DE2366470C2 - Liquid crystal materials and their use in display devices - Google Patents

Liquid crystal materials and their use in display devices

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Kenneth John Hull Yorkshire Harrison
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Description

Die Erfindung betrifft Flüssigkristallmaterialien auf der Basis von 4&min;-substituiertem 4&min;-Cyanodiphenyl und ihre Verwendung in Anzeigevorrichtungen.The invention relates to liquid crystal materials based on 4'-substituted 4'-cyanodiphenyl and their use in display devices.

Auf dem Gebiet der Anzeigevorrichtungen besteht ein Bedarf für Vorrichtungen mit niedriger Leistungsaufnahme. Flüssigkristall-Anzeigevorrichtungen erfüllen diese Forderung, da sie einen sehr hohen elektrischen Widerstand besitzen, weshalb großes Interesse an derartigen Vorrichtungen besteht.In the field of display devices, there is a need for low power devices. Liquid crystal display devices meet this requirement because they have a very high electrical resistance, which is why there is great interest in such devices.

Es sind bereits zahlreiche Flüssigkristallmaterialien bekannt. Flüssigkristallmaterialien sind organische Materialien, die eine flüssigkristalline Phase aufweisen, in der die Moleküle über begrenzte Raumbereiche in einer geordneten Struktur angeordnet sind. Es gibt drei bekannte Arten von Flüssigkristall-Phasen. Eine davon ist als smektische Mesophase bekannt, in der die Moleküle lamellar angeordnet sind. Eine andere ist als nematische Mesophase bekannt, in der eine statistische Anordnung der Moleküle parallel zu den Längsachsen der Moleküle vorliegt. Die dritte Phase ist als cholesterinische Mesophase bekannt, in der die Moleküle schraubenförmig bzw. spiralig angeordnet sind.Numerous liquid crystal materials are already known. Liquid crystal materials are organic materials that have a liquid crystalline phase in which the molecules are arranged in an ordered structure over limited spatial areas. There are three known types of liquid crystal phases. One of these is known as the smectic mesophase, in which the molecules are arranged in a lamellar manner. Another is known as the nematic mesophase, in which there is a statistical arrangement of the molecules parallel to the long axes of the molecules. The third phase is known as the cholesteric mesophase, in which the molecules are arranged in a helical or spiral manner.

Flüssigkristallmaterialien bestehen aus Verbindungen mit einer länglichen Molekularstruktur. Für die Flüssigkristallverbindungen, die bis jetzt verwendet worden sind, kann folgende allgemeine Formel angegeben werden °=c:40&udf54;H&udf53;vu10&udf54;&udf53;vz3&udf54; &udf53;vu10&udf54;in der Q und Q¹ Endgruppen und A und B Brückengruppen sind. Mit Ausnahme des Falles bestimmter Ester, bei denen die Gruppierung A-B die Gruppe -CO-O- darstellt, enthält die Gruppierung A-B allgemein eine Doppel- oder Dreifachbindung. Hierzu gehören beispielsweise die Schiff'schen Basen, die in kommerziellen Flüssigkristallvorrichtungen weit verbreitet sind, wie beispielsweise p-Methoxybenzylidenbutylanilin (MBBA) oder p-Ethoxybenzylidenbutylanilin (EBBA), also Verbindungen, welche die Gruppierung C=N- enthalten.Liquid crystal materials consist of compounds with an elongated molecular structure. The following general formula can be given for the liquid crystal compounds that have been used to date: °=c:40&udf54;H&udf53;vu10&udf54;&udf53;vz3&udf54;&udf53;vu10&udf54;in which Q and Q¹ are terminal groups and A and B are bridging groups. With the exception of certain esters in which the A-B group represents the -CO-O- group, the A-B group generally contains a double or triple bond. These include, for example, the Schiff bases that are widely used in commercial liquid crystal devices, such as p-methoxybenzylidenebutylaniline (MBBA) or p-ethoxybenzylidenebutylaniline (EBBA), i.e. compounds that contain the C=N- group.

Die Anwesenheit einer Doppel- oder Dreifachbindung in der Gruppierung A-B führt zu einer chemischen und/oder photochemischen Instabilität des Materials und ist daher aus diesem Grund unerwünscht. So werden beispielsweise Schiff'sche Basen sogar durch Spuren von Wasser leicht hydrolysiert, wobei möglicherweise toxische Amine entstehen.The presence of a double or triple bond in the A-B grouping leads to chemical and/or photochemical instability of the material and is therefore undesirable for this reason. For example, Schiff bases are easily hydrolyzed even by traces of water, possibly forming toxic amines.

Es wurde bisher angenommen, daß die Doppel- oder Dreifachbindung in der Gruppierung A-B zur Erzielung eines starren Moleküls und einer annehmbar hohen Übergangstemperatur vom flüssigkristallinen zum isotropen flüssigen Zustand zusammen mit einer annehmbar niedrigen Übergangstemperatur vom kristallinen Feststoff zum flüssigkristallinen Zustand wünschenswert sei.It has previously been assumed that the double or triple bond in the A-B grouping is desirable to achieve a rigid molecule and an acceptably high transition temperature from the liquid crystalline to the isotropic liquid state together with an acceptably low transition temperature from the crystalline solid to the liquid crystalline state.

Die erfindungsgemäßen Flüssigkristallmaterialien auf der Basis von 4,4&min;-disubstituiertem Diphenyl sind gekennzeichnet durch mindestens ein 4&min;-substituiertes 4-Cyanodiphenyl der Formel I °=c:40&udf54;H&udf53;vu10&udf54;&udf53;vz3&udf54; &udf53;vu10&udf54;worin R Methyl, Ethyl oder Ethoxy bedeutet.The liquid crystal materials according to the invention based on 4,4'-disubstituted diphenyl are characterized by at least one 4'-substituted 4-cyanodiphenyl of the formula I °=c:40&udf54;H&udf53;vu10&udf54;&udf53;vz3&udf54;&udf53;vu10&udf54;wherein R is methyl, ethyl or ethoxy.

