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Diese Erfindung betrifft ein optisches Teil,
insbesondere ein optisches Filter. Genauer beschäftigt sich die
Erfindung mit einem optischen Filter, das im
wesentlichen aus einem Copolymeren besteht, das die
thermotropen Flüssigkristalleigenschaften von Cholesterin
aufweist und zwei spezifische Arten von L-Glutamaten
und/oder D-Glutamaten umfaßt, sowie zur Verwendung als
optisches Filter für ein Farbendisplay, als
Verzweigungsfilter zur Synthese oder Trennung multipler
optischer Signale, als Fallenfilter, als Bandpaßfilter, als
zirkular polarisierendes Filter sowie als optischer
Isolator, die für verschiedene Anwendungen eingesetzt
werden können, geeignet ist.
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Ein optisches Teil, insbesondere ein optisches Filter
ist ein wichtiges Strukturelement im Bereich der
Optoelektronik wie bei Displays und optischen
Kommunikationswegen; dafür werden aus verschiedenen Materialien
hergestellte Filter mit verschiedenen Funktionen
verwendet. Beispielsweise wird auf dem Gebiet eines
Farbdisplays ein Filter mit einer Anzahl angeordneter
Bildelemente verwendet, die jeweils Farbfilter für R (rot),
G (grün) und B (blau) umfassen. Da die
spektroskopischen Wellenlängenbereiche für R-, G- bzw. B-Filter
teilweise überlappen, verwendet man in diesem Fall ein
Fallenfilter, um die Wellenlänge in den überlappenden
Bereichen abzuschneiden.
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Obwohl herkömmlich ein Fallenfilter aus Acrylharz mit
Neodym verwendet wurde, weist es Nachteile wie die
fehlende Übereinstimmung des
Absorptionswellenlängenbereiches mit dem abzuschneidenden Wellenlängenbereich
und einen geringen Absorptionsgrad auf. Außerdem läßt
es sich schwer zu einer dünnen Platte formen. Deshalb
besteht Bedarf nach der Entwicklung eines
Hochleistungsfallenfilters, das imstande ist, die
abzuschneidenden Wellenlängenbereiche frei zu steuern und sich
auf einfache Weise herstellen und verarbeiten läßt.
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In der Zwischenzeit sind auf dem Gebiet der optischen
Kommunikation
Multiplexwellenlängenübertragungstechniken entwickelt worden, mit denen die
Übertragungskapazität pro optisches Filter erhöht wird und von
denen man erwartet, daß sie auf
Teilnehmerübertragungssysteme angewendet werden. Im
Multiplexwellenlängenübertragungssystem sollte unbedingt ein
Verzweigungsfilter für die Synthese oder Trennung multipler
optischer Signale verwendet werden; herkömmlich wurden
dafür ein optisches Verzweigungsfilter mit
Interferenzfilm und ein optisches Verzweigungsfilter mit
Beugungsgitter entwickelt. Ersteres ist insofern vorteilhaft,
als die zentrale Wellenlänge und Bandbreite frei
gewählt werden kann. Ein Nachteil liegt jedoch darin, daß
die Herstellung eines Interferenzfilms komplizierter
Techniken bedarf und sehr arbeitsaufwendig ist, was
nicht nur Probleme bei der Produktion aufwirft, sondern
mit der Erhöhung der zu trennenden Wellenzahl auch die
Kosten zunehmen. Obwohl letzteres den Vorteil hat, daß
mit einem Beugungsgitter eine Anzahl von Wellen
getrennt werden kann, besteht hier andererseits der
Nachteil, daß nicht nur das Wellenlängenband, in dem
eine hohe Beugungsgittereffizienz erreicht werden kann,
auf den Bereich nahe des Lichtscheins begrenzt ist, was
Schwierigkeiten bei der Erweiterung des Bandes
verursacht, sondern daß auch die Produktionstechnik
kompliziert und die Kosten hoch sind. Deshalb ist auch im
Bereich der optischen Faserkommunikation die
Herstellung eines Bandpaß- oder Fallenfilters, das als
Verzweigungsfilter verwendet werden kann, sich einfach
herstellen läßt, ein geringes Gewicht aufweist und
preiswert ist, äußerst nützlich.
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Neben den vorstehend aufgeführten Bereichen werden auch
verschiedene optische Filter wie ein optischer
Isolator, ein Halbspiegel oder ein Zirkularpolfilter auf dem
Gebiet der Optoelektronik und der Optik verwendet.
Diese optischen Filter haben gravierende Nachteile wie
Schwierigkeiten bei der Herstellung und Wartung, hohe
Kosten sowie manchmal eine ungenügende Leistung, weil
sie durch die Kombination einer Linse, eines Prismas,
eines Beugungsgitters usw. entstehen, die im
allgemeinen durch die Prazisionsbearbeitung von Glas,
Metallen oder anorganischen Materialien mittels einer
komplizierten Technik hergestellt werden.
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In der Zwischenzeit sind Versuche unternommen worden,
spezifische optische Effekte eines cholesterischen
Flüssigkristalls auf ein optisches Teil anzuwenden.
