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.
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.
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.
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.
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".
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.
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.
Derartige
MFK-Anzeigen werden als Displays in Notebook-Computern, TV-Geräten (Taschenfernseher)
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 Wider stand 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.
Flüssigkristallmischungen
mit günstigem
Eigenschaftsprofil werden auch von den in jüngster Zeit entwickelten liquid-crystal-on-silicon
(LCoS)-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.
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;
Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, flüssigkristalline Medien für IPS-,
MFK-, TN- oder STN-Anzeigen, insbesondere aber für TN-TFT und IPS-Displays,
bereitzustellen, die sehr hohe spezifische Widerstände, niedrige
Schwellenspannungen sowie geringe Rotationsviskositäten unter
Wahrung der übrigen
Randbedingungen aufweisen.
Gelöst wird
die Aufgabe durch ein flüssigkristallines
Medium enthaltend
- a) 20 bis 80 Gew.-% flüssigkristalline
Verbindungen mit einer optischen-Doppelbrechnung Δn ≤ 0,08 und einer
dielektrischen Anisotropie Δε ≥ 11,
- b) 15 bis 60 Gew.-% flüssigkristalline
Verbindungen mit einer optischen Doppelbrechung Δn ≥ 0,12 und einer dielektrischen
Anisotropie Δε ≥ 15,
- c) 5 bis 45 Gew.-% flüssigkristalline
Verbindungen mit einer dielektrischen Anisotropie –1,5 ≤ Δε ≤ 2,
- d) 0 bis 40 Gew.-% weitere flüssigkristalline Verbindungen.
Bevorzugte
flüssigkristalline
Verbindungen a) mit einer optischen Doppelbrechung Δn ≤ 0,08 und
einer dielektrischen Anisotropie Δε ≥ 11, sind
aus den nachstehenden Verbindungen der allgemeinen Formeln (I) bis (V)
ausgewählt:
worin
bedeuten:
die gleich
oder verschieden sein können:
Z
1:
-CO-O-, -CF
2O- oder -CH
2-CH
2-;
Z
2: -CH
2-CH
2-;
R: einen
Alkyl-, Alkoxy- oder Alkenylrest mit 1 bis 15 bzw. 2 bis 15 C-Atomen;
X: F,
OCF
3 oder CF
3;
n:
0 oder 1.
Besonders
bevorzugte flüssigkristalline
Verbindungen a) sind ausgewählt
aus den nachstehenden Verbindungen der Formeln (Ia) bis (Va):
worin
R
1 ein linearer Alkyl-, Alkoxy- oder Alkenylrest
mit 1 bis 7 C-Atomen bzw. 2 bis 7 C-Atomen ist.
Bevorzugte
flüssigkristalline
Verbindungen b) mit einer optischen Doppelbrechung Δn ≥ 0,12 und
einer dielektrischen Anisotropie Δε ≥ 15, sind
aus den nachstehenden Verbindungen der allgemeinen Formel (VI) ausgewählt:
worin
bedeuten:
Z
2: eine Einfachbindung, -CF
2O-
oder -CO-O-;
R: einen Alkyl-, Alkoxy- oder Alkenylrest mit
1 bis 15 bzw. 2 bis 15 C-Atomen;
X:
F, OCF
3 oder CF
3;
n:
0 oder 1.
Besonders
bevorzugte flüssigkristalline
Verbindungen b) sind aus den nachstehenden Verbindungen der Formeln
(VIa) bis (VIp) ausgewählt:
Darin
bedeutet R1 einen linearen Alkyl-, Alkoxy-
oder Alkenylrest mit 1 bis 7 C-Atomen bzw. 2 bis 7 C-Atomen.
Bevorzugte
flüssigkristalline
Verbindungen c) mit einer dielektrischen Anisotropie –1,5 ≤ Δε ≤ 2 sind aus
den Verbindungen der allgemeinen Formel (VII) ausgewählt:
worin bedeuten:
die gleich oder verschieden
sein können:
R
2,
R
3, die gleich oder verschieden sein können, einen
Alkyl-, Alkoxy- oder Alkenylrest mit 1 bis 15 bzw. 2 bis 15 C-Atomen,
Z
eine Einfachbindung, -CH
2CH
2,
-CH=CH-, -CH
2O-, CH
2O-
oder -COO- und
n
0 oder 1.
Bevorzugte
flüssigkristalline
Verbindungen der Formel (VII) sind aus den nachstehenden Verbindungen
der Formeln (VII-1) und (VII-2) ausgewählt
worin
die Parameter die oben gegebene Bedeutung haben und bevorzugt
Z
eine Einfachbindung oder -COO- bedeutet.
Bevorzugte
flüssigkristalline
Verbindungen c) sind aus den nachstehenden Verbindungen der Formeln (VIIa)
bis (VIIg) ausgewählt:
mit
n,
m = 1 bis 7
k + l = 0 bis 5.
Bevorzugte
flüssigkristalline
Verbindungen d) sind aus den Verbindungen der allgemeinen Formeln (VIII)
und (X) ausgewählt:
worin
bedeuten:
R: einen
Alkyl-, Alkoxy- oder Alkenylrest mit 1 bis 15 bzw. 2 bis 15 C-Atomen;
X: F,
OCF
3 oder CF
3;
Z
3: -CF
2O- oder eine
Einfachbindung.
Besonders
bevorzugte weitere flüssigkristalline
Verbindungen d) sind aus den Verbindungen der Formeln (VIIIa) bis
(Xa) ausgewählt:
worin
R
1 einen linearen Alkylrest mit 1 bis 7
C-Atomen bedeutet.
