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GEBIET DER
ERFINDUNG
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Die
Erfindung bezieht sich auf elektrisch schaltbare Teilchenvorrichtungen,
die ein System von Flocken oder Plättchen aus entweder polymeren
Flüssigkristallen
(PLC = polymer liquid crystals) oder doppelbrechenden Polymeren
(BP = birefringent polymers) verwenden, und zwar suspendiert in
einem flüssigen
Hostmedium (Wirtsmedium). Die Vorrichtungen gemäß der Erfindung sind auf folgenden
Gebieten verwendbar: Informationsanzeige, optische Informationsanzeigen,
photonische (photonic) Anzeigen einschließlich aber nicht beschränkt auf
reflektierende oder durchlässige
Informationsanzeigen, die in der Lage sind Farbschaltungen (color
switching) vorzunehmen und flexible Medien für die Informationsanzeige-Anwendungen
auf entweder flachen oder gekrümmten
Oberflächen
(beispielsweise großflächige Zeichen),
Automobilarmaturenbretter, aufrecht stehende Anzeigen (heads-up
displays) und "elektronisches
Papier". Die Erfindung
sieht auch verbesserte schaltbare und abstimmbare Vorrichtungen
für die
Farbmanipulation vor (d.h. schaltbare oder abstimmbare Farbfilter),
schaltbare und abstimmbare optische Verzögerungs- oder Modulationselemente für polarisiertes
Licht mit den gewünschten
Wellenlängen
oder gewünschter
Bandbreite, schalthare Mikropolarisierer, schaltbare "Smart Windows" entweder für Energie
oder Persönlichkeitsüberwachung,
schaltbare konforme Beschichtungen zur Verwendung in dekorativen
Anwendungen und schaltbare Beschichtungen für Anwendungen auf dem Gebiet
der militärischen
Sicherheit, der Tarnung, der Oberflächenreflexionssteuerung, der
Dokumentensicherheit, Antifälschung
und Objektkennzeichnung und Identifikation.
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HINTERGRUND
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Ein
beträchtlicher
Forschungsaufwand wurde auf Technologien gerichtet für Informationsanzeigen, wie
beispielsweise Flüssigkristallvorrichtungen,
feldemittierende Vorrichtungen, Plasmavorrichtungen, und kürzlich auch
auf Teilchen basierende Bildanzeigen. Auf Teilchen basierende Anzeigen,
die ursprünglich
vor 30–40
Jahren untersucht wurden, basieren auf der Bewegung Teilchen, die
in einem Flüssig-Host-Medium suspendiert
sind. Die Teilchen sprechen auf ein angelegtes elektrisches magnetisches
Feld an, um entweder eine Änderung
der Reflektivität
oder der Farbe des einfallenden reflektierten Lichtes zu bewirken
oder aber um den Polarisationszustand des durchgelassenen Lichtes
zu modulieren oder zu ändern.
Solche Effekte werden entweder durch die Translation oder Rotation
der suspendierten Teilchen induziert und basieren auf dem physikalischen
Phänomen,
wie beispielsweise der magnetischen Polarisation, der Elektrophorese,
der dielektrischen Polarisation oder auf anderen Formen von durch
Strom induzierten Effekten. Das U.S. Patent 3 406 363 von C.R. Tate,
ausgegeben am 15. Oktober 1968 beschreibt vielfach gefärbte (multicolored) "Mikromagnete" von unterschiedlicher
magnetischer Stärke
hergestellt aus Materialien, wie beispielsweise Bariumferrit in
einem flüssigen
Suspensionmedium und die Manipulation davon durch eine externe magnetische
Kraft zur Erzeugung der Farbanzeigen. W.E. Haas et al beschreiben
in U.S. Patent 4 067 387, ausgegeben am 28. Februar 1978, Metallflocken,
wie beispielsweise aus Aluminium von < 325 Maschengröße (≈ 45 μm), und zwar dispergiert entweder
in einem auf Wasser basierenden oder einem auf Kohlenwasser basierenden
Ferrofluid, um eine reflektierende Anzeigevorrichtung, geschaltet
durch einen Elektromagnet, zur Verwendung unter Umgebungslichtbedingungen
aufzubauen. Zusätzlich
beschreibt I. Ota im U.S. Patent 3 668 106, ausgegeben am 6. Juni
1972 eine elektrophoretische Anzeige oder Aufzeichnungsvorrichtung
basierend auf geladenen Teilchen manipuliert durch ein elektrisches
Feld, das die Vorrichtungsreflektivität ändert.
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C.W.
Jacob beschreibt in U.S. Patent 3 967 265 ausgegeben am 29. Juni
1976 eine Lichtführanzeige (light
gating display) bestehend aus kleinen leitenden Teilchen (Aluminium
oder Graphit) dispergiert in einer kontinuierlich zirkulierten dielektrischen
Flüssigkeit.
Die Vorrichtung des Jacob-Patents richtet sich auf die indirekte
Anwendung eines elektrischen Feldes erzeugt durch selektive Beleuchtung
eines integralen Photoleiters und arbeitet als ein Bildrelais oder
ein Bildkonverter, abhängig
vom Reflexions- oder Transmissionszustand. Jacob erwähnt, dass
die Teilchendispersion ersetzt werden kann durch einen reinen teilchenfreien
Flüssigkristallströmungsmittel-Host
zur Erzeugung einer Vorrichtung, die in ähnlicher Weise arbeitet.
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U.S.
Patent 5 650 872, ausgegeben an R.L. Saxe und Andere am 22. Juli
1997 beschreibt eine "Suspended
Particle Device" (SPD),
die auf submikronen, anisometrischen, polarisierten Teilchen basiert,
die dispergiert sind in einem Host- oder Wirtsmedium für die erforderliche
Funktion. Anlegen eines elektrischen Feldes bewirkt, dass sich die
Teilchen reorientieren. Zweifarbschaltung ist möglich, aber sehr große Zellenpfadlängen (125–825 μm) und hohe
Treiberspannung (> 2000V)
sind erforderlich und die Kontrastdifferenz zwischen Ein- und Auszuständen ist
niedrig.
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Kürzlich wurden
auf Teilchen basierende Vorrichtungen, die Mikroeinkapselungstechniken
verwenden als besonders interessant angesehen, und zwar zur Verwendung
als neue Formen flexibler, wieder beschreibbarer, wieder verwendbarer
elektronischer Speichermedien, die die Stelle von Zeitungen oder
anderem gedruckten Material einnehmen könnten. Derartige papierartige
Informationsspeichermedien, die elektronisch auf den neuesten Stand
gebracht werden könnten,
und zwar mittels des Internets oder anderer Quellen von gespeicherten
Informationen könnten
einen großen
wirtschaftlichen Einfluss besitzen, und zwar infolge des breiten
Anwendungspotentials und der Marktbereiche, an welche sich solch
eine Vorrichtung wenden könnte. Diese
Vorrichtungen bestehen aus einer Teilchen/Flüssighost-Dispersion, die selbst
in einem Polymerfilm bildenden Material eingekapselt sind, um ein
flexibles elektrisch adressierbares Blatt zu bilden mit bi-stabilen Schaltcharakterisitka, wobei
dieses Blatt Text und graphische Bilder für lange Zweitperioden behalten
kann.
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In
diesem Zusammenhang beschreiben die folgenden Patente: N.K. Sheridon
et al. U.S. Patent 4 143 103, 4 126 854, 5 344 594, 5 389 945, 5
708 525, 5 739 801, 5 751 268, 5 760 761, 5 767 826, J.M. Crowley I.S.
Patente 5 754 332 und 5 825 529, D.K, Biegelsen et al. in U.S. Patent
5 717 283 und J.D. Mackinlay et al. in U.S. Patent 5 737 115 verschiedene
Formen einer "Gyricon"-Vorrichtungen, die
aus 50–500 μm "bi-chromalem" Glass- oder Polymerkugeln
bestehen, und zwar enthalten in mit Flüssigkeit gefüllten Hohlräumen, die
ihrerseits in einer flexiblen Polymermatrix eingekapselt sind. Jede
Kugel ist derart geformt, dass ihre entgegengesetzten Halbkugeln
unterschiedliche Farben besitzen und sie können veranlasst werden von
90–180° zu rotieren,
und zwar bei Anwesenheit eines quer durch den Film angelegten elektrischen
Feldes, da die zwei Halbkugeln entgegengesetzte Oberflächenladungen
tragen. Treiberspannungen steigen mit ansteigendem Durchmesser der
rotierenden Kugeln an und die Hohlräume, die sie enthalten und
erzeugen die bistabile Schaltung. Die Gyricon-Vorrichtung arbeitet
in reflektivem Modus.
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Eine
weitere Anzeigetechnologie, die mikrogekapselte Teilchenanzeige
verwendet, ist s "E-INKTM", was
in den U.S. Patenten 5 961 804 ausgegeben an J. Jacobsen et al.
und 6 017 584, ausgegeben an J.D. Albert et al. beschrieben ist.
Diese Technologies basiert auf einer "elektrophoretischen Dispersion" von negativ und
positiv geladenen Mikroteilchen (< 1 μm im Durchmesser)
in einem isotropen, dielektrischen Hostfluid, das wiederum in einem
Polymerbindemittel eingekapselt ist. Gemäß Jacobsen und Albert ist die
Mikroeinkapselung der elektrophoretischen Dispersion ein wichtiges
Element zum Vermeiden der Teilchenagglomeration und Sedimentation,
was üblicherweise
in konventionellen elektrophoretischen Anzeigen auftritt. Anders
als die Gyricon-Vorrichtung
arbeitet die E-Ink-Vorrichtung durch die Translation von Teilchen
zu der Oberseite oder der Unterseite der Mikrokapsel hin, und zwar
abhängig
von dem Vorzeichen der angelegten Spannung. Die Teilchen bestehen
im Allgemeinen aus anorganischen oder metallischen Teilchen, die
mit einem Po lymerüberzug beschichtet
sind. Andere Pigmente, Metallflocken oder Retroreflektoren können zu
den elektrophoretischen Dispersionen hinzugegeben werden, und zwar
entweder zur Erzeugung einer Schaltung zwischen Farben oder zur
Erzeugung von Reflektivitätsänderungen.
