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Die Erfindung betrifft neue Flüssigkristallpolymer(LCP)-Materialien,
neue Zwischenprodukte und Verfahren zu deren Herstellung und ihre
Verwendung in Vorrichtungen.
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Flüssigkristalle können in
verschiedenen Phasen vorliegen. Im wesentlichen gibt es drei unterschiedliche
Klassen von Flüssigkristallmaterialien,
die jeweils eine charakteristische Molekülorientierung besitzen. Diese
Klassen sind die nematische, chirale nematische (cholesterische)
und smektische Klasse. Es gibt ein breites Spektrum an smektischen
Phasen, beispielsweise die smektische A-Phase und die smektische
C-Phase. Einige
Flüssigkristallmaterialien
besitzen in Abhängigkeit
von der Temperatur eine Anzahl von Flüssigkristallphasen, wohingegen
andere lediglich eine haben. Beispielsweise kann ein Flüssigkristallmaterial
beim Abkühlen
aus der isotropen Phase die folgenden Phasen haben: – isotrop – nematisch – smektisch
A – smektisch C – fest.
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Die Materialien, die eine smektische
A(SA)-Phase besitzen, können einen elektroklinen Effekt
zeigen. Der elektrokline Effekt wurde zuerst von S. Garoff und R.
Meyer, Phys. Rev. Lett. 38, 848 (1977) beschrieben. Eine elektrokline
Vorrichtung wurde auch in der UK-Patentanmeldung GB-2 244 566 A
beschrieben. Mit dieser besonderen Vorrichtung können die durch die schlechte
Orientierung entstehenden Probleme elektrokliner(EC) Vorrichtungen
beseitigt werden, indem eine Oberflächenorientierung verwendet
wird, die innerhalb eines schmalen Bereiches von Winkeln eine Oberflächenneigung
ergibt.
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Wenn eine smektische A-Phase aus
chiralen Molekülen
zusammengesetzt ist, kann sie einen elektroklinen Effekt zeigen,
d. h. eine direkte Kupplung der Molekülneigung an das angelegte Feld.
Die Ursache für den
elektroklinen Effekt in einer aus chiralen polaren Molekülen zusammengesetzten
smektischen A-Phase wurde von Garoff und Meyer folgendermaßen beschrieben.
Durch das Anlegen eines elektrischen Feldes parallel zu den smektischen
Schichten einer derartigen smektischen A-Phase wird die freie Rotation
der transversalen Moleküldipole
beeinflußt
und dadurch im Durchschnitt eine von Null verschiedene transversale
Komponente der Molekülpolarisation
hervorgerufen. Wenn ein derartiges Dipolmoment vorhanden und an
die Molekülchiralität gekuppelt
ist, wird in einer zum Dipolmoment orthogonalen Ebene eine Neigung
der langen Molekülachse
(des Direktors) induziert.
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In dünnen Proben, beispielsweise
mit 1–3
mm, und mit smektischen Phasen, die in bezug auf die Glasplatten
geneigt oder orthogonal sind, ist der elektrokline Effekt bei angelegten
niedrigen Feldern nachweisbar.
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In einer orientierten smektischen
A-Probe steht die Neigung des Direktors in direkter Beziehung mit einer
Neigung der optischen Achse. Der elektrokline Effekt ergibt eine
lineare elektrooptische Antwort. Der elektrooptische Effekt kann
sich in Form einer Modulation der effektiven Doppelbrechung der
Vorrichtung auswirken.
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Elektrokline(EC) Vorrichtungen sind
beispielsweise in Raum-Licht-Modulatoren
mit einer Abgabe, die linear mit der angelegten Spannung variiert,
verwendbar. Ein weiterer Vorteil von EC-Vorrichtungen sind die sehr
kurzen Ansprechzeiten, die viel kürzer sind, als die von Vorrichtungen
des Typs mit verdrillter nematischer Phase. Ein bekannter Typ einer
ferroelektrischen Vorrichtung ist bistabil, wohingegen die EC-Vorrichtung
nicht bistabil ist und eine Abgabe hat, die linear mit der angelegten
Spannung variiert.
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Der elektrokline Effekt wird manchmal
auch als Soft-Mode-Effekt
bezeichnet, vgl. G. Andersson et al. in Appl. Phys. Lett. 51, 9
(1987).
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Allgemein ausgedrückt ist es hinsichtlich des
elektroklinen Effektes vorteilhaft, wenn durch Anlegen einer niedrigen
Spannung eine hohe Neigung induziert wird. Ein Anstieg der induzierten
Neigung kann einen Anstieg des Kontrastverhältnisses zur Folge haben. Ferner
ist vorteilhaft, wenn eine hohe induzierte Neigung bei einer Spannung
erhalten werden kann, die so niedrig ist wie möglich.
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Darüber hinaus ist es auch vorteilhaft,
wenn die Beziehung zwischen der induzierten Molekülneigung und
der angelegten Spannung temperaturunabhängig ist. Wenn ein Anstieg
der angelegten Spannung nur eine geringe oder keine Veränderung
der induzierten Neigung ergibt, dann wird das untersuchte Material
allgemein als ein solches bezeichnet, das einen Spannungs-Sättigungs-Effekt
zeigt.
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Mit SA* ist
eine SA-Phase gemeint, die einen gewissen
Anteil an chiralen Molekülen
enthält.
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Cholesterische oder chirale nematische
Flüssigkristalle
besitzen eine verdrillte Helixstruktur, die auf eine Temperaturänderung
mit einer Änderung
der Länge
der Helixganghöhe
anspricht. Wenn daher die Temperatur verändert wird, verändert sich
die Wellenlänge
des von der planaren cholesterischen Struktur reflektierten Lichtes,
und wenn das reflektierte Licht den sichtbaren Bereich abdeckt,
ergeben sich mit variierender Temperatur deutliche Farbänderungen.
Dies bedeutet, daß es
viele mögliche
Anwendungen gibt, beispielsweise auf den Gebieten der Thermographie
und der Thermooptik.
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Die cholesterische Mesophase unterscheidet
sich von der nematischen Phase dadurch, daß in der cholesterischen Phase
der Direktor im Raum nicht konstant ist, sondern einer helikalen
Verdrehung unterliegt. Die Helixganghöhe ist ein Maß für die Strecke,
die der Direktor für
die Drehung um 360° benötigt.
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Ein cholesterisches Material ist
per Definition ein chirales Material. Cholesterische Materialien
können auch
als Dotiermittel in elektrooptischen Anzeigen verwendet werden,
beispielsweise in Anzeigen mit verdrillter nematischer Phase, in
denen sie verwendet werden können,
um Defekte durch umgekehrte Verdrillung zu beseitigen. Sie können auch
in Anzeigen verwendet werden, die auf der Farbänderung beim Übergang
von der cholesterischen zur nematischen Phase beruhen, in denen
sie durch Verhinderung der Wellenleitung zur Erhöhung des Kontrastes verwendet
werden.
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In thermochromen Anwendungen der
cholesterischen Flüssigkristallmaterialien
werden gewöhnlich die
Materialien in Form von Dünnfilmen
hergestellt, die dann gegen einen schwarzen Hintergrund betrachtet werden.
Die temperaturempfindlichen Vorrichtungen können für eine Anzahl von Anwendungen
verwendet werden, beispielsweise in der Thermometrie, in der medizinischen
Thermographie, in der zerstörungsfreien Prüfung, zum
Strahlungsnachweis und für
dekoratische Zwecke. Beispiele dafür finden sich bei D. G.
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McDonnell in Thermotropic Liquid
Crystals, Critical Report on Applied Chemistry, Band 22, herausgegeben
von G. W. Gray, 1987, S. 120–44.
Diese Referenz enthält
auch eine allgemeine Beschreibung von thermochromen cholesterischen
Flüssigkristallen.
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Im allgemeinen machen kommerzielle
thermochrome Anwendungen die Formulierung von Gemischen erforderlich,
die niedrige Schmelzpunkte besitzen, kurze Ganghöhen und smektische Übergänge direkt
unterhalb des erforderlichen temperaturempfindlichen Bereiches haben.
Vorzugsweise sollte das Gemisch oder Material einen niedrigen Schmelzpunkt
und hohe Temperaturen für
den Übergang
von der smektischen in die cholesterische Phase behalten.
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Im allgemeinen weisen thermochrome
Flüssigkristallvorrichtungen
einen Dünnfilm
aus Cholesterogen auf, der sandwichartig zwischen einem transparenten
Stützträger und
einer schwarzen absorbierenden Schicht angeordnet ist. Bei einem
der Herstellungsverfahren wird eine "Tinte" mit dem Flüssigkristall
hergestellt, indem dieser in ein Polymer eingekapselt wird, und
eine Drucktechnik zu deren Aufbringung auf den Stützträger angewendet.
