Development of phthalocyanine-based pigments for color filter of RGB image sensor

Abstract

디스플레이 기술의 발전에 따라 자연색의 완벽한 재현과 섬세한 표현에 대한 수요가 증가하고 있다. 그 중 LCD (Liquid Crystal Display)는 White 백라이트를 광원으로 활용하고 Red, Green, Blue 등의 Color filter를 활용하여 색을 나타낸다. LED 등에 비하여 낮은 가격과 높은 가공성으로 인해 현재도 꾸준히 연구와 개발이 진행되고 있다. LCD의 단점으로 꼽히는 것은 낮은 명암비와 점도이다. 명암비가 100만대 1 또는 무한대 대 1에 달하는 LED는 발광 다이오드 소자의 On/Off를 통해 밝기를 조절하지만 LCD는 액정의 회전을 통해 밝기를 조절하므로 백라이트가 항상 발광 상태이기에 어두운 상태를 표현하는데 어려움이 있어 명암비가 보통 1만 대 1 미만이며 이를 해결하기 위한 다양한 연구가 소개되었다. 그 중 Color filter에 활용되는 안료 소재 개발을 통해 문제를 해결하기 위해 안료 첨가제인 Synergist에 대한 연구가 진행되고 있다. Green 안료로 활용되는 Pigment Green 36은 Phthalocyanine 계 안료로, 높은 안정성을 가지는 녹색 안료이다. 약 13000의 명암비를 가지며 7.6 cPs의 점도를 가진다. Synergist 도입을 통해 안료의 분산 성능을 높여 휘도, 명암비, 투과율 등 광학적 성질을 향상시키고 점도를 감소시킨다면 차세대 디스플레이 기술에 활용 가능한 안료에 활용 가능할 것이다. 본 논문에서 Phenol계 작용기를 도입한 Phthalocyanine 유도체 안료 6종을 Synergist로서 설계하고 합성하였다. 안료와 동일한 Phthalocyanine 구조를 도입하여 Synergist가 안료와 결합한 후, 평면의 고리형 작용기 도입을 통해 고분자 분산액과의 친화도를 높여 분산을 용이할 것으로 기대된다. 안료와 동일하게 700 nm에서의 흡수능을 갖도록 하기 위해 Zn을 중심금속으로 하고 Fluorine을 8개 또는 12개 보유하도록 설계하였다. Phenol계 작용기로는 Phenol, 4-methoxyphenol, 4-tert-butylphenol, 4-bromophenol, p-cresol, aniline을 도입하였다. 합성된 Synergist는 Pigment Green 36에 10wt% 첨가되어 미세화 가공을 거친 후 컬러필터로 제조되었다. X선 회절 분석과 전자투과현미경을 통해 결정구조와 입자크기를 분석하였으며 분산액에 대한 점도를 측정하였다. 분산액로 코팅한 컬러필터에 대하여 명암비, 투과도, 밝기를 측정하였으며 입자크기와 균일도와의 연관성을 확인하였다. 8개의 Phenol을 작용기로 가지는 안료를 통해 밝기를 99 % 유지하며 점도는 73 %로 감소시키며 명암비는 16 % 향상시키는 결과를 도출하여 컬러필터에 활용될 수 있음을 확인하였다. 이 논문은 화학합성 기술과 안료 분산액의 제조방법을 포함하고 있다. 유기안료 첨가제의 광학적 특성과 결정 구조, 그리고 합성한 분자들의 자기공명 스펙트럼과 질량 분석, 원소분석에 대해 연구를 진행하였다. 토론과 결론은 Phthalocyanine계 안료의 미세화 가공과 광학적 성능 향상에 시사하는 바가 있다. 유기안료 첨가제를 설계, 합성, 가공하는 실천적, 이론적 자원으로 활용될 예정이다. |Abstract Development of phthalocyanine-based pigments for color filter of RGB image sensor Sang Wook Lee Dept. of Organic and Nano Engineering Graduate School of Hanyang University

Six metal phthalocyanine pigments bearing various aromatic groups were synthesized as synergist and applied to pigment to improve dispersion performance and the optical characteristics of the color filter. The effect of the pigments on the dispersant was confirmed by X-Ray Diffraction, Transmission electron microscope, and the dynamic viscometer. The synergist with phenol substitution had superior dispersion performance and we demonstrate that the number and the additional alkyl chains of functional groups are the main factor. The color filters with the color pastes were prepared by spin coating. The UV-vis spectrometry, spectrophotometer, and contrast ratio tester were used to measure spectral and chromatic characteristics. Also, thermal stability about spectral and chromatic properties was measured with different bake circumstances. This study confirms that the prepared synergist can protect the crystal structure and transmittance of the reference pigment and improve the contrast ratio and processability of green color filter. High temperature heating process rarely modified the optical and chromatic characteristics, indicating the thermal stability of the synthesized pigments. This result infers further studies on aromatic functional groups of phthalocyanine derivatives for chromatic enhancement and development of pigment process for color filter of image sensor.