DE69914210T2 - Tristabile flüssigkristallanzeigevorrichtung - Google Patents

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Description

  • Diese Erfindung betrifft Flüssigkristallanzeigevorrichtungen und Verfahren zum Betreiben derartiger Vorrichtungen.
  • Vorrichtungen unter Einsatz von Flüssigkristallen haben in verschiedenen elektrooptischen Anwendungen Verwendung gefunden, besonders jene, welche kompakte, energieeffiziente, spannungsgeregelte Lichtventile erfordern, z. B. sowohl Uhren- und Rechnerdisplays als auch die in transportablen Computern und Kompaktfernsehern vorgefundenen Flachbildschirme. Flüssigkristallanzeigen weisen einige einzigartige charakteristische Merkmale, einschließlich niedriger Spannung und niedriger Betriebsenergie, auf, welche sie zu den aussichtsreichsten Kandidaten bei den nichtemittierenden elektrooptischen Anzeigen, die gegenwärtig erhältlich sind, macht.
  • Der jüngste Fortschritt auf dem Fachgebiet der Flüssigkristalle ist die Verwendung von getilteten chiralen smektischen Flüssigkristallen, wovon eine Klasse ferroelektrische Flüssigkristalle genannt wird, in Vorrichtungen, welche Schalten im Mikrosekundenbereich und bistabilen Betrieb gewähren. Ferroelektrische Flüssigkristalle wurden durch R. B. Meyer et al. (J. Physique 1975, 36, 1–69) entdeckt. Ein schnelles optisches Schaltphänomen unter Verwendung eines "oberflächenstabilisierten ferroelektrischen Flüssigkristalls" (SSFLC, "surface-stabilized ferroelectric liquid crystal") wurde bei den ferroelektrischen Flüssigkristallen durch N. A. Clark et al. (Appl. Phys. Lett. 36, 899 und US-Patent Nr. 4,367,924) entdeckt.
  • Viele neue ferroelektrische Flüssigkristalle sind entwickelt und deren Schaltverhalten ist umfangreich getestet worden. Obwohl Vorrichtungen unter Einsatz dieser Materialien eine hohe Reaktionsgeschwindigkeit und große Betrachtungswinkel aufweisen, bleiben viele Probleme bei der Entwicklung von SSFLC-Vorrichtungen. Diese Probleme beinhalten unzureichendes Schwellenverhalten, schlechten Kontrast (aufgrund von Sparrendefekten) und ungenügende Bistabilität wegen Schwierigkeiten bei der Regulierung der Ausrichtung.
  • Erst kürzlich sind antiferroelektrische Flüssigkristalle (AFLC, "antiferroelectric liquid crystals"), eine andere Klasse der getilteten chiralen smektischen Flüssigkristalle, entwickelt worden. Antiferroelektrische Flüssigkristalle sind in einer chiralen smektischen CA-Phase (SCA*-Phase) zusätzlich zur getilteten chiralen C-Phase (SC*-Phase), die in ferroelektrischen Flüssigkristallvorrichtungen verwendet wird, schaltbar.
  • Vorrichtungen unter Einsatz antiferroelektrischer Flüssigkristalle sind durch Chandani et al. (Japan J. of Applied Physics 1988, 27 (5), L729–732) beschrieben worden. Die in diesen Vorrichtungen verwendeten antiferroelektrischen Flüssigkristalle weisen drei stabile Zustände auf: zwei stabile Zustände unter dem Einfluss eines elektrischen Feldes und einen dritten antiferroelektrischen Zustand bei Fehlen eines elektrischen Feldes. Antiferroelektrische Flüssigkristalle sind dadurch charakterisiert, dass sie einen unterschiedlichen Schwellenwert und eine Doppelhysterese, die einen Memory-Effekt in jedem der Betriebszustände berücksichtigt, aufweisen. Antiferroelektrische Flüssigkristalle können leicht geschaltet werden und liefern Vorrichtungen, die nur wenige Defekte aufweisen und die die Reorientierung erlauben.
  • In einer AFLC-Vorrichtung, wenn kein elektrisches Feld angelegt wird, hat eine AFLC-Zusammensetzung eine Schichtstruktur, die viele smektische Schichten umfasst, wobei die Moleküle jeder Schicht in einer entgegengesetzten Richtung zu jener der angrenzenden Schicht getiltet sind, so dass die Flüssigkristallzusammensetzung keine Nettopolarisation aufweist. Die wechselnde Vorzugsrichtung der Moleküle führt außerdem zu einer einheitlichen optischen Achse parallel zum Schichtnormal der smektischen Schichten. Wenn sie zwischen einem Paar gekreuzter Polarisatoren angeordnet wird, so dass eine der Polarisationsachsen der Polarisatoren mit der einheitlichen optischen Achse der Zusammensetzung ausgerichtet ist, weist die Vorrichtung einen dunklen Zustand auf. Wenn ein elektrisches Feld angelegt wird, orientiert sich der Flüssigkristall, um die spontane Polarisation mit dem elektrischen Feld auszurichten, was zu einem von zwei hellen Zuständen in Abhängigkeit von der Polarität des elektrischen Feldes führt. Tristabiles Schaltverhalten ist auch für verdrillte ferrroelektrische und deformierte Spiralvorrichtungen beobachtet worden.
  • Obwohl AFLC-Vorrichtungen nach dem Stand der Technik tristabiles Schalten ermöglicht haben, bleibt auf dem Fachgebiet ein Bedarf nach Flüssigkristallanzeigevorrichtungen, die tristabiles Schalten, Gradationsanzeige (Grauskala), Schwellenwertregelung, Hystereseregelung und schnelle Reaktionszeiten liefern, und die sowohl in kleinen als auch in großen Anzeigen verwendet werden können. Zusätzlich bleibt auf dem Fachgebiet ein Bedarf nach Flüssigkristallanzeigevorrichtungen, die die Einschränkungen nach dem Stand der Technik wie der Polarisation, Schwellspannungsregulierung und des Kontrastes überwinden.
  • Kurz gesagt, stellt diese Erfindung in einer Ausführungsform eine tristabile Flüssigkristallanzeigevorrichtung bereit, umfassend (a) ein erstes Substrat und ein zweites Substrat, die sich gegenüberliegen, wobei mindestens eins eine Orientierungsschicht trägt und jedes mindestens eine Elektrode aufweist, um ein oder mehrere Pixel zu definieren; (b) eine getiltete smektische oder induzierte getiltete smektische Flüssigkristallzusammensetzung, welche zwischen den Substraten angeordnet ist, und (c) ein Paar von orthogonal angeordneten Polarisatoren, welche jeweils eine Polarisationsachse (oder Lichtdurchlässigkeitsachse) aufweisen, wobei eine der Polarisationsachsen mit der optischen Nullfeldachse einer getilteten smektischen oder induzierten getilteten smektischen Mesophase der Flüssigkristallzusammensetzung ausgerichtet ist; wobei die Substrate so angeordnet sind, dass eine Ausrichtung der Flüssigkristallzusammensetzung bereitgestellt wird, wobei die Zusammensetzung (i) mindestens eine chirale Flüssigkristallverbindung (ein "Polarisationsadditiv") und (ii) mindestens eine achirale Flüssigkristallverbindung umfasst, die durch die folgende Formel dargestellt werden kann: R-M-N-(P)a-OCH2Rf (I) wobei M, N und P jeweils unabhängig voneinander ausgewählt sind aus
    Figure 00030001
    Figure 00040001
    wobei ein oder mehrere Ringwasserstoffatome durch Fluoratome ersetzt sein können; und die Ringe miteinander über eine kovalente Bindung oder einen organischen verknüpfenden Rest (welcher gegebenenfalls ein oder mehrere Heteroatome enthalten kann) verbunden sind; R ein Alkyl-, Alkenyl-, Alkoxy- oder Alkoxyalkylenrest ist; a eine ganze Zahl 0 oder 1 ist; und Rf ein Perfluoretherrest ist; wobei die Flüssigkristallzusammensetzung tristabiles Schalten aufweist.
