KR20100043933A

KR20100043933A - 액정 혼합물 및 이를 포함하는 액정표시장치

Info

Publication number: KR20100043933A
Application number: KR1020080103196A
Authority: KR
Inventors: 박소연; 이남석; 허일국; 서덕종; 김미순
Original assignee: 삼성전자주식회사
Priority date: 2008-10-21
Filing date: 2008-10-21
Publication date: 2010-04-29
Also published as: US20100097562A1

Abstract

본 발명은 액정 혼합물 및 액정표시장치에 관한 것으로, 본 발명의 액정 혼합물은 하기 화학식 1로 표시되는 제1 비극성 액정 화합물; 하기 화학식 2로 표시되는 제2 비극성 액정 화합물; 및 극성 액정 화합물를 포함한다.

[화학식 1]

[화학식 2]

여기서, X₁는 탄소수 1 내지 3의 알킬 또는 알케닐기, Y₁는 탄소수 1 내지 2인 알킬기 또는 알케닐기, X₂는 2 내지 3 이상의 알킬 또는 알케닐, Y₂는 탄소수 3 내지 4인 알킬기 또는 알케닐기이다.

액정 혼합물, 극성 액정 화합물, 비극성 액정 화합물, 초저점도 비극성 액정 화합물

Description

액정 혼합물 및 이를 포함하는 액정표시장치{Liquid Crystal Composition And Liquid Crystal Display Comprising The Same}

본 발명은 액정 혼합물 및 액정표시장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 액정표시장치의 저소비 전력 특성 확보를 위해 저전압 구동이 가능할 뿐만 아니라 응답 속도 향상된 액정 혼합물 및 이를 포함하는 액정표시장치에 관한 것이다.

오늘날 정보화 시대의 도래와 함께 다양한 정보의 신속한 전달을 위해, 영상, 그래픽, 문자 등의 각종 정보를 표시하는 고성능의 디스플레이에 대한 요구가 급증하고 있다. 이와 같은 요구에 따라 최근 디스플레이 산업은 급속한 성장을 보이고 있다.

특히, 액정표시장치(LCD)는 음극선관(CRT)에 비해 소비 전력이 낮고, 경량박형화가 가능하며, 유해 전자파를 방출하지 않는 차세대 첨단 디스플레이 소자로 수년간 크게 진보하여 왔다. 한편, 최근에는 고화질의 디지털 방송 시대를 맞이하여 30인치급 이상의 대화면 디스플레이로 플라즈마 디스플레이 패널(Plasma Display Panel: PDP)과 함께 액정표시장치가 크게 주목을 받고 있다.

액정표시장치는 2개의 기판 사이에 고체와 액체의 중간 물질인 액정을 주입하여 두 기판에 배치된 전극 간에 형성되는 전계에 의해 액정 분자의 배열을 변화시킴으로써 화상을 표시하는 디스플레이 장치로서, 전자시계, 전자계산기, PC 및 TV 등의 용도로 폭 넓게 사용되고 있으며, 그 용도에 적합하도록 특화하여 개발되고 있다.

최근 사용이 늘고 있는 울트라 모바일 노트의 경우 우수한 모바일 편의성이 요구되므로, 콤팩트(compact)하고 슬림(slim)한 디자인을 가지면서도 저중량을 갖도록 제조되고 있다. 그러나, 4 셀 전지가 아니라 8 셀의 무거운 전지를 사용하여야 한다면, 이러한 특성을 전혀 살릴 수 없다. 따라서, 저소비 전력 및 고속 응답 특성을 동시에 만족하는 액정표시장치에 대한 요구가 커지고 있으며, 이를 위해 고유전율 이방성 및 저회전점성을 갖는 액정의 개발을 위한 연구가 활발히 진행되고 있다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 액정표시장치의 저소비 전력 특성 확보를 위해 저전압 구동이 가능할 뿐만 아니라 응답 속도가 향상된 액정 혼합물 및 이를 포함하는 액정표시장치를 제공하는 데 있다.

상술한 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명은 하기 화학식 1로 표시되는 제1 비극성 액정 화합물 10 내지 30 중량%; 하기 화학식 2로 표시되는 제2 비극성 액정 화합물 5 내지 15 중량%; 및 극성 액정 화합물 55 내지 80 중량%를 포함하는 것을 특징으로 하는 액정 혼합물을 제공한다.

[화학식 1]

[화학식 2]

상기 극성 액정 화합물로는 시클로헥산 링 또는 벤젠 링을 3개 이상 포함하고, 말단에 2 이상의 불소기를 포함하는 액정 화합물이 바람직하게 사용될 수 있다. 이 같은 극성 액정 화합물로는 대표적으로 하기 화학식 3의 액정 화합물들이 사용될 수 있다.

