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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein flüssigkristallines Medium (FK-Medium), sowie dessen
Verwendung für
elektrooptische Zwecke und dieses Medium enthaltende Anzeigen.
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Flüssigkristalle
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.
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Die
Flüssigkristallmaterialien
müssen
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 Ansprechzeiten, 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 oder cholesterische 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) Medien mit großer positiver dielektrischer
Anisotropie, breiten nematischen Phasen, relativ niedriger Doppelbrechung,
sehr hohem spezifischen Widerstand, guter UV- 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
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.
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Die
Verwendung von einkristallinem Silizium als Substratmaterial beschränkt die
Displaygröße, da auch
die modulartige Zusammensetzung verschiedener Teildisplays an den
Stößen zu Problemen
führt.
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Bei
dem aussichtsreicheren Typ 2, welcher bevorzugt ist, wird als elektrooptischer
Effekt üblicherweise der
TN-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.
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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 Bildelement gegenüber liegt.
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Die
TFT-Anzeigen arbeiten üblicherweise
als TN-Zellen mit gekreuzten Polarisatoren in Transmission und sind
von hinten beleuchtet.
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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).
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Derartige
MFK-Anzeigen eignen sich insbesondere für TV-Anwendungen (z.B. Taschenfernseher) 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 "after 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 heutigen Anforderungen.
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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 erreichen.
Diese geringe optische Verzögerung
führt zu
einer meist akzeptablen 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.
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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.
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Bei
TN-(Schadt-Helfrich)-Zellen sind Medien erwünscht, die folgende Vorteile
in den Zellen ermöglichen:
- – erweiterter
nematischer Phasenbereich (insbesondere zu tiefen Temperaturen)
- – Schaltbarkeit
bei extrem tiefen Temperaturen (out-door-use, Automobil, Avionik)
- – erhöhte Beständigkeit
gegenüber
UV-Strahlung (längere
Lebensdauer)
- – kleine
Schwellenspannung
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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.
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Bei
höher verdrillten
Zellen (STN) sind Medien erwünscht,
die eine höhere
Multiplexierbarkeit und/oder kleinere Schwellenspannungen 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.
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Insbesondere
bei FK-Anzeigen in Geräten
für mobile
Video-Anwendungen (z.B. Mobiltelefone, PDAs oder Notebooks mit Multimediafunktionen
wie Filme oder Videospiele) ist eine deutliche Verringerung der Schaltzeiten
gewünscht.
Gleichzeitig soll die Betriebsspannung möglichst niedrig sein, um den
Gesamtenergiebedarf des Gerätes
zu senken. Es hat sich jedoch gezeigt, dass die hierzu im Stand
der Technik verwendeten FK-Medien oft einen nicht ausreichenden
Voltage Holding Ratio (HR) bei Licht- und Temperaturbelastung, sowie
eine zu geringe Tieftemperaturstabilität (low temperature stability,
LTS) aufweisen. Dies führt
in den FK-Anzeigen zu Defekten wie Schlieren und dem sogenannten "Mura" (siehe hierzu "Automatic blemish
detection in liquid crystal flat Panel displays" by William K. Pratt et al., SPIE Proceedings
3306-01, pp.2-13).
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Medien insbesondere für derartige
MFK-, TN- oder STN-Anzeigen bereitzustellen, die die oben angegebenen
Nachteile nicht oder nur in geringerem Maße zeigen, und vorzugsweise
gleichzeitig hohe HR-Werte, eine hohe Tieftemperaturstabilität, niedrige
Schwellenspannung, einen hohen Klärpunkt und eine niedrige Doppelbrechung
aufweisen. Ausserdem sollten die FK-Medien eine niedrige Rotationsviskosität besitzen,
um schnelle Schaltzeiten zu ermöglichen.
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Es
wurde nun gefunden, dass diese Aufgabe gelöst werden kann, wenn man FK-Medien
enthaltend eine oder mehrere Verbindungen der Formel I verwendet.
