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Die vorliegende Erfindung betrifft flüssigkristalline Medien, sowie die die Verwendung dieser Medien in elektrooptischen Anzeigen.
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Flüssige Kristalle werden vor allem als Dielektrika in Anzeigenvorrichtungen verwendet, da die optischen Eigenschaften solcher Substanzen durch eine angelegte Spannung beeinflusst werden können. Elektrooptische Vorrichtungen auf der Basis von Flüssigkristallen sind dem Fachmann bestens bekannt und können auf verschiedenen Effekten beruhen. Derartige Vorrichtungen sind beispielsweise Zellen mit dynamischer Streuung. DAP-Zellen (Deformation ausgerichteter Phasen), Gast/Wirt-Zellen, TN(twisted nematic)-Zellen mit verdrillt nematischer Struktur, STN(super-twisted nematic)-Zellen, SBE(superbirefringence effect)-Zellen und OMI(optical mode interference)-Zellen. Die gebräuchlichsten Anzeigevorrichtungen beruhen auf dem Schadt-Helfrich Effekt und besitzen eine verdrillt nematische Struktur.
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Die Flüssigkristallmaterialien müssen allgemein eine gute chemische und thermische Stabilität und eine gute Stabilität gegenüber elektrischen Feldern und elektromagnetischer Strahlung besitzen. Ferner sollten die Flüssigkristallmaterialien niedere Viskosität aufweisen und in den Zellen kurze Schaltzeiten, tiefe Schwellenspannungen und einen hohen Kontrast ergeben.
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Weiterhin sollten sie bei üblichen Betriebstemperaturen, d. h. in einem möglichst breiten Bereich unterhalb und oberhalb Raumtemperatur, eine geeignete Mesophase besitzen, beispielsweise für die oben genannten Zellen eine nematische Mesophase. Da Flüssigkristalle in der Regel als Mischungen mehrerer Komponenten zur Anwendung gelangen, ist es wichtig, dass die Komponenten untereinander gut mischbar sind. Weitere Eigenschaften, wie die elektrische Leitfähigkeit, die dielektrische Anisotropie und die optische Anisotropie, müssen je nach Zellentyp und Anwendungsgebiet unterschiedlichen Anforderungen genügen. Beispielsweise sollten Materialien für Zellen mit verdrillt nematischer Struktur eine positive dielektrische Anisotropie und eine geringe elektrische Leitfähigkeit aufweisen.
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Beispielsweise sind für Matrix-Flüssigkristallanzeigen mit integrierten nichtlinearen Elementen zur Schaltung einzelner Bildpunkte (MFK-Anzeigen) flüssigkristalline Medien mit großer positiver dielektrischer Anisotropie, breiten nematischen Phasen, relativ niedriger Doppelbrechung, sehr hohem spezifischen Widerstand, guter Licht- und Temperaturstabilität und geringem Dampfdruck erwünscht.
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Derartige Matrix-Flüssigkristallanzeigen sind bekannt. Als nichtlineare Elemente zur individuellen Schaltung der einzelnen Bildpunkte können neben passiven Elementen wie Varistoren oder Dioden aktive Elemente wie Transistoren verwendet werden. Man spricht dann von einer „aktiven Matrix”.
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Bei den aussichtsreichen TFT(thin film transistor)-Displays wird als elektrooptischer Effekt üblicherweise der TN-Effekt ausgenutzt. Man unterscheidet TFT's aus Verbindungshalbleitern wie z. B. CdSe oder TFT's auf der Basis von polykristallinem oder amorphem Silizium.
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Die TFT-Matrix ist auf der Innenseite der einen Glasplatte der Anzeige aufgebracht, während die andere Glasplatte auf der Innenseite die transparente Gegenelektrode trägt. Im Vergleich zu der Größe der Bildpunkt-Elektrode ist der TFT sehr klein und stört das Bild praktisch nicht. Diese Technologie kann auch für voll farbtaugliche Bilddarstellungen erweitert werden, wobei ein Mosaik von roten, grünen und blauen Filtern derart angeordnet ist, daß je ein Filterelement einem schaltbaren Bildelelement gegenüber liegt. Die TFT-Anzeigen arbeiten üblicherweise als TN-Zellen mit gekreuzten Polarisatoren in Transmission und sind von hinten beleuchtet.
