KR100282310B1 - 2색성색소및액정표시소자 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 2색성 색소 및 액정표시소자에 관한 것으로서, 표면에 전극을 갖는 한쌍의 기판 사이에 액정 및 2색성 색소를 함유하는 액정층이 설치된 액정표시소자에 있어서, 상기 2색성 색소가 -5℃에서 융점까지의 단위중량당 전이 엔탈피 변화와 융해 엔탈피 변화와의 합을 ΣΔHtr,m으로 하고, -5℃에서 융점까지의 단위중량당 전이 엔트로피 변화와 융해 엔트로피 변화와의 합을 ΣΔStr,m으로 할 때, 하기 수학식 1의 값이 0.08이하의 안트라퀴논 색소인 것을 나타내며,
빛에 대한 내성이 높고, 또 액정에 대한 용해성이 높은 안트라퀴논 색소로 이루어진 2색성 색소를 제공하고, 또 밝고 선명한 색 표시를 실현할 수 있는 게스트-호스트 방식의 액정표시소자를 제공하는 것을 특징으로 한다.

Description

2색성 색소 및 액정표시소자{DICHROIC PIGMENT AND LIQUID CRYSTAL DISPLAY DEVICE}
본 발명은 2색성 색소 및 이를 이용한 액정 표시 소자에 관한 것이다.
퍼스널컴퓨터 등의 정보기기의 디스플레이로서, TN(twisted nematic) 모드 및 STN(super twisted nematic) 모드의 액정표시소자(LCD)가 널리 이용되고 있다. TN 또는 STN-LCD는 초기 상태에서는 액정셀중의 액정 분자의 배열이 비틀어진 상태로 되어 있다. 이 상태에 있는 셀에 입사된 빛은 액정의 비틀어짐과 복굴절에 의해서 편광 상태가 변화되어 출사된다.액정셀에 전계를 인가하면 액정분자는 전계 방향으로 재배열되어 비틀어짐이 해소되고 복굴절이 없어진다. 이 상태에 있는 셀에 입사된 빛은 편광 상태가 변화하지 않고 출사한다. 따라서, 2개의 직선 편광자로 액정셀을 끼우는 것에 의해 전계 인가에 의한 액정층의 광학적 성질의 변화를 빛의 강도 변화로서 관찰할 수 있다.
LCD는 음극선관(CRT) 디스플레이와 비교하여 소비전력이 현저하게 적은 장점이 있다. 그러나, TN 또는 STN-LCD는 편광자를 이용하기 때문에 본질적으로 입사광의 이용 효율이 나쁘다. 이때문에 LCD에서는 백라이트를 설치하여 밝기를 확보하는 것이 많다. 특히, 칼라필터를 갖는 LCD에서는 투과광이 현저하게 감소하기 때문에 강력한 백라이트를 필요로 한다.백라이트의 전력은 액정셀의 구동전력에 필적하기 때문에 전지로 전력을 공급하는 휴대용 디스플레이에서는 사용 가능한시간을 제한하는 요인이 된다. 또한, 백라이트는 사용자에게 눈의 피로를 주는 점에서도 바람직하지 않다.
이상과 같은 배경에서 백라이트를 필요로 하지 않는 게스트호스트 방식의 반사형 액정표시소자(GH-LCD)의 개발이 활발하게 실시되고 있다. GH-LCD는 2색성 색소를 혼입한 액정을 이용한 것으로서, 밝은 색표시가 가능하고, 시야계가 넓은 등의 잇점을 갖는다.
또한, LCD의 구동 방식으로는 박형 경량으로 선명한 화상을 얻을 수 있는 등의 잇점을 갖기 때문에 박막 트랜지스터(TFT)에 의한 구동이 주류가 되고 있다. TFT 구동을 실시하는 경우, 소수성이 높은 불소계 액정을 이용하는 것이 유리하다.
GH-LCD에서 밝고 선명한 색표시를 실현하기 위해서는 액정중에 포함되는 2색성 색소의 양이 많고 흡광도가 높은 것이 요구된다. 따라서, 2색성 색소의 액정(특히, 불소계 액정)에 대한 용해성 및 용해 안정성이 양호한 것이 필요하게 된다. 또한, 흡광도의 저하를 보충하기 위해 셀 두께를 두껍게 하면 소비전력이 커지고 액정의 전장에 대한 응답 속도가 저하된다.
또한, TFT 구동의 GH-LCD를 실현하기 위해서는 액정의 전압 유지율이 높은 것이 중요하게 된다. 이때문에 액정층의 저항값이 충분히 큰 것이 필요하게 된다. 이 경우, 액정중에 혼입되는 2색성 색소의 광열화에 기인하여 액정층의 저항값, 더나아가서는 전압 유지율이 현저하게 저하하는 문제가 생기기 때문에 2색성 색소는 광열화에 대한 내성이 높은 것이 바람직하다.
현재, 2색성 색소로서는 주로 아조색소 또는 안트라퀴논 색소가 이용되고 있다. 아조색소는 분자의 직선성이 양호하고,직선 구조인 액정에 대해 용해성이 큰 것이 많다. 그러나, 아조 색소는 빛에 대한 내성이 나쁜 결점이 있다. 한편, 안트라퀴논 색소는 아조 색소와 비교하여 빛에 대한 내성이 우수하고, TFT 구동에 적합하다고 생각된다. 그러나, 종래의안트라퀴논 색소는 액정에 대한 용해성이 불충분했다.
또한, 흡광계수가 높은 2색성 색소로서 쿠마린 색소가 알려져 있다. 그러나, 종래의 쿠마린 색소는 저온에서는 액정에 대해 거의 용해되지 않는다. 이 때문에, LCD가 저온에 노출되면 색소가 석출된다. 그리고, 일단 석출된 색소를 다시 액정에 용해시키는 것은 곤란했다.
이 때문에, 안트라퀴논 색소 및 쿠마린 색소의 액정에 대한 용해성을 향상시키는 여러가지 시도가 검토되고 있지만 용해도를 충분히 향상할 수 있는데 까지는 이르지 못하고 있다.
본 발명의 목적은 빛에 대한 내성이 높고, 또 액정에 대한 용해성이 높은 안트라퀴논 색소 및 쿠마린 색소의 2색성 색소를 제공하고, 또 밝고 선명한 색 표시를 실현할 수 있는 게스트호스트 방식의 액정표시소자를 제공하는데 있다.
도 1은 본 발명에 따른 2색성 색소(P2E1)를 이용한 GH-LCD로 측정된 투과율을 나타내는 도,
도 2는 안트라퀴논 색소의 Y의 값과 -5℃에 있어서의 용해도와의 관계를 나타내는 도,
도 3은 실시예 3에 있어서 3층 구조의 반사형 GH-LCD의 구조를 나타내는 도,
도 4는 본 발명에 따른 2색성 색소를 이용한 GH-LCD로 얻어지는 반사광의 색상을 나타내는 색도좌표도,
도 5는 실시예 6에 있어서 3층구조의 반사형 GH-LCD의 개략도 및 단면도,
도 6은 실시예 6에 있어서 3층구조의 반사형 GH-LCD의 각 전극에 인가되는 전압과 표시색의 관계를 나타내는 도, 및
도 7은 실시예 7에 있어서 반사형 GH-LCD의 단면도이다.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
21, 22 : 유리판 23 : ITO전극
24 : 알루미늄 전극 25, 56 : 시일제
26a, 26b, 26c, 34a, 34b, 34c, 54a, 54b, 54c, 55a, 55b, 55c : 액정층
31, 51, 57 : 유리기판 32 : TFT
33 : 반사판 35 : 투명전극층
36 : 대향전극 52 : 알루미늄 반사판
53, 58 : ITO
본 발명의 2색성 색소는 하기 화학식 1(P1) 내지 화학식 8(P8)중 어느 하나로 표시되는 것을 특징으로 한다.
(상기 화학식 1(P1) 내지 화학식 8(P8)에 있어서, R1은 수소원자, 탄소수 12개이하의 알킬기 및 탄소수 12개 이하의 알킬기로 치환된 아릴기로 이루어진 군에서 선택되며, R2는 탄소수 12개 이하의 알킬기 및 탄소수 12개 이하의 알킬기로 치환된 아릴기로 이루어진 군에서 선택되며, 상기 알킬기 및 아릴기는 할로겐원자로 치환되어도 좋고, Z는 할로겐 원자이고, n은 1∼12의 정수이다.)
