KR20080031636A

KR20080031636A - 액정 매질

Info

Publication number: KR20080031636A
Application number: KR1020070099223A
Authority: KR
Inventors: 마이클 비텍; 라스 리에짜우
Original assignee: 메르크 파텐트 게엠베하
Priority date: 2006-10-04
Filing date: 2007-10-02
Publication date: 2008-04-10
Also published as: EP1908812A1; DE502007006165D1; TW200831647A; ATE494350T1; US20080083902A1; JP5496449B2; TWI413676B; US7670655B2; JP2008095098A; EP1908812B1

Abstract

본 발명은 하기 화학식 I의 화합물 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 액정 매질에 관한 것이다:

상기 식에서,

R⁰는 할로겐화되거나 치환되지 않은 탄소수 1 내지 15의 알킬 또는 알콕시 라디칼이고, 이들 라디칼중의 하나 이상의 CH₂ 기는 O 원자가 서로 직접 연결되지 않는 방식으로 서로 독립적으로 -C≡C-, -CF₂O-, -CH=CH-,

, -O-, -CO-O- 또는 -O-CO-로 대체될 수 있고;

X⁰는 F, Cl, CN, SF₅, SCN, NCS, 또는 탄소수 6 이하의 할로겐화된 알킬 라디칼, 할로겐화된 알켄일 라디칼, 할로겐화된 알콕시 라디칼 또는 할로겐화된 알켄일옥시 라디칼이고;

Y¹ 및 Y²는 서로 독립적으로 H 또는 F이다.

Description

액정 매질{LIQUID CRYSTALLINE MEDIUM}

본 발명은 액정 매질(LC 매질), 전기-광학 목적을 위한 이들의 용도, 및 상기 매질을 함유하는 디스플레이에 관한 것이다.

액정은 가해진 전압에 의해 상기 물질의 광학 특성이 변형될 수 있기 때문에, 대체로 디스플레이 디바이스에서 유전체로서 사용된다. 액정을 기제로 한 전기-광학 디바이스는 당해 분야의 숙련자에게 매우 널리 공지되어 있고, 다양한 효과에 근거할 수 있다. 이러한 디바이스의 예는 동적 산란을 갖는 셀, DAP(정렬된 상의 변형(deformation of aligned phases)) 셀, 게스트/호스트 셀, 비틀린 네마틱 구조를 갖는 TN 셀, STN(초 비틀린 네마틱(supertwisted nematic)) 셀, SBE(초 복굴절 효과(superbirefringence effect)) 셀 및 OMI(광학 모드 간섭(optical mode interference)) 셀이다. 가장 통상적인 디스플레이 디바이스는 샤트-헬프리치(Schadt-Helfrich) 효과에 근거하고, 비틀린 네마틱 구조를 갖는다.

액정 물질은 양호한 화학 안정성, 열 안정성, 및 전기장 및 전자기 방사선에 대한 양호한 안정성을 가져야 한다. 또한, 액정 물질은 저 점도를 가져야 하고, 셀에서의 짧은 어드레싱(addressing) 시간, 낮은 역치 전압 및 높은 콘트라스트(contrast)를 생성시켜야 한다.

또한, 이들은 일반적인 작동 온도, 즉 실온 보다 높거나 낮은 가능한 가장 넓은 범위에서, 전술한 셀에 대한 적합한 메소상, 예컨대 네마틱 또는 콜레스테릭 메소상을 가져야 한다. 일반적으로, 액정은 다수의 성분들의 혼합물로서 사용되기 때문에, 성분들이 서로 용이하게 혼화되는 것이 중요하다. 추가의 특성, 예컨대 전기 전도성, 유전 이방성 및 광학 이방성은 셀 유형 및 적용 분야에 따라 다양한 요건을 충족시켜야 한다. 예를 들어, 비틀린 네마틱 구조를 갖는 셀을 위한 물질은, 포지티브 유전 이방성 및 낮은 전기 전도성을 가져야 한다.

예를 들어, 개개의 화소를 스위칭(switching) 하기 위한 집적된 비선형 소자(element)를 갖는 매트릭스 액정 디스플레이(MLC 디스플레이)에 있어서, 큰 포지티브 유전 이방성, 넓은 네마틱 상, 비교적 낮은 복굴절, 매우 높은 비저항, 양호한 UV 및 온도 안정성, 및 낮은 증기압을 갖는 매질이 바람직하다.

이러한 유형의 매트릭스 액정 디스플레이는 공지되어 있다. 개개의 화소를 각각 스위칭하기 위해 사용될 수 있는 비선형 소자는, 예컨대 활성 소자(즉, 트랜지스터)이다. 따라서, 용어 "활성 매트릭스"를 사용하며, 다음의 두 가지 유형을 구분 지울 수 있다:

유형 1: 기판으로서 규소 웨이퍼(wafer) 상의 MOS(금속 산화물 반도체) 또는 다른 다이오드.

유형 2: 기판으로서 유리 판 상의 박막 트랜지스터(TFT).

기판 물질로서 단일 결정 규소의 사용은, 다양한 부품-디스플레이의 모듈 어셈블리(modular assembly)가 접합시 문제를 일으키기 때문에 디스플레이의 크기를 제한한다.

더욱 유망한 유형 2(이는 바람직하다)의 경우, 사용되는 전기-광학 효과는 일반적으로 TN 효과이다. 두 가지 기술(즉, 반도체 화합물, 예컨대 CdSe를 포함하는 TFT, 또는 다결정 또는 비정질 규소를 기제로 한 TFT)에는 차이가 있다. 후자의 기술은 세계적으로 많은 연구가 되고 있다.

TFT 매트릭스는 디스플레이 중 한 개의 유리 판 내부에 적용되는 반면, 다른 유리 판은 그의 내부에 투명한 상대전극을 갖는다. 화소 전극의 크기와 비교하여, TFT는 매우 작고, 실질적으로 이미지에 대해 어떠한 악영향도 미치지 않는다. 또한, 이러한 기술은, 필터 소자가 각각의 스위칭될 수 있는 화소에 대향되는 방식으로 적색, 녹색 및 청색 필터의 모자이크가 배열되어 있는 풀칼라성(fully colour-capable) 디스플레이로 확장될 수 있다.

