체적으로, 오토클레이브 공정에서 상기 액정셀의 구조적 안정성이 확보되지 않는 경우, 셀갭의 무너짐이나 액정의 유동/몰림의 불량이 발생하고, 이는 액정셀의 전기 광학 특성과 외관 균일성의 저하를 야기한다.
본 출원은 액정셀의 셀갭이 적절히 유지되고 상부 기판과 하부 기판 기판의 우수한 부착력을 가지며, 눌림이나 몰림 등의 불량을 최소화하여, 구조적 안정성과 양호한 품질의 균일도를 확보할 수 있는 광학 디바이스를 제공한다.
본 명세서에서 언급하는 물성 중에서 측정 온도가 그 결과에 영향을 미치는 경우에는, 특별히 달리 규정하지 않는 한, 해당 물성은 상온에서 측정한 물성이다. 용어 상온은 가온되거나 감온되지 않은 자연 그대로의 온도로서 통상 약 10℃ 내지 30℃의 범위 내의 한 온도 또는 약 23℃ 또는 약 25℃ 정도이다. 또한, 본 명세서에서 특별히 달리 언급하지 않는 한, 온도의 단위는 ℃이다. 본 명세서에서 언급하는 물성 중에서 측정 압력이 그 결과에 영향을 미치는 경우에는, 특별히 달리 규정하지 않는 한, 해당 물성은 상압에서 측정한 물성이다. 용어 상압은 가압되거나 감압되지 않은 자연 그대로의 온도로서 통상 약 1 기압 정도를 상압으로 지칭한다.
본 출원은 광학 디바이스에 관한 것이다. 도 1은 본 출원의 광학 디바이스를 예시적으로 나타낸다. 도 1에 나타난 바와 같이, 광학 디바이스는 제 1 외곽 기판(100a), 상기 제 1 외곽 기판(100a)과 대향 배치되는 제 2 외곽 기판(100b) 및 상기 제 1 및 제 2 외곽 기판 사이에 위치하는 액정 소자(300)를 포함할 수 있다. 광학 디바이스는 상기 제 1 외곽 기판과 액정 소자의 사이, 및 상기 제 2 외곽 기판과 액정 소자의 사이에 위치하는 적어도 하나 이상의 중간층을 포함할 수 있다. 도 1은 제 1 외곽 기판(100a)과 액정 소자(300)의 사이, 및 상기 제 2 외곽 기판(100b)과 액정 소자(300)의 사이에 각각 위치하는 중간층(200a, 200b)을 포함하는 광학 디바이스를 예시적으로 나타낸다.
제 1 외곽 기판 및 제 2 외곽 기판은 각각 독립적으로 무기 기판 또는 플라스틱 기판일 수 있다. 무기 기판으로는 특별히 제한되지 않고 공지의 무기 기판을 이용할 수 있다. 일예로 무기 기판으로는 광투과성이 우수한 유리 기판을 이용할 수 있다. 상기 유리 기판으로는 예로서, 소다라임 유리 기판, 일반 강화 유리 기판, 붕규산 유리 기판 또는 무알칼리 유리 기판 등이 사용될 수 있지만, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 폴리머 기판으로는 TAC(triacetyl cellulose) 또는 DAC(diacetyl cellulose) 등과 같은 셀룰로오스 필름; 노르보르넨 유도체 등의 COP(cyclo olefin copolymer) 필름; PAR(Polyacrylate) 또는 PMMA(poly(methyl methacrylate) 등의 아크릴 필름; PC(polycarbonate) 필름; PE(polyethylene) 또는 PP(polypropylene) 등의 폴리올레핀 필름; PVA(polyvinyl alcohol) 필름; PI(polyimide) 필름; PSF(polysulfone) 필름, PPS(polyphenylsulfone) 필름 또는 PES(polyethersulfone) 필름 등의 설폰계 필름; PEEK(polyetheretherketon) 필름; PEI(polyetherimide) 필름; PEN(polyethylenenaphthatlate) 필름 또는 PET(polyethyleneterephtalate) 필름 등의 폴리에스테르계 필름; 또는 불소 수지 필름 등이 사용될 수 있지만, 이에 제한되는 것은 아니다. 제 1 외곽 기판 및 제 2 외곽 기판에는 각각 필요에 따라서 금; 은; 또는 이산화 규소 또는 일산화 규소 등의 규소 화합물의 코팅층이나, 반사 방지층 등의 기능층이 존재할 수도 있다.
하나의 예시에서, 상기 제 1 외곽 기판 및/또는 제 2 외곽 기판은 유리 기판일 수 있다. 액정 소자의 물성적 한계를 극복하고자 자동차 또는 윈도우 업계에서는 액정 소자의 양면에 유리 기판을 합착하거나 또는 액정 소자의 일면에 유리 기판을, 다른 일면에 필름 기판을 합착할 수 있다. 이중 자동차 업계에서는 접착제층을 매개로 액정 소자의 양면에 유리 기판을 합착하는 공정이 요구되고 있다. 그러나, 상기 액정 소자의 경우 점착제층의 사용으로 인해 외부 압력에 취약하여 고온고압의 오토클레이브와 같은 유리 기판의 합착 공정에서 셀갭의 무너짐이나 액정의 유동, 몰림 등과 같은 불량이 발생할 수 있다. 본 발명에 따르면 후술하는 바와 같이 중간층의 두께를 제어함으로써 상기 불량을 최소화할 수 있고 광학 디바이스의 구조적 안정성 및 품질의 균일도를 확보할 수 있다.
제 1 외각 기판 및 제 2 외곽 기판의 두께는 각각 약 0.3 mm 이상일 수 있다. 다른 예시에서 상기 두께는 약 0.5 mm 이상, 1 mm 이상, 1.5 mm 이상 또는 약 2 mm 이상일 수 있고, 약 10 mm 이하, 9 mm 이하, 8 mm 이하, 7 mm 이하, 6 mm 이하, 5 mm 이하, 4 mm 이하 또는 약 3 mm 이하일 수도 있다.
제 1 외곽 기판 및 제 2 외곽 기판은 평평(flat)한 기판이거나 혹은 곡면 형상을 가지는 기판일 수 있다. 예를 들면, 상기 제 1 외곽 기판 및 제 2 외곽 기판은 동시에 평편한 기판이거나, 동시에 곡면 형성을 가지거나, 혹은 어느 하나는 평편한 기판이고 다른 하나는 곡면 형상의 기판일 수 있다. 또한, 상기에서 동시에 곡면 형상을 가지는 경우에는 각각의 곡률 또는 곡률 반경은 동일하거나 상이할 수 있다. 본 명세서에서 곡률 또는 곡률 반경은 업계에서 공지된 방식으로 측정할 수 있으며, 예를 들면, 2D Profile Laser Sensor (레이저 센서), Chromatic confocal line sensor (공초점 센서) 또는 3D Measuring Confocal Microscopy 등의 비접촉식 장비를 이용하여 측정할 수 있다. 이러한 장비를 사용하여 곡률 또는 곡률 반경을 측정하는 방식은 공지이다.
제 1 외곽 기판 및 제 2 외곽 기판과 관련해서 예를 들어, 표면과 이면에서의 곡률 또는 곡률 반경이 다른 경우에는 각각 마주보는 면의 곡률 또는 곡률 반경, 즉 제 1 외곽 기판의 경우 제 2 외곽 기판과 대향하는 면의 곡률 또는 곡률 반경과, 제 2 외곽 기판의 경우 제 1 외곽 기판과 대향하는 면의 곡률 또는 곡률 반경이 기준이 될 수 있다. 또한, 해당 면에서의 곡률 또는 곡률 반경이 일정하지 않고, 상이한 부분이 존재하는 경우에는 가장 큰 곡률 또는 곡률 반경이 기준이 되거나, 가장 작은 곡률 또는 곡률 반경이 기준일 될 수 있고, 또는 평균 곡률 또는 평균 곡률 반경이 기준이 될 수 있다.
제 1 외곽 기판 및 제 2 외곽 기판은 각각 곡률 또는 곡률 반경의 차이가 약 10% 이내, 9% 이내, 8% 이내, 7% 이내, 6% 이내, 5% 이내, 4% 이내, 3% 이내, 2% 이내 또는 약 1% 이내일 수 있다. 상기 곡률 또는 곡률 반경의 차이는 큰 곡률 또는 곡률 반경을 CL이라고 하고, 작은 곡률 또는 곡률 반경을 CS라고 할 때에 100×(CL-CS)/CS로 계산되는 수치이다. 또한, 상기 곡률 또는 곡률 반경의 차이의 하한은 특별히 제한되지 않는다. 제 1 및 제 2 외곽 기판의 곡률 또는 곡률 반경의 차이는 동일할 수 있기 때문에, 상기 곡률 또는 곡률 반경의 차이는 약 0 % 이상이거나, 약 0 % 초과일 수 있다. 상기와 같은 곡률 또는 곡률 반경의 제어는 본 출원의 광학 디바이스와 같이 액정 소자가 중간층과 접하는 구조에 있어서 유용하다. 즉 곡률 또는 곡률 반경이 10% 초과하는 경우에는 후술하는 중간층으로 외곽 기판과 액정 소자를 접하는 경우, 합착한 외곽 기판이 합착력 저하로 벌어지는 문제가 발생될 수 있다. 그러나 10% 이내로 제어하는 경우, 합착한 외곽 기판이 합착력 저하로 인해 벌어지는 문제를 효율적으로 방지할 수 있다.
제 1 외곽 기판 및 제 2 외곽 기판은 양자의 곡률이 동일 부호일 수 있다. 다시 말하면, 상기 제 1 및 제 2 외곽 기판은 모두 동일한 방향으로 굴곡되어 있을 수 있다. 즉, 상기 경우는 제 1 외곽 기판의 곡률 중심과 제 2 외곽 기판의 곡률 중심이 모두 제 1 및 제 2 외곽 기판의 상부 및 하부 중에서 같은 부분에 존재하는 경우이다. 제 1 외곽 기판 및 제 2 외곽 기판이 동일한 방향으로 굴곡되어 있는 경우, 제 1 및 제 2 외곽 기판을 중간층으로 보다 효율적으로 접착 시킬 수 있으며, 접착 후 제 1 및 제 2 외곽기판과 액정 소자 및/또는 편광자의 합착력 저하를 보다 효율적으로 방지할 수 있다.
