CN110819360B - 含有环戊基的环己烯基团的负性单体的液晶组合物及其液晶显示元件 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种液晶组合物及使用该液晶组合物的显示元件，液晶组合物中含有一种或多种通式Ⅰ、通式Ⅱ、通式Ⅲ化合物，
Description
技术领域
本中请发明属于液晶化合物领域，具体涉及一种负介电各向异性液晶组合物，以及应用该液晶组合物的液晶显示元件。
背景技术
显示是把电信号(数据信息)转变为可视光(视觉信息)的过程，完成显示的设备即人机界面(Man-Machine Interface，MMI)，平板显示器(Flat Panel Display，FPD)是目前最为流行的一类显示设备。液晶显示器(Liquid Crystal Display，LCD)是FPD中最早被开发出来，并被商品化的产品。目前，薄膜晶体管液晶显示器(Thin Film Transistor LiquidCrystal，TFT-LCD)已经成为LCD应用中的主流产品。
TFT-LCD的发展经历了漫长的基础研究阶段，在实现大生产，商业化之后，TFT-LCD产品以其轻薄、环保、高性能等优点，其尺寸越做越大，应用越来越广。无论是小尺寸的手机屏、还是大尺寸的笔记本电脑(Notebook PC)或监视器(Monitor)，以及大型化的液晶电视(LCDTV)，到处可见TFT-LCD的应用。早期商用的TFT-LCD产品基本采用了扭曲向列(TwistedNematic，TN)型显示模式，其最大问题是视角不够大。随着TFT-LCD产品尺寸的增加，特别是TFT-LCD在TV领域的应用，具有广视野角特点的面内切换(In-Plane Swiching，IPS)显示模式被开发出来并加以运用。IPS显示模式最早由美国人R.Soref(索里夫)在1974年论文上发表，并由德国人G.Baur(鲍尔)提出把IPS作为广视角技术应用于TFT-LCD中。1995年，日本的日立公司开发出了世界首款13.3寸IPS模式的广视野角TFT-LCD产品。韩国的现代公司在IPS的基础上开发了边缘电场切换(Fringe Field Switching，FFS)显示模式的TFT-LCD产品。
TFT-LCD是TFT开关控制下的液晶显示装置，液晶的电学和光学特性直接影响到显示的效果。不同种类的液晶，电学和光学特性不同，显示模式不同。对TFT-LCD所用的液晶材料影响较大的性能参数有：工作温度范围、驱动电压、响应速度、对比度、色调、阶调、视野角等，其中驱动电压受介电常数各向异性和弹性系数影响较大，粘度和弹性系数影响液晶材料的响应速度，相位差和折射率各向异性则影响液晶显示的色调。以往那些含氰基化合物是无法满足这些条件的，只有含氟的液晶材料才能适用于制作TFT-LCD。
另外，一种液晶分子是无法达到TFT-LCD显示的所有要求，必须要进行多种液晶分子的组合。通过组合多种液晶分子可以实现液晶材料的各种物理特性要求，这些要求主要包括1)高稳定性。2)适度的双折射率。3)低粘度。4)较大的介电各向异性。5)宽的温度范围。理想的保存温度范围为-40℃～100℃，一般有特殊应用如车载显示，该温度可能扩宽到-40℃～110℃。
现如今，LCD产品技术已经很成熟，成功地解决了视角、分辨率、色饱和度和亮度等技术难度，其显示性能已经接近或超过CRT显示器。大尺寸和中小尺寸LCD在各自的领域已逐渐占据平板显示器的主流地位。为了追求更高的性能规格，加快响应时间已经成为各家器件厂商追求的目标。
具体而言，液晶的响应时间受限于液晶的旋转粘度γ1/弹性常数K，因此从液晶材料方面考虑，需要想尽方法去降低液晶介质的旋转粘度γ1同时提升弹性常数K来达到加快响应时间。而在实际研究中发现，旋转粘度和弹性常数是一对较为矛盾的参数，降低旋转粘度的同时会引起弹性常数的下降，达不到降低响应时间的目标。从器件方面可以通过降低盒厚d来达到加快响应时间的目标，而且这是很容易实现的，但是由于器件的延迟量Δnd是固定的，那么降低盒厚d则需要在液晶材料方面提高其光学各向异性Δn。
