KR20040063371A

KR20040063371A - 이소티오시아네이트계 나프탈렌 액정 화합물을 포함하는액정 조성물 및 이를 이용한 액정표시장치

Info

Publication number: KR20040063371A
Application number: KR1020030000761A
Authority: KR
Inventors: 윤용국; 서봉성; 김봉희; 반병섭
Original assignee: 삼성전자주식회사
Priority date: 2003-01-07
Filing date: 2003-01-07
Publication date: 2004-07-14

Abstract

본 발명은 이소티오시아네이트계 나프탈렌 액정 화합물을 포함하는 액정 조성물 및 이를 이용한 액정표시장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 액정 화합물의 광안정성에 문제가 없으며 톨란계열 액정에 필적할 만큼의 높은 굴절율 이방성을 갖는 고속 응답 액정 조성물 및 이를 이용한 액정표시장치에 관한 것이다.

Description

이소티오시아네이트계 나프탈렌 액정 화합물을 포함하는 액정 조성물 및 이를 이용한 액정표시장치{LIQUID CRYSTAL COMPOSITION COMPRISING ISOTHIOCYANATE-BASED COMPOUND NAPHTHALENE AND LIQUID CRYSTAL DISPLAY USING THE SAME}

본 발명은 이소티오시아네이트계 나프탈렌 액정 화합물을 포함하는 액정 조성물 및 이를 이용한 액정표시장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 나프탈렌 단위를 갖는 액정 화합물을 포함하여 높은 굴절율 이방성 및 유전율 이방성을 갖는 동화상 대응용 액정 조성물 및 이를 이용한 액정표시장치에 관한 것이다.

현재 능동 구동형 액정 표시 소자는 고해상도, 고대비비 및 경박단소한 구조로 인해 CRT를 대체할 수 있는 새로운 표시 소자로서 각광받고 있다. 액정 표시 소자는 전자계산기, 전자수첩 또는 노트북 컴퓨터의 표시 소자로서 상당 기간 응용되어왔고, 이제는 그 응용 분야을 모니터 및 액정 TV로까지 확대하고 있다. 갈수록 증가되고 있는 고품위, 고용량의 표시 정보 처리 및 뛰어난 동영상 표시 특성을 확보하기 위한 기술적 목표 중 하나는 빠른 응답 특성을 나타내는 액정 조성물을 개발하는 것이다.

액정 표시 소자 내에서의 액정 조성물의 응답 특성과 이에 관련된 변수들의상관 관계식은 다음과 같다.

[수학식 1]

[수학식 2]

상기 식에서,

γ은 회전점도(rotational viscosity)이고,d는 셀갭(cell gap)이고,

ε₀는 유전상수(dielectric constant)이고, Δε는 유전율 이방성(dielectric anisotropy)(Δε=ε_II-ε_⊥)이고,V는 작동전압(operating voltage)이고, Vth는 문턱전압(threshold voltage of Frederics transition)이고,K _eff 는 유효 탄성 상수(effective elastic constant)이다.

상기 식에서 알 수 있듯이 응답 속도를 감소시키기 위한 개선 방법으로는 액정 조성물의 물리적 특성 중 회전 점도를 줄이거나 탄성 상수를 증가시키는 것이 있다. 또한, 패널의 셀갭을 낮추는 방법도 있을 수 있다. TN-모드의 경우, τ_off는 τ_on에 비해 일반적으로 4 내지 5배 느리다. 따라서, 응답속도는 감소시키기 위해서는 τ_on보다는 τ_off감소에 개발 방향을 설정하는 것이 더욱 효과적이다. 위 식에서 볼 수 있듯이, τ_off를 가장 효과적으로 감소시킬 수 있는 인자는 액정의 회전 점도보다는 셀갭을 줄이는 것이다.

