KR100831961B1 - 광가교성 액정을 이용한 광학 필름 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 광가교성 액정을 경사배향하여 필름면에 대해 경사진 광축을 갖도록 한 액정고분자 광학 필름 및 그 제조방법에 관한 것이다. 광가교성 액정의 경사배향은 기재에 코팅된 감광성 고분자 배향막에 소정의 조건을 갖춘 자외선을 경사조사하여 가능하다. 경사배향된 광가교성 액정은 배향막과 최초로 접하는 액정부터 배향막 면과 경사를 이루며 이에 적층 배열되는 액정도 거의 같은 경사를 이루게 되어 가능하다. 또한 광가교성 액정에 카이랄 도펀트를 도입하여 경사진 나선형배향구조를 구현할 수 있다. 상기와 같은 액정의 경사배향구조에 의한 액정광학필름은 광학특성의 면균일성과 생산성이 우수하며 이러한 필름은 LCD의 시야각을 넓히는 광학 보상필름으로 사용될 수 있다.

광가교성 액정, 보상필름, 액정 표시 장치, 광배향

Description

광가교성 액정을 이용한 광학 필름 및 그 제조방법{Optical film using the reactive mesogen and manufacturing of the same}

도 1은 종래 기술에 의한 스플레이 배향된 디스코틱 액정필름의 구성을 나타내는 단면도.

도 2는 종래 기술에 의한 스플레이 배향된 내마틱 액정필름의 구성을 나타내는 단면도.

도 3은 종래 기술에 의한 막 두께가 균일하지 않은 액정필름의 구성을 나타내는 단면도.

도 4는 본 발명의 일실시예에 의한 경사배향된 디스코틱 액정필름의 구성을 나타내는 단면도.

도 5는 본 발명의 일실시예에 의한 경사배향된 네마틱 액정필름의 구성을 나타내는 단면도.

도 6는 본 발명에 의한 막 두께가 균일하지 않은 액정필름의 구성을 나타내는 단면도.

도 7은 본 발명에 의한 경사지고 나선형으로 배향된 광가교성 네마틱 액정 필름의 구성을 나타내는 단면도.

도 8은 본 발명에 의한 경사지고 나선형으로 배향된 광가교성 네마틱 액정의 나선형 주기(pitch)가 1회 이상 적층반복되는 구성을 갖는 액정필름을 나타내는 단면도.

도 9는 본 발명에 의한 네마틱액정의 나선형배향구조(1주기)를 상층에서 본 단면도.

도 10은 본 발명에 의한 네마틱액정의 나선형배향구조(1주기)를 측면에서 본 단면도.

도 11은 본 발명에 의한 경사배향을 위하여 자외선을 이용한 표면배향처리 공정을 나타내는 사시도.

**도면의 주요구성에 대한 부호의 설명**

110: 기재

120: 배향막

130: 액정층

본 발명은 광가교성 액정을 이용한 광학 필름 및 그 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 배향막 상에 자외선을 조사되는 경사 방향에 대하여 수직으로 조사하고, 배향막에 대하여 편광된 자외선을 10°내지 80°의 범위에서 조사하거나, 비편광된 자외선을 40°내지 80°의 범위에서 조사함으로써, 상기 배향막과 접하는 최초의 액정이 처음부터 경사 배향되고, 상부에 적층 배열된 다른 액정이 최 초 경사 배향된 액정과 동일한 기울기로 경사 배열되는 광가교성 액정을 이용한 광학 필름 및 그 제조방법에 관한 것이다.

최근 정보화 사회로 시대가 급발전함에 따라 박형화, 경량화, 저 소비전력화 등이 가능하며, 해상도, 컬러표시, 화질 등의 특성이 우수한 평판 표시 소자인 액정 표시 장치(LCD)가 노트북이나 데스크탑 모니터 등에 광범위하게 적용되고 있다.

일반적으로 액정 표시 장치는 전계 생성 전극이 각각 형성되어 있는 두 기판을 두 전극이 형성되어 있는 면이 마주 대하도록 배치하고 두 기판 사이에 액정 물질을 주입하여 액정 층으로 된 액정 셀을 형성한 다음, 두 전극에 전압을 인가하여 생성되는 전기장에 의해 액정 분자를 움직이게 함으로써, 이에 따라 달라지는 빛의 투과율에 의해 화상을 표현하는 장치이다.

상기 액정 셀은 트위스트 네마틱 액정(twisted nematic LC)셀로서, 이러한 트위스트 네마틱 액정 셀을 이루는 액정 분자들은 가늘고 긴 막대 모양을 가지며 일정한 피치(pitch)를 가지고 나선상으로 꼬여있어 액정 분자의 장축의 배열 방향이 연속적으로 변화되는 뒤틀린 구조를 갖는다.

이러한 트위스트 네마틱 액정 방식에서는 입사한 편광이 분자의 장축과 단축의 배열에 따라 각기 다른 시야각 특성을 나타낸다. 즉, 액정 표시 장치의 시야각은 나선 구조의 액정 분자들의 장축을 따라 형성되므로, 보는 방향에 따라 시야각이 변하게 된다.

이러한 액정 표시 장치에서는 수평 방향에 대해서 대략 +45에서 -45 범위의 대칭적인 시야각을 가지며, 수직 방향에 대해서는 -15에서 5도 사이로 시야각이 제 한되기 때문에, 수직 방향의 시야각에서는 이미지가 반전되는 범위가 발생되어 시야각이 좁아지는 문제가 있다.

액정 표시 장치가 소형일 경우 소수의 사용자가 한정된 각도에서 액정 표시 장치를 바라볼 경우가 많겠지만, 액정 표시 장치가 대형화 되어감에 따라 다수의 사용자가 여러 각도에서 액정 표시 장치를 바라볼 가능성이 높아지게 되고, 이에 따라 액정 표시 장치의 제한적인 시야각(viewing angle) 특성이 중요한 문제가 되고 있다.

