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KR100188314B1 - 저전압구동용 액정 재료 및 이 액정재료를 사용한 액정표시판 - Google Patents

저전압구동용 액정 재료 및 이 액정재료를 사용한 액정표시판 Download PDF

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KR100188314B1
KR100188314B1 KR1019950026363A KR19950026363A KR100188314B1 KR 100188314 B1 KR100188314 B1 KR 100188314B1 KR 1019950026363 A KR1019950026363 A KR 1019950026363A KR 19950026363 A KR19950026363 A KR 19950026363A KR 100188314 B1 KR100188314 B1 KR 100188314B1
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사사바야시 다까시
마마야 다까또시
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세끼사와 다다시
후지쓰 가부시키가이샤
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Abstract

본 발명의 액정 재료는 구조식(1)로 표현되는 화합물의 중량이 액정 성분의 총중량의 60%이상인 조건하에, 구조식(1)로 표현되는 화합물, 구조식(1)과 (2)로 표현되는 화합물, 구조식(1)과 (3)으로 표현되는 화합물,또는 구조식(1), (2)와 (3)으로 표현되는 화합물을 액정 성분의 총중량의 90중량% 또는 몰의 양으로 함유되어 있다.
(단, R은 선형 알킬기, CnH2n+1(n은 3, 4, 5, 6, 또는 7), A는 -CH2CH2-또는 -CH2CH2-가 없는 직접결합(-), B는 -CH2CH2-또는 -CH2CH2-가 없는 직접결합). 더우기, 상기 조건하에, 액정 재료의 네마틱 등방성 전이온도가 55℃∼ 75℃이도록 구성성분들을 배합한다. 이렇게 얻어진 액정 재료을 사용하여 얻어진 TN형의 액정표시판은 2.5V이하의 저전압으로 구동할 수가 있다. 이렇게 하여 소비전력이 낮은 표시판을 얻을 수가 있다.

Description

저전압구동용 액정 재료 및 이 액정재료를 사용한 액정표시판
제1도는 종래의 액정 재료의 조성을 표시한 표.
제2도는 종래의 다른 액정 재료의 조성을 표시한 표.
제3도는 실시예 1에서 얻어진, 본 발명의 실시형태의 액정표시판의 일부를 도시한 단면도.
제4도는 실시예 1에서 제조된, 본 발명의 실시형태의 액정재료의 조성을 표시한 표.
제5도는 실시예 1에서 얻어진, 본 발명의 실시형태의 액정표시판에서의 상대적 투과율과 인가전압의 관계를 도시한 그래프.
제6도는 본 발명의 제1 실시예의 액정재료와 비교하기 위하여 사용된 제1, 제2, 제3, 제4 종래의 액정재료의 조성을 표시한 표.
제7도는 제6도에 표시한 제1 액정 재료를 사용하여 제조된 액정표시판에서의 상대 투과율과 인가전압의 관계를 도시한 그래프.
제8도는 제6도에 표시한 제4 액정재료를 사용하여 제조된 액정표시판에서의 상대 투과율과 인가전압의 관계를 도시한 그래프.
제9도는 실시예 2에서 얻어진, 본 발명의 실시형태의 액정표시판에서의 편광기의 광축방향과 러빙(rubbing)방향의 상대 관계를 도시한 도.
제10도는 실시예 2에서 얻어진, 본 발명의 제1 실시예의 액정 표시판에서의 상대 투과율과 인가전압의 관계를 도시한 그래프.
본 발명은 액정 재료와 액정표시판에 관한 것으로서, 특히 말단기에 3개의 불소원자를 갖는 액정분자로 이루어진 액정 재료, 및 이를 사용한 TN형 액정표시판에 관한 것이다.
최근에, TN(twisted nematic)형 액정표시판이 광범위한 분야에 사용되고 있다. 특히, TN형 액정으로 된 화소를 박막 트랜지스터(TFT)등의 능동소자에 의해 직접 구동하는 소위 능동 매트릭스형 액정표시판은 CRT의 표시특성과 비교되는 표시특성을 갖는다. 그래서, 이 액정표시판은 액정 TV, 퍼스널 컴퓨터등에 폭넓게 적용되고 있다.
