KR20170062593A - 액정 조성물 및 이를 포함하는 액정표시장치 - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 액정 조성물 및 이를 포함하는 액정표시장치에 관한 것이다.
액정표시장치는 현재 가장 널리 사용되고 있는 평판표시장치 중 하나로서, 화소 전극과 공통 전극 등 전기장 생성 전극(field generating electrode)이 형성되어 있는 두 장의 기판과 그 사이에 들어 있는 액정층을 포함한다.
액정표시장치의 활용 분야가 확대되면서, 예를 들어 응답 속도의 향상, 콘트라스트의 향상, 구동 전압의 저하 등의 특성 개선이 요구된다. 상기한 특성을 개선하기 위해서는, 액정 조성물에 함유되는 액정 화합물은, 낮은 회전 점도, 높은 화학적 및 물리적 안정성, 높은 액정상-등방상의 전이 온도, 낮은 액정상의 하한 온도, 적절한 탄성 계수 등이 필요하다. 고속 응답 특성을 위해서 낮은 회전 점도의 액정 재료가 필요하다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 열 안정성 및 광 안정성이 향상된 액정 화합물을 포함하는 액정 조성물 및 이를 포함하는 액정표시장치를 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는 열 안정성 및 광 안정성이 향상된 저점도 액정 화합물을 포함하는 액정 조성물 및 이를 포함하는 액정표시장치를 제공하는 것이다.
발명의 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
발명의 일 실시예에 따른 액정 조성물은, 하기 화학식 1 로 표현되는 제1 화합물들과 하기 화학식 2로 표현되는 제2 화합물들 중 적어도 하나의 액정 화합물을 포함한다:
상기 화학식 1 또는 상기 화학식 2 에서, R 은 수소, C1-5 알킬기(alkyl group), 할로겐, 시안기(cyan group) 중 하나이고, R'는 C1-5 알킬기(alkyl group)이며, Z는 COO, OCO, CF2O, OCF2, CH2O, OCH2, SCH2, CH2S, C2F4, CH2CF2, CF2CH2, (CH2)m, CH=CH, CF=CF, CH=CF, CF=CH, C=C, CH=CHCH2O, 단일결합 중 하나이며, 은 , , , , , , , 중 하나이고, n 은 0 내지 3 이며, m 은 2 내지 5 이다.
상기 액정 조성물은, 140 ℃의 온도 조건에서 4 시간 보관한 후, 측정된 기체크로마토그래피-질량분석 결과에서, 상기 제1 화합들과 상기 제2 화합물들 중 적어도 하나의 화합물의 피크 강도에 대한 분해산물 피크 강도의 비가 0 이다.
상기 액정 조성물은, 10J의 자외선 조사 조건 하에서의, 전압 보전율 측정값이 90 % 초과이다.
상기 액정 조성물은, 굴절률 이방성 측정값이 0.08 내지 0.12 일 수 있고, 20℃ 의 온도 조건 및 1 kHZ 주파수 조건하에서의 유전율 이방성 측정값이 -5.5 내지 -2.8 일 수 있으며, 20℃ 의 온도 조건 하에서의 회전점도 측정값이 70 mPa·s 내지 140 mPa·s 일 수 있다.
발명의 다른 실시예에 따른 액정표시장치는, 박막트랜지스터를 포함하는 제1 표시기판; 상기 제1 표시 기판에 대향하는 제2 표시기판; 및 상기 제1 표시 기판과 상기 제2 표시 기판의 사이에 배치되고, 상기 화학식 1 로 표현되는 제1 화합물들과 상기 화학식 2로 표현되는 제2 화합물들 중 적어도 하나의 액정 화합물 및 반응성 메조겐을 포함하는 액정층;을 포함한다.
상기 액정표시장치는, 상기 반응성 메조겐을 포함하는 액정 배향막;을 더 포함할 수 있고, 상기 액정 배향막은 상기 제1 표시기판과 상기 제2 표시기판 중 적어도 하나의 표시기판과 상기 액정층의 사이에 배치된다.
상기 제1 화합물은 하기 화학식 1-1 내지 하기 화학식 1-8 로 표현되는 화합물들 중 하나일 수 있고, 상기 제2 화합물은 하기 화학식 2-1 내지 하기 화학식 2-8 로 표현되는 화합물들 중 하나일 수 있다:
상기 액정 조성물 및 상기 액정층은, 하기 화학식 3-1 내지 하기 화학식 3-19 로 표현되는 제3 화합물들 중 적어도 하나의 액정 화합물을 더 포함할 수 있다:
(화학식 3-12)
상기 화학식 3-1 내지 상기 화학식 3-19 에서, X 와 Y 는 독립적으로 C1-5 알킬기이다.
상기 액정 조성물 및 상기 액정층은, 상기 화학식 3-1 로 표현되는 화합물의 함량이 0 중량% 일 수 있다.
상기 액정 조성물 및 상기 액정층은, 상기 화학식 3-3 으로 표현되는 화합물의 함량이 0 중량% 일 수 있다.
기타 실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 액정 조성물은 공액이중결합을 포함하는 액정 화합물을 포함하고 있으므로 향상된 열 안정성 및 광 안정성을 가진다.
본 발명의 일 실시예에 따른 액정 조성물이 공액이중결합을 포함하는 저점도의 액정 화합물을 포함하는 경우, 본 발명의 일 실시예에 따른 액정 조성물은 액정표시장치의 신뢰성 및 고속응답특성을 동시에 향상시킬 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 액정표시장치는, 공액이중결합을 포함하는 액정 화합물을 포함하고 있으므로 향상된 열 안정성 및 광 안정성을 가진다.
