KR101997929B1 - 액정 표시 장치 - Google Patents

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Abstract

액정 표시 장치를 제공한다. 액정 표시 장치는, 제1 기판, 제1 기판과 이격되어 마주하는 제2 기판, 제1 및 제2 기판 사이에 배치되는 액정층, 제1 기판 및 액정층 사이에 배치되며 제1 패턴을 갖는 공통 전극, 제1 기판 및 액정층 사이에 배치되며 제1 패턴과 겹치지 않는 제2 패턴을 갖는 화소 전극을 포함하되, 액정층은 음의 유전 이방성을 갖는 네마틱 액정, 양의 유전 이방성을 갖는 네마틱 액정 및 강유전성 액정을 포함한다.

Description

액정 표시 장치{Liquid Crystal Display Device}
본 발명은 액정 표시 장치에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 네마틱 액정 및 강유전성 액정을 갖는 액정층을 포함하는 액정 표시 장치에 관한 것이다.
액정 표시 장치는 현재 가장 널리 사용되고 있는 평판 표시 장치 중 하나로서, 고화질, 고휘도 및 대형화를 위한 연구가 활발히 진행되고 있다. 그 연구의 일환으로 액정 표시 장치의 고화질, 고휘도 및 대형화를 위하여 액정 표시 장치 내 전극들의 구조가 다양해지고 복잡해지고 있다. 이러한 전극들로 구동 전압이 인가되면, 액정층의 액정 분자들은 인가된 전기장에 의해 그 배열이 변경되는데, 상기 액정 분자들은 상기 전극들에 의해 그 배열이 불균일하고 안정적이지 못하다. 상기 액정 분자들의 불균일하고 불안한 배열은 액정 표시 장치의 휘도를 저하시키는 문제로 발생시키고 있다.
본 발명의 해결하고자 하는 일 기술적 과제는 휘도가 향상된 액정 표시 장치를 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 개념에 따른 일 실시예는 액정 표시 장치를 제공한다. 상기 액정 표시 장치는, 제1 기판; 상기 제1 기판과 이격되어 마주하는 제2 기판; 상기 제1 및 제2 기판 사이에 배치되는 액정층; 상기 제1 기판 및 상기 액정층 사이에 배치되며 제1 패턴을 갖는 공통 전극; 및 상기 제1 기판 및 상기 액정층 사이에 배치되며 상기 제1 패턴과 겹치지 않는 제2 패턴을 갖는 화소 전극을 포함하되, 상기 액정층은 음의 유전 이방성을 갖는 네마틱 액정, 양의 유전 이방성을 갖는 네마틱 액정 및 강유전성 액정을 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 액정 표시 장치는, IPS(in plane switching) 모드일 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 상기 액정 표시 장치는, 상기 액정층에 인접하게 배치되는 배향막을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 배향막은 리액티브 메조겐(reactive mesogen) 물질을 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 액정층은, 상기 음의 유전 이방성을 갖는 네마틱 액정 70중량% 내지 99.9중량% 및 상기 양의 유전 이방성을 갖는 네마틱 액정 및 강유전성 액정의 혼합물 0.1중량% 내지 30중량%을 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 양의 유전 이방성을 갖는 네마틱 액정 및 강유전성 액정의 혼합물에서, 상기 강유전성 액정은 10중량% 내지 99중량%을 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 액정층은 리액티브 메조겐 물질을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 액정층은, 상기 양의 유전 이방성을 갖는 네마틱 액정 및 강유전성 액정의 혼합물 0.1중량% 내지 30중량%, 상기 리액티브 메조겐 물질 0.01중량% 내지 3중량% 및 여분의 상기 음의 유전 이방성을 갖는 네마틱 액정을 포함할 수 있다.
본 발명의 개념에 따른 다른 실시예는 액정 표시 장치를 제공한다. 상기 액정 표시 장치는, 제1 기판; 상기 제1 기판과 이격되어 마주하는 제2 기판; 상기 제1 및 제2 기판 사이에 배치되는 액정층; 상기 제1 기판 및 상기 액정층 사이에 배치되며 제1 패턴을 갖는 공통 전극; 및 상기 제1 기판 및 상기 액정층 사이에 배치되며 상기 제1 패턴과 겹치지 않는 제2 패턴을 갖는 화소 전극을 포함하되, 상기 액정층은 비강유전성 액정(non-ferroelectric liquid crystal)과, 강유전성 액정(ferroelectric liquid crystal)을 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 액정층은, 상기 강유전성 액정 0.1 중량% 내지 30중량%을 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 상기 비강유전성 액정은, 상기 음의 유전 이방성을 갖는 네마틱 액정을 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 액정층은, 상기 음의 유전 이방성을 갖는 네마틱 액정 70중량% 내지 99.9중량% 및 상기 강유전성 액정 0.1중량% 내지 30중량%를 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 액정층은 리액티브 메조겐 물질을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 액정층은, 상기 강유전성 액정의 0.1중량% 내지 30중량%, 상기 리액티브 메조겐 물질 0.01중량% 내지 3중량% 및 여분의 상기 음의 유전 이방성을 갖는 네마틱 액정을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 액정 표시 장치는, 음의 유전 이방성을 갖는 네마틱 액정, 양의 유전 이방성을 갖는 네마틱 액정 및 강유전성 액정 분자를 포함하는 액정층을 포함할 수 있다. 상기 액정층의 강유전성 액정 분자에 의해, 액정층 내 액정 분자들의 배향 균일성 및 안정성이 향상되어 상기 액정 표시 장치의 휘도를 향상시킬 수 있다.
본 발명의 보다 완전한 이해와 도움을 위해, 참조가 아래의 설명에 첨부도면과 함께 주어져 있고 참조번호가 아래에 나타나 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 액정 표시 장치를 설명하기 위한 평면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 액정 표시 장치를 설명하기 위한 단면도이다.
도 3a 및 도 3b는 실시예 1 내지 6의 액정 표시 장치들과 비교예 1 내지 6의 액정 표시 장치들의 투과도를 비교하는 그래프들이다.
도 4a 및 도 4b는 실시예 1 내지 6의 액정 표시 장치들과 비교예 1 내지 6의 액정 표시 장치들의 응답 속도를 비교하는 그래프이다.
도 5a 내지 도 5k는 실시예 5의 액정 표시 장치로 인가된 전압에 따라 변화하는 텍스쳐들이다.
도 6a 내지 도 6k는 비교예 5의 액정 표시 장치로 인가된 전압에 따라 변화하는 텍스쳐들이다.
본 발명의 구성 및 효과를 충분히 이해하기 위하여, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예들을 설명한다. 그러나 본 발명은, 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라, 여러가지 형태로 구현될 수 있고 다양한 변경을 가할 수 있다. 단지, 본 실시예들의 설명을 통해 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위하여 제공되는 것이다. 당해 기술분야에서 통상의 기술을 가진 자는 본 발명의 개념이 어떤 적합한 환경에서 수행될 수 있다는 것을 이해할 것이다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시 예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 '포함한다(comprises)' 및/또는 '포함하는(comprising)'은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 장치는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 장치의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
본 명세서에서 어떤 막(또는 층)이 다른 막(또는 층) 또는 기판상에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 막(또는 층) 또는 기판상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 막(또는 층)이 개재될 수도 있다.
본 명세서의 다양한 실시 예들에서 제1, 제2, 제3 등의 용어가 다양한 영역, 막들(또는 층들) 등을 기술하기 위해서 사용되었지만, 이들 영역, 막들이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이들 용어들은 단지 어느 소정 영역 또는 막(또는 층)을 다른 영역 또는 막(또는 층)과 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 따라서, 어느 한 실시 예에의 제1 막질로 언급된 막질이 다른 실시 예에서는 제2 막질로 언급될 수도 있다. 여기에 설명되고 예시되는 각 실시 예는 그것의 상보적인 실시예도 포함한다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호로 표시된 부분들은 동일한 구성요소들을 나타낸다
본 발명의 실시예들에서 사용되는 용어들은 다르게 정의되지 않는 한, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 통상적으로 알려진 의미로 해석될 수 있다.
이하, 도면들을 참조하여, 본 발명의 실시예들에 대해 상세히 설명하기로 한다.
[[액정 표시 장치]]
도 1 및 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 액정 표시 장치를 설명하기 위한 평면도 및 단면도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 액정 표시 장치(B)는 상부 표지판(200)과 하부 표지판(100)이 대향하여 구성되며, 상부 표지판(200)과 하부 표지판(100) 사이에는 액정층(300)이 개재되어 있다. 액정 표시 장치(B)는 횡전계 방식(in plane switching mode)일 수 있다.