Die Verbindungen der Formel I führen
zu Mischungen mit den oben angegebenen gewünschten Eigenschaften.
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Gegenstand
der Erfindung ist ein flüssigkristallines
Medium, dadurch gekennzeichnet, dass es eine oder mehrere Verbindungen
der Formel I
enthält, worin
R
0 einen
halogenierten oder unsubstituierten Alkyl- oder Alkoxyrest mit 1
bis 15 C-Atomen, wobei in diesen Resten auch eine oder mehrere CH
2-Gruppen jeweils unabhängig voneinander durch -C≡C-, -CF
2O-, -CH=CH-,
-O-, -CO-O- oder -O-CO- so
ersetzt sein können,
dass O-Atome nicht direkt miteinander verknüpft sind,
X
0 F,
Cl, CN, SF
5, SCN, NCS, halogenierter Alkylrest,
halogenierter Alkenylrest, halogenierter Alkoxyrest oder halogenierter
Alkenyloxyrest mit bis zu 6 C-Atomen, und
Y
1,2 jeweils
unabhängig
voneinander H oder F bedeuten.
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Die
Verbindungen der Formel I besitzen einen hohen Klärpunkt,
eine hohe positive dielektrische Anisotropie, eine niedrige Doppelbrechung
und einen breiten nematischen Phasenbereich. Überraschenderweise wurde gefunden,
dass FK-Medien enthaltend Verbindungen der Formel I eine hohe LTS
und einen hohen HR bei gleichzeitig niedriger Schwellenspannung,
hohem Klärpunkt,
niedriger Rotationsviskosität
und dadurch bedingten schnellen Schaltzeiten aufweisen. Sie sind
deshalb besonders gut für
FK-Anzeigen in mobilen und Video-Anwendungen geeignet.
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Die
Verbindungen der Formel I besitzen einen breiten Anwendungsbereich.
In Abhängigkeit
von der Auswahl der Substituenten können sie als Basismaterialien
dienen, aus denen flüssigkristalline
Medien zum überwiegenden
Teil zusammengesetzt sind; es können
aber auch den Verbindungen der Formel I flüssigkristalline Basismaterialien
aus anderen Verbindungsklassen zugesetzt werden, um beispielsweise
die dielektrische und/oder optische Anisotropie eines solchen Dielektrikums
zu beeinflussen und/oder um dessen Schwellenspannung und/oder dessen
Viskosität
zu optimieren.
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Die
Verbindungen der Formel I sind in reinem Zustand farblos und bilden
flüssigkristalline
Mesophasen in einem für
die elektrooptische Verwendung günstig
gelegenen Temperaturbereich. Chemisch, thermisch und gegen Licht
sind sie stabil.
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Die
Verbindungen der Formel I 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.
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Falls
in den oben- und untenstehenden Formeln R0 einen
Alkylrest und/oder einen Alkoxyrest bedeutet, so kann dieser geradkettig
oder verzweigt sein. Vorzugsweise ist er geradkettig, hat 2, 3,
4, 5, 6 oder 7 C-Atome
und bedeutet demnach bevorzugt Ethyl, Propyl, Butyl, Pentyl, Hexyl,
Heptyl, Ethoxy, Propoxy, Butoxy, Pentoxy, Hexoxy oder Heptoxy, ferner
Methyl, Octyl, Nonyl, Decyl, Undecyl, Dodecyl, Tridecyl, Tetradecyl,
Pentadecyl, Methoxy, Octoxy, Nonoxy, Decoxy, Undecoxy, Dodecoxy,
Tridecoxy oder Tetradedoxy.
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Oxaalkyl
bedeutet vorzugsweise geradkettiges 2-Oxapropyl (= Methoxymethyl),
2-(= Ethoxymethyl) oder 3-Oxabutyl (= 2-Methoxyethyl), 2-, 3- oder 4-Oxapentyl,
2-, 3-, 4- oder 5-Oxahexyl, 2-, 3-, 4-, 5- oder 6-Oxaheptyl, 2-,
3-, 4-, 5-, 6-, oder 7-Oxaoctyl, 2-, 3-, 4-, 5-, 6-, 7- oder 8-Oxanonyl,
2-, 3-, 4-, 5-, 6-, 7-, 8- oder 9-Oxadexyl.
