CN104342169B - 一种适用于共面转换模式的液晶组合物及其应用 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种适用于共面转换模式的液晶组合物，其中，所述液晶组合物，包含：占所述液晶组合物总重量25-55%的一种或多种通式Ⅰ的化合物；占所述液晶组合物总重量20-40%的一种或多种通式Ⅱ的化合物；占所述液晶组合物总重量5-25%的一种或多种通式Ⅲ的化合物；占所述液晶组合物总重量5-20%的一种或多种通式Ⅳ的化合物；以及占所述液晶组合物总重量5-25%的一种或多种通式Ⅴ的化合物。使用该液晶组合物的IPS模式的液晶显示器件，具有快响应、高清亮点以及低的驱动电压等优点。本发明还提供了一种电光学液晶显示器，所述液晶显示器包含本发明所述的液晶组合物。ⅠⅡⅢⅣ

Description

一种适用于共面转换模式的液晶组合物及其应用
技术领域
本发明涉及一种应用于液晶显示元件的液晶组合物，特别是应用于主动矩阵方式驱动的共面转换模式（IPS）的液晶显示元件的液晶组合物及其在电光学液晶显示器中的应用。
背景技术
液晶显示元件是利用液晶材料本身所具备的光学各向异性和介电各向异性来进行工作的，目前已经得到了广泛的应用。利用液晶材料不同的特性和工作方式，可以将器件设计成各种不同的工作模式，其中常规显示器普遍使用的有TN模式（twistnematic，扭曲向列模式）、STN模式（supertwistednematic，超扭曲向列模式）、ECB模式（electricallycontrolledbirefringence，电控双折射模式）、OCB模式（opticallycompensatedbend，光学补偿弯曲模式）、IPS模式（in-planeswitching，共面转换模式）、VA模式（verticalalignment，垂直配向模式）等。
在低信息量中，一般采用无源方式驱动，但是随着信息量的加大，显示尺寸和显示路数的增多，串扰和对比度降低现象变得严重，因此一般采用有源矩阵（AM）方式驱动。在AM-TFT元件中，TFT开关器件在二维网格中寻址，在处于导通的有限时间内对像素电极进行充电，之后又变成截止状态，直至下一周期中再被寻址。因此，在两个寻址周期之间，不希望像素点上的电压发生变化，否则像素点的透光率会发生改变，导致显示的不稳定。像素点的放电速度取决于电极容量和电极间介电材料的电阻率。因此要求液晶材料有较高的电阻率，同时要求材料有合适的光学各向异性△n（△n值一般在0.08-0.15之间），以及较低的阈值电压，以达到降低驱动电压，降低功耗的目的；还要求具有较低的粘度，以满足快速响应的需要。这类液晶组合物已经有很多文献报道，例如国外专利文献WO9202597、WO9116398、WO9302153、WO9116399等。
上世纪70年代初，已经对均匀排列的、扭曲排列的以及向列液晶IPS模式的基本的电光特性进行了实验性的研究，其特点是一对电极制作在同一基板上，而另一个基板上没有电极，通过加在这一电极间的横向电场来控制液晶分子的排列，因此也可以称这种模式为横向场模式。在IPS模式中向列液晶分子在两基板间均匀平行排列，两偏振片正交放置。IPS模式在不加电场时，入射光被两个正交的偏振片阻断而呈暗态，加电场时液晶分子发生转动造成延迟，于是有光从两个正交的偏振片漏出。
由于IPS模式制作简单并且有很宽的视角，从而使得它们成了能够改善视角特性并实现大面积显示的最有吸引力的办法。