하부 표지판(100)은 투명한 절연 제1 기판(110)에 정의된 다수의 화소 영역(P)마다 박막 트랜지스터(T)와 공통 전극(18)과 화소 전극(30)을 포함할 수 있다. 박막 트랜지스터(T)는 게이트 전극(14)과, 게이트 전극(14) 상부에 절연막(20)을 사이에 두고 구성된 반도체층(22)과, 반도체층(22)의 상부에 서로 이격하여 구성된 소스 및 드레인 전극(24,26)을 포함할 수 있다.
상기 공통 전극(18)과 화소 전극(30)은 동일 제1 기판(110)상에 서로 평행하게 이격될 수 있다. 공통 전극(18)은 상기 게이트 전극(14)과 동일층 동일물질로 구성되고, 상기 화소 전극(30)은 상기 소스 및 드레인 전극(24,26)과 동일층 동일물질로 구성할 수 있다.
화소 영역(P)의 제1 변을 따라 연장된 게이트 배선(GL)과, 이와는 수직한 제2 변 방향으로 연장된 데이터 배선(DL)이 구성되고, 상기 공통 전극(18)에 전압을 인가하는 공통 배선(CL)이 제공될 수 있다. 공통 배선(CL)은 상기 게이트 배선(GL)과는 평행하게 이격된 화소 영역(P)의 제3 변을 따라 연장될 수 있다. 화소 영역에는 제1 패턴을 갖는 공통 전극(18) 및 제2 패턴을 화소 전극(30)이 제공될 수 있다. 상기 제1 패턴은 상기 제2 패턴과 겹치지 않는 구조를 가질 수 있다. 예를 들면, 상기 공통 전극(18)은 상기 공통 배선(CL)에 수직하게 연장되고 서로 평행하게 이격된 제1 패턴을 가질 수 있다. 상기 화소 전극(30)은 상기 공통 전극(18)사이에 공통 전극(18)과 평행하게 이격된 제2 패턴을 가질 수 있다. 이때, 상기 제1 패턴 및 제2 패턴은 서로 겹치지 않을 수 있다. 본 실시예에서는 제1 및 제2 패턴들이 각각 라인(line) 형태를 갖는 것으로 설명되고 있으나, 본 발명에서 상기 제1 및 제2 패턴들의 구조를 한정하는 것은 아니다.
상부 표지판(200)은 투명한 절연 제2 기판(210) 상에, 상기 게이트 배선(GL)과 데이터 배선(DL)과 박막트랜지스터(T)에 대응하는 부분에 형성된 블랙매트릭스(42)와, 상기 화소 영역(P)에 대응하여 형성된 컬러필터(44a, 44b)를 포함한다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 상기 하부 표지판(100)은, 상기 공통 전극(30) 및 상기 액정층 사이에 제1 배향막(32)를 더 포함할 수 있다. 상기 제1 배향막(32)은 상기 액정층(300) 내 액정 분자들을 한 방향으로 초기(pre-tilt) 배향시킬 수 있다. 일 실시예에 따르면, 상기 제1 배향막(32)은 폴리 아믹산(poly-amic acid), 폴리 이미드(poly-imide), 레시틴(lecithin), 나일론(nylon), PVA(polyvinylalcohol)으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다. 다른 실시예에 따르면, 상기 제1 배향막(32)은 리액티브 메조겐(reactive mesogen) 물질을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 상부 표지판(200)은, 상기 컬러 필터(44a, 44b) 및 상기 액정층(300) 사이에 제2 배향막(52)을 더 포함할 수 있다. 일 실시예에 따르면, 상기 제2 배향막(52)은 폴리 아믹산(poly-amic acid), 폴리 이미드(poly-imide), 레시틴(lecithin), 나일론(nylon), PVA(polyvinylalcohol)으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다. 다른 실시예에 따르면, 상기 제2 배향막(52)은 리액티브 메조겐(reactive mesogen) 물질을 더 포함할 수 있다.
상기 액정층(300)은 상기 제1 및 제2 기판들(100, 200) 사이를 충진할 수 있다. 일 실시예에 따르면, 상기 액정층(300)은 음의 유전 이방성을 갖는 네마틱 액정(negative nematic liquid crytal), 양의 유전 이방성을 갖는 네마틱 액정(positive nematic liquid crytal) 및 강유전성 액정(ferroelectric liquid crystal)을 포함할 수 있다. 다른 실시예에 따르면, 상기 액정층(300)은 비강유전성 액정(non-ferroelectric liquid crystal) 및 강유전성 액정(ferroelectric liquid crystal)을 포함할 수 있다. 상기 액정층(300)에 대한 설명은 이하에서 상세하게 설명하기로 한다.
상술한 바와 같이, IPS모드(in plane mode)의 액정 표시 장치의 액정층(300)이 강유전성 액정을 포함함으로써, 네마틱 액정과 더불어 액정 조성물의 배향을 균일하게 하고 배향의 안정성을 향상시킬 수 있다. 따라서, 상기 액정층(300)을 포함하는 액정 표시 장치의 휘도가 향상될 수 있다. 또한, 제1 및 제2 배향막들(32, 52)에 리액티브 메조겐 물질을 더 포함함으로써, 액정층(300) 내 액정 분자들의 배향 속도가 빨라지며, 배향되는 각도도 커져 광학적 특성이 향상될 수 있다.
이하에서는 액정층에 관하여 상세하게 설명하기로 한다.
[ 액정층 _제1 실시예 ]
액정층은 음의 유전 이방성을 갖는 네마틱 액정(negative nematic liquid crystal), 양의 유전 이방성을 갖는 네마틱 액정(positive nematic liquid crystal) 및 강유전성 액정(ferroelectric liquid crystal)을 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 액정층은, 약 70중량% 내지 약 99.9중량%의 음의 유전 이방성을 갖는 네마틱 액정을 포함할 수 있다. 상기 액정층은 약 0.1중량% 내지 약 30중량%의 양의 유전 이방성을 갖는 네마틱 액정 및 강유전성 액정의 혼합물을 더 포함할 수 있다.
상기 양의 이방성을 갖는 네마틱 액정 및 강유전성 액정의 혼합물은, 약 1중량% 내지 90중량%의 양의 유전 이방성을 갖는 네마틱 액정과, 약 10중량% 내지 약 99중량%의 강유전성 액정을 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 액정층에서 상기 강유전성 액정은 약 0.01중량% 내지 약 29.7중량% 범위 내일 수 있다. 상기 강유전성 액정이 상기 액정층 총량의 약 0.01중량%이하일 경우, 상기 액정층의 액정 배향성이 불안정할 수 있다. 또한, 상기 강유전성 액정이 상기 액정층 총량의 약 29.7중량%를 초과하는 경우, 액정층의 점도가 증가하여 상기 액정층을 포함하는 표시 장치의 응답 속도(response time)가 느려질 수 있다. 바람직하게는, 상기 강유전성 액정은 상기 액정층 총량의 약 10중량% 정도일 수 있다.
이하에서, 상기 음의 유전 이방성을 갖는 네마틱 액정, 양의 유전 이방성을 갖는 네마틱 액정 및 강유전성 액정의 예시적 물질들을 설명하도록 한다. 하기에 설명되는 예시적인 물질들로, 본 발명의 음의 유전 이방성을 갖는 네마틱 액정, 양의 유전 이방성을 갖는 네마틱 액정 및 강유전성 액정을 이것으로 한정하는 것은 아니다.
우선, 네마틱 액정의 특징을 간략하게 설명하고, 음의 유전 이방성을 갖는 네마틱 액정 및 양의 유전 이방성을 갖는 네마틱 액정의 예시들을 분류하도록 한다.
네마틱 액정은 액정의 가늘고 긴 분자가 서로의 위치는 불규칙하지만 그 장축은 모두 일정한 방향으로 향하고 있는 상태의 액정을 이른다. 네마틱 액정의 각 분자는 장축 방향으로 자유롭게 움직일 수 있으므로 점성이 작아 흐르기 쉬우며, 네마틱 분자의 방향은 위, 아래가 실질적으로 동일하기 때문에 분극이 상쇄되어 일반적으로 강유전성을 나타내지 않는다. 액정의 분자의 축 방향과 직각 방향에서, 물리적 성질이 매우 다르다. 따라서, 네마틱 액정은 광학적 이방성을 가지는 물질이다. 축 방향이 평행인 유전 이방성과 축 방향이 직각인 유전 이방성의 차이(△ε가 0보다 작으면 음의 유전 이방성을 갖는 네마틱 액정이라고 하고, 0보다 크면 양의 유전 이방성을 갖는 네마틱 액정이라고 한다.
