TWI352838B

TWI352838B - Liquid crystal, and liquid crystal material combin

Info

Publication number: TWI352838B
Application number: TW097104178A
Authority: TW
Inventors: Chia Hsuan Pai; Chao Yuan Chen; Te Sheng Chen; Jenn Jia Su
Original assignee: Au Optronics Corp
Priority date: 2007-09-28
Filing date: 2008-02-04
Publication date: 2011-11-21
Also published as: US20090086139A1; US7643124B2; TW200914915A

Description

1352838 九、發明說明：【發明所屬之技術領域】本發明係關於一種液晶，其可用於液晶顯示裝置（liquid crystal display，LCD)以提供一具有高穿透率之LCD。特定言之，亦關於一種可用於高分子輔助配向LCD或聚合物穩定配向LCD之液晶材料組合物。【先前技術】在各種顯示裝置中，LCD可說是技術最純熟且最普及化的顯示装置，與傳統陰極射線管顯示器（cathode ray tube display，CRT display )相比，其具有重量輕、省電、可攜帶及無輻射等優點，已廣泛地應用於手機 '數位相機、筆記型電腦及桌上型顯示器等 3C產品中。製造LCD時’液晶材料係一不可獲缺的必要材料，其性質對LCD 之性能表現有關鍵性的影響。一般而言，就介電異向性（dielectric anisotropy ’心）而言’液晶材料可分為正型液晶（即△£>〇)及負型液晶（即△£<0)兩種。其中，正型液晶一般係用於平行配向 (parallel alignment，PA )模式之LCD，而負型液晶則用於垂直配向（vertical alignment，VA )模式之 LCD。於此，為提高LCD之性能表現’業經提出辅助液晶配向之技術，使液晶分子產生一預傾角，以製造具有快速應答及高對比度等優點之LCD。其中一種輔助液晶配向技術係添加一可聚合單體於液晶材料中，該單體在經過聚合作用後，可使液晶分子產生一預傾角，進而達到辅助液晶配向之效果並提高其光學表現。使用此種 1.352838· 摻有可聚合單體之液晶材料的LCD，一般稱為高分子辅助配向 LCD或聚合物穩定配向LCD。然而，隨著LCD晝素結構的曰趨複雜，例如多象限晝素結構 (multi-domain pixel structure)的發展，使 LCD (特別是有高分子輔助配向之LCD或聚合物穩定配向LCD)面臨到液晶穿透度降低的問題。概言之，因多象限晝素結構之發展，使得在相同驅動的等效電場（effective electrical field)越來越小’此在其

