KR100853224B1 - 동화상 대응 액정 조성물 및 이를 이용한 액정 표시 장치 - Google Patents

동화상 대응 액정 조성물 및 이를 이용한 액정 표시 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 동화상 대응 액정 조성물 및 이를 이용한 액정 표시 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 고굴절, 고유전율을 갖는 새로운 네마틱 액정 화합물을 포함하여 상전이 온도가 높아 고속 응답특성을 만족시킬 수 있는 동화상 대응 액정 조성물 및 이를 이용한 액정표시장치에 관한 것이다.
네마틱 액정 화합물, 고속 고온 액정 조성물, 액정표시장치

Description

동화상 대응 액정 조성물 및 이를 이용한 액정 표시 장치{LIQUID CRYSTAL COMPOSITION CORRESPONDING MOVING IMAGE AND LIQUID CRYSTAL DISPLAY USING THE SAME}
본 발명은 동화상 대응 액정 조성물 및 액정 표시 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 액정의 상전이 온도가 높으며 복굴절율과 유전율이방성이 커서 고속의 응답속도를 실현할 수 있어 LCD 등과 같은 액정을 필요로 하는 여러 가지 소자에 적용하기에 효과적인 동영상대응 액정 조성물 및 이를 이용한 액정표시장치에 관한 것이다.
TN(Twist Nematic)-LCD는 디스플레이 분야에서의 영역을 지속적으로 확대하여 왔고 노트북, 모니터는 물론 가정용 TV, 중소형 쪽으로 영역을 확대하고 있다. 또한 모니터 및 새로운 LCD의 큰 시장으로 주목받는 LCD-TV의 시장의 점차 형성, 확산되면서, 고휘도, 고속응답기술에 대한 요구가 매우 중요한 사항으로 대두되고 있다. 고휘도를 위해서는 백라이트에 관전류 등으로 인해 액정의 상전이 온도가 현행보다 높게 유지가 되어야 한다. TV-제품군으로 TN, IPS (CE), VA모드등이 거론되고있으나, IPS (CE), VA등은 시야각의 장점을 갖고 있으나 응답속도가 느려 동 화상에 대응하기 어려운점이 장애로 작용하고 있다.
한편 TN모드는 시야각이 협소한 문제가 있으나 보상필름등의 개발로 시야각을 보상하고 응답속도를 개선한다면, 특성면에서 생산 수율면에서 가장 경쟁력 있는 TV모드가 될 것이다. 그러나, 현재 상용화되고있는 TN 액정은 상전이 온도가 80도 정도로 낮다.
이러한 문제점을 해결하기 위해서는 다음과 같은 조건들을 만족시켜야 한다. 첫째, 응답속도를 빠르게 개선하기 위해서는 액정 재료의 점도를 낮추어 20 내지 25 ㎟/s 범위내로 조절해야 한다. 둘째, 구동전압을 낮추기 위해서는 유전율 이방성(△ε)을 증가시켜 10 내지 15(35℃, 1kHz) 범위내로 조절해야 한다. 셋째, 넓은 온도 범위에서 네마틱상을 가져야 하며, 바람직한 네마틱상 온도 범위는 -30 내지 80 ℃이다. 넷째, 복굴절율(△n) 값이 0.20 (25℃) 이상이어야 한다.
상기한 바와 같이, 현재까지 제품화되고 있는 LCD 제품은 대부분이 TN, IPS (CE), VA모드로서 네마틱 액정을 사용하고 있으며 상전이 온도는 70 내지 80℃정도이며, 응답속도는 20 내지 30ms 정도이다.
따라서 TV응용 및 동화상을 실현하기 위해서는 응답속도의 개선 및 상전이 온도의 증가가 절실히 요구되어지고 있다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여, 고휘도, 고속 응답기술을 목표로 굴절율 이방성 증가와 액정의 상전이 온도를 높여 고온고속 액정 개발을 통한 고속 응답 기술을 실현할 수 있는 네마틱 액정 조성물 을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 다른 목적은 상기 액정조성물을 이용한 액정표시장치를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 하기 화학식 1로 표시되는 네마틱 액정 화합물을 포함하는 네마틱 액정 조성물을 제공한다.
