EP0635156A1 - Selektiv veränderbarer optischer datenspeicher - Google Patents

Selektiv veränderbarer optischer datenspeicher

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Publication number
EP0635156A1
EP0635156A1 EP93909363A EP93909363A EP0635156A1 EP 0635156 A1 EP0635156 A1 EP 0635156A1 EP 93909363 A EP93909363 A EP 93909363A EP 93909363 A EP93909363 A EP 93909363A EP 0635156 A1 EP0635156 A1 EP 0635156A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
optical data
data memory
voltage
nematic
orientation
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP93909363A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Markus Kreuzer
Rudolf Eidenschink
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
NEMATEL
Original Assignee
NEMATEL
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by NEMATEL filed Critical NEMATEL
Publication of EP0635156A1 publication Critical patent/EP0635156A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/01—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour 
    • G02F1/13—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour  based on liquid crystals, e.g. single liquid crystal display cells
    • G02F1/132—Thermal activation of liquid crystals exhibiting a thermo-optic effect
    • G—PHYSICS
    • G11—INFORMATION STORAGE
    • G11B—INFORMATION STORAGE BASED ON RELATIVE MOVEMENT BETWEEN RECORD CARRIER AND TRANSDUCER
    • G11B7/00—Recording or reproducing by optical means, e.g. recording using a thermal beam of optical radiation by modifying optical properties or the physical structure, reproducing using an optical beam at lower power by sensing optical properties; Record carriers therefor
    • G11B7/004—Recording, reproducing or erasing methods; Read, write or erase circuits therefor
    • G11B7/0055—Erasing
    • G11B7/00555—Erasing involving liquid crystal media
    • G—PHYSICS
    • G11—INFORMATION STORAGE
    • G11B—INFORMATION STORAGE BASED ON RELATIVE MOVEMENT BETWEEN RECORD CARRIER AND TRANSDUCER
    • G11B7/00—Recording or reproducing by optical means, e.g. recording using a thermal beam of optical radiation by modifying optical properties or the physical structure, reproducing using an optical beam at lower power by sensing optical properties; Record carriers therefor
    • G11B7/08—Disposition or mounting of heads or light sources relatively to record carriers
    • G11B7/085—Disposition or mounting of heads or light sources relatively to record carriers with provision for moving the light beam into, or out of, its operative position or across tracks, otherwise than during the transducing operation, e.g. for adjustment or preliminary positioning or track change or selection
    • G11B7/08547—Arrangements for positioning the light beam only without moving the head, e.g. using static electro-optical elements
    • G11B7/08564—Arrangements for positioning the light beam only without moving the head, e.g. using static electro-optical elements using galvanomirrors

Definitions

  • the invention relates to a method for changing local orientation patterns in a selectively changeable data memory and an optical data memory.
  • Bistable optical data memories based on transitions between different liquid-crystalline phases and different optical properties of textures are known. (Bleha, Proc. Eurodisplay '90, p. 44). It is also known that such changes in the optical properties of static A phases can be brought about by laser irradiation with the aid of an electric field. These data stores have serious disadvantages.
  • the data memories that work with smectic A phases must be tempered. In general, the turn-on and delete times of information are too long for a broad application. Added to this is the poor contrast when used as a projection display.
  • REPLACEMENTB Bistability of different textures of the cholesteric phase which results from doping a nematic phase with optically active compounds, with the help of a polymeric network (D.-K. Yang et al. IEEE, 1991, p.49).
  • Switching back and forth between different stable molecular orientations in a nematic phase can take place in such displays in such a way that voltages of different frequencies are briefly applied or that laser light is radiated in succession and then a voltage is applied.
  • the changing of registered information is technically very complicated. This can be achieved by separate electrical control for each information element in a so-called pixel or by the fact that all of the information previously written with a laser is erased by applying a voltage to the large-area electrodes.
  • optical data memory according to the invention.
  • a local orientation pattern in a nematic medium which is located between two plates with electrodes on the inside and consists of a nematic phase and a solid body distributed therein, by applying an auxiliary electrical voltage and simultaneously irradiating electromagnetic energy, is high Intensity, for example from a laser light source, can be changed selectively and that this change after the irradiation has ended and has been maintained and switched off or change in the auxiliary voltage is retained.
  • This enables the rapid and selective changing of information in a simple data memory provided with a few, in the simplest case only two, electrical contacts, the high resolution that can be achieved with a laser beam being exploited.
  • the liquid crystals which can be used to produce the liquid-crystal medium according to the invention can be of low molecular weight or polymer. They are preferably of low molecular weight. They can consist of individual compounds or mixtures of nematogenic compounds. Such compounds are generally known (cf. D. Demus, H. Zaschke, Liquid Crystals in Table Vol. I (1974) and Vol. II (1984), für). Compounds of the general formula I are preferred
  • Rx and R 2 independently of one another are an unsubstituted or at least monosubstituted alkyl or alkenyl
  • CH 2 groups each independently of one another by -0-, -C0-,
  • -COO-, -OOC- or -0C00- can be replaced so that O atoms are not directly linked, H, halogen, -CN,
  • Ai, A 2 , A 3 each independently of one another are an unsubstituted or substituted by -CN or at least one F atom, trans-1,4-cyclohexylene radical, in which also one or more non-adjacent CH 2 groups by -0- and / or -S- can be an unsubstituted or substituted by -CN or at least one halogen atom
  • 1,4-phenylene radical in which one or two CH groups can also be replaced by N, one
  • the cholesteric phase which is formed by optically active compounds, is closely related to the nematic phase (cf. H. Kelker, R. Hatz, Handbook of Liquid Crystals, Verlag Chemie, Weinheim 1980). In the context of the invention, it is to be understood as a nematic phase.
  • diskoid nematic phase which is formed by plate-shaped molecules.
  • the dielectric anisotropy ⁇ C of the nematic phases used can have a positive sign or a negative sign.
  • large amounts for ⁇ € are advantageous.