  • Vorzugsweise hat R 4 bis 12 Kohlenstoffatome; und Rf kann durch die Formel (CxF2xO)zCyF2y+1 dargestellt werden, wobei x für jeden Rest (CxF2xO) unabhängig eine ganze Zahl von 1 bis 10 darstellt, y eine ganze Zahl von 1 bis 10 darstellt und z eine ganze Zahl von 1 bis 4 (stärker bevorzugt eine ganze Zahl 2 oder 3) darstellt. Rf hat vorzugsweise 5 bis 16 Kohlenstoffatome.
  • Es ist entdeckt worden, dass die achiralen Flüssigkristallverbindungen der Formel I erstaunlicherweise latentes tristabiles Schaltverhalten zeigen. Mit anderen Worten, die achiralen Verbindungen zeigen derartiges Verhalten nicht allein, aber in Kombination mit einer chiralen Komponente kann derartiges Verhalten beobachtet werden. Tristabiles Schaltverhalten kann durch die achirale Komponente induziert werden, selbst wenn die chirale Komponente derartiges Verhalten allein nicht zeigt, und selbst wenn die chirale Komponente in kleinen Anteilen verwendet wird. Überraschenderweise weist die in der Vorrichtung verwendete Flüssigkristallzusammensetzung im Allgemeinen auch niedrige Schwellspannungen auf.
  • Die erfindungsgemäßen Flüssigkristallanzeigevorrichtungen können tristabiles Schalten, Gradationsanzeige (Grauskala), Schwellenwertregelung, Hystereseregelung und schnelle Reaktionszeiten liefern. Die Vorrichtungen können sowohl Vorrichtungen mit passiver als auch mit aktiver Matrix sein und sowohl bei kleinen als auch bei großen Anzeigen verwendet werden. Außerdem weisen die erfindungsgemäßen Vorrichtungen im Verhältnis zu Vorrichtungen nach dem Stand der Technik ein verbessertes Polarisationsverhalten, eine verbesserte Schwellspannungsregelung und einen verbesserten Kontrast auf.
  • In einer weiteren Ausführungsform stellt diese Erfindung auch ein Verfahren zum Betreiben einer tristabilen Flüssigkristallanzeigevorrichtung bereit, umfassend den Schritt des Anlegens einer Spannung an die erfindungsgemäße Flüssigkristallanzeigevorrichtung, welche die vorstehend beschriebene Flüssigkristallzusammensetzung umfasst, wobei die Spannung ausreichend ist um zu bewirken, dass sich die optische Nullfeldachse der Flüssigkristallzusammensetzung von einem Nullfeldzustand (z. B. einem antiferroelektrischen Zustand) auf einen ferroelektrischen Zustand ändert und ein Netto-Tilt bei der optischen Nullfeldachse erhalten wird.
  • Diese und andere Merkmale, Ausführungsformen und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden in Bezug auf die folgende Beschreibung, die angefügten Ansprüche und die begleitenden Zeichnungen verständlicher sein, wobei:
  • 1 eine Querschnittsansicht einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Flüssigkristallanzeigevorrichtung zeigt.
  • 2 die elektrooptische Reaktion (Doppelhysterese) einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Flüssigkristallvorrichtung, die einen positiven Wert für die Speicherspanne (memory margin) aufweist, zeigt.
  • 3 die elektrooptische Reaktion (Doppelhysterese) einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Flüssigkristallvorrichtung, die einen negativen Wert für die Speicherspanne aufweist, zeigt.
  • Diese Abbildungen, die idealisiert sind, sind nicht maßstabsgerecht gezeichnet und lediglich zur Veranschaulichung und nicht zur Einschränkung bestimmt.
  • Bezug nehmend auf 1 umfasst eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen tristabilen Flüssigkristallanzeigevorrichtung zwei sich gegenüberliegende Substrate, 2 und 2', wobei mindestens eines davon optisch durchlässig ist. Die sich gegenüberliegenden Oberflächen (inneren Oberflächen, die einander zugewandt sind) tragen die elektrisch leitenden Elektroden 3 und 3', wobei mindestens eine davon lichtdurchlässig ist, in eine Anordnung gebracht, um ein gewünschtes Pixelmuster herzustellen.
  • Die Substrate 2 und 2' können jedes der Materialien, die auf dem Fachgebiet als nützliche Substrate für Flüssigkristallanzeigevorrichtungen bekannt sind, z. B. Glas oder Kunststoff, umfassen. Die Elektroden 3 und 3' können aus jedem elektrisch leitenden Material, z. B. Indiumzinnoxid (ITO, "indium tin oxide"), bestehen und auf die Oberfläche der Substrate mit irgendeinem der auf dem Fachgebiet bekannten Verfahren aufgebracht werden. So können die Substrate mit einer Schicht aus SnO2, InO3 oder ITO beschichtet werden, wodurch die Elektroden 3 und 3' gebildet werden.
  • Die Substrate 2 und 2' und die Elektroden tragen die Orientierungsschichten 4 und 4', welche jede der nützlichen, auf dem Fachgebiet bekannten Orientierungszusammensetzungen umfassen können. Die beiden Schichten können gleich oder verschieden sein. Für die Verwendung bei der Herstellung von Orientierungsschichten geeignete Materialien schließen Polyvinylalkohol, Polyimid, Polyamid-Imid, Polyester, Polyamid, Polyester-Imid, Poly-p-xylylen, Polycarbonat, Polyvinylacetal, Polyvinylchlorid, Polystyrol, Polysiloxan, Celluloseharz, Melaminharz, Harnstoffharz, Acrylharz und dergleichen und Gemische davon ein. Die Oberfläche der Orientierungsschichten 4 und 4' kann, falls gewünscht, einer vorgeschriebenen (einachsigen) Orientierungsbehandlung unterzogen werden, z. B. durch Reiben der Oberfläche mit einem Fasergewebe wie z. B. Samt, Stoff oder Papier.
  • Die Substrate 2 und 2' können unterschiedlichen Orientierungsbehandlungen unterzogen werden, um einen Orientierungszustand, besonders einen Anfangsorientierungszustand, entsprechend zu regulieren. Eines der Substrate kann z. B. mit einer durch Reiben behandelten Orientierungsschicht versehen werden, und das andere kann mit einer Orientierungsschicht, die nicht dem Reiben ausgesetzt wird, versehen sein und/oder eine Zusammensetzung umfasst, die anders als jene der durch Reiben behandelten Orientierungsschicht ist.
  • Die erfindungsgemäße Flüssigkristallvorrichtung hat vorzugsweise mindestens eine Orientierungsschicht von genügender Dicke, um das tristabile Schaltverhalten der Vorrichtung zu optimieren. Die Schicht hat vorzugsweise eine Dicke von 50 bis 5000 Å (5 bis 500 nm), stärker bevorzugt 50 bis 2500 Å (5 bis 250 nm), um gutes Betriebsverhalten, hohe Zuverlässigkeit und Betriebsstabilität in einem großen Temperaturbereich zu gewährleisten.
  • Vorzugsweise umfasst eine der Orientierungsschichten der erfindungsgemäßen Vorrichtung eine Polyimid- oder Polyamidfolie (z. B. Nylonfolie). Die Folie kann im Allgemeinen durch Aufbringen einer Polycarbamoyl-Carbonsäure (Polyimidvorstufe) oder Polyamidlösung auf die Substratoberfläche, Erwärmen der aufgebrachten Schicht und anschließendes Unterziehen der so erhaltenen Orientierungsschicht einer Reibungsbehandlung hergestellt werden. Falls gewünscht kann die erfindungsgemäße Vorrichtung Orientierungsbehandlungen wie die z. B. in EP 755993 (Canon) und US-Patent Nr. 5,377,033 (Radcliffe) beschriebenen nutzen. Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann weiter gegebenenfalls eine Isolierschicht umfassen (in 1 nicht dargestellt).
  • Die Substrate 2 und 2', die die Orientierungsschichten 4 und 4' tragen, sind durch Abstandshalter 5 in einem festgelegten Abstand (die "Zelllücke") getrennt, der entlang der Orientierungsschichten die Orientierung einer Flüssigkristallzusammensetzung 6, die im resultierenden Abstand zwischen den Substraten enthalten ist, erlaubt. Die Zelllücke kann im Allgemeinen bis zu etwa 10 μm, bevorzugt etwa 0,5 bis etwa 5 μm, betragen, damit die Vorrichtung tristabiles Schalten aufweist.
