CN109251749B - 一种快速响应的液晶组合物及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及液晶显示领域，特别涉及一种快速响应的液晶组合物，其包含质量百分比大于40％的式I化合物，以及至少一种通式II所代表的化合物，其中，本发明提供的通式II所代表的化合物为含有2‑甲基‑3,4,5‑三氟苯结构与二氟甲氧基桥键的极性化合物，该结构具有大的介电各向异性。本发明所述液晶组合物具有低粘度、高电阻率、良好的低温互溶性以及快的响应速度，可用于多种显示模式的快响应液晶显示，其在TN、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，尤其适用于IPS/FFS模式液晶显示器。
Description
技术领域
本发明涉及液晶材料领域，具体涉及一种具有低的旋转粘度和大的光学各向异性的液晶组合物，确切地说，该液晶组合物具有非常快的响应速度，以及该组合物在液晶显示领域的应用。
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 Liquid Crystal 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(Super Twisred 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，LCD产品技术已经成熟，成功地解决了视角、分辨率、色饱和度和亮度等技术难题，其显示性能已经接近或超过CRT显示器。目前电视市场主要以LCD显示为主，点使用LCD对于响应时间的要求更为苛刻，尤其在3D技术应用于电视产品中，要求的响应时间更加苛刻，响应时间慢会导致3D显示画面拖尾和失真，影响观看。液晶显是主要依靠电场作用下分子结构发生重排而达到控制光通过的机理，发生重排过程中必然会受到自身和外界阻力的影响，其最大阻力源于液晶的粘滞阻力，液晶显示器受限于自身的旋转粘度问题，导致响应时间成为电视液晶显示器的最大难题。
具体而言，液晶的响应时间
其中，γ1代表旋转粘度，Keff代表有效弹性常数值，d代表液晶层厚度。降低液晶层厚度对于提升液晶响应时间非常有效，液晶层的厚度d＝K/△n，△n为光学各向异性，K为延迟量定值，所以增加光学各向异性对于降低液晶层厚度，进而改善响应时间非常有效；降低γ1和提升Keff对于提升响应时间也有着重要的作用。
发明内容
本发明的目的是提供一种快速响应的液晶组合物，该组合物具有大的光学各向异性、低的旋转粘度和大的弹性常数，表现为具有较短的响应时间，从而有效地解决液晶显示器响应速度慢的问题。
本发明所提供的液晶组合物，包含40％(质量百分比)以上的式I化合物：
优选地，本发明所提供的液晶组合物包含大于等于45％质量百分比的式I的化合物；更优选大于等于47％质量百分比的式I的化合物；特别优选大于等于50％质量百分比的式I的化合物。
以及至少包含一种通式II所代表的化合物：
其中，R1代表C1～C12的直链烷基或C2～C12的直链烯基；L代表H或F；A1代表：
优选地，通式II所代表的化合物选自式IIA、IIB或IIC中的一种或多种化合物：
其中：R1代表C1～C7的直链烷基或C2～C7的直链烯基；
本发明提供的IIA、IIB、IIC所代表的化合物为含有2-甲基-3,4,5-三氟苯结构与二氟甲氧基桥键的极性化合物，该结构具有大的介电各向异性。
本发明提供的液晶组合物，在其所有组分的用量总和为100％的情况下，通式II所代表的化合物在组合物中的含量在3～35％为宜，优选5～30％，更优选15～20％或10～27％，此时有利于提供液晶组合物所需要的的介电各向异性，符合液晶显示器的驱动电压需求。
优选地，式IIA、IIB、IIC的化合物选自式IIA1～IIA4、IIB1～IIB4、IIC1～IIC4中的一种或多种：
更优选地，IIA、IIB、IIC化合物选自式IIA2、IIB1、IIB2、IIC1、IIC2中的一种或多种。
本发明所提供的液晶组合物还可以包含至少一种通式III的化合物：
其中，R2代表C1～C12的直链烷基、C1～C12的直链烷氧基或C2～C12的直链烯基；
本发明提供的通式III所代表的三联苯类化合物具有高的光学各向异性，本发明提供的液晶组合物，在其所有组分的用量总和为100％的情况下，通式III所代表的化合物在组合物中的含量在0～30％为宜，当其加入量不为0时，优选为3～21％，更优选9～19％或15～21％，上述用量范围的通式III所代表的化合物对于提升组合物的光学各向异性起到了显著作用。
优选地，所述通式III所代表的化合物选自式IIIA1～式IIIB1中的一种或多种：
更优选地，本发明所提供的式III的化合物选自IIIA2、IIIA3、IIIA5、IIIB1中的一种或多种。
本发明所提供的液晶组合物还可以包含一种或多种通式IV的化合物：
其中，R3、R4各自独立地选自C1～C12的直链烷基，其中一个或多个不相邻的CH2可以被O、S或CH＝CH取代；
A2代表反式1，4-环己基或1，4-亚苯基。
