具有高正双折射率液晶聚合物薄膜的制备及作为液晶显示器相位补偿膜的应用研究

The display layer in the main stream IPS liquid crystal display (LCD) has the property of negative birefringence, which affects the display effect. At present, the main method to reduce the disadvantage is applying the display compensation film with the high positive birefringence(Δn) to counteract the negative phase change. However, the costly aftertreatment process is necessary for these display compensation film with the high positive birefringence in commercial fields. In this work，a series of mesogen-jacketed liquid crystal polymer films with the high positive Δn will be designed and synthesized to make up the defect of expensive aftertreatment for the existing display compensation in application. At first, two series of acrylate monomers containing naphthalene, diacetylene, and isothiocyanate(-NCS) group with conjugated structure are synthesized. Then, two kinds of mesogen-jacketed liquid crystal polymers are synthesized through homopolymerization of monomer and copolymerization with methyl methacrylate(MMA). The polymer films with the high positive Δn are obtained through simple solvent evaporation method. The relationship between the film structure and Δn, and the change regulation will be studied in a systematic way in order to discuss the application of potential of films for the display compensation. The study can not only offer a new thinking for designing and synthesizing novel liquid crystal display compensation film,but also afford the theory evidence for the commercialization of these films, which will be advantaged for cost reduction of IPS LCD and improving of screen display quality.

主流IPS液晶显示器(LCD)的显示层具有负双折射性质，影响产品的显示效果。目前改善这一缺陷的主要手段是应用具有高正双折射值(Δn)的补偿膜抵消负的相位变化。但已商业应用的正补偿材料大都需要非常昂贵的后处理过程。本项目通过设计与制备系列具有高正Δn的甲壳型液晶聚合物薄膜，旨在弥补现有相位补偿膜后处理昂贵的应用缺陷。首先合成两种系列侧基含有萘环、双炔基和异硫氰酸基（-NCS）共轭结构的丙烯酸酯类单体，随后采用均聚及与甲基丙烯酸甲酯（MMA）共聚的方法制备相应的甲壳型液晶聚合物，再通过简单的溶剂挥发法得到具有高正Δn的聚合物薄膜，系统研究膜结构与Δn值之间的关系及变化规律，探讨其作为液晶显示相位补偿膜的应用潜质。本研究不仅为设计合成新型显示相位补偿膜提供了新的设计思路，且对该类液晶显示相位补偿膜的商品化应用提供理论依据，有助于IPS液晶显示器成本的下降和显示效果的增强。

采用溶剂挥发法制备的甲壳型液晶聚合物薄膜因具有正双折射值（Δn），有望作为主流IPS液晶显示器相位补偿膜，弥补现有相位补偿膜后处理昂贵等应用缺陷。本研究首先通过多步Sonogashira偶联反应成功合成结构中含萘环、二炔基和甲基丙烯酸酯基的高共轭不对称甲壳型液晶单体：甲基丙烯酸-4-{（6-己氧基萘基）丁二炔}-5-{（4-异氰酸酯基苯基）乙炔}苯甲酯。然后，采用自由基溶液聚合方法，通过BPO引发液晶单体聚合，制备出含高双折射液晶基元的甲壳型液晶聚合物。NMR、MS、FTIR、POM、TGA、GPC、UV和Δn测试技术手段对所制备的单体和聚合物进行了结构与性能表征。结果表明合成单体具有较高的晶体到液晶相的转变温度，表现出向列相液晶特性，Δn = 0.6，是一种新型的超高Δn的液晶分子；聚合物具有良好的溶解性，其数均分子量为1.4万，分散度PDI=1.8。但由于聚合物较差的成膜性和不透明性，不能满足双折射测试条件要求，因此无法测出聚合物的Δn，从而使聚合物失去了作为液晶显示器补偿膜的可能性。本项目研究结果证明，通过在液晶基元与乙烯基之间引入短间隔基的方法并不能有效避免高Δn液晶单体强空间位阻效应对聚合的干扰，所得低分子量聚合物不能满足作为相位补偿膜的应用要求。此外，研究还发现液晶单体合成的中间体：5-{（6-己氧基萘基）丁二炔}-2-{(4-氨基苯基)乙炔}苄醇是具有优异光电性能的液晶分子，采用旋转涂膜的方法制作的双层器件（ITO/UIO/PEDOT:PSS 40nm/CBP: liquid crystal (旋)(40~60nm)/TPBi 40nm/LiF 1nm/Al 100nm）, 显示了较好的电致发光稳定性，启动电压较低(7.20 V)，器件17.65 V时达到最大亮度126 cd/m2。此延伸工作是对具有液晶性有机小分子电致发光器件研究的一次全新探索。同时，该液晶分子还显示出极强的溶剂效应，随着有机溶剂中水含量的增加，荧光逐渐减弱，且当水含量在0-10%范围内时，荧光强度与水含量存在良好的线性关系，表现出高的灵敏性和低的检测限，可作为测定有机溶剂中微量水的荧光探针。而可裸眼识别的染色试纸的制备又为可视化定性检测提供了一种新的方法。