KR101119198B1

KR101119198B1 - 액정 조성물 및 이를 사용한 액정 표시 장치

Info

Publication number: KR101119198B1
Application number: KR1020040001707A
Authority: KR
Inventors: 반병섭
Original assignee: 삼성전자주식회사
Priority date: 2004-01-09
Filing date: 2004-01-09
Publication date: 2012-03-21
Also published as: KR20050073341A

Abstract

고굴절률을 갖는 액정 조성물 및 이를 사용한 액정 표시 장치가 개시되어 있다. 다음 화학식 (1)로 표시되는 화합물을 포함하는 네마틱 액정 조성물을 제공한다.

--- (1)

상기한 화합물은 굴절률이 높은 물질로서 이를 포함하는 액정 조성물은 액정 특성이 우수하다. 이러한 본 발명의 액정 조성물을 채용하여 제조된 액정 표시 장치는 고속 응답 특성을 갖는다.

Description

액정 조성물 및 이를 사용한 액정 표시 장치{Liquid crystal Composition And Liquid Crystal Display Device Employing The Same}

도 1a 및 1b는 일반적인 TN형 액정 표시 장치의 구동 원리를 설명하기 위한 개략적인 사시도이다.

본 발명은 액정 조성물 및 이를 사용한 액정 표시 장치에 관한 것으로서, 상세하게는 고굴절률 이방성 및 고유전율 이방성을 갖는 액정 물질을 포함하는 네마틱 액정 조성물 및 이를 사용함으로써 응답 속도 특성이 개선된 액정 표시 장치에 관한 것이다.

오늘날과 같은 정보화 사회에 있어서 전자 디스플레이 장치(electronic display device)의 역할은 갈수록 중요해지며, 각종 장치가 다양한 산업 분야에 광범위하게 사용되고 있다. 이러한 전자 디스플레이 분야는 발전을 거듭하여 다양화하는 정보화 사회의 요구에 적합한 새로운 기능의 장치로 지속적으로 개발되고 있다.

전자 디스플레이 장치는 광 정보 신호가 발광 현상에 의해 표시되는 경우에 는 발광형 표시(emissive display) 장치로 불려지며, 반사, 산란, 간섭 현상 등에 의하여 광 변조로 표시되는 경우에는 수광형 표시(non-emissive display) 장치로 일컬어진다. 능동형 표시 장치라고도 불리는 상기 발광형 표시 장치로는 음극선관(cathode ray tube; CRT), 플라즈마 디스플레이 패널(plasma display panel; PDP), 발광 다이오드(light emitting diode; LED) 및 일렉트로 루미네슨트 디스플레이(electroluminescent display; ELD) 등을 들 수 있다. 또한, 수동형 표시 장치인 상기 수광형 표시 장치에는 액정표시장치(liquid crystal display; LCD) (electrochemical display; ECD) 및 전기 영동 표시 장치(electrophoretic image display; EPID) 등이 해당된다.

텔레비전이나 컴퓨터용 모니터 등과 같은 화상 표시 장치에 사용되는 가장 오랜 역사를 갖는 디스플레이 장치인 음극선관(CRT)은 표시 품질 및 경제성 등의 면에서 가장 높은 점유율을 차지하고 있으나, 무거운 중량, 큰 용적 및 높은 소비 전력 등과 같은 단점을 가지고 있다.

최근, 반도체 기술의 급속한 진보에 의하여 각종 전자 장치의 고체화, 저 전압 및 저 전력화와 함께 전자 기기의 소형화 및 경량화에 따라 새로운 환경에 적합한 전자 디스플레이 장치가 필요하게 되었다. 즉 얇고 가벼우면서도 낮은 구동 전압 및 낮은 소비 전력의 특징을 갖춘 평판 패널(flat panel)형 디스플레이 장치에 대한 요구가 급격히 증대하고 있는 것이다.

현재 개발된 여러 가지 평판 디스플레이 장치 가운데 액정 표시 장치는 다른 디스플레이 장치에 비하여 얇고 가벼우며, 낮은 소비 전력 및 낮은 구동 전압을 갖 추고 있는 동시에 음극선관에 가까운 화상 표시가 가능하기 때문에 다양한 전자 장치에 광범위하게 사용되고 있다. 또한, 액정 표시 장치는 제조가 용이하기 때문에 더욱 그 적용 범위를 확장해가고 있다.

