KR20060121968A - 수소 결합을 갖는 분자를 포함하는 광학 기록 매체 - Google Patents

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KR20060121968A
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요하네스 티. 에이. 빌데르베이크
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코닌클리케 필립스 일렉트로닉스 엔.브이.
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Abstract

본 발명은 이방성으로 정렬된 액정 고분자 네트워크, 적어도 일부가 액정이면서 배향성을 가지며, 또한 적어도 일부가 상호 수소 결합되도록 하는 작용기를 가지는 저분자량 분자, 및 선택적 요소로서의 염료를 포함하는 적어도 일층의 액정층을 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 기록 매체 및, 이러한 광학 기록 매체의 제조 방법으로서, a. 액정 단량체, 적어도 일부가 액정이면서 배향성을 가지며 적어도 일부는 상호 수소 결합을 야기하는 작용기를 갖는 저분자량 분자, 및 선택적인 요소로서의 염료를 포함하는 적어도 하나의 액정층을 기판 상에 도포하는 단계; b. 상기 혼합물을 상 전이 온도 이상으로 가열하는 단계; c. 상기 액정 단량체를 일 방향으로 배향시키는 단계; 및 d. 상기 배향된 액정 단량체를 바람직하게는 방사선 조사로 고분자 네트워크로 변환시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 액정층의 적어도 일 영역이 상 전이 온도 이상으로 가열되고 광 판독 가능한 정보를 보유한 광학 기록 매체의 소정 영역에 정보를 기록하기 위한 방법에 관한 것이기도 하며, 이 방법은 a. 상기 영역 내에서 상기 고분자 네트워크의 배향 방향과 상이한 방향으로 상기 액정 분자 및 선택적으로 염료를 배향시키는 단계; b. 상기 배향된 액정 분자 및 선택적인 염료의 방향을 냉각시키도록 상기 상 전이 온도 이하로 상기 액정층의 상기 영역을 냉각시키는 단계; 및 c. 선택적으로 단계 a 및 단계 b를 반복하는 단계를 포함한다.
광학 기록 매체, 액정층, 고분자 네트워크, 작용기, 액정 단량체, 수소 결합, 배향, 상 전이 온도, 형광 염료, 저분자량 분자, 정보 판독, 정보 저장.

Description

수소 결합을 갖는 분자를 포함하는 광학 기록 매체{OPTICAL RECORDING MEDIUM COMPRISING MOLECULES WITH HYDROGEN BONDS}
본 발명은 광학 기록 매체, 이 광학 기록 매체의 제작 방법, 및 상기 매체 내에 정보를 기록하기 위한 방법에 관한 것이다.
본 발명은 소위 WORM 매체(write-once-read-many-times 콤팩 디스크나 테이프)와 재기록 가능 CD와 테이프인 콤팩트 디스크(CD)와 디지털 테이프 또는 카드 등의 광학 기록 매체 분야에 관한 것이다. 이들 종류의 매체에 소비자에 의한 정보 기록이 가능하다.
종래의 읽기 전용 CD에 정보가 피트 내에 저장되는데, 피트는 디스크 내에 엠보싱 처리되어 있다. 판독은 규칙적인 피트-엣지 구조 상의 회절에 기초한다. 회절된 순서의 간섭은 레이저 스폿의 위치에 의존한다. 이것으로부터 정보 판독에 사용되는 반사의 변조를 가져온다. 종래의 읽기 전용 CD는 제작 공정(기록 디스크의 취득 공정)이 오히려 복잡하여 대량 생산 만이 비용 효과적이므로 대량 생산에만 적합하다. 따라서, 보다 소량으로 생산 가능하고, 소비자 스스로에 의해 기록 가능한 CD 및 디지털 테이프 또는 카드에 대한 필요성이 있다. 예를 들면, 광학 기록 매체는 변형성 표면, 상기 변형성 표면을 피복하는 흡광층 및 상기 흡광층을 피복하는 광반사층을 갖는 광투과 기판을 구비하고 있으며, 상기 변형성 표면은 기 록용 레이저 빔이 흡광층에 흡수시 생기는 에너지에 의해 변형 가능하여 광학적으로 판독 가능한 피트를 형성한다. 그 판독은 다시 회절 상태의 간섭에 기초한다. 판독용 레이저의 방사시, 광은 흡광층을 관통하고 반사층에 의해 반사된다. 피트 내에서의 굴절률은 그 외부(랜드)에서와 상이하므로, 피트 내 광로 길이는 랜드에서와는 상이하다. 피트 내에 도달하는 레이저 광은 랜드에 도달하는 레이저 광과 간섭되어 회절을 야기한다. 회절 상태의 간섭은 판독 스폿의 정확한 위치에 의존한다. 결과적으로 얻어지는 반사 변조가 정보 판독에 이용된다.
데이터의 광학적 저장 분야에서는 유리 전이 온도(Tg)를 갖는 액정 분자를 사용하는 것이 알려져 있다. 예를 들면, 미국 특허 제5,976,638호는 유리 전이 온도(Tg)를 갖는 액정 분자 및 색선별 염료 분자를 포함하는 수직으로(homotropically) 배향된 액정 고분자 막으로 되어 있고, 상기 양자의 분자는 상기 막의 표면에 수직으로 배향되어 있는 광 기록 매체에 관한 것이다.
