KR20000025990A - 광배향성고분자조성물과이것을이용한액정배향막및액정표시소자 - Google Patents

광배향성고분자조성물과이것을이용한액정배향막및액정표시소자 Download PDF

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조정호
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김기훈
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권문구
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Abstract

본 발명은 액정표시장치에 사용되는 배향막에 관한 것으로서, 특히 액정 배향막을 구성하는 광 배향성 고분자 조성물에 관한 것이다.
본 발명의 고분자 조성물은 하기의 구조식 (1), (2) 및 (3)을 갖는 것을 특징으로 한다.
ㆍㆍㆍㆍㆍㆍ(1)
ㆍㆍㆍㆍㆍㆍ(2)
ㆍㆍ(3)
따라서, 본 발명의 광 배향성 고분자 조성물은 감광성이 높아 광조사에 많은 시간을 절약할 수 있다.

Description

광배향성 고분자 조성물과 이것을 이용한 액정 배향막 및 액정표시소자
본 발명은 액정표시장치에 사용되는 배향막에 관한 것으로서, 특히 액정 배향막을 구성하는 광 배향성 고분자 조성물에 관한 것이다.
액정표시소자(LCD)는 배향막을 사용한다. 배향막은 주로 고분자 물질을 사용하며, 액정분자의 배열에 방향자(director) 역할을 하여 전계(electric field)에 의해 액정이 움직여서 화상을 형성할 때 적당한 방향을 잡도록 해준다. 일반적으로 액정표시소자에서 균일한 휘도(brightness)와 높은 콘트라스트비(contrast ratio)를 얻기 위해서는 액정을 균일하게 배향하는 것이 필수적이다.
배향막을 만드는 방법으로는 현재까지 러빙(rubbing),스트레칭(stretching), 광조사 등과 같은 기술들이 알려져 있다. 배향막으로서 현재까지 공업적으로 가장 널리 사용되는 것은 폴리이미드(polyimide) 고분자에 러빙기술을 사용하여 배향을 유도하는 러빙 배향막이다.
이 방법은 고분자를 코팅한 기판을 천으로 문지르는 간단한 방법으로 대면적화와 고속처리가 가능하여 공업적으로 널리 이용되고 있는 방법이다.
이 러빙 배향막은 폴리이미드를 사용하여 내열성이 높고, 분자의 사슬이 강성이기 때문에 러빙을 하는데 문제가 없으며, 또한 프리틸트각(pretilt angle)의 조절이 단순하다는 장점이 있다.
하지만, 배향포와 배향막의 마찰강도에 따라 배향막에 형성되는 미세홈(microgroove)의 형태가 달라지기 때문에 액정분자의 배열이 불균일하게 되어 위상왜곡(phase distortion)과 광산란(light scattering)이 발생한다.
또한, 고분자 표면을 러빙함으로써 발생하는 정전기(ESD: electrostatic discharge)는 능동 메트릭스 액정표시소자(AM-LCD : active matrix LCD)에 먼지를 발생시키는 원인이 되어, 결과적으로 수율이 저하되고 기판이 파손되는 일이 생긴다.
또한, 러빙법을 사용하여서는 LCD의 여러 가지 단점중 큰 부분을 차지하는 좁은 시야각 문제를 해결하기가 힘들다. 그래서 새로운 구조와 배향방식을 사용한 배향막이 요구된다.
상기한 바와같은 러빙법의 문제를 해결하기 위해 제안된 배향처리방법이 광 배향법이다.
광 배향법은 광물질이 도포된 기판에 선편광된(linearly polarized) 자외선을 조사하여 배향막에 배향방향을 부여하는 방법이다. 배향방향은 선편광된 자외선의 편광방향에 대해 일정한 방향을 갖게 된다.
프리틸트 방향은 조사된 자외선의 입사방향에 의해 프리틸트각은 조사에너지에 의해 달라진다. 광(자외선)을 이용한 배향법은 비접촉 방식이기 때문에 불순물 이입 및 정전기 발생의 문제점을 원천적으로 해결할 수 있는 방법이며, 배향처리가 간편하여 대량생산에 적합하고, 광량의 조절로 프리틸트각을 쉽게 제어할 수 있을 뿐만 아니라 복합적인 광조사 방식을 적용하여 능동 매트릭스 액정표시소자에서의 시야각(viewing angle)을 크게 개선할 수 있는 방법으로 활발히 연구 개발되고 있는 유력한 차세대 배향방식이다.
