Flüssige Kristalle
werden vor allem als Dielektrika in Anzeigevorrichtungen 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 aufgerichteter Phasen),
Gast/Wirt-Zellen,
TN-Zellen mit verdrillt nematischer ("twisted nematic") Struktur, STN-Zellen ("super-twisted nematic"), SBE-Zellen ("superbirefringence
effect") und OMI-Zellen
("optical mode interference"). Die gebräuchlichsten
Anzeigevorrichtungen beruhen auf dem Schadt-Helfrich-Effekt und
besitzen eine verdrillt nematische Struktur. Daneben gibt es auch
Zellen, die mit einem elektrischen Feld parallel zur Substrat- und
Flüssigkristallebene
arbeiten, wie den IPS-Zellen („in-plane
switching"). Vor
allem die TN-, STN- und IPS- Zellen, insbesondere die TN-, STN-
und IPS-Zellen, sind derzeit kommerziell interessante Einsatzgebiete
für die
erfindungsgemäßen Medien.
Die
Flüssigkristallmaterialien
müssen
eine gute chemische und thermische Stabilität und eine gute Stabilität gegenüber elektrischen
Feldern und elektromagnetischer Strahlung besitzen. Ferner sollten
die Flüssigkristallmaterialien
eine niedrige Viskosität
aufweisen und in den Zellen kurze Ansprechzeiten, 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 oder cholesterische Mesophase.
Da Flüssigkristalle
in der Regel als Mischungen mehrerer Komponenten zur Anwen dung 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) Medien mit positiver dielektrischer Anisotropie,
breiten nematischen Phasen, sehr hohem spezifischen Widerstand,
guter UV- und Temperaturstabilität
und geringerem Dampfdruck erwünscht.
Derartige
Matrix-Flüssigkristallanzeigen
sind bekannt. Als nichtlineare Elemente zur individuellen Schaltung
der einzelnen Bildpunkte können
beispielsweise aktive Elemente (d.h. Transistoren) verwendet werden.
Man spricht dann von einer "aktiven
Matrix", wobei man
zwei Typen unterscheiden kann:
- 1. MOS (Metal
Oxide Semiconductor) oder andere Dioden auf Silizium-Wafer als Substrat.
- 2. Dünnfilm-Transistoren
(TFT) auf einer Glasplatte als Substrat.
Die
Verwendung von einkristallinem Silizium als Substratmaterial beschränkt die
Displaygröße, da auch
die modulartige Zusammensetzung verschiedener Teildisplays an den
Stößen zu Problemen
führt.
Bei
dem aussichtsreicheren Typ 2, welcher bevorzugt ist, wird als elektrooptischer
Effekt üblicherweise der
TN- oder der IPS-Effekt verwendet. Man unterscheidet zwei Technologien:
TFT's aus Verbindungshalbleitern
wie z.B. CdSe oder TFT's
auf der Basis von polykristallinem oder amorphem Silizium. An letzterer
Technologie wird weltweit mit großer Intensität gearbeitet.
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 Bildelement gegenüber liegt.
Die
TFT-Anzeigen arbeiten üblicherweise
als TN-Zellen mit gekreuzten Polarisatoren in Transmission und sind
von hinten beleuchtet.
Der
Begriff MFK-Anzeigen umfasst hier jedes Matrix-Display mit integrierten
nichtlinearen Elementen, d.h. neben der aktiven Matrix auch Anzeigen
mit passiven Elementen wie Varistoren oder Dioden (MIM = Metall-Isolator-Metall).
Derartige
MFK-Anzeigen eignen sich insbesondere für TV-Anwendungen (z.B. Taschenfernseher,
mobile Videogeräte
und großformatige
Fernsehgeräte)
oder für
hochinformative Displays für
Rechneranwendungen (Laptop) und im Automobil- oder Flugzeugbau.
Neben Problemen hinsichtlich der Winkelabhängigkeit des Kontrastes und
der Schaltzeiten resultieren bei MFK-Anzeigen Schwierigkeiten bedingt
durch nicht ausreichend hohen spezifischen Widerstand der Flüssigkristallmischungen
[TOGASHI, S., SEKIGUCHI, K., TANABE, H., YAMAMOTO, E., SORIMACHI,
K., TAJIMA, E., WATANABE, H., SHIMIZU, H., Proc. Eurodisplay 84, Sept.
1984: A 210–288
Matrix LCD Controlled by Double Stage Diode Rings, p. 141 ff, Paris;
STROMER, M., Proc. Eurodisplay 84, Sept. 1984: Design of Thin Film
Transistors for Matrix Adressing of Television Liquid Crystal Displays,
p. 145 ff, Paris]. Mit abnehmendem Widerstand verschlechtert sich
der Kontrast einer MFK-Anzeige
und es kann das Problem der "alter
image elimination" 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 Standzeiten zu erhalten.
Insbesondere
bei low-volt-Mischungen war es bisher nicht möglich, sehr hohe spezifische
Widerstände
zu realisieren. Weiterhin ist es wichtig, dass der spezifische Widerstand
eine möglichst
geringe Zunahme bei steigender Temperatur sowie nach Temperatur-
und/oder UV-Belastung zeigt. Besonders nachteilig sind auch die
Tieftemperatureigenschaften der Mischungen aus dem Stand der Technik.
