A study on the optical property and thermal stability of highly soluble dyes and their application on liquid crystal display color filters

국문 초록 (Abstract)

평판디스플레이의 발전에 따라 LCD는 기존의 CRT TV를 대체하고 있으며, 컴퓨터 모니터, 디지털 카메라, 휴대전화 등의 다양한 분야에 사용되어 인간과 기계사이의 인터페이스역할을 하고 있다. LCD로 화상을 표시하는 컴퓨터나 평판 TV 등은 LCD 모듈을 사용하는데 이는 빛을 발하는 backlight unit과 화상을 구현하는 액정 패널(panel)로 구성되어 있으며 컬러필터는 이러한 액정 패널의 한 부분이다. 컬러필터는 backlight의 백색광을 적, 녹, 청 3색의 빛으로 변환하여 이를 적절히 혼합함으로써 컬러를 구현하는 광학부품으로 LCD 모듈 제작에서 가격 비중이 가장 높고 다양한 기술이 집적되어 있어 이를 개발하는 것은 경제적, 기술적으로 매우 큰 의미를 지닌다고 할 수 있겠다. 현재 LCD 컬러필터 제조에 사용되는 색소재료인 안료는 내열성, 내광성, 내화학성 등 내구성은 매우 우수하지만, 입자 거동에 의해 발생하는 광산란에 의하여 휘도와 명암비가 떨어지고 색상이 탁하다는 근본적인 한계점이 있다. 반면 염료는 분자 거동에 의해 색순도, 투과도 등의 분광특성에서는 우수한 장점이 있지만, 열에 대한 안정성이 안료에 비해 떨어지기 때문에 액정 배향막 공정 중에서 RGB 고유의 색상을 유지하기 힘들며, 내광성, 내화학성 등의 내구성도 약하다는 단점을 갖고 있다. 따라서, 액정디스플레이의 색상 특성을 향상시키기 위한 방안으로 염료를 도입하기 위해서는 근본적인 단점인 내열성, 내광성, 내화학성 등 내구성이 우선적으로 개선되어야 한다. 더불어 컬러레지스트의 주용매에 대한 용해도가 높고 잉크의 기타 조제들과 상용성이 우수한 염료의 개발이 필요하다. 따라서 본 연구에서는 고휘도, 고명암비를 갖는 LCD 컬러필터 제조를 위해 기존의 제작 공정인 포토리소그라피법에 적용 가능한 고성능 염료를 개발하고자 하였다. 개발하고자 하는 염료는 RGB 해당 영역에서 높은 투과율을 나타내고 공정 용매에 높은 용해도를 가지며 컬러필터에서 요구하는 내구성을 만족하여야 한다.
컬러필터 적색 영역에서의 광학 특성 향상을 위해 8종의 perylene 염료들이 합성되었고 그들 중 말단기와 bay 위치에 bulky functional기를 지닌 염료들이 공정 용매인 cyclohexanone에 높은 용해도를 보였다. 또한 이러한 염료들로 spin-coating된 컬러필터들은 안료보다 작은 입자 크기에 힘입어 더 우수한 광학적 특성을 보였다. 그러나 내열 특성은 염료 별 구조에 따라 다른 경향을 나타내었으며 bay position의 한쪽 부분만 치환된 구조들만이 상용 안료에 준하는 안정성을 확보하였다.
고성능 황색 보정 염료 개발을 위해 2종의 신규 coronene과 benzoperylene 염료들이 one-step 반응에 의해 합성되었다. 새로 제안된 합성 경로는 perylene 본체에서 단축 방향으로 aromatic system을 확장하는 매우 간단하고 효율적인 방법이다. 또한 합성된 황색염료들은 일반적인 황색염료들의 한계인 낮은 몰흡광계수와 안정성을 극복하였다. 합성된 염료들은 perylene 전구체에 비해 훨씬 단파장화한 흡수파장과 높은 형광성을 가진다.
