DE4211502C2 - Selektiv veränderbarer optischer Datenspeicher - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen selektiv veränderbaren optischen Datenspeicher.

Bistabile optische Datenspeicher, die auf Übergängen zwischen verschiedenen flüssigkristallinen Phasen und verschiedenen optischen Eigenschaften von Texturen beruhen, sind bekannt. (Bleha, Proc. Eurodisplay ′90, S. 44). Es ist auch bekannt, daß solche Änderungen der optischen Eigenschaften von smektischen A Phasen durch Lasereinstrahlung mit Hilfe eines elektrischen Feldes herbeigeführt werden können. Diese Datenspeicher haben gravierende Nachteile. So müssen die Datenspeicher, die mit smektischen A Phasen arbeiten, temperiert werden. Allgemein sind die Einschalt- und Löschzeiten von Informationen zu lang für eine breite Anwendung. Hinzu kommt der bei Benutzung als Projektionsdisplay mangelhafte Kontrast.

Die Realisierung stabiler unterschiedlicher Orientierungszustände, ohne die Aufrechterhaltung äußerer Felder, ist mit nematischen Flüssigkristallen bisher nur durch Einbau eines hochdispersen Feststoffes (EP 04 80 415 A2, DE 40 41 682) gelungen. Hierbei wird durch eine kurzzeitig angelegte Spannung eine homöotrope, transparente Schicht erzeugt, in die durch einen Laserstrahl eine bleibende, durch ein zufällig geordnetes, lichtstreuendes Orientierungsmuster gekennzeichnete Information geschrieben wird. Außerdem ist es durch eine elektrochemische Reaktion in der Orientierungsschicht einer sog. verdrillten nematischen Zelle (Barberi et al., Proc. IEEE 1991, S. 186) gelungen, zwei stabile Orientierungszustände zu erreichen. Daneben ist die Bistabilität verschiedener Texturen der cholesterischen Phase, die durch Dotieren einer nematischen Phase mit optisch aktiven Verbindungen entsteht, mit Hilfe eines polymeren Netzwerkes gelungen (D.-K. Yang et al., IEEE, 1991, S. 49). Das Hin- und Herschalten zwischen verschiedenen stabilen molekularen Ausrichtungen in einer nematischen Phase kann bei solchen Displays so erfolgen, daß kurzzeitig Spannungen verschiedener Frequenz angelegt werden oder daß nacheinander Laserlicht eingestrahlt und dann eine Spannung angelegt wird. Die Veränderung einer eingeschriebenen Information gestaltet sich dabei technisch sehr kompliziert. Dies kann durch separate elektrische Ansteuerung für jedes Informationselement in einem sog. Pixel erreicht werden oder dadurch, daß die gesamte vorher mit einem Laser eingeschriebene Information durch Anlegen einer Spannung an die großflächigen Elektroden gelöscht wird.

Es ist ein optisches Speichermedium bekannt (JP-59-104,625), bei dem durch Bestrahlung mit einer Quelle intensiver elektromagnetischer Strahlung und gleichzeitigem Anlegen von Spannung ein nichttransparenter Bereich in einen transparenten Bereich überführt werden kann. Bei der Bestrahlung erfolgt ein Übergang von einer kristallinen in die nematische Phase, in welcher die Orientierung durch die angelegte Spannung erfolgen kann. In der Orientierungphase wird die Spannung so lange beibehalten, bis wieder Kristallisation eingetreten ist. Eine Veränderung des Orientierungsmusters im Medium ist nur durch Aufbringen der Schmelzenergie möglich. Ein solches Verfahren ist wegen der hohen Schmelzenergie und der unter angelegter Spannung erfolgenden Kristallisation zeitaufwendig.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine einfache optische Vorrichtung zu finden, die es gestattet, eine in ein nematisches Medium geschriebene, aus einer Vielzahl von lokalen Orientierungsmustern bestehende Information selektiv und schnell zu verändern , wobei der zu verändernde Bereich in dem Datenspeicher keine separate elektrische Ansteuerung benötigt und keine Schmelz- oder Kristallisationsprozesse erforderlich sind.

Die Aufgabe wird durch den erfindungsgemäßen optischen Datenspeicher gelöst.

Es wurde überraschend gefunden, daß sich ein lokales Orientierungsmuster in einem nematischen Medium, das sich zwischen zwei Platten mit innseitigen Elektroden befindet und aus einer nematischen Phase und einem in ihr verteilten Festkörper besteht, durch Anlegen einer elektrischen Hilfsspannung und gleichzeitiges Einstrahlen elektromagnetischer Energie hoher Intensität, zum Beispiel aus einer Laserlichtquelle, selektiv verändern läßt und daß diese Veränderung nach Beendigung der Einstrahlung und Beibehaltung, Abschaltung oder Veränderung der Hilfsspannung erhalten bleibt. Dies ermöglicht das schnelle und selektive Verändern einer Information in einem einfachen, mit wenigen, im einfachsten Fall nur zwei, elektrischen Kontakten versehenen Datenspeicher, wobei die mit einem Laserstrahl zu erreichende hohe Auflösung ausgenutzt werden kann.

