KR100337594B1

KR100337594B1 - 광기능성 에폭시 화합물 함유 액정 디스플레이패널 봉지제

Info

Publication number: KR100337594B1
Application number: KR1019990063501A
Authority: KR
Inventors: 최동훈; 차효복; 강주식; 조강진
Original assignee: 조정원; 학교법인 경희대학교
Priority date: 1999-12-28
Filing date: 1999-12-28
Publication date: 2002-05-23
Also published as: KR20010061025A

Abstract

본 발명은 다음 식으로 표시되는 광가교 분자단을 주쇄에 포함하는 에폭시 화합물에 관한 것으로서 높은 접착력 및 낮은 열팽창 계수를 가지며 우수한 열안정성 및 박막화 가공성을 겸비한다.

상기 식에서 X는 자외선 조사에 의해 내부에 존재하는 이중결합 부분에서 환상 부가 반응을 일으킬 수 있는 분자단이고 n은 0에서 40이다.

Description

광기능성 에폭시 화합물 함유 액정 디스플레이패널 봉지제{Photo-functional epoxy compound containing liquid display panel end shield agent}

본 발명은 높은 접착력, 낮은 열팽창 계수, 우수한 열안정성 및 치수안정성이 우수한 박막화 가공성을 갖는 에폭시 화합물을 액정디스플레이 패널 봉지제로서의 이용에 관한 것이다.

접착제 또는 봉지제 재료로서 과거에 사용되어 왔던 가교제 투입에 의해 경화를 유도하는 방법은 많은 연구 및 응용성이 잘 알려져있다. 또한 광조사에 의한 저분자 화합물의 고분자화는 광중합 반응기구에 의해 많은 연구와 제품개발이 이루어져있다.

광중합은 주로 자외선을 조사함으로서 라디칼 또는 양이온이 생성되어 단량체의 이중 결합이나 환을 개열시켜 고분자 매질로 변환시키는 방법이 주를 이루어왔다.

특히 광조사에 의해 양이온을 발생시켜 중합하는 방법은 광라디칼 중합에 비해 공기중의 산소에 의한 중합이 종결되는 가능성을 배제 할 수 있고, 생성 중합체의 분자량이 높고, 분자량 분포도 좁아서 열에 의한 자유부피의 큰 변화를 억제 할 수 있다는 장점을 지닌다. 이와 같은 기능성 에폭시 화합물의 최근 사용범위는 매우 다양해져 구조재료의 접착, 봉지뿐만 아니라 극한의 치수 안정성을 요구하는 장비에서도 그 응용성을 볼 수 있다.그 예로서 액정 모니터의 제조공정에서 패널 접착 및 봉지재료는 전부 열 경화성 물질에 열을 가한 후 압력을 주어 봉지를 하는 공정이 주를 이루었다. 그러나 이러한 열경화성 재료는 액정물질과 그 배향이 열에 매우 민감한 특성상 열을 가하는 도중 봉지 물질 내부의 열팽창계수나 열수축률의 변화에 의해 액정의 배향이 분균일해지는 문제점과 액정 화면의 완제품에서 액정이 자리잡는 내부 공간의 면적이 불균일해질 가능성이 높고 그에 따라 실제 완제품에서 뚜렷한 색상이나 명도를 구현하기 어려운 문제점이 발생한다. 또한 박막트랜지스터(thin film transistor: TFT)층과 컬러필터 층간의 정렬이 열을 가하고 압력을 주었을 때 어긋나는 현상은 제조 공정 상의 제품 불량률을 증가시키는 요인으로 들 수 있다.

종래 미세 치수안정성을 가지도록 설계되고 합성된 공지의 열경화형 에폭시 수지는 고분자 또는 올리고머 형태를 띄고 있는데, 이 물질들의 말단에 2개, 3개씩의 에폭시 관능기가 있어 열을 가할 경우 가교제 화합물이 에폭시 환과 반응하며 히드록시기를 생성시키면서 망상 중합이 진행되어 경화가 이루어진다. 그러나 이 경우에는 물질 반복 단위당 2개 또는 3개의 에폭시 기가 사슬 말단에 위치하고 있어 중합도가 높을 경우 낮은 에폭시 환의 밀도로 말미암아 경화의 효율도 떨어질 뿐만 아니라 분자량의 조절도 용이하지 않은 결정적인 단점이 발생하게 된다.