일반적으로, 색선별 염료의 흡수 쌍극자 모멘트는 발색단의 장축과 일치하여 색선별 염료의 흡수는 완전히 지향성이다. 비-기록 막에서, 액정 분자 및 그에 따른 색선별 염료 분자는 수직으로 배향되어 입사광의 흡수가 단지 낮은 수준을 나타낸다. 액정 분자의 유리 전이 온도(Tg) 이상의 온도로 국부 가열 또는 방사(예, 레이저에 의해)에 의해, 상기 수직성 배향은 등방성 배향으로 변환된다. 방사 또는 가열된 영역이 급속 냉각됨에 따라(액정 고분자의 유리 전이 온도(Tg) 아래로), 등방성 배향은 내부에서 냉각된다. 색선별 염료가 유사하게 등방적으로 배향될 것이므로, 이것은 입사광의 흡수를 상당히 높게 하는 결과를 가져온다.
이 방법의 단점은 액정 분자의 완화 시간(relaxation time)이 길다는 것으로, 그 전체 길이의 시간 동안 기록 흔적(데이터 피트)은 정보 저장용으로 이용시 유리 전이 온도(Tg) 이상의 온도로 유지되어야 한다.
다른 단점은 등방성 배향된 색선별 염료 분자 내에 냉각되도록 하기 위해 유리 전이 온도 보다 낮은 온도로 기록 영역을 급속 냉각할 필요가 있다는 것이다.
액정 표시 장치 분야에서는 희석된 액정 고분자 네트워크를 사용하는 것이 알려져 있다. 이방성 액정 고분자 네트워크 자체는 다량의 제2 종류의 액정 분자의 존재하에서 교차 결합된 액정 분자로 이루어진 것이 대표적이며, 이들 양자의 종류는 예컨대 정렬층에 의해 결정되는 방향으로 정렬되어 있다. 상기 네트워크는 제2 종류의 액정 분자에 힘을 가하여 그 분자들을 네트워크에 고정시킨다. 또한, 전기장을 인가하여 제2 종류의 액정 분자들을 제2 방향으로 배향시키는 것이 가능하다. 그러나, 외부장의 인가를 중단시, 네트워크력은 제2 종류의 액정 분자들을 다시 그 원래 배향 상태로 구동함으로써 그 제2 배향 상태를 불안정하게 한다.
본 발명의 목적은 기록 및 비기록 데이터에 대한 안정성과 높은 기록 속도 및 기록중 양질의 감도를 조합한 광학 기록 매체를 제공하는 것이다.
액정 표시 장치에 대한 전술한 방법을 정보 저장 분야에 적용하는 것으로써, 인가된 외부장에 의해 배향된 액정 분자의 배향 상태, 즉 제2 배향 상태가 불안정하여, 상기 액정 분자가 완화되고 재배향되는 것을 방지하기 위해 상기 외부장의 인가를 중단시키는 것이 필요하다는 것을 발견하였다. 그러나, 이 방법은 각 저장층에 전극을 갖추고 정보 기록시 상기 전극을 국부적으로 파괴하는 것에 의해 정보 저장 용도로 활용될 수 있음도 발견하였다. 그러므로, 비기록 데이터 피트 내에서만의 액정 분자는 인가된 전기장에 의해 영향을 받아, 판독시 어드레스화될 때 그 배향성이 변경되도록 강제될 것이다. 이러한 방법의 단점은 그 작동을 복잡하고 고가로 만드는 전극의 사용에 있다.
이들 및 다른 문제점 및 단점들은 본 발명의 광학 기록 매체에 의해 해결되었다.
이를 위해, 본 발명은 이방성으로 정렬된 액정 고분자 네트워크, 적어도 일부가 액정이면서 배향성을 가지며, 또한 적어도 일부가 상호 수소 결합되도록 하는 작용기를 가지는 저분자량 분자, 및 선택적 요소로서의 염료를 포함하는 적어도 일층의 액정층을 포함하는 광학 기록 매체에 관한 것이다.
상기 층은 주위 온도하에서 이상적으로는 낮은 초기 이동도(점성에 반비례하므로 높은 점성을 가진다)를 가지며 높은 온도에서는 높은 이동도(낮은 점성)를 가짐으로써 액정 디렉터(director)의 재배향을 용이하게 하는 유리질 매트릭스 형태를 갖는다. 이들 양극단 사이에는 급경사의 가역성 온도 경계(threshold)가 존재한다. 상기 경계로 인해 기록시 비선형성이 도입되며, 이는 경계 상태가 집광 상태 층 내에서만 성취되는 반면 비집광 상태 층은 여전히 경계 보다 낮은 온도 프로파일을 가질 것이기 때문에 다층 데이터 저장 개념에 특히 관련된다. 급경사의 경계는 개별 정보 비트 사이와 인접층 사이에 필요한 온도차를 최소화하는데 좋다.
