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KR20190003233A - 액정 배향제 조성물, 이를 이용한 액정 배향막의 제조 방법, 및 이를 이용한 액정 배향막 - Google Patents

액정 배향제 조성물, 이를 이용한 액정 배향막의 제조 방법, 및 이를 이용한 액정 배향막 Download PDF

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KR20190003233A
KR20190003233A KR1020170083848A KR20170083848A KR20190003233A KR 20190003233 A KR20190003233 A KR 20190003233A KR 1020170083848 A KR1020170083848 A KR 1020170083848A KR 20170083848 A KR20170083848 A KR 20170083848A KR 20190003233 A KR20190003233 A KR 20190003233A
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민성준
박항아
권순호
윤준영
윤형석
김성구
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주식회사 엘지화학
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Abstract

본 발명은 액정배향특성과 함께 막강도가 향상된 액정 배향막을 제조하기 위한 액정 배향제 조성물, 이를 이용한 액정 배향막의 제조 방법, 및 이를 이용한 액정 배향막 및 액정 표시소자를 제공하기 위한 것이다.

Description

액정 배향제 조성물, 이를 이용한 액정 배향막의 제조 방법, 및 이를 이용한 액정 배향막{LIQUID CRYSTAL ALIGNMENT COMPOSITION, METHOD OF PREPARING LIQUID CRYSTAL ALIGNMENT FILM, AND LIQUID CRYSTAL ALIGNMENT FILM USING THE SAME}
본 발명은 액정배향특성과 함께 막강도가 향상된 액정 배향막을 제조하기 위한 액정 배향제 조성물, 이를 이용한 액정 배향막의 제조 방법, 및 이를 이용한 액정 배향막 및 액정 표시소자에 관한 것이다.
액정 표시소자에 있어서, 액정 배향막은 액정을 일정한 방향으로 배향시키는 역할을 담당하고 있다. 구체적으로, 액정 배향막은 액정 분자의 배열에 방향자(director) 역할을 하여 전기장(electric field)에 의해 액정이 움직여서 화상을 형성할 때, 적당한 방향을 잡도록 해준다. 일반적으로 액정 표시소자에서 균일한 휘도(brightness)와 높은 명암비(contrast ratio)를 얻기 위해서는 액정을 균일하게 배향하는 것이 필수적이다.
액정을 배향시키는 통상적인 방법으로, 유리 등의 기판에 폴리이미드와 같은 고분자 막을 도포하고, 이 표면을 나일론이나 폴리에스테르 같은 섬유를 이용해 일정한 방향으로 문지르는 러빙(rubbing) 방법이 이용되었다. 그러나 러빙 방법은 섬유질과 고분자막이 마찰될 때 미세한 먼지나 정전기(electrical discharge: ESD)가 발생할 수 있어, 액정 패널 제조 시 심각한 문제점을 야기시킬 수 있다.
상기 러빙 방법의 문제점을 해결하기 위하여, 최근에는 마찰이 아닌 광 조사에 의해 고분자 막에 이방성(비등방성, anisotropy)을 유도하고, 이를 이용하여 액정을 배열하는 광 배향법이 연구되고 있다.
상기 광배향법에 사용될 수 있는 재료로는 다양한 재료가 소개되어 있으며, 그 중에서도 액정 배향막의 양호한 제반 성능을 위해 폴리이미드가 주로 사용되고 있다. 그러나, 통상 폴리이미드는 용매 용해성이 떨어져 용액 상태로 코팅하여 배향막을 형성시키는 제조 공정 상에 바로 적용하기에는 어려움이 있다. 따라서, 용해성이 우수한 폴리아믹산 또는 폴리아믹산 에스테르와 같은 전구체 형태로 코팅을 한 후 고온의 열처리 공정을 거쳐 폴리이미드를 형성시키고 여기에 광조사를 실행하여 배향처리를 하게 된다. 그러나, 이러한 폴리이미드 상태의 막에 광조사를 하여 충분한 액정 배향성을 얻기 위해서는 많은 에너지가 필요해 실제 생산성 확보에 어려움이 생길 뿐 아니라, 광조사 후 배향 안정성을 확보하기 위해 추가적인 열처리 공정도 필요한 한계가 있다.
액정배향특성과 함께 막강도가 향상된 액정 배향막을 제조하기 위한 액정 배향제 조성물을 제공하기 위한 것이다.
또한, 본 발명은 상기의 액정 배향제 조성물을 이용한 액정 배향막의 제조 방법을 제공하기 위한 것이다.
또한, 본 발명은 상기의 제조방법으로 제조되는 액정 배향막 및 이를 포함하는 액정 표시소자를 제공하기 위한 것이다.
상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 i) 하기 화학식 1로 표시되는 반복 단위, 하기 화학식 2로 표시되는 반복 단위 및 하기 화학식 3으로 표시되는 반복 단위로 이루어진 군에서 선택된 2종 이상의 반복 단위를 포함하며, 하기 화학식 1 내지 3으로 표시되는 전체 반복 단위에 대하여 하기 화학식 1로 표시되는 반복 단위를 5 내지 74몰% 포함하는 제1 액정 배향제용 중합체, ii) 하기 화학식 4로 표시되는 반복 단위를 포함하는 제2 액정 배향제용 중합체, iii) 분자 내에 2개 이상의 에폭시기를 가지는 화합물 및 iv) 하기 화학식 5로 표시되는 포스핀계 화합물을 포함하는 액정 배향제 조성물을 제공한다:
[화학식 1]
Figure pat00001
[화학식 2]
Figure pat00002
[화학식 3]
Figure pat00003
[화학식 4]
Figure pat00004
[화학식 5]
Figure pat00005
상기 화학식 1 내지 5에서,
R1 및 R2 중 적어도 하나가 C1-10 알킬이고, 나머지는 수소이며,
R3 및 R4는 각각 독립적으로 수소, 또는 C1-10 알킬이고,
X1은 하기 화학식 6으로 표시되는 4가의 유기기이고,
[화학식 6]
Figure pat00006
상기 화학식 6에서,
R5 내지 R8은 각각 독립적으로 수소, 또는 C1-6 알킬이고,
X2, X3 및 X4은 각각 독립적으로 탄소수 4 내지 20의 탄화수소에서 유래한 4가의 유기기이거나, 또는 상기 4가의 유기기 중 하나 이상의 H가 할로겐으로 치환되거나 또는 하나 이상의 -CH2-가 산소 또는 황 원자들이 직접 연결되지 않도록 -O-, -CO-, -S-, -SO-, -SO2- 또는 -CONH-로 대체된 4가의 유기기이고,
Y1, Y2, Y3 및 Y4은 각각 독립적으로 하기 화학식 7로 표시되는 2가의 유기기이고,
[화학식 7]
Figure pat00007
상기 화학식 7에서,
R9 및 R10는 각각 독립적으로 할로겐, 시아노, C1-10 알킬, C2-10 알케닐, C1-10 알콕시, C1-10 플루오로알킬, 또는 C1-10 플루오로알콕시이고,
p 및 q는 각각 독립적으로 0 내지 4 사이의 정수이고,
L1은 단일결합, -O-, -CO-, -S-, -SO2-, -C(CH3)2-, -C(CF3)2-, -CONH-, -COO-, -(CH2)z-, -O(CH2)zO-, -O(CH2)z-, -OCH2-C(CH3)2-CH2O-, -COO-(CH2)z-OCO-, 또는 -OCO-(CH2)z-COO-이며,
상기 z는 1 내지 10 사이의 정수이고,
m은 0 내지 3 사이, 또는 1 내지 3의 정수이며,
A1, A2 및 A3 은 각각 독립적으로 수소, 또는 C1-20 알킬, C3-20 시클로알킬, C6-20 아릴, 또는 1이상의 C1-20 알킬기로 치환된 C6-20 아릴이다.
