DE3131450A1 - Fluessigkristallzusammensetzung - Google Patents

Description

• FLÜSSIGKRISTALLZUSAMMENSETZUNG
• Die Erfindung betrifft eine Flüssigkristallzusammensetzung, insbesondere für ein Flüssigkristall-Displayelement für-ein positives Farbdisplay.
• Die Flüssigkristallzusammensetzung zur Herstellung eines Flüssigkristall-Displayelements für ein positives Farbdisplay wird hergestellt durch Zugabe eines dichroitischen Farbstoffes als Guest zu einer nematischen Flüssigkristallzusammensetzung mit negativer dielektrischer Anisotropie als Host-Flüssigkristall. Das Hauptproblem an einer Flüssigkristall-Displayvorrichtung zwecks Verwendung als Farbdisplayelement ist die Verzögerung in der Ansprechzeit.
• Die Ansprechzeit einer Flüssigkristall-Displayvorrichtung hängt vom Bau des Flüssigkristall-Displayelements, der Treibeschaltung und den physikalischen Eigenschaften des Flüssigkristallmaterials ab.
• Eine gute Ansprechzeit kann insbesondere durch Verminderung der Viskosität des Flüssigkristallmaterials erzielt werden.
• Unter dem oben erwähnten Flüssigkristallmaterial mit negati- ver dielektrischer Anisotropie wird hier jedes Material verstanden, das in seinen Eigenschaften einschließlich der oben erwähnten Charakteristik wohlausgewogen ist Zu den praktisch geforderten Hauptmerkmalen dieses Materials zählen folgende: (1) eine hohe negative dielektrische Anisotropie, (2) eine niedrige Viskosität (hohe Empfindlichkeit), und (3) breiter Temperaturbereich zur Gewährleistung der nematischen Flüssigkristallphase, usw.
• Bekannt als Material mit hoher negativer dielektrischer Anisotropie (- sind die Alkylphenylcyclohexylester-Flüssigkristalle (siehe z.B. JA-OS Nr. 72 156/80)(Kokai) der Formel: worin R und R' eine Alkylgruppe mit 1 bis 10 C-Atomen bedeutet.
• Obwohl diese Flüssigkristalle einen hohen -##-Wert aufweisen, haben sie den Nachteil, daß ihre Viskosität sehr hoch ist und der Temperaturbereich (MR) für die Flüssigkristallphase schmal ist.
• Erfindungsgegenstand ist ein Flüssigkristallmaterial mit der Praxis genügenden -ßE- und MR-Werten, durch das die Viskosität von Cyclohexylester-Flüssigkristallen herabgesetzt werden kann, und eine Flüssigkristallzusammensetzung, die dieses Flüssigkristallmaterial enthält.
• Das kennzeichnende Merkmal der vorliegenden Erfindung besteht in einer Flüssigkristallkomposition, zusammengesetzt aus worin R1, R2, R3 und R4 gleich oder verschieden sind und eine Alkylgruppe mit 10 oder weniger C-Atomen bedeuten. Zur Erweiterung des MR-Bereichs und zur weiteren Absenkung der Viskosität-ist es auch zweckmäßig, zusammen mit den erwähnten Hauptkomponenten (a) und (b) gegebenenfalls auch noch (c) 4-Alkoxy-2. 3-dicyanophenyl-(4 "-alkylcyclohexyl) -phenylcarboxylat, (d) 4-Alkylphenyl-4'-alkylcyclohexan, (e) 4-A1-kylbiphenyl-4"-alkylcyclohexan und/oder (f) bis-(4-Alkylcyclohexyl)-4'-biphenyl zu verwenden.
