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KR102041815B1 - 액정 소자 및 이의 용도 - Google Patents

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KR102041815B1
KR102041815B1 KR1020150093698A KR20150093698A KR102041815B1 KR 102041815 B1 KR102041815 B1 KR 102041815B1 KR 1020150093698 A KR1020150093698 A KR 1020150093698A KR 20150093698 A KR20150093698 A KR 20150093698A KR 102041815 B1 KR102041815 B1 KR 102041815B1
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Abstract

본 출원은 액정 소자 및 이의 용도에 관한 것이다. 본 출원의 액정 소자는 편광도 및 투과율 가변도가 우수하다. 이러한 액정 소자는 스마트 윈도우, 예를 들어, 투과율 가변 미러에 유용하게 적용될 수 있고, 또한 반사형 액정 표시 장치에도 유용하게 사용될 수 있다.

Description

액정 소자 및 이의 용도{Liquid crystal device and the use thereof}
본 출원은, 액정 소자 및 이의 용도에 관한 것이다.
게스트-호스트형 액정 소자는, 액정 및 이색성 염료를 이용한 액정 소자로서, 액정의 배열에 따라 이색성 염료가 함께 배열되어, 이색성 염료의 정렬 방향과 상기 정렬 방향의 수직한 방향에 대하여 비등방성 광흡수 특성을 나타낸다(특허문헌 1 및 2 참조).
게스트-호스트형 액정 소자는, 액정의 배열을 변화시킬 수 있는 외부 작용, 예를 들어, 전압 등을 인가함으로써, 액정 및 이색성 염료의 배열을 변화시킬 수 있고, 이를 통해 액정 소자의 투과도를 가변할 수 있다. 이러한, 액정 소자를 소위 능동형 편광자로 호칭할 수 있다.
능동형 편광자의 성능, 예를 들어, 편광도 및 투과율 가변도는 이색성 염료의 이색비에 좌우되는 것이지만, 이색성 염료의 이색비를 개선하는 것은 물성적인 한계가 있다.
한국공개특허 제2007-0115927호 일본공개특허 제2002-515075호
본 출원은, 편광도 및 투과율 가변도가 우수한 액정 소자 및 이의 용도를 제공하고자 한다.
본 출원은 이색성 염료와 혼합되는 액정 화합물의 정렬도를 조절하여 액정 소자의 편광도 및 투과율 가변도 등의 성능을 개선한다. 하나의 예시에서, 본 출원은 액정 화합물의 탄성상수 등의 물성을 조절함으로써 액정 소자의 편광도 및 투과율 가변도 등의 성능을 개선한다. 이하, 본 출원의 액정 소자를 구체적으로 설명한다.
본 출원의 예시적인 액정 소자는 서로 대향하여 배치된 한 쌍의 기판 및 상기 한 쌍의 기판 사이에 존재하는 게스트-호스트 액정층을 포함할 수 있다. 상기 게스트-호스트 액정층은 액정 화합물 및 이색성 염료를 포함할 수 있다. 상기 액정 화합물로는 스프레이 탄성상수(K11)가 11.0 pN 이상인 액정 화합물을 사용할 수 있다.
기판으로는 특별한 제한 없이 공지의 기재 소재를 사용할 수 있다. 예를 들면, 유리 기재, 결정성 또는 비결정성 실리콘 필름, 석영 또는 ITO(Indium Tin Oxide) 필름 등의 무기계 필름이나 플라스틱 필름 등을 사용할 수 있다. 기판으로는, 또한, 광학적으로 등방성인 기재 또는 위상차층과 같이 광학적으로 이방성인 기재를 사용할 수 있다.
플라스틱 필름 기재의 구체적인 예로, 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 기재 필름이 예시될 수 있지만 이에 제한되는 것은 아니다. 기재에는, 필요에 따라서 금, 은, 이산화 규소 또는 일산화 규소 등의 규소 화합물의 코팅층이나, 반사 방지층 등의 코팅층이 존재할 수도 있다.
본 명세서에서 용어 「게스트-호스트 액정층」은, 액정 화합물의 배열에 따라 이색성 염료가 함께 배열되어, 이색성 염료의 정렬 방향과 상기 정렬 방향의 수직한 방향에 대하여 각각 비등방성 광흡수 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.
액정 화합물의 물성, 예를 들어, 탄성상수, 유전율 이방성 또는 굴절률 이방성 등은 액정 소자의 편광도 및 투과율 가변도 등의 성능을 향상시킨다는 측면에서 조정될 수 있다. 특히, 액정 화합물의 탄성상수는 액정 소자의 편광도에 대하여 우수한 선형 상관 관계를 가지므로 액정 화합물의 탄성상수를 조정하는 것이 액정 소자의 성능 향상 측면에서 특히 의미가 있다.
본 명세서에서 용어「탄성상수」는 액정 화합물이 전계의 인가와 같은 외부 작용에 의하여 균일한 분자 배열이 변화된 상태에서 탄성 복원력에 의해 원위치로 복원되는 힘의 세기를 계량화한 값을 의미할 수 있다. 상기에서 변화된 상태가 스프레이(splay) 변형인 경우의 탄성상수를 스프레이 탄성상수(K11)로 정의할 수 있고, 벤드 변형인 경우의 탄성상수를 벤드 탄성상수(K33)로 정의할 수 있다. 본 명세서에 개시된 탄성상수(K11, K33) 값은 공지의 탄성상수(K11, K33) 계측 방식에 의하여 측정된 값일 수 있다. 예를 들어, 본 명세서에 개시된 탄성상수 K11 및 K33은 하기의 수식 1 및 2로 계산된 값일 수 있다.
수식 1
K11=(V임계)2×ε0×△ε/π2
수식 2
K33=△Χ×(Hc3)2×d2/ π2
수식 1에서, V임계은 임계 전압을 의미하고, ε0는 액정 화합물의 진공 상태의 유전율을 의미하며, △ε는 액정 화합물의 유전율 이방성(e// - eㅗ)을 의미한다. 상기 V임계은 공지의 Impedance/Gain Phase Analyzer, 예를 들어, Schlumbuger社의 SI1260를 이용하여 C-V 곡선을 측정함으로써 얻을 수 있다. 상기 △ε는 공지의 two cell method 방식(수직 배향 액정셀 및 수평 배향 액정셀)에 의하여 측정된 수직 커패시턴스 (Cㅗ=ε0ㆍεㅗㆍA/d) 및 수평 커패시턴스 (C// =ε0ㆍεㅗㆍA/d)로부터 얻을 수 있다. 상기에서, A는 액정 셀의 면적을 의미하고, d는 액정 셀의 두께를 의미하며, 상기 두께는 예를 들어 Perkin Elmer spectrometer를 이용하여 측정될 수 있다. 상기 수직 커패시턴스는 액정 화합물의 광축과 인가 전압에 의한 전기장의 방향이 실질적으로 수직하도록 전압을 인가한 상태에서 상기 전기장의 방향을 따라 측정한 커패시턴스 값을 의미하고, 상기 수평 커패시턴스는 액정 화합물의 광축과 인가 전압에 의한 전기장의 방향이 실질적으로 수평하도록 전압을 인가한 상태에서 상기 전기장의 방향을 따라 측정한 커패시턴스 값을 의미한다.
