KR0147620B1 - 불소 함유 유기고분자 배향막재료 및 이를 채용한 액정표시소자 - Google Patents

불소 함유 유기고분자 배향막재료 및 이를 채용한 액정표시소자

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Abstract

본 발명에는 액정표시소자의 배향재료로서 이용되는 불소 함유 폴리-1,4-페닐렌비닐렌 선중합체 및 열처리에 의해 이것으로부터 전환된 불소 함유 폴리-1,4-페닐렌비닐렌을 배향막재료로서 포함하는 액정표시소자가 개시되어 있으며, 이러한 액정표시소자에 따르면 균일한 배향 및 높은 프리틸트 각도가 실현된다.

Description

불소 함유 유기고분자 배향막재료 및 이를 채용한 액정표시소자
제1도는 일반적인 액정표시소자의 단면도이며
제2도는 액정분자와 배향표면(기판)과의 방위관계를 나타내는 도면이다
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1, 1' : 편광자 2, 2' : 기판
3, 3' : 전극 4, 4' : 절연층
5, 5' : 액정배향층 6 : 스페이서
7 : 액정층
본 발명은 프리틸트 각도 (pretilt angle)를 증가시키는 유기고분자 액정배향재료 및 이를 배향막으로서 채용하고 있는 액정표시소자에 관한 것이다.
일반적으로 액정 (liquid crystal)이란 액체의 유동성과 결정의 광학적 성질을 겸비한 액체와 고체의 중간적 성질을 갖는 물질로서, 전계 또는 열에 의해 그 광학적 이방성이 변화될 수 있다. 이러한 성질을 이용한 것이 액정표시소자 (LCD:Liquid Crystal Display)로서, 플라즈마 디스플레이나 발광장치와 더불어 평판 표시장치의 대표적인 것으로 알려져 있다. 제1도에는 일반적인 액정표시소자의 단면도가 도시되어 있다.
액정의 물성은 일반적으로 분자배열 상태에 의해 변하고, 그 결과 전계 등 외력에 대한 응답특성도 크게 변화된다. 또한 액정의 프리틸트 각도는 배향재료, 배향처리 방법에 의해 변화되므로 액정의 프리틸트 각도 제어는 곧 액정분자의 배향 제어로서 이해될 수 있는 개념이다. 제2도는 액정분자와 배향표면 (기판)과의 방위관계를 나타내는 도면으로서 프리틸트 각도는 기판면과 액정 디렉터가 이루는 각을 말한다.
액정의 균일한 배향 상태는 단순히 액정을 상하 기판 사이에 끼우는 것만으로는 얻기 힘들다. 따라서 균일한 배향을 위해 기판에 배향막을 형성하는 것이 일반적이다.
상술한 바와 같이, 액정표시소자를 제작함에 있어서 액정의 프리틸트 각도를 조절할 수 있는 배향재료는 표시성능의 향상을 위해 필수적이다. STN-LCD (super twisted nematic LCD)의 경우 결함선의 발생을 방지하기 위하여 액정의 높은 프리틸트 각도가 요구되며, TFT-LCD (thin film transistor LCD)의 경우 시야각 특성을 향상시키기 위하여 낮은 프리틸트 각도와 높은 프리틸트 각도를 가지는 배향막 재료를 각각 상하 기판으로 사용하기도 한다 (Journal of the SID, 2/2, 31, 1994). 또한 배향결함이 발생하기 쉽고 외부의 충격에 약한 SSF-LCD (surface stabilized LCD)의 경우에도 높은 프리틸트 각도를 가지는 배향재료를 사용하여 스멕틱층의 구조를 변형시킴으로써 이러한 단점을 보완하고 있다 (Japan Display '92, 53 523). 그러나, 기존의 상품화된 배향재료는 대부분 프리틸트 각도가 작고 소성온도나 배향처리 조건 등 소자 제작시의 조건변동에 대한 프리틸트 각도의 변화가 너무 크다는 단점이 있다.
종래에는 액정분자를 배향시키는 배향막 재료로서 프리틸트 각도 수지필름이 가장 일반적으로 사용되었다. 기판에 형성된 폴리이미드 수지필름을 천으로 일정 방향으로 러빙 (rubbing) 함으로써 액정분자가 러빙 방향으로 정렬되는 것과 동시에 기판에 대하여 1-3°의 프리틸트 각도로 배향된다. 기판상에 형성된 유기 수지필름을 러빙하는 방법에 의해서는 액정분자의 프리틸트 각도를 크게 하기가 어려웠다.
액정분자를 큰 프리틸트 각도로 배향시키는 또 다른 방법으로서, 기판상에 산화규소와 같은 무기필름을 러빙에 의존하지 않고 경사증착시키는 방법이 이용되었다. 그러나 기판상에 무기 필름을 증착시키는 방법은 유기 수지필름 러빙법에 비해 복잡하고, 공업적 규모의 실질적인 생산에는 적합하지 아니하였다.
이러한 문제점을 해결하기 위하여 본 발명자들은 연구를 거듭하여 불소기가 함유된 유기고분자 재료를 합성하여 이를 액정표시소자의 배향막재료로 이용한 결과 균일한 배향 및 커다란 프리틸트 각도가 얻어진다는 것을 밝혀내었다.
그러므로, 본 발명의 목적은 액정의 배향재료로서 사용되는 불소 함유 폴리-1,4-페닐렌비닐렌 (F-PPV) 선중합체를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 액정표시소자를 제작함에 있어서, 불소 함유 폴리-1,4-페닐렌비닐렌 선중합체로부터 전환된 폴리-1,4-페닐렌비닐렌을 액정 배향막재료로 채용하여 액정의 프리틸트 각도를 조절함으로써 표시특성 및 생산성이 향상된 액정표시소자를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따르면, 액정표시소자의 배향막으로 사용시 열에 의해 불소 함유 폴리-1,4-페닐렌비닐렌으로 전환되는, 상기 일반식 (I)로 표시되는 유기 고분자의 술포늄 선중합체 (precursor polymer)가 제공된다.
