DE69208125T2

DE69208125T2 - Lichtstreuelement

Info

Publication number: DE69208125T2
Application number: DE69208125T
Authority: DE
Inventors: Rifat Ata Mustafa Hikmet
Original assignee: Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1991-03-26
Filing date: 1992-03-17
Publication date: 1996-08-29
Anticipated expiration: 2012-03-18
Also published as: JPH0572416A; DE69208125D1; EP0506176B1; US5204763A; EP0506176A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Lichtstreuelement, das aus einem flüssigkristallinen Material besteht, das in einer Matrix aus einem transparenten polymeren Material dispergiert ist.
Die Erfindung bezieht sich auch auf einen Gebrauch eines derartigen Lichtstreuelementes und auf ein Verfahren zum Herstellen eines derartigen Lichtstreuelementes.
Lichtstreuelemente eignen sich dazu, als optische Elemente in verschiedenen Bereichen eingesetzt zu werden, beispielsweise in einer Bildwiedergabeanordnung.
In der US Patentschrift US 4.688.900 ist ein Lichtstreuelement beschrieben worden, das aus einem flüssigkristallinen Material besteht, das in Form von Tropen in einem transparenten polymeren Material dispergiert ist, nach den Beispielen in einem optisch isotropen thermoplastischen Material. Das Element ist in normalem Zustand undurchsichtig. Wenn die Temperatur derart erhöht wird, daß das flüssigkristalline Material isotrop wird, oder wenn ein elektrisches Feld angelegt wird, wird das Element transparent. Das Lichtstreuelernent läßt sich dadurch zwischen einem lichtdurchlässigen und einem lichtstreuenden Zustand hin und her schalten. Durch Anlegung einer mechanischen Spannung oder eines elektrischen bzw. magnetischen Feldes ist es möglich, das flüssigkristalline Material auszurichten, wodurch ein schaltbarer Polarisator erhalten wird, der in Zusammenarbeit mit einem zweiten Polarisator als Lichtschaltelement eingesetzt werden kann.
Ein Nachteil des bekannten Elementes ist, daß es bei höheren Temperaturen nicht für Lichtstreuzwecke oder als Polarisator verwendbar ist. Zur Wirkung als Polarisator ist es erförderlich, daß eine mechanische Spannung oder ein elektrisches bzw. magnetisches Feld angelegt wird, wodurch ein viel zu kompliziertes optisches Bauelement entsteht, wenn die Schaltwirkung nicht erwünscht ist.
Die Erfindung hat nun u.a. zur Aufgabe, ein Lichtstreuelement zu schaffen, das in einem breiten Temperaturbereich eingesetzt werden kann. Die Erfindung hat zur Aufgabe, einen einfachen Polarisator zu schaffen, bei dem im Gebrauch keine oder kaum Wärme erzeugt wird. Die Erfindung hat dadurch die Aufgabe, einen Polarisator zu schaffen, der sich zum Gebrauch bei großer Lichtstarke, wie beispielsweise bei Projektionsbildwiedergabeanordnungen, eignet. Die Erfindung hat weiterhin zur Aufgabe, ein einfaches und zweckmäßiges Verfahren zum Herstellen eines derartigen Lichtstreuelementes zu schaffen.
Diese Aufgaben werden nach der Erfindung erfüllt durch ein Lichtstreuelement der eingangs beschriebenen Art, wobei die Matrix aus einem uniaxial orientierten Material in Form eines polymeren Netzwerkes besteht, wobei die Differenz zwischen einer der Brechzahlen des polymeren Netzwerkmaterials und der entsprechenden Brechzahl des dispergierten Materials weniger als 0,10 beträgt. Eine Matrix aus uniaxial orientiertem Material wird nach der Erfindung erhalten durch Orientierung mit nachfolgender Polymerisation eines monomeren Materials mit flüssigkristallinen Eigenschaften.
Vorzugsweise beträgt die Differenz zwischen den gewöhnlichen Brechzahlen des Matrixmaterials und des dispergierten Materials weniger als 0,05 und beträgt die Differenz zwischen den außergewöhnlichen Brechzahlen mehr als 0,10, gemessen bei der Wellenlänge, bei der das Element verwendet wird.
In einer geeigneten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Lichtstreuelementes bildet das Matrixmaterial ein polymeres Netzwerk. Ein derart orientiertes Netzwerk, mit darin dispergiertern Material, bildet ein anisotropes Gel mit einer besonders großen Temperaturfestigkeit. Ein Netzwerk kann dadurch erhalten werden, daß ein monomeres Material mit mindestens zwei reaktiven Gruppen je Molekül polymerisiert wird. Ein anisotropes Gel ist an sich in der nicht vorveröffentlichten niederländischen Patentanmeldung NL 9000808 (EP-A- 451 905) der Anmelderin beschrieben.