제 1 외곽 기판 및 제 2 외곽 기판은 각각의 곡률 또는 곡률 반경의 구체적인 범위가 특별히 제한되지 않는다. 일 예시에서 상기 제 1 및 제 2 외곽 기판은 각각 곡률 반경이 약 100R 이상, 200R 이상, 300R 이상, 400R 이상, 500R 이상, 600R 이상, 700R 이상, 800R 이상 또는 약 900R 이상이거나, 약 10,000R 이하, 9,000R 이하, 8,000R 이하, 7,000R 이하, 6,000R 이하, 5,000R 이하, 4,000R 이하, 3,000R 이하, 2,000R 이하, 1,900R 이하, 1,800R 이하, 1,700R 이하, 1,600R 이하, 1,500R 이하, 1,400R 이하, 1,300R 이하, 1,200R 이하, 1,100R 이하 또는 약 1,050R 이하일 수 있다. 상기에서 R은 반지름이 1 mm인 원의 휘어진 정도를 의미한다. 따라서, 상기에서 예를 들어, 100R은 반지름이 100mm인 원의 휘어진 정도 또는 그러한 원에 대한 곡률 반경이다. 제 1 및 제 2 외곽 기판은 상기 범위에서 동일하거나 상이한 곡률 반경을 가질 수 있다. 일 예시에서 제 1 및 제 2 외곽 기판의 곡률이 서로 다른 경우에, 그 중에서 곡률이 큰 기판의 곡률 반경이 상기 범위 내일 수 있다. 일 예시에서 제 1 및 제 2 외곽 기판의 곡률이 서로 다른 경우에는 그 중에서 곡률이 큰 기판이 광학 디바이스의 사용 시에 보다 중력 방향으로 배치되는 기판일 수 있다. 제 1 및 제 2 기판의 곡률 또는 곡률 반경을 위와 같이 제어하게 되면, 후술하는 중간층에 의한 합착력이 떨어지게 되어도 복원력과 중력의 합인 알짜힘이 작용하여 벌어짐을 막아줄 수 있다.
하나의 예시에서, 광학 디바이스는 제 1 외곽 기판과 액정 소자 사이 및 상기 제 2 외곽 기판과 액정 소자 사이에 편광자를 포함하지 않을 수 있다. 다른 하나의 예시에서, 광학 디바이스는 제 1 외곽 기판과 액정 소자 사이 및 상기 제 2 외곽 기판과 액정 소자 사이 중 적어도 하나의 위치에 편광자를 더 포함할 수 있다.
본 명세서에서 용어 편광자는 편광 기능을 가지는 필름, 시트 또는 소자를 의미한다. 편광자는 여러 방향으로 진동하는 입사광으로부터 한쪽 방향으로 진동하는 광을 추출할 수 있는 기능성 소자이다.
상기 편광자는 흡수형 편광자 또는 반사형 편광자일 수 있다. 본 명세서에서 흡수형 편광자는 입사 광에 대하여 선택적 투과 및 흡수 특성을 나타내는 소자를 의미한다. 편광자는 예를 들어, 여러 방향으로 진동하는 입사 광으로부터 어느 한쪽 방향으로 진동하는 광은 투과하고, 나머지 방향으로 진동하는 광은 흡수할 수 있다. 본 명세서에서 반사형 편광자는 입사 광에 대하여 선택적 투과 및 반사 특성을 나타내는 소자를 의미한다. 편광자는 예를 들어, 여러 방향으로 진동하는 입사 광으로부터 어느 한쪽 방향으로 진동하는 광은 투과하고, 나머지 방향으로 진동하는 광은 반사할 수 있다. 본 출원의 일 실시예에 따르면 상기 편광자는 흡수형 편광자일 수 있다.
상기 편광자는 선 편광자일 수 있다. 본 명세서에서 선 편광자는 선택적으로 투과하는 광이 어느 하나의 방향으로 진동하는 선 편광이고 선택적으로 흡수 또는 반사하는 광이 상기 선편광의 진동 방향과 수직하는 방향으로 진동하는 선편광인 경우를 의미한다. 흡수형 선 편광자인 경우 광 투과축과 광 흡수축은 서로 수직할 수 있다. 반사형 선 편광자인 경우 광 투과축과 광 반사축은 서로 수직할 수 있다.
하나의 예시에서, 상기 편광자는 각각 요오드 또는 이방성 염료를 염착한 고분자 연신 필름일 수 있다. 상기 고분자 연신 필름으로는 PVA(poly(vinyl alcohol)) 연신 필름을 예시할 수 있다. 다른 하나의 예시에서, 제 1 편광자 및 제 2 편광자는 각각 배향된 상태로 중합된 액정을 호스트로 하고, 상기 액정의 배향에 따라 배열된 이방성 염료를 게스트로 하는 게스트-호스트형 편광자일 수 있다. 다른 하나의 예시에서, 상기 편광자는 각각 열방성(Thermotropic) 액정 필름 또는 유방성(Lyotropic) 액정 필름일 수 있다.
상기 편광자의 일면 또는 양면에는 각각 보호필름, 반사방지필름, 위상차필름, 점착제층, 접착제층, 표면처리층 등이 추가로 형성되어 있을 수 있다. 상기 위상차필름은 예를 들어 1/4 파장판 또는 1/2 파장판일 수 있다. 1/4 파장판은 550 nm 파장의 광에 대한 면내 위상차 값이 약 100 nm 내지 180nm, 100nm 또는 150nm 범위 내일 수 있다. 1/2 파장판은 550 nm 파장의 광에 대한 면내 위상차 값이 약 200nm 내지 300 nm 또는 250nm 내지 300 nm 범위 내일 수 있다. 위상차필름은 예를 들어 고분자 연신 필름 또는 액정 중합 필름일 수 있다.
상기 편광자의 550nm 파장의 광에 대한 투과율은 각각 40% 내지 50% 범위 내일 수 있다. 투과율은 550nm 파장의 광에 대한 편광자의 단체(Single) 투과율을 의미할 수 있다. 상기 편광자의 단체 투과율은, 예를 들면, 스펙트러미터(V7100, Jasco社제)를 사용하여 측정할 수 있다. 예를 들면, 편광자 시료(상부 및 하부 보호 필름 불포함)를 기기에 거치한 상태에서 air를 base line으로 설정하고, 편광자 시료의 축을 기준 편광자의 축과 수직 및 수평으로 정렬한 상태에서 각각의 투과율을 측정한 후에 단체 투과율을 계산할 수 있다.
상기 편광자는, 상기 액정 소자의 제 1 배향 상태에서 상기 차단 상태가 구현된다고 가정하는 경우에 상기 제 1 배향 상태의 평균 광축(광축의 벡터합)과 상기 편광자의 광흡수축이 이루는 각도가 약 80도 내지 약 100도 또는 약 85도 내지 약 95도를 이루거나, 대략 수직이 되도록 광학 디바이스에 배치되어 있거나, 혹은 35도 내지 약 55도 또는 약 40도 내지 약 50도가 되거나 대략 45도가 되도록 광학 디바이스에 배치되어 있을 수 있다.
도 2는 액정 소자를 예시적으로 나타낸다. 도 2에 나타낸 바와 같이, 액정 소자는 제 1 기재층(10a), 제 1 기재층의 내측에 형성된 점착제층(10c), 제 1 기재층(10a)과 대향 배치되는 제 2 기재층(20a), 제 2 기재층(20a)의 내측에 형성된 스페이서(20c) 및 제 1 기재층(10a)과 제 2 기재층(10b) 사이에 위치하는 액정층(30)을 포함할 수 있다.
제 1 기재층 및 제 2 기재층으로는 예를 들면, 유리 필름, 결정성 또는 비결정성 실리콘 필름, 석영 또는 ITO(Indium Tin Oxide) 필름 등의 무기계 필름이나 폴리머 필름 등을 사용할 수 있고, 플렉서블 소자 구현 측면에서 폴리머 필름을 사용할 수 있다.
하나의 예시에서, 제 1 기재층 및 제 2 기재층은 각각 폴리머 필름일 수 있다. 폴리머 필름으로는, 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 사용할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 제 1 기재층 및 제 2 기재층에는 필요에 따라서 금, 은, 이산화 규소 또는 일산화 규소 등의 규소 화합물의 코팅층이나, 반사 방지층 등의 코팅층이 존재할 수도 있다.
제 1 기재층 및 제 2 기재층은 두께가 각각 약 10 ㎛ 내지 약 1,000 ㎛ 일 수 있다. 다른 예로, 상기 기재층은 두께가 각각 약 20 ㎛ 이상, 40 ㎛ 이상, 60 ㎛ 이상, 80 ㎛ 이상, 100 ㎛ 이상, 120 ㎛ 이상, 140 ㎛ 이상, 160 ㎛ 이상 또는 약 180 ㎛ 이상일 수 있으며, 약 900 ㎛ 이하, 800 ㎛ 이하, 700 ㎛ 이하, 600 ㎛ 이하, 500 ㎛ 이하 또는 약 400 ㎛ 이하일 수 있다. 제 1 기재층 및 제 2 기재층의 두께가 상기 범위를 만족하는 경우, 액정 소자를 외곽 기판과 합착하여 광학 디바이스를 제조할 때, 주름 등의 외관 불량을 감소 시킬 수 있다.
점착제층은 제 1 기재층의 내측면에 존재할 수 있다. 본 명세서에서, 액정 소자에 포함되는 구성의 “내측면”은 액정층을 향하는 면을 의미할 수 있다.
점착제층은 광학적으로 투명할 수 있다. 상기 점착제층은 가시광 영역, 예를 들어, 380 nm 내지 780 nm 파장에 대한 평균 투과도가 약 80% 이상, 85% 이상, 90% 이상 또는 95% 이상일 수 있다.
점착제층은 액정 배향성 점착제층일 수 있다. 점착제층은, 예를 들어, 수직 배향성 점착제층이거나 또는 수평 배향성 점착제층일 수 있다. 본 명세서에서 『수직 배향성 점착제』는 인접하는 액정 화합물에 대해 수직 배향력을 부여함과 동시에 상부 기판과 하부 기판을 접착시킬 수 있는 부착력을 갖는 점착제를 의미할 수 있다. 본 명세서에서 『수평 배향성 점착제』는 인접하는 액정 화합물에 대해 수평 배향력을 부여함과 동시에 상부 기판과 하부 기판을 접착시킬 수 있는 부착력을 가지고 있는 점착제를 의미할 수 있다. 수직 배향성 점착제에 대한 인접하는 액정 화합물의 프리틸트 각이 80도 내지 90도, 85도 내지 90도 또는 약 87도 내지 90도 범위 내일 수 있고, 수평 배향성 점착제에 대한 인접하는 액정 화합물의 프리틸트 각이 0도 내지 10도, 0도 내지 5도 또는 0도 내지 3도 범위 내일 수 있다.
본 명세서에서 프리틸트 각도는 전압이 인가되지 않은 상태에서 액정 화합물의 방향자가 액정 배향성 점착제 또는 배향막과 수평한 면에 대하여 이루는 각도를 의미할 수 있다. 본 명세서에서 액정 화합물의 방향자는 액정층의 광축(Optical axis) 또는 지상축(Slow axis)을 의미할 수 있다. 또는 액정 화합물의 방향자는 액정 화합물이 막대(rod) 모양인 경우 장축 방향을 의미할 수 있고, 액정 화합물이 원판(discotic) 모양인 경우 원판 평면의 법선 방향과 평행한 축을 의미할 수 있다.
점착제층의 두께는 예를 들어 3㎛ 내지 15㎛ 범위 내일 수 있다. 점착제층의 두께가 상기 범위 내인 경우 상부 기판과 하부 기판의 부착력을 확보하면서 액정소자의 제조에 사용될 때, 점착제의 눌림이나 몰림 등의 불량을 최소화하는데 유리할 수 있다.