Die Verfahren zur Herstellung von Tinten umfassen die Gelatinemikroverkapselung nach
dem US-Patent 3 585 318 und die Polymerdispersion nach den US-Patenten
1 161 039 und 3 872 050. Bei einem Weg zur Herstellung von gut orientierten
Dünnfilmstrukturen
aus cholesterischen Flüssigkristallen wird
der Flüssigkristall
zwischen zwei geprägte
Kunststoffolien laminiert. Diese Technik ist im UK-Patent 2 143 323
beschrieben.
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Ferroelektrische smektische Flüssigkristallmaterialien,
die durch Vermischen eines achiralen Wirtes und eines chiralen Dotiermittels
hergestellt werden können,
nutzen die ferroelektrischen Eigenschaften der geneigten chiralen
smektischen C-, F-, G-, H-, I-, J- und K-Phasen. Die chirale smektische
C-Phase wird SC* bezeichnet, wobei das Sternchen
die Chiralität
angibt. Die Sc-Phase wird allgemein als die günstigste angesehen, da sie
am wenigsten viskos ist. Ferroelektrische smektische Flüssigkristallmaterialien
sollten Idealerweise die folgenden Eigenschaften besitzen: niedrige
Viskosität,
kontrollierbare spontane Polarisation (Ps) und eine Sc-Phase, die
in einem breiten Temperaturbereich beständig ist, der die Umgebungstemperatur
umfassen sollte, und chemische und photochemische Stabilität. Materialien,
die diese Eigenschaften besitzen, bieten die Möglichkeit sehr schnell schaltender
flüssigkristallhaltiger
Vorrichtungen. Einige Anwendungen von ferroelektrischen Flüssigkristallen
werden von J. S. Patel und J. W. Goodby in Opt. Eng., 1987, 26,
273 beschrieben.
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In ferroelektrischen Flüssigkristallvorrichtungen
schalten die Moleküle
in Abhängigkeit
von der Polarität
eines angelegten elektrischen Feldes zwischen verschiedenen Orientierungsrichtungen.
Diese Vorrichtungen können
so angeordnet werden, daß sie
Bistabilität
zeigen, bei der die Moleküle
in einem von zwei Zuständen
bleiben, bis sie in den anderen geschalteten Zustand geschaltet
werden. Derartige Vorrichtungen werden oberflächenstabilisierte ferroelektrische
Vorrichtungen genannt und werden beispielsweise in
US 5 061 047 und
US 4 367 924 und
US 4 563 059 beschrieben. Diese Bistabilität gestattet
die multiplexe Addressierung von sehr großen und komplexen Vorrichtungen.
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Eine herkömmliche Multiplexanzeige weist
Anzeigeelemente, d. h. Pixel, auf, die in einem X/Y-Matrixformat
zur Anzeige von beispielsweise alphanumerischen Zeichen angeordnet
sind.
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Das Matrixformat wird bereitgestellt,
indem die Elektroden auf einem Glasträger in Form einer Reihe von
Spaltenelektroden und die Elektroden auf dem anderen Glasträger in Form
einer Reihe von Zeilenelektroden ausgestaltet werden. Die Schnittpunkte
zwischen jeder Spalte und Zeile bilden adressierbare Elemente oder
Pixel. Es sind auch andere Matrixgestaltungen bekannt, z. B. numerische
Anzeigen mit sieben Segmenten.
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Es gibt viele verschiedene Multiplexadressierungssysteme.
Ein gemeinsames Merkmal ist das aufeinanderfolgende Anlegen einer
Spannung, der sogenannten Strobe-Spannung, an jede Zeile oder Linie. Gleichzeitig
mit der an jeder Zeile angelegten Strobespannung werden geeignete
Spannungen, sogenannte Datenspannungen, an sämtliche Spaltenelektroden angelegt.
Die Unterschiede zwischen den verschiedenen Systeme liegen in der
Form der Strobe- und Datenspannungswellenformen.
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Andere Adressiersysteme werden in
GB-2 146 473-A, GB-2
173 336-A, GB-2 173 337-A, GB-2 173 629-A, WO 89/05025, Harada et
al., 1985, S.I.D-Publikation 8.4, S. 131–134, Lagerwall et al., 1985,
I.D.R.C., S. 213–221
und P. Maltese et al., in Proc. 1988 I.D.R.C., S. 90–101 "Fast
Addressing for Ferroelectric LC Display Panels" beschrieben.
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Das Material kann zwischen seinen
zwei Zuständen
durch zwei Strobe-Impulse mit entgegengesetztem Vorzeichen und in
Verbindung mit einer Datenwellenform geschaltet werden. Alternativ
kann ein Löschimpuls
zur Schaltung des Materials in einen seiner Zustände verwendet werden. Das Vorzeichen
des Lösch-
und des Strobe-Impulses kann zur Aufrechterhaltung eines Nettogleichstromwertes
periodisch wechseln.
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Diese Löschimpulse haben normalerweise
eine höhere
Amplitude und werden länger
angelegt, als die Strobe-Impulse, so daß das Material unabhängig davon
schaltet, welche der zwei Datenwellenformen an einen beliebigen
Schnittpunkt angelegt wird. Die Löschimpulse können vor
dem Strobe-Impulse Zeile für
Zeile angelegt werden, oder die gesamte Anzeige kann auf einmal
gelöscht
werden, oder eine Gruppe von Zeilen kann gleichzeitig gelöscht werden.
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Auf dem Gebiet der ferroelektrischen
Flüssigkristallvorrichtungen
ist gut bekannt, daß zum
Erhalt von Vorrichtungen mit höchster
Leistungsfähigkeit
die Verwendung von Gemischen aus Verbindungen wichtig ist, welche
Materialien ergeben, die für
besondere Vorrichtungstypen die am meisten geeigneten ferroelektrischen smektischen
Eigenschaften ergeben.
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Die Schnelligkeit der Vorrichtungen
kann anhand der Kurve beurteilt werden, welche die Ansprechzeit gegen
den Spannungsimpuls darstellt. Diese Beziehung kann bei einer bestimmten
angelegten Spannung (Vmin) eine minimale
Schaltungszeit (tmin) zeigen. Bei höheren oder
niedrigeren Spannungen als Vmin ist die Schaltungszeit
länger
als tmin. Es ist klar, daß Vorrichtungen
mit einem derartigen Minimum in ihrer die Ansprechzeit gegen die
Spannung darstellenden Kurve mit höherem Kontrast und höherem Wirkungsgrad
im Multiplexbetrieb betrieben werden können als andere ferroelektrische
Flüssigkristallvorrichtungen.
Vorzugsweise sollte dieses Minimum in der die Ansprechzeit gegen
die Spannung darstellenden Kurve bei niedriger angelegter Spannung
bzw. bei kurzer Impulsdauer auftreten, so daß die Vorrichtung unter Verwendung
einer Niederspannungsquelle und mit einer schnellen Auffrischungsgeschwindigkeit
für die
Bildadresse betrieben werden kann.
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Typische bekannte Materialien (diese
Materialien sind ein Gemisch aus Verbindungen mit geeigneten Flüssigkristalleigenschaften),
die ein derartiges Minimum nicht gestatten, wenn sie sich in einer
ferroelektrischen Vorrichtung befinden, umfassen im Handel erhältliche
Materialien, die als SCE13 und ZLI-3654 (beide von Merck UK Ltd.
Poole, Dorset vertrieben) bekannt sind. Eine Vorrichtung, die ein
derartiges Minimum zeigt, kann gemäß PCT GB 88/01004 unter Verwendung
von Materialien wie dem beispielsweise im Handel erhältlichen
SCE8 (Merck UK Ltd.) konstruiert werden. Andere Beispiele für Materialien
des Standes der Technik sind beispielhaft in PCT/GB 86/00040, PCT
GB 87/00441 und UK 2232416 B angegeben.
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Die Einheit, die den Grundbaustein
eines Polymers bildet, wird Monomer genannt.
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Der Polymerisationsprozeß, d. h.
die Bildung eines Polymers aus den Monomerbestandteilen, erzeugt gewöhnlich nicht
Polymere mit einheitlichem Molekulargewicht, sondern es ergibt sich
eine Molekulargewichtsverteilung. Zur Beschreibung einer Polymerprobe
ist erforderlich, die durchschnittliche Monomerenanzahl in einem
Polymer anzugeben, d. h. den Polymerisationsgrad (D.P.). Das Ausmaß, in dem
sich der Hauptteil der Polymermoleküle von diesem Durchschnittswert
unterscheidet (oder zur Beschreibung der Streuung des Molekulargewichts)
wird Polydispersität
genannt.
