KR100376368B1 - 화학흡착물질 및 그 제조방법 - Google Patents
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Abstract
기판에 균일하고 강력하게 고정된 나노미터 수준의 극히 얇고 투명한 박막을 형성하고, 그 박막에 열안정성이 높은 배향특성을 부여할 수 있는 신규한 화학흡착물질과, 이를 이용한 소망의 배향특성을 가지며 액정분자에 대한 배향규제력이 우수하며 열안정성도 우수한 액정배향막 및 액정표시소자를 제공한다. 이 목적은 가시광(400nm∼700nm의 파장광)영역에서는 투명하고 안정하며, 원자외·자외광(200nm∼400nm의 파장광)영역에서는 감광성을 가지며, 기본체에 화학흡착되어 단분자층상의 박막을 형성할 수 있는 신규한 화합물의 개발에 의해 실현되었다.
Description
최근 정보기기의 소형화,경량화를 실현할 수단의 하나로서 액정 표시소자가 급속히 보급되고 있으나, 그 중요부재인 액정 배향막을 제작할 수 있는 피막재료는 한정되어 있다. 이 때문에 액정 표시소자의 고성능화에 수반하여 종래에 없는 특성을 지닌 신규의 배향막 재료가 요구되어지고 있다.
그러나, 컬러 액정 표시소자는 일반적으로 매트릭스 상에 배치된 투명전극과 그 투명전극 위에 형성된 액정 배향막을 갖는 한쌍의 기판을 액정 배향막 면을 내측으로 하여 일정한 간격을 두고 대향하게 하여, 이 간극 내에 액정이 봉입된 구조를 하고 있다. 보다 구체적으로는, 예를들면 화소전극과 박막 트랜지스터 배열로 형성된 제1의 유리기판과, 여러개의 빨강, 파랑, 초록의 컬러 필터가 형성되어 있고, 또한 그 위에 공통 투명전극이 형성된 제2의 유리기판의 각각의 표면에 고분자 피막을 형성하고, 이 피막면에 러빙(rubbing)을 실시하여 액정 배향성을 부여한다. 다음 단계로, 피막면(액정 배향막 면)을 내측으로 하여 스페이서(spacer)를 개재시킨 상태에서 대향하게 하고, 기판의 주변을 접착하여 빈 셀(판넬 구조체)로 한다. 이 빈 셀 내에 트위스트 네마틱(TN) 등의 액정을 주입, 밀폐하여 액정 표시소자를 구성하고, 거기에 이 소자의 양 외면에 편향판을 배치함과 동시에 제 1 기판의 외측에 백 라이트(back right)를 배치하여 광학 표시장치로서의 액정 표시장치가 구성된다.
이와 같은 구조의 액정 표시장치는 전극 간 전압을 박막 트랜지스터(TFT)로 ON/OFF하고 액정의 배향상태를 변화시키는 것에 의해 광투과를 제어하여 임의의 영상을 표시하려는 것이다. 따라서 광투과 경로에 있어서 액정의 배향상태를 규제하는 배향막은 표시성능을 좌우하는 지극히 중요한 역할을 담당하고 있다.
이와 같은 액정 배향막의 피막재료로서는 액정과의 친화성이나 내열성, 기판 밀착성 등이 뛰어나야 하기 때문에 종래부터 폴리이미드막이 폭넓게 사용되고 있다. 그 제작방법으로서는 폴리이미드의 전구체 폴리머인 폴리아민산을 크실렌 등의 유기용제에 용해한 용액을 기판상에 회전도포한 후, 이것을 소성하여 폴리아민산을 이미드화하여 폴리이미드막으로 만드는 방법과 폴리이미드 자체를 DMF(N-N 디메틸포름아미드), DMAc(디메틸아세트아미드), 부틸세로솔브아세테이트, N-메틸-2-피롤리돈 등의 유기용제에 용해한 기판 상에 회전도포한 후 용제를 증발시켜 피막으로만드는 방법이 이용되고 있다.
그러나, 폴리이미드막은 다음과 같은 문제점들을 가지고 있으며, 액정 배향막으로서 충분히 만족할 수 있는 것이 아니다. 즉, (1) 전구체 물질인 폴리아민산을 이용하는 방법은 이미드화를 충분히 행하기 위하여 250℃ 이상의 고온에서 소성할 필요가 있다. 또한 폴리이미드 자체를 이용하는 방법에 있어서도 폴리이미드를 용해시킬 적당한 저비점용제가 없기 때문에 용제 제거시 상당한 고온을 필요로 한다. 예를 들면 폴리이미드를 용해시킬 용제로서 상기 DMF, DMAc, 부틸세로솔브아세테이트, N-메틸-2-피롤리돈 등의 유기용제를 사용할 수 있다. 그러나, 어떤 용제이든 모두 끊는점이 높고(각각 153℃, 165℃, 192℃, 202℃), 또한 가연성이기 때문에 막을 제조할 때에 폭발 방지를 배려하면서 용제를 고온에서 증발, 건조시킬 필요가 있다. 이와 같은 점 때문에 폴리이미드막의 제작에는 가열을 위해 특별한 장치가 필요하고, 그 만큼 제조비용이 높아진다. 또한 가열에 의해 TFT 등의 회로가 손상될 우려도 있다.
(2) 또한 폴리이미드는 제막성이 충분하지 않기 때문에 얇고 균일한 막두께의 피막을 제작하기 어렵다. 이 때문에 막두께의 불균일에 기인하는 표시 얼룩이 발생하고, 두꺼운 피막이 절연막으로서 작용되기 때문에 저전압구동의 액정 표시소자를 실현하기 어렵다는 문제도 있다.
(3) 더욱이 배향성을 부여하기 위한 러빙조작에 있어서 다음과 같은 문제가 발생한다.
① 피막에 요철이 있으면 요부가 맞닿지 않고, 특히 큰 면적의 패널이면 균일하게 맞닿지 않기 때문에, 배향결함의 발생, 표시얼룩 발생, 표시가 눌러붙은 흔적 등의 문제가 발생한다.
② 또한 배향막 상에 정전기가 발생하고, 이 정전기가 TFT의 기능을 저하시키는 원인이 된다.
③ 더욱이 접촉제(무명 등)로부터 먼지가 발생하고, 이 먼지가 표시얼룩이나 기판 간극을 변화시키는 원인이 된다.
이 때문에 접촉방식에 있어서 상술한 문제점을 해소하는 것을 목적으로 여러 가지 비접촉식 배향방식이 제안되고 있다.
예를 들면 특허공개 평5-53118호 공보에서는 기판상에 감광성 조성물의 층을 형성하고, 광선의 노출 및 열처리에 의해 조성물층에 소정의 패턴의 홈을 형성하고, 이 홈에 의해 배향성을 부여하는 기술이 제안되고 있다. 그러나 이 기술은 홈의 형성을 위해 많은 빛에너지를 필요로 한다. 또한 균일한 홈을 형성하기 어렵기 때문에 표시얼룩의 발생 등의 문제가 생긴다. 또한 배향 규제력도 충분하지 않다.
또한 특허공개 평7-72483호 공보에는 폴리이미드 혹은 폴리이미드 전구체를 포함하는 배향막 형성용 화합물층에 직선 편광 광선을 조사하여 폴리이미드 등을 중합함으로써 배향성을 부여하는 기술이 제안되고 있다. 그러나 이 기술은 유기고분자인 폴리이미드를 이용하는 것이므로 두꺼운 막두께가 액정 구동전압의 상승을 초래한다는 문제점을 해결할 수 없다. 또한 배향막의 기판에 대한 고정력이 충분하지 않다는 문제도 있다.
또한 특허공개 평7-318942호 공보에는 고분자 구조를 갖는 배향막에 비스듬하게 광선을 조사하고, 배향막의 분자에 새로운 결합반응 또는 분해반응을 일으켜 배향성을 갖는 구조로 만드는 기술이 제안되고 있다. 그러나 이 기술도 폴리이미드나 폴리비닐알코올 , 폴리스틸렌 등의 유기 고분자로 구성된 배향막을 대상으로 하고 있다. 따라서 이 기술에서는 막두께가 두껍고, 기판고정력이 작은 상기 문제점들을 해결할 수 없다. 또한 이 기술은 프리틸트각을 부여하기 위해 배향막에 대하여 비스듬히 광선을 조사할 것이 필수적이므로 경사로 빛을 정확하게 조사하기 위해서는 정밀도가 높은 광조사 장치를 필요로 하므로 그 만큼 생산비가 상승한다.
상기의 문제 외에 트위스트 네마틱 등의 액정 표시소자에 있어서는 종래보다 시야각이 좁다는 문제가 있다. 이 문제를 해결하기 위한 방법으로서 예를 들면 특허공개 평5-173135호 공보에서는 배향막을 어느 방향으로 러빙하고, 그 해당부분을 레지스터로 피복한 후, 역방향으로 러빙하는 방법을 반복함으로써 액정의 배향방향을 달리하는 복수의 영역을 형성하는 방법이 제안되고 있다.
그러나, 접촉식 방법에 있어서 액정 배향 방향을 달리하는 복수의 구획을 형성하는 데에는 분할된 구획마다 마스킹을 하여 러빙하는 번잡한 작업을 반복하지 않으면 안된다. 이 때문에 이 기술에 의하면 배향막의 생산효율이 큰 폭으로 저하됨과 동시에 먼지 발생 등의 문제가 한층 심각해진다.
한편, 특허공개 평5-53118호 공보 등의 상기 각 기술을 응용하여, 액정의 배향방향을 달리하는 복수의 영역을 형성할 수 있다. 그러나 상기 각 기술은 상술한 바와 같이 막두께가 두껍고, 기판 고정력이 충분하지 않는 등의 과제를 가지고 있기 때문에, 이 기술들을 이용하더라도 역시 충분히 만족할 수 있는 액정 배향막을제공할 수 없다.
그러나, 본 발명자들은 특허공개 평3-7913호 공보에 나노미터 수준의 막두께의 배향막을 생산성이 높게 제조할 수 있는 기술을 제안했다. 이 기술은 실란계 화학흡착물질(계면활성제라고도 함)을 기판면에 화학흡착시켜서 만드는 단분자막을 배향막으로 이용하는 것이다. 이 기술에 의하면, 기판상에 결합, 고정된 상태의 지극히 얇고 투명한 피막을 쉽고 효율적으로 형성할 수 있고, 게다가 접촉을 시키지 않고서도 액정분자에 대해 어느 정도의 배향 규제력을 지닌 배향막을 제공할 수 있다. 그러나 이 기술은 배향의 열적 안정성이나 배향 규제력의 강도 등에 대하여 아직 개선의 여지를 남기고 있다.
이상의 과제에 입각하여 본 발명이 이루어졌다. 다음의 일련의 본 발명은 상기한 문제점을 일거에 해소하려는 것이다. 일련의 본 발명에 있어서의 목적은 첫째로 기판에 균일하면서 강력하게 고정되어 나노미터 수준의 매우 얇은 막으로 투명한 박막을 형성할 뿐 아니라, 이 박막에 열적 안정성이 높은 배향특성을 부여할 수 있는 새로운 화학흡착물질을 제공하는 것이다. 둘째는 상기한 화학흡착물질을 이용하여 원하는 배향특성을 가지며, 액정분자에 대한 배향 규제력이 뛰어날 뿐 아니라 열적 안전성도 뛰어난 액정 배향막을 제공하는 것이다. 셋째는 이와 같은 액정배향막을 이용하여 표시성능이 뛰어난 액정 표시소자를 제공하는 것이다. 넷째는 상기한 화학흡착물질, 액정 배향막, 액정 표시소자를 각각 생산성이 높게 제조할 수 있는 제조방법을 제공하는 것이다.
또한 일련의 본 발명은 밀접하게 관련된 일련의 연구개발에 의해 발명된 것이나, 각각의 발명은 다른 실시예에 의해 구체화되었다. 따라서 이하에서는 일련의 본 발명을 제1발명군, 제2발명군, 제3발명군, 제4발명군, 제5발명군, 제6발명군으로 구분하여, 각각의 발명군 별로 설명하기로 한다.
[ 제 1 발명군의 개시]
제 1 발명군에 있어서 화학 흡착물질은 다음의 구성에 의해 특징지어진다.
(1) 화학구조 중에 -CR1= CR2- CO - C 기와 SiX(단, X는 할로겐을 나타낸다) 또는 SiN=C=O 기를 갖는 관능기를 포함하는 화합물로 구성된 화학흡착물질.
상기의 구성 화합물이면 Si를 가진 관능기가 화학흡착기로써 기능한다. 따라서, Si를 갖는 관능기를 개재시켜, OH기, COOH기, NH2기, NH기와 SH기 등의 친수성기를 가지고 있는 기체(基體)면에 화학결합(화학흡착)시킬 수 있다. 또한 비닐기가 광반응성기로서 기능한다. 따라서 광조사에 의해 비닐기를 개재시켜 분자상호를 가교반응시킬 수 있다.
상기한 구성의 화학흡착물질을 액정 배향막 재료로 하는 의의는 다음과 같다. 상기의 화학흡착물질을 기체에 접촉시키고 화학흡착시켜서 만든 박막은 장축 방향의 일단(Si를 포함하고 있는 관능기 측)이 기체 면에 결합되고 타단은 기체와 분리된 방향으로 향하여 분자가 횡방향으로 배열된 단분자 층상의 구조를 하고 있다. 이 피막은 나노미터 수준의 매우 얇은 피막이며, 가시광선 영역에서 투명하며 화학적으로 안정하다. 한편 자외선 영역의 광선을 조사함으로써 비닐기 부분이 광반응을 일으킨다는 특성을 가지고 있다. 따라서 상기 화학흡착물질을 기판에 화학흡착시킨 후, 자외선을 조사함으로써 가교반응을 시켜 구성분자 상호를 연결시킬 수 있다. 이에 의해 입체 구조적으로 구성분자의 배향을 안정화시킬 수 있다. 게다가 자외선을 조사할 때 편광 광선을 이용하면 일정 방향을 따라 가교반응을 일으키게 할 수 있으므로 편광방향을 규정함으로써 구성분자의 배향방향을 제어할 수 있다.
여기에 기체면에 대하여 평행방향으로 흡착분자가 배열된 박막에서는 액정분자가 각각의 구성분자 사이에 들어갈 수 있다. 따라서 박막 구성분자가 일정 방향으로 배향된 박막은 특정한 액정 배향성을 지닌다. 그리고 상기 박막에는 각각의 구성분자가 액정 배향성에 관여하므로 지극히 얇은 피막임에도 불구하고 강력한 배향 규제력을 발휘한다. 더욱이 가교반응에 의해 구성분자 상호가 연결, 결합되어 있기 때문에, 열이나 연마 등의 외부자극에 의해 배향성이 떨어지지 않는다. 또한 이 피막은 매우 얇고 투명하다. 게다가 유기 고분자막이 아니기 때문에 전기 저항막으로서 거의 작용하지 않는다. 따라서 광투명성이나 액정 구동전계를 저해하지 않는 액정 배향막으로서 매우 적절한 성질을 갖추고 있다.
이에 대해 긴 주쇄가 서로 휘감긴 상태로 빽빽하게 구성된 종래의 액정 배향막(예를 들면, 상기한 폴리이미드로 구성된 고분자막 등)은 표면 부분만이 액정 배향에 기여할 수 있을 따름이므로 충분한 배향 규제력을 얻기 어렵다. 또한 접촉에 의해 배향성을 부여하는 종래의 배향막에서는 열이나 연마 등의 외부자극이 가해지면 배향성이 변화 또는 열화되고 만다. 게다가 폴리이미드 등의 고분자막은 막두께가 두꺼운 데에다 전기저항성이 높기 때문에 광투과나 액정구동에 있어서 저해요인이 된다.
또한 구성분자 상호를 가교할 수 없기 때문에 화학구조의 화학 흡착물질로는 단분자 층상의 박막을 형성할 수 있어도, 안정된 배향특성을 얻을 수 없다. 예를 들면 상기한 특허공개 평3-7913호 공보에 기재된 화학흡착물질은 광반응성기를 가지고 있지 않기 때문에 흡착분자 상호를 화학적으로 연결할 수 없다. 따라서 200℃ 전후의 열이 가해지면 배향성이 저하된다고 하는 문제가 있다.
여기에 상기한 구성의 화학흡착물질은 액정 배향막용 재료로서 매우 유용하나, 이 물질의 용도는 여기에 한정되는 것이 아니다. 또한 이는 다른 발명군의 화학 흡착물질에 대해서도 마찬가지이다.
상기의 구성에 있어서는 다음의 (2)∼(4)의 구성요소를 부가하는 것이 바람직하다. 다음의 구성요소를 부가한 구성에 의하면 상기한 작용효과를 한층 확실하게 실현할 수 있다. 즉,
(2) 상기 구성에 있어서, Si를 포함한 관능기를 -CR1= CR2- CO - C 기의 C말단에 결합시킨 화합물로 할 수 있다. 다만 R1, R2는 수소 또는 탄소수가 1∼3인 알킬기, 혹은 탄소수가 1∼3인 알콕실기를 나타낸다.
상기의 탄소수가 1∼3인 알킬기로서는 - CH3, - C2H5, - C3H7기를 들 수 있으며, 탄소수가 1∼3인 알콕실기로는 -OCH3, -OC2H5, -OC3H7기를 들 수 있다.
(3) 한편, 상기(2)의 화학물을 다음의 화학식1에 표시된 화합물로 하는 것도 가능하다. 다만, 화학식 1의 n은 1 내지 14의 정수를 표시하고, R1은 탄소수 1 내지 14인 알킬기 또는 페닐기, X는 할로겐 또는 이소시아네트기, m은 1 내지 3의 정수, A는 관능기를 표시한다. (4) 또한, 상기(2)의 화학물을 다음의 화학식 2, 화학식 3 또는 화학식 4로 표시된 화합물로 하는 것도 가능하다. 다만 n은 1 내지 14의 정수를 표시하고, R은 탄소수 1 내지 14의 알킬기 또는 페닐기, X는 할로겐 또는 알콕실기 또는 이소시아네이트기, m은 1 내지 3의 정수(화학식 4는 1 또는 2의 정수), A는 관능기를 표시한다.
상기 화학흡착물질을 사용하는 제1발명군에 있어서 액정배향막은 다음의 구성에 의해 특징지어 진다.(5) 액정분자를 특정방향으로 배향시킬 수 있는 액정 배향막에 있어, 화학구조 중에 -CR1=CR2-CO- 기와 Si를 갖는 관능기를 포함하는 화학흡착물질은, Si를 개재하여 기판표면에 직접 또는 다른 물질층을 개재하여 결합고정됨과 동시에, -CR1=CR2-CO- 기의 탄소-탄소 이중결합 부분의 적어도 한 개의 결합원을 개재하여 서로 인접한 구성분자 상호가 가교결합된 것을 특징으로 하는 액정 배향막.다만 R1, R2는 수소 또는 탄소수가 1∼3인 알킬기, 혹은 탄소수가 1∼3인 알콕시기를 나타낸다.
(6) 액정분자를 특정방향으로 배향시킬 수 있는 액정배향막에 있어, 하기 화학식 5, 화학식 6, 화학식 7 또는 화학식 8에 표시된 화학결합 단위를 포함하는 화합물로 구성되는 것을 특징으로 하는 액정 배향막.
다만, n은 1 내지 14의 정수를 표시하고, R은 탄소수 1 내지 14의 알킬기 또는 페닐기를 표시한다.
이 구성은 다음의 화학식 5 내지 화학식 8의 화학결합 단위를 포함하는 것으로 액정분자에 대한 배향작용이 크며, 특히 트위스트 네마틱(TN)형의 액정을 배향시키는 작용이 크다. 따라서 TN 모터의 액정 표시소자용의 액정 배향막에 매우 적절하게 사용할 수 있다.
상기 구성의 액정 배향막을 제조하는 방법으로 다음의 구성을 채용할 수도 있다.
(7) -CR1=CR2-CO-C 기와 Si을 갖는 관능기를 함유하는 실란계 화학흡착물질을 비수계의 용매에 용해하여 화학 흡착액을 제조하는 화학 흡착액 제조공정과, 상기 실란계 화학흡착액을 기판면에 접촉시켜 기판면에 화학 흡착시키므로써 기판면에 상기 실란계 화학흡착물질로 된 단분자 층상의 박막을 형성하는 박막 형성 공정과, 상기 박막면에 자외선 또는 원자외선을 조사하여 -CR1=CR2-CO-C 기의 탄소-탄소 이중 결합 부분에 흡착분자 상호를 광중합시키는 광중합공정을 갖는 액정 배향막의 제조방법.다만 R1, R2는 수소 또는 탄소수가 1∼3인 알킬기, 혹은 탄소수가 1∼3인 알콕시기를 나타낸다.
(8) 상기 구성에 있어서, 상기 박막 형성공정과 광중합공정 사이에, 박막면에 유기용제를 접촉시킨 후 당해 유기 용제를 일정 방향으로 액체제거 건조함으로써 박막을 구성하는 분자를 가배향시키는 가배향 처리공정을 설정할 수 있다.
이 구성에 의하면 어느 정도의 액정 배향성을 부여할 수 있다.
(9) 또한 상기 박막 형성공정과 광중합공정 사이에, 박막면을 비수계 용액을 사용하여 세정하여 미흡착 화학흡착물질을 제거하는 세척공정과, 세척후의 기판을 일정 방향으로 세워 기판면 위에 남은 비수계 용액을 액제거 건조함으로써 기판면에 화학 흡착된 실란계 화학흡착물질 분자의 배향 방향을 가배향시키는 가배향공정을 설정할 수 있다.