수식 2에서, △Χ는 반자성 이방성(Dimagnetic Anisotropy)을 의미하는 것으로서, △Χ=K11×π2/Hcl 2×d2에 의하여 계산될 수 있고, 상기에서 Hc1는 하부 임계 자기장(Lower critical magnetic field)을 의미하고, Hc1 값은, 예를 들어, Minimum Angle Seeking Program을 이용하여 상 지연(phase retardation)에 대한 자기장(magnetic filed) 값으로부터 얻을 수 있다. 또한, 수식 2에서 Hc3는 표면 임계 자기장(Surface critical magnetic field)을 의미하고, 상기 Hc3 값은 예를 들어, Ginzburg-Landau equation에 의하여 변분 방법(Variational Method)에 의하여 얻을 수 있고, 수식 2에서 d는 액정 셀의 두께를 의미한다.
또한 본 명세서에서 탄성상수 값에 대하여 기재하면서 특별한 언급이 없는 한 상온에서 측정된 탄성상수 값을 의미할 수 있다. 본 명세서에서 용어「상온」은 가온 되거나 감온 되지 않은 자연 그대로의 온도로서, 약 10 ℃ 내지 30℃의 범위 내의 어느 한 온도, 예를 들면, 약 23℃ 또는 25℃ 정도의 온도를 의미할 수 있다. 본 명세서에서 기재하는 물성 중에서 측정 온도가 그 수치에 영향을 주는 경우, 특별히 달리 규정하지 않는 한 해당 물성은 상온에서 측정한 수치이다. 이하, 본 명세서에서 탄성상수에 대하여 기재하면서 특별한 언급이 없는 한, 25℃에서 상기의 예시적인 측정 방법으로 측정된 값을 의미할 수 있다.
본 명세서에서 용어 「유전율 이방성(△ε)」은 액정 화합물의 수평 유전율(ε//)과 수직 유전율(εㅗ)의 차이(ε// - εㅗ)를 의미할 수 있다. 본 명세서에서 용어「수평 유전율(ε//)」은 액정 화합물의 광축과 인가 전압에 의한 전기장의 방향이 실질적으로 수평하도록 전압을 인가한 상태에서 상기 전기장의 방향을 따라 측정한 유전율 값을 의미하고, 「수직 유전율(εㅗ)」은 액정 화합물의 광축과 인가 전압에 의한 전기장의 방향이 실질적으로 수직하도록 전압을 인가한 상태에서 상기 전기장의 방향을 따라 측정한 유전율 값을 의미한다. 본 명세서에서 유전율에 대하여 기재하면서, 특별한 언급이 없는 한, 주파수 1 kHz 및 전압 0.1V의 전계를 인가한 상태에서 측정된 값을 의미할 수 있다.
본 명세서에서 용어「굴절률 이방성(△n)」은 액정 화합물의 이상 굴절률(ne, extraordinary refractive index, 지상축 방향의 굴절률)과 정상 굴절률(no, ordinary refractive index, 진상축 방향의 굴절률)의 차이 (ne - no)를 의미할 수 있다. 본 명세서에서 굴절률에 대하여 기재하면서, 특별한 언급이 없는 한, 약 400nm 내지 700nm 범위 내의 어느 한 파장, 예를 들어, 약 550nm 파장에 대해 측정된 값을 의미할 수 있다.
본 출원에서 게스트-호스트 액정층 내에 포함되는 액정 화합물의 스프레이 탄성상수 (K11)는 11.0 pN 이상일 수 있다. 액정 화합물의 스프레이 탄성상수(K11)가 상기 범위 내인 경우 액정 화합물의 정렬도가 개선되어 편광도 및 투과율 가변도가 우수한 액정 소자를 구현할 수 있다. 본 출원의 액정 소자는 예를 들어, 약 80% 이상의 우수한 편광도를 나타낼 수 있다.
하나의 구체적인 예시에서, 액정 화합물은, 유전율 이방성(△ε)이 양수이고 스프레이 탄성상수(K11)가 11.0 pN 이상일 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 유전율 이방성(△ε)이 양수인 액정 화합물은 스프레이 탄성상수(K11)가, 11.0 pN 이상, 12.0 pN 이상, 13.0 pN 이상, 14.0 pN 이상 또는 15.0 pN 이상일 수 있고, 그 상한은, 예를 들어, 20.0 pN 미만, 19.0 pN 이하, 18.0 pN 이하, 17.0 pN 이하 또는 16.0 pN 이하일 수 있다.
다른 하나의 구체적인 예시에서, 액정 화합물은 유전율 이방성(△ε)이 음수이고, 스프레이 탄성상수(K11)가 13.0 pN 이상일 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 유전율 이방성(△ε)이 음수인 액정 화합물은 스프레이 탄성상수(K11)가 13.0 pN 이상, 14.0 pN 이상, 15.0 pN 이상, 16.0 pN 이상, 17.0 pN 이상, 18.0 pN 이상, 19.0 pN 이상 또는 20.0 pN 이상일 수 있고, 그 상한은, 예를 들어, 28.0 pN 미만, 27.0 pN 이하, 26.0 pN 이하, 25.0 pN 이하, 24.0 pN 이하, 23.0 pN 이하, 22.0 pN 이하 또는 21.0 pN 이하일 수 있다.
유전율 이방성(△ε)이 양수인 액정 화합물의 벤드 탄성상수(K33)는 예를 들어, 13.0 pN 이상일 수 있다. 유전율 이방성(△ε)이 양수인 액정 화합물의 벤드 탄성상수(K33)는, 보다 구체적으로, 13.0 pN 이상, 14.0 pN 이상, 15.0 pN 이상, 16.0 pN 이상, 17.0 pN 이상, 18.0 pN 이상 또는 18.5 pN 이상일 수 있고, 그 상한은 예를 들어, 25.0 pN 미만, 24.0 pN 미만, 23.0 pN 미만, 22.0 pN 미만, 21.0 pN 미만, 20.0 pN 미만 또는 19.5 pN 미만일 수 있다. 액정 화합물의 벤드 탄성상수(K33)가 상기 범위 내인 경우 액정 화합물의 정렬도가 개선되어 편광도 및 투과율 가변도가 우수한 액정 소자를 구현할 수 있다.