현재까지 발표되거나 시판중인 액정 표시 소자들 대부분의 응답 속도는 25 ms 이상으로서 동영상 구현에 필요한 약 17ms(한 프레임에 해당)에는 미치치 못하고 있다. 더구나 실제 응용을 위해서는 응답 속도가 10ms이하로 빨라져야만 한다. 아직까지 소비자들이 이 정도로 빠른 응답 속도를 요구하고 있지는 않지만 LCD-TV 시장이 성숙되고, PDP 및 유기 EL 디스플레이와 경쟁에서 살아남기 위해서는 반드시 달성되어야 하는 목표이다. 특히, 컬러필터를 사용하지 않아 원가 절감 및 고품질의 화상을 구현할 수 있는 FSD(Field-sequential display)의 경우 그 구동 방식으로 인해 5ms 이하의 초고속 응답 속도가 필수적이다. 그러나, 액정 자체의 특성 개선만으로 5ms 이하의 고속 응답을 얻는다는 건 사실상 매우 힘들다고 판단된다. 따라서, 액정의 특성 개선 뿐 아니라 디바이스 자체의 특성 변화를 동시에 진행시켜야 할 것으로 생각한다. 현실적으로 접근 가능한 가장 좋은 방법은 패널의 셀갭을 낮추며 이에 적합한 액정을 개발하는 것이다. 셀갭을 낮출 경우 시야각 및 휘도, 즉 최적 Δnd를 고려하여 액정의 굴절율 이방성을 증가시켜야 한다.

또한, 셀갭이 2㎛ 이하인 FSD TN-모드 디바이스의 경우 약 3ms 미만의 응답속도는 보여주었다. 이때, 최적 Δnd를 고려한 액정의 굴절율은 약 0.19 이상이어야 한다. 현재까지 발현시킬 수 있는 것은 톨란(tolane)계열 액정 뿐이다. 그러나, 톨란 계열 액정들은 광안정성(photo-stability)이 상당히 취약한 것으로 알려져 있다. 이같은 단점을 극복하기 위하여 다음과 같이 톨란기 옆 벤젠고리에 불소기를 치환한 화합물들이 보고된 바 있다.

[구조식 I]

그러나, 상기 화합물의 경우 기존 톨란에 비해서 광안정성은 약간 증가하였으나, 근본적으로 비톨란계 화합물 들에 비해 그 안정성이 떨어진다.

본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여, 액정 화합물의 광안정성에 문제가 없으며 톨란계열 액정에 필적할 만큼의 높은 굴절율 이방성을 갖는 새로운 네마틱 액정 조성물을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 다른 목적은 상기 액정 조성물을 이용하여 능동 구동 방식 액정 표시 장치를 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 하기 화학식 1로 표시되는 네마틱 액정 화합물을 포함하는 네마틱 액정 조성물을 제공한다.

[화학식 1]

(상기 식에서, R¹은 탄소수 1 내지 12의 알킬기이며, 이때 인접하지 않은 1종 또는 2종의 CH₂그룹은 산소원자, -CO-, -OCO-, -COO- 또는 -C=C- 그룹으로 치환될 수 있으며;

A⁰및 A¹는 각각 독립적으로 또는 동시에,,또는이며;

X¹은 F, Cl, CN 또는 NCS 이고;

ℓ은 0 또는 1의 정수이다.)

또한, 본 발명은 상기 기재의 네마틱 액정 조성물을 포함하는 액정표시장치를 제공한다.

바람직하게는, 상기 액정표시장치는 능동 구동방식의 TN(twist nematic) 모드, TN(twist nematic) 모드의 FS(filed-Sequential) 방식 액정표시장치, IPS(In plane switching) 모드의 액정표시장치, OCB(Optically Compensated Bend) 모드 액정표시장치, 또는 OCB(Optically Compensated Bend) 모드의 FS(filed-Sequential) 방식 액정표시장치이다. 또한, 상기 액정표시장치는 수동 구동 방식의 TFT 액정표시장치를 포함한다.

이하에서 본 발명을 상세하게 설명한다.