더우기, 이 액정표시판은 저소비전력의 특징을 가지므로, 랩탑(lap-top)형과 노트북형의 퍼스널 컴퓨터등의 휴대용 장치에 활용되는 경우가 많다. 이러한 휴대용 장치로 인해, 그 액정표시판의 소비전력을 가능한 낮게하여 밧데리에 의해 구동가능한 시간을 연장하는 것이 필요하게 된다. 상기의 요구를 충족하기 위한 하나의 수단은 표시판을 구동하는데 요구되는 전압을 보다 낮게하는 것이고 이 목적을 위하여 다양한 연구가 행해져 왔다.
현재, 저전압으로 구동가능한 액정 재료가 개발되고 있는 중이다. 이러한 재료는 액정표시판을 구동하는데 요구되는 전압을 더 낮추기 위한 하나의 해결책일 수가 있다.
주성분으로서 말단에 1개 또는 2개의 불소원자(-F) 또는 -OCF3기를 극성기로서 포함하는 분자로 이루어진 액정 재료를 저전압으로 구동가능한 액정재료로 사용하였다. 그러나, 이러한 액정재료를 사용하여 얻어진 액정표시판을 구동하기 위하여는 약 5V의 on구동전압이 필요하며, 이 액정표시판을 밧데리로 구동하는 경우, 밧데리가 단기간내에 교체되어야 하는것이 현 상황이다.
최근에는, 저전압으로 구동가능한 액정 재료를 얻기위하여, 액정을 구성하는 분자의 말단부에 극성기의 수를 증대시켜 얻어진, 유전률이방성 △ ε이 증대하는 액정분자가 실용적으로 적용되고 있다. 이러한 액정분자로는 말단부에 위치된 벤젠고리에 결합된 3개의 불소원자를 갖는 분자가 있다. 이는 다음의 구조식 (1), (2) 및 (3)으로 표현된다.
여기서, R은 선형 알킬기인 CnH2n+1(n은 3, 4, 5, 6 또는 7), A는 -CH2CH2- 또는 -CH2CH2-가 없는 직접결합(-), B는 -CH2CH2- 또는 직접결합(-)을 표시한 것이다.
예를들어, 제1도와 제2도에 표시된 액정재료 I과 II는 상기한 분자를 포함하는 액정 재료로서 공지되어 있다.
제1도에 표시한 액정 재료 I는 구조식(1), (2) 및 (3)으로 표현되는 분자를 종래의 액정 성분에 배합함으로써 얻어진 것이다. 제1도에 표시한 성분(7)∼(10)은 구조식 (1), (2) 및 (3)을 갖는 분자에 해당한다. 제2도에 표시한 액정재료 II는 구조식 (1), (2) 및 (3)으로 표현되는 분자를 주성분으로서 포함하는 것이다. 액정 재료 I 또는 II가 실용적으로 액정표시판용의 재료로서 사용되는 경우에는, 키랄재료(chiral material)를 제1도 또는 제2도에 표시한 액정 성분에 첨가한다. 그러나, 제1도와 제2도에 표시한 중량%값은 키랄재료를 포함하지 않는 액정 재료중에 액정 성분의 비율을 표시한 것이다.
제1도와 제2도에 표시한 2개의 액정 재료는 약 7∼9의 유전률이방성 △ ε가 높고, 약 3V가 저전압으로 구동가능하다.
그러나, 구조식 (1), (2) 및 (3)으로 표현되는 분자중 어느하나를 활용하는 경우에도 까지 약 2.5V의 저전압으로 구동가능한 액정 재료을 얻을 수가 없었다. 예를들어, 제2도에 표시한 액정 재료에서도 8.7의 유전률이방성 △ ε을 가져 약 3V의 구동전압을 필요로 한다.