점착제층으로는 업계에서 소위 OCA(Optically Clear Adhesive)로 공지된 다양한 유형의 점착제를 적절히 사용할 수 있다. 상기 점착제는 부착 대상이 합착되기 전에 경화된다는 점에서 부착 대상이 합착된 후에 경화되는 OCR(Optically Clear Resin) 유형의 접착제와 다를 수 있다. 상기 점착제로는 예를 들면, 아크릴계, 실리콘계, 에폭시계 또는 우레탄계의 점착제가 적용될 수 있다.
점착제층은 점착성 수지의 경화물을 포함할 수 있다. 하나의 예시에서, 점착제층은 실리콘계 점착제를 포함할 수 있다. 실리콘계 점착제는 점착성 수지로서 경화성 실리콘 화합물의 경화물을 포함할 수 있다.
경화성 실리콘 화합물의 종류는 특별히 제한되지 않으며, 예를 들어 가열 경화성 실리콘 화합물 또는 자외선 경화형 실리콘 화합물을 사용할 수 있다. 상기 경화성 실리콘 화합물은 점착성 수지로 호칭될 수 있다.
하나의 예시에서, 경화성 실리콘 화합물은 부가 경화형 실리콘 화합물일 수 있다.
구체적으로, 상기 부가 경화형 실리콘 화합물은 (1) 분자 중에 2개 이상의 알케닐기를 함유하는 오르가노폴리실록산 및 (2) 분자 중에 2개 이상의 규소결합 수소원자를 함유하는 오르가노폴리실록산 등이 예시될 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다. 상기와 같은 실리콘 화합물은, 예를 들면, 후술하는 촉매의 존재 하에서, 부가 반응에 의하여 경화물을 형성할 수 있다.
본 출원에서 사용할 수 있는 상기 (1) 오르가노폴리실록산의 보다 구체적인 예로는, 분자쇄 양말단 트리메틸실록산기 봉쇄 디메틸실록산-메틸비닐실록산 공중합체, 분자쇄 양말단 트리메틸실록산기 봉쇄 메틸비닐폴리실록산, 분자쇄 양말단 트리메틸실록산기 봉쇄 디메틸실록산-메틸비닐실록산-메틸페닐실록산 공중합체, 분자쇄 양말단 디메틸비닐실록산기 봉쇄 디메틸폴리실록산, 분자쇄 양말단 디메틸비닐실록산기 봉쇄 메틸비닐폴리실록산, 분자쇄 양말단 디메틸비닐실록산기 봉쇄 디메틸실록산-메틸비닐실록산 공중합체, 분자쇄 양말단 디메틸비닐실록산기 봉쇄 디메틸실록산-메틸비닐실록산-메틸페닐실록산 공중합체, R12SiO1/2로 표시되는 실록산 단위와 R1 2R2SiO1/2로 표시되는 실록산 단위와 SiO4/2로 표시되는 실록산 단위를 포함하는 오르가노폴리실록산 공중합체, R1 2R2SiO1/2로 표시되는 실록산 단위와 SiO4/2로 표시되는 실록산 단위를 포함하는 오르가노폴리실록산 공중합체, R1R2SiO2/2로 표시되는 실록산 단위와 R1SiO3/2로 표시되는 실록산 단위 또는 R2SiO3/2로 표시되는 실록산 단위를 포함하는 오르가노폴리실록산 공중합체 및 상기 중 2 이상의 혼합물을 들 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기에서, R1은 알케닐기 외의 탄화수소기로서, 구체적으로는 메틸기, 에틸기, 프로필기, 부틸기, 펜틸기, 헥실기 또는 헵틸기 등의 알킬기; 페닐기, 톨릴기, 크실릴기 또는 나프틸기 등의 아릴기; 벤질기 또는 페넨틸기 등의 아랄킬기; 클로로메틸기, 3-클로로프로필기 또는 3,3,3-트리플루오로프로필기 등의 할로겐 치환 알킬기 등일 수 있다. 또한, 상기에서 R2는 알케닐기로서, 구체적으로는 비닐기, 알릴기, 부테닐기, 펜테닐기, 헥세닐기 또는 헵테닐기 등일 수 있다.
본 출원에서 사용할 수 있는 상기 (2) 오르가노폴리실록산의 보다 구체적인 예로는, 분자쇄 양말단 트리메틸실록산기 봉쇄 메틸하이드로젠폴리실록산, 분자쇄 양말단 트리메틸실록산기 봉쇄 디메틸실록산-메틸하이드로젠 공중합체, 분자쇄 양말단 트리메틸실록산기 봉쇄 디메틸실록산-메틸하이드로젠실록산-메틸페닐실록산 공중합체, 분자쇄 양말단 디메틸하이드로젠실록산기 봉쇄 디메틸폴리실록산, 분자쇄 양말단 디메틸하이드로젠실록산기 봉쇄 디메틸실록산-메틸페닐실록산 공중합체, 분자쇄 양말단 디메틸하이드로젠실록산기 봉쇄 메틸페닐폴리실록산, R1 3SiO1/2로 표시되는 실록산 단위와 R1 2HSiO1/2로 표시되는 실록산 단위와 SiO4/2로 표시되는 실록산 단위를 포함하는 오르가노폴리실록산 공중합체, R1 2HSiO1/2로 표시되는 실록산 단위와 SiO4/2로 표시되는 실록산 단위를 포함하는 오르가노폴리실록산 공중합체, R1HSiO2/2로 표시되는 실록산 단위와 R1SiO3/2로 표시되는 실록산 단위 또는 HSiO3/2로 표시되는 실록산 단위를 포함하는 오르가노폴리실록산 공중합체 및 상기 중 2 이상의 혼합물을 들 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기에서, R1은 알케닐기 외의 탄화수소기로서, 구체적으로는 메틸기, 에틸기, 프로필기, 부틸기, 펜틸기, 헥실기 또는 헵틸기 등의 알킬기; 페닐기, 톨릴기, 크실릴기 또는 나프틸기 등의 아릴기; 벤질기 또는 페넨틸기 등의 아랄킬기; 클로로메틸기, 3-클로로프로필기 또는 3,3,3-트리플루오로프로필기 등의 할로겐 치환 알킬기 등일 수 있다.
점착제층이 수직 배향성 점착제층인 경우 표면 에너지는 16 mN/m 이하일 수 있다. 상기 표면 에너지의 하한은 예를 들어 5 mN/m 이상일 수 있다. 점착제층이 수평 배향성 점착제층인 경우 표면 에너지는 16 mN/m 초과일 수 있다. 상기 표면 에너지의 상한은 예를 들어 50 mN/m 이하일 수 있다. 표면 에너지는 물방울형 분석기(Drop Shape Analyzer, KRUSS사의 DSA100제품)를 사용하여 측정할 수 있다. 구체적으로 점착제의 표면에 표면 장력(surface tension)이 공지되어 있는 탈이온화수를 떨어뜨리고 그 접촉각을 구하는 과정을 5회 반복하여, 얻어진 5개의 접촉각 수치의 평균치를 구하고, 동일하게, 표면 장력이 공지되어 있는 디요오드메탄(diiodomethane)을 떨어뜨리고 그 접촉각을 구하는 과정을 5회 반복하여, 얻어진 5개의 접촉각 수치의 평균치를 구한다. 그 후, 구해진 탈이온화수와 디요오드메탄에 대한 접촉각의 평균치를 이용하여 Owens-Wendt-Rabel-Kaelble 방법에 의해 용매의 표면 장력에 관한 수치(Strom 값)를 대입하여 표면 에너지를 구하였다. 샘플의 표면 에너지(γsurface)는 무극성 분자간의 분산힘과 극성 분자간의 상호 작용힘이 고려되어(γsurface = γdispersion + γpolar) 계산될 수 있는데, 상기 표면 에너지 γsurface에서 polar term(γpolar)의 비율을 그 표면의 극성도(polarity)로 정의할 수 있다.
액정 소자의 상부 기판과 하부 기판은 점착제층에 의해 부착되어 있을 수 있다. 구체적으로, 상부 기판의 점착제층과 하부 기판의 스페이서가 부착되어 있을 수 있다. 하부 기판의 스페이서 상에 배향막이 형성되어 있는 경우, 배향막의 스페이서에 대응하는 영역이 상부 기판의 점착제층과 부착되어 있을 수 있다.
점착제층은 저장 탄성률(storage modulus)이 1 MPa 이하일 수 있다. 점착제층의 저장 탄성률의 하한은 예를 들어, 0.01 MPa 이상일 수 있다. 상기 점착제층의 저장 탄성률(G2)는 구체적으로, 0.02 MPa 이상, 0.04 MPa, 0.06 MPa, 0.08 MPa 또는 0.1 MPa 이상일 수 있고, 0.8 MPa 이하, 0.6 MPa 이하, 0.4 MPa 이하 또는 0.2 MPa 이하일 수 있다. 상기 저장 탄성률은 25℃온도 및 6 rad/sec 주파수에서 측정된 값일 수 있다. 액정 소자의 물성적 한계를 극복하고자 액정 소자의 양면에 중간층을 매개로 외곽 기판을 합착할 수 있는데, 점착제층의 낮은 모듈러스로 인해, 외부 압력에 취약하여, 상기 합착 과정에서 셀갭의 무너짐이나 액정의 유동, 몰림 등과 같은 불량이 발생할 수 있다. 본 발명에 따르면 후술하는 바와 같이 광학 디바이스에 포함되는 중간층의 두께를 제어함으로써 상기 불량을 최소화할 수 있고 광학 디바이스의 구조적 안정성 및 품질의 균일도를 확보할 수 있다.
액정층은 액정 화합물을 포함할 수 있다. 액정 화합물로는 외부 작용의 인가에 의하여 그 배향 방향이 변경될 수 있는 액정 화합물을 사용할 수 있다. 본 명세서에서 용어 『외부 작용』이란, 액정층 내 포함되는 물질의 거동에 영향을 줄 수 있는 외부에 모든 요인, 예를 들면 외부 전압 등을 의미할 수 있다. 따라서, 외부 작용이 없는 상태란, 외부 전압 등의 인가가 없는 상태를 의미할 수 있다.
액정 화합물의 종류 및 물성은 본 출원의 목적을 고려하여 적절히 선택될 수 있다. 하나의 예시에서, 액정 화합물은 네마틱(nematic) 액정 또는 스멕틱(smectic) 액정일 수 있다. 네마틱 액정은 막대 모양의 액정 분자가 위치에 대한 규칙성은 없으나 액정 분자의 장축 방향으로 평행하게 배열되어 있는 액정을 의미할 수 있고, 스멕틱 액정은 막대 모양의 액정 분자가 규칙적으로 배열하여 층을 이룬 구조를 형성하며 장축 방향으로 규칙성을 가지고 평행하게 배열되어 있는 액정을 의미할 수 있다. 본 출원의 일 실시예에 의하면 상기 액정 화합물은 네마틱 액정 화합물일 수 있다.
네마틱 액정 화합물은 예를 들면, 약 40℃이상, 50℃이상, 60℃이상, 70℃이상, 80℃이상, 90℃이상, 100℃이상 또는 약 110℃이상의 등명점(clearing point)를 가지거나, 상기 범위의 상전이점, 즉 네마틱상에서 등방상으로의 상전이점을 가지는 것이 선택될 수 있다. 일 예시에서 상기 등명점 또는 상전이점은 약 160℃이하, 150℃이하 또는 약 140℃이하일 수 있다.
