Brevet FR2586421A1 — publié le 19870227

MELANGE DE CRISTAUX LIQUIDES CONTENANT UNE BASE DE SCHIFF La présente invention a pour objet un mélange de cristaux liquides nématiques, utilisables dans des dispositifs mettant en jeu l'effet de biréfringence contrôlé électriquement. Dans certains dispositifs à cristaux liqui- des, l'effet électro-optique utilisé est la biréfrin- gence contrôlée électriquement (BCE). Cet effet corres- pond à une déformation sous champ électrique d'une phase nématique à anisotropie diélectrique Aenégative, AE représentant La différence entre la constante di- éLectrique ta parallèle au grand axe moléculaire du cristal et La constante diélectrique b perpendiculaire à ce grand axe. Dans les dispositifs à cristaux liquides, il est nécessaire d'utiliser des matériaux nématiques permettant un taux éLevé de multiplexage, c'està-dire un nombre important de lignes de l'écran adressables électriquement afin de visualiser un haut taux d'infor- mations. Ce taux de multiplexage k peut s'exprimer en fonction de la tension appliquée aux bornes du disposi- tif (V) et de la tension de seuil de déformation du cristal (VS) par la formule: k noir et blanc du cristal sous l'action du champ élec- trique. Pour de faibles angles de basculement SM est directement liée à la tension de seuil de déformation du cristal VS et au rapport des constantes élastiques de flexion K33 et d'éventail Kil du cristal liquide. En effet, 0M est donné par la formule: V2 _ V2 VM (3 AE1> 31VS avec Vs = 2n 7 fe = ea - Kb3 1-33 dans laquelle 331 K11 Dans ces conditions, la biréfringence induite électriquement est alors de la forme: 1/2 An = sin2 cos2 \ - n 2 n 2 o e dans laquelle 0 est Lié à eM par o eM cos Z, dans LaquelLe ne et no sont Les indices extraordinaire et ordinaire du cristal, e l'épaisseur du cristal liquide et Z sa position dans La celLule. L'intensité relative transmise par le dispo- sitif à cristal Liquide entre deux polariseurs croisés est donnée par la relation: I 2 An e i= sin TE--- sn dans laquelle An est égal à ne-no, et À est la longueur d'onde du faisceau lumineux éclairant le dispositif. Il en résulte que les paramètres les plus importants du matériau sont K1 An, Ae ainsi que la gamme de méso- morphisme AT du cristal. K Parmi ces paramètres, le rapport 3- joue un ill rôle important car il détermine la raideur de la pente de la courbe de transfert électro-optique et donc la multiplexabilité du matériau utilisé; aussi, ce rap- port doit être le plus grand possible. De même, les valeurs de An et de AE sont importantes pour obtenir le taux de multiplexabilité voulue. Généralement, on re- cherche le meilleur compromis entre toutes ces valeurs. Les cristaux liquides nématiques utilisés actuellement dans des dispositifs à cristaux liquides mettant en jeu l'effet de biréfringence contrôLé élec- triquement, présentent généralement une multiplexabi- lité de l'ordre de 1/250, avec des rapports K33/K11 de l'ordre de 1 à 1,2. Cependant, il serait intéressant de disposer de matériaux ayant, soit une meilleure multi- plexabilité à contraste et angle de vue identiques, soit une multiplexabilité équivalente, mais obtenue avec des tensions de commande plus faibles, par exemple inférieures à 40 volts efficaces. La présente invention a précisément pour objet des mélanges de cristaux liquides présentant ces caractéristiques améliorées. Le mélange de cristaux liquides nématiques selon l'invention est constitué par: - au moins une base de Schiff répondant à la formule: R10 CH = N R2 (I) dans laquelle R1' et R2 qui