WO2001061690A1 - Optisches speicherverfahren für wiederbeschreibbare digitale datenträger - Google Patents

Optisches speicherverfahren für wiederbeschreibbare digitale datenträger Download PDF

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WO2001061690A1
WO2001061690A1 PCT/EP2001/001236 EP0101236W WO0161690A1 WO 2001061690 A1 WO2001061690 A1 WO 2001061690A1 EP 0101236 W EP0101236 W EP 0101236W WO 0161690 A1 WO0161690 A1 WO 0161690A1
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WO
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laser
birefringence
alkyl
recording layer
aryl
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PCT/EP2001/001236
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Rainer Hagen
Thomas Bieringer
Serguei Kostromine
Horst Berneth
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Bayer Aktiengesellschaft
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    • G11B7/004Recording, reproducing or erasing methods; Read, write or erase circuits therefor
    • G11B7/0045Recording
    • GPHYSICS
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    • G11B7/246Record carriers characterised by shape, structure or physical properties, or by the selection of the material characterised by the selection of the material of recording layers comprising organic materials only containing dyes
    • G11B7/2467Record carriers characterised by shape, structure or physical properties, or by the selection of the material characterised by the selection of the material of recording layers comprising organic materials only containing dyes azo-dyes

Definitions

  • the present invention relates to a method according to which digital information can be stored multiple times in a light-induced manner and deleted again in an extensive medium, the information being optically readable.
  • CD-R and the DVD-R in audio or video format are removable media that offer the possibility of unique optical data storage. They are in the process of displacing the dominant data carriers, audio CD and CD-ROM, in which the data are stored in the form of local depressions, the so-called pits, during the injection molding process of the carrier material (EP-A 25253).
  • CD-R and DVD-R have a multi-layer structure from an i.a. carrier material consisting of polycarbonate, a thin layer of dye and a i.a. Gold reflective layer protected by a top coat.
  • the storage process is based on light-induced effects that occur when a laser is focused through the substrate onto the functional layer that absorbs the laser light.
  • the laser is in the tracking tracks (so-called
  • Pregrooves which are embossed into the carrier material and whose shape is reproduced by the dye layer.
  • the absorption behavior of the dye layer e.g. change by decomposing molecules.
  • the dye layer can heat up so much locally at the location of the laser focus that it modifies its surroundings.
  • Boundaries to the polycarbonate substrate and to the reflective layer form bubbles and other deformations. These local modifications can be read out as binary intensity patterns by suitable optics. Due to the irreversibility of the modifications, such storage media can only be written once, but can be read out as often as required (write once read many: WORM Disk).
  • the rewritable data carrier CD-RW which has recently been available on the market, also makes targeted use of thermal effects in the focus of a writing laser: With thin layers of ternary or quaternary compounds (e.g. made of Te-Se-Sn or Ge-Sb-Te) that emit the light of the writing laser absorb, the different reflectivities of the amorphous and the crystalline state are used (phase change).
  • the amorphous state is generated by sufficiently high laser powers that locally apply the material brings a temperature higher than the material-specific melting point.
  • the light pulse is followed by a rapid cooling of the material (quenching) to room temperature.
  • the crystalline state is formed from an orientation-isotropic state at temperatures above the crystallization temperature but below the melting temperature. The rate of crystallization depends on the material.
  • An application-relevant potential for permanent digital data storage has photo-addressable polymers or oligomers, to the polymer main chains of which light-active azo dyes are chemically linked as side groups. From the literature it is known that by irradiation with polarized laser light Isomerization cycles in the azo dye can stimulate substances that lead to the directed rearrangement of these dye molecules. This enables high shape anisotropies, ie birefringence, to be built up and erased again. In order to use this effect for binary and / or multibit storage, the concept of “reverse writing” with pre-exposure (EP-A 900 239) is usually used.
  • a pre-exposure step the functional layer is first of all exposed to the polarized light of a cw This step typically lasts a few seconds to minutes, depending on the intensity of the light source used. The speed of the pre-exposure is given for given exposure parameters by the light sensitivity of the functional layer.
  • the birefringence can be continuously and locally erased by pulsed exposure using the so-called writing laser according to the “reverse writing” principle.
  • the different degrees of anisotropy can be determined by the
  • Depolarization of the light of a reading laser and suitable polarization optics can be converted into binary as well as multibit signals.
  • the pre-exposure is characterized in that the light is not specifically focused on the functional layer, so that several storage locations on the
  • the intensities are typically between 0.01 and 10 W / cm 2 .
  • the pulsed exposure is characterized in that laser light is focused on the functional layer, while a laser in pulse mode or in continuous
  • Wave (cw) operation scans the functional layer.
  • a pulse or a pulse sequence with a suitable intensity profile can be applied.
  • a corresponding intensity modulation of the cw laser must prevail.
  • the exposure time in both cases is between 0.1 ns and 1000 ns, preferably between 1 and 200 ns, particularly preferably between 3 and 4 ns. Intensities between 0.01 and 10 MW / cm are typically achieved.
  • the scanning of the Lasers are dispensed with if a relative movement between the medium and the laser spot is ensured in another way, for example by rotating the medium.
  • the light sensitivity for the time range described is defined as the quotient of the maximum birefringence value ⁇ n that can be induced by the pulsed exposure and the energy density E of the light.
  • Reverse writing is characterized by the pulsed exposure of the functional layer and describes the degradation of an existing double refraction. In this way, significantly higher intensities are achieved than in the pre-exposure. The consequences are: The degradation of the double refraction can be done much faster than in the pre-exposure ; however, the high intensities of the laser light also induce thermal effects that can lead to a local temperature increase in the functional layer.
  • the time-consuming pre-exposure step must be integrated into the production process of the data carrier using the "reverse writing with pre-exposure" storage concept just described.
  • the inducible birefringence changes did not meet the technical requirements for the signal-to-noise ratio when reading out, ie the depolarization of a reading laser, which is converted into an intensity contrast between a pulsed and an isotropic unexposed area of the recording layer using suitable optics, is too small to be able to decode the binary or multi-binary information without errors.
  • the application relates to a method for storing digital binary or non-binary information, in which a storage medium, consisting of at least one substrate layer and at least one AiT drawing layer, is scanned by a focused laser beam, which has different energies and / or
  • Polarization states works.
  • the laser can be operated in pulse mode or by intensive modulation in continuous wave mode.
  • the scanning of the laser can be dispensed with if a relative movement between the medium and the laser spot is ensured in another way, for example by rotating the medium.
  • the application also relates to a method for optically writing, overwriting and deleting optically readable digital information into a large-area storage medium, the optical writing process resulting in the construction or removal of double calculations of a recording layer without the recording layer being chemically decomposed or changed and without that the surface topographies of one of the layers of the storage medium change significantly.
  • the "forward writing" leads to new types of memory concepts.
  • the pulsed exposure can be used for writing, but also for overwriting and / or erasing data.
  • the writing of a birefringence into an isotropic polymer matrix takes place via a linearly polarized writing laser.
  • the birefringence can be purely optical can be erased continuously, for example by rotating the direction of polarization by 90 ° or by means of circularly polarized light.
  • the amount of birefringence change induced by a pulse is set via the pulse energy.
  • the degree of anisotropy of each memory location of the functional layer can be translated into a signal strength using a reading laser with a defined polarization state (linear, circular or elliptical) and an optical measuring system.
  • this storage method is reversible to a good approximation. For example, by changing the
  • the direction of polarization and the pulse energies of the write laser can be used to increase or decrease the gray levels for each storage location. Existing information can thus be deleted and / or overwritten.
  • the pulse energy in "forward writing” must not exceed a material-specific threshold value which is between 0.1 and 1000 mJ / cm 2 , preferably between 1 and 100 mJ / cm 2 .
  • the birefringence can be broken down by at least two purely photonic and at least one thermally assisted method:
  • the storage material according to the invention is that it is photoactive for light in the visible wavelength range, so that anisotropies, ie birefringence values, can be changed photonically.
  • the material class according to the invention is characterized by a high sensitivity to light
  • the light sensitivity relates to light pulses of the duration 0.1 ns to 1000 ns, preferably 1 to 200 ns, particularly preferably 3 to 4 ns, the light sensitivity being defined as the quotient of the maximum birefringence value ⁇ n that can be induced by a laser pulse and the energy density E. of this light pulse.
  • the light sensitization must be so high that the birefringence which can be induced by a laser pulse in "forward writing" is at least 1%, preferably at least 3% of the value which is visible through monochromatic irradiation with the linearly polarized light of a cw laser Wavelength range (350 nm to
  • the write wavelength is in the absorption range of the recording layer, in particular in the range of high light sensitivity of the material class according to the invention.
  • the reading wavelength can either be selected to be the same as the writing wavelength or to be longer. If the reading wavelength is in the range of the high light sensitivity of the recording layer, the intensity must be less than 10%, preferably less than 5%, particularly preferably less than 1% of the intensity of the writing laser.