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Durch Gelpermeations-Chromatographie
(GPC) kann sich eine Anzahl von unterschiedlichen durchschnittlichen
Molekulargewichten für
eine bestimmte Probe ergeben, beispielweise: Mn – Molekulargewicht-Zahlenmittel
und Mw – Molekulargewicht-Gewichtsmittel.
Der zur Berechnung von D.P. verwendete Wert ist gewöhnlich Mn
und die Polydispersität
wird gewöhnlich
als Mw/Mn definiert.
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Polymere können aus unterschiedlichen
Monomertypen hergestellt werden, wobei in diesem Fall das Polymer
Copolymer genannt wird. Wenn zwei Monomertypen auf zufällige Weise
verknüpft
werden, wird das Polymer statistisches Copolymer genannt. Wenn die
zwei Monomeren zuerst kurze Sequenzen eines Typs bilden, die dann
unter Bildung des endgültigen
Polymers kombinieren, ergibt sich ein. Blockcopolymer. Wenn kurze
Sequenzen aus dem einen Monomer als Seitenketten an lange Sequenzen,
die aus dem anderen Monomertyp bestehen, gebunden werden, wird das
Polymer als Pfropfcopolymer bezeichnet.
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In Flüssigkristall(LC)-Polymeren
können
die Monomeren im wesentlichen auf zwei Arten miteinander verbunden
werden. Der Flüssigkristallteil
oder die mesogene Einheit des Polymers kann Teil des Polymergrundgerüsts sein,
wodurch sich ein Hauptketten-LC-Polymer ergibt. Alternativ kann
die mesogene Einheit als Seitengruppe an das Polymergrundgerüst gebunden
sind, d. h. sie erstreckt sich von dem Polymergrundgerüst weg,
wodurch sich ein Seitenketten-LC-Polymer ergibt. Diese unterschiedlichen
Typen von Flüssigkristallpolymeren
sind nachstehend schematisch abgebildet. Die mesogenen Einheiten
sind als Rechtecke dargestellt.
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Das Seitenketten-Flüssigkristallpolymer
kann man sich im allgemeinen so vorstellen, daß es ein flexibles Polymer
mit starren Segmenten (die mesogene Einheit) enthält, die
der Länge
nach durch kurze flexible (oder starre) Einheiten daran befestigt
sind, nämlich
wie in der nachstehenden schematischen Darstellung angegeben. Durch
die anisotropen starren Abschnitte der mesogenen Einheiten ergibt
sich eine Orientierung in den Flüssigkristallphasen.
Zur Beeinflussung der Phasen des Flüssigkristalls und der sich
daraus ergebenden optischen Eigenschaften können viele Merkmale verändert werden,
wobei von diesen Merkmalen bei Seitenketten-Flüssigkristallpolymeren einige
besonders wichtig sind. Eines dieser Merkmale ist der flexible Teil,
der die mesogene Einheit an das Polymergrundgerüst bindet und allgemein als
Spacergruppe bezeichnet wird. Die Länge und Flexibilität dieser
Spacergruppe kann verändert
werden.
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Es ist eine Anzahl von Seitenketten-Flüssigkristallpolymeren
bekannt, vgl. beispielsweise GB 2146787 A.
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Polyacrylat-Flüssigkristalle sind eine bekannte
Klasse von Flüssigkristallpolymeren
(LCP). Die LCPs sind bekannt und werden in elektrooptischen Anwendungen
verwendet, beispielsweise in pyroelektrischen Vorrichtungen, nichtlinearen
optischen Vorrichtungen und optischen Speichervorrichtungen. Vgl.
beispielsweise GB 2146787 und Makromol. Chem. (1985), 186, 2639–47.
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Seitenketten-Flüssigkristallpolyacrylate werden
in Polymer Communications (1988), 24, 364–365 beschrieben und haben
z. B. folgende Formel:
in der (CH
2)
m die flexible Spacergruppe und X die mesogene
Seitenketteneinheit und R Wasserstoff oder Alkyl ist.
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Seitenketten-Flüssigkristallpolychloracrylate
werden in Makromol. Chem. Rapid Commun. (1984), 5, 393–398 beschrieben,
beispielsweise der Formel:
in der R Chlor ist.
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In der Patentanmeldung PCT GB 94/00662
wird unter anderem die Anwendung der Baylis-Hillman-Reaktion zur
Herstellung eines Spektrums an neuen Flüssigkristallpolymeren beschrieben.
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Ein Verfahren zur Herstellung von
Polyacrylat-Homo- oder - Copolymeren
mit der folgenden Wiederholungseinheit wird in der UK-Patentanmeldung
GB 9203730.8 beschrieben.
in der R
1 und
R
2 unabhängig
voneinander Alkyl oder Wasserstoff, R
3 Alkyl,
Wasserstoff oder Chlor, m 0 oder eine ganze Zahl von 1–20, W eine
Verknüpfungsgruppe
COO oder OOC oder O und X eine mesogene Gruppe ist.
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Eines der Hauptprobleme der Flüssigkristallpolymeren
besteht darin, daß es äußerst schwierig
ist, sie in Vorrichtungen zu orientieren. Im wesentlichen werden
zwei Techniken zur Orientierung von Flüssigkristallpolymeren angewendet.
Es ist möglich,
die Orientierung des Flüssigkristallpolymers
auf ähnliche
Weise zu versuchen wie bei einem Flüssigkristall mit niedriger
Molmasse, was nachstehend detaillierter beschrieben wird. Alternativ
können
mechanische Techniken wie beispielsweise Scheren angewendet werden.
Typischerweise erfolgt das mechanische Scheren mit heißen Walzen,
wobei diese Technik allgemein nur für flexible Träger geeignet
ist. Es ist auch möglich,
eine Probe zwischen zwei Glasplatten zu scheren, wobei jedoch die
Glasplatten nicht auf herkömmliche
Weise versiegelt werden können.
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In dem Kapitel "Materials and Assembling
Process of LCDs" von Morozumi in "Liquid Crystals Applications and
Uses", Band 1, Herausgeber Bahadur, World Scientific Publishing
Co., Pte. Ltd., 1990, S. 171–194 und
den darin angegebenen Referenzen werden, wie der Titel angibt, Verfahren
zum Bau von Flüssigkristallvorrichtungen
diskutiert.
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Eine Technik zur Orientierung von
Flüssigkristallen
mit niedriger Molmasse wird typischerweise folgendermaßen durchgeführt. Auf
den Oberflächen
der Träger
werden transparente Elektroden hergestellt, wobei die Träger typischerweise
aus Glas hergestellt sind, beispielsweise handelt es sich um Glasplatten.
Beispielsweise ist in Vorrichtungen mit gedrehten nematischen oder
supergedrehten nematischen Phasen für beide Träger ein Orientierungsprozeß erforderlich.
Eine dünne
Orientierungsschicht wird zur Orientierung der Flüssigkristallmoleküle aufgebracht,
und zwar werden typischerweise entweder organische oder anorganische
Orientierungsschichten verwendet, wobei beispielsweise durch Verdampfen
aufgebrachtes SiO eine typische anorganische Orientierungsschicht
ist. Ein Verfahren zur Bildung der Orientierungsschicht ist mit
dem Reiben der Oberfläche
mit Strukturen oder Geweben verbunden. Für die Oberflächenorientierung
der Schichten sind auch Polyimide eingesetzt worden. Das Polyimid
wird mit einer Schleuder auf die Elektroden tragenden Träger aufgebracht
und dann unter Bildung einer Schicht mit einer Dicke von ungefähr 50 nm
gehärtet.
Dann wird die Oberfläche
jeder Schicht wiederholt in im wesentlichen einer Richtung mit einem
geeigneten Material gerieben. Wenn die Flüssigkristallmoleküle auf diese
Schicht aufgebracht werden, orientieren sie sich automatisch in
der durch das Reiben ergebenden Richtung. Dies ist häufig bevorzugt,
wenn die Moleküle
eine Vorneigung mit kleinem Winkel besitzen, typischerweise 2–3°. Manchmal
sind auch höhere
Vorneigungen erforderlich.
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Die zwei Träger werden dann beispielsweise
mit einem Kleber aneinander befestigt und durch Abstandshaltermaterialien
voneinander getrennt gehalten. Dadurch ergibt sich eine gleichmäßige und
genaue Beabstandung der Zelle. Ein typischer Kleber ist ein Epoxyharz.
Dieses Verschlußmaterial
wird gewöhnlich vorgehärtet. Die
Elektroden können
dann beispielsweise zur Bildung von Anzeigepixeln genau ausgerichtet werden.
