CN113122281A - 液晶组合物、液晶显示元件、液晶显示器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种液晶组合物,包含一种或多种式I所示可聚合化合物以及一种或多种式Ⅱ所示化合物,以及含有该液晶组合物的液晶显示元件或液晶显示器件。所述液晶组合物具有较高的聚合速率和转化率、良好的低温可靠性,能满足LCD厂家对产能的需求并在一定程度上避免了残像的产生,同时作为应用于PSA(聚合物支持的配向)、PS(聚合物稳定的)等显示模式的液晶组合物时,具有低的旋转粘度、合适的预倾角、高的电荷保持率(VHR)等优点。
Description
技术领域
本发明涉及液晶显示领域,具体涉及液晶组合物,以及包含有该液晶组合物的显示元 件或液晶显示器。
背景技术
作为平板显示器的佼佼者,TFT-LCD(Thin Film Transistor Liquid CrystalDisplay,薄膜 晶体管液晶显示器)目前已经逐渐占据了显示器领域的主导地位。TFT-LCD多用于对可视 角度以及对比度要求相当严格的高端领域,如航空航天、医疗、图形图像处理等。但在偏 离垂直于显示器法线方向观察时,显示画面的对比度明显下降,视角大时还会发生灰阶反 转现象,这有可能严重影响TFT-LCD的应用领域。因此,从有源矩阵LCD诞生起,高对 比及广视角技术就一直是液晶显示技术人员的重要研究课题。
TFT-LCD的显示模式有很多种,例如TN(Twisted Nematic)-TFT、IPS(In-planeSwitching)-TFT、VA(Vertical Alignment)-TFT和PSVA(Polymer Susfained VerticalAlignment)-TFT。其中PSVA-TFT显示模式的特点是较高的对比度和广视角。PSVA技术是 在配向膜上生成一层可以使VA液晶形成预倾角的聚合物质,所以又简称聚合物稳定配向(Polymer Susfained Alignment,PSA)技术。这种聚合物层形成的过程是,先在普通的VA液晶中掺入一定比例的高纯度反应型液晶(Reactive Mesogen,RM),这是一种趋光性单体。反应型液晶具有普通液晶分子的液晶核,末端带有一个或多个压克力基(Acrylate Group)之类的可反应官能基。可反应官能基经UV(Ultraviolet light)光照射后聚合成高分子网络, 可以达到永久固定。由于所使用的聚合起始剂多为254~365nm波长的UV感光剂,故称为 UV反应型液晶。
在UV照射前,先在上下基板上外加一个电压,使液晶分子产生一个预倾角度。对应子 像素中不同的畴,液晶分子的倾斜方向不同。用外加电压确定好倾斜角度后,进行特定UV 光的照射。这时,反应型液晶聚合成高分子网络,吸引表层的液晶分子使之形成固定的预 倾角。这里的UV光照射不同于Seal(封接胶)硬化用的UV光照射,只能从TFT一侧进 行照射。如果从CF(Color Film,彩膜基板)侧照射,CF上的RGB色阻的存在不仅会吸收 UV光的能量还会打散UV光的方向。UV照射结束后,扯去外加电压,上下基板表层的液 晶分子依然保持一定的预倾角,而中间层的液晶分子恢复为垂直排列。
PSVA技术在TFT侧还是保留了ITO Slit(ITO缝隙)结构。TFT侧的像素结构既以沿用 MVA(Multi-domin Vertical Alignment)、PVA(Patterned Vertical Alignment)等设计,也可以在众 多的Fine Slit电极(锯齿状像素电极)密集排列,电极分别在上下左右4个区域呈45°方向 排列(呈45°方向是为了保证VA液晶分子的转动方位角保持45°,以获得最大的光透过效 率),上下左右4个区域的液晶转动方向不同,形成4个畴。
