TWI497183B - 電光光調節元件、電光顯示器及調節介質 - Google Patents

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Description

電光光調節元件、電光顯示器及調節介質
本發明係關於光調節元件(尤其FFS型)、包含該等光調節元件之顯示器、及用於該等光調節元件中之液晶調節介質。
本發明係關於電光光調節元件及包含該等元件之電光顯示器及顯示器系統，例如，電視螢幕、移動電話顯示器及電腦顯示器。本發明之光調節元件尤其係彼等FFS型元件且較佳包含液晶調節介質、尤其佳向列型調節介質，其較佳以大彈性常數而著稱。
除低視角依賴性及良好彩色保真度以外，本發明之光調節元件尤其以低工作電壓為特徵。
本發明另外係關於藉助使用具有經優化彈性性質之液晶調節介質增加用於顯示器中之光調節元件(尤其FFS型)之對比度的方法。
已經熟知習用電光液晶顯示器。最普遍者係TN("扭曲向列型")及STN("超扭曲向列型")顯示器。該等顯示器之液晶單元具有在基板上在液晶介質兩側彼此對置之電極。因此，電場基本上垂直於液晶層。首先提及之顯示器尤其係與TFT("薄膜電晶體")定址組合用於大資訊量及高解析度之顯示器(例如膝上型及筆記型電腦)。
為改良視角依賴性，已引入上述顯示器類型之改良，尤其具有補償膜用於(例如)桌上型電腦顯示器及電視螢幕之 顯示器。
同樣主要用於改良視角依賴性之VAN("垂直配向向列型")型液晶顯示器之使用最近正逐漸增加。VAN顯示器係ECB("電控雙折射")顯示器之變形。在現代形式的MVA("多域垂直配向向列型")顯示器中，經由定址電極穩定複數個域，且此外使用特定光學補償層。如同已提及之TN及STN顯示器一樣，該等顯示器使用基本上垂直於液晶層之電場。
建議用於改良視角依賴性之另一顯示器類型係IPS("平面內開關")顯示器(參見例如德國專利第40 00 451號及歐洲專利第0 588 568號)。與以上所提及之顯示器相反，該等通常僅在一個基板上(即在液晶層的一側)使用電極。該等電極亦稱為交叉指形電極。該等顯示器之特徵在於該電場具有平行於液晶層之可觀分量。此使得調節層之液晶扭曲偏離顯示器平面內通常未扭曲的水平、實質上平面之初始配向。此獲得對比度且尤其彩色重現之優良低視角依賴性。
在實際使用之IPS顯示器中，電極結構之梳形部件彼此相互交叉且較佳位於至少兩個不同平面中，其因此較佳由固體電介質將彼此隔開。其充有不同電位的電荷(即，係以電方式定址)，此使得電場在顯示器平面內或所製造液晶層平面內具有可觀分量。電場在液晶層平面內之此分量使得介電各向異性液晶之指向矢基本上在液晶層平面內扭曲。
在IPS型顯示器中，液晶層基本上僅在交叉指形電極之間且實質上完全不在電極自身上之區域內切換。此降低對比度，或當例如使用黑色遮罩(BM)用於遮蔽非開關區域時，降低孔徑比且因此顯示器之透射率或亮度。
最近，已建議FFS("邊緣場開關")型電光液晶顯示器(例如Lee,S.H.、Lee,S.L.及Kim,H.Y.，Proc.of the 18th Int.Display Research Conf.,1998，第頁371及其後，及Jung,S.H.、Kim,H.Y.、Song,S.H.、Kim,J.－H.、Nam,S.－H.、及Lee,S.H.，Jpn.J.Appl.Phys.，第43卷，第3期，2004，第1028－1031頁及其中列舉的文件)。該等顯示器亦已商業實施(Lee,S.H.等人，SID Dig.、2001，第484頁及其後)。如同同樣習知最近尤其逐漸用於桌上型電腦顯示器及電視機中之IPS型液晶顯示器一樣，該等顯示器通常在液晶調節介質一側上具有梳形/梳狀電極結構。
然而，與上述IPS顯示器中所用電極構造相反，FFS顯示器中之電極由個別結構化開槽電極(像素電極)及反電極(CE，亦稱為"共同電極")構成。(開槽電極、像素電極有時亦稱為梳型或梯型電極且其基本上彼此平行之結構相應稱為齒或梯級)。與IPS顯示器之電極一樣，該等兩個電極均位於同一基板上且因此在液晶層一側上。然而，與IPS顯示器相反，FFS顯示器兩個電極中的僅一個經設計作為結構化(梳型)電極且另一電極係未經結構化導電層，其通常遮蔽光調節元件之主要部件區域或甚至光調節元件之整個區域。結構化電極在此處稱為像素電極，且另一未結構化 電極稱為反電極。如IPS顯示器中一樣，該兩個電極通常由絕緣材料層、通常電介質彼此隔開。
此絕緣層之厚度通常為500奈米至800奈米。較佳絕緣材料通常為SiO2 或SiNx 。
在FFS顯示器中，像素電極之橢圓形結構化部件(即，個別"齒"或"梯級")通常彼此相距一定間距("l ")，該間距稍微大於其寬度("w" )以及光調節元件調節介質之層厚度("d ")二者。典型值係大約l ＝5微米，w ＝3微米且d ＝3微米至4微米。
與習用IPS顯示器相反，FFS顯示器需要較大光延遲(d．△n)。在此處d．△n通常在0.30微米至0.50微米之範圍內。根據Jung,S.H.、Kim,H.Y.、Song,S.H.、Kim,J.－H.、Nam,S.－H.及Lee,S.H.之Jpn.J.Appl.Phys.(第43卷，第3期，2004，第1028－1031頁)，FFS顯示器之d．△n較佳為0.36微米或以上、尤其佳通常約0.42微米，而例如根據Satake,T.、Nishioka,T.、Saito,T.及Kurata,T.之Jpn.J.Appl.Phys.(第40卷，2001，第195頁及其後)，對於IPS顯示器此值較佳為343.8奈米，即，明顯低於大多數FFS顯示器之值。
