KR100201970B1 - 액정 표시 장치 - Google Patents

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에밀린 요안나 리티 하인데릭 이그리드
얀 브로이어 디르크
아타 무스타파 히크메트 리파트
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프레데릭 얀 스미트
엔.브이. 필립스글로아일람펜파브리켄
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Abstract

트위스트 네마틱 액정 물질을 함유하는 액정 표시 장치에 광학 이방성 물질층을 제공하여 콘트라스트가 풍부한 무색 표시 장치를 수득한다. 광학 이방성 물질이 나선 배열을 갖는 중합체 망을 포함하는 합성 수지 조성물로부터 형성된다는 사실의 결과로서 상당한 온도 의존성과 높은 분자 질서도를 나타낸다. 광학 이방성 물질은 키랄 도펀트를 함유하는 액정 경화성 합성 수지 조성물로부터 제조한다.

Description

액정 표시 장치
제1도는 본 발명에 따르는 액정 표시 장치의 개략적 횡단면도이고,
제2도는 아크릴레이트-에스테르 그룹을 2개 함유하는 액정 화합물의 구조식을 나타낸 것이며,
제3도는 적합한 키랄 도판트(dopant)의 구조식을 나타낸 것이고,
제4도는 본 발명에 따르는 액정 장치의 투과율을 전압 무인가시 및 전압 인가시의 파장의 함수로서 나타낸 것이다.
본 발명은 트위스티드 네마틱 액정 물질이 전극을 갖는 두 기판 사이와 두 편광자 사이에 배열되고 광학 이방성 물질 층이 두 편광자 사이에 제공된 액정 셀을 포함하는 액정 표시 장치에 관한 것이다.
경우에 따라, 광학 이방성 물질 층은 자체지지(self-supporting) 복굴절 호일일 수 있다. 이러한 액정 표시 장치(LCD)에 대해 유럽 특허 공개 명세서 EP-A2-제0 246 842호에 기술되어 있다.
액정 물질의 키랄성은 액정 분자가 이의 장축에 대해 수직 방향으로 회전하도록 유도한다. 소위 콜레스테릭상이라 불리는 액정 물질의 경우, 나선 피치는 0.1 내지 1이다. 예를 들어, 다중 구동 방식의 데이터그래픽 표시 장치에 적용하기 위해서는 액정 표시 장치의 액정 셀 두께의 10배 까지의 보다 긴 피치가 바람직하다. 이러한 물질은 네마틱 액정에 도판트로서 키랄 액정 화합물을 첨가하여 얻는다. 이러한 물질을 사용하여 슈퍼트위스티드 네마틱(STN) 액정 표시 장치를 제조하며 액정 셀을 가로지르는 액정 분자 축의 회전각은, 예를 들어, 180내지 270이다. 이러한 액정 표시 장치는 광학 특성이 파장에 상당히 의존하는 단점이 있어서 높은 콘트라스트와 무색 영상(청색/황색 대신에 흑색/백색)을 얻기가 어렵다. 이러한 단점은 하나는 좌선성 액정 물질을 함유하고 다른 하나는 우선성 액정 물질을 함유하는 두 개의 동일한 액정 셀의 조합물을 사용하여 공지된 방법으로 극복할 수 있다. 제2 액정 셀이 전면에서의 액정 분자축이 제1 액정 셀의 배면에서의 분자축에 대해 수직 방향으로 연장되는 경우, 광학 특성의 파장 의존성은 완전히 보정된다. 그러나, 이 결과, 액정 표시 장치의 중량 및 크기가 더 커진다. 간단한 대체 양태에 따라 제2 액정 셀을 복굴절성을 개량한 일축 호일로 대체할 수 있다. 이 경우, 색상 보정이 완전하지 않아서 콘트라스트가 작아지고 액정 표시 장치가 전압 무인가 상태에서 약간의 색상을 나타낸다. 다른 공지된 질적으로 더 우수한 해결책은 꼬아서 적층시킨 일축 호일을 사용하는 것이다. 이러한 해결책은 호일의 수가 증가함에 따라 이상적인 상태에 근접하지만, 이로 인해 제조 공정이 훨씬 더 복잡해진다.
