NO176843B - Ferroelektrisk, flytende krystallblanding og lysskiftende element inneholdende blandingen - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse angår et ferroelektrisk flytende krystallmateriale. Mere spesielt angår oppfinnelsen en ferroelektrisk flytende krystallblanding med hurtig responsegenskaper og omfatter en smektisk flytende krystallforbindelse og en optisk aktiv forbindelse.

Oppfinnelsen angår også et lysskiftende element som inneholder denne blanding.

Flytende krystallforbindelser benyttes hyppig som et materiale for displayelementer. De fleste displayelementer som omfatter en flytende krystall benyttes i et TN-type displaysystem og flytende krystallmaterialer som hører til en nematisk fase benyttes for dette formål.

Fordi TN-typen av displaysystemer er en ikke-emissiv displaytype har systemet visse fordeler som for eksempel frihet fra opptreden av øyebelastninger og lavt energiforbruk men på den annen side har systemet mangler som langsom respons og forsvinnen av displayet ved visse visuelle vinkler. I de senere år er systemet omgjort slik at trekkene i form av et flatt display kunne benyttes. Spesielt er hurtig respons og vid visuell vinkel krevet.

For å møte disse behov har det vært gjort et forsøk på å forbedre det flytende krystallmaterialet. Imidlertid ansees TN-displaysystemet som betydelig underlegent andre emissive displayelementer (for eksempel elektroluminescent display og plasma-display) hva angår responstid og vid visuell vinkel. Derfor er en utvikling av nye flytende krystalldisplaysys-temer som alternativ av TN-typen displaysystem uomgjengelig hvis man skal oppnå en kombinasjon av trekkene til et flytende krystalldisplayelement, for eksempel som ikke-emissiv type og med lavt energiforbruk, under samtidig oppnåelse av responskarakteristika sammenlignbare med de til emissiv display. Som et forsøk har N.A. Clark og S.T. Lagerwall foreslått et displaysystem der det benyttes et optisk skiftende fenomen av en ferroelektrisk flytende krystall (se "Appl. Phys. Lett.", vol. 36, s. 899 (1980)).

Eksistensen av en ferroelektrisk, flytende krystall ble først publisert i 1975 av R.B. Mayer (se "J. Phys." vol. 36, s. 69

(1975) og den ferroelektriske flytende krystall hører til en chiral smektisk C fase, -I-fase, -F-fase, --G-fase og -H-fase (herefter ganske enkelt kalt "Sc<*->fase", "S^-fase", "SF<*->fase", "SG<*->fase" og "SH<*>'-fase"), ut fra synspunktet for strukturen av den flytende krystall.

Mange karakteristika er nødvendige for et ferroelektrisk flytende krystallmateriale for bruk i et ferroelektrisk flytende krystalldisplayelement som virkelig benyttes i systemet. Disse karakteristiske krav kan ikke møtes ved anvendelse av en enkelt forbindelse, noe som gjør det nødvendig å bruke en ferroelektrisk flytende krystallblanding oppnådd ved å blande flere flytende krystallforbindelser eller ikke-flytende krystallforbindelser.

I tillegg til det ferroelektriske, flytende krystallpreparat som består av kun en ferroelektrisk, flytende krystallforbindelse beskriver JP-publ. 195187/1986 at en basissubstans bestående av en forbindelse og et preparat som oppviser en fase som en ikke-chiral smektisk C-, -F-, -G-, -H- eller -I-fase (herefter forkortet til "fase som Sq") blandes med minst en forbindelse som oppviser en ferroelektrisk, flytende krystallfase for å fremstille en ferroelektrisk flytende krystallblanding som helhet. Videre foreligger det en rapport at en basissubstans bestående av en forbindelse og en blanding som oppviser en fase som en ikke-chiral Sq blandes med minst en forbindelse som oppviser optisk aktivitet men ikke oppviser ferroelektrisk, flytende krystallfase for å fremstille en ferroelektrisk, flytende krystallblanding som helhet (se "Mol. Cryst. Liq. Cryst.", 89, 327 (1982)).

