TW201414814A - 液晶光學器件 - Google Patents

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Zhao-Yuan Chen
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Jiangsu Hecheng Display Tech
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Abstract

一種液晶光學器件，係為電場方向平行於液晶層的光學器件而設有一上基板、一下基板及一液晶層，該下基板設於該上基板下方，該液晶層設於該上基板及該下基板之間，且該液晶層具有正性或負性之一液晶介質，該液晶介質具有至少一光學活性成分。或者，該液晶光學器件採用FFS顯示模式，且其中一片基板上不存在電極。如此，使用較低的驅動電壓就能夠使得在電場內的液晶分子獲得較大的動力，迅速扭轉90°，能滿足顯示器對低的驅動電壓的使用要求，且使上該基板及該下基板間之液晶組合物具有較低的黏度和較高的清亮點。

Description

液晶光學器件
本發明係屬於液晶顯示設備之技術領域，特別是關於一種液晶光學器件，以利用應用於IPS模式或FFS模式的液晶組合物，即應用於IPS模式或FFS模式的添加手性劑的液晶介質，實現電場方向平行於液晶層的液晶光學器件及FFS顯示模式的液晶顯示器件。
近年來科研人員開發出了不同的液晶顯示模式。其中，最重要的液晶顯示模式是TN(扭曲向列)模式、STN(超扭曲向列)模式、IPS(面內轉換)模式、FFS(邊緣場開關)模式、OCB(光控雙折射)模式和PDLC(聚合分散式液晶)模式等。所有的這些模式都使用電場，其中，TN(扭曲向列)、STN(超扭曲向列)和OCB(光控雙折射)電場基本上垂直於基板，或者是垂直於液晶層，除這些模式外，也存在採用基本上平行於基板，或者是液晶層的電場的電光學模式，如IPS(面內轉換)模式及FFS(邊緣場開關)模式。
傳統的液晶分子是以垂直和水平角度切換作為背光通過的方式，IPS(面內轉換)模式及FFS(邊緣場開關)模式則將液晶分子改為水平旋轉切換作為背光通過的方式。不需要額外加補償膜，顯示視覺上對比度也很高。
由於採用IPS(面內轉換)模式或FFS(邊緣場開關)模式的液晶屏的液晶分子都能在(平行於基板)平面方向發生旋轉轉換，所以，它面向的是各個方向，其上、下、左、右四個角度基本上都不會失真。據測試資料顯示，FFS技術的上、下、左、右四個方向的可視角度達到了175 °以上，這樣寬的可視角度完全可以滿足我們的實際工作需求。
IPS(面內轉換)模式及FFS(邊緣場開關)模式的最大特點就是它的電極都在同一平面上，而不像其他液晶模式的電極是在上下兩面。因為只有這樣，才能營造一個平面電場以驅使液晶分子橫向運動。這種電極結構對顯示效果有負面影響，當把電壓加到電極上後，靠近電極的液晶分子獲得較大的動力，迅速扭轉90°是沒有問題的。但是遠離電極的上層液晶分子就無法獲得一樣的動力，運動較慢。只有增加驅動電壓才能讓遠離電極的液晶分子也獲得不小的動力。因此，IPS(面內轉換)模式及FFS(邊緣場開關)模式的驅動電壓較高，並且回應速度慢。
因此，在液晶顯示領域，急需要解決IPS模式及FFS模式驅動電壓較高，回應速度慢的問題。從而，提供一種電場方向平行於液晶層的光學器件來解決上述問題。
有鑑於習知技藝之問題，本發明之目的在於提供一種液晶光學器件，以解決IPS模式及FFS模式驅動電壓較高，回應速度慢的問題。
根據本發明之目的，該液晶光學器件為電場方向平行於液晶層的光學器件，其包括一上基板、一下基板及一液晶層。該下基板設於該上基板下方，且該液晶層設於該上基板及該下基板之間，該液晶層具有正性或負性之一液晶介質，又該液晶介質具有至少一光學活性成分。
