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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bilden eines Verbundes,
enthaltend einen Matrixbestandteil und wenigstens einen Flüssigkristallbestandteil.
Sie betrifft ebenfalls einen Verbund, der dadurch erhältlich ist,
sowie Verwendungen davon.
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Seit
es zum ersten Mal, im Jahr 1976, gezeigt wurde, daß es möglich ist,
einen flüssigkristallinen
Verbund von einem undurchsichtigen Zustand in einen transparenten
Zustand zu verändern,
wurde ein großes Maß an Forschungsanstrengungen
investiert, um einen Fortschritt zu erzielen und um dieses Phänomen zur Verwendung
in elektronischen Bestandteilen etc. anzupassen. Das Prinzip der
Veränderung
eines Flüssigkristalls
von einem undurchsichtigen in einen transparenten Zustand wurde
auf eine poröse
Polymermatrix angewandt (Craighead et al., 1982, Appl. Phys. Lett.
40, 22), die mit einem Flüssigkristall
gefüllt
war. Die Idee, einen Flüssigkristall
innerhalb einer Matrix einzuschließen, die in dem Experiment
von Craighead eine schlechte Leistung zeigte, wurde 1985 von Fergason
(1985, SID, Int. Symp. Digest of Tech. Papers, 16, 68) und Drzaic (1986,
J. Appl. Phys, 60, 2142), weiterentwickelt, die über Flüssigkristall-Polymer-Verbunde
berichteten, die erhalten wurden, indem man eine Emulsion eines
Flüssigkristalls
in einer wäßrigen Lösung von
Polyvinylalkohol trocknete. Diese Materialien wurden als „nematische
kurvilineare ausgerichtete Phase" („nematic
curvilinear aligned phase",
NCAP) bezeichnet, die eine Verwendung in intelligenten Fensteranwendungen
fanden. In NCAP-Anwendungen ist der Flüssigkristall mittels Standard-Mikroverkapselungs- oder Emulgierungstechniken
verkapselt, die ihn in einem festen Polymerfilm suspendieren.
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Eine
weitere Technik, die auf der Grundlage der Idee von Craighead, den
Flüssigkristall
in einer Polymermatrix einzubetten, entwickelt wurde, ist die sogenannte
PDLC-Technik (Polymer-dispergierter Flüssigkristall). Dies wird erzielt
durch Herstellen einer homogenen Mischung eines Flüssigkristalls
und eines Prä-Polymers
und danach durch Induzieren einer Phasentrennung, indem man bewirkt,
daß das
Prä-Polymer
ein festes Netzwerk bildet, wodurch induziert wird, daß der Flüssigkristall
Tröpfchen
bildet, die in dem Polymernetzwerk eingebettet sind.
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Verschiedene
Techniken sind entwickelt worden, um eine solche Bildung eines Polymernetzwerks
zu erzielen, die in Abhängigkeit
von den einzelnen Umständen
verwendet werden. Zum Beispiel wird, wenn ein Präpolymer-Material mit einer
Flüssigkristallverbindung
misch bar ist, eine Phasentrennung durch Polymerisation verwendet.
Diese Technik wird als Polymerisations-induzierte Phasentrennung
(PIPS) bezeichnet. Eine homogene Lösung wird gemacht, indem das
Prä-Polymer
mit dem Flüssigkristall
gemischt wird. Danach wird eine Polymerisation durch eine Kondensationsreaktion
erzielt, wie z.B. mit Epoxy-Harzen, oder durch eine freie radikalische
Polymerisation, wie bei Vinyl-Monomer, das mit einem freien Radikal-Initiatior,
wie etwa Benzoylperoxid katalysiert wird, oder durch eine Photo-initiierte
Polymerisation. Nach der Polymerisation nimmt die Löslichkeit
des Flüssigkristalls
in den sich verlängernden
Polymeren ab, bis der Flüssigkristall
Tröpfchen
oder ein untereinander verbundenes Flüssigkristall-Netzwerk innerhalb
eines wachsenden Polymernetzwerks bildet. Wenn das Polymer zu gelieren
beginnt, wird es die wachsenden Tröpfchen oder das untereinander
verbundene Flüssigkristallnetzwerk
einschließen,
wodurch es sie/es in ihrem seinem Zustand zu diesem Zeitpunkt arretiert.
Die Tröpfchengröße und die
Morphologie der Tröpfchen
oder die Dimensionen des Flüssigkristallnetzwerks
werden während
der Zeit zwischen der Tröpfchennukleation/Initiation
der Netzwerkbildung und dem Gelieren des Polymers bestimmt. Wichtige
Faktoren sind die Polymerisationsrate, die relativen Konzentrationen
von Materialien, die Temperatur, die Typen an Flüssigkristall und verwendeten
Polymere und verschiedene andere physikalische Parameter, wie etwa
Viskosität,
Löslichkeit
des Flüssigkristalls
in dem Polymer. Tröpfchen
mit einer vernünftig
uniformen Größe können mittels
dieser Technik erzielt werden. Die Größen, die in der Vergangenheit
hergestellt worden sind, lagen im Bereich von 0,01 μm–30 μm. Die Polymerisations-induzierte
Phasentrennung (PIPS) ist ein bevorzugtes Verfahren zum Bilden von
PDLC-Filmen. Der Prozeß beginnt
mit einer homogenen Mischung an Flüssigkristall und Monomer oder
Prä-Polymer.
Die Polymerisation wird initiiert, um die Phasentrennung zu induzieren.
Tröpfchengröße und -morphologie
werden durch die Rate und die Dauer der Polymerisation, die Typen
an Flüssigkristall
und Polymeren und ihre Anteile in der Mischung, Viskosität, Diffusionsrate,
Temperatur und Löslichkeit
des Flüssigkristalls
im Polymer bestimmt (West, J.L., Phase-separation of liquid-crystals
in polymer. Molecular Crystals and Liquid Crystals, 1988, 157: S. 427–441, Golemme,
A., Zumer, S., Doane, J.W. und Neubert, M.E., Deuterium nmr of polymer
dispersed liquid crystals. Physical REview a, 1988. 37(2): S. 599–569, Smith,
G.W. und Vaz, N.A., The relationship between formation kinetics
and microdroplet size of epoxy based polymer-dispersed liquid-crystals.
Liquid Crystals, 1988. 3(5): S. 543–571, Vaz. N.A. und Montgomery,
G.P., Refractive-indexes of polymer-dispersed liquid-crystal film
materials – epoxy
based system. Journal Of Applied Physics, 1987. 62(8): S. 3161–3172).
In ultraviolettem Licht (UV)-initiierter
Polymerisation kann die Aushärtrate
durch Veränderung
der Lichtintensität verändert werden
(Whitehead Jr, J.B., Gill, N.L., und Adams, C., Characterization
of the phase separation of the E7 liquid crystal component mixtures
in a thiol-ene based polymer. Pric, SPIE, 2000. 4107: S. 189). Das
PIPS-Verfahren unter Verwendung der freien radikalischen Polymerisation
ist bei weitem dasjenige, da am intensivsten studiert worden ist,
und die Mehrheit der freien radikalischen Polymerisationssysteme
werden durch UV-Licht initiiert. Der Prozeß hat mehrere Vorteile gegenüber anderen
Verfahren, wie etwa bessere Phasentrennung, uniforme Tröpfchengröße und bessere
Kontrolle der Tröpfchengröße. Jedoch
kann die Anwesenheit von Farbstoffen, die UV- und sichtbare Strahlung
absorbieren, in der Mischung vor dem Aushärten zu einer unvollständigen oder
der vollständigen
Verhinderung einer erfolgreichen Aushärtung führen. Darüberhinaus können sich die Farbstoffe beim
Aushärten
zersetzen.