Ein nematisches Flüssigkristallfluid
kann anstelle des isotropen, dielektrischen Hostfluids in der Dispersion
verwendet werden, um die Schaltschwelle und Bistabilität der Vorrichtung
zu modifizieren. A. Somlyody et al., im U.S. Patent 4 305 807, ausgegeben
am 15. Dezember 1981 berichten die Verwendung eines nematischen
Flüssigkristalls
als einen Fluidhost für
geladene Teilchenanzeigen zum Vorsehen einer Schwellenansprechcharakteristik
in einer ähnlichen
Weise, wie die Vorrichtungen von Jacobsen und Albert.
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Obwohl
Beispiele sowohl in der Patentliteratur als auch in der allgemeinen
Literatur die Teilchen basierenden Vorrichtung betreffen und anorganische
oder metallische Teilchen bekannt sind, sind berichtete Fälle über elektrooptische
Teilchenvorrichtungen die doppelbrechende Polymere oder Polymerflüssigkristalle
als aktive Teilchen verwenden nahezu nicht existent. Ein Beispiel
ist die Verwendung von in-situ polymerisierten nematischen Flüssigkristallkugeln,
hergestellt durch Polymersieren eines UV-aushärtbaren Flüssigkristall-reaktiven-Monomers,
dispergiert in Glycerol in Anwesenheit eines geeigneten Photoinitiators,
und zwar berichet von D. Cairns et al. in dem Society for Information
Display (SID) Digest of Technical Papers, Band 30, Seite 722 bis
725 (1999). Diese Vorrichtung unterscheidet sich beträchtlich
von denjenigen, die in den oben genannten Patenten beschrieben sind,
und zwar insofern als (1) die resultierten polymerisierten nematischen
Flüssigkristallkugeln
selbst doppelbrechend und bipolar sind und (2) diese Kugeln reorientiert
werden können,
und zwar durch Koppeln eines angelegten elektrischen Wechselstromfeldes
an die dielektrische Anisotropie des polymerisierten LC-Materials. Somit
stellt Cairns et al. eine elektro-mechanische optische (EIMO = Electro-Mechano-Optical)-Vorrichtung
vor, die ähnlich
wie die Gyricon-Vorrichtung
arbeitet, und zwar insofern, als die optischen Effekte durch eine
feldinduzierte Rotation von sphärischen
Teilchen suspendiert in einem Fluid erzeugt werden. Aber anders
als die Gyricon-Vorrichtung, die mit Reflexion arbeitet, vertraut
die EIMO-Vorrichtung auf einen Unterschied der nematischen Doppelbrechung,
erzeugt durch die Rotation der polymerisierten nematischen LC-Kugeln,
um den optischen Effekt zu erzeugen und arbeitet somit als eine
Polarisationsrotationsvorrichtung nur in der Übertragungsbetriebsart.
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In
S. Faris et al., U.S. Patent 5, 364 557, ausgegeben am 15. November
1994 wird Folgendes offenbart: Teilchen oder Flocken erzeugt durch
thermisches Brechen von polymeren cholesterischen Flüssigkristall (PCLC
= Polymer Cholestric Liquid Cristal)-Polysiloxan-Filmen, die in
der Grandjean-Textur ausgerichtet sind. Diese Flocken liegen im
Bereich von hunderten von Mikron bis zu weniger als ein Mikron und
zeigen optische Eigenschaften identisch zu den Ausgangsfilmen, aus
denen sie abgeleitet wurden. Da sie ihren Ursprung von einem ausgerichteten
PCLC-Film nehmen, der eine relativ hohe Glasübergangstemperatur (Tg) besitzt, sind deren einzigartige optische
Eigenschaften (selektive Reflexionswellenlänge, Doppelbrechung) und die
Ausrichtungsqualität "eingefroren" und somit im Wesentlichen
unempfindlich gegenüber
thermischen oder mechanischen Störungen.
Diese einzigartigen optischen Eigenschaften können auf andere Polymer-"Hosts" übertragen werden, und zwar
durch Verteilung der Flocken in einer Lösung des Polymers und durch
Verwendung dieser als ein Bindemittel zur Herstellung passiver (d.h.
nicht-schaltbarer)
konformer Überzüge mit üblichen
optischen Eigenschaften für
Anwendungen, die im Bereich der Dokumentensicherheit bis zu Außenüberzügen für Motorfahrzeuge
reichen. Andere Verfahren zur Erzeugung der PLC-Flocken und Pigmente wurden auch in
folgenden Druckschriften berichtet: I.A. Shanks et al. im U.K. Patent
2 276 883, C. Müller-Rees
et al. in U.S. Patent 5 851 604, R.W. Phillips in U.S. Patent 5
279 657 und W. Hou et al. in U.S. Patent 5 5587 242. Kürzlich haben
Faris et al. auch über
ein Verfahren berichtet zur Herstellung von gemusterten Plättchen basierend
auf photo-vernetzbaren PLC-Materialien.
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Der
Farbton, die Sättigung
und Helligkeit von PCLC-Filmen wurden sämtlich ausführlich studiert. Die Farbeigenschaften
und die chemische Kompatibilität
von PCLC-Flocken in einigen Hostfluids wurde durch E. Korenic et
al. unter sucht, und berichtet in Mol. Cryst. Liq. Crist. 317, Seiten
197–219
(1998). Zweifarbige übereinander
angeordnete Beschichtungen besitzen eine additive Farbmischung,
die sich von den subtraktiven Farbeffekten unterscheiden, die durch
konventionelle Tinten, Farbstoffe und Pigmente erreicht werden.
Da die Farben außerordentlich
saturiert sind und eine Abhängigkeit
von den Beleuchtungs- und Beobachtungswinkeln besitzen, wurde ihre
visuelle Erscheinung als eine Basis für Kunst verwendet oder die
Erstellung von kommerziellen Produkten, wie beispielsweise Farben
und Kosmetikstoffen. L. Li, in U.S. Patent 5 691 789 schlägt vor,
dass spezialisierte Härtezyklen
verwendet werden können
zum thermischen oder photo-chemischen Vernetzen von PCLCs, um so
einen Steigungsgradienten (pitch gradient) in den PCLC-Film einzuführen. Durch Steuern
der Gradienten der Steigung (pitch) können Filme mit breiten Reflexionsbändern erzeugt
werden, und zwar im Bereich von sichtbaren bis zum nahen Infrarot-Bereich.
Eine Anwendung dieser Materialien sind breitbandige, nicht-absorbierende
Polarisatoren in LC-Anzeigen.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Erfindungsgemäß wurde
gefunden, dass dann, wenn Flocken (flakes) oder Plättchen (platelets)
aus polymeren, cholesterischen Flüssigkristallen (PCLC = Polymer
Cholesteric Liquid Crystals) und anderen doppelbrechenden Polymer
(BP)-Materialen in einem Fluidhost dispergiert oder suspendiert
werden, um ein Flocken/Host-System vorzusehen, diese überraschend
empfindlich gegenüber
einem angelegten elektrischen Feld sind und ohne weiteres auf unterschiedliche
Winkelorientierungen geschaltet werden können. Wie aufgrund der obigen
Diskussion früherer
Patente und Veröffentlichen
klar wird, wurde die Empfindlichkeit dieser Flocken oder Plättchen bei
Dispersion oder Suspension in einem Fluidhost bislang nicht erkannt
bzw. geschätzt.
Diese Flocken oder Plättchen
werden nachstehend allgemein als elektro-optisch empfindliche Flocken oder
(Flöckchen)
bezeichnet. Die Performance der Vorrichtung gemäß der Erfindung hängt ab sowohl
von dem Charakter der elektrooptisch empfindlichen Flocken als auch
dem Host, wobei vorzugsweise die folgenden Charakteristika vorliegen:
- 1) Das Flockenmaterial ist chemisch mit dem
Hostmedium kompatibel (d.h. vollständig unlösbar);
- 2) Die Dichte von sowohl dem Flockenmaterial als auch dem Hostmedium
(Wirtsmedium) ist so dicht wie möglich
angepasst, damit die Flocken gleichförmig im Host suspendiert sind
und um zu verhindern, dass sie ein Agglomerat bilden, sich am Boden
absetzen oder zur Oberseite der Vorrichtung hin ansteigen;
- 3) Das Hostfluid hat einen hohen Widerstandswert (> 109 Ω-cm) ausreichend,
um konkurrierende elektro-hydrodynamische Effekte zu eliminieren;
- 4) Die Flocken liegen innerhalb eines Bereichs von 20–40 μm Breite
mit einem Länge-zu-Breite-Verhältnis von
2–3, um
optimales Schalten und optimalen Kontrast zu beachten;
- 5) Die Viskosität
des Hostmaterials ist der niedrigste Wert, der die Flocken-Suspension
hält, um
die Ansprechzeit zu minimieren;
- 6) Der Brechungsindex des Flockenmaterials und des Hostfluids
sind so eng wie möglich
angepasst, um Streuverluste zu vermeiden.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Die 1(a) und (b) sind schematische Querschnittsansichten
von Vorrichtungen gemäß der Erfindung,
wobei die Reorientierung und die sich ergebende Änderung der reflektierten Lichtintensität dargestellt ist,
und zwar PCLC-Flocken mit einer grünen selektiven Reflexionswellenlänge dispergiert
in einem Fluidhostmedium, das isotrop ist. Die Innenoberflächen der
Zellsubstrate sind mit einer transparenten leitenden Beschichtung
oder Überzug
versehen, typischerweise Indium Zinnoxid (ITO). Glassfasern, Perlen
oder Mylar-Streifen
werden als Zellenbeabstandungsmittel verwendet werden, um die Fluid-Spalt-Beabstandung einzustellen,
die im Allgemeinen kleiner ist oder gleich der längsten Dimension der Flocke.
In 1(a), welches den Aus-Zustand der Vorrichtung
mit keinem angelegten elektrischen Feld zeigt, liegend die Flocken
nahezu parallel zu den Substraten und reflektieren selektiv eine
zirkular polarisierte grüne
Komponente (λr) des einfallenden Lichtes (I0).
In 1(b), wenn ein elektrisches Feld
an die Vorrichtung angelegt ist, rotieren die Flocken, um einen
Winkel von 3–20° von der
Normalen zu den Substraten, was den Akzeptanzwinkel für selektive
Reflexion übersteigt
und die reflektierte grüne
Komponente (λr) des einfallenden Lichtes (I0)
wird ausgelöscht
und die Vorrichtung tritt in einen nicht-reflektierenden dunklen
Zustand ein.