그러나 지금까지 알려진 광배향법은 감광성이 낮아, 광조사에 많은 시간이 소요되는 단점이 있다. 현재까지 알려진 광배향막은 광배향부로서 칼콘(chalcone)계, 신나모일(cinnamoyl)계, 아조벤젠(azobenzene)계, 쿠마린(coumarin)계 등을 사용하는데 이들은 공통적으로 이러한 문제를 가지고 있다.
본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 광배향에 있어 광조사 시간을 단축시킬 수 있는 우수한 감광성을 갖는 고분자 조성물을 제공함에 있다.
본 발명의 다른 목적중의 하나는 우수한 감광성을 지닌 액정 배향막을 제공함에 있다.
본 발명의 또 다른 목적중의 하나는 우수한 표시특성을 가지는 액정표시소자를 제공함에 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 제 1 양태는 액정 배향막의 재료로써 사용되는 고분자 물질이 광 반응부와 고분자 주사슬로 이루어지고, 상기 광 반응부는 탄소-탄소 삼중결합과, 적어도 두 개 이상의 벤젠 고리를 포함하며; 상기 고분자 주사슬은 폴리아크릴레이트, 폴리실록산, 폴리메타크릴레이트, 폴리사카라이드, 폴리비닐알콜로 구성되는 그룹으로부터 선택된 어느 하나의 물질을 포함하며; 상기 광 반응부와 상기 고분자 주사슬이 에테르 결합 및 에스테르 결합중 선택된 어느 하나의 결합으로 이루어지는 고분자 조성물에 관한 것이다.
또한, 본 발명의 고분자 조성물은 하기의 구조식 (1), (2) 및 (3)을 갖는 것을 특징으로 한다.
ㆍㆍㆍㆍㆍㆍ(1)
ㆍㆍㆍㆍㆍㆍ(2)
ㆍㆍ(3)
본 발명의 제 2 양태는 상기한 고분자 조성물을 이용하여 제조되는 액정 배향막에 관한 것이다.
본 발명의 제 3 양태는 상기한 고분자 조성물을 이용하여 제조되는 액정표시소자에 관한 것이다.
본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기에 설명될 것이며, 본 발명의 실시에 의해 알게될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 첨부된 특허청구범위에 나타낸 수단 및 조합에 의해서 실현될수 있다.
도 1은 본 발명의 고분자 조성물을 포함하는 액정 배향막의 프리틸트각을 측정하기 위한 장치의 개략적인 구성을 도시한 도면.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
1: 자외선 광원 2: 편광기
3: 렌즈 4: 선형편광된 평행광
5: 액정 배향막 6: 셀 홀더
본 발명은 액정 배향막의 재료로써 사용되는 고분자 물질의 광 반응부를 탄소-탄소 삼중결합으로 형성한 것이 특징이다. 즉, 본 발명의 실시예에 따른 광 배향 물질은 광 배향의 감도를 증가시키고, 이 막으로써 액정의 배향을 얻기 위해 탄소-탄소 삼중결합을 사용한다.
따라서, 다양한 종류의 유도체가 벤젠고리수, 벤젠고리에 치환된 치환체, 폴리머의 종류, 폴리머와 탄소-탄소 삼중결합 사이의 탄소수의 변형에 의해 얻어진다.
또한, 본 발명의 고분자 물질은 적어도 하나 이상의 벤젠고리를 포함하며, 주사슬에는 폴리아크릴레이트, 폴리실록산, 폴리메타크릴레이트, 폴리사카라이드, 폴리비닐알콜 등이 결합된다.
본 발명의 광 반응부와 주사슬은 에스테르 결합이나 에테르 결합을 통해 이루어진다.
상기 광 반응부의 벤젠고리는 H, F, Cl, CN, CF3, OCF3, CnH2n+1(n=1~7), OCnH2n+1(n=1~7)를 함유한다.
상술한 고분자 물질의 구체적인 이화학적 구조는 아래의 [구조식 1],[구조식 2],[구조식 3]과 같다.
[구조식 1]
[구조식 2]
[구조식 3]
여기서, 상기 P1은 폴리사카라이드 또는 폴리비닐알콜이고, 상기 P2는 폴리아크릴레이트 또는 폴리메타크릴레이트이며, P3는 폴리실록산이다.
또한, 상기 구조식의 X, Y, Z는 H, F, Cl, CN, CF3, OCF3, CnH2n+1(n=1~7), OCnH2n+1(n=1~7)이고, k=0~1이며, m=0~7이다.