該液晶介質至少包括一種通式I的光學活性物質， 其中，R1和R2彼此獨立的是F、Cl、Br、CN、SCN、SF5、1-30個碳原子的手性或非手性基團，其中，該1-30個碳原子的手性或非手性基團可以是未經取代或被F、Cl、Br或CN單取代或多取代，該1-30個碳原子的手性或非手性基團中的一個或多個不相鄰的-CH2-可以獨立地被-O-、-S-、-NH-、-N(CH3)-、-CO-、-COO-、-OCO-、-OCO-O-、-S-CO-、 -CO-S-、-CH=CH-或-C≡C-取代，其前提是氧原子不直接相連，該1-30個碳原子的手性或非手性基團可以是含有一個或多個芳香環或脂肪環的手性基團，該含有一個或多個芳香環或脂肪環的手性基團可以包括稠環或螺環，並且可以含有一個或多個雜原子或可聚合的手性基團；Z1、Z2彼此獨立的是-CF2O-、-OCF2-、-CF2S-、-SCF2-、-CH2CH2-、-CF2CH2-、-CH2CF2-、-CF2CF2-、-CF=CH-、-CH=CF-、-CF=CF-、-O-、-S-、-CO-、-COO-、-OCO-、-OCOO-、-CO-N(R3)-、-N(R3)-CO-、-CH2-、-OCH2-、-SCH2-、-CH2S-、-CH=CH-、-CF=CF-、-C≡C-、-CH=CH-COO-、-OCO-CH=CH-或單鍵，其中，R3是H或1-4個碳原子的烷基；X是-CF2O-、-OCF2-、-CF2S-、-SCF2-、-CH2CH2-、-CF2CH2-、-CH2CF2-、-CF2CF2-、-O-、-CH2-、-CO-、-CF=CF-或單鍵；環、環和環相同或不同，各自獨立地表示、、、、1,3-二氧六環-4,5-二基、1,4-二環-(2,2,2)-辛基、六氫吡啶-1,4-二基、氫茚-2,5-二基、哌啶-1,4-二基、萘-2,6-二基、十氫萘-2,6-二基和1,2,3,4-四氫萘-2,6-二基中的基團，其中該、或上任意的H可以被CN或鹵素取代，該中的一個或兩個不相鄰的-CH2-可以被-O-或-S-替代，該上任意的H可以各自獨立地被F取代，該中的一個或兩個不相鄰的-CH-可以被N替代，該中任意的H可以各自獨立地被F取代，該中的一個或兩個不相鄰的-CH2-可以被O替代，該上任意的H可以各自獨立地被F取代；其中，該環、環和環的一個或多個H可以被-D、-F、-Cl、-CN、-CF3、-OCF3、-CH2F、-OCH2F、-OCH3或-CH3取代，該環、 環和環中的1~2個-CH2-可以被-S-、-CF2-、-SiH2-或-CO-替代，前提是-O-、-S-或-CO-不直接彼此連接，該環、環和環中的1~2個-CH=可以被-N=替代；n為1、2、3、4或5；其中，Z1、Z2和X中至少一個是-CF2O-、-OCF2-、-CF2S-、-SCF2-、-CF2CH2-、-CF=CF-、-CF=CH-、-CF=CF-、-C≡C-或單鍵，且R1和R2中至少一個是手性基團。
於一實施例中，該通式I的化合物選自由如下化合物組成的組中的一種或多種化合物： 其中，R1和R2彼此獨立的是F、CN、4-15個碳原子的手性或非手性基團，其中，該4-15個碳原子的手性或非手性基團可以是未經取代或被F或CN單取代或多取代，該4-15個碳原子的手性或非手性基團中的一個或多個不相鄰的-CH2-獨立地被-O-、-S-、-NH-、-N(CH3)-、-CO-、-COO-、-OCO-、-OCO-O-、-S-CO-、-CO-S-、-CH=CH-或-C≡C-取代，其前提是氧原子不直接相連，該4-15個碳原子的手性或非手性基團可以是含有一個或多個芳香環或脂肪環的手性基團，該含有一個或多個芳香環或脂肪環的手性基團可以包括稠環或螺環並且可以含有一個或多個雜原子或可聚合的手性基團；Z1、Z2彼此獨立的是-CF2O-、-OCF2-、-CH2CH2-、-CF=CF-、-O-、-S-、-CO-、-COO-、-OCO-、-CH2-、-OCH2-、-CH=CH-、-CF=CF-或-C≡C-。
並且，該光學活性物質在該液晶介質中的含量為0.01-7%，較佳地為0.05-5%。該液晶介質的手性螺距P(Pitch)為20μmP1200μm， 較佳地為50μmP1000μm。該上基板和該下基板之間的間隙G和該液晶介質的手性螺距P(Pitch)的比值G/P為0.004G/P0.15，較佳地為0.01G/P0.12。