본 발명의 다른 2색성 색소는 하기 화학식 9(T1) 내지 화학식 13(T5)중 어느 하나로 표시되는 것을 특징으로 한다.
(상기 화학식에서, R1은 수소원자, 탄소수 12개 이하의 알킬기 및 탄소수 12개 이하의 알킬기로 치환된 아릴기로 이루어진 군에서 선택된다.)
본 발명의 또 다른 2색성 액정은 -5℃에서 융점까지의 단위 중량당 전이 엔탈피 변화와 융해 엔탈피 변화와의 합을 ΣΔHtr,m으로 하고, -5℃에서 융점까지의 단위 중량당 전이 엔트로피 변화와 융해 엔트로피 변화와의 합을 ΣΔStr,m으로 할때, 하기 수학식 1의 값이 0.08 이하인 안트라퀴논 색소로 이루어진다. 안트라퀴논 색소의 Y의 값은 0.07이하인 것이 바람직하다.
(수학식 1)
Y={ΣΔHtr,m/268-ΣΔStr,m}(kJK-1kg-1)
상기 안트라퀴논 색소로서 하기 화학식 14(A1)로 나타내어지는 것을 예로 들 수 있다.
(상기 화학식 14(A1)에 있어서, X1은 H, OH, SR 및 NHR로 이루어진 군에서 선택되고, R은 H, 알킬기 및 아릴기로 이루어진 군에서 선택되며, X1중 2개 이상은 OH, SR 또는 NHR이며, R3은 H, 알킬기, 아릴기, 알콕실기 및 티오알콕실기로 이루어진 군에서 선택된다. 알킬기는 할로겐 원자로 치환되어도 좋다. 아릴기는 복소고리기라도 좋다.)
또한, 상기 안트라퀴논 색소로서, 하기 화학식 15(A2) 내지 화학식 17(A4)로 표시되는 것을 특징으로 한다.
(상기 화학식 15(A2) 내지 화학식 17(A4)에 있어서, X2는 S 및 NH로 이루어진 군에서 선택되고, A는 H, OH 및 NHR로 이루어진 군에서 선택되며, R은 H, 알킬기 및 아릴기로 이루어진 군에서 선택되고, R3은 H, 알킬기, 아릴기, 알콕실기 및 티오알콕실기로 이루어진 군에서 선택되며, R4는 H, 퍼플루오로알킬기, 시아노기 및 니트로기로 이루어진 군에서 선택된다.)
본 발명의 액정표시소자는 표면에 전극을 갖는 한쌍의 기판 사이에 액정 및 2색성 색소를 함유하는 액정층이 설치된 액정표시소자에 있어서, 상기 2색성 색소가 상기 화학식 1(P1) 내지 화학식 8(P8)중 어느 하나로 표시되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 액정표시소자는 표면에 전극을 갖는 한쌍의 기판 사이에 액정 및 2색성 색소를 함유하는 액정층이 설치된 액정표시소자에 있어서, 상기 2색성 색소가 상기 화학식 9(T1) 내지 화학식 13(T5)중 어느 하나로 표시되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 액정표시소자는 표면에 전극을 갖는 한쌍의 기판사이에 액정 및 2색성 색소를 함유하는 액정층이 설치된 액정표시소자에 있어서, 상기 2색성 색소가 상기 Y값이 0.08 이하인 안트라퀴논 색소인 것을 특징으로 한다.
(발명의 실시형태)
이하, 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.
본 발명의 2색성 색소는 상기 화학식 1(P1) 내지 화학식 8(P8)중 어느 하나로 표시되는 안트라퀴논 색소이다. 상기 화학식 1(P1) 내지 화학식 8(P8)에 있어서의 치환기는 이하와 같다. R1은 수소원자, 탄소수 12개 이하의 알킬기 및 탄소수12개 이하의 알킬기로 치환된 아릴기로 이루어진 군에서 선택된다. R2는 탄소수 12개 이하의 알킬기 및 탄소수 12개 이하의 알킬기로 치환된 아릴기로 이루어진 군에서 선택된다. R1 및 R2에 함유되는 알킬기 및 아릴기는 할로겐 원자로 치환되어 있어도 좋다. 또한, 2색성 색소의 액정으로의 용해성의 관점에서 R1 및 R2는 탄소수 1에서 4개의 알킬기가 바람직하다. 특히, R1은 t-부틸기 또는 n-부틸기인 것이 바람직하다. Z는 할로겐 원자를 나타낸다. CnZ2n+1은 대표적으로는 CnF2n+1(퍼플루오로알킬기)이다. 이 기에서 탄소수를 나타내는 n은 1∼12의 정수이다. n은 1∼4인 것이 바람직하다.
본 발명의 다른 2색성 색소는 상기 화학식 9(T1) 내지 화학식 13(T5)중 어느 하나로 표시되는 안트라퀴논 색소 또는 쿠마린 색소이다. 상기 화학식 9(T1) 내지 화학식 13(T5)에 있어서의 치환기(R1)는 수소원자, 탄소수 12개 이하의 알킬기 및탄소수 12개 이하의 알킬기로 치환된 아릴기로 이루어진 군에서 선택된다.
다음으로, 상기한 화학식 1(P1) 내지 화학식 8(P8) 및 화학식 9(T1) 내지 화학식 13(T5)의 2색성 색소에 대해서 보충적으로 설명한다. 이하에 있어서는 CnZ2n+1로서 퍼플루오로알킬기를 이용한 경우에 대해서 설명한다.
상기 화학식 1(P1)로 표시되는 2색성 색소는 안트라퀴논 골격의 1번 위치 및 5번 위치에 티오페닐기를 갖고, 한쪽 티오페닐기에 퍼플루오로알킬기, 다른쪽 티오페닐기에 R1기를 갖는 황색 색소이다.
상기 화학식 2(P2)로 표시되는 2색성 색소는 안트라퀴논 골격의 1번 위치, 4번 위치, 5번 위치 및 8번 위치에 티오페닐기를 갖고, 1번 위치 및 4번 위치에 티오페닐기에 퍼플루오로알킬기, 5번 위치 및 8번 위치의 티오페닐기에 R1기를 갖는 마젠터 색소이다.
상기 화학식 3(P3)으로 표시되는 2색성 색소는 안트라퀴논 골격의 1번 위치 및 5번 위치에 아닐리노기를 갖고, 1번 위치의 아닐린기에 퍼플루오로알킬기, 5번 위치의 아닐리노기에 R1기를 갖는 마젠터색소이다.
상기 화학식 4(P4)로 표시되는 2색성 색소는 안트라퀴논 골격의 1번 위치 및 4번 위치에 티오페닐기, 5번 위치 및 8번 위치에 아닐리노기를 갖고, 1번 위치 및 4번 위치의 티오페닐기에 퍼플루오로알킬기, 5번 위치 및 8번 위치의 아닐리노기에R1기를 갖는 시안 색소이다.
상기 화학식 5(P5)로 표시되는 2색성 색소는 안트라퀴논 골격의 1번 위치 및 4번 위치에 티오페닐기, 5번 위치 및 8번 위치에 2차 아미노기를 갖고, 1번 위치 및 4번 위치의 티오페닐기에 퍼플루오로알킬기, 5번 위치 및 8번 위치의 2차 아미노기에 R2기를 갖는 시안 색소이다.
상기 화학식 6(P6)으로 표시되는 2색성 색소는 안트라퀴논 골격의 1번 위치 및 4번 위치에 티오페닐기, 5번 위치 및 8번위치에 히드록실기를 갖고, 1번 위치 및 4번 위치의 티오페닐기에 퍼플루오로알킬기를 갖는 마젠터 색소이다.
상기 화학식 7(P7)로 표시되는 2색성 색소는 안트라퀴논 골격의 1번 위치 및 4번 위치에 아닐리노기를 갖고, 이것들의 아닐린기에 퍼플루오로알킬기를 갖는 시안 색소이다.
상기 화학식 8(P8)로 표시되는 2색성 색소는 안트라퀴논 골격의 1번 위치 및 4번 위치에 아닐리노기, 5번 위치 및 8번 위치에 티오페닐기를 갖고, 1번 위치 및 4번 위치의 아닐리노기에 퍼플루오로알킬기, 5번 위치 및 8번 위치의 티오페닐기에R1기를 갖는 시안 색소이다.