발명에 따른 효과는 이상에서 예시된 내용에 의해 제한되지 않으며, 더욱 다양한 효과들이 본 명세서 내에 포함되어 있다.
도 1은 제1 액정표시장치의 개략적인 분해 사시도이다.
도 2는 도 1의 제1 액정표시장치에 전계를 인가하지 않은 초기 상태의 개략적인 단면도이다.
도 3은 제2 액정표시장치에 전계를 인가하지 않은 초기 상태의 개략적인 단면도이다.
도 4는 말단이중결합을 포함하는 기존의 저점도 액정 화합물을 포함하는 액정 조성물의 기체크로마토그래피-질량분석 결과 그래프이다.
도 5는 공액이중결합을 포함하는 본 발명의 일 실시예에 따른 저점도 액정 화합물을 포함하는 액정 조성물의 기체크로마토그래피-질량분석 결과 그래프이다.
도 2는 도 1의 제1 액정표시장치에 전계를 인가하지 않은 초기 상태의 개략적인 단면도이다.
도 3은 제2 액정표시장치에 전계를 인가하지 않은 초기 상태의 개략적인 단면도이다.
도 4는 말단이중결합을 포함하는 기존의 저점도 액정 화합물을 포함하는 액정 조성물의 기체크로마토그래피-질량분석 결과 그래프이다.
도 5는 공액이중결합을 포함하는 본 발명의 일 실시예에 따른 저점도 액정 화합물을 포함하는 액정 조성물의 기체크로마토그래피-질량분석 결과 그래프이다.
발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참고하면 명확해질 것이다.
그러나 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 실시예들은 발명의 개시가 완전하도록 하며, 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다. 도면에서 층 및 영역들의 크기 및 상대적인 크기는 설명의 명료성을 위해 과장된 것일 수 있다.
비록 제1, 제2 등이 다양한 구성요소들을 서술하기 위해서 사용되나, 이들 구성요소들은 이들 용어에 의해 제한되지 않음은 물론이다. 이들 용어들은 단지 하나의 구성요소를 다른 구성요소와 구별하기 위하여 사용하는 것이다. 따라서, 이하에서 언급되는 제1 구성요소는 본 발명의 기술적 사상 내에서 제2 구성요소일 수도 있음은 물론이다.
소자(elements) 또는 층이 다른 소자 또는 층의 "위(on)" 또는 "상(on)"으로 지칭되는 것은 다른 소자 또는 층의 바로 위 뿐만 아니라 중간에 다른 층 또는 다른 소자를 개재한 경우를 모두 포함한다. 반면, 소자가 "직접 위(directly on)" 또는 "바로 위"로 지칭되는 것은 중간에 다른 소자 또는 층을 개재하지 않은 것을 나타낸다.
공간적으로 상대적인 용어인 "아래(below)", "아래(beneath)", "하부(lower)", "위(above)", "상부(upper)" 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.
본 명세서에서, CA- B 는 탄소수가 A 이상 내지 B 이하인 것으로 정의한다.
도 1은 제1 액정표시장치(500)의 개략적인 분해 사시도이다.
도 2는 도 1의 제1 액정표시장치(500)에 전계를 인가하지 않은 초기 상태의 개략적인 단면도이다.
도 1 및 도 2를 참고하면, 제1 액정표시장치(500)는 제1 표시기판(100), 소정의 셀갭을 유지하면서 제1 표시기판(100)과 이격하여 대향 배치된 제2 표시기판(200), 및 제1 표시기판(100)과 제2 표시기판(200)의 사이에 개재된 액정층(300)을 포함하여 구성될 수 있다.
제1 표시기판(100)과 제2 표시기판(200)은 각각 표시 영역(I) 및 비표시 영역(II)을 포함한다. 표시 영역(I)은 이미지가 시인되는 영역이고, 비표시 영역(II)은 표시 영역(I)의 주변부로서 표시 영역(I)을 둘러싸는 영역으로서, 상기 이미지가 시인되지 않는 영역일 수 있다.
액정층(300)은 액정 분자들(301)을 포함할 수 있고, 액정 분자들(301)은 음의 유전율 이방성을 갖는 액정 분자들(301)일 수 있다. 이하, 음의 유전율 이방성을 갖는 액정 분자들(301)을 네거티브 액정 분자들(301)이라 한다.
제1 표시기판(100)과 제2 표시기판(200)은 씰런트(sealant) 등으로 이루어진 씰 라인(310)에 의해 합착될 수 있다.
제1 액정표시장치(500)에 전계가 인가되지 않은 초기 상태에서, 네거티브 액정 분자들(301)은 제1 표시기판(100) 및 제2 표시기판(200)에 대해 실질적으로 수직 배향될 수 있다. 이 때, 네거티브 액정 분자들(301)이 제1 표시기판(100) 및 제2 표시기판(200)에 대해 실질적으로 수직 배향된다는 것은 네거티브 액정 분자들(301)이 제1 표시기판(100) 및 제2 표시기판(200)에 대해 88 ° 이상 내지 90 ° 이하의 선경사각을 가지고 배향되는 것을 의미한다.
상기 선경사각은 제1 표시기판(100)과 네거티브 액정 분자들(301)의 방향자 사이의 각 및 제2 표시기판(200)과 네거티브 액정 분자들(301)의 방향자 사이의 각을 의미한다. 한편, 극각은 제1 표시기판(100)에 수직한 가상의 법선과 네거티브 액정 분자들(301)의 방향자 사이의 각 및 제2 표시기판(200)에 수직한 가상의 법선과 네거티브 액정 분자들(301)의 방향자 사이의 각을 의미한다.