FFS顯示器具有與IPS顯示器一樣的良好視角範圍。然而，由於FFS顯示器中之液晶調節介質亦在電極上之區域中切換，故其具有明顯較大的透射率且因此較佳亮度而無對比度的額外損失(Lee,S.H.、Lee,S.L.及Kim,H.Y.之Appl.Phys.Lett,1998，第73卷，第20期，第2881頁)。
在FFS模式中，介電正性液晶介質之液晶指向矢在電場("邊緣場")作用下進行扭曲以及傾斜移動。
使用介電負性液晶作為調節介質之FFS顯示器具有明顯比使用介電正性液晶者高的透射率。其因此在此態樣中較佳。然而，由於介電正性液晶中介電各向異性之絕對值採用比介電負性液晶中高的值，故其需要明顯比包含介電正性液晶之FFS顯示器高的操作電壓(Lee,S.H.、Lee,S.L.及Kim,H.Y.之Appl.Phys.Lett.,1998，第73卷，第20期，第2881頁)。
此外，在使用介電正性液晶作為調節介質之FFS顯示器中配向角(α)及指向矢之波動對透射率具有明顯影響，而在含介電負性液晶之FFS顯示器中不會出現此種情況(Hong,S.H.、Park,I.C、Kim,H.Y.及Lee,S.E.之Jpn.J.Appl.Phys.，第39卷,2000，第L527－L530頁)。此意味著含介電正性液晶之FFS顯示器通常具有比含介電負性液晶者差的透射率。
因此，需要介電正性液晶作為調節介質用於FFS型之光調節元件，其尤其能夠提供較高透射率而同時不損害其他應用相關性質(例如，良好視角依賴性及最低可能定址電壓)。
該等光調節元件應具有調節介質之最小可能層厚度以可用作FPD("平板顯示器")之元件，例如，用於多媒體應用之電腦的平面螢幕。此外，其應借助簡單電極構造定址且具有相對低操作電壓。此外，其用於電光顯示器應具有良 好對比度以及低視角依賴性。
令人驚訝地，已發現具有以下之光調節元件：－電極佈置，其包含－結構化電極，其具有二或多個基本上彼此平行且在沿其長度上的可觀部分彼此絕緣之結構，及－反電極，其基本上沿著該光調節元件整個有效面積上延伸；－且其較佳可產生具有平行於液晶調節介質之表面以及與之垂直之可觀分量的電場，－較佳一個用於使光偏振之元件或複數個用於使光偏振之元件，及－液晶調節介質，其特徵在於該液晶調節介質具有－14.0 pN或大於14.0 pN、較佳15.0 pN或大於15.0 pN且極其佳16.0 pN或大於16.0 pN之彈性常數K1 ，該等光調節元件能夠構成優良顯示器。
特定而言，該等顯示器之對比度及其視角依賴性極佳，其響應時間短。該等顯示器之透射率以及因此之亮度，明顯比同級顯示器好，且定址電壓相對較低。
所用電場較佳為邊緣場。
本發明進一步係關於用於FFS光調節元件中之液晶調節介質。
本發明另外係關於改良FFS光調節元件之方法，尤其藉 助使用具有經優化黏度及/或介電各向異性及/或彈性常數(尤其具有經優化彈性常數)之液晶調節介質。
令人驚訝地，已發現針對液晶指向矢傾斜之彈性常數值(K1 )及針對液晶指向矢彎曲之彈性常數值(K3 )增加使得FFS光調節元件之黑色狀態增加且因此改良其對比度。此外，已發現較高K1 獲得較好的最大透射率及可降低工作電壓。
相反地，針對液晶指向矢扭曲之彈性常數(K2 )之大小對於FFS光調節元件之電光特性線具有顯著影響。較小K2 值使得電光特性線之特性電壓降低且光調節元件之最大透射率增加。
K1 及K2 二者影響FFS光調節元件之響應時間。相應彈性常數之較大值產生較短響應時間，其中該效果在K2 之情況下明顯比在K1 之情況下更顯著。對於彈性常數K3 ，未觀察到對響應時間之此類效果。
本發明之液晶介質較佳具有最大可能的彈性常數K1 及K3 值。同時適當增加K2 可對響應時間有有利效果。
下文將更詳細地闡述較佳實施例。
由於K1 之增加並不改變工作電壓且改良對比度，故其對顯示器性質具有最有利地影響。
一方面，改良本發明FFS光調節元件之透射率具體而言係藉由優化K1 而達成。本發明用於具有經改良響應時間/透射率之FFS光調節元件之介質的K1 值較佳為14.0 pN或以上至30.0 pN或以下。
本發明用於具有經改良性質之FFS光調節元件之介質的K1 較佳為14.0 pN或以上至30.0 pN或以下、尤其佳14.5 pN或以上至25 pN或以下且極其佳15.0 pN或以上至20 pN或以下。
另一方面，改良本發明FFS光調節元件之透射率具體而言係藉由優化K2 而達成。再次，大的值較佳。
然而，K2 較佳亦不應變得太大，否則電光特性線的特性電壓及因此之FFS光調節元件之操作電壓會增加過多。
本發明用於具有經改良透射率之FFS光調節元件之介質的K2 值較佳為2.0 pN或以上至20.0 pN或以下、尤其佳3.0 pN或以上至18.0 pN或以下且極其佳4.0 pN或以上至16.0 pN或以下。
在尤其較佳實施例中，本發明用於具有經改良響應時間/透射率之FFS光調節元件之介質的K2 值較佳為3.0 pN或以上至15.0 pN或以下、尤其佳4.0 pN或以上至10.0 pN或以下且極其佳5.0 pN或以上至7.0 pN或以下。
極其佳地，本發明介質之K1 為14.0 pN或大於14.0 pN且同時本發明介質之K2 為7.0 pN或小於7.0 pN。
本發明用於具有經改良性質之FFS光調節元件之介質的K3 較佳為8.0 pN或以上至30.0 pN或以下、尤其佳10.0 pN或以上至28.0 pN或以下且極其佳12.0 pN或以上至26.0 pN或以下。
特定而言，彈性常數之比K2 /K3 且尤其K2 /K1 對本發明FFS光調節元件之性質具有顯著影響。
比率K2 /K1 在此處較佳為0.10或以上至1.0或以下、尤其佳0.20或以上至0.8或以下且極其佳0.3或以上至0.5或以下。
比率K2 /K3 較佳盡可能地高。其較佳為0.40或以上且尤其佳0.60或以上。