유전율 이방성(△ε)이 음수인 액정 화합물의 벤드 탄성상수(K33)는 예를 들어, 14.5 pN 이상일 수 있다. 유전율 이방성(△ε)이 음수인 액정 화합물의 벤드 탄성상수(K33)은 보다 구체적으로, 14.5 pN 이상, 15.0 pN 이상, 16.0 pN 이상, 17.0 pN 이상, 18.0 pN 이상, 17.0 pN 이상, 18.0 pN 이상, 19.0 pN 이상, 20.0 pN 이상 또는 21.0 pN 이상일 수 있고, 그 상한은 예를 들어, 30.0 pN 미만, 29.0 pN 이하, 28.0 pN 이하, 27.0 pN 이하, 26.0 pN 이하, 25.0 pN 이하, 24.0 pN 이하, 23.0 pN 이하 또는 22.0 pN 이하일 수 있다. 액정 화합물의 벤드 탄성상수(K33)가 상기 범위 내인 경우 액정 화합물의 정렬도가 개선되어 편광도 및 투과율 가변도가 우수한 액정 소자를 구현할 수 있다.
유전율 이방성(△ε)이 양수인 액정 화합물의 유전율 이방성은 예를 들어, 5.0 이상일 수 있다. 상기 유전율 이방성은 보다 구체적으로, 5.0 이상, 7.0 이상, 9.0 이상, 11.0 이상, 13.0 이상, 15.0 이상, 17.0 이상, 19.0 이상, 21.0 이상 또는 23.0 이상일 수 있고, 그 상한은 예를 들어, 45.0 이하, 43.0 이하, 41.0 이하, 39.0 이하, 37.0 이하, 35.0 이하, 33.0 이하, 31.0 이하, 29.0 이하 또는 27.0 이하일 수 있다. 유전율 이방성(△ε)이 양수인 액정 화합물의 유전율 이방성이 상기 범위 내인 경우 편광도 및 투과율 가변도가 우수한 액정 소자를 구현할 수 있다. 또한, 액정 화합물의 유전율 이방성이 상기 범위를 만족하는 한, 수평 유전율(ε//) 및 수직 유전율(εㅗ)은 특별히 제한되지 않으나, 예를 들어, 수평 유전율(ε//)은 5.0 내지 50 정도이고, 수직 유전율(εㅗ)은 1.5 내지 10 정도의 범위 내에 있을 수 있다.
유전율 이방성(△ε)이 음수인 액정 화합물의 유전율 이방성은 예를 들어, -15.0 이상일 수 있다. 상기 유전율 이방성은 보다 구체적으로, -15.0 이상, -14.0 이상, -13.0 이상, -12.0 이상, -11.0 이상, -10.0 이상 또는 -9.0 이상일 수 있고, 그 상한은 예를 들어, -3.5 이하, -4.0 이하, -5.0 이하, -6.0 이하, -7.0 이하 또는 -8.0 이상일 수 있다. 유전율 이방성(△ε)이 음수인 액정 화합물의 유전율 이방성이 상기 범위 내인 경우 편광도 및 투과율 가변도가 우수한 액정 소자를 구현할 수 있다. 또한, 액정 화합물의 유전율 이방성이 상기 범위를 만족하는 한, 수평 유전율(ε//) 및 수직 유전율(εㅗ)은 특별히 제한되지 않으나, 예를 들어, 수평 유전율(ε//)은 0.5 내지 10.0 정도이고, 수직 유전율(εㅗ)은 2 내지 30 정도의 범위 내에 있을 수 있다.
액정 화합물의 굴절률 이방성(△n)은 예를 들어, 0.09 이상일 수 있다. 액정 화합물의 굴절률 이방성은 보다 구체적으로, 0.09 이상, 0.10 이상, 0.11 이상, 0.12 이상, 0.13 이상, 0.14 이상, 0.15 이상, 0.16 이상 또는 0.17 이상일 수 있고, 액정 화합물의 굴절률 이방성의 상한은 예를 들어, 0.26 이하, 0.25 이하, 0.24 이하, .0.23 이하, 0.22 이하, 0.21 이하, 0.20 이하, 0.19 이하 또는 0.18 이하일 수 있다. 액정 화합물의 굴절률 이방성이 상기 범위 내인 경우 편광도 및 투과율 가변도가 우수한 액정 소자를 구현할 수 있다.
액정 화합물로는 외부 신호 인가에 의하여 그 배향 방향이 변경될 수 있는 것이라면 모든 종류의 액정 화합물을 사용할 수 있다. 예를 들며, 액정 화합물로는 스멕틱(smectic) 액정 화합물, 네마틱(nematic) 액정 화합물 또는 콜레스테릭(cholesteric) 액정 화합물 등을 사용할 수 있다. 또한, 외부 신호 인가에 의하여 그 배향 방향이 변경될 수 있도록, 액정 화합물은 예를 들어 중합성기 또는 가교성기를 가지지 않는 화합물일 수 있다.
하나의 예시에서 액정 화합물로는, 네마틱 액정 화합물을 사용할 수 있다. 액정 화합물의 네마틱-이소트로픽 상전이 온도(Tni)는 80℃ 이상일 수 있다. 액정 화합물의 네마틱-이소트로픽 상전이 온도(Tni)는 보다 구체적으로 85℃ 이상, 90℃ 이상, 95℃ 이상, 100℃ 이상, 105℃ 이상, 110℃ 이상 또는 120℃ 이상일 수 있고, 네마틱-이소트로픽 상전이 온도(Tni)의 상한은 예를 들어, 135℃ 이하일 수 있다. 액정 화합물의 네마틱-이소트로픽 상전이 온도(Tni)가 상기 범위 내인 경우 편광도 및 투과율 가변도가 우수한 액정 소자를 구현할 수 있다.
하나의 예시에서, 액정 화합물은 수직 배향 상태 또는 수평 배향 상태로 게스트-호스트 액정층 내에 존재할 수 있다. 본 명세서에서 용어 「수직 배향 상태」는 액정 화합물의 광축이 액정층의 평면에 대하여 약 90도 내지 65도, 약 90도 내지 75도, 약 90도 내지 80도, 약 90도 내지 85도 또는 약 90도의 경사각을 가지는 상태로 존재하는 경우를 의미할 수 있고, 「수평 배향 상태」는 액정 화합물의 광축이 액정층의 평면에 대하여 약 0 도 내지 25도, 약 0도 내지 15도, 약 0도 내지 10도, 약 0도 내지 5도 또는 약 0도의 경사각을 가지는 상태로 존재하는 경우를 의미할 수 있다. 본 명세서에서 용어 「광축」은 액정 화합물이 막대 (rod) 모양인 경우 액정 화합물의 장축 방향의 축을 의미할 있고, 액정 화합물이 원판 (discotic) 모양인 경우 평면의 법선 방향의 축을 의미할 수 있다.
본 명세서에서 각도를 정의하면서 사용하는, 수직, 수평, 직교 또는 평행 등의 용어는, 이를 목적 효과를 손상시키지 않는 범위 내의 실질적인 수직, 수평, 직교 또는 평행을 의미하고, 예를 들면, 제조 오차(error) 또는 편차(variation) 등을 포함하는 것이다. 따라서, 예를 들면, 상기 각각의 경우는 약 ±15도 이내의 오차, 약 ±10도 이내의 오차 또는 약 ±5도 이내의 오차를 포함할 수 있다.