本发明提供的液晶组合物，在其所有组分的用量总和为100％的情况下，通式IV所代表的化合物在组合物中的含量在0～40％为宜，优选将其作为必加组分，此时的合适加入量为3～40％，优选8～33％，更优选8～25或21～33％或10～21％，此时有利于提升液晶组合物的清亮点和弹性常数。
优选地，通式IV所代表的化合物选自式IVA～式IVB以下化合物的一种或多种：
其中，R3代表C2～C10的直链烷基或直链烯基；R4代表C1～C8的直链烷基。
更优选地，通式IV所代表化合物选自式IVA1～式IVB22结构中的一种或多种：
更优选地，通式IV所代表的化合物选自IVA1、IVA3、IVA14、IVA18、IVA22、IVB3、IVB12、IVB16、IVB18中的一种或多种。
本发明所提供的液晶组合物还可以包含一种或多种通式V所代表的化合物：
其中，R5代表C1～C7的直链烷基；R6代表C1～C7的直链烷基、直链烷氧基或C2～C7的直链烯基。
本发明提供的液晶组合物，在其所有组分的用量总和为100％的情况下，通式V所代表的化合物在组合物中的含量在0～15％为宜，当其加入量不为0时，优选为4～8％，此时有利于降低液晶组合物的旋转粘度和提升光学各向异性。
优选的，通式V所代表的化合物选自式VA1～式VA24所代表的化合物的一种或几种：
更优选地，本发明所提供的通式V的化合物选自VA2、VA4、VA15和VA16中的一种或多种。
本发明所提供的液晶组合物还可以包含一种或多种通式VI所代表的化合物：
其中，R7代表C1～C7的直链烷基；A3代表反式1，4-环己基或1，4-亚苯基。
通式VI所代表的化合物具有较大的介电各向异性及大的弹性常数，本发明提供的液晶组合物，在其所有组分的用量总和为100％的情况下，通式VI所代表的化合物在组合物中的含量在0～10％为宜，当其加入量不为0时，优选5％，此时有利于提高液晶组合物的介电各向异性和弹性常数。
具体地，通式VI所代表的化合物选自VIA和VIB中的一种或多种：
其中，R7代表C2～C5的直链烷基。
优选地，通式VI所代表的化合物选自VIA1～VIB4中的一种或多种：
更优选地，通式VI所代表的化合物选自VIA2、VIA4、VIB1、VIB2中的一种或多种。
本发明所提供的液晶组合物还可以包含一种或多种通式VII所代表的化合物：
其中，R8代表C1～C7的直链烷基；
通式VII所代表的化合物具有高的清亮点，可有效提升液晶组合物的清亮点，本发明提供的液晶组合物，在其所有组分的用量总和为100％的情况下，通式VII所代表的化合物在组合物中的含量在0～15％为宜，当其加入量不为0时，优选为1～7％，更优选3～7％，此时可有效提升液晶组合物的清亮点。
具体地，通式VII所代表的化合物选自式VIIA1～VIIA4中的一种或多种：
本发明所提供的液晶组合物还可以包含一种或多种通式VIII所代表的化合物：
其中，R9、R10各自独立地代表C1～C7的直链烷基；
通式VIII所代表的化合物具有高的清亮点，本发明提供的液晶组合物，在其所有组分的用量总和为100％的情况下，通式VIII所代表的化合物在组合物中的含量在0～10％为宜，当其加入量不为0时，优选2～5％，此时可有效提升液晶组合物的清亮点。
具体地，通式VIII所代表的化合物选自VIIIA1～VIIIA10中的一种或多种：
优选地，通式VIII所代表的化合物选自VIIIA2、VIIIA5、VIIIA7中的一种或多种；最优选式VIIIA5。
为确保本发明所述液晶介质中各组分之间实现更为显著的协同效应，以有效提高所述液晶材料的综合应用性能，本发明进一步对所述液晶材料的中各组分的用量进行了优选。
具体的而言，本发明所述液晶组合物包含以下重量百分比的组分：
1)、40～60％的一种或多种通式(I)所代表的化合物；
2)、3～35％的一种或多种通式(II)所代表的化合物；
3)、0～30％的一种或多种通式(III)所代表的化合物；
4)、3～40％的一种或多种通式(IV)所代表的化合物；
5)、0～15％的一种或多种通式(V)所代表的化合物；
6)、0～10％的一种或多种通式(VI)所代表的化合物；
7)、0～15％的一种或多种通式(VII)所代表的化合物；
8)、0～10％的一种或多种通式(VIII)所代表的化合物；
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)、43～58％的一种或多种通式(I)所代表的化合物；
2)、5～30％的一种或多种通式(II)所代表的化合物；
3)、0～25％的一种或多种通式(III)所代表的化合物；
4)、5～35％的一种或多种通式(IV)所代表的化合物；
5)、0～10％的一种或多种通式(V)所代表的化合物；
6)、0～8％的一种或多种通式(VI)所代表的化合物；
7)、0～10％的一种或多种通式(VII)所代表的化合物；
8)、0～8％的一种或多种通式(VIII)所代表的化合物；
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)、45～55％的一种或多种通式(I)所代表的化合物；
2)、7～27％的一种或多种通式(II)所代表的化合物；
3)、0～21％的一种或多种通式(III)所代表的化合物；
