含氟液晶显示技术

表 5 丙基双环己基三氟代苯与增加两个碳原子液晶分子的 性 能 数 据[13,15,23,24
序号
液晶化合物
相 变 温 度 /℃
Δε
10
C66.0 N94.1 I
9.7
11
C35.0 SmB42.0N100.8 I 9.3
12
C45.0 N82.8 I
9.4
13
C49.0 N135.9 I
9.8
表 3 中氰基取代的液晶分子△ε 值最大， 这也 是为什么含氰基液晶材料被广泛用于 TN 和 STN 液 晶混合物中的原因。但是由于 TFT 彩色液晶材料要 求 有 更 高 的 电 阻 率 （1014Ωcm）和 电 压 保 持 率 （ 大 于 98%），而 含 氰 基 液 晶 材 料 因 其 易 于 和 微 量 金 属 杂 质 络合而无法满足上述要求，所以液晶化学家们才将 注意 力 集 中 在 含 氟 液 晶 上 来 。△ε 值 其 次 的 是-SF5 作为端基的液晶分子，该化合物不但由于其液晶相温 度范围变窄，而且因粘度过大无法在实际中使用[13,14]。 表从由-CF3、-OCF3 和-OCHF2 作为端基的液晶分子 均 有 适 中 的△ε 值 （5.2~9.5）。尽 管 随 着△ε 值 的 增 加，液晶向列相稳定性下降，但是上述液晶化合物 在某些显示器件中仍有使用。 单氟取代的化合物 △ε 值最低， 但因其具有比较合适的液晶向列相温 度，通常器件中都会用到该类化合物。为了进一步 提高氟作为端基的液晶化合物△ε 值， 可以在分子 苯环末端引入多个氟原子，以进一步增加分子的极 性，引入后的结果见表 4。
1 彩色液晶显示器对液晶材料的基本 要求
彩色液晶显 示器的 主 流 显 示 模 式 分 为 TN 型 、
修 回 日 期 ：2010-07-08 作 者 简 介 ：李 文 博 （1985- ）， 女 ，山 西 运 城 人 ，硕 士 ，主 要 从 事 染 料 敏 化太阳能、液晶材料的研究。
VA 型和 IPS 型，各模式对所需液晶材料均有特定要 求，但是各种模式显示对液晶材料都具有基本的要 求，只有满足这些基本要求，才能在实际中得到应 用。一般显示器件要求液晶相变温度范围为-20 ℃~ 80 ℃，而特殊器件 ，比如摄像机 、照相机、车载 显示 器、飞机机舱等要求液晶相变温度范围更宽，要达 到-40 ℃~100 ℃[1]， 这 样就要求组 成混合液 晶的各 种单体具有更宽的液晶相变温度范围。所以寻找低 熔点、高清亮点的液晶单体化合物永远是液晶研发 要考虑的主要问题之一。其二是尽可能降低液晶材 料 的 粘 度[2]。由 于 液 晶 分 子 在 显 示 器 中 的 作 用 是 在 电场信号刺激下做往复运动，粘度越高，分子沿径 向运动和恢复所用的时间就越长，就是所谓的响应 速度越慢。随着高端显示器的发展需要，液晶的响 应速度要求越来越快，所以降低单体液晶化合物的 粘度也是高端液晶材料发展追求的目标。其三是增 大 介 电 各 向 异 性 （△ε） 。 [2-6] 液 晶 分 子 介 电 各 向 异 性 值的大小，表明分子的极性差异。表现在液晶显示 器中即为△ε 值越大，器件的操作电压越低，这不仅 意味着节省电力， 而且也会提高器件的响应速度。 尤其对于移动式显示器， 用大绝对值的△ε 液晶材 料是唯一的选择。其四是适中的双折射。双折射是
从表 4 数据可以看出，从单氟代、双氟代到三 氟代液晶化合物中，△ε 值也相应从 4.2 增加到 6.3 再 到 11.7，取 得 了 明 显 的 效 果 。但 是 其 相 应 向 列 相 温度范围也从 51.9 ℃降低到 49.6 ℃， 再进 一步到 29.8 ℃，所以在提高△ε 值的同时，减小了液晶向列 相的温度范围 。为 [13,19,15,20-22] 了寻找既有较大的△ε 值， 又能尽量保持液晶向列相温度范围的液晶分子，其 中最简便的方法之一就是增加分子的长度，所以在 分子中增加两个碳原子的液晶化合物被设计和合 成出来，它们的性能见表 5。
Br
I
C
N
O
2.96
2.66
2.55
3.00
3.50
1.38
1.19
-
-
-
30.5
47
-
-
-
1.85
1.98
1.70
1.55
1.52
1.94
2.13
-
-
-
64.3
50.7
-
-
-
作为取代基团。
3 分子中不同位置氟代对液晶材料性
能的影响
为了更为简便的讨论在液晶分子中不同位置
氟代后的性能变化情况，我将液晶分子用以下通式
X、Y 代表液晶分子中的端基和末端基，比如正烷基，-F， -Cl，-CN 等。
Z 代表液晶分子中连接在环骨架上的基团，称作侧向基， 比如侧向 F，Cl 等。
