CN116042235A - 液晶取向剂、液晶取向膜及液晶表示元件和液晶取向膜的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于液晶显示技术领域。本发明提供了液晶取向剂、液晶取向膜及液晶表示元件和液晶取向膜的制备方法。本发明提供的液晶取向剂包含以下重量份的组分：成分I1～15份，成分Ⅱ为成分I总质量的1～30％，溶剂1～100份，流平剂1～80份。该液晶取向剂可用于制备液晶取向膜，该液晶取向膜能够实现高窗口的预倾角。将该液晶取向膜制备的液晶表示元件，可以用于计时器、计算器、时钟、文字处理器、笔记本电脑、汽车中控系统、便携式数码设备移动电话、手机、各种监视器、各种液晶电视、信息显示器和具备特殊功能的非显示类型液晶面板。
Description
技术领域
本发明涉及液晶显示技术领域，尤其涉及液晶取向剂、液晶取向膜及液晶表示元件和液晶取向膜的制备方法。
背景技术
目前，液晶显示器作为一种主流的显示器类型，在市场上占据主导地位，尤其是以薄膜晶体管液晶显示器(TFT-LCD)为代表的显示器件。薄膜晶体管液晶显示器(TFT-LCD)是以液晶为介质，薄膜晶体管为控制原件，采用大规模集成电路技术和平板光源技术相结合的一种光电子显示器件。以TFT-LCD为主导的平板显示器产业的迅速发展，给人们的生活和工作带来了革命性的变化。
液晶显示元件通常在元件内设有控制液晶取向状态的液晶取向膜。液晶取向膜材料是实现液晶分子取向技术的基础，也是实现LCD新的显示方式的重要保证，常见显示模式有TN(扭曲向列)、STN(超扭曲向列)、IPS(面内转换)、VA(垂直排列)、OCB(光学补偿弯曲排列)。目前，主要是采用PI(聚酰亚胺)材料作为取向膜，经处理后在其表面产生分子取向的各向异性，从而诱导液晶分子被“锚定”，进而在电场作用下发生定向排列。
目前，针对PI取向材料工业上采用的取向技术主要有传统的摩擦法和近年来新发展的各种非摩擦法。传统的摩擦法具有简单、方便、稳定性好及成本低等优点，但也存在一些先天性的技术缺陷，如摩擦产生的灰尘、粉屑、静电等极易造成制程不良，且无法适用于大尺寸基板、曲面或柔性装置的摩擦取向等。光取向技术作为一种非摩擦式的新型取向方法已经成为研究热点，目前市面上IPS和VA型的已得到普及，而TN、STN和OCB仍采用传统的摩擦法。
光控取向技术可以分为三大类：①偶氮聚合物的顺反异构诱导取向；②香豆素或肉桂酸等聚合物的光交联诱导取向；③聚酰亚胺的光致分解诱导取向。传统实现光配向的方法是采用偏振光投射方向垂直于PI膜表面，PI膜衬垫基材垂直于偏振光偏振方向移动曝光，形成垂直于偏振光偏振方向的配向方向。但其取向的方向是没有指向性的，仅在平行于偏振的方向上，这使得传统的光配向无法获取高预倾角，同时也无法获取如同摩擦取向一样的取向指向性。
因此，如何提供一种能够实现高窗口的预倾角的液晶取向材料成为了本领域技术人员亟需解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了液晶取向剂、液晶取向膜及液晶表示元件和液晶取向膜的制备方法，其目的是解决传统液晶取向膜无法实现高窗口的预倾角的技术问题。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
本发明提供了一种液晶取向剂，包含以下重量份的组分：成分I1～15份，成分Ⅱ为成分I总质量的1～30％，溶剂1～100份，流平剂1～80份。
在本发明中，所述成分I的用量优选为2～12份，进一步优选为5～10份。
在本发明中，所述成分Ⅱ的用量优选为5～25％，进一步优选为10～20％。
在本发明中，溶剂的用量优选为10～90份，进一步优选为30～70份。
在本发明中，流平剂的用量优选为10～70份，进一步优选为30～60份。
在本发明中，所述成分I为聚酰亚胺、聚酰胺酸和聚酰胺酸酯中的一种或多种，优选为聚酰亚胺和/或聚酰胺酸，进一步优选为聚酰胺酸；
