TWI616519B - Liquid crystal composition and liquid crystal display element - Google Patents

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Kui Wang
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Abstract

本發明公開了一種液晶組合物，包含一種或多種式I所示化合物、一種或多種式Ⅱ所示化合物以及Ⅱ-A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、適中的光學異方性△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型溫度範圍、合適的雙折射率異方性、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、適中的光學異方性△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型溫度範圍、合適的雙折射率異方性、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。
為了實現上述技術效果，本發明提供了一種液晶組合物。本發明所提供的液晶組合物包含一種或多種式I所示化合物、一種或多種式Ⅱ所示化合物以及式Ⅱ-A所示化合物：
其中，R1、R2各自獨立地表示碳原子數為1-9的烷基或碳原子數為2-9的烯基，碳原子數為1-9的烷基或碳原子數為2-9的烯基中一個或多個CH2可以被O取代，且O不能直接相連；Y1表示H或F；Y2表示F、碳原子數為1-5的烷基、碳原子數為1-5的烷氧基或氟代的碳原子數為1-5的烷氧基；表示1,4-亞苯基、1,4-亞環己基或1,4-亞環己烯基； 表示1,4-亞苯基、當Y2表示氟代的碳原子數為1-5的烷氧基時，表示1,4-亞環己基或1,4-亞環己烯基； n表示0或2。
本發明所提供的液晶組合物必須包含至少一種式I所示化合物，以及必須包含式Ⅱ所示化合物中式Ⅱ-A所示化合物，還可以包含一種或多種式Ⅱ所示化合物中除式Ⅱ-A以外的其他化合物。
作為較佳方案，本發明所提供的液晶組合物不包含含有-CN的液晶化合物，並且不包含含有吡啶或嘧啶環的液晶化合物。
本發明進一步較佳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，清晰點Cp>70.0℃，旋轉黏度γ1[25℃]在40~110mPa．s之間。
本發明所提供的液晶組合物，其中式I所示化合物較佳質量含量為1-20%；式Ⅱ-A所示化合物較佳質量含量為20-40%，式Ⅱ所示化合物較佳質量含量為25-55%
本發明的液晶組合物不含有-CN結構的液晶成分。-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液晶電學性能的下降，比如電荷保持率VHR、電阻率ρ、功耗等。
稠環結構液晶分子往往不具備好的線性，黏度偏大，含有這些成分不利於改善液晶的回應速度。
根據X取代基的不同，式I所示化合物具體較佳為式I 1-I 10所示化合物： 其中，Y21各自獨立地表示碳原子數為1-5的烷基；Y22各自獨立地表示碳原子數為1-5的烷氧基；(F)各自獨立地表示F或H。
式I所示化合物普遍具有與其他液晶良好的互溶性，單個化合物添加量較佳在5-15%之間，Y1、Y2取代基的不同，式I化合物介電異方性△ε可以是中性或是達到10左右的較大值，Y1為氫、Y2為烷基、烷氧基時，式I化合物介電異方性△ε表現出中性(接近於零)；同時具有較高的清晰點CP，較大的K值，較低的旋轉黏度γ1，所以可以同時調節液晶混合物的CP、K值；Y1、Y2同時為較大極性的取代基如F、OCF3、氟代烷基時，式I所示化合物會具有較大的介電異方性△ε，較低的旋轉黏度γ1，所以還可以調節液晶混合物的△ε。
表示1,4-亞苯基，當Y2表示氟代的碳原子數為1-5的烷氧基時，還可以表示1,4-亞環己基或1,4-亞環己烯基。表示1,4-亞苯基時，會形成聯苯結構，因而會表現出較大的光學異方性△n，電子雲更容易被電場極化，表現出更低的旋轉黏度γ1，因而有利於向大的方向調節液晶混合物的△n。
