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KR100230436B1 - 광배향성 조성물, 이로부터 형성된 배향막 및이 배향막을 구비한 액정표시소자 - Google Patents

광배향성 조성물, 이로부터 형성된 배향막 및이 배향막을 구비한 액정표시소자 Download PDF

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KR100230436B1
KR100230436B1 KR1019960067053A KR19960067053A KR100230436B1 KR 100230436 B1 KR100230436 B1 KR 100230436B1 KR 1019960067053 A KR1019960067053 A KR 1019960067053A KR 19960067053 A KR19960067053 A KR 19960067053A KR 100230436 B1 KR100230436 B1 KR 100230436B1
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Abstract

본 발명은 벤조페논 성분(moiety)과 반응성 수소(active hydrogen) 성분을 갖는 자기감광성(self-photosensitive) 폴리이미드를 포함하는 것을 특징으로 하는 광배향성 조성물, 이 조성물을 이용하여 형성된 배향막 및 이 배향막을 구비한 액정표시소자를 개시한다. 본 발명에 따르면, 배향의 열적 안정성이 매우 우수하고 프레틸트각이 개선된 배향막을 얻을 수 있어서 종래보다 우수한 성능을 갖는 액정표시소자를 얻을 수 있다.

Description

광배향성 조성물, 이로부터 형성된 배향막과 이 배향막을 구비한 액정표시소자{Optical alignment composition, aligment layer formed therefrom, liquid crystal device employing the alignment layer}
본 발명은 광배향성 조성물, 이로부터 형성된 배향막과 이 배향막을 구비한 액정표시소자에 관한 것으로서, 상세하기로는 벤조페논 성분(moiety)과 반응성 수소 성분을 동시에 갖는 폴리이미드와 여기에 측쇄에 장쇄 알킬기가 도입된 폴리이미드를 혼합하여 만든 광배향성 조성물을 이용하여 프리틸트각이 개선되고 배향의 열적 안정성이 매우 우수한 광배향막 및 이 광배향막을 구비하고 있는 액정표시소자에 관한 것이다.
통상적인 액정표시소자는 도 1에 도시된 바와 같이 소정간격으로 이격되어 상호 대향되어 있는 한 쌍의 상 하 기판 (2) 및 (2'), 상기 상, 하 기판상에는 투명전극층 (3) 및 (3'), 절연층 (4) 및 (4') 및 액정의 배향을 위한 배향막 (5) 및 (5')이 순차적으로 형성되어 있으며, 상, 하 기판 (2) 및 (2')사이의 공간에 액정이 주입된 액정층 (7)을 갖는 구조를 가지고 있다. 그리고 스페이서 (6)은 상기 상하 기판 (2) 및 (2')사이의 간격을 일정두께로 유지하는 역할을 하며, 상기 기판 (2) 및 (2')의 외측면에는 입사광 및 투사광의 편광을 위한 편광판 (1) 및 (1')이 각각 설치되어 있다.
액정표시소자의 기본적 구동원리는 외부의 전압인가 여부에 따라 전계의 영향을 받은 액정의 배열이 변화되며, 그 배열의 변화에 따라 액정표시소자에 유입되는 외부의 광이 차단 및 투과되는 성질을 이용하는 것이다. 즉 상기 투명전극층에 전압이 인가되면 액정층에 전계가 형성된다. 이로써 액정은 일정방향으로 구동되며 액정의 구동여부에 따라 표시소자의 액정 내부로 유입되는 광이 차단 또는 투과된다.
이와 같은 액정표시소자는 액정 분자의 배열 특성에 따라 광투과성, 응답속도, 시야각, 콘트라스트 등과 같은 표시소자로서의 기능이 결정된다. 따라서 액정 분자의 배향을 균일하게 제어하는 기술이 매우 중요하다.
액정의 균일한 배향상태는 단순히 액정을 상, 하 기판사이에 개재시키는 것만으로는 얻기 힘들기 때문에 도 1의 액정표시소자로부터 알 수 있는 바와 같이 투명전극층 상부에 배향막을 형성하게 된다.