액정 화합물은 배향이 스위칭 가능하도록 게스트-호스트 액정층 내에 존재할 수 있다. 본 명세서에서 「배향이 스위칭 가능하다는 것」은 액정 화합물 정렬 방향이 전압의 인가와 같은 외부 작용에 의해 변경될 수 있다는 것을 의미한다.
하나의 예시에서, 액정 층은 수직 배향 상태 및 수평 배향 상태의 사이를 스위칭할 수 있다. 예를 들어, 액정 층은 초기 상태에서 수직 배향 상태 및 수평 배향 상태 중 어느 하나의 상태를 구현할 수 있고 전압의 인가와 같은 외부 작용에 나머지 다른 하나의 상태로 스위칭될 수 있다. 상기에서 외부 작용을 제거하는 경우 액정 층은 초기 상태의 배향 상태로 스위칭될 수 있다. 본 명세서에서 용어 「초기 상태」는 외부 전압과 같이 액정 화합물의 배향에 영향을 미칠 수 있는 외부 작용이 존재하지 않는 상태를 의미할 수 있다. 본 출원의 액정 소자에 있어서, 비등방성 광흡수 특성을 가지는 이색성 염료는 상기 액정 화합물읠 배향 방향에 따라 정렬된 상태로 존재할 수 있으므로, 액정층의 배향 상태가 스위칭됨에 따라, 이색성 염료의 정렬도 스위칭될 수 있으므로, 액정 소자의 투과도를 가변할 수 있다. .
본 명세서에서 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 「이색성 염료」는 상기 가시광 영역의 적어도 일부 또는 전체 범위에서 광의 이방성 흡수가 가능한 물질을 의미할 수 있다.
이색성 염료로는, 예를 들면, 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 염료의 이색비(dichroic ratio)는 예를 들어, 5 이상, 6 이상 또는 7 이상일 수 있다. 본 명세서에서 용어 「이색비」는, 예를 들어, p형 염료인 경우, 염료의 장축 방향에 평행한 편광의 흡수를 상기 장축 방향에 수직하는 방향에 평행한 편광의 흡수로 나눈 값을 의미할 수 있다. 이색성 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 액정층 내의 비율은 목적 물성, 예를 들면, 액정층의 목적하는 투과도 가변 특성에 따라 적절히 선택될 수 있다. 예를 들어, 이색성 염료는 0.01 중량% 이상, 0.1 중량% 이상, 0.2 중량% 이상, 0.3 중량% 이상, 0.4 중량% 이상, 0.5 중량% 이상, 0.6 중량% 이상, 0.7 중량% 이상, 0.8 중량% 이상, 0.9 중량% 이상, 또는 1.0 중량% 이상의 비율로 액정층 내에 포함될 수 있다. 이색성 염료의 액정층 내의 비율의 상한은, 예를 들면, 3 중량% 이하, 2 중량% 이하, 1.9 중량% 이하, 1.8 중량% 이하, 1.7 중량% 이하, 1.6 중량% 이하, 1.5 중량% 이하, 1.4 중량% 이하, 1.3 중량% 이하, 1.2 중량% 이하 또는 1.1 중량% 이하일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
액정 소자는 하나 이상의 전극층을 추가로 포함할 수 있고, 상기 전극층은 기판과 액정층 사이에 존재할 수 있다. 예를 들어, 액정 소자는 한 쌍의 전극층을 추가로 포함할 수 있고, 상기 한 쌍의 전극층은 각각 기판과 액정층의 사이에 존재할 수 있다. 전극층은 액정층 내의 액정 화합물 및 이색성 염료의 초기 정렬 상태를 전환할 수 있도록 액정층에 적절한 전계, 예를 들어 수직 또는 수평 전계를 인가할 수 있다.
전극층은 투명 전극층이거나 또는 반사 전극층일 수 있다. 하나의 예시에서, 액정 소자가 기판과 액정층 사이에 각각 존재하는 한 쌍의 전극층을 포함하는 경우, 상기 한 쌍의 전극층은 모두 투명 전극이거나 혹은 하나는 투명 전극이고 다른 하나는 반사 전극일 수 있다.
후술하는 바와 같이, 본 출원의 액정 소자를 반사형 액정 표시 장치의 표시 패널로 적용하는 경우, 한 쌍의 전극층 중에서, 액정 소자의 시인 측과 더 가까이 배치되어 있는 전극층을 투명 전극으로 하고 더 멀리 배치되어 있는 전극층을 반사 전극으로 하는 경우, 별도의 반사판을 구비하지 않더라도 반사형 액정 표시 장치를 구현할 수 있다.
또한, 후술하는 바와 같이, 본 출원의 액정 소자를 반사형 액정 표시 장치의 표시 패널로 적용하는 경우, 액정 소자의 시인 측의 반대 측면에 반사판을 추가로 구비할 수 있고, 이 경우 한 쌍의 전극층 모두를 투명 전극으로 사용할 수 있다. 이 경우 한 쌍의 전극층 중에서, 반사판 측에 더 가까이 배치된 투명 전극은 패턴화되어 있을 수 있을 수도 있다. 상기 패턴화된 투명 전극은 외부에 있는 물체가 반사판에 비쳐 관찰되는 현상을 방지하는 역할을 수행할 수 있다.
투명 전극으로는, 예를 들면, 전도성 고분자, 전도성 금속, 전도성 나노와이어 또는 ITO(Indium Tin Oxide) 등의 금속 산화물 등을 증착하여 형성한 것을 사용할 수 있다. 이외에도 투명 전극을 형성할 수 있는 다양한 소재 및 형성 방법이 공지되어 있고, 이를 제한없이 적용할 수 있다.
반사 전극은, 예를 들면, 알루미늄, 알루미늄 합금, 텅스텐, 구리, 크롬, 몰리브덴 또는 몰리브덴 합금 등과 같은 불투명 도전 물질이 증착된 것을 사용할 수 있다. 이외에도 반사 전극을 형성할 수 있는 다양한 소재 및 형성 방법이 공지되어 있고, 이를 제한없이 적용할 수 있다.
액정 소자는 하나 이상의 배향막을 추가로 포함할 수 있고, 상기 배향막은 상기 기판과 액정층의 사이에 존재할 수 있다. 액정 소자가 상기 전극층을 포함하는 경우, 배향막은 상기 전극층과 액정층의 사이에 존재할 수 있다. 하나의 예시에서, 액정 소자는 한 쌍의 배향막을 추가로 포함할 수 있고, 상기 한 쌍의 배향막은 각각 전극층과 액정층의 사이에 존재할 수 있다.
이러한 배향막은 액정 셀 내의 액정 화합물 및 이색성 염료의 초기 정렬 상태를 제어할 수 있는 배향력을 가진다. 예를 들어, 액정 소자가 수직 배향막을 포함하는 경우 액정 화합물 및 이색성 염료는 초기 상태에서 수직 배향된 상태로 존재할 수 있고, 다른 예로, 액정 소자가 수평 배향막을 포함하는 경우 액정 화합물 및 이색성 염료는 초기 상태에서 수평 배향된 상태로 존재할 수 있다.
수직 또는 수평 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.
