TWI731141B - 含有環戊基的環己烯基團的負性單體的液晶組合物及其液晶顯示元件 - Google Patents

Abstract

本發明公開了一種液晶組合物及使用該液晶組合物的顯示元件，液晶組合物中含有一種或多種通式Ⅰ、通式Ⅱ、通式Ⅲ化合物，

本發明公開的液晶組合物，性能優異，光學各向異性在0.080~0.150範圍內，並且具有低的旋轉黏度、較快的反應時間、和良好的化學、光、熱穩定性，非常適用於製造液晶顯示元件，尤其適合於主動矩陣顯示元件，如使用VA、FFS或IPS模式的主動矩陣顯示器。

Description

含有環戊基的環己烯基團的負性單體的液晶組合物及其液晶 顯示元件

本申請發明屬於液晶化合物領域，具體涉及一種負介電各向異性液晶組合物，以及應用該液晶組合物的液晶顯示元件。

顯示是把電信號(資料資訊)轉變為可視光(視覺資訊)的過程，完成顯示的設備即人機界面(Man-Machine Interface，MMI)，平板顯示器(Flat Panel Display，FPD)是目前最為流行的一類顯示裝置。液晶顯示器(Liquid Crystal Display，LCD)是FPD中最早被開發出來，並被商品化的產品。目前，薄膜電晶體液晶顯示器(Thin Film Transistor Liquid Crystal，TFT-LCD)已經成為LCD應用中的主流產品。

TFT-LCD的發展經歷了漫長的基礎研究階段，在實現大生產，商業化之後，TFT-LCD產品以其輕薄、環保、高性能等優點，其尺寸越做越大，應用越來越廣。無論是小尺寸的手機屏、還是大尺寸的筆記型電腦(Notebook PC)或監視器(Monitor)，以及大型化的液晶電視(LCDTV)，到處可見TFT-LCD的應用。早期商用的TFT-LCD產品基本採用了扭曲向列(Twisted Nematic，TN)型顯示模式，其最大問題是視角不夠大。隨著TFT-LCD產品尺寸的增加，特別是TFT-LCD在TV領域的應用，具有廣視角特點的面內切換(In-Plane Swiching， IPS)顯示模式被開發出來並加以運用。IPS顯示模式最早由美國人R.Soref(索裡夫)在1974年論文上發表，並由德國人G.Baur(鮑爾)提出把IPS作為廣視角技術應用於TFT-LCD中。1995年，日本的日立公司開發出了世界首款13.3寸IPS模式的廣視角TFT-LCD產品。韓國的現代公司在IPS的基礎上開發了邊緣電場切換(Fringe Field Switching，FFS)顯示模式的TFT-LCD產品。

TFT-LCD是TFT開關控制下的液晶顯示裝置，液晶的電學和光學特性直接影響到顯示的效果。不同種類的液晶，電學和光學特性不同，顯示模式不同。對TFT-LCD所用的液晶材料影響較大的性能參數有：工作溫度範圍、驅動電壓、反應速度、對比度、色調、階調、視野角等，其中驅動電壓受介電常數各向異性和彈性係數影響較大，黏度和彈性係數影響液晶材料的反應速度，相位差和折射率各向異性則影響液晶顯示的色調。以往那些含氰基化合物是無法滿足這些條件的，只有含氟的液晶材料才能適用於製作TFT-LCD。

另外，一種液晶分子是無法達到TFT-LCD顯示的所有要求，必須要進行多種液晶分子的組合。藉由組合多種液晶分子可以實現液晶材料的各種物理特性要求，這些要求主要包括1)高穩定性。2)適度的雙折射率。3)低黏度。4)較大的介電各向異性。5)寬的溫度範圍。理想的保存溫度範圍為-40℃~100℃，一般有特殊應用如車載顯示，該溫度可能擴寬到-40℃~110℃。

