TWI426121B - 高速響應時間之液晶組成物 - Google Patents

Description

高速響應時間之液晶組成物

本發明係關於一種用於實現高速響應時間之向列型液晶組成物。本發明特別是關於一種高速響應時間之向列型液晶組成物以及使用該液晶組合物之液晶顯示裝置，該液晶組成物具有高相變溫度(向列相－各向同性溫度)、高雙折射率以及低旋轉黏度從而實現高速響應時間，沒有無定形污斑且可確保低溫穩定性。

作為平面顯示裝置的一種，液晶顯示裝置使用注入面板內的液晶的電特性與光特性以作業顯示功能，由於液晶顯示裝置具有尺寸小、重量輕以及功率消耗低等各種優點，被廣泛用於包含電腦監視器與行動電話終端之多種領域中。

例如，使用的電光模式為扭轉向列(twisted nematic；TN)模式、超扭轉向列(super-twisted nematic；STN)模式、光學補償雙折射(optically compensated birefringence；OCB)模式以及電控雙折射(electrically controlled birefringence；ECB)模式及其變體。這些模式利用一電場，此電場與用於各液晶層之基板完全垂直。除這些模式以外，例如還存在水平切換模式，就是說電光模式利用與各液晶層完全水平的電場。尤其地，電光模式用於最新的液晶顯示器之桌上型監視器以及被應用至多媒體顯示器。

對於這些顯示器，需要具有改善特性之新型液晶介質。尤其需要提高響應速度以實現各種應用。因此，需要具有低黏度(viscosity)(η)之液晶介質，尤其需要具有低旋轉黏度(γ1)之液晶介質。旋轉黏度應該為75毫帕斯卡秒(mPa□s)或更低，60毫帕斯卡秒或更低較佳，55毫帕斯卡秒或更低尤其更佳。除這些參數以外，此介質應該表現出適當寬範圍之向列相、足夠高的雙折射(Δn)以及足夠高的介電各向異性(dielectric anisotropy)(Δε)以允許低驅動電壓。

本發明之顯示器係針對主動矩陣型液晶顯示器(簡單稱為AMD)或者薄膜電晶體較佳。然而，本發明液晶的優勢在於與顯示器中已知的其他解決手段組合使用。

本領域檔案中已知適合液晶顯示器尤其是扭轉向列模式之薄膜電晶體液晶顯示器之液晶組成物。然而，這些組成物存在嚴重的缺點，尤其是響應速度低，電阻過低以及驅動電壓過高。

此外，薄膜電晶體液晶顯示器面板被廣泛用於全世界，從冷的區域例如極區至熱的區域例如赤道。為此，液晶組成物在低溫與高溫的穩定性相當重要。尤其地，在面板被暴露於零度以下的極低溫度以及由此導致晶體沈澱的情況下，面板則無法使用。當液晶組成物中單個液晶的相互溶解度於低溫劣化時，則出現這種晶體沈澱現象。

然而，目前未發展出能夠滿足全部期望物理性質之液晶組成物。尤其地，即使滿足例如響應速度與介電各向異性之物理性質，但是液晶組成物仍然無法解決無定形污斑(amorphous staining)與低溫穩定度的問題。

因此，本發明提供一種高速響應時間之液晶組成物，實質上避免習知技術之限制與缺陷所導致的一或多個問題。

本發明一個目的在於提供一種高速響應時間之向列型液晶組成物，當低溫應用至面板時可避免無定形污斑與液晶沈澱，因此展示出卓越的低溫穩定性。

本發明另一目的在於提供一種高速響應時間之向列型液晶組成物，具有高響應速度、80±1℃或更高的向列相－各向同性溫度、高折射率各向異性以及低旋轉黏度，並且確保預定範圍之靜態黏度與閥值電壓。

本發明另一目的在於提供一種高速響應時間之向列型液晶組成物，以解決產品作業期間的劣化問題，由此確保高溫可靠性。

本發明另一目的在於提供一種液晶顯示裝置，尤其是一種用於薄膜電晶體液晶顯示器監視器之液晶顯示裝置，包含高速響應時間之向列型液晶組成物。

為了獲得本發明之這些目的及其他優點，本文具體且廣泛地加以描述，本發明提供一種向列性液晶組成物，包含：(a)從以下化學式1、化學式2及化學式3所示化合物中選擇的兩種或多種非極性化合物；以及(b)從以下化學式4、化學式5、化學式6及化學式7所示化合物中選擇的三種或多種極性化合物：

