KR20080028572A - 액정 조성물 및 이를 포함하는 액정 표시 장치 - Google Patents

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허정욱
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Abstract

본 발명은 중성 액정 화합물을 포함하는 제1 부류, 그리고 적어도 하나의 불소 원자를 가지는 극성 액정 화합물을 포함하는 제2 부류를 함유하는 액정 조성물에서, 상기 제2 부류에는 화학식 (I):
Figure 112006070225657-PAT00001
(여기서 R1 및 R2는 서로 같거나 다를 수 있으며, 각각 적어도 하나의 불소 원자를 가지는 방향족 고리를 포함함)로 표현되는 액정 화합물이 포함되고, 상기 화학식 (I)으로 표현되는 액정 화합물은 상기 액정 조성물의 총 함량에 대하여 22중량% 이하로 함유되어 있는 액정 조성물 및 이를 포함하는 액정 표시 장치에 관한 것이다.
액정 조성물, 동작 온도 범위, 결정성, 유전율 이방성

Description

액정 조성물 및 이를 포함하는 액정 표시 장치{LIQUID CRYSTAL COMPOSITION AND LIQUID CRYSTAL DISPLAY COMPRISING THE SAME}
도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 액정 표시 장치의 배치도이고,
도 2 및 도 3은 각각 도 1의 액정 표시 장치를 II-II 선 및 III-III 선을 따라 잘라 도시한 단면도이고,
도 4a 및 도 4b는 각각 본 발명의 한 실시예에 따른 액정 표시 패널의 온도에 따른 상 전이 엔탈피를 보여주는 그래프이고,
도 4c는 비교예에 따른 액정 표시 패널의 온도에 따른 상 전이 엔탈피를 보여주는 그래프이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
3: 액정층 11,21: 배향막
100: 박막 트랜지스터 표시판
110, 210: 절연 기판 121: 게이트선
124: 게이트 전극 131: 유지 전극선
133a, 133b: 유지 전극 140: 게이트 절연막
151: 반도체 154: 돌출부
161: 불순물 비정질 규소층 171: 데이터선
173: 소스 전극 175: 드레인 전극
180: 보호막 81, 82: 접촉 보조 부재
181, 182, 183a, 183b, 185: 접촉구
191: 화소 전극 200: 공통 전극 표시판
220: 차광 부재 230: 색 필터
270: 공통 전극 300: 액정
본 발명은 액정 조성물 및 이를 포함하는 액정 표시 장치에 관한 것이다.
액정 표시 장치(liquid crystal display, LCD)는 현재 가장 널리 사용되고 있는 평판 표시 장치(flat panel display) 중 하나이다. 액정 표시 장치는 전기장 생성 전극이 형성되어 있는 두 장의 표시판과 그 사이에 들어 있는 액정층을 포함하며, 전기장 생성 전극에 전압을 인가하여 액정층에 전기장을 생성함으로써 액정층의 액정 분자들의 방향을 결정하고 액정층을 통과하는 빛의 투과율을 조절한다.
액정 표시 장치에서 액정은 빛의 투과율을 조절하여 원하는 화상을 얻는데 매우 중요하다.
그런데, 액정 표시 장치에서 사용되는 액정은 온도 전이형(thermotropic)으로, 온도에 따라 상 변화가 일어난다.
액정은 특정 온도 범위(이하 '동작 온도 범위'라 한다)에서만 스메틱(smetic) 또는 네마틱(nematic)과 같은 액정 상태로 존재하여 빛의 투과율을 조절할 수 있으며, 그보다 낮은 온도에서는 액정이 결정화(crystallization)되고, 그보다 높은 온도에서는 액정이 등방성 액체로 되어 액정으로서 기능을 수행할 수 없다. 따라서, 액정은 넓은 동작 온도 범위를 가지는 것이 유리하다.
따라서 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 넓은 동작 온도 범위를 가지는 액정 조성물을 제공하는 것이다.
본 발명의 한 실시예에 따른 액정 조성물은 중성 액정 화합물을 포함하는 제1 부류, 그리고 적어도 하나의 불소 원자를 가지는 극성 액정 화합물을 포함하는 제2 부류를 함유하는 액정 조성물에서, 상기 제2 부류에는 화학식 (I):
Figure 112006070225657-PAT00002
(여기서 R1 및 R2는 각각 적어도 하나의 불소 원자를 가지는 방향족 고리를 포함함)로 표현되는 액정 화합물이 포함되고, 상기 화학식 (I)으로 표현되는 액정 화합물은 상기 액정 조성물의 총 함량에 대하여 22중량% 이하로 함유되어 있다.
상기 화학식 (I)으로 표현되는 액정 화합물은 화학식 (II):
Figure 112006070225657-PAT00003
(R3은 탄소 수 1 내지 10개를 가지는 알킬기, 알콕시기 및 알케닐기에서 선택됨)로 표현될 수 있다.