  • the nematic phase used to produce the medium according to the invention can also contain dyes (cf. R. Eidenschink, contacts 1984 (2) 25) in solution to produce special color effects. It is also possible to add dyes to absorb and convert the laser light into thermal energy. In addition, to generate electrohydrodynamic effects, conductive salts, to reduce the viscosity, non-mesogenic compounds and antioxidants can be dissolved. In addition, low molecular weight or polymeric compounds can be dissolved which influence the interactions between the solid particles or between the solid and the nematic phase, such as polydiethylene glycols.
  • the solid body used consists of inorganic or organic material.
  • the solids are preferably made of inorganic material.
  • the solid can be dispersed in the nematic phase by mechanical distribution (for example by stirring or ultrasound treatment).
  • the predominantly X-ray amorphous oxides and oxide hydrates of silicon, aluminum, zirconium, zinc, tin and titanium are preferred.
  • the highly disperse silicas, for example those from aggregates and agglomerates of, are particularly preferred.
  • REPLACEMENT LEAF Primary particles (2-90 nm in diameter) of existing fumed silicas (e.g. Aerosile from Degussa AG, series Pigments No. 11, 5th edition and No. 56, 4th edition) and so-called precipitated silicas, which are characterized by voids (cf. Company name Precipitated silicas and silicates from the same manufacturer). Also particularly suitable are the so-called hydrophobized, highly disperse silicas, in particular the products R 974 and R 812 from Degussa AG, in which some of the silanol groups are dimethylsilyl, triethylsilyl, dimethylsiloxane or also 3-methacryloxypropyl capable of crosslinking reactions Groups are replaced.
  • fumed silicas e.g. Aerosile from Degussa AG, series Pigments No. 11, 5th edition and No. 56, 4th edition
  • precipitated silicas which are characterized by voids (cf. Company name Pre
  • Suitable solids include, in particular, thixotropic substances which form hydrogen bonds which form easily removable and reshapable agglomerates with one another.
  • the so-called aerogels which result from evaporation of the solvent from a gel body, can also be used as solid bodies. In this case, the nematic phase is introduced by capillary forces, displacing the air.
  • polyamides and polysaccharides are preferred.
  • the solids used in the invention are distinguished in that they have groups with active hydrogen atoms on their surfaces - that is the hydrogen of carboxy, hydroxyl, amino, imino and thiol bound to N, O or S Groups - have.
  • the number of groups can be quantitatively determined volumetrically by treating the solid with Zeriwitinoff reagent or - as in the case of the highly disperse silicas - with lithium aluminum hydride.
  • the surface of the solids is generally measured using the known BET method.
  • the volume fraction of the solid in the volume of the nematic Medium can be between 0.2 and 50 vol.%, Preferably it is between 2 and 5 vol.%
  • the reason for the stability of the different orientation patterns is possibly to be found in the fact that, due to a relatively strong interaction between the surface of the solid and the molecules in the nematic phase, forces which are generated by external influences on the solid be transmitted. In this way, areas of the solid body could be separated from one another at the points which are only connected to one another by hydrogen bonds. A new linkage of these bonds at other points on the solid surface, which is energetically more favorable for the system, could thus lead to the observed stable local orientation patterns due to the resulting orienting effect on the nematic phase.
  • other explanations are also possible.
  • the orientation in the nematic medium is referred to as homeotropic if the preferred direction of the molecular orientation, generally with the so-called director (Vertogen,
  • REPLACEMENT LEAF de Jeu Thermotropic Liquid Crystals, Fundamentals, Springer Verlag 1988
  • a planar orientation is characterized by a director lying parallel to the plate surface.
  • stable local orientation patterns with a single director or those that have different directors in partial volumes can be generated.
  • local orientation patterns with a uniform director are considered to be predominantly planar if the latter has an angle of attack relative to the plane of the plate of 0 ° to 45 ° and predominantly homeotropic if it has such an angle of more than 45 ° to 90 °.
  • the transparent plates of the electro-optical display element according to the invention generally consist of glass and are provided on their inner sides with transparent electrodes including leads made of tin / indium oxides (ITO), as is the state of the art for TN cells.
  • ITO tin / indium oxides
  • the liquid-crystalline medium can be brought in sufficient quantity onto the electrode side of one plate and then the second plate can be pressed on in such a way that an air-bubble-free layer is formed.
  • the plate spacing adapted to the respective application can be set in this production method known to the person skilled in the art under the name of folding technique by means of transparent spacers added to the medium or edge layers previously applied to the plates.
  • the through Technically adjustable layer thickness is very variable and is preferably between 2 and 30 ⁇ m.
  • the nematic medium can also be embedded in droplet form in a polymeric material.
  • the voltage applied to the electrodes for the selective process of change can be direct or alternating voltage.
  • auxiliary voltages of different frequencies can be applied. This applies in particular when using the known nematic 2-frequency mixtures, for which a ⁇ S> 0 below the so-called cross-over frequency and ⁇ e ⁇ 0 above it.
  • the auxiliary voltages are below the formation voltage explained below and depend, inter alia, on the type and layer thickness of the nematic medium in which the solid is present.
  • This auxiliary voltage in the form of a direct or alternating voltage is sufficient for generating a new local orientation pattern, provided that the selected area of the data memory is exposed to strong electromagnetic radiation (for example by a laser beam).
  • the auxiliary voltage has a minimum value (referred to here as a threshold voltage), which is usually between 3 and 10 V rms and depends on the type and layer thickness of the nematic medium and the intensity of the electromagnetic radiation.
  • a threshold voltage usually between 3 and 10 V rms and depends on the type and layer thickness of the nematic medium and the intensity of the electromagnetic radiation.
  • the entire memory can be converted into the homeotropic state by deleting all of the areas described, provided that the forming voltage, which is usually between 5 and 5, is applied to the electrodes of the memory
  • E and 250 V eff is, and .DELTA.C the nematic phase> 0.
  • This formation voltage depends on the type and the layer thickness of the medium and can, if necessary. to be determined in more detail.
  • High-energy electromagnetic rays which are bundled in particular, are used to write data into the memory according to the invention.
  • Laser light is preferred.
  • the wavelength of the incident electromagnetic radiation which strikes an area of the data storage device during an erasure process, which is defined within the invention as a change in the local orientation pattern, can fluctuate within wide limits. Areas of radiation which lie in the infrared, in the visible and in the ultraviolet are suitable.