Wenn der Gangabstand einer schraubenförmigen Struktur p
und der durchschnittliche Brechungsindex n ist, wenn
das einfallende Licht senkrecht zur Fläche der Platte
ist, hat das cholesterische Flüssigkristall eine
Wellenlänge λ, die λ = p.n entspricht, und reflektiert
selektiv ein rechtszirkular polarisiertes Licht oder
ein linkszirkular polarisiertes Licht je nach der
Richtung der schraubenförmig Achse. Deshalb kann der
cholesterische Flüssigkristall als Fallen-, als
Bandpaß-, Zirkularpolfilter usw. verwendet werden, wenn man
die vor stehend erwähnten Eigenschaften geschickt
ausnützt. Beispielsweise offenbart die Japanische OS Nr.
139506/ 1981 einen polymeren Verbundstoff, der
sichtbares Licht reflektiert und einen cholesterischen
Flüssigkristall mit einem schraubenförmigen Gangabstand
enthält, der zu einem sichtbaren Bereich gehörendes
Licht reflektieren kann und durch ein amorphes Polymer
immobilisiert wurde. Der polymere Verbundstoff, der
sichtbares Licht reflektiert, wird durch ein Verfahren
hergestellt, bei dem man einen cholesterischen
Flüssigkristall
aus einem Polyglutamat (L- oder D-Isomer), von
dem bekannt ist, daß es die lyotropen
Flüssigkristalleigenschaften von Cholesterin hat, unter Verwendung
eines photopolymerisierbaren ungesättigten Monomeren
als Lösungsmittel und Bestrahlung der Mischung mit
Licht, um das ungesättigte Monomer zu polymerisieren
und die cholesterische Struktur des so entstehenden
Polymeren zu immobilisieren, bildet. Da der verwendete
Flüssigkristall auf ein Polymer beschränkt ist, das die
lyotropen Flüssigkristalleigenschaften von Cholesterin
aufweist und eine Struktur hat, die durch
Polymerisation eines als Lösungsmittel verwendeten ungesättigten
Polymeren immobilisiert wird, treten bei dem
vorstehenden Verfahren nicht nur Schwierigkeiten bei der
Ermittlung der Bedingungen auf, unter denen der
Gangabstand des cholesterischen Flüssigkristalls frei
variiert werden kann, es ist auch unmöglich, den
Gangabstand des cholesterischen Flüssigkristalls nach der
Herstellung zu ändern, wenn er einmal immobilisiert
worden ist. Die Japanische OS Nr. 191203/1985 offenbart
ein Verfahren zur Herstellung eines Fallenfilters, bei
dem lyotrope cholesterische Flüssigkristalle aus
Poly-L-glutaminsäure-y-butylester und Poly-D-glutaminsäure-
y-butylester mit der gleichen Technik wie vorstehend
beschrieben hergestellt werden, wobei jeweils
Triethylenglykoldimethacrylat als Lösungsmittel verwendet
wird, die Flüssigkristalle durch Photopolymerisation
immobilisiert und die so entstandenen beiden Filme
laminiert werden. Allerdings hat dieses Verfahren die
gleichen Nachteile wie die schon für die Japanische OS
Nr. 139506/1981 erwähnten, weil bei beiden Verfahren
die gleiche Technik verwendet wird.
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Die Erfinder hatten schon vorher herausgefunden, daß
ein Copolymer aus zwei bestimmten Arten von Glutamat
die thermotropen Flüssigkristalleigenschaften von
Cholesterin aufweist. Dieses Copolymer hat folgende
verschiedene Vorteile. Da das Copolymer thermotrop ist,
ist es im Gegensatz zu den vorstehend erwähnten Fällen,
wo das Polymer lyotrop ist, nicht notwendig, bei der
Entwicklung einer cholesterischen Struktur ein
Lösungsmittel zu verwenden. Außerdem kann die cholesterische
Struktur ganz einfach dadurch immobilisiert werden, daß
man ein erwärmtes Copolymer rasch abkühlt. Dies führt
zu einer äußerst einfachen Herstellung eines
immobilisierten Flüssigkristalls. Darüber hinaus kann
der Gangabstand, d.h. die Wellenlänge für die selektive
Reflexion, mit großen Vorteilen frei variiert werden,
indem man die zuvor hergestellte immobilisierte
cholesterische Struktur bei einer Temperatur erhitzt,
die anders als die ursprünglich bei der Herstellung
verwendete Temperatur ist. Da sich diese Eigenschaften
für die Herstellung verschiedener optischer Filter
eignen, die eine präzise Steuerung der Übertragungs-
und Abschneidungswellenlänge erfordert, gehen die
Erfinder davon aus, daß die Anwendung auf diese
optischen Filter verschiedene nützliche Effekte mit
großem Vorteil hervorbringen wird.
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"Macromolecules", Band 17, Nr. 5, (1984) S. 1004 bis
1009, beschreibt ein Glutamatcopolymer, das die
thermotropen Flüssigkristalleigenschaften von Cholesterin
hat. Wenn das Copolymer zwischen Glasplatten gelegt
wird, um den cholesterischen Flüssigkristall zu
studieren, sieht man, daß es Zirkulardichroismus aufweist.
Zusammenfassung der Erfindung
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Dementsprechend ist es eine Aufgabe der Erfindung, ein
optisches Filter zur Verfügung zu stellen, das aus
einem Glutamatpolymer mit den thermotropen
Flüssigkristalleigenschaften von Cholesterin besteht und nicht
nur die Übertragungs- oder Abschneidungswellenlängen
innerhalb des genau definierten Wellenlängenbereichs
frei und präzise steuern kann, sondern sich auch auf
einfache Weise herstellen läßt.
