DE3007259C2

DE3007259C2 -

Info

Publication number: DE3007259C2
Application number: DE3007259A
Authority: DE
Inventors: Herbert Stanley Scotia N.Y. Us Cole Jun.
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: Ametek Aerospace Products Inc
Priority date: 1979-02-28
Filing date: 1980-02-27
Publication date: 1988-04-21
Also published as: US4228030A; GB2044286A; FR2450274A1; DE3007259A1; FR2450274B1; JPS55164277A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Flüssigkeitskristall-Zusammen setzungen und mehr im besonderen auf solche neuen, Flüssigkeits kristall-Zusammensetzungen, bei denen ein Terphenyl-Bestandteil mit einer aus vier Cyclohexanen bestehenden Mischung vermengt ist.

Die Anwendung von Flüssigkeitskristall-Bildschirmen ist z. B. wegen deren relativ geringen Energieverbrauches vorteilhaft. Die üblichen Flüssigkeitskristall-Materialien zur Verwendung in solchen Bildschirmen, die typischerweise als Wirtsmaterial zur Auf nahme eines dichroitischen Farbstoffes in dichroitischen Flüssig keitskristall-Bildschirmen benutzt wurden, waren im allgemeinen nicht in der Lage, einen Arbeitstemperaturbereich von einem Schmelzpunkt von weniger als 0°C bis zu einem Klärpunkt von mehr als 85°C bereitzustellen. Als Klärpunkt ist die Temperatur zu verstehen, bei der der Übergang vom nematischen zum isotropen Zustand stattfindet. Für viele Anwendungen ist dieser erweiterte Temperaturbereich von 0 bis 85°C jedoch erforderlich.

Handelsübliche Flüssigkeitskristalle des Biphenyltyps, die auf grund ihrer relativ guten Stabilität und ihres elektrooptischen Verhaltens sich als brauchbar für Bildschirmgeräte erwiesen haben, können eutektische Mischungen mit nematischen Bereichen etwa 0 bis etwa +60°C und von etwa -10 bis etwa +70°C sein.

Eine eutektische Mischung von drei Phenylcyclohexanen und einem Biphenylcyclohexan hat einen nematischen Bereich von -6 bis +70°C.

Es ist bekannt, daß der Betriebstemperaturbereich einer Flüssig keitskristall-Zusammensetzung durch Zugabe eines anderen Flüssig keitskristall-Materials, das eine sehr hohe Temperatur des Überganges von nematischen zum isotropen Zustand aufweist, erweitert werden kann. Durch die Zugabe dieses Materials mit der hohen Übergangstemperatur wird auch die Temperatur für den Über gang vom nematischen zum isotropen Zustand der Mischung erhöht, doch kann in Abhängigkeit von der Wechselwirkung des Zusatzes mit den Molekülen der ursprünglichen Flüssigkeitskristall- Zusammensetzung die Schmelztemperatur - das ist die Temperatur, bei der der Kristall in den nematischen Zustand übergeht - erhöht werden und es kann eine Unverträglichkeit zwischen den Mole külen der ursprünglichen Zusammensetzung und dem zugesetzten Flüssigkeitskristallen auftreten.

Es gibt daher eine sehr delikate Balance der seitlichen und intermolekularen Anziehungen zwischen Molekülen, die einer Flüssigkeitskristall-Mischung einen weiten nematischen Bereich verleiht und dies bei stabilen Strukturen. Eine genaue Vorher sage eines solchen weiten Bereiches aufgrund der vermischten Flüssigkeitskristall-Materialien unter Bildung einer Flüssig keitskristall-Zusammensetzung ist derzeit noch nicht möglich.

Durch die vorliegende Erfindung werden nematische Flüssigkeits kristall-Zusammensetzungen mit einem weiten Betriebstemperatur bereich von etwa 0 bis etwa +85°C geschaffen, indem man 75 bis 90 Gewichts-% einer aus vier Cyclohexanen bestehenden Flüssig keitskristall-Mischung mit etwa 10 bis etwa 25 Gewichts-% eines Flüssigkeitskristall-Materials auf der Grundlage eines Terphenyls vermischt.

