BE1007485A3

BE1007485A3 - Schakelbaar cholesterisch filter en verlichtingsarmatuur voorzien van een filter.

Info

Publication number: BE1007485A3
Application number: BE9300943A
Authority: BE
Inventors: Rifat A M Hikmet
Original assignee: Philips Electronics Nv
Priority date: 1993-09-08
Filing date: 1993-09-08
Publication date: 1995-07-11
Also published as: DE69416064T2; DE69416064D1; EP0643121A1; EP0643121B1; JP3461390B2; ATE175988T1; JPH07168148A; US5762823A

Abstract

De uitvinding heeft betrekking op een schakelbaar cholesterisch filter. Deze omvat een optisch actieve laag, die zich bevindt tussen twee substraten, die beide voorzien zijn van een elektrode voor het aanbrengen van een elektrisch veld. De optisch actieve laag omvat een vloeibaar kristallijn materiaal, dat zich in de cholesterische fase bevindt. Volgens de uitvinding bevat de optisch actieve laag een driediemensionaal polymeer netwerk, dat opgebouwd is uit het polymerisatieproduct van maximaal 2 gew. % van monomeren met tenminste twee polymeriseerbare groepen en maximaal 30 gew. % van vloeibaar kristallijne monomeren met één polymeriseerbare groep, en waarbij de rest van de optisch actieve laag voornamelijk uit een mengsel van chirale en achirale vloeibaar kristallijne moleculen bestaat. Een optisch actieve laag van deze toepassing kan met behulp van een elektrisch veld op een eenvoudige en reproduceerbare wijze geschakeld worden. De uitvinding heeft eveneens betrekking op een verlichtingsarmatuur, dat voorzien is van zo'n schakelbaar cholesterisch filter.

Description

Schakelbaar cholesterisch filter en verlichtingsarmatuur voorzien van een filter.

De uitvinding heeft betrekking op een schakelbaar cholesterisch filter, omvattende een optisch actieve laag, die zieh bevindt tussen twee substraten, die beide voorzien zijn van een elektrode voor het aanbrengen van een elektrisch veld, waarbij de optisch actieve laag een vloeibaar kristallijn materiaal bevat, dat zieh in de cholesterische fase bevindt. De uitvinding heeft eveneens betrekking op een verlichtingsarmatuur, dat voorzien is van zo'n schakelbaar cholesterisch filter.

Schakelbare cholesterische filters kunnen tevens toegepast worden in circulaire polarisatoren en reflectoren, alsmede in zogenaamde'notch filters'en'band pass filters'.

Een schakelbaar cholesterisch filter van de in de aanhef genoemde soort is op zieh bekend. Zo wordt in de japanse octrooiaanvrage met aanvraagnummer JP 63-128317 een cholesterisch filter beschreven, waarvan de kleur met behulp van een elektrisch veld over een breed golflengte gebied geschakeld kan worden. De optisch actieve laag van het bekende cholesterische filter bestaat uit een thermotrope copolymeer, die als zijgroepen gesubstitueerde glutamaatresiduen bevat. Het polymeer materiaal bevindt zieh onder de vloeibaar kristallijne overgangstemperatuur in de cholesterische fase. Opgemerkt wordt dat onder'het schakelen van een cholesterisch filter'wordt verstaan het onder invloed van een elektrisch veld veranderen van de reflektiekarakterisüek van het filter, zoals bijvoorbeeld de golflengte of de intensiteit van de reflektieband.

Het bekende cholesterische filter heeft nadelen. Zo blijkt het veranderen van de kleur een ingewikkelde en tijdrovende bezigheid te zijn. Hierbij brengt men de optisch actieve laag eerst boven de vloeibaar kristallijne overgangstemperatuur, waarna men in de isotrope fase een elektrische veld aanbrengt of de sterkte van het aanwezige veld verandert, en men de laag tenslotte weer afkoelt tot de gewenste temperatuur.