따라서 본 발명은 기존의 패널 봉지제로 사용되던 열경화성 물질 사용시 제조 공정 상에서 일어날 수 있는 단점들을 해소할 수 있는, 즉 고도의 치수안정성을 발현하는 새로운 물질을 제공하는 것을 기술적 과제로 한다.

상기한 과제를 해결하기 위한 연구에서 본 발명자들은 기존의 측쇄형 광배향막 재료 또는 포토레지스트(Photoresist)에서 이용되었던 환상 부가 광반응 메카니즘에 의해 광가교 현상을 유도하고 동시에 양이온 개시에 의한 에폭시 화합물의 망상 중합을 유도할 수 있는 물질이 액정디스플레이 패널봉지제로 응용시 고도의 치수안정성을 나타낸다는 사실을 알게 되었다.

도 1은 본 발명에 따르는 광기능성 에폭시 화합물이 광중합후 이중결합이 사라지는 것을 보여주는 가시자외선 흡수 스펙트럼 그래프이다.

도 2는 본 발명에 따르는 광기능성 에폭시 화합물이 광조사후 이중결합이 사라지는 것을 보여주는 적외선 흡수스펙트럼 그래프이다.

도 3은 실시예 1의 에폭시화합물과 비교예 1의 에폭시화합물을 자외선 조사후 시차열량 분석(DSC) 결과를 나타낸 그래프이다.

도 4는 실시예 1의 에폭시화합물과 비교예 1의 에폭시화합물을 자외선 조사후 열중량 분석(TGA) 결과를 나타낸 그래프이다.

그러므로 본 발명에 의하면 화학식 1의 구조를 갖는 화합물을 함유하는 액정디스플레이 패널 봉지제가 제공된다:

[화학식 1]

화학식 1에서 X는 자외선 조사에 의해 내부에 존재하는 이중결합 부분에서 환상 부가 반응을 일으킬 수 있는 분자단이고 n은 반복단위로서 0 내지 40의 정수이다.

이하 본 발명을 보다 상세하게 설명하기로 한다.

본 발명에 있어서, 화학식 1의 광기능성 에폭시 화합물은 기존의 자외선을 조사하여 양이온 개시에 의한 중합방법에 이용되던 화합물과 차별화되는 물질이다. 즉, 화학식 1의 화합물은 양 말단에 에폭시기가 존재하고, 주쇄내에 자외선에 의해 환상 부가 반응이 일어 날 수 있는 이중결합이 있는 분자단(이하, "환상부가반응성 불포화분자단"이라 함)이 존재하는 구조를 갖는다. 이 화합물은 양이온 광개시제(cationic photoinitiator)와 같은 광개시제의 존재하에 광중합에 사용되는 광원을 조사받게 되면 주쇄내의 이중결합분자단(X)이 환상부가반응을 일으켜 가교를 일으키게 되고, 말단의 에폭시화합물이 광개시제에 의한 중합과 동시에 매질 내에 광이량화를 유도하게되어 기존의 에폭시 화합물이 나타내고 있던 열에 의한 경화매질의 특성 보다 뛰어난 치수안정성을 나타내는 경화매질의 특성을 나타낸다.

화학식 1에서 반복단위 n은 0 내지 40 정도가 적당한데, 만일 n이 너무 크면 점성이 지나치게 높게 되어 접착제 또는 패널봉지제로 사용하는데 적합하지 않게 된다.

특별히 한정하기 위한 것은 아니지만, 환상 부가반응성 불포화분자단(X)의 예로는 시나모일기, 찰콘기, 안트라신기 등이 있다.

본 발명의 바람직한 일 구현에 의하면 화학식 1의 광가교성 화합물(1)은 다음과 같은 방법으로 제조할 수 있다.