상기 배향막으로는 기판상에 폴리이미드, 폴리아미드 등과 같은 유기 고분자 물질로 된 박막을 형성하고 경화한 후, 상기 결과물을 특수 형태의 천으로 러빙하여 액정 분자의 배향방향을 제어하는 러빙(rubbing)법에 의해 형성된 배향막이 주로 이용되었다. 그런데 상기 방법은 실시하기가 용이하고 공정이 단순하며 한 번에 넓은 면적의 액정을 배향처리할 수 있다. 그러나 러빙시 사용된 특수 형태의 천으로부터 미세입자 또는 섬유소가 이탈되어 배향막을 오염시킬 수 있고, 배향막 재료에 따라 배향이 잘 안되는 경우도 있으며, 러빙시 발생하는 정전기에 의하여 박막 트랜지스터가 손상된다는 문제점이 있다.
상기 문제점을 해결하기 위해 먼지나 정전기 등이 발생되지 않고 공정이 깨끗한 광배향기술이 개발되었는데, 이 방법은 비파괴적인 배향방법으로서 편광된 빛이 광배향성 배향막에 조사되면 비등방성 광중합이 일어나 액정 분자가 균일하게 배향된다.
상기 광배향성 배향막 재료로는 폴리비닐 신나메이트(polyvinyl cinnamate: 이하 PVCN)과 폴리비닐 메톡시신나메이트(polyvinyl methoxycinnamate: 이하 PVMC) 등이 주로 사용된다. 그런데 이러한 고분자 화합물은 광에 의한 배향성능은 뛰어나지만 배향의 열적 안정성이 저하되고 프레틸트각이 거의 0도 가까이로 떨어진다는 문제점을 가지고 있다. 즉 배향막의 열적 안정성은 고분자의 열적 안정성에 의존하는데, PVCN나 PVMC는 유리전이온도가 약 100℃ 미만으로 비교적 낮은 편이라서 배향후 열적 안정성이 떨어지고 가교반응후 대칭구조로 인한 프레틸트각의 형성이 어렵다는 문제점을 가지고 있다.
본 발명이 이루고자 하는 첫번째 기술적 과제는 상기 문제점을 해결하여 열적 안정성이 매우 우수하고 프리틸트각을 개선시킬 수 있는 광배향성 조성물을 제공하는 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 두번째 기술적 과제는 상기 광배향성 조성물로부터 형성된 배향막을 제공하는 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 세번째 기술적 과제는 상기 배향막을 구비하고 있는 액정표시소자를 제공하는 것이다.
도 1은 일반적인 액정표시소자의 단면도이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
1,1'... 편광판 2,2'...기판
3,3'...전극 4,4'...절연층
5,5'...배향막 6...스페이서
7...액정층
본 발명의 첫번째 과제를 이루기 위하여 본 발명에서는 벤조페논 성분(moiety)과 반응성 수소(active hydrogen) 성분을 갖는 화학식 1의 자기감광성 폴리이미드를 포함하는 것을 특징으로 하는 광배향성 조성물을 제공한다.
본 발명의 두번째 과제는 벤조페논 성분(moiety)과 반응성 수소(active hydrogen) 성분을 갖는 화학식 1의 자기감광성 폴리이미드를 포함하는 것을 특징으로 하는 광배향막을 제공한다.
본 발명의 세 번째 과제는 벤조페논 성분(moiety)과 반응성 수소(active hydrogen) 성분을 갖는 화학식 1의 자기감광성 폴리이미드를 포함하는 배향막을 구비하는 액정표시소자를 제공한다.
상기식중, R1은
중에서 선택되고,
R2가
로 이루어진 군으로부터 선택된다.
