CN101526681B - 液晶组合物及使用其的液晶显示器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及液晶组合物及使用其的液晶显示器。提供扭曲向列(TN)模式液晶显示器。所述液晶显示器包括彼此面对以在其间产生电场的第一和第二显示面板、以及设置于所述第一和第二显示面板之间的液晶层。所述液晶层含有具有正的介电各向异性的液晶分子，并且所述液晶层具有其中当在所述液晶层中没有电场产生时所述液晶分子的长轴从所述第一显示面板到所述第二显示面板成螺旋形排列的结构。所述液晶分子具有在4.5～5.7的范围内的介电各向异性(Δε)、14pN或更小的斜展弹性常数(K11)、以及12pN或更大的弯曲弹性常数(K33)。

Description

液晶组合物及使用其的液晶显示器

相关申请的交叉引用

本申请要求2008年3月3日提交的韩国专利申请No.10-2008-0019700的优先权和权益，其为了全部目的特此引入作为参考，如同全部描述于本文中一样。

技术领域

本发明涉及液晶组合物和包括其的液晶显示器，并且更具体而言，涉及扭曲向列(TN)模式液晶组合物和包括其的液晶显示器。

背景技术

液晶显示器(LCD)是最广泛使用的平板显示器之一。通常，LCD包括在其上形成场发生电极的两个显示面板以及设置于所述两个显示面板之间的液晶层。将电压施加在场发生电极上以在液晶层中产生电场以确定液晶层中液晶分子的取向和调节穿过液晶层的光的透射率。

由于LCD被制造成具有大的面积，因此对具有宽视角、提高的对比度和高的响应速度的液晶显示器的需要增加。

为了确保高的响应速度，可调节液晶分子的各种物理性质如旋转粘度或弹性模量，其可不合需要地减小视角和对比度。

根据液晶层中液晶分子的方向，LCD可分为各种类型。这些类型包括扭曲向列(TN)模式LCD、共面转换(IPS)模式LCD和垂直取向(VA)模式LCD。

发明内容

本发明提供可具有宽视角、提高的对比度和高的响应速度的液晶显示器。

本发明还提供液晶组合物，其可提供宽视角、提高的对比度和高的响应速度。

本发明另外的特征将在以下描述中阐明，并且将部分地从该描述中显现，或者可通过本发明的实践获知。

本发明公开液晶显示器，其包括彼此面对以在其间产生电场的第一和第二显示面板、以及设置于所述第一和第二显示面板之间并含有具有正的介电各向异性的液晶分子的液晶层。所述液晶层具有其中当在液晶层中没有电场产生时所述液晶分子的长轴从所述第一显示面板到所述第二显示面板成螺旋形排列的结构，并且所述液晶分子具有在4.5～5.7范围内的介电各向异性(Δε)、14pN或更小的斜展弹性常数(K11)以及12pN或更大的弯曲弹性常数(K33)。

本发明还公开包括由化学式(II)表示的第一极性化合物的液晶组合物：

X为

并且Y为烷烃基团、环烷烃基团或氢。所述液晶组合物还含有具有在4.5～5.7范围内的介电各向异性(Δε)、14pN或更小的斜展弹性常数(K11)以及12pN或更大的弯曲弹性常数(K33)的液晶分子。

应理解，前面的概括描述和下面的详细描述都是示例性的和解释性的，并意在提供所要求保护的本发明的进一步的解释。

附图说明

包括附图以提供对本发明的进一步理解，将附图并入本说明书，并使之构成本说明书的一部分，附图说明了本发明的实施方式，并且与说明书一起用于解释本发明的原理。

图1是根据本发明示例性实施方式的液晶显示器的布置图。

图2是沿图1的线II-II’所取的图1的液晶显示器的截面图。

图3和图4是显示在根据本发明示例性实施方式的液晶显示器中的像素的操作状态的图。

具体实施方式

下面参照其中示出了本发明实施方式的附图更充分地描述本发明。然而，本发明可以许多不同的形式体现，并且不应解释为限于本文中所列举的实施方式。更确切地，提供这些实施方式，使得本公开内容是彻底的，并且将向本领域技术人员全面地传达本发明的范围。在附图中，为了清楚起见，可放大层及区域的尺寸和相对尺寸。附图中相同的标号表示相同的元件。

