DE2644219C2

DE2644219C2 - Verwendung einer nichtsmektischen Flüssigkristallmischung

Info

Publication number: DE2644219C2
Application number: DE19762644219
Authority: DE
Inventors: Gerd Dr. 1000 Berlin Heppke; Frank Dr. 5904 Eiserfeld-Gosenbach Schneider
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1976-09-30
Filing date: 1976-09-30
Publication date: 1982-04-15
Also published as: DE2644219A1

Description

O >M-< O >-M'-< O

ist, wobei M, M' jeweils eine der Gruppen -N=N-, -CH = CH-, -CH = CCl-, -N = N(O)-, -CH = N-, -C = C-, -COO-,

— COS— ist, wobei entweder M oder M' entfallen kann, und X, Y jeweils eine der Gruppen Alkyloxy-, Alkyl-, Alkanoyl-, Alkanoyloxy-, Alkoxycarbonyloxy- ist und daß die polare Komponente sich von der unpolaren Komponente dadurch unterscheidet, daß eine der beiden Flügelgruppen X, Y durch -C = N,

— NO2 oder - Cl ersetzt ist.

3. Verwendung einer Flüssigkristall-Mischung in einer Anzeigevorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Komponenten in einem endlichen Mischungsbereich eine stabile smektische Phase vom Typ C ausbilden.

4. Verwendung einer Flüssigkristall-Mischung in einer Anzeigevorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die nichtpolare Komponente eine negativ anisotrope Leitfähigkeit hat.

5. Verwendung einer Flüssigkristall-Mischung in einer Anzeigevorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch eine dritte Komponente, die der Flüssigkristall-Mischung eine cholesterinische Orientierung gibt.

6. Verwendung einer Flüssigkristall-Mischung in einer Anzeigevorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkristall-Anzeigevorrichtung in ihrem Arbeitstemperaturbereich zwischen einem stabilen, optisch klaren Zustand mit homogener oder homöotroper Orientierung einerseits und einem dynamisch streuenden Zustand andererseits durch Anlegen bzw. Abschalten einer hinreichend hohen Spannung mit einer Frequenz unterhalb der Raumladungsrelaxationsfrequenz geschaltet wird.

7. Verwendung einer Flüssigkristall-Mischung in einer Anzeigevorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkristall-Anzeigevorrichtung in ihrem Arbeitsteinperaturbereich von einem stabilen, optisch klären Zustand (Ruhezustand) in einen stabilen, streuenden Zustand (angeregter Zustand) durch Anlegen einer hinreichend hohen Spannung mit einer Frequenz unterhalb der Raum'iadungsrelaxationsfrequenz und vom stabilen angeregten Zustand in den stabilen Ruhezustand durch Anlegen einer hinreichend hohen Spannung mit einer Frequenz oberhalb der Raumladungsrelaxationsfrequenz geschaltet wird.

Es sind Flüssigkristall-Mischungen aus mindestens zwei Komponenten bekannt, bei denen eine Komponente eine polare Komponente mit mindestens einer polaren Flügelgruppe sowie einer positiv anisotropen Dielektrizitätskonstante und eine zweite Komponente eine nichtpolare Komponente mit zwei nichtpolaren Flügelgruppen ist; die beiden Komponenten können dabei in einem endlichen Mischungsbereich eine stabile smektische und/oder feste Phase ausbilden. Solche Gemische werden beispielsweise in den DE-OS 24 39 703, 25 18 725, 25 22 722 oder 25 22 795 beschrieben.

Es hat sich herausgestellt, daß Flüssigkristallsubstanzen, die eine positiv anisotrope Dielektrizitätskonstante ε(Δε>0) und eine negativ anisotrope Leitfähigkeit ο{Δσ<0) haben, elektrooptische Effekte mit deutlich voneinander kontrastierenden Zuständen zeigen und somit als Grundlage für brauchbare Flüssigkristallanzeigen dienen können.

In den zitierten Offenlegungsschriften werden die Dielektrizitätskonstanten der dort beschriebenen Flüssigkristall-Mischungen angegeben, Angaben zu den elektrischen Leitfähigkeiten fehlen jedoch. Gewöhnlich haben Flüssigkristall-Substanzen mit einem zle>0 auch ein Δο>0. Ein Δα>0 kann allerdings auch zusammen mit einem Δε<0 auftreten. An solchen Flüssigkristallen wurde die sogenannte dynamische Streuung und auch der von Heilmeier et al. gefundene Speichereffekt (Proc. IEEE 57 (1969) 34) beobachtet. Es ist ferner auch bereits gelungen, eine flüssigkristalline Verbindung zu synthetisieren, die in einem engen Temperaturbereich neben einem Δε>0 auch ein Δο<0 aufweist (Mol. Cryst. Liq. Cry st. 27 (1974)1).