본 발명에서는 다중 수소 결합에 기초한 비-공유 상호 작용을 나타내는 액정 재료의 조합을 이용한다. 이들 재료는 공유 결합력(200-400 kJ mole-1)과 약한 반데르발스력(약 1 kJ mole-1) 사이의 강도의 상호 작용을 나타낸다. 수소 결합은 산소, 질소 또는 불소를 포함하는 작용기 사이에 통상 생성되어 수소 원자 및 동일하거나 상이한 분자 내의 원자를 보유한다. 상호 작용의 강도는 농도 및 온도 의존적이다. 일반적으로, 상호 작용은 온도 증가에 따라 약화된다. 분자 농도는 소정 부피 내의 전단 횟수는 물론 분자 당 가능한 수소 결합의 정도에 의해 결정된다. 이것은 예컨대 전기 광학적 특성용으로 평가된 수소 결합능에 기초하여 특별한 구조의 설계를 유도한다: 고온에서까지도 존재하는 다른 구조는 공여체 및 수용체 그룹의 특별한 배열을 갖는 삼중 사중 수소 결합에 기초한다. 광범위한 온도 범위 이외에도, 이들 분자의 다른 중요한 특성은 점성의 온도 의존성이 크고, 포함되는 크기 변화가 크다는 점이다. 상기 의존성은 종래의 공유 결합 재료에서 통상 관찰되는 것보다 강력하며, 이는 온도 경계의 존재 및 경사도에 대해 중요한 결과를 갖는다. 시스템의 점성은 매트릭스에 저분자량 (액정) 분자를 첨가하는 것을 통해 통상 낮아져서 요구되는 온도 경계를 크게 낮추거나 심지어 소멸시키는 결과를 초래할 수 있지만, 수소 결합에 기초한 재료의 존재는 그 급격한 내부 점성-온도 의존성에 기인하여 이 온도 경계를 보존하거나 재-취입시킬 것이다. 이 온도 경계의 존재는 기록시 비선형적 효과를 도입하고 측방 및 사이 인접층 양자의 개별 정보 비트 사이의 요구되는 온도차를 최소화하므로 단일층 저장 및 다층 저장 양자 모두에 대한 본 발명의 개념에 있어 극단의 중요성을 갖는다. 경계의 위치, 점성의 절 대치 및 점성-온도 의존성의 경사도는 예컨대, 수소 결합에 기초한 재료인 매트릭스의 조성 및/또는 구조를 적절히 조정하는 것에 의해 추가로 조정 가능하다. 수소 결합을 가져오는 작용기를 갖는 저분자량 분자는 액정 분자가 필수적인 것은 아니다. 수소 결합을 가져오는 작용기를 갖는 단지 저분자량의 분자를 사용하면, 적어도 일부가 액정이면서 배향성을 가지고 특정 상변이(1차 또는 2차, 또는 유리 전이)를 가져야 한다.
결국, 바람직한 계는 다음의 것을 구성한다:
a. 연속상을 형성하고, 가변 분율(mobile fraction)로서 작용하고, 바람직하지만 필수적인 것으로 아닌 것으로, 유리 전이, 또는 그 이하의 범위에서는 전체 계가 낮은 이동도로 존재하고, 그 이상의 범위에서는 전체 계가 높은 이동도로 존재하는 온도 경계로 작용하는 용융 전이와 같은 1차 또는 2차 온도-유도 상 전이를 갖는 액정 재료 또는 혼합물을 포함하는 저분자량 액정 재료. 전체 계의 이동도는 크게 연속상의 이동도에 의해 결정될 것이다;
b. 바람직한 것으로, 데이터 저장에 이용되는 콘트라스트 생성(평면 대 수직 상태)에 필요한 소량의 용해된 이방성(바람직하게는 형광성) 염료 또는 염료 혼합물;
c. 이동상의 온도 유도된 또는 배향성을 위한 구동력으로서 작용하는 배향된 액정 네트워크;
d. (i) 상승된 온도(예, 200℃)에서 계의 점섬을 낮추고, (ii) 그 내부의 급격한 점성-온도 의존성에 기인하여 예컨대, 제1 또는 제2 온도-유도 전이로 액정 재료의 온도 경계를 보존하거나 재-취입하고, (iii) 그 내부의 급격한 점성-온도 의존성에 기인하여 주위 온도에서 고점성을 유발하는 수소 결합을 기초로 한 재료 또는 혼합물; 및
e. 선택적으로서, 열 개시제, 광 개시제, 억제제, 라디칼 제거제, 사슬 전달제, 안정제, 가소제, 계면활성제, 감광제, 도핑제 또는 이들의 조합과 같은 등방성 또는 메소제닉(mesogenic) 첨가제.
바람직한 실시예에서, 저분자량 분자는 상호 수소 결합을 야기하는 작용기를 갖는 분자 부분과 갖지 않는 분자 부분의 혼합물이다. 분자들 중 적어도 하나는 정보 저장을 위해 준 안정 상태를 적용하는 능력을 가져야 한다. 정보 기록시, 이들 비트의 분자들은 예컨대 열처리에 의해 그 원래 배향성으로 복귀한다. 다른 액정 및 배향성 분자의 혼합물에 이용되지 않는 경우, 수소 결합을 위한 작용기를 갖는 저분자량의 분자의 적어도 일부, 바람직하게는 전부는 액정이면서 배향성을 갖는다.
수소 결합을 야기하는 작용기를 갖지 않는 분자의 예로는 유리화를 나타내는 저분자량의 봉상(rod-shaped; calamitic) 또는 원반상(disc-shaped; discotic)의 액정이 있다. 이들 예는 도 5a에 도시된 화합물과 같이 분자 중심에 응축된 고리계를 갖는 메소제닉 화합물, 도 5b에 도시된 화합물과 같이 아조벤젠 기능성을 갖는 메소제닉 화합물, 또는 도 5c에 도시된 바와 같은 소위 샴 쌍동이 분자이다. 다른 예는 예를 들면 문헌에서 찾을 수 있다[예, Wedler, W., Demus, D., Zaschke, H., Mohr, K., Schafer, W., 및 Weissflog, W., J.Master.Chem., 1(3), 347- 356(1991년)].