본 발명은 액정온도구간이 -30 ℃ 에서 +100 ℃, 유전율 이방성(Δε)이 +5 이상이며, 굴절율 이방성이 0.1 이상인 액정 화합물을 포함하는 동화상 대응 고속 응답 액정 조성물 및 이를 포함하는 액정 표시 장치에 관한 것이다.

이러한 본 발명의 신규 액정 조성물은 주요 구성 액정 화합물로 상기 화학식 1로 이루어진 군으로부터 선택되는 화합물을 적어도 하나 이상 포함하고 있다.

상기 화학식 1의 화합물은 나프탈렌 단위 구조를 갖는데, 나프탈렌 구조는 단일 벤젠고리보다 π-전자 밀도가 월등히 높아 액정의 굴절율 이방성을 증가시킨다. 또한, 분자 구조의 강직성이 증가하여 탄성상수도 증가하게 된다. 탄성상수의 증가는 액정의 응답속도 감소에 기여한다. 결정적으로 나프탈렌 단위는 강한 가시광선이나 UV에 매우 안정하다. 또한, 화학식 1의 화합물은 높은 전이온도, 유전율 이방성 및 굴절율 이방성을 나타낸다.

이러한 특성을 만족시키는 상기 화학식 1의 화합물의 함량은 전체 조성물 중에 1 내지 100 중량%로 사용할 수 있다.

또한, 상기 화학식 1의 화합물은 높은 회전 점도를 갖기 때문에, 본 발명의 액정 조성물은 하기 화학식 2 내지 4의 화합물 같이 회전 점도를 감소시켜주며, 조성물의 저온 신뢰성을 높여 줄 수 있는 화합물들을 1 종 이상 더욱 포함하는 것이 바람직하다:

[화학식 2]

상기 식에서, R²는 탄소수 1∼12의 알킬기이며, R³는 탄소수 1∼12의 알킬기 또는 1 종 이상의 이중결합을 포함하는 알케닐기이며, 여기서 이중결합은 서로 연속되어 결합되지 않으며;

A²는,, 또는이며;

[화학식 3]

상기 식에서, R⁴는 탄소수 1∼12의 알킬기이며;

A³은,, 또는이며;

X²는 H, F, Cl 또는 OCF₃이며;

X³및 X⁴는 각각 독립적으로 또는 동시에 H, F, 또는 Cl이며,

[화학식 4]

상기 식에서, R⁵은 탄소수 1∼12의 알킬기 또는 알콕시기이며;

A⁴은,, 또는이며;

A⁵은또는이며;

Z는 -COO 또는 -C≡C-이며;

X⁵은 H 또는 탄소수 1 내지 12의 알킬기이며;

X⁶및 X⁷은 각각 독립적으로 또는 동시에 H, F, 또는 Cl이다.

이때, 상기 화학식 1 및 2의 화합물로만 조성물을 제조할 경우 화학식 1의 화합물의 결정화가 일어날 수 있어, 화학식 1의 화합물의 상용성(miscibility)을 증가시키면서 점도, 유전율 이방성 및 등방성화 온도 등의 기타 다른 특성을 유지시켜줄 수 있도록 화학식 3 및 화학식 4로 이루어진 군으로부터 1 종 이상 선택되는 화합물을 사용하는 것이 바람직하다.

상기에서 화학식 2 내지 4의 화합물을 사용할 경우, 상기 화학식 1의 액정 화합물은 1 내지 80 중량%로 사용할 수 있으며, 더욱 바람직하게는 50 중량% 이내로 포함시키는 것이 가장 좋다. 이때, 상기 화학식 1의 사용량이 1 중량% 미만이면 응답속도가 느리고, 80 중량%를 초과하면 높은 상전이 온도와 고속의 응답속도를 얻을 수 없는 문제가 있다.

