KR20030091768A

KR20030091768A - 액정 매질

Info

Publication number: KR20030091768A
Application number: KR10-2003-0032865A
Authority: KR
Inventors: 헤크마이어미카엘; 슐러브리기테; 사이토이즈미; 라이펜라트폴커; 루에셈게오르그; 호크크리스티안
Original assignee: 메르크 파텐트 게엠베하
Priority date: 2002-05-24
Filing date: 2003-05-23
Publication date: 2003-12-03
Also published as: TWI292433B; DE50311437D1; JP2004067996A; US7201951B2; TW200400247A; ATE428761T1; US6890607B2; ATE425235T1; DE50306154D1; EP1717293B1; US20040256604A1; EP1700897A2; EP1700897B1; DE10223061A1; JP4679805B2; EP1700897A3; US20040262572A1; US20040245502A1; US20040016905A1; US6962733B2

Abstract

본 발명은, 포지티브 유전 이방성의 극성 화합물들의 혼합물을 기본으로 하며, 하기 화학식 1의 화합물 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 액정 매질에 관한 것이다.

상기 식에서,

R¹은 탄소수 1 내지 15의 할로겐화되거나 비치환된 알킬 또는 알콕시 라디칼이되, 이들 라디칼중의 하나 이상의 CH₂그룹은 각각 서로 독립적으로 -C≡C-, -CH=CH-, -O-, -CO-O- 또는 -O-CO-에 의해 O 원자들이 서로 직접 연결되지 않도록 치환될 수 있고,

X는 F, Cl, CN, SF₅, 또는 탄소수 6 이하의 할로겐화 알킬 라디칼, 할로겐화 알케닐 라디칼, 할로겐화 알콕시 라디칼 또는 할로겐화 알케닐옥시 라디칼이고,

L¹및 L²는 각각 서로 독립적으로 H 또는 F이다.

Description

액정 매질{LIQUID-CRYSTALLINE MEDIUM}

본 발명은 액정 매질, 이들의 전기광학을 위한 용도 및 상기 매질을 함유하는 디스플레이에 관한 것이다.

액정은 액정 물질의 광학 특성이 인가 전압에 따라 변할 수 있으므로 주로 디스플레이 디바이스의 유전체로서 사용되고 있다. 액정을 기본으로 하는 전기광학 디바이스는 당해 분야의 숙련가에게 익히 공지되어 있으며, 각종 효과에 기초가 될 수 있다. 이러한 디바이스의 예로는, 동적 산란특성을 갖는 셀, DAP(deformation of aligned phase, 정렬상의 변형) 셀, 게스트/호스트 셀, 비틀린 네마틱 구조의 TN 셀, STN(supertwisted nematic, 초비틀린 네마틱) 셀, SBE(초복굴절 효과) 셀 및 OMI(광학 모드 간섭) 셀이 있다. 가장 통상적인 디스플레이 디바이스는 샤트-헬프리히 효과(Schadt-Helfrich effect)에 기초하며 비틀린 네마틱 구조를 갖는다.

액정 물질은 우수한 화학적 및 열적 안정성, 및 전기장 및 전자기선에 대한 우수한 안정성을 가져야 한다. 추가로, 액정 물질은 낮은 점도를 가져야 하며 셀에서 짧은 어드레싱 시간, 낮은 임계 전압 및 높은 콘트라스트를 생성하여야 한다.

또한, 이들은 통상의 작동 온도, 즉 실내 온도 상하의 가능한 한 가장 넓은 온도 범위에서 전술된 셀에 대해 적절한 메소상, 예컨대 네마틱 또는 콜레스테릭 메소상을 가져야 한다. 액정은 일반적으로 다수 성분의 혼합물로서 사용되므로 상기 성분들이 서로 용이하게 혼화될 수 있는 것이 중요하다. 전기 전도도, 유전 이방성 및 광학 이방성과 같은 추가의 특성들은, 셀의 유형 및 적용 분야에 따라 다른 각종 요건을 충족시켜야 한다. 예를 들면, 비틀린 네마틱 구조의 셀을 위한 물질은 포지티브 유전 이방성 및 낮은 전기 전도성을 가져야 한다.

예를 들면, 개별 화소들을 스위칭하기 위한 비선형 소자들이 집적된 매트릭스 액정 디스플레이(MLC 디스플레이)용으로는, 포지티브 유전 이방성이 크고, 네마틱 상이 넓고, 복굴절성이 비교적 낮고, 매우 높은 비저항을 갖고, UV 및 온도 안정성이 우수하며, 낮은 증기압을 갖는 매질이 바람직하다.

이 유형의 매트릭스 액정 디스플레이는 공지되어 있다. 개별 화소들을 개별적으로 스위칭하기 위해 사용될 수 있는 비선형 소자의 예로는 능동 소자(즉, 트랜지스터)가 있다. 이후 사용되는 용어 "능동 매트릭스"는 하기 2가지 유형으로 구별될 수 있다.

1. 기판인 실리콘 웨이퍼 상에 위치하는 MOS(금속 산화물 반도체) 또는 기타 다이오드.

2. 기판인 유리판 상에 위치하는 박막 트랜지스터(TFT).

다양한 부분의 디스플레이들을 모듈 조립(modular assembly)하는 경우에도접합 부위에서 여러 문제점들을 초래하므로, 기판 물질로서 단결정 규소의 사용은 디스플레이의 크기를 제한하게 된다.

더욱 유망한 제 2 유형의 경우, 이는 바람직한 유형으로, 사용되는 전기광학 효과는 통상적으로 TN 효과이다. 다음 2가지 기술로 구별된다: 예컨대 CdSe와 같은 화합물 반도체를 포함하는 TFT, 또는 다결정성 또는 무정형 규소를 기본으로 하는 TFT. 후자의 기술은 전세계적으로 집중적인 연구가 진행되고 있다.

TFT 매트릭스는 디스플레이의 하나의 유리판 안쪽에 적용되지만, 다른 유리판에는 그의 안쪽에 투명 대전극을 보유한다. TFT는 화소 전극의 크기에 비해 매우 작으며 이미지에 대한 실질적인 악영향을 나타내지 않는다. 또한, 이 기술은 완전 컬러화가능한 디스플레이 분야로 확대될 수 있으며, 이 경우 적색, 녹색 및 청색 필터의 모자이크는 필터 소자가 스위칭가능한 화소 각각에 대해 마주보도록 정렬된다.