• 條件維持相同時，將致使液晶的穿透率越趨下降，進而影響L C D 的光學表現。十割'前述問題，本案發明人研究發現，經由選用具特定參數條件之t a 物 <晶，配合可聚合單體之使用，可提供合宜之液晶材料組合 °亥液晶材料組合物使用於LCD時，可展現所欲之光學表現’ 例如穿逯率。【發明内容】本發明+ . Θ之一目的在於提供一種液晶顯示裝置，包含： '—货弟一基板；〜第二基板；以及 ?复數個液晶分子，密封於該第一基板與該第二基板之間，且具有下列性質： (i )-2.5 至-5 之介電異向性（dielectric anisotropy，△£·); (ii) 1.1χ10_η牛頓至1.6xl(Tn牛頓之擴張彈性係數 (splay elastic constant，Kn ); 7 1352838 (iii) l_lxl〇-"牛頓至UxlO·11牛頓之彎曲彈性係數 (bend elastic constant > K33):以及 (iv) Δί、Κπ(牛頓）及κ33(牛頓）符合下式： < 1.28 χ 10—12 κπ +κ^ |ΐ〇 χ Δ^| 本發明之另一目的在於提供一種液晶，該液晶具有下列性質： (i) -2.5 至-5 之介電異向性（dielectric anisotropy，△£·)； (ii) Ι.ΙχΙΟ·11牛頓至l.6x10-ii牛頓之擴張彈性係數（splay elastic constant J Κπ); (iii) 1.1 xlO·"牛頓至16xl〇-"牛頓之彎曲彈性係數（bend elastic constant，K33 );以及 (iv) ZW、Ku(牛頓)及κ33(牛頓）符合下式： K n + κ 1Ϊ^7[-<1·28 χ^-'2 。本發明之再一目的在於提供一種液晶材料組合物，其包含複數個上述之液晶分子及一可聚合單體。在參閱圖式及隨後描述之實施方式後，本發明所屬技術領域中具有通常知識者當可輕㈣解本發明之基本精神及其他發明目的，以及本發明所採用之技術手段與較佳實施態樣。【實施方式】經研究發現’在驅動《增加m度之後（大約1G伏特）液晶材料所呈現之f透率開始達到飽和。然而，如前所述，由於目前面板實際制上之關，可制之_電壓往往無法大到足 =液晶達到飽合之穿料。前述現象可由第丨圖之穿透率對驅動電壓之_獲得進_步之解釋。在相同像素結構與量測方式 1352838, 、條件下，分別對具有不同K|,、κ：33及性質組合之液晶材料 LC1 (K^K^LBxiO-"牛頓，Δί = ·35)及 LC2 (Κ|| = Κ33 3 1〇牛頓，△£· =-3.1 )進行測試，可發現兩液晶材料之穿透率隨電壓上升的比例明顯不同。其中，以常用之驅動電壓75 伏特而言’LC2在此一相同驅動電壓下所呈現之穿透率明顯較者為高。經進一步研究發現，於相同驅動電壓下，影響液晶材料穿透率的關鍵參數乃其Kll、K33及。疋以，本發明係提供一種具有特定之性質之液晶。特定言之，本發明之液晶，其參數κ丨丨、反”及係符合以下條件· (0 為-2.5 至-5: (H) 為 1·1χ1〇_11 牛頓至 1.6ΧΗΓ11 牛頓； (in) Κ;3為1·1χ1〇-η牛頓至1_6χ1〇-丨丨牛頓；以及 (iv) Δ^κη (牛頓）及1C33 (牛頓）三者之關係符合下式： Κη + 7^^1.28 χ 10-12。根據本發明’任何具有上述性質之液晶可應用klcd中以提供 &且穿透率，並無任何特殊的限制。舉例言之（但不以此為限），本發明之液晶可選自由具下式（m)、（IV)、⑺或（VI) 之化合物所組成之群組：

F F

(III) 9 (IV) 1352838

R1、R2、R3、R4及R6係獨立為具有1至12個碳原子之烷基，其1 個或2個不相鄰之CH2基團可經_〇_、_ch=ch-、-CO-、-0C0-、或-COO-置換； R5為具有2至8個碳原子之烯基； d係為0或1 ;

於本發明液晶之一較佳實施態樣中，其參數Km、K33及Δβ係符合以下條件： (i) 為 _3至_5; (II) Kn 為 1.1 χ1(Τη 牛頓至 1.55x10·"牛頓； (III) Κ33為ΐ.1χ10·ι丨牛頓至i 55χ1〇·η牛頓；以及 ()t (牛頓）及Κ33 (牛頓）三者之關係符合下式： ~fc^<128 χ10' ;本心月液阳之另一較佳實施態樣中其參數Κι 1、尺33及係符合以下條件：

⑴ Δ f 為-3 至-5 ; (ϋ) Κ1 丨為 1.37x1ο·1丨牛頓至1·6χ1〇·η牛頓； (iii) Κ33 為 1.37Χ10·11 牛頓至1.6xl〇_n牛頓；以及 (iv) ' Κιι (牛頓）及KM (牛頓）三者之關係符合下式： K 11 + κ 33 ..... |10 X △ < < 1.28 xlO 如上所述，本發明透過具特定參數（△£、Kn& K33)組合之液曰曰的選用，可提供合宜之液晶，其應用於LCD時，可提高LCD 的光學表現。基於此，本發明亦關於一種液晶顯示裝置，尤其是高分子輔助配向（或聚合物穩定配向）液晶顯示裝置。本發明之液晶顯示裝置包含一第一基板、一第二基板及一根據本發明之液晶，該液晶係密封於第一基板及第二基板之間。同時，在第一基板及第二基板彼此相對之表面上分別具有一第一電極及一第二電極，亦可視而要在第一電極及/或第二電極上沉積一配向膜（如聚亞酿胺）。以高分子輔助配向（或聚合物穩定配向）LCD而言，其進一步 1352838 包含一沉積於配向膜上之高分子膜，其中高分子膜係由一可聚合單體所聚合而成。一般於本發明組合中所採用之可聚合單體包含可光聚合單體、可熱聚合單體、或前述組合。舉例言之（但不以此為限），該可聚合單體可選自由具下式（I)或（II)之化合物所組成之群組：

