KR20050006630A

KR20050006630A - 네마틱 액정 조성물

Info

Publication number: KR20050006630A
Application number: KR1020030046513A
Authority: KR
Inventors: 반병섭
Original assignee: 삼성전자주식회사
Priority date: 2003-07-09
Filing date: 2003-07-09
Publication date: 2005-01-17
Also published as: US20050012074A1; US7220368B2; CN1590505A; TW200506038A; JP2005029798A; US20060202165A1; JP5021154B2; US7063805B2; KR101014185B1; TWI351429B

Abstract

네마틱 액정 조성물이 개시되어 있다. 상기 네마틱 액정 조성물은 하기식 (1)로 표시되는 화합물 및 호스트 혼합물을 포함한다.

이와 같이, 상기식 (1)을 포함하는 액정 조성물을 제공함으로써, 액정 표시 장치의 응답속도 및 상전이 온도를 향상시킬 수 있다.

Description

네마틱 액정 조성물{NEMATIC LIQUID CRYSTAL COMPOSITION}

본 발명은 네마틱 액정 조성물에 관한 것으로, 보다 상세하게는 상전이 온도가 높고 응답속도가 빠른 네마틱 액정 조성물에 관한 것이다.

최근 들어, 정보 처리 기술의 개발 및 정보 처리를 수행하는 정보 처리 장치의 기술 개발과 함께 방대한 데이터를 단 시간 내 처리하는 것이 가능하게 되었다.이와 함께, 처리된 데이터를 사용자가 인식할 수 있도록 가시적으로 표현하기 위해 다양한 응용 분야에 걸쳐 디스플레이 장치의 개발이 함께 이루어지고 있다.

특히, 반도체 기술의 급속한 진보에 의해 각종 전자 장치의 고체화, 저 전압 및 저 전력화와 함께 전자 기기의 소형 및 경량화에 따라 새로운 환경에 적합한 전자 디스플레이 장치, 즉 얇고 가벼우면서도 낮은 구동 전압 및 낮은 소비 전력의 특징을 갖춘 평판 디스플레이(plat panel display) 장치에 대한 요구가 급격히 증대되고 있다.

그중, 액정 표시 장치는 낮은 소비 전력 및 낮은 구동 전압을 갖추고 있을 뿐 아니라 기존에 많은 연구가 진행되었고 음극선관(cathode ray tube; CRT)에 가까운 화상 표시가 가능하기 때문에 그 요구가 급증하고 있으며 다양한 전자 장치에광범위하게 사용되고 있다.

현재, 상기 액정 표시 장치는 노트북(note book), 모니터 및 가정용 TV 뿐만 아니라, 각종 중소형의 디스플레이 장치로 영역을 확대하고 있다. 특히, 가정용 TV에 대한 연구가 활발히 진행되고 있으며, TN(Twist Nematic), IPS (CE) 및 VA모드 등이 가정용 TV의 구동 방식으로 거론되고 있다. 그러나, IPS (CE) 및 VA 모드는 넓은 시야각을 갖고 있다는 장점이 있으나 응답속도가 느려 동화상을 구현하기 어렵다. 또한, 공정 상의 수율을 확보하는데 어려움이 있으며, 제조원가가 다소 높다는 문제점이 있다.

반면, TN 모드는 공정 수율 확보 및 제조원가에 있어서는 경쟁력이 있으나, 시야각이 협소하며, 응답속도가 느리다는 문제점이 있다.

즉, 액정 표시 장치에 특성을 만족시킬 수 있는 액정은 응답속도를 향상시키기 위해 낮은 점도 특성을 갖고 있어야 하며, 구동전압을 낮추기 위해 유전율 이방성(△ε)을 증가시켜야 한다. 또한, 넓은 온도 범위에서 네마틱상을 가져야 하며, 복굴절율(△n) 값이 약 0.20 (약, 25℃) 이상이어야 한다.

그러나, 일반적인 TN, IPS 및 VA 모드 용 네마틱 액정의 응답속도는 약 20 내지 30ms 로써, 원활한 동영상 구현을 위해서는 더 단축시켜야 한다.

시야각에 대한 보상 문제는 보상필름 등의 개발로 차츰 개선되고 있으나, 응답속도는 액정 자체의 문제점으로써 액정 개발이 시급한 시점이다.

또한, 기존의 CRT 와 같은 성능을 갖도록 액정 표시 장치를 이용하여 고휘도의 디스플레이를 실현하기 위해서는 백라이트의 광량을 증가시켜야 한다. 이로 인해, 백라이트의 관전류 등에 의해 높은 열이 발생한다.

