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Technisches Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft Flüssigkristallmedien sowie die Verwendung dieser Medien in Flüssigkristallanzeigen, insbesondere in Verbundsystem-Anzeigen wie PDLCs und im besonderen in HPDLCs.
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Zu lösendes Problem und Stand der Technik
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Flüssigkristallanzeigen (LCDs = liquid crystal displays) finden sowohl für Direktsichtdisplays als auch für Projektionsdisplays Anwendung. Daneben werden LCDs, speziell LCDs mit Verbundsystemen wie PDLCs (= polymer dispersed liquid crystal displays) und insbesondere sogenannte HPDLC-Systeme (HPDLC = holographic PDLC), für praktische Anwendungen eingesetzt. Diese HPDLC-Anzeigen werden beispielsweise in K. Tanaka, K. Kato, S. Tsuru und S. Sakai, Journal of the SID, 2/1, S. 37–40 (1994), beschrieben. Sie erzeugen mittels Bragg-Reflexion drei intensive Farben, vorzugsweise Primärfarben. Diese Technik ergibt hervorragende intensive Farben, da hierbei weder Polarisatoren noch Farbfilter erforderlich sind. Die Reflexion einer bestimmten Farbe wird von einer einzigen Schicht des periodischen Aufbaus von Polymer und Flüssigkristall gesteuert. Folglich sind zur Darstellung von drei Primärfarben drei Schichten erforderlich, eine für jede Farbe. Jede der drei Schichten muß unabhängig adressiert werden. Dies erfordert drei Sätze von HPDLC-Folien, jeweils mit entsprechenden Elektroden Die große Zahl von Schichten und entsprechenden Elektroden, die in der Massenproduktion nur schwer mit guten Ausbeuten realisierbar ist, lässt sich unter Anwendung der Zweifrequenzansteuerungsmethode vorteilhafterweise verringern.
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Zur Beschleunigung des Schaltens von Flüssigkristallmedien in LCDs, insbesondere des Ausschaltens von aktivierten Flüssigkristall-Schaltelementen, ist die Zweifrequenzansteuerung vorgeschlagen worden. Hierbei macht man sich die Tatsache zunutze, daß dielektrisch positive Flüssigkristallmedien in der Regel durch eine negative dielektrische Anisotropie bei hohen Frequenzen gekennzeichnet sind. Dieser gut bekannte Effekt kann zum aktiven Ausschalten von Flüssig-kristall-Schaltelementen genutzt werden. Durch Adressierung des Schaltelements mit einer elektrischen Welle, in der Regel einer Spannung mit rechteckiger Wellenform, mit niedriger Frequenz, bei der der Δε-Wert (= ε|| – ε⊥) des LCs positiv ist, wird das LC-Material in eine zum elektrischen Feld parallele Orientierung gezwungen. Durch Adressierung desselben LC-Schaltelements mit einer hochfrequenten elektrischen Welle, d. h. mit einer Frequenz, bei der der Δε-Wert des LCs negativ ist, wird das LC-Material in eine zum elektrischen Feld senkrechte Orientierung gezwungen. Somit wird ein aktives Ausschalten des LC-Schaltelements realisiert.
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Eine Art von PDLC-Anzeigen, die im Rahmen der vorliegenden Anmeldung besonders bevorzugt ist, sind die sogenannten Memory-PDLC-Anzeigen (kurz MPDLC-Anzeigen), wie sie beispielsweise in J. Ohyama, H. Matsuda und K. Eguchi, SID 99 Digest, S. 648–651 (1999), beschrieben werden. Sie sind bistabil und weisen in der Regel eine Polymermatrix mit anisotroper Morphologie auf.
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Flüssigkristalle für HPDLC-Anzeigen, die nach der Zwei frequenzansteuerungsmethode adressiert werden können, werden in der eigenen, nicht vorveröffentlichten japanischen Patentanmeldung
JP 12-154 926 vorgestellt.
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Die für HPDLCs mit Zweifrequenzansteuerung offenbarten Flüssigkristallmischungen sind jedoch noch mit einigen Nachteilen behaftet. Der erste und wahrscheinlich entscheidenste Nachteil besteht darin, daß sie sich im Betrieb beträchtlich erwärmen, was hauptsächlich auf dielektrischen Verlust zurückzuführen ist. Außerdem sind die erzielten Crossover-Frequenzen für viele praktische Anwendungen immer noch zu hoch.
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Die Crossover-Frequenz (νcross) ist die Frequenz, bei der Δε bei zunehmender Frequenz sein Vorzeichen von dielektrisch positiv nach dielektrisch negativ wechselt.
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Der dielektrische Verlust läßt sich aus dem dielektrischen Verlustfaktor (ε'') bestimmen aus der komplexen Dielektrizitätskonstante (ε*) gemäß Gleichung (1) bestimmen [sic]: ε* = ε' – iε'' (1) worin i ≡ √–1.
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Die Gleichung (1) gilt sowohl für ε|| als auch für ε⊥.
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Die Wärmedissipation kann dann aus Gleichung (2) folgendermaßen ermittelt werden: W• = ½ωεoε''(S/d)Vo 2 (2) worin bedeuten:
- ω
- die Kreisfrequenz,
- εo
- die Dielektrizitätskonstante im Vakuum (εo = 8,8542·10–12 AsV–1m–1),
- ε''
- der relative dielektrische Verlustfaktor gemäß Gleichung (1)
- S
- die Fläche der Elektroden, d. h. des Pixels,
- d
- der Abstand zwischen den Elektroden, d. h. die Dicke der dielektrischen Schicht, und
- Vo
- die angelegte Spannung.