본 발명에 따른 액정 배향제 조성물은, 부분 이미드화된 폴리이미드 전구체인 제1 액정 배향제용 중합체, 그리고 일반적인 폴리이미드 전구체인 제2 액정 배향제용 중합체와 함께 분자 내에 2개 이상의 에폭시기를 가지는 화합물 및 포스핀계 화합물을 포함하는 것을 주요 특징으로 한다.
기존의 폴리이미드를 액정 배향막으로 사용하는 경우, 용해성이 우수한 폴리이미드 전구체, 폴리아믹산 또는 폴리아믹산 에스테르를 도포하고 건조하여 도막을 형성한 후, 고온의 열처리 공정을 거쳐 폴리이미드로 전환시키고 여기에 광조사를 실행하여 배향처리를 하였다. 그러나, 이러한 폴리이미드 상태의 막에 광조사를 하여 충분한 액정 배향성을 얻기 위해서는 많은 광 조사 에너지가 필요할 뿐 아니라, 광조사 후 배향 안정성을 확보하기 위해 추가적인 열처리 공정도 거치게 된다. 이와 같은 많은 광 조사 에너지와 추가적인 고온 열처리 공정은 공정비용과, 공정시간 측면에서 매우 불리하므로 실제 대량 생산 공정에 적용하기에는 한계가 있었다.
이에 본 발명자들은 실험을 통해, 상기 화학식 1로 표시되는 반복 단위를 필수적으로 포함하고, 화학식 2로 표시되는 반복 단위 및 화학식 3으로 표시되는 반복 단위로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 반복 단위를 추가로 포함하는 제1 액정 배향제용 중합체와, 상기 화학식 4로 표시되는 반복 단위를 포함하는 제2 액정 배향제용 중합체를 혼합하여 이용하면, 상기 제1 중합체가 이미 이미드화된 이미드 반복 단위를 일정 함량 포함하므로, 도막 형성 후 열처리 공정 없이 바로 광을 조사하여 이방성을 생성시키고, 이후에 열처리를 진행하여 배향막을 완성할 수 있기 때문에, 광 조사 에너지를 크게 줄일 수 있을 뿐 아니라, 배향성과 안정성이 우수할 뿐만 아니라, 전압 유지 보전율과 전기적 특성 또한 뛰어난 액정 배향막을 제조할 수 있음을 확인하였다.
또한, 본 발명자들은 상기 액정 배향제용 중합체 이외에, 분자 내에 2개 이상의 에폭시기를 가지는 화합물을 액정 배향제 조성물에 포함시킴으로서, 이로부터 제조되는 액정 배향막은 높은 전압 유지율을 나타낼 수 있을 뿐만 아니라 열 스트레스에 의한 배향 안정성 및 배향막의 기계적 강도도 개선됨을 확인하였다. 이론적으로 제한되는 것은 아니나, 광 조사에 의한 이방성 생성 후 열처리 과정에서 에폭시기를 가지는 화합물과 폴리이미드 전구체 또는 부분 이미드화된 고분자의 카르복시산기와 열가교 반응이 일어나고, 이로 인하여 전압 유지율을 상승시킨다. 또한, 특히 분자 내에 2개 이상의 에폭시기를 가지는 화합물을 사용하기 때문에, 이러한 특성이 더욱 향상될 뿐만 아니라 폴리이미드 전구체 또는 부분 이미드화된 고분자 사슬간의 가교 반응을 일으켜 배향 안정성 및 배향막의 기계적 강도도 향상시킬 수 있다.
특히, 본 발명에서는 액정 배향제 조성물 내에 하기 화학식 5로 표시되는 포스핀계 화합물을 첨가함으로서, 상술한 분자 내에 2개 이상의 에폭시기를 가지는 화합물과 액정 배향제용 중합체 간의 열가교 반응을 촉진하여, 배향 안정성 및 배향막의 기계적 강도 향상 효과를 보다 높일 수 있음을 실험을 통해 확인하고 발명을 완성하였다.
[화학식 5]
Figure pat00008
상기 화학식5에서, A1, A2 및 A3 은 각각 독립적으로 수소, 또는 C1-20 알킬, C3-20 시클로알킬, C6-20 아릴, 또는 1이상의 C1-20 알킬기로 치환된 C6-20 아릴이다.
상기 화학식5로 표시되는 포스핀계 화합물은 상술한 분자 내에 2개 이상의 에폭시기를 가지는 화합물과 액정 배향제용 중합체 간의 열가교 반응성을 높이는 반응 촉진제(accelerator)로서 첨가되어, 첨가 전에 비해 상기 분자 내에 2개 이상의 에폭시기를 가지는 화합물의 반응성이 현저히 향상되면서, 최종 제조된 배향막 내에서 액정배향제용 중합체와 상기 분자 내에 2개 이상의 에폭시기를 가지는 화합물간의 보다 견고한 가교구조가 형성됨에 따라, 배향막의 기계적 강도가 높아질 수 있다.
그러면서도, 상기 화학식5로 표시되는 포스핀계 화합물은 조성물 내에 함유된 액정 배향제용 중합체의 소결에 의한 이미드화반응에 영향을 주지 않아, 최종적으로 제조되는 배향막이 갖는 배향특성은 종전 수준 대비 동등 수준 이상을 확보할 수 있는 것으로 나타났다.
이처럼 본 발명에서 포스핀계 화합물에 의한 효과는 단순히 액정배향 조성물에 첨가되어 달성되는 것이 아니라 분자 내에 2개 이상의 에폭시기를 가지는 화합물과 함께 액정배향 조성물 내에 함유되었을 때, 분자 내에 2개 이상의 에폭시기를 가지는 화합물과 포스핀계 화합물간의 유기적인 반응 내지 결합에 의해 달성되는 것이다.
또한, 일반적으로 액정배향막 분야에 있어, 배향막의 기계적 강도와 배향특성이 트레이드오프(trade off) 관계에 있어, 이들 특성 모두를 적정수준 이상으로 향상시키는 것이 연구개발의 핵심목표인 만큼, 상기 일 구현예의 액정 배향제 조성물에 의해 구현되는 효과는 기존 기술수준에 비해 현저한 것으로 보인다.
이하, 본 발명을 보다 상세히 설명한다.
용어의 정의
본 명세서에서 특별한 제한이 없는 한 다음 용어는 하기와 같이 정의될 수 있다.
본 명세서에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
본 명세서에서, "치환"이라는 용어는 화합물 내의 수소 원자 대신 다른 작용기가 결합하는 것을 의미하며, 치환되는 위치는 수소 원자가 치환되는 위치 즉, 치환기가 치환 가능한 위치라면 한정되지 않으며, 2 이상 치환되는 경우, 2 이상의 치환기는 서로 동일하거나 상이할 수 있다.
본 명세서에서, 탄소수 4 내지 20의 탄화수소, 탄소수 4 내지 20의 알칸(alkane), 탄소수 4 내지 20의 알켄(alkene), 탄소수 4 내지 20의 알킨(alkyne), 탄소수 4 내지 20의 사이클로알칸(cycloalkane), 탄소수 4 내지 20의 사이클로알켄(cycloalkene), 탄소수 6 내지 20의 아렌(arene)이거나, 혹은 이들 중 1종 이상의 고리형 탄화수소가 2 이상의 원자를 공유하는 축합 고리(fused ring)이거나, 혹은 이들 중 1종 이상의 탄화수소가 화학적으로 결합된 탄화수소일 수 있다. 구체적으로, 탄소수 4 내지 20의 탄화수소로는 n-부탄, 사이클로부탄, 1-메틸사이클로부탄, 1,3-디메틸사이클로부탄, 1,2,3,4-테트라메틸사이클로부탄, 사이클로펜탄, 사이클로헥산, 사이클로헵탄, 사이클로옥탄, 사이클로헥센, 1-메틸-3-에틸사이클로헥센, 바이사이클로헥실, 벤젠, 바이페닐, 디페닐메탄, 2,2-디페닐프로판, 1-에틸-1,2,3,4-테트라하이드로나프탈렌 또는 1,6-디페닐헥산 등을 예시할 수 있다.
본 명세서에서, 탄소수 1 내지 10의 알킬기는 직쇄, 분지쇄 또는 고리형 알킬기일 수 있다. 구체적으로, 탄소수 1 내지 10의 알킬기는 탄소수 1 내지 10의 직쇄 알킬기; 탄소수 1 내지 5의 직쇄 알킬기; 탄소수 3 내지 10의 분지쇄 또는 고리형 알킬기; 또는 탄소수 3 내지 6의 분지쇄 또는 고리형 알킬기일 수 있다. 보다 구체적으로, 탄소수 1 내지 10의 알킬기로는 메틸기, 에틸기, n-프로필기, iso-프로필기, n-부틸기, iso-부틸기, tert-부틸기, n-펜틸기, iso-펜틸기, neo-펜틸기 또는 사이클로헥실기 등을 예시할 수 있다.
본 명세서에서, 탄소수 1 내지 10의 알콕시기는 직쇄, 분지쇄 또는 고리형 알콕시기일 수 있다. 구체적으로, 탄소수 1 내지 10의 알콕시기는 탄소수 1 내지 10의 직쇄 알콕시기; 탄소수 1 내지 5의 직쇄 알콕시기; 탄소수 3 내지 10의 분지쇄 또는 고리형 알콕시기; 또는 탄소수 3 내지 6의 분지쇄 또는 고리형 알콕시기일 수 있다. 보다 구체적으로, 탄소수 1 내지 10의 알콕시기로는 메톡시기, 에톡시기, n-프로폭시기, iso-프로폭시기, n-부톡시기, iso-부톡시기, tert-부톡시기, n-펜톡시기, iso-펜톡시기, neo-펜톡시기 또는 사이클로헥톡시기 등을 예시할 수 있다.
