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Die Erfindung betrifft ein ferroelektrisches
Flüssigkristallmaterial. Im einzelnen betrifft sie eine ferroelektrische
Flüssigkristallzusammensetzung, welche wenigstens eine achirale
smektische Flüssigkristallverbindung und wenigstens eine
optisch aktive Verbindung umfaßt und sehr schnelles
Ansprechverhalten sowie eine besonders gute Ausrichtung aufweist, und
außerdem ein lichtschaltendes Element, welches die
Zusammensetzung verwendet.
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Flüssigkristallverbindungen sind bislang weithin als Material
für Flüssigkristallanzeigeelemente verwendet worden, doch die
meisten solcher Flüssigkristallanzeigeelemente gehören zu der
Art des TN-Anzeigemodus und als Flüssigkristallmaterialien
wurden jene mit nematischer Phase verwendet.
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Da der TN-Anzeigemodus (Anzeigemodus mit verdrillt-nematischer
Anordnung) nicht-emittierend ist, besitzt er spezifische
Merkmale wie das Nichtermüden der Augen und sehr geringen
Leistungsverbrauch, andererseits hat er Nachteile wie langsames
Ansprechen und die vom Betrachtungswinkel abhängige Sichtbarkeit der
Anzeige.
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Bei dem obengenannten Modus wird in letzter Zeit eine Richtung
verfolgt, in welcher seine Eigenschaft als flache Anzeige
ausgenutzt wurde, und insbesondere wurden extrem schnelles
Ansprechverhalten und ein breiter Betrachtungswinkel verlangt.
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Zur Erfüllung dieser Anforderungen sind verschiedene
Verbesserungen bei den Flüssigkristallmaterialien erreicht worden.
Jedoch wird beim Vergleich mit anderen Emissionsmodus-Anzeigen
(beispielsweise Elekrolumineszenz-Anzeigen, Plasma-Display
etc.) beobachtet, daß der TN-Anzeigemodus sich bezüglich der
Ansprechzeit und der Breite des Betrachtungswinkels
beträchtlich von den obengenannten Anzeigemodi unterscheidet.
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Um die spezifischen Merkmale des nicht-emittierenden Modus und
den geringen Leistungsverbrauch zu nutzen und um außerdem ein
den Emissionsmodus-Anzeigen gleichwertiges Ansprechverhalten zu
gewährleisten, ist die Entwicklung eines neuartigen
Flüssigkristallanzeigemodus anstelle des TN-Anzeigemodus unumgänglich.
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Als ein diesbezüglicher Versuch ist ein das lichtschaltende
Phänomen von ferroelektrischen Flüssigkristallen verwendender
Anzeigemodus von N.A. Clark und S.T. Lagewall vorgeschlagen
worden (siehe Appl. Phys. Lett. 36, 899, 1980).
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Zum ersten Mal wurde das Vorhandensein ferroelektrischer
FLüssigkristalle im Jahr 1975 von R.B. Meyer et al bekanntgegeben
(siehe Journal de Physique, 36, 69, 1975), wobei die Kristalle
unter dem Gesichtspunkt der Flüssigkristallstruktur zur
chiralen smektischen C-Phase, chiralen smektischen I-Phase, chiralen
smektischen F-Phase, chiralen smektischen G-Phase und chiralen
smektischen H-Phase gehören (im folgenden zu SC*-Phase,
SI*-Phase, SF*-Phase bzw. SH*-Phase abgekürzt).
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Bei den chiralen smektischen Phasen bilden Moleküle Schichten
und werden gegen die Oberflächen der Schichten geneigt, dabei
steht die Helix-Achse senkrecht zu den Oberflächen.
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Bei den chiralen smektischen Phasen wird spontane Polarisation
gebildet, daher werden beim Aufprägen eines elektrischen Felds
parallel zu den Schichten die Moleküle um die Helix-Achse als
Drehachse je nach Polarität invertiert. Anzeigeelemente, welche
ferroelektrische Flüssigkristalle verwenden, nutzen dieses
Schaltphänomen.
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Unter den chiralen smektischen Phasen hat die SC*-Phase jetzt
besondere Beachtung gefunden.
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Was den das Schaltphänomen der SC*-Phase verwendenden
Anzeigemodus betrifft, können die folgenden zwei Modi in Betracht
gezogen werden:
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ein Modus ist ein zwei Polarisatoren verwendender
Doppelbrechungsmodus und der andere Modus ist ein einen dichroitischen
Farbstoff verwendender Guest-Host-Modus.
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Ein solcher Anzeigemodus weist die folgenden spezifischen
Merkmale auf:
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(1) die Ansprechgeschwindigkeit ist sehr schnell;
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(2) es gibt Speichereigenschaften;
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(3) die Abhängigkeit vom Betrachtungswinkel ist gering; etc.
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daher bietet der Modus die Möglichkeit einer Anzeige mit hoher
Dichte und ist folglich für Anzeigeelemente sehr attraktiv.
