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Die
Erfindung betrifft nematische Flüssigkristallmischungen
mit einer optischen Doppelbrechung von Δn = 0,08 bis 0,20, die sich
für aktive
Matrix-Flüssigkristallanzeigen
(AMD) eignen, bei denen im zweiten oder einem höheren Transmissionsminimum
der Gooch-Tarry-Kurve gearbeitet wird.
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Aktive
Matrixanzeigen [Active Matrix Displays] (AMD) sind von großem Nutzen
für wirtschaftlich
interessante hochinformative Anzeigen. Solche AMD kommen bei TV-Anwendungen
(z.B. bei Projektionssystemen) sowie bei Anzeigen z.B. für Laptops,
Automobile und Flugzeuge zum Einsatz.
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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, H.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]. Ein oft auftretendes
Problem ist der durch die UV-Beleuchtung hervorgerufene negative
Einfluß auf
den spezifischen Widerstand und somit auf das allgemeine Leistungsvermögen der
Flüssigkristallmischung
in der Anzeige.
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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 durch die
Kapazität
des Pixelelements, einschließlich
des Flüssigkristalls,
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 (t
adr.).
Ein häufig
zur Beschreibung des Leistungsvermögens einer AMD verwendeter
Parameter ist die Voltage Holding Ratio HR eines Bildelements:
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Da
die Spannung an einem Pixel exponentiell abnimmt, werden zur Erhöhung der
Holding Ratio Flüssigkristallmaterialien
mit außergewöhnlich hohen
spezifischen Widerständen
benötigt.
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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.
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Frühere Untersuchungen
an Materialien mit niedrigem Δn-Wert
haben ergeben, daß die
Anforderungen im Bezug auf den spezifischen Widerstand und die UV-Stabilität sowie
die Temperaturabhängigkeit
des spezifischen Widerstands bei TFT-Anwendungen durch Materialien
mit endständigen
Cyanogruppierungen nicht erfüllt
werden können.
Cyanfreie Materialien mit halogenierten Endgruppen können viel
bessere Werte für
den spezifischen Widerstand und viel bessere UV-Stabilität sowie
bessere Viskositätswerte
als die herkömmlich
verwendeten cyanhaltigen Materialien aufweisen. Im allgemeinen besitzen
diese cyanfreien Materialien jedoch leider eine starke Neigung zur
Bildung von kristallinen und/oder smektischen Phasen aber insbesondere
bei niedrigen Temperaturen. Außerdem
liegen die Klärpunkte
und die Werte für
die dielektrische Anisotropie für
cyanfreie Materialien mit halogenierten Endgruppen viel niedriger.
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Moderne
handelsübliche
Mischungen müssen
innerhalb eines breiten Temperaturbereichs funktionsfähig sein;
eine Kristallisierung oder Bildung von smektischen Phasen bei niedrigen
Temperaturen muß daher ausgeschlossen
werden. Bei der Entwicklung nematischer Mischungen ist eine der
wichtigsten Voraussetzungen für
die Einsetzbarkeit flüssigkristalliner
Materialien die gute Löslichkeit.
Aus diesem Grunde sind Verbindungen mit hohen Schmelztemperaturen
oder einer Neigung zur Bildung von smektischen Phasen ungeeignet.
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Durch
sehr sorgfältige
Wahl der Komponenten und eine Zusammenstellung einer geeigneten
Mischung war es möglich,
cyanfreie Mischungen mit niedriger Doppelbrechung zu finden, die
einen breiten nematischen Temperaturbereich für die Anwendung im ersten Minimum
aufweisen [B. Rieger et al., Proc. 18. Freiburger Arbeitstagung.
Flüssigkristalle,
Freiburg 1989, 16 (1989)]. In vielen Fällen zeigen die für das Mischungskonzept
dieser Erfindung wesentlichen cyanfreien Materialien mit hoher Doppelbrechung
leider sogar noch ungünstigere
Eigenschaften, wie hohe Schmelzpunkte und/oder stark smektogenes
Verhalten, als ähnliche
Materialien mit niedrigerer Doppelbrechung:
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Durch
diese allgemein, breite Formel der WO 90/09420 werden zwar die Fluorterphenyle
der Formel I erfaßt,
doch wird von diesen Verbindungen oder den Mischungen mit fluorierten
Fluor- und Chlorterphenylen kein einziges Beispiel offenbart.
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Mischungen
aus dem Stande der Technik mit einer Doppelbrechung, mit der sich
im zweien oder einem höheren
Transmissionsminimum der Gooch-Tarry-Kurve arbeiten läßt, sind
für aktive
Matrixanwendungen nicht akzeptierbar.
