聚合物分散蓝相液晶材料及其制备方法、液晶显示装置

摘要

本发明涉及一种聚合物分散蓝相液晶材料，其中的聚合物为非液晶性聚合物。本发明还涉及所述聚合物分散蓝相液晶材料的制备和应用。本发明提供的聚合物分散蓝相液晶材料不仅可以大幅度拓宽液晶蓝相温域，同时具有毫秒级响应速度、宽视角和低驱动电压等优点；而且制备简单，效果显著。本发明提供的聚合物分散蓝相液晶材料稳定性好、粘度低、对电场响应速度快，本发明为开发兼具低电压、快速响应特性的实用型蓝相液晶材料提供了全新的设计思路，具有重要的理论意义和应用价值。

说明书

技术领域

本发明涉及液晶显示技术领域，具体涉及聚合物分散蓝相液晶材料及其制 备方法、液晶显示装置。

背景技术

进入二十一世纪以来，社会经济飞速发展，随着全球不可再生能源日益枯 竭，能源供需矛盾突现，如何提高能源的使用效率成为一个世界性难题，降低 能量消耗的理念已经渗透到人类社会生活的方方面面。目前，液晶显示器已经 成为信息化社会最主要的信息显示界面。据统计，我国液晶电视保有量已超过 1亿台，未来58年将达到34亿台，届时年消耗电力将超过500亿度，其中显 示器能耗占2/3以上。如果加上计算机和手机的液晶显示，耗电量则更为可观。 显示技术的节能和环保问题已经成为全社会不得不面对的一个重大课题。

液晶显示器的能耗主要来自背光源、驱动方式、液晶材料和外围材料。在 下一代液晶显示技术中，最受瞩目的就是蓝相液晶显示（BP-LCD）技术。与 现有的普通液晶显示技术相比，BP-LCD具有以下四大突出优点：（1）蓝相液 晶具有微秒级的电场响应速度，可以采用场序驱动，不需要彩色滤光片。滤光 片的成本占液晶显示器成本的16%左右，而且在其制备过程中需要使用大量有 机溶剂，背光源的光线在透过彩色滤光片时也要损失一定的亮度。省去彩色滤 光片，不仅可以降低液晶显示器成本，也有利于环保和提高背光源利用率。（2） 蓝相液晶由于宏观上呈现光学各向同性，其显示器基板内表面不再需要取向处 理，可以简化生产工艺，降低生产成本，有利于节能环保。（3）蓝相液晶显示 器具有较宽的视觉特性，不再需要视角补偿膜，且视觉宽窄可以根据实际需要 进行调控。（4）蓝相液晶显示器背光源的光透过率不受基板间隙的影响，生产 过程中基板间隙无需严格控制，从而可大幅度简化生产工艺，有利于大面积液 晶显示器的制备。与现有的普通液晶显示技术相比，BP-LCD的背光源能耗可 降低约1/3，生产能耗可降低约40％，原材料成本可降低约19%。BP-LCD具 有与普通液晶显示器相似的生产技术与工艺，两者生产设备可以共用，因此开 发蓝相液晶显示技术的核心是蓝相液晶显示材料。

2002年，杨槐与Kikuchi等人一起合作研究，并发明了聚合物稳定蓝相液 晶复合材料；基于该技术，三星公司在2008年的Display Week展会上推出 了世界上第一个聚合物稳定蓝相液晶显示模型机，在显示领域引起巨大反响。 该蓝相液晶显示器具有240Hz或更高的图像驱动速率，呈现出自然的移动画 面。目前基于聚合物稳定蓝相液晶材料制作液晶显示器主要存在两大障碍：一 是宽温域聚合物稳定蓝相液晶难以实现高均一性大面积生产；二是聚合物网络 微结构难以精确控制，且由于聚合物稳定蓝相液晶中聚合物单体的含量通常小 于10wt%，聚合物网络在电场损伤下极其容易发生形变，最终大幅度缩短液晶 显示器寿命。