PSVA技术可以实现同MVA/PVA类似的广视角显示模式。相比MVA技术和PVA技术,PSVA技术CF侧不需要Protrusion(凸起物)或Slit结构,简化CF工艺,降低CF成本的同时,提高了开口率,还可以获得更高的亮度。同时由于没有Protrusion的漏光,因此可以获得更高的对比度。PSVA与传统的VA的黑白态显示效果,PSVA的白态更亮,黑态更暗。此外 由于正面的液晶都有预倾角,没有多米诺延迟现象,还可以获得较低的旋转粘度。
液晶化合物与RM混合后在PSA模式显示器中的应用方面仍具有一些缺点。首先,到目前为止并不是所有RM都适合用于PSA显示器;同时,如果采用紫外光(Ultravioletlight) 而不添加光引发剂使RM进行聚合,则能够选择RM种类变得更少;另外,要求液晶化合 物与所选择的RM组合形成的液晶组合物具有低的旋转粘度和良好的光电性能,以及高的 电压保持率(VHR)以达到预期显示效果。PSA-VA显示模式,采用紫外光辐照后的液晶 组合物仍然具有高的VHR是非常重要的,否则会导致显示器出现残像等问题。通常液晶化 合物与RM组成的液晶组合物在液晶显示元件或液晶显示器制备过程需要经过两个阶段的 紫外光照射制程,使RM聚合,并在RM聚合后尽量少的残留在液晶组合物中。因此,RM 聚合过程时间的长短直接影响液晶显示元件或液晶显示器的制备过程所需的时间。
发明内容
本发明人等进行了深入研究,发现通过本发明提供的液晶组合物能够解决现有技术中 存在的至少一个问题,从而完成了本发明。
本发明的一方面提供了一种液晶组合物,所述液晶组合物包含一种或多种式Ⅰ所示可 聚合化合物以及一种或多种式Ⅱ所示化合物,
其中,
X表示-O-、-S-或-CH2-;
Y表示H原子、F原子、Cl原子、碳原子数为1~5的烷基、碳原子数为1~5的烷氧基、氟取代的碳原子数为1~55的烷基或氟取代的碳原子数为1~5的烷氧基;
R1、R2表示碳原子数为1~10的烷基、氟取代的碳原子数为1~10的烷基、碳原子数为 1~10的烷氧基、氟取代的碳原子数为1~10的烷氧基、碳原子数为2~10的链烯基、氟取代 的碳原子数为2~10的链烯基、碳原子数为3~8的链烯氧基或氟取代的碳原子数为3~8的链 烯氧基;
本发明的另一方面提供一种液晶显示元件或液晶显示器,所述显示元件或显示器为有 源矩阵显示元件或显示器或无源矩阵显示元件或显示器。
发明效果
本发明提供的液晶组合物含有的反应性介晶(RM)具有较高的聚合速率和转化率、良好 的低温可靠性,能满足LCD厂家对产能的需求并在一定程度上避免了残像的产生,同时作 为应用于PSA(聚合物支持的配向)、PS(聚合物稳定的)等显示模式的液晶组合物时,具有低 的旋转粘度、合适的预倾角、高的电荷保持率(VHR)等优点。
具体实施方式
本发明一方面提供一种液晶组合物,所述液晶组合物包含一种或多种上述式Ⅰ所示可 聚合化合物以及一种或多种上述式Ⅱ所示化合物。
优选地所述式Ⅰ所示化合物选自式Ⅰ-1至Ⅰ-32所示化合物组成的组:
优选地,所述式Ⅱ所示化合物选自式Ⅱ-1至Ⅱ-15所示化合物组成的组:
前述式Ⅱ所示化合物,能够提高液晶组合物的互溶性,降低旋转粘度,从而提高本公 开的液晶组合物的响应速度。
所述液晶组合物还包含一种或多种式Ⅲ所示化合物,
其中,