씰 라인(310)은 제1 표시기판(100) 및 제2 표시기판(200)의 주변부로서, 비표시 영역(II) 상에 위치할 수 있다. 씰 라인(310)는 표시 영역(I)의 주변부를 따라 형성되어 표시 영역(I)을 둘러싼다. 제1 표시기판(100)과 제2 표시기판(200)의 사이에는 소정 공간이 정의될 수 있고, 상기 소정 공간 내에 액정층(300)이 개재됨으로써, 액정 분자들(301)이 외부로 유출되는 것이 방지될 수 있다.
제1 표시기판(100)의 표시 영역(I)에는 제1 방향으로 연장된 복수의 게이트 라인(GL), 상기 제1 방향에 수직인 제2 방향으로 연장된 복수의 데이터 라인(DL)이 형성될 수 있다. 제1 표시기판(100)의 표시 영역(I)에는 매트릭스 형태로 배열된 복수의 화소들(PX)이 게이트 라인(GL)과 데이터 라인(DL)에 의해 정의되고, 각 화소(PX)마다 화소 전극(180)이 배치될 수 있다.
제1 표시기판(100)의 비표시 영역(II)에는 표시 영역(I)의 각 화소(PX)에 게이트 구동 신호, 데이터 구동 신호 등을 제공하는 구동부(미도시)가 배치될 수 있다.
제1 표시기판(100)은 박막트랜지스터 어레이 기판, 화소 전극(180) 및 제1 액정 배향층(190)을 포함하여 구성될 수 있다. 상기 박막트랜지스터 어레이 기판은 제1 기판(110), 게이트 라인(GL), 게이트 전극(125), 게이트 절연막(130), 반도체층(140), 데이터 라인(DL), 소오스 전극(152), 드레인 전극(155), 컬러필터층(160), 유기막(170) 및 화소 전극(180)을 포함하여 구성될 수 있다. 상기 박막트랜지스터는 스위칭 소자로서, 게이트 전극(125), 게이트 절연막(130), 반도체층(140), 데이터 라인(DL), 소오스 전극(152) 및 드레인 전극(155)을 포함하여 구성될 수 있다.
제2 표시기판(200)은 제1 표시기판(100)의 대향 기판으로서, 제2 기판(210), 차광 패턴(220), 공통전극(240) 및 제2 액정 배향층(270)을 포함하여 구성될 수 있다.
제1 기판(110)은 제1 표시기판(100)의 베이스 기판이고, 제1 기판(110)은 표시 영역(I)과 비표시 영역(II)을 포함할 수 있다. 제1 기판(110)은 유리 또는 투명한 플라스틱과 같은 투명한 절연 기판으로 이루어질 수 있다.
표시 영역(I)의 제1 기판(110) 상에는 도전성 물질로 이루어진 게이트 라인(GL) 및 그로부터 돌출된 게이트 전극(125)이 배치된다. 도면으로 도시되지는 않았지만, 게이트 라인(GL)은 비표시 영역(II)까지 연장될 수 있고, 비표시 영역(II)에서 게이트 패드(미도시)를 형성할 수 있다. 게이트 라인(GL) 및 게이트 전극(125)은 게이트 절연막(130)에 의해 덮인다. 게이트 절연막(130)은 비표시 영역(II)까지 형성될 수 있다.
표시 영역(I)의 게이트 절연막(130) 상에는 반도체층(140)과 오믹 콘택층(미도시)이 형성될 수 있다. 반도체층(140) 및 상기 오믹 콘택층 상에는 데이터 라인(DL)으로부터 분지된 소오스 전극(152) 및 소오스 전극(152)과 이격된 드레인 전극(155)이 형성될 수 있다. 도면으로 도시되지는 않았지만, 데이터 라인은 비표시 영역(II)까지 연장될 수 있고 비표시 영역(II)에서 데이터 패드(미도시)를 형성할 수 있다.
소오스 전극(152)과 드레인 전극(155) 상에는 컬러필터층(160)이 형성될 수 있다. 컬러필터층(160)은 표시 영역(I)내에서 각 화소(PX)에 대응되는 영역에 형성될 수 있으며, 제1 컬러필터(160-1)와 제2 컬러필터(160-2)를 포함한다. 예를 들어, 제1 컬러필터(160-1)와 제2 컬러필터(160-2)는 서로 다른 색을 구현하는 컬러필터들일 수 있고, 제1 컬러필터(160-1)와 제2 컬러필터(160-2)는, 예를 들어, 각각 적색 컬러필터(R), 녹색 컬러필터(G), 청색 컬러필터(B) 중 하나일 수 있다. 제1 컬러필터(160-1)와 제2 컬러필터(160-2)는 교대로 배치될 수 있다.
컬러필터층(160) 상에는 유기 물질로 이루어진 유기막(170)이 형성될 수 있다. 유기막(170)은 비표시 영역(II)까지 형성될 수 있다.
유기막(170) 상에는 각 화소(PX)마다 도전 물질로 이루어진 화소 전극(180)이 형성될 수 있다. 화소 전극(180)은 유기막(170)과 컬러필터층(160)을 관통하여 드레인 전극(155)을 노출하는 콘택홀(172)의 통해 드레인 전극(155)과 전기적으로 연결될 수 있다. 화소 전극(180)은 인듐 주석 산화물, 인듐 아연 산화물, 인듐 산화물, 아연 산화물, 주석 산화물, 갈륨 산화물, 티타늄 산화물, 알루미늄, 은, 백금, 크롬, 몰리브덴, 탄탈륨, 니오븀, 아연, 마그네슘, 이들의 합금이나 이들의 적층막으로 구성될 수 있다.
