DD297030A5 - Verfahren zur reversiblen optischen informationsspeicherung und lichtinduzierten orientierung fluessigkristalliner polymere - Google Patents

Abstract

Die Aufgabe, auf Basis fluessigkristalliner Polymere ein Verfahren zur reversiblen optischen Speicherung von Informationen und zur lichtinduzierten Orientierung anzugeben, die im Polymer fixiert werden, wurde dadurch geloest, dasz in einen homoeotrop orientierten Film eines Azochromophoren enthaltenden Seitenkettenpolymers im Bereich unterhalb der Glastemperatur des Polymers mit linear polarisiertem aktinischem Licht eine Information eingeschrieben wird. An den bestrahlten Stellen erfolgt eine makroskopisch einheitliche Umorientierung des fluessigkristallinen Polymers in eine planare bzw. quasiplanare Orientierung. Dieser Zustand ist stabil im Glaszustand des Polymers fixiert und laeszt sich durch nicht aktinisches Licht zerstoerungsfrei auslesen und durch Waerme loeschen. Der Zyklus Einschreiben - Lesen - Loeschen laeszt sich mehrfach durchlaufen.{fluessigkristallin, Seitenkettenpolymer; Azochromophore; optische Speicherung; Information; Umorientierung; homoeotrop in planar; unterhalb Glastemperatur; linear polarisiert, aktinisches Einschreiblicht; nicht aktinisches Leselicht}

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung

Das erfindungsgemäße Verfahren betrifft die lichtinduzierte Orientierung flüssigkristalliner Polymere und einen optisch adressierbaren Schreib-/Lese-Speicher auf der Basis von polymeren Flüssigkristallen mit mehrfach überschreibbarer Information und permanentem Speichereffekt für die Datenverarbeitung.

Charakteristik des bekannten Standes der Technik

Kommerziell erhältlich sind optische Speicher, die nur einmal eingeschriebene Information nutzen können, Compact-Disc-Read-OnIy-(CD-ROM) und Writo-Once-Read-Many-Times-fWORM) Anordnungen.

Für löschbare optische Speicher gibt es Ansätze auf der Basis von magnetooptischen Materialien, Farbstoff-Polymeren, Flüssigkristallen und intermetallischen Verbindungen, die Änderungen physikalischer bzw. chemischer Zustände (Brechungsindex, Kristallstruktur, Phase) durch Einwirkung von Photonenenergie nutzen. (R. A. Bartolini, Optical Engineering 15, 99-108(1976); J. Hecht, High Technology 7 (8], 43 [1987]).

In der Flüssigkristall-Display-Technologie sind laseraddressierte Displays mit niedermolekularen Flüssigkristallen seit einigen Jahren als Anzeigedisplay oder Memory bekannt (W.E. Haas u.a., J. Elektrochem. Soc. 121,1667 [1974];, K. Ogura, H. Hirabayashi, A. Uejima, K. Nakamura, Jap. J. Appl. Phys. 21,969 [1982]). Zur Aufrechterhaltung der Speicherzustände sind jedoch externe Felder erforderlich, außerdem begrenzt die hohe Beweglichkeit des Auflösungsvermögen und damit die Speichordichte in erheblichem Maße.

Flüssigkristalline Seitenkettenpolymere kombinieren flüssigkristalline Eigenschaften, insbesondere deren supramolekulare Ordnung, Orientierbarkeit und die Anisotropie physikalischer Eigenschaften, mit polymerspezifischen Eigenschaften, wie insbesondere die Ausbildung eines Glaszustandes. Eine bekannte Möglichkeit zum Einschreiben von Informationen in dünne flüssigkristalline Polymerfilme besteht in lokalem Aufheizen in den isotropen Zustand mittels einor externen Wärmequelle, vorzugsweise durch einen Laserstrahl, wodurch lichtstreuende, aus vielen Domänen bestehende Bereiche beim Abkühlen des Spots entstehen. Diese makroskopisch umorientierten Bereiche, die eine Variationen optischer Eigenschaften aufweisen, können im Glaszustand des Polymers eingefroren werden. Dieses als Thermorecording bekannte Verfahren wird in DE 3603263 und DE 3603267 (1986) beschrieben. Dieses Verfahren ist in zahlreichen Varianten für flüssigkristalline Haupt- und Seitenkettenpolymere ohne oder in Kombination mit externen elektrischen oder magnetischen Feldern, mit makroskopisch