現如今，LCD產品技術已經很成熟，成功地解決了視角、解析度、色飽和度和亮度等技術難度，其顯示性能已經接近或超過CRT顯示器。大尺寸和中小尺寸LCD在各自的領域已逐漸佔據平板顯示器的主流地位。為了追求更高的性能規格，加快反應時間已經成為各家器件廠商追求的目標。

具體而言，液晶的反應時間受限於液晶的旋轉黏度γ 1/彈性常數K，因此從液晶材料方面考慮，需要想盡方法去降低液晶介質的旋轉黏度γ 1同時提升彈性常數K來達到加快反應時間。而在實際研究中發現，旋轉黏度和彈性常數是一對較為矛盾的參數，降低旋轉黏度的同時會引起彈性常數的下降，達不到降低反應時間的目標。從器件方面可以藉由降低盒厚d來達到加快反應時間的目標，而且這是很容易實現的，但是由於器件的延遲量△nd是固定的，那麼降低盒厚d則需要在液晶材料方面提高其光學各向異性△n。

因此，為了達到上述要求，需要開發一系列性能優越的化合物來解決液晶顯示器反應時間慢的問題。

針對現有末端基團烷基類的環己烯基團的負性液晶化合物存在專利問題及含有環戊基取代基的環己烷基團的負性液晶化合物折射率低的技術問題，本發明意在提供一種含有環戊基的環己烯基團的負性液晶化合物的液晶介質。該液晶組合物的光學各向異性在0.080~0.150範圍內，具有寬的向列型溫度範圍、良好的低溫性能，並且具有良好的互溶性，還具有良好的光和熱穩定性，同時還具有低的旋轉黏度、較快的反應時間，適合於高性能的顯示元件。本文中之「顯示元件」一詞，其涵蓋的範圍包含了一般所稱之顯示器、顯示裝置等。

為解決上述技術問題，本發明所採用的技術方案是：本發明提供了一種液晶組合物，其包含由一種或多種通式Ⅰ所示化合物組成的第一組份、由一種或多種通式Ⅱ所示化合物組成的第二組份以及由一種或多種通式Ⅲ所示化合物組成的第三組份，

其中，R₁、R₂、R₃、R₄、R₅各自獨立地表示碳原子數為1-5的烷基、碳原子數為1-5的烷氧基、碳原子數為2-5的鏈烯基，所述R₄、R₅所示基團中任一個CH₂可以被碳原子數為3-5的伸環烷基替代；m表示1或2，n表示1或2；Z表示單鍵、-COO-、-CH₂O-或-CH₂CH₂-；

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表示

及/或

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表示

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或

由於採用了上述技術方案，本發明所取得的技術進步在於：本發明公開了一種負介電各向異性液晶介質，該液晶介質性能優異，光學各向異性在0.080~0.150範圍內，並且具有低的旋轉黏度、較快的反應時間、適當的負介電各向異性和良好的低溫可靠性，非常適用於製造VA模式的液晶顯示元件，尤其適合於主動矩陣顯示元件，如使用FFS或IPS、MVA、PVA、PSVA、UV2A效應的主動矩陣顯示器。

本發明提供的通式Ⅰ所示化合物，由於引入了環戊基取代基，不僅規避了末端基團為烷基類的負性液晶化合物的專利問題，也同時提高了其清晰點和K33數值；且由於環己烯基團的引入，較環己烷類基團提高了負性液晶化合物的折射率。因而使得包含有通式Ⅰ所示液晶化合物的液晶介質具有很高的清晰點、大的介電各向異性、大的K33值和高的折射率。正是因為通式Ⅰ所示液晶化合物具有此類優點，未來將成為主動矩陣顯示元件用液晶介質的所需液晶化合物。

