DE3811334A1 - Fluessigkristallin-elastomere bauelemente - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft optische Bauelemente, die im wesentlichen aus flüssigkristallinen Elastomeren be­ stehen, ein Verfahren zu ihrer Herstellung sowie deren Anwendung in der Integrierten Optik.

Das schnelle Wachstum der Integrierten Optik macht die Entwicklung neuer optischer Bauelemente wie Schalter, Modulatoren, Koppler und Polarisatoren notwendig. Solche Elemente finden Anwendung in der optischen Datenüber­ tragung und optischen Sensortechnik.

Zu ihrer Herstellung sind Materialien notwendig, in denen in möglichst einfacher Weise optische Strukturen erzeugt werden können.

In diesem Zusammenhang haben Flüssigkristallmaterialien aufgrund ihrer vielfältigen geeigneten physikalischen und chemischen Eigenschaften eine immer breiter werdende technische Anwendung gefunden. Unter dem Einfluß elek­ trischer Felder können beispielsweise Lichtabsorption, Lichtstreuung, Doppelbrechung, Reflexionsvermögen oder die Farbe verändert werden.

Vor einiger Zeit ist es nun gelungen, Polymere zu erzeugen, in denen die Strukturprinzipien flüssigkristalliner Ver­ bindungen realisiert sind. Inzwischen sind lineare und laterale Flüssigkristallhauptketten- und -seitenketten - polymere synthetisiert und untersucht worden (H. Finkel­ mann, Angew. Chem. 99, 840 (1987)).

Flüssigkristalline Seitenkettenpolymere lassen sich in elektrischen Feldern dadurch orientieren, daß das Polymer oberhalb der Glastemperatur einem elektrischen Wechsel­ feld ausgesetzt wird (V.P. Shibaev et al., Polymer Com­ munications 24, 364 (1983)) , was zu einer Ausrichtung der mesogenen Gruppen führt.

Diese feldinduzierte Orientierung läßt sich einfrieren, indem das Polymer im Feld unter die Glastemperatur abge­ kühlt wird. Die Orientierung bleibt dann auch nach Ab­ schalten des elektrischen Feldes stabil.

Ausgerichtete flüssigkristalline Polymerfilme zeichnen sich gegenüber der nicht ausgerichteten Umgebung durch ihre optische Transparenz und unterschiedliche Doppel­ brechung aus.

In M. Piskunov, et al., Makromol.Chem., Rapid Communi­ cations 3, 443 (1982) wird ein Verfahren beschrieben, um nematische flüssigkristalline Seitenkettenpolymere in magnetischen Feldern auszurichten.

H. Finkelmann et al. in Mol.Cryst.Liq.Cryst. 92, 49 (1983) beschreiben die Orientierung von dünnen Filmen nematischer flüssigkristalliner Seitenkettenpolymerer an Oberflächen analog der Oberflächenorientierung niedermolekularer Flüssigkristalle. Diese Oberflächenorientierung gelingt nur bei Temperaturen knapp unterhalb des Klärpunktes und erfordert eine sehr lange Temperierdauer.

H.J. Coles und R. Simon (Polymer 26, 1801 (1985)) be­ schreiben die Verwendung flüssigkristalliner Seiten­ kettenpolymerer als optische Speichermedien.

Von großem Interesse sind dipolar orientierte polymere Flüssigkristalle zur Herstellung nichtlinear optischer Bauteile. Meredith et al. (Macromolecules 15, 1385 (1982)) beschreiben ein Verfahren zur Herstellung dipolar orien­ tierter Filme eines flüssigkristallinen Polymers, dotiert mit dem NLO-Chromophor DANS.

