TWI435322B - 資料儲存裝置及其儲存方法 - Google Patents

Description

資料儲存裝置及其儲存方法

本案係指一種資料儲存裝置及其儲存方法，尤指一種數位資料儲存裝置及其儲存方法。

在習知技術中，液晶(Liquid Crystal，以下簡稱LC)是一種具有組織方位性的液體(crystalline liquid)，液晶依其凝集構造的不同可略分為三類：向列型(nematic)液晶、層列型(smectic)液晶及膽固醇型(cholesteric)液晶。一般將LC普遍的使用於液晶電視、膝上型電腦及各類型顯示元件上，極少數的LC亦被應用於溫度感測器或光記憶材料。

LC分子的外觀為條狀的橢圓形，其大致沿橢圓形的長軸方向彼此相互平行排列，因此在一度空間上具有規則排列此一特徵，稱為配向(alignment)，且由於LC具有誘電與光學的異向性，同時具備良好的分子配向性與流動特性，當受到光、熱、電場、磁場等外部影響時，LC分子的配向排列容易產生變化。

請參閱第一圖(a)，係為習知技術中液晶分子未受到外加電場影響時其排列方式的示意圖，同時請參閱第一圖(b)，係為習知技術中液晶分子在受到外加電場之影響後其排列方式的示意圖。第一圖(a)及(b)中包括了上基板10a、下基板10b、上電極12a、下電極12b及長鏈狀的LC分子14。請先參閱第一圖(a)，由於圖中的LC分子14並未受到外加電場的影響，圖中的LC分子14以在一水平面上旋轉90∘角度的方式水平排列在上電極12a及下電極12b之間，這是LC分子14未受到外加電場影響時的水平排列方式；請繼續參閱第一圖(b)，在圖中的 上電極12a及下電極12b之間施加一個電壓差而在上電極12a及下電極12b之間形成一個電場，圖中的LC分子14在受到此外加電場的影響之後，將全部由水平排列轉為垂直排列而分布在上電極12a及下電極12b之間，這是LC分子14在受到外加電場影響後的排列方式。

在習知技術中，已經將上述LC分子的排列特性，大量的應用在各種類型的顯示裝置之上，但在除了顯示裝置以外的技術領域，則鮮少聽聞利用上述特性的科技創新。

職是之故，申請人鑑於習知技術中所產生之缺失，經過悉心試驗與研究，並一本鍥而不捨之精神，終構思出本案「資料儲存裝置及其儲存方法」，能夠克服上述缺點，以下為本案之簡要說明。

本案發明人在反覆思考後提出本發明資料儲存裝置及其儲存方法，本發明係利用LC分子會隨外加電場的變動而改變其配向排列的特性，而將具有極性的磁性物質與LC分子組合，此時當外加電場變動時，由磁性物質所產生的磁場亦將隨著外加電場的變動而變動，再利用一磁感元件感應此磁場變化，定義不同的磁場狀態代表不同的資料，如垂直磁場代表0及水平磁場代表1，則依照上述原理可建構出一種新式的數位資料儲存裝置，用於儲存數位資料並任意讀取。隨著採用不同性質的LC分子，此資料儲存裝置可作為揮發性數位資料儲存裝置或非揮發性數位資料儲存裝置。

根據本發明的第一構想，提出一種資料儲存胞元，其包括 一第一電極，一電壓施加於該第一電極以在其鄰近處形成一電場；及一結合物，其排列於該第一電極上，該結合物包括一液晶分子及一具有極性的磁性物質，藉此在該結合物的鄰近處形成一磁場，其中該結合物的排列對應於該電場的變動，藉此該磁場對應於該電場的變動。

較佳地，本發明所提供之該種資料儲存胞元，更包括一第二電極，該結合物排列於該第一及該第二電極間，其中該第一及該第二電極間有一電壓差而在其間形成一電場，該結合物的排列對應於該電場的變動。