TFT 디스플레이는 통상적으로 투과시 편광기들이 교차된 TN 셀로서 작동하며 배면으로부터 조명된다.

본원에서 사용되는 MLC 디스플레이라는 용어는 비선형 소자들이 집적된 임의의 매트릭스 디스플레이, 즉 능동 매트릭스 이외에, 배리스터(varistor) 또는 다이오드와 같은 수동(passive) 소자들(MIM = 금속-절연체-금속)을 갖는 디스플레이를 의미한다.

이 유형의 MLC 디스플레이는 TV 제품(예를 들면, 포켓용 TV) 또는 컴퓨터 제품(랩탑)을 위한 고정보 디스플레이용, 및 자동차 또는 항공기 구조물에 사용하기에 특히 적합하다. 콘트라스트 및 응답 시간의 각 의존성에 대한 문제 이외에, 액정 혼합물의 비저항이 충분하지 않으므로 MLC 디스플레이에서 여러 문제점이 발생된다[참조: TOGASHI, S., SEKIGUCHI, K., TANABE, H., YAMAMOTO, E., SORIMACHI, K., TAJIMA, E., WATANABE, H., SHIMIZU, H., Proc. Eurodisplay 84, Sept. 1984: A 210-288 Matrix LCD Controlled by Double Stage Diode Rings, p. 141 ff, Paris; STROMER, M., Proc. Eurodisplay 84, Sept. 1984: Design of Thin Film Transistors for Matrix Addressing of Television Liquid Crystal Displays, p. 145 ff, Paris]. 저항이 감소하는 경우, MLC 디스플레이의 콘트라스트가 저하되며 후-이미지 제거의 문제점이 발생할 수 있다. 액정 혼합물의 비저항은 일반적으로 디스플레이의 내부 표면과의 상호작용에 의해 MLC 디스플레이의 수명을 단축시키므로 허용가능한 유효 수명을 얻기 위해서는 높은 (초기) 저항이 매우 중요하다. 특히 저전압 혼합물의 경우, 현재까지는 매우 높은 비저항 값에 도달한다는 것은 불가능하였다. 또한, 비저항은, 온도가 증가하면서, 및 가열 후 및/또는 자외선 노출 후에 가능한 한 가장 작게 증가한다는 것이 중요하다. 또한, 종래 기술에 따른 혼합물의 저온 특성은 특히 불리하다. 저온에서도 결정화 및/또는 스메틱 상이 나타나지 않으며, 점도의 온도 의존성이 가능한 한 낮을 것이 요구된다. 따라서, 종래 기술의 MLC 디스플레이는 오늘날의 요건과 부합하지 않는다.

따라서, 높은 작업-온도 범위와 함께 매우 높은 비저항을 갖고, 저온에서도 짧은 응답 시간 및 낮은 임계 전압을 보유하면서도, 상기와 같은 단점이 없거나 이를 단지 감소된 정도로 갖는 MLC 디스플레이가 요구되고 있다.

TN (샤트-헬프리히) 셀에서는 하기와 같은 이점을 촉진하는 매질이 요구된다.

- 확대된 네마틱 상 범위(특히 저온으로 확대된 범위)

- 저온에서도 안정한 저장성

- 극저온에서의 스위칭 능력(옥외 사용, 자동차 및 항공 전자공학)

- UV선에 대한 증가된 저항(더욱 긴 유효 수명)

종래 기술의 매질은 다른 파라미터들을 유지하는 동시에 상기와 같은 이점들을 허용하지 않는다.

초비틀린(STN) 셀의 경우, 매질은 더욱 높은 다중사용성 및/또는 더욱 낮은 임계 전압 및/또는 더욱 넓은 네마틱 상 범위를 (특히 저온에서) 성취할 수 있는 것이 바람직하다. 이를 위해, 유용한 파라미터(청명점, 스메틱-네마틱 전이점 또는 융점, 점도, 유전 파라미터, 탄성 파라미터)의 범위를 추가로 확대시키는 것이 시급히 요망된다.

본 발명의 목적은, 상기와 같은 종래 기술의 단점을 갖지 않거나 감소시키며, 바람직하게는 동시에 높은 비저항 및 낮은 임계 전압을 갖는 매질, 특히 상기 유형의 MLC, TN 또는 STN 디스플레이용 매질을 제공하고자 하는 것이다.

현재, 이와 같은 목적은 본 발명의 매질을 디스플레이에 사용하면 달성될 수 있음이 밝혀졌다.

따라서, 본 발명은, 포지티브 유전 이방성의 극성 화합물들의 혼합물을 기본으로 하며, 하기 화학식 1의 화합물하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 액정 매질에 관한 것이다.

화학식 1

상기 식에서,

L¹및 L²는 각각 서로 독립적으로 H 또는 F이다.

화학식 1의 화합물은 넓은 적용 범위를 갖는다. 선택된 치환기에 따라, 이들 화합물은 액정 매질을 주로 구성하는 기본 물질로서 중요한 역할을 할 수 있지만, 예컨대 이 유형의 유전 물질의 유전 이방성 및/또는 광학 이방성을 개질시키고/시키거나 그의 임계 전압 및/또는 점도를 최적화시키기 위해, 다른 부류의 화합물로부터의 화학식 1의 화합물인 액정 기본 물질을 순서대로 첨가할 수도 있다.

순수한 상태에서, 화학식 1의 화합물은 무색이며, 일반적으로 전기-광학 용도에 대해 적합하게 배치되어 있는 온도 범위내에서 액정 메소상을 형성한다. 이들은 화학적으로 및 열적으로 광에 대해 안정하다.