In mehreren bevorzugten Ausführungsformen wird eine aus vier Cyclohexanen bestehende Mischung aus
24 Gewichts-% trans-4-n-Propyl-(4-cyanophenyl)-cyclohexan,
36 Gewichts-% trans-4-n-Pentyl-(4-cyanophenyl)-cyclohexan,
25 Gewichts-% trans-4-n-Heptyl-(4-cyanophenyl)-cyclohexan und
15 Gewichts-% trans-4-n-Pentyl-4′-cyanobiphenyl-4)-cyclohexan
mit 4-n-Pentyl-4′′-cyano-p-terphenyl vermischt.

In einer derzeit bevorzugten Mischung sind 10 Gewichts-% des Biphenylcyclohexans, 75 Gewichts-% der aus den vier Cyclohexanen bestehenden Mischung und 15 Gewichts-% des Terphenyls enthalten, um eine nematische Flüssigkeitskristall-Zusammensetzung mit einem ungewöhnlich weiten Arbeitstemperaturbereich von etwa 0 bis etwa +103°C zu erhalten.

Der Flüssigkeitskristall-Zusatz 4-n-Pentyl-4′′-cyano-p-terphenyl weist die folgende Formel auf:

wird mit etwa 75 bis 90 Gewichts-% einer Flüssigkeitskristall- Mischung aus 4 Cyclohexanen vermischt. Diese Mischung aus 4-Cyclohexanen besteht aus etwa 24 Gewichts-% trans-4-n-Propyl-(4-cyanophenyl)-cyclohexan mit der Formel

etwa 36 Gewichts-% trans-4-n-Pentyl-(4-cyanophenyl)- cyclohexan der Formel

etwa 25 Gewichts-% trans-4-n-Heptyl-(4-cyanophenyl)- cyclohexan der Formel

und etwa 15 Gewichts-% trans-4-n-Pentyl-(4′-cyanobi phenyl-4)-cyclohexan der Formel

In einer ersten bevorzugten Flüssigkeitskristall-Zusammensetzung sind 10 Gewichts-% des Terphenyl-Zusatzes (0,1 g) mit 90 Gewichts-% (0,9 g) der Mischung aus den vier Cyclohexanen vermengt, die aus 0,22 g des ersten Bestandteils, etwa 0,32 g des zweiten Bestandteils, etwa 0,23 g des dritten Bestandteils und etwa 0,14 g des vierten Bestandteils bestehen kann. Diese Mischung ist bei Zimmertemperatur verträglich und zeigt eine relativ geringe Viskosität sowie einen Schmelzpunkt von etwa -10°C und eine Temperatur des Überganges vom nematischen zum isotropen Zustand (Klärpunkt) von etwa +87°C.

In einer zweiten derzeit bevorzugten Zusammensetzung sind etwa 17 Gewichts-% des Terphenyl-Zusatzes (0,17 g) mit etwa 83 Gewichts-% (0,83 g) der Mischung aus den 4 Cyclohexanen vermengt. In dieser Mischung aus den 4 Cyclohexanen sind etwa 0,2 g des ersten Bestandteils, etwa 0,3 g des zweiten Bestandteils, etwa 0,21 g des dritten Bestandteils und etwa 0,12 g des vierten Bestandteils vorhanden. Diese Mischung erscheint bei Zimmertempe ratur verträglich und hat einen Schmelzpunkt von etwa 0°C und eine Temperatur des Überganges vom nematischen in den isotropen Zustand (Klärpunkt) von etwa 97°C.

Bei einer dritten Zusammensetzung, der Zusammensetzung 3, gibt man etwa 25 Gewichts-% des Terphenylzusatzes (0,25 g) zu etwa 75 Gewichts-% (0,75 g) der aus 4 Cyclohexanen bestehenden Mischung hinzu, die etwa 0,18 g des ersten Bestandteils, etwa 0,27 g des zweiten Bestandteils, etwa 0,19 g des dritten Bestandteils und etwa 0,11 g des vierten Bestandteils enthält, um eine verträgliche Mischung mit einem Schmelzpunkt von etwa +18°C und einer Temperatur des Überganges vom nematischen zum isotropen Zustand (Klärpunkt) von +109°C zu erhalten.