在本发明中，所述成分Ⅱ的的结构通式如下：
其中，n为1～6之间的整数，优选为2～5，进一步优选为3～4；R9独立的为氢原子、卤素原子、碳原子数为1～6的烷基、碳原子数为2～6的烯基、碳原子数为2～6的炔基、含有氟原子的碳原子数为1～6的1价有机基团和苯基中的任意一种；所述烷基的碳原子数优选为2～5，进一步优选为3～4；所述烯基的碳原子数优选为3～5，进一步优选为4；所述炔基的碳原子数优选为3～5，进一步优选为4；所述含有氟原子的1价有机基团的碳原子数优选为2～5，进一步优选为3～4；R10为1价或2价的有机基团；R11独立的为氢原子或碳原子数为1～6的烷基，所述烷基的碳原子数优选为2～5，进一步优选为3～4。
在本发明中，所述溶剂为N,N-二甲基甲酰胺、N,N-二甲基乙酰胺、二甲基亚砜、N-甲基吡咯烷酮、间甲酚和四氢呋喃中的一种或多种，优选为N,N-二甲基甲酰胺、N,N-二甲基乙酰胺、二甲基亚砜、N-甲基吡咯烷酮和四氢呋喃中的一种或多种，进一步优选为N,N-二甲基甲酰胺、二甲基亚砜、N-甲基吡咯烷酮和四氢呋喃中的一种或多种。
在本发明中，所述流平剂的结构通式如下：
其中，R12独立的为碳原子数为1～12的烷基，优选为3～10，进一步优选为5～8；R13为含有-OH和/或-O-的侧链基团；所述流平剂优选为乙酸乙酯、乙二醇单丁醚、二乙二醇二乙醚、二丙酮醇和乙二醇丁醚乙酸酯中的任意一种，进一步优选为乙酸乙酯、乙二醇单丁醚或二乙二醇二乙醚。
在本发明中，所述聚酰胺酸由二胺化合物与四羧酸二酐反应得到；所述反应的温度为-15℃～100℃，优选为0～80℃，进一步优选为20～60℃；所述反应的时间为0.5～48h，优选为1～24h，优选为2～12h；所述反应的反应物固含量为10～50％，优选为12～40％，进一步优选为15～30％。
在本发明中，所述二胺化合物为基础有机二胺和/或配向结构二胺，所述二胺化合物的结构通式如下：
其中：结构通式中的X1和X2独立的为氢原子、烷基链(CnH2n，n＝1～10)、烯基链(CnH2n，n＝2～10)、炔基链(CnH2n，n＝2～10)，Z为2价有机基团；所述烷基链中的n优选为2～8，进一步优选为3～5；所述烯基链中的n优选为3～8，进一步优选为4～7；所述炔基链中的n优选为3～8，进一步优选为4～6；
当二胺化合物为基础有机二胺时，Z的结构通式如下：
在结构式Z-96中，R2独立的为F、Cl、Br、I、CH3、CF3、CN和苯环中的任意一种，优选为F、Cl、Br、I、CH3和苯环中的任意一种，进一步优选为F、Cl、Br和苯环中的任意一种。
其中，Z-124B中R3为F、Cl、Br、I、CH3、CF3、CN和苯环中的任意一种，优选为F、Cl、Br、I、CH3和苯环中的任意一种，进一步优选为F、Cl、Br和苯环中的任意一种。
其中，Z-132中R4独立的为F、Cl、Br、I、CH3、CF3、CN和苯环中的任意一种，优选为F、Cl、Br、I、CH3和苯环中的任意一种，进一步优选为F、Cl、Br和苯环中的任意一种。
其中，Z-175中R5独立的为-COO-、-OCO-、-NHCO-、-N(CH3)CO-和苯环的一种或几种，优选为-COO-、-OCO-、-NHCO-和苯环的一种或几种，进一步优选为-OCO-、-NHCO-和苯环的一种或几种。
当需要高阻值(≥1014Ω)材料时，优选为Z-1～Z-10、Z-29～Z-31、Z-34～Z-40、Z-53、Z-55～Z-57、Z-60～Z-62、Z-64～Z-77、Z-100～Z-103、Z-109～Z-111、Z-115～Z-117、Z-126、Z-133～Z-136、Z-147～Z-150、Z-158～Z-161、Z-163～Z-175或Z-193～Z-194；当需要低阻值(＜1014Ω)材料时，优选为Z-11～Z-28、Z-32～Z-33、Z-41～Z-52、Z-54、Z-58～Z-59、Z-63、Z-78～Z-99、Z-104～Z-108、Z-112～Z-114、Z-118～Z-125、Z-127～Z-132、Z-137～Z-146、Z-151～Z-157、Z-162、Z-176～Z-192或Z-195。