众所周知，聚合物分散液晶是将向列相液晶微滴均匀的分散在聚合物基体 中而形成的复合材料，由于聚合物分散液晶具有优异的电光性能且容易实现大 面积生产，目前已被广泛运用在大尺寸柔性显示器件、非线性光学材料、电控 智能玻璃、液晶光栅等方面。本发明提供一种新型聚合物分散蓝相液晶材料及 其制备方法，不仅可以大幅度拓宽液晶蓝相温域，同时所获得的聚合物分散蓝 相液晶具有毫秒级响应速度、宽视角和低驱动电压等优点；而且制备简单，效 果显著，所制备的体系稳定性好、粘度低、对电场响应速度快，对于开发兼具 宽温域、低驱动电压和高电场稳定特性的实用型蓝相液晶复合材料，有着重要 的理论意义和实用价值。

发明内容

为了解决现有技术的缺陷，本发明提供一种聚合物分散蓝相液晶材料及其 制备方法、液晶显示装置。

本发明涉及一种聚合物分散蓝相液晶材料，其中的聚合物为非液晶性聚合 物。

其中，所述聚合物与蓝相液晶的重量比为10～30：70～90。

进一步地，聚合物与蓝相液晶的重量比优选为20：80。

本发明还涉及一种制备聚合物分散蓝相液晶材料的方法，包括如下步骤：

101.将具有光可聚合官能团的非液晶性化合物与蓝相液晶按10～30： 70～90的重量比混合，并加入光引发剂，形成聚合物分散蓝相液晶预聚体；

102.将所述聚合物分散蓝相液晶预聚体保持在蓝相状态，通过紫外照射使 具有光可聚合官能团的非液晶性化合物间发生交联反应形成高分子网络。

所述蓝相液晶优选为蓝相温域大于5.0℃，粘度34-45mPa，熔点为-20℃～ -15℃，清亮点为68～88℃的蓝相液晶。

进一步地，所述具有光可聚合官能团的非液晶性化合物与蓝相液晶的重量 比优选为20：80。

所述具有光可聚合官能团的非液晶性化合物优选为非液晶性丙烯酸酯。

所述具有光可聚合官能团的非液晶性化合物中，单官能度化合物与多官能 度化合物的摩尔百分比优选为1∶1～9。

进一步地，所述具有光可聚合官能团的非液晶性化合物中，单官能度化合 物与多官能度化合物的摩尔百分比优选为1:4。

所述光引发剂的用量为所述具有光可聚合官能团的非液晶性化合物用量 的0.5wt%～1.5wt%。

所述光引发剂为紫外光诱导引发剂，在紫外线照射下，诱导聚合物单体发 生聚合反应。

本发明还涉及一种液晶显示装置，该液晶显示装置包含上述聚合物分散蓝 相液晶材料。

本发明至少存在如下有益技术效果：

本发明提供的聚合物分散蓝相液晶材料不仅可以大幅度拓宽液晶蓝相温 域，同时具有毫秒级响应速度、宽视角和低驱动电压等优点；而且制备简单， 效果显著。本发明提供的聚合物分散蓝相液晶材料稳定性好、粘度低、对电场 响应速度快，本发明为开发兼具低电压、快速响应特性的实用型蓝相液晶材料 提供了全新的设计思路，具有重要的理论意义和应用价值。