Pj係獨立為一可聚合基團，例如丙烯酸基（acrylate )或甲基丙烯酸基（methacrylate );

Spi係獨立為一間隔基團（spacer group )’例如一包含至少一個碳之直碳鏈； Χι 係獨立為-Ο-、-S-、-OCH2-、-CO-、-COO---OCO---CO-NR-、 -NR-CO- 、-OCH2-、-SCH2-、-CH2S-、-CH=CH-COO-、 -OCC-CH=CH-、或一單鍵，其中R係一烷基； L係獨立為氟、氯、氰基、或具有1至7個碳原子之烷基、烷羰基、烷氧羰基或烷羰氧基，且m係不小於1之整數；當L為具有 1至7個碳原子之烷基、烷羰基、烷氧基羰基或烷羰氧基時，其中 12 1352838 一或多個氫原子可經氟原子或氯原子置換； Y 獨立為-H、-F、-a、-CN、-SCN、-SF5H、-N〇2、具有 1 至 12 個碳原子之單鏈或支鏈烷基、或-X2-Sp2-P2 ;其中： P2係獨立為一可聚合基團，例如丙烯酸基（acrylate)或甲基丙烯酸基（methacrylate);

Sp2係獨立為一間隔基團（spacer group )，例如一包含至少一個碳之直碳鏈； x2 係獨立為-0-、-S-、-OCH2-、-CO-、-COO-、-0C0-、-CO-NR-、 -NR-CO- 、-0CH2-、-SCH2-、-CH2S-、-CH=CH-COO-、 -0CC-CH=CH-、或一單鍵，其中R係一烷基。為使本領域之人可輕易了解本發明實施態樣之LCD，以下配合圖式及元件符號以聚合物穩定配向LCD作為例示性說明之實施態樣。第2圖係繪示一種根據本發明之一實施例之聚合物穩定配向 LCD 20，其具有一第一基板211、一第二基板213、及密封於兩者間之本發明之液晶11。同時，在第一基板211及第二基板213彼此相對之表面上分別具有一第一電極251及一第二電極253,用以提供使液晶11轉向之電場。於第2圖中，該第一電極251及該第二電極253彼此相對之表面上具有一配向膜27，用以引導液晶11 之配向。此外，配向膜27之表面更包含一高分子膜29用以辅助液晶11之配向。續參第2圖，該兩基板之間相隔一預定之距離，即單元間隙（cell gap) 23。一般而言，單元間隙23之大小係在 2.5微米至10微米之範圍内。 13 1352838 須說明者’任何適宜之製程均㈣於製造根據本發明之lcd，例如彩色濾色膜製程、薄膜電晶體陣列製程、液晶單元製程㈣組組合製程。所有±述製程㈣本領域之人所f知者於此不再贅述。以聚合物敎g己向LCD而言，沉積於配向膜上之高分子膜可以如下方式製得：先將一液晶材料組合物滴入或注入lcd之單元中’其t液晶材料組合物包含本發明之液晶及—可聚合單體，接著聚合該可聚合單體以形成所欲之高分子膜於配向膜之上。因此’本發明亦關於一種液晶材料組合物，其包含本發明之液日曰曰及前述之可聚合單體。以本發明而言可聚合單體之用量可由 I知技藝者視使用需求而^般而言，可聚合單體之用量以液晶重量計係為0.01重量％至5重量％。為使於此技術領域中具有通常知識者，可更清楚地了解本發明之優點與技術特徵’茲提供以下例子作進一步之說明。