orientierten oder unorientierten Prcben und bot Variation der Einschreibtemperaturen bekannt. Die Nachteile dieses Verfahrens bestehen in der hohen erforderlichen Laserleistung für den Einschreibvorgang und der geringen Auflösung. Solche Phasenübergänge könnoti aber auch durch photochemische Reaktionen photochromor niedermolekularer Flüssigkristalle oder photochromer flüssigkristalliner Polymere, oder durch den Zusatz von pho< >chromen Verbindungen zu Flüssigkristallen oder flüssigkristallinen Polymeren erzielt werden. So kann die photoinduzierte Änderung der geometrischen Form von Molekülen, beispielsweise durch E-Z-Photoisomerisierungen von Azochromophoren, als Störung für das gesamte flüssigkristailine System wirken, wodurch photochemisch die Phasenübergangstemperatur reduziert oder ein Phasenübergang induziert wird (I. Ikeda, Macromol. 23,36 und Ί2 [19SO)).

Eich und Wendorff {Macromol. Chem. Rapid Commun. 8,59 [19871 und 8,467 [1987); DE 3623395) beschreiben die löschbare optische Datenspeicherung mit photochromen Seitenkettenpolymeren im Glaszustand der Polymeren. Diese laserinduzierte Refraktionsindexänderung wird durch eine Kombination photochemisr ior und thermischer Effekte verursacht, wobei die photogeneriorten Z-Azobenzenchromophoren lokal die flüssigkristalline Ordnung des Polymere stören und zu einer Variation optischer Eigenschaftsänderungen führen. Diese lokale Störung der mesogenen Matrix bleibt auch dann erhalten, wenn die Azochromophoren zur thermodynamisch stabilen Ε-Form zurück relaxieren. Der gesamte Vorgang bewirkt eine signifikante Änderung des Brechungsindexes. Dieses Verfahren hat den Vorteil, daß es mit geringen Schreiblaser-Intensitäten und bei Raumtemperatur im Bereich des Glaszustandes des Polymers erfolgt.

In jüngster Zeit wurde bei Bestrahlung von Azoverbindungen mit linear polarisiertem Licht im Glaszustand amorpher Polymere nachgewiesen, daß durch das Prinzip der winkelabhängigen Photoselektion ein schwacher Dichroismus und eine schwache Doppelbrechung erzeugt werden kann (A. Kozak, G. Williams, Mol. Phys. 87,106511989|).

Birenheide konnte an azochromophorhaltigen flüssigkristallinen Seitenkettenpolymeren (K. Anderle, R. Birenheide, M. Eich, J. H. Wendorff, Macromol. Chem., Rapid Commun. 10,477 (1989)) zeigen, daß dieser Vorgang in anisotropen Polymeren auf Grund der unterschiedlichen Verteilungsfunktion der Orientierung der Azochromophoren hinsichtlich der Variation optischer Eigenschaften wesentlich effizienter verläuft. Birenlieide wies jedoch für dieses Verfahren und diese Speichermedien nach, daß im Glaszustand nur eine Umorientierung der Azochromophoren als völlig lokaler Prozeß erfolgt, oer die benachbarten Seitenketten des Polymers und damit die flüssigkristalline Matrix nicht stört (K. Anderle, R. Birenheide, J. H. Wendorff, 19, Freiburger Arbeitstagung Flüssigkristalle 1990).

Die Orientierung flüssigkristalliner Polymere durch elektrische und magnetische Felder sowie durch mechanische Kräfte und Oberflac.'isneffekte beim Scheren oder Einfließen flüssigkristalliner Polymere sind eingeführte Methoden. Durch hohe Laserintensität gelingt es in flüssigkristallinen Polymeren, mesogene Einheiten lokal im optischen Feld oberhalb der GlastemperfUur in einer anisotropen Phase durch einen nicht-iinear optischen Effekt, den optischen induzierten Fredericks-Übergang.zu orientieren (Y. R. Shen, Philos. Trans. R. Soc. London A, 313,327 (1984); M. Eich, J.M. Wendorff, H. Ringsdorf, H.W. Schmidt, Macromol Chem. 186,2639 [1985]).

Endres berichtete kürzlich über die lichtinduz'orte Umorientierung der optischen Achse von Füssigkristall-Farbstoff-Copolymeren im viskoelastischen Bereich planerer Schichten durch polarisiertes Licht (B. Endres, M. Krieg, J. Omeis, N. Rau, Polymere und Licht, Bad Neuheim 1990).