음의 유전 이방성을 갖는 네마틱 액정
일 실시예에 따르면, 상기 음의 유전 이방성을 갖는 네마틱 액정은, 음의 유전 이방성을 갖는 네마틱 액정 분자들을 포함할 수 있다. 일 측면에서, 상기 음의 유전 이방성을 갖는 네마틱 액정 분자들은 한 종류(single)일 수 있다. 다른 측면에서, 상기 음의 유전 이방성을 갖는 네마틱 액정 분자들은, 서로 상이한 종류(mixture)일 수 있다. 예를 들면, 상기 음의 유전 이방성을 갖는 네마틱 액정 분자들은, 제1 유전 이방성을 갖는 음의 유전 이방성을 갖는 액정 분자 및 제2 유전 이방성을 갖는 음의 유전 이방성을 갖는 액정 분자를 포함할 수 있다. 이때, 상기 제2 유전 이방성은 상기 제1 유전 이방성과 상이할 수 있다.
다른 실시예에 따르면, 상기 음의 유전 이방성을 갖는 네마틱 액정은, 음의 유전 이방성을 갖는 네마틱 액정 분자들 및 제1 기저 액정 분자들을 포함할 수 있다. 상기 제1 기저 액정 분자들 각각은, 음의 유전 이방성을 갖는 액정 분자 및 양의 유전 이방성을 갖는 액정 분자, 중성의 액정 분자들로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다. 일 측면에서, 상기 음의 유전 이방성을 갖는 네마틱 액정은, 한 종류의 음의 유전 이방성을 갖는 네마틱 액정 분자들과, 제1 기저 분자들을 포함할 수 있다. 다른 측면에서, 상기 음의 유전 이방성을 갖는 네마틱 액정은, 다양한 종류의 음의 유전 이방성을 갖는 액정 분자들과, 제1 기저 액정 분자들을 포함할 수 있다.
이하에서는, 음의 유전 이방성을 갖는 네마틱 액정을 예들을 나열하여 설명하도록 한다. 하기의 물질들은 단독 또는 혼합하여 사용될 수 있다.
상기 음의 유전 이방성을 갖는 네마틱 액정은, 할로겐계(halogen group), 시안화계(cyanide group), 또는 이소시아네이트계(isocyanate group) 네마틱 액정을 포함할 수 있다. 상기 음의 유전 이방성을 갖는 네마틱 액정은, 할로겐계(halogen group), 시안화계(cyanide group), 또는 이소시아네이트계(isocyanate group) 네마틱 액정을 단독 또는 혼합하여 사용할 수 있다. 또한, 상기 음의 유전 이방성을 갖는 네마틱 액정은 제1 기저 액정 분자들을 더 포함할 수 있다.
할로겐계 음의 유전 이방성을 갖는 네마틱 액정은 불소계(fluorine group), 염소계(chlorine group) 또는 브롬계(brome group)물질 등을 포함할 수 있으며, 단일 또는 다중환 구조를 가질 수 있다.
할로겐 계열 2환 구조의 음의 유전 이방성을 갖는 네마틱 액정은 하기 화학식 1 및 2로 표기될 수 있다.
화학식 1
Figure 112013019700533-pat00001
화학식 2
Figure 112013019700533-pat00002
화학식 1 및 2에서, R은 1 내지 15개의 탄소 원자를 갖는 알킬(alkyl), 또는 알콕시(alkoxy)이고(여기에서, 수소는 CN, CF3, 또는 할로겐(halogen)으로 치환될 수 있고, -CH2- 그룹은 -CH=CH-, -O-, -CO-, -COO-, -OOC-, -O-OC-O- 또는 -S-로 치환될 수 있음), X는 서로 독립적으로 할로겐(halogen), 1 내지 15개의 탄소 원자를 갖는 할로겐화된 알킬(halogenated alkyl), 알콕시(halogenated alkoxy), 할로겐화된 알케닐(halogenated alkenyl) 또는 알케닐옥시(halogenated oxy)이고, L1 및 L2는 서로 독립적으로 수소 또는 할로겐(halogen)이다.
할로겐 계열 3환 구조의 음의 유전 이방성을 갖는 네마틱 액정은 화학식 3 내지 6으로 표기될 수 있다.
화학식 3
Figure 112013019700533-pat00003
화학식 4
Figure 112013019700533-pat00004
화학식 5
Figure 112013019700533-pat00005
화학식 6
Figure 112013019700533-pat00006
화학식 3 내지 6에서, R, L1, 및 L2는 상기 화학식 1 및 2에서 정의된 바와 같고, L3 및 L4는 서로 독립적으로 수소 또는 할로겐(halogen)이며, Z는 단일 결합, -CF2O-, -OCF2-, -COO-, -O-CO-, -CH2CH2-, -CH=CH-, -C=C-, -CH2O-, -(CH2)4-, CF=CF-, -CH=CF- 또는 -CF=CH-이다.
할로겐 계열 4환 구조의 음의 유전 이방성을 갖는 네마틱 액정은 화학식 7 내지 9로 표기될 수 있다.
화학식 7
Figure 112013019700533-pat00007
화학식 8
Figure 112013019700533-pat00008
화학식 9
Figure 112013019700533-pat00009
화학식 7 내지 9에서, Y는 수소 또는 할로겐(halogen)을 나타내고, R1은 1 내지 15개의 탄소 원자를 가지는 알킬(alkyl), 또는 알케닐(alkenyl)을 나타내고, R2는 1 내지 15개의 탄소 원자를 가지는 알킬(alkyl), 알케닐(alkenyl), 또는 알콕시기(alkoxy)를 나타내고(R1, 및 R2에서, 수소는 CN, CF3, 또는 할로겐(halogen) 원자에 의해 치환될 수 있고, CH2 기는 -O-, -S-, -C=C-, -CH=CH-, -OC-O- 또는 -O-CO-에 의해 치환될 수 있음), Z는 단일 결합, -CF2O-, -OCF2-, -COO-, -O-CO-, -CH2CH2-, -CH=CH-, -C=C-, -CH2O-, -(CH2)4-, CF=CF-, -CH=CF- 또는 -CF=CH-이다.
할로겐계 음의 유전 이방성을 갖는 네마틱 액정은 측면 플루오르화된 인단 유도체를 가지며, 하기 화학식 10으로 표기될 수 있다.
화학식 10
Figure 112013019700533-pat00010
상기 식에서, m은 정수를 나타내고, n은 0 또는 1이다.
시안화계 음의 유전 이방성을 갖는 네마틱 액정은 하기 화학식 11 내지 13으로 표기될 수 있다.
화학식 11
Figure 112013019700533-pat00011
화학식 12
Figure 112013019700533-pat00012
화학식 13
Figure 112013019700533-pat00013
화학식 11 내지 13에서, R3은 1 내지 15개의 탄소 원자를 갖는 알킬(alkyl) 그룹 (여기서, 수소는 비치환되거나 CN, CF3 , 또는 할로겐(halogen)에 의해 적어도 일치환될 수 있고, CH2 기는 -O-, -S-, -C=C-, -CH=CH-, -OC-O- 또는 -O-CO-에 의해 대체될 수 있다)이고, L1 및 L2 서로 독립적으로 수소 또는 할로겐(halogen)이고, Z는 단일 결합, -CF2O-, -OCF2-, -COO-, -O-CO-, -CH2CH2-, -CH=CH-, -C=C-, -CH2O-, -(CH2)4-, CF=CF-, -CH=CF- 또는 -CF=CH-이다.
상기 음의 유전 이방성을 갖는 네마틱 액정은 단일 물질 또는 혼합물일 수 있다. 실시예에 의하면 음의 유전 이방성을 갖는 네마틱 액정 혼합물은,
(a) -1.5 미만의 유전 이방성을 갖는 화합물 하나 이상으로 이루어진 액정 성분 A:
(b) -1.5 내지 +1.5의 유전 이방성을 갖는 화합물 하나 이상으로 이루어진 액정 성분 B: 및
(c) 카이럴 성분 C를 포함할 수 있다.
상기 액정 성분 A는 하기 화학식 14 내지 17의 하나 이상의 화합물을 포함할 수 있다.
화학식 14
Figure 112013019700533-pat00014
화학식 15
Figure 112013019700533-pat00015
화학식 16
Figure 112013019700533-pat00016
화학식 17
Figure 112013019700533-pat00017

상기 액정 성분 B는 하기 화학식 18 내지 20의 하나 이상의 화합물을 포함할 수 있다. 상기 액정 성분 B는 상술한 제1 기저 액정 분자들일 수 있다.
화학식 18
Figure 112013019700533-pat00018
화학식 19
Figure 112013019700533-pat00019
화학식 20
Figure 112013019700533-pat00020
화학식 14 내지 20에서, R4 및 R5는 각각 서로 독립적으로 탄소수 1 내지 15을 갖는 알킬(alkyl), 알콕시(alkoxy), 알콕시알킬(alkoxy alkyl), 알케닐(alkenyl) 또는 알케닐옥시(alkenyl oxy)이고(여기에서, 수소는 CN, CF3, 또는 할로겐(halogen) 원자에 의해 치환될 수 있고, -CH2- 그룹은 -CH=CH-, -O-, -CO-, -COO-, -OOC-, -O-OC-O- 또는 -S-에 의해 치환될 수 있음), Y1은 수소 또는 할로겐(halogen)를 나타낸다.