화학식 1에서 R¹이 알킬 라디칼 및/또는 알콕시 라디칼이다면, 이는 직쇄 또는 분지쇄일 수 있다. 직쇄이고, 2, 3, 4, 5, 6 또는 7개의 탄소원자를 갖는 것이 바람직하며, 따라서 에틸, 프로필, 부틸, 펜틸, 헥실, 헵틸, 에톡시, 프로폭시, 부톡시, 펜톡시, 헥실옥시 또는 헵틸옥시, 또한 메틸, 옥틸, 노닐, 데실, 운데실, 도데실, 트리데실, 테트라데실, 펜타데실, 메톡시, 옥틸옥시, 노닐옥시, 데실옥시, 운데실, 도데실옥시, 트리데실옥시 또는 테트라데실옥시인 것이 바람직하다.

옥사알킬은 직쇄 2-옥사프로필(= 메톡시메틸), 2- (= 에톡시메틸) 또는 3-옥사부틸(= 2-메톡시에틸), 2-, 3- 또는 4-옥사펜틸, 2-, 3-, 4- 또는 5-옥사헥실, 2-, 3-, 4-, 5- 또는 6-옥사헵틸, 2-, 3-, 4-, 5-, 6- 또는 7-옥사옥틸, 2-, 3-, 4-, 5-, 6-, 7- 또는 8-옥사노닐, 또는 2-, 3-, 4-, 5-, 6-, 7-, 8- 또는 9-옥사데실인 것이 바람직하다.

R¹이, -CH=CH-에 의해 하나의 CH₂그룹이 치환된 알킬 라디칼이다면, 이는 직쇄 또는 분지쇄일 수 있다. 직쇄이고 2 내지 10개의 탄소원자를 갖는 것이 바람직하다. 따라서, 특히 비닐, 프롭-1- 또는 프롭-2-에닐, 부트-1-, -2- 또는 -3-에닐, 펜트-1-, -2-, -3- 또는 -4-에닐, 헥스-1-, -2-, -3-, -4- 또는 -5-에닐, 헵트-1-, -2-, -3-, -4-, -5- 또는 -6-에닐, 옥트-1-, -2-, -3-, -4-, -5-, -6- 또는 -7-에닐, 노느-1-, -2-, -3-, -4-, -5-, -6-, -7- 또는 -8-에닐, 또는 데크-1-, -2-, -3-, -4-, -5-, -6-, -7-, -8- 또는 -9-에닐이다.

R¹이, -O-에 의해 하나의 CH₂그룹이 치환되고 -CO-에 의해 하나의 CH₂그룹이 치환된 알킬 라디칼이다면, 이들은 인접하게 위치하는 것이 바람직하다. 따라서, 이들은 아실옥시 그룹 -CO-O- 또는 옥시카보닐 그룹 -O-CO-를 함유한다. 이들은 직쇄이고 2 내지 6개의 탄소원자를 갖는 것이 바람직하다. 따라서, 이들은 특히 아세톡시, 프로피오닐옥시, 부티릴옥시, 펜타노일옥시, 헥사노일옥시, 아세톡시메틸, 프로피오닐옥시메틸, 부티릴옥시메틸, 펜타노일옥시메틸, 2-아세톡시에틸, 2-프로피오닐옥시에틸, 2-부티릴옥시에틸, 3-아세톡시프로필, 3-프로피오닐옥시프로필, 4-아세톡시부틸, 메톡시카보닐, 에톡시카보닐, 프로폭시카보닐, 부톡시카보닐, 펜톡시카보닐, 메톡시카보닐메틸, 에톡시카보닐메틸, 프로폭시카보닐메틸, 부톡시카보닐메틸, 2-(메톡시카보닐)에틸, 2-(에톡시카보닐)에틸, 2-(프로폭시카보닐)에틸, 3-(메톡시카보닐)프로필, 3-(에톡시카보닐)프로필 또는 4-(메톡시카보닐)부틸이다.

R¹이, 비치환된 또는 치환된 -CH=CH-에 의해 하나의 CH₂그룹이 치환되고, 인접한 CH₂그룹이 CO, CO-O 또는 O-CO에 의해 치환된 알킬 라디칼이다면, 이들은 직쇄 또는 분지쇄일 수 있다. 직쇄로서 4 내지 12개의 탄소원자를 갖는 것이 바람직하다. 따라서, 이들은 특히 아크릴로일옥시메틸, 2-아크릴로일옥시에틸, 3-아크릴로일옥시프로필, 4-아크릴로일옥시부틸, 5-아크릴로일옥시펜틸, 6-아크릴로일옥시헥실, 7-아크릴로일옥시헵틸, 8-아크릴로일옥시옥틸, 9-아크릴로일옥시노닐, 10-아크릴로일옥시데실, 메트아크릴로일옥시메틸, 2-메트아크릴로일옥시에틸, 3-메트아크릴로일옥시프로필, 4-메트아크릴로일옥시부틸, 5-메트아크릴로일옥시펜틸, 6-메트아크릴로일옥시헥실, 7-메트아크릴로일옥시헵틸, 8-메트아크릴로일옥시옥틸 또는 9-메트아크릴로일옥시노닐이 있다.

R¹이, CN 또는 CF₃에 의해 일치환된 알킬 또는 알케닐 라디칼이다면, 이 라디칼은 바람직하게는 직쇄이다. 임의의 목적하는 위치에서 CN 또는 CF₃에 의해 치환된다.

R¹이, 적어도 할로겐에 의해 일치환된 알킬 또는 알케닐 라디칼이다면, 이 라디칼은 바람직하게는 직쇄이며, 할로겐은 F 또는 Cl인 것이 바람직하다. 다치환의 경우, 할로겐은 F인 것이 바람직하다. 생성된 라디칼은 또한 과불화된 라디칼을 포함한다. 일치환의 경우, 불소 또는 염소 치환기는 임의의 목적하는 위치에 존재할 수 있지만, ω-위치인 것이 바람직하다.

분지된 날개(wing) 그룹 R¹을 함유하는 화합물은, 종종 통상적인 액정 기본 물질에서의 우수한 용해성으로 인해 중요할 수 있지만, 키랄 도판트로서 이들이 광학적으로 활성적인 경우 특히 그러할 수 있다. 이 유형의 스멕틱 화합물은 강유전성 물질의 성분으로서 적합하다.