Die zur Herstellung des erfindungsgemäßen flüssigkristallinen Mediums einsetzbaren Flüssigkristalle können niedermolekular oder polymer sein. Vorzugsweise sind sie niedermolekular. Sie können aus einzelnen Verbindungen oder Mischungen nematogener Verbindungen bestehen. Solche Verbindungen sind allgemein bekannt (vgl. D. Demus, H. Zaschke, Flüssige Kristalle in Tabellen Bd. I (1974) und Bd. II (1984), Leipzig). Bevorzugt sind Verbindungen der allgemeinen Formel I

R₁-A₁-Z₁-(A₂-Z₂-)_n-A₃-R₂ I

worin
R₁ und R₂
unabhängig voneinander eine unsubstituierte oder mindestens einfach durch Halogen substituierte Alkyl- oder Alkenyl- Gruppe mit 1 bis 15 C-Atomen, wobei eine oder mehrere CH₂-Gruppen jeweils unabhängig voneinander durch -O-, -CO-, -COO-, -OOC- oder -OCOO- so ersetzt sein können, daß O-Atome nicht direkt miteinander verknüpft sind, H, Halogen, -CN, -CF₃, -OCHF₂, -OCF₃ oder -NCS,
A₁, A₂, A₃
jeweils unabhängig voneinander einen unsubstituierten oder mit -CN oder mindestens einem F-Atom substituierten trans-1,4-Cyclohexylen-Rest, worin auch ein oder mehrere nicht benachbarte CH₂-Gruppen durch -O- und/oder -S- ersetzt sein können, einen unsubstituierten oder durch -CN oder mindestens ein Halogen-Atom substituierten 1,4-Phenylen-Rest, worin auch eine oder zwei CH-Gruppen durch N ersetzt sein können, einen 1,4-Bicyclo[2.2.2]octylen-Rest oder einen 1,3-Bicyclo[1.1.1]pentylen-Rest,
Z₁, Z₂
jeweils unabhängig voneinander
-COO-,-OOC-, -CH₂O-, -OCH₂-, -CC-, -CH=CH-, CH₂CH₂- oder die Einfachbindung
n
0, 1 oder 2
bedeuten.

Eng verwandt mit der nematischen Phase ist die cholesterische Phase, die von optisch aktiven Verbindungen gebildet wird (vgl. H. Kelker, R. Hatz, Handbook of Liquid Crystals, Verlag Chemie, Weinheim 1980). Sie ist im Rahmen der Erfindung als nematische Phase zu verstehen.

Eingeschlossen in die Erfindung ist ebenfalls die diskoid nematische Phase, die von tellerförmigen Molekülen gebildet wird.

Es hat sich gezeigt, daß der in den erfindungsgemäßigen elektrooptischen Datenspeichern erreichbare, z. B. zur Darstellung von Bildern erforderliche Unterschied der Lichtdurchlässigkeit, unwesentlich von der Anpassung des Brechungsindices der nematischen Phase und des in ihr dispergierten Feststoffes abhängt. Dagegen ist, wie bei allen Anzeigen, die auf der Bildung von flüssigkristallinen Teilvolumina mit unterschiedlichen molekularen Ausrichtung beruhen, wie etwa Anzeigen nach dem bekannten Prinzip der dynamischen Streuung, ein hoher Wert für die optische Anisotropie Δn der nematischen Phase vorteilhaft.

Die dielektrische Anisotropie Δε der eingesetzten nematischen Phasen kann ein positives Vorzeichen oder ein negatives Vorzeichen haben. Im ersten Falle liegt die Vorzugsrichtung der Moleküle parallel zum angelegten elektrischen Feld, im zweiten senkrecht dazu. Für eine möglichst niedrige Betriebsspannung sind hohe Beträge für Δε vorteilhaft.

Die zur Herstellung des erfindungsmäßigen Mediums eingesetzte nematische Phase kann auch zur Erzeugung besonderer Farbeffekte Farbstoffe (vgl. R. Eidenschink, Kontakte 1984 (2) 25) gelöst enthalten. Der Zusatzvon Farbstoffen zur Absorption und Umwandlung des Laserlichtes in thermische Energie ist ebenfalls möglich. Weiter können zur Erzeugung elektrohydrodynamischer Effekte Leitsalze, zur Erniedrigung der Viskosität, nichtmesogene Verbindungen und Antioxidantien gelöst werden. Daneben können niedermolekulare oder polymere Verbindungen gelöst werden, welche die Wechselwirkungen zwischen den Feststoffteilchen oder zwischen dem Feststoff und der nematischen Phase beeinflussen, wie etwa Polydiethylenglykole.

Der eingesetzte Festkörper besteht aus anorganischem oder organischem Material. Bevorzugt sind die Festkörper aus anorganischem Material. Der Festkörper kann durch mechanisches Verteilen (etwa durch Rühren oder Ultraschallbehandlung) in der nematischen Phase dispergiert werden. Daneben ist die Erzeugung von Netzwerken oder Teilchen aus organischem Material durch Polymerisation von in der nematischen Phase gelösten oder dispergierten präpolymeren Verbindungen möglich. Bevorzugt sind Festkörper, die an ihren Oberflächen Gruppen tragen, die Wasserstoffbrückenbindungen bilden können. Dies sind insbesondere solche Festkörper, die -OH- oder NH-Gruppen, etwa als molekulare Bausteine von Polyamiden, tragen. Besondrs bevorzugt sind solche mit -OH-Gruppen. Von den anorganischen Festkörpern sind die vorwiegend röntgenamorphen Oxide und Oxidhydrate des Siliciums, Aluminiums, Zirkoniums, Zinks, Zinns und Titans bevorzugt. Besonders bevorzugt sind die hochdispersen Kieselsäuren, etwa die aus Aggregaten und Agglomeraten von Primärteilchen (2-90 nm Durchmesser) bestehenden pyrogenen Kieselsäuren (z. B. Aerosile der Degussa AG, Schriftenreihe Pigmente Nr. 11, 5. Aufl. und Nr. 56, 4. Aufl.) und sog. Fällungskieselsäuren, die durch Hohlräume charakterisiert sind (vgl. Firmenschrift Fällungskieselsäuren und Silikate desselben Herstellers). Besonders geeignet sind auch die sog. hydrophobisierten hochdispersen Kieselsäuren, insbesondere die Produkte R 974 und R 812 von der Degussa AG, in denen ein Teil der Silanol-Gruppen durch Dimethylsilyl-, Trimethylsilyl-, Dimethylsiloxan- oder auch zu Vernetzungsreaktionen fähige 3-Methacryloxypropyl-Gruppen ersetzt sind.

