KR20190027681A - 액정 배향제 조성물, 이를 이용한 액정 배향막의 제조 방법, 및 이를 이용한 액정 배향막 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 우수한 배향성, 전기적 특성을 나타냄과 동시에, 우수한 막강도를 갖는 액정배향막을 형성하기 위한 액정 배향제 조성물, 이를 이용한 액정 배향막의 제조 방법, 및 이를 이용한 액정 배향막 및 액정 표시소자에 관한 것이다.

Description

액정 배향제 조성물, 이를 이용한 액정 배향막의 제조 방법, 및 이를 이용한 액정 배향막{LIQUID CRYSTAL ALIGNMENT COMPOSITION, METHOD OF PREPARING LIQUID CRYSTAL ALIGNMENT FILM, AND LIQUID CRYSTAL ALIGNMENT FILM USING THE SAME}
본 발명은 우수한 배향성, 전기적 특성을 나타냄과 동시에, 우수한 막강도를 갖는 액정배향막을 형성하기 위한 액정 배향제 조성물, 이를 이용한 액정 배향막의 제조 방법, 및 이를 이용한 액정 배향막 및 액정 표시소자에 관한 것이다.
액정 표시소자에 있어서, 액정 배향막은 액정을 일정한 방향으로 배향시키는 역할을 담당하고 있다. 구체적으로, 액정 배향막은 액정 분자의 배열에 방향자(director) 역할을 하여 전기장(electric field)에 의해 액정이 움직여서 화상을 형성할 때, 적당한 방향을 잡도록 해준다. 액정 표시소자에서 균일한 휘도(brightness)와 높은 명암비(contrast ratio)를 얻기 위해서는 액정을 균일하게 배향하는 것이 필수적이다.
종래 액정을 배향시키는 방법 중 하나로, 유리 등의 기판에 폴리이미드와 같은 고분자 막을 도포하고, 이 표면을 나일론이나 폴리에스테르 같은 섬유를 이용해 일정한 방향으로 문지르는 러빙(rubbing) 방법이 이용되었다. 그러나 러빙 방법은 섬유질과 고분자막이 마찰될 때 미세한 먼지나 정전기(electrical discharge: ESD)가 발생할 수 있어, 액정 패널 제조 시 심각한 문제점을 야기시킬 수 있다.
상기 러빙 방법의 문제점을 해결하기 위하여, 최근에는 마찰이 아닌 광 조사에 의해 고분자 막에 이방성(비등방성, anisotropy)을 유도하고, 이를 이용하여 액정을 배열하는 광 배향법이 연구되고 있다.
상기 광배향법에 사용될 수 있는 재료로는 다양한 재료가 소개되어 있으며, 그 중에서도 액정 배향막의 양호한 제반 성능을 위해 폴리이미드가 주로 사용되고 있다. 그러나, 폴리이미드는 용매 용해성이 떨어져 용액 상태로 코팅하여 배향막을 형성시키는 제조 공정 상에 바로 적용하기에는 어려움이 있다.
따라서, 용해성이 우수한 폴리아믹산 또는 폴리아믹산 에스테르와 같은 전구체 형태로 코팅을 한 후 200 ℃ 내지 230 ℃의 온도에서 열처리 공정을 거쳐 폴리이미드를 형성시키고 여기에 광조사를 실행하여 배향처리를 하게 된다.
그러나, 패널의 대형화로 인해 제조공정상 칼럼 스페이스(Coum space, CS)의 쓸림 현상이 발생하면서, 액정 배향막 표면에 헤이즈가 발생하고, 이로 인해 은하수 불량이 야기되어 패널의 성능이 충분히 구현되지 못하는 한계가 있었다.
이에, 디스플레이 분야에서 요구되는 높은 막강도의 액정 배향막을 제조하기 위한 액정 배향제 조성물의 개발이 필요한 실정이다.
본 발명은 우수한 배향성, 전기적 특성을 나타냄과 동시에, 우수한 막강도를 갖는 액정배향막을 형성하기 위한 액정 배향제 조성물에 관한 것이다.
또한, 본 발명은 상기의 액정 배향제 조성물을 이용한 액정 배향막의 제조 방법을 제공하기 위한 것이다.
또한, 본 발명은 상기의 제조방법으로 제조되는 액정 배향막 및 이를 포함하는 액정 표시소자를 제공하기 위한 것이다.
본 명세서에서는, (i) 하기 화학식 1로 표시되는 반복 단위, 또는 하기 화학식 2로 표시되는 반복 단위를 포함한 중합체; 및 (ii) 하기 화학식 5로 표시되는 폴리카보디이미드 화합물을 포함하는 액정배향제 조성물이 제공된다.
[화학식1]
Figure pat00001
[화학식2]
Figure pat00002
상기 화학식 1 내지 2에서,
R1 및 R2 중 적어도 하나는 탄소수 1 내지 10의 알킬기이고, 나머지는 수소이며,
X1 및 X2는 각각 독립적으로 하기 화학식3으로 표시되는 4가의 유기기이며,
[화학식3]
Figure pat00003
상기 화학식 3에서,
R3 내지 R8은 각각 독립적으로 수소 또는 탄소수 1 내지 6의 알킬기이고,
L1는 단일결합, -O-, -CO-, -COO-, -S-, -SO-, -SO2-, -CR9R10-, -(CH2)Z-, -O(CH2)ZO-, -COO(CH2)ZOCO-, -CONH-, 페닐렌 또는 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나이며,
상기에서 R9 및 R10는 각각 독립적으로 수소, 탄소수 1 내지 10의 알킬기 또는 플루오로알킬기이고,
Z는 1 내지 10의 정수이며,
Y1 및 Y2는 각각 독립적으로 하기 화학식 4로 표시되는 2가의 유기기이고,
[화학식 4]
Figure pat00004
상기 화학식 4에서,
Q1 내지 Q4 중 적어도 하나는 질소이고, 나머지는 탄소이며,
R3는 수소 또는 탄소수 1 내지 6의 알킬기이고,
[화학식5]
Figure pat00005
상기 화학식 5에서,
A는 -O-, -CO-, -S-, -C(CH3)2-, -C(CF3)2-, -CONH-, -COO-, -(CH2)b-, -O(CH2)bO-, -COO-(CH2)b-OCO-, 우레탄계 작용기, 및 우레아계 작용기를 포함한 유기기이며,
b는 1 내지 10의 정수이며,
R11은 탄소수 1 내지 20의 알킬렌기 또는 탄소수 6 내지 20의 아릴렌기이고,
m은 1 내지 5의 정수이고,
D는 하기 화학식 6으로 표시되는 작용기이고,
[화학식6]
Figure pat00006
상기 화학식6에서,
T는 -O- 또는 -NH-이고,
R12는 수소, 할로겐, 탄소수 1 내지 6의 알킬기, 탄소수 6 내지 20의 아릴기 또는 에테르기이고,
R13은 수소 또는 탄소수 1 내지 6의 알킬기이다.
기존의 폴리이미드를 액정 배향막으로 사용하는 경우, 용해성이 우수한 폴리이미드 전구체, 폴리아믹산 또는 폴리아믹산 에스테르를 도포하고 건조하여 도막을 형성한 후, 고온의 열처리 공정을 거쳐 폴리이미드로 전환시키고 여기에 광조사 또는 러빙처리를 실행하여 배향처리를 하였다.
그러나, 이러한 폴리이미드 배향막의 경우 배향막 내부에서 폴리이미드 주사슬을 이루는 반복단위간 결합을 제외하고는 반복단위간의 화학적 가교결합이 없어 배향막의 강도가 충분치 못한 한계가 있었다.
이에 본 발명자들은, 폴리이미드 전구체에 해당하는 폴리아믹산 또는 폴리아믹산 에스테르에 대하여 내부 반복단위간 화학적 가교를 형성할 수 있는 가교제로서 폴리카보디이미드 화합물을 적용하여, 가교체 형성을 통해 우수한 기계적 강도를 확보할 수 있을 뿐 아니라, 기존 액정배향막과 비교시에도 동등 수준 이상의 배향특성 및 전기적 특성을 구현할 수 있음을 실험을 통해 확인하고 발명을 완성하였다.
특히, 액정배향제 조성물에 첨가되는 가교제 화합물의 경우, 상기 화학식5에 나타난 바와 같이, 중심에 위치한 유기기인 A의 말단에 2개 이상의 카보디이미드계 작용기가 위치하는 특징적인 화학구조를 통해, 폴리아믹산 또는 폴리아믹산 에스테르의 카복시 그룹과 카보디이미드계 작용기 간의 효과적인 가교반응을 유도할 수 있다.
이를 통해, 상기 폴리카보디이미드 화합물은 폴리아믹산 또는 폴리아믹산 에스테르의 내부 주사슬 간의 화학적 가교를 매개할 수 있으며, 상대적으로 높은 가교도를 갖는 가교구조체를 형성함으로서 기존 액정배향막에 비해 현저히 향상된 기계적 강도를 가질 수 있다.
이하, 본 발명을 보다 상세히 설명한다.
용어의 정의
본 명세서에서 특별한 제한이 없는 한 다음 용어는 하기와 같이 정의될 수 있다.