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Falls
R0 einen Alkylrest bedeutet, in dem eine
CH2-Gruppe durch -CH=CH- ersetzt ist, so
kann dieser geradkettig oder verzweigt 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.
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Falls
R0 einen mindestens einfach durch Halogen
substituierten Alkyl- oder 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.
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In
den oben- und untenstehenden Formeln ist X0 vorzugsweise
F, Cl oder ein- oder mehrfach fluoriertes Alkyl oder Alkoxy mit
1, 2 oder 3 C-Atomen oder ein- oder mehrfach fluoriertes Alkenyl
mit 2 oder 3 C-Atomen bedeutet. X0 ist besonders
bevorzugt F, Cl, CF3, CHF2,
OCF3, OCHF2, OCFHCF3, OCFHCHF2, OCFHCHF2, OCF2CH3, OCF2CHF2, OCF2CHF2, OCF2CF2CHF2, OCF2CF2CHF2,
OCFHCF2CF3, OCFHCF2CHF2, OCF2CF2CF3,
OCF2CF2CClF2, OCClFCF2CF3 oder CH=CF2, ganz
besonders bevorzugt F oder OCF3.
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Besonders
bevorzugte Verbindungen der Formel I sind ausgewählt aus folgenden Unterformeln
worin R
0 und
X
0 die in Formel I angegebene Bedeutung
haben. Vorzugsweise bedeutet R
0 geradkettiges
Alkyl mit 1 bis 8 C-Atomen, ferner Alkenyl mit 2 bis 7 C-Atomen.
X
0 bedeutet vorzugsweise F oder OCF
3, besonders bevorzugt F.
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Weitere
bevorzugte Ausführungsformen
sind im Folgenden angegeben:
- – Das Medium
enthält
zusätzlich
eine oder mehrere Verbindungen der Formel II und/oder III: worin R0,
X0, Y1 und Y2 die in Formel I angegebene Bedeutung besitzen,
Y3 und Y4 H oder
F und
- – Die
Verbindungen der Formel II sind vorzugsweise ausgewählt aus
folgenden Formeln: worin
R0 und X0 die oben
angegebenen Bedeutungen haben. Vorzugsweise bedeutet R0 Alkyl
mit 1 bis 8 C-Atomen und X0 F. Besonders
bevorzugt sind Verbindungen der Formel IIa und IIb;
- – Die
Verbindungen der Formel III sind vorzugsweise ausgewählt aus
folgenden Formeln: worin
R0 und X0 die oben
angegebenen Bedeutungen haben. Vorzugsweise bedeutet R0 Alkyl
mit 1 bis 8 C-Atomen und X0 F. Besonders
bevorzugt sind Verbindungen der Formel IIIa;
- – Das
Medium enthält
zusätzlich
eine oder mehrere Verbindungen ausgewählt aus folgenden Formeln: worin
R0, X0 und Y1-4 die in Formel II angegebenen Bedeutungen
besitzen,
Z0 -C2H4-, -(CH2)4-, -CH=CH-, -CF=CF-, -C2F4-, -CH2CF2-, -CF2CH2-, -CH2O-, -OCH2-, -COO- oder -OCF2-, in
Formel V und VI auch eine Einfachbindung, in Formel V und VIII auch
-CF2O-, und
r 0 oder 1 bedeutet;
- – Die
Verbindungen der Formel IV sind vorzugsweise ausgewählt aus
folgenden Formeln: worin R0 und
X0 die oben angegebenen Bedeutungen haben.