위의 반응시 에피클로로히드린을 디올에 비해 몇 배의 몰 비율로 넣어 주느냐에 따라서 이 물질이 고분자화 될 때 매우 점도가 높은 물질이 되느냐 아니면 낮은 점도만을 가진 올리고머 형태의 유동성이 큰 물질이 합성되느냐가 결정되는데 이는 반복단위 n으로 표현된 숫자의 크기와 비례하며 이 숫자를 잘 조절해야만 현장에서 실질적인 봉지를 위한 작업 성능이 결정될 수 있다. 큰 광반응성을 지니고 우수한 물성을 나타내지만 실제로는 응용 방법에 따라 사용이 불가능한 물질이 생성 될 수 있으므로 중합도를 조절하는 것이 매우 중요하다.

특별히 한정하기 위한 것은 아니지만, 상기 반응식에서 화학식 1의 화합물을 생성하기 위하여 에피클로로하이드린과 반응시키는 출발물질, 즉 환상부가반응성 불포화분자단(X)의 양 말단에 수산기를 갖는 출발물질(HO-X-OH)의 예로는 화학식 2 및 3의 구조를 갖는 화합물이 있다.

[화학식 2]

[화학식 3]

화학식 4의 화합물은 에피클로로하이드린과 화학식 2의 화합물 간의 반응생성물을 나타낸 것이고, 화학식 5의 화합물은 에피클로로하이드린과 화학식 3의 화합물 간의 반응생성물을 나타낸 것이다.

[화학식 4]

[화학식 5]

화학식 5의 광기능성 에폭시화합물은 화학식 4의 에폭시화합물보다 반복단위당 이중 결합 수가 2배 많으므로 같은 광량의 자외선 조사에 의한 광이량화에 의한 분자 가교밀도의 증가로 인해 매질에 있어서의 경화효과가 높게 나타난다.

화학식 1의 광경화성 화합물은 양이온 광개시제를 이용하여 광중합 매커니즘을 이용한 광경화 반응으로 봉지공정을 진행하여 열경화형 액정디스플레이 패널봉지 공정에서 발생할 수 있는 고분자 매질의 열팽창 계수에 의한 열수축률의 큰 변화를 배제하고 공정을 단순화시키면서도 향상된 봉지 성능을 지니고 있고, 취급이 간편하여 공정비용을 최소화하며, 액정 모니터 간극과 같은 미세 치수안정성을 요구하는 완제품의 기능도 향상시킬 수 있는 등의 유용한 효과가 있다.

상기한 바와 같은 본 발명의 특징 및 기타의 장점은 후술되는 실시예로부터 보다 명백하게 될 것이다.

[실시예 1]

화학식 2의 구조를 갖는 반응물의 제조

파라-히드록시아세토페논 3.8g(0.028mole)을 클로로포름 50㎖에 용해시켜 3,4-디히드로-2H-파이란 6.5ml (0.071mole)을 결합시켜 줌으로써 메틸기 끝의 수소 보다 반응성이 큰 히드록시기의 수소를 제거하여 준 후, 다시 파라-히드록시벤즈알데히드 3.5g (0.028mole)과 반응시켜 찰콘기를 가진 화학식 2의 화합물을 제조한다.

이때, 파라-히드록시벤잘데히드도 역시 히드록시기를 가지므로 이 물질도 3,4-디히드로-2H-파이란(6.5ml, 0.071mole)을 결합시키는 반응(이 과정은 '프로텍션' 반응이라 부르며 흔히 반응성이 높은 관능기의 반응을 억제해야 할 필요가 있을 때 사용되는 과정이다)을 거친 다.

파라-히드록시아세토페논과 파라-히드록시벤잘데히드의 반응은 이 들을 에탄올(100ml) 용매에 넣어 가성소다(1.04g, 0.026mole)를 소량의 물(10ml)에 녹인 후적가하여 상온에서 수행한다. 반응생성물은 에탄올 용매(100ml)에 용해시켜 3,4-디히드로-2H-파이란을 떼어내고, 얻어지는 생성물은 진공 건조 오븐 내에서 잘 건조시켜 유기용매를 완전히 제거한 후 찰콘 분자구조에 말단에 2개의 히드록시기를 가진 화학식 2의 화합물을 얻었다.