Zu den geeigneten Festkörpern zählen insbesondere auch thixotrope Stoffe, die über Wasserstoffbrückenbindungen untereinander leicht lösbare und wieder formbare Agglomerate bilden. Auch die sog. Aerogele, welche durch Verdunsten des Lösungsmittels aus einem Gelkörper entstehen, können als Festkörper eingesetzt werden. In diesem Falle wird die nematische Phase durch Kapillarkräfte unter Verdrängung der Luft eingeführt.

Von den organischen Materialien sind Polyamide und Polysaccharide bevorzugt.

Die in der Erfindung verwendeten Festkörper zeichnen sich dadurch aus, daß sie an ihren Oberflächen Gruppen mit aktiven Wasserstoffatomen - das ist der an N, O oder S gebundene Wasserstoff von Carboxy-, Hydroxy-, Amino-, Imino- und Thiol-Gruppen - haben. Die Zahl der Gruppen kann durch Behandlung des Festkörpers mit Zeriwitinoff-Reagenz oder - wie im Falle der hochdispersen Kieselsäuren - mit Lithiumaluminiumhydrid volumetrisch quantitativ bestimmt werden. Die Oberfläche der Festkörper wird im allgemeinen nach der bekannten BET-Methode gemessen.

Der Volumenanteil des Festkörpers am Volumen des nematischen Mediums kann zwischen 0,2 und 50 Vol.-% betragen, vorzugsweise liegt er zwischen 2 und 5 Vol.-%.

Im übrigen wird auf die EP 04 80 415 A2 und die DE 40 41 682 Bezug genommen, die hiermit voll inhaltlich zum Gegenstand der Offenbarung gemacht werden.

Es wurde ferner festgestellt, daß die Wechselwirkungen zwischen der Oberfläche der Festkörper und den Molekülen, die die nematische Phase bilden, die zeitliche Stabilität eines im nematischen Medium erzeugten Orientierungsmusters beeinflussen. Als besonders günstig im Rahmen der vorliegenden Erfindungen haben sich solche Wechselwirkungen erwiesen, die sich zwichen den genannten Festkörpern und nematogenen Verbindungen, deren Moleküle ein zur Wasserstoffbrückenbindung befähigtes Heteroatom enthalten, wie die Carbonitrile, Ether, Ester und Heterocyclen, bilden.

Der Grund für die Stabilität der verschiedenen Orientierungsmuster ist möglicherweise darin zu suchen, daß durch eine relativ starke Wechselwirkung zwischen der Festkörperoberfläche und den Molekülen in der nematischen Phase, Kräfte, die in dieser durch Einwirkung von außen erzeugt werden, auf den Festkörper übertragen werden. Hierdurch könnten Bereiche des Festkörpers an den Stellen, die nur durch Wasserstoffbrücken miteinander verbunden sind, voneinander getrennt werden. Eine neue, für das System energetisch günstigere Knüpfung dieser Bindungen an anderen Stellen der Festkörperoberfläche könnte so wegen der von dieser ausgehenden orientierenden Wirkung auf die nematischen Phase zu den beobachteten stabilen lokalen Orientierungsmustern führen. Es sind aber auch andere Erklärungen möglich.

Die Orientierung im nematischen Medium wird als homöotrop bezeichnet, wenn die Vorzugsrichtung der molekularen Ausrichtung, die allgemein mit dem sog. Direktor (Vertogen, de Jeu, Thermotropic Liquid Crystals, Fundamentals, Springer Verlag 1988) beschrieben wird, senkrecht zu den Platten der Vorrichtung liegt. Eine planare Orientierung zeichnet sich durch einen parallel zur Plattenfläche liegenden Direktor aus. Im nematischen Medium der vorliegenden Erfindung können stabile lokale Orientierungsmuster mit einem einheitlichen Direktor oder solche, die in Teilvolumina unterschiedliche Direktoren haben, erzeugt werden. Lokale Orientierungsmuster mit einheitlichem Direktor gelten innerhalb der vorliegenden Erfindung als vorwiegend planar, wenn dieser einen Anstellwinkel gegenüber der Ebene der Platte von 0° bis 45° und als vorwiegend homöotrop, wenn er einen solchen von über 45° bis 90° hat.

Die transparenten Platten des erfindungsgemäßen elektrooptischen Anzeigeelementes bestehen in der Regel aus Glas und sind auf ihren Innenseiten mit transparenten Elektroden samt Zuführungen aus Zinn/Indium-Oxiden (ITO) versehen, wie es für TN-Zellen Stand der Technik ist. Zur Herstellung einer Anzeige kann das flüssigkristalline Medium in ausreichender Menge auf die Elektrodenseite der einen Platte gebracht werden und dann die zweite Platte so aufgedrückt werden, daß eine luftblasenfreie Schicht entsteht. Der dem jeweiligen Anwendungszweck angepaßte Plattenabstand kann bei dieser dem Fachmann unter dem Namen Klapptechnik bekannten Herstellungsweise durch dem Medium beigefügte transparente Spacer oder zuvor auf den Platten aufgebrachte Randschichten eingestellt werden. Die durch o. g. Techniken einstellbare Schichtdicke ist sehr variabel und liegt vorzugsweise zwischen 2 und 30 µm. Das nematische Medium kann auch in Tröpfchenform in einem polymeren Material eingebettet sein.