상기 화학식 2, 화학식 3 및 화학식 4로 표시되는 화합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 1 종 이상의 액정 화합물의 함량은 20 내지 99 중량%인 것이 바람직하다.

이 밖에, 본 발명의 액정조성물은 액정조성물의 특성을 개선하기 위하여 일반적으로 알려진 네마틱액정, 스멕틱액정, 콜레스테릭액정 등을 혼합 사용할 수도 있다.

이와 같은 본 발명의 액정 조성물은 굴절율 이방성(Δn), 탄성 상수(K₁₁, K₃₃) 및 유전율 이방성(Δε)이 크며, 반면 낮은 회전 점도 특성을 갖기 때문에 빠른 응답 속도를 보여 주는 것이 특징이 있다. 또한 능동 구동 액정 표시 장치에 충분히 응용할 수 있을 정도인 95% 이상의 전압 보지율(voltage holding ratio)을 갖는다. 지금까지 공지된 바에 따르면 위와 모든 요구 특성을 만족시키는 단일 액정 화합물은 없다. 따라서, 요구 특성을 만족시킬 수 있는 유용한 액정 조성물을 얻기 위해서는 화합물 2에서 20개로 이뤄진 혼합물을 제조하는 것이 바람직하다. 본 발명의 액정 조성물은 높은 등방성화 온도, 낮은 결정화 온도, 저점도 및 낮은 문턱 전압을 갖으며, 액정 디스플레이 셀에 적합한 굴절율 이방성, 전기 광학 경사도 및 우수한 시야각 특성을 발현시킬 수 있도록 조합시킨 것이다.

또한, 본 발명은 상기 네마틱액정조성물을 액정재료로 이용하여 적절한 첨가제와 함께 각종표시용 액정셀에 충진하여 여러 가지 LCD 제품군의 액정표시장치를 제공할 수 있다. 예를 들면, 상기 네마틱 액정조성물을 포함하는 능동 구동방식의 TN(twist nematic) 모드, TN(twist nematic) 모드의 FS(filed-Sequential) 방식 액정표시장치, IPS(In plane switching) 모드의 액정표시장치, OCB(Optically Compensated Bend) 모드 액정표시장치, OCB(Optically Compensated Bend) 모드의 FS(filed-Sequential) 방식 액정표시장치, 수동 구동 방식의 TFT 액정표시장치 등을 제조할 수 있다. 본 발명의 액정표시장치는 상기 액정 조성물을 포함하여 고휘도, 고용량을 나타내고, 특히 빠른 응답 특성으로 뛰어난 동영상 표시특성을 확보할 수 있다.

이하, 본 발명의 실시예 및 비교예를 기재한다. 그러나, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것으로서 본 발명을 한정하는 것은 아니다.

[실시예 1]

신규 액정 조성물을 만들기 위하여 하기와 같은 TN 모드에 사용되는 상용의 모체 액정을 제조하였다. 함량은 중량%를 나타낸다.