[화학식 3]

,

,

,

,

,

,

,

,

,

화학식 3에서, 각 화합물들의 말단에는 2 이상의 불소기가 포함되며, 불소기가 첨가되는 부분 이외의 말단에는 액정 혼합물의 물성을 저해하지 않는 한 수소 또는 탄화수소기를 비롯한 다양한 기능기들이 포함될 수 있다. 예컨대, C₅H₈O-와 같 은 기능기가 포함될 수 있다.

상기 액정 혼합물의 유전율 이방성은 15 내지 20인 것이 바람직하다.

상기 액정 혼합물의 굴절률은 0.1 내지 0.12인 것이 바람직하다.

상기 액정 혼합물의 회전 점도는 90 내지 110 mPas인 것이 바람직하다.

본 발명은 또한, 박막 트랜지스터 및 화소 전극을 구비하는 제1 기판; 상기 제1 기판과 대향하여 배치되며, 공통 전극을 구비하는 제2 기판; 및 상기 제1 기판 및 제2 기판 사이에 개재되는 상기 본 발명의 액정 혼합물을 포함하는 액정표시장치를 제공한다.

상기 제1 기판 및 제2 기판 간의 간격은 3.4 내지 4.0㎛가 바람직하다.

상기 액정 표시장치는 2.4 내지 2.9V의 낮은 구동 전압에서도 우수한 해상도를 나타낸다.

본 발명의 액정 혼합물 및 액정표시장치에 따르면, 액정 혼합물의 조성을 최적화함으로써, 액정표시장치의 저소비 전력 구동을 가능하게 할 수 있을 뿐만 아니라 응답 속도를 향상시킬 수 있다.

따라서, 본 발명의 액정표시장치는 표시 특성이 우수하면서도 모바일 이동 편의성이 우수하여 모바일 용도로 널리 활용될 수 있으며, 특히 최근 주목 받고 있는 울트라 모바일 노트에 채용되어 탁월한 성능을 발휘할 수 있다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다. 도면에서는 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 특허청구범위에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.

소자 또는 층이 다른 소자 또는 층의 "위" 또는 "상"에 있다고 지칭되는 것은 다른 소자 또는 층의 바로 위뿐만 아니라 중간에 다른 층 또는 다른 소자를 개재한 경우를 모두 포함한다. 반면, 소자 등이 "직접 위" 또는 "바로 위"에 있다고 지칭되는 것은 중간에 다른 소자 또는 층을 개재하지 않음을 나타낸다.

공간적으로 상대적인 용어인 "아래", "하부", "위, "상부" 등은 도면에 도시되어 있는 바와 같이 하나의 소자 또는 구성 요소들과 다른 소자 또는 구성 요소들과의 상관관계를 용이하게 기술하기 위해 사용될 수 있다. 공간적으로 상대적인 용어는 도면에 도시되어 있는 방향에 더하여 사용시 또는 동작시 소자의 서로 다른 방향을 포함하는 용어로 이해되어야 한다.

이하, 도 1을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 액정표시장치에 대하여 설명한다. 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 액정표시장치의 개략적으로 도시한 부분 단면도이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 액정표시장치는 하부 기판(200) 및 상부 기판(100), 그리고 하부 기판(200) 및 상부 기판(100) 사이에 개재된 액정 혼합물(300)을 포함한다.

상기 하부 기판(200)은 제2 절연 기판(20) 위에 매트릭스 형태로 형성된 다수의 화소를 구비한다. 화소 각각은 데이터 신호 전달을 위한 데이터 라인(DL)과 게이트 신호 전달을 위한 게이트 라인(GL)에 연결된 박막 트랜지스터(210)와 박막 트랜지스터(210)에 연결된 화소 전극(230)을 포함한다.

상기 박막 트랜지스터(210)는 게이트 라인으로부터 전달된 게이트 신호에 응답하여 데이터 라인으로부터 전달된 데이터 신호를 선택적으로 화소전극(230)에 공급한다. 이를 위해, 박막 트랜지스터(210)는 게이트 라인과 접속된 게이트 전극, 데이터 라인과 접속된 소스 전극, 화소 전극(230)과 접속된 드레인 전극, 게이트 전극과 게이트 절연막을 사이에 두고 중첩되면서 소스 전극과 드레인 전극 사이에 채널을 형성하는 활성층, 그 활성층과 소스 전극 및 드레인 전극과의 오믹 접촉을 위한 오믹 접촉층을 구비한다.