Es wurde beobachtet, daß Platten, deren Oberflächen nicht-feststoffhaltige nematische Phasen orientieren, auch einen Einfluß auf die molekulare Ausrichtung im nematischen Medium ausüben. Solche Behandlungen der Oberflächen sind in der Displaytechnik allgemein bekannt und können durch Aufbringen einer dünnen Schicht eines oberflächenaktiven Stoffes und/oder Reiben in einer Vorzugsrichtung erfolgen. Dies ist im Rahmen der Erfindung besonders dann günstig, wenn das lokale Orientierungsmuster durch eine planare oder homöotrope Ausrichtung chrakterisiert ist.

Die für den selektiven Vorgang der Veränderung an den Elektroden liegende Spannung kann Gleich- oder Wechselspannung sein. Zur Erzeugung verschiedener lokaler Orientierungsmuster können insbesondere Hilfsspannungen verschiedener Frequenzen angelegt werden. Dies gilt insbesondere bei der Verwendung der bekannten nematischen 2-Frequenz-Mischungen, für die unterhalb der sog. Cross-Over-Frequenz ein Δε <0 und oberhalb derselben Δε <0 ist. Die Hilfsspannungen liegen unterhalb der nachstehend erläuterten Formierungsspannung und hängen u. a. von der Art und Schichtdicke des nematischen Mediums ab, in dem der Feststoff vorliegt. Diese Hilfsspannung in Form einer Gleich- oder Wechselspannung reicht für die Erzeugung eines neuen lokalen Orientierungsmusters aus, sofern der ausgewählte Bereich des Datenspeichers einer starken elektromagnetischen Strahlung (beispielsweise durch einen Laserstrahl) ausgesetzt wird. Die Hilfsspannung hat einen Mindestwert (hier als Schwellenspannung bezeichnet), der üblicherweise zwischen 3 und 10 V_eff liegt und von Art und Schichtdicke des nematischen Mediums und der Intensität der elektromagnetischen Strahlung abhängt. Zwar liegt die Hilfsspannung an dem gesamten Speicher, es werden jedoch nur die kurzzeitig bestrahlten Bereiche des Speichers in den durch das E-Feld vorgegebenen Zustand überführt. Hierdurch wird also eine selektive Neuorientierung von Speicherbereichen, wie zuvor beschrieben, möglich.

Demgegenüber kann der gesamte Speicher in den homöotropen Zustand unter Löschung aller beschriebener Bereiche überführt werden, sofern an die Elektroden des Speichers die Formierspannung angelegt wird, die üblicherweise zwischen 50 und 250 V_eff liegt, und Δε der nematischen Phase <0 ist. Diese Formierspannung hängt dabei wiederum von der Art und von der Schichtdicke des Mediums ab und kann ggfls. näher bestimmt werden.

Zur Einschreibung von Daten in den erfindungsgemäßen Speicher werden energiereiche elektromagnetische Strahlen eingesetzt, die insbesondere gebündelt sind. Bevorzugt ist Laserlicht.

Die Wellenlänge der eingestrahlten elektromagnetischen Strahlung, die während eines Löschvorganges, der innerhalb der Erfindung als Veränderung des lokalen Orientierungsmusters definiert ist, auf einen Bereich der Datenspeicher trifft, kann innerhalb weiter Grenzen schwanken. Geeignet sind Bereiche der Strahlung, die im Infraroten, im Sichtbaren und im Ultravioletten liegen. Besonders geeignet sind die Halbleiterlaserquellen, die Wellenlängen von 650 bis 900 nm aussenden. Die Mindestenenergiedichte der elektromagnetischen Strahlung für die Veränderung liegt bei 0,01 bis 10 nJ/µm², vorzugsweise 0,1 und insbesondere 1 nJ/µm². Die Zeit, innerhalb der die Energie in das zu verändernde Flächenelement eingestrahlt wird, liegt unterhalb 5 ms, vorzugsweise unterhalb 0,5 ms. Bei genügend hohen Strahlungsleistungen können auch Einstrahlzeiten unterhalb von 1 µs erzielt werden.

Durch die Einstrahlung erfolgt eine schnelle lokale Erwärmung. Diese reicht in den meisten Anwendungsfällen nicht zur Erwärmung des nematischen Mediums über die Umwandlungstemperatur zur isotropen Phase aus. Die im nematischen Medium erzeugten Orientierungsmuster bleiben in ihren Ausdehnungen auch optisch dann von ihrer Umgebung unterscheidbar, wenn durch Kontakt des Speichers mit einem kühlenden Medium die Temperatur erniedrigt und somit ein Übergang in eine der bekannten smektischenPhasen (S_A, S_B, S_C) herbeigeführt wird. Von der Erfindung sind deshalb auch solche Datenspeicher erfaßt, die zur Änderung eines lokalen Orientierungsmusters im Existenzbereich der nematischen Phase eines festkörperhaltigen nematischen Mediums gleichzeitig einer Laserstrahlung ausgesetzt sind und an einer elektrischen Spannung liegen, die aber im Existenzbereich einer smektischen Phase ausgelesen werden.