액정 화합물은 비반응성 액정 화합물일 수 있다. 비반응성 액정 화합물은, 중합성기를 갖지 않는 액정 화합물을 의미할 수 있다. 중합성기로는 아크릴로일기, 아크릴로일옥시기, 메타크릴로일기, 메타크릴로일옥시기, 카복실기, 히드록시기, 비닐기 또는 에폭시기 등이 예시될 수 있으나 이에 제한되지 않고, 중합성기로서 알려진 공지의 관능기가 포함될 수 있다.
액정 화합물은 유전율 이방성이 양수 또는 음수일 수 있다. 액정 화합물의 유전율 이방성의 절대값은 본 출원의 목적을 고려하여 적절히 선택될 수 있다. 용어 「유전율 이방성(△ε」은 액정의 수평 유전율(ε//)과 수직 유전율(ε⊥)의 차이(ε//- ε⊥)를 의미할 수 있다. 본 명세서에서 용어 수평 유전율(ε//)은 액정 화합물의 방향자와 인가 전압에 의한 전기장의 방향이 실질적으로 수평하도록 전압을 인가한 상태에서 상기 전기장의 방향을 따라 측정한 유전율 값을 의미하고, 수직 유전율(ε⊥)은 액정 화합물의 방향자와 인가 전압에 의한 전기장의 방향이 실질적으로 수직하도록 전압을 인가한 상태에서 상기 전기장의 방향을 따라 측정한 유전율 값을 의미한다. 액정 분자의 유전율 이방성은 5 내지 25 범위 내일 수 있다.
액정 화합물의 굴절률 이방성은 본 출원의 목적을 고려하여 적절히 선택될 수 있다. 본 명세서에서 용어 「굴절률 이방성」은 액정 화합물의 이상 굴절률(extraordinary refractive index)과 정상 굴절률(ordinary refractive index)의 차이를 의미할 수 있다. 액정 화합물의 굴절률 이방성은 예를 들어 0.01 내지 0.3일 수 있다. 상기 굴절률 이방성은 0.01 이상, 0.05 이상 또는 0.07 이상일 수 있고, 0.3 이하, 0.2 이하, 0.15 이하 또는 0.13 이하일 수 있다.
액정층은 이색성 염료를 더 포함할 수 있다. 액정층이 이색성 염료를 포함하는 경우, 액정 소자가 점착제층을 포함하더라도 외곽 기판의 합착 공정 시에 셀갭의 변동에 영향을 덜 받으므로, 액정 소자의 구조적 안정성 및 품질의 균일성을 확보하기 위한 중간층의 두께를 상대적으로 얇게 할 수 있는 이점이 있다.
이색성 염료는 액정층의 광 투과도 가변 특성을 제어할 수 있다. 본 명세서에서 『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 『이색성 염료』는 가시광 영역의 적어도 일부 또는 전체 범위에서 광의 이방성 흡수가 가능한 물질을 의미할 수 있다.
액정 화합물 및 이색성 염료를 포함하는 액정층은 GHLC층(Guest host liquid crystal layer)일 수 있다. 본 명세서에서 『GHLC층(Guest host liquid crystal layer)』은, 액정 화합물의 배열에 따라 이색성 염료가 함께 배열되어, 이색성 염료의 정렬 방향과 상기 정렬 방향의 수직한 방향에 대하여 각각 비등방성 광 흡수 특성을 나타내는 기능성 층을 의미할 수 있다. 예를 들어, 이색성 염료는 빛의 흡수율이 편광 방향에 따라서 달라지는 물질로서, 장축 방향으로 편광된 빛의 흡수율이 크면 p형 염료로 호칭하고 단축 방향으로 편광된 빛의 흡수율이 크면 n형 염료라고 호칭할 수 있다. 하나의 예시에서, p형 염료가 사용되는 경우, 염료의 장축 방향으로 진동하는 편광은 흡수되고 염료의 단축 방향으로 진동하는 편광은 흡수가 적어 투과시킬 수 있다. 이하 특별한 언급이 없는 한 이색성 염료는 p형 염료인 것으로 가정한다.
이색성 염료로는 예를 들면, 소위 게스트 호스트 효과에 의해 액정 화합물의 정렬 상태에 따라 정렬될 수 있는 특성을 가지는 것으로 알려진 공지의 염료를 선택하여 사용할 수 있다. 이러한 이색성 염료의 예로는 아조 염료, 안트라퀴논 염료, 메틴 염료, 아조메틴 염료, 메로시아닌 염료, 나프토퀴논 염료, 테트라진 염료, 페닐렌 염료, 퀴터릴렌 염료, 벤조티아다이아졸 염료, 다이케토피롤로피롤 염료, 스쿠아레인 염료 또는 파이로메텐 염료 등이 있으나, 본 출원에서 적용 가능한 염료가 상기에 제한되는 것은 아니다.
이색성 염료는 이색비(dichroic ratio), 즉 이색성 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.
액정층의 이색성 염료의 함량은 본 출원의 목적을 고려하여 적절히 선택될 수 있다. 예를 들어, 액정층의 이색성 염료의 함량은 0.2 중량% 이상일 수 있다. 상기 이색성 염료의 함량은 구체적으로 0.5 중량% 이상, 1 중량% 이상, 2 중량% 이상 또는 3 중량 이상일 수 있다. 상기 이색성 염료의 함량의 상한은 예를 들어 10 중량% 이하, 9 중량% 이하, 8 중량% 이하, 6 중량% 이하 또는 5 중량% 이하일 수 있다. 액정층의 이색성 염료의 함량이 지나치게 적은 경우 목적하는 투과도 가변 특성을 발현하기 어려울 수 있고, 외곽 기판의 합착 공정 시에 발생할 수 있는 셀갭의 변동을 저감하기 위한 중간층의 두께를 감소시키는데 불충분할 수 있다. 한편, 액정층의 이색성 염료의 함량이 지나치게 많은 경우 석출의 우려가 있다. 따라서, 이색성 염료의 함량은 상기 범위 내인 것이 유리할 수 있다.
액정층의 두께는 특별히 제한되지 않으며, 예를 들면 액정층의 두께는, 약 0.01㎛ 이상, 0.05㎛ 이상, 0.1㎛ 이상, 0.5㎛ 이상, 1㎛ 이상, 1.5㎛ 이상, 2㎛ 이상, 2.5㎛ 이상, 3㎛ 이상, 3.5㎛ 이상, 4㎛ 이상, 4.5㎛ 이상, 5㎛ 이상, 5.5㎛ 이상, 6㎛ 이상, 6.5㎛ 이상, 7㎛ 이상, 7.5㎛ 이상, 8㎛ 이상, 8.5㎛ 이상, 9㎛ 이상 또는 9.5㎛ 이상일 수 있다. 상기 액정층의 두께의 상한은 특별히 제한되는 것은 아니며, 일반적으로 약 30 ㎛ 이하, 25 ㎛ 이하, 20 ㎛ 이하 또는 15 ㎛ 이하일 수 있다.
액정층은 제 1 배향 상태와 상기 제 1 배향 상태와는 다른 제 2 배향 상태의 사이를 스위칭할 수 있다. 상기 스위칭은, 예를 들면, 전압과 같은 외부 에너지의 인가를 통해 조절할 수 있다. 예를 들면, 액정층은 전압 무인가 상태에서 상기 제 1 및 제 2 배향 상태 중에서 어느 한 상태가 유지되다가, 전압 인가에 의해 다른 배향 상태로 스위칭될 수 있다.
하나의 예시에서, 제 1 배향 상태는 트위스트 배향 상태일 수 있다. 즉, 액정층은 외부 에너지 인가를 통해 트위스트 배향 및 상기 트위스트 배향과 다른 배향 상태의 사이를 스위칭할 수 있다. 이 경우 광학 디바이스는 제 1 외곽 기판과 액정 소자의 사이 및 제 2 외곽 기판과 액정 소자의 사이에 편광자를 포함하지 않을 수 있다. 하나의 예시에서, 액정층은 트위스트 배향 및 수직 배향 상태의 사이를 스위칭할 수 있다. 하나의 예시에서, 액정층은 전압이 인가되지 않은 상태에서 트위스트 배향 상태일 수 있고, 전압이 인가된 상태에서 수직 배향 상태일 수 있다.
본 명세서에서 『수직 배향 상태』는 액정층 내의 액정 화합물의 방향자가 액정층의 평면에 대하여 대략 수직하게 배열된 상태이고, 예를 들면, 액정층의 평면에 대하여 액정 화합물의 방향자가 이루는 각도는, 예를 들어, 약 80도 내지 100도 또는 85도 내지 95도의 범위 내이거나, 대략 약 90도를 이룰 수 있다.
본 명세서에서 『트위스트 배향 상태』는 액정층 내에서 액정 화합물들의 방향자가 가상의 나선축을 따라서 꼬이면서 층을 이루며 배향한 나선형의 구조를 의미할 수 있다. 트위스트 배향 상태는, 수직, 수평 또는 경사 배향 상태에서 구현될 수 있다. 즉, 수직 트위스트 배향 모드는 개개의 액정 화합물이 수직 배향된 상태로 나선축을 따라 꼬이면서 층을 이루는 상태이고, 수평 트위스트 배향 모드는 개개의 액정 화합물이 수평 배향된 상태로 나선축을 따라 꼬이면서 층을 이루는 상태이며, 경사 트위스트 배향 모드는 개개의 액정 화합물이 경사 배향된 상태로 나선축을 따라 꼬이면서 층을 이루는 상태이다. 본 출원에 따르면 트위스트 배향 상태는 수평 배향 상태의 트위스트 배향 상태일 수 있다.
트위스트 배향 상태에서 액정층의 두께(d)와 피치(p)의 비율(d/p)은 20 이하일 수 있고, 하한은 0.5 이상일 수 있다. 트위스트 배향 상태에서 두께(d)와 피치(p)의 비율(d/p)이 상기 범위 내인 경우, 광학 디바이스는 편광자를 포함하지 않은 상태에서도 우수한 광 투과도 가변 특성을 나타낼 수 있다. 통상적으로 상기 비율 d/p가 0.7 이상이고, 2.5 미만인 경우, STN(Super Twisted Nematic) 모드로 호칭할 수 있고, 상기 비율 d/p가 2.5 이상인 경우, HTN(Highly Twisted Nematic) 구동 모드로 호칭할 수 있다.
액정층의 피치(p)는 Wedge cell을 이용한 계측 방법으로 측정할 수 있고, 구체적으로는 D. Podolskyy 등의 Simple method for accurate measurements of the cholesteric pitch using a "stripe-wedge Grandjean-Cano cell (Liquid Crystals, Vol. 35, No. 7, July 2008, 789-791)에 기재된 방식으로 측정할 수 있다.상기 비율(d/p)은, 액정층 내에 키랄 도펀트(chiral dopant)를 적정량 도입함으로써 달성할 수 있다.