본 명세서에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
본 명세서에서, "치환"이라는 용어는 화합물 내의 수소 원자 대신 다른 작용기가 결합하는 것을 의미하며, 치환되는 위치는 수소 원자가 치환되는 위치 즉, 치환기가 치환 가능한 위치라면 한정되지 않으며, 2 이상 치환되는 경우, 2 이상의 치환기는 서로 동일하거나 상이할 수 있다.
본 명세서에서 "치환 또는 비치환된" 이라는 용어는 중수소; 할로겐기; 시아노기; 니트로기; 히드록시기; 카르보닐기; 에스테르기; 이미드기; 아미드기; 아미노기; 카르복시기; 술폰산기; 술폰아미드기; 포스핀옥사이드기; 알콕시기; 아릴옥시기; 알킬티옥시기; 아릴티옥시기; 알킬술폭시기; 아릴술폭시기; 실릴기; 붕소기; 알킬기; 시클로알킬기; 알케닐기; 아릴기; 아르알킬기; 아르알케닐기; 알킬아릴기; 아릴포스핀기; 또는 N, O 및 S 원자 중 1개 이상을 포함하는 헤테로고리기로 이루어진 군에서 선택된 1개 이상의 치환기로 치환 또는 비치환되거나, 상기 예시된 치환기 중 2 이상의 치환기가 연결된 치환 또는 비치환된 것을 의미한다. 예컨대, "2 이상의 치환기가 연결된 치환기"는 바이페닐기일 수 있다. 즉, 바이페닐기는 아릴기일 수도 있고, 2개의 페닐기가 연결된 치환기로 해석될 수도 있다.
본 명세서에서,
Figure pat00007
, 또는
Figure pat00008
는 다른 치환기에 연결되는 결합을 의미하고, 직접결합은 L 로 표시되는 부분에 별도의 원자가 존재하지 않은 경우를 의미한다.
탄소수 4 내지 20의 탄화수소는, 탄소수 4 내지 20의 알칸(alkane), 탄소수 4 내지 20의 알켄(alkene), 탄소수 4 내지 20의 알킨(alkyne), 탄소수 4 내지 20의 사이클로알칸(cycloalkane), 탄소수 4 내지 20의 사이클로알켄(cycloalkene), 탄소수 6 내지 20의 아렌(arene)이거나, 혹은 이들 중 1종 이상의 고리형 탄화수소가 2 이상의 원자를 공유하는 축합 고리(fused ring)이거나, 혹은 이들 중 1종 이상의 탄화수소가 화학적으로 결합된 탄화수소일 수 있다. 구체적으로, 탄소수 4 내지 20의 탄화수소로는 n-부탄, 사이클로부탄, 1-메틸사이클로부탄, 1,3-디메틸사이클로부탄, 1,2,3,4-테트라메틸사이클로부탄, 사이클로펜탄, 사이클로헥산, 사이클로헵탄, 사이클로옥탄, 사이클로헥센, 1-메틸-3-에틸사이클로헥센, 바이사이클로헥실, 벤젠, 바이페닐, 디페닐메탄, 2,2-디페닐프로판, 1-에틸-1,2,3,4-테트라하이드로나프탈렌 또는 1,6-디페닐헥산 등을 예시할 수 있다.
탄소수 1 내지 10의 알킬기는 직쇄, 분지쇄 또는 고리형 알킬기일 수 있다. 구체적으로, 탄소수 1 내지 10의 알킬기는 탄소수 1 내지 10의 직쇄 알킬기; 탄소수 1 내지 6의 직쇄 알킬기; 탄소수 3 내지 10의 분지쇄 또는 고리형 알킬기; 또는 탄소수 3 내지 6의 분지쇄 또는 고리형 알킬기일 수 있다. 보다 구체적으로, 탄소수 1 내지 10의 알킬기로는 메틸기, 에틸기, n-프로필기, iso-프로필기, n-부틸기, iso-부틸기, tert-부틸기, n-펜틸기, iso-펜틸기, neo-펜틸기 또는 사이클로헥실기 등을 예시할 수 있다.
탄소수 1 내지 10의 플루오로알킬기는 상기 탄소수 1 내지 10의 알킬기의 하나 이상의 수소가 불소로 치환된 것일 수 있고, 탄소수 1 내지 10의 플루오로알콕시기는 상기 탄소수 1 내지 10의 알콕시기의 하나 이상의 수소가 불소로 치환된 것일 수 있다.
할로겐(halogen)은 불소(F), 염소(Cl), 브롬(Br) 또는 요오드(I)일 수 있다.
질소 산화물은 질소 원자와 산소 원자가 결합한 화합물로서, 질소 산화물 작용기는 작용기 내에 질소 산화물을 포함한 작용기를 의미한다. 상기 질소 산화물 작용기의 예를 들면, 니트로기(-NO2) 등을 사용할 수 있다.
탄소수 1 내지 10의 알콕시기는 직쇄, 분지쇄 또는 고리형 알콕시기일 수 있다. 구체적으로, 탄소수 1 내지 10의 알콕시기는 탄소수 1 내지 10의 직쇄 알콕시기; 탄소수 1 내지 5의 직쇄 알콕시기; 탄소수 3 내지 10의 분지쇄 또는 고리형 알콕시기; 또는 탄소수 3 내지 6의 분지쇄 또는 고리형 알콕시기일 수 있다. 보다 구체적으로, 탄소수 1 내지 10의 알콕시기로는 메톡시기, 에톡시기, n-프로폭시기, iso-프로폭시기, n-부톡시기, iso-부톡시기, tert-부톡시기, n-펜톡시기, iso-펜톡시기, neo-펜톡시기 또는 사이클로헥톡시기 등을 예시할 수 있다.
탄소수 1 내지 10의 알케닐기는 직쇄, 분지쇄 또는 고리형 알케닐기일 수 있다. 구체적으로, 탄소수 1 내지 10의 알케닐기는 탄소수 2 내지 10의 직쇄 알케닐기, 탄소수 2 내지 5의 직쇄 알케닐기, 탄소수 3 내지 10의 분지쇄 알케닐기, 탄소수 3 내지 6의 분지쇄 알케닐기, 탄소수 5 내지 10의 고리형 알케닐기 또는 탄소수 6 내지 8의 고리형 알케닐기일 수 있다. 보다 구체적으로, 탄소수 2 내지 10의 알케닐기로는 에테닐기, 프로페닐기, 부테닐기, 펜테닐기 또는 사이클로헥세닐기 등을 예시할 수 있다.
본 명세서에 있어서, 아릴기는 특별히 한정되지 않으나 탄소수 6 내지 60인 것이 바람직하며, 단환식 아릴기 또는 다환식 아릴기일 수 있다. 일 실시상태에 따르면, 상기 아릴기의 탄소수는 6 내지 30이다. 일 실시상태에 따르면, 상기 아릴기의 탄소수는 6 내지 20이다. 상기 아릴기가 단환식 아릴기로는 페닐기, 바이페닐기, 터페닐기 등이 될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 다환식 아릴기로는 나프틸기, 안트라세닐기, 페난트릴기, 파이레닐기, 페릴레닐기, 크라이세닐기, 플루오레닐기 등이 될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
본 명세서에 있어서, 알킬렌기는 알케인(alkane)으로부터 유래한 2가의 작용기로, 예를 들어, 직쇄형, 분지형 또는 고리형으로서, 메틸렌기, 에틸렌기, 프로필렌기, 이소부틸렌기, sec-부틸렌기, tert-부틸렌기, 펜틸렌기, 헥실렌기 등이 될 수 있다.
본 명세서에 있어서, 아릴렌기는 아릴기에 결합 위치가 두 개 있는 것 즉 2가기를 의미한다. 이들은 각각 2가기인 것을 제외하고는 전술한 아릴기의 설명이 적용될 수 있다.
임의의 화합물에서 유래한 유기기(multivalent organic group)는 임의의 화합물에 결합된 복수의 수소 원자가 제거된 형태의 잔기를 의미한다. 일 예로, 사이클로부탄에서 유래한 4가의 유기기는 사이클로부탄에 결합된 임의의 수소 원자 4개가 제거된 형태의 잔기를 의미한다.
본 명세서에서, 화학식 중
Figure pat00009
, 또는
Figure pat00010
는 해당 부위의 수소가 제거된 형태의 잔기를 의미한다. 예를 들어,
Figure pat00011
는 사이클로부탄의 1, 2, 3 및 4번 탄소에 결합된 수소 원자 4개가 제거된 형태의 잔기, 즉 사이클로부탄에서 유래한 4가의 유기기 중 어느 하나를 의미한다.
본 명세서에서, 직접결합 또는 단일결합은 해당 위치에 어떠한 원자 또는 원자단도 존재하지 않아, 결합선으로 연결되는 것을 의미한다. 구체적으로, 화학식 중 L1, L2로 표시되는 부분에 별도의 원자가 존재하지 않은 경우를 의미한다.
중합체
상기 중합체는, 상기 화학식 1로 표시되는 반복 단위, 또는 상기 화학식 2로 표시되는 반복 단위를 포함한다. 즉, 상기 중합체는 상기 화학식 1로 표시되는 반복 단위 1종, 또는 상기 화학식 2로 표시되는 반복 단위 1종, 또는 상기 화학식 1로 표시되는 반복 단위 및 상기 화학식 2로 표시되는 반복 단위 모두를 포함할 수 있다.
