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Die Erfindung bezieht sich auf ein
Verfahren zur Herstellung von beschichtbaren Datenschutzschirmen
mit einem lichtmodulierenden Material, das als Datenschutzschirm
verwendbar ist.
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Derzeit werden Informationen auf
Datenschutzschirmen mittels Permanent-Tinten dargestellt oder auf
elektronisch modulierten Oberflächen,
etwa Kathodenstrahl-Displays oder Flüssigkristall-Displays, angezeigt.
Andere Datenschutzschirm-Werkstoffe können magnetisch beschreibbare
Bereiche zur Aufnahme von Ticket- oder Finanzinformationen aufweisen,
wobei jedoch magnetisch aufgezeichnete Daten nicht sichtbar sind.
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In PCT/WO 97/04398 mit dem Titel
"Elektronisches Buch mit mehreren Anzeigeseiten" ist der Stand der
Technik in Bezug auf dünne,
elektronisch aufgezeichnete Datenschutzschirm-Anzeigetechnologien ausführlich beschrieben.
Beschrieben wird hier das Verbinden mehrerer Datenschutz-Anzeigeschirme,
zu einem "Buch", wobei jeder Datenschutzschirm Mittel zum individuellen
Adressieren jeder einzelnen Seite aufweist. Das Patent beschreibt
den Stand der Technik in Bezug auf die Herstellung dünner, elektronisch
aufgezeichneter Seiten, einschließlich flexibler Datenschutzschirme,
eines aus einem bistabilen Flüssigkristallsystem
gebildeten lichtmodulierenden Materials und dünner Metallleiter-Linien auf den
einzelnen Seiten.
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Ein für eine derartige Einrichtung
geeignetes Material wurde bereits in US-A-3 697 297 beschrieben.
Ein cholesterischer Flüssigkristallwerkstoff
wird in lichtdurchlässige
Gelatine und Gummiarabikum-Kapseln eingebettet, die als Beschichtung
auf einen Schirm aufgebracht werden. Der Schirm ändert seine Farbe, wenn auf
ihn eine ausreichend hohe Wärmeenergie
einwirkt, durch die das cholesterische Material klar wird.
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Die Herstellung flexibler, elektronisch
beschriebener Datenschutz-Anzeigeschirme unter Verwendung von Flüssigkristallwerkstoffen
wurde in US-A-4 435 047 beschrieben. Dabei weist ein erster Datenschutzschirm
transparente ITO-Leitbereiche auf, während Anzeigebereiche eines
zweiten Datenschutzschirms mit elektrisch leitenden Tinten bedruckt
sind. Die Datenschutzschirme können
aus dünnem
Glas bestehen, wurden vorzugsweise aber aus Mylar-Polyester hergestellt.
Auf den ersten Datenschutzschirm wird eine Dispersion eines Flüssigkristallwerkstoffs
in einem Bindemittel aufgebracht, und der zweite Datenschutzschirm
wird mit dem Flüssigkristallwerkstoff
verbunden. Dann wird an gegenüberliegende
leitende Bereiche ein elektrisches Potenzial angelegt, um den Flüssigkristallwerkstoff
zu aktivieren und Anzeigebereiche freizulegen. Verwendet werden
für die
Anzeige nematische Flüssigkristallwerkstoffe,
so dass bei Deaktivierung kein Bild mehr erscheint. Derzeit stellt
man Datenschutzschirme, auch Datenschutzfenster genannt, unter Ausnutzung
der Streueigenschaften herkömmlicher
nematischer Flüssigkristalle
her. Diese Werkstoffe müssen kontinuierlich
elektrisch aktiviert werden, wenn sie transparent bleiben sollen.
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US-A-5 437 811 beschreibt eine lichtmodulierende
Zelle mit einem polymerdispergierten chiralen nematischen Flüssigkristallmaterial.
Das chirale nematische Flüssigkristallmaterial
hat die Eigenschaft, dass es bei Aktivierung seinen Zustand zwischen
einem planaren Zustand, in dem es eine bestimmte sichtbare Lichtwellenlänge reflektiert,
und einem lichtstreuenden fokalkonischen Zustand ändert. Bei
diesem Aufbau kann bei Abwesenheit eines elektrischen Feldes einer
der gegebenen Zustände
aufrechterhalten werden.