Insbesondere
bevorzugt ist ein flüssigkristallines
Medium, das 20 bis 60 Gew.-% Verbindungen a), 15 bis 35 Gew.-% der
Verbindungen b), 8 bis 30 Gew.-% Verbindungen c) und 0 bis 25 Gew.-%
Verbindungen d) enthält.
R,
R1, R2 und R3 in den Formeln (I) bis (X) können ein
Alkylrest oder ein Alkoxyrest mit 1 bis 15 C-Atomen sein, der geradkettig
oder verzweigt sein kann. Vorzugsweise ist er geradkettig, hat 1,
2, 3, 4, 5, 6 oder 7 C-Atome und ist demnach bevorzugt Methyl, Ethyl,
Propyl, Butyl, Pentyl, Hexyl, Heptyl, Methoxy, Ethoxy, Propoxy,
Butoxy, Pentoxy, Hexoxy oder Heptoxy, ferner Octyl, Nonyl, Decyl,
Undecyl, Dodecyl, Tridecy, Tetradecyl, Pentadecyl, Octoxy, Nonoxy,
Decoxy, Undecoxy, Dodecoxy, Tridecoxy, Tetradecoxy oder Pentadecoxy.
R,
R1, R2 und R3 können
ein Alkenylrest mit 2 bis 15 C-Atomen sein, der geradkettig oder
verzweigt sein kann. Vorzugsweise ist er geradkettig und hat 2 bis
7 C-Atome. Er ist 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.
Nachstehend
werden die Verbindungen der allgemeinen Formeln (I) bis (X) durch
Acronyme wiedergegeben. Darin bedeuten die Symbole (Buchstaben und
Ziffern: 1.
Ringeelemente
2. Brückenelemente
- "E": -CH2-CH2-
- "Q": -CF2O-
- "Z": -CO-O-
- "O": -CH2O-
3. Endgruppen
- "n": R, R1,
R2 bzw. R3 = -CnH2n+1
- "V": R, R1,
R2 bzw. R3 = -CH=CH2
- "VI": R, R1,
R2 bzw. R3 = -CH=CH-ClN2l+1
- "IV": R, R1,
R2 bzw. R3 = ClH2l+1-CH=CH-
- "kVI": R, R1,
R2 bzw. R3 = -CkH2k-CH=CH-ClH2l+1
- "IVk": R, R1,
R2 bzw. R3 = ClH2l+1-CH=CH-CkH2k-
- "On": R, R1,
R2 bzw. R3 = -OCnH2n+1
- "nO": R, R1,
R2 bzw. R3 = CnH2n+1O-
- "F": X, R1 bzw.
R2 = -F
- "Cl": X, R1 bzw.
R2 = -Cl
- "OT": X, R1 bzw.
R2 = -OCF3
- "TO": X, R1 bzw.
R2 = F3CO-
- "T": X, R1 bzw.
R2 = -CF3
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. Die Substituenten enthalten eine Endgruppe
und gegebenenfalls eine Brücke.
Beispielsweise
werden die Verbindungen der Formeln (VIIa) bis (VIIf) wie folgt
abgekürzt:
CC-n-IVk, CC-n-m, CP-n-On, CP-n-m, PP-n-m, PP-n-IVk.
Beispiele
für Verbindungen
a) mit einer optischen Doppelbrechung Δn ≤ 0,08 und einer dielektrischen Anisotropie Δε ≥ 11 sind CCZU-2-F,
CCZU-3-F, CCZU-5-F, CDU-2-F, CDU-3-F und CDU-5-F, DCU-n-F, CEDU-n-F,
CDEU-n-F und DU-n-F.
Beispiele
für Verbindungen
b) mit einer optischen Doppelbrechung Δn ≥ 0,12 und einer dielektrischen Anisotropie Δε ≥ 15 sind CGU-2-F,
PGU-2-F, PGU-3-F, CGZP-2-OT, CGZP-3-OT, DUQU-n-F, DUQG-n-F und PUQG-n-OT.
Beispiele
für Verbindungen
c) mit einer dielektrischen Anisotropie –1,5 ≤ Δε ≤ 2 sind CC-3-V, CC-3-V1, CC-3-5,
CC-4-V und CP-n-Om.
Beispiele
für weitere
Verbindungen d) sind CCP-2-OT, CCP-3-OT, CCG-2-OT, CC-3-T, CCU-n-F, CCG-n-F,
CCQU-n-F und CCQG-n-F.
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 (X) wie in der einschlägigen
Patentliteratur beschrieben hergestellt werden.
Gegenstand
der Erfindung sind auch elektrooptische Anzeigen, insbesondere STN-
oder MFK-Anzeigen 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, die die erfindungsgemäßen flüssigkristallinen
Medien enthalten sowie die Verwendung dieser Medien für elektrooptische Anzeigen.
Gegenstand der Erfindung sind insbesondere auch TN-TFT- oder IPS-Displays,
die die erfindungsgemäßen flüssigkristallinen
Medien enthalten.
Die
erfindungsgemäßen Flüssigkristallmischungen
ermöglichen
eine bedeutende Erweiterung des zur Verfügung stehenden Parameterraumes.
Die
erzielbaren Kombinationen aus Klärpunkt,
Rotationsviskosität,
optischer Anisotropie Δn
und Schwellenspannung übertreffen
die der bisherigen Materialien aus dem Stand der Technik.
Der
Aufbau der erfindungsgemäßen 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.
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.