컬러필터 녹색 영역에서의 광학 특성 향상을 위해 6종의 phthalocyanine 염료들이 합성되었다. 합성된 녹색 염료들은 이성질체 구조와 중심금속에 따라 용해도, 색특성, 내열성에서 차이를 보인다. 이러한 녹색 염료들에 앞서 개발한 황색 염료들을 조합하여 100% 염료형 LCD 컬러필터를 제조하였으며, 황색염료들의 형광특성과 녹색염료들의 작고 고른 입자크기에 힘입어 상용 안료형 컬러필터에 비해 우수한 광학특성을 나타내었다.
색상 보정이 필요 없는 녹색 컬러필터와 LCD black matrix로의 활용을 위하여 3종의 triazatetrabenzcorrole 염료들이 ring-contraction 반응에 의해 합성되었다. 합성된 염료들은 흡수peak에서 phthalocyanine 전구체에 비하여 장파장화하고 증진된 Soret-band와 단파장화한 Q-band를 보이며 이는 녹색 컬러필터와 black matrix로 활용되기에 매우 이상적이다. 또한 이 염료들은 중심금속에 도입된 bulky axial 치환기로 인하여 공정 용매에 더욱 향상된 용해도를 보인다. 이 염료들로 spin-coating된 컬러필터는 phthalocyanine 염료형 컬러필터에 비해서도 광학특성이 우수하며 black matrix에 활용될 시 만족스러운 낮은 유전율을 보인다.
염료분자의 aggregation 거동이 LCD 컬러필터의 광학적, 내열적 특성에 미치는 영향을 분석하기 위해서 4종의 신규 quinophthalone 염료들이 합성되었다. 합성된 염료들로 제조한 컬러필터를 반복해서 baking 처리하면 표면에서 재응집되며 균일성이 깨지는 현상이 FE-SEM으로 관측되었다. 이러한 재응집 현상은 염료형 컬러필터의 광학적, 내열적 특성을 저하시키는 주요 원인이 되나 염료구조의 개선을 통하여 저하 정도를 최소화할 수 있음을 나타내었다.

목차 (Table of Contents)

• Abstract
• Contents
• List of Tables
• List of Schemes
• List of Figures
• Chapter 1. Introduction
• 1.1 Structure of LCD color filters
• 1.2 Manufacturing of LCD color filters
• 1.2.1 Color photo-resist (PR)
• 1.2.2 Fabrication of RGB color pattern
• 1.3 Requirements of color filters
• 1.3.1 High color purity and high transmittance
• 1.3.2 High Contrast
• 1.3.3 Low reflection
• 1.3.4 High stability against heat, light and chemical
• 1.4 Previous researches and research purpose
• 1.5 References
• Chapter 2. Synthesis and characterization of some perylene dyes for dye-based LCD color filters
• 2.1 Introduction
• 2.2 Experimental
• 2.2.1 Materials and instrumentation
• 2.2.2 Synthesis
• 2.2.2.1 N,N’-Bis(2,6-diisopropylphenyl)-perylene-3,4,9,10-tetracarboxydiimide (1)
• 2.2.2.2 N,N’-Bis(2,6-diisopropylphenyl)-1,7-dibromoperylene-3,4,9,10-tetracarboxy diimide (2b)
• 2.2.2.3 N,N’-Bis(2,6-diisopropylphenyl)-1-bromoperylene-3,4,9,10-tetracarboxy diimide (2a)
• 2.2.2.4 N,N’-Bis(2,6-diisopropylphenyl)-1-phenoxy-perylene-3,4,9,10-tetracarboxy diimide (3a)
• 2.2.2.5 N,N’-Bis(2,6-diisopropylphenyl)-1-p-tert-butylphenoxy-perylene-3,4,9,10-tetracarboxydiimide (3b)
• 2.2.2.6 N,N’-Bis(2,6-diisopropylphenyl)-1-p-tert-octylphenoxy-perylene-3,4,9,10-tetracarboxydiimide (3c)
• 2.2.2.7 N,N’-Bis(2,6-diisopropylphenyl)-1,7-dilphenoxy-perylene-3,4,9,10-tetracarboxydiimide (4a)
• 2.2.2.8 N,N’-Bis(2,6-diisopropylphenyl)-1,7-bis(p-tert-butylphenoxy)-perylene-3,4,9,10-tetracarboxydiimide (4b)
• 2.2.3 Preparation of dye-based inks and color filters
• 2.2.4 Investigation of solubility
• 2.2.5 Measurement of spectral and chromatic properties
• 2.2.6 Measurement of thermal stability
• 2.2.7 Geometry optimization of the synthesized dyes
• 2.3. Results and discussion