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Eine
weitere Technik, die zum Erhalt von PDLC-Verbunden verwendet wird,
ist die thermisch induzierte Phasentrennung (TIPS). Diese Technik
kann für
Flüssigkristallmaterialien
und thermoplastische Materialien verwendet werden, die in der Lage
sind, eine homogene Lösung
oberhalb der Schmelztemperatur des Polymers zu bilden. Die homogene
Lösung
des Flüssigkristalls
in der thermoplastischen Schmelze wird unterhalb des Schmelzpunkts
des thermoplastischen Materials gekühlt, wodurch eine Phasentrennung
des Flüssigkristalls
bewirkt wird. Die Tröpfchengröße des Flüssigkristalls
wird durch die Kühlrate
und eine Anzahl von anderen Material-Parametern bestimmt. Beispiele
für TIPS-hergestellte
Verbunde sind Polymethylmethacrylat (PMMA) und Polyvinylformal (PVF)
mit Cyanobiphenyl-Flüssigkristall.
Im allgemeinen sind die Konzentrationen an Flüssigkristallen, die für TIPS-Film erforderlich
sind, im Vergleich mit TIPS-hergestellten Filmen größer.
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Eine
weitere Technik, die verwendet wird, um Polymer-dispergierte Flüssigkristall-Verbunde
herzustellen, ist Lösungsmittel-induzierte
Phasentrennung (SIPS). Diese verwendet einen Flüssigkristall und ein thermoplastisches
Material, die in einem gemeinsamen Lösungsmittel aufgelöst sind,
wodurch eine homogene Lösung
gebildet wird. Die darauffolgende Verdampfung des Lösungsmittels
führt zu
einer Phasentrennung des Flüssigkristalls,
Tröpfchenbildung
und Wachstum und Polymer-Gelierung. Eine Lösungsmittelverdampfung kann
ebenfalls zusammen mit einer thermischen Verarbeitung von Materialien
verwendet werden, die unterhalb ihrer Zersetzungstemperatur schmelzen.
Zuerst werden Filme auf einem geeigneten Substrat unter Verwendung
von Standardfilm-Beschichtungstechniken gebildet, z.B. Doctor-Blading,
Spin-Beschichtutng, Web-Beschichtung etc. Das Lösungsmittel wird danach ohne
Rücksicht auf
Tröpfchengröße oder
-dichte entfernt. Dann wird der Film wieder erwärmt, um den Flüssigkristall
in dem Polymer erneut aufzulösen,
und dann bei einer Rate abgekühlt,
die so ausgewählt
wird, um die erwünschte
Tröpfchengröße und -dichte
zu ergeben. Im Ergebnis ist das letztere Beispiel eine Kombination
von SIPS mit TIPS.
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Ein
häufiges
Problem, das mit all den zuvor erwähnten Techniken angetroffen
wird, ist die Tatsache, daß die
Phasentrennung, die erzielt wird, nur unvollständig ist, d.h. ein gewisser
Anteil des Flüssigkristalls macht
das gebildete Polymernetzwerk weich, weil er innerhalb des Polymers
aufgelöst
bleibt. Dies ist von Nachteil für
jegliche elektronische Vorrichtung, die von einem solchen Flüssigkristall
Gebrauch macht.
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Elektronische
Anzeigevorrichtungstechnologien erfordern Anzeigen mit hoher Helligkeit
und Kontrast, geringem Leistungsverbrauch und schnellen Aktualisierungsgeschwindigkeiten
(„Refresh
Speeds"). Für flexible
Anzeigen wird eine Polymer-Dünnschicht-Technologie
erprobt, und insbesondere Polymer-dispergierte Flüssigkristallfilme
(= PLC) sind von Interesse. Bei diesen Materialien ist es wichtig,
eine gute Phasentrennung der Bestandteile mit minimaler Co-Auflösung zu
erzielen. Eine solche Co-Auflösung
verringert den Streu-Umschalt-Kontrast
(„scattering-switching
contrast") zwischen
den Zuständen „an" und „aus". Darüberhinaus
verringert, wenn Farbstoffe verwendet werden, um farbige PDLC-Filme
zu erzeugen, die Auflösung
des Farbstoffs in der inaktiven Polymermatrix den Farb-Umschalt-Kontrast. Ein weiteres
Hindernis ist, daß bei
der bevorzugten Aushärtungsmethode,
d.h. dem Aushärten
mittels ultravioletten Lichts, viele Farbstoffe eine Zersetzung aufgrund
von Licht durchlaufen. Es gibt andere Vorteile, die es wünschenswert
erscheinen lassen, Farbstoffe zu PDLC-Verbundfilmen zuzugeben. Die
Zugabe von dipolaren Farbstoffen kann z.B. zu schnelleren „Anschalt"-Zeiten führen („turn-on
times").
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Ein
weiteres Problem, das häufig
bei PDLC-Verbunden angetroffen wird, ist die Tatsache, daß zusätzliche
Bestandteile, die in dem Flüssigkristall
aufgelöst
sind, gegenüber
dem Phasentrennungsprozeß empfindlich
sind und häufig
im Verlauf der Polymerisation und/oder der Bildung der Polymermatrix
beschädigt
werden. Zum Beispiel ist es sehr schwierig, UV-empfindliche Farbstoffe einzubauen,
die eine photo-induzierte Polymerisation überleben. Entsprechend ist
es ein Problem gewesen, PDLC-Verbunde zu erzeugen, die aufgrund
des Einschlusses von Farbstoffen farbig sind.
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In
der Prioritätsanmeldung
zur vorliegenden Anmeldung, die hierin durch Bezugnahme in ihrer
Gesamtheit aufgenommen wird (Prioritätsanmeldung Nr.
EP 01 129 709.0 , eingereicht am
13. Dezember 2001), ist das Problem der Co-Auflösung des Flüssigkristallbestandteils innerhalb
der Polymermatrix mit einem Verfahren gelöst worden, bei dem in einem
anfänglichen
Zustand eine Co-Dispersion von Flüssigkristall und einem Prä-Polymer
gemacht wird, gefolgt von einem Aushärten und Entfernen des Flüssigkristalls.
Das darauffolgende erneute Füllen
der Hohlräume,
die durch die Polymerisation erzeugt worden sind, mit einem anderen Flüssigkristallmaterial
führt zu
einem Polymer-dispergierten Flüssigkristall
(PDLC-Material) mit einer merkbar verbesserten Absorption und verringerten
Abschalt-Zeiten im Hinblick auf bislang bekannte PDLC-Materialien. Die
erneute Auffüllung
der während
der Polymerisation erzeugten Hohlräume danach kann mittels eines
Flüssigkristallmaterials
erfolgen, das dasselbe oder ein anderes ist im Hinblick auf das
Material, das anfänglich
bei der Co-Dispersion beteiligt war.
