DE3534777A1 - Fluessigkristall-phase mit eine temperaturkompensation bewirkenden dotierstoffen - Google Patents
Fluessigkristall-phase mit eine temperaturkompensation bewirkenden dotierstoffenInfo
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Description
Die Kennlinien der in Flüssigkristall-Displays verwendeten
elektro-optischen Effekte verändern sich im allgemeinen
mit der Temperatur. Insbesondere bei einer Ansteuerung
im Multiplexbetrieb ergeben sich daraus Schwierigkeiten,
die zu einer unerwünschten Einschränkung des Arbeitstemperaturbereiches
führen können. Bei verschiedenen
elektrooptischen Effekten kann durch Zusatz chiraler Verbindungen
zum nematischen Flüssigkristall über die Temperaturfunktion
der Ganghöhe der dadurch induzierten cholesterischen
Helixstruktur die Temperaturabhängigkeit der
elektrooptischen Kennlinien vorteilhaft beeinflußt werden,
so beim cholesterisch-nematischen Phasenumwandlungseffekt,
der TN ("twisted nematic")-Zelle und dem künstlich vorgestellten
SBE ("supertwisted birefringence effect"). Die
meisten der bekannten chiralen Dotierstoffe induzieren
in nematischen Phasen eine mit zunehmender Temperatur
ansteigende Ganghöhe, während für die gewünschte Temperaturkompensation
eine mehr oder weniger starke Abnahme
der Ganghöhe gefordert wird.
Aus der DE-C 28 27 471 (= US-A 42 64 148) ist der Zusatz
von zwei unterschiedlichen chiralen Dotierstoffen zu
nematischen Trägersubstanzen bekannt; dabei erzeugt der
eine chirale Dotierstoff in der nematischen Trägersubstanz
eine rechtshändige Verdrillung der andere eine linkshändige
Verdrillung. Mit einer solchen Dotierung wird
zwar bereits eine Abnahme der Ganghöhe erreicht, aber es
sind zur Erreichung dieses Effekts relativ hohe Gesamtkonzentrationen
erforderlich, die zu einer negativen
Beeinflussung der anderen Materialparameter führen können.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, eine
solche Dotierung von Flüssigkristallen zu erreichen, die
einerseits die Optimierung der Temperaturkompensation vereinfacht,
andererseits aber auch eine geringere Gesamteinwaage
der Dotierstoffe erfordert.
Die Erfindung geht aus von einer bekannten verdrillbaren
Flüssigkristall-Phase mit einem Gehalt an mindestens zwei
chiralen Verbindungen. Die erfindungsgemäße Flüssigkristall-
Phase ist dann dadurch gekennzeichnet, daß sie
mindestens eine chirale Verbindung mit Helixinversion
und mindestens eine weitere chirale Verbindung mit hohem
Verdrillungsvermögen enthält.
Unter dem Begriff "verdrillbare Flüssigkristall-Phase"
sind nematische, cholesterische, geneigte ("tilted")-
smektische, insbesondere smektisch C (Sc oder SmC),
Phasen zu verstehen. Die Verbindungen mit "Helixinversion"
zeichnen sich dadurch aus, daß sich bei einer bestimmten
Inversionstemperatur die Händigkeit der Verdrillung
verändert, wobei im vorliegenden Fall diese Inversionstemperatur
zwischen dem Erstarrungspunkt und dem Klärpunkt
der jeweiligen Flüssigkristallphase liegt; bei Verwendung
handelsüblicher Flüssigkristallphasen bedeutet dies einen
Temperaturbereich von insbesondere -40°C bis +200°C, bevorzugt
-20°C bis +140°C.
Die zweite Gruppe von chiralen Verbindungen weist eine
hohes Verdrillungsvermögen auf, d. h. das Verdrillungsvermögen
- ausgedrückt durch das Produkt p·c (p= Ganghöhe
der induzierten Helixstruktur in µm, c= Konzentration des
chiralen Dotierstoffes in Gew.-%), normiert auf 1 Gew.-%
des chiralen Dotierstoffes und eine bestimmte Meßtemperatur
(z. B. bei 25°C) - ist kleiner als 8, insbesondere
liegt es zwischen 0,5 und 6. In einer bevorzugten Ausführungsform
weist diese zweite Gruppe von chiralen
Verbindungen auch noch eine bei Temperaturveränderung
im wesentlichen unabhängige Ganghöhe auf, d. h. die im
allgemeinen im Bereich von 1% bis 1‰ pro K liegende
Zunahme der Ganghöhe liegt bei diesen Verbindungen insbesondere
bei weniger als 3‰.