슈퍼트위스티드 네마틱 액정 표시 장치의 나선 및 복굴절과 동일한 나선 및 복굴절을 나타내는 복굴절 호일을 제공하는 것이 바람직하다. 복굴절 호일 대신에 적합한 기판 상의 광학 이방성 물질 층을 사용할 수도 있다.
유럽 특허 공개 명세서 EP-A1-제0 007 574호에는 키랄 도판트를 공중합가능한 단량체 형태로 함유하는 액정 중합체 물질에 대해 기술되어 있다. 이러한 중합체 물질은 선형이며 액정 특성을 나타내는 측쇄를 함유한다. 박층은 용액 또는 용융물로부터 제조되며, 고무상 액정 상태로 배향시킨 후 유리 전이 온도 미만의 온도로 냉각시킨다. 이러한 층은 간혹 불량한 분자 배열의 정렬도에 의해 야기되는 굴절률의 국부적 변동에 기인하여 혼탁해진다. 또한, 작동 온도가 저분자량 물질의 경우보다 상당히 높으나, 단지 한차례만 실시되는 유리 전이 온도를 초과하는 온도에서의 가열에 의해 분자 배열의 정렬도가 영구적으로 상실되므로, 여전히 한계가 있다. 이외에도, 사용된 상기 방법에 의해서는 중합체 층의 피치 및 두께를 정밀하게 조정하지 못한다.
본 발명의 목적들 중의 하나는 액정 표시 장치, 및 이러한 액정 표시 장치에 사용하기 위한 광학 이방성 물질로부터 제조된 광학 이방성 물질 층을 제공하는 것이고, 이러한 광학 이방성 물질로부터 제조된 광학 이방성 물질 층은 광학적으로 투명하여 내열성이 크다. 이에 의해 본 발명이 콘트라스트가 높고 실질적으로 완전히 흑백을 나타내는 전압 무인가 상태 및 매우 투명한 전압 인가 상태를 갖는 슈퍼트위스티드 네마틱 액정 표시 장치를 제공할 것으로 기대된다. 본 발명의 다른 목적은 간단한 방법으로 목적하는 정밀도로 제조할 수 있는 광학 이방성 물질 층을 제공하는 것이다. 본 발명의 또 다른 목적은 광학 이방성 물질 층에 적합하게 사용할 수 있는 물질을 제공하는 것이다.
본 발명에 따라 이러한 목적은 본 명세서의 도입 단락에 기술된, 광학 이방성 물질 층이 나선 정렬(helicoidal order)을 갖는 중합체 망을 포함하는 합성 수지 조성물로부터 형성됨을 특징으로 하는 액정 표시 장치에 의해 성취된다. 합성 수지 조성물은 바람직하게는 키랄 도판트를 함유하는 경화된 액정 합성 수지 조성물로부터 제조한다.
본 발명에 따르는 액정 표시 장치의 바람직한 양태에 있어서, 합성 수지 조성물은 아크릴레이트-에스테르 그룹을 2개 이상 함유하는 화합물로 이루어진 액정 단량체 또는 올리고머를 경화시킴으로써 생성된다. 또한, 아크릴레이트 화합물 대신에 에폭사이드, 비닐 에테르 및 티올렌 화합물을 액정단량체로서 만족스럽게 사용할 수 있다.
분자 배열이 정렬된 합성 수지 조성물은, 예를 들어, 액정 단량체를 배향시키고 감광성 개시제의 존재하에 자외선에 노출시켜 이러한 배향을 고정시킴으로써 제조할 수 있다. 키랄 도판트, 예를 들어, 비대칭적으로 치환된 탄소원자를 갖는 화합물을 단량체에 가한다. 이러한 도판트는 액정 단량체 분자를 이의 장축에 대해 수직 방향으로 회전시킨다. 폴리이미드로 도포되고 마찰된 두 표면 사이에 단량체를 배열시킴으로써 회전도를 자연적 피치(마찰된 표면이 없는 경우의 피치), 마찰된 두 표면 사이의 거리 및 표면의 마찰 방향의 함수로서 조정할 수 있다. 연속해서, 자외선 또는 전자선의 영향하에서 반응성 말단 그룹을 중합시켜 여전히 액체 상태인 단량체 조성물의 회전을 고정시킨다. 목적하는 분자 배열의 정렬은 신속하게 형성되고 상당히 완벽하므로 투명막 또는 박층이 제조된다. 작용 그룹이 2개 이상인 단량체를 사용한 결과, 분자 배열이 정렬된 중합체 망이 제조되며 이러한 분자 배열의 정렬은 매우 높은 온도에서도 유지된다.