Von besonderem anwendungstechnischem Interesse ist die funktionelle Integration nichtlinear optischer Komponenten mit optischen Wellenleiterstrukturen für Anwendungen in der optischen Nachrichtentechnik sowie der optischen Sig­ nalverarbeitung und Speicherung. In der Internationalen Offenlegungsschrift WO 87/06 019 wird die Verwendung smek­ tischer niedermolekularer Flüssigkristalle für die Her­ stellung optischer Bauteile beschrieben. Durch Ausrichten eines Teiles des Flüssigkristallfilms lassen sich Bre­ chungsindexmuster in den Flüssigkristall einschreiben, die als Lichtwellenleiter und Beugungsgitter Verwendung finden.

Werden in einem flüssigkristallinen Polymer die Polymer­ ketten durch bifunktionelle Moleküle miteinander verknüpft, so erhält man Polymernetzwerke mit mesogenen Seitengruppen, die flüssigkristalline Elastomere genannt werden. Bei diesen Materialien sind oberhalb der Glastemperatur zwar die Kettensegmente und mesogenen Gruppen beweglich, das Material als solches behält jedoch infolge der Vernetzung seine Formstabilität. Das besondere Interesse an diesen flüssigkristallinen Elastomeren gilt ihrer Orientierbar­ keit mittels mechanischer Einwirkung. Legt man beispiels­ weise an einen Elastomerfilm oberhalb der Glastemperatur im flüssigkristallinen Zustand eine Zugspannung an, so orientieren sich die Längsachsen der mesogenen Seiten­ gruppen parallel zu einer Vorzugsrichtung. Kühlt man den Film unter die Glastemperatur ab und entlastet ihn da­ nach, so bleibt die Orientierung dauerhaft erhalten. (J. Schätzle, H. Finkelmann, Mol.Cryst.Liq.Cryst. 142, 85 (1987)). Die mechanische Deformation der Elastomere hat also auf die Orientierung der flüssigkristallinen Moleküle den gleichen Einfluß wie elektrische oder mag­ netische Felder auf die Orientierung niedermolekularer Flüssigkristalle oder nicht vernetzter flüssigkristal­ liner Polymere.

Es wurde nun gefunden, daß sich flüssigkristalline Ela­ stomere auch selektiv in abgegrenzten Bereichen (lokal) durch mechanische Einwirkung orientieren lassen. Man erhält auf diese Weise ein flüssigkristallines Elastomer mit lokal veränderter Doppelbrechung. Die so erhaltenen Materialien eignen sich deshalb aufgrund der selektiv erzielten Doppelbrechungsänderung in wählbaren Bereichen in vorzüglicher Weise zur Herstellung von optischen Bau­ elementen.

Dabei sind die für solche Elastomere typischen Eigen­ schaften, anisotropes Phasenverhalten und gleichzeitig Formbeständigkeit und Gummielastizität, von anwendungs­ technischer Bedeutung.

Gegenstand der Erfindung ist daher ein flüssigkristallines Elastomer mit lokal veränderter Doppelbrechung.

Gegenstand der Erfindung ist auch ein optisches Bau­ element, enthaltend ein flüssigkristallines Elastomer.

Gegenstand der Erfindung ist weiterhin ein Verfahren zur Herstellung von flüssigkristallinen Elastomeren, geeignet zur Verwendung in optischen Bauelementen, da­ durch gekennzeichnet, daß man das Elastomer im flüssig­ kristallinen Zustand lokal einer Schichtdickenänderung unterwirft, wobei in diesen Bereichen eine lokale Ver­ änderung der Doppelbrechung erfolgt.

Gegenstand der Erfindung ist schließlich die Verwendung von flüssigkristallinen Elastomeren in optischen Bauele­ menten sowie die Verwendung solcher Bauelemente in der Integrierten Optik.

Das Formelbild I zeigt zum besseren Verständnis schema­ tisch den Aufbau eines flüssigkristallinen Elastomers:

An einem Polymerrückgrat (1) sind die mesogenen Seiten­ gruppen (2) über flexible Spacer (3) terminal oder lateral (hier terminal dargestellt) gebunden. (4) stellt die vernetzende Einheit zwischen zwei benachbarten Poly­ merketten dar.