  • polymers / oligomers are suitable, on the main chains of which side group molecules of different types are chemically attached. are bound, at least one type absorbing the light of the so-called writing laser.
  • Light-active azo dyes are preferred as side group molecules. It is known from the literature that these high shape anisotropies can be built up and erased again by irradiation with polarized laser light.
  • the microscopic causes for high light sensitivity are:
  • chromophore a dye molecule
  • chromophore a dye molecule
  • a strong shape anisotropy of the side chain molecules measured by the ratio of polarizabilities parallel and perpendicular to the molecular axis, high degrees of orientation, ie one high mobility of the side chain molecules, which enables a dynamic with large angles of rotation directed relative to the polarization direction of the write laser, absorption bands adapted to the wavelength of the read laser, which lead to a strong resonance increase of the read birefringence value.
  • any flat multilayer structure can be used as the storage medium, which consists of at least one substrate layer, preferably consisting of polycarbonate, polymethyl methacrylate (PMMA) or hydrogenated polystyrene (h-PS) and at least one recording layer consisting of the polymers / oligomers according to the invention.
  • the recording layer has a thickness of 50 nm to 500 nm, preferably from 150 nm to 250 nm, particularly preferably from 190 nm to 210 nm.
  • Each recording layer can optionally be surrounded by two layers (enhancement layers), preferably consisting of silicon nitride (SiN). These lead to higher reading signals due to increased multiple reflections of the light from the reading laser within the recording layer.
  • the layers adjacent to the recording layer can be used to predefine pre-groove structures, that is to say sequences of troughs which define and delimit the later storage locations.
  • a further intermediate layer can be inserted which is transparent to the light of the lasers used.
  • the underside of the storage medium is defined by the outer substrate layer.
  • the top is opposite.
  • the writing as well as the reading out of the stored information by means of laser can be done from the top as well as from the bottom.
  • the stored information can be read out by laser in transmission as well as in reflection.
  • a reflective layer can cover a recording layer.
  • the preferred material is gold. Alternatively, silver or aluminum can also be used.
  • Reflective layer has a typical thickness of 10-100 nm.
  • an optional protective layer preferably consisting of epoxy resin, which serves as UV protection and to protect against mechanical stress.
  • the grouping that interacts with the electromagnetic radiation is an azo dye.
  • the material according to the invention consequently contains at least one azo dye.
  • azo dyes have the following structure of formula (I) embedded image in which
  • R, 1st u._ndJ r R.2 independently of one another represent hydrogen or a nonionic substituent
  • n and n independently of one another represent an integer from 0 to 4, preferably 0 to 2.
  • X 1 and X 2 mean -X r -R 3 and X 2 ' -R 4 ,
  • R 3, R 4, R 5 and R 8 are independently hydrogen, C
  • X r -R 3 and X 2 ' -R 4 can represent hydrogen, halogen, cyan, nitro, CF 3 or CC1 3 , R 6 and R 7 independently of one another for hydrogen, halogen, Ci to C 20 alkyl, C
  • Nonionic substituents are to be understood as halogen, cyano, nitro, Cj- bis
  • 0 -Aryl-NH- (C O) -.
  • the alkyl, cycloalkyl, alkenyl and aryl radicals may in turn by up to 3 radicals from the series halogen, cyano, nitro, C ⁇ - C 2 o alkyl, Ci to C 2 () alkoxy, C 3 - to Cio-cycloalkyl, C 2 - to C_o-alkenyl or C 6 - to Cio-aryl and the alkyl and alkenyl radicals can be straight-chain or branched.
  • Halogen is to be understood as meaning fluorine, chlorine, bromine and iodine, in particular fluorine and chlorine.
  • the recording material according to the invention is preferably polymeric or oligomeric organic, amorphous material, particularly preferably a side chain polymer.
  • the main chains of the side chain polymer come from the following basic structures: polyacrylate, polymethacrylate, polysiloxane, polyurea, polyurethane,
  • Polyester or cellulose Polyester or cellulose. Polyacrylate and polymethacrylate are preferred.
  • the dyes in particular the azo dyes of the formula (I), are covalently bound to these polymer skeletons, generally via a spacer.
  • X 1 or X 2
  • X 1 stands for such a spacer, in particular in meaning
  • i stands for an integer from 0 to 4, where for i> 1 the individual Q 1 can have different meanings,
  • T 1 stands for - (CH 2 ) P -, where the chain can be interrupted by -O-, -NR 9 -, or -OSiR 10 2 O-,
  • S 1 stands for a direct bond, -O-, -S- or -NR 9 -,
  • p represents an integer from 2 to 12, preferably 2 to 8, in particular 2 to 4,
  • R 9 represents hydrogen, methyl, ethyl or propyl
  • R 10 represents methyl or ethyl
  • R represents hydrogen or methyl and the other radicals have the meaning given above.
  • the polymeric or oligomeric organic, amorphous material according to the invention can carry formanisotropic groups in addition to the dyes, for example of the formula (I). These are also covalently bonded to the polymer frameworks, usually via a spacer.
  • Shape anisotropic groupings have, for example, the structure of the formula (III)
  • a for O, S or NC . - is C 4 alkyl
  • X 3 stands for -X 3 ' - (Q 2 ) r T 2 -S 2 -,
  • R 5 , R 8 and R 13 independently of one another for hydrogen, Ci- to C 2 o-alkyl, C 3 - bis
  • Cio-cycloalkyl C 2 - to C 0 -alkenyl, C 6 - to Cio-aryl, Ci- to C 2 o-
  • X 4 -R 13 can stand for hydrogen, halogen, cyan, nitro, CF 3 or CC1,
  • R 6 and R 7 independently of one another are hydrogen, halogen, Ci to C 2 o -alkyl, Ci to C 2 o-alkoxy, C - to Cio-cycloalkyl, C 2 - to C 2 o-alkenyl or C 6 - until Cio aryl
  • R 1 1 , R 12 , R 15 independently of one another for hydrogen, halogen, cyano, nitro, Ci to C 2 o-alkyl, Ci to C 2 o-alkoxy, phenoxy, C 3 - to Cio-cycloalkyl, C 2 - to C 20 -alkenyl or C 6 - to Cio-aryl, C.
  • q, r and s independently of one another represent an integer from 0 to 4, preferably 0 to 2,
  • R y represents hydrogen, methyl, ethyl or propyl
  • R 10 represents methyl or ethyl.
  • a 1 mm thick glass substrate is provided with a thin layer of polymer 1. This is done using spin coating technology. In this case the polymer is dissolved at a concentration of 50 g / 1 in tetrahydrofuran and the solution is dripped onto this with a number of revolutions of 2000 min "rotating substrate. The resulting polymer film has nm a thickness of 680.
  • birefringence An can be induced via pulse sequences in the originally isotropic polymer layer.
  • An optical parametric oscillator is used as the light source, which is wildly pumped by a frequency-doubled Nd: YAG laser with the wavelength 532 nm and emits at the wavelength 514 nm.
  • Light pulses with a duration of 4 ns can be emitted with a repetition rate of 10 Hz.
  • the light is linearly polarized and is used to write in the Birefringence.
  • the write beam passes through a homogenizer, which delivers a more uniform intensity at the sample location (vertical incidence).
  • the pulse energy at the sample location is 6.5 mJ / cm 2 .
  • a HeNe laser is used as the reading laser (2 mW output power, intensity at the sample location: 1 mW / cm 2 , angle of incidence 10 °).
  • the reading polarization is rotated 45 ° against the writing polarization.
  • the diode signal is recorded under computer control according to an analyzer oriented perpendicular to the reading polarization (signal I s (t)).
  • the signal is determined on the unexposed sample after the analyzer oriented parallel to the incident reading polarization (I p °).
  • the birefringence is over the relation
  • the polymer layer is isotropic in the film plane.
  • the optical density at the write wavelength is 1.34; at the reading wavelength, it is less than 0.02.
  • Tra «sc.s-tra /?_.'- isomerization cycles are induced in the absorbing side group molecules via the writing light, which leads to a net orientation of the molecules away from the polarization direction of the laser (" forward writing ").
  • Example 1 The optical setup described in Example 1 is used to record the dependence of the level of the birefringence jumps on the pulse energy. A 335 nm thick layer of the polymer shown is examined.
  • the birefringence induced after a linearly polarized light pulse is read out at the wavelength 633 nm.
  • the energy density E of the pulse (intensity x pulse duration) is varied between 2 and 18 mJ / cm 2 .
  • the statistical fluctuations in the pulse energy E are used in a targeted manner to derive the data obtained Get functional relationship to (E).
  • Neutral density filters are also used for small energies.
  • the intensity of the pulse is detected at the same time as the reading process.
  • part of the write beam is coupled out in front of the sample via a beam splitter and directed onto a photodiode.