상기 화학식 1 및 2의 반복 단위에서 X1 및 X2는 각각 독립적으로 탄소수 4 내지 20의 탄화수소에서 유래한 4가의 유기기이거나, 혹은 상기 4가의 유기기 중 하나 이상의 H가 할로겐으로 치환되거나 또는 하나 이상의 -CH2-가 산소 또는 황 원자들이 직접 연결되지 않도록 -O-, -CO-, -S-, -SO-, -SO2- 또는 -CONH-로 대체된 4가의 유기기일 수 있다.
구체적인 예로, 상기 X1 및 X2는 각각 독립적으로 하기 화학식 3에 기재된 4가의 유기기일 수 있다.
[화학식 3]
Figure pat00012
상기 화학식 3에서, R3 내지 R8은 각각 독립적으로 수소 또는 탄소수 1 내지 6의 알킬기이고, L1는 단일결합, -O-, -CO-, -COO-, -S-, -SO-, -SO2-, -CR9R10-, -(CH2)Z-, -O(CH2)ZO-, -COO(CH2)ZOCO-, -CONH-, 페닐렌 또는 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나이며, 상기에서 R9 및 R10는 각각 독립적으로 수소, 탄소수 1 내지 10의 알킬기 또는 플루오로알킬기이고, Z는 1 내지 10의 정수이다.
보다 바람직하게는 상기 X1 및 X2는 각각 독립적으로 시클로부탄-1,2,3,4-테트라카르복실릭디무수물로부터 유래한 하기 화학식 3-1의 유기기, 1,3-디메틸시클로부탄-1,2,3,4-테트라카르복실릭디무수물로부터 유래한 하기 화학식 3-2의 유기기 또는 테트라하이드로-[3,3'-바이퓨란]-2,2',5,5'-테트라온으로부터 유래한 하기 화학식 3-3의 유기기일 수 있다.
[화학식 3-1]
Figure pat00013
[화학식 3-2]
Figure pat00014
[화학식 3-3]
Figure pat00015
한편, 상기 Y1 및 Y2는 하기 화학식 4로 표시되는 2가의 유기기로 정의되어 상술한 효과를 발현할 수 있는 다양한 구조의 액정 배향제용 중합체를 제공할 수 있다.
[화학식 4]
Figure pat00016
상기 화학식 4에서, Q1 내지 Q4 중 적어도 하나는 질소이고, 나머지는 탄소이며, R3는 수소 또는 탄소수 1 내지 6의 알킬기이다.
상기 화학식 4로 표시되는 작용기는 2차 아민기 또는 3차 아민기를 매개로 2개의 방향족 고리 화합물, 바람직하게는 1개의 헤테로 방향족 고리 화합물과 1개의 방향족 고리화합물이 결합하는 구조적 특징이 있다. 이에 따라, 액정배향제로서의 배향성이나 잔상특성은 동등 수준이상을 만족하면서도, 전압보유율이 크게 향상되어 우수한 전기적 특성을 구현할 수 있다.
반면, 2개의 방향족 고리화합물이 2차 아민기 또는 3차 아민기 없이 단일결합으로 결합하는 경우, 액정배향제의 배향특성이 불량하고, 전압보유율이 감소하는 기술적 문제가 발생할 수 있다.
또한, 2차 아민기 또는 3차 아민기를 통해 결합하는 2개의 방향족 고리화합물 모두가 질소원자와 같은 헤테로 원자를 포함하지 않는 경우, 아민과 산무수물의 반응으로 형성되는 폴리아믹산 또는 폴리아믹산 에스터에 대해 이미드화 반응을 진행하더라도, (예를들어, 230 ℃ 열처리를 통해) 충분한 이미드화반응을 진행하지 못함에 따라, 최종 액정배향막 내에서 이미드화율이 감소하는 한계가 있다. 이는 아민 화합물의 구조 차이에 기인한 아민, 폴리아믹산, 폴리아믹산 에스터의 물리적, 화학적 특성 차이로 인한 것으로 보인다.
구체적으로, 상기 화학식4에서, Q1 내지 Q4 중 하나가 질소이고, 나머지는 탄소일 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 화학식4의 Q1 내지 Q4 에서, Q2 및 Q4 중 하나가 질소이고, 나머지는 탄소일 수 있다. 바람직하게는 상기 화학식4의 Q1 내지 Q4 에서, Q2 가 질소이고, Q1, Q3 및 Q4은 탄소일 수 있다.
즉, 상기 화학식4는 벤젠의 6개 탄소 중 하나가 질소로 치환된 피리딘(pyridine) 화합물과 벤젠 화합물이 2차 아민 또는 3차 아민을 통해 비대칭적으로 결합된 구조를 가질 수 있다. 이에 따라, 상기 일 구현예의 액정 배향제 조성물이 적용된 액정디스플레이 소자가 높은 전압유지율 및 액정배향성을 구현할 수 있다.
반면, 상기 화학식 4에서, Q1 및 Q3 중 하나가 질소이면, 제조된 배향막에 대한 전기적 장기신뢰성이 점차 감소하는 문제가 발생할 수 있다.
또한, 상기 화학식4에서, R3은 수소일 수 있다.
상기 화학식 4는 액정 배향제용 중합체 형성에 사용되는 전구체인 디아민으로부터 유래한 반복단위로서, 후술하는 바와 같이 비대칭성 피리딘계 디아민을 사용함에 따른 것으로 보인다.
기존에 알려진 액정 배향제용 중합체 분야에서 비대칭성 피리딘계 디아민 또는 이로부터 유래한 반복단위에 대한 구성 및 그에 따른 효과를 전혀 인지하지 못하고 있다는 점에서 상기 화학식4의 반복단위와 이의 전구체인 디아민 화합물은 신규한 것이라고 보인다.
또한, 상기 화학식4는 하기 화학식4-1 내지 화학식4-3으로 표시되는 작용기를 포함할 수 있다.
[화학식4-1]
Figure pat00017
[화학식4-2]
Figure pat00018
[화학식4-3]
Figure pat00019
상기 화학식 4-1 내지 화학식 4-3에서, Q1 내지 Q4, R3은 상기 화학식 4에서 상술한 내용을 포함한다.
이와 같이, 상기 화학식4는 상기 화학식4-1 내지 화학식4-3으로 표시되는 작용기를 포함함에 따라, 상기 일 구현예의 액정 배향제용 중합체가 적용된 액정디스플레이 소자가 높은 전압유지율 및 액정배향성을 구현할 수 있다.
보다 구체적으로는 상기 화학식4는 하기 화학식4-4 내지 화학식4-6로 표시되는 작용기를 포함할 수 있다.
[화학식4-4]
Figure pat00020
[화학식4-5]
Figure pat00021
[화학식4-6]
Figure pat00022
상기 액정배향제용 중합체를 제조하는 방법의 예가 크게 한정되는 것은 아니며, 예를 들어, 하기 화학식 11의 헤테로 방향족 화합물을 하기 화학식 12의 방향족 화합물과 반응시켜 하기 화학식 13의 화합물을 제조하는 단계; 상기 화학식 13의 화합물을 환원시켜 하기 화학식 14의 디아민을 제조하는 단계; 상기 화학식 14의 디아민을 테트라카복실산 혹은 이의 무수물과 반응시키는 단계를 포함하는 액정 배향제용 중합체의 제조 방법을 사용할 수 있다.
[화학식11]
Figure pat00023
상기 화학식 11에서, R21은 할로겐 원소이고, R22는 질소 산화물 작용기이며,
Z1 내지 Z4 중 적어도 하나는 질소이고, 나머지는 탄소이고,
[화학식12]
Figure pat00024
상기 화학식 12에서, R3은 수소, 또는 탄소수 1 내지 10의 알킬기이며, R23은 아미노기 또는 질소 산화물 작용기이고,
[화학식13]
Figure pat00025
[화학식14]
Figure pat00026
바람직하게는 상기 화학식11에서, R21은 염소 원소이고, R22는 니트로기이며, Z1 또는 Z3 중 하나는 질소이고, 나머지는 탄소이고, Z2 및 Z4 는 탄소일 수 있다. 즉, 상기 화학식11의 바람직한 예로는 2-클로로-5-니트로피리딘, 2-클로로-4-니트로피리딘 등을 들 수 있다.
한편, 상기 화학식12에서, R3은 수소이며, R23은 니트로기 또는 아미노기일 수 있다. 즉, 상기 화학식12의 바람직한 예로는 파라페닐렌디아민, 메타페닐렌디아민 등을 들 수 있다.
구체적으로, 상기 화학식 13의 화합물을 제조하는 단계에서는 상기 화학식 11의 헤테로 방향족 화합물을 상기 화학식12의 헤테로 방향족 화합물과 반응을 통해 상기 화학식 13의 화합물을 제조할 수 있다. 구체적으로 상기 화학식 11의 헤테로 방향족 화합물에 포함된 R21의 할로겐 원소가 화학식 12의 헤테로 방향족 화합물에 포함된 질소 원소로 치환되는 반응이 진행될 수 있다.