본 명세서에서, 탄소수 1 내지 10의 플루오로알킬기는 상기 탄소수 1 내지 10의 알킬기의 하나 이상의 수소가 불소로 치환된 것일 수 있고, 탄소수 1 내지 10의 플루오로알콕시기는 상기 탄소수 1 내지 10의 알콕시기의 하나 이상의 수소가 불소로 치환된 것일 수 있다.
본 명세서에서, 탄소수 2 내지 10의 알케닐기는 직쇄, 분지쇄 또는 고리형 알케닐기일 수 있다. 구체적으로, 탄소수 2 내지 10의 알케닐기는 탄소수 2 내지 10의 직쇄 알케닐기, 탄소수 2 내지 5의 직쇄 알케닐기, 탄소수 3 내지 10의 분지쇄 알케닐기, 탄소수 3 내지 6의 분지쇄 알케닐기, 탄소수 5 내지 10의 고리형 알케닐기 또는 탄소수 6 내지 8의 고리형 알케닐기일 수 있다. 보다 구체적으로, 탄소수 2 내지 10의 알케닐기로는 에테닐기, 프로페닐기, 부테닐기, 펜테닐기 또는 사이클로헥세닐기 등을 예시할 수 있다.
본 명세서에 있어서, 아릴기는 특별히 한정되지 않으나 탄소수 6 내지 60인 것이 바람직하며, 단환식 아릴기 또는 다환식 아릴기일 수 있다. 일 실시상태에 따르면, 상기 아릴기의 탄소수는 6 내지 30이다. 일 실시상태에 따르면, 상기 아릴기의 탄소수는 6 내지 20이다. 상기 아릴기가 단환식 아릴기로는 페닐기, 바이페닐기, 터페닐기 등이 될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 다환식 아릴기로는 나프틸기, 안트라세닐기, 페난트릴기, 파이레닐기, 페릴레닐기, 크라이세닐기, 플루오레닐기 등이 될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
본 명세서에서, 할로겐(halogen)은 불소(F), 염소(Cl), 브롬(Br) 또는 요오드(I)일 수 있다.
본 명세서에서, "포스핀계 화합물"이라는 용어는 포스핀 화합물 또는 유기 작용기가 치환된 포스핀 화합물, 또는 이들의 유도체 화합물을 의미할 수 있다. 상기 포스핀 화합물은 PH3의 분자식을 갖는 화합물이며, 상기 유기 작용기가 치환된 포스핀 화합물은 상기 포스핀 화합물의 수소 위치에 유기 작용기가 1이상 치환된 화합물을 의미한다.
임의의 화합물에서 유래한 다가 유기기(multivalent organic group)는 임의의 화합물에 결합된 복수의 수소 원자가 제거된 형태의 잔기를 의미한다. 일 예로, 사이클로부탄에서 유래한 4가의 유기기는 사이클로부탄에 결합된 임의의 수소 원자 4개가 제거된 형태의 잔기를 의미한다.
본 명세서에서, 화학식 중
Figure pat00009
는 해당 부위의 수소가 제거된 형태의 잔기를 의미한다. 예를 들어,
Figure pat00010
는 사이클로부탄의 1, 2, 3 및 4번 탄소에 결합된 수소 원자 4개가 제거된 형태의 잔기, 즉 사이클로부탄에서 유래한 4가의 유기기 중 어느 하나를 의미한다.
액정 배향제용 중합체
상기 액정 배향제 조성물은, 액정 배향제용 중합체로서 i) 상기 화학식 1로 표시되는 반복 단위, 상기 화학식 2로 표시되는 반복 단위 및 상기 화학식 3으로 표시되는 반복 단위로 이루어진 군에서 선택된 2종 이상의 반복 단위를 포함하며, 상기 화학식 1 내지 3으로 표시되는 전체 반복 단위에 대하여 상기 화학식 1로 표시되는 반복 단위를 5 내지 74몰% 포함하는 제1 액정 배향제용 중합체, 및 ii) 상기 화학식 4로 표시되는 반복 단위를 포함하는 제2 액정 배향제용 중합체를 함께 포함할 수 있다.
상기 화학식 1 내지 4의 반복 단위에서 X1은 상기 화학식 6으로 표시되는 4가의 유기기이고, X2 내지 X4은 각각 독립적으로 탄소수 4 내지 20의 탄화수소에서 유래한 4가의 유기기이거나, 혹은 상기 4가의 유기기 중 하나 이상의 H가 할로겐으로 치환되거나 또는 하나 이상의 -CH2-가 산소 또는 황 원자들이 직접 연결되지 않도록 -O-, -CO-, -S-, -SO-, -SO2- 또는 -CONH-로 대체된 4가의 유기기일 수 있다.
일 예로, 상기 X2 내지 X4는 각각 독립적으로 하기 화학식 8에 기재된 4가의 유기기일 수 있다.
[화학식8]
Figure pat00011
상기 화학식 8에서,
R3 내지 R6은 각각 독립적으로 수소 또는 탄소수 1 내지 6의 알킬기이고, L2는 단일결합, -O-, -CO-, -S-, -C(CH3)2-, -C(CF3)2-, -CONH-, -COO-, -(CH2)Z-, -O(CH2)ZO-, -COO-(CH2)Z-OCO-이고, z는 1 내지 10 사이의 정수이다.
한편, 상기 Y1 내지 Y4은 상기 화학식 7로 표시되는 2가의 유기기로 정의되어 상술한 효과를 발현할 수 있는 다양한 구조의 액정 배향제용 중합체를 제공할 수 있다.
상기 화학식 7에서 R9 또는 R10로 치환되지 않은 탄소에는 수소가 결합되어 있으며, p 또는 q가 2 내지 4의 정수일 때 복수의 R9 또는 R10는 동일하거나 서로 상이한 치환기일 수 있다. 그리고, 상기 화학식 7에서 m은 0 내지 3의 정수 혹은 0 또는 1의 정수일 수 있다.
구체적으로, 상기 제1 액정 배향제용 중합체는, 상기 화학식 1, 화학식 2 및 화학식 3으로 표시되는 반복 단위 중에서, 이미드 반복 단위인 화학식 1로 표시되는 반복 단위를 전체 반복 단위에 대하여 10 몰% 내지 74몰%, 또는 20 몰% 내지 60몰% 포함할 수 있다. 상술한 바와 같이, 상기 화학식 1로 표시되는 이미드 반복 단위를 특정 함량 포함하는 제1 액정 배향제용 중합체를 이용하면, 상기 중합체가 이미 이미드화된 이미드 반복 단위를 일정 함량 포함하므로, 고온의 열처리 공정을 생략하고, 바로 광을 조사하여도 배향성과 안정성이 우수하고 전압 유지 보전율과 전기적 특성 또한 뛰어난 액정 배향막을 제조할 수 있다. 상기 화학식 1로 표시되는 반복 단위가 상기 함량 범위보다 적게 포함되면 충분한 배향 특성을 나타내지 못하고, 배향 안정성이 저하될 수 있으며, 상기 화학식 1로 표시되는 반복 단위의 함량이 상기 범위를 초과하면 용해도가 낮아져 코팅 가능한 안정적인 배향액을 제조하기 어려운 문제가 나타날 수 있다. 이에 따라, 상기 화학식 1로 표시되는 반복 단위를 상술한 함량 범위로 포함하는 것이 보관 안정성, 전기적 특성, 배향 특성 및 배향 안정성이 모두 우수한 액정 배향제용 중합체를 제공할 수 있어 바람직하다.
또한, 상기 제1 액정 배향제용 중합체는 화학식 2로 표시되는 반복 단위 또는 화학식 3으로 표시되는 반복 단위를 목적하는 특성에 따라 적절한 함량으로 포함할 수 있다. 구체적으로, 상기 화학식 2로 표시되는 반복 단위는 상기 화학식 1 내지 3으로 표시되는 전체 반복 단위에 대하여 0 몰% 내지 40몰%, 또는 0 몰% 내지 30몰%, 또는 0.1 몰% 내지 30몰% 포함될 수 있다. 상기 화학식 2으로 표시되는 반복 단위는 광 조사 후 고온 열처리 공정 중 이미드로 전환되는 비율이 낮기 때문에, 상기 범위를 넘어서는 경우 전체적인 이미드화율이 부족하여 배향 안정성이 저하될 수 있다. 따라서, 상기 화학식 2로 표시되는 반복 단위는 상술한 범위 내에서 적절한 용해도를 나타내어 공정 특성이 우수하면서도 높은 이미드화율을 구현할 수 있는 액정 배향제용 중합체를 제공할 수 있다.
또한, 상기 제1 액정 배향제용 중합체에서, 상기 화학식 3으로 표시되는 반복 단위는 상기 화학식 1 내지 3으로 표시되는 전체 반복 단위에 대하여 0 몰% 내지 95몰%, 또는 10 몰% 내지 90몰% 포함될 수 있다. 이러한 범위 내에서 우수한 코팅성을 나타내 공정 특성이 우수하면서도 높은 이미드화율을 구현할 수 있는 액정 배향제용 중합체를 제공할 수 있다.