이와 같이 액정 화합물의 초기 정렬 상태를 제어하기 위하여 통상적으로 액정층에 인접하도록 배향막을 배치한다. 배향막을 사용하는 경우, 도 1에 나타낸 바와 같이, 배향막과의 앵커링 에너지(anchoring energy)에 의해 액정의 정렬도가 결정되는 층(A)과 액정 분자 간의 인력에 의해 액정의 정렬도가 유지되는 층(B)으로 구분된다. 통상적으로 배향막과의 앵커링 에너지가 발효되는 구간은 액정 셀의 두께 방향으로 두께의 제곱에 비례하여 감소되는데, 게스트-호스트 액정 소자와 같이 호스트 액정에 이색성 염료를 혼합하여 편광도를 발현하는 경우, 셀 갭이 큰 소자에서는 액정 분자 간의 인력에 의해 정렬도가 유지되는 구간(B)이 증가하므로, 상기 구간(B)의 정렬도를 개선하는 것은 편광도 개선에 매우 중요하다.
본 출원의 예시적인 액정 소자는 탄성상수 등의 액정 화합물의 물성을 조절함으로써 액정층 내의 액정의 정렬도를 개선할 수 있으므로, 편광도 및 투과도 가변 특성이 우수한 게스트-호스트 액정 소자를 구현할 수 있는 것이다.
본 출원은 또한 상기 액정 소자의 용도에 관한 것이다.
본 출원의 액정 소자는 능동형 편광자(Active Polarizer)로 기능할 수 있다. . 본 명세서에서 용어 「능동형 편광자(Active Polarizer)」는 외부 작용 인가에 따라 비등방성 광흡수를 조절할 수 있는 기능성 소자를 의미할 수 있다. 본 출원의 액정 소자는 능동형 편광자가 적용될 수 있는 기술 분야에 제한 없이 다양하게 사용될 수 있다. 본 출원의 액정 소자는 액정 화합물 및 이색성 염료의 배열을 조절함으로써 상기 이색성 염료의 배열 방향과 평행한 방향의 편광 및 수직한 방향의 편광에 대한 비등방성 광 흡수를 조절할 수 있다. 또한, 액정 화합물 및 이색성 염료의 배열은 외부 전압과 같은 외부 작용의 인가에 의하여 조절될 수 있으므로, 본 출원의 액정 소자는 외부 작용 인가에 따라 비등방성 광 흡수를 조절할 수 있다.
도 2는 본 출원 일 실시예에 따른 액정 소자의 구조를 예시적으로 나타내며, 도 3 내지 4는 상기 액정 소자의 전압 인가에 따른 비등방성 광 흡수 조절 원리를 예시적으로 나타낸다. 도 2에 도시된 예시적인 액정 소자는 서로 대향하여 배치되어 있는 한 쌍의 기판 (101A, 101B), 상기 한 쌍의 기판 사이에 서로 대향하여 배치되어 있는 한 쌍의 투명 전극층 (102A, 102B), 상기 한 쌍의 전극층 사이에 서로 대향하여 배치되어 있는 한 쌍의 수평 배향막 (103A, 103B) 및 상기 한 쌍의 수평 배향막 사이에 존재하는 p형 이색성 염료 (1042) 및 유전율 이방성(△ε)이 양수인 액정 화합물 (1041)을 포함하는 게스트-호스트 액정층(104)을 포함하고 있다.
도 3에 나타낸 바와 같이, 전압 무인가 상태에서 액정 화합물 및 이색성 염료는 수평 배향된 상태로 존재하고, 액정층은 입사 광 중에서 이색성 염료의 장축 방향과 평행한 방향으로 진동하는 편광을 흡수하므로 낮은 투과율을 나타낸다. 한편, 도 4에 나타낸 바와 같이, 액정층(104)에 수직 전계를 인가한 경우, 액정 화합물 및 이색성 염료는 수직 배향된 상태로 존재하고, 입사 광을 그대로 투과하므로 높은 투과율을 나타낸다. 본 출원의 액정 소자의 경우 액정 화합물의 정렬도를 개선하여 편광도를 개선할 수 있으므로, 상기 전압 인가 및 무인가 상태의 투과율 가변도가 더욱 우수하다.
본 출원의 액정 소자는 스마트 윈도우에 적용될 수 있다. 본 명세서에서 용어 「스마트 윈도우는(Smart Window)」는 입사 광, 예를 들어 태양 광의 투과율을 조절할 수 있는 기능을 가지는 윈도우를 의미하는 것으로서, 소위 스마트 블라인드, 전자 커튼, 투과도 가변 유리 또는 조광 유리 등으로 불리는 기능성 소자를 포괄하는 개념이다. 스마트 윈도우는 상기 액정 소자를 포함하는 한, 다른 부품 내지 구조 등은 특별히 제한되지 않으며, 이 분야에서 공지되어 있는 모든 내용이 적절하제 적용될 수 있다. 예를 들어, 본 출원의 스마트 윈도우는 상기 액정 소자와 함께, 공지의 흡수형 또는 반사형 편광자, 위상차 필름 PDLC 소자, 미러(Mirror) 등의 광학 기능성층과 함께 사용될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
하나의 구체적인 예로, 본 출원의 액정 소자는 미러(Mirror)를 추가로 포함함으로써 투과도 가변 미러를 구현할 수 있다. 이 경우 상기 액정 소자는 광학 이방성층을 추가로 포함할 수 있다. 이러한 액정 소자는 예를 들어, 통상 차단 모드의 미러를 구현할 수 있다. 즉, 상기 액정 소자는 전압 무인가 상태에서 차단 모드(black mode)를 구현하고, 전압 인가 상태에서는 반사 모드(reflective mode)를 구현할 수 있다. 이하, 상기 투과도 가변 미러에 대하여 구체적으로 설명한다.
광학 이방성층은 액정 소자의 대향하는 2개의 기판 중 어느 하나의 기판의 액정층 측 반대 측면에 인접하여 존재할 수 있다. 하나의 예시에서, 광학 이방성층은 액정 소자의 대향하는 2개의 기판 중 시인 측에서 더 멀리 배치된 기판에 인접하여 존재할 수 있다.
광학 이방성층으로는 1/4 파장 위상 지연 특성을 가지는 1/4 파장판을 사용할 수 있다. 본 명세서에서 용어 「n 파장 위상 지연 특성」은 적어도 일부의 파장 범위 내에서, 입사 광을 그 입사광의 파장의 n배 만큼 위상 지연 시킬 수 있는 특성을 의미할 수 있다. 1/4 파장판은, 예를 들어, 550 nm의 파장에 대한 면상 위상차가 110 nm 내지 220 nm 또는 130 nm 내지 170 nm의 범위 내에 있을 수 있다. 본 명세서에서 「면상 위상차」는 (nx-ny) × d로 계산되는 수치이고, 상기에서 nx는 광학 이방성층의 면상 지상축 방향의 굴절률이고, ny는 광학 이방성층의 면상 진상축 방향의 굴절률이며, d는 위상지연층의 두께이다. 또한, 본 명세서에서 「지상축(slow axis)」은 광학 이방성층에서 가장 높은 굴절률을 나타내는 방향의 축을 의미할 수 있고, 「진상축(fast axis)」은 광학 이방성층에서 가장 낮은 굴절률을 나타내는 방향의 축을 의미할 수 있다.
