DE10229169B4 - New discotic compounds and methods of making optically anisotropic elements - Google Patents
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Abstract
Nematisch diskotische Verbindung mit sternförmiger Struktur der allgemeinen Formel Iwobei DS voneinander unabhängige Struktureinheiten darstellen, ausgewählt aus Struktureinheiten der allgemeinen Formel VNematic discotic compound with a star-shaped structure of the general formula I, where DS represent independent structural units selected from structural units of the general formula V
Description
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf neue diskotische Verbindungen, welche eine stabile nematische Phase ausbilden und ein Verfahren zur Herstellung optisch anisotroper Elemente, die derartige Verbindungen enthalten und welche u. a. als optische Kompensationsschichten einsetzbar sind.The present invention relates to novel discotic compounds which form a stable nematic phase and a process for producing optically anisotropic elements containing such compounds and which are known in the art. a. can be used as optical compensation layers.
Optische Kompensationsschichten werden eingesetzt, um die Blickwinkelabhängigkeit von LCD-Anzeigeelementen zu verringern. Dazu ist es vorteilhaft, wenn die Kompensationsschichten eine negative Doppelbrechung aufweisen und die optische Achse geneigt ist.Optical compensation layers are used to reduce the viewing angle dependence of LCD display elements. For this purpose, it is advantageous if the compensation layers have a negative birefringence and the optical axis is inclined.
Bisherige Lösungen, wie z. B. speziell gestreckte und geschnittene Polycarbonatfolien (
Als gut geeignet haben sich verschiedene diskotische Flüssigkristalle (
Um derartige diskotische flüssigkristalline Materialien zur Verbesserung der Blickwinkelabhänigkeit von LCD-Anzeigen zu verwenden, müssen sie auf eine Unterlage (Glas, Polymermaterial bevorzugt Cellulosetriacetat) mit herkömmlichen Verfahren, wie Aufdampfen, Tauchgießen oder Spincoating aufgebracht werden. Eine optisch anisotrope Schicht bildet sich nur aus, wenn die Moleküle in der diskotisch nematischen Phase auf der Unterlage einheitlich ausgerichtet sind. Dies kann durch elektrische oder magnetische Verfahren oder aber bevorzugt durch Aufbringen einer Orientierungsschicht erfolgen.In order to use such discotic liquid crystal materials for improving the viewing angle dependence of LCD displays, they must be applied to a base (glass, polymer material preferably cellulose triacetate) by conventional methods such as vapor deposition, dip casting or spin coating. An optically anisotropic layer only forms when the molecules in the discotic nematic phase are uniformly aligned on the support. This can be done by electrical or magnetic methods or preferably by applying an orientation layer.
Die Orientierungsschicht wird mit herkömmlichen Begußverfahren direkt auf die Unterlage oder gegebenenfalls auf eine vorher aufgebrachte Haftvermittlungsschicht platziert. Als Orientierungsschichten werden vorwiegend Polyimidschichten verwendet. Auf der Orientierungsschicht wird dann durch mechanische Einwirkung (Reiben, Bürsten) eine Vorzugsrichtung erzeugt entlang der sich die diskotisch flüssigkristallinen Verbindungen beim Auftragen anordnen. Dabei sind die diskotischen Verbindungen bezogen auf die Unterlage geneigt angeordnet, wobei sich der Neigungswinkel kontinuierlich in Abhängigkeit von der Schichtdicke ändert.The orientation layer is placed directly onto the substrate or, if appropriate, onto a previously applied adhesion-promoting layer by conventional casting processes. As orientation layers predominantly polyimide layers are used. On the orientation layer is then by mechanical action (rubbing, brushing) creates a preferred direction along which arrange the discotic liquid crystalline compounds during application. In this case, the discotic compounds are inclined with respect to the pad, wherein the angle of inclination changes continuously as a function of the layer thickness.
Die beim Erhitzen der Schicht erzeugte diskotisch nematische Phase kann durch Polymerisation eingefroren werden. Dabei können die diskotischen Materialien durch aktive Seitenketten direkt vernetzt werden oder ein beigemischtes Monomeres wird polymerisiert.The discotic nematic phase generated upon heating the layer can be frozen by polymerization. The discotic materials can be directly crosslinked by active side chains or a mixed monomer is polymerized.