이 유형의 분지 그룹은 일반적으로 하나 이상의 쇄 분지를 함유하지 않는다. 바람직한 분지 라디칼 R¹로는 이소프로필, 2-부틸(= 1-메틸프로필), 이소부틸(= 2-메틸프로필), 2-메틸부틸, 이소펜틸(= 3-메틸부틸), 2-메틸펜틸, 3-메틸펜틸, 2-에틸헥실, 2-프로필펜틸, 이소프로폭시, 2-메틸프로폭시, 2-메틸부톡시, 3-메틸부톡시, 2-메틸펜톡시, 3-메틸펜톡시, 2-에틸헥실옥시, 1-메틸헥실옥시 및 1-메틸헵틸옥시가 있다.

R¹이, 2개 이상의 CH₂그룹이 -O- 및/또는 -CO-O-에 의해 치환된 알킬 라디칼이다면, 이들은 직쇄 또는 분지쇄일 수 있다. 이는 분지쇄로서 3 내지 12개의 탄소원자를 갖는 것이 바람직하다. 따라서, 이들은 특히 비스카복시메틸, 2,2-비스카복시에틸, 3,3-비스카복시프로필, 4,4-비스카복시부틸, 5,5-비스카복시펜틸, 6,6-비스카복시헥실, 7,7-비스카복시헵틸, 8,8-비스카복시옥틸, 9,9-비스카복시노닐, 10,10-비스카복시데실, 비스(메톡시카보닐)메틸, 2,2-비스(메톡시카보닐)에틸,3,3-비스(메톡시카보닐)프로필, 4,4-비스(메톡시카보닐)부틸, 5,5-비스(메톡시카보닐)펜틸, 6,6-비스(메톡시카보닐)헥실, 7,7-비스(메톡시카보닐)헵틸, 8,8-비스(메톡시카보닐)옥틸, 비스(에톡시카보닐)메틸, 2,2-비스(에톡시카보닐)에틸, 3,3-비스(에톡시카보닐)프로필, 4,4-비스(에톡시카보닐)부틸 또는 5,5-비스(에톡시카보닐)헥실이 있다.

화학식 1의 화합물은 자체 공지된 방법, 예를 들면 문헌(예컨대, 문헌 "Houben-Weyl, Methoden der organischen Chemie [Methods of Organic Chemistry], Georg-Thieme-Verlag, Stuttgart"과 같은 표준 작업)에서 기술된 바와 같이, 정확하게는 상기 반응에 적당한 것으로 알려진 반응 조건하에서 제조된다. 자체적으로 공지된 변형이 사용될 수 있지만, 본원에서 이에 대해 상세히 언급하고 있지는 않다. 화학식 1의 화합물은 예컨대 DE 4006921 호, WO 01/64667 호 및 DE 10105314 호에 기술된 바와 같이 제조될 수 있다.

또한, 본 발명은 이 유형의 매질을 함유하는 전기광학 디스플레이(특히, 프레임과 함께 셀을 형성하는 2개의 2차원-평행 외부 플레이트, 상기 외부 플레이트에 개별 화소를 스위칭하기 위한 집적화된 비선형 소자, 및 셀 내부에 위치하는 것으로 포지티브 유전 이방성과 높은 비저항성의 네마틱 액정 혼합물을 포함하는 STN 또는 MLC 디스플레이) 및 전기광학적 목적을 위한 이들 매질의 용도에 관한 것이다.

본 발명에 따른 액정 혼합물은 유용한 파라미터의 허용범위를 상당히 넓힐 수 있다.

청명점, 저온에서의 점도, 열 및 UV 안정성, 및 유전 이방성의 달성가능한 조합은 종래 기술로 제조된 종전 물질보다 훨씬 우수하다.

지금까지는, 높은 청명점, 저온에서의 네마틱 상, 및 높은 Δε을 위한 요건이 단지 부적절한 정도로만 달성되었다. 그러나, 예컨대 ZLI-3119와 같은 액정 혼합물은 필적할만한 청명점 및 저온 안정성을 갖지만, 이들은 단지 +3의 Δε을 갖는다. 다른 혼합물 시스템은 필적할만한 점도 및 Δε 값을 갖지만, 단지 60℃의 영역에서 청명점을 갖는다.

본 발명에 따른 액정 혼합물은, -20℃ 이하, 바람직하게는 -30℃ 이하, 특히 -40℃ 이하에서 네마틱 상을 유지하면서, 청명점이 60℃ 이상, 바람직하게는 65℃ 이상, 특히 바람직하게는 70℃ 이상이 되도록 하고, 동시에 유전 이방성 Δε 값이 6 이상, 바람직하게는 8 이상이고, 높은 비저항 값이 수득될 수 있어, 우수한 STN 및 MLC 디스플레이를 수득할 수 있게 한다. 특히, 상기 혼합물은 낮은 작동 전압을 특징으로 한다. TN 임계 전압은 2.0 V 미만, 바람직하게는 1.7V 미만, 특히 바람직하게는 1.3V 미만이다.

본 발명에 따른 혼합물의 성분의 적합한 선택을 통해, 기타 유리한 특성을 유지하면서도 높은 임계 전압에서 높은 청명점(예를 들면, 110℃ 이상)이 달성되거나, 또는 낮은 임계 전압에서 낮은 청명점이 달성될 수 있음은 물론이다. 상응하게 약간 증가된 점도에서도, 마찬가지로 큰 Δε 및 이에 따른 낮은 임계치를 갖는 혼합물을 수득할 수 있다. 제 1 구치 앤드 태리 투과 최소치(Gooch and Tarry transmission minimum)(문헌 "C.H. Gooch and H.A. Tarry, Electron. Lett. 10, 2-4, 1974"; "C.H. Gooch and H.A. Tarry, Appl. Phys., Vol. 8, 1575-1584, 1975" 참조)에서 작동되는 것이 바람직한 본 발명에 따른 MLC 디스플레이는, 예를 들면 특성 라인의 높은 경사도 및 콘트라스트의 낮은 각 의존성(독일 특허 제 30 22 818 호 참조)과 같은 특히 유리한 전기광학 특성 이외에도, 낮은 유전 이방성이 제 2 최소치에서 유사한 디스플레이에서와 동일한 임계 전압에서 충분하다. 이것은, 본 발명에 따른 혼합물을 사용하는 경우가 시아노 화합물을 포함하는 혼합물의 경우보다 제 1 최소치에서 훨씬 높은 비저항을 달성할 수 있음을 의미한다. 개별 성분 및 이들의 중량비의 적합한 선택을 통해, 당해 분야의 숙련자는 간단한 통상의 방법을 사용하여 MLC 디스플레이의 예비-특정된 층 두께에 필요한 복굴절률을 설정할 수 있다.

