CN103773383A - 一种快响应负介电各向异性液晶组合物及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种快响应负介电各向异性液晶组合物，以及它的应用。本发明提供的负介电各向异性液晶组合物具有大的光学各向异性和优异的低温互溶性，以及良好的高温和UV稳定性，适用于多种显示模式的快响应显示装置中；克服了光学各向异性较小的缺点，有效的提升了组合物的光学各向异性，降低了液晶层的厚度，以此来加快液晶显示器的响应速度；其应用在液晶显示装置中，能明显改善液晶显示器响应慢的问题，具有巨大的应用前景和市场价值。

Description

一种快响应负介电各向异性液晶组合物及其应用

技术领域

本发明涉及液晶组合物领域，具体涉及一种负介电各向异性液晶组合物，更确切的说，本发明涉及一种快响应负介电各向异性液晶组合物，以及它的应用；本发明所涉及的液晶组合物主要用于电光调节，尤其适用于FFS显示器、IPS显示器和MVA/PVA/PSVA构型的VA型显示器。

背景技术

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)，即液态的晶体，也就是说一种物质同时具备了液体的流动性和类似晶体的某种排列特性。M.Born（1916年）和K.Lichtennecker（1926年）分别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。利用液晶的电光效应，英国科学家在上世纪制造了第一块液晶显示器即LCD显示器。与传统的CRT相比，LCD不但体积小，厚度薄、重量轻、耗能少、工作电压低，且无辐射、无闪烁并能直接与CMOS集成电路匹配。由于其优点众多，LCD从1998年开始进入台式机应用领域。近几十年，特别是近十几年来信息技术的飞速发展以及人们对信息显示方式的不断追求，使液晶显示得到了最迅猛的发展。今天，液晶显示正以多姿多彩的形态展示在人们面前，它的许多产品由于其优异的特性使其正成为时尚的追求，以及商场里炙手可得的商品。

根据液晶分子的排列方式，常把液晶显示器分为：窄视角的TN（Twisted Nematic）、STN（Super Twisted Nematic）、DSTN（Doublelayer Super Twisted Nematic）等，这些窄视角的液晶显示器中所用的液晶组合物均为介电正性的。宽视角的IPS（In-Plane Switching）、VA（Vertical Alignment)、FFS（Fringe Filed Switching）等，对于宽视角的液晶显示器，所使用的液晶介质多数为负介电各向异性的，其中IPS既可以使用负介电各向异性的液晶组合物，也可使用正介电各向异性的液晶组合物。从液晶面板的驱动方式来看，目前最常见的是TFT（Thin Film Transistor）型驱动，相比之前的无源驱动可以实现更精细的显示效果。目前大多数液晶显示器、液晶电视及部分手机均采用TFT驱动。液晶显示器多用窄视角的TN模式，液晶电视多用宽视角的VA、IPS等模式，它们通称为TFT-LCD。

现有技术所提供的液晶显示器存在响应速度慢的缺点，液晶显示器的响应速度主要受限于液晶层厚度和液晶的旋转粘度，减小液晶层厚度可有效加快液晶显示器响应速度，这就需要提升液晶组合物的光学各向异性。

液晶显示器响应速度由以下公式决定：

${\mathrm{\τ}}_{\mathrm{off}}=\frac{\mathrm{\γ}{d}^2}{{\mathrm{\π}}^2{K}_{33}}$

△n*d=常数；γ为液晶的旋转粘度；d为液晶层厚度；K₃₃为液晶的弯曲弹性常数；△n为液晶光学各向异性；△n*d为液晶层的光学延迟量。

由以上公式可以看出，提高液晶显示器响应速度就需要降低液晶层厚度和减小液晶旋转粘度。若开发出应用于液晶显示器的液晶组合物，能够实现上述目的，势必将会有巨大的应用前景的经济价值。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明的目的是提供一种负介电各向异性液晶组合物。