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Ferroelektrische Flüssigkristallmaterialien, welche in
ferroelektrischen Flüssigkristallanzeigeelementen für den
praktischen Gebrauch verwendet werden, erfordern eine Reihe von
spezifischen Merkmalen, doch gegenwärtig gibt es keine einzelne
Verbindung, welche diese spezifischen Merkmale
zufriedenstellend aufweist; daher ist die Verwendung von ferroelektrischen
Flüssigkristallzusammensetzungen notwendig, welche durch das
Vermischen einiger Flüssigkristallverbindungen oder
nicht-flüssigkristallinen Verbindungen erhalten werden.
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Ferner sind ferroelektrische Flüssigkristallzusammensetzungen
nicht nur auf jene ausschließlich aus ferroelektrischen
Flüssigkristallverbindungen bestehenden Zusammensetzungen
beschränkt, sondern es wurde auch in der Offenlegungsschrift der
japanischen Patentanmeldung Nr. Sho 61-195187/1986 berichtet,
daß es durch Mischen wenigstens eines Mitglieds von
Verbindungen mit ferroelektrischer Flüssigkristallphase mit einer
(mehreren) Verbindung(en) oder Zusammensetzung(en) mit achiraler
Smektischer C- F-, G-, H-, I-Phase oder dergleichen (im
folgenden abgekürzt auf SC-Phase oder dergleichen) als
Ausgangssubstanz(en) möglich ist, aus dem Ganzen eine ferroelektrische
Flüssigkristallzusammensetzung zu machen.
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Desweiteren ist auch berichtet worden, daß durch Mischen
wenigstens eines Mitglieds von Verbindungen, welche optisch aktiv
sind, doch keine ferroelektrische Flüssigkristallphase zeigen,
mit einer (mehreren) Verbindung(en) oder Zusammensetzung(en),
welche die SC-Phase oder dergleichen zeigt (zeigen und als
Ausgangssubstanz(en) dient (dienen), aus dem Ganzen eine
ferroelektrische Zusammensetzung gemacht werden kann (Mol. Cryst.
Liq. Cryst., 89, 327 (1982)).
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Bei der Zusammenfassung dieser Tatsachen zeigt sich, daß es
durch Mischen wenigstens eines Mitglieds optisch aktiver
Verbindungen, unabhängig davon, ob die Verbindung eine
ferroelektrische Flüssigkristallphase aufweist oder nicht, mit einer
(mehreren) Ausgangssubstanz(en) möglich ist, eine
ferroelektrische Flüssigkristallzusammensetzung zu bilden.
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Gegenwärtig sind eine Reihe spezifischer Merkmale bei
ferroelektrischen Flüssigkristallmaterialien erforderlich, doch
werden beispielsweise für ihre Verwendung in praktisch brauchbaren
Anzeigeelementen (640 Linien x 400 Linien) insbesondere die
folgenden Eigenschaften verlangt:
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(1) die SC*-Phase wird innerhalb eines breiten, Raumtemperatur
einschließenden Temperaturbereichs (wenigstens 0º C bis 50º C)
gezeigt;
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(2) die Ansprechzeit beträgt 100 us oder weniger; und
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(3) die Ausrichtung ist besonders gut.
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Gegenwärtig ist jedoch noch kein ferroelektrisches Material
(Flüssigkristallzusammensetzung), welches alle solchen
Bedingungen erfüllt, erhalten worden.
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Beispielsweise werden im Amtsblatt der Offenlegungsschrift der
japanischen Patentanmeldung Nr. Sho 61-291679/1986 und in der
Druckschrift der Offenlegungsschrift der internationalen PCT-
Anmeldung Nr. WO86/06401 eine (mehrere) ferroelektrische
Flüssigkristallmischung(en) offenbart, welche durch Mischen eines
die SC-Phase aufweisenden achiralen 5-Alkyl-2-(4-alkoxyphenyl)-
pyrimidins mit einer (mehreren) optisch aktiven Verbindung(en)
erhalten wird (werden), wobei diese Mischung(en) die SC*-Phase
innerhalb eines breiten, Raumtemperatur einschließenden
Temperaturbereichs zeigt (zeigen). Ferner offenbart das zuerst
genannte Amtsblatt, daß aufgrund seiner niedrigen Viskosität das
Pyrimidinderivat in Form einer SC-Ausgangsmischung zur
Verbesserung des Ansprechverhaltens ferroelektrischer
Zusammensetzungen sehr wirksam Verwendung findet. Jedoch erfüllt (erfüllen)
die ferroelektrische(n) Flüssigkristallzusammensetzung(en) zwar
die obengenannte Voraussetzung bezüglich des Temperaturbereichs
der SC*-Phase, doch beträgt die Ansprechzeit 300 us bis 500 us
(siehe z.B. die in den Beispielen 1 und 2 des obengenannten
Amtsblatts und die in den Beispielen 45 und 46 der Druckschrift
beschriebenen ferroelektrischen
Flüssigkristallzusammensetzungen); daher ist (sind) die Zusammensetzung(en) schwerlich als
praktisch zu betrachten.