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Derartige MFK-Anzeigen werden als Displays in Notebook-Computern, TV-Geräten (z. B.: Taschenfernseher, tragbare Fernseher und Videogeräte und großflächige Fernseher mit flachen Bidschirmen), Multi-mediageräten, Mobiltelefonen, sowie im Automobil- oder Flugzeugbau eingesetzt. Dabei sind die Winkelabhängigkeit des Kontrastes und die Schaltzeiten dieser MFK-Anzeigen nicht immer zufriedenstellend. Schwierigkeiten sind auch durch einen nicht ausreichend hohen spezifischen Widerstand der Flüssigkristallmischungen bedingt. Mit abnehmendem Widerstand verschlechtert sich der Kontrast einer MFK-Anzeige und es kann das Problem des „image sticking” auftreten. Da der spezifische Widerstand der Flüssigkristallmischung durch Wechselwirkung mit den inneren Oberflächen der Anzeige im allgemeinen über die Lebenszeit einer MFK-Anzeige abnimmt, ist ein hoher (Anfangs)-Widerstand sehr wichtig, um akzeptable Lebensdauern zu erhalten. Insbesondere bei Gemischen mit niedriger Schwellenspannung war es bisher nicht möglich, sehr hohe spezifische Widerstände zu realisieren, da flüssigkristalline Materialien mit hoher positiver dielektrischer Anisotropie Δε im allgemeinen auch eine höhere elektrische Leitfähigkeit aufweisen. Weiterhin ist es wichtig, daß der spezifische Widerstand eine möglichst geringe Zunahme bei steigender Temperatur sowie nach Temperatur- und/oder Licht-Belastung zeigt. Um kurze Schaltzeiten der Anzeigen zu realisieren, müssen die Mischungen ferner eine kleine Rotationsviskosität aufweisen. Um einen Gebrauch der Anzeigen auch bei tiefen Temperaturen zu ermöglichen, beispielsweise für Anwendungen im Freien, im Automobil oder in der Avionik, dürfen auch bei tiefen Temperaturen keine Kristallisation und/oder smektische Phasen auftreten und sollte die Temperaturabhängigkeit der Viskosität möglichst gering sein.
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In herkömmlichen Flüssigkristallanzeigen (TN, STN, OMI, AMD-TN) werden die elektrischen Felder zur Umorientierung im wesentlichen senkrecht zur Flüssigkristallschicht erzeugt.
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In der internationalen Patentanmeldung
WO 91/10936 wird eine Flüssigkristallanzeige offenbart, in der die elektrischen Signale so erzeugt werden, dass die elektrischen Felder eine signifikante Komponente parallel zur Flüssigkristallschicht aufweisen (IPS, In-Plane-Switching). Die Prinzipien, solch eine Anzeige zu betreiben, werden zum Beispiel beschrieben von R. A. Soref in Journal of Applied Physics, Vol. 45, Nr. 12, S. 5466–5468 (1974).
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Flüssigkristalline Materialien für derartige IPS-Anzeigen werden zum Beispiel in
DE 102 04 607 A1 ,
DE 102 50 844 A1 und
DE 195 28 104 A1 beschreiben. Die IPS-Anzeigen mit den bekannten flüssigkristallinen Medien sind durch unzureichende, lange Schaltzeiten und oft durch zu hohe Betriebsspannungen gekennzeichnet. Es besteht somit ein Bedarf an IPS-Anzeigen, die diese Nachteile nicht oder nur in geringerem Maße aufweisen. Hierzu werden insbesondere flüssigkristalline Materialien benötigt, die neben einem ausreichenden Phasenbereich, geringer Tendenz zu Kristallisation bei tiefen Temperaturen, hoher Doppelbrechung und ausreichendem elektrischem Widerstand insbesondere kleine Schwellenspannung (V
10) und kleine Rotationsviskositäten (γ
1), die für die Schaltzeiten ausschlaggebend sind, besitzen.
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Flüssigkristallmischungen mit günstigem Eigenschaftsprofil werden auch von den in jüngster Zeit entwickelten liquid-crystal-on-silicon(LCDS)-Projectionsdisplays benötigt. Wegen der geringen Pixelgröße im Bereich von 20 μm, der hohen Auflösung und der angestrebten kurzen Schaltzeiten der Displays sind geringe Schichtdicken erforderlich, für deren Realisierung Flüssigkristallmischungen mit vergleichsweise hohem Wert der optischen Doppelbrechung Δn benötigt werden. Flüssigkristalline Verbindungen mit hoher Doppelbrechung weisen häufig eine intrinsische smektische Phase auf, oder induzieren die Ausbildung einer smektischen Phase im Gemisch mit anderen flüssigkristallinen Verbindungen, was sich nachteilig auf die Tieftemperaturstabilität der Displays auswirkt.
