背景技术
液晶显示元件根据显示方式的不同可分为下列模式:扭曲向列相(TN)模式、超扭曲向列相(STN)模式、共面模式(IPS)、垂直配向(VA)模式。无论何种显示模式均要求所使用的液晶组合物具有以下特性:
(1)化学、物理性质稳定;
(2)粘度低;
(3)合适的介电各向异性(△ε);
(4)合适的双拆射率(△n);
(5)与其他液晶化合物的相溶性好。
随着九十年代初形成的有源矩阵(TFT)技术的不断成熟,彩色液晶平板显示器得到了迅速发展,不到10年的时间薄膜晶体管显示器(TFT-LCD)迅速成长为主流显示器,这与它具有的优点是分不开的。其优点有:
一、使用特性好:1)可在低压下应用,驱动电压低;2)平板化,不但轻薄,还节省了大量原材料和使用空间;3)低功耗;4)分辨率、彩色保真度、亮度、对比度和响应速度高;5)显示方式有直视型、投影型、透视式和反射式等;
二、环保特性好:无辐射、无闪烁,对使用者的健康无损害,特别是TFT-LCD电子书刊的出现,使人类步入无纸办公、无纸印刷的时代,引发人类学习、传播和记栽文明方式的变革;
三、适用范围宽:1)从-20℃到50℃的温度范围内都可以正常使用,经过温度加固处理的TFT-LCD低温工作温度可达到-80℃;2)既可作为移动、台式 终端显示,又可作大屏幕投影电视,是性能优良的全尺寸视频显示终端;
四、制造技术的自动化程度高;
五、TFT-LCD易于集成化和更新换代。
为使上述TFT-LCD液晶平板显示器具有上述特点,对TFT-LCD液晶平板显示器所用的液晶材料的品质、特性也提出了更高的要求。
作为液晶材料,需要具有良好的化学和热稳定性以及对电场和电磁辐射的稳定性。而作为薄膜晶体管技术(TFT-LCD)用液晶材料,不仅需要具有如上稳定性,还应具有较宽的向列相温度范围、合适的双折射率和介电各向异性。
液晶材料作为液晶显示器重要的光电子材料之一,对改善液晶显示器的性能发挥重要的作用。任何的显示用液晶组合物都要求有较宽的液晶态温度,较高的稳定性,比较适合的粘度,对电场有较快的响应速度。但是目前为止还没有任何单一的液晶材料单独用在液晶显示器中,而不用开发其它性能特性的组合物就能够满足性能要求。因此,不断开发新的性能优异的液晶材料对液晶显示发展具有重要的意义。
液晶分子引入一个二氟亚甲氧基桥(-CF2O-)后,会很大程度扩大它的向列相温度范围,同时旋转粘度(γ1)也有所降低。另外,由于二氟亚甲氧基桥(-CF2O-)的偶极矩的贡献,端基氟原子的偶极矩也有一定程度的提高,从而使液晶分子的介电各向异性(△ε)有所增加。德国默克和日本智索公司已经公开了一些具有不同取代基的具有二氟亚甲氧基桥(-CF2O-)的液晶化合物(CN1717468A,CN101143808A,CN101157862A等),并用于液晶组合物中。
发明内容
本发明需要解决的技术问题是提供一种适用于TFT-LCD显示器的、同时具有非常高的电阻率值、低的阈值电压(Vth)、高的稳定性、高的介电各向异性(△ε)、低的旋转粘度(γ1)、适中的光学各向异性(△n)的介电正性液晶组合物。
为解决上述技术问题,本发明所采取的技术方案是:
一种介电正性液晶组合物,包含通式I所示的第一介电正性组分A的介电正性化合物、由通式II和/或通式III所示的介电正性化合物构成的第二介电正性组分B、通式IV所示的介电中性组分C的介电中性化合物,
其中:
X1、X2、X3是-H、-Cl、-F、-OCF3、-CF3、-CHF2、-CH2F、-OCHF2的其中一种;
