CN111103736B - 宾主型液晶介质及宾主型液晶光调制器件 - Google Patents

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CN111103736B CN201811259937.5A CN201811259937A CN111103736B CN 111103736 B CN111103736 B CN 111103736B CN 201811259937 A CN201811259937 A CN 201811259937A CN 111103736 B CN111103736 B CN 111103736B
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Abstract

本发明公开了一种宾主型液晶介质及宾主型液晶显示器件，所述宾主型液晶介质包括二色性染料、手性剂及主体液晶，其特征在于，主体液晶包含：一种或更多种通式Ⅰ的化合物，一种或更多种通式Ⅱ的化合物。本发明的宾主型液晶介质具有二色性染料溶解度高、液晶分子排列有序性高、对比度高、低温稳定性好等特点，将本发明的宾主型液晶介质应用于光调制器件中时，所获得的光调制器件同样具有对比例高、低温稳定性好的优点。
Figure DDA0001843674410000011

Description

宾主型液晶介质及宾主型液晶光调制器件
技术领域
本发明属于液晶显示领域，具体涉及到宾主型液晶介质及宾主型液晶光调制器件。
背景技术
目前，光调制器件市场火爆，光调制器件的种类越来越多，广泛应用在汽车玻璃、建筑装饰、户外幕墙等领域。
现有技术中的光调制器件大多是基于聚合物分散液晶(PDLC)或聚合物稳定液晶(PSLC)体系的，这两种体系均是将二色性染料分子添加至主体液晶及光引发剂等混合物中后聚合所得的聚合物网络，在聚合过程中，液晶分子的排列会受到聚合物网络的影响，二色性染料分子的取向也随之改变，这样形成的光调制器件容易产生散射光，影响光调制器件的光学效果，且聚合物网络的材质是有机物，容易在外界环境(如光照、温度)的影响下老化或改变性能，从而影响光调制器件的使用寿命。此外，这两类光调制器件多采用偏光显示，偏光片会吸收掉大部分入射光，显示亮度较低。因此，开发一种具有更好的光学显示效果和更好的耐候性的光调制器件愈发受到重视，其中宾主型液晶显示器件具有很好的开发前景。
宾主型液晶显示器件是将二色性染料(宾体)溶解于具有一定取向的液晶(主体)中，二色性染料可以对可见光内不同的波长进行吸收，使显示器件呈现出不同的颜色，从而实现彩色显示。通常，二色性染料沿分子长轴和短轴方向对可见光吸收具有各向异性，使得二色性染料在显示器件中具有吸收态和非吸收态两种状态。受到电场作用后，二色性染料的取向会随液晶分子取向的改变而改变，进而导致二色性染料对可见光在不同方向的吸收也发生了改变。
例如，公开号为CN107577068A的专利申请中公开了一种宾主型液晶显示器，包括相对设置的两块基板，在两层基板之间填充主体液晶和二色性染料。两层基板在面向液晶一侧均设有取向层，使得液晶分子在初始状态有一个特定的排列方向，施加电压可改变液晶分子及二色性染料分子的排列。如，初始状态下，具有正介电各向异性的液晶分子在基板之间平行排列，根据宾主效应，二色性染料分子的长轴也会随着液晶分子平行排列，吸收入射光，显现出二色性染料的颜色，在通电状态下，具有正介电各向异性的液晶分子随电场排向重新排列，二色性染料分子也发生转动，宏观上由吸光状态转变为透光状态，进而实现对入射光线的调制。
但是，由掺入了二色性染料的液晶介质所制备的宾主型液晶显示器件仍存在许多技术问题待解决，二色性染料在现有的具有正介电各向异性的液晶中的溶解度低，二色性染料的吸收入射光的能力较弱，主要表现为暗态透过率较高；另外，液晶介质的有序性小，影响对比度，失去光开关的特性。
发明内容
发明目的：针对现有技术的缺陷，本发明提供了一种互溶性好、低温存储能力强，有序性高、对比度高的宾主型液晶介质，此外，本发明还提供包含宾主型液晶介质的光调制器件。
本发明的实施方案：
本发明一方面提供宾主型液晶介质，所述宾主型液晶介质包括二色性染料、手性剂及主体液晶，其中，主体液晶包含：
一种或更多种通式Ⅰ的化合物
Figure BDA0001843674390000021
一种或更多种通式Ⅱ的化合物
Figure BDA0001843674390000022
其中，
RM1和RM2各自独立地表示-H、含有1-12个碳原子的直链或支链的烷基、
Figure BDA0001843674390000023
Figure BDA0001843674390000024
所述含有1-12个碳原子的直链或支链的烷基中的一个或不相邻的两个及以上的-CH2-可各自独立地被-O-、-CO-、-CO-O-或-O-CO-替代；
RA表示含有1-12个碳原子的直链或支链的烷基、
Figure BDA0001843674390000025
所述含有1-12个碳原子的直链或支链的烷基中的一个或不相邻的两个及以上的-CH2-可分别独立地被-CH＝CH-、-C≡C-、-O-、-CO-、-CO-O-或-O-CO-替代；