当二胺化合物为配向结构二胺时，Z的结构通式如下：
在本发明中，所述四羧酸二酐结构通式如下：
其中，G独立的为脂肪族、脂环族或芳香族有机基团；所述四羧酸二酐选自以下结构式中的一种：
其中，G-40～G-43中R8独立的为氢原子、卤素原子、碳数1～6的烷基、碳数2～6的烯基、碳数2～6的炔基、含有氟原子的碳数1～6的1价有机基团、或苯基的任意一种或者组合；所述烷基的碳原子数优选为2～5，进一步优选为3～4；所述烯基的碳原子数优选为3～5，进一步优选为4；所述炔基的碳原子数优选为3～5，进一步优选为4；所述含有氟原子的1价有机基团的碳原子数优选为2～5，进一步优选为3～4。
在本发明中，G-28和G-40作为结构设计，起主要作用是赋予PI膜的光配向特性，当需要高阻值(≥1014Ω)材料时，优选为G-1～G-4、G-7～G-13、G-22；当需要低阻值(＜1014Ω)材料时，优选为G-5、G-6、G-14～G-21、G-23～G-43。
在本发明中，所述聚酰胺酸酯由聚酰胺酸进行酯化反应得到；所述聚酰亚胺由聚酰胺酸或聚酰胺酸酯经过脱水闭环得到。
在本发明中，所述成分Ⅱ的结构优选为以下结构式的任意一种：
本发明提供了一种利用上述液晶取向剂制备液晶取向膜的方法，包括以下步骤：
将液晶取向剂涂布在基板上形成涂膜，对涂膜顺次进行预烘烤处理、一次固化处理、光取向处理、二次固化处理即得液晶取向膜。
在本发明中，所述基板透明基板或不透明基板；所述透明基板为具有蚀刻图形的透明导电膜的玻璃或由聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚对苯二甲酸丁二醇酯、聚醚砜、聚碳酸酯、PET、PI柔性膜任一种材料制成的透明基板，优选为具有蚀刻图形的透明导电膜的玻璃或由聚对苯二甲酸丁二醇酯、聚醚砜、PET、PI柔性膜任一种材料制成的透明基板，进一步优选为具有蚀刻图形的透明导电膜的玻璃或由聚对苯二甲酸丁二醇酯、PET、PI柔性膜任一种材料制成的透明基板；所述不透明基板为导电基材或者表层导电的复合基材制成的基板，优选为柔性线路板(FPC)、非柔性线路板、覆金属导电材质的基板或镀导电材质的基板，进一步优选为柔性线路板或镀导电材质的基板。
所述预烘烤处理的温度为30～200℃，优选为60～150℃，进一步优选为80～120℃；预处理的时间为0.25～30min，优选为0.5～20min，进一步优选为1～5min；所述一次固化处理的温度为80～300℃，优选为150～260℃，进一步优选为200～235℃；一次固化处理的时间为5～200min，优选为10～100min，进一步优选为15～45min。
在本发明中，所述光取向处理的光源为UV汞氙灯，光源与涂膜的夹角为30～60°，优选为40～50°，进一步优选为45°；光源的光积量为400～1000mJ/cm2，优选为500～800mJ/cm2，进一步优选为600～700mJ/cm2；光源的光强均一度≤30％，优选为≤15％，进一步优选为≤10％；光源的偏光消光比≥20，优选为≥30，进一步优选为≥50。
在本发明中，所述二次固化处理的温度为80～300℃，优选为150～250℃，进一步优选为200～235℃；二次固化处理的时间为15～45min，优选为20～40min，进一步优选为25～30min；所述液晶取向膜的厚度为50～200nm，优选为80～160nm，进一步优选为100～150nm。
本发明提供了上述制备方法所制备的液晶取向膜。
本发明提供了一种液晶表示元件，包括上述的液晶取向膜。
经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