本發明用於具有經改良性質之FFS光調節元件之介質的澄清點較佳在70℃或以上至120℃或以下、尤其佳75℃或以上至100℃或以下且極其佳80℃或以上至93℃或以下之範圍內。
本發明用於具有經改良性質之FFS光調節元件之介質的向列相較佳在80度或以上、尤其佳100度且極其佳120度或以上之溫度範圍內延伸。
本發明用於具有經改良性質之FFS光調節元件之介質較佳具有在－20℃或以下至70℃或以上、尤其佳－30℃或以下至80℃或以上且極其佳－40℃或以下至120℃或以上之溫度範圍內延伸的向列相。
本發明用於具有經改良性質之FFS光調節元件之介質的旋轉黏度較佳為120 mPa．s或以下、尤其佳110 mPa．s或以下且極其佳100 mPa．s或以下。
本發明用於具有經改良性質之FFS光調節元件之介質的介電各向異性較佳在2.0或以上至6.0或以下、尤其佳2.5或以上至14.0或以下且極其佳3.0或以上至12.0或以下之範圍內。
本發明用於具有經改良性質之FFS光調節元件之介質的 雙折射率值較佳在0.05或以上至0.18或以下、尤其佳0.06或以上至0.17或以下且極其佳0.07或以上至0.16或以下之範圍內。
本發明具有經改良性質之FFS光調節元件的液晶層層厚度(d)較佳在1.0微米或以上至7.0微米或以下、尤其佳2.0微米或以上至6.0微米或以下且極其佳3.0微米或以上至4.0微米或以下之範圍內。
本發明具有經改良性質之FFS光調節元件之光延遲值(d．△n)較佳在0.3微米或以上至0.5微米或以下、尤其佳0.34微米或以上至0.485微米或以下且極其佳0.36微米或以上至0.47微米或以下之範圍內。
本發明具有經改良性質之FFS光調節元件在基板上(較佳在結構化電極層位於其上之基板上)較佳具有液晶指向矢與邊緣場方向(即，垂直於結構化電極之電極梯級之縱向伸長方向)所成之定向角或配向角(通常摩擦角)(α)。此角度α較佳在5°或以上至15°或以下、尤其佳9°或以上至15°或以下且極其佳11°或以上至13°或以下且尤其約12°之範圍內。相應基板通常垂直於邊緣摩擦且電極槽係與其成一定角度α來製造。
本發明具有經改良性質之FFS光調節元件較佳在靜止狀態下在在至少一個、較佳兩個基板處具有液晶指向矢之傾斜角(θ)。此傾斜角較佳較小。
本發明具有經改良性質之FFS光調節元件較佳在靜止狀態下在液晶層自一個基板至另一基板之層厚度上具有為約 0°或約90°之液晶指向矢扭轉角(Φ)。
用於研究不具有中間相之化合物及組份的液晶原性質的較佳介質係向列型混合物ZLI－4792(來自Merck KGaA,Darmstadt,Germany)。此混合物中各液晶原化合物或組份之性質較佳自10%溶液外推得知。若此類溶液之向列相用於相應研究不夠穩定，則將特定化合物或組份之濃度減半直至獲得足夠穩定的混合物為止。
本發明之光調節元件較佳包含在運行溫度下呈向列相之液晶介質。此介質有利地位於兩個基板之間，至少一個基板透光。該(等)透光基板可由(例如)玻璃、石英或塑膠構成。若使用不透光之基板，則其尤其可由金屬或半導體構成。該等介質可如此使用或可位於支撐件(例如陶瓷)上。若液晶原介質係聚合物介質，則視情況可不使用第二基板。聚合液晶原介質甚至可以自支撐形式製造。在此情況下，視情況可不使用基板。
本發明之光調節元件包含電極結構，其適用於產生具有平行於液晶層之可觀分量及垂直於液晶層之可觀分量的電場。
此電極結構可製成交叉指形電極之形式。其可製成(例如)梳或梯之形式(即，具有一或多個側桿及具有梯級)或製成具有一或多個槽(其可在一端開口)之表面形式。呈互相重疊"H"(例如"")及雙"T"或"I"(例如"")之形式的設計通常亦有利。電極結構有利地僅位於液晶介質之一側，在使用至少一個基板的情況下較佳介於此基板與液晶介質之 間。電極結構較佳位於至少兩個不同平面中，該兩個平面皆位於液晶原調節介質一側，尤其若電極結構包含重疊部件結構，則此適用。該等部件結構有利地由介電層彼此隔開。若部件結構位於絕緣層之對置側上，則可選擇允許產生電容器之佈置。此在藉助主動矩陣定址之顯示器的情況下尤其有利。此類主動矩陣顯示器使用定址元件之矩陣，該等定址元件係指派給具有非線性電流－電壓特性線之個別光調節元件(例如，TFT或MIM("金屬絕緣體金屬")二極體)。
電極可由透光材料構成，例如，銦錫氧化物(ITO)。在此情況下，可能有利的且在一些情況下需要借助黑色遮罩遮蔽光調節元件之一個元件或多個元件。此使得(例如)將光調節元件其中電場無效之區域篩選出且因此改良對比度。此外，其可保護光敏感電子組件(例如，某些TFT)抵抗輻照。
然而，該等電極中至少一個、較佳該反電極亦可由不透射光之材料、通常金屬構成。然後若期望，則可不使用單獨黑色遮罩。
本發明光調節元件之操作溫度範圍較佳涵蓋10℃或以下至40℃或以上、尤其佳0℃或以下至50℃或以上且特別佳－20℃或以下至60℃或以上之範圍。
本發明光調節元件之操作溫度範圍較佳在0℃或以下至40℃或以上、尤其佳－20℃或以下至80℃或以上且尤其佳－40℃或以下至90℃或以上之範圍內延伸。
本發明之光調節元件包含至少一個用於使光偏振之元件。此外，其較佳包含其他光元件。此其他光元件為用於使光偏振之第二元件、反射器或透射反射器。
該等光元件係以以下方式排布：光在穿過光調節元件之液晶原介質時在進入液晶原介質之前以及離開液晶原介質之後兩種情況下至少一次穿過至少一個偏振元件。
在本發明光調節元件之較佳實施例中，液晶原介質位於兩個偏振器(即，偏振器及分析器)之間。較佳使用兩個線性偏振器。在此實施例中，偏振器之吸收軸較佳交叉且較佳形成90°之角度。
本發明之光調節元件視需要包含一或多個雙折射層。其較佳包含一個λ/4層或複數個λ/4層、較佳一個λ/4層。該λ/4層之光延遲較佳為約140奈米。