因此，为了达到上述要求，需要开发一系列性能优越的化合物来解决液晶显示器响应时间慢的问题。
发明内容
针对现有末端基团烷基类的环己烯基团的负性液晶化合物存在专利问题及含有环戊基取代基的环己烷基团的负性液晶化合物折射率低的技术问题，本发明意在提供一种含有环戊基的环己烯基团的负性液晶化合物的液晶介质。该液晶组合物的光学各向异性在0.080～0.150范围内，具有宽的向列型温度范围、良好的低温性能，并且具有良好的互溶性，还具有良好的光和热稳定性，同时还具有低的旋转粘度、较快的响应时间，适合于高性能的显示元件。本文中的“显示元件”一词，其涵盖的范围包含了一般所述的显示器、显示装置等。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：
本发明提供了一种液晶组合物，其包含由一种或多种通式Ⅰ所示化合物组成的第一组份、由一种或多种通式Ⅱ所示化合物组成的第二组份以及由一种或多种通式Ⅲ所示化合物组成的第三组份，
其中，
R1、R2、R3、R4、R5各自独立地表示碳原子数为1-5的烷基、碳原子数为1-5的烷氧基、碳原子数为2-5的链烯基，所述R4、R5所示基团中任一个CH2可以被碳原子数为3-5的亚环烷基替代；
m表示1或2，n表示0或1；
Z表示单键、-COO-、-CH2O-或-CH2CH2-；
由于采用了上述技术方案，本发明所取得的技术进步在于：
本发明公开了一种负介电各向异性液晶介质，该液晶介质性能优异，光学各向异性在0.080～0.150范围内，并且具有低的旋转粘度、较快的响应时间、适当的负介电各向异性和良好的低温可靠性，非常适用于制造VA模式的液晶显示元件，尤其适合于有源矩阵显示元件，如使用FFS或IPS、MVA、PVA、PSVA、UV2A效应的有源矩阵显示器。
本发明提供的通式Ⅰ所示化合物，由于引入了环戊基取代基，不仅规避了末端基团为烷基类的负性液晶化合物的专利问题，也同时提高了其清亮点和K33数值；且由于环己烯基团的引入，较环己烷类基团提高了负性液晶化合物的折射率。因而使得包含有通式Ⅰ所示液晶化合物的液晶介质具有很高的清亮点、大的介电各向异性、大的K33值和高的折射率。正是因为通式Ⅰ所示液晶化合物具有此类优点，未来将成为有源矩阵显示元件用液晶介质的所需液晶化合物。
本发明提供的通式Ⅱ所示的介电中性的化合物，一般具有较小的黏度和良好的互溶性。根据实际需要，可以加入适量的通式Ⅱ化合物来对液晶介质的各项特性进行调整。
本发明提供的通式Ⅲ所示的介电负性的化合物，末端为直链烷基基团的化合物可以用来降低液晶的预倾角，以改善液晶的黑态，提高对比度并且调整液晶的有序度，以改善液晶在显示器件中的残像水平；末端为直链烯基基团的化合物由于其具有大的K值，在撤电后，由于本身弹性常数作用，可以间接提升其响应时间的下降时间。
本发明技术方案的进一步改进在于：所述液晶组合物中，第一组份的质量百分含量为1～55％，第二组份的质量百分含量为1～55％，第三组份的质量百分含量为1～50％。
本发明技术方案的进一步改进在于：所述通式Ⅰ所示化合物具体为式Ⅰ1～Ⅰ3所示的化合物，
所述通式Ⅱ所示化合物具体为式Ⅱ1～Ⅱ5所示化合物，
所述通式Ⅲ所示化合物具体为式Ⅲ1～Ⅲ20所示化合物，
其中，
r表示1～5的整数；
R2、R3、R4、R5各自独立地表示碳原子数为1-5的烷基、碳原子数为1-5的烷氧基、碳原子数为2-5的链烯基，所述R4、R5所示基团中中任一个CH2可以被碳原子数为3-5的亚环烷基替代。
优选地，所述通式Ⅰ所示化合物具体为式Ⅰ1-1～Ⅰ3-10所示化合物，
优选地，所述通式Ⅱ所示化合物具体为式Ⅱ1-1～Ⅱ5-4所示化合物，
优选地，所述通式Ⅲ所示化合物具体为式Ⅲ1-1～Ⅲ17-3所示化合物，
本发明技术方案的进一步改进在于：所述液晶组合物还包含由一种或多种通式Ⅳ所示化合物组成的第四组份，所述液晶组合物中第四组份的质量百分含量为1～30％，
其中，
R6表示碳原子数为1～5的直链烷基，其中任一个CH2可以被碳原子数为3-5的亚环烷基替代；
R7表示碳原子数为1～5的直链烷基。
本发明技术方案的进一步改进在于：所述通式Ⅳ所示化合物具体为式Ⅳ1～Ⅳ8所示化合物，
