CN112391172B - 一种液晶组合物及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种液晶组合物及其应用，所述液晶组合物包括至少一种式I的化合物、至少一种式II的化合物和式III的化合物。本发明提供的液晶组合物通过三种化合物以特定含量的协同复配，显著提高了液晶组合物的清亮点、低温互溶性、弹性常数以及响应速度，使透过率更高，液晶陡度更小，且驱动电压和饱和电压受温度变化影响更小，可靠性好，稳定性更高。因此，本发明提供的液晶组合物是一种综合性能好的理想液晶材料，适用于高显示性能的液晶显示器件，具有广阔的应用前景。

Description

一种液晶组合物及其应用

技术领域

本发明属于液晶材料技术领域，具体涉及一种液晶组合物及其应用。

背景技术

液晶显示器(liquid crystal display，LCD)因其体积小、重量轻、功耗低且显示质量优异而获得了飞速发展，特别在便携式电子信息产品中获得广泛的应用。随着用于便携式计算机、办公应用、视频应用的液晶屏幕尺寸的增加，为了使液晶显示器能够用于大屏幕显示并最终替代阴极射线管(Cathode Ray Tube，CRT)，目前LCD用液晶向着响应速度更快、信赖性更好的方向发展。

液晶材料作为最常用的显示器件中的电介质，可通过施加电压可以改变这类物质的光学性能，因此液晶材料必须具有良好的化学和热稳定性，以及良好的对电场和电磁辐射的稳定性。此外，工业上可用的液晶材料要求在合适温度范围内具有液晶介晶相以及较低的粘度。由于液晶材料通常以多种组分的混合物形式来使用，所以这些组分之间彼此互溶性是非常重要的性能要求；其它性能，例如电导率、介电各向异性和光学各向异性，又必须根据液晶盒类型和应用领域而满足各种要求。

对于快响应的要求，原则上可通过降低液晶混合物的旋转粘度γ₁来实现。低粘度的液晶组合物可以提高液晶显示元件的响应速度，改善残影问题。另外，向液晶显示元件的液晶盒内注入液晶组合物时，可以缩短注入时间，能够提高作业性。低粘度这对于液晶显示器的应用特别重要，这也是该领域内一直努力改善的方向。常用的共轭烯类液晶化合物是首选的降低粘度的单体，与其他单体配合使用可实现响应速率的快速提升，但是共轭系类的液晶化合物会影响液晶组合物的低温溶解性。

除了响应时间需要进一步提升外，还具有其他亟待改善的缺点，如较高的阈值电压、较差的低温稳定性、较低的穿透率等。针对上述问题，现有技术公开了有对上述性能有所改善的技术方案，但仅仅是某一方面性能的改善，如CN108018048A公开了一种改善穿透率的负介电各向异性液晶组合物，但是该组合物并没有综合满足液晶显示对其他性能的要求，例如在获得良好低温互溶性和驱动电压的情况下，进一步完善对更快响应速度以及更高穿透率的要求。

目前的液晶显示器还存在能耗高的问题，究其原因是因为只有大约5％的背光能够穿透显示器件而被人眼捕获，绝大部分背光是被“浪费”了的。如果能够开发出光穿透率高的液晶材料，就能够降低背光强度，从而实现节省能耗的目的，延长设备的使用时间。

此外，液晶显示器还存在在高温环境下的显示效果会变差的问题，这是由于液晶材料的驱动电压及饱和电压会随温度的变化而变化，进而会导致显示画质变差、对比度下降，严重影响显示效果。虽然已有现有技术通过调整面板在不同温度下的驱动条件来改善显示效果，但普通液晶材料的驱动电压和饱和电压随温度的变化太大，已知的改善效果有限。如果能开发不同温度下驱动电压和饱和电压变化均较小的液晶，则可以很好的改善高温环境下LCD显示器的显示效果。

因此，为了满足显示器件的性能要求，开发稳定高效、性能综合的液晶材料，是本领域的研究重点。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种液晶组合物及其应用，所述液晶组合物中通过组分的结构及配比设计，使得到的液晶组合物清亮点提高，折射率、弹性常数更大，旋转粘度更低，低温互溶性增强，液晶陡度更低且驱动电压和饱和电压受温度变化影响更小，可靠性高，适用于高显示性能的液晶显示器件。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

