DE3419512C1

DE3419512C1 - Zusammensetzung fuer Fluessigkristalle

Info

Publication number: DE3419512C1
Application number: DE3419512A
Authority: DE
Inventors: Fumiaki Yamatokoriyama Nara Funada; Yutaka Nara Ishii; Masataka Tenri Nara Matsuura
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Kk Osaka Jp Merck Patent 6100 Darm GmbH
Priority date: 1983-05-26
Filing date: 1984-05-25
Publication date: 1985-01-10
Also published as: GB2142647B; HK2591A; SG75888G; GB2142647A; GB8413439D0; JPH0349958B2; US4722804A; JPS59219381A

Description

OR₂

dargestellt wird, in der Ri ein Alkylrest der Formel C„H2_n+1 und R2 ein Alkylrest der Formel C,„H2m+1 ist und η und m für positive ganze Zahlen stehen und η und m ganze Zahlen von 1 bis 12 sind.

3. Zusammensetzung für Flüssigkristalle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Cyanobiphenyl-Verbindung ausgewählt ist aus der Gruppe der folgenden Verbindungen:

a) 4-Alkyl-4'-cyanobiphenyl der allgemeinen Formel

in der R3 ein Alkylrest der Formel C„H₂,v ₊ 1 ist, wobei w für eine ganze Zahl von 1 bis 9 steht,
b) 4-Alkoxy-4'-cyanobiphenyl der allgemeinen Formel

R₄O-

-CN

in der R4 ein Alkylrest der Formel C_xHb_x+ 1 ist, wobei χ für eine ganze Zahl von 1 bis 7 steht,
c) 4-Alkoxyethylenoxy-4'-cyanobiphenyl der allgemeinen Formel

R₅OC₂H₄O —< O

in der Rs ein Alkylrest der Formel C₁H₂, + 1 ist, in der.yfür eine ganze Zahl von 1 bis 5 steht, und 4-Cyano-4'(4-alkyl)cycohexylbiphenyl der allgemeinen Formel

in der R₍, ein Alkylrest der Formel C;H₂r+ 1 ist und ζ für eine ganze Zahl von 1 bis 7 steht.

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Zusammensetzung für Flüssigkristalle. Sie betrifft insbesondere eine Zusammensetzung für Flüssigkristalle, die geeignet ist, für Flüssigkristall-Anzeigevorrichtungen, in denen die Strukturen vom verdrillt nematischen Typ sind und eine Multiplex-Steuerung (multiplex drive scheme) angewendet wird.

In jüngster Zeit wird im Bereich der Flüssigkristall-Anzeigevorrichtungen eine Ausweitung des Informationsgehaltes der Anzeigevorrichtung benötigt. Es zeigt sich die Tendenz, daß Flüssigkristall-Anzeigevorrichtungen vom Typ der Matrixanzeige mehr und mehr eingesetzt werden, da sie für eine Ausweitung des Informationsgehaltes der Anzeigevorrichtung besser geeignet sind als Flüssigkrislall-Anzeigesysteme mit einer Segment-Anzeige, die früher hauptsächlich benutzt wurden. Ein Anstieg der Zahl Nder Mehrlachlinien der Mehrfachschaltung in dem Matrix-Anzeigeschema wird ebenso für erforderlich gehalten, um die Diversifizierung von Anzeigen weiterentwickeln zu können.
Eine Matrixanzeige wird gewöhnlich mil der Methode der Auswahl einer optimal geregelten Amplitude betrieben. Unter diesen Bedingungen sollten Flüssigkristall-Materialien, die für Flüssigkristall-Anzeigevorrichtungen des Matrixanzeige-Typs mit großer Anzeigekapazitäl geeignet sind, scharfe Schwellenwertcharakteristiken oder gute Kontrastcharakteristiken für einen geringen Spannungsunterschied nache der Schwellenspannung haben. Für Flüssigkristall-Anzeigeplatten der ΛΎ-Matrixanzeige kann dies leicht wie folgt verstan-

den werden: Wenn sie mit der Methode der Auswahl einer optimal geregelten Amplitude betrieben werden, wird bekanntlich das Verhältnis der effektiven Spannung V„,„(ein) in den ausgewählten Elementen zu der effektiven Spannung \_rm (aus) in den nicht ausgewählten Elementen durch die nachfolgende Gleichung beschrieben:

₌ Vnm (ein)

V„,„(aus) Vt/^-1

^v ίο

Es ist offensichtlich, daß in dieser Gleichung der Wert für α abnimmt und gegen 1 geht, wenn Nansteigt und gegen °° geht. Mit anderen Worten: Die Differenz zwischen den Werten für V,„_u (ein) und V„_(IJ (aus) nimmt mit einem Anstieg des Wertes für iVab.

