KR100631862B1 - 액정표시장치 칼라필터용으로 사용되는 블랙 매트릭스용카본블랙 분산액 조성물 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 액정표시장치의 칼라필터 제조시 사용되는 블랙 매트릭스용 카본블랙 분산액 조성물에 관한 것으로서, 5 ~ 40중량%의 카본블랙, 1 ~ 10중량%의 분산제, 0.1 ~ 20중량%의 카도계 모노머, 올리고머 및 폴리머 중 어느 하나 또는 그 혼합물인 카도계 화합물과 30 ~ 90중량%의 용제를 포함하는 혼합물을 습윤과정의 전처리 공정, 연속 환상형 비드밀을 이용한 분산 공정 및 상온 방치하는 후처리 숙성 공정을 거침으로써 얻어지는 블랙 매트릭스 패턴의 밀착성, 균일성 및 해상도가 우수하고 하부 과현상이 없는 블랙 매트릭스용 카본블랙 분산액 조성물을 제공한다.
블랙 매트릭스, 카도계 화합물, 카본블랙, 습윤, 비드밀, 숙성

Description

액정표시장치 칼라필터용으로 사용되는 블랙 매트릭스용 카본블랙 분산액 조성물{Carbon Black Dispersion Composition for Black Matrix of Color Filter in Liquid Crystal Display}
도 1은 본 발명에 의한 25㎛ 블랙 매트릭스 패턴의 500배 확대사진,
도 2는 본 발명에 의한 25㎛ 블랙 매트릭스 패턴의 3000배 확대사진,
도 3은 비교예의 패턴의 직선성 불량사진,
도 4는 비교예의 하부 과현상 발생 사진이다.
본 발명은 액정표시장치의 칼라필터 제조시 사용되는 블랙 매트릭스용 카본블랙 분산액 조성물에 관한 것이다. 더욱 상세하게는 카본블랙을 주성분으로 하고 유기계 분산제, 고분자 및 기타 첨가제를 조합하여 제조한 카본블랙 분산액 조성물을 액정표시장치의 칼라필터 구성 성분인 블랙 매트릭스 제조에 이용함으로써 블랙 매트릭스 패턴의 균일성 및 해상성을 향상시키기 위한 것이다.
칼라필터는 일반적으로 유리 및 박판형 수지 등의 투명재료를 기판으로 사용하여, 기판 표면에 흑색의 매트릭스(테두리)를 형성하고 적색, 녹색, 청색(R, G, B) 등의 3종 이상의 서로 다른 색상을 이용하여 순차적으로 모자이크형의 화소(색 패턴)를 형성한 것이다. 칼라필터의 대표적인 제조방법은 염색법, 인쇄법, 안료 분산법, 전착법 등이 있다.
이 중에서 특히 안료 분산법이 주로 사용되는데, 안료 분산법은 안료를 포함하는 감광성 조성물을 투명 기판에 도포하고, 패턴이 미리 그려진 포토마스크를 적용하는 노광 공정, 알칼리 수용액 등을 현상액으로 이용하는 현상 공정 및 고온 열경화(건조) 공정 등을 거쳐서 칼라필터를 제조하는 방법으로서, 칼라필터 상의 각 화소의 위치 및 막두께 등의 정밀도가 좋고, 내광성, 내열성, 내약품성 등의 물성이 우수하고 핀홀 등의 결함이 적다는 등의 장점이 알려져 있다.
칼라필터 상의 블랙 매트릭스는 일반적으로 R, G, B 각각의 화소 사이에 격자형, 선형, 모자이크형 등의 배열로 형성되고, 각 색 간의 혼색 억제를 통한 대비비(contrast) 향상 및 광원(back light unit)으로부터 방출되는 빛 누출에 의한 TFT(박막 트랜지스터)의 오작동을 막는 역할을 수행한다. 따라서, 블랙 매트릭스는 높은 수준의 차광성이 요구되고, 블랙 매트릭스의 차광성 정도는 광학밀도(OD) 수치로 표시된다. OD 수치는 특정 단일파장 또는 특정 파장범위에서 측정한 투과율의 상용로그 수치를 절대값으로 표시한 것으로서, OD 수치가 클수록 블랙 매트릭스의 차광성이 우수하다는 것을 의미한다.