한편, 상기 제2 액정 배향제용 중합체는, 부분 이미드화된 중합체인 상기 제1 액정 배향제용 중합체와 혼합하여 액정 배향제로 사용함으로써, 제1 액정 배향제용 중합체만 사용하는 경우에 비하여 전압 유지 보전율(Voltage Holding Ratio)과 같은 배향막의 전기적 특성을 크게 개선할 수 있다.
이와 같은 효과를 나타내기 위하여, 상기 화학식 4로 표시되는 반복 단위에서 X4는 방향족 구조에서 유래된 것이 전압 유지 보전율을 개선하는 측면에서 바람직하다.
또한, 상기 화학식 4로 표시되는 반복 단위에서 Y4는 상기 화학식 7로 표시되는 2가의 유기기인 것이 바람직하며, 이때 R9 및 R10는 각각 독립적으로 탄소수 3 이하의 짧은 작용기이거나 측쇄 구조인 R9 및 R10을 포함하지 않는 것(p 및 q가 0)이 더욱 바람직하다.
바람직하게는, 상기 X2, X3 및 X4은 각각 독립적으로 하기 화학식 8에 기재된 4가의 유기기이다:
[화학식 8]
Figure pat00012
상기 화학식 8에서,
R5 내지 R8은 각각 독립적으로 수소, 또는 C1-6 알킬이고,
L2는 단일결합, -O-, -CO-, -S-, -C(CH3)2-, -C(CF3)2-, -CONH-, -COO-, -(CH2)Z-, -O(CH2)ZO-, -COO-(CH2)Z-OCO-이고,
z는 1 내지 10 사이의 정수이다.
또한, 상기 제1 액정 배향제용 중합체와 제2 액정 배향제용 중합체는 1:9 내지 9:1, 또는 15:85 내지 85:15, 또는 2:8 내지 8:2의 중량비로 혼합할 수 있다. 상술한 바와 같이, 상기 제1 액정 배향제는 이미 이미드화된 이미드 반복 단위를 일정 함량 포함하므로, 도막 형성 후 고온의 열처리 공정 없이 바로 광을 조사하여 이방성을 생성시키고, 이후에 열처리를 진행하여 배향막을 완성할 수 있는 특징이 있고, 제2 액정 배향제용 중합체는 전압 유지 보존율과 같은 전기적 특성을 향상시키는 특징이 있다. 이와 같은 특징을 갖는 상기 제1 액정 배향제용 중합체와 제2 액정 배향제용 중합체를 상기 중량비 범위로 혼합하여 사용하는 경우, 제1 액정 배향제용 중합체가 갖는 우수한 광반응 특성 및 액정 배향 특성에 제2 액정 배향제용 중합체가 갖는 우수한 전기적 특성을 상호 보완할 수 있으므로, 보다 우수한 배향성과 전기적 특성을 동시에 갖는 액정 배향막을 제조할 수 있다.
분자 내에 2개 이상의 에폭시기를 가지는 화합물
상술한 액정 배향제용 중합체 이외에, 본 발명은 분자 내에 2개 이상의 에폭시기를 가지는 화합물을 액정 배향제 조성물에 포함시킴으로서, 이로부터 제조되는 액정 배향막의 높은 전압 유지율을 나타낼 수 있게 한다.
상기 분자 내에 2개 이상의 에폭시기를 가지는 화합물의 분자량은, 100 g/mol 내지 10,000 g/mol 인 것이 바람직하다. 본 명세서에서, 분자량은 GPC법에 의해 측정한 폴리스티렌 환산의 중량 평균 분자량을 의미한다. 상기 GPC법에 의해 측정한 폴리스티렌 환산의 중량 평균 분자량을 측정하는 과정에서는, 통상적으로 알려진 분석 장치와 시차 굴절 검출기(Refractive Index Detector) 등의 검출기 및 분석용 컬럼을 사용할 수 있으며, 통상적으로 적용되는 온도 조건, 용매, flow rate를 적용할 수 있다. 상기 측정 조건의 구체적인 예로, 30 ℃의 온도, 클로로포름 용매(Chloroform) 및 1 mL/min의 flow rate를 들 수 있다.
상기 분자 내에 2개 이상의 에폭시기를 가지는 화합물로, 사이클로알리파틱계 에폭시, 비스페놀계 에폭시, 또는 노볼락계 에폭시를 사용할 수 있다. 이러한 구체적인 예로는, (3',4'-에폭시사이클로헥산)메틸 3,4-에폭시사이클로헥실카르복실레이트, 4,4'-메틸렌비스(N,N'-디글리시딜아닐린), 또는 2,2'-(3,3',5,5'-테트라메틸비페닐-4,4'-디일)비스(옥시)비스(메틸렌)디옥시란을 사용할 수 있다.
또한, 상기 분자 내에 2개 이상의 에폭시기를 가지는 화합물은, 상술한 제1 액정 배향제용 중합체 및 제2 액정 배향제용 중합체 총 중량 100 중량부 대비 0.1 중량부 내지 30 중량부로 포함되는 것이 바람직하다.
포스핀계 화합물
상술한 액정 배향제용 중합체 및 분자 내에 2개 이상의 에폭시기를 가지는 화합물 이외에, 본 발명은 포스핀계 화합물을 액정 배향제 조성물에 포함시킴으로서, 이로부터 제조되는 액정 배향막의 높은 기계적 강도를 구현할 수 있게 한다.
상기 포스핀계 화합물은 상기 화학식5로 표시되는 구조를 가질 수 있다. 상기 화학식5에서, A1, A2 및 A3 은 각각 독립적으로 수소, 또는 C1-20 알킬, C3-20 시클로알킬, C6-20 아릴, 또는 1이상의 C1-20 알킬기로 치환된 C6-20 아릴이다. 보다 바람직하게는, 상기 화학식5에서, A1, A2 및 A3 가 모두 수소이거나 C1-3 알킬일 수 있다. 상기 C1-3 알킬의 예로는 메틸, 에틸, 프로필을 들 수 있다.
상기 포스핀계 화합물의 구체적인 예로는, 포스핀(Phosphine, PH3), 또는 트리메틸 포스핀(trimethyl phosphine)을 사용할 수 있다.
또한, 상기 포스핀계 화합물은, 상술한 제1 액정 배향제용 중합체 및 제2 액정 배향제용 중합체 총 중량 100 중량부 대비 0.03 중량부 내지 30 중량부, 또는 0.1 중량부 내지 20 중량부, 또는 1 중량부 내지 10 중량부, 또는 3 중량부 내지 7 중량부로 포함되는 것이 바람직하다.
액정 배향막의 제조 방법
또한, 본 발명은 1) 액정 배향제 조성물을 기판에 도포하여 도막을 형성하는 단계; 2) 상기 도막을 건조하는 단계; 3) 상기 건조 단계 직후의 도막을 배향 처리하는 단계; 및 4) 상기 배향 처리된 도막을 열처리하여 경화하는 단계를 포함하는 액정 배향막의 제조 방법을 제공한다.
기존의 폴리이미드를 액정 배향막으로 사용하는 경우, 용해성이 우수한 폴리이미드 전구체, 폴리아믹산 또는 폴리아믹산 에스테르를 도포하고 건조하여 도막을 형성한 후, 고온의 열처리 공정을 거쳐 폴리이미드로 전환시키고 여기에 광조사를 실행하여 배향처리를 하였다. 그러나, 이러한 폴리이미드 상태의 막에 광조사를 하여 충분한 액정 배향성을 얻기 위해서는 많은 광 조사 에너지가 필요할 뿐 아니라, 광조사 후 배향 안정성을 확보하기 위해 추가적인 열처리 공정도 거치게 된다. 이와 같은 많은 광 조사 에너지와 추가적인 고온 열처리 공정은 공정비용과, 공정시간 측면에서 매우 불리하므로 실제 대량 생산 공정에 적용하기에는 한계가 있었다.
이에 본 발명자들은 실험을 통해, 상기 화학식 1로 표시되는 반복 단위, 화학식 2로 표시되는 반복 단위 및 화학식 3으로 표시되는 반복 단위로 이루어진 군에서 선택된 2종 이상의 반복 단위를 포함하며, 특히 상기 반복 단위 중에서 화학식 1로 표시되는 이미드 반복 단위를 5 내지 74 몰% 포함하는 중합체를 이용하면, 상기 중합체가 이미 이미드화된 이미드 반복 단위를 일정 함량 포함하므로, 도막 형성 후 고온의 열처리 공정 없이 바로 광을 조사하여 이방성을 생성시키고, 이후에 열처리를 진행하여 배향막을 완성할 수 있기 때문에, 광 조사 에너지를 크게 줄일 수 있을 뿐 아니라, 1회의 열처리 공정을 포함하는 단순한 공정으로도 배향성과 안정성이 강화된 액정 배향막을 제조할 수 있음을 확인하고 발명을 완성하였다.
이하, 각 단계 별로 본 발명을 상세히 설명한다.
1) 액정 배향제 조성물을 기판에 도포하여 도막을 형성하는 단계(단계 1)
상기 단계 1은, 액정 배향제 조성물을 기판에 도포하여 도막을 형성하는 단계이다.