다음으로, 상기한 바와같은 구조식을 갖는 고분자 물질을 합성하는 방법을 상세하게 살펴보기로 한다.
먼저, 상기 [구조식 1]의 고분자 물질은 탄소-탄소 삼중결합을 포함한 카르복실산과 폴리머의 알콜이 부합하는 반응을 통해 합성된다.
구체적인 합성 반응은 아래의 [반응식 1]을 통해 이해된다.
[반응식 1]
또한, 상기 [구조식 2]의 고분자 물질은 탄소-탄소 삼중결합을 포함한 알콜과 폴리머의 카르복실산이 부합하는 반응을 통해 합성된다.
구체적인 합성 반응은 아래의 [반응식 2]를 통해 이해된다.
[반응식 2]
상기 [구조식 3]의 고분자 물질은 탄소-탄소 삼중결합을 포함한 이중결합기가 폴리실록산과 반응하여 합성된다.
구체적인 합성 반응은 아래의 [반응식 3]을 통해 이해된다.
[반응식 3]
이하에서는 본 발명의 광 배향성 고분자 물질을 제조하기 위한 실시예들을 설명한다. 후술하는 실시예들은 단지 예증을 위한 것이며, 본 발명이 이하에 언급하는 조건, 물질 또는 장치에 한정되는 것은 아니다.
실시예 1 : 셀룰로오스 p-메톡시페닐 프로피올산의 합성
0.1몰의 p-메톡시페닐 프로피올산을 1리터 플라스크에 넣고 SOCl20.12몰을 가하고, 촉매량의 DMF(dimethylformamide)를 가한다. 상온에서 6시간 반응 후 과량의 SOCl2를 감압하에서 없앤다.
메틸렌크로라이드(methylene chloride) 50ml에 녹인 용액을 피리딘(pyridine) 500ml와 셀룰로오스 0.03몰이 들어있는 플라스크에 30분에 걸쳐 천천히 가한다. 24시간 동안 환류한다. 이 용액을 메탄올 2리터 용액에 2시간에 걸쳐 천천히 떨어뜨려 재침전을 시켜 거른다. 다시 최소량의 메틸렌크로라이드에 녹여 메탄올 상에서 재침전을 시켜 거른다. 진공하에서 24시간 건조한다.
이와같은 방법으로 폴리사카라이드와 폴리비닐알콜을 주사슬로 하는 광 배향 고분자 물질을 합성한다.
실시예 2 : 3-(p-메톡시페닐)프로파르길 폴리아크릴레이트의 합성
0.1몰의 3-(p-메톡시페닐)프로파르길 알콜을 1리터의 플라스크에 넣고 메틸렌크로라이드 500ml에 녹인 후, DCC(1,3-dicyclohexyl carbodimide) 0.2몰을 가하고 0.03몰의 폴리아크릴레이트를 가한다. 상온에서 24시간 반응후 이 용액을 메탄올 2리터 용액에 2시간에 걸쳐 천천히 떨어뜨려 재침전을 시켜 거른다. 다시 최소량의 메틸렌크로라이드에 녹여 메탄올 상에서 재침전을 시켜 거른다. 진공하에서 24시간 건조한다.
이와같은 방법으로 폴리아크릴레이트와 폴리메타크릴레이트를 주사슬로 하는 광배향성 고분자 물질을 합성한다.
실시예 3 : 2-프로일p-메톡시페닐 프로피오레이트 폴리실록산의 합성
0.1몰의 p-메톡시페닐 프로피올산을 1리터 플라스크에 넣고 메틸렌 크로라이드 500ml에 녹인 후 DCC(1,3-디시클로헥실 카르보디이미드) 0.2몰을 가하고, 0.1몰의 알릴알콜(allyl alcohol)을 가한다. 상온에서 24시간 반응 후 물을 가하여 추출한다. 감압하에서 메틸렌크로라이드를 없애고, 에틸아세테이트/헥산 용액에서 재결정한다.
이렇게 얻어진 화합물 0.05몰을 1리터 플라스크에 넣고 톨루엔 500ml을 가하고, 폴리메틸실록산(polymethyl siloxane) 0.02몰을 가한 다음 PtHCl 0.0001몰을 이소프로필 알콜(isopropyl alcohol)에 녹여 가한다.