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Es besteht somit ein hoher Bedarf an flüssigkristallinen Medien mit folgenden Eigenschaften:
- – hohe Doppelbrechung Δn für geringe Schichtdicken der Displays;
- – hohe positive dielektrische Anisotropie Δε für niedrige Schwellenspannung Vth;
- – geringe Rotationsviskosität γ1 für kurze Schaltzeiten;
- – hohe Beständigkeit gegenüber Lichtstrahlung für eine lange Lebensdauer der Displays;
- – insbesondere zu tiefen Temperaturen erweiterter nematischer Phasenbereich und geringe Temperaturabhängigkeit der Viskosität für Einsatz der Displays auch bei tiefen Temperaturen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, flüssigkristalline Medien für IPS-, MFK-, TN- oder STN-Anzeigen, insbesondere aber für IPS-Displays, bereitzustellen, die sehr hohe spezifische Widerstände, niedrige Schwellenspannungen, kurze Schaltzeiten sowie hohe Doppelbrechungen Δn unter Wahrung der übrigen Randbedingungen aufweisen.
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Gelöst wird die Aufgabe durch ein erstes flüssigkristallines Medium enthaltend
- a) 15 bis 50 Gew.-% eine oder mehrere flüssigkristalline Verbindunge der Formel (I) worin R1 ein linearer Alkylrest mit 1 bis 7 C-Atomen ist, als Komponente A,
- b) 5 bis 30 Gew.-% eine oder mehrere flüssigkristalline Verbindungen der Formel (II) worin
R1 ein linearer Alkylrest mit 1 bis 7 C-Atomen ist und
X2 F, Cl oder -OCF3 und
Y21 bis Y24, unabhängig voneinander H oder F, bevorzugt einer oder mehrere von Y21 bis Y24 F, bedeuten, als Komponente B,
- c) 3 bis 35 Gew.-% eine oder mehrere flüssigkristalline Verbindungen der Formel (III) worin R1 ein linearer Alkylrest mit 1 bis 7 C-Atomen und L1 und L2 unabhängig voneinander H oder F sind, als Komponente C,
- d) 5 bis 20 Gew.-% einer oder mehrerer flüssigkristalliner Verbindungen der Formel (IV) worin R1 ein linearer Alkylrest mit 1 bis 7 C-Atomen ist, als Komponente D,
- e) 10 bis 45 Gew.-% eine oder mehrere flüssigkristalline Verbindungen der Fomeln (VI) bis (VIII) worin R2, R3 unabhängig voneinander ein linearer Alkyl-, Alkoxy- oder Alkenylrest mit 1 bis 7 bzw. 2 bis 7 C-Atomen sind und n 0 oder 1 ist, als Komponente E,
optional mehr als
- f) 0 bis 15 Gew.-% einer oder mehrerer flüssigkristalliner Verbindungen der Formel (IX) worin R4, R5 unabhängig voneinander ein linearer Alkylrest mit 1 bis 7 C-Atomen sind,
und optional mehr als
- g) 0 bis 15 Gew.-% einer oder mehrerer flüssigkristalliner Verbindungen der Formel (X) worin R1 einen linearen Alkylrest mit 1 bis 7 C-Atomen, X F oder OCF3 und L1 und L2 unabhängig voneinander H oder F bedeuten,
wobei die Summe der Komponenten A bis G bevorzugt 100 Gew.-% ergibt.
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In einer Ausführungsform der Erfindung enthält das erste flüssigkristalline Medium eine oder mehrere Verbindungen der Formel II ausgewählt aus der Gruppe der Verbindungen der Unterformeln IIa bis IIe, bevorzugt aus der Gruppe der Verbindungen der Unterformeln IIb und IIc,
worin R
1 ein linearer Alkylrest mit 1 bis 7 C-Atomen ist, als Komponente B,
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Bevorzugte Verbindungen der Komponente E sind Verbindungen der nachstehenden Formeln (VIa) bis (VIIIa)
worin R
6 einen linearen Alkyl- oder Alkenylrest mit 1 bis 7 bzw. 2 bis 7 C-Atomen, R
7, R
9 unabhängig voneinander ein linearer Alkylrest mit 1 bis 7 C-Atomen und R
8 ein linearer Alkyl- oder Alkoxyrest mit 1 bis 7 C-Atomen sind.