Gefordert wird, dass auch bei tiefen Temperaturen keine Kristallisation
und/oder smektische Phasen auftreten und die Temperaturabhängigkeit
der Viskosität
möglichst
gering ist. Die MFK-Anzeigen aus dem Stand der Technik genügen somit
nicht den zunehmenden Anforderungen.
Neben
Flüssigkristallanzeigen,
die eine Hintergrundbeleuchtung verwenden, also transmissiv und
gegebenenfalls transflektiv betrieben werden, sind besonders auch
reflektive Flüssigkristallanzeigen
interessant. Diese reflektiven Flüssigkristallanzeigen benutzen
das Umgebungslicht zur Informationsdarstellung. Somit verbrauchen
sie wesentlich weniger Energie als hintergrundbeleuchtete Flüssigkristallanzeigen
mit entsprechender Größe und Auflösung. Da
der TN-Effekt durch einen sehr guten Kontrast gekennzeichnet ist,
sind derartige reflektive Anzeigen auch bei hellen Umgebungsverhältnissen
noch gut abzulesen. Dies ist bereits von einfachen reflektiven TN-Anzeigen
wie sie in z. B. Armbanduhren und Taschenrechnern verwendet werden, bekannt.
Jedoch ist das Prinzip auch auf hochwertige, höher auflösende Aktiv-Matrix angesteuerte
Anzeigen wie z. B. TFT-Displays anwendbar. Hier ist wie bereits
bei den allgemeinen üblichen
transmissiven TFT-TN-Anzeigen die Verwendung von Flüssigkristallen
mit niedriger Doppelbrechung (Δn)
nötig,
um eine geringe optische Verzögerung
(d·Δn) zu ereichen.
Diese geringe optische Verzögerung
führt zu
einer meist ausreichend geringen Blickwinkelabhängigkeit des Kontrastes (vgl.
DE 30 22 818 ). Bei reflektiven
Anzeigen ist die Verwendung von Flüssigkristallen mit kleiner
Doppelbrechung noch wichtiger als bei transmissiven Anzeigen, da
bei reflektiven Anzeigen die effektive Schichtdicke, die das Licht
durchquert, ungefähr
doppelt so groß ist
wie bei transmissiven Anzeigen mit derselben Schichtdicke.
Für TV- und
Videoanwendungen werden Displays mit geringen Schaltzeiten benötigt. Solche
geringen Schaltzeiten lassen sich besonders dann realisieren, wenn
Flüssigkristallmedien
mit geringen Werten für
die Viskosität,
insbesondere der Rotationsviskosität γ1 verwendet
werden. Verdünnende
Zusätze
verringern jedoch in der Regel den Klärpunkt und damit den Arbeitstemperaturbereich
des Mediums.
Es
besteht somit immer noch ein großer Bedarf nach MFK-Anzeigen
mit sehr hohem spezifischen Widerstand bei gleichzeitig großem Arbeitstemperaturbereich,
kurzen Schaltzeiten auch bei tiefen Temperaturen und niedriger Schwellenspannung,
die diese Nachteile nicht oder nur in geringerem Maße zeigen.
Bei
TN-(Schadt-Helfrich)-Zellen sind Medien erwünscht, die folgende Vorteile
in den Zellen ermöglichen:
- – erweiterter
nematischer Phasenbereich (insbesondere zu tiefen Temperaturen)
- – lagerstabil,
auch bei extrem tiefen Temperaturen
- – Schnelle
Schaltbarkeit, auch bei extrem tiefen Temperaturen (Automobil, Avionik)
- – erhöhte Beständigkeit
gegenüber
UV-Strahlung (längere
Lebensdauer)
Mit
den aus dem Stand der Technik zur Verfügung stehenden Medien ist es
nicht möglich,
diese Vorteile unter gleichzeitigem Erhalt der übrigen Parameter zu realisieren.
Bei
höher verdrillten
Zellen (STN) sind Medien erwünscht,
die eine höhere
Multiplexierbarkeit und/oder kleinere Schwellenspannung und/oder
breitere nematische Phasenbereiche (insbesondere bei tiefen Temperaturen)
ermöglichen.
Hierzu ist eine weitere Ausdehnung des zur Verfügung stehenden Parameterraumes (Klärpunkt, Übergang
smektisch-nematisch bzw. Schmelzpunkt, Viskosität, dielektrische Größen, elastische Größen) dringend
erwünscht.
Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Medien insbesondere für derartige
MFK-, TN- oder STN-Anzeigen bereitzustellen, welche die oben angegebenen
Nachteile nicht oder nur in geringerem Maße, und vorzugsweise gleichzeitig
sehr hohe spezifische Widerstände
und niedrige Schwellenspannungen aufweisen.
Es
wurde nun gefunden, dass diese Aufgabe gelöst werden kann, wenn man in
Anzeigen erfindungsgemäße Medien
verwendet. Die erfindungsgemäßen Medien
zeichnen sich durch sehr kleine Rotationsviskositäten γ1 in
Kombination mit einem hohen Klärpunkt
(TClp) und guten Tieftemperatureigenschaften
aus.
In
der WO 95/30723 A1 wird eine STN-Flüssigkristallmischung mit Verbindungen
der Formel
offenbart.
Die endständigen
Ketten dieser Verbindung sind gesättigte Alkylgruppen. Eine weitere
Mischung wird dort offenbart, die unter anderem eine endständig ungesättigte Verbindung
der Formel
und alkylhomologe Verbindungen
enthält.