이러한 액정 표시 장치의 제한적인 시야각 문제를 극복하기 위한 일반적인 방안은, 경사진 광축으로 이루어진 o-plate 특성의 광학필름을 액정셀과 편광판 사이에 배치하는 것이다. 이때 액정셀 내의 트위스트 배향된 액정이 전계에 의해 구동시 나타내는 평균광축과 상기 o-plate의 광축을 서로 반대로 배치함으로써 좁은 시야각을 보상할 수 있으며, 일반적으로 액정셀과 상부 편광판 사이에 적어도 1장 이상의 o-plate를 사용하여 보상효과를 부여할 수 있으며, 상부 편광판과 액정셀 사이에 혹은 하부 편광판과 액정셀 사이에 적어도 1장 이상의 o-plate를 사용하여 보상효과를 극대화할 수 있다.

상기 o-plate 특성을 갖는 광학 보상 필름 중에는 스플레이 배향된 광가교성액정을 이용한 액정필름이 있다. 상기 액정필름은 수평배향처리된 표면에 첨가제가 포함된 광가교성 액정(reactive mesogen)을 코팅함으로써 액정 분자를 스플레이 배향시켜서 제작하는 광학필름이다.

상기 광가교성 액정은 아크릴레이트 등과 같은 광가교성 관능기를 적어도 1 개 이상 갖는 액정상 분자를 말하며, 일반적으로 미량의 광개시제를 혼합하고, 자외선을 조사하여 상기 광가교성 액정을 서로 가교시킴으로써 액정 고분자를 생성할 수 있으며, 상기 첨가제는 액정간 경사를 유발하는 역활을 하게 된다.

따라서, 상기 광가교성 액정과 광개시제 그리고 첨가제를 적당한 용매에 혼합하여 용융된 액정 용액을 소정 두께로 수평 배향처리된 대상면에 코팅한 후 용매를 증발시키게 되면, 대상면에 접하는 액정은 수평방향을 이루고 두께방향으로 적층배열된 액정은 액정간 소정의 경사를 이루면서 배열되는 스플레이 배향구조를 갖게 된다. 상기 용매가 모두 증발된 후 액정 코팅막에 자외선을 조사하면 배열된 액정이 서로 가교됨으로써, 스플레이 배열된 액정에 의해 경사진 평균광축을 갖는 o-plate를 형성하게 된다.

상기와 같은 액정 필름에는 도 1에 도시된 바와 같이 광가교성 디스코틱 액정을 스플레이 배향한 디스코틱 액정 필름과, 도 2에 도시된 바와 같이 광가교성 네마틱 액정을 스플레이 배향한 네마틱 액정 필름이 있다.

상기 네마틱 액정의 경우에는 그 장축과 단축 방향의 굴절률이 다른 이방성 특징(Nx ≠ Ny)이 있으며, 상기 디스코틱 액정의 경우에는 일반적으로 원판 형상이므로 판상에서 장축과 단축 방향의 굴절률이 다를 수 없기 때문에 장축과 단축 방향의 굴절률이 같은 특징(Nx = Ny)을 갖게 됨으로써, 이들 액정을 이용한 액정 필름은 각기 다른 광학 특성과 보상 효과가 있게 된다.

그러나 상기와 같은 종래의 광학 필름에 의하면 다음과 같은 문제점이 있게 된다.

상기한 서로 다른 광학 특성의 차이에도 불구하고, 두 경우 모두 코팅 두께의 편차로 인한 광학적 불균일을 막을 수 없다. 상기한 액정 필름의 경우에는 액정 코팅의 두께에 미세한 편차가 있게 되면, 도 3에 도시된 바와 같이 코팅 두께의 편차에 따라 평균 광축의 변화가 초래되기 때문에, 크고 작은 두께의 편차가 상존하는 모든 코팅공정에서 모든 액정 표면에서 균일한 광학 특성을 얻기 어려운 문제점이 있다.

또한, 상기한 스플레이 배향을 이용한 액정 필름은 적층되는 액정 간 경사에 의하여 좌우 액정 간 공간이 커지게 되면서 적층되는 상부의 액정간 패킹(Packing) 효과가 저하되어, 그 배향 상태가 불안정하게 되고, 깨끗한 코팅 표면을 얻기 어려운 문제점이 있다.

뿐만 아니라, 상기와 유사한 이유로 스플레이 배향에서는 배향처리된 대상면으로부터 멀거나 공기층과 가까운 최상층에 적층된 액정의 경우에는 완전하게 90°로 배향되는 것이 어렵기 때문에, 그 평균 광축이 항상 45°가 넘지 않거나 45°를 넘게 하기 어려우며, 액정셀의 효율적인 광학 보상을 위하여 45°의 평균 광축이 필요한 경우에 대응할 수 없는 근본적인 문제점이 있다.

한편, 광가교성 액정을 이용한 광학 필름은 배향처리된 표면에 액정을 코팅함으로서 액정 분자가 스플레이 배향되는 배향공정을 갖는다.

일반적으로 표면 배향처리하는 방법으로는 러빙법(rubbing), 무기물의 진공사방증착법, 이온이나 프라즈마 빔을 진공 상태에서 유기물 혹은 무기물로 이루어진 기재에 경조사하는 방법 그리고 광배향막을 이용한 광배향법 등이 잘 알려져 있 다.

상기 이온이나 프라즈마에 의한 경조사법의 경우에는 기본적으로 빔의 조사각을 조절하여 배향의 경사각이 조절되는 경사 배향이나 수평 배향을 만들 수 있다.

상기 무기물의 진공사증착법의 경우에는 광가교성 액정을 코팅하면 소정의 경사 배향을 얻을 수 있고, 무기물의 증착각에 액정 배향의 경사각을 조절할 수도 있다.

상기 러빙법의 경우에는 길이가 긴 곁가지를 갖는 폴리이미드(혹은 폴리아믹애시드) 배향막을 기재에 코팅하고 소성한 후 러빙한다. 이때 배향막의 알킬 곁가지 길이를 조절하여 액정의 배향 경사각을 조절할 수 있다.

상기 광배향법의 경우에는 액정의 배향을 위하여 편광된 자외선을 사용하게 되며, 이때 편광은 선편광, 부분편광 혹은 타원편광을 사용할 수 있고, 일반적으로 편광된 광축 방향으로 액정이 배향된다. 이 경우에도 편광된 자외선을 경조사하여 경사 배향을 유도할 수 있다.

그러나 상기와 같은 종래의 광학 필름 제조방법에 의하면 다음과 같은 문제점이 있게 된다.