[화학식 1]
Figure 112002040996903-pat00001
(상기 식에서, R은 CnH2n+1O, CnH2n+1, 또는 Cn H2n-1이며, 이때 n은 1∼15의 정수이고;
A는 페닐, 사이클로헥산, 또는 직접 단일결합(-)이며;
B는 직접 단일결합(-), -CH2CH2-, -COO-, -C=C-, 또는 -C≡C-이며;
X는 H, F, 또는 Cl이며; Y는 NCS, SCN 또는 F이며;
Z1 및 Z2는 각각 독립적으로 또는 동시에 H, F, 또는 Cl이다.)
또한, 본 발명은 상기 기재의 네마틱 액정 조성물을 포함하는 액정표시장치를 제공한다.
바람직하게는, 상기 액정표시장치는 능동 구동방식의 TN(twist nematic), STN, TFT-TN 모드, IPS(In plane switching) 모드의 액정표시장치이다. 또한, 상기 액정표시장치는 AOC, COA, 또는 LCOS 액정표시장치, 또는 VA(Vertically align) 액정표시장치를 포함한다.
이하에서 본 발명을 상세하게 설명한다.
본 발명에서는 고굴절, 고유전율의 주요필수성분(Key material)을 제조하여 호스트 액정에 블렌딩함으로써 기존 상용 액정에 비해 온도를 20 ℃이상 높이고 응답속도를 기존대비 70% 이하 수준으로 도달시킬 수 있는 네마틱 액정 조성물 및 이를 이용한 액정표시장치를 특징으로 한다.
본 발명의 액정 화합물은 고복굴절, 고유전율 및 상전이온도가 높아 새로운 고속응답 액정 조성물로 사용할 수 있다.
이러한 본 발명의 액정 조성물은 상기 화학식 1의 화합물로 이루어진 군으로부터 1 종 이상 선택되는 화합물을 1 내지 100 중량% 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명의 액정 조성물은 상기 화학식 1의 화합물과 함께 하기 화학식 2, 화학식 3 및 화학식 4로 표시되는 화합물로 이루어진 군으로부터 1 종 이상 선택되는 화합물을 포함하는 것이 좋다.
[화학식 2]
R2-A1-B1-X1
[화학식 3]
Figure 112002040996903-pat00002
[화학식 4]
Figure 112002040996903-pat00003
(상기 식에서, R2는 각각 독립적으로 또는 동시에 CnH2n+1, 또는 C nH2n이며, 이때 n은 1∼15의 정수이고;
A1 및 B1은 각각 독립적으로 또는 동시에
Figure 112002040996903-pat00004
,
Figure 112002040996903-pat00005
, 또는
Figure 112002040996903-pat00006
이며;
X1은 F, CF3, OCF3, CH=CF2, 또는 OCH=CF2이며;
A2는 각각 독립적으로 또는 동시에
Figure 112002040996903-pat00007
또는
Figure 112002040996903-pat00008
이며;
A3, B2 및 C는 각각 독립적으로 또는 동시에 F, CF3, OCF3, 또는 H이다.)
이러한 경우 상기 화학식 1로 표시되는 네마틱 액정 화합물의 함량은 전체 조성물에 대하여 1 내지 90 중량%할 수 있으며, 더욱 바람직하게는 10 내지 30 중량%인 것이 좋다. 이때, 상기 화학식 1의 사용량이 1 중량% 미만이면 응답속도가 느리고, 80 중량%를 초과할 경우 높은 상전이 온도와 고속의 응답속도를 얻을 수 없는 문제가 있다.
상기 화학식 2 내지 4로 표시되는 화합물은 호스트 혼합물로 신규 액정 조성물을 만들기 위하여 사용된 모체 액정의 조성이다. 상기 화학식 2, 화학식 3 및 화학식 4로 표시되는 화합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 1 종 이상의 액정 화합물의 함량은 10 내지 99 중량%인 것이 바람직하다. 상기 호스트 액정의 조성은 화학식 2 내지 4의 화합물 중에서 선택된 화합물을 여러 개의 군으로 나누어 임의로 혼합 사용할 수 있으며, 예를 들면 G1은 15∼25 중량%, G2는 10∼20 중량%, G3은 30∼40 중량%, G4는 20∼40 중량%로 구성할 수 있으며, 이에 한정되는 것은 아니다.
