KR101911089B1 - 액정 매질 및 액정 디스플레이 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 액정 패널, 액정 디스플레이 디바이스, 및 네거티브 유전 이방성 Δε을 갖는 액정 매질에 관한 것이다.
Description
본 발명은 네거티브 유전 이방성 Δε을 갖는 액정 매질 및 이 매질을 포함하는 액정 디스플레이에 관한 것이다.
LCD(액정 디스플레이), 특히 넓은 작동-온도 범위, 심지어는 저온에서의 짧은 반응 시간, 및 낮은 문턱 전압과 동시에 매우 높은 비저항을 가지는 매트릭스 유형의 LCD에 대한 요구가 굉장히 크다. 특히, 하기의 장점을 촉진시키는, VA(수직 배향된) 및 PS(중합체 안정화된) VA 네마틱 디스플레이 셀용 LC 매질이 요구된다:
- 연장된 네마틱 상 범위(특히 저온쪽으로 내려감)
- 매우 낮은 온도에서 스위칭하는 능력(예컨대, 야외 용도, 자동차, 항공 전자 공학)
- 증가된 UV선 저항성(긴 사용 기간).
VA 디스플레이에서, LC 매질은 낮은 문턱 전압 및 넓은 네마틱 상 범위(특히 저온에서)가 가능한 것이 바람직하다. 이용가능한 파라미터 범위(투명점, 스메틱-네마틱 전이 온도 또는 융점, 점도, 유전 파라미터, 탄성 파라미터)의 추가의 확장이 또한 바람직하다. 또한, LC 매질은 바람직한 탄성 상수 k33/k11의 비율 값을 가져야 한다.
TV, 휴대폰 및 모니터 용도, 특히 "3D" 용도에서, LC 매질은 빠른 응답 시간 및 낮은 문턱 전압 또한 우수한 LTS(저온 안정성)가 요구된다. 또한, 스위칭 가능한 LC 층의 두께에 따라, 보통 또는 높은 복굴절이 요구될 수 있다.
그러나, 종래에 공지된 LC 매질은, 종종 이러한 모든 요건들이 LC 셀의 다른 파라미터에 부정적으로 작용하지 않으면서 모두 동시에 달성되지는 않는다는 단점을 가진다.
본 발명은, 상기에 언급된 단점을 갖지 않거나 또는 단지 감소된 정도로만 갖고, 바람직하게는 동시에 매우 높은 비저항, 낮은 문턱 전압, 낮은 회전 점도, 높은 투명점을 갖는 넓은 네마틱상 범위, 개선된 LTS 및 특히 3D-용도에 적합한 빠른 스위칭 시간을 갖는, 특히 TFT(박막 필름 트랜지스터) 유형과 같은 활성 매트릭스 디스플레이 및 일반적으로 VA 디스플레이를 위한 LC 매질을 제공하는 것을 목적으로 한다. 또 다른 목적은, 숙련가에게 이용가능한 LC 매질의 풀(pool)을 확장시키는 것이다. 다른 목적은 하기 설명으로부터 즉시 명백하다.
이러한 목적은, 본 발명에 따른 LC 매질이 본 발명에 따른 LC 패널 및 LC 디스플레이 특히 3D-용도에 이용되는 경우 달성될 수 있다는 것이 밝혀졌다.
