DE10118734B4

DE10118734B4 - Flüssigkristallines Medium mit niedriger Schwellenspannung und seine Verwendung

Info

Publication number: DE10118734B4
Application number: DE10118734A
Authority: DE
Inventors: Dr. Heckmeier Michael; Dr. Pauluth Detlef
Original assignee: Merck Patent GmbH
Current assignee: Merck Patent GmbH
Priority date: 2000-04-17
Filing date: 2001-04-17
Publication date: 2012-11-15
Anticipated expiration: 2021-04-18
Also published as: TW588106B; KR100823752B1; US7033651B2; US20030197152A1; WO2001079379A1; JP5160009B2; DE10118734A1; KR20030001431A; JP2003533557A

Abstract

Flüssigkristallines Medium enthaltend eine Mischung aus mindestens zwei Verbindungen der allgemeinen Formel (I) (1)worin R1 H, einen unsubstituierten, einen einfach durch CN oder CF3 oder einen mindestens einfach durch Halogen substituierten Alkyl- oder Alkenylrest mit 1 bzw. 2–15 C-Atomen, wobei in diesen Resten auch eine oder mehrere CH2-Gruppen jeweils unabhängig voneinander durch -O-, -S-,-CO-, -CO-O-, -O-CO- oder -O-CO-O- so ersetzt sein können, daß O-Atome nicht direkt miteinander verknüpft sind; A, B, C, D unabängig voneinanderworin Y, Y1, Y2, Y3, Y4, Y5, Y6, unabhängig voneinander jeweils H oder F bedeuten C zusätzlich zu den oben genannten BedeutungenZ1, Z2 unabhängig voneinander eine Einfachbindung -CH2O-, -OCH2-, -CH2-CH2-, -CH=CH-, -C≡C-, -CF2-CF2-, -CF2O-, -OCF2, -CO-O-; R2 zusätzlich zu den oben genannten Bedeutungen von R1 F, CF3, OCF3, OCHF2, OCH2CF2H; und m, n unabhängig voneinander 0 oder 1 bedeuten, mit der Maßgabe, daß...