상기 제1 부류는 화학식 (III), (IV) 및 (V):
Figure 112006070225657-PAT00004
Figure 112006070225657-PAT00005
Figure 112006070225657-PAT00006
(여기서 R4 내지 R9는 탄소 수 1 내지 10개를 가지는 알킬기, 알콕시기 및 알케닐기에서 선택됨)로 각각 표현되는 액정 화합물 중에서 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 제2 부류는 -CF2O- 기를 가지는 액정 화합물을 포함하는 제1 서브부류와 -CF2O- 기를 가지지 않는 액정 화합물을 포함하는 제2 서브부류를 포함하며, 상기 제1 서브부류는 상기 화학식 (II)으로 표현되는 액정 화합물과 화학식 (VI):
Figure 112006070225657-PAT00007
(여기서 R10은 탄소 수 1 내지 10개를 가지는 알킬기, 알콕시기 및 알케닐기에서 선택됨)으로 표현되는 액정 화합물을 포함하고, 상기 제2 서브부류는 화학식 (VII), (VIII), (IX) 및 (X):
Figure 112006070225657-PAT00008
Figure 112006070225657-PAT00009
Figure 112006070225657-PAT00010
Figure 112006070225657-PAT00011
(여기서 R11 내지 R15는 탄소 수 1 내지 10개를 가지는 알킬기, 알콕시기 및 알케닐기에서 선택됨)으로 각각 표현되는 액정 화합물 중에서 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 제1 부류는 상기 액정 조성물의 총 함량에 대하여 40 내지 55중량%로 함유되어 있고, 상기 제1 서브부류는 상기 액정 조성물의 총 함량에 대하여 30 내지 40중량%로 함유되어 있고, 상기 제2 서브부류는 상기 액정 조성물의 총 함량에 대하여 10 내지 30중량%로 함유될 수 있다.
상기 액정 조성물은 -40 내지 80℃의 동작 온도 범위를 가질 수 있다.
상기 액정 조성물은 유전율 이방성(Δε)이 8 내지 15이고 굴절율 이방성(Δn)이 0.09 내지 0.115일 수 있다.
본 발명의 한 실시예에 따른 액정 표시 장치는 제1 기판, 상기 제1 기판과 마주하는 제2 기판, 상기 제1 기판 및 상기 제2 기판 중 적어도 하나 위에 형성되어 있는 한 쌍의 전기장 생성 전극, 그리고 상기 제1 기판과 상기 제2 기판 사이에 끼어 있는 액정층을 포함하고, 상기 액정층은 중성 액정 화합물을 포함하는 제1 부류, 그리고 적어도 하나의 불소 원자를 가지는 극성 액정 화합물을 포함하는 제2 부류를 함유하는 액정 조성물을 포함하며, 상기 제2 부류에는 화학식 (I)으로 표현되는 액정 화합물이 포함되고, 상기 화학식 (I)으로 표현되는 액정 화합물은 상기 액정 조성물의 총 함량에 대하여 22중량% 이하로 함유되어 있다.
상기 액정 표시 장치는 상기 제1 기판 위에서 서로 교차하게 형성되어 있는 제1 신호선 및 제2 신호선, 그리고 상기 제1 신호선, 상기 제2 신호선 및 상기 전기장 생성 전극과 연결되어 있는 박막 트랜지스터를 더 포함할 수 있다.
이하, 본 발명의 한 실시예에 따른 액정 조성물에 대하여 설명한다.
액정 조성물은 물리적 특성이 다른 여러 종류의 액정 화합물을 포함한다.
액정 화합물은 중심축을 이루는 중심부(core group)와 이것에 연결되어 있는 말단기(terminal group) 및/또는 측쇄기(lateral group)를 포함한다.
중심부는 페닐기(phenyl group), 시클로헥실기(cyclohexyl group) 및 헤테로 고리 화합물(heterocycles)에서 선택된 고리 화합물(cyclic compound)이 하나 이상 연결되어 있을 수 있다.
말단기 및/또는 측쇄기는 알킬기(alkyl group), 알콕시기(alkoxy group), 알케닐기(alkenyl group)와 같은 무극성 기(non-polar group) 또는 불소 원자와 같은 극성 기(polar group)를 포함할 수 있으며, 말단기 또는 측쇄기에 따라 유전율 이방성과 같은 물리적 특성이 달라진다.
본 발명의 한 실시예에 따른 액정 조성물은 유전율 이방성을 나타내지 않는 중성 화합물(neutral compound)과 유전율 이방성을 나타내는 극성 화합물(polar compound)을 포함한다.
중성 화합물은 중심부, 말단기 및 측쇄기에 불소 원자를 포함하지 않는 액정 화합물이며, 예컨대 화학식 (III) 내지 (V)로 표현된 화합물에서 선택된 하나 이상을 포함할 수 있다:
Figure 112006070225657-PAT00012
Figure 112006070225657-PAT00013
Figure 112006070225657-PAT00014
여기서, R4 내지 R9는 서로 같거나 다를 수 있으며, 각각 탄소 1 내지 10개를 가지는 알킬기, 알콕시기 또는 알케닐기이다.
중성 화합물은 액정 조성물의 총 함량에 대하여 약 40 내지 55중량%로 함유되는 것이 바람직하다.
극성 화합물은 중심부, 말단기 또는 측쇄기에 적어도 하나의 불소 원자를 포함하는 액정 화합물이며, 중심부에 -CF2O- 기가 연결되어 있는지 여부에 따라 중극 성 화합물(middle polar compound)과 고극성 화합물(high polar compound)로 나눌 수 있다.
