CN106590686B - 液晶组合物及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种具有低的光学双折射值，高的介电各向异性值、低的旋转粘度及宽的向列相温度范围的液晶组合物，所述液晶组合物包含通式Ⅰ、Ⅱ‑1和\或Ⅱ‑2、Ⅲ及Ⅳ所示化合物中的一种或多种；本发明还提供了一种包含所述组合物的液晶显示器件。
Description
技术领域
本发明涉及一种应用于液晶显示元件的液晶组合物，特别是应用于主动矩阵方式驱动的液晶显示元件的液晶组合物。
背景技术
液晶元件是利用液晶材料本身所具备的光学各向异性和介电各向异性来进行工作的，目前已经得到了广泛的应用。利用液晶材料不同的特性和工作方式，可以将器件设计成各种不同的工作模式，其中常规显示器普遍使用的有TN模式(即扭转向列模式——液晶混合物具有扭曲约90度的向列型结构)、STN模式(即超扭曲向列模式)、SBE模式(即超扭曲双折射模式)、ECB模式(即电控双折射模式)、VA模式(即垂直排列模式)、IPS模式(即面内转换模式)等，含有很多根据以上模式所做的改进模式。
在低信息量中，一般采用无源方式驱动，但随着信息量的加大，显示尺寸和显示路数的增多，串扰和对比度降低现象变得严重，因此一般采用有源矩阵(AM)方式驱动，目前较多的采用薄膜晶体管(TFT)来进行驱动。在AM-TFT元件中，TFT开关器件在二维网格中寻址。因此，在两个寻址周期之间，不希望像素点上的电压发生变化，否则像素点的透光率会发生改变，导致显示的不稳定。像素点的放电速度取决于电极容量和电极间介电材料的电阻率。因此要求液晶材料有较高的电阻率，同时要求材料有合适的光学双折射值△n(△n值一般在0.08～0.15左右)，以及较低的阈值电压，以达到降低驱动电压。降低功耗的目的；还要求具有较低的粘度，以满足快速响应的需要。这类液晶组合物已经由很多文献报道，例如国外专利文献WO9202597、WO9116398、WO9302153、WO9116399，中国专利文献CN1157005A等。
上世纪70年代初，已经对均匀排列的和扭曲排列的、向列液晶IPS模式的基本的电光特性进行了实验性的研究，其特点是一对电极制作在同一基板上，而另一个基板上没有电极，通过加在这一电极间的横向电场来控制液晶分子的排列，因此也可以称这种模式为横向场模式。在IPS模式中向列液晶分子在两基板间均匀平行排列，两偏振片正交放置。IPS模式在不加电场时，入射光被两个正交的偏振片阻断而呈暗态，加电场时液晶分子发生转动造成延迟，于是有光从两个正交的偏振片漏出。
由于IPS模式制作简单并且有很宽的视角，它们成了能够改善视角特性并实现大面积显示的最有吸引力的办法。
IPS模式仅需要线偏振片而不需要补偿膜，只是它的响应速度太慢，不能显示快速运动的画面。因此相对于传统的TN-TFT类型显示模式，IPS类型显示用液晶需求更快的响应速度。但是基于液晶混晶调制的复杂性：从液晶组合物材料调制的角度来考虑，材料的各方面性能(低的光学双折射值，高的介电各向异性值，高的电阻率，低的旋转粘度，低的熔点，良好的热稳定性和紫外稳定性等)之间是相互牵制的，提高一些方面的性能往往伴随着另一方面性能的降低，调制各方面性能都合适的液晶组合物往往非常困难。
因此，亟需一种具有低的光学双折射值，高的介电各向异性值，高的电阻率，低的旋转粘度，低的熔点，良好的热稳定性和紫外稳定性等性质的液晶组合物，解决现有液晶组合物存在的问题。
发明内容
发明目的：本发明的目的是提供一种具有低的光学双折射值，高的介电各向异性值、低的旋转粘度及宽的向列相温度范围的液晶组合物。
本发明还提供了一种包含所述液晶组合物的液晶显示器件。
技术方案：为了完成上述发明目的，本发明提供了一种液晶组合物，包括：