액정표시판의 소비전력을 감소시키기 위하여는, 액정 재료를 구동하는 전압으로서 약 3V는 충분히 낮은 것이 아니며, 3V이하의 전압, 예를들면 약2.5V이하의 전압으로 구동가능한 액정 재료를 필요로 한다.
본 발명은 종래의 액정 재료에 있어서의 상술한 문제점을 해결하기 위하여 성취되었다.
따라서, 본 발명의 목적은 저전압으로 구동가능한 액정 재료과 이를 사용하는 액정표시판을 제공하는데 있다.
본 발명은 구조식 (1)로 표현되는 화합물의 중량이 액정 성분의 총중량이 60%이상인 조건하에서, 구조식(1)로 표현되는 화합물, 구조식(1)과 (2)로 표현되는 화합물, 구조식(1)과 (3)으로 표현되는 화합물, 또는 구조식(1), (2)및 (3)으로 표현되는 화합물이 액정 성분의 총중량의 90중량%이상의 양으로 구성되는 액정 재료를 제공한 것이다.
여기서, R은 선형 알킬기 CnH2n+1(n은 3, 4, 5, 6, 또는 7), A와 B는 -CH2CH2-또는 -CH2CH2-가 없는 직접결합(-)을 표시한 것이다. 더우기, 구조식(4)는 벤젠고리를, 구조식(5)는 시클로헥산(C6H6)을 표시한 것이다.
이 액정재료를 사용함으로써, 약 2.5V의 저전압으로 구동가능한 액정표시판을 얻을 수가 있다.
이 액정재료는 구조식(1)로 표현되는 분자의 총중량이 그안에 포함된 액정성분의 총중량의 90중량%이상이고 구조식(1)로 표현되는 분자의 총중량이 액정 성분의 총중량의 60중량%미만인 액정 재료와 비교된다. 그 결과, 유전률이방성 △ ε에서의 이방성이 거의 동일함을 알았다. 따라서, 한계전압이 본 발명의 재료를 사용함으로써 감소되는 이유가 유전률이방성의 이방성의 효과에 기인하는 것이 아니라 액정 재료의 저 탄성률에 기인하는 것으로서 고려될 수가 있다.
더우기, 액정의 N- I (nematic-isotropic)전이온도가 일반적으로 75∼110℃의 범위내에 있더라도, 본 발명의 상기한 재료의 N- I전이온도는 55∼75℃의 범위내에 있다. 그러므로, 이러한 사실은 본 발명의 재료를 사용함으로써 제조된 액정표시판이 2.5V이하의 저전압으로 구동가능하다는 이유의 하나인 것으로 고려된다.
또한, 본 발명의 상기한 액정 재료의 꼬임각이 표시판에 있어서 통상 선택각인 90°에서 95∼110°까지 증가되는 경우에 구동전압을 더 감소시킬 수 있다는 것이 실험적으로 확인되었다.
고전압이 액정표시판을 구동하는데 필요로 하는 이유중의 한가지로는 액정 재료가 개재되는 층의 표면에 가장 근접한 액정 분자가 인가전압에 즉시 반응하지 않는다는 것이다. 액정 분자의 꼬임각을 90∼110°까지 조정하고, 편광기의 편광각을 액정 분자의 꼬임각과 다르게 설정함으로써, 입사광은 액정 분자의 배향방향에서 쉬프트된 방향으로 입사하게 된다. 따라서, 반응이 늦은 액정 분자의 효과가 상기 수단에 의해 감소될 수 있다는 것으로 고려된다.
이제, 본 발명의 바람직한 실시형태를 첨부한 도면에 의하여 설명한다.
본 발명의 제1 실시형태는 구조식(1)로 표현되는 화합물의 중량이 액정성분의 총중량의 60%이상인 조건하에, 구조식(1)로 표현되는 화합물, 구조식(1)과 (2)로 표현되는 화합물, 구조식(1)과 (3)으로 표현되는 화합물 또는 구조식(1), (2) 및 (3)으로 표현되는 화합물을 액정 성분의 총중량의 90중량% 이상의 양으로 포함하여 된 액정 재료를 사용하는 것을 특징으로 한다.