상기와 같은 배향 방법은 일반적인 배향 즉 광가교성이 없는 배향 방법으로는 적합할지 몰라도, 광가교성 액정의 배향에는 적합하지 않은 문제점이 있다.

광가교성 액정은 액정상 분자에 의하여 유연한 선형의 알킬가지로 연결된 광가교 관능기를 2개 이상 도입한 것으로 광가교성이 없는 일반적인 액정에 비하여 분자가 크며, 대게 상온에서 고체이므로 필름현상을 위한 코팅을 위해 적절한 용매에 녹인 용액을 사용해야 한다. 상기 광가교성 액정은 용매를 증발시킨 후 높은 가교도가 요구되므로 이를 위해 광가교 관능기가 충분히 유연하도록 알킬가지의 길이가 긴 것이 일반적이다.

따라서, 이와 같이 크기가 커진 액정을 배향시키기 위해서는 일반 액정에 비하여 같은 표면 배향 조건에서 동일한 수준의 균일성을 갖는 배향을 얻기 어려운 문제점이 있다.

또한, 상기와 같은 배향 방법은 액정셀의 제조시 적용할 수 있는 방법인데, 상기 액정셀의 제조는 2개의 기재 혹은 배향막이 코팅된 기재를 상기와 같이 기술된 배향 방법에 의하여 표면 배향처리하고, 그 배향 방향이 서로 반대가 되도록 표면 배향된 면을 서로 마주보게 하며, 마주보는 기재 간에 소정의 간격을 두고 그 사이에 액정을 충진함으로써 양 배향면의 배향력에 의하여 충진된 액정이 배향되는 과정을 거치게 된다.

따라서, 상기와 같은 배향 방법은 양 배향면의 배향력을 이용하기 때문에, 액정 배향유도가 용이하고 경사 배향도 가능할 것이라고 생각되지만, 사실 충진되는 액정이 광가교성 액정 용액인 경우 기재 사이에서 용매를 증발시키는 것이 거의 불가능하므로 적합한 방법이 되지 못한다. 그리고 2개의 기재와 2회 배향처리가 필요하다는 비효율성이 있기 때문에 액정 필름의 제조방법으로는 전혀 적합하지 않다.

또한 상기의 방법에서 빔의 조사방법은 표면배향처리를 위해 필요한 조사각 이 피조사면의 법선 방향에서 최소한 40도 이상이 되어야 하므로 액정배향의 경사각을 광범위하게 조절하기에 원천적 어려움이 있으며, 광학필름의 대량생산을 위해 롤투롤(roll to roll) 연속공정을 실시하는 경우에는 진공이 요구되는 빔의 조사방법이나 증착방식은 생산성이 없다고 볼 수 있다.

폴리이미드의 러빙법은 기재에 코팅된 폴리이미드 (또는 폴리아믹애시드) 배향막을 소성하기 위해서 최소한 150도 이상에서 수십분 이상의 열처리가 필요하여 이러한 고온에서도 물성에 영향을 받지 않는 기재를 사용해야 하는 큰 제약이 있으며 폴리이미드 배향막 자체의 투명도가 높지 않아 광학필름 응용에 적합하지 않다는 문제가 있을 뿐만 아니라 기재를 러빙(rubbing)해야 하는 공정 자체가 롤투롤(roll to roll) 연속공정에 적용하기에 효율적이지 않다는 문제가 있다.

따라서, 본 발명은 상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 필름의 두께에 편차가 발생하더라도 평균 광축이 변하지 않음으로써 면균일성이 강화된 광학 특성을 갖는 광가교성 액정을 이용한 광학 필름 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은, 배향 조건에 따라 액정의 경사각을 0°에서 90°까지 조절함으로써 광학보상 효과를 다양화할 수 있는 광가교성 액정을 이용한 광학 필름 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 액정에 카이랄 도펀트를 첨가함으로써, 디스코틱 액정의 광학 특성과 유사한 네마틱 액정의 경사진 나선 배향구조를 갖는 광가교성 액정을 이용한 광학 필름 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.

전술한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따르면, 본 발명은 기재와, 상기 기재 상에 코팅된 감광성 고분자 배향막과, 상기 배향막 상에 소정의 경사를 이루며 배향되어 액정 고분자화된 광가교성 액정층을 포함하여 구성된다.

상기 배향막과 접하는 최초의 액정이 처음부터 상기 배향막에 대하여 경사 배향되고, 상부에 적층 배열된 다른 액정이 최초 경사 배향된 액정과 동일한 기울기로 경사 배향된다.

상기 광가교성 액정은 광가교성 네마틱 액정이다.

상기 광가교성 액정은 광가교성 디스코틱 액정이다.

상기 광가교성 액정의 경사각은 0°보다 크고 90°작다.

상기 기재는, Tri Acetyl Cellulose, Polycarbonate, PMMA, Cyclic Olefinic polymer, Poly Ether Sulfone 기타 LCD용 광가교성 액정을 이용한 광가교성 액정을 이용한 광학 필름이다.

상기 감광성 고분자는, 신나모일(cinnamoyl) 유도체가 곁가지로 포함되고 비닐 중합된 고분자이다.

상기 광가교성 네마틱 액정은, 상기 광가교성 네마틱 액정층에 카이랄 도펀 트가 함유됨으로써 상기 배향막 상에 수직 방향에서 소정의 경사를 이루는 동시에 수평 방향에서 소정의 평균각으로 회전하는 경사진 나선형으로 꼬임(cholesteric) 배향된다.

상기 나선형으로 꼬인 네마틱 액정은 그 꼬임이 360°(1 pitch)가 되면 Nx = Ny 의 굴절율 특성을 갖게 되어, 원판형 디스코틱 액정의 광학특성과 유사해진다.

상기 경사진 나선형 액정의 경사각은 60°이하이다.

상기 액정층의 두께는, 10 마이크로미터 이하이다.

