用于光学补偿弯曲模式液晶显示器的液晶组成物.pdf

用于光学补偿弯曲模式液晶显示器的液晶组成物
    【技术领域】

    本发明是有关于液晶组成物，特定而言是有关于用于光学补偿弯曲模式液晶显示器的液晶组成物。

    背景技术

    近年来，显像技术的发展日新月异，使得体积薄、重量轻且具有低电磁辐射的液晶显示器(Liquid Crystal Display；LCD)，已逐渐成为显示器的主流产品。液晶一般可依凝结构造不同而分为三种：向列型液晶(nematic liquid crystal)、层列型液晶(smectic liquidcrystal)及胆固醇型液晶(cholesteric liquid crystal)。其中，弯曲向列型液晶模态(Bend Nematic Mode)最初是由P.J.Bos的研发团队于公元1984年所发现并提出其结构概念。若以水平配向液晶(Homogeneous cell)基板的配向摩擦(Rubbing)方向为基准的话(反平行磨擦处理)，要得到弯曲向列型液晶模态排列的方法为将此基准的某一磨擦方向以π方向做旋转且施以单向磨擦，即上下基板施以平行磨擦处理，故此模态称的为「π-cell 」，其结构图如图1所示，又称为「光学补偿弯曲(Optically Compensated Bend；OCB)模式」。

    弯曲向列型液晶模态具有自我补偿(Self-Compensating)的光学特性，同时亦有广视角及电光学高速应答的优点，故被视为可用于液晶电视及监视器等次世代液晶显示模式之一。然而，此模态目前尚有仍待须克服的技术问题，其中一项就是穿透率曲线不重合问题。

    图2是显示光学补偿弯曲(Optically Compensated Bend；OCB)模式的穿透率对电压曲线图(T-V curve)。升电压时，液晶分子的配向的确是从扩张状态(splay state)转换到弯曲状态(bend state)。但在降电压时，分子的转换动作却不是直觉地从弯曲状态(bend state)直接转换到扩张状态(splay state)，而是会先经过短暂的扭转状态(twist state)才会逐渐转换到扩张状态(splay state)。从拓朴学理论中可了解，扩张状态(splay state)和弯曲状态(bend state)两者是属于不连续转换，而扭转状态(twist state)和弯曲状态(bend state)却是属于连续体转换，故弯曲状态(bend state)在较低电压下会因为自然界连续体转换而很自然地转换成扭转状态(twist state)，如图3所示。从图2的电压降低曲线上有一处凹陷部份可得知弯曲状态(bend state)在较低电压下并不稳定，随时都会转成扭转状态(twiststate)。在此情况下，扭转状态(twist state)转换到扩张状态(splay state)因为亦为不连续的转换动作，故又要花上一段时间回复成稳定的扩张状态(splay state)。是故，从图2可观察到升电压曲线和降电压曲线几乎为不重合，此意谓施加同一电压的情况下可能会有两种不同的光穿透率，继而影响对比值与光度(Gamma)值，对于应用在显示器面板上是待欲解决的问题。

    此外，另一待解决的问题即如上所述，参照图3，扩张状态(splay state)和弯曲状态(bend state)两者是属于不连续转换，而扭转状态(twist state)和弯曲状态(bend state)却是属于连续体转换，亦即从扩张状态(splay state)转换至弯曲状态(bend state)所需克服的自由能较从扭转状态(twist state)转换至弯曲状态(bend state)所需克服的自由能为高。由于弯曲状态为光学补偿弯曲模式液晶显示器的工作状态，且习知技艺是如图2所示从扩张状态(splay state)转换至弯曲状态(bend state)，故习知技艺从扩张状态(splaystate)转换至工作状态即弯曲状态(bend state)需要冗长的时间，且需要施加相当大的电压。

    因此，现今仍需一能解决上述穿透率曲线不重合及转换状态所需时间冗长的问题的液晶组成物。

    【发明内容】

    鉴于上述习知技艺的穿透率曲线不重合及转换状态所需时间冗长的缺陷，本发明提供一新颖的用于光学补偿弯曲模式液晶显示器的液晶组成物。

    于一观点中，本发明是揭露一种液晶组成物，包含向列型液晶材料，以及对掌右旋性活化物，上述对掌右旋性活化物是如式(1)所示：

    

    式(1)

    于另一观点中，本发明是揭露一种液晶组成物，包含向列型液晶材料，以及对掌右旋性活化物，上述对掌右旋性活化物是如式(6)所示，

    

    式(6)