Die Geschwindigkeit des Veränderungsvorgangs kann bei gleicher Laserleistung erhöht werden, wenn durch einen Farbstoff Laserlicht absorbiert wird. Der Farbstoff kann sowohl in der nematischen Phase gelöst sein, chemisch mit dem Festkörper verknüpft sein oder sich in einer dünnen Schicht auf der Innen- und Außenseite einer Platte befinden. In vielen Fällen genügt die Absorption des Laser-Lichtes durch die ITO-Schicht. Möglicherweise werden durch die plötzliche thermische Ausdehnung Wasserstoffbrückenbindungen zwischen Festkörperteilchen oder Bereichen innerhalb eines Festkörpergerüstes gelöst.

Die Wahl von Frequenz und Höhe der Spannung einerseits und der Intensität und auch Polarisationsrichtung des Laserlichtes andererseits machen im Bereich der Lasereinstrahlung verschiedene lokale Orientierungsmuster möglich:

• A Vorwiegend homöotrope molekulare Ausrichtung. Diese entsteht in nematischen Medien mit Δε<0 bei ausreichend hohen Hilfsspannungen. Dieser Bereich erscheint im natürlichen Licht transparent.
• B Zufällige Ausrichtung in kleinen Volumina des Mediums. Dieser Muster entsteht in allen nematischen Medien bei abgeschalteter Hilfsspannungsquelle oder bei Spannungen unterhalb der Schwellenspannung. Dieser Bereich erscheint im natürlichen Licht stark lichtstreuend.
• C Planare molekulare Ausrichtung, die durch eine parallel zur den Plattenebenen liegende Vorzugsrichtung der Moleküllängsachsen gekennzeichnet ist. Ihre Richtung innerhalb dieser Ebene wird durch die Reibrichtung auf den vorbehandelten Platten und/oder durch die Schwingungsrichtung des E-Feldes des Laserlichtes bestimmt. Die Ausbildung der planaren Ausrichtung wird durch eine an den Platten liegende elektrische Hilfsspannung erleichtert, wenn Δε<o ist.

Die Wahl zwischen mehr als zwei grundsätzlich verschiedenen Orientierungsmustern (A, B und C) in einem punktförmigen Bereich der Datenspeicher erlaubt prinzipiell bei geeigneter Unterscheidungsmöglichkeit der Auslesevorrichtung eine erhöhte Informationsdichte in Datenspeichern.

In der vorliegenden Erfindung gilt ein optischer Datenspeicher als selektiv veränderbar, wenn zur Erzeugung mindestens einer der beiden beteiligten stabilen Orientierungsmuster Laserlicht und elektrische Spannung gleichzeitig angewendet werden.

Die veränderbaren lokalen Orientierungsmuster können in ihren optischen Eigenschaften in weiten Grenzen variiert werden. So kann der Direktor durch Wahl der Spannung, Intensität des Laserstrahles und Vorbehandlung der Plattenoberfläche in sehr verschiedenen Richtungen eingestellt werden. Der streuende Zustand kann durch die Wahl der Intensität des Lasers modifiziert werden, so daß die Direktoren in den Teilvolumina des lokalen Orientierungsmusters nicht zufällig ausgerichtet sind, sondern eine Vorzugsrichtung haben, wodurch durchfallendes natürliches Licht weniger gestreut wird als bei zufälliger Ausrichtung. Hierdurch ist beim Auslesen der Information die Darstellung von Graustufen möglich.

Das Einschrieben oder Verändern von Information in die optischen Datenspeicher kann bei konstanter oder in Stärke und Frequenz modulierter elektrischer Spannung und bei konstantem oder in Intensität und Polarisierungsrichtung moduliertem Laserlicht erfolgen.

Der erreichbare Kontrast des optischen Datenspeichers liegt mit einem Wert von 50 bis 100 deutlich höher als der für bistabile S_A-Phasen angegebene Wert von 10.

Die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegenden veränderbaren lokalen Orientierungsmuster können punktförmig oder kontinuierlich eingeschrieben werden. Sie sind in den optischen Datenspeichern von ihrer Umgebung wegen ihrer optischen Eigenschaften - etwa der Intensität des aus einem Lesestrahl herausgestreuten Lichtes oder der Änderung des Polarisationszustandes des polarisierten Lichtes - unterscheidbar und stellen somit die Information dar. Die optischen Eigenschaften der lokalen Orientierungsmuster können durch Wahl sowohl der Dauer und Intensität der Laserbestrahlung als auch durch die angelegte Spannung in Stufen verändert werden, so daß sog. Graustufen z. B. für den Gebrauch als Projektionsdisplay oder für nichtbinäre Datenspeicher eingestellt werden können.

Der erfindungsgemäße optische Datenspeicher kann als Display verwendet werden, indem die Veränderung der Orientierungsmuster durch Beleuchtung mit einer separaten Lichtquelle, die selbst keine Veränderung der Orientierungsmuster hervorruft, z. B. einer Weißlichtquelle, sichtbar gemacht wird.

Die folgenden Beispiele sollen die Erfindung erläutern, ohne sie zu begrenzen. Vor- und nachstehend bedeuten Δn optische Anisotropie bei 20°C, Δε dielektrische Anisotropie bei 20°C, d Dichte in q/cm³, V_eff Effektivspannung in Volt, λ_max Wellenlänge maximaler Absorption.

In der Zeichnung sind Beispiele eines selektiv veränderbaren optischen Datenspeichers gezeigt.

Es zeigt

Fig. 1 ein Prinzipschaltbild eines Datenspeichers und

Fig. 2 einen Ausschnitt des Speichers (s. gestrichelter Kreis in Fig. 1) in perspektivischer Draufsicht.