중극성 화합물은 중심부에 -CF2O- 기를 포함하지 않고 페닐기 및/또는 시클로헥실기만이 연결되어 있는 구조이며, 예컨대 화학식 (VII) 내지 (X)로 표현된 액정 화합물에서 선택된 하나 이상을 포함할 수 있다:
Figure 112006070225657-PAT00015
Figure 112006070225657-PAT00016
Figure 112006070225657-PAT00017
Figure 112006070225657-PAT00018
여기서 R11 내지 R15는 서로 같거나 다를 수 있으며, 각각 탄소 수 1 내지 10개를 가지는 알킬기, 알콕시기 및 알케닐기이다.
중극성 화합물은 액정 조성물의 총 함량에 대하여 약 10 내지 30중량%로 함유되는 것이 바람직하다.
고극성 화합물은 중심부에 -CF2O- 기가 연결되어 있는 구조이며, 이것에 의해 액정 조성물은 강한 유전율 이방성을 나타낸다.
고극성 화합물은 화학식 (I)으로 표현되는 액정 화합물을 포함한다:
Figure 112006070225657-PAT00019
여기서 R1 및 R2는 서로 같거나 다를 수 있으며, 각각 적어도 하나의 불소 원자를 가지는 방향족 고리이다.
화학식 (I)으로 표현되는 액정 화합물은 예컨대 화학식 (II)와 같이 -CF2O- 기가 두 개의 페닐기에 연결되어 있는 구조로 나타낼 수 있다:
Figure 112006070225657-PAT00020
여기서 R3은 탄소 수 1 내지 10개를 가지는 알킬기, 알콕시기 및 알케닐기이다.
또한 고극성 화합물은 화학식 (VI)으로 표현되는 액정 화합물을 더 포함할 수 있다:
Figure 112006070225657-PAT00021
화학식 (VI)으로 표현되는 액정 화합물은 -CF2O- 기의 적어도 한 쪽은 시클로헥실기와 연결되어 있는 구조로, 화학식 (I)로 표현되는 액정 화합물과는 다르다.
고극성 화합물은 액정 조성물의 총 함량에 대하여 약 30 내지 40중량% 함유되는 것이 바람직하다.
본 발명에서는 고극성 화합물 중 상기 화학식 (I)로 표현되는 액정 화합물의 함량을 제한한다. 본 발명자는 화학식 (I)로 표현되는 액정 화합물이 높은 유전율 이방성을 나타내는 반면, -CF2O- 기의 입체적 장애(steric hindrance)에 의해 회전하기가 어렵고 이에 따라 분자가 규칙성이 큰 배치를 가지게 되어 결정화되기 쉽다는 사실을 발견하였다. 이에 따라, 본 발명에서는 화학식 (I)로 표현되는 액정 화합물의 함량을 제한하여 액정이 결정화되는 온도, 즉 결정 상전이 온도를 낮추어 동작 온도 범위를 넓힐 수 있다.
다음과 같은 실험을 실시하였다.
전극이 형성되어 있는 두 개의 표시판을 합착(assembly)하고 그 사이에 각각 다른 종류의 액정 조성물을 주입하여 시험용 액정 표시 패널 6개를 제조하였다.
각 액정 조성물은 화학식 (II), (III), (IV), (V), (VI), (VII), (IX) 및 (X)으로 표현되는 액정 화합물을 포함하며, 각 시험용 액정 표시 패널은 화학식 (II)로 표현되는 액정 화합물의 함량을 각각 15중량%(패널 1), 18중량%(패널 2), 19중량%(패널 3), 22중량%(패널 4), 25중량%(패널 5) 및 30중량%(패널 6)로 다르게 하고 다른 성분은 동일하게 하였다.
먼저, 온도에 따른 액정 조성물의 상 전이를 시험하였다
상기와 같이 제조된 액정 표시 패널들을 -5℃/min의 속도로 약 -50℃까지 냉각시킨 후, 약 -50℃에서 60분 동안 방치하여 액정을 인위적으로 결정화시켰다. 그리고 5℃/min의 속도로 약 90℃까지 승온시키면서 시차주사열량계(differential scanning calorimetry, DSC)를 사용하여 액정 조성물의 엔탈피 변화(enthalpy changes)와 상 전이를 측정하였다.
그 결과는 표 1과 같다.
[표 1]
Figure 112006070225657-PAT00022
표 1에서 보는 바와 같이, 패널 1, 패널 2, 패널 3 및 패널 4는 각각 -32 내지 -29℃, -46 내지 -18℃, -48 내지 -20℃ 및 -48 내지 -25℃에서 약한 흡열(endothermic)이 측정되었다. 이러한 약한 흡열은 스메틱(smetic) 상에서 네마틱(nematic) 상으로 상 전이가 일어나는 것을 의미한다.
또한 패널 1, 패널 2, 패널 3 및 패널 4는 약 80℃ 이상의 온도에서 강한 흡열이 측정되었는데, 이는 네마틱 상에서 등방성(isotropic) 액체로 상 전이가 일어나는 온도를 보여준다.
대표적으로, 도 4a 및 도 4b를 참조하여 설명한다.