Eine weitere derzeit bevorzugte Flüssigkeitskristall-Zusammen setzung (Zusammensetzung 4) ist eine Mischung aus 75 Gewichts-% (0,75 g) der Mischung aus den 4 Cyclohexanen, wobei etwa 0,18 g des ersten Bestandteils, 0,27 g des zweiten Bestandteils, 0,19 g des dritten und 0,11 g des vierten Bestandteils der Cyclohexan mischung vorhanden sind, mit zusätzlichen 10 Gewichts-%(0,10 g) des vierten Bestandteils, nämlich von trans-4-n-Pentyl-(4′- cyanobiphenyl-4)-cyclohexan sowie 15 Gewichts-% (0,15 g) des Terphenyl-Zusatzes. Diese Mischung hat einen Schmelzpunkt von etwa 0°C und einen Klärpunkt von etwa 103°C. Das trans-4-n- Pentyl-(4′-cyanobiphenyl-4)-cyclohexan selbst hat einen nematischen Bereich von +94°C bis +219°C.

Zu der Zusammensetzung 4 wurden außerdem noch 0,03 g eines optisch aktiven Biphenyl-Materials hinzugegeben, nämlich des 4-act-Amyl-4′-cyanobiphenyl (act=optisch aktiv) der Formel

sowie weiterhin etwa 0,003 g des dichroitischen Farbstoffes 4,4′-Bis-(4-N,N-diäthylamino-2-methyl-phenyl azo)-azobenzol, der in der US-PS 41 28 497 beschrieben ist. Dieser dichroitische Farbstoff hat einen Ordnungsparameter S=0,78 und eine maximale Absorption bei der Wellenlänge von 570 Nanometern in der nur aus den 4 Cyclohexanen bestehenden Mischung.

Diese cholesterische dichroitische Zusammensetzung wurde in einer 12 Mikro-Zelle mit transparenten leitenden Elektroden getestet. Bei angelegter Spannung wickelte sich die cholesterische Spirale zum homeotropen nematischen Zustand auf, verbunden mit einem Farbübergang von einem intensiven Purpur ohne Spannungsanwendung zu im wesentlichen weiß bei der Spannungsan wendung. Die Schwellspannung bei 25°C betrug etwa 5,8 Volt und sie nahm mit zunehmender Temperatur graduell ab. So war bei 75°C die Schwellspannung etwa 5,0 Volt und bei 95°C etwa 4,5 Volt. Die Zelle zeigte einen angemessenen Kontrast bis zu etwa 95°C und bei etwa 103°C hörten die elektrooptischen Effekte mit Übergang der Flüssigkeitskristall-Zusammensetzung in den isotropen Bereich auf.

Die erstgenannte Zusammensetzung wurde durch Zugabe von etwa 0,06 g des obengenannten dichroitischen Farbstoffes getestet. Das durch die Zugabe erhaltene dichroitische nematische Flüssig keitskristall-Material wurde in den Hohlraum eines Flüssig keitskristall-Bildschirmes eingefüllt, dessen Zellwände so behandelt waren, daß man parallele Grenzbedingungen erhielt. Auf der 12 Mikron-Zelle wurde ein einzelner Polarisator so angeordnet, daß linear polarisiertes Licht durch die ausgerichtete Schicht aus dichroitischem Farbstoff und Flüssigkeitskristall absorbiert wurde. Der gefärbte Zustand war in der Durchstrahlung intensiv purpurn und bei der Spannungsaktivierung wurden die Moleküle aus Farbstoff und Flüssigkeitskristall so reorientiert, daß sich ein klarer transparenter Zustand ergab. Der Ordnungs parameter S dieses Systems betrug 0,78 bei Zimmertemperatur und war bei 75°C größer als 0,60.