  • Auf den äußeren Oberflächen der Substrate 2 und 2' sind orthogonal befestigte Polarisatoren 7 und 7' angeordnet, welche jeweils eine Polarisationsachse (oder Lichtdurchlässigkeitsachse) aufweisen. Die Polarisataren können von jedem Aufbau und Material sein, die auf dem Fachgebiet als nützlich in Flüssigkristallanzeigevorrichtungen bekannt sind. Die Polarisationsachse des einen Polarisators ist mit der optischen Nullfeldachse einer getilteten oder induzierten getilteten smektischen Mesophase der Flüssigkristallzusammensetzung 6 ausgerichtet.
  • Chirale Flüssigkristallverbindungen, die für die Verwendung als Polarisationsadditive (Komponente (i) der in der erfindungsgemäßen Vorrichtung verwendeten Flüssigkristallverbindung) geeignet sind, schließen sowohl fluorierte als auch nichtfluorierte chirale Verbindungen (vorzugsweise fluorierte) ein. Derartige Verbindungen umfassen im Allgemeinen zwei Endabschnitte und einen zentralen Kern, welcher die Endabschnitte verbindet. Ein Endabschnitt oder beide können fluoriert sein und/oder eine chirale Einheit enthalten. Der zentrale Kern der Verbindungen umfasst typischerweise mindestens einen oder zwei Ringe, die unabhängig voneinander ausgewählt sind aus aromatischen, heteroaromatischen, alicyclischen, heteroalicyclischen, substituierten aromatischen, substituierten heteroaromatischen, substituierten heteroalicyclischen und substituierten alicyclischen Ringen, wobei die Ringe miteinander über eine kovalente Bindung oder einen organischen verknüpfenden Rest verbunden sind.
  • Geeignete nichtfluorierte Polarisationsadditive (chirale Verbindungen mit zwei Endabschnitten, wobei keiner der beiden ein fluorhaltiger Endabschnitt ist) sind auf dem Fachgebiet bekannt und sind beschrieben worden, z. B. durch H. Nohira, S. Nakamura und M. Kamel in "Synthesis And Mesomorphic Properties Of Ferroelectric Liquid Crystals With A Fluorinated Frame", Mol. Cryst. Liq. Cryst. 1990, 180B, 379–388; durch D. Dijon in Ferroelectric LCDs in Liquid Crystals: Applications and Uses (Ed.: Birenda Bahadur), Vol. 1, 330–333, World Scientific Publishing Ltd., New Jersey (1990) und durch S. Arakawa, K. Nito and J. Seto in "Synthesis Of Fluorine-Containing Ferroelectric Liquid Crystals", Mol. Cryst. Liq. Cryst. 1991, 204, 15–25.
  • Geeignete fluorierte Polarisationsadditive (chirale Verbindungen mit zwei Endabschnitten, wobei einer oder beide ein fluorhaltiger Endabschnitt ist sind) sind ebenfalls auf dem Fachgebiet bekannt. Eine nützliche Klasse derartiger Additive sind die fluorhaltigen Flüssigkristallverbindungen (umfassend einen Fluorkohlenstoff-Endabschnitt; einen chiralen Kohlenwasserstoff- oder Kohlenwasserstoffether-Endabschnitt; und einen zentralen Kern, der die Endabschnitte verbindet), beschrieben in US-Patent Nrn. 4,886,619 (Janulis); 5,254,747 (Janulis) und 5,399,701 (Janulis). Eine andere nützliche Klasse sind die fluorhaltigen Flüssigkristallverbindungen (umfassend einen Fluorether-Endabschnitt; einen chiralen Kohlenwasserstoff- oder Kohlenwasserstoffether-Endabschnitt; und einen zentralen Kern, der die Endabschnitte verbindet), beschrieben in US-Patent Nrn. 5,474,705 (Janulis) und 5,399,291 (Janulis).
  • Eine andere nützliche Klasse fluorierter Polarisationsadditive sind die fluorhaltigen Flüssigkristallverbindungen (umfassend einen chiralen fluorhaltigen Endabschnitt, der gegebenenfalls mindestens ein Ethersauerstoffatom in der Kette enthält; einen chiralen oder achiralen Kohlenwasserstoff- oder Kohlenwasserstoffether-Endabschnitt; und einen zentralen Kern, der die Endabschnitte verbindet), beschrieben sowohl in US-Patent Nrn. 5,474,705 und 5,702,637 als auch in USSN 08/965,348 (eingereicht 6. November 1997; jetzt US-Patent Nr. 5,972,241) und USSN 08/998,400 (eingereicht 24. Dezember 1997; jetzt US-Patent Nr. 6,309,561). Vorzugsweise kann der chirale fluorhaltige Endabschnitt derartiger Verbindungen durch die Formel -D-R*-D-Rf' (II) dargestellt werden, wobei R* eine cyclische oder acyclische Einheit ist; Rf' ein Fluoralkyl-, Perfluoralkyl-, Fluorether- oder Perfluoretherrest ist und jeder Rest D unabhängig voneinander ausgewählt ist aus einer kovalenten Bindung,
    -C(=O)-O-CrH2r-, -O-CrH2r, -O-(O=)C-CrH2r-, -C≡C-,
    -CH=CH-, -C(=O)-,
    -O -((CsH2sO) -tCr'H2r'-, -CrH2r-, -((CsH2sO) -tCr'H2r'-, -O-, -S-,
    -OSO2-, -SO2-, -SO2-CrH2r-,
    Figure 00090001
    -N(CpH2p+1)-,
    -CrH2r-N-C(=O)-, -CH=N-,
    und Kombinationen davon, wobei ein oder mehrere Wasserstoffatome gegebenenfalls durch ein Fluoratom ersetzt sein können, und wobei r und r' unabhängig voneinander ganze Zahlen von 0 bis 20 darstellen, s für jeden Rest (CsH2sO) unabhängig voneinander eine ganze Zahl von 1 bis 10 darstellt, t eine ganze Zahl von 1 bis 6 darstellt und p eine ganze Zahl von 0 bis 4 darstellt.
  • Eine bevorzugte Unterklasse derartiger Verbindungen sind jene mit folgender Formel: R-M-N-(P)a-D-R*-D-Rf'' (III) wobei M, N und P unabhängig voneinander ausgewählt sind aus aromatischen, heteroaromatischen, alicyclischen, heteroalicyclischen, substituierten aromatischen, substituierten heteroaromatischen, substituierten alicyclischen und substituierten heteroalicyclischen Ringen, wobei die einzelnen Ringe kondensiert oder nichtkondensiert sind, und die Ringe miteinander über eine kovalente Bindung oder einen organischen verknüpfenden Rest verbunden sind; R ein Alkyl-, Alkenyl-, Alkoxy- oder Alkoxyalkylenrest ist; D und R* wie vorstehend für Formel II definiert sind; a eine ganze Zahl 0 oder 1 ist; und Rf'' ein Perfluoretherrest ist.
  • Vorzugsweise sind M, N und P unabhängig voneinander ausgewählt aus
    Figure 00100001
    Figure 00110001
    wobei ein oder mehrere Ringwasserstoffatome durch Fluoratome ersetzt sein können; R 4 bis 12 Kohlenstoffatome aufweist; und Rf'' durch die Formel (CxF2xO)zCyF2y+1 dargestellt werden kann, wobei x für jeden Rest (CxF2xO) unabhängig eine ganze Zahl von 1 bis 10 darstellt, y eine ganze Zahl von 1 bis 10 darstellt und z eine ganze Zahl von 1 bis 4 (stärker bevorzugt eine ganze Zahl 2 oder 3) darstellt.
  • Eine stärker bevorzugte Unterklasse derartiger Verbindungen kann durch die Formel IV dargestellt werden:
    Figure 00110002
    wobei ein oder mehrere Ringwasserstoffatome durch Fluoratome ersetzt sein können; und wobei R und Rf'' wie vorstehend für Formel III definiert sind.