Bovendien blijkt de schakelsnelheid en de reproduceerbaarheid van het schakelproces bij

het bekende filter onvoldoende te zijn. Er blijkt een aanzienlijke hysterese bij het schakelen op te treden. Daarnaast is de temperatuurgevoeligheid van het filter relatief groot. De noodzakelijke schakelspanningen van 1 Kv/cm en meer worden in de praktijk als onacceptabel groot ervaren.

De uitvinding heeft tot doel de bovengenoemde nadelen op te heffen.

Meer in het bijzonder beoogt de uitvinding een cholesterisch filter met een hoge schakelsnelheid te verschaffen, dat bovendien bij langdurig gebruik een stabiel schakelgedrag zonder hysterese vertoont. De reflektiekarakteristiek van het filter dient daarnaast ook een relatief kleine temperatuurafhankelijkheid te vertonen. Het schakelen van het filter volgens de uitvinding dient bovendien plaats te kunnen vinden bij de gebruikstemperatuur en onder invloed van relatief kleine elektrische veldsterktes.

Deze en andere doelstellingen worden bereikt met een schakelbaar cholesterisch filter van het in de aanhef genoemde type, dat volgens de uitvinding het kenmerk heeft, dat de optisch actieve laag een driedimensionaal polymeer netwerk bevat, dat opgebouwd is uit het polymerisatieproduct van maximaal 2 gew. % van monomeren met tenminste twee polymeriseerbare groepen en maximaal 30 gew. % van vloeibaar kristallijne monomeren met één polymeriseerbare groep, en waarbij de rest van de optisch actieve laag voomamelijk uit een mengsel van chirale en/of achirale vloeibaar kristallijne moleculen bestaat.

Het cholesterisch filter volgens de uitvinding vertoont bij de gebruikstemperatuur een zeer snel schakelgedrag als gevolg van het aanleggen of het veranderen van de sterkte van een elektrisch veld. Bij kleine veranderingen in de elektrische veldsterkte verandert de gemiddelde golflengte van de reflektieband van het filter. Bij het aanleggen van grotere elektrische veldsterktes blijkt de intensiteit van de band af te nemen. Het is mogelijk gebleken om de band bij nog hogere veldsterktes geheel te laten verdwijnen, zodat het cholesterisch filter onder deze omstandigheden geheel transparant is.

Voorts blijkt het schakelgedrag van het cholesterische filter volgens de uitvinding bij langdurig gebruik opmerkelijk reproduceerbaar. Experimenteel is vastgesteld dat na ongeveer 1000 maal schakelen de golflengte van de reflektieband na het verwijderen van de spanning ongewijzigd is. De reflektiekarakterisüek van het filter,

dat voor en na de schakelproef werd opgenomen, blijkt hierbij nagenoeg identiek te zijn. Ook blijkt bij het schakelproces nagenoeg geen hysterese op te treden. De karakteristiek blijkt niet beïnvloed te worden door het voorafgaande schakeltraject. Bij het schakelproces zijn de maximaal benodigde schakelspanningen in de orde van 100 V/cm of minder.

Vanwege de aanwezigheid van relatief weinig monomeren met twee of meer polymeriseerbare groepen ten opzicht van monomeren met één polymeriseerbare groep wordt bij het polymeriseren van de optisch actieve laag een zeer licht gecrosslinked polymeer netwerk gevormd. De hoeveelheid aan monomeren met twee of meer polymeriseerbare groepen dient maximaal 2 gew. % te bedragen ten opzichte van de totale hoeveelheid aan materiaal in de optisch actieve laag. Bij toepassing van een grotere hoeveelheid van dit type monomeren wordt de elastische constante van de gepolymeriseerde laag te groot. Dit resulteert in een relatief langzame en onvolledige response van het vloeibaar kristallijne materiaal op een aangelegd of veranderd elektrisch veld. Dit is nadelig voor het schakelgedrag van het cholesterisch filter volgens de uitvinding. In dat geval zijn relatief hoge schakelspanningen nodig.

