DE102006036867A1 - Information display for tactile or visual perception, includes liquid layer having structure and properties affected locally and reversibly by physical stimulus - Google Patents
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Abstract
Description
Technisches GebietTechnical area
Die Erfindung betrifft Einrichtungen zur Anzeige taktiler und/oder visueller Informationen, die wiederbeschreib- und löschbar sind und einen beschriebenen Zustand ohne die Notwendigkeit von Hilfsenergie beibehalten können.The The invention relates to devices for displaying tactile and / or visual Information that can be rewritten, erased, and described Condition can be maintained without the need for auxiliary power.
Stand der TechnikState of the art
Klein, leicht, tragbar und strapazierfähig bei möglichst niedrigem Energieverbrauch sollen mobile Anzeigegeräte für die elektronischen Medien der Zukunft sein. Sie sind Voraussetzung für „Mobile Business". Diesem Gedanken entsprechen die Konzepte des „elektronischen Papiers" und die zum Teil futuristischen elektronischen Notizbücher. Im Idealfall sind sie kaum etwas anderes als eine dünne, transparente und flexible Folie. Zum Erreichen solcher Geräte wird derzeit eine ganze Reihe technischer Prinzipe vorangetrieben, so z.B. elektrophoretische, Electrowetting-, elektrochrome und OLED (organische Leuchtdioden)-Technologien.Small, lightweight, portable and durable if possible low energy consumption should be mobile display devices for the electronic Be the media of the future. They are prerequisite for "Mobile Business. "This Thoughts correspond to the concepts of "electronic paper" and in part futuristic electronic notebooks. Ideally, they are little else than a thin, transparent and flexible film. To achieve such devices is currently a whole series of technical principles, such as electrophoretic, Electrowetting, electrochromic and OLED (organic light-emitting diode) technologies.
Diese Anzeigen besitzen mehrere Nachteile: sie können keine taktile Information darstellen und benötigen elektrische Energie zum Halten ihrer Bildinformation. Darüber hinaus besitzen sie zum Teil einen komplizierten und kostenintensiven Aufbau.These Ads have several disadvantages: they can not provide tactile information represent and need electrical energy to hold their image information. Furthermore Some of them have a complicated and expensive construction.
Aufgabe der ErfindungObject of the invention
Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, Einrichtungen zur Anzeige taktiler und/oder visueller Informationen zu schaffen, die wiederbeschreib- sowie löschbar sind und einen beschriebenen Zustand ohne die Notwendigkeit von Hilfsenergie beibehalten können.task The invention is therefore, devices for displaying more tactile and / or visual information that needs to be rewritten. as well as erasable are and a described condition without the need of Maintain power.
Beschreibung und BeispieleDescription and examples
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die in Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Ansprüchen 2 bis 11 angegeben.According to the invention Problem solved by the features specified in claim 1. advantageous Embodiments are specified in claims 2 to 11.
Kern der Erfindung ist eine Substanz, welche durch räumlich definiertes Einwirken bestimmter Umgebungsgrößen mit bevorzugt energetischem Charakter lokal in ihren optischen und/oder taktilen Eigenschaften verändert werden kann, diese Information ohne Zufuhr von Hilfsenergie über bestimmte Zeiträume speichern kann und in reversibler Weise lösch- und neu beschreibbar ist.core The invention is a substance which by spatially defined action certain environmental variables with preferably energetic character locally in their optical and / or tactile properties changed can be this information without supply of auxiliary power over certain periods save and can be reversibly deleted and rewritten.
Die Substanz enthält in einer ersten Möglichkeit entweder vernetzbare Substanzen oder viele kleine Polymernetzwerke, z.B. in Form von Mikrogelen, oder sie wird durch ein einziges Polymernetzwerk gebildet. Hydrogele als spezielle wasserquellbare Polymernetzwerke sind aufgrund ihrer Eigenschaften für die Erfindung besonders geeignet.The Contains substance in a first possibility either crosslinkable substances or many small polymer networks, e.g. in the form of microgels, or it is through a single polymer network educated. Hydrogels as special water-swellable polymer networks are particularly suitable for the invention because of their properties.
Die Substanz besteht in einer zweiten Möglichkeit aus Materialien, die im Bereich der Raumtemperatur, beispielsweise zwischen –20°C und +120°C durch Temperatureinwirkung zu einer Aggregatzustandsänderung zwischen flüssig und fest bzw. flüssig und hochviskos (unbedeutende Fließeigenschaften) angeregt werden können. Solche Substanzen können beispielsweise Öle und Fette, Paraffine bzw. Alkane, oder Wachse sein. Halbfeste Paraffine bzw. Weichparaffin besitzen z.B. Schmelztemperaturen zwischen 45°C und 65°C, Petrolatum bzw. Vaseline besitzt Schmelztemperaturen im Bereich von 38°C und 60°C.The Substance consists in a second possibility of materials, in the range of room temperature, for example between -20 ° C and + 120 ° C by the effect of temperature to an aggregate state change between liquid and solid or liquid and highly viscous (insignificant flow properties) are stimulated can. Such substances can for example oils and fats, paraffins or alkanes, or waxes. Semi-solid paraffins or soft paraffin, e.g. Melting temperatures between 45 ° C and 65 ° C, petrolatum Vaseline has melting temperatures in the range of 38 ° C and 60 ° C.