본 발명에서는 내열성 고분자인 폴리이미드에 벤조페논 성분과 반응성 수소 성분을 동시에 도입하여 감광성을 부여함으로써 광배향의 열적 안정성을 개선하고자 한 것이다. 본 발명의 광배향성 조성물에는 상기 자기감광성 폴리이미드에 측쇄에 하기 구조식의 장쇄 알킬기가 도입된 폴리이미드가 더 포함될 수도 있다. 여기에서 자기감광성 폴리이미드와 측쇄에 알킬기가 도입된 폴리이미드의 혼합중량비는 99:1 내지 80:20이다.
여기에서 R"은 C3-C17의 알킬기이고,
로 이루어진 군으로 부터 선택되고,
상기식중, R3은
로 이루어진 군으로부터 선택된다.
상기 감광성 폴리이미드의 중량평균분자량은 5×103내지 2×105이고, 상기 측쇄에 알킬기가 도입된 폴리이미드의 중량평균분자량은 5×103내지 2×105인 것이 바람직하다.
이하, 본 발명에 따른 광배향성 조성물, 이를 이용한 배향막 및 이 배향막을 구비한 액정표시소자의 제조방법에 대하여 설명하기로 한다. 먼저 벤조페논 성분과 반응성 수소가 도입된 폴리이미드의 합성방법은 다음과 같다.
먼저, 산무수물 (1), 디아민 화합물 (2) 및 용매를 혼합한 다음, 반응시켜 폴리아믹산 (3)을 합성한다.
상기식중, R1과 R2는 전술한 바와 같다.
상기 폴리아믹산 (3)을 적절한 용매와 혼합하여 만든 광배향성 조성물을 투명전극층이 형성된 유리기판 2장 각각에 스핀코팅하였다. 이 때 용매는 특별히 제한되지는 않으나 바람직하기로는 N-메틸피롤리돈(NMP), 디메틸포름아미드(DMF) 및 부틸셀로솔브중에서 선택하여 사용하는 것이 바람직하다. 그리고 나서, 상기 결과물의 용매를 건조한 다음, 200 내지 250℃ 정도의 열처리과정을 거쳐 이미다제이션(imidization) 반응을 실시하여 폴리이미드 배향막을 형성한다.
이어서, 선편광(파장: 300 내지 400nm)을 조사하여 광반응을 실시한 다음, 스페이서를 이용하여 일정갭이 유지된 상태에서 2장의 기판을 접합하여 공셀을 완성한다. 그 후, 상기 공셀에 액정을 주입함으로써 액정표시소자를 완성하게 된다.
이하, 측쇄에 알킬기가 도입된 폴리이미드를 합성하는 방법을 살펴보기로 한다.
산 무수물 (4)과 디아민 화합물 (5)을 용매하에서 0 내지 25℃에서 24시간동안 반응하여 폴리아믹산 (6)을 합성하고, 이를 이미드화하여 폴리이미드 (7)를 합성한다.
로 이루어진 군으로부터 선택되고,
로 이루어진 군으로부터 선택된다.
그리고 나서, 폴리이미드 (7)을 할로겐 알킬 (8)와 반응시켜 측쇄에 알킬기가 도입된 폴리이미드 (9)을 합성한다.
상기식중, R"는 C3내지 C17의 알킬기를 의미하고, X는 염소, 브롬 및 요오드로 이루어진 군으로부터 선택된다.
이하, 본 발명을 실시예를 들어 상세히 설명하기로 하되, 본 발명이 하기 실시예로만 한정되는 것은 아니다.
<실시예 1>
3,3',4,4'-벤조페논 테트라카르복실산 디안하이드라이드 2.93g과 1,4-비스(아미노메틸)사이클로헥산 1.29g 및 NMP 60g을 혼합하고, 일련의 반응과정을 거쳐 폴리아믹산 4.2g(in NMP 60㎖)을 합성하였다. 이어서 NMP를 더 부가하여 상기 폴리아믹산 포함하는 조성물을 적절한 점도로 조절한 다음, ITO 전극층이 코팅되어 있는 유리기판 2장에 각각 스핀코팅하였다. 이어서 상기 결과물을 약 100℃에서 1시간동안 건조시켰다. 그 후, 약 250℃에서 2시간동안 열처리하여 폴리이미드 배향막을 형성하였다.