应理解，当一元件或层被称为“在”另一元件或层“上”或者“连接到”另一元件或层时，该元件或层可直接在所述另一元件或层上或者直接连接到所述另一元件或层，或者可存在中间元件或层。相反，当一元件被称为“直接在”另一元件或层“上”或者“直接连接到”另一元件或层时，则不存在中间元件或层。

现在参照图1和图2说明根据本发明示例性实施方式的液晶组合物。图1是根据本发明示例性实施方式的液晶显示器的布置图，和图2是沿图1的线II-II’所取的图1的液晶显示器的截面图。

参照图1和图2，根据本发明示例性实施方式的LCD包括第一显示面板133、面对第一显示面板133的第二显示面板134、以及设置于第一显示面板133和第二显示面板134之间的液晶层3。另外，LCD包括顺次设置于第一显示面板133和第二显示面板134的外表面上的补偿膜210和偏振膜212。

第一显示面板133包括第一基板10、形成于第一基板10上的薄膜晶体管(TFT)300、形成于TFT 300上的钝化层70、以及连接到TFT 300的像素电极82。在此，第一基板10可由透明绝缘材料如玻璃制成。

TFT 300设置于其中布置在行方向上的栅极线22与布置在列方向上的数据线62彼此交叉的区域处，并且它们根据施加到栅极线22上的栅信号将由数据线62提供的数据信号施加到像素电极82上。TFT 300包括栅电极326、栅绝缘膜30、半导体层340、欧姆接触层355和356、源电极365和漏电极366。

栅电极326形成于第一基板10上并连接到栅极线22。栅电极326可由例如基于铝(Al)的金属如Al和Al合金、基于银(Ag)的金属如Ag或Ag合金、基于铜(Cu)的金属如Cu或Cu合金、基于钼(Mo)的金属如Mo或Mo合金、铬(Cr)、钛(Ti)或钽(Ta)制成。

栅绝缘膜30形成于栅电极326和栅极线22上。栅绝缘膜30可由氮化硅(SiN_x)或氧化硅(SiO_x)制成。

可由半导体材料如氢化的非晶硅制成的半导体层340设置于栅绝缘层30上。在示例性实施方式中，半导体层340以岛状形成，但半导体层340不限于此。更确切地，半导体层340可具有各种形状如岛状或条状的任一种。

欧姆接触层355和356设置于半导体层340上并减小半导体层340与源电极365之间以及半导体层340与漏电极366之间的接触电阻。欧姆接触层355和356可由硅化物或者用硅化物或n-型掺杂剂重掺杂的n+氢化的非晶硅制成。

源电极365和漏电极366形成于欧姆接触层355和356上，并且分别连接到数据线62和像素电极82。在此，源电极365的至少一部分可与半导体层340重叠，并且漏电极366可设置成相对于栅电极326与源电极365相对且其至少一部分与半导体层340重叠。

钝化层70形成于第一基板10和TFT 300上。钝化层70可由无机材料如氮化硅或氧化硅、具有良好平整度特性的感光有机材料、或如通过等离子体增强化学气相沉积(PECVD)形成的a-Si:C:O和a-Si:O:F的低介电绝缘材料制成。

像素电极82形成于钝化层70上，并且根据栅信号将由数据线62提供的数据信号提供给液晶层3。像素电极82通过形成于钝化层70中的接触孔连接到漏电极366。在此，像素电极82可由例如透明导电材料如氧化铟锡(ITO)或氧化铟锌(IZO)、或者反射性导电材料如铝(Al)制成。

或者，使液晶层3定向的定向层(未示出)可形成于像素电极82上。

第二显示面板134设置为面对第一显示面板133并且包括第二基板96、黑矩阵94、滤色片98以及公共电极90。在此，第二基板96可像第一基板10一样由透明绝缘材料如玻璃形成。