Von bestimmten Diphenylverbindungen der allgemeinen Formel II °=c:40&udf54;H&udf53;vu10&udf54;&udf53;vz3&udf54; &udf53;vu10&udf54;war bereits früher bekannt, daß sie flüssigkristalline Phasen zeigen, wobei allerdings bei den bisherigen para-Substituenten Z und Z¹ die Übergänge vom kristallinen Feststoff zum Flüssigkristall bei sehr hohen Temperaturen lagen. Deshalb waren diese bekannten Verbindungen für Anzeigevorrichtungen ungeeignet.It was already known that certain diphenyl compounds of the general formula II °=c:40&udf54;H&udf53;vu10&udf54;&udf53;vz3&udf54;&udf53;vu10&udf54; exhibit liquid-crystalline phases, although with the previous para-substituents Z and Z¹ the transitions from crystalline solid to liquid crystal occurred at very high temperatures. These known compounds were therefore unsuitable for display devices.

Mit den erfindungsgemäßen Verbindungen mit den p-Substituenten R und CN können annehmbar niedrige Übergangstemperaturen vom kristallinen Feststoff zum Flüssigkristall und annehmbar hohe Übergangstemperaturen vom Flüssigkristall zur isotropen Flüssigkeit erhalten werden, so daß diese Flüssigkristallmaterialien in bekannten Anzeigevorrichtungen Verwendung finden können.With the compounds according to the invention with the p-substituents R and CN, acceptably low transition temperatures from the crystalline solid to the liquid crystal and acceptably high transition temperatures from the liquid crystal to the isotropic liquid can be obtained, so that these liquid crystal materials in known display devices can be used.

Weil darüber hinaus die erfindungsgemäßen Flüssigkristallmaterialien keine Doppel- oder Dreifachbindungen in einer Gruppierung A-B der oben angegebenen Flüssigkristall-Molekularstruktur enthalten, ist ihre chemische und photochemische Stabilität verbessert.Furthermore, since the liquid crystal materials of the present invention do not contain double or triple bonds in an A-B group of the above-mentioned liquid crystal molecular structure, their chemical and photochemical stability is improved.

Die erfindungsgemäßen Flüssigkristallmaterialien können aus den Verbindungen der Formel I bestehen oder ein Mehrkomponentengemisch, ggfs. in Form einer entsprechenden Lösung, darstellen, das mindestens eine Verbindung der Formel I enthält.The liquid crystal materials according to the invention can consist of the compounds of the formula I or represent a multicomponent mixture, optionally in the form of a corresponding solution, which contains at least one compound of the formula I.

Mit den erfindungsgemäßen Flüssigkristallmaterialien lassen sich nematische und smektische Flüssigkristallphasen (Mesophasen) aufbauen. Sie sind in optischen und elektrooptischen Anzeigevorrichtungen verwendbar.The liquid crystal materials according to the invention can be used to build up nematic and smectic liquid crystal phases (mesophases). They can be used in optical and electro-optical display devices.

Elektrooptische Flüssigkristall- Anzeigevorrichtungen, in denen die erfindungsgemäßen Flüssigkristallmaterialien eingesetzt werden können, sind an sich bekannte Vorrichtungen, die zwei einander gegenüberliegende Glasplatten, von denen mindestens eine optisch transparent ist, eine im Raum zwischen den Glasplatten vorgesehene Schicht eines Flüssigkristallmaterials und einen auf der Innenfläche der Glasplatten vorgesehenen Film aus leitfähigem Material aufweisen, mit dem ein elektrisches Feld an die Schicht angelegt werden kann. Derartige elektrooptische Anzeigevorrichtungen eignen sich beispielsweise für Instrumente sowie etwa Uhren etc. Dabei dient die Änderung der molekularen Anordnung des Flüssigkristallmaterials, die durch das elektrische Feld hervorgerufen wird, dazu, die Durchlässigkeit des Materials für elektromagnetische Strahlung bei einer beliebigen interessierenden Wellenlänge zu beeinflussen. Anstelle eines elektrischen Feldes können hierzu auch ein Magnetfeld oder eine Einrichtung zur Erzielung einer Temperaturänderung herangezogen werden.Electro-optical liquid crystal display devices in which the liquid crystal materials according to the invention can be used are devices known per se which have two glass plates lying opposite one another, at least one of which is optically transparent, a layer of a liquid crystal material provided in the space between the glass plates and a film of conductive material provided on the inner surface of the glass plates, with which an electric field can be applied to the layer. Such electro-optical display devices are suitable, for example, for instruments such as clocks, etc. The change in the molecular arrangement of the liquid crystal material caused by the electric field serves to influence the permeability of the material to electromagnetic radiation at any wavelength of interest. Instead of an electric field, a magnetic field or a device for achieving a temperature change can also be used for this purpose.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnungen näher erläutert; es zeigtThe invention is explained in more detail below with reference to the drawings; it shows

Fig. 1 eine Schnittansicht einer elektrooptischen Anzeigevorrichtung mit schematischer Schaltung; Fig. 1 is a sectional view of an electro-optical display device with schematic circuit;

Fig. 2 eine schematische Ansicht einer Flüssigkristall- Informationsspeichereinrichtung und Fig. 2 is a schematic view of a liquid crystal information storage device and

Fig. 3 ein Blockschaltbild einer Uhr mit Flüssigkristallanzeige. Fig. 3 is a block diagram of a clock with liquid crystal display.

Im Zusammenhang mit Untersuchungen, die zur Erfindung führten, wurde gefunden, daß Materialien, die Verbindungen der Formel I °=c:40&udf54;H&udf53;vu10&udf54;&udf53;vz3&udf54; &udf53;vu10&udf54;mit R = Methyl, Ethyl oder Ethoxy enthalten, mindestens eine Flüssigkristallphase (Mesophase) aufweisen. Die Phasen können nematisch und/oder smektisch sein und liegen bei relativ niederen Temperaturen vor, was für die Verwendung in Flüssigkristall- Anzeigevorrichtungen äußerst wünschenswert ist.In connection with investigations leading to the invention, it was found that materials containing compounds of the formula I °=c:40&udf54;H&udf53;vu10&udf54;&udf53;vz3&udf54;&udf53;vu10&udf54;with R = methyl, ethyl or ethoxy have at least one liquid crystal phase (mesophase). The phases can be nematic and/or smectic and exist at relatively low temperatures, which is extremely desirable for use in liquid crystal display devices.