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Jedoch
ist es weder mit dieser Technik noch mit der ursprünglich von
Craighead verwendeten Technik möglich
gewesen, Farbstoffe in Flüssigkristallmaterial
einzubauen, das Teil des Verbundes bildet, und dadurch einen Verbund
zu erzeugen, der zum Beispiel in einer Anzeigezelle verwendet werden
kann, die in der Lage ist, zwischen einem farbigen Zustand und einem
transparenten Zustand reversibel umzuschalten. Weder die Vorrichtungen,
die gemäß der Technik
von Craighead hergestellt worden sind (d.h. Zugabe von nicht-absorbierendem
Flüssigkristallmaterial
zu einer vorgeformten Polymermatrix) noch die Vorrichtungen, die
gemäß der Technik
hergestellt worden sind, die in der Prioritätsanmeldung zu dieser Anmeldung
beschrieben ist (Prioritätsanmeldung
Nr.
EP 0 112 979.0 ,
eingereicht am 13. Dezember 2001), waren in der Lage, reversibel
zwischen zwei verschiedenen Zuständen
umzuschalten, d.h. einem farbigen Zustand und einem transparenten Zustand,
wenn das Flüssigkristallmaterial
einen Farbstoff, z.B. einen dichroitischen Farbstoff einschloß.
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Dokument
US 2001/0016238 A1 offenbart ein elektrooptisches Flüssigkristallsystem,
enthaltend einen PDLC-Film, umfassend eine Flüssigkristallmischung, die Mikrotröpfchen in
einer Polymermatrix bildet, wobei einer der Brechungsindizes der
Flüssigkristallmischung
dem Brechungsindex der Polymermatrix angepaßt ist, und das durch Kapillarfüllung einer
Zusammensetzung, umfassend einen Matrix-Vorläufer, die Flüssigkristallmischung
und eine oder mehrere reaktive flüssigkristalline Verbindungen
zwischen zwei Substraten und anschließendes Aushärten des Matrix-Vorläufers gebildet
wird.
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US 5,958,290 offenbart ein
elektrooptisches Flüssigkristallsystem
und eine Matrix, wobei das System hergestellt wird durch Rühren einer
Flüssigkristallmischung
zusammen mit einem Prä-Polymer,
das im folgenden mittels UV-Bestrahlung ausgehärtet wird.
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WO
93/05436 A offenbart ein elektrooptisches Flüssigkristallsystem, enthaltend
eine Flüssigkristallmischung
und ein transparentes polymeres Medium, das wiederum durch Aushärten einer
Zusammensetzung erzeugt wird, die die Flüssigkristallmischung und einen
Vorläufer
des polymeren Mediums enthält.
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EP 0 575 791 A1 offenbart
eine Flüssigkristallverbundschicht
des Dispersionstyps, bei der ein Flüssigkristallmaterial in ein
Matrixpolymer dispergiert wird, das durch Mischen eines Flüssigkristallmaterials
und einem aushärtbaren
Harzmaterial erzeugt wird, das darauffolgend zu einer Matrix ausgehärtet wird.
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WO
96/19547 offenbart einen Flüssigkristallverbund,
wobei ein Flüssigkristallmaterial
in einer Matrix dispergiert wird. Dieser Verbund wird durch Mischen
eines Flüssigkristallmaterials
zusammen mit einem Matrixvorläufer
und durch darauffolgendes Bilden der Matrix durch z.B. Photopolymerisation
des Matrix-Vorläufers
gebildet.
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Basierend
auf dem oben erwähnten
beschriebenen Stand der Technik ist es eine Aufgabe der vorliegenden
Erfindung, ein verbessertes Verbundmaterial bereitzustellen, das
in einer Anzeige verwendet werden kann, die dann in der Lage ist,
zwischen einem farbigen und einem transparenten Zustand reversibel
umzuschalten, und ein Verfahren bereitzustellen, das einfach durchzuführen ist.
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Dieses
Problem wird mit dem Verfahren gemäß dem unabhängigen Anspruch 1 und dem Verbundmaterial
gemäß Anspruch
10 gelöst.
Ansprüche
2 bis 9 beziehen sich auf besonders vorteilhafte Ausführungen des
Verfahrens gemäß Anspruch
1, Anspruch 11 bezieht sich auf einen spezifischen vorteilhaften
Verbund gemäß Anspruch
10. Die Aufgabe wird ebenfalls durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch
12 gelöst,
enthaltend einen Verbund nach einem der Ansprüche 10–11, und durch die Verwendung
einer Vorrichtung gemäß Anspruch
12.
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Bevorzugt
umfaßt
das Verfahren gemäß der vorliegenden
Erfindung den zusätzlichen
Schritt:
e) Abkühlen
des Verbundes auf Zimmertemperatur.
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Es
wird bevorzugt, daß das
Erhitzen für
1–20 Minuten,
bevorzugt 1–10
Minuten, bevorzugter 1–5
Minuten stattfindet, und das Abkühlen über eine
Periode von 1–60
Minuten, bevorzugt 1–40
Minuten, bevorzugter 5–20
Minuten stattfindet.
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In
einer Ausführungsform
enthält
der wenigstens eine Flüssigkristallbestandteil
wenigstens einen optisch absorbierenden Bestandteil, wobei bevorzugt
der wenigstens eine optisch absorbierende Bestandteil in dem wenigstens
einen Flüssigkristallbestandteil
löslich
ist.
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Es
wird bevorzugt, daß der
lösliche,
optisch absorbierende Bestandteil ausgewählt ist aus der Gruppe, umfassend
Farbstoffe, Verbindungen mit permanenten Dipolen, stäbchenartig
strukturierte Materialien und Nanoröhren, wobei bevorzugt der lösliche,
optisch absorbierende Bestandteil ausgewählt ist aus der Gruppe, umfassend
UV-empfindliche Farbstoffe, UV-stabile
Farbstoffe, cis-trans-Isomer-Farbstoffe, dichroitische Farbstoffe
und dipolare Farbstoffe.
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In
einer Ausführungsform
ist der Matrixbestandteil ein Polymer-Matrixbestandteil oder ein
Glas-basierender Bestandteil oder eine Kombination der beiden (d.h.
Polymer-Glas-Hybrid-Materialien),
wobei bevorzugt der Polymer-Matrix-Bestandteil eine vorgeformte
poröse
Polymer-Matrix ist oder eine Polymer-Matrix ist, die mit der PDLC-Technik
hergestellt worden ist (Polymer-dispergierte Flüssigkristalltechnik).
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Die
Aufgaben der vorliegenden Erfindung werden ebenfalls durch einen
Verbund gelöst,
der durch ein Verfahren gemäß der vorliegenden
Erfindung erhältlich
ist.
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Bevorzugt
enthält
der Verbund einen Flüssigkristallbestandteil,
der mit einer Verbindung dotiert ist, ausgewählt aus der Gruppe, umfassend
Farbstoffe, UV-empfindliche Farbstoffe, UV-stabile Farbstoffe, dichroitische Farbstoffe,
Farbstoffe mit einem permanenten Dipol, stäbchenartig strukturierte Materialien
und Nanoröhren.