    其中X及Y代表卤素、氰基、硫氰基、带有1-30个碳原子的直链烷基或支链烷基、一个氢由卤素、氰基或硫氰基取代的带有1-30个碳原子的直链烷基或支链烷基、或碳原子与碳原子中间插入有-O-、-S-、-NH-、-CO-、-COO-、-OCO-、-OCO-O-、-S-CO-、-CO-S-、-CH＝CH-或-C≡C-的带有1-30个碳原子的直链烷基或支链烷基。

    于又另一观点中，本发明是揭露一种液晶组成物，包含向列型液晶材料，以及对掌右旋性活化物，上述对掌右旋性活化物是如式(7)所示，

    

    式(7)

    其中X及Y代表卤素、氰基、硫氰基、带有1-30个碳原子的直链烷基或支链烷基、一个氢由卤素、氰基或硫氰基取代的带有1-30个碳原子的直链烷基或支链烷基、或碳原子与碳原子中间插入有-O-、-S-、-NH-、-CO-、-COO-、-OCO-、-OCO-O-、-S-CO-、-CO-S-、-CH＝CH-或-C≡C-的带有1-30个碳原子的直链烷基或支链烷基。

    本发明的一优点是为本液晶组成物可减少液晶分子转换成弯曲状态(bend state)所需时间及所需施加电压。

    本发明的另一优点是为本液晶组成物可缩短液晶的应答时间。

    本发明的又另一优点是为本液晶组成物可解决穿透率曲线不重合的问题，使施加同一电压的情况下不会有两种不同的光穿透率产生。

    此类及其它优点以下较佳实施例的叙述并伴随后附图式及申请专利范围将使读者得以清楚了解本发明。

    【附图说明】

    本发明可藉由说明书中的若干较佳实施例及详细叙述与后附图式而得以了解。图式中相同的组件符号是指本发明中的同一组件。然而，应理解者为，本发明的所有较佳实施例是仅用以说明而非用以限制申请专利范围，其中：

    图1是显示从水平配向液晶得到弯曲向列型液晶模态排列的程序。

    图2是显示习知技艺中光学补偿弯曲模式的穿透率对电压曲线图。

    图3是显示光学补偿弯曲模式升降电压结构转换的示意图。

    图4是根据本发明的一实施例显示具有对掌手征性质的苯酸醚类的右旋性活化物的制备方法的步骤图。

    图5是显示一光学补偿弯曲模式的液晶盒结构。

    图6是显示扩张状态配置成扭转状态的示意图。

    图7是根据本发明的一实施例显示重量浓度百分比为0.3wt％的穿透率对电压曲线图。

    图8是根据本发明的一实施例显示重量浓度百分比为0.5wt％的穿透率对电压曲线图。

    图9是根据本发明的一实施例显示重量浓度百分比为0.7wt％的穿透率对电压曲线图。

    图10是根据本发明的一实施例显示不同重量浓度百分比下的应答时间。

    图11是根据本发明的另一实施例显示不同重量浓度百分比下的应答时间。

    图12是根据本发明的又另一实施例显示不同重量浓度百分比下的应答时间。

    【主要组件符号说明】

    101 上基板

    102 下基板

    103 间隔物

    104 液晶混合液

    105 配向摩擦方向

    106 透明电极层

    107 配向膜

    【具体实施方式】

    本发明将以较佳实施例及观点加以叙述，此类叙述是解释本发明的结构及程序，仅用以说明而非用以限制本发明的申请专利范围。因此，除说明书中的较佳实施例以外，本发明亦可广泛实行于其它实施例中。

    本发明是提供一种用于光学补偿弯曲模式液晶显示器的液晶组成物。于一实施例中，本发明的用于光学补偿弯曲模式液晶显示器的液晶组成物包含向列型液晶材料以及具有对掌手征性质(chiral dopant)的右旋性活化物。于本发明的一实施例中，上述具有对掌手征性质的右旋性活化物可为苯酸醚类的右旋性活化物。上述具有对掌手征性质的右旋性活化物可促使液晶分子产生往右旋转的能量性。于本发明的一实施例中，上述具有对掌手征性质的苯酸醚类的右旋性活化物的结构式是如式(1)所示：

    

    式(1)