較佳地，本發明所提供之該種資料儲存胞元，更包括一第一及一第二基板，該第一及第二電極分別設於該第一及該第二基板上。

較佳地，本發明所提供之該種資料儲存胞元，更包括一基板，該第一電極設於該基板上。

較佳地，本發明所提供之該種資料儲存胞元，更包括一基板，該第一電極設於該基板之一第一面上；及一第二電極，設於該基板之一第二面上，該結合物排列於該第一電極上及該第二電極上，其中一第一電壓施加於該第一電極以在其鄰近處形成一第一電場及一第二電壓施加於該第二電極以在其鄰近處形成一第二電場，排列於該第一電極上及該第二電極上的該結合物的排列分別對應於該第一及該第二電場的變動。

較佳地，本發明所提供之該種資料儲存胞元，其中該等基板為一玻璃基板及一半導體材質基板其中之一。

較佳地，本發明所提供之該種資料儲存胞元，更包括一開關元件，用於控制該電壓的開關。

較佳地，本發明所提供之該種資料儲存胞元，其中該開關元件為一電晶體。

較佳地，本發明所提供之該種資料儲存胞元，其中該液晶分子為一向列型(nematic)液晶分子、一層列型(smectic)液晶分子、一膽固醇型(cholesteric)液晶分子及一長鏈狀液晶分子其中之一。

較佳地，本發明所提供之該種資料儲存胞元，其中該具有極性的磁性物質的外形為條狀及針狀其中之一。

較佳地，本發明所提供之該種資料儲存胞元，其中該具有極性的磁性物質的長軸與該液晶分子的長軸平行。

較佳地，本發明所提供之該種資料儲存胞元，其中該具有極性的磁性物質的尺度為奈米級(nano－scaling)。

較佳地，本發明所提供之該種資料儲存胞元，其中該液晶分子及該具有極性的磁性物質間係藉由靜電力或凡得瓦力相結合而形成該結合物。

根據本發明的第二構想，提出一種資料儲存胞元，其包括一電極；及一結合物，其包括一液晶分子及一具有極性的磁性物質，該結合物排列於該電極上，其中一電壓施加於該電極而變動該結合物的排列。

根據本發明的第三構想，提出一種資料儲存裝置，其包括複數資料儲存胞元，每一胞元包括一電極；及複數結合物，其排列於該電極上，每一結合物包括一液晶分子及一具有極性的磁性物質，藉此該等結合物於該胞元中形成一磁場；及一磁感元件，其中一電壓施加於該電極而變動該結合物的排列並變動該磁場，該磁感元件感應該每一胞元中的該磁場的變動。

較佳地，本發明所提供之該種資料儲存裝置，更包括一第二電極，該等結合物排列於該第一及該第二電極間，其中該第一及該第二電極間具有一電壓差而在其間形成一電場。

較佳地，本發明所提供之該種資料儲存裝置，包括一基板，該電極設於該基板之一第一面上；及一第二電極，設於該基板之一第二面上，該結合物排列於該電極上及該第二電極上，其中一第一電壓施加於該電極以在其鄰近處形成一第一電場及一第二電壓施加於該第二電極以在其鄰近處形成一第二電場。

較佳地，本發明所提供之該種資料儲存裝置，更包括一第二電極，該電極及第二電極間施加有一電壓，其中該組合排列於該電極及第二電極間。

較佳地，本發明所提供之該種資料儲存裝置，其中該等結合物的排列對應於該電壓的變動。

較佳地，本發明所提供之該種資料儲存裝置，其中該磁感元件用於感應每一胞元中該磁場的變動。

根據本發明的第四構想，提出一種資料儲存方法，其包括步驟提供一電極及一結合物，該結合物包括一具有極性的磁性物質及一液晶分子；將該結合物排列於一電極上；及對該電極施加一電壓而變動該結合物的排列。