상기 반응은 3차아민 촉매에 의해 50 ℃ 내지 150 ℃ 에서 10시간 내지 20시간동안 진행되는 조건에서 진행될 수 있다. 상기 반응은 종래 알려진 다양한 유기 용매 존재하에서 진행될 수 있으며, 상기 유기 용매의 구체적인 예로는 에틸 아세테이트, 테트라하이드로퓨란, N,N-디메틸포름아미드, N,N-디메틸아세트아미드, N-메틸-2-피롤리돈, N-메틸카프로락탐, 2-피롤리돈, N-에틸피롤리돈, N-비닐피롤리돈, 디메틸술폭사이드, 테트라메틸우레아, 피리딘, 디메틸술폰, 헥사메틸술폭사이드, γ-부티로락톤, 3-메톡시-N,N-디메틸프로판아미드, 3-에톡시-N,N-디메틸프로판아미드, 3-부톡시-N,N-디메틸프로판아미드, 1,3-디메틸-이미다졸리디논, 에틸아밀케톤, 메틸노닐케톤, 메틸에틸케톤, 메틸이소아밀케톤, 메틸이소프로필케톤, 사이클로헥사논, 에틸렌카보네이트, 프로필렌카보네이트, 디글라임 또는 4-하이드록시-4-메틸-2-펜타논 등을 들 수 있다. 이들은 단독으로 사용될 수도 있고, 혼합하여 사용될 수도 있다.
상기 질소 산화물 작용기에서 질소 산화물은 질소 원자와 산소 원자가 결합한 화합물로서, 질소 산화물 작용기는 작용기 내에 질소 산화물을 포함한 작용기를 의미한다. 상기 질소 산화물 작용기의 예를 들면, 니트로기(-NO2) 등을 사용할 수 있다.
이렇게 제조된 상기 화학식 13의 화합물은 환원반응을 통해 화학식 14의 디아민 화합물을 제조할 수 있다. 구체적으로, 상기 화학식 13의 화합물에 포함된 R22 또는 R23의 질소 산화물 작용기가 환원 조건에서 환원되어 1차 아미노기로 환원됨에 따라, 디아민 화합물이 합성될 수 있다.
상기 환원반응은 팔라듐/탄소 촉매에 의해 상온에서 10 내지 15시간동안 진행되는 온화한 조건에서 진행될 수 있다. 상기 반응은 종래 알려진 다양한 유기 용매 존재하에서 진행될 수 있으며, 상기 유기 용매의 구체적인 예로는 에틸 아세테이트, 테트라하이드로퓨란, N,N-디메틸포름아미드, N,N-디메틸아세트아미드, N-메틸-2-피롤리돈, N-메틸카프로락탐, 2-피롤리돈, N-에틸피롤리돈, N-비닐피롤리돈, 디메틸술폭사이드, 테트라메틸우레아, 피리딘, 디메틸술폰, 헥사메틸술폭사이드, γ-부티로락톤, 3-메톡시-N,N-디메틸프로판아미드, 3-에톡시-N,N-디메틸프로판아미드, 3-부톡시-N,N-디메틸프로판아미드, 1,3-디메틸-이미다졸리디논, 에틸아밀케톤, 메틸노닐케톤, 메틸에틸케톤, 메틸이소아밀케톤, 메틸이소프로필케톤, 사이클로헥사논, 에틸렌카보네이트, 프로필렌카보네이트, 디글라임 또는 4-하이드록시-4-메틸-2-펜타논 등을 들 수 있다. 이들은 단독으로 사용될 수도 있고, 혼합하여 사용될 수도 있다.
상기 화학식 13, 화학식14에 기재된 Z1 내지 Z4, R3, R22, R23에 대한 내용은 상기 화학식 11 및 12에서 상술한 내용을 포함한다.
상기 화학식 14의 화합물의 구체적인 예로는 하기 화학식 14-1 내지 화학식 14-3으로 표시되는 화합물을 들 수 있다.
[화학식 14-1]
Figure pat00027
[화학식 14-2]
Figure pat00028
[화학식 14-3]
Figure pat00029
상기 단계들을 통해 제조된 화학식14의 디아민을 폴리아믹산의 제조에 통상적으로 사용되는 테트라카복실산 혹은 이의 무수물, 예를 들어, 피로멜리틱산 디무수물, 3,3',4,4'-바이페닐테트라카복실산 디무수물, 또는 시클로부탄-1,2,3,4-테트라카르복실릭디무수물, 또는 1,3-디메틸시클로부탄-1,2,3,4-테트라카르복실릭디무수물, 또는 테트라하이드로-[3,3'-바이퓨란]-2,2',5,5'-테트라온 등과 반응시켜 아믹산, 아믹산 에스테르, 또는 이의 혼합물로 이루어진 중합체를 제조할 수 있다.
또는 필요에 따라, 상기 단계들을 통해 제조된 화학식 14의 디아민 외에 일반적으로 액정배향제 관련 분야에 널리 알려진 다양한 종류의 디아민 화합물, 예를 들어, p-페닐렌디아민, 4,4-옥시디아닐린, 4,4'-메틸렌디아닐린 등을 혼합하여 아믹산, 아믹산 에스테르, 또는 이의 혼합물을 제조할 수 있다.
상기 반응 조건은 본 발명이 속한 기술분야에 알려진 폴리아믹산의 제조 조건을 참고하여 적절히 조절할 수 있다.
상기 화학식 1로 표시되는 반복 단위 또는 화학식 2로 표시되는 반복 단위는 목적하는 특성에 따라 적절한 함량으로 포함될 수 있다.
구체적으로, 상기 화학식 1로 표시되는 반복 단위는 상기 중합체 내 전체 반복 단위에 대하여 0 몰% 내지 95몰%, 또는 10 몰% 내지 90몰% 포함될 수 있다. 이러한 범위 내에서 우수한 코팅성을 갖는 액정 배향제용 중합체를 제공할 수 있다.
그리고, 상기 화학식 2로 표시되는 반복 단위는 상기 중합체 내 전체 반복 단위에 대하여 0 몰% 내지 80몰%, 또는 0 몰% 내지 40몰%, 또는 0.1 몰% 내지 30몰% 포함될 수 있다. 상기 화학식 2로 표시되는 반복 단위는 광 조사 후 고온 열처리 공정 중 주쇄의 구조 및 함량에 따라 이미드로 전환되는 비율이 상이하고, 그로 인해 분자의 주쇄의 결정성에 영향을 미친다. 상기 범위를 넘어서는 경우 분자 사슬의 겹침(sticking) 정도에 의하여 배향 안정성이 저하될 수 있다.
한편, 상기 중합체는 하기 화학식 7 또는 화학식 8로 표시되는 반복단위를 더 포함할 수 있다. 즉, 상기 중합체는 상기 화학식 7로 표시되는 반복 단위 1종, 또는 상기 화학식 8로 표시되는 반복 단위 1종, 또는 상기 화학식 7로 표시되는 반복 단위 및 상기 화학식 8로 표시되는 반복 단위 모두를 포함할 수 있다.
[화학식7]
Figure pat00030
[화학식8]
Figure pat00031
상기 화학식7 또는 화학식 8에서, X는 상기 화학식1의 X1 또는 상기 화학식2의 X2이고, Y는 상기 화학식1의 Y1 또는 상기 화학식2의 Y2이며, R30은 수소 또는 탄소수 1 내지 10의 알킬기이고, D는 상기 화학식5의 D이다.
상기 화학식7 또는 화학식8은 상기 화학식1로 표시되는 폴리아믹산 반복단위 또는 상기 화학식2로 표시되는 폴리아믹산 에스터 반복단위가 상기 화학식 5로 표시되는 폴리카보디이미드 화합물과 가교구조를 형성한 반복단위로서, 상기 화학식 7 또는 화학식8의 반복단위를 통해 액정 배향제용 중합체 및 최종 제조되는 액정 배향막 내부 주사슬간에 가교구조가 도입됨에 따라 우수한 기계적 강도를 구현할 수 있다.
보다 구체적으로, 상기 화학식7 또는 화학식8의 반복단위는 상기 화학식1로 표시되는 폴리아믹산 반복단위의 카복시기 또는 상기 화학식2로 표시되는 폴리아믹산 에스터 반복단위의 에스터기가 상기 화학식 5로 표시되는 폴리카보디이미드 화합물의 카보디이미드 작용기와 반응하면서 형성될 수 있다.
상기 화학식7 또는 화학식 8로 표시되는 반복단위는, 상기 액정배향제 조성물 내에서 화학식1 또는 화학식 2로 표시되는 반복단위 몰수를 기준으로 0.1 몰% 내지 20 몰%로 함유될 수 있다. 상기 화학식7 또는 화학식 8로 표시되는 반복단위의 몰비율이 지나치게 많아지면, 상기 액정배향제용 중합체의 가교도가 지나치게 증가함에 따라, 상기 중합체의 유연성이 감소할 수 있고, 폴리이미드에 의한 액정배향특성 또한 감소할 수 있다.
반면, 상기 화학식7 또는 화학식 8로 표시되는 반복단위의 몰비율이 지나치게 작아지면, 상기 액정배향제용 중합체의 가교도 증가에 의한 기계적 강도 향상 효과가 충분히 구현되기 어려울 수 있다.
폴리카보디이미드 화합물
상술한 액정 배향제용 중합체 이외에, 본 발명의 일 구현예의 액정 배향제 조성물은 폴리카보디이미드 화합물을 포함시킴으로서, 이로부터 제조되는 액정 배향막의 기계적 강도를 향상시킬 수 있다.
상기 폴리카보디이미드 화합물은 분자내에 적어도 2이상의 카보디이미드계 작용기를 함유하고 있는 화합물을 의미한다. 상기 카보디이미드 작용기는 탄소 및 질소 간의 이중결합을 포함한 -N=C=N-로 표시되는 작용기로서, 화학식1로 표시되는 폴리아믹산 반복단위의 카복시기 또는 상기 화학식2로 표시되는 폴리아믹산 에스터 반복단위의 에스터기와의 높은 반응성을 나타낼 수 있다.
구체적으로 상기 폴리카보디이미드 화합물은 하기 화학식 5로 표시되는 화합물일 수 있다.
[화학식5]
Figure pat00032