20℃에서의 유동 점도 υ₂₀은 바람직하게는 60㎟·s^-1미만, 특히 바람직하게는 50㎟·s^-1미만이다. 본 발명에 따른 혼합물의 20℃에서의 회전 점도(γ₁)는 바람직하게는 160mPa·s 미만, 특히 바람직하게는 150mPa·s 미만이다. 네마틱 상 범위는 바람직하게는 90°이상, 특히 100°이상이다. 이 범위는 바람직하게는 -20° 내지 +80°로 확대된다.

짧은 반응 시간은 액정 디스플레이에서 필요한 것이다. 이는 특히 비디오 재생이 가능한 디스플레이에 적용된다. 이 유형의 디스플레이에서 최대 25ms의 반응 시간(t_on+ t_off)이 요구된다. 반응 시간의 최대 제한점은 이미지리프레쉬(refresh) 빈도에 의해 결정된다. 이와 같이, 회전 점도(γ₁) 이외에, 경사각이 반응 시간에 영향을 미친다. 특히, 화학식 1의 화합물 20% 이상을 포함하는 혼합물은, 메르크 카게아아(Merck KGaA)로부터 시판중인 제품 ZLI-4792와 비교하여 보면, 2.5 초과, 3.0 초과의 경사각을 나타낸다.

전압 보유비(holding ratio, HR)의 측정[마츠모토(S. Matsumoto) 등의 문헌 "Liquid Crystals5, 1320(1989)"; 니와(K. Niwa) 등의 문헌 "Proc. SID Conference, San Fransisco, June 1984, P. 304(1984)"; 웨버(G. Weber) 등의 문헌 "Liquid Crystals5, 1381(1989)" 참조]에서는, 화학식 1의 화합물을 포함하는 본 발명에 따른 혼합물이, 예를 들면 화학식 1의 화합물 대신 식의 시아노페닐사이클로헥산 또는 식의 에스테르를 포함하는 유사 혼합물보다 온도의 증가에 따라 HR이 매우 적게 감소하는 것으로 나타났다.

또한, 본 발명에 따른 혼합물의 UV 안정성은 상당히 우수하다. 즉, UV 노출시 HR이 상당히 적게 감소하는 것으로 나타난다.

화학식 1의 특히 바람직한 화합물로는 하기 화학식 1a 내지 1i의 화합물이 있다.

상기 식에서,

R¹은 화학식 1에서 정의된 바와 같다.

이들 바람직한 화합물중에서, 특히 바람직하게는 화학식 1a, 1b, 1c 및 1d이며, 특히 화학식 1a 및 1b가 바람직하다.

바람직한 실시양태는 하기와 같다.

- 매질은 화학식 1a 내지 1i의 화합물 2개 이상을 포함한다.

- 매질은 하기 화학식 2 내지 6으로 이루어진 군으로부터 선택된 화합물 하나 이상을 추가로 포함하며, 화학식 4의 화합물중에서 하기 화학식 4a 내지 4e의 화합물이 바람직하다.

상기 식에서,

R⁰은 각각 탄소수 9 이하의 n-알킬, 옥사알킬, 플루오로알킬 또는 알케닐이고,

X⁰은 F, Cl, 및 탄소수 6 이하의 할로겐화 알킬, 할로겐화 알케닐, 할로겐화 알케닐옥시 또는 할로겐화 알콕시이고,

Z⁰은 -C₂F₄-, -CF=CF-, -C₂H₄-, -(CH₂)₄-, -OCH₂-, -CH₂O-, -CF₂O- 또는 -OCF₂-이고,

Y¹내지 Y⁴는 각각 서로 독립적으로 H 또는 F이고,

r은 0 또는 1이다.

- 매질은 하기 화학식 7 내지 13으로 이루어진 군으로부터 선택된 화합물 하나 이상을 추가로 포함한다.

상기 식에서,

R⁰, X⁰및 Y^1-4는 각각 서로 독립적으로 청구항 3에서 정의되는 바와 같으며,

이중에서, X⁰는 F, Cl, CF₃, OCF₃또는 OCHF₂인 것이 바람직하고, R⁰는 각각 탄소수 6 이하의 알킬, 옥사알킬, 플루오로알킬 또는 알케닐인 것이 바람직하다.

- 특히, 매질은 하기 식 E-a 내지 E-d의 화합물 하나 이상을 추가로 포함한다.

상기 식에서,

R⁰는 청구항 3에서 정의되는 바와 같다.

- 상기 식 E-a 내지 E-d의 화합물의 비율은 바람직하게는 10 내지 30중량%, 특히 15 내지 25중량%이다.

- 전체 혼합물중의 화학식 1 내지 6의 화합물의 비율은 50중량% 이상이다.

- 전체 혼합물중의 화학식 1의 화합물의 비율은 0.5 내지 40중량%, 특히 바람직하게는 1 내지 30중량%이다.

- 전체 혼합물중의 화학식 2 내지 6의 화합물의 비율은 30 내지 80중량%이다.

-은 바람직하게는

이다.

- 매질은 화학식 2, 3, 4, 6 및/또는 6의 화합물을 포함한다.

- R⁰는 탄소수 2 내지 7의 직쇄 알킬 또는 알케닐이다.

- 매질은 본질적으로 화학식 1 내지 6 및 화학식 13의 화합물로 이루어진다.

- 매질은 바람직하게는 하기 화학식 14 내지 18로 이루어진 군으로부터 선택된 화합물을 추가로 포함한다.

상기 식에서,

R⁰및 X⁰은 앞서 정의한 바와 같으며,

1,4-페닐렌 고리는 CN, 염소 또는 불소에 의해 추가로 치환될 수 있고, 바람직하게는 불소원자에 의해 일치환 또는 다치환된다.