일반적으로 액정 표시 장치는 전극이 형성된 2개의 기판사이에 액정을 주입하여 제작되며, 전극이 형성된 2개의 기판에 외부에서 전압을 인가함으로써 기판 사이에 존재하는 액정이 외부 광원을 선택적으로 투과 혹은 차단하여 데이터를 가시적으로 표시하는 장치이다. 이때, 백라이트는 상기 액정과 매우 근접하여 직접적으로 광이 전달되게 된다. 따라서, 상기 백라이트의 관전류에 의해 발생한 열은 곧 액정 표시 장치의 액정에 전달되게 된다.

그러므로, 높은 상전이 온도를 갖는 액정이 필요하다. 그러나, 현재 상용화되고 있는 TN, IPS 및 VA 모드 용 네마틱 액정의 상전이 온도는 약 70 내지 80℃로 낮으므로, 고휘도의 디스플레이를 실현하기 위해서는 어려움이 따른다.

따라서, 본 발명의 목적은 높은 온도에서 견딜 수 있으며, 응답속도가 빠른 네마틱 액정 조성물을 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 하기식 (1)로 표시되는 화합물 및 호스트 혼합물을 포함하는 네마틱 액정 조성물을 제공한다.

우선, 본 발명의 네마틱 액정 조성물용 화합물을 설명하고자 한다.

네마틱(nematic) 액정 조성물용 화합물은 하기식 (1)로 표시된다.

이때, 상기식 (1)에서, R은 C_nH_2n+1O, C_nH_2n+1, C_nH_2n+1S 및 C_nH_2n-1로 이루어진 그룹 중 선택된 어느 하나이며, 이때, n은 1 내지 15이다. A는,,및으로 이루어진 그룹 중 선택된 어느 하나이며, 이때, a는 0 또는 1이다. B는 -CH2CH2-, -C=C-, -C≡C- 및로 이루어진 그룹 중 선택된 어느 하나이며, 이때, b는 0 또는 1이다. D는,,,,, -CH2CH2-, -C=C- 및 -C≡C-로 이루어진 그룹 중 선택된 어느 하나이며, 이때, d는 0 또는 1이다. X는 H, F, Cl, Br, NCS 및 CN로 이루어진 그룹 중 선택된 어느 하나이며, Y는 NCS, SCN 및 F로 이루어진 그룹 중 선택된 어느 하나이다. 상기식 (1)의 화합물은 액정 조성물 전체 중, 약 1 내지 90 중량% 포함된다.

상기식 (1)로 표시되는 화합물을 하기식 (2) 내지 (15)의 화합물로 구성된 호스트 혼합물과 혼합함으로써 액정 조성물을 제공한다.

본 발명에서 제공된 액정 조성물용 혼합물 중, 상기식 (2)는 3CCO1, 상기식 (3)은 3CC3", 상기식 (4)는 5CC2", 상기식 (5)는 5CC3, 상기식 (6)은 2"CCP^FF, 상기식 (7)은 3CCP^OCF3, 상기식 (8)은 3CCP^FFF, 상기식 (9)는 2CCesP^x, 상기식 (10)은 3CPFesP^x, 상기식 (11)은 3CCesP^x,상기식 (12)는 2CCP^OCF3, 상기식 (13)은 2CCP^FFF, 상기식 (14)는 2CCP^F,OCF3, 상기식 (15)는 2CPFP^FFF로 명기한다.

또한, 상기 호스트 혼합물은 하기식 (16) 내지 (18)의 화합물을 더 포함할 수 있다.

상기식 (16)은 2CCesP^F, 상기식 (17)은 3CPFesP^FOCF3, 상기식 (18)은 3CCesP^FOCF3로 명기한다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하고자 한다.

우선, 본 발명의 실시예에서 사용한 제1 호스트 혼합물은 약 6.6 중량% 3CCO1, 약 5.4 중량%의 3CC3", 약 20.8 중량%의 5CC2", 약 4.1 중량%의 5CC3을 포함하고, 약 11.07 중량%의 2"CCP^FF, 약 2.5 중량%의 3CCP^OCF3, 약 2.5 중량%의 3CCP^FFF를 포함하며, 약 3.4 중량%의 2CCesP^x, 약 9 중량%의 3CPFesP^x, 약 9.4 중량%의 3CCesP^x를 포함하고, 약 8.66 중량%의 2CCP^OCF3, 약 8 중량%의 2CCP^FFF, 약 3.6 중량%의 2CCP^F,OCF3및 약 4.97 중량%의 2CPFP^FFF를 포함한다.

실시예 1

하기식 (1-1)로 표시되는 화합물 2CPPFS 약 7 중량% 및 제1 호스트 혼합물 약 93 중량%을 혼합하여 액정 조성물을 제조하였다.