Vorzugsweise bedeutet R0 Alkyl mit 1 bis
8 C-Atomen und X0 F oder OCF3;
- – Die
Verbindungen der Formel V sind vorzugsweise ausgewählt aus
folgenden Formeln: worin
R0 und X0 die oben
angegebenen Bedeutungen haben. Vorzugsweise bedeutet R0 Alkyl
mit 1 bis 8 C-Atomen und X0 F;
- – Die
Verbindungen der Formel VI sind vorzugsweise ausgewählt aus
folgenden Formeln: worin
R0 und X0 die oben
angegebenen Bedeutungen haben. Vorzugsweise bedeutet R0 Alkyl
mit 1 bis 8 C-Atomen und X0 F;
- – Die
Verbindungen der Formel VII sind vorzugsweise ausgewählt aus
folgenden Formeln: worin R0 und
X0 die oben angegebenen Bedeutungen haben.
Vorzugsweise bedeutet R0 Alkyl mit 1 bis
8 C-Atomen und X0 F;
- – Das
Medium enthält
ein oder mehrere Verbindungen ausgewählt aus folgenden Formeln: worin L und X0 die
oben angegebene Bedeutung besitzen,
"Alkyl" | C1-7-Alkyl, |
R' | C1-7-Alkyl, C1-6-Alkoxy
oder C2-7-Alkenyl, und |
"Alkenyl" und "Alkenyl*" | jeweils
unabhängig
voneinander C2-7-Alkenyl |
bedeuten. - – Die Verbindungen der Formeln
IX-XII sind vorzugsweise ausgewählt
aus folgenden Formeln: worin "Alkyl" die oben angegebene
Bedeutung hat;
- – Das
Medium enthält
zusätzlich
eine oder mehrere Verbindungen ausgewählt aus folgenden Formeln: worin R1 und
R2 jeweils unabhängig voneinander n-Alkyl, Alkoxy,
Oxaalkyl, Fluoralkyl oder Alkenyl mit jeweils bis zu 9 C-Atomen
bedeuten, und vorzugsweise jeweils unabhängig voneinander Alkyl mit
1 bis 8 C-Atomen bedeuten;
- – Das
Medium enthält
zusätzlich
eine oder mehrere Verbindungen der folgenden Formel: worin R0,
X0 und Y1,2 die
in Formel I angegebenen Bedeutungen besitzen, und bedeuten,
wobei A und B nicht gleichzeitig Cyclohexylen bedeuten;
- – Die
Verbindungen der Formel XV sind vorzugsweise ausgewählt aus
folgenden Formeln: worin R0 und
X0 die oben angegebenen Bedeutungen haben.
Vorzugsweise bedeutet R0 Alkyl mit 1 bis
8 C-Atomen und X0 F;
- – Das
Medium enthält
eine oder mehrere Verbindungen der folgenden Formel: worin
R1 und R2 die oben
angegebene Bedeutung besitzen, und vorzugsweise jeweils unabhängig voneinander
Alkyl mit 1 bis 8 C-Atomen
bedeuten, und L H oder F bedeutet;
- – Das
Medium enthält
zusätzlich
eine oder mehrere Verbindungen ausgewählt aus folgenden Formeln: worin R1,2 und
Y1,2 die oben angegebenen Bedeutungen haben;
- – Das
Medium enthält
eine oder mehrere Verbindungen der Formel XVIII, worin R1 und/oder R2 Alkenyl
mit 2 bis 7 C-Atomen bedeuten, vorzugsweise solche ausgewählt aus
folgenden Formeln: worin "Alkyl" die oben angegebene
Bedeutung hat;
- – Das
Medium enthält
zusätzlich
eine oder mehrere Verbindungen ausgewählt aus folgenden Formeln: worin
R0 und X0 jeweils
unabhängig
voneinander eine der oben angegebenen Bedeutungen haben und Y1-4 jeweils unabhängig voneinander H oder F bedeuten.
X0 ist vorzugsweise F, Cl, CF3,
OCF3 oder OCHF2.
R0 bedeutet vorzugsweise Alkyl, Alkoxy,
Oxaalkyl, Fluoralkyl oder Alkenyl mit jeweils bis zu 8 C-Atomen.