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Die 2(a) und (b) sind Querschnittsansichten
einer reinen PCLC-Flocke
(1(a)] und der gleichen PCLC-Flocke
(feste oder solide Fläche)
beschichtet mit einer Ladesteuerschicht (gemusterte Schicht) [1(b)]. Die Ladungssteuerungsschicht wird
durch Abscheiden einer Lösung
aus einem Ladungssteueragens und einem Polymermaterial (typischerweise
dem gleichen PCLC-Material, das die Flocke bildet) auf einer Oberfläche des
Parent- oder Eltern-PCLC-Films
(Ausgangs-PCLC-Film oder Schicht bzw. Lage) gebildet, aus dem die
Flocken hergeleitet sind.
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Die 3(a) und (b) sind perspektivische Ansichten
einer Vorrichtung gemäß der Erfindung,
die schematisch die Gast-Wirt-Schaltung (Guest-Host-Switching) der PCLC-Flocken
mit grüner
selektiver Reflexion, gezeigt als Formen in den Figuren, zeigen,
und zwar dann, wenn sie in einen nematischen Flüssigkristallhost eingemischt
und suspendiert sind, was mit Strichen in den Figuren gezeigt ist.
Transparente, leitende, beschichtete Substrate, ähnlich denen in der 1 sind
mit Nylon 6/6 beschichtet und die Nylon-Schichten werden geglättet, bevor
die Zelle zusammengebaut und mit der Flocken/Flüssigkeithostsuspension gefüllt wird, um
gleichförmige
molekulare Ausrichtung des LC-Hosts zu induzieren. Die Zellenspaltdimension
ist größer als die
längste
Dimension der PCLC-Flocken. In dem Aus-Zustand 2(a),
sind sowohl die Guest bzw. Gast-Flocken und die Host-LC-Moleküle mit ihrer längsten Dimension
parallel zu den Zellwänden
ausgerichtet und grüne
selektive Reflexion wird beobachtet. In 2(b),
bewirkt das Anlegen eines elektrischen Wechselstromfeldes an die
Vorrichtung, dass der LC-Host sich parallel mit dem elektrischen
Feld ausrichtet und die PCLC-Flocken werden gezwungen, der Orientierungsrichtung
des Hosts zu folgen. Der große
Winkel der Reorientierung der Flocken/Hostmischung übersteigt
bei weitem den Akzeptanzwinkel für
selektive Reflexion und die grüne selektive
Reflexionsfarbe wird gedämpft
oder ausgelöscht.
Die PCLC-Flocken spielen eine passive Rolle in dieser Vorrichtung,
da sie keine inherente dielektrische Anisotropie oder Oberflächenladung
besitzen und die Schaltcharakteristika werden primär durch
die Eigenschaften des LC-Hostmediums gesteuert.
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Die 4(a) und (b) sind perspektivische Ansichten
einer Vorrichtung gemäß der Erfindung,
wobei schematisch eine Suspension von PCLC-Flocken in einem Fluidmedium
(dem Host/Flocken-System) dargestellt ist, und zwar eingekapselt
in eine Schicht bzw. einen Film aus transparentem Polymer. Wenn
kein elektrisches Feld angelegt ist [4(a)],
so nehmen die Flocken eine Zufallsverteilung in den sphärischen
Mikrokapseln an und die selektive Reflexionsfarbe der Flocken ist
im Wesentlichen gedämpft
oder nicht existent. Das Anlegen eines elektrischen Feldes an den
mikroeingekapselten Film [4(b)] bewirkt,
dass die Flocken eine gleichförmige
Orientierung annehmen, und zwar mit der langen Achse der Flocke
normal bzw. senkrecht zum angelegten Feld und parallel zu der langen
Filmdimension. Wenn die Flocken sich nunmehr normal zum Einfallslicht
befinden, so tritt selektive Reflexion auf und die reflektierte
Farbe der Vorrichtung wird stark intensiviert. Für die beste Ausführung, werden
der Brechungsindex des Polymerbindemittels und des isotropen Hostfluids
angepasst.
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5(a) und (b) sind Ansichten ähnlich den 4(a) und (b) und zeigen eine Vorrichtung ähnlich der gemäß 4,
mit der Ausnahme, dass die PCLC-Flocken in den Mikrokapseln in einem
doppelbrechenden nematischen Flüssigkristallhostmaterial
suspendiert sind, anstelle eines isoptropen Fluids. Hier schaltet
die Vorrichtung von einer streuenden Textur in dem Feld-Aus- Zustand [5(a)] auf einen farbigen Reflexionszustand
[5(b)], wenn das elektrische Feld
angelegt ist. Wie in 3 besitzen die PCLC-Flocken
keine merkliche dielektrische Anisotropie oder Oberflächenaufladung
und somit verhalten sie sich als passive Gäste in dem nematischen Host.
Der Brechungsindex des Polymerbindemittels entspricht genau dem üblichen
Brechungsindex des Flüssigkristallhosts,
um die Trübung
bzw. den Schleier zu minimieren. Der Flüssigkristallhost besitzt auch
eine große
negative dielektrische Anisotropie.
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Die 6(a) und (b) zeigen Ansichten ähnlich den 4(a) und (b), mit der Ausnahme, dass ein
Farbstoff dem PCLC-Flocken/Fluid-System vor der Mikroeinkapselung
hinzugefügt
wurde. Die Zugabe des Farbstoffs gestattet, dass die Vorrichtung
zwischen zwei unterschiedlichen Farbzuständen schaltet, im Gegensatz zur
Reduktion der Intensität
des reflektierten Lichts in einem Zustand, wie dies bei der Vorrichtung
der 4 erfolgt.
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Die 7(a) und (b) sind Ansichten ähnlich den 4(a) und (b) und geben eine elektrische
feldinduzierte Schaltung in den PCLC/Fluidhost-System wieder, und zwar dann, wenn sie
in einem Polymerbindemittel eingekapselt sind, das verarbeitet werden
kann, um einen Film (oder eine Schicht bzw. Lage) zu erzeugen, der elliptische
Mikrokapseln enthält.
Die kleine Achse der elliptischen Mikrokapsel ist kleiner oder gleich
der längsten
Dimension oder Abmessung der Flocke, was die Flocken innerhalb der
Mikrokapseln veranlasst, sich spontan mit sowohl der Hauptachse
des Mikrokapsel-Ellipsoid als auch der Film-Zug-Richtung auszurichten.
Diese Bedingungen erzeugen eine bevorzugte Orientierungsrichtung
durch sterische Faktoren. Wenn kein elektrisches Feld angelegt ist
[7(a)], sind die Flockenoberflächen parallel
zur Filmoberfläche
orientiert und normal oder senkrecht zum einfallenden Licht und
selektive Reflexion tritt auf. Die selektive Reflexionsfarbe geht dann
verloren, wenn ein elektrisches Feld durch die kurze Dimension des
eingekapselten Films (7(b)] angelegt
wird und die Flocken rotieren aus der Oberflächenebene des Filmes heraus, ähnlich dem
was in der Vorrichtung gemäß 1 passiert.
Wie in 6 oben, kann ein Farbstoff dem isotropen Fluidhost
hinzugefügt werden,
und zwar zur Farbschaltung und Abstimmen zwischen dem Absorptionszustand,
erzeugt durch den Farbstoff und dem selektiven Reflexionszustand
erzeugt durch die PCLC-Flocke.
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Die 8(a) und (b) sind Darstellungen, welche
das elektro-optische Ansprechen der Vorrichtung 1 zeigen, die gemäß Beispiel
1, wie es unten angegeben ist, hergestellt ist. In 8(a) ist
das optische Ansprechen der Vorrichtung dann gezeigt, wenn die Beleuchtung
mit normalem Einfall oder Einfallswinkel erfolgt und 8(b) zeigt das optische Ansprechen der
Vorrichtung, dann, wenn die Beleuchtung mit einem nicht-normalen
Einfallswinkel erfolgt. Für
sowohl die 8(a) als auch (b) ist die
obere Spur die treibenden Wellenform und die untere Spur ist das
optische Ansprechen, wie von einem Detektor gemessen..
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG
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Die
elektro-optisch empfindlichen Flocken können PLC-Flockenmaterialien
sein, und zwar hergestellt durch Verfahren, wie denen, die in folgenden
Schriften beschrieben sind: S. Faris et al. in U.S. Patent 5 364 557
(vergleiche auch Faris U.S. Patent Anmeldung Nr. 09/196 583 eingereicht
am 20. November 1998). Die elektro-optisch empfindlichen Flocken
können
ferner in der Form von entweder polymeren, nematischen Flüssigkristallen
(PNLC = Polymer Nematic Liquid Crystals) oder polymer cholesterischen
Flüssigkristallen
(PCLC = Polymer Cholestric Liquid Crystals) vorliegen. Die elektro-optisch
empfindlichen Flocken können
doppelbrechende Polymere (BP) sein, die keine Flüssigkristalleigenschaften besitzen,
wie beispielsweise mehrschichtige polarisierende Pigmente, die kommerziell
von der 3M Company in St. Paul, Minnesota, USA verkauft werden.
In dem einfachsten Ausführungsbeispiel
der Vorrichtung (1) sind die PNLC-PCLC- oder
BP-Flocken in dem Hostmedium dispergiert und die Flocken/Host-Suspension
ist zwischen zwei Glassubstraten eingeschlossen, die elektrisch
leitende Überzüge auf den
Oberflächen
tragen, und zwar in Kontakt mit der Flocken/Host-Suspension (flake/host
suspension). Der auf diese Weise gebildete Fluidspalt der elektro-optischen Zelle kann
gesteuert werden durch Mylar-Abstandsmittel, Glasfasern, Glas/Plastikkugeln
oder durch fortschrittliche Verfahrensweisen, wie beispielsweise
Photolithografie oder chemische Dampfabscheidung und der Spalt ist
typischerweise mindestens so groß wie die größte Querschnittsabmessung
der Flocken.
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1 zeigt
die grundsätzliche
Vorrichtungskonfiguration und das Schaltverhalten für den Fall,
wenn die Flocken aus einem PCLC-Material aufgebaut sind. Typische
Dimensionen (Abmessungen) der Flocken, die in den verschiedenen
Ausführungsbeispielen
der Vorrichtung verwendet sind, sind die Folgenden:
Von 20–40 μm Länge mit
einem Aspekt oder Länge-zu-Breite-Verhältnis von
2–3 und
einer Dicke von 5–7 μm. Das Anlegen
eines elektrischen Feldes an die Vorrichtung initiiert die Flockenrotation
mit einer resultierenden Änderung
der optischen Eigenschaften (d.h. selektive Reflexionsfarbe oder
Doppelbrechung) der Vorrichtung. Wegen der großen effektiven optischen Pfadlänge oder
hohen Winkelempfindlichkeit der selektiven Reflexion der PCLC-Flocken
ist es nur notwendig, dass die Flocken um 3–20° um die Senkrechte oder Normale
zur Oberfläche
rotieren, um die Schaltcharakteristika oder Eigenschaften zu erreichen.