第一方面，本发明提供一种液晶组合物，包括：

至少一种式I的化合物

至少一种式II的化合物

式III的化合物

其中，R₁、R₃、R₄各自独立地表示氢、C1～C10(例如C1、C2、C3、C4、C5、C6、C7、C8、C9或C10)直链烷基或C1～C10(例如C1、C2、C3、C4、C5、C6、C7、C8、C9或C10)直链烷氧基。

R₂为氢或甲基。

式III中，-C₃H₇为正丙基。

在本发明的技术方案中，所述液晶组合物中式I的化合物的质量百分含量为1～30％，例如2％、4％、6％、8％、10％、12％、14％、16％、18％、20％、22％、24％、26％、28％或29％，以及上述点值之间的具体点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本发明不再穷尽列举所述范围包括的具体点值。优选地，为了获得更大的弹性常数、更小的γ₁/K₃₃比值、更大的透过率，以及更好的可靠性，所述液晶组合物中式I的化合物的质量百分含量为5～30％，进一步优选为5～25％。

在本发明的技术方案中，所述液晶组合物中式II的化合物的质量百分含量为5～40％，例如6％、8％、10％、12％、14％、16％、18％、20％、22％、24％、26％、28％、30％、32％、34％、36％、38％或39％，以及上述点值之间的具体点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本发明不再穷尽列举所述范围包括的具体点值。优选地，为了获得更高的清亮点、更大的折射率各向异性、更大的介电各向异性绝对值、更大的弹性常数、更小的γ₁/K₃₃比值，以及更好的可靠性，所述液晶组合物中式II的化合物的质量百分含量为5～30％，进一步优选为10～30％。

在本发明的技术方案中，所述液晶组合物中式III的化合物的质量百分含量为1～30％，例如2％、4％、6％、8％、10％、12％、14％、16％、18％、20％、22％、24％、26％、28％或29％，以及上述点值之间的具体点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本发明不再穷尽列举所述范围包括的具体点值。优选地，为获得更好的低温存储效果及更快的响应速度，所述液晶组合物中式III的化合物的质量百分含量为5～30％，进一步优选为8～25％。

作为本发明的优选技术方案，所述液晶组合物中式I的化合物的质量百分含量为1～30％，式II的化合物的质量百分含量为5～40％，式III的化合物的质量百分含量为1～30％。若三种化合物在液晶组合物中的质量百分含量小于上述范围，则会导致液晶组合物的弹性常数、折射率各向异性、介电各向异性较小，响应速度较慢，可靠性差；若三种化合物的质量百分含量大于上述范围，则会使液晶组合物的低温存储性能差，易出现组分析出等问题。

作为本发明的优选技术方案，所述R₁为C1～C10(例如C1、C2、C3、C4、C5、C6、C7、C8、C9或C10)直链烷基。

作为本发明的优选技术方案，所述R₃为C1～C10(例如C1、C2、C3、C4、C5、C6、C7、C8、C9或C10)直链烷基。

作为本发明的优选技术方案，所述R₄为C1～C10(例如C1、C2、C3、C4或C5)直链烷氧基。

在本发明的技术方案中，所述液晶组合物中还包括至少一种式IV的化合物

其中，R₅、R₆各自独立地表示氢、C1～C10(例如C1、C2、C3、C4、C5、C6、C7、C8、C9或C10)直链烷基或C1～C10(例如C1、C2、C3、C4、C5、C6、C7、C8、C9或C10)直链烷氧基。

环A和环D各自独立地表示

虚线代表基团的连接位点。

Z表示-CH₂O-、-OCH₂-、-CH₂CH₂-、-OCO-或-COO-。

m、p各自独立地为0或1，n选自1～3(例如1、2或3)的整数；且当n为1、m和p均为0时，环A不为

在本发明的技术方案中，所述液晶组合物中式IV的化合物的质量百分含量为10～70％，例如12％、14％、16％、18％、20％、23％、25％、27％、29％、30％、33％、35％、38％、40％、43％、45％、48％、50％、53％、55％、57％、60％、63％、65％、67％或69％，以及上述点值之间的具体点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本发明不再穷尽列举所述范围包括的具体点值，优选为25～60％。