1-메톡시-(p-트랜스-4-프로필사이클로헥실)벤젠 7%

트랜스, 트랜스-4-프로필-4'-프로필바이사이클로헥산 5.5%

트랜스, 트랜스-4-에틸-4'-펜틸바이사이클로헥산 22%

트랜스, 트랜스-4-프로필-4'-펜틸바이사이클로헥산 4%

[트랜스-4-(트랜스-4-에틸사이클로헥실)사이클로헥실]트리플루오로메톡시벤젠 7.5%

[트랜스-4-(트랜스-4-에틸사이클로헥실)사이클로헥실]-1,2,6-트리플로오로벤젠 7%

[트랜스-4-(트랜스-4-에틸사이클로헥실)사이클로헥실]-2-플로오로-1-트리플루오로메톡시벤젠 3.5%

[트랜스-4-(트랜스-4-에틸사이클로헥실)-2-플루오로페닐]-1,2,6-트리플루오로벤젠 3.5%

[트랜스-4-(트랜스-4-에틸사이클로헥실)사이클로헥실]-1,2-다이플루오로벤젠 11.5%

[트랜스-4-(트랜스-4-프로필사이클로헥실)사이클로헥실]트리플로오로메톡시벤젠 3%

[트랜스-4-(트랜스-4-프로필사이클로헥실)사이클로헥실]-1,2,6-트리플루오로벤젠 3%

[트랜스-4-(트랜스-4-에틸사이클로헥실)사이클로헥실] 4-플로오로페닐카복실레이트 3.5%

[4-(트랜스-4-에틸사이클로헥실)-2-플루오로페닐] 4-플루오로페닐카복실레이트 9%

[트랜스-4-(트랜스-4-프로필사이클로헥실)사이클로헥실] 4-플로오로페닐카복실레이트 9.5%

상기 상용 액정은 등방성화 온도(TNI)가 80 ℃, 굴절율 이방성(Δn)이0.076, 유전율 이방성(Δε)이 5.6, 문턱전압(Vth)이 1.4V이며, 이때 테스트 셀에서의 응답속도는 약 15ms 이다.

이후, 본 발명의 이소티오시아네이트 나프탈렌 액정인 하기 화학식 1a 및 1b의 화합물의 물성을 측정하였다. 또한, 물성의 비교를 위해, 나프탈렌 구조 단위 대신 벤젠 고리가 하나만 도입된 하기 3CPPFS 및 5CPPFS의 화합물의 물성을 하기 표 1에 나타내었다.

[화학식 1a]

[화학식 1b]

	단일물질의 상전이	단일물질의 특성
	T_CN(℃)^a	T_NI(℃)^b	Δε	Δn
화학식 1a	112	256	11.9	0.394
화학식 1b	87	257	14.3	0.350
3CPPFS	109.7	227.6	14.7	0.288
5CPPFS	90.0	216.0	12.1	0.274

주)

a. 결정상에서 네마틱상으로의 온도(crystal-to-nematic transition)

b. 네마틱상에서 등방성으로의 온도(nematic-to-isotropic transition)

상기 결과에서 보면, 나프탈렌 구조가 도입된 본 발명의 액정 화합물들이 더 높은 등방성화 온도(T_NI) 및 굴절율 이방성(Δn)을 나타내었다.

[실시예 2]

상기 모체 액정을 사용하여 상기 화학식 1a 화합물을 15 중량% 사용한 액정 조성물을 제조하였다.

상기 조성으로 이루어진 신규 액정의 특성은 다음과 같다.

등방성화 온도(T_NI): 113 ℃, 굴절율 이방성(Δn): 0.124, 유전율 이방성(Δε): 6.6, 문턱전압(Vth): 1.6V, 응답 속도: 10.1ms, VHR: 99.3%.

[실시예 3]

상기 모체 액정을 사용하여 상기 화학식 1b 화합물을 16.4 중량% 사용한 액정 조성물을 제조하였다.

상기 조성으로 이루어진 신규 액정의 특성은 다음과 같다.

등방성화 온도(T_NI): 111 ℃, 굴절율 이방성(Δn): 0.121, 유전율 이방성(Δε): 7.1, 문턱전압(Vth): 1.6V, 응답 속도: 10.5ms, VHR: 97.7%.

이상과 같이, 상용 액정에 본 발명의 화학식 1의 화합물을 15 내지 17 중량% 도핑한 조성물의 경우 다음과 같이 향상된 특성을 보여주었다.

즉, 상용 액정 대비 등방성화 온도가 40% 가량 증가하여 고온 신뢰성이 향상되었다. 이는 고온 안정성이 요구되는 LCD-TV 또는 자동차 항법장치(car navigation system)등의 액정 표시 소자에 매우 적합한 성능이라 할 수 있다. 또한 유전율 이방성은 약 17∼25% 가량 그 값이 증가하였는데, 액정의 저전압 구동 특성을 향상시킬 수 있다. 가장 중요한 응답 속도는 테스트 셀에서 약 10ms로서 상용 액정 대비 약 30% 가량 빨라졌다.

