CN103756686A - 一种高对比度液晶组合物及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高对比度液晶组合物，包含至少一种或多种通式(I)的化合物。本发明所述液晶组合物具有高对比度、低粘度、高电阻率、良好的低温性能、快的响应速度和优异的透过率特性，其在VA、IPS或FFS模式显示器中的使用能明显改善液晶显示器显示效果，特别优选IPS和FFS模式显示器。

Description

一种高对比度液晶组合物及其应用

技术领域

本发明涉及一种高对比度的液晶组合物及其应用，属于液晶材料领域,具体涉及一种液晶组合物在MVA/PVA/PSVA等VA模式以及IPS、FFS液晶显示器。尤其适用于IPS和FFS液晶显示器，可有效改善液晶显示器的对比度特性。

背景技术

目前，液晶在信息显示领域得到广泛应用，同时在光通讯中的应用也取得了一定的进展(S.T.Wu，D.K.Yang.Reflective LiquidCrystal Displays.Wiley，2001)。近几年，液晶化合物的应用领域已经显著拓宽到各类显示器件、电光器件、电子元件、传感器等。为此，已经提出许多不同的结构，特别是在向列型液晶领域，向列型液晶化合物迄今已经在平板显示器中得到最为广泛的应用。特别是用于TFT有源矩阵的系统中。

液晶显示伴随液晶的发现经历了漫长的发展道路。1888年奥地利植物学家Friedrich Reinitzer发现了第一种液晶材料安息香酸胆固醇(cholesteryl benzoate)。1917年Manguin发明了摩擦定向法，用以制作单畴液晶和研究光学各向异性。1909年E.Bose建立了攒动(Swarm)学说，并得到L.S.Ormstein及F.Zernike等人的实验支持(1918年)，后经De Gennes论述为统计性起伏。G.W.Oseen和H.Zocher1933年创立连续体理论，并得到F.C.Frank完善(1958年)。M.Born(1916年)和K.Lichtennecker(1926年)发现并研究了液晶的介电各向异性。1932年，W.Kast据此将向列相分为正、负性两大类。1927年，V.Freedericksz和V.Zolinao发现向列相液晶在电场(或磁场)作用下，发生形变并存在电压阈值(Freederichsz转变)。这一发现为液晶显示器的制作提供了依据。

1968年美国RCA公司R.Williams发现向列相液晶在电场作用下形成条纹畴，并有光散射现象。G.H.Heilmeir随即将其发展成动态散射显示模式，并制成世界上第一个液晶显示器(LCD)。七十年代初，Helfrich及Schadt发明了TN原理，人们利用TN光电效应和集成电路相结合，将其做成显示器件(TN-LCD)，为液晶的应用开拓了广阔的前景。七十年代以来，由于大规模集成电路和液晶材料的发展，液晶在显示方面的应用取得了突破性的发展，1983～1985年T.Scheffer等人先后提出超扭曲向列相(SuperTwisred Nematic：STN)模式以及P.Brody在1972年提出的有源矩阵(Active matrix：AM)方式被重新采用。传统的TN-LCD技术已发展为STN-LCD及TFT-LCD技术，尽管STN的扫描线数可达768行以上，但是当温度升高时仍然存在着响应速度、视角以及灰度等问题，因此大面积、高信息量、彩色显示大多采用有源矩阵显示方式。TFT-LCD已经广泛用于直视型电视、大屏幕投影电视、计算机终端显示和某些军用仪表显示，相信TFT-LCD技术具有更为广阔的应用前景。

其中“有源矩阵”包括两种类型：1、在作为基片的硅晶片上的OMS(金属氧化物半导体)或其它二极管。2、在作为基片的玻璃板上的薄膜晶体管(TFT)。

单晶硅作为基片材料限制了显示尺寸，因为各部分显示器件甚至模块组装在其结合处出现许多问题。因而，第二种薄膜晶体管是具有前景的有源矩阵类型，所利用的光电效应通常是TN效应。TFT包括化合物半导体，如Cdse，或以多晶或无定形硅为基础的TFT。