黑矩阵94设置于第二基板96上并防止光泄漏。详细而言，黑矩阵94可形成以部分地覆盖栅极线22、数据线62、以及设置于第一显示面板133上的TFT 300。

滤色片98顺次设置于第二基板96和黑矩阵94的部分上以对应每个像素电极82。例如，滤色片98可包括红色、绿色和蓝色。

公共电极90形成于滤色片98和黑矩阵94上，并且公共电极90和像素电极82将对应于数据信号的电压施加到液晶层3上。在此，公共电极90可延伸穿过多个像素。

使液晶层3定向的定向层(未示出)也可形成于公共电极90上。

使光偏振的偏振膜212分别设置于第一显示面板133和第二显示面板134的外表面上。在此，可安置偏振膜212使得其偏振轴或透射轴彼此垂直。或者，可安置偏振膜212使得其偏振轴的至少一个相对于定向层的摩擦方向为约45°或135°。

补偿膜210夹在第一显示面板133与偏振膜212之间或者在第二显示面板134与偏振膜212之间，并且可改善LCD的视角。补偿膜210可为通过碟状液晶分子的混合排列形成的液晶聚合物补偿膜。例如，补偿膜210可为广视角补偿(WV)膜，其可从日本的Fuji Photo Film Co.Ltd.商购得到。

液晶层3设置于第一显示面板133与第二显示面板134之间，并且透光率根据施加在像素电极82与公共电极90之间的电压而变化。

根据本发明示例性实施方式的液晶层3含有具有正的介电各向异性的扭曲向列型(TN)液晶分子31。液晶层3的液晶组合物包括非极性化合物和极性化合物。

该非极性化合物包括由化学式(I)表示的化合物：

其中R₁和R₂各自为烷烃基团、环烷烃基团或烯烃。该非极性化合物可以相对于液晶组合物重量的约25重量％～约40重量％的量存在。

可以相对于液晶组合物重量的约20重量％～约60重量％的量包含该极性化合物。

另外，该极性化合物可包括分别由化学式(II)和(III)表示的第一极性化合物和第二极性化合物：

其中X为

且Y为烷烃基团、环烷烃基团或氢，和

其中R₃为烷烃基团、环烷烃基团或烯烃基团。第一极性化合物和第二极性化合物各自可以相对于液晶组合物重量的少于15重量％的量存在。

图3和图4为显示根据示例性实施方式的液晶显示器中的像素的操作状态的图。

参照图3，当由于在像素电极82与公共电极90之间不存在电压差因而在液晶层3中没有电场产生时，液晶层3的液晶分子31的长轴平行于第一显示面板133和第二显示面板134的表面。另外，各液晶分子31的长轴从第一显示面板133到第二显示面板134成螺旋形排列。

当偏振膜212的偏振轴彼此垂直时，透射通过液晶层3的光穿过设置于第二显示面板134上的偏振膜212，由此实现亮态。因此，LCD可以常白模式驱动。另一方面，当偏振膜212的偏振轴彼此平行时，透射通过液晶层3的光被设置于第二显示面板134上的偏振膜212阻挡，由此实现暗态。因此，LCD可以常黑模式驱动。

参照图4，由于在像素电极82与公共电极90之间的电压差可在液晶层3中产生电场。电压差对应于数据信号。在这种情况下，液晶层3的液晶分子31的长轴排列成垂直于第一显示面板133和第二显示面板134的表面。透射通过设置于第一显示面板133下的偏振膜212的光可穿过液晶层3，而不被偏振。因此，在常白模式中，透射通过液晶层3的光被设置于第二显示面板134上的偏振膜212阻挡，由此实现暗态。另一方面，在常黑模式中，透射通过设置于第一显示面板133下的偏振膜212的光穿过设置于第二显示面板134上的偏振膜212，由此实现亮态。