本發明提供的通式Ⅱ所示的介電中性的化合物，一般具有較小的黏度和良好的互溶性。根據實際需要，可以加入適量的通式Ⅱ化合物來對液晶介質的各項特性進行調整。

本發明提供的通式Ⅲ所示的介電負性的化合物，末端為直鏈烷基基團的化合物可以用來降低液晶的預傾角，以改善液晶的黑態，提高對比並且調整液晶的有序度，以改善液晶在顯示器件中的殘像水準；末端為直鏈烯基基團的化合物由於其具有大的K值，在斷電後，由於本身彈性常數作用，可以間接提升其反應時間的下降時間。

本發明技術方案的進一步改進在於：所述液晶組合物中，第一組份的質量百分含量為1~55%，第二組份的質量百分含量為1~55%，第三組份的質量百分含量為1~50%。

本發明技術方案的進一步改進在於：所述通式Ⅰ所示化合物具體為式Ⅰ1~Ⅰ3所示的化合物，

所述通式Ⅱ所示化合物具體為式Ⅱ1~Ⅱ5所示化合物，

所述通式Ⅲ所示化合物具體為式Ⅲ1~Ⅲ20所示化合物，

其中，r表示1~5的整數；R₂、R₃、R₄、R₅各自獨立地表示碳原子數為1-5的烷基、碳原子數為1-5的烷氧基、碳原子數為2-5的鏈烯基，所述R₄、R₅所示基團中任一個CH₂可以被碳原子數為3-5的伸環烷基替代。

較佳地，所述通式Ⅰ所示化合物具體為式Ⅰ1-1~Ⅰ3-10所示化合物，

較佳地，所述通式Ⅱ所示化合物具體為式Ⅱ1-1~Ⅱ5-4所示化合物，

較佳地，所述通式Ⅲ所示化合物具體為式Ⅲ1-1~Ⅲ17-3所示化合物，

本發明技術方案的進一步改進在於：所述液晶組合物還包含由一種或多種通式Ⅳ所示化合物組成的第四組份，所述液晶組合物中第四組份的質量百分含量為1~30%，

其中，R₆表示碳原子數為1~5的直鏈烷基，其中任一個CH₂可以被碳原子數為3-5的伸環烷基替代；R₇表示碳原子數為1~5的直鏈烷基。

本發明技術方案的進一步改進在於：所述通式Ⅳ所示化合物具體為式Ⅳ1~Ⅳ8所示化合物，

其中，R₆表示碳原子數為1~5的直鏈烷基，其中任一個CH₂可以被碳原子數為3-5的伸環烷基替代。

較佳地，所述通式Ⅳ所示化合物具體為式Ⅳ1-1~Ⅳ5-1所示化合物，

本發明技術方案的進一步改進在於：所述液晶組合物還包含由一種或多種通式Ⅴ所示化合物組成的第五組份，所述液晶組合物中第五組份的質量百分含量為1~15%，

其中，R₈、R₉各自獨立地表示碳原子數為1-5的烷基、碳原子數為1-5的烷氧基、碳原子數為2-5的鏈烯基，所述R₈、R₉所示基團中任一個CH₂可以被碳原子數為3-5的伸環烷基替代；W表示O或S。

本發明技術方案的進一步改進在於：所述通式Ⅴ所示化合物具體為式Ⅴ1~Ⅴ2所示化合物，

其中，R₈、R₉各自獨立地表示碳原子數為1-5的烷基、碳原子數為1-5的烷氧基、碳原子數為2-5的鏈烯基，所述R₈、R₉所示基團中任一個CH₂可以被碳原子數為3-5的伸環烷基替代；較佳地，所述通式Ⅳ所示化合物具體為式Ⅴ1-1~Ⅴ2-2所示化合物，

本發明技術方案的進一步改進在於：所述液晶組合物還包含由一種或多種通式Ⅵ所示化合物組成的第六組份，所述液晶組合物中第六組份的質量百分含量為1~15%，

其中，R₁₀、R₁₁各自獨立地表示碳原子數為1-5的烷基、碳原子數為1-5的烷氧基、碳原子數為2-5的鏈烯基，所示R₁₀、R₁₁所示基團中任一個CH₂可以碳原子數為3-5的伸環烷基替代。