优选地，所述式IV的化合物具有如下结构中的任意一种：

其中，R₅表示C1～C10(例如C1、C2、C3、C4、C5、C6、C7、C8、C9或C10)直链烷基。

R₆表示C1～C10(例如C1、C2、C3、C4、C5、C6、C7、C8、C9或C10)直链烷氧基。

n₁、n₂各自独立地为1或2。

n₃为2或3。

在本发明的技术方案中，所述液晶组合物中还包括至少一种式V的化合物

其中，R₇、R₈各自独立地表示氢、C1～C10(例如C1、C2、C3、C4、C5、C6、C7、C8、C9或C10)直链烷基、C1～C10(例如C1、C2、C3、C4、C5、C6、C7、C8、C9或C10)直链烷氧基、C2～C10(例如C2、C3、C4、C5、C6、C7、C8、C9或C10)直链烯基或C2～C10(例如C2、C3、C4、C5、C6、C7、C8、C9或C10)直链烯氧基。

环B和环C各自独立地表示

虚线代表基团的连接位点。

q选自1～3(例如1、2或3)的整数；且当q为1、环B和环C均为

R₇为-C₃H₇时，R₈不为-C₂H₅。

在本发明的技术方案中，所述液晶组合物中式V的化合物的质量百分含量为5～50％，例如6％、8％、10％、12％、15％、18％、20％、22％、24％、26％、28％、30％、33％、35％、38％、40％、43％、45％、47％或49％，以及上述点值之间的具体点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本发明不再穷尽列举所述范围包括的具体点值，进一步优选为20～40％。

优选地，所述式V的化合物具有如下结构中的任意一种：

其中，q₁为1或2。

作为本发明的优选技术方案，所述R₂为甲基。

本发明提供的液晶组合物中，各组分中的化合物均可通过商业途径获得，其合成方法均为现有技术，本发明不对化合物来源展开详细叙述。

本发明提供的液晶组合物通过将各组分按照上述限定的配比混合而成，所述混合的条件示例性地包括但不限于：搅拌、加热、超声波、悬浮等。

另一方面，本发明提供一种液晶显示器件，所述液晶显示器件包括第一方面所述的液晶组合物。

相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：

本发明提供的液晶组合物具有清亮点高、低温互溶性好、折射率各向异性合适、弹性常数大、透过率高、对比度高、旋转粘度低、响应快、陡度低且驱动电压和饱和电压受温度变化影响更小、可靠性更好、稳定性高等特性，是一种综合性能好的理想液晶材料，适用于高显示性能的液晶显示器件，具有广阔的应用前景。

具体实施方式

下面通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。本领域技术人员应该明了，所述实施例仅仅是帮助理解本发明，不应视为对本发明的具体限制。

本发明以下实施例所用的化合物均可通过现有技术合成，或可通过商业途径获得，本发明不对原料来源进行详细叙述。

为了便于表述，本发明以下实施例及对比例中，液晶组合物各组分的化合物用表1所列的代码表示：

表1

以如下结构式的化合物为例：

该化合物用表1中的代码表示，则记作“sCPWOt”，其中s、t均为≥1的整数，分别表示左右两端烷基中的C原子数；若s为3、t为2，则化合物3CPWO2的结构式为

本发明以下实施例及对比例中，液晶组合物的性能测试方法如下：

(1)清亮点C_p：向列相-各向同性相转变温度，单位为℃；通过熔点仪定量法测试。

(2)光学各向异性Δn：通过阿贝折光仪在钠光灯(589nm)光源下、25±2℃条件下测得。

(3)介电各向异性Δε：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±0.5℃，1KHz，VA测试盒，盒厚为6μm。

(4)展曲弹性常数K₁₁：使用LCR仪和反平行摩擦盒，测试液晶组合物的C-V曲线，测试条件：7μm反平行摩擦盒，V＝0.1～20V。

(5)弯曲弹性常数K₃₃：通过Dimos软件模型模拟的方法模拟液晶分子在电场中的表现；按此种方式，给定液晶的K₁₁和介电常数，并给定一个按经验预测的K₃₃值的范围，得出一系列的模拟C-V曲线；用上述曲线和仪器实测C-V曲线比对，取最接近的一条曲线并读出此时的K₃₃值。