本案將可由以下的實施例說明而得到充分瞭解，使得熟習本技藝之人士可以據以完成之，然本案之實施並非可由下列實施案例而被限制其實施型態。

請參閱第二圖(a)，係為本發明的資料儲存胞元中的結合物未受到外加電場影響時其排列方式的示意圖，同時請參閱第二圖(b)，係為本發明的資料儲存胞元中的結合物在受到外加電場之影響後其排列方式的示意圖。第二圖(a)及(b)中的資料儲存胞元200包括了第一基板20a、第二基板20b、第一電極22a、第二電極22b、LC分子24、磁性物質26、結合物25、開關元件27、水平磁場Hh、垂直磁場Hv及磁感元件28，其中LC分子24為向列型(nematic)LC分子、層列型(smectic)LC分子、膽固醇型(cholesteric)LC分子或長鏈狀LC分子；開關元件27為電晶體(transistor)；第一基板20a及第二基板20b為玻璃基板或其他半導體材質的基板；磁性物質24的外形為條狀或針狀；組合複數磁性物質26與LC分子24而形成一結合物25，雖然在第二圖(a)及(b)中，每一LC分子24搭配六個條狀的磁性物質26，但對於長軸長度較長的LC分子24，則所搭配的磁性物質26的數量自然會增加，反之亦然，即每一LC分子24所搭配磁性物質26的數量係依實際狀況而定，甚至每一LC分子24僅搭配一個長度與此LC分子24相同或接近的條狀磁性物質26亦可，其中磁性物質26的尺度(scale)甚至可以縮小到奈米級(nano－scaling)，但非僅限於奈米級，當組合兩者時，原則上先使得結合物25中的具有極性的磁性物質的長軸與液晶分子的長軸平行，再將適當數量的磁性物質26組合至一個LC分子24的表面而形成一個結合物25，LC分子24與磁性物質26間依靠靜電力(electrostatic force)或凡得瓦力(van der Waals force)而相結合。

請先參閱第二圖(a)，由於圖中結合物25中的LC分子 24並未受到外加電場的影響，圖中的結合物25將以在一水平面上旋轉90∘角度的方式排列在第一電極22a及第二電極22b之間，如圖中所示，由於每一結合物25中的LC分子24的表面周圍均配有複數具有極性的磁性物質26，此時在此資料儲存胞元200中的所有磁性物質26的N極至S極間的連線幾乎為水平，因此所有以水平排列的磁性物質26將會形成一個水平磁場Hh，此時磁感元件28將感應到此資料儲存胞元200中的磁場狀態為水平磁場Hh。

請繼續參閱第二圖(b)，在圖中的第一電極22a及第二電極22b之間施加一個電壓差而在第一電極22a及第二電極22b間形成一個電場，圖中結合物25中的LC分子24在受到此外加電場的影響之後，將全部由水平排列轉為垂直排列而分布在第一電極22a及第二電極22b之間，如圖中所示，由於每一結合物25中的LC分子24的表面周圍均配有複數具有極性的磁性物質26，此時在資料儲存胞元200中的所有磁性物質26的N極至S極間的連線幾乎為垂直，因此所有轉為以垂直排列的磁性物質26將會形成一個垂直磁場Hv，此時磁感元件28將感應到資料儲存胞元200中的磁場狀態為垂直磁場Hv。

倘以資料儲存胞元200中的垂直磁場Hv代表0及水平磁場Hh代表1，或垂直磁場Hv代表1及水平磁場Hh代表0，則藉由變動資料儲存胞元200中第一電極20a及第二電極20b間的電場(藉由變動第一電極20a及第二電極20b間的電壓而達成)而使得資料儲存胞元200中的磁場狀態產生變化，則資料儲存胞元200將具有紀錄0或1的二進位(binary)數位資料 的能力。