상기 액정 조성물의 액정상에서 등방성 액체상으로 상전이하는 온도인 T_NI는 약 87.9℃ 였다. 또한, 복굴절율(Δn)은 약 0.0909였으며, 유전율이방성(△ε)은 약 6.1(약, 20℃)였다.

이때, 상기 2CPPFS의 m.p는 약 97.8℃이며, T_NI는 약 192.5℃ 였다. 또한, 상기 2CPPFS 의 복굴절율(Δn)은 약 0.302였으며, 유전율이방성(△ε)은 약 12였다.

실시예 2

2CPPFS 약 17 중량% 및 제1 호스트 혼합물 약 83 중량%을 혼합하여 액정 조성물을 제조하였다.

상기 액정 조성물의 T_NI는 약 96℃ 였다. 또한, 복굴절율(Δn)은 약 0.115였으며, 유전율이방성(△ε)은 약 6.68(약, 20℃)였다.

실시예 3

2CPPFS 약 30 중량% 및 제1 호스트 혼합물 약 70 중량%을 혼합하여 액정 조성물을 제조하였다.

상기 액정 조성물의 T_NI는 약 113.8℃ 였다. 또한, 복굴절율(Δn)은 약 0.1431였으며, 유전율이방성(△ε)은 약 7.5(약, 20℃)였다.

실시예 4

하기식 (1-2)로 표시되는 화합물 3CPPFS 약 7 중량% 및 제1 호스트 혼합물 약 93 중량%를 혼합하여 액정 조성물을 제조하였다.

상기 액정 조성물의 T_NI는 약 90.3℃ 였다. 또한, 복굴절율(Δn)은 약 0.0899였으며, 유전율이방성(△ε)은 약 6.3(약, 20℃)였다.

이때, 상기 3CPPFS의 m.p는 약 109.7℃이며, T_NI는 약 227.6℃ 였다. 또한, 상기 3CPPFS 의 복굴절율(Δn)은 약 0.288였으며, 유전율이방성(△ε)은 약 14.7였다.

실시예 5

3CPPFS 약 17 중량% 및 제1 호스트 혼합물 약 83 중량%를 혼합하여 액정 조성물을 제조하였다. 상기 액정 조성물의 T_NI는 약 103.5℃ 였다. 또한, 복굴절율(Δn)은 약 0.115였으며, 유전율이방성(△ε)은 약 7.14(약, 20℃)였다.

실시예 6

3CPPFS 약 30 중량% 및 제1 호스트 혼합물 약 70 중량%를 혼합하여 액정 조성물을 제조하였다. 상기 액정 조성물의 T_NI는 약 124.3℃ 였다. 또한, 복굴절율(Δn)은 약 0.1389였으며, 유전율이방성(△ε)은 약 8.4(약, 20℃)였다.

실시예 7

하기식 (1-3)으로 표시되는 화합물인 4CPPFS 약 17.7 중량% 및 제1 호스트 혼합물 약 82.3 중량%를 혼합하여 액정 조성물을 제조하였다.

상기 액정 조성물의 T_NI는 약 101.5℃ 였다. 또한, 복굴절율(Δn)은 약 0.111였으며, 유전율이방성(△ε)은 약 6.65(약, 20℃)였다.

상기 4CPPFS의 m.p는 약 87.4℃이며, T_NI는 약 215℃ 였다. 또한, 상기 4CPPFS 의 복굴절율(Δn)은 약 0.274였으며, 유전율이방성(△ε)은 약 11.5였다.

실시예 8

하기식 (1-4)로 표시되는 화합물 5CPPFS 약 7 중량% 및 제1 호스트 혼합물 약 93 중량%를 혼합하여 액정 조성물을 제조하였다.

상기 액정 조성물의 T_NI는 약 89.5℃ 였다. 또한, 복굴절율(Δn)은 약 0.0899였으며, 유전율이방성(△ε)은 약 6.1(약, 20℃)였다.

상기 5CPPFS의 m.p는 약 90℃이며, T_NI는 약 216℃ 였다. 또한, 상기 5CPPFS 의 복굴절율(Δn)은 약 0.274였으며, 유전율이방성(△ε)은 약 12.1였다.

실시예 9

5CPPFS 약 17 중량% 및 제1 호스트 혼합물 약 83 중량%를 혼합하여 액정 조성물을 제조하였다.

상기 액정 조성물의 T_NI는 약 102℃ 였다. 또한, 복굴절율(Δn)은 약 0.111였으며, 유전율이방성(△ε)은 약 6.41(약, 20℃)였다.