TN模式液晶分子31的取向方向可根据是否存在以向其施加的对应于数据信号的电压在第一显示面板133与第二显示面板134之间产生的电场而变化，即在电场方向上或在初始取向方向上。在此，液晶分子31在电场方向上取向所需的时间即上升时间(τ_r)和液晶分子31在初始取向方向上取向所花的时间即下降时间(τ_f)与液晶分子31的响应速度(τ_t)密切相关。换言之，液晶分子31的上升时间(τ_r)和下降时间(τ_f)越短，液晶分子31的响应速度(τ_t)越高。

液晶分子31的上升时间(τ_r)和下降时间(τ_f)可由方程式(1)和(2)表示：

${\mathrm{\τ}}_r\∝{\left(\frac{d}{\mathrm{\π}}\right)}^2\frac{{\mathrm{\γ}}_1}{K}\left(\frac{1}{{(V/V_{\mathrm{th}})}^2-1}\right)...\left(1\right)$

${\mathrm{\τ}}_f\∝\frac{{\mathrm{\γ}}_1{d}^2}{K{\mathrm{\π}}^2}...\left(2\right)$

其中d表示液晶层3的厚度，即盒间隙(cell gap)，γ₁表示液晶分子31的旋转粘度，K表示弹性模量，V表示驱动电压，即施加在第一显示面板133和第二显示面板134之间的电压，并且V_th表示阈电压。

如方程式(1)和(2)中所示，液晶分子31的上升时间(τ_r)、下降时间(τ_f)和响应速度(τ_t)可由液晶性质决定，该液晶性质包括液晶分子31的旋转粘度(γ₁)和弹性模量(K)、驱动电压(V)、盒间隙(d)等。例如，液晶分子31的响应速度(τ_t)可通过减小旋转粘度(γ₁)或通过增加弹性模量(K)提高。

然而，增加液晶分子31的弹性模量(K)可导致另一性质例如介电各向异性(Δε)或阈电压(V_th)的变化，由此恶化LCD的视角和对比度。例如，如方程式(3)所表示的：

$V_{\mathrm{th}}=\mathrm{\π}\sqrt{\frac{K}{{\mathrm{\ϵ}}_0\mathrm{\Δ\ϵ}}}=\mathrm{\π}\sqrt{\frac{K11+(K33-2K22)/4}{{\mathrm{\ϵ}}_0\mathrm{\Δ\ϵ}}}...\left(3\right)$

其中K22为液晶分子31的扭曲弹性常数，K11为斜展弹性常数，K33为弯曲弹性常数，ε₀为自由空间的介电常数，并且Δε为介电各向异性，弹性模量(K)的增加导致阈电压(V_th)增加，这可使在黑色和白色区域的中间灰色区域中LCD的视角和对比度恶化。

在根据本发明示例性实施方式的LCD中，为了在防止视角和对比度恶化的同时改善LCD的响应速度，液晶分子层3中含有的液晶分子31可具有在约4.5～约5.7的范围内的介电各向异性(Δε)。如果介电各向异性(Δε)小于4.5或大于5.7，则LCD的视角和对比度可恶化。

更详细而言，当将5.8V或更大的电压，例如，在约5.8V～约10.0V的范围内的电压施加到第一显示面板133和第二显示面板134上，使得LCD以常黑或常白模式驱动时，介电各向异性(Δε)可在约4.5～5.7的范围内。如果将小于5.8V的电压，例如，在约4.0V～约5.8V的范围内的电压施加到第一显示面板133和第二显示面板134的两侧，使得LCD以常黑或常白模式驱动时，介电各向异性(Δε)可在约5.0～约5.7的范围内。

另外，为了在防止视角和对比度恶化的同时改善LCD的响应速度(τ_t)，液晶分子层3中含有的液晶分子31可具有相对小的斜展弹性常数(K11)，例如，约14pN或更小，并且更具体地在约10pN～约14pN的范围内。此外，液晶分子层3中含有的液晶分子31可具有相对大的弯曲弹性常数(K33)，例如，约12pN，并且更具体地在约12pN～约15pN的范围内。换言之，当根据本发明示例性实施方式的LCD具有相对小的K11值时，上升时间(τ_r)可减少，由此改善响应速度(τ_t)。另外，当根据本发明示例性实施方式的LCD具有相对小的K33值时，下降时间(τ_f)可减少，由此改善响应速度(τ_t)，其将通过以下实施例在下面更详细地描述。