상기 화학식 5에서, A는 -O-, -CO-, -S-, -C(CH3)2-, -C(CF3)2-, -CONH-, -COO-, -(CH2)b-, -O(CH2)bO-, -COO-(CH2)b-OCO-, 우레탄계 작용기, 및 우레아계 작용기를 포함한 유기기이며, b는 1 내지 10의 정수이며, R11은 탄소수 1 내지 20의 알킬렌기 또는 탄소수 6 내지 20의 아릴렌기이고, m은 1 내지 5의 정수이고, D는 하기 화학식 6으로 표시되는 작용기이고,
[화학식6]
Figure pat00033
상기 화학식6에서, T는 -O- 또는 -NH-이고, R12는 수소, 할로겐, 탄소수 1 내지 6의 알킬기, 탄소수 6 내지 20의 아릴기 또는 에테르기이고, R13은 수소 또는 탄소수 1 내지 6의 알킬기이다.
상기 우레탄계 작용기는 우레탄기(-OCONH-) 또는 우레탄기로부터 유도된 작용기를 포함하며, 상기 우레탄기로부터 유도된 작용기는 우레탄기의 수소 원자 대신 다른 작용기가 치환된 것을 의미할 수 있다. 상기 치환 작용기의 예는 크게 한정되지 않고, 예를 들어, 중수소; 할로겐기; 시아노기; 니트로기; 히드록시기; 카르보닐기; 에스테르기; 이미드기; 아미드기; 아미노기; 카르복시기; 술폰산기; 술폰아미드기; 포스핀옥사이드기; 알콕시기; 아릴옥시기; 알킬티옥시기; 아릴티옥시기; 알킬술폭시기; 아릴술폭시기; 실릴기; 붕소기; 알킬기; 시클로알킬기; 알케닐기; 아릴기; 아르알킬기; 아르알케닐기; 알킬아릴기; 아릴포스핀기; 또는 N, O 및 S 원자 중 1개 이상을 포함하는 헤테로고리기를 사용할 수 있다.
상기 우레아계 작용기는 우레아기(-NHCONH-) 또는 우레탄기로부터 유도된 작용기를 포함하며, 상기 우레탄기로부터 유도된 작용기는 우레탄기의 수소 원자 대신 다른 작용기가 치환된 것을 의미할 수 있다.
구체적으로, 상기 화학식 6으로 표시되는 작용기에서, T는 -O- 이고, R12는 하기 화학식 6-1의 에테르기이고, R13은 수소일 수 있다.
[화학식6-1]
Figure pat00034
상기 화학식 6-1에서, R14는 수소 또는 탄소수 1 내지 6의 알킬기이고, R15는 탄소수 1 내지 6의 알킬렌기이고, p는 1내지 5의 정수이다.
또한, 상기 화학식 6으로 표시되는 작용기에서, T는 -NH-이고, R12는 수소, 할로겐, 탄소수 1 내지 6의 알킬기, 탄소수 6 내지 20의 아릴기 이고, R13은 수소일 수 있다.
한편, 상기 화학식 5에서, A로 표시되는 작용기는 하기 화학식 21로 표시되는 작용기, 또는 하기 화학식 22로 표시되는 작용기일 수 있다.
[화학식21]
Figure pat00035
상기 화학식21에서, R'는 2가의 유기 작용기이고, G1은 상기 화학식6으로 표시되는 작용기이다. 바람직하게는 상기 화학식21에서, 상기 G1은T는 -O- 이고, R12는 하기 화학식 6-1의 에테르기이고, R13은 수소인 화학식 6의 작용기이다.
[화학식6-1]
Figure pat00036
상기 화학식 6-1에서, R14는 수소 또는 탄소수 1 내지 6의 알킬기이고, R15는 탄소수 1 내지 6의 알킬렌기이고, p는 1 내지 5의 정수이다.
상기 화학식 21에서, R'로 사용되는 2가의 유기 작용기의 예는 크게 한정되지 않으며, 통상적으로 가교제 분야에서 2가의 가교쇄로 널리 사용되는 다양한 작용기, 예를 들어 탄소수 1 내지 50의 직쇄 알킬렌기, 탄소수 6 내지 20의 아릴렌기, -O-, -CO-, -S-, -C(CH3)2-, -C(CF3)2-, -CONH-, -COO-, -(CH2)b-, -O(CH2)bO-, -COO-(CH2)b-OCO-, 우레탄계 작용기, 및 우레아계 작용기 등을 사용할 수 있다.
[화학식22]
Figure pat00037
상기 화학식22에서, R”는 3가의 유기 작용기이고, G2 및 G3은 각각 독립적으로 상기 화학식6으로 표시되는 작용기이다. 바람직하게는 상기 화학식22에서, 상기 G2은T는 -O- 이고, R12는 하기 화학식 6-1의 에테르기이고, R13은 수소인 화학식 6의 작용기이다.
[화학식6-1]
Figure pat00038
상기 화학식 6-1에서, R14는 수소 또는 탄소수 1 내지 6의 알킬기이고, R15는 탄소수 1 내지 6의 알킬렌기이고, p는 1 내지 5의 정수이다.
상기 화학식 22에서, R”로 사용되는 3가의 유기 작용기의 예는 크게 한정되지 않으며, 통상적으로 가교제 분야에서 3가의 가교쇄로 널리 사용되는 다양한 작용기, 예를 들어 탄소수 1 내지 50의 분지쇄 알킬렌기 등을 사용할 수 있다.
또한, 상기 화학식22에서, 상기 G3은T는 -NH-이고, R12는 수소, 할로겐, 탄소수 1 내지 6의 알킬기, 탄소수 6 내지 20의 아릴기 이고, R13은 수소인 화학식 6의 작용기이다.
상기 화학식 5에서, A로 표시되는 작용기가 상기 화학식 21로 표시되는 작용기인 구체적인 예로는, XR5517[Stahl사 제조]를 들 수 있고, 상기 화학식 5에서, A로 표시되는 작용기가 상기 화학식 22로 표시되는 작용기인 구체적인 예로는, XR5580[Stahl사 제조], 또는 XR13-554[Stahl사 제조]를 들 수 있다.
상기 폴리카보디이미드 화합물은 고형분 함량이 40% 내지 100%, 또는 40% 내지 60%, 또는 80% 내지 100%일 수 있다. 상기 고형분 함량은 상기 폴리카보디이미드 화합물을 용질로하여 유기 용매에 용해된 상태로 제조된 용액인 경우, 용액 전체 중량중 용질의 함량을 의미할 수 있다.
특히, 상기 폴리카보디이미드 화합물은 가교성 작용기인 카보디이미드 작용기를 2개 이상으로 다수 포함함에 따라, 상기 액정배향제 조성물 내에서 폴리아믹산 반복단위 또는 폴리아믹산 에스터 반복단위 등과 반응할 수 있는 표면적이 증가하여, 가교구조를 보다 용이하게 형성할 수 있다.
상기 폴리카보디이미드 화합물은, 상기 액정 배향제 조성물 전체 중량을 기준으로 0.5 중량% 내지 15 중량%, 또는 1 중량% 내지 10 중량%, 또는 2 중량% 내지 5 중량%로 함유되는 것이 바람직하다.
상기 폴리카보디이미드 화합물의 함량이 지나치게 많아지면, 상기 액정배향제용 중합체의 가교도가 지나치게 증가함에 따라, 상기 중합체의 유연성이 감소할 수 있고, 조성물의 점도 증가 또는 조성물 내에서의 겔화반응으로 인해 기판으로의 도포성이 감소할 수 있다.
반면, 상기 폴리카보디이미드 화합물의 함량이 지나치게 작아지면, 상기 액정배향제용 중합체의 가교도 증가에 의한 기계적 강도 향상 효과가 충분히 구현되기 어려울 수 있다.
액정 배향막의 제조 방법
또한, 본 발명은 액정 배향제 조성물을 기판에 도포하여 도막을 형성하는 단계(단계 1); 상기 도막을 건조하는 단계(단계 2); 상기 건조 단계 직후의 도막에 광을 조사하거나 러빙 처리하여 배향 처리하는 단계(단계 3); 및 상기 배향 처리된 도막을 열처리하여 경화하는 단계(단계 4)를 포함하는, 액정 배향막의 제조 방법을 제공한다.
상기 단계 1은, 상술한 액정 배향제 조성물을 기판에 도포하여 도막을 형성하는 단계이다.
상기 액정 배향제 조성물을 기판에 도포하는 방법은 특별히 제한되지 않으며, 예컨대 스크린 인쇄, 오프셋 인쇄, 플렉소 인쇄, 잉크젯 등의 방법이 이용될 수 있다.
그리고, 상기 액정 배향제 조성물은 유기 용매에 용해 또는 분산시킨 것일 수 있다. 상기 유기 용매의 구체적인 예로는 N,N-디메틸포름아미드, N,N-디메틸아세트아미드, N-메틸-2-피롤리돈, N-메틸카프로락탐, 2-피롤리돈, N-에틸피롤리돈, N-비닐피롤리돈, 디메틸술폭사이드, 테트라메틸우레아, 피리딘, 디메틸술폰, 헥사메틸술폭사이드, γ-부티로락톤, 3-메톡시-N,N-디메틸프로판아미드, 3-에톡시-N,N-디메틸프로판아미드, 3-부톡시-N,N-디메틸프로판아미드, 1,3-디메틸-이미다졸리디논, 에틸아밀케톤, 메틸노닐케톤, 메틸에틸케톤, 메틸이소아밀케톤, 메틸이소프로필케톤, 사이클로헥사논, 에틸렌카보네이트, 프로필렌카보네이트, 디글라임, 4-하이드록시-4-메틸-2-펜타논, 에틸렌 글리콜 모노메틸 에테르, 에틸렌 글리콜 모노메틸 에테르 아세테이트, 에틸렌 글리콜 모노에틸 에테르, 에틸렌 글리콜 모노에틸 에테르 아세테이트, 에틸렌 글리콜 모노프로필 에테르, 에틸렌 글리콜 모노프로필 에테르 아세테이트, 에틸렌 글리콜 모노이소프로필 에테르, 에틸렌 글리콜 모노이소프로필 에테르 아세테이트, 에틸렌 글리콜 모노뷰틸 에테르, 에틸렌 글리콜 모노뷰틸 에테르 아세테이트 등을 들 수 있다. 이들은 단독으로 사용될 수도 있고, 혼합하여 사용될 수도 있다.