  • the cause can be photonic or also thermal, for example a strong local heating of the polymer, which causes undirected orientation relaxation, or a beginning surface damage to the polymer layer.
  • the diazonium salt solution is transferred to a dosing funnel. While maintaining a temperature of 10 - 20 ° C, the diazonium salt solution is slowly run into the solution described above. During the addition of the diazonium salt solution, 250 ml of 45% sodium hydroxide solution are added in order to raise the pH. With the addition of 600 ml of sodium hydroxide solution 20%, the pH is raised to 5. The mixture is stirred for 1 h.

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  • Optical Record Carriers And Manufacture Thereof (AREA)
  • Optical Recording Or Reproduction (AREA)
  • Non-Silver Salt Photosensitive Materials And Non-Silver Salt Photography (AREA)

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren, nach dem digitale Informationen in einem flächig ausgedehnten Medium mehrfach lichtinduziert gespeichert und wieder gelöscht werden können, wobei die Informationen optisch lesbar sind.

Description

OPTISCHES SPEICHERVERFAHREN FÜR WIEDERBESCHREIBBARE DIGITALE DATENTRÄGER
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren, nach dem digitale Informationen in einem flächig ausgedehnten Medium mehrfach lichtinduziert gespeichert und wieder gelöscht werden können, wobei die Informationen optisch lesbar sind.
Die Technik des optischen Speicherns und Auslesens digitaler Daten wird bereits intensiv kommerziell genutzt. Die CD-R und die DVD-R im Audio- oder im Videoformat sind Wechselmedien, die die Möglichkeit der einmaligen optischen Datenspeicherung bieten. Sie sind dabei, die marktbeherrschenden Datenträger Audio-CD und CD-ROM zu verdrängen, bei denen die Daten beim Spritzgussprozess des Trägermaterials in Form von lokalen Vertiefungen, den sog. Pits, abgelegt werden (EP-A 25253). CD-R und DVD-R besitzen einen Mehrschichtaufbau aus einem i.a. aus Polycarbonat bestehenden Trägermaterial, einer dünnen Farbstoffschicht und einer i.a. aus Gold bestehenden Reflexionsschicht, die von einem Decklack geschützt wird. Das Speicherverfahren beruht auf lichtinduzierten Effekten, die durch die Fokussierung eines Lasers durch das Substrat hindurch auf die Funktionsschicht auf- treten, die das Laserlicht absorbiert. Der Laser wird in den Trackingspuren (sog.
Pregrooves) geführt, die in das Trägermaterial eingeprägt sind und deren Form von der Farbstoffschicht nachgebildet wird. Als Folge eines hinreichend intensiven Laserpulses kann sich das Absorptionsverhalten der Farbstoffschicht z.B. durch Zersetzung von Molekülen verändern. Weiterhin kann sich die Farbstoffschicht lokal am Ort des Laserfokus so stark erhitzen, dass sie ihre Umgebung modifiziert. An den
Grenzbereichen zum Polycarbonatsubstrat sowie zur Reflexionsschicht entstehen Blasen und andere Deformationen. Diese lokalen Modifikationen können durch geeignete Optiken als binäre Intensitätsmuster ausgelesen werden. Derartige Speichermedien lassen sich aufgrund der Irreversibilität der Modifikationen nur einmal beschreiben, aber beliebig oft auslesen (write once read many: WORM Disk). Der seit kurzem am Markt erhältliche wiederbeschreibbare Datenträger CD-RW nutzt ebenfalls gezielt thermische Effekte im Fokus eines Schreiblasers aus: Bei dünnen Schichten ternärer oder quaternärer Verbindungen (z.B. aus Te-Se-Sn oder Ge-Sb-Te), die das Licht des Schreiblasers absorbieren, werden die unterschiedlichen Reflektivitäten des amorphen und des kristallinen Zustandes ausgenutzt (phase change).
Zwischen den beiden Phasen kann durch geeignete Heiz- und Kühlprozesse hin- und hergeschaltet werden, die während und nach einem Lichtpuls mit geeignetem Intensitätsverlauf oder durch eine geeignete Abfolge von Lichtpulsen auftreten: Der amorphe Zustand wird durch hinreichend hohe Laserleistungen erzeugt, die das Material lokal auf eine Temperatur höher als der materialspczifische Schmelzpunkt bringt. Dem Lichtpuls folgt ein schnelles Abkühlen des Materials (quenching) auf Raumtemperatur. Der kristalline Zustand hingegen formiert sich aus einem orientierungsisotropen Zustand bei Temperaturen, die oberhalb der Kristallisationstemperatur, aber unterhalb der Schmelztemperatur liegen. Die Kristallisationsgeschwindigkeit ist materialabhängig.
Insbesondere die beschriebenen einmalbeschreibbaren Systeme haben zwei große Nachteile: Zum einen bestimmten die Kosten der i.a. aus Gold bestehenden
Reflexionsschicht entscheidend die Herstellungskosten. Goldschichten garantieren die benötigte chemische Inertheit (Oxidationsbeständigkeit) und sind notwendig, um den in den CD-Spezifikationen geforderten Reflexionswerten beim Auslesen zu genügen. Zum anderen besteht ein Nachteil in der bereits im Grundsatz begrenzten Lagerstabilität. Die derzeit kommerziell verfügbaren Systeme sind zudem stark tageslichtempfindlich.
Ein anwendungsrelevantes Potential für die permanente digitale Datenspeicherung weisen photoadressierbare Polymere oder Oligomere auf, an deren Polymerhaupt- ketten lichtaktive Azofarbstoffe als Seitengruppen chemisch angebunden sind. Aus der Literatur ist bekannt, dass man durch die Bestrahlung mit polarisiertem Laserlicht Isomerisierungszyklen m den Azo färb Stoffen anregen kann, die zu gerichteten Um- lagerungen dieser Färb, toffmoleküle führen. Damit können hohe Formanisotropien, d.h. Doppelbrechungen, aufgebaut und wiedergelöscht werden. Um diesen Effekt für die binäre und/oder die Multibit-Speicherung einzusetzen, wird üblicherweise das Konzept des „Reverse Writing" mit Vorbelichtung (EP-A 900 239) verwendet. In einem Vorbelichtungsschritt wird dabei zunächst die Funktionsschicht durch das polarisierte Licht eines cw-Lasers oder einer Lampe in einen doppelbrechenden Ausgangszustand versetzt. Dieser Schritt dauert typischerweise einige Sekunden bis Minuten, je nach verwendeter Intensität der Lichtquelle. Die Geschwindigkeit der Vorbelichtung ist bei gegebenen Belichtungsparametern durch die Lichtempfindlichkeit der Funktionsschicht gegeben.
In der so vorformatierten Schicht können die Doppelbrechungen durch gepulste Belichtung durch den sog. Schreiblaser nach dem „Reverse Writing"-Prinzip stufenlos lokal gelöscht werden. Die unterschiedlichen Grade an Anisotropie können über die
Depolarisation des Lichts eines Leselasers und geeignete Polarisationsoptiken in binäre, wie auch Multibit-Signale umgewandelt werden.
Die Vorbelichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass das Licht nicht gezielt auf die Funktionsschicht fokussiert ist, so dass zeitgleich mehrere Speicherplätze auf der
Funktionsschicht erreicht werden. Die Intensitäten liegen typischerweise zwischen 0,01 und 10 W/cm2.
Die gepulste Belichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass Laserlicht auf die Funk- tionsschicht fokussiert wird, während ein Laser im Pulsbetrieb oder im Continuous-
Wave- (cw-) Betrieb die Funktionsschicht abtastet. Im ersten Fall kann ein Puls oder eine Pulsfolge mit geeignetem Intensitätsverlauf anliegen. Im zweiten Fall muss eine entsprechende Intensitätsmodulation des cw-Lasers vorherrschen. Die Belichtungsdauer liegt in beiden Fällen zwischen 0,1 ns und 1000 ns, bevorzugt zwischen 1 und 200 ns, besonders bevorzugt zwischen 3 und 4 ns. Es werden typischerweise Intensi- täten zwischen 0,01 und 10 MW/cm erreicht. Alternativ kann auf das Abtasten des Lasers verzichtet werden, falls auf eine andere Weise für eine Relativbewegung zwischen Medium und Laserspot, beispielsweise durch ein Rotieren des Mediums, gesorgt wird.
Die Lichtsensitivität für den beschriebenen Zeitbereich ist definiert als der Quotient aus dem durch die gepulste Belichtung maximal induzierbaren Doppelbrechungswert Δn und der Energiedichte E des Lichts.
Das „Reverse Writing" ist gekennzeichnet durch die gepulste Belichtung der Funk- tionsschicht und beschreibt den Abbau einer bestehenden Doppelbrechung. Dabei werden deutlich höhere Intensitäten als bei der Vorbelichtung erreicht. Die Konsequenzen sind: Der Abbau der Doppelbrechung kann deutlich schneller als bei der Vorbelichtung erfolgen; durch die hohen Intensitäten des Laserlichts werden aber auch thermische Effekte induziert, die zu einer lokalen Temperaturerhöhung in der Funktionsschicht fuhren können.