其中，
R6表示碳原子数为1～5的直链烷基，其中任一个CH2可以被碳原子数为3-5的亚环烷基替代。
优选地，所述通式Ⅳ所示化合物具体为式Ⅳ1-1～Ⅳ5-1所示化合物，
本发明技术方案的进一步改进在于：所述液晶组合物还包含由一种或多种通式Ⅴ所示化合物组成的第五组份，所述液晶组合物中第五组份的质量百分含量为1～15％，
其中，
R8、R9各自独立地表示碳原子数为1-5的烷基、碳原子数为1-5的烷氧基、碳原子数为2-5的链烯基，所述R8、R9所示基团中任一个CH2可以被碳原子数为3-5的亚环烷基替代；
W表示O或S。
本发明技术方案的进一步改进在于：所述通式Ⅴ所示化合物具体为式Ⅴ1～Ⅴ2所示化合物，
其中，
R8、R9各自独立地表示碳原子数为1-5的烷基、碳原子数为1-5的烷氧基、碳原子数为2-5的链烯基，所述R8、R9所示基团中任一个CH2可以被碳原子数为3-5的亚环烷基替代；
优选地，所述通式Ⅳ所示化合物具体为式Ⅴ1-1～Ⅴ2-2所示化合物，
本发明技术方案的进一步改进在于：所述液晶组合物还包含由一种或多种通式Ⅵ所示化合物组成的第六组份，所述液晶组合物中第六组份的质量百分含量为1～15％，
其中，R10、R11各自独立地表示碳原子数为1-5的烷基、碳原子数为1-5的烷氧基、碳原子数为2-5的链烯基，所示R10、R11所示基团中任一个CH2可以碳原子数为3-5的亚环烷基替代。
优选地，所述通式Ⅳ所示化合物具体为式Ⅵ1和Ⅵ2所示化合物，
R111表示碳原子数为1-5的烷氧基。
本发明还公开了包含上述的负介电各向异性液晶组合物的液晶显示元件，所述显示元件为有源矩阵显示元件或无源矩阵显示元件。
由于采用了上述技术方案，本发明取得的技术进步在于：
本发明公开的液晶介质性能优异，光学各向异性在0.080～0.150范围内，并且具有低的旋转粘度、较快的响应时间、和良好的化学、光、热稳定性，非常适用于制造液晶显示元件，尤其适合于有源矩阵显示元件，如使用VA、FFS或IPS模式的有源矩阵显示器。
详细而言，本发明公开的液晶组合物具有较低的粘度、与其他液晶性化合物的良好的相容性，且具有适当大小的光学各向异性及介电常数各向异性，使用于液晶显示元件中的情形时，具有快速响应特征的液晶组成物以及含有该液晶组成物的液晶显示元件。
本发明公开的液晶组合物，各成分的不同比例，会表现出略有差异的性能，比如介电各向异性Δε、光学各向异性Δn、液晶的向列相转化为液体的转变温度点CP、低温下稳定性都会有所差异，可以应用于不同类型的显示器件，但是相同的特点是其旋转粘度γ1较低。应用于液晶显示器件，可以实现快速响应。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步详细说明：
下述实施例中所涉及的份数均为重量百分含量，温度单位为℃，其他符号的具体意义及测试条件如下：
S-N表示液晶的晶态到向列相的熔点(℃)；
Cp表示液晶的清亮点(℃)，测试仪器：Mettler-Toledo-FP System显微热分析仪；
γ1为旋转粘度(mPa·s)，测试条件为：25℃、INSTEC:ALCT-IR1、20微米平行盒或18微米垂直盒；
K11为扭曲弹性常数，K33为展曲弹性常数，测试条件为：25℃、INSTEC:ALCT-IR1、20微米平行盒或18微米垂直盒；
△ε表示介电各向异性，△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：25℃、INSTEC:ALCT-IR1、20微米平行盒或18微米垂直盒；
Δn表示光学各向异性，△n＝no-ne，其中，no为寻常光的折射率，ne为非寻常光的折射率，测试条件：589nm、25±0.2℃；
下面的实施例1～6分别按比例称取液晶化合物，制备得液晶介质。所使用的各种液晶单体均可以通过公知的方法进行合成，或通过商业途径获得。
制备液晶介质所用的设备和仪器为：
(1)电子精密天平(精确度0.1mg)
(2)不锈钢烧杯：用于称量液晶
(3)勺子：用于加入单体
(4)磁力转子：用于搅拌
(5)控温电磁搅拌器
