液晶组合物及其应用技术领域
本发明涉及一种液晶组合物，尤其涉及一种向列型液晶组合物。本发明的
液晶组合物可用于可变焦液晶透镜（Liquid Crystal lens）等领域。
背景技术
1888年，F.Reinitzer在测定有机化合物熔点时，发现某些化合物在融化后
经历一个不透明的浑浊状态，这种浑浊的液体中间相具有和晶体相似的现象，
而称为液晶。20世纪70年代由于大规模集成电路和液晶材料的发展，液晶在
显示方面的应用有了突破性的进展，利用扭曲向列相液晶的电光效应和集成电
路相结合，将其制成了显示器件，实现了液晶材料的产业化，这种液晶材料称
为扭曲向列相液晶显示（TN-LCD）材料，其产品主要应用在电子表和计算器
上。80年代中期，开发成功超扭曲向列相液晶显示（STN-LCD）材料，其产
品主要应用在BP机、移动电话和笔记本电脑上。1993年，在日本掌握了阵列
驱动液晶显示TFT-LCD的生产技术后，液晶显示器开始了飞跃式的发展，现
在液晶显示技术已成为显示技术的主流，液晶显示正以多姿多彩的形态展示在
人们面前，它的许多产品由于其优异的特性使其正成为时尚的追求，以及商场
里炙手可热的商品。
相机、手机相机、3D立体影像显示、相位调制器等装置，常利用变焦镜
头将影像放大或缩小来成像。传统变焦镜头设有多个镜群（lens group），通过
镜群之间沿光轴方向移动，以改变彼此之间的间距，从而使整体焦距改变，但
不影响成像距离。然而此种镜头需要较长的镜群移动距离，导致这种调焦的机
械装置体积大、调节缓慢、调焦范围有限、价格昂贵、装置驱动消耗能量大且
容易损坏等。
为寻找替代机械调焦的方法，并且能够大范围地改变焦距，现有技术公开
了一种利用电场来控制焦距的液晶变焦透镜（Liquid Crystal lens），通过在带
圆孔的电极上施加电压形成特殊的电场，使电场中的液晶分子发生偏转，从而
对光起到分散或是会聚的作用。其实际为一种模拟光学元件，通过在电极之间
施加不同的电压能够方便地实现我们想要的特定的光学透镜特性。
另现有技术还公开了一种利用电场来形成透镜的柱状液晶透镜光栅，实现
3D立体显示，通过在透明玻璃基板上蚀刻出条状透明ITO电极，然后在该电
极上施加不同的电压形成电场，使电场中的液晶分子发生偏转，从而改变入射
光的方向，同时通过电压的变化及电极数量的变化来改变柱状液晶透镜光栅的
焦距和栅距等。
为实现柱状液晶透镜光栅较传统的柱状物理光栅的优越性，需柱状液晶透
镜光栅能够在60Hz、120Hz或更高频率下能自由地切换，对此，则需要一种
具有高速响应性能的液晶组合物。
和柱状液晶透镜光栅的响应性能相关的、液晶组合物的各变量之间有如下
关系：
关系式一：
Ton=(γ1d2/k11π2)/[(V/Vth)2-1]
关系式二：
Toff＝γ1d2/k11π2
其中，γ1是旋转粘度，d是液晶层厚度，K11是展曲弹性常数，V是驱动
电压，Vth是阈值电压。
从上述关系式可以看出，通过降低液晶组合物的旋转粘度或提高其展曲弹
性常数，或降低液晶层厚度，可以缩短其响应时间。然而，如果降低旋转粘度
以改善响应时间，则液晶的弹性常数和相变温度也将随之下降，并且，如果弹
性常数增加，则阈值电压和旋转粘度将趋于增大。同时，若降低液晶层厚度，
则液晶组合物的双折射率要增大，这同样会导致旋转粘度增大。因此，为改善
响应时间，这三个影响因素间的平衡关系必须减少到最小。
如3D立体显示用柱状液晶透镜，依据透镜用计算公式f＝r2/(2Δnd)，r代
表1/2该透镜栅距，Δn代表液晶的双折射率，d代表液晶盒的盒厚，具体一
点得出需要双折射率（Δn）大于0.25以上，同时需要更小的粘弹系数比，更
宽的相变温度范围。
双折射率（Δn）是液晶化合物的一项重要的物理特性。双折射在很大程
度上是受液晶分子中苯环结构和π键末端基团支配的，因此，这个性质实际上
是与分子的介电各向异性有关，具有大介电各向异性的分子常也有大的Δn，
但是也有例外的情况存在。在同系列化合物组成的组合物中，Δn常常与组分
的浓度成线性关系。因此一般含异硫氰基、氰基、酯基、烷氧基、苯环或炔键
的液晶都具有较大的光学各向异性。普通的TN、STN显示用混合液晶材料的