Für dieses „Reverse Writing" können thermische Effekte insofern ausgenutzt werden, dass sie eine ungerichtete Rotationsdynamik statistischen Ursprungs in den Seitenketten induzieren. Für das Wirkprinzip dieses Verfahrens sind die Licht- sensitivitäten der Polymere folglich weitgehend irrelevant.
Für die Realisierung eines einmal beschreibbaren Speichermediums, z.B. im Format der CD-R oder DVD-R, über das eben beschriebene Speicherkonzept „Reverse Writing mit Vorbelichtung" muss der zeitaufwendige Vorbelichtungsschritt in den Herstellungsprozess des Datenträgers integriert werden.
Um ein wiederbeschreibbares Speichermedium, z.B. im Format der CD-RW, über dieses Speicherkonzept zu realisieren, müsste entweder die Funktionsschicht vor jedem Schreibvorgangformatiert werden oder eine technologisch aufwendige Synchronisierung der beiden beschriebenen Belichtungsschritte realisiert werden, die ein direktes Überschreiben von Information („Direct Overwrite") ermöglicht. Der Vorbelichtungsschritt konnte bisher nicht umgangen werden, da der Aufbau von Doppelbrechungen durch gepulste Belichtung, ausgehend von isotropen Zustand von photoadressierbaren Polymeren oder Oligomeren nicht möglich war. Als Folge der geringen Lichtsensitivitäten genügten die induzierbaren Doppelbrechungsänderungen nicht den technischen Anforderungen an die Signal-Rausch-Verhältnisse beim Auslesen, d.h. die Depolarisation eines Leselasers, welche über geeignete Optiken in einen Intensitätskontrast zwischen einer gepulst belichteten und einer isotropen unbelichteten Stelle der Aufzeichnungsschicht umgesetzt wird, ist zu gering, um die binären oder multi-binären Informationen fehlerfrei dekodieren zu können.
Die Steigerung der Doppelbrechungsänderungen durch Verwendung höherer Intensitäten gelang nicht, da die gepulste Belichtung in den erforderlichen Intensitätsbereichen zu einer thermisch induzierten Zerstörung der Funktionsschicht führt. Es bestand also der Bedarf nach einem alternativen schnellen Speicherverfahren auf der Basis photoadressierbarer Materialien.
Überraschenderweise hat sich gezeigt, dass es bei der erfindungsgemäßen Wahl der Laserquelle und der Belichtungsbedingungen möglich ist, in erfindungsgemäßen photoadressierbaren Polymeren oder Oligomeren Doppelbrechungen durchgepulste
Belichtung zu induzieren. Dieses Prinzip heißt „Forward Writing", weil Doppelbrechungen über Laserpulse ausgehend von einem isotropen Zustand sukzessive aufgebaut werden können. Die für das erfindungsgemäße Verfahren geeigneten Materialien zeichnen sich durch eine hohe Geschwindigkeit bei der gerichteten mole- kularen Umorientierung aus.
Gegenstand der Anmeldung ist ein Verfahren zur Speicherung digitaler binärer oder nichtbinärer Informationen, bei dem ein Speichermedium, bestehend aus mindestens einer Substratschicht und mindestens einer AiTzeichnungsschicht durch einen fokus- sierten Laserstrahl abgetastet wird, der mit unterschiedlichen Energien und/oder
Polarisationszuständen arbeitet. Der Laser kann im Pulsbetrieb oder durch Intensi- tätsmodulation im Continuous-Wave-Betrieb arbeiten. Alternativ kann auf das Abtasten des Lasers verzichtet werden, falls auf eine andere Weise für eine Relativbewegung zwischen Medium und Laserspot, beispielsweise durch ein Rotieren des Mediums, gesorgt wird.
Gegenstand der Anmeldung ist weiterhin ein Verfahren zum optischen Einschreiben, Überschreiben und Löschen optisch auslesbarer digitaler Informationen in ein flächig ausgedehntes Speichermedium, wobei der optische Einschreibprozess in einem Aufbau oder Abbau von Doppelberechnungen einer Aufzeichnungsschicht resultiert, ohne dass sich die Aufzeichnungsschicht chemisch zersetzt oder verändert und ohne dass sich die Oberflächentopographien einer der Schichten des Speichermediums maßgeblich verändern.
Das „Forward Writing" führt zu neuartigen Speicherkonzepten. Die gepulste Belichtung kann zum Einschreiben, aber auch zum Überschreiben und/oder Löschen von Daten eingesetzt werden. Das Einschreiben einer Doppelbrechung in eine isotrope Polymermatrix geschieht über einen linear polarisierten Schreiblascr. Die Doppelbrechung kann rein optisch stufenlos gelöscht werden, z.B. durch Drehung der Polarisationsrichtung um 90° oder mittels zirkulär polarisiertem Licht gelöscht werden. Die Höhe der über einen Puls induzierten Doppelbrechungsänderung wird über die Pulsenergie eingestellt.
Der Grad an Anisotropie jedes Speicherplatzes der Funktionsschicht kann mit einem Leselaser mit definiertem Polarisationszustand (linear, zirkulär oder elliptisch) und einem optischen Messsystem in eine Signalstärke übersetzt werden. Der maximale
Kontrast wird z.B. im Falle linearer Polarisation erreicht, wenn die Polarisationsrichtung des Leselasers 45° zur Polarisation der Forward-Schreibpulse einnimmt. Je nach Größe der Anisotropie kann nicht nur ein binäres, sondern auch ein Multi-Bit- Speicherprinzip realisiert werden, das auf abgestuften Signalhöhen, den sog. Graustufen basiert. Das Graustufenprinzip erhöht die Datenmenge im Vergleich zu der binären Speicherung bei gleicher Anzahl an Speicherplätzen. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht bei binärer Speicherung Schreibgeschwindigkeiten, die mit denen der CD-R vergleichbar sind. Bei dem Einsatz von N Graustufen, mit N = 2 (m ist eine ganze Zahl größer als 1), können in jedem Speicherplatz nicht nur 1 bit, wie bei der binären Speicherung, sondern m bit abgelegt werden. Unter Vernachlässigung des zeitlichen Aufwandes für die Dekodierung erhöht sich die Datenübertragungsrate dann um den Faktor m.
Bei der erfindungsgemäßen Materialauswahl für die Aufzeichnungsschicht ist dieses Speicherverfahren in guter Näherung reversibel. Durch beispielsweise Änderung der
Polarisationsrichtung und der Pulsenergien des Schreiblasers können die Graustufen für jeden Speicherplatz wiederholbar erhöht oder erniedrigt werden. Damit können bestehende Informationen gelöscht und/oder überschrieben werden.
Die Pulsenergie beim „Forward Writing" darf einen materialspezifischen Schwellwert nicht überschreiten, der zwischen 0,1 und 1000 mJ/cm2, bevorzugt zwischen 1 und 100 mJ/cm2 liegt.
Der Abbau der Doppelbrechung kann nach mindestens zwei rein photonischen und mindestens einer thermisch unterstützten Methode erfolgen:
Über einen Laserpuls, dessen Polarisation gegenüber der Vorwärtsrichtung um 90° gedreht ist und der die eben beschriebene Energieschwelle nicht überschreitet (photonisches „Reverse Writing"). - Über einen Laserpuls mit zirkularer Polarisation, dessen Energie die eben beschriebene Schwelle nicht überschreitet.
Über einen Laserpuls, der die eben beschriebene Schwelle überschreitet. Der Polarisationszustand des Pulses ist unerheblich. Thermische Effekte, die im Lichtfokus auftreten, können die Höhe des Doppelbrechungssprunges er- höhen. Die Hauptanforderung an das erfindungsgemäße Speichermaterial ist, dass es photoaktiv für Licht im sichtbaren Wellenlängenbereich ist, so dass Anisotropien, also Doppelbrechungswerte photonisch geändert werden können. Die erfindungsgemäße Materialklasse zeichnet sich durch eine hohe Lichtsensitivität
bevorzugt ^ n Q 3 cm2 E ' J im Wellenlängenbereich von 390 nm bis 580 nm, bevorzugt von 400 nm bis 532 nm, besonders bevorzugt von 514 nm bis 532 nm sowie von 380 bis 415 nm aus. Die Lichtsensitivität bezieht sich auf Lichtpulse der Dauer 0,1 ns bis 1000 ns, bevorzugt 1 bis 200 ns, besonders bevorzugt 3 bis 4 ns, wobei die Lichtsensitivität definiert ist als der Quotient aus dem durch einen Laserpuls maximal induzierbaren Doppelbrechungswert Δn und der Energiedichte E dieses Lichtpulses. Die Lichtsensibili- sierung muss so hoch sein, dass die durch einen Laserpuls induzierbare Doppelbrechung bei „Forward Writing" mindestens 1 %, bevorzugt mindestens 3 % des Wertes beträgt, der durch monochromatische Bestrahlung mit dem linear polari- sierten Licht eines cw-Lasers im sichtbaren Wellenlängenbereich (350 nm bis
780 nm) maximal erreicht werden kann und der Wert der induzierten Doppelbrechung größer als 0,03, bevorzugt 0,08 ist.