Dadurch, daß eine der Brechzahlen des Matrixmaterials, beispielsweise die gewöhnliche Brechzahl, der entsprechenden Brechzahl des dispergierten Materials entspricht bzw. nahezu entspricht, ist das Element für den betreffenden Anteil nichtpolarisierten Lichtes, das durch das Element hindurchgeführt wird, durchsichtig. Weil die anderen Brechzahlen, beispielsweise die außergewöhnlichen Brechzahlen, einander nicht entsprechen, wird der entsprechende andere Anteil des nicht-polarisierten Lichtes gestreut. Das Ergebnis ist, daß das nicht gestreute Licht linear polarisiert ist. Das erfindungsgemäße Lichtstreuelement eignet sich insbesondere zum Gebrauch als Polarisator, weil es bei Gebrauch des Elementes kaum erwärmt wird, und weil es außerdem temperaturunempfindlich ist.
An sich bekannte Polarisatoren bestehen aus uniaxial orientierten polymeren Materialien, die dichroitische Farbstoffe enthalten. Bei solchen Polarisatoren wird in einer der Polarisationsrichtungen das Licht absorbiert, wodurch das austretende Licht in der komplementären Richtung linear polarisiert ist. Derartige Polarisatoren haben zwar einen einfachen Aufbau, haben jedoch den nachteil, daß durch die Lichtabsorption darin wärme erzeugt wird, wodurch sie sich zum Gebrauch bei großer Lichtstärke weniger gut eignen.
Andere an sich bekannte Polarisatoren bestehen aus kristallinen Materialien mit doppeibrechenden Eigenschaften, wie in einem Nicol-Prisma oder in einem Wollaston-Prisma. Solche Polarisatoren eignen sich weniger gut zum Gebrauch, bei dem in einfacher Polarisator in Form einer dünnen Schicht erwünscht ist.
Die Aufgabe, ein Verfahren zu schaffen zum Herstellen eines Lichtstreuelementes wird nach der Erfindung dadurch erfüllt, daß ein Verfahren geschaffen wird, bei dem mindestens ein reaktives flüssigkristallines Material und mindestens ein nicht-reaktives flüssigkristallines Material gemischt wird, wonach die Moleküle in dem Gemisch orientiert werden, wonach das reaktive Material durch aktinische Strahlung unter Bildung eines polymeren Netzwerkes, in dem das nicht-reaktive Material dispergiert ist, zum Aushärten gebracht wird, wobei die Aushärtung bei einer derartigen Temperatur durchgeführt wird, daß eine der Brechzahlen des ausgehärteten Materials weniger als 0,10 von der entsprechenden Brechzahl des nicht-reaktiven flüssigkristallinen Materials abweicht. Die Brechzahlen des reaktiven Materials sind abhängig von der Temperatur. Beim Aushärten ändern sich die Brechzahlen kaum. Durch die Aushärtung werden die Brechzahlen festgelegt, weil nach der Aushärtung die Temperaturabhängigkeit gering ist. Unter aktinischer Strahlung wird beispielsweise Bestrahlung mit UV- Licht, mit Elektronen, Röntgenstrahlen, Gammastrahlen oder mit hochenergetischen Teilchen verstanden. Bei Anwendung von UV-Licht wird im allgemeinen nach einem an sich bekannten Verfahren eine geringe Menge eines lichtempfindlichen Initiators dem reaktiven Material zugefügt werden.
Bei einer zweckmäßigen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die Moleküle dadurch orientiert, daß das Gemisch in Form einer dünnen Schicht zwischen zwei Trägern angebracht wird, auf denen an der Seite des aufzutragenden Gemisches geriebene Polymerschichten vorgesehen sind. Geeignete an sich bekannte Polymerschichten dazu sind beispielsweise Polyäthlylenschichten oder Polyimidschichten. Die Träger mit den Polymerschichten können gewünschtenfalls nach Aushärtung des reaktiven Materials wieder entfernt werden.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 die Zusammensetzung eines nicht-rekktiven flüssigkristallinen Materials zum Gebrauch in einem erfindungsgemäßen Lichtstreuelement,
Fig. 2 die Zusammensetzung eines monomeren flüssigkristallinen Materials mit zwei reaktiven Gruppen,
Fig. 3 eine schematische Darstellung eines Schrittes in dem Verfahren zum Herstellen eines erfindungsgemäßen Lichtstreuelementes,
Fig. 4, 5 und 6 eine Darstellung des Streufaktors V in Abhängigkeit von der Wellenlänge λ in zwei zueinander senkrechten Polarisationsrichtungen für erfindungsgemäße Lichtstreuelemente verschiedener Zusammensetzung,
Fig. 7 eine Darstellung des Verhältnisses der Intensitäten I des hindurchgehenden Lichtes in zwei zueinander senkrechten Polarisationsrichtungen in Abhängigkeit von der Wellenlänge λ für ein erfindungsgemäßes Lichtstreuelement.