여기에서, R1R2및 R3는 서로 독립적으로 H 또는 F이고, X는 Br 또는 Cl 이며, n은 100 이상의 정수이다.
상기 다른 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따르면, 상하 한쌍의 기판, 각 기판 상부에 형성된 투명전극, 각 투명전극의 상부에 형성된 배향막, 배향막 사이에 주입된 액정을 구비하는 액정표시소자에 있어서, 상기 배향막이 하기 일반식 (II)로 표시되는 불소 함유 폴리-1,4-페닐렌비닐렌을 포함하는 것을 특징으로 하는 액정표시소자가 제공된다.
여기에서, R1R2및 R3는 서로 독립적으로 H 또는 F이고, n은 100 이상의 정수이다.
본 발명에 따른 액정표시소자의 액정의 프리틸트 각도의 범위는 5 - 20°로서 종래에 비해 월등히 높다.
본 발명에 따른 액정표시소자의 배향막의 F-PPV는 다중 공액이중결합을 가진 PPV에 불소기가 치환되어 있는 유기 고분자 재료로서, 가공성이 우수한 선중합체가 열처리에 의해 전환된 것이다.
선중합체는 메탄올, 물과 같은 용매에 용해되며, 적절한 농도의 선중합체 용액이 투명전도막이 코팅된 기판 위에 도포된 후 200-400℃의 온도 하에서의 가열에 의해 술포늄 제거반응을 거쳐 다중 공액이중결합 구조를 가진 고분자막이 100Å - 1㎛ 두께로 형성될 수 있다. 즉, 본 발명에서는 액정의 프리틸트 각도를 제어하여 균일한 배향특성을 얻기 위하여 불소기가 함유된 PPV의 선중합체 (precursor polymer)를 투명전극이 코팅된 상하 기판위에 도포한 후 열처리하여 배향층을 형성하고 이를 러빙처리하여 액정배향막으로 사용하였다. 이와 같이 형성된 F-PPV 유기 고분자막은 핀홀이나 기타 결함이 아주 적은 균일한 막을 형성하며, 공기중의 산호, 수분이나 화학물질에도 안정하고 350℃ 이상에서도 안정한 고내열 특성을 가지고 있다. 또한 기판에 대한 접착성도 우수하다.
이하, 구체적인 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명하기로 한다. 단, 하기 실시예들은 본 발명의 예시일뿐 본 발명의 범위를 이들로서만 제한하는 것은 아니다.
[실시예 1]
2-플루오로-p-크실렌을 사염화탄소 용매하에서 NBS 반응을 시켜 2-플루오로-1ㅡ4-비스(브로모메틸)벤젠을 합성하여 여기에 테트라하이드로 티오펜을 과량 가하고 메탄올 용매하, 45℃에서 20시간 동안 반응시켰다. 반응이 종료된 후 혼합용액을 1/3정도로 농축시킨 다음 과량의 차가운 아세톤에 부어 백색분말 형태의 단량체인 2-플루오로-1,4-페닐렌디메틸렌 비스(테트라하이드로티오페늄)브로마이드를 얻었다. 이 단량체를 물에 녹인 다음 0℃로 냉각시킨 다음 단량체 용액을 강하게 교반하면서 동일한 당량의 0℃로 냉각된 NaOH 수용액을 첨가하였다. 반응이 종료된 후 묽은 산 수용액으로 반응액을 중화시켰다. 이렇게 하여 합성된 선중합체를 투석 튜브에 넣고 메탄올에서 3일간 투석하여 정제된 선중합체를 얻었다.
[실시예 2]
실시예 1에서 합성된 2-플루오로-폴리(1,4-페닐렌디메틸렌)의 술포늄 선중합체를 메탄올에 용해하여 투명전도막이 입혀진 상하 기판에 스핀코팅하엿다. 100℃에서 5분간 예비건조하고 260℃에서 2시간 소성하였다. 한쪽 기판에는 상하 기판의 접착 및 실링을 위하여 실제 (sealing agent)를 프린트하고 반대편 기판에는 균일한 셀간격 유지를 위하여 스페이서를 분산시킨 다음 서로 맞붙여 일정한 힘으로 가압하면서 가열하여 실제를 경화시켜 공셀 (void cell)을 제조하였다. 여기에 액정 (Merck사의 ZLI-2293)을 주입하고 프리틸트 각도를 측정하였다. 상온에서 프리틸트 각도는 약 15℃ 정도로 높은 것으로 나타났다.
[비교예]
비교를 위하여 일산화학 (Nissan Chemicasl Industries Ltd.)의 SE-150 배향막재료를 사용하여 3000rpm에서 20초간 스핀코팅하고 80℃에서 15분간 예비건조한 다음 260℃에서 60분 동안 소성하였다. 러빙처리한 다음 상기 실시예에 기재되어 있는 방법과 동일한 방법으로 액정표시소자를 제조하여 프리틸트 각도를 측정하였다. 그 결과 프리틸트 각도는 약 4°인 것으로 나타났다.
이상 살펴본 바와 같이, 본 발명에서는 종래에 사용하지 않았던 새로운 액정 배향재료를 합성하여 액정표시소자의 제작에 응용함으로써 다음과 같은 효과를 얻을 수 있다.
첫째, 종래의 상용화된 배향재료들에 비해 높은 프리틸트 각도를 얻을 수 있다.
둘째, 소자 제작시의 조건변동에 대해서도 배향 안정성이 양호하므로 특성이 보다 우수한 액정표시소자를 고수율로 얻을 수 있다.
셋째, 본 발명의 F-PPV는 액정배향재료로서 갖추어야 할 광투과성, 화학적 안정성을 포함하여 내환경성, 기판에 대한 접착성, 균일한 박막의 형성능력 및 러빙에 의한 우수한 액정배향특성을 가지고 있으므로 STN-LCD, TFT-LCD, SSF-LCD 등에 이용될 경우 표시특성을 크게 개선시킬 수 있다.