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Demgemäß besteht beträchtlicher Bedarf an Flüssigkristallmedien mit für praktische Anwendungen geeigneten Eigenschaften, wie breitem nematischem Phasenbereich, niedrigen Viskositäten, geeigneter optischer Anisotropie (Δn) je nach angewandtem Anzeigemodus (insbesondere einem geeignet hohen Δn-Wert für Verbundsysteme wie PDLCs) und insbesondere mit moderatem dielektrischem Verlust, geeignet niedriger Crossover-Frequenz, ausreichend hohen Werten für die dielektrische Anisotropie (Δε) sowohl im Niederfrequenzbereich (Δεlow) als auch im Hochfrequenzbereich (Δεhigh) zwecks einfacher Adressierbarkeit sowie gute Orientierbarkeit auf Orientierungsschichten und/oder gute Verträglichkeit mit Polymervorläufern für Verbundsysteme.
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Darstellung der vorliegenden Erfindung
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Es wurde nun überraschenderweise gefunden, daß man Flüssigkristallmedien für die Zweifrequenzansteuerung herstellen kann, die die Nachteile des Standes der Technik nicht oder nur in wesentlich geringerem Maße aufweisen.
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Diese verbesserten Flüssigkristallmedien sind
dadurch gekennzeichnet, daß sie
- – eine dielektrisch positive Flüssigkristallkomponente A enthalten,
- – eine dielektrisch negative Flüssigkristallkomponente B enthalten,
- – einen Klärpunkt von mindestens 80°C aufweisen,
- – eine Crossover-Frequenz von höchstens 25 kHz aufweisen und,
- – 11 bis 19% der Verbindung der Formel I worin
R1 für n-Heptyl steht und
- – eine oder mehrere Verbindungen der Formel IIa und/oder eine oder mehrere Verbindungen der Formel IIb worin
R21 und R22 unabhängig voneinander für Alkyl oder Alkoxy mit 1 bis 7 C-Atomen, Alkenyl, Alkenyloxy oder Alkoxyalkyl mit 2 bis 7 C-Atomen stehen,
enthalten.
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Es ist bevorzugt, daß die dielektrisch negative Flüssigkristallkomponente B Verbindungen der Formel III
worin
R
31 und R
32 unabhängig voneinander für Alkyl oder Alkoxy mit 1 bis 7 C-Atomen, Alkenyl, Alkenyloxy oder Alkoxyalkyl mit 2 bis 7 C-Atomen stehen,
R
31 vorzugsweise für n-Alkyl, vorzugsweise mit 3 bis 5 C-Atomen, steht,
R
32 vorzugsweise für n-Alkoxy, vorzugsweise mit 3 bis 7 C-Atomen, steht,
enthält.
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Gegebenenfalls enthält das erfindungsgemäße Flüssigkristallmedium eine weitere Komponente C, die dielektrisch neutral ist und vorzugsweise dielektrisch neutrale Verbindungen der Formel IV
worin
R
41 und R
42 unabhängig voneinander für Alkyl oder Alkoxy mit 1 bis 7 C-Atomen
oder Alkenyl, Alkenyloxy oder Alkoxyalkyl mit 2 bis 7 C-Atomen stehen,
unabhängig voneinander für trans-1,4-Cyclohexylen, 1,4-Phenylen, 3-Fluor-1,4-phenylen, 2-Fluor-1,4-phenylen, 2,3-Difluor-1,4-phenylen oder 3,5-Difluor-1,4-phenylen, vorzugsweise trans-1,4-Cyclohexylen, 1,4-Phenylen oder 3-Fluor-1,4-phenylen, stehen,
Z
4 für -COO-, -CH
2CH
2-, -C≡C- oder eine Einfachbindung, vorzugsweise -COO- oder eine Einfachbindung steht und
o und p unabhängig voneinander für 0 oder 1 stehen,
enthält und besonders bevorzugt daraus entsteht.
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Die Komponente C dient insbesondere zur Einstellung des Phasenbereichs und der optischen Anisotropie der erfindungsgemäßen Flüssigkristallmedien. Verbindungen der Formel IV mit o und p gleich 1 eignen sich besonders gut zur Erhöhung des Klärpunkts des Mediums, wohingegen Verbindungen der Formel IV mit o und p gleich 0 sich besonders gut zur Erniedrigung der Untergrenze des nematischen Phasenbereichs eignen. Zur Einstellung des Δn-Werts der Medien eignen sich insbesondere Verbindungen der Formel IV mit Z4 gleich -C≡C-.
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Im folgenden werden bevorzugte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Flüssigkristallmedien beschrieben.
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Komponente A enthält vorzugsweise Verbindungen der Formel I, deren Konzentration im flüssigkristallinen Medium vorzugsweise im Bereich von 13 bis 18% und ganz besonders bevorzugt im Bereich von 14 bis 17% liegt.
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Das Medium enthält vorzugsweise eine oder mehrere Verbindungen der Formel IIa und eine oder mehrere Verbindungen der Formel IIb
worin R
21 und R
22 die vorstehend angegebenen Bedeutungen haben; vorzugsweise steht R
21 für n-Propyl oder n-Pentyl und R
22 für Ethoxy.
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Das Medium enthält vorzugsweise Verbindungen aus der Gruppe der Verbindungen der Formel IVa bis IVc
worin R
41 und R
42 die in obiger Formel IV angegebenen Bedeutungen haben; vorzugsweise steht R
41 für n-Alkyl oder n-Alkenyl und R
42 für n-Alkenyl oder n-Alkoxy; ganz besonders bevorzugt steht R
42 für Alkoxy.
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Nach einer bevorzugten Ausführungsform enthält das Flüssigkristallmedium eine oder mehrere Verbindungen der Formel IVa, worin R41 vorzugsweise für n-Alkyl und R42 vorzugsweise für n-Alkoxy steht, jeweils unabhängig voneinander vorzugsweise mit 1 oder 2 Kohlenstoffatomen; ganz besonders bevorzugt beträgt die Summe der Kohlenstoffatome in R41 und R42 2 oder 3 und insbesondere 3.