상기 화학식 1(P1) 내지 화학식 8(P8)에 있어서, 퍼플루오로알킬기는 메타위치에 위치하고 있는 것이 바람직하고, R1기는파라위치에 위치해 있는 것이 바람직하다.
상기 화학식 9(T1)로 표시되는 2색성 색소는 안트라퀴논 골격의 1번 위치, 4번 위치 및 5번 위치에 티오페닐기를 갖고, 1번 위치 및 4번 위치의 티오페닐기에 SR1기, 5번 위치의 티오페닐기에 R1기를 갖는 황색 색소이다.
상기 화학식 10(T2)으로 표시되는 2색성 색소는 안트라퀴논 골격의 1번 위치 및 5번 위치에 아닐리노기를 갖고, 1번 위치의 아닐리노기에 SR1기, 5번 위치의 아닐리노기에 R1기를 갖는 마젠터 색소이다.
상기 화학식 11(T3)로 표시되는 2색성 색소는 안트라퀴논 골격의 1번 위치, 4번 위치, 5번 위치 및 8번 위치에 티오페닐기를 갖고, 1번 위치 및 4번 위치의 티오페닐기에 SR1기, 5번 위치 및 8번 위치의 티오페닐기에 R1기를 갖는 마젠터 색소이다.
상기 화학식 12(T4)로 표시되는 2색성 색소는 안트라퀴논 골격의 1번 위치 및 4번 위치에 티오페닐기, 5번 위치 및 8번위치에 아닐리노기를 갖고, 1번 위치 및 4번 위치의 티오페닐기에 SR1기, 5번 위치 및 8번 위치의 아닐리노기에 R1기를 갖는 시안색소이다.
상기 화학식 13(T15)으로 표시되는 2색성 색소는 쿠마린 유도체이며, 양 말단의 벤젠 고리에 각각 SR1기 및 2차 아미노기를 갖는다.
상기의 어떤 2색성 색소도 액정(특히 불소계 액정)에 대한 용해성이 높다. 또한, 상기 2색성 색소는 가열에 의해 실온에서 용해도를 초과하는 농도까지 액정에 용해한 후에 온도를 낮춰도 석출하는 일은 없다. 따라서, 이 2색성 색소는 액정중에 있어서 과포화 상태라도 안정하게 존재한다. 이것은 이 2색성 색소의 아몰패스성이 높은 것을 의미한다. 또한, 상기 2색성 색소는 빛에 대한 높은 내성을 나타내고, 광조사에 의한 전압 유지율의 저하를 억제할 수 있다.
상기 화학식 1(P1) 내지 화학식 8(P8)로 나타내어지고, R1 또는 R2가 예를 들면 t-부틸기인 2색성 색소의 액정으로의 용해성이 높아지는 것은 색소의 분자축 방향으로 구조상의 비대칭성이 현저해지고, 또 퍼플루오로알킬기의 도입에 의해 분자자체의 소수성이 높아지고, 또 퍼플루오로알킬기의 국소적 쌍극자에 의해 액정분자와의 정전 상호 작용이 커지기 때문이라고 생각된다.
상기 화학식 9(T1) 내지 화학식 13(T5)의 2색성 색소의 액정으로의 용해성이 높아지는 것은 SR1기의 도입에 의한 효과라고 생각된다.
종래에는 안트라퀴논 색소로의 알킬기의 도입에 의한 용해성의 개선이 시도되었다. 이와같은 색소의 액정으로의 용해성은 실온 부근에서는 향상되지만 저온에서는 거의 향상되지 않는다. 이것은 저온에서는 메틸렌사슬의 운동성이 저하하고용해성을 향상시키는 효과가 없어지기 때문이라고 생각된다.
또한, 본 발명의 2색성 색소는 황색, 마젠터 또는 시안의 색상을 나타내기 때문에 다른 색상을 나타내는 2종류 이상의 2색성 색소를 혼합하여 이용하면 다양한 색상의 혼합 색소를 얻을 수 있다. 예를 들면, 황색 색소와 마젠터 색소의 혼합에의해 적색 색소, 황색 색소와 시안 색소의 혼합에 의해 녹색 색소, 마젠터 색소와 시안 색소의 혼합에 의해 청색 색소,황색 색소, 마젠터 색소 및 시안 색소의 혼합에 의해 흑색 색소를 얻을 수 있다.
본 발명에 따른 안트라퀴논 색소에 대해서는 본 발명자들의 저분자 아몰패스 이론(케미스트리·머티리얼스지, 제6권,2343페이지, 1994년)에 기초하여 열역학 매개변수로부터 액정에 대한 용해성을 예측할 수 있다. 따라서, 양호한 용해성을 나타내는 안트라퀴논 색소를 용이하게 선택할 수 있다.
본 발명의 안트라퀴논 색소는 -5℃에서 융점 까지의 단위 중량당 전이 엔탈피 변화와 융해 엔탈피 변화와의 합을 ΣΔHtr,m로 하고, -5℃로부터 융점까지의 단위 중량당 전이 엔트로피 변화와 융해 엔트로피 변화와의 합을 ΣΔStr,m으로 할때, 하기 수학식 1의 값이 0.08이하이다.
(수학식 1)
Y={ΣΔHtr,m/268-ΣΔStr,m}(kJK-1kg-1}
이하, 저분자 아몰패스 이론에 기초하여 2색성 색소의 액정으로의 용해성에 대해서 고찰한다.
순수한 고체상의 물질A가 물질A를 포함하는 용액과 평형 상태에 있기 위해서는 고체상 및 액체상의 양쪽 상에 있어서 물질A의 화학 포텐셜(μ)이 같을 필요가 있다. 이 조건은 수학식 2로 표시된다.
이상 용액중의 물질A의 화학 포텐셜은 수학식 3으로 표시된다.
상기 수학식 3에 있어서, μA*L은 순수한 액체상의 물질A의 화학 포텐셜, XA은 몰분율이다. 따라서, 평형 조건은 수학식 4가 된다.
상기 수학식 4에서 μA*S 및 μA*L은 순수한 고체상 및 순수한 액체상의 물질A의 화학 포텐셜(몰 자유 에너지)이다. 따라서, 수학식 4는 하기 수학식 5가 된다.
수학식 5에서 d(G/T)/dT=-H/T2이다. 수학식 5를 T에 대해 미분하면 하기 수학식 6이 얻어진다.
상기 수학식 6에 있어서, ΔHf는 융해 엔탈피 변화이다. 그다지 넓지 않은 온도 범위에서 ΔHf는 T에 의존하지 않는다고간주할 수 있다. 수학식 6을 XA=1이 되는 온도, 즉 순수한 고체상의 물질(A)의 융점(Tm)으로부터 순수한 고체상의 물질(A)이 몰분율(XA)의 물질(A)을 포함한 용액과 평형에 있는 온도(T)까지 적분하면 하기 수학식 7이 얻어진다.
상기 수학식 7은 이상 용액이면 용매의 종류에 상관없이 용해도는 순수한 물질A의 융해의 열역학 매개변수에 의해서 결정되는 것을 의미한다.
현실 용액을 표시하는데는 활동도계수(γA)를 도입하고, 수학식 7 대신에 하기 수학식 8을 이용한다.
상기 수학식 8에서, 고체가 용매에 용해되는 과정은 가상적으로 다음 2단계로 나눌 수 있다. (ⅰ)결정 배열에 있는 고체의 분자가 분리되어 액체가 되는 과정; 및 (ⅱ) 분자가 용매와 혼합하는 과정이다. 상기 수학식 8의 (ΔHf-TΔSf)는 온도(T)에 있어서 순수한 고체상의 물질(A)과 순수한 액체상의 물질(A)(T〈Tm의 우에는 과냉각 액체)과의 몰 자유 에너지의차를 나타내며, (ⅰ)의 과정에 근사하다. 한편, RTlnγA는 근사적으로 부분 몰 혼합열을 나타내고 있다. 색소분자에는융전에 고체-고체상전이를 일으키는 것이다. 따라서, 현실 열역학 매개변수는 온도(T에서 융점(Tm)까지의 총합(ΣΔHtr,m,ΣΔStr,m)으로 생각할 필요가 있다.