본 발명의 다른 특징에 의하면, 본 발명은 기재를 준비하는 단계와, 감광성 고분자 배향막 재료를 용매로 용해하여 상기 기재 상에 코팅하는 단계와, 코팅 후에는 용매를 제거하여 배향막을 완성하는 단계와, 상기 배향막 상에 자외선을 조사하여 광배향처리하는 단계와, 광가교성 액정 용액을 조성하는 단계와, 광배향처리된 배향막 상에 상기 광가교성 액정 용액을 코팅하여 배향된 액정층을 형성하는 단계와, 상기 액정층 상에 자외선을 조사하여 액정을 경화하는 단계를 포함하여 구성된다.

상기 배향막에 자외선을 조사하여 광배향처리하는 단계는, 상기 배향막의 표면에 자외선을 경사 조사함으로써 표면을 배향처리하되, 조사되는 경사 방향에 대해서 수직으로 편광된 자외선을 10°내지 80°의 범위에서 조사한다.

상기 편광된 자외선은 선편광, 부분편광, 원편광된 자외선 중 어느 하나이다.

상기 배향막에 자외선을 조사하여 광배향처리하는 단계는, 상기 배향막의 표 면에 자외선을 경사 조사함으로써 표면을 배향처리하되, 조사되는 경사 방향에 대해서 수직으로 비편광된 자외선을 40°내지 80°의 범위에서 조사한다.

상기 경사 조사되는 자외선은 피조사체에 빛을 일정한 각으로 조사할 수 있도록 평행광화(collimating)된 것이다.

이와 같은 구성을 가지는 본 발명에 의한 광가교성 액정을 이용한 광학 필름 및 그 제작방법에 의하면 액정 두께의 편차에도 균일한 광학 특성을 갖는 이점이 있다.

이하, 상기한 바와 같은 구성을 가지는 본 발명에 의한 광가교성 액정을 이용한 광학 필름 및 그 제작방법의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참고하여 상세하게 설명한다.

도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이 본 발명의 광가교성 액정을 이용한 광학 필름은, 기재(110)와, 상기 기재 상에 감광성 고분자에 의하여 코팅된 배향막(120)과, 상기 배향막 상에 코팅되고, 광가교성 액정으로 이루어진 액정층(130)을 포함한다.

본 실시예의 특징은, 상기 배향막(120)과 접하는 최초의 액정이 처음부터 경사 배향되고, 상부에 적층 배열된 다른 액정이 최초 경사 배향된 액정과 동일한 기울기로 경사 배열되는 광학 특성에 관한 것이다. 따라서, 코팅된 상기 액정층(130)의 두께에 편차가 있더라도 액정의 광축에는 변화가 없는 광학 특성을 갖게 되며, 적층 배열된 액정 상호간의 배향안정성이 양호해진다.

본 실시예에 의하면, 상기 광가교성 액정은 도 4에 도시된 바와 같이 광가교 성 네마틱 액정과 도 5에 도시된 바와 같이 광가교성 디스코틱 액정을 모두 포함하며, 상기 액정 상호간 경사를 유발하는데 있어서 경사를 유발하는 첨가제를 사용하지 않는 특징이 있다.

본 실시예의 다른 특징에 의하면, 배향 조건에 따라 경사각을 0°에서 90°까지 다양하게 조절할 수 있으며, 광가교성 액정을 이용한 광학 필름이 응용되는 분야에 따라 필요한 광축을 결정할 수 있다.

상기 기재(110)는, LCD용 광학 필름으로 사용되는 필름과 일반적인 캐리어 필름이 모두 사용될 수 있으며, 내구성, 내마모성, 투명성, 자외선 흡수성 등의 성질을 갖는 경우이면 유리(glass)나 금속도 사용될 수 있다. 특히, LCD용 광가교성 액정을 이용한 광학 필름을 기재로 사용하는 경우에는 기재의 광학 특성에 본 발명에 의해 형성되는 액정 필름의 특성을 부가할 수 있는 장점이 있다.

본 발명에서 상기 기재(110) 상에 광배향막(120)을 형성하기 위하여 사용되는 감광성 고분자는 비닐 중합된 고분자로서 신나모일(cinnamoyl) 유도체가 곁가지로 포함된다.

상기 배향막(120)에는 감광성 고분자 이외에도 감광성 고분자를 용해하기 위한 용매가 더 포함된다. 상기 용매는 NMP, cyclopentanone, tolune, xylene, MED, cyclohexane, MC, acetone, cresol 등 용해력이 강한 유기용매가 사용된다.

피조사체의 종류에 따라 용액의 코팅 용이성을 높이기 위하여, wetting agent, leveling agent 등의 첨가제가 미량 더 포함될 수 있다.

상기 기재(110)와 배향막(120) 사이의 접착성을 높이기 위하여 부착증진제나 접착제 성분을 첨가할 수 있는데, 상기 점가제의 첨가량이 20% 미만일 경우에는 배향막의 기본 물성을 크게 저하시키지 않으면서 접착성을 향상시킬 수 있다.

상기 배향막(120)의 두께는 수 나노미터(nm)에 불과해도 충분한 배향능력을 나타낼 수 있으나 일반적으로 기재(110) 면에 편평도를 저해하는 돌기가 상존하므로 충분한 두께를 갖는 것이 바람직하며, 대략 20nm 내지 200nm 정도의 범위에서 두께를 형성하는 것이 더욱 바람직하다.

감광성 고분자에 의하여 코팅된 배향막(120)에는 광배향 처리가 이루어지는데, 본 발명에서는 편광 혹은 비편광의 자외선을 경사조사함으로써 표면 배향처리한다. 따라서 조사되는 자외선의 경사방향에 따라 액정의 배향방향이 달라진다.

이때 자외선의 경사방향과 수직으로 편광된 자외선을 조사할 경우에 조사각의 기울기가 지나치게 크면 배향막에 충분한 광량을 조사할 수 없고, 기울기가 수직에 가깝게 되면 의도한 대로 경사 배향되지 않고 편광방향으로 그대로 배향되는 경향이 있기 때문에, 편광된 자외선의 조사각은 10° 내지 80°의 범위를 유지하는 것이 바람직하다.

상기 편광 자외선에는 선편광, 부분편광, 타원편광 등이 사용된다.