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Nach einer anderen bevorzugten Ausführungsform enthält das Flüssigkristallmedium eine oder mehrere Verbindungen der Formel IVc, worin R41 vorzugsweise für n-Alkyl, vorzugsweise mit 2 bis 5 Kohlenstoffatomen, ganz besonders bevorzugt mit 3 Kohlenstoffatomen, und R42 vorzugsweise für n-Alkyl oder n-Alkoxy und ganz besonders bevorzugt für Methoxy oder Ethoxy steht.
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Das Flüssigkristallmedium enthält vorzugsweise 50 bis 100%, besonders bevorzugt 70 bis 100%, ganz besonders bevorzugt 80 bis 100% und insbesondere 90 bis 100% der Komponenten A und B, die eine oder mehrere Verbindungen der Formeln I bzw. IIa und/oder IIb enthalten oder daraus bestehen.
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Die Konzentration der Komponente A im erfindungsgemäßen Flüssigkristallmedium beträgt vorzugsweise 1 bis 50%, besonders bevorzugt 2 bis 30%, ganz besonders bevorzugt 3 bis 20% und insbesondere 4 bis 16%.
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Die Konzentration der Komponente B im erfindungsgemäßen Flüssigkristallmedium beträgt vorzugsweise 20 bis 95%, besonders bevorzugt 30 bis 90%, ganz besonders bevorzugt 50 bis 85% und insbesondere 60 bis 80%.
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Nach einer bevorzugten Ausführungsform enthalten die Flüssigkristallmedien eine oder mehrere Verbindungen der Formel III. Sie enthalten vorzugsweise sowohl eine oder mehrere Verbindungen der Formel IIa und/oder IIb als auch eine oder mehrere Verbindungen der Formel III.
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Die erfindungsgemäßen Medien können gegebenenfalls weitere Flüssigkristallverbindungen zur Einstellung der physikalischen Eigenschaften enthalten. Derartige Verbindungen sind dem Fachmann bekannt. Ihre Konzentration in den erfindungsgemäßen Medien beträgt vorzugsweise 0 bis 30%, besonders bevorzugt 1 bis 20% und ganz besonders bevorzugt 5 bis 15%.
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Die erfindungsgemäßen Flüssigkristallmedien sind durch einen Klärpunkt von mehr als 80°C, vorzugsweise 100°C oder mehr, besonder bevorzugt 110°C oder mehr, insbesondere bevorzugt von 120°C oder mehr, ganz besonders bevorzugt von 130°C oder mehr und insbesondere von 140°C oder mehr gekennzeichnet.
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Die erfindungsgemäßen Flüssigkristallmedien haben vorzugsweise Viskositäten (υ) bei 20°C von höchstens 80 mm2/s–1, besonders bevorzugt von höchstens 60 mm2/s–1, insbesondere von höchstens 50 mm2/s–1. Die entsprechenden Grenzwerte betragen bei einer Temperatur von 0°C 600 mm2/s–1, 450 mm2/s–1 und 300 mm2/s–1 und bei einer Temperatur von –20°C 15.000 mm2/s–1, 10.000 mm2/s–1 und 6.000 mm2/s–1.
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Der Δn-Wert der erfindungsgemäßen Flüssigkristallmedien beträgt 0,20 oder mehr und liegt vorzugsweise im Bereich von 0,22 bis 0,40. Für HPDLCs liegt der Δn-Wert der Flüssigkristallmedien besonders bevorzugt im Bereich von 0,23 bis 0,30, ganz besonders bevorzugt im Bereich von 0,24 bis 0,28 und insbesondere im Bereich von 0,25 bis 0,275. Für MPDLCs liegt der Δn-Wert der Flüssigkristallmedien dagegen besonders bevorzugt im Bereich von 0,21 bis 0,30, ganz besonders bevorzugt im Bereich von 0,22 bis 0,25 und insbesondere im Bereich von 0,23 bis 0,24.
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Insbesondere ist darauf zu achten, daß ein geeigneter Wert für den ordentlichen Brechungsindex (no) des Flüssigkristallmediums gewählt wird. Sein Wert sollte mit dem Brechungsindex der Polymermatrix (nm) in Übereinstimmung gebracht werden. Der Unterschied zwischen dem ordentlichen Brechungsindex des Flüssigkristallmediums und dem Brechungsindex der polymeren Matrix beträgt vorzugsweise lediglich 2% oder weniger, ganz besonders bevorzugt 1% oder weniger und insbesondere 0,4% oder weniger.
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Der Δε-Wert des erfindungsgemäßen Flüssigkristallmediums beträgt im Niederfrequenzbereich (Δεlow, bei 100 Hz) vorzugsweise +2 oder mehr und im Hochfrequenzbereich (Δεhigh, bei 10 kHz) –2 oder weniger, besonders bevorzugt +3 oder mehr bzw. –3 oder weniger, ganz besonders bevorzugt +4 oder mehr bzw. –4 oder weniger, insbesondere +5 oder mehr bzw. –5 oder weniger und idealerweise +10 oder mehr bzw. –10 oder weniger. Diese bevorzugten Grenzwerte für Δε im Niederfrequenzbereich und im Hochfrequenzbereich können auch in unsymmetrischer Weise miteinander kombiniert werden, z. B. +3 oder mehr und –2 oder weniger sowie +4 oder mehr und –5 oder weniger und beides auch umgekehrt.
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Die Crossover-Frequenz (νcross) der erfindungsgemäßen Medien zwischen dem Nieder- und dem Hochfrequenzbereich, d. h. die Frequenz, bei der der Δε-Wert des Flüssigkristallmediums bei zunehmender Frequenz sein Vorzeichen von positiv nach negativ wechselt, d. h. einen Wert von 0 annimmt, beträgt 20 kHz oder weniger, bevorzugt 15 kHz oder weniger, besonders bevorzugt 10 kHz oder weniger, in einer besonders bevorzugten Ausführungsform 9 kHz oder weniger, vorzugsweise 7 kHz oder weniger, besonders bevorzugt 5 kHz oder weniger, ganz besonders bevorzugt 4 kHz oder weniger und insbesondere 3 kHz oder weniger.