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein flüssigkristallines Medium, sowie sowie dessen Verwendung für elektrooptische Anzeigen.
Flüssige Kristalle werden vor allem als Dielektrika in Anzeigevorrichtungen verwendet, da die optischen Eigenschaften solcher Substanzen durch eine angelegte Spannung beeinflußt werden können. Elektrooptische Vorrichtungen auf der Basis von Flüssigkristallen sind dem Fachmann bestens bekannt und können auf verschiedenen Effekten beruhen. Derartige Vorrichtungen sind beispielsweise Zellen mit dynamischer Streuung, DAP-Zellen (Deformation ausgerichteter Phasen), Gast/Wirt-Zellen, TN(twisted nematic)-Zellen mit verdrillt nematischer Struktur, STN(super-twisted nematic)-Zellen, SBE(superbirefringence effect)-Zellen und OMI(optical mode interference)-Zellen. Die gebräuchlichsten Anzeigevorrichtungen beruhen auf dem Schadt-Helfrich-Effekt und besitzen eine verdrillt nematische Struktur.
Die Flüssigkristallmaterialien müssen allgemein eine gute chemische und thermische Stabilität und eine gute Stabilität gegenüber elektrischen Feldern und elektromagnetischer Strahlung besitzen. Ferner sollten die Flüssigkristallmaterialien niedere Viskosität aufweisen und in den Zellen kurze Schaltzeiten, tiefe Schwellenspannungen und einen hohen Kontrast ergeben.
Weiterhin sollten sie bei üblichen Betriebstemperaturen, d. h. in einem möglichst breiten Bereich unterhalb und oberhalb Raumtemperatur, eine geeignete Mesophase besitzen, beispielsweise für die oben genannten Zellen eine nematische Mesophase. Da Flüssigkristalle in der Regel als Mischungen mehrerer Komponenten zur Anwendung gelangen, ist es wichtig, daß die Komponenten untereinander gut mischbar sind. Weitere Eigenschaften, wie die elektrische Leitfähigkeit, die dielektrische Anisotropie und die optische Anisotropie, müssen je nach Zellentyp und Anwendungsgebiet unterschiedlichen Anforderungen genügen. Beispielsweise sollten Materialien für Zellen mit verdrillt nematischer Struktur eine positive dielektrische Anisotropie und eine geringe elektrische Leitfähigkeit aufweisen.
Beispielsweise sind für Matrix-Flüssigkristallanzeigen mit integrierten nichtlinearen Elementen zur Schaltung einzelner Bildpunkte (MFK-Anzeigen) flüssigkristalline Medien mit großer positiver dielektrischer Anisotropie, breiten nematischen Phasen, relativ niedriger Doppelbrechung, sehr hohem spezifischen Widerstand, guter UF- und Temperaturstabilität und geringem Dampfdruck erwünscht.
Derartige Matrix-Flüssigkristallanzeigen sind bekannt. Als nichtlineare Elemente zur individuellen Schaltung der einzelnen Bildpunkte können neben passiven Elementen wie Varistoren oder Dioden aktive Elemente wie Transistoren verwendet werden. Man spricht dann von einer „aktiven Matrix”.
Bei dem aussichtsreichen TFT(thin film transistor)-Displays wird als elektrooptischer Effekt üblicherweise der TN-Effekt ausgenutzt. Man unterscheidet TFT's aus Verbindungshalbleitern wie z. B. CdSe oder TFT's auf der Basis von polykristallinem oder amorphem Silizium.
Die TFT-Matrix ist auf der Innenseite der einen Glasplatte der Anzeige aufgebracht, während die andere Glasplatte auf der Innenseite die transparente Gegenelektrode trägt. Im Vergleich zu der Größe der Bildpunkt-Elektrode ist der TFT sehr klein und stört das Bild praktisch nicht. Diese Technologie kann auch für voll farbtaugliche Bilddarstellungen erweitert werden, wobei ein Mosaik von roten, grünen und blauen Filtern derart angeordnet ist, daß je ein Filterelement einem schaltbaren Bildelelement gegenüber liegt. Die TFT-Anzeigen arbeiten üblicherweise als TN-Zellen mit gekreuzten Polarisatoren in Transmission und sind von hinten beleuchtet.
Derartige MFK-Anzeigen werden als Displays in Notebook-Computern, TV-Geräten (Taschenfernseher) sowie im Automobil- oder Flugzeugbau eingesetzt. Dabei sind die Winkelabhängigkeit des Kontrastes und die Schaltzeiten dieser MFK-Anzeigen nicht immer zufriedenstellend. Schwierigkeiten sind auch durch einen nicht ausreichend hohen spezifischen Widerstand der Flüssigkristallmischungen bedingt. Mit abnehmendem Widerstand verschlechtert sich der Kontrast einer MFK-Anzeige und es kann das Problem des „imagesticking” auftreten. Da der spezifische Widerstand der Flüssigkristallmischung durch Wechselwirkung mit den inneren Oberflächen der Anzeige im allgemeinen über die Lebenszeit einer MFK-Anzeige abnimmt, ist ein hoher (Anfangs)-Widerstand sehr wichtig, um akzeptable Lebensdauern zu erhalten. Insbesondere bei Gemischen mit niedriger Schwellenspannung war es bisher nicht möglich, sehr hohe spezifische Widerstände zu realisieren, da flüssigkristalline Materialien mit hoher positiver dielektrischer Anisotropie Δε im allgemeinen auch eine höhere elektrische Leitfähigkeit aufweisen. Weiterhin ist es wichtig, daß der spezifische Widerstand eine möglichst geringe Zunahme bei steigender Temperatur sowie nach Temperatur- und/oder UV-Belastung zeigt. Um kurze Schaltzeiten der Anzeigen zu realisieren, müssen die Mischungen ferner eine kleine Rotationsviskosität aufweisen. Um einen Gebrauch der Anzeigen auch bei tiefen Temperaturen zu ermöglichen, beispielsweise für Anwendungen im Freien, im Automobil oder in der Avionik, darf auch bei tiefen Temperaturen keine Kristallisation und/oder smektische Phasen auftreten und sollten die Temperaturabhängigkeit der Viskosität möglichst gering sein. Die MFK-Anzeigen aus dem Stand der Technik genügen diesen Anforderungen nicht.
Neben Flüssigkristallanzeigen, die eine Hintergrundbeleuchtung verwenden, also transmissiv und gegebenenfalls transflektiv betrieben werden, sind auch reflektive Flüssigkristallanzeigen interessant. Diese reflektiven Flüssigkristallanzeigen benutzen das Umgebungslicht zur Informationsdarstellung. Somit verbrauchen sie wesentlich weniger Energie als hintergrundbeleuchtete Flüssigkristallanzeigen mit entsprechender Größe und Auflösung. Hier ist wie bei den bereits üblichen transmissiven TFT-TN-Anzeigen die Verwendung von Flüssigkristallen mit niedriger Doppelbrechung (Δn) nötig, um eine geringe optische Verzögerung (d·Δn) zu erreichen.
Es besteht somit ein großer Bedarf an MFK-Anzeigen mit sehr hohem spezifischen Widerstand bei gleichzeitig großem Arbeitstemperaturbereich, kurzen Schaltzeiten auch bei tiefen Temperaturen und niedriger Schwellenspannung, die diese Nachteile nicht oder nur in geringerem Maße zeigen.
Dazu sind flüssigkristalline Medien mit folgenden Eigenschaften gewünscht:

– insbesondere zu tiefen Temperaturen erweiterter nematischer Phasenbereich und geringe Temperaturabhängigkeit der Viskosität für Einsatz der Displays auch bei tiefen Temperaturen;
– hohe Beständigkeit gegenüber UV-Strahlung für eine lange Lebensdauer der Displays;
– hohe positive dielektrische Anisotropie Δε für niedrige Schwellenspannung V_th;
– niedrige Doppelbrechung für verbesserten Beobachtungswinkelbereich;
– geringe Rotationsviskosität γ₁ für kurze Schaltzeiten.