較佳地，所述通式Ⅳ所示化合物具體為式Ⅵ1和Ⅵ2所示化合物，

R₁₁₁表示碳原子數為1-5的烷氧基。

本發明還公開了包含上述的負介電各向異性液晶組合物的液晶顯示元件，所述顯示元件為主動矩陣顯示元件或無源矩陣顯示元件。

由於採用了上述技術方案，本發明取得的技術進步在於：本發明公開的液晶介質性能優異，光學各向異性在0.080~0.150範圍內，並且具有低的旋轉黏度、較快的反應時間、和良好的化學、光、熱穩定性，非常適用於製造液晶顯示元件，尤其適合於主動矩陣顯示元件，如使用VA、FFS或IPS模式的主動矩陣顯示器。

詳細而言，本發明公開的液晶組合物具有較低的黏度、與其他液晶性化合物的良好的相容性，且具有適當大小的光學各向異性及介電常數各向異性，使用於液晶顯示元件中的情形時，具有快速反應特徵的液晶組成物以及含有該液晶組成物的液晶顯示元件。

本發明公開的液晶組合物，各成分的不同比例，會表現出略有差異的性能，比如介電各向異性△ε、光學各向異性△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γ 1較低。應用於液晶顯示元件，可以實現快速反應。

下面結合實施例對本發明做進一步詳細說明： 下述實施例中所涉及的份數均為重量百分含量，溫度單位為℃，其他符號的具體意義及測試條件如下：S-N表示液晶的晶態到向列相的熔點(℃)；Cp表示液晶的清晰點(℃)，測試儀器：Mettler-Toledo-FP System顯微熱分析儀；γ 1為旋轉黏度(mPa．s)，測試條件為：25℃、INSTEC：ALCT-IR1、20微米平行盒或18微米垂直盒；K11為扭曲彈性常數，K33為展曲彈性常數，測試條件為：25℃、INSTEC：ALCT-IR1、20微米平行盒或18微米垂直盒；△ε表示介電各向異性，△ε=ε∥-ε⊥，其中，ε∥為平行於分子軸的介電常數，ε⊥為垂直於分子軸的介電常數，測試條件：25℃、INSTEC：ALCT-IR1、20微米平行盒或18微米垂直盒；△n表示光學各向異性，△n=no-ne，其中，no為尋常光的折射率，ne為非尋常光的折射率，測試條件：589nm、25±0.2℃；下面的實施例1~6分別按比例稱取液晶化合物，製備得液晶介質。所使用的各種液晶單體均可以藉由公知的方法進行合成，或藉由商業途徑獲得。

製備液晶介質所用的設備和儀器為：

(1)電子精密天平(精確度0.1mg)

(2)不銹鋼燒杯：用於稱量液晶

(3)勺子：用於加入單體

(4)磁石：用於攪拌

(5)控溫電磁攪拌器

液晶介質的製備方法包括以下步驟： (1)將所用單體按順序擺放整齊；(2)把不銹鋼燒杯放置在天平上，用小勺將單體盛入不銹鋼燒杯中；(3)依次按所需重量添加單體液晶；(4)把加好料的不銹鋼燒杯放置在磁力攪拌儀器上加熱融化；(5)待不銹鋼燒杯中混合物大部份融化後，往不銹鋼燒杯中加入一顆磁石，將液晶混合物攪拌均勻，冷卻到室溫後即得液晶介質。

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)