peuvent être identiques ou différents, sont des radicaux alkyle de 1 à 7 atomes de carbone, et - au moins un composé choisi parmi: a) les akylbicyclooctane carboxylates d'al- kyl fluorophényle de formule: F R3 G COO ( R4 (II) R dans laquelle R et R qui peuvent être identiques ou différents, sont des radicaux aLkyle de I à 7 atomes de carbone, b) les biphénylbicyclohexyldialkyle de for- mule: R5 R6 (III) R R dans laquelle R5 et R6 sont des radicaux atkyle de 1 à 7 atomes de carbone, c) les alkylcyclohexylcarboxylates de di- cyanoalcoxyphényle répondant à la formule: R7 H COO OR8 (IV) CN CN dans laquelle R7 et R8 qui peuvent être identiques ou différents, sont des radicaux alkyle de 1 à 7 atomes de carbone, et d) les bicyclohexylcarbonitriLedialkyle ré- pondant à la formule: R 10 Hdans laquele eo(V) H CN dnle9 e10 dans LaquelLe R9 et R qui peuvent être identiques ou B 8778.3 MDT différents, sont des radicaux alkyle ou alkyLène de 1 à 7 atomes de carbone; ledit mélange comprenant: - de 30 à 90 % en poids au total de la ou des bases de Schiff, - de 0 à 60% au total du ou des alkylbicyclooctane car- boxylates d'alkylfluorophényle, - de 0 à 25% au total du ou des biphénylbicyclohexyldi- alkyle, - de 0 à 12% au total du ou des alkylcyclohexylcarboxy- lates de dicyanoalcoxyphényle, et - de 0 à 40% au total du ou des bicyclohexylcarbonitri- ledialkyle. Grâce à l'association d'au moins une base de Schiff avec un ou plusieurs composés choisis parmi les composés a), b), c) et d) mentionnés ci-dessus, on obtient une composition de cristal liquide présentant le meilleur compromis entre tous les paramètres des différents constituants entrant dans le mélange. Les différents constituants du mélange sont pour la plupart des produits connus, et ils peuvent être préparés par des procédés classiques. Ainsi, les bases de Schiff peuvent être pré- parées en utilisant la méthode décrite par H. Kelker et B. Scheurle dans Angew. Chem. Internat. Edit./ vol.8 (1969) n 11, p.884-885. A titre d'exemples de bases de Schiff susceptibles d'être utilisées dans l'invention, on peut citer la p-méthoxy-benzylidène, p'-butylanili- ne (MBBA) de formule: H 3C E CH=N - 4H9 (VI) H3Co C=._4H9 et la p-éthoxybenzylidène, p'-butylaniline (EBBA) de formule: H5C20 CH= N - C4H9 (VII) qui sont toutes deux décrites dans le document précité. Les alkylbicyclooctane carboxylates d'alkyl- fluorophényle peuvent être préparés par la méthode dé- crite par G.W.Gray et S.M.Kelly dans Mot. Cryst. Liq. Cryst. (1981), vol.75, p.109-119. A titre d'exemples de composés de ce type susceptibles d'être utilisés, on peut citer le 4-n-pen- tyl-bicyclooctane carboxyLate de 2-fluoro-4-n-pentyl- phényle (BC055F) de formule H11C5 +koO4>-C5H 1 (VIII) et le 4-n-pentyl-bicyclooctane carboxylate de 2-fluoro- 4-n-heptylphényle (BCO57F) de formule F HlC 5..00 C7H15 (IX) Les biphényl bicyclohexyldialkyle peuvent être préparés par la méthode décrite par R. Eidenschink D. Erdmann, J.Krause et L.Pohl dansAngew chem. 89103 (1977). A titre d'exemple de tels composés, on peut citer le 4-(trans-4 -n-pentylcyclohexyl)-4'-rans-4-n- propylcyclohexyl) biphényle(CBC53) de formule: * H7 (X)_ Les alkyLcyclohexylcarboxylates de dicyano- alkoxyphényle peuvent être préparés par les techniques décrites par K. Wallenfels, G. Bachmann, D.Hofmann et R. Kern dans Tetrahedron, (1965), vol.21, p.2239 à 2256. Le composé II (page 2241) de cet article OH /OH CN CN est traité par un chlorure d'acide d'un aLkyl cyclohe- xyL R - -COCl qui donne R H COO Q OH CN C ce dernier composé est ensuite traité par