이전에 규정한 바와 같이, 구조식(1), (2) 및 (3)으로 표현되는 분자의 각각은 그 말단부에 위치된 벤젠고리에 3개의 불소원자가 결합되어 있다.
구동전압을 더 감소시키기 위하여, 본 발명자는 주성분으로서 구조식(1), (2) 및 (3)을 갖는 성분으로 구성되는 액정 재료중에 소정의 액정 성분의 비율(예를들면, 그안에 포함된 액정성분 전체의 90중량% 이상)을 변화시켜 실험을 행하였다. 구조식(1)로 표현되는 성분의 비율을 성분의 전체중량의 60 중량%이상으로 함으로써, 액정표시판을 구동시키는데 필요한 전압을 그때까지 얻어지지 않은 낮은 값으로 감소시켰다.
구동전압을 감소시키는 이유로서 다음의 점을 고려할 수가 있다.
구조식(1), (2) 및 (3)으로 표현되는 분자만을 액정성분으로 사용하는 조건하에서, 구조식(1)을 갖는 분자의 비율이 60중량%미만인 종래의 공지된 액정재료와 구조식(1)을 갖는 분자의 비율이 60중량% 이상인 본 발명의 액정재료를 비교하였다. 그 결과, 종래의 액정 재료와 본 발명의 액정 재료는 유전률 이방성 △ ε가 이방성이 거의 같음을 알았다. 그러므로, 액정 성분의 탄성률의 감소로 인하여 액정표시판을 구동하는데 필요한 전압을 낮춘것으로 고려된다.
[실시예 1]
640×400화소를 갖는 액정표시판을 구동하는 TFT를 준비하였다. 이 액정표시판의 부분단면도는 제3도에 도시된 바와 같다.
제3도에 도시한 바와 같이, 제1 투명기판 1상에는 TFT2, 드레인 버스라인 3, 투명화소전극 4 및 게이트 버스선(도시되지 않음)이 설치되어 있다.
투명화소전극 4상에는 적어도 제1 배향막 5가 형성되어 있다. TFT2는 예를들면, 스태거형(stagger type)의 구조를 갖되, 화소전극 4에 접속된 소스전극 2s, 드레인 버스선 3에 접속된 드레인 전극 2d, 소스전극 2s의 부분과 드레인전극 2d의 부분에 접속된 동작 반도체층 2a 및 능동반도체층 2a상에 형성되어 게이트 절연층 2b에 제공되는 게이트 전극 2g를 갖는다. 더우기, 제1 투명기판 1의 다른면에는 제1 편광기 6이 설치되어 있다. 제2 투명기판7에는 상기와 같은 순서로 투명공통전극 8과 제2 배향막 9가 형성되어 있다. 제2 투명기판 7은 제2 배향막 9와 제1 배향막 5가 서로 대향된 상태로 제1 투명기판 1과 대향하여 있다.
제1 및 제2 투명기판 1, 7은 유리, 석영등으로 구성되어 있다.
제1배향막 5와 제2 배향막 9사이의 간극(gap)에, 제4도에 표시한 조성을 갖는 액정 재료 11을 채운다. 사용한 액정 재료의 N-I전이온도는 59℃이었다. 이 실시예에서, 온도특성을 제어하기 위하여 다수종류의 액정 분자를 사용하였다.
제4도와 후술하는 제6도에 있어서, 액정 분자 ①과 ②는 구조식 (1)로 표현되는 분자에 해당하고, 액정분자 ③-⑧은 구조식 (2)로 표현되는 분자에 해당하며, 액정 성분 ⑨는 구조식 (3)으로 표현되는 분자에 해당한다.
액정 재료에 키랄재료를 더 배합하였다. 키랄재료의 양은 액정성분의 각도를 약 90°로 변화시켜 약 90μm의 간격으로 나선형태를 갖도록 조절되었다. 첨가한 키랄재료의 양은 액정재료의 약 0.15중량 %이었다.