R3、R4各自独立地表示碳原子数为1~10的烷基、氟取代的碳原子数为1~10的烷基、 碳原子数为1~10的烷氧基、氟取代的碳原子数为1~10的烷氧基、碳原子数为2~10的链烯 基、氟取代的碳原子数为2~10的链烯基、碳原子数为3~8的链烯氧基或氟取代的碳原子数 为3~8的链烯氧基,其中任意一个或多个不相连的-CH2-任选被亚环戊基、亚环丁基或亚环 丙基取代;
Z1、Z2各自独立地表示单键、-CH2CH2-、-CH2O-或-OCH2-;
m表示1或2;
p表示0、1或2。
优选地,所述式Ⅲ所示化合物选自式Ⅲ-1至Ⅲ-12所示化合物组成的组:
其中,
R3、R4各自独立地表示碳原子数为1~10的烷基、氟取代的碳原子数为1~10的烷基、 碳原子数为1~10的烷氧基、氟取代的碳原子数为1~10的烷氧基、碳原子数为2~10的链烯 基、氟取代的碳原子数为2~10的链烯基、碳原子数为3~8的链烯氧基或氟取代的碳原子数 为3~8的链烯氧基,其中任意一个或多个不相连的-CH2-任选被亚环戊基、亚环丁基或亚环 丙基取代。
前述的式Ⅲ所示化合物具有负介电各项异性,通过在本公开的液晶组合物中含有式Ⅲ 所示化合物,可以调节液晶组合物的驱动电压。
所述的液晶组合物中,所述一种或多种式Ⅰ所示可聚合化合物相对于其它组分质量含 量之和的质量含量为0.001~1%,所述一种或多种式Ⅱ化合物的质量含量为10~75%,所述 一种或多种式Ⅲ所示化合物的质量含量为20~60%。
所述液晶组合物还包含一种或多种式Ⅳ所示的化合物,
其中,
R5、R6各自独立地表示碳原子数为1~10的烷基、氟取代的碳原子数为1~10的烷基、 碳原子数为1~10的烷氧基、氟取代的碳原子数为1~10的烷氧基、碳原子数为2~10的链烯 基、氟取代的碳原子数为2~10的链烯基、碳原子数为3~8的链烯氧基或氟取代的碳原子数 为3~8的链烯氧基,其中任意一个或多个不相连的-CH2-任选被亚环戊基、亚环丁基或亚环 丙基替代;
W表示-O-、-S-或-CH2O-。
优选地,前述式Ⅳ所示的化合物选自下述式Ⅳ-1~Ⅳ-12所示的化合物组成的组:
其中,R51、R61表示碳原子数为1~10的烷基。
所述液晶组合物还包含一种或多种式Ⅴ所示的化合物,
其中,
R7、R8各自独立地表示碳原子数为1~10的烷基、氟取代的碳原子数为1~10的烷基、 碳原子数为1~10的烷氧基、氟取代的碳原子数为1~10的烷氧基、碳原子数为2~10的链烯 基、氟取代的碳原子数为2~10的链烯基、碳原子数为3~8的链烯氧基或氟取代的碳原子数 为3~8的链烯氧基;
优选地,前述式Ⅴ所示的化合物选自下述式Ⅴ-1~Ⅴ-3所示的化合物组成的组:
其中,
R7、R8各自独立地表示碳原子数为1~10的烷基、氟取代的碳原子数为1~10的烷基、 碳原子数为1~10的烷氧基、氟取代的碳原子数为1~10的烷氧基、碳原子数为2~10的链烯 基或氟取代的碳原子数为2~10的链烯基。
所述液晶组合物还包含一种或多种式Ⅵ所示化合物,
其中,
R9、R10各自独立地表示碳原子数为1~10的烷基、氟取代的碳原子数为1~10的烷基、 碳原子数为1~10的烷氧基、氟取代的碳原子数为1~10的烷氧基、碳原子数为2~10的链烯 基、氟取代的碳原子数为2~10的链烯基、碳原子数为3~8的链烯氧基或氟取代的碳原子数 为3~8的链烯氧基;
Y1、Y2、Y3各自独立地表示H原子或F原子。
优选地,前述式Ⅵ所示的化合物选自下述式Ⅵ-1~Ⅵ-2所示的化合物组成的组:
其中,