카이럴 성분 C는 하기 예와 같은 다수의 카이럴 도펀트(dopant)가 이용 가능하다. 도펀트의 선택은 그 자체로서는 중요하지 않다.
Figure 112013019700533-pat00021
Figure 112013019700533-pat00022
Figure 112013019700533-pat00023
양의 유전 이방성을 갖는 네마틱 액정
일 실시예에 따르면, 상기 양의 유전 이방성을 갖는 네마틱 액정은, 양의 유전 이방성을 갖는 네마틱 액정 분자들을 포함할 수 있다. 일 측면에서, 상기 양의 유전 이방성을 갖는 네마틱 액정 분자들은 한 종류(single)일 수 있다. 다른 측면에서, 상기 양의 유전 이방성을 갖는 네마틱 액정 분자들은, 서로 상이한 종류(mixture)일 수 있다. 예를 들면, 상기 양의 유전 이방성을 갖는 네마틱 액정 분자들은, 제1 유전 이방성을 갖는 양의 유전 이방성을 갖는 액정 분자 및 제2 유전 이방성을 갖는 양의 유전 이방성을 갖는 액정 분자를 포함할 수 있다. 이때, 상기 제2 유전 이방성은 상기 제1 유전 이방성과 상이할 수 있다.
다른 실시예에 따르면, 상기 양의 유전 이방성을 갖는 네마틱 액정은, 양의 유전 이방성을 갖는 네마틱 액정 분자들 및 제2 기저 액정 분자들을 포함할 수 있다. 상기 제2 기저 액정 분자들 각각은, 음의 유전 이방성을 갖는 액정 분자 및 양의 유전 이방성을 갖는 액정 분자, 중성의 액정 분자들로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다. 일 측면에서, 상기 양의 유전 이방성을 갖는 네마틱 액정은, 한 종류의 양의 유전 이방성을 갖는 네마틱 액정 분자들과, 제2 기저 분자들을 포함할 수 있다. 다른 측면에서, 상기 양의 유전 이방성을 갖는 네마틱 액정은, 다양한 종류의 양의 유전 이방성을 갖는 액정 분자들과, 제2 기저 액정 분자들을 포함할 수 있다.
이하에서는, 양의 유전 이방성을 갖는 네마틱 액정을 예들을 나열하여 설명하도록 한다. 하기의 물질들은 단독 또는 혼합하여 사용될 수 있다.
상기 양의 유전 이방성을 갖는 네마틱 액정은, 시안화계(cyanide group), 이소시아네이트계(isocyanate group), 할로겐계(halogen group) 양의 유전 이방성을 갖는 네마틱 액정을 포함할 수 있다. 상기 양의 유전 이방성을 갖는 네마틱 액정은, 시안화계(cyanide group), 이소시아네이트계(isocyanate group), 할로겐계(halogen group) 양의 유전 이방성을 갖는 네마틱 액정을 단독 또는 혼합하여 사용할 수 있다. 또한, 상기 양의 유전 이방성을 갖는 네마틱 액정은 제2 기저 액정 분자들을 더 포함할 수 있다.
시안화계 양의 유전 이방성을 갖는 네마틱 액정은 2환구조 또는 3환구조를 가질 수 있다.
2환 구조의 시안화계 네마틱 액정은 화학식 21로 표기될 수 있다.
화학식 21
Figure 112013019700533-pat00024
화학식 21에서 R6은 탄소수 1 내지 15의 알케닐(alkenyl)이다.(여기에서, 수소는 CN, CF3, 또는 할로겐(halogen)에 의해 치환될 수 있고, -CH2- 그룹은 -CH=CH-, -O-, -CO-, -COO-, -OOC-, -O-OC-O- 또는 -S-에 의해 임의로 치환될 수 있음) 화학식 21의 구체적인 예들이 다음에 도시된다.
Figure 112013019700533-pat00025
Figure 112013019700533-pat00026
화학식 21에서, R7는 H, CH3, C2H5 또는 n-C3H7이다.
3환 구조의 양의 유전 이방성을 갖는 네마틱 액정은 화학식 22로 표기될 수 있다.
화학식 22
Figure 112013019700533-pat00027
R 3는 상기 화학식 화학식 11 내지 13에서 정의한 바와 같이 R 3는 비치환되거나 CN, CF3, 또는 할로겐(halogen)에 의해 적어도 일치환된 15개 이하의 탄소 원자를 갖는 알킬(alkyl) 그룹이고, 여기서 이들 알킬 중에서 하나 이상의 CH2기는 -O-, -S-, -C=C-, -CH=CH-, -OC-O- 또는 -O-CO-에 의해 대체될 수 있고, L1 및 L2는 각각 서로 독립적으로 수소 또는 할로겐(halogen) 이다.
이소시아네이트 계 양의 유전 이방성을 갖는 네마틱 액정은 하기 화학식 23으로 표기될 수 있다.
화학식 23
Figure 112013019700533-pat00028
화학식 23에서, R8은 CnH2n +1O, CnH2n +1, 또는 CnH2n - 1 이며, 이때 n은 1 내지 15이고, A는
Figure 112013019700533-pat00029
또는
Figure 112013019700533-pat00030
이며, B는 -CH2-CH2- 또는 -C=C- 이며, X1는 수소 또는 할로겐(halogen)이며, m은 1 2,3, 또는 4이다. 화학식 23의 구체적인 예들이 다음에 도시된다.
Figure 112013019700533-pat00031
Figure 112013019700533-pat00032
Figure 112013019700533-pat00033

할로겐계 양의 유전 이방성을 갖는 네마틱 액정은 불소계 또는 염소계 물질을 포함할 수 있으며, 단일 또는 다중환 구조를 가질 수 있다. 불소계 양의 유전 이방성을 갖는 네마틱 액정은 화학식 24 내지 27로 표시될 수 있다.
화학식 24
Figure 112013019700533-pat00034
화학식 25
Figure 112013019700533-pat00035
화학식 26
Figure 112013019700533-pat00036
화학식 27
Figure 112013019700533-pat00037
화학식 24 내지 27에서, R9 및 R10은 탄소원자 1 내지 15개를 갖는 알킬(alkyl), 알콕시(alkoxy), 불화된 알킬(fluorinated alkyl), 불화된 알콕시(fluorinated alkoxy), 알케닐(alkenyl), 알케닐옥시(alkenyloxy), 알콕시알킬(alkoxy alkyl) 또는 불화된 알케닐(fluorinated alkenyl)이며, L 21 L 22 L 23, 및 L 24는 각각 서로 독립적으로 수소 또는 불소(fluorine)이고, Z는 단일 결합, -CF2O-, -OCF2-, -COO-, -O-CO-, -CH2CH2-, -CH=CH-, -C=C-, -CH2O-, -(CH2)4-, CF=CF-, -CH=CF- 또는 -CF=CH-를 나타낸다.
할로겐 계열 2환 구조의 양의 유전 이방성을 갖는 네마틱 액정은 하기 화학식 28로 표기될 수 있다.
화학식 28
Figure 112013019700533-pat00038
화학식 28에서, R11은 수소, 할로겐(halogen), 탄소수 1 내지 15의 알케닐(alkenyl), 알케닐옥시(alkenyloxy), 알카이닐(alkynyl), 또는 알카인옥시(alkynoxy)를 나타내고, 상기 R11에서 하나 이상의 -CH2-기가 -O-, C=O 또는 -S-로 치환될 수 있고, L5는 할로겐, 탄소수 1 내지 15의 불소화된 알킬(fluorinated alkyl), 알콕시(fluorinated alkoxy), 불소화된 알케닐(fluorinated alkenyl), 알케닐옥시(alkenyloxy) 또는 옥시알킬(oxyalkyl), -OCF3, -OCHFCF3 또는 SF5이고, L6, L7, L8, 및 L9는 각각 서로 독립적으로 수소(H) 또는 할로겐(halogen)이고, Z는 단일 결합, -CF2O-, -OCF2-, -COO-, -O-CO-, -CH2CH2-, -CH=CH-, -C=C-, -CH2O-, -(CH2)4-, CF=CF-, -CH=CF- 또는 -CF=CH-이다. 화학식 28의 구체적인 예들이 다음에 도시된다.
Figure 112013019700533-pat00039
상기 식에서, n은 1 내지 15이다.