상기 화소 전극(230)은 각 화소 영역에서 칼라 필터(R, G, B)(130)와 중첩되도록 독립적으로 형성되고, 콘택홀을 통해 노출된 드레인 전극과 접속된다. 이러한 화소 전극(230)은 박막 트랜지스터(210)를 통해 공급된 화소 데이터 신호에 의해 공통 전극(150)과 전위차를 발생시킨다. 이 전위차에 의해 액정이 회전하게 되며 액정(300)의 회전 정도에 따라서 광투과량이 결정된다.

상기 상부 기판(100)은 제1 절연 기판(10) 상에 빛샘 방지를 위해 형성되는 블랙 매트릭스(120)와, 블랙 매트릭스(120)에 의해 구획된 영역에 형성된 컬러 필터(130)와, 컬러 필터(130)와 블랙 매트릭스(120) 상에 형성되는 오버코트층(140)과, 오버코트층(140) 위에 형성되는 공통 전극(150)을 포함한다.

블랙 매트릭스(120)는 액정(300)을 제어할 수 없는 영역을 통해 투과되는 빛을 차단하고, 박막 트랜지스터(210)의 채널로의 직접적인 광조사를 차단하여 박막 트랜지스터(210)의 광누설전류를 막기 위한 것으로, 불투명한 유기물질 또는 불투명한 금속으로 형성된다.

컬러 필터(130)는 색을 구현하기 위해 적색, 녹색, 청색 컬러 필터 (R, G, B) (130)를 포함하며, 박막 트랜지스터(210) 기판에 구비된 다수의 화소 각각에 대응하도록 상부 기판(100) 상에 구비된다. 적색, 녹색, 청색 컬러 필터(R, G, B) (130)는 각각 자신이 포함하고 있는 적색, 녹색, 청색 안료를 통해 특정 파장의 광을 흡수 또는 투과시킴으로써 적색, 녹색, 청색을 구현하게 된다. 아울러, 적색, 녹색, 청색 컬러 필터(R, G, B) (130)를 각각 투과한 적색, 녹색, 청색 광의 가법혼색을 통해 다양한 색상이 구현된다.

오버코트층(140)은 블랙 매트릭스(120)와 컬러 필터(130) 상에 형성되어, 컬러 필터(130)를 보호하고 블랙 매트릭스(120)와 컬러 필터(130) 사이에 발생하는 단차를 감소시킨다. 오버코트층(140)은 투명 유기 물질로 형성될 수 있다.

공통 전극(150)은 오버코트층(140) 위에 형성되며, 공통 전극(150)에 인가된 공통 전압과 화소 전극(230)에 인가된 화소 전압의 차이에 의해 액정 혼합물(300)에 전계가 형성되며, 그에 의해 액정 혼합물(300)의 광투과량이 조절된다.

액정 혼합물은 하기 화학식 1로 표시되는 제1 비극성 액정 화합물, 하기 화학식 2로 표시되는 제2 비극성 액정 화합물 및 극성 액정 화합물을 포함한다.

[화학식 1]

[화학식 2]

여기서, 여기서, X₁는 탄소수 1 내지 3의 알킬 또는 알케닐기, Y₁는 탄소수 1 내지 2인 알킬기 또는 알케닐기, X₂는 2 내지 3 이상의 알킬 또는 알케닐, Y₂는 탄소수 3 내지 4인 알킬기 또는 알케닐기이다.

현재 양산이 진행되고 있는 4V 이하의 저전압 액정 중 가장 좋은 응답 특성을 갖는 재료는 3.3V에서 16ms 수준이다. 3.3V 액정은 Δε=11 수준의 높은 유전율이방성을 가져야만, 기존에 개발된 4V 이상 구동 전압 제품들과 비교하여 대비비(Contrast Ratio, CR) 90% 이상을 확보할 수가 있다.

TN 모드 2.9V 이하의 저전압 구동을 위해서는 3.3V 액정보다도 더 작은 구동 전압에도 동작하도록 고유전율이방성 갖는 액정을 사용해야만 한다. 따라서, 2.9V 이하 구동을 위해서는 액정의 유전율이방성을 높이기 위해 액정 혼합물의 극성을 높여야 한다. 그러나, 이 경우 고속 응답 속도(16ms 이하) 특성을 확보하기가 어려운 문제가 있다.

본 실시예에 따른 액정표시장치는 상기한 바와 같은 조성의 액정 혼합물을 사용함으로써, 저 전압 구동이 가능케하고 응답 속도 특성을 향상시킬 수 있다.