Gegenstand
der Erfindung ist ein flüssigkristallines
Medium auf der Basis eines Gemisches von Verbindungen, dadurch gekennzeichnet,
dass es eine oder mehrere Verbindungen der Formel I
enthält, worin
R
1 und R
2, unabhängig voneinander,
einen unsubstituierten, einen einfach durch CN oder CF
3 oder
einen mindestens einfach durch Halogen substituierten Alkenylrest
mit bis zu 15 C-Atomen
bedeuten, wobei in diesen Resten auch eine oder mehrere CH
2-Gruppen durch -O-, -S-, -C≡C-, -CH=CH-,
-(CO)O- oder -O(CO)- so ersetzt sein können, dass O-Atome nicht direkt
miteinander verknüpft
sind, bevorzugt (CH
2)
n-CH=CH-(CH
2)
mH, worin n und
m unabhängig
voneinander eine ganze Zahl von 0 bis 5, bevorzugt von 0 bis 2 bedeuten,
und
zusätzlich
eine oder mehrere Verbindungen ausgewählt aus den Verbindungen der
Formeln K-1 bis K-11 (allgemein K),
worin
R
0 n-Alkyl, Oxaalkyl, Fluoralkyl oder Alkenyl
mit jeweils bis zu 9 C-Atomen
bedeutet.
Bevorzugt
enthalten die erfindungesgemäßen Medien
eine oder mehrere Verbindungen ausgewhlt aus der Gruppe der Verbindungen
der Formeln K-4, K-5, K-7 und K-8, besonders bevorzugt der Formeln
K-4 und/oder K-8.
Die
Verbindungen der Formeln I und der Formeln K sind in reinem Zustand
farblos und bilden flüssigkristalline
Mesophasen in einem für
die elektrooptische Verwendung günstig
gelegenen Temperaturbereich. Chemisch und thermisch sind sie stabil.
Die
Verbindungen der Formel I werden erfindungsgemäß vorzugsweise mit weiteren
hochpolaren Komponenten mit Δε > 8 und mit einer oder
mehreren neutralen Komponenten (–1,5 < Δε < 3), die – wenigstens zum
Teil – gleichzeitig
eine geringe optische Anisotropie (Δn < 0,08) besitzen, kombiniert um die
flüssigkristallinen
Medien zu erhalten.
Die
Alkenylreste R1 und R2 können ein
geradkettiger oder verzweigter Substituent sein. Vorzugsweise ist
er geradkettig und hat 2 bis 10 C-Atome. Er bedeutet demnach besonders
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, Oct-1-, 2-, 3-, 4-, 5-, 6- oder
Oct-7-enyl, Non-1-, 2-, 3-, 4-, 5-, 6-, 7- oder Non-8-enyl, Dec-1-,
2-, 3-, 4-, 5-, 6-, 7-, 8- oder Dec-9-enyl.
Falls
R1 einen Alkenylrest bedeutet, in dem eine
zu -CH=CH- benachbarte CH2-Gruppe durch
CO oder CO-O oder O-CO ersetzt ist, so kann dieser geradkettig oder
verzweigt sein. Vorzugsweise ist er geradkettig und hat 4 bis 12
C-Atome. Er bedeutet demnach besonders Acryloyloxymethyl, 2-Acryloyloxyethyl,
3-Acryloyloxypropyl, 4-Acryloyloxybutyl, 5-Acryloyloxypentyl, 6-Acryloyloxyhexyl,
7-Acryloyloxyheptyl, 8-Acryloyloxyoctyl, 9-Acryloyloxynonyl, 1O-Acryloyloxydecyl,
Methacryloyloxymethyl, 2- Methacryloyloxyethyl,
3-Methacryloyloxypropyl, 4-Methacryloyloxybutyl, 5-Methacryloyloxypentyl,
6-Methacryloyloxyhexyl, 7-Methacryloyloxyheptyl, 8-Methacryloyloxyoctyl,
9-Methacryloyloxynonyl.
Falls
R1 oder R2 einen
einfach durch CN oder CF3 substituerten
Alkenylrest bedeutet, so ist dieser Rest vorzugsweise geradkettig.
Die Substitution durch CN oder CF3 ist in
beliebiger Position.
Falls
R1 einen mindestens einfach durch Halogen
substituierten Alkenylrest bedeutet, so ist dieser Rest vorzugsweise
geradkettig und Halogen ist vorzugsweise F oder Cl. Bei Mehrfachsubstitution
ist Halogen vorzugsweise F. Die resultierenden Reste schließen auch
perfluorierte Reste ein. Bei Einfachsubstitution kann der Fluor-
oder Chlorsubstituent in beliebiger Position sein, vorzugsweise
jedoch in ω-Position.
Verbindungen
mit verzweigten Flügelgruppen
R1 bzw. R2 können gelegentlich
wegen einer besseren Löslichkeit
in den üblichen
flüssigkristallinen
Basismaterialien von Bedeutung sein, insbesondere aber als chirale
Dotierstoffe, wenn sie optisch aktiv sind. Smektische Verbindungen
dieser Art eignen sich als Komponenten für ferroelektrische Materialien.
Die
Verbindungen der Formeln I und K 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.