TFT 디스플레이는 투과시 교차된 편광기를 갖는 TN 셀로서 일반적으로 작동하고, 후면 조명이다.

용어 "MLC 디스플레이"는 집적된 비선형 소자를 갖는 임의의 매트릭스 디스플레이, 즉 활성 매트릭스 외에도, 수동 소자, 예컨대 배리스터 또는 다이오드를 갖는 디스플레이(MIM(금속-절연체-금속)) 또한 포함한다.

이러한 유형의 MLC 디스플레이는 TV 용도(예를 들면, 휴대용 소형 TV), 또는 컴퓨터 용도(랩탑 컴퓨터) 및 자동차 또는 항공기 구조에서의 고 정보 디스플레이용에 특히 적합하다. 콘트라스트의 각 의존성 및 응답 시간에 관한 문제 외에도, 부적당하게 높은 액정 혼합물의 비저항 때문에 MLC 디스플레이에서도 또한 문제가 발생한다([문헌] TOGASHI, S., SEKIGUCHI, K., TANABE, H., YAMAMOTO, E., SORIMACHI, K., TAJIMA, E., WATANABE, H., SHIMIZU, H., Proc. Eurodisplay 84, Sept. 1984: 이중 단계 다이오드 고리로 제어된 210-288 매트릭스 LCD, 141쪽ff, 파리; [문헌] STROMER, M., Proc. Eurodisplay 84, Sept. 1984: 텔레비전 액정 디스플레이의 매트릭스 어드레싱용의 박막 트랜지스터의 설계, 145쪽ff, 파리). 저항이 감소하면서, MLC 디스플레이의 콘트라스트는 저하되고, 잔상 제거 문제가 발생할 수 있다. 액정 혼합물의 비저항은 디스플레이의 내부 표면과의 상호작용으로 인해 MLC 디스플레이의 수명을 일반적으로 감소시키기 때문에, 허용될 수 있는 사용 수명을 획득하기 위해서 높은(최초) 저항이 매우 중요하다. 특히, 저-전압 혼합물의 경우, 지금까지는 매우 높은 비저항 값을 얻는 것이 불가능하였다. 온도가 증가됨에 따라 그리고 가열 및/또는 UV 노출된 후, 비저항은 가능한 한 최소 증가치를 나타내는 것이 또한 중요하다. 종래 기술로부터의 혼합물의 저온 특성 또한 특히 불리하다. 결정화 및/또는 스메틱 상은 심지어 저온에서도 생기지 않아야 하고, 점도의 온도 의존성은 가능한 한 낮아야 함이 요구된다. 따라서, 종래 기술로부터의 MLC 디스플레이는 오늘날의 요건을 충족시키지 않는다.

역광 조명을 사용하는 액정 디스플레이(즉, 투과형(transmissively)으로 작동되고 필요에 따라 반투과형(transflectively)으로 작동되는 것) 외에도, 반사 액 정 디스플레이도 특히 관심사이다. 이들 반사 액정 디스플레이는 정보 디스플레이용으로 주변광을 사용한다. 따라서, 이들은 상응하는 크기 및 해상도를 갖는 후면 조명 액정 디스플레이보다 현저하게 적은 에너지를 소비한다. TN 효과는 매우 양호한 콘트라스트를 특징으로 하기 때문에, 이러한 유형의 반사 디스플레이는 심지어 밝은 주위 상태에서도 매우 잘 판독될 수 있다. 이는 단순한 반사 TN 디스플레이로 이미 공지되어 있고, 예를 들어 시계 및 휴대용 소형 계산기에서 사용된다. 그러나, 상기 원리는 또한 고화질, 고해상도 활성 매트릭스-어드레싱 디스플레이, 예컨대 TFT 디스플레이에 적용될 수 있다. 여기서, 일반적으로 통상적인 투과 TFT-TN 디스플레이에서 이미 보여 지듯이, 낮은 복굴절(Δn) 액정의 사용은 낮은 광학 지연(d·Δn)을 달성하기 위해 필요하다. 이러한 낮은 광학 지연은 통상적으로 콘트라스트의 허용가능한 낮은 시야각 의존도를 야기한다([문헌] DE 30 22 818 참조). 반사 디스플레이에서의 낮은 복굴절의 액정의 사용은 투과 디스플레이에서보다 훨씬 중요한데, 이는 빛이 통과하는 이를 통한 효과 층 두께가 동일한 층 두께를 갖는 투과 디스플레이에서보다 반사 디스플레이에서 약 2배 크기 때문이다.

따라서, 상기 단점들을 갖지 않거나 또는 단지 감소시킨, 매우 높은 비저항을 갖는 동시에 넓은 작동-온도 범위, 더욱 낮은 온도에서의 짧은 응답 시간 및 낮은 역치 전압을 갖는 MLC 디스플레이에 대한 많은 요구가 계속되고 있다.

TN(샤트-헬프리치) 셀에서, 다음의 장점을 상기 셀에서 촉진시키는 매질이 바람직하다:

-확장된 네마틱 상 범위(특히 저온으로 낮춘다);

-극히 낮은 온도에서의 스위칭 능력(야외 용도, 자동차, 항공 전자 공학);

-UV 방사선에 대한 증가된 저항성(보다 긴 사용 수명);

-낮은 역치 전압.

종래 기술로부터 입수 가능한 매질은 다른 파라미터를 유지하면서, 상기 장점들을 얻을 수 없었다.

초 비틀린(STN) 셀의 경우, 보다 많은 다양성 및/또는 보다 낮은 역치 전압 및/또는 보다 넓은 네마틱 상 범위(특히, 저온에서)를 허용하는 매질이 바람직하다. 이를 위해, 이용가능한 파라미터 범위(투명점, 스메틱-네마틱 전이 또는 융점, 점도, 유전 파라미터, 탄성 파라미터)를 더욱 넓히는 것이 매우 바람직하다.