Når alle de ovenfor angitte fakta slås sammen kan man forstå at en ferroelektrisk, flytende krystallblanding kan dannes ved å blande en basissubstans med minst en forbindelse med optisk aktivitet uavhengig av hvorvidt forbindelsen oppviser en ferroelektrisk, flytende krystallfase.

Den ovenfor beskrevne smektiske, flytende krystallblanding som oppviser en kombinasjon av en basissubstans som oppviser minst en fase som ikke-chiral Sq med minst en fase som , vil herefter kalles "basis-Sm-blandingen".

Basis-Sm-blandingen er fortrinnsvis en flytende krystallblanding som oppviser en S^-fase innen et videre temperaturområde inkludert romtemperatur ut fra et praktisk synspunkt. Flere fenylbenzolbaserte, Schiffs-base-baserte, fenylpyridin-baserte og 5-alkyl-2-(4-alkoksyfenyl)pyridinblandinger er for eksempel benyttes som komponent i basis Sm-b1åndingen. For eksempel beskriver JP-publ. 291679/1986 og W086/006401 begge en ferroelektrisk flytende krystall omfattende en blanding av 5-alkyl-2-(4-alkoksyfenyl)pyrimidin med en optisk aktiv forbindelse. Den førstnevnte beskriver at bruken av et ferroelektrisk, smektisk, flytende krystallmateriale omfattende pyrimidinderivatet som basis Sm-blanding muliggjør at responstiden for et lysskiftende element kan forkortes. Videre beskriver JP-publ. 291679/1986 at et ferroelektrisk flytende krystallmateriale omfattende 5-alkyl-2-(4'-alkyl-bifenyl-4)pyrimidin, de ovenfor beskrevne 5-alkyl-2-(4-alkoksyfenyl)pyrimidin og en optisk aktiv forbindelse, også kan benyttes for å forbedre responsegenskapene.

Imidlertid har en sammenligning av den flytende krystalldisplay med andre display-elementer som emissiv-display, vist nødvendigheten av en ytterligere forbedring i responsegenskapene for den flytende krystalldisplay.

Den første gjenstand for oppfinnelsen er å tilveiebringe en ferroelektrisk flytende krystallblanding med en hurtig respons via en ytterligere forbedring av det som er beskrevet i den ovenfor nevnte JP-publ. 291679/1986.

Den andre gjenstand for oppfinnelsen er å tilveiebringe et lysskiftende element inneholdende denne ferroelektriske flytende krystallblanding.

I henhold til dette angår foreliggende oppfinnelse en ferroelektrisk, flytende krystallblanding og denne blanding karakteriseres ved at den omfatter to komponenter. A og B og har et forhold komponent A:B på 1,5 eller mindre, idet

komponent A er minst en forbindelse valgt blant en forbindelse representert ved formelen:

der R<*>er en alkyl- eller alkoksygruppe med 1-18 karbonatomer , X er m og n hver er et helt tall 1 eller 2 og<*>er et asymmetrisk karbonatom; og en forbindelse representert ved formelen: der R<2>er en alkyl- eller alkoksygruppe med 1 til 18 karbonatomer, Y er

k og 1 hver er et helt tall 1 eller 2 og * er et asymmetrisk karbonatom.

Komponent B er minst en forbindelse valgt blant en forbindelse representert ved formelen:

derR3 er en C^_1galkyl- eller<C>i_igalkoksygruppe, R<4>er en Cg-igalkylgruppe eller en C^.^galkoksygruppe og<*>er et asymmetrisk karbonatom, og en forbindelse representert ved formelen: der R<5>er en C^_^galkyl- eller C^_^galkoksygruppe, R<6>er en<C>2_igalkylgruppe eller en Ci_igalkoksygruppe og M er et asymmetrisk karbonatom, idet blandingen eventuelt i tillegg omfatter den følgende komponent C idet mengdene av komponentene A, B og C er 10 til 40, 10 til 40 henholdsvis 10 til 80 vekt-#, beregnet på den totale mengde av de tre komponenter A, B og C, der komponent C er en forbindelse valgt blant der R<7>og R<8>kan være like eller forskjellige og hver er en Ci_igalkylgruppe; eller en forbindelse med formelen

der R<9>og R<10>kan være like eller forskjellige og hver er en Ci_igalkyl- eller C^.^galkoksygruppe.