Der Kontrast einer Flüssigkristall-Anzeige hängt auch vom Sichtwinkel ab, unter dem man die Anzeige anschaut, und die Abhängigkeit des Sichtwinkels von den Schwellenwert-Charakteristiken sollte gering sein für die Anzeigevorrichtung mit weitem Sichtwinkel. Entsprechend sollten Flüssigkristall-Materialien, die für große Anzeigenkapazitäten geeignet sind, scharfe Kontraste für den kleinen Unterschied in der effektiven angelegten Spannung zeigen oder sollten scharfe Schwellenwert-Charasteristiken gegenüber der effektiven angelegten Spannung haben.

Die Flüssigkristall-Materialien aus dem Stand der Technik haben jedoch keine Schwellenwert-Charakteristiken, die genügend gut für einen Matrixbetrieb mit relativ großem Wert fürNsind. Dies verursacht Störungen wie z. B. die Erniedrigung des Anzeigekontrastes und eine Verengung des effektiven Sichtwinkels.

Ein Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist es, eine neue Zusammensetzung für Flüssigkristalle zur Verfügung zu stellen, die geeignet ist für eine Mehrfachschaltung speziell mit einer hohen Zahl von Mehrfachlininen.

In Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung wird eine neue Zusammensetzung für Flüssigkristalle zur Verfugung gestellt, die eine positive dielektrische Anisotropie-in der nematischen Phase aufweist. Die Zusammensetzung enthält jeweils 3 Gew.-°/ooder mehr einer 2-(4-Alkoxyphenyl-)5-alkylpyrimidin-Verbindung und einer Cyanobiphenyl-Verbindung.

Andere Gegenstände und charakteristische Kennzeichen der Erfindung werden klar aus der folgenden detaillierten Beschreibung einer anschaulichen Ausführungsform der Erfindung in Verbindung mit den dazugehörigen Zeichnungen. Es zeigt

F i g. 1 (A) den Aufbau einer Flüssigkristall-Anzeigezelle; der Blickwinkel Θ aus der Meßrichtung Wwird definiert.

Fig. l(B) eine Graphik, in der die Lichttransmissipn in Abhängigkeit von der angelegten Spannung aufgezeichnet ist, und

Fig. 2 eine Graphik, die den Einfluß einer zusätzlichen Anbringung von Flüssigkristallen mit der dielektrischen Anisotropie Δε>0 auf elektro-optische Charakteristiken zeigt, wie

v°° (Y) α^θ und _ν ^|5°<^50% ^v90% \^yt·· " ^UI1U Y45«.mn,

Damit eine Zusammensetzung für Flüssigkristalle scharfe Schwellenwert-Charakteristiken in Flüssigkristall-Anzeigevorrichtungen des verdrillt nematischen Typs ergeben kann, sollte sie allgemeiner Kenntnis zufolge aus Materialien bestehen, die ein möglichst kleines Verhältnis der Elastizitätskonstanten K33/K11 aufweisen, wobei Kn die Elastizitätskonstante der Dehnung und K33 die Elastizitätskonstante der Biegung ist. Unter diesem Aspekt wird auf die Verbindung 2-(4-Alkoxyphenyl-)5-alkylpyrimidin der nachfolgenden allgemeinen Formel

verwiesen, in der Ri für einen Alkylrest der allgemeinen Formel C,,H₂,,+ 1 und R₂ für einen Alkylrest der augemeinen Formel C,„H₂„, + 1 stehen und η und m positive ganze Zahlen sind. Die Verhältnisse K33/K11 derartiger Verbindungen sind um den Faktor 0,6 kleiner als die derjenigen Materialien, die in herkömmlichen Flüssigkristallen, wie z. B. Phenylcyclohexan-, Biphenyl-, Cyanopyrimidin-, Dioxan-, Ester- und anderen Flüssigkristallen. Die Verhältnisse K33/K11 von Materialien herkömmlicher Flüssigkristalle liegen gewöhnlich im Bereich zwischen 0,9 und 2,0.