共面转换模式（即IPS模式）仅需要线偏振片而不需要补偿膜，只是它的响应速度太慢，不能显示快速运动的画面。因此相对于传统的TN-TFT类型显示模式，IPS类型显示用液晶需求更快的响应速度。
然而，基于液晶混晶调制的复杂性，从液晶组合物材料调制的角度来考虑，材料的各方面性能（低的光学各向异性值，高的介电各向异性值，高的电阻率，低的旋转粘度，低的熔点，高的清亮点，良好的热稳定性和紫外稳定性等）之间是相互牵制的，提高一方面的性能往往伴随着另一方面性能的降低，调制各方面性能都合适的液晶组合物往往非常困难。
因此，亟需一种液晶组合物，该液晶组合物需要具有低的旋转粘度、快的响应速度、适当高的光学各向异性、高的介电各向异性，良好的热稳定性和紫外稳定性等性能中的至少一种。
发明内容
本发明的目的是提供一种适用于有源矩阵的IPS模式的液晶组合物，该组合物能够在实现快响应的同时，具备低的旋转粘度、适当高的光学各向异性、高的介电各向异性，良好的热稳定性和紫外稳定性等性能中的至少一种。
为了完成上述发明目的，本发明提供一种适用于共面转换模式的液晶组合物，其中，所述液晶组合物，包含：
占所述液晶组合物总重量25-55%的一种或多种通式Ⅰ的化合物
Ⅰ；
占所述液晶组合物总重量20-40%的一种或多种通式Ⅱ的化合物
Ⅱ；
占所述液晶组合物总重量5-25%的一种或多种通式Ⅲ的化合物
Ⅲ；
占所述液晶组合物总重量5-20%的一种或多种通式Ⅳ的化合物
Ⅳ；以及
占所述液晶组合物总重量5-25%的一种或多种通式Ⅴ的化合物
Ⅴ，
其中，
R1、R3、R4、R5、R6和R7相同或不同，各自独立地表示H、碳原子数为1-7的烷基或烷氧基、碳原子数为1-7的氟代烷基或氟代烷氧基或碳原子数为2-7的烯基或烯氧基；
R2表示H或碳原子数为1-5的烷基或烷氧基；
L1和L2相同或不同，各自独立地表示H或F；
n表示0或1。
本发明所述的液晶组合物，还包含：
占所述液晶组合物总重量0-10%的一种或多种通式Ⅵ的化合物
Ⅵ；
占所述液晶组合物总重量0-10%的一种或多种通式Ⅶ的化合物
Ⅶ；
占所述液晶组合物总重量0-20%的一种或多种通式Ⅷ的化合物
Ⅷ；以及
占所述液晶组合物总重量0-10%的一种或多种通式Ⅸ的化合物
Ⅸ，
其中，
R8、R9、R10、R11、R12、R13和R14相同或不同，各自独立地表示H、碳原子数为1-7的烷基或烷氧基、碳原子数为1-7的氟代烷基或氟代烷氧基或碳原子数为2-7的烯基或烯氧基；
环表示或其中，所述中一个或多个-CH2-可以被-O-取代，其前提是氧原子不相连；所述中一个或多个H可以被F取代，一个或多个-CH=可以被-N=取代；
L3表示H或F。
在本发明的一些实施方案中，优选所述通式Ⅰ的化合物占所述液晶组合物总重量的30-50%；所述通式Ⅱ的化合物占所述液晶组合物总重量的23-35%；所述通式Ⅲ的化合物占所述液晶组合物总重量的10-20%；所述通式Ⅳ的化合物占所述液晶组合物总重量的5-16%；所述通式Ⅴ的化合物占所述液晶组合物总重量的5-18%；所述通式Ⅵ的化合物占所述液晶组合物总重量的0-5%；所述通式Ⅶ的化合物占所述液晶组合物总重量的0-5%；所述通式Ⅷ的化合物占所述液晶组合物总重量的0-15%；以及所述通式Ⅸ的化合物占所述液晶组合物总重量的0-8%。
在本发明的一些实施方式中，所述通式Ⅰ的化合物选自由如下化合物组成的组中一种或多种化合物：
Ⅰ-1；
Ⅰ-2；
Ⅰ-3；以及
Ⅰ-4。
在本发明的一些实施方式中，所述通式Ⅱ的化合物选自由如下化合物组成的组中一种或多种化合物：
Ⅱ-1；
Ⅱ-2；
Ⅱ-3；
Ⅱ-4；
Ⅱ-5；以及
Ⅱ-6。