该液晶组合物具有低粘度和较大的光学各向异性，并因而具备快响应速度以及优异的光稳定性和热稳定性，适用于快响应的液晶显示装置。

本发明的另一目的是提供所述负介电各向异性液晶组合物在液晶显示装置中的应用。

为了实现上述目的，本发明提供的负介电各向异性液晶组合物，包括以下重量百分比的组分：

（1）5%～40%通式Ⅰ所代表的化合物；

（2）10%～45%通式Ⅱ所代表的化合物；

（3）10%～70%通式III所代表的化合物；

（4）1%～20%通式IV所代表的化合物。

优选地，本发明提供的负介电各向异性液晶组合物，包括以下重量百分比的组分：

（1）5%～40%通式Ⅰ所代表的化合物；

（2）10%～45%通式Ⅱ所代表的化合物；

（3）10%～70%通式III所代表的化合物；

（4）5%～15%通式IV所代表的化合物。

其中，所述通式Ⅰ、Ⅱ、III、IV所代表的化合物的结构式如下所示：

其中，R₁、R₃、R₅、R₇和R₈各自独立地代表烷基；

R₂独立地代表烷氧基；R₄独立地代表烷基或烷氧基；

R₆独立地代表烷基、烷氧基或烯基；

A独立地代表1,4-环己基或1,4亚苯基。

进一步地，所述R₁、R₃、R₅、R₇和R₈各自独立地代表C₁～C₁₂的烷基；R₂独立地代表C₁～C₁₂的烷氧基；R₄独立地代表C₁～C₁₂的烷基或C₁～C₁₂的烷氧基；R₆独立地代表C₁～C₁₂的烷基、C₁～C₁₂的烷氧基或C₂～C₁₂的烯基。

更进一步地，所述R₁优选C₂～C₅的烷基；R₂优选C₂～C₄的烷氧基；R₃优选C₂～C₅的烷基；R₄优选C₁～C₅的烷氧基或C₁～C₅的烷基；R₅优选C₁～C₅的烷基；R₆优选C₁～C₅的烷基、C₁～C₅的烷氧基或C₂～C₅的烯基；R₇优选C₂～C₅的烷基；R₈优选C₂～C₅的烷基。

本发明中所用的烷基、烷氧基和烯基，均优选直链的。

进一步地，R₃和R₄可以相同或不同，R₅和R₆可以相同或不同，R₇和R₈可以相同或不同。

其中，优选地，所述通式Ⅰ所代表的化合物为式IA-1～式IA-12所代表化合物中的一种或几种：

其中，优选地，所述通式II所代表的化合物为式IIA和式IIB所代表化合物中的一种或几种：

其中，R₃独立地代表C₂～C₅的烷基；

R₄’独立地代表C₁～C₅的烷氧基（式IIA中）；

R₄’’独立地代表C₁～C₅的烷基（式IIB）。

更优选地，所述通式II所代表的化合物为式IIA-1～式IIA-12和式IIB-1～式IIB-20所代表化合物中的一种或几种：

其中，优选地，所述通式III所代表的化合物为式IIIA和式IIIB所代表化合物中的一种或几种：

其中，R₅为C₁～C₅的烷基；

R₆为C₁～C₅的烷基、C₁～C₅的烷氧基或C₂～C₅的烯基。

更优选地，所述通式III所代表的化合物为式IIIA-1～式IIIA-38和式IIIB-1～式IIIB-36所代表化合物中的一种或几种：

其中，优选地，所述通式IV所代表的化合物为式IVA-1～式IVA-16所代表化合物中的一种或几种：

本发明还提供上述任意一项负介电各向异性液晶组合物在液晶显示装置中的应用。

其中，发明提供的上述任意一项负介电各向异性液晶组合物在液晶显示装置中的应用，尤其是在FFS显示器、IPS显示器或MVA/PVA/PSVA构型的VA型显示器中的应用。

本发明所述负介电各向异性液晶组合物的组分中：

通式I所代表的两环2,3-二氟苯基类化合物具有较强的负介电各向异性，性能优异，但清亮点低；

通式II所代表的三环2,3-二氟苯基类化合物具有较强的负介电各向异性，且清亮点较高；

通式III所代表的两环结构化合物为非极性组分，早前公开于美国专利US4565425中。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，存在的主要缺陷是清亮点过低和光学各向异性太小；

通式IV所代表的四环三联苯结构化合物为非极性化合物，具有大的光学各向异性和高的清亮点，可以有效提升体系的清亮点和光学各向异性。

由通式I、II、III所代表的化合物组成的混合液晶体系已有报道，见于US5599480和US6248410之中，存在的主要问题是光学各向异性偏小，所以用此混合液晶的显示器需要的液晶层厚度较厚，存在响应速度慢的缺点，本发明所提供的液晶组合物加入通式IV所代表的大光学各向异性液晶化合物后，有效的提升了液晶混合物的光学各向异性，从而需要小的液晶层厚度，即可有效降低液晶盒厚度，从而大大提升液晶显示器的响应时间性能。

本发明所述负介电各向异性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；或者本发明所述负介电各向异性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。