In den Druckschriften DE 19707941 A1 , DE 19532292 A1 , DE 19709890 A1 , DE 4139553 A1 , DE 10002462 A1 , DE 19961702 A1 , DE 19947954 A1 und DE 19859421 A1 werden flüssigkristalline Medien auf der Basis eines Gemischs von polaren Verbindungen mit positiver dielektrischer Anisotropie und deren Verwendung für elektrooptische Anzeigen beschrieben. Ferner bekannt aus den vorgenannten Druckschriften sind flüssigkristalline Medien und diese enthaltende elektrooptische Flüssigkristallanzeigen, die auf einer spezifischen Kombination von hochpolaren und neutralen flüssigkristallinen Verbindungen basieren.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, flüssigkristalline Medien für IPS-, MFK-, TN- oder STN-Anzeigen bereitzustellen, die sehr hohe spezifische Widerstände, niedrige Schwellenspannungen, kurze Schaltzeiten sowie niedrige Doppelbrechungen unter Wahrung der übrigen Randbedingungen aufweisen.
Gelöst wird die Aufgabe durch ein flüssigkristallines Medium enthaltend eine Mischung aus mindestens zwei Verbindungen der allgemeinen Formel (I) R¹-A_m-B_n-Z¹-C-Z²-D-R² (1) worin
R¹, R² einen unsubstituierten, einen einfach durch CN oder CF₃ oder einen mindestens einfach durch Halogen substituierten Alkyl- oder Alkenylrest mit 1 bis 15 bzw. 2 bis 15 C-Atomen, wobei in diesen Resten auch eine oder mehrere CH₂-Gruppen jeweils unabhängig voneinander durch -O-, -S-,
, -CO-, -CO-O-, -O-CO- oder -O-CO-O- so ersetzt sein können, daß O-Atome nicht direkt miteinander verknüpft sind;
A, B, C, D unabhängig voneinander
worin
Y¹, Y², Y³, Y⁴, Y⁵, Y⁶ unabhängig voneinander jeweils H oder F bedeuten;
C zusätzlich zu den oben genannten Bedeutungen
Z¹, Z² unabhängig voneinander eine Einfachbindung -CH₂O-, -OCH₂-, -CH₂-CH₂-, -CH=CH-, -C≡C-, -CF₂-CF₂-, -CF₂O-, -OCF₂, -CO-O-;
R² zusätzlich zu den oben genannten Bedeutungen F, CF₃, OCF₃, OCHF₂, OCH₂CF₂H,
und
m, n unabhängig voneinander 0 oder 1
bedeuten,
mit der Maßgabe, daß Z¹ einen Einfachbindung ist, wenn m und n 0 sind, dadurch gekennzeichnet, daß das Gemisch

a) 30–90 Gew.-% Verbindungen mit Δε ≥ 9 (= hochpolare Verbindungen) ausgewählt aus Verbindungen der allgemeinen Formeln:
worin R¹ eine der oben genannten Alkyl- oder Alkenylgruppe mit 1 bzw. 2–15 C-Atomen; Y¹, Y², Y³ und Y⁴ unabhängig voneinander H oder F; und R² F oder OCF₃ r 0, 1 oder 2 bedeuten,
b) 0–30 Gew.-% Verbindungen der allgemeinen Formel (I) mit 1 < Δε < 9 (= polare Verbindungen); und
c) 10–40 Gew.-% Verbindungen der allgemeinen Formel (I) mit –1 ≤ Δε ≤ 1 (= neutrale Verbindungen);

Es wurde gefunden, daß durch die erfindungsgemäße Kombination von hochpolaren und neutralen flüssigkristallinen Verbindungen flüssigkristalline Medien mit niedriger Schwellenspannung V_th bei gleichzeitig besonders niedriger Rotationsviskosität und damit besonders kurzer Schaltzeit dieser Medien in den Zellen realisiert werden können.
In einer bevorzugten Ausführungsform enthält das Gemisch

a) 40–80 Gew.-% hochpolare Verbindungen;
b) 0–25 Gew.-% polare Verbindungen und
c) 15–40 Gew.-% neutrale Verbindungen.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform enthält das Gemisch

a) 70–90 Gew.-% hochpolare Verbindungen,
b) 0–10 Gew.-% polare Verbindungen und
c) 15–40 Gew.-% neutrale Verbindungen.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform enthält das Gemisch

a) 70–90 Gew.-% hochpolare Verbindungen,
b) 0–10 Gew.-% polare Verbindungen und
c) 10–20 Gew.-% neutrale Verbindungen.