이 구성에 의해서도 배향작용이 보다 안정한 단분자 층상의 박막으로 된 액정 배향막을 제공할 수 있다.
(10) 또한, 상기 광중합 공정에 있어 자외선과, 원자외선의 조사를 편광판 또는 표면에 0.1∼0.3㎛ 정도의 홈을 다수 갖는 투명판 또는 표면을 러빙(rubbing)한 투명판을 개재하여 행하는 것도 가능하다.
이 구성에 의해서도 편광 방향 또는 홈 방향 또는 러빙방향으로 광중합 방향을 제어하는 것이 가능하다.
(11) 또한, 상기 광중합공정에 있어서 자외선 또는 원자외선의 조사를 편광판 또는 표면에 0.1∼0.3㎛ 정도의 홈을 다수 갖는 투명판 또는 표면을 러빙한 투명판에 패턴상의 마스크를 겹쳐 화학 흡착분자 상호의 화학결합 방향을 제어하여 패턴상의 조사 영역마다 흡착분자의 배향을 다르게 하는 것도 가능하다.
이 구성에 있어서도, 예를 들면 편광방향을 변화시키면서 1회 이상 광조사함으로써 1 화소가 여러개로 분할된 소구획마다 액정 배향 방향이 다른 멀티도메인 배향의 액정 배향막을 제작하는 것이 가능하다.
(12) 또한, 상기 화학 흡착액 제조공정에 있어서, 제1실란계 화학흡착물질과 상기 제1의 실란계 화학흡착물질과는 분자 길이가 다른 제2의 실란계 화학 흡착물질을 소정의 비율로 혼합한 다성분계 화학 흡착액을 사용하는 것도 가능하다.
이 구성에 의하면, 혼합비율을 변화시킴으로써 제1의 실란계 화학흡착물질 및/또는 제2의 실란계 화학흡착물질의 광중합도를 변화시킬 수 있다. 또한 혼합비율을 적정하게 설정함으로써, 보다 긴 흡착분자를 기판에 대하여 경사지게 하여, 보다 짧은 흡착분자로 제어하는 것이 가능하다. 또한 중합성기의 밀도를 변화시키는 것이 가능하기 때문에, 광중합도를 제어할 수도 있다.
(13) 또한 상기(12)에 있어서, 상기 박막 형성공정과 광중합공정의 사이에, 박막면에 비수계 용액을 접촉시킨 후 당해 비수계 용액을 일정 방향으로 액분리 건조함으로써 박막을 구성하는 분자를 가배향시킨 가배향 처리공정을 설정하는 것이 가능하다.
흡착분자를 가배향시킨 후에 광조사하는 이러한 구성에 의해서도 더욱 확실한 특정의 액정 배향 특성을 부여할 수 있다.
(14) 또한 상기(12)에 있어서, 상기 박막 형성공정과 광중합공정 사이에, 박막면을 비수계 용액을 사용하여 세정하고, 미흡착 화학 흡착 물질을 제거하는 세정공정과, 세척 후 기판을 일정 방향으로 세우고 기판면 위에 남은 비수계 용액을 액제거 건조함으로써 기판면에 화학 흡착시킨 실란계 화학흡착물질 분자의 배향 방향을 가배향시키는 가배향공정을 갖는 것도 가능하다.
이 구성에 의해서도 세정과 건조의 일련의 조작으로 미흡착의 화학흡착물질을 제거함과 동시에 흡착분자의 가배향을 행하는 것도 가능하다
(15) 또한, 상기(12)에 있어서, 상기 광중합공정에 있어서 자외선 또는 원자외선 조사를 편광판 또는 표면에 0.1∼0.3㎛정도의 홈을 다수 갖는 투명판 또는 표면을 러빙한 투명판을 개재하여 행할 수 있다.
(16) 또한, 상기(12)에 있어서, 상기 광중합공정에 있어서 자외선 또는 원자외선 조사를 편광판 또는 표면에 0.1∼0.3㎛ 정도의 홈을 다수 갖는 투명판 또는 표면을 러빙시킨 투명판과 함게 패턴상의 마스크를 겹쳐 화학 흡착분자 상호의 화학 결합 방향을 제어하여 패턴상의 조사 영역마다 흡착 분자의 배향 방향을 다르게 하는 것이 가능하다.
상기 구성의 액정 배향막을 사용하는 제1발명군에서 액정 표시소자가 다음의 구성을 갖는 것도 가능하다.
(17) 내측면에 각각 전극이 형성된 2개의 대향하는 기판과, 전기 대향하는기판중 적어도 하나의 기판의 내측면에 형성된 액정 배향막과, 상기 대향하는 기판의 간극에 수용된 액정을 적어도 구비하는 액정 표시소자에 있어서, 상기 액정 배향막은 화학흡착물질이 직접 또는 다른 물질층을 개재하여 상기 기판면에 화학흡착된 단분자 층상의 박막으로, 흡착분자 상호가 특정의 방향을 따라 가교결합된 것을 특징으로 하는 액정 표시소자.
이 구성에 의하면 배향성의 열화가 적은 연마손실(rubbing loss)의 액정 배향막을 사용하고 있기 때문에 신뢰성이 높은 액정 표시소자가 제공될 수 있다.
(17-1) 전극과 대향 전극이 동일 기판 상에 형성된 인플레인 스위칭형(IPS)의 액정 표시소자에 있어서, 상기 액정 배향막은 화학흡착물질이 직접 또는 다른 물질층을 개재하여 상기 기판면에 화학 흡착된 단분자 층상의 박막으로, 흡착분자 상호가 특정의 방향을 따라 가교결합되어 있는 것을 특징으로 하는 액정 표시소자도 가능하다.
이 구성에 의하면 배향성의 열화가 적은 러빙손실의 액정 배향막을 사용하기 때문에 생산성이 좋은 인플레인 스위칭형(IPS)방식의 액정 표시장치가 제공될 수 있다.
(18) 상기(17) 및 (17-1)의 구성에 있어서, 화학흡착물질이 -CR1=CR2-CO-기와 Si를 갖는 관능기를 포함함으로, 상기 흡착분자 상호가 -CR1=CR2-CO-기의 탄소-탄소 이중 결합 부분에서 가교결합된 것을 특징으로 한다.
(19) 상기 구성(18)에 있어서, 기판 표면의 박막은 1화소 단위를 여러개의패턴상으로 분할한 소구획마다 액정 배향 규제 방향이 다른 것을 특징으로 한다.
상기 구성의 액정 표시소자를 제조하는 방법에 있어 다음의 구성을 채용하는 것도 가능하다.
(20) 탄소쇄를 포함하는 상기 탄소쇄의 말단 또는 그 일부에 -CR1=CR2-CO-기와 Si를 갖는 관능기를 포함하는 실란계 화학흡착물질을 비수용제에 용해시켜 화학 흡착액을 만드는 화학 흡착액 제조공정과, 적어도 전극군이 매트릭스상에 형성된 제1의 기판에 상기 화학 흡착액을 접촉시켜, 화학흡착물질을 Si를 갖는 관능기 부분에서 상기 기판면에 화학흡착시켜 단분자층상의 박막을 형성하는 박막 형성공정과, 액제거 건조함으로써, 흡착분자를 가배향시키는 가배향공정과, 가배향시킨 박막에 자외선과 원자외선을 조사시켜 흡착분자 상호를 광중합에 의해 특정 방향으로 가교결합시켜 특정 배향 특성을 갖는 액정 배향막이 부착된 제1기판을 제작하는 배향특성 부여 공정과, 상기 액정배향막이 부착된 제1기판과, 대항전극 또는 상기 액정 배향막이 부착된 제1기판과 동일한 방법으로 제작된 대향 전극을 갖는 액정 배향막이 부착된 제2기판을 전극면을 내측으로 하여 소정의 간극을 유지한 상태에서 겹쳐 주위를 접착 고정하는 빈 셀 제작공정과, 상기 빈 셀 내에 액정을 주입하는 액정 주입공정을 구비하는 액정 표시소자의 제조방법.다만 R1, R2는 수소 또는 탄소수가 1∼3인 알킬기, 혹은 탄소수가 1∼3인 알콕시기를 나타낸다.
(21) 상기 배향특성 부여공정에 있어 자외선과 원자외선을 조사할 때, 편광판에 패턴상의 마스크를 겹쳐 광선을 노출하는 방법을 채용하는 것이 가능하다. 이 방법에 의하면 흡착분자의 가교결합 방향을 제어하고, 1화소 단위가 여러개의패턴상으로 분할된 소구획마다 액정 배향 규제방향을 변화시키는 것이 가능하다.
[제1발명군에 대한 도면의 간단한 설명]
도1은 제1실시예에서 사용된 클로로실란계 화학흡착물질(화학식 11)의 자외선 스펙트럼을 도시한 도면이다.
도2는 제1실시예에서 단분자 층상의 액정 배향막 제작에 사용하는 화학 흡착공정을 설명하기 위한 단면 개념도이다.
도3은 제1실시예에서 박막 세정공정을 설명하기 위한 단면개념도이다.
도4는 제1실시예에 있어, 용매 세정 후 단분자 층상의 박막을 구성하는 흡착분자의 배향 상태를 설명하기 위해 단면을 분자 수준까지 확대한 개념도이다.
도5는 제1실시예에 있어, 편광 광선을 노출한 후 박막 내에 있는 분자의 중합 상태를 설명하기 위한 광선 노출공정의 개념도이다.
도6은 제1실시예에 있어, 편광 광선을 노출한 후 박막 내에 있는 분자의 중합 상태를 설명하기 위한 박막을 분자 수준까지 확대한 개념도이다.
도7은 제2실시예에서 사용하는 클로로실란계 화학흡착 물질(화학식17)의 자외선 흡수 스펙트럼을 도시한 도면이다.
도8은 제3실시예에 있어, 편광 광선을 노출한 후 박막 내에 있는 분자의 중합 상태를 설명하기 위해 박막을 분자 수준까지 확대한 개념도이다.
도9는 제4실시예에 있어 액정 표시장치의 제조방법을 설명하기 위한 단면개념도이다.
[제1발명군을 실시하기 위한 최선의 형태]
실시예에 기초하여 제1발명군의 내용을 구체적으로 설명한다
(실시예 1)
이하, 본 발명의 제1실시예를 도 1 내지 도 6을 참조하여 설명한다.
표면에 투명전극이 형성된 유리기판(1)(표면에 수산기를 다수 포함함)을 준비하고, 미리 세정 탈지한다. 다음으로, 탄소쇄를 포함하는 상기 탄소쇄의 말단 또는 그 일부에 다음의 화학식 9로 표시되는 기와 Si를 포함하고 있는 클로로실란계 화학 흡착물질로서 다음의 화학식 11(이 물질은 도1에 표시된 것 같이 240∼370nm에 감광 피크가 있다)로 표시되는 화합물을 1중량% 정도의 농도로 비수계 용매에 용해하여 화학 흡착용액을 제조하였다.
본 실시예에서는 비수계 용매으로서 잘 탈수된 헥사데칸을 사용했다.
이 제조된 용액을 흡착 용액(2)로 하며, 이 흡착 용액(2)에 건조 분위기에서(상대습도 30%이하) 상기 기판(1)을 1시간 정도 담갔다(도포해도 좋다)(도2). 그후 이 흡착용액(2)로부터 기판을 끌어올리고, 물을 함유하지 않은 비수계 용매에 섞여있는 잘 탈수된 n-헥산(3)으로 세정한 후, 기판을 원하는 방향으로 세운 상태에서 세척액을 위로 끌어올려 세정액을 제거하고, 수분을 포함하는 공기 중에 노출했다(도3). 상기한 일련의 공정에서, 상기 클로로실란계 화학흡착물질의 염화규소기와 상기 기판표면의 수산기의 사이에 탈염산 반응이 발생하고, 다음의 화학식 12로 표시되는 결합이 생성되고, 또한 공기 중의 수분과 반응하여 다음의 화학식 13으로 표시되는 결합이 생성되었다.
이때, 다시 n-헥산이나 클로로포름 등의 비수계 유기용액으로 세정하고, 원하는 방향으로 기판을 세워 액체를 제거하고, 상기 고정된 분자를 일차 배향되게 할 수 있다.
이상의 처리에 의해 상기 화학흡착물질이 기판과 반응하여 형성된 화학 흡착분자막(4)이 기판 표면의 수산기가 포함된 부분에 실록산 공유결합을 개재하여 화학결합된 상태로 결합되고, 결합된 분자는 액제거하면서 끌어올린 방향(5)과 반대방향을 향하도록 배향되어 약 2nm의 막두께로 형성되었다(도 4).
그 후에 이 상태의 기판을 2종류 사용하여 액분리하면서 끌어올린 방향(5)과 거의 평행하게 편광 방향(6)이 향하도록 편광판(7)(HNP'B)(폴라로이드사 제조)을 기판에 겹쳐 세팅하고 500W의 초고압 수은등의 365nm(i선)의 자외선(8)(편광막 투광 후 2.6mW/㎠)을 사용하여 10mJ 조사했다(도 5, 도 5에 있는 9는 투명전극을 표시한다).
그 후, FTIR을 사용하여 흡착된 분자의 이방향성을 조절하면, 상기 감광기가 광중합되어 비닐기의 흡수가 사라졌다. 즉, 다음의 화학식 14의 결합이 생성되었다.
또한, 결합의 방향이 정해져 있지 않지만, 편광 방향과 수직 방향에서 분명히 흡수가 달라졌다. 이것은 상기 단분자막을 구성하는 물질이 상기 기판표면에 결합 고정되고, 소정의 방향을 따라 도6의 감광성기의 부분에(비닐기) 가교결합 광중합된 것을 표시한다.
다음으로, 이 상태의 기판 2매를 사용하여 화학 흡착막이 서로 마주보도록 조립하여 편광방향은 평행으로 액제거 방향과 반대가 되도록 함으로써, 즉 역평형이 되도록 세팅하여 20 미크론 간격의 액정셀을 조립해서 세우고, 네마틱 액정 (ZLI4792 ; 멜크사 제조)을 주입하여 배향 상태를 확인하면, 주입된 액정분자는 편광방향과 평행으로, 그리고 기판에 대하여 프리틸트각 2.5。로 배항해 있다.
또한 이때 조사부의 흡수분자의 배향방향을 한 방향으로 맞추기 위해서는 세정정 분리 방향(5)과 편광방향 완전히 90。로 교차하지 않도록 약간, 바람직하기로는 몇도 이상 비켜놓을 필요가 있다. 이 경우 최대로 세정액 제거방향과 평행이 되도록 편광방향(6)을 맞추어 놓는 것도 좋다. 또한 완전히 90。로 교차시키면, 각각의 분자가 두 방향으로 향하게 되는 경우가 있다.
여기에서 선택적으로 배향방향을 변화시키고자 할 경우에는 노광시 편광판에 패턴상의 마스크를 겹쳐 100∼200mJ의 에너지로 365nm 파장의 자외선을 조사하면, 조사된 부분의 배향방향이 변화하고 동일면 내의 배향막 내에서 패턴상으로 배향 방향이 다른 부분, 즉 세정액을 제거하기 위해 끌어올리는 방향(5)과 편광방향(6)을 따라 각각 액정이 배향하는 부분을 여러 개소에 설치할 수 있다. 또한 원하는 마스크를 편광판에 겹쳐 같은 조건에서 광선을 노출시키는 공정을 여러번 수행하면, 극히 용이하게 패턴상에 복수의 배향방향이 다른 단분자 층상의 액정 배향막을 제작할 수 있었다. 즉, 하나의 화소가 멀티도메인으로 배향된 액정 표시장치를 제공할 수 있었다.
또한 본 실시예에는 세정에 사용하는 물을 포함하지 않는 용매로서 알킬기를 포함하는 탄화수소계의 n-헥산을 사용하지만, 그것 이외에도 물을 포함하는 화학흡착물질을 용해하는 용매등과 같은 용매를 사용하는 것도 가능하다. 그 외에도, 플루오르화 탄소기, 염화탄소기 또는 실록산기를 포함하는 용매, 예를 들면 프레온 113, 클로로포름과 헥사메틸실록산 등을 각각 사용할 수 있다.
또한 본 실시예와 같이, 다음의 화학식 15로 표시되는 화학 결합 단위를 포함하고 있는 액정 배향막은 특히 트위스트 네막틱형 액정에 대한 배향 효과가 높지만, 그것 이외에 같은 방법으로 피막을 형성할 수 있는 물질로서 다음의 화학식 16으로 표시되는 물질이 적용될 수 있다.
(n은 1부터 14까지의 정수를 표시한다).
또한 이 경우에 화학 흡착액 제조용의 비수계 유기용매로서는 알킬기, 플루오르화탄소기, 염화탄소기나 실록산기를 포함하는 용매가 이용될 수 있었다.
(실시예 2)
실시예 1에 설명된 조건에 있어서, 상기 화학식 9에 표시된 감광성 기와 Si를 포함하는 화학흡착물질로서 실시예1에서 사용된 물질 대신에 다음의 화학식17(이 물질은 도7에 표시한 것 같이 240∼290nm에 감광 피크가 있다)에 표시된 물질을 사용하고 0.3㎛의 지분(숫돌가루)으로 러빙하고, 0.1∼0.3㎛의 홈이 다수 형성된 아크릴판을 기판에 겹치고 500W의 초고압 수은등의 250nm의 원자외광(아크릴판 투과 후 2.1mW/㎠)을 사용하여 800mJ 조사한 것 이외에는 동일한 실험을 행했다.
한편, 이 상태의 기판 2매를 사용하여 화학 흡착막이 서로 향하도록 조합하고 역평형이 되도록 세팅하고, 20 미크론 간격의 액정셀을 조립하여 네마틱 액정(ZLI 4792 ; 멜크사 제조)을 주입하여 배향 상태를 확인하면, 주입한 액정 분자는 편광 방향과 평행방향을 따라 기판에 대응하여 대략 프리틸트 각 4。로 배향하여 있다.
또한, 상기 물질과 동일한 피막을 형성할 수 있는 물질로서 다음의 화학식 18에 표시된 물질 또는 화학식 19에 표시된 물질 또는 화학식 20에 표시된 물질을 사용하는 것도 가능하다.
(n은 1부터 14까지의 정수, R은 탄소수 1부터 14까지의 알킬기 또는 페닐기를 표시한다. 단 n과 R의 탄소수의 합계는 1 부터 26까지이다)
(n은 1부터 14까지의 정수, R은 탄소수 1부터 14까지의 알킬기 또는 페닐기를 표시한다. 단 n과 R의 탄소수의 합계는 1부터 26까지이다)
(n은 1부터 14까지의 정수, R은 탄소수 1부터 14까지의 알킬기 또는 페닐기를 표시한다. 단 n과 R의 탄소수의 합계는 1부터 26까지이다)
보다 구체적으로 다음의 화학식 21 내지 화학식 25에 표시된 물질은 광선 노출양이 다르지만 동일하게 적용할 수 있었다.
(이 물질은 240∼280nm에 감광 피크가 있다.)
(이 물질은 240∼290nm에 감광 피크가 있다.)
(이 물질은 240∼310nm에 감광 피크가 있다.)
(이 물질은 240∼330nm에 감광 피크가 있다.)
(이 물질은 240∼330nm에 감광 피크가 있다.)
(실시예 3)
실시예 1에서 설명한 조건에 있어서, 클로로실란계 화학흡착물질로서, 상기 화학식11에 표시된 물질과, 다음의 화학식 26에 표시된 물질을 동일 몰비로 혼합하고, 1중량% 정도의 농도로 비수계 용매에 용해하여 화학 흡착 용액을 제조한 것외에는 동일한 실험을 행하였다.
그 결과, 상기 2종류의 클로로실란계 화합흡착물질의 염화규소기와 상기 기판 표면의 수산기의 사이에 각각 탈염산 반응이 발생하고, 더욱이 공기중의 수분과 반응하여 상기 화학식 13 및 다음의 화학식 27의 결합을 대략 1:1로 포함하는 단분자 층상의 박막(10)(이하 단분자막이라 함)이 형성되었다.
그 후에 이 상태의 기판을 2종류 사용하여 액제거하여 끌어올린 방향과 대략 평행방향으로 편광방향이 향해있는 편광판(HNP'B)(폴라로이드사 제조)을 기판에 겹쳐 세팅하고 500W의 초고압 수은등의 365nm(i선)의 자외광(편광막 투과후 2.6mW/㎠)을 사용하여 70mJ 조사했다.
그후, FT-IR을 사용하여 흡착된 분자의 이방성을 조사하면, 실시예 1과 동일하게 상기 감광기가 광중합되어 비닐기의 흡수가 없어졌다. 또한, 결합의 방향이 정해져 있지 않지만, 편광방향 수직방향에서 분명하게 흡수가 달라졌다. 이것은 상기 단분자막을 구성하는 물질이 상기 기판 표면에 결합 고정되고, 원하는 방향을 따라 도8에 표시되어 있는 바와 같이 감광성기의 부분에서 광중합된 단분자막이 형성되어 있는 것을 나타낸다.
다음으로, 이 상태의 기판 2매를 사용하여 화학 흡착막이 서로 향하도록 조합하여 편광방향은 평행으로 액제거 방향과 반대가 되게, 즉 역평형되게 세팅하여20 미크론 간격의 액정셀을 조립해서 세우고, 네마틱 액정(ZLI 4792 ; 멜크사 제조)을 주입하여 배향상태를 확인하면, 주입된 액정분자가 편광방향과 90。 교차된 방향을 따라 기판에 대하여 대략 프리틸트 각 1.5。로 배향하고 있었다. 그것은 광중합된 분자가 실시예 1에 비하여 경사져 있는 것을 나타낸다. 또한 이 막의 방향은 실시예 1에서 얻은 막에 비해 배향 규제력이 컸다.