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Der relative dielektrische Verlustfaktor der erfindungsgemäßen Flüssigkristallmedien parallel zum Direktor (ε||'') bei 20°C und einer Frequenz von 10 kHz beträgt vorzugsweise 4 oder weniger, besonders bevorzugt 3 oder weniger, weiter bevorzugt 2 oder weniger und ganz besonders bevorzugt 1,5 oder weniger. Bei einer Frequenz von 1 kHz beträgt dieser Verlustfaktor vorzugsweise 4 oder weniger, besonders bevorzugt 3 oder weniger und ganz besonders bevorzugt 2,5 oder weniger.
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Die Frequenz des Maximums von ε||'' im Frequenzbereich von 100 h'Hz [sic] bis 100 kHz liegt vorzugsweise im Bereich von 800 Hz bis 8 kHz, besonders bevorzugt im Bereich von 1 kHz bis 6 kHz und ganz besonders bevorzugt im Bereich von 1 kHz bis 4 kHz.
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Der Wärmeverlust W|| • der Flüssigkristallmedien bei 20°C und einer Frequenz von 10 kHz beträgt vorzugsweise 0,20 J·s–1 oder weniger, besonders bevorzugt 0,15 J·s–1 oder weniger, weiter bevorzugt 0,10 J·s–1 oder weniger und ganz besonders bevorzugt 0,08 J·s–1 oder weniger. Diese bevorzugten Grenzwerte gelten vorzugsweise über den gesamten Frequenzbereich von 10 kHz bis 100 kHz.
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Im Rahmen der vorliegenden Anmeldung sind ”dielektrisch positive Verbindungen” Verbindungen mit Δε > 1,5, ”dielektrisch neutrale Verbindugen” Verbindungen mit -1,5 ≤ Δε ≤ 1,5, und ”dielektrisch negative Verbindungen” Verbindungen mit Δε < –1,5. Die dielektrischen Anisotropien der Verbindungen werden aus den Ergebnissen einer Lösung von 10% der einzelnen Verbindungen in einer nematischen Wirtsmischung ermittelt. Die Kapazitäten dieser Testmischungen werden sowohl in einer Zelle mit homöotroper Orientierung als auch in einer Zelle mit homogener Orientierung bestimmt. Beide Zelltypen haben eine Schichtdicke von ungefähr 10 μm. Die angelegte Spannung ist eine Rechteckwelle mit einer Frequenz von 1 kHz und einem Effektivwert von typischerweise 0,5 V bis 1,0 V, wird jedoch immer so gewählt, daß sie unterhalb des kapazitiven Schwellenwerts der jeweiligen Testmischung liegt.
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Als Wirtsmischung wird für dielektrisch positive Verbindungen die Mischung ZLI-4792 und für dielektrisch neutrale sowie dielektrisch negative Verbindungen die Mischung ZLI-3086, beide von Merck KGaA, Deutschland, verwendet. Die Dielektrizitätskonstanten der Verbindungen werden aus der Änderung der jeweiligen Werte der Wirtsmischung nach Zugabe der interessierenden Verbindungen bestimmt und auf eine Konzentration der interessierenden Verbindungen von 100% extrapoliert.
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Der Begriff Schwellenspannung bezieht sich in der vorliegenden Anmeldung auf die optische Schwelle für 10% relativen Kontrast (V10), sofern nicht explizit anders angegeben. Die kapazitive Schwellenspannung (V0, auch Freedericksz-Schwelle VFr bezeichnet) wird nur verwendet, wenn dies explizit angegeben ist.
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Die in dieser Anmeldung angegebenen Parameterbereiche schließen sämtlich die Grenzwerte mit ein, sofern nicht explizit anders angegeben.
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In dieser Anmeldung sind, soweit nicht explizit anders vermerkt, alle Konzentrationen in Massenprozent angegeben und beziehen sich auf die entsprechende Gesamtmischung, und alle Temperaturen und Temperaturunterschiede sind in Grad Celsius angegeben. Alle physikalischen Eigenschaften wurden und werden nach ”Merck Liquid Crystals, Physical Properties of Liquid Crystals”, Status Nov. 1997, Merck KGaA, Deutschland, bestimmt und gelten für eine Temperatur von 20°C, sofern nicht explizit anders angegeben. Die optische Anisotropie (Δn) wird bei einer Wellenlänge von 589,3 nm bestimmt. Die dielektrische Anisotropie (Δε) wird bei einer Frequenz von 1 kHz bestimmt, wohingegen Δεlow und Δεhigh bei einer Frequenz von 100 Hz bzw. 10 kHz bestimmt werden. Die Schwellenspannungen sowie die anderen elektrooptischen Eigenschaften wurden in bei Merck KGaA, Deutschland, hergestellten Testzellen bestimmt. Die Testzellen für die Bestimmung von Δεlow und Δεhigh besaßen eine Schichtdicke von 22 μm. Bei der Elektrode handelte es sich um eine kreisförmige ITO-Elektrode mit einer Fläche von 1,13 cm2 und einem Schutzring. Als Orientierungsschichten dienten Lecithin für homöotrope Orientierung (ε||) und Polyimid AL-1054 von Japan Synthetic Rubber für homogene Orientierung (ε⊥). Die Bestimmung der Kapazitäten erfolgte mit einem Frequenzgang-Analysegerät Solatron 1260 mit einer Sinuswelle mit einer Spannung von 0,3 Veff. Bei diesen Messungen wurden auch die dielektrischen Verlustfaktoren für die verschieden orientierten Proben (ε||'' bzw. ε⊥'') bestimmt.
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Die Wärmedissipation wurde für die fertigen Anzeigen beobachtet.
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Als Licht wurde bei den elektrooptischen Messungen weißes Licht verwendet. Dabei wurde ein Aufbau mit einem im Handel erhältlichen Gerät von Otsuka, Japan, verwendet. Die charakteristischen Spannungen wurden unter senkrechter Beobachtung bestimmt. Die Schwellenspannung (V10), die Mittgrauspannung (V50) und die Sättigungsspannung V90 wurden für 10%, 50% bzw. 90% relativen Kontrast angegeben.