占所述液晶组合物总重量40-70％式Ⅰ的化合物
占所述液晶组合物总重量2-10％通式Ⅱ-1和/或通式Ⅱ-2的化合物中的一种或多种组成的组
占所述液晶组合物总重量10-20％通式Ⅲ的化合物中的一种或多种组成的组
占所述液晶组合物总重量10-30％通式Ⅳ的化合物中的一种或多种组成的组
其中，
所述R表示H或CH3；
所述R1、R2和R3相同或不同，各自独立的表示H、1-12个碳原子的烷基或烷氧基、2-12个碳原子的烯基或烯氧基，其中，所述1-12个碳原子的烷基或烷氧基、2-12个碳原子的烯基或烯氧基中一个或多个H可以被F取代；
所述R5和R6相同或不同，各自独立的表示H、1-12个碳原子的烷基或烷氧基、2-12个碳原子的烯基或烯氧基，其中，所述1-12个碳原子的烷基或烷氧基、2-12个碳原子的烯基或烯氧基中一个或多个H可以被F取代；
所述Y13和R4相同或不同，各自独立的表示-F或-OCF3；
所述Z1、Z2和Z3相同或不同，各自独立的表示单键、-CH2O-、-OCH2-、-CF2O-、-COO-或-OCO-；
所述Z4和Z5相同或不同，各自独立的表示单键、-CH2O-或-COO-；
所述Y11、Y12、Y21、Y22、Y23、Y24、Y25和Y26相同或不同，各自独立的表示H或F，其中，Y21和Y22不同时为F，Y24和Y25不同时为F；
所述环相同或不同，各自独立的表示 其中，所述中的H可以被F取代，且中至少一个选自
所述环相同或不同，各自独立的表示其中，所述中的H可以被F取代；
所述m、n、q、p和d相同或不同，各自独立的表示0或1。
在本发明的一些实施方式中，所述液晶组合物，还包含占所述液晶组合物总重量0-25％通式Ⅴ的化合物中的一种或多种组成的组：
所述R7表示H、1-12个碳原子的烷基或烷氧基、2-12个碳原子的烯基或烯氧基，其中，所述1-12个碳原子的烷基或烷氧基、2-12个碳原子的烯基或烯氧基中一个或多个H可以被F取代；
所述环表示
所述X12表示H或F；
所述a表示0或1。
在本发明的一些实施方式中，所述液晶组合物，还包含占所述液晶组合物总重量0-15％通式Ⅵ的化合物中的一种或多种组成的组
其中，
所述R8和R9相同或不同，各自独立的表示H、1-12个碳原子的烷基或烷氧基、2-12个碳原子的烯基或烯氧基，其中，所述1-12个碳原子的烷基或烷氧基、2-12个碳原子的烯基或烯氧基中一个或多个H可以被F取代。
在本发明的一些实施方式中，所述通式Ⅱ-1的化合物选自中的一种或多种：
以及
在本发明的一些实施方式中，所述通式Ⅱ-2的化合物选自中的一种或多种：
以及
其中，
所述R2表示H、1-5个碳原子的烷基或烷氧基、2-6个碳原子的烯基或烯氧基，其中，所述1-5个碳原子的烷基或烷氧基、2-6个碳原子的烯基或烯氧基中一个或多个H可以被F取代。
在本发明的一些实施方式中，所述通式Ⅱ-2的化合物优选自中的一种或多种：
以及
其中，
所述R2表示1-5个碳原子的烷基或烷氧基、2-6个碳原子的烯基或烯氧基。
在本发明的一些实施方式中，所述通式Ⅲ的化合物选自中的一种或多种：
以及
其中，
所述R3表示H、1-5个碳原子的烷基或烷氧基、2-6个碳原子的烯基或烯氧基，其中，所述1-5个碳原子的烷基或烷氧基、2-6个碳原子的烯基或烯氧基中一个或多个H可以被F取代。
在本发明的一些实施方式中，所述通式Ⅳ的化合物选自中的一种或多种：
以及
其中，
所述R5和R6相同或不同，各自独立的表示1-5个碳原子的烷基或烷氧基、2-6个碳原子的烯基或烯氧基，其中，所述1-12个碳原子的烷基或烷氧基、2-12个碳原子的烯基或烯氧基中一个或多个H可以被F取代；
在本发明的一些实施方式中，所述通式Ⅳ-1的化合物选自如下化合物中的一种或多种：
以及