R¹, R² können ein Alkylrest und/oder einen Alkoxyrest mit 1–15 C-Atomen sein, der geradkettig oder verzweigt sein kann. Vorzugsweise ist er geradkettig, hat 2, 3, 4, 5, 6 oder 7 C-Atome und ist demnach bevorzugt Ethyl, Propyl, Butyl, Pentyl, Hexyl, Heptyl, Ethoxy, Propoxy, Butoxy, Pentoxy, Hexoxy oder Heptoxy, ferner Methyl, Octyl, Nonyl, Decyl, Undecyl, Dodecyl, Tridecyl, Tetradecyl, Pentadecyl, Methoxy, Octoxy, Nonoxy, Decoxy, Undecoxy, Dodecoxy, Tridecoxy oder Tetradecoxy.
R¹, R² können Oxaalkyl sein, vorzugweise geradkettiges 2-Oxapropyl(= Methoxymethyl), 2-(= Ethoxymethyl) oder 3-Oxabutyl(= Methoxyethyl), 2-, 3- oder 4-Oxapentyl, 2-, 3-, 4- oder 5-Oxahexyl, 2-, 3-, 4-, 5- oder 6-Oxaheptyl, 2-, 3-, 4-, 5-, 6- oder 7-Oxaoctyl, 2-, 3-, 4-, 5-, 6-, 7- oder 8-Oxanonyl, 2-, 3-, 4-, 5-, 6-, 7-, 8- oder 9-Oxadecyl.
R¹, R² können ein Alkenylrest mit 2 – 15 C-Atomen sein, der geradkettig oder verzweigt sein kann. Vorzugsweise ist er geradkettig und hat 2 bis 10 C-Atome. Er ist demnach insbesondere Vinyl, Prop-1-, oder Prop-2-enyl, But-1-, 2- oder But-3-enyl, Pent-1-, 2-, 3- oder Pent-4-enyl, Hex-1-, 2-, 3-, 4- oder Hex-5-enyl, Hept-1-, 2-, 3-, 4-, 5- oder Hept-6-enyl, Oct-1-, 2-, 3-, 4-, 5-, 6- oder Oct-7-enyl, Non-1-, 2-, 3-, 4-, 5-, 6-, 7- oder Non-8-enyl, Dec-1-, 2-, 3-, 4-, 5-, 6-, 7-, 8- oder Dec-9-enyl.
R¹, R² können ein Alkylrest mit 1–15 C-Atomen sein, in dem eine CH₂-Gruppe durch -O- und eine durch -CO- ersetzt ist, wobei diese bevorzugt benachbart sind. Somit beinhaltet dieser eine Acyloxygruppe –CO-O- oder eine Oxycarbonylgruppe -O-CO-. Vorzugsweise sind dieser geradkettig und hat 2 bis 6 C-Atome. Dieser ist also besonders bevorzugt Acetyloxy, Propionyloxy, Butyryloxy, Pentanoyloxy, Hexanoyloxy, Acetyloxymethyl, Propionyloxymethyl, Butyryloxymethyl, Pentanoyloxymethyl, 2-Acetyloxyethyl, 2-Propionyloxyethyl, 2-Butyryloxyethyl, 3-Acetyloxypropyl, 3-Propionyloxypropyl, 4-Acetyloxybutyl, Methoxycarbonyl, Ethoxycarbonyl, Propoxycarbonyl, Butoxycarbonyl, Pentoxycarbonyl, Methoxycarbonylmethyl, Ethoxycarbonylmethyl, Propoxycarbonylmethyl, Butoxycarbonylmethyl, 2-(Methoxycaronyl)ethyl, 2-(Ethoxycarbonyl)ethyl, 2-(Propoxycarbony)ethyl, 3-(Methoxycarbonyl)propyl, 3-(Ethoxycarbonyl)propyl, 4-(Methoxycarbonyl)-butyl.
R¹, R² können ein Alkylrest mit 1–15 C-Atomen sein, in dem ein CH₂-Gruppe durch unsubstituiertes oder substituiertes -CH=CH- und eine benachbarte CH₂-Gruppe durch CO oder CO-O oder O-CO ersetzt ist, wobei dieser geradkettig oder verzweigt sein kann. Vorzugsweise ist er geradkettig und hat 4 bis 13 C-Atome. Er ist besonders bevorzugt Acryloyloxymethyl, 2-Acryloyloxyethyl, 3-Acryloyloxypropyl, 4-Acryloyloxybutyl, 5-Acryloyloxypentyl, 6-Acryloyloxyhexyl, 7-Acryloyloxyheptyl, 8-Acryloyloxyoctyl, 9-Acryloyloxynonyl, 10-Acryloyloxydecyl, Methacryloyloxymethyl, 2-Methacryloyloxyethyl, 3-Methacryloylosypropyl, 4-Methacryloyloxybutyl, 5-Methacryloyloxypentyl, 6-Methacryloyloxyhexyl, 7-Methacryloyloxyheptyl, 8-Methacryloyloxyoctyl, 9-Methacryloyloxynonyl.