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Die erfindungsgemäßen Flüssigkristallmedien können weitere Zusatzstoffe und chirale Dotierstoffe in den üblichen Konzentrationen enthalten. Die Gesamtkonzentration dieser weiteren Bestandteile liegt im Bereich von 0 bis 10%, vorzugsweise 0,1 bis 6%, bezogen auf die Gesamtmischung. Die Konzentrationen der einzelnen eingesetzten Verbindungen liegen vorzugsweise im Bereich von 0,1 bis 3%. Die Konzentration dieser und ähnlicher Zusatzstoffe wird bei der Angabe der Werte und Konzentrationsbereiche der Flüssigkristallkomponenten und und [sic] Verbindungen der Flüssigkristallmedien in der vorliegenden Anmeldung nicht berücksichtigt.
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Die erfindungsgemäßen Flüssigkristallmedien bestehen aus mehreren Verbindungen, bevorzugt aus 3 bis 30, besonders bevorzugt aus 5 bis 20 und ganz besonders bevorzugt aus 6 bis 10 Verbindungen, die auf herkömmliche Weise gemischt werden. In der Regel wird die gewünschte Menge der in geringerer Menge verwendeten Verbindung in der in größerer Menge vorliegenden Verbindung gelöst. Liegt die Temperatur über dem Klärpunkt der in höherer Konzentration verwendeten Verbindung, so ist die Vervollständigung des Lösungsvorgangs besonders leicht zu beobachten. Es ist jedoch auch möglich, die Medien auf anderen üblichen Wegen, z. B. unter Verwendung von sogenannten Vormischungen, bei denen es sich z. B. um homologe oder sogar eutektische Mischungen handeln kann, oder unter Verwendung von sogenannten ”Multi-Bottle”-Systemen, deren Bestandteile selbst gebrauchsfertige Mischungen sind, herzustellen.
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Mittels geeigneter Zusatzstoffe können die erfindungsgemäßen Flüssigkristallmedien derart modifiziert werden, daß sie in allen bekannten Arten von Flüssigkristallanzeigen einsetzbar sind, entweder durch Verwendung der Flüssigkristallmedien als solche, wie TN, TN-AMD, ECB, VAN-AMD, IPS und OCB oder insbesondere in Verbundsystemen wie PDLC, NCAP und PN-LCDs.
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Der Schmelzpunkt T(K, N), der Übergang T(S, N) von der smektischen Phase (S) zur nematischen Phase (N) und der Klärpunkt T(N, I) der Flüssigkristalle ist in Grad Celsius angegeben.
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In der vorliegenden Anmeldung und insbesondere in den folgenden Beispielen sind die Strukturen der Flüssigkristallverbindungen durch auch als Acronyme bezeichnete Abkürzungen angegeben. Die Transformation der Abkürzungen in die entsprechenden Strukturen ergibt sich ohne weiteres aus den folgenden Tabellen A und B. Alle Gruppen C
nH
2n+1 und C
mH
2m+1 sind geradkettige Alkylgruppen mit n bzw. m C-Atomen. Die Codierung der Tabelle B versteht sich von selbst. In Tabelle A sind nur die Abkürzungen für die Grundkörper angegeben. Die Darstellung der einzelnen Verbindungen erfolgt durch die Abkürzung des Grundkörpers mit anschließendem Strich und einem Code für die Substituenten R
1, R
2, L
2 [sic] und L
2:
Code für R1, R2, L1, L2 | R1 | R2 | L1 | L2 |
nm | CnH2n+1 | CmH2m+1 | H | H |
nOm | CnH2n+1 | OCmH2m+1 | H | H |
nO.m | OCnH2n+1 | CmH2m+1 | H | H |
n | CnH2n+1 | CN | H | H |
nN.F | CnH2n+1 | CN | H | F |
nOF | OCnH2n+1 | F | H | H |
nF | CnH2n+1 | F | H | H |
nF.F | CnH2n+1 | F | F | H |
nF.F.F | CnH2n+1 | F | F | F |
nCl | CnH2n+1 | Cl | H | H |
nCl.F | CnH2n+1 | Cl | F | H |
nCl.F.F | CnH2n+1 | Cl | F | F |
nmF | CnH2n+1 | CmH2m+1 | F | H |
nCF3 | CnH2n+1 | CF3 | H | H |
nCF3.F | CnH2n+1 | CF3 | F | H |
nCF3.F.F | CnH2n+1 | CF3 | F | F |
nOCF3 | CnH2n+1 | OCF3 | H | H |
nOCF3.F | CnH2n+1 | OCF3 | F | H |
nOCF3.F.F | CnH2n+1 | OCF3 | F | F |
nOCF2 | CnH2n+1 | OCHF2 | H | H |
nOCF2.F | CnH2n+1 | OCHF2 | F | H |
nOCF2.F.F | CnH2n+1 | OCHF2 | F | F |
nS | CnH2n+1 | NCS | H | H |
rVsN | CrH2r+1-CH=CH-CsH2s- | CN | H | H |
rEsN | CrH2r+1-O-CsH2s- | CN | H | H |
nAm | CnH2n+1 | COOCmH2m+1 | H | H |
Tabelle A:
Tabelle B
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Die erfindungsgemäßen Flüssigkristallmedien enthalten vorzugsweise
- – vier oder mehr Verbindungen aus der Gruppe der Verbindungen gemäß Tabellen A und B und/oder
- – fünf oder mehr Verbindungen aus der Gruppe der Verbindungen gemäß Tabelle B und/oder
- – zwei oder mehr Verbindungen aus der Gruppe der Verbindungen gemäß Tabelle A.
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Beispiele
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Die folgenden Beispiele erläutern die vorliegende Erfindung, ohne sie in irgendeiner Weise zu beschränken. Aus den Beispielen ergeben sich jedoch für den Fachmann ohne weiteres weitere Aufgaben der vorliegenden Erfindung. Insbesondere illustrieren sie bevorzugte Mischungssysteme und vorzuziehende zugängliche Bereiche physikalischer Parameter.