附图说明

图1-1：单官能度可聚合单体TMHA；

图1-2：双官能度可聚合单体BDDA；

图1-3：三官能度可聚合单体TMPTA；

图2：光引发剂的结构式；

图3：实施例1制备的聚合物分散蓝相液晶电压-透过率曲线；

图4：实施例2制备的聚合物分散蓝相液晶电压-透过率曲线；

图5：实施例3制备的聚合物分散蓝相液晶电压-透过率曲线；

图6：实施例4制备的聚合物分散蓝相液晶电压-透过率曲线；

图7：实施例5制备的聚合物分散蓝相液晶电压-透过率曲线。

图8：实施例6制备的聚合物分散蓝相液晶电压-透过率曲线。

具体实施方式

本发明涉及一种聚合物分散蓝相液晶材料，其中的聚合物为非液晶性聚合 物。

其中，所述聚合物与蓝相液晶的重量比为10～30：70～90。

进一步地，聚合物与蓝相液晶的重量比优选为20：80。

本发明还涉及一种制备聚合物分散蓝相液晶材料的方法，包括如下步骤：

101.将具有光可聚合官能团的非液晶性化合物与蓝相液晶按10～30： 70～90的重量比混合，并加入光引发剂，形成聚合物分散蓝相液晶预聚体；

102.将所述聚合物分散蓝相液晶预聚体保持在蓝相状态，通过紫外照射使 具有光可聚合官能团的非液晶性化合物间发生交联反应形成高分子网络。

所述蓝相液晶优选为蓝相温域大于5.0℃，粘度34-45mPa，熔点为-20℃～ -15℃，清亮点为68～88℃的蓝相液晶。

进一步地，所述具有光可聚合官能团的非液晶性化合物与蓝相液晶的重量 比优选为20：80。

所述具有光可聚合官能团的非液晶性化合物优选为非液晶性丙烯酸酯。

所述具有光可聚合官能团的非液晶性化合物中，单官能度化合物与多官能 度化合物的摩尔百分比优选为1:1～9。

进一步地，所述具有光可聚合官能团的非液晶性化合物中，单官能度化合 物与多官能度化合物的摩尔百分比优选为1:4。

所述光引发剂的用量为所述具有光可聚合官能团的非液晶性化合物用量 的0.5wt%～1.5wt%。

所述光引发剂为紫外光诱导引发剂，在紫外线照射下，诱导聚合物单体发 生聚合反应。

本发明还涉及一种液晶显示装置，该液晶显示装置包含上述聚合物分散蓝 相液晶材料。

以下列举实施例具体说明本发明的聚合物分散蓝相液晶材料及其制备方 法、液晶显示装置。但本发明并不限于下述实施例。

实施例1

步骤一，宽温域母体蓝相液晶的制备：

本实施例所用宽温域蓝相液晶的成分为82.0wt%混晶SLC-X (YongshengHuatsing Liquid Crystal Co.,Ltd,Δn=0.235,Δε=29.6at 298K)， 10.0wt%R811和8.0wt%Iso-(6OBA)₂，该蓝相液晶具有约10.0℃的蓝相温域。 其中，所用的手性化合物R811和Iso-(6OBA)₂（购自德国Merk公司），结构式 如下：

该蓝相液晶的粘度为35mPa，熔点为-15℃，清亮点为86℃。

该蓝相液晶的制备方法如下：

将82.0wt%混晶SLC-X，10.0wt%R811和8.0wt%Iso-(6OBA)₂混合， 加热至清亮点以上，保温约30分钟，并通过磁力搅拌器充分搅拌，即可获得 所需蓝相液晶材料。

步骤二，聚合物分散蓝相液晶预聚体的制备：

将具有光可聚合官能团的非液晶性化合物TMHA和BDDA作为聚合单体 （结构如图1-1和1-2所示），且TMHA/BDDA=1/4(摩尔比)，与蓝相液晶按质 量比10：90混配，再加入所述具有光可聚合官能团的非液晶性化合物用量 0.5wt%～1.5wt%的光引发剂（结构如图2所示），充分搅拌均匀后即可制得聚 合物分散蓝相液晶预聚体。

步骤三，制备聚合物分散蓝相液晶材料：

将上述搅拌均匀后的聚合物分散蓝相液晶预聚体，利用虹吸原理灌入液晶 盒中；通过精密控温热台将样品保持在蓝相状态，用紫外光照射30分钟，使 具有光可聚合官能团的非液晶性化合物间发生交联反应形成高分子网络，即可 得到聚合物分散蓝相液晶材料。

步骤四：聚合物分散蓝相液晶材料的效果检测：

利用偏光显微镜进行蓝相液晶织构的观察，并确定相变温度，利用液晶综 合参数测试仪测定混合材料的电光性能。

本发明对聚合物分散蓝相液晶进行电光性能测试方法：

宏观上，当没有施加外部电场（E）时，聚合物分散蓝相液晶是呈现光学 各向同性。随着外加电场的增大，其电场方向上变为各向异性，这种电致双折 射现象遵循克尔效应，即在一定场强范围内，电场诱导产生的双折射率Δn_induced与电场强度E、检测波长λ、材料克尔常数K满足以下关系：

Δn_induced＝λKE ²    (1)