화소 전극(180)은 돌기 패턴과 슬릿 패턴 중 적어도 하나의 패턴을 갖는 패턴 전극일 수 있다. 예를 들어, 화소 전극(180)은 상기 슬릿 패턴을 가진 패턴 전극일 수 있다. 화소 전극(180)은 스위칭 소자인 박막트랜지스터를 통해 데이터 전압을 제공받을 수 있다. 상기 박막트랜지스터의 제어단자인 게이트 전극(125)은 게이트 라인(GL)에 연결되고, 입력 단자인 소오스 전극(152)은 데이터 라인(DL)에 연결되며, 출력 단자인 드레인 전극(155)은 화소 전극(180)에 접촉을 통해 전기적으로 연결될 수 있다. 상기 박막트랜지스터의 채널은 반도체층(140)으로 형성될 수 있다. 반도체층(140)은 게이트 전극(125)과 오버랩(overlap)되도록 배치될 수 있다. 소오스 전극(152)과 드레인 전극(155)은 반도체층(140)을 기준으로 이격될 수 있다. 화소 전극(180)은 공통 전극(250)과 함께 전계를 생성하여 그 사이에 배치된 액정층(300) 액정 분자들(301)의 배향 방향을 제어할 수 있다.
제2 기판(210)은 제2 표시기판(200)의 베이스 기판이고, 제2 기판(210)은 표시 영역(I)과 비표시 영역(II)을 포함할 수 있으며, 유리나 투명한 플라스틱과 같은 투명한 절연 기판으로 이루어질 수 있다.
제2 기판(210) 상에는 차광 패턴(220)이 형성될 수 있다. 차광 패턴(220)은 일반적으로 블랙 매트릭스로 불리기도 한다. 제2 기판(220)의 표시 영역(I)에서, 차광 패턴(220)은 제1 컬러필터(160-1)와 제2 컬러필터(160-2)의 경계에 중첩 배치될 수 있고, 제2 기판(210)의 비표시 영역(II)까지 형성될 수 있다. 제2 기판(210)의 비표시 영역(II)의 차광 패턴(220)은 제2 기판(210)의 표시 영역(I)의 차광 패턴(220)보다 넓은 폭을 가질 수 있다.
차광 패턴(220) 상에는 공통전극(250)이 배치될 수 있다. 공통전극(250)은 슬릿 패턴과 돌기 패턴이 없는 패턴리스(patternless) 전극일 수 있다. 이 때, 제1 액정표시장치(500)는 제1 표시기판(100)에만 상기 패턴 전극을 형성하고, 제2 표시기판(200)에는 상기 패턴리스 전극을 형성함으로써, 액정 분자(301)의 배향을 상기 패턴 전극을 이용하여 제어할 수 있다.
공통전극(250)은 인듐 주석 산화물, 인듐 아연 산화물, 인듐 산화물, 아연 산화물, 주석 산화물, 갈륨 산화물, 티타늄 산화물, 알루미늄, 은, 백금, 크롬, 몰리브덴, 탄탈륨, 니오븀, 아연, 마그네슘, 이들의 합금이나 이들의 적층막으로 구성될 수 있다. 공통전극(250)은 표시 영역(I) 전체를 커버하도록 형성될 수 있다. 표시 영역(I)의 전면에는 화소(PX)와 무관하게 일체형으로 형성된 공통 전극(250)이 배치될 수 있다. 또한, 공통 전극(250)은 비표시 영역(II)의 일부에까지 형성될 수 있다.
제1 액정 배향층(190)은 화소 전극(180) 상에 배치될 수 있다. 제1 액정 배향층(190)은 표시 영역(I) 뿐만 아니라 비표시 영역(II)까지 형성될 수 있다.
또한, 도시하지는 않았으나, 제1 액정표시장치(500)는 제1 표시기판(100)의 하부에 배치되는 백라이트 유닛(미도시), 제2 표시기판(200)의 상부에 배치되는 상부 편광판(미도시) 등을 추가로 포함할 수 있다.
백라이트 유닛은, 예를 들어 도광판, 광원부, 반사부재, 광학시트 등을 더 포함할 수 있다.
도광판(Light Guide Plate: LGP)은 광원부에서 발생되는 광의 경로를 액정층 측으로 변경하는 부분으로서, 광원부에서 발생되는 빛이 입사되도록 마련된 입광면 및 액정층을 향하는 출광면을 구비할 수 있다. 도광판은 광투과성 재료 중의 하나인 폴리메틸메타크릴레이트(Poly Methyl Methacrylate : PMMA) 재질 또는 폴리카보네이트(Polycarbonate : PC) 재질과 같은 일정한 굴절율을 갖는 재료로 이루어질 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
이와 같은 재료로 이루어진 도광판의 일측 또는 양측으로 입사한 광은 도광판의 임계각 이내의 각도를 가지므로, 도광판 내부로 입사되고, 도광판의 상면 또는 하면에 입사되었을 때 광의 각도는 임계각을 벗어나게 되어, 도광판 외부로 출사되지 않고, 도광판 내부에 골고루 전달된다.
도광판의 상면 및 하면 중 어느 하나의 면, 예를 들어 출광면과 대향하는 하면에는 가이드 된 광이 상부로 출사될 수 있도록 산란 패턴이 형성될 수 있다. 즉, 도광판 내부에서 전달된 광이 상부로 출사될 수 있도록 도광판의 일면에 예를 들어 잉크로 산란 패턴을 인쇄할 수 있다. 이러한 산란 패턴은 잉크를 인쇄하여 형성할 수도 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 도광판에 미세한 홈이나 돌기를 형성할 수도 있으며, 다양한 변형이 가능하다.