또한, 상기 액정 배향제 조성물은 유기 용매 외에 다른 성분을 추가로 포함할 수 있다. 비제한적인 예로, 상기 액정 배향제 조성물이 도포되었을 때, 막 두께의 균일성이나 표면 평활성을 향상시키거나, 혹은 액정 배향막과 기판의 밀착성을 향상시키거나, 혹은 액정 배향막의 유전율이나 도전성을 변화시키거나, 혹은 액정 배향막의 치밀성을 증가시킬 수 있는 첨가제가 추가로 포함될 수 있다. 이러한 첨가제로는 각종 용매, 계면 활성제, 실란계 화합물, 유전체 또는 가교성 화합물 등이 예시될 수 있다.
상기 단계 2는, 상기 액정 배향제 조성물을 기판에 도포하여 형성된 도막을 건조하는 단계이다.
상기 도막을 건조하는 단계는 도막의 가열, 진공 증발 등의 방법을 이용할 수 있으며, 50 ℃ 내지 150 ℃, 또는 60 ℃ 내지 140 ℃에서 수행되는 것이 바람직하다.
상기 단계 3은, 상기 건조 단계 직후의 도막에 광을 조사하거나 러빙 처리하여 배향 처리하는 단계이다.
본 명세서에서 상기 "건조 단계 직후의 도막"은 건조 단계 이후에 건조 단계 이상의 온도로 열처리하는 단계의 진행 없이 바로 광 조사하는 것을 의미하며, 열처리 이외의 다른 단계는 부가가 가능하다.
보다 구체적으로, 기존에 폴리아믹산 또는 폴리아믹산에스테르를 포함하는 액정 배향제를 사용하여 액정 배향막을 제조하는 경우에는 폴리아믹산의 이미드화를 위하여 필수적으로 고온의 열처리를 진행한 후 광을 조사하는 단계를 포함하지만, 상술한 일 구현예의 액정 배향제를 이용하여 액정 배향막을 제조하는 경우에는 상기 열처리 단계를 포함하지 않고, 바로 광을 조사하여 배향 처리한 후, 배향 처리된 도막을 열처리하여 경화함으로써 배향막을 제조할 수 있다.
그리고, 상기 배향 처리하는 단계에서 광 조사는 150 ㎚ 내지 450 ㎚ 파장의 편광된 자외선을 조사하는 것일 수 있다. 이 때, 노광의 세기는 액정 배향제용 중합체의 종류에 따라 다르며, 10 mJ/㎠ 내지 10 J/㎠의 에너지, 바람직하게는 30 mJ/㎠ 내지 2 J/㎠의 에너지를 조사할 수 있다.
상기 자외선으로는, 석영유리, 소다라임 유리, 소다라임프리 유리 등의 투명 기판 표면에 유전이방성의 물질이 코팅된 기판을 이용한 편광 장치, 미세하게 알루미늄 또는 금속 와이어가 증착된 편광판, 또는 석영유리의 반사에 의한 브루스터 편광 장치 등을 통과 또는 반사하는 방법으로 편광 처리된 자외선 중에서 선택된 편광 자외선을 조사하여 배향 처리를 한다. 이때 편광된 자외선은 기판면에 수직으로 조사할 수도 있고, 특정한 각으로 입사각을 경사하여 조사할 수도 있다. 이러한 방법에 의하여 액정분자의 배향 능력이 도막에 부여되게 된다.
또한, 상기 배향 처리하는 단계에서 러빙 처리는 러빙천을 이용하는 방법을 사용할 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 러빙 처리는 금속 롤러에 러빙천의 옷감을 붙인 러빙 롤러를 회전시키면서 열처리 단계 이후의 도막의 표면을 한 방향으로 러빙할 수 있다.
상기 단계 4는, 상기 배향 처리된 도막을 열처리하여 경화하는 단계이다.
상기 배향 처리된 도막을 열처리하여 경화하는 단계는 기존에 폴리아믹산 또는 폴리아믹산 에스테르를 포함하는 액정 배향제용 중합체를 이용하여 액정 배향막을 제조하는 방법에서도 광 조사 이후에 실시하는 단계로, 액정 배향제를 기판에 도포하고, 광을 조사하기 이전에, 또는 광을 조사하면서 액정 배향제를 이미드화 시키기 위하여 실시하는 열처리 단계와는 구분된다.
이때, 상기 열처리는 핫 플레이트, 열풍 순환로, 적외선로 등의 가열 수단에 의해 실시될 수 있으며, 150 ℃ 내지 300 ℃, 또는 180 ℃ 내지 250 ℃에서 수행되는 것이 바람직하다.
한편, 상기 도막을 건조하는 단계(단계 2) 이후에 필요에 따라, 상기 건조 단계 직후의 도막에 건조 단계 이상의 온도로 열처리하는 단계를 더 포함할 수 있다. 상기 열처리는 핫 플레이트, 열풍 순환로, 적외선로 등의 가열 수단에 의해 실시될 수 있으며, 150 ℃ 내지 250 ℃에서 수행되는 것이 바람직하다. 이 과정에서 액정 배향제를 이미드화 시킬 수 있다.
즉, 상기 액정 배향막의 제조 방법은 상술한 액정 배향제를 기판에 도포하여 도막을 형성하는 단계(단계 1); 상기 도막을 건조하는 단계(단계 2); 상기 건조 단계 직후의 도막에 건조 단계 이상의 온도로 열처리하는 단계 (단계 3); 상기 열처리된 도막에 광을 조사하거나 러빙 처리하여 배향 처리하는 단계(단계 4) 및 상기 배향 처리된 도막을 열처리하여 경화하는 단계(단계 5)를 포함할 수 있다.
액정 배향막
또한, 본 발명은 상술한 액정 배향막의 제조 방법에 따라 제조된 액정 배향막을 제공한다.
상술한 바와 같이, 상기 화학식 1로 표시되는 반복 단위, 또는 상기 화학식 2로 표시되는 반복 단위를 포함한 중합체; 및 상기 화학식 5로 표시되는 폴리카보디이미드 화합물을 포함하는 액정 배향제 조성물을 이용하면, 막강도 향상에 따른 내구성이 강화된 액정 배향막을 제조할 수 있다.
액정 표시 소자
또한, 본 발명은 상술한 액정 배향막을 포함하는 액정 표시소자를 제공한다.
상기 액정 배향막은 공지의 방법에 의해 액정셀에 도입될 수 있으며, 상기 액정셀은 마찬가지로 공지의 방법에 의해 액정 표시소자에 도입될 수 있다. 상기 액정 배향막은 상기 다른 구현예의 액정배향제 조성물로부터 제조되어 우수한 제반 물성과 함께 뛰어난 안정성을 구현할 수 있다. 구체적으로, 고온, 저주파수에서 높은 전압보전율을 가질 수 있어 전기적 특성이 우수하며, 콘트라스티 비(contrast ratio)의 성능 저하나 이미지 스티킹(잔상) 현상이 감소하며, 막강도 또한 우수한 액정 표시소자를 제공할 수 있다.
본 발명에 따르면, 우수한 배향성, 전기적 특성을 나타냄과 동시에, 우수한 막강도를 갖는 액정배향막을 형성하기 위한 액정 배향제 조성물, 이를 이용한 액정 배향막의 제조 방법, 및 이를 이용한 액정 배향막 및 액정 표시소자가 제공될 수 있다.
발명을 하기의 실시예에서 보다 상세하게 설명한다. 단, 하기의 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기의 실시예에 의하여 한정되는 것은 아니다.
<제조예: 디아민의 제조>
제조예1
Figure pat00039
18.3g(100mmol)의 2-클로로-5-니트로피리딘(2-chloro-5-nitropyridine, 화합물1), 12.5g(98.6mmol)의 파라페닐렌디아민(p-PDA, 화합물2)를 200mL의 디메틸술폭사이드(Dimethylsulfoxide, DMSO)에 완전히 녹인 후, 23.4g(200mmol)의 트리에틸아민(trimethylamine, TEA)을 첨가하고 상온에서 12시간동안 교반하였다. 반응이 종결되면 반응물을 500mL의 물이 담긴 용기에 투입하고 1시간동안 교반하였다. 이를 여과하여 얻은 고체를 200mL의 물과 200mL의 에탄올로 세척하여 16g(61.3mmol)의 화합물3을 합성하였다.(수율:60%)
Figure pat00040
상기 화합물3을 에틸아세테이트(ethyl acetate, EA)와 THF를 1:1로 혼합한 200mL 용액에 녹인 후, 0.8g의 팔라듐(Pd)/탄소(C)를 투입하고 수소 환경하에서 12시간 동안 교반하였다. 반응 종료 후 셀라이트 패트에 여과한 여액을 농축하여 11g의 화합물4 디아민을 제조하였다.(수율:89%)