(실시예 4)
다음으로, 상기 액정 배향막을 사용하여 액정 표시장치를 제조하는 제조 공정에 대하여 도 9를 사용하여 설명한다.
즉, 도9에 표시되어 있듯이 매트릭스 상에 설치된 제1의 전극군(11)과 이 전극을 구동하는 트랜지스터(12)를 갖는 제1기판(13) 및 제1의 전극군과 대향하여 설치된 칼라-필터군(14)과 제2의 전극(15)를 갖는 제2의 기판(16) 위에, 실시예 1과 동일한 순서로 행하여 제조된 화학 흡착액을 도포하여 동일한 화학 흡착막을 제작했다.
그 결과, 실시예 1과 동일하게 전극 패턴을 따라 재배향된 액정 배향막(17)을 제작할 수 있었다. 다음으로, 상기 제1기판(13)과 제2기판(16)을 전극이 대향하게 위치를 맞추어, 스페이서(18)와 접착제(19)로 대략 5 미크론 간격으로 배광 방향이 90。 트위스트된 셀을 마련했다. 그 후, 상기 제1기판과 제2기판에 상기 TN액정(ZLI 4792 ; 멜크사 제조)(20)을 주입한 후 편광판(21,22)을 조합하여 표시소자를 완성했다. 이 경우 주입된 액정의 프리틸트 각이 2.3o이었다.
이와 같은 장치는 백라이트(23)를 전면에 조사하면서 비디오 신호를 사용하여 각각의 트랜지스터를 구동하는 것으로 화살표 A의 방향으로 영상을 표시할 수 있었다.
(실시예 5)
실시예 3에 있어서, 단분자막을 제조한 후, 실시예 1과 동일한 조건에서 상기 편광판에 각각 화소를 바둑판 모양으로 4분할한 패턴상의 마스크를 겹쳐 광선을 노출하는 공정을 2회 실시하고, 동일 화소 내의 패턴상에 배향방향이 다른 부분을 4개소 설치하는 것이 가능할 수 있었다.
또한, 대향된 2개의 전극이 형성된 기판 표면에 각각 상기 피막을 배향막으로서 형성하면 더욱 배향 안정성이 우수한 액정 표시 장치가 되었다. 또한, 대향하는 전극이 하나의 기판 표면에 형성되어 있는, 즉, 인플레인 스위칭형(IPS) 방식의 액정 표시장치에 대하여도, 러빙이 필요없어 극히 유효했다.
또한, 상기 실시예 1 및 실시예 2에는 노출에 사용하는 광선으로서 각각 365nm의 자외선(초고압 수은등의 i선) 및 254nm의 원자외선을 사용하였지만, 막물질의 광선 흡수도에 맞추어 436nm 및 405nm의 가시광선이나, KrF 엑시머레이저에서 얻어지는 248nm의 원자외선을 사용하는 것도 가능하다. 특히, 248nm나 254nm의 광선은 대부분의 물질에 흡수되기 쉬워 에너지 배향 효율이 높다.
또한, 화학흡착물질에 있어서는 본 실시예에 사용된 클로로실란계 화학흡착물질과 같은 염화규소를 포함하는 물질의 대용으로 알콕시실릴기와 이소시아네이트실릴기를 포함하는 물질도 사용될 수 있었다. 이 경우에도 고도로 배향된 막을 얻었다.
이상에서 설명한 바와 같이, 제1발명군에 의하면 종래의 것에 비하여 매우 균일하고 얇으며, 우수한 배향 규제력을 갖는 액정 배향막을 제공할 수 있다. 더욱이 주입된 액정의 배향 방향을 원자외선과 자외선을 사용한 광중합 조사에 의해 제어하고, 박막의 조성을 변화시키므로써 프리틸트 각도를 변화시키는 것도 가능하다. 또한, 본 발명의 제조 방법에 의하면, 상기의 액정 배향막을 생산성이 높게 제조할 수 있다.
다시 말해, 단분자막 제막공정 후에 편광판에 패턴상의 마스크를 겹쳐 광선을 노출하는 공정을 여러번 행하면, 동일면 내의 배향막 내에 패턴상의 배향방향이 다른 부분을 여러 개소 설치하는 것이 가능하며, 러빙법으로는 제조가 어려웠던 각각의 화소의 배향이 여러 종류로 분할된 멀티도메인 액정 표시장치를 높은 효율로 합리적으로 제작할 수 있다.
또한, 이와 같은 배향막은 기판 표면에 공유결합을 개재하여 강고하게 결합되어 있으므로 신뢰성이 높은 액정 표시장치가 제공될 수 있다.
[제 2 발명군의 개시]
제2발명군은 상기 제1발명군과 동일하게 열적 안정성 등이 우수한 액정 배향막을 형성할 수 있는 신규한 화학흡착물질 및 그 화학흡착물질의 제조방법을 제공하는 것을 주목적으로 한다. 상기 제1발명군에 있어서 설명한 것과 중복을 피하기 위해 제2발명군에 관련된 화학흡착물질을 사용한 액정 배향막 및 액정 표시소자에 관한 설명은 생략하지만 제2발명군에 관련된 화학물질에 다른 발명군에 기재된 제작방법을 적용함으로써, 액정 배향막 및 액정 표시소자를 제작할 수 있는 것은 물론이다.
제2발명군의 발명은 아래의 구성에 의해 특징지어 진다,
(1) 아래의 화학식 2-1에 표시된 4'-치환 칼콘(chalcone) 유도체로부터의 화학흡착물질.
여기서, R은 탄소수 1 내지 3의 알킬기 또는 탄소수 1 내지 3의 알콕실기, p는 0 이상 2 이하의 정수, A는 2가의 관능기를 표시한다.
아래의 구성에서 상기 화학식 2-1의 A를 -(CH2)n-(여기서, n은 3이상 14이하의 정수를 표시함)로 할 수 있다.
여기에서 다음의 화학식 2-6에 표시된 칼콘 골격기를 갖는 화합물은 일반적으로 가시광선 영역(파장이 400nm∼700nm)에서는 투명하고 안정하며, 원자외선, 자외선 영역에서 광중합하는 감광성을 갖는다. 또한 염화규소기는 친수기를 갖는 기체에 화학흡착한다. 따라서 상기 구성의 화학흡착물질은 화학흡착에 의해 단분자 층상의 박막을 형성할 수 있고, 원자외선, 자외선 영역의 광선의 조사에 의해 분자 상호를 가교결합시킬 수 있어 액정 배향막 재료로 매우 적절하다.
(2) 상기 구조의 화학흡착물질은, 다음 구성의 제조방법으로 제조할 수 있다.
즉, 아래의 화학식 2-2에 표시된 4'-히드록시칼콘과 다음의 화학식 2-3에 표시된 화합물을 커플링하여 다음의 화학식 2-4에 표시된 물질을 합성하는 제1공정과, 불활성 기체 분위기에서 상기 화학식 2-4에 표시된 물질과 사염화규소를 사용하여 탈염산 반응시켜 아래의 화학식 2-5에 표시된 4'-치환 칼콘유도체를 합성하는 제2공정을 구비하는 화학흡착물질의 제조방법으로 제조할 수 있다.
(여기서, Ha1은 I, Br 또는 Cl을 표시하고, n은 3이상 14이하의 정수를 표시한다)
상기 제조방법을 다시 설명한다. 상기 화학식 2-1에 표시된 4'-치환 칼콘 유도체는, 예를 들면 아래에 표시한 (1) 및 (2)의 공정에 의해 합성할 수 있다.
(1) 상기 화학식 2-4에 표시된 4'-치환 칼콘유도체의 합성은, 4'-히드록시칼콘(화학식 2-2)과 상기 화학식 2-3에 표시된 물질의 커플링반응에 의해 합성할 수 있다. 즉, 불활성 기체 분위기에서, 4'-히드록시칼콘(화학식2-2)을 예를 들면 건조 DMF에 용해하고 냉각한 후, 수소화나트륨을 적가한다. 그 후, 실온까지 온도를 상승시켜 통상 2∼10시간, 바람직하기로는 5시간 교반한다. 그 후, 실온에서 상기 화학식 2-3에 표시된 화학물(예를 들면 6-클로로-1-헥산올을 통상 5∼10분, 바람직하기로는 10분 동안 적가하고, 통상 60∼85℃, 바람직하기로는 80℃로 가열하여 통상 5∼10시간, 바람직하기로는 7시간 반응시킴으로써 상기 화학식 2-4에 표시된 4'-치환 칼콘 유도체를 얻을 수 있다.
또한, 4'-히드록시칼콘(X)과 상기 화학식 2-3에 표시된 물질(Y)의 배합비율은 통상 X : Y = 0.8:1∼1:0.8(몰비)이고, 바람직하기로는 X:Y는 약 1:1이다. 또한 4'-히드록실칼콘(X)과 예를 들면 수산화나트륨과 같은 염기성을 갖는 시약(Z)과의 배합비율은 통상 X:Z= 1:0.8∼1:2이고, 바람직하기로는 X:Z = 1:1이다.
(2) 상기 화학식 2-5에 표시된 4'-치환 칼콘 유도체의 합성은, 예를 들면 상기화학식 2-4에 표시된 4'-치환 칼콘 유도체와 사염화규소의 탈염화 반응에 의해 합성할 수 있다. 즉, 불활성 기체분위기에서 다음의 화학식 2-4에 표시된 4'-치환칼콘 유도체와 사염화규소를 반응 플라스크에서 실온으로 통상 1∼10시간, 바람직하기로는 5시간 교반한다. 그 후, 과잉의 사염화규소를 증류 제거하고, 그 찌꺼기에 탈수 헥산을 첨가하여 결정을 분해한 후 여과 건조시키면 상기 화학식 2-5에 표시된 물질을 얻을 수 있다.
또한, 상기 화학식 2-4에 표시된 4'-치환 칼콘 유도체(X)와 사염화규소(Y)의 배합비율은 통상 X:Y=0.8:1∼1:0.8(몰비)이고, 바람직하기로는 X:Y는 약 1:1이다.
[제2발명군을 실시하기 위한 최선의 형태]
실시예에 기초하여 제2발명군의 내용을 구체적으로 설명한다. 아래의 실시예에 대한1H-NMR(핵자기공명) 스펙트럼 분석에는 히타치 제작소제의 R-1200을 사용하고, IR(적외선 흡수) 스펙트럼 분석에는 주식회사 토우리츠 제작소제의 FTIR 4300을 사용하고, UV(자외선흡수) 스펙트럼 분석에는 주식회사 토우리츠 제작소의 UV-240을 사용했다.
(실시예 2-1)
(1) 4'(6-히드록시헥실옥시)-칼콘(화학식2-7)의 합성
알코올 분위기에서 4'-히드록시칼콘(15.0g, 67밀리몰, 랜커스터사 제조)에 건조 DMF(N,N-디메틸포름알데히드) 90ml를 첨가하고, 200ml 반응플라스크 중에서 빙냉하에서 수소화나트륨(60%, 2.68g, 67밀리몰)을 30분간 적가했다. 그 후 실온까지 가온하여 5시간 교반한 후, 동일 온도에서 6-클로로-1-헥산올을(19.2g, 67m몰 동경화성사 제조) 10분간 적가하고 80℃로 가열하여 7시간 반응시켰다. 다음 단계로, 반응액을 얼음물에 주입하고 생성물을 초산에틸을 이용하여 추출한 후 물로 세정하고 세정한 용액을 황산마그네슘을 이용하여 탈수건조하여 초산에틸을 제거했다. 획득한 조결정을 실리카겔칼럼을 이용하여 정제(이동상은 헥산:초산에틸=4:1)한 후 초산에틸로 재결정함으로써 4'-(6-히드록시헥실옥시)-칼콘(10.7g, 23.4밀리몰)의 정제품을 수율 49.3%로 얻었다.
(2) 4'-(6-트리클로로실록시헥실옥시)-칼콘(화학식 2-8)의 합성
알코올 분위기에서 4'-(6-히드록시헥실옥시)-칼콘(10.5g, 32밀리몰)과 사염화규소(화광순약 주식회사 제조, 20g, 118밀리몰)를 100ml 반응 플라스크 중에서 실온에서 5시간 교반했다.
그 후 과잉의 사염화규소를 증류제거하고, 이 찌꺼기에 탈수 헥산을 첨가하여 결정을 분산한 후 여과건조하면 4'-(6-트리클로로실록시헥실옥시)-칼콘(6.2g)의 정제품을 수율 42.3%로 얻었다.
이와 같이 얻은 4'-(6-트리클로로실록시헥실옥시)-칼콘(화학식 2-8)은 연한 황색의 분말상 결정이었다. 이 결정에 대한1H-NMR 스펙트럼 분석(CDC13) 결과를 도 2-1에 표시한다. 도2-1에 표시된 바와 같이 δ1.6(s,CH2), 4.0(d, 올레핀 H), 6.9(d), 7.4(m), 8.0(d)(벤젠환 H) ppm의 시그널이 존재했다.
다음으로 IR 스펙트럼 분석 결과를 도2-2에 표시한다. 도2-2에 표시된 바와 같이 2940, 2860(CH2), 1650(C=O), 1600, 1580, 1450(벤젠환 골격), 1230(ø-0-C), 1080(Si-O), 830(SiCl)cm-1에서 흡수를 나타냈다.
이 물질의 클로로포름 중에서 얻어진 자외선 흡수 스펙트럼을 도2-3에 표시한다. 도2-3에 표시된 자외선 흡수 스펙트럼에 의해 가시광선 영역에서 흡수가 되지 않고 원자외선, 자외선 영역에서 흡수가 강한 것이 증명되었다. 또한 도2-3에서 파장 500nm∼700nm 사이에는 흡수가 없기 때문에 흡수 커브를 생략했다.
도2-4는 가스크로마토그래피의 측정 결과를 표시한 차트이다. 체류시간 14.861분의 피크가 실시예에 의해 획득된 4'-(6-트리클로로실록시헥실옥시)-칼콘이고, 99% 이상의 순도임을 나타낸다. 또한 체류시간 1∼2분의 피크는 캐리어의 저비점 용매를 나타낸다.
(실시예 2-2)
(1) 4'-(12-히드록시도데실옥시)-칼콘(화학식 2-9)의 합성
알코올 분위기에서 4'-히드록시칼콘(15.0g, 67밀리몰)에 건조 DMF 90ml를 첨가하고, 200ml 반응플라스크 중에서 빙냉하에서 수소화나트륨(60%, 2.68g, 67밀리몰)을 30분간 적가했다. 그후 실온까지 가온하여 5시간 교반한 후 같은 온도에서12-클로로-1-도데칸올(14.8g, 67밀리몰)을 10분간 적가했다. 또한 80℃로 가열하여 7시간 반응시켰다. 그 다음에 반응액을 얼음물에 주입하고, 생성물을 초산에틸을 이용하여 추출한 후 물로 세척하고 황산마그네슘을 이용하여 탈수건조하고 용매를 제거했다.
획득된 조결정을 실리카겔칼럼을 이용하여 정제(이동상은 헥산 : 초산에틸=4:1)한 후, 초산에틸로 재결정하여 4'-(12-히드록시도데실옥시)-칼콘(12.9g, 31.6밀리몰)의 정제품을 수율 47.2%로 얻었다.
(2) 4'-(12-트리클로로실록시도데실옥시)-칼콘(화학식 2-10)의 합성
알코올 분위기에서 4'-(12-히드록시도데실옥시)-칼콘(13.1g, 32밀리몰)과 사염화규소(20g, 118밀리몰)를 100ml 반응플라스크 중에서, 실온에서 5시간 교반했다. 그후 과잉의 사염화규소를 증류제거하고, 찌꺼기에 탈수 헥산을 첨가하여 결정을 분산 후 여과건조하면, 4'-(12-트리클로로실록시도데실옥시)-칼콘(5.9g, 10.9밀리몰)의 정제품을 수율 34.1%로 얻었다.
이와같이 획득한 4'-(12-트리클로로실록시도데실옥시)-칼콘(화학식 2-10)은 연한 황색의 분말상 결정이었다.
이 물질의 클로로포름 중에서 얻어진 자외선 스펙트럼은 도2-3과 대체로 같았다. 이 흡수 스펙트럼에 의해, 가시광선 영역에서 흡수가 안되며 원자외선, 자외선 영역에서 흡수가 강한 것이 증명되었다.
(실시예 2-3)
(1) 4'-(14-히드록시테트라데실옥시)-칼콘(화학식2-11)의 합성
알코올 분위기에서 4'-히드록시칼콘(15.0g, 67밀리몰)에 건조 DMF 90ml를 첨가하고, 200ml 반응플라스크 중에서 빙냉하에서 수소화나트륨(60%, 2.68g, 67밀리몰)을 30분간 적가했다. 그 후 실온까지 가온하여 5시간 교반한 후, 동일 온도에서 14-클로로-1-테트라데카놀(16.6g, 67밀리몰)을 10분간 적가하고 80℃로 가열하여 7시간 반응시켰다. 다음 단계로, 반응액을 얼음물에 주입하고 생성물을 초산에틸을 이용하여 추출한 후 물로 세정하고 세정한 용액을 황산마그네슘을 이용하여 탈수건조하여 용매를 제거했다. 획득한 조결정을 실리카겔칼럼을 이용하여 정제(이동상은 헥산:초산에틸=4:1)한 후 초산에틸로 재결정함으로써 4'-(14-히드록시테트라데실옥시)-칼콘(13.6g, 31.2밀리몰)의 정제품을 수율 46.6%로 얻었다.
(2) 4'-(14-트리클로로실록시테트라데실옥시)-칼콘(화학식 2-12)의 합성
알코올 분위기에서 4'-(14-히드록시테트라데실옥시)-칼콘(10.5g, 32밀리몰)과 사염화규소(20g, 118밀리몰)를 100ml 반응 플라스크 중에서 실온으로 5시간 교반했다.
그후 과잉의 사염화규소를 증류제거하고, 이 찌꺼기에 탈수 헥산을 첨가하여 결정을 분산한 후 여과건조하면 4'-(14-트리클로로실록시테트라데실옥시)-칼콘(5.34g, 9.38밀리몰)의 정제품을 수율 29.3%로 얻었다.
이와 같이 얻은 4'-(14-트리클로로실록시테트라데실옥시)-칼콘(화학식 2-12)은 연한 황색의 분말상 결정이었다.
이 물질의 클로로포름 중에서 얻어진 자외선 흡수 스펙트럼은 도2-3과 대체로 같았다. 이 흡수 스펙트럼에 의해 가시광선 영역에서 흡수가 되지 않고 원자외선, 자외선 영역에서 흡수가 강한 것이 증명되었다.
(실시예 2-4)
(1) 4'-(3-히드록시프로필옥시)-칼콘(화학식 2-13)의 합성
알코올 분위기에서 4'-히드록시칼콘(15.0g, 67밀리몰)에 건조 DMF 90ml를 첨가하고 200ml 반응 플라스크 중에서 빙냉하에서 수소화나트륨(60%, 2.68g, 67밀리몰)을 30분간 적가했다. 그 후 실온까지 가온하여 5분간 교반한 후 같은 온도에서3-클로로-1-프로판올(6.33g, 67밀리몰)을 10분간 적가하고, 80℃로 가열하여 7시간 반응시켰다. 그 다음에 반응액을 얼음물에 주입하고, 생성물을 초산에틸을 이용하여 추출한 후 물로 세척하고 황산마그네슘을 이용하여 탈수건조하고 용매를 제거했다.
획득된 조결정을 실리카겔칼럼을 이용하여 정제(이동상은 헥산 : 초산에틸=4:1)한 후, 초산에틸로 재결정하여 4'-(3-히드록시프로필옥시)-칼콘(9.71g, 34.4밀리몰)의 정제품을 수율 51.4%로 얻었다.
(2) 4'-(3-트리클로로실록시프로필)-칼콘(화학식 2-14)의 합성
알코올 분위기에서 4'-(3-히드록시프로필옥시)-칼콘(9.02g, 32밀리몰)과 사염화규소(20g, 118밀리몰)을 100ml 반응플라스크 중에서, 실온에서 5시간 교반했다. 그 후 과잉의 사염화규소를 증류제거하고, 찌꺼기에 탈수 헥산을 첨가하여 결정을 분산 후 여과건조하면, 4'-(3-트리클로로실록시프로필옥시)-칼콘(22.8g, 55.0밀리몰)의 정제품을 수율 46.6%로 얻었다.
이와 같이 획득한 4'-(3-트리클로로실록시프로필옥시)-칼콘(화학식 2-14)은 연한 황색의 분말상 결정이었다. 이 물질의 클로로포름 중에서 얻어진 자외선 스펙트럼은 도2-3과 대체로 같았다. 이 흡수 스펙트럼에 의해, 가시광선 영역에서 흡수가 안되며 원자외선, 자외선 영역에서 흡수가 강한 것이 증명되었다
(실시예 2-5)
6-브로모-1-헥산올을 이용한 4'-(6-히드록시헥실옥시)-칼콘(화학식2-7)의 합성
알코올 분위기에서 4'-히드록시칼콘(15.0g, 67밀리몰)에 건조 DMF 90ml를 첨가하고, 200ml 반응 플라스크 중에서 빙냉하에서 수소화나트륨(60%, 2.68g, 67밀리몰)을 30분간 적가했다. 그 후 실온까지 가온하여 5시간 교반한 후, 같은 온도에서 6-브로모-1-헥산올을(12.1g, 67밀리몰) 10분간 적가하고, 80℃로 가열하여 7시간 반응시켰다. 다음 단계로, 반응액을 얼음물에 주입하고 생성물을 초산에틸을 이용하여 추출한 후 물로 세척하고 세척한 용액을 황산마그네슘을 이용하여 탈수건조하여 용매를 제거했다. 획득한 조결정을 실리카겔칼럼을 이용하여 정제(이동상은 헥산:초산에틸=4:1)한 후 초산에틸로 재결정함으로써 4'-(6-히드록시헥실옥시)-칼콘(12.2g, 37.7밀리몰)의 정제품을 수율 56.2%로 얻었다.