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Die
Aufgaben der vorliegenden Erfindung werden ebenfalls durch eine
Vorrichtung gelöst,
enthaltend einen Verbund gemäß der vorliegenden
Erfindung.
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Die
Aufgaben der vorliegenden Erfindung werden ebenfalls durch die Verwendung
einer Vorrichtung gemäß der vorliegenden
Erfindung gelöst,
oder eines Verbundes gemäß der vorliegenden
Erfindung in einer Anzeige, einem intelligenten Fenster („smart
window"), einer
Membran, einem optischen Ventil, einem Bragg-Gitter, einem optisch
empfindlichen Speicher, einem Infrarotverschluß, einem Gasfluß-Sensor,
einem Drucksensor und/oder einem Polarisator.
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Im
Fall, daß der
Matrixbestandteil eine Polymer-Matrix ist, wird bevorzugt, daß die Matrix
porös ist.
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Der
Begriff „porös", wie hierin verwendet,
soll bedeuten, daß die
Matrix einen Interstitialraum bereitstellt, in dem andere Materie
aufgenommen werden kann, z.B. Flüssigkeiten.
Bevorzugte Ausführungsformen einer
Matrix gemäß der vorliegenden
Erfindung sind Schwämme,
Filter, Filterpapiere, Gele, Netzwerke, Siebe, Polymergele, Polymersiebe.
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Weitere
Beispiele der Matrix sind anorganische Netzwerke, z.B. Siliciumoxid-Netzwerke,
die z.B. mittels eines Sol-Gel-Prozesses hergestellt werden können, oder
Xerogele. Der letztere Begriff trifft auf jedes Netzwerk mit sehr
geringer Dichte zu, in dem es eine kontinuierliche Hohlraumphase
gibt, und in dem es eine feste Phase gibt, die entweder aus einem
organischen oder anorganischen Material ist.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
hat der Interstitialraum Dimensionen in den x, y, z-Richtungen im Bereich
von 100 nm–30 μm, bevorzugter
500 nm–10 μm und noch
bevorzugter 600 nm–5 μm. Am bevorzugtesten
liegen die Dimensionen des Interstitialraums (Porengröße) um ungefähr 3 μm.
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Die
Idee dieser Dimensionen ist, daß,
obwohl dies für
die Erfindung nicht absolut essentiell ist, eine Streuung von elektromagnetischer
Strahlung durch geeignete Dimensionswahl erzielt werden soll. Ohne
daß die
Erfinder an eine bestimmte Theorie gebunden sein wollen, haben sie
gefunden, daß durch
Auswahl der zuvor erwähnten
Dimensionen eine Streuung erzielt werden kann und dadurch die Absorption
von elektromagnetischer Strahlung durch Farbstoffe, die möglicherweise
in der flüssigkristallinen
Phase eingeschlossen sind, verbessert werden kann, weil die Weglänge des
Lichts erhöht
worden ist.
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Bevorzugt
ist, sofern Streuung erwünscht
ist, der maximale Brechungsindexunterschied zwischen der Matrix
und den Flüssigkristallmaterial > 0,01, um eine Streuung
zu erzielen.
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Bei
der Ausübung
der Erfindung gibt es zahlreiche nützliche Flüssigkristallmaterialien, und
eine große Vielzahl
kann von verschiedenen Quellen kommerziell erhalten werden. Zum
Beispiel bietet die Firma Merck einen weiten Bereich an Flüssigkristallmaterialien
an. Obwohl in keiner Weise darauf beschränkt, schließen nützliche Beispiele bei der Ausführung der
vorliegenden Erfindung Flüssigkristallverbindungen
ein, die ausgewählt
sind aus der Gruppe, umfassend Cyanobiphenyle und substituierte
Cyanobiphenyle. Das Flüssigkristallmaterial,
das als „E7" bezeichnet wird,
das eine Mischung verschiedener Anteile verschiedener Cyanobiphenyle
ist, ist besonders nützlich;
die Auswahl an Flüssigkristallmaterial
hängt natürlich von
der beabsichtigten Anwendung und Zweck ab. Andere Flüssigkristallmaterialien,
die von Merck erhältlich
sind, sind TL213, TL203 und 5CB.
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Bei
der Ausübung
der vorliegenden Erfindung können
nützliche
Farbstoffe zusätzliche
Gruppen haben, die den Farbeffekt des Farbstoffs verändern. Diese
Gruppen können
auxochrome Gruppen sein, die die Absorptionsspektrumseigenschaften
des Farbstoffs verändern,
wie etwa NR2, OR, COOH, SO3H,
CN. Beispiele für
UV-emfindliche Farbstoffe sind Farbstoffe mit Azo-Gruppen oder Farbstoffe,
die zusätzlich
ein permanentes Dipolmoment haben, wie etwa MORPIP.
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Der
Begriff „PDLC-Technik", wie hierin verwendet,
soll sowohl die PDLC-Technik, wie sie in den Ansprüchen der
Prioritätsanmeldung
zu dieser Anmeldung beansprucht und beschrieben ist (Prioritätsanmeldung
EP 01 129 709.0 ) (darin
auch als „DPDLC" (dispergierte DPDLC)
und „SPDLC" (schwammartige DPDLC)
bezeichnet), als auch die Techniken bedeuten, die aus dem Stand
der Technik zu dieser Prioritätsanmeldung
bekannt sind und in der Beschreibung von
EP 01 129 709.0 auf Seiten 1–3 der Beschreibung
beschrieben sind.
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Wie
hierin verwendet, kann, wenn ein Flüssigkristallbestandteil als „optisch
absorbierend" bezeichnet wird,
dies bedeuten, daß der
Flüssigkristallbestandteil
intrinsisch optisch absorbierend ist (aufgrund seiner eigenen chemischen
Struktur), oder er hat absorbierende Eigenschaften aufgrund von
anderen Substanzen, die in dem Flüssigkeitskristallbestandteil
vorhanden sind, z.B. gelöste
Stoffe, wie etwa Farbstoffe.
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Es
ist überraschenderweise
gefunden worden, daß mit
der vorliegenden Erfindung es möglich
ist, einen Farbstoff in den Flüssigkristall
einzuschließen
und volle Verwendung der durch diesen Farbstoff bereitgestellten
Eigenschaften zu machen. Einfach durch Einschluß eines zusätzlichen Erhitzungsschrittes
oberhalb der isotropen Temperatur des Flüssigkristallmaterials, das
die optisch absorbierende Verbindung enthält, war es möglich, einen
Verbund zu erhalten, der zwischen einem farbigen und einem transparenten
Zustand reversibel umgeschaltet werden kann. Es ist klar, daß ein Fachmann
ohne übermäßiges Experimentieren
in der Lage sein wird, die jeweilige Temperatur zu bestimmen, bis
zu der ein solches Erhitzen erfolgen muß. Die Auswahl der geeigneten
Temperatur hängt
einfach von dem Typ des Flüssigkristallmaterials
und dem Typ des optisch absorbierenden Farbstoffs (z.B. UV-empfindlicher
Farbstoff, dichroitischer Farbstoff etc.), die verwendet werden,
ab. Dies erlaubt Anwendungen mit höherem Farbkontrast und ermöglicht den
Einbau von Farbstoffen und Flüssigkristallmolekülen, die
normalerweise gegenüber
UV-Licht empfindlich sind. Ein weiterer zusätzlicher Vorteil ist, daß der Verbund
gemäß der vorliegenden
Erfindung eine schnellere Abschaltzeit hat, was schnellere Aktualisierungsraten
in Anzeigevorrichtungen, die das Material umfassen, ermöglicht.