Die Schreibwellenlänge liegt im Absorptionsbereich der Aufzeichnungsschicht, insbesondere im Bereich hoher Lichtsensitivität der erfindungsgemäßen Materialklasse.
Die Lesewellenlänge kann entweder der Schreibwellenlänge gleichen oder langwelliger gewählt werden. Liegt die Lesewellenlänge im Bereich der hohen Licht- sensitivität der Aufzeichnungsschicht, so muss die Intensität kleiner als 10 %, bevorzugt kleiner als 5 %, besonders bevorzugt kleiner als 1 % der Intensität des Schreiblasers gewählt werden.
Als bevorzugtes Material wurde gefunden, dass sich Polymere/Oligomere eignen, an deren Hauptketten Seitengruppenmoleküle unterschiedlicher Art chemisch ange- bunden sind, wobei mindestens eine Art das Licht des sog. Schreiblasers absorbiert. Bevorzugt als Seitengruppenmoleküle sind lichtaktive Azofarbstoffe. Aus der Literatur ist bekannt, dass man in diesen hohe Formanisotropien durch die Bestrahlung mit polarisiertem Laserlicht aufbauen und wieder löschen kann.
Die mikroskopischen Ursachen für eine hohe Lichtsensitivität sind:
eine hohe photonische Quantenausbeute für den Übergang eines Farbstoffmoleküls („Chromophor") vom gestreckten trans- in den gewinkelten cis-Zu- stand. eine starke Formanisotropie der Seitenkettenmoleküle, gemessen am Verhältnis der Polarisierbarkeiten parallel und senkrecht zu der Molekülachse, hohe Orientierungsgrade, d.h. eine hohe Beweglichkeit der Seitenkettenmoleküle, die eine relativ zur Polarisationsrichtung des Schreiblasers ge- richtete Dynamik mit großen Drehwinkeln ermöglicht. an die Wellenlänge des Leselasers angepasste Absorptionsbanden, die zu einer starken Resonanzüberhöhung des ausgelesenen Doppelbrechungswertes führen.
Als Speichermedium kann jeder flächige Mehrschichtaufbau dienen, der aus mindestens einer Substratschicht, bevorzugt bestehend aus Polycarbonat, Poly- methylmethacrylat (PMMA) oder hydriertem Polystyrol (h-PS) und mindestens einer Aufzeichnungsschicht, bestehend aus den erfindungsgemäßen Polymeren/Oligo- meren, besteht. Die Aufzeichnungsschicht weist eine Dicke von 50 nm bis 500 nm auf, bevorzugt von 150 nm bis 250 nm, besonders bevorzugt von 190 nm bis 210 nm auf.
Jede Aufzeichnungsschicht kann optional von zwei Schichten (enhancement layers) umgeben sein, bevorzugt bestehend aus Siliziumnitrid (SiN). Diese führen durch verstärkte Mehrfachreflexionen des Lichts des Leselasers innerhalb der Aufzeich- nungsschicht zu höheren Lesesignalen. Durch die an die Aufzeichnungsschicht angrenzenden Schichten können Pre-Groove- Strukturen vorgegeben werden, d.h. Abfolgen von Mulden, die die späteren Speicherplätze festlegen und abgrenzen.
An jeder Grenzfläche, bevorzugt an der Grenzfläche Aufzeichnungsschicht - Substratschicht, kann eine weitere Zwischenschicht eingefügt werden, die durchlässig für das Licht der verwendeten Laser ist.
Die Unterseite des Speichermediums ist durch die aussenliegende Substratschicht definiert. Die Oberseite liegt gegenüber.
Das Einschreiben, wie auch das Auslesen der gespeicherten Informationen mittels Laser kann von der Ober- wie auch von der Unterseite erfolgen.
Das Auslesen der gespeicherten Informationen mittels Laser kann in Transmission, wie auch in Reflexion erfolgen.
Beim Einschreiben von der Unterseite und Auslesen in Reflexion kann eine reflektierende Schicht eine Aufzeichnungsschicht bedecken. Bevorzugtes Material ist Gold. Alternativ kann auch Silber oder Aluminium verwendet werden. Die
Reflexionsschicht hat eine typische Dicke von 10-100 nm.
Auf der Oberseite des Speichermediums befindet sich optional eine Schutzschicht, bevorzugt bestehend aus Epoxidharz, die als UV-Schutz und zum Schutz vor mechanischer Beanspruchung dient.
Aufzeichnungsmaterial, das bevorzugt ist:
Bei der Gruppierung, die mit der elektromagnetischen Strahlung in Wechselwirkung tritt, handelt es sich um einen Azofarbstoff. Das erfindungsgemäße Material enthält folglich mindestens einen Azofarbstoff.
Azofarbstoffe haben beispielsweise die folgende Struktur der Formel (I)
Figure imgf000012_0001
woπn
R , 1 . u._ndJ r R.2 unabhängig voneinander für Wasserstoff oder einen nichtionischen Substituenten stehen und
m und n unabhängig voneinander für eine ganze Zahl von 0 bis 4, vorzugsweise 0 bis 2 stehen.
X1 und X2 bedeuten -Xr-R3 bzw. X2'-R4,
woπn
X' und X" für eine direkte Bindung, -O-, -S-, -(N-R , -C(RÖR , -(C=O)-, -(CO-O)-, -(CO-NR5)-, -(SO2)-, -(SO2-O)-, -(SO2-NR5)-, -(C=NR8)- oder -(CNR8-NR5)- stehen,
R3, R4, R5 und R8 unabhängig voneinander für Wasserstoff, C|- bis C2o-Alkyl, C3- bis Cio-Cycloalkyl, C - bis C20-Alkenyl, C6- bis Cio-Aryl, Ci- bis C 0- Alkyl-(C=O)-, C3- bis Cι0-Cycloalkyl-(C=O)-, C2- bis C20-Alkenyl-
(C=O)-, C6- bis C,0-Aryl-(C=O)-, C,- bis C20-Alkyl-(SO2)-, C3- bis C,0-Cycloalkyl-(SO2)-, C2- bis C20-Alkenyl-(SO2)- oder C6- bis C,0- Aryl-(SO2)- stehen oder
Xr-R3 und X2'-R4 für Wasserstoff, Halogen, Cyan, Nitro, CF3 oder CC13 stehen können, R6 und R7 unabhängig voneinander für Wasserstoff, Halogen, Ci- bis C20-Alkyl, C|- bis C_o-Alkoxy, C3- bis Cio-Cycloalkyl, C2- bis C 0-Alkenyl oder C6- bis Cio-Aryl stehen.
Unter nichtionischen Substituenten sind zu verstehen Halogen, Cyano, Nitro, Cj- bis
C20-Alkyl, Ci- bis C20-Alkoxy, Phenoxy, C - bis Cio-Cycloalkyl, C2- bis C 0-Alkenyl oder C6- bis Cio-Aryl, C,- bis C20-Alkyl-(C=O)-, C6- bis C,0-Aryl-(C=O)-, C.- bis C20-Alkyl-(SO2)-, Cr bis C20-Alkyl-(C=O)-O-, C,- bis C20-Alkyl-(C=O)-NH-, C6- bis Cι0-Aryl-(C=O)-NH-, C,- bis C20-Alkyl-O-(C=O)-, C,- bis C20-Alkyl-NH- (C=O)- oder C6- bis C|0-Aryl-NH-(C=O)-.
Die Alkyl-, Cycloalkyl-, Alkenyl- und Arylreste können ihrerseits durch bis zu 3 Reste aus der Reihe Halogen, Cyano, Nitro, C\- bis C2o-Alkyl, Ci- bis C2()-Alkoxy, C3- bis Cio-Cycloalkyl, C2- bis C_o-Alkenyl oder C6- bis Cio-Aryl substituiert sein und die Alkyl- und Alkenylreste können geradkettig oder verzweigt sein.
Unter Halogen ist Fluor, Chlor, Brom und Iod zu verstehen, insbesondere Fluor und Chlor.
Bei dem erfindungsgemäßen Aufzeichnungsmaterial handelt es sich bevorzugt um polymeres oder oligomeres organisches, amorphes Material besonders bevorzugt um ein Seitenkettenpolymer.
Die Hauptketten des Seitenkettenpolymeren entstammen den folgenden Grund- Strukturen: Polyacrylat, Polymethacrylat, Polysiloxan, Polyhamstoff, Polyurethan,
Polyester oder Zellulose. Bevorzugt sind Polyacrylat und Polymethacrylat.