Die ebenfalls mögliche Fixierung durch Übergang in einen glasartigen Zustand durch langsame Abkühlung birgt bei den bisher eingesetzten diskotischen Monomeren die Gefahr der Kristallisation bei Raumtemperatur.The likewise possible fixation by transition into a glassy state by slow cooling entails the risk of crystallization at room temperature in the discotic monomers used hitherto.
Als geeignet erwiesen sich Materialien aus der Gruppe der sternförmigen diskotischen Materialien. Sie bestehen aus einer zentralen Linker-Einheit und haben zusätzlich in den Seitenketten diskotische Einheiten.Materials found to be suitable from the group of star-shaped discotic materials. They consist of a central linker unit and additionally have discotic units in the side chains.
Bisher sind nur sternförmige diskotische Materialien bekannt, welche eine stabile columnar diskotische Phase ausbilden und gute Eigenschaften als organische Photoleiter aufweisen (
Die
In der
Die
In der
Die
Ausgehend hiervon war es Aufgabe der vorliegenden Erfindung sternförmig diskotische Verbindungen bereitzustellen mit einer diskotisch nematischen Phase, die diese Eigenschaft dauerhaft durch Abkühlung im Glaszustand bei Raumtemperatur behalten. Proceeding from this, it was an object of the present invention to provide star-shaped discotic compounds having a discotic nematic phase, which retain this property permanently by cooling in the glass state at room temperature.
Diese Aufgabe wird durch die nematisch diskotischen Verbindungen mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie das Verfahren zur Herstellung optisch anisotroper Elemente mit den Merkmalen des Anspruchs 2 gelöst. Die weiteren abhängigen Ansprüche zeigen vorteilhafte Weiterbildungen auf. In Anspruch 9 wird eine mögliche Verwendung aufgezeigt.This object is achieved by the nematic discotic compounds having the features of claim 1 and the method for producing optically anisotropic elements having the features of claim 2. The other dependent claims show advantageous developments. In claim 9 a possible use is shown.
Erfindungsgemäß werden nematisch diskotische Verbindungen mit sternförmiger Struktur der allgemeinen Formel I bereitgestellt. Hierbei stellen die Gruppen DS voneinander unabhängige Struktureinheiten dar, die eine stabile diskotisch nematische Phase aufweisen. Die Gruppe L stellt einen Linker dar, der die einzelnen Struktureinheiten DS miteinander verbindet.According to the invention nematic discotic compounds with star-shaped structure of the general formula I. provided. Here, the groups DS represent independent structural units which have a stable discotic nematic phase. The group L represents a linker which connects the individual structural units DS with one another.
Die sternförmigen diskotischen Verbindungen bilden jeweils eine nematisch diskotische (ND) flüssigkristalline Phase aus. Beim Abkühlen bis Raumtemperatur erfolgt keine Rekristallisation. Durch den Aufheizvorgang wird reproduzierbar eine Glasstufe gefunden, bevor der Übergang in die isotrope Phase erfolgt. Die Verbindungen zeigen langzeitstabil optische Transparenz und doppelbrechende Eigenschaften.The star-shaped discotic compounds each form a nematic discotic (N D ) liquid-crystalline phase. Upon cooling to room temperature, no recrystallization occurs. As a result of the heating process, a glass stage is reproducibly found before the transition to the isotropic phase takes place. The compounds show long-term stable optical transparency and birefringent properties.
Vorzugsweise stellen die Gruppen DS aromatische Struktureinheiten dar, die eine nematisch diskotische Phase aufweisen. Gleichzeitig sind die Gruppen DS über eine Esterbrücke mit dem Linker verbunden. Bevorzugt weisen die Gruppen DS dabei Oxycarbonyl- und/oder Carbonyloxyfunktionalitäten zur Ausbildung der Esterbrücken auf.Preferably, the groups DS represent aromatic moieties having a nematic discotic phase. At the same time, the groups DS are connected to the linker via an ester bridge. The groups DS preferably have oxycarbonyl and / or carbonyloxy functionalities for forming the ester bridges.