특히, 모바일 비디오 제품(예를 들어, 영화 또는 비디오 게임과 같은 멀티미디어 기능을 갖춘 휴대폰, PDA 또는 노트북) 장치의 LC 디스플레이의 경우, 응답 시간에서 현저한 감소가 요구된다. 동시에, 상기 장치의 총 에너지 요구를 감소시키기 위해 작동 전압은 가능한 한 낮아야만 한다. 그러나, 종래 기술에서 이러한 목적을 위해 사용되는 LC 매질은 광 및 열에 노출시 부적절한 전압 보전율(HR)을 갖고, 부적절한 낮은 온도 안정성(LTS)을 갖는 것으로 밝혀졌다(이에 관해 [문헌] "액정 플랫 패널 디스플레이에서 자동 결점 탐지": William K. Pratt 외, SPIE Proceedings 3306-01, 2-13쪽 참조).

본 발명은 특히 전술한 단점을 갖지 않거나, 또는 단지 감소시키고, 바람직하게는 동시에 높은 HR 값, 높은 저온 안정성, 낮은 역치 전압, 높은 투명점 및 낮은 복굴절을 갖는, 상기 유형의 MLC, TN 또는 STN 디스플레이용 매질을 제공하는 것을 목적으로 한다. 또한, LC 매질은 응답 시간을 빠르게 하기 위해 낮은 회전 점도를 가져야만 한다.

이제, 하기 화학식 I의 화합물 하나 이상을 포함하는 LC 매질이 사용되는 경우 본 목적이 달성될 수 있는 것으로 밝혀졌다. 화학식 I의 화합물은 상기 기술된 목적 특성을 갖는 혼합물을 생성한다.

상기 식에서,

, -O-, -CO-O- 또는 -O-CO-로 대체될 수 있고;

Y¹ 및 Y²는 서로 독립적으로 H 또는 F이다.

화학식 I의 화합물은 높은 투명점, 높은 포지티브 유전 이방성, 낮은 복굴절 및 넓은 네마틱 상 범위를 갖는다. 놀랍게도, 화학식 I의 화합물을 포함하는 LC 매질은 높은 LTS 및 높은 HR을 가짐과 동시에 낮은 역치 전압, 높은 투명점, 낮은 회전 점도 및 후속적으로 빠른 응답 시간을 갖는 것으로 밝혀졌다. 그러므로, 이들은 특히 모바일 및 비디오 제품의 LC 디스플레이에 적합하다.

화학식 I의 화합물은 넓은 범위에 적용된다. 치환체의 선택에 따라, 이들은 기본 물질로서 제공될 수 있고 액정 매질은 우세하게 이들로 구성된다. 그러나, 예를 들어 이러한 유형의 유전 이방성 및/또는 광학 이방성을 변형시키기 위해 및/또는 그의 역치 전압 및/또는 점도를 최적화하기 위해 다른 종류의 화합물로부터의 액정 기본 물질도 화학식 I의 화합물에 첨가될 수 있다.

순수한 상태에서, 상기 화학식 I의 화합물은 무색이고, 전기-광학 용도를 위해 유리하게 정해진 온도 범위에서 액정 메소상을 형성한다. 이들은 화학적으로, 열적으로 그리고 빛에 대해 안정하다.

화학식 I의 화합물은 문헌(예를 들어, [문헌] Houben-Weyl, Methoden der organischen Chemie(유기 화학 방법), Georg-Thieme-Verlag, 스튜트가르트]과 같은 표준 기술)에 기재된 바와 같이, 그 자체로 공지된 방법에 의해, 상기 반응에 적합하며 공지되어 있는 반응 조건하에서 정확해지도록 제조된다. 또한, 그 자체로 공지되었으나 더욱 상세하게 본 발명에서 언급되지 않는 변형이 본 발명에서 사용될 수 있다.

상기 및 하기 화학식에서 R⁰이 알킬 라디칼 및/또는 알콕시 라디칼인 경우, 이는 직쇄형 또는 분지형일 수 있다. 바람직하게는 탄소수 2, 3, 4, 5, 6 또는 7의 직쇄이고 따라서 바람직한 것은 에틸, 프로필, 뷰틸, 펜틸, 헥실, 헵틸, 에톡시, 프로폭시, 뷰톡시, 펜톡시, 헥실옥시 또는 헵틸옥시이고, 또한 메틸, 옥틸, 노닐, 데실, 운데실, 도데실, 트라이데실, 테트라데실, 펜타데실, 메톡시, 옥틸옥시, 노닐옥시, 데실옥시, 운데실옥시, 도데실옥시, 트라이데실옥시 또는 테트라데실옥시이다.

옥사알킬은 바람직하게는 직쇄 2-옥사프로필(=메톡시메틸), 2-(=에톡시메틸) 또는 3-옥사뷰틸(=메톡시에틸), 2-, 3- 또는 4-옥사펜틸, 2-, 3-, 4- 또는 5-옥사헥실, 2-, 3-, 4-, 5- 또는 6-옥사헵틸, 2-, 3-, 4-, 5-, 6- 또는 7-옥사옥틸, 2-, 3-, 4-, 5-, 6-, 7- 또는 8-옥사노닐, 2-, 3-, 4-, 5-, 6-, 7-, 8- 또는 9-옥사데실이다.

R⁰가 CH₂ 기 하나가 -CH=CH-로 대체된 알킬 라디칼을 나타내는 경우, 이는 직쇄형 또는 분지형일 수 있다. 이는 바람직하게는 직쇄형이고 탄소수는 2 내지 10이다. 따라서, 이는 특히 비닐, 프로프-1- 또는 -2-에닐, 뷰트-1-, -2- 또는 -3-에닐, 펜트-1-, -2-, -3- 또는 -4-에닐, 헥스-1-, -2-, -3-, -4- 또는 -5-에닐, 헵트-1-, -2-, -3-, -4-, -5- 또는 -6-에닐, 옥트-1-, -2-, -3-, -4-, -5-, -6- 또는 -7-에닐, 논-1-, -2-, -3-, -4-, -5-, -6-, -7- 또는 -8-에닐, 덱-1-, -2-, -3-, -4-, -5-, -6-, -7-, -8- 또는 -9-에닐이다.

R⁰가 할로겐으로 적어도 일치환된 알킬 또는 알켄일 라디칼을 나타내는 경우, 이 라디칼은 바람직하게는 직쇄이고, 할로겐은 바람직하게는 F 또는 Cl이다. 다치환의 경우, 할로겐은 바람직하게는 F이다. 생성된 라디칼은 또한 퍼플루오르화 라디칼을 포함한다. 일치환의 경우, 플루오르 또는 염소 치환체는 임의의 목적 위치에 있을 수 있으나 바람직한 것은 ω-위치이다.

