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

A stimulus locally affects a functional layer (1, 1a, 1b) comprising a solution, in its optical-, aggregation-, cross-linking- and/or swelling properties. The resultant change persists until further stimulation occurs. Surplus solution is removed or transformed reversibly into hydrogel structures. Local regions of the functional layer undergo change in optical properties, in accordance with shape memory effect. The layer is transformed reversibly from an oil, paraffin or wax, into a solid state.

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 [ Y. Osada, A. Matsuda, Nature 376 (1995), 219 ; A. Lendlein, S. Kelch, Angew. Chem. 114 (2002), 2138 ]. Formgedächtnispolymere erscheinen besonders hinsichtlich dem Übermitteln von visuellen Informationen interessant, da nur für die Schaltvorgänge der optischen Eigenschaften, wie Polarität und Transparenz, eine Energiezufuhr notwendig ist, nicht jedoch zum Halten dieser Information.Hydrogels and other polymer networks (both physically and chemically crosslinked) may also exhibit shape-memory effects that are mostly due to reversible changes in structure or conformation, such as crystal structure, crystallinity, changes in coordinative bonding equilibrium [ Y. Osada, A. Matsuda, Nature 376 (1995), 219 ; A. Lendlein, S. Kelch, Angew. Chem. 114 (2002), 2138 ]. Shape memory polymers appear to be particularly interesting in terms of transmitting visual information, since it is only necessary for the switching of the optical properties, such as polarity and transparency, a power supply, but not to hold this information.

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 [ K. te Nijenhuis, Thermoreversible Networks, Adv. Polym. Sci. 130, Springer-Verlag Berlin, Heidelberg, New York 1997 ] einen Überblick. Es gibt auch Polymernetzwerke, die chemisch vernetzt sind und über physikalisch vernetzbare Komponenten verfügen. Durch Einwirken auf die physikalisch vernetzbaren Komponenten lassen sich zusätzliche Vernetzungspunkte ausbilden bzw. aufheben, so dass der Vernetzungsgrad und damit auch der Quellungsgrad beeinflusst werden kann.Typical temperature-switchable physically crosslinkable hydrogels, which are also called thermoreversible systems in the case of reversible gelation, are gelatin, pectins and agarose. Their sol-gel transition temperatures can be adjusted by various measures between about 15 ° C and 95 ° C. To these and other physically networkable polymer networks [ K. te Nijenhuis, Thermoreversible Networks, Adv. Polym. Sci. 130, Springer-Verlag Berlin, Heidelberg, New York 1997 ] an overview. There are also polymer networks that are chemically crosslinked and have physically crosslinkable components. By acting on the physically crosslinkable components, additional crosslinking points can be formed or eliminated, so that the degree of crosslinking and thus also the degree of swelling can be influenced.

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:

1 den prinzipiellen Aufbau einer taktilen Anzeigeeinheit auf Basis eines temperatursensitiven chemisch vernetzten Hydrogels, wobei 1 the basic structure of a tactile display unit based on a temperature-sensitive chemically crosslinked hydrogel, wherein

1a den unbeschriebenen Ausgangszustand und 1a the blank initial state and

1b den beschriebenen und fixierten Zustand darstellt, 1b represents the described and fixed state,

2 den prinzipiellen Aufbau einer taktilen Anzeigeeinheit auf Basis eines thermoreversiblen gelierbaren Hydrogels, wobei 2 the basic structure of a tactile display unit based on a thermo-reversible gellable hydrogel, wherein

2a den unbeschriebenen Ausgangszustand und 2a the blank initial state and

2b den beschriebenen Zustand sowie 2 B the described condition as well

2c den beschriebenen und fixierten Zustand verdeutlicht, 2c illustrates the described and fixed state,

3 den prinzipiellen Aufbau einer taktilen bzw. visuellen Anzeigeeinheit mit integrierten Ansteuerelektroden, 3 the basic structure of a tactile or visual display unit with integrated drive electrodes,

4 mögliche visuelle Betriebsmodi, wobei 4 possible visual operating modes, wherein

4a, b die visuelle Funktionsweise pigmentierter Hydrogele infolge der Pigment-Dichteänderung beim Quellvorgang 4a , b the visual function of pigmented hydrogels as a result of the pigment density change during swelling