도 4a 및 도 4b는 각각 패널 2 및 패널 4의 온도에 따른 상 전이 엔탈피를 보여주는 그래프이다.
도 4a에서, 'A'는 네마틱 상에서 등방성 액체로 상 전이가 일어나는 강한 흡열의 피크(peak) 지점으로 ΔH=1.038J/g이고 상 전이 온도는 약 80.01℃이다. 또한 도 4b에서, 'B'는 네마틱 상에서 등방성 액체로 상 전이가 일어나는 강한 흡열의 피크 지점으로 ΔH=1.356J/g이고 상 전이 온도는 약 83.85℃이다. 도 4a 및 도 4b에서 약한 흡열 부분은 표시되지 않았다.
이와 같이 패널 1, 패널 2, 패널 3 및 패널 4에서는, 액정 화합물이 승온에 의해 결정(crystal)-스메틱 상-네마틱 상-등방성 액체의 순서로 상 전이가 일어나는 것을 알 수 있다. 여기서 스메틱 상과 네마틱 상은 액정 상태이므로, 액정이 결정으로 전이하는 결정 상전이 온도는 적어도 -40℃ 이하이고, 액정이 등방성 액체로 전이하는 액체 상전이 온도는 약 80℃ 이상인 것을 알 수 있다. 이에 따라 액정의 동작 온도 범위는 약 -40℃ 내지 80℃임을 알 수 있다.
반면, 패널 5에서는 -32 내지 -7℃에서 발열(exothermic), -7 내지 13℃에서 강한 흡열, 17 내지 36℃에서 또 다시 강한 흡열이 측정되었다. 또한 패널 6에서는 -24.5 내지 -5℃에서 발열, -5 내지 20℃에서 강한 흡열, 20 내지 36℃에서 강 한 흡열이 측정되었다.
도 4c는 패널 5의 온도에 따른 상 전이 엔탈피 변화를 보여주는 그래프이다. 여기서, 'C1'은 발열의 피크 지점으로 ΔH=-4.460J/g이고 이 때 온도는 -14.07℃이고, 'C2'는 강한 흡열의 피크 지점으로 ΔH=5.755J/g이고 이 때 온도는 10.68℃이고, 'C3'는 강한 흡열의 피크 지점으로 ΔH=2.173J/g이고 이 때 온도는 24.60℃이고, 'C4'는 약한 흡열의 피크 지점으로 ΔH=0.822J/g이고 이 때 온도는 79.43℃이다.
발열은 액정 화합물이 상 전이를 하지 못하고 여전히 결정 상태인 것을 나타내고, 강한 흡열은 결정에서 네마틱 상으로 곧바로 상 전이가 일어나는 것으로 스메틱 상을 거치지 않는 것을 의미한다. 이와 같이 스메틱 상을 거치지 않는 경우, 액정이 냉각됨에 따라 네마틱 상에서 결정으로 바로 전이하기 때문에 결정 상전이 온도가 높아지고 이에 따라 액정의 동작 온도 범위가 좁아진다.
이와 같이, 화학식 (I)로 표현되는 액정 화합물의 함량에 따라 결정 상전이 온도가 결정될 수 있으며, 화학식 (I)로 표현되는 액정 화합물이 액정 조성물의 총 함량에 대하여 약 22중량% 이하인 경우 약 -40℃ 내지 80℃의 넓은 상 전이 온도를 가지는 것을 알 수 있다.
다음, 일정한 온도에서 액정 조성물이 결정화되는 시간을 시험하였다.
상기와 같이 제조된 패널 1 내지 6을 약 -25℃에서 방치한 후 액정 조성물이 결정화되는데 걸리는 시간을 측정하였다.
그 결과는 표 1과 같다.
[표 2]
Figure 112006070225657-PAT00023
표 2에서 보는 바와 같이, 패널 1 및 2에서는 500시간이 초과하여도 액정의 결정화가 관찰되지 않았으며, 패널 3은 약 250시간, 패널 4는 약 220시간에서 액정이 결정화되는 것을 알 수 있다. 반면, 패널 5 및 패널 6은 약 96시간만에 액정이 결정화된 것을 알 수 있다.
이와 같이 화학식 (I)로 표현되는 액정 화합물의 함량에 따라 결정화되는데걸리는 시간이 달라지는 것을 알 수 있으며, -25℃에서 약 200시간 동안 결정화가 일어나지 않는 것을 통과 기준으로 할 때 화학식 (I)로 표현되는 액정 화합물이 약 22중량% 이하인 경우가 적합한 것으로 확인되었다.
이와 같이 화학식 (I)로 표현되는 액정 화합물의 함량에 따라 액정의 동작 온도 범위가 결정될 수 있음을 알 수 있다.
또한 본 발명에 따른 액정 조성물은 상술한 바와 같이 넓은 동작 온도 범위를 가지는 동시에, 8 내지 15의 유전율 이방성(Δε), 0.09 내지 0.115의 굴절율 이방성(Δn) 및 50 내지 250mPaㆍs의 회전 점도를 가지는 것으로 확인됨에 따라 유전율 이방성, 굴절율 이방성 및 회전 점도를 모두 만족하는 것으로 확인되었다.