소소 결합을 야기하는 작용기를 갖는 분자의 예로는 예컨대, 트랜스-(1R,2R)-비스(도데카노일아미노)시클로헥산(도 5d의 구조 a), 또는 2-부틸우레이도-6-메틸 피리미돈(도 5d의 구조 b)이 있다.
광학 기록 매체는 염료, 바람직하게는 형광성 염료를 포함한다. 이러한 염료의 예로는 1,1'-디에틸-2,2'-카르보시아닌 요오드화물, 2-[6-(디에틸아미노)-3-(디에틸이미노)-3H-크산텐-9-일]벤조산, 2,3,5,6-1H,4H-테트라하이드로-9-(3-피리딜)-퀴놀리지노[9,9a1-gh]쿠마린, 2-(p-디메틸아미노스티릴)-피리딜메틸 요오드화물, 2-(p-디메틸아미노스티릴)-벤조시아조릴에틸 요오드화물, 쿠마린 7, 쿠마린 152, 쿠마린 314, 쿠마린 1 하이드로퍼클로레이트 및 쿠마린 153이 있다.
고분자 네트워크를 구성하는 고분자는 예컨대 도 5e의 C3M과 같이, (다기능성) 액정 아크릴레이트, 에폭시드, 메타크릴레이트, 티오-엔(ene)과 같은 중합화 단량체로 구성된다.
바람직한 실시예에서, 고분자 네트워크는 0.1-40wt%, 바람직하게는 5-10wt%, 및 저분자량 분자 60-99.9wt%, 바람직하게는 85-95wt%의 액정층을 포함한다.
또한, 저분자량 분자가 작용기를 갖는 분자와 갖지 않는 분자의 혼합물이면, 작용기를 갖고 갖지 않는 저분자량 분자의 바람직한 비율은 1:30~30:1, 바람직하게는 1:10~10:1, 보다 바람직하게는 1:5~5:1이다.
상기 매체는 선기록된 기록 제어 정보 및 이전 기록 정보를 포함하는 적어도 하나의 액정층을 가질 수 있다. 통상, 적어도 하나의 액정층은 기판 상에 제공된 다.
또한, 본 발명은 상기 광학 기록 매체의 제조 방법을 제공하며, 이 방법은 다음의 단계를 포함한다:
a. 액정 단량체, 적어도 일부가 액정이면서 배향성을 가지며 적어도 일부는 상호 수소 결합을 야기하는 작용기를 갖는 저분자량 분자, 및 선택적인 요소로서의 염료를 포함하는 적어도 하나의 액정층을 기판 상에 도포하는 단계;
b. 상기 혼합물을 상 전이 온도 이상으로 가열하는 단계;
c. 상기 액정 단량체를 일 방향으로 배향시키는 단계; 및
d. 상기 배향된 액정 단량체를 바람직하게는 방사선 조사로 고분자 네트워크로 변환시키는 단계.
또한, 본 발명은 상기 액정층의 적어도 일 영역이 상 전이 온도 이상으로 가열되고 광 판독 가능한 정보를 보유한 광학 기록 매체의 소정 영역에 정보를 기록하기 위한 방법을 제공하며, 이 방법은 다음의 단계를 포함한다:
a. 상기 영역 내에서 상기 고분자 네트워크의 배향 방향과 상이한 방향으로 상기 액정 분자 및 선택적으로 염료를 배향시키는 단계;
b. 상기 배향된 액정 분자 및 선택적인 염료의 방향을 냉각시키도록 상기 상 전이 온도 이하로 상기 액정층의 상기 영역을 냉각시키는 단계; 및
c. 선택적으로 단계 a 및 단계 b를 반복하는 단계.
본 발명의 장점들은, 유리질 액정 매트릭스의 네트워크-강제된 재배향을 이용하고, 저장된 정보의 안정성 향상, 종래의 네트워크-강제된 액정 표시 장치에 비 해 빠른 기록 속도, 재료 특성의 독립적인 최적화 확률 및 추가적으로 이방성 형광 염료의 경우에 있어서 2배 이득의 광자를 갖는 형광성의 이방성 방사의 추가적인 장점을 가지며, 기록에 의해 형광성을 발현시켜 백그라운드 신호를 감소시키는 광학 저장 개념의 실제 실행상 용이함에 있다.
본 발명은 종래의 계에 비해 급격한 점성-온도 의존성을 갖는 광학 판독 매체를 제공하며, 광학 (다층) 데이터 저장, 신호 처리 및 안전 디스플레이 기능과 같은 다양한 용례에 이용될 수 있다.
본 발명은 단일층은 물론 다층, 특히 형광 다층 저장계의 광학 저장 개념에 적용될 수 있다. 부가적인 장점은 기존의 상업적으로 구매 가능한 재료를 이용할 수 있다는 것이며, 이러한 재료는 수소 결합을 기초로 한 재료와 같은 매트릭스의 조성 및/또는 구조의 조정을 통해 온도 경계의 위치 및 경사도를 조정하도록 선택될 수 있다.