例1 選用液晶材料1至5，進行用於垂直配向模式LCD之穿透率的模擬’觀察擴張彈性係數（Kn)、扭轉彈性係數（κ22)、弯曲彈性係數（κ33)、介電異向性（zU)及黏滯係數⑴等參數對穿透性的影響，結果如表1所示。表1 液晶 1 2 3 4 5 Κ"及Κ33 ( 1〇_丨丨牛頓） 1.5 1.1 1.5 1.5 1.5 Κ22 ( 1(Γ"牛頓） 0.8 0.8 0.8 0.8 0.5 γ (泊） 0.11 0.11 0.11 0.14 0.11 1352838 Αε -3 -3 -3.5 -3.5 -3 7伏特下之穿透率（％) 24.1 23.9 24.1 24.0 24.0 4.2伏特下之穿透率（％) 18.1 24.6 21.6 21.6 18.1 由表1結果顯示，相較於Κ22與γ，Κπ、K33及較為能反映液晶材料穿透率的關鍵參數。詳言之，由液晶1與液晶5之結果可知，當Κη及Κ33、γ以及為定值時，具不同Κ22之液晶1與液晶 5 (Κ22分別為0.8及0.5)於穿透率上（7伏特下之穿透率（％)分別 ^ 為24.1及24.0 ; 4.2伏特下之穿透率（％)均為18.1)之表現並無實質上之差異。而由液晶3與液晶4之結果可知，當Κη及Κ33、Κ22以及 △ £為定值時，具不同γ之液晶3與液晶4 (γ分別為0.11及0.14) 於穿透率上（7伏特下之穿透率（％)分別為24.1及24.0 ; 4.2伏特下之穿透率（％)均為21·6)之表現並無實質上之差異。相對於此，根據液晶1與液晶2之比較說明，若Κ22、γ以及Μ為定值時，在低驅動電壓（舉例為4.2伏特）下，具不同Κι 1及Κ33值之液晶1與液晶 2，其穿透率（％)有明顯差別，分別為18.1以及24.6，液晶2在 • 穿透度方面的表現較佳。另外，根據液晶1與液晶3之比較說明，若Κ„及Κ33、Κ22以及γ為定值時，在低驅動電壓（舉例為4.2伏特）下，不同Δε值之液晶1與液晶3 (分別為-3以及-3.5)之穿透率 (%)具實質上差異，分別為18.1以及21.6，液晶3在穿透度方面的表現較佳。由例1可知，當固定液晶參數Κ22、γ以及時，液晶參數Κ„ 及Κ33會影響液晶在穿透率上的表現；而當固定液晶參數Κ„及Κ33、Κ22 以及γ時，液晶參數Δβ會影響液晶在穿透率上的表現。 15 x^2838 例2 其係針對液晶11做對具如第2圖所示結構之LCD進行試驗變化’其餘元件條件不變。若液晶11採用液晶1，而液晶 1.52x1〇·11 牛頓、及 κ33 = 1 55χ1〇-ιι 儀對所組裝之LCD進行光學量測，所示。之參數為：△£* = -3、K_1| = 牛頓’之後使用一穿透率測量則所得結果如表2 (液晶1 ) 若液晶11採用液晶2,而液晶2之參數為：& = _3 Κ" = 10牛頓、及Κ33 = 1.41 Χίο 11牛頓，之後使用一穿透率測量φ 儀對所組裝之LCD進行光學量測，則所得結果如表2 (液晶2) 所示。右液晶11採用液晶3 ’而液晶3之參數為：心=_3.5、Κπ = 1〇牛頓、及Κ33 = 1.5χ1〇 Π牛頓，使用一穿透率測量儀對所製造之LCD進行光學量測，則所得結果如表2 (液晶3)所示。表2 : LC 液晶1 液晶2 液晶3 -3 -3 -3.5 Κ„ 15.2 13.7 15.2 Κ33 15.5 14.1 15 T (%) 3.70 3.90 4.40