상기 및 하기 화학식에서, X⁰는 F, Cl, 또는 탄소수 1, 2 또는 3의 모노- 또는 폴리플루오르화 알킬 또는 알콕시, 또는 탄소수 2 또는 3의 모노- 또는 폴리플루오르화 알켄일이다. X⁰는 바람직하게는 F, Cl, CF₃, CHF₂, OCF₃, OCHF₂, OCFHCF₃, OCFHCHF₂, OCFHCHF₂, OCF₂CH₃, OCF₂CHF₂, OCF₂CHF₂, OCF₂CF₂CHF₂, OCF₂CF₂CHF₂, OCFHCF₂CF₃, OCFHCF₂CHF₂, OCF₂CF₂CF₃, OCF₂CF₂CClF₂, OCClFCF₂CF₃ 또는 CH=CF₂이고, 가장 바람직하게는 F 또는 OCF₃이다.

화학식 I의 특히 바람직한 화합물은 하기 준화합물로 구성된 군에서 선택된 다:

상기 식에서,

R⁰ 및 X⁰은 상기 화학식 I에서 정의된 바와 같다.

R⁰은 바람직하게는 탄소수 1 내지 8의 직쇄 알킬이고, 또한 탄소수 2 내지 7의 알켄일이다. X⁰은 바람직하게는 F 또는 OCF₃, 특히 바람직하게는 F이다.

보다 바람직한 양태를 하기에 나타낸다:

-화학식 II 및/또는 III의 화합물 하나 이상을 추가로 포함하는 매질:

상기 식에서,

R⁰, X⁰, Y¹ 및 Y²는 화학식 I에서 정의된 바와 같고;

Y³ 및 Y⁴는 서로 독립적으로 H 또는 F이고;

는

또는

이다.

-하기 화학식 II의 화합물은 바람직하게는 하기 화합물로 구성된 군에서 선택된다:

상기 식에서,

R⁰ 및 X⁰는 상기에서 정의된 바와 같다. 바람직하게는, R⁰는 탄소수 1 내지 8의 알킬이고, X⁰는 F이다. 특히 바람직한 화합물은 화학식 IIa 및 IIb의 화합물이다.

-하기 화학식 III의 화합물은 바람직하게는 하기 화합물로 구성된 군에서 선택된다:

상기 식에서,

R⁰ 및 X⁰는 상기 정의된 바와 같다. 바람직하게는, R⁰는 탄소수 1 내지 8의 알킬이고, X⁰는 F이다. 특히 바람직한 화합물은 화학식 IIIa의 화합물이다.

-상기 매질은 하기 화학식으로 구성된 군에서 선택된 화합물 하나 이상을 추가로 포함한다:

상기 식에서,

R⁰, X⁰, Y¹ 내지 Y⁴는 화학식 II에서 정의된 바와 같고;

Z⁰은 -C₂H₄-, -(CH₂)₄-, -CH=CH-, -CF=CF-, -C₂F₄-, -CH₂CF₂-, -CF₂CH₂-, -CH₂O-, -OCH₂-, -COO- 또는 -OCF₂-을 나타내고; 화학식 V 및 VI의 화합물에서는 단일 결합 도 나타내고, 화학식 V 및 VIII의 화합물에서는 -CF₂O-도 나타내고;

r은 0 또는 1이다.

-하기 화학식 IV의 화합물은 바람직하게는 하기 화합물로 구성된 군에서 선택된다:

상기 식에서,

R⁰ 및 X⁰는 상기 정의된 바와 같다. 바람직하게는, R⁰는 탄소수 1 내지 8의 알킬이고, X⁰는 F 또는 OCF₃이다.

-하기 화학식 V의 화합물은 바람직하게는 하기 화합물로 구성된 군에서 선택된다:

상기 식에서,

R⁰ 및 X⁰는 상기 정의된 바와 같다. 바람직하게는, R⁰는 탄소수 1 내지 8의 알킬이고, X⁰는 F이다.

-화학식 VI의 화합물은 바람직하게는 하기 화학식의 화합물로 구성된 군에서 선택된다:

상기 식에서,

-화학식 VII의 화합물은 바람직하게는 하기 화학식의 화합물로 구성된 군에서 선택 된다:

상기 식에서,

-상기 매질은 하기 화학식으로 구성된 군에서 선택된 화합물 하나 이상을 포함한다:

상기 식에서,

L 및 X⁰는 상기 정의된 바와 같고;

"알킬"은 C_1-7-알킬이고;

R'는 C_1-7-알킬, C_1-6-알콕시 또는 C_2-7-알켄일이고;

"알켄일" 및 "알켄일^*"은 서로 독립적으로 C_2-7-알켄일이다.

-화학식 IX 내지 XII의 화합물은 바람직하게는 하기 화학식의 화합물로 구성된 군에서 선택된다:

상기 식에서,

"알킬"은 상기 정의된 바와 같다.

상기 식에서,

R¹ 및 R²는 서로 독립적으로 탄소수 9 이하의 n-알킬, 알콕시, 옥사알킬, 플루오로알킬 또는 알켄일이고, 바람직하게는 서로 독립적으로 탄소수 1 내지 8의 알킬이다.

-상기 매질은 하기 화학식의 화합물 하나 이상을 추가로 포함한다:

상기 식에서,

R⁰, X⁰, Y¹ 및 Y²는 화학식 I에서 정의된 바와 같고;

및

는 서로 독립적으로

또는

이고, 이때 A 및 B는 동시에 사이클로헥실렌을 나타내지 않는다.

-화학식 XV의 화합물은 바람직하게는 하기 화학식의 화합물로 구성된 군에서 선택된다:

상기 식에서,

-상기 매질은 하기 화학식의 화합물 하나 이상을 포함한다:

R¹ 및 R²는 상기 정의된 바와 같고, 바람직하게는 서로 독립적으로 탄소수 1 내지 8의 알킬이고, L은 H 또는 F이다.

상기 식에서,

R¹, R², Y¹ 및 Y²는 상기 정의된 바와 같다.

