DE2839639C2

DE2839639C2 - Flüssigkristallmaterialien und diese enthaltende Vorrichtungen

Info

Publication number: DE2839639C2
Application number: DE2839639A
Authority: DE
Inventors: Edward Peter Raynes; Robert Andrew Hereford Worcester Smith
Original assignee: UK Secretary of State for Defence
Current assignee: UK Secretary of State for Defence
Priority date: 1977-09-12
Filing date: 1978-09-12
Publication date: 1986-07-03
Also published as: GB2005296A; FR2402694A1; FR2402694B1; CH641201A5; NL7809288A; US4253740A; DE2839639A1; JPS5450491A; GB2005296B

Description

CN

oder der genannten Verbindungen, worin einer der Benzolringe durch einen Zyklohexanring substituiert ist, X eine kurze Alkylgruppe C_nH_2n+, oder eine kurze Alkoxygruppe Q_nH_2n,+ , ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Flüssigkristallmaterial wenigstens drei Flüssigkristallmaterialbestandteile enthält, wovon wenigstens zwei unter den genannten Verbindungen gewählt sind, wobei η eine gerade Zahl und m eine ungerade ZaK bedeuten.

2. Flüssigkristallma^edal nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Durchschnittswert von η < 6.

3. Flüssigkristallmaterial m..;h Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Durchschnittswert von m < 5.

4. Flüssigkristallmaterial nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Durchschnittswert von η + m < 6.

5. Flüssigkristallmaterial nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens zwei Bestandteile aus den Verbindungen

-CN

gewählt sind.
6. Flüssigkristallmaterial nach Anspruch 1, weiter gekennzeichnet durch eine Menge von

C₅H₁₁-

-CN

zur Verbesserung des nematischen Temperaturbereichs.
7. Flüssigkristallmaterial nach Anspruch 1, weiter gekennzeichnet durch eine Menge von

C5H11

-CN

zur Verbesserung des nematischen Temperaturbereichs.

8. Flüssigkristallanzeigevorrichtung mit einer Flüssigkristallzelle, dadurch gekennzeichnet, daß das Flüssigkristallmaterial eines der Materialien nach den Ansprüchen 1 bis 7 ist.

Die Erfindung bezieht sich auf Flüssigkristallmaterialien und diese enthaltende Vorrichtungen.

Es gibt viele bekannte Flüssigkristallanzeigevorrichtungen. Typisch weisen sie eine dünne Schicht aus einem Flüssigkristallmaterial auf, das zwischen zwei Elektroden tragenden Glasplättchen enthalten ist. Die Anlegung einer geeigneten elektrischen Spannung an die Elektroden durch die Schicht bewirkt eine sichtbare Änderung des optischen Verhaltens, und dieser Effekt wird zur Anzeige von Information verwendet. Die Elektroden können in numerischer oder Matrixform angeordnet sein, um z. B. die Zeit (auf einem Uhrziffernblatt) oder Wellenformen anzuzeigen.

Flüssigkristallmaterialien können smektisch, cholesterisch oder nematisch sein. Die Erfindung besieht sich aufnematisches Flüssigkristallmaterial oder eine Mischung von nematischem und einem geringen Prozentsatz cholesterischem Material.

Die Spannung, bei der ein Effekt in der Flüssigkristallschicht beobachtet wird, nennt man häufig Schwellenspannung. Gewöhnlich werden Anzeigevorrichtungen einiges oberhalb der Schwellenspannung betrieben, um eine klare Anzeige zu sichern, z.B. kann die Betriebsspannung etwa das Doppelte der Schwellenspannung betragen.

Ein Vorteil von Flüssigkristallanzeigen ist ihr niedriger Stromverbrauch, der sie für batterieangetriebene Anzeigevorrichtungen, wie z. B. Armbanduhren und Taschenrechner, hervorragend geeignet macht. Es ist daher erwünscht, daß die Schwellenspannung so niedrig wie möglich liegt, so daß eine einzelne Niederspannungsbatterie (z.B. eine normale 1,5-V-Batterie) verwendet werden kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Flüssigkristallanzeige mit einer entsprechend niedrigen Betriebsspannung zu ermöglichen.

Eine Flüssigkristallzelle wird hier als eine Schicht aus Flüssigkristallmaterial definiert, die zwischen zwei Substraten enthalten ist, von denen wenigstens eines transparent ist, wobei Elektroden auf den Substraten zum Anlegen eines elektrischen Feldes wenigstens durch ausgewählte Teile der Schicht angeordnet sind; das Flüssigkristallmaterial kann eine einzelne Verbindung oder eine Mischung von Verbindungen sein und auch Farbstoffe enthalten.

