TWI633176B - Liquid crystal composition and liquid crystal display element - Google Patents

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Abstract

本發明涉及一種液晶組合物，係包含一種或多種式I所示化合物以及一種或多種式Ⅱ所示化合物，並且液晶組合物中包含一種或兩種式Ⅱ所示化合物中式Ⅱ-B所示化合物：
其中各取代基均給出其定義。
本發明涉及組合物具有低黏度γ1、適中的介電異方性△ε、適中的光學異向性△n，可以實現液晶顯示的快速回應。

Description

液晶組合物及液晶顯示元件
本發明涉及液晶顯示領域，具體涉及一種液晶組合物及包含該液晶組合物的液晶顯示元件或液晶顯示器。
目前，液晶化合物的應用範圍拓展的越來越廣，其可應用於多種類型的顯示器、電光元件、感測器等中。用於上述顯示領域的液晶化合物的種類繁多，其中向列型液晶應用最為廣泛。向列型液晶已經應用在無源TN、STN矩陣顯示器和具有TFT主動矩陣的系統中。
對於薄膜電晶體技術(TFT-LCD)應用領域，近年來市場雖然已經非常巨大，技術也逐漸成熟，但人們對顯示技術的要求也在不斷的提高，尤其是在實現快速回應，降低驅動電壓以降低功耗等方面。液晶材料作為液晶顯示器重要的光電子材料之一，對改善液晶顯示器的性能發揮重要的作用。
作為液晶材料，需要具有良好的化學和熱穩定性以及對電場和電磁輻射的穩定性。而作為薄膜電晶體技術(TFT-LCD)用液晶材料，不僅需要具有如上穩定性外，還應具有較寬的向列相溫度範圍、合適的雙折射率各向異性、非常高的電阻率、良好的抗紫外線性能、高電荷保持率以及低蒸汽壓等性能。
對於動態畫面顯示應用，消除顯示畫面殘影和拖尾，要求液晶具有很快的回應速度，因此要求液晶具有較低的旋轉黏度γ1；另外，對於可擕式 設備，為了降低設備能耗，希望液晶的驅動電壓盡可能低；而對於電視等用途的顯示器來說，對於液晶的驅動電壓要求不是那麼的低。
液晶化合物的黏度，尤其是旋轉黏度γ1直接影響液晶加電後的回應時間，不管是上升時間(ton)還是下降時間(toff)，都與液晶的旋轉黏度γ1成正比關係，上升時間(ton)由於與液晶盒和驅動電壓有關，可以藉由加大驅動電壓的方法與降低液晶盒厚度來調節；而下降時間(toff)與驅動電壓無關，主要是與液晶的彈性常數與液晶盒厚度有關，厚度的下降會降低下降時間(toff)，而不同顯示模式下，液晶分子的運動方式不一樣，TN、IPS、VA三種模式分別與平均彈性常數K、扭曲彈性常數、彎曲彈性常數成反比關係。
依照液晶連續體理論，各種不同的液晶在外力(電場、磁場)作用下發生形變後，會藉由分子間的相互作用，會“回彈”回原來的形狀；同樣的，液晶也是由於分子間的相互作用力形成“黏度”。液晶分子的微小變化，會使液晶的常規參數性能發生明顯的變化，這些變化有的是有一定規律的，有的似乎不易找到規律，對於液晶分子間的相互作用也會產生明顯的影響，這些影響非常微妙，至今也沒有形成很完善的理論解釋。
液晶的黏度與液晶分子結構有關，研究不同液晶分子形成的液晶體系的黏度與液晶分子結構之間的關係是液晶配方工程師的重要任務之一。
本發明的目的在於提供一種液晶組合物及包含該液晶組合物的液晶顯示元件或液晶顯示器，該液晶組合物具有較低的黏度，可以實現快速回應，同時具有適中的介電異方性△ε、適中的光學異向性△n、高的對熱和光的穩定性。包含該液晶組合物的液晶顯示元件或液晶顯示器具有較寬的向列相溫度 範圍、合適的雙折射率各向異性、非常高的電阻率、良好的抗紫外線性能、高電荷保持率以及低蒸汽壓等性能。