Als Struktureinheit DS kommt erfindungsgemäß folgender Rest in Frage: mit R = unabhängig voneinander H, Alkyl (C1-C12), Alkoxy (C1-C12), Y = O und n = 7 bis 17As the structural unit DS according to the invention the following radical is suitable: with R = independently of one another H, alkyl (C 1 -C 12 ), alkoxy (C 1 -C 12 ), Y = O and n = 7 to 17
Als Linker L kommen erfindungsgemäß die folgenden Gruppen in Frage: mit Z = CO oder
der allgemeinen Formel VIII mit p = 1 und Z = CO.As linker L according to the invention the following groups are suitable: with Z = CO or
the general formula VIII with p = 1 and Z = CO.
Die Gruppen Y und die Gruppen Z sind dabei jeweils so aufeinander abgestimmt, dass zwischen DS und dem Linker Esterbrücken ausgebildet werden.The groups Y and the groups Z are in each case coordinated so that ester bridges are formed between DS and the linker.
Erfindungsgemäß wird ebenso ein Verfahren zur Herstellung optisch anisotroper Elemente bereitgestellt, bei dem ein transparentes Substrat, daß gegebenenfalls mit einer Orientierungsschicht versehen wird, mit einer nematisch diskotischen Schicht beschichtet wird. Erfindungswesentlich hierbei ist es, daß die nematisch diskotische Schicht sich aus den nematisch diskotischen Verbindungen nach Anspruch 1 zusammensetzt.The invention also provides a process for producing optically anisotropic elements in which a transparent substrate, optionally provided with an orientation layer, is coated with a nematic discotic layer. It is essential to the invention here that the nematic discotic layer is composed of the nematic discotic compounds according to claim 1.
Zur Herstellung eines doppelbrechenden Films wurden die Materialien in einem geeigneten Lösungsmittel mittels Spin-coating auf eine transparente Unterlage, welche gegebenenfalls eine Orientierungsschicht aufweist, aufgebracht. Geeignete Lösungsmittel sind Benzol, Toluol, Alkylhalogenide, wie z. B. Chloroform. Die Lösungsmittel können einzeln oder in Kombination eingesetzt werden.To produce a birefringent film, the materials were spin-coated in a suitable solvent onto a transparent support which optionally has an orientation layer. Suitable solvents are benzene, toluene, alkyl halides, such as. B. chloroform. The solvents may be used singly or in combination.
Ebenso ist möglich, die Materialien mittels anderer, insbesondere kontinuierlicher Beschichtungsmethoden (wie z. B. Sprüh-, Tauch- oder Walzenbeschichtungsverfahren) aufzubringen.It is likewise possible to apply the materials by means of other, in particular continuous, coating methods (such as, for example, spray, dip or roll coating methods).
Anschließend wird die Schicht auf die zur Ausbildung der diskotisch nematischen Phase erforderliche Temperatur erhitzt und dann auf Raumtemperatur abgekühlt. Als Unterlage kann jedes transparente Material wie z. B. Glas oder Triacetylcellulose eingesetzt werden, solange es eine geringe Eigendoppelbrechung aufweist. Auch Materialien mit größerer Eigendoppelbrechung wie Polycarbonat oder Polysulfon sind einsetztbar, wenn das Substrat bei der Herstellung durch geeignete Behandlung optisch isotrop gemacht wird.Subsequently, the layer is heated to the temperature required for forming the discotic nematic phase and then cooled to room temperature. As a support, any transparent material such. As glass or triacetyl cellulose are used, as long as it has a low self-birefringence. Also, materials with greater self-birefringence such as polycarbonate or polysulfone are einsetztbar if the substrate is made optically isotropic in the preparation by suitable treatment.