따라서, 본 발명은 하기를 포함한 LC 매질을 함유하는 LC 패널 및 LC 디스플레이 디바이스에 관한 것이다:
- 하나 이상의 화학식 I의 화합물 11 내지 23%,
- 하나 이상의 화학식 II의 화합물 11 내지 14%,
- 하나 이상의 화학식 III의 화합물 12 내지 22%,
- 하나 이상의 화학식 IV의 화합물 10 내지 18%,
- 하나 이상의 화학식 V의 화합물 27 내지 41%, 및
- 하나 이상의 화학식 VI의 화합물 0 내지 11%:
상기 식에서,
R11, R21, R31, R41, R51 및 R61은 서로 독립적으로 1 내지 5개의 탄소 원자, 바람직하게는 2 내지 5개의 탄소 원자를 갖는 직쇄형 알킬이고, 가장 바람직하게는 에틸, 프로필 또는 펜틸이고,
R12, R22, R32, R42, R52 및 R62은 서로 독립적으로 1 내지 6개의 탄소 원자, 바람직하게는 1 내지 4개의 탄소 원자를 갖는 직쇄형 알킬이고, 바람직하게는 메틸, 에틸, 프로필 또는 부틸이고,
R52는 다르게는 2 내지 5개의 탄소 원자를 갖는 알케닐, 바람직하게는 E-1-알케닐, 가장 바람직하게는 비닐 또는 E-1-프로페닐일 수 있고,
바람직하게는 각각 서로 독립적으로,
R11 및 R21은 프로필 또는 펜틸이고,
R12 및 R22는 에틸 또는 부틸이고,
R31 및 R41은 에틸 또는 프로필이고,
R32는 에틸이고,
R42는 프로필 또는 부틸이고,
R51은 에틸 또는 프로필이고,
R52는 프로필, 비닐 또는 E-1-프로페닐이고,
R61은 프로필이고,
R62는 메틸이다.
바람직한 실시양태에서, 액정 매질은 본질적으로 상기 언급된 화학식 I 내지 VII의 화합물로 이루어진다.
하기 화합물의 군으로부터 선택된 하나 이상의 화합물을 포함하는 LC 매질이 특히 바람직하다:
특히 바람직한 실시양태에서, 액정 매질은 본질적으로 상기 언급된 화학식 Ia 내지 VIa의 화합물로 이루어진다.
바람직한 실시양태에서, 액정 매질은 하기를 포함한다:
- 하나 이상의 화학식 I의 화합물 13 내지 17%,
- 하나 이상의 화학식 II(바람직하게는 IIc 및 IId)의 화합물 13 내지 19%,
- 하나 이상의 화학식 III(바람직하게는 IIIa 및 IIIb)의 화합물 14 내지 22%,
- 하나 이상의 화학식 IV(바람직하게는 IVa 및 IVb)의 화합물 10 내지 19%,
- 하나 이상의 화학식 V(바람직하게는 Va 및 Vb)의 화합물 26 내지 36%,
및
- 하나 이상의 화학식 VI의 화합물 5 내지 9%.
바람직한 실시양태에서, 액정 매질은 바람직하게는 하기를 포함한다:
- 화학식 Ia의 화합물 13 내지 17%,
- 화학식 IIc의 화합물 9 내지 11%,
- 화학식 IId의 화합물 4 내지 8%,
- 화학식 IIIa의 화합물 7 내지 11%,
- 화학식 IIIb의 화합물 7 내지 11%,
- 화학식 IVa의 화합물 5 내지 9%,
- 화학식 IVb의 화합물 5 내지 10%,
- 화학식 Va의 화합물 19 내지 25%,
- 화학식 Vb의 화합물 7 내지 11%, 및
- 화학식 VIa의 화합물 5 내지 9%.
바람직한 실시양태에서, LC 매질은 상기 언급된 화합물로 독점적으로 이루어진다.
다른, 제 2의 바람직한 실시양태에서, 액정 매질은 하기를 포함한다:
- 하나 이상의 화학식 I(바람직하게는 Ia 및 Ib)의 화합물 14 내지 24%,
- 하나 이상의 화학식 II(바람직하게는 IIa 내지 IIc)의 화합물 10 내지 32%,
- 하나 이상의 화학식 III(바람직하게는 IIIa 및 IIIb)의 화합물 12 내지 20%,
- 하나 이상의 화학식 IV(바람직하게는 IVa 및 IVb)의 화합물 10 내지 17%,
- 하나 이상의 화학식 V(바람직하게는 Vc 및 Vd)의 화합물 34 내지 40%,
및
- 하나 이상의 화학식 VI의 화합물 0 내지 9%.