도광판과 하부 수납부재의 바닥부 사이에는 반사부재가 더 구비될 수 있다. 반사부재는 도광판의 하면, 즉 출광면과 대향하는 반대면으로 출사되는 광을 다시 반사시켜 도광판에 공급하는 역할을 한다. 반사부재는 필름 형태로 이루어질 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
광원부는 도광판의 입광면과 대면하도록 배치될 수 있다. 광원부의 개수는 필요에 따라 적절히 변경 가능하다. 예컨대 광원부는 도광판의 일 측면에만 한 개가 구비될 수도 있으며, 도광판의 4개의 측면 중 3개 이상의 측면과 대응되도록 3개 이상이 구비되는 것도 가능하다. 또한 도광판의 측면 중 어느 하나와 대응되도록 배치된 광원부가 복수개인 경우도 가능하다고 할 것이다. 상기와 같이, 도광판의 측면에 광원이 위치하는 방식인 사이드 라이트 방식을 예로 들어 설명하였지만, 이외에도 백라이트 구성에 따라 직하 방식, 면 형상 광원 방식 등이 있다.
광원은 백색광을 발산하는 백색 LED일 수 있으며, 또는 각각 적(R), 녹(G), 청(B)의 색의 광을 발산하는 복수개의 LED일 수도 있다. 복수개의 광원이 각각 적(R), 녹(G), 청(B)의 색의 광을 발산하는 LED로 구현되는 경우, 이들을 한꺼번에 점등시킴으로써 색섞임에 의한 백색광을 구현할 수도 있다.
도 1 및 도 2 에 도시된 제1 액정표시장치(500)는, 제1 표시기판(100)이 컬러필터층(160)을 포함하는 컬러필터 온 어레이(color filter on array, COA) 구조를 예시하고 있으나, 본 발명의 실시예에 따른 액정표시장치가 제1 액정표시장치(500)로만 한정되는 것은 아니다.
도 3에는 제2 액정표시장치(500')에 전계를 인가하지 않은 초기 상태의 단면도가 개략적으로 도시되어 있다. 이하에서는, 도 2 및 도 3을 참조하여, 제1 액정표시장치(500)와 제2 액정표시장치(500')의 차이점에 대해서 상세하게 설명하기로 한다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 제2 액정표시장치(500')의 제1 표시기판(100')은 컬러필터층을 포함하고 있지 않은 점에서, 제1 액정표시장치(500)의 제1 표시기판(100)과 상이하다. 제1 표시기판(100')은 소오스 전극(152)과 드레인 전극(155) 상에 패시베이션막(160')이 배치된 구조로 설계된 점에서, 소오스 전극(152)과 드레인 전극(155) 상에 컬러필터층(160)이 배치된 구조로 설계된 제1 표시기판(100)과 상이하다. 패시베이션막(160')은 실리콘 질화막, 실리콘 산화막, 실리콘 산질화막 등의 절연물질로 이루어진 무기 절연막의 일종으로서, 경우에 따라서는 생략될 수 있다.
제2 액정표시장치(500')의 제2 표시기판(200')은 컬러필터층(230)과 오버코트층(240)을 포함하고 있는 점에서, 제1 액정표시장치(500)의 제2 표시기판(200)과 상이하다. 제2 표시기판(200')은 제2 기판(210) 및 차광 패턴(220) 상에 컬러필터층(230)이 배치되고, 컬러필터층(230)과 차광 패턴(220) 상에 오버코트층(240)이 배치되며, 오버코트층(240)상에 공통전극(250)이 배치된 구조로 설계된 점에서, 제2 기판(210) 및 차광 패턴(220) 상에 공통전극(250)이 배치된 구조로 설계된 제2 표시기판(200)과 상이하다.
이하, 액정층(300)에 대해 보다 구체적으로 설명하기로 한다. 액정층(300)은 하기 화학식 1 로 표현되는 제1 화합물들과 하기 화학식 2로 표현되는 제2 화합물들 중 적어도 하나의 액정 화합물을 포함하는 액정 조성물을 포함한다:
상기 화학식 1 또는 상기 화학식 2 에서, R 은 수소, C1-5 알킬기(alkyl group), 할로겐, 시안기(cyan group) 중 하나이고, R'는 C1-5 알킬기(alkyl group)이며, Z는 COO, OCO, CF2O, OCF2, CH2O, OCH2, SCH2, CH2S, C2F4, CH2CF2, CF2CH2, (CH2)m, CH=CH, CF=CF, CH=CF, CF=CH, C=C, CH=CHCH2O, 단일결합 중 하나이며, 은 , , , , , , , 중 하나이고, n 은 0 내지 3 이며, m 은 2 내지 5 이다.
상기 액정 화합물은 이중결합들이 단일결합을 사이에 끼고 존재하는 공액이중결합을 포함하고, 열 및 자외선에 취약한 말단이중결합을 포함하지 않는다. 상기 단일결합들은 시그마 결합(σ bond)으로 구성되는 반면에, 상기 이중결합들은 상기 시그마 결합과 파이 결합(π bond)을 포함하여 구성되는데, 상기 파이 결합은 상기 시그마 결합에 비해 열 및 자외선에 취약하므로, 사슬의 끝단에 이중결합이 위치된 상기 말단이중결합은 사슬의 중간에 이중결합이 위치되고 말단에 단일결합들이 위치된 내부이중결합에 비해 열 및 자외선에 의 해 분자구조가 열분해 및 광분해되기 쉽다.