因此，聚合物分散蓝相液晶材料的电光性能测试主要是测量液晶的电致双 折射率Δn_induced。首先将所制备的蓝相液晶预聚体利用虹吸原理灌入到具有面内 电极的液晶盒（IPS盒，电极宽度为5.0微米，电极间距为5.0微米，盒间隙用 垫片保持在10.0微米）中，样品的放置方向与入射光方向成45°角，温度由热 台(Linkam LK-600PM)可精确控制（精确度为0.1℃）。为了测量电致双折射率 Δn_induced，在IPS盒的两电极间施加由功率放大器和函数发生器提供的频率为 60Hz的矩形交变电流。样品液晶盒置于两正交偏振片之间，并利用光电二极 管探测通过液晶盒的光强。由公式（2）知：

I_out＝L_insin²(φ/2)(2)

其中，I_in为入射光强度，I_out为出射光强度，φ为光阻滞角。诱导双折 射率Δn_induced可通过公式（3）计算得到，其中d表示光程长度，即液晶盒上下 两基板之间的距离。

φ＝2πΔn_inducedd/λ    (3)

利用偏光显微镜进行蓝相液晶织构的观察，并确定相变温度，发现聚合物 分散蓝相液晶具有包括室温在内的大于30℃的蓝相温域（20-50℃），利用液晶 综合参数测试仪测定聚合物分散蓝相液晶的电光性能，图3为所制备的聚合物 分散蓝相液晶电压-透过率曲线，该样品的驱动电压约为100V，响应速度小于 1ms。

实施例2

步骤一，宽温域母体蓝相液晶的制备：

本实施例所用宽温域蓝相液晶的成分为82.0wt%混晶SLC-X (YongshengHuatsing Liquid Crystal Co.,Ltd,Δn=0.235,Δε=29.6at 298K)， 10.0wt%R811和8.0wt%Iso-(6OBA)₂，该蓝相液晶具有约10.0℃的蓝相温域。 其中，所用的手性化合物R811和Iso-(6OBA)₂结构式如下：

该蓝相液晶的粘度为35mPa，熔点为-15℃，清亮点为86℃。

该蓝相液晶的制备方法如下：

将82.0wt%混晶SLC-X，10.0wt%R811和8.0wt%Iso-(6OBA)₂混合， 加热至清亮点以上，保温约30分钟，并通过磁力搅拌器充分搅拌，即可获得 所需蓝相液晶材料。

步骤二，聚合物分散蓝相液晶预聚体的制备：

将具有光可聚合官能团的非液晶性化合物TMHA和BDDA作为聚合单体 （结构如图1-1和1-2），且TMHA/BDDA=1/4(摩尔比)，与蓝相液晶按质量比 例为30：70混配，再加入所述具有光可聚合官能团的非液晶性化合物用量 0.5wt%～1.5wt%的光引发剂（结构如图2），充分搅拌均匀后即可制得聚合物 分散蓝相液晶预聚体。

步骤三，制备聚合物分散蓝相液晶材料：

将上述搅拌均匀后的聚合物分散蓝相液晶预聚体，利用虹吸原理灌入液晶 盒中；通过精密控温热台将样品保持在蓝相状态，用紫外光照射40分钟，使 具有光可聚合官能团的非液晶性化合物间发生交联反应形成高分子网络，即可 得到聚合物分散蓝相液晶材料。

步骤四，效果检测：

利用偏光显微镜进行蓝相液晶织构的观察，并确定相变温度，发现聚合物 分散蓝相液晶具有包括室温在内的大于60℃的蓝相温域（10-70℃），利用液晶 综合参数测试仪测定聚合物分散蓝相液晶的电光性能，图4为所制备的聚合物 分散蓝相液晶电压-透过率曲线，该样品的驱动电压约为110V，响应速度小于 1ms。

实施例3

步骤一，宽温域母体蓝相液晶的制备：

本实施例所用宽温域蓝相液晶的成分为60.0wt%混晶SLC-1717 (YongshengHuatsing Liquid Crystal Co.,Ltd,Δn=0.22,Δε=12.2at 298K)和 40.0wt%R811，该蓝相液晶具有约8.0℃的蓝相温域。其中，所用的手性化合 物R811结构式如下：