  • the semiconductor laser sources which emit wavelengths of 650 to 90 nm are particularly suitable.
  • the minimum energy density of the electromagnetic radiation for the change is 0.01 to 10 nJ / ⁇ m 2 , preferably 0.1 and in particular 1 nJ / ⁇ m 2 .
  • the time within which the energy is radiated into the surface element to be changed is less than 5 ms, preferably less than 0.5 ms. If the radiation power is sufficiently high, single-beam times below 1 ⁇ can also be achieved.
  • the speed of the change process can be increased with the same laser line if laser light is absorbed by a dye.
  • the dye can be either dissolved in the nematic phase, chemically linked to the solid or be in a thin layer on the inside or outside of a plate. In many cases, the absorption of the laser light by the ITO layer is sufficient. Possibly, the sudden thermal expansion releases hydrogen bonds between solid particles or areas within a solid framework.
  • a Mainly homeotropic molecular alignment This occurs in nematic media with ⁇ S> 0 with sufficiently high auxiliary voltages. This area appears transparent in natural light.
  • REPLACEMENT LEAF C Planar molecular alignment, which is characterized by a preferred direction of the molecular longitudinal axes lying parallel to the plate planes. Your direction within this level is determined by the rubbing direction on the pretreated
  • planar alignment is facilitated by an electrical auxiliary voltage on the plates when ⁇ € ⁇ 0.
  • an optical data memory is considered to be selectively changeable if at least one of the two stable orientation patterns involved is used to generate laser light and electrical voltage at the same time.
  • the optical properties of the changeable local orientation patterns can be varied within wide limits.
  • the director can be adjusted in very different directions by selecting the voltage, intensity of the laser beam and pretreating the surface of the plate.
  • the scattering state can be modified by the choice of the intensity of the laser, so that the
  • Directors in the partial volumes of the local orientation pattern are not randomly oriented, but have a preferred direction, as a result of which natural light that is transmitted through is less scattered than in the case of random orientation. As a result, the display is when the information is read out of grayscale possible.
  • Information can be written into or changed in the optical data storage device with constant or modulated electric voltage and strength and frequency and with constant or modulated laser light in intensity and polarization direction.
  • the achievable contrast of the optical data memory is significantly higher than the value of 10 given for bistable S A phases.
  • the changeable local orientation patterns on which the present invention is based can be written in punctually or continuously. They can be distinguished from their surroundings in the optical data memories because of their optical properties - for example the intensity of the light scattered from a reading beam or the change in the polarization state of the polarized light - and thus represent the information.
  • the optical properties of the local orientation pattern can be changed in steps by choosing both the duration and intensity of the laser irradiation and also by the applied voltage, so that ⁇ og.
  • Grayscale e.g. can be set for use as a projection display or for non-binary data storage.
  • the optical data memory according to the invention can be used as a display by changing the orientation pattern by illuminating with a separate light source, which itself does not cause a change in the orientation pattern, e.g. B. a white light source is made visible.
  • Figure 1 is a schematic diagram of a data memory
  • FIG. 2 shows a section of the memory (dashed circle in FIG. 1) in a perspective top view
  • an optical data memory is shown at 10, which can be selectively written and / or deleted or changed.
  • This data memory 10 has a liquid crystal display 12 which is explained in more detail in FIG. It consists of two transparent plates 14 and 16, which are usually designed as glass plates. These plates 14 and 16 are each coated on the inside with a transparent electrode - coated in the usual way according to ITO technology - as explained above. These electrodes are also transparent.
  • the nematic medium 22 is located between the electrodes 18 and 20 and can be selectively written to or selectively erased.
  • the electrodes 18 and 20 are connected via electrical lines 24 and 24b to a first voltage source 26 and via lines 28a and 28b to a second voltage source 30.
  • the optical data memory 10 furthermore has a source for laser light 32, which generates a light beam 34.
  • a modulation unit 36 is arranged in the light path of the light beam 34, with which the light intensity can be modulated to set different gray levels.
  • a lens unit 38 with which the laser beam can be focused or imaged on the nematic medium via a mirror system 40.
  • This mirror system 40 consists of a first mirror 42 and a second mirror 44, which can deflect the light beam 34 in the x or y direction.
  • these mirrors 42 and 44 are each connected to a drive unit 46 and 48, which are each able to rotate the mirror plane by a predetermined angle.
  • a control unit 50 is provided, which is connected to an input unit 54 via an input line 52.
  • a first control line 56 to which the modulation unit 36 is connected, goes from the control unit, a second control line 58, to which the first drive unit 46 is connected, a third control line 60, to which the second drive unit 48 is connected, a fourth control line 62 , to which the first voltage source 26 is connected, and a fifth control line 64, to which the second voltage source 30 is connected.
  • the control unit 50 issues its commands for activation or deactivation via the control line 56-64 and can be programmed accordingly via the input unit 54.
  • the control unit 50 is advantageously designed in the form of a microprocessor.
  • the data memory 10 is operated in the following way:
  • the first voltage source 26 is activated, which is usually between 50 and 200 V eff .
  • This voltage source is thus designed as a forming voltage source which converts all liquid crystal molecules into a predetermined preferred position, the molecular planes being aligned parallel to the field direction. In this respect, all molecules are then parallel to the direction of the field, so that the memory 12 appears transparent when irradiated with a light source, not shown.
  • the laser source 32 is activated and the laser beam 34 generated in the x and y directions by means of the mirrors 42 and 44, which in a predetermined manner by the drive units 46, 48 via the Control unit 50 are set, deflected on the display 12.
  • both the voltage source 26 and the voltage source 30 remain in the non-activated state.
  • the second voltage source 30 is activated via the control line 64 by the control unit 50, the voltage being set as the second voltage being considerably lower than the forming voltage. In the example, it is around 10-20 V e ff .
  • the two mirrors 42 and 44 are set to the selected point.
  • the laser source 32 generates an energy pulse via the modulator 36.
  • the initially predominant orientation is presumably changed by releasing hydrogen bonds between solid particles or regions within a solid body.