為了實現上述有益技術效果，本發明提供了一種液晶組合物，所述液晶組合物包含一種或多種式I所示化合物、以及一種或多種式Ⅱ化合物，並且液晶組合物必然包含一種或兩種式Ⅱ所示化合物中式Ⅱ-B所示化合物，即當液晶組合物中只包含一種式Ⅱ所示化合物時，所述一種式Ⅱ所示化合物為式Ⅱ-B所示化合物中的任意一種；當液晶組合物中包含兩種式Ⅱ所示化合物時，所述兩種式Ⅱ所示化合物可以是一種式Ⅱ-B所示化合物和一種式Ⅱ中非Ⅱ-B的化合物，也可以是式Ⅱ-B所示化合物中的任意兩種化合物；當液晶組合物中包含多於兩種式Ⅱ所示化合物時，所述多於兩種式Ⅱ所示化合物可以是一種式Ⅱ-B所示化合物和多於一種式Ⅱ中非Ⅱ-B的化合物，也可以是式Ⅱ-B所示化合物中的任意兩種化合物和至少一種式Ⅱ中非Ⅱ-B的化合物。
其中，X1、X2各自獨立的表示F或H，且X1、X2不能同時為F； R0、R1、R2、R3各自獨立地表示碳原子數為1-10的烷基、氟取代的碳原子數為1-10的烷基、碳原子數為1-10的烷氧基、氟取代的碳原子數為1-10的烷氧基、碳原子數為2-10的鏈烯基、氟取代的碳原子數為2-10的鏈烯基、碳原子數為3-8的鏈烯氧基或氟取代的碳原子數為3-8的鏈烯氧基，且R0、R1、R2、R3中任意一個或多個不連續的CH2可以被環戊基、環丁基、環丙基和/或-O-替代；Y表示乙基或乙烯基； 各自獨立的表示1,4-亞苯基、1,4-亞環己基或1,4- 亞環己烯基。
本發明液晶組合物較佳為不包含含有-CN的液晶化合物、不包含含有吡啶、嘧啶環的液晶化合物。
本發明進一步較佳為不含有稠環結構的液晶化合物。
本發明所提供的液晶組合物△n[589nm,25℃]>0.08，△ε[1KHz,25℃]>2或△ε[1KHz,25℃]<-2，清晰點Cp>70.0℃，旋轉黏度γ1[25℃]在40~120mPa．s之間。
本發明所提供的液晶組合物，較佳為液晶組合物式I所示化合物總質量含量為2-25%，式Ⅱ-B所示化合物總質量含量為5-55%，式Ⅱ所示化合物總質量含量為5-85%。
本發明的液晶組合物不包含含有-CN結構的液晶成分以及含有吡啶、嘧啶環的液晶化合物。-CN具有很大的永久偶極矩，電子雲較為豐富，易於吸附陽離子從而導致離子溶劑化，使液晶電學性能的下降，比如電荷保持率VHR、電阻率ρ、功耗等；吡啶、嘧啶環化合物由於在UV下電子易於受到激發而導致品質下降。
式I所示化合物較佳為式I1-I3所示化合物：
其中，R0、R1各自獨立地表示碳原子數為1-10的烷基、氟取代的碳原子數為1-10的烷基、碳原子數為1-10的烷氧基、氟取代的碳原子數為1-10的烷氧基、碳原子數為2-10的鏈烯基、氟取代的碳原子數為2-10的鏈烯基、碳原子數為3-8的鏈烯氧基或氟取代的碳原子數為3-8的鏈烯氧基，且R0、R1中任一個不連續的CH2可以被環戊基、環丁基、環丙基或-O-替代。
式I所示化合物普遍具有與其他液晶良好的互溶性；式I所示化合物的光學異向性△n總體適中，一般大於或接近混合液晶的△n；式I所示化合物具有負的介電異方性△ε，適用於調低混合液晶的△ε。
本發明所提供的液晶組合物中所述一種或兩種式Ⅱ-B所示化合物較佳為式Ⅱ-B-1和Ⅱ-B-2所示化合物中的一種或兩種化合物，
所述一種或多種式Ⅱ所示化合物較佳為包含式Ⅱ1至Ⅱ10所示化合物的一種或多種化合物：
本發明液晶組合物可以為正性液晶組合物，液晶組合物除式I和式Ⅱ所示化合物以外還可以進一步包含一種或多種式Ⅲ所示化合物
其中，R4表示碳原子數為1-10的烷基、氟取代的碳原子數為1-10的烷基、碳原子數為1-10的烷氧基、氟取代的碳原子數為1-10的烷氧基、碳原子數為2-10的鏈烯基、氟取代的碳原子數為2-10的鏈烯基、碳原子數為3-8的鏈烯氧基或氟取代的碳原子數為3-8的鏈烯氧基，R4中任一個CH2可以被環戊基、環丁基或環丙基替代； 各自獨立地表示： 中一種或兩種； m表示1或2；Z1、Z2各自獨立地表示單鍵、-CF2O-、-CH2CH2-或-CH2O-；Y2表示F、氟取代的碳原子數為1-5的烷基、氟取代的碳原子數為1-5的烷氧基、氟取代的碳原子數為2-5的鏈烯基或氟取代的碳原子數為3-8的鏈烯氧基。
