[논문]아크릴계 단량체 2-HEA와 EGPA의 조성에 따른 고분자 분산형 액정(PDLC)의 전기광학적 특성 평가

최종선; 김영대; 김소연

doi:10.14478/ace.2019.1002

아크릴계 단량체 2-HEA와 EGPA의 조성에 따른 고분자 분산형 액정(PDLC)의 전기광학적 특성 평가
Effect of 2-HEA and EGPA Composition on the Electro-optical Properties of Polymer Dispersed Liquid Crystal 원문보기

공업화학 = Applied chemistry for engineering, v.30 no.2, 2019년, pp.205 - 211

최종선 (충남대학교 에너지과학기술대학원) , 김영대 (충남대학교 에너지과학기술대학원) , 김소연 (충남대학교 에너지과학기술대학원)

초록
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지난 수십 년 동안 고분자 분산형 액정(polymer dispersed liquid crystal, PDLC)은 전기광학적으로 전환이 가능한 특성으로 인해 빛의 투과도를 자유롭게 조절할 수 있는 smart window를 개발하는 물질로서 주목을 받아왔다. 본 연구에서는 높은 구동전압과 낮은 명암비 등의 PDLC 문제점을 해결하기 위해 아크릴계 단량체 2-hydroxyethyl acrylate (2-HEA)와 ethylene glycol phenyl ether acrylate (EGPA)의 조성이 PDLC의 전기광학 특성에 미치는 영향을 평가하였다. 상온에서 10 cps 이하의 낮은 점도를 나타내는 2-HEA와 EGPA 단량체를 사용하여 제조하는 경우 보다 쉽게 capillary action에 의해서 indium tin oxide (ITO) glass 사이에 주입하는 공정이 가능하였다. Phenyl group를 포함한 EGPA 단량체가 대부분으로 이루어진 1 : 9인 단량체 혼합물로 만들어진 PDLC cell의 경우 전기장을 인가하지 않은 경우에도 불투명한 상태가 관측되지 않았고 인가 전압에 따라 매우 불안정한 투과율을 나타내었다. Cell gap thickness가 증가함에 따라 문턱전압(threshold voltage, $V_{th}$)과 포화전압(saturation voltage, $V_{sat}$)도 증가하는 경향을 나타내었으며, $20{\mu}m$의 cell gap thickness를 갖는 PDLC cell이 10과 $40{\mu}m$의 경우 보다 상대적으로 높은 명암비를 나타내었다. 특히, 7 : 3 비율의 2-HEA : EGPA 단량체 혼합물을 사용하여 제조된 PDLC cell의 경우가 낮은 구동전압과 높은 명암비의 가장 우수한 전기광학적 특성을 나타내었다.

Abstract ▼ AI-Helper

Over the past several decades, the polymer dispersed liquid crystal (PDLC) has received particular attention as a material for developing smart window due to their electro-optical switchable properties. In this study, PDLC cells were fabricated using acrylate monomers, namely 2-hydroxyethyl acrylate (2-HEA) and ethylene glycol phenyl ether acrylate (EGPA), and the effect of the monomer composition on their electro-optical properties was investigated. The monomer mixture with a low viscosity (~10 cps) was easily filled between indium tin oxide (ITO) glasses by capillary action at room temperature. PDLC cells prepared using the mixture ratio of 1 : 9 (2-HEA : EGPA) did not show a complete opaque state at a 0 V condition but exhibited unstable electro-optical properties under an electric field. As the LC composition increased in the reaction mixture for PDLC cell preparation, the $V_{th}$ (threshold voltage) and $V_{sat}$ (saturation voltage) values as well as contrast ratio (CR) increased. $V_{th}$ and $V_{sat}$ values also increased with the cell gap thickness. PDLC cells with a $20{\mu}m$ cell gap thickness exhibited higher CR than those with 10 and $40{\mu}m$ cell gap thicknesses. Particularly, PDLC cells prepared using the mixture ratio of 7 : 3 (2-HEA : EGPA) showed excellent electro-optical properties such as a low driving voltage and high contrast ratio.