-상기 매질은 R¹ 및/또는 R²가 탄소수 2 내지 7의 알켄일인 화학식 XVIII의 화합물, 바람직하게는 하기 화학식으로 구성된 군에서 선택된 화합물 하나 이상을 포함한다:

상기 식에서,

"알킬"은 상기 정의된 바와 같다.

-상기 매질은 하기 화학식으로 구성된 군에서 선택된 화합물 하나 이상을 추가로 포함한다;

상기 식에서,

R⁰ 및 X⁰는 서로 독립적으로 상기 정의된 바와 같고, Y¹ 내지 Y⁴는 서로 독립적으로 H 또는 F이다. X⁰는 바람직하게는 F, Cl, CF₃, OCF₃ 또는 OCHF₂이고, R⁰는 바람직하게는 탄소수 8 이하의 알킬, 알콕시, 옥사알킬, 플루오로알킬 또는 알켄일이다. 특히 바람직한 것은 화학식 XXI의 화합물이다.

-화학식 XXI의 화합물은 바람직하게는 하기 화학식의 화합물로 구성된 군에서 선택된다:

상기 식에서,

-

는 바람직하게는 하기로 구성된 군에서 선택된다:

-R⁰는 탄소수 2 내지 7의 직쇄 알킬 또는 알켄일이다.

-X⁰는 F이다.

-상기 매질은 화학식 I의 화합물, 특히 화학식 Ia, Ib 또는 Ic의 화합물 하나 또는 둘 이상을 포함한다.

-상기 매질은 화학식 I의 화합물 2 내지 40중량%, 바람직하게는 3 내지 30중량%, 특히 바람직하게는 3 내지 20중량%를 포함한다.

-상기 매질은 화학식 I, II, III, IV, VI, IX 내지 XII, XVIII 및 XXI의 화합물로 구성된 군에서 선택된 화합물을 포함한다.

-전체로서의 혼합물중에서 화학식 II, III, IV, VI, IX 내지 XII, XVIII 및 XXI의 화합물의 비율은 40 내지 95중량%이다.

-상기 매질은 화학식 II의 화합물 5 내지 60중량%, 특히 바람직하게는 10 내지 50중량%를 포함한다.

-상기 매질은 화학식 III의 화합물 2 내지 40중량%, 특히 바람직하게는 5 내지 30 중량%를 포함한다.

-상기 매질은 화학식 IV의 화합물 1 내지 30중량%, 특히 바람직하게는 2 내지 20중량%를 포함한다.

-상기 매질은 화학식 VI의 화합물 2 내지 30중량%, 특히 바람직하게는 3 내지 20중량%를 포함한다.

-상기 매질은 화학식 IX 내지 XII 및 XVIII의 화합물 2 내지 40중량%, 특히 바람직하게는 3 내지 30중량%를 포함한다.

-상기 매질은 화학식 XXI의 화합물 1 내지 20중량%, 특히 바람직하게는 1 내지 15중량%를 포함한다.

통상적인 액정 물질, 특히 하나 이상의 화학식 II 내지 XXIII의 화합물과 혼합된 비교적 작은 비율의 화학식 I의 화합물조차도 광 안정성을 현저히 증가시키고, 낮은 복굴절 값을 생성하며, 보존 수명을 개선시키는 동시에, 낮은 스메틱-네마틱 전이 온도를 갖는 넓은 네마틱 상이 관측되는 것으로 밝혀졌다. 동시에, 혼합물은 낮은 역치 전압을 나타내고 자외선에 노출시 VHR에 대한 매우 양호한 값을 나타낸다.

용어 "알킬"및 "알킬^*"은 1 내지 7개의 탄소 원자를 갖는 직쇄 및 분지된 알킬 기, 특히 직쇄형 기 메틸, 에틸, 프로필, 뷰틸, 펜틸, 헥실 및 헵틸을 포함한다. 1 내지 6개의 탄소 원자를 갖는 기가 일반적으로 바람직하다.

용어 "알켄일"및 "알켄일^*"은 2 내지 7개의 탄소 원자를 갖는 직쇄 및 분지 된 알켄일 기, 특히 직쇄형 기를 포함한다. 바람직한 알켄일 기는 C₂-C₇-1E-알켄일, C₄-C₇-3E-알켄일, C₅-C₇-4-알켄일, C₆-C₇-5-알켄일 및 C₇-6-알켄일, 특히 C₂-C₇-1E-알켄일, C₄-C₇-3E-알켄일 및 C₅-C₇-4-알켄일이다. 특히 바람직한 알켄일 기의 예는 비닐, 1E-프로펜일, 1E-뷰텐일, 1E-펜텐일, 1E-헥센일, 1E-헵텐일, 3-뷰텐일, 3E-펜텐일, 3E-헥센일, 3E-헵텐일, 4-펜텐일, 4Z-헥센일, 4E-헥센일, 4Z-헵텐일, 5-헥센일, 6-헵텐일 등이다. 5개 이하의 탄소 원자를 갖는 기가 일반적으로 바람직하다.

용어 "플루오로알킬"은 바람직하게는 말단 플루오르를 갖는 직쇄형 기, 즉, 플루오로메틸, 2-플루오로에틸, 3-플루오로프로필, 4-플루오로뷰틸, 5-플루오로펜틸, 6-플루오로헥실 및 7-플루오로헵틸을 포함한다. 그러나, 플루오르의 다른 위치를 배제하지 않는다.

용어 "옥사알킬" 또는 "알콕시"는 바람직하게는 화학식 C_nH_2n ₊₁-O-(CH₂)_m의 직쇄형 라디칼을 포함하고, 이때 n 및 m은 각각 서로 독립적으로 1 내지 6이다. m은 또한 0일 수도 있다. 바람직하게는 n은 1이고 m은 1 내지 6이거나, m은 0이고 n은 1 내지 3이다.