根據本發明之另一目的，該液晶光學器件包括一上基板、一下基板及一液晶層，該下基板設於該上基板下方，且於一顯示區域內，該上基板及該下基板之其中之一不存在電極。該液晶層設於該上基板和該下基板之間，該液晶層設有正性或負性之一液晶介質，且該液晶介質具有至少一光學活性成分。
其中，該液晶光學器件採用FFS顯示模式，且該液晶介質包括通式I-1~I-16組成的組中的一種或多種化合物： 其中，R1和R2彼此獨立的是F、CN、4-15個碳原子的手性或非手性基團，其中，該4-15個碳原子的手性或非手性基團可以是未經取代或被F或CN單取代或多取代，該4-15個碳原子的手性或非手性基團中的一個或多個不相鄰的-CH2-獨立地被-O-、-S-、-NH-、-N(CH3)-、-CO-、-COO-、-OCO-、-OCO-O-、-S-CO-、-CO-S-、-CH=CH-或-C≡C-取代，其前提是氧原子不直接相連，該4-15個碳原子的手性或非手性基團可以是含有一個或多個芳香環或脂肪環的手性基團，該含有一個或多個芳香環或脂肪環的手性基團可以包括稠環或螺環並且可以含有一個或多個雜原子或可聚合的手性基團；Z1、Z2彼此獨立的是-CF2O-、-OCF2-、-CH2CH2-、-CF=CF-、-O-、-S-、-CO-、-COO-、-OCO-、-CH2-、-OCH2-、-CH=CH-、-CF=CF-或-C≡C-。
又，該光學活性物質在該液晶介質中的含量為0.05-5%。
與已有技術相比，本發明的優點體現在於：本發明上基板、 下基板之間設的液晶組合物含有具有光學活性的液晶分子，使用較低的驅動電壓就能夠使得在電場內的液晶分子獲得較大的動力，迅速扭轉90°，能滿足顯示器對低的驅動電壓的使用要求，且所述液晶組合物具有較低的粘度和較高的清亮點。
本發明通過對通式I的化合物進行組合實驗，通過與對照的比較，確定了包含通式I的化合物的液晶介質，應用於IPS顯示模式及FFS顯示模式時，可以使IPS模式及FFS模式具有驅動電壓低、回應速度快的優點。
在本發明中如無特殊說明，所述的比例均為重量比，所有溫度均為攝氏度溫度，所述的回應時間資料的測試選用的盒厚為7μm。
1‧‧‧電場方向平行於液晶層的光學器件
2‧‧‧上基板
3‧‧‧液晶介質
4‧‧‧電場線
5‧‧‧下基板
6‧‧‧液晶層
7‧‧‧正電極
8‧‧‧負電極
9‧‧‧FFS顯示模式的液晶顯示器
10‧‧‧上基板
11‧‧‧液晶層
12‧‧‧液晶介質
13‧‧‧電場線
14‧‧‧負電極
15‧‧‧下基板
16‧‧‧正電極
第1圖 係為本發明電場方向平行於液晶層的液晶光學器件之結構示意圖。
第2圖 係為本發明FFS顯示模式的液晶顯示器之結構示意圖。
以下將結合具體實施方案來說明本發明。需要說明的是，下面的實施例為本發明的示例，僅用來說明本發明，而不用來限制本發明。在不偏離本發明主旨或範圍的情況下，可進行本發明構思內的其他組合和各種改良。
以下各實施方案所採用的液晶顯示器如無特殊說明均為TN-TFT液晶顯示器，盒厚d=7μm，由偏振器(偏光片)、基板等部分構成。該液晶顯示器為常白模式，即沒有電壓差施加於行和列電極之間時，觀察者觀察到白色的圖元顏色。基板上的上下偏振片軸彼此成90度角。在兩基片之間的空間充滿光學性液晶材料。
其中，回應時間及驅動電壓測試盒採用FFS測試盒，電極 寬為4μm，電極間距為6μm，盒厚4μm。
回應時間的測試設備為DMS505，條件是4V，1KHz，25℃。
如圖1所示，該液晶顯示器1設有一上基板2、一下基板5及一液晶層6，該下基板5設於該上基板2下方，該液晶層6設於該上基板2及該下基板5之間，且該液晶層6具有正性或負性之一液晶介質3，又一正電極7和一負電極8均設置在該下基板5上。
為便於表達，以下各實施例中，液晶化合物的基團結構用表1所列的代碼表示：
以如下結構為例：
該結構用表1中的代碼表示：則可表示為3PTG1(2F)OP3，又如：
則可表示為nCPTPOm，代碼中的n表示左端烷基的C原子數，例如n為“3”，即表示該烷基為-C3H7；代碼中的C代表環己烷基；代碼中的O代表氧原子；代碼中的P代表亞苯基；代碼中的m表示右端烷基的C原子數，例如m為“1”，即表示右端的烷基為-CH3。
實施例中各測試專案的簡寫代號分別表示為：