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Ferner wird (werden) in der Beschreibung der japanischen
Patentanmeldung Nr. Sho 62-137883/1987 eine (mehrere)
ferroelektrische Flüssigkristallzusammensetzung(en) offenbart, welche
durch Mischen eines die SC-Phase aufweisenden achiralen
5-Alkoxy-2-(4-alkylphenyl)-pyrimidins mit einer (mehreren) optisch
aktiven Verbindung(en) erhalten wird (werden), wobei diese
Mischung(en) die SC*-Phase innerhalb eines breiten,
Raumtemperatur einschließenden Temperaturbereichs zeigt (zeigen) und
dennoch
ein extrem schnelles Ansprechverhalten hat (haben).
Beispielsweise zeigt die in Beispiel 5 beschriebene
ferroelektrische Flüssigkristallzusammensetzung die SC*-Phase innerhalb
eines breiten Temperaturbereichs von 50 bis 52º C und die
Ansprechzeit beträgt 50 us; damit erfüllt die Zusammensetzung die
obengenannten Anforderungen (1) und (2). Daher wird die
Zusammensetzung im Vergleich zu den in dem obenstehenden Amtsblatt
und der Druckschrift beschriebenen ferroelektrischen
Flüssigkristallzusammensetzungen als sehr praktisch betrachtet.
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Jedoch gibt es bei der praktischen Anwendung der in der
obengenannten Beschreibung der japanischen Patentanmeldung Nr. Sho
62-137883/1987 beschriebenen ferroelektrischen
Flüssigkristallverbindung(en) ein ernstliches Problem. Die Zusammensetzung(en)
hat (haben) nämlich keine cholesterische Phase, daher kann
gemäß des gegenwärtig für TN-Flüssigkristallmaterialien
verwendeten Ausrichtungsverfahrens keine gleichmäßige Ausrichtung
erzielt werden.
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Bislang sind drei Verfahren zur Ausrichtung von
ferroelektrischen Flüssigkristallmaterialien versucht worden, die
Scherungsmethode, das Temperaturgefälle-Verfahren und die
Oberflächenbehandlungsmethode. Gemäß der Scherungsmethode wird die
Ausrichtung durch das Anlegen einer Scherspannung in der smektischen
A-Phase bewirkt, und das Temperaturgefälle-Verfahren ist eine
dem orientierten Kristallwachstum ähnlichen Verfahren, wobei
angemerkt wird, daß die smektische Phase als eindimensionaler
Kristall angesehen werden kann.
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Die Oberflächenbehandlungsmethode findet praktische Anwendung
beim Ausrichten von TN-Flüssigkristallmaterialien und ist ein
Verfahren, bei welchem das Substrat einer Zelle mit einem
hochmolekularen Film wie beispielsweise einem Polyimidfilm
überzogen wird, gefolgt vom Unterwerfen der entstandenen Oberfläche
einer Reibebehandlung zum Ausrichten von
Flüssigkristallmolekülen.
Unter dem Gesichtspunkt der kommerziellen Herstellung
von Flüssigkristallanzeigeelementen wird die Ausrichtung von
Flüssigkristallmolekülen nach der Oberflächenbehandlungsmethode
am meisten bevorzugt.
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Die Formen der Phasenübergänge der ferroelektrischen
Flüssigkristallmaterialien umfassen die folgenden vier:
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(i) Iso-Phase T SC*-Phase,
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(ii) Iso-Phase T N*-Phase T SC*-Phase,
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(iii) Iso-Phase T SA-Phase T SC*-Phase, und
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(iv) Iso-Phase T N*-Phase T SA-Phase T SC*-Phase,
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wobei Iso-Phase, N*-Phase und SA-Phase die isotrop-flüssige
Phase, die cholesterische Phase bzw. die smektische A-Phase
repräsentieren.
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Unter diesen ferroelektrischen Flüssigkristallmaterialien, bei
welchen das gängige Ausrichtungsverfahren
(Oberflächenbehandlungsmethode) in seiner gegenwartigen Form anwendbar ist,
befinden sich jene mit der Phasenübergangsform gemäß (iv) (z.B.
siehe Offenlegungsschrift der japanischen Patentanmeldung Nr.
Sho 61-250086/1986). So sind ferroelektrische
Flüssigkristallmaterialien mit der Phasenübergangsform gemäß (iv) ernsthaft
angestrebt worden.
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Die in der obengenannten japanischen Patentanmeldung Nr. Sho
62-137883/1987 offenbarte(n) ferroelektrische(n)
Flüssigkristallzusammensetzung(en) hat (haben) keine cholesterische
Phase; deshalb sollten zur gleichmäßigen Ausrichtung dieser
Zusammensetzungen die Scherungsmethode oder das
Temperaturgefälle-Verfahren verwendet werden, und da für die Ausrichtung viel
Zeit benötigt wird, ist die Ausrichtung nicht leicht zu
bewirken. Ferner sind Investitionen in ein neues Gerät erforderlich,
da die gängige Ausrichtungstechnik nicht in ihrer gegenwärtigen
Form angewendet werden kann; daher kann (können) die
obengenannte(n) ferroelektrische(n) Flüssigkristallzusammensetzung(en)
schwerlich als praktisch angesehen werden.
