KR102100652B1 - 액정 조성물과 이를 포함하는 액정표시장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 액정조성물과 이를 포함하는 액정표시장치를 개시한다. 본 발명의 액정표시장치는, 박막 트랜지스터가 형성된 제 1 기판과; 상기 제 1 기판과 대향하여 형성되고, 컬러필터층이 형성된 제 2 기판과; 상기 제 1 기판과 상기 제 2 기판 사이에 형성되는 액정층;을 포함하고, 상기 액정층은 액정과 첨가제를 포함하고, 상기 첨가제는 단분자 내에서 사면체 분자 구조로 이루어진 화합물인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 액정조성물과 이를 포함하는 액정표시장치는, 첨가제를 포함하여 회전점도를 증가시키지 않고 저온 안정성을 개선하며, 고체화된 액정의 원상태로 복원이 용이하게 한다. 또한, 저온 안정성이 개선됨에 따를 응답속도가 저하되는 문제점을 개선하여, 응답 속도 저하에 의한 잔상으로 표시품질이 저하되는 것을 방지할 수 있다.

Description

액정 조성물과 이를 포함하는 액정표시장치{Liquid crystal composition and liquid crystal display device having the same}
본 발명은 액정 조성물과 이를 포함하는 액정표시장치에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 저온안정성을 개선하고, 응답 속도를 개선한 액정 조성물과 이를 포함하는 액정표시장치에 관한 것이다.
최근 정보화 시대에 발맞추어 디스플레이(display) 분야 또한 급속도로 발전해 왔고, 이에 부응해서 박형화, 경량화, 저소비전력화 장점을 지닌 평판표시장치(flat panel display device : FPD)로서 액정표시장치(liquid crystal display device : LCD), 플라즈마표시장치(plasma display panel device : PDP), 전기발광표시장치(electroluminescence display device : ELD), 전계방출표시장치(field emission display device : FED) 등이 소개되어 기존의 브라운관(cathode ray tube : CRT)을 빠르게 대체하며 각광받고 있다.
이중에서도 액정표시장치는 동화상 표시에 우수하고 높은 콘트라스트비(contrast ratio)로 인해 노트북, 모니터, TV 등의 분야에서 가장 활발하게 사용되고 있다.
일반적인 액정표시장치의 구성에 대해 도 1을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
도 1은 종래 액정표시장치의 단면도를 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면, 액정표시장치는 도시한 바와 같이, 액정층(50)을 사이에 두고 어레이기판(array substrate;10)과 컬러필터기판(color filter substrate;24)이 대면 합착된 액정패널과 그 하부에 배치되는 백라이트(40)의 구성을 갖는데, 이중 어레이기판이라 불리는 제 1 기판(10)의 일면에는 화소영역(P)이 정의되어 있으며, 각 화소영역(P)에는 박막트랜지스터(Tr)가 구비되어 각 화소영역(P)에 마련된 투명 화소 전극(19)과 층간절연막(18)에 형성된 콘택홀을 통해 일대일 대응 접속된다. 상기 박막트랜지스터(Tr)는 게이트 전극(12), 게이트 절연막(13), 액티브층(14), 오믹콘택층(15a,15b), 소스전극(16) 및 드레인전극(17)으로 이루어진다.
또한 액정층(50)을 사이에 두고 이와 마주보는 제 2 기판(24)은 상부기판 또는 컬러필터기판(color filter substrate)이라 불리는데, 이의 일면에는 제 1 기판(24)의 박막트랜지스터(Tr) 등의 비표시 요소를 가리면서 화소 전극(19) 만을 노출시키도록 화소영역(P)을 두르는 격자 형상의 블랙매트릭스(22)가 구성된다.
또한, 이들 격자 내부에서 각 화소영역(P)에 대응되게 순차적으로 반복 배열되는 일례로 R(red), G(green), B(blue) 컬러필터(23) 그리고 이들 모두를 덮는 투명 공통 전극(21)을 포함한다.
이때, 제 1 및 제 2 기판(10,24)의 외면으로는 특정 편광만을 선택적으로 투과시키는 편광판(11,25)이 부착된다.
그리고, 액정층(50)과 화소 전극(19) 그리고 공통 전극(21) 사이로는 액정을 향하는 표면이 각각 소정 방향으로 러빙(rubbing)된 제 1 및 제 2 배향막(20a, 20b)이 개재되어 액정분자의 초기배열상태와 배향 방향을 균일하게 정렬한다.