바람직하게는, 2개 이상의 아크릴레이트-에스테르 그룹을 갖는 화합물로 이루어진 액정 단량체 또는 올리고머를 함유하는 경화성 합성 수지 조성물이 사용된다. 경우에 따라, 경화성 합성 수지 조성물은 각종 올리고머 화합물의 혼합물을 포함할 수 있다. 또한, 합성 수지 조성물은 다른 적합한 성분, 예를 들면, 촉매, (감광성) 개시제, 안정화제, 공반응 단량체 및 계면활성 화합물을 하나 이상 포함할 수 있다. 또한, 예를 들어, 비중합성 액정 물질을 50중량% 이하의 양으로 가하여 액정 물질의 광학 특성을 개량시킬 수도 있다.
특정 양태에 있어서, 나선 정렬은 두 기판 사이에 경화성 합성 수지 조성물을 배열시키고 경화성 합성 수지 조성물과 접촉하는 각각의 기판 표면을, 에를 들어, 벨벳 헝겊을 사용하여 한방향으로 문질러 마찰시킴으로써 생성된다. 액정 화합물의 분자, 특히 이에 존재하는 메소겐 그룹은 상기한 표면 마찰 방향으로 배향된다. 기판 표면은 바람직하게는 폴리이미드로 이루어진다.
예를 들어, 마찰된 기판 위에 제공된 후에 배향된 상태로 경화될 수 있는 적합한 화합물이 미합중국 특허 명세서 제4,758,447호에 기술되어 있다. 상기 특허에서는 나선 정렬에 대해 연구되지 않았다. 적합한 화합물을 제조하는 방법에 대해 유럽 특허 공개 명세서 EP-A1-제0 261 712호에 기술되어 있다.
합성 수지 조성물의 신속한 경화가 바람직하므로, 경화 처리는 바람직하게는 화학선에 의해 개시한다. 화학선이란 용어는 본원 명세서에서 광, 특히 자외선, X선, 감마선을 사용하는 방사선 또는 고에너지 입자(예: 전자 또는 이온)을 사용하는 방사선을 의미하는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명은 예시된 양태 및 첨부된 도면에 의해 보다 상세히 설명된다.
[실시 양태]
제1도는 두 개의 전극 기판(12 및 13) 사이에 트위스티드 네마틱 액정층(11)이 배열된 액정 셀(10)을 포함하는 액정 표시 장치의 개략적 횡단면도이다. 두 개의 전극 기판(12 및 13) 위에 존재하는 전극은 도면에 도시하지 않았다. 제1도에 도시한 장치는 두 개의 편광자(14 및 15)를 포함한다. 광학 이방성 물질 층(16)[경우에 따라, 가판(예: 유리) 상의 박층 형태로 존재]은 액정 셀(10)과 마찬가지로 두 개의 편광자(14 및 15) 사이에 배열된다.
광학 이방성 물질 층(16)은, 예를 들어, 액정 셀(10)의 외면에 마찰된 폴리이미드층을 제공하고 적합한 경화성 합성 수지 조성물을 마찰된 폴리이미드층에 도포함으로써 액정 셀(10)에 직접 도포할 수 있다. 이는 마찰된 폴리이미드층이 제공된 추가의 유리판을 사용하여 배향시키며 사용된 추가의 유리판은 경화성 합성 수지 조성물을 중합시킨 후에 제거한다.
광학 이방성 물질 층(16)의 두께는, 예를 들어, 6이다. 광학 이방성 물질 층(16)의 전면에서의 액정 분자축은 트위스티드 네마틱 액정층(11)의 배면에서의 액정 분자축에 대해 수직 방향으로 연장된다. 이는 직교 편광자들의 경우에 가시광 범위의 어떤 파장에서도 광을 투과시키지 않기 때문에 무색층이 생성된다.