제1 비극성 액정 화합물은 초저점성(Super Low Viscosity, SLV) 비극성 액정 화합물로서, 액정 혼합물에서의 함량은 10 내지 30 중량%인 것이 바람직하다. 제1 비극성 액정 화합물의 함량이 10 중량% 미만인 경우 16ms 이상의 충분한 응답 속도 특성을 얻기 어려우며, 30 중량%를 초과하는 경우 응답 속도 특성은 향상시킬 수 있으나 액정 혼합물의 유전율 이방성이 감소하여 충분한 대비비 특성을 확보하기 어려우므로 바람직하지 못하다.

액정 혼합물에서의 제2 비극성 액정 화합물의 함량은 5 내지 15 중량%인 것이 바람직하다. 제2 비극성 액정 화합물의 함량이 5 중량% 미만이면 유전율 이방성이 지나치게 증가하여 잔상이 나타나는 등 패널의 장기 신뢰성이 나빠지며, 15 중량%를 초과하는 경우 유전율 이방성이 지나치게 낮아져 블랙 휘도를 충분히 낮게 표시하지 못하고 그로 인해 적정한 수준의 대비비를 만족시키지 못해 패널의 표시 품위가 나빠진다.

극성 액정 화합물로는 시클로헥산 링 또는 벤젠 링을 3개 이상 포함하고, 말 단에 2 이상의 불소기를 포함하는 극성 액정 화합물이 바람직하게 사용될 수 있다. 이러한 극성 액정 화합물로는 예를 들어 하기 화학식 3에 기재된 액정 화합물들이 사용될 수 있다. 이하, 극성 액정 화합물의 말단에 형성된 불소기는 제외하고 도시된다.

[화학식 3]

,

,

,

,

,

,

,

,

,

화학식 3에서, 각 화합물들의 말단에는 2 이상의 불소기가 포함되며, 불소기가 첨가되는 부분 이외의 말단에는 액정 혼합물의 저해하지 않는 한 수소 또는 탄화수소기를 비롯한 다양한 기능기들이 포함될 수 있다. 예컨대, C₅H₈O-와 같은 기능 기가 포함될 수 있다.

액정 혼합물에서의 극성 액정 화합물의 함량은 55 내지 80 중량%인 것이 바람직하다. 극성 액정 화합물의 함량이 55 중량% 미만이면 유전율 이방성이 낮아져 적정 수준의 대비비를 만족시키지 못해 패널의 표시 품위가 떨어지고, 80 중량%를 초과하면 고속 응답 특성을 확보하기 어려우며 패널의 장기 신뢰성이 나빠진다.

한편, 액정 혼합물은 극성 액정 화합물로 앞서 예시한 화합물 중에서

,

및

중의 1종 이상을 전체 중량 기준으로 35 내지 50 중량%, 나머지 극성 액정 화합물을 20 내지 30 중량% 포함하는 것이 바람직하다. 이를 통해 액정 화합물의 응답 속도 특성 및 대비비 특성 등의 표시 품질을 더욱 향상시킬 수 있다.

이와 같은 구성을 통해 액정 혼합물은 0.1 내지 0.12의 굴절률, 15 내지 20 의 유전율 이방성 및 99 내지 110mPas의 회전 점도를 가질 수 있으며, 그로부터 저전압 구동하에서 응답 속도를 향상시키고 대비비 등의 표시 품질을 향상시킬 수 있다.

실험예

하기 표 1과 같은 조성으로 하기 표 2의 물성을 갖는 액정 혼합물을 제조하고, 제조된 액정 혼합물을 ODF 공정으로 주입하여 TN 모드의 액정표시장치를 제조하였다. 액정표시장치의 셀갭은 3.6mm로 하였다.

[표 1]

액정 조성		함량(중량%)
비극성 화합물		20.5
비극성 화합물		11
극성 화합물		18.5
		15
		10
		12
		6
		7

상기 표 1에서, X₁는 1 또는 2의 탄화수소기이고 Y₁는 알킬기 또는 알케닐기이며, X₂는 3 이상의 탄화수소기이고 Y₂는 알킬기 또는 알케닐기이다. 또한, R₁, R₂, R₃, R₄, 및 R₅는 알킬기 또는 알케닐기이다.

[표 2]

항목	수치
회전 점도	105mPas
상전이 온도	75?
유전율 이방성	18
굴절율	0.113

이와 같이 제조된 액정표시장치의 2.5V 구동 전압에서의 응답 속도 및 대비비를 측정하였다. 측정 결과, 응답 속도 및 대비비는 각각 16ms 및 500:1로 매우 우수한 특성을 나타내었다.

