KR0160073B1 - 액정 조성물, 액정 소자 및 액정 장치 - Google Patents

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마사히로 데라다
쇼세이 모리
슈지 야마다
히로시 미즈노
이꾸오 나까자와
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미따라이 후지오
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Abstract

본 발명은 하기 일반식 (A)로 나타내는 준결정 화합물 및 하기 일반식 (B)로 나타내는 준결정 화합물을 포함하는 액정 조성물에 관한 것이다.
상기식에서, R1및 R2는 독립적으로 탄소 원자수 1 내지 18의 직쇄 또는 분지쇄 알킬기이고; X1은 단일 결합, -O-, -CO-O- 또는 -O-CO-이며; A1은이며; R3은 탄소 원자수 1 내지 18의 직쇄 또는 분지쇄 알킬기이고; X2는 단일 결합, -O-, -CO-O- 또는 -O-CO-이고; X3는 단일 결합, -OCH2-, -CO-O- 또는 -O-CO-이고; m은 3 내지 16의 정수이며; A2는
본 발명의 액정 조성물은 바람직하게는 카이럴 스멕틱 액정 조성물로서 제조될 수 있다. 본 발명의 액정 조성물은 액정 조성물을 사용하는 액정 소자에 우수한 정렬 특성, 우수한 드라이브 특성 및 높은 콘트라스트비를 제공하는데 유용하다.

Description

액정 조성물, 액정 소자 및 액정 장치
제1도는 본 발명에 따른 액정 소자의 일 실시양태의 개략 단면도.
제2도는 C1 및 C2 정렬 상태의 도시도.
제3a 및 3b도는 각각 C1 정렬 및 C2 정렬에서 코운각, 프리틸트각 및 층 경사각의 관계도.
제4도는 본 발명의 일 실시양태에서 드라이브 파형 및 광학 응답 파형을 도시한 파형 선도.
제5도는 전극 매트릭스의 평면도.
제6a도는 단위 드라이브 파형의 일 실시양태도이고, 제6b도는 이러한 단위 파형의 연속으로 이루어진 시간-직렬식 파형도.
제7도는 제6b도에 나타낸 시간-직렬식 파형을 사용하는 실제 구동에 의해 얻어진 표시 패턴의 도시도.
제8도는 상이한 드라이브 전압의 인가하에 투광의 변화를 나타낸 V-T 특성 차트도.
제9도는 액정 표시 장치 및 그래픽 조절기의 블록도.
제10도는 액정 표시 장치와 그래픽 조절기 사이의 화상 데이타 소통에 대한 시간 상관관계를 나타낸 시간 차트도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
11a, 11b: 기판 12 : 투명 전극
13a, 13b : 절연막 14a, 14b : 정렬 조절막
15 : 액정 조성물 16 : 스페이서 비드
17a, 17b : 편광자 21 : 층
22, 23 : 정렬 상태 31 : 코운
32 : 액정 분자 41, 42, 43 : 파형
44, 45 : 선택 기간 51 : 액정 패널
52 : 주사 전극 53 : 데이타 전극
101 : 액정 표시 장치 102 : 그래픽 조절기
103 : 표시 패널 104 : 주사선 드라이브 회로
105 : 데이타 선 드라이브 회로 106 : 디코더
107 : 주사 신호 발생기 108 : 이동 레지스터
109 : 라인 메모리 110 : 데이타 신호 발생기
111 : 드라이브 조절 회로 112 : 그래픽 중앙 처리 장치
113 : 호스트 중앙 처리 장치 114 : 화상 데이타 저장 메모리
본 발명은 액정 조성물, 액정 표시 소자 또는 액정 광학 셔터 등에 사용되는 조성물을 사용하는 액정 소자, 및 이 액정 소자를 사용하는 액정 장치에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 2종의 특정 준결정 화합물을 함께 함유하는 액정 조성물, 특정 정렬 상태로 있는 이 액정 조성물을 사용하는 액정 소자, 및 이 액정 소자를 사용하는 액정 장치에 관한 것이다.
강유전성(또는 카이럴(chiral) 스멕틱) 액정 분자의 굴절률 비등방성을 이용함으로써 편광 소자와 함께 광의 투광을 조절하는 형태의 표시 소자는 클라크(Clark) 및 라거월(Lagerwall)(미합중국 특허 제4,367,924호 등)에 의해 발표되어 왔다. 강유전성 액정은 일반적으로 비나선형 구조의 카이럴 스멕틱 C상(SmC*) 또는 H상(SmH*)를 갖고, SmC* 또는 SmH*상에서는 그에 인가된 전기장에 응답하는 1차 광학 안정 상태 및 2차 광학 안정 상태 중 어느 하나를 갖고, 전기장의 부재하에 이러한 상태를 유지하는 특성, 즉 쌍안정성을 나타내며, 또한 전기장의 변화에 대해 신속한 응답성을 갖는다. 따라서, 고속 메모리형 표시 소자를 이용하여 특히 그의 탁월한 기능에 근거한 대영역, 고해상도 표시를 제공하는 것으로 추측된다:
부언하면, 일본 특허 출원 공개 제(소)3-252624호는 투광(콘트라스트)를 개선시키기 위한 방법, 및 또한 이러한 강유전성 액정(조성물), 특히 카이럴 스멕틱 액정(조성물)이 대영역 및 고해상도 표시에 이용되는 경우에 고속 표시를 달성할 수 있는 기술이 개시되어 있다.
먼저, 높은 콘트라스트를 제공하기 위한 방법을 설명하고자 한다.
일반적으로, 액정의 복굴절성을 이용하는 액정 소자에서는 니콜을 가로지르는 직각하의 투광은 하기 식으로 나타내진다.
식 중,I0: 입사광도, I : 투광도, θa: 겉보기 틸트(tilt)각, Δn: 굴절률 비등방성, d: 액정층의 두께, 및 λ: 입사광의 파장.
비나선형 구조 중 겉보기 틸트각 θa는 1차 배향 상태 및 2차 배향 상태의, 트위스트된 정렬로(셀(cell)의 두께 방향 또는 기판에 대해 수직 방향으로) 카이럴 스멕틱 액정 분자의 평균 분자 축 방향들 사이의 각의 절반으로서 인식된다. 상기 식에 따르면, 22.5 도의 겉보기 틸트각 θa는 최대 투광을 제공함으로써 쌍안정성을 실현시키기 위한 비나선형 구조 중 겉보기 틸트각 θa는 바람직하게는 높은 투광 및 높은 콘트라스트를 제공하기 위해 가능한 한 22.5 도에 가까워서 표시 품질을 향상시켜야 한다는 것을 알 수 있다.
그러나, 본 발명자들은 통상의 방법으로 정렬 조절막으로서 단축 정렬된(또는 러빙(rubbing) 처리된) 폴리이미드 피막을 사용하여 정렬시킴으로써 얻어지는 비나선형 구조를 갖는 카이럴 스멕틱 액정에서 겉보기 틸트각 θa(2개의 안정 상태들의 카이럴 스멕틱 액정 분자들의 분자 축들 사이에 형성되는 각의 절반)은 카이럴 스멕틱 액정의 코운각(각는 후술하는 바와 같이 제3a 또는 3b도에 도시된 카이럴 스멕틱 액정 분자가 따라서 이동하는 코운의 꼭지점각의 절반임)과 비교할 때 보다 작게 된다는 것을 발견하였다. 보다 구체적으로는, 비나선형 구조의 강유전성 액정 중 겉보기 틸트각 θa는 일반적으로 3 - 8 도 정도인 것으로 알려졌으며, 이 때 투광(I/I0)는 약 3 내지 5% 이하였다.
부언하자면, 스멕틱 액정은 일반적으로 층 구조를 가지며, 액정은 온도 하강시 스멕틱 A상(SmA)로부터 카이럴 스멕틱 C상(SmC*)로 전이를 일으킬 때 층들 사이의 간격이 줄어들므로, 제2도에 도시된 바와 같이 층들(21)이 정렬 조절막들(14a 및 14b)가 제공되는 한 쌍의 기관들 사이의 중간 점에서 구부려지는 셰브론 구조를 갖는다.
고온상으로부터 SmC*상으로의 전이 후 바로 나타나는 C1 정렬 상태(22) 및 추가로 냉각할 때 C1 정렬 상태와의 혼합물로 나타나는 C2 정렬 상태(23)을 포함하여, 제2도에 나타낸 바와 같이 구부려지는 방향에 따라 2개의 정렬 상태들이 존재한다. 또한, 본 발명자들은 C1 정렬 상태에서는 액정 다이렉터(director)가 기판들 사이에서 꼬여지는, 낮은 콘트라스트를 제공하는 여태까지 발견된 2개의 안정 상태들(이하, 포괄적으로 트위스트(또는 스플레이(splay)) 상태라 부름) 이외에 높은 콘트라스트를 제공하는 2개의 안정 상태들(이하, 포괄적으로 균일 상태라 부름)이 형성된다는 것을 발견하였다.