광학 이방성층으로는 1/4 파장 위상 지연 특성을 나타낼 수 있는 광학 이방성층을 특별한 제한 없이 사용할 수 있고, 예를 들어, 액정 고분자 필름 또는 연신된 고분자 필름을 사용할 수 있다.
액정 고분자 필름은, 예를 들어, 중합성 액정 화합물을 포함할 수 있다. 중합성 액정 화합물은, 예를 들어, 중합된 상태로 액정 고분자 필름 내에 포함될 수 있다. 본 출원에서 「중합성 액정 화합물」은, 액정성을 나타낼 수 있는 부위, 예를 들면 메조겐(mesogen) 골격 등을 포함하고, 중합성 관능기를 하나 이상 포함하는 화합물을 의미할 수 있다. 또한 「중합성 액정 화합물이 중합된 형태로 포함되어 있다는 것」은 상기 액정 화합물이 중합되어 액정 고분자 필름 내에서 액정 고분자의 주쇄 또는 측쇄와 같은 골격을 형성하고 있는 상태를 의미할 수 있다. 중합성 액정 화합물은, 예를 들어, 수평 배항 상태로 액정 고분자 필름 내에 포함되어 있을 수 있다.
연신된 고분자 필름은, 예를 들어, 연신에 의해 광학 이방성을 부여할 수 있는 광투과성의 고분자 필름을 적절한 방식으로 연신한 필름일 수 있다. 고분자 필름으로는, 예를 들면, 폴리에틸렌 필름 또는 폴리프로필렌 필름 등의 폴리올레핀 필름, 폴리노르보넨 필름 등의 고리형 올레핀 폴리머(COP: Cycloolefin polymer) 필름, 폴리염화비닐 필름, 폴리아크릴로니트릴 필름, 폴리설폰 필름, 폴리아크릴레이트 필름, 폴리비닐알코올 필름 또는 TAC(Triacetyl cellulose) 필름 등의 셀룰로오스 에스테르계 폴리머 필름이나 상기 폴리머를 형성하는 단량체 중에서 2종 이상의 단량체의 공중합체 필름 등이 예시될 수 있다. 하나의 예시에서 고분자 필름으로는, 고리형 올레핀 폴리머 필름을 사용할 수 있다. 상기에서 고리형 올레핀 폴리머로는, 노르보넨 등의 고리형 올레핀의 개환 중합체 또는 그 수소 첨가물, 고리형 올레핀의 부가 중합체, 고리형 올레핀과 알파-올레핀과 같은 다른 공단량체의 공중합체, 또는 상기 중합체 또는 공중합체를 불포화 카르복실산이나 그 유도체 등으로 변성시킨 그래프트 중합체 등이 예시될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
미러는 상기 광학 이방성층의 기판 측 반대 측면에 인접하여 존재할 수 있다. 미러로는 빛의 반사를 이용하여 상을 맺는, 즉 물체의 모습을 비출 수 있는 기능을 하는 것으로 당업계에 공지된 소자를 제한 없이 사용할 수 있다. 미러로는 예를 들어 은 또는 수은과 같은 금속이 도금된 유리 제품을 사용할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
도 5는 본 출원 일 실시예에 따른 투과도 가변 미러의 구조를 예시적으로 나타낸다. 도 5의 투과도 가변 미러는 도 2의 액정 소자의 구조에 있어서, 하부 기판 (101B)의 액정층(104) 측 반대 측면에 인접하여 존재하는 1/4 파장판(201)을 포함하고, 상기 1/4 파장판(201)의 하부 기판(101B) 측 반대 측면에 인접하여 존재하는 미러(202)를 포함한다.
도 6 내지 7은 도 4의 투과도 가변 미러의 동작 원리에 대하여 예시적으로 나타낸다. 도 6에 나타낸 바와 같이, 전압 무인가 상태에서 액정 화합물 및 이색성 염료는 수평 배향된 상태로 존재하고, 액정 소자의 상부 기판(101A) 측으로 입사되는 광 중에서 이색성 염료의 장축 방향과 평행한 방향으로 진동하는 편광은 흡수되고, 이색성 염료의 단축 방향으로 평행한 방향으로 진동하는 편광은 액정층을 투과한다. 액정층을 투과한 편광은 1/4 파장판에 의해 원편광된 후 미러에 의해 반사되어 역 회전의 원 편광으로 변환된다. 상기 역 회전된 원 편광은 다시 1/4 파장판을 통과함으로써, 이색성 염료의 장축 방향과 평행한 방향으로 진동하는 선편광이 되어 이색성 염료에 의해 흡수되므로 입사한 광은 출사되지 않아 차단 모드(black mode)를 구현할 수 있다. 상기 수평 배향 상태에서 액정 화합물의 광축과 1/4 파장판의 광축이 이루는 각도는 40도 내지 50도 범위 내일 수 있다.
한편, 도 7에 나타낸 바와 같이, 수직 전계를 인가한 상태에서는, 액정 화합물 및 이색성 염료는 수직 배향된 상태로 존재하고, 상부 기판(101A) 측으로 입사된 광은 액정층 및 1/4 파장판을 그대로 투과한다. 상기 광은 비편광 상태로 미러에 의해 반사되고 반사된 광은 다시 1/4 파장판 및 액정층을 그대로 투과하여 시인 측으로 출사될 수 있으므로 반사 모드(reflective mode)를 구현할 수 있다.
본 출원의 액정 소자를 적용한 상기 투과도 가변 미러는 자동차용 룸미러 또는 ECM 미러를 대체할 수 있는 사이드 미러 등에 이용될 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다.
다른 하나의 예시에서, 본 출원의 액정 소자는 액정 표시 장치의 표시 패널의 액정 셀로 사용될 수 있다. 상기 액정 표시 장치는 광원을 구비한 투과형 액정 표시 장치이거나, 혹은 외광을 이용하여 시인을 수행하는 반사형 액정 표시 장치이거나, 혹은 투과 모드 및 반사 모드를 모두 구현하는 반-투과형 액정 표시 장치일수도 있다. 하나의 예시에서, 본 출원의 액정 소자는 반사형 액정 표시 장치의 표시 패널의 액정 셀로 사용될 수 있다. 게스트-호스트 액정 소자를 반사형 액정 표시 장치에 적용하는 경우 콘트라스트 비가 높은 반사형 액정 표시 장치를 구현할 수 있다. 이러한 반사형 액정 표시 장치는 입사되는 빛을 반사시키는 반사판(reflector)를 추가로 포함할 수 있다.