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Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, ein
Verfahren zur Herstellung eines optischen Filters zur
Verfügung zu stellen, das es möglich macht, eine
cholesterische Flüssigkristallstruktur intakt zu immobilisieren
und gleichzeitig eine Verbesserung in bezug auf
Genauigkeit bei der Auswahl der Wellenlänge bietet.
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Erfindungsgemäß wird die Verwendung eines
Glutamatcopolymeren mit den thermotropen
Flüssigkristalleigenschaften von Cholesterin und folgenden
wiederkehrenden Einheiten
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zur Verfügung gestellt, in denen R&sub1; eine Alkyl-,
Cycloalkyl-, Aryl- oder Arylalkylgruppe mit 10 oder
weniger Kohlenstoffatomen und R&sub2; eine Alkyl-,
Cycloalkyl-, Aryl- oder Arylalkylgruppe mit 6 bis 30
Kohlenstoffatomen ist mit der Maßgabe, daß sich R&sub1; und R&sub2;
voneinander unterscheiden, und in denen das Copolymer m
wiederkehrende Einheiten der Struktur I und n
wiederkehrende Einheiten der Struktur II enthält, wobei m und
n Zahlen sind, die folgende Verhältnisse 50 ≤ m + n ≤
2000 und m/n = 80 zu 10/20 zu 90 erfüllen, als
optisches Filter.
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Verwendet wird bevorzugt eine laminierte Filmstruktur,
die einen Glutamatcopolymerfilm umfaßt, der
rechtszirkular
polarisierte Licht einer spezifischen
Wellenlänge reflektieren kann, und einen
Glutamatcopolymerfilm, der linkszirkular polarisiertes Licht der
gleichen Wellenlänge reflektieren kann und so darauf
laminiert ist, daß die optischen Achsen der zwei
Glutamatpolymerfilme parallel zueinander liegen.
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Die laminierte Filmstruktur umfaßt bevorzugt zwei oder
mehrere Filmpaare, die sich voneinander in der
Reflexionswellenlänge unterscheiden und aufeinander
laminiert sind.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
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Damit das vorstehende Glutamatcopolymer thermotrope
cholesterische Eigenschaften aufweisen kann, ist es
notwendig, daß die Differenz in der Anzahl der
Kohlenstoffatome zwischen R&sub1; und R&sub2; 5 oder mehr beträgt. Wenn
der Unterschied in der Anzahl der Kohlenstoffatome 4
oder weniger beträgt, weist ein solches Copolymer die
Flüssigkristalleigenschaften von Cholesterin nicht auf.
Bevorzugt ist die Alkylgruppe für R&sub1; Methyl, Ethyl,
Propyl, Isopropyl, Butyl, Pentyl, Hexyl, Octyl oder
Decyl oder eine Gruppe mit der gleichen Anzahl von
Kohlenstoffatomen wie diese Gruppen, aber mit einer
verzweigten Struktur. Besonders bevorzugt werden von
diesen Methyl-, Ethyl-, Propyl-, Butyl- und verzweigte
Butylgruppen verwendet. Zu den bevorzugten
Cylcoalkylgruppen für R&sub1; gehören solche mit 5 oder mehr
Kohlenstoffatomen, z.B. Cyclopentyl-, Cyclopentylmethyl-,
Methylcyclopentyl-, Ethylcyclopentyl-,
Butylcyclopentyl-, Cyclohexyl-, Cyclohexylethyl-,
Cyclohexylpropyl- und Cyclohexylbutylgruppen. Von diesen werden
Cyclopentyl-, Cyclohexyl-, Cyclopentylmethyl- und
Cyclhexylmethylgruppen besonders bevorzugt. Zu den
bevorzugten Arylgruppen für R&sub1; gehören Phenyl und
substituierte Phenylgruppen wie Methoxyphenyl-, Toluyl- und
Dimethyltoluylgruppen. Bevorzugte Arylalkylgruppen für
R&sub1; umfassen solche mit 6 oder mehr Kohlenstoffatomen
wie Benzyl-, Methylbenzyl-, Phenylethyl-,
Methylphenylethyl-, Phenylpropyl- und Phenylbutylgruppen. Von
diesen werden Benzyl- und Methylbenzylgruppen besonders
bevorzugt. Die Alkylgruppe für R&sub2; ist bevorzugt Hexyl,
Heptyl, Octyl, Decyl, Dodecyl, Octadecyl, Hexadecyl
oder Eicosyl oder eine Gruppe mit der gleichen Anzahl
von Kohlenstoffatomen wie diese Gruppen, aber mit einer
verzweigten Struktur. Von diesen werden Hexyl-, Decyl-,
Dodecyl- und Octadecylgruppen besonders bevorzugt. Zu
den bevorzugten Cycloalkylgruppen für R&sub2; gehören
Cyclohexyl-, Methylcyclohexyl-, Ethylcyclohexyl-,
Butylcyclohexyl-, Hexylcyclohexyl-, Cyclooctyl-,
Methylcyclooctyl- und Cyclododecylgruppen. Bevorzugte
Arylgruppen für R&sub2; umfassen Phenyl- und substituierte
Phenylgruppen wie Toluyl-, Butylphenyl-, Decylphenyl-
und Docecylphenylgruppen. Bevorzugte Arylalkylgruppen
für R&sub2; umfassen Benzyl-, Phenylethyl-, Phenylpropyl-,
Phenylbutyl-, Phenylhexyl-, Phenyloctyl-,
Phenyldodecyl-, Methylphenylbutyl, Ethylphenylhexyl- und
Methylphenyldodecylgruppen. Von diesen werden
Phenylhexyl-, Phenyldodecyl- und Phenyloctylgruppen
besonders bevorzugt. Wie vorstehend erwähnt, müssen R&sub1; und
R&sub2; so gewählt werden, daß R&sub2; mindestens 5
Kohlenstoffatome mehr als R&sub1; hat. In der vorstehend erwähnten
allgemeinen Formel beträgt das Verhältnis von m zu n 80
zu 10 / 20 zu 90, bevorzugt 70 zu 40 / 30 zu 60; im
allgemeinen sind die jeweiligen wiederkehrenden
Einheiten willkürlich angeordnet. Wenn das Verhältnis von
m zu n nicht im vorstehend genannten Bereich liegt,
weist das Copolymer keine klaren thermotropen
cholesterischen Eigenschaften auf. Darüber hinaus ist
die Summe von m und n, d.h. der Polymerisationsgrad 50
bis 2000, bevorzugt 100 bis 1500. Wenn der
Polymerisationsgrad weniger als 50 beträgt, treten
Schwierigkeiten bei der Verglasung der Flüssigkristallstruktur auf.