기존의 블랙 매트릭스는 크롬이나 크롬 산화물 등의 금속 및 금속 산화물을 박막화하여 형성하는 방법으로 제조하였다. 이 방법은 투명 기판 상에 크롬 등의 금속을 증착하고 포토리소그래피 공정을 거친 후 크롬층을 에칭 처리하는 것으로 서, 이렇게 제조한 블랙 매트릭스는 매우 얇은 막두께로 높은 차광성을 보이고 정밀도가 높다는 장점이 있지만, 제조 공정이 복잡하고 위험할 뿐만 아니라 낮은 생산성에 기인한 고비용 문제, 에칭 처리시 발생하는 폐액에 의한 환경 문제 등이 발생하는 단점이 있다.
따라서, 최근에는 차광물질을 기존의 크롬 및 크롬 산화물 등의 금속 및 금속 산화물에서 무공해 물질인 카본블랙 등의 유기안료를 분산시켜서 감광성 수지를 제조하고, 이를 블랙 매트릭스 제조에 적용함으로써 무공해 수지계 블랙 매트릭스를 제조하는 방향으로 전환되어 왔다.
카본블랙을 이용하여 블랙 매트릭스를 제조하는 기존 방법은 일본특개 2004-292672, 미국특허 4,762,752, 일본특개 평10-204321, 일본특개 2004-251946, 일본특개 2004-29745, 일본특개 2004-4762, 일본특개 2004-75985, 일본특개 2004-198717, 대한민국특허 2002-0075502, 일본특개 평11-60989, 일본특개 평10-253820, 일본특개 평10-10311, 일본특개 평9-22653 등이 있다. 이들 방법은 주로 카본블랙의 1차 입자와 구조별 종류 및 고저항성 또는 분산성을 부여하기 위한 카본블랙의 표면처리 방법 및 표면처리제의 종류 등에 관한 것으로, 이들 방법에 따라 분산액의 안정성, 차광성, 밀착성, 고저항성 등의 성능은 향상되었으나 블랙 매트릭스 패턴의 균일성 및 해상성에 대한 연구는 되어 있지 않았다. 일본 소화전공주식회사에서 출원한 일본특개 2004-198717에서 블랙 매트릭스 패턴의 해상성에 대한 언급이 있으나 최근의 액정표시장치 제조업체에서 요구하는 수준의 충분한 연구가 이루어져 있다고는 볼 수 없다.
액정화면이 휴대전화, 노트PC 등의 모바일용이나 컴퓨터 모니터용에서 점차 TV용으로 대형화되면서 액정화면의 밝기가 액정표시장치 품질을 결정하는 중요한 인자가 되었고, 칼라필터 상에서 액정화면의 밝기 향상에 기여하는 것이 블랙 매트릭스의 세밀화임을 고려해볼 때, 블랙 매트릭스 패턴의 균일성 및 해상성은 더욱 중요해지고 있는 추세이다.
본 발명은 카본블랙을 이용한 블랙 매트릭스용 안료 분산액 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 종래의 안료 분산액 조성물보다 블랙 매트릭스 패턴의 균일성 및 해상성이 향상된 블랙 매트릭스용 카본블랙 분산액 조성물을 제공하는 것을 기술적 과제로 한다.
그러므로 본 발명에 의하면 액정표시장치 칼라필터용으로 사용되는 블랙 매트릭스용 카본블랙 분산액 조성물에 있어서, 카본블랙, 분산제, 카도계 화합물과 용제를 포함하는 혼합물을 습윤과정의 전처리 공정, 연속 환상형 비드밀을 이용한 분산 공정 및 상온 방치하는 후처리 숙성 공정을 거침으로써 얻어지는 것을 특징으로 하는 블랙 매트릭스용 카본블랙 분산액 조성물이 제공된다.
상기 혼합물은 5 ~ 40중량%의 카본블랙, 1 ~ 10중량%의 분산제, 0.1 ~ 20중량%의 카도계 화합물 및 30 ~ 90중량%의 용제의 혼합물인 것을 특징으로 한다.
상기 혼합물은 추가로 0.1 ~ 10중량%의 분산 보조제를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 분산 공정 전에 10 ~ 60분간 카본블랙 습윤 과정을 전처리 공정으로 처리하는 것을 특징으로 한다.