상기 배향막에 약 10mW/㎠ 강도를 갖는 약 330nm 파장의 선편광을 조사하여 약 5분동안 광반응을 실시하였다. 스페이서를 이용하여 두 유리기판간의 간격을 소정두께로 유지하면서 얻어진 유리기판 2장을 접합하여 공셀을 제조하였다. 그리고 이 공셀에 액정을 주입하여 액정표시소자를 완성하였다.
<실시예 2>
3,3',4,4'-벤조페논 테트라카르복실산 디안하이드라이드 3.22g과 3,5-디아미노벤조산 1.52g을 NMP 60g에 혼합한 다음, 상온에서 24시간동안 교반하여 폴리아믹산을 합성하였다. 그리고 상기 폴리아믹산을 탈수시켜 폴리이미드를 합성하였다.
상기 폴리이미드 4.54g(0.01mol)과 옥틸 브로마이드 1.93g(0.01mol)을 혼합한 다음, 여기에 피리딘 0.8g을 부가하여 60℃에서 2시간동안 반응시켰다.
상기 방법에 따라 얻어진 폴리이미드 0.02g을 실시예 1에서 제조한 폴리아믹산 0.18g 및 NMP 10g과 혼합한 조성물을 ITO 전극층이 형성되어 있는 유리기판 2장에 각각 스핀코팅하였다. 이어서, 약 100℃에서 1시간동안 건조한 다음, 약 250℃에서 2시간동안 열처리하여 배향막을 형성하였다.
이어서 약 330nm 파장의 선편광을 조사하여 광반응을 5분동안 실시하였다.
스페이서를 사용하여 상기 두 유리기판을 소정두께로 유지시킨 다음, 두 유리기판을 접합하여 공셀을 형성하였다. 이 공셀에 액정을 주입하여 액정표시소자를 완성하였다.
상기 실시예 1 및 2에 따라 제조된 액정표시소자에서 대해 배향도, 배향의 열적 안정성 및 프레틸트각을 측정하였다. 이 때 배향도는 편광필름을 통하여 관찰하였으며, 열적 안정성은 온도를 180 내지 200℃까지 올리면서 소정시간동안 방치시킨 후, 다시 편광필름을 통하여 배향막의 변성정도를 관찰하는 식으로 측정하였다. 그리고 프레틸트각은 크리스탈 로테이션(crystal rotation)방법을 사용하여 측정하였다.
측정결과, 실시예 1의 경우에는 200℃까지 온도를 증가시킨 경우에도 배향막의 변성이 거의 없어서 열적 안정성이 매우 우수한 것으로 나타났다. 그리고 실시예 2의 경우에도 배향의 열적 안정성이 우수하여 180℃까지 온도를 증가시킨 후 배향막의 변성이 나타나지 않았으며, 프레틸트각은 약 5。였다.
본 발명에 따르면, 다음과 같은 효과가 있다.
첫째, 광배향의 열적 안정성을 유지할 수 있는 온도 범위가 종래에은 70℃ 미만이었지만 본 발명의 경우에는 200℃ 정도까지 향상되므로 배향의 열적 안정성이 매우 우수한 광배향성 조성물 및 배향막을 얻을 수 있다.
둘째, 자기감광성 폴리이미드에 장쇄 알킬기를 갖는 폴리이미드를 혼합사용함으??써 프레틸트각을 0 내지 10。까지 향상시킬 수 있다.
셋째, 종래 러빙방법에 의한 배향처리과정에서 발생되는 러빙으로 인한 흠집, 정전기나 먼지 발생 등의 문제점을 해결할 수 있다. 즉 정전기나 먼지 등이 발생하지 않으며 공정이 매우 깨끗하다. 따라서 종래보다 우수한 성능을 갖는 액정표시소자를 제조할 수 있다.

Claims (15)

  1. 벤조페논 성분(moiety)과 반응성 수소(active hydrogen) 성분을 갖는 화학식 1의 자기감광성 폴리이미드를 포함하는 것을 특징으로 하는 광배향성 조성물.
