DE2316864C3

DE2316864C3 - FlüssigkristaUzusammensetzung

Info

Publication number: DE2316864C3
Application number: DE2316864A
Authority: DE
Inventors: Komei Hirakata Asai; Masakazu Nishinomiya Fukai; Koshiro Nara Mori; Seiichi Sakai Nagata; Hiroshi Katano Tatsuta
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1972-04-05
Filing date: 1973-04-04
Publication date: 1979-04-05
Also published as: GB1384662A; DE2316864B2; US3979319A; DE2316864A1

Description

^{CH =}

in denen O^ η ^ 6,- ögp| 6, gekennzeichnet durch den Zusatz von 0,1 bis 5,0 Gewichtsprozent einer Verbindung der allgemeinen Formel

in der 5 g /i S 17.

Die Erfindung betrifft eine nematische Flüssigkristallzusammensetzung, bestehend aus mindestens einer Verbindung der allgemeinen Formeln

= M_y

CH=N

(CH₂L-CH₃

CHj-(CHj)₁-O-/)- CH =N-(\-O-C-(CH₂|,-CH_j

in denen 0</;£6, 0<p<6, welche durch den im. Patentanspruch genannten Zusatzstoff gekennzeichnet ist, wobei die Längsachsen der Flüssigkristallmoleküle spontan in der senkrechten Richtung zur Oberfläche der Begrenzungs- bzw. Haltewände einer Flüssigkristall-Anzeigeplatte orientiert werden können. Mit »Flüssigkristallen« werden hier der Einfachheit halber flüssige Kristalle (anisotrope Flüssigkeiten) bezeichnet

Die Flüssigkristall-Anzeigeplatte soll nachstehend unter Bezug auf die Zeichnungen beschrieben werden.

Fig. IA und IB zeigen den grundlegenden Aufbau einer Flüssigkristall-Anzeigeplatte, wobei Fig. IA eine Draufsicht und Fig. IB eine Querschnittsansicht darstellt;

F;g. 2 ist eine schematische Ansicht, weiche den durch den Orientierungszustand der Achsen der Flüssigkristallmoleküle bedingten Lichtstreuungseffekt zeigt;

Fig.3 und Fig.4 sind schematische Darstellungen von Vorrichtungen zur Beobachtung und Messung der Lichtstreuung der Flüssigkristallzusammensetzung;

Fig.5 zeigt in graphischer Darstellung einen Vergleich zwischen dem Lichtstreuungseffekt der den erfindungsgemäßen Zusatzstoff enthaltenden Flüssigkristallzusammensetzung und jenem eines entsprechenden zusatzstofffreien Präparats.

Die Flüssigkristall-Anzeigeplatte weist im Prinzip eine aus F i g. 1 ersichtliche Bauweise auf. An den Oberflächen von Glasträgerplatten 1 bzw. 2 sind somit die Elektroden 3 bzw. 4 angebracht Mindestens eine der Elektroden 3 und 4 muß transparent sein. Die Glasträgerplatten I und 2 werden mit Hilfe eines Distanzstücks 5 parallel zueinander gehalten. Zwischen den Glasträgerplatten 1 und 2 befindet sich eine Flüssigkristallschicht 6.

Die Flüssigkristallschicht besitzt gewöhnlich eine Picke von einigen bis einige zehn Mikrometer. Am häufigsten beträgt die Dicke einige um über 10 μιη. Es ist jedoch schwierig, die Achsen der Flüssigkristallmoleküle innerhalb einer relativ großen Fläche (d. h. von mehreren Quadratmillimetern bis mehreren Quadratzentimetern) in eine Richtung einzuregeln, wenn ein Flüssigkristall von chemischer Reinheit, d. h. mit einer Reinheit von 99—993% oder darüber, in einem so geringen Abstand zwischen den Trägerplatten gehalten wird

Im Falle eines Flüssigkristalls mit sehr hoher dielektrischer Anisotropie orientieren sich dessen Molekülachsen nur im elektrischen Feld in die zur Oberfläche der Halte- bzw. Begrenzungswände senkrechten Richtung. Es ist daher nie gewährleistet, daß die Molekülachsen bei einem solchen Flüssigkristall in