Es sei auf Folgendes hingewiesen: Ein wesentlich größeres Ausmaß an Rotation
(beispielsweise Gyricon) oder Translation (beispielsweise E-Ink)
der aktiven Teilchen war bislang erforderlich. Zudem gestatten die
einzigartigen optischen und polarisierenden Eigenschaften der PLC-Flocken, dass die
erfindungsgemäßen Vorrichtungen
auf einen beträchtlich
größeren Bereich
von Anwendungen angewandt werden können, wie beispielsweise auf
dem Gebiet der Optik und Photonik, als dies möglich war mit den Vorrichtungen,
wie sie in der bekannten Patentliteratur beschrieben sind.
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In
allen hier beschriebenen Ausführungsbeispielen,
wo PLC-Flocken verwendet werden, besitzen die Flocke und die Hostmaterialen
die folgenden Charakteristika: (1) das PLC-Flockenmaterial ist chemisch
kompatibel mit dem Hostmedium; (2) die Dichte des PLC-Flockenmaterials
und des Hostmediums sind eng angepasst, um Agglomeration, Sedimentation
oder Trennung der Flocken vom Host zu verhindern; (3) die Viskosität des Hostmaterials
ist hinreichend hoch um die Suspension aufrecht zu erhalten, aber
ist so. niedrig wie möglich,
um die Ansprechzeit zu minimieren; (4) die Resistivität oder der
Widerstand des Hostfluids ist hinreichend hoch, um konkurrierende
elektrohydrodynamische Effekte zu vermeiden; und (5) der Brechungsindex
des PLC-Flockenmaterials und des Hostfluids sind eng angepasst,
um Streuverluste zu vermeiden.
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Die
Natur des verwendeten elektrischen Feldes zum Betreiben der Vorrichtung
in ihren verschiedenen Ausführungsbeispielen
hängt von
sowohl der Zusammensetzung des Flockenmaterials als auch dem Fluidhost ab.
Wenn das Flockenmaterial zusammengesetzt ist, beispielsweise aus
einem Material wie PNLC oder PCLC, was einen hinreichend großen Wert
der dielekirischen Anisotropie besitzt, dann kann ein elektrisches
Wechselstromfeld verwendet werden, um den Schaltprozess zu initiieren.
Solche Materialien können
in reiner Form durch Synthese hergestellt werden. Eine niedrige
Molarmasse besitzende Flüssigkristallfluids
mit entweder einer sehr niedrigen oder nicht existierenden dielektrische
Anisotropie können
modifiziert werden durch Zumischen oder durch Dotieren derselben
mit Mengen von anderen eine niedrige Molarmasse besitzenden Additiven
mit einem sehr großen
Wert der dielektrischen Anisotropie, um der gesamten Mischung einen
finiten Wert der dielektrischen Anisotropie aufzuprägen. Es
ist ein Merkmal der Erfindung, den Effekt der dielektrischen Anisotropie
durch die Zugabe einer solchen niedrigen Molarmasse, eine hohe dielektrische
Anisotropie aufweisende Dotiermitteln vorzusehen, und zwar zu kommerziell
oder im Handel verfügbaren
Polymer-CLC-Materialien
mit einer sehr niedrigen oder einer nicht-existierenden dielektrischen
Anisotropie für
die Bildung der PCLC-Flocken, die durch Wechselstromfelder reorientiert
werden können.
-
Alternativ
gilt: Für
Flockenmaterialien, die im beträchtlichen
Ausmaß keine
dielektrische Anisotropie zeigen, können Gleichstromfelder verwendet
werden, um die Flocken zu reorientieren, und zwar durch Kopplung
mit gespeicherten Oberflächenladungen
auf den Flockenoberflächen.
Dieser Gleich stromschaltprozess kann unter Verwendung von Ladungssteueragenzien
verwendet werden. Eine repräsentative
Probe oder Auswahl von derartigen Ladungssteueragenzien ist in Tabelle
1 angegeben. Viele dieser Ladungssteueragenzien arbeiten auch als
Surfactants, um die Teilchen-Agglomeration und die Sedimentation
zu verhindern. Diese Ladungssteueragenzien können entweder direkt zu dem
Hostfluid hinzugefügt
werden oder direkt auf die Oberfläche der Flocke derart aufgebracht
werden, dass sichergestellt wird, dass das Ladungssteueragens nicht
in merklicher Weise in die Hostfluidmatrix dissoziiert. Eine Möglichkeit,
dies zu erreichen, besteht darin das Ladungssteueragens in ein Film-Formungspolymermaterial
einzugeben, auf welche Weise eine "Ladungssteuerschicht" gebildet wird, die direkt auf den Ausgangs-PLC
oder BP-Film vor der Flockenbildung lösungsgegossen wird. Die erwünschteste
Möglichkeit
zum Erreichen des obigen Zieles ist es, die filmbildende Polymerladungssteuerschicht
aus dem gleichen Material wie dem Ausgangs-PLC oder BP-Film zu machen.
Diese Möglichkeit
stellt sicher, dass die thermische und chemische Kompatibilität in einem
größten Ausmaß auftritt
zwischen der Flocke und der Ladungssteuerschicht ohne im Wesentlichen
die optischen Eigenschaften der äußeren Oberflächen der
Flocken zu ändern.
2(b) zeigt schematisch eine Flocke, die eine derartige
Ladungssteuerschicht trägt. Tabelle
1
-
Das
Hostmaterial kann ausgewählt
werden aus mehreren isotropen elektrischen Fluidmaterialien. Fluorsilikon-Öle werden
als Host bevorzugt, da sie eine geringe Viskosität, hohe Resistivität und einen
niedrigen Brechungsindex besitzen, was bei der Optimierung der Flockenbewegung
hilft bzw. die Streuverluste reduziert. Ferner helfen die eine höhere Dichte
besitzende Fluorsilikone mit bei Verhinderung der Sedimentation
der suspendierten PLC-Flocken. Dielektrische Hostfluids, die effektiv
in Vorrichtungen wie denen durch die Erfindung vorgesehen wirken,
sind in Tabelle 2 angegeben. Nematische Flüssigkeitskristallfulids können auch
als Hostmaterialien verwendet werden; da jedoch nematische LC-Materialien
sowohl eigene optische und dielektrische Anisotropie besitzen, ändert dies
beträchtlich
sowohl die optischen Eigenschaften als auch die Schaltleistung der
sich ergebende Vorrichtung, verglichen mit denjenigen, die einen
isotropen Host verwenden. Tabelle
2
-
Das
Vorhandensein eines Surfactants in dem Hostmaterial kann hilfreich
sein hinsichtlich der Sicherstellung, dass die Flocken gleichförmig dispergiert
und suspendiert im dielektrischen Medium verbleiben und es kann
auch von Hilfe sein bei der Verhinderung, dass die Flocken an den
Zellenelektroden-Oberflächen immobil
werden. Die in Tabelle 1 angegebenen Ladungssteueragenzien sind
auch Surfactantien und führen
sowohl die Ladungssteuerung als auch die Flockensuspensionssteuerungsfunktionen
gleichzeitig aus.
-
Im
Folgenden werden Beispiele der Auswahl an Flocken und/oder Hostmaterialien
angegeben, die der in 1 gezeigten Vorrichtung spezielle
Charakteristika geben.
-
Beispiel A
-
Die
Flocken sind aus PCLC-Material, wie aus beispielsweise nicht-quervernetztem zyklischen
Polysiloxane-Flüssigkristallpolymer
(CLC535 LC Polysiloxane der Wacker-Chemie) oder photopolymerisierbare CLC-Polymer-Systeme, wie beispielsweise
die quervernetzten Polysiloxane-CLC-Polymer-Systeme, geliefert von der Wacker-Chemie
oder die vernetzten Acrylat CLC-Polymere
hergestellt von BASF. Flocken, die aus diesen Materialien erzeugt
werden, werden in einem Fluorosilikon-Öl oder in einem anderen Host
der Tabelle 2 dispergiert, wobei diesem ein Ladungssteueragens,
ausgewählt
aus der Gruppe in Tabelle 1 hinzugefügt wurde. Eine derartige Vorrichtung
schaltet aus einem grünen
selektiven Reflexionszustand in einen dunklen Zustand beim Anlegen
eines elektrischen Gleichstromfeldes und ist beispielsweise brauchbar
als eine reflektierende Anzeigevorrichtung, ein schaltbarer Schmalbandspiegel
oder ein schaltbares Farbfilter.
-
Beispiel B
-
Die
PCLC-Flocken können
erzeugt werden aus Pitch- oder Steigungsgradienten PCLC-Filmen bzw. Schichten
hergestellt, wie dies in dem U.S. Patent 5 691 789 von L. Li beschrieben
wurde, und zwar dispergiert in einen Fluorosilikon-Öl oder einem
anderen Host aus Tabelle 1 zusammen mit einem Ladungssteueragens aus
Tabelle 2, um eine schaltbare, Breitband reflektierende Vorrichtung
zu erzeugen, die über
sehr breite Bereiche des UV-, des sichtbaren oder des IR-Spektrums
arbeitet. Ein angelegtes Wechselstromfeld kann zum Schalten der
Vorrichtung verwendet werden.
-
Beispiel C
-
Die
PCLC-Flocken können
eine Mischung aus PCLC-Flocken mit unterschiedlichen selektiven
Reflexionsfarben sein, wobei die Flocken in jeder Farbgruppe beschichtet
sind mit einer "Ladungssteuerschicht", die eine unterschiedliche
Konzentration des Ladungssteueragens enthält, ausgewählt aus Tabelle 1, wie dies
in 2 gezeigt ist. Jede Farbgruppe von Flocken, wenn
in einem dielektrischen Hostfluid dispergiert, wie beispielsweise
Fluorosilikon-Öl
oder einem Host ausgewählt
aus Tabelle 2, spricht auf einen unterschiedlichen Pegel der angelegten
Gleichstromspannung an. Infolge dessen könnte jede Farbe individuell
adressiert werden oder in Kombination mit anderen Farben, um beispielsweise
eine Voll-Farb-Reflexions-Informationsanzeigevorrichtung zu schaffen,
ein variables optisches Filter oder einen abstimmbaren Spiegel für einen
Fabry-Perot-Hohlraum.