광학 이방성 물질 층(16)은 다양한 방법으로 액정 셀(10)에 대해 적합하게 할 수 있다. 광학 이방성 물질 층의 층 두께 및 전체 회전각은 마찰된 표면이 서로를 향해, 그리고 경화성 합성 수지 조성물을 향해 배열되는 방식으로 측정한다. 자연적 피치는 키랄 도판트의 농도 변화에 영향을 받을 수 있다. 복굴절은 중합 온도를 선택함으로써 슈퍼트위스티드 네마틱 액정 표시 장치에 대한 범위내에서 변화시킬 수 있다. 하기 실시예에서 복굴절률은 100의 중합온도에서는 0.114이고, 112의 중합온도에서는 0.108이다.
[광학 이방성 물질 층의 제조실시예]
경화성 합성 수지 조성물에 대한 출발 혼합물은 제2도에 도시한 제1디아크릴레이트 화합물 A(여기서, R은 메틸 그룹이다) 80중량부, 제2도에 도시한 제2 디아크릴레이트 화합물 B(여기서, R은 수소원자이다) 20중량부 및 감광성 개시제[본 실시예에서는 시바-가이기(Ciba-Geigy)가 상품명 이르가큐어(Irgacure)(R)651로 시판하고 있는 2,2-디메톡시-2-페닐-아세토페논] 1중량부로부터 제조한다. 디아크릴레이트 화합물을 제조하는 방법에 대해 유럽 특허 공개 명세서 EP-A1-제0 261 712호에 기술되어 있다. 출발 혼합물은 또한 안정화제(예: 하이드로퀴논 모노메틸 에테르) 100ppm을 포함한다.
디아크릴레이트 화합물 A 80중량부 및 디아크릴레이트 화합물 B 20중량부를 포함하는 출발 혼합물은 융점이 80인 공융 조성물이다. 고온에서 존재하는 상은 네마틱상이며 121에서 등방성상으로 변한다. 혼합물은 80와 121사이에서 사용하며, 최저 온도에서 최고도의 점도 및 분자 베열의 정렬도가 생성된다.
본 실시예에 따라 상이한 양의 키랄 도판트[예: 머크(Merck)가 상품명 S811로 시판중인 좌선성 4-(4-헥실옥시-벤조일옥시)-벤조산-2-옥틸 에스테르, 제3도 참조]를 출발 혼합물에 가한다. 키랄 도판트 자체는 액정 성질을 나타내지 않으며 공중합 단량체일 수도 있고 중합되지 않는 화합물일 수도 있다. 중합체 상태에서 트위스티드 네마틱 배열을 얻기 위해서는 화합물이 키랄성이면 충분하다. 키랄 도판트는 좌선성 또는 우선성일 수 있다.
이와 같은 제조된 광학 이방성 물질 층은 나선 정렬을 갖는 네마틱 배열을 나타내며, 이는 콜레스테릭 배열이라고도 칭한다. 혼합물의 자연적 피치는 키랄 도판트의 첨가량에 따라 달라지며, 0.5몰%에서 약 28이고 6몰%에서 약 2.5이다. 자연적 피치는 다소 온도에 의존하는데, 키랄 도판트를 6.67몰% 사용하는 경우, 자연적 피치는 80에서 2.71, 100에서 2.31및 113에서 2.35이다. 상기 키랄 도판트 첨가량에서 이소트로픽상으로의 전이는 114의 온도에서 일어난다.
당해 실시예에서는, 경화될 표면의 경화성 합성 수지 조성물을 방사선 강도가 2 내지 5/인 단락(短絡)-아크(short-arc) 수은 램프에 의해 발생되는 자외선에 100에서 3분 동안 노출시켜 광중합시킴으로써 경화시킨다. 경화시키는 동안 배향이 고정되고 광학 이방성 물질 층의 전체 회전각은 일정하게 유지된다. 이러한 이유로, 경화 동안의 피치 변화는 발생 가능한 중합 동안의 수축으로 인한 광학 이방성 물질 층의 두께 변화에만 의존한다. 회전각은 콜레스테릭 네마틱상의 분자 나선의 꼬임수의 적도이다.