目前，对于用于平板和智能手机显示器的小尺寸和中尺寸显示器来说，面内转换(IPS)和边缘场切换(FFS)模式是非常令人感兴趣的。IPS和FFS模式广泛适用于智能和中尺寸显示器的原因是宽视角，相对于现有技术中熟知模式的低运行参数，相对于IPS模式,FFS拥有更高的透射率。现有技术中的液晶混合物特征在于其由具有正介电各向异性的化合物以及任选的中性化合物构成。

在液晶显示器中，期望有助于盒中的以下优势的介质：

1、宽的向列相范围(特别是向下直到低温的)

2、在极低温下切换的能力(户外应用、汽车、航空电子技术)

3、提高的对紫外辐射的耐受性(更长的服务寿命)

4、低阈值电压(节省电能)

5、高透射率。

液晶显示器的主要功能是起着光开关的作用，光线经过液晶层后光损失到只有原来的10%左右，所以要获得较亮的显示效果，必须增加背光亮度，这将会增加背光的能耗和减少背光寿命。

对于面内转换模式（IPS），液晶分子在电场作用下重排，但现有技术的正介电各向异性组合物靠近电极分子会发生倾斜，由此产生漏光现象，从而出现对比度下降。

发明内容

为了克服上述技术缺陷，本发明旨在提供一种高对比度的液晶组合物。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种高对比度液晶组合物，包含至少一种或多种通式(I)的化合物：

以及至少一种或多种通式(II)的化合物：

式（I）、式（II）中，R₁～R₃各自独立地代表C₁～C₁₂的直链烷基，其中一个或多个不相邻的-CH₂-可以被O、S以及-CH=CH-取代；

m、n、p各自独立代表0或1；

L₁、L₂各自独立地代表H或F；

X各自独立地代表-F、-Cl、-OCF₃、-OCF₂—CF=CF₂以及-OCF₂H；

Z₁代表单键、-CH₂CH₂-、-CH₂O、-COO以及-CF₂O；

Z₂代表单键、-COO、-CH₂CH₂以及-CF₂O；

A₁、A₂各自独立代表以下结构：

A₃、A₄、A₅各自独立地代表以下结构：

通式(I)优选以下结构：

其中，R₁代表C₁～C₁₀的直链烷基或C₂～C₁₀的直链烯基，更优选C₂～C₅的直链烷基或直链烯基；R₂代表C₁～C₇的直链烷基或直链烷氧基，更优选C₁～C₅的直链烷基或C₂～C₅的直链烷氧基。

通式(II)优选以下结构：

其中，R₃代表C₁～C₁₀的直链烷基或C₂～C₁₀的直链烯基，更优选C₂～C₇的直链烷基或直链烯基。

本发明所提供的液晶组合物，还包含一种或多种通式（III）的化合物：

其中，R₄、R₅各自独立地代表C₁～C₁₂的直链烷基，其中一个或多个不相邻的CH₂可以被-O-、-CH=CH-取代。

优选地，通式III所代表的化合物选自式III-1～式III-42的一种或多种化合物：

本发明所提供的液晶组合物，还包含一种或多种（Ⅳ）、（Ⅴ）、（Ⅵ）、（Ⅶ）、（Ⅷ）通式所代表的化合物：

其中，R₆、R₇、R₉、R₁₀、R₁₂、R₁₃各自独立地代表C₁～C₁₂的直链烷基，其中一个或多个不相邻的CH₂可以被-O-或-CH=CH-取代；

R₈、R₁₁、R₁₄、R₁₅各自独立地代表C₁～C₁₂的直链烷基，其中一个或多个不相邻的CH₂可以被-O-或-CH=CH-取代；

L₃、L₄、L₅各自独立地代表H或F；

q=0或1；当q=0时，L₄、L₅不同时为F；

A₆代表1，4-环己基或1，4-亚苯基。

优选地，R₆、R₇、R₁₀、R₁₂、R₁₃各自独立地代表C₁～C₇的直链烷基，更优选C₂～C₅的直链烷基；R₈代表C₂～C₇的直链烷基或直链烯基，更优选C₂～C₅的直链烷基或直链烯基；R₉代表C₁～C₇的直链烷基，更优选C₁～C₅的直链烷基；