상기 타원편광은 a-plate의 특성을 갖는 매질에 광을 투과시켜 얻을 수 있으며, 상기 부분편광은 광의 진행방향에 대해 경사지게 배치되고 소정의 굴절률을 갖는 광을 투과시켜 얻을 수 있으며, 상기 선편광은 일반적인 선편광자에 광을 투과시켜 얻을 수 있는 것으로 잘 알려져 있으나 250nm 내지 400nm의 심자외선(deep UV: DUV)에 해당하는 파장대역을 효율적으로 통과시키기 위해서는 상기 편광매질이 석영(quartz) 등의 무기물로 이루어진 것을 사용하는 것이 바람직하다.

비편광 자외선을 사용하는 경우에도 경사조사에 의하여 배향막(120)을 경사배향할 수 있다. 이때 경사각이 대상면의 수직방향에서 적어도 40°이상 되어야 한다. 이러한 경우에도 상기 액정은 자외선의 조사방향으로 배향처리된다.

또한, 조사되는 광은 피조사체의 전면이 빛을 일정한 방향으로부터 받을 수 있도록 빛을 평행광화(collimating) 시키는 것이 유리하며, 평행광화가 높을수록 조사각도를 줄일 수 있다.

광가교성 액정이 기재(110)에 대하여 틸팅되는 정도는 자외선의 조사각이나 조사량에 의하여 조절되는데, 조사각과 조사량이 클수록 경사각은 낮아지는 경향이 있다. 반대로 조사량이 너무 작으면 표면 배향을 유도하기 위한 광배향막의 광개질을 충분히 유도할 수 없고 조사량이 너무 크면 공정시간이 길어지므로 0.1 내지 10J/㎠ 정도의 광량을 조사하는 것이 바람직하다.

상기 액정층(130)은 광가교성 액정이 용해된 액정용액이 상기 배향막(120) 상에 코팅된 코팅층이다.

상기 광가교성 액정은 전술한 바와 같이 네마틱 액정과 디스코틱 액정을 불문하며, 특히 네마틱 액정 중에서 봉상의 네마틱 액정은 네마틱 액정 분자 양단에 각기 1개 이상의 아트릴레이트 등의 광가교 관능기가 포함되어 광개시제와 함께 자외선에 의하여 광가교된다.

상기 디스코틱 액정은 판상의 트리페닐구조를 갖는 디스코틱 액정 분자로써 적어도 2개 이상의 광가교 관능기를 포함한 디스코틱 광가교성 액정을 사용하며, 네마틱 액정과 같은 방법으로 광가교된다.

상기 액정용액에는 광개시제가 미량 첨가된다. 상기 광개시제는 파장대역에 따라 효율적으로 광반응을 유도하는 여러 종류가 있다. 본 발명의 실시예에서는 300nm 내지 400nm의 파장대역에서 효과적인 광개시제를 사용한다.

상기 용매는 PGMEA, xylene, 톨루엔 등 용해력이 비교적 우수한 유기용매가 사용되고, 상기 기재(110)나 배향막(120)의 내용제성 등을 고려하여 선택되고, 단독으로 사용될 수 있지만 2종 이상을 혼합하여 사용할 수 있다.

이와 같이 액정 필름의 액정을 경사(tilt) 배열하게 되면 도 6에 도시된 바와 같이 두께의 변화에 따른 광축의 변화가 없어 면균일성이 확보된다.

도 7에 도시된 바와 같이 본 발명의 다른 실시예는, 경사진 광가교성 네마틱(막대형 또는 봉상) 액정을 나선형으로 꼬인 형태(cholesteric)로 배향시킴으로써, 스플레이 배향되거나 경사배향되어 경사진 광축을 갖는 광가교성 디스코틱(판상) 액정이 나타내는 광학특성과 유사한 광학특성을 나타내는 광가교성 네마틱 액정으로 이루어진 액정필름을 제공하는 것이다. 이는 광가교성 네마틱 액정 용액의 제조시 카이랄 도펀트를 첨가하여 대상면에 코팅되어 적층배열되는 액정을 나선형으로 꼬인 형태로 배향시킴으로써 가능한데, 나선형으로 꼬인 네마틱 액정은 그 꼬임이 360°(주기, pitch)가 되면 Nx = Ny 의 굴절율 특성을 갖게 되어 디스코틱 액정의 광학특성과 유사해 지기 때문이다.

이와 같이 경사진 나선형 배향구조에서도 그 경사각을 주광축이라고 볼 수 있다.

나선형으로 꼬임 배향된 네마틱 액정은 피치(pitch)의 크기에 따라 일정 파장의 원편광빛을 투과 또는 반사하는 성질을 가지므로 광학 보상필름의 응용에서는 이와 같은 피치(pitch)를 충분히 짧게 하여, 가시광영역에서의 선택 반사가 없도록 해야 한다.

일반적으로 디스코틱 액정은 그 화학구조의 특징상 그 제조(합성)과정이 복잡하여 네마틱 액정에 비해 원가가 매우 비쌀 수밖에 없기 때문에 네마틱 액정을 이용하여 도 8에 도시된 바와 같이 상기 피치(Pitch)를 다수 반복하게 되면 디스코틱 액정과 같은 광학효과를 구현할 수 있다.

광가교성 액정의 나선형 배향은 기본적으로 안정한 배향구조이지만 이러한 배향구조를 유지하면서 경사각을 갖는 배향구조는 그 경사각이 매우 클 경우에는 두께 방향으로 갈수록 액정간 상호작용에 대한 표면배향의 배향지배력이 균형을 잃으면서 배향구조가 안정성을 잃을 수 있다. 이러한 현상은 두께방향으로 감에 따라 액정의 경사각이 완만해지는 역스플레이 구조가 된다거나 배향 자체가 균일성을 잃는 현상으로 나타날 수 있으며, 따라서 경사진 나선형 배향구조에서는 그 경사각을 0°이상에서 60°이하로 하는 것이 바람직하다.

나선형 배향이 아닌 상기에 기술된 경사배향에서도 두께 방향으로 감에 따라 액정에 대한 표면 배향지배력이 약화됨으로써 액정의 배향경사각을 유지하지 못하여 공기와 접하는 액정의 경사각이 매우 완만해지는 역스플레이 구조의 배향이 될 수 있는데 이것은 경사배향된 액정층의 평균광축이 작아지는 결과를 초래하여 경사배향의 장점을 살릴 수 없다.