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Beispiel 1
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Aus den folgenden Bestandteilen wird eine Flüssigkristallmischung hergestellt:
Verbindung/Abkürzung | Konzentration/Masse-% |
CPTP-302FF | 20,0 |
CPTP-502FF | 20,0 |
PTP-302FF | 16,0 |
PTP-502FF | 20,0 |
HP-7N.F | 14,0 |
CCN-47 | 5,0 |
CCN-55 | 5,0 |
Σ | 100,0 |
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Diese Mischung besitzt die folgenden Eigenschaften:
Klärpunkt (T(N, I)): | 134,8°C |
ne (20°C, 589,3 nm): | 1,7359 |
no (20°C, 589,3 nm): | 1,4925 |
Δn (20°C; 589,3 nm): | 0,2434 |
Δεlow (20°C, 100 Hz): | 0,73 |
Δεhigh (20°C, 10 kHz): | –5,82 |
νcross (20°C): | 0,98 kHz |
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Die Frequenzabhängigkeit von Δε dieser Flüssigkristallmischung wurde bestimmt. Die Ergebnisse sind in 1 dargestellt.
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Danach wurde der dielektrische Verlustfaktor in Abhängigkeit von der Frequenz bestimmt und in 2 aufgetragen.
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Die dissipierte Wärme wurde wie in 3 gezeigt bestimmt.
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Gemäß Beispiel 1.1.1 der
WO 91/05 029 wurde ein PDLC-System hergestellt. Dieses PDLC-System wies einen hervorragenden Kontrast auf.
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Außerdem wurde ein HPDLC-System gemäß Tanaka et al., Journal of the SID, 2/1, S. 37–40 (1994), hergestellt, das durch eine hervorragende Leistung gekennzeichnet war. Das HPDLC-System wurde mit Rechteckspannungen mit zwei verschiedenen Frequenzen adressiert, nämlich 60 Hz als niedriger Frequenz und 100 kHz als hoher Frequenz. Der Effektivwert der Spannung variierte von 100 V bis 150 V. Am oberen Ende dieses Spannungsbereichs konnten die Zellen ausreichend gut angesteuert werden. Bei der niedrigen Frequenz war wegen der verhältnismäßig geringen dielektrischen Anisotropie die höhere Spannung erforderlich. Bei der hohen Frequenz führte die höhere Spannung zu einer geringfügigen Erhöhung der Temperatur der Zelle, die jedoch tolerierbar war.
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Beispiel 2
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Aus den folgenden Bestandteilen wird eine Flüssigkristallmischung hergestellt:
Verbindung/Abkürzung | Konzentration/Masse-% |
CPTP-302FF | 19,0 |
CPTP-502FF | 19,0 |
PTP-302FF | 22,0 |
PTP-502FF | 25,0 |
HP-7N.F | 15,0 |
Σ | 100,0 |
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Diese Mischung besitzt die folgenden Eigenschaften:
Klärpunkt (T(N, I)): | 136,0°C |
ne (20°C, 589,3 nm): | 1,7689 |
no (20°C, 589,3 nm): | 1,4920 |
Δn (20°C, 589,3 nm): | 0,2769 |
Δεlow (20°C, 100 Hz): | 1,90 |
Δεhigh (20°C, 10 kHz): | –5,74 |
νcross (20°C): | 1,3 kHz |
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Die Frequenzabhängigkeit von Δε dieser Flüssigkristallmischung wurde bestimmt. Die Ergebnisse sind in 1 dargestellt.
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Danach wurde der dielektrische Verlustfaktor in Abhängigkeit von der Frequenz bestimmt und in 2 aufgetragen.
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Die dissipierte Wärme wurde wie in 3 gezeigt bestimmt.
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Gemäß Beispiel 1.1.1 der
WO 91/05 029 wurde ein PDLC-System hergestellt. Dieses PDLC-System wies einen hervorragenden Kontrast auf.
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Außerdem wurde ein HPDLC-System gemäß Tanaka et al., Journal of the SID, 2/1, S. 37–40 (1994), hergestellt, das durch eine hervorragende Leistung gekennzeichnet war. Das HPDLC-System wurde analog Beispiel 1 angesteuert. Hier war der Betrieb bei der niedrigen Frequenz bereits bei vergleichsweise niedrigen Spannungen ausreichend gut; gleichzeitig wurde die Erwärmung des Systems bei der hohen Frequenz verringert.
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Vergleichsbeispiel 1
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Wie in Beispiel 1 wurde eine Flüssigkristallmischung hergestellt, diesmal aber gemäß Beispiel 1 der Patentanmeldung
JP 12-154 926 , die aus den folgenden Bestandteilen bestand:
Verbindung/Abkürzung | Konzentration/Masse-% |
CPTP-302FF | 18,4 |
CPTP-502FF | 19,2 |
PTP-302FF | 16,8 |
PTP-502FF | 25,6 |
HP-5N.F | 20,0 |
Σ | 100,0 |
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Diese Mischung besitzt die folgenden Eigenschaften:
Klärpunkt (T(N, I)): | 143,0°C |
ne (20°C, 589,3 nm): | 1,7612 |
no (20°C, 589,3 nm): | 1,4925 |
Δn (20°C, 589,3 nm): | 0,2717 |
υ (20°C) | 77 mm2/s |
υ (0°C) | 521 mm2/s |
υ (–20°C) | 13.700 mm2/s |
Δεlow (20°C, 100 Hz): | 5,6 |
Δεhigh (20°C, 10 kHz): | –5,5 |
νcross (20°C): | 3,0 kHz |
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Die Frequenzabhängigkeit von Δε dieser Flüssigkristallmischung wurde bestimmt. Die Ergebnisse sind in 1 dargestellt.