Anschließend
wird die Zelle bei beispielsweise 100–150°C gehärtet. Damit ist die leere Flüssigkristallzelle
vollständig.
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Dann wird die Zelle mit dem Flüssigkristallmaterial
gefüllt.
Die Größe der Öffnung in
der Verschlußfläche der
Flüssigkristallzelle
ist sehr klein, so daß daher
die Zelle evakuiert werden kann, beispielsweise in einer Vakuumkammer,
und das Flüssigkristallmaterial
durch den Gasdruck in die Zelle gedrückt wird. Es kann mehr als
eine Öffnung
in der Verschlußfläche verwendet
werden. Die leere Zelle wird in eine Vakuumkammer gegeben, worauf
die Vakuumkammer leergepumpt wird. Nachdem die Zelle evakuiert worden
ist, wird der offene Bereich des Verschlusses in das Flüssigkristallmaterial
getaucht, und die Vakuumkammer auf Normaldruck zurückgebracht.
Das Flüssigkristallmaterial
wird durch die Kapillarwirkung in die Zelle gezogen. Zur Erhöhung des
Druckes können äußere Gase
eingesetzt werden. Wenn der Einfüllvorgang
abgeschlossen ist, wird die Öffnung
oder werden die Öffnungen
in dem Verschluß bedeckt
und die Zelle bei einer Temperatur oberhalb des Klärpunktes
des Flüssigkristallmaterials
gehärtet,
um die Molekülorientierung
des Flüssigkristalls
stabil zu machen und das Abdeckmaterial zu härten.
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Polymere Flüssigkristallmoleküle sind
viskoser als Flüssigkristallmaterialien
mit niedrigem Molekulargewicht und daher schwieriger zu orientieren
und schwieriger in die Vorrichtung einzufüllen. Nur Flüssigkristallpolymere
mit niedrigen Molekulargewichten können durch Einfließen in eine
Zelle eingefüllt
werden, und wenn ein Polymerisationsgrad von höher als etwa 30 oder 40 Wiederholungseinheiten
erreicht ist, sind die meisten Flüssigkristallpolymere so viskos,
daß das
Einfüllen
in Zellen durch Einfließen äußerst schwierig
ist. Es muß viel
langsamer gekühlt
werden, um die Flüssigkristallpolymeren
zu verflüssigen
und auszurichten, was gewöhnlich
eine schlechte gleichmäßige Orientierung
ergibt.
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Schlecht orientierte Flüssigkristallmoleküle ergeben
keine schnell schaltenden Materialien und Vorrichtungen mit hohem
Kontrast, die allgemein erforderlich sind.
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Die obigen Techniken eignen sich
für viele
Flüssigkristallmaterialien,
beispielsweise für
solche Vorrichtungen, in denen Flüssigkristallmaterialien verwendet
werden, welche die smektische Mesophase nutzen, z. B. ferroelektrische.
Geeignete Orientierungstechniken finden sich ebenfalls in GB 2210469
B.
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Vorrichtungen, die ferroelektrische
Flüssigkristallgemische
enthalten, können
kurze Schaltzeiten haben (kürzer
als 100 ms), Clark und Lagerwall, Appl. Phys. Lett. 36, 89, 1980.
Sie können
bistabil sein, was bedeutet, daß sie
unter Anwendung einer Technik, bei der eine Zeile an einem Zeitpunkt
abgetastet wird, hochgradig im Multiplexbetrieb betrieben werden
können.
Ferroelektrische Materialien werden immer noch in großem Umfang
untersucht, weil sie in flachen Anzeigen mit hoher Auflösung verwendet
werden können.
Ein wichtiges Merkmal von Flüssigkristallmaterialien
enthaltenden Vorrichtungen ist, daß sie eine kurze Ansprechzeit
haben sollten. Die Ansprechzeit ist von einer Anzahl von Faktoren
abhängig,
von denen einer die spontane Polarisation ist, die mit Ps (gemessen
in nC cm–2)
bezeichnet wird. Durch Zugabe eines chiralen Dotiermittels zum Flüssigkristallgemisch
kann der Wert von Ps erhöht
werden, so daß die
Ansprechzeit der Vorrichtung abnimmt. Ferroelektrische smektische Flüssigkristallmaterialien,
die durch Vermischen eines achiralen Wirtes und eines chiralen Dotiermittels
hergestellt werden, nutzen die ferroelektrischen Eigenschaften der
geneigten chiralen smektischen C-, F-, G-, H-, I-, J- und K-Phasen. Die chirale
smektische C-Phase wird mit SC* bezeichnet,
wobei das Sternchen die Chiralität
angibt. Die SC*-Phase wird allgemein als
die günstigste
angesehen, da sie am schnellsten schaltet. Erwünscht ist, daß das Material
eine chirale nematische Phase mit großer Ganghöhe (mit N* bezeichnet) und
SA-Phase bei Temperaturen oberhalb der chiralen
smektischen Phase hat, um die Oberflächenorientierung in einer Flüssigkristallmaterial
enthaltenden Vorrichtung zu unterstützen. Ferroelektrische flüssige Kristallmaterialien
sollten Idealerweise die folgenden Eigenschaften besitzen: niedrige
Viskosität,
kontrollierbare Ps und eine SC*-Phase, die
in einem breiten Temperaturbereich, der die Umgebungstemperatur
umfassen sollte, stabil ist und chemische und photochemische Stabilität aufweist.
Materialien, die diese Eigenschaften besitzen, bieten die Möglichkeit
für sehr
schnell schaltende, Flüssigkristalle
enthaltende Vorrichtungen.
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Jitao et al., Polymer Bd. 37, Nr.
5, S. 837–841
beschreiben inter alia die Verwendung von Diallylaminen für die Synthese
von super-nukleophilen Reagenzien.
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In dem Kapitel "Ferroelectric LDCs"
von Dijon in "Liquid Crystals Applications and Uses", Band 1, Herausgeber
Bahadur, World Scientific Publishing Co., Pte. Ltd., 1990, S. 350– 360 und
den darin angegebenen Referenzen werden Orientierungsprozesse für smektische
Phasen für
Materialien mit niedriger Molmasse diskutiert. Es wird angenommen,
daß das
Füllen
der Zellen aufgrund der Viskosität
der smektischen Phasen nur in der isotropen oder nematischen Phase
möglich ist.
Im allgemeinen ergeben Materialien mit der folgenden Phasenabfolge
eine gute Orientierung:
I – N* – SA – SC* oder I – SA – SC*,
wohingegen Materialien mit der folgenden
Phasenabfolge schwieriger zu orientieren sind:
I – N* – SC*.
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Daher ist typischerweise zur Verwendung
eines Flüssigkristallmaterials
in der smektischen Phase das Erhitzen des Materials zum Übergang
in die nematische oder isotrope Phase erforderlich, worauf langsam
abkühlen
gelassen wird, um in den orientierten smektischen Zustand zu gelangen.
Wenn diese Technik auf ein Flüssigkristall-Polymermaterial
angewendet werden soll, ist die Abkühlzeit gewöhnlich sehr viel länger, um
die Orientierung zu fördern,
wobei die Orientierung aber trotzdem sehr häufig schlecht ist.
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Es besteht ein kontinuierlicher Bedarf
für neue
Flüssigkristallpolymere,
die Eigenschaften besitzen, die ihre Verwendung in Vorrichtungen,
beispielsweise einer oder mehreren bekannten elektrooptischen Vorrichtungen,
gestatten.
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Erfindungsgemäß werden Materialien der allgemeinen
Formel I bereitgestellt:
in der m = mindestens 5
und nicht größer als
50 ist;
X
3 unter Gruppen der Formel
IA ausgewählt
ist
worin Y unter CO und CH
2 ausgewählt
ist;
n = 1 bis 15;
Q unabhängig ausgewählt ist aus COO, OCO, O, S,
CH
2;
q = 0 bis 15, vorausgesetzt, daß, wenn
q = 0, nur einer von Q oder Z vorhanden ist;
Z unabhängig ausgewählt ist
aus 0, S, Einfachbindung, COO, OCO, CH
2,
NH, NR, NR
1, worin R
1 n-C
1-12-Alkyl oder verzweigtes C
1-12-Alkyl
ist, worin die verzweigte Alkylgruppe achiral oder chiral sein kann,
und R
1 (CH
2)
tE ist, worin
t 1
bis 15 sein kann und E aus OH, CO
2H, Br,
Cl, I, SH, NH
2, N(CH
3)H
ausgewählt
sein kann;
eine beliebige mesogene
Gruppe darstellt;
X
3 ebenfalls unabhängig aus
H, OH, OCOR
2, COOH, CO
2R
2, (CH
2)
pOH
, (CH
2)
pCO
2H , -(CH
2)
pOR
2 oder -(CH
2)
pCO
2R
2 ausgewählt
ist und p = 1 bis 20 ist, R
2 = H oder C
1-16-Alkyl; wenn R
2 =
C
2-16- Alkyl,
kann die terminate CH
3-Gruppe durch Br oder
Cl ersetzt sein;
mit der Maßgabe, daß mindestens eines der X
3 aus Gruppen der Formel IA ausgewählt ist.