Tabelle 1 zeigt elektro-optische Charakteristiken eins Misch-Flüssigkristalls mit Pyrimidinanteil (nachfolgend bezeichnet als Zusammensetzung 1 oder Zus. 1), dessen Hauptkomponenten 2-(4-AlkoxyphenyI-)-5-alkylpyrimidin der oben genannten allgemeinen Formel ist, wobei n— 4 und m= 2 oder 4 oder«= 6 und m — 2,4 oder 6 sind. Die entsprechenden Werte einiger kommerziell erhältlicher Flüssigkristall-Materialien für Matrixbetrieb werden ebenfalls in Tabelle 1 gezeigt. Darin bedeuten ZLI-1701 einen hauptsächlich Phenylcyclohexan enthaltenden Flüssigkristall der Firma Merck, E-90 einen Esterflüssigkristall der Firma BDH und ROTN-403 einen Biphenyl-Flüssigkristall und einen Cyanopyrimidin-Flüssigkristall der Firma Rösche.

Tabelle 1

Elektro-optische Charakteristiken von Flüssigkristall-Materialien:

	Zus. 1	ZLI-1701	Ε-90	ROTN-403
V °" (V) ^ν 90% ν^ν'	6,9	1,78	1,32	1,43
α°°	1,36	1,42	1,39	1,42
α '5°	1,23	1,33	1,28	1,28
«30°	1,16	1,27	1,23	1,21
α⁴⁵°	1,12	1,24	1,20	1,18
„ 15°. 50% / 45°. 90%	1,22	1,33	1,36	1,40

Fig. l(A) zeigt schematisch die Struktur einer Flüssigkristall-Zelle und die Meßrichtung der elektro-optischen Charakteristiken. Eine Flüssigkristall-Zelle 2 enthält Flüssigkristall-Material, wobei ϊΐ und ζ die Richtung der Reibung auf den Oberflächen der Zellsubstrate anzeigen. Polarisatoren 1 sind auf beiden Seiten der Flüssigkristall-Zelle angebracht und Pund A zeigen die Richtungen der Polarisationsachsen der Polarisatoren 1 an. In Fig. 1 (A) ist die z-Achse so definiert, daß sie rechtwinklig zur Oberfläche der Flüssigkristall-Zelle 2 verläuft, während die^-Achse in Längsrichtung der Flüssigkristall-Zelle zeigt und die x-Achse rechtwinklig zury- und z-Achse definiert ist. Das einfallende Licht 3 fällt im rechten Winkel in die Flüssigkristall-Zelle ein, wobei die Spannung V zwischen den beiden Schichten des flüssig-kristallinen Materials angelegt ist. Der Lichtdurchlaß

wird entlang dem Vektor W gemessen; ff ändert sich mit dem Meßwinkel Θ, der definiert ist als der Winkel zwischen der z-Achse und W.

Fig. l(B) zeigt eine Graphik, in der der Lichtdurchlaß in Abhängigkeit von der angelegten Spannung bei konstantem Winkel Θ aufgetragen ist. Darin bedeutet V^ die angelegte Spannung, bei der der Lichtdurchlaß unter dem Meßwinkel Θ gemessen wurde. Der Faktor α^θ (Θ= 0°, 15°, 30° oder 45°) ist definiert als das Verhältnis

ν^θ /V^s und ν¹⁵"·⁵⁰* ist rlpfiniprt nk das Verhältnis V'⁵°/V⁴⁵
^v]o%^/v90%'"ⁿ°L/45°, 90% ^lsl acumen aii> aas venuuinis V|„_%/ v_90%.

α^θ und y^jo'^sind Faktoren für die Bewertung der Kontrast-Charakteristiken bzw. der Sichtwinkel-Charakteristiken. Wie dem Fachmann bekannt ist, ist es vorteilhafter, wenn beide Werte zusammen relativ klein sind. Unter diesem Aspekt ist die Zusammensetzung 1 anderen kommerziell erhältlichen Flüssigkristallen hinsichtlich der Kontrast-Charakteristiken bzw. der Sichtwinkel-Charakteristiken deutlich überlegen, wie in Tabelle 1 gezeigt. Zusammensetzung 1 wird daher als geeignete Flüssigkristallmaterial-Komponente für Malrixanzeigen angesehen.

Allerdings ist die Schwellenspannung Vj£_% der Zusammensetzung 1 nach Tabelle 1 höher als die herkömmlicher Flüssigkristalle, da ihre dielektrische Anisotropie δβ mit 1,0 klein ist. Δε ist definiert als ε Il — ε χ, wobei ε 11 und ε j. die Dielektrizitätskonstanten sind, die parallel und senkrecht zur Längsachse des Flüssigkristall-

Moleküls gemessen werden. Die Schwellenspannung Vjj°_% von Zusammensetzung 1 sollte stark gesenkt werden, damit Zusammensetzung 1 als Flüssigkristall-Material praktisch angewendet werden kann. Um dies zu erreichen, muß man Zusammensetzung 1 mit Flüssigkristall-Verbindungen mischen, die einen stark positiven Wert für die dielektrische Anisotropie δε haben.
Verbindungen Nr. 1 bis 5 nach Tabelle 2 mit hohem Wert für die dielektrische Anisotropie Δε wurden getestet.