바람직한 실시양태에서, 액정 매질은 바람직하게는 하기를 포함한다:
- 화학식 Ia의 화합물 13 내지 17%,
- 화학식 Ib의 화합물 1 내지 7%,
- 화학식 IIa의 화합물 4 내지 8%,
- 화학식 IIb의 화합물 2 내지 6%,
- 화학식 IIc의 화합물 3 내지 7%,
- 화학식 IIIa의 화합물 6 내지 10%,
- 화학식 IIIb의 화합물 6 내지 10%,
- 화학식 IVa의 화합물 6 내지 10%,
- 화학식 IVb의 화합물 4 내지 9% 및
- 화학식 Vc의 화합물 34 내지 40%.
바람직한 실시양태에서, LC 매질은 상기 언급된 화합물로 독점적으로 이루어진다.
다르게는, 상기 바람직한 실시양태에서, LC 매질은 안정화제, 바람직하게는 HALS-유형의 안정화제, 더욱 바람직하게는 티누빈(TINUVIN®770)
더욱 바람직하게는 0.05 내지 1.0%, 더더욱 바람직하게는 0.010 내지 0.20% 및 가장 바람직하게는 0.010 내지 0.050%의 농도 범위로 포함한다.
본 발명에 따른 LC 매질은 하기 물성을 특징으로 한다:
- 매우 높은 투명점을 갖는 넓은 네마틱 상,
- 낮은 점도,
- 우수한 LTS(낮은 온도 안정성),
- 낮은 문턱 전압,
- 높은 UV 안정성,
- 적합하게 높은 네거티브 유전 이방성 Δε 절대값,
- 적합하게 높은 광학 이방성 Δn 값.
순수한 상태에서, 화학식 I 내지 IX의 화합물은 전기-광학 용도에 유리하게 위치된 온도 범위에서 무색 액정 메노포즈(menopause)를 형성한다. 이는 화학적으로, 열적으로 및 빛에 안정하다.
상기 화학식 I 내지 VII의 화합물은, 예컨대 문헌[Houben-Weyl, Methoden der organischen Chemie[Methods of Organic Chemistry], Georg-Thieme-Verlag, Stuttgart]에 기재된 바와 같은 표준 공정으로, 공지된 방법에 의해, 엄밀하게는 공지되어 있고 상기 반응에 적합한 반응 조건 하에, 제조된다. 또한, 공지되어 있으나 본원에서 자세히 언급하지는 않는 변형 방법들 또한 사용될 수 있다.
또한, 본 발명은 제 1 항 내지 제 13 항 중 하나 이상의 항에 따른 LC 매질을 함유한 전기-광학 디스플레이 및 패널, 및 전기-광학 목적을 위한 이들 LC 매질의 용도에 관한 것이다. 두 기판 사이에 개재된 LC 매질, 및 기판의 표면에 수직인 LC 매질에 전기장을 적용하기 위한 전극(상기 액정 매질은 전기장이 적용되지 않을 때 기판 표면에 대하여 수직으로 배열된다)을 포함하는 LC 패널이 매우 바람직하다.
본 발명에 따른 LC 혼합물은 이용가능한 파라미터 범위가 상당히 넓다. 특히, 빠른 스위칭 시간, 낮은 문턱 전압, 우수한 LTS, 높은 비저항, 높은 UV 안정성 및 높은 HR(전압(각각의 정전용량) 보전율)(문헌[S. Matsumoto et al., Liquid Crystals 5, 1320(1989); K. Niwa et al., Proc. SID Conference, San Francisco, June 1984, p.304(1984); G. Weber et al., Liquid Crystals 5, 1381(1989)]에 정의된 바와 같음)을 가지는 것이 밝혀졌다. 또한, 투명점, 회전 점도 γ1, 낮은 Δn 및 적합하게 높은 네거티브 유전 이방성 절대값의 달성가능한 조합은 종래 공지된 물질보다 현저하게 우수하다.