通式（VIII）优选以下结构：

其中，R₁₄、R₁₅各自独立地代表C₁～C₇的直链烷基或C₂～C₇的直链烯基，更优选地，式VIII-A～式VIII-D中，R₁₄、R₁₅各自独立地代表C₂～C₅的直链烷基，式VIII-E中，R₁₄、R₁₅各自独立地代表C₁～C₅的直链烷基或C₂～C₄的直链烯基。

本发明所提供的液晶组合物，包含以下重量百分比的组分：

1）、5%～90%的一种或多种通式（I）所代表的化合物；

2）、1%～30%的一种或多种通式（II）所代表的化合物；

3)、1%～80%的一种或多种通式（III）所代表的化合物；

4）、0%～60%的一种或多种通式(IV)和/或通式（V）和/或通式（VI）和/或通式(VII)和/或通式（VIII）所代表的化合物;

其中，上述1）至4）之和为100%。

优选地，本发明所提供的液晶组合物，包含以下重量百分比的组分：

1）、20%～85%的一种或多种通式（I）所代表的化合物；

2）、1%～20%的一种或多种通式（II）所代表的化合物；

3)、10%～60%的一种或多种通式（III）所代表的化合物；

4）、0%～20%的一种或多种通式（IV）所代表的化合物；

5）、0%～40%的一种或多种通式（V）和/或通式（VI）和/或通式(VII)和/或通式(VIII)所代表的化合物;

其中，上述1）至5）之和为100%。

更优选地，本发明所提供的液晶组合物，包含以下重量百分比的组分：

1）、30%～85%的一种或多种通式（I）所代表的化合物；

2）、1%～10%的一种或多种通式（II）所代表的化合物；

3)、10%～60%的一种或多种通式（III）所代表的化合物；

4）、0%～20%的一种或多种通式（IV）所代表的化合物；

5）、0%～40%的一种或多种通式（V）和/或通式（VI）和/或通式(VII)和/或通式(VIII)所代表的化合物;

其中，上述1）至5）之和为100%。

最优选地，本发明所提供的液晶组合物，包含以下重量百分比的组分：

1）、30%～85%的一种或多种通式（I）所代表的化合物；

2）、1%～10%的一种或多种通式（II）所代表的化合物；

3)、10%～60%的一种或多种通式（III）所代表的化合物；

4）、0%～20%的一种或多种通式（IV）所代表的化合物；

5）、0%～20%的一种或多种通式（V）和/或通式(VI)和/或通式(VII)所代表的化合物；

6）、0%～25%的一种或多种通式（VIII）所代表的化合物。

其中，上述1）至6）之和为100%。

本发明所提供的液晶组合物中，通式I所表示的2，3-二氟类化合物具有较强的负介电各向异性（-△ε），在多数负性液晶中都有涉及，性能优异；

本发明所提供的II类结构化合物表现为介电各向异性为正（+△ε），拥有良好的低温和粘度特性，加入负介电各向异性液晶组合物中，可有效改善液晶显示器的透过率特性。

本发明所提供的III类通式所代表的两环结构化合物为非极性组分。此类化合物对于降低体系的粘度、提高响应速度作用显著，是调配快速响应的液晶混合物必不可少的一类化合物。