Som nevnt ovenfor angår oppfinnelsen også et lysskiftende element og dette element karakteriseres ved at det inneholder den ovenfor beskrevne ferroelektriske, flytende krystallblanding .

Selv om forbindelsene som representeres ved formlene (V) og (VI), det vil si komponent C i den flytende krystallblanding og lysskifteelementet ifølge oppfinnelsen, begge er i den ikke-chirale forbindelse, er de meget brukbare som basis-Sm-blanding fordi de har en fase som S^og en meget lav viskositet. Brukbarheten av disse forbindelser er allerede beskrevet av foreliggende oppfinnere i JP-publ. 291679/1986, og de er også meget brukbare som komponent for den ferroelektriske flytende krystallblanding ment for bruk ifølge oppf innelsen.

Forbindelsene som representeres ved formlene (I) og (II),

det vil si komponent A, er begge en ferroelektrisk flytende krystallforbindelse i forbindelse med hvilken foreliggende søkere allerede har inngitt en patentsøknad, nemlig JP-publ. 63633/1986. Selv om forbindelsene ikke viser noen signifikant spontan polarisering er de brukbare som en basis-flytende krystallforbindelse for høy temperatur fordi de har en S£<*->fase innen et meget høyt temperaturområde.

Forbindelsene som representeres ved formel (III) og (IV), det vil si komponent B, er begge en ferroelektrisk flytende krystallforbindelse som også er gjenstand for en patent-søknad, JP-publ. 103977/1986. Disse oppviser en meget høy spontan polarisering.

Generelt foreligger følgende forhold mellom den spontane polariseringsverdi, for enkelhets skyld kalt "Ps", viskositet, for enkelhets skyld kalt "n" og responstid, for enkelhets skyld kalt for det ferroelektrisk flytende krystallmateriale:

der E er den elektriske feltstyrke som legges på en flytende krystallcelle, og en forbindelse med en kombinasjon av lav viskositet med høy spontan polarisering er ønsket som det ferroelektriske flytende krystallmateriale. Komponent B spiller den ovenfor angitte rolle i blandingen tilsiktet til bruk ifølge oppfinnelsen.

Forbindelsene som representeres ved formlene (V) og (VI), det vil si komponent C, er begge ikke-chirale forbindelser. Forbindelsen som representeres ved formel (V) har en SQ-fase i lavttemperaturområdet (for eksempel når R<7>= C5H13- og R<8>= C8H17-'Cr 28 SC48 SA 58 N 64 Iso)- på den annen side har forbindelsen som representeres ved formel (VI) en S^-fase innen et høyt temperaturområde (for eksempel når R<9>= C7H15-ogR1<0>=<C>8H17-, Cr 58 Sc 134 SÅ 144 N 157 Is0). Derfor oppnås en basis-Sm-blanding med en S^-fase innen et vidt temperaturområde fra et lavt temperaturområde til et høyt temperaturområde ved å kombinere en forbindelse som representeres ved formel (V) med en forbindelse som representeres med formel (VI). Utmerkede egenskaper for forbindelser med det overfor angitte skjelett er allerede beskrevet av foreliggende søkere i JP-publ. 292679/1986. Disse forbindelser spiller som basis-S^-forbindelse en viktig rolle også i den ferroelektriske flytende krystallblanding ifølge oppfinnelsen på grunn av sin meget lave viskositet.

Foreliggende oppfinnere har gjennomført forskjellige studier på andeler av individuelle komponenter som muliggjør dannelse av et utmerket tilsiktet flytende krystallpreparat ved anvendelse av egenskapene av hver av komponentene A, B og C og som et resultat har de som beskrevet ovenfor funnet at forholdet A:B fortrinnsvis er 1,5 eller mindre og mengdene A, B og C fortrinnsvis 10 til 40, 10 til 40 henholdsvis 10 til 80 vekt-#.

Spesifikke eksempler på komponent A ifølge oppfinnelsen er forbindelsene:

Spesifikke forbindelser på komponent B ifølge oppfinnelsen er forbindelsene:

Spesifikke eksempler på komponent C i følge oppfinnelsen er forbindelsene:

De karakteristiske trekk ved oppfinnelsen skal beskrives i større detalj under henvisning til egenskapsverdiene i forskjellige blandinger vist i tegningene.