Die Farbstoffe, insbesondere die Azofarbstoffe der Formel (I) sind an diese Polymergerüste kovalent gebunden, in der Regel über einen Spacer. Beispielsweise steht X1 (oder X2) dann für einen solchen Spacer, insbesondere in der Bedeutung
XI '-(Q,),-T1-S1-, wobei
X die oben angegebene Bedeutung besitzt,
«i für -O-, -S-, -(N-R5)-, -C(R6R7)-, -(CO)-, -(CO-O)-, -(CO-NR5)-, - (SO2)-, -(SO2-O)-, -(SO2-NR5)-, -(C=NR8)-, -(CNR8-NR5)-, -(CH2)P-, p- oder m-C6H - oder einen zweibindigen Rest der Formeln
Figure imgf000014_0001
steht,
i für eine ganze Zahl von 0 bis 4 steht, wobei für i > 1 die einzelnen Q1 verschiedene Bedeutungen haben können,
T1 für -(CH2)P- steht, wobei die Kette durch -O-, -NR9-, oder -OSiR10 2O- unterbrochen sein kann,
S1 für eine direkte Bindung, -O-, -S- oder -NR9- steht,
p für eine ganze Zahl von 2 bis 12, vorzugsweise 2 bis 8, insbesondere 2 bis 4 steht,
R9 für Wasserstoff, Methyl, Ethyl oder Propyl steht,
R10 für Methyl oder Ethyl steht und
R > 5 bi s τ R> 8 die oben angegebene Bedeutung besitzen. Bevorzugte Farbstoffmonomere für Polyacrylate oder -methacrylate haben dann die Formel (II)
Figure imgf000015_0001
woπn
R für Wasserstoff oder Methyl steht und die anderen Reste die oben angegebene Bedeutung besitzen.
Das erfindungsgemäße polymere oder oligomere organische, amorphe Material kann neben den Farbstoffen, beispielsweise der Formel (I), formanisotrope Gruppierungen tragen. Auch diese sind, in der Regel über einen Spacer, an die Polymergerüste kovalent gebunden.
Formanisotrope Gruppierungen haben beispielsweise die Struktur der Formel (III)
Figure imgf000015_0002
worin Z für einen Rest der Formeln
Figure imgf000015_0003
(Illb) steht, worin
A für O, S oder N-C.- bis C4-Alkyl steht,
X3 für -X3'-(Q2)rT2-S2- steht,
X" für X4 -R13 steht,
X3 und X4 unabhängig voneinander für eine direkte Bindung, -O-, -S-, -(N-R5)-, -C(R6R7)-, -(C=O)-, -(CO-O)-, -(CO-NR5)-, -(SO2)-, -(SO2-O)-, -(SO2-NR5)-, -(C=NR8)- oder -(CNR8-NR5)- stehen,
R5, R8 und R13 unabhängig voneinander für Wasserstoff, Ci- bis C2o-Alkyl, C3- bis
Cio-Cycloalkyl, C2- bis C 0-Alkenyl, C6- bis Cio-Aryl, Ci- bis C2o-
Alkyl-(CO)-, C3- bis C,0-Cycloalkyl-(CO)-, C2- bis C20-Alkenyl- (C=O)-, C6- bis C,0-Aryl-(C=O)-, C,- bis C20-Alkyl-(SO2)-, C3- bis
Cιo-Cycloalkyl-(SO2)-, C2- bis C20-Alkenyl-(SO2)- oder C6- bis C)0- Aryl-(SO2)- stehen oder
X4 -R13 für Wasserstoff, Halogen, Cyan, Nitro, CF3 oder CC1 stehen kann,
R6 und R7 unabhängig voneinander für Wasserstoff, Halogen, Ci- bis C2o- Alkyl, Ci- bis C2o-Alkoxy, C - bis Cio-Cycloalkyl, C2- bis C2o-Alkenyl oder C6- bis Cio-Aryl stehen,
Y für eine einfache Bindung, -COO-, OCO-, -CONH-, -NHCO-,
-CON(CH3)-, -N(CH3)CO-, -O-, -NH- oder -N(CH3)- steht,
R1 1, R12, R15 unabhängig voneinander für Wasserstoff, Halogen, Cyano, Nitro, Ci- bis C2o-Alkyl, Ci- bis C2o-Alkoxy, Phenoxy, C3- bis Cio-Cycloalkyl, C2- bis C20-Alkenyl oder C6- bis Cio-Aryl, C.- bis C20-Alkyl-(C=O)-, C6- bis C,0-Aryl-(C=O)-, C,- bis C20-Alkyl-(SO2)-, C,- bis C20-Alkyl- (C=O)-O-, C,- bis C20-Alkyl-(C=O)-NH-, C6- bis C,0-Aryl- (C=O)-NH-, Ci- bis C20-Alkyl-O-(C=O)-, C,- bis C20-Alkyl-NH- (C=O)- oder C6- bis Cι0-Aryl-NH-(C=O)- stehen,
q, r und s unabhängig voneinander für eine ganze Zahl von 0 bis 4, vorzugsweise 0 bis 2 stehen,
Q für -O-, -S-, -(N-R , -C(R > 6°τR.7 , -(C=O)-, -(CO-O)-, -(CO-NR ,
-(SO2)-, -(SO2-O)-, -(SO2-NR , -(C=NR5)-, -(CNR . 8δ-NR > 5D)x-, -(CH2)P-, p- oder
Figure imgf000017_0001
oder einen zweibindigen Rest der Formeln
Figure imgf000017_0002
steht,
für eine ganze Zahl von 0 bis 4 steht, wobei für j > 1 die einzelnen Q1 verschiedene Bedeutungen haben können,
für -(CH2)P- steht, wobei die Kette durch -O-, -NR9-, oder -OSiR10 2O- unterbrochen sein kann,
für eine direkte Bindung, -O-, -S- oder -NR - steht,
für eine ganze Zahl von 2 bis 12, vorzugsweise 2 bis 8, insbesondere 2 bis 4 steht,
Ry für Wasserstoff, Methyl, Ethyl oder Propyl steht und
R 10 für Methyl oder Ethyl steht. Beispiele
Beispiel 1
Auf- und Abbau der Doppelbrechung durch Forward Writing und Reverse
Writing
Figure imgf000018_0001
Polymer Seitenketten
Ein 1 mm dickes Glassubstrat wird mit einer dünnen Schicht des Polymers 1 versehen. Dies geschieht mit Hilfe der Drehschleudertechnik ("spin coating"). Dabei wird das Polymer bei einer Konzentration von 50 g/1 in Tetrahydrofuran gelöst und die Lösung auf das sich mit einer Umdrehungszahl von 2000 min" drehende Substrat aufgetropft. Der entstandene Polymerfilm hat eine Dicke von 680 nm. Durch die Lagerung des beschichteten Glasträgers für 2 h bei 60°C im Vakuumofen werden Reste des Lösungsmittels aus dem Film entfernt.
Mit einem optischen Aufbau können Doppelbrechungen An über Pulsfolgen in der ursprünglich isotropen Polymerschicht induziert werden. Als Lichtquelle dient ein optisch-parametrischer Oszillator der von einem frequenzverdoppelten Nd:YAG- Laser mit der Wellenlänge 532 nm gepumpt wild und bei der Wellenlänge 514 nm emittiert. Lichtpulse der Dauer 4 ns können π it einer Wiederholrate von 10 Hz emittiert werden. Das Licht ist linear polarisie t und dient zum Einschreiben der Doppelbrechung. Der Schreibstrahl durchläuft einen Homogenisator, der eine gleichmäßigere Intensität am Probenort liefert (senkrechter Einfall). Die Pulsenergie am Probenort liegt bei 6,5 mJ/cm2.
Als Leselaser wird ein HeNe-Laser verwendet (2 mW Ausgangsleistung, Intensität am Probenort: 1 mW/cm2, Einfallswinkel 10°). Die Lesepolarisation ist um 45° gegen die Schreibpolarisation gedreht. Das Diodensignal wird nach einem senkrecht zur Lesepolarisation orientierten Analysator rechnergesteuert aufgezeichnet ( Signal Is(t) ). Für jede unbelichtete Polymerschicht wird das Signal nach dem parallel zur einfallenden Lesepolarisation orientierten Analysator an der unbelichteten Probe ermittelt (Ip°). Die Doppelbrechung wird über die Relation
A , , 633 nm . /, (. ) Δ«(. ) = arcsin — —
ermittelt (d ist die Polymerschichtdicke).