本发明提供的负介电各向异性液晶组合物具有大的光学各向异性和优异的低温互溶性，以及良好的高温和UV稳定性，适用于多种显示模式的快响应显示装置中；克服了光学各向异性较小的缺点，有效的提升了组合物的光学各向异性，降低了液晶层的厚度，以此来加快液晶显示器的响应速度；其应用在液晶显示装置中，能明显改善液晶显示器响应慢的问题，具有巨大的应用前景和市场价值。

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保护范围。

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℃，589nm）；Δε为介电各向异性（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（℃）；τ_off为关态响应时间,表征液晶在撤除电压后，相对透过率改变90%的时间（ms，25℃）；△n*d为液晶层的光学延迟量(μm)；γ1为液晶的旋转粘度(mPa.s,25℃)。

本发明中，通式IV所代表的化合物可由北京八亿时空液晶科技股份有限公司提供。

为了便于表示，以下实施例中，液晶化合物中基团结构用表0所示代码表示：

表0：液晶化合物的基团结构代码

以如下结构为例：

该结构用表1所列代码表示，则表示为2HHWO2;

再如下结构：

该结构用表1所列代码表示，则表示为2HBGB3

实施例1

取以下重量百分比的液晶化合物，并以上述制备方法配制得到液晶组合物，具体配比及所得的液晶组合物（非各个组分）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整体组合物的性能参数

组分的结构式编号	代码	重量百分比（%）	性能参数	参数值
					IA-2	3HWO2	16	△n	0.095
IA-4	5HWO2	15	△ε	-3.0
					IIA-2	3HHWO2	8	V10	2.47
IIA-4	5HHWO2	6	η	19
					IIB-1	2HHW1	8	Cp	76
IIB-2	3HHW1	8	τoff	4.0
					IIIA-10	2HH3	10	△n*d	0.32
IIIB-18	3HBO1	5	γ1	78
					IIIB-4	5HB2	5
IIIA-15	3HH5	9
					IVA-13	5HBGB2	5
IVA-10	4HBGB3	5

实施例2

取以下重量百分比的液晶化合物，并以上述制备方法配制得到液晶组合物，具体配比及所得的液晶组合物（非各个组分）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整体组合物的性能参数

组分	代码	重量百分比（%）	性能参数	参数值
					IA-2	3HWO2	5	△n	0.085
IIA-1	2HHWO2	10	△ε	-0.6
					IIIA-10	2HH3	10	V10	5.5
IIIB-18	3HBO1	5	η	11
					IIIB-4	5HB2	5	Cp	90
IIIA-15	3HH5	10	τoff	2.0
					IIIA-14	3HH4	10	△n*d	0.32
IIIA-1	3HHV	30	γ1	45

IVA-13	5HBGB2	5
					IVA-10	4HBGB3	5
IVA-14	5HBGB3	5

实施例3

取以下重量百分比的液晶化合物，并以上述制备方法配制得到液晶组合物，具体配比及所得的液晶组合物（非各个组分）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整体组合物的性能参数

组分	代码	重量百分比（%）	性能参数	参数值
					IA-2	3HWO2	15	△n	0.098
IA-4	5HWO2	15	△ε	-4.4
					IA-10	3HWO4	10	V10	2.10
IIA-2	3HHWO2	8	η	28
					IIA-4	5HHWO2	6	Cp	85
IIB-1	2HHW1	8	τoff	5.0
					IIB-2	3HHW1	8	△n*d	0.32
IIB-3	4HHW1	8	γ1	120
					IIB-6	3HHW2	7
IIIB-18	3HBO1	5
					IIIB-4	5HB2	5
IVA-10	4HBGB3	5

对比例1

取以下重量百分比的液晶化合物，并以上述制备方法配制得到液晶组合物，具体配比及所得的液晶组合物（非各个组分）的性能参数见表4。

表4：对比例1的液晶组合物中各组分的重量百分比及整体组合物的性能参数

组分	重量百分比（%）	性能参数	参数值
				3HH2	8	△n	0.080

3HH5	9	△ε	-3.0
				2HHW1	9	V10	2.45
3HHW1	8	η	20
				3HHWO2	12	Cp	68
5HHWO2	11	τoff	5.0
				3HWO2	16	△n*d	0.32
5HWO2	14	γ1	82
				3HBO1	6
5HB2	7

本发明所述负介电各向异性液晶组合物中，以实施例1～3中各组分配比制备的液晶组合物具有大的光学各向异性以及优异的光稳定性和热稳定性，同时因具有低粘度而适用于快响应的液晶显示装置中。其中实施例2中，I类和II类单体的重量百分比较小，所得到的组合物极性低、粘度很低，特别适用于场序式液晶显示装置。