un bromure d'alkyLe qui conduit au dérivé R COO -- A OR CN CN A titre d'exemple d'un tel composé, on peut citer Le trans-4-npentyLcycLohexyL-1-carboxyLate de 4-n-butoxy -2,3-dicyanophényLe (5HENO4) de formule: H1 C5 CO OC4H9 (XI) NC CN Les bicyclohexylcarbonitriledialkyle peuvent être préparés par la méthode décrite par R.Eidenschink, G.Haas, M.Râmer et B.S. Scheuble dans Angew Chem. 96 (1984) n 2 p.151. A titre d'exemples de tels composés, on peut citer le 4 " n-heptyl, 4'" nbutyl-1 a, 1' a bicyclo- hexyl-4 p carbonitrile (CCN47) de formule: C4H9 H (XII) H.' NCH et le 4a, 4'a di-n-pentyl-1 ", 1'a bicyclohexyl 4-p carbonitrile (CCN55) de formule: CN C51.1H1!5HlI Généralement, les mélanges entrant dans la composition du cristal liquide de l'invention, comprennent plu- sieurs constituants, en particulier plusieurs bases de Schiff et plusieurs constituants choisis parmi les com- posés a), b), c) et d). Selon un mode préféré de réalisation de l'invention, le mélange comprend: - 19 à 44% en poids de p-méthoxybenzylidène, p'-butyla- niline(MBBA), - 18 à 28% en poids de p-éthoxybenzylidène, p'-butyla- niline (EBBA), - 0 à 17% en poids de 4-n-pentylbicyclooctane carboxy- late de 2-fluoro-4-n-pentylphényle (BC055F), - 1,5 à 16% en poids de 4 a, 4'a-di-n-pentyl-1-alpha, 1'a bicyclohexyle-4 p carbonitrile (CCN55), et - 19 à 26,5% en poids de 4 a-n-heptyl, 4' a-n-butyl- 1 a, 1' a bicyclohexyl-4 p carbonitrile (CCN47). Selon un autre mode de réalisation préféré de l'invention, le mélange comprend: - 34 à 40% en poids de p-méthoxybenzylidéne, p'-butyla- niline (MBBA), - 23 à 26% en poids de p-éthoxybenzylidène, p'-butylaniline (EBBA), - 15 à 26% en poids de 4-n-pentylbicyclooctane carboxy- late de 2-fluoro-4-n-pentylphényle (BCO55F), - O à 10% en poids de 4-n-pentyLbicyclooctane carboxy- late de 2-fluoro-4-n-heptylphényle (BCO57F), - 6 à 10% en poids de 4-(trans-4-n-pentylcyclohexyl-4'- trans-4-n-propylcyclohexylbiphényle (CBC53), - O à 4% en poids de trans-n-pentylcyclohexane carboxy- late de 4-n-butoxy-2,3 dicyanophényle (5HENO4). Les mélanges de cristaux liquides de- l'inven- tion peuvent être utilisés comme éléments actifs dans les dispositifs à cristaux liquides mettant en jeu l'effet de biréfringence contrôlée électriquement. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront mieux à la lecture des exem- ples suivants donnés bien entendu à titre illustratif et non limitatif. Exemple 1 On prépare un mélange de cristaux liquides comportant 47,7% en poids de EBBA de formule (VII) et 52,3% en poids de BCO 55F de formule (VIII). On obtient ainsi un mélange de cristaux liquides présentant une phase mésomorphe nématique dans la gamme de températu- res allant de 5 C à 72"C. On mesure l'anisotropie diélectrique AE, l'anisotropie optique An et le rapport K33/K11 du mé- lange obtenu par des méthodes classiques et l'on ob- tient les valeurs suivantes: - An = 0,158, - AE = - 0,6, - K33/K11 = 1,38. Exemple 2 On prépare comme dans l'exemple 1, un mélange de cristaux liquides comprenant 59,3% en poids de MBBA de formule (VI) et 40,7% en poids de BC055F de formule (VIII). Les mesures effectuées comme dans l'exemple 1 pour déterminer la gamme de mésomorphisme du méLange l'anisotropie optique An, l'anisotropie diélectrique AE et la valeur du rapport K33/K11 ont conduit aux résultats suivants: - gamme de mésomorphisme: 0 à 50 C, - anisotropie optique: An = 0,153, -anisotropie diélectrique AE = -0,53, - rapport K33/K11 = 1,32. Exemple 3 On prépare comme dans l'exemple 1, un mélange de cristaux liquides comprenant 