R¹, R² können ein einfach durch CN oder CF₃ substituierter Alkylrest mit 1–15 C-Atomen oder Alkenylrest mit 2–15 C-Atomen Alkenylrest sein, wobei diese vorzugsweise geradkettig sind. Die Substitution durch CN oder CF₃ ist in beliebiger Position.
R¹, R² können ein mindestens einfach durch Halogen substituierter Alkylrest mit 1–15 C-Atomen oder Alkenylrest mit 2–15 C-Atomen Alkenylrest sein, wobei diese Reste vorzugsweise geradkettig sind und Halogen vorzugsweise F oder C, ist. Bei Mehrfachsubstitution ist Halogen vorzugsweise F. Die resultierenden Reste schließen auch perfluorierte Rest ein. Bei Einfachsubstitution kann der Fluor- oder Chlorsubstituent in beliebiger Position sein, vorzugsweise ist er in ω-Position.
R¹, R² können ein Alkylrest sein, in dem zwei oder mehr CH₂-Gruppen durch -O- und/oder –CO-O- ersetzt sind, wobei dieser geradkettig oder verzweigt sein kann. Vorzugsweise ist er verzweigt und hat 3 bis 12 C-Atome. Er ist besonders bevorzugt Bis-carboxy-methyl, 2,2-Bis-carboxy-ethyl, 3,3-Bis-carboxy-propyl, 4,4-Bis-carboxy-butyl, 5,5-Bis-carboxy-pentyl, 6,6-Bis-carboxy-hexyl, 7,7-Bis-carboxy-heptyl, 8,8-Bis-carboxy-octyl, 9,9-Bis-carboxy-nonyl, 10,10-Bis-carboxy-decyl, Bis-(methoxycarbonyl)-methyl, 2,2-Bis-(methoxycarbonyl)-ethyl, 3,3-Bis-(methoxycarbonyl)-propyl, 4,4-Bis(methoxycarbonyl)-butyl, 5,5-Bis-(methoxycarbonyl)-pentyl, 6,6-Bis-(methoxycarbonyl)-hexyl, 7,7-Bis-(methoxycarbonyl)-heptyl, 8,8-Bis-(methoxycarbonyl)-octyl, Bis-(ethoxycarbonyl)-methyl, 2,2-Bis-(ethoxycarbonyl)-ethyl, 3,3-Bis-(ethoxycarbonyl)-propyl, 4,4-Bis(ethoxycarbonyl)-butyl, 5,5-Bis-(methoxycarbonyl)-pentyl, 6,6-Bis-(methoxycarbonyl)-hexyl, 7,7-Bis-(methoxycarbonyl)-heptyl, 8,8-bis-(methoxycarbonyl)-octyl, Bis-(ethoxycarbonyl)-methyl, 2,2-Bis-(ethoxycarbonyl)-ethyl, 3,3-Bis-(ethoxycarbonyl)-propyl, 4,4-Bis-(ethoxycarbonyl)-butyl, 5,5-Bis-(ethoxycarbonyl)-hexyl.
Beispiele für bevorzugte hochpolare Verbindungen sind die nachstehenden Verbindungen:
Darin hat R¹ die oben genannten Bedeutungen.
Bevorzugte polare Verbindungen b) erfüllen folgende Bedingung:
Z² = Einfachbindung, C₂H₄, -CH=CH-, -C≡CH, -C≡C-, -CF₂-CF₂-, -CF₂-O
und
und
R² = F, OCF₃, CF₃
Beispiele sind die nachstehenden Verbindungen IIIa–IIIi:
Darin hat R¹ die oben genannten Bedeutungen. Bevorzugt ist R¹ einer der genannten Alkyl-, Alkoxy- oder Alkenylreste.
Bevorzugte neutrale Verbinden c) erfüllen folgende Bedingungen:
und
m und n sind 0
und
Z = Einfachbindung, -CH₂-CH₂-, -CH=CH- oder -C≡Cwenn R² = F, CF₃, OCF₃ oder OCHF₂ ist.
Beispiele sind die nachstehenden Verbindungen IVa–IVg
mit o, p = 2–15.
Besonders bevorzugte neutrale Verbindungen c) sind aus Verbindungen der allgemeinen Formeln VIa und VIb ausgewählt:

worin
R¹ und R² die oben angegebene Bedeutung haben und bevorzugt eine der oben genannten Alkyl- oder Alkenylgruppe mit 1 bzw. 2–15 C-Atomen
bedeuten.
Besonders bevorzugte polare Verbindungen b) sind aus Verbindungen der allgemeinen Formeln VII a und VII b ausgewählt:
worin
R¹ eine der oben genannten Alkyl- oder Alkenylgruppe mit 1–15 bzw. 2–15 C-Atomen,
R² F, CF₃ oder OCF₃,
Y H oder F
und
r 0 oder 1
bedeuten.
Ganz besonders bevorzugte hochpolare Verbindungen a) sind die Verbindungen der Formeln VIIIa–VIIIx:

mit n = 1–15, bevorzugt 1–7.
Die Verbindungen der Formel I werden nach an sich bekannten Methoden dargestellt, wie sie in der Literatur (z. B. in den Standardwerken wie Houben-Weyl, Methoden der Organischen Chemie, Georg-Thieme-Verlag, Stuttgart) beschrieben sind, und zwar unter Reaktionsbedingungen, die für die genannten Umsetzungen bekannt und geeignet sind. Dabei kann man auch von an sich bekannten, hier nicht näher erwähnten Varianten Gebrauch machen. Weiterhin können die Verbindungen der Formel I wie in den Patentanmeldungen beschrieben hergestellt werden.
Gegenstand der Erfindung ist auch die Verwendung der erfindungsgemäßen flüssigkristallinen Medien in elektrooptischen Anzeigen, insbesondere STN- oder MFK-Anzeigen mit zwei planparallelen Trägerplatten, die mit einer Umrandung eine Zelle bilden, integrierten nicht-linearen Elementen zur Schaltung einzelner Bildpunkte auf den Trägerplatten und einer in der Zelle befindlichen erfindungsgemäßen, nematischen Flüssigkristallmischung mit positiver dielektrischer Anisotropie und hohem spezifischem Widerstand.
Die erfindungsgemäßen Flüssigkristallmischungen ermöglichen eine bedeutende Erweiterung des zur Verfügung stehenden Parameterraumes.
Die erzielbaren Kombinationen aus Klärpunkt, Rotationsviskosität, optischer Anisotropie und Schwellenspannung übertreffen die bisherigen Materialien aus dem Stand der Technik.
Die Forderung nach niedriger Schwellenspannung V_th und niedriger Rotationsviskosität bei gleichzeitig hohem Klärpunkt und nematischer Phase bei tiefer Temperatur konnte bislang nur unzureichend erfüllt werden.
Die erfindungsgemäßen Flüssigkristallmischungen ermöglichen es unter Beibehaltung der nematischen Phase bis –20°C und bevorzugt bis –30°C, besonders bevorzugt bis –40°C, Klärpunkte oberhalb 70°C, vorzugsweise oberhalb 80°C, besonders bevorzugt oberhalb 90°C, gleichzeitig Doppelbrechungen von ≤ 0,12, vorzugsweise ≤ 0,11, eine niedrige Schwellenspannung und gleichzeitig eine geringe Rotationsviskosität zu erreichen, wodurch hervorragende STN- und MFK-Anzeigen realisiert werden können. Insbesondere sind die Mischungen durch kleine Operationsspannungen und kurze Schaltzeiten gekennzeichnet.
Die TN-Schwellenspannungen liegen bei einer Rotationsviskosität von ≤ 90 mPa·s im allgemeinen bei ≤ 2,1 V, vorzugsweise ≤ 1,9 V, bei einer Rotationsviskosität von 110 mPa·s im allgemeinen bei ≤ 1,9 V, vorzugsweise ≤ 1,7 V, bei einer Rotationsviskosität von ≤ 125 mPa·s im allgemeinen bei ≤ 1,7 V, bevorzugt ≤ 1,5 V, besonders bevorzugt ≤ 1,4 V, bei einer Rotationsviskosität von ≤ 1,35 mPa·s im allgemeinen bei ≤ 1,5 V, bevorzugt ≤ 1,35 V, besonders bevorzugt ≤ 1,25 V und bei einer Rotationsviskosität von ≤ 145 mPa·s im allgemeinen ≤ 1,5 V, bevorzugt ≤ 1,3 V.
Der Aufbau der STN- bzw. MFK-Anzeige aus Polarisatoren, Elektrodengrundplatten und Elektroden mit Oberflächenbehandlung entspricht der für derartige Anzeigen üblichen Bauweise. Dabei ist der Begriff der üblichen Bauweise hier weit gefaßt und umfaßt auch alle Abwandlungen und Modifikationen der MFK-Anzeige, insbesondere auch Matrix-Anzeigeelemente auf Basis poly-Si TFT oder MIM Anzeigen und IPS.
Die Herstellung der erfindungsgemäß verwendbaren Flüssigkristallmischungen erfolgt in an sich üblicher Weise. In der Regel wird die gewünschte Menge der in geringerer Menge verwendeten Komponenten in der den Hauptbestandteil ausmachenden Komponenten gelöst, zweckmäßig bei erhöhter Temperatur. Es ist auch möglich, Lösungen der Komponenten in einem organischen Lösungsmittel, z. B. in Aceton, Chloroform oder Methanol, zu mischen und das Lösungsmittel nach Durchmischung wieder zu entfernen, beispielsweise durch Destillation. Weiterhin ist es möglich, die Mischungen auf andere herkömmliche Arten, z. B. durch Verwendungen von Vormischungen, z. B. Homologen-Mischungen oder unter Verwendung von sogenannten „Multi-Bottle”-Systemen herzustellen.
Die Dielektra können auch weitere, dem Fachmann bekannte und in der Literatur beschriebene Zusätze enthalten. Beispielsweise können 0–15 Gew.-%, vorzugsweise 0–10 Gew.-%, pleochroitische Farbstoffe und/oder chirale Dotierstoffe zugesetzt werden. Die einzelnen zugesetzten Verbindungen werden in Konzentration von 0,01 bis 6 Gew.-%, bevorzugt von 0,1 bis 3 Gew.-% eingesetzt. Dabei werden jedoch die Konzentrati onsangaben der übrigen Bestandteile der Flüssigkristallmischungen, also der flüssigkristallinen oder mesogenen Verbindungen, ohne Berücksichtigung der Konzentration dieser Zusatzstoffe angegeben.