상술한 구조를 갖는 액정표시판은 정상적으로 화이트 타입(white type)을 갖는다. 이 액정표시판에서의 인가전압과 상대 투과율간의 관계를 검사하였다. 그 결과,제5도에 도시한 바와 같은 특성곡선을 얻었다. 인가전압은 화소전극 4와 공통전극 8사이의 전압을 의미하며 상대 투과율은 인가전압이 OV일때 투과광의 양을 100%로 설정하는 조건에서 취해진 투과율로서 규정된다. 상태투과율이 1%인 전압을 포화전압 Vsat라고 할때, 이 실시예의 액정 재료를 사용하여 된 액정표시판의 포화전압 Vsat는 2.46V로서, 감소정도가 작더라도 2.5V이하이다. 포화전압 Vsat가 200의 명암을 얻을 수 있는 전압으로서 규정된 것에 주목한다.
한편, 각각 구조식(1)로 표현되는 분자의 60중량 %미만을 포함하는 4종류의 액정 재료를 제6도에 표시한 바와 같이 준비하였다. 이들 각 재료를 제3도에 도시한 제1기판 1과 제2 기판 7사이에 충전하여 포화전압 Vsat를 측정하였다.
이 실험의 결과는 다음과 같았다. 재료 (1)의 포화전압 Vsat는 2.73V, 재료(2)의 포화전압 Vsat는 2.71V, 재료 (3)의 포화전압 Vsat는 2.63V, 재료(4)의 포화전압 Vsat는 2.61V이었다.
참조를 위해, 액정 재료 (1)을 사용하여 얻은 인가전압과 상대 투과율간의 관계 및 액정 재료 (4)를 사용하여 얻은 이 관계를 각각 제7도와 제8도에 도시하였다.
상기 실험결과에서 명백한 바와같이, 구조식 (1)를 갖는 분자의 비율은 60중량%미만이고, 포화전압 Vsat는 2.6∼2.8V의 범위내에 있을때, 2.5V의 소망의 저전압을 얻을 수 없다. 대조적으로 구조식 (1)를 갖는 분자의 비율은 60중량%이상일때, 2.5V이하의 포화전압 Vsat를 성공적으로 얻을 수 있다.
이 실시예에 있어서는, 59℃의 N-I전이온도를 갖는 제4도에 표시한 액정재료를 사용하였다. 참조를 위해, 구조식 (1), (2) 및 (3)으로 표현되는 분자의 비율을 변화시켜 제조한 N-I전이온도 55∼57℃의 액정 재료를 포화전압을 측정하도록 하였다. 그 결과, 이들 어떠한 재료의 포화전압 Vsat도 2.5V를 초과하지 않았음을 알았다. 이러한 사실의 이유는 이들 액정 재료의 그 N-I전이온도가 낮아짐에 따라 더 낮은 탄성률을 가져, 더 낮은 포화전압을 얻은 것으로 고려된다
[실시예 2]
제3도에 도시한 바와 같은 구조의 TFT-구동방식의 액정표시판을 제1배향막 5의 러빙방향과 제2 배향막 9의 러빙방향을 실시예 1에서와는 다르게 한 조건으로 하여 이 실시예에서 준비하였다. 이들 배향막을 꼬임각이 100°되도록 러빙하였다. 제1 배향막 5와 제2 배향막 9사이에 충전된 액정 재료는 제4도에 표시한 바와 같이, 실시예 1에서 사용한 재료와 같았다.
꼬임각을 더 넓게 하는 경우에, 음으로 꼬이는 영역이 형성되는 경향이 있다. 이 음의 꼬임을 방지하기 위하여, 키랄피치를 액정 재료에 첨가한 키랄재료의 양을 제어하여 약 60μ로 조절되었다.
충분한 명암을 보장하기 위하여, 각각 제1 및 제2기판 1, 7상에 설치되는 편광기 6, 10을 그 편광방향이 서로 직각을 이루도록 배치하였다. 제1배향막 5의 러빙방향과 제2 배향막 9의 러빙방향은 상대적으로 100℃의 각도를 이루어, 각 편광기의 편광방향을 제9도에 도시한 바와같이 고정한다.