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Es wurden bereits Verfahren zur Herstellung von
Polymertröpfchen
aus polymeren Vorläufern
in einer wässrigen
Suspension beschrieben, zum Beispiel in US-A-2 932 629. US-A-2 932
629 beschreibt ein koaleszenzbegrenztes Verfahren zum Ausbilden kugelförmiger Partikel
sehr gleichmäßiger Größe unter
Verwendung kolloidaler Partikel zur Begrenzung des Zusammenwachsens
kleiner Tröpfchen
zu großen
gleichmäßigen Bereichen.
Dabei wird die polymerisierbare Flüssigkeit in eine gegebene Körnchengröße gebracht,
wonach ein Katalysator die Polymerisationsreaktion zur Ausbildung
fester polymerer Körper
im Wesentlichen einheitlicher Größe bewirkt. Die
Technik der Herstellung einer gleichmäßigen Tröpfchengröße bei der Polymerisation durch
begrenzte Koaleszenz ist ferner in US-A-3 933 771, US-A-4 324 932 und US-A-4
833 060 beschrieben.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher,
ein Verfahren zur Herstellung eines Datenschutzschirms mit einem
maschinell aufbringbaren, polymerdispergierten, lichtmodulierenden
Werkstoff gleichmäßiger Domänengröße bereitzustellen.
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Eine weitere Aufgabe der Erfindung
besteht darin, einen Flüssigkristallwerkstoff
mittels eines koaleszenzbegrenzten Verfahrens zu dispergieren und die
Dispersion zur Herstellung einer dispergierten lichtmodulierenden
Schicht mit verbesserten optischen Eigenschaften für die Verwendung
in Datenschutzschirmen aufzubeschichten.
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Zur Begrenzung des Domänenwachstums aus
einem hochdispergierten Zustand heraus verwendet die Erfindung ein
kolloidales Feststoff Emulgiermittel. Es entstehen Flüssigkristall-Domänen gleichmäßiger Größe, die
zur Herstellung lichtmodulierender, elektrisch ansprechender Datenschutzschirme
mit verbesserter optischer Leistung maschinell aufbeschichtet werden.
Der Datenschutzschirm kann mittels preisgünstiger, effizienter Verfahren
zum Aufbringen fotografischer Schichten ausgebildet werden. Es besteht
die Möglichkeit,
eine große
Fläche des
Datenschutzschirmmaterials zu beschichten und anschließend daraus
Datenschutzschirme und Karten unterschiedlicher Art herzustellen.
Datenschutzschirme dieser Art sind preiswert, einfach und mittels kostengünstiger
Verfahren herstellbar.
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Die genannten Aufgaben werden erfüllt durch
ein Verfahren zur Herstellung eines lichtmoduierenden, elektrisch
ansprechenden Datenschutzschirms gemäß Anspruch 1.
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Die Erfindung ermöglicht die eiffziente Herstellung
flexibler Datenschutzschirme, die eine lichtmodulierende Schicht
mit Domänen
verbesserter optischer Eigenschaften aufweisen. Durch Änderung des
an der Schicht anliegenden Feldes können Informationen auf den
Datenschutzschirm geschrieben werden.
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Die Erfindung wird im folgenden anhand
eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
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Es zeigen:
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1A eine
geschnittene Ansicht eines bekannten Datenschutzschirms mit einer
Schicht eines polymerdispergierten Flüssigkristallwerkstoffs, die unter
Verwendung bekannter Dispersionsverfahren hergestellt wurde;
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1B eine
geschnittene Ansicht des Datenschutzschirms gemäß 1A mit anliegendem elektrischem Feld;
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2A eine
geschnittene Ansicht eines Datenschutzschirms mit polymerdispergiertem
Flüssigkristallwerkstoff,
der unter Verwendung erfindungsgemäßer koaleszenzbegrenzter Verfahren
hergestellt wurde;
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2B eine
Ansicht das Datenschutzschirms gemäß 2A mit
anliegendem elektrischem Feld;
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3 eine
Darstellung der sichtbaren Wirkungen bei Betrachtung von Text durch
den Datenschutzschirm bei unterschiedlicher Lichtdurchlässigkeit;
und
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4 eine
Kurve der Lichtdurchlässigkeit
in Abhängigkeit
von der Domänengröße von mittels herkömmlicher
Dispersionsverfahren bzw. koaleszenzbegrenzter Dispersionsverfahren
hergestellten nematischen Werkstoffen.