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Die mesogene Gruppe wird außerdem durch
die allgemeine Struktur II definiert:
in der A, B, D aus folgenden
Ringen ausgewählt
sind:
wobei die obigen Ringe mit
einem oder mehreren der folgenden Substituenten an mindestens einer
der verfügbaren
Substitutionspositionen substituiert sein können: F, Cl, Br, CH
3, CN, OR, R und NCS, wobei R verzweigtes
oder geradkettiges C
1-5-Alkyl ist,
Z
unter CN, F, Cl, NO
2, R, OR, CO
2R,
CF
3 , OOCR, NCS , SCN ausgewählt ist,
wobei R geradkettiges oder verzweigtes Alkyl ist und 1–16 Kohlenstoffatome
enthalten kann und eine oder mehrere nicht benachbarte CH
2-Gruppen mit CH(CN), CH(CF
3),
CH(Cl), CH(CH
3) in chiraler oder nicht-chiraler
Form substituiert sein können,
mit
der Maßgabe,
daß die
Gesamtanzahl an vorhandenen Ringen nicht höher als 4 ist,
W
1 und W
2 unabhängig voneinander
unter COO, OCO, einer Einfachbindung, CH
2CH
2, CH
2O, OCH
2, O, S, CH=CH, C=C, OCO(CH
2)
x, COO(CH
2)
x ausgewählt
sind, worin
x 1 bis 4 ist .
-
Flüssigkristallpolymere, die durch
die vorliegende Erfindung beschrieben werden, können ein beliebiger der bekannten
Typen, einschließlich
Homo- oder Copolymere, sein.
-
Y in der Formel IA kann CHOH sein
und die OH-Gruppen können
als Verknüpfungspunkt
für Vernetzungsmittel
zur Bildung von Elastomeren verwendet werden.
-
Nach einem weiteren Aspekt der vorliegenden
Erfindung können
Flüssigkristallpolymere
der allgemeinen Formel I über
die Cyclisierung eines geeigneterweise funktionalisierten Diens
synthetisiert werden.
-
Nach einem weiteren Aspekt der vorliegenden
Erfindung können
Flüssigkristallpolymere
der Formel I und Varianten davon über die Cyclisierung der folgenden
allgemeinen Formel III synthetisiert werden:
-
Nach einem weiteren Aspekt der vorliegenden
Erfindung werden Materialien der Formel I bereitgestellt, wobei
ein Teil der Repetiereinheiten aus der folgenden allgemeinen Formel
IIIA besteht:
-
Nach einem weiteren Aspekt der vorliegenden
Erfindung werden Verbindungen der Formel III bereitgestellt:
worin X
3 aus
Gruppen der Formel IA ausgewählt
ist.
-
Die Erfindung wird nachstehend lediglich
beispielhaft unter Bezugnahme auf die folgenden Abbildungen beschrieben:
-
1:
ist ein allgemeines Syntheseschema für die Herstellung von Polymeren
der allgemeinen Formel I
-
2:
ist ein allgemeines Syntheseschema für die Produktion von Polymeren
der allgemeinen Formel I, wenn q = 0.
-
3:
ist ein allgemeines Syntheseschema für die Produktion von Polyamiden
-
4:
ist ein allgemeines Syntheseschema für die Produktion von Polyaminen
-
5:
veranschaulicht eine Flüssigkristallvorrichtung
-
6:
veranschaulicht eine pyroelektrische Vorrichtung
-
7 und 8 veranschaulichen die Vorder-
bzw. Querschnittsansicht eines in verschiedenen Maßstäben gezeichneten,
reflektierenden Raum-Licht-Modulators, in den die Materialien der
vorliegenden Erfindung eingeführt
werden können.
-
In den 1 bis 4 wurden die folgenden Reagenzien
verwendet. Die Schemata 1 bis 4 beziehen sich jeweils auf die 1 bis 4.
-
Schema 1 ist ein allgemeines Schema
für die
Produktion von Polymeren der Formel I
Schema 2 ist ein Schema
für die
Produktion von Polymeren der allgemeinen Formel I, wenn q = 0
Schema
3 ist ein allgemeines Schema für
die Produktion von Polyamiden
Schema 4 ist ein allgemeines
Schema für
die Produktion von Polyaminen
worin
DCC = Dicyclohexylcarbodiimid
DMAP
= Dimethylaminopyridin
-
Die Reagenzien für die Stufen a bis d in Schema
1 und die Reagenzien, die in den Stufen A bis C in Schema 2 verwendet
werden, sind aus Standardliteraturverfahren ausgewählt.
-
Experimentelles
-
Die Reagenzien, die in den Schemata
verwendet werden, sind im Handel von Aldrich erhältlich, wenn nichts anderes
angegeben ist.
-
Die folgenden Beispiele erläutern die
Verfahren, die in den Schemata 3 und 4 verwendet werden, um die
cyclischen Poly(amide) bzw. Poly(amine) herzustellen.
-
Die Struktur sämtlicher Materialien wurde
durch eine Kombination aus NMR-Spektroskopie (Spektrometer vom Typ
JEOL JNM-GX mit 270 MHz), Infrarotspektroskopie (Gitterspektrometer
Typ Perkin Elmer 783) und Massenspektrometrie (Spektrometer Typ
Finnigan-MAT 1020G/MS) bestätigt.
Die Reinheit der Verbindungen wurde durch TLC (einzelner Punkt)
und/oder HPLC (5 μm,
30 × 0,75
cm, 2 × gemischte
D-PL-Säulen,
geeicht unter Verwendung von Polystyrol-Standards (Mp = 1000 bis
430500) geeicht, Toluol, ohne vorhandenes Monomer) überprüft. Die Übergangstemperaturen
für flüssigkristalline
Phasen wurden durch DSC (Perkin-Elmer DSC 7 mit Datenstation und
Abkühlungszugang)
und die LC-Phasen wurden durch optische Mikroskopie identifiziert
(Polarisationsmikroskop Typ Olympus BH2 in Verbindung mit einem
Heiztisch vom Typ Mettler FP52 und einer Kontrolleinheit FP5).
-
SCHEMA 3
-
Schritt (3a)
-
Diallylamin (0,052 Mol), 11-Bromundecansäure (0,052
Mol), Dicyclohexylcarbodiimid (DCC) (0,055 Mol) und N,N-Dimethylaminopyridin
(DMAP) (0,25 g) wurden in trockenem Dichlormethan (75 cm3) für
6 h bei Raumtemperatur miteinander gerührt. Anschließend wurde
Dicyclohexylharnstoff durch Filtration entfernt, danach erfolgte
die Entfernung des Lösungsmittels
im Vakuum, wodurch ein gelbes Öl
zurückblieb,
das beim Stehen fest wurde. Umkristallisierung aus Butanon ergab
Verbindung 1 als weiße
Nadeln (85%), Fp. 40 bis 40°C.
-
Schritt (3a)
-
-
Schritt (3b)
-
Bromdiallylamid (1) (0,0058 Mol),
4-Cyano-4'-hydroxybiphenyl (0,0058 Mol) und Kaliumcarbonat (3,0 g)
wurden zusammen in trockenem Butanon (60 cm3)
für 24
h unter Rückfluß gehalten. Überschüssiges Kaliumcarbonat
wurde durch Filtration entfernt, worauf die Entfernung von Lösungsmittel
in Vakuum folgt, wodurch ein weißer Feststoff zurückblieb,
der unter Verwendung von Säulenchromatographie
(Silicagel) mit Ethylacetat als Elutionsmittel gereinigt wurde.
Eine Umkristallisation aus Acetonitril lieferte Verbindung 2 als
weißes
Pulver (89%); Fp. 61 bis 63°C.