在本发明的一些实施方式中，所述通式Ⅳ-2的化合物选自如下化合物中的一种或多种：
以及
在本发明的一些实施方式中，所述通式Ⅴ的化合物选自如下化合物中的一种或多种：
以及
其中，
所述R7表示1-5个碳原子的烷基或烷氧基、2-6个碳原子的烯基或烯氧基，其中，所述1-5个碳原子的烷基或烷氧基、2-6个碳原子的烯基或烯氧基中一个或多个H可以被F取代。
在本发明的一些实施方式中，所述通式Ⅵ的化合物选自如下化合物中的一种或多种：
以及
在本发明的一些实施方式中，所述通式Ⅰ的化合物占液晶组合物总重量的45-60％；所述通式Ⅱ的化合物占液晶组合物总重量的3-10％；所述通式Ⅲ化合物占液晶组合物总重量的10-15％；所述通式Ⅳ的化合物占液晶组合物总重量的10-25％；所述通式Ⅴ的化合物占液晶组合物总重量的0-10％；以及所述通式Ⅵ的化合物占液晶组合物总重量的0-15％。
作为优选的方案，所述通式Ⅰ的化合物占液晶组合物总重量的45-60％；所述通式Ⅱ的化合物占液晶组合物总重量的3-10％；所述通式Ⅲ化合物占液晶组合物总重量的10-15％；所述通式Ⅳ的化合物占液晶组合物总重量的10-25％；所述通式Ⅴ的化合物占液晶组合物总重量的1-10％；以及所述通式Ⅵ的化合物占液晶组合物总重量的1-15％。
本发明还提供了一种包含所述液晶组合物的在IPS模式液晶显示器件中的应用。
有益效果：现有技术中，液晶组合物中所用液晶单体的骨架结构大多采用环己烷和苯环为骨架，其中的还可能使用氧原子和N原子选择性替代环己烷环和苯环中的个别碳原子，但是这样的结构在对应到如下介电较低，介电位于4.5以下的介电，同时折射率范围要求在0.095-0.125之间时，响应速度和向列相的温宽是有矛盾的，向列相温宽要么是清亮点过低，要么就是低温Tcn过高，导致低温存储条件下，液晶很容易发生晶析的问题。其主要的原因在于传统苯环环己烷为骨架结构的分子设计下，液晶的向列相温宽一般只能选择性得偏于清亮点或者偏于低温相变点这一点。而选择萘环为分子骨架设计的单体能够改善这一显著的缺点，萘环是目前环状骨架结构的分子中发现的唯一能够同时拓宽液晶高温相变点和低温相变点的分子骨架结构，同时本发明优选了萘环的H的氟取代设计，强化了其脂溶性。但是萘环同样具有响应速度慢的缺点，本发明通过中性单体结构，和强极性与中等极性的结构的优选组合，可弥补萘环响应速度慢，难以使用的缺点。本发明提供的含有萘环结构的液晶组合物，其优点在于在介电2-4.5的正性液晶组合物中，向列相温度范围宽，响应速度快，具有更低的旋转粘度等优点。同时由于没有采用可靠性较差的杂环结构，该组合物的可靠性，信赖性较好，取得了非常好的技术效果。
在本发明中如无特殊说明，所述的比例均为重量比，所有温度均为摄氏度温度，所述的响应时间数据的测试选用的盒厚为7μm。
具体实施方式
以下将结合具体实施方案来说明本发明。需要说明的是，下面的实施例为本发明的示例，仅用来说明本发明，而不用来限制本发明。在不偏离本发明主旨或范围的情况下，可进行本发明构思内的其他组合和各种改良。
为便于表达，以下各实施例中，液晶组合物的基团结构用表1所列的代码表示：
表1液晶化合物的基团结构代码
以如下结构式的化合物为例：
该结构式如用表1所列代码表示，则可表达为：nCGUF，代码中的n表示左端烷基的碳原子数，例如n为“2”，即表示该烷基为-C2H5；代码中的C代表“环己烷基”，代码中的G代表“2-氟-1,4-亚苯基”，代码中的U代表“2,5-二氟-1,4-亚苯基”，代码中的F代表“氟取代基”。
以下实施例中测试项目的简写代号如下：
Δn： 光学各向异性(589nm，25℃)
Δε： 介电各向异性(1KHz，25℃)
Vth： 阈值电压(1KHZ，25℃，TN90)
Tni： 清亮点(向列-各向同性相转变温度，℃)
γ1： 旋转粘度(mpa.s，25℃，除非另有说明)