(6)旋转粘度γ₁：单位为mPa·s；测试条件：25±0.5℃，20μm VA盒，TOYO LCM-2型液晶物性评价系统测试。

(7)阈值电压V₁₀：即相对透过率为10％时的特征电压；测试条件：通过DMS505仪器在特定温度下测试，方波，频率为60Hz，测试范围0～10V；分别测试25℃、40℃和50℃下的V₁₀，测试盒型为3.8μm的VA盒。

(8)饱和电压V₉₀：即相对透过率为90％时的特征电压；测试条件：通过DMS505仪器在特定温度下测试，方波，频率为60Hz，测试范围0～10V；分别测试25℃、40℃和50℃下的V₉₀，测试盒型为3.8μm的VA盒。

(9)液晶陡度：饱和电压V₉₀与阈值电压V₁₀的比值V₉₀/V₁₀。

(10)透过率T_r(4.5V)：即液晶组合物在特定电压4.5V下的透过率；测试条件：通过DMS505仪器测试，测试盒型为3.8μm的VA盒。

(11)响应时间τ_off：撤电时从90％透过率降至10％透过率所需的响应时间，单位为ms，测试条件：通过DMS505仪器在25℃下测试，测试盒型为3.8μm的VA盒。

(12)低温盒存储：将液晶灌注到盒厚为7μm的测试盒中并置于低温恒温箱中，观察是否有组分析出，模拟液晶在面板中的低温存储性能。

(13)低温瓶存储：将液晶注入5mL的玻璃瓶中并置于低温恒温箱中，观察是否有组分析出，模拟液晶在存储/运输过程中的低温存储性能。

实施例1

本实施例提供一种液晶组合物，所述液晶组合物通过各组分化合物混合得到；具体组分及性能测试如表2所示：

表2

实施例2

本实施例提供一种液晶组合物，所述液晶组合物通过各组分化合物混合得到；具体组分及性能测试如表3所示：

表3

实施例3

本实施例提供一种液晶组合物，所述液晶组合物通过各组分化合物混合得到；具体组分及性能测试如表4所示：

表4

实施例4

本实施例提供一种液晶组合物，所述液晶组合物通过各组分化合物混合得到；具体组分及性能测试如表5所示：

表5

对比例1

本对比例提供一种液晶组合物，所述液晶组合物通过各组分化合物混合得到；具体组分及性能测试如表6所示：

表6

实施例5

本实施例提供一种液晶组合物，所述液晶组合物通过各组分化合物混合得到；具体组分及性能测试如表7所示：

表7

实施例6

本实施例提供一种液晶组合物，所述液晶组合物通过各组分化合物混合得到；具体组分及性能测试如表8所示：

表8

对比例2

本对比例提供一种液晶组合物，所述液晶组合物通过各组分化合物混合得到；具体组分及性能测试如表9所示：

表9

实施例7

本实施例提供一种液晶组合物，所述液晶组合物通过各组分化合物混合得到；具体组分及性能测试如表10所示：

表10

实施例8

本实施例提供一种液晶组合物，所述液晶组合物通过各组分化合物混合得到；具体组分及性能测试如表11所示：

表11

对比例3

本对比例提供一种液晶组合物，所述液晶组合物通过各组分化合物混合得到；具体组分及性能测试如表12所示：

表12

对比例4

本对比例提供一种液晶组合物，所述液晶组合物通过各组分化合物混合得到；具体组分及性能测试如表13所示：

表13

对比例5

本对比例提供一种液晶组合物，所述液晶组合物通过各组分化合物混合得到；具体组分及性能测试如表14所示：

表14

测试实施例1～8、对比例1～5提供的液晶组合物在25℃的阈值电压V₁₀、饱和电压V₉₀、响应时间τ_off、透过率T_r(4.5V)，以及40℃和50℃条件下的V₁₀、V₉₀，具体数据如表15所示：