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Ist der Polymerisationsgrad andererseits zu hoch, ist
das Copolymer vom praktischen Gesichtspunkt ungeeignet,
da nicht nur seine Formbarkeit schlecht ist, sondern
auch die Wachstumsgeschwindigkeit der cholesterischen
Struktur sinkt.
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Das erfindungsgemäße Copolymer, das thermotrope
cholesterische Eigenschaften aufweist, hat folgende
Eigenschaften, die es geeignet zur Verwendung als optisches
Filter machen.
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(1) Da der cholesterische Gangabstand durch Änderung
der Temperatur, der Art des Copolymeren und der
Copolymerzusammensetzung frei variiert werden kann, kann die
selektive Reflexionswellenlänge vom UV-Bereich zum
Infrarotbereich frei variiert werden.
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(2) Die Spektralbreite des Lichts der selektiven
Reflexionswellenlänge, die vom Gangabstand abhängt, ist
äußerst schmal.
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(3) Da das cholesterische Flüssigkristall durch
Maßnahmen wie rasches Abkühlen völlig immobilisiert werden
kann, besteht kein Bedarf, komplizierte Verfahren wie
die Polymerisation eines als Lösungsmittel verwendeten
Monomeren durchzuführen, wie sie für die
Immobilisierung eines lyotropen Flüssigkristalls erforderlich
sind.
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(4) Der immobilisierte Flüssigkristall ist bei einer
niedrigeren Temperatur als der, die für die Umwandlung
zum cholesterischen Flüssigkristall erforderlich ist,
extrem stabil.
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(5) Nach der Immobilisierung kann die Verschiebung zu
einem anderen Gangabstand, d.h. einer anderen
selektiven Reflexionswellenlänge, ganz einfach durch Erhitzen
auf eine Temperatur über der Umwandlungstemperatur
erfolgen.
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Das in der Erfindung verwendete Copolymer kann durch
verschiedene Verfahren hergestellt werden, z.B. das
NCA-Verfahren, das in der technischen Sparte, zu der
die Erfindung gehört, bekannt ist. Spezifisch kann das
in der Erfindung verwendete Copolymer durch die
Copolymerisation von zwei vorher festgelegten Arten von
wasserfreien N-Carboxyglutaminsäure-y-estern (NCA)
hergestellt werden. Alternativ kann das Copolymer
bevorzugt durch die Synthese eines Polymeren wie eines
Poly(y-methyl-L-glutamats) oder
Poly(y-benzyl-L-glutamats) und einen Esteraustausch in einem Teil der
Estergruppen im Polymer unter Verwendung eines vorher
festgelegten Alkohols hergestellt werden.
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Das Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen
optischen Filters wird nachstehend beschrieben. Wenn
der cholesterische Gangabstand des Copolymeren mit p,
der durchschnittliche Brechungsindex mit n, der Winkel
des Lichteinfalls auf die Fläche der schraubenförmigen
Fläche des cholesterischen Flüssigkristalls mit θ und
die selektive Wellenlänge mit λ bezeichnet wird, gilt
folgendes Verhältnis:
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λ = n p.sinθ
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In diesem Fall wird für einfallendes Licht ein
rechtszirkular polarisiertes Licht (wenn die schraubenförmige
Achse im Uhrzeigersinn verläuft, d.h. das Polymer ein
L-Isomer ist) der Wellenlänge λ oder ein linkszirkular
polarisiertes Licht (wenn die schraubenförmige Achse
dem Uhrzeigersinn entgegen läuft, d.h. das Polymer ein
D-Isomer ist) reflektiert. Deshalb kann man theoretisch
ein zirkular polarisierendes Filter, das 50 % des
einfallenden Lichts der Wellenlänge λ reflektieren kann,
durch Verwendung eines Films erhalten, das entweder aus
einem rechtsdrehenden Polymer oder einem linksdrehenden
Polymer hergestellt wurde.