OCF3取代基往往會給液晶帶來較高的清晰點CP，5左右的介電異方性△ε，結合雙環己烷的結構，會具有較大的K值，比如I 9、I 10。
所述一種或多種式Ⅱ所示化合物包含式Ⅱ-A所示化合物以及較佳包含Ⅱ 1-Ⅱ 10所示化合物中的一種或多種化合物：
式Ⅱ所示化合物具有很低的旋轉黏度γ1、接近中性的介電異方性△ε、較小的光學異方性△n，在改善液晶黏度、低溫性能具有優勢。不同的烷基取代基對液晶的旋轉黏度γ1、清晰點CP都具有影響，一般的較長的烷基鏈或烯基鏈會加大液晶的旋轉黏度γ1同時提高清晰點CP，但是式Ⅱ-A所示化合物γ1最低。
本發明所提供的液晶組合物，還可以加入一種或多種式Ⅲ所示化合物
其中，R3表示碳原子數為1-9的烷基或碳原子數為2-9的烯基，碳原子數為1-9的烷基或碳原子數為2-9的烯基中一個或多個CH2可以被O取代，且O不能直接相連； 表示1,4-亞苯基、1,4-亞環己基或1,4-亞環己烯基。
本發明所提供的液晶組合物，其中式Ⅲ所示化合物較佳質量含量為5-20%。
所述式Ⅲ所示化合物具體較佳為以下化合物：
式Ⅲ所示化合物光學異方性△n適中，介電異方性△ε在5-9之間，較低的旋轉黏度γ1，清晰點CP一般在120℃以上，可用於調節混合液晶CP、△n、△ε、γ1等參數。式Ⅲ所示化合物R3較佳為C1-C5直鏈烷基。
本發明所提供的液晶組合物，還可以加入一種或多種式Ⅳ所示化合物
其中，R4表示碳原子數為1-9的烷基或碳原子數為2-9的烯基，碳原子數為1-9的烷基或碳原子數為2-9的烯基中一個或多個CH2可以被O取代，且O不能直接相連；n表示0，1；(F)表示H或F。
本發明所提供的液晶組合物，其中式Ⅳ所示化合物較佳為質量含量為5-20%。
式Ⅳ所示化合物較佳為：
本發明所提供的液晶組合物，還可以加入一種或多種式V所示化合物
其中，R5、R6各自獨立地表示碳原子數為1-9的烷基或碳原子數為2-9的烯基，碳原子數為1-9的烷基或碳原子數為2-9的烯基中一個或多個CH2可以被O取代，且O不能直接相連；Y3、Y4表示H或F，但不同時表示F；表示1,4-亞苯基、1,4-亞環己基或1,4-亞環己烯基。
本發明所提供的液晶組合物，其中式V所示化合物較佳質量含量為2-15%。
式V所示化合物較佳為：
式V所示化合物R6、R5較佳為C1-C5直鏈烷基。本發明所提供的液晶組合物，還可以加入一種或多種式Ⅵ所示化合物
其中，R7表示碳原子數為1-9的烷基或碳原子數為2-9的烯基，碳原子數為1-9的烷基或碳原子數為2-9的烯基中一個或多個CH2可以被O取代，且O不能直接相連； 表示1,4-亞苯基、1,4-亞環己基或1,4-亞環己烯基； 表示1,4-亞苯基、氟代1,4-亞苯基、1,4-亞環己基或1,4-亞環己烯基； R8表示F、碳原子數為1-9的烷基或碳原子數為2-9的烯基，所示碳原子數為1-9的烷基或碳原子數為2-9的烯基中一個或多個CH2可以被O取代，且O不能直接相連。
本發明所提供的液晶組合物，其中式Ⅵ所示化合物較佳質量含量為5-30%。
式Ⅵ所示化合物較佳為：
式Ⅵ-1、Ⅵ-2所示化合物為介電異方性△ε接近中性，低的旋轉黏度γ1，清晰點較高，K值較大，可以用於調配液晶的K值以及γ1，從而實現快速回應。三聯苯類Ⅵ-5化合物由於具有較大的共軛體系，因而具有很大的光學異方性△n，尤其適用於調配大折射率的混合液晶。
本發明所提供的液晶組合物，還可以加入一種或多種式Ⅶ所示化合物
R9表示碳原子數為1-9的烷基或碳原子數為2-9的烯基，碳原子數為1-9的烷基或碳原子數為2-9的烯基中一個或多個CH2可以被O取代，且O不能直接相連； 表示1,4-亞苯基、氟代的1,4-亞苯基、1,4-亞環己基、1,4- 亞環己烯基和/或1,4-亞環己基中一個或不相連的兩個CH2被氧取代所形成的基團中的一種或兩種；p表示2或3。
本發明所提供的液晶組合物，其中式Ⅶ所示化合物較佳質量含量為5-55%。
式Ⅶ所示化合物較佳為：
式Ⅶ所示化合物具有較大的介電異方性△ε，低的旋轉黏度γ1，可以用於調配液晶混合物用以降低液晶驅動電壓，式Ⅶ所示化合物R9較佳為C1-C5直鏈烷基或C2-C5直鏈烯基。