따라서 어느 경우에서나 액정 코팅의 두께는 한없이 두껍게 할 수는 없으며 용매가 모두 증발된 후 액정층의 두께가 약 10 마이크로미터 이하가 되는 것이 바람직하며, 이러한 두께 범위 내에서 대부분의 광학특성을 만족하는 액정필름의 제조가 가능하다.

이와 같이, 상기 액정층(130)을, 유기 용매에 광가교성 네마틱 액정과 카이랄 도펀트(chiral dopant)의 혼합액으로 구성하게 되면, 상기 도펀트는, 광가교성 네마틱 액정이 소정의 평균각(α)을 유지하면서 회전할 수 있도록 유도하는 성질이 있기 때문에, 도펀트에 의하여 평균각(α)을 유지하면서 회전을 하게 되는 광가교성 네마틱 액정은 도 9에서 알 수 있듯이 액정의 상면에서 바라볼 때 원판형과 같이 보이고, 도 10에서 알 수 있는 바와 같이 디스코틱 액정 분자와 동일한 형상을 하게 됨을 알 수 있다.

이하, 상기한 바와 같은 구성을 가지는 본 발명에 의한 광가교성 액정을 이용한 광가교성 액정을 이용한 광학 필름의 제작방법을 첨부 도면을 참조하여 상세하게 설명하기로 한다.

먼저, 본 발명에 의한 광가교성 액정을 이용한 광학 필름 제조방법에 있어서, 배향막(120)의 1면 배향만으로 광가교성 액정의 경사 배향을 구현할 수 있다는 점과 1면 배향을 위한 배향법에 특징이 있다.

일반적으로 광배향법은 광배향에 적합한 감광성 고분자 용액을 기재 상에 코팅하고, 소성하여 광배향막을 형성한 후 여기에 자외선을 조사함으로써 광배향막 표면에 소정의 광개질을 유도하여 표면 배향처리하는 방법으로써 2면 배향에 의한 액정셀에서도 적용할 수 있는 공정으로 알려져 있으며, 여기에 사용될 수 있는 광배향막 소재로써 폴리이미드, 신나모일 유도체, 쿠마린 유도체, 칼콘 유도체 혹은 아조벤젠 유도체 등 감광성 곁가지를 포함하는 폴리비닐, 폴리메틸메타아크릴레이트, 폴리말레이미드 등이 알려져 있다.

본 발명의 실시예에 의하면, 비닐중합된 고분자로서 신나모일(cinnamoyl) 유도체를 감광성 곁가지로 포함하는 감광성 고분자 배향막(120)을 기재(110) 상에 코팅하여 형성시킨 후, 상기 표면에 편광 혹은 비편광된 자외선을 경사조사하고 액정도 거의 같은 기울기로 경사 배향된 광가교성 액정의 경사 배향구조를 얻을 수 있다.

기재의 준비 단계;

LCD용 광학 필름으로 사용되는 필름 혹은 일반적인 캐리어 필름 등의 기재(110)를 준비한다.

상기 LCD용 광학 필름으로는 편광판의 재료로 사용되는 Tri Acetyl Cellulose, 위상차 필름 등 기타 광가교성 액정을 이용한 광학 필름으로 사용되는 Polycarbonate, PMMA, Cyclic Olefinic polymer, Poly Ether Sulfone 등 다수의 고분자 필름이 있다. 상기 캐리어 필름으로는 Polyehtylene terephthalate, Polysturene 등 다수의 고분자 필름이 있다.

감광성 고분자 배향막 재료를 용매로 용해하여 기재 상에 코팅하는 단계;

상기 기재(110) 상에 광배향막(120)을 형성하기 위하여 비닐중합된 고분자로서 신나모일(cinnamoyl) 유도체를 감광성 곁가지로 포함하는 감광성 고분자를 용매에 용해시킨다.

이때 용매는 NMP, cyclopentanone, tolune, xylene, MEK, cyclohexane, MC, acetone, cresol 등 용해력이 강한 대부분의 유기용매가 사용될 수 있으며 코팅성을 개선하기 위해 butoxyethanol 등 표면장력이 낮은 알코올류의 용매를 섞은 혼합용매를 사용할 수도 있다.

또한 피조사체의 종류에 따라 용액의 코팅용이성을 높일 수 있도록 wetting agent, leveling agent등 제반 첨가제를 미량 첨가할 수 있다.

또한 배향막(120)과 기재(110) 간의 접착성을 향상시키기 위해 부착증진제나 아크릴계 고분자 등의 접착제 성분을 첨가할 수 있는데, 그 첨가량이 20% 미만일 경우에는 배향막(120)의 기본 물성을 크게 저하시키지 않으면서 접착성을 향상시킬 수 있다.

이때, 용액을 코팅하는 방법에는 스핀 코트법, 롤 코트법, 그라비아법, 침지 인상법, 다이 코트법 등 1회 배치방식이든 연속방식이든 불문한다.

코팅 후에는 용매를 제거하여 배향막을 완성하는 단계;

건조 조건은 사용되는 용매에 따라 달라질 수 있으나 적어도 온풍이나 열풍 또는 복사열을 이용하여 코팅막이 50°이상의 열을 받도록 유지하면서 공정조건에 따른 적정시간 동안 건조하여 용매의 증발을 통해 배향막(120)을 형성하도록 한다.

이때 용매 건조 후의 배향막(120) 두께는 수 나노미터에 불과해도 충분한 배향 능력을 나타낼 수 있으나 일반적으로 기재면에는 편평도를 저해하는 돌기가 상존하므로 이를 완전히 도포하기 위해서는 충분한 두께를 갖는 것이 바람직하여 약 20~200nm 정도를 형성하는 것이 보통이다.

배향막에 자외선을 조사하여 광배향처리하는 단계;

도 11에 도시된 바와 같이, 상기 배향막(120)의 표면에 자외선을 경사조사함으로써 표면을 배향처리한다. 이때 자외선의 경사방향과 수직으로 편광된 자외선을 조사할 경우 조사각의 기울기가 지나치게 크면 배향막에 충분한 광량을 조사할 수 없고, 기울기가 수직에 가깝게 되면 의도한 대로 경사(tilting)되게 배향되지 않고 편광방향으로 그대로 배향되는 경향(경사배향을 이루지 못함)이 있기 때문에, 편광된 자외선은 최소한 10°이상 80°이내의 기울기로 조사하는 것이 바람직하다.