Gegenstand
der Erfindung sind auch elektrooptische Anzeigen (insbesondere 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 der Zelle befindlichen nematischen Flüssigkristallmischung
mit positiver dielektrischer Anisotropie und hohem spezifischem
Widerstand), die derartige Medien enthalten sowie die Verwendung
dieser Medien für
elektrooptische Zwecke.
Die
erfindungsgemäßen Flüssigkristallmischungen
ermöglichen
eine bedeutende Erweiterung des zur Verfügung stehenden Parameterraumes.
Die erzielbaren Kombinationen aus Klärpunkt, Rotationsviskosität, thermischer
Stabilität
und dielektrischer Anisotropie übertreffen
signifikant bisherige Materialien aus dem Stand der Technik.
Die
Forderung nach hohem Klärpunkt,
nematischer Phase bei tiefer Temperatur sowie einem hohen Δε konnte bislang
nur unzureichend erfüllt
werden. Übliche
Mischungssysteme weisen zwar vergleichbare Klärpunkte und vergleichbar günstige Viskositäten auf,
besitzen jedoch ein Δε von nur
+3. Andere Mischungssysteme besitzen vergleichbare Viskositäten und
Werte von Δε, weisen
jedoch nur Klärpunkte
in der Gegend von 60 °C
auf.
Die
erfindungsgemäßen Flüssigkristallmischungen
ermöglichen
es unter Beibehaltung der nematischen Phase bis –20 °C und bevorzugt bis –30 °C, besonders
bevorzugt bis –40 °C, einen
Klärpunkt
oberhalb 60 °C,
vorzugsweise oberhalb 65 °C,
besonders bevorzugt oberhalb 70 °C,
gleichzeitig dielektrische Anisotropiewerte Δε ≥ 3, vorzugsweise ≥ 5, insbesondere
auch ≥ 7
und einen hohen Wert für
den spezifischen Widerstand zu erreichen, wodurch hervorragende
TN- und IPS-Anzeigen erzielt werden können. Insbesondere sind die
Mischungen durch sehr geringe Rotationsviskositäten gekennzeichnet.
Es
versteht sich, dass durch geeignete Wahl der Komponenten der erfindungsgemäßen Mischungen auch
höhere
Klärpunkte
(z.B. oberhalb 90 °C)
bei höheren
Schwellenspannungen oder niedrigere Klärpunkte bei niedrigeren Schwellenspannungen
unter Erhalt der anderen vorteilhaften Eigenschaften realisiert
werden können.
Ebenso können
bei entsprechend wenig erhöhten
Viskositäten
Mischungen mit größerem Δε und somit
geringen Schwellen oder Mischungen mit höheren Klärpunkten erhalten werden. Die
erfindungsgemäßen MFK-Anzeigen
arbeiten vorzugsweise im ersten Transmissionsminimum nach Gooch
und Tarry [C.H. Gooch und H.A. Tarry, Electron. Lett. 10, 2–4, 1974;
C.H. Gooch und H.A. Tarry, Appl.
Phys.,
Vol. 8, 1575–1584,
1975], wobei hier neben besonders günstigen elektrooptischen Eigenschaften,
wie z.B. hohe Steilheit der Kennlinie und geringe Winkelabhängigkeit
des Kontrastes (
DE
3022818 A1 ) bei gleicher Schwellenspannung wie in einer
analogen Anzeige im zweiten Minimum, eine kleinere dielektrische Anisotropie
ausreichend ist. Hierdurch lassen sich unter Verwendung der erfindungsgemäßen Mischungen
im ersten Minimum deutlich höhere
spezifische Widerstände
verwirklichen als bei Mischungen mit Cyanverbindungen. Der Fachmann
kann durch geeignete Wahl der einzelnen Komponenten und deren Gewichtsanteilen mit
einfachen Routinemethoden die für
eine vorgegebene Schichtdicke der MFK-Anzeige erforderliche Doppelbrechung
einstellen.
Der
nematische Phasenbereich hat vorzugsweise eine Breite von mindestens
90°C, insbesondere
von mindestens 100°C.
Vorzugsweise erstreckt sich dieser Bereich mindestens von –20° bis +70°C bevorzugt
mindestens –30° bis +70°C.
Bei
Flüssigkristallanzeigen
ist eine kleine Schaltzeit erwünscht.
Dies gilt besonders für
Anzeigen für die
Videowiedergabe. Neben der Rotationsviskosität γ1 beeinflußt auch
der Tiltwinkel die Schaltzeit.
Messungen
des "Voltage Holding-ratio" (HR) [S. Matsumoto
et al., Liquid Crystals 5, 1320 (1989); K. Niwa et al., Proc. SID
Conference, San Francisco, June 1984, p. 304 (1984); G. Weber et
al., Liquid Crystals 5, 1381 (1989)] haben ergeben, dass erfindungsgemäße Mischungen
enthaltend Verbindungen der Formel I eine deutlich kleinere Abnahme
des HR mit steigender Temperatur aufweisen als analoge Mischungen
enthaltend anstelle den Verbindungen der Formel I Cyanophenylcyclohexane
der Formel
Die
Verbindung der Formel I umfasst vorzugsweise Verbindungen, worin
R1 und R2 je eine
ein- oder zweifach, insbesondere eine einfach ungesättigte,
geradkettige Alkenylgruppe bedeutet. Besonders bevorzugt sind Alkenylreste
der Formeln -CH=CH2, -CH=CH-CH3,
-CH2-CH=CH, -CH2CH2-CH=CH2, -CH2-CH2-CH=CH-CH3. Besonders bevorzugt sind Verbindungen
der Formeln I-1 bis I-11.