또한, 본 발명의 액정조성물은 상기 화학식 1의 액정 화합물 이외에도 액정조성물의 특성을 개선하기 위하여 일반적으로 알려진 네마틱액정, 스멕틱액정, 콜레스테릭액정 등을 혼합 사용할 수 있다. 그러나, 이러한 액정화합물을 다량 첨가하면 얻으려고 하는 액정조성물의 특성을 감소시키는 경우가 생기므로, 첨가량은 네마틱 액정조성물의 요구 특성에 따라서 제한적으로 결정하여야 한다.
이와 같은 본 발명의 액정조성물은 상전이 온도가 100 ℃ 이상이며, 복굴절(△n)은 0.09 내지 0.13이며, 유전율이방성(Δε)(20℃)은 6 내지 8로 기존 액정에 비해 높은 값을 가지므로, 3.0 ㎛이상의 셀갭(cell gap)을 갖는 LCD의 경우에도 유용하게 사용될 수 있다.
따라서, 본 발명의 조성물을 액정재료로 이용하여 적절한 첨가제와 함께 각 종표시용 액정셀에 충진하여 여러 가지 LCD 제품군의 액정표시장치를 제공할 수 있다. 예를 들면, 상기 네마틱 액정조성물을 포함하는 능동방식(active matrix method)의 TFT 방식 액정표시장치, 능동방식(active matrix method)의 MIM 방식 액정표시장치, 능동방식(active matrix method)의 IPS (In-plane switching) 방식 액정표시장치, 단순메트릭스형(Simple matrix type) 트위스트 네마틱 (Twistnematic) 방식 액정표시장치, 단순메트릭스형(Simple matrix type) 슈퍼트위스트 네마틱(Super twist nematic) 방식 액정표시장치, 박막트랜지스터-트위스트 네마틱(TFT-TN) 액정표시장치, AOC, COA, 또는 LCOS 액정표시장치, VA(Vertically align) 액정표시장치인 등을 제조할 수 있다.
이하, 본 발명의 실시예 및 비교예를 기재한다. 그러나, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것으로서 본 발명을 한정하는 것은 아니다.
[실시예 1]
신규 액정을 만들기 위하여 모체로 사용된 호스트 액정 혼합물의 조성은 하기 표 1과 같다(G1+G2+G3+G4). 각 함량은 중량%를 나타낸다.
화합물 기호 함량(중량%)
G1 (X는 F)
Figure 112002040996903-pat00009
 2esPX 3.4
Figure 112002040996903-pat00010
 3CPFesPX 9.0
Figure 112002040996903-pat00011
 3CCesPX 9.4
G2
Figure 112002040996903-pat00012
 3CCO1 6.6
Figure 112002040996903-pat00013
 2CC3" 5.4
Figure 112002040996903-pat00014
 5CC2" 20.8
Figure 112002040996903-pat00015
 5CC3 4.1
G3
Figure 112002040996903-pat00016
 2CCPOCF3 7.4
Figure 112002040996903-pat00017
 2CCPFFF 7.0
Figure 112002040996903-pat00018
 2CCPF,OCF3 5.86
Figure 112002040996903-pat00019
 2CPFPFFF 4.97
G4
Figure 112002040996903-pat00020
 2"CCPFF 11.07
Figure 112002040996903-pat00021
 3CCPOCF3 2.5
Figure 112002040996903-pat00022
 3CCPFFF 2.5
상기 호스트 액정혼합물의 경우 m.p는 -30℃, Tni 80℃, 복굴절(△n) 0.075, 유전율이방성(Δε) 5.6이며, 전기광학특성으로 응답속도는 셀갭 4.6 ㎛에서 16.2 ms로 측정되었다.
이후, 상기 조성의 호스트 액정을 사용하고 하기 표 2와 같은 조건의 화학식 1a의 화합물 17 내지 18 중량% 혼합하여 신규 액정을 제조하였다. 하기 표 2에서 m.p.는 결정상에서 액정상 또는 등방성 액체상으로 상전이하는 온도이며, TNI는 액 정상에서 등방성 액체상으로 상전이하는 각각의 온도를 나타낸다. 이때, 혼합액정의 복굴절율, 유전율을 측정하여 외삽법으로 단일액정화합물의 복굴절율(Δn), 유전율을 결정하였다. 각 화합물은 증류, 컬럼정제, 및 재결정 방법 등을 이용하여 불순물을 제거하여, 충분히 정제하였다.