Hydrogele sind Polymernetzwerke, die bei Einwirkung wässriger Quellmittel ihr Volumen, ihre Festigkeit und andere Eigenschaften ändern. Sie lassen sich nach der Art der Polymerketten-Verknüpfung untereinander in chemisch und physikalisch vernetzte Polymernetzwerke bzw. Hydrogele unterteilen. Bei chemisch vernetzten Polymernetzwerken sind die einzelnen Polymerketten durch kovalente (chemische) Verbindungen irreversibel miteinander verknüpft. Bei physikalisch vernetzten Polymernetzwerken sind die Polymerketten durch physikalische Wechselwirkungen miteinander verbunden, die meist wieder gelöst werden können.hydrogels are polymer networks which, when exposed to aqueous swelling agents, have their volume, change their strength and other properties. They relax the type of polymer chain linkage with each other in chemically and physically networked polymer networks or hydrogels subdivide. For chemically crosslinked polymer networks the individual polymer chains by covalent (chemical) compounds irreversibly linked together. For physically crosslinked polymer networks, the polymer chains are interconnected by physical interactions, the usually solved again can be.
Eine besondere Klasse der Hydrogele sind solche mit „smartem" Charakter. Smarte oder „stimuli-responsive" Hydrogele vollführen als chemisch vernetzte Polymernetzwerke reversible diskontinuierliche Phasenübergänge bei Einwirkung bestimmter Umgebungsgrößen. Als physikalisch vernetzbare Polymernetzwerke entnetzen oder vernetzen (auch Gelbilden bzw. Gelieren) sie zwischen dem maximal vernetzten und dem vollständig aufgelösten Zustand. Chemisch vernetzte Polymernetzwerke ändern durch Quellmittelaufnahme oder -abgabe ihr Volumen, aber auch mechanische, optische und weitere Eigenschaften. Die beeinflussenden Umgebungsgrößen können elektrische Feldgrößen, Strahlung, Temperatur, Ionen- und Stoffkonzentrationen sein.A particular class of hydrogels are those of "smart" character, performing smart or "stimuli-responsive" hydrogels chemically crosslinked polymer networks reversible discontinuous Phase transitions at Influence of certain environmental parameters. As physically crosslinkable polymer networks remove or crosslink (even yellowing or gelling) between them the maximum networked and fully resolved state. Chemically crosslinked Change polymer networks by swelling agent absorption or release their volume, but also mechanical, optical and other properties. The influencing environmental variables can be electrical Field sizes, radiation, Temperature, ion and substance concentrations.
In Abhängigkeit vom verwendeten Material können unterschiedliche Mechanismen zum Aufrechterhalten des beschriebenen visuellen und/oder taktilen Information genutzt werden.In dependence of the material used different mechanisms for maintaining the described visual and / or tactile information.
Chemisch vernetzte Polymernetzwerke mit Volumenphasenübergangsverhalten gehen bei Über- bzw. Unterschreiten eines kritischen Wertes einer bestimmten Umgebungsgröße von einem gemischten Zustand (die Polymerketten „schwimmen" im Quellmittel) in einen phasenseparierten Zustand über, bei dem sich Quellmittel und Polymer entmischen, so dass das Quellmittel vom Polymernetzwerk abgegeben wird. Dies erfolgt im Regelfall reversibel, d.h., wird der Entmischungs- bzw. Phasenübergangswert wieder erreicht, dann quillt das Gel unter Quellmittelaufnahme.Chemically cross-linked polymer networks with volume phase transition behavior, when exceeding or falling below a critical value of a certain environmental quantity, change from a mixed state (the polymer chains "float" in the swelling agent) into a phase-separated state the swelling agent and polymer segregate, so that the swelling agent is released from the polymer network. This is usually reversible, ie, the segregation or phase transition value is reached again, then the gel swells under swelling agent uptake.
Eine taktile Information lässt sich durch eine fühlbare Höhendifferenz darstellen, die mit gezieltem Entquellen bestimmter Bereiche realisiert werden kann. Da Hydrogele beim Phasenübergang zusätzlich ihre Festigkeit ändern, können auch Weichheitsinfomrationen übermittelt werden.A leaves tactile information through a tangible height difference represent, which realized with targeted de-sourcing of certain areas can be. Since hydrogels additionally change their strength during the phase transition, they can also Conveyed softness information become.