与现有技术相比，本发明制备的液晶取向膜能够实现高窗口的预倾角，并实现类似摩擦配向工艺的单一配向的指向性，且预倾角的稳定性好。本发明制备的液晶表示元件适用于市面上所有显示技术，更难得是采用了光配向技术，突破了一些显示技术(如TN/OCB/STN)仍采用传统打摩配向的技术壁垒，为显示产业的技术革新提供了方向。
附图说明
图1为方式1所示的光学路径及器件构造图；
图2为方式2所示的光学路径及器件构造图。
具体实施方式
以下实施例中使用的主要的化合物的结构与简称：
G-28：CBDA
G-40：1,2,3,4-四甲基-1,2,3,4-环丁烷四羧酸二酐
S-3：2,4-二氨基苯十八烷醚
S-4：二氢胆固醇3,5二氨基苯甲酸酯
S-5：4,4’-(1,3-丙二氧基)二苯胺
实施例1
在室温环境，氮气氛围下，依次加入Z-19.72克(0.09mol)、S-33.76克(0.01mol)及NMP 77.2克，室温搅拌30分钟，确认完全溶解。再加入G-2819.6克(0.1mol)，室温搅拌反应3小时，反应固含量30％。反应结束后分别用NMP184.5克、BCS 261.7克及X-41.65克(占二胺及四羧酸二酐固体总质量比例5％)稀释后得到透明黏稠聚酰胺酸溶液即为聚酰胺酸取向剂，固含量为6％，溶剂比例NMP/BC＝50/50。
将上述聚酰胺酸取向剂溶液均匀旋涂于洁净的ITO玻璃上，然后依次将该ITO玻璃基板放在温度80℃下预烘10min；再在温度230℃下进行一次固化处理30min；随后进行光配向处理，UV光倾斜照射于PI膜表面，其入射角度为45°(如图1或图2所示)，光积量为400mJ/cm2；；再在温度230℃进行二次次固化处理30min；即得涂覆在ITO玻璃基板上的液晶取向膜。将两片上述制得的涂覆有液晶取向膜的ITO玻璃基板用含有4um的间隔粒子的热固化胶使两片基板面相对且配向方向正交呈90°，粘结成盒，灌入液晶，随后用光固化胶封口，获得液晶盒。
实施例2和实施例3除原料用量与实施例1不同，其余步骤均与实施例1相同。实施例4的原料及用量和除将两片上述制得的涂覆有液晶取向膜的ITO玻璃基板彼此相对且配向方向呈180°或者0°之外，液晶取向膜和液晶盒的制备步骤与实施例1相同。实施例5至实施例9，除原料用量与实施例4不同，其余步骤均与实施例4相同。实施例10至实施例12除原料用量与实施例1不同，其余步骤均与实施例1相同。实施例13至实施例22，除原料用量与实施例4不同，其余步骤均与实施例4相同。
对比例1至对比例18制备的液晶取向剂，原料及用量与实施例1不同，光配向技术不同(采用传统光配向技术，有效波长段为254nm)，UV光照射角度也不相同(垂直PI膜表面照射，其入射角度为90°)，其余步骤分别一一对应实施例1至实施例18中的步骤。所有实施例和对比例制备的液晶取向剂所用原料的比例见下表1。
表1制备液晶取向剂所用的原料比
对比例1至对比例18制备的液晶取向膜，除原料及用量与实施例1不同，其余步骤均与实施例1相同，所有实施例和对比例制备的液晶取向膜所用原料的比例见下表2。
表2制备液晶取向膜所用的原料比
对比例1至对比例18制备的液晶盒，除照射方式、原料及用量与实施例1不同，其余步骤均与实施例1相同，所有实施例和对比例制备的液晶盒所用原料的比例见下表3。
表3制备液晶盒所用的原料比
对于所述制造的液晶盒，利用光学显微镜以50倍的倍率来观察施加/解除5V电压时的明暗变化的异常区的有无。将未观察到异常区的情况视为液晶取向性“良好”，将观察到异常区的情况视为液晶取向性“不良”。
其中，上述方式1为图1所示的光学路径及器件构造图；方式2为图2所示的光学路径及器件构造图。
液晶盒电性能的表征：测试设备：6254C；VHR量测条件：电压5V、脉冲宽度为60us/帧、周期1667ms、测量温度为23℃/90℃；Ion Density量测条件：电压5V、脉冲宽度为60us/帧、周期1667ms、测量温度为60℃。