液晶介质的制备方法包括以下步骤：
(1)将所用单体按顺序摆放整齐；
(2)把不锈钢烧杯放置在天平上，用小勺将单体盛入不锈钢烧杯中；
(3)依次按所需重量添加单体液晶；
(4)把加好料的不锈钢烧杯放置在磁力搅拌仪器上加热融化；
(5)待不锈钢烧杯中混合物大部份融化后，往不锈钢烧杯中加入一颗磁力转子，将液晶混合物搅拌均匀，冷却到室温后即得液晶介质。
本发明申请实施例液晶单体结构用代码表示，液晶环结构、端基、连接基团的代码表示方法见下表(一)、表(二)
表(一)：环结构的对应代码
表(二)：端基与链接基团的对应代码
例如：
表示为3CCV1，
实施例1
实施例2
实施例3
实施例4
实施例5
实施例6
实施例7
实施例8
实施例8的对比例1
实施例8的对比例2
实施例8的对比例3
实施例8的对比例4
实施例8的对比例5
由以上实施例8的对比例可以看出：本发明的液晶组合物较环戊基和烷基类CY及烷基类的LY具有较高的折射率和较低的旋转粘度γ1，与烷基类的CLY相比折射率和清亮点虽低，但其旋转粘度γ1特别低，将本发明的液晶组合物用于液晶显示，可以实现快速响应，尤其适合于VA、IPS、FFS模式用液晶材料。
Claims (8)
1.一种液晶组合物，其特征在于：所述液晶组合物包含由一种或多种通式Ⅰ所示化合物组成的第一组份、由一种或多种通式Ⅱ所示化合物组成的第二组份以及由一种或多种通式Ⅲ1～III17所示化合物组成的第三组份：
其中，
R1、R2、R3、R4、R5各自独立地表示碳原子数为1-5的烷基、碳原子数为1-5的烷氧基或碳原子数为2-5的链烯基，所述R4、R5所示基团中任一个CH2可以被碳原子数为3-5的亚环烷基替代；
m表示1或2；
所述液晶组合物中，所述第一组份的质量百分含量为1～30％，所述第二组份的质量百分含量为10～65％，所述第三组份的质量百分含量为1～50％。
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所示化合物为式Ⅰ1～Ⅰ3所示的化合物，
所述通式Ⅱ所示化合物为式Ⅱ1～Ⅱ5所示化合物，
其中，
式I1和式I2中，r表示1～5的整数；式I3中，r表示2～5的整数；
R2、R3各自独立地表示碳原子数为1-5的烷基、碳原子数为1-5的烷氧基、碳原子数为2-5的链烯基。
3.根据权利要求1所述的液晶组合物，其特征在于：所述液晶组合物还包含由一种或多种通式Ⅳ所示化合物组成的第四组份，所述第四组份的质量百分含量为1～30％，
其中，
R6表示碳原子数为1～5的直链烷基，其中任一个CH2可以被碳原子数为3-5的亚环烷基替代；
R7表示碳原子数为1～5的直链烷基。
4.根据权利要求3所述的液晶组合物，其特征在于：所述通式Ⅳ所示化合物为式Ⅳ1～Ⅳ5所示化合物，
其中，
R6表示碳原子数为1～5的直链烷基，其中任一个CH2可以被碳原子数为3-5的亚环烷基替代。
5.根据权利要求1所述的液晶组合物，其特征在于：所述液晶组合物还包含由一种或多种通式Ⅴ所示化合物组成的第五组份，所述第五组分的质量百分含量为1～15％：
其中，
R8、R9各自独立地表示碳原子数为1-5的烷基、碳原子数为1-5的烷氧基或碳原子数为2-5的链烯基，所述R8、R9所示基团中任一个CH2可以被碳原子数为3-5的亚环烷基替代；
W表示O或S。
6.根据权利要求1所述的液晶组合物，其特征在于：所述液晶组合物还包含由一种或多种通式Ⅵ所示化合物组成的第六组份，所述第六组份的质量百分含量为1～15％：
其中，R10、R11各自独立地表示碳原子数为1-5的烷基、碳原子数为1-5的烷氧基或碳原子数为2-5的链烯基，所述R10、R11所示基团中任一个CH2可以碳原子数为3-5的亚环烷基替代。
7.一种包含权利要求1-6中任一所述的液晶组合物的液晶显示元件，其特征在于，所述显示元件为有源矩阵显示元件或无源矩阵显示元件。
8.根据权利要求7所述的液晶显示元件，其特征在于，所述有源矩阵显示元件为TN-TFT、IPS-TFT或VA-TFT液晶显示元件。
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