Gegenstand der Erfindung, womit die genannte Aufgabe gelöst wird, ist ein Flüssigkristallmaterial, das aus einer Mischung von wenigstens drei Flüssigkristallmaterialien besteht, von denen wenigstens zwei aus den folgenden Verbindungen

CN

oder den obigen Verbindungen gewählt sind, worin einer der Bezolringe durch einen Zyklohexanring substituiert ist, X eine kurze Alkylgruppe C_nH_2n+ , und η eine gerade Zahl bedeuten oder X eine kurze Alkyoxygruppe C_n, H_2n,+ ι und m eine ungerade Zahl bedeuten.

Die Bestandteilsmaterialien können von sich aus eine flüssige kristalline Phase zeigen oder nicht, weisen jedoch eine flüssige krifialline Phase auf, wenn sie anderen Flüssigkristallmaterialien zugemischt sind.

Die Mischung kann zwei oder mehr Bestandteile aus der gleichen Verbini/ungsgruppe, jedoch mit unterschiedlichen n- bzw. OT-V/erten enthalten oder eine Mischung der verschiedenen oben angegebenen Ve.rbindungsarten sein. Ein oder mehrere Bestandteile können eine Verbindung sein, die der Bedingung η = gerade Zahl, m = ungerade Zahl nicht genügt und zur Verbesserung des nematischen Temperaturbereichs der Mischung zugesetzt werden kann. Eine solche Verbindung kann z. B. das unten beschriebene »5 CT« oder »BB 15« sein.

Gegenstand der Erfindung ist außerdem eine Flüssigkristallanzeigevorrichtung zum Betrieb bei niedrigen Spannungen, die eine Flüssigkristallzelle des erwähnten Aufbaus aufweist, mit dem Kennzeichen, daß das Flüssigkristallmaterial aus der erfindungsgemäßen Flüssigkristallmaterialmi^r.chung besteht.

Flüssigkristallmaterialien der allgemeinen Formel

worin X eine Alkyi-, Alkoxy-, Alkanoyloxy- oder Alkenylgruppe und CN eine Zyanogruppe bedeuten, sind in der GB-PS 14 33 130 beschrieben und Diphenylmaterialicn genannt.

Es wurde gefunden, daß, wenn η eine gerade Zahl ist, niedrigere Schwellenspannungen erhältlich sind, als

wenn /; eine ungerade Zahl ist. In ähnlicher Weise werden, wenn /;; eine ungerade Zahl ist, niedrigere Schwcllenspannungen erhalten, als wenn m eine gerade Zahl ist. Es wurde auch gefunden, daß die niedrigeren Werte von η und m niedrigere Betriebsspannungen liefern. Die bevorzugten Werte für den Niederspannungsbetrieb

j sind daher:

η = 2,4.6 m = 1,3.5

Jedoch neigen Materialien mit niedrigen n-, m-Wcrten dazu, Schmelzpunkte oberhalb der Raumtemperatur κι zu haben, und weisen üblicherweise einen Schmelzpunkt oberhalb der isotropen Temperatur (Klärungspunkt), z. B. für Diphenyle, auf.

Tabelle 1	Schmelzpunkt. ⁰C	Klärungspunkt, ⁰C

η	109	(45)
1	75	(22)
2	68	(28)
3	46	(16)
4	22	35
5	13	27
6
m	104	(85)
1	102	(90)
2	72	((A)
3	78	(76)
4	48	68
5	58	76
6

Die Klammern () deuten einen virtuellen monotropen Übergang an.

Daher kann die Mischung auch einige Bestandteilsmaterialien mit hohen n-, /η-Werten (z.B. η = 6, m = 5) enthalten, so daß die resultierende Mischung einen annehmbaren nematischen flüssigkristallinen Temperaturbereich aufweist. Der Durchschnittswert von /;, m in einer solchen Mischung sollte so niedrig wie möglich, vorzugsweise η < 6 und m < 5 sein. Für Alkyl- und Alkoxygruppen enthaltende Mischungen sollte der Durchschnittswert von η und m auch so niedrig wie möglich und vorzugsweise geringer als 6 oder 5 sein.

Die Erfindung wird anhand der Zeichnung näher erläutert; darin zeigt
Fig. 1 eine auseinandergezogene Perspektivdarstellung einer verdrillten nematischen Anzeige:

Fig. 2 die Vorderansicht einer Armbanduhr mit einer gemäß Fig. 1 aufgebauten verdrillten nematischen Flüssigkristallanzeigevorrichtung; und

Fig. 3 einen Schnitt des Anzeigeteils der in Fig. 2 gezeigten Uhr in vergrößertem Maßstab.