Tcn 低温存储相变点(即向列相下限温度，℃)
△T 向列相温度范围(℃)
其中，光学各向异性使用阿贝折光仪在钠光灯(589nm)光源下、25℃测试得；介电测试盒为TN90型，盒厚7μm。
VHR(初始)是使用TOY06254型液晶物性评价系统测试得；脉冲电压：5V 6HZ，测试温度为60℃，测试单位周期为166.7ms。
Vth测试条件：C/1KHZ，JTSB7.0。
向列相温度范围(△T)＝向列相上限温度(Tni)-向列相下限温度(Tcn)。
在以下的实施例中所采用的各成分，均可以通过公知的方法进行合成，或者通过商业途径获得。这些合成技术是常规的，所得到各液晶化合物经测试符合电子类化合物标准。
按照以下实施例规定的各液晶组合物的配比，制备液晶组合物。所述液晶组合物的制备是按照本领域的常规方法进行的，如采取加热、超声波、悬浮等方式按照规定比例混合制得。
制备并研究下列实施例中给出的液晶组合物。下面显示了各液晶组合物的组成和其性能参数测试结果。
对比例1
按表2中所列的各化合物及重量百分数配制成对比例1的液晶组合物，其填充于液晶显示器两基板之间进行性能测试，测试数据如下表所示：
表2液晶组合物配方及其测试性能
对比例2
按表3中所列的各化合物及重量百分数配制成对比例2的液晶组合物，其填充于液晶显示器两基板之间进行性能测试，测试数据如下表所示：
表3液晶组合物配方及其测试性能
实施例1
按表4中所列的各化合物及重量百分数配制成实施例1的液晶组合物，其填充于液晶显示器两基板之间进行性能测试，测试数据如下表所示：
表4液晶组合物配方及其测试性能
实施例2
按表5中所列的各化合物及重量百分数配制成实施例2的液晶组合物，其填充于液晶显示器两基板之间进行性能测试，测试数据如下表所示：
表5液晶组合物配方及其测试性能
实施例3
按表6中所列的各化合物及重量百分数配制成实施例3的液晶组合物，其填充于液晶显示器两基板之间进行性能测试，测试数据如下表所示：
表6液晶组合物配方及其测试性能
实施例4
按表7中所列的各化合物及重量百分数配制成实施例4的液晶组合物，其填充于液晶显示器两基板之间进行性能测试，测试数据如下表所示：
表7液晶组合物配方及其测试性能
通过以上对比例及实施例可以看出，实施例1至4所列四种本发明的配方应用实例，光学各向异性(△n)可以从0.1覆盖到0.12左右，在范围内的△n基本可覆盖目前的主流液晶应用。
实施例1、2对应△n在0.1左右，其优点可以从其参数与对照例1的对照中发现，在相近的△n下，实施例1、2的液晶相宽明显高于对照例1，特别在相宽更大的情况下，清凉点(Tni)更高的情况下，实施例的旋转粘度(γ1)显著的低于对照例1，能够实现快速响应，克服现有技术中含有萘环的液晶组合物响应速度慢的技术缺陷，取得了非常好的技术效果。
本发明实施例3、4为典型的大的△n的液晶组合物，大的△n的液晶可以降低液晶应用的盒厚，从而实现更快的响应，传统大的△n的液晶组合物一般低温-20℃下存储，本实施例3、4的液晶组合物可以做到低温-35℃的存储，同时在具备更大的△n和Tni，相宽的情况下，特别是介电更大，能够实现更低的电压驱动，降低液晶组合物的功耗，取得了非常好的技术进步，克服了现有技术的不足。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种液晶组合物，它包括：
占所述液晶组合物总重量40-70％的式Ⅰ的化合物
占所述液晶组合物总重量2-10％的通式Ⅱ-1和/或通式Ⅱ-2的化合物中的一种或多种组成的组
占所述液晶组合物总重量10-20％的通式Ⅲ的化合物中的一种或多种组成的组
占所述液晶组合物总重量10-30％的通式Ⅳ的化合物中的一种或多种组成的组
其中，
所述R表示H或CH3；