- 매질은 하기 식 O1 및 O2의 화합물 1, 2, 3개 또는 그 이상, 바람직하게는 2 또는 3개를 추가로 포함한다.

상기 식에서,

"알킬" 및 "알킬^*"은 아래 정의되는 바와 같으며,

본 발명에 따른 혼합물중의 식 O1 및 O2의 화합물의 비율은 바람직하게는 5 내지 10중량%이다.

- 매질은 바람직하게는 화학식 4a의 화합물 5 내지 35중량%를 포함한다.

- 매질은 바람직하게는 X⁰이 F 또는 OCF₃인 화학식 4a의 화합물 1, 2 또는 3개를 포함한다.

- 매질은 바람직하게는 하기 화학식 2a 내지 2g의 화합물 하나 이상을 포함한다.

상기 식에서,

R⁰는 앞서 정의한 바와 같으며,

이들 화합물중에서, R⁰는 바람직하게는 메틸, 에틸, n-프로필, n-부틸 또는 n-펜틸이다.

- 매질은 바람직하게는 하기 식의 화합물 하나 이상을 포함한다.

상기 식에서,

R⁰는 앞서 정의한 바와 같다.

- 화학식 1의 화합물 : 화학식 2 + 3 + 4 + 5 + 6의 화합물의 중량비는 바람직하게는 1:10 내지 10:1이다.

- 매질은 본질적으로 화학식 1 내지 13의 화합물로 이루어진 군으로부터 선택된 화합물로 이루어진다.

- 전체 혼합물중 화학식 4b 및 4c의 화합물(여기서, X⁰은 불소이고, R⁰은 CH₃, C₂H₅, n-C₃H₇, n-C₄H₉또는 n-C₅H₁₁이다)의 비율은 2 내지 20중량%, 특히 2 내지 15중량%이다.

- 매질은 바람직하게는 R⁰이 메틸인 화학식 2 내지 6의 화합물을 포함한다.

- 매질은 특히 바람직하게는 하기 식의 화합물을 포함한다.

- 매질은 바람직하게는 하기 식 D1 및 D2의 디옥산 화합물 1, 2개 또는 그 이상, 바람직하게는 1 또는 2개를 포함한다.

- 매질은 하기 식 Z-1 내지 Z-6의 비사이클릭 화합물 1, 2개 또는 그 이상을 추가로 포함하며, 이중에서 식 Z-1, Z-2, Z-5 및 Z-6의 화합물이 바람직하다.

상기 식에서,

R^1a및 R^2a는 각각 서로 독립적으로 H, CH₃, C₂H₅또는 n-C₃H₇이고,

R⁰, 알킬 및 알킬^*는 아래 또는 청구항 3에서 정의되는 바와 같다.

- 매질은 하기 식 AN1 내지 AN11의 융합 고리 화합물 1, 2개 또는 그 이상을 추가로 포함한다.

상기 식에서,

R⁰은 앞서 정의한 바와 같다.

통상적인 액정 물질, 특히 화학식 2, 3, 4, 5 및/또는 6의 화합물 하나 이상과 혼합된 화학식 1의 화합물의 비율이 비교적 작은 경우에도, 저장 수명이 개선됨과 동시에, 임계 전압 및 복굴절률 값이 낮아지면서, 낮은 스멕틱-네마틱 전이 온도를 갖는 넓은 네마틱 상이 관찰된다. 하나 이상의 화학식 1의 화합물 이외에, 하나 이상의 화학식 4의 화합물, 특히 X⁰이 F 또는 OCF₃인 화학식 4a의 화합물을 포함하는 것이 특히 바람직하다. 화학식 1 내지 6의 화합물은 무색이고 안정하며 서로 및 다른 액정 물질과 용이하게 혼화될 수 있다.

"알킬" 또는 "알킬^*"이라는 용어는 탄소수 1 내지 7의 직쇄 및 분지쇄 알킬 그룹, 특히 직쇄 그룹인, 메틸, 에틸, 프로필, 부틸, 펜틸, 헥실 및 헵틸을 포함한다. 탄소수 2 내지 5의 그룹이 일반적으로 바람직하다.

"알케닐"이라는 용어는 탄소수 2 내지 7의 직쇄 및 분지쇄 알케닐 그룹, 특히 직쇄 그룹을 포함한다. 바람직한 알케닐 그룹은 C₂-C₇-1E-알케닐, C₄-C₇-3E-알케닐, C₅-C₇-4-알케닐, C₆-C₇-5-알케닐 및 C₇-6-알케닐, 특히 C₂-C₇-1E-알케닐, C₄-C₇-3E-알케닐 및 C₅-C₇-4-알케닐이다. 특히 바람직한 알케닐 그룹의 예는 비닐, 1E-프로페닐, 1E-부테닐, 1E-펜테닐, 1E-헥세닐, 1E-헵테닐, 3-부테닐, 3E-펜테닐, 3E-헥세닐, 3E-헵테닐, 4-펜테닐, 4Z-헥세닐, 4E-헥세닐, 4Z-헵테닐, 5-헥세닐, 6-헵테닐 등이다. 일반적으로, 탄소수 5 이하의 그룹이 바람직하다.

"플루오로알킬"이라는 용어는 바람직하게는 말단 불소를 갖는 직쇄 그룹, 즉 플루오로메틸, 2-플루오로에틸, 3-플루오로프로필, 4-플로오로부틸, 5-플루오로펜틸, 6-플루오로헥실 및 7-플루오로헵틸을 포함한다. 그러나, 불소의 다른 위치가 배제되는 것은 아니다.

"옥사알킬"이라는 용어는 바람직하게는 식 C_nH_2n+1-O-(CH₂)_m(여기서, n 및 m은 각각 서로 독립적으로 1 내지 6이다)의 직쇄 라디칼을 포함한다. 바람직하게는, n은 1이고, m은 1 내지 6이다.