Es wurde nun gefunden, daß Gemische der eingangs genannten Art in einem breiten Temperaturbereich eine positiv anisotrope Dielektrizitätskonstante und eine negativ anisotrope Leitfähigkeit zeigen, wenn man den Anteil der polaren Komponente so gering wählt, daß die Mischung in diesem Temperaturbereich nahe genug an den Bereich der Ausbildung der stabilen smektischen und/oder festen Phase zu liegen kommt. Dieses Verhalten ist an sich überraschend; es läßt sich damit erklären, daß die positive dielektrische Anisotropie im wesentlichen durch den polaren Bestandteil bestimmt wird, während die negative Leitfähigkeitsanisotropie dadurch zustande kommt, daß die nahe der smektischen bzw. festen Phase befindliche Mischung Bereiche mit einer smektischen Nahordnung enthält, in denen ein Δα < 0 herrscht. (Die smektischen Bereiche in der an sich nicht-smektischen Phase, die sog. »cybotaktischen

Gruppen';, werden ausführlich bei G. W. Gray und P. A. Winsor »Liquid Crystals and Plastic Crystals«, 1974, Band 2, S. 66 bis 79 beschrieben.)

Die Erfindung stellt sich die Aufgabe, solche Flüssigkristall-Gemische in einer Anzeigevorrichtung zu verwenden, in der das beobachtete Nebeneinander eines Δε>0 und eines Δα<0 genutzt wird. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Lehre mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.

Bei den erfindungsgemäß verwendeten Mischungen werden die beiden Bestandteile in der Regel selbst nematisch sein; es lassen sich aber auch geeignete Substanzen finden, die nur nematogen sind, also lediglich eine Tendenz zur Ausbildung einer nematischen Mesophase haben. Die beiden Komponenten werden im allgemeinen in einem mittleren Konzentrationsbereich eine smektische Phase stabilisieren können, in einigen Fällen wird diese Phase aber durch eine Verbindungsbildung fester Art überdeckt und könnte allenfalls nur durch Unterkühlung dargestellt werden. Die smektische und/oder feste Phase wird dabei bei Temperaturen erzeugt, bei denen die beiden Komponenten selbst entweder isotrop-flüssig oder nematisch sind. Wenn die Komponenten in einem bestimmten Temperaturbereich eine smektische Textur annehmen können, dann ist die max. Umwandlungstemperatur der durch Mischung erhaltenen smektischen Phase auf jeden Fall höher als die durch gewichtete Mittelung zu erwartende Temperatur.

Experimentell konnte nachgewiesen werden, daß die die Klasse der erfindungsgemäß verwendeten Flüssigkristall-Mischungen trotz anderer Anisotropievorzeichen ebenfalls eine Art von dynamischer Streuung zeigt, die man wegen der Vorzeichen als »inverse dynamische Streuung« bezeichnen könnte, und bei Hinzunahme eines geeigneten, eine cholesterinische Ordnung erzeugenden Zusatzes über die von Heilmeier et al beobachtete Speichereigenschaft (»inverser Speichereffekt«) verfügt. Dabei lassen sich besonders ausgeprägte optische Effekte erzielen, da Gemische mit einem Δε > 1 relativ einfach hergestellt werden können. Flüssigkristall-Mischungen mit einem Δε>0 und einem Δα<0 dürften sich jedoch bei wachsenden Feldstärken anders verhalten als Substanzen, mit denen normalerweise dynamische Streuung praktiziert wird. So bildeten sich im Experiment an einer durch Oberflächenreibung homogen orientierten Flüssigkristall-Schicht knapp unterhalb einer kritischen Spannung zwar ebenfalls Domänen aus, diese Domänen waren aber anders strukturiert als die üblicherweise auftretenden Williams-Domänen und auch anders, nämlich parallel zur Reibrichtung, orientiert. Die beobachtete Domänenstruktur hatte eine Periode, die etwa der Schichtdicke entsprach; ihre Linien waren in einem senkrecht zur Reibrichtung polarisierten Licht nicht sichtbar.

Es empfiehlt sich, für die nichtpolare Komponente eine Substanz zu nehmen, die eine Tendenz zur Ausbildung einer smektischen Phase vom Typ C hat, also einer Phase, bei der die Flüssigkristallmoleküle einer jeden geordneten Schicht gegen die Schichtnormale geneigt sind. In diesem Fall ist nicht nur die Größe Δε, sondern auch Δα im brauchbaren Temperaturbereich wenig temperaturabhängig.

Zweckmäßigerweise sollte die nichtpolare Komponente ein Δσ<0 haben, es können aber tuch Komponenten mit einer schwach positiv anisotropen Leitfähigkeit gewählt werden, da bei Zumischung des polaren Bestandteils das Verhältnis σ,, /σ_± zunächst im allgemeinen abnimmt Die nichtpolare Komponente ϊ kann im übrigen auch ein schwach negatives Δε haben, also beispielsweise eine der bisher für die dynamische Streuung verwendeten Substanzen sein.