Für die vorliegende Erfindung eignen sich grundsätzlich alle Systeme, bei denen an ein Polymernetzwerk mesogene Gruppen als Seitengruppen gebunden sind und die zu einem flüssigkristallinen Phasenzustand des Elastomers führen. Geeignete Elastomere sind beispielsweise Polysiloxane (H. Finkelmann, et al. in Makromol.Chem. Rapid Commun. 5, 287 (1984) und J. Schätzle, H. Finkelmann, Mol.Cryst. Liq.Cryst. 142, 85 (1987)). Es können aber auch andere, dem Fachmann bekannte flüssigkristalline Elastomere ein­ gesetzt werden. Weiterhin sind Copolymere bevorzugt, die als Seitengruppen auch nicht-flüssigkristalline Chromo­ phore tragen.

Von den Elastomeren, die bei Raumtemperatur im Glaszustand vorliegen, sind diejenigen besonders bevorzugt, bei denen das Polymerrückgrat Polymethacrylat, -chloracrylat oder ein Polystyrolderivat ist. Bevorzugte Spacer sind Alkylen­ gruppen

n bedeutet vorzugsweise 1 bis 6, insbe­ sondere 3 bis 6. Im allgemeinen tritt bei Verkürzung der Spacerlänge eine Versteifung des Polymerrückgrates und damit eine Erhöhung der Glastemperatur ein. Von den meso­ genen Gruppen sind diejenigen bevorzugt, die zu einem hohen Klärpunkt führen, beispielsweise Gruppen mit 3 Aromaten.

Bevorzugte Elastomere, die bei Raumtemperatur im flüssig­ kristallinen Zustand vorliegen, sind solche mit Polyacry­ lat, Polysiloxan, Polyphosphaten als Polymerrückgrat sowie Copolymerisate mit nicht-flüssigkristallinen Chromophoren, die den Klärpunkt erniedrigen. Bei dieser Gruppe von Elastomeren ist die bevorzugte Spacerlänge n größer als 6, vorzugsweise liegt n im Bereich von 6 bis 18. Bevorzugte mesogene Gruppen sind solche mit langkettigen Resten in der Längsachse der mesogenen Einheit, beispielsweise Alkyl-, Alkoxy- und Oxaalkylgruppen mit bis zu 15 Ketten­ gliedern, die zur Erniedrigung des Klärpunktes führen.

Von den Elastomeren, die smektische oder nematische Phasen aufweisen, sind diejenigen bevorzugt, bei denen sich der Direktor bei Dehnung des Materials senkrecht beziehungs­ weise bei Kompression parallel zur Deformationsachse orien­ tiert.

Die Elastomere werden üblicherweise nach den in der Makromolekularen Chemie gängigen Verfahren, beispiels­ weise durch einfache, statistische Copolymerisation oder durch statistische polymeranaloge Additionsreaktionen mit polyfunktionellen Vernetzermolekülen hergestellt. Eine weitere, einfache Methode ist die Copolymerisation eines mesogenen Monomers mit einem funktionellen Comono­ mer zu einem flüssigkristallinen Copolymer, das in einem zweiten Reaktionsschritt durch einen Vernetzer in das Netzwerk überführt wird (R. Zentel, Liq.Cryst. 1, 589 (1986)).

Copolymere, in denen auch nicht-flüssigkristalline Chromo­ phore als Seitengruppen gebunden sind, sind anwendungs­ technisch von Bedeutung, um beispielsweise einen zu hohen Wert für die Doppelbrechung zu senken oder andere spezi­ fische Materialeigenschaften zu variieren.

Copolymere mit nichtlinear optische Eigenschaften auf­ weisenden Seitengruppen eignen sich als Materialien für die nichtlineare Optik. Alternativ dazu können auch flüssigkristalline Elastomere als Matrixpolymere mit darin gelösten niedermolekularen NLO-Chromophoren ver­ wendet werden. Weiterhin bevorzugt sind mit niedermole­ kularen Flüssigkristallen dotierte Elastomere zur Her­ stellung von Drucksensoren.