该蓝相液晶的粘度为45mPa，熔点为-20℃，清亮点为68℃。

该蓝相液晶的制备方法如下：

将60.0wt%混晶SLC-1717和40.0wt%R811混合，加热至清亮点以上， 保温约30分钟，并通过磁力搅拌器充分搅拌，即可获得所需蓝相液晶材料。

步骤二，聚合物分散蓝相液晶预聚体的制备：

将具有光可聚合官能团的非液晶性化合物TMHA和TMPTA作为聚合单体 （结构如图1-1和1-3），且TMHA/TMPTA=1/4(摩尔比)，与蓝相液晶按质量 比例为30：70混配，再加入所述具有光可聚合官能团的非液晶性化合物用量 0.5wt%～1.5wt%的光引发剂（结构如图2），充分搅拌均匀后即可制得聚合物 分散蓝相液晶预聚体。

步骤三，制备聚合物分散蓝相液晶材料：

将上述搅拌均匀后的聚合物分散蓝相液晶预聚体，利用虹吸原理灌入液晶 盒中；通过精密控温热台将样品保持在蓝相状态，用紫外光照射30分钟，使 具有光可聚合官能团的非液晶性化合物间发生交联反应形成高分子网络，即可 得到聚合物分散蓝相液晶材料。

步骤四，效果检测：

利用偏光显微镜进行蓝相液晶织构的观察，并确定相变温度，发现聚合物 分散蓝相液晶具有包括室温在内的大于70℃的蓝相温域（5-75℃），利用液晶 综合参数测试仪测定聚合物分散蓝相液晶的电光性能，图5为所制备的聚合物 分散蓝相液晶电压-透过率曲线，该样品的驱动电压约为120V，响应速度小于 1ms。

实施例4

步骤一，宽温域母体蓝相液晶的制备：

本实施例所用宽温域蓝相液晶的成分为92.0wt%混晶SLC-X (YongshengHuatsing Liquid Crystal Co.,Ltd,Δn=0.235,Δε=29.6at 298K)和8.0 wt%Iso-(6OBA)₂，该蓝相液晶具有约5.0℃的蓝相温域。

该蓝相液晶的粘度为34mPa，熔点为-16℃，清亮点为88℃。

该蓝相液晶的制备方法如下：

将92.0wt%混晶SLC-X和8.0wt%Iso-(6OBA)₂混合，加热至清亮点以 上，保温约30分钟，并通过磁力搅拌器充分搅拌，即可获得所需蓝相液晶材 料。

步骤二，聚合物分散蓝相液晶预聚体的制备：

将具有光可聚合官能团的非液晶性化合物TMHA、BDDA和TMPTA作为 聚合单体（结构如图1-1、1-2和1-3），且TMHA/BDDA/TMPTA=1/2/3(摩尔比)， 与蓝相液晶按质量比例为20：80混配，再加入所述具有光可聚合官能团的非 液晶性化合物用量0.5wt%～1.5wt%的光引发剂（结构如图2），充分搅拌均匀 后即可制得聚合物分散蓝相液晶预聚体。

步骤三，制备聚合物分散蓝相液晶材料：

将上述搅拌均匀后的聚合物分散蓝相液晶预聚体，利用虹吸原理灌入液晶 盒中；通过精密控温热台将样品保持在蓝相状态，用紫外光照射30分钟，使 具有光可聚合官能团的非液晶性化合物间发生交联反应形成高分子网络，即可 得到聚合物分散蓝相液晶材料。

步骤四，效果检测：

利用偏光显微镜进行蓝相液晶织构的观察，并确定相变温度，发现聚合物 分散蓝相液晶具有包括室温在内的大于60℃的蓝相温域（10-70℃），利用液晶 综合参数测试仪测定聚合物分散蓝相液晶的电光性能，图6为所制备的聚合物 分散蓝相液晶电压-透过率曲线，该样品的驱动电压约为105V，响应速度小于 1ms。

实施例5

步骤一，宽温域母体蓝相液晶的制备：

本实施例所用宽温域蓝相液晶的成分为92.0wt%混晶SLC-X (YongshengHuatsing Liquid Crystal Co.,Ltd,Δn=0.235,Δε=29.6at 298K)和8.0 wt%Iso-(6OBA)₂，该蓝相液晶具有约5.0℃的蓝相温域。