Beispiel 1

In Fig. 1 ist mit 10 ein optischer Datenspeicher gezeigt, der selektiv beschrieben und/oder gelöscht bzw. verändert werden kann.

Dieser Datenspeicher 10 weist ein Flüssigkristalldisplay 12 auf, das in Fig. 2 näher erläutert ist. Es besteht aus zwei transparenten Platten 14 und 16, die üblicherweise als Glasplatte ausgebildet sind. Diese Platten 14 und 16 sind jeweils auf ihrer Innenseite mit einer transparenten Elektrode - in üblicher Weise nach der ITO-Technik beschichtet - wie dies vorstehend erläutert ist. Diese Elektroden sind ebenfalls transparent ausgebildet.

Zwischen den Elektroden 18 und 20 befindet sich das nematische Medium 22, das selektiv beschreibbar oder selektiv löschbar ist.

Die Elektroden 18 und 20 sind über elektrische Leitungen 24a und 24b mit einer ersten Spannungsquelle 26 und über die Leitungen 28a und 28b mit einer zweiten Spannungsquelle 30 verbunden.

Der optische Datenspeicher 10 weist weiterhin eine Quelle für Laserlicht 32 auf, die einen Lichtstrahl 34 erzeugt. Im Lichtweg des Lichtstrahls 34 ist eine Modulationseinheit 36 angeordnet, mit der die Lichtintensität zur Einstellung unterschiedlicher Graustufen moduliert werden kann.

Hieran schließt sich eine Linseneinheit 38 an, mit der der Laserstrahl über ein Spiegelsystem 40 auf das nematische Medium fokussiert bzw. abgebildet werden kann.

Dieses Spiegelsystem 40 besteht aus einem ersten Spiegel 42 und einem zweiten Spiegel 44, die den Lichtstrahl 34 in x- bzw. y-Richtung ablenken können. Hierzu sind diese Spiegel 42 und 44 jeweils mit einer Antriebseinheit 46 und 48 verbunden, die die Spiegelebene jeweils um einen vorbestimmten Winkel zu drehen vermögen.

Weiterhin ist eine Steuereinheit 50 vorgesehen, die über eine Eingabeleitung 52 mit einer Eingabeeinheit 54 verbunden ist. Von der Steuereinheit geht eine erste Steuerleitung 56, mit der die Modulationseinheit 36 verbunden ist, eine zweite Steuerleitung 58, mit der die erste Antriebseinheit 46 verbunden ist, eine dritte Steuerleitung 60, mit der die zweite Antriebseinheit 48 verbunden ist, eine vierte Steuerleitung 62, mit der die erste Spannungsquelle 26 verbunden ist, und eine fünfte Steuerleitung 64 ab, mit der die zweite Spannungsquelle 30 verbunden ist.

Die Steuereinheit 50 gibt ihre Befehle zur Aktivierung bzw. Desaktivierung über die Steuerleitung 56-64 und kann über die Eingabeeinheit 54 entsprechend programmiert werden. Vorteilhafterweise ist die Steuereinheit 50 in Form eines Mikroprozessors ausgebildet.

Der Datenspeicher 10 wird auf folgende Weise betrieben:

Zunächst wird die erste Spannungsquelle 26 aktiviert, die üblicherweise zwischen 50 und 200 V_eff liegt. Diese Spannungsquelle ist somit als Formierungsspannungsquelle ausgestaltet, die sämtliche Flüssigkristallmoleküle in eine vorbestimmte bevorzugte Position überführt, wobei die Molekülebenen parallel zur Feldrichtung ausgerichtet werden. Insofern stehen dann sämtliche Moleküle parallel zur Feldrichtung, so daß der Speicher 12 bei Bestrahlung mit einer nicht gezeigten Lichtquelle, transparent erscheint.

Um nun ein bestimmtes Datenmuster in das Display 12 einzuschreiben, wird die Laserquelle 32 aktiviert und der erzeugte Laserstrahl 34 in x- bzw. y-Richtung mittels der Spiegel 42 und 44, die in vorbestimmter Weise durch die Antriebseinheiten 46, 48 über die Steuereinheit 50 eingestellt werden, auf dem Display 12 abgelenkt. Dies führt zu dem auf dem Speicher 12 beispielhaft dargestellten Muster 66. Während der Aktivierung des Laserlichts bleibt dabei sowohl die Spannungsquelle 26 als auch die Spannungsquelle 30 im nicht-aktivierten Zustand.

Soll nun ein Punkt des Musters verändert werden, ohne daß weitere Punkte verändert bzw. gelöscht werden, wird die zweite Spannungsquelle 30 über die Steuerleitung 64 von der Steuereinheit 50 aktiviert, wobei als zweite Spannung eine gegenüber der Formierungsspannung erheblich geringere Spannung eingestellt wird. Im Beispielsfall liegt sie etwa bei 10-20 V_eff. Die beiden Spiegel 42 und 44 werden auf den ausgewählten Punkt eingestellt. Die Laserquelle 32 erzeugt über den Modulator 36 einen Energieimpuls. Hierdurch wird die anfänglich vorherrschende Orientierung vermutlich durch Lösen von Wasserstoffbrücken zwischen Festkörperteilchen oder Bereichen innerhalb eines Festkörpergerüstes verändert. Bei aktiver zweiten Spannungsquelle, die eine Spannung oberhalb der Schwellenspannung abgibt, orientieren sich die Moleküle der nematischen Phase im elektrischen Feld neu. Wegen der Wechselwirkung zwischen diesen Molekülen und der Festkörperoberfläche werden vermutlich auch die Festkörperteilchen neu ausgerichtet. Durch eine Knüpfung von Wasserstoffbrücken wird der Festkörper neu geordnet und somit die vom Feld vorgegebene molekulare Ausrichtung fixiert. Durch eine ausreichend hohe Spannung, die aber deutlich unter der der von 26 abgegebenen liegt, kann die Ausgangsorientierung wieder erzeugt werden. Da die lokalen Orientierungsmuster in diesem Zustand nicht mehr lichtstreuend sind, verschwindet der korrigierte Punkt aus dem Muster 66.