In der vorliegenden Anmeldung und in den folgenden Beispielen sind die Strukturen der Flüssigkristallverbindungen durch Acronyme angegeben, wobei die Transformation in chemische Formeln gemäß folgender Tabellen A und B erfolgt. Alle Reste C_nH_2n+1 und C_mH_2m+1 sind geradkettige Alkylreste mit n bzw. m C-Atomen. Die Codierung gemäß Tabelle B versteht sich von selbst. In Tabelle A ist nur das Acronym für den Grundkörper angegeben. Im Einzelfall folgt getrennt vom Acronym für den Grundkörper mit einem Strich ein Code für die Substituenten R¹, R², L¹ und L².

Code für R¹ R², L¹, L²	R¹	R²	L¹	L²
nm	C_nH_2n+1	C_mH_2m+1	H	H
nOm	C_nH_2n+1	OC_mH_2m+1	H	H
nO·m	OC_nH_2n+1	C_mH_2m+1	H	H
n	C_nH_2n+1	CN	H	H
nN·F	C_nH_2n+1	CN	H	F
nF	C_nH_2n+1	F	H	H
nOF	OC_nH_2n+1	F	H	H
nCl	C_nH_2n+1	Cl	H	H
nF·F	C_nH_2n+1	F	H	F
nF·F·F	C_nH_2n+1	F	F	F
nCF₃	C_nH_2n+1	CF₃	H	H
nOCF₃	C_nH_2n+1	OCF₃	H	H
nOCF₂	C_nH_2n+1	OCHF₂	H	H
nS	C_nH_2n+1	NCS	H	H
rVsN	C_rH_2r+1-CH=CH-C_sH_2s-	CN	H	H
V–T	CH₂=CH	CF₃	H	H
V2–T	CH₂-CH-C₂H₄	CF₃	H	H
1V–OT	CH₃-CH=CH	OCF₃	H	H
rEsN	C_rH_2r+1-O-C_sH_2s-	CN	H	H
nAm	C_nH_2n+1	COOC_mH_2m+1	H	H
nOCCF₂·F·F	C_nH_2n+1	OCH₂CF₂H	F	F

Bevorzugte Mischungskomponenten finden sich in den Tabellen A und B. Tabelle A:

Tabelle B:
Die Erfindung wird durch die nachstehenden Beispiele näher erläutert:
Beispiele B und C sowie Vergleichsbeispiele I–IV, A und D–G
Es wurden Flüssigkristall-Mischungen der angegebenen Zusammensetzung hergestellt. Für diese Mischungen wurden gemessen:

– Temperatur des smektisch-nematischen Phasenübergangs S → N[°C];
– der Klärpunkt [°C];
– die optische Anisotropie Δn bei 589 nm und 20°C;
– die Rotationsviskosität γ₁ bei 20°C [mPa·s];
– die Spannungen für 10%, 50% und 90% Transmission V₁₀, V₅₀ bzw. V₉₀ in Blickrichtung senkrecht zur Plattenoberfläche [V];
– die dielektrische Anisotropie Δε beo 1 kHz und 20°C]

Die elektrooptischen Daten wurden in einer TN-Zelle im 1. Minimum (d·Δn = 0,5) bei 20°C gemessen. Vergleichsbeispiel A
Beispiel B
Beispiel C
Vergleichsbeispiel D
Vergleichsbeispiel E
Vergleichsbeispiel F
Vergleichsbeispiel G
Vergleichsbeispiel I
Vergleichsbeispiel II
Vergleichsbeispiel III
Vergleichsbeispiel IV