In der nachstehenden Tabelle sind die Übergangstemperaturen für den Phasenübergang vom kristallinen zum nematischen flüssigkristallinen Zustand und vom nematischen flüssigkristallinen Zustand zur isotropen Flüssigkeit angegeben. Übergangstemperaturen für die Verbindungen der Formel °=c:40&udf54;H&udf53;vu10&udf54;H&udf53;vz3&udf54; &udf53;vu10&udf54;&udf53;vu10&udf54;&udf53;vz10&udf54; &udf53;vu10&udf54;The transition temperatures for the phase transition from the crystalline to the nematic liquid crystalline state and from the nematic liquid crystalline state to the isotropic liquid are given in the table below. Transition temperatures for the compounds of the formula °=c:40&udf54;H&udf53;vu10&udf54;H&udf53;vz3&udf54;&udf53;vu10&udf54;&udf53;vu10&udf54;&udf53;vz10&udf54;&udf53;vu10&udf54;

Die folgenden Beispiele erläutern Verfahren zur Herstellung der Verbindung der Formel I.The following examples illustrate methods for preparing the compound of formula I.

Beispiel 1example 1

Herstellung von 4&min;-Ethyl-4-cyanodiphenyl auf folgendem Weg: °=c:120&udf54;H&udf53;vu10&udf54;&udf53;vz11&udf54; &udf53;vu10&udf54;Preparation of 4'-ethyl-4-cyanodiphenyl by the following route: °=c:120&udf54;H&udf53;vu10&udf54;&udf53;vz11&udf54;&udf53;vu10&udf54;

Stufe A1Level A1 Herstellung von 4&min;-Acetyl-4-bromdiphenyl durch Friedel-Crafts-AcylierungPreparation of 4'-acetyl-4-bromodiphenyl by Friedel-Crafts acylation Beispiel für die Durchführung dieser StufeExample of implementation of this stage

Zu handelsüblichem 4-Bromdiphenyl (0,08 mol) und wasserfreiem Aluminiumtrichlorid (0,1 mol), gelöst in trockenem Nitrobenzol (85 ml), wird Acetylchlorid (0,1 mol) tropfenweise zugegeben, wobei die Temperatur unterhalb 20°C gehalten wird. Die Lösung wird etwa 18 h bei Raumtemperatur gerührt und dann auf eine Mischung von Eis, Wasser und konzentrierter Salzsäure gegossen. Das Gemisch wird dann etwa 0,5 h gerührt, worauf die Nitrobenzol-Schicht abgetrennt wird. Das Nitrobenzol wird anschließend durch Wasserdampfdestillation entfernt und der Rückstand aus absolutem Ethanol bis zu konstantem Schmelzpunkt umkristallisiert.To commercial 4-bromodiphenyl (0.08 mol) and anhydrous aluminum trichloride (0.1 mol) dissolved in dry nitrobenzene (85 ml) is added acetyl chloride (0.1 mol) dropwise, keeping the temperature below 20°C. The solution is stirred at room temperature for about 18 h and then poured onto a mixture of ice, water and concentrated hydrochloric acid. The mixture is then stirred for about 0.5 h, after which the nitrobenzene layer is separated. The nitrobenzene is then removed by steam distillation and the residue is recrystallized from absolute ethanol to constant melting point.

Stufe B1Level B1 Herstellung von 4&min;-Ethyl-4-bromdiphenyl durch Huang-Minlon-ReduktionPreparation of 4'-ethyl-4-bromodiphenyl by Huang-Minlon reduction Beispiel für die Durchführung dieser StufeExample of implementation of this stage

Zu dem Produkt von Stufe A1 (0,037 mol), gelöst unter Erwärmen in trockenem Diethylenglykol (60 ml), wird eine Lösung von Hydrazinhydrat (90%, 0,08 mol) in trockenem Diethylenglykol (20 ml) zugegeben. Dann wird Kaliumhydroxid (0,09 mol) zu der warmen Lösung zugesetzt und auf etwa 100°C erhitzt, bis der Hauptanteil des Feststoffs aufgelöst ist; anschließend wird die Reaktionsmischung etwa 1 h am Rückfluß erhitzt. Die Temperatur wird danach unter Destillieren auf etwa 180°C erhöht und etwa 4 h auf diesem Wert gehalten. Nach Abkühlen wird das Reaktionsgemisch mit Benzol ausgeschüttelt und der Extrakt getrocknet. Das Lösungsmittel wird danach entfernt und der Rückstand aus absolutem Ethanol bis zu konstantem Schmelzpunkt umkristallisiert.To the product of Step A1 (0.037 mol), dissolved with heating in dry diethylene glycol (60 ml), is added a solution of hydrazine hydrate (90%, 0.08 mol) in dry diethylene glycol (20 ml). Potassium hydroxide (0.09 mol) is then added to the warm solution and heated to about 100°C until most of the solid has dissolved; the reaction mixture is then heated at reflux for about 1 h. The temperature is then raised to about 180°C with distillation and maintained at this value for about 4 h. After cooling, the reaction mixture is shaken with benzene and the extract is dried. The solvent is then removed and the residue is recrystallized from absolute ethanol to constant melting point.

Stufe C1Level C1 Herstellung von 4&min;-Ethyl-4-cyanodiphenylPreparation of 4'-ethyl-4-cyanodiphenyl Beispiel für die Durchführung dieser StufeExample of implementation of this stage