Wie in Fig. 1 gezeigt ist, weist eine Anzeigevorrichtung einen Polarisatori auf, der mit seiner Polarisationsachse 2 senkrecht angeordnet ist. Eine Flüssigkristallzelle 3 weist zwei Glasplättchen 4, 5 auf, die eine Schicht aus nematischem Flüssigkristall 6 enthalten. Elektroden 7, 8 z. B. aus Zinnoxid, sind an den Innenflächen der Glasplättchen 4, 5 angebracht. Hinter der Zelle 3 ist ein Analysator oder zweiter Polarisator 11, dessen Polarisationsachse 12 horizontal angeordnet ist. Ein gebürsteter Aluminiumreflektor 27 befindet sich hinter dem Analysator 11.

Vor dem Zusammenbau der Zelle werden die Glasplättchen 4,5 auf ihren Innenflächen mit Siliziummonoxid oder Magnesiun.fluorid überzogen. Dieser Überzug wird durch Aufdampfen eines Stroms von z.B. Siliziummonoxid auf das Glasplättchen unter einem Winkel von etwa 5° zur Oberfläche gebildet, wie z.B. in der GB-PS 14 54 296 beschrieben ist. Beim Zusammenbau werden die Glasplättchen mit der Aufdampfungsrichtung auf den beiden Glasplättchen 4, 5 bei 90° zueinander angeordnet. In Gegenwart eines solchen Überzugs liegen die Flüssigkristallmoleküie an der überzogenen Oberfläche in einer einzigen Richtung (parallel zur Aufdampfrichtung) und unter einem Winkel von etwa 25 bis 35°, typisch etwa 30°, zur Glasplättchenoberfläche. Alternativ können die Glasplättchen gereinigt, in eine Lösung von Wasser und 0,2 Gew.-% Polyvinylalkohol getaucht, und dann, wenn trocken, in einer einzigen Richtung mit einem weichen Tuch gerieben werden. Die Glasplättchen werden dann mit rechtwinklig zueinander stehender Reibrichtung zusammengebaut. In dieser Zelle liegen die Flüssigkristallmofeküle unter etwa 2° zur Glasplättchenoberfläche. Als Ergebnis verdrillen sich die Flüssigkristallmoleküie fortschreitend von einem Glasplättchen 4 zum anderen Glasplättchen 5. So wird die Ebene des linear polarisierten Lichts beim Durchgang durch die Zelle 3 um 90° gedreht, sofern die Richtung 13 der Moleküle an der Oberfläche des Glasplättchens 4, 5 parallel (oder senkrecht) zu den Polarisatorachsen 2 bzw. 12 steht. So geht, wenn eine Nullspannung an die.Zelle angelegt wird, Licht durch den Analysator 1. die Zelle 3 und den Analysator 11 durch und wird dann zu einem Beobachter 15 zu.-rückreflektiert.

Wenn eine geeignete Spannung zwischen den Elektroden 7, 8 angelegt wird, bewirkt dies, daß die Moleküle zwischen den Elektroden parallel zum angelegten Feld ausgerichtet werden nnd vom Polarisator durch-

gelassenes Licht ohne Drehung zum Analysator 11 durchgelassen wird. Da der Polarisator 1 und der Analysator 11 gekreuzt sind, wird kein Licht zum Reflektor durchgelassen, und kein Licht wird zum Beobachter an solchen Teilen der Zelle 3 zwischen den Elektroden 7, 8 reflektiert, die daher dunkel auf einem helleren Hintergrund erscheinen. So können durch Gestaltung jeder Elektrode 7, 8 zu beispielsweise sieben gesonderten Teilen, die getrennt mit einer Spannungsquelle verbindbar sind, die Zahlen 0 bis 9 angezeigt werden.

Bei der Uhranzeigevorrichtung nach Fig. 2 und 3 sind die Elektroden 7, 8 so eingerichtet, daß sie vier Siebenstreifenziffern und einen Kommapunkt ergeben, die so ausgelegt sein können, daß sich ein Impuls je SekkÄide ergibt.