통상적으로, 액정 표시 장치는 두 개의 유리판 또는 유리벽 사이에 포함된 박층의 액정 재료로 이루어진다. 양쪽의 유리벽 내부 표면에는 투명 전극이 부착된다. 상기한 액정층 및 2개의 유리벽과 전극을 조합시킨 것을 액정 셀(liquid crystal cell)이라고 한다. 두 전극 사이에 전계를 인가하면, 액정 분자가 전계 내에서 회전하여 온-상태(On state)로 된다. 전계를 제거하면, 분자는 반전하여 오프-상태(Off state)로 되며 이 오프 상태는 셀의 조립 이전에 유리벽에 대하여 적용되는 표면 처리 및 액정 재료의 종류 등에 따라 결정된다. 상기 온-상태와 오프-상태의 광학적 투과 특성은 상이하다. 액정 장치에서 온-상태 및 오프-상태를 시각적으로 구별하기 위하여 하나 또는 두 개의 편광판(polarizer) 및/또는 염료를 필요로 한다.

액정 재료로서는 광범위하게 네마틱(nematic), 콜레스테릭(cholesteric) 및 스메틱(smectic)의 세가지 상이한 유형의 액정 재료가 있는데, 이들 각각은 상이한 분자 배열 상태에 따라 분류된다. 상기 재료는 제한된 온도 범위에서 고체상(solid phase)과 등방성 액체상(isotropic liquid phase) 사이의 액정상(liquid crystal phase)을 나타낸다. 액정 재료는 우수한 화학적 안정성, 열 안정성 및 전기장과 전자기선에 대한 우수한 안정성을 가져야 한다. 또한, 액정 재료는 셀 내에서 점성이 낮고, 어드레싱 시간이 짧고, 임계 전압이 낮고, 콘트라스트가 높아야 한다.

액정 재료는 또한 통상의 작동 온도, 즉, 실온 위아래로 가능한한 넓은 범위에서 셀들에 대한 적절한 중간상, 예를들어, 네마틱 또는 콜레스테릭 중간상을 가져야 한다. 액정은 일반적으로 다수의 성분들의 혼합물로서 사용되기 때문에, 성분들이 서로 쉽게 혼합될 수 있는 것이 또한 중요하다. 이에 더하여, 전기 전도도, 유전 이방성 및 광학 이방성과 같은 특성이 셀 형태 및 적용 영역에 따라 다양한 필요 조건을 충족시켜야 한다. 예를 들어 트위스트 네마틱 구조를 가진 셀용 재료는 포지티브 유전 이방성 및 낮은 전기 전도도를 가져야 한다.

가장 일반적인 디스플레이 장치는 트위스트 네마틱(TN) 구조를 가지는데 이는 디스플레이 분야에서의 영역을 지속적으로 확대하여 왔고 노트북 컴퓨터, 모니터는 물론 가정용 TV 등으로 영역을 확대하고 있다.

일반적인 TN형 액정 표시 장치는 도 1a 및 1b에 나타난 바와 같은 구성을 갖는다. 이의 구동 원리를 도면을 참고로 하여 설명하기로 한다.

도시된 바와 같이, TN형 액정 표시 장치는 크게 투명 전극(도시되지 않음)이 형성되어 있고 한 쌍의 배향막(12a, 12b)이 구비된 두 장의 투명 기판(11a, 11b)과 그 사이에 주입되어 있는 액정 물질(13)로 이루어져 있다. 기판(11a, 11b)의 외부로는 광의 방향에 따라 이의 통과와 차단을 조절하기 위한 한 쌍의 편광판(14a, 14b)이 설치되어 있다. 도 1a에 나타난 바와 같이, 두 전극에 전압이 인가되지 않은 상태에서 두 기판(11a, 11b) 사이의 액정 물질(13)은 기판에 평행한 상태로 연속적으로 비틀려 있으며, 입사되는 광(16)중에서 a 방향의 광은 제1 편광판(14a)을 통과한 후 비틀린 액정을 따라 통과한 후 b 방향으로 방향이 바뀌어 제2 편광판(14b)을 통하여 투과된다. 그런데, 도 1b에 나타난 바와 같이 두 전극 사이에 일정한 전압이 인가되면 액정 분자의 장축은 기판에 수직인 방향으로 배열된다. 이에 따라 입사된 광(16)은 액정에 의해 차단되고 광은 투과되지 못한다. 이와 같이, 액정 표시 장치는 기본적으로 두 전극 사이에 인가되는 전압을 조절하여 그 사이의 액정 분자의 움직임을 변화시켜 빛의 투과량을 조절한다.