Ein Gemisch aus dem Produkt von Stufe B1 (0,021 mol), und Kupfer(I)-cyanid (0,031 mol) in trockenem Dimethylformamid (75 ml) wird etwa 12 h am Rückfluß erhitzt. Nach dem Abkühlen wird die Reaktionsmischung unter Rühren in ein Gemisch von Eisen(III)-chlorid, konzentrierter Salzsäure und Wasser gegossen. Nach 20 min Erhitzen auf etwa 60 bis 70°C wird das Gemisch mit Chloroform ausgeschüttelt und der Extrakt mit 5n-Salzsäure, Wasser, 10%iger wäßriger Natriumhydroxidlösung sowie Wasser, gewaschen und anschließend getrocknet. Das Lösungsmittel wird dann entfernt und der Rückstand durch Säulenchromatographie an Kieselsäure und anschließende Kristallisation aus Petrolether (Kp. 40 bis 60°C) bei -78°C bis zu konstantem Schmelzpunkt gereinigt. Schließlich wird das Produkt unter Vakuum 0,7 kPa (0,5 mm Hg) bei etwa 140 bis 150°C destilliert.A mixture of the product of Step B1 (0.021 mol) and copper(I) cyanide (0.031 mol) in dry dimethylformamide (75 ml) is heated at reflux for about 12 hours. After cooling, the reaction mixture is poured into a mixture of iron(III) chloride, concentrated hydrochloric acid and water with stirring. After heating for 20 minutes at about 60 to 70°C, the mixture is shaken with chloroform and the extract is washed with 5N hydrochloric acid, water, 10% aqueous sodium hydroxide solution and water and then dried. The solvent is then removed and the residue is purified by column chromatography on silica followed by crystallization from petroleum ether (bp. 40 to 60°C) at -78°C to constant melting point. Finally, the product is distilled under vacuum 0.7 kPa (0.5 mm Hg) at about 140 to 150°C.

Beispiel 2Example 2

Herstellung von 4-Ethoxy-4&min;-cyanodiphenyl auf folgendem Weg: °=c:160&udf54;H&udf53;vu10&udf54;&udf53;vz15&udf54; &udf53;vu10&udf54;Preparation of 4-ethoxy-4'-cyanodiphenyl by the following route: °=c:160&udf54;H&udf53;vu10&udf54;&udf53;vz15&udf54;&udf53;vu10&udf54;

Stufe A2Level A2 Herstellung von 4-Brom-4&min;-nitrodiphenylPreparation of 4-bromo-4'-nitrodiphenyl Beispiel für die Durchführung dieser StufeExample of implementation of this stage

Handelsübliches 4-Nitrodiphenyl wird nach dem Verfahren von Le Fevre und Turner (J. Chem. Soc. 1926, S. 2045) zu 4&min;-Brom-4-nitrodiphenyl bromiert.Commercially available 4-nitrodiphenyl is brominated to 4'-bromo-4-nitrodiphenyl according to the method of Le Fevre and Turner (J. Chem. Soc. 1926, p. 2045).

Stufe B2Level B2 Herstellung von 4-Brom-4&min;-aminodiphenylPreparation of 4-bromo-4'-aminodiphenyl Beispiel für die Durchführung dieser StufeExample of implementation of this stage

Die Reduktion der nach Stufe A2 hergestellten Nitroverbindung (81 g) wird durch etwa 12 h Rühren mit einer Mischung von Eisenstaub (58 g), Ethanol (500 ml; 90%) und konzentrierter Salzsäure (29 ml) bei 100°C bewirkt. Dann wird Natriumcarbonat (22 g) zugegeben und das Rühren 30 min fortgesetzt, worauf ein leichter Überschuß von verdünntem wäßrigen Ammoniak zugefügt wird. Nach dem Abkühlen wird das gebildete Amin mit Ether extrahiert. Der vereinigte Ether/Alkohol-Extrakt des Amins wird zur Entfernung des Ethers eingeengt und der Rückstand in Wasser gegossen. Das Amin wird ausgefällt, abfiltriert und getrocknet.Reduction of the nitro compound (81 g) prepared in step A2 is effected by stirring with a mixture of iron dust (58 g), ethanol (500 ml; 90%) and concentrated hydrochloric acid (29 ml) at 100°C for about 12 hours. Sodium carbonate (22 g) is then added and stirring is continued for 30 minutes, after which a slight excess of dilute aqueous ammonia is added. After cooling, the amine formed is extracted with ether. The combined ether/alcohol extract of the amine is concentrated to remove the ether and the residue is poured into water. The amine is precipitated, filtered and dried.

Stufe C2Level C2 Herstellung von 4-Brom-4&min;-hydroxydiphenylPreparation of 4-bromo-4'-hydroxydiphenyl Beispiel für die Durchführung dieser StufeExample of implementation of this stage

4&min;-Amino-4-bromdiphenyl (60 g), hergestellt nach Stufe B2, wird bei 90°C in wäßriger 95%iger Essigsäure (360 ml) gelöst; zu der heftig gerührten Lösung wird rasch 40masse-%ige Schwefelsäure (360 ml) zugegeben, die auf 90°C vorgewärmt ist. Rühren und rasches Abkühlen auf 0°C ergibt feinverteiltes Aminsulfat, das bei 0°C (±1°C) durch langsame Zugabe von wäßrigem Natriumnitrit (41,6 g) in Wasser (100 ml) diazotiert wird. Der Überschuß an Natriumnitrit wird dann mit Harnstoff zerstört. Anschließend wird 95%ige Essigsäure (400 ml) zugegeben, um die Lösung des Diazoniumsalzes zu bewirken. Die eiskalte Lösung des Diazoniumsulfats läßt man dann sofort unter kräftigem Rühren in eine siedende Lösung von 40masse-%ige Schwefelsäure (200 ml) einlaufen. Die Lösung wird zuerst langsam zugegeben, bis in der Mischung suspendierte Teilchen sichtbar werden, worauf die Zugabegeschwindigkeit erhöht wird. Die für die Zugabe benötigte Zeit beträgt etwa 30 min. Die Lösung wird dann etwa 15 min am Rückfluß erhitzt und danach gekühlt; Verdünnung mit dem gleichen Volumen Wasser liefert einen Feststoff, der mit heißer 1n-Natriumhydroxidlösung (3000 ml) digeriert wird. Nach Entfernung von unlöslichem Material durch Filtration wird das Filtrat angesäuert und liefert farbloses 4-Brom-4&min;-hydroxydiphenyl.Dissolve 4'-Amino-4-bromodiphenyl (60 g), prepared as in Step B2, in aqueous 95% acetic acid (360 ml) at 90°C; to the vigorously stirred solution is rapidly added 40% w/w sulphuric acid (360 ml) preheated to 90°C. Stirring and rapid cooling to 0°C gives finely divided amine sulphate which is diazotised at 0°C (±1°C) by slow addition of aqueous sodium nitrite (41.6 g) in water (100 ml). The excess sodium nitrite is then destroyed with urea. 95% acetic acid (400 ml) is then added to effect dissolution of the diazonium salt. The ice-cold solution of diazonium sulfate is then immediately poured into a boiling solution of 40% by mass sulfuric acid (200 ml) with vigorous stirring. The solution is initially added slowly until suspended particles are visible in the mixture, whereupon the rate of addition is increased. The time required for the addition is about 30 minutes. The solution is then heated at reflux for about 15 minutes and then cooled; dilution with the same volume of water gives a solid which is digested with hot 1N sodium hydroxide solution (3000 ml). After removal of insoluble material by filtration, the filtrate is acidified to give colorless 4-bromo-4'-hydroxydiphenyl.