液晶盒预倾角的表征：测试设备：Shintech Optitro-STD(3STN11)；测试波长：591.4nm；测试模式：TN/VA/IPS模式。
液晶盒稳定性的表征：老化设备：信号发生器；±14VAC老化72Hrs，30Hz，方波，常温+Backlight；测试设备：Shintech OPTIPRO-micro(1S2N11)；测量方法：ShintechOptitro-STD(3S1N11)量测液晶盒老化前后pretiltAngle差值的绝对值。预倾角稳定性的评价结果如下，T1：ΔPretiltAngle＜0.1°，稳定性良好；T2：ΔPretiltAngle介于0.1～0.5°之间，稳定性一般；T3：ΔPretilt Angle＞0.5°，稳定性差。
液晶取向膜电阻率的表征：测试设备：静电计/高阻表(KEYSIGHT B2985A)，样品厚度5～50微米，有效面积30～60cm2，测试参数：电压量测范围1μV-20V，0.01fA测量分辨率，2000读数/s。所有实施例和对比例制备的液晶盒的表征数据见下表4。
表4液晶盒的表征数据
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (10)
1.一种液晶取向剂，其特征在于，包含以下重量份的组分：成分I1～15份，成分Ⅱ为成分I总质量的1～30％，溶剂1～100份，流平剂1～80份；
所述成分I为聚酰亚胺、聚酰胺酸和聚酰胺酸酯中的一种或多种；
所述成分Ⅱ的结构通式如下：
其中，n为1～6之间的整数，R9独立的为氢原子、卤素原子、碳原子数为1～6的烷基、碳原子数为2～6的烯基、碳原子数为2～6的炔基、含有氟原子的碳原子数为1～6的1价有机基团和苯基中的任意一种；
R10为1价或2价的有机基团；
R11独立的为氢原子或碳原子数为1～6的烷基。
2.根据权利要求1所述的液晶取向剂，其特征在于，所述溶剂为N,N-二甲基甲酰胺、N,N-二甲基乙酰胺、二甲基亚砜、N-甲基吡咯烷酮、间甲酚和四氢呋喃中的一种或多种；
所述流平剂的结构通式如下：
其中，R12独立的为碳原子数为1～12的烷基；
R13为含有-OH和/或-O-的侧链基团。
3.根据权利要求2所述的液晶取向剂，其特征在于，所述聚酰胺酸由二胺化合物与四羧酸二酐反应得到；
所述二胺化合物为基础有机二胺和/或配向结构二胺；
所述聚酰胺酸酯由聚酰胺酸进行酯化反应得到；
所述聚酰亚胺由聚酰胺酸或聚酰胺酸酯经过脱水闭环得到。
4.利用权利要求1～3任一项所述液晶取向剂制备液晶取向膜的方法，其特征在于，包括以下步骤：
将液晶取向剂涂布在基板上形成涂膜，对涂膜顺次进行预烘烤处理、一次固化处理、光取向处理、二次固化处理即得液晶取向膜。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述基板为透明基板或不透明基板。
6.根据权利要求4或5所述的方法，其特征在于，所述预烘烤处理的温度为30～200℃，预处理的时间为0.25～30min；
所述一次固化处理的温度为80～300℃，一次固化处理的时间为5～200min。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述光取向处理的光源为UV汞氙灯，光源与涂膜的夹角为30～60°，光源的光积为400～1000mJ/cm2，光源的光强均一度≤30％，光源的偏光消光比≥20。
8.根据权利要求4或7所述的方法，其特征在于，所述二次固化处理的温度为80～300℃，二次固化处理的时间为15～45min；
所述液晶取向膜的厚度为50～200nm。
9.权利要求4～8任一项所述方法所制备的液晶取向膜。
10.一种液晶表示元件，其特征在于，包括如权利要求9所述的液晶取向膜。
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