Bovendien blijkt onder deze omstandigheden hysterese in het schakelproces op te treden. Gebleken is dat de gewenste eigenschappen van het cholesterische filter optimaal zijn indien bij de vervaardiging van de optisch actieve laag een hoeveelheid van pngeveer 0. 1-1 gew. % aan monomeren met twee of meer polymeriseerbare groepen wordt toegepast.

De moleculen uit het netwerk die afkomstig zijn van monomeren met tenminste twee polymeriseerbare groepen bevatten bij voorkeur een vloeibaar kristallijne groep. Dit type moleculen is na polymerisatie via twee chemische banden op de crosslink punten van de polymeerketens in het netwerk opgenomen. Door het gebruik van dit type monomeren wordt bereikt dat de reflectieband van het cholesterische filter volgens de uitvinding minder temperatuur gevoelig is. Daardoor kan het filter in een relatief breder temperatuurtrajekt worden toegepast.

De hoeveelheid aan monomeren met een polymeriseerbare groep mag, berekend op de totale hoeveelheid aan materiaal in de optisch actieve laag, maximaal 30 gew. % bedragen. Bij toepassing van een grotere hoeveelheid van dit type monomeer wordt de viscositeit van de gepolymeriseerde optisch actieve laag onacceptabel hoog.

Hierdoor wordt het schakelgedrag van de optisch laag nadelig beïnvloed. Het schakelen van de filter bij gebruikstemperatuur wordt onder deze omstandigheden praktisch

onmogelijk. Gebleken is dat de gewenste eigenschappen van het cholesterische filter optimaal zijn indien bij de vervaardiging van de optisch actieve laag een hoeveelheid van 15 - 25 gew. % aan monomeren met één polymeriseerbare groep wordt toegepast.

De monomeren met een polymeriseerbare groep kunnen zowel chiraal als achiraal zijn.

Als polymeriseerbare groepen van de monomeren kunnen epoxyverbindingen, vinyletherverbindingen en/of thioleensystemen worden toegepast.

Volgens een gunstige uitvoeringsvorm van de uitvinding worden als polymeriseerbare groepen van de monomeren (meth) acrylaat groepen toegepast. Gebleken is dat met dit type polymeriseerbare groepen optisch actieve lagen van hoge kwaliteit verkregen kunnen worden.

De rest van de optisch actieve laag bestaat voornamelijk uit een mengsel van vloeibaar kristallijne moleculen. Afhankelijk van de gewenste reflektiekarakterestiek van het filter is een groter of kleiner deel van deze moleculen chiraal en de rest achiraal. Deze vloeibaar kristallijne moleculen bevatten geen polymeriseerbare groepen en worden daardoor als'chemisch inert'of'vrij'beschouwd. Deze chemisch inerte moleculen vormen als het ware een mobiele fase tussen een stationaire fase die gevormd wordt door de ketens van polymeer netwerk. De vloeibaar kristallijne groep (en) van de vrije moleculen gaan interacties, zoals'stacking', aan met de vloeibaar kristallijne groepen die ingebouwd zijn in het netwerk.

De verhouding tussen de chirale en achirale moleculen, alsmede de preciese chemische structuur van deze verbindingen bepalen in belangrijke mate de reflektiekarakteristiek van het cholesterische filter.

In de optisch actieve laag van het cholesterische filter volgens de uitvinding kan een tweetal verschillende typen van vloeibaar kristallijne groepen worden onderscheiden. In de eerste plaats bevat het filter vloeibaar kristallijne groepen, die als zijgroepen met één chemische band aan de ketens van het netwerk zijn gebonden. Dit eerste type vloeibaar kristallijne groepen is afkomstig van de vloeibaar kristallijne monomeren die voorzien waren van één polymeriseerbare groep. Daarnaast bevat het filter vloeibaar kristallijne groepen die niet via een chemische band gebonden zijn aan het netwerk. Dit tweede type vloeibaar kristallijne groepen is afkomstig van de vloeibaar kristallijne verbindingen, die chemisch inert zijn.