할로겐 계열 3환 구조의 양의 유전 이방성을 갖는 네마틱 액정은 화학식 29 내지 화학식 33으로 표기될 수 있다.
화학식 29
Figure 112013019700533-pat00040
화학식 30
Figure 112013019700533-pat00041
화학식 31
Figure 112013019700533-pat00042
화학식 32
Figure 112013019700533-pat00043
화학식 33
Figure 112013019700533-pat00044
화학식 29 내지 33에서, R12는 탄소수 1 내지 15의 알킬(alkyl) 또는 알케닐(alkenyl)이고(여기에서, 알킬 또는 알케닐은 비치환되거나 CN, CF3, 또는 할로겐에 의해 적어도 일치환될 수 있고, 하나 이상의 -CH2-기는 -O-에 의해 치환될 수 있음), X3는 -F, -Cl, -OCF3, -OCHF2, -OCH2F 또는 -CF3이다. 화학식 29의 구체적인 예는 다음과 같다.
Figure 112013019700533-pat00045
Figure 112013019700533-pat00046
Figure 112013019700533-pat00047
여기에서, R12는 앞서 정의한 바와 같다.
할로겐 계열 4환 구조의 양의 유전 이방성을 갖는 네마틱 액정은 화학식 34 내지 화학식 36으로 표기될 수 있다.
화학식 34
Figure 112013019700533-pat00048
화학식 35
Figure 112013019700533-pat00049
화학식 36
Figure 112013019700533-pat00050
화학식 34 내지 36에서 R13은 각각 탄소수 1 내지 15의 알킬(alkyl), 알콕시(alkoxy) 또는 알케닐(alkenyl)이고(상기 알킬, 알콕시, 또는 알케닐에서 수소는 CN, CF3, 또는 할로겐(halogen)으로 치환될 수 있고, -CH2- 그룹은 -CH=CH-, -O-, -CO-, -COO-, -OOC-, -O-OC-O- 또는 -S-로 치환될 수 있음), Z는 단일 결합, -CF2O-, -OCF2-, -COO-, -O-CO-, -CH2CH2-, -CH=CH-, -C=C-, -CH2O-, -(CH2)4-, CF=CF-, -CH=CF- 또는 -CF=CH-이다.
삼치환 불소 또는 시안화기를 포함하는 양의 유전 이방성을 갖는 네마틱 액정은 화학식 37로 표기될 수 있다.
화학식 37
Figure 112013019700533-pat00051
화학식 37에서, 2개의 R14 및 R15 중 하나 이상은 비치환되거나 CN, CF3 또는 할로겐(halogen)에 의해 적어도 일치환된 15개 이하의 탄소 원자를 갖는 알케닐(alkenyl) 그룹이고, 다른 하나는 비치환되거나 CN, CF3 또는 할로겐에 의해 적어도 일치환된 15개 이하의 탄소 원자를 갖는 알킬(alkyl) 그룹일 수 있고, 여기서 이들 그룹들 중 하나 이상의 CH2 기는 -O-, -S-, -C=C-, -OCO-, 또는 -O-CO-에 의해 대체될 수 있다. 화학식37의 구체적인 예들이 다음에 도시된다.
Figure 112013019700533-pat00052
n 및 m은 1 내지 10, 바람직하게는 1 내지 5이고, o 및 p는 각각 서로 독립적으로 동일하거나 상이하며, 0 내지 10, 바람직하게는 0 내지 5이고, 단 o+p의 합은 바람직하게는 7 이하이다.
상기 양의 유전 이방성을 갖는 네마틱 액정은 단일 물질 또는 혼합물일 수 있다. 일 실시예 따른 양의 유전 이방성을 갖는 네마틱 액정 혼합물은,
a) +1.5 초과의 유전성 이방성을 갖는 하나 이상의 화합물로 이루어진 액정 성분 A,
b) -1.5 내지 +1.5의 유전성 이방성을 갖는 하나 이상의 화합물로 이루어진 액정 성분, 및
c) 필요한 경우에 카이럴 성분 C를 포함하는 것으로,
액정 성분 A는 상기 화학식 37의 하나 이상의 화합물을 포함할 수 있다. 액정 성분 B는 하기 화학식 38로 표시되는 하나 이상의 화합물을 포함할 수 있다. 상기 액정 성분 B는 상술한 제2 기저 액정 분자들일 수 있다.
성분 C는 다수의 카이럴 도펀트로 콜레스테릴 노나노에이트(CN), S-811, S-1011, S-2011(독일 다름스타트 소재의 메르크 카게아아(Merck KGaA)) 및 CB15(영국 풀 소재의 BDH)와 같은 시판되는 다수의 카이럴 도펀트가 이용 가능하다. 도펀트의 선택은 그 자체로서는 중요하지 않다.
화학식 38
Figure 112013019700533-pat00053
R16 및 R17은 각각 서로 독립적으로 동일하거나 상이하며, 각각은 비치환되거나 CN, CF3 , 또는 할로겐(halogen)에 의해 적어도 일치환된 15개 이하의 탄소 원자를 갖는 알킬기(alkyl)이고, 여기서 이들 알킬기 중에서 하나이상의 CH2는 -O-, -S-, -C=C-, -CH=CH-, -OC-O- 또는 -OCO-에 의해 대체될 수 있고, 상기 1,4-페닐렌(1,4-phenylene) 고리는 각각 서로 독립적으로 불소(fluorine)에 의해 일치환되거나 다치환될 수도 있다.
강유전성 액정
강유전성 액정은 전기장을 인가하지 않아도 자발 분극(spontaneous polarization)이 존재하는 특성을 가지며, 전기적으로 절연체인 유전체의 일종이지만 일반적인 유전체와는 달리 유전 분극이 전기장에 비례하지 않고, 분극과 전기장과의 관계가 전기 이력을 갖는 이상성을 나타내는 특징을 갖는다. 강유전성 액정은 특징적으로 자발 분극을 가지고 있을 뿐만 아니라 이 자발 분극이 전기장에 의해 역전되는(polarization reversal) 현상이 나타나는 물성을 갖는다.
일 실시예에 따르면, 상기 강유전성 액정은, 강유전성 액정 분자들을 포함할 수 있다. 일 측면에서, 상기 강유전성 액정 분자들은 한 종류(single)일 수 있다. 다른 측면에서, 상기 강유전성 액정 분자들은, 서로 상이한 종류(mixture)일 수 있다. 예를 들면, 상기 강유전성 액정 분자들은, 제1 강유전성 액정 분자 및 제2 강유전성 액정 분자를 포함할 수 있다. 이때, 상기 제2 강유전성 액정 분자는 상기 제1 강유전성 액정 분자와 상이할 수 있다.
다른 실시예에 따르면, 상기 강유전성 액정은, 강유전성 액정 분자들 및 제3 기저 액정 분자들을 포함할 수 있다. 상기 제3 기저 기저 액정 분자들 각각은, 음의 유전 이방성을 갖는 액정 분자 및 양의 유전 이방성을 갖는 액정 분자, 중성의 액정 분자들로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다. 일 측면에서, 상기 강유전성 액정은, 한 종류의 강유전성 액정 분자들과, 제3 기저 분자들을 포함할 수 있다. 다른 측면에서, 상기 강유전성 액정은, 서로 상이한 강유전성 액정 분자들과, 제3 기저 분자들을 포함할 수 있다.
이하에서는, 강유전성 액정을 예들을 나열하여 설명하도록 한다. 하기의 물질들은 단독 또는 혼합하여 사용될 수 있다.
상기 강유전성 액정은, 카이럴(chiral)할 수 있다. 예를 들어, 강유전성 액정은 불소계 카이럴 말단(fluorine chiral end) 강유전성 액정, 카이럴 아릴 에스테르계(chiral allyl ester) 강유전성 액정, 중심 코어 다환(center core polyring) 카이럴 강유전성 액정, 또는 스메틱 카이럴(smetic chiral) 강유전성 액정 등을 포함할 수 있다. 또한, 강유전성 액정은 바나나형(banana shape) 강유전성 액정일 수도 있다. 상기 강유전성 액정은 불소계 카이럴 말단(fluorine chiral end) 강유전성 액정, 카이럴 아릴 에스테르계(chiral allyl ester) 강유전성 액정, 중심 코어 다환(center core polyring) 카이럴 강유전성 액정, 스메틱 카이럴(smetic chiral) 강유전성 액정 및 바나나형(banana shape) 강유전성 액정을 단독 또는 혼합하여 사용할 수 있다. 또한, 상기 강유전성 액정은 제3 기저 액정 분자들을 더 포함할 수 있다.
불소계 카이럴 말단 강유전성 액정은 하기 화학식 39로 표기될 수 있다.