이들 상태는 특정 전기장을 인가함으로써 서로간에 변형될 수 있다. 보다 구체적으로는, 2개의 트위스트 상들 사이의 전이는 약한 포지티브 및 네가티브 펄스 전기장들의 인가하에 유발되고, 2개의 균일 상태들 사이의 전이는 강한 포지티브 및 네가티브 펄스 전기장들의 인가하에 유발된다. C1 정렬에서 2개의 균일 상태들을 사용함으로써, 통상의 소자보다 더 밝고 더 높은 콘트라스트를 나타내는 표시 소자를 실현하는 것이 가능하다. 따라서, 전체 표시 영역은 C1 정렬 상태로 형성되고 C1 정렬에서 콘트라스트가 높은 2개의 상태들(C1 균일 상태)가 화이트 및 블랙 표시 상태를 나타내는 2개의 상태들로서 사용되는 표시 소자를 사용함으로써 보다 고품질의 표시를 실현할 수 있다고 기대된다.
제3a 및 3b도를 참조하면, C1 정렬 및 C2 정렬의 기판들 근방의 액정 분자들의 다이렉터는 각각 제3a 및 3b도에 도시된 코운(31)상에 배치된다. 잘 알려져 있는 바와 같이, 윤활과 같은 단축 정렬 처리의 결과로서 기판 표면과 접촉하는 액정 분자는 프리틸트(pretilt)각 α를 형성하고, 그의 방향은 액정 분자(32)가 화살표 A(제2도에도 도시되어 있음)에 의해 나타내지는 러빙의 방향으로 말단이 상향되는(즉, 기판 표면으로부터 떨어져 있는) 방향이다. 상기로부터, 코운각, 프리틸트각 α 및 층 경사각 δ(스멕틱층 라인과 기판에 수직인 것 사이에 형성되는 각) 사이에 다음 관계가 충족되는 것이 요구된다:
C1 정렬에서,+ δ α, 및
C2 정렬에서,- δ α.
따라서, C2 정렬의 형성은 방지하지만 C1 정렬은 가능하게 하는 조건은- δ α이며, 즉 다음과 같다:
또한, 전기장하에 한 위치로부터 다른 위치로 스위칭하는데 있어서 경계면에서 액정 분자상에 작용하는 토오크를 단순 고찰함으로써, α δ ... (II)의 관계는 경계에서 이러한 액정 분자를 용이하게 스위칭시키기 위한 조건으로서 주어진다.
따라서, C1 정렬을 보다 안정하게 형성하기 위해서는 조건 (1) 이외에 조건 (II)를 충족시키는 것이 효과적이다.
조건들 (I) 및 (II)하에서 추가 실험함으로써, 겉보기 틸트각 θa는 상기 조건들 (I) 및 (II)가 충족되지 않을 때 얻어지는 3 - 8 도로부터 상기 조건들 (I) 및 (II)가 충족될 때의 8 - 16 도로 증가하고, 본 발명자들은 또한 코운각 H와 겉보기 틸트각 θa사이에서θa/2 ...(III)의 실험에 의한 관계가 성립한다는 것을 발견하였다.
상술한 바와 같이, 조건들 (I), (II) 및 (III)을 충족시킴으로써 높은 콘트라스트 화상을 나타낼 수 있는 표시 소자가 제공된다는 것이 명백해졌다.
본 발명에 따른 액정 소자는 바람직하게는 기판들의 쌍의 양 대향 표면상에 배치된 특정 정렬 조절층들을 포함할 수 있다. 또한, 1개 이상의 정렬 조절층은 바람직하게는 단축 정렬 처리를 하여 액정 분자들이 한 방향으로 정렬되도록 함으로써, 각 단축 정렬축들은 바람직하게는 서로에 평행이거나 또는 서로 소정의 교차각으로 교차하여 액정 분자들의 정렬 상태를 조절할 수 있다. 이 경우에, 생성된 액정 소자는 적합하게는 상기 C1 균일 조건들 (I),(II) 및 (III)을 충족시킬 수 있다.
상술한 C1 정렬 상태 및 균일 정렬 상태를 더 안정하게 형성하여 양호한 정렬 상태(C1 균일 정렬 상태)를 제공하기 위해서는, 상술한 교차각은 바람직하게는 소정 범위내일 수 있다.
다음으로, 고속 표시를 가능하게 하는 기술을 설명하고자 한다.
카이럴 스멕틱 액정을 사용하는 표시 장치에 의해 통상의 CRT 및 TN형 액정 표시들에 의해 달성되는 것을 훨씬 뛰어넘는 대형 스크린 및 고해상도를 실현할 수 있다. 그러나, 스크린 크기 및 해상도가 증가함에 따라, 프레임 진동수(한 화소를 구성하는 진동수)는 낮게 된다. 이로 인해, 예를 들면 문자 편집 또는 그래픽 스크린상에서의 부드러운 스크롤링 및 커서 움직임의 경우에, 화소-재필기(rewriting) 속도는 느려지게 되고 동화소 표시 속도가 느려지게 되는 문제점이 발생된다. 이러한 문제점에 대한 해결책은 예를 들면, 일본 특허 출원 공개 제(소)60-31120호 및 동 제(평)1-140198호에 기재되어 있다.
보다 구체적으로는, 매트릭스내에 배열된 주사 전극 및 데이타 전극을 포함하는 표시 패널, 필기용 주사 전극의 전부 또는 소정의 일부를 선택하기 위한 전 영역의 필기 수단, 및 주사 전극의 상술한 전부의 일부 또는 소정의 일부를 선택하기 위한 부분 필기 수단을 포함하는 표시 장치가 개시되어 있다. 그 결과, 부분 동화소 표시는 부분 필기 모드에 의해 고속으로 행할 수 있고, 부분 필기 및 전영역 필기는 양립되게 행할 수 있다.
상술한 바와 같이 한 쌍의 기판 사이에 배치된(카이럴 스멕틱 또는 강유전성) 액정 조성물을 포함하는 액정 소자를 사용하는 단순 매트릭스형 표시 장치는 예를 들면, 일본 특허 출원 공개 제(소)59-193426호, 동 제(소)59-193427호, 동 제(소)60-156046호 및 동 제(소)60-156047호에 개시된 바와 같은 구동 방법에 의해 구동될 수 있다.
제6a 및 6b도는 이러한 구동 방법에 사용되는 일 드라이브 파형 세트를 나타내는 파형 선도이다. 제5도는 단순 매트릭스형 카이럴 스멕틱 액정 패널(51)에 사용되는 전극 매트릭스를 나타내는 평면도이다. 제5도에 도시되어 있는 액정 패널(51)은 서로 교차하는 주사 전극(52) 및 데이타 전극(53)을 포함하여 주사 전극(52)와 데이타 전극(53) 사이에 배치된 카이럴 스멕틱 액정과 함께 각 교차점에서 픽셀을 구성한다.
제6a도를 참조하면, 선택된 주사선에 인가된 선택 주사 신호 파형이 SS로 나타나 있고, 선택되지 않은 주사선에 인가된 비선택 주사 신호 파형이 SN으로 나타나 있으며, 선택된 데이타선에 인가된 선택 데이타 신호 파형(블랙 표시 상태를 제공함)이 IS로 나타나 있고, 선택되지 않은 데이타선에 인가된 비선택 데이타 신호 파형이 IN으로 나타나 있다. 또한, 선택된 주사선상의 픽셀에 인가된 전압 파형은 도면에 IS- SS및 IN- SS로 나타냄으로써, 전압 IS- SS가 공급되는 픽셀은 블랙 표시 상태를 가지며 전압 IN- SS가 공급되는 픽셀은 화이트 표시 상태를 갖는다. 제6b도는 제7도에 나타낸 바와 같은 표시 상태를 제공하는데 사용되는 시간-직렬식 파형을 나타낸다.
제6a 및 6b도에 도시되어 있는 드라이브 실시양태에서는, 선택된 주사선상의 픽셀에 인가된 단일 편광 전압의 최소 기간 Δt는 필기상의 기간 t2에 해당하고, 1개 라인의 클리어링(clearing)상의 기간 t1은 2Δt로 설정된다.
제6a 및 6b도에 나타나있는 드라이브 파형에서 변수 VS, VI및 Δt는 사용되는 액정 물질의 스위칭 특성에 따라 결정된다.