  • Bevorzugte chirale Verbindungen zur Verwendung als Polarisationsadditive schließen die durch die folgenden Formeln dargestellten ein:
  • Figure 00110003
  • Figure 00120001
  • Obwohl vorstehend nur ein optisches Isomer für jede Verbindung dargestellt ist, kann entweder das R- oder das S-Isomer in der Flüssigkristallzusammensetzung der erfindungsgemäßen Vorrichtung verwendet werden.
  • Achirale Flüssigkristallverbindungen, die zur Verwendung als Komponente (ii) der Flüssigkristallzusammensetzung der erfindungsgemäßen Vorrichtung geeignet sind, sind jene, die durch die vorstehend aufgeführte Formel (I) dargestellt werden können. Diese achiralen Flüssigkristallverbindungen weisen latentes tristabiles Schaltverhalten auf, das nach Zusatz von einem oder mehreren chiralen Polarisationsadditiven ausgedrückt werden kann. Derartige Verbindungen und deren Herstellung sind beschrieben worden, z. B. in US-Patent Nrn. 5,262,082 (Janulis); 5,437,812 (Janulis); 5,474,705 (Janulis); 5,482,650 (Janulis) und 5,658,491 (Kistner).
  • Vorzugsweise umfasst die Verbindung (ii) Verbindungen der Formel:
    Figure 00120002
    wobei d eine ganze Zahl von 4 bis 12 darstellt; w eine ganze Zahl 0 oder 1 darstellt; x für jeden Rest (CxF2xO) unabhängig eine ganze Zahl von 1 bis 10 darstellt; y eine ganze Zahl von 1 bis 6 darstellt und z eine ganze Zahl von 1 bis 4 darstellt.
  • Bevorzugte achirale Verbindungen schließen ein:
  • Figure 00130001
  • Die Verbindungen, die die Flüssigkristallzusammensetzung der erfindungsgemäßen Vorrichtung umfassen, können latente smektische Eigenschaften aufweisen. Latente smektische Flüssigkristallverbindungen sind jene, welche allein keine bestimmte(n) smektische(n) Mesophase(n), z. B. getiltete smektische Mesophase(n), aufweisen können, aber welche bei Vermischen mit Verbindungen, die smektische Mesophasen aufweisen, oder mit anderen Verbindungen, die latente smektische Mesophasen aufweisen, unter geeigneten Bedingungen smektische Mesophasen entwickeln oder aufweisen.
  • Die erfindungsgemäße Vorrichtung, die die vorstehend beschriebene Flüssigkristallzusammensetzung umfasst, kann entweder durch eine Anzeige mit passiver Matrix oder mit aktiver Matrix betrieben werden. Eine typische Flüssigkristallanzeige besteht z. B. aus zwei Polarisatoren, zwei lichtdurchlässigen Substraten, Schaltelementen oder -elektroden, um Pixel zu definieren, und integrierten Treiberschaltkreisen (ICS, integrated circuits), um Zeilen und Spalten von Pixeln anzusprechen. Die Zeilen und Spalten können aus Streifen aus leitfähigem Material aufgebaut werden.
  • In einer Anzeige mit passiver Matrix können die Pixelmatrixelemente durch die Schnittstellenbereiche der Zeilen und Spalten eines lichtdurchlässigen Leitermaterials, z. B. Indiumzinnoxid (ITO), auf den inneren Flächen der zwei sich gegenüberliegenden Substrate definiert werden. Um eine Flüssigkristallzusammensetzung, die zwischen diesen Pixelmatrixelementen angeordnet ist, zu schalten oder anzusprechen, wird eine Ladung an die geeignete Zeile und Spalte angelegt, um die Orientierung des Flüssigkristallmaterials zu ändern (d. h., um von einem dunklen Pixel zu einem hellen Pixel zu wechseln). Anzeigen mit passiver Matrix sind beschrieben worden z. B. durch Peter J. Collings in Liquid Crystals: Nature's Delicate Phase of Matter, S. 100–103, Princeton University Press (Princeton, New Jersey, 1990) und durch Peter J. Collings und Michael Hird in Introduction to Liquid Crystals Chemistry and Physics, 271–285 (Taylor und Francis Ltd., London, 1997).
  • Um die Einschränkungen von Anzeigen mit passiver Matrix (wie z. B. Übersprechen, verursacht durch treibende Wellenformen) zu überwinden, wurde eine Anzeige mit aktiver Matrix entwickelt. Anzeigen mit aktiver Matrix haben typischerweise Dünnfilm-Transistoren (TFTs) oder Dioden-Arrays auf einem Glassubstrat, welche jedes Pixelelement indirekt ansprechen. Der TFT kann amorphes Silicium (a-Si) oder polykristallines Silicium (p-Si) oder eine Einkristallhalbleitervorrichtung wie z. B. eine Vorrichtung auf Siliciumbasis CMOS (engl. Abkürzung für "Complementary Metal Oxide Semiconductor" – komplementärer Metalloxidhalbleiter) umfassen. Der TFT isoliert elektrisch ein Pixelelement von den anderen in der Anzeige und beseitigt das Problem der zum Teil aktiven Pixel. Der TFT kann einfach als Schalter betrachtet werden; wenn "Ein" ausgewählt ist, lässt er die Ladung durchfließen, und bei "Aus" wirkt er als Barriere, die den Ladungsfluss verhindert oder zumindest beschränkt. Wenn eine Reihe von TFTs angesprochen wird, sind die Gate-Zeilen aktiv und der "Schalter" ist eingeschaltet, was die Ladung von den Spalten in die Pixel fließen und das Bild für die Umrahmung einstellen lässt. Sobald eine Zeile angesprochen worden ist, wird die Gate-Zeile entgegengesetzt eingestellt (der Schalter wird ausgeschaltet), um zu gewährleisten, dass keine Ladung von den Spalten in die Pixelelemente fließen kann. Dadurch ist das Pixel jetzt isoliert, während der Rest der Anzeige angesprochen wird. Aktive Matrixreihen sind beschrieben worden, z. B. durch Collings supra und in US-Patent Nr. 5,631,752 (Tonaka).
  • Die vorstehend beschriebenen Flüssigkristallzusammensetzungen, die in der erfindungsgemäßen Vorrichtung verwendet werden, weisen hervorragendes Schwellspannungsverhalten auf. Die Schwellspannung ist die Spannung, die an eine Vorrichtung angelegt werden muss, um eine bestimmte prozentuale Transmission zu erreichen, wenn die Spannung allmählich erhöht oder verringert wird, um eine wesentliche Änderung der Transmission der Vorrichtung, z. B. einen Wechsel von einem dunklen Zustand (nahe der Nulltransmission) zu einem hellen Zustand (hohe prozentuale Transmission) oder umgekehrt, herbeizuführen. Eine Flüssigkristallzusammensetzung kann unter Verwendung der Schwellspannungswerte V10 (+) und V90 (–) eingeschätzt werden, welche die benötigten Spannungen sind, um Transmissionswerte von 10% bzw. 90% zu erzielen, wenn die Spannung zum Herbeiführen einer Transmissionsänderung von dunkel nach hell erhöht wird. Die Schwellspannungswerte V'10 (+) und V'90 (+) sind die benötigten Spannungen, um Transmissionswerte von 10% und 90% zu erzielen, wenn die Spannung zum Herbeiführen einer Transmissionsänderung von hell nach dunkel verringert wird.
  • Wie die 2 und 3 zeigen, ist es oft günstiger, eine Flüssigkristallzusammensetzung als Funktion des elektrischen Feldes, E, eher als als Funktion der Spannung, einzuschätzen, um eine von der Vorrichtung unabhängigere Einschätzung des Schaltverhaltens einer Zusammensetzung zu erhalten. So können die Werte für E10 (+), E90 (+), E'10 (+) und E'90 (+) erhalten werden, welche mit den Werten V10 (+) usw. folgendermaßen in Zusammenhang stehen: V10 (+) [V]/Zelldicke [μm] = E10 (+) [V/μm].