그러면 이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 한 실시예에 따른 액 정 표시 장치에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 붙였다. 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "위에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우 뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 어떤 부분이 다른 부분 "바로 위에" 있다고 할 때에는 중간에 다른 부분이 없는 것을 뜻한다.
이제 본 발명의 한 실시예에 따른 액정 표시 장치에 대하여 도 1 내지 도 3을 참고하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 액정 표시 장치의 배치도이고, 도 2 및 도 3은 각각 도 1의 액정 표시 장치를 II-II 선 및 III-III 선을 따라 잘라 도시한 단면도이다.
도 1 내지 도 3을 참고하면, 본 발명의 한 실시예에 따른 액정 표시 장치는 서로 마주하는 박막 트랜지스터 표시판(100)과 공통 전극 표시판(200) 및 이들 두 표시판(100, 200) 사이에 들어 있는 액정층(3)을 포함한다.
먼저, 박막 트랜지스터 표시판(100)에 대하여 설명한다.
투명한 유리 또는 플라스틱 따위로 만들어진 절연 기판(110) 위에 복수의 게이트선(gate line)(121) 및 복수의 유지 전극선(storage electrode line)(131)이 형성되어 있다.
게이트선(121)은 게이트 신호를 전달하며 주로 가로 방향으로 뻗어 있다. 각 게이트선(121)은 아래로 돌출한 복수의 게이트 전극(gate electrode)(124)과 다른 층 또는 외부 구동 회로와의 접속을 위하여 넓은 끝 부분(129)을 포함한다. 게이트 신호를 생성하는 게이트 구동 회로(도시하지 않음)는 기판(110) 위에 부착되는 가요성 인쇄 회로막(flexible printed circuit film)(도시하지 않음) 위에 장착되거나, 기판(110) 위에 직접 장착되거나, 기판(110)에 집적될 수 있다.
유지 전극선(131)은 소정의 전압을 인가 받으며, 게이트선(121)과 거의 나란하게 뻗은 줄기선과 이로부터 갈라진 복수 쌍의 제1 및 제2 유지 전극(133a, 133b)을 포함한다. 유지 전극선(131) 각각은 인접한 두 게이트선(121) 사이에 위치하며 줄기선은 두 게이트선(121) 중 아래쪽에 가깝다. 유지 전극(133a, 133b)은 줄기선과 연결된 고정단과 그 반대 쪽의 자유단을 가지고 있다. 제1 유지 전극(133a)의 고정단은 면적이 넓으며, 그 자유단은 직선 부분과 굽은 부분의 두 갈래로 갈라진다. 그러나 유지 전극선(131)의 모양 및 배치는 여러 가지로 변형될 수 있다.
게이트선(121) 및 유지 전극선(131)은 알루미늄(Al)이나 알루미늄 합금 등 알루미늄 계열 금속, 은(Ag)이나 은 합금 등 은 계열 금속, 구리(Cu)나 구리 합금 등 구리 계열 금속, 몰리브덴(Mo)이나 몰리브덴 합금 등 몰리브덴 계열 금속, 크롬(Cr), 탄탈륨(Ta) 및 티타늄(Ti) 따위로 만들어질 수 있다. 그러나 이들은 물리적 성질이 다른 두 개의 도전막(도시하지 않음)을 포함하는 다중막 구조를 가질 수도 있다.
게이트선(121) 및 유지 전극선(131)의 측면은 기판(110) 면에 대하여 경사져 있으며 그 경사각은 약 30° 내지 약 80° 인 것이 바람직하다.
게이트선(121) 및 유지 전극선(131) 위에는 질화규소(SiNx) 또는 산화규소(SiOx) 따위로 만들어진 게이트 절연막(gate insulating layer)(140)이 형성되어 있다.
게이트 절연막(140) 위에는 수소화 비정질 규소(hydrogenated amorphous silicon)(비정질 규소는 약칭 a-Si로 씀) 또는 다결정 규소(polysilicon) 등으로 만들어진 복수의 선형 반도체(151)가 형성되어 있다. 선형 반도체(151)는 주로 세로 방향으로 뻗어 있으며, 게이트 전극(124)을 향하여 뻗어 나온 복수의 돌출부(projection)(154)를 포함한다.
반도체(151) 위에는 복수의 선형 및 섬형 저항성 접촉 부재(ohmic contact)(161, 165)가 형성되어 있다. 저항성 접촉 부재(161, 165)는 인 따위의 n형 불순물이 고농도로 도핑되어 있는 n+ 수소화 비정질 규소 따위의 물질로 만들어지거나 실리사이드(silicide)로 만들어질 수 있다. 선형 저항성 접촉 부재(161)는 복수의 돌출부(163)를 가지고 있으며, 이 돌출부(163)와 섬형 저항성 접촉 부재(165)는 쌍을 이루어 반도체(151)의 돌출부(154) 위에 배치되어 있다.
반도체(151)와 저항성 접촉 부재(161, 165)의 측면 역시 기판(110) 면에 대하여 경사져 있으며 경사각은 30° 내지 80° 정도이다.
저항성 접촉 부재(161, 165) 및 게이트 절연막(140) 위에는 복수의 데이터선(data line)(171)과 복수의 드레인 전극(drain electrode)(175)이 형성되어 있 다.