本發明所提供的液晶組合物，在包含或者不包含式Ⅲ、式Ⅳ、式V、式Ⅵ、式Ⅶ所示化合物的基礎上，還可以包含有一種或多種式Ⅷ-1、Ⅷ-2和/或Ⅷ-3所示的含有環烷基的化合物：
其中，、、、各自獨立地表示1,4-亞環己 基、1,4-亞環己基中一個或兩個不相連的CH2被O取代所形成的基團、1,4-亞苯基和/或氟代的1,4-亞苯基中的一種或多種； R10表示F、碳原子數為1-9的烷基或碳原子數為2-9的烯基，所示碳原子數為1-9的烷基或碳原子數為2-9的烯基中一個或多個CH2可以被O取代，且O不能直接相連； R11表示碳原子數為1-9的烷基或碳原子數為2-9的烯基，碳原子數為1-9的烷基或碳原子數為2-9的烯基中一個或多個CH2可以被O取代，且O不能直接相連； Z1、Z2、Z3各自獨立地表示單鍵、-CF2O-或-CH2O-；i、j、k各自獨立地表示1、2或3；q表示0、1或2。
式Ⅷ-1、Ⅷ-2、Ⅷ-3所示化合物為含有環烷基化合物，R10、R11較佳為C1-C5直鏈烷基、C2-C5直鏈烯基或C1-C5直鏈烷氧基。
式Ⅷ所示化合物不含有柔軟的端基烷基鏈，因而具有較強的剛性，液晶分子之間相對作用的改變，表現出較大的K值、較高的CP。
Ⅷ-1所示化合物具體較佳為：
Ⅷ-2所示化合物另外較佳為： Ⅷ-3所示化合物另外較佳為：
液晶組合物各成分的不同比例，會表現出略有差異的性能，比如介電異方性△ε、光學異方性△n、液晶的向列型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化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具體為TN-TFT或IPS-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、適中的光學異方性△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、合適的雙折射率異方性、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。所述方法如無特別說明均為常用方法。原料如無特別說明均能從公開商業途徑而得。所述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表示光學異方性(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)。
實施例1
△ε[1KHz,20℃]：8.3
△n[589nm,20℃]：0.98
Cp：90℃
γ1[20℃]：51mPa.s。
實施例2
△ε[1KHz,20℃]：6.1
△n[589nm,20℃]：0.110
Cp：℃ 125
γ1[20℃]：105mPa.s。
實施例3
△ε[1KHz,20℃]：8.9
△n[589nm,20℃]：0.143
Cp：121℃
γ1[20℃]：144mPa.s。
實施例4
△ε[1KHz,20℃]：8.5
△n[589nm,20℃]：0.117
Cp：93℃
γ1[20℃]：65mPa.s。
實施例5
△ε[1KHz,20℃]：9.3
△n[589nm,20℃]：0.102
Cp：95℃
γ1[20℃]：64mPa.s。
實施例6
△ε[1KHz,20℃]：7.6
△n[589nm,20℃]：0.121
Cp：108℃
γ1[20℃]：73mPa.s。
實施例7
△ε[1KHz,20℃]：4.5
△n[589nm,20℃]：0.106
Cp：102℃
γ1[20℃]：74mPa.s。
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 (9)