    <화학식 1>
    상기식중, R1은
    중에서 선택되고,
    R2가
    이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 광배향성 조성물.
  2. 제1항에 있어서, 상기 자기감광성 폴리이미드의 중량평균분자량이 5×103내지 2×105인 것을 특징으로 하는 광배향성 조성물.
  3. 제1항에 있어서, 하기 화학식의 측쇄에 장쇄 알킬기를 갖는 폴리이미드가 더 포함되어 있는 것을 특징으로 하는 광배향성 조성물.
    여기에서 R"은 C3-C17의 알킬기이고,
    로 이루어진 군으로 부터 선택되고,
    상기식중, R3은
    로 이루어진 군으로부터 선택된다.
  4. 제3항에 있어서, 자기감광성 폴리이미드와 측쇄에 장쇄 알킬기를 갖는 폴리이미드의 혼합중량비가 99:1 내지 80:20 중량비인 것을 특징으로 하는 광배향성 조성물.
  5. 제3항에 있어서, 상기 측쇄에 장쇄 알킬기를 갖는 폴리이미드의 중량평균분자량이 5×103내지 2×105인 것을 특징으로 하는 광배향성 조성물.
  6. 벤조페논 성분(moiety)과 반응성 수소(active hydrogen) 성분을 갖고 있는 화학식 1의 자기감광성(self-photosensitive) 폴리이미드를 포함하는 것을 특징으로 하는 배향막.
    <화학식 1>
    상기식중, R1은
    중에서 선택되고,
    R2가
    로 이루어진 군으로부터 선택된다.
  7. 제6항에 있어서, 상기 자기감광성 폴리이미드의 중량평균분자량이 5×103내지 2×105인 것을 특징으로 하는 배향막.
  8. 제6항에 있어서, 하기 화학식의 측쇄에 장쇄 알킬기를 갖는 폴리이미드가 더 포함되어 있는 것을 특징으로 하는 배향막.
    여기에서 R"은 C3-C17의 알킬기이고,
    로 이루어진 군으로부터 선택되고,
    상기식중, R3은
    로 이루어진 군으로부터 선택된다.
  9. 제8항에 있어서, 자기감광성 폴리이미드와 측쇄에 장쇄 알킬기를 갖는 폴리이미드의 혼합중량비가 99: 1 내지 80:20인 것을 특징으로 하는 배향막.
  10. 제8항에 있어서, 상기 측쇄에 장쇄 알킬기를 갖는 폴리이미드의 중량평균분자량이 5×103내지 2×105인 것을 특징으로 하는 배향막.
  11. 벤조페논 성분(moiety)과 반응성 수소(active hydrogen) 성분을 갖는 화학식 1의 자기감광성(self-photosensitive) 폴리이미드를 포함하는 배향막을 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 액정표시소자.
    <화학식 1>
    상기식중, R1은
    중에서 선택되고,
    R2가
    로 이루어진 군으로부터 선택된다.
  12. 제11항에 있어서, 상기 자기감광성 폴리이미드의 중량평균분자량이 5×103내지 2×105인 것을 특징으로 하는 액정표시소자.
  13. 제11항에 있어서, 하기 화학식의 측쇄에 장쇄 알킬기를 갖는 폴리이미드가 더 포함되어 있는 것을 특징으로 하는 액정표시소자.
    여기에서 R"은 C3-C17의 알킬기이고,
    R4는
    로 이루어진 군으로부터 선택되고,
    상기식중, R3은
    로 이루어진 군으로부터 선택된다.
  14. 제13항에 있어서, 자기감광성 폴리이미드와 측쇄에 장쇄 알킬기를 갖는 폴리이미드의 혼합중량비가 99:1 내지 80:20인 것을 특징으로 하는 액정표시소자.
  15. 제13항에 있어서, 상기 측쇄에 장쇄 알킬기를 갖는 폴리이미드의 중량평균분자량이 5×103내지 2×105인 것을 특징으로 하는 액정표시소자.
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