Som utgang ble det fremstilt en basis Sq blanding X omfattende ikke-chirale forbindelser som komponent C og med følgende sammensetning:

Derefter ble nevnte basis-S^-blanding X blandet med en forbindelse av den ovenfor angitte komponent A eller B (forbindelsen antydes ved formelnummeret) for å fremstille følgende blanding:

I tillegg ble disse blandinger blandet grundig og de resulterende blandinger underkastet målinger av egenskapene. Resultatene er vist i figurene 1 til 6.

Fig. 1 er diagram som viser temperaturavhengigheten av responstiden, faseovergangstemperaturen, spontanpolariser-ingen og skråningsvinkelen for et blandet system omfattende blanding b og blanding h; Fig. 2 er et diagram som viser temperaturavhengigheten av de ovenfor angitte egenskaper for et blandet system omfattende blanding g og blanding h; og fig. 3 et diagram som viser temperaturavhengigheten for de ovenfor angitte egenskaper av et blandingssystem omfattende blanding b og blanding i. Responstiden, spontanpolariser-ingen og skråningsvinkelen ble målt ved 25 0 C og den elektriske feltstyrke var 5 MV/m under måling av responstiden.

I fig. 1 er responstiden for en blanding omfattende blanding b og blanding h i et forhold på 50:50 bedre enn den til en blanding h omfattende komponentene A og C eller en blanding B omfattende komponentene B og C. Tilsvarende resultater oppnås også i fig. 2 og 3. Ut fra disse resultater er det klart at blandingen ifølge oppfinnelsen omfatende komponentene A, B og C viser overlegen responstid.

Når for eksempel i fig. 2 blandinger som respektivt har

g : h = 100 : 0, 50 : 50 og 0 : 100, alt på vekt-# basis, sammenlignes med hverandre, er responstiden 90 psek. for g : h = 100 : 0 og 140 jjsek. for g : h = 0 : 100 mens blandinger med g : h = 50 : 50 viser en responstid på 75 psek., det vil si meget utmerkede hurtigresponskarakteristika. Således kan nærværet av komponent A forkorte responstiden. Dette fremgår også av figurene 1 og 3.

I figurene 1 til 3 vil hver blandingskombinasjon beskrives i større detalj . Når blandingsforholdet er 50 : 50 på vekt-% basis inntrer det ingen signifikant reduksjon av øvre grensetemperaturen for Sc<*->fasen, noe som indikerer utmerket forenelighet mellom komponent A og komponent B. Et karak-teristisk forhold observeres mellom Ps-verdien og skråningsvinkelen. I hvert av et blandingssystem omfattende blandingene b og h (Fig. 1), blandingene g og h (Fig. 2) og blandingene b og i (Fig. 3) synes komponent B å være en hovedkomponent ansvarlig for uttrykket Ps. Imidlertid ser man at Ps-verdien i en 50 : 50 blanding har en tendens til å synke under en påvirkning av komponent A som er en komponent med en liten Ps-verdi. For eksempel er i fig. 1 Ps-verdiene for en blanding med b : h = 100 : 0 på vekt-# basis og en blanding b : h = 0 : 100 på vekt-# basis er 37 nCcm-<2>henholdsvis 5 nCcm-<2>, mens Ps-verdien for en blanding med b : h = 50 : 50 på vekt-# basis er 188 nCcm-<2>, det vil si mindre enn denne ventede verdi.

For skråningsvinkelen er denne for eksempel for en blanding b : h = 100 : 1 og en blanding b : h = 0 : 100, begge deler på vekt-# basis, 27 henholdsvis 13°mens vinkelen for blandingen b : h = 50 : 50 på vekt-# basis er 20° , det vil si en aritmetrisk middelverdi for begge verdier. Det er generell viten at en mindre skråningsvinkel gir en kortere responstid. Alle de ovenfor angitte fakta sett samtidig fører imidlertid til at man ikke kan si at en reduksjon i responstiden for en 50:50 vekt-56 blanding kun avledes fra en reduksjon av vinkelen. Fra figurene 1 til 3 er det klart at vinkelverdien i en 50:50 vekt-# blanding heller positivt opprettholdes enn reduseres. I motsetning til dette har Ps-verdiene en tendens til positiv reduksjon. Når derfor det ovenfor beskrevne uttrykk for forhold mellom responstid (t), viskositeten (n) og den spontane polarisasjon

(Ps) tas i betraktning gir i et blandingssystem omfattende komponentene A og B, blanding av komponent A med komponent B en positiv reduksjon i n verdien heller enn Ps verdien slik at det oppnås en forkortelse av nr.