Δn一般在0.12至0.20之间，TFT显示用液晶材料的Δn一般在0.065至0.135
之间，PDLC及多稳态显示用液晶材料的Δn一般需要大于0.20，而3D立体
显示用液晶透镜（Liquid Crystal lens）的液晶材料的Δn一般要大于0.25。
由于混合液晶材料各组分的物理性能各不一样，因此很难实现理想的参数
组合，需要在单体液晶选择和组分配比方面做进一步的优化。
发明内容
本发明的目的之一是提供一种具有较大的双折射率的液晶组合物及其应
用。
本发明所提供的具有较大的双折射率的液晶组合物，同时还具有向列相的
上限温度高、向列相的下限温度低、旋转粘度低、高响应速度等特性。
该液晶组合物可用于TN显示、STN显示、PDLC显示、多稳态显示、相
位调制器及相机、手机相机、液晶快门3D眼镜、3D立体显示液晶夹缝光栅、
3D立体影像显示用可变焦液晶透镜（Liquid Crystal lens）等领域。
为实现上述目的，本发明所采取的技术方案是：
该液晶组合物，包括：以液晶组合物的总质量为100%，
式Ⅰ表示的向列型液晶化合物 0-70%，
式Ⅱ表示的向列型液晶化合物 0-50%，
式Ⅲ表示的向列型液晶化合物 0-50%，
式Ⅳ表示的向列型液晶化合物 0-30%，以及
式Ⅴ表示的向列型液晶化合物 0-30%；
该液晶组合物中，以式Ⅰ表示的向列型液晶化合物：
其中，R1、R2分别独立地为C1-10烷基、C1-10烷氧基、-NCS、-CN或
-F，K1、K2彼此独立地为H或F，
分别单独代表
该类化合物有极低的粘度，可有效降低混合物液晶配方的总体粘度，提高
响应速度。
式Ⅰ特别优选为下述化合物：
该组合物中，式Ⅰ化合物更优选的含量为0-45%，更有选的含量为
20%-44%。
式Ⅱ表示的向列型液晶化合物：
其中，R3、R4分别独立地为C1-10烷基、C1-10烷氧基、-NCS、-CN或
-F，K3、K4彼此独立地为H或F，Z为-COO-、-C≡C-或-CH2CH2-；
所示的向列型液晶化合物具有适中的双折射率（0.2-0.35）、相对较低的旋
转粘度（100-200mPa.S）以及相对较低的相变温度（50-100度），同时还具有
一定的Δε值（3-15），，可降低起始电压。
Ⅱ式代表的化合物优选为如下化合物：
式Ⅱ化合物更优选的质量分数为0-45%，更优选的含量为23%-40%。
式Ⅲ表示的向列型液晶化合物：
其中R5、R6分别独立地为C1-10烷基、C1-10烷氧基、-NCS、-CN或-F，
K5、K6、K7、K8、K9、K10彼此独立地为H或F，
分别单独代表
Ⅲ类化合物与二联苯炔类化合物相比，具有更高的清亮点，同时具有更大
的双折射率Δn，能有效地改善混合液晶组合物的Δn，从而减小液晶盒的盒厚，
提高响应速度。
式Ⅲ代表的化合物优选为如下化合物：
式Ⅲ化合物的含量特别优选为0-35%，更有选的含量为19%-39%。
式Ⅳ表示的向列型液晶化合物：
其中R7、R8分别独立地为C1-10烷基、C1-10烷氧基、-NCS、-CN或-F，
K11、K12、K13、K14、K15、K16彼此独立地为H或F，
为
X、Y分别为-COO-、-C≡C-或-CH2CH2-。
此类化合物有适中的双折射率、适中的清亮点、适中的起始电压，尤其更
重要的是有相对较高的弹性常数K11，能够有效地降低液晶组合物粘弹系数，
缩短响应时间。
Ⅳ代表的化合物特别优选地如下：
式Ⅳ化合物的含量特别优选为0-5%，更优选的含量为0%-2%。
式Ⅴ表示的向列型液晶化合物：
其中R9、R10分别独立地为C1-10烷基、C1-10烷氧基、-NCS、-CN或
-F，K17、K18彼此独立地为H或F，
分别彼此独立地为
此类化合物具有极低的旋转粘度，且双折射率不会太低，加入到混合液晶
体系中，能极大地降低体系的粘弹系数比，提高响应时间。
式Ⅴ代表的化合物特别优选地如下：
式Ⅴ化合物的含量特别优选为0-10%，更优选的含量为0%-5%。
另外，跟据需要可含有旋光物化合物，其中，需述的向列相液晶组合物与
所述的旋光物化合物的质量比为100∶0.01-100∶5.0，特别优选择地为100∶
0.01-100∶2.0。