4)、8～33％的一种或多种通式(IV)所代表的化合物；
5)、0～8％的一种或多种通式(V)所代表的化合物；
6)、0～5％的一种或多种通式(VI)所代表的化合物；
7)、0～7％的一种或多种通式(VII)所代表的化合物；
8)、0～5％的一种或多种通式(VIII)所代表的化合物；
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)、47～55％的一种或多种通式(I)所代表的化合物；
2)、7～27％的一种或多种通式(II)所代表的化合物；
3)、0～21％的一种或多种通式(III)所代表的化合物；
4)、8～25％的一种或多种通式(IV)所代表的化合物；
5)、0～7％的一种或多种通式(V)所代表的化合物；
6)、0～5％的一种或多种通式(VI)所代表的化合物；
7)、0～7％的一种或多种通式(VII)所代表的化合物；
8)、0～5％的一种或多种通式(VIII)所代表的化合物；
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)、50～55％的一种或多种通式(I)所代表的化合物；
2)、7～27％的一种或多种通式(II)所代表的化合物；
3)、0～21％的一种或多种通式(III)所代表的化合物；
4)、8～25％的一种或多种通式(IV)所代表的化合物；
5)、0～7％的一种或多种通式(V)所代表的化合物；
6)、0～5％的一种或多种通式(VI)所代表的化合物；
7)、0～7％的一种或多种通式(VII)所代表的化合物；
8)、0～5％的一种或多种通式(VIII)所代表的化合物；
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)、45～60％的一种或多种通式(I)所代表的化合物；
2)、5～30％的一种或多种通式(II)所代表的化合物；
3)、1～25％的一种或多种通式(III)所代表的化合物；
4)、5～30％的一种或多种通式(IV)所代表的化合物；
5)、0～10％的一种或多种通式(V)所代表的化合物；
6)、0～8％的一种或多种通式(VI)所代表的化合物；
7)、0～10％的一种或多种通式(VII)所代表的化合物；
8)、0～8％的一种或多种通式(VIII)所代表的化合物；
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)、47～55％的一种或多种通式(I)所代表的化合物；
2)、7～27％的一种或多种通式(II)所代表的化合物；
3)、3～21％的一种或多种通式(III)所代表的化合物；
4)、8～25％的一种或多种通式(IV)所代表的化合物；
5)、0～7％的一种或多种通式(V)所代表的化合物；
6)、0～5％的一种或多种通式(VI)所代表的化合物；
7)、0～7％的一种或多种通式(VII)所代表的化合物；
8)、0～5％的一种或多种通式(VIII)所代表的化合物；
特别优选地，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)、50～55％的一种或多种通式(I)所代表的化合物；
2)、7～27％的一种或多种通式(II)所代表的化合物；
3)、3～21％的一种或多种通式(III)所代表的化合物；
4)、8～25％的一种或多种通式(IV)所代表的化合物；
5)、0～7％的一种或多种通式(V)所代表的化合物；
6)、0～5％的一种或多种通式(VI)所代表的化合物；
7)、0～7％的一种或多种通式(VII)所代表的化合物；
8)、0～5％的一种或多种通式(VIII)所代表的化合物；
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)、45～55％的一种或多种通式(I)所代表的化合物；
2)、8～30％的一种或多种通式(II)所代表的化合物；
3)、18～35％的一种或多种通式(IV)所代表的化合物；
4)、0～10％的一种或多种通式(V)所代表的化合物；
5)、0～7％的一种或多种通式(VII)所代表的化合物；
6)、0～8％的一种或多种通式(VIII)所代表的化合物；
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)、45～51％的一种或多种通式(I)所代表的化合物；
2)、10～27％的一种或多种通式(II)所代表的化合物；
3)、20～33％的一种或多种通式(IV)所代表的化合物；
4)、0～8％的一种或多种通式(V)所代表的化合物；
5)、0～4％的一种或多种通式(VII)所代表的化合物；
6)、0～5％的一种或多种通式(VIII)所代表的化合物；
特别优选地，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)、53～55％的一种或多种通式(I)所代表的化合物；
2)、16～17％的一种或多种通式(II)所代表的化合物；
3)、15～21％的一种或多种通式(III)所代表的化合物；
4)、8～13％的一种或多种通式(IV)所代表的化合物；
5)、0～2％的一种或多种通式(VIII)所代表的化合物；