제8도는 V - T 특성, 즉 후술하는 바와 같은 바이어스비가 일정하게 유지되는 반면에(VS+VI)로 표시되는 드라이브 전압이 변화될 때 투광 T의 변화를 나타낸다. 이 실시양태에서는, 변수는 Δt = 50㎲의 일정한 값으로 고정되고 바이어스비 VI/(VI+VS) = 1/3이다. 제8도의 우측에는 제6a도에 나타나있는 전압(IN-SS)가 관련 픽셀에 인가될 때의 결과가 나타나있고, 제8도의 좌측에는 전압(IS-SS)가 관련 픽셀에 인가될 때의 결과가 나타나있으며, 모두 이 때는 전압(VS+VI)가 증가한다. 세로좌표축의 양측에는, 전압(VS+VI)의 절대값은 별도로 표시되어 있다. (IN-SS) 및 (IS-SS)에서, 이전(표시) 상은 전압 VR을 인가함으로써 클리어해지고 후속(표시) 상은 각각 전압 VB 1및 VB 2에 의해 측정된다. 제8도를 참조하면 V2V1V3의 관계가 유지된다. 전압 V1은 실제 구동에 있어서 한계 전압으로서 간주될 수 있고 전압 V3은 크로스토크 전압으로서 간주될 수 있다. 보다 구체적으로는, 제6a도에 나타낸 바와 같이, 전압 V1은 전압 신호 VB 2를 인가함으로써 스위칭을 일으키는 전압값을 나타내고 전압 V3은 전압 신호 VB 1을 인가함으로써 스위칭을 일으키는 전압값을 나타낸다. 또한, 전압 V2는 전압 신호 VR을 인가함으로써 이전 상태를 클리어하게 하는데 요구되는 전압값을 나타낸다. 크로스토크 전압 V3은 일반적으로 강유전성 액정 소자의 실제 매트릭스 드라이브에 존재한다. 실제 구동에서, ΔV = (V3- V1)은 매트릭스 구동을 가능하게 하는 ｜VS+VI｜의 범위를 제공하고 바람직하게는 충분히 큰 드라이브 전압 마진(margin)(또는 드라이브 마진) 으로서 간주될 수 있다. 물론, 바이어스비를 증가시킴으로써(즉, 바이어스비를 1에 접근시킴으로써), V3의 값, 따라서 ΔV(= V3- V1)을 증가시키는 것이 가능하다. 그러나, 큰 바이어스비는 큰 데이타 신호 진폭에 해당하고 점멸의 증가 및 보다 낮은 콘트라스트를 유도함으로써 화상 품질 측면에서는 바람직하지 못하다. 본 발명자들이 연구한 결과, 바이어스비는 약 1/3 - 1/4가 실제적이었다. 한편, 바이어스비가 고정될 때는 전압 마진 ΔV는 사용되는 액정 물질의 전화 특성에 따라 크게 좌우되고, 큰 ΔV를 제공하는 액정 물질은 매트릭스 구동에 대해 매우 유리하다는 것은 말할 필요도 없다.
인가 전압의 상한 및 하한, 및 선택된 픽셀이 블랙 및 화이트의 두가지 상태로 필기되고 선택되지 않은 픽셀이 상술한 바와 같은 일정 온도에서 필기된 블랙 및 화이트 상태를 보유할 수 있는 그들 사이의 차이(드라이브 전압 마진 ΔV)는 사용되는 특정 액정 물질에 따라 변하며 그 물질의 고유 특성이다. 또한, 드라이브 마진은 주위 온도의 변화에 따라 편차를 이루므로 최적 드라이브 조건이 사용되는 액정 물질, 소자 구조 및 주위 온도의 관점에서 실제 표시 장치에 요구되어야 한다.
상술한 바와 같이, 상기 조건들 (I), (II) 및 (II)을 충족시키는 액정 조성물을 사용하는 액정 소자가 상술한 부분 필기 체계에 따라 구동될 때, 콘트라스트가 높고 고속인 대영역 고해상도 표시를 실현하는 것이 가능하게 된다.
부언하자면, 실제 표시 소자가 약 5 - 35℃의 그의 작동 온도 범위에서 사용되는 경우에는, 표시 소자 그 자체는 주변 장비로부터의 열의 축적 또는 저장으로 인해 약 10 - 50℃의 주위 온도 변위에 놓인다. 강유전성을 나타내는 카이럴 스멕틱 액정을 사용하는 통상의 표시 소자는 모든 온도 범위(10 - 50℃)에서 양호한 화상 품질을 보유하지 못하는 것이 현 상태이다. 특히, 층 경사각 δ의 크기를 온도 하강(즉, 저온측으로 향함)에 따라 단조로이 증가하지 않도록 조절함으로써 액정 조성물이 제조되는 경우에는, 충분한 드라이브(전압) 마진이 저온측(예를 들면, 0 - 5℃)에서 보장되는 심각한 문제점이 있다.
보다 구체적으로는, C1 균일 정렬 상태를 제공함으로써 콘트라스트가 높은 양호한 화상이 근방의 온도에서 실현될 수 있을 때 조차도, C2 정렬 상태를 갖는 영역은 일부 경우에 매트릭스 드라이브 중에 저온에서 나타난다. 이러한 이유로 인해, 이 때 드라이브 마진이 저온에서 매우 낮아지기 때문에 양호한 화상 및 충분한 드라이브 마진이 모든 주위 온도 또는 작동 온도 범위에서 실현된다고는 말하기가 어렵다.
또한, 상술한 액정 표시 소자가 전압을 인가함으로써 구동되는 경우에는, 액정 분자에 의해 비선택 기간 중에 펄스 전기장의 인가로 인해 요동(또는 약간의 움직임) 현상이 일어나므로써, 콘트라스트를 현저히 저하시켜 일부 경우에는 표시 품질이 나쁘게된다.
보다 구체적으로는, 카이럴 스멕틱 액정을 사용하는 액정 소자가 표시 패널로서 실제 사용되는 경우에는, 주사 전극 및 데이타 전극은 한 쌍의 기판상에 매트릭스로 배열되고 전압은 이들 전극을 거쳐 인가된다.
제4도는 한 세트의 드라이브 파형 및 광학 응답 파형의 일 실시양태를 나타내며, 이 때 파형(41)은 화이트 상태를 표시하기 위한 전압 파형을 나타내고, 파형(42)는 블랙 상태를 표시하기 위한 전압 파형을 나타내며, 파형(43)은 파형(42)의 인가하에 광학 응답 파형을 나타낸다. 제4도를 참조하면, 이들 파형(41 및 42)에서, 주사 전극 및 데이타 전극의 각 교차점에서의 각 매트릭스 또는 픽셀상에 화이트 또는 블랙을 표시하는데 요구되는 전기장은 각각 선택 기간(44 또는 45)에 단지 인가된다. 다른 기간(비선택 기간)에서는, 화이트 또는 블랙의 재필기를 일으키지 못하는 약한 포지티브 및 네가티브 펄스 전기장은 장기간 동안 교호적으로 인가됨으로써, 선택 기간(44 또는 45)를 넘는다.
이러한 비선택 기간에는, 액정 분가가 다른 상태로 변형되거나 또는 역전되도록 하지 못하는 약한 포지티브 및 네가티브 전기장은 상술한 바와 같이 교호적으로 인가되어, 하나의 안정 상태에 있는 액정 분자를 다른 상태의 액정 분자로 역전시키기 위한 특정 힘이 액정 분자와 자발 편광 방향의 반대 방향으로 전기장이 인가되는 순간에 그 위에 발휘된다. 그 결과, 액정 분자는 제3a 및 3b도에 나타낸 코운(31)을 따라 역전 방향으로 약간 이동된다. 그 다음 순간에, 역전된 액정 분자는 반대 전기장을 인가함으로써 원래의 안정 상태로 되돌아온다. 상술한 바와 같이, 액정 분자의 역전은 인가된 전기장의 편광에 따라 반복됨으로써, 액정 분자의 요동이 블랙 표시 상태 때 광의 누설 또는 이탈을 초래하도록 한다. 그 결과, 생성된 화상은 옅은 블랙을 갖고 표시 품질을 저하시킨다.
본 발명의 목적은 상술한 문제점을 해결하고, C1 균일 정렬 특성, 콘트라스트 및 드라이브 전압 마진을 포함하는 우수한 성능을 제공하는 액정 조성물을 제공하는 것이다.
보다 구체적으로, 본 발명의 목적은 생성된 액정 조성물내로 특이 준결정 화합물을 배합하여 혼입시킴으로써 매트릭스 드라이브 중에 고온 범위에서 트위스트(스플레이) 정렬 상태의 영역을 포함하지 않아 드라이브 전압 마진의 감소를 억제하는 반면 양호한 화상을 보유하고, 비선택 기간에 펄스 전기장으로 인한 액정 분자의 요동 정도를 감소시켜서 드라이브 중에 콘트라스트의 감소를 막을 수 있는 액정 조성물을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 액정 조성물을 사용한 액정 소자, 및 소자를 구동하기 위한 드라이브 회로와 이를 위한 광원과 함께 액정 소자를 사용한 액정 장치를 제공하는 것이다.
본 발명에 의해 하기 일반식 (A)로 나타내는 준결정 화합물 및 하기 일반식 (B)로 나타내는 준결정 화합물을 포함하는 액정 조성물이 제공된다.
상기식에서, R1및 R2는 독립적으로 탄소 원자수 1 내지 18의 직쇄 또는 분지쇄 알킬기이고; X1은 단일 결합, -O-, -CO-O- 또는 -O-CO-이며; A1은이며; R3은 탄소 원자수 1 내지 18의 직쇄 또는 분지쇄 알킬기이고; X2는 단일 결합, -O-, -CO-O- 또는 -O-CO-이고; X3는 단일 결합 -OCH2-, -CO-O- 또는 -O-CO-이고; m은 3 내지 16의 정수이며; A2는
본 발명에 따라 각각 전극이 제공된 한 쌍의 각 기판 및 상기 액정 조성물을 포함하는 액정 소자가 제공된다.
또한, 본 발명에 따라 상술한 액정 소자를 포함하는 액정 장치가 제공된다.
본 발명의 상기 목적과 기타 목적들, 특성 및 장점들은 첨부한 도면과 함께 본 발명의 바람직한 실시양태들의 하기 설명을 고려할 때 더욱 명백해 질 것이다.
[바람직한 실시양태의 설명]
본 발명에 따른 액정 조성물은 일반식(A) 및 일반식(B)의 상기 준결정 화합물을 포함한 2가지 이상의 필수 성분을 함유한다.