4c, d die visuelle Funktionsweise von gelierbaren transparenten Hydrogelen 4c , d the visual functioning of gellable transparent hydrogels

4e, f die visuelle Funktionsweise von gelierbaren Hydrogelen, welche beim Gelieren undurchsichtig werden, veranschaulichen, 4e , f illustrate the visual functioning of gellable hydrogels that become opaque upon gelling,

5 die Funktionsweise eines visuellen Betriebs einer Anzeigeeinheit mit integrierten Ansteuerelektroden und einem Funktionsmaterial, welches seine Festigkeit bzw. Viskosität verändert, wobei 5 the operation of a visual operation of a display unit with integrated drive electrodes and a functional material that changes its strength or viscosity, wherein

5a den unbeschriebenen Ausgangzustand 5a the blank initial state

5b den Zustand beim Beschreiben 5b the state when writing

5c den fixierten Zustand
zeigt,
5c the fixed state
shows,

6 mögliche Noppenformen, wobei 6 possible pimple forms, wherein

6a rechteckige Noppen 6a rectangular pimples

6b runde Noppen 6b round pimples

6c sechseckige Noppen
zeigt, und
6c hexagonal pimples
shows, and

7 mögliche Kantenformen mit 7 possible edge forms with

7a Neunzig-Grad-Kanten 7a Ninety-degree edges

7b gefasten Kanten sowie 7b chamfered edges as well

7c abgerundeten Kanten. 7c rounded edges.

Anhand von 1 wird der prinzipielle Aufbau und die Wirkungsweise erfindungsgemäßen Anzeigeeinheit vorgestellt.Based on 1 the basic structure and operation of the display unit according to the invention is presented.

Die Anzeigeeinheit nach 1a umfasst prinzipiell drei Lagen: einen Strukturträger (4), eine Abdeckung (5) und eine dazwischenliegende Funktionsschicht, welche die Funktionspolymere (1a1d) sowie bei Bedarf Quellmittel (2) und entsprechende Speichermöglichkeiten (3) enthält. Die Anzeigeeinheit kann transparent ausgeführt sein. Die Trägermaterialien sollen im Regelfall mechanische Stabilität gewähren, so dass z.B. Polyamid, Polyester, aber auch Polycarbonat oder Cycloolefine zum Einsatz kommen können. Für die Abdeckung (5) eignen sich die gleichen Materialien. Muss sie flexibel sein, können hochelastische Materialien zum Einsatz kommen. Bei ihrer Auswahl ist darauf zu achten, dass sie wasserdampfundurchlässig sind.The display unit after 1a basically comprises three layers: a structural support ( 4 ), a cover ( 5 ) and an intervening functional layer containing the functional polymers ( 1a - 1d ) and, if necessary, swelling agent ( 2 ) and corresponding storage options ( 3 ) contains. The display unit can be made transparent. The support materials should normally provide mechanical stability, so that, for example, polyamide, polyester, but also polycarbonate or cycloolefins can be used. For the cover ( 5 ) are the same materials. If it has to be flexible, highly elastic materials can be used. Make sure that they are impervious to water vapor.

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 (3) für Quellmittel (2). Die Größe des Reservoirs (3) lässt sich durch den räumlichen Abstand zwischen den Hydrogelaktoren (1a) festlegen.The functional layer comprises, in addition to the functional polymer, a storage possibility ( 3 ) for swelling agent ( 2 ). The size of the reservoir ( 3 ) can be determined by the spatial distance between the hydrogel actuators ( 1a ) establish.