화학식39
Figure 112013019700533-pat00054
여기에서, X4, X5, X6 및 X7은 각각 독립적으로 CF3, CF2H, CFH2, 할로겐(halogen), 알킬(alkyl) 또는 알콕시(alkoxy)이고, C 및 D는 독립적으로 페닐(phenyl), 모노플루오르페닐(mono-fluorophenyl), 디플루오르페닐(di-fluorophenyl), 또는 싸이클로헥실(cyclo-hexyl)에서 선택되며, E들은 독립적으로 단일결합, COO, OOC, 및 C=C에서 선택되며, E중에서 적어도 하나는 단일결합이고, q는 0 또는 1이고, R18은 하기 화학식 40의 말단 그룹이다.
화학식 40
Figure 112013019700533-pat00055
화학식 40에서, Z는 O, (CH2)1O, 또는 (CH2)2O 이고, J 및 M은 독립적으로 수소, 탄소원자 1 내지 15의 알킬(alkyl)에서 선택되며, W는 탄소원자 1 내지 15개의 직선 또는 가지 달린 알킬 체인이고, J, M, W는 각각 다르며, R19는 탄소 원자 1 내지 15개를 포함하는 알케닐(alkenyl), 알케닐옥시(alkenyloxy), 알카이닐(alkynyl), 또는 알카인옥시(alkynoxy)에서 선택된다.
카이럴 아릴 에스테르계 액정은 화학식 41로 표시될 수 있다.
화학식 41
Figure 112013019700533-pat00056
화학식 41에서, Ra와 Rb는 서로에 관계없이 탄소수 1 내지 20의 알킬(alkyl)이고, Q는 -C(=O)O- 또는 -OC(=O)-이고, Z은 불소(florine) 함유 알킬(alkyl) 또는 할로겐(halogen)으로 치환된 알킬 그룹을 나타내고, *는 카이럴 카본을 나타낸다. 화학식 41에 대한 구체적인 예로는 하기 구조식의 4'-n-(옥틸옥시페닐4'-(1,1,1-트리플루오로-2-옥틸옥시카르보닐)비페닐-4-카르복실레이트(4'-n-(octyleoxyphenyl4'-(1,1,1-trigluoro-2- octyloxycarbonyl)biphenyl-4-carboxylate)가 있다.
Figure 112013019700533-pat00057

중심 코어 다환(polyring) 카이럴 강유전성 액정은 화학식 42 내지 44로 표시될 수 있다.
화학식 42
Figure 112013019700533-pat00058
화학식 42는 S-4-(트랜스-4-헵틸사이클로헥실)-3'-클로로-4"-(1-메틸헵틸옥시)터페닐(S-4-(trans-4-heptylcyclohexyl)-3'-chloro-4"-(1-methylheptyloxy)terphenyl)을 나타낸다.
화학식 43
Figure 112013019700533-pat00059
화학식 43은 R-4-옥틸-3"-클로로-4'''-(1-메틸헥실옥시)쿼터페닐(R-4-octhyl-3"-chloro-4'''-(1-methylhexyloxy)quarterphenyl)을 나타낸다.
화학식 44
Figure 112013019700533-pat00060
화학식 44는 S-4-노닐-3'-플루오로-4'''-(2-클로로프로필옥시)쿼터페닐(S-4-nonyl-3'-fluoro-4'''-(2-chloropropyloxy)quarterphenyl)이다.
화학식 45
Figure 112013019700533-pat00061
화학식 45는 부틸 S-2-(4-옥틸-2'-플루오로-3"-트리플루오로메틸-4'''-쿼터페닐옥시)-프로피오네이트(S-2-(4-octyl-2'-fluoro-3"-trifluoromethyl-4'''-quarterphenyloxy)-propionate)이다.
강유전성 스메틱 액정은 하기 화학식 47 및 화학식 48 중에서 적어도 하나로 표현될 수 있다.
화학식 47
Figure 112013019700533-pat00062
화학식 48
Figure 112013019700533-pat00063
화학식 47 및 48에서, R20 및 R21은 각각 다른 탄소수 1개 내지 9개의 직선형 알킬(alkyl)기이고, R22 및 R23은 각각 동일하거나 다른 탄소수 1 내지 18개의 직선형 알킬(alkyl)이고(R20 내지 R23에서, 수소는 CN, CF3, 또는 할로겐(halogen) 원자에 의해 치환될 수 있고, -CH2- 그룹은 -CH=CH-, -O-, -CO-, -COO-, -OOC-, -O-OC-O- 또는 -S-에 의해 임의로 치환될 수 있음), X는 수소 또는 할로겐(halogen)을 나타낸다. 상기 화학식 47 및 48의 구체적인 예들이 다음에 도시된다.
Figure 112013019700533-pat00064
Figure 112013019700533-pat00065

카이럴 스메틱 강유전성 액정은 상기 화학식 49로 표시될 수 있다.
화학식 49
Figure 112013019700533-pat00066
화학식 49에서, R24는 카이럴(chiral) 또는 비카이럴(achiral)한 탄소수 1 내지 20의 알킬(alkyl) 또는 알케닐(alkenyl), R25는 카이럴 또는 비카이럴의 탄소수 1 내지 20의 알콕시(alkoxy), 알케닐옥시(alkenyloxy), 알킬카보닐옥시(alkylcarbonyloxy, 알킬-COO-) 또는 알케닐카보닐옥시(alkenylcarbonyloxy, 알케닐-COO-)이며(R24 및 R25에서, 수소는 CN, CF3, 또는 할로겐(halogen) 원자에 의해 치환될 수 있고, -CH2- 그룹은 -CH=CH-, -O-, -CO-, -COO-, -OOC-, -O-OC-O- 또는 -S-에 의해 치환될 수 있음), Z1 은 단일 결합, -COO- 또는 -OOC-, -CH2CH2-, -CH=CH-, -C=C-, -OCH2- 또는 -CH2O-이고, L10 내지 L14는 수소(hydrogen), 할로겐(halogen), 시아노(cyano), 니트로(nitro), 탄소수 1 내지 20의 알킬(alkyl) 또는 알케닐(alkenyl)이고(-CH2- 그룹은 -CH=CH-, -O-, -CO-, -COO-, -OOC-, -O-OC-O- 또는 -S-에 의해 치환될 수 있음), X9는 -CH- 또는 질소이다. 상기 화학식 49의 구체적인 예가 다음에 도시된다.
Figure 112013019700533-pat00067

바나나 형 강유전성 액정은 하기 화학식 50으로 표시될 수 있다.
화학식 50
Figure 112013019700533-pat00068
화학식 50에서, A1는
Figure 112013019700533-pat00069
또는
Figure 112013019700533-pat00070
이고, B1는
Figure 112013019700533-pat00071
또는
Figure 112013019700533-pat00072
이며, R26 및 R27은 각각 독립적으로 수소 또는 할로겐(halogen)이며, R28 및 R29는 독립적으로 탄소원자 8개 내지 16개의 알킬(alkyl) 또는 알콕시(alkoxy)이다. 상기 화학식 50의 구체적인 예들이 다음에 도시된다.
Figure 112013019700533-pat00073
Figure 112013019700533-pat00074

상기 강유전성 액정은 강유전성 액정의 단일 물질 또는 강유전성 액정이 포함된 혼합물일 수 있다.
화학식 51
Figure 112013019700533-pat00075
화학식 51에서, X10은 수소(H)이고, R30은 수소 또는 탄소수 1 내지 15의 알킬(alkyl)이고, R31은 수소, 할로겐(halogen), 탄소수 1 내지 20의 알킬(alkyl) 그룹 또는 알케닐(alkenyl) 그룹(여기서, 각각의 경우, 하나 또는 2개의 -CH2- 그룹은 -O-, -C(=O)O- 또는 -Si(CH3)2-에 의해 대체될 수 있고, 알킬 또는 알케닐 그룹의 하나 이상의 수소는 불소(fluorin) 또는 CH3에 의해 대체될 수 있음)이고, R32, R33, R34, 및 R35는 각각 CH3이다.
이와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 액정층은 외부에서 전기장이 인가되면, 유도 쌍극자(induced dipole)가 전기장과 평행하고, 음의 유전 이방성을 갖는 네마틱 액정은 전기장에 수직한 방향으로 배열하게 될 수 있다. 액정층의 강유전성 액정은, 분자간의 배열 특성 및 전기장에 따른 배열 특성이 크기 때문에, 액정층의 배향을 균일하고 안정화시킬 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 상기 액정층은 리액티브 메조겐 물질을 더 포함할 수 있다. 상기 액정층은, 약 0.01중량% 내지 약 3중량%의 리액티브 메조겐 물질과, 약 70중량% 내지 약 99.9중량%의 음의 유전 이방성을 갖는 네마틱 액정과, 상기 액정층은 약 0.1중량% 내지 약 30중량%의 양의 유전 이방성을 갖는 네마틱 액정 및 강유전성 액정의 혼합물과, 여분의 음의 유전 이방성을 갖는 네마틱 액정을 포함할 수 있다.