상기 연속 환상형 비드밀을 이용한 분산공정은 직경이 0.2㎜ ~ 1.5㎜인 산화 지르코늄 비드를 이용하는 것을 특징으로 한다.
상기 후처리 숙성 공정은 6 ~ 60시간 동안 암실에서 방치하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에서는 상기 카본블랙 분산액 조성물을 이용한 컬러필터용 블랙 매트릭스가 제공된다.
또한, 본 발명에서는 블랙 매트릭스가 포함된 칼라필터가 제공된다.
이하 본 발명을 보다 상세히 설명하기로 한다.
본 발명은 액정표시장치 칼라필터용으로 사용되는 블랙 매트릭스용 카본블랙 분산액 조성물에 관한 것으로서, 5 ~ 40중량%의 카본블랙, 1 ~ 10중량%의 분산제, 0.1~ 20중량%의 카도계 모노머, 올리고머 및 폴리머 중 어느 하나 또는 그 혼합물인 카도계 화합물과 30 ~ 90중량%의 용제를 포함하는 혼합물을 습윤과정의 전처리 공정, 연속 환상형 비드밀을 이용한 분산 공정 및 상온 방치하는 후처리 숙성 공정을 거침으로써 얻어지는 카본블랙 분산액 조성물을 포함한다.
본 발명에서 상기 카본블랙은 1차 입경이 10 ~ 60㎚인 것이 바람직하다. 가장 바람직하기로는 20 ~ 40㎚인 경우이다. 입경이 20㎚ 보다 작으면 카본블랙 입자의 표면적이 너무 크기 때문에 입자간 응집력이 커져서 충분한 분산성을 얻기 어려우며 분산 후 안정성이 저하되고, 60㎚ 초과이면 OD 수치가 저하되며 블랙 매트릭스 패턴 형성시 패턴 표면에 주름이 발생하는 것과 같이 패턴의 형상 및 해상도가 저하되므로 바람직하지 않다. 카본블랙은 제조방법에 따라 특별히 제한하지는 않으며 통상의 오일로(Furnace) 블랙, 가스로 블랙, 열블랙, 아세틸렌 블랙, 채널 블랙, 램프 블랙, 본 블랙, 미네랄 블랙, 아닐린 블랙, 플라즈마 블랙 등이면 어느 것이나 사용 가능하다.
본 발명에서 상기 카본블랙은 상기 범위의 1차 입경을 갖는 것을 이용하여 특정한 표면처리를 하는 것을 사용하는 것이 바람직하다. 카본블랙의 표면처리는 카본블랙의 표면에 유기친화성 그룹을 도입함으로써 유기용제에서의 분산성 향상과 블랙 매트릭스의 균일성 및 해상성을 증진시키는 목적으로 이루어지는 것으로서 본 발명의 요체라 할 수 있다. 본 발명에서 카본블랙의 표면처리는 Cabot社 특허(USP 5,922,118 및 USP 5,554,739)에 개시한 하기와 같은 방법대로 수행하였다.
카본블랙 표면처리 구조 1;
Figure 112005075471520-pat00001
(X : H, COOH, COONa, Ph, Substituted Ph, SO3H, SO3Na, NO2, Halide, C1~C5 alkyl 등.)
본 발명에서 카본블랙 표면처리제의 종류 및 양에 따라 블랙 매트릭스 성능이 크게 좌우되는데, 이들 표면처리제의 선택은 감광성 수지용액과 고분자 종류 및 양에 따라 결정될 수 있다. 예를 들면, 블랙 매트릭스 감광성 수지용액 제조시 고분자 수지를 카도계로 사용하면서 가교제로 디펜타에리스리톨핵사아크릴레이트(DPHA)를 사용할 경우, 치환기(X)가 C1 ~ C5인 경우보다 SO3Na(또는 SO3H) 및 COONa(또는 COOH)인 경우에 분산성이 우수하고 블랙 매트릭스의 균일성 및 해상성에서도 우수한 결과를 나타내었다.