본 발명에 따라 사용될 수 있는 LC 매질은 통상적인 방법 자체로 제조된다. 일반적으로, 유리하게는 승온에서, 더 적은 양으로 사용되는 성분의 바람직한 양이 주성분을 구성하는 성분에 용해된다.
또한, 상기 LC 매질은 당 분야의 숙련가에게 공지되고 문헌에 기재된 추가의 첨가제를 포함할 수 있다. 예컨대, 다색성 염료, 안정화제, 예컨대 UV 안정화제, 항산화제, 키랄 도판트, 반응성 메소젠(중합 개시제를 포함하거나 불포함함), 마이크로입자, 나노입자의 군으로부터 선택된 하나 이상의 첨가제 0 내지 15%가 본 발명에 따른 액정 매질에 첨가될 수 있다. 적합한 키랄 도판트 및 안정화제는 표 B 및 C에 각각 도시되어 있다.
본 출원 및 하기의 실시예에서, LC 매질의 성분의 구조는 하기의 두문자어(acronym)로 제시된다.
하기의 표로부터 선택된 화합물을 포함하는 액정 매질 혼합물이 특히 바람직하다:
표 A
(n 및 m: 각각 서로 독립적으로 1, 2, 3, 4 또는 5)
표 B는 본 발명에 따른 LC 매질이 바람직하게는 0.1 내지 10 중량%, 매우 바람직하게는 0.1 내지 6 중량%의 양으로 유리하게 첨가될 수 있는 키랄 도판트를 보여준다.
표 B
하기 표는 본 발명에 따른 LC 매질에 첨가될 수 있는 가능한 안정화제를 보여준다:
표 C
및, 특히
상기 및 하기에서, 퍼센트는 중량%이다. 모든 온도는 섭씨 온도로 주어진다. m.p.는 융점을 의미하고, cl.p.는 투명점이다. 또한, C는 결정상태이고, N은 네마틱상, S는 스메틱상 및 I는 이소트로픽상이다. 이러한 기호 사이의 데이터는 전이 온도를 나타낸다. 달리 언급되지 않으면, 광학 데이터는 20℃에서 측정된다.
모든 물리적 특성은 문헌["Merck Liquid Crystals, Physical Properties of Liquid Crystals", Status Nov. 1997, Merck KGaA, Germany]에 따라 결정되고, 다른 분명한 언급이 없으면 온도는 20℃이다.
본 발명에서, 용어 "문턱 전압"은 전기 용량 문턱(V0)에 관한 것이고, 또한 달리 언급되지 않으면 프레데릭(Freedericks) 문턱으로서 공지된다.
달리 언급되지 않으면 용어 문턱 전압은 본 출원에서 광학적 문턱을 의미하고, 10% 상대적 콘트라스트(V10)로 주어지고, 용어 포화 전압은 광학적 포화를 의미하고 90% 상대적 콘트라스트(V90)로 주어진다. 또한, 프레데릭-문턱(VFr)으로 불리는 전기 용량 문턱 전압(V0)은 분명하게 언급이 있을 때만 사용된다.
본 출원에 주어진 파라미터의 범위는 달리 분명한 언급이 없으면 한계 값을 모두 포함한다.
본 출원 전반에 걸쳐, 달리 분명한 언급이 없으면, 모든 농도는 질량%이고, 각각의 완전한 혼합물에 관한 것이고, 모든 온도는 섭씨 온도(℃)로 주어지고 모든 온도의 차이는 ℃로 주어진다.