Infolge des reversiblen Phasenübergangsverhaltens der Hydrogele muss zum Aufrechterhalten eines Quellungszustandes stets der entsprechende Wert der Umgebungsgröße konstant gehalten werden. Ein temperatursensitives Hydrogel mit einer unteren kritischen Mischungstemperatur (Lower critical solution temperature LCST) ist beispielsweise bei niedrigen Temperaturen gequollen und entquillt bei Überschreiten der Phasenübergangstemperatur. Zum Beibehalten des entquollenen Zustandes muss das Gel die ganze Zeit beheizt werden. Dieses Problem kann umgangen werden, indem nach dem Beschreibvorgang das überschüssige Quellmittel entzogen wird. Möchten die entquollenen Hydrogelbereiche quellen, können sie dies mangels Quellmittel nicht, so dass der beschriebene Zustand hinsichtlich seiner Quell- und Festigkeitseigenschaften fixiert ist. Die Darstellung visueller Informationen mit chemisch vernetzten Hydrogelen ist prinzipiell einfach realisierbar, da sie im phasenseparierten Zustand meist undurchsichtig-opak, im gequollenen Zustand oft transparent sind. Der phasenseparierte, undurchsichtige Zustand lässt sich jedoch nicht durch Quellmittelentzug fixieren. Bei Erreichen der Mischungskonditionen verliert sich der phasenseparierte Zustand und das Hydrogel wird unabhängig von einem Quellvorgang transparent. Eine visuelle Information lässt sich aber durch eingeschlossene Farbpigmente erreichen. Im gequollenen Zustand ist die Dichte der Pigmente gering, im entquollenen Zustand jedoch hoch. Bei entsprechender Dimensionierung kann man im Extremfall ebenfalls zwischen einem transparenten und einem undurchsichtig-pigmentfarbigen Zustand hin und her schalten.As a result the reversible phase transition behavior The hydrogel needs to maintain a swelling state always the corresponding value of the environment size are kept constant. A temperature-sensitive hydrogel with a lower critical mixing temperature (Lower critical solution temperature LCST) is for example at low temperatures swelled and depleted when passing the phase transition temperature. To maintain the de-swollen state, the gel must do the whole Time to be heated. This problem can be bypassed by deprived of the excess swelling agent after the writing process becomes. Would like Swell the swollen hydrogel areas, they can do so because of swelling agent not so that the state described in terms of its source and strength properties is fixed. The representation of visual Information with chemically cross-linked hydrogels is in principle easy to implement, since they are usually in the phase-separated state opaque-opaque, in the swollen state are often transparent. However, the phase-separated, opaque state can not be passed through Fix swelling agent removal. Upon reaching the mixing conditions loses the phase-separated state and the hydrogel is independently transparent from a source operation. A visual information can be but reach through trapped color pigments. In the swollen State, the density of the pigments is low, in the swollen state however high. With appropriate dimensioning one can in extreme cases also between a transparent and an opaque-pigmented state switch back and forth.
Wird eine Belichtung bzw. eine Belichtungsabfolge mit Licht unterschiedlicher Wellenlänge durchgeführt, so kann eine farbabhängige Beschreibung erreicht werden, indem z.B. die Pigmente entsprechend ihren Farben Licht der dazugehörigen Wellenlänge absorbieren und in eine entsprechende Phasenübergangstemperatur umsetzen.Becomes an exposure sequence with light of different Wavelength performed, so can be a color-dependent Description can be achieved by e.g. the pigments accordingly their colors absorb light of the appropriate wavelength and in a corresponding phase transition temperature implement.
Hydrogele
und andere Polymernetzwerke (physikalische und chemisch vernetzte)
können
auch Formgedächtniseffekte
zeigen, die meist auf reversiblen Änderungen der Struktur bzw.
Konformation, wie z.B. hinsichtlich Kristallstruktur, Kristallinität, Änderungen
koordinativer Bindungsgleichgewichte, beruhen [
Eine weitere Möglichkeit zum Steuern des Quellungsgrades und damit des visuellen bzw. taktilen Informationsgehaltes ist das gezielte Ein- und Auslagern von Stoffen bzw. Ionen in Polymernetzwerken, die über geladene Gruppen (z.B. Polysäure- oder Polybasegruppen) verfügen. Ein solches Steuern einer Innenmigration kann durch Anlegen eines elektrischen Feldes erfolgen. Derzeit ist dieser Vorgang allerdings noch problembehaftet.A another possibility for controlling the degree of swelling and thus the visual or tactile Information content is the targeted storage and retrieval of substances or ions in polymer networks charged via charged groups (e.g. Polyacid or polybasic groups) feature. Such controlling of internal migration can be achieved by applying an electrical Field done. Currently, this process is still problematic.
Ein reversibles Gelieren physikalischer Polymernetzwerke ist u.a. bei Einwirkung der Temperatur und energiereicher Strahlung (z.B. radioaktive Strahlung, Licht bestimmter Wellenlänge) bekannt. Dabei ist die temperaturinduzierte Gelierung die bekannteste und wohl auch am besten handhabbare Geliermöglichkeit.One Reversible gelling of physical polymer networks is i.a. at Exposure to temperature and high energy radiation (e.g. Radiation, light of certain wavelengths). It is the Temperature-induced gelation is the best known and probably the most common best manageable gelling option.
Physikalisch vernetzbare Polymernetzwerke bilden sich bei Einwirken bestimmter Umgebungsgrößen aus einer Polymerlösung durch Gelieren, indem sich die einzelnen Polymermoleküle zu einem dreidimensionalen Netzwerk verknüpfen bzw. vernetzen. Dieser Zustand ist über bestimmte Zeiträume stabil. Da der Geliervorgang meist reversibel ist (Sol-Gel-Übergangsverhalten), können durch Einwirken einer kritischen Umgebungsgröße die Verknüpfungspunkte wieder aufgetrennt werden, so dass die Polymermoleküle gelöst bzw. entnetzt vorliegen.Physically Crosslinkable polymer networks form when exposed to certain Environment sizes off a polymer solution by gelling, by the individual polymer molecules to a three-dimensional Link network or network. This condition is stable for certain periods of time. Since the gelling process is usually reversible (sol-gel transition behavior), by Acting on a critical environment size, the linking points be separated again, so that the polymer molecules dissolved or have been removed.