  • the second voltage source is active, which emits a voltage above the threshold voltage, the molecules of the nematic phase reorient in the electric field. Because of the interaction between these molecules and the Solid surface is probably also realigned the solid particles.
  • the solid By linking hydrogen bridges, the solid is rearranged and thus the molecular orientation specified by the field is fixed.
  • the starting orientation can be generated again by a sufficiently high voltage, which is, however, clearly below that given by 26. Since the local orientation pattern in this state is no longer light-guiding, the corrected point disappears from the pattern 66.
  • the voltage applied by the second voltage source is so small that the pattern itself or parts thereof are not changed without irradiation from a laser light source. If one now wants to completely delete the entire pattern, the increased formation voltage is required, which is only applied by the first voltage source 26.
  • the lines 24a, b and 28a, b can be combined to form a line pair, the two voltage sources 26 and 30 either being combined or having a line branch.
  • Laser source 32 and modulator 30 can be directly modulated by a light source, e.g. B. a semiconductor laser can be replaced.
  • the electrode 16 facing away from the laser beam 34 is a reflective layer.
  • REPLACEMENT BUTT a device made of disk-shaped plates is rotated under a light source and the beam is changed in a new coordinate.
  • this data storage is carried out with a beam from a semiconductor source (power 9 mW, beam diameter 50 ⁇ m, wavelength 780 nm, irradiation time 0.3 ms) via a computer-controlled mirror system in dense sequence of points or continuously with local orientation patterns, which are characterized by a predominantly homeotropic molecular orientation.
  • a computer-controlled mirror system in dense sequence of points or continuously with local orientation patterns, which are characterized by a predominantly homeotropic molecular orientation.
  • the data Memory has been homeotropically aligned over the entire surface and is ready for inputting information.
  • An identical initial state can be achieved by briefly applying a voltage of 100 V ef (sinusoidal form, 500 Hz).
  • a device produced in the manner shown in Example 1 contains a neic medium from the nematic ester mixture ZLI 2461 (E. Merck) with a ⁇ of +2.0 at 400 Hz and a ⁇ . of -1.9 at 20 kHz and in its dispersed precipitated silica FK 310 (Degussa AG) with a density of the silanol groups on the surface of about 6 per nm 2 and a BET surface area of 650 m 2 / g, the proportion of the solids is 2.0% by volume.
  • the distance between the electrodes is 14 ⁇ m.
  • the inside of the plates are each provided with a thin orientation layer of a polyimide with a parallel rubbing direction (see Sage in Thermotropic Liquid Crystal, John Wiley & Son, 1987, p. 76).
  • a voltage of 250 V eff 400 Hz
  • the entire device is brought into a transparent state characterized by a homeotropic orientation.
  • Ar laser ⁇ 514 nm, 1 MW / cm 2

Abstract

Ein selektiv veränderbarer optischer Datenspeicher (10) weist ein Flüssigkristalldisplay (12) mit einem nematischen Medium (22), das aus einer nematischen Phase und einem in ihr verteilten Festkörper besteht, einen erste Spannungsquelle (26), eine zweite Spannungsquelle (30) und einen modulierbaren Laser (32) auf. Mit der ersten Spannungsquelle (26) kann das gesamte Display in den homöotropen Zustand durch die Erzeugung einer Formierungsspannung überführt werden. Mit dem Laser (32) kann ein Orientierungsmuster im Display (12) erzeugt werden, das zumindest partiell durch Anlegen der Schwellenspannung und gleichzeitiges Bestrahlen mit dem Laser (32) gelöscht bzw. geändert werden kann.

Description

Selektiv veränderbarer optischer Datenspeicher
Beschreibung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Veränderung von lokalen Orientierungsmustern in einem selektiv veränderbaren Datenspeicher sowie einen 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 Eigen¬ schaften von s ektischen 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 Projektionε- display mangelhafte Kontrast.
Die Realisierung stabiler unterschiedlicher Orientierungs¬ zustände, ohne die Aufrechterhaltung äußerer Felder, ist mit nematischen Flüssigkristallen bisher nur durch Einbau eines hochdispersen Feststoffes (EP 91 117 274, DE 40 41 682) ge¬ lungen. 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 Orien¬ tierungsschicht einer sog. verdrillten nematischen Zelle (Barberi et al., Proc. IEEE 1991, S. 186) gelungen, zwei stabile Orientierungszustände zu erreichen. Daneben ist die
ERSATZB Bistabilität verschiedener Texturen der cholesterischen Phase , die durch Dotieren einer nematischen Phase mit optisch aktiven Verbindungen entsteht, mit Hilfe eines poly eren 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 einge¬ schriebene Information durch Anlegen einer Spannung an die großflächigen Elektroden gelöscht wird.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine einfache optische Vor¬ richtung zu finden, die es gestattet, eine in ein ne atisches 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.
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 Hilfs- spannung und gleichzeitiges Einstrahlen elektromagnetischer Energie hoher Intensität, z.B. 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 Infor mation 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 flüssigkristal¬ linen Mediums einsetzbaren Flüssigkristalle können nieder¬ molekular oder polymer sein. Vorzugsweise sind sie nieder¬ molekular. Sie können aus einzelnen Verbindungen oder Mischungen nematogener Verbindungen bestehen. Solche Ver¬ bindungen sind allgemein bekannt (vgl. D. Demus, H. Zaschke, Flüssige Kristalle in Tabelle Bd. I (1974) und Bd. II (1984) , Leipzig) . Bevorzugt sind Verbindungen der allgemeinen Formel I
Rι-A1-Z1-(A2-Z2-) n-A3-R2 I, worin
Rx 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 -0-, -C0-,
-COO-, -OOC- oder -0C00- so ersetzt sein können, daß O-Atom nicht direkt miteinander verknüpft sind, H, Halogen, -CN,
-CF3, -OCHF2, -OCF3 oder -NCS,
Ai, A2, A3 jeweils unabhängig voneinander einen unsubstituierten oder mit -CN oder mindestens einem F-Atom substituierten trans-l,4-Cyclohexylen-Rest, worin auch ein oder mehrere nicht benachbarte CH2-Gruppen durch -0- und/oder -S- ersetz 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
ERSATZBLAT 1,4-Bicyclo[2.2.2]octylen-Rest oder einen l,3-Bicyclo[l.l.l]pentylen-Rest,
Zi, Z2 jeweils unabhängig voneinander
-COO-, -OOC-, -CH20-, -OCH2-, -C C-, -CH=CH-, CH2CH2- oder die Einfachbindung
n
0, 1 oder 2 bedeuten.