其中R係為C2-C9 n-烯基(alkenyl)，R1至R8係為各自獨立的C1-C7烴基(alkyl)，以及X為氫(H)或氟(F)。

液晶組成物由重量比為50%至58%之(a)兩種或更多非極性化合物以及重量比為42%至50%之(b)三種或更多極性化合物組成。

依照另一方面，本發明提供一種液晶顯示裝置，包含本發明之向列型液晶組成物。此液晶顯示裝置為主動型扭轉向列模式液晶顯示裝置較佳，為薄膜電晶體-液晶顯示器之液晶顯示裝置更佳。

可以理解的是，如上所述的本發明之概括說明和隨後所述的本發明之詳細說明均是具有代表性和解釋性的說明，並且是為了進一步揭示本發明之申請專利範圍。

以下將結合附圖描述本發明。

扭轉向列模式係為一種向列型液晶操作模式。應用至扭轉向列模式之液晶顯示器面板之液晶組成物之物理性質通常彼此相關。就是說，考慮到液晶組成物之響應時間之相關參數之相關方程，液晶顯示器之響應速度被劃分為打開時間與關閉時間，其中於打開時間應用電場，於關閉時間停止電場，由以下方程表示。

在方程1與2中，γ1為旋轉黏度，d為晶隙，εo為介電常數，Δε為介電各向異性(Δε=ε∥-ε┴)，V為作業電壓，Vth為(Fredric’s轉換之)閥值電壓，以及Keff為有效彈性常數。

在液晶組成物之物理性質中，當組成物具有低旋轉黏度、高彈性常數以及高介電各向異性時，則可確保高速的響應時間。此時，需要在旋轉黏度、彈性常數與向列相－各向同性相變溫度(TNI)之間取捨。

此外，如以下方程3所示，液晶顯示器面板之晶隙、液晶組成物之折射率各向異性以及入射光波長之函數表示扭轉向列液晶盒之Gooch-Tarry第一最小值。根據判定的晶隙，判定被應用至扭轉向列型液晶盒之液晶組成物之折射率各向異性。

用於監視器之液晶顯示器面板通常使用用於扭轉向列模式之薄膜電晶體液晶顯示器之液晶組成物，作業溫度為-10至75℃，響應速度較低(10毫秒)。

此外，當監視器長期於較低的作業溫度作業時，在顯示運動影像期間，產生的熱量導致劣化且出現殘影(ghosting)。另外，當液晶組成物被應用至面板時，預傾角以及例如作業溫度或響應速度等特性較高，由此缺點在於導致無定形污斑。

依照應用之電壓，液晶顯示裝置使用向列液晶相以調整液晶組成物之液晶分子之排列，並且控制透光率以實現影像。為此，對於液晶顯示裝置來說，由於長期作業期間產生的熱量所導致的劣化風險的緣故，液晶相所保持的溫度範圍很必要，以及向列相－各向同性相變溫度(TNI)很重要。此外，考慮到液晶顯示裝置被傳播到極區之事實，需要確保晶體向列(crystal-nematic)相變溫度(TCN)，向列型液晶相由此初始。另外，需要高速響應時間之液晶組成物，從而為行動電話、監視器與電視帶來高品質高容量顯示資訊處理以及卓越的資訊處理與卓越的運動影像顯示。

尤其地，為了完美地實現沒有餘像(afterimage-free)之運動影像，作業溫度尤其是上限溫度應該至少為80±1℃，響應速度應該為5毫秒或更少。此外，如方程1、方程2以及方程3所示，在晶隙為3.4微米的條件下，液晶組成物為了獲得5毫秒之響應速度，介電各向異性應該為4.5±0.5，旋轉黏度應該為55毫帕斯卡秒或更低，以及折射率各向異性應該為0.1210±0.005。此外，液晶相的上限溫度應該為80±1℃。另外，當液晶組成物被應用至面板以避免出現無定形污斑時，同時考慮到作業溫度與響應速度，預傾較應該為5.5°或更小。由於預傾角的增加，考慮到對透射率變化敏感造成無定形污斑。