이와 달리, 상기 공액이중결합은 상기 액정 화합물에 향상된 열 안정성 및 광 안정성을 제공할 수 있다. 따라서, 상기 액정층(300)은 향상된 열 안정성 및 광 안정성을 가질 수 있다. 이와 관련해서는, 하기의 실험결과, 도 4 및 도 5를 참고하여 상세하게 설명하기로 한다.
상기 제1 화합물은, 예를 들어, 하기 화학식 1-1 내지 하기 화학식 1-8 로 표현되는 화합물들 중 하나일 수 있다:
상기 제2 화합물은, 예를 들어, 하기 화학식 2-1 내지 하기 화학식 2-8 로 표현되는 화합물들 중 하나일 수 있다:
상기 액정 조성물은, 하기 화학식 3-1 내지 하기 화학식 3-19 로 표현되는 제3 화합물들 중 적어도 하나의 화합물을 더 포함할 수 있고, 굴절률 이방성 측정값이 0.08 내지 0.12 일 수 있고, 20℃ 의 온도 조건 및 1 kHZ 주파수 조건하에서의 유전율 이방성 측정값이 -5.5 내지 -2.8 일 수 있으며, 20℃ 의 온도 조건 하에서의 회전점도 측정값이 70 mPa·s 내지 140 mPa·s 일 수 있다:
상기 화학식 3-1 내지 상기 화학식 3-19 에서, X 와 Y 는 독립적으로 C1-5 알킬기이다.
상기 화학식 1-1로 표현되는 화합물은 상기 화학식 3-1로 표현되는 화합물과 같이 고리 화합물이 2개 이므로, 상기 화학식 3-1로 표현되는 화합물을 전부 대체하거나 또는 부분적으로 대체할 수 있는 저점도 특성을 갖는다. 또한, 상기 공액이중결합을 포함하는 상기 제1 화합물과 상기 제2 화합물은, 상기 말단이중결합을 포함하는 상기 화학식 3-1로 표현되는 화합물과 상기 화학식 3-3으로 표현되는 화합물에 비해 향상된 열 안전성을 가질 수 있다.
따라서, 상기 액정 조성물은, 예를 들어, 상기 화학식 3-1로 표현되는 화합물, 상기 화학식 3-3으로 표현되는 화합물 또는 이들의 조합을 포함하지 않을 수 있다. 즉, 상기 액정 조성물은, 상기 화학식 3-1로 표현되는 화합물, 상기 화학식 3-3으로 표현되는 화합물 및 이들의 조합의 함량이 0 중량% 일 수 있다.
예를 들어, 상기 화학식 3-1로 표현되는 화합물이 하기 화학식 C-1로 표현되는 화합물인 경우, 상기 액정 조성물은 상기 화학식 1-1로 표현되는 화합물로 상기 화학식 C-1로 표현되는 화합물을 전부 대체하여, 즉, 상기 화학식 C-1로 표현되는 화합물의 함량을 0 중량%로 설계하여, 상기 액정 조성물의 점도를 낮추고, 액정표시장치의 고속 응답 특성을 구현할 수 있으며, 향상된 열 안정성으로 인해 액정표시장치의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
한편, 상기 제1 화합물 또는 상기 제2 화합물은 상기 액정 조성물의 전압 보전율을 향상시킬 수 있다. 이에 대해서는, 후술하는 실험예를 참고하여 상세하게 설명하기로 한다.
하기 표 1 과 하기 표 2에는 비교예에 따른 액정 조성물과 실시예에 따른 액정 조성물의 성능평가 결과가 정리되어 있다.
비교예 | 액정 화합물 | 함량(중량%) | 성능평가 |
비교 액정 조성물 | 20 | △n(ne-no): 0.104 △ε(ε∥ - ε⊥): -3.1 γ1: 89 mPa · s VHR(UV 10J): 88.6% 열 안정성 평가(140 ℃, 4 시간): 열 분해산물 피크가 발생되었음 |
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실험시료 | 액정 화합물 | 함량(중량%) | 성능평가 |
실험 액정 조성물 | 20 | △n(ne-no): 0.104 △ε(ε∥ - ε⊥): -3.1 γ1: 91 mPa · s VHR(UV 10J): 91.2% 열 안정성 평가(140 ℃, 4 시간): 열 분해산물 피크가 발생되지 않았음 |
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도 4에는 140 ℃의 온도 조건에서 4 시간 동안 보관된 표 1의 비교 액정 조성물을 기체크로마토그래피-질량분석법으로 분석으로 결과가 도시되어 있다. 상기 비교 액정 조성물은, 저점도 액정 화합물로서, 액정표시장치의 고속 응답 특성을 향상을 위해 사용되는 상기 화학식 C-1로 표현되는 화합물을 포함하고 있고, 상기 화학식 C-1로 표현되는 화합물은 바이시클로헥산(bicyclohexane)의 일 말단에 에테닐기(ethenyl group)가 결합되어 있고, 타 말단에 프로필기(propyl group)이 결합된 구조를 가진다.
도 4를 참고하면, 대략 50 분 대의 머무름 시간(retention time)에서 제1 피크(peak)가 관찰되었고, 대략 60 분 대의 머무름 시간에서 상기 제1 피크에 비해 강도(intensity)가 낮은 제2 피크가 관찰되었다. 상기 제1 피크는 상기 화학식 C-1로 표현되는 화합물에 대한 피크이고, 상기 제2 피크는 상기 화학식 C-1로 표현되는 화합물의 열분해 산물로 추정된다.