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist ein löschbarer optischer Speicher auf der Basis flüssigkristalliner Polymere, der unterhalb der Glastemperatur des Polymers eine praktisch unbegrenzte Langzeitstabilität aufweist, mit einer beliebig hohen Anzahl von * Schreib-Lese-Lösch-Zyklen.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Es ist Aufgabe der Erfindung, auf der Basis flüssigkristalliner Polymere ein Verfahren zu deren lichtinduzierter Orientierung und zur reversibien optischen Speicherung von Informationen anzugeben, die löschbar im Polymer fixiert werden.

Erfindungsgemäß wird die Aufge je dadurch gelöst, daß in einen homöotrop orientierten Film eines Azochromophoren enthaltenden flüssigkristallinen Seitenkettenpolymeren im Bereich unterhalb der Glastemperatur des Polymers punktweise oder flächig mit linear polarisiertem oder unpolarisiertem aktinisohem Licht eine Information eingeschrieben wird.

Die Informationsspeicherung erfolgt unter Verwendung von Zellen, die aus zwei Glasplatten bestehen, zwischen denen sich eine Schicht des orientierten flüssigkristallinen Seitenkettenpolymeren befindet.

Bei jedem Einschreibvorgang schaltet eine über eine E-Z-.°hotoisomemierung ablaufende P.iotoselektion der Azogruppen eine lichtinduzierte Umorientierunp der gesamten Matrix des flüssigkristall· ien Polymers. Dies fühlt bis zu einer Orientierung der photoc'iromen und der mesogenen Seitengruppen senkrecht zur Polin isationsebene des Einschreiblichtes. So wird eine makroskopisch einheitliche, homöotrop orientierte Schicht an den bestrahlten Stellen in eine planare bzw. quasiplanare Schicht umorientiert.

Die im Speichermedium gespeicherte Information ist stabil im Glaszus.and des Polymers fixiert und läßt sich durch längerwelliges, linear polarisiertes, nicht aklinisches Leselicht punktweise oder flächig ohne Zerstörung der gespeicherten Information auslesen.

Die Löschung der gespeicherten Information oder Orientierung der flüssigkristallinen Matrix erfolgt durch Wärme punktweise oder flächig. Durch thermisches Löschen der Information wird bei nachfolgendem At xühlen aus der isotropen Schmelze der homöotrope Ausgangszustand des Speichermediums von selbst wiederhergestellt.

Erfindungsgemäß ist der beschriebene Einschreib-, Lese-, Lischprozeß mehrfach wiederholbar.

Ais polymeres Speichermedium werde; flüssigkristailine Homo- oder Copolymere, vorzugsweise Polysiloxane, Polyacrylate oder Polymethacrylate, mit Azochromophoren und in Copolymeren in Kombination m<t an sich bekannten mesogenon Seitengruppen (vorzugsweise Phenylbenzoat-, Phenylbenzamid- und Biphenylgruppen) verwendet, z.B. Poly-(4-methacryloyloxyhexylenoxy-benzoesäure^'-methoxyanilid-co-methacryloyloxyhexylenoxy-azobenzen).

Zum Einschreibvorgang werden Lichtquellen verwendet, «.'< > Im Bereich der Absorption der Azochromopho/en Licht emittieren. Die Information wird mit einer Lampe, ggf. in Kombination mit Polarisationselementen, oder einem Laser punktförmig,

holografisch oder unter Verwendung einer lithografischen Maske flächig eingeschrieben.

Bildpunkte mit verschied«.nder Orientierung werden eingeschrieben und ausgelesen, wenn der Einschreib- und der Leseprozeß

mit linear polarisiertem Licht verschiedener Polarisationsrichtung in Ausrichtung im Vorzugsrichtung des Speichermediumserfolgt.

Durch lichtinduzierte Orientierung werden aus makroskopisch einheitlich homöotrop orientierten Schichten photochromer

flüssigkristalliner Polymere planar bzw. quasiplanar orientierte Schichten hergestellt. Unter Verwendung von linearpolarisiertem Licht werden planar orientierte Schichten mit einer Vorzugsrichtung erhalten.