Bei niedrigen Temperaturen, z.B. bei Raumtemperatur, ist der PNIPAAm-Aktor (1a) gequollen. Wird die Anzeigeeinheit durch eine nicht näher dargestellte Beschreibvorrichtung lokal erwärmt, so entquellen die Hydrogelaktoren (1b) bei Überschreiten einer Volumenphasenübergangstemperatur PÜT (für PNIPAAm ca. 34°C) durch Quellmittelabgabe in das Reservoir (3). Wird danach das überschüssige Quellmittel (2) aus dem Reservoir (3) abgesaugt, dann ergibt sich der in 1b dargestellte Zustand. Da die Noppen (6) über den gequollenen Aktoren (1a) höher stehen als die über den entquollenen Akto ren (1b) befindlichen, ergibt sich ein Höhenunterschied, der fühlbar ist. Durch die Absaugung des Quellmittels (2) können die Aktoren (1b) auch bei Unterschreiten der PÜT nicht mehr quellen, da das Reservoir (3) kein Quellmittel (2) mehr zur Verfügung stellen kann. Der taktile Informationsgehalt der Anzeige ist damit eingefroren. Zum Löschen bzw. Wiederauffrischen des Anzeigeninhaltes wird das fehlende Quellmittel (2) wieder zugegeben.At low temperatures, eg at room temperature, the PNIPAAm actuator ( 1a ) swollen. If the display unit is locally heated by a descriptive device not shown in detail, the hydrogel actuators ( 1b ) when a volume phase transition temperature PÜT (for PNIPAAm about 34 ° C) is exceeded by swelling agent delivery into the reservoir ( 3 ). Is then the excess swelling agent ( 2 ) from the reservoir ( 3 ) sucked off, then results in the 1b illustrated state. Because the pimples ( 6 ) over the swollen actuators ( 1a ) are higher than those above the swollen Akto ren ( 1b ), results in a height difference that can be felt. By the extraction of the swelling agent ( 2 ), the actuators ( 1b ) no longer swell even when the PÜT falls below, as the reservoir ( 3 ) no swelling agent ( 2 ) can provide more. The tactile information content of the ad is thus frozen. To delete or refresh the content of the advertisement, the missing source means ( 2 ) again.

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 (1c), welche sich im Reservoir (3) befindet (2a). Durch lokales Erwärmen über die Geliertemperatur mit einer entsprechenden Beschreibvorrichtung bilden sich Hydrogelaktoren (1d) aus (2b). Nach dem Beschreibvorgang kann die unvernetzte Lösung (1c) evakuiert werden, so dass das in 2c dargestellte fühlbare Höhenprofil entsteht. Zum Löschen bzw. Wiederauffrischen des Anzeigeninhaltes wird diese über die kritische Temperatur erwärmt und gegebenenfalls die abgezogene Lösung (1c) wieder zugegeben.Using a thermo-reversible gelable hydrogel, for example based on gelatin, the functional layer in the unrecorded state initially consists of a gellable solution ( 1c ), which are in the reservoir ( 3 ) ( 2a ). By local heating above the gelling temperature with a corresponding descriptor hydrogel actuators form ( 1d ) out ( 2 B ). After the writing process, the uncrosslinked solution ( 1c ) be evacuated, so that in 2c shown tangible height profile arises. To delete or refresh the content of the advertisement, it is heated above the critical temperature and, if appropriate, the solution removed ( 1c ) again.

Prinzipiell sind die gequollenen Aktoren (1a, 1d) mit den taktilen Informationen „fühlbar" bzw. „erhaben" und „weich" verknüpft. Entquollene Aktoren (1b) besitzen den Informationsgehalt „nicht fühlbar" bzw. „hart".In principle, the swollen actuators ( 1a . 1d ) are linked to the tactile information "perceptible" or "sublime" and "soft." Swollen actuators ( 1b ) have the information content "not perceptible" or "hard".

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 3 dargestellt. Wird an eine Einzelelektrode (7) eine Spannung angelegt, so wird sie zur Gegenelektrode (8) ein elektrisches Feld aufbauen. Im Quellmittel (2) befindliche Ionen werden so zwischen den Elektrodenplatten angereichert. Das Hydrogel (1a), welches beispielsweise einen polyelektrolytischen Charakter besitzt, wird entsprechend den eingelagerten Ionen seinen Quellungsgrad ändern, so dass das entstehende Höhenprofil über die Noppen (6) fühlbar wird. Durch Entzug des überschüssigen Quellmittels kann der beschriebene Zustand fixiert werden.One possible embodiment of the electrical control of the display unit is in 3 shown. Is connected to a single electrode ( 7 ) one Voltage is applied, it becomes the counterelectrode ( 8th ) build up an electric field. In the swelling agent ( 2 ) ions are thus enriched between the electrode plates. The hydrogel ( 1a ), which has a polyelectrolytic character, for example, will change its degree of swelling in accordance with the stored ions, so that the resulting height profile over the pebbles ( 6 ) becomes tangible. By removing the excess swelling agent, the described state can be fixed.