상기 광배향막(120)의 표면 광개질을 위해서 일반적으로 자외선은 250nm ~ 400nm의 심자외선 대역의 파장을 갖는 것이 적합하며, 선편광, 부분편광, 타원편광 등 편광된 자외선이나 편광되지 않은 자외선 모두 사용가능하다. 다만, 편광되지 않은 자외선을 조사하는 경우에는 경사각이 대상면의 수직방향에서 적어도 40°이상이 되어야 한다.

또한 조사되는 광은 피조사체의 전면이 빛을 일정한 방향으로부터 받을 수 있도록 빛을 평행광화(collimating)시키는 것이 유리한데, 평행광화도 정도가 높을수록 조사각도를 줄일 수 있다. 광가교성 액정이 기재(110)에 대하여 틸팅되는 정 도(경사각)는 자외선의 조사각이나 조사량에 의하여 조절할 수 있는데, 평행광화(collimating)되고 편광된 자외선을 법선 방향에서 10°의 기울기로 하고 배향에 필요한 최소 광량으로 조사하면 거의 90°에 가까운 경사배향을 얻을 수 있으며, 평행광화(collomating)된 자외선(편광,비편광 모두 가능)을 광량 조사하면 0°에 가까운 배향을 얻을 수 있다.

광배향막(120)의 광조사시 분위기를 질소분위기로 하거나 기재를 가열하여 배향막의 온도를 높이면 표면 광개질이 더욱 빠르게 진행될 수 있다.

광가교성 액정 용액을 조성하는 단계;

광가교성 액정은 기본적으로 PGMEA, xylene, 톨루엔 등 용해력이 비교적 우수한 용매에 용해시켜 코팅하며 코팅성의 조절을 위해 알코올류의 용매를 섞는 등 다양한 방법으로 용액을 제조할 수 있다.

네마틱(봉상) 특성의 광가교성 액정은 네마틱 액정 분자의 양단에 각기 1개 이상의 아트릴레이트 등의 광가교 관능기가 포함되어 광개시제와 함께 자외선에 의해 광가교된다.

디스코틱(판상) 특성의 광가교성 액정은 판상의 트리페닐구조를 갖는 디스코틱 액정 분자로써 적어도 2개 이상의 광가교 관능기를 포함한 디스코틱 광가교성 액정을 사용하며, 위와 같은 방식으로 광가교된다.

상기 액정 용액에는 광개시제가 미량 포함되는데, 파장대역에 따라 효율적으로 광반응을 유도하는 다양한 종류가 있다.

상기 유기 용매는 상기 기재(110) 또는 배향막(120)의 내용제성 등을 고려하여 선택되고, 단독으로 사용될 수 있지만 2종 이상을 혼합하여 사용할 수 있으며, 사용량은 액정 화합물의 용해도나 액정 필름의 막 두께에 의하여 달라질 수 있다.

광가교성 네마틱 액정의 나선형 배향구조를 만드는 경우에는 카이랄 도펀트를 첨가한다. 이때, 카이랄 도펀트는 네마틱 액정 분자가 소정의 평균각(α)을 유지하면서 헬리컬 트위스트 파워를 갖도록 도와주는 역할을 한다.

나선형으로 꼬임 배향된 네마틱 액정은 피치(pitch)의 크기에 따라 일정 파장의 원편광빛을 투과 또는 반사하는 성질을 가지므로 광학 보상필름의 응용에서는 그 피치(pitch)를 충분히 짧게 하여 가시광영역에서의 선택 반사가 없도록 하는 것이 좋다.

코팅된 액정층(130)의 두께 방향에 따라 배향막(120)과 거리가 먼 액정층의 배향상태는 배향막에 의한 배향지배를 덜 받기 때문에 배향의 균일성이 저하될 수 있으므로 액정코팅의 두께를 한 없이 두껍게 할 수는 없으며, 또한 일반적으로 요구되는 광학특성을 얻기 위한 광가교성 액정층의 두께는 10 micrometer를 넘지 않는 것이 좋다.

광배향처리된 배향막 상에 액정용액을 코팅하여 배향된 액정을 형성하는 단계;

상기 액정 용액을 광배향처리된 배향막(120) 상에 코팅한다. 이때, 용액을 코팅하는 방법에는 스핀 코트법, 롤 코트법, 그라비아법, 침지 인상법, 다이 코트 법 등 1회 배치방식이든 연속방식이든 모두 사용 가능하나 액정이 경화되기 전에는 저분자 상태이고 가능하면 두께 편차를 최소화해야 하므로 정밀 코팅이 가능한 코팅법을 사용하는 것이 바람직하다.

배향막(120)에 코팅된 액정 용액 내에서 소정의 유동성을 갖는 액정은 코팅과 동시에 배향이 이루어지기 시작하며 용매가 건조되면서 그 배향 상태를 최적으로 유지할 수 있도록 건조 조건을 조절 선택하는 것이 필요하나 일반적으로 액정이 등방(isotropic)상으로 전이되는 상전이온도 보다 낮으며 용매 건조에 필요한 최소 온도 사이의 온도 영역을 선택해야 하며 그 밖의 조건은 용매에 따라 결정하면 된다. 건조 온도가 상기의 액정 상전이온도보다 높을 경우 균일한 배향이 어려운 경우가 있다.

상기 액정 상에 자외선을 조사하여 액정을 경화하는 단계;

배향된 액정 상에 자외선 램프를 이용하여 자외선을 조사하고, 액정을 광중합 가교시켜 액정층(130)을 형성한다.

이때 자외선 광대역은 300nm ~ 400nm의 범위가 가장 바람직하다. 상기 대역에서 효율적으로 광가교를 유도할 수 있는 광개시제가 사용될 수 있으며, 상기 자외선램프의 경우도 상기 대역에서 높은 광량을 갖는 많은 종류의 자외선램프가 사용될 수 있다.