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Die
Erfindung erlaubt ebenso z.B. die Herstellung eines PDLC, hergestellt
durch Licht-Aushärten eines Flüssigkristall/Präpolymerverbundes,
bei dem Farbstoffe eines Typs, der mit der Flüssigkristallphase kompatibel
ist, eingebaut werden kann, ohne Rücksicht auf ihre Lichtempfindlichkeit
gegenüber
ultraviolettem Licht. Darüberhinaus
zeigt dieses Material eine Verbesserung hinsichtlich der „Abschalt"-Zeit („turn-off
time"). Unter anderen
Gesichtspunkten stellt die Erfindung deshalb ein verbessertes PDLC-Material
bereit, das für
Farbanzeigeanwendungen geeigneter ist.
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In
der folgenden detaillierten Beschreibung wird auf die Figuren Bezug
genommen, bei denen
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1 das
Auswaschen des PDLC-Bestandteils, einschließlich jeglichen Flüssigkristallmaterials,
das als ein gelöster
Stoff in der festen Polymerphase enthalten ist, mittels Aceton zeigt,
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2 zeigt,
daß das
Kontrastverhältnis
des Farbstoff-dotierten schwammartigen PDLC (D-SPDLC) beinahe zwei Mal im Vergleich
mit dem herkömmlichen
Farbstoff-dotierten Flüssigkristall
(D-LC) verbessert war.
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3 zeigt
den Vergleich für
die Umschaltzeiten für
einen PDLC-Film, hergestellt mit einem herkömmlichen Verfahren ohne Farbstoff
(PDLC) und für
ein vergleichbares Material der vorliegenden Erfindung (SPDLC). Über einen
Bereich von beaufschlagten Spannungen ist die Verringerung hinsichtlich
der Abschaltzeit näherungsweise
ein Faktor 3,
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4 zeigt
einen Vergleich der Durchlässigkeit
zwischen einem dispergierten PDLC (2,5% B2 90% DPDLC) mit einem
Heilmeier-Flüssigkristall
(2,5% B2-LC), der auf die selbe Farbstoffkonzentration dotiert ist,
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5 zeigt
einen Vergleich der Durchlässigkeit
zwischen einem Schwamm-PDLC (2,5% B2 70% SPDLC) mit einem Heilmeier-Flüssigkristall
(2,5% B2-LC),
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6 zeigt
eine Durchlässigkeitsmessung
von nicht-dotiertem PDLC und nicht-dotiertem SPDLC gg. beaufschlagte
Peak-to-Peak-Spannung,
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7 zeigt
die Messung der Anstiegszeit ("Rise
Time Measurement")
von nicht-dotiertem PDLC und nicht-dotiertem SPDLC,
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8 zeigt
die Variation der Anstiegszeit ("Rise
Time Variation")
mit inversem elektrischen Feld zum Quadrat von PDLC und SPDLC,
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9 zeigt
die Abklingzeit („Decay
Time) von nicht-dotiertem PDLC und nicht-dotiertem SPDLC,
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10 zeigt
eine Polymermatrix, die mit einem Farbstoff-dotierten Flüssigkristall
gefüllt
ist, und
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11 zeigt
eine Durchlässigkeits/Spannungs-Antwort
der Polymermatrix aus 10.
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Die
folgenden Beispiel sollen die Erfindung genauer beispielhaft beschreiben
und sollen nicht den Umfang der Erfindung beschränken.
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Beispiel 1
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In
einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung wird ein Farbstoff-dotierter Flüssigkristallbestandteil
des PDLC eingebaut, nachdem das Licht-Aushärtungsstadium abgeschlossen
ist. Das erste Stadium bei der Herstellung des PDLC ist die Bildung
der Hohlräume,
innerhalb denen der Farbstoff-dotierte Flüssigkristall liegen wird. Dies
wird durch Aushärten
einer homogenen Mischung von nicht-dotiertem-Flüssigkristall und flüssigem Präpolymer
erzielt. Als ein Beispiel kann eine 60 Gew.%-Mischung von E7-Flüssigkristall
und NOA65 (Norland Optical Adhesive Inc.) -flüssigem Präpolymer unter Verwendung von
UV-Licht ausgehärtet werden,
um ein anfängliches
PDLC-Medium mit gut kontrollierter LC-Tröpfchengröße und -Verteilung zu ergeben.
Nach dem Aushärten
wird der LC-Bestandteil einschließlich jeglichen LC-Materials,
das als ein gelöster Stoff
in der festen Polymerphase enthalten ist, unter Verwendung von z.B.
Aceton ausgewaschen (1).
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Die
verbleibenden Hohlräume
werden dann erneut unter Verwendung von Farbstoff-dotiertem Flüssigkristall
aufgefüllt,
was einen Farbstoff-dotierten schwammartigen PDLC (SPDLC) ergibt.
In einem bevorzugten Beispiel ist der Farbstoff ein stark dipolarer
Farbstoff, der zur Färbung
des PDLC und als ein Mittel verwendet wird, um schnellere „Anschalt"-Zeit ("turn-on time") zu erhalten. Morpip
ist ein solches Farbstoffbeispiel.
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Das
resultierende PDLC-Material weist unabhängig vom Farbstoffgehalt eine
merkbare Verbesserung hinsichtlich der optischen Dichte (2)
und eine Verringerung hinsichtlich der „Abschalt-Zeit" auf, aufgrund einer
erhöhten
Verankerung durch die Matrix-Wände
(3).
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Typische
Werte, die gemäß der vorliegenden
Erfindung erhalten werden (PDLC + 2,5% B2) können mit einem herkömmlichen
Heilmeier-Flüssigkristall
(LC + 2,5% B2) in der folgenden Tabelle verglichen werden.
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Tabelle
Herkömmliche
PDLCs
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Probenherstellung
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Als
erstes wurde eine Polymer-LC-Mischung hergestellt durch Mischen
eines gleichen Volumens des UV-härtbaren
Polymers, NOA65, und einem dotiertem Flüssigkristall E7. Die Mischung
wurde unter Verwendung eines magnetischen Rührers mit Teflonbeschichtung
für wenigstens
eine Stunde im Dunkeln gerührt. Eine
leere 10 μm
Glaszelle ohne Alignment-Schicht
(KSSZ-10/B111PINTS von E.H.C. Co, Ltd., Japan) wurde mit der Lösung bei
70°C gefüllt. Unmittelbar
nach dem Füllen
wurde die Zelle auf die Zimmertemperatur von 21°C abgekühlt, die Zelle wurde mittels
UV-Licht bestrahlt (360 nm, Spectroline, Model EN-180L/F, 230 V, 50 Hz,
0,17 A) bei einer Intensität
von 4,8 mW/cm2.
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Dieser
UV-Härtungsprozeß initiiert
eine Quervernetzung des Polymers, was den Flüssigkristall im Polymer unlöslich macht.