請特別注意，資料儲存胞元200中的磁場狀態並不是只能存在水平磁場Hh或垂直磁場Hv以分別代表二進位資料的0或1，通常LC分子24的旋轉角度與外加電場的強度有關，若以達成資料儲存的目的而言，只要能夠使資料儲存胞元200形成兩種以上足以相互區別的磁場狀態，就能夠達成資料儲存的目的，如在未受到外加電場的影響時，形成水平磁場Hh以代表二進位資料的0，在受到外加電場的影響時，結合物僅旋轉45∘而形成一個45∘角的磁場H45以代表二進位資料的1，只要磁感元件28能夠辨識出Hh磁場及H45磁場，即可達成資料儲存的目的，以此類推可知，只要能夠在資料儲存胞元200中產生兩種以上不同的磁場狀態且能夠由磁感元件28辨識出這兩種磁場狀態，即可達成資料儲存的目的。若資料儲存胞元200能產生兩種磁場狀態，則此胞元可儲存二位元(bit)的資料，若資料儲存胞元200能產生四種的磁場狀態，則此胞元可儲存四位元的資料，以此類推，經良好設計後，每一胞元可儲存相當多位元的電子資料。請繼續參閱第三圖，係為本發明的資料儲存胞元結構的第一變化實施例示意圖。第三圖中的資料儲存胞元300包括了基板30、電極32、LC分子34、磁性物質36、結合物35、開關元件37、垂直磁場Hv及磁感元件38，其中結合物35與磁感元件38之間並不需要以任何的基板或其他物質加以予以區隔，可以直接以磁感元件38感應結合物35的磁場狀態變化，但若在結合物35與磁感元件38之間以任何的基板或其他物質加以予以區隔，亦不妨礙磁感元件38感應結合物35的磁場狀態變化。

第三圖中所揭露的胞元結構，僅具有一個電極元件即電極32，在尚未對電極32施加電壓之前，結合物35均為水平排列而形成一個水平磁場Hh(未示於圖中)，對電極32施加電壓，則在電極32鄰近處將形成電場，結合物35中的LC分子34在受到此外加電場的影響之後，將全部由初始的水平排列轉為垂直排列而分布在電極32上而形成一個垂直磁場Hv，此時在資料儲存胞元300中即形成了兩種以上足以相互區別的磁場狀態，而能夠達成資料儲存的目的。請特別注意，如前所述的原理，資料儲存胞元300中的磁場狀態並僅限於水平磁場Hh或垂直磁場Hv兩種。

請繼續參閱第四圖，係為本發明的資料儲存胞元結構的第二變化實施例示意圖。第四圖中的資料儲存胞元400包括了基板40、第一電極42a、第二電極42b、LC分子44、磁性物質46、結合物45、開關元件47、垂直磁場Hv及磁感元件48，其中結合物45與磁感元件48之間並不需要以任何的基板或其他物質加以予以區隔，可以直接以磁感元件48感應結合物45的磁場狀態變化，但若在結合物45與磁感元件48之間以任何的基板或其他物質加以予以區隔，亦不妨礙磁感元件48感應結合物45的磁場狀態變化。

第四圖中所揭露的胞元結構，其儲存資料的原理同樣是利用資料儲存胞元400中不同的磁場狀態代表不同的資料，如前所述。但第四圖中所揭露的胞元結構係在基板40的兩側設置兩個電極即第一電極42a及第二電極42b，如此等於兩個胞元共用一個基板40，或是利用一個基板40即可製作出兩個胞元，為本發明的資料儲存胞元結構的一種巧妙的變化實施 方式。請特別注意，以上在第二圖(a)及(b)、第三圖及第四圖中所揭露的資料儲存胞元200、300或400，其中所使用的LC分子的性質將會決定資料儲存胞元200、300或400的儲存特性為揮發性(volatile)或為非揮發性(non－volatile)。當使用膽固醇型液晶分子作為LC分子時，由於膽固醇型液晶分子在外加電場消除後，仍可維持其排列方式如同施加有外加電場的狀況，故其磁場狀態可保持在如同施加有外加電場的狀態，因此採用膽固醇型液晶分子作為LC分子的資料儲存胞元200、300或400，在電場消失後仍可具有儲存的功效，為非揮發性的儲存特性；當使用向列型液晶分子作為LC分子時，由於向列型液晶分子在外加電場消除後，其排列方式將回復到無外加電場的狀況，故其磁場狀態無法保持在如同施加有外加電場的狀態，因此採用膽固醇型液晶分子作為LC分子的資料儲存胞元200、300或400，僅能在電場維持的期間中具有儲存的功效，為揮發性的儲存特性。