본 명세서에서, 준결정 화합물이란 용어는 그 자체로서 준결정(또는 액정)상을 나타내는 화합물 뿐 아니라 그 화합물을 함유하는 생성된 액정 조성물이 준결정상을 나타내는 한, 준결정상을 나타내지 않는 화합물까지도 의미한다.
본 발명의 액정 조성물은 바람직하게는 1가지 이상의 광학 활성 화합물을 포함하여 카이럴 스멕틱상을 갖게 되어 강유전성 액정 조성물로서 작용한다.
일반식(A) 및 일반식(B)의 준결정 화합물의 특정 배합을 특징으로 하는 액정 조성물은 다양한 표시 및 드라이브 특성을 향상시키는데 효과적이다. 그 이유는 아직까지 명백하지 않으나, 이것은 일반식(A)의 준결정 화합물의 퀴녹살린 골격과 일반식(B)의 준결정 화합물의 알킬렌기에 의한 피리미딘 고리 및 벤젠 고리를 갖는 중심 코어 구조에 연결된 말단 시클로헥실기 사이의 상호 작용에 기인하여 생성된 액정 소자의 구동과 동시에 액정 분자의 요동을 경감시킬 수 있다.
일반식(A)에 의해 표시되는 준결정 화합물은 일반적으로 예를 들면, 일본국 특허 출원 공개 제(평)7-10849호(유럽 특허 출원 공개 제0622359호에 대응함)에 나타나있는 방법을 통해 합성될 수 있다.
이하에, 일반식(A)의 준결정 화합물의 바람직한 특정 예로는 각각 다음에 나타낸 것을 들 수가 있다.
다음에, 간단하게 하기 위해 각각의 기를 다음과 같이 나타내었다.
일반식(B)로 표시되는 준결정 화합물은 일반적으로 예를 들면, 일본국 특허 출원 공개 제(평)6-256231호(유럽 특허 출원 공개 제0606090호에 대응함)에 나타낸 방법을 통해 합성될 수 있다.
이하에, 일반식(B)의 준결정 화합물의 바람직한 특정 예로는 각각 다음에 나타낸 것을 들 수가 있다.
다음에, 간단하게 하기 위해 다음 기를 제외하고는 각각의 기를 일반식(A)에 대한 것과 마찬가지로 나타내었다.
본 발명에 따른 액정 조성물은 바람직하게는 1종 이상의 일반식(A)의 준결정 화합물 총량 0.1-30 중량%, 1종 이상의 일반식(B)의 준결정 화합물 총량 0.1-30 중량%, 및 광학 활성 화합물을 포함할 수 있는 1종 이상의 다른 준결정 화합물(또는 액정 조성물)을, 콘트라스트 수준, 드라이브 마진 변수, 정렬 상태 등을 포함한 목적하는 특성을 제공하기 위한 적절한 혼합비로 혼합함으로써 제조될 수 있다.
일반식(A) 및 (B)의 준결정 화합물이 각각 0.1 중량% 미만의 양으로 액정 조성물에 함유된다면, 생성된 액정 조성물은 목적하는 효과를 제공할 수 없다.
30 중량% 이상에서는, 생성된 액정 조성물은 다른 특성을 손상시킨다. 더욱 상세하게는, 이 경우에, 생성된 액정 조성물은 각 성분들의 목적하는 상 전이 계열 및 충분한 상용성을 제공하지 못하며 몇몇 경우에는 고점도를 나타낸다.
이러한 이유로, 다른 특성을 크게 손상시키지 않으면서 목적하는 효과를 안정되게 얻기 위해서는, 본 발명의 액정 조성물은 일반식(A)의 준결정 화합물을 바람직하게는 0.1-20 중량%, 특히 바람직하게는 0.5-15 중량% 함유하고, 일반식(B)의 준결정 화합물을 바람직하게는 0.1-20 중량%, 특히 바람직하게는 0.5-15 중량% 함유할 수 있다.
상기 광학 활성 화합물은 바람직하게는 상기 일반식(A) 또는 (B)로 표시되는 준결정 화합물 또는 벤젠 고리 및 피리미딘 고리를 함유하는 중심 골격을 갖는 광학 활성 화합물일 수 있다.
상기 또다른 준결정 화합물(또는 다른 액정 조성물)은 바람직하게는 하기 일반식(1), (2), (3), (4) 및 (또는) (5)로 표시되는 1종 이상의 준결정 화합물로 구성될 수 있다. 이 경우에, 다른 준결정 화합물의 각 성분은 바람직하게는 하기 양으로 액정 조성물에 포함될 수 있다:
(a) 일반식(1)의 준결정 화합물 20-75 중량%,
(b) 일반식(2)의 준결정 화합물 5-25 중량%,
(c) 일반식(3)의 준결정 화합물 5-30 중량%,
(d) 일반식(4)의 준결정 화합물 0.1-30 중량%, 또는
(e) 일반식(5)의 준결정 화합물 1-25 중량%.
일반식(1) 내지 (5)의 상기 다른 준결정 화합물로는 아래에 나타낸 것을 들 수가 있다.
상기 식 중, p 및 q는 독립적으로 0, 1 또는 2를 나타내되, p+q = 1 또는 2를 성립시키는 것이며; Y10은 수소 또는 불소이며; R21및 R22는 독립적으로 헤테로 원자가 서로 인접하지 않는 조건에서, -O-, -S-, -CO-, -CH=CH-, -C≡C- 또는 -CHW-(여기서, W는 할로겐, CN 또는 CF3임)으로 치환될 수 있는 1개 이상의 메틸렌기를 포함할 수 있는 탄소 원자수 1 내지 18의 직쇄 또는 분지쇄 알킬기를 나타낸다.
상기식 중, B1은(여기서, Y1은 수소 또는 불소임); Y0은 수소 또는 불소이고; R23은 탄소 원자수 1 내지 18의 직쇄 또는 분지쇄 알킬기이고; R24는 수소, 할로겐, CN 또는 탄소 원자수 1 내지 18의 직쇄 또는 분지쇄 알킬기이고, R23또는 R24의 알킬기 중의 1개 이상의 메틸렌기는 헤테로 원자가 서로 인접하지 않는 조건에서 -O-, -S-, -CO-, -CH=CH-, -C≡C- 또는 -CHW(여기서, W는 할로겐, CN 또는 CF3임)으로 치환될 수 있다.
상기식 중, B2는이고; R25및 R26은 독립적으로 헤테로 원자가 서로 인접하지 않는 조건에서, -O-, -S-, -CO-, -CH=CH-, -C≡C- 또는 -CHW(여기서, W는 할로겐, CN 또는 CF3임)으로 치환될 수 있는 1개 이상의 메틸렌기를 포함할 수 있는 탄소 원자수 1 내지 18의 직쇄 또는 분지쇄 알킬기를 나타낸다.
상기식 중, B3은이고; Z는 S또는 O이며; R27및 R28은 독립적으로 헤테로 원자가 서로 인접하지 않는 조건에서, -O-, -S-, -CO-, -CH=CH-, -C≡C- 또는 -CHW-(여기서, W는 할로겐, CN 또는 CF3임)으로 치환될 수 있는 1개 이상의 메틸렌기를 포함할 수 있는 탄소 원자수 1 내지 18의 직쇄 또는 분지쇄 알킬기를 나타낸다.
상기식 중, R29및 R30은 각각 헤테로 원자가 서로 인접하지 않는 조건에서, -O-, -S-, -CO-, -CH=CH-, -C≡C- 또는 -CHW-(여기서, W는 할로겐, CN 또는 CF3임)으로 치환될 수 있는 1개 이상의 메틸렌기를 포함할 수 있는 탄소 원자수 1 내지 18의 직쇄 또는 분지쇄 알킬기를 나타낸다.
상기 일반식(1) 내지 (5)에서, 각각의 기 R21∼R30은 광학 활성 또는 광학 불활성일 수 있다.
일반식(1)-(4)의 상기 다른 준결정 화합물에 대하여, 아래에 나타낸, 일반식(1)의 준결정 화합물의 예로는 바람직하게는 일반식(1-1) 내지 (1-7)의 것을 들 수가 있으며, 일반식(2)의 준결정 화합물의 예로는 바람직하게는 일반식(2-1) 내지 (2-5)의 것을 들 수가 있으며, 일반식(3)의 준결정 화합물의 예로는 바람직하게는 일반식(3-1) 내지 (3-9)의 것을 들 수가 있으며, 일반식(4)의 준결정 화합물의 예로는 바람직하게는 일반식(4-1) 내지 (4-6)의 것을 들 수가 있다.
상기 일반식(1-1) 내지 (4-6)에서, R21내지 R28및 Y1은 상기 정의한 바와 같다.
일반식(1-1) 내지 (4-6)의 준결정 화합물은 단독으로 사용되거나 또는 2종 이상이 함께 사용될 수 있다.
상기 일반식(1-1) 내지 (1-5)에서, R21은 바람직하게는 탄소 원자수 4 내지 14의 직쇄 알킬기이고, R22는 바람직하게는 탄소 원자수 4 내지 12의 직쇄 알킬기일 수 있다. 또한, 상기 일반식(1-6) 및 (1-7)에서, R21은 바람직하게는 탄소 원자수 4 내지 14의 직쇄 알킬기이고, R22는 바람직하게는 탄소 원자수 4 내지 10의 직쇄 알킬기일 수 있다.