더욱이, 본 발명은 보안, 안전 및 예방의 목적으로 사용되는 지시기 및 신호 처리용과 같은 다른 용례에도 적용 가능하다. 조성된 염료 분자의 재배향에 기원하는 계의 콘트라스트 변화는 온도 의존적이므로, 예컨대, 초기에 투명하고 비흡수성이며 색채를 띠지 않은 계가 소정 안전 온도를 초과하면 불투명하고 흡수성이며 색채화된 계로 전환되는 경우가 되도록 구상될 수 있다. 원론적으로, 이 전이는 일방향성일 수 있지만, 예컨대, 계가 전극 사이에 조합되는 경우 가역적이고 쌍안정적인 계로 용이하게 확장될 수 있다.
본 발명은 다음의 도면과 한정적이지 않은 실시예들에 의해 하기와 같이 예시된다.
도 1은 희석된 배향 액정 고분자 네트워크에서 태핑된 준안정 배향의 액정 분자를 갖는 액정층의 형성 과정 중에 도과되는 다른 상태를 개략적으로 나타내는 상부, 중간 및 하부 패널을 도시한다.
도 2는 정보의 광 저장을 위한 판독 가능한 매체의 제조 방법의 바람직한 실시예의 흐름도이다.
도 3은 정보의 광 저장을 위한 다층 광학 판독 매체의 구조를 도시한다.
도 4는 광학 저장 매체에 데이터를 기록하기 위한 방법의 흐름도이다.
바람직한 실시예에 따른 광학 판독 매체를 제공하기 위해 준안정 배향의 액정 분자를 포함하는 희석 액정층의 형성 과정중에 도과되는 다른 상태를 도시한 도 1의 상부, 중간 및 하부 패널을 참조한다. 이러한 액정층은 정렬층이 예비 코팅된 기판 상에 혼합물을 우선 도포하는 것으로 얻을 수 있다. 상기 혼합물은 서로 교차 결합시키는, 즉 상호 반응성을 갖는 능력을 갖는 소량의 액정 단량체(102), 소정량의 색선별 형광 염료 분자(106), 및 수소 결합을 형성하는 기능을 가지는 분자를 포함하면서 이러한 기능을 가지지 않는 액정 분자를 또한 포함할 수 있는 액정 분자(104)의 혼합물을 용해하는 것에 의해 마련된다. 이 상태가 도 1의 상부 패널에 개략적으로 도시되어 있다. 온도를 액정 분자 혼합물의 유리 전이 온도 이상, 동일 혼합물의 투명화 온도(clearing temperature) 이하로 상승시, 상기 단량체 및 분자들은 하부의 정렬층에 의해 형성된 방향으로 배열된다.
액정 단량체(102)의 중합화에 의해, 정렬된 액정 고분자의 고분자 네트워크(108)가 도 1의 중간 패널에 보여지는 바와 같이 형성된다. 액정 단량체(102)의 상기 정렬된 네트워크의 배향은 형성된 이방성 고분자 네트워크(108)에 유지되고 동일 네트워크의 배향을 형성한다.
그에 따라, 액정 분자(104)가 이방성 액정 고분자 네트워크(108)에 강력하게 고착되어, 액정 분자의 배향이 액정 고분자 네트워크(108)의 배향에 의해 결정될 것이다. 그럼에도, 외부장(예, 전기장 또는 자기장) 하에서는 여전히 액정 분자(104)와 색선별 형광 염료 분자(106)의 전체 배향이 변경(디렉터 프로파일 변형)될 수 있어서 도 1의 하부 패널에 보여지는 바와 같이 이들 분자의 제1 배향과 다른 제2의 전체 배향이 얻어진다. 이방성 액정 고분자 네트워크(108) 자체의 배향은 이러한 장의 적용에도 변화되지 않는다. 액정 분자(104)가 액정 고분자 네트워크(108)에 강력하게 고착되는 것에 기인하여, 디렉터 프로파일의 변형은 실질적으로 변형 에너지의 증가를 가져올 것이다. 인가된 외부장을 해제시, 높은 변형 에너지는 액정 분자를 액정 고분자 네트워크(108)의 배향과 일치하는 원래 배향이나 그에 가깝게 완화하도록 구동한다. 다량의 분자의 이러한 완화 재배향은 색선별 형광 염료 분자(106)에 작용하여 그에 따라 그 배향을 변경시킨다. 이방성 고분자 네트워크에 의해 가해진 힘은 제공된 액정 고분자 네트워크가 존재하지 않고 액정 분자의 고착이 정렬층에서만 수행되는 경우에 비해 완화율(relaxation rate)을 증가시키게 된다.
그러나, 액정 분자로서 유리 전이 온도(Tg)와 연관된 액정 분자를 사용하고, 상기 외부장의 해제 이전에 유리 전이 온도(Tg) 이하의 온도로 감온하는 것에 의해, 상기 액정 분자(104) 및 색선별 형광 염료 분자(106)의 제2 배향은 내부에 냉각되어 유지된다. 따라서, 도 1의 하부 패널에 개략적으로 도시된 바와 같이, 일방향으로 정렬된 고분자 네트워크(108)와 제2 방향으로 배향된 액정 분자(104) 및 형광 염료 분자(106)가 얻어진다. 이에 따라 얻어지는 액정 분자의 배향 상태는 준안정 배향 상태이다.
준안정 상태 적용 능력을 갖는 분자는 데이터 저장에 이용될 수 있다. 데이터 비트의 기록시, 이 비트의 준안정 배향의 분자는 원래 배향으로 복귀하는 반면, 비기록 데이터 비트의 분자들은 그 준안정 배향 상태로 유지된다.