Ausführungsbeispiel 1

Es wurde ein Gemisch hergestellt aus 60 Gew. % eines nicht-reaktiven flüssigkristallinen Materials, 39 Gew.% eines reaktiven kristallinen Materials und 1 Gew.% eines lichtempfindlichen Initiators. Als nicht-reaktives flüssigkristallines Material wurde das Gemisch E44 der Firma BDH Chemicals Ltd verwendet, wobei die Zusammensetzung in Gew. % in Fig. 1 dargestellt ist. Als reaktives flüssigkristallines Material wurde eine Diakrylatverbindung verwendet, nach dem Beispiel die Verbindung C6, deren Strukturformel in Fig. 2 dargestellt ist, wobei n = 6 und -R = ein Wasserstoffatom -H ist. Als lichtempfindlicher Initiator wurde 2,2-Dimethoxy-2-Phenylazetophenon verwendet.
Zwei Glasplatten 1 und 2, siehe Fig. 3, wurden mit dünnen Polyäthylenschichten 3 und 4 versehen, wobei diese Schichten mit einem flauschfreien Lappen in nur einer Richtung gerieben wurden. Das flüssigkristalline Gemisch 5, mit der Zusammensetzung, wie diese oben beschrieben ist, wurde zusammen mit Glasfasern 6 mit einem Durchmesser von 60 µm zwischen die Glasplatten angebracht, wobei die Moleküle sich in der Richtung orientierten, in der die Polyäthylenschichten gerieben wurden. Die Glasfasern dienten als Distanzhalter zwischen den Glasplatten und bestimmten dadurch die Dicke des Lichtstreuelementes.
Die Diakrylatverbindung wurde durch Bestrahlung mit UV-Licht, dessen Intensität an der Stelle des Gemisches 5 0,2 mW/cm² betrug, zum Aushärten gebracht. Beim Aushärten, was bei einer Temperatur von 30ºC erfolgte, entstand eine Phasentrennung in dem Gemisch und es wurde eine durchscheinende Schicht mit Polarisationseigenschaften gebildet. Die Brechzahlen der verwendeten Materialien wurden bei einer Temperatur von 23 ºC und bei einer Wellenlänge von 589 nm gemessen. Die gewöhnliche Brechzahl von M4 betrug 1,53, die außergewöhnliche Brechzahl betrug 1,79. Für C6 hatten diese Größen die Werte 1,50 bzw. 168. Die Brechzahlen der jeweiligen Materialien wurden ohne Zusatz im Falle der reaktiven Verbindungen nach der Polymerisation gemessen.
Fig. 4 zeigt den Streufaktor V in Abhängigkeit von der Wellenlänge X, gemessen in zwei zueinander senkrechten Polarisationsrichtungen. Die obere unterbrochene Linie zeigt das Ergebnis von Messungen senkrecht zu der Richtung, in der die Polyäthylenschichten gerieben wurden, und folglich senkrecht zu der Orientierungsrichtung der Polymermoleküle. Die untere gezogene Linie zeigt das Ergebnis von Messungen parallel zu der Orieniierungsrichtung. Der Streufaktor V ist nach diesem beispiel durch die nachfolgende Gleichung definiert:
V = - log (I/I&sub0;)
in der I die Intensität des hindurchgehenden Lichtes ist und 10 die Intensität des eingestrahlten Lichtes ist. Die Dicke des Lichtstreuelementes, an dem gemessen wurde betrug jeweils 60 µm.
Aus Fig. 4 geht hervor, daß Licht, das senkrecht zu der Orientierungsrichtung der Polymermoleküle polarisiert ist, viel stärker gestreut wird als das parallel polarisierte Licht. Weiterhin stellt es sich heraus, daß die Streuung am wirksamsten ist bei geringen Wellenlängen, wobei auch die Differenz zwischen den beiden Polarisationsrichtungen in der Intensität des hindurchgehenden Lichtes am größten ist.