• 2.3.1. Design concept of dyes
• 2.3.2 Solubility of dyes
• 2.3.3 Spectral and chromatic properties of dyes and dye-based color filters
• 2.3.4 Thermal stability of dyes and dye-based color filters
• 2.4. Conclusions
• 2.5. References
• Chapter 3
• Facile synthesis and characterization of novel coronene chromophores and their application to LCD color filters
• 3.1. Introduction
• 3.2 Experimental
• 3.2.1 Materials and instrumentation
• 3.2.2. Synthesis
• 3.2.2.1. N,N’-Bis(2,6-diisopropylphenyl)-5,11-diphenylcoronene-2,3,8,9-tetracarboxdiimides 7
• 3.2.2.2. N,N’-Bis(2,6-diisopropylphenyl)-5-phenylbenzoperylene-2,3,8,9-tetracarboxdiimides 8
• 3.2.3 Preparation of dye-based inks and color filters
• 3.2.4 Measurement of thermal stability
• 3.3 Results and discussion
• 3.3.1 Synthesis
• 3.3.2 Photophysical properties of dyes
• 3.3.3 Spectral and chromatic properties of spin coated color filters
• 3.3.4 Thermal stability of dyes and spin coated color filters
• 3.4 Conclusions
• 3.5 References
• Chapter 4
• Synthesis and Characterization of Thermally Stable Dyes with Improved Optical Properties for Dye-based LCD Color Filters
• 4.1 Introduction
• 4.2 Experimental
• 4.2.1 Materials and instrumentation
• 4.2.2 Synthesis
• 4.2.2.1 3-(2,5-Bis(1,1-dimethylbutyl)-4-methoxyphenoxy)phthalonitrile (1)
• 4.2.2.2 1(4)-Tetrakis(2,5-Bis(1,1-dimethylbutyl)-4-methoxyphenoxy)-phthalocyaninatozinc(II) (1a)
• 4.2.2.3 1(4)-Tetrakis(2,5-Bis(1,1-dimethylbutyl)-4-methoxyphenoxy)-phthalocyaninatocopper(II) (1b)
• 4.2.2.4 1(4)-Tetrakis(2,5-Bis(1,1-dimethylbutyl)-4-methoxyphenoxy)-phthalocyaninatocobalt(II) (1c)
• 4.2.2.5 4-(2,5-Bis(1,1-dimethylbutyl)-4-methoxyphenoxy)phthalonitrile (2)
• 4.2.2.6 2(3)-Tetrakis(2,5-Bis(1,1-dimethylbutyl)-4-methoxyphenoxy)-phthalocyaninatozinc(II) (2a)
• 4.2.2.7 2(3)-Tetrakis(2,5-Bis(1,1-dimethylbutyl)-4-methoxyphenoxy)-phthalocyaninatocopper(II) (2b)
• 4.2.2.8 2(3)-Tetrakis(2,5-Bis(1,1-dimethylbutyl)-4-methoxyphenoxy)-phthalocyaninatocobalt(II) (2c)
• 4.2.3 Preparation of dye-based inks and color filters
• 4.2.4 Investigation of solubility
• 4.2.5 Measurement of spectral and chromatic properties
• 4.2.6 Measurement of thermal stability
• 4.3. Results and discussion
• 4.3.1 Synthesis
• 4.3.2 Characterization of dyes
• 4.3.2.1 Solubility of dyes
• 4.3.2.2 Spectral properties of dyes
• 4.3.2.3 Thermal stability of dyes
• 4.3.3 Characterization of dye-based color filters
• 4.3.3.1 Spectral and chromatic properties of dye-based color filters
• 4.3.3.2 Thermal stability of dye-based color filters
• 4.4 Conclusions
• 4.5 References
• Chapter 5
• Synthesis and Characterization of Novel Triazatetra benzcorrole Dyes for LCD Color Filter and Black Matrix