所述一種或多種式Ⅲ所示化合物較佳為Ⅲ1-Ⅲ22所示化合物
其中，X1表示H，X2表示F或者X1表示F，X2表示H； R4表示碳原子數為1-10的烷基、氟取代的碳原子數為1-10的烷基、碳原子數為1-10的烷氧基、氟取代的碳原子數為1-10的烷氧基、碳原子數為2-10的鏈烯基、氟取代的碳原子數為2-10的鏈烯基、碳原子數為3-8的鏈烯氧基或氟取代的碳原子數為3-8的鏈烯氧基，且R4中任一個CH2可以被環戊基、環丁基、環丙基替代；Y2表示F、氟取代的碳原子數為1-5的烷基、氟取代的碳原子數為1-5的烷氧基、氟取代的碳原子數為2-5的鏈烯基或氟取代的碳原子數為3-8的鏈烯氧基；(F)表示H或F。
本發明液晶組合物可以為負型液晶組合物，液晶組合物除式I和式Ⅱ所示化合物以外還可以進一步包含一種或多種式Ⅳ所示的化合物
其中，R5、R6各自獨立地表示碳原子數為1-10的烷基、氟取代的碳原子數為1-10的烷基、碳原子數為1-10的烷氧基、氟取代的碳原子數為1-10的烷氧基、碳原子數為2-10的鏈烯基、氟取代的碳原子數為2-10的鏈烯基、碳原子數為3-8的鏈烯氧基或氟取代的碳原子數為3-8的鏈烯氧基，且R5、R6中任一個CH2可以被環戊基、環丁基、環丙基替代；Z3、Z4各自獨立地表示單鍵、 -CH2CH2-或-CH2O-；各自獨立地表示 其中一種；m表示1或2；n表示0，1或2。
所述一種或多種式Ⅳ所示的化合物較佳為Ⅳ1-Ⅳ11所示化合物
其中，R5、R6各自獨立地表示碳原子數為1-10的烷基、氟取代的碳原子數為1-10的烷基、碳原子數為1-10的烷氧基、氟取代的碳原子數為1-10的烷氧基、碳原子數為2-10的鏈烯基、氟取代的碳原子數為2-10的鏈烯基、碳原子數為3-8的鏈烯氧基或氟取代的碳原子數為3-8的鏈烯氧基，且R5、R6中任一個CH2可以被環戊基、環丁基或環丙基替代。
本發明液晶組合物可以為負型液晶組合物，液晶組合物除式I和式Ⅱ所示化合物以外還可以進一步包含一種或多種式V所示的化合物
其中，R7、R8各自獨立地表示碳原子數為1-10的烷基、氟取代的碳原子數為1-10的烷基、碳原子數為1-10的烷氧基、氟取代的碳原子數為1-10的烷氧基、碳原子數為2-10的鏈烯基、氟取代的碳原子數為2-10的鏈烯基、碳原子數為3-8的鏈烯氧基或氟取代的碳原子數為3-8的鏈烯氧基，R7、R8中任一個CH2可以被環戊基、環丁基、環丙基替代。
式V所示的化合物較佳為：
R81表示碳原子數為1-10的烷氧基。
本發明所提供的液晶組合物根據各成分的不同比例，會表現出略有差異的性能，例如介電異方性△ε、光學異向性△n、液晶的向列相轉化為液體 的轉變溫度點CP、低溫下穩定性都會有所差異，可以應用於不同類型的顯示元件，但是相同的特點是其旋轉黏度γ1較低，應用於液晶顯示元件，可以實現快速回應。
本發明所提供的液晶組合物中還可以加入各種功能的摻雜劑，摻雜劑含量較佳為0.01-1%之間，這些摻雜劑主要是抗氧化劑、紫外線吸收劑、手性劑。
抗氧化劑、紫外線吸收劑較佳為：
S表示1-10的整數；手性劑較佳為(左旋或右旋)：
本發明還涉及包含上述任意一種液晶組合物的液晶顯示元件或液晶顯示器；顯示元件或顯示器為主動矩陣顯示元件或顯示器或無源矩陣顯示元件或顯示器。
液晶顯示元件或液晶顯示器較佳為主動矩陣定址液晶顯示元件或液晶顯示器。
主動矩陣顯示元件或顯示器較佳為TN-TFT或IPS-TFT或VA-TFT液晶顯示元件或顯示器。