上述旋光物主要包括但不仅限于以下几种物质：CB15、R/S-811、R/S-1011
等。
本发明的液晶组合物可采用常规方法将两种或多种液晶化合物混合生产。
如在高温下混合不同化合物并彼此溶解的方法制备。
本发明的有益效果是：区别于现有技术的情况，本发明向列型液晶组合物
通过改变该向列型液晶组合物的组成成分以及各成分的质量分数，而获得较大
的双折射率、和较低的旋转粘度，能够减少器件的盒厚及提高响应速度。
本发明向列相向列型液晶组合物还满足向列相的低起始电压、上限温度
高、向列相的下限温度低、旋转粘度低、高响应速度、光学各向异性大、介电
各向异性大、对紫外线的稳定性高、对热的稳定性高等特性中的至少一种特性。
本发明向列相向列型液晶组合物具有至少两种特性有关的适当的平衡性的特
点。
具体实施方式
下面是本发明的实施例，通过实施例并结合本发明的说明书，能清楚地理
解本发明，但本发明的范围并不限于这些实施例。
为了便于表达，以下各实施例中，液晶化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：nCPTWNCS。代码中的n
表示左端烷基的C原子数，例如n为3，即表示该烷基为-C3H7；代码中的C
代表环己烷基；代码中的P代表亚苯基；代码中的W代表3，5-二氟亚苯基；
代码中的NCS代表异硫氰基-NCS。
在实施例中需要检测的相关物理性能参数代号及检测条件列举如下：
实施例1：
实施例1的向列型液晶组合物由如下化合物组成，其中百分数代表质量分
数：
该实施例1的向列型液晶组合物性能参数表
Tni：
85℃
Tcn：
-20℃
ε∥
20.28
ε⊥
5.11
Δε：
15.17
Δn：
0.378
K11：
9.82
K33：
19.0
γ1：
104mpa.s
γ1/K11：
10.59
Vth：
0.77V
使用该液晶组合物的液晶透镜光栅，其响应时间T=540ms，对应的液晶透
镜焦距f＝1.02mm；而使用目前市场上已有的液晶材料E7，其响应时间
T=1210ms，对应的液晶透镜焦距f＝1.85mm。则使用本发明的液晶材料，响应
时间提升了55%，焦距减小了45%。
实施例2：
实施例2的向列型液晶组合物由如下化合物组成，其中百分数代表质量分
数：
该实施例2的向列型液晶组合物性能参数表
Tni：
83℃
Tcn：
-20℃
ε∥
20.63
ε⊥
5.49
Δε：
15.24
Δn：
0.354
K11：
10.7
K33：
16.4
γ1：
93mpa.s
γ1/K11：
8.87
Vth：
0.72V
使用该液晶组合物的液晶透镜光栅，其响应时间T=500ms，对应的液晶透
镜焦距f＝1.08mm；而使用目前市场上已有的液晶材料E7，其响应时间
T=1210ms，对应的液晶透镜焦距f＝1.85mm。则使用本发明的液晶材料，响应
时间提升了59%，焦距减小了42%。
实施例3：
实施例3的向列型液晶组合物由如下化合物组成，其中百分数代表质量分
数：
该实施例3的向列型液晶组合物性能参数表
Tni：
95℃
Tcn：
-15℃
ε∥
21.29
ε⊥
6.19
Δε：
15.2
Δn：
0.347
K11：
10.4
K33：
19
γ1：
113mpa.s
γ1/K11：
10.86
Vth：
0.63V
使用该液晶组合物的液晶透镜光栅，其响应时间T=605ms，对应的液晶透
镜焦距f＝1.10mm；而使用目前市场上已有的液晶材料E7，其响应时间
T=1210ms，对应的液晶透镜焦距f＝1.85mm。则使用本发明的液晶材料，响应
时间提升了50%，焦距减小了41%。
实施例4：
实施例4的向列型液晶组合物由如下化合物组成，其中百分数代表质量分
数：
该实施例4的向列型液晶组合物性能参数表
Tni：
90℃
Tcn：
-20℃
ε∥
21.21
ε⊥
4.65
Δε：
116.56
Δn：
0.387
K11：
11.4
K33：
18.8
γ1：
111mpa.s
γ1/K11：
10.61
Vth：
0.76V
使用该液晶组合物的液晶透镜光栅，其响应时间T=598ms，对应的液晶透
镜焦距f＝1.01mm；而使用目前市场上已有的液晶材料E7，其响应时间