100℃에서 24시간 반응시킨다. 이 용액을 메탄올 2리터 용액에 2시간에 걸쳐 천천히 떨어뜨려 재침전을 시켜 거른다. 다시 최소량의 메틸렌크로라이드에 녹여 메탄올상에서 재침전을 시켜 거른다. 진공하에서 24시간 건조한다.
이와같은 방법으로 폴리실록산을 주사슬로 하는 광 배향성 고분자 물질을 합성한다.
다음으로, 이렇게 만들어진 고분자 물질을 사용하여 액정 배향막을 제조하는 과정을 설명한다.
상기 실시예들을 통해 합성된 고분자 물질을 THF(테트라히드로푸란)에 용해시켜 광 배향성 고분자 물질이 2 - 10wt% 함유된 용액을 만들고, 이 용액을 ITO(indium tin oxide)유리기판에 스핀코팅하여 500 - 2000Å의 두께를 갖는 필름을 형성시킨다. 이렇게 형성된 필름을 100 -250℃에서 0.1 - 6시간 가열 건조시킨다.
본 발명의 고분자 물질이 도포된 상기 필름의 도포면에 자외선을 조사하여 광 배향함으로써 액정 배향막을 완성한다. 이때, 광원은 180W의 머쿠리램프를 사용하였고, 그란톰슨 편광자로 선형 편광을 만들어 조사한다. 파장은 365nm 이하만 조사한다. 도포면에 조사된 광량은 조사시간과 광원의 세기에 의해 결정된다.
다음으로, 상기한 과정을 통해 만들어진 배향막을 이용하여 액정표시소자용 액정셀을 제조하는 과정을 설명한다.
위와같이 제조된 배향막 필름을 두 배향방향이 평행하도록 테프론 스페이서(teflon spacer)를 양쪽에서 포개어 간격이 5-50㎛가 되도록 하고 여기에 모세관 현상을 이용하여 액정을 주입한다. 셀 간극(cell gap)이 작을 경우 주입을 용이하게 하기 위해 액정과 셀을 높은 온도(약 100℃ 이상)로 유지하면서 주입한다.
상기와 같이 제조된 액정셀의 프리틸트각을 평가하기 위해 첨부도면 도 1과 같은 시험장치를 이용하여 액정셀에서 배향막에 의해 유도되는 프리틸트각을 크리스탈 로테이션법에 의해 측정한다. (Liquid Cristal Applications and Uses. vol. 3, Birendra Bahadur, World Scientific, 1992)
도 1에 있어, 참조부호 1은 자외선 광원을 나타내고, 2는 편광기를, 3은 렌즈를, 4는 선형 편광된 평행광을, 5는 액정 배향막을, 6은 셀홀더를 나타낸다.
본 발명에 따른 각 실시예의 배향막은 아래의 [표 1]과 같은 특성을 나타낸다.
[표 1]
주사슬 곁사슬 프리틸트각
X Y k m z
폴리실록산 OC5H11 H 0 0 - 0 ~ 90°
OCH3 H 1 0 H 85 ~ 90°
폴리비닐알콜 H H 0 0 - 0 ~ 1°
F H 0 0 - 0 ~ 0.5°
폴리메틸메타크릴레이트 OC3H7 H 1 0 H 60 ~ 90°
H F 0 3 - 0 ~ 5°
H OCF3 0 0 - 0 ~ 1°
폴리아크릴레이트 OCF3 H 0 0 - 1 ~ 2°
폴리사카라이드 OC5H11 H 0 0 - 0 ~ 5°
OCH3 H 1 1 H 0 ~ 1°
F H 1 1 H 20 ~ 90°
상기 [표 1]로부터 알 수 있는 바와같이, 본 발명의 배향막은 우수한 배향특성을 나타냈으며, 적절한 범위의 프리틸트각(pretilt angle)을 얻는데 있어서 필요한 광량이 적게 소모된다.
추가의 이점 및 변형이 이 분야의 지식을 가진자에게는 용이하게 알 수 있을 것이다. 따라서, 광범한 양태에 있어, 본 발명은 본 명세서에 표시, 설명된 특정 상세 및 대표적 장치에 한정되지 않는다.
따라서, 여러 변형이 첨부된 특허청구범위 및 그 대등물에 의해 정의된 전반적 발명 개념의 정신 또는 범위에서 벗어나지 않고도 가능할 것이다.