한편, 이러한 TN-LCD가 모니터 및 새로운 액정 표시 장치의 큰 시장으로 주목받는 LCD-TV 시장이 점차 형성, 확산되면서 고휘도, 고속 응답 기술에 대한 요구가 중요한 사항으로서 대두되고 있다. 고휘도를 위해서는 백라이트에 관전류 등으로 인해 액정의 상전이 온도가 현행보다 높게 유지가 되어야 한다는 요구 사항이 있다. TV 제품군으로서, 다양한 모드들이 거론되고 있으나 TN 모드는 특성이나 생산 수율면에서 가장 경쟁력 있는 모드가 될 것으로 판단된다.

그런데 TN 방식의 액정 표시 장치는 시야각이 협소하고 응답속도가 느려 동화상에 대응하기 어렵다는 단점이 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위해서는 다음과 같은 조건들을 만족시킬 필요가 있다.

첫째, 응답속도를 빠르게 개선하기 위해서는 액정 재료의 점도를 낮추어 약 20-25 mm²/s 범위가 되도록 조절할 필요가 있다. 둘째, 구동 전압을 낮추기 위해서는 유전율 이방성(△ε)을 증가시켜야 한다. 셋째, 넓은 온도 범위에서 네마틱상을 가져야 한다. 다섯째, 복굴절율(△n) 값이 약 0.20(25℃) 이상이어야 한다.

본 발명의 목적은 상기한 개선점을 감안하여 고안된 것으로서, 고속 응답, 고휘도 기술을 목표로 낮은 셀갭을 갖는 장치에 대응 가능한 고굴절, 고유전율의 액정 물질을 개발하고, 이를 포함하는 액정 조성물을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 상기한 액정 조성물을 채용하는 것에 의해 고속 응답 기술을 실현할 수 있는 액정 표시 장치를 제공하는 것이다.

상술한 본 발명의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에서는 다음 화학식 (1)로 표시되는 화합물을 포함하는 네마틱 액정 조성물을 제공한다.

--- (1)

상기 화학식 (1)에서, R 은 C_nH_2n+1S, C_nH_2n+1O, C_nH_2n+1 및 C_nH_2n-1중 어느 하나를 의미하고, n은 1 내지 10 중 하나의 정수를 의미하고, A는 직쇄(-), -CF₂O-, -C-C-, -C=C-, -C≡C-, COO, OOC, COOS 및 OOCS 중 어느 하나를 의미하고, X 및 Y는 각각 혹은 동시에 H, F, Cl, Br, NCS 및 CN 중 어느 하나를 의미하고, Z는 NCS 또는 SCN를 의미한다.

바람직하게, 상기 화합물은 혼합되는 모체 액정 100 중량%에 대하여 약 1-40 중량% 범위로 포함시키도록 한다.

상기한 본 발명의 다른 목적을 달성하기 위하여 본 발명에서는 다음 화학식 (1)로 표시되는 화합물을 포함하는 네마틱 액정 조성물을 포함하는 액정 표시 장치를 제공한다.

--- (1)

상기 액정 표시 장치로서는 TN(twist nematic)형, STN(super twist nematic)형 및 TFT-TN(thin film transistor-twist nematic)형 장치중 어느 하나일 수 있고, IPS(in plane switching)형 및 SIPS(super in plane switching)형 장치중 어느 하나일 수도 있으며, VA(vertically align)형 액정 표시 장치일 수도 있다.

본 발명에서는 장치의 응답 속도를 개선하기 위하여 고굴절율 이방성 및 고유전율 이방성을 갖는 액정 물질을 새로이 개발하고, 이를 포함하는 네마틱 액정 조성물을 채용하도록 한 것이다.

이하, 본 발명을 상세히 설명하기로 한다.

본 발명에서는 상기 화학식 (1)로 표시되는 화합물을 신규한 액정 화합물로 서 제시하고 있다. 이 물질을 포함하는 네마틱 액정 조성물을 제조하여 기존에 사용되던 액정보다 응답 속도를 개선한 고속 액정 조성물을 얻을 수 있게 된 것이다.

구체적이고 바람직한 화합물로서는 다음 화학식 (2) 및 (3)으로 표시되는 화합물들을 예시할 수 있다. 화학식 (2)로 표시되는 화합물은 화학식 1로 표시되는 화합물 중에서 N이 직쇄이고, X와 Y가 H 이며, Z가 NCS 이며 R은 C_nH_2n+1S 로 이루어지며 n은 2인 경우에 대응되는 화합물이다. 화학식 (3)으로 표시되는 화합물은 화학식 1로 표시되는 화합물 중에서 N이 아세틸렌이고, X가 F 이며, Y가 H 이고, Z가 NCS 이며 R은 C_nH_2n+1S 로 이루어지며 n은 4인 경우에 대응되는 화합물이다.