이상용액은 용질 자체가 강직한 구와 같이 1개의 운동 단위로서 행동하고 있다고 가정한다. 이에 대해, 강직한 복수의구를 플렉시블한 결합으로 결합한 복수의 운동 단위를 갖는 분자는 상기 수학식 8을 만족하지 않게 된다. 특히, 색소분자의 Tm은 실온에서 높기 때문에 용해의 소과정(ⅰ)은 결정에서 과냉각 액체로 변화된다. 저분자 아몰패스 이론에 의하면 과냉각 액체에 있어서의 분자 운동은 분자 전체가 아니라 운동 단위당 자유 에너지 차에 의해서 결정된다. 그러나,복잡한 색소분자에 있어서는 어느 부분이 운동 단위가 되는지 정확하게 결정하는 것은 곤란하다. 한편, 분자의 크기(분자량(Mw))가 커지면 이에 비례하여 운동 단위의 수도 증가한다고 간주할 수 있다. 또한, 색소분자나 액정분자에서는 용해성에 영향을 주는 구조(친수기나 소수기)가 불균일하게 존재한다. 이 점을 고려하면 복수의 운동 단위의 자유 에너지에 관해서는 몰 자유 에너지를 분자량(Mw)으로 나눈 단위 중량당 자유 에너지가 중요하게 된다. 단위 중량당 자유 에너지는 분자량이 미지의 색소나 혼합 색소에 대해서도 통상의 시차주사형 열량분석계(DSC)로 측정되는 ΔHf 및 ΔSf에 의해 평가할 수 있다.
본 발명의 대상인 게스트·호스트 액정 조성물에서는 저온에서 색소분자가 석출하기 쉽다. 본 발명에서는 안트라퀴논 색소가 액정에 대해 충분한 용해성을 나타내는 기준으로서, 온도 -5℃에서의 용해도가 1중량% 이상이라는 조건을 설정한다.이 경우, -5℃(268K)에서 융점까지의 단위중량당 전이 엔탈피 변화와 융해 엔탈피 변화와의 합을 ΣΔHtr,m으로 하고, -5℃에서 융점까지의 단위중량당 전이 엔트로피 변화와 융해 엔트로피 변화와의 합을 ΣΔStr,m으로 하여, 하기 수학식 1의값이 작을수록 용해도는 커진다.
(수학식 1)
Y={ΣΔHtr,m/268-ΣΔStr,m}(kJK-1kg-1}
본 발명자들의 실험에 의하면 -5℃에 있어서, 안트라퀴논 색소의 용해도가 1중량% 이상이 되기까지는 Y의 값이 0.08이하일 필요가 있다고 판명했다. 또한, Y의 값이 0.07 이하인 것이 바람직하다. 상기의 Y값이 작다는 것은 ΣΔHtr,m이 작고 ΣΔStr,m이 큰 것이 바람직하다는 것을 의미한다. 이것들의 전이 및 융해의 열역학 매개변수와 분자구조와의 정성적인 관계는 잘 알려져 있다. ΣΔHtr,m을 작게 하기 위해서는 벌키하고 강직한 치환기나 큰 유황원자 등을 도입하여 분자간의 패킹을 방지하거나 분자 전체의 쌍극자 모멘트를 작게 하는 것이 유효하다. ΣΔHtr,m을 작게 하면 용해성의 온도의존성도 작게 할 수 있다. 그러나, 일반적으로는 ΣΔHtr,m이 작고 색소분자간의 상호작용이 작으면 ΣΔStr,m도 작아진다. ΣΔStr,m이 작아지는 것을 방지하는데는 색소분자에 강직하고 벌키한 치환기를 비대칭적으로 도입하여 대칭 중심의 수를 줄여 말단에 무거운 원자를 배치하여 회전 모멘트를 올리고 융점을 낮추는 것이 효과적이다.
또한, 안트라퀴논 색소의 비대칭적인 복수의 위치에 시아노기, 퍼플루오로알킬기, 퍼플루오로알콕실기, 할로겐원자, 에스테르기, 카르보닐기, 알콕실기, 티오알콕실기, 니트로기 및 히드록실기로 이루어진 군에서 선택되는 극성기를 도입하는것이 유효하다. 이와같은 구조를 갖는 안트라퀴논 색소는 Y값을 증가시키지 않고 극성이 있는 불소계 액정과의 정전 상호 작용을 증대할 수 있기 때문에 그 용해성 및 2색비를 향상시킬 수 있다. 한편, 대칭적인 복수의 위치에 극성기를 도입한 안트라퀴논 색소는 ΔHtr,m의 값이 증가하기 때문에 바람직하지 않다.
이상과 같은 관점에서 작은 Y의 값을 나타내는 안트라퀴논 색소의 후보로서 상기한 상기 화학식 14(A1) 내지 화학식17(A4)로 표시되는 것을 예로 들 수 있다. 또한, 저분자 아몰패스 이론으로부터는 유리 전이점이 낮고 결정 성장 속도가느리고, 아몰패스 상태가 안정될수록 용해성이 높은 색소라고 판단할 수 있다.
본 발명에 따른 게스트-호스트 방식의 액정 표시 소자는 표면에 전극을 갖는 한쌍의 기판사이에 액정 및 2색성 색소를 함유하는 액정층을 갖고, 2색성 색소로서 상기 화학식 1(P1) 내지 화학식 8(P8) 및 화학식 9(T1) 내지 화학식 13(T5)중 어느 하나로 표시되는 안트라퀴논 색소 또는 쿠마린 색소, 또는 상기 Y의 값이 0.08 이하인 안트라퀴논 색소를 이용한다.
본 발명에 있어서, 액정은 굴절율 이방성이 있고 전압에 따라 배향이 변화하는 것이면 특별히 한정되지 않지만, 네마틱액정, 콜레스테릭 액정이 바람직하다. 특히 불소계의 네마틱 액정이 바람직하다. 구체적으로는 하기 화학식 18에서(LC1) 내지 (LC10)으로 나타내어지는 액정을 예로 들 수 있다. 이들 액정은 단독으로 이용해도 좋고, 2종류 이상을 혼합하여 이용해도 좋다.
(화학식 18에 있어서, R11, R12는 각각 독립으로 알킬기, 알콕실기, 알킬페닐기, 알콕시알킬페닐기, 알콕시페닐기, 알킬시클로헥실기, 알콕시알킬시클로헥실기, 알킬시클로헥실페닐기, 시아노페닐기, 시아노기, 할로겐 원자, 플루오로메틸기, 플루오로메톡시기, 알킬페닐알킬기, 알콕시알킬페닐알킬기, 알콕시알킬시클로헥실알킬기, 알콕시알콕시시클로헥실알킬기,알콕시페닐알킬기 및 알킬시클로헥실페닐알킬기로 이루어진 군에서 선택된다. 이것들의 치환기는 광학 활성 중심을 갖고있어도 좋다. 페닐기 또는 페녹시기는 할로겐 원자로 치환되어도 좋다. Y는 수소원자 및 할로겐원자로 이루어진 군에서선택된다.)
이 액정은 모두 양의 유전이방성을 나타낸다. 단, 유전이방성이 음의 액정이라도 유전이방성이 양의 액정과 혼합하는 것에 의해 전체로서 유전이방성이 양이 되도록 하면 사용할 수 있다. 또한, 적당한 소자 구성 및 구동 방법을 이용하면 유전이방성이 음의 액정만을 사용할 수도 있다.
본 발명의 GH-LCD에서는 액정 및 2색성 색소를 포함하는 마이크로캡슐을 이용하여 액정층을 구성해도 좋다. 마이크로캡슐을 이용하면 LCD의 제조가 용이해진다. 예를 들면, 황색, 마젠터 및 시안의 3색의 액정층을 적층하여 칼라디스플레이를 제작하는 경우에 스퍼터링이나 인쇄에 의해 액정층상에 투명전극층을 설치할 수 있다. 이때문에, 액정층 사이에 투명전극을 형성한 유리기판을 삽입할 필요가 없어지고 색이 변색되는 것을 없앨 수 있다.
또한, 마이크로캡슐을 이용하면 인쇄에 의해 액정층을 형성할 수 있기 때문에 동일 평면상에 액정층의 패턴을 형성하는것도 용이하게 된다.