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Darüber hinaus läßt sich ein Fallenfilter, der nahezu
das ganze Licht der Wellenlänge λ (= λ A = λ B)
reflektieren (d.h. abschneiden) kann, dadurch herstellen,
daß man zwei Arten von Copolymeren auswählt, deren
Gangabstände pA bzw. pB, die durchschnittlichen
Brechungsindices nA bzw. nB und die selektiven
Reflexionswellenlängen λA bzw. λB betragen, und deren optische
Drehungen einander so entgegenstehen, daß folgendes
Verhältnis eintritt (bei dem der Winkel des
Lichteinfalls mit 90º angenommen wird):
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λA = λB = nA pA = nB pB
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und die jeweils aus den gewählten Copolymeren
hergestellten Filme laminiert.
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Die Leistung eines optischen Filters wird durch den
Reflexionsgrad und die Spektralbreite bestimmt. Die
wichtigen Faktoren, die den Reflexionsgrad und die
Spektralbreite bestimmen, liegen im Grad der Steuerung
der cholesterischen Struktur (d.h. wie vollständig die
cholesterische Struktur ausgebildet ist) und wie
vollständig die ausgebildete cholesterische Struktur
immobilisiert wird. Je höher der Ausbildungsgrad und der
Immobilisierungsgrad der cholesterischen Struktur sind,
desto weiter nähert sich der Reflexionsgrad (der Grad
des Abschneidens) einer spezifischen Wellenlänge 100 %
und desto schärfer wird die Spektralbreite. Wie
vorstehend erwähnt, ist es eine weitere Aufgabe der
Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung eines optischen
Filters zur Verfügung zu stellen, das einen
ausreichenden Grad an Reflexion und ein scharfes Spektrum zur
Verfügung stellen kann. Bei dem erfindungsgemäßen
Verfahren
wird ein D-Glutamatpolymer zuerst für einen
vorher festgelegten Zeitraum auf eine Temperatur über dem
Schmelzpunkt erhitzt und dann durch Aufbringen einer
Scherkraft wie durch Kompression, Walzen oder Recken
vororientiert. Anschließend wird das Copolymer, während
die Scherkraft noch wirkt oder nachdem sie weggenommen
wurde, für einen vorher festgelegten Zeitraum bei einer
solchen Temperatur erhitzt, daß es zur Ausbildung eines
cholesterischen Gangabstandes kommt, der die
beabsichtigte selektive Reflexionswellenlänge aufweist, und der
cholesterische Flüssigkristall dadurch ausreichend
wächst. Ein Film, der 100 % des linkszirkular
polarisierten Licht der Wellenlänge reflektieren kann, d.h.
50 % der gesamten Lichtmenge der Wellenlänge, wird
dadurch hergestellt, daß man den cholesterischen
Flüssigkristall rasch mit Wasser oder Luft kühlt, um ihn zu
immobilisieren. Dann wird ein Film, der 100 % des
rechtszirkular polarisierten Lichts der gleichen
Wellenlänge wie vorstehend erwähnt reflektieren kann, d.h.
50 % der gesamten Lichtmenge der Wellenlänge, auf die
gleiche Weise wie vorstehend erwähnt aus einem
L-Glutamatpolymeren hergestellt. Die beiden auf eine solche
Weise hergestellten Filme, daß das vorstehende
Verhältnis, d.h. nA pA = nB pB, erfüllt wird, werden so
laminiert, daß die optischen Achsen parallel zueinander
liegen, wodurch man ein Filter erhält, das 100 % des
Lichts einer spezifischen Wellenlänge scharf
abschneiden kann. Das wichtigste charakteristische Merkmal des
erfindungsgemäßen Verfahrens liegt darin, daß die
Vororientierung eines Copolymeren durch Aufbringen einer
Scherkraft bei einer Temperatur über dem Schmelzpunkt
erfolgt und das vororientierte Copolymer ausreichend
erhitzt wird, um die cholesterische
Flüssigkristallstruktur wachsen zu lassen, ehe sie durch raschen
Abkühlen immobilisiert wird, Ein Filter, das das Licht
einer spezifischen Wellenlänge mit einem Reflexionsgrad
von im wesentlichen 100 % scharf abschneiden kann, kann
durch die vorstehenden Schritte hergestellt werden.
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Das Verfahren zum Aufbringen einer Scherkraft bei der
Vororientierung umfaßt Preßformen, Walzen mit
Reduktionswalzen oder Recken unter Spannung. Obwohl die für
die Vororientierung erforderliche Zeit im allgemeinen 1
Minute bis 1 Stunde beträgt, reichen 5 bis 15 Minuten
vor die Vororientierung aus und werden unter dem
Gesichtspunkt der Einfachheit des Schrittes bevorzugt.
Die Zeit, die erforderlich ist, um den cholesterischen
Flüssigkristall durch Erhitzen nach der Vororientierung
wachsen zu lassen, beträgt bevorzugt 10 Minuten bis 5
Stunden, noch bevorzugter 30 Minuten bis 3 Stunden.
Beträgt der Zeitraum weniger als 10 Minuten, ist die
Bildung der cholesterischen Struktur nicht ausreichend,
was zu einer ungenügenden Leistung des dabei
entstehenden Filters führt. Ist die Zeit andererseits länger als
5 Stunden, dauert es nicht nur sehr lange, ein
optisches Filter herzustellen, sondern die einmal
hergestellte cholesterische Struktur kann eine
unvorteilhafte Fehlordnung annehmen.