[화학식 1a]
Figure 112002040996903-pat00023
R X Y 기호 m.p TNI 복굴절 (Δn) 유전율이방성 (Δε)
화학식1a 프로필 F NCS 3CPFPSF 99 191.5 0.285 12.1
상기 결과에서 보는 바와 같이, 본 발명의 화학식 1의 화합물은 호스트 대비 복굴절율 및 유전율이방성이 개선되었음을 알 수 있다.
[실시예 2]
상기 호스트 혼합물에 주요필수성분(key material)으로 상기 화학식 1a의 화합물을 첨가하여 액정을 제조한 후, % 농도에 따른 액정의 응답속도(셀갭 3.77 ㎛) 및 물성변화를 측정하였다.
1) 먼저, 화학식 1a의 화합물을 17.2% 첨가하여 액정을 제조한 경우, 물성결과는 하기와 같다.
Tni : 93.6℃, △n:0.112, Δε:7.4(20℃), 응답속도: 9.9 ms, 문턱전압(Vth): 1.5V
상기에서 결과에서 보면, 화학식 1a의 화합물을 17.2 중량% 첨가하였을 때, 상용 액정 대비 응답속도는 61%로 줄었으며, 상전이 온도는 117%로 증가하였으며, 이는 동영상 대응 고속 고온 액정으로 사용가능함을 나타낸다.
2) 화학식 1a의 화합물의 함량을 각각 8% 및 22%로 변화시킨 경우 물성 결과는 하기 표 3과 같다.
함량(중량%) Tni (℃) △ n Δε(20 ℃)
8 88.9 0.0918 6.1
22 104 0.1212 7
상기 표 2의 결과에서 보면, 첨가량에 따라 액정 물성이 조절되며 용도에 따라 첨가량을 조절할 수 있음을 알 수 있다.
이와 같이, 기존 NCS혼합물의 경우(예를 들면 Tni가 71℃, △n이 0.15, 응답속도 14.6 ms) 상전이온도가 낮으며, 굴절율이 높아 제품화가 어려운 점이 있었다. 이에 반해, 본 발명의 실시예의 경우는 동화상 대응의 고속 고온의 2가지를 동시에 충족시켜 주고 있으며 제품화 가능성이 매우 높다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 액정 조성물은 상용의 혼합 액정에 비해 복굴절율(Δn) 및 유전율이방성(Δε)이 크고, 문턱전압(Threshold Voltage: Vth)이 낮으며, 상전이온도가 높아 고속의 응답속도를 실현할 수 있고 저전압 구동이 가능하여 LCD 등과 같은 액정을 필요로 하는 여러 소자에 적용하여 사용할 수 있다.

Claims (14)

  1. 하기 화학식 1로 표시되는 네마틱 액정 화합물을 포함하는 네마틱 액정 조성물:
    [화학식 1]
    Figure 112008046038317-pat00024
    상기 식에서, R은 CnH2n+1O, CnH2n+1, 또는 CnH2n-1이며, 이때 n은 1∼15의 정수이고;
    A는 페닐, 사이클로헥산, 또는 직접 단일결합(-)이며;
    B는 -CH2CH2-이며;
    X는 H, F, 또는 Cl이며;
    Y는 NCS, SCN 또는 F이며;
    Z1 및 Z2는 각각 독립적으로 또는 동시에 H, F, 또는 Cl이다.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 화학식 1로 표시되는 네마틱 액정 화합물, 그리고
    하기 화학식 2, 화학식 3 및 화학식 4로 표시되는 화합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 1 종 이상의 액정 화합물
    을 포함하는 네마틱 액정 조성물:
    [화학식 2]
    R2-A1-B1-X1
    [화학식 3]
    Figure 112008046038317-pat00025
    [화학식 4]
    Figure 112008046038317-pat00026
    상기 식에서, R2는 각각 독립적으로 또는 동시에 CnH2n+1, 또는 CnH2n이며, 이때 n은 1∼15의 정수이고;
    A1 및 B1은 각각 독립적으로 또는 동시에
    Figure 112008046038317-pat00027
    ,
    Figure 112008046038317-pat00028
    , 또는
    Figure 112008046038317-pat00029
    이며;
    X1은 F, CF3, OCF3, CH=CF2, 또는 OCH=CF2이며;
    A2는 각각 독립적으로 또는 동시에
    Figure 112008046038317-pat00030
    또는
    Figure 112008046038317-pat00031
    이며;
    A3, B2 및 C는 각각 독립적으로 또는 동시에 F, CF3, OCF3, 또는 H이다.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 화학식 1로 표시되는 네마틱 액정 화합물 1 내지 80 중량%, 그리고
    상기 화학식 2, 화학식 3 및 화학식 4로 표시되는 화합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 1 종 이상의 액정 화합물 20 내지 99 중량%
    를 포함하는 네마틱 액정 조성물.