如表2所示，根據液晶1以及液晶2的比較’當固定時，參數K h、κ33分別為13.7以及14.1的液晶2比參數K"、K33分別 16 1352838 表現，液晶2 3.7。根據液晶為15.2以及15·5的液晶i具有更佳的穿透率（％) 的穿透率（％)為3.9,但液晶1的穿透率（％)為以及液晶3的比較’當固定Κ"時’參數K33分別為-3.5以及15的液晶3比參數△,、κ33分別為_3以及15 5的液晶丄具有 B曰更佳的穿透率⑻表現，液晶3的穿透率（％)為Ο，但液 1的穿透率（％)為3.7。由例2可知，藉由選用具合宜Kn、K33 '及^之液晶可有效改善LCD之穿透率。上述實施例僅為例示性說明本發明之原理及其功效，並蘭述本發明之技術特徵，而非用於限制本發明之保護範^任何熟悉本技術者在不違背本發明之技術原理及精神下，可輕易完成之改變或安排，均屬本發明所主張之範圍。因此，本發明之權利保護範圍係如後附申請專利範圍所列。【圖式簡單說明】第1圖係在一完全相同之液晶顯示裝置結構條件下，改變液晶材料之參數，比較穿透率隨驅動電壓變化的情形；以及第2圖繪示根據本發明液晶顯示裝置之一實施態樣之示意圖。【主要元件符號說明】 11 液晶 20 液晶顯示裝置 23 單元間隙 27 配向膜 29 而分子膜 1352838 211 第一基板 213 第二基板 251 第一電極 253 第二電極

Claims

I35283S.

十、申請專利範-— 1. 一種液晶顯示裝置，包含一第一基板；一第二基板；以及複數個液晶分子，密封於該第一基板與該第二基板之間，且具有下列性質： (i) -2.5 至-5 之介電異向性（dielectric anisotropy，△£·).

(ii) ι·ΐχΐ〇_η牛頓至1.6X10-丨I牛頓之擴張彈性係數 (splay elastic constant，Kn ); (ui) 1·1χ1〇-Π牛頓至1.6x10·"牛頓之彎曲彈性係數 (bend elastic constant，K33 );以及 (ιν)心、Ku (牛頓）及κ33 (牛頓）符合下式： K 11 K 丨10 X Af| + < 1.28 X 10-12 2·如請求項1之液晶顯示裝置，其中至_3.5且Κη&κ33 獨立為l.lxlO·11牛頓至1.55x1ο·11牛頓。 3. 如請求項1之液晶顯示裝置，其中△^為^山至_5。 4. 如請求項1之液晶顯示裝置，其中心,為牛 L6,…牛頓。千頓至 5. 如請求項1之液晶顯示裝置’其中〖”為137χ1〇·π牛頓至 1-6XUT11 牛頓。 6. 如請求項1之液晶顯示裝置，其進一步包含： —第-電極及-第二電極，分別位於該第—基板與該第二基板彼此相對之表面上；以及 1352838 至少一配向膜，位於該第一電極及/或該第二電極上。如吻求項6之液晶顯示裝置，其進一步包含一高分子膜位於該配向膜上。 8. 如請求項丨之液晶顯示裝置，其中該第一基板與該第二基板間之預定單元間隙（ce丨lgap)為2 5微米至1〇微米。 9. 一種液晶，其具有下列性質： (i) -2.5 至-5 之介電異向性（dielectricanis〇tr〇py，Af); (11) hlx10 11牛頓至1.6X10·11牛頓之擴張彈性係數 (splay elastic constant，Κι 丨）; (iii) 牛頓至1.6M0-"牛頓之彎曲彈性係數 (bend elastic constant > K33 );以及 (iv) △£、K"(牛頓）及κ33 (牛頓）符合下式：

K K 33 |ιο X Δί·| < 1.28 X 10 12 10.如請求項9之液晶，其係一負型液晶且包含具下式（in ) (IV)、（V)或（VI)之化合物：