-
Schritt (3b)
-
-
- 3b
- Kaliumcarbonat/Butanon
-
Schritt (3c)
-
Monomer (2) (0,0018 Mol) und Irgacure
184 als Photoinitiator (Ciba-Geigy) (0,01 mMol) wurden in trockenem
Dichlormethan (3,0 cm3) gelöst und,
die resultierende Lösung
wurde gleichmäßig auf
eine Borsilicatglasplatte (25 × 18
cm2) verteilt. Das Lösungsmittel wurde in der Luft
verdampft, wobei ein Monomerfilm zurückblieb. Eine gleiche Glasplatte
wurde über
den Monomerfilm gelegt und die zwei Platten wurden zusammengedrückt, um
einen sehr dünnen
Film zwischen den Platten herzustellen. Das Monomer-"Sandwich" wurde
dann unter einer Philips-UVA (70W)-Sonnenlampe für 30 Minuten bestrahlt. Das
resultierende Polymer wurde von den Platten entfernt, in Methanol
suspendiert und zentrifugiert (10 min bei 11.000 Upm). Die Zentrifugation
wurde weitere drei mal wiederholt und dann wurde das Polymer in
trockenem Dichlormethan (10 cm3) gelöst. Die
resultierende Lösung
wurde durch ein 0,5 μm-Membranfilter
geführt.
Die Lösungsmittelentfernung lieferte
Polymer 3 als cremefarbenen Feststoff (50%).
-
Schritt (3c)
-
-
Schritt (4a)
-
11-Brom-1-undecanol (0,001 Mol) und
Diallylamin (0,052 Mol) wurden zusammen 2 h lang am Rückfluß erhitzt.
Das Reaktionsgemisch wurde in Kochsalzlösung (200 cm3)
gegossen und das resultierende Gemisch wurde mit Dichlormethan (2 × 50 cm3) extrahiert. Die organische Phase wurde
dann über
Magnesiumsulfat getrocknet. Die Entfernung des Lösungsmittels im Vakuum ließ ein braunes Öl zurück, das
dann durch Vakuumdestillation (84°C/0,5
mm Hg) gereinigt wurde, wobei Verbindung 4 als farbloses Öl (80%)
erhalten wurde.
-
Schritt (4a)
-
-
Schritt (4b)
-
11-Diallylaminoundecan-1-ol (4) (3,7
mMol), 3-(4'-Undecyloxybiphenyl)propansäure (3,7
mMol), Dicyclohexylcarbodiimid (DCC) (3,9 mMol) und N,N-Dimethylaminopyridin
(DMAP) (0,15 g) wurden zusammen in trockenem Dichlormethan (60 cm3) bei Raumtemperatur für 24 h gerührt. Das resultierende Gemisch
wurde filtriert, um Dicyclohexylharnstoff zu entfernen, dann wurde
das Lösungsmittel
in Vakuum entfernt, wodurch ein weißer Feststoff zurückblieb.
Säulenchromatographie
an Silicagel unter Verwendung eines 1 : 1-Gemisches aus Ethylacetat:
Erdölfraktion
(Sp 40 bis 60°C)
als Elutionsmittel und anschließende
Umkristallisation aus Acetonitril lieferte Verbindung 6 als weißen wachsartigen
Feststoff (70%), Fp. 90°C.
-
-
- 4b
- DCC/DMAP
-
Verbindung 5 wurde nach den geeigneten
Syntheseverfahren, die in Mol. Cryst. Liq. Cryst., 1994, 250, 333
beschrieben werden, hergestellt.
-
SCHEMA 4
-
Schritt (4c)
-
Monomer 6 (1,6 mmol) und der Photoinitiator
Irgacure 184 (Ciba-Geigy) (0,008 mMol) wurden in trockenem Dichlormethan
(3,0 cm3) gelöst und die resultierende Lösung wurde
gleichmäßig auf
eine Borsilicatglasplatte 18 cm2) verteilt.
Das Lösungsmittel
wurde in der Luft verdampft, wobei ein Monomerfilm zurückblieb. Eine
gleiche Glasplatte wurde über
den Monomerfilm gelegt und die zwei Platten wurden zusammengedrückt, um
einen sehr dünnen
Film zwischen den Platten herzustellen. Das Monomer-"Sandwich" wurde
dann unter einer Philips UVA (70W) Sonnenlampe für 30 min bestrahlt. Das resultierende
Polymer wurden von den Platten entfernt, in Methanol suspendiert
und zentrifugiert (10 min bei 11.000 Upm) Die Zentrifugation wurde
weitere drei Mal wiederholt und dann wurde das Polymer in trockenem
Dichlormethan (10 cm3) gelöst. Die
resultierende Lösung
wurde durch ein 0,5 μm
Membranfilter geführt.
Die Entfernung des Lösungsmittels
lieferte Polymer 7 als cremefarbigen Feststoff (54%).
Übergangstemperaturen
(°C): g
57,0 SC 68,0 I.
-
-
Erläuternde Beispiele für Verbindungen,
die nach den Verfahren produziert werden, die in den Schemata 3
und 4 beschrieben wurden, sind folgende:
-
A. Cyclische Poly(amide)
-
-
Übergangstemperaturen
(°C): g
35,0 SA 78,0 I
-
-
Übergangstemperaturen
(°C) : g
64,0 I (2MB* ist CH2C*H(CH3)C2H5
-
-
Übergangstemperaturen
(°C): g
34,0 SC* 135,0
-
B. Cyclische (Polyamine)
-
-
Übergangstemperaturen
(°C): g
57,0 SC 68,0 I
-
-
Übergangstemperaturen
(°C): g
33,5 SA 71,0 SC 121,5
I Im folgenden wird unter Bezugnahme auf 5 ein Beispiel für die Verwendung eines Materials
und einer Vorrichtung als Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung beschrieben.
-
Die Flüssigkristallvorrichtung besteht
aus zwei transparenten Platten 1 und 2, die beispielsweise
aus Glas hergestellt sind. Diese Platten sind auf ihren Innenseiten
mit transparenten leitenden Elektroden 3 und 4 beschichtet.
Eine Orientierungsschicht 5, 6 wird auf die Innenseiten
der Zelle so aufgebracht, daß eine
planare Orientierung der das Flüssigkristallmaterial
bildenden Moleküle
ungefähr
parallel zu den Glasplatten 1 und 2 sein wird.
Dies geschieht, indem die Glasplatten 1, 2 vollständig mit
den leitenden Elektroden bedeckt werden, so daß die Schnittpunkte zwischen
jeder Spalte und Zeile eine x/y-Matrix aus adressierbaren Elementen oder Pixeln
bilden. Bei einigen Anzeigetypen sind die Orientierungsrichtungen
orthogonal. Vor dem Zusammenbau der Zelle werden die Schichten 5, 6 mit
einer mit einem Gewebe (beispielsweise aus Samt hergestellt) überzogenen
Walze in einer gegebenen Richtung gerieben, wobei die Reiberichtungen
parallel (in der gleichen oder in der entgegengesetzten Richtung)
zum Aufbau der Zelle ausgerichtet sind. Ein Abstandshalter 7,
z. B. aus Polymethylmethacrylat, trennt die Glasplatten 1 und 2 und
hält sie
auf einem geeigneten Abstand, z. B. 2 μm. Das Flüssigkristallmaterial 8 wird
zwischen die Glasplatten 1, 2 durch Füllen des
Raumes zwischen diesen eingeführt.
Dies kann durch Füllen
der Zelle durch Einfließen
lassen unter Anwendung von Standardtechniken erfolgen. Der Abstandshalter 7 wird
mit einem Kleber 9 im Vakuum unter Anwendung einer bekannten
Technik versiegelt. Vor und hinter der Zelle können Polarisatoren 10, 11 angeordnet
werden.
-
Die Orientierungsschichten können auf
eine oder mehrere Zellwände
mit Hilfe einer oder mehrerer Standardtechniken zur Oberflächenbehandlung
aufgebracht werden, beispielsweise durch Reiben, schräges Verdampfen
oder, wie oben beschrieben, durch Verwendung von Polymerorientierungsschichten.
-
In alternativen Ausführungsformen
werden die Träger
mit den Orientierungsschichten darauf erhitzt und zur Bewirkung
der Orientierung geschert, wobei alternativ die Träger mit
den Orientierungsschichten oberhalb der Glasübergangstemperatur und unterhalb
des Phasenübergangs
vom Flüssigkristall
zur isotropen Phase in Kombination mit einem angelegten Feld thermisch
getempert werden. Weitere Kombinationen sind mit einer Kombination
dieser Orientierungstechniken verbunden. Bei einigen dieser Kombinationen
ist eine Orientierungsschicht nicht erforderlich.
-
Die Vorrichtung kann im Transmissions-
oder Reflektionsmodus betrieben werden. Im zuerst genannten wird
durch die Vorrichtung tretendes Licht, z. B. von einer Wolframbirne,
selektiv zur Bildung der gewünschten
Anzeige durchgelassen oder abgeschirmt. Im Reflektionsmodus ist
ein Spiegel oder diffuser Reflektor (12) hinter dem zweiten
Polarisator 11 angeordnet, um das Umgebungslicht durch
die Zelle und die zwei Polarisatoren zurückzureflektieren. Indem dieser
Spiegel teilreflektierend gemacht wird, kann die Vorrichtung sowohl im
Transmissions- als auch im Reflektionsmodus betrieben werden.