請繼續參閱第五圖，係為本發明的數位資料儲存裝置的示意圖。第五圖中的數位資料儲存裝置50包括了複數資料儲存胞元52、開關元件(未示於圖中)及磁感元件58。組合複數資料儲存胞元52，此資料儲存胞元52可為前述的資料儲存胞元200、300或400，每一資料儲存胞元52均配置一個開關元件以控制此資料儲存胞元52的電壓開關，此開關元件可為電晶體(transistor)，再配置磁感元件58以讀取每一資料儲存胞元52的磁場狀態，即可創造出一個數位資料儲存裝置，其寫入(write in)功能係經由控制資料儲存胞元52中的磁場狀態而達成，其讀取(read on)功能係經由控制磁感元件58感應資料 儲存胞元52中的磁場狀態而達成，藉由適當增加資料儲存胞元52的數量，即可用於儲存大量的數位資料，請特別注意，本發明的數位資料儲存裝置的外形並不限於第五圖中所揭露的矩形外觀，其他如圓形的外觀。

本案實為一難得一見，值得珍惜的難得發明，惟以上所述者，僅為本發明之最佳實施例而已，當不能以之限定本發明所實施之範圍。即大凡依本發明申請專利範圍所作之均等變化與修飾，皆應仍屬於本發明專利涵蓋之範圍內，謹請 貴審查委員明鑑，並祈惠准，是所至禱。

10a‧‧‧上基板

10b‧‧‧下基板

12a‧‧‧上電極

12b‧‧‧下電極

14‧‧‧LC分子

20a‧‧‧第一基板

20b‧‧‧第二基板

22a‧‧‧第一電極

22b‧‧‧第二電極

24‧‧‧LC分子

25‧‧‧結合物

26‧‧‧磁性物質

27‧‧‧開關元件

Hh‧‧‧水平磁場

Hv‧‧‧垂直磁場

28‧‧‧磁感元件

200‧‧‧資料儲存胞元

30‧‧‧基板

32‧‧‧電極

34‧‧‧LC分子

35‧‧‧結合物

36‧‧‧磁性物質

37‧‧‧開關元件

Hv‧‧‧垂直磁場

38‧‧‧磁感元件

300‧‧‧資料儲存胞元

40‧‧‧基板

42a‧‧‧第一電極

42b‧‧‧第二電極

44‧‧‧LC分子

45‧‧‧結合物

46‧‧‧磁性物質

47‧‧‧開關元件

Hv‧‧‧垂直磁場

48‧‧‧磁感元件

400‧‧‧資料儲存胞元

50‧‧‧數位資料儲存裝置

52‧‧‧資料儲存胞元

58‧‧‧磁感元件

第一圖(a)係為習知技術中液晶分子未受到外加電場影響時其排列方式的示意圖；第一圖(b)係為習知技術中液晶分子在受到外加電場之影響後其排列方式的示意圖；第二圖(a)係為本發明的資料儲存胞元中的結合物未受到外加電場影響時其排列方式的示意圖；第二圖(b)係為本發明的資料儲存胞元中的結合物在受到外加電場之影響後其排列方式的示意圖；第三圖係為本發明的資料儲存胞元結構的第一變化實施例示意圖；第四圖係為本發明的資料儲存胞元結構的第二變化實施例示意圖；及第五圖係為本發明的數位資料儲存裝置的示意圖。

20a‧‧‧第一基板

20b‧‧‧第二基板

22a‧‧‧第一電極

22b‧‧‧第二電極

24‧‧‧LC分子

25‧‧‧結合物

26‧‧‧磁性物質

27‧‧‧開關元件

Hh‧‧‧水平磁場

Hv‧‧‧垂直磁場

28‧‧‧磁感元件

200‧‧‧資料儲存胞元

Claims (20)