ZM1和ZM2各自独立的表示单键、-CO-O-、-O-CO-、-CH2O-、-OCH2-、-CH＝CH-、-C≡C-、-CH2CH2-或-(CH2)4-；
ZA1和ZA2各自独立地表示单键、-CH2CH2-、-CF2CF2-、-CF2O-、-OCF2-、-CO-O-、-O-CO-、-O-CO-O-、-CH＝CH-、-CF＝CF-、-CH2O-或-OCH2-；
LA1和LA2各自独立地表示-H或-F；
XA表示卤素、含有1-5个碳原子的卤代烷基或烷氧基、含有2-5个碳原子的卤代烯基或烯氧基；
环
Figure BDA0001843674390000031
环
Figure BDA0001843674390000032
和环
Figure BDA0001843674390000033
各自独立地表示
Figure BDA0001843674390000034
Figure BDA0001843674390000035
其中，
Figure BDA0001843674390000036
中的一个或更多个-CH2-可被-O-替代，
Figure BDA0001843674390000037
中至多一个H可被卤素取代；
环
Figure BDA0001843674390000038
和环
Figure BDA0001843674390000039
各自独立地表示
Figure BDA00018436743900000310
Figure BDA00018436743900000311
其中，
Figure BDA00018436743900000312
及
Figure BDA00018436743900000313
中的一个或更多个-CH2-可被-O-替代，环中的一个或更多个单键可被双键替代，
Figure BDA00018436743900000314
中的一个或更多个-H可被-CN、-F或-Cl取代，环中的一个或更多个-CH＝可被-N＝替代，
nM1表示0、1、2或3，且当nM1为2或3时，环
Figure BDA00018436743900000315
可以相同或不同，ZM1可以相同或不同；
nA表示0、1、2或3，且当nA为2或3时，环
Figure BDA00018436743900000316
可以相同或不同，ZA1可以相同或不同。
在本发明的一些实施方案中，环
Figure BDA00018436743900000317
和环
Figure BDA00018436743900000318
选自由
Figure BDA00018436743900000319
Figure BDA00018436743900000320
Figure BDA00018436743900000321
组成的组。
在本发明的优选实施方案中，宾主型液晶介质中含有至少一种ZA2为-CF2O-或-OCF2-的通式Ⅱ的化合物。
在本发明的优选实施方案中，宾主型液晶介质中含有至少一种LA1和LA2均为-F的通式Ⅱ的化合物。
在本发明的一些实施方案中，通式I的化合物选自由如下化合物组成的组：
Figure BDA00018436743900000322
Figure BDA0001843674390000041
Figure BDA0001843674390000042
以及
Figure BDA0001843674390000051
其中，
RM11和RM21各自独立地表示含有1-12个碳原子的直链或支链的烷基或烷氧基。
在本发明的优选实施方案中，通式I的化合物选自由通式I-1、通式I-2、通式I-8和通式I-17的化合物组成的组。
在本发明的一些实施方案中，通式Ⅱ的化合物选自由如下化合物组成的组：
Figure BDA0001843674390000052
Figure BDA0001843674390000061
Figure BDA0001843674390000071
Figure BDA0001843674390000081
Figure BDA0001843674390000082
以及
Figure BDA0001843674390000083
其中，
RA1表示含有1-12个碳原子的直链或支链的烷基或烷氧基、
Figure BDA0001843674390000084
XA1表示-F、含有1-5个碳原子的氟代烷基或烷氧基、含有2-5个碳原子的氟代烯基或烯氧基；
LA3、LA4和LA5各自独立地表示-H或-F。
在本发明的一些实施方案中，优选地，LA1和LA2均表示-F。
在本发明的一些实施方案中，为了进一步增加二色性染料在主体液晶中的溶解度，且提高宾主型液晶介质的低温稳定性，优选使用通式II-1、通式Ⅱ-6、通式Ⅱ-13、通式Ⅱ-20、通式Ⅱ-23、通式Ⅱ-24、通式Ⅱ-28和Ⅱ-30的化合物。
在本发明的一些实施方案中，主体液晶中包含：占主体液晶总重量的10-60％的一种或更多种通式I的化合物，占主体液晶总重量的40-90％的一种或更多种通式II的化合物。
在本发明的一些实施方案中，主体液晶中包含：占主体液晶总重量的15-55％的一种或更多种通式I的化合物，占主体液晶总重量的45-85％的一种或更多种通式II的化合物。