제조예2
Figure pat00041
Figure pat00042
상기 파라페닐렌디아민(p-PDA, 화합물2) 대신에 메타페닐렌디아민(m-PDA)을 사용한 것을 제외하고는 상기 제조예1과 동일한 방법으로 제조예2의 디아민을 제조하였다.
제조예3
Figure pat00043
Figure pat00044
상기 2-클로로-5-니트로피리딘(2-chloro-5-nitropyridine, 화합물1) 대신에 2-클로로-4-니트로피리딘(2-chloro-4-nitropyridine)을 사용한 것을 제외하고는 상기 제조예1과 동일한 방법으로 제조예3의 디아민을 제조하였다.
<실시예: 액정 배향제 조성물의 제조>
실시예 1
상기 제조예 1에서 제조된 디아민 1.408 g(7mmol)을 무수 N-메틸피롤리돈 (anhydrous N-methyl pyrrolidone: NMP) 15.37 g에 완전히 녹였다.
그리고, ice bath 하에서 시클로부탄-1,2,3,4-테트라카르복실릭디무수물(Cyclobutane-1,2,3,4-tetracarboxylic dianhydride, CBDA) 1.304 g (6.65 mmol)을 상기 용액에 첨가하여 상온에서 16 시간 동안 교반하여, 폴리아믹산 용액을 제조하였다.
상기 폴리아믹산 용액에 하기 화학식A로 표시되는 XR5517[Stahl사 제조; 고형분 50%의 2관능 타입]을 전체 용액을 기준 2 중량%로 첨가한 후 25 ℃에서 16시간 교반하여 액정배향제 조성물을 제조하였다.
[화학식A]
Figure pat00045
상기 화학식A에서, m=1~5; n=1~5; p=1~5
실시예 2
XR5517 대신 하기 화학식B로 표시되는 XR5580[Stahl사 제조; 고형분 50%의 3관능 타입]를 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예1과 동일한 방법으로 액정배향제 조성물을 제조하였다.
[화학식B]
Figure pat00046
상기 화학식B에서, m=1~5; p=1~5, n=1, q=1
실시예 3
XR5517 대신 하기 화학식C로 표시되는 XR13-554[Stahl사 제조; 고형분 100%의 3관능 타입]를 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예1과 동일한 방법으로 액정배향제 조성물을 제조하였다.
[화학식C]
Figure pat00047
상기 화학식C에서, m=1~5; p=1~5, n=1, q=1
실시예 4
상기 폴리아믹산 용액에 XR5517을 전체 용액을 기준 5 중량%로 첨가한 것을 제외하고는 상기 실시예1과 동일한 방법으로 액정 배향제 조성물을 제조하였다.
실시예 5
상기 제조예 1에서 제조된 디아민 대신 제조예 2에서 제조된 디아민을 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예1과 동일한 방법으로 액정 배향제 조성물을 제조하였다.
실시예 6
상기 제조예 1에서 제조된 디아민 대신 제조예 3에서 제조된 디아민을 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예1과 동일한 방법으로 액정 배향제 조성물을 제조하였다.
<비교예: 액정 배향제 조성물의 제조>
비교예 1
XR5517를 첨가하지 않은 것을 제외하고는 상기 실시예1과 동일한 방법으로 액정 배향제 조성물을 제조하였다.
비교예 2
상기 제조예 1에서 제조된 디아민 대신 하기 화학식D로 표시되는 6-(4-아미노페닐)피리딘-3-아민[6-(4-aminophenyl)pyridin-3-amine]를 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예1과 동일한 방법으로 액정 배향제 조성물을 제조하였다.
[화학식D]
Figure pat00048
비교예 3
상기 제조예 1에서 제조된 디아민 대신 하기 화학식E로 표시되는 4,4'-디아미노디페닐아민[4,4'-diaminodiphenylamine]를 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예1과 동일한 방법으로 액정 배향제 조성물을 제조하였다.
[화학식E]
Figure pat00049
<실험예: 실시예 및 비교예에서 얻어진 액정 배향제 조성물의 물성 측정>
상기 실시예 및 비교예에서 얻어진 액정 배향제 조성물을 이용하여 액정 배향셀을 제조하고, 액정 배향셀로부터 각각의 물성을 하기 방법으로 측정하였으며, 그 결과를 표1에 나타내었다.
구체적으로, 2.5 cm x 2.7 cm의 크기를 갖는 사각형 유리기판 상에 두께 60 nm, 면적 1 cm x 1 cm의 ITO 전극이 패턴된 전압유지비율(VHR)용 상/하 기판 각각에 스핀 코팅 방식으로 상기 실시예 및 비교에에서 얻어진 액정 배향제 조성물을 도포하였다. 이어서, 액정 배향제 조성물이 도포된 기판을 약 80의 핫플레이트 위에 두어 2분간 건조하여 용매를 증발시켰다. 이렇게 얻어진 도막을 배향 처리하기 위해, 상/하판 각각의 도막에 선 편광자가 부착된 노광기를 이용하여 254 nm의 자외선을 0.25 J/㎠의 노광량으로 조사하였다. 이후, 배향 처리된 상/하판을 약 230 ℃의 오븐에서 15분간 소성(경화)하여 막 두께 0.1 ㎛의 도막을 얻었다. 이후, 4.5 ㎛ 크기의 볼 스페이서가 함침된 실링제(sealing agent)를 액정 주입구를 제외한 상판의 가장자리에 도포하였다. 그리고, 상판 및 하판에 형성된 배향막이 서로 마주 보며 배향 방향이 서로 나란하도록 정열시킨 후, 상하판을 합착하고 실링제를 UV 및 열 경화함으로써 빈 셀을 제조하였다. 그리고, 상기 빈 셀에 액정을 주입하고 주입구를 실링제로 밀봉하여, 액정 배향셀을 제조하였다.
1. 전압 보유율(voltage holding ratio, VHR)
상기 액정 배향셀에 대하여, 측정 장비로 TOYO corporation의 6254C 장비를 사용하여, 1Hz, 60 ℃ 온도에서 전압 보유율을 측정했다.
2. 막강도
상기 실시예 및 비교예에서 제조된 액정 배향제 조성물로부터 얻어진 배향막에 대하여, 상기 배향막 표면을 sindo engineering사의 rubbing machine을 이용하여 850 rpm으로 회전시키면서 러빙처리한 후 헤이즈미터(hazemeter)를 사용하여 헤이즈 값을 측정하고, 하기 수학식과 같이 러빙처리 전의 헤이즈 값과의 차이를 계산하여 막강도를 평가하였다. 상기 헤이즈 변화값이 1 미만이면 막강도가 우수한 것이다.
[수학식]
막강도 = 러빙처리 후 액정 배향막의 헤이즈 - 러빙처리 전 액정 배향막의 헤이즈.
3. 이미드화 전환율( % )
상기 실시예 및 비교예의 액정 배향제 조성물로부터 얻어진 액정 배향막에 대하여, ATR법으로 FT-IR스펙트럼을 측정하여, 상기 배향막에 포함된 중합체 분자 내 이미드 구조 비율을 측정하였다.
실시예 및 비교예의 실험예 측정 결과
구분 실시예1 실시예2 실시예3 실시예4 실시예5 실시예6 비교예1 비교예2 비교예3
VHR(%) 62 74 82 65 75 84 52 81 79
막강도 0.98 0.57 0.23 0.85 0.35 0.22 13.27 0.92 0.94
이미드화율(%) 98 98 97 98 98 97 92 93 95
상기 표1에 나타난 바와 같이, 제조예1 내지 3에서 얻어진 특정 구조의 디아민으로부터 합성된 중합체를 이용하여 얻어진 실시예의 액정 배향셀은 배향특성 및 잔상특성이 우수하며, 전압보유율(VHR)이 60% 이상으로 높으면서 동시에 막강도가 1.0이하로 나타나 우수한 전기적 특성 및 내구성을 구현할 수 있다.
반면, 비교예1의 액정 배향제는 XR5517과 같은 가교제가 함유되지 않아, 막강도가 13.27로 실시예에 비해 현저히 증가하여 내구성이 불량한 것을 확인할 수 있었다.
한편, 비교예2및 비교예3의 액정 배향제는 제조예1내지 3과 같은 구조의 디아민이 함유되지 않아, 실시예에 비해 230 ℃ 에서 상대적으로 낮은 이미드화율을 나타냄을 확인할 수 있었다.