1. 一種資料儲存胞元，其包括：一第一電極，一電壓施加於該第一電極以在其鄰近處形成一電場；及一結合物，其排列於該第一電極上，該結合物包括一液晶分子及一具有極性的磁性物質，該磁性物質為一磁粉(Magnetic Particle)，藉此在該結合物的鄰近處形成一磁場，而使該液晶分子具有與該第一電極呈一水平或一垂直排列的特性，其中該結合物的排列對應於該電場的變動，藉此該磁場對應於該電場的變動。
2. 如申請專利範圍第1項所述之胞元，更包括：一第二電極，該結合物排列於該第一及該第二電極間，其中該第一及該第二電極間有一電壓差而在其間形成一電場，該結合物的排列對應於該電場的變動。
3. 如申請專利範圍第2項所述之胞元，更包括：一第一及一第二基板，該第一及第二電極分別設於該第一及該第二基板上。
4. 如申請專利範圍第1項所述之胞元，更包括：一基板，該第一電極設於該基板上。
5. 如申請專利範圍第1項所述之胞元，更包括：一基板，該第一電極設於該基板之一第一面上；及一第二電極，設於該基板之一第二面上，該結合物排列於該第一電極上及該第二電極上，其中一第一電壓施加於該第一電極以在其鄰近處形成一第一電場及一第二電壓施加於該第二電極以在其鄰近處形成一第 二電場，排列於該第一電極上及該第二電極上的該結合物的排列分別對應於該第一及該第二電場的變動。
6. 如申請專利範圍第3、4或5項所述之胞元，其中該等基板為一玻璃基板及一半導體材質基板其中之一。
7. 如申請專利範圍第1項所述之胞元，更包括：一開關元件，用於控制該電壓的開關。
8. 如申請專利範圍第7項所述之胞元，其中該開關元件為一電晶體。
9. 如申請專利範圍第1項所述之胞元，其中該液晶分子為一向列型(nematic)液晶分子、一層列型(smectic)液晶分子、一膽固醇型(cholesteric)液晶分子及一長鏈狀液晶分子其中之一。
10. 如申請專利範圍第1項所述之胞元，其中該具有極性的磁性物質的外形為條狀及針狀其中之一。
11. 如申請專利範圍第1項所述之胞元，其中該具有極性的磁性物質的長軸與該液晶分子的長軸平行。
12. 如申請專利範圍第1項所述之胞元，其中該具有極性的磁性物質的尺度為奈米級(nano-scaling)。
13. 如申請專利範圍第1項所述之胞元，其中該液晶分子及該具有極性的磁性物質間係藉由靜電力或凡得瓦力相結合而形成該結合物。
14. 一種資料儲存裝置，其包括：複數資料儲存胞元，每一胞元包括：一電極；及複數結合物，其排列於該電極上，每一結合物包括一液晶分子及一具有極性的磁性物質，該磁性物質為一磁粉，藉 此該等結合物於該胞元中形成一磁場，而使該液晶分子具有與該電極呈一水平或一垂直排列的特性；及一磁感元件，其中一電壓施加於該電極而變動該結合物的排列並變動該磁場，該磁感元件感應該每一胞元中的該磁場的變動。
15. 如申請專利範圍第14項所述之裝置，更包括：一第二電極，該等結合物排列於該第一及該第二電極間，其中該第一及該第二電極間具有一電壓差而在其間形成一電場。
16. 如申請專利範圍第14項所述之裝置，更包括：一基板，該電極設於該基板之一第一面上；及一第二電極，設於該基板之一第二面上，該結合物排列於該電極上及該第二電極上，其中一第一電壓施加於該電極以在其鄰近處形成一第一電場及一第二電壓施加於該第二電極以在其鄰近處形成一第二電場。
17. 如申請專利範圍第14項所述之裝置，更包括：一第二電極，該電極及第二電極間施加有一電壓，其中該組合排列於該電極及第二電極間。
18. 如申請專利範圍第14項所述之裝置，其中該等結合物的排列對應於該電壓的變動。
19. 如申請專利範圍第14項所述之裝置，其中該磁感元件用於感應每一胞元中該磁場的變動。
20. 一種資料儲存方法，其包括步驟：提供一電極及一結合物，該結合物包括一具有極性的磁性 物質及一液晶分子，該磁性物質為一磁粉，而使該液晶分子具有與該電極呈一水平或一垂直排列的特性；將該結合物排列於一電極上；及對該電極施加一電壓而變動該結合物的排列。