-
Beispiel D
-
Die
Flocken können
aus einem PNLC-Material oder einem anderen doppelbrechenden Polymer
(BP) bestehen, und zwar dispergiert in einem dielektrischen Host
wie beispielsweise Fluorosilikon-Öl oder einem Host, wie in Tabelle
2, welches ein Ladungssteueragens aus Tabelle 1 enthält. Eine
derartige Vorrichtung arbeitet als eine durchlässige (transmissive), elektrisch
variable optische Verzögerungsvorrichtung,
die durch ein angelegtes Gleichstromfeld geschaltet oder abgestimmt
werden kann.
-
Beispiel E
-
Die
PCLC-Flocken können
gemusterte PCLC-Flocken sein. Derartige gemusterte Flocken können in bestimmten
Formen hergestellt sein (d.h. Kreise, Ovale, Quadrate, Rechtecke,
Dreiecke und dreidimensionale Formen), und zwar in gut gesteuerten
oder kontrollierten Größen und
in speziellen Farbbereichen oder aber die Bildung kann erfolgen,
um räumliche
Markierungen zu tragen, wie beispielsweise erhöhte oder abgesenkte Teile,
Buchstaben, Zahlen, Formen, Öffnungen
oder Nuten, gemusterte Flocken und Verfahren, um diese herzustellen
sind in der oben genannten U.S. Patent Anmeldung Nr. 09/196 583
beschrieben. Die Flocken können derart
geformt sein, dass sie unterschiedliche spektrale Eigenschaften
auf unterschiedlichen Flächen
der Flockenoberfläche
besitzen. Die gemusterten Teilchen, wie sie oben beschrieben sind,
können
in einem dielektrischen Hostmedium, wie beispielsweise einem Fluorosilikon-Öl oder in
einem der Rosts der Tabelle 2 dispergiert sein, und zwar mit einem
Ladungssteueragens, ausgewählt
aus der Tabelle 1, um eine schaltbare Vorrichtung zum Speichern
oder zur Anzeige von codierten Informationen zu erzeugen. Eine derartige
Vorrichtung würde
auf den folgenden Gebieten Anwendung finden: Beispielsweise militärische Sicherheit
und Tarnung, Dokumentensicherheit, Antifälschungsanwendungen, Zielmarkierung
und Identifikation.
-
Für jedes
der fünf
vorher beschriebenen Beispiele wird, wenn das dielektrischen Hostfluid
durch die Zugabe einer kleinen Menge von quervernetzbarer Polymersubstanz, ähnlich der
wie von J.W. Doane et al. in U.S. Patent 5 691 795 für Polymer-stabilisierte-Flüssigkristall
(PSLC)-Systeme beschrieben, ein Polymer-Netzwerk in das Flocken-Host-System
eingeführt,
um das Material zu "gelieren" und seine Leistung
zu stabilisieren. Ein solches System wäre insbesondere erwünscht zur
Herstellung von Vorrichtungen, die zu bistabiler Schaltung in der
Lage sind mit Langzeitinformationszurückhaltung (d.h. einem Speicher)
einschließlich optischer
Informationsspeichervorrichtungen.
-
Zudem
kann für
jedes der fünf
zuvor beschriebenen Beispiele mit oder ohne den Gel-Hosts das dielektrische
Hostfluid und das Ladungssteueragens ersetzt werden durch ein nematisches
Flüssigkristallfluid. Die
dispergierten Flocken werden sich dann als passive "Gast"-Teilchen verhalten,
und zwar suspendiert in dem nematischen "Host".
Die elektrischen Schalteigenschaften (beispielsweise Schwellenspannungen,
Ansprechzeiten) werden nunmehr primär durch die Kopplung des angelegten
elektrischen Feldes mit der dielektrischen Anisotropie des eine
niedrige molare Masse besitzenden LC-Hosts bestimmt und derartige
Vorrichtungen können
durch ein angelegtes elektrisches Gleichstromfeld geschaltet werden. 3 zeigt
dies schematisch für
PLCL-Flocken dispergiert in einem nematischen LC-Host-Fluid mit
positiver dielektrischer Anisotropie.
-
Für jedes
der zuvor beschriebenen Beispiele mit oder ohne Gel-Host und mit
oder ohne einen nematischen LC-Host gilt Folgendes: Wenn die PCLC
oder PNLC-Flocken, die verwendet werden, bestehen aus (1) Materialien
mit einem großen
Wert der dielektrischen Anisotropie, sei sie inherent zu dem reinen
Material oder erhalten durch das Dotieren oder Zumischen mit einem
eine niedrige Molarmasse besitzenden Additiv und (2) weder das Hostmaterial
noch die Flocken irgendwelche Ladungssteueragenzien wie in den Beispielen
A und C enthalten, dann basiert der Mechanismus für elektrisch
induzierte Schaltung auf der Kopplung des angelegten elektrischen
Feldes an die dielektrische Flocken-Anisotropie und nicht auf Oberflächenladungen;
auf diese Weise wird das elektrische Schalten oder Adressieren durch
Verwendung eines Wechselstromfeldes ermöglicht.
-
Wenn
die Suspensionen) der PCLC-Flocken aus unterschiedlichen Farbgruppen
hergestellt werden, so dass die Flocken in jeder Farbgruppe (Beispiel
C) einen unterschiedlichen Wert der dielektrischen Anisotropie besitzen,
so kann jede Farbgruppe von Flocken auf einen unterschiedlichen
Pegel der angelegten Wechselspannung und/oder Frequenz ansprechen.
Infolge dessen kann jede Farbe individuell adressiert werden oder
in Kombination mit anderen Farben, um beispielsweise eine vollständige Farbreflexionsinformationsanzeigevorrichtung
vorzusehen, ein variables optisches Filter oder einen abstimmbaren
Spiegel für
einen Fabry-Perot-Hohlraum, der adressiert werden kann unter Verwendung
von Wechselstromfeldern unterschiedlicher Stärken oder Frequenzen. Eine
bequeme Möglichkeit
zum Erhalt einer Mischung aus Flocken mit unterschiedlichen Werten
der dielektrischen Anisotropie unter Verwendung des gleichen PLC-Material-Systems
ist das durch Dotieren oder Zumischen des Basissystems mit einem
eine niedrige Molarmasse besitzenden Additivs mit einer großen dielektrischen
Anisotropie, wie oben beschrieben.
-
Die 4–7 zeigen
Ausführungsbeispiele
von Vorrichtungen gemäß der Erfindung,
die erzeugt werden können
durch Einkapseln der PLC-Flocken/Host-Systeme,
beschrieben in irgendeinem der vorhergehenden Beispiele in einer
Polymer-"Bindemittel"-Lösung, in
der weder das Flockenmaterial noch der Fluidhost irgendeine merkliche
Löslichkeit
oder Affinität
besitzt (beispielsweise ein Wasser lösliches filmbildendes Polymer,
wie beispielsweise Acrylemulsion, Polyethylene-Oxid, Polyvinylalkohol).
Diese neue Suspension, wenn sie in einen Film (oder Schicht) gegossen
und gehärtet
wird, bildet eine Polymerschicht, die mikroskopische fluid-gefüllte Einschlüsse bildet
order Leerräume,
die frei suspendierte PLC-Flocken (eingekapselte Flocken/Host-Systeme) enthalten.
Dieser Film oder diese Schicht kann entweder auf ein starres oder
flexibles transparentes Substratmaterial gegossen werden, wie beispielsweise
Glas oder Mylar, welches einen leitenden Überzug trägt, wie beispielsweise Indium-Zinnoxid
(ITO). Ein zweites transparentes Substrat, welches auch einen ITO-Überzug trägt, kann
auf die freiliegende Oberfläche
des Films oder der Schicht mit der ITO-beschichteten Oberfläche in Kontakt mit
dem Film laminiert werden. Wenn ein elektrisches Feld an die resultuierende
Sandwich-Zelle angelegt wird, so sind die Flocken frei in den fluidgefüllten Leerräumen zu
rotieren. Der sich ergebende Film oder die sich ergebende Schicht
kann verwendet werden als eine konforme Beschichtung auf Substraten
mit verschiedenen Formen und Größen. Die
Vorrichtung ist somit körperlich
robust und behält die
einzigartigen optischen Eigenschaften der PLC-Flocken. Die konforme Beschichtung kann
elektrisch abstimmbar sein.
-
Die
in 4 gezeigte Vorrichtung besitzt Flocken aus PCLC-Material
und Fluidhost, umschlossen in sphärischen Hohlräumen in
einem Polymer-Bindemittel-Film
bzw. einer Polymer-Bindemittelschicht. In diesem speziellen Ausführungsbeispiel
arbeitet die Vorrichtung in "umgekehrter
Betriebsart", verglichen
mit dem Ausführungsbeispiel
gemäß 1 insofern
als dann, wenn die Vorrichtung sich in dem feldfreien Aus-Zustand (4(a) befindet, die grüne selektive Reflexionsfarbe
gedämpft
ist und dann, wenn das elektrische Feld angelegt wird (dem "Ein"-Zustand") wie in 4(b) gezeigt, die Größe der selektiven Reflexion
intensiviert wird.
-
Es
seien die folgenden Beispiele der Herstellung von Vorrichtungen
mit Flocken/Host-System, die eingekapselt sind, betrachtet. Die
die Flocken/Host-Systeme
enthaltenden Hohlräume
sind Kapseln davon. Diese Kapseln können von mikroskopischer Größe sein
(einige wenige hundert Mikron-Durchmesser oder weniger) und können somit
als Mikrokapseln bezeichnet werden.
