TW201430109A - 向列型液晶組成物及使用其之液晶顯示元件 - Google Patents
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Abstract
本發明係關於作為液晶顯示材料有效用之介電常數異向性(Δε)為負之向列型液晶組成物及使用其之液晶顯示元件。本發明之液晶組成物,其不會使折射率異向性(Δn)及向列相-等向性液體相轉移溫度(Tni)下降,且黏度(η)足夠小、旋轉黏性(γ1)足夠小、彈性係數(K33)大、絕對值大之介電常數異向性(Δε)之絕對值為大,而使用其之液晶顯示元件成為無顯示不良或抑制顯示不良、顯示品質(display quality)優異且響應速度快速者,尤其是作為主動矩陣驅動用液晶顯示元件有用。可適用於VA型、PSVA型等之液晶顯示元件。
Description
本發明係關於作為液晶顯示材料有效用之介電常數異向性(△ε)顯示為負值之向列型液晶組成物及使用其之液晶顯示元件。
液晶顯示元件係使用於以時鐘、計算器為代表之家庭用各種電器、測定機器、汽車用面板、文字處理器、電子記事本、印表機、電腦、電視等。作為液晶顯示方式,在其代表者中可舉出TN(扭轉向列)型、STN(超扭轉向列(twisted nematic))型、DS(動態光散射)型、GH(賓主(guest-host))型、IPS(平面切換(in plane switching))型、OCB(光學補償雙折射)型、ECB(電壓控制雙折射)型、VA(垂直配向)型、CSH(彩色超垂面(Color Super Homeotropic))型、或FLC(強介電性液晶)等。又,作為驅動方式亦可舉出靜態驅動、多工(multiplex)驅動、單純矩陣方式、藉由TFT(薄膜電晶體)或TFD(薄膜二極體)等進行驅動之主動矩陣(AM)方式。
在該等之顯示方式中,IPS型、ECB型、VA型、或CSH型等係具有使用△ε顯示為負值之液晶材料的特徵。該等之中,特別是藉由AM驅動之VA型顯示方式,係使用於被要求有高速且廣角的顯示元件,例如被使用於電視等用途。
用於VA型等之顯示方式之向列型液晶組成物係被要求有低電壓驅動、高速響應及較廣之作動溫度範圍。即,要求有△ε為負值且
絕對值大、低黏度、高向列相-等向性液體相轉移溫度(Tni)。又,必須根據折射率異向性(△n)與單元間隙(Cell Gap)(d)之乘積即△n×d之設定,來將液晶材料之△n配合單元間隙而調節在適當的範圍。除此之外,將液晶顯示元件應用於電視等之情形時,由於重視高速響應性,因此要求黏度(η)低之液晶材料。
至今,藉由對△ε為負值且其之絕對值大的化合物進行各種研究而改良液晶組成物的特性。
作為△ε為負值之液晶材料,揭示有使用具有如以下之2,3-二氟伸苯基(2,3-difluorophenylene)骨架之液晶化合物(A)及(B)(參照專利文獻1)的液晶組成物,
該液晶組成物雖然使用液晶化合物(C)及(D)作為△ε幾乎為0之化合物,但是該液晶組成物,未能達到在液晶電視等被要求有高速響應之液晶組成物中實現夠的低黏性,
另一方面,雖然亦揭示有使用式(E)表示之化合物的液晶組成物,但是組合上述之液晶化合物(D)而成之△n小的液晶組成物(參照專利文獻2),或為了改善響應速度而添加有如液晶化合物(F)之在分子內具有烯
基之化合物(烯化合物)的液晶組成物(參照專利文獻3),對於同時使高△n與高信賴性兼具必須進行更進一步研究,
又,雖然揭示有使用式(G)表示之化合物的液晶組成物(參照專利文獻4),但是由於該液晶組成物亦為含有包含如上述液晶化合物(F)之烯化合物的化合物者,因此容易產生燒入(burn-in)或顯示不均等顯示不良之弊病,