액정의 광가교는 질소분위기에서 행하는 것이 더욱 효율적이며 자외선이 편광되거나 평행광화될 필요는 없으나 액정의 충분한 광가교를 이루기 위해 광량을 적어도 0.5J/㎠ 이상 조사해 주는 것이 바람직하다.

본 광가교 과정에서 배향된 액정상은 그 배열형태를 거의 유지하면서 가교 고분자화 되어 소정의 광학특성을 갖는 액정 고분자필름이 된다.

위에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 구성에 의하면 다음과 같은 효과를 기대할 수 있다.

첫째, 본 발명의 경사(tilt) 배열된 액정으로 이루어진 액정필름은 두께 방향의 높이에 따른 액정 경사도의 변화가 거의 없어서 액정 고분자막 두께에 변화에 따른 주광축의 변화는 거의 없어서 광학특성의 면균일성이 우수한 장점이 있다.

둘째, 본 발명의 광학 보상 필름에서 채용하는 경사배향은 스플레이 배향에 비해 균일한 코팅막을 얻기 쉬워서 높은 생산성을 구가할 수 있는 장점이 있다.

셋째, 광가교성 네마틱 액정에 카이랄 도펀트를 도입하여 본 발명의 경사진 나선형 네마틱 액정 배향은 스플레이 또는 경사배향된 디스코틱 액정과 거의 유사한 광학 특성을 나타낼 수 있기 때문에 고가의 디스코틱액정을 사용한 경우보다 경제적인 효과가 기대된다.

Claims (16)

1. 기재;

   상기 기재 상에 코팅된 감광성 고분자 배향막;

   상기 배향막 상에 소정의 경사를 이루며 배향되어 액정 고분자화된 광가교성 액정층; 을 포함하여 구성되고,

   상기 배향막과 접하는 최초의 액정이 처음부터 상기 배향막에 대하여 경사 배향되고, 상부에 적층 배열된 다른 액정이 최초 경사 배향된 액정과 동일한 기울기로 경사 배향되는 것을 특징으로 하는 광가교성 액정을 이용한 광학 필름.
2. 삭제
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 광가교성 액정은 광가교성 네마틱 액정인 것을 특징으로 하는 광가교성 액정을 이용한 광학 필름.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 광가교성 액정은 광가교성 디스코틱 액정인 것을 특징으로 하는 광가교성 액정을 이용한 광학 필름.
5. 제 3 항 또는 제 4 항에 있어서,

   상기 광가교성 액정의 경사각은 0°보다 크고 90°작은 것을 특징으로 하는 광가교성 액정을 이용한 광학 필름.
6. 제 1 항에 있어서,

   상기 기재는, Tri Acetyl Cellulose, Polycarbonate, PMMA, Cyclic Olefinic polymer, Poly Ether Sulfone 중에서 선택된 광학 필름인 것을 특징으로 하는 광가교성 액정을 이용한 광학 필름.
7. 제 1 항에 있어서,

   상기 감광성 고분자는, 신나모일(cinnamoyl) 유도체가 곁가지로 포함되고 비닐 중합된 고분자인 것을 특징으로 하는 광가교성 액정을 이용한 광학 필름.
8. 제 3 항에 있어서,

   상기 광가교성 네마틱 액정은,

   상기 광가교성 네마틱 액정층에 카이랄 도펀트가 함유됨으로써 상기 배향막 상에 수직 방향에서 소정의 경사를 이루는 동시에 수평 방향에서 소정의 평균각으로 회전하는 경사진 나선형으로 꼬임(cholesteric) 배향된 것을 특징으로 하는 광가교성 액정을 이용한 광학 필름.
9. 삭제
10. 제 8 항에 있어서,

    상기 경사진 나선형 액정의 경사각은 60°이하인 것을 특징으로 하는 광가교성 액정을 이용한 광학 필름.
11. 제 1 항에 있어서,

    상기 액정층의 두께는, 10 마이크로미터 이하인 것을 특징으로 하는 광가교성 액정을 이용한 광학 필름.
12. 삭제
13. 기재를 준비하는 단계;

    감광성 고분자 배향막 재료를 용매로 용해하여 상기 기재 상에 코팅하는 단계;

    코팅 후에는 용매를 제거하여 배향막을 완성하는 단계;

    상기 배향막 상에 자외선을 조사하여 광배향처리하는 단계;

    광가교성 액정 용액을 조성하는 단계;

    광배향처리된 배향막 상에 상기 광가교성 액정 용액을 코팅하여 배향된 액정층을 형성하는 단계;

    상기 액정층 상에 자외선을 조사하여 액정을 경화하는 단계; 를 포함하고,

    상기 배향막에 자외선을 조사하여 광배향처리하는 단계는,

    상기 배향막의 표면에 자외선을 경사 조사함으로써 표면을 배향처리하되, 조사되는 경사 방향에 대해서 수직으로 편광된 자외선을 10°내지 80°의 범위에서 조사하는 것이며,

    상기 경사 조사되는 자외선은 피조사체에 빛을 일정한 각으로 조사할 수 있도록 평행광화(collimating)된 것을 특징으로 하는 광가교성 액정을 이용한 광학 필름 제조방법.
14. 삭제
15. 기재를 준비하는 단계;

    감광성 고분자 배향막 재료를 용매로 용해하여 상기 기재 상에 코팅하는 단계;

    코팅 후에는 용매를 제거하여 배향막을 완성하는 단계;

    상기 배향막 상에 자외선을 조사하여 광배향처리하는 단계;

    광가교성 액정 용액을 조성하는 단계;

    광배향처리된 배향막 상에 상기 광가교성 액정 용액을 코팅하여 배향된 액정층을 형성하는 단계;

    상기 액정층 상에 자외선을 조사하여 액정을 경화하는 단계; 를 포함하고,

    상기 배향막에 자외선을 조사하여 광배향처리하는 단계는,

    상기 배향막의 표면에 자외선을 경사 조사함으로써 표면을 배향처리하되, 조사되는 경사 방향에 대해서 수직으로 비편광된 자외선을 40°내지 80°의 범위에서 조사하는 것이며,

    상기 경사 조사되는 자외선은 피조사체에 빛을 일정한 각으로 조사할 수 있도록 평행광화(collimating)된 것을 특징으로 하는 광가교성 액정을 이용한 광학 필름 제조방법.
16. 삭제

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