광학 이방성(Δn)은 파장이 589.3 nm에서 측정된다. 유전 이방성(Δε)은 주파수 1 kHz에서 측정된다. 모든 다른 전기-광학적 특성뿐만 아니라, 문턱 전압은 메르크 카게아아(Merck KGaA; 독일 다름슈타트 소재)에서 제조된 시험 셀로 측정된다. Δε의 측정을 위한 시험 셀은 셀 간극(gap)이 대략 20 μm이다. 전극은 면적이 1.13 cm2이고 가드링(guard ring)이 있는 원형의 ITO 전극이다. 배향 층은 호메오트로픽(homeotropic) 배향(ε∥)의 경우 JSR(일본 합성 고무)로부터의 JALS 2096-R1이고, 평면 호모지니어스 배향(ε⊥)의 경우 또한 JSR로부터의 폴리이미드 AL-1054이다. 캐패시티(capacity)는 0.3Vrms의 전압을 갖는 사인파를 사용한 주파수 반응 분석기 솔라트론 1260으로 측정된다. 전기-광학적 데이터는 VA 셀에서 측정된다. 사용된 시험 셀은, 달리 기재되지 않으면, 20℃에서 0.5μm의 광학적 지연(dㆍΔn)에서 구치 앤드 테리(Gooch and Tarry)에 따른 제 1 투과율 최소치에 맞는 광학적 지연(dㆍΔn)을 갖도록 선택된 셀 간극을 가진다.
전기-광학 측정에 사용되는 광은 백색광이다. 사용되는 장치는 오트로닉 멜처(Autronic Melchers; 독일 칼스루헤 소재)로부터 상업적으로 입수가능한 장비이다. 특성 전압은 수직 관찰 하에 결정된다. 문턱(V10)-, 미드 그레이(V50)- 및 포화(V90) 전압은 각각 10%, 50% 및 90%의 상대적 콘트라스트로 측정된다.
반응 시간은 0%에서 90%까지의 상대적 콘트라스트의 변화 시간(t90-t0)에 대한 상승 시간(τon)으로 제시된다(즉, 100%에서 10%까지의 상대적 콘트라스트의 변화 시간(t100-t10)에 대한 감쇠 시간(τoff)으로서, 및 총 반응 시간(τtotal=τon+τoff)으로서의 지연 시간(t10-t0)을 포함).
전압 보전율은 메르크 제팬 리미티드(Merck Japan Ltd)에서 생산된 시험 셀에서 측정된다. 상기 측정 셀은 무-알칼리 유리 기판이며, 서로 수직으로 문질러진 층 두께 50 nm의 폴리이미드 정렬 층(닛산 화학 공업 주식회사로부터의 SE7492)과 함께 구성된다. 층 두께는 균일하게 6.0μm이다. ITO의 투명 전극의 표면적은 1 cm×1 cm이다.
전압 보전율은 오븐에서 70℃하에 30분 후에 측정된다(HR70). 사용된 전압은 주파수가 60 Hz이다.
회전 점도는 과도 전압 방법을 사용하여, 유동 점도는 변형된 우벨로흐데(Ubbelohde) 점도계에서 측정된다. 액정 매질 혼합물 ZLI-2293, ZLI-4792 및 MLC-6608(모두 메르크 카게아아(독일 다름슈다트 소재)의 제품)에 대해 20℃에서 측정된 회전 점도 값은 각각 161 mPaㆍs, 133 mPaㆍs 및 186 mPaㆍs이고, 유동 점도(ν)는 각각 21 mm2ㆍs-1, 14 mm2ㆍs-1 및 27 mm2ㆍs-1이다.