本發明之光調節元件可另外包含一或多個其他習用光元件，例如雙折射層(例如補償層)、擴散層及用於增加亮度及/或光產量、視角依賴性之元件，其中此列表並非限定性的。
本發明之光調節元件以良好對比度為特徵。
本發明光調節元件之對比度的視角依賴性極好。其明顯比習知ECB單元好。其與市售IPS顯示器及MVA顯示器更相容。其遠比在最後章節中所提及之TN顯示器的視角依賴性低。因此，本發明光調節元件既定對比度之等對比度曲線通常包括角度範圍，其比TN顯示器中相同對比度的相應等對比度曲線的角度範圍大兩倍、通常甚至大三倍。
本發明光調節元件之響應時間通常短。
為了研究對灰色陰影定址時之切換特性，將本發明之光調節元件各自自(例如)電壓V10 切換至V90 、V80 、V70 至V20 中每一個。接通時間係自接通新電壓至達成特定開關過程相應最大透射率變化的90%的時間。
本發明之電光顯示器包含一或多個本發明之光調節元件。在較佳實施例中，該等借助主動矩陣定址。
在另一較佳實施例中，本發明之光調節元件係以所謂的"場順序模式"定址。此處，該等開關元件相繼用不同顏色的光照亮以同步方式定址。為產生脈衝彩色光，可使用諸如色輪、頻閃燈或閃光燈。
本發明之電光顯示器可包含彩色過濾器以顯示彩色圖像，尤其若其用於電視螢幕、電腦顯示器或諸如此類時。此彩色過濾器有利地由不同顏色過濾元件之鑲嵌體構成。通常在此處，將一種顏色之彩色濾鏡嵌鑲塊分配給每一個電光開關元件。
本發明之液晶介質較佳具有向列相。
具有向列相之液晶原介質的澄清點較佳在60℃至120℃之範圍內、尤其佳在70℃至110℃之範圍內且極其佳在70℃至90℃之範圍內。在利用背光之顯示器中，澄清點較佳在70℃至100℃之範圍內且尤其佳在80℃至90℃之範圍內。
該向列相較佳低至－10℃、尤其佳低至－30℃且極其佳低至－40℃穩定。
對於本發明之光調節元件，其可能使用向列相具有正介電各向異性(△ε)及具有負介電各向異性之兩種液晶原調節介質。較佳使用中間相具有正介電各向異性之液晶原調節介質。
本發明之液晶介質較佳由2至40種化合物、尤其佳5至30種化合物且極其佳7至25種化合物構成。
本發明具有正介電各向異性之液晶介質較佳包含－組份A ，其由一或多種具有10或以上、較佳10至30之強正介電各向異性的化合物構成，－視需要組份B ，其由一或多種具有大於1.5至小於10之適度正介電各向異性的化合物構成，－視需要組份C ，其由一或多種介電各向異性在－1.5或以上至＋1.5或以下之範圍內的介電中性化合物構成，及－視需要組份D ，其由一或多種負介電各向異性小於－1.5之化合物構成。
該等介質之組份A 較佳包含一或多種式I化合物且尤其佳主要由一或多種式I化合物構成且極其佳實際上完全由一或多種式I化合物構成 其中R1 表示烷基或烷氧基、較佳正烷基或正烷氧基，其各自具有1至7個C原子；烯基、烯氧基、炔 基或烷氧基烷基，其各自具有2至7個C原子，所存在環 至中的一或多個表示且其他環 至若每一個都存在，則彼此獨立，且若存在不止一次，則該等亦彼此獨立地表示 較佳地 尤其佳表示或 表示，，，或 若存在則表示，或，Z11 及Z12 若每一個都存在，則彼此獨立，且若Z12 存在不止一次，則該等亦彼此獨立地表示單 鍵、－CO－O－、反式 －CH＝CH－、－CH＝CF－、－CF＝CH－、－CF＝CF－、－CH＝CH－CO－O－、－CF＝CF－CO－O－、－CF＝CH－CO－O－、－CH＝CF－CO－O－、－CF2 －O－、－O－CF2 －或－C≡C－，較佳地Z11 表示單鍵或－CF2 －O－及Z12 表示單鍵，X1 表示F、Cl、－OCF3 、－CF3 、－OCF2 H、CN、－C≡C－CN或NCS，較佳F、－OCF3 、－CF3 、－OCF2 H或Cl，尤其佳F、－OCF3 、或Cl，且極其佳F或－OCF3 ，且m表示0、1或2，較佳0或1。
該等介質之組份B 較佳包含一或多種式II化合物且尤其佳主要由一或多種式II化合物構成且極其佳實際上完全由一或多種式II化合物構成 其中R21 與R22 各自彼此獨立地表示H、具有至多15個C原子之未經取代烷基或烯基，其中另外該等基團中之一或多個CH2 基團可由－O－、－S－、、－C≡C－、－CF2 －O－、－O－CF2 －、－CO－O－或－O－CO－以O原子彼此不直接連接之方式 代替，較佳未經取代之烷基、烯基、烷氧基或烯氧基，尤其佳R21 及R22 中的一個表示烷基或烯基且另一個表示烷基、烯基、烷氧基或烯氧基，較佳彼此獨立地表示具有1至7個C原子之烷基(較佳正烷基、尤其佳具有1至5個C原子之正烷基)、具有1至7個C原子之烷氧基(較佳正烷氧基、尤其佳具有1至5個C原子之正烷氧基)、或具有2至7個C原子、較佳具有2至4個C原子之烷氧基烷基、烯基或烯氧基、較佳烯基(其中所有基團中的一或多個H原子可由鹵素鹵素原子、較佳F原子代替)，尤其佳R21 及R22 中的一個、較佳R11 表示烷基或烯基且另一個表示烷基、烯基、烷氧基或烯氧基，尤其佳R21 表示直鏈烷基、尤其CH3 －、C2 H5 －、n－C3 H7 、n－C4 H9 －或n－C5 H11 －、或烯基、尤其CH2 ＝CH－、E－CH3 －CH＝CH－、CH2 ＝CH－CH2 －CH2 －、E－CH3 －CH＝CH－CH2 －CH2 －或E－n－C3 H7 －CH＝CH－， 至若每一個都存在，則彼此獨立地表示 較佳地 尤其佳地表示且表示或且表示或，X2 表示F、Cl、－OCF3 、－OCHF2 、－CF3 、－CH2 F、－CHF2 ，較佳F、Cl、－CF3 或－OCF3 ，尤其佳F， Z21 至Z23 若每一個都存在，則彼此獨立地表示單鍵、－CH2 －CH2 －、－CH2 －CF2 －、－CF2 －CH2 －、－CF2 －CF2 －、－CH＝CH－、－CF＝CH－、－CH＝CF－、－C≡C－、－CH2 －O－、－O－CH2 －、－O－、－CH2 －、－CO－O－、－O－CO－、－CF2 －O－或－O－CF2 －，較佳單鍵、－CH2 －CH2 －、－CH＝CH－、－C≡C－、－CF2 －O－或－O－CF2 －，尤其佳Z21 至Z23 中的一個或(若存在)多個表示單鍵，且極其佳所有皆表示單鍵，l及o各自彼此獨立地表示0或1，且(l＋o)較佳表示0或1。