在本发明的一些实施方式中，所述通式Ⅲ的化合物选自由如下化合物组成的组中一种或多种化合物：
Ⅲ-1；
Ⅲ-2；
Ⅲ-3；以及
Ⅲ-4。
在本发明的一些实施方式中，所述通式Ⅳ的化合物选自由如下化合物组成的组中一种或多种化合物：
Ⅳ-1；
Ⅳ-2；
Ⅳ-3；以及
Ⅳ-4。
在本发明的一些实施方式中，所述通式Ⅴ的化合物选自由如下化合物组成的组中一种或多种化合物：
Ⅴ-1；
Ⅴ-2；
Ⅴ-3；
Ⅴ-4；
Ⅴ-5；
Ⅴ-6；
Ⅴ-7；以及
Ⅴ-8。
在本发明的一些实施方式中，所述通式Ⅵ的化合物选自由如下化合物组成的组中一种或多种化合物：
Ⅵ-1；
Ⅵ-2；以及
Ⅵ-3。
在本发明的一些实施方式中，所述通式Ⅶ的化合物选自由如下化合物组成的组中一种或多种化合物：
Ⅶ-1；
Ⅶ-2；
Ⅶ-3；以及
Ⅶ-4。
在本发明的一些实施方式中，所述通式Ⅷ的化合物选自由如下化合物组成的组中一种或多种化合物：
Ⅷ-1；
Ⅷ-2；
Ⅷ-3；
Ⅷ-4；
Ⅷ-5；
Ⅷ-6；
Ⅷ-7；
Ⅷ-8；
Ⅷ-9；
Ⅷ-10；以及
Ⅷ-11。
在本发明的一些实施方式中，所述通式Ⅸ的化合物选自由如下化合物组成的组中一种或多种化合物：
Ⅸ-1；
Ⅸ-2；
Ⅸ-3；
Ⅸ-4；以及
Ⅸ-5。
本发明的另一个方面提供一种电光学液晶显示器，所述液晶显示器包含本发明的液晶组合物。
本发明的再一方面提供一种有源矩阵寻址的IPS模式的液晶显示器件，所述液晶显示器件包含本发明的液晶组合物。
本发明通过对上述化合物进行组合实验，通过与对照的比较，确定了包括上述液晶组合物的液晶介质，具有快的响应速度、低的旋转粘度、高的清亮点、适当高的光学各向异性、高的介电各向异性等特性，使用该液晶组合物的IPS模式的液晶显示器件，具有快响应、高清亮点以及低的驱动电压等优点。
一般而言，采用IPS模式的手机产品的清亮点85-90℃之间，并且介电各向异性值越大，对应的产品驱动电压越低，当介电各向异性值大于10（前提是液晶盒盒厚为4μm左右）时，则驱动电压在4V左右；当介电各向异性值在9-10之间时，则驱动电压可以设计为4.5V。
清亮点大于100℃的液晶组合物，一般应用于采用IPS模式的车载产品中。
在本发明的一些实施方式中，通过对大量已知的液晶化合物进行优化组合和优化配比所得的液晶组合物，清亮点Cp在80-110℃之间，优选在85-105℃之间；粘度η在68-90mPa*s（20℃）之间，优选在70-85mPa*s（20℃）之间；光学各向异性Δn在0.090-0.110（25℃）之间，优选在0.095-0.108（25℃）之间；负介电各向异性Δε在8-11（25℃），优选在8.9-10.6（25℃）之间。
本发明的液晶组合物也可以进一步含有本领域技术人员已知的和在文献中描述的添加剂，例如多色染料、手性剂、抗静电剂等。
在本发明中如无特殊说明，所述的比例均为重量比，所有温度均为摄氏度温度，所述的响应时间数据的测试选用的盒厚为7μm。
具体实施方式
以下将结合具体实施方案来说明本发明。需要说明的是，下面的实施例为本发明的示例，仅用来说明本发明，而不用来限制本发明。在不偏离本发明主旨或范围的情况下，可进行本发明构思内的其他组合和各种改良。
为便于表达，以下各实施例中，液晶组合物的基团结构用表1所列的代码表示：
表1液晶化合物的基团结构代码
以如下结构式的化合物为例：
该结构式如用表1所列代码表示，则可表达为：nCCGF，代码中的n表示左端烷基的C原子数，例如n为“3”，即表示该烷基为-C3H7；代码中的C代表环己烷基。
以下实施例中测试项目的简写代号如下：
Cp（℃）：清亮点（向列-各向同性相转变温度）