Besonders bevorzugt sind Verbindungen der Formel XXI.
- – Die
Verbindungen der Formel XXI sind vorzugsweise ausgewählt aus
folgenden Formeln: worin
R0 und X0 die oben
angegebenen Bedeutungen haben. Vorzugsweise bedeutet R0 Alkyl
mit 1 bis 8 C-Atomen und X0 F;
- – R0 ist geradkettiges Alkyl oder Alkenyl mit
2 bis 7 C-Atomen;
- – X0 ist F;
- – Das
Medium enthält
eine, zwei oder mehr Verbindungen der Formel I, insbesondere der
Formel Ia, Ib oder Ic;
- – Das
Medium enthält
2-40 Gew.%, bevorzugt 3-30 Gew.%, besonders bevorzugt 3-20 Gew.%,
an Verbindungen der Formel I;
- – Das
Medium enthält
Verbindungen ausgewählt
aus den Formeln I, II, III, IV, VI, IX-XII, XVIII und XXI;
- – Der
Anteil an Verbindungen der Formeln II, III, IV, VI, IX-XII, XVIII
und XXI im Gesamtgemisch beträgt
40 bis 95 Gew.%;
- – Das
Medium enthält
5-60 Gew.%, besonders bevorzugt 10-50 Gew.% an Verbindungen der
Formel II;
- – Das
Medium enthält
2-40 Gew.%, besonders bevorzugt 5-30 Gew.% an Verbindungen der Formel
III;
- – Das
Medium enthält
1-30 Gew.%, besonders bevorzugt 2-20 Gew.% an Verbindungen der Formel
IV;
- – Das
Medium enthält
2-30 Gew.%, besonders bevorzugt 3-20 Gew.% an Verbindungen der Formel
VI;
- – Das
Medium enthält
2-40 Gew.%, besonders bevorzugt 3-30 Gew.% an Verbindungen der Formeln
IX-XII und XVIII;
- – Das
Medium enthält
1-20 Gew.%, besonders bevorzugt 1-15 Gew.% an Verbindungen der Formel
XXI.
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Es
wurde gefunden, dass bereits ein relativ geringer Anteil an Verbindungen
der Formel I im Gemisch mit üblichen
Flüssigkristallmaterialien,
insbesondere jedoch mit einer oder mehreren Verbindungen der Formeln
II bis XXIII zu einer beträchtlichen
Erhöhung
der Lichtstabilität
und zu niedrigen Werten für
die Doppelbrechung führt,
wobei gleichzeitig breite nematische Phasen mit tiefen Übergangstemperaturen
smektisch-nematisch
beobachtet werden, wodurch die Lagerstabilität verbessert wird. Gleichzeitig
zeigen die Mischungen sehr niedrige Schwellenspannungen und sehr
gute Werte für
die VHR bei UV-Belastung.
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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 1-6 Kohlenstoffatomen sind im allgemeinen
bevorzugt.
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Der
Ausdruck "Alkenyl" bzw. "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.
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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.
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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.
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Durch
geeignete Wahl der Bedeutungen von R0 und
X0 können
die Ansprechzeiten, die Schwellenspannung, die Steilheit der Transmissionskennlinien
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. Die erfindungsgemäßen Mischungen
zeichnen sich insbesondere durch hohe K1-Werte
aus und besitzen somit deutlich schnellere Schaltzeilen als die
Mischungen aus dem Stand der Technik.
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Das
optimale Mengenverhältnis
der Verbindungen der oben genannten Formeln hängt weitgehend von den gewünschten
Eigenschaften, von der Wahl der Komponenten der oben genannten Formeln
und der Wahl weiterer gegebenenfalls vorhandener Komponenten ab.
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Geeignete
Mengenverhältnisse
innerhalb des oben angegebenen Bereichs können von Fall zu Fall leicht
ermittelt werden.