--- (2)

--- (3)

최근 셀갭이 낮아지는 추세에 따라 복굴절률이 높은 물질을 적용하는 것이 유리할 것으로 판단되어 이러한 화합물을 제안하게 되었는데, 상기한 화합물들은 코아 그룹에 다수의 불포화 그룹을 함유하고 있기 때문에 전자 밀도가 높은 구조를 갖는다. 이에 따라 굴절률이 높을 것으로 기대된다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 구체적으로 설명하기로 한다. 실험을 위하여 먼저, 호스트-A 액정 물질로서 다음과 같은 구성을 갖는 혼합 액정 물질을 사 용하였다. 호스트-A 액정 물질은 네 개의 그룹 G₁, G₂, G₃ 및 G₄로 구성되며, 각 그룹은 다음과 같은 몇 가지 화합물을 포함하여 이루어진다.

먼저, G₁ 그룹은 다음과 같은 네가지 화합물 (G₁-1), (G₁-2), (G₁-3) 및 (G₁-4)를 포함하여 이루어진다.

--- (G₁-1)

--- (G₁-2)

--- (G₁-3)

--- (G₁-4)

다음, G₂ 그룹은 다음과 같은 세가지 화합물 (G₂-1), (G₂-2) 및 (G₂-3)을 포함하여 이루어진다.

--- (G₂-1)

--- (G₂-2)

--- (G₂-3)

다음, G₃ 그룹은 다음과 같은 세가지 화합물 (G₃-1), (G₃-2) 및 (G₃-3)을 포함하여 이루어진다.

--- (G₃-1)

--- (G₃-2)

--- (G₃-3)

마지막으로, G₄ 그룹은 다음과 같은 네가지 화합물 (G₄-1), (G₄-2), (G ₄-3) 및 (G₄-4)를 포함하여 이루어진다.

--- (G₄-1)

--- (G₄-2)

--- (G₄-3)

--- (G₄-4)

호스트-A 액정 혼합물에서 각 화합물의 혼합량은 다음 표 1에 나타난 바와 같다.

그룹	화합물	함량(중량%)
G₁	G₁-1	6.6
	G₁-2	5.4
	G₁-3	20.8
	G₁-4	4.1
G₂	G₂-1	11.07
	G₂-2	2.5
	G₂-3	2.5
G₃	G₃-1	3.4
	G₃-2	9.0
	G₃-3	9.4
G₄	G₄-1	8.66
	G₄-2	8.0
	G₄-3	3.6
	G₄-4	4.97

상기 호스트-A 액정 혼합물의 액정 특성으로서 액정의 응답 속도는 셀갭 4.5 ㎛에서 14ms 로 측정되었으며, 복굴절율은 0.075, 유전율 이방성은 5.6, 상전이 온도는 약80℃ 였다.

<실시예 1>

상기한 화학식 (2)의 화합물을 상기 호스트-A 액정 혼합물과 혼합하였다. 화학식 (2)의 화합물은 굴절율 이방성이 0.322, 유전율 이방성은 7.8, 상전이 온도는 80.1℃로서, 이는 모체 액정과 대비할 때 고굴절율, 고유전율 특성을 갖는다는 것을 알 수 있다. 이러한 화학식 (2)의 화합물은 모체 액정 100 중량%에 대하여 다음 표 2에 나타난 바와 같은 비율로 혼합하고, 혼합 비율에 따라 얻어지는 액정 조성물의 물성을 측정한 결과를 함께 나타내었다.

실시예	화합물 (2)의 첨가량(중량%)	굴절률 이방성 (△n)	유전율 이방성 (△ε)	상전이온도 (℃)
1-1	5	0.0874	5.7	80
1-2	10	0.0997	5.8	80
1-3	15	0.1121	5.9	80
1-4	20	0.1244	6.0	80
1-5	25	0.1368	6.2	80
1-6	30	0.1738	6.5	80

측정된 물성을 토대로 하여 설계되는 장치에 따라 최적화된 물성을 갖는 액정 조성물을 선택적으로 적용하는 것이 가능하다. 본 실시예에서는 상기한 여섯 가지 실험에 근거하여 모체 액정에 화학식 (2)의 화합물을 16.9 중량% 혼합하여 얻어지는 액정 조성물을 제조하였다. 이 경우, 굴절률 이방성은 0.117, 유전율 이방성은 6.0 이며 상전이 온도는 80℃ 였다. 이를 채용하여 액정 표시 장치를 제조하고, 이의 응답 속도를 측정하였다. 그 결과, 응답 속도는 7.1ms로 나타났다. 이는 모체 액정의 응답 속도와 비교할 때 약 50% 정도 대폭 감소된 것이다. 이는 고속 응답 액정으로 추천할 수 있는 수준인 것으로 판단된다.