R2、R3、R41、R42是-H、碳原子数为1~10的烷基、碳原子数为1~10的烷氧基、碳原子数为2~10的链烯基、碳原子数为3~8的链烯氧基的其中一种,或者 上述碳原子数为1~10的烷基、碳原子数为1~10的烷氧基、碳原子数为2~10的链烯基、碳原子数为3~8的链烯氧基中的一个或多个氢被氟取代后所形成的基团的其中一种;
(F)是-H或-F;
Z3、Z41、Z42为单键、-CH2-、-CH2-CH2-、-(CH2)3-、-(CH2)4-、-CH=CH-、-C≡C-、-COO-、-OOC-、-CF2O-、-OCH2-、-CH2O-、-OCF2-、-CF2CH2-、-CH2CF2-、-C2F4-或-CF=CF-的其中一种;
a、b、c、d、e、f为0、1或2的其中任一数值。
本发明介电正性液晶组合物的配比是:所述第一介电正性组分A的含量按质量百分比计为1%~40%;所述第二介电正性组分B的含量按质量百分比计为1%~50%,其中第二介电正性组分B中通式II所示的化合物的含量按质量百分比计为0%~50%,第二介电正性组分B中通式III所示的化合物的含量按质量百分比计为0%~50%;所述介电中性组分C的含量按质量百分比计为10%~80%;并且所述液晶组合物中第一介电正性组分A、第二介电正性组分B和介电中性组分C的质量百分比之和为100%;同时添加0~0.5%的所述第一介电正性组分A、第二介电正性组分B和介电中性组分C的质量之和的旋光性化合物。
本发明的液晶组合物可采用常规方法将两种或多种液晶化合物混合进行生产,如在高温下混合不同组分并彼此溶解的方法制备。其中,将液晶组合物中的各化合物溶解在用于该化合物的溶剂中并混合,然后在减压下蒸馏出该溶剂;本发明的液晶组合物可按照常规的制备方法制备。
由于采用了上述技术方案,本发明所取得的技术进步在于:
本发明公开了一种介电正性液晶组合物,第一介电正性组分A为通式I所示的环丁烷二氟亚甲基醚类化合物,所述化合物不但具有液晶化合物所必需的一般物理性质,即对光、热稳定,向列相较宽,与其他化合物相溶性好,而且所述化合物还具有低旋转粘度γ1和大介电各向异性(△ε>0)的特性,可以有效地降低液晶组合物的阈值电压,加快液晶组合物的响应时间,同时还可改善 液晶组合物的低温互溶性,改善液晶组合物的性能效果显著。
本发明介电正性液晶组合物性能优异,具有非常低的总响应时间,具有较低的电压,高的电阻率及电压保持率。通过对各个组分含量的调整,本发明介电正性液晶组合物还具有不同阈值电压和双折射特性,可在不同液晶盒厚和不同驱动电压下使用。此外,本发明介电正性液晶组合物具有优异的耐高温和紫外稳定性能,在高温下仍能表现出高的电阻率。同时,本发明介电正性液晶组合物还具有低粘度、适当的光学各向异性和介电各向异性。因此,适用于具有有源矩阵寻址的光电显示器中。
本发明介电正性液晶组合物,适用于有源矩阵显示器,特别是通过薄膜晶体管(TFT)的矩阵寻址的显示器中,尤其适用于制造快速响应的有源矩阵TN-TFT,IPS-TFT或FFS液晶显示元件和液晶显示器。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步详细描述。在以下的实施例中所采用的各成分,均可以通过公知的方法进行合成或者通过商业途径获得。在以下的实施例中液晶组合物的制备是按照公知的常规方法合成,如采取加热、超声波、悬浮等方式按照规定比例混合制得。
本说明书中的百分比为质量百分比,温度为摄氏度(℃),其他符号的具体意义及测试条件如下:
cp(℃)表示液晶的清亮点;S-N表示液晶的晶态到向列相的熔点(℃);△n为光学各向异性,no为寻常光的折射率,ne为非寻常光的折射率,测试条件为:589nm,25℃;△ε为介电各向异性,△ε=ε//-ε⊥,其中,ε//为平行于分子轴的介电常数,ε⊥为垂直于分子轴的介电常数,测试条件为:25℃、1KHz、HP4284A、5.2微米TN左旋盒;τ为响应时间(ms),测试仪器为DMS-501,测试条件为:25±0.5℃,测试盒5.2微米TN左旋盒;V10为液晶的光学阈值电压(v),V90为液晶的饱和电压值(v),测试条件为:5.2微米TN左旋盒,25℃;γ1为旋转粘度(mPa·s),测试条件为:25±0.5℃。
本发明介电正性液晶组合物包含下述的通式I所示的第一介电正性组分A的介电正性化合物、由通式II和/或通式III所示的介电正性化合物构成的第二介电正性组分B、通式IV所示的介电中性组分C的介电中性化合物,
其中:
X1、X2、X3是-H、-Cl、-F、-OCF3、-CF3、-CHF2、-CH2F、-OCHF2的其中一种;
R2、R3、R41、R42是-H、碳原子数为1~10的烷基、碳原子数为1~10的烷氧基、碳原子数为2~10的链烯基、碳原子数为3~8的链烯氧基的其中一种,或者 上述碳原子数为1~10的烷基、碳原子数为1~10的烷氧基、碳原子数为2~10的链烯基、碳原子数为3~8的链烯氧基中的一个或多个氢被氟取代后所形成的基团的其中一种;
(F)是-H或-F;
Z3、Z41、Z42为单键、-CH2-、-CH2-CH2-、-(CH2)3-、-(CH2)4-、-CH=CH-、-C≡C-、-COO-、-OOC-、-CF2O-、-OCH2-、-CH2O-、-OCF2-、-CF2CH2-、-CH2CF2-、-C2F4-或-CF=CF-的其中一种;
a、b、c、d、e、f为0、1或2的其中任一数值。
配制液晶组合物时,是将质量百分比为1%~40%的通式I所示的第一介电正性组分A、质量百分比为1%~50%由通式II和/或通式III所示的介电正性化合物构成的第二介电正性组分B、质量百分比为10%~80%的通式IV所示的介电中性组分C混合,最终使液晶组合物中第一介电正性组分A、第二介电正性组分B和介电中性组分C的质量百分比之和为100%。然后再向液晶组合物中添加旋光性化合物,旋光性化合物的加入量为液晶组合物中第一介电正性组分A、第二介电正性组分B和介电中性组分C的质量之和的0~0.5%。
上述的介电正性液晶组合物中第一介电正性组分A的通式I所示的化合物、第二介电正性组分B的通式II和/或通式III所示的化合物、介电中性组分C的通式IV所示的化合物可以优选下式中的化合物,下式中优选的X1、X2、(F)为氟;R41、R42为-H、碳原子数为1~10的烷基、碳原子数为1~10的烷氧基、碳原子数为2~10的链烯基或者碳原子数为3~8的链烯氧基的其中一种;
下面的实施例1~13分别取通式I、通式II、通式III、通式IV所示的化合物,并按比例配置成液晶组合物,并在此基础上再加入旋光性化合物。将配制好的液晶组合物填充于液晶显示器两基板间进行性能测试。具体化合物的单体结构、用量(质量百分比)、所得的液晶组合物的性能参数测试结果均列于表中。表1~13对应实施例1~13。
表1 实施例1的液晶组合物配方及其测试性能参数
由实施例1的性能参数可知,本液晶组合物具有适中的双折射率,适当高的正介电各向异性,很低的旋转黏度,很快的响应时间,适用于快速响应的TN、IPS显示器。
表2 实施例2的液晶组合物配方及其测试性能参数
由实施例2的性能参数可知,本液晶组合物具有适中的双折射率,适当高的正介电各向异性,很低的旋转黏度,很快的响应时间,适用于快速响应的TN-TFT显示器。