Eng verwandt mit der nematischen Phase ist die cholesteri- sche 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 Erfin¬ dung 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 erfindungsmäßigen elek- trooptischen Datenspeichern erreichbare, z.B. zur Darstel¬ lung von Bildern erforderliche Unterschied der Lichtdurch¬ lässigkeit, unwesentlich von der Anpassung des Brechungs- indices 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 Streu¬ ung, ein hoher Wert für die optische Anisotropie ΔΠ der nematischen Phase vorteilhaft.
Die dielektrische Anisotropie ΔC der eingesetzten nema¬ tischen Phasen kann ein positives Vorzeichen oder ein negatives Vorzeichen haben. Im ersten Falle liegt die Vor- zugsrichtung der Moleküle parallel zum angelegten elektri¬ schen Feld, im zweiten senkrecht dazu. Für eine möglichst niedrige Betriebsspannung sind hohe Beträge für Δ€ vorteil¬ haft.
Die zur Herstellung des erfindungsmäßigen Mediums einge¬ setzte nematische Phase kann auch zur Erzeugung besonderer Farbeffekte Farbstoffe (vgl. R. Eidenschink, Kontakte 1984 (2) 25) gelöst enthalten. Der Zusatz von 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 Antioxi- dantien gelöst werden. Daneben können niedermolekulare oder polymere Verbindungen gelöst werden, welche die Wechsel¬ wirkungen 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 mecha¬ nisches Verteilen (etwa durch Rühren oder Ultraschallbe¬ handlung) in der nematischen Phase dispergiert werden. Daneben ist die Erzeugung von Netzwerken oder Teilchen aus organischem Material durch Polymerisation von in der nema¬ tischen Phase gelösten oder dispergierten präpolymeren Ver¬ bindungen möglich. Bevorzugt sind Festkörper, die an ihren Oberflächen Gruppen tragen, die Wasserstoffbruckenbindungen bilden können. Dies sind insbesondere solche Festkörper, die -OH- oder NH-Gruppen, etwa als molekulare Bausteine von Polyamiden, tragen. Besonders 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
ERSATZBLATT 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-, Tri ethylsilyl-, Dimethylsiloxan- oder auch zu Vernetzungsreaktionen fähige 3-Methacryloxypropyl-Gruppen ersetzt sind.
Zu den geeigneten Festkörpern zählen insbesondere auch thixotrope Stoffe, die über Wasserstoffbruckenbindungen 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 ge¬ bundene Wasserstoff von CarbOxy-, Hydroxy-, A ino-, 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, vorzugs¬ weise liegt er zwischen 2 und 5 Vol.%
Im übrigen wird auf die EP 91 117 274 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 vor¬ liegenden Erfindungen haben sich solche Wechselwirkungen erwiesen, die sich zwischen den genannten Festkörpern und nematogenen Verbindungen, deren Moleküle ein zur Wasser¬ stoffbrüc enbindung befähigtes Heteroatom enthalten, wie die Carbonitrile, Ether, Ester und Heterocyclen, bilden.
Der Grund für die Stabilität der verschiedenen Orientie¬ rungsmuster ist möglicherweise darin zu suchen, daß durch eine relativ starke Wechselwirkung zwischen der Festkörper- Oberfläche 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 Festkörperoberflache 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 Aus¬ richtung, die allgemein mit dem sog. Direktor (Vertogen,
ERSATZBLATT 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 Anstell¬ winkel 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 elektro- optischen 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 aus¬ reichender 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 poly eren 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 homöo- trope Ausrichtung charakterisiert ist.
Die für den selektiven Vorgang der Veränderung an den Elektroden liegende Spannung kann Gleich- oder Wechsel¬ spannung sein. Zur Erzeugung verschiedener lokaler Orientierungsmuster können insbesondere Hilfspannungen verschiedener Frequenzen angelegt werden. Dies gilt ins¬ besondere bei der Verwendung der bekannten nematischen 2-Frequenz-Miεchungen, für die unterhalb der sog. Cross- Over-Frequenz ein ΔS >0 und oberhalbderselben Δe <0 ist. Di Hilfsspannungen liegen unterhalb der nachstehend erläuterte Formierungsspannung und hängen u.a. von der Art und Schicht dicke des nematischen Mediums ab, in dem der Feststoff vor¬ liegt. Diese Hilfsspannung in Form einer Gleich- oder Wechselspannung reicht für die Erzeugung eines neuen lokale Orientierungsmusterε aus, sofern der ausgewählte Bereich de Datenspeichers einer starken elektromagnetischen Strahlung (beispielsweise durch einen Laserstrahl) ausgesetzt wird. Die Hilfsspannung hat einen Mindestwert (hier als Schwellen spannung bezeichnet) , der üblicherweise zwischen 3 und 10 Ve f f liegt und von Art und Schichtdicke des nematischen Mediums und der Intensität der elektromagnetischen Strahlun 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 über¬ führt werden, sofern an die Elektroden des Speichers die Formierspannung angelegt wird, die üblicherweise zwischen 5
E und 250 Veff liegt, und ΔC 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 Löεchvorganges, der innerhalb der Erfindung als Veränderung des lokalen Orientierungs- muεterε definiert ist, auf einen Bereich der Datenspeicher trifft, kann innerhalb weiter Grenzen schwanken. Geeignet sind Bereiche der Strahlung, die im Infraroten, im Sicht¬ baren und im Ultravioletten liegen. Besonders geeignet sind die Halbleiterlaserquellen, die Wellenlängen von 650 bis 90 nm aussenden. Die Mindestenenergiedichte der elektro¬ magnetischen Strahlung für die Veränderung liegt bei 0,01 bis 10 nJ/μm2, vorzugsweise 0,1 und insbeεondere 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 με erzielt werden.