<실시예 2>

상기한 화학식 (3)의 화합물을 상기 호스트-A 액정 혼합물과 혼합하였다. 화학식 (3)의 화합물은 굴절율 이방성이 0.369, 유전율 이방성은 8.3, 상전이 온도는 76.5℃로서, 이는 모체 액정과 대비할 때 고굴절율, 고유전율 특성을 갖는다는 것을 알 수 있다. 이러한 화학식 (3)의 화합물은 모체 액정 100 중량%에 대하여 다음 표 3에 나타난 바와 같은 비율로 혼합하고, 혼합 비율에 따라 얻어지는 액정 조성물의 물성을 측정한 결과를 함께 나타내었다.

실시예	화합물 (3)의 첨가량(중량%)	굴절률 이방성 (△n)	유전율 이방성 (△ε)	상전이온도 (℃)
2-1	5	0.0897	5.7	79.9
2-2	10	0.1044	5.9	79.7
2-3	15	0.1191	6.0	79.6
2-4	20	0.1338	6.1	79.4
2-5	25	0.1485	6.3	79.3
2-6	30	0.1926	6.7	78.8

측정된 물성을 토대로 하여 설계되는 장치에 따라 최적화된 물성을 갖는 액정 조성물을 선택적으로 적용하는 것이 가능하다. 본 실시예에서는 상기한 여섯 가지 실험에 근거하여 모체 액정에 화학식 (3)의 화합물을 17.7 중량% 혼합하여 얻어지는 액정 조성물을 제조하였다. 이 경우, 굴절률 이방성은 0.127, 유전율 이방성은 6.1 이며 상전이 온도는 79.5℃ 였다. 이를 채용하여 액정 표시 장치를 제조하고, 이의 응답 속도를 측정하였다. 그 결과, 응답 속도는 6.3ms로 나타났다. 이는 모체 액정의 응답 속도와 비교할 때 약 45% 정도 대폭 감소된 것이다. 이는 고속 응답 액정으로 추천할 수 있는 수준인 것으로 판단된다.

이상과 같이 본 발명에 따른 새로운 액정 물질을 주요 물질(key material)로서 포함하는 네마틱 액정 조성물은 기존의 혼합 액정에 비하여 고굴절률을 갖는 것으로서, 액정 표시 장치에 적용시 응답 속도 특성을 개선할 수 있다. 특히 네마틱 액정으로 채용시 동영상 대응의 고속 액정으로서 우수한 품질의 구현이 가능한 것이다.

본 발명의 액정 조성물은 특히 고속 응답, 고휘도 기술을 목표로 하는 낮은 셀갭의 장치에 적용가능한 것으로서, 경쟁력 있는 모드의 실현을 가능케 한다.

이러한 액정 조성물은 네마틱 액정으로서 TN형, STN형 및 TFT-TN형 액정 표시 장치 등에 다양하게 적용가능하다. 뿐만 아니라 최근 시야각 특성을 개선한 평면 구동 방식 IPS형 및 SIPS형 액정 표시 장치에도 적용가능하며 VA형 장치 등에도 특별한 제한 없이 적용가능한 것이다. 다만 본 발명의 네마틱 액정 조성물을 제조하기 위해 첨가하는 본 발명의 액정 화합물의 첨가량은 제조하고자 하는 장치의 조건에 따라 적절하게 조절할 수 있음이 물론이다.

이상, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만 해당 기술분야의 숙련된 당업자라면 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims

다음 화학식 (1) 및 화학식 (2)로 표시되는 화합물들로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나를 포함하는 액정 조성물.

--- (1)

--- (2)
제1항에 있어서, 상기 화합물이 1-40 중량% 범위로 포함되는 것을 특징으로 하는 액정 조성물.
삭제
삭제
청구항 1항에 따른 액정 조성물을 포함하는 액정 표시 장치.
제5항에 있어서, 상기 액정 표시 장치가 TN(twist nematic)형, STN(super twist nematic)형 및 TFT-TN(thin film transistor-twist nematic)형 액정 표시 장치중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 액정 표시 장치.
제5항에 있어서, 상기 액정 표시 장치가 IPS(in plane switching)형 및 SIPS(super in plane switching)형 액정 표시 장치중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 액정 표시 장치.
제5항에 있어서, 상기 액정 표시 장치가 VA(vertically align)형 액정 표시 장치인 것을 특징으로 하는 액정 표시 장치.