Abwesenheit eines elektrischen Feldes oder an Stellen, an denen kein elektrisches Feld vorhanden ist, in eine Richtung orientiert werden. Es ist ferner bekannt, daß sich die Molekülachsen eines Flüssigkristalls von hoher Reinheit und mit einem Wassergehalt von höchstens ■> 0,005% (50 ppm) spontan in der zu Elektroden von geglühtem Zinn(IV)-oxid senkrechten Richtung orientieren. Zur Herabsetzung des Wassergehaltes auf 0,005% oder darunter muß man jedoch eine Spezialtechnik anwenden; es ist ferner sehr schwierig, einen ι ο derartig niedrigen Wassergehalt beizubehalten.

Es ist außerdem bekannt, daß die Achsen von Flüssigkristallmolekülen dadurch in einer Richtung orientierbar sind, daß man Glasträger verwendet, die durch sorgfältiges Waschen getemperter Glasoberflä- π chen, etwa 30minütiges Eintauchen des Glases in Peroxymonoschwefelsäure (Carosche Säure) und wiederholtes Waschen der Glasoberflächen mit entionisiertem Wasser hergestellt wurden. Diese herkömmliche Methode ist jedoch für die Praxis schlecht >o verwertbar, da die Behandlung der Oberflächen der Glasträger sehr schwierig ist

Es ist die Aufgabe der Erfindung, diese Nachteile zu überwinden und eine neue nematische Flüssigkristallzusammensetzung zu schaffen. >ϊ

Die vorliegende Erfindung beruht auf der Feststellung, daß die Molekülachsen eines nematischen Flüssigkristalls dadurch in der senkrechten Richtung zu den Wandoberflächen von festhaltenden Trägerplatten orientiert werden können, daß man den Flüssigkristallen in einen bestimmten Zusatzstoff beigibt

Der Flüssigkristall besitzt bekanntlich in mechanischer Hinsicht die Eigenschaft einer Flüssigkeit, weist jedoch gleichzeitig in optischer Beziehung Anisotropie auf, da die Orientierung der Moleküle in einem r. wesentlich breiteren räumlichen Bereich einheitlich ist als der Lichtwellenlänge entspricht Beim nematischen Flüssigkristall ist die Richtung der Hauptachse des anisotropen Brechungsindex parallel zu jener der Längsachsen der Moleküle. Ferner ist der Brechungsindex in der zu den Längsachsen senkrechten Ebene konstant Der nematische Flüssigkristall weist somit eine einachsige optische Anisotropie auf. Wenn die Molekülachsen der Flüssigkristalle nicht in einer Richtung orientiert sind (vgl. Fig.2A), ist der Brechungsindex an den Grenzflächen zwischen den Zonen 11, 12 und 13, bei denen die vorherrschende Orientierung sich ändert, unterschiedlich. Das einfallende Licht 14—17 wird somit schwach gestreut (14'—17'), und die Polarisation des einfallenden Lichtes ändert sich von Zone zu Zone (Zonen 11,12 und 13). Wenn man einen weit im Hintergrund befindlichen Gegenstand durch einen solchen Flüssigkristall hindurch betrachtet, sieht man diesen daher etwas verschwommen, während die Flüssigkristallschicht schwach trübe erscheint

Wenn dagegen die Molekülachsen alle parallel zueinander liegen (21) und das Licht 22 parallel zu den Molekülachsen einfällt (vgL Fig.2b), verläuft es geradlinig durch die Flüssigkristallschicht Auf der Gegenseite tritt paralleles Licht 22' aus. In diesem Fall besitzt der Flüssigkristall somit die gleiche Eigenschaft wie der einachsige Kristall. Das einfallende Licht unterliegt keiner Streuung oder keiner Drehung der Polarisationsebene, wie es gemäß F i g. 2A der Fall ist