화학식 4의 구조를 갖는 광기능성 에폭시 화합물의 제조

화학식 2의 화합물 2.4g(0.01몰)과 에피클로로히드린 74.1g(0.8몰)을 에탄올 100㎖에 넣어 완전히 용해한 후 40% 가성소다수용액(0.4g, 0.01몰)을 적가하고 110℃에서 반응시켜서 말단에 두개의 에폭시기와 주쇄에 찰콘기를 포함하는 광기능성 에폭시 화합물(화학식 4)을 제조하였다.

제조된 화합물의 구조는 핵자기공명(NMR) 스펙트럼과 적외선(IR) 분광 분석법에의해 확인하였다.

NMR 스펙트럼 분석결과를 살펴보면, 광조사 전의 NMR 스펙트럼의 분석결과는 양 말단에 위치한 에폭시 환 내부의 수소 피크가 2.9ppm과 3.2ppm에서 나타났으며, 에폭시기가 개환되어 반복단위당 1개씩 위치하는 히드록시기 옆에 위치한 2개와 1개, 또 2개의 수소에 의한 피크가 각각 3.9ppm, 4.2ppm, 그리고 4.4ppm에서 나타났다. 또한 중합체 내부의 벤젠환에 위치한 수소들의 피크가 각각 7.0ppm, 7.6ppm, 8.1ppm에서 나타났고, 찰콘기에 위치한 수소가 각기 7.4ppm과 7.8ppm에서 나타났다.

광조사 후의 NMR 스펙트럼의 분석결과는 매질의 불용성으로 NMR 스펙트럼을 얻을 수 없었다.

적외선(IR) 분광 분석법에 의한 분석결과를 살펴보면, 광조사 전의 IR 스펙트럼 분석결과는 에폭시환의 특성피크가 910cm^-1부근에서 나타났으며, 찰콘기의 이중결합(C=C)의 특성피크가 1600cm^-1부근에서 나타나며, 히드록시기의 특성피크가 3500cm^-1부근에서 나타나며, 카르보닐기(C=O)의 특성피크가 찰콘기의 이중결합의 공명현상으로 1680cm^-1부근에서 나타난다.

광조사 후의 IR 스펙트럼 분석결과는 광조사 전에 발견되었던 910cm^-1근처의 에폭시환의 특성피크가 광조사 후 사라졌으므로 에폭시 환의 개환이 이뤄졌음을 확인 할 수 있으며 또 3500cm^-1에서 발견되는 히드록시기의 급격한 증가도 에폭시의 개환을 의미하고, 1600cm^-1근처의 이중결합 피크가 줄어드는 현상과, 1650cm^-1의 불포화결합에 인근한 카르보닐기의 피크가 광조사 후 찰콘기 내부의 이중결합이 깨어진 후 새로이 형성되는 포화결합에 인근한 카르보닐기로 바뀌며 피크가 왼쪽으로 이동하는 현상을 발견 할 수 있다. 위와 같은 특성기의 분석에 의해 반응이 진행되었음을 확인 할 수 있다.

[실시예 2]

화학식 2의 구조를 갖는 반응물의 제조

파라-히드록시아세토페논 3.8g (0.028mole)을 클로로포름100㎖에 녹여서 3,4-디히드로-2H-파이란 6.5ml (0.071mole)을 붙여 줌으로써 메틸기 끝의 수소 보다 반응성이 큰 히드록시기의 수소를 제거하여 준 후 테레프탈디카르복시알데히드 1.87g (0.014mole)과 반응시켰다. 여기서 테레프탈디카르복시알데히드는 양쪽에 모두 알데히드기를 관능기로 가지므로 '프로텍션' 반응을 해 줄 필요가 없고 파라-히드록시아세토페논만 프로텍션 시킨 후 바로 두 물질을 반응시킬 수 있다.

반응생성물을 에탄올 용매 200㎖에 녹여서 3,4-디히드로-2H-파이란을 떼어내고 진공 건조 오븐 내에서 잘 건조시켜 화학식 3의 물질을 합성하였다.