또한 생성물의 구조는1H-NMR 및 IR로 확인했다.
(실시예 2-6)
(1) 6-요오드-1-헥산올을 이용한 4'-(6-히드록시헥실옥시)-칼콘(화학식 2-7)의 합성
알코올 분위기에서 4'-히드록시칼콘(15.0g, 67밀리몰)에 건조 DMF 90ml를 첨가하고, 200ml 반응플라스크중에서 빙냉하에서 수소화나트륨(60%, 2.68g, 67밀리몰)을 30분간 적가했다. 그 후 실온까지 가온하여 5시간 교반한 후 같은 온도에서 6-요오드-1-헥산올(15.3g, 67밀리몰)을 10분간 적가하고, 80℃로 가열하여 7시간 반응시켰다. 그 다음에 반응액을 얼음물에 주입하고, 생성물을 초산에틸을 이용하여 추출한 후 물로 세척하고 황산마그네슘을 이용하여 탈수건조하고 용매를 제거했다.
획득된 조결정을 실리카겔칼럼을 이용하여 정제(이동상은 헥산 : 초산에틸=4:1)한 후, 초산에틸로 재결정하여 4'-(6-히드록시헥실옥시)-칼콘(13.1g, 40.5밀리몰)의 정제품을 수율 60.5%로 얻었다. 생성물의 구조는1H-NMR 및 IR로 확인했다.
또, 이상의 실시예에서는 감광성기로서 상기 화학식 2-6에 표시된 관능기를 사용하였지만, 아래의 화학식 2-15에 표시된 감광성기를 포함하는 물질도 동일하게 합성할 수 있다.
(R1, R2는 각각 -H, -CH3, -C2H5, -OCH3를 표시한다)
또한, 흡착부위인 염화규소기로서 SiCl3기를 사용하였으나, 아래 화학식 2-16에 표 시된 염화규소기를 포함한 물질도 동일한 방법으로 합성할 수 있다.
(다만, R은 탄소수 1∼3의 알킬기 또는 탄소수 1∼3의 알콕시기, p는 0∼2의 정수를 표시한다)
다만, 액정 배향막용의 화학흡착물질에 있어서 실용가치가 있는 물질은 감광 파장 영역이 원자외선, 자외선 영역에 있고, 가시광선 영역에는 투명한 물질로 한정된다.
이상의 설명과 같이, 제2발명군과 관련된 4'-치환 칼콘 유도체는 상기 화학식 2-1에 표시된 신규하고 유용한 화합물이다. 이 화합물은 가시광선 영역에 있어서는 투명하고 안정하고, 원자외선, 자외선 영역에서 중합하는 감광성기로서 분자 내에 상기 화학식 2-6에 표시된 기를 갖고 있고, 화학흡착법을 사용할 경우 흡착부위로서 유효한 염화규소를 포함하기 때문에 액정 배향막용의 단분자막을 제조하는 목적에 적합한 화학흡착물질로서 사용될 수 있다.
[제2발명군에 대한 도면의 간단한 설명]
도2-1은 실시예 2-1에 의해 합성된 화합물의1H-NMR 스펙트럼 분석(CDC13)의 결과를 표시한 차트이다.
도2-2는 실시예 2-1에 의해 합성된 화합물의 IR 스펙트럼 분석결과를 표시한 차트이다.
도2-3은 실시예 2-1에 의해 합성된 화합물의 클로로포름 중에서의 자외선 흡수 스펙트럼을 표시한 차트이다.
도 2-4는 실시예 2-1에 의해 합성된 화합물의 가스크로마토그래피의 측정결과를 표시한 차트이다.
[제3발명군의 개시]
제3발명군은 상기 제2발명군과 동일하게 열적 안정성등이 우수한 액정 배향막을 형성할 수 있는 신규한 화학흡착물질 및 그 화학흡착물질의 제조방법을 제공하는 것을 주목적으로 한다. 또 제3발명군의 화학흡착물질은 상기 제4발명군의 액정 배향막 및 액정 표시소자에 사용된다.
제3발명군의 발명은 다음의 구성을 특징으로 한다. 이 구성에 의해 가시광선 영역에서 투명하고 안정되며, 자외선 영역에서 가교반응할 수 있고, 기체에 화학흡착법에 의해 결합고정될 수 있는 피막재료가 제공될 수 있다.
(1) 아래의 화학식 3-1에 표시된 기 및 - SiX(단, X는 할로겐)기를 포함하는 직쇄상의 화합물로 된 화합흡착물질.
2) 상기 (1)의 구성에 있어, 상기 화합물은 아래의 화학식 3-2에 표시한 것일 수 있다.
(단, R은 알킬기, R'는 알킬기 또는 알콕시기, X는 할로겐, p는 0∼2의 정수, A는 2가의 관능기를 표시한다.)
(3) 상기 (1)의 구성에 있어, 상기 화합물은 아래의 화학식 3-3에 표시한 것일 수 있다.
(단, n 및 m은 3∼14의 정수를 표시한다.)
상기 구성의 화학흡착물질을 제조하는 방법으로 다음의 구성을 채용할 수 있다.
(4) 불활성 기체 분위기에서 아래 화학식 3-1에 표시된 기를 포함하는 알코올과 SiX4(단, X는 할로겐)를 축합반응시킴으로써 -O-SiX3결합을 갖는 화합물을 합성하는 화학흡착물질의 제조방법.
(화학식 3-1)
(5) 상기 (4)의 구성에 있어, 상기 화학식 3-1에 표시된 유기기를 갖는 알코올을, 말단에 아래의 화학식 3-4에 표시된 기를 포함하는 화합물 및 일단에 아래의 화학식 3-5에 표시된 기를 갖고 타단에 수산기를 갖는 화합물과 축합반응시켜 합성할 수 있다.
[제3발명군에 대한 도면의 간단한 설명]
도3-1은 실시예 3-1의 화학흡착물질의1H-NMR 스펙트럼이다.
도3-2는 실시예 3-1의 화학흡착물질의 클로로포름 중에서의 자외·흡수 스펙트럼이다.
[제3발명군을 실시하기 위한 최선의 형태]
실시예에 기초하여 제3발명군의 내용을 구체적으로 설명한다. 아래의 실시예에서1H-NMR(핵자기공명) 스펙트럼 분석에는 히타치 제작소제의 R-1200을 사용하고, IR(적외선 흡수) 스펙트럼 분석에는 주식회사 투오리츠 제작소제의 FTIR 4300을 사용하고, UV(자외선흡수)스펙트럼 분석에는 주식회사 토우리츠 제작소의 UV-240을 사용했다.
(실시예 3-1)
반응공정 1:
1L 반응플라스크에 수산화칼륨 115.2g과 물 300ml를 넣고 -5∼0℃로 냉각했다.
이것에 강하게 교반하면서 브롬 122. 4g을 25분간 적가하였다.
다음으로 5-헥신-1-올 45.0g(0.459몰)을 15℃에서 30분간 적가했다. 15℃에서 30분간 교반한 후 반응 혼합물을 이소프로필알코올로 추출하고, 추출액을 포화식염수로 세척한 후 MgSO4상에서 건조했다.
용매 제거 후 조생성물을 78.6g 얻었다. 이것을 n-헥산/초산에틸 = 2/1을 이동상으로 이용하여 실리카겔칼럼 정제하여 57.5g의 정제물을 얻었다(수율 70.8%).
반응공정 2:
질소 기류하에서, 염화동(I) 1.16g, 물 26ml, 70% 에틸아민 수용액 58ml, 히드록실아민 염산염 7.21g을 1L 반응플라스크에 넣고 실온에서 20분간 교반했다. 그 후 1-트리데신(1-Tridecyne) 26.0g(0.144몰)의 메탄올 270ml 용액을 첨가하고 20분간 교반했다.
생성된 황색 현탁액에 40℃에서 6-브로모헥스-5-인-1-올(6-Bromohex-5-yn-1-ol) 25.5g(0.144몰)의 메탄올 70ml 용액을 50분간 적가했다. 적가 후 같은 온도에서 1시간 교반했다.
다음으로, 강하게 교반하면서 시안화칼륨 3.6g과 염화암모늄 14.4g을 용해한 수용액 230ml를 첨가했다. 이 반응혼합물을 초산에틸로 추출하고 추출액을 포화염화암모늄 수용액으로 세정한 후, MgSO4상에서 건조했다.
용매 제거 후 조생성물 39.0g을 얻었다. 이것을 n-헥산/초산에틸=4/1을 이동상으로 이용하여 실리카겔칼럼 정제하여 12.8g의 정제물을 얻었다(수율 32.3%).
반응공정 3:
아르곤 기류하에서 5,7-노나데카딘-1-올 12.8g(46.4몰), SiCl420g을 100ml 반응 플라스크에 넣고 실온에서 1시간 교반했다.
과잉의 SiCl4를 제거 후 불용물을 여과하고 16.2g의 정제물(아래 일반식(화학식 3-6))을 얻었다(수율 85.3%).
또한, 각 공정에서의 반응 및 최종 생성물은 NMR(도 3-1)로 확인했다.
또한 이 물질의 클로로포름 중에서 얻은 자외·가시 스펙트럼을 도 3-2에 표시한다. 이것으로 240∼280nm의 시그널이 존재하고, 가시광선 영역에서 흡수되지 않으며, 자외선, 원자외선 영역에서 흡수가 강함이 증명되었다.
(실시예 3-2)
실시예 3-1에서의 반응공정1에서 5-헥신-1-올 대신에 7-옥틴-1-올을 사용하여 동일한 반응을 행했다. 그 결과, 최종 수율은 35.6%였고, 아래의 화학식 3-7에 표시된 물질을 얻었다.
(실시예 3-3)
실시예 3-1에서의 반응공정2에서 트리테신 대신에 1-도데신(1-Dodecyne)을 사용하여 동일한 반응을 행했다. 그 결과 최종 수율이 28.2%였다.
또한 아래 일반식(화학식 3-8)로 표시된 물질을 얻었다.
이상의 실시예에서는 흡착부위로 -SiCl3기를 사용하였지만, 다음의 일반식(화학식 3-9)에 표시된 할로실릴기를 포함하는 물질도 동일하게 합성할 수 있다.
(단, R은 알킬기 또는 알콕시기, X는 할로겐, p는 0∼2를 표시한다)
이상에서와 같이, 제3발명군에 의하면 가시광선 영역에서 투명하고 안정하며, 자외선 영역에서 광중합하는 감광기로서 분자 내에 상기 화학식 3-1에 표시된 관능기를 가지며, 화학흡착법을 이용할 경우 흡착부위로서 유효한 SiCl3기를 포함하는 직쇄상의 화학흡착물질을 높은 효율로 제조할 수 있다.
그리고 제3발명군의 화학흡착물질 중에서, 감광 파장 영역이 원자외선, 자외선영역(200nm∼400nm의 파장)에 있고, 가시광선 영역(400nm∼700nm의 파장)에서 투명한 화학흡착물질이 액정 배향막용의 재료로서 적절히 사용될 수 있다.
[제4발명군의 개시]
제4발명군의 발명은 다음의 구성에 의해 특징지어 진다.
(1) 적어도 전극을 갖는 기판 표면에 화학흡착된 단분자 층상의 박막으로 된 액정 배향막에 있어, 다음의 화학식 4-1에 표시된 기에서 유래한 분자를 포함하는 물질로 구성된 것을 특징으로 하는 액정 배향막.
(2) 상기(1)에 있어, 상기 물질은 다음의 화학식 4-2, 화학식 4-3, 화학식 4-4, 화학식 4-5에 표시된 적어도 한 개의 화학결합 단위를 포함하는 것으로, 상기 화학결합 단위의 Si부분을 개재하여 상기 기판 표면에 화학흡착하고, 상기 화학결합 단위 상호가 탄소·탄소 결합에 의해 특정 방향으로 가교결합된 것을 특징으로 한다.
(단, 화학식 4-2∼화학식 4-5 중 A는 2가의 관능기를 표시한다.)
상기 화학식 4-1에 표시된 기의 부분에서 구성분자 상호가 가교결합된 구성을 갖는 액정 배향막은 액정분자를 배향시키는 데에 적합하다. 그리고, 특히 트위스트 네막틱형 액정에 대하여 배향 규제력이 크다.
상기 구성의 액정 배향막은 다음의 제조방법으로 제조할 수 있다.
(3) 적어도 전극을 갖는 기판면에 다음의 화학식 4-1에 표시된 기와 -SiX(단, X는 할로겐)기를 갖는 화학흡착물질을 포함하는 용액을 접촉시켜, 상기 기판 표면에 상기 화학흡착물질을 화학흡착시키는, 화학흡착분자로 구성된 박막을 형성하는 박막 형성공정과, 상기 박막면에 자외선 또는 원자외선을 조사하여 박막을 구성하는 화학흡착분자를 특정 방향을 따라 가교결합시키는 가교결합공정을 구비하는 액정 배향막의 제조방법.
(화학식 4-1)
(4) 상기(3)에 있어서, 상기 박막 형성공정 후에 미흡착물질을 제거하는 세정공정과, 세정액을 일정 방향으로 제거하는 액체제거공정을 첨가하고, 액체제거공정 후에 상기 가교결합공정을 행하는 구성을 부가할 수 있다.
이 구성에 의하면, 미흡착분자 제거와 흡착분자의 가배향을 효율적으로 수행할 수 있고, 흡착분자에 대하여 광조사함으로써 가교 연결방향을 제어하기 쉽다.
(5) 또한 상기(4)에 있어서, 상기 세정액으로서 비수계 용제를 사용할 수 있다.
(6) 또한 상기(4)에 있어서 박막이 형성된 기판을 비수계 용제로 된 세정액에 담근 후 상기 기판을 액면에 대하여 수직방향으로 유지하면서 위쪽으로 끌어올림으로써 상기 액체제거공정을 수행할 수 있다.
(7) 상기(3)에 있어서, 상기 광조사를 편광판 또는 표면을 러빙한 투명판을 개재하여 수행할 수 있다.
이 구성에 의해서도 흡착분자를 특정방향으로 배항되게 할 수 있다.
(8) 상기(4) 있어서, 상기 광조사를 편광판 또는 표면을 러빙한 투명판을 개재하여 수행할 수 있다.
이 구성에 의해서도 흡착분자를 특정방향으로 배항되게 할 수 있다.
(9) 상기(3)에 있어서, 상기 광조사를 편광판 또는 표면을 러빙한 투명판에 패턴상의 유리를 겹쳐 수행할 수 있다.
이 구성에 의해서도 흡착분자 상호의 화학결합 방향을 제어하여 패턴상의 소구획마다 흡착분자의 배향방향을 다르게 할 수 있다.
(10) 상기(4)에 있어서, 상기 광조사를 편광판 또는 표면을 러빙한 투명판에 패턴상의 마스크를 겹쳐 수행하여 흡착분자 상호의 화학결합 방향을 제어하여 패턴상의 구획마다 흡착분자의 배향방향을 다르게 할 수 있다.
(11) 상기(3)에 있어서, 상기 화학흡착물질을 함유하는 용액의 용제로서 알킬기, 플루오르화탄소기, 염화탄소기 또는 실록산기를 포함하는 분자로 된 용제를 사용할 수 있다.
상기 제조방법으로 제조된 액정 배향막을 이용한 본 발명의 액정 표시장치는 다음의 구성을 가질 수 있다.
(12) 적어도 전극을 갖는 2매의 기판을 전극측을 내측으로 하여 대향시키고, 양 기판의 사이에 액정을 주입한 구성의 액정 표시장치에 있어서, 상기 기판의 적어도 한쪽 방향의 기판 표면에는 액정 배향막이 형성되어 있고, 상기 액정 배향막은 분자 구조 중에 다음의 화학식 4-1에 표시된 관능기와 -SiX(단, X는 할로겐)기를 갖는 화학흡착물질에서 유래된 물질로 된 박막이 기판면에 결합고정되어 있는 것임을 특징으로 하는 액정 표시소자.
(화학식 4-1)
(13) 상기 (12)에 있어서, 상기 액정 배향막은 상기 화학식 4-2, 화학식 4-3, 화학식 4-4, 화학식 4-5에 표시된 적어도 한 개의 화학결합 단위를 포함하며, 화학결합 단위의 Si기 말단에서 상기 기판 표면에 화학흡착되고, 상기 화학결합 단위 상호가 탄소·탄소 결합에 의해 특정방향으로 가교결합된 단분자상의 박막으로 구성된 것일 수 있다.
(14) 상기 (12)에 있어서, 상기 액정 배향막은 1화소 단위를 여러개로 분할한 소구획마다 다른 액정 배향방향을 갖는 것일 수 있다.
(15) 상기(14)에 있어서, 상기 소구획은 기판의 화소 영역에 패턴상으로 배치된 것일 수 있다.
(16) 상기(13)에 있어서, 상기 액정 배향막은 1화소 단위를 여러개로 분할한 소구획마다 다른 액정 배향방향을 가진 것일 수 있다.
(17) 상기(16)에 있어서, 상기 소구획은, 기판의 화소 영역에 패턴상으로 배치된 것일 수 있다.
또한 본 발명에 대한 액정 표시소자를 다음의 구성을 갖도록 할 수도 있다.
(18) 전극과 대향전극이 동일 기판 상에 형성된 인플레인 스위칭형(IPS)의 액정 표시소자에 있어서, 상기 기판의 전극 및 대향전극이 형성된 면에는 액정 배향막이 형성되어 있고, 상기 액정 배향막은 분자 구조 중에 상기 화학식 4-1에 표시된 관능기와 -SiX(단, X는 할로겐)기를 갖는 화학흡착물질이 -Si-O- 결합에 의해 기판면에 결합되고, 구성분자 상호가 특정 방향으로 가교결합되어 있는 것을 특징으로 하는 액정 표시소자.
(19) 상기 (18)에 있어서, 상기 액정 배향막은, 상기 화학식 4-2, 화학식 4-3, 화학식 4-4 또는 화학식 4-5에 표시된 적어도 한 개의 화학결합 단위를 포함하고, 상기 화학결합 단위의 Si기 말단에서 상기 기판 표면에 화학흡착되고, 상기 화학결합 단위 상호가 탄소·탄소 결합함으로써 특정방향으로 가교결합된 단분자층상의 박막으로 구성된 것을 특징으로 한다.
상기 액정 표시소자는 다음의 구성을 갖는 제조방법에 의해 제조될 수 있다.
(20) 분자 구조 중에 상기 화학식 4-1에 표시된 관능기와 -SiX(단, X는 할로겐)기를 포함하는 화합흡착물질을 비수계 용제에 용해하여 화학흡착액을 만드는 화학흡착액 제조공정과, 적어도 전극군이 매트릭스상에 형성된 제1기판에 상기 화학흡착액을 접촉시켜 화학흡착물질이 -SiX기 부분에 의해 상기 기판면에 화학흡착된 단분자층상의 박막을 형성하는 박막 형성공정과, 상기 박막을 비수용제로 세정한 후 당해 기판을 일정한 방향으로 세우고 상기 세정용 비수용제를 액체제거 건조함으로써 흡착분자를 가배향시키는 가배향공정과, 가배향된 박막에 자외선 또는 원자외선을 조사하여 흡착분자 상호를 광중합에 의해, 특정방향으로 가교결합시켜 특정의 배향특성을 갖는 액정 배향막이 부착된 제1기판을 제조하는 배향특성 부여공정과, 상기 액정 배향막이 부착된 제1기판과 대항기판 또는 상기 액정 배향막이 부착된 제1기판과 동일하게 제조한 대향전극을 갖는 액정 배향막이 부착된 제2기판을 전극면을 내측으로 하여 원하는 간극을 유지한 상태에서 겹쳐 주위를 접착 고정하는 빈 셀 제조공정과, 상기 빈셀 내에 액정을 주입하는 액정 주입공정을 구비하는 액정 표시소자의 제조방법.
(21) 상기 (20)에 있어서, 상기 배향 특성 부여공정에서 자외선 또는 원자외선의 조사를 편광판에 패턴상의 유리를 겹쳐 행할 수 있다. 이것에 의해 흡착분자 상호의 화학결합 방향을 제어하고, 패턴상의 소구획마다 흡착분자의 배향방향이 다른 멀티도메인의 액정 배향막이 부착된 제1기판을 제조할 수 있다.
[제4발명군에 대한 도면의 간단한 설명]
도4-1은 본 발명의 실시예 4-1에서의 액정 배향막 제조에 사용하는 화학흡착공정을 설명하기 위한 단면 개념도이다.
도4-2는 본 발명의 실시예 4-1에서의 액정 배향막 제조의 세정공정을 설명하기 위한 단면 개념도이다.
도4-3은 본 발명의 실시예 4-1에서의 액정 배향막에 대한 처리의 설명도이다.
도4-4는 본 발명의 실시예 4-1에서 노출된 광선에 의해 흡착된 분자를 재배향시키기 위해 사용된 노광 공정의 개념도이다.
도4-5는 본 발명의 실시예 4-1에서 광노광 후에 액정 배향막 내의 분자 배향상태를 설명하기 위한 개념도이다.
도4-6은 본 발명의 실시예 4-1에서의 중합반응을 나타낸 도면이다.
도4-7은 본 발명의 실시예 4-3에서의 액정 표시장치의 제조를 설명하기 위한 단면 개념도이다.