因此，本發明提供一種薄膜電晶體液晶顯示器之向列型液晶組成物，具有80±1℃之向列相－各向同性相變溫度(TN-I)，具有4.5±0.5的介電各向異性、55毫帕斯卡秒或更低的旋轉黏度以及0.1210±0.005的折射率各向異性，當液晶顯示裝置面板具有3.4微米的晶隙時，這樣顯示裝置具有80±1℃或更高的上限作業溫度以及5毫秒或更少的響應速度。此外，液晶組成物具有-30℃或更低的結晶溫度(TC-N)。本文中使用的術語〞結晶溫度〞表示一種物質從固相改變為向列型液晶相的溫度。液晶組成物於-20℃的溫度完成結晶。然而，由於液晶顯示裝置之使用環境的變化以及需要具有較低結晶溫度之液晶介質，此結晶溫度不適合。本發明之液晶組成物確保-30℃或更低之結晶溫度，因此相當程度地提高了液晶顯示裝置之特性。

尤其地，本發明之液晶組成物具有5.5°之預傾角，當液晶顯示面板具有3.4微米之晶隙時，可避免無定形污斑。

藉由單個液晶化合物之最佳組合，快速響應之向列型液晶組成物可確保全部的物理性質。

特別地，液晶組成物由無極性或極性成分的預定組成物組成。液晶組成物包含：(a)從化學式1、化學式2與化學式3所表示的化合物中選擇的兩種或多種無極性化合物；以及(b)從化學式4、化學式5、化學式6與化學式7所表示的化合物中選擇的三種或多種極性化合物。

在以上化學式中，R係為C2-C9 n-烯基(alkenyl)，R1至R8係為各自獨立的C1-C7烴基(alkyl)，以及X為氫(H)或氟(F)。

針對液晶組成物，在非極性組成物之較佳實施例中，(i)從化學式1、化學式2及化學式3中各自選擇一或多種化合物，(ii)從化學式1及化學式2中各自選擇一或多種化合物，(iii)從化學式1及化學式3中各自選擇一或多種化合物，或者(iv)從化學式2及化學式3中各自選擇一或多種化合物。

針對液晶組成物，在極性組成物之較佳實施例中，(i)從化學式4、化學式5、化學式6及化學式7中各自選擇一或多種化合物，(ii)從化學式4、化學式5以及化學式6中各自選擇一或多種化合物，(iii)從化學式4、化學式5及化學式7中各自選擇一或多種化合物，(iv)從化學式4、化學式6及化學式7中各自選擇一或多種化合物，或者(v)從化學式5、化學式6及化學式7中各自選擇一或多種化合物。

因此，本發明之液晶組成物由從非極性化合物中選擇的一種組成物以及從極性化合物中選擇的一種組成物組成。

本發明發現當液晶組成物具有高預傾角即5.5°或更高時，薄膜電晶體－液晶顯示器面板中出現形成的無定形污斑，其中預傾角與液晶組成物中非極性成分之比率相關。因此，考慮到這個事實，本發明使用(a)依照重量，非極性化合物之數量為50%或更多，以及(b)依照重量，極性化合物之數量為50%或更少。特別地，本發明之特徵在於，液晶組成物使用(a)非極性化合物重量比為50至58%，重量比為52至56%較佳，(b)極性化合物重量比為42至50%，重量比為44至48%較佳。

依照上述比率控制非極性與極性成分，本發明可減少預傾角為5.5°或更小，由此可避免無定形污斑。

根據液晶組成物的總重量，當非極性化合物表現出重量比超出58%時，預傾角則大於5.5°且出現無定形污斑。此外，當非極性化合物的含量重量比少於50%時，則黏度增加，由此則無法獲得55毫帕斯卡秒或更低的旋轉黏度以及5毫秒之響應速度。

液晶組成物之全部非極性化合物依照重量劃分100等分，非極性化合物包含60至85等分重量之化學式1所示的化合物，0至10等分重量之化學式2所示的化合物，以及15至30等分重量之化學式3所示的化合物。