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Wie aus dem Vorangegangenen klar ersichtlich ist, können die
gegenwärtig bekannten ferroelektrischen
Flüssigkristallmaterialien noch nicht als praktisch angesehen werden; daher sind
weitere Verbesserungen ihrer spezifischen Merkmale ernsthaft
erwünscht worden.
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Die betreffenden Erfinder haben ausführliche Forschungen
betrieben, um die in der obengenannten japanischen
Patentanmeldung Nr. Sho 62-137883/1987 beschriebene Erfindung weiter zu
Verbessern. Als Ergebnis haben wir gefunden, daß durch die
Kombination von Verbindungen miteinander, wie unten dargestellt,
eine ferroelektrische Flüssigkristallzusammensetzung erhalten
wird, welche die SC*-Phase innerhalb eines breiten,
Raumtemperatur einschließenden Temperaturbereichs zeigt und außerdem
auch die cholesterische Phase und ferner ein extrem schnelles
Ansprechverhalten hat, und haben somit die vorliegende
Erfindung erzielt.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Wie aus dem Vorangegangenen ersichtlich, liegt eine erste
Aufgabe der vorliegenden Erfindung in der Schaffung einer
ferroelektrischen Flüssigkristallzusammensetzung, welche die SC*
-Phase innerhalb eines breiten, Raumtemperatur einschließenden
Temperaturbereichs zeigt und außerdem die cholesterische Phase
sowie ferner ein extrem schnelles Ansprechverhalten besitzt. Eine
zweite Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der
Schaffung eines lichtschaltenden Elements, welches die obengenannte
Flüssigkristallzusammensetzung verwendet und ein besonders
gutes Ansprechverhalten besitzt.
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In einer ersten Ausführungsform liegt die vorliegende Erfindung
in
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(1) einer ferroelektrischen Flüssigkristallzusammensetzung
umfassend eine achirale Verbindung gemäß der Formel
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worin R¹ und R² jeweils dieselbe oder eine verschiedene
geradkettige oder verzweigte Alkylgruppe mit 1 bis 18
Kohlenstoffatomen repräsentieren, in einer Menge von 20 bis 70 Gew.-% und
mit cholesterischer Phase; und
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(2) einer ferroelektrischen Flüssigkristallzusammensetzung
gemäß Punkt (1), ferner umfassend wenigstens ein Mitglied optisch
aktiver Verbindungen, ausgewählt aus der aus Verbindungen gemäß
der folgenden Formeln (II) bis (V) bestehenden Gruppe in einer
Menge von 10 bis 50 Gew.-% und mit cholesterischer Phase:
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worin R³, R&sup5;, R&sup7; und R&sup9; eine geradkettige oder
verzweigte Alkylgruppe oder Alkoxygruppe mit jeweils 1 bis 18
Kohlenstoffatomen repräsentieren; worin R&sup4;, R&sup6; und R¹&sup0; jeweils
eine geradkettige oder verzweigte Alkylgruppe oder Alkoxygruppe
mit jeweils 2 bis 18 Kohlenstoffatomen oder eine geradkettige
oder verzweigte Alkoxygruppe mit 1 bis 18 Kohlenstoffatomen
repräsentieren; worin l und m jeweils eine ganze Zahl von 0 bis
10 repräsentieren und * ein asymmetrisches Kohlenstoffatom
bezeichnet.
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In einer zweiten Ausführungsform liegt die vorliegende
Erfindung in
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(3) einem lichtschaltenden Element, welches die
ferroelektrische Flüssigkristallzusammensetzung gemäß Punkt (1) oder (2)
verwendet.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die Figuren 1, 2, 3, 4 und 5 zeigen das jeweilige
Phasendiagramm eines Mischungssystems einer SC-Ausgangsmischung A
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mit einer chiralen Verbindung a, derjenigen einer
SC-Ausgangsmischung A
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mit einer chiralen Verbindung b, derjenigen einer
SC-Ausgangsmischung A
mit einer chiralen Verbindung c, derjenigen einer
SC-Ausgangsmischung A
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mit einer chiralen Verbindung d, derjenigen einer
SC-Ausgangsmischung A
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mit einer chiralen Verbindung e, wobei die Mischung A auf die
vorliegende Erfindung hin orientiert ist.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Die im obengenannten Punkt (1) beschriebene achirale Verbindung
der Formel (I) ist eine Verbindung, für welche vorher von den
betreffenden Erfindern die Patentanmeldung eingereicht worden
ist (japanische Patentanmeldung Nr. Sho 62-137884/1987, noch
nicht offengelegt) und welche nur schwer die nematische Phase
zeigt, doch sehr viele Eigenschaften der smektischen C-Phase
besitzt und als eine SC-Ausgangsverbindung für die
ferroelektrische Flüssigkristallzusammensetzung dient, welche in der
vorliegenden Erfindung angestrebt wird (d.h. sie zeigt die
SC-Phase innerhalb eines breiten Temperaturbereichs). Daher
werden bevorzugt Verbindungen mit der SC-Phase verwendet, doch
können auch selbst Verbindungen ohne die SC-Phase in auf einen
Bereich begrenzten Mengen verwendet werden, in welchem der
Temperaturbereich der SC*-Phase nicht auffallend schmaler ist.