Omdat de vloeibaar kristallijne groepen van het eerste type via een chemische band aan de ketens van het netwerk zijn gebonden hebben ze een kleinere beweeglijkheid in de optisch actieve laag dan de vloeibaar kristallijne groepen van het tweede type. De groepen van het eerste

EMI5.1
,.-- -, o. T'"'type kunnen onder deze omstandigheden als een soort schakelaar fungeren tussen de vloeibaar kristallijne moleculen die vrij in het netwerk zijn opgenomen enerzijds en het relatief starre netwerk anderzijds.

De vervaardiging van de optisch actieve laag vindt plaats door een mengsel van maximaal 2 gew. % van monomeren met tenminste twee polymeriseerbare groepen en maximaal 30 gew. % van vloeibaar kristallijne monomeren met één polymeriseerbare groep, alsmede een restmengsel van chirale en/of achirale vloeibaar kristallijne moleculen in aanwezigheid van een polymerisatie initiator te polymeriseren.

De polymerisatie vindt bij voorkeur plaats onder invloed van belichting met actinische straling. Hieronder wordt verstaan bestraling met licht, bijvoorkeur UV, Röntgenstraling, gammastraling of bestraling met hoogenergetische deeltjes. Het is echter ook mogelijk om de laag in afwezigheid van een fotoinitiator thermisch te polymeriseren.

Voordat de polymerisatie plaatsvindt wordt het genoemde mengsel tussen twee vlakke, transparante substraten gebracht, bijvoorbeeld van glas, die op de naar elkaar toegerichte oppervlakken voorzien zijn van een optisch transparante elektrode, bijvoorkeur van indiumtinoxide (ITO). Het is gunstig om de substraten tevens te voorzien van orientatielagen, bijvoorbeeld van gewreven polymeren, zoals polyimide, of van gesputterd SiO,. Bij fotopolymerisatie kan de bestraling plaatsvinden via de transparante substraten. De dikte van de actieve laag bedraagt 0, 5 tot 20 micrometer, bijvoorkeur 1 - 10 micrometer.

De uitvinding heeft eveneens betrekking op een verlichtingsarmatuur die voorzien is van een aansluiting voor een lichtbron en van een cholesterisch filter.

Volgens de uitvinding wordt hierbij een schakelbaar cholesterisch filter toegepast, zoals in het voorafgaande is beschreven. Met dit type armatuur volgens de uitvinding kan op een eenvoudige en reproduceerbare manier de kleurtemperatuur van het uittredende licht worden bemvloed.

De uitvinding wordt nader toegelicht aan de hand van de uitvoeringsvormen en de tekening, waarin
Figuur 1 een schakelbaar cholesterisch filter (niet op schaal) toont volgens de huidige uitvinding

EMI6.1
Figuur 2 structuurformules weergeeft van een aantal bij de vervaardiging van het inventieve filter toegepaste monomeren Figuur 3 een aantal spectra toont waarin de transmissie als functie van de aangelegde veldsterkte is weergegeven van een inventief filter Figuur 4 een aantal spectra toont waarin de transmissie als functie van de aangelegde veldsterkte wordt weergegeven van een ander inventief filter Figuur 5 een aantal spectra toont waarin de transmissie als functie van de temperatuur is weergegeven van een inventief filter Figuur 6 een aantal spectra toont waarin de transmissie als functie van de temperatuur is weergegeven van een filter niet

volgens de uitvinding Figuur 7 een verlichtingsarmatuur toont volgens de uitvinding.

