異硫氰酸酯類化合物在混合液晶中的應(yīng)用

孟勁松，呂文海，員國(guó)良，張芳苗，邸玉靜，豐景義，顏希哲，華瑞茂，3

（1.石家莊誠(chéng)志永華顯示材料有限公司，河北 石家莊 050091；2.河北省平板顯示材料工程技術(shù)研究中心，河北 石家莊 050091；3.清華大學(xué) 化學(xué)系，北京 100084）

1 引 言

相機(jī)、手機(jī)相機(jī)、3D立體影像顯示、相位調(diào)制器等裝置，常利用變焦鏡頭將影像放大或縮小來(lái)成像，傳統(tǒng)變焦鏡頭設(shè)有多個(gè)鏡群（lens group），通過(guò)鏡群之間沿光軸方向移動(dòng)，以改變彼此之間的間距，從而使整體焦距改變，但不影響成像距離，然而此種鏡頭需要較長(zhǎng)的鏡群移動(dòng)距離，導(dǎo)致機(jī)械裝置體積大，調(diào)節(jié)緩慢，調(diào)焦范圍有限，價(jià)格昂貴，裝置驅(qū)動(dòng)消耗能量大且容易損壞，又由于機(jī)械裝置調(diào)焦會(huì)產(chǎn)生機(jī)械噪音，影響錄像質(zhì)量。

為尋找替代機(jī)械調(diào)焦的方法，并且能夠大范圍地改變焦距，現(xiàn)有技術(shù)利用電場(chǎng)來(lái)控制焦距的液晶透鏡（liquid crystal lens），通過(guò)在帶圓孔的電極上施加電壓形成特殊的電場(chǎng)，使電場(chǎng)中的液晶分子發(fā)生偏轉(zhuǎn)，從而對(duì)光起到分散或是會(huì)聚的作用，其實(shí)際為一種模擬光學(xué)元件，通過(guò)在電極之間施加不同的電壓能夠方便地實(shí)現(xiàn)我們想要的特定的光學(xué)透鏡特性［1－6］。液晶透鏡中使用的液晶混合物要求具有大的折射率（光學(xué)各向異性）來(lái)獲得大的光學(xué)效率以及較小的盒厚，還需要液晶混合物具有較低的旋轉(zhuǎn)黏度來(lái)達(dá)到快速響應(yīng)的目的［7－8］。

2 試 驗(yàn)

我們開發(fā)了一系列異硫氰酸酯類化合物，具體合成化合物如表1所示，我們還研究了此類化合物的液晶性質(zhì)以及其在混合液晶中的應(yīng)用。

表1 化合物結(jié)構(gòu)Tab.1 Compound structure formula

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2.1 相轉(zhuǎn)變溫度測(cè)試

我們對(duì)單體化合物進(jìn)行了相轉(zhuǎn)變溫度的測(cè)試，所用儀器為DSC822e型差熱分析掃描儀（瑞士 Mettler－Toledo公司），樣品量為20mg，升溫速度2℃／min，數(shù)據(jù)見表2。

表2 相轉(zhuǎn)變溫度Tab.2 Phase transition temperatures

2.2 液晶綜合性能測(cè)試

2.2.1 折射率各向異性測(cè)試

測(cè)試方法采用將A－E化合物分別以5%的質(zhì)量百分比加入到母體M1中，混合均勻后，使用阿貝折射儀（NAR－4T），20℃，光源波長(zhǎng)為589nm鈉光燈測(cè)試。折射率數(shù)據(jù)按線性關(guān)系計(jì)算可得［9］。折射率數(shù)據(jù)見表3。

2.2.2 介電、K值及γ1的測(cè)試

γ1為旋轉(zhuǎn)黏度（mPa·s），測(cè)試條件為：25℃、INSTEC：ALCT－IR1、20μm平行盒；

K11為展曲彈性常數(shù)，K33為彎曲彈性常數(shù)，測(cè)試條件為：25 ℃、INSTEC：ALCT－IR1、20μm平行盒；

Δε表示介電各向異性，Δε＝ε∥－ε⊥，其中，ε∥為平行于分子軸的介電常數(shù)，ε⊥為垂直于分子軸的介電常數(shù)，測(cè)試條件：25℃、INSTEC：ALCTIR1、20μm平行盒；

測(cè)試方法采用將A－E化合物分別以5%的質(zhì)量百分比加入到母體 M1中，混合均勻后，灌入20μm的平行排列液晶盒中，采用INSTEC的ALCT－IR1測(cè)試其綜合性能。根據(jù)線性關(guān)系擬合 出相應(yīng)數(shù)據(jù)［9］，數(shù)據(jù)見表3。