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Pyrimidin-Derivate der Formel (I), worin R¹ eine geradkettige
Alkylgruppe mit 4 bis 18 Kohlenstoffatomen und R² eine
geradkettige Alkylgruppe mit 7 bis 18 Kohlenstoffatomen
repräsentieren, dienen als Beispiel für die Verbindung gemäß Formel (I).
Bei der vorliegenden Erfindung wird die Verwendung mehrerer
dieser Pyrimidin-Derivate bevorzugt. Besonders bevorzugte
Pyrimidin-Derivate mit der SC-Phase werden in Tabelle 1 anschaulich
dargestellt.
Tabelle 1
Verbindungen gemäß
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Wie oben beschrieben wird bei der erfindungsgemäßen
ferroelektrischen Flüssigkristallzusammensetzung die Kombination nur von
mehreren Verbindungen gemäß der Formel (I) und mit der
SC-Phase, wie oben anschaulich dargestellt, besonders bevorzugt, doch
besteht auch die Möglichkeit der Kombination wenigstens eines
Mitglieds der obengenannten Verbindungen mit wenigstens einem
Mitglied bekannter Flüssigkristallverbindungen mit dem Ziel,
den Temperaturbereich der SC-Phase anzupassen. Beispiele für
solche bekannten Verbindungen sind Flüssigkristallverbindungen
mit sehr vielen Eigenschaften der smektischen C-Phase wie
beispielsweise Biphenylylbenzoate, Phenylcyclohexane,
Azoverbindungen, Azoxyverbindungen, Phenylpyridine,
2,5-Diphenylpyrimidine etc. Unter diesen Verbindungen besonders bevorzugt sind
5-Alkyl-2-(4-alkoxyphenyl)-pyrimidin-Verbindungen oder 5-Alkyl-
2-(4-alkylbiphenyl)-pyrimidin-Verbindungen, und diese können
innerhalb eines Bereichs, in welchem die Zielsetzung der
vorliegenden Erfindung nicht beeinträchtigt wird, verwendet werden.
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Die chiralen Verbindungen der im obenstehenden Punkt (2)
beschriebenen Formeln (II) - (V) sind Verbindungen, für welche
schon vorher von den betreffenden Erfindern eine
Patentanmeldung eingereicht wurde (japanische Patentanmeldung Nr. Sho
62-103977/1987) und welche sehr viele cholesterische
Eigenschaften aufweisen und eine wichtige Rolle spielen, indem sie
das Auftreten der N*-Phase in der von der vorliegenden
Erfindung angestrebten ferroelektrischen
Flüssigkristallzusammensetzung bewirken. Da die Verbindungen gemäß der Formeln (IV)
und (V) hohe Werte der spontanen Polarisation aufweisen,
spielen sie ferner ebenfalls eine wichtige Rolle durch das
Aufweisen von extrem schnellem Ansprechverhalten bei der von
der Vorliegenden Erfindung angestrebten ferroelektrischen
Flüssigkristallzusammensetzung.
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Verbindungen gemäß der Formeln (II) - (V) und mit der N*-Phase
werden unten anschaulich dargestellt:
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Bei der von der vorliegenden Erfindung angestrebten
ferroelektrischen Flüssigkristallzusammensetzung werden als die
Verbindungen, welche das Aufweisen der N*-Phase in der
Zusammensetzung verursachen, die Verbindungen gemäß der Formeln (II) - (V)
besonders bevorzugt, doch können auch andere als die
obengenannten Verbindungen verwendet werden, solange sie nicht die
Zielsetzung der vorliegenden Erfindung beeinträchtigen. Solche
Verbindungen werden unten anschaulich dargestellt.
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Wie oben beschrieben kann die von der vorliegenden Erfindung
angestrebte ferroelektrische Flüssigkristallzusammensetzung
hauptsächlich durch Kombinieren der achiralen
Phenylpyrimidinverbindung(en) gemäß der Formel (I) mit Verbindungen mit sehr
vielen cholesterischen Eigenschaften, besonders den
Verbindungen gemäß der Formeln (II) - (V), erhalten werden, doch außer
diesen Verbindungen können zur Anpassung der Helix-Ganghöhe
auch die folgenden chiralen Verbindungen verwendet werden,
solange sie nicht die Zielsetzung der Vorliegenden Erfindung
beeinträchtigen:
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Die vorliegende Erfindung basiert auf der Erkenntnis, daß die
aus der Kombination der achiralen Phenylpyrimidinverbindung(en)
gemäß der Formel (I) mit (einer) chiralen Verbindung(en) mit
sehr vielen cholesterischen Eigenschaften, insbesondere den
Verbindungen gemäß der Formeln (II) - (V), entstandene(n)
Zusammensetzung(en) besonders gute spezifische Merkmale aufweist
(aufweisen).