-
Die Orientierungsschichten 5, 6 haben
zwei Funktionen, wobei eine darin besteht, in Kontakt tretende Flüssigkristallmoleküle in einer
bevorzugten Richtung zu orientieren, und die andere darin besteht,
diese Moleküle
um einige wenige Grade, typischerweise etwa 4° oder 5°, zu neigen, was Oberflächenneigung
genannt wird. Die Orientierungsschichten 5, 6 können gebildet
werden, indem ein paar Tropfen des Polyimids auf die Zellwand gegeben
und die Wand geschleudert wird, bis sich eine gleichmäßige Dicke
ergibt. Das Polyimid wird dann durch Erhitzen auf eine vorbestimmte
Temperatur während
einer vorbestimmten Zeit gehärtet,
worauf sich das Reiben in einer Richtung mit einer mit einem Nylongewebe überzogenen
Walze anschließt.
-
Bei einer alternativen Ausführungsform
können
ein einzelner Polarisator und ein Färbematerial kombiniert werden.
-
Das Flüssigkristallmaterial 8 kann,
wenn es in die Zelle eingeführt
wird, aus Flüssigkristallpolymer
oder aus Flüssigkristallmonomeren
und einem Photoinitiator bestehen. Es kann ferner ein Reagens enthalten,
welches das Molekulargewicht des Polymers beschränkt, beispielsweise ein Kettenübertragungsmittel,
und es kann auch einen thermischen Initiator enthalten.
-
Das Monomermaterial kann unter Anwendung
von Standardtechniken vor der Polymerisation orientiert werden,
beispielsweise durch Erhitzen auf und Abkühlen aus der isotropen Phase
oder aus einer Flüssigkristallphase,
wie einer nematischen oder chiralen nematischen Phase. Ferner ist
es möglich,
daß das
Flüssigkristallpolymer
durch eine oder mehrere Techniken, beispielsweise durch die Anwendung
von Oberflächenkräften, durch
Scherausrichtung oder Feldausrichtung orientiert wird.
-
Es ist möglich, daß nach der Polymerisation immer
noch eine gewisse Menge an Monomermaterial übrig ist. Dabei kann es sich
um nicht umgesetztes Monomer oder Zusätze mit niedriger Molmasse,
die keine polymerisierbaren Gruppen tragen, handeln.
-
Die Polymerisation kann ausgeführt werden,
indem eine beliebige der bekannten Techniken angewendet wird. Beispielsweise
können
das Monomermaterial plus Initiator der Einwirkung von W-Licht ausgesetzt werden,
und es kann auch Wärme
angewendet werden, um die Polymerisation innerhalb einer gegebenen Phase
des Monomers und/oder Polymers zu ermöglichen.
-
Alternativ kann der Polymerisationsprozeß mit Hilfe
von Wärme
und in Gegenwart eines thermischen Initiators erfolgen. Wenn diese
Technik angewendet wird, kann es jedoch vorzuziehen sein, wenn diese
bei einer Temperatur durchgeführt
wird, die einer Flüssigkristallphase
des Monomermaterials entspricht.
-
In der UK-Patentanmeldung GB 9420632.3
werden In-situ-Polymerisationen und auch die Verwendung von Kettenübertragungsreagentien
zur Kontrolle des Molekulargewichts von Flüssigkristallpolymeren beschrieben.
Wie oben erwähnt,
kann auch ein Kettenübertragungsreagens
in dem Gemisch der Erfindung vorhanden sein. GB 9514970.4 beschreibt
In-situ-Polymerisationen in Gegenwart eines kationischen Photoinitiators.
-
Viele der durch Formel I beschriebenen
Verbindungen und Verbindungen der Formel I enthaltenden Gemische
zeigen Flüssigkristallverhalten
und werden daher in Flüssigkristallvorrichtungen
verwendet. Beispiele für
derartige Vorrichtungen sind optische und elektrooptische Vorrichtungen,
magnetooptische Vorrichtungen und Vorrichtungen, die auf Einwirkungen,
wie Temperaturänderungen
und vollständige
oder teilweise Druckänderungen,
ansprechen. Die Verbindungen der Formel I können auch in einem Gemisch
enthalten sein, wobei das Gemisch mindestens zwei Verbindungen enthält. Typische
Gemische umfassen Gemische, die aus Verbindungen der Formel I bestehen,
und auch Gemische, die mindestens eine Verbindung der Formel I und mindestens
eine Verbindung, die nicht die Formel I hat, enthalten.
-
Es sind Materialien für laseradressierte
Anwendungen vorgeschlagen worden, bei denen Laserstrahlen zum Abtasten
der Oberfläche
des Materials verwendet werden oder einen Schriftzug darauf hinterlassen. Aus
verschiedenen Gründen
bestanden viele dieser Materialien aus organischen Materialien,
die im sichtbaren Bereich zumindest zum Teil transparent sind. Diese
Techniken beruhen auf der örtlichen
Absorption der Laserenergie, wodurch örtliche Erwärmung bewirkt und die optischen
Eigenschaften des ansonsten transparenten Materials in dem Bereich
des Kontaktes mit dem Laserstrahl verändert werden. Wenn sich so
der Strahl über das
Material bewegt, bleibt ein Schriftzug zurück, der seinem Weg entspricht.
Einige der wichtigsten dieser Anwendungen sind laseradressierte
optische Speichervorrichtungen und laseradressierte Projektionsvorrichtungen,
in denen durch eine das Material enthaltende Zelle Licht geleitet
und auf einen Schirm projiziert wird. Derartige Vorrichtungen werden
von Khan in Appl. Phys. Lett. Band 22, S. 111, 1973 und von Harold
und Steele in Proceedings of Euro display 84, Seiten 29–31, September
1984, Paris, Frankreich, beschrieben, und zwar handelt es sich bei
dem Material in der Vorrichtung um ein smektisches Flüssigkristallmaterial.
Vorrichtungen, die ein Flüssigkristallmaterial
als optisches Speichermedium verwenden, sind eine wichtige Klasse
derartiger Vorrichtungen. Die Verwendung von Halbleiterlasern, insbesondere
GaxAl1_xAs-Lasern,
wobei x 0 bis 1 und vorzugsweise 1 ist, ist in den obigen Anwendungen
sehr populär,
da diese Laserenergie in einem Wellenlängenbereich im nahen Infrarot
liefern, das nicht sichtbar ist und somit die visuelle Anzeige nicht
stören
kann, und eine günstige
Quelle wohldefinierter intensiver Wärmeenergie liefern können. Gallium-Arsenid-Laser
ergeben Laserlicht mit Wellenlängen
von etwa 850 nm und eignen sich für die obigen Anwendungen. Mit
ansteigendem Al-Gehalt (x < 1)
kann die Laserwellenlänge
auf etwa 750 nm verringert werden. Durch Verwendung eines Lasers
mit kürzerer
Wellenlänge
kann die Speicherdichte erhöht
werden.
-
Die Verbindungen der Erfindung eignen
sich als optische Speichermedien und können mit Farbstoffen zur Verwendung
in laseradressierten Systemen, beispielsweise in optischen Aufzeichnungsmedien,
kombiniert werden.
-
Die smektischen und/oder nematischen
Eigenschaften der in der Erfindung beschriebenen Materialien können genutzt
werden. Beispielsweise können
die Materialien der Erfindung in ferroelektrischen Gemischen und
Vorrichtungen verwendet werden.
-
Die Verbindungen der Erfindung können auch
in pyroelektrischen Vorrichtungen, beispielsweise Detektoren, Steueranordnungen
und Vidicon-Kameras, verwendet werden.
-
6 veranschaulicht
einen einfachen pyroelektrischen Detektor, in den die Materialien
der Erfindung eingeführt
werden können.
-
Ein pyroelektrischer Detektor besteht
aus Elektrodenplatten 1, 2, von denen mindestens eine mit Pixeln
versehen werden kann. Im Betrieb ist der Detektor der Strahlung
R, beispielsweise Infrarotstrahlung, ausgesetzt, die durch die Elektrode 1 absorbiert
wird. Dies verursacht einen Anstieg der Temperatur, der durch Leitung
auf eine Schicht aus pyroelektrischem Material 3 übertragen
wird. Die Temperaturänderung
verursacht eine Wärmeausdehnung,
und es wird eine Ladung erzeugt. Diese Ladungsänderung ist im Vergleich mit
der Ladungsabgabe aufgrund der Änderung
der spontanen Polarisation Ps als Folge einer Temperaturänderung normalerweise
gering. Dies stellt den primären
pyroelektrischen Effekt dar. Eine Ladungsänderung verursacht eine Änderung
der Potentialdifferenz zwischen den Elektroden. Die Ladung an jedem
Pixel kann ausgelesen werden, und das sich ergebende Signal wird
zur Modulation der Abtastschaltungen in beispielsweise einem Videomonitor
und für
ein sichtbares Bild der Infrarotabtastungen verwendet.