Ausführungsbeispiel 2

Ein Lichtstreuelement wurde hergestellt, wie in dem Ausführungsbeispiel 1 angegeben, wobei statt der Diakrylatverbindung C6 eine gleich Menge der alternativen Diakrylatverbindung C6M verwendet wurde. Die Strukturformel der Verbindung C6M ist in Fig. 2 angegeben, in der n = 6 und -R eine Methylgruppe -CH&sub3; darstellt. Die gewöhnliche Brechzahl von C6M betrug nach Aushärtung 1,49, die außergewöhnliche Brechzahl war von dem Aushärtetemperatur abhängig und betrug nach dem Beispiel 1,68.
Fig. 5 zeigt den Streufaktor V in Abhängigkeit von der Wellenlänge λ. Ebenso wie in dem Ausführungsbeispiel 1 stellt es sich heraus, daß das Licht, das senkrecht zu der Orientierungsrichtung der Polymermoleküle polarisiert ist, viel stärker gestreut wird als das parallel polarisierte Licht. Die Lichtstreuung ist weniger stark als bei dem bei spiel 1, und zwar durch sterische Belästigung zwischen den C6M-Molekülen untereinander, welche die Bildung von Lichtstreudomänen erschwert. Zum Erhalten eines geeigneten Polarisators sind die Brechzahlunterschiede von Bedeutung, ebenso wie das Vorhandensein einer regelmäßigen Ordnung des Polymermaterials.