如果K11大于14pN，则液晶分子31的响应速度(τ_t)可降低。如果K11小于10pN，则液晶分子31的其它物理性质如介电各向异性(Δε)可恶化，使得LCD可不具有所需视角、对比度和响应速度(τ_t)。如果K33小于12pN，则液晶分子31的响应速度(τ_t)可降低。如果K33大于15pN，则液晶分子31的其它物理性质如介电各向异性(Δε)可恶化，使得LCD可不呈现所需视角、对比度和响应速度(τ_t)。

液晶层3可具有在约2.5μm～约4.0μm范围内的盒间隙、以及在约0.1～约0.15的范围内的双折射各向异性(Δn)。如果液晶分子31的盒间隙大于4.0μm，则响应速度(τ_t)可降低。如果液晶分子31的盒间隙小于2.5μm，则液晶分子31的视角和对比度可恶化。另外，如果双折射各向异性(Δn)小于0.1或大于0.15，则LCD可不呈现所需视角、对比度和响应速度(τ_t)。

液晶分子31可具有在约40mPa·s～约60mPa·s的范围内的旋转粘度(γ₁)。如果液晶分子31的旋转粘度(γ₁)小于40mPa·s，响应速度(τ_t)可恶化。如果液晶分子31的旋转粘度(γ₁)大于60mPa·s，则LCD的视角和对比度可恶化。

通过以下具体实验实施例详细描述本发明的示例性实施方式。这些实施例仅为了说明的目的而给出并且不被解释为对本发明的限制，因为在不背离本发明的精神和范围的情况下，其许多变型是可能的。

实施例1-响应速度

当将6V的电压施加在具有约3.0μm的盒间隙的第一显示面板和第二显示面板之间时，使用具有列于表1中的物理性质的液晶分子测量上升时间(τ_r)、下降时间(τ_f)和响应速度(τ_t)。由化学式(II)表示的极性化合物包含在实施例1的液晶组合物中，而未包含在对比例1-3的液晶组合物中，

其中X为

且Y为烷烃基团、环烷烃基团或氢。在实施例1中，该极性化合物以相对于液晶组合物重量的小于15重量％的量存在。

实施例1和对比例1-3的结果总结于表2中。

表1

液晶分子	粘度[mPa·s]	Δε	K11[pN]	K33[pN]	K[pN]
						实施例1	46	5.6	13.8	12	13.4
对比例1	47	5.6	14.1	12.2	13.6
						对比例2	47	5.7	14.6	12.6	14.1
对比例3	46	5.6	14.6	11.8	13.9

表2

液晶分子	τr[ms]	τf[ms]	τt[ms]
				实施例1	0.93	2.78	3.71
对比例1	0.95	2.84	3.79
				对比例2	1.00	2.75	3.75
对比例3	1.02	2.88	3.90

从表1和2可知，K11值越小，上升时间(τ_r)越短，并且K33值越大，下降时间(τ_f)越短。

更详细而言，对比例1-3和实施例1中使用的液晶组合物的K11、K33与上升时间(τ_r)、以及K11、K33与下降时间(τ_f)如分别在由回归分析获得的方程式(4)和(5)中表示的那样彼此相关：

τ_r＝-0.258+0.109K11-0.0268K33...(4)

τ_f＝3.78+0.0577K11-0.145K33...(5)

其中以方程式(4)和(5)表示的回归方程式的拟合度分别为约99.4％和约70.9％。

从方程式4和5可知，上升时间(τ_r)受K11影响的程度是受K33影响的程度的约4倍重，并且下降时间(τ_f)受K33影响的程度是受K11影响的程度的约2.6倍重。

如在实施例1中那样，当K11为约14pN或更小且K33为约12pN或更大时，上升时间(τ_r)和下降时间(τ_f)降低，总响应速度(τ_t)可改善。相反，在对比例1中，K11大于约14pN，即使K33为约12pN或更大，响应速度(τ_t)也恶化。同样，在对比例3中，当K33小于约12pN时，响应速度(τ_t)恶化。