R⁰ 및 X⁰ 정의를 적합하게 선택함으로써, 어드레싱 시간, 역치 전압, 투과 특성 선의 경사도 등이 바람직한 방식으로 변형될 수 있다. 예를 들어, 1E-알켄일 라디칼, 3E-알켄일 라디칼, 2E-알켄일옥시 라디칼 등은 일반적으로 알킬 및 알콕시 라디칼에 비해 보다 짧은 어드레싱 시간, 개선된 네마틱 경향, 및 k₃₃(벤드) 대 k₁₁(스플레이)의 보다 높은 탄성 계수 비를 생성한다. 4-알켄일 라디칼, 3-알켄일 라디칼 등은 일반적으로 알킬 및 알콕시 라디칼에 비해 보다 낮은 역치 전압 및 보다 작은 k₃₃/k₁₁의 값을 제공한다. 본 발명에 따른 혼합물은 특히 높은 K₁ 값으로 인해 구별되고 따라서 종래기술의 혼합물보다 현저히 신속한 응답 시간을 갖는다.

상기 언급된 화학식의 화합물의 최적 혼합 비는 목적하는 특성, 상기 언급된 화학식의 성분의 선택, 및 존재할 수 있는 임의의 다른 성분의 선택에 따라 실질적으로 좌우된다.

상기 주어진 범위 내에서, 적합한 혼합 비를 경우마다 용이하게 결정할 수 있다.

본 발명에 따른 혼합물 중 상기 언급된 화합물의 총량은 중요하지 않다. 따라서, 혼합물은 다양한 특성을 최적화하기 위한 목적을 위해 하나 이상의 추가의 성분을 포함할 수 있다. 그러나, 일반적으로 혼합물의 목적 특성의 관측된 개선 효과가 클수록, 화학식 상기 언급된 화합물의 총 농도는 높아진다.

특히 바람직한 실시양태에서, 본 발명에 따른 매질은 X⁰이 F, OCF₃, OCHF₂, OCH=CF₂, OCF=CF₂ 또는 OCF₂-CF₂H인 화학식 II 내지 VIII(바람직하게는, 화학식 II, 화학식 III, IV 및 VI, 특히 IIa, IIIa 및 VIa)의 화합물을 포함한다. 화학식 I의 화합물과의 유리한 상승 효과로 인해 특히 유리한 특성이 생긴다. 특히, 화학식 I, IIa, IIIa 및 VIa의 화합물을 포함하는 혼합물은 이들의 낮은 역치 전압으로 구별된다.

본 발명에 따른 매질에 사용될 수 있는 상기 언급된 화합물 및 이들의 준화학식의 개개의 화합물은 공지되어 있거나 또는 공지된 화합물과 유사하게 제조될 수 있다.

또한, 본 발명은 상기 유형의 매질을 함유한 전기-광학 디스플레이(특히, 프레임(frame)과 함께, 셀을 형성하는 두 개의 평면-평행한 외판(outer plate), 외판 상에 개개의 화소를 스위칭하기 위한 집적된 비선형 소자, 및 셀에 위치하는 포지티브 유전 이방성 및 높은 비저항의 네마틱 액정 혼합물을 갖는 STN 또는 MLC 디스플레이), 및 전기-광학 목적을 위한 상기 매질의 용도에 관한 것이다.

본 발명에 따른 액정 혼합물은 이용가능한 파라미터 범위를 상당히 넓힐 수 있다. 투명점, 낮은 온도에서의 점도, 열 및 자외선 안정성, 및 높은 광학 이방성의 가능한 조합은 종래 기술로부터의 선행 물질보다 훨씬 뛰어나다.

본 발명에 따른 혼합물은 예를 들어 휴대폰 및 PDA와 같은 모바일 제품 및 저-Δn TFT 제품에 특히 적합하다.

본 발명에 따른 액정 혼합물은 -20℃ 이하, 바람직하게는 -30℃ 이하, 특히 바람직하게는 -40℃ 이하로 네마틱 상을 유지하면서, 70℃ 이상, 바람직하게는 75℃ 이상, 특히 바람직하게는 80℃ 이상의 투명점과 함께, +8 이상, 바람직하게는 +10 이상의 유전 이방성 값(Δε), 및 높은 비저항 값을 달성할 수 있어, 뛰어난 MLC 디스플레이를 얻게 한다. 특히, 상기 혼합물은 낮은 작동 전압을 특징으로 한 다.

본 발명에 따른 액정 혼합물의 역치 전압은 바람직하게는 1.5 V 이하, 특히 바람직하게는 1.3 V 이하이다.

본 발명에 따른 액정 혼합물의 복굴절(Δn)은 바람직하게는 0.11 이하, 특히 바람직하게는 0.10 이하이다.

본 발명에 따른 액정 혼합물의 20℃에서의 회전 점도(γ₁)는 바람직하게는 180 mPa·s 이하이고, 특히 바람직하게는 140 mPa·s 이하이다.

본 발명에 따른 액정 혼합물의 네마틱 상 범위는 바람직하게는 90°이상, 특히 바람직하게는 100°이상이다. 이러한 범위는 바람직하게는 적어도 -20° 내지 +75℃로 확장된다.

본 발명에 따른 혼합물의 성분을 적합하게 선택함으로써, 다른 유리한 특성을 보유하면서, 보다 높은 투명점(예를 들어, 100℃ 초과)을 보다 높은 역치 전압에서 얻게되거나 또는 보다 낮은 투명점을 보다 낮은 역치 전압에서 얻게될 수 있음은 당연하다. 단지 약간 상응하게 증가된 점도에서, 보다 높은 Δε 및 이에 따른 낮은 역치 전압을 갖는 혼합물을 수득하는 것 또한 가능하다. 본 발명에 따른 MLC 디스플레이는 바람직하게는 제 1 구치 및 테리(Gooch and Tarry) 투과율 최소치에서 작동하고([문헌] C.H. Gooch와 H.A. Tarry, Electron. Lett.10, 2-4, 1974; C.H. Gooch와 H.A. Tarry, Appl. Phys., Vol.8, 1575-1584, 1975) 사용되는데, 이때 예컨대 특성 선의 높은 경사도 및 콘트라스트의 낮은 각 의존성([문헌] 독일 특 허 제 30 22 818 호)과 같은 특히 유리한 전기-광학 특성 외에도, 보다 낮은 유전 이방성은 제 2 최소치에서 유사한 디스플레이에서와 동일한 역치 전압에서 충분하다. 이는 시아노 화합물을 포함하는 혼합물의 경우보다 제 1 최소치에서 본 발명에 따른 혼합물을 사용하여 상당히 높은 비저항을 얻게 한다. 개개의 성분 및 이들의 중량 비율을 적합하게 선택함으로써, 당해 분야의 숙련자는 간단한 통상적인 방법을 사용하여 MLC 디스플레이의 예비-규정된 층 두께에 필요한 복굴절을 설정할 수 있다.