在以下的實施例中所採用的各成分，均可以通過公知的方法進行合成，或者通過商業途徑獲得。這些合成技術是常規的，所得到各液晶化合物經測試符合電子類化合物標準。
對照例
按表2中所列的各化合物及重量百分數配製成對照例的液晶組合物M-1，將其填充於液晶顯示器兩基板之間進行性能測試，測試資料如下表所 示：
此混合物具有有利低的△n數值，適度高的△ε數值和適度低的旋轉黏度。因此它適用於採用IPS顯示模式操作的顯示器中。
實施例1
按表3中所列的重量百分數向液晶組合物M-1中加入本發明所涉及的光學活性物質，將其填充於液晶顯示器兩基板之間進行性能測試，測試資料如下表所示：
此組合物具有有利低的△n數值，適度高的△ε數值，較快的回應速度，非常低的旋轉黏度和極低的驅動電壓，可以有效解決IPS顯示模式及FFS顯示模式驅動電壓高及回應時間慢的缺點。因此它非常適合用於採用IPS顯示模式及FFS顯示模式操作的顯示器中。
1‧‧‧電場方向平行於液晶層的光學器件
2‧‧‧上基板
3‧‧‧液晶介質
4‧‧‧電場線
5‧‧‧下基板
6‧‧‧液晶層
7‧‧‧正電極
8‧‧‧負電極

Claims (13)

  1. 一種電場方向平行於液晶層的液晶光學器件，係包含：一上基板；一下基板，係設於該上基板下方；及一液晶層，係設於該上基板及該下基板之間，且該液晶層具有正性或負性之一液晶介質，該液晶介質具有至少一光學活性成分。
  2. 如申請專利範圍第1項之電場方向平行於液晶層的光學器件，其中該液晶介質至少包括一種通式I的光學活性物質， 其中，R1和R2彼此獨立的是F、Cl、Br、CN、SCN、SF5、1-30個碳原子的手性或非手性基團，其中，該1-30個碳原子的手性或非手性基團可以是未經取代或被F、Cl、Br或CN單取代或多取代，該1-30個碳原子的手性或非手性基團中的一個或多個不相鄰的-CH2-可以獨立地被-O-、-S-、-NH-、-N(CH3)-、-CO-、-COO-、-OCO-、-OCO-O-、-S-CO-、-CO-S-、-CH=CH-或-C≡C-取代，其前提是氧原子不直接相連，該1-30個碳原子的手性或非手性基團可以是含有一個或多個芳香環或脂肪環的手性基團，該含有一個或多個芳香環或脂肪環的手性基團可以包括稠環或螺環，並且可以含有一個或多個雜原子或可聚合的手性基團；Z1、Z2彼此獨立的是-CF2O-、-OCF2-、-CF2S-、-SCF2-、-CH2CH2-、-CF2CH2-、-CH2CF2-、-CF2CF2-、-CF=CH-、-CH=CF-、-CF=CF-、-O-、-S-、-CO-、-COO-、-OCO-、-OCOO-、-CO-N(R3)-、-N(R3)-CO-、-CH2-、-OCH2-、-SCH2-、-CH2S-、-CH=CH-、-CF=CF-、-C≡C-、-CH=CH-COO-、-OCO-CH=CH-或單鍵，其中，R3是H或1-4個碳原子的烷基；X是-CF2O-、-OCF2-、-CF2S-、-SCF2-、-CH2CH2-、-CF2CH2-、-CH2CF2-、-CF2CF2-、-O-、-CH2-、-CO-、-CF=CF-或單鍵； 環、環和環相同或不同，各自獨立地表示、、、、1,3-二氧六環-4,5-二基、1,4-二環-(2,2,2)-辛基、六氫吡啶-1,4-二基、氫茚-2,5-二基、哌啶-1,4-二基、萘-2,6-二基、十氫萘-2,6-二基和1,2,3,4-四氫萘-2,6-二基中的基團，其中該、或上任意的H可以被CN或鹵素取代，該中的一個或兩個不相鄰的-CH2-可以被-O-或-S-替代，該上任意的H可以各自獨立地被F取代，該中的一個或兩個不相鄰的-CH-可以被N替代，該中任意的H可以各自獨立地被F取代，該中的一個或兩個不相鄰的-CH2-可以被O替代，該上任意的H可以各自獨立地被F取代；其中，該環、環和環的一個或多個H可以被-D、-F、-Cl、-CN、-CF3、-OCF3、-CH2F、-OCH2F、-OCH3或-CH3取代，該環、環和環中的1~2個-CH2-可以被-S-、-CF2-、-SiH2-或-CO-替代，前提是-O-、-S-或-CO-不直接彼此連接，該環、環和環中的1~2個-CH=可以被-N=替代；n為1、2、3、4或5；其中，Z1、Z2和X中至少一個是-CF2O-、-OCF2-、-CF2S-、-SCF2-、-CF2CH2-、-CF=CF-、-CF=CH-、-CF=CF-、-C≡C-或單鍵，且R1和R2中至少一個是手性基團。