데이터선(171)은 데이터 신호를 전달하며 주로 세로 방향으로 뻗어 게이트선(121)과 교차한다. 각 데이터선(171)은 또한 유지 전극선(131)과 교차하며 인접한 유지 전극(133a, 133b) 집합 사이를 달린다. 각 데이터선(171)은 게이트 전극(124)을 향하여 뻗은 복수의 소스 전극(source electrode)(173)과 다른 층 또는 외부 구동 회로와의 접속을 위하여 넓은 끝 부분(179)을 포함한다. 데이터 신호를 생성하는 데이터 구동 회로(도시하지 않음)는 기판(110) 위에 부착되는 가요성 인쇄 회로막(도시하지 않음) 위에 장착되거나, 기판(110) 위에 직접 장착되거나, 기판(110)에 집적될 수 있다.
드레인 전극(175)은 데이터선(171)과 분리되어 있으며 게이트 전극(124)을 중심으로 소스 전극(173)과 마주한다.
하나의 게이트 전극(124), 하나의 소스 전극(173) 및 하나의 드레인 전극(175)은 반도체(151)의 돌출부(154)와 함께 하나의 박막 트랜지스터(thin film transistor, TFT)를 이루며, 박막 트랜지스터의 채널(channel)은 소스 전극(173)과 드레인 전극(175) 사이의 돌출부(154)에 형성된다.
데이터선(171) 및 드레인 전극(175)은 게이트선(121) 및 유지 전극선(131)과 마찬가지로 저저항성 도전체로 만들어질 수 있다.
데이터선(171) 및 드레인 전극(175) 또한 그 측면이 기판(110) 면에 대하여 30° 내지 80° 정도의 경사각으로 기울어진 것이 바람직하다.
데이터선(171), 드레인 전극(175) 및 노출된 반도체(151) 부분 위에는 보호 막(passivation layer)(180)이 형성되어 있다. 보호막(180)은 무기 절연물 또는 유기 절연물 따위로 만들어지며 표면이 평탄할 수 있다.
보호막(180)에는 데이터선(171)의 끝 부분(179)과 드레인 전극(175)을 각각 드러내는 복수의 접촉 구멍(182, 185)이 형성되어 있으며, 보호막(180)과 게이트 절연막(140)에는 게이트선(121)의 끝 부분(129)을 드러내는 복수의 접촉 구멍(181), 제1 유지 전극(133a) 고정단 부근의 유지 전극선(131) 일부를 드러내는 복수의 접촉 구멍(183a), 그리고 제1 유지 전극(133a) 자유단의 돌출부를 드러내는 복수의 접촉 구멍(183b)이 형성되어 있다.
보호막(180) 위에는 복수의 화소 전극(pixel electrode)(191), 복수의 연결 다리(overpass)(83) 및 복수의 접촉 보조 부재(contact assistant)(81, 82)가 형성되어 있다. 이들은 ITO 또는 IZO 등의 투명한 도전 물질이나 알루미늄, 은, 크롬 또는 그 합금 등의 반사성 금속으로 만들어질 수 있다.
화소 전극(191)은 접촉 구멍(185)을 통하여 드레인 전극(175)과 물리적, 전기적으로 연결되어 있으며, 드레인 전극(175)으로부터 데이터 전압을 인가받는다. 데이터 전압이 인가된 화소 전극(191)은 공통 전압(common voltage)을 인가 받는 다른 표시판(200)의 공통 전극(common electrode)(270)과 함께 전기장을 생성함으로써 두 전극(191, 270) 사이의 액정층(3)의 액정 분자의 방향을 결정한다. 이와 같이 결정된 액정 분자의 방향에 따라 액정층(3)을 통과하는 빛의 편광이 달라진다. 화소 전극(191)과 공통 전극(270)은 축전기(capacitor)(이하, '액정 축전기(liquid crystal capacitor)라 함)를 이루어 박막 트랜지스터가 턴 오프된 후에 도 인가된 전압을 유지한다.
화소 전극(191)은 유지 전극(133a, 133b)을 비롯한 유지 전극선(131)과 중첩하며, 화소 전극(191) 및 이와 전기적으로 연결된 드레인 전극(175)이 유지 전극선(131)과 중첩하여 이루는 축전기를 유지 축전기(storage capacitor)라 하며, 유지 축전기는 액정 축전기의 전압 유지 능력을 강화한다.
접촉 보조 부재(81, 82)는 각각 접촉 구멍(181, 182)을 통하여 게이트선(121)의 끝 부분(129) 및 데이터선(171)의 끝 부분(179)과 연결된다. 접촉 보조 부재(81, 82)는 게이트선(121)의 끝 부분(129) 및 데이터선(171)의 끝 부분(179)과 외부 장치와의 접착성을 보완하고 이들을 보호한다.
연결 다리(83)는 게이트선(121)을 가로지르며, 게이트선(121)을 사이에 두고 반대 쪽에 위치하는 접촉 구멍(183a, 183b)을 통하여 유지 전극선(131)의 노출된 부분과 유지 전극(133b) 자유단의 노출된 끝 부분에 연결되어 있다. 유지 전극(133a, 133b)을 비롯한 유지 전극선(131)은 연결 다리(83)와 함께 게이트선(121)이나 데이터선(171) 또는 박막 트랜지스터의 결함을 수리하는데 사용할 수 있다.