[제4발명군을 실시하기 위한 최선의 형태]
이하, 실시예를 이용하여 본 발명을 더욱 구체적으로 설명한다.
(실시예 4-1)
표면에 투명전극이 형성된 유리기판(1)(표면에 수산기를 다수 포함한다)을 준비하고, 사전에 잘 세정탈지한다. 다음으로, 탄소쇄를 포함하며 상기 탄소쇄의 말단의 일부에 상기 화학식 4-1에 표시된 기와 Si를 포함하는 클로로실란계 화학흡착물질(화학흡착 화합물 혹은 계면 활성제라고도 한다), 예를 들면 다음의 화학식 4-6을 비수계 용매를 이용하여 1중량% 정도의 농도로 비수계 용매에 용해하여 화학흡착 용액을 제조했다.
비수계 용매로는, 잘 탈수된 헥사데칸을 사용했다. 이와 같이 제조된 용액을 흡착용액(2)으로 하고, 이 흡착용액(2)에 건조 분위기(상대습도 30% 이하)에서 상기 기판(1)을 1시간 정도 담가 두었다(도포해도 좋다)(도 4-1).
그후에, 액체로부터 끌어올려, 잘 탈수된 물을 포함하지 않는 비수계 용매인n-헥산(3)으로 세정한 후, 기판을 원하는 방향으로 세운 상태에서 세정액으로부터 위로 끌어올려 세정액을 액체 제거하여 수분을 포함하는 공기 중에 폭로했다(도 4-2).
상기의 일련의 공정에서, 상기 클로로실란계 화학흡착물질의 SiCl기와 상기 기판 표면의 수산기에 탈HCl반응이 일어나고, 공기중의 수분과 반응하여 화학식 4-7의 결합이 생성되어 단분자 층상의 박막(이하, 화학흡착물질 단분자막이라 한다)이 형성되었다. 이 물질은 240∼290nm에 감광 피크가 나타났다.
이 때, 유기용제로 세정하고 원하는 방향으로 기판을 세워 액체 제거할 경우, 액체 제거 방향으로 상기 고정된 분자를 가배향시키는 효과가 있다. 이상의처리에 의해, 상기 클로로실란계 화학흡착물질이 반응하여 된 화학흡착 단위막(4)는 기판 표면의 수산기가 포함된 부분에 실록산 결합을 개재하여 고정되고, 결합된 분자는 액체 제거하는 방향을 따라 어느 정도 배향하여 약 2nm의 막두께로 형성되었다.
그 후에 이 상태의 기판을 2종류 사용하여 액체 제거 방향(5)과 대략 수평방향으로 편광방향(6)이 향하게 함으로써 편광판(7)(HNP'B, 폴라로이드사 제조)을 기판에 겹쳐 세팅하고 500W의 초고압 수은등의 254nm의 자외선(8)(편광판 투과 후 2.1mW/㎠)을 사용하여 100mJ 조사했다(도 4-3).
그 후에, FTIR을 사용하여 흡착된 분자의 이방성을 조사하면, 상기 감광기가 광중합되어 디아세틸렌기의 흡수가 사라졌다. 또한, 결합의 방향은 정해져 있지 않지만, 편광방향과 수직방향으로 분명히 흡수가 달라져 있었다.
즉, 이것은 상기 단분자막을 구성하는 물질이 원하는 방향을 따라 상기 감광성기의 부분에서 광중합되어 있다는 것을 나타낸다. 이것은 도 4-4에 표시된 바와 같이 재배향이 생성되어 있는 것을 나타낸다.
또한, 이 상태의 기판 2매를 이용하여 화학 흡착막이 서로 마주보도록 조합하여 편광방향은 평행으로 액체 제거 방향이 반대가 되도록, 즉 역평형이 되도록 세팅하여 20 미크론 간격의 액정셀을 조립하고, 네마틱 액정(ZLI4792; 멜크사 제조)을 주입하여 배향상태를 확인하면, 주입된 액정분자는 편광방향과 90도 교차된 방향을 따라 기판에 대하여 약 프리틸트각 5。로 배향되어 있다(도 4-5). 도 4-5 중, 1은 투명전극을 표시하고, 5는 도 4-2의 끌어올린 방향을 표시한다.
이상의 막구성 분자는 처음에는 도 4-5에 표시된 바와 같은 구조로 되어 있 지만, 도 4-6에 표시된 광중합반응을 하는 것으로 확인되었다.
또, 이 경우 조사부의 흡착분자의 배향방향을 한쪽 방향으로 정돈하기 위해서는 세정액을 제거하는 방향과 편광방향을 완전히 90。로 교차시키지 않고, 약간, 바람직하기로는 몇도 이상 다소 비켜 놓을 필요가 있다. 이 경우 최대로 세정액 제거 방향과 평행이 되도록 편광방향(6)을 맞추는 것도 좋다. 또한 완전히 90。로 교차시키면, 각각의 분자가 두 방향으로 향하게 되는 경우가 있다.
여기에서 선택적으로 배향방향을 변화시키는 경우에는, 광선 노출시 편광판에 패턴상의 마스크를 겹쳐 100∼200mJ의 에너지로 254nm의 파장의 자외선을 조사하면, 조사된 부분의 배향 방향이 변화하여 동일면 내의 배향막 내에서 패턴상으로 배향 방향이 다른 부분, 즉 세정액 제거 방향(5)과 편광방향(6)을 따라 각각 액정이 배향하는 부분을 여러 개소에 설치할 수 있다. 또한 원하는 마스크를 편광판에 겹쳐 같은 조건에서 광선을 노출시키는 공정을 여러번 수행하면, 극히 용이하게 패턴상에 복수의 배향방향이 다른 단분자 층상의 액정 배향막을 제작할 수 있었다. 즉, 하나의 화소가 멀티도메인으로 배향된 액정 표시장치를 제공할 수 있었다.
또한 본 실시예에서는 세정용의 물을 포함하지 않는 용매로서 알킬기를 포함하는 탄화수소계의 n-헥산을 사용하지만, 그것 이외에도 물을 포함하지 않는 화학흡착물질을 용해한 용매등과 같은 용매도 사용하는 것이 가능하다. 그 외에도, 플루오르화탄소기, 염화탄소기 또는 실록산기를 포함하는 용매, 예를 들면 프레온 113, 클로로포름과 헥사메틸실록산 등을 각각 사용할 수 있다.
또한 본 실시예에 있어서, 상기 화학식 4-2∼5에 표시된 화학결합 단위를 포함하고 있는 액정 배향막은 특히 트위스트 네막틱형 액정에 대하여 배향 효과가 높았다.
또한 이 경우에 화학 흡착액 제작용의 비수계 유기용매로서는, 알킬기, 플루오르화탄소기, 염화탄소기나 실록산기를 포함하는 용매가 이용될 수 있었다.
(실시예 4-2)
실시예 1에 있어서, 감광성 관능기인 상기 화학식 4-1에 표시된 기와 Si를 포함하는 클로로실란계 화학흡착물질로서 다음의 화학식 4-8에 표시된 물질을 사용하고, 0.3nm의 입자로 러빙된 아크릴판을 기판에 겹쳐 세팅하고, 500W의 초고압 수은등의 254nm의 원자외선(아크릴판 투과 후 2.1m/W㎠)을 사용하여 80mJ 조사한 것 이외에는 동일한 실험을 행했다. 이 물질은 240∼280nm에서 감광 피크가 나타났다.
또한, 이 상태의 기판 2장을 이용하여, 화학흡착막이 서로 마주보도록 짝을 맞추고, 러빙방향은 평행으로 액제거 방향과 반대가 되도록 즉, 역평행이 되도록 셋트하여 20 미크론 갭의 액정셀을 조립하고, 네마틱 액정(ZLI 4792; 멜크사 제)을 주입하여 배향상태를 확인하면, 주입한 액정분자는 러빙방향과 90도로 교차하는 방향을 따라 기판에 대하여 프리틸트각 약 3°로 배향되어 있다.
상기 물질과 마찬가지로 피막을 형성할 수 있는 물질로서는 하기식 (화학식 4-9∼10)(여기서, n은 1에서 25까지의 정수, R은 탄소수 1∼3의 알킬기 또는 페닐기, Ar은 복수 원소환을 포함하는 관능기를 나타낸다)의 물질이 있다.
보다 구체적으로는, 하기식(화학식4-11)(이 물질은 250∼300nm에 감광피크가 있다), 하기식(화학식4-12)(이 물질은 240∼290nm에 감광피크가 있다), 하기식(화학식4-13)(이 물질은 240∼280nm에 감광피크가 있다), 하기식(화학식4-14)(이 물질은 240∼310nm에 감광피크가 있다)의 물질이 있다.
이들 화합물은 노광량은 다르지만 모두 동일하게 적용될 수 있다.
(실시예 4-3)
다음으로 상기 액정배향막을 이용하여 실제로 액정표시장치를 제조하려는 경우의 제조공정에 관하여 도4-7을 이용하여 설명한다.
먼저, 도4-7에 나타낸 바와 같이, 매트릭스상으로 쌓여진 전극군(21)과 이 전극을 구동하는 트랜지스터군(22)을 갖는 제1의 기판(23)상 및 제1의 전극군과 대향하도록 쌓여진 칼라필터군(24)과 제2의 전극(25)을 갖는 제2의 기판(26)상에 실시예 4-1과 동일한 순서로 하여 제조한 화학흡착액을 도포하여 동일한 화학흡착 단분자막을 제조하였다.
그 결과, 실시예 4-1과 마찬가지로 전극패턴에 따라 재배향된 액정배향막(27)이 제작되었다. 다음으로, 상기 제1의 기판(23)과 제2의 기판(26)을 전극이 대향하도록 위치를 맞추어 스페이서(28)과 접착제(29)로 약 5미크론의 갭으로 90도 트위스트 배향된 셀을 제조하였다. 그 후, 상기 제1과 제2의 기판에 상기 TN액정(ZLI4792; 멜크사 제) 30을 주입한 후, 편광판(31, 32)를 조합하여 표시소자를 완성하였다. 이때 주입된 액정의 프리틸트각은 5도 였다.
이와 같은 장치는 백라이트(33)을 전면에 조사하면서 비디오 신호를 이용하여 각각의 트랜지스터를 구동하므로써 화살표시 A의 방향으로 영상을 표시할 수 있었다.
(실시예 4-4)
실시예 4-3에 있어서, 단분자막을 제막한 후 실시예 4-1과 동일한 조건으로 상기 편광판에 각각의 화소를 바둑판 모양으로 4분할한 패턴상의 마스크를 포개어 노광하는 공정을 1회 실행하므로써, 동일 화소내에서 패턴상에 배향방향이 다른 부분을 4개소 만들 수 있었다. 그리고, 이 배향막을 형성한 기판을 이용하면 액정표시장치의 시야각을 대폭 개선할 수 있었다.
또한 전극이 형성된 한쌍의 기판표면에 각각 상기 피막을 배향막으로서 형성시키면, 배향안정성이 더욱 우수한 액정표시장치가 되었다.
또, 대향하는 전극이 한쪽 방향의 기판표면에 형성되어 있는 즉, 인플레인(IPS) 방식의 액정표시장치에 대하여도 러빙이 불필요하기 때문에 극히 유효하였다.
상기 실시예 4-1에서는 노광에 이용되는 광으로서 초고압수은등의 254nm의 광을 이용하였으나, 막물질의 광흡수도에 따라서 436nm, 405nm, 365nm나 KrF엑시머레이저로 얻어진 248nm의 광을 이용하는 것도 가능하다. 특히, 248nm나 254nm의 광은 대부분의 물질에 흡수되기 쉽기 때문에 에너지 배향효율이 높다.
화학흡착물질로서는 클로로실란기를 함유하는 물질 대신에, 알콕시실란기나 이소시아네이트실란기를 함유하는 것도 사용가능하였다. 이 경우에도 고도로 배향된 막이 얻어질 수 있었다.
이상에서 설명한 바와 같이, 제4발명군에 의하면, 종래의 것에 비하여 현저히 균일하고 얇으며, 주입된 액정의 배향방향이 원적외선이나 자외선을 이용한 광중합조사에 의해 제어되고, 프리틸트각도는 광중합된 단분자막의 조성으로 제어된 열안정성이 높은 배향막을 러빙없이 제공할 수 있었다.
또한, 단분자막의 제막공정후에 편광판에 패턴상의 마스크를 겹쳐 노광하는 공정을 복수회 행하면, 동일면내의 배향막내에서 패턴상의 배향방향만이 다른 부분을 복수개소 만들 수 있고, 종래와 같은 러빙에서는 어려웠던 각각의 화소의 배향이 복수종으로 분할된 멀티도메인의 액정표시장치를 효율좋게 합리적으로 제작할 수 있다.
더욱이, 이러한 배향막은 기판표면에 공유결합을 개재하여 강하게 결합되어 있기 때문에 신뢰가 극히 높은 액정표시장치를 제공할 수 있다.
[제5발명군의 개시]
제5발명군은 칼콘골격이 높은 광반응성을 갖는 것에 착안하여 완성된 것으로서, 제5발명군에 있어서의 발명의 구성은 칼콘골격을 구성하는 한방향의 벤젠환에 관능기가 결합되고, 다른 방향의 벤젠환에 SiX기(여기서, X는 할로겐 또는 알콕실기 또는 이소시아네이트기)를 포함하는 특성기가 결합된 칼콘유도체로 이루어진 화학흡착물질인 것을 특징으로 한다.
상기 구성에 있어서, 칼콘골격으로는 하기 (화학식5-4)로 표시되는 것이 있으며, 2개의 벤젠환에 특정의 치환기가 결합된 칼콘유도체는 특히 높은 반응성을 갖는다. 그리고, 상기 구성의 화학흡착물질에서는 SiX기가 화학흡착기로서의 기능을 한다. 따라서, SiX기를 개재하여 OH기, COOH기, NH2기, NH기, SH기등의 친수성기를 갖는 기본체 면에 화학결합(화학흡착)시키는 것이 가능하다. 또, 비닐기가 광반응성기로서 기능한다, 따라서 광조사에 의해 비닐기를 개재하여 분자를 상호 가교반응시킬 수 있다.
상기 구성의 화학흡착물질을 액정배향막 재료로 사용하는 의의는 다음과 같다. 상기 화학흡착물질을 기본체에 접촉시켜 화학흡착되어 이루어지는 박막은 장축방향의 일단(Si부분)을 기본체면에 결합시키고, 타단을 기본체와 분리되는 방향으로 향하게 분자가 횡방향으로 나란히 배열된 단분자층 모양의 구조를 하고 있다. 이 피막은 나노미터 수준의 극히 얇은 피막이고, 가시광선영역에서 투명하여 화학적으로 안정하다. 한편, 자외선 영역의 광의 조사에 의해 칼콘골격의 비닐기 부분이 광반응성을 나타내게 되는 특성을 갖고 있다. 따라서, 상기 화학흡착물질을 기본체에 화학흡착시킨 후, 자외선 광을 조사하므로써 가교반응시켜 구성분자 상호를 연결시킬 수 있고, 이에 의해 구성분자의 배향을 입체구조적으로 안정화시킬 수 있다. 또한 자외선 광을 조사시에, 편광광을 이용하면 일정 방향을 따라 가교반응을 일으킬 수 있기 때문에 편광방향을 규정하므로써 구성분자의 배향방향을 제어할 수 있다.
기본체 면에 대하여 평행방향으로 분자가 배열된 상기 박막에서는 액정분자가 각각의 구성분자 사이에 끼여드는 것이 가능하다. 따라서 박막구성분자가 일정 방향으로 배향된 박막은 특정의 액정배향성을 갖는다. 그리고, 상기 박막에서는 구성분자의 각각이 액정의 배향성에 관여하므로, 극히 얇은 피막에도 관계없이 강력한 배향규제력을 발휘한다. 또한 가교반응에 의해 구성분자 상호가 연결결합되어 있어서, 열이나 마찰 등의 외부자극에 의해 배향성이 나빠지지 않는다. 이에 더하여, 이 피막은 극히 얇고 투명하다. 게다가 유기고분자막이 아니기 때문에 전기저항막으로 거의 작용하지 않는다. 따라서 광투과성이나 액정 구동 전계(電界)를 저해하지 않는, 액정배향막으로서 극히 적합한 성질을 구비하고 있다.
이에 대하여, 긴 주쇄가 휘감긴 상태로 밀도높게 구성된 종래의 액정배향막(예를 들어, 상기한 폴리이미드로 된 고분자막 등)은 표면부분만이 액정의 배향에 기여할 수밖에 없기 때문에 충분한 배향규제력을 얻기 어렵다. 또, 러빙에 의해 배향성을 부여하는 종래의 배향막에서는 열이나 마찰 등의 외부자극이 가해지면 배향성이 변화 또는 열화해 버리고 만다. 또한 폴리이미드 등의 고분자막은 막두께가 두껍고 전기저항성이 높으므로, 광투과나 액정구동에 있어서 저해요인이 된다.
상기 구성의 화학흡착물질은 액정배향막용 재료로서 극히 유용하나, 이 물질의 용도는 이들에 제한되는 것은 아니다.
상기 구성에 있어서, 하기 (1)∼(4)의 구성요소를 부가하는 것이 바람직하다. 하기 구성요소를 부가한 구성에 의하면, 상기한 작용효과를 한층 확실하게 실현할 수 있다.
(1) 상기 칼콘유도체를 (화학식5-1)로 표시되는 화합물로 한다.
(여기서, A1은 칼콘골격의 벤젠환에 붙은 관능기, A2는 또다른 벤젠환에 붙은 2가의 관능기, X는 할로겐 또는 알콕실기, 또는 이소시아네이트기, A'는 알킬기 또는 알콕실기, n=0∼3)
(2) 상기 (화학식5-1)의 A1이 칼콘골격의 벤젠환의 4 위치에 결합된 것으로 한다.
(3) 상기 (화학식5-1)의 A1을 (화학식5-2) 또는 (화학식5-3)으로 표시되는 특성기로 한다.
(여기서, k는 1이상 18이하의 정수, m, n은 0 이상 37이하의 정수, p는 0 또는 1, q = 0 또는 1)
(여기서, k는 1 이상 18 이하의 정수, m, n은 0 이상 37 이하의 정수, q는 0 또는 1)
(3-1) 상기 (화학식5-1)의 A2가 칼콘골격의 벤젠환의 4'위치에 결합한 것으로 한다.
(4) 상기 (화학식5-1)의 A2가 -(CH2)n-O- 또는 -O-(CH2)n-O- 또는 -CO-(CH2)n-O- (여기서, n은 2 이상 14 이하의 정수)로 표시되는 것으로 한다.
(5) 또한, 상기 (화학식5-1)의 A1을 칼콘골격의 벤젠환의 4 위치에 결합한 (화학식5-2) 또는 (화학식5-3)으로 표시되는 특성기로 하고, A2를 벤젠환의 4' 위치에 결합한 -(CH2)n-O- 또는 -O-(CH2)n-0- 또는 -CO-(CH2)n-0- (여기서, n은 2 이상 14 이하의 정수)로 표시되는 것으로 한다.
한편, 상기 화학흡착물질의 제조방법으로서는,
(6) 적어도 4 위치에 관능기를 갖는 칼콘골격기 및 Si를 갖는 분자의 Si에 불활성 기체분위기중에서 할로겐 또는 알콕시기를 결합시키는 공정을 포함하는 화학흡착물질의 제조방법으로 할 수 있다.
(7) 또, 상기 화학흡착물질의 제조방법으로서, 불활성 기체분위기중에서 적어도 칼콘골격을 구성하는 벤젠환의 4위치에 관능기를 갖는 칼콘골격기를 포함하는알콜류와 SiX4(여기서, X는 할로겐)를 축합반응시키므로써 -O-SX3결합을 갖는 칼콘유도체를 합성하는 고정을 적어도 포함하는 화학흡착물질의 제조방법으로 할 수 있다.
(8) 또, 적어도 4 위치에 관능기를 갖는 벤젠알데하이드와 벤조일기를 갖는 화합물을 알돌축합반응시키는 공정을 적어도 포함하는 화학흡착물질의 제조방법으로 할 수 있다.
제5발명군의 발명을 다시 설명한다. 본 발명의 화학흡착물질은 칼콘골격을 구성하는 하나의 벤젠환에 관능기가 결합되고, 다른 벤젠환에 SiX기(여기서, X는 힐로겐 또는 알콕실기 또는 이소시아네이트기)를 포함하는 특성기가 결합된 칼콘유도체로 이루어지는 것을 특징으로 하며, 이러한 특징을 갖는 칼콘유도체의 바람직한 형태로서는 하기 (화학식5-1)로 표시되는 화합물이 예시될 수 있다. 이 (화학식5-1)에 있어서, 관능기(A1)은 칼콘골격의 벤젠환의 4 위치에 결합된 것이 입체장애가 적고, 광반응시킬 때에 반응성이 높게 되므로 바람직하다. 단, 벤젠환의 2 위치 또는 3 위치에 결합되어 있어도 좋고, 또는 4 위치와 함께 2 및/또는 3 위치에도 관능기를 갖는 것이어도 좋다.
(화학식5-1)
(여기서, A1은 칼콘골격의 벤젠환에 붙은 관능기, A2는 또다른 벤젠환에 붙은 2가의 관능기, X는 할로겐 또는 알콕실기, 또는 이소시아네이트기, A'는 알킬기 또는 알콕실기, n=0∼3)
벤젠환에 결합된 관능기 A1으로서는 이하에 열거된 치환기가 적당하다. 단 이들은 예시일 뿐이고, 이들에 한정되는 것은 물론 아니다.