Durch den Einstrahlung erfolgt eine schnelle lokale Erwärmung. Diese reicht in den meisten Anwendungsfällen nicht zur Erwärmung des nematischen Mediumε über die Umwandlungεtemperatur zur isotropen Phase auε. Die im nematiεchen 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 smektischen Phasen (SA# SB, Sc) herbeigeführt wird. Von der Erfindung sind deshalb auch solche Datenspeicher erfaßt, die zur Änderung eines lokalen Orientierungsmuεterε im Exiεtenzbereich der nematiεchen Phaεe eines festkörperhalteigen nematischen Mediumε gleich¬ zeitig einer Laserstrahlung ausgeεetzt εind und an einer elektriεchen Spannung liegen, die aber im Existenzbereich einer εmektischen Phase ausgeleεen werden.
Die Geεchwindigkeit deε Veränderungsvorgangs kann bei gleicher Laserleiεtung erhöht werden, wenn durch einen Farbstoff Laserlicht absorbiert wird. Der Farbstoff kann sowohl in der nematischen Phase gelöst εein, chemisch mit dem Festkörper verknüpft sein oder sich in einer dünnen Schicht auf der Innen- oder Außenseite einer Platte befinden. In vielen Fällen genügt die Absorption des Laεer-Lichtes durch die ITO-Schicht. Möglicherweise werden durch die plötzliche thermische Ausdehnung Wasser- stoffbrückenbindungen zwischen Festkörperteilchen oder Bereichen innerhalb eines Festkörpergerüsteε gelöst.
Die Wahl von Frequenz und Höhe der Spannung einerseits und der Intensität und auch Polarisationεrichtung deε Laser¬ lichtes andererseits machen im Bereich der Lasereinstrahlung verschiedene lokale Orientierungsmuster möglich:
A Vorwiegend homöotrope molekulare Ausrichtung. Diese entsteht in nematiεchen Medien mit ΔS>0 bei auεreichend hohen Hilfεεpannungen. Dieεer Bereich erεcheint im natürlichen Licht tranεparent.
B Zufällige Ausrichtung in kleinen Volumina des Mediums. Dieses Muster entsteht in allen nematischen Medien bei abgeschalteter Hilfsεpannungεqelle oder bei Spannungen unterhalb der Schwellenspannung. Dieser Bereich erscheint im natürlichen Licht stark 1ichtεtreuend.
ERSATZBLATT C Planare molekulare Ausrichtung, die durch eine parallel zur den Plattenebenen liegende Vorzugε- richtung der Moleküllängsachsen gekennzeichnet ist. Ihre Richtung innerhalb dieser Ebene wird durch die Reibrichtung auf den vorbehandelten
Platten uriä/oder durch die Schwingungεrichtung deε E-Feldes des Laserlichtes bestimmt.
Die Ausbildung der planaren Ausrichtung wird durch eine an den Platten liegende elektriεche Hilfsspannung erleichtert, wenn Δ€<0 iεt.
Die Wahl zwischen mehr als zwei grundsätzlich verschiedenen Orientierungsmuεtern (A , B und C) in einem punktfόr igen Bereich der Datenspeicher erlaubt prinzipiell bei geeigneter Unterscheidungsmöglichkeit der Auslesevorrichtung eine erhöhte Informationsdichte in Datenspeichern.
In der vorliegenden Erfindung gilt ein optischer Daten¬ speicher als εelektiv veränderbar, wenn zur Erzeugung mindeεtens einer der beiden beteiligten stabilen Orientierungsmuster Laεerlicht und elektriεche Spannung gleichzeitig angewendet werden.
Die veränderbaren lokalen Orientierungεmuster können in ihren optischen Eigenschaften in weiten Grenzen variiert werden. So kann der Direktor durch Wahl der Spannung, Intenεität des Laserεtrahles und Vorbehandlung der Platten¬ oberfläche in sehr verschiedenen Richtungen eingestellt werden. Der streuende Zustand kann durch die Wahl der Intensität des Laserε modifiziert werden, εo daß die
Direktoren in den Teilvolumina des lokalen Orientierungε- musters nicht zufällig ausgerichtet εind, sondern eine Vorzugsrichtung haben, wodurch durchfallendes natürliches Licht weniger gestreut wird als bei zufälliger Ausrichtung. Hierdurch ist beim Ausleεen der Information die Darstellung von Graustufen möglich.
Das Einschreiben oder Verändern von Information in die optischen Datenspeicher kann bei konεtanter oder in Stärke und Frequenz modulierter elektriεche Spannung und bei konstantem oder in Intensität und Polarisierungsrichtung moduliertem Laserlicht erfolgen.
Der erreichbare Kontraεt deε optiεchen Datenspeichers liegt mit einem Wert von 50 bis 100 deutlich höher als der für bistabile SA-Phaεen angegebene Wert von 10.
Die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegenden veränder¬ baren lokalen Orientierungεmuεter können punktförmig oder kontinuierlich eingeschrieben werden. Sie sind in den optischen Datenspeichern von ihrer Umgebung wegen ihrer op¬ tischen Eigenschaften - etwa der Intensität des aus einem Lesestrahl herausgeεtreuten Lichteε oder der Änderung deε Polarisationszustandes des polarisierten Lichteε - unter¬ scheidbar und stellen somit die Information dar. Die optischen Eigenεchaften der lokalen Orientierungsmuster können durch Wahl sowohl der Dauer und Intensität der Laserbeεtrahlung als auch durch die angelegte Spannung in Stufen verändert werden, εo daß εog. Graustufen z.B. für de Gebrauch als Projektionsdisplay oder für nichtbinäre Datenspeicher eingestellt werden können.
Der erfindungsge äße optische Datenεpeicher kann als Displa verwendet werden, indem die Veränderung der Orientierungε- muεter durch Beleuchtung mit einer εeparaten Lichtquelle, die εelbεt keine Veränderung der Orientierungεmuεter hervor ruft, z. B. einer Weißlichtquelle, εichtbar gemacht wird.