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Bevorzugte Verbindungen der Komponente G sind die nachstehenden Verbindungen (Xa) bis (Xd):
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Diese können beispielsweise in Mengen von 5 bis 15 Gew.-%, bezogen auf die Summe aller Komponenten A bis G, enthalten sein.
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Bevorzugt enthält das erste flüssigkristalline Medium als Komponente C eine oder mehrere Verbindungen der Formel (III), in denen L1 = L2 = H, L1 = L2 = F oder L1 = F und L2 = H sind.
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Sind R1 bis R10 in den Formeln (I) bis (XI) Alkylreste oder Alkoxyreste, so sind sie bevorzugt geradkettig, haben 1, 2, 3, 4, 5, 6 oder 7 C-Atome und sind demnach bevorzugt Methyl, Ethyl, Propyl, Butyl, Pentyl, Hexyl, Heptyl, Methoxy, Ethoxy, Propoxy, Butoxy, Pentoxy, Hexoxy oder Heptoxy.
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Sind R1 bis R10 in den Formeln (I) bis (XI) Alkenylreste, so sind sie bevorzugt geradkettig und haben 2 bis 7 C-Atome. Sie sind demnach insbesondere Vinyl, Prop-1-, oder Prop-2-enyl, But-1-, 2- oder But-3-enyl, Pent-1-, 2-, 3- oder Pent-4-enyl, Hex-1-, 2-, 3-, 4- oder Hex-5-enyl, Hept-1-, 2-, 3-, 4-, 5- oder Hept-6-enyl.
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Nachstehend werden die Verbindungen der allgemeinen Formeln (I) bis (XI) durch Acronyme wiedergegeben. Darin bedeuten:
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1. Ringe
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2. Brücken
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- ”T”:
- -C≡C-
- ”E”:
- -CH2-CH2-
- ”Q”:
- -CF2O-
- ”Z”:
- -CO-O-
- ”O”:
- -CH2O-
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3. Endgruppen
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- ”n”:
- R, R1 bzw. R2 = -CnH2n+1
- ”V”:
- R, R1 bzw. R2 = -CH=CH2
- ”VI”:
- R, R1 bzw. R2 = -CH=CH-ClH2l+1
- ”kVI”:
- R, R1 bzw. R2 = -CkH2k-CH=CH-ClH2l+1
- ”IVk”:
- R, R1 bzw. R2 = ClH2l+1-CH=CH-CkH2k
- ”On”:
- R, R1 bzw. R2 = -OCnH2n+1
- ”nO”:
- R, R1 bzw. R2 = CnH2n+1O-
- ”F”:
- X, R1 bzw. R2 = -F
- ”Cl”:
- X bzw. R1 = -Cl
- ”OT”:
- X, R1 bzw. R2 = -OCF3
- ”TO”:
- X, R1 bzw. R2 = F3CO-
- ”T”:
- X, R1 bzw. R2 = -CF3
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Dabei wird zuerst der Grundkörper, bestehend aus Ringen und gegebenefalls Brücken, dann – durch einen ersten Bindestrich getrennt – der auf der linken Seite einer Strukturformel stehende Substituent und anschließend – durch einen zweite Bindestrich getrennt – der auf der rechten Seite stehende Substituent angegeben. Die Substituenten enthalten eine Endgruppe und gegebenenfalls eine Brücke.
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Beispielsweise werden die Verbindungen der Formeln (I) bis (V) wie folgt abgekürzt: PGU-n-F, CGZP-n-OT (Formel IIc: Formel II mit Y23 = F, Y21 = Y22 = Y24 = H und 23 = F und X2 = -OCF3), CGU-n-F (Formel III mit L1 = L2 = F), CPG-n-F (Formel III mit L1, L2 = H), GGP-n-Cl, PGIGI-n-F. Die Verbindungen der Formel (XI) wird abgekürzt als PPTUI-n-m. In den Abkürzungen geben n und m jeweils die Anzahl der Kohlenstoffatome in den entsprechenden Alkylgruppen an.
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Die Verbindungen werden nach an sich bekannten Methoden dargestellt, wie sie in der Literatur (z. B. in den Standardwerken wie Houben-Weyl, Methoden der Organischen Chemie, Georg-Thieme-Verlag, Stuttgart) beschrieben sind, und zwar unter Reaktionsbedingungen, die für die genannten Umsetzungen bekannt und geeignet sind. Dabei kann man auch von an sich bekannten, hier nicht näher erwähnten Varianten Gebrauch machen. Weiterhin können die Verbindungen der Formeln (I) bis (XI) wie in der einschlägigen Patentliteratur beschrieben hergestellt werden.