이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자 또는 해당 기술 분야에 통상의 지식을 갖는 자라면, 후술될 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 기술 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

따라서, 본 발명의 기술적 범위는 명세서의 상세한 설명에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허청구범위에 의해 정하여져야만 할 것이다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 액정표시장치를 개략적으로 도시한 부분단면도이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호 설명>

10: 제1 절연 기판 20: 제2 절연 기판

100: 상부 기판 120: 블랙 매트릭스

130: 컬러 필터 140: 오버코트층

150: 공통 전극 200: 하부 기판

210: 박막 트랜지스터 230: 화소 전극

300: 액정

Claims

하기 화학식 1로 표시되는 제1 비극성 액정 화합물 10 내지 30 중량%;

하기 화학식 2로 표시되는 제2 비극성 액정 화합물 5 내지 15 중량%; 및

시클로헥산 링 또는 벤젠 링을 3개 이상 포함하고, 말단에 2 이상의 불소기가 형성된 화합물을 포함하는 극성 액정 화합물 55 내지 80 중량%를 포함하는 것을 특징으로 하는 액정 혼합물.

[화학식 1]

[화학식 2]

여기서, X₁는 탄소수 1 내지 3의 알킬 또는 알케닐기, Y₁는 탄소수 1 내지 2인 알킬기 또는 알케닐기, X₂는 2 내지 3 이상의 알킬 또는 알케닐, Y₂는 탄소수 3 내지 4인 알킬기 또는 알케닐기이다.
제1항에 있어서,

상기 극성 액정 화합물은 하기 화학식 3의 액정 화합물들로부터 선택되는 1종 이상을 포함하며 말단에 2 이상의 불소기가 형성된 것을 특징으로 하는 액정 혼합물.

[화학식 3]

,

,

,

,

,

,

,

,

,
제1항에 있어서,

상기 액정 혼합물의 유전율 이방성이 15 내지 20인 것을 특징으로 하는 액정 혼합물.
제1항에 있어서,

상기 액정 혼합물의 굴절률이 0.1 내지 0.12인 것을 특징으로 하는 액정 혼합물.
제1항에 있어서,

상기 액정 혼합물의 회전 점도가 90 내지 110 mPas인 것을 특징으로 하는 액정 혼합물.
박막 트랜지스터 및 화소 전극을 구비하는 제1 기판;

상기 제1 기판과 대향하여 배치되며, 공통 전극을 구비하는 제2 기판; 및

상기 제1 기판 및 제2 기판 사이에 개재되는 액정 혼합물을 포함하며,

상기 액정 혼합물은 하기 화학식 1로 표시되는 제1 비극성 액정 화합물 10 내지 30 중량%; 하기 화학식 2로 표시되는 제2 비극성 액정 화합물 5 내지 15 중량%; 및 시클로헥산 링 또는 벤젠 링을 3개 이상 포함하고, 말단에 2 이상의 불소기가 형성된 화합물을 포함하는 극성 액정 화합물 55 내지 80 중량%를 포함하는 것을 특징으로 하는 액정표시장치.

[화학식 1]

[화학식 2]

여기서, X₁는 탄소수 1 내지 3의 알킬 또는 알케닐기, Y₁는 탄소수 1 내지 2인 알킬기 또는 알케닐기, X₂는 2 내지 3 이상의 알킬 또는 알케닐, Y₂는 탄소수 3 내지 4인 알킬기 또는 알케닐기이다.
제6항에 있어서,

상기 극성 액정 화합물은 하기 화학식 3의 액정 화합물들로부터 선택되는 1종 이상을 포함하며 말단에 2 이상의 불소기가 형성된 것을 특징으로 하는 액정표시장치.

[화학식 3]

,

,

,

,

,

,

,

,

,
제6항에 있어서,

상기 액정 혼합물의 유전율 이방성이 15 내지 20인 것을 특징으로 하는 액정표시장치.
제6항에 있어서,

상기 액정 혼합물의 굴절률이 0.1 내지 0.12인 것을 특징으로 하는 액정표시 장치.
제6항에 있어서,

상기 액정 혼합물의 회전 점도가 90 내지 110 mPas인 것을 특징으로 하는 액정표시장치.
제6항에 있어서,

상기 제1 기판 및 제2 기판 간의 간격은 3.4 내지 4.0㎛인 것을 특징으로 하는 액정표시장치.
제6항에 있어서,

구동 전압이 2.4 내지 2.9V인 것을 특징으로 하는 액정표시장치.