液晶組成物之全部極性化合物依照重量劃分100等分，極性化合物包含20至40等分重量之化學式4所示的化合物，14至30等分重量之化學式5所示的化合物，15至35等分重量之化學式6所示的化合物，以及10至20等分重量之化學式7所示的化合物。

極性化合物包含具有化學式4之結構之一或多種化合物、具有化學式5之結構之一或多種化合物以及具有化學式6之結構之一或多種化合物。更特別地，極性化合物包含具有不同碳原子數(carbon numbers)之化學式4之兩種或多種化合物、具有不同碳原子數之化學式5之兩種或多種化合物以及具有不同碳原子數之化學式6之兩種或多種化合物。

此外，具有化學式7結構之化合物為係選自化學式7a與7b之化合物及其組合所組成的群組。

以上化學式中，每一R8係為C1-C7烴基。

在化學式1、2以及3中，每一單個液晶化合物係依照本文定義的範圍以外被過量使用，向列相－各向同性相變溫度(TNI)被過分地減少至79℃或以下，且無法確保面板之高溫可靠性。此外，當含量過低時，黏度與旋轉黏度增加，由此缺點在於無法獲得6毫秒或更短的響應時間。

此外，當化學式4、5以及6之每一液晶化合物超出以上定義的範圍被過量使用時，極大地增加了折射率各向異性或黏度，從而無法實現6毫秒或更短的快速響應時間以及期望範圍之折射率各向異性。此外，當含量過低時，缺點在於折射率各向異性低於期望位準。

當化學式7的液晶化合物過量超出以上定義的範圍時，向列相－各向同性相變溫度(TNI)增加，但是結晶向列相變溫度(TCN)迅速增加，無法確保低溫之液晶相，以及無法實現5毫秒或更短的低響應時間。另外，當含量極低時，向列相－各向同性相變溫度(TNI)則迅速降低至78℃或更低，缺點在於無法確保面板的高溫可靠性。

其間，本發明中使用的具有2環結構(2-ring structure)之化學式1、2以及3之非極性化合物可確保低黏度以及折射率各向異性與介電各向異性之期望位準。此外，化學式1與7之單個液晶化合物可確保低黏度與較低的下限結晶向列相變溫度(TCN)。

就是說，對於液晶化合物，化學式1之單個液晶化合物具有低黏度與低旋轉黏度，有助於響應時間短，因此被包含作為必不可少的成分較佳。

另外，化學式1之化合物包含從所示化合物組成的群組中選擇的至少一種。化學式1之化合物包含重量比為20至75%之化學式1a之化合物以及重量比為10至40%之化學式1b之化合物尤佳，包含重量比為40至60%之化學式1a之化合物以及重量比為15至30%之化學式1b之化合物更佳。

每一R1係為C1-C7烴基。

尤其地，本發明利用化學式2之化合物以確保液晶組成物之中等溫度範圍。化學式2之化合物之使用確保期望範圍之黏度與向列相－各向同性相變溫度，以及實現5毫秒或更短的高速響應時間。

化學式3之烷氧基(alkoxy)化合物可以任意出現，以及如上所述有助於確保液晶組成物之低黏度與中等溫度範圍。

化學式4、5以及6之單個液晶化合物完成提高動作(elevating actions)，以確保向列液晶相之中等溫度範圍以及為高速響應時間之液晶組成物帶來折射率各向異性與介電各向異性。

化學式7之單個液晶化合物展示高溫度範圍，因此確保79℃或更高的向列相－各向同性相變溫度(TNI)，從而確保高溫可靠性，由於在液晶顯示裝置作業其間產生熱量，這點被認為尤其重要。

液晶介質更包含一般使用量的添加劑與手性(chiral)摻雜物。根據化合物的總重量，額外成分表現為0.1至10%的濃度，其中0.1至6%較佳。各化合物以濃度為0.1至3%被使用較佳。

此外，本發明之液晶組成物使用向列型液晶、矩列液晶(smectic liquid crystal)以及膽固醇型液晶(cholesteric liquid crystal)之組合，通常這些液晶已知能夠改善液晶組成物之特性。然而，當過量增加大量的液晶化合物時，液晶組成物之期望性質被劣化。根據向列型液晶組成物之需求以判定增加量。