이때, 상기 5CPPFS의 m.p는 약 90℃이며, T_NI는 약 216℃ 였다. 또한, 상기 5CPPFS 의 복굴절율(Δn)은 약 0.274였으며, 유전율이방성(△ε)은 약 12.1였다.

실시예 10

5CPPFS 약 30 중량% 및 제1 호스트 혼합물 약 70 중량%를 혼합하여 액정 조성물을 제조하였다.

상기 액정 조성물의 T_NI는 약 120.8℃ 였다. 또한, 복굴절율(Δn)은 약 0.1347였으며, 유전율이방성(△ε)은 약 7.6(약, 20℃)였다.

실험예 11

전체 조성물을 기준으로 약 6.3 중량% 3CCO1, 약 5.2 중량%의 3CC3", 약 20.1 중량%의 5CC2", 약 4.4 중량%의 5CC3을 포함하고, 약 6.8 중량%의 2CCP^FFF, 약 2.4 중량%의 3CCP^FFF, 약 2.9 중량%의 2CPFP^FFF를 포함하며, 약 3.3 중량%의 2CCesP^F, 약 8.7 중량%의 3CPFesP^FOCF3, 약 9.1 중량%의 3CCesP^FOCF3를 포함하고, 약 2.9 중량%의 3CCP^OCF3, 약 7.2 중량%의 2CCP^OCF3, 약 2.3 중량%의 2CCP^F,OCF3를 포함하며, 약 10.2 중량%의 2"CCP^FF를 포함하고, 약 4 중량%의 2CPPFS 및 약 4.2 중량%의 3CPPFS를 포함하는 액정 조성물을 제조하였다.

상기 액정 조성물의 T_NI는 약 89℃ 였다. 또한, 복굴절율(Δn)은 약 0.094였으며, 유전율이방성(△ε)은 약 6.3(약, 20℃)였다.

비교 실시예 1

상기 제1 호스트 혼합물로 이루어진 액정 조성물을 제조하였다. 상기 액정 조성물의 결정상에서 액정상 또는 등방성 액체상으로 상전이하는 온도인 m.p는 약 -30℃이며, T_NI는 약 80℃ 였다. 또한, 복굴절율(Δn)은 약 0.075였으며, 유전율이방성(△ε)은 약 5.63였다.

* 액정 조성물의 특성 평가

상기 비교 실시예 1, 실시예 2, 실시예 5, 실시예 7, 실시예 9 및 실시예 11에 의해 제조된 소자의 응답속도, 문턱전압 및 전압보지율을 평가하였다.

	응답속도(ms)	문턱전압(V)	전압보지율(%)	셀갭(μm)
비교 실시예 1	16.2	-	-	4.6
실시예 2	9	1.5	99.4	3.77
실시예 5	9.4	1.4	99	3.7
실시예 7	9.9	1.5	99.1	3.7
실시예 9	11	1.4	99.1	3.7
실시예 11	12	1.5	-	4

표 1을 참조하면, 문턱전압 및 전압 보지율이 전체적으로 비슷한 양상을 보였으나, 실시예 2에 의해 제조된 소자의 응답속도가 가장 빠른 것으로 나타났다. 상기 비교 실시예 1에 의해 제조된 소자는 일반적으로 사용하고 있는 액정 조성물을 사용하여 제조한 것으로써, 상기 비교 실시예 1의 응답속도에 비해, 본 발명의화합물을 포함하는 액정 조성물의 응답속도는 약 4ms 이상 빠르다.

또한, 상기 실시예 2의 소자를 제조하기 위해 사용된 액정 조성물의 T_NI는 약 96℃였으며, 상기 온도는 일반적으로 사용되고 있는 액정 조성물인 비교 실시예 1의 상전이 온도가 약 80℃인 것에 비해 약 15℃이상 높은 것으로 나타났다.

본 발명의 화합물의 T_NI은 약 190 내지 220℃였다. 반면, 상기 비교 실시예 1에 있어서, T_NI는 약 80℃였다. 따라서, 본 발명의 화합물을 포함하는 액정 조성물의 상전이 온도가 약 2배 이상 높은 것으로 나타났다. 또한, 복굴절률은 약 0.2 이상으로써, 넓은 온도에서 네마틱상을 이룰 수 있었으며, 유전율 이방성은 약 10 이상으로써, 구동전압을 낮출 수 있었다.

결과적으로, 상기 실시예 1 내지 10를 살펴보면, 본 발명에 의해 제조된 화합물의 함량을 증가시킬수록 액정 조성물의 T_NI은 증가하는 것으로 나타났다.