Die folgenden Beispiele sollen die Erfindung erläutern, ohn sie zu begrenzen. Vor- und nachstehend bedeuten ΔΠ optische Anisotropie bei 20°C, Δe dielektrische Anisotropie bei 20°C, d Dichte in g/cm3, Veff Effektivεpannung in Volt, λmax
ERSAT Wellenlänge maximaler Abεorption,
Beispiel 1
In der Zeichnung iεt ein Beiεpiel eineε selektiv veränder¬ baren optischen Datenspeichers gezeigt.
Es zeigen:
Figur 1 ein Prinzipschaltbild eines Datenspeichers und
Figur 2 einen Ausεchnitt deε Speicherε (ε. geεtrichelter Kreis in Figur 1) in perspektivischer Draufsicht
In Figur 1 ist mit 10 ein optischer Datenεpeicher gezeigt, der εelektiv beεchrieben und/oder gelöscht bzw. verändert werden kann.
Dieser Datenspeicher 10 weist ein Flüsεigkristalldiεplay 12 auf, das in Figur 2 näher erläutert iεt. Es besteht aus zwei transparenten Platten 14 und 16, die üblicherweise alε Glaε- platte 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 24 und 24b mit einer ersten Spannungsquelle 26 und über die Leitungen 28a und 28b mit einer zweiten Spannungεquelle 30 verbunden. Der optische Datenspeicher 10 weist weiterhin eine Quelle für Laserlicht 32 auf, die einen Lichtεtrahl 34 erzeugt. Im Lichtweg deε Lichtεtrahlε 34 iεt eine Modulationεeinheit 36 angeordnet, mit der die Lichtintenεität 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 fokuεεiert bzw. abgebildet werden kann.
Dieεeε Spiegelεyεtem 40 besteht aus einem ersten Spiegel 42 und einem zweiten Spiegel 44, die den Lichtεtrahl 34 in x- bzw. y-Richtung ablenken können. Hierzu sind diese Spiegel 42 und 44 jeweilε mit einer Antriebεeinheit 46 und 48 ver¬ bunden, die die Spiegelebene jeweilε um einen vorbeεtimmten Winkel zu drehen vermögen.
Weiterhin iεt eine Steuereinheit 50 vorgeεehen, die über eine Eingabeleitung 52 mit einer Eingabeeinheit 54 verbunde iεt. Von der Steuereinheit geht eine erεte Steuerleitung 56 mit der die Modulationseinheit 36 verbunden ist, eine zweit Steuerleitung 58, mit der die erste Antriebseinheit 46 ver¬ bunden ist, eine dritte Steuerleitung 60, mit der die zweit 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:
ERSATZBLATT Zunächst wird die erste Spannungsquelle 26 aktiviert, die üblicherweise zwischen 50 und 200 Veff liegt. Diese Spannungsquelle ist somit alε Formierungεspannungsquelle auεgeεtaltet, die sämtliche Flüεsigkristallmoleküle in eine vorbeεtimmte bevorzugte Poεition überführt, wobei die Molekülebenen parallel zur Feldrichtung auεgerichtet werden. Insofern stehen dann sämtliche Moleküle parallel zur Feldrichtung, so daß der Speicher 12 bei Bestr'ahlung mit einer nicht gezeigten Lichtquelle, tranεparent erscheint.
Um nun ein beεtimmteε Datenmuεter in das Display 12 einzu¬ schreiben, 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 einge¬ stellt werden, auf dem Display 12 abgelenkt. Dies führt zu dem auf dem Speicher 12 beispielhaft dargestellten Muster 66. Während der Aktivierung des Laserlichtε 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 Ve ff. Die beiden Spiegel 42 und 44 werden auf den ausgewählten Punkt eingestellt. Die Laεerquelle 32 erzeugt über den Modulator 36 einen Energieimpulε. Hierdurch wird die anfänglich vorherrschende Orientierung vermutlich durch Lösen von Wasserstoffbrücken zwischen Festkörperteilchen oder Bereichen innerhalb eines Festkörpergerüεteε 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 Feεtkörperoberfläche werden vermutlich auch die Festkörper- teilchen neu ausgerichtet. Durch eine Knüpfung von Wasser¬ stoffbrücken 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 Orientierungεmuεter in dieεem Zuεtand nicht mehr lichtεtreuend εind, erεchwindet der korrigierte Punkt aus dem Muster 66.
Die von der zweiten Spannungsquelle aufgebrachte Spannung ist jedoch εo klein, daß ohne Einstrahlung durch eine Laser¬ lichtquelle das Muster selbεt bzw. Teile hierauε nicht verändert werden. Will man nun daε geεamte Muεter völlig löεchen, εo bedarf es der erhöhten Formierungsεpannung, die nur durch die erεte Spannungεquelle 26 aufgebracht wird.
Im übrigen können die Leitungen 24a, b und 28a, b zu einem Leitungεpaar zuεammengeεetzt εein, wobei die beiden Spannungεquellen 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 deε erfindungεmäßigen εelektiv veränderbaren Datenεpeicherε 10 iεt die dem Laserstrahl 34 abgewandte Elektrode 16 eine reflektierende Schicht.