• Die Komponente (a) senkt die Viskosität. Als (a) kommen insbesondere Verbindungen der Formel I in Frage: worin n und m = 1 bis 8.
• Konkrete Beispiele für (a) sind: 4-Äthoxyphenyl-4'-propylcyclohexan (20PC3), 4- Äthoxyphenyl-4' -hexylcyclohexan (20PC6), 4-Butoxyphenyl-4'-propylcyclohexan (40PC3), 4-Hexyloxyphenyl-4'-pentylcyclohexan (60PC5), 4-Pentyloxy-4'-propylcyclohexan (50PC3) u.a.
• Wie bereits erwähnt, ist (b) bekannt als Flüssigkristall material mit entsprechendem -88-Wert. Es sind dies insbesondere Verbindungen der Formel II: worin n und m = 1 bis 6.
• Konkrete Beispiele für (b) sind: 4-Pentyloxy-2,3-dicyanophenyl-4'-propylcyclohexylcarboxylat (50PNC3), 4-Pentyloxy-2,3-dicyanophenyl-4'-pentylcyclohexylcarboxylat (50PNC5), 4-Butoxy-2,3-dicyanophenyl-4'-butylcyclohexylcarboxylat (40PNC4), 4-Butoxy-2,3-dicyanophenyl-4'-pentylcyclohexylcarboxylat (40PNC5) u.a.
• (a) und (b) vermindern die Brechungsanisotropie (##) ohne nachteilige gegenseitige Wirkung auf ihre Eigenschaften, d.h. auf die Verminderung der Viskosität und die Negativität des -##-Wertes. Sie erhöhen somit die Ansprechgeschwindigkeit und verbessern den Kontrast.
• (c) erweitert den MR-Bereich nach oben hin. Es sind- dies insbesondere Verbindungen der Formel III: worin n und m = 1 bis 6.
• Konkrete Beispiele für (c) sind: 4-Butoxy-2,3-dicyanophenyl-4"-pentylcyclohexylphenylcarboxylat (40 BNC5), 4-Pentyloxy- 2, 3-dicyanophenyl-4" -pentylcyclohexylphenylcarboxylat (50BNC5) u.a.
• (d) dient zur weiteren Verminderung der Viskosität und zur Erhöhung der Ansprechgeschwindigkeit bei niedrigen Temperaturen. Es sind dies insbesondere Verbindungen der Formel IV: worin n und m = 1 bis 6.
• Konkrete Beispiele für (d) sind: 4-Äthylphenyl-4'-propyl- -propylcyclohexan (2PC3), 4-Propylphenyl-4' -pentylcyclohexan (3PC5) u.a.
• (e) erweitert den MR-Bereich nach oben hin. Es sind dies insbesondere Verbindungen der Formel V: worin-n und m = 1 bis 6.
• Konkrete Beispiele für (e) sind: 4-Athyl-biphenyl-4"-pentylcyclohexan (2BC5) u a.
• (f) erweitert ebenso wie (e) den MR-Bereich nach oben hin.
• Es sind dies insbesondere Verbindungen der Formel VI: worin n und m = 1 bis 6.
• Konkrete Beispiele für (f) sind: 4-(4"-Propylcyclohexyl)-4' (4" '-pentylcyclohexyl) -biphenyl (3CBC5) u.a.
• Das Mischungsverhältnis (a) : (b) kann entsprechend dem Verwendungszweck gewählt werden. Da jedoch (a) und (b) verschiedene Aufgaben haben, ist das Mischungsverhältnis vorzugsweise so zu wählen, daß der Anteil von (b) 3 bis 40 Gew.-w ausmach; In die Zusammensetzung können gegebenenfalls die Komponenten (c) bis (f) eingearbeitet werden.
• Als Beispiel für ein Verfahren zur Herstellung der erfindungsgemäßen nematischen Flüssigkristallzusammensetzung kann ein Verfahren genannt werden, bei dem man entsprechend dem Verwendungszweck bestimmte Mengen der Komponenten (a) bis (f) abwägt, sie miteinander mischt und das Gemisch durch Rühren erwärmt, wodurch die einzelnen Komponenten sich leicht ineinander lösen lassen.