Der taktile Informationsgehalt von Anzeigeeinheiten auf Basis physikalisch vernetzbarer Polymernetzwerke lässt sich durch räumlich definiertes Ver- oder Entnetzen der polymerhaltigen Substanz festlegen. Dazu werden die einzelnen Bildpunkte durch Einwirken der als Steuergröße fungierenden Umgebungsgröße so angesteuert, dass diese gelieren. Die nicht angesteuerten Bildpunkte bestehen weiterhin aus der polymerhaltigen Substanz bzw. Polymerlösung.Of the tactile information content of display units based on physical crosslinkable polymer networks leaves through space Define defined Ver- or Entnetzen the polymer-containing substance. For this purpose, the individual pixels are controlled by the action of acting as a control variable environment size, that these gel. The uncontrolled pixels continue to exist from the polymer-containing substance or polymer solution.
Zwischen den vernetzten und ungelierten Bildpunkten existieren naturgemäß Festigkeitsunterschiede. Zum Verstärken bzw. Darstellen von Profilen, Reliefs und Konturen kann die unvernetzte Polymerlösung entzogen werden. Zum Darstellen von Festigkeitsunterschieden reichen auch lokale Viskositätsänderungen der Polymerlösung aus.Between Strength differences naturally exist in the networked and ungelled picture elements. To amplify or representing profiles, reliefs and contours can be the uncrosslinked polymer solution be withdrawn. To illustrate differences in strength also local viscosity changes the polymer solution out.
Visuelle Informationen lassen sich durch gelierbare Materialien ebenfalls mit mehreren Möglichkeiten darstellen.visual Information can also be obtained through gelable materials with several possibilities represent.
Befinden sich in der gelierbaren Substanz Farbpigmente, so können diese durch das Gelieren immobilisiert werden. Wird das unvernetzte Medium der flüssigen Anzeigebereiche entzogen, zeigen die gelierten Pixel die Farbinformation der in ihnen befindlichen Pigmente, während die anderen Bereiche je nach Evakuierungsgrad entfärben.Are located In the gelable substance color pigments, so they can be immobilized by gelling. Will the uncrosslinked medium of liquid Withdrawed display areas, the gelled pixels show the color information the pigments in them, while the other areas ever decolorize after evacuation.
Es ist weiterhin möglich, die optischen Eigenschaften der polymerhaltigen Substanz zu ändern. Bei Phasenseparation bzw. beim Ausbilden heterogener Strukturen (dies ist gekennzeichnet durch die gleichzeitige Ausbildung einer polymerreichen und polymerarmen Phase) ändert sich im Regelfall die Transpa renz des Polymers hin zu opak undurchsichtig. Dieser Effekt kann mit zwei unterschiedlichen Wirkungen ausgenutzt werden.It is still possible to change the optical properties of the polymer-containing substance. at Phase separation or in the formation of heterogeneous structures (this is characterized by the simultaneous formation of a polymer-rich and polymer-poor phase) As a rule, the transparency of the polymer is opaque to opaque. This effect can be exploited with two different effects become.
Wird durch Gelierung ein ganzer Bildpunkt in einer heterogenen Struktur fixiert, so verbirgt er die in ihm befindlichen Pigmente infolge seiner Undurchsichtigkeit. Die unvernetzten Bereiche hingegen zeigen die Farbe der Pigmente, da diese nicht verborgen sind.Becomes by gelling a whole pixel in a heterogeneous structure fixed, it hides the pigments in it due his opacity. The uncrosslinked areas, however, show the color of the pigments, as they are not hidden.
Wird hingegen eine Lösung bzw. eine Matrix (fester Stoff, in welchem die aktivierbaren Substanzen eingebettet sind) verwendet, die physikalische Mikrogele enthält, in denen sich die Pigmente befinden (z.B. als Kern-Schale-Aufbau, wo eine Gelhülle einen Pigmentkern umhüllt), angeregt, so verbergen die Gelhüllen infolge ihrer Eintrübung die eingeschlossenen Pigmente, und die optischen Eigenschaften der Lösung bzw. Matrix kommen zur Geltung (diese können z.B. transparent sein). In den nicht aktivierten Bereichen sind die Pigmente aufgrund der Transparenz der Gelhüllen sichtbar, so dass die Anzeigeeinheit dort deren Farbe darstellt.Becomes however, a solution or a matrix (solid substance in which the activatable substances embedded) containing physical microgels in which the pigments are present (e.g., as a core-shell construction where one Gel cover one Pigment core enveloped), stimulated, so hide the gel sheaths because of their cloudiness the included pigments, and the optical properties of the solution or matrix (for example, they may be transparent). In the non-activated areas, the pigments are due to the Transparency of the gel envelopes visible, so that the display unit is there their color.
Durch eine sequentielle Beschreibungsabfolge mit Medien unterschiedlicher Farbe lassen sich Farbbilder erzeugen. Wird die Gelierung mit Licht bestimmter Wellenlänge durchgeführt, so kann eine farbabhängige Gelierung erreicht werden, indem die Pigmente entsprechend ihren Farben Licht der dazugehörigen Wellenlänge absorbieren und in eine zur Gelierung notwendige Temperatur umsetzen.By a sequential description sequence with media of different Color can be used to create color images. Will the gelation with light certain wavelength carried out, so can a color-dependent Gelation can be achieved by the pigments according to their Colors light the associated wavelength Absorb and convert to a temperature necessary for gelation.