상기 액정 배향제 조성물은, 상술한 i) 상기 화학식 1로 표시되는 반복 단위, 상기 화학식 2로 표시되는 반복 단위 및 상기 화학식 3으로 표시되는 반복 단위로 이루어진 군에서 선택된 2종 이상의 반복 단위를 포함하며, 상기 화학식 1 내지 3으로 표시되는 전체 반복 단위에 대하여 상기 화학식 1로 표시되는 반복 단위를 5 내지 74몰% 포함하는 제1 액정 배향제용 중합체, ii) 상기 화학식 4로 표시되는 반복 단위를 포함하는 제2 액정 배향제용 중합체, 및 iii) 분자 내에 2개 이상의 에폭시기를 가지는 화합물 및 iv) 상기 화학식 5로 표시되는 포스핀계 화합물을 포함하며, 상기 액정 배향제 조성물에 대해서는 상술한 내용을 모두 포함한다.
한편, 상기 액정 배향제 조성물을 기판에 도포하는 방법은 특별히 제한되지 않으며, 예컨대 스크린 인쇄, 오프셋 인쇄, 플렉소 인쇄, 잉크젯 등의 방법이 이용될 수 있다.
또한, 상기 액정 배향제 조성물은 상기 제 1 액정 배향제용 중합체 및 제 2 액정 배향제용 중합체, 그리고 분자 내에 2개 이상의 에폭시기를 가지는 화합물 및 포스핀계 화합물을 유기 용매에 용해 또는 분산시킨 것일 수 있다. 상기 유기 용매의 구체적인 예로는 N,N-디메틸포름아미드, N,N-디메틸아세트아미드, N-메틸-2-피롤리돈, N-메틸카프로락탐, 2-피롤리돈, N-에틸피롤리돈, N-비닐피롤리돈, 디메틸술폭사이드, 테트라메틸우레아, 피리딘, 디메틸술폰, 헥사메틸술폭사이드, γ-부티로락톤, 3-메톡시-N,N-디메틸프로판아미드, 3-에톡시-N,N-디메틸프로판아미드, 3-부톡시-N,N-디메틸프로판아미드, 1,3-디메틸-이미다졸리디논, 에틸아밀케톤, 메틸노닐케톤, 메틸에틸케톤, 메틸이소아밀케톤, 메틸이소프로필케톤, 사이클로헥사논, 에틸렌카보네이트, 프로필렌카보네이트, 디글라임, 4-하이드록시-4-메틸-2-펜타논, 에틸렌 글리콜 모노메틸 에테르, 에틸렌 글리콜 모노메틸 에테르 아세테이트, 에틸렌 글리콜 모노에틸 에테르, 에틸렌 글리콜 모노에틸 에테르 아세테이트, 에틸렌 글리콜 모노프로필 에테르, 에틸렌 글리콜 모노프로필 에테르 아세테이트, 에틸렌 글리콜 모노이소프로필 에테르, 에틸렌 글리콜 모노이소프로필 에테르 아세테이트, 에틸렌 글리콜 모노뷰틸 에테르, 에틸렌 글리콜 모노뷰틸 에테르 아세테이트 등을 들 수 있다. 이들은 단독으로 사용될 수도 있고, 혼합하여 사용될 수도 있다.
또한, 상기 액정 배향제 조성물은 액정 배향제용 중합체 및 유기 용매 외에 다른 성분을 추가로 포함할 수 있다. 비제한적인 예로, 액정 배향제 조성물이 도포되었을 때, 막 두께의 균일성이나 표면 평활성을 향상시키거나, 혹은 광배향막과 기판의 밀착성을 향상시키거나, 혹은 광배향막의 유전율이나 도전성을 변화시키거나, 혹은 광배향막의 치밀성을 증가시킬 수 있는 첨가제가 추가로 포함될 수 있다. 이러한 첨가제로는 각종 용매, 계면 활성제, 실란계 화합물, 유전체 또는 가교성 화합물 등이 예시될 수 있다.
2) 도막을 건조하는 단계(단계 2)
상기 단계 2는, 상기 단계 1에서 제조한 도막을 건조하는 단계이다.
상기 도막을 건조하는 단계는, 상기 액정 배향제 조성물에 사용된 용매 등을 제거하기 위한 것으로, 예를 들어 도막의 가열 또는 진공 증발 등의 방법을 이용할 수 있다. 상기 건조는 50 ℃ 내지 130 ℃에서, 또는 70 ℃ 내지 120 ℃의 온도에서 수행되는 것이 바람직하다.
3) 상기 건조 단계 직후의 도막을 배향 처리하는 단계(단계 3)
상기 단계 3은, 상기 단계 2에서 건조된 도막에 광을 조사하거나 러빙 처리하여 배향 처리하는 단계이다.
본 명세서에서 상기 "건조 단계 직후의 도막"은 건조 단계 이후에 건조 단계 이상의 온도로 열처리하는 단계의 진행 없이 바로 광 조사하는 것을 의미하며, 열처리 이외의 다른 단계는 부가가 가능하다.
보다 구체적으로, 기존에 폴리아믹산 또는 폴리아믹산에스테르를 포함하는 액정 배향제를 사용하여 액정 배향막을 제조하는 경우에는 폴리아믹산의 이미드화를 위하여 필수적으로 고온의 열처리를 진행한 후 광을 조사하는 단계를 포함하지만, 상술한 일 구현예의 액정 배향제 조성물을 이용하여 액정 배향막을 제조하는 경우에는 상기 열처리 단계를 포함하지 않고, 바로 광을 조사하여 배향 처리한 후, 배향 처리된 도막을 열처리하여 경화함으로써, 작은 광 조사 에너지 하에서도 충분한 배향성과 안정성이 강화된 액정 배향막을 제조할 수 있다.
그리고, 상기 배향 처리하는 단계에서 광 조사는 150 nm 내지 450 ㎚ 파장의 편광된 자외선을 조사하는 것이 바람직하다. 이때, 노광의 세기는 액정 배향제용 중합체의 종류에 따라 다르며, 10 mJ/㎠ 내지 10 J/㎠ 의 에너지, 또는 30 mJ/㎠ 내지 2 J/㎠ 의 에너지를 조사할 수 있다.
상기 자외선으로는, 석영유리, 소다라임 유리, 소다라임프리 유리 등의 투명 기판 표면에 유전이방성의 물질이 코팅된 기판을 이용한 편광 장치, 미세하게 알루미늄 또는 금속 와이어가 증착된 편광판, 또는 석영유리의 반사에 의한 브루스터 편광 장치 등을 통과 또는 반사하는 방법으로 편광 처리된 자외선 중에서 선택된 편광 자외선을 조사하여 배향 처리를 한다. 이때 편광된 자외선은 기판면에 수직으로 조사할 수도 있고, 특정한 각으로 입사각을 경사하여 조사할 수도 있다. 이러한 방법에 의하여 액정분자의 배향 능력이 도막에 부여되게 된다.
또한, 상기 배향 처리하는 단계에서 러빙 처리는 러빙천을 이용하는 방법을 사용할 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 러빙 처리는 금속 롤러에 러빙천의 옷감을 붙인 러빙 롤러를 회전시키면서 열처리 단계 이후의 도막의 표면을 한 방향으로 러빙할 수 있다.
4) 상기 배향 처리된 도막을 열처리하는 단계(단계 4)
상기 단계 4는, 상기 단계 3에서 배향 처리된 도막을 열처리하는 단계이다.
상기 열처리는 핫 플레이트, 열풍 순환로, 적외선로 등의 가열 수단에 의해 실시될 수 있으며, 100 ℃ 내지 300 ℃에서 수행되는 것이 바람직하다.
한편, 상기 단계 4는 4-1) 상기 배향 처리된 도막을 200 ℃ 이하에서 저온 열처리하는 단계; 및 4-2) 상기 열처리된 도막을 상기 저온 열처리보다 높은 온도에서 열처리하여 경화하는 단계를 포함할 수 있다.
일반적으로, 액정 배향제 내에 에폭시 물질이 포함되면 배향막의 강도 및 높은 전압 유지율이 향상되는 것으로 알려져 있으며, 에폭시 물질의 함량이 많을수록 그 정도가 높아지는 것으로 알려져 있다. 그러나, 에폭시 물질의 함량이 많아지면 액정 셀의 고온 AC 휘도변동률이 높아지는 문제가 있다. 고온 AC 휘도변동률 특성이 나빠지는 이유는, 이론적으로 제한되는 것은 아니나, 액정 배향제의 배향이 고온에서 진행되기 때문에 액정 배향제의 배향과 에폭시 반응이 동시에 진행되는 것에 기인한다.
이에, 액정 배향제 조성물을 사용하여, 기판에 도포하고 건조시켜 도막을 형성한 다음, 이미드화 공정 없이 바로 선 편광을 조사하여 초기 이방성을 유도하고, 이어 저온 열처리를 통하여 배향막 일부를 reorientation하고 분해물을 안정화시킨다. 이어, 상기 저온 열처리보다 높은 온도로 고온 열처리하여 이미드화를 진행하면서 동시에 에폭시 반응에 의한 배향 안정화를 달성할 수 있다. 이에 따라 초기 이방성은 에폭시 반응없이 진행되어 배향이 효과적으로 이루어지면서도 에폭시 물질의 함량을 높일 수 있는 이점이 있다.
상기와 같은 액정 배향막의 제조 방법에 따라 제조된 액정 배향막은 우수한 배향 특성을 나타낼 뿐만 아니라, 고온 AC 휘도변동률이 우수하고 또한 높은 전압 유지율을 장시간 유지할 수 있다는 특징이 있다.
구체적으로, 상기 단계 4-1은 상기 단계 3에서 이미드화 공정 없이 바로 선 편광을 조사하여 초기 이방성을 유도하였기 때문에, 저온 열처리를 통하여 배향막 일부를 reorientation하고 분해물을 안정화시키기 위한 단계이다. 또한, 이러한 저온 열처리하는 단계는 후술할 배향 처리된 도막을 열처리하여 경화하는 단계와 구분된다.