화학식 5의 구조를 갖는 광기능성 에폭시 화합물의 제조

화학식 3의 화합물 3.7g(0.01몰)과 에피클로로히드린 74.02g(0.8몰)을 에탄올 100㎖에 넣어 완전히 용해한 후 40% 가성소다수용액(0.4g, 0.01몰)을 적가하고 110℃에서 반응시켜서 말단에 두개의 에폭시기와 주쇄에 찰콘기를 포함하는 광기능성 에폭시 화합물(화학식 5)을 제조하였다.

NMR 스펙트럼 분석결과를 살펴보면, 광조사 전의 NMR 스펙트럼의 분석결과는양 말단에 위치한 에폭시 환 내부의 수소 피크가 2.9ppm과 3.2ppm에서 나타났으며, 에폭시기가 개환되어 반복단위당 1개씩 위치하는 히드록시기 옆에 위치한 2개와 1개, 또 2개의 수소에 의한 피크가 각각 3.8ppm, 4.0ppm, 그리고 4.2ppm에서 나타났다. 또한 중합체 내부의 벤젠환에 위치한 수소들의 피크가 각각 7.0ppm, 7.3ppm, 7.6ppm, 그리고 8.2ppm에서 나타났다.

적외선(IR) 분광 분석법에 의한 분석결과를 살펴보면, 광조사 전의 IR 스펙트럼 분석결과는 에폭시환의 특성피크가 910cm^-1부근에서 나타났으며, 찰콘기의 이중결합(C=C)의 특성피크가 1600cm^-1부근에서 나타나며, 히드록시기의 특성피크가 3500cm^-1부근에서 나타나며, 카르보닐기(C=0)의 특성피크가 찰콘기의 이중결합의 공명현상으로 1680cm^-1부근에서 나타났다.

광조사 후의 IR 스펙트럼 분석결과는 광조사 전에 발견되었던 910cm^-1근처의 에폭시환의 특성피크가 광조사 후 사라졌으므로 에폭시 환의 개환이 이뤄졌음을 확인 할 수 있으며, 또 3500cm^-1에서 발견되는 히드록시기의 급격한 증가도 에폭시의 개환을 의미하고, 1600cm^-1근처의 이중결합 피크가 줄어드는 현상과, 1650cm^-1의 불포화결합에 인근한 카르보닐기의 피크가 광조사 후 찰콘기 내부의 이중결합이 깨어진 후 새로이 형성되는 포화결합에 인근한 카르보닐기로 바뀌며 피크가 왼쪽으로 이동하는 현상을 발견 할 수 있다. 위와 같은 특성기의 분석에 의해 반응이 진행되었음을 확인 할 수 있다.

실시예 1 및 2의 에폭시 화합물 각각에 300-330nm에서 양이온을 광조사에의해 생성시키는 트리아릴술포늄 헥사플루오로안티모네이트(triarylsulfonium hexafluoroantimonate) 계열의 양이온 광개시제를 에폭시 화합물 중량의 1-5%를 첨가하여 광중합시켰다. 사용된 자외선 광원은 고압의 수은램프로 365nm 부근의 파장영역만을 투과시키는 필터를 설치해서 사용하였다. 광중합 후 가시자외선 흡수 분광 분석법 및 적외선 분광 분석법을 이용하여 분석하였다. 그 결과는 도 1 및 도 2에 제시된다.

도 1의 흡수스펙트럼에서 볼 수 있듯이 X 분자단 내의 이중 결합에서의 파이-파이 전이 흡수 밴드의 강도가 자외선 조사에 따라 감소하는 현상으로부터 이중 결함의 농도가 감소하는 것을 알 수 있다. 이는 상기 자외선 파장에서 환상부가반응성 불포화분자단(X) 화학 구조내의 탄소-탄소간의 2중 결합이 개열되어 환상부탄(cyclobutane)이 형성되기 때문이다. 이는 이론적으로 2+2 환상 부가반응(2+2 cycloaddition)이라는 이름의 반응으로 잘 알려져 있다.