Typische
temperaturschaltbare physikalisch vernetzbare Hydrogele, welche
im Falle der reversiblen Gelierbarkeit auch thermoreversible Systeme
genannt werden, sind Gelatine, Pektine und Agarose. Ihre Sol-Gel-Übergangstemperaturen
lassen sich durch verschiedene Maßnahmen zwischen etwa 15°C und 95°C einstellen.
Zu diesen und weiteren physikalisch vernetzbaren Polymernetzwerken
bietet [
Durch Absorption von Licht bestimmter Wellenlänge, welche durch den Einsatz entsprechender Farbstoffe im Polymernetzwerk oder an seinen Grenzflächen verstärkt werden kann, und der daraus folgenden Umsetzung in Wärme können temperatursensitive Polymernetzwerke letztlich auch lichtsensitiv sein. Eine direkte Lichtsensitivität liegt bei fotochemisch vernetzbaren Polymernetzwerken vor. Diese weisen beispielsweise fotodimerisierbare Chromophore (gebräuchliche Chromophore basieren z.B. auf Phenylinden, Stilben, Stilbazolium, Acridizinium) auf. Durch Dimerisierungsreaktionen dieser Gruppen bei Einwirkung von Licht bestimmter Wellenlänge werden Vernetzungspunkte zwischen den Polymerketten aufgebaut und es entsteht ein Polymernetzwerk. Sind die Fotodimerisierungen fotochemisch oder auch thermisch reversibel, können die Gele wieder entnetzt werden.By Absorption of light of specific wavelength, which is due to the use corresponding dyes are reinforced in the polymer network or at its interfaces can, and the consequent conversion into heat can be temperature-sensitive polymer networks ultimately also be light-sensitive. A direct light sensitivity lies in photochemically crosslinkable polymer networks. These wise For example, photodimerizable chromophores (common Chromophores are based e.g. on Phenylinden, Stilben, Stilbazolium, Acridizinium) on. By dimerization reactions of these groups upon exposure to light of a certain wavelength, crosslinking points become built up between the polymer chains and it creates a polymer network. are the photodimerizations photochemically or thermally reversible, can the gels are dehumidified again.
Eine durch elektrische Feldgrößen initiierbare Gelier- bzw. Entnetzbarkeit kann unter Umständen bei Polymernetzwerken, die koordinative Bindungen zu Metallen als Vernetzungspunkte besitzen, erreicht werden. Dies kann z.B. darauf basieren, dass die Bildung der Metallkomplexe durch ein anliegendes elektrisches Feld beeinflusst wird. Darüber hinaus kann ein angelegtes Magnetfeld zum elektrodenspezifischen Wandern der Metallsalz-Ionen führen, so dass die Anzahl der zur Komplexierung zur Verfügung stehenden Ionen steuerbar ist. Physikalische Polymernetzwerken auf Basis koordinativer Bindungen sind vielfach thermoreversibel.A initiated by electric field sizes Gellability or removability may possibly occur in polymer networks, possess coordinative bonds to metals as crosslinking points, be achieved. This can e.g. based on that education the metal complexes influenced by an applied electric field becomes. About that In addition, an applied magnetic field can be electrode-specific Cause migration of metal salt ions, so that the number of available for complexing Ion is controllable. Physical polymer networks based on coordinative Bindings are often thermoreversible.
Die Beeinflussbarkeit mit mehreren Umgebungsgrößen, z.B. mit elektrischen Feldgrößen und Temperatur, erlaubt das Beschreiben mit der einen Größe und das Löschen der Anzeigeninformation mit der anderen Größe.The Influencing with multiple environmental sizes, e.g. with electric Field sizes and temperature, allows writing to one size and deleting the Display information with the other size.
Für das Beschreiben der erfindungsgemäßen Anzeigeeinheiten eignen sich besonders energetische Größen, wie z.B Licht, andere energiereiche Strahlung, elektrische Feldgrößen und die Temperatur.For writing the display units according to the invention Particularly energetic quantities are suitable, such as light, others high-energy radiation, electric field quantities and the temperature.
Zum lichtbasierten Beschreiben der Anzeigeeinheit eignen sich alle Einrichtungen mit der Fähigkeit, genügend energiereiches Licht zu strukturieren.To the Light-based describing the display unit are all facilities with the ability enough to structure high-energy light.
Als elektronisch steuerbare bilderzeugende Lichtsysteme sind zum Beispiel Flüssigkristallsysteme, wie sie in Beamern genutzt werden, geeignet. Auch Spiegelkopfsysteme, wie sie ebenfalls von lichtstarken Projektionssystemen bekannt sind, eignen sich als optoelektronische Ansteuerung.When electronically controllable imaging light systems are for example Liquid-crystal systems, as used in beamers suitable. Also mirror head systems, as they are also known from high-speed projection systems, are suitable as optoelectronic control.
Auch ein Zeilenlasersystem eignet sich zum optoelektronischen Beschreiben der Anzeigeeinheit.Also a line laser system is suitable for optoelectronic writing the display unit.