Claims

Flüssigkristallines Medium enthaltend eine Mischung aus mindestens zwei Verbindungen der allgemeinen Formel (I) R¹-A_m-B_n-Z¹-C-Z²-D-R² (1) worin R¹ H, einen unsubstituierten, einen einfach durch CN oder CF3 oder einen mindestens einfach durch Halogen substituierten Alkyl- oder Alkenylrest mit 1 bzw. 2–15 C-Atomen, wobei in diesen Resten auch eine oder mehrere CH₂-Gruppen jeweils unabhängig voneinander durch -O-, -S-,
-CO-, -CO-O-, -O-CO- oder -O-CO-O- so ersetzt sein können, daß O-Atome nicht direkt miteinander verknüpft sind; A, B, C, D unabängig voneinander
worin Y, Y¹, Y², Y³, Y⁴, Y⁵, Y⁶, unabhängig voneinander jeweils H oder F bedeuten C zusätzlich zu den oben genannten Bedeutungen
Z¹, Z² unabhängig voneinander eine Einfachbindung -CH₂O-, -OCH₂-, -CH₂-CH₂-, -CH=CH-, -C≡C-, -CF₂-CF₂-, -CF₂O-, -OCF₂, -CO-O-; R² zusätzlich zu den oben genannten Bedeutungen von R¹ F, CF₃, OCF₃, OCHF₂, OCH₂CF₂H; und m, n unabhängig voneinander 0 oder 1 bedeuten, mit der Maßgabe, daß Z¹ eine Einfachbindung ist, wenn m und n 0 sind, dadurch gekennzeichnet, daß das Gemisch a) 30–90 Gew.-% Verbindungen mit Δε ≥ 9 (= hochpolare Verbindungen) ausgewählt aus Verbindungen der allgemeinen Formeln
worin R¹ eine Alkyl- oder Alkenylgruppe mit 1–15 bzw. 2–15 C-Atomen; Y¹, Y², Y³ und Y⁴ unabhängig voneinander H oder F; R² F oder OCF₃ und r 0, 1 oder 2 bedeuten; b) 0–30 Gew.-% Verbindungen der allgemeinen Formel (I) mit 1 < Δε < 9 (= polare Verbindungen); c) 10–40 Gew.-% Verbindungen der allgemeinen Formel (I) mit –1 ≤ Δε ≤ 1 (= neutrale Verbindungen); wobei die Summe aus a), b) und c) 100 Gew.-% ergibt, enthält.
Flüssigkristallines Medium nach Anspruch 1, enthaltend a) 40–80 Gew.-% hochpolare Verbindungen; b) 0–25 Gew.-% polare Verbindungen und c) 15–40 Gew.-% neutrale Verbindungen.
Flüssigkristallines Medium nach Anspruch 1, enthaltend a) 70–90 Gew.-% hochpolare Verbindungen b) 0–10 Gew.-% polare Verbindungen und c) 10–20 Gew.-% neutrale Verbindungen.
Flüssigkristallines Medium nach einem der Ansprüche 1–3, dadurch gekennzeichnet, daß die polaren Verbindungen b) folgende Bedingung erfüllen: Z² = Einfachbindung, C₂H₄, -CH=CH, -C≡CH, -C≡C-, -CF₂-CF₂-; -CF₂-O- und
und R² = F, OCF₃, CF₃
Flüssigkristallines Medium nach einem der Ansprüche 1–4, dadurch gekennzeichnet, daß die neutralen Verbindungen c) folgende Bedingung erfüllen:
und m und n sind 0 und Z = Einfachbindung, -CH₂-CH₂-, -CH=CH- oder -C≡C- wenn R² = F, CF₃, OCF₃ oder OCHF₂ ist.
Flüssigkristallines Medium nach einem der Ansprüche 1–5, dadurch gekennzeichnet, daß die neutralen Verbindungen c) ausgewählt sind aus Verbindungen der allgemeinen Formeln
worin R¹ und R² unabhängig voneinander eine Alkyl- oder Alkenylgruppe mit 1–15 bzw. 2–15 C-Atomen bedeuten.
Flüssigkristallines Medium nach einem der Ansprüche 1–6, dadurch gekennzeichnet, daß die polaren Verbindungen b) ausgewählt sind aus Verbindungen der allgemeinen Formeln i
worin R¹ eine Alkyl- oder Alkenylgruppe mit 1 bzw. 2–15 C-Atomen, R² F, CF₃ oder OCF₃, Y H oder F und r 0 oder 1 bedeuten
Verwendung des flüssigkristallinen Mediums nach einem der Ansprüche 1–7 für eine elektrooptische Anzeige.