Die Polymerschicht ist nach der Präparation isotrop in der Filmebene. Die Optische Dichte bei der Schreibwellenlänge beträgt 1 ,34; bei der Lesewellenlänge ist sie kleiner als 0,02. Über das Schreiblicht werden in den absorbierenden Seitengruppen- molekülen tra«s-c.s-tra/?_.'-Isomerisierungszyklen induziert, was zu einem Aufbau einer Nettoorientierung der Moleküle weg von der Polarisationsrichtung des Lasers führt („Forward Writing"). Diese Moleküldynamik zeigt sich makroskopisch in einer sich ausbildenden Doppelbrechung Δn=ny-nx in der Polymerfilmebene. Der Brechungsindex in Richtung der Polarisation des Laserlichts (nx) sinkt bei diesem Prozess, während der Brechungsindex senkrecht zur Polarisationsrichtung (ny) anwächst. Durch eine Folge von Laseφulsen bildet sich sukzessive eine Doppelbrechung aus, die auf einem Maximalwert zwischen 0,04 und 0,06 sättigt. Δn wird durch Drehen der Polarisationsrichtung des Schreiblichts um 90° gelöscht („Reverse Writing"). D eser Löschvorgang ist abgeschlossen, sobald gilt: Δn=0. Dies ist gleichbedeutend mit einem Wert Is=0, der über eine Diode detektiert wird.
Ein weiterer Schreib Vorgang wird nach gleichem Muster direkt an diesen ersten angeschlossen. Die Doppelbrechung sättigt auf einen Wert, der im Rahmen der Messgenauigkeit mit dem des ersten Schreibvorgangs vergleichbar ist.
Beispiel 2
Energieabhängigkeit der Doppelbrechungssprünge bei Forward Writing
Der in Beispiel 1 beschriebene optische Aufbau wird verwendet, um die Abhängigkeit der Höhe der Doppelbrechungssprünge von der Pulsenergie aufzuzeichnen. Untersucht wird eine 335 nm dicke Schicht des gezeigten Polymers.
Figure imgf000020_0001
Polymer Seitenketten
Die nach einem linear polarisierten Lichtpuls induzierte Doppelbrechung wird bei der Wellenlänge 633 nm ausgelesen. Die Energiedichte E des Pulses (Intensität x Pulsdauer) wird zwischen 2 und 18 mJ/cm2 variiert. Die statistischen Schwankungen in der Pulsenergie E werden gezielt ausgenützt, um aus den gewonnenen Daten den funktionellen Zusammenhang An(E) zu erhalten. Für kleine Energien werden zusätzlich Neutraldichtefilter eingesetzt.
Zeitgleich zum Lesevorgang wird die Intensität des Pulses detektiert. Dazu wird ein Teil des Schreibstrahles über einen Strahlteiler vor der Probe ausgekoppelt und auf eine Photodiode gelenkt.
Aus apparativen Gegebenheiten heraus werden auf eine ursprünglich isotrope Stelle der Polymerschicht mehrere Pulse gegeben. Um die Auswertung An(E) nicht durch Sättigungseffekte in der Anisotropie des Polymers zu verfälschen, wird aber darauf geachtet, dass die erzeugte Doppelbrechung kleiner als 10% des maximal durch Belichtung mit einem cw-Schreiblaser eπeichbaren Wertes bleibt (Δn=0,3; Schreibwellenlänge 514 nm; Schreibintensität 100 mW/cm2; Lesewellenlänge 633 nm).
Der Ablauf An(E) zeigt in guter Näherung ein lineares Verhalten für das Polymer 2, sofern die Energiedichten der Forward- Writing-Pulse kleiner als 10 mJ/cm2 gewählt werden. Es werden in diesem Energiebereich Doppelbrechungsänderungen von bis zu Δn=(3,3±0,3) 10"3 induziert. Bei Energiedichten oberhalb von 10 mJ/cm2 ist ein Abweichen vom linearen Verhalten zu kleineren Δn-Werten zu erkennen. Der Forward-Writing-Prozess ist gestört. Die Ursache kann photonischer oder auch thermischer Natur sein, z.B. ein starkes lokales Aufheizen des Polymers, welches ungerichtete Orientierungsrelaxationen hervorruft, oder eine beginnende Oberflächenschädigung der Polymerschicht.
Weitere Beispiele von Polymeren/Copolymeren, die im erfindungsgemäßen Verfahren bevorzugt eingesetzt werden und die nach den allgemeinen Synthesevorschriften, die in EP-A 823 442 beschrieben sind, hergestellt wurden. Beispiel A (x:y=60:40)
Figure imgf000022_0001
Beispiel B (x:y=40:60)
Figure imgf000022_0002
Beispiel C (x:y=40:60)
Figure imgf000022_0003
Beispiel D
Figure imgf000023_0001
Figure imgf000023_0002
Beispiel F (x:y=40:60)
Figure imgf000023_0003
Beispiel G (x:y=50:50)
Figure imgf000023_0004
Beispiel H (x:y=30:70)
Figure imgf000024_0001
Beispiel I (x:y=50:50)
Figure imgf000024_0002
Beispiel J (x:y=50:50)
Figure imgf000024_0003
Beispiel K
Figure imgf000024_0004
Beispiel L
Figure imgf000024_0005
Beispiel M
Figure imgf000025_0001
aus BHE4546
Beispiel N (x:y=50:50)
Figure imgf000025_0002
Beispiel O (x:y=50:50)
Figure imgf000025_0003
Beispiel P (x:y=50:50)
Figure imgf000025_0004
Beispiel Q
Figure imgf000026_0001
Figure imgf000026_0002
Beispiel T
Figure imgf000027_0001
Beispiel U
Figure imgf000027_0002
Beispiel V
Figure imgf000027_0003
Beispiel W (x:y=50:50)
Figure imgf000028_0001
Beispiel X (x:y=50:50)
Figure imgf000028_0002
Beispiel Y
Figure imgf000028_0003
Beispiel Z
Figure imgf000029_0001
Spezielle Monomersynthese von
Figure imgf000029_0002
N-Metlιyl-N-(2-Methacryloyloxy-ethyI)-anUin
Variante aus Methacrylchlorid:
100 g N-Methyl-N-(2-hydroxyethyl)-anilin werden in 100 ml Chloroform gelöst. Man gibt bei 40°C unter Rühren tropfenweise 182,6 g Triethylamin und 137,2 g
Methacrylchlorid langsam hinzu und rührt bei 40°C über Nacht. Danach versetzt man die Reaktionslösung mit 500 ml Chloroform und schüttelt 5 mal mit je 200 ml Wasser aus. Die organische Phase wird über wasserfreiem Magnesiumsulfat getrocknet, mit Kupfer(I)chlorid versetzt und nach Abdesti liieren des Lösungsmittels im Hochvakuum destilliert. Der Methacrylester des Hydroxyethylanilins geht bei
127-130°C/55 mbar als wasserklare Flüssigkeit über. Die Ausbeute beträgt 49,5 g. Variante aus Methacrylsäure:
In eine Lösung aus 100 ml N-Methyl-N-(2-hydroxyethyl)-anilin, 265 ml Methacrylsäure und 26,5 g Hydrochinon in 398 ml Chloroform werden bei Raumtemperatur unter Rühren 50 ml konz. Schwefelsäure getropft. Nach dem Stehen über Nacht wird aufgeheizt und das Reaktionswasser azeotrop entfernt. Nach dem Abkühlen wird mit konzentrierter wässriger Soda-Lösung ein pH von 7 bis 8 eingestellt, und das Produkt wird aus dieser Lösung durch Ausschütteln mit Ether extrahiert. Man verfährt wie oben angegeben weiter und erhält eine Ausbeute von 56 g.
4-Amino-3-Methyl-4 '-cyanoazobenzen wird auf folgende Weise hergestellt:
37,5 g 4-Cyanoanilin werden bei 60°C in 200 ml Wasser gelöst. In diese Lösung gibt man 20 ml 37% Salzsäure und rührt bis zur vollständigen Lösung. Diese Lösung wird auf 0°C abgekühlt und die restlichen 230 ml 37% Salzsäure langsam zugegeben. Unter Einhaltung einer Temperatur von 0 - 5°C tropft man 104,5 g Nitrosyl- Schwefelsäure 40% innerhalb von 45 Min. zu. Es werden 2 h bei 0- 5°C nachgerührt.
In einen 10 1 Vierhalskolben werden 89 ml Natriumhydrogensulfitlösung 37% und 35 ml Formaldehydlösung 37% bei 60°C vorgelegt. Bei dieser Temperatur gibt man 34 g o-Toluidin zu und rührt 2 h nach. In diese Lösung werden nun 1000 ml Wasser gegeben und nochmals 30 Min. bei 60°C nachgerührt. Unter Außenkühlung (Eisbad) wird es auf 10 - 15°C abgekühlt.
Die Diazoniumsalzlösung wird in einen Dosiertrichter überführt. Unter Einhaltung einer Temperatur von 10 - 20°C lässt man die Diazoniumsalzlösung in die oben beschriebene Lösung langsam zulaufen. Während der Zugabe der Diazoniumsalzlösung setzt man 250 ml Natronlaugelösung 45% zu um den pH - Wert anzuheben. Mit der Zugabe von 600 ml Natronlaugelösung 20% wird der pH- Wert auf 5 angehoben. Es wird 1 h nachgerührt.