该蓝相液晶的粘度为34mPa，熔点为-16℃，清亮点为88℃。

该蓝相液晶的制备方法如下：

将92.0wt%混晶SLC-X和8.0wt%Iso-(6OBA)₂混合，加热至清亮点以 上，保温约30分钟，并通过磁力搅拌器充分搅拌，即可获得所需蓝相液晶材 料。

步骤二，聚合物分散蓝相液晶预聚体的制备：

将具有光可聚合官能团的非液晶性化合物TMHA、BDDA和TMPTA作为 聚合单体（结构如图1-1、1-2和1-3），且TMHA/BDDA/TMPTA=2/1/1(摩尔比)， 与蓝相液晶按质量比例为20：80混配，再加入所述具有光可聚合官能团的非 液晶性化合物用量0.5wt%～1.5wt%的光引发剂（结构如图2），充分搅拌均匀 后即可制得聚合物分散蓝相液晶预聚体。

步骤三，制备聚合物分散蓝相液晶材料：

将上述搅拌均匀后的聚合物分散蓝相液晶预聚体，利用虹吸原理灌入液晶 盒中；通过精密控温热台将样品保持在蓝相状态，用紫外光照射30分钟，使 具有光可聚合官能团的非液晶性化合物间发生交联反应形成高分子网络，即可 得到聚合物分散蓝相液晶材料。

步骤四，效果检测：

利用偏光显微镜进行蓝相液晶织构的观察，并确定相变温度，发现聚合物 分散蓝相液晶具有包括室温在内的大于60℃的蓝相温域（10-70℃），利用液晶 综合参数测试仪测定聚合物分散蓝相液晶的电光性能，图7为所制备的聚合物 分散蓝相液晶电压-透过率曲线，该样品的驱动电压约为100V，响应速度小于 1ms。

实施例6

步骤一，宽温域母体蓝相液晶的制备：

本实施例所用宽温域蓝相液晶的成分为92.0wt%混晶SLC-X (YongshengHuatsing Liquid Crystal Co.,Ltd,Δn=0.235,Δε=29.6at 298K)和8.0 wt%Iso-(6OBA)₂，该蓝相液晶具有约5.0℃的蓝相温域。

该蓝相液晶的粘度为34mPa，熔点为-16℃，清亮点为88℃。

该蓝相液晶的制备方法如下：

将92.0wt%混晶SLC-X和8.0wt%Iso-(6OBA)₂混合，加热至清亮点以 上，保温约30分钟，并通过磁力搅拌器充分搅拌，即可获得所需蓝相液晶材 料。

步骤二，聚合物分散蓝相液晶预聚体的制备：

将具有光可聚合官能团的非液晶性化合物TMHA、BDDA和TMPTA作为 聚合单体（结构如图1-1、1-2和1-3），且TMHA/BDDA/TMPTA=1/4/5(摩尔比)， 与蓝相液晶按质量比例为20：80混配，再加入所述具有光可聚合官能团的非 液晶性化合物用量0.5wt%～1.5wt%的光引发剂（结构如图2），充分搅拌均匀 后即可制得聚合物分散蓝相液晶预聚体。

步骤三，制备聚合物分散蓝相液晶材料：

将上述搅拌均匀后的聚合物分散蓝相液晶预聚体，利用虹吸原理灌入液晶 盒中；通过精密控温热台将样品保持在蓝相状态，用紫外光照射30分钟，使 具有光可聚合官能团的非液晶性化合物间发生交联反应形成高分子网络，即可 得到聚合物分散蓝相液晶材料。

步骤四，效果检测：

利用偏光显微镜进行蓝相液晶织构的观察，并确定相变温度，发现聚合物 分散蓝相液晶具有包括室温在内的大于70℃的蓝相温域（5-75℃），利用液晶 综合参数测试仪测定聚合物分散蓝相液晶的电光性能，图8为所制备的聚合物 分散蓝相液晶电压-透过率曲线，该样品的驱动电压约为130V，响应速度小于 1ms。

另外，本发明实施例还提供了一种显示装置，其包括上述任意一种聚合物 分散蓝相液晶材料。所述显示装置可以为：液晶面板、手机、平板电脑、电视 机、显示器、笔记本电脑、数码相框、导航仪等任何具有显示功能的产品或部 件。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发 明的构思和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及 其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。