例如：

表示為3CCV1，

表示為3CCOYO2。

實施例1

實施例2

實施例3

實施例4

實施例5

實施例6

實施例7

實施例8

實施例8的對比例1

實施例8的對比例2

實施例8的對比例3

實施例8的對比例4

實施例8的對比例5

由以上實施例8的對比例可以看出：本發明的液晶組合物較環戊基和烷基類CY及烷基類的LY具有較高的折射率和較低的旋轉黏度γ 1，與烷基類的CLY相比折射率和清晰點雖低，但其旋轉黏度γ 1特別低，將本發明的液晶組合物用於液晶顯示，可以實現快速反應，尤其適合於VA、IPS、FFS模式用液晶材料。

Claims (9)

1. 一種液晶組合物，其包含由一種或多種通式Ⅰ所示化合物組成的一第一組份、由一種或多種通式Ⅱ所示化合物組成的一第二組份以及由一種或多種通式Ⅲ所示化合物組成的一第三組份：

   

   

   

   其中，R₁、R₂、R₃、R₄、R₅各自獨立地表示碳原子數為1-5的烷基、碳原子數為1-5的烷氧基或碳原子數為2-5的鏈烯基，R₄、R₅所示基團中任一個CH₂可以被碳原子數為3-5的伸環烷基替代；m表示1或2，n表示1或2；Z表示單鍵、-COO-、-CH₂O-或-CH₂CH₂-；

   

   、

   

   表示

   

   及/或

   

   ；

   

   表示

   

   、

   

   、

   

   、

   

   、

   

   、

   
2. 如請求項1所述之液晶組合物，其中該第一組份的質量百分含量為1~30%、該第二組份的質量百分含量為10~65%以 及該第三組份的質量百分含量為1~50%。
3. 如請求項1所述之液晶組合物，其中該通式Ⅰ所示化合物為式Ⅰ1~Ⅰ3所示的化合物：

   

   

   

   該通式Ⅱ所示化合物為式Ⅱ1~Ⅱ5所示化合物：

   

   

   

   

   

   該通式Ⅲ所示化合物為式Ⅲ1~Ⅲ17所示化合物：

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   其中，r表示1~5的整數；R₂、R₃、R₄、R₅各自獨立地表示碳原子數為1-5的烷基、碳原子數為1-5的烷氧基或碳原子數為2-5的鏈烯基，R₄、R₅所示基團中任一個CH₂可以被碳原子數為3-5的伸環烷基替代。
4. 如請求項1所述之液晶組合物，其更包含由一種或多種通式Ⅳ所示化合物組成的一第四組份，該第四組份的質量百分含量為1~30%：

   

   其中，R₆表示碳原子數為1~5的直鏈烷基，其中任一個CH₂可以被碳原子數為3-5的伸環烷基替代；R₇表示碳原子數為1~5的直鏈烷基。
5. 如請求項4所述之液晶組合物，其中該通式Ⅳ所示化合物為式Ⅳ1~Ⅳ5所示化合物：

   

   

   

   

   

   其中，R₆表示碳原子數為1~5的直鏈烷基，其中任一個CH₂可以被碳原子數為3-5的伸環烷基替代。
6. 如請求項1所述之液晶組合物，其更包含由一種或多種通式Ⅴ所示化合物組成的一第五組份，該第五組份的質量百分含量為1~15%：

   

   其中，R₈、R₉各自獨立地表示碳原子數為1-5的烷基、碳原子數為1-5的烷氧基或碳原子數為2-5的鏈烯基，R₈、R₉所示基團中任一個CH₂可以被碳原子數為3-5的伸環烷基替代；W表示O或S。
7. 如請求項1所述之液晶組合物，其更包含由一種或多種通式Ⅵ所示化合物組成的一第六組份，該第六組份的質量百分含量為1~15%：

   

   其中，R₁₀、R₁₁各自獨立地表示碳原子數為1-5的烷基、碳原子數為1-5的烷氧基或碳原子數為2-5的鏈烯基，R₁₀、 R₁₁所示基團中任一個CH₂可以碳原子數為3-5的伸環烷基替代。
8. 一種如請求項1-7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主動矩陣顯示元件或無源矩陣顯示元件。
9. 如請求項8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。