CN116814275B - 液晶组合物及包含其的液晶光学元件 - Google Patents
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Abstract
本发明提供液晶组合物及包含其的液晶光学元件，包含至少一种式I化合物、至少一种式II的化合物和至少一种式III的化合物。该液晶组合物还可以包含添加剂。本发明还提供一种包含本发明所述液晶组合物的液晶光学元件。利用本发明的液晶组合物制作液晶光学元件，能够降低可聚合胆甾相液晶光学元件的制作工艺难度，提高光学元件的衍射效率。
Description
技术领域
本申请属于液晶显示材料领域，具体涉及一种液晶组合物及包含其的液晶光学元件。
背景技术
液晶(LC)作为一种各向异性的光学材料，可以为偏振光引入相位延迟，因此液晶(LC)是制备波片(或相位延迟器)的重要材料。使用可聚合液晶可以制造无源(LC聚合物)光学元件。无源LC波片是经过UV稳定处理后的聚合物薄膜，具有超薄、轻的特点。利用可聚合胆甾相液晶制作的全息聚合物制作的全息光学元件(HOE)可以实现近眼显示模块的紧凑和轻量化。
现阶段的可聚合液晶基本均是使用单一一种液晶单体进行研究。这些研究包括离轴透镜、液晶光栅、相位调制等方面，但不限于其他方面的研究和应用。在这些研究和使用时通过将液晶单体手性剂、光敏剂或其他添加剂例如共引发剂、抗氧化剂、抗UV剂等按照一定的比例进行混合，通过加热或者使用溶剂的方式将这些组分进行混合，再通过刮涂或者旋涂的方式涂布到玻璃基板或晶圆或塑料基板上根据需求进行曝光得到目标光学元件。这种仅使用一种液晶单体制作液晶光学元件，在工艺上仅能选用双折射率偏小相变温度偏低的柔性液晶分子单体实现制作工艺上的可行性，选用不合适的分子会造成涂布完分子迅速结晶不再具有设计功能。在性能上，双折射率可以直接主导聚合液晶光栅或离轴透镜的反射波长带宽，双折射率越高反射波长带宽越宽。仅使用单一液晶单体很难同时满足制作工艺上可行性和性能上的提升。常用的研究和生产液晶光学元件使用的液晶单体为RM257，也仅能刚刚满足实验上的制作与功能上的体现。RM257结构式如下：
。
发明内容
针对现有技术中单一液晶单体很难同时满足制作工艺可行性和性能提升的问题，本发明提供一种液晶组合物，其能够降低可聚合胆甾相液晶光学元件的制作工艺难度，提高光学元件的衍射效率。
本发明提供一种液晶组合物，包含：
至少一种式I的化合物
和
至少一种式II的化合物
；其中，n1、n2、m1和m2分别表示0、1、2、3、4、5、6、7、8、9或10；当n1、n2、m1和m2分别表示0时，x1、x2、y1和y2表示0；当n1、n2、m1和m2分别不表示0时，x1、x2、y1和y2表示1；A1和A2分别表示H、F或CH3。
在一个实施方案中，基于液晶组合物的总重量，式I化合物的重量百分比为5%-80%，式II化合物的重量百分比为10%-90%。
在一个实施方案中，
式I的化合物具有以下结构式：
、
或
；
式II的化合物具有以下结构式：
、
或
。
本发明还提供一种液晶组合物，包含：
至少一种式I的化合物
、
至少一种式II的化合物
，以及
至少一种式III的化合物
；其中，n1、n2、n3、m1、m2和m3分别表示0、1、2、3、4、5、6、7、8、9或10；当n1、n2、n3、m1、m2和m3分别表示0时，x1、x2、x3、y1、y2和y3表示0；当n1、n2、n3、m1、m2和m3分别不表示0时，x1、x2、x3、y1、y2和y3表示1；A1、A2和A3分别表示H、F或CH3。
在本发明的一个实施方案中，式I化合物、式II化合物和式III化合物按照一定重量比进行组合形成液晶组合物。
在一个优选实施方案中，相对于液晶组合物的总重量，式I化合物的重量百分比为5%-60%，式II化合物的重量百分比为10%-70%，式III化合物的重量百分比为10%-60%。
在一个更优选的实施方案中，相对于液晶组合物的总重量，式I化合物的重量百分比为10%-50%，式II化合物的重量百分比为20%-60%，式III化合物的重量百分比为20%-50%。
在本发明的一个实施方案中，式III的化合物具有以下结构式：
、
或
。
在本发明的一个实施方案中，液晶组合物除了式I化合物、式II化合物和式III化合物，还包含一种或多种添加剂。添加剂为手性剂。手性剂可以为右旋手性剂或左旋手性剂。例如，手性剂选自S811、S5011、S2011、R811、R5011、R2011中的一种或更多种，达到组合物从向列相液晶相转变为具有特定反射波长的胆甾相液晶，形成的胆甾相液晶具有小于10um的picth值。不希望受理论束缚，液晶组合物中还可以包含本领域技术人员已知的微量的抗氧化剂或抗紫外剂。
本申请中，所用手性剂对应的化学名称或结构式如表1所示：
表1
本发明还提供了一种平面光学器件，该光学器件所应用的可聚合物液晶材料，以及该光学器件的制备方法。