再者,雖然已經揭示有包含烯化合物之液晶組成物對顯示不良的影響(參照專利文獻5),但是一般係減少烯化合物之含量及提升液晶組成物之η,而達成高速響應會變得困難,因此顯示不良與高速響應之兼具有其困難。
對於僅使如表示△ε為負值之化合物與液晶化合物(C)、(D)及(E)加以組合而言,開發使高△n與低η兼具,且無顯示不良或抑制顯示不良的△ε為負值之液晶組成物有其困難。
又,揭示有組合式(A)及式(C)△ε幾乎為0之式(III-F31)的液晶組成物(參照專利文獻6)。其中,在液晶顯示元件之製造步驟考量有下述情況:由於將液晶組成物注入液晶單元(liquid crystal cell)時極低壓且蒸氣壓較低的化合物會揮發,而無法增加其含量。因此,該液晶組合物限定式
(III-F31)之含量,而產生雖然顯示較大之△n但有黏度顯著較高等問題
進而,於專利文獻6或專利文獻7中,亦揭示有使用具有經氟取代之聯三苯(terphenyl)構造之化合物的液晶組成物。
又,於專利文獻8中,雖然揭示有藉由使用(式1)表示之指數較大之液晶材料來提升垂直(homeotropic)液晶單元之響應速度,但仍無法說其充分。
由以上可知,在液晶電視等被要求有高速響應之液晶組成物中,要求有不會使折射率異向性(△n)及向列相-等向性液體相轉移溫度(Tni)下降,且黏度(η)足夠小、旋轉黏性(γ1)足夠小、彈性係數(K33)較大的情況。
專利文獻1:日本特開平8-104869號
專利文獻2:歐洲專利申請公開第0474062號
專利文獻3:日本特開2006-37054號
專利文獻4:日本特開2001-354967號
專利文獻5:日本特開2008-144135號
專利文獻6:WO2007/077872
專利文獻7:日本特開2003-327965號
專利文獻8:日本特開2006-301643號
本發明所欲解決之課題係提供一種具有不會使折射率異向性(△n)及向列相-等向性液體相轉移溫度(Tni)下降,且黏度(η)足夠小、旋轉黏性(γ1)足夠小、彈性係數(K33)大、絕對值為大之負值之介電常數異向性(△ε)的液晶組成物,進而提供使用其之VA型等無顯示不良或抑制顯示不良、顯示品質優異且響應速度快速的液晶顯示元件。
本發明人等,研究各種聯苯基衍生物及氟苯基衍生物,發現藉由組合特定之化合物可解決上述課題,而完成本發明。
本發明之液晶組成物,係提供一種含有1種或2種以上通式(I)表示之化合物,其含量為3至25質量%作為第一成分,且含有介電常數異向性(△ε)為負值且其絕對值大於3之化合物作為第二成分者,又,提供一種使用其之液晶顯示元件;
(式中,q表示0或1,R55表示碳原子數1至10之烷基或碳原子數2至10之烯基)。
本發明之液晶組成物由於具有不會使折射率異向性(△n)及向列相-等向性液體相轉移溫度(Tni)下降,且黏度(η)足夠小、旋轉黏性(γ1)足夠小、彈性係數(K33)大、絕對值為大之負值之介電常數異向性(△ε),故而使用其之VA型等液晶顯示元件成為無顯示不良或抑制顯示不良、顯示品
質優異且響應速度快速者。
本發明之液晶組成物,其係含有通式(I)表示之化合物3至25質量%作為第一成分,更佳為5至20質量%,特佳為5至15質量%。進一步詳述,為了得到高△n,其含量較佳為10至25質量%,當重視於低溫中析出之抑制時,其含量較佳為3至15質量%。
通式(I)中之R55表示碳原子數1至10之烷基或碳原子數2至10之烯基,更佳為碳原子數2至5之烷基或碳原子數2至5之烯基。
通式(I)中之q表示0或1。
具體而言,通式(I)之化合物較佳為式(I-A1)、式(I-A2)、式(I-A3)、式(I-A4)、式(I-A5)、式(I-B1)、式(I-B2)、式(I-B3)、式(I-B4)、式(I-B5)或式(I-B6);重視黏性時,較佳為式(I-A1)、式(I-A5)、式(I-B1)或式(I-B6);重視彈性係數時,特佳為式(I-A4)、式(I-B4)或式(I-B5),