또한, 2층의 액정층을 적층할 수도 있다. 이 경우, 제 1 색상을 나타내는 마이크로캡슐로 이루어진 액정층과, 제 1 색상에 대해 보색 관계에 있는 제 2 색상을 나타내는 마이크로캡슐로 이루어진 액정층을 적층하고, 상하의 액정층의 한계값전압을 적절하게 조정하면 모노클로 표시와 칼라 표시가 가능하게 된다.
마이크로캡슐의 제작 방법으로는 상분리법, 액중건조법, 계면중합법, 현장 중합법, 액중 경화 피막법, 분무 건조법 등을예로 들 수 있다.
마이크로캡슐의 피막(셀)을 구성하는 폴리머는 특별히 한정되지 않고, 여러가지 폴리머를 이용할 수 있다. 구체적으로는폴리에틸렌, 염소화폴리에틸렌, 에틸렌 공중합체(에틸렌·초산 비닐 공중합체, 에틸렌·아크릴산·무수말레인산 공중합체등), 폴리부타디엔, 폴리에스테르(폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리부틸렌테레프탈레이트, 폴리에틸렌나프탈레이트 등),폴리프로필렌, 폴리이소부틸렌, 폴리 염화 비닐, 천연 고무, 폴리염화비닐리덴, 폴리초산비닐, 폴리비닐알콜, 폴리비닐아세탈, 폴리비닐부티랄, 사불화에틸렌, 삼불화에틸렌, 불화에틸렌·프로필렌, 불화비닐리덴, 불화비닐, 사불화에틸렌공중합체(사불화에틸렌·퍼플루오로알콕시에틸렌공중합체, 사불화에틸렌·육불화프로필렌공중합체, 사불화에틸렌·에틸렌공중합체 등), 불소 수지(함불소 폴리벤조옥사졸 등), 아크릴수지, 메타크릴수지, 폴리아크릴로니트릴, 아크릴로니트릴 공중합체(아크릴로니트릴·부타디엔·스틸렌공중합체 등), 폴리스틸렌, 스틸렌·아크릴로니트릴 공중합체, 아세탈수지, 폴리아미드(나일론66등), 폴리카보네이트, 폴리에스테르 카보네이트, 셀룰로오스수지, 페놀수지, 우레아수지, 에폭시수지, 불포화 폴리에스테르수지, 알키드 수지, 멜라민수지, 폴리우레탄, 디아릴프탈레이트, 폴리페닐렌옥시드, 폴리페닐렌설피드,폴리설폰, 폴리페닐렌설폰, 실리콘수지, 폴리이미드, 비스말레이미드트리아졸, 노르보넨계 비정질 폴리올레핀을 예로 들수 있다.
반사판은 한쪽 기판의 외면에 형성해도 좋고, 한쪽 기판과 액정층 사이에 형성해도 좋다. 기판과 액정층 사이에 반사판을 형성한 경우 개구율을 향상할 수 있다.
실시예 1
하기 화학식으로 나타내어지는 2색성 색소를 이용했다. 또한, 각 화학식에 붙인 기호는 동일 기호의 화학식에 대응하는실시예 E 또는 비교예 C를 나타낸다.
여기서, 상기 2색성 색소중 몇가지에 대해서 제조방법을 설명한다. 또한, 이하에 예시한 이외의 2색성 색소도 동일한 방법에 의해 합성할 수 있다.
2색성 색소(P2E1)의 합성 경로를 하기에 나타낸다. 우선, 질소 분위기에서 탄산나트륨을 넣은 DMF중에 있어서, 1, 4-디클로로-5,8-디히드록시안트라퀴논을 4-t-부틸티오페놀과 약 80℃로 5시간 반응시킨다. DMF를 진공에서 제거한 후, 순수를 더해 생성물을 결정화시킨다. 이 결정을 순수로 잘 세정하여 건조시켜 톨루엔-헥산 혼합 용액으로 재결정시켜 4-t-부틸티오페놀 유도체를 얻는다. 피리딘중에 있어서, 4-t-부틸티오페놀 유도체를 토실클로라이드(TsCl)와 70℃로 5시간 반응시켜 하룻밤 방치한 후, 순수중에 투입한다. 석출한 결정을 분별하여 순수, 계속해서 헥산으로 세정하여 토실화물을얻는다. 질소기류중에서 탄산나트륨을 넣은 DMF중에 있어서, 토실화물을 3-트리플루오로메틸티오페놀과 약 80℃로 7시간반응시킨다. DMF를 진공에서 제거한 후, 생성물을 헥산-톨루엔=1:2의 혼합 용액을 이용하여 습식 컬럼으로 정제한다.이 반응은 많은 부생성물을 생기게 하기 때문에 더욱 박층 크로마트그래피(헥산:톨루엔=1:1)로 정제하여 마젠터의 2색성색소(P2E1)를 얻는다.
이 2색성 색소의 13C-{1H}NMR 스펙트럼의 결과는 이하와 같다.
13C NMR(CDCl3)δ(ppm):31.2(Me탄소), 34.8(t-Bu4급 탄소), 123.5(q)(CF3탄소), 126.4(1번 위치 티오페닐기의 4번 위치 탄소), 127.0(5번 위치 티오페닐기의 메타위치 탄소), 128.5(안트라퀴논 골격의 4a위치 탄소), 129.2(5번 위치 티오페닐기의 1번 위치 탄소), 130.3(1번 위치 티오페닐기의 5번 위치 탄소), 131.0(안트라퀴논 골격의 2번위치 탄소), 132.4(1번위치 티오페닐기의 2번 위치 탄소), 135.6(5번 위치 티오페닐기의 오르토위치 탄소), 139.1(1번 위치 티오페닐기의 6번위치 탄소), [141∼145(안트라퀴논 골격의 1번 위치 탄소), 153.0(5번 위치 티오페닐기의 파라위치 탄소), 183.5(안트라퀴논 골격의 카르보닐 탄소).
2색성 색소(P8E1)의 합성 경로를 하기에 나타낸다. 3-트리플루오로메틸티오페놀 대신에 3-트리플루오로메틸아닐린을 이용하는 것 이외는 2색성 색소(P2E1)의 합성 방법과 동일하기 때문에 상세한 설명은 생략한다.
2색성 색소(T1E1)는 이하와 같이 하여 합성할 수 있다. 질소 분위기에서 탄산 나트륨을 넣은 DMF중에 있어서 1당량의1,5-디클로로안트라퀴논을 1당량의 티오페놀과 80℃에서 3시간 반응시키고, 또 1.5 당량의 4-메틸티오티오페놀을 가하여80℃에서 4시간 반응시킨다. DMF를 진공에서 제거한 후, 잔류한 생성물을 소량의 톨루엔에 용해하여 습식 컬럼으로 분리정제하여 2색성 색소(T1E1)를 얻는다.
2색성 색소(T1E2)는 티오페놀 대신에 3-트리플루오로메틸티오페놀을 이용하는 것 이외에는 상기와 동일하게 하여 합성할수 있다.
2색성 색소(T2E1)의 합성 경로를 하기에 나타낸다. 질소 분위기에서 피리딘중에 있어서 1당량의 1,5-디히드록시안트라퀴논을 3당량의 토실클로라이드와 80℃에서 5시간 반응시킨다. 재결정 및 습식 컬럼에 의해 정제를 실시하여 토실화물을수득한다. DMF중에 있어서 구리촉매의 존재하에서 토실화물을 아닐린과 4-메틸티오아닐린과의 혼합물(4당량)과 반응시킨다. 재결정 및 습식 컬럼에 의한 정제를 실시하여 2색성 색소(T2E1)를 얻는다.
2색성 색소(T3E1)의 합성 경로를 하기에 나타낸다. 질소 분위기에서 탄산나트륨을 넣은 DMF중에 있어서, 1당량의 1, 4-디클로로-5,8-디히드록시안트라퀴논을 3당량의 티오페놀과 80℃로 5시간 반응시킨다. DMF를 진공에서 제거한 후, 재결정및 습식 컬럼에 의한 정제를 실시하여 티오페놀 유도체를 얻는다. 다음으로, 티오페놀 유도체를 토실화하고, 또 4-메틸티오티오페놀과 반응시켜 2색성 색소(T3E1)를 얻는다.