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1A zeigt
eine geschnittene Ansicht eines Bereichs eines Datenschutzschirms 10,
auf den ein herkömmliches,
polymerdispergiertes, lichtmodulierendes Material aufgebracht ist.
Der Datenschutzschirm 10 weist ein Substrat 15 auf.
Das Substrat 15 kann aus einem polymeren Material, etwa
einem aus Polyesterkunststoff bestehenden Filmträger des Typs Kodak Estar bestehen
und eine Dicke zwischen 20 und 200 Mikron aufweisen. Zum Beispiel
kann das Substrat 15 ein 80 Mikron dicker Datenschutzschirm aus
transparentem Polyester sein. Verwendbar sind aber auch andere Polymere,
etwa transparentes Polycarbonat. Alternativ kann das Substrat 15 aus
einem dünnen,
transparenten Glas bestehen.
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Über
dem Substrat 15 ist ein erster Leiter 20 ausgebildet.
Bei dem ersten Leiter 20 kann es sich um eine transparente,
elektrisch leitende Schicht aus Zinnoxid oder Indium-Zinn-Oxid (ITO)
handeln, wobei ITO als Material bevorzugt ist. Normalerweise wird der
erste Leiter 20 mit einem Widerstand von unter 250 Ohm/Flächeneinheit
durch Sputtern auf das Substrat 15 aufgebracht. Alternativ
kann der erste Leiter 20 ein aus einem Metall, zum Beispiel
Kupfer, Aluminium oder Nickel, gebildeter opaker elektrischer Leiter
sein. Wenn der erste Leiter 20 aus einem opaken Metall
besteht, kann zur Ausbildung eines lichtabsorbierenden ersten Leiters 20 ein
Metalloxid verwendet werden.
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Über
dem ersten Leiter 20 wird eine lichtmodulierende Schicht 30 aufgebracht.
Die lichtmodulierende Schicht 30 kann ein nematisches Flüssigkristallmaterial üblicher
Art enthalten. Das ausgewählte Material
sollte hohe optische und elektrische Anisotropie aufweisen und bei
elektrischer Orientierung des Materials dem Brechungsindex des Trägerpolymers
entsprechen. Als Beispiele derartiger Materialien sind Merck BL-03,
BL-048 oder BL-033 der Firma EM Industries, Hawthorne, NY, zu nennen.
Es können
jedoch auch andere lichtreflektierende oder lichtstreuende modulierende,
elektrisch aktivierbare Werkstoffe auflieschichtet werden, zum Beispiel
ein mikrogekapseltes elektrophoretisches Material in Öl.
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Bei einer Ausführungsform wird ein Flüssigkristallwerkstoff
in Wasser dispergiert, das ein wasserlösliches Bindemittel, etwa entionisierte
Gelatine, Polyvinylalkohol (PVA) oder Polyethylenoxid (PEO) enthält. Derartige
Verbindungen sind mit Geräten,
die in Verbindung mit fotografischen Filmen Verwendung finden, maschinell
auftragbar. Wichtig ist dabei, dass das Bindemittel einen niedrigen
Innengehalt aufweist. Die Anwesenheit von Ionen in einem solchen Bindemittel
behindert die Entwicklung eines elektrischen Feldes in dem dispergierten
Flüssigkristallwerkstoff
Außerdem
können
im Bindemittel enthaltene Ionen in Anwesenheit eines elektrischen
Feldes migrieren und die lichtmodulierende Schicht 30 chemisch
beschädigen.