R9、R10各自独立地表示碳原子数为1~10的烷基、氟取代的碳原子数为1~10的烷基、 碳原子数为1~10的烷氧基、氟取代的碳原子数为1~10的烷氧基、碳原子数为2~10的链烯 基、氟取代的碳原子数为2~10的链烯基、碳原子数为3~8的链烯氧基或氟取代的碳原子数 为3~8的链烯氧基。
所述液晶组合物还包含一种或多种添加剂,所述添加剂选自式Ⅶ至式Ⅷ所示化合物组 成的组,
其中,
R11表示碳原子数为1~10的烷基或碳原子数为1~10的烷氧基,其中任意一个或多个不 相连的-CH2-任选被1,4亚环己基、2,4亚二氧六环基、亚环戊基或亚环丙基取代;
R12、R13各自独立地表示H原子或甲基;
x表示8、10或12。
优选地,式Ⅶ所示化合物为式Ⅶ-1所示化合物,
优选地,式Ⅷ所示化合物为式Ⅷ-1所示化合物,
本发明提供一液晶显示元件或液晶显示器,其包含前述任一液晶组合物,所述显示元 件或显示器为有源矩阵显示元件或显示器或无源矩阵显示元件或显示器。
优选地,所述液晶显示元件或液晶显示器优选有源矩阵液晶显示元件或液晶显示器。
优选地,所述有源矩阵液晶显示元件或液晶显示器为PSVA-TFT或IPS-TFT液晶显示 元件或液晶显示器。
作为本发明的液晶显示器的一个实施方式,可以列举,例如下述的结构:包括第一基 板、第二基板,以及设置在第一基板和第二基板之间的液晶组合物,第一基板与第二基板 平行相对设置,第一基板和第二基板的靠近液晶组合物一侧设有配向层,第一基板设有公 共电极、第二基板设有像素电极,第一基板与第二基板之间散布有间隔物。
作为本发明的液晶显示器的制备方法,本领域技术人员能够根据本领域的常识选择合 适的方法进行制备。作为本发明的液晶显示器的制备方法的一个例子,例如,包括下述步 骤的制备方法:
在第一基板和第二基板的表面均匀涂布配向材料,配向材料可以选用聚酰亚胺,对均 匀涂布的配向材料进行加热固化,加热温度为210~250℃,形成配向层;
在第二基板表面散布间隔物,并沿第一基板的边缘涂布边框胶,并在100℃~150℃下 进行固化;
将第一基板和第二基板相对设置,贴合形成具有夹层空间的结构;
将液晶组合物注入第一基板和第二基板之间的夹层空间,密封固化,从而将液晶组合 物密封在第一基板和第二基板之间,并同时进行加电、紫外光照射。紫外光照射分为第一 阶段紫外光照射(UV1)、第二阶段紫外光照射(UV2)的两个阶段。在UV1阶段,紫外 光波长为360nm~370nm,紫外光辐照度为60~72mw/cm2。作为紫外光照射的时间,可以 为例如50~100s,优选为50~60s。
在第一阶段的光照射结束后进行第二阶段光照射(UV2),UV2中所使用的光可以列举 出例如紫外光。第二阶段紫外光照射(UV2)紫外光波长例如为360nm~370nm,在UV2 阶段使用紫外光辐照度为例如3~8mw/cm2。通过采用这样的辐照度,能够使得未发生聚合 的式I所示化合物缓慢的完全聚合,提高可聚合化合物的转化率,从而使得液晶组合物中 不存在可聚合化合物的残留。并且由于聚合缓慢,该过程不会对已经形成的预倾角产生影响。UV2阶段的紫外光照射时间可以为例如100~150min。
实施例
为了更清楚地说明本发明,下面结合优选实施例对本发明做进一步的说明。本领域技 术人员应当理解,下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的,不应以此限制本发明 的保护范围。
本发明中,制备方法如无特殊说明则均为常规方法,所用的原料如无特别说明均可从 公开的商业途径获得,百分比均是指质量百分比,温度为摄氏度(℃),液晶化合物也称 为液晶单体,其他符号的具体意义及测试条件如下:
Cp表示液晶清亮点(℃),DSC定量法测试;
Δn表示光学各向异性,no为寻常光的折射率,ne为非寻常光的折射率,测试条件为25±2℃,589nm,阿贝折射仪测试;
Δε表示介电各向异性,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,测试条件为25±0.5℃,20微米垂直盒,INSTEC:ALCT-IR1测试;
γ1表示旋转粘度(mPa·s),测试条件为25±0.5℃,20微米垂直盒,INSTEC:ALCT-IR1 测试;
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微米垂直盒;
VHR表示电压保持率(%),测试条件为20±2℃、电压为±5V、脉冲宽度为10ms、 电压保持时间16.7ms。测试设备为TOYO Model6254液晶性能综合测试仪。
本发明实施例中,液晶组合物的制备所用的设备和仪器为:
液晶组合物的制备方法如下:将各可聚合化合物按照一定配比称量后放入不锈钢烧杯 中,将装有各可聚合化合物的不锈钢烧杯置于磁力搅拌仪器上加热融化,待不锈钢烧杯中 的可聚合化合物融化后,往不锈钢烧杯中加入磁力转子,将混合物搅拌均匀,冷却到室温 后即得液晶组合物。
本发明的实施例中的液晶显示器件的制备方法如下:
首先,在第一基板和第二基板的表面均匀涂布配向材料,配向材料可以选用聚酰亚胺, 对均匀涂布的配向材料进行加热固化,加热温度为230℃,形成配向层;其次,在第二基 板表面散布间隔物,并沿第一基板的边缘涂布边框胶,并在120℃下进行固化;然后,将第一基板和第二基板相对设置,贴合形成具有夹层空间的结构;最后,将液晶组合物注入第一基板和第二基板之间的夹层空间,密封固化,从而将液晶组合物密封在第一基板和第二基板之间,并同时进行加电、紫外光照射。紫外光照射分为两个阶段,包括第一阶段紫 外光照射(UV1)、第二阶段紫外光照射(UV2)。在UV1阶段,以紫外光波长为365nm, 辐照度为64mw/cm2进行光照射,控制紫外光的照射时间,以使得液晶分子形成89°左右 的预倾角(通常要求RM转化率达到50%左右)。RM转化率越高,紫外光的照射时间就 越短。在第一阶段的光照射结束后进行第二阶段光照射(UV2),UV2中使用波长365nm 的紫外光,辐照度为5mw/cm2,光照射时间为100-150min。
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1环结构的对应代码
表2端基与链接基团的对应代码
液晶单体结构及对应代码举例:
本发明中所用到的化合物、添加剂和母体液晶组合物为:
化合物:
测试母体1:
测试母体2:
测试母体3:
测试母体4:
实验1.低温可靠性评价
测定添加可聚合化合物在不同液晶母体中的低温可靠性,OK表示没有发生晶析,低温 可靠性优异,NG表示发生晶析,低温可靠性较差。
以测试母体1~4,分别向其中添加相对于测试母体为1%质量含量的可聚合化合物RM-1 至RM-3作为实施例1-1至实施例1-12;作为对比,分别向测试母体1~4中添加等量的可 聚合化合物RM-4作为对比例1-1至对比例1-4。考察-30℃下在样品瓶中的储存性能。
从上表可以看出,实施例1-1至1-12,其低温可靠性均可以达到要求,而对比例1-1至 1-4,其低温可靠性不能到达要求。
实验2.聚合速率和转化率评价
测定添加可聚合化合物在不同液晶母体中的聚合速率和转化率。