Die Lichtstreuung eines Flüssig., istalls kann mit Hiife einer Vorrichtung, die die in Fg. 3 gezeigte Bauweise besitzt, festgestellt werden. Licht aus einer Lichtquelle 31 wird gemäß Fig.3 mit Hilfe des Linsensystems 32 parallelisiert und durch den Polarisator 33 gegen die Flüssigkristall-Anzeigeplatte 34 gerichtet Nach dem Durchlaufen der Flüssigkristall-Anzeigeplatte 34 trifft das Licht auf den Analysator 35. Der Beobachter 36 kann das Vorhandensein eines Lichtstreueffektes der Flüssigkristall-Anzeigeplatte 34 feststellen, indem er den Analysator 35 so einstellt, daß dessen Polarisationsebene in jener des Polarisators 33 einen rechten Winkel einschließt Die Flüssigkristall-Anzeigeplatte 35 erscheint dem Betrachter 36 somit schwach hell, wenn sie sich in einem der Fig.2A entsprechenden Orientierungszustand befindet Es zeigen sich jedoch lokale Helligkeitsunterschiede oder Farbdifferenzen. Wenn die Flüssigkristall-Anzeigeplatte andererseits einen Orientierungszustand &emäß F i g. 2B einnimmt, erscheint sie dem Betrachter dunkel.

Die erfindungsgemäße Flüssigkristallzusammensetzun,j besteht aus mindestens einer Verbindung der allgemeinen Formeln

CH, (C-H₂), O t / CH= N -'f V (CH₂)_r CH CH, (CH₂), O f > CH=N <f , O C (CH₂). CH₁

■·- ■■■=■' Ii

in denen 02nS6, 0£p<6, gekennzeichnet durch den Zusatz von 0,1 bis 5,0 Gewichtsprozent einer Verbindung der allgemeinen Formel

OH

in der 5i AS 17.

Die Zusatz-Verbindungen werden dabei dem Flüssigkristall in einer Menge von vorzugsweise 0,5 bis 1,5 Gewichtsprozent (jeweils bezogen auf den Flüssigkristall) beigegeben, und zwar entweder einzeln oder in Form von Gemischen.

Die Erfindung soll nun mit Bezug auf die nachstehenden Beispiele und anliegenden Zeichnungen näher erläutert werden.

"■' Beispiel

Man stellt Flüssigkristallzusammensetzungen her, indei. man Flüssig ^iieemische aus äauimolaren

Mengen der folgenden Verbindungen

mit jeweils 0,1 bis 5 Gewichtsprozent (bezogen auf das Gewicht des Flüssigkristallgemisches) der nachstehenden Zusatzstoffe versetzt. Man mischt durch und gibt die Zusammensetzungen in eine Flüssigkristall-Anzeigeplatte, wie sie in F i g. 1 gezeigt ist.

/iisjil/sloffe:

Oll

y— HO-/ 'y- COOCIl,.,

Oll OH

HO - ζ V COOC-H₁₅

OH OH

(I)

12)

V-COOCH₁-

(3)

OH OH

HO-<{ -

OH OH

HO- <f V-COOC_1nH,,

OH OH

(4)

(5)

HO-

--COOC₁₁H₂₃

(6)

OH OH

COOC₁₂H₂₅ (7)

4 j

bO

HO

COOC₁₈Hj₇

OH

HO)

(13)

OH Die Zusammensetzungen werden mit Hilfe von au: F i g. 3 bzw. F i g. 4 ersichtlichen Vorrichtungen sowie mit einem Polarisationsmikroskop untersuchL Es wire festgestellt, daß die Orientierung der Längsachsen dei Flüssigkristalle senkrecht zu den Wandoberflächen inVergleich zu dem keine derartigen Zusatzstoffe enthaltenden Flüssigkristall verbessert wird.

Mit der Flüssigkristall-Anzeigeplatte eines aus F i g. 1 ersichtlichen Aufbaus, in welcher die erfindungsg-mä-Ben Zusammensetzungen eingesetzt wurden, werder folgende drei Versuche hinsichtlich der mit dei Flüssigkristallzusammensetzung in Berührung kommenden Wandoberflächen durchgeführt Beim erster Versuch weisen beide Wandflächen Teile von transparenten, elektrisch leitfähigen Filmen auf, welche Elektroden bilden. Beim zweiten Versuch besitzt eine der Wandoberflächen einen teil aus transparentem elektrisch leitfähigem Film, die andere einen Teil au: einer Glasplatte. Beim dritten Versuch weisen beide Wandoberflächen Teile von Glasplatten auf.