Zur Gewährleistung einer Vorzugsorientierung der sternförmig diskotischen Verbindungen auf dem Substrat ist es vorteilhaft, zwischen Substrat und Film eine Orientierungsschicht unterzubringen. Beispiele für die Orientierungsschicht sind Polymere, wie z. B. Polymethylmethacrylat, Acrylsäure-/Methacrylsäure-Copolymer, Polyvinylalkohol, Polyester, Polyimid oder Polycarbonat. Vorzugsweise wird Polyimid eingesetzt. Die Orientierungsschicht wird erfindungsgemäß durch Reiben vorbehandelt.To ensure a preferred orientation of the star-shaped discotic compounds on the substrate, it is advantageous to accommodate an orientation layer between the substrate and the film. Examples of the orientation layer are polymers, such as. As polymethyl methacrylate, acrylic acid / methacrylic acid copolymer, polyvinyl alcohol, polyester, polyimide or polycarbonate. Preferably, polyimide is used. The orientation layer is pretreated by rubbing according to the invention.
Ebenso geeignet sind schräg abgeschiedene anorganische Orientierungsschichten SiO2, TiO2, MgF2 oder ZnO enthaltend. Likewise suitable are obliquely deposited inorganic alignment layers containing SiO 2 , TiO 2 , MgF 2 or ZnO.
Die Vorzugsorientierung kann auch durch Einwirkung schräg gerichteter elektrischer oder magnetischer Felder bei Temperaturen, welche die Ausbildung der diskotisch nematischen Phase ermöglichen, erreicht werden.The preferential orientation can also be achieved by the action of obliquely directed electric or magnetic fields at temperatures which enable the formation of the discotic nematic phase.
In den auf diese Weise hergestellten Filmen sind die sternförmigen diskotischen Verbindungen in der durch die Orientierungsschicht vorgegebenen Richtung angeordnet und gegenüber der Substratebene in einem Winkel von 0° < γ < 90°, vorzugsweise von 10° < γ < 25° geneigt.In the films produced in this way, the star-shaped discotic compounds are arranged in the direction predetermined by the orientation layer and inclined with respect to the substrate plane at an angle of 0 ° <γ <90 °, preferably 10 ° <γ <25 °.
Ebenso können in den Filmen Gemische der erfindungsgemäßen sternförmig diskotischen Verbindungen oder Gemische der erfindungsgemäßen sternförmig diskotischen Verbindungen mit nicht diskotisch nematischen Verbindungen zur Variation der Einsatztemperatur enthalten sein.Likewise, mixtures of the star-shaped discotic compounds according to the invention or mixtures of the star-shaped discotic compounds according to the invention with non-discotic nematic compounds for varying the use temperature can be present in the films.
Die auf Basis der erfindungsgemäß bereitgestellten sternförmig diskotischen Verbindungen hergestellten Filme mit doppelbrechenden Eigenschaften können in opto-elektronischen Bauelementen wie z. B. optischen Kompensatoren für LCD-Displays eingesetzt werden.The films with birefringent properties produced on the basis of the star-shaped discotic compounds provided according to the invention can be used in optoelectronic components such as, for B. optical compensators for LCD displays are used.
Die Erfindung soll durch die folgenden Beispiele erläutert werden, ohne diese auf diese Ausführungsformen zu beschränken.The invention will be illustrated by the following examples, without limiting them to these embodiments.
Beispiel 1example 1
Herstellung der sternförmigen diskotischen Verbindungen:Preparation of star-shaped discotic compounds:
Benzol-1,3,5-tricarbonsäure-tri-(11-(pentakis((4-propylphenyl)ethinyl)phenoxy)undecyl)ester Benzene-1,3,5-tricarboxylic acid tri- (11- (pentakis ((4-propylphenyl) ethynyl) phenoxy) undecyl) ester
1,17 g (1,2 mmol) 11-{Pentakis[(4-propylphenyl)ethinyl]phenoxy}undecan-1-ol werden in 10 ml abs. CH2Cl2 gelöst (N2, Feuchtigkeitsausschluß). Zu der Lösung werden 5 ml abs. Pyridin und 10 mg (0,1 mmol) 4-Dimethylaminopyridin gegeben. Anschließend wird unter Rühren bei Raumtemperatur eine Lösung von 100 mg (3,77 mmol) Benzol-1,3,5-tricarbonsäuretrichlorid (Trimesinsäurechlorid) in 10 ml abs. Dichlormethan zugetropft. Nach 24stündigem Rühren bei Raumtemperatur unter N2-Atmosphäre wird die Mischung einmal mit Wasser, dreimal mit 1N HCl und weitere zweimal mit Wasser (bis zur neutralen Reaktion) gewaschen und nach Trocknung mit Na2SO2 eingeengt. Die Reinigung des Rohproduktes erfolgt durch Flash-Chromatographie (Laufmittel: Petrolether/Essigester 10:2).