주제어

표/그림 (9)

그림 Figure 1. Schematic diagram of (a) PDLC cell structure, (b) operation principle of PDLC cells.
$Table 1. Refractive Indices of Monomer Mixture according to 2-HEA : EGPA Volume Ratio$ 표 Table 1. Refractive Indices of Monomer Mixture according to 2-HEA : EGPA Volume Ratio
그림 Figure 2. FT-IR spectra of (a) 2-HEA, (b) EGPA, (c) E7, (d) monomer/E7/photoinitiator mixture, and (e) PDLC film by PIPS method.
그림 Figure 3. (A) Images of PDLC cell under applied electric field according to various composition of 2-HEA : EGPA monomer mixture, (a) 1 : 9, (b) 3 : 7, (c) 5 : 5, (d) 7 : 3, and (e) 9 : 1 with 20 μm cell gap; (B) Images of PDLC cell prepared using 2-HEA : EGPA monomer mixture (7 : 3 ratio) with (a) 10 μm, (b) 20 μm, and (c) 40 μm cell gap thickness.
그림 Figure 4. Voltage-transmittance curves of PDLC cell with (a) 20 μm cell gap thickness and various monomer compositons; (b) 1 : 9 monomer ratio, (c) 3 : 7 monomer ratio, (d) 5 : 5 monomer ratio, (e) 7 : 3, monomer ratio, and (f) 9 : 1 monomer ratio.
표 Table 2. Electro-optical Properties of PDLC Cell with 7 : 3 Monomer Volume Ratio Depending on Cell Gap Thickness
그림 Figure 5. (a) Threshold voltage (V_th) and saturation voltage (V_sat) depending on cell gap thickness, (b) contrast ratio (CR) according to cell gap thickness.
그림 Figure 6. (a) Optical microscope images of PDLC cells prepared using reaction mixture composed of NOA65 and E7, (b) Optical microscope images of PDLC cells prepared using reaction mixture containing 2-HEA, EGPA and E7.
그림 Figure 7. Voltage-transmittacne curves of PDLC cells with 20 μm cell gap thickness depending on the composition of LC: monomer mixture.

AI 본문요약
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문제 정의

특히, PDLC의 전기광학적 특성은 고분자 매트릭스와 액정 입자와의 친화성, 액정 입자의 크기, 형상 및 균일도에 따라 크게 달라진다. 본연구에서는 smart window와 같은 switchable window의 중요한 특성인 높은 명암비와 낮은 구동전압을 갖는 PDLC를 제조하기 위해 다양한 volume ratio로 혼합된 아크릴계 모노머와 nematic LC인 E7을 이용해 cell gap의 두께를 달리하며 PDLC cell을 PIPS 방법으로 제조하였고, 그에 따른 문턱전압(threshold voltage, V_th), 포화전압(saturation voltage, V_sat), 명암비 (contrast ratio, CR) 및 투과율(transmittance) 등과 같은 전기광학적 특성들을 분석하였다.

제안 방법

본 연구에서는 아크릴계 단량체인 2-HEA와 EGPA의 조성비를 변화시켜가며 nematic 액정인 E7과의 혼합물을 제조한 후, 다양한 cell gap thickness를 갖는 PDLC cell을 제조하고 전기광학적 특성분석을 진행하였다. 상온에서 10cps 이하의 낮은 점도를 나타내는 2-HEA와 EGPA 단량체를 사용하여 제조하는 경우 보다 쉽게 capillary action에 의해서 ITO glass cell 사이에 혼합물을 주입하는 공정이 가능하였다.

대상 데이터

Ethylene glycol phenyl ether acrylate (EGPA), 2-hydroxy-4’-(2-hydroxyethoxy)-2-methylpropiophenone는 Sigma-Aldrich Chemical에서 구입하였고, 2-hydroxyethyl acrylate (2-HEA), acetone (99.5%)은 Samchun pure chemical에서 구입하였다. Nematic LC인 E7 (ordinary refractive index (n_o) = 1.521, extraordinary refractive index (n_e) = 1.746)은 Merck, Ltd로부터 구입하였고, ITO glass는 Daehan Scientific Co., Ltd에서 구입하였다. 시약은 별도의 정제과정을 거치지 않고 그대로 사용하였다.