Die von der zweiten Spannungsquelle aufgebrachte Spannung ist jedoch so klein, daß ohne Einstrahlung durch eine Laserlichtquelle das Muster selbst bzw. Teile hieraus nicht verändert werden. Will man nun das gesamte Muster völlig löschen, so bedarf es der erhöhten Formierungsspannung, die nur durch die erste Spannungsquelle 26 aufgebracht wird.

Im übrigen können die Leitungen 24a, b und 28a, b zu einem Leitungspaar zusammengesetzt sein, wobei die beiden Spannungsquellen 26 und 30 entweder zusammengefaßt sind oder über eine Leitungsverzweigung verfügen. Laserquelle 32 und Modulator 30 können durch eine direkt modulierbare Lichtquelle, z. B. einen Halbleiterlaser ersetzt werden.

Beispiel 2

In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen selektiv veränderbaren Datenspeichers 10 ist die dem Laserstrahl 34 abgewandte Elektrode 16 eine reflektierende Schicht.

Beispiel 3

Eine weitere Ausführungsform besteht darin, daß zur Generierung und Veränderung von lokalen Orientierungsmustern eine Vorrichtung aus scheibenförmigen Platten unter einer Lichtquelle rotiert wird und der Strahl neu in einer Koordinate verändert wird.

Beispiel 4

In 0,920 g der nematischen Phase ZLI 1132 (E. Merck), bestehend aus mehreren Benzonitrilen der Formel I (d=0,98, Δn=0,14, Δε=+10,3) werden 0,010 g des Farbstoffes SC 1515 der BASF, Ludwigshafen (λ_max=769 nm) gelöst. Diese neue nematische Phase und 0,080 g der hydrophoben hochdispersen Kieselsäure R 812 der Degussa AG (Aggregate und Agglomerate aus Primärteilchen von 7 nm Durchmesser, Dichte der -OH-Gruppen 0,44 pro nm², d=2,2) werden durch mechanisches Rühren innig vermischt.

Etwas dieses nematischen Mediums mit einem Feststoffanteil von 3,7 Vol.-% wird auf eine mit einer Indium/Zinn-Oxid beschichtete Glasplatte gegeben, die zuvor mit käuflichen zylinderförmigen Spacern aus Glasfasern mit 2,5 µm Durchmesser bestäubt worden ist (etwa 10 Spacer pro cm²). Hierauf wird eine gleiche Platte gedrückt. Durch vorsichtiges Hin- und Herbewegen wird sichergestellt, daß der Abstand von 2,5 µm erreicht wird. Nach Abstreifen des überstehenden nematischen Mediums werden die Platten durch einen Rahmen fixiert und an zwei offenliegenden Elektrodenflächen mit je einem elektrischen Kontakt versehen.

Dieser Datenspeicher wird bei anliegender Spannung (500 Hz, Sinusform, 15 V_eff) mit einem Strahl aus einer Halbleiterquelle (Leistung 9 mW, Strahldurchmesser 50 µm, Wellenlänge 780 nm, Bestrahlungszeit 0,3 ms) über ein computergesteuertes Spiegelsystem in dichter Punktfolge oder kontinuierlich mit lokalen Orientierungsmustern, die durch eine vorwiegend homöotrope molekulare Ausrichtung gekennzeichnet sind, versehen. Auf diese Weise ist der Datenspeicher ganzflächig homöotrop ausgerichtet worden und bereit zum Eingeben einer Information. Ein gleicher Ausgangszustand kann durch kurzzeitiges Anlegen einer Spannung von 100 V_eff (Sinusform, 500 Hz) erreicht werden. In diese Fläche wird mit dem o. g. Laser (Leistung 12 mW, sonst gleiche Daten) ohne anliegende Spannung eine Information aus vielen lokalen Orientierungsmustern, die durch eine zufällige, stark lichtstreuende molekulare Ausrichtung gekennzeichnet sind, geschrieben. Diese stabile Information wird selektiv dadurch verändert, daß bei angelegter Spannung (15 V_eff) einzelne Bereiche von lichtstreuenden lokalen Orientierungsmustern durch eine kurze Lasereinstrahlung (12 mW Leistung, sonst wie oben) in vorwiegend homöotrop ausgerichtete Bereiche umgewandelt werden, die ebenfalls nach Abschalten der Spannung erhalten bleiben. Die Vorgänge des Einschreibens und der Veränderung sind beliebig oft wiederholbar.