Der Phasen-getrennte Flüssigkristall
bildet Tröpfchen,
sie verschmelzen und werden größer, bis
die Polymerisation der Matrix ausreichend fortgeschritten ist, um
ihre Morphologie zu arretieren. Dieser Aushärtungsprozeß könnte unter einem Kreuz-polarisierten
Mikroskop beobachtet werden. Es ist bekannt, daß, während das UV eine Quervernetzung
der Polymerketten initiiert, die Flüssigkristallphase sich davon
trennt und verschmilzt, um größere Tröpfchen zu
bilden. Die Größe der Tröpfchen kann
durch die Geschwindigkeit des Aushärtungsprozesses kontrolliert
werden, der durch die Intensität
der UV-Bestrahlung
kontrolliert werden kann.
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PDLCs
mit verschiedenen Morphologien des Tröpfchentyps konnten hergestellt
werden durch Variieren der E7-NOA65-Zusammensetzung und der Aushärtebedingungen.
Wenn der Flüssigkristallvolumenanteil zum
Polymer 80 Vol% (80% PDLC) betrug, waren die Flüssigkristalltröpfchen nicht
mehr sphärisch
in ihren Formen, sondern waren deformiert. Wenn der Flüssigkristallanteil
auf 90% erhöht
wurde, verschwand der Einschluß des
Flüssigkristalls
in der Polymermatrix und das Polymernetzwerk wurde in einer Flüssigkristallmatrix gebildet.
Wenn der 90% PDLC schneller ausgehärtet wird, hat das Phasen-getrennte
Polymer nicht genügend Zeit,
um Netzwerke zu bilden und die Polymertröpfchen werden gebildet. Diese
letzteren beiden Typen von PDLC sind als PDLC vom Netzwerktyp und
PDLC vom Polymer-Ball-Typ („polymer
ball type PDLC")
bekannt.
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Beispiel 3
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Neue PDLCs
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Um
das Problem von geringem Kontrast aufgrund der Farbstoffverschlechterung
und Farbstoffeinschließung
zu überwinden,
wurden zwei neue Herstellungstechniken für dichroitische PDLC vorgeschlagen. Der
Einfachheit halber wurden die PDLCs, die mit dem ersten Verfahren
gemacht wurden, als dispergierte PDLC (DPDLC) bezeichnet, und die
zweiten wurden als Schwamm-PDLC (SPDLC) bezeichnet. Ihre Herstellung
und Eigenschaften werden unten beschrieben.
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a) Dispergierter PDLC
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Das
erste Verfahren beinhaltet das Zwingen von dotiertem Flüssigkristall „hinein" und darauffolgend das
Drücken
von nicht-dotiertem Flüssigkristall „heraus" aus einer bereits
gemachten PDLC-Zelle. Dieses Verfahren kann nur angewandt werden,
wenn die Flüssigkristallphase
in dem PDLC untereinander verbunden ist. Für die in dieser Arbeit verwendete
Flüssigkristall-Polymerkombination
muß der
Flüssigkristallanteil
in dem PDLC mehr als 80% betragen, um die kontinuierliche Flüssigkristallphase
zu erzielen.
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Es
ergab sich, daß es
in vielen Fällen
Polymerbälle
in dem nematischen Flüssigkristall
gab. Der Auffüllprozeß spülte die
Polymerbälle
nicht aus der Zelle heraus, deshalb waren sie wahrscheinlich auf
beiden Seiten der Substrate angehängt. In diesen Fällen wurde
die Zelle gemacht, indem 90% PDLC für zwei Minuten mit einer UV-Quelle
ausgehärtet
wurden, die 10 cm von der Zelle beabstandet war.
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Darüberhinaus
wurde die Durchlässigkeit
des DPDLC mit einem Heilmeier-Flüssigkristall
verglichen, der auf dieselbe Farbstoffkonzentration dotiert war,
um zu sehen, wie die Streu ung die Absorption des Farbstoffs verbessert
hat. Das Ergebnis, das in 4 gesehen
werden kann, zeigte eine Abnahme der Transmission bei 800 nm, was
darauf hinweist, daß mehr
Streuung bei DPDLC vorhanden war, im Vergleich mit einem Heilmeier-Flüssigkristall.
Obwohl der DPDLC 10% weniger Farbstoff vorhanden hat, im Vergleich
mit dem Heilmeier-Flüssigkristall,
bleibt die Transmission bei 550 nm die selbe (54%), was die Zunahme
an Farbstoffabsorption aufgrund von Streuung impliziert. Leider
war der DPDLC-Kontrast 1,63 (Tan/Taus = 88%/54%) bei 530 nm, was immer noch
zu schwach war für
Anzeigeanwendungen, die wenigstens einen Kontrast von 2,7 benötigen. Es
war nicht möglich,
den Kontrast um mehr zu erhöhen,
indem dieselbe Flüssigkristall(E7)-und-Polymer-(NOA65)-Kombination
verwendet wurde, da die Mischung die Bildung von Tröpfchen unter
80% PDLC beginnt. Der PDLC vom Netzwerk-Typ oder der PDLC vom Polymer-Ball-Typ,
der einen kontinuierlichen flüssigen Kristall
hat, mit sehr hoher Streuung würde
den Kontrast unter Verwendung des Dispersionsverfahrens weiter verbessern.
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b) Schwamm-PDLC
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Diese
zweite neue Herstellungstechnik, die einen erhöhten Kontrast im Vergleich
mit DPDLC ergibt, vorgestellt in dem vorherigen Abschnitt, macht
von der Tatsache Verwendung, daß E7-Flüssigkristall
in Aceton stark löslich
ist, während
NOA65-Polymer nur geringfügig
löslich
ist. Wenn eine bereits gemachte nicht-dotierte PDLC-Zelle in Aceton
gebadet wurde, lösen
sich E7-Flüssigkristall
und nicht-ausgehärtetes
Monomer und Oligomer in der PDLC-Zelle
langsam in der Lösung
auf.
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Die
Zelle wurde weniger streuend, wenn das E7 sich mit Aceton mischt,
aber sie wurde wieder schwach streuend, wenn das E7 voll ausgewaschen
wird. Die Dauer dieses Prozesses hängt von der Größe und dem
Anteil der Flüssigkristalltröpfchen ab.
Wenn die Tröpfchengrößen in der
Größenordnung
von 1 μm sind
und der Flüssigkristallanteil
50% ist, dauert der Waschprozeß einige
Wochen. Wenn die Tröpfchengrößen in der
Größenordnung
von 100 μm
sind und der Flüssigkristall
90% ist, d.h. der gesamte Flüssigkristall
ist untereinander verbunden, dauert der Prozeß nur einige Tage.
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Nach
einer vollständigen
Entfernung des E7 verdampfte eine langsame Erhitzung im Trockenschrank das
Aceton in dem verbleibenden Aceton-Polymersystem. Ein Schwamm der
Po lymermatrix mit Lufthöhlen verblieb.
Eine Betrachtung des Polymerschwamms unter einem Mikroskop zeigte
keinen merkbaren Unterschied in der Matrixstruktur.
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Dann
wurde die Zelle aufrecht in einem kleinen Becher aufgestellt, der
mit dem erwünschten
Farbstoff-dotierten Flüssigkristall
gefüllt
war, wobei man ein offenes Ende der Zelle nicht in dem Flüssigkristall
gebadet beließ.