상기 일반식(2-1) 내지 (2-5)에서, R23은 바람직하게는 탄소 원자수 4 내지 14의 직쇄 알킬기이고, R24는 바람직하게는 탄소 원자수 2 내지 10의 직쇄 알킬기일 수 있다.
상기 일반식(3-1) 내지 (3-9)에서, R25는 바람직하게는 탄소 원자수 2 내지 10의 직쇄 알킬기이고, R26은 바람직하게는 탄소 원자수 2 내지 12의 직쇄 알킬기일 수 있다.
상기 일반식(4-1) 내지 (4-6)에서, R27은 바람직하게는 탄소 원자수 2 내지 10의 직쇄 알킬기이고, R28은 바람직하게는 탄소 원자수 4 내지 12의 직쇄 알킬기일 수 있다.
본 발명의 액정 조성물은 바람직하게는 카이럴 스멕틱상, 특히 바람직하게는 카이럴 스멕틱 C상을 갖는다. 또한, 액정 소자에 포함된 경우 모노도메인(monodomain) 상태를 얻어서 양호한 균일 정렬 상태를 제공한다. 액정 조성물은 온도 하강시에 등방성상, 콜레스테릭(카이럴 네마틱)상, 스멕틱 A상 및 카이럴 스멕틱상(특히, 카이럴 스멕틱 C상)을 포함한 상 전이 계열을 갖는 것이 바람직할 수 있다.
액정 조성물이 카이럴 스멕틱 C상을 갖는 경우, 액정 조성물은 0-60℃의 온도 범위에서 3-15 도, 바람직하게는 3-12 도의 층 경사각 δ(카이럴 스멕틱 액정 물질의 고유 특성임)을 갖는 것이 바람직할 수 있다.
본 발명에 따른 액정 소자는 상기한 액정 조성물, 특히 카이럴 스멕틱 액정 조성물을, 각각 액정 조성물에 전압을 인가하기 위해 전극이 제공된 한쌍의 기판(이하, 종종 전극 판이라 칭함) 사이에 배치시킴으로써 구성될 수 있다. 전극 판들 중 적어도 하나(하나 또는 둘다)에는 바람직하게는 액정 조성물의 정렬 상태를 조절하기 위한 정렬 조절층이 제공될 수 있다. 정렬 조절층에는 필요시에 정렬 처리(예, 러빙 처리)를 행할 수 있다.
본 발명에 따른 소자는 프리틸트각 α를 제공하는 것이 바람직하며, 액정 조성물(바람직하게는, 카이럴 스멕틱 액정 조성물)을 카이럴 스멕틱 액정이 0-60℃의 온도, 특히 실온 부근(예, 30℃)에서 프리틸트각 α와 함께 다음 관계식(I), (II) 및 (III)을 충족시키는 코운각, 카이럴 스멕틱 C상에서의 층 경사각 δ 및 겉보기 틸트각 θa를 나타내는 정렬 상태로 위치시키는 것이 바람직할 수 있다.
본 발명에 따른 액정 소자는 한쌍의 기판의 두 대향 표면 상에 배치된 특정 정렬 조절층을 포함하는 것이 바람직할 수 있다. 또한, 정렬 조절층의 적어도 하나에는 액정 분자를 한 방향으로 정렬시키기 위하여 단축 정렬 처리를 하여, 각각의 단축 정렬축이 액정 분자의 정렬 상태를 조절하기 위하여 서로 평행하거나 또는 소정의 교차각으로 서로 교차되도록 하는 것이 바람직할 수 있다. 이러한 경우에, 액정 소자는 상기 C1 균일 조건들 (I), (II) 및 (III)을 충족시키는 것이 바람직할 수 있다.
상기 C1 정렬 상태 및 양호한 정렬 상태를 제공하는 균일 정렬 상태(C1 균일 정렬 상태)를 더욱 안정하게 형성하기 위하여, 상기 교차각은 0 도 이상 25 도 이하의 범위인 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 1 내지 25 도일 수 있다. 또한, 액정 소자는 바람직하게는 5°이상의 프리틸트각을 제공할 수 있다.
이제, 소자의 개략 단면도인 제1도를 참고로 하여 액정 소자의 바람직한 실시 양태를 설명할 것이다. 제1도를 참고로 하면, 소자는 각각 In2O3, SnO2, ITO(산화 주석인듐) 등의 투명 전극(12a 및 12b)로 도포되고, 이어서 각각 절연막(13a 및 13b) 및 정렬 조절막으로 더 도포된 한쌍의 기판(유리 판)(11a 및 11b)를 포함한다.
절연막(13a 및 13b)는 하기한 바와 같은 무기물 또는 유기물의 피막으로 이루어질 수 있다. 이러한 무기물의 예로는 질화규소, 수소 함유 탄화규소, 산화규소, 질화붕소, 수소 함유 질화붕소, 산화세륨, 산화알루미늄, 산화지르코늄, 산화티탄 및 불화마그네슘을 들 수 있다.
절연막(13a 또는 13b)는 단일 층 또는 필요시에 복수 층으로 형성될 수 있으며, 대향 기판(대향 전극) 사이에 단락(短絡) 방지 기능을 갖는다. 절연막(13a 또는 13b) 상에, 도포법에 의해, 예를 들면 Ti-Si의 도포형 절연층을 형성할 수 있다. 또한, 액정 소자의 드라이브 시에 액정 이동을 방지하기 위하여, 절연막(13a 또는 13b)는 실리카 비드와 같은 절연 비드를 함유하는 절연 도포막으로 이루어짐으로써, 그 위에 형성된 정렬 조절막의 표면은 거칠어서 불균일하거나 거칠은 표면(도시되어 있지 않음)을 갖는 정렬 조절막을 제공할 수 있다.
정렬 조절막(14a 및 14b)는 하기한 바와 같은 유기물 또는 무기물의 피막으로 이루어질 수 있다. 이러한 유기물의 예로는 폴리비닐 알콜, 폴리이미드, 폴리아미드-이미드, 폴리에스테르-이미드, 폴리파라크실릴렌, 폴리에스테르, 폴리카르보네이트, 폴리비닐 아세탈, 폴리비닐 클로라이드, 폴리비닐 아세테이트, 폴리아미드, 폴리스티렌, 셀룰로오스 수지, 멜라민 수지, 우레아 수지, 아크릴계 수지 및 포토레지스트 수지를 들 수 있다.
이들 절연막(13a 및 13b) 및 정렬 조절막(14a 및 14b)는 필요시에 단일 층의 무기 또는 유기 절연 정렬 조절층으로 형성될 수 있다.
정렬 조절막(14a 및 14b)는 예를 들면 하기 식으로 표시되는 폴리아미드산(폴리이미드 전구체)를 도포하고 베이킹함으로써 형성될 수 있다.
정렬 조절막(14a 또는 14b)는 단일 층 또는 복수 층으로 형성될 수 있다. 또한, 이러한 정렬 조절막 중 적어도 하나에는, 예를 들면 거즈 또는 아세테이트 섬유 처리된 직물로 러빙과 같은 정렬 처리를 할 수 있다.
각각 무기물로 이루어진 절연막(13a 및 13b) 및 정렬 조절막은 증착에 의해 형성될 수 있는 반면, 각각 유기물로 이루어진 것들은 유기물 또는 그의 전구체 용액을 0.1 내지 20 중량%, 바람직하게는 0.2 내지 10 중량%의 농도로 스피너 도포법, 침지 도포법, 스크린 인쇄, 스프레이 도포법 또는 롤러 도포법에 의해 도포하고, 이어서 소정의 경화 조건하에(예를 들면, 가열에 의해) 경화 또는 고화에 의해 형성될 수 있다. 절연막(13a 및 13b) 및 정렬 조절막(14a 및 14b)는 각각 통상적으로 3 내지 1000nm, 바람직하게는 3 내지 300nm, 더욱 바람직하게는 5 내지 200nm의 두께를 가질 수 있다.
액정 소자가 칼라 액정 표시 소자로서 사용되는 경우에, 적어도 하나의 유리 기판(11a 및 11b)에는 레드(R), 그린(G), 블루(B), 화이트(W) 등의 각종 칼라 물질로 이루어진 도트 또는 라인 칼라 필터 패턴(도시되어 있지 않음)이 제공된다.
유리 기판 상에 형성된 칼라 필터 패턴은 칼라 필터를 구성하는 라인 또는 도트 사이에 단계별 차이를 최소화하기 위하여 무기물 또는 유기물로 이루어진 평활층으로 도포될 수 있다. 또한, 칼라 필터의 라인 또는 도트 사이에, 금속 또는 수지 물질로 이루어진 흑광 차단(마스킹)층이 각 칼라의 혼색을 방지하기 위하여 배치되는 것이 바람직할 수 있다(도시되어 있지 않음). 이러한 칼라 액정 표시 소자에서, 투명 전극(11a 및 11b)는 칼라 필터 패턴의 형상에 따라 소정의 패턴으로 디자인될 수 있다.
기판(11a 및 11b) 사이에(카이럴 스멕틱) 액정 조성물(15)을 배치시키고, 기판(11a 및 11b) 사이의 간격을 일정 수치(예, 0.1 내지 20㎛, 바람직하게는 0.5 내지 3㎛)로 설정한다. 간격이 작으면(예, 0.5 내지 3㎛)(카이럴 스멕틱) 액정 조성물(15)의 나선형 구조의 형성을 억제하기에 충분하여 액정 조성물(15)의 쌍안정성 정렬 상태가 형성된다. 작은 간격은 기판 사이에 분산된, 이를 테면 실리카, 알루미나, 중합체막, 유리 섬유 등으로 구성된 스페이서 비드(16)에 의해 보유된다. 또한, 스페이서 비드(16)에 의해 형성된 간격을 유지하기 위해 간격 사이에 접착제 입자를 배치시킬 수 있다.