Besonders
bevorzug enthalten die erfindungsgemäßen Medien eine oder mehrere
Verbindungen der Formel I ausgewählt
aus der Gruppe der Verbindungen der Formeln I-1 bis I-11, ganz besonders
bevorzugt der Formeln I-1 bis I-4:
Die
Doppelbindung zwischen den Cyclohexanringen besitzt bevorzugt eine
E-Konfiguration.
Besonders bevorzugt sind erfindungsgemäße flüssigkristalline Medien, die
mindestens eine Verbindung der Formel I-1, I-2, I-3 und/oder I-4,
insbesondere mindestens eine Verbindung der Formel I-1, enthalten.
Bevorzugte
Ausführungsformen
der Erfindung sind im folgenden angegeben:
- – Das flüssigkristalline
Medium ist dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil an Verbindungen
der Formel I im Gesamtgemisch 0,5 bis 25 Gew.% beträgt; bevorzugt
beträgt
er 1 bis 15 Gew.%.
- – Das
Medium enthält
ein, zwei oder mehrere Verbindungen ausgewält aus der Gruppe der Verbindungen der
Formeln I-1 bis I-11; bevorzugt aus der Gruppe der Verbindungen
der Formeln I-1 bis I-4.
- – Das
Medium enthält
eine Verbindung der Formeln I-1.
- – Der
Anteil an Verbindungen der Formeln K-1 bis K-11 am flüssigkristallinen
Medium beträgt
bevorzugt 5 bis 45 Gew.%, besonders bevorzugt 5 bis 30 Gew.%.
- – Das
Medium enthält
ein, zwei oder mehrere Verbindungen ausgewält aus der Gruppe der Verbindungen der
Formeln K-1 bis K-11; bevorzugt aus der Gruppe der Verbindungen
der Formeln K-1, K-4 und K-8.
- – Das
Medium enthält
eine oder mehrere Verbindungen der Formeln K-4.
- – Das
Medium enthält
eine oder mehrere Verbindungen der Formeln K-8.
- – Das
Medium enthält
zusätzlich
ein, zwei oder mehr Zweikern-Verbindungen
ausgewählt
aus den Verbindungen der Formeln Z-1 bis Z-11 (allgemein Z), worin
R1a und R2a jeweils
unabhängig
voneinander H, CH3, C2H5 oder
n-C3H7 bedeuten, und
R0 n-Alkyl,
Oxaalkyl, Fluoralkyl oder Alkenyl mit jeweils bis zu 9 C-Atomen
bedeutet.
Alkyl,
Alkyl* und Alkenyl besitzen die nachfolgend angegebenen Bedeutungen;
Von
den genannten Zweikern-Verbindungen sind besonders bevorzugt die
Verbindungen Z-3, Z-5, Z-6, Z-7 und Z-9, ganz besonders die Verbindungen
der Formel Z-5 mit Alkyl gleich Propyl und R1a gleich
H oder Methyl, insbesondere mit R1a gleich
H.
- – Der
Anteil an Verbindungen der Formeln Z-1 bis Z-11 beträgt insgesamt
5 bis 70 Gew.%, bevorzugt 10 bis 50 Gew.% und besonders bevorzugt
15 bis 50 Gew.%. Der Anteil an Verbindungen der Formel Z-5 für sich beträgt vorzugsweise
10 bis 60 Gew.%, bevorzugt 15 bis 50 Gew.%.
- – Das
Medium enthält
zusätzlich
eine oder mehrere Verbindungen ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus
den allgemeinen Formeln II bis VI: worin
die einzelnen Reste die folgenden Bedeutungen haben:
R0 n-Alkyl, Alkoxy, Oxaalkyl, Fluoralkyl oder
Alkenyl mit jeweils bis zu 9 C-Atomen,
X0 F,
Cl, halogeniertes Alkyl, halogeniertes Alkenyl, halogeniertes Oxalkyl,
halogeniertes Alkenyloxy oder halogeniertes Alkoxy mit bis zu 6
C-Atomen,
Z0 -C2F4-, -CF=CF-, -C2H4-, -(CH2)4-, -OCH2-, -CH2O-, -CF2O- oder
-OCF2-,
Y1 bis
Y4 jeweils unabhängig voneinander H oder F,
r
0 oder 1, und
t 0, 1 oder 2.
Die Verbindungen der Formel
IV sind vorzugsweise eine Verbindung der Formeln IVa bis IVe:
- – Das
Medium enthält
zusätzlich
eine oder mehrere Verbindungen ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus
den allgemeinen Formeln VII bis XIII: worin
R0 n-Alkyl, Oxaalkyl, Fluoralkyl oder Alkenyl
mit jeweils bis zu 9 C-Atomen,
X0 F,
Cl, halogeniertes Alkyl, halogeniertes Alkenyl, halogeniertes Alkenyloxy
oder halogeniertes Alkoxy mit bis zu 6 C-Atomen, und
Y1 bis Y4 jeweils
unabhängig
voneinander H oder F
bedeutet.