該等介質之組份C 較佳包含一或多種式III化合物且尤其佳主要由一或多種式III化合物構成且極其佳實際上完全由一或多種式III化合物構成 其中R31 及R32 各自彼此獨立地具有針對R11 及R12 所給出含義之一，且較佳表示具有1至7個C原子的烷基，較佳正烷基且尤其佳具有1至5個C原子的正烷基；具有1至7個C原子的烷氧基，較佳正烷氧基且尤其佳具有2至5個C原子的正烷氧基；或具有2至7個C原子、較佳具有2 至4個C原子的烷氧基烷基、烯基或烯氧基，較佳烯氧基， 至各自彼此獨立地表示voneinander’ 較佳地 較佳地表示，較佳地表示或，且若存在較佳地表示Z31 至Z33 各自彼此獨立地具有針對Z11 至Z13 所給出含義之一，且較佳表示－CH2 －CH2 －、－CH＝CH－、－C≡C－、－COO－或單鍵，較佳係－CH2 －CH2 －或單鍵，並尤其佳係單鍵，p及q各自彼此獨立的表示0或1，(p＋q)較佳表示0或1、較佳0。
本發明之介質較佳包含一或多種選自式I－1至I－5化合物之群的化合物： 其中參數具有以上根據式I所給出相應含義。
本發明之介質尤其佳包含一或多種選自式I－1至I－5化合物之群的化合物，其中X1 表示F且R1 表示Cn H2n＋1 且n表示1至7、較佳1至5。
本發明之介質極其佳包含一或多種選自以下式I－1a至I－3b化合物之群的化合物： 其中參數具有以上根據式I所給出相應含義。
本發明之介質尤其佳包含一或多種選自以下式I－1a－1至I－3b－2化合物之群的化合物： 其中n表示0至7、較佳0至5且尤其佳1至5的整數。
在較佳實施例中，該介質包含一或多種選自式II－1至II－8化合物之群、較佳選自式II－2、II－4、II－6及II－7化合物之群的式II化合物： 其中R2 具有以上所指定含義且較佳表示烷基、尤其佳具有1至5個C原子之正烷基，或在式II－2之情況下尤其佳為具有2至5個C原子之烯基、較佳1－E－烯基。
在又一較佳實施例中，該介質包含一或多種式III化合物，該等式III化合物係選自式III－1至III－11化合物之群， 較佳選自式III－1至III－9化合物之群，較佳選自III－1至III－6之群且尤其佳選自III－1及III－4之群， 其中參數具有上文針對式III中所給出的相應含義，且Y3 表示H或F且較佳R31 表示烷基或烯基且R32 表示烷基、烯基或烷氧基，較佳烷基或烯基，尤其佳烯基。
該介質尤其佳包含一或多種式III－1選自以下之群之化合物，－式III－1c，特別佳地－式III－1，其中R31 表示乙烯基或1－丙烯基且R32 表示烷基、較佳正烷基，尤其佳R31 表示乙烯基且R32 表示丙基，及－式III－1d，特別佳地－式III－1，其中R31 及R32 彼此獨立地表示乙烯基或1－丙烯基，較佳R31 表示乙烯基且尤其佳R31 及R32 皆表示乙烯基。
在又一較佳實施例中，該介質包含一或多種式III－1化合物，該等化合物係選自式III－1a至III－1e、較佳式III－1a及/ 或III－1c及或III－1d、尤其佳式III－1c及/或III－1d且極其佳式III－1c及式III－1d之化合物之群， 其中烷基及烷基'彼此獨立地表示具有1至7個C原子、較佳具有2至5個C原子的烷基，烷氧基表示具有1至5個C原子、較佳具有2至4個C原子的烷氧基，及烯基及烯基'彼此獨立地表示具有2至7個C原子、較佳具有2至5個C原子的烯基。
本發明介質尤其佳包含以20重量%或以上、尤其25重量%或以上、極其佳30重量%或以上之量的式III－1化合物，尤其式III－1a'化合物 其中n表示3、4、5且Re 表示H或CH3 。
在又一較佳實施例中，該介質包含一或多種式III－2之化合物，該等化合物係選自式III－2a至III－2d、較佳式III－2a及/或III－2b、尤其佳式III－2b之化合物之群， 其中烷基及烷基'彼此獨立地表示具有1至7個C原子、較佳具有2至5個C原子的烷基，烷氧基表示具有1至5個C原子、較佳具有2至4個C原子的烷氧基，及烯基表示具有2至7個C原子、較佳具有2至5個C原子的烯基。
在又一較佳實施例中，該介質包含一或多種選自式III－3a至III－3c化合物之群的式III－3化合物： 烷基及烷基'彼此獨立地表示具有1至7個C原子、較佳具有2至5個C原子的烷基，烯基表示具有2至7個C原子、較佳具有2至5個C原子之烯基。
混合物中總體上該等聯苯之比例較佳為3重量%或以上、尤其5重量%或以上。
式III－3a及III－3b之較佳化合物係具有下式之化合物： 其中參數具有以上所給出之含義。
尤其佳之式III－3b化合物係選自下式之化合物： 且尤其最後式之化合物。
在較佳實施例中，該介質包含一或多種式III－4之化合物，尤其較佳一或多種其中R31 表示乙烯基或1－丙烯基且R32 表示烷基(較佳正烷基)、尤其佳R31 表示乙烯基且R32 表示甲基之化合物。
在又一較佳實施例中，該介質包含一或多種式III－4化合物，該等式III－4化合物係選自式III－4a至III－4d、較佳式III－4a及/或III－4b、尤其佳式III－4b之化合物之群， 其中烷基及烷基'彼此獨立地表示具有1至7個C原子、較佳具有2至5個C原子的烷基，烷氧基表示具有1至5個C原子、較佳具有2至4個C原子之烷氧基，及烯基表示具有2至7個C原子、較佳具有2至5個C原子之烯基。