Die Orientierung der Azochromophoren und der mesogenen Seitenketten wird sukzessive durch die Photoselektion geändert

und erfolgt bis zur Ausrichtung der Matrix senkrecht zur Polarisationsebene des Einschreiblichtes, wobei Zwischenstufen bis:um Erreichen eines stationären Zustandes eingestellt worden,

Jas erfindungsgemäße Verfahren zur Informationsspeicherung führt durch die systemspezifische Kombination von Azochromophoren mit mesogenen Seitenketten bei Bestrahlung mit linear polarisiertem Licht zu einem photochemisch

induzierten, kooperativen physikalischen Umoriontierungsprozeß, der makroskopisch einheitlich die Orientierung von

photochromen und mesogenen Seitengruppen und die effiziente Änderung der Anisotropie optischer Eigenschaften wie

Dichroismus und Doppelbrechung schaltet. Der Informationsgehalt jedes einzelnen Bildpunktes und ί amit die eingeschriebene Gesamtinformation und Speicherdichte

wird durch Bildpunkte verschiedener Polarisationsrichtungen erhöht, so daß eine Informationsspeicherung mit drei Parameternpro Pixel realisiert wird.

Die Information ist bei Raumtemperatur langzeitstabil und bleibt auch bei thermischer Rückreaktion der Z-Azochromophoren

erhalten. Es kommt zu einer Entkopplung zwischen lichtinduziertem Photoprodukt und dem auf veränderte Orientierung der

Azochromophoren und der mesogenen Seitenketten beruhendem Speicherzustand, so daß die thermische Stabilität der Photoprodukte keine Rolle spielt. Ausführungsbeispiele Die Erfindung soll an Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. Ausführungsbeispiel 1 Die verwendete Speicherzelle besteht aus zwei Glassubstraten, die mit einer die Orientierung begünstigenden organischen Schicht überzogen sind und die mittels eines Spacers so zusammengefügt sind, daß eine Zelldicke von 15pm resultiert. Die Zelle wird mit dem in die isotrope Phase erwärmten Polymer Poly-(4-methacryloyloxyhexylenoxy-benzoesäure-4'-

methoxyanilid-co-methacryloyloxyhexylenoxy-azobenzen) in einem Rezipionten gefüllt. Nach dem Füllen wird die Zelle schnellauf Raumtemperatur gekühlt und dadurch die erhaltene homöotrope Orientierung eingefroren.

Konoskopische Untersuchungen zeigen eindeutig eine großflächige und einheitliche homöotrope Orientierung des

flüssigkristallinen Seitenkettenpolymers in der gesamten Zelle.

Zum Einschreiben einer Information wird die Zelle unter Verwendung einer Maske oder eines entsprechend der gewünschten zu

speichernden Information abgelenkten punktförmigen Strahls mit linear polarisiertem nktinischem Licht einer Wolframlampemit der geringen Intensität von I = 1,27 10~⁸ Einstein pro Minute in einem Wellonlängenbereich zwischen 400 und 500nm biszur Sättigung bestrahlt. Dabei erfolgt an den bestrahlten Stellen bei Raumtemperatur makroskopisch einheitlich ein

Umorientieren der flüssigkristallinen Seitenketten in die planare Anordnung mit der durch die Polarisationsebene des Einschreiblichtes vorgegebenen Orientierungsrichtung. Die Umorient^;erung ist stabil im Glaszustand des flüssigkristallinen Seitenkettenpolymers fixiert. Die eingeschriebene Information kann mit nicht aktinischem, linear polarisiertem, polychromatischem Licht einer Wellenlänge

größer 550ηm ausgelesen werden.

Bei Wärmezufuhr wird die eingeschriebene Information und induzierte Orientierung gelöscht. Beim schnellen Abkühlen aus der

isotropen Schmelze stellt sich wieder die makroskopisch einheitliche homöotrope Ausgangsvorrichtung der in der Zellebefindlichen flüssigkristallinen Polymerschicht ein.

Dieser Prozeß dor reversiblen optischen Informationsspeicherung ist mehrere 100 Zyklen ohne Ermüdung des Systems

wiederholbar.

Ausführungsbeispiel 2 Wird eine wie unter 1 beschriebene Zelle mit einer homöotropen Orientierung bei Raumtemperatur mit unpolarisiertem

aktinischem Licht des gleichen Wellenlängenbereiches bestrahlt, erfolgt eine Änderung der optischen Anisotropie und eine

Umorientierung der flüssigkristallinen Seitenketten aus der homöotropen in eine planare Orientierung ohne Einstellung einer Vorzugsrichtung. Diese eingeschriebene Information wird mit linear polarisiertem polychromatischem Licht ausgelesen. Sie ist stabil im Glaszustand des Polymers fixiert. Bei Wärmezufuhr wird die eingeschriebene Information und induzierte, planare Ausrichtung der Seitenketten gelöscht. Beim

schnellen Abkühlen aus der isotropen Schmelze steift sich wieder die makroskopisch einheitliche homöotrope