在本发明的一些实施方案中，主体液晶中包含：占主体液晶总重量的20-50％的一种或更多种通式I的化合物，占主体液晶总重量的50-80％的一种或更多种通式II的化合物。
在本发明的一些实施方案中，手性剂占宾主型液晶介质总重量的0.05-5％。在本发明的优选实施方案中，手性剂占宾主型液晶介质总重量的0.5-5％。在本发明进一步优选的实施方案中，手性剂占宾主型液晶介质总重量的1-5％。
在本发明的一些实施方案中，手性剂选自由如下化合物组成的组：
Figure BDA0001843674390000091
Figure BDA0001843674390000101
Figure BDA0001843674390000102
以及
Figure BDA0001843674390000103
在本发明的一些实施方案中，宾主型液晶介质中的二色性染料选自如下表1中的一种或更多种：
表1染料分子结构及最大吸收波长
Figure BDA0001843674390000104
Figure BDA0001843674390000111
Figure BDA0001843674390000121
Figure BDA0001843674390000131
在本发明的一些实施方案中，宾主型液晶介质中的二色性染料选自由橙黄色二色性染料、紫红色二色性染料或蓝色二色性染料组成的组中的一种或更多种。
在本发明的一些实施方案中，宾主型液晶介质中含有质量为宾主型液晶介质总质量的3-6％的二色性染料。在本发明的优选实施方案中，宾主型液晶介质中含有质量为宾主型液晶介质总质量的3.5-6％的二色性染料。在本发明的进一步优选的实施方案中，宾主型液晶介质中含有质量为宾主型液晶介质总质量的4-6％的二色性染料。
本发明另一方面提供光调制器件，所述光调制器件由上至下依次包含：上基板、上导电层、上取向层、液晶介质层、下取向层、下导电层、下基板，液晶介质层中含有宾主型液晶介质，上取向层和下取向层均为平行取向层。
在本发明的一些实施方案中，液晶介质层的厚度为4-25μm。
在未通电的状态下，本发明的液晶介质层中的主体液晶分子和二色性染料分子在上、下取向层的诱导下，平行于上、下基板螺旋排列(如图1所示)，二色性染料分子吸收入射光，在通电状态下，二色性染料分子随液晶分子沿电场方向重新排列(如图2所示)，入射光可以透过，从而呈现透明态，实现对入射光的调制功能。
有益效果：
本发明的宾主型液晶介质具有主体液晶介质与二色性染料的互溶性好、低温存储能力强、液晶分子排列有序性高、对比度高等特点，将本发明的宾主型液晶介质应用于光调制器件中时，所获得的光调制器件同样具有对比度高、低温稳定性好的优点。
附图说明
图1为未通电状态时，光调制器件的结构示意图；
图2为通电状态时，光调制器件的结构示意图。
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，液晶化合物的基团结构用表2所列的代码表示：
表2液晶化合物的基团结构代码
Figure BDA0001843674390000141
Figure BDA0001843674390000151
以如下结构式的化合物为例：
Figure BDA0001843674390000152
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，G代表2-氟-1,4-亚苯基，F代表氟。
以下实施例中测试项目的简写代号及测试条件如下：
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℃)
K22 扭曲弹性常数
K33 弯曲弹性常数
t-30℃(天) 低温存储时间(-30℃下)
T(％) 透过率
CR 对比度
其中，
光学各向异性使用阿贝折光仪在钠光灯(589nm)光源下、25℃测试得到；
Δε＝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℃、1KHz、测试盒为TN型，盒厚7μm；
K22、K33是使用LCR仪和反平行摩擦盒，测试液晶的C-V曲线计算所得，测试条件：7μm反平行摩擦盒，V＝0.1～20V。
透过率的测试条件：利用LS102透过率测试仪测试调光器件的透过率，调光器件盒厚见如下具体实施例。
CR＝T(10V)/T(0V)。
在以下的对比例和实施例中所采用的各成分，均可以通过本领域公知的方法进行合成，或者通过商业途径获得。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的标准。以下对比例和实施例中所采用的二色性染料均由表1中编号9、13和23的二色性染料按照质量比为3：2：13的比例混合而成。
按照以下实施例规定的各液晶组合物的配比，制备液晶介质。液晶介质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介质。下面显示了各液晶介质的组成和其性能参数测试结果。
对比例1
按表3中所列的各化合物及重量百分数配制成对比例1的液晶介质，将其填充于液晶显示器两基板之间进行性能测试。