For forholdet A : B kan de beste resultater oppnås når forholdet A : B er 1:1. Når imidlertid responstiden tas med i betraktning er forholdet A:B fortrinnsvis 1,5 eller mindre. Videre, for foretrukne andeler av komponentene A, B og C skal det være klart at mengdene A, B og C fortrinnsvis er 10 til 40, 10 til 40 henholdsvis 10 til 80 vekt-#.

Figurene 4 til 6 er alle diagrammer som viser konsentrasjons-avhengigheten av responstiden, faseovergangstemperaturen, skråningsvinkelen og spontan polarisasjonen for binaerbland-ingssystemer, det vil si et blandingssystem omfattende blandingene A og B, C og D henholdsvis E og F. Responstid, spontan polarisasjon og skråningsvinkel ble målt ved 25 °C og den elektriske feltstyrke var 5 MV/m under måling av responstiden.

Som det fremgår av figurene 4 til 6 blir i binærblandings-systemet, det vil si et blandingssystem omfattende blandingene A og B, C og D henholdsvis E og F, et enkelt arimetisk middelforhold fastslått for responstiden, spontan polarisering eller skråningsvinkel. Imidlertid kan, i de ovenfor beskrevne blandingssystemer i figurene 1 til 3 hvert omfattende blandinger inneholdende komponent A-forbindelsen, en betydelig virkning oppnås for responstiden. Dette sansynliggjør at blandingene ifølge oppfinnelsen er over-legne .

Forskjellige målinger ifølge oppfinnelsen ble gjennomført ved hjelp av følgende metoder.

Spontan polariseringsverdien Ps ble målt ved Sawyer-Tower-metoden. Ved målingen av skråningsvinkelen 9 ble et til-strekkelig høyt elektrisk felt over et kritisk elektrisk felt lagt på på en homogent innrettet celle for å få en skrueformet struktur til å forsvinne, polariteten ble reversert og vinkelen ble bestemt fra bevegelsesvinkelen tilsvarende 20 av extinksjonsposisjonen under kryssede nicol-linser.

Responstiden ble målt ved å injisere hver blanding i en celle underkastet en innretningsbehandling og med en elektrode-elektrodeavstand på 2 jjm, pålegning av en rektangulær bølge på 1 kHz med en topp-topp-spenning Vpp på 20 V og å bestemme en forandring i intensiteten av transmittert lys.

Oppfinnelsen skal beskrives under henvisning til tegningene. Figurene 1 til 3 er diagrammer som viser karakteristika for et blandingssystem omfattende en blanding bestående av komponentene B og C og en blanding bestående av komponentene A og C; og Figurene 4 til 6 er diagrammer som viser karakteristika for blandinger som hver omfatter komponentene B og C med forskjeller i sammensetningsforholdet.

Oppfinnelsen skal beskrives nærmere under henvisning til de illustrerende eksempler.

Eksemplene 1 til 5

Ferroelektriske flytende krystallblandinger ble fremstilt ifølge Tabell 1. Egenskapene for hvert produkt ble målt og resultatene er vist i Tabell 2. Tallene under eksempel-numrene i Tabell 1 betyr vekt-%. Tallene over fasesymbolet i Tabell 2 betyr faseovergangstemperaturen i °C. Den ferroelektriske flytende krystallblanding ifølge oppfinnelsen viser hurtig respons når den benyttes i et displaysystem der lysskiftefenomenet for den flytende krystall anvendes. Den kan derfor benyttes som et materiale for et lysskifte-element for å fremstille et utmerket flytende krystalldisplayelement der egenskaper for et flytende krystalldisplayelement, for eksempel av ikke-emissiv type og med lavt energiforbruk, benyttes med en forbedring av de tidligere mangler med henblikk på flytende krystalldisplay-elementer, det vil si dårlige responsegenskaper.