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Bei der Herstellung eines Filters aus einem
Glutamatpolymeren durch das vorstehende Verfahren wird
bevorzugt, den Polymerfilm sandwichartig zwischen zwei
andere transparente Filme zu legen. In diesem Fall
besteht das Filter aus einem Verbundfilm aus drei
Schichten mit einer oberen und einer unteren Schicht
aus einem transparenten Film und einer als Filter
dienenden Zwischenschicht. Die obere und untere Schicht
dienen nicht nur dazu, die Festigkeit und die
Widerstandsfähigkeit gegen Umwelteinflüsse wie Feuchtigkeit
zu erhöhen, sondern auch um die Filterschicht vor Staub
usw. zu schützen. Bei der Herstellung des Verbundfilms
kann die Vororientierung entweder durchgeführt werden,
nachdem ein Copolymer zwischen die zwei transparenten
Filme gelegt wurde, oder ein bereits vororientiertes
Glutamatcopolymer wird zwischen zwei transparente Filme
gelegt und der spätere Film auf den so hergestellten
Verbundfilm aufgebracht. Der zu diesem Zweck verwendete
Film kann jeder mit hoher Transparenz sein, z.B.
Polystyrol, Polymethylmethacrylat, Polycarbonat,
Polyethylenterephthalat, Polypropylen, Poly(4-methyl-pent-1-en)
sowie anorganisches Glas.
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Ein Filmpaar, das einen darauflammierten Polymerfilm
aus dem D-Isomeren und einen Polymerfilm aus dem L-
Isomeren umfaßt und das Licht einer spezifischen
Wellenlänge selektiv abschneiden kann, und ein
Verbundfilm aus einem vorstehend erwähnten Filmpaar, das
sandwichartig zwischen die anderen beiden transparenten
Filme gelegt wurde, dient als Fallenfilter. Darüber
hinaus kann man ein Multifallenfilter erhalten, wenn
man eine Vielzahl von Filmpaaren laminiert, die jeweils
Licht einer anderen Wellenlänge so reflektieren können,
daß die optischen Achsen parallel zueinander liegen.
Außerdem kann man ein Bandpaßfilter herstellen, wenn
man eine Anzahl von Filmpaaren so laminiert, daß ein
spezifischer Wellenlängenbereich passieren kann und
alle anderen Wellenlängenbereiche abgeschnitten werden.
Verschiedene optische Geräte lassen sich durch die
Kombination des vorstehenden Zirkularpolfilters,
Fallenfilters oder Bandpaßfilters mit anderen transparenten
Filmen, transparenten Platten, Farbfiltern,
farbpolarisierten Platten, polarisierten Platten sowie Platten
für die halbe und die viertel Wellenlänge herstellen.
Detaillierte Beschreibung
der bevorzugten Ausführungsformen
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Das erfindungsgemäße optische Filter wird nachstehend
anhand der Beispiele näher beschrieben. Diese dürfen
nicht so ausgelegt werden, daß sie den Rahmen der
Erfindung einschränken.
Bezugsbeispiel 1
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20 g Poly(y-benzyl-L-glutamat) (Molekulargewicht 15000;
durchschnittlicher Polymerisationsgrad 69), das durch
das NCA-Verfahren hergestellt worden war, wurde in 1,2-
Dichlorethan aufgelöst. Der so entstandenen Lösung
wurden 150 ml n-Dodecylalkohol und 5 g
p-Toluolsulfonsäure zugesetzt. Man ließ die Reaktion 15 Stunden bei
60ºC ablaufen. Das Reaktionsgemisch wurde in eine große
Menge Methanol gegossen, um das gebildete Polymer
auszufällen. Das Polymer wurde filtriert und getrocknet.
Anschließend wurde das Polymer erneut in
1,2-Dichlorethan aufgelöst, wieder mit Methanol ausgefällt,
filtriert und getrocknet. Dabei erhielt man ein
gereinigtes y-Benzyl-L-glutamat/y-Dodecyl-L-glutamat-Copolymer.
Das Verhältnis des Benzylesters zum Dodecylester im
Copolymer wurde durch NMR bestimmt und betrug 61 : 39.
Bezugsbeispiel 2
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Ein
y-Benzyl-D-glutamat/y-Dodecyl-D-glutamat-Copolymer wurde unter Verwendung von
Poly(y-benzyl-D-glutamat) (Molekulargewicht 16000; durchschnittlicher
Polymerisationsgrad 73) durch das NCA-Verfahren genauso wie
in Bezugsbeispiel 1 hergestellt. Das Verhältnis des
Benzylesters zum Dodecylester im Copolymer wurde durch
NMR ermittelt und betrug 62 : 38.
Beispiel 1
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1,2 g des in Bezugsbeispiel 1 hergestellten y-Benzyl-L-
glutamat/y-Dodecyl-L-glutamat-Copolymeren wurden
zusammen mit einem Abstandhalter von 80 um im
Mittelteil zwischen zwei Filme von 18 cm x 7 cm x 20 um, die
jeweils aus Polyethylenterephthalat hergestellt waren,
gelegt, bei 128ºC 10 Minuten mit einer
Laborpreßformmaschine preßgeformt und zum raschen Abkühlen in Wasser
gegossen. Anschließend wurden auf den so entstandenen
Film vom Sandwichtyp 1,2 g des in Bezugsbeispiel 2
hergestellten y-Benzyl-D-glutamat/y-Dodecyl-D-glutamat-
Copolymeren gelegt. Ein PET-Film mit der gleichen Größe
und Dicke wie die vorstehend verwendeten wurde mit
Hilfe eines 80 um dicken Abstandhalters auf das Copolymer
gelegt und bei 128ºC 20 Minuten preßgeformt, um einen
Verbundfilm herzustellen. Der Verbundfilm wurde in
Wasser gegossen, damit er rasch abkühlen konnte. Der so
erhaltene Film wurde in kleine Stücke von 3 cm x 7 cm
geschnitten. Die kleinen Stücke wurden 2 Stunden in
einem auf einer vorher festgelegten Temperatur
gehaltenen thermostatischen Luftofen erhitzt und dann
zum raschen Abkühlen in Wasser geschüttet.