2색성 색소(T4E1)의 합성 경로를 하기에 나타낸다. 질소 분위기에서 탄산나트륨을 넣은 DMF중에 있어서 1당량의 1,4-디클로로-5,8-디히드록시안트라퀴논을 3당량의 4-메틸티티오페놀과 80℃에서 5시간 반응시킨다. DMF를 진공에서 제거한 후, 재결정 및 습식 컬럼에 의한 정제를 실시하여 4-메틸티오티오페놀 유도체를 얻는다. 이 4-메틸티오티오페놀 유도체를 토실화하고, 또 아닐린과 반응시켜 2색성 색소(T4E1)를 얻는다.
2색성 색소(T5E1)의 합성 경로를 하기에 나타낸다. (T5Cl)의 쿠마린 색소를 브롬과 반응시켜 브롬화물을 얻는다. 디메틸이미다졸리돈(DMI)중에 있어서, 브롬화물을 C12H25SNa와 반응시켜 2색성 색소(T5E1)를 얻는다.
다음으로, 표 1에 나타내는 2색성 색소에 대해서 액정에 대한 용해성을 평가했다. 우선, 여러가지 기지 농도로 2색성 색소를 불소계 액정(칫소화학공업사제, LIXSON5052xx)와 혼합하고, 시클로헥산으로 5mL에 정용(定容)하여 극대 흡수 파장에있어서의 흡광도를 측정하여 검량선을 작성했다. 이 때, 고농도의 2색성 색소를 함유하는 시료를 조제하기 위해 가열에의해 실온에서의 용해도를 초과하는 색소를 액정에 용해시킨 후에 냉각했다. 또한, 흡광도가 높은 영역의 검량선을 작성하기 위해 시험 중량을 증가시켜 흡광도를 측정했다.
다음으로, 2색성 색소를 상기와 동일한 불소계 액정 재료와 혼합하고 충분히 교반하여 1000시간 이상 정치했다. 과잉 색소가 잔존하여 포화상태가 되는 것을 확인하고, 필터를 통해 색소를 제거했다. 소정량의 착색 액정을 칭량하여 시클로헥산으로 5mL에 정용했다. 극대 흡수 파장에 있어서의 흡광도를 측정하고 검량선에 기초하여 용해도를 구했다. 측정은 24℃ 및 -5℃로 실시하였다. 이 결과를 표 1에 나타낸다.
상기 표 1에서 비교예의 2색성 색소는 액정에 거의 용해하지 않거나 또는 용해도가 작은 것과 비교하여 실시예의 2색성색소는 액정에 대한 용해성이 매우 높다는 것을 알 수 있다. 비교예중, 분자의 양단에 트리플루오로메틸기를 도입한 2색성 색소도 용해성은 매우 낮다. 이 때문에 본 발명의 2색성 색소에 있어서는 한쪽의 말단에 트리플루오로메틸기를 도입하고, 다른쪽 말단에 알킬기를 도입하거나 또는 치환되지 않은 분자 구조를 갖는 것이 용해성의 향상에 기여한다고 생각된다.
또한, 예를 들면 2색성 색소(P2E1)는 액정과 혼합하여 가열하는 것에 의해 10wt% 이상 용해시킨 후에 실온에서 1000 시간방치해도 석출되는 일이 없이 과포화 상태에서도 안정되었다. 이에 대해, 비교예의 2색성 색소의 경우에는 가열에 의해서도 용해도가 그만큼 향상되는 일이 없고 실온에 방치하면 석출이 생겼다.
다음으로, 한쌍의 기판에 각각 전극 및 액정 배향막(수직 배향용)을 형성하고, 한쪽 기판상에 스페이서를 산포하고, 서로대향시켜 접착하는 것에 의해 셀 두께 약 10㎛의 셀을 제작했다. 이 액정 셀중에 n형 액정재료(메르크사제, ZLI-2806),커이럴제(메르크사제, S811), 각 실시예의 2색성 색소 및 다른 2색성 색소(일본감광색소제)의 혼합물을 주입하여 액정표시소자를 제작했다. 이 액정표시소자는 콜레스테릭-네마틱 상전이에 의해 스위칭된다.
이것들의 액정표시소자에 대해서 전압 유지율을 측정한 결과를 표 2에 나타낸다. 이것들의 액정표시소자는 높은 전압 유지율을 갖는 것을 알 수 있다. 또한, 2색성 액정을 이용하지 않고 액정재료만을 주입하여 제작한 액정표시소자의 전압유지율은 99.2%이 였다. 또한, 이것들의 액정표시소자는 크세논램프를 이용하여 500MJ/㎡의 조사량으로 빛을 조사한 후에도 전압 유지율이 저하하지 않고 빛에 대한 안정성이 우수하다는 것을 알았다.
2색성 색소(P2E1)를 이용한 액정표시소자에 있어서, 전압 무인가 및 전압 인가의 상태에서 투과율을 측정한 결과를 도 1에 나타낸다.
또한, 하기 표 3에 나타내는 2색성 색소에 대해서 이하와 같이 하여 액정에 대한 용해성 및 전압 유지율을 평가했다. 소정의 온도(24℃ 및 -5℃)에 있어서, 충분한 양의 2색성 색소에 불소계 액정(칫소화학공업사제, LIXSON5052xx)을 가하여24시간 교반하여 2색성 색소를 액정에 포화용해시켰다. 얻어진 착색 액정 조성물을 0.2㎛의 필터를 통하게 하여 석출한2색성 색소를 제거했다. 그 후, 착색 액정 조성물의 흡광 분석을 실시하여 2색성 색소의 용해도를 구했다. 또한, 배향막을 설치하지 않은 투명 기판을 이용하여 두께 10㎛의 액정 셀을 제작하고, 2색성 색소를 1wt%의 농도로 용해시킨 착색액정 조성물을 주입했다. 얻어진 액정셀을 이용하여 50℃에 있어서의 전압 유지율을 측정했다. 이 결과를 표 3에 나타낸다.
상기 표 3에서 비교예의 2색성 색소는 실온에서는 비교적 높은 용해성을 나타내는 경우에도 -5℃에서의 용해성은 낮아지고 있다. 이에 대해, 실시예의 2색성 색*소는 -5℃에서의 용해성이 높다는 것을 알 수 있다. 또한, (T1E1)의 말단에 퍼플루오로알킬기를 도입한 분자구조를 갖는 (T1E2)은 (T1E1) 보다도 우수한 용해성을 나타내고 있다. 퍼플루오로알킬기의도입에 의한 용해성의 개선은 다른 2색성 색소로도 인식된다. 또한, 도시하지 않지만 (T3E1)은 흡수 스펙트럼의 반값 폭이 특히 작아 선명한 색 표시가 가능하다.
(실시예 2)
실시예 1에서 합성한 것에 더해 새롭게 하기에 나타내는 각종 안트라퀴논 색소를 합성했다.
하기 표 4에 나타내는 안트라퀴논 색소에 대해 열역학 매개변수의 측정을 실시하여 Y의 값을 구했다. 또한, -5℃에서의각 안트라퀴논 색소의 불소계 액정(LIXON5052xx)에 대한 용해도를 측정했다. 이 결과를 표 4에 나타낸다. 또한, 도 2에Y와 용해도의 관계를 나타낸다. 또한, 표 4의 (P2E2)는 (P2E1)과 같은 분자 구조를 갖지만 말단의 알킬기가 t-부틸기 및메틸기인 분자의 혼합물이다. 마찬가지로 표 4의 (P4E2)는 (P4E1)과 같은 분자 구조를 갖지만 말단의 알킬기가 t-부틸기및 메틸기인 분자의 혼합물이다.
도 2에서 명확해진 바와 같이, 안트라퀴논 색소가 -5℃에서 1wt% 이상의 용해도를 나타내기 위해서는 Y의 값이 0.08이하인 것이 필요하다. 또한, Y의 값이 0.07 이하의 안트라퀴논 색소는 2중량% 이상의 용해도를 나타내기 때문에 액정층을 얇게 하여 구동 전압을 저감하는데 유리하게 된다.
(실시예 3)
도 3에 나타내는 TFT 구동의 3층 구조의 반사형 GH-LCD를 제작했다. 이 LCD는 대각 4인치로 화소수는 320×240이다.
우선, 2장의 두께 0.5mm의 유리기판(21)의 양 면에 ITO 전극(23)의 패터닝을 형성했다. 1장의 두께 1mm의 유리기판(22)의 한면에 ITO 전극(23)을 형성했다. 1장의 두께 1mm의 유리기판(22)의 한면에 알루미늄 반사전극(24)을 형성했다. 각전극상에 폴리이미드막을 도포한 후 러빙했다.