向测试母体1~4中分别添加4000ppm的可聚合化合物RM-1至RM-3;作为对比,分别向测试母体1~4中添加等量的RM-4,以上述提到的液晶介质制备方法制备成液晶介质,灌注液晶盒后,在UV1阶段,以紫外光波长为365nm,辐照度为64mw/cm2进行光照射, 控制紫外光的照射时间,以使得液晶分子形成89°左右的预倾角,再剖开液晶盒进行HPLC 分析,UV1下的转化率结果如下表所示。
从上表可以看出,相对于对比例2-1至2-4,实施例2-1至2-12在不同母体中相同的RM其转化率也会不同,这符合一般的行业认知。通过对RM-1至RM-4搭配液晶组合物进 行验证,在UV1制程下,RM-1~RM-3的聚合速率和转化率高于RM-4,能满足扩大产能的 需求。
实验3.信赖性、预倾角评价
使用与实验2相同的液晶组合物,实验3中的样品小编号其液晶组分与实验2相同小 编号液晶组分一致,如实施例3-2其液晶组分等同于实施例2-2。
在实验2的基础上,第一阶段的光照射结束后进行第二阶段光照射(UV2),UV2中使用波长365nm的紫外光,辐照度为5mw/cm2,光照射时间为100min。测试其最终转化率、 电压保持率(VHR)及预倾角。
从对比例3-1至3-4和实施例3-1至3-12可以看出,虽然UV1后转化率差别比较大,但是UV2后转化率差别会减小,同时相似转化率的样品其最终预倾角度也不尽相同,由图表中看出含RM-4的液晶组合物转化率过慢,造成预倾角较小,不满足厂家LCD制程;而 含RM-1至RM-3的液晶组合物则预倾角较为稳定,且可抑制较大颗粒的产生,有助于预倾 角稳定性。所以在满足LCD厂家工艺使用前提下使聚合颗粒均匀,预倾角适当,是可聚合 液晶混合物调配的特点。实施例3-1至3-12的电压保持率(VHR)数据均较优异,其中在 同一母体比较中(不同母体无法直接对比),添加了RM-1至RM-3的液晶组合物的VHR数 据明显较优。
实验4.功能性添加剂对液晶组合物的信赖性评价
进行老化实验,通过照射紫外线来使聚合物性化合物聚合后,在紫外、高温等条件下 测试其电压保持率(VHR),并通过向实施例1-3和实施例1-4中添加功能性添加剂,进一步考察实施例4-1至4-8在紫外、高温等条件下的电压保持率(VHR)。
从对比例4-1至4-2可以看出,样品的紫外后和高温VHR与初始VHR相比,明显降低;并且其紫外及高温后的VHR降低幅度大于实施例4-1至4-8,说明混合添加剂后可改善紫 外和高温后的VHR;同时由实施例4-1至4-8可以看出,选择合适的添加剂的量对改善高 温和紫外后的VHR是有利的。
显然,本公开的上述实施例仅仅是为清楚地说明本公开所作的举例,而并非是对本公 开的实施方式的限定,对于所属领域的普通技术人员来说,在上述说明的基础上还可以做 出其它不同形式的变化或变动,这里无法对所有的实施方式予以穷举,凡是属于本公开的 技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本公开的保护范围之列。
Claims (10)
4.根据权利要求3所述的液晶组合物,其特征在于,所述一种或多种式Ⅰ所示可聚合化合物相对于其它组分质量含量之和的质量含量为0.001~1%,所述一种或多种式Ⅱ化合物的质量含量为10~75%,所述一种或多种式Ⅲ所示化合物的质量含量为20~60%。
10.一种包含权利要求1~9任一项所述液晶组合物的液晶显示元件或液晶显示器,所述显示元件或显示器为有源矩阵显示元件或显示器或无源矩阵显示元件或显示器。
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