중합 공정에서, 광학 장치에 적용함에 있어서 중요한 사항으로 고려되는 dn(여기서, d는 광학 이방성 물질 층의 두께이고n은 광학 이방성 물질 층을 구성하는 물질의 복굴절률이다) 값의 변화는 실질적으로 발생하지 않는다. 중합되는 광학 이방성 물질은 중합 동안에 한방향으로만 수축하므로, 광학 이방성 물질의 층 두께의 변화는 광학 이방성 물질의 밀도에 반비례하고 광학 이방성 물질의 밀도는 복굴절률에 비례한다.
이와 같이 제조된 중합체로 이루어진 광학 이방성 물질 층의 회전각은 실온 내지 250범위에서는 온도 의존성을 나타내지 않는다. 이는 가교 결합에 의해 중합체 분자들이 형성한 망에 의해 분자의 재배향이 완전히 방해됨을 입증하는 것이다. 단량체가 분자당 2개의 아크릴레이트-에스테르 그룹을 함유하기 때문에 가교결합이 강해서 액정 분자 배열이 고정되어 있는 부분에서는 액정 분자가 거의 이동할 수 없다.
본 발명의 상기한 바와 같은 콜레스테릭 중합체는, 예를 들어, 측쇄에키랄 그룹을 갖는 콜레스테릭 중합체와 비교하여 피치의 온도 의존성이 작다.
특정 범위 내에서, 두 기판 사이에서 합성 수지 조성물을 경화시킬 때 피치가 영향을 받을 수 있다. 바람직하게는, 기판으로서 편평한 폴리이미드기판 또는 폴리이미드로 도포된 유리를 사용한다. 폴리아미드 기판은, 예를 들어, 벨벳 헝겊을 사용하여 한방향으로 마찰시킨다. 피치는 두 기판 사이의 거리(본 실시예에서는, 예를 들어, 6) 및 두 폴리이미드 표면의 마찰 방향들 사이의 각도에 따라 변한다. 액정 분자 나선의 꼬임수는 상기 처리에 의해 생성되는 피치가 자연적 피치와 너무 많이 다르지 않도록 조정한다.
제4도는 두께가 6이고 회전각이 180인 광학 이방성 물질 층이 있는 본 발명에 따르는 장치의 투과율(T)을 파장(W)의 함수로서 도시한 것이다. 전압 무인가 상태(D)에서는 측정된 파장 범위에서 투과율이 일정하게 낮다. 액정 표시 장치의 암 상태(dark state)는 무색이며 최적의 콘트라스트를 생성한다. 비교를 위해 전압 인가 상태(L)도 도시하였으며 약 40%의 투과율이 획득된다. 명 상태(light state)는 약간의 색상을 나타내지만, 이는 생성되는 콘트라스트에 대해서는 중요하지 않다.

Claims (3)

  1. 트위스티드 네마틱 액정 물질(11)이 전극을 갖는 두 기판(12 및 13) 사이와 두 편광자(14 및 15) 사이에 배열되고 광학 이방성 물질층(16)이 두 편광자(14 및 15) 사이에 제공된 액정 셀(10)을 포함하는 액정표시 장치에 있어서, 광학 이방성 물질 층(16)이 나선 정렬을 갖는 중합체망을 포함하고 두 개 이상의 중합 가능한 작용 그룹을 갖는 단량체로부터 제조되는 합성 수지 조성물을 포함함을 특징으로 하는 액정 표시 장치.
  2. 제1항에 있어서, 광학 이방성 물질 층이 나선 정렬을 갖는 중합체 망을 포함하고 액정 단량체 또는 올리고머(이들 단량체 및 올리고머 각각은 메소제닉 그룹들을 갖고 아크릴레이트 에스테르, 에폭시 비닐 에테르 및 티올렌 화합물로 이루어진 그룹으로부터 선택된 두 개 이상의 중합 가능한 작용 그룹을 갖는다)와 키랄 도판트의 혼합물을 중합시킴으로써 제조된 가교결합된 합성 수지 조성물을 포함함을 특징으로 하는 액정 표시 장치.
  3. 제2항에 있어서, 단량체 및 올리고머 각각이 2개 이상의 아크릴레이트-에스테르 그룹을 가짐을 특징으로 하는 액정 표시 장치.
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