液晶材料配制；使用电子天平按照百分比称量式I、式II和式III表示的化合物，其中式I、式II和式III表示的化合物按照重量百分比称量。称量好的液晶组合物通过加热混合均匀，或者使用二氯甲烷作为溶剂与液晶组合物进行混合，其中二氯甲烷与液晶组合物的体积比为4:1至10:1。
添加重量百分比0.1-2%光敏剂，如UV651或者TPO，添加对应波长手性剂的含量根据公式,/>确定，其中λ表示响应波长，/>表示液晶平均折射率，p表示液晶螺距，c表示手性剂浓度，HTP表示螺旋扭转力常数。
光学元件的制作方法包括以下步骤：
准备第一基板，该基板可以为玻璃基板或塑料基板，在该基板上通过旋涂或者刮涂的方式涂布取向层，取向层为灿烂黄（brightyellow）或其他可以被偏振可见光或UV光进行配向的材料；
使用蓝光激光器按照设计的图形对取向层做图形配向；
将配置好的液晶组合物或液晶组合物与二氯甲烷的混合物通过刮涂或旋涂的方式涂布到已配向的基板上，使用蓝光或UV光固化，得到光学器件。
灿烂黄结构式如下：
。
本申请具有以下有益效果：
1、与现有技术相比，本发明降低了液晶组合物材料的晶体到液晶相的相变温度，在制作液晶光学元件的过程中，可以使组合物液晶材料始终保持液晶相态，在最终曝光后形成完整的胆甾相液晶薄膜光学元件；
2、工艺过程中使用保持液晶相态可以使制作光学元件过程中液晶材料的成膜性更好，成膜后更加均匀，衍射效率一致性更高；
3、包含本发明所述液晶组合物具有高双折射率，使得由本发明的液晶组合物制作的光栅元件具有更高的衍射效率。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。下述实施例中，除非另有说明，所述的试验方法具体条件通常按照常规条件或制造厂商建议的条件实施；原料、试剂通过市售获得或者使用公开信息制备。
表2和表3中列出了不同实施例中液晶组合物的配方：
表2
表3
本发明组合物的组分为式I化合物、式II化合物和式III化合物。具有最佳性能的组合物包含式I化合物、式II化合物和式III化合物。式II化合物和式III化合物分别与式I化合物混合形成的组合物也均有性能的提升，式II化合物与式I化合物得到的组合物在重要参数双折射率有最大程度的提升，但相变温度也同样较高，在工业生产上会存在很大问题；式III化合物与式I化合物得到的组合物双折射率/>有一定程度的提升，但形变温度也较高，会在性能和工业生产上具有一定的提升。由式II化合物和式I化合物形成的组合物，还有由式III化合物与式I化合物得到的组合物，均比仅使用式I化合物作为材料的性能有提升和生产难度降低。由式I化合物、式II化合物和式III化合物三者形成的组合物在性能上和在工艺生产上综合评估为最优的。生产工艺的难度基本由相变温度决定，相变温度越高难度越大，相变温度越低难度越小，下面提到的参数Tcr和Tcn表示相变温度。具体性能参数参见表4:
表4
表示液晶双折射率；Tcr表示液晶从晶体转变为液体相温度；Tcn表示液晶从晶体转变为向列相温度；η表示衍射效率。
从表4可以看出，本发明实施例在旋涂完成后相转变温度接近或低于常温，可以保证液晶组合物在较长时间内处于胆甾相螺旋结构以保持完整的光学特性结构。而对比例在使用单一液晶单体会在短时间内就会结晶不再有胆甾相螺旋结构进而失去了光学特性，对比例与实施例做成相同厚度的液晶光栅，可以明显看出实施例的衍射光栅的光学特性提高的非常明显。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的范围。
Claims (7)
1.一种液晶组合物，其特征在于，包含：
至少一种式I的化合物
至少一种式II的化合物
以及
至少一种式III的化合物
其中，n1、n2、m1和m2分别表示0、1、2、3、4、5、6、7、8、9或10；当n1、n2、m1和m2分别为0时，x1、x2、y1和y2为0；当n1、n2、m1和m2不为0时，x1、x2、y1和y2为1；A1和A2分别表示H、F或CH3；
其中，n3和m3分别表示0、1、2、3、4、5、6、7、8、9或10；当n3和m3分别表示0时，x3和y3表示0；当n3和m3分别不表示0时，x3、和y3表示1；A3表示H、F或CH3；
基于液晶组合物的总重量，式I化合物的重量百分比5％-60％，式II化合物的重量百分比10％-70％，式III的化合物重量百分比10％-60％。
2.根据权利要求1所述的液晶组合物，其特征在于，式I的化合物具有以下结构式：
式II的化合物具有以下结构式：
3.根据权利要求1所述的液晶组合物，其特征在于，式III的化合物具有以下结构式：
4.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一种或多种添加剂。
5.根据权利要求4所述的液晶组合物，其特征在于，所述添加剂为手性剂。
6.根据权利要求5所述的液晶组合物，其特征在于，所述手性剂选自S811、S5011、S2011、R811、R5011、R2011中的一种或多种。
7.一种液晶光学元件，其特征在于，包含根据权利要求1至6任一项所述的液晶组合物。
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