本发明所提供的IV类通式所代表的三联苯负性结构化合物具有大的光学各向异性和良好的互溶性特点，适用于提升混合液晶体系的光学各向异性特性。

本发明所提供的V类通式所代表的化合物为三环结构，其中含两个1，4-环己烷结构，该结构具有较高清亮点和较低的粘度性能。

本发明所提供的VI类通式所代表的化合物为两环结构，具有良好的互溶性和低的粘度，对于增加混合液晶体系的互溶性起很大作用。

本发明所提供的VII类通式所代表的化合物为三环两联苯结构，有较大的光学各向异性。

本发明所提供的VIII类通式所代表的化合物具有大的光学各向异性和高的清亮点性能，对于提升组合物的清亮点和光学各向异性有显著效果。

在FFS和IPS显示中，透过率正比于初始介电与介电各向异性的比值，即：

T∝ε_prep/|Δε|

Δε=ε_□-ε_⊥

ε_prep∝ε_□

其中T为透过率,ε_⊥为垂直介电,ε_∥为平行介电,ε_prep为初始介电。

由上述公式可知，增大平行介电可以提升液晶显示器的透过率。

在本发明所述的液晶组合物中，包含具有负介电各向异性(-Δε)的化合物(I)，使IPS和FFS液晶显示器拥有良好的关态，同时还包含正介电各向异性(+Δε)的化合物(II)，通过增加液晶组合物的平行介电，有效地增加液晶组合物的初始介电，从而提升IPS和FFS显示器中的透过率。由于对比度是开态透过率与关态透过率的比值，所以增大开态透过率和降低关态透过率可有效提升对比度。

同时使用负介电各向异性液晶组合物的IPS和FFS液晶显示器相对于使用正介电各向异性液晶组合物的IPS和FFS液晶显示器,分子运动更加一致,从而提升液晶显示器的视角对称性,避免因分子重排过程中因分子运动不对称造成的视角问题。

本发明所述液晶组合物的制备方法无特殊限制，可采用常规方法将两种或多种化合物混合进行生产，如通过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；或者本发明所述液晶组合物可按照常规的方法制备，如将其中含量较小的组分在较高的温度下溶解在含量较大的主要组分中，或将各所属组分在有机溶剂中溶解，如丙酮、氯仿或甲醇等，然后将溶液混合去除溶剂后得到。

由于液晶显示器受限制于液晶的温度范围，只在液晶相范围内表现出显示效果，而且低温时液晶的粘度成指数增加，低温响应速度是液晶显示器的硬伤，导致显示效果大大降低。本发明所述的液晶组合物克服了这些问题，具有高对比度、低粘度、高电阻率、良好的低温性能、快的响应速度和优异的透过率特性，其在VA、IPS或FFS模式显示器中的使用能明显改善液晶显示器显示效果，特别优选IPS和FFS模式显示器。

具体实施方式

以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

本发明实施例中液晶组合物的制备均采用如下方法：

均匀液晶的制备采用业内普遍使用的热溶解方法，首先用天平按重量百分比称量液晶化合物，其中称量加入顺序无特定要求，通常以液晶化合物熔点由高到低的顺序依次称量混合，在60-100℃下加热搅拌使得各组分熔解均匀，再经过滤、旋蒸，最后封装即得目标样品。

除非另有说明，上下文中百分比为重量百分比，所有的温度以摄氏度给出。使用下述缩写：

△n为光学各向异性（20℃），Δε为介电各向异性（25℃，1000Hz），ε_∥为平行介电（25℃，1000Hz），V₁₀为阈值电压，是在相对透过率改变10%时的特征电压（V，25℃），η为体积粘度（mm²/s，20℃），Cp为液晶组合物的清亮点（℃）,T_off为关态响应时间(ms,25℃),γ1为液晶的旋转粘度(mPa·s,25℃)。

为了便于表示，以下实施例中，液晶化合物中基团结构用如下代码表示：

液晶化合物的基团结构代码

以如下结构为例：

该结构用上述代码表示，则表示为4CDUQUX。

再如以下结构:

该结构用上述代码表示，则表示为2CPWO2。

实施例1

取以下重量百分比的液晶化合物并以本发明中所述方法配制液晶组合物，具体配比及所得的液晶组合物的性能参数见表1：

表1实施例1的液晶组合物中各组分的重量百分比及性能参数

该组合物具有低的粘度，快的响应时间，适用于快响应液晶显示装置。

实施例2

取以下重量百分比的液晶化合物并以本发明中所述方法配制液晶组合物，具体配比及所得的液晶组合物的性能参数见表2：

表2实施例2的液晶组合物中各组分的重量百分比及性能参数

该组合物具有低的粘度，快的响应时间，适用于快响应液晶显示装置。

实施例3

取以下重量百分比的液晶化合物并以本发明中所述方法配制液晶组合物，具体配比及所得的液晶组合物的性能参数见表3：

表3实施例3的液晶组合物中各组分的重量百分比及性能参数

该组合物具有低的粘度，快的响应时间，适用于快响应液晶显示装置。

实施例4

取以下重量百分比的液晶化合物并以本发明中所述方法配制液晶组合物，具体配比及所得的液晶组合物的性能参数见表4：

表4实施例4的液晶组合物中各组分的重量百分比及性能参数

实施例5

取以下重量百分比的液晶化合物并以本发明中所述方法配制液晶组合物，具体配比及所得的液晶组合物的性能参数见表5：

表5实施例5的液晶组合物中各组分的重量百分比及性能参数

实施例6

取以下重量百分比的液晶化合物并以本发明中所述方法配制液晶组合物，具体配比及所得的液晶组合物的性能参数见表6：

表6实施例6的液晶组合物中各组分的重量百分比及性能参数

该组合物具有大的极性，高的清亮点，非常适合于IPS以及FFS显示装置。

实施例7

取以下重量百分比的液晶化合物并以本发明中所述方法配制液晶组合物，具体配比及所得的液晶组合物的性能参数见表7：

表7实施例7的液晶组合物中各组分的重量百分比及性能参数

该组合物具有非常快的响应时间,适用于各种快响应液晶显示装置。

实施例8

取以下重量百分比的液晶化合物并以本发明中所述方法配制液晶组合物，具体配比及所得的液晶组合物的性能参数见表8：

表8实施例8的液晶组合物中各组分的重量百分比及性能参数

实施例9

取以下重量百分比的液晶化合物并以本发明中所述方法配制液晶组合物，具体配比及所得的液晶组合物的性能参数见表9：

表9实施例9的液晶组合物中各组分的重量百分比及性能参数

实施例10

取以下重量百分比的液晶化合物并以本发明中所述方法配制液晶组合物，具体配比及所得的液晶组合物的性能参数见表10：

表10实施例10的液晶组合物中各组分的重量百分比及性能参数

实施例11

取以下重量百分比的液晶化合物并以本发明中所述方法配制液晶组合物，具体配比及所得的液晶组合物的性能参数见表11：

表11实施例11的液晶组合物中各组分的重量百分比及性能参数

实施例12

取以下重量百分比的液晶化合物并以本发明中所述方法配制液晶组合物，具体配比及所得的液晶组合物的性能参数见表12：

表12实施例12的液晶组合物中各组分的重量百分比及性能参数

实施例13

取以下重量百分比的液晶化合物并以本发明中所述方法配制液晶组合物，具体配比及所得的液晶组合物的性能参数见表13：

表13实施例13的液晶组合物中各组分的重量百分比及性能参数

实施例14

取以下重量百分比的液晶化合物并以本发明中所述方法配制液晶组合物，具体配比及所得的液晶组合物的性能参数见表14：

表14实施例14的液晶组合物中各组分的重量百分比及性能参数

对比例1

取以下重量百分比的液晶化合物并以本发明中所述方法配制液晶组合物，具体配比及所得的液晶组合物的性能参数见表15：

表15对比例1的液晶组合物中各组分的重量百分比及性能参数

对比实施例3与对比例1,实施例3对比例1有着相同的介电各向异性，实施例3有更大的平行介电，所以表现出更好的透过率特性。

对比例2

取以下重量百分比的液晶化合物并以本发明中所述方法配制液晶组合物，具体配比及所得的液晶组合物的性能参数见表16：

表16对比例2的液晶组合物中各组分的重量百分比及性能参数

本发明所提供的液晶组合物具有更大的平行介电（ε_∥），在IPS/FFS显示模式中具有更大的初始介电，由此可得到更好的透过率特性，更好的解决了液晶显示器透过率低的问题，以此得到更佳的对比度性能。

本发明所提供的含有正介电各向异性组分的负介电各向异性的液晶组合物，具有低粘度、高电阻率、适合的光学各向异性，更大的介电各向异性，优异的光稳定性和热稳定性，以及良好的透过率特性，可解决液晶显示器响应速度、透过率等问题，尤其适用于快响应高亮度的液晶显示装置，特别适用于IPS/FFS液晶显示装置。

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (10)