(1) 메틸기, 에틸기, n-프로필기, n-부틸기, n-펜틸기, n-헥실기, n-헵틸기, n-옥틸기, n-노닐기, n-운데실기, n-트리데실기, n-테트라데실기, n-펩타데실기, n-헥사데실기, n-헵타데실기, n-옥타데실기, n-노나데실기, n-에이코실기, 페닐기 등의 탄화수소기.
(2) 상기 (1)의 탄화수소기의 일부에 탄소탄소 이중결합 또는 탄소탄소 3중결합을 포함하는 탄화수소기.
(3) 상기 (1) 및 (2)의 탄화수소기의 수소가 다른 관능기(예를 들면, 메틸기, 할로겐화 메틸기, 수산기, 시아노기 등) 및/또는 원자(예를 들면, F, Cl, Br, I 등)로 치환된 관능기.
(4) 상기 (1) 및 (2)의 탄화수소기의 퍼플루오로형 관능기.
(5) 상기 (1) 및 (2)의 탄화수소기의 말단으로부터 8 이내의 탄소에 결합된 수소가 불소치환된 관능기.
(6) 상기 (1) 및 (2)의 탄화수소기의 C-C결합의 일부가 C-O-C(에테르)결합 또는 C-CO-C-(카르보닐)결합 치환된 관능기.
(7) 상기 (1) 및 (2)의 탄화수소기를 포함하는 알콕실기.
(8) 상기 (1) 및 (2)의 탄화수소기의 C-C결합의 일부가 C-O-C(에테르)결합 또는 C-CO-C-(카르보닐)결합 치환된 퍼플루오로형 관능기.
(9) 상기 (1) 및 (2)의 탄화수소기의 C-C결합의 일부가 C-O-C(에테르)결합 또는 C-CO-C-(카르보닐)결합 치환되고, 말단에서 8이내의 탄소에 결합된 수소가 불소치환된 관능기.
(10) 상기 (1) 및 (2)의 탄화수소기의 퍼플루오로 치환기를 포함하는 알콕실기.
(11) 상기 (1) 및 (2)의 탄화수소기의 말단에서 8이내의 탄소에 결합한 수소가 불소치환된 관능기를 포함하는 알콕실기.
(12) 상기 (1) 및 (2)의 탄화수소기의 퍼플루오로 치환기가 결합된 카르보닐기.
(13) 상기 (1) 및 (2)의 탄화수소기의 말단에서 8이내의 탄소에 결합된 수소가 불소치환된 관능기가 결합된 카르보닐기.
상기 치환기 중에서, 칼콘골격에 결합되면, 공역구조가 넓어지는 관능기 및 전자공여적인 관능기를 갖는 것이 실용상 특히 바람직하다. 이 이유는 이와 같은 관능기가 결합된 칼콘유도체는 초고압수은등의 ⅰ선인 365nm 부근에 광흡수피크파장을 갖기 때문이다.
한편, 화학흡착시키기 위해, -SiX기(여기서, X는 할로겐 또는 알콕실기 또는 이소시아네이트기)와 칼콘골격을 결합시키는 2가의 관능기(A2)로서는 A1의 치환기후보로서 상기에서 열거한 것중에서 치환기의 말단의 1원자가 없는 것으로서 2가인 관능기가 적당하다. 단, 이들에 한정되지 않는다.
상기 (화학식5-1)로 표시되는 화학흡착물질중에서 감광파장영역이 원자외·자외선 영역(200∼400nm)에 있고, 가시광(400∼700nm)영역에서 무색투명한 화합물이 액정배향막용 재료로서 적합하다.
본 발명의 화학흡착물질의 제조방법으로서는, 칼콘유도체를 출발물질로 하여 합성하여도 좋고, 또는 칼콘골격 자체로부터 합성하여도 좋다. 칼콘골격 자체를 합성하기에는, 칼콘골격의 4위치에 도입하고자 하는 소망의 관능기를 4 위치에 갖는 벤즈알데히드와 벤조일기를 갖는 물질의 알돌축합반응(및 그에 연속하여 탈수반응을 포함)을 이용하는 것이 바람직하다. 칼콘유도체를 출발물질로 하는 경우에는, 칼콘골격의 4 위치에 도입하고자 하는 관능기를 4 위치에 갖는 칼콘유도체를 사용하는 것이 바람직하다. 제조방법의 상세한 설명에 대하여는 하기 실시예에서 설명한다.
[제5발명군에 있어서 도면의 간단한 설명]
도5-1은 본 발명의 실시예5-1에 있어서의 합성반응식(a)∼(c)이다.
도5-2는 본 발명의 실시예5-1에서 합성된 화합물의1HNMR 스펙트럼 챠트이다.
도5-3은 본 발명의 실시예5-1에서 합성된 화합물의 자외·가시흡수 스펙트럼챠트이다.
도5-4는 본 발명의 실시예5-1에서 합성된 화합물의 기체크로마토그래프 챠트이다.
도5-5는 본 발명의 실시예5-1에서 합성된 화합물을 이용하여 제작한 박막의 자외·가시흡수 스펙트럼 챠트이다.
[제5발명군을 실시하기 위한 최선의 형태]
이하 실시예를 이용하여 본 발명을 더욱 구체적으로 설명한다. 이하의 실시예에 있어서,1HNMR 스펙트럼 분석에는 히타치 제작소제 R-1200을 이용하였고, IR 스펙트럼 분석에는 토우리츠 제작소제 FTIR4300을 이용하였고, UV/VIS 스펙트럼 분석에는 조율제작소 제 UV-240을 이용하였다.
(실시예 5-1)
반응공정 1:
4-메톡시벤즈알데히드 147g(1.08 mol), 4-히드록시아세토페논 147g(1.08 mol), 에탄올 1.3 L를 5 L 반응 플라스크에 주입하고, 5oC 이하에서 10% 수산화나트륨 수용액 2.16 L를 3시간에 걸쳐 적하하였다. 적하후, 실온으로 냉각하고 3일간 교반하였다. 반응액을 얼음물 1.8 L에 주입하고, 2N 염산 2.5 L를 가하여 석출된 결정을 여과하여 얻었다. 얻어진 조결정을 이소프로필알콜 및 톨루엔으로 세정하고, 건조시켜 207g의 정제품(4-메톡시-4'-히드록시칼콘)을 얻었다(수율 75%). 반응식을 도 5-1(a)에 나타낸다.
반응공정 2:
아르곤 기류하에서 4-메톡시-4'-히드록시칼콘 180g(0.709 mol), 건조 DMF(N,N-디메틸포름아미드) 1260 ml를 3 L 반응플라스크에 주입하고, 빙냉하에서 수소화나트륨(60%) 28.4g(0.709 mol)을 40분에 걸쳐 가하였다. 그후, 실온까지 가온하고, 20시간 교반하였다. 그런 다음, 같은 온도에서 6-클로로헥산올 97g(0.709 mol)을 20분에 걸쳐 적하한 후 80oC로 가열하여 20시간 반응시켰다.
반응액을 얼음물중에 주입하고, 반응생성물을 초산에틸로 추출하고, 수세한 후 초산에틸용액에 황산마그네슘을 가하여 탈수건조한 다음, 초산에틸을 제거하였다.
얻어진 조결정을 실리카겔 칼럼정제(이동상:헥산/초산에틸=1:1)하고, 초산에틸로 재결정하여 134.4g의 정제품(4-메톡시-4'(6-히드록시헥실옥시)칼콘)을 얻었다(수율 53.5%). 반응식을 도 5-1(b)에 나타낸다.
반응공정 3:
아르곤 기류하에서 4-메톡시-4'-(6-히드록시헥실옥시)칼콘 90g(0.245 mol), 사염화규소 360g(2.12 mol)을 1 L 반응플라스크에 주입하고, 실온에서 2시간 교반하였다.
과잉의 사염화규소를 제거하고, 잔사에 탈수 헥산을 가하여 결정을 분산시킨 후, 여과하여 건조시켜 70g의 하기 화학식5-5로 표시되는 정제품을 얻었다(수율 56.5%). 반응식을 도 5-1(c)에 나타낸다.
각 공정에서의 반응생성물 및 최종생성물에 대하여는,1HNMR로 목적하는 생성물이 얻어진 것을 확인하였다. 최종생성물의1HNR 스펙트럼을 도5-2에 나타내었다.
이 물질을 클로로포름에 용해하여 자외·가시흡수 스펙트럼을 측정하였고, 그 결과를 도 5-3에 나타낸다. 도 5-3에서 명확한 바와 같이, 가시광선영역에서는 흡수가 없었다. 한편, 340nm를 피크로 하는 자외선영역에서 흡수가 확인되었다. 이로부터, 이 물질은 원자외·자외선영역에서 강한 흡수를 갖는 것으로 입증되었다.
또한 이 물질의 기체크로마토그래피 측정을 행하였고, 그 챠트를 도 5-4에 나타낸다. 도 5-4의 체류시간 15.257분의 시그널이 본 실시예에서 얻어진 4-메톡시-4'-(트리클로로실옥시헥실옥시)칼콘이다. 체류시간 약 1분의 피크를 제외하고 전체 피크면적에 대한 체류시간 15.257분의 피크면적비로부터 계산하면, 이 화합물의 순도는 94.4% 이상이었다. 체류시간 약 1분의 시그널은 매체인 저빙점 용매를 나타낸다.
[피막의 형성과 분석]
상기 (화학식5-5)로 표시된 물질을 이용하여 하기와 같이 박막을 형성하고, 이 박막의 성질을 분석하였다.
탄화수소계 또는 실리콘계 용매에 상기 (화학식5-5)의 물질을 용해시킨 용액에 석영기판(유리기판이어도 좋다)을 2시간 침적한 후, 기판면을 클로로포름으로 세정하고, 미흡착물질을 제거한여 단분자층상의 박막을 형성하였다.
석영기판상에 형성된 박막에 대하여, 자외·가시흡수 스펙트럼분석을 행하였다. 그 결과를 도 5-5에 나타낸다. 도 5-5에 의해, 칼콘골격에 유래하는 325nm의 흡수피크가 확인되었다.
유리기판상에 형성된 박막의 물에 대한 접촉각을 측정한 결과, 64o이었다. 또한 에립소 미터(굴절율을 1.45로 한다)를 이용하여 두께를 측정한 결과, 약 2.6nm 이었다.
이상으로부터, 상기 (화학식5-5)의 화학흡착물질을 용해한 용액을 기판에 접촉시키므로써 자외선 영역에서 광반응하는 기를 갖는 단분자층상의 박막을 형성시킬 수 있다는 것을 확인할 수 있었다.
또한 상기에서 제작한 박막을 입힌 기판의 박막면에 편광광(365nm, 광강도 2.1mW/cm2) 을 480mJ/cm2조사한 후, 박막면을 내측으로 하여 20㎛의 간격을 유지한 채 겹치고, 주위를 밀폐한 다음, 기판의 간격에 네마틱 액정(메르크사 제; ZL14729)을 주입하고, 편광판과 투명광을 이용하여 액정분자 배향성의 유무를 조사한 결과, 액정분자가 편광방향으로 배열되어 있는 것이 확인되었다.
(실시예 5-2)
실시예 5-1에 있어서, 반응공정1에서 4-메톡시벤즈알데히드 대신에 4-부틸벤즈알데히드를 이용한 것을 제외하고는 동일하게 실시하였다. 그 결과, 최종 수율은65.5%이고, 하기 (화학식 5-6)으로 표시되는 물질이 얻어졌다.
(실시예 5-3)
실시예 5-1에 있어서, 4-메톡시벤즈알데히드 대신에 4-플루오로벤즈알데히드를 사용한 것을 제외하고는 전부 동일하게 반응을 수행하였다. 그 결과, 최종수율이 69.3%이고, 하기 화학식5-7로 표시되는 물질을 얻었다.
(실시예5-4)
실시예 5-1에 있어서, 반응공정 1에서 4-메톡시벤즈알데히드 대신에 4-퍼플루오로부틸벤즈알데히드를 사용한 것을 제외하고는 전부 동일하게 반응을 수행하였다. 그 결과, 최종수율이 54.2%이고 하기 화학식5-8로 표시되는 물질을 얻었다.
이상의 실시예에서는 사염화규소를 이용하여, 흡착부위로서 -SiCl3기를 도입하였으나, 사염화규소 대신에 Cl-Si-XnA'3-n(여기서, X는 할로겐 또는 알콕실기 또는 이소시아네이트기, A'는 알킬기 또는 알콕실기, n은 0 이상 3 이하의 정수)를 이용하므로써, 하기 (화학식5-1)로 표시되는 화학흡착물질을 합성할 수 있다.
(화학식5-1)
(여기서, A1은 칼콘골격의 벤젠환에 붙은 관능기, A2는 다른 벤젠환에 붙은 2가의 관능기, X는 할로겐 또는 알콕실기 또는 이소시아네이트기, A'는 알킬기 또는 알콕실기, n = 0∼3)
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 의하면, 가시광선영역에서 투명함과 동시에 안정하고, 자외선영역의 빛에 의해 반응하는 감광성기를 가지며, 화학흡착법을 이용하는 경우에 흡착부위로서 기능하는 -SiX 기(X는 할로겐 또는 알콕실기 또는 이소시아네이트기)를 갖는 화학흡착물질을 제공할 수 있다. 그리고, 이 화학흡착물질을 이용하므로써, 배향특성이 우수하고 광투과나 전계를 저해하지 않는 적합한 액정배향막을 생산성 좋게 제공할 수 있다는 현저한 효과가 얻어진다.
[제6발명군의 개시]
제6발명군의 액정배향막에 대한 발명은, 분자구조중에 (화학식6-1)로 표시되는 특성기를 가지는 화학흡착물질을 포함하는 박막이, 전극을 갖는 기판의 표면에 직접 또는 다른 물질층을 개재하여, -Si-O- 결합에 의해 결합고정된 것을 특징으로한다.
상기 구성의 액정배향막은 단분자층상의 박막으로서, 액정분자를 특정방향으로 배향시킬 수 있는 액정배향규제력을 갖는 것으로 하는 것이 바람직하다. 또 그 막두께를 0.5nm 이상, 10nm 미만으로 하는 것이 바람직하다. 단분자층상의 박막은 극히 얇으므로, 광투과를 저해하지 않고, 전계를 저해하는 정도도 극히 적어서, 휘도가 우수함과 동시에 적은 전압으로 구동할 수 있는 액정표시소자를 실현할 수 있다.
여기서, 이상적인 단분자층은 각각의 구성분자가 기판면을 따라 나란히 배열되어 분자의 겹침이 없는 층을 의미하나, 완전한 단분자층을 형성하는 것은 현실적으로 곤란하다. 또 완전한 단분자층이 아니어도 본 발명의 목적을 충분히 달성할 수 있다. 따라서, 본 발명에서 「단분자층상의 박막」이란, 대략 단분자층으로 인식될 수 있는 정도의 박막이면 된다. 예를 들면, 기판에 흡착된 흡착분자 위에 미흡착 분자가 쌓인 복수분자층으로 된 부분이 있어도 되고, 또는 자체로는 직접 기판에 결합고정되어 있지 않으나, 직접고정된 분자에 결합되어 있고, 또 이 분자에 다른 분자가 결합된 형태로 복수의 분자가 연결된 부분이 포함되어 있어도 된다. 그리고, 본 발명에서 말하는 단분자층상의 박막은 약 5nm 이하의 층을 의미한다.
상기 구성에 있어서, (화학식6-1)의 A1은 하기 (화학식6-2)로 표시되는 칼콘골격의 벤젠환의 4 위치에 결합된 것이 바람직하고, 상기 (화학식6-1)의 A1으로는 하기 화학식6-3 또는 6-4로 표시되는 특성기가 바람직하다.
A1은 벤젠환에 붙은 관능기
(여기서, k는 1 이상 18 이하의 정수, m, n은 0 이상 37 이하의 정수, p는 0 또는 1, q = 0 또는 1)
(여기서, k는 1 이상 18 이하의 정수, m, n은 0 이상 37 이하의 정수, q = 0 또는 1)
상기 구성의 액정배향막은 상기 (화학식6-1)로 표시되는 특성기를 갖는 1종류의 화학흡착물질만으로 조성될 수 있고, 또 상기 (화학식6-1)로 표시되는 특성기를 갖는 2종류의 화학흡착물질로 조성될 수도 있다. 또한 상기 (화학식6-1)로 표시되는 특성기를 갖는 1종류 이상의 화학흡착물질과 다른 화학물질로 조성될 수도 있다. 그리고, 어느 형태에 있어서나 액정배향막(박막)을 조성하는 물질의 어느 것을 직쇄상 알킬골격, 직쇄상 실록산골격 또는 직쇄상 플루오로알킬골격을 갖는 것으로 하는 것이 균일한 막을 형성할 수 있으므로 바람직하고, 균일한 막과 고배향성을 실현할 수 있다.
또한, 상기 구성의 액정배향막은 액정분자를 일정방향으로 배향시키는 액정배향규제력을 갖는 것으로 할 수 있고, 복수의 다른 방향으로 배향시키는 액정배향규제력을 갖는 것으로 할 수도 있다. 복수의 다른 방향으로 배향시키는 것인 경우, 1 화소단위가 분할된 소구획마다 액정배향방향이 다르게 되는 것이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 상기 소구획이 패턴상으로 형성되어 있는 것이 좋다. 이와 같은 배향특성을 갖는 배향막이면, 시야각이 넓은 액정표시소자가 실현될 수 있기 때문이다.
상기한 액정배향막은 적어도 전극을 갖는 기판면에 화학식6-5로 표시되는 화학흡착물질을 포함하는 박막재료를 접촉시켜, 상기 기판면에 상기 박막재료를 화학흡착시키므로써 상기 기판상에 단분자층상의 박막을 형성하는 박막형성공정과, 상기 박막에 배향처리를 실시하는 배향처리공정을 구비하는 액정배향막의 제조방법에 의해 제조될 수 있다.
(여기서, A1은 칼콘골격의 벤젠환에 붙은 관능기, A2는 다른 벤젠환에 붙은 2가의 관능기, X는 할로겐 또는 알콕실기 또는 이소시아네이트기, A'는 알킬기 또는 알콕실기, n = 0∼3)
상기 화학흡착물질로서는 A1이 벤젠환의 4 위치에 결합된 화합물이 바람직하고, 또 A1으로서는 하기 화학식6-3 또는 6-4로 표시되는 특성기가 결합된 것이 바람직하다.
(화학식6-3)
(여기서, k는 1 이상 18 이하의 정수, m, n은 0 이상 37 이하의 정수, p는 0 또는 1, q = 0 또는 1)
(화학식6-4)
(여기서, k는 1 이상 18 이하의 정수, m, n은 0 이상 37 이하의 정수, q = 0 또는 1)
상기 화학식6-5의 A2로서는 -(CH2)n-O-, -O-(CH2)n-O-, -CO-(CH2)n-0- (여기서, 각각의 n은 2 이상 14 이하의 정수)가 바람직하다.
상기 제조방법에 있어서는, 상기와 같은 관능기를 갖는 1종류 이상의 화학흡착물질로 조성된 박막재료를 이용할 수도 있고, 또는 상기와 같은 관능기를 갖는 1종류 이상의 화학흡착물질과 다른 화합물을 조합한 박막재료를 이용할 수도 있다. 화학적 물리적인 성질이 다른 복수종류의 화합물로 박막재료를 조성하면, 박막의 내열성이나 박막의 밀도, 배향규제력, 용제에 대한 용해성, 편광광에 대한 감수성, 기판에 대한 흡착력 등을 변화시킬 수 있고, 소망의 특성을 갖는 배향막을 얻을 수 있다.
상기 제조방법에 있어서는, 바람직하게는 상기 박막형성공정과 상기 배향처리공정의 사이에 박막이 형성된 기판면을 유기용제를 이용하여 세정하고, 여분의 박막재료를 제거하는 세정공정을 부가하는 것이 좋다. 세정용의 유기용제로서는 세정성의 점에서 비프로톤계 용제가 바람직하나, 비프로톤계 용제와 프로톤계 용제의 혼합용액을 사용하여도 좋다. 혼합용제라면 박막재료에 대한 용해능을 적당히 조정할 수 있고, 용제의 증발속도를 제어할 수 있기 때문이다.
상기 제조방법에 있어서 배향처리로서는 하기한 바와 같은 액제거건조법이나 편광조사법을 예시할 수 있다.
상기 액제거건조법은 피막이 형성된 기판면에 유기용제를 접촉시킨 후, 그 유기용제를 일정방향으로 액제거건조하는 방법이다. 이 방법에 의하면, 박막을 구성하는 분자를 가배향시킬 수 있다. 액제거건조법에서 사용하는 용제로서는 상기한 세정용 유기용제가 적합하게 사용될 수 있다. 따라서 세정후의 기판을 일정 방향으로 세워서 기판면상에 남아 있는 유기용제를 액제거건조하는 일련의 조작에 의해 기판면의 세정과 박막구성분자에 대한 가배향을 행할 수 있게 된다.
가배향에 의해서도 액정분자에 대한 배향규제를 어느 정도 부여할 수 있으나, 가배향만으로는 열이나 그외의 외부자극에 대한 안정성이 불충분하다.
한편, 편광조사법은 박막이 형성된 기판면에 편광광을 조사하는 방법이다. 이 방법에 의하면, 광에너지에 의해 박막을 구성하는 분자를 서로 특정방향으로 화학결합(가교)시킬 수 있고, 박막에 액정분자를 배향시킬 수 있는 배향규제력을 부여할 수 있다. 이 배향규제력은 분자가 서로 화학결합에 의해 연결되어 생기는 것이므로 열적 안정성이나 화학적 안정성 등이 우수하다.