또한, 그 사이로 충진되는 액정층(50)의 누설을 방지하기 위해 양 기판(10,24)의 가장자리를 따라 씰패턴(seal pattern : 70)이 형성된다.
이러한 액정표시장치는 자체 발광요소를 갖추지 못한 소자이므로 별도의 광원을 요구하게 되며, 이를 위해 액정패널 배면으로는 백라이트(40)가 마련되어 빛을 공급하고 있다.
여기서, 액정표시장치에 이용되는 액정층(50)으로는 네마틱(nematic)액정이 이용된다. 이러한 네마틱 액정(30)은 일반적으로 -20℃~100℃ 사이에서 네마틱 상을 유지하며, -20℃ 이하에서는 네마틱 상을 잃고 고체화된다. 즉, -20℃ 이하의 환경에 노출될 경우, 고체화되어 상 변화를 이루면서 배향막에 영향을 줄 뿐만 아니라 상온 복귀 시 기존 상태로 원상회복이 되지 못하고, 불량의 원인이 된다. 따라서, 최근 액정의 저온 안정성을 개선하기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다.
도 2는 액정의 저온보장온도와 회전점도의 관계를 도시한 도면이다.
도 2를 참조하면, 저온보장온도가 낮아짐에 따라, 회전점도가 증가함을 알 수 있다. 즉, 저온 안정성을 개선하기 위해 액정 분자의 종류 및 함량을 변경하는 경우 액정의 회전 점도 값도 변화하며, 저온 안정성이 개선됨에 따라 회전점도가 증가하여 액정의 응답속도가 늦어지는 문제가 발생한다.
또한, 액정의 응답속도를 개선하기 위해, 액정의 회전점도를 낮추는 경우, 저온보장온도가 올라가며, 저온 안정성이 저하되는 문제점이 발생한다. 이러한 회전점도와 저온보장온도의 트레이드 오프(trade off) 특성으로 인하여, 액정 물성의 개선만으로는 응답속도와 저온 안정성을 모두 개선하는데 한계가 있다.
본 발명은 첨가제를 포함하여 회전점도를 증가시키지 않고 저온 안정성을 개선하는 액정 조성물과 이를 포함하는 액정표시장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 저온 안정성이 개선됨에 따를 응답속도가 저하되는 문제점을 개선하여, 응답 속도 저하에 의한 잔상으로 표시품질이 저하되는 것을 방지하는 액정 조성물과 이를 포함하는 액정표시장치를 제공하는데 다른 목적이 있다.
또한, 본 발명은 첨가제를 포함하여 고체화된 액정의 원상태로 복원이 용이하게 하는 액정 조성물과 이를 포함하는 액정표시장치를 제공하는데 또 다른 목적이 있다.
상기와 같은 종래 기술의 과제를 해결하기 위한 본 발명의 액정 조성물은, 액정과 첨가제를 포함하고, 상기 첨가제는 단분자 내에서 사면체 분자 구조로 이루어진 화합물인 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 액정표시장치는, 박막 트랜지스터가 형성된 제 1 기판과; 상기 제 1 기판과 대향하여 형성되고, 컬러필터층이 형성된 제 2 기판과; 상기 제 1 기판과 상기 제 2 기판 사이에 형성되는 액정층;을 포함하고, 상기 액정층은 액정과 첨가제를 포함하고, 상기 첨가제는 단분자 내에서 사면체 분자 구조로 이루어진 화합물인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 액정 조성물과 이를 포함하는 액정표시장치는, 첨가제를 포함하여 회전점도를 증가시키지 않고 저온 안정성을 개선하는 제 1 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따른 액정 조성물과 이를 포함하는 액정표시장치는, 저온 안정성이 개선됨에 따를 응답속도가 저하되는 문제점을 개선하여, 응답 속도 저하에 의한 잔상으로 표시품질이 저하되는 것을 방지하는 제 2 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따른 액정 조성물과 이를 포함하는 액정표시장치는, 첨가제를 포함하여 고체화된 액정의 원상태로 복원이 용이하게 하는 제 3 효과가 있다.
도 1은 종래 액정표시장치의 단면도를 도시한 도면이다.
도 2는 액정의 저온보장온도와 회전점도의 관계를 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 액정표시장치의 단면도를 도시한 도면이다.
도 4는 종래 액정표시장치 및 본 발명의 액정표시장치의 실험결과를 비교한 도면이다.