Ein Funktionsprinzip zur Wiedergabe vorrangig visueller Information mit chemisch vernetzten Hydrogelen zeigen die 4a und b. Im gequollenen Zustand ist die Dichte der im Aktor (1a) eingeschlossenen Farbpigmente (9) gering, so dass der Bildpunkt (1a) transparent oder zumindest wenig farbkräftig ist. Wird der Aktor jedoch entquollen (Aktor (1b) in 4b), so besitzt er eine deutlich höhere Pigmentdichte und damit eine kräftige Farbe. Beim Schaltvorgang ist es möglich, dass der Aktor aufgrund der Phasenseparation kurzzeitig opak wird.A functional principle for the reproduction of primarily visual information with chemically cross-linked hydrogels is shown by the 4a and b. When swollen, the density in the actuator ( 1a ) included color pigments ( 9 ) low, so that the pixel ( 1a ) is transparent or at least little colored. However, if the actuator is depleted (actuator ( 1b ) in 4b ), it has a much higher pigment density and thus a strong color. During the switching process, it is possible that the actuator becomes opaque for a short time due to the phase separation.

Die 4c bis 4d veranschaulichen zwei visuelle Wirkprinzipe pigmenthaltiger gelierbarer Systeme. Die in 4c gezeigte Anordnung besteht aus einer gelierbaren Lösung (1c), welche Pigmente (9) enthält. Durch entsprechende Ansteuerung geliert die Lösung zu einem Element (1d), welches die Pigmente (9) fixiert. Nach Entfernen der Lösung (1c) bleibt die gelierte Farbstruktur als Positivabbild bestehen.The 4c to 4d illustrate two visual principles of pigment-containing gelatable systems. In the 4c arrangement shown consists of a gellable solution ( 1c ), which pigments ( 9 ) contains. By appropriate control, the solution gels to an element ( 1d ) containing the pigments ( 9 ) fixed. After removing the solution ( 1c ), the gelled color structure remains as a positive image.

Wird die in 4e gezeigte pigmenthaltige Funktionslösung (1c) so geliert, dass die vernetzten Bereiche opak bzw. un durchsichtig sind, so entsteht ein Negativabbild des beschriebenen Bereiches, d.h., die beschriebenen Bereiche zeigen nicht die Farbinformation der Pigmente.Will the in 4e shown pigment-containing functional solution ( 1c ) so that the crosslinked areas are opaque or un transparent, the result is a negative image of the described area, ie the areas described do not show the color information of the pigments.

5 verdeutlicht die Funktionsweise einer Anzeigeeinheit für vorwiegend visuelle Informationen, welche auf reversibel gelierbaren Materialien, aber auch auf Substanzen, die in ihrem Aggregatzustand zwischen flüssig und hochviskos bzw. fest geschalten werden können, beruhen. Das Prinzip wird anhand letzterer Materialien beschrieben. Das Funktionsmaterial (1) besteht beispielsweise aus Weichparaffin und enthält Farbpigmente (9). Die Temperatur der Anzeigeeinheit wird auf 45°C erhöht, so dass flüssiges Paraffin (1e) vorliegt (5a). Die Farbpigmente (9) bestehen aus Materialien, die sich durch elektrische bzw. magnetische Feldgrößen beeinflussen, also anziehen oder abstoßen lassen. Wie 5b zeigt, entstehen durch Aktivieren bestimmter Elektrodenpaare (7) und (8) lokale elektromagnetische Felder, in denen sich die in der Flüssigkeit (1e) schwimmenden Farbpigmente (9) sammeln. Wird nun die Temperatur unter die Schmelztemperatur abgesenkt, erstarrt das Weichparaffin (1f in 5c) und fixiert so die Pigmentverteilung. Durch erneute Erwärmung wird der Anzeigeninhalt wieder gelöscht und lässt sich neu beschreiben. 5 illustrates the operation of a display unit for mainly visual information based on reversible gellable materials, but also on substances that can be switched in their state of aggregation between liquid and highly viscous or firmly. The principle is described using the latter materials. The functional material ( 1 ) consists, for example, of soft paraffin and contains color pigments ( 9 ). The temperature of the display unit is raised to 45 ° C so that liquid paraffin ( 1e ) ( 5a ). The color pigments ( 9 ) consist of materials that are influenced by electrical or magnetic field sizes, so attract or repel. As 5b shows arise by activating certain pairs of electrodes ( 7 ) and ( 8th ) local electromagnetic fields in which the in the liquid ( 1e ) floating color pigments ( 9 ) collect. If the temperature is lowered below the melting temperature, the soft paraffin solidifies ( 1f in 5c ) and thus fixes the pigment distribution. By re-heating the display content is deleted again and can be rewritten.