本發明之液晶組成物,較佳為含有2種以上之通式(I)之化合物,此時,更佳為同時含有2種以上式(I-A4)、式(I-B4)或式(I-B5)。
將含有1種或2種以上△ε為負值且其絕對值大於3之化合物作為第二成分,其含量較佳為10至90質量%,更佳為20至80質量%,特佳為30至70質量%。
具體而言,第二成分較佳為通式(II)表示之化合物,
(式中,R1及R2分別獨立表示碳原子數1至10之烷基,碳原子數1至10之烷氧基,碳原子數2至10之烯基或碳原子數2至10之烯氧基,存在於R1及R2中之1個-CH2-或未相鄰之2個以上之-CH2-可分別獨立地被取代為-O-及/或-S-,又,存在於R1及R2中之1個或2個以上之氫原子可分別獨立地被取代為氟原子或氯原子;環A及環B分別獨立表示反-1,4-伸環己基、1,4-伸苯基、2-氟基-1,4-伸苯基、3-氟基-1,4-伸苯基、3,5-二氟基-1,4-伸苯基、
2,3-二氟基-1,4-伸苯基、1,4-亞環己烯基(1,4-cyclohexenylene)、1,4-雙環[2.2.2]伸辛基、哌啶-1,4-二基、萘-2,6-二基、十氫萘-2,6-二基或1,2,3,4-四氫萘-2,6-二基。p表示0、1或2。Z表示-OCH2-、-CH2O-、-CF2O-、-OCF2-、-CH2CH2-、-CF2CF2-或單鍵)。
式中之R1及R2更佳為分別獨立之直鏈狀碳原子數1至5之烷基,碳原子數1至5之烷氧基,碳原子數2至5之烯基或碳原子數2至5之烯氧基,R1特佳為碳原子數1至5之烷基或碳原子數2至5之烯基,R2特佳為碳原子數1至5之烷氧基。
式中之環A及環B,更佳為分別獨立之反-1,4-伸環己基、1,4-伸苯基、2-氟基-1,4-伸苯基、3-氟基-1,4-伸苯基、3,5-二氟基-1,4-伸苯基或2,3-二氟基-1,4-伸苯基,特佳為反-1,4-伸環己基或1,4-伸苯基。
式中之p,更佳為分別獨立之0或1。
式中之Z,更佳為-CH2O-、-CF2O-或單鍵,特佳為-CH2O-或單鍵。
本發明之液晶組成物係含有1種或2種以上第二成分,較佳為含有2種至10種。
通式(II)表示之化合物較佳為選自通式(II-A1)至通式(II-A5)及通式(II-B1)至通式(II-B5)之化合物,更佳為通式(II-A1)至通式(II-A5)之化合物,特佳為通式(II-A1)或通式(II-A3)之化合物,
(式中,R3及R4分別獨立表示碳原子數1至5之烷基或碳原子數2至5之烯基,存在於R3及R4中之1個或2個以上之氫原子可分別獨立地被取代為氟原子)。
本發明之液晶組成物,較佳為含有1種或2種以上選自通式(III-A)至通式(III-J)之化合物作為第三成分;
(式中,R5表示碳原子數1至5之烷基或碳原子數2至5之烯基,R6表示碳原子數1至5之烷基、碳原子數1至5之烷氧基、碳原子數2至5之烯基或碳原子數2至5之烯氧基)。其中,通式(III-F)表示之化合物中,不含與通式(I)表示之化合物相同的化合物。
第三成分更佳為選自通式(III-A)、(III-D)、(III-F)、(III-G)及(III-H)之化合物。又,通式(III-A)表示之化合物中,R5較佳為碳原子數2至5之烯基,R6較佳為碳原子數1至5之烷基或碳原子數2至5之烯基。
較佳為含有1種或2種以上通式(V)表示之化合物作為進一步成分,
式中,R21及R22分別獨立表示碳原子數1至8之烷基、碳原子數1至8之烷氧基、碳原子數2至8之烯基或碳原子數2至8之烯氧基,較佳為碳原子數1至5之烷基或碳原子數2至5之烯基。