상기 저온 열처리 온도는, 도막을 경화하지 않으면서도 배향막 일부를 reorientation하고 분해물을 안정화시킬 수 있는 온도로서, 200 ℃ 이하가 바람직하다. 또는, 상기 저온 열처리 온도는 110 ℃ 내지 200 ℃이고, 또는 130 ℃ 내지 180 ℃이다. 이때, 상기 열처리 수단은 특별히 제한되지 않으며, 핫 플레이트, 열풍 순환로, 적외선로 등의 가열 수단에 의해 실시될 수 있다.
상기 단계 4-2는, 상기 단계 4-1에서 저온 열처리된 도막을 고온 열처리하여 경화하는 단계이다.
상기 배향 처리된 도막을 열처리하여 경화하는 단계는, 기존에 폴리아믹산 또는 폴리아믹산 에스테르를 포함하는 액정 배향제용 중합체를 이용하여 액정 배향막을 제조하는 방법에서도 광 조사 이후에 실시하는 단계로, 액정 배향제 조성물을 기판에 도포하고, 광을 조사하기 이전에, 또는 광을 조사하면서 액정 배향제 조성물을 이미드화 시키기 위하여 실시하는 열처리 단계와는 구분된다.
또한, 상기 열처리시 분자 내에 2개 이상의 에폭시기를 가지는 화합물의 에폭시 반응이 진행되어, 배향 안정화가 향상될 수 있다. 따라서, 상기 열처리 온도는 액정 배향제용 중합체의 이미드화 및 분자 내에 2개 이상의 에폭시기를 가지는 화합물의 에폭시 반응이 진행되는 온도로서, 상기 단계 4-1의 저온 열처리 온도보다 높은 것이 바람직하다. 상기 단계 4-2의 열처리 온도는 200 ℃ 내지 250, 또는 210 ℃ 내지 240 ℃에서 수행하는 것이 바람직하다. 이때, 상기 열처리 수단은 특별히 제한되지 않으며, 핫 플레이트, 열풍 순환로, 적외선로 등의 가열 수단에 의해 실시될 수 있다.
액정 배향막
또한, 본 발명은 상술한 액정 배향막의 제조 방법에 따라 제조된 액정 배향막이 제공될 수 있다.
상술한 바와 같이, 제1 액정 배향제용 중합체와 제2 액정 배향제용 중합체를 혼합하여 이용하면, 배향성과 안정성이 강화된 액정 배향막을 제조할 수 있다. 또한, 분자 내에 2개 이상의 에폭시기를 가지는 화합물의 에폭시 반응을 통하여 배향 안정화가 향상될 수 있다.
그리고, 상기 액정배향막은 포스핀계 화합물에 의해 상술한 자 내에 2개 이상의 에폭시기를 가지는 화합물의 에폭시 반응이 촉진되어, 최종 제조된 액정배향막의 막강도가 향상될 수 있다.
액정 표시소자
또한, 본 발명은 상술한 액정 배향막을 포함하는 액정 표시소자를 제공한다.
상기 액정 배향막은 공지의 방법에 의해 액정 셀에 도입될 수 있으며, 상기 액정 셀은 마찬가지로 공지의 방법에 의해 액정 표시소자에 도입될 수 있다. 상기 액정 배향막은 상기 화학식 1로 표시되는 반복 단위를 필수로 포함하는 중합체와 화학식 4로 표시되는 반복 단위를 포함하는 중합체를 혼합하여 제조되어 우수한 제반 물성과 함께 뛰어난 안정성을 구현할 수 있다. 이에 따라, 높은 신뢰도를 나타낼 수 있는 액정 표시소자를 제공하게 된다.
본 발명에 따르면, 액정배향특성과 함께 막강도가 향상된 액정 배향막을 제조하기 위한 액정 배향제 조성물, 이를 이용한 액정 배향막의 제조 방법, 및 이를 이용한 액정 배향막 및 액정 표시소자를 제조할 수 있다.
발명을 하기의 실시예에서 보다 상세하게 설명한다. 단, 하기의 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기의 실시예에 의하여 한정되는 것은 아니다.
제조예 1: 디아민의 합성
제조예 1-1) 디아민 DA-1의 합성
디아민 DA-1을 하기 반응식에 따라 합성하였다.
Figure pat00013
구체적으로, 1,3-디메틸사이클로부탄-1,2,3,4-테트라카복실산 디무수물(1,3-dimethylcyclobuthane-1,2,3,4-tetracarboxylic dianhydride, DMCBDA)과 4-니트로아닐린(4-nitroaniline)을 DMF(Dimethylformamide)에 용해시켜 혼합물을 제조하였다. 이어서, 상기 혼합물을 약 80 ℃에서 약 12시간 동안 반응시켜 아믹산을 제조하였다. 이후, 상기 아믹산을 DMF에 용해시키고, 아세트산 무수물 및 아세트산 나트륨을 첨가하여 혼합물을 제조하였다. 이어서, 상기 혼합물에 포함된 아믹산을 약 90 ℃에서 약 4시간 동안 이미드화시켰다. 이렇게 얻어진 이미드를 DMAc(Dimethylacetamide)에 용해시킨 후, Pd/C를 첨가하고 혼합물을 제조하였다. 이를 45 ℃ 및 6 bar의 수소 압력 하에서 20분 동안 환원시켜 디아민 DA-1을 제조하였다.
제조예 1-2) 디아민 DA-2의 합성
Figure pat00014
1,3-디메틸사이클로부탄-1,2,3,4-테트라카복실산 디무수물 대신에 사이클로부탄-1,2,3,4-테트라카복실산 디무수물(cyclobuthane-1,2,3,4-tetracarboxylic dianhydride, CBDA)을 사용한 것을 제외하고는 상기 제조예 1과 동일한 방법으로 상기 구조를 갖는 DA-2를 제조하였다.
제조예 2: 액정 배향제용 중합체의 제조
제조예 2-1) 액정 배향제용 중합체 P-1의 제조
(단계 1)
상기 제조예 1-2에서 제조한 DA-2 5.0 g(13.3 mmol)을 무수 N-메틸 피롤리돈 (anhydrous N-methyl pyrrolidone: NMP) 71.27 g에 완전히 녹였다. 그리고, ice bath 하에서 1,3-디메틸-사이클로부탄-1,2,3,4-테트라카복실산 디무수물(DMCBDA) 2.92 g(13.03 mmol)을 상기 용액에 첨가하여 16시간 동안 상온에서 교반하였다.
(단계 2)
상기 단계 1에서 얻어진 용액을 과량의 증류수에 투입하여 침전물을 생성시켰다. 이어서, 생성된 침전물을 여과하여 증류수로 2회 세척하고 다시 메탄올로 3회 세척하였다. 이렇게 얻어진 고체 생성물을 40 ℃의 감압 오븐에서 24시간 동안 건조하여 액정 배향제용 중합체 P-1 6.9 g을 수득하였다.
GPC를 통해 상기 P-1의 분자량을 확인한 결과, 수평균분자량(Mn)이 15,500 g/mol이고, 중량평균분자량(Mw)이 31,000 g/mol이었다. 그리고, 중합체 P-1의 모노머 구조는 사용한 모노머의 당량비에 의해 정해지는 것으로, 분자 내 이미드 구조의 비율이 50.5%, 아믹산 구조의 비율이 49.5%이었다.
제조예 2-2) 액정 배향제용 중합체 P-2의 제조
상기 제조예 1-1에서 제조한 DA-1 5.0 g, p-페닐렌디아민(p-phenylenediamine, PDA) 1.07 g를 NMP 103.8 g에 완전히 녹였다. 그리고, ice bath 하에서 사이클로부탄-1,2,3,4-테트라카복실산 디무수물(CBDA) 2.12 g과 4,4'-옥시디프탈산 디무수물(OPDA) 3.35 g을 상기 용액에 첨가하여 16시간 동안 상온에서 교반하였다. 이어, 상기 제조예 2-1의 단계 2와 동일한 방법을 사용하여 중합체 P-2를 제조하였다.
GPC를 통해 상기 P-2의 분자량을 확인한 결과, 수평균분자량(Mn)이 18,000 g/mol이고, 중량평균분자량(Mw)이 35,000 g/mol이었다. 그리고, 중합체 P-2는 분자 내 이미드 구조의 비율은 36.4%, 아믹산 구조의 비율은 63.6%이었다.
제조예 2-3) 액정 배향제용 중합체 P-3의 제조
상기 제조예 1-2에서 제조한 DA-2 6.0 g, 4,4'-옥시디아닐린(4,4'-oxydianiline, ODA) 1.37 g를 NMP 110.5 g에 완전히 녹였다. 그리고, ice bath 하에서 DMCBDA 3.47 g과 피로멜리틱산 디무수물(pyromellitic dianhydride, PMDA) 1.44 g을 상기 용액에 첨가하여 16시간 동안 상온에서 교반하였다. 이어, 상기 제조예 2-1의 단계 2와 동일한 방법을 사용하여 중합체 P-3를 제조하였다.
GPC를 통해 상기 P-3의 분자량을 확인한 결과, 수평균분자량(Mn)이 14,500 g/mol이고, 중량평균분자량(Mw)이 29,000 g/mol이었다. 그리고, 중합체 P-3는 분자 내 이미드 구조의 비율은 41.9%, 아믹산 구조의 비율은 58.1%이었다.