이 기판을 이용하여 도 3에 나타내는 바와 같이 셀을 조립했다. 구체적으로는 알루미늄 반사전극(24)을 형성한 기판(22)상에 직경 9㎛의 유리제 스페이서(도시하지 않음)를 산포하고, 둘레 테두리부에 에폭시 시일제(25)를 설치하고, 양면에ITO 전극(23)을 형성한 유리기판(21)을 얹었다. 동일하게 하여 또 다른 한개의 양면에 더 ITO전극(23)을 형성한 유리기판(21)을 얹고, 다른 한쪽 면에 ITO전극(23)을 형성한 유리기판(22)을 얹었다. 각 층의 액정셀에 착색 액정을 봉입하는것에 의해 액정층(26a, 26b, 26c)을 형성했다. 본 실시예에서는 하층의 액정 셀에서 차례로 각각 황색, 시안, 마젠터의착색 액정을 봉입했다. 또한, 액정층(26a∼26c)에 봉입된 착색 액정의 순서는 특별히 한정되지 않는다.
여기서, 황색 색소로서 (P1E1), 시안 색소로서(P4E1), 마젠터 색소로서 (P2E1) 또는 (P3E1)을 이용한 단독 액정 셀로 얻어지는 반사광의 색상을 도 4의 색도 좌표에 나타낸다.
(P1E1), (P4E1) 및 (P2E1)의 2색성 색소를 이용한 GH-LCD에서는 마젠터 색소(P2E1)를 이용한 액정셀의 반사광의 색상이적색이기 때문에 적색의 선명한 표시에 유리한 색표시 범위를 얻을 수 있다. 이에 대해, (P1E1), (P4E1) 및 (P3E1)의 2색성 색소를 이용한 GH-LCD에서는 마젠터 색소(P3E1)를 이용한 액정 셀의 반사광의 색상이 청색이기 때문에 청색보다 선명한 표시에 유리한 색표시 범위를 얻을 수 있다. 따라서, 마젠터 색소로서 (P2E1) 및 (P3E1)을 이용하여 그 혼합비를조정하는 것에 의해 원하는 색 표시에 유리한 GH-LCD를 제작할 수 있다.
(실시예 4)
이하와 같이 하여 액정 및 2색성 색소를 함유하는 마이크로캡슐을 조제하고, 이것을 이용하여 표시소자를 제작했다.
불소계 네마틱 액정(칫소사제, LIXON5052)에 황색의 2색성 색소(P1E1)를 1.3중량% 용해했다. 이 액정 조성물 80중량부,친수성 메틸메타크릴레이트모노머 7중량부, 소수성 이소부틸메타크릴레이트 모노머 7중량부, 가교제로서 에틸렌글리콜디메타크릴레이트 1중량부 및 벤조일퍼옥사이드 0.2중량부를 혼합하고, 폴리비닐알콜 3중량부, 순수 300중량부와 함께 호머디나이져로 유화한 후, 500rpm으로 교반하면서 85℃로 1시간 모너머를 중합시켰다. 1㎛의 필터로 여과하여 순수로 3회세정하는 것에 의해 액정 조성물이 투명 고분자 피막으로 둘러싸인 마이크로 캡슐을 얻었다.
10% 이소프로필알콜 수용액에 마이크로캡슐 10중량%를 분산시켜 알루미늄 반사 전극을 형성한 유리기판에 도포하여 건조시켜서 액정층을 형성했다. 이 액정층상에 투명전극을 형성한 유리기판을 얹었다. 이것을 폴리아미드제의 봉지에 넣어봉지내를 감압하여 120℃에서 가열 밀착시켜 표시소자를 제작했다. 액정층의 두께는 10㎛이였다. 이 표시소자는 황색을띠고 있으며, 50Hz로 12V의 교류 전압을 인가하면 투명하게 되었다. 반사농도로부터 구한 콘트라스트는 3.4로 충분한 색조를 나타냈다.
(실시예 5)
이하와 같이 하여 도 3에 나타내는 3층 구조의 GH-LCD를 제작했다. 커럴제(E.Merk사제, S811)를 함유하는 STN용 액정 혼합물(칫소사제, LIXON4031)을 준비했다. 액정 혼합물에 황색의 안트라퀴논 색소(P1E2)를 2.5% 용해시켜 액정 조성물을 조제했다. 액정 혼합물에 마젠터의 안트라퀴논 색소(P2E2)를 2.0% 용해시켜 액정조성물을 조제했다. 액정혼합물에 시안의안트라퀴논 색소(P3E2)를 1.5% 용해시켜 액정조성물을 조제했다. 도 3에 나타내는 3층의 액정 셀에 하층에서 각각 마젠터, 황색, 시안의 액정 조성물을 봉입하여 GH-LCD를 제작했다.
이 GH-LCD를 전압 2V, 전압폭 0.2V로 구동한 바, 흑백의 콘트라스트비가 3.4로, 충분한 색조를 나타냈다. 또한, 이 액정표시 소자를 -5℃에서 3일간 방치했지만 표시성능의 열화는 보이지 않았다.
비교를 위해 황색 색소로서 (P1E2) 대신에 (P1C3), 마젠터 색소로서 (P2E2) 대신에 (P2C3), 시안 색소로서 (P3E2) 대신에(P4C3)을 이용한 것 이외에는 상기와 동일하게 하여 GH-LCD를 제작했다.
이 GH-LCD를 전압 2V, 전압폭 0.2V로 구동한 바, 흑백의 콘트라스트비가 3.3이며, 충분한 색조를 나타냈다. 그러나, 이GH-LCD를 -5℃에서 3일간 방치하면 각 액정층에서 색소의 석출이 생겨 표시 성능이 대폭 저하되었다.
(실시예 6)
액정 및 2색성 색소를 함유하는 마이크로캡슐을 이용하여 도 5에 나타내는 3층 구조의 GH-LCD를 제작했다. 도 5의 (A)는본 실시예의 GH-LCD의 개략도이다. 도 5의 (B)는 도 5의 (A)의 단면도이다. 유리기판(31)상에는 복수의 TFT(32)가 형성되어 있다. 유리기판(31)상에는 절연막을 통하여 알루미늄으로 이루어진 반사판(33)이 배치되어 있다. 이 반사판(33)은화소 전극을 구성하고 있다. 반사판(33)상에는 황색 액정층(34a), 투명 전극층(화소전극)(35), 마젠터 액정층(34b), 투명 전극층(화소전극)(35), 시안 액정층(34c)이 적층되어 있다. 투명전극층(35)은 투명 전극 재료를 스패터링하여 포토리소그래피에 의해 패터닝 하거나 투명 전극 재료를 분산시킨 용제를 인쇄하는 것에 의해 형성되어 있다. 시안 액정층(34c)상에는 투명한 대향전극(36)을 갖는 유리기판 또는 고분자 필름이 배치되어 있다. 또한, 각 TFT와 반사판(33) 및투명전극(35)은 전기적으로 접속되어 있다.
상기 액정층(34a∼34c)은 불소계 액정(LIXON5052xx)에 안트라퀴논 색소(P1E2), (P2E2) 및 (P3E2)을 각각 2.4%, 2.0% 및1.5%의 농도로 용해시킨 게스트·호스트 액정 조성물을 이용하여 실시예 4와 동일한 방법으로 조제된 마이크로캡슐에 의해 형성되어 있다.
이 GH-LCD로 칼라표시를 실시하는 경우, 각 액정층을 끼우는 4개의 전극에 인가하는 전압을 미리 결정하여 연산 회로에설정값을 전한다. 도 6의 (A)∼(H)에 각 전극에 인가하는 전압을 나타낸다. 도면중 “G”는 GND를 의미하며, 기준이 되는 전위이다. “V”는 포화투과율에 가까운 고투과율이 얻어지는 전위이다. 또한, 2개의 전압을 나타내는 것은 액정층에 교류파형을 가하기 때문이다.
예를 들면 「백색」을 표시하는 경우에는 도 6의 (A)에 나타낸 바와 같이 전압을 인가한다. 이와같이 전압을 인가하는것에 의해 액정 분자 및 색소분자를 전극면에 대해 수직방향으로 배향시켜 빛을 투과시키도록 한다. 다른 색을 표시하는경우에도 각각 도 6의 (B)∼(H)에 나타내는 바와 같이 각 액정층간의 전압을 제어한다.