In Figuur 1 wordt een schakelbaar cholesterisch filter getoond volgens de huidige uitvinding. Deze omvat in de onderhavige uitvoeringsvorm een tweetal vlakke, transparante substraten 1 en 2, bijvoorbeeld van glas, die onderling evenwijdig lopen en zieh op enige afstand van elkaar bevinden. De juiste afstand tussen de substraten wordt in stand gehouden door afstandhouders (niet getoond). Deze bestaan uit bolletjes of fibers van uniforme diameter, die zieh tussen de substraten bevinden. Elk van de substraten is op de naar het andere substraat toegerichte, voorzien van een transparante elektrische elektrode 3 en 4, bijvoorbeeld van ITO. Bij voorkeur zijn de substraten ook voorzien van een oriéntatielaag 5 en 6, bijvoorbeeld van gewreven polyamide of van schuin gesputterd SiOx. Aan de randen van de subtraten bevindt zieh een afsluitstrip 7.

De substraten en de afsluitstrip omsluiten een ruimte waarin zieh een optisch actieve laag 8 bevindt, die vloeibaar kristallijn materiaal bevat, dat zieh in de cholesterische fase bevindt. Deze laag bevat een driedimensionaal polymeer netwerk, dat opgebouwd is uit het polymerisatieproduct van maximaal gew. % van monomeren met tenminste twee polymeriseerbare groepen en maximaal 30 gew. % van vloeibaar kristallijne monomeren met een polymeriseerbare groep, waarbij de rest van de optisch actieve laag voornamelijk uit een mengsel van chirale en achirale vloeibaar kristallijne moleculen bestaat.

In het onderhavige geval werd een mengsel genomen bestaande uit 1. gew. % van het diacrylaat C6M, gew. % van het monoacrylaat JL314, 39. gew. %

van het niet-reactieve chirale CB15 en 40. 5 gew. % van het niet-reactieve achirale B1006. De chemische structuurformules die corresponderen met de benamingen van deze verbindingen zijn beschreven in Figuur 2. Aan dit mengsel werd 1 gew. % van de fotoinitiator Igacure 651 toegevoegd. Nadat het mengsel tussen de substraten (afstand 2. 7 micrometer) was gebracht werd met mengsel gepolymeriseerd met behulp van een UV-bron (golflengte 366 nm).

Figuur 3 toont een transmissiespectrum van de gepolymeriseerde actieve laag, in afwezigheid van een elektrisch veld (0 V) en in aanwezigheid van een elektrisch veld van 30,35, 40 en 50 V. De transmissie piek bij de golflengte van ongeveer 550 nm blijkt door het aanleggen van het veld nagenoeg onveranderd te blijven tot aan een veldsterkte van ongeveer 30 V. Bij hogere veldsterktes blijkt de intensiteit van de piek snel af te nemen. Bij een veldsterkte van 45 V is de piek nagenoeg geheel verdwenen.

Wordt het elektrische veld weggenomen of verminderd tot beneden 30 V, dan ontstaat direct weer de oorspronkelijke transmissie piek bij 550 nm. Het schakelen van beide extreme toestanden tussen 30 en 45 V kan vele malen herhaald worden zonder dat er een belangrijke verandering in de spectra optreedt. Ook bleek geen hysterese op te treden. Alle metingen en veranderingen van het elektrische veld zijn uitgevoerd bij kamertemperatuur.
EMI7.1

Figuur 4 toont een transmissiespectrum van een andere uitvoeringsvorm 9 van een schakelbaar cholesterisch filter volgens de uitvinding. Deze was vervaardigd uit een gepolymeriseerd mengsel van 0. 8 gew. % C6M, 19. 3 gew. % CB6, 39. 4 gew. % CB15 en 39. 5 gew. % BL006, waaraan 1 gew. % Igacure 651 was toegevoegd. Bij deze uitvoeringsvorm blijkt het transmissie spectrum onveranderd bij veldsterktes tot ongeveer 20 V. Bij hogere waarden verschuift de transmissie piek en wordt de intensiteit van de piek minder. Bij ongeveer 45 V is de piek nagenoeg geheel verdwenen. Ook in dit geval blijkt de schakelbaarheid van deze cholesterisch filter zeer reproduceerbaar te zijn.