유리 기판(11a 및 11b) 주변을 에폭시 접착제와 같은 밀봉제(도시되어 있지 않음)를 사용하여 밀봉시킨다.
또한, 유리 기판(11a 및 11b) 외부에 한 쌍의 편광자(17a 및 17b)를 각각의 유리 기판에 붙인다.
부수적으로, 전술한 바와 같이 본 명세서에서 언급된 교차각은 하기와 같이 정의할 수 있다.
교차각은 예를 들면, 상부 정렬막(14a)에 제공된 단축 정렬 축과 이 축을 기준으로 볼때 그 하부의 정렬막(14b)에 제공된 단축 정렬 축 사이에 형성된 시계 반대 방향으로의 각도에 의해 측정할 수 있다. 이들 정렬 축들은 바람직하게는 동일 방향으로 향하게 할 수 있으며, ± 25 도내의 교차각, 바람직하게는 0 도(절대 수치로서) 초과 및 25 도 이하(절대 수치로서)의 교차각에서, 특히 1 내지 25 도(절대 수치로서)의 교차각에서 서로 교차할 수 있다.
투광형 액정 소자를 형성함에 있어서, 본 발명의 액정 장치는 편광자(17a 및 17b) 중 어느 한 편광자의 외부에 배치된 광원(도시되어 있지 않음)을 포함할 수 있다.
액정 장치는 전술한 액정 소자, 드라이브 수단(예, 드라이브 회로) 및 후광으로서 광원을 포함할 수 있다. 액정 장치는 바람직하게는 액정 표시 장치일 수 있다.
액정 표시 장치는 표시 패널용 액정 소자를 사용하고 제9도 및 제10도에 도시한 바와 같이 동기 신호를 사용하여 어레인지먼트 및 주사선 어드레스 데이타가 수반되는 화상 데이타 및 통신 동기 체계를 포함하는 데이타 포맷을 채택함으로써 구성될 수 있다.
제9도를 참조하여, 액정 표시 장치(101)은 그래픽 조절기(102), 표시 패널(103), 주사선 드라이브 회로(104), 데이타 선 드라이브 회로(105), 디코더(106), 주사 신호 발생기(107), 이동 레지스터(108), 라인 메모리(109), 데이타 신호 발생기(110), 드라이브 조절 회로(111), 그래픽 중앙 처리 장치(호스트 GCPU)(112), 호스트 중앙 처리 장치(호스트 CPU)(113) 및 화상 데이타 저장 메모리(VRAM)(114)를 포함한다.
제9도 및 제10도에 도시한 바와 같이 화상 데이타는 장치의 본체 중 그래픽 조절기(102)중에서 발생하며 신호 전달 수단에 의해 후광(도시되어 있지 않음)에 의해 조사되는 표시 패널(103)으로 전달된다. 그래픽 조절기(102)는 원칙적으로 CPU(또는 GCPU, 중앙 처리 장치)(112) 및 VRAM(비디오-RAM, 화상 데이타 저장 메모리)(114)로 구성되며 호스트 CPU(113) 및 액정 표시 장치(FLCD)(101) 사이의 화상 데이타의 처리 및 통신을 관장한다. 본 발명에 따른 화상 표시의 조절은 원칙적으로 그래픽 조절기(102)에 의해 달성된다. 부수적으로, 광원을 표시 패널(103)의 후면에 배치시킨다.
전술한 한 쌍의 기판 사이에 배치된(카이럴 스멕틱 또는 강유전성) 액정 조성물을 포함하는 액정 소자를 사용하는 단순 매트릭스형 표시 장치는 하기 문헌 등에 기술된 구동법에 의해 구동시킬 수 있다(일본국 특허 출원 공개 제(소)59-193426호, 동 제(소)59-193427호, 동 제(소)60-156046호 및 동 제(소)60-156047호 참조).
제4도는 상기 구동법에서 사용된 드라이브 파형 일체의 세트를 나타낸 파형도이다.
제5도는 단순 매트리스형의 카이럴 스멕틱 액정 패널(51)중에서 사용된 전극 매트릭스를 나타내는 평면도이다. 제5도에 나타낸 액정 패널(51)은 주사 전극(52) 및 데이타 전극(53) 사이에 배치된 카이럴 스멕틱 액정과 함께 각각의 교차점에서 픽셀을 구성하도록 하기 위해 서로 교차하는 주사 전극(52) 및 데이타 전극(53)을 포함하고 있다.
본 명세서에서 언급된 코운각, 겉보기 틸트각 θa, 스멕틱층 중의 층 경사 각 δ 및 자발 편광 Ps는 하기 방법에 따라 측정된 수치를 기준으로 한다.
코운각의 측정
액정 소자는 직각 교차 니콜 편광자들 사이에 삽입되며, 소자의 상부 및 하부 기판 사이에 ± 30 V 내지 ± 50 V의 AC 전압 및 100 Hz의 인가하에 편광자에 대해 수평으로 회전하고, 한편 제1 흡광 위치(최저 투광을 제공하는 위치) 및 제2 흡광 위치를 찾기 위해 포토멀티플라이어[하마마쯔 포토닉스 가부시끼가이샤(Hamamatsu Photonics K.K.) 제]에 의한 장치를 통해 투광도를 측정한다. 코운각는 제1 흡광 위치 및 제2 흡광 위치 사이의 각도의 반으로서 측정한다.
겉보기 틸트각 θa의 측정
직각 교차 니콜 편광자들 사이에 삽입된 액정 소자에 강유전성 액정의 한계 전압을 초과하는 한 편광의 단일 펄스를 적용한 후, 제1 흡광 위치를 찾기 위해 비전기장하에 편광자에 대해 수평으로 회전시킨다. 그 다음, 액정 소자를 강유전성 액정의 한계 전압을 초과하는 반대 편광의 단일 펄스를 가한 후, 제2 흡광 위치를 찾기 위해 비전기장하에 편광자에 대해 수평으로 회전시킨다. 겉보기 틸트각 θa를 제1 흡광 위치 및 제2 흡광 위치 사이의 각도의 반으로서 측정한다.
액정 층 경사각 δ의 측정
사용된 방법은 기본적으로 클라크 및 라거월의 방법[Japanese Display '86, Sept. 30-Oct. 2, 1986, p.p. 456-458 참조] 또는 오후치(Ohuchi) 등의 방법[J.J.A.P., 27 (5) (1988), p.p. 725-728 참조]과 유사하다. 회전하는 음극형 X-선 회절 장치[엠에이시 사이언스사(MAC Science) 제]를 사용하여 측정을 행하고 액정 셀의 유리 기판에의 X-선 흡수를 최소화하기 위해 80㎛ 두께의 마이크로시이트[코닝 글라스 웍스사(Corning Glass Works) 제]를 기판으로서 사용한다.
프리틸트각 α의 측정
하기 문헌에 기술된 결정 회전 방법에 따라서 측정하였다[Jpn. J. Appl. Phys. vol. 19(1980), No. 10, Short Notes 2013 참조].
보다 구체적으로, 강유전성 액정 [CS-1014, 지쏘 가부시끼가이샤(Chisso K.K.) 제] 80 중량%를 하기 일반식으로 표시되는 화합물 20 중량%와 혼합시킴으로써 얻어진, 10 내지 55℃의 온도 범위에서 SmA 상을 가정하고 측정하기 위해 표준 액정 혼합물로 셀을 충전시킨다.
측정하기 위해, 목적하는 정렬 조절층이 제공된 액정 셀을 한쌍의 기판에 수직이며 정렬 처리축(러빙축)을 포함하는 평면으로 회전시키고 회전하는 동안 회전면에 수직인 방향으로 회전면에 대해 45 도의 각도를 형성하는 편광면을 갖는 헬륨-네온 레이저 비임으로 셀을 조사하여 투광도를 편광면에 평행인 투광축을 갖는 편광자를 통해 대향면으로부터의 포토다이오드(photodiode)에 의해 측정한다.
프리틸트각 α를, 간섭에 의해 형성된 투광도 범위의 피팅(fitting)을 하기 이론치 곡선(a) 및 관계식 (b)에 대해 행하는 모사에 의해 얻었다.
여기서, No는 정상선의 굴절율을 나타내고, Ne는 비정상선의 굴절율을 나타내고, Φ는 셀의 회전각을 나타내고, T(Φ)는 투광도를 나타내고, d는 셀의 두께를 나타내고, λ는 입사광의 파장을 나타낸다.
자발 편광 Ps의 측정
자발 편광 Ps는 케이. 미야사또(K. Miyasato) 등의 문헌 [Japanese J. Appl. Phsy. 22, No. 10, L661 (1983) 참조]에 의해 기술된 방법 (Direct Method with Triangular Waves for Measuring Spontaneous Polarization in Ferroelectric Liquid Crystal)에 따라 측정한다.
이하, 본 발명은 하기 실시예를 기준으로 하여 보다 구체적으로 기술될 것이며 이 실시예는 본 발명의 범주를 한정하고자 하는 것은 아니다.