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 (6). Noppen mit viereckigem Grundriss (6a) besitzen scharfe Ecken und können die gleiche Form wie die darunter befindlichen Hydrogelaktoren besitzen. Die in 6b gezeigten runden Noppen weisen keine Ecken auf. Die versetzt angeordneten Sechsecke nach 6c ermöglichen das Erreichen einer hohen Noppendichte mit fühlbaren Ecken.The communicable tactile information can be significantly determined by the cover made of harder material used. A smooth film can be used to show differences in the material properties "softness." The mediative impressions range from the softness of fatty tissue to solid surfaces such as wood, and contours are difficult to feel with such films. The palpable edge sharpness, but also the transferable textures are determined by the shape and size of the knobs The knobby material influences the feeling experience with its hardness. 6 ). Pimples with a square layout ( 6a ) have sharp corners and may have the same shape as the underlying hydrogel actuators. In the 6b shown round nubs have no corners. The staggered hexagons after 6c make it possible to achieve a high density of nubs with tangible corners.

Wie 7 verdeutlicht, können auch die Noppenkanten beeinflusst werden. Die in 7a gezeigte Noppe besitzt scharfe Kanten. Durch eine Fase lässt sich die fühlbare Kantenschärfe abschwächen (7b). Gleiches ist durch Abrunden der Noppenkanten erreichbar (7c). Auch die Noppengröße und -dichte besitzen einen deutlichen Einfluss auf das Fühlerlebnis. Wesentlich ist ebenfalls der Noppenhub, welcher von den Hydrogelaktoren bestimmt wird. Unterschiede in der Noppenhöhe lassen sich ab etwa 100 μm fühlen.As 7 clarified, the nub edges can also be influenced. In the 7a shown knob has sharp edges. A chamfer attenuates the palpable edge sharpness ( 7b ). The same is achievable by rounding the knob edges ( 7c ). Also the knob size and density have a significant influence on the feeling experience. Also important is the nub lift, which is determined by the hydrogel actuators. Differences in the dimple height can be felt from about 100 μm.

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

Claims (13)