도 4에 도시된 바와 같이, 상기 비교 액정 조성물의 열 안정성 실험 결과, 열분해 산물로 추정되는 화합물이 발견되었고, 따라서, 상기 제1 피크의 강도에 대한 상기 제2 피크의 강도의 비가 0(zero)이 아니었다.
반면에, 140 ℃의 온도 조건에서 4 시간 동안 보관된 표 2의 실험 액정 조성물을 상기 기체크로마토그래피-질량분석법으로 분석한 결과, 상기 실험 액정 조성물의 기체크로마토그래피-질량분석 그래프에서는 상기 제1 피크와 실질적으로 동일한 시간 대에서 피크가 관찰되었고, 상기 제2 피크와 실질적으로 동일한 시간 대에서 피크가 관찰되지 않았다. 도 5에는 140 ℃의 온도 조건에서 4 시간 동안 보관된 표 2의 실험 액정 조성물을 기체크로마토그래피-질량분석법으로 분석으로 결과가 도시되어 있고, 도 5를 참고하면, 상기 제1 피크와 실질적으로 동일한 시간 대에서 관찰된 피크의 강도에 대한 상기 제2 피크와 실질적으로 동일한 시간 대에서 관찰된 피크의 강도의 비는 0 이다.
상기 화학식 1-1로 표현되는 화합물을 포함하는 상기 실험 액정 조성물은, 열 안정성이 매우 우수한 것이 확인되었고, 이는 상기 화학식 1-1 로 표현되는 화합물이 공액이중결합을 포함하고 있기 때문인 것으로 생각된다.
한편, 액정층(300)은 반응성 메조겐을 포함하고 있을 수 있다. 또 한편, 액정층(300)과 액정 배향층(190, 270)은 상기 반응성 메조겐들의 중합체와 상기 반응성 메조겐을 포함하고 있을 수 있다.
상기 반응성 메조겐은 액정성을 발현하기 위한 메조겐 구조와 고분자화를 위한 중합 가능한 말단기를 갖는 화합물로서, 예를 들어, 하기 화학식 RM으로 표현될 수 있다.
P1-SP1-MG-SP2-P2 (화학식 RM)
상기 화학식 RM 에서, P1과 P2는 중합 가능한 말단기로서, 예를 들어, (메트)아크릴레이트기((meth)acrylate group), 비닐기(vinyl group), 비닐옥시기(vinyloxy group), 에폭시기(epoxy group) 등일 수 있고, SP1은 P1과 MG를 연결하는 스페이서 기로서, 예를 들어, 탄소수가 1 개 내지 12 개인 알킬기(alkyl group), 탄소수가 1 개 내지 12 개인 알콕시기 등일 수 있으며, SP2는 P2와 MG를 연결하는 스페이서 기로서, 예를 들어, 탄소수가 1 개 내지 12 개인 알킬기(alkyl group), 탄소수가 1 개 내지 12 개인 알콕시기 등일 수 있고, MG는 메조겐 구조로서, 예를 들어, 사이클로헥실(cyclohexyl), 비페닐(biphenyl), 터페닐(terphenly), 나프탈렌(naphthalene) 등일 수 있다.
고분자 안정화 수직배향(PSA: Polymer Stabilized-Vertical Alignment)은, 상기 반응성 메조겐들의 중합체로 이루어진 고분자 네트워크를 통해 액정 분자들(301)의 선경사 배향을 안정화시키는 기술로서, 예를 들어, 액정 배향층(190, 270)은 폴리이미드계 고분자 액정 배향층과 상기 폴리이미드께 고분자 액정 배향층 상에 배치된 상기 반응성 메조겐들의 중합체층으로 구성될 수 있다.
상기 고분자 안정화 수직 배향은 상기 반응성 메조겐들을 액정 조성물에 첨가하는 방법 또는 액정 배향제에 상기 반응성 메조겐들을 첨가하는 방법 등으로 구현될 수 있는데, 어느 경우에나 상기 반응성 메조겐들의 열중합 또는 광중합이 요구되므로, 액정 분자들(301)은 우수한 열 안정성 또는 광 안정성을 갖는 것이 바람직하다.
하지만, 저점도 액정 화합물로서, 액정표시장치의 고속 응답 특성을 향상을 위해 사용되는 상기 화학식 C-1로 표현되는 화합물은 상기 말단이중결합을 포함하고 있으므로, 열 안정성 및 광 안정성이 매우 취약하여, 상기 표 1에서 확인할 수 있는 바와 같이, 상기 화학식 C-1로 표현되는 화합물을 포함하는 비교 액정 조성물은 전압 보전율이 낮은 단점이 있다.
반면에, 상기 표 2에서 확인할 수 있는 바와 같이, 상기 공액이중결합을 포함하는 상기 화학식 1-1로 표현되는 화합물을 포함하는 실험 액정 조성물은 상기 비교 액정 조성물에 비해 전압 보전율이 상대적으로 높다. 상기 공액이중결합을 포함하는 상기 화학식 1-1로 표현되는 화합물을 포함하는 실험 액정 조성물은, 액정표시장치의 표시품질을 저하시키지 않으면서도 상기 고분자 안정화 수직배향을 구현할 수 있는 장점이 있다.