    于一实施例中，上述式(1)所示的具有对掌手征性质的苯酸醚类的右旋性活化物的制备方法是如图4所示，且将叙述如下。首先，预备4-羟基苯甲酸以及一氯辛烷(C₈H₁₇Cl)，并置于一反应瓶内。接着，加入氢氧化钠(NaOH)及水(H₂O)至上述反应瓶内，以作为催化剂。在80℃下以转速70rpm搅拌上述混合液，使其反应1.5小时，以生成4-辛氧基苯甲酸。另则，预备4-羟基苯甲酸以及2-辛醇，并置于另一反应瓶内。接着，加入偶氮二甲酸二异丙酯(Diisopropyl Azodicarboxylate；DIAD)、三苯基磷(TriphenylPhosphine；PPh3)以及四氢呋喃(Tetrahydrofuran；THF)至上述另一反应瓶内，以作为催化剂。在60℃下以转速70rpm搅拌上述混合液，使其反应4小时，以生成4-羟基苯甲酸-2’-辛酯。接续，将上述4-辛氧基苯甲酸及4-羟基苯甲酸-2’-辛酯混合，并加入N，N-二环己基碳二亚胺(N，N-dicyclohexylcarbodiimide；DCC)、4-二甲氨基啶(4-Dimethylaminopyridine；DMAP)以及四氢呋喃(Tetrahydrofuran；THF)以作为催化剂。在30℃下以转速100rpm搅拌上述混合液，使其反应30小时，以生成上述具有对掌手征性质的苯酸醚类的右旋性活化物。

    于本发明的一实施例中，向列型液晶材料可为台湾默克(Merck)所制造的向列型液晶材料E7。于一实施例中，向列型液晶材料E7包含四种不同比例的纯液品，例如51％的K15(5CB)、25％的K21(7CB)、16％的M24(80CB)以及8％的T15。K15的结构式是如式(2)所示：

    

    式(2)

    K21的结构式是如式(3)所示：

    

    式(3)

    M24的结构式是如式(4)所示：

    

    式(4)

    T15的结构式是如式(5)所示：

    

    式(5)

    于一实施例中，向列型液晶材料E7的黏滞系数(η)为39cps。向列型液晶材料E7于常温下的平行于液晶长轴方向的折射率(n_o)为1.5216，垂直于液晶长轴方向的折射率(n_e)为1.7462，故双折射率(Δn)为0.2246。向列型液晶材料E7在-10~61℃时是为向列(nematic)相。向列型液晶料E7于常温下的平行于液晶长轴方向的介电系数(ε//)为19，垂直于液晶长轴方向的介电系数(ε⊥)为5.2，故介电系数差(Δε)为13.8。向列型液晶材料E7的密度是为1.0282(克/毫升)。

    为能让液晶的初期配向为扩张配向(splay alignment)转至180度扭转配向(twist 180°alignment)，本发明以具有对掌手征性质的右旋性苯酸醚类活化物为溶质，向列型液晶材料E7为溶剂，并利用微量天平仪及滴管在加热平台上进行各种不同重量浓度的混合调配动作，以制成液晶混合液。由于扭转状态(twist state)转换至弯曲状态(bend state)所需克服的自由能较小，故藉由本发明的液晶组成物使液晶的初期配向转至180度扭转配向，可促使转换至弯曲状态(bend state)所需时间及所需施加电压减少。之后，将制成的液晶混合液注入于上下基板的配向摩擦(rubbing)方向为同向平行的样本内，如第五图5所示。第五图5是显示一光学补偿弯曲模式的液晶盒结构。如第五图5所示，上基板101、下基板102及间隔物103之间所形成的空间内注入有液晶混合液104，上基板101与下基板102的配向摩擦方向(rubbing direction)105均为同向。上基板101及下基板102的内侧设有一层透明电极层106，其材料可为氧化铟锡(ITO)或氧化铟锌(IZO)，并于透明电极层106内侧再形成一层配向膜107，其材料可为聚亚酰胺(polyimide；PI)。于一实施例中，经过多次混合调配测试结果，本发明得到重量浓度百分比范在0.3wt％到0.7wt％之间可获得初期配向为180度扭转(twist 180°)结构，如图6所示。因此得出一状态稳定的扭转π-cell液晶分子架构，以利于应用时易于得到所需的弯曲(bend)灰阶显示工作区。于一实施例中，本发明调配三种不同的重量浓度百分比样本，即0.3wt％、0.5wt％、0.7wt％，并量测上述三种样本的穿透率对升降电压曲线，如图7至图9所示。参照图7至图9可发现穿透率曲线在升降电压下，其曲线为重合。是故，本发明遂解决同一电压下会有两个不同穿透率的问题，继而改善整体对比值及光度(Gamma)值，有助于应用在显示器上。此外，以应答时间的观点来观察，如第十图所示，右旋性苯酸醚类活化物在0.7wt％的应答时间是为最快，但由于右旋性苯酸醚类活化物在0.9wt％以上会使液晶扭转过度而变成胆固醇液晶，故右旋性苯酸醚类活化物的重量浓度百分比范围较佳在0.7wt％~0.9wt％内会有最佳的光学特性。于图10中T_r是代表升电压时间，而T_d是代表降电压时间，故T_r加上T_d是代表应答时间。

    于本发明的另一实施例中，向列型液晶材料可为上述台湾默克(Merck)所制造的向列型液晶材料E7，而具有对掌手征性质的右旋性活化物的结构式可如式(6)所示：

    