Mit Hilfe der speziellen erfindungsgemäßen Kombination von
chiralen Dotierstoffen gelingt es, ein Verdrillungsvermögen
bei vergleichbarer Temperaturfunktion der Ganghöhe
zu erzielen, das (siehe auch Beispiele und Vergleichsbeispiel
weiter unten) etwa - verglichen mit einer Standarddotierung
aus dem Stand der Technik - um mindestens den
Faktor 3 bis 4 größer ist. Durch diese mengenmäßig geringere
Dotierung kann erreicht werden, daß die sonstigen
Parameter (Materialeigenschaften) der zugrundeliegenden
verdrillbaren Flüssigkristall-Phasen weniger stark beeinflußt
werden.
Die erfindungsgemäßen verdrillbaren Flüssigkristallphasen
bestehen aus 3 bis 20, vorzugsweise 3 bis 15 Komponenten,
darunter mindestens je eine der erfindungsgemäß beanspruchten
chiralen Dotierstoffe. Die anderen Bestandteile
werden vorzugsweise ausgewählt aus den bekannten Verbindungen
mit nematischen, cholesterischen und/oder geneigt -
smektischen Phasen, dazu gehören beispielsweise Schiffsche
Basen, Biphenyle, Terphenyle, Phenylcyclohexane, Cyclohexylbiphenyle,
Pyrimidine, Zimtsäureester, Cholesterinester,
verschieden überbrückte, terminal-polare mehrkernige Ester
von p-Alkylbenzoesäuren. Im allgemeinen liegen die im
Handel erhältlichen Flüssigkristall-Phasen bereits vor
der Zugabe der chiralen Dotierstoffe als Gemische verschiedenster
Komponenten vor, von denen mindestens eine
mesogen ist, d. h. als Verbindung, in derivatisierter Form
oder im Gemisch mit bestimmten Cokomponenten eine Flüssigkristall-
Phase zeigt [= mindestens eine enantiotrope
(Klärtemperatur ≦λτ Schmelztemperatur) oder monotrope (Klärtemperatur
≦ωτ Schmelztemperatur) Mesophasenbildung erwarten
läßt].
Zu den chiralen Dotierstoffen mit Helixinversion zählen
insbesondere die Diester von mesogenen Carbonsäuren und
dem chiralen Butandiol-(2,3) oder dem chiralen Propandiol-
(2,3), wobei die chiralen Zentren an den C-Atomen 2
und 3 gegebenenfalls auch durch eine Alkylengruppe (insbesondere
von C1 bis C4) unterbrochen sein können (siehe
beispielsweise DE-A 33 33 677). Beispiele für geeignete
Verbindungen mit Helixinversion sind:
2,3-Bis-(p-trans-4-n-pentylcyclohexylbenzoyloxy)-butan,
2,3-Bis-(p-trans-4-n-heptylcyclohexylbenzoyloxy)-butan,
2,3-Bis-(p-(p′-hexyloxybenzoyloxy)-benzoyloxy)-butan
2,3-Bis-(p-trans-4-n-pentylcyclohexyl-phenylbenzoyloxy)- butan,
2,3-Bis-(trans,trans-4-n-pentyl-cyclohexyl-cyclohexyl-4′- carbonyloxy)-butan
2,3-Bis-(p-(p′-hexoxybenzoyloxy-benzoyloxy)-propan
2,3-Bis-(p-trans-4-n-heptylcyclohexyl-benzoyloxy)-propan
2,3-Bis-(trans,trans-4-n-pentyl-cyclohexyl-cyclohexyl-4′- carbonyloxy)-propan
2,3-Bis-(p-trans-4-n-pentylcyclohexylbenzoyloxy)-butan,
2,3-Bis-(p-trans-4-n-heptylcyclohexylbenzoyloxy)-butan,
2,3-Bis-(p-(p′-hexyloxybenzoyloxy)-benzoyloxy)-butan
2,3-Bis-(p-trans-4-n-pentylcyclohexyl-phenylbenzoyloxy)- butan,
2,3-Bis-(trans,trans-4-n-pentyl-cyclohexyl-cyclohexyl-4′- carbonyloxy)-butan
2,3-Bis-(p-(p′-hexoxybenzoyloxy-benzoyloxy)-propan
2,3-Bis-(p-trans-4-n-heptylcyclohexyl-benzoyloxy)-propan
2,3-Bis-(trans,trans-4-n-pentyl-cyclohexyl-cyclohexyl-4′- carbonyloxy)-propan
In den chiralen Verbindungen mit hohem Verdrillungsvermögen
zählen neben den bereits bekannten chiralen Dotierstoffen
wie 4,4′-Biphenyldicarbonsäuredioctylester, Alkoxybenzoyloxybenzoesäureoctylester
oder Diester mesogener Carbonsäuren
und 1-Phenylethandiol-(1,2) insbesondere die in der
gleichzeitig eingereichten Patentanmeldung mit dem Titel
"Chirale Ester mesogener Carbonsäuren, ein Verfahren zu
deren Herstellung und ihre Verwendung als Dotierstoff in
Flüssigkristall-Phasen" (interne Bezeichnung HOE 85/F210)
beschriebenen Ester von mesogenen Mono- oder Dicarbonsäuren
und chiralen 1-aryl-, -cycloalkyl- oder -heteroaryl-
substituierten und 1-alkylsubstituierten Methanolen.