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Danach wurde der dielektrische Verlustfaktor in Abhängigkeit von der Frequenz bestimmt und in 2 aufgetragen.
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Die dissipierte Wärme wurde wie in 3 gezeigt bestimmt.
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Gemäß Beispiel 1.1.1 der
WO 91/05 029 wurde ein PDLC-System hergestellt. Dieses PDLC-System wies einen hervorragenden Kontrast auf.
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Außerdem wurde ein HPDLC-System gemäß Tanaka et al., Journal of the SID, 2/1, S. 37–40 (1994), hergestellt. Das System konnte wie das System gemäß Beispiel 1 bei der niedrigen Frequenz angesteuert werden. Eine Ansteuerung bei der hohen Frequenz war jedoch kaum möglich, da die Wärmedissipation des Systems unannehmbar hoch war.
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Vergleichsbeispiel 2
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Wie in Beispiel 1 wurde ein Flüssigkristallmedium hergestellt, diesmal aber gemäß Beispiel 6 der Patentanmeldung
JP 12-154 926 , und zwar mit der folgenden Zusammensetzung:
Verbindung/Abkürzung | Konzentration/Masse-% |
CPTP-302FF | 17,0 |
CPTP-502FF | 18,0 |
PTP-302FF | 15,0 |
PTP-502FF | 16,0 |
HP-3N.F | 5,0 |
HP-4N.F | 6,0 |
HP-5N.F | 6,0 |
PTP-302 | 4,0 |
PTP-201 | 4,0 |
PCH-301 | 9,0 |
Σ | 100,0 |
-
Dieses Medium besitzt die folgenden Eigenschaften:
Klärpunkt (T(N, I)): | 129,2°C |
ne (20°C, 589,3 nm): | 1,7525 |
no (20°C, 589,3 nm): | 1,4973 |
Δn (20°C, 589,3 nm): | 0,2552 |
Δεlow (20°C, 100 Hz): | 4,7 |
Δεhigh (20°C, 10 kHz): | –4,7 |
νcross (20°C): | 7,3 kHz |
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Danach wurde der dielektrische Verlustfaktor in Abhängigkeit von der Frequenz bestimmt und in 2 aufgetragen.
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Die dissipierte Wärme wurde wie in 3 gezeigt bestimmt.
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Seine Leistung in einem HPDLC-System ähnelte derjenigen der Mischung gemäß Vergleichsbeispiel 1. Die Wärmedissipation dieses Systems ist in 2 (und 3 ???) [sic] dargestellt.
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Vergleichsbeispiel 3
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Wie in Beispiel 1 wurde ein Flüssigkristallmedium hergestellt, diesmal aber gemäß Beispiel 2 der Patentanmeldung
JP 12-154 926 , und zwar mit der folgenden Zusammensetzung:
Verbindung/Abkürzung | Konzentration/Masse-% |
CPTP-302FF | 18,4 |
CPTP-502FF | 19,2 |
PTP-302FF | 16,8 |
PTP-502FF | 25,6 |
HP-7N.F | 20,0 |
Σ | 100,0 |
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Dieses Medium besitzt die folgenden Eigenschaften:
Klärpunkt (T(N, I)): | 141,0°C |
ne (20°C, 589,3 nm): | 1,7589 |
no (20°C, 589,3 nm): | 1,4914 |
Δn (20°C, 589,3 nm): | 0,2684 |
Δεlow (20°C, 100 Hz): | 4,9 |
Δεhigh (20°C, 10 kHz'): | –5,5 |
νcross (20°C): | 2,1 kHz |
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Danach wurde der dielektrische Verlustfaktor in Abhängigkeit von der Frequenz bestimmt und in 4 aufgetragen. Hier sind die Ergebnisse für die Beispiele 1 und 2 zu Vergleichszwecken nochmals eingetragen.
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Die dissipierte Wärme wurde wie in 5 gezeigt bestimmt. Hier sind die Ergebnisse für die Beispiele 1 und 2 zu Vergleichszwecken nochmals eingetragen. Die dissipierte Wärme war hier etwas größer als in den Beispielen 1 und 2.
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Vergleichsbeispiel 4
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Gemäß Beispiel 3 der Anmeldung
JP 12-154 926 wurde ein Flüssigkristallmedium mit der folgenden Zusammensetzung hergestellt:
Verbindung/Abkürzung | Konzentration/Masse-% |
PTP-302FF | 17,0 |
PTP-502FF | 26,0 |
CPTP-302FF | 18,0 |
CPTP-502FF | 19,0 |
HP-5N.F | 10,0 |
HP-7N.F | 10,0 |
Σ | 100,0 |
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Dann wurden der dielektrische Verlustfaktor in Abhängigkeit von der Frequenz und die dissipierte Wärme bestimmt. Die Ergebnisse liegen zwischen denen für die Vergleichsbeispiele 1 und 3 und näher an denen für Vergleichsbeispiel 1.
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Vergleichsbeispiel 5
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Gemäß Beispiel 4 der Anmeldung
JP 12-154 926 wurde ein Flüssigkristallmedium mit der folgenden Zusammensetzung hergestellt:
Verbindung/Abkürzung | Konzentration/Masse-% |
PTP-302FF | 15,0 |
PTP-502FF | 22,0 |
CPTP-302FF | 16,0 |
CPTP-502FF | 17,0 |
HP-3N.F | 18,0 |
PCH-302 | 12,0 |
Σ | 100,0 |
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Diese Mischung besitzt die folgenden Eigenschaften:
Klärpunkt (T(N, I)): | 127,8°C |
ne (20°C, 589,3 nm): | 1,7430 |
no (20°C, 589,3 nm): | 1,4936 |
Δn (20°C, 589,3 nm): | 0,2494 |
Δεlow (20°C, 100 Hz): | 5,0 |
Δεhigh (20°C, 10 kHz): | –1,6 |
Δεhigh (20°C, 100 kHz): | –5,4 |
νcross (20°C): | 7,3 kHz |
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Der dielektrische Verlustfaktor wurde in Abhängigkeit von der Frequenz bestimmt und in 4 aufgetragen.