하기의 기호가 본 출원에 사용된다:
V0은 20℃에서 전기 용량이 [V]인 문턱 전압이고,
ne는 20℃, 589nm에서 측정된 이상 굴절률(extraordinary refractive index)이고,
no는 20℃, 589nm에서 측정된 정상 굴절률(ordinary refractive index)이고,
Δn은 광학 이방성(Δn= ne-no)이고,
ε⊥은 20℃, 1kHz에서 도파계(director)에 수직인 유전 감수율이고,
ε∥은 20℃, 1kHz에서 도파계(director)에 평행인 유전 감수율이고,
Δε는 20℃, 1kHz에서 유전 이방성(Δε = ε∥-ε⊥)이고,
ν는 20℃[mm2ㆍs-1]에서 측정된 유동 점도이고,
γ1는 20℃[mPaㆍs]에서 측정된 회전 점도이고,
K1은 20℃[pN]에서 "스플레이" 변형이 일어나는 탄성계수이고,
K2는 20℃[pN]에서 "비틀린" 변형이 일어나는 탄성계수이고,
K3는 20℃[pN]에서 "벤드" 변형이 일어나는 탄성계수이고,
LTS는 시험 셀에서 측정된 저온 안정성(상 안정성)이고,
Vo은 소위 프레드릭 문턱 전압이라 불리는 전기 용량 문턱 전압이고,
V10은 문턱 전압, 즉, 10% 상대적 콘트라스트에 대한 전압이고,
V50은 미드-그레이 전압, 즉, 50% 상대적 콘트라스트에 대한 전압이고,
V90은 포화 전압, 즉, 90% 상대적 콘트라스트에 대한 전압이다(V10, V50 및 V90 모두는 플레이트 표면에 수직인 시야각에 대한 값이다).
하기 실시예는 본 발명을 제한없이 설명한다.
실시예
1.0 및 1.1
상기 혼합물이 제조되고, 검사된다. 0.030%의 티누빈이 순차적으로 상기 혼합물에 첨가된다. 그 후에, 하기 혼합물이 각각의 시험 셀에 도입되고, 또다시 검사된다. 하기 혼합물 M1.1이 청색광 노출, 특히 UV 조사에 대해 더욱 안정하다.
비고: T770 = 티누빈(TINUVIN®770)
실시예
2.0 및 2.1
상기 혼합물이 제조되고, 검사된다. 0.030%의 티누빈이 순차적으로 상기 혼합물에 첨가된다. 그 후에 하기 혼합물 M2.1이 각각의 시험 셀에 도입되고, 실시예 1에 기재된 바와 같이 또다시 검사된다. 실시예 1과 같이, 안정성이 역시 개선된다.
비고: T770 = 티누빈(TINUVIN®770)
Claims (15)
- 하기 성분을 포함하는 네거티브 유전 이방성 Δε를 갖는 액정 매질:
- 하나 이상의 화학식 I의 화합물 11 내지 23%,
- 하나 이상의 화학식 II의 화합물 10 내지 32%,
- 하나 이상의 화학식 III의 화합물 12 내지 22%,
- 하나 이상의 화학식 IV의 화합물 10 내지 18%,
- 하나 이상의 화학식 V의 화합물 27 내지 41%, 및
- 하나 이상의 화학식 VI의 화합물 0 내지 11%
상기 식에서,
R11, R21, R31, R41, R51 및 R61은 서로 독립적으로 1 내지 5개의 탄소 원자를 갖는 직쇄형 알킬이고,
R12, R22, R32, R42, R52 및 R62는 서로 독립적으로 1 내지 6개의 탄소 원자를 갖는 직쇄형 알킬이고,
R52는 다르게는 2 내지 5개의 탄소 원자를 갖는 알케닐일 수 있다. - 제 1 항에 있어서,
액정 매질이, 다색성 염료, UV 안정화제, 항산화제, 키랄 도판트, 반응성 메소젠, 중합 개시제, 마이크로입자 및 나노입자의 군으로부터 선택된 하나 이상의 첨가제를 포함하는 것을 특징으로 하는, 액정 매질. - 삭제
- 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 따른 액정 매질을 함유하는 전기-광학 액정 디스플레이.
- 한 쌍의 기판 사이에 개재된 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 따른 액정 매질; 및
상기 기판의 표면에 평행한 액정 매질에 전기장을 적용하기 위한 전극을 포함하는 액정 패널로서,
상기 액정 매질은 전기장이 적용되지 않을 때는 기판의 표면에 대해 수직으로 정렬되는, 액정 패널.
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