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Die Spektraleigenschaften des so erhaltenen Filters
wurden ermittelt. Tabelle 1 zeigt die Ergebnisse.
Tabelle 1
Erhitzungstemperatur (ºC)
Selektive Reflexions-Wellenlänge (nm)
Reflexionsgrad (%)
Halbwertbreite des des Spektrums (um)
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Wie aus Tabelle 1 hervorgeht, wies der in diesem
Beispiel hergestellte Verbundfilm bei jeder Wellenlänge
eine scharfe Reflexion auf. Es bestätigte sich, daß er
als ausgezeichnetes Fallenfilter mit einem
Reflexionsgrad (Abschneidungsgrad des Lichts) von 90 % oder mehr
verwendbar war.
Beispiel 2
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Wenn der Film mit einer selektiven
Reflexionswellenlänge von 756 nm, der durch Erhitzen bei 154ºC in
Beispiel 1 hergestellt worden war, 2 Stunden in einem auf
128ºC gehaltenen thermostatischen Luftofen erhitzt
wurde, verschob sich die selektive
Reflexionswellenlänge des Films auf 428 nm, und der Film wies eine
ausgezeichnete Leistung auf, d.h. eine Halbwertbreite von
21 nm und einen Reflexionsgrad von 92 %. Wie aus den
vorstehenden Ausführungen hervorgeht, war
festzustellen, daß die Verschiebung von einer bestimmten
spezifischen selektiven Reflexionswellenlänge auf eine andere
selektive Reflexionswellenlänge ganz einfach durch
Erhitzen erfolgen konnte.
Bezugsbeispiel 3
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20 g Poly(y-Methylyl-L-glutamat) (Molekulargewicht
150000; durchschnittlicher Polymerisationsgrad: 1050)
wurde in 300 ml eines gemischten Lösungsmittels aus
1,2-Dichlorethan und Tetrachlorethylen (8 / 2)
aufgelöst. Zu der dabei entstehenden Lösung gab man 100 ml
n-Hexanol und 5 g p-Toluolsulfonsäure. Dann ließ man
die Reaktion 20 Stunden bei 60ºC ablaufen. Die
Reaktionsmischung wurde in eine große Menge Methanol
gegossen, um das gebildete Polymer auszufällen. Das
Polymer wurde gesammelt und getrocknet. Anschließend
wurde das Polymer erneut in 1,2-Dichlorethan aufgelöst,
wieder mit Methanol ausgefällt, filtriert und
getrocknet. Dabei erhielt man ein gereinigtes
y-Methyl-L-glutamat/y-Hexyl-L-glutamat-Copolymer. Das Verhältnis
des Methylesters zum Hexylester im Copolymeren wurde
durch NMR ermittelt und betrug 51 : 49.
Beispiel 3
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Ein Sandwichfilm wurde unter Verwendung von 1,2 g des
in Bezugsbeispiel 3 erhaltenen Copolymeren hergestellt,
indem man das Copolymer zwischen zwei PET-Filme legte
und es bei 168ºC auf die gleiche Weise wie in Beispiel
1 10 Minuten formpreßte. Anschließend wurde der
Sandwichfilm 2 Stunden bei 173ºC in einem Thermostatofen
erhitzt und rasch abgekühlt, um einen Verbundfilm zu
erhalten. Der Verbundfilm reflektierte 45 % des Lichts
von 400 nm Wellenlänge. In diesem Zusammenhang
bestätigte sich, daß das reflektierte Licht rechtszirkular
polarisiert und das durchgelassene Licht linkszirkular
polarisiert war. Wie aus den vorstehenden Ausführungen
hervorgeht, zeigte sich, daß der in diesem Beispiel
hergestellte Film ausgezeichnete Eigenschaften als
Zirkularpolfilter aufwies.
Bezugsbeispiel 4
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20 g Poly(y-butyl-L-glutamat) (Molekulargewicht 21000;
durchschnittlicher Polymerisationsgrad: 115), das durch
das NCA-Verfahren hergestellt worden war, wurden in
1,2-Dichlorethan aufgelöst. Der dabei entstehenden
Lösung setzte man 150 ml n-Dodecylalkohol und 5 g p-
Toluolsulfonsäure zu. Dann ließ man die Reaktion 20
Stunden bei 60ºC ablaufen. Die Reaktionsmischung wurde
auf die gleiche Weise wie in Bezugsbeispiel 1
behandelt, um ein y-Butyl-L-Glutamat/y-Dodecyl-L-glutamat-
Copolymer zu erhalten. Das Verhältnis des Butylesters
zum Dodecylester im Copolymer wurde durch NMR ermittelt
und betrug 40 : 60.
Bezugsbeispiel 5
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Ein y-Butyl-D-glutamat/y-Dodecyl-D-glutamat-Copolymer
wurde unter Verwendung von Poly(y-butyl-D-glutamat)
(Molekulargewicht: 20000, durchschnittlicher
Polymerisationsgrad: 108) auf die gleiche Weise wie in
Bezugsbeispiel 4 hergestellt. Das Verhältnis von Butylester
zu Dodecylester im Copolymeren wurde bestimmt und
betrug 40 : 60.