-
Die selektiven Reflektionseigenschaften
der in der Erfindung beschriebenen Materialien gestatten, daß die Materialien
der Erfindung auch in Tinten und Farben verwendet werden können, so
daß sie
daher zur Verhinderung von Fälschungen
verwendbar sind. Sie können
auch in sogenannten Sicherheitstinten verwendet werden. Andere Anwendungen
umfassen die Temperaturregelung, beispielsweise können die
Materialien in eine Beschichtung eingeführt werden, die auf ein oder
mehrere Fenster aufgebracht werden kann, um die Infrarotstrahlung
zu reflektieren.
-
Wie in den 7 und 8 dargestellt,
weist ein Raum-Licht-Modulator
eine Flüssigkristallzelle 1 auf,
die typischerweise aus zwei Glaswänden 2 und 3 und
einem 0,1–10 μm, z. B.
2,5 μm,
dicken Abstandshalter 4 gebildet ist. Die Innenseiten der
Wände tragen
dünne transparente
Indiumzinnoxid-Elektroden 5, 6, die mit einer
variablen Spannungsquelle 7 verbunden sind. Auf den Elektroden 5, 6 befinden
sich Oberflächenorientierungsschichten 8, 9,
z. B. aus geriebenem Polyimid, was im folgenden beschrieben oder
detaillierter beschrieben wird. Es sind auch andere Orientierungstechniken
geeignet, z. B. Techniken, die nicht auf den Reiben beruhen, beispielsweise
auf dem Verdampfen von SiO2. Eine Schicht 10 aus
Flüssigkristallmaterial
ist zwischen den Wänden 2, 3 und
dem Abstandshalter 4 enthalten. Vor der Zelle 1 befindet
sich ein linearer Polarisator 11, hinter der Zelle 1 befindet
sich eine Viertelplatte 12 (diese kann fakultativ sein)
und ein Spiegel 13. Ein Beispiel für einen linearen Polarisator
ist ein polarisierender Strahlteiler (hier nicht dargestellt).
-
Es gibt eine Vielzahl von elektroklinen
Vorrichtungen, in die Verbindungen der Erfindung eingeführt werden
können.
Beispielsweise kann in der obigen Beschreibung der 12 und 13 die aktive Ansteuerung der schwarzen
Fläche
angewendet werden. Eine der die Zelle bildenden Wände kann
aus einem Siliciumsubstrat gebildet sein, z. B. aus einem Wafer,
das die Schaltung zur Ansteuerung der Pixel aufweist.
-
Für
viele dieser Vorrichtungen gibt es für die Zelle eine optimale Dicke,
die mit der Doppelbrechung (Δn)
in Beziehung steht, die angegeben wird durch:
in der bedeuten: λ = Betriebswellenlänge
Δ = Doppelbrechung
des Flüssigkristallmaterials
m
= ganze Zahl.
-
Einige geeignete Verfahren zur Ansteuerung
von elektroklinen Vorrichtungen, die in der Erfindung beschrieben
sind, finden sich in der UK-Patentanmeldung GB-2 247 972 A.
-
Die Betriebsart der in der Erfindung
beschriebenen Vorrichtungen umfaßt entweder die Amplitudenmodulation
oder die Phasenmodulation. Auf ähnliche
Weise können
die Vorrichtungen in Reflektions- oder Transmissionsmodus verwendet
werden.
-
Die Materialien dieses Aspektes der
Erfindung können
in vielen bekannten Formen von Flüssigkristallanzeigevorrichtungen
verwendet werden, beispielsweise in elektrooptischen Vorrichtungen
mit chiralen smektischen Phasen. Eine derartige Vorrichtung kann
eine Schicht aus Flüssigkristallmaterial
aufweisen, die sich zwischen zwei beabstandeten Zellwänden, welche
Elektrodenstrukturen tragen und deren Oberflächen zur Orientierung von Flüssigkristallmaterialmolekülen behandelt
sind, befindet. Die Flüssigkristallgemische
können
viele Anwendungen haben, beispielsweise in ferroelektrischen, thermochromen
und elektroklinen Vorrichtungen.
-
Die Verbindungen der Erfindung können miteinander
zur Herstellung von geeigneten Flüssigkristallgemischen vermischt
werden, und sie können
auch mit anderen Flüssigkristallpolymeren
oder nicht-polymeren Flüssigkristallmaterialien
mit niedriger Molmasse verwendet werden.
-
Geeignete Vorrichtungen, in welche
die Materialien der Erfindung eingeführt werden können, umfassen
Strahlsteuerungen, Verschlußblenden,
Modulatoren und pyroelektrische und piezoelektrische Sensoren.
-
Die Materialien der Erfindung können auch
als Dotiermittel in ferroelektrischen Flüssigkristallvorrichtungen,
die im Multiplexbetrieb betrieben werden können, verwendet werden, oder
sie können
in ferroelektrischen Flüssigkristallsystemen
mit aktiver Rückenplatte
verwendet werden. Die Materialien der Erfindung, eignen sich auch
als Wirtsmaterialien. Die Materialien der Erfindung können in
Gemische eingeführt
werden, die auch ein oder mehrere Dotiermittel enthalten.
-
Die Verbindungen der Formel I können mit
einem breiten Spektrum an Wirten, beispielsweise smektischen Wirten,
unter Bildung von geeigneten Flüssigkristallzusammensetzungen
vermischt werden. Derartige Zusammensetzungen können einen Bereich an Ps-Werten
aufweisen. Verbindungen der Formel I können mit einem oder mehreren
Typen von Wirten VIII–XIII
vermischt werden. Die unterschiedlichen Wirtstypen können miteinander
vermischt werden, worauf die Verbindungen der allgemeinen Formel
I dazugegeben werden können.
-
Typische Wirte sind beispielsweise:
Die
in PCT/GB86/00040 beschriebenen Verbindungen, z. B. der Formel VIII
in der R
1 und
R
2 unabhängig
voneinander C
3-C
12-Alkyl
oder -Alkoxy bedeuten.
-
Die in EPA 84304894.3 und GBA 8725928
beschriebenen Fluorterphenyle, z. B. der Formel IX
in der R
1 und
R
2 unabhängig
voneinander C
3-C
12-Alkyl
oder -Alkoxy bedeuten, x 1 ist und F sich an einer beliebigen verfügbaren Substitutionsposition
an dem spezifizierten Phenylring befinden kann.
-
Die in GBA 8905422.5 beschriebenen
Difluorterphenyle, z. B. der Formel X
in der R
1 und
R
2 unabhängig
voneinander C
3-C
12-Alkyl
oder -Alkoxy bedeuten.
-
Die in WO 86/00087 beschriebenen
Phenylpyrimidine, z. B. der Formel XI
einschließlich solcher
Verbindungen, bei denen R
1 C
3-C
12-Alkyl ist und R
2 die
allgemeine Formel (CH
2)
n-CHXCH
2CH
3, in der n 1
bis 5 und X CN oder Cl ist, hat.
-
Die von R. Eidenschink et al. in
"Cyclohexanderivat mit getilteten smektischen Phasen" auf der 16. Freiberger
Flüssigkristallkonferenz,
Freiberg, Deutschland, S. 8, beschriebenen Verbindungen, die von
E. Merck Ltd., Deutschland, erhältlich
sind, z. B. der Formel XII
einschließlich solcher
Verbindungen, bei denen R
1 und R
2 unabhängig
voneinander C
1-C
15-Alkyl
bedeuten.
-
Die auf dem 2
nd International
Symposium on Ferroelectric Liquid Crystals, Göteborg, Schweden, Juni 1989,
von Reiffenrath et al. beschriebenen Difluorphenylpyrimidine, z.
B. der Formel XIII
einschließlich solcher
Verbindungen, bei denen R
1 und R
2 abhängig
voneinander C
3-C
9-Alkyl
bedeuten.
-
Die Materialien der Erfindung sind
auch in thermochromen Vorrichtungen verwendbar, beispielsweise in
den von D. G. McDonnell in Thermochromic Liquid Crystals, Critical
Reports on Applied Chemistry, Band 22, herausgegeben von G. w. Gray,
1987, S. 120–44
und den darin angegebenen Referenzen beschriebenen Vorrichtungen.