在較佳實施例中，該介質包含一或多種式III－5之化合物，尤其較佳一或多種其中R31 表示烷基、乙烯基或1－丙烯基且R32 表示烷基、較佳正烷基之化合物。
在又一較佳實施例中，該介質包含一或多種式III－5之化合物，該等化合物係選自式III－5a至III－5d、較佳式III－5a及/或III－5b、尤其佳式III－5a之化合物之群， 其中烷基及烷基'彼此獨立地表示具有1至7個C原子、較佳具有2至5個C原子的烷基，烷氧基表示具有1至5個C原子、較佳具有2至4個C原子的烷氧基，及烯基表示具有2至7個C原子、較佳具有2至5個C原子的烯基，及/或式III－5e至III－5h、較佳式III－5e及/或III－5f、尤其佳式III－5e之化合物之群， 其中烷基及烷基'彼此獨立地表示具有1至7個C原子、較佳具有2至5個C原子的烷基，烷氧基表示具有1至5個C原子、較佳具有2至4個C 原子的烷氧基，及烯基表示具有2至7個C原子、較佳具有2至5個C原子的烯基。
在又一較佳實施例中，該介質包含一或多種式III－6化合物，該等化合物係選自式III－6a至III－6c、較佳式III－6a及/或III－6b、尤其佳式III－6a之化合物之群， 其中烷基及烷基'彼此獨立地表示具有1至7個C原子、較佳具有2至5個C原子的烷基，烷氧基表示具有1至5個C原子、較佳具有2至4個C原子的烷氧基。
在又一較佳實施例中，該介質包含一或多種式III－6化合物，該等化合物係選自式III－10a及III－10b之化合物之群， 其中烷基及烷基'彼此獨立地表示具有1至7個C原子、較佳具有2至5個C原子的烷基。
在又一較佳實施例中，該介質包含一或多種選自式III－11a之化合物的式III－11化合物 其中烷基及烷基'彼此獨立地表示具有1至7個C原子、較佳具有2至5個C原子的烷基。
以下表展示尤其適用於製備本發明介質之尤其佳式之化合物的一些實例。
本發明正介電各向異性之液晶介質尤其佳主要由組份A 至D、尤其佳組份A 至C構成且極其佳實際上完全由組份A 至D、尤其佳組份A 至C構成。
在較佳實施例中，本發明正介電各向異性之液晶介質包含一或多種選自組份B 至D之群、較佳選自組份B 及C之群的組份。
本發明之液晶原介質可以常用濃度包含其他添加劑及對掌性摻雜劑。該等其他成份之總濃度以混合物作為整體計在0%至10%之範圍內、較佳在0.1%至6%之範圍內。該等中個別化合物的濃度在0.1%至3%的範圍內。當表明其他混合物成份之濃度範圍時，該等化合物及混合物中類似成份的濃度不予考慮。
該等介質係自該等化合物以習用方式獲得。以較小量使用的化合物有利地溶於以較大量使用的化合物中。若混合作業期間的溫度高於主要組份的澄清點，則可容易地觀察到溶解結束。然而，本發明之介質以可以其他方式製備，例如藉助使用預混合物。可使用之預混合物尤其係均勻混合物及/或低共熔混合物。然而，預混合物亦可為其自身已適於應用之混合物。此係所謂的雙瓶或多瓶系統的情況。
在本申請案中，除非另外明確說明，否則適用以下情況。
介電正性化合物具有>1.5的△ε，介電中性化合物具有在－1.5△ε1.5範圍內的△ε且介電負性化合物具有<－1.5的△ε。相同定義亦適用於混合物組份及混合物。
化合物之介電各向異性△ε係在1 kHz及20℃下藉由將各化合物存於主體混合物中之10%溶液之值外推至各化合物比例為100%來確定。測試混合物的電容係在具有垂直邊緣配向之單元以及具有水平邊緣配向之單元二者中確定。兩種單元類型的層厚度為約20微米。為了量測，使用頻率 為1 kHz且有效電壓(rms，"均方根")通常為0.2 V至1.0 V的矩形波。在每一種情況下，所用電壓低於在每一種情況中所研究混合物之電容臨限值。
用於介電正性化合物之主體混合物係向列型液晶混合物ZLI－4792，且用於介電中性及介電負性化合物之主體混合物係向列型液晶混合物ZLI－3086，二者皆來自Merck KGaA,Germany。
在本申請案中，術語臨限電壓表示光學限值且表明10%之相對對比度(V10 )。中等灰度電壓及飽和電壓同樣以光學方式確定且分別表明50%及90%之相對對比度。若指電容限值(V0 )(亦稱為Freedericks限值)，則將明確說明。
除非另有說明，否則所指示值範圍較佳包括極限值。
濃度係以重量%且相對於整個混合物給出。溫度係以攝氏度指出且溫度差係以相差的攝氏度指出。
所有物理性質係如"Merck Liquid Crystals,Physical Properties of Liquid Crystals"(Status Nov.1997,Merck KGaA,Germany)中所指出確定且係針對20℃的溫度指出。
彈性常數是根據上述手冊第VI章借助液晶在變化(即，增加)磁場中自單元中三個不同初始配向之變形利用有效雙折射之雷射檢測來確定。針對Merck KGaA的混合物ZLI－2293(及ZLI－4792)，經確定彈性常數K1 為13.2 pN(及12.5 pN)、K2 為6.5 pN(及7.3 pN)且K3 為18.3 pN(及17.9 pN)。
或者，且為了補充及檢查結果，由Brimicombe開發之以下"pi單元"方法適用於確定"扭曲"變形之彈性常數K22 (Brimicombe,J.Appl.Phys .,2007.101)。