應用至液晶顯示裝置之前述向列型液晶組成物可展示卓越的物理性質。

因此，本發明提供一種液晶顯示裝置，其中包含高速響應時間之向列型液晶組成物。

較佳地，使用高速響應時間之液晶組成物之液晶顯示裝置面板具有285至315燭光/平方公分(cd/cm² )之亮度、760至840之對比度、4.75至5.75毫秒之響應速度(當作業於60赫茲、6伏特、-30℃至80±1℃之作業溫度時)，以及適合使用向列型液晶組成物之全部液晶顯示裝置，尤其適合19英吋解析度SXGA監視器之薄膜電晶體－液晶顯示器。

與用於監視器之習知薄膜電晶體－液晶顯示器之亮度250燭光/平方公分相比，這些監視器在亮度方面表現出20%的增加，與習知的8毫秒相比，響應速度提高了38%，上限與下限作業溫度範圍從-20℃至75℃之範圍提高到-30℃至80±1℃之範圍。因此，監視器薄膜電晶體液晶顯示器適合實現快速的運動影像，以及在裝置作業期間或者溫度低於零度時在產生熱量時表現出相當高的可靠性。

就是說，本發明提供一種顯示裝置，將高速響應之向列性液晶組成物作為液晶材料連同適當的添加劑充入液晶盒內，可用於各種液晶顯示器。此液晶顯示裝置為主動型扭轉向列模式液晶顯示裝置較佳，更特別地為用於薄膜電晶體－液晶顯示器之扭轉向列模式液晶顯示裝置。此外，此液晶顯示裝置包含高品質、高容量顯示裝置例如行動電話、監視器與電視，以及此液晶顯示裝置為監視器較佳。

透過在陣列基板與C/F基板上塗佈配向膜(orientation film)，陣列基板中薄膜電晶體以畫素單元排列於玻璃基板之上，C/F基板中每一畫素包含紅/綠/藍子畫素，然後摩擦定向，在兩者之間提供的空間內注入液晶組成物，以及黏著一偏光板至陣列基板與C/F基板之上，從而製造扭轉向列模式液晶顯示裝置。

除液晶顯示裝置使用液晶組成物以外，本領域之技術人員熟悉液晶顯示裝置之細節，因此省略液晶顯示裝置之詳細配置及其作業原理。

例子

現在將結合以下的例子更加詳細地描述本發明。這些例子僅僅用於說明本發明，而不應該被認為用於限制本發明之保護範圍與精神。

<例子1至3>

依照以下表格1(單位：wt%)中說明的組成與含量，透過混合非極性化合物(N-1至N4)與極性化合物(P-1至P-8)準備向列型液晶組成物。

[實驗例子1]

對於各液晶組成物，依照韓國專利申請No. 2006-0045599中揭露的一般方法，測量物理性質例如結晶溫度與向列相－各向同性相變溫度，由此獲得的結果如以下表格2所示。

從以上表格2可看出，本發明之液晶組成物表現出卓越性質例如折射率各向異性、折射率、介電各向異性、旋轉黏度以及相當低的結晶溫度以及低溫時卓越的穩定性。此外，液晶組成物具有最佳組成，這樣可具有79℃或更高之上限溫度以及5毫秒或更低之響應速度。

[實驗例子2]

測量這些例子與比較例子中液晶組成物所包含的非極性與極性成分之預傾角及各種含量，由此獲得的結果如表格4所示。此時，比較例子之組成如表格3所示。從表格4可看出，對照與薄膜電晶體－液晶顯示器面板所產生的無定形污斑之相關液晶組成物之預傾角。

從表格4可看出，本發明之例子1、例子2與例子3使用重量比54%或更少的非極性成分，由此具有5.5°或更小之預傾角，由此導致面板中沒有無定形污斑。另一方面，比較例子1使用數量高於本發明之非極性成分，由此具有高於5.5°之預傾角，從而導致面板中的無定形污斑。

[實驗例子3]