Beispiele für diese letztgenannten Verbindungen sind:
p(4-trans-Heptyl-cyclohexyl)-benzoesäureester des 1- Phenylethanols-(1)
(p′-Hexoxybenzoyloxy)-p-benzoesäureester des 1-Phenylethanols- (1)
(p′-Pentyl-phenyl)-p-benzoesäureester des 1-Phenylethanols- (1)
p(4-trans-Heptyl-cyclohexyl)-benzoesäureester des 1-(9′- Anthryl)-2,2,2-trifluorethanols-(1)
(p′-Pentyl-phenyl)-p-benzoesäureester des 1-(9′-Anthryl)- 2,2,2-trifluorethanols-(1)
4,4′-Biphenyldicarbonsäurediester des 1-(9′-Anthryl)- 2,2,2-trifluorethanols-(1)
p(4-trans-Heptyl-cyclohexyl)-benzoesäureester des 1-Phenyl- 2,2,2-trifluorethanols-(1).
p(4-trans-Heptyl-cyclohexyl)-benzoesäureester des 1- Phenylethanols-(1)
(p′-Hexoxybenzoyloxy)-p-benzoesäureester des 1-Phenylethanols- (1)
(p′-Pentyl-phenyl)-p-benzoesäureester des 1-Phenylethanols- (1)
p(4-trans-Heptyl-cyclohexyl)-benzoesäureester des 1-(9′- Anthryl)-2,2,2-trifluorethanols-(1)
(p′-Pentyl-phenyl)-p-benzoesäureester des 1-(9′-Anthryl)- 2,2,2-trifluorethanols-(1)
4,4′-Biphenyldicarbonsäurediester des 1-(9′-Anthryl)- 2,2,2-trifluorethanols-(1)
p(4-trans-Heptyl-cyclohexyl)-benzoesäureester des 1-Phenyl- 2,2,2-trifluorethanols-(1).
Ebenso geeignet für diese zweite Art von chiralen Dotierstoffen
sind die in der gleichzeitig eingereichten Patentanmeldung
mit dem Titel "Chirale Ester mesogener Carbonsäuren
und zweiwertiger Alkohole, ein Verfahren zu deren
Herstellung und ihre Verwendung als Dotierstoff in Flüssigkristall-
Phasen" (interne Bezeichnung HOE 85/F211) beschriebenen
Ester von mesogenen Carbonsäuren und dem 1,2-
Diphenyl-ethandiol-(1,2) wie 1,2-Bis-(p-(4-trans-heptyl-
cyclohexyl)-benzoyloxy)-1,2-diphenyl-ethan oder 1,2-
Bis(p-pentylphenyl-p′-benzoyloxy)-1,2-diphenyl-ethan oder
auch die in der gleichzeitig eingereichten Patentanmeldung
mit dem Titel "Chirale Phenolester mesogener Carbonsäuren,
ein Verfahren zu deren Herstellung und ihre Verwendung
als Dotierstoff in Flüssigkristall-Phasen" " (interne
Bezeichnung HOE 85/F 212) beschriebenen Phenolester von
1,1′-Bi-2-naphthol und mesogenen Carbonsäuren wie 1,1′-Bi-
2-naphtholdiester der p-(4-trans-Heptylcyclohexyl)-benzoesäure
oder der p-Pentylphenyl-p′-benzoesäure.
Von den beiden Arten der erfindungsgemäß zugesetzten
chiralen Dotierstoffe enthalten die Flüssigkristall-Phasen
im allgemeinen 0,01 bis 70 Gew.-%, insbesondere 0,05 bis
50 Gew.-%. Das Gewichtsverhältnis der Verbindung(en) mit
Helixinversion zu der (denen) mit hohem Verdrillungsvermögen
liegt zweckmäßig bei 10:1 bis 1:50, insbesondere bei 7:1
bis 1:30.