기록 비트 및 비기록 비트에서 액정 분자의 배향이 상이한데 기인하여, 이들은 다소 상이한 굴절률을 나타낸다. 그러나, 이러한 차이는 광학 판독 매체의 제조 단계에서 최소화된다. 바람직한 실시예에 따른 광학 판독 매체에 대해 설명하였다.
본 발명에 따른 광학 저장 매체의 바람직한 제조 방법을 도 2를 참조로 하여 설명한다.
단계(202)에서 제공된 기판에, 단계(204)에서 정렬층이 도포되어, 도포 대상의 정렬 분자들이 상기 기판에 정렬된다. 단계(206)에서 액정층을 형성하기 위해, 예컨대, 자외선(UV) 광 조사시 네트워크를 형성하는 능력을 갖는 액정 단량체 이러한 능력을 갖지 않는 액정 분자를 포함하는 혼합물을 기판 상의 정렬층 상부에 연속 도포한다. 또한, 상기 혼합물은 바람직하게는 형광성의 염료 분자 및 광-개시 제 분자(도시 생략)를 포함한다.
하나 이상의 액정층이 제공될 경우, 단계(208)에서 "Y"가 선택되며, 즉, 적층된 다층 제공시 전술한 단계(204-206) 이후에 단계(210)에서 보호층(passive layer)이 도포된다. 이것은 소정 개수의 적층 액정층이 얻어져서 "적층?"에 대한 응답으로서 단계(208)에서 다른 "N"이 선택될 때까지 반복된다.
이후, 액정층(들)은 도포된 액정 혼합물의 유리 전이 온도(Tg) 이상, 상기 혼합물의 투명화 온도(Tc) 이하인 온도(T)로 단계(212)에서 가열된다. 액정 분자 및 단량체의 온도(T)에서의 상기 단계에서, 형광 염료 분자들은 정렬층에 의해 결정된 방향으로 정렬 및 배향된다. 전체 구조 또는 샘플을 상기 온도(T)에 유지하는 동안, 상기 샘플은 단계(214)에서 자외선 광이 조사되어, 제1 종류의 액정 분자가 서로 교차 결합되도록 하여 고분자화된 액정층을 형성한다.
샘플을 온도(T)로 유지할 때, 예컨대, 코로나 방전을 편리하게 이용하여 상기 샘플 상에 전기장을 인가함으로써 단계(216)에서 액정 분자가 그 배향을 상기 네트워크의 방향에 거의 수직한 방향으로 변경되도록 한다. 이후, 샘플은 단계(218)에서 상기 유리 전이 온도(Tg) 이하의 온도로 냉각된다. 단계(220)에서, 액정 분자가 액정 고분자 네트워크의 방향에 수직하게 배향되는 것이 바람직한 준안정 배향 상태를 포함하는 광학 판독 매체가 도 1의 하부 패널에 개략 도시되어 있는 바와 같이 얻어진다.
이렇게 제공된 매체는 기판(302)이 정렬층(304)에 의해 덮여진 다른층의 구조의 측면도를 도시한 도 3에 개략적으로 도시되어 있으며, 상기 정렬층 상에는 이 방성 액정 고분자 네트워크, 준안정 배향 상태의 액정 분자 및 색선별 형광성 분자를 포함하는 고분자화 유리질 액정층(306)이 제공된다. 1층 이상의 고분자화 유리질 액정층이 도포되면, 도 3의 파선으로 도시된 바와 같이 유리질 액정층(306) 상에 불활성 보호층(308)이 제공되고, 그 다음으로 정렬층(310) 및 다른 유리질 액정층(312)이 후속한다. 이들 3개의 층을 인가하는 것에 대응하는 단계들은 원하는 수의 층이 얻어질 때까지 반복될 수 있다.
이와 달리, 전술한 열처리, 조사 단계, 전기장의 인가 및 냉각은 다층 레이아웃에서 이전층 위에 다음층이 적층되기 이전에 수행할 수도 있다.
정보의 광 저장을 위한 광학 판독 매체의 이용에 대해 설명한다.
정보는 중안정 배향 상태를 포함하는 유리질 액정층 위에 레이저를 포커싱하는 것(또는 국부 가열)에 의해 저장된다. 포커싱시, 광 빔은 조사 지점에서의 국부 온도를 유리 전이 온도 이상으로 증가시켜, 액정 분자를 유리질 상에서 액정 또는 액상으로 상 전이시킴으로써, 액정 분자의 준안정 상태가 사라지고, 상기 액정 분자가 완화되고 액정 고분자 네트워크에 따라 향하는 배향을 채용한다. 이것은 1비트의 기록 또는 비트-전이에 대응한다. 기록된 비트는 예컨대, "0"에 대응하는 반면, 비기록된 비트는 "1"에 대응한다. 기록된 데이터 비트의 제2 종류의 액정 분자는 이에 따라 액정 고분자 네트워크의 방향으로 정렬되는 반면, 비기록된 데이터 비트는 준안정 상태로 상기 네트워크의 방향에 수직한 방향으로 배향된다.
본 발명의 다른 측면으로서는 너무 낮은 기록 속도의 문제를 극복하고 고분자화 액정층의 낮은 열전도도를 이용하는 것에 관한 것이며, 이에 대해 도 4를 참 조로 설명한다.