Ausgangsorientierung der in der Zelle befindlichen flüssigkristallinen Polymerschicht ein. Dieser Prozeß ist mehrere 100 Zyklen ohne Ermüdung des Systems wiederholbar. Ausführungebeispiel 3 Wird die unter 1 beschriebene Zelle pixelweise mit linear polarisiertem aktinischem Licht verschiedener Polarisationsrichtungen

bestrahlt, so werden Bildpunkte verschiedener Vorzugsorientierungen erhalten. Konoskoplsche Untersuchungen zeigen, daß ineiner Zelle mit vorher makroskopisch einheitlicher homöotroper Orientierung nach pixel weisem Bestrahlen mit kontinuierlicher

Änderung der Schwingungsebene des aktinischen Lichtes in einem Winkelbereich von 360° die Seitenketten immer eine planare

bzw. quasiplanare Orientierung senkrecht zur Schwingungsebene dos linear polarisierten aktinischen Einschreiblichteseinnehmen. Alle Polarisationsrichtungen sind gleichberechtigt.

Der Einschreibvorgang erfolgt bei Raumtemperatur. Die Speicherzustände sind im Glaszustand des Polymers langzeitstabil

fixiert und werden mit nicht aktinischem, linear polarisiertem, polychromatischem Licht ausgelesen.

Damit wird eine reversible optische Informationsspeicherung mit drei Parametern (x-y-Koordinaten und Orientierung) des Bildpunktes realisiert. Ausfuhrungsbeispiel 4

Wird die unter 1 beschriebene Zelle mit einem Laser bei einer Wellenlänge von 454 nm bestrahlt, erfolgt neben der Planarisierung der Seitenketten ein zusätzliches thermisches Aufschmelzen der belichteten Stelle. Diese Änderungen sind langzeitstabil im Glaszustand des flüssigkristallinen Polymers fixiert und lassen sich mit nicht aktinischem, linear polarisiertem, polychromatischem Licht auslesen.

Claims (6)

1. Verfahren zur reversiblen optischen Informationsspeicherung und lichtinduzierten Orientierung flüssigkristalliner Polymere, dadurch gekennzeichnet, daß ein homöotrop orientierter Film eines sich unterhalb der Glastemperatur befindlichen azochromophorhaltigen flüssigkristallinen Seitenkettenpolymers als Speichermedium verwendet wird, daß zum Einschreiben einer Information das Speichermedium punktweise oder flächig mit linear polarisiertem oder unpolarisiertem aktinischem Licht bestrahlt wird, wobei an den bestrahlten Stellen des Speichermediums eine im Polymer fixierte makroskopische Umschaltung in den planar bzw. quasiplanar orientierten Typ erfolgt mit einer durch die Polarisation des Einschreiblichtes vorgegebenen Orientierungsrichtung, daß zum zerstörungsfreien Lesen der eingeschriebenen Information das Speichermedium mit linear polarisiertem nicht aktinischem Licht längerer Wellenlänge punktweise oder flächig bestrahlt wird und daß das Speichermedium zum Löschen der eingeschriebenen Information punktweise oder flächig erwärmt wird, wodurch sich beim Abkühlen der homöotrope Ausgangszustand des Speichermediums wieder einstellt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Zyklus Einschreiben - Lesen Löschen - Reorganisation mehrfach durchlaufen wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Einschreib- und Leseprozeß mit linear polarisiertem Licht unterschiedlicher Polarisationsrichtung erfolgt und Bildpunkte verschiedener Orientierung an unterschiedlichen Orten des Films eingeschrieben und ausgelesen werden, so daß eine Informationsspeicherung mit drei Parametern erfolgt.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Speichermedium flächig mit aktinischem Licht einer Polarisationsrichtung bestrahlt wird und damit planar bzw. quasiplanar orientierte Schichten mit eim Vorzugsorientierung hergestellt werden.

5. Verfahren nach Anspruch 1, c idurch gekennzeichnet, daß als flüssigkristallines Seitenkettenpolymer Polysiloxane, Polyacrylate oder Polymethacrylate verwendet werden, in Copolymeren in Kombination mit an sich bekannten mesogenen Seitengruppen, vorzugsweise Phenylbenzoat-, Phenylbenzamid- und Biphenylgruppen.

6. Verfahren nach Anspruch 1 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß als azochromophorhaltiges flüssigkristallines Seitenkettenpolymer Poly-(4-methacryloyloxyhexylenoxy-benzoesäure-4'-methoxyanilid-co-methacryloyloxyhexylenoxy-azobenzen) verwendet wird.