R⁰및 X⁰의 의미를 적절히 선택하여, 어드레싱 시간, 임계 전압, 투과 특성 라인의 경사도 등이 목적하는 방식으로 변형될 수 있다. 예를 들면, 1E-알케닐 라디칼, 3E-알케닐 라디칼, 2E-알케닐옥시 라디칼 등은 일반적으로 알킬 또는 알콕시 라디칼에 비해 어드레싱 시간을 단축시키고 네마틱 경향을 개선시키고 탄성 상수 k₃₃(휨)과 k₁₁(넓힘(splay))의 비율이 커진다. 4-알케닐 라디칼, 3-알케닐 라디칼등은 일반적으로 알킬 및 알콕시 라디칼에 비해 낮은 임계 전압 및 더욱 작은 값의 k₃₃/k₁₁을 제공한다.

-CH₂CH₂- 그룹은 일반적으로 단일 공유 결합에 비해 더욱 높은 값의 k₃₃/k₁₁을 나타낸다. k₃₃/k₁₁의 값이 커질수록, 예를 들면 90°트위스트를 갖는 TN 셀에서의 투과 특성 라인이 평탄해지고(회색 음영(shade)를 달성하기 위해), STN, SBE 및 OMI 셀에서의 투과 특성 라인이 더 가파르게 되며(더욱 큰 다중송신능(multiplexability)), 그의 역도 가능하다.

화학식 1 및 화학식 2 + 3 + 4 + 5 + 6의 화합물의 최적 혼합비는 실질적으로 목적하는 특성, 화학식 1, 2, 3, 4, 5 및/또는 6의 성분의 선택, 및 존재할 수 있는 임의의 기타 성분의 선택에 따라 달라진다. 앞서 주어진 범위 내의 적합한 혼합비는 경우에 따라 용이하게 결정될 수 있다.

본 발명에 따른 혼합물중의 화학식 1 내지 13의 화합물의 총량은 중요하지 않다. 따라서, 혼합물은 다양한 특성을 최적화시키기 위해 추가 성분 하나 이상을 포함할 수 있다. 그러나, 일반적으로 화학식 1 내지 13의 화합물의 총 농도가 커지는 경우, 어드레싱 시간 및 임계 전압에 대한 관찰된 효과가 더욱 증가한다.

특히 바람직한 양태에 있어서, 본 발명에 따른 매질은, X⁰이 F, OCF₃, OCHF₂, OCH=CF₂, OCF=CF₂또는 OCF₂-CF₂H인 화학식 2 내지 6(바람직하게는 화학식 2, 3 및/또는 4, 특히 화학식 4a)의 화합물을 포함한다. 결과적으로, 화학식 1의 화합물의사용으로 인한 유리한 상승 효과는 특히 이로운 특성을 나타낸다. 특히, 화학식 1 및 화학식 4a의 화합물을 포함하는 혼합물은 그들의 낮은 임계 전압에 의해 구별된다.

본 발명에 따라 매질중에 사용될 수 있는 화학식 1 내지 18 및 그들의 하위 식의 개별 화합물은, 공지된 화합물과 유사하게 제조될 수 있거나, 또는 공지되어 있다.

편광기, 전극 기판 플레이트 및 표면 처리된 전극으로부터의 본 발명에 따른 MLC 디스플레이의 구조물은, 이 유형의 디스플레이를 위한 통상적인 구조물에 상응한다. 통상적인 구조물이라는 용어는 본원에서 광범위하게 사용되며, 특히 다중-Si TFT계 또는 MIM계 매트릭스 디스플레이 소자를 포함하는, MLC 디스플레이의 모든 유도물 및 변형물을 또한 포함한다.

그러나, 본 발명에 따른 디스플레이와 비틀린 네마틱 셀계의 통상적인 디스플레이 사이에는 액정 층의 액정 파라미터의 선택에 있어서 상당한 차이가 있다.

본 발명에 따라 사용될 수 있는 액정 혼합물은 자체적으로 통례화된 방식으로 제조된다. 일반적으로, 더욱 적은 양으로 사용되는 성분의 목적하는 양은 주된 구성성분을 이루는 성분중에서 유리하게는 승온에서 용해된다. 또한, 상기 성분의 용액을 유기 용매, 예컨대 아세톤, 클로로포름 또는 메탄올중에 혼합하고, 이를 예컨대 완전히 혼합한 후, 증류에 의해 용매를 제거할 수 있다.

또한, 유전체는 당해 분야의 숙련자들에게 공지되어 있으며, 문헌에 기술된 추가 첨가제를 포함할 수 있다. 예를 들면, 0 내지 15%의 다색성 염료 또는 키랄도판트가 첨가될 수 있다.

C는 결정질 상, S는 스멕틱 상, S_C는 스멕틱 C상, N은 네마틱 상, I는 등방성 상을 나타낸다.

V₁₀은 10% 투과(판 표면에 대해 수직인 시인각)를 위한 전압을 의미한다. V₁₀값의 2배에 상응하는 작동 전압에서, t_on은 점등 시간을 의미하고, t_off는 소등 시간을 의미한다. Δn은 광학 이방성을 의미한다. Δε는 유전 이방성을 의미한다(Δε=ε_∥-ε_⊥, 여기서 ε_∥는 종방향 분자축에 대해 평행한 유전 상수이고, ε_⊥는 종방향 분자축에 대해 수직인 유전 상수이다). 전기광학 데이터는 달리 명확하게 제시되지 않는 한 20℃에서 제 1 최소점(즉, 0.5의 d·Δn 값)의 TN 셀에서 측정하였다. 광학 데이터는 달리 명확하게 제시되지 않는 한 20℃에서 측정하였다.

본원 및 하기 실시예에서, 액정 화합물의 구조는 두문자어(acronym)로 나타내고, 하기 목록 A 및 B에 따라 화학 구조식으로 변형시킨다. 모든 라디칼 C_nH_2n+1및 C_mH_2m+1은 각각 탄소수 n 및 m을 갖는 직쇄 알킬 라디칼(여기서, n 및 m은 정수이며, 바람직하게는 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11 또는 12이다)이다. 목록 B에서의 부호화는 자명한 것이다. 목록 A에서는 단지 모구조(parent structure)에 대한 두문자어만을 나타낸다. 각각의 경우, 모구조에 대한 두문자어 다음에대쉬(-)로 구분하며, 치환기 R^1*, R^2*, L^1*및 L^2*에 대한 부호로 나타낸다.