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Die dissipierte Wärme wurde wie in 5 gezeigt bestimmt. Hier sind die Ergebnisse für die Beispiele 1 und 2 zu Vergleichszwecken nochmals eingetragen.
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Vergleichsbeispiel 6
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Gemäß Beispiel 5 der Anmeldung
JP 12-154 926 wurde ein Flüssigkristallmedium mit der folgenden Zusammensetzung hergestellt:
Verbindung/Abkürzung | Konzentration/Masse-% |
PTP-302FF | 15,0 |
PTP-502FF | 18,0 |
CPTP-302FF | 16,0 |
CPTP-502FF | 17,0 |
PTP-102 | 5,0 |
PTP-201 | 5,0 |
PTP-302 | 5,0 |
PTP-501 | 2,0 |
HP-3N.F | 5,0 |
HP-4N.F | 6,0 |
HP-5N.F | 6,0 |
Σ | 100,0 |
-
Diese Mischung besitzt die folgenden Eigenschaften:
Klärpunkt (T(N, I)): | 132,5°C |
ne (20°C, 589,3 nm): | 1,7789 |
no (20°C, 589,3 nm): | 1,4981 |
Δn (20°C, 589,3 nm): | 0,2808 |
Δεlow (20°C, 100 Hz): | 4,9 |
Δεhigh (20°C, 10 kHz): | –2,7 |
Δεhigh (20°C, 100 kHz): | –4,6 |
νcross (20°C): | 5,0 kHz |
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Wiederum wurde der dielektrische Verlustfaktor in Abhängigkeit von der Frequenz bestimmt und in 4 aufgetragen.
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Die dissipierte Wärme wurde wie in 5 gezeigt bestimmt. Die erhaltenen Ergebnisse sind auch hier wesentlich schlechter als bei den Beispielen 1 und 2.
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Vergleichsbeispiel 7
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Gemäß Beispiel 7 der Anmeldung
JP 12-154 926 wurde ein Flüssigkristallmedium mit der folgenden Zusammensetzung hergestellt:
Verbindung/Abkürzung | Konzentration/Masse-% |
PTP-302FF | 10,0 |
PTP-502FF | 13,0 |
CPTP-302FF | 12,0 |
CPTP-502FF | 16,0 |
PTP-302 | 6,0 |
PTP-501 | 5,0 |
PCH-301 | 16,0 |
PCH-302 | 8,0 |
HP-5N.F | 14,0 |
Σ | 100,0 |
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Diese Mischung besitzt die folgenden Eigenschaften:
Klärpunkt (T(N, I)): | 106,2°C |
ne (20°C, 589,3 nm): | 1,7192 |
no (20°C, 589,3 nm): | 1,4978 |
Δn (20°C, 589,3 nm): | 0,2214 |
Δεlow (20°C, 100 Hz): | 3,3 |
Δεhigh (20°C, 10 kHz): | –1,4 |
Δεhigh (20°C, 100 kHz): | –3,4 |
νcross (20°C): | 12,4 Hz |
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Auch hier wurde der dielektrische Verlustfaktor in Abhängigkeit von der Frequenz bestimmt und in 4 aufgetragen.
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Die dissipierte Wärme wurde wie in 5 gezeigt bestimmt. Die erhaltenen Ergebnisse sind auch hier wesentlich schlechter als bei den Beispielen 1 und 2.
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Beschreibung der Figuren
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1 zeigt die Frequenzabhängigkeit von Δε. Dargestellt sind die Ergebnisse für vier Flüssigkristallmedien, nämlich für diejenigen gemäß Beispiel 1 (Kreise (•)) und Beispiel 2 (Dreiecke
) und Vergleichsbeispiel 1 (Quadrate
) und 2 (Rauten (♦)). Die Kurven illustrieren eindeutig das Frequenzverhalten der Medien mit zwei verhältnismäßig breiten Bereichen von konstantem oder fast konstantem Δε, einem im Niederfrequenzbereich (Δε
low) von etwa 10 Hz bis einige hundert Hz und dem anderen im Hochfrequenzbereich (Δε
high) von etwa 10 kHz bis etwa 1 MHz. Für die beiden gezeigten Beispiele sind diese Plateaus fast konstanter dielektrischer Anisotropie durch entgegengesetzte Vorzeichen von Δε gekennzeichnet (wobei der Hochfrequenzbereich immer negative Werte aufweist) und durch einen ungefähr von einigen hundert Hz bis etwa 10 kHz reichenden Bereich getrennt, in dem Δε mit steigender Frequenz abnimmt.
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2 zeigt den dielektrischen Verlustfaktor parallel zum Direktor der vier Flüssigkristallmedien gemäß Figur [lacuna]. Die Darstellung der Ergebnisse erfolgt anhand der gleichen Symbole wie in 1.
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3 zeigt den Wärmeverlust parallel zum Direktor der vier Flüssigkristallmedien gemäß 1. Die Darstellung der Ergebnisse erfolgt wiederum anhand der gleichen Symbole wie in 1 und 2.
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4 zeigt wie
2 den dielektrischen Verlustfaktor, hier jedoch für die Vergleichsbeispiele 3 und 5 bis 6 [sic]. Hier sind die Werte für die Beispiele 1 und 2 zu Vergleichszwecken nochmals eingetragen. Die Symbole stellen die Beispiele folgendermaßen dar: Rauten (♦) stehen für Vergleichsbeispiel 3, Quadrate
für Vergleichsbeispiel 5, Doppelkreuze
für Vergleichsbeispiel 6 und Balken (–) für. Vergleichsbeispiel 7, und wie in den
1 bis
3 stehen Dreiecke
für Beispiel 1 und Kreise (•) für Beispiel 2.
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5 zeigt wie 3 den Wärmeverlust parallel zum Direktor, hier jedoch für die Medien gemäß 4. Die Bedeutung der Symbole ist die gleiche wie in 4.