-
Beispiel F
-
Flocken
aus PCLC-Material werden, wie im Beispiel A beschrieben verwendet,
und zwar nicht-quervernetzbare zyklische Polysiloxan-Flüssigkristall-Polymere (beispielsweise
Wacker CLC535), photopolymerisierbare Polysiloxan-CLC-Polymer-Systeme
von Wacker Chemie, oder die quervernetzbaren Acrylat-CLC-Polymere
erzeugt von BASF. Derartige Flocken sind in einem Host-Material,
ausgewählt
aus Tabelle 2 dispergiert, welche ein Ladungssteueragens oder -agenzien
enthalten, ausgewählt
aus Tabelle 1. Die Suspension wird sodann mikro-eingekapselt, und
zwar in einem geeigneten film- oder schichtbildenden Bindematerial,
das selbst ein Surfactants oder eine Reihe von Surfactantien enthält und wird
in einen Film oder eine Schicht gegossen, und zwar auf starren oder
flexiblen Substraten, die transparente, leitende Beschichtungen
tragen. Eine solche Vorrichtung kann nahezu sphärische Mikrokapseln enthalten,
und zwar gefüllt
mit der Flocken/Fluid-Host-Mischung, die von einem dunkleren Grau
oder trüben
Zustand auf einen hellen (grünen)
selektiven Reflexionszustand schalten würde, wenn ein elektrisches
Gleichstromfeld angelegt wird. Verwendungen für eine solche Vorrichtung umfassen
die folgenden: Entweder ein starres oder flexibles Medium für Informationsanzeigeanwendungen
auf entweder flachen oder gekrümmten
Oberflächen
(beispielsweise großflächige Zeichen,
Automobilarmaturenbretter, aufrecht stehende Anzeigen (heads-up
displays) und "elektronisches
Papier"), schaltbare "Smart Windows" entweder für die Energie-
oder Persönlichkeitskontrolle,
schaltbare konforme Beschichtungen zur Verwendung in dekorativen
Anwendungen und schaltbare Beschichtungen für Anwendungen auf dem Gebiet
der militärischen
Sicherheit, der Tarnung, Substratreflexionssteuerung, Dokumentensicherheit, Antifälschung
sowie Objektkennzeichnung und identifikation.
-
Beispiel G
-
Die
PCLC-Flocken werden aus Steigungsgradienten (pitch gradient) PCLC-Filmen oder Schichten hergestellt,
wie es in dem U.S. Patent 5 691 789 (L. Li) beschrieben ist. Diese
Pitch-Gradienten-Flocken werden suspendiert und mikro-eingekapselt,
wie in Beispiel F, und als ein Film oder eine Schicht auf ein starres oder
flexibles Substrat gegossen, welches transparente leitende Schichten
trägt,
um mechanisch starre oder flexible breitbandige reflektierende Vorrichtungen
zu bilden oder um eine konforme Beschichtung vorzusehen, die über sehr
breite Regionen des UV, sichtbaren oder IR-Spektrums arbeitet. Eine
derartige Beschichtung ist schaltbar, und zwar durch ein angelegtes
elektrisches Wechselstromfeld.
-
Beispiel H
-
Eine
Mischung aus PCLC-Flocken mit unterschiedlichen selektiven Reflexionsfarben
wird verwendet, zusammen Flocken in jeder Farbgruppe, beschichtet
mit einer "Ladungssteuerschicht", wie dies in 2 gezeigt
wird, die eine unterschiedliche Konzentration des Ladungssteueragens
enthält.
Wie im Beispiel C spricht jede Farbgruppe von Flocken auf einen
unterschiedlichen Pegel der angelegten Gleichspannung an und somit kann
jede Farbe individuell adressiert werden oder in Kombination mit
anderen Farben. Wenn diese Flocken/Host-Suspension ihrerseits in
einem film- oder schichtbildenden Polymer-Bindemittel mikro-eingekapselt ist,
wie dies im Beispiel F beschrieben ist, dann wird die resultierende
Emulsion auf starre oder flexible Substrate gegossen die transparente,
leitende Beschichtungen tragen oder aber auf mechanisch starre oder
flexible Vorrichtungen, wie beispielsweise Vollfarb-Reflexionsinformationsanzeigen,
schaltbare konforme Beschichtungen zur Verwendung in dekorativen
Anwendungen und schaltbare Beschichtungen für Anwendungen auf dem Gebiet
der militärischen
Sicherheit, der Tarnung, Substratreflexionssteuerung, der Dokumentensicherheit,
der Antifälschungssicherheit
sowie der Objektkennzeichnung und Identifikation.
-
Beispiel I
-
Eine
Flocken/Host-Suspension aus PNLC-Material oder anderen doppelbrechenden
Polymeren ist dispergiert und mikro-eingekapselt in einen dielektrischen
Host bzw. ein einen film- bzw, schichtbildendes Polymer-Bindemittel.
Wenn der Guss auf flexible oder starre Substrate, die transparente,
leitende Beschichtungen tragen, erfolgt, so kann eine derartige
Vorrichtung als eine durchlässige,
elektrisch variable optische Retardations- oder Verzögerungsvorrichtung
verwendet werden, die schaltbar ist durch eine elektrisches Gleichspannungsfeld.
-
Beispiel J
-
Es
werden gemusterte PCLC-Flocken verwendet. Derartige gemusterte Flocken
können
wie im Einzelnen im Beispiel E beschrieben hergestellt werden.
-
Wenn
derartige gemusterte Teilchen in einen dielektrischen Host suspendiert
werden und die Suspension in ein mikro-eingekapseltes, filmbildendes
Polymer-Bindemittel dispergiert wird, wie dies im Beispiel F beschrieben
ist, und wenn diese Emulsion auf flexible oder starre Substrate
gegossen wird, die transparente, leitende Beschichtungen tragen,
so kann eine schaltbare Vorrichtung geformt werden, die in der Lage
ist, codierte Informationen anzuzeigen und zwar in Form von Kreisen,
Ovalen, Quadraten, Rechtecken, Dreiecken und dreidimensionalen Formen,
räumlichen
Markierungen (angehobene oder abgesenkte Teile, Buchstaben, Zahlen, Öffnungen
oder Nuten) in speziellen Farbbereichen oder mit unterschiedlichen
spektralen Eigenschaften. Eine solche Vorrichtung würde zahllose
Anwendungsfälle
besitzen, und zwar auf den Gebieten der militärischen Sicherheit und der
Tarnung, der Dokumentensicherheit, Fälschungssicherheit, der Objektverfolgung
sowie der Identifikation.
-
Für jedes
der Beispiele F–J
kann das dielektrischen Hostfluid ein Gel sein, wie es durch die
Zugabe einer kleinen Menge einer quervernetzbaren Polymersubstanz
gebildet wird, ähnlich
wie dies von J.W. Doane et al, in U.S. Patent 5 691 795 für Polymer-stabilisierte
Flüssigkristall
(PSLC)-Systeme beschrieben ist.. Jedes Flocken/Host-System, enthalten
innerhalb einer jeden der Mikrokapseln, ist "geliert". Das "Gelieren" kann die Leistung stabilisieren. Ein
solches System kann insbesondere zweckmäßig sein zur Herstellung von
Vorrichtungen, die zu bistabiler Schaltung in der Lage sind, und
zwar mit Langzeitinformationszurückhaltung
(d.h. einem Speicher) einschließlich
optischer Informationsspeichervorrichtungen und "elektronischem Papier".
-
Wenn
das dielektrische Hostfluid und die Ladunssteueragenzien in den
Mikrokapseln durch ein nematisches Flüssigkristallfluid (vergl. 5)
ersetzt wird, so werden sich die dispergierten Flocken wie passive "Gast"-Teilchen suspendiert
in dem nematischen Hostfluid verhalten. Die elektrischen Schalteigenschaften (beispielsweise
Schwellenspannungen, Ansprechzeiten) werden primär bestimmt durch das Koppeln
des angelegten elektrischen Wechselspannungsfeldes mit der dielektrischen
Anisotropie des eine niedrige molare Masse besitzenden LC-Hosts.
Der Mechanismus ist ähnlich
sowohl der nematischen, gekrümmt
ausgerichteten Phase (NCAP) und dem Polymerdispergierten Flüssigkristall
(PDLC), wie dies in J. L. Fergason's U.S. Patent 4 707 080 und J.W. Doane
et al.'s U.S. Patent
4 688 900 beschrieben ist. Der Mechanismus, der einen nematischen
Host entsprechend dieser Erfindung verwendet, unterscheidet sich
insofern, als der erzeugte optische Effekt sich aus einer Kombination
der speziellen optischen Eigenschaften des geordneten nematischen LC-Hosts
und der Gast-Flocken ergibt. In 5 enthalten
die Mikrokapseln PCLC-Flocken, dispergiert in einem nematischen
LC-Host-Fluid mit negativer dielektrischer Anisotropie. Die Mikrokapseln
sind in einem Polymerbindemittel eingekapselt.
-
In
den Beispielen, die Mikrokapseln jeweils mit einem Flocken/Host-System
betreffen, können
die in dem Flocken/Host-System verwendeten PCLC oder PNCL-Flocken
aufgebaut sein aus: (1) Materialien, die einen großen dielektrisehen
Anisotropie-Wert besitzen, unabhängig
davon, ob dieser dem reinen Material inne wohnt oder erhalten wurde
durch Dotieren oder Zumischen mit einem eine niedrige Molarmasse
besitzenden Additiv, und (2) Hostmaterialien und Flocken ohne irgendwelche
Ladungsteueragenzien. Sodann basiert der Mechanismus für die elektrisch
induzierte Schaltung bzw. das Schalten auf der Kopplung des angelegten
elektrischen Feldes mit der dielektrischen Flocken-Anisotropie und
nicht den Oberflächenladungen.
Somit wird das elektrische Schalten oder Adressieren unter Verwendung
eines Wechselspannungsfeldes ermöglicht.
-
Auch
in den Beispielen, die Mikrokapseln verwenden (4–7),
beinhalten die Mischungen aus PCLC-Flocken in den unterschiedlichen
Farbgruppen (Beispiel H) Flocken in jeder Farbgruppe mit einem unterschiedlichen
Wert dielektrischer Anisotropie von dem der anderen Gruppen. Sodann
kann jede Farbgruppe von Flocken auf einen unterschiedlichen Pegel
angelegter Wechselspannung und/oder Frequenz ansprechen. Infolge
dessen kann jede Farbe individuell oder in Kombination mit anderen
Farben adressiert werden, um Vorrichtungen zu erzeugen, die unter
Verwendung von Gleichspannungsfeldern unterschiedlicher Stärke oder Frequenzen
adressiert werden können.
-
Unter
Bezugnahme auf die 6, sei Folgendes ausgeführt: Ein
zusätzlicher
Pegel an Farbschaltfähigkeit
kann vorgesehen werden, und zwar durch Dotieren oder Zumischen eines
in Öl löslichen
Farbstoffs zu der Flocken/Host-Mischung.