本發明之液晶組成物,較佳為同時含有通式(I)、通式(II-A1)及通式(III-A)之化合物,較佳為同時含有通式(I)、通式(II-A3)及通式(III-A)之化合物,較佳為同時含有通式(I)、通式(II-B1)及通式(III-A)之化合物,較佳為同時含有通式(I)、通式(II-B2)及通式(III-A)之化合物,較佳為同時含有通式(I)、通式(II-B3)及通式(III-A)之化合物,較佳為同時含有通式(I)、通式(II-B4)及通式(III-A)之化合物。
本發明之液晶組成物,更佳為同時含有通式(I)、通式(II-A1)、通式(II-A3)及通式(III-A)之化合物,更佳為同時含有通式(I)、通式(II-B1)、通式(II-B2)及通式(III-A)之化合物,更佳為同時含有通式(I)、通式(II-B1)、通式(II-B3)及通式(III-A)之化合物,更佳為同時含有通式(I)、通式(II-B1)、通式(II-B4)及通式(III-A)之化合物,更佳為同時含有通式(I)、通式(II-B2)、通式(II-B3)及通式(III-A)之化合物,更佳為同時含有通式(I)、通式(II-B2)、通式(II-B4)及通式(III-A)之化合物。
本發明之液晶組成物,亦較佳為同時含有式(I-A4)、式(I-B5)及通式(II)之化合物,此時,更佳為同時含有式(I-A4)、式(I-B5)、通式(II)及通式(III-A)之化合物,特佳為同時含有式(I-A4)、式(I-B5)、通式(II)、通式(III-A)及通式(V)之化合物。
本發明之液晶組成物,在25℃之介電常數異向性(△ε)為-2.0至-8.0,但較佳為-2.0至-6.0,更佳為-2.0至-5.0,特佳為-2.5至-4.0。
本發明之液晶組成物,在20℃之折射率異向性(△n)為0.08至0.14,但更佳為0.09至0.13,特佳為0.09至0.12。若更進一步詳述,則於對應薄之單元間隙時,較佳為0.10至0.13,於對應厚之單元間隙時,較
佳為0.08至0.10。
本發明之液晶組成物,在20℃之黏度(η)為10至30mPa‧s,但更佳為10至25mPa‧s,特佳為10至22mPa‧s。
本發明之液晶組成物,在20℃之旋轉黏性(γ1)為60至130mPa‧s,但更佳為60至110mPa‧s,特佳為60至100mPa‧s。
本發明之液晶組成物,向列相-等向性液體相轉移溫度(Tni)為60℃至120℃,但更佳為70℃至100℃,特佳為70℃至85℃。
本發明之液晶組成物,除上述之化合物之外,亦可含有普通之向列型液晶、層列型液晶、膽固醇型液晶、抗氧化劑、紫外線吸收劑、聚合性單體等。例如:較佳為含有0.01%至2質量%聯苯基衍生物、聯三苯基衍生物等之聚合性化合物作為聚合性單體。若進一步詳述,則本發明之液晶組成物,較佳為含有1種或2種以上通式(IV)表示之聚合性化合物,
式中,R7及R8分別獨立表示式(R-1)至式(R-15)中之任一者,X1至X8分別獨立表示三氟基甲基、三氟基甲氧基、氟原子或氫原子,
通式(IV)中之聯苯基骨架的構造,更佳為式(IV-11)至式(IV-14),特佳為式(IV-11),
包含式(IV-11)至式(IV-14)表示之骨架的聚合性化合物,其聚合後之配向限制力最適當,可獲得良好的配向狀態。
含有聚合性化合物之通式(IV)的本發明之含有聚合性化合物液晶組成物,由於可獲得低黏度(η)、低旋轉黏性(γ1)及大彈性係數(K33),
因此使用其之PSA模式或PSVA模式之液晶顯示元件可實現高速響應。
使用本發明之液晶組成物之液晶顯示元件,其對高速響應等之顯著特徵有效用,尤其是於主動矩陣驅動用液晶顯示元件有效用,且可適當用於VA模式、PSVA模式、PSA模式、IPS模式或ECB模式用。
以下舉出實施例進一步詳細說明本發明,但本發明不限定於該等實施例。又,以下之實施例及比較例之組成物中「%」係指「質量%」。