이하, 본 발명의 실시예들은 도면을 참고하여 상세하게 설명한다. 다음에 소개되는 실시예들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 그리고 도면들에 있어서, 장치의 크기 및 두께 등은 편의를 위하여 과장되어 표현될 수도 있다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
도 3은 본 발명의 액정표시장치의 단면도를 도시한 도면이다.
도 3을 참조하면, 액정표시장치는 액정층(150)을 사이에 두고 제 1 기판(110)과 제 2 기판(124)이 대면 합착된 액정패널을 포함한다. 또한, 상기 액정패널 하부에는 백라이트(140)가 배치되며, 상기 액정층(150)의 누설을 방지하기 위해 제 1 기판(110) 및 제 2 기판(124) 사이에 가장자리를 따라 씰패턴(seal pattern: 170)이 형성된다. 또한, 도면에는 도시되어 있지 않으나, 제 1 기판(110) 및 제 2 기판(124) 사이의 셀갭을 유지하기 위한 컬럼 스페이서가 추가로 형성될 수 있다.
상기 제 1 기판(110)은 하부기판 또는 어레이기판(array substrate)으로, 상기 제 1 기판(110)의 일면에는 게이트 배선과 데이터 배선이 게이트 절연막(113)을 사이에 두고 서로 수직하게 교차하여 화소영역(P)을 정의한다. 상기 화소영역(P)에는 박막트랜지스터(Tr)가 구비되어 각 화소영역(P)에 마련된 투명 화소 전극(119)과 층간절연막(118)에 형성된 콘택홀을 통해 일대일 대응 접속된다.
상기 박막트랜지스터(Tr)는 게이트 전극(112), 게이트 절연막(113), 액티브층(114), 오믹콘택층(115a,115b), 소스전극(116) 및 드레인전극(117)으로 이루어진다. 또한, 도면에는 도시되지 않았지만, 상기 박막 트랜지스터는 게이트 전극이 반도체층의 아래에 배치되는 보텀 게이트(Bottom gate) 구조 외에 게이트 전극이 반도체층의 위에 배치되는 탑(Top) 게이트 구조로 형성될 수도 있다.
또한, 액정층(150)을 사이에 두고 이와 마주보는 제 2 기판(124)은 상부기판 또는 컬러필터기판(color filter substrate)이라 불리는데, 이의 일면에는 제 1 기판(124)의 박막트랜지스터(Tr) 등의 비표시 요소를 가리면서 화소 전극(119) 만을 노출시키도록 화소영역(P)을 두르는 격자 형상의 블랙매트릭스(122)가 구성된다.
또한, 이들 격자 내부에서 각 화소영역(P)에 대응되게 순차적으로 반복 배열되는 일례로 R(red), G(green), B(blue) 컬러필터(123) 그리고 이들 모두를 덮는 투명 공통 전극(121)을 포함한다.
이때, 제 1 및 제 2 기판(110,124)의 외면으로는 특정 편광만을 선택적으로 투과시키는 편광판(11,25)이 부착될 수 있다.
그리고, 액정층(150)과 화소 전극(119) 그리고 공통 전극(121) 사이로는 액정을 향하는 표면이 각각 소정 방향으로 러빙(rubbing)된 제 1 및 제 2 배향막(120a, 120b)이 개재되어 액정분자의 초기배열상태와 배향 방향을 균일하게 정렬한다.
이와 같은 액정분자의 배열을 조절하는 방식은 TN(Twisted Nematic) 모드, VA(Vertical Alignment) 모드 외에도 IPS(In Plane Switching) 모드 또는 FFS(Fringe Field Switching) 모드 등으로 다양하게 적용할 수 있다.
또한, 이러한 액정표시장치는 자체 발광요소를 갖추지 못한 소자이므로 별도의 광원을 요구하게 되며, 이를 위해 액정패널 배면으로는 백라이트(140)가 마련되어 빛을 공급한다.
이때, 상기 액정층(150)은 상기 제 1 기판(110)과 제 2 기판(124) 사이에서 액정(130)과 첨가제(200)을 포함하여 형성된다.
상기 액정(130)은 네마틱(nematic) 액정으로, 상기 화소 전극(119)과 상기 공통 전극(121)에 의해 형성된 전계에 의해서 그 배열 상태가 조절된다. 상기 액정(130)은 포지티브(positive) 액정 또는 네거티브(negative) 액정으로 형성될 수 있다.