또한 도 2의 적외선 스펙트럼을 보면 1680cm^-1근처의 피크가 광조사 후 흡수밴드가 넓어지며 왼쪽으로 이동하는 것이 바로 2중 결합이 단일 결합으로 되는 것을 의미하며 910cm^-1근처의 피크가 에폭시 기를 나타내는 피크로 이것이 줄어드는 것은 광 조사로 인해 에폭시 기가 개환되어 중합이 일어나는 것을 확인할 수 있다. 동시에 3500cm^-1부근의 흡수 강도가 증가하는 것으로부터 에폭시 환의 개환에 의하여 히드록시기가 형성되는 것을 의미한다. 또한 1600cm^-1의 큰 피크는 카르보닐기 옆의 탄소-탄소 간 이중결합 및 페닐환내의 이중결합의 신축진동에 의해 나타나는 흡수밴드로 광을 조사하면 이 피크가 줄어듦으로써 찰콘기 화합물의 카르보닐기 옆의 이중결합의 밀도가 감소한다는 것을 재확인 할 수 있다.

[비교예 1]

본 발명은 주쇄의 반복단위에서 광가교를 일으킬 수 있는 관능기를 포함하는 에폭시 화합물을 기존의 비스페놀-에이(bisphenol A)형의 잘 알려진 에폭시 화합물과 동일한 양이온 광개시제를 부가하여 자외선 조사에 의한 광조사 후 매질간의 특성을 비교하기 위하여 화학식 6의 에폭시 화합물을 합성하였다.

[화학식 6]

실시예 1의 에폭시화합물과 비교예 1의 에폭시화합물을 자외선 조사후 시차열량 분석법(DSC) 및 열 중량 분석법(TGA)을 통해 비교하였다. 그 결과는 도 3 및 도 4의 그래프에 각각 제시된다.

열중량 분석법의 결과에 따라 900℃ 이상의 온도에서도 실시예 1의 에폭시 화합물은 50% 이상의 잔류 중량이 확인되므로 그 물질의 열에 대한 경화강도 등은 충분히 확인된 것이라 할 수 있겠다(도 3 참조). 그리고 자외선 조사 후 매질의 유리 전이 온도를 DSC로 측정 해본 결과 비교예 1의 에폭시 화합물인 경우 120℃에서 나타나는데 반하여 본 발명에 따르는 실시예 1의 에폭시 화합물은 경화 후 매질의 경우 200℃까지 뚜렷한 유리 전이 온도가 관찰되지 않아 매질의 자유 부피의 변화가 고온에서도 매우 작은 것으로 확인되었다.또한 열기계적 특성분석을 통해 열팽창계수를 측정해본 결과 자외선 조사후 실시예 1과 비교예 1을 혼합한 시료의 경우 57.39×10^-6/K로 열팽창계수가 측정되었지만 비교예 1만을 이용해서 제작된 시료의 경우 76.4710^-6/K로 나타나 실시예 1을 함유한 시료가 경화후 열적안정성이 우수함을 확인하였다.

이상의 설명으로부터 명백하게 되는 바와 같이 본 발명에 따라 화학식 1의 광기능성 에폭시 화합물을 함유하는 액정디스플레이 패널봉지제는 광조사에 의해 용이하게 경화하여 높은 접착력, 낮은 열팽창 계수, 우수한 열안정성 및 치수안정성이 우수한 박막화 가공성을 제공하는 등의 장점이 있는 것이다.

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하기 화학식 1의 광기능성 에폭시 화합물을 함유하는 액정 디스플레이 패널 봉지제:

〈화학식 1〉

식중, X는 자외선 조사에 의해 내부에 존재하는 이중결합 부분에서 환상 부가 반응을 일으킬 수 있는 분자단이고 n은 반복단위로서 0 내지 40의 정수임.
제 6 항에 있어서, 상기 분자단 X가 시나모일기, 찰콘기, 안트라신기인 것을 특징으로 액정 디스플레이 패널 봉지제.
제 7 항에 있어서, 상기 분자단 X가 하기 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 액정 디스플레이 패널 봉지제:

또는