對於實施例中化合物的記載,使用以下之簡稱。
(側鏈)
(環構造)
實施例中,測定之特性係如下
Tni:向列相-等向性液體相轉移溫度(℃)
△n:在20℃之折射率異向性
△ε:在25℃之介電常數異向性
η:在20℃之黏度(mPa.s)
γ1:在20℃之旋轉黏性(mPa.s)
K33:在20℃之彈性係數K33(pN)
(比較例1、實施例1、實施例2、實施例3及實施例4)
製備LC-A(比較例1)、LC-1(實施例1)、LC-2(實施例2)、LC-3(實施例3)及、LC-4(實施例4)之液晶組成物,且測定其之物性值。液晶組成物之構成及其之物性值的結果如表1。
本發明之液晶組成物LC-1、LC-2、LC-3及LC-4,其黏度(η)小、旋轉黏性(γ1)小、彈性係數(K33)大,且其γ1/K33分別為6.7、6.1、6.0及6.0,為明顯小於比較例之LC-A的值。測定使用該等之液晶顯示元件之響應速度,LC-1、LC-2、LC-3及LC-4有足夠之高速響應,相較於LC-A有10%至20%左右高速。進而,測定電壓保持率(VHR),可確認具有高VHR。
再者,單元厚度為3.5um、配向膜為JALS2096,響應速度之測定條件係在Von為5.5V、Voff為1.0V、測定溫度為20℃下,使用AUTRONIC-MELCHERS公司之DMS301。VHR之測定條件係在電壓5V、周波數60Hz、溫度60℃下,使用TOYO Corporation股份有限公司之VHR-1。
(比較例2、實施例5、實施例6及實施例7)
製備LC-B(比較例2)、LC-5(實施例5)、LC-6(實施例6)及LC-7(實施例7)之液晶組成物,且測定其之物性值。液晶組成物之構成及其之物性值的結果如表2。
本發明之液晶組成物LC-5、LC-6及LC-7,其黏度(η)小、旋轉黏性(γ1)小、彈性係數(K33)大,且其γ1/K33分別為7.3、6.9及7.0,為明顯小於比較例之LC-B的值。測定使用該等之液晶顯示元件之響應速度,LC-5、LC-6及LC-7有足夠地高速響應,相較於LC-B有10%以上高速。進而,測定電壓保持率(VHR),可確認具有高VHR。再者,單元厚度為3.5um、配向膜為JALS2096,響應速度之測定條件係在Von為5.5V、Voff為1.0V、測定溫度為20℃下,使用AUTRONIC-MELCHERS公司之DMS301。VHR之測定條件係在電壓5V、周波數60Hz、溫度60℃下,使用TOYO Corporation股份有限公司之VHR-1。
由以上可確認,本發明之液晶組成物,係具有不會使折射率異向性(△n)及向列相-等向性液體相轉移溫度(Tni)下降,且黏度(η)足夠小、旋轉黏性(γ1)足夠小、彈性係數(K33)大、絕對值為大之負值之介電常數異向性(△ε)者,而使用其之VA型液晶顯示元件係顯示品質優異且響應速度快速者。
(比較例3、實施例8、實施例9及實施例10)
製備LC-C(比較例3)、LC-8(實施例8)、LC-9(實施例9)及LC-10(實施例10)之液晶組成物,且測定其之物性值。液晶組成物之構成及其之物性值的結果如表3。
本發明之液晶組成物LC-8、LC-9及LC-10,其黏度(η)小、旋轉黏性(γ1)小、彈性係數(K33)大,且其γ1/K33分別為6.1、6.6及6.4,為
明顯小於比較例3之LC-C的值。測定使用該等之液晶顯示元件之響應速度,LC-8、LC-9及LC-10有足夠地高速響應,相較於LC-C有20%至30%左右高速。進而,測定電壓保持率(VHR),可確認具有高VHR。再者,單元厚度為3.5um、配向膜為JALS2096,響應速度之測定條件係在Von為5.5V、Voff為1.0V、測定溫度為20℃下,使用AUTRONIC-MELCHERS公司之DMS301。VHR之測定條件係在電壓5V、周波數60Hz、溫度60℃下,使用TOYO Corporation股份有限公司之VHR-1。