  1. 一種液晶組合物，其包含一種或多種式I所示化合物、一種或多種式Ⅱ所示化合物以及一種或多種式Ⅷ-2所示的化合物，該一種或多種式Ⅱ所示化合物包含一種或多種式Ⅱ-A所示化合物：其中，R1、R2各自獨立地表示碳原子數為1-9的烷基或碳原子數為2-9的烯基，該碳原子數為1-9的烷基或碳原子數為2-9的烯基中一個或多個CH2可以被O取代，且O不能直接相連；Y1表示氫(H)或氟(F)；Y2表示F、碳原子數為1-5的烷基、氟代的碳原子數為1-5的烷基、碳原子數為1-5的烷氧基或氟代的碳原子數為1-5的烷氧基；表示1,4-亞苯基、1,4-亞環己基或1,4-亞環己烯基；表示1,4-亞苯基、1,4-亞環己基或1,4-亞環己烯基，當Y2表示氟代的碳原子數為1-5的烷氧基時，表示1,4-亞環己基或1,4-亞環己烯基；n表示0或2；其中，、各自獨立地表示1,4-亞環己基、1,4-亞環己基中一個或兩個不相連的CH2被O取代所形成的基團、1,4-亞苯基及/或氟代的1,4-亞苯基中的一種或多種；R10表示F、碳原子數為1-9的烷基或碳原子數為2-9的烯基，該碳原子數為1-9的烷基或碳原子數為2-9的烯基中一個或多個CH2可以被O取代，且O不能直接相連；Z2表示單鍵、-CF2O-或-CH2O-；j表示1、2或3；q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I 1至式I 10所示化合物，該一種或多種式Ⅱ所示化合物包含式Ⅱ 1至式Ⅱ 10所示化合物中的一種或多種化合物： 其中，Y21各自獨立地表示碳原子數為1-5的烷基；Y22各自獨立地表示碳原子數為1-5的烷氧基；(F)各自獨立地表示F或H。
  3. 如申請專利範圍第1項或第2項所述之液晶組合物，其中，該液晶組合物進一步包含一種或多種式Ⅲ所示化合物：其中，R3表示碳原子數為1-9的烷基或碳原子數為2-9的烯基，該碳原子數為1-9的烷基或碳原子數為2-9的烯基中一個或多個CH2可以被O取代，且O不能直接相連；表示1,4-亞苯基、1,4-亞環己基或1,4-亞環己烯基。
  4. 如申請專利範圍第1項或第2項所述之液晶組合物，其中，該液晶組合物進一步包含一種或多種式Ⅳ所示化合物：其中，R4表示碳原子數為1-9的烷基或碳原子數為2-9的烯基，該碳原子數為1-9的烷基或碳原子數為2-9的烯基中一個或多個CH2可以被O取代，且O不能直接相連；n表示0，1；(F)表示H或F。
  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，該液晶組合物進一步包含一種或多種式V所示化合物：其中，R5、R6各自獨立地表示碳原子數為1-9的烷基或碳原子數為2-9的烯基，該碳原子數為1-9的烷基或碳原子數為2-9的烯基中一個或多個CH2可以被O取代，且O不能直接相連；Y3、Y4表示H或F，但不同時表示F；表示1,4-亞苯基、1,4-亞環己基或1,4-亞環己烯基。
  6. 如申請專利範圍第1項或第2項所述的液晶組合物，其中，該液晶組合物進一步包含一種或多種式Ⅵ所示化合物：其中，R7表示碳原子數為1-9的烷基或碳原子數為2-9的烯基，該碳原子數為1-9的烷基或碳原子數為2-9的烯基中一個或多個CH2可以被O取代，且O不能直接相連；表示1,4-亞苯基、1,4-亞環己基或1,4-亞環己烯基；表示1,4-亞苯基、氟代1,4-亞苯基、1,4-亞環己基或1,4-亞環己烯基；R8表示F、碳原子數為1-9的烷基或碳原子數為2-9的烯基，該碳原子數為1-9的烷基或碳原子數為2-9的烯基中一個或多個CH2可以被O取代，且O不能直接相連。
  7. 如申請專利範圍第1項或第2項所述之液晶組合物，其中，該液晶組合物進一步包含一種或多種式Ⅶ所示化合物：其中，R9表示碳原子數為1-9的烷基或碳原子數為2-9的烯基，該碳原子數為1-9的烷基或碳原子數為2-9的烯基中一個或多個CH2可以被O取代，且O不能直接相連；表示1,4-亞苯基、氟代的1,4-亞苯基、1,4-亞環己基、1,4-亞環己烯基和/或1,4-亞環己基中一個或不相連的兩個CH2被氧取代所形成的基團；p表示2或3。
  8. 一種包含如申請專利範圍第1項至第7項中任一項所述之液晶組合物的液晶顯示元件，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. 如申請專利範圍第8項所述之液晶顯示元件，其中，該主動矩陣顯示元件為TN-TFT或IPS-TFT液晶顯示元件。
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