따라서, 보다 바람직하게는, 본 발명에 실시예들에 따른 액정 조성물은, 상기 화학식 3-1로 표현되는 화합물, 상기 화학식 3-3으로 표현되는 화합물 또는 이들의 조합을 포함하지 않을 수 있다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 제조될 수 있으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
100, 100': 제1 표시기판
200,200': 제2 표시기판
190, 270: 액정 배향층
300: 액정층 301: 액정 화합물
500,500': 액정표시장치
190, 270: 액정 배향층
300: 액정층 301: 액정 화합물
500,500': 액정표시장치
Claims (14)
- 하기 화학식 1 로 표현되는 제1 화합물들과 하기 화학식 2로 표현되는 제2 화합물들 중 적어도 하나의 화합물을 포함하는 액정 조성물:
(화학식 1)
(화학식 2)
상기 화학식 1 또는 상기 화학식 2 에서,
R 은 수소, C1-5 알킬기(alkyl group), 할로겐, 시안기(cyan group) 중 하나이고, R'는 C1-5 알킬기(alkyl group)이며,
Z는 COO, OCO, CF2O, OCF2, CH2O, OCH2, SCH2, CH2S, C2F4, CH2CF2, CF2CH2, (CH2)m, CH=CH, CF=CF, CH=CF, CF=CH, C=C, CH=CHCH2O, 단일결합 중 하나이며,
은 , , , , , , , 중 하나이고,
n 은 0 내지 3 이며,
m 은 2 내지 5 이다. - 제1 항에 있어서,
140 ℃의 온도 조건에서 4 시간 보관한 후, 측정된 기체크로마토그래피-질량분석 결과에서, 상기 제1 화합들과 상기 제2 화합물들 중 적어도 하나의 화합물의 피크 강도에 대한 분해산물 피크 강도의 비가 0 인 액정 조성물. - 제1 항에 있어서,
10J의 자외선 조사 조건 하에서의, 전압 보전율 측정값이 90 % 초과인 액정 조성물. - 제1 항에 있어서,
하기 화학식 3-1 내지 하기 화학식 3-19 로 표현되는 제3 화합물들 중 적어도 하나의 화합물을 더 포함하는 액정 조성물:
(화학식 3-1)
(화학식 3-2)
(화학식 3-3)
(화학식 3-4)
(화학식 3-5)
(화학식 3-6)
(화학식 3-7)
(화학식 3-8)
(화학식 3-9)
(화학식 3-10)
(화학식 3-11)
(화학식 3-12)
(화학식 3-13)
(화학식 3-14)
(화학식 3-15)
(화학식 3-16)
(화학식 3-17)
(화학식 3-18)
(화학식 3-19)
상기 화학식 3-1 내지 상기 화학식 3-19 에서, X 와 Y 는 독립적으로 C1-5 알킬기이다. - 제5 항에 있어서,
상기 화학식 3-1 로 표현되는 화합물의 함량이 0 중량% 인 액정 조성물. - 제5 항에 있어서,
상기 화학식 3-3 으로 표현되는 화합물의 함량이 0 중량% 인 액정 조성물. - 제1 항에 있어서,
굴절률 이방성 측정값이 0.08 내지 0.12 이고,
20℃ 의 온도 조건 및 1 kHZ 주파수 조건하에서의 유전율 이방성 측정값이 -5.5 내지 -2.8 이며,
20℃ 의 온도 조건 하에서의 회전점도 측정값이 70 mPa·s 내지 140 mPa·s 인 액정 조성물. - 박막트랜지스터를 포함하는 제1 표시기판;
상기 제1 표시 기판에 대향하는 제2 표시기판; 및
상기 제1 표시 기판과 상기 제2 표시 기판의 사이에 배치되고, 하기 화학식 1 로 표현되는 제1 화합물들과 하기 화학식 2로 표현되는 제2 화합물들 중 적어도 하나의 화합물 및 반응성 메조겐을 포함하는 액정층;
을 포함하는 액정표시장치:
(화학식 1)
(화학식 2)
상기 화학식 1 또는 상기 화학식 2 에서,
R 은 수소, C1-5 알킬기(alkyl group), 할로겐, 시안기(cyan group) 중 하나이고, R'는 C1-5 알킬기(alkyl group)이며,
Z는 COO, OCO, CF2O, OCF2, CH2O, OCH2, SCH2, CH2S, C2F4, CH2CF2, CF2CH2, (CH2)m, CH=CH, CF=CF, CH=CF, CF=CH, C=C, CH=CHCH2O, 단일결합 중 하나이며,
은 , , , , , , , 중 하나이고,
n 은 0 내지 3 이며,
m 은 2 내지 5 이다. - 제9 항에 있어서,
상기 반응성 메조겐을 포함하는 액정 배향막;을 더 포함하고,
상기 액정 배향막은 상기 제1 표시기판과 상기 제2 표시기판 중 적어도 하나의 표시기판과 상기 액정층의 사이에 배치되는 액정표시장치. - 제9 항에 있어서,
하기 화학식 3-1 내지 하기 화학식 3-19 로 표현되는 제3 화합물들 중 적어도 하나의 화합물을 더 포함하는 액정표시장치:
(화학식 3-1)
(화학식 3-2)
(화학식 3-3)
(화학식 3-4)
(화학식 3-5)
(화학식 3-6)
(화학식 3-7)
(화학식 3-8)
(화학식 3-9)
(화학식 3-10)
(화학식 3-11)
(화학식 3-12)
(화학식 3-13)
(화학식 3-14)
(화학식 3-15)
(화학식 3-16)
(화학식 3-17)
(화학식 3-18)
(화학식 3-19)
상기 화학식 3-1 내지 상기 화학식 3-19 에서, X 와 Y 는 독립적으로 C1-5 알킬기이다. - 제12 항에 있어서,
상기 액정층은 상기 화학식 3-1 로 표현되는 화합물의 함량이 0 중량% 인 액정표시장치. - 제12 항에 있어서,
상기 액정층은 상기 화학식 3-3 으로 표현되는 화합물의 함량이 0 중량% 인 액정표시장치.
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