Die zur Ausrichtung der Moleküle parallel zum angelegten Feld erforderliche Spannung, d.h. der »An«- Zustand, ist von der Dicke der Schicht 6, den verwendeten Materialien, der Temperatur und der Oberflächenbehandlung der Glasplättchen 4, 5 abhängig. Eine typische Dicke der Schicht ist 12 am. Das verwendete Material muß über die Verwendungstemperaturen, d.h. Umgebungstemperaturen, stabil sein, die zu Vergleichszwecken als konstant angenommen werden können. Eine Oberflächenbehandlung, d.h. Aufdampfen von Siliziumoxid unter 5° unter Lieferung eines großen Kippwinkels, z.B. 30°, der Moleküle verringert die zum »An«-schalten der Zelle erforderliche Spannung zu Lasten eines geringeren Kontrasts oder einer geringeren Anzeigegeschwindigkeit.

Bei typischen Uhranzeigevorrichtungen unter Verwendung eines verdrillten nematischen Flüssigkristallmaterials wird eine 1,5-V-Batterie zum Speisen des Oszillators und der logischen Schaltungen der Uhr verwendet, und ein Aufwärtsumsetzsr wird benutzt, um die Spannung auf 3,0 oder sogar 4,5 V zürn Betrieb der Anzeigevorrichtung anzuheben.

Bei Verwendung von nematischen Flüssigkristallmaterialien gemäß der Erfindung läßt sich die zum Speisen der Flüssigkristallanzeige erforderliche Betriebsspannung auf z.B. 1,25 bis 1,40 V verringern.

Kleine Mengen eines cholesterischen Materials können dem nematischen Flüssigkristall zur Erzielung eines cholesterischen Materials langer Steigung zugesetzt werden. Um ein fleckiges Aussehen zu vermeiden, wird dann bevorzugt, die cholesterisch^ Steigung an die relative Ausrichtung auf den Glasplättchen 4, 5 anzupassen, wie in der GB-PS 14 72 247 beschrieben ist.

Beispielsweise kann etwa 1% cholesterisches Zyanodiphenyl »C. 15« (von British Drug Houses) einem nematischen Material zugesetzt werden. Das Material »C. 15« hat die Formel

CH₃

CH₃-CH₂-CH-CH₂-O-

Die folgende Tabelle zeigt Beispiele von nematischen Mischungen und der Betriebsspannung, die für 10% Durchlässigkeit, d.h. den fast völligen »An«-Zustand, von normal einfallendem Licht durch eine folgendermaßen hergestellte und betriebene Zelle erforderlich ist:

(i) Schichtdicke 12 ,um, Glasplättchen mit SiO überzogen, Speisespannung 1 kHz Sinuswelle, Schichttemperatur 22°C; to

(ii) Schichtdicke 7 um, Glasplättchen mit Polyvinylalkohol überzogen und gerieben. Speisespannung 100 Hz Rechteckwelle, Schichttemperatur 22°C.

Die Prozentsätze sind als Gewicht angegeben. Tabelle 2

Mischung

Betriebsspannung (i) (ü)

1 E.7[5CB(51%)/7CB(25%)/80CB(16%)]/5CT(8%)

2 2 CB (10%) /6 CB (80%) /5 CT(10%)

3 6CB(65%)/10CB(9%)/30CB(15%)5 CT(Il)

4 2CB(10%)/6CB(60%)/70CB(20%)/5CT(10%)

5 2CB(10%)/6CB(56%)/10CB(6%)/30CB(10%)/50CB(10%)/5CT(8%)

6 2CB(15%)/4CB(15%)/6CB(43%)/10CB(3%)/30CB(12%)/5CT(7%)/BB15(5%) -

Erklärung der Abkürzungen:

1,70	2,15
1,25	-
1,35	1,77
1,40	-
-	1,47
_	1,53

45 50 55 60 65

H)CI) isl CII₁O-<TT>—<Yj)>— CN

MCH isl C.,11,0—«^QN—/(3">—CN

50CH isl CslliiO

70CH isl CHiiO—<^TY>—<^O)>~^CN

80CH isl CH₁-O-(^)-<^O/^-

5CT isl CjII_n 15

HH 15 isl CH

:o Die Anzeigevorrichtung nach den Fig. 1. 2 und 3 kann mittels Ersatzes des Reflektors 27 durch einen Teilreflektor bei gleichzeitiger Anordnung einer Betalicht- oder NiederleistungswoHramlampe hinter dem Teilreflektor ersetzt werden, so daß die Anzeige mittels Lichtdurchlasses (anstelle der Lichtreflexion) beobachtet werden kann, wenn Umgebungslicht nicht verfügbar ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche: 1. Flüssigkristallmaterial aus einer Mischung von Verbindungen aus der folgenden Gruppe:

CN

CN

CN

CN