X0 ist
hier vorzugsweise F, Cl, CF3, OCF3 oder OCHF2. R0 bedeutet hier vorzugsweise Alkyl, Alkoxy,
Oxaalkyl, Fluoralkyl oder Alkenyl mit jeweils bis zu 6 C-Atomen.
- – Der
Anteil an Verbindungen der Formeln II bis VI im Gesamtgemisch beträgt 0 bis
30 Gew.%.
- – In
den Formeln II bis XIII bedeutet der Strukturteil
- – R0 ist in allen Verbindungen bevorzugt geradkettiges
Alkyl oder Alkenyl mit 2 bis 7 C-Atomen;
- – Das
Medium enthält
weitere Verbindungen aus der Klasse der fluorierten Terphenyle mit
R0 und/oder X0, wie
unten definiert, als para-1,4'''-Endgruppen, vorzugsweise ausgewählt aus
der folgenden Gruppe bestehend aus Verbindungen der Formeln XIV
und XV: worin
unabhängig
voneinander
R0 n-Alkyl, Oxaalkyl, Fluoralkyl
oder Alkenyl mit jeweils bis zu 9 C-Atomen,
X0 F,
Cl, halogeniertes Alkyl, halogeniertes Alkenyl, halogeniertes Alkenyloxy
oder halogeniertes Alkoxy mit bis zu 6 C-Atomen, bevorzugt F, Cl,
OCF3 oder CF3 und
die
Ringe A1, A2,
A3, B1, B2 und B3, unabhängig voneinander,
ein
1,4-Phenylen, das mit 0, 1, oder 2 Fluor substituiert ist,
bedeutet.
Vorzugsweise
ist in Formel XIV und XV je mindestens einer der 1,4-Phenylenringe ein-
oder mehrfach durch Fluoratome substituiert. Bevorzugt sind in Verbindungen
der Formel XIV zwei der Phenylringe durch je mindestens ein Fluoratom
substituiert oder einer der Phenylringe durch 2 Fluoratome substituiert;
in Verbindungen der Formel XV ist bevorzugt einer der Phenylringe
durch mindestens ein Fluoratom substituiert. X0 ist
in den Formeln XIV und XV vorzugsweise F, Cl, CF3,
OCF3 oder OCHF2.
R0 bedeutet hier vorzugsweise Alkyl, Alkoxy,
Oxaalkyl, Fluoralkyl oder Alkenyl mit jeweils bis zu 6 C-Atomen.
Besonders
bevorzugt handelt es sich bei den Verbindungen der Formel XIV um
Verbindungen der Formeln XIV-1 bis XIV-5: worin
R0 jeweils unabhängig voneinander wie für die Formel
XIV definiert ist.
- – Der
Anteil der Verbindungen der Formeln XIV und XV ist vorzugsweise
0–40 Gew.%,
insbesondere 2–35 Gew.%;
Besonders
bevorzugt handelt es sich bei den Verbindungen der Formel XV um
eine Verbindung der Formeln XV-1 bis XV-3: worin
R0 wie für
die Formel XV definiert ist.
- – Das
Medium enthält
eine oder mehrere Verbindungen ausgewählt aus der folgenden Gruppe
bestehend aus den allgemeinen Formeln XVI bis XVIII: worin
R0 n-Alkyl, Oxaalkyl, Fluoralkyl oder Alkenyl
mit jeweils bis zu 9 C-Atomen,
Y1 H
oder F, und
X0 F, Cl, halogeniertes
Alkyl, halogeniertes Alkenyl, halogeniertes Alkenyloxy oder halogeniertes
Alkoxy mit bis zu 6 C-Atomen
bedeutet; die 1,4-Phenylenringe
können
zusätzlich
durch CN, Chlor oder Fluor substituiert sein. Vorzugsweise sind
die 1,4-Phenylenringe ein- oder mehrfach durch Fluoratome substituiert.
- – Das
Medium enthält
vorzugsweise eine oder mehrere Verbindungen der Formeln IIa bis
IIg, worin
R0 n-Alkyl, Oxaalkyl, Fluoralkyl oder Alkenyl
mit jeweils bis zu 9 C-Atomen
bedeutet.
In den Verbindungen
der Formeln IIa-IIg bedeutet R0 vorzugsweise
Methyl, Ethyl, n-Propyl, n-Butyl und n-Pentyl.
- – Das
Medium enthält
vorzugsweise ein, zwei oder mehr, vorzugsweise ein oder zwei, Dioxan-Verbindungen
der Formeln D-1 und/oder D-2: worin
R0 n-Alkyl, Oxaalkyl, Fluoralkyl oder Alkenyl
mit jeweils bis zu 9 C-Atomen
bedeutet.
Der Anteil der
Dioxan-Verbindungen D-1 und/oder D-2 in den erfindungsgemäßen Mischungen
beträgt
vorzugsweise 0–25
Gew.%, insbesondere 0–20
Gew.% und ganz besonders bevorzugt 0–15 Gew.%.
- – Das
Medium enthält
vorzugsweise ein, zwei oder mehr, vorzugsweise ein oder zwei Pyranverbindungen der
Formeln P-1 bis P-4, worin
R0 n-Alkyl, Oxaalkyl, Fluoralkyl oder Alkenyl
mit jeweils bis zu 9 C-Atomen
bedeutet.