  3. 如申請專利範圍第2項之電場方向平行於液晶層的光學器件，其中該通式I的化合物選自由如下化合物組成的組中的一種或多種化合物： 其中，R1和R2彼此獨立的是F、CN、4-15個碳原子的手性或非手性基團，其中，該4-15個碳原子的手性或非手性基團可以是未經取代或被F或CN單取代或多取代，該4-15個碳原子的手性或非手性基團中的一個或多個不相鄰的-CH2-獨立地被-O-、-S-、-NH-、-N(CH3)-、-CO-、-COO-、-OCO-、-OCO-O-、-S-CO-、-CO-S-、-CH=CH-或-C≡C-取代，其前提是氧原子不直接相連，該4-15個碳原子的手性或非手性基團可以是含有一個或多個芳香環或脂肪環的手性基團，該含有一個或多個芳香環或脂肪環的手性基團可以包括稠環或螺環並且可以含有一個或多個雜原子或可聚合的手性基團；Z1、Z2彼此獨立的是-CF2O-、-OCF2-、-CH2CH2-、-CF=CF-、-O-、-S-、-CO-、-COO-、-OCO-、-CH2-、-OCH2-、-CH=CH-、-CF=CF-或-C≡C-。
  4. 如申請專利範圍第2項或第3項之電場方向平行於液晶層的光學器件，其中該光學活性物質在該液晶介質中的含量為0.01-7%。
  5. 如申請專利範圍第4項之電場方向平行於液晶層的光學器件，其中該光學活性物質在該液晶介質中的含量為0.05-5%。
  6. 如申請專利範圍第1項之電場方向平行於液晶層的光學器件，其中該液晶介質的手性螺距P(Pitch)為20μmP1200μm。
  7. 如申請專利範圍第6項之電場方向平行於液晶層的光學器件，其中該液晶介質的手性螺距P(Pitch)為50μmP1000μm。
  8. 如申請專利範圍第1~3項及第5~7項之其中任一項之電場方向平行於液晶層的光學器件，其中該上基板和該下基板之間的間隙G和該液晶介質的手性螺距P(Pitch)的比值G/P為0.004G/P0.15。
  9. 如申請專利範圍第8項之電場方向平行於液晶層的光學器件，其中該上基板和該下基板之間的間隙G和該液晶介質的手性螺距P(Pitch)的比 值G/P為0.01G/P0.12。
  10. 一種液晶光學器件，係包括：一上基板；一下基板，係設於該上基板下方，且於一顯示區域內，該上基板及該下基板之其中之一不存在電極；及一液晶層，係設於該上基板和該下基板之間，該液晶層設有正性或負性之一液晶介質，且該液晶介質具有至少一光學活性成分。
  11. 如申請專利範圍第10項之液晶光學器件，其中該液晶光學器件採用FFS顯示模式。
  12. 如申請專利範圍第11項之液晶光學器件，其中該液晶介質包括通式I-1~I-16組成的組中的一種或多種化合物： 其中，R1和R2彼此獨立的是F、CN、4-15個碳原子的手性或非手性基團，其中，該4-15個碳原子的手性或非手性基團可以是未經取代或被F或CN單取代或多取代，該4-15個碳原子的手性或非手性基團中的一個或多個不相鄰的-CH2-獨立地被-O-、-S-、-NH-、-N(CH3)-、-CO-、-COO-、-OCO-、-OCO-O-、-S-CO-、-CO-S-、-CH=CH-或-C≡C-取代，其前提是氧原子不直接相連，該4-15個碳原子的手性或非手性基團可以是含有一個或多個芳香環或脂肪環的手性基團，該含有一個或多個芳香環或脂肪環的手性基團可以包括稠環或螺環並且可以含有一個或多個雜原子或可聚合的手性基團；Z1、Z2彼此獨立的是-CF2O-、-OCF2-、-CH2CH2-、-CF=CF-、-O-、-S-、-CO-、-COO-、-OCO-、-CH2-、-OCH2-、-CH=CH-、-CF=CF-或-C≡C-。
  13. 如申請專利範圍第10項~第12項之其中任一項之液晶光學器件，其中該光學活性物質在該液晶介質中的含量為0.05-5%。
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