Beispiel 4
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1,0 g des in Bezugsbeispiel 4 erhaltenen Copolymeren
wurde mittels eines 40 um dicken Abstandhalters zwischen
zwei 18 cm x 7 cm x 40 um Filme gelegt, die jeweils aus
Polymethylpenten bestanden, mit einer Laborpreßmaschine
20 Minuten bei 110ºC preßgeformt und zur raschen
Abkühlung in Wasser geschüttet. Anschließend wurde auf
den dabei entstehenden Sandwichfilm 1,2 g des in
Bezugsbeispiel 5 hergestellten Copolymeren gelegt. Ein
weiterer Polymethylpentenfilm der gleichen Größe und
Dicke wie die vorstehend verwendeten wurde durch einen 40
um dicken Abstandhalter auf das Copolymer gelegt und 20
Minuten bei 110ºC preßgeformt, um einen Verbundfilm
herzustellen. Der Verbundfilm wurde zur raschen Abkühlung in
Wasser geschüttet. Der so erhaltene Film wurde in kleine
Stücke von 3 cm x 7 cm geschnitten. Diese wurden in einem
thermostatischen Luftofen, der auf einer vorher
festgelegten Temperatur gehalten wurde, 2 Stunden erhitzt und
dann zur raschen Abkühlung in Wasser geschüttet.
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Die Spektraleigenschaften des so erhaltenen Filters
wurden ermittelt. Tabelle 2 zeigt die Ergebnisse.
Tabelle 2
Erhitzungstemperatur (ºC)
Selektive Reflexions-Wellenlänge (nm)
Reflexionsgrad (%)
Halbwertbreite des des Spektrums (um
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Wie aus Tabelle 2 hervorgeht, erwies sich der in diesem
Beispiel hergestellte Verbundfilm als ausgezeichnetes
Filter, das nicht nur ein scharf es Reflexionsspektrum
und einen zufriedenstellenden Abschneidungsgrad des
Lichts hatte, sondern auch ausgezeichnete Eigenschaften
im nahen Infrarotbereich aufwies.
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Das erfindungsgemäße optische Filter, das im
wesentlichen aus einem Glutamatcopolymeren mit den
thermotropen Flüssigkristalleigenschaften von Cholesterin
besteht, dient als Zirkularpolfilter, das selektiv
entweder nur ein rechtszirkular polarisiertes Licht oder ein
linkszirkular polarisiertes Licht einer spezifischen
Wellenlänge mit hoher Wirksamkeit reflektiert oder
durchläßt, wenn man es allein verwendet. Darüber hinaus
kann das erfindungsgemäße optische Filter als
Fallenfilter eingesetzt werden, das selektiv das Licht einer
spezifischen Wellenlänge abschneidet, wenn man zwei
Filme mit entgegengesetzter optischer Drehung bezüglich
der gleichen Wellenlänge so laminiert, daß die
optischen Achsen parallel zueinander liegen. Darüber hinaus
kann das erfindungsgemäße optische Filter als
Bandpaßfilter dienen, das das Licht einer spezifischen
Wellenlänge durchläßt, wenn man zahlreiche Filmpaare mit
verschiedenen Reflexionswellenlängen so laminiert, daß ein
bestimmter Wellenlängenbereich durchgelassen und alle
anderen Wellenlängenbereiche abgeschnitten werden
können.
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Da das erfindungsgemäße optische Filter im wesentlichen
aus einem Glutamatcopolymeren mit den thermotropen
Flüssigkristalleigenschaften von Cholesterin besteht, ist es
dem optischen Filter, das aus einem Polyglutamat mit den
lyotropen Flüssigkristalleigenschaften von Cholesterin
besteht, insofern überlegen, als bei seiner Herstellung
keine komplizierten Verfahren durchgeführt werden müssen,
die selektive Reflexionswellenlänge durch einfache
Veränderung der Erwärmungstemperatur frei zu steuern ist und
die cholesterische Struktur durch ein rein physikalisches
Verfahren, d.h. Abkühlung, einfach immobilisiert werden
kann. Außerdem ist es möglich, die selektive
Reflexionswellenlänge von einer bestimmten Wellenlänge auf eine
andere zu verschieben, indem man das Filter einfach bei
einer anderen Temperatur erhitzt und dann rasch abkühlt.
Da ein Polymer mit thermotropen
Flüssigkristalleigenschaften verwendet wird, kann die cholesterische
Flüssigkristallstruktur durch Anwendung einer Scherkraft
vollständig orientiert werden, was zu ausgezeichneten
Spektraleigenschaften führt, d.h. einem vollständigen
Abschneidungsgrad von Licht (oder Durchlässigkeit) und
einem scharfen Spektrum des dabei entstehenden Filters.
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Wie aus den vorstehenden Ausführungen hervorgeht, weist
das erfindungsgemäße optische Filter nicht nur
ausgezeichnete Spektraleigenschaften auf und kann als
Vielzweckfilter verwendet werden, es ist auch industriell von
hohem Wert, weil es sich mit niedrigen Kosten einfach
herstellen läßt und vorteilhaft als Fallenfilter für ein
Farbdisplay, Verzweigungsfilter in der optischen
Kommunikation, Lichtisolator, Halbspiegel usw. verwenden läßt.