表3液晶介质配方及性能参数测试结果
Figure BDA0001843674390000161
Figure BDA0001843674390000171
将根据表3配制的液晶介质与二色性染料、手性剂按如下表4的质量配比混合，测试制备的宾主型液晶介质在不同电压、不同盒厚下的透过率、对比度及t-30℃，结果在表4中示出。
表4
Figure BDA0001843674390000172
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的液晶介质，将其填充于液晶显示器两基板之间进行性能测试。
表5液晶介质配方及性能参数测试结果
Figure BDA0001843674390000173
将根据表5配制的液晶介质与二色性染料、手性剂按如下表6的质量配比混合，测试制备的宾主型液晶介质在不同电压、不同盒厚下的透过率、对比度及t-30℃，结果在表6中示出。
表6
Figure BDA0001843674390000181
实施例2
按表7中所列的各化合物及重量百分数配制成实施例2的液晶介质，将其填充于液晶显示器两基板之间进行性能测试。
表7液晶介质配方及性能参数测试结果
Figure BDA0001843674390000182
将根据表7配制的液晶介质与二色性染料、手性剂按如下表8的质量配比混合，测试制备的宾主型液晶介质在不同电压、不同盒厚下的透过率、对比度及t-30℃，结果在表8中示出。
表8
Figure BDA0001843674390000183
实施例3
按表9中所列的各化合物及重量百分数配制成实施例3的液晶介质，将其填充于液晶显示器两基板之间进行性能测试。
表9液晶介质配方及性能参数测试结果
Figure BDA0001843674390000191
将根据表9配制的液晶介质与二色性染料、手性剂按如下表10的质量配比混合，测试制备的宾主型液晶介质在不同电压、不同盒厚下的透过率、对比度及t-30℃，结果在表10中示出。
表10
Figure BDA0001843674390000192
实施例4
按表11中所列的各化合物及重量百分数配制成实施例4的液晶介质，将其填充于液晶显示器两基板之间进行性能测试。
表11液晶介质配方及性能参数测试结果
Figure BDA0001843674390000201
将根据表11配制的液晶介质与二色性染料、手性剂按如下表12的质量配比混合，测试制备的宾主型液晶介质在不同电压、不同盒厚下的透过率、对比度及t-30℃，结果在表12中示出。
表12
Figure BDA0001843674390000202
实施例5
按表13中所列的各化合物及重量百分数配制成实施例5的液晶介质，将其填充于液晶显示器两基板之间进行性能测试。
表13液晶介质配方及性能参数测试结果
Figure BDA0001843674390000203
Figure BDA0001843674390000211
将根据表13配制的液晶介质与二色性染料、手性剂按如下表14的质量配比混合，测试制备的宾主型液晶介质在不同电压、不同盒厚下的透过率、对比度及t-30℃，结果在表14中示出。
表14
Figure BDA0001843674390000212
由上述对比例1和实施例1-5对比可知，本发明的液晶介质具有更高的介电各向异性和更低的光学各向异性，此外本发明的液晶介质具有更高的K33/K22，其表明液晶分子的有序性高；本发明的液晶介质与二色性染料的互溶性好，由其制备的宾主型液晶介质在应用于光调制器件(液晶显示器件)中时，所获得的光调制器件具有更强的低温存储能力和更好的对比度。
本发明还可以由其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种宾主型液晶介质，包括二色性染料、手性剂及正介电各向异性的主体液晶，其特征在于，主体液晶包含：
占所述主体液晶总重量的10-60％的一种或更多种通式Ⅰ的化合物
Figure FDA0003728897190000011
占所述主体液晶总重量的40-90％的一种或更多种通式Ⅱ的化合物
Figure FDA0003728897190000012
其中，
RM1和RM2各自独立地表示-H、含有1-12个碳原子的直链或支链的烷基、
Figure FDA0003728897190000013
Figure FDA0003728897190000014
所述含有1-12个碳原子的直链或支链的烷基中的一个或不相邻的两个及以上的-CH2-可各自独立地被-O-、-CO-、-CO-O-或-O-CO-替代；
RA表示含有1-12个碳原子的直链或支链的烷基、
Figure FDA0003728897190000015
所述含有1-12个碳原子的直链或支链的烷基中的一个或不相邻的两个及以上的-CH2-可各自独立地被-CH＝CH-、-C≡C-、-O-、-CO-、-CO-O-或-O-CO-替代；
ZM1和ZM2各自独立的表示单键、-CO-O-、-O-CO-、-CH2O-、-OCH2-、-CH＝CH-、-C≡C-、-CH2CH2-或-(CH2)4-；