Claims (5)

1. Ferroelektrisk, flytende krystallblanding,karakterisert vedat den omfatter to komponenter A og B og har et forhold komponent A:B på 1,5 eller mindre, idet komponent A er minst en forbindelse valgt blant en forbindelse representert ved formelen:

der R<1>er en alkyl- eller alkoksygruppe med 1-18 karbonatomer , X er

m og n hver er et helt tall 1 eller 2 og<*>er et asymmetrisk karbonatom; og en forbindelse representert ved formelen:

der R<2>er en alkyl- eller alkoksygruppe med 1 til 18 karbonatomer, Y er ■ k og 1 hver er et helt tall 1 eller 2 og<*>er et asymmetrisk karbonatom. Komponent B er minst en forbindelse valgt blant en forbindelse representert ved formelen:

derR<3>er en Ci.^galkyl- eller C-j^galkoksygruppe, R<4>er en<c>2-18alkvlgruPPe eller en C^_18alkoksygruppe og M er et asymmetrisk karbonatom, og en forbindelse representert ved formelen:

der R^ er en Ci^galkyl- eller Cj^.^galkoksygruppe, R<*3>er en C2_igalkylgruppe eller en C^_^galkoksygruppe og"er et asymmetrisk karbonatom, idet blandingen eventuelt i tillegg omfatter den følgende komponent C idet mengdene av komponentene A, B og C er 10 til 40, 10 til 40 henholdsvis 10 til 80 vekt-#, beregnet på den totale mengde av de tre komponenter A, B og C, der komponent C er en forbindelse valgt blant

der R<7>og R<8>kan være like eller forskjellige og hver er en Ci_igalkylgruppe; eller en forbindelse med formelen

der R<9>og R<10>kan være like eller forskjellige og hver er en Ci_igalkyl- eller C^.^galkoksygruppe.

2.

Blanding ifølge krav 1,karakterisert vedat komponent A er minst en forbindelse valgt blant

3. Blanding ifølge krav 1,karakterisert vedat komponent B er valgt blant

4 . Blanding ifølge krav 1,karakterisert vedat komponent C er minst en forbindelse valgt blant gruppen:

5. Lysskiftende element,karakterisert vedat den omfatter en ferroelektrisk flytende krystallblanding bestående av to komponenter A og B med et forhold komponent A : komponent B på 1,5 eller mindre, idet komponent A er minst en forbindelse valgt blant

der R<1>er en alkyl- eller alkoksygruppe med 1-18 karbonatomer , X er -CH20-, -0CH2-, m og n hver er et helt tall 1 eller 2 og<*>er et asymmetrisk karbonatom; og en forbindelse representert ved formelen:

der R<2>er en alkyl- eller alkoksygruppe med 1 til 18 karbonatomer, Y er -CH20-, -0CH2-, k og 1 hver er et helt tall 1 eller 2 og<*>er et asymmetrisk karbonatom. Komponent B er minst en forbindelse valgt blant en forbindelse representert ved formelen:

der R<3>er en C^.^galkyl- eller C^.^galkoksygruppe, R<4>er en C<2>_1galkylgruppe elier en<C>1_1<g>alkoksygruppe og * er et asymmetrisk karbonatom, og en forbindelse representert ved formelen:

der r<5>er en C^.^galkyl- eller C^_^galkoksygruppe, R^ er en<C>2_1galkylgruppe eller en C^-igalkoksygruppe og*er et asymmetrisk karbonatom, idet blandingen eventuelt i tillegg inneholder komponent C og har et komponent A:B forhold på 1,5 eller mindre idet mengden av komponentene A, B og C er 10 til 40, 10 til 40 henholdsvis 10 til 80 vekt-#, beregnet på den totale mengde av komponentene A, B og C, idet komponent C er en forbindelse valgt blant

der R<7>og R<8>kan være like eller forskjellige og hver er en Cl_igalkylgruppe; eller en forbindelse med formelen

der R<9>og R<10>kan være like eller forskjellige og hver er en<C>i_igalkyl- eller C^.j^galkoksygruppe.