액정층은 키랄 도펀트를 더 포함할 수 있다. 액정층이 키랄제를 포함하는 경우 트위스트 배향 상태를 구현할 수 있다. 액정층에 포함될 수 있는 키랄제(chiral agent 혹은 chiral dopant)로는, 액정성, 예를 들면, 네마틱 규칙성을 손상시키지 않고, 목적하는 회전(twisting)을 유도할 수 있는 것이라면, 특별히 제한되지 않고 사용될 수 있다. 액정 화합물에 회전을 유도하기 위한 키랄제는 분자 구조 중에 키랄리티(chirality)를 적어도 포함할 필요가 있다. 키랄제로는, 예를 들면, 1개 또는 2개 이상의 비대칭 탄소(asymmetric carbon)를 가지는 화합물, 키랄 아민 또는 키랄 술폭시드 등의 헤테로원자 상에 비대칭점(asymmetric point)이 있는 화합물 또는 크물렌(cumulene) 또는 비나프톨(binaphthol) 등의 축부제를 가지는 광학 활성인 부위(axially asymmetric, optically active site)를 가지는 화합물이 예시될 수 있다. 키랄제는 예를 들면 분자량이 1,500 이하인 저분자 화합물일 수 있다. 키랄제로는, 시판되는 키랄 네마틱 액정, 예를 들면, Merck사에서 시판되는 키랄 도판트 액정 S-811 또는 BASF사의 LC756 등을 사용할 수도 있다.
키랄 도펀트의 적용 비율은, 목적하는 상기 비율(d/p)을 달성할 수 있도록 선택된다. 일반적으로 키랄 도펀트의 함량(중량%)은 100/ HTP (Helixcal Twisting power) × 피치(p)(nm)의 수식으로 계산될 수 있다. 상기 HTP는 키랄 도펀트의 꼬임의 세기를 나타내며, 상기 방식을 참조하여 목적하는 피치를 고려하여 키랄 도펀트의 함량이 결정될 수 있다.
다른 하나의 예시에서, 제 1 배향 상태는 수평 배향 상태일 수 있다. 즉, 액정층은 외부 에너지 인가를 통해 수평 배향 및 상기 수평 배향과 다른 배향 상태의 사이를 스위칭할 수 있다. 하나의 예시에서, 액정층은 수평 배향 및 수직 배향 상태의 사이를 스위칭할 수 있다. 하나의 예시에서, 액정층은 전압이 인가되지 않은 상태에서 수평 배향 상태일 수 있고, 전압이 인가된 상태에서 수직 배향 상태일 수 있다. 이 경우 광학 디바이스는 제 1 외곽 기판과 액정 소자의 사이 또는 제 2 외곽 기판과 액정 소자의 사이에 1장의 편광자를 더 포함할 수 있다.
본 명세서에서 『수평 배향 상태』는 액정층 내의 액정 화합물의 방향자가 액정층의 평면에 대하여 대략 수평하게 배열된 상태이고, 예를 들면, 액정층의 평면에 대하여 액정 화합물의 방향자가 이루는 각도는, 예를 들어, 약 0도 내지 10도 또는 0도 내지 5도의 범위 내이거나, 대략 약 0도를 이룰 수 있다.
액정 소자는 제 1 기재층(10a)의 내측면에 형성된 제 1 전극층(10b)을 추가로 포함할 수 있다. 이때, 점착제층(10c)은 제 1 전극층(10b)의 내측면에 존재할 수 있다. 즉, 제 1 전극층(10b)은 제 1 기재층(10a)과 점착제층(10c)의 사이에 존재할 수 있다. 액정 소자는 제 2 기재층(20a)의 내측면에 형성된 제 2 전극층(20b)을 추가로 포함할 수 있다. 이때, 스페이서(20d)는 제 2 전극층(20b)의 내측면에 존재할 수 있다. 즉, 제 2 전극층(20b)은 제 2 기재층(20a)과 스페이서(20d) 사이에 존재할 수 있다.
제 1 전극층과 제 2 전극층은 액정층 내에 포함되어 있는 물질이 입사하는 광을 투과 또는 차단시키도록, 외부 작용, 예를 들어, 전계의 인가를 부여하는 역할을 수행할 수 있다. 하나의 예시에서, 상기 제 1 전극층 및/또는 제 2 전극층은 전도성 고분자, 전도성 금속, 전도성 나노 와이어 또는 ITO(Indium Tin Oxide) 등의 금속 산화물 등을 포함할 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다. 상부 및/또는 하부 제 2 전극층은, 예를 들면 상기 전도성 고분자, 전도성 금속, 전도성 나노 와이어 또는 ITO(Indium Tin Oxide) 등의 금속 산화물을 증착하여 형성한 것일 수 있다.
액정 소자는 제 2 전극층(20b)의 내측면에 존재하는 배향막(20d)를 더 포함할 수 있다. 스페이서(20c)는 제 2 전극층(20b)과 배향막(20d)의 사이에 존재할 수 있다. 배향막은 스페이서 상에 형성될 수 있다. 즉, 스페이서의 상면부 및/또는 측면부는 배향막과 접할 수 있다. 스페이서의 하부면은 제 2 전극층에 접할 수 있다. 점착제층은 액정 배향성을 가질 수 있기 때문에, 제 1 전극층의 내측면에는 배향막을 포함하지 않을 수 있다.
본 명세서에서, 제 1 기재층, 제 1 전극층 및 점착제층의 조합을 상부 기판으로 호칭할 수 있고, 제 2 기재층, 제 2 전극층, 스페이서 및 배향막의 조합을 하부 기판으로 호칭할 수 있다. 액정 소자에서 상부 기판은 점착제층 이외의 별도의 배향막은 포함하지 않고, 하부 기판은 배향막을 포함할 수 있다.
배향막과 액정층은 접하고 있을 수 있다. 배향막은 수직 배향막 또는 수평 배향막일 수 있다. 본 명세서에서 『수평 배향막』은 인접하는 액정층 내에 존재하는 액정 화합물에 대한 수평 배향력을 부여하는 배향성 물질을 포함하는 층을 의미할 수 있다. 본 명세서에서 『수직 배향막』은 인접하는 액정층 내에 존재하는 액정 화합물에 대한 수직 배향력을 부여하는 배향성 물질을 포함하는 층을 의미할 수 있다. 수직 배향막에 대한 인접하는 액정 화합물의 프리틸트 각이 80도 내지 90도, 85도 내지 90도 또는 약 87도 내지 90도 범위 내일 수 있고, 수평 배향막에 대한 인접하는 액정 화합물의 프리틸트 각이 0도 내지 10도, 0도 내지 5도 또는 0도 내지 3도 범위 내일 수 있다. 배향막은 점착제층과 달리 상부 기판과 하부 기판을 접착시키는 접착력을 갖지 않을 수 있다. 하나의 예시에서, 배향막은 도 2의 액정 소자의 상태에서 상부 기판에 대한 박리력이 0에 가까울 수 있다.
배향막은 러빙 배향막 또는 광배향막일 수 있다. 배향막의 배향 방향은 러빙 배향막의 경우는 러빙 방향, 광배향막인 경우는 조사되는 편광의 방향일 수 있는데, 이러한 배향 방향은, 흡수형 선형 편광자를 사용한 검출 방식으로 확인할 수 있다. 구체적으로 액정층에 포함되는 액정 화합물을 수평 배향시킨 상태에서 상기 액정층의 일면에 흡수형 선형 편광자를 배치하고, 상기 편광자를 360도 회전시키면서 투과율을 측정함으로써 배향 방향을 확인할 수 있다. 상기 상태에서 액정층 또는 흡수형 선형 편광자 측으로 광을 조사하면서 다른 측에서 휘도(투과율)를 측정하는 경우, 상기 흡수축 또는 투과축과 액정 배향막의 배향 방향이 일치하는 경우에 투과율이 낮게 되는 경향을 보이는데, 적용된 액정 화합물의 굴절률 이방성 등을 반영한 모사(simulation)를 통해 배향 방향을 확인할 수 있다. 액정층의 모드에 따라서 배향 방향을 확인하는 방식은 공지이며, 본 출원에서는 이러한 공지의 방식으로 배향막의 배향 방향을 확인할 수 있다.
배향막으로는 폴리이미드(polyimide) 화합물, 폴리비닐알코올(poly(vinyl alcohol)) 화합물, 폴리아믹산(poly(amic acid)) 화합물, 폴리스티렌(polystylene) 화합물, 폴리아미드(polyamide) 화합물 및 폴리옥시에틸렌(polyoxyethylene) 화합물 등과 같이 러빙 배향에 의해 배향능을 나타내는 것으로 공지된 물질이나, 폴리이미드(polyimide) 화합물, 폴리아믹산(polyamic acid) 화합물, 폴리노르보넨(polynorbornene) 화합물, 페닐말레이미드 공중합체(phenylmaleimide copolymer) 화합물, 폴리비닐신나메이트(polyvinylcinamate) 화합물, 폴리아조벤젠(polyazobenzene) 화합물, 폴리에틸렌이민(polyethyleneimide) 화합물, 폴리비닐알콜(polyvinylalcohol) 화합물, 폴리아미드(polyimide) 화합물, 폴리에틸렌(polyethylene) 화합물, 폴리스타일렌(polystylene) 화합물, 폴리페닐렌프탈아미드(polyphenylenephthalamide) 화합물, 폴리에스테르(polyester) 화합물, CMPI(chloromethylated polyimide) 화합물, PVCI(polyvinylcinnamate) 화합물 및 폴리메틸 메타크릴레이트(polymethyl methacrylate) 화합물 등과 같이 광조사에 의해 배향능을 나타낼 수 있는 것으로 공지된 물질로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상을 포함할 수 있으나, 이에 제한되지는 않는다.
스페이서(20c)는 상부 기판과 하부 기판의 사이의 간격을 유지할 수 있다. 상부 기판과 하부 기판의 사이에 스페이서가 존재하지 않는 영역에 액정층이 존재할 수 있다.
스페이서는 패턴화된 스페이서일 수 있다. 스페이서는 기둥 형상(column) 또는 격벽 형상(partition wall)을 가질 수 있다. 격벽은 하부 기판과 상부 기판 사이의 공간을 2개 이상의 공간으로 구획할 수 있다. 스페이서가 존재하지 않는 영역에는 하부에 존재하는 다른 필름이나 다른 층이 노출되어 있을 수 있다. 예를 들어, 스페이서가 존재하지 않는 영역에는 제 2 전극층이 노출되어 있을 수 있다. 배향막은 스페이서 및 스페이서가 존재하지 않는 영역에 노출된 제 2 전극층을 덮고 있을 수 있다. 상부 기판과 하부 기판이 합착된 액정소자에 있어서, 하부 기판의 스페이서 상부에 존재하는 배향막과 상부 기판의 점착제층이 서로 접하고 있을 수 있다.
상부 기판과 하부 기판 사이의 스페이서가 존재하지 않는 영역에는 액정 화합물 및 전술한 첨가제, 예를 들어 이색성 염료, 키랄제 등이 존재할 수 있다. 스페이서의 형상은 특별히 제한되지 않고, 예를 들어, 원, 타원 그 밖의 다각형 형상 다면을 가지도록 제한없이 적용될 수 있다.