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Die
Gesamtmenge an Verbindungen der oben genannten Formeln 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 gewünschte Verbesserung der Eigenschaften
der Mischung ist jedoch in der Regel umso größer je höher die Gesamtkonzentration
an Verbindungen der oben genannten Formeln ist.
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In
einer besonders bevorzugten Ausführungsform
enthalten die erfindungsgemäßen Medien
Verbindungen der Formel II bis VIII (vorzugsweise II, III, IV und
VI, insbesondere IIa, IIIa und Via), worin X0 F,
OCF3, OCHF2, OCH=CF2, OCF=CF2 oder OCF2-CF2H bedeutet.
Eine günstige
synergistische Wirkung mit den Verbindungen der Formel I führt zu besonders
vorteilhaften Eigenschaften. Insbesondere Mischungen enthaltend Verbindungen
der Formeln I, IIa, IIIa und Via zeichnen sich durch ihre niedrige
Schwellenspannung aus.
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Die
einzelnen Verbindungen der oben genannten Formeln und deren Unterformeln,
die in den erfindungsgemäßen Medien
verwendet werden können,
sind entweder bekannt, oder sie können analog zu den bekannten
Verbindungen hergestellt werden.
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Gegenstand
der Erfindung sind auch elektrooptische Anzeigen, wie z. B. 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 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.
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Die
erfindungsgemäßen Flüssigkristallmischungen
ermöglichen
eine bedeutende Erweiterung des zur Verfügung stehenden Parameterraumes.
Die erzielbaren Kombinationen aus Klärpunkt, Viskosität bei tiefer Temperatur,
thermischer und UV-Stabilität
und hoher optischer Anisotropie übertreffen
bei weitem bisherige Materialien aus dem Stand der Technik.
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Die
erfindungsgemäßen Mischungen
sind insbesondere für
mobile Anwendungen und low-Δn-TFT-Anwendungen,
wie z. B. Mobiltelefone und PDAs geeignet.
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Die
erfindungsgemäßen Flüssigkristallmischungen
ermöglichen
es, bei Beibehaltung der nematischen Phase bis -20°C und bevorzugt
bis -30°C,
besonders bevorzugt bis -40°C,
und des Klärpunkts ≥ 70°C, vorzugsweise ≥ 75°C, besonders
bevorzugt ≥ 80°C, gleichzeitig
dielektrische Anisotropiewerte Δε ≥ +8, vorzugsweise ≥ +10 und einen
hohen Wert für
den spezifischen Widerstand zu erreichen, wodurch hervorragende MFK-Anzeigen
erzielt werden können.
Insbesondere sind die Mischungen durch kleine Operationsspannungen
gekennzeichnet.
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Die
Schwellenspannung der erfindungsgemäßen Flüssigkristallmischungen ist
vorzugsweise ≤ 1.5
V, besonders bevorzugt ≤ 1.3
V.
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Die
Doppelbrechung Δn
der erfindungsgemäßen Flüssigkristallmischungen
ist vorzugsweise ≤ 0,11, besonders
bevorzugt ≤ 0,10.
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Die
Rotationsviskosität γ1 der
erfindungsgemäßen Flüssigkristallmischungen
bei 20°C
ist vorzugsweise ≤ 180
mPa·s,
besonders bevorzugt ≤ 140
mPa·s.
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Der
nematische Phasenbereich der erfindungsgemäßen Flüssigkristallmischungen ist
vorzugsweise mindestens 90°,
insbesondere mindestens 100° breit.
Vorzugsweise erstreckt sich dieser Bereich mindestens von -20° bis +75°C.
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Es
versteht sich, dass durch geeignete Wahl der Komponenten der erfindungsgemäßen Mischungen auch
höhere
Klärpunkte
(z.B. oberhalb 100°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 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-PS 30 22 818 )
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.