Wenn der Zusatzstoff eine starke Wirkung auf die Orientierung der Flüssigkristallmoleküle in senkrechtei Richtung zur Wandoberfläche besitzt, zeigt sich eine gute senkrechte Orientierung über die gesamte Fläche der Flüssigkristall-Anzeigeplatte. Es wird somit keir wesentlicher Unterschied der Wirkung an dieserr

betreffenden Teil festgestellt. Wenn der Zusatzstoff eine geringe Wirkung auf die Orientierung in der senkrechten Richtung zur Wandoberfläche besitzt, erzielt man eine bessere senkrechte Orientierung an den mit einem transparenten, elektrisch leitfähigen Film versehenen ϊ Stellen der beiden Wandoberflächen als an anderen Teilen. Ferner wird festgestellt, daß selbst im Falle einer scliwachen Wirkung des Zusatzstoffes auf die Orientierung in einer Fläche von einigen Quadratmillimetern ein guter Orientierungseffekt erzielt wird. ι <>

Zur Messung der Lichtstreuung beim Anlegen einer Spannung an die Flüssigkristallschicht wird ein optisches System verwendet, wie es in Fig.4 gezeigt ist. Das heißt, eine Lichtquelle 41, eine mit einer kleinen Perforation bzw. Lochblende versehene Liehtabschirm- ι -■> platte 42, eine Flüssigkristall-Anzeigeplatte 43, deren Trägeroberflächen soweit gewaschen wurden, daß kein ölschmutz vorhanden ist, eine mit einer kleinen Lochblende versehene Lichiabschirmpiaiie 44 und ein Lichtempfänger 45 (nachstehend stets »Photometer« 2n genannt) werden geradlinig angeordnet. Man schließt eine für unterschiedliche Spannungen ausgelegte Stromquelle 46 an die Flüssigkristall-Anzeigeplatte 43 an und erzeugt zwischen den transparenten Elektroden eine Spannung. Wenn die angewendete Spannung 2i niedriger als der Schwellwert der Lichtstreuung ist, empfängt das Photometer 45 maximale Lichtintensität. Wenn die Spannung den Schwellenwert erreicht, erfolgt Lichtstreuung. Das Streulicht wird durch die Lichtabschrimplatte 44 abgeschirmt und die auf das Photome- jci te· auftreffende Lichtintensität verringert sich. Die Beziehung zwischen der angelegten Spannung und der auf diese Weise erzielten Photometer-Lichtintensität ist aus F i g. 5 ersichtlich.

In Fig.5 stellt die ausgezogene Kurve 51 eine r, charakteristische, für die erfindungsgemäße Flüssigkristallzusammensetzung typische Kurve dar. Die gestrichelte Kurve 52 entspricht dagegen dem zusatzstofffreien Flüssigkristall.

Fig.5 zeigt, daß im Falle der erfindungsgemäßen Flüssigkristallzusammensetzung im Bereich von der Schwellenspannung bis 30 Volt eine starke Verringerung der Photometer-Lichtintensität eintritt

Wenn der spezifische Widerstand der erfindungsgemäßen Flüssigkristallzusammensetzung oder der erfindungsgemäßen Zusammensetzung mit einem Gehalt an weiterem Zusatzstoff, welcher die senkrechte Orientierung nicht zerstört auf einen Wert von etwa 1 χ 10* bis 1 χ 10'°Ohm-cm bei Raumtemperatur eingestellt wird, erhöht sich die Lichtstreuung im Gegensatz zu einem zusatzstofffreien Flüssigkristall insbesondere bei Anwendung einer Spannung von 30 Volt oder darunter. Diese Erscheinung ist in praktischer Hinsicht besonders vorteilhaft für die direkte Ansteuerung der Flüssigkristall-Anzeigeplatte, wenn die Ansteuervorrichtung aus einer MOS-Schaltung besteht

Bei der Untersuchung der Streuung der Flüssigkristallschicht ohne angelegte Spannung (d. h. der Reststreuung) wird folgender, durch die Beigabe des Zusatzstoffes zum Flüssigkristall bedingter Effekt festgestellt Die Untersuchung wird mit Hilfe einer Vorrichtung vorgenommen, die im Prinzip der in F i g. 4 gezeigten entspricht Die die Schirmplatte 44 mit dem Photometer 45 verbindende Achse wird um 15° gegen die die Lichtquelle 41 mit der Schirmplatte 42 und der Flüssigkristall-Anzeigeplatte 43 verbindende Achse geneigt. Die auf das Photometer 45 auftreffende Lichtintensität wird unter Verwendung einer Flüssigkristall-Anzeigeplatte 43 mit einem Trägerabstand von 12μπι, welche einmal zusatzstoff freie Flüssigkristalle und zum anderen erfindungsgemäße Flüssigkristall sammensetzungen enthält, bestimmt.