스페이서는 경화성 수지를 포함할 수 있다. 경화성 수지의 종류는 특별히 제한되지 않고, 예를 들어 열 경화성 수지 또는 광 경화성 수지, 예를 들어 자외선 경화성 수지를 사용할 수 있다. 열 경화성 수지로는, 예를 들어 실리콘 수지, 규소 수지, 프란 수지, 폴리우레탄 수지, 에폭시 수지, 아미노 수지, 페놀 수지, 요소 수지, 폴리에스테르 수지 또는 멜라민 수지 등을 사용할 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다. 자외선 경화성 수지로는 대표적으로 아크릴 중합체, 예를 들어, 폴리에스테르 아크릴레이트 중합체, 폴리스티렌 아크릴레이트 중합체, 에폭시 아크릴레이트 중합체, 폴리우레탄 아크릴레이트 중합체 또는 폴리부타디엔 아크릴레이트 중합체, 실리콘 아크릴레이트 중합체 또는 알킬 아크릴레이트 중합체 등을 사용할 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다.
스페이서는 패터닝 공정에 의해 형성될 수 있다. 예를 들어, 스페이서는 포토리소그래피 공정에 의해 형성될 수 있다. 포토리소그래피 공정은 경화성 수지 조성물을 기재층 또는 전극층 상에 도포한 후 패턴 마스크를 매개로 자외선을 조사하는 공정을 포함할 수 있다. 패턴 마스크는 자외선 투과 영역과 자외선 차단 영역으로 패터닝되어 있을 수 있다. 포토리소그래피 공정은 자외선이 조사된 경화성 수지 조성물을 워싱(washing) 하는 공정을 더 포함할 수 있다. 자외선이 조사된 영역은 경화되고, 자외선이 조사되지 않은 영역은 액상으로 남아 있으므로 워싱 공정을 통하여 제거함으로써, 격벽 형상으로 패터닝할 수 있다. 포토리소그래피 공정에 있어서, 자외선 조사 후, 수지 조성물과 패턴 마스크를 용이하게 분리 하기 위하여 패턴 마스크에 이형 처리를 수행하거나 또는 이형지를 수지 조성물의 층과 패턴 마스크 사이에 위치시킬 수도 있다.
스페이서의 너비(선폭), 간격(피치), 두께, 면적은 본 출원의 목적을 손상시키지 않는 범위 내에서 적절히 선택될 수 있다. 예를 들어, 스페이서의 너비(선폭)는 10㎛ 내지 500㎛ 범위 또는 10㎛ 내지 50㎛ 범위 내일 수 있다. 스페이서의 간격(피치)은 10㎛ 내지 1000㎛ 범위 또는 100㎛ 내지 1000㎛ 범위 내일 수 있다. 스페이서의 면적은 제 2 기재층의 전체 면적 100%에 대하여, 약 5% 이상일 수 있고, 50% 이하일 수 있다. 스페이서의 면적이 상기 범위 내인 경우, 상부 기판과 하부 기판의 부착력을 적절히 확보하면서 우수한 전기 광학 특성을 확보하는데 유리할 수 있다. 스페이서의 두께는 예를 들어, 1㎛ 내지 30㎛ 또는 3㎛ 내지 20㎛ 범위일 수 있다.
광학 디바이스는 제 1 외곽 기판과 액정 소자의 사이에 위치하는 적어도 하나 이상의 중간층을 포함할 수 있고, 제 2 외곽 기판과 액정 소자의 사이에 위치하는 적어도 하나 이상의 중간층을 포함할 수 있다. 따라서, 광학 디바이스는 적어도 2장의 중간층을 포함할 수 있다. 제 1 외곽 기판 및 제 2 외곽 기판의 일면은 인접하는 중간층과 각각 접할 수 있다. 액정 소자의 양면은 각각 인접하는 중간층과 접할 수 있다.
광학 디바이스의 중간층의 개수는 광학 디바이스가 제 1 외곽 기판, 제 2 외곽 기판 및 액정 소자 이외의 다른 소자를 더 포함하는 지 여부에 따라 결정될 수 있다. 상기 다른 소자는 편광자 등을 예시할 수 있다.
하나의 예시에서, 광학 디바이스는 제 1 외곽 기판과 제 2 외곽 기판의 사이에, 상기 액정 소자 외에 다른 소자, 예를 들어, 편광자를 더 포함할 수 있다. 이 경우, 일구체예로, 광학 디바이스는 제 1 외곽 기판, 중간층, 액정소자, 중간층, 편광자, 중간층 및 제 2 외곽 기판 순으로 적층된 구조를 가질 수 있다. 다른 구체예로, 광학 디바이스는 제 1 외곽 기판, 중간층, 편광자, 중간층, 액정소자, 중간층 및 제 2 외곽 기판 순으로 적층된 구조를 가질 수 있다. 또 다른 예로, 광학 디바이스는 제 1 외곽 기판, 중간층, 편광자, 중간층, 액정소자, 중간층, 편광자, 중간층 및 제 2 외곽 기판 순으로 적층된 구조를 가질 수 있다.
다른 하나의 예시에서, 광학 디바이스는 제 1 외곽 기판과 제 2 외곽 기판의 사이에, 상기 액정 소자 외에 다른 소자, 예를 들어, 편광자를 포함하지 않을 수 있다. 이 경우 광학 디바이스는 제 1 외곽 기판, 중간층, 액정소자, 중간층 및 제 2 외곽 기판 순으로 적층된 구조를 가질 수 있다.
액정 소자의 물성적 한계를 극복하고자 액정 소자의 양면에 중간층을 매개로 외곽 기판을 합착할 수 있는데, 점착제층의 낮은 모듈러스로 인해, 외부 압력에 취약하여, 상기 합착 과정에서 셀갭의 무너짐이나 액정의 유동, 몰림 등과 같은 불량이 발생할 수 있다. 광학 디바이스에 포함되는 중간층들의 두께를 제어함으로써 상기 불량을 최소화할 수 있고, 광학 디바이스의 구조적 안정성 및 균일한 외관 특성을 확보할 수 있다.
하나의 예로서, 상기 적어도 하나 이상의 중간층은 총 두께의 합이 800 ㎛ 이상일 수 있다. 상기 적어도 하나 이상의 중간층의 총 두께의 합은, 제 1 외곽 기판과 액정 소자 사이 및 제 2 외곽 기판과 액정 소자 사이에 존재하는 모든 중간층의 두께의 합을 의미한다. 중간층의 총 두께가 상기 범위 내인 경우 외곽 기판의 합착 과정에서의 불량을 최소화함으로써, 광학 디바이스의 구조적 안정성 및 균일한 외관 특성을 확보할 수 있다. 상기 적어도 하나 이상의 중간층의 총 두께의 합은 구체적으로 900 μm 이상, 1,000 ㎛ 이상, 1,100 ㎛ 이상, 1200 ㎛ 이상, 1,300 ㎛ 이상, 1,400 ㎛ 이상, 1,500 ㎛ 이상, 1,600 ㎛ 이상, 약 1,650 ㎛ 이상, 1,700 ㎛ 이상, 1,750 ㎛ 이상, 1,800 ㎛ 이상, 1,850 ㎛ 이상, 1,900 ㎛ 이상, 1,950 ㎛ 이상, 2,000 ㎛ 이상, 2,100 ㎛ 이상, 2,150 ㎛ 이상 또는 약 2,200 ㎛ 이상일 수 있다. 상기 적어도 하나 이상의 중간층의 총 두께의 합은 예를 들어 약 6,000 ㎛ 이하, 5,900 이하, 5,800 ㎛ 이하, 5,700 ㎛ 이하, 5,600 ㎛ 이하, 5,500 ㎛ 이하, 5,400 ㎛ 이하, 5,300 ㎛ 이하, 5,200 ㎛ 이하, 5,100 ㎛ 이하 또는 약 5,000 ㎛ 이하일 수 있다. 상기 적어도 하나 이상의 중간층의 총 두께의 합이 지나치게 두꺼운 경우 광학 디바이스의 투과율 특성 등의 전기 광학적 특성을 저하시킬 수 있으므로 상기 범위 내인 것이 유리할 수 있다.
상기 적어도 하나 이상의 중간층은 각각 중간층 1장의 단층 구조를 갖거나 또는 2장 이상의 서브 중간층의 적층체일 수 있다. 서브 중간층의 두께 및 개수는 목적하는 중간층의 두께를 고려하여 제어될 수 있다. 하나의 예시에서, 서브중간층의 두께는 100㎛ 내지 500㎛ 범위 또는 300㎛ 내지 400㎛ 범위 내일 수 있다.
하나의 예로서, 상기 제 1 외곽 기판과 액정 소자 사이에 위치하는 적어도 하나 이상의 중간층의 총 두께(Ta) 및 상기 제 2 외곽 기판과 액정 소자 사이에 위치하는 적어도 하나 이상의 중간층의 총 두께(Tb)는 각각 약 400㎛ 이상, 500㎛ 이상, 600㎛ 이상, 700㎛ 이상, 800㎛ 이상, 900㎛ 이상, 1000㎛ 이상 또는 1100㎛ 이상일 수 있으며, 약 3,000㎛ 이하, 2,900㎛ 이하, 2,800㎛ 이하, 2,700㎛ 이하, 약 2,600㎛ 이하, 약 2,500㎛ 이하, 약 2,400㎛ 이하 또는 약 2,300㎛ 이하일 수 있다. 상기 두께 Ta 및 Tb가 각각 상기 범위 내인 경우 광학 디바이스의 전기 광학적 특성을 저해하지 않으면서, 외곽 기판의 합착 과정에서의 불량없이 구조적 안정성 및 균일한 외관 특성을 확보하는데 유리할 수 있다. 상기 제 1 외곽 기판과 액정 소자 사이에 위치하는 적어도 하나 이상의 중간층의 총 두께(Ta)의 합은, 제 1 외곽 기판과 액정 소자 사이에 존재하는 모든 중간층의 두께의 합을 의미한다. 또한, 상기 제 2 외곽 기판과 액정 소자 사이에 위치하는 적어도 하나 이상의 중간층의 총 두께(Tb)의 합은 제 2 외곽 기판과 액정 소자 사이에 존재하는 모든 중간층의 두께의 합을 의미한다.
하나의 예로서, 상기 제 1 외곽 기판(20a)과 액정 소자(10) 사이에 위치하는 적어도 하나 이상의 중간층(30)의 총 두께(Ta) 대비 상기 제 2 외곽 기판(20b)과 액정 소자(10) 사이에 위치하는 적어도 하나 이상의 중간층(30)의 총 두께(Tb)의 두께 비율(Ta/Tb)은 0.1 내지 10의 범위내일 수 있다. 다른 예로 상기 두께 비율(Ta/Tb)은 약 0.12 이상, 약 0.13 이상 또는 약 0.14 이상 일 수 있으며 약 9.5 이하, 9.0 이하, 8.5 이하, 8.0 이하, 7.5 이하 또는 약 7.0 이하일 수 있다. 상기 두께 비율이 0.1 내지 10의 범위 내인 경우, 보다 효과적으로 액정 소자의 외관 불량을 개선할 수 있다.