전압 보전율(HR)의 측정([문헌] S. Matsumoto 외, 액정 5, 1320(1989); [문헌] K. Niwa 외, Proc. SID 컨퍼런스, 샌프란시스코, 1984년 6월, 304쪽(1984); [문헌] G. Weber 외, 액정 5, 1381(1989))은, 본 발명에 따른 화학식 I의 화합물 대신 예컨대 화학식

의 시아노페닐사이클로헥세인 또는 화학식

의 에스터를 포함하는 유사한 혼합물보다 화학식 I의 화합물을 포함하는 본 발명에 따른 혼합물이 자외선에 노출됨에 따라 HR이 상당히 더 작게 감소됨을 보여준다.

본 발명에 따른 혼합물의 빛 안정성 및 자외선 안정성이 상당히 양호하다. 즉, 이들은 빛 또는 자외선에 노출시 현저하게 적은 HR 감소를 나타낸다. 본 화합물중의 화학식 I의 화합물의 심지어 적은 농도(10중량% 미만)는 종래 기술의 혼합물에 비해 HR을 6% 이상까지 증가시킨다.

편광기, 전극 기판 및 표면 처리된 전극으로부터 본 발명에 따른 MLC 디스플 레이의 구조는 상기 유형의 디스플레이에 대한 통상적인 구조에 상응한다. 용어 "통상적인 구조"는 본 발명에서 광범위하게 쓰이며, 특히 폴리-Si TFT 또는 MIM을 기제로 한 매트릭스 디스플레이 소자를 비롯한, MLC 디스플레이의 모든 유도체 및 변형을 포함한다.

그러나, 본 발명에 따른 디스플레이 및 비틀린 네마틱 셀을 기제로 한 통상적인 디스플레이간의 중요한 차이점은 액정 층의 액정 파라미터의 선택에 있다.

본 발명에 따라 사용될 수 있는 액정 혼합물은 통상적인 방식 그 자체로, 예컨대, 화학식 I의 화합물 하나 이상을 화학식 II 내지 XXIII 중에서 선택된 화합물 하나 이상, 또는 하나 이상의 추가의 액정 화합물 및/또는 첨가제와 혼합함으로써 제조된다. 일반적으로 보다 적은 양으로 사용되는 성분들의 목적하는 양은, 유리하게는 승온에서 기본 구성물을 구성하는 성분 중에 용해된다. 또한, 유기 용매, 예컨대 아세톤, 클로로폼 또는 메탄올 중에서 성분의 용액들을 혼합하고 용매를 다시 제거(예컨대, 철저하게 혼합한 후 증류에 의해)하는 것이 가능하다.

또한, 유전체는 당해 분야의 숙련자에게 공지되고 예를 들어 문헌에 기재된 추가의 첨가제, 예를 들어 자외선 안정화제, 예컨대 시바(Ciba)로부터의 티누빈(Tinuvin, 등록상표), 항산화제, 유리-라디칼 스캐빈져, 나노 입자 등을 함유할 수 있다. 예를 들어, 0 내지 15%의 다색성 염료 또는 키랄 도판트를 첨가할 수 있다. 적합한 도판트 및 안정화제가 하기 표 3 및 4에 열거되어 있다.

본 발명에서 및 하기 실시예에서, 액정 화합물의 구조를 약어로서 나타내었 고, 화학식으로의 변환은 하기 표 1 및 2에 따라 일어난다. 모든 라디칼 C_nH_2n+1 및 C_mH_2m+1은 각각 n 및 m개의 탄소 원자를 갖는 직쇄형 알킬 라디칼이고; n 및 m은 바람직하게는 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11 또는 12이다. 표 2의 부호는 자명하다. 표 1에서, 단지 모구조의 약자만이 제시되어 있다. 개별적인 경우, 모구조의 약자후 선(-)으로 분리되고, 치환기 R¹ ^*, R² ^*, L¹ ^*및 L² ^*의 부호가 뒤따른다:

바람직한 혼합 성분들은 하기 표 1 및 2에 제시되어 있다.

특히 바람직한 것은 화학식 I의 화합물 외에도 표 2로부터의 화합물 하나, 둘, 셋, 넷 또는 그 이상을 포함하는 액정 혼합물이다.

표 3은 본 발명에 따른 혼합물에 일반적으로 첨가되는 가능한 도판트를 나타낸다. 혼합물은 바람직하게는 0 내지 10중량%, 특히 0.01 내지 5중량%, 특히 바람직하게는 0.01 내지 3중량%의 도판트를 포함한다:

예를 들어, 본 발명에 따른 혼합물에 0 내지 10중량%의 양으로 첨가될 수 있는 안정화제는 하기 표 4에 제시되어 있다:

본 발명은 높은 HR 값, 낮은 저온 안정성, 낮은 역치 전압, 높은 투명점 및 낮은 복굴절을 갖는 액정 매질을 제공한다.

하기 실시예는 본 발명을 제한하지 않고 설명하고자 한다.

상기 및 하기에서, 퍼센트는 중량%이다. 모든 온도는 섭씨 온도로 주어진다. m.p.은 융점을 나타내고, cl.p.은 투명점을 나타낸다. 추가로, C는 결정질 상태, N은 네마틱 상, S는 스메틱 상 및 I는 등방성 상을 나타낸다. 이들 기호간의 데이터는 전이 온도를 나타낸다.

-Δn은 589 nm 및 20℃에서 광학 이방성을 나타내고,

-γ₁은 20℃에서 회전 점도(mPa·s)를 나타내고,

-V₁₀은 투과율(판 표면에 수직한 시야각)에서 10% 변화에 대한 전압(V)(역치 전압)을 나타내고,

-V₉₀은 투과율(판 표면에 수직한 시야각)에서 90% 변화에 대한 전압을 나타내고,

-Δε는 20℃ 및 1 kHz에서 유전 이방성(Δε는 ε∥-ε⊥, 여기서 ε∥는 종 분자축에 평행한 유전 상수를 나타내고, ε⊥은 종 분자축에 수직한 유전 상수를 나타낸다)을 나타내고,

-HR은 전압 보전율(%)을 나타내고,

-LTS는 시험 셀에서 측정된 저온 안정성(상)을 나타낸다.