对比例1中为现有技术中所使用的负介电各向异性液晶组合物各组分配比，以此配比制备的液晶组合物主要存在着光学各向异性较小，导致所需液晶层厚度较大，所以响应时间较慢的问题。实施例1相对于对比例1，实施例1具有更低的粘度和更大的光学各向异性，所以显示器液晶层厚度较小，所以响应时间快于对比例1。

本发明所提供的负介电各向异性液晶组合物具有低粘度、高电阻率、较大的光学各向异性以及优异的光稳定性和热稳定性，可解决液晶显示器响应速度慢的问题，适用于快响应的液晶显示装置。

虽然，上文中已经用一般性说明、具体实施方式及试验，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)

1.一种负介电各向异性液晶组合物，包括以下重量百分比的组分：

（1）5%～40%通式Ⅰ所代表的化合物；

（2）10%～45%通式Ⅱ所代表的化合物；

（3）10%～70%通式III所代表的化合物；

（4）1%～20%通式IV所代表的化合物；

其中，所述通式Ⅰ、Ⅱ、III、IV所代表的化合物的结构式如下所示：

其中，R₁、R₃、R₅、R₇和R₈各自独立地代表烷基；

R₂独立地代表烷氧基；R₄独立地代表烷基或烷氧基；

R₆独立地代表烷基、烷氧基或烯基；

A独立地代表1,4-环己基或1,4亚苯基。

2.根据权利要求1所述的负介电各向异性液晶组合物，其特征在于，所述R₁、R₃、R₅、R₇和R₈各自独立地代表C₁～C₁₂的烷基；R₂独立地代表C₁～C₁₂的烷氧基；R₄独立地代表C₁～C₁₂的烷基或C₁～C₁₂的烷氧基；R₆独立地代表C₁～C₁₂的烷基、C₁～C₁₂的烷氧基或C₂～C₁₂的烯基。

3.根据权利要求1或2所述的负介电各向异性液晶组合物，其特征在于，所述R₁为C₂～C₅的烷基；R₂为C₂～C₄的烷氧基；R₃为C₂～C₅的烷基；R₄为C₁～C₅的烷氧基或C₁～C₅的烷基；R₅为C₁～C₅的烷基；R₆为C₁～C₅的烷基、C₁～C₅的烷氧基或C₂～C₅的烯基；R₇为C₂～C₅的烷基；R₈为C₂～C₅的烷基。

4.根据权利要求1～3任意一项所述的负介电各向异性液晶组合物，其特征在于，R₃和R₄相同或不同，R₅和R₆相同或不同，R₇和R₈相同或不同。

5.根据权利要求1～4任意一项所述的负介电各向异性液晶组合物，其特征在于，所述通式Ⅰ所代表的化合物为式IA-1～式IA-12所代表化合物中的一种或几种：

6.根据权利要求1～5任意一项所述的负介电各向异性液晶组合物，其特征在于，所述通式II所代表的化合物为式IIA和式IIB所代表化合物中的一种或几种：

其中，R₃独立地代表C₂～C₅的烷基；R₄’独立地代表C₁～C₅的烷氧基；R₄”独立地代表C₁～C₅的烷基；

优选地，所述通式II所代表的化合物为式IIA-1～式IIA-12和式IIB-1～式IIB-20所代表化合物中的一种或几种：

7.根据权利要求1～6任意一项所述的负介电各向异性液晶组合物，其特征在于，所述通式III所代表的化合物为式IIIA和式IIIB所代表化合物中的一种或几种：

其中，R₅为C₁～C₅的烷基；

R₆为C₁～C₅的烷基、C₁～C₅的烷氧基或C₂～C₅的烯基；

优选地，所述通式III所代表的化合物为式IIIA-1～式IIIA-38和式IIIB-1～式IIIB-36所代表化合物中的一种或几种：

8.根据权利要求1～7任意一项所述的负介电各向异性液晶组合物，其特征在于，所述通式IV所代表的化合物为式IVA-1～式IVA-16所代表化合物中的一种或几种：

9.权利要求1～8任意一项所述的含双氟双环己烷化合物的负介电各向异性液晶组合物在液晶显示装置中的应用。

10.根据权利要求9所述的应用，其特征在于，所述液晶显示装置为FFS显示器、IPS显示器或MVA/PVA/PSVA构型的VA型显示器。