  • Vorzugsweise weist die in der erfindungsgemäßen Vorrichtung verwendete Flüssigkristallzusammensetzung einen Schwellenwert E10 von weniger als 10 V/μm, stärker bevorzugt weniger als 5 V/μm und am meisten bevorzugt weniger als 1 V/μm auf.
  • Die Hysterese ist ein Kennzeichen, das eine Flüssigkristallzusammensetzung aufweisen kann, in welcher die beobachtete Transmission oder Lichtdurchlässigkeit der Zusammensetzung unterschiedliche Werte in Abhängigkeit davon, ob die angelegte Spannung oder das angelegte elektrische Feld zunimmt oder abnimmt, annimmt. Wenn die Spannung oder das elektrische Feld über einen geeigneten Bereich durchlaufen wird, bildet eine graphische Darstellung der Transmission eine geschlossene Schleife. Der Hysteresewert des elektrischen Feldes Ehyst 90 (+) ist die Differenz des elektrischen Feldes zwischen den Werten E90 (+) und E'90 (+).
  • Viele der in der erfindungsgemäßen Vorrichtung verwendeten Flüssigkristallzusammensetzungen weisen Hysterese auf. Die durch die Zusammensetzungen gezeigte Hysterese ist insbesondere für Anzeigen mit tristabilem Schalten gut geeignet. Bei Zusammensetzungen, die eine relativ große Hysterese (z. B. wie in 2) aufweisen, kann sich die Transmission einer Vorrichtung, die die Zusammensetzung enthält, bei einer geringen Spannungsänderung (besonders bei Temperaturschwankungen) wesentlich ändern, womit sich die Zusammensetzung zum Erzielen einer Grauskala als weniger geeignet erweist.
  • Die Speicherspanne (M) einer Flüssigkristallzusammensetzung ist durch ihre Hysterese und ihr Schwellenverhalten bestimmt. Je größer die Hysterese und je steiler das Schwellenverhalten im allgemeinen sind, desto größer ist die Speicherspanne. Die Speicherspanne entspricht der Bistabilität, die eine Flüssigkristallvorrichtung mit großer Hysterese aufweist. Die Speicherspanne kann wie folgt berechnet werden: M = (E10 – E90)/(E90 – E10) wobei E10 das elektrische Feld ist, bei welchem die Flüssigkristallzusammensetzung eine Transmission von 10% aufweist, während das elektrische Feld von 0 V/μm aus verstärkt wird, E90 das elektrische Feld ist, bei welchem die Flüssigkristallzusammensetzung eine Transmission von 90% aufweist, während das elektrische Feld von 0 V/μm aus verstärkt wird, und E'90 das elektrische Feld ist, bei welchem die Flüssigkristallzusammensetzung eine Transmission von 90% aufweist, während das elektrische Feld von seinem Wert bei 100% Transmission aus reduziert wird. Die Transmission beträgt 0%, wenn das elektrische Feld 0 V/μm ist, und 100%, wenn das elektrische Feld auf einem Maximum ist.
  • Wenn eine Flüssigkristallzusammensetzung eine geringe Hysterese, ein relativ flache Neigung der Spannung/Transmission und eine niedrige Schwellspannung aufweist, nähert sich ihre Speicherspanne –1, wie es 3 zeigt. Wenn die Zusammensetzung keine Hysterese aufweist, beträgt ihre Speicherspanne –1. Flüssigkristallzusammensetzungen, die einen negativen Wert für die Speicherspanne aufweisen, sind besonders nützlich für Vorrichtungen mit aktiver Matrix/Grauskala. Wenn eine Zusammensetzung ein relativ steile Neigung der Kurve elektrisches Feld/Transmission aufweist und/oder ihre Hysterese groß ist, dann hat ihre Speicherspanne einen positiven Wert, wie es 2 zeigt. Flüssigkristallzusammensetzungen, die einen positiven Wert der Memory-Spanne aufweisen, sind besonders nützlich für tristabile Vorrichtungen mit passiver Matrix.
  • Von besonderem Interesse ist das "V-förmige" tristabile Schalten in Flüssigkristallvorrichtungen. Dieses betrifft schwellenfreies, hysteresefreies Schalten, beschrieben z. B. durch S. Inui et al. in J. Mater. Chem. 1996, 6(4), 671–673 und vorgeschlagen für die Verwendung in Vorrichtungen mit aktiver Matrix oder Dünnfilm-Transistoren. Viele der in der erfindungsgemäßen Vorrichtung verwendeten Zusammensetzungen weisen Schalten mit einem sehr niedrigen Schwellenwert und einer geringen Hysterese auf und nähern sich dem idealen "V-förmigen" Schalten an, das durch Inui beschrieben wurde.
  • Beim passiven Ansprechen von Flüssigkristallzusammensetzungen, die spontane Polarisation aufweisen, können jedoch Gemische mit niedriger Polarisation für den praktischen Betrieb einer Flüssigkristallvorrichtung wichtig sein. Polarisationsumkehrfelder sind größer für Gemische mit höherer Polarisation, und Polarisationsumkehrfelder können Umschalten oder teilweises Umschalten zurück zur ursprünglichen Direktororientierung hervorrufen. Das kann zum Verlust der Tristabilität, die für das Betreiben der passiven Matrix der tristabilen Flüssigkristallvorrichtungen entscheidend ist, führen.
  • Ein anderer möglicher Nachteil der Verwendung von Gemischen mit hoher Polarisation ist das teilweise Umschalten ihrer Direktororientierung als Reaktion auf Nichtschaltsignale (sekundäre Signale) in einer treibenden Wellenform. Diese dauernde Reaktion oder Schwankung des Direktors kann eine starke Abnahme des Kontrastverhältnisses einer tristabilen Flüssigkristallvorrichtung verursachen.
  • Die Werte der spontanen Polarisation, Ps, einer getilteten smektischen oder induzierten getilteten smektischen Mesophase der in der erfindungsgemäßen Vorrichtung verwendeten Flüssigkristallzusammensetzungen kann vorzugsweise in dem Bereich von weniger als etwa 100 nC/cm2 im Betriebstemperaturbereich der Vorrichtung liegen. Höhere Werte der spontanen Polarisation erfordern stärkere angelegte Felder, um die Vorrichtung zu schalten. In einer Vorrichtung mit passiver Matrix. kann sich z. B. das Übersprechen verstärken und dadurch die Auflösung verringern. In einer Vorrichtung mit aktiver Matrix können die Dünnfilm-Transistoren (TFTs) lediglich mit einer begrenzten Ladungsmenge pro Zeiteinheit fertig werden, daher kann das Betreiben mit einem stärkeren elektrischen Feld die Transistoren beschädigen. TFTs, die unter den stärkeren Feldern arbeiten können, würden die Kosten der Vorrichtung wesentlich erhöhen.
  • Die Polarisation der Flüssigkristallzusammensetzung kann durch Vermischen einer oder mehrerer chiraler Flüssigkristallverbindungen (Polarisationsadditive, welche Polarisationswerte bis zu etwa 150 bis etwa 250 nC/cm2 in dem Betriebstemperaturbereich der Vorrichtung aufweisen können) mit einer oder mehreren der vorstehend beschriebenen achiralen Flüssigkristallverbindungen, um die Polarisation der Zusammensetzung geeigneterweise einzustellen, reguliert werden. Zur Verwendung in einer tristabilen Flüssigkristallvorrichtung beträgt die Polarisation der Zusammensetzung vorzugsweise weniger als etwa 100 nC/cm2, stärker bevorzugt weniger als etwa 75 nC/cm2 und am meisten bevorzugt weniger als etwa 50 nC/cm2 in dem Betriebstemperaturbereich der Vorrichtung, welcher vorzugsweise etwa 30°C beträgt.
  • Das Verhältnis der Komponente (i) zur Komponente (ii), das zur Herstellung der Flüssigkristallzusammensetzung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zu verwenden ist, wird von den gewünschten Betriebskennziffern der Flüssigkristallvorrichtung, z. B. Nettopolarisation, Betriebstemperaturbereich, Schwellenverhalten, Reaktionszeit, Tiltwinkel und Kontrast abhängen. Die Flüssigkristallzusammensetzung kann im Allgemeinen etwa 5 bis etwa 50 Gew.-% oder sogar mehr der Polarisationsadditivkomponente (Komponente (i)) und etwa 95 bis etwa 50 Gew.-% oder weniger der achiralen Komponente (Komponente (ii)) enthalten. Die bevorzugten Bereiche werden die gewünschten Betriebskennziffern der Vorrichtung widerspiegeln.