Δn：光学各向异性（589nm，25℃）
Δε：介电各向异性（1KHz，25℃）
γ1：扭转粘度（mPa*s，在20℃下）
Vth：阈值电压
其中，折射率各向异性使用阿贝折光仪在钠光灯（589nm）光源下、25℃测试得；介电测试盒为TN90型，盒厚7μm。
在以下的实施例中所采用的各成分，均由本申请的发明人按照公知的方法，也可以藉由适当组合有机合成化学中的方法来进行合成。这些合成技术是常规的，所得到各液晶化合物经测试符合电子类化合物标准。关于向起始原料中引入目标末端基团、环结构及结合基团的方法，记载在有机合成（OrganicSyntheses，JohnWiley&Sons，Inc）、有机反应（OrganicReactions，JohnWiley&Sons，Inc）、综合有机合成（ComprehensiveOrganicSynthesis，PergamonPress）、新实验化学讲座（丸善株式会社）等出版物中。
按照以下实施例规定的各液晶组合物的配比，制备液晶组合物。所述液晶组合物的制备是按照本领域的常规方法进行的，如采取加热、超声波、悬浮等方式按照规定比例混合制得。
制备并研究下列实施例中给出的液晶组合物。下面显示了各液晶组合物的组成和其性能参数测试结果。
表2、表3和表4所列是对照例液晶组合物的成分、配比及填充于液晶显示器两基板之间进行性能测试的测试结果，以便于与说明本发明液晶组合物进行性能对比。
对照例1
按表2中所列的各化合物及重量百分数配制成对照例1的液晶组合物，其填充于液晶显示器两基板之间进行性能测试，测试数据如下表所示：
表2液晶组合物配方及其测试性能
对照例2
按表3中所列的各化合物及重量百分数配制成对照例2的液晶组合物，其填充于液晶显示器两基板之间进行性能测试，测试数据如下表所示：
表3液晶组合物配方及其测试性能
对照例3
按表4中所列的各化合物及重量百分数配制成对照例3的液晶组合物，其填充于液晶显示器两基板之间进行性能测试，测试数据如下表所示：
表4液晶组合物配方及其测试性能
实施例1
按表5中所列的各化合物及重量百分数配制成实施例1的液晶组合物，其填充于液晶显示器两基板之间进行性能测试，测试数据如下表所示：
表5液晶组合物配方及其测试性能
实施例2
按表6中所列的各化合物及重量百分数配制成实施例2的液晶组合物，其填充于液晶显示器两基板之间进行性能测试，测试数据如下表所示：
表6液晶组合物配方及其测试性能
实施例3
按表7中所列的各化合物及重量百分数配制成实施例3的液晶组合物，其填充于液晶显示器两基板之间进行性能测试，测试数据如下表所示：
表7液晶组合物配方及其测试性能
实施例4
按表8中所列的各化合物及重量百分数配制成实施例4的液晶组合物，其填充于液晶显示器两基板之间进行性能测试，测试数据如下表所示：
表8液晶组合物配方及其测试性能
实施例1、实施例2、实施例3以及实施例4所述的液晶组合物，分别对应在不同种类的IPS类产品中的使用。
通过对照例1、实施例1和实施例4，我们可以看出，所述的液晶组合物的电压、清亮点以及光学各向异性的规格，可以适用于4V驱动的采用IPS模式的手机类产品，但是参照实施例1和实施例4，可以看到，对照例1的旋转粘度γ1明显偏高，其旋转粘度γ1大于100，实施例1和实施例4的旋转粘度γ1在70-80之间，因此，实施例1和实施例4所述的液晶组合物的响应速度具有明显的优势。