이 방법은 단계(402)에서 카운터 값을 X-1로 설정하는 것으로 시작한다. 단계(404)에서 기록될 각 데이터 비트의 경우, 이 데이터 비트가 "1" 또는 "0"인지 여부를 결정한다. "1" 또는 "0"의 경우, 어드레스화 영역에서 Tg 이상의 온도(T)에 도달하도록 레이저 펄스 또는 가열 기구에 의해 기록될 액정층의 영역에 열을 가하여, 상기 데이터 비트를 기록한다. 기록될 모든 데이터 비트가 단계(406)에서 기록되면, 즉, 카운트 값 X가 최종 수치(마지막 데이터 비트)에 도달하면, 상기 방법은 단계(410)에서 종료한다. 모든 데이터 비트가 기록되지 않은 경우(단계 406), 카운터 값 X는 단계(408)에서 X+J 로 설정되며, 레이저 빔이 다른 영역으로 이동되거나, 이와 달리, 가열 기구가 다른 영역을 가열하도록 배열되어, 단계(4040 및 406)가 반복될 것이다. 가열을 필요로 하는 비트의 경우, 어드레스화 데이터 영역의 가열 온도(T)는 어드레스화 영역의 온도가 유리 전이 온도(Tg)로 감소되는 시간 구간에서 액정 분자의 완화가 실질적으로 달성되도록 조정된다. 광학 판독 매체의 낮은 열전도도에 기인하여, 나노초 수준의 소정 길이의 열 펄스는 마이크로초 수준의 시간 구간 내에서 배향(완화)을 실질적으로 완전히 전환하도록 하기에 충분하다. 따라서, 나노초 길이의 열 펄스에 의해, 높은 데이터 기록 속도를 얻을 수 있다.
기록 및 비기록 데이터 비트의 판독은 굴절률, 흡수성, 또는 형광성의 차이에 기초하여 얻어질 수 있다. 형광성의 경우, 판독은 예컨대, 색선별 형광 분자의 여기 및 그에 후속하는 발광된 형광의 검출에 의해 달성된다. 형광 분자는 그 흡 수 단면에 따라 여기된다. 다른 방향으로 배향된 형광 분자들은 다른 정도로 여기되어, 발광된 광의 강도에 차이를 가져오고 이는 다른 종류의 저장된 정보(1 또는 0)에 대응한다.
전술한 바와 같이, 기록 및 비기록 비트의 분자 간의 굴절률은 다소 상이하다. 데이터 저장 매체에 1층 이상의 유리질 액정층이 존재하면, 기록 및 비기록 비트의 어떠한 굴절률도 하부층에 대한 빔의 품질 및 그에 따른 데이터 저장 매체의 성능을 떨어뜨릴 것이다. 단일층 계에서, 기록 및 비기록 비트 간의 굴절률 또는 흡수성 차이에 기초한 판독은 형광성에 비해 동등하게 적합하다. 몇층의 유리질 액정 보호층 및 정렬층이 서로 교차로 적층되는 경우, 이 굴절률 차이를 최소화하는 것이 유리하다. 다행히, 색선별 형광 발색단을 포함하는 본 발명의 일 실시예는 상기 굴절률 차이를 최소화하기 위해 재료의 신중한 선택을 가능케 하여 다층 구조의 광 저장 매체에 대해 개방되어 있다.
소정 실시예를 이하에 예시한다.
실시예 1(광 데이터 저장)
1) 반응성 액정 단량체(들), 2) 주위 온도 이상에서 1차 및 2차 전이되고 선택적으로 메소제닉 특성을 갖는 반응성 또는 불활성 재료, 3) 이방성 염료, 바람직하게는 형광 염료, 4) 하나 또는 복수의 분자 내 수소 결합 또는 적어도 하나 또는 복수의 분자간 수소 결합을 갖는 재료 또는 그 혼합물, 5) 선택적으로서, 열 개시제, 광 개시제, 억제제, 라디칼 제거제, 사슬 전달제, 안정제, 가소제, 계면활성 제, 감광제, 또는 도핑제와 같은 일종 이상의 첨가제로 이루어진 혼합물을 디스크나 카드 같은 기판 상에 증착하였다. 액정 혼합물은 어드레스화 상태와 비-어드레스화 상태 사이의 산란 효과를 최소화하도록 선택되었다. 혼합물의 증착은 스핀 코팅, 닥터 블레이딩, (화학적) 기상 증착, 스퍼터링, 주조, 미소 접촉 프린팅 및 사출 성형과 같은 종래의 기술을 이용하여 달성하였다. 혼합물은 그 준결정상으로 도포될 수 있지만, 바람직하게는 등방성 상태로 도포된 후, 소망의 준결정상(예, 네마틱, 스멕틱, 또는 키랄 네마틱 상)으로 급속 또는 저속 냉각하여, 무결함 액정 형태를 얻도록 한다. 혼합물은 인듐 주석 산화물 또는 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜) 유도체와 같은 투명 전기 전도체로 선택적으로 코팅된 일층 또는 2층의 경계층 사이에 보유된다. 단일적 정렬을 용이하게 하기 위해, 기계적으로 정렬된 배향층, 광 유도 정렬층, 계면활성제, 전단력 또는 흐름 유도력 및 자기 또는 전기장과 같이 단일 또는 양 경계층에 대해 정렬 유도 조건을 이용할 수 있다.
