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
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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
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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
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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,
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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
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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.
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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:
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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
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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.