Zu einer handelsüblichen nematischen Weitbereichsmischung
- "RO-TN 404" der Hoffmann-La Roche Aktiengesellschaft
(Basel/Schweiz) - mit einem Klärpunkt von 104°C
wird ein Gemisch der folgenden beiden chiralen Substanzen
zugegeben:
Von der Substanz (I), einer chiralen Verbindung mit Helixinversion
bei einer Inversionstemperatur von 62°C, sind
0,6 Gew.-% und von der Substanz (II), einer chiralen Verbindung
mit hohem Verdrillungsvermögen (p·c= 3,69 µm·Gew.-%)
und mit bei Temperaturveränderung im wesentlichen unabhängiger
Ganghöhe (≦ωτ 1‰ pro K), 0,4 Gew.-% in der dotierten
Flüssigkristall-Phase vorhanden. Die dotierte Flüssigkristall-
Phase weist über den gesamten Arbeitsbereich (zwischen
Erstarrungspunkt und Klärpunkt) ein p·c Produkt von
15,5 µm · Gew.-% (jeweils bei 25°C) und eine Abnahme der
Ganghöhe von -0,38% pro K auf. Wird anstelle der Substanzen
(I) und (II) ein aus der DE-C 28 27 471 (siehe
Einleitung) bekanntes Gemisch aus 0,52 Gew.-% der chiralen
Verbindung (III) und 0,48 Gew.-% der chiralen Verbindung
(IV):
zugesetzt, so betragen das p·c Produkt 50,0 µm·Gew.-% und
die Abnahme der Ganghöhe -0,35% pro K. Zur Erzeugung einer
Verdrillung von 2 µm (typisch für den cholesterisch-nematischen
Phasenumwandlungseffekt) in einer geeigneten Flüssigkristall-
Phase werden von der erfindungsgemäßen Dotier-
Mischung 7,8 Gew.-%, von der Dotier-Mischung aus dem Stand
der Technik 25 Gew.-% benötigt.
Für TN-Zellen im Multiplexbetrieb werden bei vergleichbaren
Eigenschaften von dem erfindungsgemäßen Dotier-Gemisch 0,8 Gew.-%
benötigt und von einer bekannten Mischung aus dem
Stand der Technik [Verbindung (III) und Cholesterylchlorid]
4 Gew.-%. Zu vergleichbaren Ergebnissen kommt man auch,
wenn man anstelle der Verbindung (I) eines der folgenden
Butan- oder Propanderivate einsetzt (in Klammern jeweils
die Inversionstemperatur in °C):
oder anstelle der Verbindung (II) die Verbindung (IV) oder
eine der folgenden Verbindungen (in Klammern jeweils das
p·c Produkt in µm·Gew.-% und die Temperaturveränderung der
Ganghöhe in ‰):
Claims (8)
1. Verdrillbare Flüssigkristall-Phase mit einem Gehalt an
mindestens zwei chiralen Verbindungen, dadurch gekennzeichnet,
daß sie mindestens eine chirale Verbindung mit
Helixinversion und mindestens eine weitere chirale Verbindung
mit hohem Verdrillungsvermögen enthält.
2. Flüssigkristall-Phase nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß sie als chirale Verbindung mit Helixinversion
Ester von mesogenen Carbonsäuren und dem
chiralen Butandiol-(2,3) und/oder Propandiol-(2,3) enthält,
wobei die chiralen Zentren an den C-Atomen 2 und
3 gegebenenfalls auch durch eine Alkylengruppe unterbrochen
sein können.
3. Flüssigkristall-Phase nach Anspruch 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, daß die chirale Verbindung ein Verdrillungsvermögen,
ausgedrückt durch das Produkt p·c
von kleiner als 8 µm·Gew.-% aufweist.
4. Flüssigkristall-Phase nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, daß sie 0,01 bis 70 Gew.-% an
den chiralen Verbindungen enthält.
5. Flüssigkristall-Phase nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, daß das Gewichtsverhältnis der
Verbindung(en) mit Helixinversion zu der (denen) mit
hohem Verdrillungsvermögen bei 10:1 bis 1:50 liegt.
6. Flüssigkristall-Anzeigeelemente enthaltend eine Flüssigkristall-
Phase nach Anspruch 1.
7. Verwendung einer Kombination von mindestens zwei chiralen
Verbindungen, wobei eine Helixinversion und eine ein
hohes Verdrillungsvermögen aufweist, zur Temperaturkompensation
in Flüssigkristall-Phasen.
8. Verfahren zur Temperaturkompensation in Flüssigkristall-
Anzeigeelementen, die eine Flüssigkristall-Phase enthalten,
durch Zusatz von mindestens zwei chiralen Verbindungen,
dadurch gekennzeichnet, daß man der Flüssigkristall-
Phase 0,01 bis 70 Gew.-% in einer Kombination
aus mindestens einer Verbindung mit Helixinversion
und mindestens einer mit hohem Verdrillungsvermögen zusetzt.
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