Beispiel 5

Eine in der in Beispiel 1 gezeigten Weise hergestellte Vorrichtung enthält ein nematisches Medium aus der nematischen Ester-Mischung ZLI 2461 (E. Merck) mit einem Δε von +2,0 bei 400 Hz und einem Δε von -1,9 bei 20 kHz und in ihr dispergierter Fällungs-Kieselsäure FK 310 (Degussa AG) mit einer Dichte der Silanolgruppen auf der Oberfläche von etwa 6 pro nm² und einer BET-Oberfläche von 650 m²/g, wobei der Anteil des Feststoffes 2,0 Vol.-% beträgt. Der Abstand der Elektroden ist 14 µm. Die Innenseiten der Platten sind mit je einer dünnen Orientierungsschicht eines Polyimids mit paralleler Reibrichtung (vgl. Sage in Thermotropic Liquid Crystals, John Wiley & Sons, 1987, S. 76) versehen. Durch kurzzeitiges Anlegen einer Spannung von 250 V_eff (400 Hz) wird die gesamte Vorichtung in einen transparenten, durch eine homöotrope Ausrichtung charakterisierten Zustand gebracht. Mit einem Ar-Laser (λ 514 nm, 1 MW/cm²) wird bei anliegender Spannung von 70 V_eff (20 kHz) eine aus vielen Punkten (2 bis 25 µm Durchmesser) bestehende Information eingeschrieben, die nach Beendigung der Lasereinstrahlung und Abschalten der Spannung erhalten bleibt und durch eine vorwiegend planare, zur Reibrichtung parallele molekulare Ausrichtung gekennzeichnet ist. Diese planaren lokalen Orientierungsmuster werden bei einer anliegenden Spannung von 30 V_eff (400 Hz) durch eine gleichartige Lasereinstrahlung in solche mit einer vorwiegend homöotropen Ausrichtung umgewandelt, ohne daß sich die optischen Eigenschaften der nichtbestrahlten Fläche der Vorrichtung wesentlich änderten. Die selektive Veränderung von planarer zu homöotroper und umgekehrt von homöotroper zu planarer Ausrichtung kann beliebig oft wiederholt werden.

Claims (16)

1. Selektiv veränderbarer optischer Datenspeicher aufweisend zwei Platten (14, 16), von denen mindestens eine transparent ist und die auf ihren Innenseiten Elektroden (18, 20) tragen, ein zwischen den Platten befindliches flüssigkristallines Medium (22), eine Spannungsversorgung (26, 30), mit der eine Spannung an die Elektroden (18, 20) anlegbar ist, und eine Quelle (32) intensiver elektromagnetischer Strahlung, die bei desaktivierter Spannungsversorgung (26, 30) an vorbestimmten Bereichen des flüssigkristallinen Mediums (22) ein nicht-transparentes Muster erzeugt, dadurch gekennzeichnet, daß das flüssigkristalline Medium (22) eine nematische Phase und einen in ihr verteilten Festkörper aufweist und die Spannungsversorgung (26, 30) eine Hilfsspannungsquelle (30) aufweist, die bei Aktivierung an den Elektroden (18, 20) eine Hilfsspannung erzeugt, die allein vorgegebene lokale Orientierungsmuster des flüssigkristallinen Mediums (22) nicht verändert, jedoch bei aktivierter Quelle (32) der intensiven elektromagnetischen Strahlung den bestrahlten Bereich vom nicht-transparenten Zustand in den transparenten Zustand überführt.

2. Optischer Datenspeicher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfsspannungsquelle (30) eine Hilfsspannung von mindestens 3 bis 10 V_eff erzeugt.

3. Optischer Datenspeicher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungsversorgung (26, 30) eine Formierungsspannungsquelle (26) aufweist, die bei Aktivierung an den Elektroden (18, 20) eine Formierungsspannung erzeugt, mit der das flüssigkristalline Medium (22) in den transparenten Zustand überführt wird.

4. Optischer Datenspeicher nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Formierungsspannungsquelle (26) eine Formierungsspannung zwischen 50 und 250 V_eff erzeugt.

5. Optischer Datenspeicher nach Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Quelle für die elektromagnetische Strahlung eine Laserlichtquelle (32) ist.

6. Optischer Datenspeicher nach Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vorrichtung (40-48) vorgesehen ist, die den elektromagnetischen Strahl auf einen vorbestimmten Bereich des Datenspeichers (12) lenkt.

7. Optischer Datenspeicher nach Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Festkörper an seiner Oberfläche Gruppen mit aktiven Wasserstoffatomen chemisch gebunden hat.

8. Optischer Datenspeicher nach Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das aktive Wasserstoffatom in einer OH-Gruppe ist.

9. Optischer Datenspeicher nach Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichte der Gruppen mit aktiven Wasserstoffatomen auf der Oberfläche des Festkörpers 0,05 bis 10 pro nm² ist.

10. Optischer Datenspeicher nach Ansprüchen 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Festkörper im wesentlichen aus anorganischem Material besteht.

11. Optischer Datenspeicher nach Ansprüchen 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Festkörper im wesentlichen aus hochdisperser Kieselsäure besteht.

12. Optischer Datenspeicher nach Ansprüchen 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Festkörper im wesentlichen aus hydrophobisierte hochdisperser Kieselsäure besteht.

13. Optischer Datenspeicher nach Ansprüchen 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Veränderung des lokalen Orientierungsmusters mit dem Übergang von einer zufälligen, lichtstreuenden in eine homöotrope Orientierung verbunden ist.

14. Optischer Datenspeicher nach Ansprüchen 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Veränderung des lokalen Orientierungsmusters mit dem Übergang von einer homöotropen Orientierung in eine planare Orientierung verbunden ist.

15. Optischer Datenspeicher nach Ansprüchen 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Veränderung des lokalen Orientierungsmusters mit dem Übergang von einer zufälligen, lichtstreuenden in eine planare Orientierung verbunden ist.

16. Optischer Datenspeicher nach Ansprüchen 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß nach der durchgeführten Veränderung des lokalen Orientierungsmusters im Medium ein Übergang von der nematischen zu einer smektischen Phase stattfindet.