DE4426905A1 - Nematische Flüssigkristallzusammensetzung für aktive Matrixanwendungen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine nematische Flüssigkristallzusammensetzung auf der Basis von end- und seitenfluorierten Verbindungen. Diese Zusammensetzung eignet sich insbesondere für aktive Matrixanwendungen.

Aktive Matrixanzeigen (Active Matrix Displays-AMD) sind von großem Nutzen für wirtschaftlich interessante hochinformative Anzeigen. Solche AMD kommen bei TV- Anwendungen sowie bei hochinformativen Anzeigen für Computer-Bildschirme, Automobile und Flugzeuge zum Einsatz.

AMD besitzen nichtlineare, bei jedem Bildelement integrierte, elektrische Schaltelemente. Als nichtlineare Antriebselemente kommen Dünnfilm-Transistoren (Thin Film Transistors-TFT) [Okubo, U. et al., 1982, SID 82 Digest, S. 40-41] oder Dioden (z. B.: Metall-Isolator-Metall: MIM) [Niwa, K. et al., 1984, SID 84, Digest, S. 304-307] in Frage. Wird für den Betrachtungswinkel eine gute Kennlinie erzielt, so ermöglichen es diese nichtlinearen Antriebselemente, einen elektrooptischen Effekt mit einer relativ niedrigen elektrooptischen Kennlinie zu verwenden. So läßt sich eine FK-Zelle vom TN-Typ [Schadt, M. und Helfrich, W., 1971, Appl. Phys. Lett., 18, 127] mit einem Verdrillungswinkel von 90° verwenden. Zur Erzielung eines guten Kontrasts über einen breiten Betrachtungswinkel muß im ersten Transmissionsminimum [Pohl, L., Eidenschink, R., Pino, F. del. und Weber, G., 1980, Deutsches Patent, DBP 30 22 818 und 1981, US-Patent 4 398 803; Pohl, L., Weber, G., Eidenschink, R., Baur, G. und Fehrenbach, W., 1981, Appl. Phys. Lett., 38, 497; Weber, G., Finkenzeller, U., Geelhaar, T., Plach, U.J., Rieger B. und Pohl, L., 1988, Int. Symp. on Liq. Cryst., Freiburg, zur Veröffentlichung in Liq. Crys.] gearbeitet werden. Diese AMD eignen sich sehr gut für TV-Anwendungen und sind daher von hohem wirtschaftlichen Interesse. Bei diesen Anwendungen erlangen einige physikalische Eigenschaften der Flüssigkristalle mehr Bedeutung als bei passiven TN- Anzeigen. Einige der entscheidenden Eigenschaften für das Leistungsvermögen einer AMD sind der spezifische Widerstand und die Stabilität des Flüssigkristalls [Togashi, S., Sekiguchi, K., Tanabe, H., Yamamoto, E., Sorimachi, K., Kajima, E., Watanabe, H., Shimuzu, H., Proc. Eurodisplay 84, Sept. 1984: A 210-288 Matrix LCD Controlled by Double Stage Diode Rings, S. 144 ff, Paris; Stromer, M., Proc. Eurodisplay 84, Sept. 1984: Design of Thin Film Transistors for Matrix Addressing of Television Liquid Crystal Displays, S. 145 ff, Paris).

Bei einer AMD werden die nichtlinearen Schaltelemente mittels eines Multiplexierschemas adressiert. Hierdurch werden die Elektroden eines Pixels in der begrenzten Zeit, während der sie aktiv sind, aufgeladen. Anschließend werden und bleiben sie solange inaktiv, bis sie wieder im nächsten Zyklus adressiert werden. Folglich ist die Spannungsänderung an einem aktivierten (geladenen) Pixel ein nicht erwünschtes, aber sehr entscheidendes Kennzeichen solch einer Anzeige. Die Entladung eines Pixels wird durch zwei Faktoren bestimmt, und zwar durchs die Elektrodenkapazität des Pixels und den spezifischen Widerstand des sich zwischen den Elektroden befindlichen dielektrischen Materials, d. h. des Flüssigkristalls. Die charakteristische Zeitkonstante des Spannungsabfalls an einem Pixel (RC-Zeit) muß deutlich größer sein als die Zeit zwischen zwei Adressierzyklen (tadr.). Ein häufig zur Beschreibung des Leistungsvermögens einer AMD verwendeter Parameter ist die Voltage Holding Ratio HR eines Bildelements:

Da die Spannung an einem Pixel exponentiell abnimmt, werden zur Erhöhung der Holding Ratio Flüssigkristallmaterialien mit außergewöhnlich hohen spezifischen Widerständen benötigt.