또한, 화학식 1의 화합물을 30 중량% 도핑한 경우, 조성물에 최적 Δnd를 고려한 테스트 셀에서 응답속도는 5ms 내외로 빨라졌다. 이는 TN-모드 FS 디스플레이에 적용가능하다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 동화상 대응용 액정 조성물은 상용의 혼합 액정에 비해 복굴절율(Δn) 및 유전율이방성(Δε)이 크고, 문턱전압(Threshold Voltage: V_th)이 낮으며, 저점성 등을 나타내어 고속의 응답속도를 실현할 수 있고 저전압 구동이 가능하여 LCD 등과 같은 액정을 필요로 하는 여러 소자에 적용하여 사용할 수 있다.

Claims

하기 화학식 1로 표시되는 네마틱 액정 화합물을 포함하는 네마틱 액정 조성물:

[화학식 1]

상기 식에서, R¹은 탄소수 1 내지 12의 알킬기이며, 이때 인접하지 않은 1종 또는 2종의 CH₂그룹은 산소원자, -CO-, -OCO-, -COO- 또는 -C=C- 그룹으로 치환될 수 있으며;

A⁰및 A¹는 각각 독립적으로 또는 동시에,,또는이며;

X¹은 F, Cl, CN 또는 NCS 이고;

ℓ은 0 또는 1의 정수이다.
제 1 항에 있어서,

a) 상기 화학식 1로 표시되는 네마틱 액정 화합물; 및

b) 하기 화학식 2, 화학식 3, 및 화학식 4로 표시되는 네마틱 액정 화합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 1 종 이상의 화합물을 포함하는 네마틱 액정 조성물:

[화학식 2]

상기 식에서, R²는 탄소수 1∼12의 알킬기이며, R³는 탄소수 1∼12의 알킬기 또는 1 종 이상의 이중결합을 포함하는 알케닐기이며, 여기서 이중결합은 서로 연속되어 결합되지 않으며;

A²는,, 또는이며;

[화학식 3]

상기 식에서, R⁴는 탄소수 1∼12의 알킬기이며;

A³은,, 또는이며;

X²는 H, F, Cl 또는 OCF₃이며;

X³및 X⁴는 각각 독립적으로 또는 동시에 H, F, 또는 Cl이며,

[화학식 4]

상기 식에서, R⁵은 탄소수 1∼12의 알킬기 또는 알콕시기이며;

A⁴은,, 또는이며;

A⁵은또는이며;

Z는 -COO 또는 -C≡C-이며;

X⁵은 H 또는 탄소수 1 내지 12의 알킬기이며;

X⁶및 X⁷은 각각 독립적으로 또는 동시에 H, F, 또는 Cl이다.
제 2 항에 있어서,

a) 상기 화학식 1로 표시되는 네마틱 액정 화합물 1 내지 80 중량%; 및

b) 상기 화학식 2, 화학식 3, 및 화학식 4로 표시되는 네마틱 액정 화합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 1 종 이상의 화합물 20 내지 99 중량%를 포함하는 네마틱 액정 조성물.
제1항 기재의 네마틱 액정 조성물을 포함하는 액정표시장치.
제4항에 있어서, 상기 액정표시장치가 능동 구동방식의 TN(twist nematic) 모드, TN(twist nematic) 모드의 FS(filed-Sequential) 방식 액정표시장치, IPS(In plane switching) 모드의 액정표시장치, OCB(Optically Compensated Bend) 모드 액정표시장치, 또는 OCB(Optically Compensated Bend) 모드의 FS(filed-Sequential) 방식 액정표시장치인 것을 특징으로 하는 액정표시장치.
제4항에 있어서, 상기 액정표시장치가 수동 구동 방식의 TFT 액정표시장치인 것을 특징으로 하는 액정표시장치.