表3 实施例3的液晶组合物配方及其测试性能参数
由实施例3的性能参数可知,本液晶组合物具有适中的双折射率,适当高的正介电各向异性,较高的清亮点,很低的旋转黏度,非常快的响应时间,适用于快速响应的TN—TFT显示器。
表4 实施例4的液晶组合物配方及其测试性能参数
由实施例4的性能参数可知,本液晶组合物具有适中的双折射率,适当高的正介电各向异性,较高的清亮点,很低的旋转黏度,很快的响应时间,适用于快速响应的TN-TFT显示器。
表5 实施例5的液晶组合物配方及其测试性能参数
由实施例5的性能参数可知,本液晶组合物具有适中的双折射率,适当高的正介电各向异性,较高的清亮点,很低的旋转黏度,很快的响应时间,适用于快速响应的IPS-TFT显示器。
表6 实施例6的液晶组合物配方及其测试性能参数
由实施例6的性能参数可知,本液晶组合物具有适中的双折射率,适当高的正介电各向异性,较高的清亮点,很低的阀值电压,很低的旋转黏度,很快的响应时间,适用于快速响应的IPS-TFT显示器。
表7 实施例7的液晶组合物配方及其测试性能参数
由实施例7的性能参数可知,本液晶组合物具有适中的双折射率,适当高的正介电各向异性,较高的清亮点,很低的阀值电压,很低的旋转黏度,很快的响应时间,适用于快速响应的IPS-TFT显示器。
表8 实施例8的液晶组合物配方及其测试性能参数
由实施例8的性能参数可知,本液晶组合物具有适中的双折射率,适当高的正介电各向异性,较高的清亮点,较低的阀值电压,很低的旋转黏度,很快的响应时间,适用于快速响应的IPS—TFT显示器。
表9 实施例9的液晶组合物配方及其测试性能参数
由实施例9的性能参数可知,本液晶组合物具有适中的双折射率,适当高的正介电各向异性,较高的清亮点,很低的阀值电压,很低的旋转黏度,很快的响应时间,适用于快速响应的TN、IPS显示器。
表10 实施例10的液晶组合物配方及其测试性能参数
由实施例10的性能参数可知,本液晶组合物具有适中的双折射率,适当高的正介电各向异性,很低的旋转黏度,很快的响应时间,适用于快速响应的TN-TFT显示器。
表11 实施例11的液晶组合物配方及其测试性能参数
由实施例11的性能参数可知,本液晶组合物具有适中的双折射率,适当高的正介电各向异性,较高的清亮点,很低的阀值电压,很低的旋转黏度,很快的响应时间,适用于快速响应的TN—TFT显示器。
表12 实施例12的液晶组合物配方及其测试性能参数
由实施例12的性能参数可知,本液晶组合物具有适中的双折射率,适当高的正介电各向异性,较高的清亮点,很低的阀值电压,很低的旋转黏度,很快的响应时间,适用于快速响应的IPS—TFT显示器。
表13 实施例13的液晶组合物配方及其测试性能参数
由实施例13的性能参数可知,本液晶组合物具有适中的双折射率,适当高 的正介电各向异性,较高的清亮点,很低的阀值电压,很低的旋转黏度,很快的响应时间,适用于快速响应的IPS-TFT显示器。
由实施例1~实施例13可知,本液晶组合物在低温区域可维持快的响应时间,可拓宽TN、IPS或者FFS液晶模式的使用温度,并且具有较快的响应时间和较宽的视角范围,非常适用于TN、IPS和FFS显示器。
本发明虽然仅仅列举了上述13个实施例的具体物质和配比质量百分比,并对组成的液晶组合物的性能进行了测试,但是本发明的液晶组合物可以在上述实施例的基础上,利用本发明所涉及的通式I、II、III、IV所代表的化合物、以及通式I、II、III、IV的优选的化合物进行进一步拓展和修改,均能达到本发明的目的。