表3 化合物的液晶性能參數(shù)Tab.3 Performance characteristics of liquid crystals

2.3 異硫氰酸酯類化合物在混合液晶中的應(yīng)用

我們將異硫氰酸酯類化合物加入到混合液晶中，開發(fā)了大折射率低旋轉(zhuǎn)黏度（γ1）的混合液晶1，作為對(duì)比，我們還開發(fā)了不含異硫氰酸酯類化合物的混合液晶2，具體配方見表4。采用INSTEC的ALCT－IR1測(cè)試了其綜合性能，具體測(cè)試方法與上文相同，具體數(shù)據(jù)見表5。在開發(fā)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，如果不加入異硫氰酸酯類化合物，混合液晶的低溫互溶性比較差，很多情況是室溫結(jié)晶。而在加入了此類單體后，低溫互溶性大大改善。同時(shí)，由于此類單體的大介電，高折射率的性質(zhì)，加入此類單體后，可以多加一些改善旋轉(zhuǎn)黏度的單體，整體降低了液晶混合物的旋轉(zhuǎn)黏度，也就提高了其響應(yīng)時(shí)間。

表4 混合液晶1與混合液晶2的組成Tab.4 Composition of LC Mixture 1and LC Mixture 2

（續(xù)表）

表5 混合液晶的性能參數(shù)Tab.5 Performance characteristics of liquid crystals

3 結(jié)果與討論

3.1 化合物的液晶性質(zhì)

從表2數(shù)據(jù)可以看出，此類液晶化合物熔點(diǎn)普遍較高，同時(shí)具有非常寬的液晶相范圍，有Sa相形成，清亮點(diǎn)非常高。形成這種特點(diǎn)的原因是：此類單體引入了分子中間炔鍵及分子末端異硫氰基，這兩類基團(tuán)都具有較高的共軛度，并且使分子具有較大的長(zhǎng)徑比，容易得到較寬的液晶相范圍；這種結(jié)構(gòu)還導(dǎo)致了表3數(shù)據(jù)顯示的此類單體的折射率（Δn）非常高，介電較大（Δε），這種剛性基團(tuán)也導(dǎo)致了此類單體的K值也很大。相對(duì)于此類單體的高K值、高折射率、大介電，由于在液晶分子的兩個(gè)側(cè)面各引入了一個(gè)F原子，從而導(dǎo)致缺健兩側(cè)的苯環(huán)產(chǎn)生了一定的扭曲，分子的剛性降低，旋轉(zhuǎn)黏度也隨之降低［1］。這些特性非常好地迎合了快速響應(yīng)液晶混合物所需要的條件，尤其是液晶透鏡用液晶混合物。兩個(gè)側(cè)氟的引入，雖然使此類化合物的折射率有所降低，但很好地提升了互溶性能，可以以更大的百分比加入到混合液晶中，使得此類單體在混合液晶中使用有了現(xiàn)實(shí)意義。

表3數(shù)據(jù)顯示化合物E引入了烷氧基，它的折射率和清亮點(diǎn)都有所提高，相應(yīng)它的旋轉(zhuǎn)黏度也提高了將近一倍。

3.2 異硫氰酸酯類化合物在混合液晶中的應(yīng)用

從表5的數(shù)據(jù)可以看出，采用了異硫氰酸酯類化合物的混合液晶1，在折射率和介電參數(shù)基本一致的情況下，比沒有此類化合物的混合液晶2具有更低的旋轉(zhuǎn)黏度，低溫互溶性更好。如果不采用異硫氰酸酯類化合物，很難將混合液晶的參數(shù)調(diào)到0.35左右折射率，介電12的情況下，液晶相還能拓展到－10℃，并且具有較小的旋轉(zhuǎn)黏度。對(duì)比數(shù)據(jù)可以看出混合液晶2比混合液晶1的旋轉(zhuǎn)黏度高出1倍還多。在其他條件相同的情況下，旋轉(zhuǎn)黏度越小，響應(yīng)時(shí)間就越快。所以采用了異硫氰酸酯類化合物的液晶混合物1更適合應(yīng)用于液晶透鏡。混合液晶1比混合液晶2的低溫表現(xiàn)要好，使得混合液晶1的低溫穩(wěn)定性較好，可以在更為苛刻的環(huán)境使用。

4 結(jié) 論

本文對(duì)異硫氰酸酯類化合物的液晶性能進(jìn)行了細(xì)致的研究，并考察了其在混合液晶中的性能表現(xiàn)，從研究結(jié)果可以看出，異硫氰酸酯類化合物具有大的折射率各向異性，大的介電各向異性，較大的K值，較低的旋轉(zhuǎn)黏度，很好的低溫互溶性。這些特性很好地滿足了現(xiàn)代液晶顯示追求快速響應(yīng)的需求，在STN顯示、多穩(wěn)態(tài)顯示、3D顯示技術(shù)，尤其是液晶透鏡中具有很好的應(yīng)用前景。

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