Stufe D2Level D2 Herstellung von 4&min;-Ethoxy-4-bromdiphenylPreparation of 4'-ethoxy-4-bromodiphenyl Beispiel für die Durchführung dieser StufeExample of implementation of this stage

Zu einer Mischung von nach Stufe C2 hergestelltem 4-Brom-4&min;-hydroxydiphenyl (0,033 mol) und wasserfreiem Kaliumcarbonat (0,132 mol) in Cyclohexanon (70 ml) wird Ethylbromid (0,053 mol) zugegeben und das Gemisch unter Rühren etwa 4 h am Rückfluß erhitzt. Nach Abkühlen wird die Reaktionsmischung filtriert und das Lösungsmittel aus dem Filtrat entfernt. Der Rückstand wird aus einer Mischung von Benzol und Petrolether (Kp. 40 bis 60°C) bis zu konstantem Schmelzpunkt umkristallisiert.To a mixture of 4-bromo-4'-hydroxydiphenyl (0.033 mol) prepared according to step C2 and anhydrous potassium carbonate (0.132 mol) in cyclohexanone (70 ml) is added ethyl bromide (0.053 mol) and the mixture is heated under reflux with stirring for about 4 h. After cooling, the reaction mixture is filtered and the solvent is removed from the filtrate. The residue is extracted from a mixture of benzene and petroleum ether (bp. 40 up to 60°C) to a constant melting point.

Stufe E2Level E2 Herstellung von 4&min;-Ethoxy-4-cyanodiphenylPreparation of 4'-ethoxy-4-cyanodiphenyl Beispiel für die Durchführung dieser StufeExample of implementation of this stage

Eine Mischung des nach Stufe D2 hergestellten 4&min;-Ethoxy-4-bromdiphenyls (0,024 mol) mit Kupfer(I)- cyanid (0,036 mol) wird in trockenem Dimethylformamid (100 ml) etwa 12 h am Rückfluß erhitzt. Nach dem Abkühlen wird die Reaktionsmischung in ein Gemisch von Eisen(III)-chlorid, konzentrierter Salzsäure und Wasser gegossen. Nach 20 min Erhitzen der Mischung auf 60 bis 70°C wird sie mit Chloroform ausgeschüttelt; der Extrakt wird mit 5n-Salzsäure, Wasser, 20%igem wäßrigen Natriumhydroxid sowie Wasser gewaschen und anschließend getrocknet. Das Lösungsmittel wird danach entfernt und der Rückstand durch Säulenchromatographie an Kieselsäure sowie anschließende Umkristallisation aus Petrolether (Kp. 40 bis 60°C) bei -78°C bis zu konstantem Schmelzpunkt gereinigt. Schließlich wird das Produkt im Vakuum (0,7 kPa; 0,5 mm Hg) bei etwa 140°C destilliert.A mixture of the 4'-ethoxy-4-bromodiphenyl (0.024 mol) prepared in step D2 with copper(I) cyanide (0.036 mol) is heated under reflux in dry dimethylformamide (100 ml) for about 12 hours. After cooling, the reaction mixture is poured into a mixture of iron(III) chloride, concentrated hydrochloric acid and water. After heating the mixture for 20 minutes at 60 to 70°C, it is shaken with chloroform; the extract is washed with 5N hydrochloric acid, water, 20% aqueous sodium hydroxide and water and then dried. The solvent is then removed and the residue is purified by column chromatography on silica and subsequent recrystallization from petroleum ether (bp. 40 to 60°C) at -78°C to a constant melting point. Finally, the product is distilled under vacuum (0.7 kPa; 0.5 mm Hg) at about 140°C.

Die nematischen Flüssigkristallmaterialien gemäß der Erfindung besitzen eine positive dielektrische Anisotropie (Differenz der parallel zur Moleküllängsachse und senkrecht dazu gemessenen Dielektrizitätskonstanten).The nematic liquid crystal materials according to the invention have a positive dielectric anisotropy (difference between the dielectric constants measured parallel to the molecular long axis and perpendicular to it).

Nematische Flüssigkristallmaterialien mit einer positiven dielektrischen Anisotropie können in Anzeigevorrichtungen eingesetzt werden, die auf folgenden bekannten Effekten beruhen:

  • (I) Dem Schadt-Helfrich-Effekt, gemäß dem ein verdrillt- nematisches Flüssigkristallmaterial (normalerweise zwischen zwei transparenten parallelen Platten so angeordnet, daß der Richtungsvektor der Moleküle in der Ebene der Platten liegt, jedoch von einer Platte zur anderen über einen Winkel von 90° variiert), der zwischen einem optischen Polarisator und Analysator angeordnet ist, eine Änderung der optischen Durchlässigkeit ergibt, wenn ein elektrisches Feld daran angelegt wird;
  • (II) dem Freedericks-Effekt, gemäß dem der Richtungsvektor der Moleküle eines Flüssigkristallmaterials von einer ersten Richtung zu einer zweiten, senkrecht zur ersten Richtung liegenden Richtung durch die Einwirkung eines elektrischen Feldes, das in der zweiten Richtung angelegt ist, verändert wird;
  • (III) dem Phasenwechseleffekt, gemäß dem der Phasenzustand eines Flüssigkristallmaterials durch die Einwirkung eines elektrischen Feldes zwischen einer cholesterinischen und einer feldinduzierten nematischen Phase geändert werden kann. Hierzu wird das nematische Flüssigkristallmaterial zur Erzeugung eines cholesterinischen Materials mit einem optisch aktiven Material gemischt.