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Somit
besteht immer noch ein großer
Bedarf an Flüssigkristallzusammensetzungen
mit hohem spezifischen Widerstand sowie anderen zur Verwendung in
AMD geeigneten Materialeigenschaften.
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Die
wie oben gezeigten Chlorterphenyle Nr. 3 sind aus der JP 60-056
932-A bekannt. Wie oben dargelegt, können mit diesen Verbindungen
die strengen Spezifikationen der Elektronikindustrie, insbesondere hinsichtlich ihrer
begrenzten Löslichkeit
in anderen FK-Materialien, ihren hohen Schmelzpunkten und ihrer deutlichen
Smektogenität
nicht erfüllt
werden. Es besteht in der Technik somit auch ein Bedarf nach verbesserten
cyanfreien FK-Verbindungen mit hoher Doppelbrechung.
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Die
Chlorterphenyle der Formel I sind aus der internationalen FK-Tagung
in Pisa/Italien, 1992 bekannt.
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WO
90/09420 beschreibt Flüssigkristallmischungen,
die fluorierte Oligophenyle enthalten. WO 94/04958 beschreibt "papier-weiße" PDLC-Systeme die Flüssigkristsallmischungen
verwenden, die eine hohe Doppelbrechung aufweisen.
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Eine
Aufgabe der Erfindung besteht in der Bereitstellung einer nematischen
Flüssigkristallmischung mit
einer Doppelberechnung von Δn
= 0,08 bis 0,20, dadurch gekennzeichnet, daß die Mischung ein oder mehrere
Fluorierte Terphenyle entsprechend der Formel I
enthält,
worin
R
einen Alkyl- oder Alkenylrest mit bis zu 12 C-Atomen, wobei diese
Reste gegebenenfalls durch Halogen substituiert sind, und wobei
eine oder mehrere CH
2-Gruppen in diesen
Resten jeweils unabängig
voneinander durch
derart
ersetzt sein können,
daß keine
Sauerstoffatome direkt miteinander verbunden sind, und worin der
Benzolring durch Fluor weiter substituiert sein kann,
X F,
Cl, CF
3, OCF
3, OCHF
2 oder OCH
2CF
3,
L F und
L
1 und
L
2 jeweils H oder F bedeuten
und
daß die Flüssigkristallmischung
eine oder mehrere Verbindungen ausgewählt aus den Formeln II und
III
enthält,
worin
R
jeweils
worin
R jeweils einen Alkyl- oder Alkylenrest
mit bis zu 12 C-Atomen, wobei diese Reste gegebenenfalls durch Halogen
substituiert sind, und wobei eine oder mehrere CH
2-Gruppen
in diesen Resten jeweils unabhängig
voneinander durch
oder
derart
ersetzt sein können,
daß keine
Sauerstoffatome direkt miteinander verbunden sind, und worin der
Benzolring durch Fluor weiter substituiert sein kann,
X
1 F, Cl, CF
3, OCF
3, OCHF
2, Fluoralkyl
oder Fluoroalkoxy mit bis zu 7 Kohlenstoffatomen,
Y
1, Y
2 in Formel II
F und
Y
1, Y
2 und
Y
3 in Formel III, jeweils H oder F,
A
1,4-Phenylen und
r 1 bedeuten.
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Bei
den Verbindungen der Formel I bedeutet R vorzugsweise Alkyl oder
Alkoxy. X bedeutet vorzugsweise F oder Cl, insbesondere Cl.
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Bevorzugte
Mischungen enthalten Verbindungen der Formeln Ia bis Ib:
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Eine
weitere Aufgabe der Erfindung besteht in der Bereitstellung von
Flüssigkristallmischungen
zur Verwendung in einer Matrix-Flüssigkristallanzeige mit hoher
Temperatur- und UV-Beständigkeit,
die
- – zwei
planparallele Trägerplatten,
die mit einem Rahmen eine Zelle der Schnichtdicke d bilden,
- – integrierte
nichtlineare Elemente zur Schaltung einzelner Bildelemente auf den
Trägerplatten
sowie
- – eine
in der Zelle enthaltene nematische Flüssigkristallmischung enthält, die
eine positive dielektrische Anisotropie sowie eine Doppelbrechung Δn aufweist,
wobei
in der Anzeige durch geeignete Wahl des d·Δn im zweiten oder einem höheren Transmissionsminimum der
Gooch-Tarry-Kurve gearbeitet wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Quotient
aus der Voltage Holding Ratio HR20 nach
20-stündiger
Einwirkung von UV-Licht (280-400 nm, 12 mW/cm2)
und HR0 vor Einwirkung des UV-Lichts größer oder
gleich 98% ist, sowie von Flüssigkristallzusammensetzungen
mit sehr hohem spezifischen Widerstand, die ebenfalls die weiteren
Anforderungen erfüllen.