Von Bedeutung für den spezifischen Widerstand des Flüssigkristalls innerhalb einer Anzeige sind verschiedene Punkte wie z. B. die Orientierungsschichten und der Aushärtzustand des Orientierungsmaterials. Aber auf keinen Fall weniger bedeutend sind die elektrischen Eigenschaften des verwendeten Flüssigkristalls. Die Höhe des Spannungsabfalls am Pixel wird insbesondere durch den spezifischen Widerstand des Flüssigkristalls in der Anzeige bestimmt.

Somit besteht immer noch ein großer Bedarf an Flüssigkristallzusammensetzungen mit hohem spezifischen Widerstand sowie anderen zur Verwendung in AMD geeigneten Materialeigenschaften wie ein breiter nematischer Mesophasenbereich mit extrem niedriger smektisch­ nematischer Übergangstemperatur, keiner Kristallisation bei niedrigen Temperaturen sowie besonders niedriger Schwellenspannung.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Flüssigkristallzusammensetzung mit sehr hohem spezifischen Widerstand bereitzustellen, die ebenfalls die anderen Forderungen erfüllt.

Es wurde jetzt gefunden, daß eine nematische Flüssigkristallzusammensetzung auf der Basis von end- und seitenfluorierten Verbindungen, dadurch gekennzeichnet, daß sie etwa 10 bis 20 Gew.-% mindestens einer Verbindung aus Gruppe 1:

worin R¹ eine geradkettige Alkylgruppe von 5 oder mehr Kohlenstoffatomen bedeutet, etwa 15 bis 25 Gew.-% von mindestens zwei Verbindungen aus Gruppe 2:

worin R² eine geradkettige Alkylgruppe von 3 bis 5 Kohlenstoffatomen bedeutet, etwa 20 bis 30 Gew.-% von mindestens zwei Verbindungen aus Gruppe 3:

worin R³ eine geradkettige Alkylgruppe von 3 bis 5 Kohlenstoffatomen bedeutet, etwa 20 bis 30 Gew.-% von vier Verbindungen aus Gruppe 4:

worin R⁴ eine geradkettige Alkylgruppe von 2 bis 5 Kohlenstoffatomen bedeutet, etwa 5 bis 15 Gew.-% von mindestens zwei Verbindungen aus Gruppe 5:

worin R⁵ eine geradkettige Alkylgruppe von 3 bis 5 Kohlenstoffatomen bedeutet, sowie etwa 5 bis 15 Gew.-% von mindestens zwei Verbindungen aus Gruppe 6:

worin R⁶ eine geradkettige Alkylgruppe von 3 bis 5 Kohlenstoffatomen bedeutet, enthält,
sich ausgezeichnet für AMD-Anwendungen eignet. In AMD lassen sich hohe Werte für die RC-Zeit erzielen. Diese Zusammensetzungen besitzen ebenfalls einen extrem breiten nematischen Mesophasenbereich, eine extrem niedrige Tieftemperaturviskosität (wodurch kurze Schaltzeiten bei tiefen Temperaturen ermöglicht werden), niedrige Doppelbrechung, wodurch ein guter Kontrast über einen weiten Betrachtungswinkel erzielt wird, sowie eine relativ niedrige Schwellenspannung und/oder zeigen bei -30°C keinerlei Kristallisation.

Vorzugsweise enthalten solche Zusammensetzungen eine Verbindung aus Gruppe 1, worin R¹ Heptyl bedeutet. Bevorzugte Zusammensetzungen enthalten 26 Gew.-% oder mehr an zwei oder mehr Verbindungen aus Gruppe 3.

Die Verbindungen aus Gruppen 1 bis 6 sind aus den Europäischen Patentanmeldungen 0 387 032 und 0 280 902, den Europäischen Patenten 0 051 738 und 0 125 653, den Internationalen Patentanmeldungen WO 89/02884, WO 85/04874, WO 91/03450, WO 91/08184, den Deutschen Patenten DE 29 07 332 und DE 30 42 391 sowie den US-Patenten 4 302 352, 4 710 315 und 4 419 264 bekannt oder können analog zu bekannten Verbindungen hergestellt werden.

Vorzugsweise enthalten die Zusammensetzungen gemäß dieser Erfindung 12 bis 15 Gew.-% an Komponenten aus Gruppe 1. Die bevorzugten Anteile (in Gewichtsprozent) der anderen Gruppen liegen in folgenden Bereichen:

Gruppe 2: 16 bis 20%
Gruppe 3: 25 bis 30%
Gruppe 4: 22 bis 25%
Gruppe 5:  8 bis 12%
Gruppe 6:  6 bis 10%.

Die Herstellung der erfindungsgemäßen Zusammensetzungen erfolgt auf herkömmliche Art und Weise. Im allgemeinen wird die gewünschte Menge der in geringerer Menge eingesetzten Komponenten in den den Hauptbestandteil darstellenden Komponenten vorzugsweise bei erhöhter Temperatur gelöst. Wird eine über dem Klärpunkt des Hauptbestandteils liegende Temperatur gewählt, so läßt sich die Vervollständigung des Lösungsprozesses besonders einfach verfolgen.