하나의 예로서, 적어도 하나 이상의 중간층의 저장 탄성률(storage modulus)은 각각 1 MPa 이상일 수 있다. 중간층의 저장 탄성률이 낮은 경우 고온 내구성 테스트 또는 cycle 테스트 등에서 기재층이 수축과 팽창의 응력을 견디지 못해 액정 소자가 파손될 수도 있다. 중간층의 저장 탄성률은 2 MPa 이상 또는 4 MPa 이상일 수 있고, 100 MPa 이하, 80 MPa 이하, 60 MPa 이하, 40 MPa 이하, 20 MPa 이하, 10 MPa 이하 또는 5 MPa 이하일 수 있다. 상기 저장 탄성률은 25℃온도 및 6 rad/sec 주파수에서 측정된 값일 수 있다.
하나의 예로서, 상기 적어도 하나 이상의 중간층은 각각 영률(Young's modulus, E)이 0.1 MPa 내지 100 MPa 범위 내일 수 있다. 다른예로 중간층의 영률(E)은 약 0.2 MPa 이상, 0.4 MPa 이상, 0.6 MPa 이상, 0.8 MPa 이상, 1 MPa 이상, 5 MPa 이상 또는 약 10 MPa 이상일 수 있으며, 약 95 MPa 이하, 80 MPa 이하, 75 MPa 이하, 70 MPa 이하, 65 MPa 이하, 60 MPa 이하, 55 MPa 이하 또는 약 50 MPa 이하일 수 있다. 상기 영률(E)은, 예를 들면, ASTM D882에 규정된 방식으로 측정할 수 있고, 해당 규격에서 제공하는 형태로 필름을 재단하고, Stress-Strain curve를 측정할 수 있는 장비(힘과 길이를 동시에 측정할 수 있는), 일예로 UTM(Universal testing machine)을 이용하여 측정할 수 있다. 광학 디바이스에 포함되는 중간층들의 영률이 상기 범위 내인 경우 광학 디바이스의 우수한 내구성을 확보하는데 더욱 유리할 수 있다. 중간층이 적어도 2장 이상의 서브중간층의 적층체인 경우, 서브중간층 각각이 상기 영률의 범위를 만족할 수 있다.
하나의 예로서, 상기 적어도 하나 이상의 중간층은 각각 열팽창 계수가 2,000 ppm/K 이하일 수 있다. 상기 열팽창 계수는, 다른 예시에서 약 1,900ppm/K 이하, 1,700ppm/K 이하, 1,600ppm/K 이하 또는 약 1.500ppm/K 이하이거나, 약 10 ppm/K 이상, 20 ppm/K 이상, 30 ppm/K 이상, 40 ppm/K 이상, 50 ppm/K 이상, 60 ppm/K 이상, 70 ppm/K 이상, 80 ppm/K 이상, 90 ppm/K 이상, 100 ppm/K 이상, 200 ppm/K 이상, 300 ppm/K 이상, 400 ppm/K 이상, 500 ppm/K 이상, 60 ppm/K 이상, 700 ppm/K 이상 또는 약 800 ppm/K 이상일 수 있다. 중간층의 열팽창 계수는, 예를 들면, ASTM D696의 규정에 따라 측정할 수 있고, 해당 규격에서 제공하는 형태로 재단하고, 단위 온도당 길이의 변화를 측정하여 열팽창 계수를 계산할 수 있으며, TMA(ThermoMechanic Analysis) 등의 공지의 방식으로 측정할 수 있다. 광학 디바이스에 포함되는 중간층들의 열팽창 계수가 상기 범위 내인 경우 광학 디바이스의 우수한 내구성을 확보하는데 더욱 유리할 수 있다. 중간층이 적어도 2장 이상의 서브중간층의 적층체인 경우, 서브중간층 각각이 상기 열팽창 계수의 범위를 만족할 수 있다.
상기 적어도 하나 이상의 중간층은 각각 열가소성 폴리우레탄(TPU; Thermoplastic Polyurethane) 접착제층, 폴리아마이드 접착제층, 폴리에스테르 접착제층, EVA(Ethylene Vinyl Acetate) 접착제층, 아크릴 접착제층, 실리콘 접착제층 또는 폴리올레핀 접착제층일 수 있다. 본 출원의 일 실시예에 의하면, 상기 적어도 하나 이상의 중간층은 각각 열가소성 폴리우레탄일 수 있다.
광학 디바이스는 액정 소자의 측면을 둘러싸는 외곽층을 더 포함할 수 있다. 광학 디바이스에서, 액정 소자의 상부 면적은 제 1 외곽 기판 또는 제 2 외곽 기판의 상부 면적보다 작을 수 있다. 또한, 액정 소자의 상부 면적은 광학 디바이스에 포함되는 적어도 하나 이상의 중간층들의 상부 면적보다 작을 수 있다. 하나의 예시에서, 액정 소자는 제 1 외곽 기판과 액정 소자 사이에 위치하는 중간층, 제 2 외곽 기판과 액정 소자 사이에 위치하는 중간층 및 상기 외각 층에 의해 캡슐화되어 있을 수 있다. 본 출원에서 용어 캡슐화(encapsulation)는 중간층과 외곽층으로 액정 소자의 전면을 피복하는 것을 의미할 수 있다. 목적하는 구조에 따라서 예를 들면, 제 1 외곽 기판, 중간층, 액정 소자, 중간층 및 제 2 외곽기판을 순차로 포함하고 액정소자의 측면을 둘러싸는 외곽층을 포함하는 적층체를 진공 상태에서 압착하는 방식으로 상기 캡슐화 구조를 구현할 수 있다. 이러한 캡슐화 구조에 의해서 광학 디바이스의 내구성이나 내후성이 크게 향상되고, 그 결과 선루프 등 야외에서 사용되는 용도에도 안정적으로 적용될 수 있다.
외곽층은 예를 들어 열가소성 폴리우레탄(TPU; Thermoplastic Polyurethane) 접착제, 폴리아마이드 접착제, 폴리에스테르 접착제, EVA(Ethylene Vinyl Acetate) 접착제, 아크릴 접착제, 실리콘 접착제 또는 폴리올레핀 접착제를 포함할 수 있다. 하나의 예시에서, 외곽층은 중간층과 동일한 재료로 형성될 수 있다.
본 출원은 또한 광학 디바이스의 제조 방법에 관한 것이다. 상기 광학 디바이스의 제조 방법은 제 1 외곽 기판, 적어도 하나 이상의 중간층, 액정소자, 적어도 하나 이상의 중간층 및 제 2 외곽 기판을 순차로 포함하는 적층체를 준비하는 단계 및 상기 적층체에 오토클레이브 처리하는 단계를 포함할 수 있다. 광학 디바이스의 제조 방법에서 특별한 언급이 없는 한 상기 광학 디바이스에서 설명한 내용이 동일하게 적용될 수 있다.
상기 적층체는 액정 소자의 측면을 둘러싸는 외곽층을 더 포함할 수 있다.
광학 디바이스가 상기 액정 소자 이외의 다른 소자, 예를 들어, 편광자를 더 포함하는 경우, 상기 적층체는 상기 액정 소자 이외의 다른 소자를 목적하는 위치에 더 포함할 수 있다.
상기 오토클레이브 공정은 적층하는 단계 후에 형성된 적층체에 가열 및/또는 가압에 의해 수행될 수 있다.
상기 오토클레이브 공정의 조건은 특별히 제한이 없고, 예를 들면, 적용된 중간층의 종류에 따라 적절한 온도 및 압력 하에서 수행할 수 있다. 통상의 오토클레이브 공정의 온도는 약 80℃ 이상, 90℃ 이상 또는 100℃ 이상이며, 압력은 2기압 이상이나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 공정 온도의 상한은 약 200℃ 이하, 190℃ 이하, 180℃ 이하 또는 170℃ 이하 정도일 수 있고, 공정 압력의 상한은 약 10 기압 이하, 9 기압 이하, 8 기압 이하, 7 기압 이하 또는 6 기압 이하 정도일 수 있다.
상기와 같은 광학 디바이스는 다양한 용도로 사용될 수 있으며, 예를 들면, 선글라스나 AR(Augmented Reality) 또는 VR(Virtual Reality)용 아이웨어(eyewear) 등의 아이웨어류, 건물의 외벽이나 차량용 선루프 등에 사용될 수 있다. 하나의 예시에서 상기 광학 디바이스는, 그 자체로서 차량용 선루프일 수 있다. 예를 들면, 적어도 하나 이상의 개구부가 형성되어 있는 차체를 포함하는 자동차에 있어서 상기 개구부에 장착된 상기 광학 디바이스 또는 차량용 선루프를 장착하여 사용될 수 있다.
본 출원의 광학 디바이스는 액정 소자의 셀갭이 적절히 유지되고 상부 기판과 하부 기판의 우수한 부착력을 가지며, 외곽 기판의 합착 공정에서 눌림이나 몰림 등의 불량을 최소화하여, 구조적 안정성과 양호한 품질의 균일도를 확보할 수 있다.
도 1은 본 출원의 예시적인 광학 디바이스의 단면도이다.
도 2는 본 출원의 예시적인 액정 소자의 단면도이다.
도 3은 비교예 1의 광학 디바이스를 촬영한 사진이다.
이하 실시예를 통하여 본 출원을 구체적으로 설명하지만, 본 출원의 범위가 하기 실시예에 의해 제한되는 것은 아니다.
측정예 1. 저장 탄성률 측정
저장 탄성률은 TA사의 DMA Q800를 사용하여 측정하였다. 구체적으로, Multi-Frequency-Strain mode로 온도 25℃, 주파수 6 rad/sec, Force 0.01N 및 Ramp rate 3 °/min의 조건으로 저장 탄성률 값을 기록하였다.
실시예 1
액정 소자 제조
제 1 기재층으로 두께가 약 100㎛이고, 가로×세로 면적이 900mm×600mm인 폴리카보네이트 필름(Keiwa社)을 준비하였다. 제 1 기재층 상에 ITO(indium-tin-oxide)를 50nm 두께로 증착하여 제 1 전극층을 형성하였다. 제 1 전극층 상에 점착제 조성물(KR-3700, 신에츠社)을 바 코팅한 후, 약 150℃에서 약 5분 동안 건조하여, 두께가 약 10 ㎛인 점착제층을 형성하였다. 점착제층의 저장 탄성률은 약 0.1 MPa 였다. 제 1 기재층, 제 1 전극층 및 점착제층의 조합을 상부 기판으로 호칭한다.