Es wird festgestellt, daß die senkrechte Orientierung im Falle der Ester mit längeren Alkylketten besser ist als bei den Estern mit kürzeren Alkylketten. Ester mit Ci₂H₂₅-, Ci₆H₃₃- und CigH₃7-Alkylketten zeigen z. B. keinen ausgeprägten Unterschied bezüglich der senkrechten Orientierung und ergeben einen nahezu vollständigen Orientierungseffekt der unabhängig von der Art der Wandoberfläche (d. h. Glasoberfläche oder transparenter, elektrisch leitfähiger Film) ist. Ester mit Ci2H₂₅-Alkylketten ergeben selbst dann eine gute Orientierung, wenn die Dicke der Flüssigkristallschicht aiii bis etwa iOO μίιι ei ΐίΰΐιί wird. Selbst im Fülle uei eine aufgedampfte Metallschicht aufweisenden Wandoberfläche wird eine gute Orientierung erzielt.

Die senkrechte Orientierung wird somit verbessert, und die Beziehung zwischen der angelegten Spannung und der Photometer-Lichtintensität zeigt die in Fig.5 dargestellte Tendenz. Was die Lichtstreuung ohne Anlegung einer Spannung betrifft, beträgt die Photometer-Lichtintensität im Falle der erfindung^gemäßen Zusammensetzung V15 bis V20 jener des zusatzstofffreien Flüssigkristallgemisches.

Die entsprechenden Untersuchungen bei größerer Dicke der Flüssigkristallschicht ergibt ferner, daß die Photometer-Lichtintensität im Falle des zusatzstofffreien Flüssigkristallgemisches nahezu proportional zur Dicke ansteigt während bei der erfindungsgemäßen Flüssigkristallzusammensetzung bei der Erhöhung der Dicke der Flüssigkristallschicht nahezu keine Änderung erfolgt

Es sei betont daß im Falle der Zugabe der im vorstehenden Beispiel erwähnten Zusatzstoffe zu einem Flüssigkristall, bei dessen Molekülen eine longitudinal" Richtungskomponente mit niedrigfrequenter Dielektrizitätskonstante eine im Vergleich zur vertikalen Richtungskomponente niedrige negative dielektrische Anisotropie aufweist eine optische Vorrichtung geschaffen werden kann, die auf einem anderen Funktionsprinzip als jenem der dynamischen Streuweise beruht Das heißt wenn einem Flüssigkristall mit der negativen dielektrischen Anisotropie eine senkrechte Orientierung verliehen wird, richten sich die Moleküle ohne Anwendung einer Spannung senkrecht zur Wandoberfläche aus. Die Orientierungsrichtung der Moleküle kann durch Anwendung einer niedrigfrequenten Wechselspannung von mehreren zehn kHz derart gedreht werden, daß die Molekülachsen parallel zur Wandoberfläche verlaufen, wobei die Lichtstreuung durch dynamische Streuweise kontrolliert wird. Da die Polarisationsebene von auf die Flüssigkristallschicht auffallendem Licht gedreht wird, besitzen lediglich jene Teile, an welche die Spannung angelegt wird, in der in Fig.3 gezeigten Vorrichtung ein helles Aussehen, während die anderen Teile dunkel erscheinen. Unter Verwertung dieser Erscheinungen kann man nicht nur die Schauvorrichtung, sondern auch neue optische Vorrichtungen schaffen, bei denen die Flüssigkristalle ausgenutzt werden.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims

1 2

Patentanspruch:
Flüssigkristallzusammensetzung, bestehend aus mindestens einer Verbindung der allgemeinen Formeln

oder

CH₃- {CHA—

CH₃- (CH₂I_n-

CH =

₂)_/1—CH₃