Ausbeute: 0,79 g (68%)
Thermische Umwandlungsdaten (DSC, 2. Heizen mit 10 K/min; Angaben in °C):
Tg24 ND 142 I
(Tg: Glastemperatur, Ng: nematisch-diskotisch; I: isotrop)
IR (KBr): v = 2200 (C≡C), 1750 (C=0) cm–1,
1H-NMR (CDCl3): δ = 0.92-0.97 (m, 45H, CH3), 1.25-1.91 (m, 84H, CH2), 2.60 (t, 30H, CH2, J = 7.5 Hz), 4.34 (t, 6H, CH2, J = 6.5 Hz), 4.35 (t, 6H, CH2, J = 6.2 Hz), 7.15-7.17 (m, 30H, phenyl), 7.49-7.54 (m, 30H, phenyl), 8.83 (s, 3H, phenyl) ppm.1.17 g (1.2 mmol) of 11- {pentakis [(4-propylphenyl) ethynyl] phenoxy} undecan-1-ol are dissolved in 10 ml of abs. CH 2 Cl 2 dissolved (N 2 , exclusion of moisture). To the solution 5 ml abs. Pyridine and 10 mg (0.1 mmol) of 4-dimethylaminopyridine were added. Then, with stirring at room temperature, a solution of 100 mg (3.77 mmol) of benzene-1,3,5-tricarboxylic acid trichloride (trimesic acid chloride) in 10 ml of abs. Dichloromethane added dropwise. After stirring for 24 hours at room temperature under N 2 atmosphere, the mixture is washed once with water, three times with 1N HCl and a further two times with water (until the neutral reaction) and concentrated by evaporation with Na 2 SO 2 . The crude product is purified by flash chromatography (eluent: petroleum ether / ethyl acetate 10: 2).
Yield: 0.79 g (68%)
Thermal conversion data (DSC, 2nd heating at 10 K / min, data in ° C):
T g 24 N D 142 I
(T g : glass transition temperature, N g : nematic-discotic, I: isotropic)
IR (KBr): v = 2200 (C≡C), 1750 (C = 0) cm -1 ,
1 H-NMR (CDCl 3 ): δ = 0.92-0.97 (m, 45H, CH 3 ), 1.25-1.91 (m, 84H, CH 2 ), 2.60 (t, 30H, CH 2 , J = 7.5 Hz), 4.34 (t, 6H, CH 2 , J = 6.5 Hz), 4.35 (t, 6H, CH 2 , J = 6.2 Hz), 7.15-7.17 (m, 30H, phenyl), 7.49-7.54 (m, 30H, phenyl ), 8.83 (s, 3H, phenyl) ppm.
Beispiel 2Example 2
Filmbildungfilming
Von der Verbindung nach Beispiel 1 wird eine Lösung mit einer Konzentration von 7,5% in einem Gemisch bestehend aus Chloroform und Toluol (9:1 Volumenanteile) hergestellt. Die Lösung wird durch einen 0,2 μm Filter gereinigt. Von dieser Lösung wird auf einem Glassubstrat, beschichtet mit geriebenem Polyimid SE-3140 (Merck) mit einer Rotationsgeschwindigkeit von 1000 Umdrehungen pro Minute und einer Rotationsdauer von 30 Sekunden ein spin-coating Film hergestellt. Anschließend wird 60 Sekunden mit einer Geschwindigkeit von 2000 Umdrehungen pro Minute nachgeschleudert. Der Film wird im Anschluss im Vakuum bei 45°C 24 Stunden nachgetrocknet. Die Schichtdicke des so präparierten Films beträgt 1 μm. Die Schichtdicke kann jedoch mittels der spin-coating Parameter (Konzentration der Lösung, Rotationsgeschwindigkeit, Zeitdauer der Rotation) zwischen 500 nm und 1,5 μm variiert werden.From the compound according to Example 1, a solution with a concentration of 7.5% in a mixture consisting of chloroform and toluene (9: 1 parts by volume) was prepared. The solution is cleaned by a 0.2 μm filter. From this solution, a spin-coating film is produced on a glass substrate coated with rubbed polyimide SE-3140 (Merck) at a rotation speed of 1000 rpm and a rotation time of 30 seconds. The mixture is then spun for 60 seconds at a speed of 2000 revolutions per minute. The film is then post-dried in vacuo at 45 ° C for 24 hours. The layer thickness of the thus prepared film is 1 μm. However, the layer thickness can be varied between 500 nm and 1.5 μm by means of the spin-coating parameters (concentration of the solution, rotational speed, duration of the rotation).