치환체가 COONa(또는 COOH)인 경우에도 치환정도에 따라 성능이 달라지게 되는데, 가장 바람직하기로는 0.5 ~ 2.5μmol/㎡인 경우이다. COONa(또는 COOH)치환이 0.5μmol/㎡ 미만이면 분산성을 충분히 향상시키지 못하고 반대로 치환정도가 2.5μmol/㎡을 넘으면 알칼리 수용액을 이용한 현상 공정시 과현상이 일어나 블랙 매트릭스 패턴의 선폭이 감소하고 균일성이 떨어진다. 특히 패턴의 직선성 및 하부 과현상(Under cut)이 나타나는 단점이 있어 상기의 사항을 고려하여 설계하는 것이 바람직하다.
본 발명에서 염으로 되어 있는 치환체(예를 들어 COONa 또는 SO3Na)를 카르복실산으로 전환하고자 할 경우에는 해당 물질을 건조하기 전 1중량% 염산 용액으로 처리한 후 충분히 세척하든지 또는 하기 표면처리 구조 2와 같이 디아조 물질을 pH 4 이하의 염산 또는 질산 용액 내에서 제조하여 카본블랙과 반응시키는 방법으로 수행 할 수 있다.
카본블랙 표면처리 구조 2 ;
Figure 112005075471520-pat00002
상기 표면처리한 후의 카본블랙의 디부틸프탈레이트(DBP) 흡유량은 30㎖/100g ~ 100㎖/100g인 경우가 바람직하다. 30㎖/100g 미만인 것은 카본블랙의 구조가 너무 작아서 분산이 어려워지고, 100㎖/100g 초과인 경우는 구조가 너무 커지고 구조 간의 빈틈이 커지기 때문에 단위 체적당의 카본블랙 입자의 충전율이 저하되어 필요한 차광성을 얻을 수 없게 된다.
본 발명에서 사용되는 분산제는 분자량 5,000 ~ 20,000 범위의 변성 폴리우레탄계 블록공중합체가 바람직하다. 분자량이 5,000 보다 작으면 분산성능을 보여주지 못하며 반대로 분자량이 20,000 보다 큰 것을 사용할 경우에는 블랙 매트릭스 패턴의 밀착성이 저하되어 패턴이 유실되고 결과적으로 해상성이 저하되는 단점이 있다.
본 발명에서 사용될 수 있는 분산제는 주성분으로 톨루엔 디이소시아네이트 및 헥사데카놀 변성 폴리카프로락톤을 포함하는 것으로, 이들 분산제는 자체 제작 또는 시판되고 있는 제품을 사용해도 무방하다. 시판되는 제품으로는 예를 들어 비와이케이(BYK)社의 디스퍼빅(Disperbyk) 160, 디스퍼빅(Disperbyk) 161, 디스퍼빅(Disperbyk) 162, 디스퍼빅(Disperbyk) 163, 디스퍼빅(Disperbyk) 164, 디스퍼빅(Disperbyk) 166, 디스퍼빅(Disperbyk) 167, 디스퍼빅(Disperbyk) 169, 아베시아(Avecia)社의 솔스퍼스(Solsperse) 20000, 솔스퍼스(Solsperse) 24000, 솔스퍼스(Solsperse) 32500, 솔스퍼스(Solsperse) 32550, 솔스퍼스(Solsperse) 38500, 솔스퍼스(Solsperse) 31845, 에프카(EFKA)社의 에프카(EFKA) 4046, 에프카(EFKA) 4047 등에서 선택하는 것이 바람직하다.
상기 분산제의 아민가는 1 ~ 100㎎KOH/g인 것이 바람직하다. 가장 바람직하기로는 10 ~ 20㎎KOH/g인 경우이다. 아민가가 1㎎KOH/g 보다 작으면 카본블랙 분산액의 분산 안정성이 저하되고, 100㎎KOH/g을 초과하면 블랙 매트릭스의 현상성 및 해상도가 저하된다.
본 발명에서 카도계 화합물은 카도계 모노머, 올리고머 및 폴리머 중 어느 하나 또는 그 혼합물이 바람직하다. 본 발명에서 상기 카도계 폴리머는 하기 화학식 2와 같은 구조를 갖는다.
Figure 112005075471520-pat00003
-----화학식 2
(R1 및 R2 : 수소원자, 알킬기 또는 할로겐원자, R3 : 수소원자 또는 메틸기
Figure 112005075471520-pat00004
Y : -O-, -NR5-(R5=H, Me, Et, CH2OH, C2H4OH 또는 CH2CH=CH2) 또는 -C(=O)O-
Z 및 Z' : 산 단일무수물(monohydride) 또는 산 이중무수물(dihydride)의 유도체.)