本發明所提供的液晶組合物具有較低的黏度，可以實現快速回應，同時具有適中的介電異方性△ε、適中的光學異向性△n、高的對熱和光的穩定性。
包含本發明所提供的液晶組合物的液晶材料，不但具有良好的化學和熱穩定性以及對電場和電磁輻射的穩定性。而且，作為薄膜電晶體技術(TFT-LCD)用液晶材料，還具有較寬的向列型溫度範圍、合適的雙折射率各向異性、非常高的電阻率、良好的抗紫外線性能、高電荷保持率以及低蒸汽壓等性能。
下面結合具體實施例對本發明作進一步闡述，但本發明並不限於以下實施例。方法如無特別說明均為常規方法。原料如無特別說明均能從公開商業途徑而得。百分比如無特別說明，均為質量百分比。
下述實施例中，CP表示清晰點，直接使用WRX-1S顯微熱分析儀測定，設定升溫速率為3℃/min。
△n表示光學異向性(589nm，20℃)， △ε表示介電異方性(25℃，1KHz，HP4284A，5.2微米TN左旋盒)， γ1表示20℃時旋轉黏度(mpas)，VHR(%)代表電荷保持率(5V,60Hz,20℃)，ρ(×1013Ω．cm)代表電阻率(20℃)
電壓保持率VHR(%)的測試儀與電阻率ρ(×1013Ω．cm)均為TOYO06254和TOYO6517型液晶物性評價系統(測試溫度20℃，時間16ms，測試盒為7.0微米)
本發明申請實施例液晶單體結構用代碼表示，液晶環結構、端基、連接基團的代碼表示方法見下表(一)、表(二)
舉例：
C(5)CCV1
3B B(3F)B(3F,5F)-CF2O-B(3F,5F)F
實施例1
實施例2
實施例3
實施例4
實施例5
實施例6
由以上實施例可以看出：本發明的液晶組合物具有較低的旋轉黏度γ1，用於液晶顯示，可以實現快速回應。尤其適合於TN、IPS模式用液晶材料。

Claims (7)

  1. 一種液晶組合物，其包含一種或多種式I所示化合物以及一種或多種式Ⅱ所示化合物，並且該液晶組合物包含一種或兩種式II所示化合物中式Ⅱ-B所示化合物，其中，X1、X2各自獨立的表示氟(F)或氫(H)，且X1、X2不能同時為氟(F)；R0表示碳原子數為1-10的烷基、氟取代的碳原子數為1-10的烷基、氟取代的碳原子數為1-10的烷基、碳原子數為2-10的鏈烯基、氟取代的碳原子數為2-10的鏈烯基；R1、R2、R3各自獨立地表示碳原子數為1-10的烷基、氟取代的碳原子數為1-10的烷基、碳原子數為1-10的烷氧基、氟取代的碳原子數為1-10的烷氧基、碳原子數為2-10的鏈烯基、氟取代的碳原子數為2-10的鏈烯基、碳原子數為3-8的鏈烯氧基或氟取代的碳原子數為3-8的鏈烯氧基，且R0、R2、R3中任意一個或多個不連續的CH2可以被環戊基、環丁基、環丙基及/或-O-替代，R1中任意一個或多個不連續的CH2可以被環丁基、環丙基及/或-O-替代；Y表示乙基或乙烯基；、各自獨立地表示1,4-亞苯基、1,4-亞環己基或1,4-亞環己烯基；其中，該液晶組合物中該式I所示化合物總質量含量為2-25%，該式Ⅱ-B所示化合物總質量含量為5-55%，該式Ⅱ所示化合物質量含量為5-85%；該液晶組合物進一步包含一種或多種式Ⅲ所示化合物及/或一種或多種式Ⅳ所示化合物；其中，R4表示碳原子數為1-10的烷基中任一個CH2被環戊基替代所形成的基團；各自獨立地表示：其中一種或兩種；m表示1或2；Z1、Z2各自獨立地表示單鍵、-CF2O-、-CH2CH2-或-CH2O-；Y2表示F、氟取代的碳原子數為1-5的烷基、氟取代的碳原子數為1-5的烷氧基、氟取代的碳原子數為2-5的鏈烯基或氟取代的碳原子數為3-8的鏈烯氧基；其中，R5表示碳原子數為1-10的烷基中任一個CH2被環戊基替代所形成的基團；R6各自獨立地表示碳原子數為1-10的烷基、氟取代的碳原子數為1-10的烷基、碳原子數為1-10的烷氧基、氟取代的碳原子數為1-10的烷氧基、碳原子數為2-10的鏈烯基、氟取代的碳原子數為2-10的鏈烯基、碳原子數為3-8的鏈烯氧基或氟取代的碳原子數為3-8的鏈烯氧基，R5、R6中任一個CH2可以被環戊基、環丁基、環丙基替代；Z3、Z4各自獨立地表示單鍵、-CH2CH2-或-CH2O-； 各自獨立地表示其中一種或兩種；m表示1或2；n表示0、1或2。