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Gegenstand der Erfindung ist auch die Verwendung einer erfindungsgem. Flüssigkristallmischung in einer elektrooptischen Anzeige mit zwei planparallelen Trägerplatten, die mit einer Umrandung eine Zelle bilden, integrierten nicht-linearen Elementen zur Schaltung einzelner Bildpunkte auf den Trägerplatten und einer in einer Zelle befindlichen nematischen Flüssigkristallmischung mit positiver dielektrischer Anisotropie. Gegenstand der Erfindung sind insbesondere auch die Verwendung der erfindungsgem. Flüssigkristallmischung in IPS-Displays.
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Die erfindungsgemäßen Flüssigkristallmischungen ermöglichen eine bedeutende Erweiterung des zur Verfügung stehenden Parameterraumes.
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Die erzielbaren Kombinationen aus Klärpunkt, Rotationsviskosität und optischer Anisotropie Δn übertreffen die der bisherigen Materialien aus dem Stand der Technik.
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Der Aufbau der STN- bzw. MFK-Anzeige aus Polarisatoren, Elektrodengrundplatten und Elektroden mit Oberflächenbehandlung entspricht der für derartige Anzeigen üblichen Bauweise. Dabei ist der Begriff der üblichen Bauweise hier weit gefasst und umfasst auch alle Abwandlungen und Modifikationen der MFK-Anzeige, insbesondere auch Matrix-Anzeigeelemente auf Basis poly-Si TFT oder MIM-Anzeigen und IPS.
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Die Herstellung der erfindungsgemäß verwendbaren Flüssigkristallmischungen erfolgt in an sich üblicher Weise. In der Regel wird die gewünschte Menge der in geringerer Menge verwendeten Komponenten in der den Hauptbestandteil ausmachenden Komponenten gelöst, zweckmäßig bei erhöhter Temperatur. Es ist auch möglich, Lösungen der Komponenten in einem organischen Lösungsmittel, zum Beispiel in Aceton, Chloroform oder Methanol, zu mischen und das Lösungsmittel nach Durchmischung wieder zu entfernen, beispielsweise durch Destillation. Weiterhin ist es möglich, die Mischungen auf andere herkömmliche Arten, zum Beispiel durch Verwendungen von Vormischungen, zum Beispiel Homologen-Mischungen oder unter Verwendung von sogenannten ”Multi-Bottle”-Systemen herzustellen.
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Die Erfindung wird durch die nachstehenden Beispiele näher erläutert:
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Beispiele E und H
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Es wurden Flüssigkristall-Mischungen der angegebenen Zusammensetzung hergestellt. Für diese Mischungen wurden gemessen:
- – Temperatur des smektisch-nematischen Phasenübergangs S → N[°C];
- – der Klärpunkt [°C];
- – die optische Anisotropie Δn bei 589 nm und 20°C;
- – die dielektrische Anisotropie Δε bei 1 kHz und 20°C;
- – die Rotationsviskosität γ1 bei 20°C [mPa·s]
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Die elektrooptischen Daten wurden in einer TN-Zelle im 1. Minimum (d·Δn = 0,5 μm) bei 20°C gemessen. Beispiel E
Beispiel H
worin R1 ein linearer Alkylrest mit 1 bis 7 C-Atomen ist und X2 F, Cl oder -OCF3 und Y21 bis Y24, unabhängig voneinander H oder F bedeuten, als Komponente B, c) 3 bis 35 Gew.-% eine oder mehrere flüssigkristalline Verbindungen der Formel (III)
worin R1 ein linearer Alkylrest mit 1 bis 7 C-Atomen und L1 und L2 unabhängig voneinander H oder F sind, als Komponente C, d) 5 bis 20 Gew.-% eine oder mehrere flüssigkristalline Verbindungen der Formel (IV)
worin R1 ein linearer Alkylrest mit 1 bis 7 C-Atomen ist, als Komponente D, e) 10 bis 45 Gew.-% eine oder mehrere flüssigkristalline Verbindungen der Formeln (VI) bis (VIII)
worin R2, R3 unabhängig voneinander ein linearer Alkyl-, Alkoxy- oder Alkenylrest mit 1 bis 7 bzw. 2 bis 7 C-Atomen sind und n 0 oder 1 ist, als Komponente E,