Will man mit den erfindungsgemäßen Mischungen den erwähnten Speichereffekt erzielen, so sollte zur

jo Erzeugung der erforderlichen cholesterinischen Textur ein Cholesterinderivat oder eine chiral-nematische Komponente mit einem Anteil von etwa 2 bis 20% zugesetzt werden. Es wurde festgestellt, daß sich mit den erfindungsgemäß vorgesehenen Substanzen beson-

n ders lange Speicherzeiten, das heißt gute Stabilisierungen der fokal-konischen Struktur, erreichen lassen.

Beträgt der Anteil des Zusatzes nur 0,1 bis 0,5%, so tritt ebenfalls ein Speicherphänomen auf: der praktisch homöotrop-nematische Ruhezustand wird durch einen geeigneten Spannungsimpuls in einen streuenden, gestörten nematischen Zustand überführt, in dem er nach Abschalten der Spannung eine Zeitlang verbleibt. Zweckmäßige Verfahren zur Erzeugung der dynamischen Streuung bzw. der Speicherung des lichtstreuenden Zustandes sind Gegenstand der Ansprüche 7 bzw. 8. Es sei in diesem Zusammenhang darauf hingewiesen, daß neben dr.n voigeschlagenen auch andere Mischungen mit Δε >0 und Δσ<0 prinzipiell die gleichen Speichereigenschaften haben und ähnlich gute Kenndaten liefern könnten.

Die geschilderten elektro-hydrodynamischen Effekte können sowohl mit einer planaren als auch mit einer homöotropen Wandorientierung realisiert werden. Es ergeben sich dann allerdings unterschiedliche Kennlinien, Schalteigenschaften und Speicherzeiten

Eine binäre Mischung von 4,4'-Di-n-hexylox>-azoxybenzol mit 7,3 Mol-% 4-Cyano-4'-n-heptyloxy-biphenyl und ca. 1O⁴ Mol/kg Tetrabutylammoniumpikrat als Elektrolyt wurde elektrooptisch eingehend untersucht.

Dieses Gemisch hat eine nematische Phase zwischen 77°C und 127^CC. Der Zusatz der Nitrilverbindung führt zu einem Δε von ungefähr +0,5. Δε bleibt über den gesamten Temperaturbereich etwa konstant, während die Leitfähigkeitsanisotropie erheblich von der Temperatur abhängt und sogar ihr Vorzeichen bei etwa 115°C ändert. Unterhalb dieser Temperatur zeigt die Mischung einen mehr als 35°C breiten Bereich mit negativem Δα. Auch die Schwellspannung für die Domänenbildung zeigt eine starke Temperaturempfind-

•30 lichkeit: Mit abnehmender Temperatur erniedrigt sie sich zunächst sehr stark und steigt dann langsam wieder an. Im Bereich zwischen 90°C und 77°C beträgt ihr Wert bei planarer Wandorientierung etwa Il bis 12 V. Die kritische Spannung für das Einsetzen von dynamischer Streuung liegt jeweils um das 2- bis 3fache höher. Vergrößert man den Anteil des Cyanobiphenyls von 4 auf 12 Mol-%, so stellt man fest, daß die Domänenschwellspannung deutlich abnimmt: Im untersuchten Temperaturintervall zwischen 77°C und 95⁰C geht sie von 23 V auf 7 V zurück.

Eine andere geeignete Mischung besteht aus 4-n-Nonylbenzoesäure-4'-n-hexyloxyphenylester mit 5 Mol-% 4-Cyano-4'-n-heptyloxy-biphenyl. Diese Substanz zeigte eine dynamische Streuung bei 46°C bis 55°C.

Claims

Patentansprüche:

1. Verwendung einer nichtsmektischen Flüssigkristall-Mischung aus mindestens zwei Komponenten, v.'obei eine Komponente eine polare Komponente mit mindestens einer polaren Flügelgruppe sowie einer positiv anisotropen Dielektrizitätskonstante und eine zweite Komponente eine nichtpolare Komponente mit zwei nichtpolaren Flügelgruppen ist, diese beiden Komponenten in einem endlichen Mischungsbereich eine stabile smektische und/oder feste Phase ausbilden können und in der nichtsmektischen Mischung der Anteil der polaren Komponente so gering gewählt ist, daß die Mischung in einem bestimmten Temperaturbereich so nahe an dem Bereich der Ausbildung der stabilen smektischen und/oder festen Phase zu liegen kommt, daß die Flüssigkristallmischung eine positiv anisotrope Dielektrizitätskonstante, d. h. Δε > 0, und eine negativ anisotrope Leitfähigkeit, d.h. Δα<0, aufweist, in einer F'lüssigkristall-Anzeigevorrichtung mit einem solchen Arbeitstemperaturbereich, in dem die nichtsmektische Flüssigkristall-Mischung dieses Δε > 0 und Δα < 0 besitzt.

2. Verwendung einer Flüssigkristall-Mischung in einer Anzeigevorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die unpolare Komponente eine Verbindung der Art