1100 ml Natronlaugelösung 45% werden unter Eύbadkühlung langsam zugegeben,
Nun lässt man die Kupplungslösung über Nacht )ei Raumtemperatur nachrühren. Man gibt unter Eisbadkühlung langsam 1720 ml Salzsäure zu, um einen pH - Wert von 10 - 10,3 zu erreichen. Es wird kurz nachgerührt (ca. 30 Min.). Den Niederschlag saugt man ab, wäscht mit Wasser nach und trocknet den Rückstand im Vakuumtrockenschrank bei 50°C Die Ausbeute beträgt: 67,9g ( 89% )
In einem 1 1 - Dreihalskolben werden 57,7 g 4-Amiιιo-3-Methyl-4 '-cyanoazobenzen in 300 ml Wasser vorgelegt, unter Kühlungl50 ml Schwefelsäure 96% langsam zugegeben. Unter Einhaltung einer Temperatur von 0 - 5°C tropft man 99 g Nitrosyl- schwefelsäure ( 40 wt. % ) innerhalb von 40 Min. zu. Es wird 1 h bei 0 - 5°C nach- gerührt.
In einen 4 1 - Vierhalskolben werden 53,5 g N-Methyl-N-(2-Metlιacryloyloxy ethyl)- anilin in 1500 ml Isopropanol vorgelegt. Die Diazoniumsalzlösung wird in den Dosiertrichter überführt. Unter Einhaltung einer Temperatur von 10°C und einem pH-Wert von 2 - 2,5, welcher durch gleichzeitigen Zugabe von bis ca. 1 ,7 1 15 %
Natronlauge eingehalten wird, gibt man die Diazoniumsalzlösung nun langsam zu. Es wird 1 h nachgerührt. Den Niederschlag saugt man ab, wäscht mit etwas Isopropanol und viel Wasser nach und trocknet den Rückstand im Trockenschrank bei 60°C Die Ausbeute beträgt: 69 g (61 %)' Fp 161°C. λmax= 503,5 nm (DMF). ε = 35300 l/(mol x cm)
Elementaranalyse: C2 H26N6O2 (466,55)
Ber.: C69,51 ; H5,62; N18,01 ;
Gef.: C69,00; H5,80; N18,00;
Polymersynthese:
Figure imgf000031_0001
10,0 g von dem im Be spiel 1 beschriebenen Monomer werden in 90 ml N-Methyl- 2-pyrrolidon bei 70°C gelör.t. Nachdem das Monomer in Lösung gegangen ist, spült man noch eine halbe Stunde mit Argon, gibt danach 0,2 g 2,2'-Azoisobutter- säuredinitril in 2,0 ml NMP zu und lässt diese Lösung 2 Tage unter Argonfluss rühren. In ein 2 1 Becherglas mit 700 ml Wasser wird die fertige Lösung zugetropft und eine halbe Stunde nachgerührt. Danach wird die Ausfällung abgesaugt. Das Produkt wird in 100 ml Methanol eine halbe Stunde beim Rückfluss aufgekocht und die Methanollösung abgegossen. Diesen Vorgang wiederholt man noch zweimal. Das fertige Produkt wird im Vakuum getrocknet. Ausbeute: 7,0 g (70% d. Th.)

Claims

Patentansprüche
Verfahren zur Speicherung digitaler binärer oder nichtbinärer Informationen, bei dem ein Speichermedium, bestehend aus mindestens einer Substratschicht und mindestens einer Aufzeichnungsschicht durch einen fokussierten Laserstrahl abgetastet wird, der im Pulsbetrieb oder durch Intensitätsmodulation im Continuous-Wave-Betrieb mit unterschiedlichen Pulsenergien und/oder Polarisationszuständen arbeitet, dadurch gekennzeichnet, dass keine Vorbelichtung der Aufzeichnungsschicht erfolgt und Doppelbrechungen durch ein oder mehrere Pulse erzeugt werden, wobei alternativ auf das Abtasten des Lasers verzichtet werden kann, falls auf eine andere Weise für eine Relativbewegung zwischen Medium und Laserspot, gesorgt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 1 , zum optischen Einschreiben, Überschreiben und Löschen optisch auslesbarer digitaler Informationen in ein flächig ausgedehntes Speicheπriedium, wobei der optische Einschreibprozess in einem Aufbau oder Abbau von Doppelbrechungen in einer Aufzeichnungsschicht resultiert, ohne dass sich die Aufzeichnungsschicht chemisch zersetzt oder verändert und ohne dass sich die Oberflächentopographien einer der Schichten des Speicheimediums maßgeblich verändern.
3. Verfahren gemäß Anspruch 1 und/oder 2, wobei das Aufzeichnungsmaterial, dadurch gekennzeichnet ist, dass es einen chemisch gebundenen Farbstoff der Formel (I) enthält:
Figure imgf000033_0001
woπn R1 und R2 unabhängig voneinander für Wasserstoff oder einen nichtionischen Substituenten stehen und
m und n unabhängig voneinander für eine ganze Zahl von 0 bis 4, vor- zugsweise 0 bis 2 stehen, wobei
X1 und X2 die Bedeutung -Xr-R3 bzw. X2'-R4 haben, und
Xr und X2' für eine direkte Bindung, -O-, -S-, -(N-R5)-, -C(R6R7)-, -(C=O)-, -(CO-O)-, -(CO-NR5)-, -(SO2)-, -(SO2-O)-, -(SO2-
NR5)-, -(C=NR8)- oder -(CNR8-NR5)- stehen,
R3, R4, R5 und R8 unabhängig voneinander für Wasserstoff, Ci- bis C2o-Alkyl,
C - bis Cio-Cycloalkyl, C2- bis C2o-Alkenyl, C6- bis Cio-Aryl, Ci- bis C20-Alkyl-(C=O), C3- bis C,0-Cycloalkyl-(C=O)-, C2- bis C20-Alkenyl-(C=O)-, C6- bis C|0-Aryl-(C=O)-, C,- bis C20- Alkyl-(SO2)-, C3- bis C,0-Cycloalkyl-(SO2)-, C2- bis C20- Alkenyl-(SO2)- oder C6- bis Cιo-Aryl-(SO2)- stehen oder
Xr-R3 und X2'-R4 für Wasserstoff, Halogen, Cyan, Nitro, CF3 oder CC13 stehen können,
R
Figure imgf000034_0001
unabhängig voneinander für Wasserstoff, Halogen, Ci- bis C2o- Alkyl, Ci- bis C2o-Alkoxy, C3- bis Cio-Cycloalkyl, C2- bis C2o- Alkenyl oder C6- bis Cio-Aryl stehen.
4. Verfahren gemäß einem oder mehrerer der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Herstellung des Aufzeichnungsmaterials mindestens ein Monomer der Formel (II) verwendet worden ist
Figure imgf000035_0001
woπn
R für Wasserstoff oder Methyl steht und
die anderen Reste die in Anspruch 3 angegebene Bedeutung besitzen.
Verfahren gemäß einem oder mehrerer Ansprüche, in welchem das Speichermaterial eine hohe Lichtsensitivität bevorzugt >0,3 cm2/J im Wellenlängenbereich von 390 nm bis 580 nm aufweist, die Lichtpulse eine Dauer von 0,1 bis 1000 ns und einer Pulsenergie zwischen 0,1 und 1000 mJ/cm2 aufweisen, und zudem die durch einen Lesepuls induzierte Doppelbrechung mindestens 1 % des Wertes betragen muss, der durch monchromatische continuous wave Bestrahlung mit polarisierten Licht im sichtbaren Wellenlängenbereich maximal erreicht werden kann und die Doppelbrechung größer als 0,03 ist.
Verfahren gemäß einem oder mehrerer der Ansprüche, wobei die Schreibwellenlänge im Absoφtionsbereich der Aufzeichnungsschicht, insbesondere im Bereich hoher Lichtsensitivität gemäß einem oder mehrerer der vorangegangenen Ansprüche liegt, wobei die Lesewellenlänge entweder der Schreibwellenlänge gleicht oder langwelliger ist, wobei die Intensität kleiner als 10 %, bevorzugt kleiner als 5 %, besonders bevorzugt kleiner als 1 % der Intensität des Schreiblasers gewählt wird, sofern die Lesewellenlänge im Bereich der hohen Lichtsensitivität liegt.
7. Verfahren gemäß einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, wobei Polymere oder Oligomere verwendet werden, an deren Hauptgruppen Seitenketten gebunden sind, die Licht des Schreiblasers absorbieren.
8. Verfahren gemäß einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Aufzeichnungsschicht eine Dicke von 50 bis 500 nm aufweist.
9. Speichermedien, hergestellt gemäß einem oder mehrerer der vorangegangenen Ansprüche.
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