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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 geringere Abnahme
des HR unter UV-Belastung aufweisen als analoge Mischungen enthaltend anstelle
den Verbindungen der Formel I Cyanophenylcyclohexane der Formel
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Die
Lichtstabilität
und UV-Stabilität
der erfindungsgemäßen Mischungen
ist erheblich besser, d.h. sie zeigen eine deutlich kleinere Abnahme
des HR unter Licht- bzw. UV-Belastung. Bereits geringe Konzentrationen
der Verbindungen (< 10
Gew.%) der Formel I in den Mischungen erhöhen die HR gegenüber Mischungen aus
dem Stand der Technik um 6% und mehr.
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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.
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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.
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Die
Herstellung der erfindungsgemäß verwendbaren
Flüssigkristallmischungen
erfolgt in an sich üblicher
Weise, beispielsweise indem man eine oder mehrere Verbindungen der
Formel I mit einer oder mehreren Verbindungen der Formeln II-XXIII
oder mit weiteren flüssigkristallinen
Verbindungen und/oder Additiven mischt. 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.
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Die
Dielektrika können
auch weitere, dem Fachmann bekannte und in der Literatur beschriebene
Zusätze,
wie z. B. UV-Stabilisatoren wie Tinuvin® der
Fa. Ciba, Antioxidantien, Radikalfänger, Nanopartikel, 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.
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In
der vorliegenden Anmeldung und in den folgenden Beispielen sind
die Strukturen der Flüssigkristallverbindungen
durch Acronyme 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 Acronym für den Grundkörper angegeben.
Im Einzelfall folgt getrennt von Acronym für den Grundkörper mit
einem Strich ein Code für
die Substituenten R
1*, R
2*,
L
1* und L
2*:
Code
für R1*, R2*, L1*, L2*, L3* | R1* | R2* | L1* | L2* |
nm | CnH2n+1 | CmH2m+1 | H | H |
nOm | CnH2n+1 | OCmH2m+1 | H | H |
nO.m | OCnH2n+1 | CmH2m+1 | H | H |
n | CnH2n+1 | CN | H | H |
nN.F | CnH2n+1 | CN | F | H |
nN.F.F | CnH2n+1 | CN | F | F |
nF | CnH2n+1 | F | H | H |
nCl | CnH2n+1 | Cl | H | H |
nOF | OCnH2n+1 | F | H | H |
nF.F | CnH2n+1 | F | F | H |
nF.F.F | CnH2n+1 | F | F | F |
nOCF3 | CnH2n+1 | OCF3 | H | H |
nOCF3.F | CnH2n+1 | OCF3 | F | H |
n-Vm | CnH2n+1 | -CH=CH-CmH2m+1 | H | H |
nV-Vm | CnH2n+1-CH=CH | -CH=CH-CmH2m+1 | H | H |
-
Bevorzugte
Mischungskomponenten finden sich in den Tabellen A und B. Tabelle
A
Tabelle
B
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Besonders
bevorzugt sind flüssigkristalline
Mischungen, die neben den Verbindungen der Formeln I mindestens
ein, zwei, drei, vier oder mehr 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.
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-
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Tabelle D
-
Stabilisatoren,
die beispielsweise den erfindungsgemäßen Mischungen in Mengen von
0-10 Gew.% zugesetzt werden können,
werden nachfolgend genannt.
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-
-
-
-
Die
folgenden Beispiele sollen die Erfindung erläutern, ohne sie zu begrenzen.
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Vor-
und nachstehend bedeuten Prozentangaben Gewichtsprozent. Alle Temperaturen
sind in Grad Celsius angegeben. Fp. bedeutet Schmelzpunkt, Kp. =
Klärpunkt.