이와 같이, 네마틱 액정 조성물용 화합물은 복굴절율 및 유전율이방성이 크며, 상전이 온도가 높고 응답속도가 빠른 것으로 나타났다. 따라서, 고휘도의 액정 표시 장치를 구현하기 위해, 백라이트로부터 높은 열이 상기 액정에 제공되어도 액정의 특성을 균일하게 유지할 수 있다.

상기 액정 표시 장치는 트위스트 네마틱(Twist Nematic) 디바이스 장치, 수퍼 트위스트 네마틱(Super Twist Nematic) 디바이스 장치, 박막트랜지스터-트위스트 네마틱(Thin Film Transistor-Twist Nematic) 디바이스 장치, IPS(In Plane Switching) 디바이스 장치 및 VA (vertical align)모드의 디바이스 장치 등 일 수있다.

상술한 바와 같이 본 발명에 의하면, 하기식 (1)로 표시되는 화합물을 포함하는 네마틱 액정 조성물을 제공한다.

상기식 (1)에서, R은 C_nH_2n+1O, C_nH_2n+1, C_nH_2n+1S 및 C_nH_2n-1로 이루어진 그룹 중 선택된 어느 하나이며, 이때, n은 1 내지 15이다. A는,,및으로 이루어진 그룹 중 선택된 어느 하나이며, 이때, a는 0 또는 1이다. B는 -CH2CH2-, -C=C-, -C≡C- 및로 이루어진 그룹 중 선택된 어느 하나이며, 이때, b는 0 또는 1이다. D는,,,,, -CH2CH2-, -C=C- 및 -C≡C-로 이루어진 그룹 중 선택된 어느 하나이며, 이때, d는 0 또는 1이다. X는 H, F, Cl, Br, NCS 및 CN로 이루어진 그룹 중 선택된 어느 하나이며, Y는 NCS, SCN 및 F로 이루어진 그룹 중 선택된 어느 하나이다. 상기 조성물을 사용하여 각종 액정 표시 장치를 제조할 수 있다.

이와 같이, 본 발명의 화합물을 이용하여 액정 조성물로써 사용함으로써, 액정 조성물의 상전이 온도를 상승시킬 수 있으며, 응답속도를 향상시킬 수 있다. 또한, 복굴절 및 유전율이방성을 증가시켜 고휘도의 액정 표시 장치를 제공할 수 있다.

따라서, 우수한 성능을 갖는 액정 표시 장치를 제공할 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만 해당 기술 분야의 숙련된 당업자라면 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims

하기식 (1)로 표시되는 화합물 및 호스트 혼합물을 포함하는 네마틱 액정 조성물.

(상기식 (1)에서, R은 C_nH_2n+1O, C_nH_2n+1, C_nH_2n+1S 및 C_nH_2n-1로 이루어진 그룹 중 선택된 어느 하나이며, 이때, n은 1 내지 15이고, A는,,및으로 이루어진 그룹 중 선택된 어느 하나이며, 이때, a는 0 또는 1이며, B는 -CH2CH2-, -C=C-, -C≡C- 및로 이루어진 그룹 중 선택된 어느 하나이며, 이때, b는 0 또는 1이고, D는,,,,, -CH2CH2-, -C=C- 및 -C≡C-로 이루어진 그룹 중 선택된 어느 하나이며, 이때, d는 0 또는 1이고, X는 H, F, Cl, Br, NCS 및 CN로 이루어진 그룹 중 선택된 어느 하나이며, Y는 NCS, SCN 및 F로 이루어진 그룹 중 선택된 어느 하나이다.)
제1항에 있어서, 상기 액정 조성물 전체를 기준으로 상기 화합물은 약 1 내지 90 중량% 포함되는 것을 특징으로 하는 네마틱 액정 조성물.
제1항에 있어서, 상기 호스트 혼합물은 하기식 (2) 내지 (15)를 포함하는 것을 특징으로 하는 네마틱 액정 조성물.
제3항에 있어서, 상기 호스트 혼합물은 하기식 (16) 내지 (18)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 네마틱 액정 조성물.
상기 1항의 액정 조성물을 포함하여 제조되는 트위스트 네마틱(TN) 디바이스 장치.
상기 1항의 액정 조성물을 포함하여 제조되는 수퍼 트위스트 네마틱(STN) 디바이스 장치.
상기 1항의 액정 조성물을 포함하여 제조되는 박막트랜지스터(TFT)-트위스트 네마틱(TN) 디바이스 장치.
상기 1항의 액정 조성물을 포함하여 제조되는 IPS(in plane switching)디바이스 장치.
상기 1항의 액정 조성물을 포함하여 제조되는 VA(Vertically align)디바이스 장치.