由以上可確認,本發明之液晶組成物,其係具有不會使折射率異向性(△n)及向列相-等向性液體相轉移溫度(Tni)下降,且黏度(η)足夠小、旋轉黏性(γ1)足夠小、彈性係數(K33)大、絕對值為大之負值之介電常數異向性(△ε),而使用其之VA型液晶顯示元件係顯示品質優異且響應速度快速者。
Claims (20)
- 一種液晶組成物,係含有1種或2種以上通式(I)表示之化合物,其含量為3至25質量%作為第一成分,且含有介電常數異向性(△ε)為負值且其絕對值大於3之化合物作為第二成分,
- 根據申請專利範圍第1項之液晶組成物,其中在25℃之介電常數異向性(△ε)為-2.0至-8.0之範圍,在20℃之折射率異向性(△n)為0.08至0.14之範圍,在20℃之黏度(η)為10至30mPa‧s之範圍,在20℃之旋轉黏性(γ1)為60至130mPa‧s之範圍,向列相-等向性液體相轉移溫度(Tni)為60℃至120℃之範圍。
- 根據申請專利範圍第1或2項之液晶組成物,其中含有1種或2種以上選自通式(II)表示之化合物群之化合物作為第二成分,
- 根據申請專利範圍第1或2項之液晶組成物,其中第二成分之含量為10至90質量%。
- 根據申請專利範圍第3項之液晶組成物,其中通式(II)為通式(II-A1)至通式(II-A5)及通式(II-B1)至通式(II-B5)作為第二成分,
- 根據申請專利範圍第5項之液晶組成物,其中含有1種或2種以上選自通式(II-A1)至通式(II-A5)表示之化合物群之化合物作為第二成分。
- 根據申請專利範圍第1或2項之液晶組成物,其中通式(I)為式(I-A1)、式(I-A2)、式(I-A3)、式(I-A4)、式(I-B1)、式(I-B2)、式(I-B3)、式(I-B4)或式(I-5)所表示之化合物,
- 根據申請專利範圍第1或2項之液晶組成物,其中含有1種或2種以上選自通式(III-A)至通式(III-J)表示之化合物群之化合物作為第三成分,
- 根據申請專利範圍第8項之液晶組成物,其中同時含有通式(I)、通式(II-A1)及通式(III-A)。
- 根據申請專利範圍第8項之液晶組成物,其中同時含有通式(I)、通式(II-A3)及通式(III-A)。
- 根據申請專利範圍第8項之液晶組成物,其中同時含有通式(I)、通式(II-B1)及通式(III-A)。
- 根據申請專利範圍第8項之液晶組成物,其中同時含有通式(I)、通式(II-B2)及通式(III-A)。
- 根據申請專利範圍第8項之液晶組成物,其中同時含有通式(I)、通式(II-B3)及通式(III-A)。
- 根據申請專利範圍第8項之液晶組成物,其中同時含有通式(I)、通式(II-B4)及通式(III-A)。
- 根據申請專利範圍第1或2項之液晶組成物,其中含有1種或2種以上通式(V)表示之化合物作為進一步成分,
- 根據申請專利範圍第1或2項之液晶組成物,其中含有1種或2種以上聚合性化合物。
- 根據申請專利範圍第16項之液晶組成物,其中聚合性化合物為通式(IV),
- 一種液晶顯示元件,其使用申請專利範圍第1至17項中任一項之液晶組成物。
- 一種主動矩陣驅動用液晶顯示元件,其使用申請專利範圍第1至17項中任一項之液晶組成物。
- 一種VA模式、PSA模式、PSVA模式、IPS模式或ECB模式用液晶顯示元件,其使用申請專利範圍第1至17項中任一項之液晶組成物。
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