    式(6)

    其中，X及Y为末端基衍生物，X及Y代表卤素(例如氟(F)、氯(Cl)、溴(Br)或腆(I))、氰基(CN)、硫氰基(SCN)、带有1-30个碳原子的直链烷基或支链烷基、一个氢由卤素、氰基(CN)或硫氰基(SCN)取代的带有1-30个碳原子的直链烷基或支链烷基、或碳原子与碳原子中间插入有-O-、-S-、-NH-、-CO-、-COO-、-OCO-、-OCO-O-、-S-CO-、-CO-S-、-CH＝CH-或-C≡C-的带有1-30个碳原子的直链烷基或支链烷基。

    如上所述，本发明以具有对掌手征性质的右旋性性活化物为溶质，向列型液晶材料E7为溶剂，并利用微量天平仪及滴管在加热平台上进行各种不同重量浓度的混合调配动作，以制成液晶混合液。如上所述，由于扭转状态(twist state)转换至弯曲状态(bend state)所需克服的自由能较小，故藉由本发明的液晶组成物使液晶的初期配向转至180度扭转配向，可促使转换至弯曲状态(bend state)所需时间及所需施加电压减少。之后，将制成的液晶混合液注入于上下基板的配向摩擦(rubbing)方向为同向平行的样本内。于一实施例中，经过多次混合调配测试结果，本发明得到重量浓度百分比范围在0.5wt％到1.0wt％之间可获得初期配向为180度扭转(twist 180°)结构。重量浓度百分比低于0.5wt％以下时，其初期仍然为扩张(splay)排列，而重量浓度百分比高于1.0wt％时，会导致初期液晶分子扭转过头而变成胆固醇液晶排列。此外，以应答时间的观点基观察，如图11所示，具有对掌手征性质的右旋性活化物的重量浓度百分比范围在0.9wt％~1.0wt％内可获得较快的应答时间。

    于本发明的又另一实施例中，向列型液晶材料可为上述台湾默克(Merck)所制造的向列型液晶材料E7，而具有对掌手征性质的右旋性活化物的结构式可如式(7)所示：

    

    式(7)

    其中X及Y为末端基衍生物，X及Y代表卤素(例如氟(F)、氯(Cl)、溴(Br)或腆(I))、氰基(CN)、硫氰基(SCN)、带有1-30个碳原子的直链烷基或支链烷基、一个氢由卤素、氰基(CN)或硫氰基(SCN)取代的带有1-30个碳原子的直链烷基或支链烷基、或碳原子与碳原子中间插入有-O-、-S-、-NH-、-CO-、-COO-、-OCO-、-OCO-O-、-S-CO-、-CO-S-、-CH＝CH-或-C≡C-的带有1-30个碳原子的直链烷基或支链烷基。

    如上所述，本发明以具有对掌手征性质的右旋性活化物为溶质，向列型液晶材料E7为溶者，并利用微量天平仪及滴管在加热平台上进行各种不同重量浓度的混合调配动作，以制成液晶混合液。如上所述，由于扭转状态(twist state)转换至弯曲状态(bend state)所需克服的自由能较小，故藉由本发明的液晶组成物使液晶的初期配向转至180度扭转配向，可促使转换至弯曲状态(bend state)所需时间及所需施加电压减少。之后，将制成的液晶混合液注入于上下基板的配向摩擦(rubbing)方向为同向平行的样本内。于一实施例中，经过多次混合调配测试结果，本发明得到重量浓度百分比范围在0.6wt％到1.2wt％之间可获得初期配向为180度扭转(twist 180°)结构。重量浓度百分比低于0.6wt％以下，其初期仍然为扩张(splay)排列，而重量浓度百分比高于1.2wt％时，会导致初期液晶分子扭转过头而变成胆固醇液晶排列。此外，以应答时时间的观点来观察，如图12所示，具有对掌手征性质的右旋性活化物的重量浓度百分比范围在1.1wt％~1.2wt％内可获得较快的应答时间。

    是故，如上所述，本发明是提供一种用于光学补偿弯曲模式液晶显示器的液晶组成物，其可减少液晶分子转换成弯曲状态(bend state)所需时间及所需施加电压，并缩短液晶的应答时间，且解决穿透率曲线不重合的问题，使施加同一电压的情况下不会有两种不同的光穿透率产生。

    上述叙述是为本发明的较佳实施例。此领域的技艺者应得以领会其是用以说明本发明而非用以限定本发明所主张的专利权利范围。其专利保护范围当视后附的申请专利范围及其等同领域而定。凡孔熟悉此领域的技艺者，在不脱离本专利精神或范围内，所作的更动或润饰，均属于本发明所揭示精神下所完成的等效改变或设计，且应包含在下述的申请专利范围内。