R3-

20 (V) (VI)1352838

R1、R、r3、R4及R6係獨立為具有1至12個碳原子之烷基，其1個或2個不相鄰之CH2基團可經_〇_、 -CH=CH-、-CO-、_〇c〇j_c〇〇置換； R5為具有2至8個碳原子之烯基； d為〇或1 ;

21 1352838 牛頓。 14. 15. 如請求項9之液晶’其中“為i 37x1〇_h牛頓至i 6χΐ〇_η 牛頓β -種液晶材料組合物’包含一液晶及一可聚合單體，其中該液晶具有下列性質： (0 -2.5 至-5 之介電異向性（dielectricanis〇tr〇py, △左 U) IJxlO·11牛頓至UMO-u牛頓之擴張彈性係數 (splay elastic constant * Kn ); (in) l.lxlO·11牛頓至1.6XHT11牛頓之彎曲彈性係數 (bend elastic constant > K33);以及 (iv) △£、Kn (牛頓）及k33 (牛頓）符合下式： 33 < 1.28 χ 10 K„ + K |10 χ Αε| 16. 17. 如請求項15之液晶材料組合物，其中該可聚合單體係包括可光聚合單體、可熱聚合單體、或前述之組合。如請求項16之液晶材料組合物’其中該可聚合單體係包含具下式（I)或（II)之化合物： pi-Spi-X,

Lm

Lm 22 (I) 1352838.

(ID 其中 P,係獨立為一丙烯酸基（acrylate)或曱基丙烯酸基 (methacrylate ); Sp1係獨立為一具有至少一個碳的直碳鏈； Xi 係獨立為-0-、-S-、-OCH2-、-C0-、-COO-、-OCO-、 -CO-NR-、-NR-CO-、-OCH2-、-SCH2-、-CH2S-、 -CH=CH-COO-、-OCC-CH=CH-、或一單鍵，其中 R 係一烧基； L係獨立為氟、氣、氰基、或具有1至7個碳原子之烷基、烷羰基、烷氧羰基或烷羰氧基，m係不小於1 之整數；其中當L為具有1至7個碳原子之烷基、烷羰基、烷氧基羰基或烷羰氧基時，其一或多個氫原子可經氟或氯置換； Y 係獨立為-H、-F、-C卜-CN、-SCN、-SF5H、-N〇2、具有1至12個碳原子之烷基、或-X2-Sp2-P2，其中： P2係獨立為一丙烯酸基（acrylate )或甲基丙烯酸基（methacrylate ); Sp2係獨立為一具有至少一個碳的直碳鏈； X2 係獨立為-0-、-S-、-〇CH2-、-CO-、-COO-、 23 1352838 -OCO-、-CO-NR-、-NR-CO-、-〇CH2·、-SCH2-、-CH2S-、 -CH=CH-COO-、-〇CC-CH=CH-、或一單鍵，其中 R 係一烧基。 18. 如。月求項丨5之液晶材料組合物，其中該液晶為一負型液晶且包含具下式（III)、（IV)、（V)或（VI)之化合物： F F

(III) F F

(IV)

(V) (VI) 其中 R1、R、R3、R4及R6係獨立為具有1至12個碳原子之烧基，其1個或2個不相鄰之ch2基團可經_〇_、 -CH=CH-、-CO-、-0C0-或.coo-置換； R為具有2至8個碳原子之稀基； d為0或1 ;

19. 20. 21.22.

23.

如請求項15之液晶材料組合物，其中以液晶之重量計’該可 ^合單體之用量為〇.〇〖重量％至5重量％。如明求項15之液晶材料組合物，其中Af&_3至-3.5且Kn 及Κ33獨立為ι.ΐχίο-丨丨牛頓至丨55χ1〇-丨丨牛頓。如凊求項15之液晶材料組合物，其中△£為-3.0至-5。如明求項15之液晶材料組合物，其中Κ丨丨為L37xlG-n牛頓至1·6χι〇·丨丨牛頓。 :?項15之液晶枒料組合物’其中&為牛頓至1·6χι〇-丨1牛頓。 25