Eine lichtbasierte Beschreibung kann aber auch durch feste Masken bzw. transparente Bilder erfolgen. Legt man beispielsweise ein Röntgenbild auf den Projektionsschirm, so wird auf die Anzeigeeinheit das Röntgenbild projiziert, so dass diese entsprechend der Vorlage beschrieben wird.A However, light-based description can also be given by fixed masks or transparent pictures take place. For example, if you put an X-ray image on the projection screen, so on the display unit, the X-ray image projected so that it is described according to the template.
Die lichtbasierte Ansteuerung kann gleichzeitig als thermische Ansteuerung, basierend auf der Umwandlung des Lichtes in Wärme durch Absorption, verwendet werden.The light-based control can simultaneously as thermal control, based on the conversion of the light into heat by absorption become.
Zum thermischen Beschreiben der Anzeigeeinheit eignen sich alle Einrichtungen mit der Fähigkeit, ein definiertes Temperaturfeld zu erzeugen.To the Thermal description of the display unit are all facilities with the ability to generate a defined temperature field.
Dies kann beispielsweise durch eine Bildtrommel erfolgen, wie sie von Thermokopierern bzw. Laserdruckern her bekannt sind.This can be done for example by a picture drum, as they are from Thermo-copiers or laser printers are known forth.
Es kann weiterhin eine resistive Ansteuerung genutzt werden, welche aus einer Vielzahl von Heizstrukturen, wie Widerstände oder als Widerstände genutzte Dünnschichttransistoren, besteht, wobei im Idealfall jedem Bildpunkt ein Heizelement zugeordnet ist. Letztlich kann die Anzeigeeinheit auch in eine Apparatur eingebracht werden, die ein entsprechendes Temperaturfeld erzeugen kann. Auch diese kann punktförmige Widerstände besitzen, aber auch nach der Art eines erwärmten Stempels funktionieren, welcher durch direkten Kontakt der erhabenen Stellen ein entsprechendes Abbild auf der Anzeigeeinheit erzeugt.It Furthermore, a resistive control can be used, which from a variety of heating structures, such as resistors or used as resistors Thin film transistors, consists, wherein ideally each pixel is assigned a heating element. Finally, the display unit can also be introduced into an apparatus which can produce a corresponding temperature field. Also this can be punctiform resistors own, but also work in the manner of a heated stamp, which by direct contact of the raised places a corresponding Image generated on the display unit.
Zum Beschreiben der Anzeigeeinheit mit elektrischen Feldgrößen eignen sich Elektrodenanordnungen. Sie kann dazu beispielsweise zwischen zwei Platten, von denen mindestens eine aus einer Vielzahl von Einzelelektroden besteht, gelegt werden. Die Anzeigeeinheit selbst kann aber ebenfalls entsprechende Elektrodenanordnungen in Form leitfähiger Schichten besitzen.To the Describe the display unit with electrical field sizes are suitable electrode arrangements. You can do this, for example, between two Plates, of which at least one of a plurality of individual electrodes is to be laid. However, the display unit itself can also be corresponding Have electrode assemblies in the form of conductive layers.
Insbesondere die Darstellung visueller Informationen wie Konturen, Reliefs und Texturen ist aufgrund der Weichheit der Hydrogele auf direktem Wege kaum möglich. Dafür lassen sich aber Noppen verwenden, von denen je eine einem taktilen Pixel der Anzeigeeinheit zugeordnet sein kann.Especially the presentation of visual information such as contours, reliefs and Textures is due to the softness of the hydrogels directly hardly possible. For that let but use pimples, one of which is a tactile pixel of the Display unit can be assigned.
Die Erfindung soll an einigen Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. In den zugehörigen Zeichnungen zeigen:The Invention is intended to some embodiments be explained in more detail. In the associated Drawings show:
zeigt,
shows,
zeigt, und
shows, and
Anhand
von
Die
Anzeigeeinheit nach
Als Funktionspolymer kann beispielsweise Poly(N-Isopropylacrylamid) (PNIPAAm) genutzt werden, welches ein temperatursensitives chemisch vernetztes Hydrogel mit lower critical solution temperature (LCST) Charakteristik ist. Das PNIPAAm kann z.B. mit fotolithografischen Methoden zu einem Array, welches aus vielen kleinen Einzelaktoren, die jeweils ein taktiles Pixel bilden, strukturiert werden.When Functional polymer can be used, for example, poly (N-isopropylacrylamide) (PNIPAAm) which is a temperature-sensitive chemically cross-linked hydrogel with lower critical solution temperature (LCST) characteristic. The PNIPAAm may e.g. with photolithographic methods to a Array, which consists of many small single actuators, each one Form tactile pixels, be structured.
Die
Funktionsschicht umfaßt
neben dem Funktionspolymer eine Speichermöglichkeit (
Bei
niedrigen Temperaturen, z.B. bei Raumtemperatur, ist der PNIPAAm-Aktor
(
Neben PNIPAAm weisen auch noch eine Reihe anderer Hydrogele eine LCST-Charakteristik auf. Dies sind zum Beispiel Poly(Methylvinylether) sowie Polymere auf Basis von Hydroxypropylcellulose.Next PNIPAAm also have a number of other hydrogels on an LCST characteristic. These are, for example, poly (methyl vinyl ethers) and polymers Base of hydroxypropylcellulose.