Dieser Farbstoff ist in den fluidgefüllten Mikrokapseln dann aufgelöst, wenn
die Flocken/Host-Mischung eingekapselt wird und verbleibt auch aufgelöst. Die
Verwendung eines isotropen Farbstoffs hat eine konstante Hintergrundfarbe
zur Folge, die sich nicht mit dem Anlegen des elektrischen Feldes ändert. Die
Verwendung eines dichromatischen Farbstoffs erzeugt eine zusätzliche
schaltbare Farbquelle unabhängig
von der, die durch das Flockenmaterial erzeugt wird. Ein Beispiel
dieser Art einer Vorrichtung unter Verwendung des gleichen Flocken-
und Hostmaterials in einem Mikro-Einkapselungsmedium,
das sphärische Mikrokapseln
erzeugt, ist in 6 gezeigt.
-
Unter
Bezugnahme auf 7 sei Folgendes ausgeführt: Die
Flocken/Host-Systeme ähnlich denjenigen,
die oben beschrieben wurden sind mikroeingekapselt in ein Polymerbindemittel,
das während
des Aushärtprozesses
abgeschert wird, um Mikrokapseln zu erzeugen, die in ihrer Form
elliptisch und nicht sphärisch sind.
Auf das U.S. Patent 5 523 863 von J.L. Fergason kann Bezug genommen
werden hinsichtlich eines Verfahrens zur Herstellung von Polymer-Filmen
oder -schichten, die elliptische Kapseln aus Flüssigkristallmaterial enthalten.
Die asymmetrische Form oder Gestalt der Mikrokapseln beeinflusst
die optischen Schaltcharakteristika der Vorrichtungsausführungsbeispiele,
die auf der Mikro-Einkapselung basieren. In 7, ist die
kleinere oder Nebenachse der elliptischen Mikrokapsel kleiner oder
gleich der längsten
Abmessung der Flocke. Dies bewirkt, dass die Flocken innerhalb der
Mikrokapseln sich spontan mit der Hauptachse des Mikrokapselellipsoids
ausrichten und auf diese Weise eine bevorzugte Orientierungsrichtung
durch sterische Faktoren erzeugen.
-
Mehrfachelement-
oder "pixelierte" (pixelated) Anordnungen
von Vorrichtungen der 1 bis 7, wie beispielsweise
eine Matrix, wo jedes Anzeigeelement gesondert adressiert wird,
können
eine hohe informationsdichte Farbanzeige vorsehen. Da nur ein kleines
Ausmaß der
Flockenrotation erforderlich ist, um einen beträchtlichen optischen Effekt
zu erreichen, können
die Flocken-Host-Systeme besonders brauchbar in Vorrichtungsgeometrien
sein, wo das elektrische Feld parallel zu den Substraten angelegt
wird.
-
Ein
weiteres Merkmal der Erfindung ist die Verwendung in den hier beschriebenen
Vorrichtungen von selektiven Reflexionseigenschaften der PCLC-Flocken zur Erzeugung
von Farbe, anstatt durch einen Absorptionsmechanismus der Farbstoffe
und absorbierenden Pigmente. Die Vorrichtungen in der vorliegenden
Erfindung sind somit in der Lage, höhere Pegel an Photonenfluss
zu widerstehen (d.h. optisch induzierte Schäden). Dieses Merkmal ist ein
deutlicher Vorteil bei Anwendungen, wo solche Vorrichtungen entweder
hohen Spitzenleistungsquellen (beispielsweise gepulsten oder CW-Lasern)
oder anderen Formen von optischer Strahlung (beispielsweise starkes
Sonnenlicht oder ultraviolettes Licht) ausgesetzt sind.
-
BEISPIELE
DER HERSTELLUNGSVERFAHREN
-
Beispiel 1
-
Um
die Vorrichtung der 1 (Beispiel A) zu erzeugen,
wurden PCLC-Flocken
erzeugt, und zwar mit 5–7 μm Dicke,
thermisch gegossene Filme oder Schichten aus Wacker CLC535 Polycyclosiloxan
LC-Polymer (grüne
selektive Reflexion), und zwar durch Verarbeiten des Films ader
der Schicht gemäß dem Verfahren
beschrieben durch Faris et al. in U.S. Patent 5 364 557. Die sich
ergebenden PCLC-Flocken bestanden aus einer Vielzahl von sich stark
verändernden
Flockengrößen, die
in Größengruppen
unterteilt wurden, und zwar durch Dispersion derselben in einem
geeigneten Lösungsmittel
(beispielsweise Methanol) und durch Gießen der Flockenaufschlämmung durch
eine Reihe von Sieben mit Maschen entsprechend der gewünschten
Größen verteilung
(idealerweise zwischen 20–40 μm). Die größenmäßig behandelte
Flockenaufschlämmung
ließ man
an der Luft trocknen bis das Lösungsmittel
verdampft war. Annähernd
10–20
mg eines oder mehrerer Ladungsteueragenzien, ausgewählt aus
Tabelle 1, wobei eines derselben typischerweise Aerosol OT war,
wurden 20 g eines ausgewählten
dielektrischen isotropen Hostfluids (typischerweise Fluorosilikon-Öl) zugesetzt.
Die Gesamtheit dieser Ladungssteueragenzien, die zugefügt wurden,
kann im Bereich von 0,01–1
Gewichts% der gesamten Mischung liegen. Optional, d.h. wahlweise
können
zusätzliche
10–20
mg eines Surfactants hinzu gegeben werden, wie beispielsweise ein
Poly (ethylenglycerol) oder eine Vielzahl von Surfactantien von
0,001–1 Gewichts%
der gesamten Mischung können
auch dem Hostfluid zugegeben werden, um bei der Dispersion der Flocken
zu helfen und deren Agglomeration, Sedimentation und Immobilisation
auf den Zellenwandelektroden zu verhindern. Nach dem Auflösen der
Ladungssteueragenzien und Surfactantien wurden 50 mg größenbemessener
PCLC-Flocken einem 1 Gramm der Host/Ladungssteueragenzien/Surfactantsmischung
(annähernd
3–6 Gewichts%
der gesamten Mischung) hinzugefügt,
und zwar für
die Verwendung in einer Testzelle. Die Flocken wurden in den Host
dispergiert unter Verwendung entweder eines Magnetrührers, eines
Ultraschallbades oder einer Schüttelvorrichtung,
wobei die Schüttelvorrichtung
das bevorzugte Verfahren darstellt. Die Agitation oder das Rühren wurde
fortgesetzt, bis alle Flocken gleichförmig verteilt waren. Zwei 1'' × 1'' Glas-Substrate, jedes mit einer 500 Å Schicht
aus Indium-Zinnoxid (ITO) leitende Beschichtung wurde verwendet,
um die Vorrichtung zu konstruieren. Der Fluidspalt zwischen den
Substraten, typischerweise 40 μm,
wurde eingestellt, und zwar durch abgeschiedenes Glas- oder Plastigperlen
oder Kügelchen
oder Fasern auf der leitenden Oberfläche eines der Substrate, wobei
aber Mylar-Streifen oder irgendwelche andere Beeabstandungsmaterialien,
die dem Fachmann bekannt sind, auch verwendet werden könnten. Eine
kleine Menge der PCLC-Flocken-Suspension
wurde sodann auf dem Substrat abgeschieden und das zweite Substrat
wurde zu einer leitenden Oberfläche
nach unten weisend auf das erste gesetzt, um eine Sandwich-Zelle
zu bilden. Alternativ könnten
die zwei Substrate zusammengebaut werden, wobei als erstes die oben
beschriebenen Beabstandungsmaterialien verwendet wurden, und die
Flocken-Suspension könnte
durch Kapillarwirkung in den leeren Zellenspalt gezogen werden.
Die Zelle wurde um den Umfang des Fluidspalts herum abgedichtet,
und zwar mit einem Epoxy-Abdichtmaterial, um die Suspension innerhalb
der Zelle zu halten. Das Anlegen einer Reihe von + 40 V Gleichspannungspulsen
entgegen gesetzter Polarität
an die Vorrichtung erzeugte einen Verlust an lintensität der hellen
grünen
Aus-Zustandsfarbe der Flocken. Das optische Ansprechen auf die Vorrichtung
ist in den 8(a) und (b) gezeigt.
-
Beispiel 2
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Um
die PLC-Flocken zu erzeugen, die eine Ladungssteuerschicht, wie
im Beispiel C beschrieben, enthalten, wurden 15 g von Wacker CLC535
Cyclopolsiloxan-LC-Polymer in 30 g von entweder Toluol oder Methylenchlorid
aufgelöst.
Ein Ladungssteueragens, typischerweise Aerosol OT (30 mg, 0,2 Gewichts)
wurde der Mischung zugefügt
und die Komponenten wurden mit einem Magnetrührer gemischt. Diese CLC-Polymer/Ladungssteueragensmischung
wurde in der Form von aufeinander folgenden Ladungssteuerschichten
abgeschieden, und zwar auf einer 5–7 μm dicken reinen CPC 535-Schicht,
die zuvor thermisch auf ein Substrat beschichtet wurde. Die Anzahl
der Schichten, die aufgebracht werden kann, kann verwendet werden
zur endgültigen
Konzentration des Ladungssteueragens in der Ladungssteuerschicht.
Ladungssteuerschichten wurden auf den reinen CLC-535-Basis-Film
gegossen, und zwar sowohl durch Messerbeschichtung und Drehbeschichtungstechniken,
wobei aber das Letztere als das bevorzugte Verfahren herausgefunden
wurde, da es außerordentlich
gleichförmige
Filme oder Beschichtungen mit guter Reproduzierbarkeit erzeugt.
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Nach
dem Abscheiden der Ladungssteuerschicht wurde der PLC-Film oder
die PLC-Schicht erhitzt, und zwar weit über die Glasübergangstemperatur
hinaus und es erfolgte eine Ausrichtung durch Scheren, um so einen
monodomänen
Ausrichtungszustand mit hochqualitativer, selektiver Reflexion zu
erhalten. Letzteres wurde erreicht durch: (1) Erhitzen des PLC-Films über die Glasübergangstemperatur
hinaus, und zwar auf einer Heizplatte, (2) Laminieren eines Teils
von Kapton-Film auf PLC-Film und (3) Zurückbringen der laminierten Filme
zur der Heizplatte. Der Kapton-Film bzw. die Kapton-Schicht wurde über den
PLC-Film hin und her gezogen, um die Scherbewegung zu erzeugen,
was eine gleichförmige
Molekularausrichtung in dem PLC-Film zur Folge hat. Der Film wurde
sodann in einem Ofen erhitzt und auf 10–20°C angelassen, und zwar liegt
diese Temperatur oberhalb der Glasübergangs- oder Glastransitionstemperatur
für 3–4 Stunden,
wobei nach dieser Zeit der Film gekühlt wurde, und zwar auf Raumtemperatur,
um den außerordentlich
geordneten mono-domänen
Ausrichtungszustand einzufrieren.