상기 리액티브 메조겐 물질은 중합성 메조겐성 화합물을 의미한다. "메조겐성 화합물" 또는 "메조겐성 물질"은 하나 이상의 막대 모양, 판 모양 또는 디스크 모양 메조겐성 기, 즉 액정상 거동을 유도할 수 있는 능력을 가진 기를 포함하는 물질 또는 화합물을 포함할 수 있다. 상기 리액티브 메조겐 물질은 자외선 등의 광에 의하여 중합되며, 인접한 물질의 배향 상태에 따라 배향되는 물질일 수 있다.
상기 리액티브 메조겐 물질의 예로는 아래의 식으로 표현되는 화합물을 들 수 있다:
P1-A1-(Z1-A2)n-P2,
여기서, P1과 P2는 아크릴레이트(acrylate), 메타크릴레이트(methacrylate), 비닐(vinyl), 비닐옥시(vinyloxy) 및 에폭시(epoxy) 그룹 중 적어도 하나이고, A1과 A2는 1,4-페닐렌(phenylen)과 나프탈렌(naphthalene)-2,6-다일(diyl) 그룹 중에서 적어도 하나이며, Z1은 COO-, OCO- 및 단일 결합 중의 하나이고, n은 0, 1 및 2 중의 하나일 수 있다.
좀 더 구체적으로는 아래의 식 중 하나로 표현되는 화합물을 들 수 있다:
Figure 112013019700533-pat00076
여기서, P1과 P2는 아크릴레이트(acrylate), 메타크릴레이트(methacrylate), 비닐(vinyl), 비닐옥시(vinyloxy) 및 에폭시(epoxy) 그룹 중에서 적어도 하나를 포함할 수 있다.
본 실시예에 따르면, 상기 액정층이 강유전성 액정을 포함함으로써, 네마틱 액정과 더불어 액정층의 배향을 균일하게 하고 배향의 안정성을 향상시킬 수 있다. 또한, 액정층이 리액티브 메조겐 물질을 포함함으로써, 액정층의 배향 속도가 증가하게 되며, 배향되는 각도도 커져 광학적 특성이 향상될 수 있다.
[ 액정층 _제2 실시예 ]
본 발명의 실시예들에 따른 액정층은, 비강유전성 액정(non-ferroelectric liquid crystal) 및 강유전성 액정(ferroelectric liquid crystal)을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 비강유전성 액정은, 음의 이방성을 갖는 네마틱 액정을 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 강유전성 액정은, 상기 액정층 총량 중 약 0.1중량% 내지 약 30중량%을 차지할 수 있다. 상기 강유전성 액정이 상기 액정층 총량의 약 0.1중량%이하일 경우, 상기 액정층의 액정 배향성이 불안정할 수 있다. 또한, 상기 강유전성 액정이 상기 액정층 총량의 약 30중량%를 초과하는 경우, 액정층의 점도가 증가하여 상기 액정층을 포함하는 표시 장치의 응답 속도가 느려질 수 있다. 바람직하게는, 상기 강유전성 액정은 상기 액정층 총량의 약 10중량% 정도일 수 있다.
일 측면에 따르면, 상기 액정층은 리액티브 메조겐 물질을 더 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 액정층은 약 0.1중량% 내지 약 30중량%의 강유전성 액정과, 약 0.01중량% 내지 약 3중량%의 리액티브 메조겐 물질과, 여분의 음의 유전 이방성을 갖는 네마틱 액정을 포함할 수 있다.
본 실시예에서 설명되는 음의 이방성을 갖는 네마틱 액정, 강유전성 액정 및 리액티브 메조겐 물질의 구성 요소, 구조 및 예시들은 상술한 것들과 실질적으로 동일하여 그 상세한 설명을 생략하기로 한다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 상기 비강유전성 액정은, 양의 이방성을 갖는 네마틱 액정 및 음의 이방성을 갖는 네마틱 액정을 포함할 수 있다. 이 경우, 액정층은, 약 70중량% 내지 약 99.9중량%의 음의 유전 이방성을 갖는 네마틱 액정을 포함할 수 있다. 상기 액정층은 약 0.1중량% 내지 약 30중량%의 양의 유전 이방성을 갖는 네마틱 액정 및 강유전성 액정의 혼합물을 더 포함할 수 있다.
상기 양의 이방성을 갖는 네마틱 액정 및 강유전성 액정의 혼합물은, 약 1중량% 내지 90중량%의 양의 유전 이방성을 갖는 네마틱 액정과, 약 10중량% 내지 약 99중량%의 강유전성 액정을 포함할 수 있다.
일 측면에 따르면, 상기 액정층은 리액티브 메조겐 물질을 더 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 액정층은, 약 0.1중량% 내지 약 30중량%의 양의 유전 이방성을 갖는 네마틱 액정 및 강유전성 액정의 혼합물과, 약 0.01중량% 내지 3중량%의 리액티브 메조겐 물질과, 여분의 음의 이방성을 갖는 네마틱 액정을 포함할 수 있다.
본 실시예에서 설명되는 음의 이방성을 갖는 네마틱 액정, 양의 이방성을 갖는 네마틱 액정, 강유전성 액정 및 리액티브 메조겐 물질의 구성 요소, 구조 및 예시들은 상술한 것들과 실질적으로 동일하여 그 상세한 설명을 생략하기로 한다.
본 실시예에 따르면, 상기 액정층이 강유전성 액정을 포함함으로써, 비강유전성 액정과 더불어 액정층의 배향을 균일하게 하고 배향의 안정성을 향상시킬 수 있다. 또한, 액정층이 리액티브 메조겐 물질을 포함함으로써, 액정층의 배향 속도가 증가하게 되며, 배향되는 각도도 커져 광학적 특성이 향상될 수 있다.
이하에서는, 상기 액정층을 제조하는 방법을 간략하게 설명하기로 한다.
[액정 조성물의 제조 방법]
본 발명의 일 실시예에 따르면, 액정층은, 음의 이방성을 갖는 네마틱 액정, 양의 유전 이방성을 갖는 네마틱 액정 및 강유전성 액정을 혼합하여 제조할 수 있다. 상기 액정층은, 약 70중량% 내지 약 99.9중량%의 음의 유전 이방성을 갖는 네마틱 액정과, 약 0.1중량% 내지 약 30중량%의 양의 유전 이방성을 갖는 네마틱 액정 및 강유전성 액정의 혼합물을 혼합하여 제조할 수 있다. 여기에서, 상기 양의 이방성을 갖는 네마틱 액정 및 강유전성 액정의 혼합물은, 약 1중량% 내지 90중량%의 양의 유전 이방성을 갖는 네마틱 액정과, 약 10중량% 내지 약 99중량%의 강유전성 액정을 혼합하여 제조될 수 있다.
일 측면에 따르면, 상기 액정층은 리액티브 메조겐 물질을 더 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 액정층은 약 0.01중량% 내지 3중량%의 리액티브 메조겐 물질과, 약 0.1중량% 내지 약 30중량%의 양의 유전 이방성을 갖는 네마틱 액정 및 강유전성 액정의 혼합물과, 여분의 음의 유전 이방성을 갖는 네마틱 액정을 혼합하여 제조할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 액정층은 음의 이방성을 갖는 네마틱 액정 및 강유전성 액정을 혼합하여 제조할 수 있다. 더욱 상세하게는, 약 70중량% 내지 약 99.9중량%의 음의 유전 이방성을 갖는 네마틱 액정과, 약 0.1중량% 내지 약 30중량%의 강유전성 액정을 혼합하여 제조할 수 있다.
일 측면에 따르면, 상기 액정층은 리액티브 메조겐 물질을 더 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 액정층은, 약 0.01중량% 내지 약 3중량%의 리액티브 메조겐 물질과, 상기 0.1중량% 내지 약 30중량%의 강유전성 액정과, 여분의 음의 유전 이방성을 갖는 네마틱 액정을 혼합하여 제조할 수 있다.
상기 혼합 공정 시, 공정 온도는 상기 액정층 중 가장 많은 양의 물질이 등방성(isotropic) 특성을 나타내는 온도일 수 있다. 본 발명의 실시예들에 따르면, 상기 혼합 공정 온도는 약 90℃ 내지 약 100℃ 온도 범위에서 수행될 수 있다. 상기 온도 범위는, 음의 유전 이방성을 갖는 네마틱 액정이 등방성 특성을 나타낼 때의 온도 범위일 수 있다. 본 실시예에서, 액정층의 혼합 시, 약 90℃ 내지 약 100℃ 온도 범위 내에서 수행하고 있으나, 본 발명이 액정층의 혼합 온도를 한정하는 것은 아니다.