在此方法中，將欲研究的液晶介質引入由玻璃及平行摩擦聚醯亞胺層製得之測試單元，即所謂的"pi單元"(亦寫為"n單元")。基板另外其各自內部用銦錫氧化物(ITO)之連續層(其用作透明電極)塗佈。為觀察伴隨指向矢變形之量測單元光延遲變化，將偏振器以在每一情況下偏振方向經配向平行於聚醯亞胺之摩擦方向的方式黏著至各基板。該等量測單元係由Merck KGaA,Darmstadt,Germany製造。所用聚醯亞胺係來自Nissan Chemicals,Japan之SE－3140其產生約5°至6°之高預傾角(即，表面傾斜角)。所用單元之層厚度在8微米至10微米的範圍內。
施加適當大小的交流電壓將液晶轉化成所謂的"彎曲"狀態，其中LC採用與"OCB"單元中一樣之彎曲指向矢分佈。所用交流電壓之頻率為60 Hz。首先，施加20 V之電壓以首次開啟該單元，且然後立即將電壓降至約3 V或以下以使LC保持在彎曲狀態。此狀態在本文所用偏振器構造中看起來為黑色。若所施加電壓降低，則指向矢自彎曲狀態變為180°扭曲的"扭曲"狀態。此狀態之特徵在於在單元的層厚度上指向矢扭曲至180°。由於此扭曲狀態就左手扭曲及右手扭曲而言出現能量退化，因此出現分叉。此係自量測單元之透射率顯著改變的光學可檢測限值看出。由於此係指向矢之純扭曲變形，故臨限電壓極度敏感地對彈性常數K22 之改變起反應且因此可用作此量之尤其適宜量度。臨限電壓係借助來自Autronic－Melchers,Karlsruhe,Germany 之DMS 301電光量測台進行檢測。使用來自相同公司的DIMOS 1.6模擬軟體對量測進行評價。所存在量測組態係借助一維"貝里曼矩陣(Berreman Matrix)"表述實施逼近且相應地藉由改變K22 值使臨限電壓匹配於該量測。此方法之相對精度為約＋/－ 8%。與用於確定K22 之習用方法(其中K22 係借助配向磁場確定)之可比性極佳。
作為此之說明，藉由兩種不同的方法針對三種市售液晶混合物E7、ZLI－2293及ZLI－4792(所有皆來自Merck KGaA,Darmstadt,Germany)所獲得之結果展示於下表中。
光學各向異性(△n)(亦稱為雙折射)係在589.3奈米之波長下確定。介電各向異性(△ε)係在1 kHz之頻率下測定。
若在其他可能之列表中僅給出複數，則此亦指單數。
關於介質組成或其組份之說明，－"包含"係指所提及各材料(即，組份或化合物)在參考單元(即，介質或組份)中之濃度較佳為10%或以上、尤其佳20%或以上且極其佳30%或以上，－"主要由…組成"係指該材料在參考單元中之濃度較佳為50%或以上、尤其佳60%或以上且極其佳70%或以上， 且－"實際上完全由...組成"係指該組份在參考單元中之濃度較佳為80%或更高、尤其佳90%或更高且極其佳95%或更高。
介電性質、電光性質(例如臨限電壓)及響應時間係在由Merck KGaA,Darmstadt,Germany製造之測試單元中測定。用於測定△ε之測試單元的層厚度為22微米且圓形電極係由面積為1.13 cm2 之銦錫氧化物(ITO)及保護環製得。對於確定ε ∥ 之垂直配向，使用具有垂直配向聚醯亞胺配向層之單元。或者，可使用卵磷脂(Merck KGaA)作為配向劑。用於確定ε ⊥ 之單元具有來自Japan Synthetic Rubber,Japan之聚醯亞胺AL－1054配向層。電容通常使用Solatron 1260頻率分析器利用有效電壓為0.3 Vrms 之矩形波來量測。電光研究係利用白光實施。特性電壓係利用垂直視角來確定。
對於本發明及在下述實例中，液晶化合物之結構係以縮寫(亦稱為簡稱)表示，其中依照以下表A至C轉換成化學式。所有基團Cn H2n＋1 、Cm H2m＋1 及Cl H2l＋1 及Cn H2n 、Cm H2m 及CI H2l 較佳為直鏈烷基或伸烷基，其各各自具有n、m或l個C原子，且－CH＝CH－較佳為反式或E－伸乙烯基。表A展示化合物核之環元素編碼。表B列示橋接成員，且表C列示分子之左邊或右邊端基之符號的含義。表D展示例示性分子結構及其縮寫。
其中，n及m各自皆係整數，並且三個點"…"係來自此表格之其他縮寫的佔位符。
除式I化合物以外，本發明之混合物較佳包含以下提及之化合物中的一或多種化合物。
表E指出較佳用於本發明混合物中之對掌性摻雜劑。
在本發明較佳實施例中，本發明介質包含一或多種選自表E之化合物之群之化合物。
舉例而言，可加入本發明混合物中之安定劑展示於下表表F中。
在本發明較佳實施例中，本發明介質包含一或多種選自表F化合物之群之化合物。
本申請案之液晶介質較佳包含－四個或以上、較佳六個或以上選自表D化合物之群的化合物，較佳－七個或以上、較佳八個或以上選自表D化合物之群的化合物、較佳具有三個或以上、較佳四個或以上不同式的化合物。
以下闡述之實例說明本發明而非以任何方式進行限制。 而且，其為熟悉該項技術者展示利用本發明可達成之性質且尤其性質組合。
實例
比較實例
製備以下組成之液晶混合物並進行研究。
製得具有含液晶混合物之光開關元件的電光測試單元。基板係由玻璃構成。使用具有配向層之基板。電極結構由 具有複數個相互平行槽之像素電極及未結構化反電極構成。在每一情況下梳型電極個別電極條帶之寬度為4.0微米且在每一情況下個別電極條帶彼此之間隔為6.0微米。電極之層厚度為55奈米。該等電極條帶所有皆位於共同平面中。反電極未經結構化且在光調節元件之整個面積(即，1 cm2 )上延伸。像素電極與反電極由厚度為610奈米之SiNx 層隔開。調節介質之層厚度為3.6微米。
在單元之前使用第一偏振器且在該單元之後使用第二偏振器(分析器)。兩個偏振器之吸收軸彼此形成90°之角度。該等偏振器之最大吸收軸與電場在顯示器平面中在第一偏振器之側的分量之間的角度(在每一情況下)為45°。電壓/透射率特性線係使用來自Autronic－Melchers,Karlsruhe,Germany之DMS 703電光量測台測定。運行溫度為20℃。