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之液晶組合物，其中，該一種或多種式I所示化合物為式I1至式I3所示化合物中的一種或多種化合物，該一種或多種式Ⅱ所示化合物包含式Ⅱ1至式Ⅱ10所示化合物中的一種或多種化合物，該一種或兩種式Ⅱ-B所示化合物為式Ⅱ-B-1及Ⅱ-B-2所示化合物中的一種或兩種化合物， 其中，R0、R1各自獨立地表示碳原子數為1-10的烷基、氟取代的碳原子數為1-10的烷基、碳原子數為1-10的烷氧基、氟取代的碳原子數為1-10的烷氧基、碳原子數為2-10的鏈烯基、氟取代的碳原子數為2-10的鏈烯基、碳原子數為3-8的鏈烯氧基或氟取代的碳原子數為3-8的鏈烯氧基，且R0中任一個不連續的CH2可以被環戊基、環丁基、環丙基或-O-替代，R1中任一個不連續的CH2可以被環丁基、環丙基或-O-替代。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之液晶組合物，其中，該一種或多種式Ⅲ所示化合物為式Ⅲ1至式Ⅲ22所示化合物中的一種或多種： 其中，X1表示氫(H)，X2表示氟(F)、或者X1表示氟(F)，X2表示氫(H)；R4表示碳原子數為1-10的烷基中任一個CH2被環戊基替代所形成的基團；Y2表示氟(F)、氟取代的碳原子數為1-5的烷基、氟取代的碳原子數為1-5的烷氧基、氟取代的碳原子數為2-5的鏈烯基或氟取代的碳原子數為3-8的鏈烯氧基；(F)表示氫(H)或氟(F)。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之液晶組合物，其中，該一種或多種式Ⅳ所示的化合物為式Ⅳ1至式Ⅳ11所示化合物中的一種或多種 其中，R5各自獨立地表示碳原子數為1-10的烷基中任一個CH2被環戊基替代所形成的基團；R6各自獨立地表示碳原子數為1-10的烷基、氟取代的碳原子數為1-10的烷基、碳原子數為1-10的烷氧基、氟取代的碳原子數為1-10的烷氧基、碳原子數為2-10的鏈烯基、氟取代的碳原子數為2-10的鏈烯基、碳原子數為3-8的鏈烯氧基或氟取代的碳原子數為3-8的鏈烯氧基，R5、R6中任一個CH2可以被環戊基、環丁基、環丙基替代。
  5. 如申請專利範圍第1項或第2項所述之液晶組合物，其中，該液晶組合物為負型液晶組合物，該液晶組合物進一步包含一種或多種式V所示的作合物其中，R7、R8各自獨立地表示碳原子數為1-10的烷基、氟取代的碳原子數為1-10的烷基、碳原子數為1-10的烷氧基、氟取代的碳原子數為1-10的烷氧基、碳原子數為2-10的鏈烯基、氟取代的碳原子數為2-10的鏈烯基、碳原子數為3-8的鏈烯氧基或氟取代的碳原子數為3-8的鏈烯氧基，R7、R8中任一個CH2可以被環戊基、環丁基或環丙基替代。
  6. 一種包含申請專利範圍第1項至第5項中任一項所述之液晶組合物的液晶顯示元件，其中，該液晶顯示元件為一主動矩陣顯示元件或一無源矩陣顯示元件。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之液晶顯示元件，其中，該主動矩陣顯示元件為TN-TFT、IPS-TFT或VA-TFT液晶顯示元件。
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