본 발명의 카도계 폴리머는 카도계 블랙 매트릭스용 감광성 수지용액 제조시 사용되는 카도계 폴리머와 동일 또는 유사한 것을 사용하는 것이 바람직하다. 폴리머의 첨가량은 0.1 ~ 20중량%로서 첨가량이 0.1 미만일 경우에는 충분한 성능을 기대할 수 없고, 첨가량이 20중량% 초과일 경우에는 분산액의 점도가 상승하여 도포시 막두께 조정 등이 어렵게 되므로 바람직하지 않다. 특히 바람직한 폴리머의 첨가량은 0.5 ~ 10중량%이다.
본 발명에 있어서 폴리머의 첨가는 안료 분산액을 제조한 후 단순히 첨가하는 것이 아니고 안료 분산시 다른 성분과 동시에 첨가하여 공분산을 유도함으로써 블랙 매트릭스의 성능 개선 뿐만이 아니라 분산액의 안정성 개선 및 분산을 용이하게 하는 부수적 효과가 있다. 본 발명에서 사용한 폴리머는 분자량이 1,000 ~ 8,000인 것이면 어느 것이나 사용 가능하다. 본 발명에 있어서 폴리머의 첨가는 블랙 매트릭스 패턴의 균일성 및 해상성을 크게 개선하는 효과를 나타낸다.
본 발명에서 사용한 카도계 모노머 또는 그 올리고머는 하기 화학식 3과 같은 구조식을 갖는 것으로 광경화 및 열경화시에 참여하여 블랙 매트릭스 패턴의 균일성 및 해상성을 증진시키는 역할을 한다.
Figure 112005075471520-pat00005
------화학식 3
(R1 및 R2 : 수소원자, 알킬기 또는 할로겐원자,
Figure 112005075471520-pat00006
Y : -O-, -NR5-(R5=H, Me, Et, CH2OH, C2H4OH 또는 CH2CH=CH2) 또는 -C(=O)O-.)
상기의 카도계 모노머는 카도구조이면서 글리시딜기를 가지는 것으로 블랙 매트릭스용 감광성 수지용액 제조시 사용하는 폴리머와의 친화력이 우수할 뿐만이 아니라 글리시딜기가 노광 또는 고온 건조시에 폴리머 내에 있는 카르복실산을 매개로 하여 개환중합(ring opening polymerization)을 하게 됨으로써 폴리머와 더불어 카본블랙의 밀착성 및 블랙 매트릭스 패턴의 균일성 및 해상성을 증진시킨다. 상기 글리시딜기와 같이 에폭시기를 가지는 경우, 경화 수축성이 가장 작은 것으로 나타났다.
카도계 모노머 또는 올리고머의 첨가량은 0.1 ~ 20중량%로 0.1보다 작으면 상기의 효과를 충분히 효과를 나타낼 수 없고, 20 중량%를 초과하면 분산액의 점도가 상승하여 도포시에 바람직하지 않고 또한 매트릭스의 형성 후 카본블랙의 양이 상대적으로 감소하여 OD 수치가 저하되는 단점이 있어서 바람직하지 않다. 특히 바람직한 카도계 모노머 또는 올리고머의 첨가량은 0.1 ~ 10중량%이다. 본 발명에서 카도계 모노머 또는 올리고머는 카도계 물질과 에피클로로히드린을 출발 물질로 사 용하여 제조한 후 사용한다.
본 발명에서는 분산효과를 극대화 시키기 위해 분산 보조제를 사용할 수 있다. 예로서 아베시아(Avecia)社 솔스퍼스(Solsperse) 5000, 솔스퍼스(Solsperse) 12000, 솔스퍼스(Solsperse) 22000 등이 있는데 이들 물질은 구리프탈로시아닌계 안료 유도체로서 카본블랙과의 친화성을 부여해 줌으로써 카본블랙 표면과 분산제 간의 전기적, 화학적 흡착을 돕고, 분산제 단독으로 사용하는 경우보다 분산성 및 분산 안정성이 향상되는 효과를 얻을 수 있다.