• 5.1 Introduction
• 5.2 Experimental
• 5.2.1 Materials and instrumentation
• 5.2.2 Synthesis
• 5.2.2.1 Hydroxyphosphorus(V)2(3)-Tetrakis(2,5-Bis(1,1-dimethylbutyl)-4-methoxyphenoxy)-triazatetrabenzcorrole Hydroxide (RC1)
• 5.2.2.2 Dimethoxyphosphorus(V)2(3)-Tetrakis(2,5-Bis(1,1-dimethylbutyl)-4-methoxyphenoxy)-triazatetrabenzcorrole (RC2)
• 5.2.2.3 Di(4-methylcyclohexoxy)phosphorus(V)2(3)-Tetrakis(2,5-Bis(1,1-dimethylbutyl)-4-methoxyphenoxy)-triazatetrabenzcorrole (RC3)
• 5.2.3 Preparation of dye-based inks and spin-coated films
• 5.2.4 Investigation of solubility
• 5.2.5 Measurement of spectral and chromatic properties
• 5.2.6 Measurement of dielectric properties
• 5.2.7 Measurement of thermal stability
• 5.3 Results and Discussion
• 5.3.1 Synthesis
• 5.3.2 Characterization of dyes
• 5.3.2.1 Solubility of dyes
• 5.3.2.2 Spectral properties of dyes
• 5.3.2.3 Thermal stability of dyes
• 5.3.2.4 Geometry optimization and electrochemistry of dyes
• 5.3.3 Characterization of spin-coated films
• 5.3.3.1 Spectral and chromatic properties of spin-coated films for LCD CFs
• 5.3.3.2 Dielectric properties of spin-coated films for LCD BMs
• 5.3.3.3 Thermal stability and FE-SEM images of spin-coated films
• 5.4 Conclusions
• 5.5 References
• Chapter 6
• The Influence of Aggregation Behavior of Novel Quinophthalone Dyes on Optical and Thermal Properties of LCD Color Filters
• 6.1 Introduction
• 6.2 Experimental
• 6.2.1 Synthesis
• 6.2.1.1 2-methyl-8-quinolinylamine (1)
• 6.2.1.2 Trimellitic anhydride ethyl ester (2)
• 6.2.1.3 N-[2-(2,3-dihydro-1,3-dioxo-1H-inden-2-yl)-8-quinolyl]phthalimide (QP1)
• 6.2.1.4 N-[2-(2,3-dihydro-1,3-dioxo-1H-phenalen-2-yl)-8-quinolyl]1,8-naphthalimide (QP2)
• 6.2.1.5 4-tert-butyl-N-[2-(5-tert-butyl-2,3-dihydro-1,3-dioxo-1H-inden-2-yl)-8-quinolyl]phthalimide (QP3)
• 6.2.1.6 N-[2-(2,3-dihydro-1,3-dioxo-1H-inden-2-yl ethyl ester)-8-quinolyl]phthalimide ethyl ester (QP4)
• 6.2.2 Materials and instrumentation
• 6.2.3 Preparation of color inks and dye-based color filters
• 6.2.4 Measurement of spectral and chromatic properties
• 6.2.5 Measurement of thermal stability
• 6.3 Results and Discussion
• 6.3.1 Synthesis
• 6.3.2 Characterization of the synthesized dyes
• 6.3.2.1 Geometry optimization of the synthesized dyes
• 6.3.2.2 Spectral properties of the synthesized dyes
• 6.3.2.3 Thermal stability of the synthesized dyes
• 6.3.3 Aggregation behavior of dyes in color filters
• 6.3.3.1 Field emission scanning electron microscopy study (FE-SEM)
• 6.3.3.2 Aggregation-optical property relationship
• 6.3.3.3 Aggregation-thermal stability relationship
• 6.4 Conclusions
• 6.5 References
• Summary
• Korean Abstract
• List of Publications