[실시예 1]
하기 화합물들을 표시된 비율로 혼합함으로써 (기제) 액정 조성물 1 (조성물 1)을 제조하였다.
또한, 액정 조성물 1을 하기 준결정 화합물들과 표시된 비율로 혼합하여 각각 액정 조성물 1S, 1A 및 1B를 제조하였다.
조성물 1S
조성물 1A
조성물 1B
액정 조성물 1, 1S, 1A 및 1B는 하기 표 1에 요약된 바와 같이 상 전이 계열 및 30℃에서의 자발 편광 크기 Ps(nC/㎠), 코운각(도) 및 층 경사각(도)를 포함하는 여러 가지 특성을 나타내었다.
이어서, 액정 소자를 다음과 같은 방법으로 제조하였다.
한쌍의 기판으로서 두께가 1.1 mm인 2개의 유리판을 제공하고, 각각 몰리브덴으로 된 사이드 금속 와이어를 갖는 투명 ITO 전극으로 도포한 후, 투명 유전성 피막으로서 두께 150nm의 산화탄탈륨으로 스퍼터링에 의해 도포하였다.
NMP 중의 폴리이미드 전구체 [LQ 1802, 히다찌 가세이 가부시끼가이샤(Hitachi Kasei K.K.) 제]의 용액을 산화탄탈륨 피막 위에 스피너 도포에 의해 도포하고(건조시켜서) 두께 25nm의 폴리이미드 정열 피막을 형성하였다. 이어서, 얻어진 피막을 아세테이트 섬유 혼방 직물로 문질렀다. 그 후, 하나의 기판 위에 평균 입경이 5.5㎛인 에폭시 수지 접착 입자들[Torepearl: 상표명, 토레이 가부시끼가이샤(Toray K.K.) 제]을 노드 선(Nord Son) 정전 분산법에 의해 50 입자/㎟의 밀도로 분산시키고, 다른 기판 위에는 평균 입경 1.2㎛의 실리카 마이크로 비드를 노드 선 정전 분산법에 의해 300 입자/㎟의 밀도로 분산시켰다. 이어서, 밀봉 부재로서 액상 접착제 [Struct Bond: 상표명, 미쯔이 도아쯔 가가꾸 가부시끼가이샤(Mitsui Toatsu Kagaku K.K.) 제]를 6㎛의 두께로 인쇄 도포하였다. 이어서, 2개의 유리판을 이들의 러빙 방향이 일반적으로 동일한 방향으로 신장되면서도 8 도의 교차각으로 서로 교차되도록 서로 적용시키고, 70℃에서 5 분간 2.8 kg/㎠의 압력을 인가하여 서로 결합시킨 후, 150℃에서 4시간 동안 0.63 kg/㎠의 압력을 인가하여 두 종류의 접착제를 추가로 경화시켜서 블랭크(blank) 셀을 형성하였다.
이어서, 상술한 방법으로 제조한 블랭크 셀을 약 10 Pa의 감압하에 각각 평가하였다. 그 후, 액정 조성물 1, 1S, 1A 및 1B를 각각의 블랭크 셀에 등방성 액체상 또는 콜레스테릭상으로 주입시키고 30℃로 냉각시켰는데, 온도 감소에 따라 각각 콜레스테릭상, 스멕틱 A상 및 카이럴 스멕틱 C상의 상 전이를 거쳤으며, 따라서 각각의 강유전성(카이럴 스멕틱) 액정 소자가 제조되었다.
이렇게 하여 제조된 각각의 액정 소자를 30℃ 및 55℃에서 셀 중의 정렬 특성에 대해 관찰하였다.
30℃ 및 55℃에서 드라이브 전압 마진 △V(V3- V1)을 측정하기 위해 제4도에 도시된 드라이브 파형 세트를 적응(바이어스 비율 1/3.3)하는 한편 △t는 V1= 15 볼트를 제공하도록 설정함으로써 액정 소자를 구동시켰다. 또한, 액정 소자를 라인 결함 정도 및 드라이브 특성에 대해 관찰하고, 구동시 (최대의 암 상태를 제공하는 분자 축의) 이탈각 및 콘트라스트(콘트라스트비)(C/R)을 측정하였다.
콘트라스트(C/R)은 30℃에서 포토멀티플라이어(하마마쯔 포토닉스 가부시끼가이샤 제)를 사용하여 투과 광량을 기준으로 측정하였다. 보다 구체적으로, 액정 소자를 직각 교차 니콜 편광자 사이에 삽입시키고, 전기장을 인가하지 않고 광원으로부터 특정 광량을 유지시키면서(최저 투광도를 제공하는) 흡광 위치들 중 한 위치로 배열시켰다. 이 상태에서, 액정 소자를 통해 투과된 광량(투광도)를 포토멀티플라이어로 측정하였다. 이 경우, 하기 조건하에 제4도에 도시한 드라이브 파형을 사용하여 화이트 및 블랙 상태를 표시하였다.
전압 (주사선 측) = ± 11.2 V (부분적으로, ±4.8 V),
전압 (데이타선 측) = ± 4.8 V,
Vop = 16.0 V, 및
△T (V1= 15.0 V을 제공하기 위해 설정).
그 결과를 각각의 액정 소자에 대한 교차각, 프리틸트각 α 및 겉보기 틸트각 θa와 함께 하기 표 2에 요약하였다.
본 명세서에서, 각 특성들의 평가는 다음과 같다.
드라이브 전압 마진 인자 (△V 인자)
드라이브 전압 마진 △V(= V3-V1) 인자는 식 (V3-V1)/(V3+V1)를 기준으로 하여 측정한다. 더 큰 값은 드라이브 전압의 변화에 대한 화상 표시능에서 보다 큰 범위를 제공한다. 일반적으로, 0.1 이상의 △V 인자는 실제로 허용되는 표시 수준을 제공한다.
정렬 특성 (정렬)
정렬 특성은 액정 소자가 구동되지 않는 초기 정렬 상태에서 액정 분자의 정렬 상태로 평가한다.
C1U: 전체 영역이 C1 균일 정렬을 나타냄.
C1T: C1 트위스트(스플레이) 정렬 영역이 나타남.
C2: C2 정렬 영역이 나타남.
드라이브 특성 (드라이브)
드라이브 특성은 액정 소자의 구동시 액정 분자의 스위칭 상태 또는 정렬 상태로서 평가한다.
C1U: C1 균일 정렬 영역들 사이에서만 스위칭이 관찰됨.
C1T: C1 트위스트(스플레이) 정렬 영역이 나타남.
C2: C2 정렬 영역이 나타남.
상기 정렬 및 드라이브의 평가에서, C1U, C1T 및 C2는 각각 다음과 같은 상태를 의미한다.
C2는 셀 중에서 평균 러빙 방향과 평행한 방향으로 광 결함 및 헤어핀 결함에 의해 둘러싸인 영역이 나타난다는 것을 의미한다.
C1U는 교차 니콜하에, 초기 정렬 상태시 (정렬) 또는 소자의 드라이브 중에 (드라이브) 셀의 모든 표시 영역이 흡광 위치에서 완전한 블랙 상태 (즉, 투광도 = 0%)를 나타낸다는 것을 의미한다.
C1T는 흡광 위치에서 완전한 블랙 상태를 제공하지 못하는 영역 (즉, 투광도가 0%를 초과함)이 셀의 표시 영역에 존재한다는 것을 의미한다.
[실시예 2]
하기 화합물들을 표시된 비율로 혼합함으로써 액정 조성물 2를 제조하였다.
또한, 액정 조성물 2를 하기 준결정 화합물들과 표시된 비율로 혼합하여 각각 액정 조성물 2S, 2A 및 2B를 제조하였다.
조성물 2S
조성물 2A
조성물 2B
각각, 이렇게 하여 제조한 액정 조성물 2, 2S, 2A 및 2B를 사용한 것을 제외하고는 실시예 1에서와 동일한 방법으로 액정 소자를 제조하고 평가하였다.
이 실시예의 결과를 하기 표 1 및 2에 요약하였다.
[실시예 3]
하기 화합물들을 표시된 비율로 혼합함으로써 액정 조성물 3을 제조하였다.
또한, 액정 조성물 3을 하기 준결정 화합물들과 표시된 비율로 혼합하여 각각 액정 조성물 3S, 3A 및 3B를 제조하였다.
조성물 3S
조성물 3A
조성물 3B
각각, 이렇게 하여 제조한 액정 조성물 3, 3S, 3A 및 3B를 사용한 것을 제외하고는 실시예 1에서와 동일한 방법으로 액정 소자를 제조하고 평가하였다.
이 실시예의 결과를 하기 표 1 및 2에 요약하였다.
[실시예 4]
하기 화합물들을 실시예 3에서 제조한 조성물 3과 표시된 비율로 혼합함으로써 액정 조성물 4S를 제조하였다.
액정 조성물 4S를 사용한 것을 제외하고는 실시예 1에서와 동일한 방법으로 액정 소자를 제조하고 평가하였다.
이 실시예의 결과를 하기 표 1 및 2에 요약하였다.
[실시예 5]
하기 화합물들을 실시예 3에서 제조한 조성물 3과 표시된 비율로 혼합함으로써 액정 조성물 5S를 제조하였다.
액정 조성물 5S를 사용한 것을 제외하고는 실시예 1에서와 동일한 방법으로 액정 소자를 제조하고 평가하였다.