  • Eine der wichtigsten Kennziffern einer Flüssigkristallanzeigevorrichtung ist ihre Reaktionszeit, d. h. die von der Vorrichtung benötigte Zeit, um vom "Aus"-Zustand (dunkler Zustand) zum "Ein"-Zustand (heller Zustand) umzuschalten. In einer ferroelektrischen oder antiferroelektrischen Vorrichtung ist die Reaktionszeit (r = ηsin2θ/PsE) proportional der Rotationsviskosität (η) der in der Vorrichtung enthaltenen Flüssigkristallzusammensetzung, außerdem proportional dem Quadrat des Sinus des Konustiltwinkels (θ) einer getilteten oder induzierten getilteten smektischen Mesophase der Zusammensetzung und ist umgekehrt proportional der Polarisation (Ps) der Zusammensetzung und dem angelegten elektrischen Feld (E). Dadurch können mit Zusammensetzungen, die wünschenswert niedrige Polarisationen aufweisen, schnelle Reaktionszeiten durch Verwendung von Zusammensetzungen mit niedriger Viskosität erzielt werden.
  • Wenn die Flüssigkristallzusammensetzung einer Vorrichtung so orientiert ist, dass eine optische Nullfeldachse (Schichtnormal) parallel zur Polarisationsachse einer der gekreuzten Polarisatoren der Vorrichtung verläuft, folgt die Transmission der Vorrichtung der nachstehend angeführten allgemeinen Transmissionsgleichung, und tristabiles Schalten unter Anlegen eines elektrischen Feldes wird bewirkt: I = IO(sin2(2θ))(sin2(πΔnd/λ)), wobei IO = Transmission durch die parallelen Polarisatoren, θ = Konustiltwinkel der Flüssigkristallzusammensetzung, Δn = Doppelbrechung der Flüssigkristallzusammensetzung, d = Vor richtungsabstand (die Zelllücke) und λ = Wellenlänge des verwendeten Lichtes. Die maximale Transmission wird erzielt, wenn sich sowohl der Term sin2(2θ) als auch der Term sin2(πΔnd/λ) auf einem Maximum befindet (jeder Term gleich 1 ist). Da sich der erste Term auf einem Maximum befindet, wenn die Flüssigkristallzusammensetzung in der Vorrichtung einen Konustiltwinkel von 45° aufweist, sind Flüssigkristallverbindungen mit einem Konustiltwinkel nahe 45° (oder welche, die mit anderen Flüssigkristallverbindungen gemischt werden können, um Zusammensetzungen mit einem Konustiltwinkel nahe 45° zu bilden) auf dem Fachgebiet äußerst erwünscht.
  • Die fluorierten chiralen getilteten smektischen Verbindungen, die in der Flüssigkristallzusammensetzung der erfindungsgemäßen Vorrichtung verwendet werden, weisen einige wünschenswerte Eigenschaften auf, wenn sie vermischt mit anderen Flüssigkristallverbindungen, bevorzugt Verbindungen mit fluorierten Endabschnitten wie jene Verbindungen, beschrieben z. B. in US-Patent Nrn. 4,886,619 (Janulis), 5,082,587 (Janulis) und 5,262,082 (Janulis et al.), verwendet werden. Die Verbindungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung zeigen, wenn sie mit derartigen bevorzugten Flüssigkristallverbindungen vermischt werden, z. B. hervorragende Kompatibilität, eine vorteilhafte Wirkung oder nur eine minimale negative Wirkung auf den getilteten smektischen oder induzierten getilteten smektischen Temperaturbereich der erhaltenen Gemische (sogar, wenn in hohen Konzentrationen vorliegend), ermöglichen die Regulierung des Schichtzwischenraums und liefern tristabile schaltbare Gemische mit schnellen elektrischen Reaktionszeiten, niedrigen Polarisationen und niedrigen Viskositäten, wenn sie in der erfindungsgemäßen Vorrichtung verwendet werden.
  • Die getiltete smektische oder induzierte getiltete smektische Mesophase einer Flüssigkristallzusammensetzung umfasst Schichten von Flüssigkristallmolekülen, die bei Fehlen eines elektrischen Feldes getiltet sind. Die smektische Mesophase vom Typ A ist normalerweise nicht getiltet, aber für einige der in der erfindungsgemäßen Vorrichtung verwendeten Flüssigkristallverbindungen kann durch Anlegen eines elektrischen Feldes ein Tilt induziert werden, und tristabiles Schalten kann beobachtet werden. Vorrichtungen, die tristabiles Schalten in einer smektischen Mesophase vom Typ A aufweisen, haben im Allgemeinen Kurven elektrisches Feld/Transmission, die durch eine geringe oder keine Hysterese und keine steilen Übergänge charakterisiert sind.
  • Aufgaben und Vorteile dieser Erfindung werden weiter durch die folgenden Beispiele erläutert, aber sowohl die speziellen Materialien und Anteile davon, die in diesen Beispielen vorgetragen werden, als auch andere Bedingungen und Details sollen nicht als übermäßige Beschränkung dieser Erfindung aufgefasst werden.
  • In den folgenden Beispielen sind alle Temperaturen in °C angegeben und alle Teile und prozentualen Anteile auf Gewicht bezogen, wenn nicht anders angegeben. Im Handel erhältliche Stoffe wurden durch Reaktionswege umgewandelt, die den Fachleuten bekannt sind. Chemische Umwandlungen umfassten Acylierung, Veresterung, Veretherung, Alkylierung und Kombinationen davon unter Verwendung fluorhaltiger und nichtfluorhaltiger Reaktanten, um die Vorstufenverbindungen zu liefern, welche wiederum dazu geführt wurden, miteinander zu reagieren, um die in der erfindungsgemäßen Vorrichtung verwendeten Flüssigkristallverbindungen zu ergeben.
  • Die für die Verwendung in der erfindungsgemäßen Vorrichtung hergestellten Verbindungen wurden durch ihren Schmelz- oder Siedepunkt charakterisiert, und die Strukturen wurden durch Anwendung von mindestens einem der folgenden Analysenverfahren bestätigt: Chromatographie, 13C-, 1H- und 19F-NMR; und Infrarot- und Massenspektroskopie.
  • Beispiele
  • Beispiele 1 bis einschließlich 20 und Vergleichsbeispiele A und B
  • Flüssigkristallanzeigevorrichtungen wurden folgendermaßen hergestellt und eingeschätzt:
  • Auf eine Glasplatte, versehen mit einer ITO-Schicht, die ein vorgeschriebenes Muster aufwies, wurde eine Lösung von 0,5 Gew.-% Nylon-6,6 in Ameisensäure durch Schleuderbeschichtung aufgebracht, gefolgt durch Trocknen und Unterziehen der erhaltenen Nylonfolie einer Orientierungsbehandlung durch Reiben, um eine 400 Å (40 nm) dicke Orientierungsregulierungsschicht zu bilden. Auf eine andere Glasplatte, versehen mit einer ITO-Schicht, die ein vorgeschriebenes Muster aufwies, wurde eine Lösung eines Polysiloxans wie z. B. TechniglasTM GR651L durch Schleuderbeschichtung aufgebracht, gefolgt durch Heißhärten, um eine 200 Å (20 nm) dicke Orientierungsregulierungsschicht zu bilden. Zwei Platzhalter (Durchschnittsgröße 2 μm) wurden auf einer der Glasplatten angeordnet, und die Platten wurden zusammengebracht, um eine leere Zelle mit einer Zelllücke von 2,3 μm zu liefern.