상기 포지티브 액정은 유전율 이방성(△ε=ε∥ - ε⊥)이 양(+)의 값을 가지는, 즉, 수평 유전율(ε∥)이 수직 유전율(ε⊥)보다 큰 값을 가지는 액정으로서, 이와 같은 포지티브 액정은 전계방향과 평행한 방향으로 액정의 방향자(director)가 배열되는 특성이 있다.
또한, 상기 네거티브 액정은 유전율 이방성(△ε=ε∥ - ε⊥)이 음(-)의 값을 가지는, 즉, 수평 유전율(ε∥)이 수직 유전율(ε⊥)보다 작은 값을 가지는 액정으로서, 이와 같은 네거티브 액정은 전계방향과 수직한 방향으로 액정의 방향자(director)가 배열되는 특성이 있다.
상기 첨가제(200)는 액정(130)의 저온 안정성을 향상시키는 역할을 한다. 즉, 상기 첨가제(200)를 통해 액정(130)의 저온 안정성을 개선하면서도 회전점도를 크게 하지 않음으로써, 응답속도 지연의 문제를 해결할 수 있다.
이와 같은 첨가제(200)는 네마틱 액정(130)의 결정(crystal) 구조 형성을 억제하는 비선형(non-linear) 분자 구조 물질로 이루어진다. 상기 첨가제(200)는 저온 특성이 우수하며, 상기 액정(130)의 기본 특성을 크게 변경시키지 않고, 상기 액정(130)과 균일하게 혼합되는 특성을 갖는다. 바람직하게는 상기 첨가제(200)는 사면체(tetrahedron) 분자구조로 이루어진 화합물이다. 즉, 단분자 내에서 사면체 구조로 존재하여 액정의 결정 구조 형성을 억제할 수 있다.
또한, 바람직하게는 상기 첨가제(200)는 하기 화학식 1로 표시되는 화합물로 이루어질 수 있다. 상기 화학식 1은 사면체 구조로 형성된다.
[화학식 1]
Figure 112013023081327-pat00001
이때, 상기 식에서 R1은 Si, C, Ti 및 Ge로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나이고, R2 내지 R5는 각각 독립적으로 C1 내지 C50의 알킬기, C2 내지 C50의 알케닐기, C2 내지 C50의 알키닐기로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나이다.
또한, 더 바람직하게는 상기 첨가제(200)는 하기 화학식 2로 표시되는 화합물로 이루어질 수 있다. 상기 화학식 2은 사면체 구조로 형성된다.
[화학식 2]
Figure 112013023081327-pat00002
상기 식에서, R6 내지 R9는 각각 독립적으로 C1 내지 C50의 알킬기, C2 내지 C50의 알케닐기, C2 내지 C50의 알키닐기로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나이다. 특히, 상기 첨가제(200)는 테트라메틸오소실리케이트(tetramethyl orthosilicate; TMOS), 테트라에틸오소실리케이트(tetraethyl orthosilicate; TEOS) 및 테트라프로필오소실리케이트(tetrapropyl orthosilicate; TPOS)로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나의 혼합물로 이루어질 수 있다.
상기 첨가제(200)는 저온 특성이 우수하고 투명한 액상물질로 적정 함량을 도핑(doping)하는 경우 액정과 균일하게 혼합하는 특성을 보인다. 상기 첨가제(200)는 전체 액정 조성물의 0.1wt% 이상 5wt% 이하로 형성될 수 있다.
상기 첨가제(200)는 전체 액정 조성물의 0.1wt% 미만으로 포함될 경우 상기 첨가제(200)에 의해서 얻고자 하는 효과, 즉, 액정(130)의 저온 안정성 개선효과를 얻지 못할 수 있다. 또한, 5wt%를 초과하게 되면, 액정(130)이 물성을 상실하거나, 상 분리가 발생할 수 있다.
이로써, 상기 첨가제(200)를 포함하는 액정조성물을 사용함으로써, 본 발명의 액정표시장치는 저온 안정성을 개선함과 동시에 응답속도의 저하 문제도 개선할 수 있다. 또한, 상기 첨가제(200)는 결정화된 액정이 원상태로 복원도 용이하게 ㅎ할 수 있다.
도 4는 종래 액정조성물 및 본 발명의 액정조성물의 실험결과를 비교한 도면이다.