T=1210ms，对应的液晶透镜焦距f＝1.85mm。则使用本发明的液晶材料，响应
时间提升了51%，焦距减小了45%。
实施例5：
实施例5的向列型液晶组合物由如下化合物组成，其中百分数代表质量分
数：
实施例5的向列型液晶组合物性能参数表
Tni：
78℃
Tcn：
-20℃
ε∥
19.78
ε⊥
4.72
Δε：
15.06
Δn：
0.337
K11：
10.9
K33：
17.8
γ1：
101mpa.s
γ1/K11：
9.26
Vth：
0.76V
使用该液晶组合物的液晶透镜光栅，其响应时间T=540ms，对应的液晶透
镜焦距f＝1.15mm；而使用目前市场上已有的液晶材料E7，其响应时间
T=1210ms，对应的液晶透镜焦距f＝1.85mm。则使用本发明的液晶材料，响应
时间提升了55%，焦距减小了38%。
实施例6：
实施例6的向列型液晶组合物由如下化合物组成，其中百分数代表质量分
数：
该实施例6的向列型液晶组合物性能参数表
Tni：
85℃
Tcn：
-20℃
ε∥
20.87
ε⊥
4.83
Δε：
16.14
Δn：
0.371
K11：
11.1
K33：
19.8
γ1：
75mpa.s
γ1/K11：
6.75
Vth：
0.81V
使用该液晶组合物的液晶透镜光栅，其响应时间T=470ms，对应的液晶透
镜焦距f＝1.02mm；而使用目前市场上已有的液晶材料E7，其响应时间
T=1210ms，对应的液晶透镜焦距f＝1.85mm。则使用本发明的液晶材料，响应
时间提升了61%，焦距减小了45%。
实施例7：
实施例7的向列型液晶组合物由如下化合物组成，其中百分数代表质量分
数：
该实施例7的向列型液晶组合物性能参数表
Tni：
90℃
Tcn：
-20℃
ε∥
24.91
ε⊥
5.12
Δε：
19.79
Δn：
0.415
K11：
11.9
K33：
21.7
γ1：
86mpa.s
γ1/K11：
7.22
Vth：
0.76V
使用该液晶组合物的液晶透镜光栅，其响应时间T=485ms，对应的液晶透
镜焦距f＝0.85mm；而使用目前市场上已有的液晶材料E7，其响应时间
T=1210ms，对应的液晶透镜焦距f＝1.85mm。则使用本发明的液晶材料，响应
时间提升了60%，焦距减小了54%。
另，对上述七个实施例，可根据实际需要加入旋光物化合物作为第Ⅵ类化
合物，其含量为该向列型液晶组合物质量分数的0-5%，特别优选地为0-1%，
上述的旋光物主要包括但不仅限于以下几种手性添加剂：如CB15、R-811、
S-811、R-1011、S-1011等。
本发明的实施例1-7中，双折射率Δn分别为0.337、0.347、0.354、0.371、
0.378、0.387和0.415，都属于较大的双折射率，而且本身具有化学稳定性高、
光稳定性高的特点，除了满足上述要求外，还具有如下有益效果：
1、起始电压为0.63V到0.81V之间，满足低起始电压；Tcn为-20℃--15℃，
Tni为78-112℃之间，即向列相上限温度高、下限温度低，对温度依赖性较低；
2、旋转粘度γ1分别为75mpa.s、86mpa.s、93mpa.s、101mpa.s、104mpa.s、
111mpa.s以及113mpa.s，都属于较低的旋转粘度；
3、更重要的，本发明的实施例1-7具有很低的粘弹系数比，均在11以下，
而粘弹系数是影响响应时间一个很重要的因素；
本发明液晶组合物通过改变该向列型液晶组合物的组成成分以及各成分
的质量分数，而获得较大的双折射率、从而减小向列型液晶显示器盒厚的厚度
值、增加响应速度，使液晶显示产品走向轻薄化。
综上所述，本发明的液晶组合物还具有向列相低起始电压、上限温度高、
向列相的下限温度低、旋转粘度低、高响应速度等特性。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利
用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运
用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。