도 8은 본 출원의 제 1 실시예의 반사형 액정 표시 장치를 예시적으로 나타낸다. 도 8의 반사형 액정 표시 장치는 도 2의 구조의 액정 소자에 있어서 시인 측의 반대 측면에 반사판(301)를 추가로 포함한다. 또는, 본 출원의 제 2 실시예의 반사형 액정 표시 장치는, 도 2 의 구조의 액정 소자에 있어서, 반사판을 별도로 구비하지 않고, 시인 측에 가까이 존재하는 전극층(102A)은 투명 전극으로 하고 시인 측에 멀리 존재하는 전극층(102B)은 반사 전극으로 함으로써, 반사형 액정 표시 장치를 구현할 수 있다.
본 출원의 액정 소자는 편광도 및 투과율 가변도가 우수하므로, 상기 액정 소자를 적용한 반사형 액정 표시 장치는 우수한 콘트라스트 비를 나타낼 수 있다. 상기 반사형 액정 표시 장치는, 본 출원의 액정 소자와 함께, 반사형 액정 표시 장치를 구성하는 공지의 구성을 제한없이 적용할 수 있고, 게스트-호스트 액정셀을 적용한 반사형 액정 표시 장치의 공지된 구동 모드를 제한없이 적용할 수 있다.
본 출원의 액정 소자는 편광도 및 투과율 가변도가 우수하다. 이러한 액정 소자는 스마트 윈도우, 예를 들어, 투과율 가변 미러에 유용하게 적용될 수 있고, 또한 반사형 액정 표시 장치에도 유용하게 사용될 수 있다.
도 1은 게스트-호스트 액정 소자의 배향 상태를 나타낸다.
도 2는 본 출원 일 실시예의 액정 소자를 나타낸다.
도 3 내지 4는 본 출원 일 실시예의 액정 소자의 구동 원리를 나타낸다.
도 5는 본 출원 일 실시예의 투과도 가변 미러를 나타낸다.
도 6 내지 7은 본 출원 일 실시예의 투과도 가변 미러의 구동 원리를 나타낸다.
도 8은 본 출원 일 실시예의 반사형 액정 표시 장치를 나타낸다.
도 9 내지 10은 참조예 1 내지 8의 액정의 물성과 편광도의 상관 관계를 나타내는 그래프이다.
이하 실시예 및 비교예를 통하여 상기 기술한 내용을 보다 구체적으로 설명하지만 본 출원의 범위가 하기 제시된 내용에 의해 제한되는 것은 아니다.
참조예 1
수평 배향막이 형성되어 있는 2장의 PC (Polycarbonate) 필름을 상기 수평 배향막이 내측에 위치하도록 이격 배치시킨 후에(간격 약 9 ㎛), 그 사이에 게스트-호스트 액정 조성물을 주입하고, 에지(edge)를 실링하여 면적 2.2 cm × 4.0 cm 및 간격 9 ㎛인 액정 셀을 제작하였다.
수평 배향막으로는 공지의 광 배향막 조성물을 PC 필름 상에 약 0.5 um 두께로 도포한 후 직선 편광된 자외선을 약 1 J/cm2의 세기로 조사하여 배향시켜 형성한 광 배향막을 사용하였다. 게스트-호스트 액정 조성물로는 액정 A(HPC2160, HCCH사)와 이색성 염료 (X12, BASF사)를 99:1의 중량 비율(액정 A: 이색성 염료)로 혼합한 것을 사용하였다.
참조예 2 내지 8
액정 A 대신에 액정 B 내지 액정 H를 사용한 것을 제외하고는 참조예 1과 동일한 방식으로 참조예 2 내지 8의 액정셀을 제조하였다. (액정 B: HPC2180, HCCH사; 액정 C:ZGS8017, HCCH사; 액정 D: ZGS8163, HCCH사; 액정 E: MLC6884, HCCH사; 액정 F: HNG7156, HCCH사; 액정 G: MAT1532, HCCH사; 액정 H: MAT1594, HCCH사)
평가예 1. 액정의 물성과 편광도의 상관 관계
액정 A 내지 H의 물성 및 참조예 1 내지 8의 편광도를 측정하여 그 결과를 표 1에 기재하였고, 액정의 물성과 편광도의 상관 관계를 도 9 내지 도 10에 도시하였다. 편광도는 anti-parallel 방식을 이용한 공지의 편광도 계측 방식으로 Jasco V-7100 spec. 장비를 이용하여 측정하였다.
도 9는 참조예 1 내지 4의 액정 A 내지 D의 물성을 x-좌표로 세팅하고 편광도를 y-좌표로 세팅한 그래프이고, 도 10은 참조예 5 내지 8의 액정 E 내지 H의 물성을 x-좌표로 세팅하고 편광도를 y-좌표로 세팅한 그래프이다. 도 9 및 도 10에서 R2은 그래프가 선형 상관 관계, 즉 수식 y = ax + b에 부합하는 정도를 나타내는 것으로서, R2이 1인 경우 100% 부합하는 것을 의미한다. 도 9 및 도 10에 나타낸 바와 같이, 편광도는 액정의 물성 중 특히 탄성상수(K11, K33)에 대하여 R2이 95%이상의 값을 나타내면서 높은 선형 상관 관계를 나타내는 것을 확인할 수 있다.
참조예 1 참조예 2 참조예 3 참조예 4 참조예 5 참조예 6 참조예 7 참조예
8
액정 A B C D E F G H
Tni 95 111 80.2 87.7 74.5 88 94 112.3
△n 0.241 0.260 0.110 0.110 0.097 0.153 0.149 0.200
△ε 12.1 11.6 3.4 8.4 -5.0 -12.2 -6.4 -5.0
εㅗ 6.1 4.9 2.6 4.0 9.0 18.9 10.9 9.1
ε// 18.2 16.5 6.000 12.4 4.000 8.200 4.500 4.100
K11 10.3 11.0 9.9 9.6 13.3 12 16.8 18
K33 12.5 13.6 12.1 11 14.8 13.2 20.8 22.8
K11*K33 128.75 149.6 119.79 105.6 196.84 158.4 349.44 410.4
P.D 78.4 80.4 76.6 73.9 84.2 82.9 86.9 88.2
Tni: 네마틱-이소트로픽 상전이 온도
△n: 굴절률 이방성
△ε: 유전율 이방성
εㅗ: 수직 유전율
ε//: 수평 유전율
K11: 스프레이 탄성상수
K33: 벤드 탄성상수
P.D: 편광도
실시예 1
ITO(Indium Tin Oxide) 투명 전극층과 수평 배향막이 순차로 형성되어 있는 2장의 PC (Polycarbonate) 필름을 상기 수평 배향막이 내측에 위치하도록 이격 배치시킨 후에(간격 약 9 ㎛), 그 사이에 게스트-호스트 액정 조성물을 주입하고, 에지(edge)를 실링하여 면적 2.2 cm × 4.0 cm 및 간격 9 ㎛인 액정 소자를 제작하였다. 상기에서 게스트-호스트 액정 조성물로는 액정 B(HPC2180, HCCH사, △ε=16.5, K11=11.0, K33=13.6)와 이색성 염료 (X12, BASF사)를 99:1의 중량 비율(액정 B:이색성 염료)로 혼합한 것을 사용하였다.