Dann wurde der Becher schnell in einen Vakuumofen bei 45°C gebracht.
Dieses Auffüllverfahren im
Vakuum vermeidet, daß jegliche
Luft in der Matrix belassen wird, nachdem diese mit dotiertem Flüssigkristall
gefüllt
worden ist. Schließlich
wurde die Zelle, wenn sie erneut aufgefüllt wurde, aus dem Becher genommen,
und beide offenen Enden der Zellen wurden mit Epoxy versiegelt.
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Beispiel 4
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Kontrastmessung
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Die
Durchlässigkeit
im Aus-Zustand von dotiertem SPDLC und einer herkömmlichen
Heilmeier-Flüssigkristallzelle
wurden verglichen, um die Kontrastverbesserung zu erkunden, die
mit dotiertem PDLC nicht beobachtet werden konnte. Beide Zellen
enthielten 2,5 Gew.% B2 in dem Flüssigkristall. Der Flüssigkristallanteil zu
Polymer in SPDLC war 70%. B2 ist eine Mischung von Azo- und Anthrachinon-Farbstoffen,
die kommerziell von Mitshubishi Chemical in Japan erhältlich ist.
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Das
Ergebnis in 5 zeigt, daß die Heilmeier-Flüssigkristall-Durchlässigkeit
55% auf 30% weniger Flüssigkristall
und deshalb 30% weniger Farbstoffe verringert wurde. Bei 520 nm
erzielte ein dotierter SPDLC einen Kontrast von 3,0 im Vergleich
zu 1,7 für
den Heilmeier-Flüssigkristall.
Die Abnahme hinsichtlich der Durchlässigkeit wurde klar aufgrund
des Streueffekts erzielt, was anhand der Abnahme der Durchlässigkeit
bei 800 nm beobachtet werden kann, bei der es keine Absorption durch
den Farbstoff gibt. Der Effekt der Streuung kann durch eine weitere
Abnahme in der SPDLC-Durchlässigkeit
bei 400 nm gesehen werden. Dies ist darin begründet, daß die Streueffizienz rasch
mit zunehmender Wellenlänge
abnimmt.
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Beispiel 5
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Schwelleneigenschaften
von SPDLC („threshold
characteristics)
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Nach
dem erfolgreichen Kontrastergebnis aus dem vorherigen Beispiel wurden
die SPDLCs weiter erforscht, indem die elektro-optischen Eigenschaften
von nicht-dotiertem SPDLC mit nicht-dotiertem PDLC verglichen wurden.
Zwei identische nicht-dotierte PDLC-Zellen wurden unter den selben
Bedingungen gemacht. Der Flüssigkristallanteil
der PDLCs war 60%, und die Zellen wurden mit UV aus 10 cm Entfernung
für 2 Minuten bestrahlt.
Beide Zellen waren 10 μm
dick ohne jegliche vorherige Alignment-Behandlung. Dann wurde eine
dieser Zellen in eine nicht-dotierte SPDLC-Probe mit dem folgenden
Verfahren umgewandelt. Das E7 wurde einfach weggewaschen, und der
Polymerschwamm wurde mit nicht-dotiertem reinem E7-Flüssigkristall
gefüllt. Die
Variation in der Durchlässigkeit
mit beaufschlagter Spannung wurde gemessen, und das Resultat, das
in 6 gezeigt ist, wurde erhalten.
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Das
Ergebnis zeigt, daß die
V10 2,5±0,3 V für PDLC und 3,5±0,3 V
für SPDLC
beträgt.
V90 für
PDLC beträgt
7,5±0,3
V und 12±0,3
V für SPDLC.
Sowohl V10 als auch V90 wurden
um näherungsweise
34% erhöht, indem
der PDLC in SPDLC umgewandelt wurde. Die Zunahme deutet auf eine
Zunahme hinsichtlich der Verankerungsenergie an den Polymerwänden hin,
die durch die Entfernung des nicht-ausgehärteten Monomers und Oligomers
oder durch Trocknung oder eine Kombination von beidem verursacht
ist.
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Die
Werte für
Tmax, Tmin, V10, V90, Vsat. hängen
von der Probe und den Aushärtungsbedingungen
ab und variieren von 0 ~ 100% (Tmax, Tmin) und von 0 ~ 100 V (V10,
V90, Vsat.).
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Typische
Werte, die gemäß der vorliegenden
Erfindung erhalten wurden, sind Tmax 80
~ 100%, Tmin 0 ~ 30%, V10 0
~ 5 V, V90 5 ~ 20 V; Diese Werte können zum
Beispiel aus einem Verbund erhalten werden, der 60% E7 und 40% NOA65
umfasst, bei dem die Dicke 10 Micron ist.
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Beispiel 6
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Messung der Antwortzeit
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Um
die SPDLC weiter zu charakterisieren, wurden die Antwortzeiten von
nicht-dotiertem PDLC und nicht-dotiertem SPDLC unter Verwendung
desselben Aufbaus gemessen, der in dem vorherigen Beispiel verwendet
wurde. Alle Zellen, die getestet wurden, waren 10 μm dick ohne
jegliches Oberflächen-Alignment.
Die Ergebnisse für
die Anstiegs- und Abklingzeit werden in 7 bzw. 9 gezeigt.
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Die
nicht-konsistente Variation bei niedrigerer Spannung, unter 8 V,
beruhte darauf, daß der
Flüssigkristall
keine volle Ausrichtung („Alignment") erreichte. Nichtsdestotrotz
kann der Trend, daß der
nicht-dotierte SPDLC langsamer auf ein elektrisches Feld reagiert
im Vergleich mit nicht-dotiertem PDLC gesehen werden, wenn höhere Spannungen
beaufschlagt werden. Dieser Unterschied zeigt sich deutlich, wenn
die Variation hinsichtlich der Anstiegszeit mit dem inversen Quadrat
des elektrischen Feldes aufgetragen wird, wie in 8 gezeigt.
Unter der Annahme, daß der
PDLC sich bezüglich
eines elektrischen Feldes wie ein Flüssigkristall verhält, wurde
eine gerade Linie durch den Ursprung an die Datenpunkte angepaßt, und
der Gradient berechnet. Die Gradienten der PDLC- und der SPDLC-Proben
waren 0,0160,002 sV2 μm–2 bzw.
0,0310,002 sV2 μm–2.
Obwohl die Geraden nicht perfekt paßten, deutet der Unterschied
in den Gradienten deutlich darauf hin, daß der SPDLC näherungsweise
zwei Mal so langsam wie der PDLC ist. Nichtsdestotrotz liegen beide
innerhalb des angezielten Bereichs von 100 ms unter einem beaufschlagten
Feld von 10 Vm.
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Die
selben PDLC- und SPDLC-Zellen wurden verwendet, um die Abklingzeit
zu vermessen, und das Resultat wird in 9 gezeigt. Überaschenderweise
beträgt
die Abklingzeit der SPDLC-Zelle nur 73% der Abklingzeit, die für die PDLC-Zelle
erhalten wird. Die SPDLC-Zelle
schaltet sich so schnell ab, wie sie anschaltet, und dies kann nützlich sein,
da die langsame Abklingzeit der Flüssigkristalle eines der Probleme
ist, das bei Flüssigkristallanzeigen
besteht. Die gemessene Abklingzeit für einen 10 μm-Heilmeier-Flüssigkristall
betrug 250 ms, was beträchtlich
länger
als die 30 ms für
SPDLC ist.