이 액정 표시 소자를 전압 5V로 구동한 바, 흑백의 콘트라스트비는 3.2로 충분한 색조를 나타냈다. 또한, 이 액정표시소자를 -5℃에서 3일간 방치했지만 표시 성능의 악화는 보이지 않았다.
(실시예 7)
황색 색소(P1E1)와 마젠터 색소(P2E1)를 중량 2:3의 비율로 혼합하여 적색 혼합 색소를 얻었다. 황색 색소(P1E1)와 시안색소(P4E1)를 중량 1:1의 비율로 혼합하여 녹색 혼합 색소를 얻었다. 마젠터 색소(P2E1)와 시안 색소(P4E1)를 중량 1:1의 비율로 혼합하여 청색 혼합 색소를 얻었다. 각각의 혼합 색소를 이용하여 실시예 4와 동일하게 하여 3종류의 액정 마이크로캡슐을 조제했다. 이 마이크로캡슐은 단독으로 액정층을 형성할 때 한계값 전압이 6V가 되도록 입자 지름이 조정되어 있다.
또한, 각각 황색 색소(P1E1), 마젠터색소(P2E1) 및 시안 색소(P4E1)를 이용하여 실시예 4와 동일하게 하여 3종류의 액정마이크로캡슐을 조제했다. 이 마이크로캡슐은 단독으로 액정층을 형성했을 때 한계값 전압이 4V가 되도록 입자직경이 조정되어 있다.
이 마이크로캡슐을 이용하여 도 7에 나타내는 LCD를 제작했다. 유리기판(51)의 내면에는 알루미늄 반사판(52)이, 표면에는 ITO전극(53)이 형성되어 있다. ITO전극(53)상에 인쇄에 의해 적색(R), 녹색(G) 및 청색(B)의 각각의 액정층(54a,54b, 54c)이 스트라이프 패턴으로 형성되어 있다. 마찬가지로 인쇄에 의해 적색의 액정층(54a)상에 시안의 액정층(55a),녹색의 액정층(54b)상에 마젠터의 액정층(55b), 청색의 액정층(54c)상에 황색의 액정층(55c)이 스트라이프 패턴으로 형성되어 있다. 적층된 상하 2개의 액정층의 색상은 서로 보색 관계에 있다.
유리기판(51)의 둘레 테두리부에는 시일제(56)가 설치되고, 표면에 ITO 전극(58)이 형성된 대향하는 유리기판(57)이 놓여있다.
이 LCD에서는 인가전압을 조정하는 것에 의해 예를 들면 적색 액정층(54a)과 시안 액정층(55a)이 적층되어 있는 1개의 화소만으로 백색, 적색 및 흑색을 표시할 수 있다. 마찬가지로 다른 화소라도 인가전압을 조정하는 것에 의해 백색, 녹색및 흑색 또는 백색, 청색 및 흑색을 표시할 수 있다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 의하면 빛에 대한 내성이 높고, 또 액정에 대한 용해성이 높은 2색성 색소를 제공하고, 또 밝고 선명한 색표시를 실현할 수 있는 게스트-호스트방식의 액정표시소자를 제공할 수 있다.

Claims (11)

  1. 하기 일반식으로 나타내어지는 것으로 불소계 액정재료에 대한 용해도가 1%이상인 것을 특징으로 하는 불소계 액정표시소자용 이색성색소.
    (상기 일반식에서, R1은 OH, NHR’(R’은 알킬기), H, 또는(Y는 S 또는 NH, R3은 H 또는 탄소수 12이하의 알킬기)이며, R2는 CnZ2n+1(n은 정수) 또는 SR(R은 알킬기)이며 n은 1∼2의 정수이며, m은 0, 1, 2에서 선택되는 정수이며, X는 S 또는 NH이다.)
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 일반식이 하기 일반식으로 나타내어지는 것을 특징으로 하는 불소계 액정표시소자용 이색성 색소.
    (상기 일반식에서, R1은 수소원자, 탄소수 12이하의 알킬기 및 탄소수 12이하의 알킬기로 치환된 아릴기로 이루어진 군에서 선택되며, 상기 알킬기 및 아릴기는 할로겐원자로 치환되어도 좋고, Z는 할로겐원자이며, n은 1∼12의 정수이며, x는 S 또는 NH이다.)
  3. 제 1 항에 있어서,
    CnZ2n+1가 CnF2n+1인 것을 특징으로 하는 불소계 액정표시소자용 이색성 색소.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 일반식이 하기 일반식(T1)으로 나타내어지는 것을 특징으로 하는 불소계 액정표시소자용 이색성 색소.
    (상기 일반식에서 R1은 수소원자, 탄소수 12이하의 알킬기 및 탄소수 12이하의 알킬기로 치환된 아릴기로 이루어진 군에서 선택된다.)
  5. 표면에 전극을 갖는 한쌍의 기판사이에 불소계 액정 및 이색성 색소를 함유하는 불소계 액정층이 설치된 불소계 액정표시소자에 있어서, 상기 이색성색소가 하기 일반식으로 나타내어지는 것으로 불소계 액정에 대한 용해도가 1% 이상인 것을 특징으로 하는 불소계 액정표시소자.
    (상기 일반식에서 R1은 OH, NHR’(R’은 알킬기), H 또는(Y는 S 또는 NH, R3은 H 또는 탄소수 12이하의 알킬기)이며, R2은 CnZ2n+1(n은 정수) 또는 SR(R은 알킬기)이며, n은 1∼2의 정수이며, m은 0, 1, 2에서 선택되는 정수이며, X는 S 또는 NH이다.)
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 이색성색소가 일반식이 하기 일반식(T1)으로 나타내어지는 것을 특징으로 하는 불소계 액정표시소자.
    (상기 일반식에서, R1은 수소원자, 탄소수 12이하의 알킬기 및 탄소수 12이하의 알킬기로 치환된 아릴기로 이루어진 군에서 선택된다.)
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 이색성색소의 일반식이 하기 일반식으로 나타내어지는 것을 특징으로 하는 불소계 액정표시소자.
    (상기 일반식에서, R1은 수소원자, 탄소수 12이하의 알킬기 및 탄소수 12이하의 알킬기로 치환된 아릴기로 이루어진 군에서 선택되며, 상기 알킬기 및 아릴기는 할로겐원자로 치환되어도 좋고, Z는 할로겐원자이며, n은 1∼12의 정수이며, x는 S 또는 NH이다.)
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 일반식은 하기 일반식으로 나타내어지는 것을 특징으로 하는 불소계 액정표시소자용 이색성색소.
    (상기 일반식에서, R1은 수소원자, 탄소수 12이하의 알킬기 및 탄소수 12이하의 알킬기로 치환된 아릴기로 이루어진 군에서 선택되며, 상기 알킬기 및 아릴기는 할로겐원자로 치환되어도 좋고, Z는 할로겐원자이며, n은 1∼12의 정수이며, x, y는 S 또는 NH이다.)
  9. 제 8 항에 있어서,
    CnZ2n+1이 CnF2N+1이며, 메타위치로 치환되어 있는 것을 특징으로 하는 이색성색소.
  10. 제 5 항에 있어서,
    상기 이색성색소가 하기 일반식으로 나타내어지는 것을 특징으로 하는 불소계 액정표시소자.
    (상기 일반식에서, R1은 수소원자, 탄소수 12이하의 알킬기 및 탄소수 12이하의 알킬기로 치환된 아릴기로 이루어진 군에서 선택되며, 상기 알킬기 및 아릴기는 할로겐원자로 치환되어도 좋고, z는 할로겐원자이며, n은 1∼12의 정수이며, x, y는 S 또는 NH이다.)
  11. 제 5항에 있어서,
    상기 이색성색소가 하기 일반식으로 나타내어지는 것을 특징으로 하는 불소계 액정표시소자.
    (상기 일반식에서 Z는 할로겐원자이며, n은 1∼12의 정수이며, x는 OH, NH+R2, H이다. 단, R2는 탄소수 12이하의 알킬기 및 탄소수 12이하의 알킬기로 치환된 아릴기로 이루어진 군에서 선택되며, 상기 알킬기 및 아릴기는 할로겐원자로 치환되어도 좋다.)
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