• Die so hergestellten Flüssigkristallzusammensetzungen sind alle nematische Flüssigkristallmaterialien. Wird gegebenenfalls optisch aktives Material zugesetzt, erhält man cholesterisches Flüssigkristallmaterial. Wird ein dichroitischer Farbstoff als Guest zu den erwähnten Flüssigkristallzusammensetzungen als Host-Flüssigkristall zugesetzt, erhält man Flüssigkristallzusammensetzungen für ein positives Farbdisplay.
• Nachfolgend wird die Erfindung durch Ausführungs- und Vergleichsbeispiele illustriert: Beispiel 1 bis 14 Die Komponenten werden entsprechend dem Zusammensetzungsverhältnis von Tab. 1 zu den Flüssigkristallzusammensetzungen von Tabelle 1 gemischt. Viskotität, -as-, MR- und an-Werte jeder Zusammensetzung werden gemessen, wodurch man zu den in Tabelle 2 angeführten Ergebnissen gelangt.
• Die Viskosität wird mit einem Rotationsviskosimeter vom EL-Typ gemessen.
• Der -##-Wert wird bei Raumtemperatur nach folgender Methode gemessen. Eine Flüssigkristall-Zelle wird hergestellt, deren Substratplattenoberfläche vorhängig einer homöotropen Ausrichtung unterzogen wurde. Vor Einschluß der Flüssigkristallzusammensetzung wird zuerst die elektrostatische Kapazität des leeren Elements (CO) gemessen. Danach wird die Flüssigkristallzusammensetzung eingeschlossen und die elektrostatische Kapazität bei einer Spannung von 0,1 bis 15 V (1 kHz Rechteckwellen) (CV) gemessen. Aufgrund dieser Messungen ergibt sich die Dielektrizitätskonstante in Richtung der langen Molekularachse (6) durch Division der elektrostatischen Kapazität bei 0,1 V von (CO 1V) durch CO. Danach wird die Beziehung zwischen Cv und dem Reziprokwert der angelegten Spannung (1/V) in ein Diagramm eingetragen. Aus diesem ergibt sich dann, daß die Dielektrizitätskapazität bei der angelegten Spannung unendlich groß ist (1/V = O (C#). Die Dielektrizitätskonstante in Richtung der kurzen Molekularachse (j) ergibt sich aus der Division von C# durch Co und der ##-Wert aus der Differenz zwischen #II und #1.
• Den MR-Wert ermittelt man durch Eingießen der Flüssigkri-, stallzusammensetzung in ein Glaskapillarrohr mit einem Durchmesser von 1 mm, rasches Abkühlen der Kapillare zwecks Kristallisation der Zusammensetzung, langsames Wiedererwärmen und Feststellung der Phasenübergangstemperatur mit bloßem Auge.
• Der n-Wert wird bei Raumtemperatur durch folgende Methode gemessen. Der Brechungsindex wurde mit einem Abbé-Refraktometer gemessen, wobei eine Lichtquelle mit A = 589 nm verwendet wurde, und die Glasoberfläche der Probenhalterung des Refraktometers durch Reiben in seitlicher Richtung ausgerichtet wurde. Danach wurde eine polarisierende Platte auf die Okularlinse aufgelegt und um 90° gedreht, wobei der anormale Strahlenbrechung sindex ne sowie der normale Strahlenbrechungsindex n0 abgelesen wurden. Der An-Wert ergab sich aus der Differenz zwischen ne und nO.
• In Tabelle 1 sind die Komponentenverhältnisse in Gew.-S ausgedrückt.
• Tabelle 1