Ferner bedeuten K = kristalliner Zustand, N = nematische Phase,
S = smektische Phase und I = isotrope Phase. Die Angaben zwischen
diesen Symbolen stellen die Übergangstemperaturen
dar. Weiterhin bedeutet
- – Δn die optische Anisotropie bei
589 nm und 20°C),
- – γ1 die
Rotationsviskosität
(mPa·s)
bei 20°C,
- – V10 die Spannung (V) für 10% der Transmissionsänderung
(Blickrichtung senkrecht zur Plattenoberfläche), (Schwellenspannung),
- – V90 die Spannung (V) für 90% der Transmissionänderung
(Blickrichtung senkrecht zur Plattenoberfläche),
- – Δε die dielektrische
Anisotropie bei 20°C
und 1 kHz (Δε = ε∥ – ε⊥ wobei ε∥ die
Dielektrizitätskonstante
parallel zu den Moleküllängsachsen
und ε⊥ die
Dielektrizitätskonstante
senkrecht dazu bedeutet),
- – HR
die "voltage holding
ratio" [%] und
- – LTS
die "low temperature
stability" (Phase),
bestimmt in Testzellen.
-
Die
elektro-optischen Daten werden in einer TN-Zelle 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. Alle physikalischen Eigenschaften
werden nach
"Merck
Liquid Crystals, Physical Properties of Liquid Crystals" Status Nov. 1997, Merck
KGaA, Deutschland bestimmt und gelten für eine Temperatur von 20°C, sofern
nicht explizit anders angegeben. Vergleichsbeispiel 1
CC-4-V | 18,00% | Klärpunkt [°C]: | 80,0 |
PP-1-2V1 | 4,00% | Δn [589 nm,
20°C]: | 0,1000 |
CCQU-3-F | 13,00% | Δε [20°C, 1 kHz]: | +10,5 |
CCQU-5-F | 12,00% | γ1 [mPa·s, 20°C]: | 107 |
CCP-20CF3 | 6,00% | V10 [V]: | 1.28 |
CCP-30CF3 | 2,00% | LTS
Bulk -30 [h]: | 24 |
PUQU-3-F | 14,00% | | |
BCH-3F.F.F | 16,00% | | |
CCP-V-1 | 8,00% | | |
CCGU-3-F | 7,00% | | |
Vergleichsbeispiel 2
CC-4-V | 14,00% | Klärpunkt [°C]: | 80,5 |
CC-3-V1 | 2,00% | Δn [589 nm,
20°C]: | 0,1000 |
CCQU-2-F | 2,00% | Δε [20°C, 1 kHz]: | +11,4 |
CCQU-3-F | 10,00% | γ1 [mPa·s, 20°C]: | 100 |
CCQU-5-F | 10,00% | V10 [V]: | 1.24 |
CCP-20CF3 | 7,00% | LTS
Bulk -30 [h]: | 48 |
CCP-30CF3 | 6,00% | | |
PUQU-2-F | 9,00% | | |
PUQU-3-F | 12,00% | | |
PGU-3-F | 7,00% | | |
CCG-V-F | 4,00% | | |
CCP-V-1 | 15,00% | | |
CCGU-3-F | 2,00% | | |
Beispiel 1
CC-4-V | 13,00% | Klärpunkt [°C]: | 80,0 |
CC-3-V1 | 4,00% | Δn [589 nm,
20°C]: | 0,0987 |
PP-1-2V1 | 1,00% | Δε [20°C, 1 kHz]: | +10,7 |
CCQU-3-F | 10,00% | γ1 [mPa·s, 20°C]: | 99 |
CCQU-5-F | 10,00% | V10 [V]: | 1.28 |
CCP-20CF3 | 4,00% | LTS
Bulk -30 [h]: | 1000 |
PUQU-2-F | 7,00% | HR
[5 min, 100°C]: | 97,5% |
PUQU-3-F | 13,00% | | |
PGU-3-F | 6,00% | | |
CCG-V-F | 7,00% | | |
CCP-V-1 | 13,00% | | |
CCGU-3-F | 2,00% | | |
CAP-3-F | 10,00% | | |
-
Die
Mischung weist gegenüber
den Mischungen aus Vergleichsbeispiel 1 und 2 eine deutlich höhere LTS
auf, bei vergleichbaren Werten für
den Klärpunkt,
die Doppelbrechung, die dielektrische Anisotropie, die Rotationsviskosität und die
Schwellenspannung. Außerdem
zeigt sie einen hohen HR-Wert.