44% en poids de MBBA de formule (VI), 28% en poids de EBBA de formule (VII), 1,5% en poids de CCN55 de formule (XIII), et 26,5% en poids de CCN47 de formule (XII). Ce mélange présente les caractéristiques suivantes déterminées comme dans l'exemple 1. - intervalle de mésomorphisme nématique: -9 à.58 C, - anisotropie optique: An = 0,14, - anisotropie diélectrique: e: -1,9, - K33/K11 = 1,08. Exemple 4 On prépare comme dans l'exemple 1, un mélange de cristaux liquides ayant la composition suivante: - 30% en poids de MBBA de formule (VI), - 18% en poids de EBBA de formule (VII), - 17% en poids de BCO55F de formule (VIII) , - 19% en poids de CCN47 de formule (XII), et - 16% en poids de CCN55 de formule (XIII). Les caractéristiques de ce mélange de cris- taux liquides sont les suivantes: 1 1 - intervalle de mésomorphisme nématique: -20 57,8 C, - anisotropie optique: An = 0,12, - anisotropie diélectrique: Af = -3, - K33/K11 =1,07. Exemple 5 à Dans cet exemple, on prépare comme dans l'exemple 1, un mélange de cristaux liquides ayant la composition pondérale suivante: - 40% de MBBA de formule (VI), - 25,4% de EBBA de formule (VII), - 25,2% de BCO55F de formule (VIII), - 7,7% de CBC53 de formule (X), et - 1,7% de 5HEN04 de formule (XI). Ce mélange présente les caractéristiques suivantes: - intervalle de mésomorphisme nématique: -12 à 78,7 C, - anisotropie optique: An = 0,2, - anisotropie diélectrique: Af = -1, - K33/K11: 1,34. Exemple 6 On prépare comme dans L'exemple 1, un mélange de cristaux liquides ayant La composition suivante: - 34,7% en poids de MBBA de formule (VI), - 23, 1% en poids de EBBA de formule (VII), - 33,3% en poids d'un méLange eutectique BC055F/BCO57F de formule (VIII et IX), - 6,3% en poids de CBC53 de formule (X), et - 2,6% en poids de 5HEN04 de formule (XI). Ce mélange de cristaux liquides présente les caractéristiques suivantes: intervalle de mésomorphisme nématique: -16 à 760C, - anisotropie optique: An: 0,191, - anisotropie diéLectrique: Af: -1, - K33/K11: 1,26. A titre de comparaison on donne ci-après Les caractéristiques physiques de quelques cristaux utili- sés dans la réaLisation de L'invention. (A Lno Co 0U Cristal liquide Intervalle de anisotropie anisotropie K3 / mésomorphisme optique diélectrique nématique An Aú MBase de sBBAchiff O 58C 0,23 -0,45 1,39 M'BBA/ EBBA Alkylbicyclooctane carboxylate d'alkyl 26,3 à 64 C 0,06 -0,72 1,35 fLuorophényle BCO55F Bicyclohexylcarbo- nitrile dialkyle.30,8 à 58,4 C 0,03 -7 2,0 CCN47 REVENDICATIONS 1. Mélange de cristaux Liquides nématiques, caractérisé en ce qu'il est constitué par: - au moins une base de Schiff répondant à la formule: RlO CH = N R2 I) R102 dans laquelle R1 et R2 qui peuvent être identiques ou -dif-fére-s---sunt-de-s-radicaux alkyle de 1 à 7 atomes de carbone, et - au moins un composé choisi parmi: a) les alkyl bicycLooctane carboxyLates d'alkyl fluorophényle de formule: F R3 dans laquelle R3 et R4 qui peuvent être identiques ou différents, sont des radicaux alkyle de I à 7 atomes de carbone, b) les biphénylbicyclohexyldialkyle de for- mule: R5 R6 (III) dans laquelle R5 et R6 sont des radicaux alkyle de 1 à 7 atomes de carbone, c) les alkylecyclohexylcarboxylates de di- cyanoalcoxyphényle répondant à la formule: R7 H COO OR8 (IV) CN CN dahs laquelle R7 et R8 qui peuvent être identiques ou différents, sont des radicaux alkyle de 1 à 7 atomes de carbone, et d) les bicyclohexylcarbonitriLedialkyle ré- pondant à la formule R9 R (V) .10 H / CN dans laquelle R9 et R10 qui peuvent être identiques ou différents, sont des radicaux alkyle ou alkylène de 1 à 7 atomes de carbone; ledit mélange comprenant - de 30 à 90 % en poids au total de la ou des bases de Schiff, - de 0 à 60% au total du ou des alkylbicyclooctane car- boxylates d'alkylfluorophényle, - de 0 à 25% au total du ou desbiphénylbicyclohexyldial- kyle, - de 0 à 12% au total du ou des aLkylcyclohexylcarboxylates de dicyanoalcoxyphényle, et - de 0 à 40% au total du ou des bicyclohexylcarbonitri le dialkyle. 