제 2 기재층으로 두께가 약 100㎛이고, 가로×세로 면적이 900mm×600mm인 폴리카보네이트 필름(Keiwa社)을 준비하였다. 제 2 기재층 상에 ITO(indium-tin-oxide)를 50nm 두께로 증착하여 제 2 전극층을 형성하였다. 제 2 전극층 상에 아크릴계 수지 조성물(KAD-03, 미뉴타텍社)을 코팅한 후, 포토리소그래피 방법으로 허니콤형 스페이서(격벽형 스페이서)를 형성하였다. 허니콤을 구성하는 정육각형(폐도형)의 피치는 약 450 ㎛이고, 높이는 약 12 ㎛이며, 선폭은 약 30 ㎛이다. 상기 스페이서에 의해서 형성되는 폐도형(정육각형)의 면적은 대략 2.14 mm2였다. 상기 스페이서 상에 수평 배향막(Nissan社, SE-7492K)을 약 300 nm의 두께로 코팅한 후, 일 방향으로 러빙 처리하였다. 제 2 기재층, 제 2 전극층, 스페이서 및 수평 배향막의 조합을 하부 기판으로 호칭한다.
하부 기판의 수평 배향막 상에 액정 조성물을 코팅하여 액정층을 형성한 후, 상부 기판의 점착제층을 상기 액정 조성물의 코팅된 면과 마주보도록 하여 합지하였다. 상기 액정 조성물은 액정 화합물(JNC社, SHN-5011XX), 키랄 도펀트(HCCH社, S811) 및 이색성 염료(LG화학社, black dye 조합)을 포함하며, 액정 조성물 내에서 키랄 도펀트의 함량은 3.7 중량%이고, 이색성 염료의 함량은 3 중량%이다. 상기와 같이 형성된 액정층의 피치(p)는 약 2.5㎛였고, 셀갭(d)과 피치(p)의 비율(d/p)은 약 4.8였다. 상기 액정 소자는 전압 미인가시 비틀림 각도가 1720도인 HTN 모드 액정셀이다.
광학 디바이스 제조
제 1 외곽 기판, 제 1 중간층, 상기 제조된 액정 소자, 제 2 중간층 및 제 2 외곽 기판을 순차로 포함하고, 액정 소자의 측면을 둘러싸는 외곽층을 포함하는 적층체를 준비하였다. 제 1 외곽 기판에 비하여 제 2 외곽 기판이 중력 방향으로 배치하였다.
제 1 외곽 기판으로는 두께가 약 3mm이고, 면적이 가로×세로=1100mm×800mm이며, 곡률 반경이 약 2,470R인 유리 기판을 사용하였다. 제 2 외곽 기판으로는 두께가 약 3mm이고, 면적이 가로x세로=300mm×300mm이며, 곡률 반경이 약 2,400R인 유리 기판을 사용하였다. 제 1 중간층과 제 2 중간층은 각각 1층의 두께가 약 380㎛인 TPU층(Argotec社) 2개의 적층체이다. 상기 TPU층(Argotec社)의 열팽창 계수는 307 ppm/K이고, 저장 탄성률은 2.18 MPa이다. 외곽층은 상기 중간층과 동일한 재료로 형성하였다.
상기 적층체에 약 110℃의 온도 및 약 2 기압의 압력으로 오토클레이브 공정을 수행하여 도 1의 구조의 광학 디바이스를 제작하였다. 실시예 1의 광학 디바이스에서 중간층의 총 두께는 약 1,520㎛이다.
실시예 2
제 1 중간층으로 1층의 두께가 약 380㎛인 TPU층(Argotec社) 단층으로 변경하고, 제 2 중간층으로 1층의 두께가 약 380㎛인 TPU층(Argotec社) 2개의 적층체로 변경한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 공정을 수행하여 광학 디바이스를 제조하였다. 실시예 2의 광학 디바이스에서 중간층의 총 두께는 약 1,140㎛이다.
실시예 3
제 1 중간층으로 1층의 두께가 약 380㎛인 TPU층(Argotec社) 2개의 적층체로 변경하고, 제 2 중간층으로 1층의 두께가 약 380㎛인 TPU층(Argotec社) 단층으로 변경한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 공정을 수행하여 광학 디바이스를 제조하였다. 실시예 2의 광학 디바이스에서 중간층의 총 두께는 약 1,140㎛이다.
실시예 4
제 1 중간층으로 1층의 두께가 약 380㎛인 TPU층(Argotec社) 2개의 적층체로 변경하고, 제 2중간층으로 1층의 두께가 약 380㎛인 TPU층(Argotec社) 3개의 적층체로 변경한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 공정을 수행하여 광학 디바이스를 제조하였다. 실시예 2의 광학 디바이스에서 중간층의 총 두께는 약 1,900㎛이다.
실시예 5
제 1 중간층으로 1층의 두께가 약 380㎛인 TPU층(Argotec社) 3개의 적층체로 변경하고, 제 2중간층으로 1층의 두께가 약 380㎛인 TPU층(Argotec社) 2개의 적층체로 변경한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 공정을 수행하여 광학 디바이스를 제조하였다. 실시예 2의 광학 디바이스에서 중간층의 총 두께는 약 1,900㎛이다.
실시예 6
제 1 중간층과 제 2 중간층을 각각 1층의 두께가 약 380㎛인 TPU층(Argotec社) 3개의 적층체로 변경한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 공정을 수행하여 광학 디바이스를 제조하였다. 실시예 2의 광학 디바이스에서 중간층의 총 두께는 약 2,280㎛이다.
비교예 1
제 1 중간층과 제 2 중간층을 각각 1층의 두께가 약 380㎛인 TPU층 단층으로 변경한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 공정을 수행하여 광학 디바이스를 제조하였다. 비교예 1의 광학 디바이스에서 중간층의 총 두께는 약 760㎛이다.
평가예 1. 눌림 및 몰림 불량 평가
실시예 1 내지 6 및 비교예 1에서 제조된 광학 디바이스를 전압이 인가되지 않은 상태에서 눌림 및 몰림 불량이 발생하는지를 관찰하였다. 실시예 1은 눌림 불량 및 몰림 불량이 관찰되지 않았으나, 도 3에 나타낸 바와 같이, 비교예 1은 눌림 및 몰림 불량이 관찰되었다. 도 3(a)에 나타낸 바와 같이, 몰림 불량 영역의 경우 주변 영역보다 이색성 염료의 농도가 높으므로 주변 영역보다 어둡게 보이고, 도 3(b)에 나타낸 바와 같이, 눌림 불량 영역의 경우 주변 영역보다 이색성 염료의 농도가 낮으므로 주변 영역보다 밝게 보인다.
중간층의 총 두께 (㎛) 눌림 및 몰림 불량 평가
실시예 1 1,520 양호
실시예 2 1,140 양호
실시예 3 1,140 양호
실시예 4 1,900 양호
실시예 5 1,900 양호
실시예 6 2,280 양호
비교예 1 760 불량
100a: 제 1 외곽 기판, 100b; 제 2 외곽 기판, 200a, 200b: 중간층, 300: 액정 소자, 400: 외곽층, 10a: 제 1 기재층, 10b: 제 1 전극층, 10c: 점착제층, 20a: 제 2 기재층, 20b: 제 2 전극층, 20c: 스페이서, 20d: 배향막

Claims (17)

  1. 제 1 외곽 기판;
    상기 제 1 외곽 기판과 대향 배치되는 제 2 외곽 기판;
    상기 제 1 외곽 기판과 제 2 외곽 기판 사이에 위치하는 액정 소자; 및
    상기 제 1 외곽 기판과 액정 소자의 사이, 및 상기 제 2 외곽 기판과 액정 소자의 사이에 위치하는 적어도 하나 이상의 중간층을 포함하며,
    상기 액정 소자는 제 1 기재층, 제 1 기재층의 내측에 형성된 점착제층, 제 1 기재층과 대향 배치되는 제 2 기재층, 제 2 기재층의 내측에 형성된 스페이서 및 제 1 기재층과 제 2 기재층 사이에 위치하며, 액정 화합물 및 이색성 염료를 포함하는 액정층을 포함하고,
    상기 적어도 하나 이상의 중간층의 총 두께의 합은 800 ㎛ 이상인 광학 디바이스.
  2. 제 1 항에 있어서, 제 1 외곽 기판 및 제 2 외곽 기판은 각각 유리 기판인 광학 디바이스.
  3. 제 1 항에 있어서, 광학 디바이스는 제 1 외곽 기판과 액정 소자 사이 및 상기 제 2 외곽 기판과 액정 소자 사이에 편광자를 포함하지 않는 광학 디바이스.
  4. 제 1 항에 있어서, 광학 디바이스는 제 1 외곽 기판과 액정 소자 사이 및 제 2 외곽 기판과 액정 소자 사이 중 적어도 하나 이상의 위치에 편광자를 더 포함하는 광학 디바이스.
  5. 제 1 항에 있어서, 점착제층의 저장 탄성률(storage modulus)은 0.01 MPa 내지 1 MPa 범위 내인 광학 디바이스.
  6. 제 1 항에 있어서, 액정층은 외부 에너지 인가를 통해 제 1 배향 상태 및 상기 제 1 배향 상태와 다른 제 2 배향 상태의 사이를 스위칭하는 광학 디바이스.
  7. 제 1 항에 있어서, 액정층 내의 이색성 염료의 함량은 0.2 중량 % 내지 10 중량% 범위 내인 광학 디바이스.
  8. 제 1 항에 있어서, 스페이서는 제 1 기재층과 제 2 기재층 사이에서 간격을 유지하는 패턴화된 스페이서인 광학 디바이스.
  9. 제 1 항에 있어서, 제 2 기재층의 면적(A)에 대한 스페이서의 면적(B)의 비율(B/A)은 5% 내지 50% 범위 내인 광학 디바이스.
  10. 제 1 항에 있어서, 액정 소자는 제 1 기재층의 내측면에 형성된 제 1 전극층 및 제 2 기재층의 내측면에 형성된 제 2 전극층을 더 포함하고, 점착제층은 제 1 전극층의 내측면에 존재하고, 스페이서는 제 2 전극층의 내측면에 존재하는 광학 디바이스.
  11. 제 10 항에 있어서, 액정 소자는 제 2 전극층의 내측면에 존재하는 배향막을 더 포함하고, 제 1 기재층의 내측면에는 배향막을 포함하지 않는 광학 디바이스.
  12. 제 1 항에 있어서, 적어도 하나 이상의 중간층의 두께는 각각 400㎛ 내지 3,000㎛ 범위 내인 광학 디바이스.
  13. 제 1 항에 있어서, 적어도 하나 이상의 중간층의 저장 탄성률(storage modulus)은 각각 1 MPa 내지 100 MPa 범위 내인 광학 디바이스.
  14. 제 1 항에 있어서, 적어도 하나 이상의 중간층의 영률(Young's modulus)은 각각 0.1 MPa 내지 100 MPa 범위 내인 광학 디바이스.
  15. 제 1 항에 있어서, 적어도 하나 이상의 중간층의 열팽창계수는 각각 2,000 ppm/K 이하인 광학 디바이스.
  16. 제 1 항에 있어서, 적어도 하나 이상의 중간층은 각각 열가소성 폴리우레탄 접착제층, 폴리아마이드 접착제층, 폴리에스테르 접착제층, EVA(Ethylene Vinyl Acetate) 접착제층, 아크릴 접착제층, 실리콘 접착제층 또는 폴리올레핀 접착제층인 광학 디바이스.
  17. 하나 이상의 개구부가 형성되어 있는 차체; 및 상기 개구부에 장착된 제 1 항의 광학 디바이스를 포함하는 자동차.
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