Beispiel 3
Eine weitere Ausführungsform beεteht darin, daß zur Generierung und Veränderung von lokalen Orientierungεmuεter
ERSATZBUTT 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), beεtehend aus mehreren Benzonitrilen der Formel I (d= 0,98, ΔΠ=0,14, Δe=+10,3) werden 0,010 g des Farbstoffeε SC 1515 der BASF, Ludwigεhafen (λmax =769 nm) gelöst. Diese neue nematische Phase und 0,080 g der hydrophoben hochdispersen Kieselsäure R812 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 Feεtεtoffanteil von 3,7 Vol.% wird auf eine mit einer Indium/Zinn-Oxid beschichtete Glasplatte gegeben, die zuvor mit käuflichen zylinderförmigen Spacern aus Glasfaεern mit 2,5 μm Durchmeεser bestäubt worden ist (etwa 10 Spacer pro cm2) . Hierauf wird eine gleiche Platte gedrückt. Durch vor¬ sichtiges Hin- und Herbewegen wird sichergestellt, daß der Abstand von 2,5 μm erreicht wird. Nach Abstreifen des über¬ stehenden 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 Veff) mit einem Strahl auε einer Halb¬ leiterquelle (Leistung 9 mW, Strahldurchmesser 50 μm, Wellenlänge 780 nm, Bestrahlungszeit 0,3 ms) über ein computergeεteuertes Spiegelsystem in dichter Punktfolge oder kontinuierlich mit lokalen Orientierunsmuεtern, die durch eine vorwiegend homöotrope molekulare Ausrichtung gekenn¬ zeichnet sind, versehen. Auf diese Weise ist der Daten- Speicher ganzflächig homöotrop auεgerichtet worden und bereit zum Eingeben einer Information. Ein gleicher Aus¬ gangszustand kann durch kurzzeitiges Anlegen einer Spannung von 100 Ve f (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 au vielen lokalen Orientierungε uεtern, die durch eine zufällige, εtark lichtstreuende molekulare Ausrichtung gekennzeichnet sind, geschrieben. Diese stabile Informatio wird selektiv dadurch verändert, daß bei angelegter Spannun (15 Ve f ) einzelne Bereiche von lichtstreuenden lokalen Orientierungsmuεtern durch eine kurze Laεereinεtrahlung (12 mW Leistung, sonst wie oben) in vorwiegend homöotrop auεgerichtete Bereiche umgewandelt werden, die ebenfallε nach Abschalten der Spannung erhalten bleiben. Die Vorgänge des Einschreibens und der Veränderung εind beliebig oft wiederholbar.
Beiεpiel 5
Eine in der in Beiεpiel 1 gezeigten Weise hergestellte Vorrichtung enthält ein ne atisches Medium auε der nematischen Ester-Miεchung ZLI 2461 (E. Merck) mit einem Δ€ von +2,0 bei 400 Hz und einem Δ. von -1,9 bei 20 kHz und in ihr dispergierter Fällungs-Kieεelεäure FK 310 (Degussa AG) mit einer Dichte der Silanolgruppen auf der Oberfläche von etwa 6 pro nm2 und einer BET-Oberflache von 650 m2/g, wobei der Anteil des Feststoffeε 2,0 Vol.% beträgt. Der Abstand der Elektroden ist 14 μm. Die Innenseiten der Platten εind mit je einer dünnen Orientierungεεchicht eineε Polyimids mi paralleler Reibrichtung (vgl. Sage in Thermotropic Liquid Crystalε, John Wiley & Sonε, 1987, S. 76) versehen. Durch kurzzeitiges Anlegen einer Spannung von 250 Veff (400 Hz) wird die gesamte Vorrichtung in einen transparenten, durch eine homöotrope Ausrichtung charakterisierten Zustand gebracht. Mit einem Ar-Laser (λ 514 nm, 1 MW/cm2) wird bei
ERSATZBUTT anliegender Spannung von 70 Veff (20 kHz) eine aus vielen Punkten (2 bis 25 μm Durchmesser) bestehende Information eingeschrieben, die nach Beendigung der Laεereinεtrahlung und Abεchalten 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 Ve f f (400 Hz) durch eine gleichartige Laserein- εtrahlung in εolche mit einer vorwiegend homöotropen Auε- richtung umgewandelt, ohne daß εich die optischen Eigen¬ schaften der nichtbestrahlten Fläche der Vorrichtung wesent¬ lich änderten. Die selektive Veränderung von planarer zu homöotroper und umgekehrt von homöotroper zu planarer Ausrichtung kann beliebig oft wiederholt werden.

Claims

Patentanεprüche:
1. Selektiv veränderbarer optischer Datenspeicher, auf- weiεend zwei Platten, von denen mindeεtenε eine tranεparent ist und die auf ihren Innenseiten Elektroden tragen, ein zwischen den Platten befindliches nematischeε Medium auε einer nematiεchen Phase und einem in ihr verteilten Fest¬ körper sowie eine Spannungsquelle, mit der eine Spannung an die Elektroden anlegbar iεt, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungεquelle im eingeεchalteten Zustand eine Hilfs- εpannung erzeugt, die allein die vorgegebenen lokalen Orientierungεmuεter deε Datenspeichers nicht verändern kann, und daß eine Quelle intensiver elektromagnetiεcher Strahlung vorgeεehen ist, die bei anliegender Hilfsεpannung in einem vorbeεtimmten Bereich deε Datenεpeichers ein vorgegebenes lokales Orientierungsmuster in ein anderes überführt.
2. Optischer Datenspeicher nach Anspruch 1, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß die Spannungεquelle eine Hilfεεpannung von mindestens 3 bis 10 Ve f abgibt.
3. Optiεcher Datenspeicher nach Anspruch 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Quelle für die elektromagnetische Strahlung einer Laserlichtquelle ist.
4. Optischer Datenspeicher nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vorrichtung vorgesehen ist, die den elektromagnetischen Strahl auf einen vorbestimmten Bereich des Datenspeichers lenkt.
5. Optischer Datenspeicher nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Feεtkörper im weεentlichen auε anorganiεchem Material beεteht.
6. Optischer Datenspeicher nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Festkörper im
ERSATZBLATT wesentlichen aus hochdisperεer Kieεelεäure beεteht.
7. Optischer Datenspeicher nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Festkörper im wesentlichen auε hydrophobisierter hochdisperser Kieselεäure beεteht.
8. Optischer Datenεpeicher nach einem der vorangehenden Anεprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Veränderung deε lokalen Orientierungεmuεters in der nematischen Phase mit dem Übergang von einer zufälligen, lichtstreuenden in eine homöotrope Orientierung verbunden ist.
9. Optischer Datenspeicher nach einem der vorangehenden * Anεprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Veränderung deε lokalen Orientierungεmuεterε in der nematiεchen Phase mit dem Übergang von einer homöotropen Orientierung in eine planare Orientierung verbunden ist.
10. Optischer Datenspeicher nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Veränderung des lokalen Orientierungsmusters in der nematischen Phase mit dem Übergang von einer zufälligen, lichtstreuenden in eine planare Orientierung verbunden ist.
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