Nematic liquid crystal materials with a positive dielectric anisotropy can be used in display devices based on the following known effects:
  • (I) The Schadt-Helfrich effect, according to which a twisted nematic liquid crystal material (normally placed between two transparent parallel plates so that the direction vector of the molecules lies in the plane of the plates but varies from one plate to the other over an angle of 90°) placed between an optical polarizer and analyzer gives a change in optical transmittance when an electric field is applied thereto;
  • (II) the Freedericks effect, according to which the direction vector of the molecules of a liquid crystal material is changed from a first direction to a second direction perpendicular to the first direction by the action of an electric field applied in the second direction;
  • (III) the phase change effect, according to which the phase state of a liquid crystal material can be changed between a cholesteric and a field-induced nematic phase by the action of an electric field. For this purpose, the nematic liquid crystal material is mixed with an optically active material to produce a cholesteric material.

Im folgenden werden Beispiele für Anzeigevorrichtungen beschrieben, in denen die erfindungsgemäßen Flüssigkristallmaterialien eingesetzt werden können.Examples of display devices in which the liquid crystal materials according to the invention can be used are described below.

Als erstes Beispiel für die Anwendung eines nematischen Flüssigkristallmaterials gemäß der Erfindung sei eine auf dem Phasenwechsel beruhende Anzeigevorrichtung beschrieben. Es ist bekannt, daß zur Erzeugung von cholesterinischen Flüssigkristallmaterialien zur Verwendung in auf dem Phasenwechsel beruhenden Anzeigevorrichtungen ein optisch aktives Flüssigkristallmaterial mit einem nematischen Flüssigkristallmaterial oder einem Gemisch von nematischen Flüssigkristallmaterialien gemischt wird. Als nematisches Flüssigkristallmaterial wird ein erfindungsgemäßes Flüssigkristallmaterial eingesetzt.As a first example of the application of a nematic liquid crystal material according to the invention, a display device based on phase change will be described. It is known that in order to produce cholesteric liquid crystal materials for use in display devices based on phase change, an optically active liquid crystal material is mixed with a nematic liquid crystal material or a mixture of nematic liquid crystal materials. A liquid crystal material according to the invention is used as the nematic liquid crystal material.

In Fig. 1 ist eine Querschnittsansicht einer elektrooptischen Anzeigevorrichtung, die auf dem Phasenwechsel beruht, mit schematischer Schaltung dargestellt. Zwischen einem Glasplättchen 19 und einem Glasplättchen 29 ist eine dünne Schicht 17 des erfindungsgemäßen Flüssigkristallmaterials enthalten. Das Glasplättchen 19 weist auf seiner Innenseite, die mit der Schicht 17 in Berührung steht, eine Beschichtung 23 aus Zinnoxid auf. Das Glasplättchen 19 hat einen am Ende des Glasplättchens 29 überstehenden Bereich, in dem ein elektrischer Anschluß 31 an der Beschichtung 23 aus Zinnoxid vorgesehen ist. Desgleichen hat das Glasplättchen 29 einen am Ende des Glasplättchens 19 überstehenden Bereich mit einem elektrischen Anschluß 33 an der Beschichtung 25 aus Zinnoxid, die auf seiner Innenseite vorgesehen ist. Eine Batterie 37 kann an die Anschlüsse 31 und 33 angeschlossen werden, wenn ein in Reihe mit der Batterie 37 liegender Schalter 35 geschlossen wird. Die Spannung der Batterie 37 ist derart gewählt, daß die mit ihr erzielbare elektrische Feldstärke an der Schicht 17 größer ist als die kritische Feldstärke für den Phasenwechseleffekt. Die Oberfläche des Glasplättchens 19, die nicht mit der Schicht 17 in Berührung steht, enthält einen Silberüberzug als Spiegel 39. Die Schicht 17 kann zwischen den Glasplättchen 19 und 29 mit einem Ring 41 aus Epoxyharz oder einem anderen geeigneten Dichtungsmaterial abgedichtet werden. Fig. 1 shows a cross-sectional view of an electro-optical display device based on phase change with a schematic circuit. A thin layer 17 of the liquid crystal material according to the invention is contained between a glass plate 19 and a glass plate 29. The glass plate 19 has a coating 23 of tin oxide on its inner side, which is in contact with the layer 17. The glass plate 19 has a region protruding from the end of the glass plate 29 in which an electrical connection 31 is provided on the coating 23 of tin oxide. Likewise, the glass plate 29 has a region protruding from the end of the glass plate 19 with an electrical connection 33 on the coating 25 of tin oxide provided on its inner side. A battery 37 can be connected to the connections 31 and 33 when a switch 35 in series with the battery 37 is closed. The voltage of the battery 37 is selected such that the electric field strength that can be achieved with it at the layer 17 is greater than the critical field strength for the phase change effect. The surface of the glass plate 19 that is not in contact with the layer 17 contains a silver coating as a mirror 39. The layer 17 can be sealed between the glass plates 19 and 29 with a ring 41 made of epoxy resin or another suitable sealing material.

Ein dunkler Schirm S ist in einem spitzen Winkel gegenüber dem Glasplättchen 19 so angeordnet, daß die Reflexion des Schirms S im Spiegel 39 durch das Auge E des Betrachters gesehen werden kann, wie in der Zeichnung angedeutet, wenn die Schicht 17 transparent ist.A dark screen S is arranged at an acute angle to the glass plate 19 so that the reflection of the screen S in the mirror 39 can be seen by the eye E of the observer, as indicated in the drawing, when the layer 17 is transparent.

Wenn der Schalter 35 offen ist, ist das im Spiegel 39 zu stehende Bild hell, da die Schicht 17 opak ist und Umgebungslicht in das Auge E reflektiert. Wenn jedoch der Schalter 35 geschlossen ist, ist das Spiegelbild dunkel, weil die Schicht 17 transparent geworden ist, und das Bild des Schirms S im Spiegel 39 gesehen wird. Wenn der Schalter 35 wieder geöffnet wird, ist das Bild hell, da die Schicht 17 wieder opak ist.When the switch 35 is open, the image seen in the mirror 39 is bright because the layer 17 is opaque and reflects ambient light into the eye E. However, when the switch 35 is closed, the mirror image is dark because the layer 17 has become transparent and the image of the screen S is seen in the mirror 39. When the switch 35 is opened again, the image is bright because the layer 17 is opaque again.