이하, 실시예 및 비교예를 통하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다. 그러나 하기 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것으로서 본 발명은 하기 실시예에 의하여 한정되지 않고 다양하게 수정 및 변경될 수 있다.
액정 표시 장치
<실시예 1>
라인 패턴을 갖는 공통 전극 및 라인 패턴을 갖는 화소 전극을 포함하는 포함하는 제1 기판과, 제2 기판과, 상기 제1 및 제2 기판들 사이를 충진하는 액정층을 포함하는 도 1 및 도 2의 액정 표시 장치를 제조하였다. 상기 액정 표시 장치는 IPS(in plane switching) 모드로 제작되었다.
액정층은 Merck사의 MLC 6608(△n=0.084, △ε=-4.3) 90중량%와, Kingston Chemical사의 KFLC 3(△n=0.18) 10중량%를 100℃에서 혼합한 액정 조성물로 제조되었다. 상기 액정 표시 장치의 액정층의 두께는 3.3㎛로 제작하였다.
<실시예 2 내지 6>
실시예 2 내지 6의 액정 표시 장치들은, 실시예 1의 액정층 두께를 제외하고는 동일하게 제작되었다. 실시예 2 내지 6의 액정층의 두께는 하기 표 1을 참조한다.
<비교예 1>
라인 패턴을 갖는 공통 전극 및 라인 패턴을 갖는 화소 전극을 포함하는 포함하는 제1 기판과, 제2 기판과, 상기 제1 및 제2 기판들 사이를 충진하는 액정층을 포함하는 도 1 및 도 2의 액정 표시 장치를 제조하였다. 상기 액정 표시 장치는 IPS(in plane switching) 모드로 제작되었다.
액정층은 Merck사의 MLC 6608(△n=0.084, △ε=-4.3) 100중량%로 제조되었다. 상기 액정 표시 장치의 액정층의 두께는 3.3㎛로 제작하였다.
<비교예 2 내지 6>
비교예 2 내지 6의 액정 표시 장치들은, 비교예 1과 액정층 두께를 제외하고는 동일하게 제작되었다. 비교예 2 내지 6의 액정층의 두께는 하기 표 1을 참조한다.
액정층 액정층 두께
[㎛]
MLC 6608[wt%]
(음의 네마틱 액정)		 KFLC 3[wt%]
(강유전성 액정)
실시예 1 90 10 3.3
실시예 2 90 10 3.5
실시예 3 90 10 3.8
실시예 4 90 10 4.0
실시예 5 90 10 4.3
실시예 6 90 10 4.5
비교예 1 100 0 3.3
비교예 2 100 0 3.5
비교예 3 100 0 3.8
비교예 4 100 0 4.0
비교예 5 100 0 4.3
비교예 6 100 0 4.5
투과도 평가
도 3a 및 도 3b는 실시예 1 내지 6의 액정 표시 장치들과 비교예 1 내지 6의 액정 표시 장치들의 투과도를 비교하는 그래프들이다. 도 3a 및 도 3b는 인가되는 전압에 따른 투과도를 나타내는 그래프들이다. 도 3a 및 도 3b의 x축은 인가된 전압으로 단위는 [V]이고, y축은 투과도를 나타낸다.
도 3a 및 도 3b를 참조하면, 실시예 1 내지 6의 액정 표시 장치들이 비교예 1 내지 6에 비하여 전반적으로 우수한 투과도를 나타내었다. 동일한 액정층 두께를 기준으로, 실시예의 액정 표시 장치들의 투과도가 비교예의 액정 표시 장치들의 투과도보다 전반적으로 우수한 것을 알 수 이다.
상기의 평가로, 실시예 1 내지 6의 액정층 내 강유전성 액정이, 액정 분자들을 균일하고 안정하게 배향할 수 있도록 유도하므로, 실시예 1 내지 6의 액정 표시 장치의 투과도가 비교예 1 내지 6의 액정 표시 장치의 투과도보다 우수하다.
응답 속도 평가
도 4a 및 도 4b는 실시예 1 내지 6의 액정 표시 장치들과 비교예 1 내지 6의 액정 표시 장치들의 응답 속도를 비교하는 그래프이다.
도 4a 및 도 4b는 인가되는 전압에 따른 응답속도를 나타내는 그래프들로, 도 4a 및 도 4b의 x축은 인가된 전압으로 단위는 [V]이고, y축은 응답속도로 단위는 [ms]이다.
도 4a 및 도 4b를 참조하면, 실시예 1 내지 6의 액정 표시 장치들의 응답속도가 비교예 1 내지 6의 액정 표시 장치들의 응답속도에 비하여, 다소 느린 것을 볼 수 있다. 하지만, 액정층의 두께가 작을수록 실시예와 비교예들 사이의 응답속도의 차이가 작은 것을 알 수 있다.
실시예 1 내지 6의 액정층에는 강유전성 액정을 포함하고 있기 때문에, 액정층의 점도가 높아져 비교예 1 내지 6의 액정 표시 장치들의 응답속도보다 약간 느리나 비슷한 것으로 보인다. 하지만, 비교예들과 실시예들 사이의 응답속도 차이가 그리 크지 않은 것을 알 수 있다. 따라서, 실시예 1 내지 6의 액정층은 강유전성 액정 포함함으로써 액정 분자들이 안정하고 균일한 배향을 이루는 동시에 응답 속도도 기존처럼 유지할 수 있다.
텍스쳐 ( texture ) 평가
도 5a 내지 도 5k는 실시예 5의 액정 표시 장치로 인가된 전압에 따라 변화하는 텍스쳐들이고, 도 6a 내지 도 6k는 비교예 5의 액정 표시 장치로 인가된 전압에 따라 변화하는 텍스쳐들이다.
도 5a 내지 5k 및 도 6a 내지 도 6k는 액정 표시 장치로 인가되는 전압에 따라 블랙 이미지에서 화이트 이미지로 변화되는 텍스쳐들이다. 도 5a 내지 5k의 텍스쳐들이 도 6a 내지 도 6k의 텍스쳐들보다 패턴들 사이에서의 불량이 적은 것을 볼 수 있다.
상세하게 설명하면, 인가되는 전압이 커짐에 따라 제1 패턴 및 제2 패턴들 경계에서 까맣게 보이는 불량이 실시예들보다 비교예들에서 더 많이 발생되는 것을 알 수 있다.
상기의 텍스쳐들을 살펴보면, 강유전성 물질을 포함하는 액정층의 경우, 액정층 내 액정 분자들의 배향이, 강유전성 물질을 포함하지 않는 액정층에 비하여 균일하고 안정하여 액정 표시 장치의 휘도를 향상시킬 수 있다.
이상, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징으로 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예에는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
100: 제1 기판
200: 제2 기판
300: 액정층

Claims (14)

  1. 제1 기판;
    상기 제1 기판과 이격되어 마주하는 제2 기판;
    상기 제1 및 제2 기판 사이에 배치되는 액정층;
    상기 제1 기판 및 상기 액정층 사이에 배치되며, 제1 패턴을 갖는 공통 전극; 및
    상기 제1 기판 및 상기 액정층 사이에 배치되며 제1 패턴과 겹치지 않은 제2 패턴을 갖는 화소 전극을 포함하되,
    상기 액정층은 음의 유전 이방성을 갖는 네마틱 액정, 양의 유전 이방성을 갖는 네마틱 액정 및 강유전성 액정을 포함하며,
    상기 액정층은, 상기 음의 유전 이방성을 갖는 네마틱 액정 70중량% 내지 99.9중량%; 및 상기 양의 유전 이방성을 갖는 네마틱 액정 및 강유전성 액정의 혼합물 0.1중량% 내지 30중량%을 포함하는 액정 표시 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 액정 표시 장치는, IPS(in plane switching) 모드인 액정 표시 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 액정층에 인접하게 배치되는 배향막을 더 포함하는 액정 표시 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 배향막은 리액티브 메조겐(reactive mesogen) 물질을 포함하는 액정 표시 장치.
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 양의 유전 이방성을 갖는 네마틱 액정 및 강유전성 액정의 혼합물에서, 상기 강유전성 액정은 10중량% 내지 99중량%을 포함하는 액정 표시 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 액정층은 리액티브 메조겐 물질을 더 포함하는 액정 표시 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 액정층은,
    상기 양의 유전 이방성을 갖는 네마틱 액정 및 강유전성 액정의 혼합물 0.1중량% 내지 30중량%;
    상기 리액티브 메조겐 물질 0.01중량% 내지 3중량%; 및
    여분의 상기 음의 유전 이방성을 갖는 네마틱 액정을 포함하는 액정 표시 장치.
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 삭제
  13. 삭제
  14. 삭제
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