所述R1、R2和R3相同或不同，各自独立的表示H、1-12个碳原子的烷基或烷氧基、2-12个碳原子的烯基或烯氧基，其中，所述1-12个碳原子的烷基或烷氧基、2-12个碳原子的烯基或烯氧基中一个或多个H可以被F取代；
所述R5和R6相同或不同，各自独立的表示H、1-12个碳原子的烷基或烷氧基、2-12个碳原子的烯基或烯氧基，其中，所述1-12个碳原子的烷基或烷氧基、2-12个碳原子的烯基或烯氧基中一个或多个H可以被F取代；
所述Y12和R4相同或不同，各自独立的表示-F或-OCF3；
所述Z1、Z2和Z3相同或不同，各自独立的表示单键、-CH2O-、-OCH2-、-CF2O-、-COO-或-OCO-；
所述Y11、Y13、Y21、Y22、Y23、Y24、Y25和Y26相同或不同，各自独立的表示H或F，其中，Y21和Y22不同时为F，Y24和Y25不同时为F；
所述环相同或不同，各自独立的表示 其中，所述中的H可以被F取代，且中至少一个选自
所述环相同或不同，各自独立的表示其中，所述中的H可以被F取代；
所述m、n、q、p和d相同或不同，各自独立的表示0或1。
2.根据权利要求1所述液晶组合物，其特征在于，所述液晶组合物还包含占所述液晶组合物总重量0-25％的通式Ⅴ的化合物中的一种或多种组成的组
所述R7表示H、1-12个碳原子的烷基或烷氧基、2-12个碳原子的烯基或烯氧基，其中，所述1-12个碳原子的烷基或烷氧基、2-12个碳原子的烯基或烯氧基中一个或多个H可以被F取代；
所述环表示
所述X12表示H或F；
所述a表示0或1。
3.根据权利要求1或2所述液晶组合物，其特征在于，所述液晶组合物包含占所述液晶组合物总重量0-15％的通式Ⅵ的化合物中的一种或多种组成的组
其中，
R8和R9相同或不同，各自独立的表示H、1-12个碳原子的烷基或烷氧基、2-12个碳原子的烯基或烯氧基，其中，所述1-12个碳原子的烷基或烷氧基、2-12个碳原子的烯基或烯氧基中一个或多个H可以被F取代。
4.根据权利要求1所述液晶组合物，其特征在于，所述通式Ⅱ-1的化合物选自下列化合物中的一种或多种：
5.根据权利要求1所述液晶组合物，其特征在于，所述通式Ⅱ-2的化合物选自下列化合物中的一种或多种：
其中，
所述R2表示H、1-5个碳原子的烷基或烷氧基、2-6个碳原子的烯基或烯氧基，其中，所述1-5个碳原子的烷基或烷氧基、2-6个碳原子的烯基或烯氧基中一个或多个H可以被F取代。
6.根据权利要求1所述液晶组合物，其特征在于，所述通式Ⅲ的化合物选自下列化合物中的一种或多种：
其中，
所述R3表示H、1-5个碳原子的烷基或烷氧基、2-6个碳原子的烯基或烯氧基，其中，所述1-5个碳原子的烷基或烷氧基、2-6个碳原子的烯基或烯氧基中一个或多个H可以被F取代。
7.根据权利要求1所述液晶组合物，其特征在于，所述通式Ⅳ的化合物选自下列化合物中的一种或多种：
其中，
R5和R6相同或不同，各自独立的表示1-5个碳原子的烷基或烷氧基、2-6个碳原子的烯基或烯氧基，其中，所述1-5个碳原子的烷基或烷氧基、2-6个碳原子的烯基或烯氧基中一个或多个H可以被F取代。
8.根据权利要求2所述液晶组合物，其特征在于，所述通式Ⅴ的化合物选自如下化合物中的一种或多种：
其中，
R7表示1-5个碳原子的烷基或烷氧基、2-6个碳原子的烯基或烯氧基，其中，所述1-5个碳原子的烷基或烷氧基、2-6个碳原子的烯基或烯氧基中一个或多个H可以被F取代。
9.根据权利要求3所述液晶组合物，其特征在于，所述通式Ⅵ的化合物选自如下化合物中的一种或多种：
10.权利要求1-9任一项所述液晶组合物在IPS模式液晶显示器件中的应用。
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