  • Einige leere Zellen wurden auf die vorstehend beschriebene Art hergestellt und mit den in Tabelle 1 aufgeführten Flüssigkristallzusammensetzungen bei etwa 5 Grad über dem Klärpunkt (die Temperatur von der isotropen zur smektischen Phase) der Zusammensetzung unter Stickstoffatmosphäre gefüllt. Die Flüssigkristallzusammensetzung wurde an die Öffnung der Zellen gebracht, und die Zellen wurden in einen Trockenschrank bei Raumtemperatur gelegt. Der Trockenschrank wurde mit einer Vakuumpumpe evakuiert und einige Male mit Stickstoff rückgespült. Die Temperatur des Trockenschrankes wurde unter Stickstoffatmosphäre auf 5 Grad über dem Klarpunkt erhöht. Die Zellen wurden auf dieser Temperatur für etwa 15 bis 30 Minuten gelassen, eine für die Zelle ausreichende Zeit, um sich durch Kapillarwirkung zu füllen, dann im Trockenschrank auf natürliche Weise über 3 bis 4 Stunden, in Abhängigkeit von der Klärpunkttemperatur, auf Raumtemperatur abkühlen gelassen. Jeglicher Überschuss an Flüssigkristallzusammensetzung wurde von jeder Zelle unter Verwendung von Baumwolltupfern abgewischt, und die Öffnungen der Zellen wurden unter Verwendung eines im Handel erhältlichen Epoxides verschlossen. Silberbeschichtete Zuleitungsdrähte wurden an den ITO-Kontaktunterlagen der Zellen unter Verwendung eines Indium/Zinn-Lötmittels befestigt.
  • Jede Zelle wurde in einen Heiztisch mit Öffnungen gelegt, um Licht durchfallen zu lassen. Der Heiztisch wurde zwischen den gekreuzten Polarisatoren eines Durchlicht-Polarisationsmikroskopes angeordnet. Das Mikroskop wurde mit einer Fotoverstärkerröhre (PMT, "photomultiplier tube") Hamamatsu HC 124–01 und einem Verstärker ausgerüstet, um die Mengen des durchfallenden Lichtes festzustellen. Das Ausgangssignal des PMT-Verstärkers wurde an ein Oszilloskop Tektronix TDS 420 angeschlossen. Ein Testsignal in Dreieckswellenform wurde durch einen Arbiträr-Funktionsgenerator Wavetek 395 erzeugt. Das Signal vom Generator wurde durch einen Breitbandverstärker Krone-Hite 7602 verstärkt. Das Oszilloskop wurde eingestellt, um das Transmissionssignal gegen das Testsignal in Dreieckswellenform aufzuzeichnen. Die Zelle wurde bis etwa 10 Grad oberhalb des isotropen Übergangs der Flüssigkristallzusammensetzung erwärmt und bei 0,5 Grad pro Minute zur smektischen Phase vom Typ A zurückgekühlt, ohne dass ein Signal an die Zelle angelegt wurde.
  • Die Mikroskoptisch wurde gedreht, um eine optische Nullfeldachse (Normal der smektischen Schicht) der Flüssigkristallzusammensetzung mit einem der gekreuzten Polarisatoren auszurich ten. Die Zelle wurde auf einige Grad oberhalb einer getilteten smektischen Phase der Flüssigkristallzusammensetzung abgekühlt. Damit die getiltete Phase nachgewiesen werden konnte, wurde das Dreieckssignal an die Zelle angelegt. Eine Phasenänderung (bei TC) von der smektischen Mesophase vom Typ A zur getilteten smektischen Mesophase wurde durch eine Änderung im Transmissionssignal zu einer nichtlinearen Reaktion festgestellt. In einer smektischen Mesophase vom Typ A ist jedes Transmissionssignal von der PMT auf einen elektroklinen Effekt zurückzuführen, welcher eine gebietslose lineare Transmissionsreaktion liefert. In einer getilteten smektischen oder induzierten getilteten smektischen Mesophase wird die Transmissionsreaktion nichtlinear. Kurven der Transmission gegen die Spannung wurden bei den ausgewählten Frequenzen und ausgewählten Temperaturen erzeugt, die nachstehend in Tabelle 2 angezeigt sind.
  • In einer anderen Ausführungsform wurden einige graphische Darstellungen Transmission/Spannung unter Verwendung eines DC-Sweep ermittelt. Unter Verwendung der vorstehend beschriebenen Geräte wurde das Oszilloskop eingestellt, um Spannung gegen Zeit und Transmission gegen Zeit, anstelle Transmission gegen Spannung, aufzuzeichnen. Die Daten wurden wie folgt aufgenommen: der DC-Spannungswert wurde auf eine gewünschte Spannung eingestellt, und der Transmissionswert wurde nach einer Verzögerung von 10 Sekunden bis zu einer Minute gemessen, um das Flüssigkristallschalten beruhigen zu lassen. Die DC-Spannung wurde auf den nächsten Spannungswert eingestellt, und der Transmissionswert wurde wieder aufgezeichnet, nachdem das Schalten beruhigen gelassen wurde. Das Verfahren wurde in einem Sweep wiederholt, beginnend von der Nullspannung zu einer positiven Spannung, ausreichend zum Erzielen einer maximalen Transmission, dann zurück durch Null Volt zu einer negativen Spannung, ausreichend zum Erzielen einer maximalen Transmission, dann wurde die DC-Spannung auf Null Volt zurückgeführt. Testmessungen unter Verwendung dieses Verfahrens in einer anderen Ausführungsform sind in Tabelle 2 als "DC-Sweep" unter dem Spaltenkopf "Frequenz" angeführt.
  • Die Flüssigkristallzusammensetzungen wurden für die Übergangstemperaturen durch optische Beobachtung der Stoffphasenveränderungen unter Verwendung eines Heiztisches Linkham THM600 und eines Zeiss-Polarisationsmikroskopes ausgewertet. Die Übergangstemperaturen (°C) wurden nach Kühlen durch den isotropen Zustand (I) zu der smektischen Mesophase vom Typ A (SA) und der smektischen Mesophase vom Typ C (SC) erreicht, und sind in Tabelle 3 dargestellt.
  • Die Polarisationen der Flüssigkristallzusammensetzungen wurden im Wesentlichen wie von Miyasato et al. in Jap. Appl. Phys. 1983, 22, 661 beschrieben ermittelt. Die elektronische Reaktion τelektrisch wurde aus dem Verschiebungsstrom der Flüssigkristallvorrichtung unter einem angelegten Rechteckspannungsimpuls abgeleitet. Der Strom wurde dann auf einem Oszilloskop mit 100 MHz Bandbreite betrachtet. Der üblichen exponentiellen Abnahme, die mit einem mit einem Dielektrikum gefüllten Kondesator in Verbindung steht, folgte der Schaltungsimpuls der spontanen Polarisation (PS). Die Zeit vom Ansteigen des Randes des Spannungsimpulses auf den Peak des PS-Impulses wurde als τelektrisch genommen. Die Rotationsviskosität (smektische Viskosität, η) wurde wie nachstehend angeführt berechnet: η[10–3 kg/m·s] = 0,01·PS·E·τelektrisch wobei die Einheiten von PS, E und τelektrisch nC/cm2, V/μm bzw. μs sind. Der Tiltwinkel ϕ des Gemisches wurde als Hälfte des Winkels, der die Extinktionspunkte der durchlaufenen Zustände trennt, angenommen. Die Ergebnisse dieser Messungen sind in Tabelle 3 aufgeführt.
  • Tabelle 1
    Figure 00240001
  • Figure 00250001
  • Figure 00260001
  • Figure 00270001
  • Figure 00280001
  • Figure 00290001
  • USSN 08/965,348 ist jetzt US-Patent Nr. 5,972,241, und USSN 08/998,400 ist jetzt US-Patent Nr. 6,309,561.
  • Tabelle 2
    Figure 00300001
  • In Tabelle 2 weisen die Vergleichsbeispiele Bistabilität, d. h. Schalten zwischen den ferroelektrischen Zuständen ohne Durchlaufen eines einheitlichen dunklen Zustandes, auf.