特别优选地，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)、47～51％的一种或多种通式(I)所代表的化合物；
2)、15～20％的一种或多种通式(II)所代表的化合物；
3)、0～17％的一种或多种通式(III)所代表的化合物；
4)、10～21％的一种或多种通式(IV)所代表的化合物；
5)、1～7％的一种或多种通式(VII)所代表的化合物；
6)、5％的一种或多种通式(VIII)所代表的化合物。
特别优选地，本发明所提供的液晶组合物包含以下重量百分比的组分：
除特殊说明外，本发明所述液晶组合物中各组分的总质量百分比之和均为100％。
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。
本发明所述液晶组合物具有低粘度、高电阻率、良好的低温互溶性以及快的响应速度，可用于多种显示模式的快响应液晶显示，
其在TN、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，尤其适用于IPS/FFS模式液晶显示器。
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。
除非另有说明，本发明中百分比为重量百分比；温度单位为摄氏度；△n代表光学各向异性(25℃，589nm)；△ε代表介电各向异性(25℃，1000Hz)；V10代表阈值电压，是在相对透过率改变10％时的特征电压(V，25℃)；γ1代表旋转粘度(mPa.s，25℃)；Cp代表液晶组合物的清亮点(℃)；K11、K22、K33分别代表展曲、扭曲和弯曲弹性常数(pN，25℃)。
以下各实施例中，液晶化合物中基团结构用表1所示代码表示。
表1：液晶化合物的基团结构代码
以如下化合物结构为例：
表示为：3APUQKF
表示为：V2PGPF
以下各实施例中，液晶组合物的制备均采用热溶解方法，包括以下步骤：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。
以下各实施例中，所涉及到的液晶组分，均为已知化合物，可通过市售购得，如可由北京八亿时空液晶科技股份有限公司提供。
以下各实施例中，液晶组合物中各组分的重量百分比及液晶组合物的性能参数见下述表格。
实施例1
表2：液晶组合物中各组分的重量百分比及性能参数
实施例2
表3：液晶组合物中各组分的重量百分比及性能参数
实施例3
表4：液晶组合物中各组分的重量百分比及性能参数
实施例4
表5：液晶组合物中各组分的重量百分比及性能参数
实施例5
表6：液晶组合物中各组分的重量百分比及性能参数
实施例6
表7：液晶组合物中各组分的重量百分比及性能参数
实施例7
表8：液晶组合物中各组分的重量百分比及性能参数
实施例8
表9：液晶组合物中各组分的重量百分比及性能参数
实施例9
表10：液晶组合物中各组分的重量百分比及性能参数
实施例10
表11：液晶组合物中各组分的重量百分比及性能参数
实施例11
表12：液晶组合物中各组分的重量百分比及性能参数
实施例12
表13：液晶组合物中各组分的重量百分比及性能参数
实施例13
表14：液晶组合物中各组分的重量百分比及性能参数
实施例14
表15：液晶组合物中各组分的重量百分比及性能参数
实施例15
表16：液晶组合物中各组分的重量百分比及性能参数
实施例16
表17：液晶组合物中各组分的重量百分比及性能参数
对比例1
表18：液晶组合物中各组分的重量百分比及性能参数
将实施例11与对比例1所得液晶组合物的各性能参数值进行汇总比较，参见表19。
表19：液晶组合物的性能参数比较
| △n | △ε | Cp | γ1 | K<sub>11</sub> | K<sub>22</sub> | K<sub>33</sub> | |
| 实施例1 | 0.113 | +5.4 | 81 | 52 | 12.2 | 6.1 | 14.2 |
| 对比例1 | 0.113 | +5.4 | 80 | 60 | 12.4 | 6.2 | 14.4 |
经比较可知：与对比例1相比，实施例1提供的液晶组合物具有更低的旋转粘度，可改善液晶显示器的响应时间。
由以上实施例可知，本发明所提供的液晶组合物具有低粘度、高电阻率以及优异的光稳定性和热稳定性，可改善液晶显示器的响应时间，从而解决液晶显示器响应速度慢的问题。因此，本发明所提供的液晶组合物适用于快响应的TN、IPS及FFS型TFT液晶显示装置，尤其适用于IPS及FFS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 (3)
1.一种快速响应的液晶组合物，其特征在于：所述液晶组合物由以下重量百分比的组分制成：
2.权利要求1所述液晶组合物在液晶显示领域的应用。
3.权利要求1所述液晶组合物在TN、IPS或FFS模式显示器中的应用。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
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