实施例2-视角和对比度

当在其间设置有介电各向异性在4.5～6.0的范围内的液晶分子的、具有约3.0μm的盒间隙的第一显示面板和第二显示面板之间施加5.0～6.0V的电压时，测量液晶分子的对比度和视角。

通过测量在垂直于第一和第二显示面板的方向上具有10∶1的对比度的位置的角度测量在向上、向下、向左和向右方向上的视角。在改变电压和介电各向异性的同时测量视角和对比度，并将测量结果总结于表3中。

表3

从表3可知，当将约5.8～6.0V的电压施加到其间设置有具有在4.5～5.3的范围内的介电各向异性的液晶分子的第一显示面板和第二显示面板上时，液晶分子呈现不小于1000∶1的高对比度以及在第一和第二显示面板的向上、向下、向左和向右的方向上约80°的宽视角。

同时，当将小于5.8V，例如5.0V或5.5V的电压施加到其间设置有具有在5.0～5.7的范围内的介电各向异性的液晶分子的第一显示面板和第二显示面板上时，液晶分子几乎都呈现不小于1000∶1的高对比度以及在第一和第二显示面板的向上、向下、向左和向右的方向上约80°的宽视角。

本领域技术人员应明白，在不背离本发明的精神和范围的情况下，可进行各种修饰和变化。因而，本发明意图覆盖本发明的修饰和变化，只要它们落入所附权利要求及它们的等同物的范围内。

Claims (11)

1.液晶显示器，包括：

彼此面对以在其间产生电场的第一显示面板和第二显示面板；和

设置于所述第一显示面板和所述第二显示面板之间的液晶层，

其中所述液晶层包括具有正的介电各向异性的液晶分子，

其中所述液晶层具有其中当在所述液晶层处没有电场产生时所述液晶分子的长轴从所述第一显示面板到所述第二显示面板成螺旋形排列的结构，和

其中所述液晶分子具有在4.5～5.7的范围内的介电各向异性(Δε)、14pN或更小的斜展弹性常数(K11)、以及12pN或更大的弯曲弹性常数(K33)，

其中极性化合物以相对于液晶组合物重量的20～60重量％的量存在，

其中所述极性化合物包括由化学式(II)表示的第一极性化合物：

其中X为并且Y为烷烃基团、环烷烃基团或氢，

其中所述液晶层具有在2.5μm～4.0μm的范围内的盒间隙。

2.权利要求1的液晶显示器，其中K11在10pN～14pN的范围内。

3.权利要求1的液晶显示器，其中K33在12pN～15pN的范围内。

4.权利要求1的液晶显示器，其中K11和K33具有相同的值。

5.权利要求1的液晶显示器，进一步包括：

设置于所述第一显示面板的外表面上的第一补偿膜；和

设置于所述第二显示面板的外表面上的第二补偿膜。

6.权利要求1的液晶显示器，其中当将5.8V或更大的电压施加到所述第一显示面板和所述第二显示面板上时，所述介电各向异性在4.5～5.3的范围内。

7.权利要求1的液晶显示器，其中当将小于5.8V的电压施加到所述第一显示面板和所述第二显示面板上时，所述介电各向异性在5.0～5.7的范围内。

8.权利要求1的液晶显示器，其中所述液晶分子具有在40mPa·s～60mPa·s的范围内的旋转粘度。

9.权利要求1的液晶显示器，其中所述液晶分子具有在0.1～0.15的范围内的双折射各向异性。

10.权利要求1的液晶显示器，其中所述液晶层的液晶组合物包括相对于液晶组合物重量的25～40重量％的非极性化合物，该非极性化合物由化学式(I)表示：

其中，R₁和R₂各自为烷烃基团、环烷烃基团或烯烃基团。

11.权利要求10的液晶显示器，其中所述液晶组合物包括15重量％或更少的所述第一极性化合物以及15重量％或更少的第二极性化合物，所述第二极性化合物由化学式(III)表示：

其中R₃为烷烃基团、环烷烃基团或烯烃基团。

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