In einem bevorzugten, erfindungsgemäßen Verfahren wird ein 1.c.-Elastomerfilm (l.c.=liquid crystalline=flüssig­ kristallin), vorzugsweise ein makroskopisch einheitlich geordneter Film, bei einer Temperatur oberhalb seiner Glas­ temperatur und unterhalb seiner flüssigkristallin-isotropen Phasenumwandlungstemperatur (T _lc-i) auf einen Träger ge­ bracht, der in Form eines Stempels mechanische Erhebungen trägt. Die mechanischen Erhebungen können im µm-Bereich sein und die Konturen eines Wellenleiters wiedergeben. Bei der Kontaktierung Elastomer/Träger werden die Erhebungen des Trägers in die ursprünglich ebene Fläche des Elastomers übertragen. In Bereichen der so erzeugten Schichtdickenän­ derung des Elastomers wird lokal das Elastomer deformiert. Diese lokalen mechanischen Schichtdickenänderungen führen, je nach Lage der optischen Achse zur Grenzfläche des Ela­ stomers, zu einer lokalen Deformation der optischen Achse und damit zu einer lokalen Veränderung der Doppelbrechung des Elastomers. Diese lokalen Änderungen der optischen Achse bleiben bei Temperaturen unterhalb T_lc-i permanent erhalten und sind bei Temperaturen unterhalb der Glastem­ peratur des Elastomers dauerhaft und mechanisch stabil im Festzustand eingefroren.

Die makroskopische Orientierung der optischen Achse (n) des Elastomers kann durch mechanische Deformation des Elastomerfilms oder auch spontan erfolgen. Die Lage der optischen Achse(n) zur Grenzfläche eines Elastomerfilms wird sowohl durch die Richtung der mechanischen Defor­ mation des Films als auch durch die Phasenstruktur (ne­ matisch, smektisch) und die chemische Konstitution des Elastomers bestimmt.

Der Träger kann aus einem beliebigen Material bestehen, auf dessen Oberfläche die für die lokale Deformation des Elastomers notwendigen Erhebungen aufgebracht sind. Bevor­ zugte Trägermaterialien sind Glas oder Polymere wie Poly­ methylmethacrylat, Polystyrol oder Polycarbonat. Es können jedoch auch andere, dem Fachmann bekannte Materialien als Träger Verwendung finden. Die Erhebungen (oder Ver­ tiefungen) liegen im allgemeinen im µm-Bereich, z.B. 1-3 µm. Sie können jedoch auch größer dimensioniert sein. Dies hängt unter anderem von der Schichtdicke des Ela­ stomers ab. Zusätzlich können bei nicht-elektrisch lei­ tenden Trägern elektrisch leitfähige Bereiche durch kon­ ventionelle Techniken aufgebracht werden.

Je nach Beschaffenheit der Oberfläche des Elastomers oder des Trägers kann es bei der Kontaktierung Elastomer/ Träger zu einer Verklebung beider Materialien kommen oder aber eine Verklebung vermieden werden. Ist keine Verkle­ bung erwünscht, kann die Struktur der Trägeroberfläche in das Elastomer eingetragen und nach Absenkung der Tem­ peratur unterhalb der Glastemperatur der Träger entfernt werden. Die Oberflächenstruktur bleibt dann im Elastomer dauerhaft erhalten.

Anwendungsbeispiele hierfür sind die Herstellung von Preß­ lingen, Chips, Platten und Folien.

Die nach dem beschriebenen, erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten optischen Wellenleiter zeichnen sich durch niedrige Dämpfung aus und können somit vorteilhaft in passiven Bauelementen der Integrierten Optik, beispiels­ weise in Polarisatoren, Verwendung finden.