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Die 5-Alkoxy-2-(4-alkylphenyl)-pyrimidin-Verbindungen gemäß der
Formel (I), wie in der von den betreffenden Erfindern schon
vorher eingereichten japanischen Patentanmeldung Nr. Sho
62-137883/1987 beschrieben, können nur schwer die nematische
Phase ausbilden, besitzen aber sehr viele Eigenschaften der
Smektischen C-Phase, weisen nahe der Raumtemperatur die
SC-Phase auf, besitzen eine geringe Viskosität und bewirken
eine Steigerung des Werts der spontanen Polarisation von
ferroelektrischen Flüssigkristallzusammensetzungen; somit spielen
sie bei der von der vorliegenden Erfindung angestrebten
ferroelektrischen Flüssigkristallzusammensetzung die Rolle einer
SC-Ausgangsverbindung und üben eine Triebkraft aus, aufgrund
derer innerhalb eines breiten, Raumtemperatur einschließenden
Temperaturbereichs die SC*-Phase auftritt.
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Die chiralen Biphenylpyrimidinverbindungen gemäß der Formeln
(II) - (V) haben sehr viele cholesterische Eigenschaften, und
unter diesen Verbindungen besitzen diejenigen gemäß der Formeln
(IV) und (V) einen sehr hohen Wert der spontanen Polarisation;
deshalb spielen diese Verbindungen eine wichtige Rolle bei der
Entwicklung der N*-Phase und ebenfalls bei der Entwicklung des
extrem schnellen Ansprechverhaltens der von der vorliegenden
Erfindung angestrebten Flüssigkristallzusammensetzung.
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Eine SC-Ausgangsmischung A wurde aus den folgenden
Verbindungen, wobei jede gemäß der Formel (I) ist, hergestellt:
SC-Ausgangsmischung A
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Diese SC-Ausgangsmischung A wies die folgenden
Phasenübergangspunkte auf und zeigte keine nematische Phase, jedoch eine SC-
Phase innerhalb eines breiten, Raumtemperatur einschließenden
Temperaturbereichs:
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wobei Cr Kristall repräsentiert.
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Wie aus der Beschreibung der japanischen Patentanmeldung Nr.
Sho 62-137883/1987 ersichtlich ist, weist die ferroelektrische
Flüssigkristallzusammensetzung, welche die Verbindung gemäß der
Formel (I) als SC-Ausgangsverbindung enthält, ein weit besseres
Ansprechverhalten, aber keine N*-Phase auf; deshalb war die
Anwendung der gängigen Ausrichtungsmethode in ihrer gegenwärtigen
Form schwierig. Ferner sollte die Konzentration der Verbindung
gemäß der Formel (I) niedrig sein, um das Aufweisen der N*
-Phase bei der Zusammensetzung zu erreichen, so daß die
spezifischen Merkmale der Verbindung gemäß der Formel (I)
verlorengehen. Daher bestand ein bedeutendes Problem in der Frage, wie
bewirkt werden kann, daß die Zusammensetzung die N*-Phase
zeigt, ohne daß die spezifischen Merkmale der Verbindung gemäß
der Formel (I) beeinträchtigt werden. Die betreffenden Erfinder
haben ausführliche Forschungen durchgeführt und als Ergebnis
gefunden, daß durch die Kombination von chiralen Verbindungen
gemäß der Formeln (II) - (V) und mit vielen cholesterischen
Eigenschaften mit der Verbindung gemäß der Formel (I) eine
ferroelektrische Flüssigkristallzusammensetzung erhalten wird,
welche die SC*-Phase innerhalb eines breiten, Raumtemperatur
einschließenden Temperaturbereichs zeigt und trotzdem die N*-Phase
und ein extrem schnelles Ansprechverhalten aufweist.