또한, 본 발명에서는 카본 블랙 분산액의 입경 및 입도분포를 조절하기 위해 제4급 암모늄염을 사용할 수가 있다. 본 발명에서 사용가능한 제4급 암모늄염은 하기 구조식을 가지는 것이면 어느 것이나 사용 가능하다. 특히 제4급 암모늄염을 사용할 경우에는 사용하지 않는 경우보다 분산액의 입도가 10 ~ 20㎚ 개선되는 효과가 있다.
본 발명에서 사용할 수 있는 제4급 암모늄염은 하기 화학식 4와 같은 구조식을 갖는 것으로, 예를 들면 테트라메틸암모늄 클로라이드, 테트라에틸암모늄 클로라이드, 테트라부틸암모늄 클로라이드, 라우릴트리메틸암모늄 클로라이드, 헥사데실트리메틸암모늄 클로라이드, 옥타데실트리메틸암모늄 클로라이드, 디메틸디라우릴암모늄 클로라이드 및 각각 대응되는 브로마이드류 및 요오다이드류 등을 들 수 있다. 이들 제4급 암모늄염은 단독 또는 혼합하여 사용하는 것도 가능하다.
본 발명에서 분산보조제는 0.1 ~ 10중량% 첨가하는 것이 바람직하다. 0.1중량% 미만인 경우 분산효과를 극대화 할 수 없고, 10중량% 초과인 경우에는 분산액의 점도가 상승할 뿐더러 경제적인 면에서도 바람직하지 않다.
Figure 112005075471520-pat00007
------ 화학식 4
(R1 ~ R4 : C1 ~ C20의 알킬기, 알케닐기, 벤질기, 아릴기, X- : Cl-, Br-, I-.)
본 발명에서 용제는 칼라필터 제조공정에서의 작업 용이성과 수지 및 기타 감광성 수지용액 조성물과의 상용성을 고려할 때 고비점의 유기 용제를 사용하는 것이 바람직하다. 예를 들면, 프로필렌글리콜모노메틸에테르아세테이트(PGMEA), 시클로헥사논, 에틸 3-에톡시프로피오네이트, 에틸셀로솔브, 폴리에틸렌글리콜 등을 사용할 수 있으며 이들 용제는 단독 또는 혼합하여 사용할 수 있다.
본 발명에서 분산은 습윤과정의 전처리 공정, 연속 환상형 비드밀을 이용한 분산 공정 및 상온 방치하는 후처리 숙성 공정 등 총 3 단계를 거쳐서 수행되었다. 전처리 공정에서 수행하는 습윤과정은 카본블랙 입자 표면이 용제 내에서 분산제, 분산조제 및 기타 첨가제 등과 균일하게 접촉하게 유도하는 과정이고, 호모게나이 저, 기계적 모터 교반기, 자기 교반기 등을 이용한다. 전처리 시간은 10 ~ 60분이 바람직하고, 가장 바람직하기로는 15 ~ 30분이다. 전처리 시간이 10분 미만이면 카본블랙 입자 표면이 충분히 습윤화되지 않고, 전처리 시간이 60분을 초과하면 최종적으로 얻어지는 카본블랙 분산액의 점도가 지나치게 상승할 우려가 있다.
본격적인 분산 장비로서 연속 환상형 비드밀을 이용하면 단시간에 분쇄 및 분산이 가능하고, 분산 후 카본블랙 입경분포가 좁아지는 효과가 있다. 사용하는 비드의 재질은 유리 비드, 산화 지르코늄 비드, 알루미나 비드, 자성 비드, 스테인레스 스틸 비드 등이 있으며, 그 중에서 산화 지르코늄 비드가 특히 바람직하다. 비드의 직경은 0.2㎜ ~ 1.5㎜ 크기의 비드를 사용하는 것이 분산시간과 분산액의 입자크기 및 분포를 고려할 때 가장 바람직하다. 비드의 직경이 0.2㎜ 미만이면 비드 한 개의 중량이 너무 작아서 분쇄 에너지가 작아지고 카본블랙의 분쇄가 진행되지 않는다. 비드의 직경이 1.5㎜를 초과하면 비드 간의 충돌회수가 적어지므로 카본블랙의 분쇄가 단시간에 일어나지 않는다.