3.1 端基取代 氟或者含氟基团作为液晶分子的端基取代时，
通常主要是为了增加分子的极性，从而提高介电各 向异性。下面以烷基双环己基取代苯为例，观测不 同基团取代后的介电各向异性差别。
从表 5 可知，丙基双环己基三氟代苯的熔点是 66 ℃，向列相温度范围为 28 ℃，当增加的-CH2CH2处于苯环和环己基之间时（化合物 11），熔点下降到 35 ℃，向列相温度范围增加到 58.8 ℃，出现了近 晶 相；当增加 的-CH2CH2-处于两个 环己烷之 间 时 （化 合物 12），熔点下降到 45℃，向列相温度范围增加到 37.8 ℃，它们的介电各向异性值略有下降。特别有意 义的是将母体分子中的一个末端氟被偏二氟乙烯 氧基取代后 （化合物 13）， 其相变温度范围增加到 87 ℃，同时△ε 值还 略有 上 升 。 [13,24] 这 可 能 是 由 于 一 方面 F2C=CHO-的长度大于-CH2CH2-， 同时由于共 轭 作 用 ，F2C=CHO- 的 吸 电 作 用 比 单 个 氟 原 子 更 强 。 上述液晶化合物由于其优异的性能在各种显示器 中均得到了广泛使用。 3.2 侧基取代
2010 年第 41 卷第 8 期
文章编号:1006- 4184（2010）08- 0001- 07
氟化工
《浙江化工》
-1-
含氟液晶材料的发展趋势
李文博 姜 祎 陈新兵 安忠维 (陕西师范大学 化学与材料科学学院,陕西 西安 710062)
摘 要：综述了近年来含氟液晶材料的开发与应用进展，重点介绍了氟原子引入液晶母体分子中不 同位置对液晶性能的影响。文中结合液晶材料的相变温度、介电各向异性、双折射和粘度等数据，说明氟 取代液晶分子中的恰当位置，对上述性能具有明显的提高，从而满足其在高性能液晶显示器中的应用要 求。
密度增加和表面张力降低对液晶的光电性能影响
很小，但是粘 度从 0.29 增加到 0.66，说 明 全 氟 烷 基
的引入会增加液晶分子的粘度，对提高材料响应速
度不利，同时介电常数下降，至少可以说明全氟化
合物与碳氢化合物比较可极化度变小，从而降低分
子的介电各向异性值。所以对于现有模式的高端彩
色液晶显示材料来说，很少考虑引入长链全氟烷基
表 3 丙基双环己基取代苯的介电各向异性[13,14,15-18]
序号 1 2 3 4 5 6
R F OCHF2 OCF3 CF3 SF5 CN
相 变 温 度 /℃
Δε
C90.0 N156.0 I
3.0
C52.0 SmB69 N173.6 I
5.2
C39 SmB70.0 N154.7 I
6.9
C133.0 [N112.2] I
-2-
ZHEJIANG CHEMICAL INDUSTRY
Vol．41 No．8（2010）
反映液晶分子沿长轴的折射率和垂直长轴折射率
以上述液晶显示器对液晶材料的基本要求为
之差的统计值，它直接影响显示器的对比度、视角 标准，当氟原子引入液晶分子中引起的性能变化有
和清晰度，双折射一般要与所用显示器上下两块玻 利于增加介电各向异性值，降低粘度和拓宽向列相
劣势
表 1 有机分子中氟与其它元素取代的参数[7-9]
特性 电负性 C-X 偶极矩/D 可 极 化 性 /10-25cm-1
.ห้องสมุดไป่ตู้
范德华半径/A
.
C-X 键长/A C-X 键能/kcal·mol-1
H
F
Cl
2.20
3.98
3.16
0.4
1.41
1.46
6.67
5.57
21.8
1.20
1.47
1.75
1.09
关键词：含氟液晶；液晶显示；结构与性能
液晶显示器的快速发展已经取代了传统的阴 极射线管显示，成了当今信息显示领域的主流产品， 这也直接牵动液晶材料的快速发展， 据统计，2009 年全球液晶材料的消费量超过 300 t，而且随着液晶 显示器挺进家用电器，特别是家用大屏幕电视的成 功应用，对液晶材料从品质到响应速度都提出了更 高的要求， 而含氟液晶材料的成功开发和应用，不 仅满足了高端液晶显示器对液晶材料的基本要求， 而且引领了液晶材料的发展趋势。所以，对近年来 开发成功的含氟液晶材料从结构到性能进行总结 和类比，从中寻出氟原子的引入位置对性能的影响 规律，不仅对从事液晶材料的研发人员，而且对从 事液晶材料的应用和生产人员以及含氟精细化学 品的科技人员都具有十分重要的意义。本文通过搜 集文献报道的含氟液晶材料的物理参数，结合液晶 显示器发展对材料性能的要求，分析和总结了这些 规律，以期能对从事液晶材料及含氟精细化学品的 科技人员有所帮助。
9.5
C121.0 [N95.5] I
11.6
C75.0 N241.7 I
14.8
表
4
戊
基
环
己
基
多
氟
代
苯
液
晶