성능/효과

상온에서 10cps 이하의 낮은 점도를 나타내는 2-HEA와 EGPA 단량체를 사용하여 제조하는 경우 보다 쉽게 capillary action에 의해서 ITO glass cell 사이에 혼합물을 주입하는 공정이 가능하였다. 2-HEA : EGPA 단량체 혼합물의 혼합비율이 1 : 9인 PDLC cell은 전기장을 인가하지 않은 경우에도 불투명한 상태가 관측되지 않았으며, 인가 전압에 따라 매우 불안정한 투과율을 나타내었다. 또한, ITO glass의 cell gap thickness가 증가함에 따라 PDLC cell의 V_th와 V_sat도 점차적으로 증가하는 경향을 나타내었으며, 20µm의 cell gap thickness를 갖는 PDLC cell이 10과 40 µm의 경우보다 더 높은 CR 값을 나타냈다.
2-HEA : EGPA 단량체 혼합물의 혼합비율이 1 : 9인 PDLC cell은 전기장을 인가하지 않은 경우에도 불투명한 상태가 관측되지 않았으며, 인가 전압에 따라 매우 불안정한 투과율을 나타내었다. 또한, ITO glass의 cell gap thickness가 증가함에 따라 PDLC cell의 V_th와 V_sat도 점차적으로 증가하는 경향을 나타내었으며, 20µm의 cell gap thickness를 갖는 PDLC cell이 10과 40 µm의 경우보다 더 높은 CR 값을 나타냈다. 또한, 비교를 위해 상용화된 prepolymer NOA65로 제조된 PDLC cell보다 동일한 조건에서 더 작은 액정 droplet size를 관찰할 수 있었으며 그로 인해 더 높은 명암비를 나타내었다.
또한, 비교를 위해 상용화된 prepolymer NOA65로 제조된 PDLC cell보다 동일한 조건에서 더 작은 액정 droplet size를 관찰할 수 있었으며 그로 인해 더 높은 명암비를 나타내었다. 특히, 7 : 3 비율의 2-HEA : EGPA 단량체 혼합물을 사용하여 제조된 PDLC cell의 경우가 낮은 구동전압과 높은 명암비를 나타내어 가장 우수한 전기광학적 특성을 나타내었다. 따라서 본 연구에서 제조한 2-HEA와 EGPA 단량체 혼합물로 이루어진 PDLC cell의 경우 switchable window 분야에서 우수한 성능을 보일 것으로 기대된다.

후속연구

특히, 7 : 3 비율의 2-HEA : EGPA 단량체 혼합물을 사용하여 제조된 PDLC cell의 경우가 낮은 구동전압과 높은 명암비를 나타내어 가장 우수한 전기광학적 특성을 나타내었다. 따라서 본 연구에서 제조한 2-HEA와 EGPA 단량체 혼합물로 이루어진 PDLC cell의 경우 switchable window 분야에서 우수한 성능을 보일 것으로 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	고분자 분산형 액정(polymer dispersed liquid crystal, PDLC)이 smart window 개발물질로서 주목받은 이유는 무엇인가?	지난 수십 년 동안 고분자 분산형 액정(polymer dispersed liquid crystal, PDLC)은 전기광학적으로 전환이 가능한 특성으로 인해 빛의 투과도를 자유롭게 조절할 수 있는 smart window를 개발하는 물질로서 주목을 받아왔다. 본 연구에서는 높은 구동전압과 낮은 명암비 등의 PDLC 문제점을 해결하기 위해 아크릴계 단량체 2-hydroxyethyl acrylate (2-HEA)와 ethylene glycol phenyl ether acrylate (EGPA)의 조성이 PDLC의 전기광학 특성에 미치는 영향을 평가하였다.
	PDLC의 장점은 무엇인가?	외부 전압을 인가하지 않은 상태에서는 고분자 매트릭스와 액정 입자 간의 굴절률이 다르기 때문에 입사광은 산란하여 불투명하게 되지만, PDLC에 전압을 인가하면 액정이 전기장 방향을 따라 배열되어 액정 입자의 굴절률은 고분자 매트릭스와 거의 일치하게 되어 그로 인해 빛을 투과시켜 투명한 상태로 전환된다[6,7]. PDLC는 제조공정이 간단하며, 편광자를 사용하지 않아 광이용 효율이 높아 고투과율의 밝은 표시가 가능할 뿐만 아니라 시야각이 우수하며 또한 기판으로 사용되는 물질에 따라 유연한 형태로도 만들 수 있다는 장점을 가지고 있다. 이러한 PDLC의 우수한 광학적 특성, 간단한 제조 공정, 에너지 절감 및 장기 내구성으로 인해 건축 인테리어, 디스플레이, 운송 및 반도체 등과 같은 다양한 분야에 적용 될 수 있다[8,9].
	액정 입자와 고분자 간의 굴절률 차이에 의해 투과율이 조절되는 메커니즘은 무엇인가?	PDLC는 고분자 매트릭스 내에 micrometer 크기의 액정 droplet이 분산되어 있는 구조로서, 액정 입자와 고분자 간의 굴절률 차이에 의해 투과율이 조절된다[4,5]. 외부 전압을 인가하지 않은 상태에서는 고분자 매트릭스와 액정 입자 간의 굴절률이 다르기 때문에 입사광은 산란하여 불투명하게 되지만, PDLC에 전압을 인가하면 액정이 전기장 방향을 따라 배열되어 액정 입자의 굴절률은 고분자 매트릭스와 거의 일치하게 되어 그로 인해 빛을 투과시켜 투명한 상태로 전환된다[6,7]. PDLC는 제조공정이 간단하며, 편광자를 사용하지 않아 광이용 효율이 높아 고투과율의 밝은 표시가 가능할 뿐만 아니라 시야각이 우수하며 또한 기판으로 사용되는 물질에 따라 유연한 형태로도 만들 수 있다는 장점을 가지고 있다.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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