Zur Optimierung der optischen Eigenschaften der lichtmodulierenden
Schicht 30 wird die Flüssigkristall-/Gelatine-Emulsion
in einer Dicke zwischen 5 und 30 Mikron aufgebracht. Die Beschichtungsdicke,
die Größe der Flüssigkristalldomänen und
die Konzentration der Domänen
der Flüssigkristallwerkstoffe
werden im Hinblick auf die bestmöglichen
optischen Eigenschaften gewählt.
Bisher wurde die Dispersion der Flüssigkristalle mit Hilfe von Scherwerken
oder anderen mechanischen Trenneinrichtungen bewirkt, um so Domänen 32 des
Flüssigkristalls
innerhalb der lichtmodulierenden Schicht 30 auszubilden.
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Auf die Oberfläche der lichtmodulierenden Schicht 30 wird
ein zweiter Leiter 22 aufgebracht. Der zweite Leiter 22 sollte
so leitfähig
sein, dass er ein Feld über
die lichtmodulierende Schicht 30 leiten kann. Der zweite
Leiter 22 kann im Vakuum unter Verwendung von Materialien
wie Aluminium, Zinn, Silber, Platin, Kohlenstoff, Wolfram, Molybdän oder Indium,
ausgebildet werden. Zum Dunkelfärben
der mit Mustern versehbaren leitfähigen Schicht 14 können Oxide
der genannten Metalle eingesetzt werden. Der Metallwerkstoff kann
durch Energie von einer Widerstandsheizung, einem Kathodenbogen,
Elektrodenstrahl, der Zerstäubung
oder Magnetronanregung aktiviert werden. Durch die Verwendung von Zinnoxid
oder Indium-Zinn-Oxid in der Beschichtung kann der zweite Leiter 22 transparent
gemacht werden. Alternativ kann der zweite Leiter 22 aus
gedruckter leitfähiger
Tinte, zum Beispiel Electrodag 423SS, einem auf Schirme druckbaren
elektrisch leitfähigem
Material der Acheson Corporation, bestehen. Derartige gedruckte
Materialien bestehen aus feinverteilten Graphitpartikeln in einem
thermoplastischen Kunstharz.
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Bei einer Versuchsreihe wurde der
nematische Flüssigkristallwerkstoff
BL-048 der EM Industries mittels üblicher Dispersionsverfahren
in entionisierter fotogafischer Gelatine dispergiert. Bei Veränderung
der Formel stellen die Homogenisier-Vorrichtungen (Ultraschall-
und Rotor/Stator-Mischer) Emulsionen unterschiedlicher Tröpfchengröße her.
Die Untersuchung mit dem Lichtmikroskop ergab, dass alle Emulsionen
eine breite Verteilung der Tröpfchengröße aufwiesen,
wobei der Durchmesser der Domänengröße im Verhältnis 10
: 1 variierte. Hergestellt wurden Dispersionen mit mittleren Größen von
etwa 1, 3, 5 und 9 Mikron im Durchmesser. Die Materialien wurden
auf Datenschutzschirme aus ITO-beschichtetem Polyester mit einer
Datenschutzschirm-Leitfähigkeit
von 160 Ohm/Flächeneinheit
aufgebracht. Nach dem Trocknen der Beschichtung ergab sich eine
9 Mikron dicke polymerdispergierte Flüssigkristallbeschichtung.
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In 1B wurde
der beschichtete Datenschutzschirm 10 mit dem vorstehend
besprochenen herkömmlichen
Dispersionsmittel mit einem zweiten Datenschutzschirm aus IT0-beschichtetem
Kunststoff verbunden, wodurch man einen zweiten Leiter 22 mit
klarer Oberfläche
erhielt. Zur Orientierung des Flüssigkristallwerkstoffs
in der lichtmodulierenden Schicht 30 wurde ein elektrisches
Feld 44 angelegt. Die Domänen richteten sich aus, und
der Datenschutzschirm 10 wurde transparent, bei minimalem Streulicht 42.
Mit Abschaltung des elektrischen Feldes 44 nahmen die Datenschutzschirme 10 wieder ihren
lichtdurchlässigen
Zustand an. Die selektive Annahme des lichtdurchlässigen Zustands
durch den Datenschutzschirm 10 ist nützlich für die in der bekannten Technik
beschriebene Herstellung von Datenschutzschirmen und Anzeigen.