  Bsp. Nr.

  Kompo-

  nenten 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

  5 20PC3 20 O I O O 45 35 33 20 28 31 U1 30 25

  cs O I O O I t I l l I Ln ur In

  < 20 20 N 10 20 - 22 21 20 20 20 20 10 10

  H 55 50 40 40 55 ) a - c9 N I d N 10

  O 5OPNC3 2,5 N I 10,0 c<) n m I 2 1 3 5 - 3

  50PNC5 2,5 5,0 10,0 5,0 - - 5 3 3 5 3 5 - 5,

  o 40PNC4 O I 10,0 r-) m I cf 3 5 3 5 5 3

  CO tv il I 1e1 oirl CXJI 5 3

  15 50BNC5 I I I In I I 1,5 2 3 2 l N 3

  d 3PC5 t O l l l l l l l l 4 5 - 3

  e 2BC5 v - - , - - 28 27 25 25 25 25 20 20

  f 3CBC5 N N u) O l 10 8 7 5 5 5 10 10

  or

  cs Ln t

  O O O O l O O O l l l l l l l

  CM

  N N o Ir) ur

  H O I 0n 1 LQU)

  / c tn cses

  Z / e ur £ In ur ur

  / n vD m e In C) U U In

  . / U U C) U L) Z Z Z Z Z Z e an tn C)

  z / z z z z z z z z A m m U U U m

  X / o o o o o o o o o o o z z m U

  Q/° a N N D t s CS n cS v7

  / g < U Q U g O W

  z XA un H tn

  Tabelle 2

  Bei- Viskosität MR-

  spiel (200C) -A Wert

  Nr. (cp) (°C)

  1 20 -1,5 -15 bis 62 0,07

  2 24 -2,7 -14 bis 63 0,08

  3 38 -6,3 -10 bis 66 0,09

  4 29 -4,0 -14 bis 63 0,08

  5 19 -1,6 -15 bis 63 0,07

  6 26 -2,6 - 9 bis 59 0,08

  7 21 -1,5 -21 bis 65 0,11

  8 24' -2,6 -16 bis 64 0,11

  9 29 -3,2 -15 bis 67 0,10

  10 35 -4,9 -15 bis 69 0,10

  11 28 -4,0 -18 bis 62 .0,10

  12 25 -3,9 -20 bis 64 0,10

  13 27 -4,1 -18 bis 65 0,10

  14 34 -5,1 -18 bis 67 0,10

  Vergleichsbeispiele Die Viskosität und dielektrische Anisotropie üblicher Flüssigkristallzusammensetzungen mit negativer dielektrischer Anisotropie wurde wie in den obigen Beispielen gemessen.
• Die Ergebnisse sind in Tabelle 3 zusammengefaßt. Tabelle 3

  d < N

  d setzung (200C) O

  0 (CP)

  tçl C5H11 CO

  bei-

  spiel 1 C3H7 CO 2 0C5H11

  35 57 -4,1 0,12

  XO

  * )ffi';CO \CNOC7Hl3 O

  I

  a)Fo rn. O 0 0

  o LO 2

  roa)

  D CH3O OC4H9

  H

  spiel 2 C2H50 C4H9 40 0,25

  C2H30 3: C \o

  Q) O C 2;7

  ME X X

  H H o o

  / XH °rr

  l

  0 vi N

  S H S H

  1 O I d I O

  h Q) --l =1 . Sq a) -d -d

  o ri a) z o H a} Q, -

  > . > O n m

  Tabelle 3 (Fortsetzung)

  m

  o CH H CO OCH

  gleichs- 5 11 2 3 30 69 -2,1 0,14

  bei-

  spiel 3 tH

  l

  !0 t

  . tD

  o o o O 30

  m N CJ m r m I-r

  m

  Ver- H m

  2 45

  rl C rl 3:

  m 3: <u 3: m 3: 3:

  3: in U \o 3: Ln L,

  bei- C3H7 O O V O O O

  spiel O 35

  64 -1,9 0,13

  X '

  0 0 0 0

  Y v

  C3H7 V t U C) OC6H13 10

  X . X

  rl trl O r1 0

  r4 1> H U-) 1

  x a 4 z 2 = g = C

  un n tn N u)

  U U U U ' U C) U U

  | .