Temperatursensitive chemisch vernetzte Hydrogele mit einer Upper Critical Solution Temperature (UCST)-Charakteristik quellen bei Überschreiten der Phasenübergangstemperatur und sind bei geringen Temperaturen entquollen. Ein Hydrogel mit UCST-Verhalten ist das Copolymer aus Hydroxyethyl Methacrylat (HEMA) und Acetoacetoxyethyl Methacrylat(AAEM), welches dieses Verhalten in Wasser-Alkohol-Mischungen zeigt.temperature Sensitive chemically cross-linked hydrogels with an Upper Critical Solution Temperature (UCST) characteristic swell if exceeded the phase transition temperature and are swollen at low temperatures. A hydrogel with UCST behavior is the copolymer of hydroxyethyl methacrylate (HEMA) and acetoacetoxyethyl Methacrylate (AAEM), which demonstrates this behavior in water-alcohol mixtures shows.
Unter
Nutzung eines thermoreversibel gelierbaren Hydrogels, beispielsweise
auf Basis von Gelatine, besteht die Funktionsschicht im unbeschriebenen
Zustand zunächst
aus einer gelierbaren Lösung (
Prinzipiell
sind die gequollenen Aktoren (
Aufgrund der einfachen Realisierbarkeit ist eine Ansteuerung mit elektrischen Feldgrößen äußerst attraktiv. Obwohl die elektrische Ansteuerbarkeit von Hydrogelen problembehaftet ist, kann sie für die erfindungsgemäßen Anzeigeeinheit unter Umständen genutzt werden, da die Wiederbeschreibraten sehr klein und genügend lange Erholzeiten möglich sind.by virtue of The simple feasibility is a control with electrical Field sizes extremely attractive. Although the electrical drivability of hydrogels is problematic is she can for the Display unit according to the invention in certain circumstances be used because the rewriting rates are very small and long enough Recovery times possible are.
Eine
Ausführungsmöglichkeit
der elektrischen Ansteuerung der Anzeigeeinheit ist in
Ein
Funktionsprinzip zur Wiedergabe vorrangig visueller Information
mit chemisch vernetzten Hydrogelen zeigen die
Die
Wird
die in
Die Hydrogelaktoren eines taktilen Displays eignen sich aufgrund ihrer Weichheit nur bedingt zum Übermitteln taktiler Informationen.The Hydrogel actuators of a tactile display are suitable because of their Softness only conditionally for transmission tactile information.
Die übermittelbare
taktile Information lässt sich
maßgeblich
von der eingesetzten Abdeckfolie aus härterem Material bestimmen.
Mit einer glatten Folie lassen sich besonders Unterschiede in der
Materialeigenschaft „Weichheit" darstellen. Die
vermittelbaren Eindrücke
reichen etwa von der Weichheit von Fettgewebe bis hin zu festen
Oberflächen
wie Holz. Konturen sind mit solchen Folien nur schwierig fühlbar. Dies
lässt sich
durch Einsatz oberflächenstrukturierter,
z.B. genoppter, Folien erreichen. Die fühlbare Kantenschärfe, aber
auch die vermittelbaren Texturen werden von der Noppenform und -größe bestimmt.
Das Noppenmaterial beeinflusst mit seiner Härte das Fühlerlebnis. Der Noppengrundriss
kann vielfältig
sein (
Wie
Als Gestaltungsrichtlinie kann gelten, dass scharfkantige, größere Noppen besonders gut zur Konturdarstellung geeignet sind. Kleinere abgerundete Noppen ermöglichen eine größere Vielfalt in der Texturübermittlung. Glatte Oberflächen, welche z.B. durch eine hohe Noppendichte erreichbar sind, ermöglichen ein verbessertes Fühlen der Weichheit, da Hydrogelaktoren als taktile Information neben dem Hub auch Änderungen ihrer Elastizität (Weichheit) liefern. Die ist für den jeweiligen Anwendungsfall zu optimieren.When Design policy may apply that sharp-edged, larger nubs Particularly well suited for contour presentation. Smaller rounded ones Allow nubs a greater variety in the texture transmission. Smooth surfaces, which e.g. are achievable by a high Noppendichte allow an improved feeling softness, since hydrogel actuators are next to tactile information the hub also changes their elasticity (Softness). That is for to optimize the respective application.
Werden einer Noppe mehrere Aktoren, z.B. drei Aktoren zugeordnet, kann diese in ihrer Neigung definiert verändert werden.Become a nub several actuators, e.g. assigned to three actuators, can these are defined in their inclination to be changed.
Weiterhin ist es denkbar, daß die Folie mit Bereichen unterschiedlicher Noppeneigenschaften ausgestattet ist. Dies kann insbesondere für Anschauungsmaterialien interessant sein.Furthermore, it is conceivable that the film with Areas of different pimple features is equipped. This can be interesting in particular for illustrative materials.