  4. 제1항 기재의 네마틱 액정 조성물을 포함하는 액정표시장치.
  5. 제4항에 있어서, 상기 액정표시장치가 능동 구동방식의 TN(twist nematic), STN, TFT-TN, 또는 IPS(In plane switching) 모드의 액정표시장치인 것을 특징으로 하는 액정표시장치.
  6. 제4항에 있어서, 상기 액정표시장치가 수직배향형(VA, Vertically align) 모드의 액정표시장치인 것을 특징으로 하는 액정표시장치.
  7. 제4항에 있어서, 상기 액정표시장치가 AOC, COA, 또는 LCOS 액정표시장치인 것을 특징으로 하는 액정표시장치.
  8. 하기 화학식 1로 표시되는 네마틱 액정 화합물을 포함하는 네마틱 액정 조성물:
    [화학식 1]
    Figure 112008046038317-pat00032
    상기 식에서, R은 CnH2n+1O, CnH2n+1, 또는 CnH2n-1이며, 이때 n은 1∼15의 정수이고;
    A는 페닐, 사이클로헥산, 또는 직접 단일결합(-)이며;
    B는 직접 단일결합(-), -CH2CH2-, -COO-, -C=C-, 또는 -C≡C-이며;
    X는 H, F, 또는 Cl이며;
    Y는 SCN 또는 F이며;
    Z1 및 Z2는 각각 독립적으로 또는 동시에 H, F, 또는 Cl이다.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 화학식 1로 표시되는 네마틱 액정 화합물, 그리고
    하기 화학식 2, 화학식 3 및 화학식 4로 표시되는 화합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 1 종 이상의 액정 화합물
    을 포함하는 네마틱 액정 조성물:
    [화학식 2]
    R2-A1-B1-X1
    [화학식 3]
    Figure 112008046038317-pat00033
    [화학식 4]
    Figure 112008046038317-pat00034
    상기 식에서, R2는 각각 독립적으로 또는 동시에 CnH2n+1, 또는 CnH2n이며, 이때 n은 1∼15의 정수이고;
    A1 및 B1은 각각 독립적으로 또는 동시에
    Figure 112008046038317-pat00035
    ,
    Figure 112008046038317-pat00036
    , 또는
    Figure 112008046038317-pat00037
    이며;
    X1은 F, CF3, OCF3, CH=CF2, 또는 OCH=CF2이며;
    A2는 각각 독립적으로 또는 동시에
    Figure 112008046038317-pat00038
    또는
    Figure 112008046038317-pat00039
    이며;
    A3, B2 및 C는 각각 독립적으로 또는 동시에 F, CF3, OCF3, 또는 H이다.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 화학식 1로 표시되는 네마틱 액정 화합물 1 내지 80 중량%, 그리고
    상기 화학식 2, 화학식 3 및 화학식 4로 표시되는 화합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 1 종 이상의 액정 화합물 20 내지 99 중량%
    를 포함하는 네마틱 액정 조성물.
  11. 제10항 기재의 네마틱 액정 조성물을 포함하는 액정표시장치.
  12. 제11항에 있어서, 상기 액정표시장치가 능동 구동방식의 TN(twist nematic), STN, TFT-TN, 또는 IPS(In plane switching) 모드의 액정표시장치인 것을 특징으로 하는 액정표시장치.
  13. 제11항에 있어서, 상기 액정표시장치가 수직배향형(VA, Vertically align) 모드의 액정표시장치인 것을 특징으로 하는 액정표시장치.
  14. 제11항에 있어서, 상기 액정표시장치가 AOC, COA, 또는 LCOS 액정표시장치인 것을 특징으로 하는 액정표시장치.
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