제조예 2-4) 액정 배향제용 중합체 Q-1의 제조
4,4'-메틸렌디아닐린(4,4'-methylenedianiline) 5.00 g과 4,4'-옥시디아닐린(4,4'-oxydianiline) 5.05 g을 NMP 221.4 g에 완전히 녹였다. 그리고, ice bath 하에서 4,4'-비프탈산무수물(4,4'-biphthalic anhydride) 14.55 g을 상기 용액에 첨가하여 16시간 동안 상온에서 교반하였다. 이어, 상기 제조예 2-1의 단계 2와 동일한 방법을 사용하여 중합체 Q-1을 제조하였다.
GPC를 통해 상기 Q-1의 분자량을 확인한 결과, 수평균분자량(Mn)이 25,000 g/mol이고, 중량평균분자량(Mw)이 40,000 g/mol이었다.
실시예 : 액정 배향제 조성물의 제조
실시예 1
상기 제조예 2-1에서 제조한 P-1 5 중량부, 상기 제조예 2-4에서 제조한 Q-1 5 중량부, (3',4'-에폭시사이클로헥산)메틸 3,4-에폭시사이클로헥실카르복실레이트(Daicel사, Celloxide 2021P) 0.5 중량부 및 포스핀(Phosphine, PH3) 0.5중량부를 NMP와 n-부톡시에탄올의 중량 비율이 8:2인 혼합 용매에 완전히 용해시켰다. 이어, 폴리(테트라플루오렌에틸렌) 재질의 기공 사이즈가 0.2 ㎛인 필터로 가압 여과하여 액정 배향제 조성물을 제조하였다.
실시예 2
상기 제조예 2-1에서 제조한 P-1 대신 상기 제조예 2-2에서 제조한 P-2를 사용한 것을 제외하고, 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 액정 배향제 조성물을 제조하였다.
실시예 3
상기 제조예 2-1에서 제조한 P-1 대신 상기 제조예 2-3에서 제조한 P-3을 사용한 것을 제외하고, 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 액정 배향제 조성물을 제조하였다.
실시예 4
상기 포스핀 대신 트리메틸포스핀(trimethyl phosphine)을 사용한 것을 제외하고, 상기 실시예 3과 동일한 방법으로 액정 배향제 조성물을 제조하였다.
비교예: 액정 배향제 조성물의 제조
비교예 1
포스핀을 사용하지 않는 것을 제외하고, 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 액정 배향제 조성물을 제조하였다.
비교예 2
Celloxide 2021P를 사용하지 않는 것을 제외하고, 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 액정 배향제 조성물을 제조하였다.
비교예 3
상기 제조예 2-1에서 제조한 P-1 대신 상기 제조예 2-4에서 제조한 Q-1를 사용한 것을 제외하고, 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 액정 배향제 조성물을 제조하였다.
실험예1
1) 액정 배향셀의 제조
상기 실시예 및 비교예에서 제조한 액정 배향제 조성물을 이용하여 액정 배향셀을 제조하였다.
구체적으로, 2.5 cm x 2.7 cm의 크기를 갖는 사각형 유리기판 상에 두께 60 nm, 전극 폭 3 ㎛ 그리고 전극 간 간격이 6 ㎛인 빗살 모양의 IPS(in-plane switching) 모드형 ITO 전극 패턴이 형성되어 있는 기판(하판)과 전극 패턴이 없는 유리 기판(상판)에 각각 스핀 코팅 방식을 이용하여 실시예 및 비교예에서 제조한 액정 배향제 조성물을 도포하였다.
이어서, 액정 배향제 조성물이 도포된 기판을 약 70 ℃의 핫 플레이트 위에 두어 3분 동안 건조하여 용매를 증발시켰다. 이렇게 얻어진 도막을 배향처리하기 위해, 상/하판 각각의 도막에 선 편광자가 부착된 노광기를 이용하여 254 nm의 자외선을 1 J/㎠의 노광량으로 조사하였다.
이후, 상기 도막을 약 230 ℃의 오븐에서 30분 동안 소성(경화)하여 막 두께 0.1 ㎛의 도막을 얻었다. 이후, 3 ㎛ 크기의 볼 스페이서가 함침된 실링제(sealing agent)를 액정 주입구를 제외한 상판의 가장자리에 도포하였다. 그리고, 상판 및 하판에 형성된 배향막이 서로 마주 보며 배향 방향이 서로 나란하도록 정열시킨 후, 상하판을 합착하고 실링제를 경화함으로써 빈 셀을 제조하였다. 그리고, 상기 빈 셀에 액정을 주입하여 IPS 모드의 액정셀을 제조하였다.
2) 액정 배향 특성 평가
상기 제조한 액정 배행셀의 상판 및 하판에 편광판을 서로 수직이 되도록 부착하였다. 그리고, 편광판이 부착된 액정 배향셀을 밝기 7,000 cd/㎡의 백라이트 위에 놓고 육안으로 빛샘을 관찰하였다. 이때, 액정 배향막의 배향 특성이 우수해 액정을 잘 배열시킨다면 서로 수직으로 부착된 상,하의 평광판에 의해 빛이 통과되지 않고 불량 없이 어둡게 관찰된다. 이러한 경우의 배향 특성을 '양호'로, 액정 흐름 자국이나 휘점과 같은 빛샘이 관찰되면 '불량'으로 평가하였으며, 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.
3) 배향막 강도 평가
상기 실시예 및 비교예에서 제조된 액정 배향제 조성물로부터 얻어진 배향막에 대하여, 상기 배향막 표면을 sindo engineering사의 rubbing machine을 이용하여 850 rpm으로 회전시키면서 러빙처리한 후 헤이즈미터(hazemeter)를 사용하여 헤이즈 값을 측정하고, 하기 수학식1과 같이 러빙처리 전의 헤이즈 값과의 차이를 계산하여 막강도를 평가하였다. 상기 헤이즈 변화값이 1 미만이면 막강도가 우수한 것이다.
[수학식1]
막강도(%) = 러빙처리 후 액정 배향막의 헤이즈(%) - 러빙처리 전 액정 배향막의 헤이즈(%).
실험예2
1) 액정 배향셀의 제조
상기 도막을 약 230 ℃의 오븐에서 30분 동안 소성(경화)하기 전에, 도막을 130 ℃의 핫 플레이트 위에 500초 동안 두어 저온 열처리하는 단계를 더 포함한 것을 제외하고, 상기 실험예1과 동일하게 액정셀을 제조하였다.
실시예 및 비교예의 실험예 측정 결과
구분 실시예1 실시예2 실시예3 실시예4 비교예1 비교예2 비교예3
중합체 제조예2-1
제조예2-4		 제조예2-2
제조예2-4		 제조예2-3
제조예2-4		 제조예2-3
제조예2-4		 제조예2-1
제조예2-4		 제조예2-1
제조예2-4		 제조예2-4
에폭시 첨가제 Celloxide 2021P Celloxide 2021P Celloxide 2021P Celloxide 2021P Celloxide 2021P - Celloxide 2021P
포스핀계 첨가제 포스핀 포스핀
 포스핀
 트리메틸포스핀 - 포스핀 포스핀
배향특성 양호 양호 양호 양호 양호 양호 불량
막강도 0.53 0.6 0.48 0.3 1.46 5 1.9
상기 표 1에 나타난 바와 같이, 제조예2-1에서 합성된 중합체, 에폭시 첨가제, 포스핀계 첨가제가 함유된 실시예 1 내지 4의 액정 배향제 조성물로부터 얻어진 배향막은 막강도가 우수하고, 배향특성도 양호한 것을 확인할 수 있었다.
반면, 포스핀계 첨가제가 함유되지 않은 비교예1의 액정 배향제 조성물로부터 얻어진 배향막은 막강도에 있어 실시예에 비해 현저히 불량한 것을 확인하였다.
또한, 에폭시 첨가제가 함유되지 않은 비교예2의 액정 배향제 조성물로부터 얻어진 배향막은 막강도에 있어 실시예에 비해 현저히 불량한 것을 확인하였다.
또한, 제조예2-1에서 합성된 중합체가 함유되지 않은 비교예3의 액정 배향제 조성물로부터 얻어진 배향막은 배향특성에 있어 실시예에 비해 현저히 불량한 것을 확인하였다.
이에 따라, 실시예와 같이 액정 배향제 조성물내에 제조예2-1에서 합성된 중합체, 에폭시 첨가제, 포스핀계 첨가제를 동시에 포함시킬 경우, 액정 배향막의 물성을 현저히 개선할 수 있다는 점을 확인하였다.