ZA1和ZA2各自独立地表示单键、-CH2CH2-、-CF2CF2-、-CF2O-、-OCF2-、-CO-O-、-O-CO-、-O-CO-O-、-CH＝CH-、-CF＝CF-、-CH2O-或-OCH2-；
LA1和LA2各自独立地表示-H或-F；
XA表示卤素、含有1-5个碳原子的卤代烷基或烷氧基、含有2-5个碳原子的卤代烯基或烯氧基；
环
Figure FDA0003728897190000016
环
Figure FDA0003728897190000017
和环
Figure FDA0003728897190000018
各自独立地表示
Figure FDA0003728897190000019
Figure FDA00037288971900000110
其中，
Figure FDA00037288971900000111
中的一个或更多个-CH2-可被-O-替代，
Figure FDA00037288971900000112
中至多一个H可被卤素取代；
环
Figure FDA00037288971900000113
和环
Figure FDA00037288971900000114
各自独立地表示
Figure FDA00037288971900000115
Figure FDA00037288971900000116
其中，
Figure FDA00037288971900000117
及
Figure FDA00037288971900000118
中的一个或更多个-CH2-可被-O-替代，环中的一个或更多个单键可被双键替代，
Figure FDA00037288971900000119
中的一个或更多个-H可被-CN、-F或-Cl取代，环中的一个或更多个-CH＝可被-N＝替代，
nM1表示0、1、2或3，且当nM1为2或3时，环
Figure FDA0003728897190000021
可以相同或不同，ZM1可以相同或不同；
nA表示0、1、2或3，且当nA为2或3时，环
Figure FDA0003728897190000022
可以相同或不同，ZA1可以相同或不同。
2.根据权利要求1所述的宾主型液晶介质，其特征在于，所述环
Figure FDA0003728897190000023
和环
Figure FDA0003728897190000024
选自由
Figure FDA0003728897190000025
Figure FDA0003728897190000026
组成的组。
3.根据权利要求1或2所述的宾主型液晶介质，其特征在于，所述液晶介质中含有至少一种ZA2为-CF2O-或-OCF2-的通式Ⅱ的化合物。
4.根据权利要求1所述的宾主型液晶介质，其特征在于，所述宾主型液晶介质中含有至少一种LA1和LA2均为-F的通式Ⅱ的化合物。
5.根据权利要求1所述的宾主型液晶介质，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：
Figure FDA0003728897190000027
Figure FDA0003728897190000031
Figure FDA0003728897190000032
以及
Figure FDA0003728897190000033
其中，
RM11和RM21各自独立地表示含有1-12个碳原子的直链或支链的烷基或烷氧基。
6.根据权利要求1所述的宾主型液晶介质，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：
Figure FDA0003728897190000041
Figure FDA0003728897190000051
Figure FDA0003728897190000061
Figure FDA0003728897190000071
Figure FDA0003728897190000072
以及
Figure FDA0003728897190000073
其中，
RA1表示含有1-12个碳原子的直链或支链的烷基或烷氧基、
Figure FDA0003728897190000074
XA1表示-F、含有1-5个碳原子的氟代烷基或烷氧基、含有2-5个碳原子的氟代烯基或烯氧基；
LA3、LA4和LA5各自独立地表示-H或-F。
7.根据权利要求1所述的宾主型液晶介质，其特征在于，所述手性剂占所述宾主型液晶介质总重量的0.05-5％。
8.根据权利要求1所述的宾主型液晶介质，其特征在于，所述宾主型液晶介质中的所述二色性染料选自橙黄色二色性染料、紫红色二色性染料或蓝色二色性染料中的一种或更多种。
9.一种光调制器件，由上至下依次包含：上基板、上导电层、上取向层、液晶介质层、下取向层、下导电层、下基板，其特征在于，所述液晶介质层中含有权利要求1-8中任一项所述的宾主型液晶介质，所述上取向层和下取向层均为平行取向层。
10.根据权利要求9所述的光调制器件，其特征在于，所述液晶介质层的厚度为4-25μm。
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