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Es
hat sich jetzt gezeigt, daß solche
Werte für
die HR sogar für
Mischungen mit höherer
Doppelbrechung möglich
sind, wenn man seitenfluorierte und/oder ethylverknüpfte cyanfreie
Materialien verwendet. In den AMD lassen sich sehr hohe Werte für die RC-Zeit
erreichen. Diese Mischungen besitzen ebenfalls eine erniedrigte
Viskosität
und ermöglichen
kurze Schaltzeiten bei akzeptablen Schwellspannungen.
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Die
Schichtdicke der AMD liegt vorzugsweise im Bereich von 3 bis 10 μm. Besonders
bevorzugt ist der Bereich von 3 bis 7 μm.
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Die
folgende bevorzugte Ausführungsform
betrifft die in der AMD vorliegende nematische Flüssigkristallmischung:
Die
Doppelbrechung Δn
der nematischen Flüssigkristallmischung
beträgt
0,08 bis 0,20, vorzugsweise 0,08 bis 0,15.
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Vorzugsweise
enthält
die Flüssigkristallmischung
eine oder mehrere Verbindungen ausgewählt aus den Formeln II', III' und IV bis VI, wobei
die Formeln II und III ausgeschlossen sind,
worin
R
und
R' jeweils
einen Alkyl- oder Alkenylrest mit bis zu 12 C-Atomen, wobei diese
Reste gegebenenfalls durch Halogen substituiert sind, und wobei
eine oder mehrere CH
2-Gruppen in diesen
Resten jeweils unabhängig
voneinander auch durch
derart
ersetzt sein können,
daß keine
Sauerstoffatome direkt miteinander verbunden sind, und worin der
Benzolring durch Fluor weiter substituiert sein kann,
X
1 F, Cl, CF
3 OCF
3, OCHF
2, Fluoralkyl
oder Fluoralkoxy jeweils mit bis zu 7 Kohlenstoffatomen,
Y
1, Y
2 und Y
3 jeweils H oder F,
Q -C
2H
4-, -C
4H
9-
oder -CO-O-,
A trans-1,4-Cyclohexylen oder 1,4-Phenylen und
r
0 oder 1 bedeuten.
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Bevorzugte
Mischungen enthalten eine oder mehrere Verbindungen der Formel II
mit r = 0 und r = 1.
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Vorzugsweise
enthält
die Flüssigkristallmischung
eine oder mehrere Verbindungen der Formeln VII bis XII:
worin
R,
R', r, X
1, Y
1, Y
2,
Y
3 jeweils unabhängig voneinander die in Anspruch
3 angegebene Bedeutung besitzen.
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Die
Mischung enthält
im wesentlichen Verbindungen ausgewählt aus der Gruppe der allgemeinen
Formeln I bis XII.
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Besonders
bevorzugt sind FK-Mischungen mit einem oder mehreren Fluor- oder
Chlorterphenylen der Formel I und weniger als 15%, vorzugsweise
weniger als 10%, Verbindungen der Formeln 1 bis 5 aus der
EP 04 39 089 , worin R
1 und R
2 aus Alkyl,
Alkenyl, Alkoxy, Alkenyloxy und Alkanoyloxy ausgewählt sind.
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Die
oben angeführten
Verbindungen sind z.B. aus der
DOS
30 42 391 ,
DOS 39 02
328 ,
DOS 39 13 554 ,
DOS 39 09 802 , WO 89/02884,
WO 90/15113, WO 90/09420, der internationalen Patentanmeldung Nr. PCT/EP
90/01292, Nr. PCT/EP 91/00411, Nr. PCT/EP 90/01471, Nr. PCT/EP 90/02109
und der europäischen Patentanmeldung
Nr. 91 100 675.7 bekannt oder können
analog zu bekannten Verbindungen hergestellt werden.