Ausführungsbeispiel 3

Es wurde ein Lichstreuelement hergestellt, wie in dem Ausführungsbeispiel 1 angegeben, wobei statt des nicht-reaktiven flüssigkristallinen Materials E44 ein alternatives flüssigkristallines Material verwendet wurde, und zwar das Material ZLI- 2806 der Firma Merck, in mengen von 40, 60 und 80 Gew. %, wobei die entsprechenden Mengen der Diakrylatverbindung C6 59, 39 bzw. 19 Gew. % betrugen. Die gewöhnliche Brechzahl von ZLI-2806 war 1,44, die außergewöhnliche Brechzahl war Fig. 6 zeigt den Streufaktor V in Abhängigkeit von der Wellenlänge λ für die Mengen ZLI-2806 von 80 Gew. % (a), 60 Gew. % (b)) und 40 Gew. % (c). Die Lichtstreuung ist in beiden Polarisationsrichtungen starker als nach dem Ausführungsbeispiel 1. Bei Verwendung von 40 Gew. % ZLI-2806 ist die Streuung des parallel polarisierten Lichtes verhältnismäßig gering und die des senkrecht polarisierten Lichtes groß, insbesondere bei geringen Wellenlängen, wodurch eine besonders wirksame polarisierende Wirkung erhalten wird.

Ausführungsbeispiel 4

Es wurde ein Lichtstreuelement hergestellt, wie in dem Ausführungsbeispiel 3 beschrieben, wobei statt der Diakrylatverbindung C6 eine alternative reaktive Verbindung verwendet wurde, und zwar C4M, deren Strukturformel in Fig. 2 dargestellt ist, in der n = 4 ist und -R eine Methylgruppe -CH&sub3; darstellt. Die Menge ZLI- 2806 betrug 60 Gew. %, die menge C4M betrug 39 Gew. %, der Rest bestand wieder aus 1 6ew. % des lichtempfindlichen Initiators 2,2-Dimethoxy-2-Phenylazetophenon. Die gewöhnliche Brechzahl von C4M war 1,53, die außergewöhnliche Brechzahl war 1,66.
Fig. 7 zeigt das Intensitätsverhältnis des durchgelassenen Lichtes, das parallel zu der Orientierungsrichtung der Polymoleküle polarisiert ist I und von Licht, das senkrecht dazu polarisiert ist Iλ in Abhängigkeit von der Wellenlänge λ. Aus der Figur geht hervor, daß eine wirksame polarisierende Wirkung erhalten wird, insbesondere bei Wellenlängen von weniger als etwa 650 nm.

Claims

1. Lichtstreuelement, das aus einem flüssigkristallinen Material besteht, das in einer Matrix aus einem transparenten polymeren Material dispergiert ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Matrix aus einem uniaxial orientierten Material in Form eines polymeren Netzwerkes besteht, wobei die Differenz zwischen einer der Brechzahlen des polymeren Netzwerkmaterials und der entsprechenden Brechzahl des dispergierten Materials weniger als 0,10 beträgt.

2. Lichtstreuelement nach Anspruch 1, wobei die Differenz zwischen den gewöhnlichen Brechzahlen des Matrixmaterials und des dispergierten Materials weniger als 0,05 beträgt und wobei die Differenz zwischen den außergewöhnlichen Brechzahlen mehr als 0,10 ist.

3. Verwendung eines Lichtstreuelementes nach einem der Ansprüche 1 und 2 als Polarisator.

4. Verfahren zum Herstellen eines Lichtstreuelementes mit einem flüssigkristallinen Material, das in einer Matrix aus einem transparenten polymeren Material dispergiert ist, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein reaktives flüssigkristallines Material und wenigstens ein nicht-reaktives flüssigkristallines Material gemischt werden, wonach die Moleküle in dem Gemisch orientiert werden und das reaktive Material durch aktinische Bestrahlung zum Aushärten gebracht wird, wobei ein polymeres Netzwerk gebildet wird, in dem das nicht-reaktive Material dispergiert ist, wobei die Aushärtung bei einer derartigen Temperatur durchgeführt wird, daß eine der Brechzahlen des ausgehärteten Materials weniger als 0,10 von der entsprechenden Brechzahl des nicht-reaktiven flüssigkristalli nen Matenrial 5 abweicht.

5. Verfahren nach Anspruch 4, wobei die Moleküle dadurch orientiert werden, daß das Gemisch in Form einer dünnen Schicht zwischen zwei Trägern angebracht wird, auf denen an der Seite des aufzutragenden Gemisches geriebene Polymerschichten vorgesehen sind.