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Die Domänen des getrockneten lichtmodulierenden
Materials wiesen Partikelgrößen auf,
deren Durchmesser im Verhältnis
von 10 : 1 variierten. So entstehen große Domänen 32 und kleine
Nebendomänen 34.
Die Nebendomänen 34 haben
gegenüber den
optimierten größeren Domänen 32 verringerte optische
Eigenschaften. Zum Vergleich der Wirksamkeit der Erfindung wurden
eine Reihe bekannter Beschichtungen und erfindungsgemäßer Beschichtungen
hergestellt. Die Textinformation wurde jeweils im gleichen Abstand
zu den erfindungsgemäß hergestellten
Beschichtungen und den bekannten Beschichtungen angeordnet. Die
beste Lichtdurchlässigkeit
der erfindungsgemäß hergestellten
Beschichtungen war höher
als beim Stand der Technik. 3 zeigt
ein Bild eines gegebenen Texts 50, das oben durch eine
hoch lichtdurchlässige
Beschichtung, in der Mitte durch eine Beschichtung mittlerer Lichtdurchlässigkeit
und unten durch eine Beschichtung niedriger Lichtdurchlässigkeitbetrachtet
wird.
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4 zeigt
Kurven der Lichtdurchlässigkeit 60 herkömmlicher
Dispersionen in Abhängigkeit
von der Domänengröße. Mit
zunehmender Domänengröße von 2
bis 10 Mikron steigt die effektive Lichtdurchlässigkeit des Datenschutzschirms
auf einen maximalen Wert an. Unterhalb von 10 Mikron haben die Domänen eine
verringerte Streuleistung. Die Beschichtungen verlieren dann an
Leistung, weil Nebendomänen 34 kleiner
sind als der optimale mittlere Durchmesser.
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Unter Verwendung koaleszenzbegrenzter Werkstoffe
und einer entsprechenden Verarbeitung zur Herstellung von Flüssigkristallwerkstoff-Emulsionen
gleichmäßiger Korngröße wurden
Datenschutzschirme 10 hergestellt. Hierzu wurde der Flüssigkristallwerkstoff
in Anwesenheit von feinverteiltem Siliziumdioxid, einem koaleszenzbegrenzenden
Material (LUDOX® der
duPont Corporation), homogenisiert. Dem wässrigen Bad wurde ein Beschleunigermaterial
zugesetzt, das die kolloidalen Partikel zur Flüssigkeits/Fiüssigkeits-Grenzfläche hin
trieb. Bei dem beschriebenen Beispiel wurde ein Copolymer von Adipinsäure und
2-(Methylamin-)Ethanol als Beschleuniger im wässrigen Bad verwendet. Der
Flüssigkristallwerkstoff
wurde mittels Ultraschall dispergiert, so dass man Flüssigkristalldomänen einer
Größe unter 1
Mikron erhielt. Nach dem Abschalten der Ultraschallenergie verschmolz
der Flüssigkristallwerkstoff zu
Domänen
gleichmäßiger Größe. Der
Verhältnis-zwischen
kleinster und größter Domäne variierte um
etwa 1 : 2. Durch Veränderung
der Siliziumdioxid- und Copolymer-Menge relativ zum Flüssigkristall werkstoff
wurden Emulsionen gleichmäßiger Domänengröße mit einem
(durch Mikroskopie bestimmten) mittleren Durchmesser von etwa 1,
3 und 8 Mikron hergestellt. Diese Emulsionen wurden für die nachfolgende
Beschichtung in einer Gelatinelösung
gelöst.
Zur Unterstützung
des Beschichtungsvorgangs wurden der Emulsion 0,10% Natrium-Triisopropylnaphthalen-Sulfonat
zugegeben.