이 절차는 활성층을 분리하는 중간 보호층의 사용과 함께 각 층에 대해 반복하였다. 중간층의 굴절률은 활성층의 그것과 가깝게 대응하여 산란 효과를 최소화하였다.
혼합물은 혼합물의 결과적인 1차 또는 2차 전이 이상의 온도로 가열하였고, 이는 1차 또는 2차 전이를 갖는 순수 성분의 온도와는 다를 수 있으나, 혼합물의 투명화 온도 이하이다. 혼합물은 첨가된 광 개시제의 존재하에서 바람직하게는 자외선 광을 조사하였고, 정렬된 이방성 네트워크를 형성하였다.
1차 또는 2차 전이 이상의 온도를 유지하는 동안, 전기장을 인가하여, 이동 성 액정상과 첨가된 이방성 염료(또는 염료 혼합물)를 재배향시켰다. 이와 달리, 재배향의 수행을 위해 자기장 또는 코로나 방전이 이용될 수 있다.
재배향에 효과적인 장을 유지하는 동안, 혼합물의 1차 또는 2차 전이 이하의 온도로 냉각시키고, 이동성 액정 부분의 준안정 상태가 내부에서 냉각된다.
정보의 기록 및 판독은 국부적 조사, 예컨대, 레이저 빔 또는 광의 발광 다이오드를 사용하여 달성하였다. 판독 및 기록의 구별을 위해, 1차 또는 2차 전이이상으로 재료를 국부적으로 가열하기에 충분하도록 기록시에는 보다 높은 강도를 갖도록 다른 강도를 이용하였다.
실시예 2(디스플레이 기능)
본 실시예는 다음의 차이점과 함께 실시예 1에 따른 것이다. 차이점은 설계가 단일층 설계라는 것이다. 최기화 단계에서, 정보는 이미지 생성 수단으로서 국부적으로 기록될 수 있다. 활성화 상태에서, 유도된 콘트라스트는 환경의 온도 변화에 기인한다. 열과 전기장의 조합을 이용하여 재생성을 달성할 수 있다. 전극의 패턴화는 선택적인 것이다.

Claims (13)

  1. 광학 기록 매체로서,
    이방성으로 정렬된 액정 고분자 네트워크, 적어도 일부가 액정이면서 배향성을 가지며, 또한 적어도 일부가 상호 수소 결합되도록 하는 작용기를 가지는 저분자량 분자, 및 선택적 요소로서의 염료를 포함하는 적어도 일층의 액정층을 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 기록 매체.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 저분자량 분자는 상호 수소 결합시키는 작용기를 갖지 않는 액정 분자와 상호 수소 결합시키는 작용기를 갖는 분자의 혼합물인 것을 특징으로 하는 광학 기록 매체.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    작용기를 갖는 저분자량 분자의 적어도 일부는 액정질인 것을 특징으로 하는 광학 기록 매체.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 매체는 형광 염료를 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 기록 매체.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 고분자 네트워크는 0.1-40wt%, 및 액정층의 저분자량 분자 60-99.9wt%를 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 기록 매체.
  6. 제2항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 고분자 네트워크는 0.1-40wt%, 바람직하게는 5-10wt%, 및 액정층의 저분자량 분자 60-99.9wt%, 바람직하게는 85-95wt%를 포함하며, 작용기를 갖고 갖지 않는 저분자량 분자의 비율은 1:30~30:1인 것을 특징으로 하는 광학 기록 매체.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    적어도 2층의 액정층을 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 기록 매체.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    적어도 1층의 액정층은 선기록된 기록 제어 정보 또는 이전 기록 정보를 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 기록 매체.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    적어도 1층의 액정층이 기판 상에 제공된 것을 특징으로 하는 광학 기록 매체.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 따른 광학 기록 매체의 제조 방법으로서,
    a. 액정 단량체, 적어도 일부가 액정이면서 배향성을 가지며 적어도 일부는 상호 수소 결합을 야기하는 작용기를 갖는 저분자량 분자, 및 선택적인 요소로서의 염료를 포함하는 적어도 하나의 액정층을 기판 상에 도포하는 단계;
    b. 상기 혼합물을 상 전이 온도 이상으로 가열하는 단계;
    c. 상기 액정 단량체를 일 방향으로 배향시키는 단계; 및
    d. 상기 배향된 액정 단량체를 바람직하게는 방사선 조사로 고분자 네트워크로 변환시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 기록매체 제조방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 배향된 액정 단량체는 방사선 조사에 의해 고분자 네트워크로 변환되는 것을 특징으로 하는 광학 기록매체 제조방법.
  12. 액정층의 적어도 일 영역이 상 전이 온도 이상으로 가열되고 광 판독 가능한 정보를 보유한 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 따른 광학 기록 매체의 소정 영역에 정보를 기록하기 위한 방법으로서,
    a. 상기 영역 내에서 상기 고분자 네트워크의 배향 방향과 상이한 방향으로 상기 액정 분자 및 선택적으로 염료를 배향시키는 단계;
    b. 상기 배향된 액정 분자 및 선택적인 염료의 방향을 냉각시키도록 상기 상 전이 온도 이하로 상기 액정층의 상기 영역을 냉각시키는 단계; 및
    c. 선택적으로 단계 a 및 단계 b를 반복하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 정보 기록방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 액정 분자 및 선택적으로 염료는 액정층에 전기장 또는 자기장을 인가하는 것에 의해 배향되는 것을 특징으로 하는 정보 기록방법.
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