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Zunahmen
in der Abstiegszeit und Abnahmen in der Abklingzeit, zusammen mit
der erhöhten
Schwellenspannungmessung aus dem vorherigen Abschnitt, sind häufige Effekte,
die beobachtet werden, wenn die Verankerungsenergie der Polymerwand
erhöht
ist. Weitere Messungen der Verankerungsenergie würden den Effekt offenbaren.
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Beispiel 7
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Eine
Schwarz-Weiß-Anzeige-Testzelle
wurde hergestellt, indem ein dichroitischer Farbstoff-dotierter Flüssigkristall
(= D-LC) zu einem vorgeformten Polymermembranfilter zugegeben wurde.
Im folgenden wird dies als ein dichroitischer Filter-PDLC (D-FPDLC)
bezeichnet. Die Grundidee der Zugabe eines D-LC zu einer Polymermatrix
ist dieselbe wie die eines Farb stoff-dotierten schwammartigen dispergierten
Flüssigkristalls
(= D-SPDLC). Die anfängliche
Polymermatrix muß nicht
gemacht werden, indem ein PDLC wie in der Prioritätsanmeldung
EP 01129709.0 hergestellt
wird, sondern jegliche vorgebildete poröse Matrix (wie etwa Glas, Polymer
oder Gel) kann auch verwendet werden, um eine Farbanzeige herzustellen.
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Die
verwendeten Materialien sind ein Flüssigkristallmaterial (LC),
ein dichroitischer Farbstoff und ein Polymerfilter. Der in diesem
Beispiel verwendete LC ist BL001 (vorher als E7 bekannt), erhältlich von
Merck. Der Grund für
die Wahl dieses LC ist, daß der
Brechungsindex des LC (1,522) dem des Filters (näherungsweise 1,5) angepaßt ist.
Ebenso schaltet der Flüssigkristall
bei niedriger Spannung um, was wichtig für einen solchen dicken Filter
ist. Der verwendete Filter ist von Milipore (www.milipore.com CAT
NO. Polyvinyl Chloride (PVC) PVC504700. Filter Typ 5,0 μm). Die Dicke
des Filters ist näherungsweise
100 μm.
Der verwendete Farbstoff Black-2 ist eine Mischung aus Azo- und
Anthrachinon-Farbstoffen, erhältlich
von Mitsubishi Chemical in Japan.
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Die
Herstellung einer solchen Testzelle ist einfach, und dies ist der
beste Vorteil zum Verwenden eines solchen Anzeige-Modus. Die D-LC-Mischung
wurde zuerst gemacht durch Zugabe von 1 Gew.% Black-2 in BL001 LC
und durch Rühren über Nacht.
Eine Zelle wurde hergestellt, indem ein Filterpapier zwischen ein Paar
von Indium-Zinn-Oxid (ITO) beschichteten Glassubstraten gebracht
wurde. Dann wurde die Zelle mit dem D-LC mittels Kapillarwirkung
in Vakuum gefüllt.
Schließlich
wurde der D-FPDLC oberhalb der isotropen Temperatur des LC (61°C) erhitzt
und abgekühlt.
Die Temperatur überschritt
nicht die Glasübergangstemperatur (Tg)
des PVC, die erwartungsgemäß bei 80°C liegt.
Ein Auslassen des Erhitzungsschrittes führt dazu, daß der D-FPDLC
nicht in der Lage ist, umzuschalten, während eine Erhitzung nach dem
Füllen
des Filters zu einer reversiblen Umschaltbarkeit führt. Die
Brechungs-Indizes des Flüssigkristall
(in diesem Fall: E7 (n = 1,52) sollte dem der Matrix (in diesem
Fall: PVC) angepaßt
sein. Ebenso wurde, wenn die Zelle Filter + E7 oberhalb der TNI (Temperatur nematisch zu isotrop) (d.h.
die Temperatur für
den Übergang:
nematisch zu isotrop) von E7 erhitzt wurde, die Zelle transparent,
was ebenfalls zeigt, daß die
Brechungsindizes den beiden Verbindungen angepaßt ist.
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10 zeigt
den PVC-Filter, der mit 1% B2 BL001 gefüllt ist. Das mittlere graue
Quadrat ist, wo das ITO überlappt
und daher das elektrische Feld beaufschlagt wird. Das dunklere Gebiet
um das kleine Quadrat ist, wo es kein elektrisches Feld gibt. Ein
Stück weißes Papier wurde
auf die Rückseite
der Testzelle gebracht, um das mittlere graue Quadrat sichtbarer
zu machen.
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11 zeigt
die Durchlässigkeits-Spannungs-Antwort
des D-FPDLC dieses Beispiels. Die Testzelle konnte nicht vollständig bei
100 V angeschaltet werden. Aufgrund des experimentellen Aufbaus
war 100 V die maximale Spannung, die erzeugt werden konnte. Dies
beruht auf dem dicken PVC-Filter und ebenso auf den inhomogenen
Porengrößen in dem
Filter. Wenn die Filterporen unnötigerweise
klein sind (z.B. unter 1 μm), nimmt
die Spannung, die zum Anschalten der Zelle notwendig ist, zu.
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Eine
weitere Optimierung ist möglich,
ohne einen übermäßigen Bedarf
für eine
Experimentierung. Zum Beispiel sollten dünnere homogenere Filter verwendet
werden, die dazu führen
werden, daß die
Zelle in der Lage ist, eine höhere
Durchlässigkeit
zu ergeben, die bei einer geringen Spannung umgeschaltet wird. Darüberhinaus
ergibt eine Erhöhung
der Temperatur der Testzelle auf 40–50°C eine höhere Durchlässigkeit bei 100V, was vermutlich
darauf beruht, daß die
Viskosität
des LC durch die höhere
Temperatur verringert wird, wodurch die Spannung verhindert wird,
die erforderlich ist, um die LC-Testzelle umzuschalten.
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Der
große
Vorteil der Verwendung eines schwammartigen Polymer-dispergierten
Flüssigkristalls (SPDLC)
im Verfahren gemäß der vorliegenden
Erfindung ist, daß die
Parameter der Polymermatrix genau eingestellt werden können. Wenn
jedoch ein vorgeformter Filter anstelle als eine Matrix im Verfahren
gemäß der vorliegenden
Erfindung verwendet wird, vereinfacht dies in starker Weise den
Herstellungsprozeß.
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Es
ist deshalb wichtig, festzustellen, daß das Verfahren der vorliegenden
Erfindung nicht auf eine spezifische Weise beschränkt ist,
in der die Matrix gebildet ist, in der das Farbstoff-dotierte Flüssigkristallmaterial dispergiert
ist. Es kann auf jede Matrix angewandt werden, sei es, daß sie vorgeformt
oder ein PDLC ist, der sich während
der Herstellung des Verbundes bildet.
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Die
Merkmale, die in der Beschreibung, den Ansprüchen und den Zeichnungen offenbart
sind, können alleine
oder in beliebiger Kombination davon für die Ausübung der vorliegenden Erfindung
wesentlich sein.