Claims (4)

  1. 액정표시소자의 배향막으로 사용시 열에 의해 불소 함유 폴리-1,4-페닐렌비닐렌으로 전환되는, 하기 일반식 (I)로 표시되는 유기 고분자의 술포늄 선중합체 (precursor polymer).
    여기에서, R1R2및 R3는 서로 독립적으로 H 또는 F이고, X는 Br 또는 Cl 이며, n은 100 이상의 정수이다.
  2. 상하 한쌍의 기판, 각 기판 상부에 형성된 투명전극, 각 투명전극의 상부에 형성된 배향막, 배향막 사이에 주입된 액정을 구비하는 액정표시소자에 있어서, 상기 배향막이 하기 일반식 (II)로 표시되는 불소 함유 폴리-1,4-페닐렌비닐렌을 포함하는 것을 특징으로 하는 액정표시소자.
    여기에서, R1R2및 R3는 서로 독립적으로 H 또는 F이고, n은 100 이상의 정수이다.
  3. 제2항에 있어서, 불소 함유 폴리-1,4-페닐렌비닐렌은 대응하는 불소 함유 폴리-1,4-페닐렌비닐렌 선중합체가 액정표시소자의 제조과정중 열에 의해 전환된 것임을 특징으로 하는 액정표시소자.
  4. 제2항에 있어서, 상기 액정표시소자의 액정의 프리틸트 각도의 범위가 5 - 20°인 것을 특징으로 하는 액정표시소자.
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