臨限電壓值(V10 )為1.94 V，中等灰度電壓值(V50 )為2.73 V，V70 為3.15 V，且飽和電壓值(V90 )為3.82 V。最大透射率係在電壓Vmax 為5.0 V下達成。
實例1
製備以下組成之液晶混合物並進行研究。
如比較實例1中所述製得具有含液晶混合物之光開關元件的電光測試單元。調節介質之層厚度為3.6微米且因此光延遲為0.39微米。
如比較實例中所述研究測試單元。
臨限電壓值(V10 )為1.99 V，中等灰度電壓值(V50 )為2.79 V，V70 為3.20 V，且飽和電壓值(V90 )為3.87 V。最大透射率係在電壓Vmax 為5.0 V下達成。
此實例之此光調節元件具有比比較實例之光調節元件/測試單元大的最大透射率。若將此實例之光調節元件的最大透射率作為參照(即，100%)，則比較實例光調節元件之最大透射率僅為91%。
實例1及比較實例之兩個光調節元件的最小透射率具有實際上相同的值，為約2.7%。因此，實例1之光調節元件亦具有比比較實例之光調節元件高的對比度。
實例2
製備以下組成之液晶混合物並根據實例1中所述進行研究。
如比較實例中所述研究相應測試單元。達成相當好的結果。
實例3
製備以下組成之液晶混合物並根據實例1中所述進行研究。
如比較實例中所述研究相應測試單元且達成相當好的結果。
實例4
製備以下組成之液晶混合物並根據實例1中所述進行研究。
如比較實例中所述研究相應測試單元且達成相當好的結果。

Claims (15)

  1. 一種電光光調節元件，其包含電極佈置，其包含：結構化電極，其具有二或多個基本上彼此平行且在沿其長度上的可觀部分彼此絕緣之結構，及反電極，其基本上沿著該電光光調節元件的整個有效面積上延伸，及液晶調節介質，其特徵在於該液晶調節介質具有14.0pN或大於14.0pN之彈性常數K1 及2.0pN至20.0pN之彈性常數K2 。
  2. 如請求項1之電光光調節元件，其包含至少一種式I化合物 其中R1 代表烷基或烷氧基，其各自具有1至7個C原子；烯基、烯氧基、炔基或烷氧基烷基，其各自具有2至7個C原子，所存在環 至中的一或多個代表且其他環 至若存在，各彼此獨立，且若出現不止一次，則該等亦彼此獨立地代表 Z11 及Z12 若皆存在則彼此獨立，且若Z12 出現不止一次，該等亦彼此獨立地代表單鍵、-CO-O-、反式 -CH=CH-、-CH=CF-、 -CF=CH-、-CF=CF-、-CH=CH-CO-O-、-CF=CF-CO-O-、-CF=CH-CO-O-、-CH=CF-CO-O-、-CF2 -O-、-O-CF2 -或-C≡C-，X1 代表F、Cl、-OCF3 、-CF3 、-OCF2 H、CN、-C≡C-CN或NCS，且m 表示0、1或2。
  3. 如請求項2之電光光調節元件，其包含一或多種式II化合物 其中R21 與R22 各自彼此獨立地表示H、具有至多15個C原子之未經取代烷基或烯基，其中另外該等基團中之一或多個CH2 基團可由-O- 、-S-、、-C≡C-、-CF2 -O-、-O-CF2 - 、-CO-O-或-O-CO-以O原子彼此不直接連接之方式代替，其中所有基團中的一或多個H原子可由鹵素原子置換，至若存在，則彼此獨立地表示 X2 表示F、Cl、-OCF3 、-OCHF2 、-CF3 、-CH2 F、-CHF2 ，Z21 至Z23 若存在，則彼此獨立地表示單鍵、-CH2 -CH2 -、-CH2 -CF2 -、-CF2 -CH2 -、-CF2 -CF2 -、-CH=CH-、-CF=CH-、-CH=CF-、-C≡C-、-CH2 -O-、-O-CH2 -、-O-、-CH2 -、-CO-O-、-O-CO-、-CF2 -O-或-O-CF2 -，l及o 各自彼此獨立地表示0或1。
  4. 如請求項2之電光光調節元件，其包含一或多種式III化合物 其中 R31 及R32 各自彼此獨立地具有針對R11 及R12 所給出含義之一， 至各自彼此獨立地表示 Z31 至Z33 各自彼此獨立地具有針對Z11 至Z13 所給出含義之一，p及q 各自彼此獨立的表示0或1。
  5. 如請求項1至4中任一項之電光光調節元件，其包含一個用於使光偏振之元件或複數個用於使光偏振之元 件。
  6. 如請求項1至4中任一項之電光光調節元件，其中該電極佈置能夠產生同時平行於該液晶介質之表面以及與之垂直之可觀分量的電場。
  7. 如請求項1至4中任一項之電光光調節元件，其中該液晶調節介質具有0.5或小於0.5之彈性常數之商K2 /K1 。
  8. 如請求項1至4中任一項之電光光調節元件，其中當運行該電光光調節元件時，該電極佈置產生同時具有平行於該液晶調節介質之平面的可觀分量以及垂直於該液晶調節介質平面之可觀分量的電場。
  9. 如請求項1至4中任一項之電光光調節元件，其中當穿過該電光光調節元件時，光在穿過該液晶調節介質之前及穿過該液晶調節介質之後的每一種情況下穿過至少一個用於使光偏振之元件。
  10. 如請求項1至4中任一項之電光光調節元件，其中該電極佈置位於該液晶調節介質層之一側，且在於其視需要包含額外的雙折射層。
  11. 一種電光顯示器，其包含如請求項1至10中任一項之一個電光光調節元件或複數個電光光調節元件。
  12. 如請求項11之電光顯示器，其中該顯示器係借助主動矩陣定址。
  13. 一種電光顯示器系統，其包含一個如請求項11及12中任一項之電光顯示器或複數個如請求項11及12中任一項之電光顯示器。
  14. 如請求項13之電光顯示器系統，其可用作電視螢幕及/或用作電腦顯示器。
  15. 一種如請求項13及14中任一項之電光顯示器系統之用途，其用於視頻信號及/或數位信號之顯示器。
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