이 실시예의 결과를 하기 표 1 및 2에 요약하였다.
[실시예 6]
하기 화합물들을 실시예 3에서 제조한 조성물 3과 표시된 비율로 혼합함으로써 액정 조성물 6S를 제조하였다.
액정 조성물 6S를 사용한 것을 제외하고는 실시예 1에서와 동일한 방법으로 액정 소자를 제조하고 평가하였다.
이 실시예의 결과를 하기 표 3 및 4에 요약하였다.
표 3에서, 상 전이 계열에서의 각각의 표시는 다음의 상을 의미한다.
Cryst. : 결정 상 또는 고 질서-스멕틱 상,
Sm C: 카이럴 스멕틱 C 상,
SmA: 스멕틱 A 상,
Ch: 콜레스테릭 상(카이럴 네마틱 상)
Iso: 등방성 액체 상
표로부터 명백한 바와 같이, 본 발명에 따른 식 (A) 및 (B)의 준결정 화합물을 각각 함유하는 액정 조성물 1S 내지 6S는 식 (A)의 준결정 화합물을 함유하는 액정 조성물(즉, 조성물 1A 내지 1B) 및 식 (B)의 준결정 화합물을 함유하는 액정 조성물(즉, 조성물 1B 내지 3B)에 비해서 55℃ 및 30℃(특히 55℃)에서 탁월한 특성(즉, C1 균일 정렬 상태, 우수한 V 인자, 높은 콘트라스트비 등)을 제공한다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 얻어진 액정 조성물에 식 (A) 및 (B)의 준결정 화합물을 혼입시킴으로써 매트릭스 드라이브 중에 고온 범위에서(예, 55℃에서) 트위스트(스플레이) 정렬 상태의 영역을 포함하지 않아 드라이브 전압 마진의 감소를 억제하는 반면 양호한 화상을 보유하고, 비선택 기간에 펄스 전기장으로 인한 액정 분자의 요동 정도를 감소시켜서 드라이브 중의 콘트라스트의 감소를 막을 수 있는 액정 조성물을 제공할 수 있다.
액정 조성물은 드라이브 회로, 광원 등과 병용되어 양호한 표시 및 드라이브 특성을 갖는 액정 소자 및 액정 장치를 제공하는 데에 유용하다.

Claims (15)

  1. 하기 일반식 (A)로 나타내는 준결정 화합물 및 하기 일반식 (B)로 나타내는 준결정 화합물을 포함하는 액정 조성물.
    상기식에서, R1및 R2는 독립적으로 탄소 원자수 1 내지 18의 직쇄 또는 분지쇄 알킬기이고; X1은 단일 결합, -O-, -CO-O- 또는 -O-CO-이며; A1은이며; R3은 탄소 원자수 1 내지 18의 직쇄 또는 분지쇄 알킬기이고; X2는 단일 결합, -O-, -CO-O- 또는 -O-CO-이고; X3는 단일 결합, -OCH2-, -CO-O- 또는 -O-CO-이고; m은 3 내지 16의 정수이며; A2는
  2. 제1항에 있어서, 일반식(A)의 준결정 화합물 0.1 내지 30 중량% 및 일반식(B)의 준결정 화합물 0.1 내지 30 중량%를 포함하는 조성물.
  3. 제1항에 있어서, 0 내지 60℃의 온도 범위에서 3 내지 15 도의 층 경사각 δ를 나타내는 카이럴 스멕틱 C 상을 가지는 조성물.
  4. 제1항에 있어서, 하기 일반식 (1) 내지 (5)로 나타내는 준결정 화합물들로부터 선택된 1종 이상의 준결정 화합물을 포함하는 조성물.
    [상기 식에서, p 와 q는 독립적으로 0, 1 또는 2이고, p+q는 1 또는 2를 충족하며, Y10은 수소 또는 불소이고; R21및 R22는 독립적으로 -O-, -S-, -CO-, -CH=CH-, -C≡C- 또는 -CHW-(이때, W는 할로겐, CN 또는 CF3임)에 의해 치환될 수 있는 하나 이상의 메틸렌기를 포함할 수 있는 탄소 원자수 1 내지 18의 직쇄 또는 분지쇄 알킬기를 나타내지만, 헤테로 원자는 서로 인접하지 않는다.]
    [상기 식에서, B1은(이때, Y1은 수소 또는 불소임)이고; Y0은 수소 또는 불소이고; R23은 탄소 원자수 1 내지 18의 직쇄 또는 분지쇄 알킬기이며; R24는 수소, 할로겐, CN 또는 탄소 원자수 1 내지 18의 직쇄 또는 분지쇄 알킬기이고; R23또는 R24의 알킬기에서 하나 이상의 메틸렌기는 -O-, -S-, -CO-, -CH=CH-, -C≡C- 또는 -CHW-(이때, W는 할로겐, CN 또는 CF3임)에 의해 치환될 수 있지만, 헤테로 원자는 서로 인접하지 않는다.]
    [상기 식에서 B2은이고; R25와 R26은 독립적으로 -O-, -S-, -CO-, -CH=CH-, -C≡C- 또는 -CHW-(이때, W는 할로겐, CN 또는 CF3임)에 의해 치환될 수 있는 하나 이상의 메틸렌기를 포함할 수 있는 탄소 원자수 1 내지 18의 직쇄 또는 분지쇄 알킬기이지만, 헤테로 원자는 서로 인접하지 않는다.]
    [상기 식에서, B3은이고, Z는 S 또는 O이며; R27과 R28은 독립적으로 -O-, -S-, -CO-, -CH=CH-, -C≡C- 또는 -CHW-(이때, W는 할로겐, CN 또는 CF3임)에 의해 치환될 수 있는 하나 이상의 메틸렌기를 포함할 수 있는 탄소 원자수 1 내지 18의 직쇄 또는 분지쇄 알킬기이지만, 헤테로 원자는 서로 인접하지 않는다.]
    [상기 식에서, R29와 R30은 독립적으로 -O-, -S-, -CO-, -CH=CH-, -C≡C- 또는 -CHW-(이때, W는 할로겐, CN 또는 CF3임)에 의해 치환될 수 있는 하나 이상의 메틸렌기를 포함할 수 있는 탄소 원자수 1 내지 18의 직쇄 또는 분지쇄 알킬기이지만, 헤테로 원자는 서로 인접하지 않는다.]
  5. 제4항에 있어서, 상기의 1종 이상의 준결정 화합물의 각 성분이 (a) 일반식 (1)의 준결정 화합물에 대해 20 내지 75 중량%, (b) 일반식 (2)의 준결정 화합물에 대해 5 내지 25 중량%, (c) 일반식 (3)의 준결정 화합물에 대해 5 내지 30 중량%, (d) 일반식 (4)의 준결정 화합물에 대해 0.1 내지 30 중량%, 또는 (e) 일반식 (5)의 준결정 화합물에 대해 1 내지 25 중량%의 양으로 액정 조성물에 포함된 조성물.
  6. 제4항에 있어서, 일반식 (1)의 준결정 화합물이 하기에 나타낸 일반식 (1-1) 내지 (1-7)의 준결정 화합물 중 1종 이상을 포함하고; 일반식 (2)의 준결정 화합물이 하기에 나타낸 일반식 (2-1) 내지 (2-5)의 준결정 화합물 중 1종 이상을 포함하며; 일반식 (3)의 준결정 화합물이 하기에 나타낸 일반식 (3-1) 내지 (3-9)의 준결정 화합물 중 1종 이상을 포함하고; 일반식 (4)의 준결정 화합물이 하기에 나타낸 일반식 (4-1) 내지 (4-6)의 준결정 화합물 중 1종 이상을 포함하는 조성물.
    상기 식에서, R21내지 R28및 Y1은 각각 상기에서 정의한 바와 같다.
  7. 각각 전극이 제공된 한 쌍의 각 기판 및 제1항 내지 6항 중 어느 한 항에 따른 액정 조성물을 포함하는 액정 소자.
  8. 제7항에 있어서, 상기 한 쌍의 기판 중 적어도 어느 하나의 기판 위에 배치되어 있고, 단축 정렬축이 제공되어 있는 정렬 조절층을 포함하는 소자.
  9. 제8항에 있어서, 단축 정렬축이 제공된 정렬 조절층이 한 쌍의 기판 양편에 배치되고, 각각의 단축 정렬축들은 전술한 교차각으로 상호 교차하는 소자.
  10. 제7항에 있어서, 상기 액정 조성물은 카이럴 스멕틱 액정이 프리틸트각 α와 공동으로 하기 관계식 (I), (II) 및 (III)을 충족시키는 코운각, 카이럴 스멕틱 C 상에서의 층 경사각 δ, 및 겉보기 틸트각 θa를 나타내는 정렬 상태로 위치한 카이럴 스멕틱 액정 조성물인 프리틸트각 α를 제공하는 소자.
  11. 제9항에 있어서, 상기 교차각이 25 도 이하인 소자.
  12. 제10항에 있어서, 상기 프리틸트각이 5 도 이상인 소자.
  13. 제7항에 따른 액정 소자를 포함하는 액정 장치.
  14. 제13항에 있어서, 액정 소자를 구동하기 위한 드라이브 회로를 포함하는 장치
  15. 제13항에 있어서, 광원을 포함하는 장치.
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