비교예 1
액정 B 대신에 액정 A(HPC2160, HCCH사, △ε=18.2, K11=10.3, K33=12.5)를 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방식으로 액정 소자를 제조하였다.
실시예 2
액정 B 대신에 액정 E(MLC6884, HCCH사, △ε=-5.0, K11=13.3, K33=14.8)를 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방식으로 액정 소자를 제조하였다.
실시예 3
액정 B 대신에 액정 H(MAT1594, HCCH사, △ε=-5.0, K11=18, K33=22.8)를 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방식으로 액정 소자를 제조하였다.
평가예 2. 투과율 가변도 평가
실시예 1 및 비교예 1과 실시예 2 및 3의 액정 소자에 대하여 투과율 가변도(△T)를 평가하고 그 결과를 표 2에 기재하였다. 구체적으로, 액정 소자의 전압 무인가 상태에서의 투과율(Toff)을 측정하였고, 액정 소자의 상하 ITO 투명 전극층에 AC 전원(전압: 15V, 주파수: 60Hz)를 연결하고 구동시키면서, 액정 소자의 투과율(Ton)을 측정하였으며, 상기 초기 상태 및 전압 인가 상태의 투과율 차이를 통하여 투과율 가변도(△T)를 평가하였다. 상기 투과율은 NDH5000SP 측정장비를 이용하여 가시광 영역의 광에 대하여 정면에서 측정된 전체 투과율을 의미한다. 표 2에 나타낸 바와 같이 스프레이 탄성상수가 11.0 pN 이상인 액정 화합물을 호스트 액정으로 사용하는 경우 편광도 및 투과율 가변도가 우수함을 확인할 수 있다.
비교예 1 실시예 1 실시예 2 실시예 3
액정 △ε > 0 △ε < 0
Toff 39.2 39.7 35.45 36.82
Ton 66.6 68.3 35.45 36.82
△T 78.4 80.4 84.2 88.2
P.D 78.4 80.4 84.2 88.2
실시예 4 - 투과도 가변 미러
실시예 1의 액정 소자에 대하여 대향 배치된 어느 하나의 기판 중 어느 하나의 기판(이하, 하부 기판)의 ITO 전극 측 반대 측면에 1/4 파장판 및 미러를 순차로 배치하여 투과도 가변 미러를 제조하였다. 상기에서 1/4 파장판의 광축은 액정 및 이색성 염료의 정렬 방향과 약 45도를 이루도록 배치하였다.
비교예 2 - 투과도 가변 미러
액정 B 대신에 액정 A를 사용한 것을 제외하고는 실시예 4와 동일한 방식으로 투과도 가변 미러를 제조하였다.
평가예 3 - 차단 및 반사 특성 및 투과율 가변도 평가
실시예 4 및 비교예 2의 투과도 가변 미러에 대하여 차단율, 반사율 및 투과율 가변도를 평가하고 그 결과를 표 3에 기재하였다. 구체적으로, 구체적으로 액정 소자의 전압 무인가 상태에서 차단율을 측정하였고, 액정 소자의 상하 ITO 투명 전극층에 AC 전원 (전압: 15V, 주파수: 60Hz)을 연결하고 구동시키면서 액정 소자의 반사율을 측정하였으며, 상기 차단율과 반사율의 차이로부터 투과율 가변도(△T)를 평가하였다. 상기 차단율 및 반사율은 KONICA MINOLTA spectrophotometer CM-2600d 측정 장비를 사용해서 공지의 반사율 및 반사율 측정 방식으로 측정하였다. 표 3에 나타낸 바와 같이 스프레이 탄성상수(K11)가 11 pN 이상인 액정 화합물을 호스트 액정으로 사용하는 경우 투과율 가변도가 우수함을 확인할 수 있다.
비교예 1 실시예 4
액정 A 액정 B
차단율 23.7 22.3
반사율 54.6 57.3
△T 30.9 35
P.D 74.1 76.1
101A, 101B: 상부 및 하부 기판
102A, 102B: 상부 및 하부 전극층
103A, 103B: 상부 및 하부 배향막
104: 게스트-호스트 액정층
1041: 액정 화합물
1042: 이색성 염료
201: 1/4파장판
202: 미러
301: 반사판

Claims (20)

  1. 서로 대향하여 배치되어 있는 한 쌍의 기판; 및
    상기 대향하여 배치된 한 쌍의 기판 사이에 존재하고, 이색성 염료 및 액정 화합물을 포함하는 게스트-호스트 액정층을 포함하며,
    상기 액정 화합물은 유전율 이방성(△ε)이 음수이고, 스프레이 탄성상수(K11)가 16.0 pN 이상이며, 벤드 탄성상수(K33)가 17.0 pN 이상인 액정 소자.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 제 1 항에 있어서,
    액정 화합물의 유전율 이방성(△ε)은 -15.0 내지 -3.5 범위 내인 액정 소자.
  8. 제 1 항에 있어서,
    액정 화합물은 네마틱 액정 화합물인 액정 소자.
  9. 제 8 항에 있어서,
    액정 화합물의 네마틱-이소트로픽 상전이 온도(Tni)는 80℃ 이상인 액정 소자.
  10. 제 1 항에 있어서,
    액정 화합물의 굴절률 이방성(△n)은 0.09 내지 0.26 범위 내인 액정 소자.
  11. 제 1 항에 있어서,
    이색성 염료의 이색비는 5 내지 20 범위 내인 액정 소자.
  12. 제 1 항에 있어서,
    기판과 액정층 사이에 존재하는 전극층을 추가로 포함하는 액정 소자.
  13. 제 12 항에 있어서,
    전극층은 투명 전극층 또는 반사 전극층인 액정 소자.
  14. 제 12 항에 있어서,
    전극층과 액정층 사이에 존재하는 수평 배향막 또는 수직 배향막을 추가로 포함하는 액정 소자.
  15. 제 1 항에 있어서,
    게스트-호스트 액정층은 외부 전압 인가 여부에 따라 수평 배향 상태 및 수직 배향 상태의 사이를 스위칭하도록 형성된 액정 소자.
  16. 제 1 항에 있어서,
    대향하는 2개의 기판 중 어느 하나의 기판의 액정층 측 반대 측면에 인접하여 존재하는 1/4 파장판을 추가로 포함하는 액정 소자.
  17. 제 16 항에 있어서,
    1/4 파장판의 기판 측 반대 측면에 인접하여 존재하는 미러를 추가로 포함하는 액정 소자.
  18. 제 17 항에 있어서,
    액정셀은 외부 전압 인가 여부에 따라 수평 배향 상태 및 수직 배향 상태 사이를 스위칭하도록 형성되어 있고, 상기 수평 배향 상태에서 액정 화합물의 광축과 1/4 파장판의 광축이 이루는 각도는 40도 내지 50도 범위 내인 액정 소자.
  19. 제 1 항의 액정 소자를 포함하는 스마트 윈도우.
  20. 제 1 항의 액정 소자를 포함하는 반사형 액정 표시 장치.
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