1.一种高对比度液晶组合物，其特征在于，包含至少一种或多种通式(I)的化合物：

以及至少一种或多种通式(II)的化合物：

式（I）、式（II）中，R₁～R₃各自独立地代表C₁～C₁₂的直链烷基，其中一个或多个不相邻的-CH₂-可以被O、S以及-CH=CH-取代；

m、n、p各自独立代表0或1；

L₁、L₂各自独立地代表H或F；

X各自独立地代表-F、-Cl、-OCF₃、-OCF₂—CF=CF₂以及-OCF₂H；

Z₁代表单键、-CH₂CH₂-、-CH₂O、-COO以及-CF₂O；

Z₂代表单键、-COO、-CH₂CH₂以及-CF₂O；

A₁、A₂各自独立代表以下结构：

A₃、A₄、A₅各自独立地代表以下结构：

2.根据权利要求1所述的液晶组合物，其特征在于，所述通式(I)为以下结构：

其中，R₁代表C₁～C₁₀的直链烷基或C₂～C₁₀的直链烯基；R₂代表C₁～C₇的烷基或烷氧基。

3.根据权利要求1所述的液晶组合物，其特征在于，所述通式(II)选自以下结构：

其中，R₃代表C₁～C₁₀的直链烷基或C₂～C₁₀的直链烯基。

4.根据权利要求1所述的液晶组合物，其特征在于，所述液晶组合物，包含以下重量百分比的组分：

1）、5%～90%的一种或多种通式（I）所代表的化合物；

2）、1%～30%的一种或多种通式（II）所代表的化合物；

3)、1%～80%的一种或多种通式（III）所代表的化合物；

4）、0%～60%的一种或多种通式(IV)和/或通式（V）和/或通式（VI）和/或通式(VII)和/或通式（VIII）所代表的化合物；

其中，上述1）至4）之和为100%。

5.根据权利要求4所述的液晶组合物，其特征在于，所述通式（III）的化合物选自以下结构中的一种或多种：

其中，R₄、R₅各自独立地代表C₁～C₁₂的直链烷基，其中一个或多个不相邻的CH₂可以被-O-、-CH=CH-取代。

6.根据权利要求4所述的液晶组合物，其特征在于，所述通式（III）的化合物选自式III-1～式III-42的一种或多种：

7.根据权利要求4所述的液晶组合物，其特征在于，所述通式（Ⅳ）、（Ⅴ）、（Ⅵ）、（Ⅶ）、（Ⅷ）选自以下结构中的一种或多种：

其中，R₆、R₇、R₉、R₁₀、R₁₂、R₁₃各自独立地代表C₁～C₁₂的直链烷基，其中一个或多个不相邻的CH₂可以被-O-或-CH=CH-取代；

R₈、R₁₁、R₁₄、R₁₅各自独立地代表C₁～C₁₂的直链烷基，其中一个或多个不相邻的CH₂可以被-O-或-CH=CH-取代；

L₃、L₄、L₅各自独立地代表H或F；

q=0或1；当q=0时，L₄、L₅不同时为F；

A₆代表1，4-环己基或1，4-亚苯基。

8.根据权利要求4所述的液晶组合物，其特征在于，所述液晶组合物包含以下重量百分比的组分：

1）、20%～85%的一种或多种通式（I）所代表的化合物；

2）、1%～20%的一种或多种通式（II）所代表的化合物；

3)、10%～60%的一种或多种通式（III）所代表的化合物；

4）、0%～20%的一种或多种通式（IV）所代表的化合物；

5）、0%～40%的一种或多种通式（V）和/或通式（VI）和/或通式(VII)和/或通式(VIII)所代表的化合物；

其中，上述1）至5）之和为100%。

9.根据权利要求4所述的液晶组合物，其特征在于，所述液晶组合物包含以下重量百分比的组分：

1）、30%～85%的一种或多种通式（I）所代表的化合物；

2）、1%～10%的一种或多种通式（II）所代表的化合物；

3)、10%～60%的一种或多种通式（III）所代表的化合物；

4）、0%～20%的一种或多种通式（IV）所代表的化合物；

5）、0%～40%的一种或多种通式（V）和/或通式（VI）和/或通式(VII)和/或通式(VIII)所代表的化合物；

其中，上述1）至5）之和为100%。

10.权利要求1-9任一所述液晶组合物在VA、IPS或FFS模式显示器，特别是IPS和FFS模式显示器中的应用。