Claims (17)

  1. 하기 화학식 1로 표시되는 반복 단위, 또는 하기 화학식 2로 표시되는 반복 단위를 포함한 중합체; 및
    하기 화학식 5로 표시되는 폴리카보디이미드 화합물을 포함하는, 액정 배향제 조성물:
    [화학식1]
    Figure pat00050

    [화학식2]
    Figure pat00051

    상기 화학식 1 내지 2에서,
    R1 및 R2 중 적어도 하나는 탄소수 1 내지 10의 알킬기이고, 나머지는 수소이며,
    X1 및 X2는 각각 독립적으로 하기 화학식3으로 표시되는 4가의 유기기이며,
    [화학식3]
    Figure pat00052

    상기 화학식 3에서,
    R3 내지 R8은 각각 독립적으로 수소 또는 탄소수 1 내지 6의 알킬기이고,
    L1는 단일결합, -O-, -CO-, -COO-, -S-, -SO-, -SO2-, -CR9R10-, -(CH2)Z-, -O(CH2)ZO-, -COO(CH2)ZOCO-, -CONH-, 페닐렌 또는 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나이며,
    상기에서 R9 및 R10는 각각 독립적으로 수소, 탄소수 1 내지 10의 알킬기 또는 플루오로알킬기이고,
    Z는 1 내지 10의 정수이며,
    Y1 및 Y2는 각각 독립적으로 하기 화학식 4로 표시되는 2가의 유기기이고,
    [화학식 4]
    Figure pat00053

    상기 화학식 4에서,
    Q1 내지 Q4 중 적어도 하나는 질소이고, 나머지는 탄소이며,
    R3는 수소 또는 탄소수 1 내지 6의 알킬기이고,
    [화학식5]
    Figure pat00054

    상기 화학식 5에서,
    A는 -O-, -CO-, -S-, -C(CH3)2-, -C(CF3)2-, -CONH-, -COO-, -(CH2)b-, -O(CH2)bO-, -COO-(CH2)b-OCO-, 우레탄계 작용기, 및 우레아계 작용기를 포함한 유기기이며,
    b는 1 내지 10의 정수이며,
    R11은 탄소수 1 내지 20의 알킬렌기 또는 탄소수 6 내지 20의 아릴렌기이고,
    m은 1 내지 5의 정수이고,
    D는 하기 화학식 6으로 표시되는 작용기이고,
    [화학식6]
    Figure pat00055

    상기 화학식6에서,
    T는 -O- 또는 -NH-이고,
    R12는 수소, 할로겐, 탄소수 1 내지 6의 알킬기, 탄소수 6 내지 20의 아릴기 또는 에테르기이고,
    R13은 수소 또는 탄소수 1 내지 6의 알킬기이다.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 화학식 6으로 표시되는 작용기에서,
    T는 -O- 이고, R12는 하기 화학식 6-1의 에테르기이고,
    R13은 수소인, 액정 배향제 조성물:
    [화학식6-1]
    Figure pat00056

    상기 화학식 6-1에서, R14는 수소 또는 탄소수 1 내지 6의 알킬기이고, R15는 탄소수 1 내지 6의 알킬렌기이고, p는 1이상의 정수이다.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 화학식 6으로 표시되는 작용기에서,
    T는 -NH-이고, R12는 수소, 할로겐, 탄소수 1 내지 6의 알킬기, 탄소수 6 내지 20의 아릴기 이고,
    R13은 수소인, 액정 배향제 조성물.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 화학식 5로 표시되는 폴리카보디이미드 화합물은,
    상기 액정 배향제 조성물 전체 중량을 기준으로 0.5 중량% 내지 15 중량%로 함유되는, 액정 배향제 조성물.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 중합체는 하기 화학식7 또는 화학식 8로 표시되는 반복단위를 더 포함하는, 액정 배향제 조성물:
    [화학식7]
    Figure pat00057

    [화학식8]
    Figure pat00058

    상기 화학식7 또는 화학식 8에서,
    X는 제1항의 X1 또는 X2이고,
    Y는 제1항의 Y1 또는 Y2이며,
    R30은 수소 또는 탄소수 1 내지 10의 알킬기이고,
    D는 제1항의 D이다.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 화학식7 또는 화학식 8로 표시되는 반복단위는,
    상기 화학식1 또는 화학식 2로 표시되는 반복단위 몰수를 기준으로 0.1 몰% 내지 20 몰%로 함유되는, 액정 배향제 조성물.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 화학식4의 Q1 내지 Q4 에서,
    Q2 및 Q4 중 하나가 질소이고, 나머지는 탄소이며,
    Q1, 및 Q3은 탄소인, 액정 배향제 조성물.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 화학식4의 Q1 내지 Q4 에서,
    Q2 가 질소이고,
    Q1, Q3 및 Q4은 탄소인, 액정 배향제 조성물.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 화학식4에서, R3은 수소인, 액정 배향제 조성물.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 화학식4는 하기 화학식4-1 내지 화학식4-3으로 표시되는 작용기를 포함하는, 액정 배향제 조성물:
    [화학식4-1]
    Figure pat00059

    [화학식4-2]
    Figure pat00060

    [화학식4-3]
    Figure pat00061

    상기 화학식 4-1 내지 화학식 4-3에서, Q1 내지 Q4, R3은 제1항에서 정의한 바와 같다.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항의 액정 배향제 조성물을 기판에 도포하여 도막을 형성하는 단계;
    상기 도막을 건조하는 단계;
    상기 건조 단계 직후의 도막에 광을 조사하거나 러빙 처리하여 배향 처리하는 단계; 및
    상기 배향 처리된 도막을 열처리하여 경화하는 단계를 포함하는, 액정 배향막의 제조 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 액정 배향제 조성물은, 유기 용매에 용해 또는 분산시킨 것인, 액정 배향막의 제조 방법.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 도막을 건조하는 단계는 50 ℃ 내지 150 ℃에서 수행되는, 액정 배향막의 제조 방법.
  14. 제11항에 있어서,
    상기 배향 처리하는 단계에서 광 조사는 150 nm 내지 450 nm 파장의 편광된 자외선을 조사하는, 액정 배향막의 제조 방법.
  15. 제11항에 있어서,
    상기 도막을 경화하는 단계에서 열처리 온도는 150 ℃ 내지 300 ℃인, 액정 배향막의 제조 방법.
  16. 제11항의 액정 배향막의 제조 방법에 따라 제조된, 액정 배향막.
  17. 제16항의 액정 배향막을 포함하는 액정 표시소자.
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