여기서, 편광조사법의 적용에 적당하기로는 광강도 및/또는 파장을 변화시켜 복수회의 조사를 행하는 것이 바람직하다. 예를 들면, 약한 광강도에서 복수회 조사하는 방법이면 조사면의 온도의 상승을 초래함이 없이 구성분자 상호를 화학결합시킬 수 있다. 또 1회째의 조사를 보다 흡수피크에 가까운 단파장쪽의 편광광으로 행하여 어느 정도 가교반응을 진행한 다음, 광조사에 기인하는 분자구조의 손상??르 억제하면서 감광기 부분에서 구성분자 상호를 보다 균일하게 화학반응시킬 수 있다.
또한 편광조사법에 있어서는 기판에 대한 입사각을 변화시켜 복수회 행할 수 있고, 이 방법에 의하면 프리틸트각을 변화시킬 수 있다.
또, 편광조사법에 있어서는 편광광의 조사시 조사 마다 편광방향이 다른 편광광을 이용하고, 조사 마다 조사구획이 변화되도록 조사할 수 있다. 박막에 편광광을 조사하면 편광광이 주로 편광방향과 평행한 광감응성의 원자-원자결합 부분에 작용하여, 이 결합부분에 가교반응을 일으킨다. 따라서 조사 마다 편광방향이 다른편광광을 이용하고, 동시에 조사 마다 조사구획이 변화되도록 조사하면, 분자간의 결합방향이 다른 복수의 구획을 형성할 수 있다. 이 방법에 있어서는 상기 구획을 1화소 단위보다 작게 하는 것이 바람직하고, 이와 같이 하면, 시야각이 넓은 멀티 도메인을 만들 수 있다.
상기 편광조사법에 있어서는 광강도, 파장, 조사회수, 기판에 대한 광의 입사각, 조사패턴의 각요소를 종합적으로 제어하는 것이 좋다. 이들 요소를 적합하게 제어하면, 소망의 배향특성을 갖는 배향막을 제작하는 것이 가능하게 된다.
또한, 상기 제조방법에 있어서, 배향처리로서 액제거 건조법에 따라 가배향시킨 후, 편광광을 조사하여 재배향시키는 방법을 채용할 수 있다. 이 방법은 확실하고 안정적으로 소망의 배향특성(배향방향, 배향규제력, 프리틸트각 등)을 부여할 수 있는 점에서 특히 바람직하다. 가배향한 후에 편광광을 조사하면, 배향규제력이 강한 배향막이 얻어지는 이유는 충분히 명확하지는 않지만, 이는 실험적으로 확인된 것이다.
가배향후에 편광광을 조사하는 상기 방법을 채용하는 경우, 편광광의 편광방향과 가배향방향(액제거 건조방법)을 완전히 90o로 교차시키지는 않고, 다소, 바람직하게는 몇도 이상 비켜나게 하는 것이 좋다. 가배향방향과 편광방향을 직교시킨 상태에서 편광광을 조사한 경우, 구성분자 각각이 랜덤하게 2 방향을 향하게 되어 버릴 우려가 있기 때문이다.
또 본 발명에 따른 액정배향막의 제조방법으로서, 다음의 구성을 채용할 수있다. 즉, 화학식6-5로 표시되는 화학흡착물질을 포함하는 박막재료를 적어도 전극을 갖는 기판면에 접촉시키고, 상기 기판면에 상기 박막재료물질을 화학흡착시키므로써 기판상에 단분자층상의 피막을 형성하는 피막형성공정과, 피막이 형성된 기판면에 유기용제를 접촉시킨 후, 그 유기용제를 일정 방향으로 액제거건조하므로써 박막을 구성하는 분자를 가배향시키는 가배향공정과, 가배향시킨 기판면에 편광광을 조사하고, 박막을 구성하는 분자를 서로 가교결합시키므로써 박막구성분자를 재배향시키는 재배향공정을 구비하는 액정배향막의 제조방법으로서, 상기 가배향공정과 재배향공정을 2회 이상 반복하여 행하므로써, 1 화소단위를 복수의 패턴상으로 분할한 소구획 마다 액정배향규제방향이 다른 멀티도메인의 액정배향막을 제작하는 액정배향막의 제조방법이다.
이 제조방법에서는 가배향공정과 재배향공정을 반복하여 행하되, 상기한 바와 같이 가배향후에 편광광을 조사하는 방법으로 하면, 편광광의 조사에 의해 보다 효율적으로 재배향시킬 수 있다. 그리고, 가교반응에 의해 한번 재배향된 상태는 다시 액제거건조하여도 손상되는 일이 없으므로, 액제거건조(가배향) ?? 1 화소를 분할하는 구획단위로 편광광조사 ?? 액제거건조(가배향) ?? 1 화소를 분할하는 다른 구획단위로 편광광조사 ‥‥ 를 반복하면, 확실하고 효율적으로 1화소내에 배향방향이 다른 복수의 소구획이 형성된 액정배향막을 제작할 수 있다.
또, 상술한 바와 같은 액정배향막을 이용하여 되는 본 발명에 따른 액정표시소자는 다음의 구성으로 할 수 있다. 즉, 적어도 전극을 갖는 2장의 기판을 전극쪽을 내측으로 하여 대향시키고, 양기판의 사이에 액정을 주입한 구조의 액정표시소자에 있어서, 상기 기판의 적어도 한쪽의 기판의 표면에 분자구조중에 (화학식6-1)로 표시되는 특성기를 갖는 화학흡착물질을 포함하는 액정배향막이 -Si-O- 결합에 의해 결합고정되어 있는 것을 특징으로 하는 액정표시소자로 할 수 있다.
또한 전극과 대향전극이 동일 기판상에 형성된 인프렌스위칭형의 액정표시소자에 있어서, 상기 기판의 전극 및 대향전극이 형성된 면에는 분자구조중에 (화학식6-1)로 표시되는 특성기를 갖는 화학흡착물질을 포함하는 액정배향막이 -Si-O- 결합에 의해 결합고정되어 있는 것을 특징으로 하는 액정표시소자로 할 수 있다.
(화학식6-1)
(여기서, A1은 벤젠환에 붙은 관능기)
상기 (화학식6-1)로 표시되는 화학흡착물질의 화학구조에 있어서 바람직한 형태 및 액정배향막의 바람직한 조성 등, 액정배향막에 관한 사항에 대하여는 본 발명에 따른 액정배향막의 설명에서 기술한 바와 동일하다. 따라서, 여기서 상세한 설명은 생략하지만, 상기 액정표시소자의 구성에 있어서는 광투과나 전계를 저해하지 않는다는 면에서 단분자층상의 박막을 이용하는 것이 바람직하고, 넓은 시야각이 얻어진다는 면에서 액정배향방향이나 틸트각이 1화소를 분할한 소구획 마다 다른 멀티도메인 타입의 액정배향막을 이용하는 것이 바람직하다.
그런데, 본 발명에 따른 액정배향막은 박막재료를 전극을 갖는 기판과 -Si-O- 결합에 의해 직접적으로 결합고정하여도 좋으나, 전극면상에 다른 물질층을 형성하고, 이 물질층에 Si-O- 결합시키므로써 결합고정시킬 수도 있다. 다른 물질층으로서는 OH기, COOH기, NH2기, NH기, SH기 등의 친수성을 갖는 물질로 된 층이 바람직하고, 이와 같은 물질층으로서는 Si02층, TiO2층 등을 예시할 수 있다.
제6발명군의 발명에 따른 액정배향막의 보다 상세한 형태를 이하에 설명한다. 본 발명의 액정배향막은 하기 (화학식6-1)로 표시되는 특성기를 갖는 화학흡착물질을 포함하는 박막이 -Si-O- 결합에 의해 전극을 갖는 기판상에 직접 또는 친수성기를 갖는 다른 물질층을 개재하여 결합고정된 것이고, 이 액정배향막은 예를 들면 화학식6-5로 표시되는 특성기를 갖는 화학흡착물질을 포함하는 박막재료를 유기용제에 용해하고, 이를 기판면에 접촉시키므로써 제작할 수 있다.(화학식6-1)
(여기서, A1은 벤젠환에 붙은 관능기)
(화학식6-5)
(여기서, A1은 칼콘골격의 벤젠환에 붙은 관능기, A2는 2가의 관능기, X는 할로겐 또는 알콕실기, A'은 알킬기 또는 알콕실기, n = 0∼3)
여기서, 칼콘골격(그 기본골격을 화학식6-6에 나타낸다)은 일반적으로 높은 광반응성을 가지고 있고, 특히 2개의 벤젠환에 특정의 치환기를 결합시킨 상기 화학식6-5로 표시되는 칼콘유도체는 극히 높은 광반응성과 화학흡착성을 갖는다. 따라서, 화학식6-5의 화학흡착물질을 이용하는 상기 구성에 의하면, 기판표면에 화학흡착하여 된 단분자층상의 박막을 용이하게 형성할 수 있다. 따라서, 화학식6-5의 화학흡착물질을 기판면에 화학흡착하여 된 박막(배향막)은 극히 얇고 강력하게 기판에 결합고정된 것으로 되고, 이 박막은 고분자물질로 이루어진 것은 아니므로, 액정배향막으로서 이용한 경우, 광투과를 방해하지 않고, 또한 전기저항막으로도 작용하지 않는다. 게다가 액정분자에 대해 강력한 배향규제력을 미칠 수 있고, 열적안정성도 우수하다. 따라서, 본 발명의 소망의 목적을 충분히 달성할 수 있게 된다.
상기 구성에 있어서, 치환기 A1은 벤젠환의 4 위치에 결합되어 있는 것이 좋고, 2 위치, 3 위치에 결합하여도 좋다. 또다른 하나의 벤젠환의 2' 위치, 3' 위치, 4' 위치중의 어느 하나에는 기판에 화학흡착하는 관능기를 갖는 것이 바람직하고, 이와 같은 관능기로서 (화학식6-5)로 표시되는 것과 같은 -SiX 기를 포함하는 특성기가 예시될 수 있다.
상기 치환기 A1으로서는 이하에 열거하는 치환기가 바람직하다. 단, 이들에 한정되는 것은 아니다.
(1) 메틸기, 에틸기, n-프로필기, n-부틸기, n-펜틸기, n-헥실기, n-헵틸기, n-옥틸기, n-노닐기, n-운데실기, n-트리데실기, n-테트라데실기, n-펩타데실기, n-헥사데실기, n-헵타데실기, n-옥타데실기, n-노나데실기, n-에이코실기, 페닐기 등의 탄화수소기.
(2) 상기 (1)의 탄화수소기의 일부에 탄소탄소 이중결합 또는 탄소탄소 3중결합을 포함하는 탄화수소기.
(3) 상기 (1) 및 (2)의 탄화수소기의 수소가 다른 관능기(예를 들면, 메틸기, 할로겐화 메틸기, 수산기, 시아노기 등) 및/또는 원자(예를 들면, Cl, Br, I 등)로 치환된 관능기.
(4) 상기 (1) 및 (2)의 탄화수소기의 퍼플루오로형 관능기.
(5) 상기 (1) 및 (2)의 탄화수소기의 말단으로부터 8 이내의 탄소에 결합된 수소가 불소치환된 관능기.
(6) 상기 (1) 및 (2)의 탄화수소기의 C-C결합의 일부가 C-O-C(에테르)결합 또는 C-CO-C-(카르보닐)결합 치환된 관능기.
(7) 상기 (1) 및 (2)의 탄화수소기를 포함하는 알콕실기.
(8) 상기 (1) 및 (2)의 탄화수소기의 C-C결합의 일부가 C-O-C(에테르)결합 또는 C-CO-C-(카르보닐)결합 치환된 퍼플루오로형 관능기.
(9) 상기 (1) 및 (2)의 탄화수소기의 C-C결합의 일부가 C-O-C(에테르)결합 또는 C-CO-C-(카르보닐)결합 치환되고, 말단에서 8이내의 탄소에 결합된 수소가 불소치환된 관능기.
(10) 상기 (1) 및 (2)의 탄화수소기의 퍼플루오로 치환기를 포함하는 알콕실기.
(11) 상기 (1) 및 (2)의 탄화수소기의 말단에서 8이내의 탄소에 결합한 수소가 불소치환된 관능기를 포함하는 알콕실기.
(12) 상기 (1) 및 (2)의 탄화수소기의 퍼플루오로 치환기가 결합된 카르보닐기.
(13) 상기 (1) 및 (2)의 탄화수소기의 말단에서 8이내의 탄소에 결합된 수소가 불소치환된 관능기가 결합된 카르보닐기.
상기 치환기 중에서, 칼콘골격에 결합되면, 공역구조가 넓어지는 관능기 및 전자공여적인 관능기를 갖는 것이 실용상 특히 바람직하다. 이 이유는 이와 같은 관능기가 결합된 칼콘유도체는 초고압수은등의 ⅰ선인 365nm 부근에 광흡수피크파장을 갖기 때문이다.
한편, 상기 화합물을 기판에 화학흡착시키기에 불가결한 -SiX기(여기서, X는 할로겐 또는 알콕실기)와 칼콘골격을 결합시키는 2가의 관능기로서는 상기 (1)∼(13)에 기재한 치환기로서, 말단의 원자를 1개 결실한 2가인 관능기가 적당하다. 단, 이들에 한정되지 않는다.
상기 화합물은, 상기 (화학식6-6)으로 표시되는 칼콘기초골격 자체로부터 합성할 수도 있으나, 칼콘유도체를 출발물질로 하여 합성하여도 좋다. 칼콘기초골격 자체로부터 합성하기에는, 칼콘골격의 4위치에 도입하고자 하는 소망의 관능기를 4 위치에 갖는 벤즈알데히드와 벤조일기를 갖는 물질의 알돌축합반응(그에 연속하여 탈수반응을 포함)을 이용하는 것이 바람직하다. 한편, 칼콘유도체를 이용하여 목적의 화합물을 얻기에는, 칼콘골격의 4 위치에 도입하고자 하는 관능기를 4 위치에 갖는 칼콘유도체를 사용하는 것이 바람직하다. 단, 이들의 합성방법에 한정되는 것은 물로 아니다.
본 발명에 따른 박막(배향막전구체)은 상기 화학흡착물질을 비수계 용제에 용해한 용액을 적어도 전극을 갖는 기판에 접촉시키므로써 제작할 수 있고, 바람직하게는 상기 용액에 전극을 갖는 기판을 침적하는 것이 좋다. 상기 비수계 용제로서는 예를 들면, 알킬기, 불화탄소기 또는 염화탄소기 또는 실록산기를 포함하는 비수계의 유기용제가 사용될 수 있다. 또, 상기 화학흡착물질과 함께 다른 화합물을 포함시킨 용액을 이용하여, 2종류 이상의 복합성분으로 된 박막을 제작할 수도 있다.
상기 화학흡착물질을 이용하여 제작된 막은 미흡착의 화합물을 제거하기 위하여 세정하는 것이 좋고, 세정제로서는 비프로톤계 용제가 바람직하나, 프로톤계 용제여도 되고, 또 양자를 혼합한 혼합용제여도 된다. 비프로톤계 용제와 프로톤게 용제를 혼합하는 방법에 의하면, 화합물에 대한 용해능을 적당히 조정할 수 있는 잇점이 있다.
비프로톤계 용제로서는 클로로포름 등의 염소계 용제, 벤젠, 톨루엔 등의 방향족계 용제, γ-부티로락톤 등의 락톤계 용제, 초산에틸 등의 에스테르계 용제가 적당하고, 프로톤계 용제로서는 메탄올, 에탄올 등의 알콜계 용제가 적당하다. 단, 이들 용제에 한정되는 것은 물론 아니다.
배향처리방법으로서는, 예를 들어 막면에 용제를 부착시킨 후, 일정방향으로 액제거건조하는 방법이 고려될 수 있다. 보다 구체적으로는, 막이 형성된 기판을 상기에 기재한 용제를 넣은 용제조에 액면과 기판이 거의 수직이 되도록 일정시간 침적하고, 그런 다음 용제층으로부터 거의 수직으로 기판을 들어올려, 이 상태에서 건조시키는 방법이나, 거의 수직으로 세운 기판의 상부로부터 용제를 흘러내리게 한 후, 용제를 건조시키는 방법이 있다. 이들 방법에 의하면, 젖은 면의 상단으로부터 용제가 서서히 아래방향으로 흘러내려, 건조가 상부에서부터 하부로 향하여 진행된다. 따라서, 건조의 진행방향에 따라 구성분자를 배향시킬 수 있으며, 또한 기판에 결합되지 않은 과잉의 구성분자를 씻어 흘러내리게 하는 것이 가능하다. 본 명세서에서는 액제거건조에 의한 배향을 가배향이라 한다. 가배향은 분자간 결합에 의한 것이 아니므로, 하기한 바와 같은 편광광 조사에 의한 방법에 비하여 배향력이 약하다.
또 하나의 배향처리방법으로서는, 박막이 형성된 기판면에 편광광을 조사하는 방법을 들 수 있다. 이 방법은 편광광을 조사함에 의하여, 편광방향과 평행인 박막구성분자의 광감응성을 갖는 원자-원자결합부분에 광에너지를 작용시켜, 해당 부분의 화학반응을 일으켜, 박막구성분자 상호를 가교반응시키므로써 일정 방향의 액정배향규제력을 부여하는 것이다. 이 방법에 의하면, 안정성이 우수한 배향특성을 부여할 수 있다. 본 명세서에서는 이 배향방법을 재배향이라 한다.
상기 재배향에서 사용되는 편광광으로서는, 일정 방향으로 분자간 결합시키기 위하여 직선 편광광이 바람직하다. 직선 편광광을 얻는 방법으로서는 통상 이용되는 흡수형 편광판을 개재하여 얻는 방법, 편광 비임스프린터 등의 비흡수형 편광분리소자를 개재하여 얻는 방법 등을 이용할 수 있다. 편광파장으로서는 막재료물질이 광반응을 일으키는 파장이면 되고, 통상으로는 자외영역의 광이 사용된다. 노광시의 온도로서는, 통상 실온근처에서부터 100oC 전후의 온도를 이용하나, 이 범위이외의 온도이어도 좋다. 본 발명에 적용될 수 있는 배향처리방법은 상기에 한정되는 것은 아니다.
본 발명에 따른 액정배향막의 프리틸트각이나 배향방향 등의 특성은 본 발명에서 규정하는 범위내에서 피막을 구성하는 화합물의 종류를 변화시키므로써 변화시킬 수 있고, 그외에 액제거건조법을 이용하는 경우에는 용제의 종류나 건조조건을 변화시키므로써 변화시킬 수 있으며, 편광조사법에 있어서는 편광광의 조사조건을 변화시키므로써 변화시킬 수 있다. 그리고, 프리틸트각을 크게 변화시키기에는 편광광의 조사조건, 예를 들어 편광광의 조사에너지량, 조사각도, 조사회수 등을 변화시키는 것이 특히 유효하다.
본 발명의 액정표시소자에는, 네마틱 액정, 스멕틱 액정, 디스코틱 액정, 강유전성 액정 등이 사용될 수 있고, 특히 분자형상의 면에서 네마틱 액정이 적합하게 사용될 수 있다. 네마틱 액정으로서는, 예를 들면 비페닐계, 터트-페닐계, 아족시계, 시프베이스계, 페닐시클로헥산계, 비페닐시클로헥산계, 에스테르계, 피리미딘계, 디옥산계, 비시클로옥산계, 큐반계 등을 들 수 있다.
[제6발명군에 있어서 도면의 간단한 설명]
도6-1은 본 발명에 따른 단분자층상의 박막을 제작하는화학흡착공정을 설명하기 위한 개념도이다.
도6-2는 본 발명에 따른 단분자층상의 박막의 세정공정을 설명하기 위한 개념도이다.
도6-3은 광조사에 의해 박막의 구성분자를 재배향시키는 배향처리공정의 개념도이다.
도6-4는 광조사후의 박막구성분자의 배향상태를 설명하기 위한 개념도이다.
도6-5는 실시예6-1의 액정셀을 설명하기 위한 셀단면도이다.
도6-6은 실시예6-5의 액정셀을 설명하기 위한 셀단면도이다.
도6-7은 실시예6-6에 있어서 액정표시장치의 단면을 모식적으로 나타낸 도면이다.
[제6발명군을 실시하기 위한 최선의 형태]
이하 실시예를 이용하여 본 발명의 구체적인 내용을 설명한다.
(실시예 6-1)
먼저, 탄소쇄를 포함하고, 탄소쇄의 말단 또는 일부에 칼콘골격과 Si를 포함하는 하기 (화학식6-7)로 표시되는 클로로실란계 화학흡착물질(클로로실란계 계면활성제라 한다)을 상기 제5발명군의 실시예 5-1과 동일한 방법으로 합성하였다.
다음으로, 상기에서 합성한 화학흡착물질을 이용하여 액정배향막??르 제작하였다. 이하, 단계별로 제작방법을 설명한다.
표면에 인듐주석산화물로 된 투명전극과 그 위에 SiO2층이 형성된 유리기판을 우선 잘 세정하고, 탈지하여 기판1로 하였다. 한편, 상기 화학흡착물질을 충분히 탈수한 실록산계 용제(신에쯔화학사 제, KF96L)와 클로로포름의 혼합용제에 용해하고, 화학흡착물질이 1중량% 농도인 화학흡착액2를 만들었다. 이 혼합용제는 비프로톤계 용제이다.
그런 다음, 도6-1에 표시된 바와 같이, 상대습도 30%이하의 건조분위기 중에서 상기 화학흡착액2에 상기 기판1을 1시간정도 침적(도포하여도 된다)하였다. 그 후, 충분히 탈수한 비프로톤계 용제인 클로로포름3(세정액)에 적시고, 상기 화학흡착액2를 씻어 흘러내린후, 중력과 평행한 방향(상방)에 기판1을 위로 끌어올려 액제거(도6-2)하고, 기판을 세운 상태에서 수분을 포함하는 공기중에 폭로하였다.