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Der
die Ladungssteuerschicht oder Lage enthaltende PCLC-Film wurde in
eine Flockenform umgewandelt, und zwar gemäß dem Verfahren des Standes
der Technik von Faris et al. im U.S. Patent 5 364 557. Die Vorbereitung
der Flocken/Host-Mischung, der Zellenanordnung und das Testen werden
in identischer Art und Weise zu der in Beispiel 1 beschriebenen
Art und Weise ausgeführt.
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Beispiel 3
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Um
die Vorrichtung der 1 herzustellen (vergl. Beispiel
C) wurden 5–7 μm thermisch
gegossene PCLC-Filme oder -schichten mit unterschiedlich selektiven
Reflexionsfarben, wie beispielsweise Wacker CLC 535 (grün), Wacker
CLC-670 (rot) und CLC-450 (blau) jeweils beschichtet, und zwar mit
entweder einer unterschiedlichen Menge oder einer unterschiedlichen
Anzahl von Schichten des Ladungssteueragens, ausgewählt aus
Tabelle 1 und aufgelöst
in einer Lösungsmittellösung des
PCLC-Polymers der entsprechenden selektiven Reflexionsfarbe gemäß dem in
Beispiel 2 erläuterten
Prozess. Derartige Flocken werden in einem dielektrischen Fluid-Host
suspendiert, und zwar ausgewählt
aus Tabelle 2 und angeordnet in einer Testzelle zur Auswertung,
wie in Beispiel 1 beschrieben. Ein alternatives Verfahren zum Erreichen
des gleichen Resultats besteht in der Verwendung eines unterschiedlichen
Ladungsteueragens aus Tabelle 1 für jede Flocken-Farbgruppe,
um eine unter schiedliche Größe oder
ein unterschiedliches Vorzeichen der Ladung zu erhalten in der Ladungssteuerschicht
jeder Flocken-Farbgruppe.
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Beispiel 4
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PCLC-Flocken
mit einem großen
Wert dielektrischer Anisotropie können aus den Ausgangs-PCLC-Materialien
mit wenig oder keiner inherenten dielektrischen Anisotropie durch
Mischen von 0,55g von CB-15 (E. Merck) einer niedrigen Molarmasse
einer chiralen Verbindung mit positiver dielektrischer Anisotropie
mit 2,20 g Wacker CLC535 Polysiloxan-LC-Polymer, aufgelöst in 8,0
g Toluol hergestellt werden. Die Mischung wird gerührt und
ein Film oder eine Schicht aus dem modifizierten PCLC-Material wird
gegossen und verarbeitet gemäß dem Verfahren,
wie dies in Beispiel 2 angegeben ist. Flocken des modifizierten
PLC-Materials können
aus dem modifizierten Ausgangsfilm erhalten werden, und zwar gemäß dem Verfahren,
wie dies von Faris et al. in U.S. Patent 5 364 557 beschrieben ist.
Diese Verfahrensweisen und Prozesse zur Herstellung der Flocken/Host-Mischung,
der Zellenanordnung und des Testens werden, wie in Beispiel 1 beschrieben, ausgeführt.
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Beispiel 5
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Zur
Erzeugung der PLC-Flocken mit unterschiedlichen Farben und entsprechend
unterschiedlichen Werten der dielektrischen Anisotropie wird das
Verfahren, beschrieben in Beispiel 4, verwendet, mit der Ausnahme,
dass Mehrfach-PCLC-Ausgangs-Polymer-Filme oder Schichten mit unterschiedlichen
selektiven Reflexions-Wellenlängen
mit unterschiedlichen Mengen eines Additivs, CB-15 dotiert werden,
um die dielektrische Anisotropie des modifizierten PCLC-Films zu
bestimmen und die resultierenden Flocken für jede gewünschte Farbe. Die Flocken aus
modifiziertem PLC-Material können
aus dem modifizierten Ausgangsfilm erhalten werden, dadurch dass
man dem Verfahren gemäß Faris
et al. in U.S. Patent 5 364 557 folgt. Die Verfahrenweise und Prozesse
zur Herstellung der Flocken/Host-Mischung, der Zellenanordnung und
des Testens werden gemäß dem Beispiel
I ausgeführt.
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Beispiel 6
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Die
Herstellung der Vorrichtung gemäß 3 wird
dadurch erreicht, dass man als erstes 50 mg (3–6 Gewichts%) Wacker CLC535
Polysiloxan-LC-Flocken der in Beispiel 1 beschriebenen Dimensionen
in 1 g einer E7 nematischen Flüssigkristallmischung
(E. Merck) mischt. Substrate, die eine transparente leitende Beschichtung,
wie im Beispiel 1 tragen, werden mit einer 500 Å Schicht aus Nylon 8/6 spin-abgeschieden
aus einer 2% Ameisensäurelösung beschichtet.
Nach dem Backen der Substrate bei 120°C für 15 Minuten, wurden die Polyimide-Beschichtungen "gebufft" bzw. geglättet, und
zwar unter Verwendung einer Samtwalze, um einen gleichförmigen homogenen
Ausrichtzustand zu erzeugen. Die PLCL-Flocken/nematische LC-Suspension wurde
der Zelle hinzugefügt,
wie in Beispiel I beschrieben und die Zelle wurde ausgewertet durch
Anlegen einer Treiberwellenform bestehend aus intermittierenden
1 KHz Sinus-Wellen oder Rechteck-Wellen-Stöße an die Vorrichtung.
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Beispiel 7
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Vorrichtungen
mit einem PCLC-Flocken/Hostfluid-System eingekapselt in sphärischen
Hohlräumen
in einem film- oder schichtbildenden Polymerbindemittel können hergestellt
werden, und zwar dadurch, dass man als erstes die erwünschten
PCLC-Flocken, oder die Mischung aus PCLC-Flocken in das gewünschte Host-Fluid,
ausgewählt
aus Tabelle 2 mit geeigneten Ladungssteueragenzien, ausgewählt aus
Tabelle 1, suspendiert. Wenn gewünscht,
kann ein Öl
löslicher
isotroper oder dichromatischer Farbstoff, wie beispielsweise Öl Rot O,
Sudan III oder Sudan Schwarz B der Flocken/Fluid-Host-Suspension zugegeben
werden, um zusätzliche
Farbschaitfähigkeiten,
wie zuvor beschrieben hinzuzufügen.
Ein auf Wasser basierendes Einkapselungsmedium, welches beispielsweise
Wasser lösliche
thermoplastische Polymere, wie Polyvinylalkohol (PVA), Polyethylen-Oxid
(PEO) oder Polyvinyl-Pyrroldon
(PVP) verwendet, wird hergestellt durch Auflösen einer geeigneten Polymermenge
in Wasser, um für
die Einkapselung hinreichend Viskosität zur Verfügung zu stellen. Typischerweise
wird eine Festkonzentration (solid concentration) für ungefähr 10–50% des
filmbildenden Polymers in Wasser verwendet, und zwar abhängig von
der speziellen ausgewählten
Polymer-Matrix. Ein Surfactant oder eine Reihe von Surfactantien
wird der Einkapselungsmatrix zugegeben, um die endgültige Emulsion zu
stabilisieren. Die PCLC-Flocken/Fluid-Host-Suspension
wird der Einkapselungsmatrix zugegeben, und zwar in einem entsprechenden
Verhältnis
von 60% bzw. bis 40% und dispergiert unter Verwendung entweder eines
hohen Schermischers oder eines kommerziellen Mischers in einer Art
und Weise ähnlich,
wie dies durch Fergason für
NCAP-Dispersionen in den U.S. Patent 4 707 080 und 5 523 863 beschrieben
wurde. Die sich ergebende Emulsion kann sodann auf ein starres oder
flexibles Substrat aufgegossen werden, welches einen transparenten,
leitenden Überzug
trägt,
und zwar unter Verwendung von Messerbeschichtungsverfahren, die dem
Fachmann bekannt sind. Nach dem der Film lufttrocknen konnte, kann
ein zweites Substrat mit einer leitenden Beschichtung auf die verbleibende
freiliegende Oberfläche
des Films laminiert werden, um die gewünschte Vorrichtung zu bilden.
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Beispiel 8
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Die
Herstellung einer Vorrichtung mit dem PCLC-Flocken/Host-Fluid-System
enthalten innerhalb elliptischer Hohlräume in einem polymeren Bindemittel
(7) wird erreicht durch Vorbereitung der PCLC-Flocken/Fluid-Host-Suspension, wie dies
in Beispiel 7 beschrieben wurde und Einkapseln in eine Wasser lösliche durch
Wärme aushärtbare (thermosetting)
filmbildende Polymeremulsion oder Firnis, wie beispielsweise eine Varathane
Polyurethan-Emulsion.
Das Urethan-Einkapselungsmedium enthält auch Mengen von zusätzlichen Surfactantien,
wie dies in Beispiel 7 beschrieben ist. Die Mikro-Einkapselung, das
Film- oder Beschichtungsgießen
und die Film- oder Beschichtungsverarbeitung wird, wie im Beispiel
7 beschrieben ausgeführt,
und zwar mit der Ausnahme, dass der teilweise ausgehärtete Film
durch Strecken und Erhitzen laminiert wird, und zwar entsprechend
dem Verfahren, wie dies von Fergason in U.S. Patent 5 523 863 beschrieben
wurde, um gleichzeitig die langgestreckten Kapseln zu erzeugen und
den Film auszuhärten,
um die elliptische Kapselform beim Kühlen aufrecht zu erhalten.
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Aus
der obigen Beschreibung ergibt sich, dass eine Klasse von elektrisch
schaltbaren elektro-optischen Vorrichtungen unter Verwendung von
PLC- und BP-Flocken, suspendiert in Fluid-Hosts offenbart wurde, wobei
diese Vorrichtungen viele Anwendungen auf dem Gebiet der Optik,
Photonik und als Anzeigevorrichtung besitzen. Abwandlungen und Modifikationen
der hier beschriebenen Vorrichtungen ergeben sich für den Fachmann
im Rahmen der Erfindung. Demgemäß sollte
vorstehende Beschreibung als veranschaulichend und nicht in einem
einschränkenden
Sinne verstanden werden.