Wiederbeschreibbare Einrichtung zur Anzeige taktiler und/oder visueller Informationen, dadurch gekennzeichnet, dass durch Einwirkung von mindestens einer in ihrer örtlichen Wirkung steuerbaren physikalischen Größe mindestens eine Funktionsschicht aus einem Funktionsmaterial (1, 1a1f) lokal in ihren optischen, Aggregatzustands-, Vernetzungs- und/oder Quellungs-Eigenschaften verändert wird, wobei die Funktionsschicht diesen Zustand bis zum erneuten Einwirken einer physikalischen Größe beibehalten kann, indem a) das überschüssige Quellmittel (2) bzw. die überschüssige vernetzbare Lösung (1c) ganz oder teilweise entzogen wird, und/oder b) lokale Bereiche der Funktionsschicht aus vernetzbarer Lösung (1c) in reversibler Art in gelierte Hydrogelstrukturen (1d) überführt werden c) lokale Bereiche der Funktionsschicht in ihren optischen Eigenschaften nach Art des Formgedächtniseffektes verändert werden d) die Funktionsschicht aus einem flüssigen Öl, Paraffin bzw. Wachs (1e) in reversibler Art in einen verfestigten Zustand (1f) überführt wird.Rewritable device for displaying tactile and / or visual information, characterized in that at least one functional layer made of a functional material (by the action of at least one physical variable that can be controlled in its local action) ( 1 . 1a - 1f ) is changed locally in its optical, aggregate, crosslinking and / or swelling properties, wherein the functional layer can maintain this state until a physical quantity is re-acted, by a) removing the excess swelling agent ( 2 ) or the excess crosslinkable solution ( 1c ) is wholly or partially withdrawn, and / or b) local areas of the functional layer of crosslinkable solution ( 1c ) in a reversible manner into gelled hydrogel structures ( 1d c) local areas of the functional layer are changed in their optical properties according to the nature of the shape memory effect d) the functional layer consists of a liquid oil, paraffin or wax ( 1e ) in a reversible manner into a solidified state ( 1f ) is transferred. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Material (1a1d) aus temperatursensitiven Hydrogelen besteht.Device according to claim 1, characterized in that the material ( 1a - 1d ) consists of temperature-sensitive hydrogels. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Material (1a1d) aus Hydrogelen mit Sensitivitäten gegenüber Licht bestimmter Wellenlänge besteht.Device according to claim 1, characterized in that the material ( 1a - 1d ) consists of hydrogels with sensitivities to light of a certain wavelength. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Material (1a1d) aus Hydrogelen, die sensitiv gegenüber elektrischen und/oder magnetischen Feldgrößen sind, besteht.Device according to claim 1, characterized in that the material ( 1a - 1d ) consists of hydrogels that are sensitive to electrical and / or magnetic field sizes. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Material (1, 1e, 1f) aus Ölen, Fetten, Alkanen, Paraffinen, Wachsen, die im Bereich von –20°C bis +120°C reversibel von einem flüssigen in den festen bzw. vom flüssigen in einen hochviskosen Zustand überführbar sind, besteht.Device according to claim 1, characterized in that the material ( 1 . 1e . 1f ) from oils, Fats, alkanes, paraffins, waxes, which are reversible in the range of -20 ° C to + 120 ° C from a liquid in the solid or from the liquid to a highly viscous state exists. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Funktionsschicht bei Verwendung chemisch vernetzter Hydrogele aus einem Array aus vielen Einzelaktoren (1a, 1b) besteht, wobei jeder Aktor einen Bildpunkt darstellt.Device according to claim 1, characterized in that the functional layer when using chemically crosslinked hydrogels from an array of many individual actuators ( 1a . 1b ), each actuator representing a pixel. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Funktionsmaterialien (1, 1a1f) Farbstoffe, insbesondere Farbpigmente (9), enthalten.Device according to claim 1, characterized in that the functional materials ( 1 . 1a - 1f ) Dyes, in particular color pigments ( 9 ), contain. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Farbstoffe, insbesondere Farbpigmente (9), durch Einwirkung von mindestens einer in ihrer örtlichen Wirkung steuerbaren physikalischen Größe, insbesondere elektrische und/oder magnetische Feldgrößen, in flüssigen Materialien bewegt werden und somit farbstoffarme und farbstoffreiche Bereiche erzeugt werden können.Device according to claim 7, characterized in that the dyes, in particular color pigments ( 9 ), by the action of at least one controllable in their local effect physical size, in particular electrical and / or magnetic field quantities are moved in liquid materials and thus low-dye and dye-rich areas can be generated. Einrichtung nach Anspruch 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, dass die lokale Verteilung der Farbstoffe, insbesondere Farbpigmente (9), durch Verfestigung bzw. Gelierung der Funktionsmaterialien fixiert wird.Device according to claim 7 and 8, characterized in that the local distribution of the dyes, in particular color pigments ( 9 ), is fixed by solidification or gelation of the functional materials. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Abdeckung (5) eine profilierte Oberfläche besitzt.Device according to claim 1, characterized in that the cover ( 5 ) has a profiled surface. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Abdeckfolie (5) über Noppen (6) verfügt.Device according to claim 1, characterized in that the cover ( 5 ) over pimples ( 6 ). Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Noppen (6) hinsichtlich ihrer Material- und geometrischen Eigenschaften an den jeweiligen Anwendungsfall angepasst sind.Device according to claim 1, characterized in that the nubs ( 6 ) are adapted to the respective application in terms of their material and geometric properties. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Noppe (6) mindestens ein Aktor (1a, 1b, 1d) zugeordnet ist und/oder die grundlegenden geometrischen Beziehungen, insbesondere das Rastermaß, einander in ganzzahligen Verhältnissen entsprechen.Device according to claim 1, characterized in that each knob ( 6 ) at least one actuator ( 1a . 1b . 1d ) and / or the basic geometric relationships, in particular the grid dimension, correspond to each other in integer ratios.
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EP2827224A1 (en) 2013-07-18 2015-01-21 Technische Universität Dresden Method and device for tactile interaction with visualised data

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