對於本發明這些例子之各組成物，在冷凍室中以-20℃儲存這些組成物兩周以後，透過確認晶體沈澱以評價低溫穩定性(表格5)。

從表格5可看出，本發明之例子1、例子2與例子3在儲存兩周以後不會出現晶體沈澱，這意味著本發明之組成物可確保低溫可靠性。

從前述顯然可知，向列型液晶組成物沒有無定形污斑且表現出相當卓越的低溫可靠性與高速響應時間，由此適合高品質與大容量顯示資訊處理之液晶顯示裝置，以及表現出卓越的資訊處理與運動影像顯示特徵。該組成物解決了長期作業所導致的劣化問題，由此確保產品的高溫可靠性以及實現沒有殘影之運動影像。

雖然本發明以前述之實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明。在不脫離本發明之精神和範圍內，所為之更動與潤飾，均屬本發明之專利保護範圍。關於本發明所界定之保護範圍請參考所附之申請專利範圍。

Claims (15)

1. 一種向列型液晶組成物，包含：(a)從以下化學式1、化學式2及化學式3所示化合物中選擇的兩種或多種非極性化合物；以及(b)從以下化學式4、化學式5、化學式6及化學式7所示化合物中選擇的三種或三種以上的極性化合物： [化學式6] 其中R係為C₂ -C₉ n-烯基(alkenyl)，R₁ 至R₈ 係為各自獨立的C₁ -C₇ 烴基(alkyl)，以及X為氫(H)或氟(F)。
2. 如請求項第1項所述之向列型液晶組成物，其中該液晶組成物使用(a)非極性化合物之重量比為50%至58%，以及(b)極性化合物之重量比為42%至50%。
3. 如請求項第2項所述之向列型液晶組成物，其中該液晶組成物使用(a)非極性化合物之重量比為52%至56%，以及(b)極性化合物之重量比為44%至48%。
4. 如請求項第2項所述之向列型液晶組成物，其中液晶組成物之非極性化合物依照重量被劃分100等分，非極性化合物包含60至85等分重量之化學式1所示的化合物，0至10等分重量之化學式2所示的化合物，以及15至30等分重量之化學式3所示的化合物。
5. 如請求項第2項所述之向列型液晶組成物，其中液晶組成物之極性化合物依照重量被劃分100等分，極性化合物包含20至40等分重量之化學式4所示的化合物，14至30等分重量之化學式5所示的化合物，15至35等分重量之化學式6所示的化合物，以及10至20等分重量之化學式7所示的化合物。
6. 如請求項第1項所述之向列型液晶組成物，其中該化合物包含化學式7a與7b之化合物及其組合所組成的群組中選擇的化學式7之結構， 其中每一R₈ 係為C₁ -C₇ 烴基。
7. 如請求項第1項所述之向列型液晶組成物，其中化學式1之化合物包含化學式1a與1b所示化合物組成的群組中選擇的至少一種， [化學式1b] 其中每一R₁ 係為C₁ -C₇ 烴基。
8. 如請求項第7項所述之向列型液晶組成物，其中化學式1之化合物包含重量比為20%至75%之化學式1a之化合物以及重量比為10%至40%之化學式1b之化合物。
9. 如請求項第8項所述之向列型液晶組成物，其中化學式1之化合物包含重量比為40%至60%之化學式1a之化合物以及重量比為15%至30%之化學式1b之化合物。
10. 如請求項第1項所述之向列型液晶組成物，更包含一添加劑與一手性摻雜物(chiral dopant)。
11. 如請求項第10項所述之向列型液晶組成物，其中根據該化合物之總重量，該添加劑與該手性摻雜物分別表現為0.1%至10%之濃度。
12. 如請求項第11項所述之向列型液晶組成物，其中根據該化合物之總重量，該添加劑與該手性摻雜物分別表現為0.1%至6%之濃度。
13. 如請求項第12項所述之向列型液晶組成物，其中根據該化合物之總重量，該添加劑與該手性摻雜物分別表現為0.1%至3%之濃度。
14. 如請求項第1項所述之向列型液晶組成物，其中該向列型液晶組成物具有一預傾角，該預傾角應該為5.5°或更小。
15. 一種液晶顯示裝置，包含如請求項第1項所述之一向列型液晶組成物。