Derartige Anzeigevorrichtungen können in bekannter Weise hergestellt werden und Zeichen oder Symbole aufweisen, die analog dem Schalter 35elektronisch durch eine (nicht dargestellte) Steuerlogik angesteuert werden können.Such display devices can be manufactured in a known manner and have characters or symbols which can be controlled electronically by a control logic (not shown) analogous to the switch 35 .

Alternativ dazu kann das angelegte Feld ein Wechselfeld (Frequenz bis zu etwa 50 kHz) anstelle eines Gleichfeldes sein.Alternatively, the applied field can be an alternating field (frequency up to about 50 kHz) instead of a equal field.

Fig. 2 ist eine schematische Darstellung einer Flüssigkristall-Informationsspeichervorrichtung bzw. Anzeigevorrichtung bekannter Art, in der die erfindungsgemäßen Flüssigkristallmaterialien verwendbar sind. Eine Schicht 63 des Flüssigkristallmaterials ist zwischen Glasplättchen 65, 67 angeordnet, die leitfähige Beschichtungen 69, 68 auf ihren betreffenden Innenseiten aufweisen. Ein Laser 71, der ein Strahlenbündel 73 im infraroten Teil des Spektrums erzeugt, ist so angeordnet, daß das Strahlenbündel 73 das Plättchen 65 mit der Beschichtung 69 mit einer herkömmlichen Laserablenkeinheit 75 abtasten kann. Das Plättchen 65 ist für das Strahlenbündel 73 transparent, das jedoch von der Beschichtung 69 absorbiert wird. Eine Spannungsquelle 77 mit alternierendem Ausgang ist mit der Beschichtung 68 und der Beschichtung 69 durch einen Schalter 70 elektrisch verbunden. Fig. 2 is a schematic representation of a liquid crystal information storage device or display device of known type in which the liquid crystal materials of the invention can be used. A layer 63 of the liquid crystal material is arranged between glass plates 65, 67 having conductive coatings 69, 68 on their respective inner surfaces. A laser 71 which produces a beam 73 in the infrared part of the spectrum is arranged so that the beam 73 can scan the plate 65 with the coating 69 with a conventional laser deflection unit 75. The plate 65 is transparent to the beam 73 which is, however, absorbed by the coating 69. An alternating output voltage source 77 is electrically connected to the coating 68 and the coating 69 by a switch 70 .

Die Einrichtung arbeitet in folgender Weise: Eine Information wird durch das Strahlenbündel 73 auf die Beschichtung 69 und auf die Schicht 63 durch Wärmeleitung von der Beschichtung 69 aufgezeichnet. Die zur Schicht 63 geleitete Wärme ist ausreichend, um die Temperatur ausgewählter örtlicher Bereiche der Schicht 63 zu erhöhen und eine Phasenänderung dieser Bereiche zu bewirken. Wenn das Material der Schicht 63 ursprünglich in einer cholesterinischen Mesophase vorliegt, wird die Phase zur isotropen Flüssigphase geändert.The device operates in the following way: Information is recorded by the beam 73 onto the coating 69 and onto the layer 63 by heat conduction from the coating 69. The heat conducted to the layer 63 is sufficient to increase the temperature of selected local areas of the layer 63 and to cause a phase change of these areas. If the material of the layer 63 is originally in a cholesteric mesophase, the phase is changed to the isotropic liquid phase.

Wenn das Material ursprünglich in einer smektischen Mesophase vorliegt, wird die Phase in eine nematische Mesophase geändert, falls das Material eine solche aufweist, oder zu einer isotropen Flüssigphase. Nachdem das Strahlenbündel 73 einen gegebenen Bereich der Beschichtung 69 und der Schicht 63 erwärmt hat und zu einem anderen Bereich abgelenkt worden ist, kühlt sich der gegebene Bereich rasch wieder ab; das Material in diesem Bereich geht wieder in seine ursprüngliche Phase über, jedoch in eine getrübte oder streuende Form der ursprünglichen Phase. Wenn daher die Bereiche der Schicht 63, die nicht durch das Strahlenbündel 73 abgetastet worden sind, in der klaren bzw. nichtstreuenden Form der ursprünglichen Phase vorliegen, sind die abgetasteten Bereiche von den nicht abgetasteten Bereichen durch ihre optischen Streueigenschaften zu unterscheiden. Wenn daher die Schicht 63 visuell durch das Plättchen 67 und die Beschichtung 68 entweder nach Entfernen des Strahlenbündels 73, oder während es in Betrieb ist, durch ein geeignetes Filter betrachtet wird, kann die aufgezeichnete Information gesehen werden. Die Beschichtungen 69, 68 werden für diesen Zweck optisch transparent gemacht.If the material is originally in a smectic mesophase, the phase is changed to a nematic mesophase, if the material has one, or to an isotropic liquid phase. After the beam 73 has heated a given region of the coating 69 and layer 63 and is deflected to another region, the given region rapidly cools and the material in that region returns to its original phase, but in a cloudy or scattering form of the original phase. Thus, if the regions of layer 63 not scanned by the beam 73 are in the clear or non-scattering form of the original phase, the scanned regions can be distinguished from the non-scanned regions by their optical scattering properties. Thus, when the layer 63 is visually viewed through the wafer 67 and coating 68 either after removal of the beam 73 or while it is in operation through a suitable filter, the recorded information can be seen. The coatings 69, 68 are made optically transparent for this purpose.

Das Löschen einer gespeicherten oder angezeigten Information wird durch Abtasten der Schicht 63 mit dem Strahlenbündel 73 durchgeführt, während ein elektrisches Feld an die Schicht 63 durch Schließen des Schalters 70 angelegt wird. Das Flüssigkristallmaterial der Schicht 63 wird zur Änderung des Phasenzustands erhitzt und wiederum zur Rückkehr zu seiner ursprünglichen Phase abgekühlt; jedoch veranlaßt in diesem Falle die angelegte Spannung das Flüssigkristallmaterial zur Rückkehr zur klaren Form der ursprünglichen Phase.Erasing of stored or displayed information is accomplished by scanning layer 63 with beam 73 while applying an electric field to layer 63 by closing switch 70. The liquid crystal material of layer 63 is heated to change phase state and then cooled to return to its original phase; however, in this case, the applied voltage causes the liquid crystal material to return to the clear form of the original phase.