Claims (17)

  1. i) 하기 화학식 1로 표시되는 반복 단위, 하기 화학식 2로 표시되는 반복 단위 및 하기 화학식 3으로 표시되는 반복 단위로 이루어진 군에서 선택된 2종 이상의 반복 단위를 포함하며, 하기 화학식 1 내지 3으로 표시되는 전체 반복 단위에 대하여 하기 화학식 1로 표시되는 반복 단위를 5몰% 내지 74몰% 포함하는 제1 액정 배향제용 중합체,
    ii) 하기 화학식 4로 표시되는 반복 단위를 포함하는 제2 액정 배향제용 중합체,
    iii) 분자 내에 2개 이상의 에폭시기를 가지는 화합물 및
    iv) 하기 화학식 5로 표시되는 포스핀계 화합물을 포함하는,
    액정 배향제 조성물:
    [화학식 1]
    Figure pat00015

    [화학식 2]
    Figure pat00016

    [화학식 3]
    Figure pat00017

    [화학식 4]
    Figure pat00018

    [화학식 5]
    Figure pat00019

    상기 화학식 1 내지 5에서,
    R1 및 R2 중 적어도 하나가 C1-10 알킬이고, 나머지는 수소이며,
    R3 및 R4는 각각 독립적으로 수소, 또는 C1-10 알킬이고,
    X1은 하기 화학식 6으로 표시되는 4가의 유기기이고,
    [화학식 6]
    Figure pat00020

    상기 화학식 6에서,
    R5 내지 R8은 각각 독립적으로 수소, 또는 C1-6 알킬이고,
    X2, X3 및 X4은 각각 독립적으로 탄소수 4 내지 20의 탄화수소에서 유래한 4가의 유기기이거나, 또는 상기 4가의 유기기 중 하나 이상의 H가 할로겐으로 치환되거나 또는 하나 이상의 -CH2-가 산소 또는 황 원자들이 직접 연결되지 않도록 -O-, -CO-, -S-, -SO-, -SO2- 또는 -CONH-로 대체된 4가의 유기기이고,
    Y1, Y2, Y3 및 Y4은 각각 독립적으로 하기 화학식 7로 표시되는 2가의 유기기이고,
    [화학식 7]
    Figure pat00021

    상기 화학식 7에서,
    R9 및 R10는 각각 독립적으로 할로겐, 시아노, C1-10 알킬, C2-10 알케닐, C1-10 알콕시, C1-10 플루오로알킬, 또는 C1-10 플루오로알콕시이고,
    p 및 q는 각각 독립적으로 0 내지 4 사이의 정수이고,
    L1은 단일결합, -O-, -CO-, -S-, -SO2-, -C(CH3)2-, -C(CF3)2-, -CONH-, -COO-, -(CH2)z-, -O(CH2)zO-, -O(CH2)z-, -OCH2-C(CH3)2-CH2O-, -COO-(CH2)z-OCO-, 또는 -OCO-(CH2)z-COO-이며,
    상기 z는 1 내지 10 사이의 정수이고,
    m은 0 내지 3 사이의 정수이며,
    A1, A2 및 A3 은 각각 독립적으로 수소, 또는 C1-20 알킬, C3-20 시클로알킬, C6-20 아릴, 또는 1이상의 C1-20 알킬기로 치환된 C6-20 아릴이다.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 화학식5에서, A1, A2 및 A3 가 수소 또는 C1-3 알킬인, 액정 배향제 조성물.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 포스핀계 화합물은, 상기 제1 액정 배향제용 중합체 및 제2 액정 배향제용 중합체 중량 합계 100 중량부에 대하여 0.03 중량부 내지 30 중량부로 포함되는, 액정 배향제 조성물.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 X2, X3 및 X4은 각각 독립적으로 하기 화학식 8에 기재된 4가의 유기기인,
    액정 배향제 조성물:
    [화학식 8]
    Figure pat00022

    상기 화학식 8에서,
    R5 내지 R8은 각각 독립적으로 수소, 또는 C1-6 알킬이고,
    L2는 단일결합, -O-, -CO-, -S-, -C(CH3)2-, -C(CF3)2-, -CONH-, -COO-, -(CH2)Z-, -O(CH2)ZO-, -COO-(CH2)Z-OCO-이고,
    z는 1 내지 10 사이의 정수이다.
  5. 제1항에 있어서,
    제1 액정 배향제용 중합체와 제2 액정 배향제용 중합체의 중량비는 1:9 내지 9:1인, 액정 배향제 조성물.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 분자 내에 2개 이상의 에폭시기를 가지는 화합물의 분자량이 100 내지 10,000인, 액정 배향제 조성물.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 분자 내에 2개 이상의 에폭시기를 가지는 화합물은, 사이클로알리파틱계 에폭시, 비스페놀계 에폭시, 또는 노볼락계 에폭시인, 액정 배향제 조성물.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 분자 내에 2개 이상의 에폭시기를 가지는 화합물은, 상기 제1 액정 배향제용 중합체 및 제2 액정 배향제용 중합체 중량 합계 100 중량부에 대하여 0.1 중량부 내지 30 중량부로 포함되는, 액정 배향제 조성물.
  9. 1) 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항의 액정 배향제 조성물을 기판에 도포하여 도막을 형성하는 단계;
    2) 상기 도막을 건조하는 단계;
    3) 상기 건조 단계 직후의 도막을 배향 처리하는 단계; 및
    4) 상기 배향 처리된 도막을 열처리하여 경화하는 단계를 포함하는, 액정 배향막의 제조 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 액정 배향제 조성물은 제1 액정 배향제용 중합체, 제2 액정 배향제용 중합체, 분자 내에 2개 이상의 에폭시기를 가지는 화합물 및 포스핀계 화합물이 유기 용매에 용해 또는 분산시킨 것인, 액정 배향막의 제조 방법.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 단계 2의 건조는, 50 ℃ 내지 130 ℃에서 수행되는, 액정 배향막의 제조 방법.
  12. 제9항에 있어서,
    상기 단계 3의 배향 처리는, 150 nm 내지 450 ㎚ 파장의 편광된 자외선을 조사하는 것인, 액정 배향막의 제조 방법.
  13. 제9항에 있어서,
    상기 단계 4는
    4-1) 상기 배향 처리된 도막을 200 ℃ 이하에서 저온 열처리하는 단계; 및
    4-2) 상기 열처리된 도막을 상기 저온 열처리보다 높은 온도에서 열처리하여 경화하는 단계를 포함하는, 액정 배향막의 제조 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 단계 4-1의 저온 열처리는, 110 ℃ 내지 200 ℃ 에서 수행되는, 액정 배향막의 제조 방법.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 단계 4-2의 열처리는, 200 ℃ 내지 250 ℃에서 수행되는, 액정 배향막의 제조 방법.
  16. 제9항에 따라 제조된 액정 배향막.
  17. 제16항의 액정 배향막을 포함하는 액정 표시소자.
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