De figuren 5 en 6 tonen transmissiespectra van respectievelijk een nog andere uitvoeringsvorm van een schakelbaar cholesterisch filter volgens de uitvinding en een filter niet volgens de uitvinding. Hierbij waren optisch actieve lagen vervaardigd uit een gepolymeriseerd mengsel 20 gew. % CB6,40 gew. % CB15 en 40 gew. % BL006 waaraan 1 gew. % Igacure 651 was toegevoegd. Bij de uitvoeringsvorm van het inventieve filter werd tevens 0. 8 gew. % aan C6M toegevoegd. Bij het filter niet volgens

de uitvinding waren geen diacrylaat verbindingen in het te polymeriseren mengsel aanwezig. De dikte van de optische laag bedroeg in beide gevallen 2. 7 micrometer.

De transmissiespectra van beide filters werd gemeten bij verschillende temperaturen, te weten 30,40 en 50 C. Uit vergelijking van beide spectra blijkt dat de temperatuursgevoeligheid van het inventieve filter (Figuur 5) aanmerkelijk geringer is dan die van het filter niet volgens de uitvinding (Figuur 6).

Figuur 7 toont een verlichtingsarmatuur volgens de uitvinding. Deze omvat een omhulling 11, die desgewenst voorzien is van een reflector 12. In de omhulling is een aansluiting 13 voor een lichtbron 14 aanwezig, die voorzien kan zijn van (niet getoonde) elektrische aansluitdraden. De armatuur is tevens voorzien van een schakelbaar cholesterisch filter 16, dat met behulp van een elektrische voorziening 17 geschakeld kan worden. Het door lichtbron 14 opgewekte licht wordt-eventueel via de reflector 12 - op het filter 16 gericht. Dat gedeelte van het licht dat correspondeert met de helix van de cholesterische laag van het filter wordt gereflecteerd, terwijl de rest van het licht door het filter gaat. Door de spanning over het flter te veranderen kan frequentie e/of de intensiteit van het gereflecteerde licht worden veranderd.

Hierdoor wordt de karakteristiek van het doorgelaten licht gewijzigd.

Claims

Conclusies- 1. Schakelbaar cholesterisch filter, omvattende een optisch actieve laag, die aangebracht is tussen twee substraten, die beide voorzien zijn van een elektrode voor het aanbrengen van een elektrisch veld, waarbij de optisch actieve laag een vloeibaar kristallijn materiaal bevat, dat zieh in de cholesterische fase bevindt, met het kenmerk, dat de optisch actieve laag een driedimensionaal polymeer netwerk bevat, dat opgebouwd is uit het polymerisatieproduct van maximaal 2 gew. % van monomeren met tenminste twee polymeriseerbare groepen en maximaal 30 gew. % van vloeibaar kristallijne monomeren met één polymeriseerbare groep, en waarbij de rest van de optisch actieve laag voornamelijk uit een mengsel van chirale en/of achirale vloeibaar kristallijne moleculen bestaat.
2. Schakelbaar cholesterisch filter volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de monomeren met tenminste twee polymeriseerbare groepen tevens een vloeibaar kristallijne groep bezitten.
3. Schakelbaar cholesterisch filter volgens conclusie 1 of 2, met het kenmerk, dat als polymeriseerbare groepen van de monomeren (meth) acrylaat groepen zijn toegepast. EMI9.1
4. Verlichtingsarmatuur voorzien van een aansluiting voor een lichtbron en van een cholesterisch filter, met het kenmerk, dat een schakelbaar cholesterisch filter , wordt toegepast volgens een der voorgaande conclusies.