종래 액정조성물은 네마틱액정을 포함하며 첨가제를 포함하고 있지 않고, 본 발명의 액정표시장치는 네마틱 액정과 함께 첨가제로 테트라에틸오소실리케이트(tetraethyl orthosilicate; TEOS)를 각각 0.5wt%, 1.0wt%, 3.0wt%를 포함한다.
종래 액정조성물과 본 발명의 액정조성물을 100℃까지 각각 10℃/min으로 온도를 상승하고, -5℃/min으로 온도를 하강하며 네마틱상에서 고체상으로 상전이온도(Tnc)의 피크(peak)를 검출하였다.
도 4를 참조하면, 종래 액정조성물의 경우, -20℃보다 온도가 내려가는 경우 결정화되어 네마틱 액정이 고체화되었다. 반면에 첨가제가 0.5wt% 함유된 액정조성물은 -25℃까지 네마틱 액정상을 유지하였으며, 첨가제가 1.0wt% 또는 3.0wt% 포함된 액정조성물은 -30℃에서도 네마틱 액정상을 유지할 수 있었다.
또한, 실험결과 첨가제를 3.0wt% 포함한 액정조성물은 첨가제를 포함하지 않은 액정조성물에 비해 네마틱상에서 고체상으로 상전이온도(Tnc) 뿐만 아니라, 고체상에서 네마틱상으로 상전이온도(Tcn)도 8℃ 낮아졌다. 따라서, 결정(crystal) 발생 후 네마틱상으로의 복원도 종래 액정조성물보다 본 발명의 액정조성물이 더 유리함을 알 수 있다.
따라서, 본 발명의 액정조성물과 이를 포함하는 액정표시장치는, 첨가제를 포함하여 회전점도를 증가시키지 않고 저온 안정성을 개선하며, 고체화된 액정의 원상태로 복원이 용이하게 한다. 또한, 저온 안정성이 개선됨에 따를 응답속도가 저하되는 문제점을 개선하여, 응답 속도 저하에 의한 잔상으로 표시품질이 저하되는 것을 방지할 수 있다.
이상 설명한 내용을 통해 당업자라면 본 발명의 기술사상을 일탈하지 아니하는 범위에서 다양한 변경 및 수정이 가능함을 알 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 기술적 범위는 명세서의 상세한 설명에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허 청구의 범위에 의해 정하여져야만 할 것이다.
110: 제 1 기판 121: 공통전극
112: 게이트 전극 122: 블랙매트릭스
113: 게이트 절연막 123: 컬러필터
114: 액티브층 124: 제 2 기판
115: 오믹콘택층 130: 액정
116: 소스전극 140: 백라이트
117: 드레인전극 150: 액정층
118: 층간절연막 170: 씰패턴
119: 화소전극 200: 첨가제
120: 배향막 P: 화소영역
111,125: 편광판 Tr: 박막트랜지스터

Claims (10)

  1. 액정과 첨가제를 포함하고,
    상기 첨가제는 비선형(non-linear) 분자 구조로 이루어지며,
    상기 비선형 분자 구조는 테트라메틸오소실리케이트(tetramethyl orthosilicate; TMOS), 테트라에틸오소실리케이트(tetraethyl orthosilicate; TEOS) 및 테트라프로필오소실리케이트(tetrapropyl orthosilicate; TPOS)로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나의 화합물로 이루어지며,
    상기 첨가제는 전체 액정 조성물의 0.1wt% 이상 5wt% 이하인 것을 특징으로 하는
    액정조성물.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 박막 트랜지스터가 형성된 제 1 기판과;
    상기 제 1 기판과 대향하여 형성되고, 컬러필터층이 형성된 제 2 기판과;
    상기 제 1 기판과 상기 제 2 기판 사이에 형성되는 액정층;을 포함하고,
    상기 액정층은 액정과 첨가제를 포함하고,
    상기 첨가제는 비선형(non-linear) 분자 구조로 이루어지며,
    상기 비선형 분자 구조는 테트라메틸오소실리케이트(tetramethyl orthosilicate; TMOS), 테트라에틸오소실리케이트(tetraethyl orthosilicate; TEOS) 및 테트라프로필오소실리케이트(tetrapropyl orthosilicate; TPOS)로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나의 화합물로 이루어지며,
    상기 첨가제는 전체 액정 조성물의 0.1wt% 이상 5wt% 이하인 것을 특징으로 하는
    액정표시장치.


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