- – Das
Medium besteht im wesentlichen aus Verbindungen ausgewählt aus
der Gruppe bestehend aus den allgemeinen Formeln I, K-1 bis K-11,
XIV, XV und aus Z-1 bis Z-11.
- Das Medium enthält
zusätzlich
eine oder mehrere UV-stabilisierende Verbindungen, insbesondere
eine Quaterphenylverbindung.
Besonders bevorzugt sind einfach
oder mehrfach fluorierte Quaterphenylverbindungen der Formel wobei
t jeweils unabhängig
0, 1 oder 2 ist, und ganz besonders der Formel wobei n 1 bis 8 ist.
- – Die
erfindungsgemäßen Mischungen
zeichnen sich bevorzugt dadurch aus, dass sie Klärpunkte von 70 °C oder mehr,
insbesondere
bevorzugt von 75 °C
oder mehr und
Schwellenspannungen von 2,0V oder weniger und
insbesondere von 1,5 V oder weniger und ganz besonders von 1,2 V
oder weniger aufweisen.
- – Die
erfindungsgemäßen Mischungen
zeichnen sich insbesondere dadurch aus, dass sie eine dielektrische
Anisotropie Δε von 3 oder
mehr und bevorzugt von 4 oder mehr aufweisen. In einer besonders
bevorzugten Ausführungsforme
beträgt
die dielektrische Anisotropie 8 oder mehr und bevorzugt 11 oder
mehr.
Es
wurde gefunden, dass bereits ein relativ geringer Anteil an Verbindungen
der Formeln I im Gemisch mit üblichen
Flüssigkristallmaterialien,
insbesondere jedoch mit einer oder mehreren Verbindungen der Formeln
K, Z, II, XIV und/oder XV zu einer beträchtlichen Erniedrigung der
Rotationsviskositäten
und der Schaltzeiten führt,
wobei gleichzeitig breite nematische Phasen mit tiefen Übergangstemperaturen
smektisch-nematisch
beobachtet werden, wodurch die Lagerstabilität verbessert wird.
Der
Ausdruck "Alkyl" bzw. "Alkyl*" umfasst geradkettige
und verzweigte Alkylgruppen mit 1–7 Kohlenstoffatomen, insbesondere
die geradkettigen Gruppen Methyl, Ethyl, Propyl, Butyl, Pentyl,
Hexyl und Heptyl. Gruppen mit 1–5
Kohlenstoffatomen sind im allgemeinen bevorzugt.
Der
Ausdruck "Alkenyl" umfasst geradkettige
und verzweigte Alkenylgruppen mit 2–7 Kohlenstoffatomen, insbesondere
die geradkettigen Gruppen. Bevorzugte Alkenylgruppen sind C2-C7-1E-Alkenyl, C4-C7-3E-Alkenyl, C5-C7-4-Alkenyl, C6-C7-5-Alkenyl und
C7-6-Alkenyl, insbesondere C2-C7-1E-Alkenyl, C4-C7-3E-Alkenyl und C5-C7-4-Alkenyl. Beispiele besonders bevorzugter
Alkenylgruppen sind Vinyl, 1E-Propenyl, 1E-Butenyl, 1E-Pentenyl, 1E-Hexenyl, 1E-Heptenyl,
3-Butenyl, 3E-Pentenyl, 3E-Hexenyl, 3E-Heptenyl, 4-Pentenyl, 4Z-Hexenyl,
4E-Hexenyl, 4Z-Heptenyl,
5-Hexenyl, 6-Heptenyl und dergleichen. Gruppen mit bis zu 5 Kohlenstoffatomen
sind im allgemeinen bevorzugt.
Der
Ausdruck "Fluoralkyl" umfasst vorzugsweise
geradkettige Gruppen mit endständigem
Fluor, d.h. Fluormethyl, 2-Fluorethyl, 3-Fluorpropyl, 4-Fluorbutyl,
5-Fluorpentyl, 6-Fluorhexyl und 7-Fluorheptyl. Andere Positionen
des Fluors sind jedoch nicht ausgeschlossen.
Der
Ausdruck "Oxaalkyl" bzw. "Alkoxy" umfasst vorzugsweise
geradkettige Reste der Formel CnH2n+1-O-(CH2)m, worin n und m jeweils unabhängig voneinander
1 bis 6 bedeuten. m kann auch 0 bedeuten. Vorzugsweise ist n = 1
und m 1–6
oder m = 0 und n = 1–3.
Durch
geeignete Wahl der Bedeutungen von R0 und
X0 können
die Ansprechzeiten, die Schwellenspannung, die Steilheit der Transmissionskennlinie
etc. in gewünschter
Weise modifiziert werden. Beispielsweise führen 1E-Alkenylreste, 3E-Alkenylreste,
2E-Alkenyloxyreste und dergleichen in der Regel zu kürzeren Ansprechzeiten,
verbesserten nematischen Tendenzen und einem höheren Verhältnis der elastischen Konstanten
k33 (bend) und k11 (splay)
im Vergleich zu Alkyl- bzw. Alkoxyresten. 4-Alkenylreste, 3-Alkenylreste
und dergleichen ergeben im allgemeinen tiefere Schwellenspannungen
und kleinere Werte von k33/k11 im
Vergleich zu Alkyl- und Alkoxyresten.