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Phasendiagramme wurden angefertigt, wobei die jeweiligen Zwei-
Komponenten-Mischungssysteme aus der obengenannten
SC-Ausgangsmischung A und jeder der chiralen Verbindungen der folgenden
Formeln (a) - (e) bestehen, und die Konzentrationen, in welchen
die N*-Phase auftrat, wurden relativ zu den jeweiligen
Verbindungen verglichen. In jeder der Figuren 1-5 wird ein
Phasendiagramm mit den entsprechenden Mischungssystemen gezeigt:
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Wie aus den Figuren 1-5 ersichtlich ist, weisen die
Verbindungen c, d und e gemäß der Formeln (II) und (V) sehr viele
cholesterischen Eigenschaften im Vergleich zu den Verbindungen a
und b (in der Beschreibung der japanischen Patentanmeldung
Sho 62-137883/1987 beschriebene Verbindungen), und im Fall der
Verbindungen a und b tritt die N*-Phase nicht auf, es sei denn,
die Konzentrationen der Verbindungen a und b überschreiten
75 Gew.-%, während im Fall der Verbindungen c, d und e die
N*-Phase bei Konzentrationen der Verbindungen c, d und e von
etwa 25 Gew.-% auftritt. Dies läßt darauf schließen, daß eine
ferroelektrische Flüssigkristallzusammensetzung mit gutem
Ausrichtungsverhalten ohne Beeinträchtigung der besonders guten
spezifischen Merkmale der achiralen Verbindungen gemäß der
Formel (I) erhalten wurde. Die folgende ferroelektrische
Flüssigkristallzusammensetzung B wurde aus der obengenannten
SC-Ausgangsmischung und Verbindungen gemäß der Formeln (II) und
(V) hergestellt:
Ferroelektrische Flüssigkristallzusammensetzung B
SC-Ausgangsmischung
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Die Phasenübergangspunkte dieser ferroelektrischen
Flüssigkristallzusammensetzung B waren wie folgt
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Ferner betrug der Wert der spontanen Polarisation bei 25º C
55 nC/cm², der Tilt- oder Neigungswinkel 26º, und die
Ansprechzeit 70 us bei einem elektrischen Feld der Stärke 5 V/pm
(entsprechend d = 2 um und Vpp = 20 V). Desweiteren war das
Ausrichtungsverhalten sehr gut, und nach dem Füllen der
Zusammensetzung in eine mit transparenten Elektroden versehene
Zelle mit einem Abstand von 2 um, wobei die Elektroden durch
Aufbringen eines PVA-Films auf die Oberfläche als
Ausrichtungsmittel und nachfolgendem Reiben erhalten wurden, wurde eine
gleichmäßige Ausrichtung ohne jegliche Fehler erhalten; so
wurde festgestellt, daß die gängige Ausrichtungsmethode in ihrer
gegenwärtigen Form angewendet werden kann. Ferner wurde ein
Flüssigkristallanzeigeelement mit einem sehr guten Kontrast
(1:20) erhalten.
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Wie aus dem Vorangegangenen ersichtlich ist, wurde gefunden,
daß durch die Kombination von Verbindungen gemäß der Formel (I)
mit Verbindungen gemäß der Formeln (II) - (V) der vorliegenden
Erfindung eine ferroelektrische Flüssigkristallzusammensetzung
erhalten wird, welche alle nun ernsthaft angestrebten
spezifischen Merkmale zufriedenstellend aufweist, das heißt, sie zeigt
die SC*-Phase innerhalb eines breiten, Raumtemperatur
einschließenden Temperaturbereichs, hat die N*-Phase und dennoch
ein extrem schnelles Ansprechverhalten.
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Die jeweiligen Anteile der Verbindungen gemäß der Formeln (I)
und (II) - (V) für das Erlangen der in der vorliegenden
Erfindung angestrebten ferroelektrischen
Flüssigkristallzusammensetzung mit den besonders guten spezifischen Merkmalen durch
das Nutzen der spezifischen Merkmale der jeweiligen
Verbindungen betragen 20 bis 70 Gewichtsprozent im Fall der Verbindung
gemäß der Formel (I) und 10 bis 50 Gewichtsprozent im Fall der
Verbindungen gemäß der Formeln (II) - (V), unter
Berücksichtigung der Rolle der Verbindung gemäß der Formel (I), welche als
SC-Ausgangsverbindung dient, und auch der Rolle der
Verbindungen gemäß der Formeln (II) - (V), deren Funktion darin besteht,
zu bewirken, daß die Zusammensetzung die N*-Phase zeigt.
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Die vorliegende Erfindung wird anhand von Beispielen
ausführlicher beschrieben, doch ist dies nicht als Beschränkung der
Erfindung auf dieselben aufzufassen.
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Bei den Beispielen wurde der Wert der spontanen Polarisation
(Ps) nach der Sawyer-Tower-Methode gemessen und die
Helix-Ganghöhe (P) ermittelt, indem eine 200 um dicke Zelle einer
homogenen Ausrichtung unterzogen und die Entfernung zwischen den der
Helix-Ganghöhe entsprechenden Dechiralisationslinien unter
einem polarisierenden Mikroskop gemessen wurde. Der Tilt- oder
Neigungswinkel (θ) wurde ermittelt, indem ein ausreichend
starkes, ein kritisches elektrisches Feld übersteigendes
elektrisches
Feld auf eine einer homogenen Ausrichtung unterworfenen
Zelle aufgeprägt wurde, um die Helix-Struktur zu löschen, wobei
ferner die Polarität invertiert und der Winkel, um den sich die
gelöschte Stelle bewegte (entsprechend 2 θ), unter gekreuzten
Nicolschen Prismen beobachtet wurde.
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Die Ansprechzeit wurde aufgrund der Veränderung der Intensität
des durchgelassenen Lichts gemessen, die beobachtet wurde,
nachdem jede der jeweiligen Zusammensetzungen in eine Zelle
gefüllt wurde, welche mit einer Ausrichtungsbehandlung
unterworfenen Elektroden versehen war und zwischen den Elektroden einen
Abstand von 2 um aufwies, gefolgt vom Aufprägen einer
Rechteckwelle mit Vpp (20 V, 100 Hz).