Eine Information kann wahlweise auch durch Abtasten der Schicht 63 mit dem Strahlenbündel 73 ohne Anlegen eines elektrischen Feldes gelöscht werden, sofern eine ausreichend niedrige Abtastgeschwindigkeit für das Strahlenbündel 73 angewandt wird.Information can optionally also be erased by scanning the layer 63 with the beam 73 without applying an electric field, provided that a sufficiently low scanning speed is used for the beam 73 .

Fig. 3 ist ein Blockschaltbild einer Zeituhr, bei der ein erfindungsgemäßes Flüssigkristallmaterial verwendbar ist. Ein Quarzoszillator 81 mit einer Schwingungsfrequenz von 32,168 kHz liefert ein Ausgangssignal, das in einem Rückwärtszähler 83 geteilt wird, der ein Ausgangssignal einer Frequenz von 64 Hz liefert. Das Ausgangssignal liegt an einer Logikeinheit 85 an, die eine weitere Untersetzung im Verhältnis 1 : 64 vornimmt. Die Logikeinheit 85 erzeugt folglich jede Sekunde einen Einzelimpuls. Sie zählt diese Sekundenimpulse und erzeugt jeweils nach Zählen von 60 Sekundenimpulsen einen Minutenimpuls. Sie zählt ferner die Minutenimpulse und erzeugt jeweils nach Zählen von 60 Minutenimpulsen einen Stundenimpuls. Fig. 3 is a block diagram of a timepiece in which a liquid crystal material according to the invention can be used. A quartz oscillator 81 with an oscillation frequency of 32.168 kHz provides an output signal which is divided in a down counter 83 which provides an output signal with a frequency of 64 Hz. The output signal is applied to a logic unit 85 which performs a further reduction in the ratio 1:64. The logic unit 85 thus generates a single pulse every second. It counts these second pulses and generates a minute pulse every 60 second pulses. It also counts the minute pulses and generates an hour pulse every 60 minute pulses.

Die Sekunden-, Minuten- und Stundenimpulse werden zu einem (nicht dargestellten) Verknüpfungsglied innerhalb der Logikeinheit 85 geleitet, das es erlaubt, über ausgewählte Leiter eines Leiterbündels 86 Ansteuersignale an eine Flüssigkristall- Anzeigevorrichtung anzulegen. Wenn ein Sekunden-, Minuten- oder Stundenimpuls am Verknüpfungsglied der Logikeinheit 85 eintrifft, bewirkt er, daß ausgewählte Leiter 86 in geeigneter Weise umgeschaltet werden.The second, minute and hour pulses are fed to a gate (not shown) within the logic unit 85 which allows drive signals to be applied to a liquid crystal display device via selected conductors of a conductor bundle 86. When a second, minute or hour pulse arrives at the gate of the logic unit 85 , it causes selected conductors 86 to be switched in an appropriate manner.

Das Sichtgerät 87 ist eine Digitalanzeige mit drei Sektionen. Die erste Sektion 88 zeigt die jeweiligen Sekunden, die zweite Sektion 89 die jeweiligen Minuten und eine dritte Sektion die jeweiligen Stunden an. Das Verknüpfungsglied der Logikeinheit 85 wählt die in den Sektionen 88, 89 und 90 anzuzeigenden geeigneten Ziffern durch Auswahl der geeigneten Leiter 86 für das Anlegen von Ansteuersignalen aus. Wenn es einen Sekunden-, Minuten- oder Stundenimpuls empfängt, ändert das Verknüpfungsglied die ausgewählten Teile der Leiter 86 in diejenigen, die für die nächsten jeweiligen Ziffern benötigt werden, in chronologischer Folge.The display unit 87 is a digital display having three sections. The first section 88 displays the respective seconds, the second section 89 the respective minutes, and a third section the respective hours. The logic unit 85 gate selects the appropriate digits to be displayed in sections 88, 89 , and 90 by selecting the appropriate conductors 86 for applying drive signals. When it receives a second, minute, or hour pulse, the gate changes the selected portions of conductors 86 to those required for the next respective digits in chronological order.

Das Sichtgerät 87 arbeitet in einer beliebigen bekannten Weise; beispielsweise können seine Ziffern durch Phasenwechseleffekt in der unter Bezugnahme auf Fig. 1 beschriebenen Weise betrieben werden. Das für das Sichtgerät 87 verwendete Flüssigkristallmaterial ist so ausgewählt, daß es für das Betriebsverfahren paßt und enthält mindestens eine Verbindung der Formel I.The display device 87 operates in any known manner; for example, its digits may be operated by phase change effect in the manner described with reference to Figure 1. The liquid crystal material used for the display device 87 is selected to suit the method of operation and contains at least one compound of formula I.

Als Rückwärtszähler 83 und Logikeinheit 85 können handelsübliche IC&min;s herangezogen werden, z. B. die CMOS-IC's SCL 5423 oder 5425 bzw. SCL 5424 oder 5428 (Ziffer/Dekodierer-Ansteuereinrichtung).Commercially available ICs can be used as the down counter 83 and logic unit 85 , e.g. the CMOS ICs SCL 5423 or 5425 or SCL 5424 or 5428 (digit/decoder control device).

Claims (2)

1. Flüssigkristallmaterialien auf der Basis von 4,4&min;-di- substituiertem Diphenyl,
gekennzeichnet durch
mindestens ein 4&min;-substituiertes 4-Cyanodiphenyl der Formel I °=c:40&udf54;&udf53;vu10&udf54;&udf53;vz3&udf54; &udf53;vu10&udf54;worin R Methyl, Ethyl oder Ethoxy bedeutet.
1. Liquid crystal materials based on 4,4'-di-substituted diphenyl,
marked by
at least one 4'-substituted 4-cyanodiphenyl of the formula I °=c:40&udf54;&udf53;vu10&udf54;&udf53;vz3&udf54;&udf53;vu10&udf54;wherein R is methyl, ethyl or ethoxy.
2. Verwendung der Flüssigkristallmaterialien nach Anspruch 1 in optischen und elektrooptischen Anzeigevorrichtungen. 2. Use of the liquid crystal materials according to claim 1 in optical and electro-optical display devices.
DE2366470A 1972-11-09 1973-11-09 Liquid crystal materials and their use in display devices Expired DE2366470C2 (en)

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