Eine
-CH2CH2-Gruppe führt im allgemeinen
zu höheren
Werten von k33/k11 im
Vergleich zu einer einfachen Kovalenzbindung. Höhere Werte von k33/k11 ermöglichen
z.B. flachere Transmissionskennlinien in TN-Zellen mit 90° Verdrillung
(zur Erzielung von Grautönen)
und steilere Transmissionskennlinien in STN-, SBE- und OMI-Zellen
(höhere
Multiplexierbarkeit) und umgekehrt.
Das
optimale Mengenverhältnis
der Verbindungen der Formeln I + K und Z + II + XIV + XV sowie D bzw.
P hängt
weitgehend von den gewünschten
Eigenschaften, von der Wahl der Komponenten und der Wahl weiterer
gegebenenfalls vorhandener Komponenten ab.
Geeignete
Mengenverhältnisse
innerhalb des oben angegebenen Bereichs können von Fall zu Fall leicht
ermittelt werden.
Die
Gesamtmenge an Verbindungen der Formeln I, K und der angegebenen
Cokomponenten in den erfindungsgemäßen Gemischen ist nicht kritisch.
Die Gemische können
daher eine oder mehrere weitere Komponenten enthalten zwecks Optimierung
verschiedener Eigenschaften. Der beobachtete Effekt auf die Rotationsviskosität und den Klärpunkt ist
jedoch in der Regel umso größer je höher die
Gesamtkonzentration an Verbindungen der Formeln I und der angegebenen
Cokomponenten sind.
Die
einzelnen Verbindungen, die in den erfindungsgemäßen Medien verwendet werden
können,
sind entweder bekannt, oder sie können analog zu den bekannten
Verbindungen hergestellt werden.
Der
Aufbau der erfindungsgemäßen 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.
Ein
wesentlicher Unterschied der erfindungsgemäßen Anzeigen zu den bisher üblichen
auf der Basis der verdrillten nematischen Zelle besteht jedoch in
der Wahl der Flüssigkristallparameter
der Flüssigkristallschicht.
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, z. B. in Aceton,
Chloroform oder Methanol, zu mischen und das Lösungsmittel nach Durchmischung
wieder zu entfernen, beispielsweise durch Destillation.
Die
Dielektrika können
auch weitere, dem Fachmann bekannte und in der Literatur beschriebene
Zusätze,
wie z. B. UV-Stabilisatoren wie Tinuvin® der
Fa. Ciba Specialitiy Chemicals, Antioxidantien, Radikalfänger, etc.
enthalten. Beispielsweise können
0–15 %
pleochroitische Farbstoffe oder chirale Dotierstoffe zugesetzt werden.
Geeignete Stabilisatoren und Dotierstoffe werden nachfolgend in
den Tabellen C und D genannt.
C
bedeutet eine kristalline, S eine smektische, Sc eine
smektisch C, N eine nematische und I die isotrope Phase.
Die
Schwellenspannung V10 bezeichnet die Spannung
für 10
% Transmission (Blickrichtung senkrecht zur Plattenoberfläche). Δn bezeichnet
die optische Anisotropie. Δε bezeichnet
die dielektrische Anisotropie (Δε = ε∥ – ε⊥,
wobei ε∥ die
Dielektrizitätskonstante
parallel zu den Moleküllängsachsen
und ε⊥ die
Dielektrizitätskonstante
senkrecht dazu bedeutet). Die elektro-optischen Daten werden in
einer TN-Zelle mit 90° Verdrillung
im 1. Minimum (d.h. bei einem d·Δn-Wert von 0,5 μm) bei 20 °C gemessen,
sofern nicht ausdrücklich
etwas anderes angegeben wird. Die optischen Daten werden bei 20 °C gemessen,
sofern nicht ausdrücklich
etwas anderes angegeben wird.
In
der vorliegenden Anmeldung und in den folgenden Beispielen sind
die Strukturen der Flüssigkristallverbindungen
durch Akronyme angegeben, wobei die Transformation in chemische
Formeln gemäß folgender
Tabellen A und B erfolgt. Alle Reste C
nH
2n+1 und C
mH
2m+1 sind geradkettige Alkylreste mit n bzw.
m C-Atomen; n und m sind ganze Zahlen und bedeuten vorzugsweise
0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11 oder 12. Die Codierung gemäß Tabelle
B versteht sich von selbst. In Tabelle A ist nur das Akronym für den Grundkörper angegeben.
Im Einzelfall folgt getrennt vom Akronym für den Grundkörper mit
einem Strich ein Code für
die Substituenten R
1*, R
2*,
L
1* und L
2*:
Bevorzugte
Mischungskomponenten finden sich in den Tabellen A und B. Tabelle
A
Besonders
bevorzugt sind flüssigkristalline
Mischungen, die neben den Verbindungen der Formeln I mindestens
ein, zwei, drei oder vier Verbindungen aus der Tabelle B enthalten.
Tabelle C
In
der Tabelle C werden mögliche
Dotierstoffe angegeben, die in der Regel den erfindungsgemäßen Mischungen
zugesetzt werden. Vorzugsweise enthalten die Mischungen 0–10 Gew.%,
insbesondere 0,01–5 Gew.%
und besonders bevorzugt 0,01–3
Gew.% an Dotierstoffen.
Tabelle D
Stabilisatoren,
die beispielsweise den erfindungsgemäßen Mischungen zugesetzt werden
können, werden
nachfolgend genannt.