对照例2和实施例2所述液晶组合物，具有良好的光学各向异性和适当高的清亮点，可以应用于采用IPS模式的手机类产品，但是参照对照例2和实施例2，可以看到，实施例2的介电各向异性明显大于对照例2，对照例2所述液晶组合物应用于4.5V驱动的采用IPS模式的手机类产品时，电压达不到驱动要求。实施例2可以完全满足4.5V驱动。并且实施例2的旋转粘度γ1同样低于对照例2，因此，实施例2所述的液晶组合物的响应速度具有明显的优势。
同样在车载IPS应用方面，参照对照例3和实施例3，可以看到，实施例3的旋转粘度γ1明显低于对照例3。
综上所述，本发明通过将适当的强极性液晶化合物、中等极性液晶化合物和非极性液晶化合物的搭配，精选各类液晶化合物的最优的液晶化合物，得到最适合IPS类产品使用的液晶产品。
需要说明的是，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，但是在本发明基础上，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作出的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (11)

1.一种适用于共面转换模式的液晶组合物，其中，所述液晶组合物，由下列化合物组成：
占所述液晶组合物总重量25-55％的一种或多种通式Ⅰ的化合物
占所述液晶组合物总重量20-40％的一种或多种通式Ⅱ的化合物
占所述液晶组合物总重量5-25％的一种或多种通式Ⅲ的化合物
占所述液晶组合物总重量5-20％的一种或多种通式Ⅳ的化合物
占所述液晶组合物总重量5-25％的一种或多种通式Ⅴ的化合物
其中，
R1、R3、R4、R5、R6和R7相同或不同，各自独立地表示H、碳原子数为1-7的烷基或烷氧基、碳原子数为1-7的氟代烷基或氟代烷氧基或碳原子数为2-7的烯基或烯氧基；
R2表示H或碳原子数为1-5的烷基或烷氧基；
L1和L2相同或不同，各自独立地表示H或F；
n表示0或1，
占所述液晶组合物总重量3-10％的一种或多种通式Ⅵ的化合物
占所述液晶组合物总重量0-10％的一种或多种通式Ⅶ的化合物
占所述液晶组合物总重量0-20％的一种或多种通式Ⅷ的化合物
占所述液晶组合物总重量0-10％的一种或多种通式Ⅸ的化合物
其中，
R8、R9、R10、R11、R12、R13和R14相同或不同，各自独立地表示H、碳原子数为1-7的烷基或烷氧基、碳原子数为1-7的氟代烷基或氟代烷氧基或碳原子数为2-7的烯基或烯氧基；
环表示其中，所述中一个或多个-CH2-可以被-O-取代，其前提是氧原子不相连；所述中一个或多个H可以被F取代，一个或多个-CH＝可以被-N＝取代；
L3表示H或F。
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的化合物占所述液晶组合物总重量的30-50％；所述通式Ⅱ的化合物占所述液晶组合物总重量的23-35％；所述通式Ⅲ的化合物占所述液晶组合物总重量的10-20％；所述通式Ⅳ的化合物占所述液晶组合物总重量的5-16％；所述通式Ⅴ的化合物占所述液晶组合物总重量的5-18％；所述通式Ⅵ的化合物占所述液晶组合物总重量的3-5％；所述通式Ⅶ的化合物占所述液晶组合物总重量的0-5％；所述通式Ⅷ的化合物占所述液晶组合物总重量的0-15％；以及所述通式Ⅸ的化合物占所述液晶组合物总重量的0-8％。
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Ⅰ的化合物选自由如下化合物组成的组中一种或多种化合物：
4.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的化合物选自由如下化合物组成的组中一种或多种化合物：