연속 환상형 비드밀 처리 후 상온 방치하는 후처리 숙성 공정은 카본블랙 분산액의 분산 안정성을 향상시키는 효과가 있다. 숙성 공정은 15 ~ 30℃ 온도에서 방치하는데, 이 때 특별한 분위기는 필요하지 않고, 직사광선을 피할 수 있는 공간에서 숙성을 진행한다. 바람직한 숙성 시간은 6 ~ 60시간이고, 특히 바람직하기로는 12 ~ 24시간이다. 숙성 시간이 6시간 미만이면 카본블랙 분산액이 충분한 분산 안정성을 확보하는데 부족하고, 숙성 시간이 60시간을 초과하면 카본블랙 분산액의 점도가 상승할 우려가 있다.
본 발명에 의해 상기 카본블랙 분산액 조성물을 이용한 컬러필터용 블랙 매트릭스를 얻을 수 있으며, 상기 블랙 매트릭스가 포함된 칼라필터를 제조할 수 있다.
이하 구체적인 예를 들어 본 발명을 보다 상세히 설명한다. 하기의 실시예는 본 발명을 구체적으로 설명하기 위한 것으로 이들 실시예에 의해 본 발명의 범위를 한정하지는 않는다.
[실시예 1 ~ 14]
1) 표면 처리된 카본블랙 제조
1L 반응용기가 장착된 한국 대화테크(Daehwa Tech)社 유랑형믹서(Planetary mixer)에 300g의 BET 비표면적 30㎡/g 및 DBP 흡유량 94㎖/100g인 데구사(Degussa)社 카본블랙(Special black 100)과 3.4g의 파라아미노벤조산을 넣는다. Planetary mixer를 공전 80rpm 및 자전 250rpm에서 30분간 교반한다. 아질산나트륨(NaNO2)을 탈이온수 300㎖에 녹인 용액을 넣은 후 1시간 추가 교반 후 생성물을 꺼내 90℃ 오븐에서 5hr 건조하면 파라벤조산나트륨으로 치환된 카본블랙이 얻어진다. 열중량분석(TGA) 측정 결과 휘발분이 1.2%Vol 로 표면처리량은 1.5μmol/㎡ 이다.
Figure 112005075471520-pat00008
표 1과 같이 카본블랙 및 표면처리제의 종류, 표면처리량을 달리한 것을 제외하고는 상기와 같은 방법과 동일하게 실시예 2 내지 14 및 비교예 1 내지 4를 수행하였다.
2) 분산액 제조
교반기 및 냉각자켓이 부착된 1L 바스켓밀에 0.5㎜ 산화 지르코늄 비드 300g을 넣은 후 PGMEA 용제 380g을 넣는다. 이어서 BYK社 분산제 디스퍼빅(Disperbyk) 161을 26g, 분자량 3,000인 카도계 폴리머 18g, 4,4'-(9-플루오레닐리덴)디페놀글리시딜에테르 4g 및 보조분산제로 헥사데실트리메틸암모늄 브로마이드 4g을 첨가 후 호모게나이저로 15분 간 전처리하고, 연속 환상형 비드밀에서 15℃, 1000 rpm으로 4시간 분산하고, 25℃에서 12시간 동안 숙성 과정을 거치었다. 분산액의 입경은 일본 Horiba社 LB 500으로 측정하였으며 점도는 점도계(Viscometer) DV-II + Pro로 측정하였다. 입경 및 점도 등의 물성을 측정한 값을 표1에 나타내었다.
3) 블랙 매트릭스 감광성 수지용액 제조 및 평가
실시예 및 비교예 각각의 분산액 32.0g에 카도계 폴리머 5.0g, DPHA 모노머 또는 올리고머 0.7g, 광개시제(Ciba Specialty社 IRG OXE01)0.6g 및 용제로서 PEMEA 60g을 첨가한 후 호모게나이저를 이용하여 1시간 교반한 후 20㎛ 심도 필터(Depth filter)를 이용하여 여과함으로써 감광성 수지용액을 제조하였다. 이 조성물을 10× 10 cm 유리기판에 스핀코팅으로 도포한 후 80℃에서 건조 후, 1 ~ 25㎛ 다양한 모양 및 크기의 포토마스크가 장착된 일본 Ushio社 노광기로 100mJ/㎠에서 노광 후 23℃에서 430ppm KOH 용액으로 현상하였다. 현상된 기판을 세정 후 220℃에서 40분간 고온건조하여 광학 현미경으로 블랙 매트릭스 패턴의 직선성 및 해상성을 관찰하였다. 패턴의 단면은 주사전자현미경(SEM)을 통하여 측정하였다. 분산안정성은 40℃ 오븐에서 30일 방치 후 평균입경 및 점도 측정하였으며, 해상도 평가는 1 ~ 25㎛ 크기의 특정 패턴 중에서 현상 후 남아 있는 최소 크기의 패턴으로 하였다. 측정 결과를 표2에 나타내었다.