달리 기재하지 않는 한, 전기-광학 데이터는 20℃에서의 첫 번째 최소치(즉, 0.5㎛의 d·Δn 값)에서 TN 셀에서 측정된다. 달리 기재하지 않는 한, 광학 데이터는 20℃에서 측정된다. 모든 물리 특성은 [문헌]("메르크 액정, 액정의 물리적 성질", status Nov. 1997, 독일 소재의 메르크 카게아(Merck KGaA))에 따라 측정되었고, 달리 지시되지 않는 한 20℃의 온도에서 적용되었다.

비교예 1

비교예 2

실시예 1

투명점, 복굴절, 유전 이방성, 회전 점도 및 역치 전압에 대한 값을 비교하면, 본 혼합물이 비교예 1 및 2로부터의 혼합물보다 현저히 높은 LTS를 갖는다. 또한, 이는 높은 HR 값을 나타낸다.

Claims

하기 화학식 I의 화합물 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 액정 매질:

상기 식에서,

R⁰는 할로겐화되거나 치환되지 않은 탄소수 1 내지 15의 알킬 또는 알콕시 라디칼이고, 이들 라디칼중의 하나 이상의 CH₂ 기는 O 원자가 서로 직접 연결되지 않는 방식으로 서로 독립적으로 -C≡C-, -CF₂O-, -CH=CH-,
, -O-, -CO-O- 또는 -O-CO-로 대체될 수 있고;

X⁰는 F, Cl, CN, SF₅, SCN, NCS, 또는 탄소수 6 이하의 할로겐화된 알킬 라디칼, 할로겐화된 알켄일 라디칼, 할로겐화된 알콕시 라디칼 또는 할로겐화된 알켄일옥시 라디칼이고;

Y¹ 및 Y²는 서로 독립적으로 H 또는 F이다.
제 1 항에 있어서,

하기 화학식 Ia 내지 Ic로 이루어진 군에서 선택된 화합물 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 액정 매질:

상기 식에서,

R⁰ 및 X⁰은 제 1 항에서 정의된 바와 같다.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

하기 화학식 II 및 III으로 이루어진 군에서 선택된 화합물 하나 이상을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 액정 매질:

상기 식에서,

A, R⁰, X⁰, Y¹ 및 Y²는 제 1 항에서 정의된 바와 같고;

Y³ 및 Y⁴는 서로 독립적으로 H 또는 F이다.
제 3 항에 있어서,

하기 화학식 IIa 내지 IIId로 이루어진 군에서 선택된 화합물 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 액정 매질:

상기 식에서,

R⁰ 및 X⁰은 제 1 항에서 정의된 바와 같다.
제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,

하기 화학식 IV 내지 VIII로 이루어진 군에서 선택된 화합물 하나 이상을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 액정 매질:

상기 식에서,

R⁰, X⁰, Y¹ 내지 Y⁴는 제 3 항에서 정의된 바와 같고;

Z⁰은 -C₂H₄-, -(CH₂)₄-, -CH=CH-, -CF=CF-, -C₂F₄-, -CH₂CF₂-, -CF₂CH₂-, -CH₂O-, -OCH₂-, -COO- 또는 -OCF₂-을 나타내고; 화학식 V 및 VI의 화합물에서는 단 일 결합도 나타내고, 화학식 V 및 VIII의 화합물에서는 -CF₂O-도 나타내고;

r은 0 또는 1이다.
제 5 항에 있어서,

하기 화학식 IVa 및 IVb로 이루어진 군에서 선택된 화합물 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 액정 매질:

상기 식에서,

R⁰ 및 X⁰은 제 1 항에서 정의된 바와 같다.
제 5 항 또는 제 6 항에 있어서,

하기 화학식 VIa 내지 VId로 이루어진 군에서 선택된 화합물 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 액정 매질:

상기 식에서,

R⁰ 및 X⁰은 제 1 항에서 정의된 바와 같다.
제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,

하기 화학식 IX 내지 XVIII로 이루어진 군에서 선택된 화합물 하나 이상을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 액정 매질:

상기 식에서,

L 및 X⁰는 상기 정의된 바와 같고;

"알킬"은 C_1-7-알킬이고;

R'는 C₁ _-7-알킬, C₁ _-6-알콕시 또는 C₂ _-7-알켄일이고;

"알켄일" 및 "알켄일^*"은 서로 독립적으로 C_2-7-알켄일이고;

R¹ 및 R²는 서로 독립적으로 탄소수 9 이하의 n-알킬, 알콕시, 옥사알킬, 플루오로알킬 또는 알켄일이고, 이때 라디칼 R¹ 및 R²중 하나 이상은 탄소수 2 내지 9의 알켄일이다.
제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,

하기 화학식 XXIa 및 XXIb로 이루어진 군에서 선택된 화합물 하나 이상을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 액정 매질:

상기 식에서,

R⁰ 및 X⁰는 제 1 항에서 정의된 바와 같다.
제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,

화학식 I의 화합물 2 내지 40중량%;

화학식 II의 화합물 20 내지 90중량%;

화학식 III의 화합물 2 내지 30중량%;

선택적으로, 화학식 IV의 화합물 2 내지 30중량%;

선택적으로, 화학식 IX 내지 XII의 화합물 2 내지 30중량%;

선택적으로, 화학식 XIV의 화합물 4 내지 30중량%

를 포함하는 것을 특징으로 하는 액정 매질.
제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 따른 액정 매질의 전기-광학 목적을 위한 용도.
제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 따른 액정 매질을 함유하는 전기-광학 액정 디스플레이.
제 1 항에 따른 화학식 I의 화합물 하나 이상을 제 3 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 따른 화합물 하나 이상과 혼합하거나 추가의 액정 화합물 및/또는 첨가제와 혼합하는 것을 특징으로 하는, 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 따른 액정 매질의 제조방법.