Es ist jedoch ebenfalls möglich, Lösungen der Komponenten in einem geeigneten organischen Lösungsmittel wie z. B. Aceton, Chloroform oder Methanol zu mischen und das Lösungsmittel nach kräftigem Vermischen z. B. destillativ unter vermindertem Druck zu entfernen. Es versteht sich von selbst, daß hierbei dafür gesorgt werden muß, daß durch das Lösungsmittel keine Verunreinigungen oder unerwünschte Dotierstoffe zugeführt werden. Die erfindungsgemäßen Flüssigkristallphasen lassen sich mit Hilfe geeigneter Zusatzstoffe derart modifizieren, daß sie in jeder bisher bekannten Art von AMD einsetzbar sind.

Die nachfolgenden Beispiele dienen zur Erläuterung der Erfindung, ohne sie zu beschränken. In den Beispielen erfolgt die Angabe des Schmelzpunkts und des Klärpunkts einer Flüssigkristallsubstanz in Grad Celsius. Die Prozentangaben bedeuten Gewichtsprozent.

Beispiel

Es wird eine Flüssigkristallzusammensetzung bestehend aus
14% trans- 1-p-Fluorphenyl-4-n-heptylcyclohexan,
 6% p-[trans-4-(trans-4-Ethylcyclohexyl)-cyclohexyl]- trifluormethoxybenzol,
 6% p-[trans-4-(trans-4-Propylcyclohexyl)-cyclohexyl]- trifluormethoxybenzol,
 6% p-[trans-4-(trans-4-n-Butylcyclohexyl)-cyclohexyl]- trifluormethoxybenzol,
 6% p-[trans-4-(trans-4-n-Pentylcyclohexyl)-cyclohexyl]- trifluormethoxybenzol,
 9% 1-[trans-4-(trans-n-Propylcyclohexyl)-cyclohexyl]-2- (3,4-difluorphenyl)-ethan,
 9% 1-[trans-4-(trans-n-Pentylcyclohexyl)-cyclohexyl]-2- (3,4-difluorphenyl)-ethan,
 4% 4′-(trans-4-n-Propylcyclohexyl)-3,4-difluorbiphenyl,
 4% 4′-(trans-4-n-Pentylcyclohexyl)-3,4-difluorbiphenyl,
 5% 4′-(trans-4-n-Propylcyclohexyl)-3,4,2′,6′- tetrafluorbiphenyl,
 5% 4′-(trans-4-n-Pentylcyclohexyl)-3,4,2′,6′- tetrafluorbiphenyl,
13% 1-[trans-4-(trans-4-n-Propylcyclohexyl)-cyclohexyl]- 3,5-difluor-4-difluormethoxybenzol und
13% 1-[trans-4-(trans-4-n-Pentylcyclohexyl)-cyclohexyl]- 3,5-difluor-4-difluormethoxybenzol
hergestellt. Die physikalischen Parameter sind in der folgenden Tabelle angegeben.

S/N|< -40°C
Klärpunkt	88°C
Δn (20°C, 589 nm)	0,0877
V10,0,20	1,71 V
Viskosität bei 20°C (-40°C)	20 (3600) mPa·s

Claims (1)

1. Nematische Flüssigkristallzusammensetzung auf der Basis von end- und seitenfluorierten Verbindungen, dadurch gekennzeichnet, daß sie etwa 10 bis 20 Gew.-% mindestens einer Verbindung aus Gruppe 1: worin R¹ eine geradkettige Alkylgruppe von 5 oder mehr Kohlenstoffatomen bedeutet, etwa 15 bis 25 Gew.-% von mindestens zwei Verbindungen aus Gruppe 2: worin R² eine geradkettige Alkylgruppe von 3 bis 5 Kohlenstoffatomen bedeutet, etwa 20 bis 30 Gew.-% von mindestens zwei Verbindungen aus Gruppe 3: worin R³ eine geradkettige Alkylgruppe von 3 bis 5 Kohlenstoffatomen bedeutet, etwa 20 bis 30 Gew.-% von vier Verbindungen aus Gruppe 4: worin R⁴ eine geradkettige Alkylgruppe von 2 bis 5 Kohlenstoffatomen bedeutet, etwa 5 bis 15 Gew.-% von mindestens zwei Verbindungen aus Gruppe 5: worin R⁵ eine geradkettige Alkylgruppe von 3 bis 5 Kohlenstoffatomen bedeutet, sowie etwa 5 bis 15 Gew.-% von mindestens zwei Verbindungen aus Gruppe 6: worin R⁶ eine geradkettige Alkylgruppe von 3 bis 5 Kohlenstoffatomen bedeutet, enthält.