즉, 제1기판 1상에 형성된 제1 배향막 6의 러빙방향은 상대적으로 편광기6의 편광방향에서 5°로 쉬프트 되었다. 그 후에, 인가전압과 상대 투과율간의 관계를 검사하였다.
그 결과, 제10도에 도시한 바와 같은 특성곡선을 얻었고, 포화전압 Vsat는 2.25V로서, 실시예 1에서 얻어진 포화전압 Vsat보다 낮았다. 이 결과에 다음의 원리를 적용할 수 있다고 고려된다. 액정표시판을 구동하는데 고전압이 필요하다는 이유의 하나로는 액정 재료을 개재한, 제1 및 제2 배향막 5, 9의 표면에 가장 근접한 위치에 존재하는 액정 분자가 전압을 인가하는 경우에도 그 꼬임각을 즉시 변화시키지 못한 것이다. 액정 분자의 꼬임각을 95∼110°로 조절하고, 동시에 한쌍의 편광기 6, 10의 편광각의 상대각을 액정 분자의 꼬임각과는 다른 값으로 고정한다. 이것에 의하여, 액정 분자의 배향방향에서 쉬프트되는 방향에서 액정표시판에 입사광이 입사된다. 그 결과, 반응이 늦은 액정 분자의 효과가 감소될 수가 있다.
꼬임각을 95∼110°만큼 넓게 함으로써, 포화전압은 2.5V보다 낮게 되며, 2.5V로 구동시에 전압의 여유는 더 넓게 된다.

Claims (9)

  1. 구조식(1)로 표현되는 화합물의 중량이 액정 성분의 총중량의 60%이상인 조건하에, 구조식(1)로 표현되는 화합물, 구조식(1)과 (2)로 표현되는 화합물, 구조식(1)과 (3)으로 표현되는 화합물, 또는 구조식(1), (2)와 (3)으로 표현되는 화합물을 액정 성분의 총중량의 90중량%이상의 양으로 함유하는 액정재료.
    (단, R은 선형 알킬기 CnH2n+1(n은 3, 4, 5, 6, 또는 7), A는 -CH2CH2-또는 -CH2CH2-가 없는 직접결합(-), B는 -CH2CH2-또는 -CH2CH2-가 없는 직접결합)
  2. 제1항에 있어서, 구조식 (1), (2)와 (3)으로 표현되는 화합물은 액정 재료의 N-I(nematic-isotropic) 전이온도가 55∼75°의 범위내에 있도록 배합되는 액정 재료.
  3. 제1항에 있어서, 구조식 (1)로 표현되는 화합물이
    인 액정재료.
  4. 제1항에 있어서, 구조식 (2)로 표현되는 화합물이
    인 액정재료.
  5. 제1항에 있어서, 구조식 (3)으로 표현되는 화합물이
    인 액정재료.
  6. 제1항에 있어서, 구조식 (1)로 표현되는 화합물이 다음의 일반식
    으로 표현되는 화합물과 다음의 일반식
    으로 표현되는 화합물의 혼합물이고, 이들 2개의 화합물의 배합중량비가 약 1:1인 액정 재료.
  7. 다음의 화합물 (a)-(e)가 각각 약 35중량%, 34중량%, 15중량%, 8중량%, 8중량%로 이루어지는 액정재료.
  8. 제1항 기재의 액정 재료로 이루어지는 액정표시판.
  9. 제7항에 기재된 액정재료로 구성되어 있되, 이 액정 재료가 2개의 투명층과 이 투명층상에 각각 설치된 한쌍의 편광기를 서로 직각으로하여 이들 사이에 개재되고, 액정분자의 꼬임각이 95∼110°의 각도에 있고, 한쌍의 편광기의 편광방향이 꼬임각과는 다른 각도로 하여 있는 액정표시판.
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