[실시예 15 ~ 20]
실시예 7에서 카도계 화합물의 종류 및 양을 달리한 점을 제외하고는 실시예 7과 동일하게 분산액 및 블랙 매트릭스 감광성 수지 조성물을 제조하여 평가 하였다. 그 결과를 표3에 나타내었다.
Figure 112005075471520-pat00009
(○: 입경 및 점도변화 ±5% 이내, △ : ±5% ~ ±10%, ×: ±20% 이상)
Figure 112005075471520-pat00010
(◎:매우 좋음, ○:좋음, △: 보통, ×:나쁨)
Figure 112005075471520-pat00011
(단위: wt% )
FDPE : 4,4-(9-플루오레닐리덴)디페놀글리시딜에테르
카도계 수지 : M.W. 4,000
MAA : 메틸메타크릴레이트
BzMA: 벤질메타크릴레이트
아크릴계 수지 : MAA/BzMA 공중합체(M.W. 15,000)
본 발명에 의해 유기화합물로 표면처리 한 카본블랙, 카도계 모노머, 올리고머 및 폴리머 중 어느 하나 또는 그 혼합물인 카도계 화합물을 선택적으로 사용하고, 습윤과정의 전처리 공정, 연속 환상형 비드밀을 이용한 분산 공정 및 상온 방치하는 후처리 숙성 공정을 거쳐서 블랙 매트릭스 패턴의 밀착성, 균일성 및 해상 도가 우수하고 하부 과현상이 없는 블랙 매트릭스용 카본블랙 분산액 조성물을 제공할 수 있었다.

Claims (8)

  1. 액정표시장치 칼라필터용으로 사용되는 블랙 매트릭스용 카본블랙 분산액 조성물에 있어서,
    카본블랙, 분산제, 카도계 화합물과 용제를 포함하는 혼합물을 습윤과정의 전처리 공정, 연속 환상형 비드밀을 이용한 분산 공정 및 상온 방치하는 후처리 숙성 공정을 거침으로써 얻어지는 것을 특징으로 하는 블랙 매트릭스용 카본블랙 분산액 조성물.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 혼합물은 5 ~ 40중량%의 카본블랙, 1 ~ 10중량%의 분산제, 0.1 ~ 20중량%의 카도계 화합물 및 30 ~ 90중량%의 용제의 혼합물인 것을 특징으로 하는 블랙 매트릭스용 카본블랙 분산액 조성물.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 혼합물은 추가로 0.1 ~ 10중량%의 분산 보조제를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 블랙 매트릭스용 카본블랙 분산액 조성물.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 분산 공정 전에 10 ~ 60분간 카본블랙 습윤 과정을 전처리 공정으로 처리하는 것을 특징으로 하는 블랙 매트릭스용 카본블랙 분산액 조성물.
  5. 제 1항에 있어서, 상기 연속 환상형 비드밀을 이용한 분산공정은 직경이 0.2mm ~ 1.5mm인 산화 지르코늄 비드를 이용하는 것을 특징으로 하는 블랙 매트릭스용 카본블랙 분산액 조성물.
  6. 제 1항에 있어서, 상기 후처리 숙성 공정은 6 ~ 60시간 동안 암실에서 방치하는 것을 특징으로 하는 블랙 매트릭스용 카본블랙 분산액 조성물.
  7. 제 1항 내지 제 6항 중 어느 한 항 기재의 카본블랙 분산액 조성물을 이용한 컬러필터용 블랙 매트릭스.
  8. 제 7항 기재의 블랙 매트릭스가 포함된 칼라필터.
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