Optische Wellenleiter, die aus nichtzentrosymmetrisch aus­ gerichteten Elastomeren und nichtlinear optischen Komponen­ ten mit hohen Suszeptibilitäten 2. Ordnung bestehen, eignen sich zur Verwendung in optischen Isolatoren, Modulatoren, Kopplern, optischen Schaltern und Lichtventilen für die optische Nachrichtentechnik und Informationsspeicherung.

Optische Wellenleiter, bestehend aus Elastomeren und nichtlinear optischen Komponenten mit hohen Suszeptibili­ täten 3. Ordnung, können in Bauelementen für die optische Kommunikationstechnik und Informationsverarbeitung Ver­ wendung finden.

Weiterhin können nach dem erfindungsgemäßen Verfahren auch optische Speicher und holographische Gitter herge­ stellt werden.

Die folgenden Beispiele sollen die Erfindung erläutern, ohne sie zu begrenzen. Die angegebenen Spacerlängen be­ deuten die Zahl n des Spacers

Die Monomerenver­ hältnisse sind in Molprozent angegeben.

Beispiel 1

verwendetes Elastomer:

Ein makroskopisch vororientierter Film des Elastomers mit einer Schichtdicke von 50 µm wird auf 70°C erhitzt und auf einen Träger aus Glas gebracht, der eine mechanische Erhebung von 3 µm trägt, die die Konturen eines Wellen­ leiters wiedergibt. Anschließend wird auf Raumtemperatur abgekühlt. Man erhält einen Elastomerfilm mit lokal ver­ änderter Doppelbrechung, und zwar in den Grenzbereichen der Schichtdickenänderung. Somit sind in den ausgewählten Bereichen des Films gezielt Strukturen eingeschrieben. Dieses Material zeigt hervorragende Eigenschaften als Lichtwellenleiter.

Analog Beispiel 1 werden in folgende Elastomere Struk­ turen eingeschrieben.

Beispiel 2

4 Elastomere wie in Beispiel 1 beschrieben, jedoch mit den Spacerlängen 7, 8, 10 und 12.

Beispiel 3

4 Elastomere folgender Struktur mit Spacerlängen 6 und 11:

Beispiel 4

4 Elastomere folgender Struktur mit Spacerlängen 6 und 11:

Beispiel 5

4 Elastomere folgender Struktur mit Spacerlängen 6 und 11:

Beispiel 6

4 Elastomere folgender Struktur mit Spacerlängen 6 und 11:

Beispiel 7

5 Elastomere folgender Struktur [Monomerenverhältnisse nach H. Finkelmann et al. Makromol. Chem., Rapid Commun. 5, 287-293 (1984)] mit den Spacerlängen
3 (nematisch, Glastemperatur: 12°C, Klärpunkt: 59°C),
6 (smektisch, Glastemperatur: -5°C, Klärpunkt: 80°C),
8, 10 und 12.

Die Materialien gemäß den Beispielen 2 bis 7 zeigen eben­ falls gute bis hervorragende Eigenschaften als Lichtwellen­ leiter.

Claims (5)

1. Flüssigkristallines Elastomer, dadurch gekennzeichnet, daß es Bereiche mit lokal veränderter Doppelbrechung besitzt.

2. Optisches Bauelement, enthaltend ein flüssigkristal­ lines Elastomer.

3. Verfahren zur Herstellung von flüssigkristallinen Elastomeren, geeignet zur Verwendung in optischen Bauelementen, dadurch gekennzeichnet, daß man das Elastomer im flüssigkristallinen Zustand lokal einer Schichtdickenänderung unterwirft, wobei in diesen Bereichen eine lokale Veränderung der Doppelbrechung erfolgt.

4. Verwendung von flüssigkristallinen Elastomeren in optischen Bauelementen.

5. Verwendung von optischen Bauelementen nach Anspruch 2 in der Integrierten Optik.