Diese Verbindungen können tatsächlich mit Pyrimidin-Verbindungen gemischt werden und bewirken eine Erhöhung der dielektrischen Anisotropie de des resultierenden gemischten Flüssigkristalls aufwerte weit über 0. Alle getesteten Zusätze sind Mischungen der jeweiligen Verbindungen mit einer C3H7-Gruppe bzw. einer CsHn-Gruppe im Gewichtsverhältnis beider Verbindungen von 1 :1. 20 Gew.-% solch einer Mischung wurden Zusammensetzung 1 zugesetzt. Anschließend wurden die Schwellenspannung, die Kontrast-Charakteristiken

und die Sichtwinkel-Charakteristiken der resultierenden gemischten Flüssigkristalle gemessen.

Tabelle 2

Verbindungen, die Zusammensetzung 1 zugesetzt
werden:

Nr. Komponenten Δε

1 C₃H₇-/o^NyCOO-/'c>^CN 27

Fortsetzung

Nr. Komponenten

2 C₃HK HXO >-CN

C₅H₁K HXO VCN

C₃H₇

OVCN ÖVcN

4 C₃H₇-< H VCOCK O VCN 21

C₅H₁K H VCOCK O VCN

5 C₃H₇-C O X O

C₅H₁K O X O VCN

Wie experimentell gefunden wurde und den Meßwerten in Fi g. 2 entnommen werden kann, wird die Schwellenwertspannung Vj£_% der gemischten Flüssigkristalle auf einen Wert unterhalb von 3 V abgesenkt, wenn Zusammensetzung 1 die Mischungen Nr. 1 bis 5 aus Tabelle 2 zugesetzt werden. Die Kontrast-Charakteristiken (a³⁽⁾⁰, a^4S°) sind gut, wobei die Mischungen hinsichtlich ihrer Güte in der Reihenfolge Nr. 1 < Nr. 2—Nr. 3 έ Nr. 4 SNr. 5 geordnet sind. Die Sichtwinkel-Charakteristiken (ylpg^) weisen hinsichtlich ihrer Güte die Reihenfolge Nr. K Nr. 2 « Nr. 3 < Nr. 4 ^ Nr. 5 auf.

Es wurden auch die nachfolgenden Cyanobiphenylverbindungen als Mischungskomponenten für Zusammensetzung 1 getestet:

C₂H₅OC₂H₄O

C₃H₇OC₂H₄O

C₅H₁₁OK O V-C O V-CN und

C₃H₇O

In Mischungen mit Zusammensetzung 1 zeigten diese Verbindungen Charakteristiken, die gleich gut wie die der Mischung Nr. 5 (Tabelle 2) waren. Zusammenfassend kann gesagt werden, daß Cyanobiphenylverbindungen offensichtlich sehr gut geeignet sind als Komponenten zur Mischung mit Pyrimidin-Flüssigkristallmaterialien, um damit eine Erniedrigung der Schwellenwert-Spannung zu erreichen. Folglich besteht eine Grundzusammensetzung gemäß der vorliegenden Erfindung aus einem 2-(4-Alkoxyphenyl)5-alkylpyrimidin und einer Cyanobiphenylverbindung.

Zusammensetzungen für gemischte Flüssigkristalle, die praktisch in Flüssigkristall-Anzeigevorrichtungen verwendet werden sollen, können dadurch hergestellt werden, daß man eine Grundzusammensetzung, wie sie oben erwähnt wurden, in geeigneter Form mit Phenylcyclohexan-Verbindungen oder Dioxan-

Verbindungen mischt. Die Produkte haben Anzeige-Charakteristiken, die den vorher bekannten weit überlegen sind, wobei sie eine Schwellenspannung zeigen, die für den praktischen Gebrauch niedrig genug ist. Außerdem ist auch der mesomorphe Bereich, innerhalb dessen sie im flüssigkristallinen Zustand existieren können, genügend weit für die praktische Anwendung. Allerdings muß festgestellt werden, daß die Menge an Pyrimidinverbindung und an Cyanobiphenylverbindung, die der Zusammensetzung 1 zugesetzt werden, jeweils 3 Gew.-% oder mehr betragen sollte, da ansonsten der durch den Zusatz erreichte Effekt nicht beobachtet werden kann.