다음, 박막 트랜지스터 표시판(100)과 대향하는 공통 전극 표시판(200)에 대하여 설명한다.
투명 유리 또는 플라스틱 따위로 만들어진 절연 기판(210) 위에 블랙 매트릭스(black matrix)라고도 하는 차광 부재(light blocking member)(220)가 형성되어 있다. 차광 부재(220)는 화소 전극(191)과 마주하고 화소 전극(191)과 거의 동일한 모양의 복수의 개구부를 가지고 있으며, 화소 전극(191) 사이의 빛샘을 막는다. 차광 부재(220)는 게이트선(121) 및 데이터선(171)에 대응하는 부분과 박막 트랜지스터에 대응하는 부분으로 이루어질 수 있다.
기판(210) 위에는 또한 복수의 색 필터(230)가 형성되어 있다. 색 필터(230)는 차광 부재(220)로 둘러싸인 영역 내에 대부분 존재하며, 어느 한 방향으로 길게 뻗을 수 있다. 각 색 필터(230)는 적색, 녹색 및 청색 등 기본색(primary color) 중 하나를 표시할 수 있다.
색 필터(230) 위에는 ITO 또는 IZO 따위의 투명한 도전체로 만들어진 공통 전극(270)이 형성되어 있다.
표시판(100, 200)의 안쪽 면에는 배향막(11, 21)이 도포되어 있으며 이들은 수평 배향막일 수 있다.
표시판(100, 200)의 바깥쪽 면에는 편광자(polarizer)(도시하지 않음)가 구비되어 있는데, 두 편광자의 편광축은 평행 또는 직교한다. 반사형 액정 표시 장치의 경우에는 두 개의 편광자 중 하나가 생략될 수 있다.
액정층(3)은 양의 유전율 이방성을 가지며, 액정층(3)의 액정 분자는 전기장이 없는 상태에서 그 장축이 두 표시판(100, 200)의 표면에 대하여 거의 평행을 이루도록 배향되어 있다.
액정층(3)은 전술한 실시예에 따른 액정 조성물을 포함한다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예들에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
특정 액정 성분의 함유량을 조절함으로써 넓은 동작 온도 범위를 가질 수 있다.

Claims (15)

  1. 중성 액정 화합물을 포함하는 제1 부류, 그리고
    적어도 하나의 불소 원자를 가지는 극성 액정 화합물을 포함하는 제2 부류
    를 함유하는 액정 조성물에서,
    상기 제2 부류에는 화학식 (I):
    Figure 112006070225657-PAT00024
    (여기서 R1 및 R2는 서로 같거나 다를 수 있으며, 각각 적어도 하나의 불소 원자를 가지는 방향족 고리를 포함함)
    로 표현되는 액정 화합물이 포함되고,
    상기 화학식 (I)으로 표현되는 액정 화합물은 상기 액정 조성물의 총 함량에 대하여 22중량% 이하로 함유되어 있는 액정 조성물.
  2. 제1항에서,
    상기 화학식 (I)으로 표현되는 액정 화합물은 화학식 (II):
    Figure 112006070225657-PAT00025
    (R3은 탄소 수 1 내지 10개를 가지는 알킬기, 알콕시기 및 알케닐기에서 선 택됨)
    로 표현되는 액정 조성물.
  3. 제2항에서,
    상기 제1 부류는 화학식 (III), (IV) 및 (V):
    Figure 112006070225657-PAT00026
    Figure 112006070225657-PAT00027
    Figure 112006070225657-PAT00028
    (여기서 R4 내지 R9는 서로 같거나 다를 수 있으며, 탄소 수 1 내지 10개를 가지는 알킬기, 알콕시기 및 알케닐기에서 선택됨)
    로 각각 표현되는 액정 화합물 중에서 선택된 적어도 하나를 포함하는 액정 조성물.
  4. 제3항에서,
    상기 제2 부류는
    -CF2O- 기를 가지는 액정 화합물을 포함하는 제1 서브부류와 -CF2O- 기를 가지지 않는 액정 화합물을 포함하는 제2 서브부류를 포함하며,
    상기 제1 서브부류는 상기 화학식 (II)으로 표현되는 액정 화합물과 화학식 (VI):
    Figure 112006070225657-PAT00029
    (여기서 R10은 서로 같거나 다를 수 있으며, 탄소 수 1 내지 10개를 가지는 알킬기, 알콕시기 및 알케닐기에서 선택됨)
    으로 표현되는 액정 화합물을 포함하고,
    상기 제2 서브부류는 화학식 (VII), (VIII), (IX) 및 (X):
    Figure 112006070225657-PAT00030
    Figure 112006070225657-PAT00031
    Figure 112006070225657-PAT00032
    Figure 112006070225657-PAT00033
    (여기서 R11 내지 R15는 서로 같거나 다를 수 있으며, 탄소 수 1 내지 10개를 가지는 알킬기, 알콕시기 및 알케닐기에서 선택됨)
    으로 각각 표현되는 액정 화합물 중에서 선택된 적어도 하나를 포함하는 액정 조성물.