表15

分析表2～15中液晶组合物的组分含量以及性能测试数据可知，实施例1～8提供的液晶组合物中均含有至少一种式I的化合物、至少一种式II的化合物以及式III的化合物。其中，对比例1与实施例1～4的区别在于，用与式I的化合物结构相近的化合物替换式I的化合物，用与式II的化合物结构相近的化合物替代式II的化合物，从性能结果可以看出，本发明实施例1～4提供的液晶组合物相比于对比例1中的液晶组合物，清亮点更高，折射率更大，介电各向异性绝对值更大，K₁₁与K₃₃的值更大，γ₁/K₃₃更小，液晶组合物的低温互溶性也更好；且在同一种测试盒中的液晶陡度更小(即V₉₀/V₁₀更小)，τ_off值更小，相同电压下的透过率T_r更高，且驱动电压和饱和电压受温度变化影响更小；上述测试结果说明，本发明提供的液晶组合物具有显著提高的清亮点、折射率、介电各向异性绝对值和低温互溶性，而且粘度更低、响应时间更短，响应速度提升；液晶陡度更小且驱动电压和饱和电压受温度变化影响更小，可靠性提高。

对比例2与实施例5～6的区别在于，用与式I的化合物结构相近的另一种化合物、式II的化合物与式III的化合物的组合替换本发明限定的液晶组合物，从性能结果可以看出，本发明实施例5～6提供的液晶组合物相比于对比例2中的液晶组合物，清亮点更高，折射率更大，介电各向异性绝对值更大，K₁₁与K₃₃的值更大，γ₁/K₃₃更小，液晶组合物的低温互溶性也更好；且在同一种测试盒中的液晶陡度更好(即V₉₀/V₁₀更小)，τ_off值更小，相同电压下的透过率T_r更高，且驱动电压和饱和电压受温度变化影响更小；上述测试结果说明，本发明提供的液晶组合物具有显著提高的清亮点、折射率、介电各向异性绝对值和低温互溶性，而且粘度更低、响应时间更短，响应速度提升；液晶陡度更小，驱动电压和饱和电压受温度变化影响更小，可靠性提高。

对比例4～5与实施例7～8的区别在于，用与式III结构相近的化合物替换本发明所述式III的化合物，从性能结果可以看出，实施例7～8提供的液晶组合物相比于对比例4～5中的液晶组合物，低温互溶性更好，γ₁和γ₁/K₃₃更小，在同一种测试盒中的τ_off值更小，液晶陡度更小，且驱动电压和饱和电压受温度变化影响更小；上述测试结果说明，本发明提供的液晶组合物具有显著提高的低温互溶性和响应速度，且粘度更低，驱动电压和饱和电压受温度变化影响更小，可靠性提高。

综上，本发明的液晶组合物以特定配比的化合物组合和相互协同，显著提升了液晶组合物的低温互溶性、清亮点、折射率各向异性、介电各向异性绝对值和响应速度，且粘度降低，透过率更高，液晶陡度更小，驱动电压和饱和电压受温度变化影响更小，可靠性高。因此，本发明提供的液晶组合物综合性能佳，适用于高显示性能的液晶显示器件。

申请人声明，本发明通过上述实施例来说明本发明的液晶组合物及其应用，但本发明并不局限于上述实施例，即不意味着本发明必须依赖上述实施例才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明产品各原料的等效替换及辅助成分的添加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。

Claims (3)

1.一种液晶组合物，其特征在于，包括：

至少一种式I的化合物

至少一种式II的化合物

式III的化合物

至少一种IV-3、IV-4或IV-5的化合物，并且至少包括一种IV-4的化合物：

以及

至少一种式V的化合物

其中，R₁、R₃、R₄各自独立地表示氢、C1～C10直链烷基或C1～C10直链烷氧基；

R₂为甲基；

R₅表示C1～C10直链烷基，R₆表示C1～C10直链烷氧基；

n₂为1或2；

n₃为2或3；

R₇、R₈各自独立地表示氢、C1～C10直链烷基、C1～C10直链烷氧基、C2～C10直链烯基或C2～C10直链烯氧基；

环B和环C各自独立地表示

虚线代表基团的连接位点；

q选自1～3的整数；且当q为1、环B和环C均为

R₇为-C₃H₇时，R₈不为-C₂H₅；

所述液晶组合物中式I的化合物的质量百分含量为6～20％，式II的化合物的质量百分含量为10～30％，式III的化合物的质量百分含量为2～20％，式IV的化合物的质量百分含量为25～50％，式V的化合物的质量百分含量为20～38％。

2.根据权利要求1所述的液晶组合物，其特征在于，所述式V的化合物具有如下结构中的任意一种：

其中，q₁为1或2。

3.一种液晶显示器件，其特征在于，所述液晶显示器件包括如权利要求1～2任一项所述的液晶组合物。