Es wurde auch festgestellt, daß gewisse Farbstoffe eine hervor ragende Ausrichtung aufweisen und somit verbesserte Ordnungs parameter, wenn sie in der erstgenannten Mischung gelöst werden. So hat z. B. ein dichroitischer Farbstoff der chemisch 1-Hydroxy-4-(p- dimethylaminophenyl)-anthrachinon der folgenden Formel ist:

einen Ordnungsparameter S von etwa 0,62 einer Diphenyl- Flüssigkristallmischung und einen Ordnungsparameter S=0,64 in in einer Phenylcyclohexan-Flüssigkristallmischung, aber einen höheren Ordnungsparameter S=0,67 in der Zusammensetzung 1. Es können daher dichroitische Flüssigkeitskristall-Bildschirme mit verbessertem Kontrast durch Verwendung gewisser bekannter dichroitischer Farbstoffe hergestellt werden, die in der ersten Flüssigkeitskristall-Zusammensetzung gelöst werden.

Andere bekannte chirale Zusätze können benutzt werden, um eine ähnliche Wirkung zwischen Lösung und Gelöstem unter Anwendung des Überganges vom cholesterischen zum nematischen Zustand zu erzielen.

Andere Terphenyle, die von gleicher Brauchbarkeit sind, wurden in dem J. Chem. Soc. Chem. Commun. Seite 431 vonn 1974 von G. W. Gray, K. J. Harrison und J. A. Nash veröffentlicht. Diese Terphenyle sind die folgenden:

Homeotrop (oben auf Seite 9 Absatz 2) bedeutet, daß die Moleküle in der Zellgrenze senkrecht zur Zellwand ausge richtet sind.

Chiral (oben auf Seite 10 Absatz 2) bedeutet, daß der ent sprechende Zusatz Flüssigkeitskristalle in eine cholesterische Zustandsform umwandelt.

Claims

1. Flüssigkeitskristall-Zusammensetzung gekennzeichnet durch
etwa 75 bis etwa 90 Gewichts-% einer Flüssigkeitskristall- Mischung, die aus den folgenden vier Bestandteilen besteht:
etwa 24 Gewichts-% trans-4-Propyl-(4-cyanophenyl)-cyclo hexan der folgenden Formel etwa 36 Gewichts-% trans-4-n-Pentyl-(4-cyanophenyl)- cyclohexan der folgenden Formel etwa 25 Gewichts-% trans-4-n-Heptyl-(4-cyanophenyl)- cyclohexan der folgenden Formel und etwa 15 Gewichts-% trans-4-n-Pentyl-(4′-cyanobi phenyl-4)-cyclohexan der folgenden Formel sowie etwa 10 bis 25 Gewichts-% 4-n-Pentyl-4′′-cyano- p-terphenyl und zusätzlichem trans-4-n-Pentyl-(4′-cyanobiphenyl-4)- cyclohexan, wobei der letztgenannte Zusatz auch abwesend und bis zu maximal etwa 10 Gewichts-% vorhanden sein kann.

2. Flüssigkeitskristall-Zusammensetzung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch etwa 75 Gewichts-% der vier Bestandteile umfassenden Cyclohexan-Mischung und etwa 25 Gewichts-% des Terphenyl-Bestandteils.

3. Flüssigkeitskristall-Zusammensetzung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch etwa 90 Gewichts-% der vier Bestandteile umfassenden Cyclohexan-Mischung und etwa 10 Gewichts-% des Terphenyl-Bestandteils.

4. Flüssigkeitskristall-Zusammensetzung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch etwa 83 Gewichts-% der vier Bestandteile umfassenden Flüssigkeitskristall Mischung und etwa 17 Gewichts-% des Terphenyl-Bestandteils.

5. Flüssigkeitskristall-Zusammensetzung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch etwa 75 Gewichts-% der vier Bestandteile umfassenden Flüssigkeitskristall- Mischung, etwa 15 Gewichts-% des Terphenyl-Bestandteils und etwa 10 Gewichts-% des zusätzlichen trans-4-n-Pentyl-(4′- cyanobiphenyl-4)-cyclohexans.

6. Flüssigkeitskristall-Zusammensetzung nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch bis zu 5 Gewichts-% eines darin gelösten optisch aktiven Materials.

7. Flüssigkeitskristall-Zusammensetzung nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch bis zu 10 Gewichts-% eines darin gelösten dichroitischen Farbstoffes.