바람직한 혼합물 성분을 목록 A 및 B에 나타낸다.

목록 A

목록 B

화학식 1의 화합물 이외에 목록 B로부터의 화합물 1, 2, 3 또는 4개, 또는 그 이상을 포함하는 액정 혼합물이 특히 바람직하다.

목록 C

목록 C는 본 발명에 따른 혼합물에 일반적으로 첨가될 수 있는 도판트를 나타낸다.

목록 D

본 발명에 따른 혼합물에 첨가될 수 있는 안정화제의 예가 아래에 제시된다.

실시예

하기 실시예는 본 발명을 설명하기 위한 것이며, 본 발명이 제한되어서는 안된다. 본원에서 %는 중량%를 의미한다. 모든 온도는 ℃로 주어진다. m.p.는 융점, cl.p.는 청명점을 의미한다. 또한, C는 결정질 상태, N은 네마틱 상, S는 스멕틱 상, I는 등방성 상을 의미한다. 이러한 기호들 사이의 데이터는 전이 온도를 나타낸다. Δn은 광학 이방성(589㎚, 20℃)을 의미한다. 유동 점도 υ₂₀(㎟/초) 및 회전점도 γ₁[mPa·s]은 각각 20℃에서 측정하였다.

실시예 M1

실시예 M2

실시예 M3

실시예 M4

실시예 M5

실시예 M6

실시예 M7

실시예 M8

실시예 M9

실시예 M10

실시예 M11

실시예 M12

실시예 M13

본 발명에 따르면, 높은 비저항을 갖고 낮은 임계 전압을 보유하면서, 종래 기술의 단점을 갖지 않는 MLC, TN 또는 STN 디스플레이용 매질을 제공할 수 있다.

Claims

포지티브 유전 이방성의 극성 화합물들의 혼합물을 기본으로 하는 액정 매질에 있어서,

하기 화학식 1의 화합물 하나 이상을 포함함을 특징으로 하는 액정 매질.

화학식 1

상기 식에서,

R¹은 탄소수 1 내지 15의 할로겐화되거나 비치환된 알킬 또는 알콕시 라디칼이되, 이들 라디칼중의 하나 이상의 CH₂그룹은 각각 서로 독립적으로 -C≡C-, -CH=CH-, -O-, -CO-O- 또는 -O-CO-에 의해 O 원자들이 서로 직접 연결되지 않도록 치환될 수 있고,

X는 F, Cl, CN, 또는 탄소수 6 이하의 할로겐화 알킬 라디칼, 할로겐화 알케닐 라디칼, 할로겐화 알콕시 라디칼 또는 할로겐화 알케닐옥시 라디칼이고,

L¹및 L²는 각각 서로 독립적으로 H 또는 F이다.
제 1 항에 있어서,

하기 화학식 1a 내지 1i의 화합물로 이루어진 군으로부터 선택된 화합물 1, 2 또는 그 이상을 포함함을 특징으로 하는 액정 매질.

화학식 1a

화학식 1b

화학식 1c

화학식 1d

화학식 1e

화학식 1f

화학식 1g

화학식 1h

화학식 1i

상기 식에서,

R¹은 제 1 항에서 정의된 바와 같다.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

하기 화학식 2, 3, 4, 5 및 6의 화합물로 이루어진 군으로부터 선택된 화합물 하나 이상을 추가로 포함함을 특징으로 하는 액정 매질.

화학식 2

화학식 3

화학식 4

화학식 5

화학식 6

상기 식에서,

R⁰은 각각 탄소수 9 이하의 n-알킬, 옥사알킬, 플루오로알킬 또는 알케닐이고,

X⁰은 F, Cl, 및 탄소수 6 이하의 할로겐화 알킬, 할로겐화 알케닐, 할로겐화 알케닐옥시 또는 할로겐화 알콕시이고,

Z⁰은 -C₂F₄-, -CF=CF-, -C₂H₄-, -(CH₂)₄-, -OCH₂-, -CH₂O-, -CF₂O- 또는 -OCF₂-이고,

Y¹내지 Y⁴는 각각 서로 독립적으로 H 또는 F이고,

r은 0 또는 1이다.
제 3 항에 있어서,

전체 혼합물중 화학식 1 내지 6의 화합물들의 비율이 50중량% 이상인 것을 특징으로 하는 액정 매질.
제 1 항 내지 제 4 항중 어느 한 항에 있어서,

하기 식 E-a 내지 E-d의 화합물 하나 이상을 추가로 포함함을 특징으로 하는 액정 매질.

상기 식에서,

R⁰는 제 3 항에서 정의한 바와 같다.
제 1 항 내지 제 5 항중 어느 한 항에 있어서,

하기 화학식 2a 내지 2g의 화합물 하나 이상을 포함함을 특징으로 하는 액정 매질.

화학식 2a

화학식 2b

화학식 2c

화학식 2d

화학식 2e

화학식 2f

화학식 2g

상기 식에서,

R⁰는 제 3 항에서 정의한 바와 같다.
제 1 항 내지 제 6 항중 어느 한 항에 있어서,

하기 식 O1 및 O2의 화합물 하나 이상을 포함함을 특징으로 하는 액정 매질.

상기 식에서,

"알킬" 또는 "알킬^*"은 각각 서로 독립적으로 탄소수 1 내지 7의 직쇄 및 분지쇄 알킬 그룹이다.
제 1 항 내지 제 7 항중 어느 한 항에 있어서,

하기 식 D1 및 D2의 디옥산 화합물 하나 이상을 포함함을 특징으로 하는 액정 매질.

상기 식에서,

R⁰는 제 3 항에서 정의한 바와 같다.
제 1 항 내지 제 8 항중 어느 한 항에 있어서,

전체 혼합물중 화학식 1의 화합물들의 비율이 0.5 내지 40중량%인 것을 특징으로 하는 액정 매질.
전기광학을 위한, 제 1 항 내지 제 9 항중 어느 한 항에 따른 액정 매질의 용도.
제 1 항 내지 제 9 항중 어느 한 항에 따른 액정 매질을 함유하는 전기광학 액정디스플레이.