Beispiel 3Example 3
Optisch anisotropes ElementOptically anisotropic element
Ein spin-coating Film nach Beispiel 2 wird mit einer Heizrate von 10 K/min auf 120°C erwärmt und 5 min bei dieser Temperatur gehalten. Danach wird mit 1 K/min auf 100°C abkühlt und 30 min bei 100°C getempert. Anschließend wird der Film auf Raumtemperatur abgekühlt. Das Abkühlen auf Raumtemperatur kann mit geregelter Kühlrate, aber auch ohne Temperaturkontrolle erfolgen. Die für eine nematisch-diskotische Flüssigkristallphase typischen Schlierentexturen, die auf die Ausbildung von Domären mit unterschiedlicher Orientierung des Moleküldirektors zurückzuführen sind, sind nach der thermischen Behandlung des Films polarisationsmikroskopisch nicht feststellbar. Somit sind die Moleküle auf der Orientierungsschicht einheitlich angeordnet. Der Film weist zwischen gekreuzten Polarisatoren makroskopische out-of-plane Anisotropie auf. Die Bestimmung des Neigungswinkels der diskotischen Molekülgruppen erfolgte durch Messung der optischen Phasendifferenz in Abhängigkeit vom Einfallswinkel des eingestrahlten Lichts.A spin-coating film according to Example 2 is heated at a heating rate of 10 K / min to 120 ° C and held at this temperature for 5 min. It is then cooled to 100 ° C. at 1 K / min and annealed at 100 ° C. for 30 min. Subsequently, the film is cooled to room temperature. Cooling to room temperature can be carried out at a controlled cooling rate, but also without temperature control. The Schlieren textures typical of a nematic-discotic liquid-crystal phase, which are attributable to the formation of domains with different orientation of the molecule director, are not detectable by polarization microscopy after the thermal treatment of the film. Thus, the molecules are uniformly arranged on the orientation layer. The film has macroscopic out-of-plane anisotropy between crossed polarizers. The determination of the angle of inclination of the discotic molecular groups was carried out by measuring the optical phase difference as a function of the angle of incidence of the incident light.
Die Kurve in Bild 1 zeigt die Änderung der optischen Phasendifferenz als Funktion des Einfallswinkels des eingestrahlten Lichts (orientierter Film des Benzol-1,3,5-tricarbonsäure-tri-(11-pentakis((4-Propylphenyl)ethinyl)phenoxy)undecyl)ester auf Polyimid; Schichtdicke 1,0 μm).The curve in Figure 1 shows the change in the optical phase difference as a function of the angle of incidence of the incident light (oriented film of the benzene-1,3,5-tricarboxylic acid tri- (11-pentakis ((4-propylphenyl) ethynyl) phenoxy) undecyl). ester on polyimide; Layer thickness 1.0 μm).
Der asymmetrische Verlauf der Kurve lässt auf eine getiltete Molekülorientierung schließen. Der Neigungswinkel zwischen den Ebenen der diskotischen Molekülscheiben und dem Substrat beträgt im Mittel 14°.The asymmetric course of the curve indicates a tilted molecular orientation. The angle of inclination between the planes of discotic molecular disks and the substrate is on average 14 °.
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Patent Citations (5)
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