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Die koaleszenzbegrenzten Materialien
wurden mittels eines Beschichtungsgeräts für fotografische Emulsionen
auf Polyester-Datenschutzschirme aufgebracht, die eine ITO-Beschichtung
mit einer Datenschutzschirm-Leitfähigkeit von 160 Ohm/Flächeneinheit
aufwiesen. Die Beschichtung wurde getrocknet, so dass sich eine
9 Mikron dicke polymerdispergierte cholesterische Beschichtung ergab. 2A zeigt eine geschnittene
Ansicht des Datenschutzschirms 10, in der Domänen 32 eines
koaleszenzbegrenzten Materials zu sehen sind, die ihre gleichmäßige Größe auch
nach der Zugabe des oberflächenwirksamen
Mittels und nach der maschinellen Beschichtungen beibehalten haben.
Innerhalb der trockenen Beschichtungen fanden sich nur wenige oder keine
Nebendomänen 34 (mit
unerwünschten
elektrooptischen Eigenschaften). In 2B wurden
die beschichteten Datenschutzschirme mit einem zweiten Datenschutzschirm
aus ITO-beschichtetem Kunststoff
verbunden, und es wurde zum Orientieren des Flüssigkristallwerkstoffs in der
lichtmodulierenden Schicht 30 ein elektrisches Feld 44 angelegt.
Die Domänen
richteten sich aus, und alle Datenschutzschirme wurden transparent.
Die vorliegende Erfindung erzeugt daher einen gleichmäßigen Satz
von Domänen,
die auf ein angelegtes elektrisches Feld ansprechen und daraufhin
ihren optischen Zustand ändern.
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Unter begrenzter Koaleszenz kann
verstanden werden, dass ein lichtmodulierendes Material auf eine
Größe unterhalb
einer gegebenen Größe dispergiert
wird und die Größe der erhaltenen
Domänen mittels
eines koaleszenzbegrenzenden Materials begrenzt wird. Derartige
Materialien sind gekennzeichnet durch ein Verhältnis zwischen maximaler und
minimaler Domänengröße, das
unter 2 : 1 liegt. Unter "gleichmäßigen Domänen" ist zu verstehen, dass
Domänen
mit Größenschwankungen
unterhalb von 2 : 1 gebildet werden. Werkstoffe mit begrenzten Domänen weisen
verbesserte optische Eigenschaften auf.
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Die dispergierbaren, lichtmodulierenden
Materialien werden so angelegt, dass das betreffende dispergierende
lichtmodulierende Material zu Domänen mit mindestens zwei optischen
Zuständen
zusammenwächst.
Der erste optische Zustand liegt vor, wenn kein elektrisches Feld
anliegt.
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Der zweite optische Zustand wird
durch Anlegen eines elektrischen Feldes bewirkt. Die Anordnung ist
derart getroffen, dass in einem der optischen Zustände die
lichtmodulierende Schicht transparent ist, während sie im anderen optischen
Zustand einen Benutzer daran hindert, durch den Datenschutzschirm
zu sehen, und damit einen geeigneten Datenschutz sicherstellt. Der
Grad der Transparenz kann je nach verwendeter relativer Materialmenge
variiert werden. Der Grad der Lichtbeschränkung kann auch in Abhängigkeit
von der verwendeten Materialmenge und auch von der Stärke des
angelegten elektrischen Feldes gewählt werden.
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4 zeigt
Kurven der Lichtdurchlässigkeit 60 bei
herkömmlicher
Dispersion und der Lichtdurchlässigkeit 62 bei
begrenzter Koaleszenz in Abhängigkeit
von der Domänengröße. Mittels
koaleszenzbegrenzter Verfahren hergestellte Beschichtungen mit einer
Domänengröße von etwa
2 Mikron wiesen die höchste
Lichtdurchlässigkeit
auf. Bei Anstieg der Domänengröße über 2 Mikron
hinaus sank die Lichtdurchlässigkeit
von mittels begrenzter Koaleszenz hergestellten Materialien. Bei
gleichbleibenden Materialkonzentrationen und Beschichtungsdicken
sind koaleszenzbegrenzte Materialien mit einer Domänengröße von etwa
2 Mikron wesentlich lichtdurchlässiger
als Domänen
jeder Größe, die
mittels herkömmlicher
Dispersion hergestellt wurden. Außerdem wurde bewiesen, dass
koaleszenzbegrenzte Dispersionen maschinell aufgebracht werden können und
ihre gleichmäßige Domänengröße dabei
aufrechterhalten bleibt.