  5. 제4항에서,
    상기 제1 부류는 상기 액정 조성물의 총 함량에 대하여 40 내지 55중량%로 함유되어 있고,
    상기 제1 서브부류는 상기 액정 조성물의 총 함량에 대하여 30 내지 40중량%로 함유되어 있고,
    상기 제2 서브부류는 상기 액정 조성물의 총 함량에 대하여 10 내지 30중량%로 함유되어 있는
    액정 조성물.
  6. 제5항에서,
    상기 액정 조성물은 -40 내지 80℃의 동작 온도 범위를 가지는 액정 조성물.
  7. 제6항에서,
    상기 액정 조성물은 유전율 이방성(Δε)이 8 내지 15이고 굴절율 이방성(Δ n)이 0.09 내지 0.115인 액정 조성물.
  8. 제1 기판,
    상기 제1 기판과 마주하는 제2 기판,
    상기 제1 기판 및 상기 제2 기판 중 적어도 하나 위에 형성되어 있는 한 쌍의 전기장 생성 전극, 그리고
    상기 제1 기판과 상기 제2 기판 사이에 끼어 있는 액정층
    을 포함하고,
    상기 액정층은
    중성 액정 화합물을 포함하는 제1 부류, 그리고
    적어도 하나의 불소 원자를 가지는 극성 액정 화합물을 포함하는 제2 부류
    를 함유하는 액정 조성물을 포함하며,
    상기 제2 부류에는 화학식 (I):
    Figure 112006070225657-PAT00034
    (여기서 R1 및 R2는 서로 같거나 다를 수 있으며, 각각 적어도 하나의 불소 원자를 가지는 방향족 고리를 포함함)
    로 표현되는 액정 화합물이 포함되고,
    상기 화학식 (I)으로 표현되는 액정 화합물은 상기 액정 조성물의 총 함량에 대하여 22중량% 이하로 함유되어 있는
    액정 표시 장치.
  9. 제8항에서,
    상기 화학식 (I)으로 표현되는 액정 화합물은 화학식 (II):
    Figure 112006070225657-PAT00035
    (R3은 탄소 수 1 내지 10개를 가지는 알킬기, 알콕시기 및 알케닐기에서 선택됨)
    로 표현되는 액정 표시 장치.
  10. 제9항에서,
    상기 제1 부류는 화학식 (III), (IV) 및 (V):
    Figure 112006070225657-PAT00036
    Figure 112006070225657-PAT00037
    Figure 112006070225657-PAT00038
    (여기서 R4 내지 R9는 서로 같거나 다를 수 있으며, 탄소 수 1 내지 10개를 가지는 알킬기, 알콕시기 및 알케닐기에서 선택됨)
    으로 각각 표현되는 액정 화합물 중에서 선택된 적어도 하나를 포함하는 액정 표시 장치.
  11. 제10항에서,
    상기 제2 부류는
    -CF2O- 기를 가지는 액정 화합물을 포함하는 제1 서브부류와 -CF2O- 기를 가지지 않는 액정 화합물을 포함하는 제2 서브부류를 포함하며,
    상기 제1 서브부류는 상기 화학식 (II)으로 표현되는 액정 화합물과 화학식 (VI):
    Figure 112006070225657-PAT00039
    (여기서 R10은 탄소 수 1 내지 10개를 가지는 알킬기, 알콕시기 및 알케닐기에서 선택됨)
    으로 표현되는 액정 화합물을 포함하고,
    상기 제2 서브부류는 화학식 (VII), (VIII), (IX) 및 (X):
    Figure 112006070225657-PAT00040
    Figure 112006070225657-PAT00041
    Figure 112006070225657-PAT00042
    Figure 112006070225657-PAT00043
    (여기서 R11 내지 R15는 서로 같거나 다를 수 있으며, 탄소 수 1 내지 10개를 가지는 알킬기, 알콕시기 및 알케닐기에서 선택됨)
    으로 각각 표현되는 액정 화합물 중에서 선택된 적어도 하나를 포함하는 액정 표시 장치.
  12. 제11항에서,
    상기 제1 부류는 상기 액정 조성물의 총 함량에 대하여 40 내지 55중량%로 함유되어 있고,
    상기 제1 서브부류는 상기 액정 조성물의 총 함량에 대하여 30 내지 40중량%로 함유되어 있고,
    상기 제2 서브부류는 상기 액정 조성물의 총 함량에 대하여 10 내지 30중량%로 함유되어 있는
    액정 표시 장치.
  13. 제12항에서,
    상기 액정 조성물은 -40 내지 80℃의 동작 온도 범위를 가지는 액정 표시 장치.
  14. 제13항에서,
    상기 액정 조성물은 유전율 이방성(Δε)이 8 내지 15이고 굴절율 이방성(Δn)이 0.09 내지 0.115인 액정 표시 장치.
  15. 제12항에서,
    상기 제1 기판 위에서 서로 교차하게 형성되어 있는 제1 신호선 및 제2 신호선, 그리고
    상기 제1 신호선, 상기 제2 신호선 및 상기 전기장 생성 전극과 연결되어 있는 박막 트랜지스터
    를 더 포함하는 액정 표시 장치.
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