2. M élange de cristaux Liquides selon La revendication 1, caractéri sé en ce que la base de Schi f f est la p-métho- xybenzylidène, p'-butylaniline ou la p-éthoxybenzyli- dène, p'-butylaniline. 3. M élange de cristaux liquides selon L'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que L'aLkylbi- cyclooctane carboxylate d'alkyLfLuorophényle est Le 4- n-pentylbicyclooctane carboxylate de 2-f luoro-4-n-pen- tyLphényLe ou le 4-n-pentyLbicyctooctane carboxyLate de 2-f luoro-4-nheptyLphényLe. 4. M éLange de cristaux liquides salon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le biphényl- bicyclohexyldialkyle est le 4-(trans-4-n-pentylcyclo- hexyL)-4'-trans-4-n-propylcyclohexylbiphényle. 5. M lange de cristaux Liquides selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'alkylcy- clohexylcarboxylate de dicyanoalcoxyphényle est le trans-4-n-pentylcyclohexyl-1-carboxylate de 4-n-buty- loxy-2,3 dicyanophényle. 6. M élange de cristaux Liquides selon L'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le bicyclo- hexylcarbonitrile dialkyle est le 4 "-n-heptyl, 4'a n- butyl-1 ", 1' " bicyclohexyl, 4 p-carbonitrile ou le 4c, 4'" di-n-penty-loc, 1'" bicyclohexyl-4 P carboni- trile. 7. M lange de cristaux Liquides selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend 47,7% en poids de p-éthoxybenzylidène, p'-butylanil ine (EBBA) et 52,3% en poids de 4-n-pentylbicyclooctane carboxyla- te de 2-fluoro-4-n-pentylphényle (BC055F). 8. M lange de cristaux liquides selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend 59,3% en poids de p-méthoxybenzylidène, p'-butylaniline (MBBA) et 40,7% en poids de 4-n-pentylbicyclooctane carboxyla- te de 2-fluoro-4-n-pentylphényle (BCO55F). 9. M lange de cristaux liquides selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend - 19 à 44% en poids de p-méthoxybenzylidène, p'-butyla- niLine (MBBA), - 18 à 28% en poids de p-éthoxybenzylidène, p'-butyla- niline (EBBA), - 0 à 17% en poids de 4-n-pentylbicyclooctane carboxy- late de 2-fluoro-4-n-pentylphényLe (BC055F), - 1,5 à 16% en poids de 4oc, 4'oc-di-n-pentyl-1-oc, 1'5- bicyclohexyle-4 Acarbonitrile (CCN55), et - 19 à 26,5% en poids de 4 o-nheptyL, 4' c-n-butyL- I oc, 1'o bicylohexyl 4 A carbonitrile (CCN47). 10. M élange de cristaux liquides selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend: - 34 à 40% en poids de p-méthoxybenzylidène, p'-butyla- niline (MBBA), - 23 à 26% en poids de p-éthoxybenzylidène, p'-butyla- niline (EBBA), - 15 à 26% en poids de 4-n-pentylbicyclooctane carboxy- late de 2-fluoro-4-n-pentylphényle (BC055F), - 0 à 30% en poids de 4-n-pentylbicyclooctane carboxy- late de 2-fluoro-4-n-heptylphényle (BCO57F), - 6 à 10% en poids de 4-(trans-4-n-pentylcyclohexyl)- 4'-trans-4-n-propylcyclohexylbiphényle (CBC53), - 0 à 4% en poids de trans-n-pentylcyclohexane carboxy- late de 4-n-butoxy-2,3 dicyanophényle (5HENO4). 11. Dispositif à cristal liquide mettant en jeu l'effet de biréfringence contrôlé électriquement caractérisé en ce qu'il comprend un mélange de cris- taux liquides obtenu selon l'une quelconque des reven- dications 1 à 10.