5.根据权利要求1所述的液晶组合物，其特征在于，所述通式Ⅲ的化合物选自由如下化合物组成的组中一种或多种化合物：
6.根据权利要求1所述的液晶组合物，其特征在于，所述通式Ⅳ的化合物选自由如下化合物组成的组中一种或多种化合物：
7.根据权利要求1所述的液晶组合物，其特征在于，所述通式Ⅴ的化合物选自由如下化合物组成的组中一种或多种化合物：
8.根据权利要求1所述的液晶组合物，其特征在于，所述通式Ⅵ的化合物选自由如下化合物组成的组中一种或多种化合物：
并且
所述通式Ⅶ的化合物选自由如下化合物组成的组中一种或多种化合物：
并且
所述通式Ⅷ的化合物选自由如下化合物组成的组中一种或多种化合物：
并且
所述通式Ⅸ的化合物选自由如下化合物组成的组中一种或多种化合物：
9.根据权利要求1-8中任一项所述的液晶组合物，其特征在于，所述的液晶组合物的光学各向异性值Δn在0.095-0.108之间。
10.根据权利要求1所述的液晶组合物，其特征在于，所述的液晶组合物包含：
占所述液晶组合物总重量3％的化合物Ⅴ-2；
占所述液晶组合物总重量3.5％的化合物Ⅴ-1；
占所述液晶组合物总重量16％的化合物Ⅳ-2；
占所述液晶组合物总重量10％的化合物Ⅲ-3；
占所述液晶组合物总重量36％的化合物Ⅰ-1；
占所述液晶组合物总重量3％的化合物Ⅲ-4；
占所述液晶组合物总重量11％的化合物Ⅱ-2；
占所述液晶组合物总重量3.5％的化合物Ⅱ-4；
占所述液晶组合物总重量7％的化合物Ⅱ-5；以及
占所述液晶组合物总重量7％的化合物Ⅱ-6，
或者所述液晶组合物包含：
占所述液晶组合物总重量4％的化合物Ⅴ-2；
占所述液晶组合物总重量5％的化合物Ⅴ-1；
占所述液晶组合物总重量6％的化合物Ⅴ-7；
占所述液晶组合物总重量10％的化合物Ⅳ-2；
占所述液晶组合物总重量10％的化合物Ⅲ-3；
占所述液晶组合物总重量33％的化合物Ⅰ-1；
占所述液晶组合物总重量8％的化合物Ⅰ-2；
占所述液晶组合物总重量10％的化合物Ⅱ-2；
占所述液晶组合物总重量6％的化合物Ⅱ-4；以及
占所述液晶组合物总重量8％的化合物Ⅱ-5，
或者所述液晶组合物包含：
占所述液晶组合物总重量5％的化合物Ⅶ-2；
占所述液晶组合物总重量5％的化合物Ⅴ-2；
占所述液晶组合物总重量15％的化合物Ⅳ-2；
占所述液晶组合物总重量10％的化合物Ⅲ-3；
占所述液晶组合物总重量31％的化合物Ⅰ-1；
占所述液晶组合物总重量9％的化合物Ⅲ-4；
占所述液晶组合物总重量14％的化合物Ⅱ-2；
占所述液晶组合物总重量5％的化合物Ⅱ-4；以及
占所述液晶组合物总重量6％的化合物Ⅱ-5，
或者所述液晶组合物包含：
占所述液晶组合物总重量2％的化合物Ⅴ-2；
占所述液晶组合物总重量5％的化合物Ⅴ-1；
占所述液晶组合物总重量16％的化合物Ⅳ-2；
占所述液晶组合物总重量10％的化合物Ⅲ-3；
占所述液晶组合物总重量34％的化合物Ⅰ-1；
占所述液晶组合物总重量3％的化合物Ⅵ-1；
占所述液晶组合物总重量3％的化合物Ⅲ-4；
占所述液晶组合物总重量16％的化合物Ⅱ-2；
占所述液晶组合物总重量3％的化合物Ⅱ-4；
占所述液晶组合物总重量4％的化合物Ⅱ-5；以及
占所述液晶组合物总重量4％的化合物Ⅱ-6。
11.一种电光学液晶显示器，所述液晶显示器包含权利要求1-8任一项所述的液晶组合物。
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