Noppenfolien können beispielsweise aus Polydimethylsiloxan (PDMS) hergestellt werden. Basissubstanz und Härter wird in einem Verhältnis von 9:1 gemischt. Durch Rotationsbeschichten bei 3000 U/min für 25 s wird ein etwa 30 μm dicker Film auf einem planen Glasträger erzeugt und bei 65°C für drei Stunden polymerisiert. Die Noppen lassen sich mit einem teflonbeschichteten Silizium-Abformmaster (nasschemisches Tiefenätzen durch ASE-Bosch-Prozess, Teflonbeschichtung durch PECVD) herstellen. Dazu wird die Elastomer-Mischung in die Noppenformen eingefüllt und entgast. Anschließend wird die Form auf den PDMS-beschichteten Glasträger gepresst und für drei Stunden bei 65°C polymerisiert. Die Noppen bilden mit der Folie einen unlösbaren Verbund.bubble films can For example, be prepared from polydimethylsiloxane (PDMS). Base substance and hardener is in a relationship mixed by 9: 1. By spin coating at 3000 rpm for 25 s about 30 microns thick film produced on a plane glass slide and at 65 ° C for three hours polymerized. The nubs can be with a Teflon-coated Silicon Molding Master (wet chemical deep etching by ASE-Bosch process, Teflon coating by PECVD) produce. This is the elastomer mixture filled in the stud shapes and degas. Subsequently The mold is pressed onto the PDMS-coated glass slide and allowed to stand for three hours Polymerized 65 ° C. The nubs form a permanent bond with the film.
Die Anzeigeeinheit lässt sich dünn, transparent und flexibel ausführen. Die notwendige Dicke richtet sich neben Aspekten der mechanischen Beanspruchbarkeit vor allem nach der taktilen bzw. visuellen Information, d.h., die Funktionsschicht muss so dick sein, dass die notwendige Änderung der optischen Eigenschaften bzw. der Höhenunterschied (ein Mindesthub von 100 μm ist notwendig) gut wahrnehmbar ist.The Display unit leaves thin, transparent and flexible. The necessary thickness is in addition to aspects of the mechanical Resistance especially after tactile or visual information, that is, the functional layer must be so thick that the necessary change the optical properties or the height difference (a minimum stroke of 100 μm is necessary) is clearly perceptible.
Die Anzeigeeinheit lässt sich für vielfältige Anwendungen verwenden. Neben dem visuellen „elektronischen Papier" ermöglicht das Anzeigeprinzip auch die energiearme Darstellung taktiler Information. Sie kann permanent mit dem Beschreibmechanismus verbunden sein, z.B. als Bildschirm eines elektronischen Buches, sie kann aber auch von einer separaten Beschreibvorrichtung beschrieben werden und im beschriebenen Zustand wie ein Bild oder ein Blatt Papier benutzt werden.The Display unit leaves for diverse applications use. In addition to the visual "electronic paper" that allows Display principle also the low-energy representation of tactile information. It can be permanently connected to the descriptive mechanism, e.g. as a screen of an electronic book, but she can as well be described by a separate descriptor and used in the described state like an image or a sheet of paper become.
Die letztgenannte Variante bietet viele Vorteile. So können visuelle sowie taktile Informationen mit einem Gerät, welches beispielsweise einem Thermokopierer ähnelt, auf das „Papier" geschrieben werden. Die Information bleibt dann bis zum Lösch- bzw. Wiederbeschreibvorgang erhalten. Die Anzeigeeinheiten sind nicht nur für Dinge des täglichen Bedarfs interessant, sondern auch für viele andere Anwendungsbereiche. So kann die bildbasierte medizinische und technische Diagnostik davon profitieren, dass visuelle und taktile Informationen gegebenenfalls auch vergrößert dargestellt werden können. Durch ihren Einsatz als Lehrmaterialien können Präparate ersetzt werden, aber auch Landkarten und ähnliches können von den erfindungsgemäßen Anzeigeeinheiten profitieren.The the latter variant offers many advantages. So can visual as well as tactile information with a device, which for example a Thermo-copier resembles written on the "paper". The information then remains until the deletion or rewriting process receive. The display units are not just for everyday things Demand interesting, but also for many other applications. So can the image-based medical and technical diagnostics Benefit from having visual and tactile information if necessary also shown enlarged can be. By their use as teaching materials can be replaced, but preparations also maps and the like can from the display units according to the invention benefit.
- 11
- Funktionsmaterialfunctional material
- 1a1a
- gequollener Hydrogelaktorswollen Hydrogelaktor
- 1b1b
- entquollener Hydrogelaktorentquollener Hydrogelaktor
- 1c1c
- vernetzbare Lösunglinkable solution
- 1d1d
- vernetzte Hydrogelstrukturnetworked hydrogel
- 1e1e
- flüssiges Paraffinliquid paraffin
- 1f1f
- festes Paraffinsolid paraffin
- 22
- Quellmittelswelling agent
- 33
- Reservoirreservoir
- 44
- Strukturträgerstructural beam
- 55
- Abdeckungcover
- 66
- Noppeburl
- 77
- Einzel-ElektrodeSingle electrode
- 88th
- Flächen-ElektrodeSurface electrode
- 99
- Farbpigmentcolor pigment
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---|---|---|---|
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DE200610036867 DE102006036867A1 (en) | 2006-08-04 | 2006-08-04 | Information display for tactile or visual perception, includes liquid layer having structure and properties affected locally and reversibly by physical stimulus |
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Family
ID=38885024
Family Applications (1)
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Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2012074634A1 (en) * | 2010-11-29 | 2012-06-07 | Immersion Corporation | Systems and methods for providing programmable deformable surfaces |
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-
2006
- 2006-08-04 DE DE200610036867 patent/DE102006036867A1/en not_active Withdrawn
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