이에 의하여, 상기 화학흡착물질(클로로실란계 계면활성제)의 SiCl기와 기판표면의 수산기의 상이에 탈 HCl반응이 일어나고, 또한 공기중의 수분과 반응하여 화학식6-8로 표시되는 화합물이 생성된다.
이상의 일련의 처리에 의해, 화학흡착물질(클로로실란계 계면활성제)의 분자(이하, 구성분자라 한다)가 기판표면의 수산기 부분에 실록산 결합을 개재하여 고정(화학흡착)되어 이루어진 단분자층상의 박막이 형성되었다.
이 박막의 막두께는 에립소미터를 이용한 두께 측정에서 굴절율을 1.45로 한 경우에는 약 25nm이었다. 또, 대향전극이 형성된 기판에 대하여도 동일한 조작을 행하여 박막이 형성된 대향기판을 준비하였다.
상기에서 제작한 박막은 구성분자의 일단이 기판표면에 화학흡착되고, 타단이 액제거방향을 따라서 어느 정도 배향된 것으로 이루어져 있다.
상기 방법에 의해 구성분자가 어느 정도 배향하는 것은 일정한 방향으로 기판을 세워서 액제거건조를 행하였기 때문이다. 이 방법에 의한 배향을 가배향이라 한다.
다음으로, 가배향된 박막에 대하여 액제거 방향(5)와 거의 평행방향으로 편광방향(6)이 향하도록 편광판(7)(HNP' B; 폴라로이드사 제)을 겹치고, 500W의 고압수은등을 이용하여 365nm의 자외광(8)(편광판 투과후의 광강도 2.1mW/cm2)을 480mJ 조사하였다(도6-3).
자외광 조사후의 박막에 대하여, FT-IR을 이용하여 구성분자의 이방성을 조사하였다. 그 결과, 분자상호의 결합방향은 명확하게 알 수 없었으나, 편광방향과그에 직교하는 방향에서는 IR 흡수에 차이가 확인되었고, 편광방향에 있어서 IR 흡수가 그에 직교하는 방향보다 현저히 감소되어 있었다. 이것은 칼콘골격의 감광기가 편광방향의 광에너지를 받아서 가교결합한 것을 의미한다. 구성분자 상호가 가교결합하면, 입체구조적으로 구성분자의 배향방향이 고정되므로, 가배향보다 안정성이 높은 배향성이 부여된다. 도6-4에 구성분자 상호가 가교결합된 상태를 개념적으로 나타내었다. 도6-4의 부호(34)가 가교부분이다.
다음으로, 상기에서 제작한 기판(1)과 대향전극을 배향막면을 대향시키고, 스페이서를 개재하여 20㎛의 간격으로 겹쳐 맞추어, 간격내에 네마틱 액정(9)(ZLI4792; 멜크사 제)을 주입하여 액정셀을 구성하였다. 2장의 기판은 각각의 기판의 액제거방향이 반대방향(반대 평행상태)이 되도록하여 배치하였다.
이 액정셀에 있어서, 액정분자의 배향방향을 2장의 편광판을 이용하여 조사한 결과, 액정분자가 액제거방향을 따라 배향되어 있는 것이 확인되었다. 또, 광학적인 크리스탈 로테이션법을 이용하여 프리틸트각을 측정한 결과, 기판면에 대하여 편광방향을 따라 프리틸트각이 약 3o로 배향되어 있는 것이 확인되었다. 이 액정셀에 있어서 액정분자의 배향상태를 도6-5에 모식적으로 나타내었다. 도6-5의 부호(10)은 투명전극, (11)은 화학흡착막층을 나타낸다.
(실시예 6-2)
실시예 6-2에서는 패턴상의 마스크를 개재하여 자외광의 조사를 행하고, 각 영역마다 배향방향이 다른 액정배향막을 제작하였다. 실시예 6-2와 상기 실시예 6-1은 자외광의 조사조건만이 다른 것이어서 여기서는 자외광의 조사조건을 중심으로 하여 설명한다.
먼저, 실시예 6-1과 동일하게 기판상에 박막을 형성하고, 구성분자를 가배향시켰다. 그런 다음, 패턴상의 마스크를 준비하여, 이것을 편광판에 겹친후 상기 박막에 대하여 365nm 파장의 자외광을 400∼800mJ 조사하고, 실시예 6-1과 동일하게 하여 액정셀을 제작하였다.
이 액정셀에 대하여, 상기와 동일한 방법을 이용하여 액정의 배향특성을 조사하였다. 그 결과, 마스크되었던 부분의 배향방향이 변화되었고, 배향방향이 다른 부분이 패턴상으로 형성되어 있는 것이 확인되었다. 이것은 편광광이 조사된 영역만의 배향방향이 변화한 결과, 가배향방향에 따른 배향영역과 편광방향에 따른 배향영역이 형성된 것을 의미한다.
(실시예 6-3)
실시예 6-3에서는 1화소단위를 복수로 분할한 소구획에 편광광이 조사되도록 제작한 마스크를 개재하여 1회마다 박막면과 편광방향의 위치관계를 변화시켜, 4회의 자외광 조사를 행하고, 이것 이외에는 상기 실시예 6-1, 2와 동일하게 하여 액정셀을 제작하였다. 이 실시예 6-3에 관한 액정셀에 대하여도 상기와 동일한 방법을 이용하여 액정의 배향특성을 조사한 결과, 1화소내에 멀티도메인 배향된 액정셀이 형성된 것을 확인할 수 있었다.
(실시예 6-4)
칼콘골격과 Si기를 갖는 화학흡착물질(클로로실란계 계면활성제)로서 하기 (화학식6-10)으로 표시되는 화합물을 이용한 것외에는 상기 실시예6-1과 동일하게 하여 액정셀을 제작하였다.
이 액정셀에 대하여, 상기 실시예 6-1과 동일한 방법으로 배향상태를 조사한 결과, 액정분자는 편광방향을 따라 기판면에 대하여 프리틸트각이 약 3도로 배향되어 있는 것이 확인되었다.
(실시예 6-5)
실시예 6-5에서는 유리판(표면에 수산기를 갖는 것)상에 인듐주석산화물로 된 투명전극(12)를 형성하고, 그 위에 두께 50nm의 SiO2층(13)을 형성한 기판(2)를 제작하고, 이 기판(2)의 표면에 상기 (화학식6-10)으로 표시되는 화학흡착물질을 이용하여 박막(14)을 형성하였다. 그리고, 그외의 사항에 대하여는 상기 실시예6-4와 동일하게 하여 실시예6-5의 액정셀을 제작하였다. 이 액정셀의 개념도를 도6-6에 나타내었다.
상기 액정셀에 대하여 상기 실시예6-1과 동일한 방법으로 배향상태를 조사한 결과, 액정분자는 편광방향을 따라 기판면에 대하여 약 4도의 프리틸트각으로 배향되어 있는 것이 확인되었다.
(실시예6-6)
실시예6-6에서는 상기와 같은 액정배향막을 이용하여 액정표시장치를 제작하였다. 이하, 이 액정표시장치의 제작공정에 대하여 도6-7을 이용하여 설명한다.
먼저, 도6-7에 나타낸 바와 같이, 매트릭스상으로 배치된 제1의 전극군(21)과 이 전극을 구동하는 TFT(박막트랜지스터)군(22)을 갖는 제1의 기판(20)위, 그리고 제1의 전극군과 대향하도록 배치된 칼러필터군(25)과 제2의 전극(26)(대향전극)을 갖는 제2의 기판(24)위에 실시예6-1과 동일한 순서로 제작한 화학흡착액을 도포하여 동일한 화학흡착 단분자막을 제작하였다. 이에 의하여, 실시예6-1과 마찬가지로 전극패턴에 따라 재배향된 액정배향막(23, 27)을 제작할 수 있었다.
다음으로, 상기 제1과 제2의 기판(20, 24)을 전극이 대향하도록 위치를 맞추어 스페이서(29)와 접착제(30)에서 4.5미크론의 갭으로 90도 트위스트 배향한 셀을 제작하였다. 그후, 상기 제1과 제2의 기판에 상기 TN액정(ZLI4792; 멜크사제) (28)을 주입하여 액정표시소자로 하고, 그 소자의 내외측에 편광판(31, 32)를 배치하고, 제1의 기판측에 백라이트(33)를 배치하여 액정표시장치를 완성하였다.
상기 액정표시소자에 대하여, 실시예6-1의 경우와 동일한 방법으로 액정분자의 틸트각을 측정한 결과, 약 5도였다. 이 장치의 제1의 기판측에서 백라이트(33)를 조사하면서 비디오신호를 이용하여 각각의 트랜지스터를 구동시킨 결과, 화살표 A의 방향으로 휘도가 우수한 선명한 영상을 표시할 수 있었다.
(실시예 6-7)
실시예 6-5와 동일한 박막을 제작한 후, 실시예6-3과 동일한 방법으로 상기 편광판에 각각의 화소를 4분할하는 ?모양의 마스크를 겹쳐 노광하는 공정을 4회 행하였다. 이것 이외에는 상기 실시예 6-6과 동일하게 하여 실시예6-7에 따른 액정표시장치를 제작하였다.
상기 액정표시장치의 액정셀에 대하여, 상기와 동일한 방법으로 액정분자의 배향을 조사한 결과, 동일 화소내에 배향방향이 다른 4개의 소구획이 패턴상으로 형성되어 있는 것이 확인되었다. 또한, 이 장치를 이용하여 시야각을 육안으로 관찰한 결과, 배향방향이 일정한 실시예6-6의 장치에 비하여 시야각이 대폭 개선되어 있었다.
[그외의 사항]
상기 실시예에서는 각각 전극이 형성된 1대의 기판위에 각각 배향성을 갖는 화학흡착 단분자막을 형성하였으나, 하나의 기판에만 배향성을 갖는 화학흡착 단분자막을 형성하여도 된다. 단, 배향안정성을 높이기 위해서는 양쪽 기판에 배향성을 갖는 화학흡착 단분자막을 형성하는 것이 바람직하다.
또, 상기 실시예에서는 클로로실란기를 갖는 화학흡착물질을 이용하였으나, 클로로실란기 대신에 알콕시실란기나 이소시아네이트 실란기를 도입한 화학흡착물질도 사용할 수 있고, 이 물질에 있어서도 배향규제력이나 기판에 대한 화학흡착력이 우수한 액정배향막이 얻어진다.
상기 실시예에서는 물을 함유하지 않은 세정용 용제로서 클로로포름을 이용하였으나, 이에 한정되지는 않고 화학흡착물질(계면활성제)을 용해할 수 있는 비수계용제 등과 같은 용제도 사용가능하다. 이러한 용제의 예로서는 불화탄소기, 염화탄소기 또는 실록산기를 포함하는 용제, 보다 구체적으로는 프레온 113, 클로로포름, 헥사메틸디실록산 등을 예시할 수 있다.
상기 실시예에서는 노광용으로서 초고압 수은등의 365nm의 광을 이용하였으나, 이에 한정되는 것은 아니고, 화학흡착 단분자막의 광흡수도에 대응하여, 예를 들면 436nm, 405nm, 254nm나 KrF 엑시머레이저로 얻어지는 248nm의 광을 이용할 수 있다. 이들 파장의 광중에서 248nm나 254nm의 광이 본 발명에 따른 화학흡착박막에 쉽게 흡수되므로 에너지 배향효율의 점에서 우수하다.
본 발명에 따른 액정배향막은 화학식6-9로 표시되는 화학결합단위를 포함하고 있으나, (화학식6-9)로 표시되는 화학결합단위를 포함하는 배향막은 트위스트네마틱(TN)형 액정에 대한 배향규제력이 강하다. 따라서, 본 발명은 이런 타입의 액정표시소자에 특히 적합하게 적용될 수 있다. 화학식6-9로 표시되는 화학결합단위를 포함하는 화학흡착물질은 일반적으로 알킬기, 불화탄소기 또는 염화탄소기 또는 실록산기를 포함하는 비수계 유기용제에 용해한다. 따라서, 화학흡착액의 제조에 이들 유기용제를 적합하게 사용할 수 있다.
상기 실시예에서는 전극을 갖는 1대의 기판을 겹쳐 맞추어서 된 액정표시소자에 대하여 기술하였으나, 본 발명에 의하면 러빙을 실시하지 않고 다양한 배향특성을 갖는 배향막을 제조할 수 있으므로, 본 발명은 전극이 한쪽의 기판에만 형성되어 있는 인플레인(IPS) 방식의 액정표시소자에 적합하게 적용될 수 있다.
상기 실시예에서 사용한 화학흡착물질과 함께 다른 화학흡착물질, 예를 들면 옥타데실트리클로로실란을 혼합한 복합 화학흡착물질을 이용하여 박막을 형성할 수도 있고, 다른 화학흡착물질을 배합하므로써 프리틸트각을 변화시킬 수 있다.
본 발명은 구성분자가 소정의 방향으로 배향된 단분자 층상의 얇은 막을 형성할 수 있는 화학흡착물질에 관한 것이다. 또한 이와 같은 화학흡착물질을 이용한 액정 배향막 및 액정표시소자와 관계된 것이며, 상기 화학흡착물질 등의 제조방법에 관한 것이다.
이상에서 설명한 바와 같이, 제1∼6 발명군의 발명에 의하면, 종래의 유기고분자계 박막에 비하여 각단에 얇고 균일한 박막을 형성할 수 있다. 그리고, 이 박막은 구성분자가 기본체에 화학흡착에 의해 강력하게 결합고정되고, 구성분자 상호가 가교결합되어 열안정성이 우수한 배향성을 발현한다.
상기 박막에 간단하고 용이한 액제거건조법이나 원자외선이나 자외선을 이용한 편광조사법을 적용하면, 소망의 액정배향특성르 가지며 가시광 투과성이나 액정구동을 위한 전계를 저해하지 않는, 본 발명에 따른 액정배향막이 얻어진다. 또한 박막제작후 편광판에 패턴상의 마스크를 개재하여 복수회 노광하는 본 발명의 액정배향막 제조방법을 이용하면, 패턴상으로 분할된 소구획마다 배향방향이 다른 액정배향막을 매우 효율좋게 제조할 수 있다.
이러한 본 발명에 따른 액정배향막을 이용하면, 표시성능이 우수한 액정표시소자를 제공할 수 있고, 패턴상으로 분할된 소구획마다 배향방향이 다른 멀티도메인 타입의 액정배향막을 이용하므로써 시야각이 넓은 액정표시장치를 실현할 수 있다. 따라서, 1군의 본 발명의 산업상 의의는 크다.
Claims (114)
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- 하기 화학식1로 표시되는 화합물로 이루어지는 화학흡착물질.(화학식1)(여기서, R은 탄소수 1∼14의 알킬기 또는 페닐기, n은 1∼14의 정수를 나타내며, X는 할로겐 또는 이소시아네이트기, A는 Si에 결합된 1가의 관능기, m은 1 또는 2를 나타낸다.)
- 하기 화학식2로 표시되는 화합물로 이루어지는 화학흡착물질.(화학식2)(여기서, R은 탄소수 1∼14의 알킬기 또는 페닐기, n은 1∼14의 정수를 나타내며, X는 이소시아네이트기, A는 Si에 결합된 1가의 관능기, m은 1 또는 2를 나타낸다.)
- 하기 화학식3으로 표시되는 화합물로 이루어지는 화학흡착물질.(화학식3)(여기서, n은 1∼14의 정수를 나타내고, R은 탄소수 1 내지 14의 알킬기 또는 페닐기, X는 이소시아네이트기, A는 Si에 결합된 1가의 관능기, m은 1 또는 2를 나타낸다.)
- 하기 화학식4로 표시되는 화합물로 이루어지는 화학흡착물질.(화학식4)(여기서, R은 탄소수 1∼14의 알킬기 또는 페닐기, n은 1∼14의 정수를 나타내며, X는 이소시아네이트기, A는 Si에 결합된 1가의 관능기, m은 1 또는 2를 나타낸다.)
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- 하기 (화학식2-1)로 표시되는 4'-치환 칼콘유도체로 이루어지는 화학흡착물질.(화학식2-1)여기서, R은 탄소수 1∼3의 알킬기 또는 탄소수 1∼3의 알콕시기, p는 0 이상 2 이하의 정수, A는 -(CH2)n- (여기서, n은 3 이상 14 이하의 정수를 나타낸다)를 나타낸다.
- 하기 (화학식2-2)로 표시되는 4'-히드록시칼콘과, 하기 (화학식2-3)으로 표시되는 화합물을 커플링시켜, 하기 (화학식2-4)로 표시되는 물질을 합성하는 제1 공정과,불활성 기체 분위기하에서 상기 (화학식2-4)로 표시되는 물질과, 사염화규소를 이용하여 탈염산반응시켜, 하기 (화학식2-5)로 표시되는 4'-치환 칼콘유도체를 합성하는 제2공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 화학흡착물질의 제조방법.(화학식2-2)(화학식2-3)(여기서, Hal은 I, Br, 또는 Cl을 나타내고, n은 3 이상 14 이하의 정수를 나타낸다)(화학식2-4)(화학식2-5)
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- 하기 (화학식5-1)로 표시되는 칼콘유도체로 이루어지는 화학흡착물질.(화학식5-1)(여기서, A1은 하기 화학식5-2 또는 화학식5-3으로 표시되는 특성기이고, A2는 2가의 관능기, X는 할로겐 또는 알콕시기, 또는 이소시아네이트기, A'는 알킬기 또는 알콕실기, n = 0∼3)(화학식5-2)(여기서, k는 1 이상 18 이하의 정수, m, n은 0 이상 37 이하의 정수로서, m+n = 2k+1, p는 0 또는 1, q = 0 또는 1)(화학식5-3)(여기서, k는 1 이상 18 이하의 정수, m, n은 0 이상 37 이하의 정수로서, m+n = 2k+1, q는 0 또는 1)
- 제55항에 있어서, 상기 (화학식5-1)의 A1은 칼콘골격의 벤젠환의 4 위치에 결합되어 있는 화학흡착물질.
- 제55항에 있어서, 상기 (화학식5-1)의 A2는 -(CH2)n-O- 또는 -0-(CH2)n-O- 또는 -CO-(CH2)n-O- (여기서, n은 2 이상 14 이하의 정수)로 표시되는 것인 화학흡착물질.
- 제57항에 있어서, 상기 (화학식5-1)의 A2는 칼콘골격의 벤젠환의 4 위치에 결합되어 있는 화학흡착물질.
- 제57항에 있어서, 상기 (화학식5-1)의 A1은 하기 (화학식5-4)로 표시되는 칼콘골격의 벤젠환의 4 위치에 결합되고, A2는 4' 위치에 결합되어 있는 화학흡착물질.(화학식5-4)
- 제59항에 있어서, 상기 (화학식5-1)의 A1은 하기 (화학식5-2) 또는 (화학식5-3)으로 표시되는 특성기이고, 상기 (화학식5-1)의 A2는 -(CH2)n-O- 또는 -0-(CH2)n-O- 또는 -CO-(CH2)n-O- (여기서, n은 2 이상 14 이하의 정수)로 표시되는 것인 화학흡착물질.(여기서, k는 1 이상 18 이하의 정수, m, n은 0 이상 37 이하의 정수로서, m+n = 2k+1, p는 0 또는 1, q = 0 또는 1)(화학식5-3)(여기서, k는 1 이상 18 이하의 정수, m, n은 0 이상 37 이하의 정수로서, m+n = 2k+1, q는 0 또는 1)
- 다음 공정을 구비하는, 하기 화학식으로 표시되는 화학흡착물질의 제조방법;적어도 4위치에 관능기를 갖는 칼콘골격기 및 Si를 갖는 분자의 상기 Si에, 불활성 기체 분위기중에서 할로겐을 결합시키므로써, -SiX3기를 갖는 칼콘유도체를 제조하는 공정.(여기서, A1은 칼콘골격의 벤젠환에 붙은 관능기, A2는 다른 하나의 벤젠환에 붙은 2가의 관능기, X는 할로겐, A'는 알킬기 또는 알콕시기, n = 0∼3)
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- 다음 공정을 구비하는, 하기 화학식으로 표시되는 화학흡착물질의 제조방법;적어도 4위치에 관능기를 갖는 벤즈알데히드와 벤조일기를 갖는 화합물을 알돌축합반응시킨 후, 탈수반응을 행하므로써, 4위치에 관능기를 갖는 칼콘유도체를 제조하는 공정.(여기서, A1은 칼콘골격의 벤젠환에 붙은 관능기, A2는 다른 하나의 벤젠환에 붙은 2가의 관능기, X는 할로겐, A'는 알킬기 또는 알콕시기, n = 0∼3)
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- 하기 화학식1'로 표시되는 화합물로 이루어지는 화학흡착물질.(화학식1')(여기서, R은 탄소수 1∼14의 알킬기 또는 페닐기, n은 1∼14의 정수를 나타내며, X는 할로겐 또는 이소시아네이트기, m은 3을 나타낸다.)
- 하기 화학식2'로 표시되는 화합물로 이루어지는 화학흡착물질.(화학식2')(여기서, R은 탄소수 1∼14의 알킬기 또는 페닐기, n은 1∼14의 정수를 나타내고, X는 이소시아네이트기, m은 3을 나타낸다.)
- 하기 화학식3'로 표시되는 화합물로 이루어지는 화학흡착물질.(화학식3')(여기서, R은 탄소수 1 내지 14의 알킬기 또는 페닐기, n은 1∼14의 정수를 나타내고, X는 이소시아네이트기, m은 3을 나타낸다)
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