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Außerdem umfassen die Beispiele einige Zusammensetzungen,
welche chirale Verbindungen oder achirale Verbindungen für den
Zweck der Verlängerung der Helix-Ganghöhen in der N*-Phase oder
SC*-Phase oder der Erweiterung des Temperaturbereichs der
SC*-Phase enthalten, außer Verbindungen gemäß der Formel (I)
oder der Formel (II), doch durch die ebenfalls enthaltenen
obengenannten Verbindungen werden die spezifischen Merkmale der
von der vorliegenden Erfindung angestrebten ferroelektrischen
Flüssigkristallzusammensetzung nicht beeinträchtigt und keine
Probleme hervorgerufen.
Beispiele 1 - 10
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Die jeweiligen Anteile der erfindungsgemäßen, in den Beispielen
1 - 10 beschriebenen ferroelektrischen
Flüssigkristallzusammensetzungen sind in Tabelle 2 gezeigt und die jeweiligen
spezifischen Merkmale derselben sind in Tabelle 3 dargestellt.
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Ferner zeigen die Symbole (S) und (R) in Tabelle 2 an, daß die
absoluten Konfigurationen optisch aktiver Gruppen von
Verbindungen die S-Form beziehungsweise die R-Form aufweisen.
Tabelle 2
Formel
Verbindung
Beispiel Nr.
Tabelle 2 (Fortsetzung)
Formel
Verbindung
Beispiel Nr.
Tabelle 2 (Fortsetzung)
Formel
Verbindung
Beispiel Nr.
Andere
Tabelle 3
Beispiel Nr.
Spezifische Merkmale
Phasenübergangspunkt (C º)
Wert*) der spontanen Polarisation (nC/cm²)
Tilt-Winkel*) (º)
Helixganghöhe* (um)
Ansprechzeit*) (um)
*) Wert bei 25º C
Beispiel 11
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Die in Beispiel 2 hergestellte ferroelektrische
Flüssigkristallzusammensetzung wurde in eine Zelle gefüllt, welche mit
durchsichtigen Elektroden versehen war, welche durch Aufbringen
von PVA als Ausrichtungsmittel, gefolgt von Unterwerfen einer
Parallelausrichtungsbehandlung durch Reiben der entstandenen
Oberfläche, erhalten wurden und zwischen welchen ein Abstand
von 2 um bestand. Als Ergebnis wurde eine gleichförmige
Ausrichtung ohne jegliche Fehler erhalten. Die entstandene
Flüssigkristallzelle wurde zwischen zwei als gekreuzte Nicolsche
Prismen angeordnete Polarisatoren gelegt und ein
niederfrequenter Wechselstrom von 0,5 Hz und 20 V aufgeprägt. Als Ergebnis
wurde ein farbloser Schaltvorgang mit sehr gutem Kontrast
(1:20) beobachtet und ein Flüssigkristallanzeigeelement mit
einer Ansprechzeit von nur 30 us bei 25º C erhalten.
Beispiel 12
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Der in Beispiel 7 hergestellten ferroelektrischen
Flüssigkristallzusammensetzungen wurde ein Anthrachinon-Farbstoff D-16
(hergestellt von BDH Co., Ltd.) gemäß der folgenden Formel:
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in einer Menge von 3 Gew.-% zugegeben, um eine Zusammensetzung
im Guest-Host-Modus herzustellen.
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Diese Zusammensetzung wurde in eine Zelle mit einem Abstand von
8 um gefüllt, welche derselben Behandlung wie in Beispiel 11
unterzogen wurde, gefolgt von der Anordnung eines Polarisators
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Diese Zusammensetzung wurde in eine Zelle mit einem Abstand von
8 um gefüllt, welche derselben Behandlung wie in Beispiel 11
unterzogen wurde, gefolgt von der Anordnung eines Polarisators
derart, daß seine polarisierende Oberfläche parallel zu der
Molekülachse war, und vom Aufprägen eines niederfrequenten
Wechselstroms von 0,5 Hz und 40 V. Als Ergebnis wurde ein farbloser
Schaltvorgang mit sehr gutem Kontrast (1:20) beobachtet und ein
farbiges Flüssigkristallanzeigeelement mit einer Ansprechzeit
von nur 80 us bei 25º C erhalten.
Beispiele 13 - 15
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Die jeweiligen Anteile der erfindungsgemäßen, in den Beispielen
13 - 15 beschriebenen ferroelektrischen
Flüssigkristallzusammensetzungen sind in Tabelle 4 gezeigt und die jeweiligen
spezifischen Merkmale derselben sind in Tabelle 5 dargestellt. Die
jeweiligen Anteile in Tabelle 4 sind in Gewichtsprozent angegeben.
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Ferner zeigen die Symbole (S) und (R) in Tabelle 4 an, daß die
absoluten Konfigurationen der optisch aktiven Gruppen der
Verbindungen die S-Form beziehungsweise die R-Form aufweisen.
Tabelle 4
Formel
Verbindung
Beispiel Nr.
Tabelle 4 (Fortsetzung)
Formel
Verbindung
Beispiel Nr.
Andere
Tabelle 5
Beispiel
Spezifische Merkmale
Phasenübergangspunkt (º C)
Wert der spontanen Polarisation (nC/cm²)
Tilt-Winkel *) (º)
Helix-Ganghöhe *) (um)
Ansprechzeit *) (us)
*) Wert bei 25º C