  • Tabelle 3
    Figure 00310001
  • Die Daten in den Tabellen 2 und 3 zeigen an, dass die erfindungsgemäßen Vorrichtungen, gefüllt mit den in Tabelle 1 beschriebenen Flüssigkristallzusammensetzungen, im Allgemeinen Schwellenwerte E10 von weniger als etwa 10 V/μm und Polarisationen (PS) von weniger als etwa 100 nC/cm2 aufweisen. Deshalb weisen die Flüssigkristallzusammensetzungen Kennziffern auf, die für tristabile Schaltungsvorrichtungen vorteilhaft sind. Die Beispiele 3, 8 und 20 zeigen Werte der Memory-Spanne zwischen 0 und –1 und sind besonders geeignet für die Verwendung in Vorrichtungen mit aktiver Matrix. Alle anderen Beispiele zeigen positive Werte der Memory-Spanne und sind besonders geeignet für die Verwendung in Vorrichtungen mit passiver Matrix.

Claims (12)

  1. Tristabile Flüssigkristallanzeigevorrichtung, umfassend (a) ein erstes Substrat und ein zweites Substrat, die sich gegenüberliegen, wobei mindestens eines der Substrate eine Orientierungsschicht trägt und jedes der Substrate mindestens eine Elektrode aufweist, um ein oder mehrere Pixel zu definieren; (b) eine getiltete smektische oder induzierte getiltete smektische Flüssigkristallzusammensetzung, welche zwischen den Substraten angeordnet ist, und (c) ein Paar von orthogonal angeordneten Polarisatoren, welche jeweils eine Polarisationsachse aufweisen, wobei eine der Polarisationsachsen mit der optischen Nullfeldachse einer getilteten smektischen oder induzierten getilteten smektischen Mesophase der Flüssigkristallzusammensefzung ausgerichtet ist; wobei die Substrate so angeordnet sind, dass eine Ausrichtung der Flüssigkristallzusammensetzung bereitgestellt wird, wobei die Zusammensetzung umfasst (i) mindestens eine chirale Flüssigkristallverbindung und (ii) mindestens eine achirale Flüssigkristallverbindung, welche dargestellt wird durch die folgende Formel: R-M-N-(P)a-OCH2Rf (I) wobei M, N und P jeweils unabhängig voneinander ausgewählt sind aus
    Figure 00330001
    Figure 00340001
    wobei ein oder mehrere Ringwasserstoffatome durch Fluoratome ersetzt sein können; die Ringe miteinander über eine kovalente Bindung oder einen organischen verknüpfenden Rest verbunden sind; R ein Alkyl-, Alkenyl-, Alkoxy- oder Alkoxyalkylenrest ist; a eine ganze Zahl 0 oder 1 ist; und Rf ein Perfluoretherrest ist; wobei die Flüssigkristallzusammensetzung tristabiles Schalten aufweist.
  2. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei die Flüssigkristallzusammensetzung, um 10% Transmission (E10) zu erreichen, einen Schwellenwert des elektrischen Feldes von weniger als 10 V/μm aufweist und wobei die Flüssigkristallzusammensetzung eine Polarisation (PS) von weniger als 100 nC/cm2 in dem Betriebstemperaturbereich der Vorrichtung aufweist.
  3. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei die Flüssigkristallzusammensetzung eine Speicherspanne (memory margin) (M) von 0 bis –1 aufweist.
  4. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei die Flüssigkristallzusammensetzung V-förmiges Schalten aufweist.
  5. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei R 4 bis 12 Kohlenstoffatome aufweist; und wobei Rf 5 bis 16 Kohlenstoffatome aufweist und dargestellt ist durch die Formel (CxF2xO)zCyF2y+1, wobei x für jeden Rest (CxF2xO) unabhängig eine ganze Zahl von 1 bis 10 darstellt, y eine ganze Zahl von 1 bis 10 darstellt und z eine ganze Zahl von 1 bis 4 darstellt.
  6. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei die achirale Flüssigkristallverbindung dargestellt ist durch die Formel:
    Figure 00350001
    wobei d eine ganze Zahl von 4 bis 12 darstellt; w eine ganze Zahl 0 oder 1 ist; x für jeden Rest (CxF2xO) unabhängig eine ganze Zahl von 1 bis 10 darstellt; y eine ganze Zahl von 1 bis 6 darstellt; und z eine ganze Zahl von 1 bis 4 darstellt.
  7. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei die achirale Flüssigkristallverbindung dargestellt ist durch eine der folgenden Formeln:
    Figure 00360001
  8. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei die chirale Flüssigkristallverbindung eine fluorenthaltende Flüssigkristallverbindung ist, umfassend einen chiralen fluorhaltigen Endabschnitt, welcher ggf. mindestens ein Ethersauerstoffatom in der Kette umfasst; einen chiralen oder achiralen Kohlenwasserstoff- oder Kohlenwasserstoffether-Endabschnitt; und einen zentralen Kern, welcher die Endabschnitte verbindet.
  9. Vorrichtung gemäß Anspruch 8, wobei die chirale Flüssigkristallverbindung dargestellt ist durch die Formel: R-M-N-(P)a-D-R*-D-Rf'' (III)wobei M, N und P unabhängig voneinander ausgewählt sind aus aromatischen, heteroaromatischen, alicyclischen, heteroalicyclischen, substituierten aromatischen, substituierten heteroaromatischen, substituierten alicyclischen und substituierten heteroalicyclischen Ringen, wobei die einzelnen Ringe kondensiert oder nicht- kondensiert sind, und die Ringe miteinander über eine kovalente Bindung oder einen organischen verknüpfenden Rest verbunden sind; R ein Alkyl-, Alkenyl-, Alkoxy- oder Alkoxyalkylenrest ist; a eine ganze Zahl 0 oder 1 ist; R* eine cyclische oder acyclische chirale Einheit ist; jeder Rest D unabhängig voneinander ausgewählt ist aus einer kovalenten Bindung, -C(=O)-O-CrH2r-, -O-CrH2r, -O-(O=)C-CrH2r-, -C≡C-, -CH=CH-, -C(=O)-, -O -((CsH2sO) -tCr'H2r'-, -CrH2r-, -((CsH2sO) -tCr'H2r'-, -O-, -S-, -OSO2-, -SO2-, -SO2-CrH2r-,
    Figure 00370001
    -N(CpH2p+1)-, -CrH2r-N-C(=O)-, -CH=N-, und Kombinationen davon, wobei ein oder mehrere Wasserstoffatome gegebenenfalls durch ein Fluoratom ersetzt sein können, und wobei r und r' unabhängig voneinander ganze Zahlen von 0 bis 20 darstellen, s für jeden Rest (CsH2sO) unabhängig voneinander eine ganze Zahl von 1 bis 10 darstellt, t eine ganze Zahl von 1 bis 6 darstellt und p eine ganze Zahl von 0 bis 4 darstellt; und Rf'' ein Perfluoretherrest ist.
  10. Vorrichtung gemäß Anspruch 9, wobei die chirale Flüssigkristallverbindung dargestellt ist durch die Formel
    Figure 00370002
    wobei ein oder mehrere Ringwasserstoffatome durch Fluoratome ersetzt sein können.
  11. Vorrichtung gemäß Anspruch 8, wobei die chirale Flüssigkristallverbindung dargestellt ist durch eine der folgenden Formeln:
    Figure 00380001
  12. Verfahren zum Betreiben einer tristabilen Flüssigkristallanzeigevorrichtung, umfassend den Schritt des Anlegens einer Spannung an die Flüssigkristallanzeigevorrichtung gemäß Anspruch 1, welche die Flüssigkristallzusammensetzung umfasst, wobei die Spannung ausreichend ist um zu bewirken, dass sich die optische Nullfeldachse der Flüssigkristallzusammensetzung von einem Nullfeldzustand in einen ferroelektrischen Zustand ändert und ein Netto-Tilt in der optischen Nullfeldachse erhalten wird.
DE69914210T 1998-08-10 1999-02-19 Tristabile flüssigkristallanzeigevorrichtung Expired - Fee Related DE69914210T2 (de)

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US131585 1998-08-10
US09/131,585 US6084649A (en) 1998-08-10 1998-08-10 Tristable liquid crystal display device
PCT/US1999/003595 WO2000009628A1 (en) 1998-08-10 1999-02-19 Tristable liquid crystal display device

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