  U] tY) ' tQ v

  S . S

  U H , § ,VF | Ho

  z . z O -d -d

  O H O A O H O z

  > b Q m . > O n X

  Aus Tabelle 2 und Tabelle 3 geht hervor, daß die erfindungsgemäßen Flüssigkristallzusammensetzungen eine geringere yiskosität aufweisen als die bekannten und fast alle den für praktische Zwecke erforderlichen -ßE-Wert von über -1,5 aufweisen.
• Außerdem ist der Temperaturbereich, in dem sie eine nematische Flüssigkristallphase ergeben, ausreichend breit.
• Als konkrete erfindungsgemäße Displayvorrichtung kann ein positives Farbdisplay durch Zugabe eines dichroitischen Farbstoffes hergestellt werden. Es ist bekannt, daß bei der Herstellung eines Farbdisplays durch Verwendung einer Flüssigkristallzusammensetzung mit einem geringeren An-wert ein höherer Kontrast erzielt werden kann. Die erfindungsgemäßen Flüssigkristallzusammensetzungen haben offensichtlich geringe An-Werte, wie auch aus den Tabellen zu ersehen ist.
• Auf diese Weise läßt sich erfindungsgemäß eine Displayvorrichtung von hoher Ansprechgeschwindigkeit und hohem Kontrast herstellen.
• Wenn man z.B. 1 Gew.-% 1-(4'-Nonyloxyphenylamino)-4-hydroxyanthrachinon als dichroitischen Farbstoff in einer der in den Beispielen aufgeführten Flüssigkristallzusammensetzungen löst, diese Lösung in eine Flüssigkristallzelleveinfüllt, die eine Substratplattenoberfläche aufweist, die vorgängig einer homöotropen Ausrichtung unterzogen worden war, abdichtet und schließlich einen Wechselstrom von 5 V anlegt, gelangt man zu einem blau gefärbten Display, das sich vom farblosen Untergrund gut abhebt.
• Oder,wenn man z.B. 1 Gew.-% Cholesterylnonanoat als optisch aktive Substanz der erwähnten Lösung zusetzt und, wie oben beschrieben, ein Flüssigkristall-Displayelement herstellt, gelangt man zu einem positiven Farbdisplay von hohem Kontrast..

Claims (9)

1. Patentansprüche 1. Flüssigkristallzusammensetzung, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß sie als Hauptkomponenten enthält: worin R1, R2, R3 und R4 gleich oder verschieden sind und eine Alkylgruppe mit 10 oder weniger C-Atomen bedeuten.
2. 2. Zusammensetzung nach Anspruch 1, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß sie zusätzlich noch einen optisch aktiven Stoff enthält.
3. 3. zusammensetzung nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß sie zusätzlich noch einen dichroitischen Farbstoff enthält.
4. 4. Zusammensetzung, d a d u r c h g e k e n n z e i c hn e t , daß sie als Hauptkomponenten enthält: worin R1, R2, R3 und R4 gleich oder verschieden sind und eine Alkylgruppe mit lo oder weniger C-Atomen bedeuten, und mindestens eine Komponente der nachfolgenden Gruppe: worin R5, R R7, R8 Rgt R10, R11 und R12 gleich oder verschieden sind und eine Alkylgruppe bedeuten.
5. 5. Zusammensetzung nach Anspruch 4, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß sie zusätzlich noch einen optisch aktiven Stoff enthält.
6. 6. Zusammensetzung nach Anspruch 4 oder 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß sie zusätzlich noch einen dichroitischen Farbstoff enthält.
7. 7. Flüssigkristallzusammensetzung, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß sie als Hauptkomponenten enthält: worin n und m = 1 bis 8 und worin n und m = 1 bis 6.
8. 8. Zusammensetzung , d a d u r c h g e k e n n z e i c h -n e t , daß sie enthält: worin n und m = 1 bis 8,und worin n und m = 1 bis 6,und mindestens eine Komponente der nachfolgenden Gruppe: worin n und m = 1 bis 6.
9. 9. Flüssigkristallzusammensetzung nach Anspruch 8, d a -d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß sie zusätzlich noch einen optisch aktiven Stoff enthält.

   lO. Flüssigkristallzusammensetzung nach Anspruch 8 oder 9, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß sie zusätzlich noch einen dichroitischen Farbstoff enthält.