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Die
Mischungen gemäß der vorliegenden
Erfindung basieren normalerweise auf den Komponenten mittlerer Polarität mit der
angegebenen Kernstruktur sowie anderen cyanfreien Komponenten. Solche
Mischungen können
jedoch natürlich
auch zusätzlich
bekannte cyanhaltige FK-Komponenten enthalten, falls für die HR
keine extrem hohen Werte benötigt
werden, z.B. für
TN- oder STN-Anwendungen. Zur Einstellung auf hohe Δn-Werte können solche
Mischungen ebenfalls Tolankomponenten enthalten. Die erhaltenen
Mischungen sind wichtig zur Erzielung sehr breiter nematischer Phasenbereiche,
einschließlich
sehr niedriger Temperaturen (Anwendung im Freien).
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Vorzugsweise
basieren die Mischungen auf halogenierten Komponenten mittlerer
Polarität
und/oder sind im wesentlichen frei von cyanhaltigen Komponenten.
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Die
Herstellung der neuen Verbindungen der Formel I kann analog der
in
EP 0 439 089 A1 ,
WO 90/09420, WO 90/15113 und WO 91/13850, auf deren Offenbarung
hiermit ausdrücklich
Bezug genommen wird, beschriebenen Verfahren erfolgen.
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Bei
den Komponenten der Formeln I bis XII bedeuten R und R1 vorzugsweise
einen geradkettigen Alkylrest mit 1 bis 7 Kohlenstoffatomen oder
geradkettiges Methoxyalkyl (Methoxymethyl, Methoxyethyl, Methoxypropyl,
Methoxybutyl, Methoxypentyl, Methoxyhexyl, Methoxyheptyl).
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Die
Herstellung der erfindungsgemäßen Mischungen
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 Hauptbestandteiles liegende Temperatur gewählt, so läßt sich die Vervollständigung
des Lösungsprozesses
besonders einfach verfolgen.
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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
zu entfernen. Hierbei muß dafür gesorgt
werden, daß durch
das Lösungsmittel
keine Verunreinigungen oder unerwünschte Dotierstoffe zugeführt werden.
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Die
erfindungsgemäßen Flüssigkristallphasen
lassen sich mit Hilfe geeigneter Zusatzstoffe derart modifizieren,
daß sie
in jeder bisher bekannten Art von AMD einsetzbar sind.
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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.
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Die
Messung der HR erfolgte gemäß der Beschreibung
von S. Matsumoto et al. (Liquid Crystals 5, 1320 (1989)) in standardgemäßen 6 μ-TN-Anzeigen
ohne Abstandsstücke.
Standardübliches
Floatglass mit leitfähigen
ITO-Schichten (Balzers) und als Orientierungsschicht eine Reibschicht
aus Polyimid (AL-1051 der Firma Japan Synthetic Rubber) wurden verwendet.
Die Zellen wurden mit einem UV-härtbaren
Klebstoff (NOA-61 der Firma Norland) dicht verschlossen und unter
Normalbedingungen gefüllt.
Die Flüssigkristallmischung
bestand aus nach standardüblichen
Methoden sorgfältig
gereinigten Komponenten. Die Einwirkung von UV-Licht erfolgte in
einem Heraeus-Sonnentest mittels einer Xenonlampe (1,1 kW, 0,082
W/cm2, UV-Grenze 310 nm).
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In
der vorliegenden Patentanmeldung und in den folgenden Beispielen
sind alle chemischen Strukturen der FK-Verbindungen durch acronyme
angegeben, deren Transformation in chemische Formeln wie unten gezeigt
erfolgt. Alle Reste C
nH
2n+1 und
C
mH
2m+1 sind geradkettige
Alkylgruppen mit n bzw. m Kohlenstoffatomen. Die Kodierung gemäß Tabelle
B versteht sich von selbst. In Tabelle A ist nur das Acronym für den Grundkörper angegeben.
Im Einzelfall folgt getrennt von diesem Acronym mit einem Strich
ein Code für
die Substituenten R
1, R
2,
L
1, L
2 und L
3 wie folgt:
Tabelle
A:
Tabelle
B:
Beispiel
1
Beispiel
2
Beispiel
3
Beispiel
4
Beispiel
5
Beispiel
6
Beispiel
7
Beispiel
8
Beispiel
9
Beispiel
10
Beispiel
11
Beispiel
12
Beispiel
13
Vergleichsbeispiel
1
Beispiel
14
Vergleichsbeispiel
2
Beispiel
15
Beispiel
16
Beispiel
17
Vergleichsbeispiel
3
Vergleichsbeispiel
4
Beispiel
18
Beispiel
19
Vergleichsbeispiel
5
Vergleichsbeispiel
6
Vergleichsbeispiel
7
Beispiel
20
Beispiel
21
Beispiel
22
Vergleichsbeispiel
8