Eine Ausführungsform der Zusammensetzung für Flüssigkristalle gemäß der vorliegenden Erfindung, die hauptsächlich die oben erwähnten Komponenten enthält, wird in Tabelle 3 gezeigt.

Tabelle 3

Komponenten einer Zusammensetzung für Flüssigkristalle gemäß der Erfindung:

Nr.

II

III

Komponenten

C₆H₁₃-

C₃H₇-<

C₄H₉^

<s>

⁷OV

ζο\

^OC₆H₁

>-OC₇H₁₅

-CN

C₃HX H VCOO-/ O VOC₂H₅

IV

Menge (Gew.-%)

C₃H

O VC₂H₅

5,0 5,0

11,7 9,0

13,5 13,5

13,5

VI

C₅Hn

C₅Hn-

C₃H₇

9,0

13,5

VII

C₄H

COO

C₃H₇

6,3

Die elektro-optischen Eigenschaften dieser Zusammensetzung, die bei Raumtemperatur und einer Dicke der Meßzelle von ca. 5,5 μπι gemessen wurden, sind in Tabelle 4 zusammengestellt, desgleichen auch die Werte der genannten, aus dem Stand der Technik bekannten Zusammensetzung ZLI-1701 zum Vergleich.

Wie Tabelle 4 zu entnehmen ist, konnten die Werte für die Kontrast-Charakteristik und die Sichtwinkel-Charakteristik (α-Werte und y-Wert) im Vergleich zu den entsprechenden Meßwerten der kommerziell erhältlichen Zusammensetzung ZLI-1701 bemerkenswert verbessert werden. Der Wert für die Schwellenwertspannung ist niedrig, und sowohl die Ansprechzeit als auch die Verzugszeit sind kurz genug, um für den praktischen Einsatz geeignet zu sein.

Tabelle 4

Elektro-optische Charakteristiken der erfindungsgemäßen Zusammensetzung für Flüssigkristalle im Vergleich mit bekannten Zusammensetzungen.

Zus. gem. d. Erf. Zus. gem. Stand d. Technik

ι _l)n% Δ,ου ν ι,/ο ν

,0°

15°, 50%
/ 45°, 90%

2,60	V	1,78	V
1,41		1,42
1,27		1,33
1,20		1,27
1,16		1,24
1,23		1,33
9,4	msec	6,4	msec
25	msec	20	msec

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

15

20

*) τ,,: Ansprechzeil bei Anstieg der angelegten Spannung von 0 V auf einen Wert von 4 x V§„_%.

*) i«: Verzugszeit bei Abfall der angelegten Spannung von 4 x orf V.

25

Zusammensetzungen für Flüssigkristalle gemäß der vorliegenden Erfindung sind bekannten Zusammensetzungen weit überlegen hinsichtlich der Anzeige-Charakteristiken, wie oben im einzelnen beschrieben wurde. Demzufolge können sie hervorragend an eine Steigerung der Anzeigekapazität von Vorrichtungen wie Anzeigevorrichtungen und graphischen Anzeigevorrichtungen angepaßt werden. Insbesondere können sie für Flüssigkristall-Fernsehgeräte eingesetzt werden, bei denen die Wirksamkeit von Halbton-Bildanzeigen voll ausgenutzt werden kann.

Die Erfindung kann auch in anderen spezifischen Formen ausgeführt werden, ohne damit vom Sinn oder wichtigen charakteristischen Eigenschaften der Erfindung abzuweichen. Die vorliegende Ausführungsform ist daher in jeder Hinsicht als beispielhaft und nicht limitierend anzusehen. Der Umfang der Erfindung wird durch die nachfolgenden Ansprüche angegeben und nicht durch die vorangehende Beschreibung, und alle Abwandlungen, die unter den Sinn und den Äquivalenzbereich der Ansprüche fallen, sollen als durch die Ansprüche umfaßt gelten.

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45 50 55 60 65

- Leerseite -

Claims

Patentansprüche

1. Zusammensetzung für Flüssigkristalle mit positiver dielektrischer Anisotropie in der nematischen ■ Phase, enthaltend je 3% oder mehr

a) einer 2-(4-Alkoxyphenyl-)5-alkylpyrimidin-Verbindung und

b) einer Cyanobiphenyl-Verbindung.

2. Zusammensetzung für Flüssigkristalle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte 2-(4-Alkoxyphenyl-)5-alkylpyrimidinverbindung durch die allgemeine Formel