또한, 상술한 실시예에 본 발명이 한정되는 것은 아니며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 갖는자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명은 배향처리가 간편하여 대량생산에 적합하고, 광량의 조절로 프리틸트각을 쉽게 제어할 수 있을 뿐만아니라 복합적인 광조사 방식을 적용하여 능동 매트릭스 액정표시소자에서의 시야각을 크게 개선한다.
특히, 본 발명의 광 배향성 고분자 조성물은 감광성이 높아 광조사에 많은 시간을 절약할 수 있다.

Claims (15)

  1. 액정 배향막의 재료로써 사용되는 고분자 물질이 광 반응부와 고분자 주사슬로 이루어지고,
    상기 광 반응부는 탄소-탄소 삼중결합과, 적어도 두 개 이상의 벤젠 고리를 포함하며;
    상기 고분자 주사슬은 폴리아크릴레이트, 폴리실록산, 폴리메타크릴레이트, 폴리사카라이드, 폴리비닐알콜로 구성되는 그룹으로부터 선택된 어느 하나의 물질을 포함하며;
    상기 광 반응부와 상기 고분자 주사슬이 에테르 결합 및 에스테르 결합중 선택된 어느 하나의 결합으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 광 배향성 고분자 조성물.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 광 배향성 고분자 조성물이 다음과 같은 구조식을 갖는 것을 특징으로 하는 광 배향성 고분자 조성물.
    여기서, 상기 X, Y, Z는 H, F, Cl, CN, CF3, OCF3, CnH2n+1(n=1~7), OCnH2n+1(n=1~7)이고, 상기 k=0~1이며, 상기 m=0~7이다.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 P1이 폴리사카라이드(polysaccharide)인 것을 특징으로 하는 광 배향성 고분자 조성물.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 P1이 폴리비닐알콜(polyvinyl alcohol)인 것을 특징으로 하는 광 배향성 고분자 조성물.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 광 배향성 고분자 조성물이 다음과 같은 구조식을 갖는 것을 특징으로 하는 광 배향성 고분자 조성물.
    여기서, 상기 X, Y, Z는 H, F, Cl, CN, CF3, OCF3, CnH2n+1(n=1~7), OCnH2n+1(n=1~7)이고, 상기 k=0~1이며, 상기 m=0~7이다.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 P2가 폴리아크릴레이트(polyacrylate)인 것을 특징으로 하는 광 배향성 고분자 조성물.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 P2가 폴리메타크릴레이트(polymethacrylate)인 것을 특징으로 하는 광 배향성 고분자 조성물.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 광 배향성 고분자 조성물이 다음과 같은 구조식을 갖는 것을 특징으로 하는 광 배향성 고분자 조성물.
    여기서, 상기 X, Y, Z는 H, F, Cl, CN, CF3, OCF3, CnH2n+1(n=1~7), OCnH2n+1(n=1~7)이고, 상기 k=0~1이며, 상기 m=0~7이다.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 P3가 폴리실록산(polysiloxane)인 것을 특징으로 하는 광 배향성 고분자 조성물.
  10. 액정 배향막의 재료로써 사용되는 고분자 물질이 다음의 (1), (2) 및 (3)중 어느 하나의 구조식을 갖는 것을 특징으로 하는 광 배향성 고분자 조성물.
    ㆍㆍㆍㆍㆍㆍ(1)
    ㆍㆍㆍㆍㆍㆍ(2)
    ㆍㆍ(3)
    여기서, 상기 X, Y, Z는 H, F, Cl, CN, CF3, OCF3, CnH2n+1(n=1~7), OCnH2n+1(n=1~7)이고, 상기 k=0~1이며, 상기 m=0~7이다.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 구조식 (1)의 P1이 폴리사카라이드 및 폴리비닐알콜중 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 광 배향성 고분자 조성물.
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 구조식 (2)의 P2가 폴리아크릴레이트 및 폴리메타크릴레이트중 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 광 배향성 고분자 조성물.
  13. 제 10 항에 있어서,
    상기 구조식 (3)의 P3가 폴리실록산인 것을 특징으로 하는 광 배향성 고분자 조성물.
  14. 상기 청구항 제 1 항 내지 제 13 항중 어느 한 항의 고분자 조성물을 사용하여 제조되는 액정 배향막.
  15. 상기 청구항 제 1 항 내지 제 13 항중 어느 한 항의 고분자 조성물을 사용하여 제조되는 액정표시소자.
KR1019980043337A 1998-10-16 1998-10-16 광배향성고분자조성물과이것을이용한액정배향막및액정표시소자 KR20000025990A (ko)

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