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Dokumentenidentifikation DE60125758T2 31.10.2007
EP-Veröffentlichungsnummer 0001285308
Titel ELEKTRISCH SCHALTBARER POLYMERFLÜSSIGKRISTALL UND DOPPELBRECHENDE POLYMERFLOCKE IN FLUIDEM WIRTSSYSTEM UND DIESE BENUTZENDE OPTISCHE VORRICHTUNGEN
Anmelder The University of Rochester, Rochester, N.Y., US;
Reveo, Inc., Elmsford, N.Y., US
Erfinder MARSHALL, L. c/o the Un. of Rochester, Kenneth, Rochester, NY 14627-0140, US;
KOSC, Z., Tanya, Rochester, NY 14623, US;
JACOBS, D., Stephen, Pittsford, NY 14534, US;
FARIS, M., Sadeg, Pleasantville, NY 10570, US;
LI, Le, Yorktown Heights, NY 10598, US
Vertreter WAGNER & GEYER Partnerschaft Patent- und Rechtsanwälte, 80538 München
DE-Aktenzeichen 60125758
Vertragsstaaten AT, BE, CH, CY, DE, DK, ES, FI, FR, GB, GR, IE, IT, LI, LU, MC, NL, PT, SE, TR
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 15.05.2001
EP-Aktenzeichen 019333442
WO-Anmeldetag 15.05.2001
PCT-Aktenzeichen PCT/US01/15614
WO-Veröffentlichungsnummer 2001088607
WO-Veröffentlichungsdatum 22.11.2001
EP-Offenlegungsdatum 26.02.2003
EP date of grant 03.01.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 31.10.2007
IPC-Hauptklasse G02F 1/17(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, EP

Beschreibung[de]
GEBIET DER ERFINDUNG

Die Erfindung bezieht sich auf elektrisch schaltbare Teilchenvorrichtungen, die ein System von Flocken oder Plättchen aus entweder polymeren Flüssigkristallen (PLC = polymer liquid crystals) oder doppelbrechenden Polymeren (BP = birefringent polymers) verwenden, und zwar suspendiert in einem flüssigen Hostmedium (Wirtsmedium). Die Vorrichtungen gemäß der Erfindung sind auf folgenden Gebieten verwendbar: Informationsanzeige, optische Informationsanzeigen, photonische (photonic) Anzeigen einschließlich aber nicht beschränkt auf reflektierende oder durchlässige Informationsanzeigen, die in der Lage sind Farbschaltungen (color switching) vorzunehmen und flexible Medien für die Informationsanzeige-Anwendungen auf entweder flachen oder gekrümmten Oberflächen (beispielsweise großflächige Zeichen), Automobilarmaturenbretter, aufrecht stehende Anzeigen (heads-up displays) und "elektronisches Papier". Die Erfindung sieht auch verbesserte schaltbare und abstimmbare Vorrichtungen für die Farbmanipulation vor (d.h. schaltbare oder abstimmbare Farbfilter), schaltbare und abstimmbare optische Verzögerungs- oder Modulationselemente für polarisiertes Licht mit den gewünschten Wellenlängen oder gewünschter Bandbreite, schalthare Mikropolarisierer, schaltbare "Smart Windows" entweder für Energie oder Persönlichkeitsüberwachung, schaltbare konforme Beschichtungen zur Verwendung in dekorativen Anwendungen und schaltbare Beschichtungen für Anwendungen auf dem Gebiet der militärischen Sicherheit, der Tarnung, der Oberflächenreflexionssteuerung, der Dokumentensicherheit, Antifälschung und Objektkennzeichnung und Identifikation.

HINTERGRUND

Ein beträchtlicher Forschungsaufwand wurde auf Technologien gerichtet für Informationsanzeigen, wie beispielsweise Flüssigkristallvorrichtungen, feldemittierende Vorrichtungen, Plasmavorrichtungen, und kürzlich auch auf Teilchen basierende Bildanzeigen. Auf Teilchen basierende Anzeigen, die ursprünglich vor 30–40 Jahren untersucht wurden, basieren auf der Bewegung Teilchen, die in einem Flüssig-Host-Medium suspendiert sind. Die Teilchen sprechen auf ein angelegtes elektrisches magnetisches Feld an, um entweder eine Änderung der Reflektivität oder der Farbe des einfallenden reflektierten Lichtes zu bewirken oder aber um den Polarisationszustand des durchgelassenen Lichtes zu modulieren oder zu ändern. Solche Effekte werden entweder durch die Translation oder Rotation der suspendierten Teilchen induziert und basieren auf dem physikalischen Phänomen, wie beispielsweise der magnetischen Polarisation, der Elektrophorese, der dielektrischen Polarisation oder auf anderen Formen von durch Strom induzierten Effekten. Das U.S. Patent 3 406 363 von C.R. Tate, ausgegeben am 15. Oktober 1968 beschreibt vielfach gefärbte (multicolored) "Mikromagnete" von unterschiedlicher magnetischer Stärke hergestellt aus Materialien, wie beispielsweise Bariumferrit in einem flüssigen Suspensionmedium und die Manipulation davon durch eine externe magnetische Kraft zur Erzeugung der Farbanzeigen. W.E. Haas et al beschreiben in U.S. Patent 4 067 387, ausgegeben am 28. Februar 1978, Metallflocken, wie beispielsweise aus Aluminium von < 325 Maschengröße (≈ 45 &mgr;m), und zwar dispergiert entweder in einem auf Wasser basierenden oder einem auf Kohlenwasser basierenden Ferrofluid, um eine reflektierende Anzeigevorrichtung, geschaltet durch einen Elektromagnet, zur Verwendung unter Umgebungslichtbedingungen aufzubauen. Zusätzlich beschreibt I. Ota im U.S. Patent 3 668 106, ausgegeben am 6. Juni 1972 eine elektrophoretische Anzeige oder Aufzeichnungsvorrichtung basierend auf geladenen Teilchen manipuliert durch ein elektrisches Feld, das die Vorrichtungsreflektivität ändert.

C.W. Jacob beschreibt in U.S. Patent 3 967 265 ausgegeben am 29. Juni 1976 eine Lichtführanzeige (light gating display) bestehend aus kleinen leitenden Teilchen (Aluminium oder Graphit) dispergiert in einer kontinuierlich zirkulierten dielektrischen Flüssigkeit. Die Vorrichtung des Jacob-Patents richtet sich auf die indirekte Anwendung eines elektrischen Feldes erzeugt durch selektive Beleuchtung eines integralen Photoleiters und arbeitet als ein Bildrelais oder ein Bildkonverter, abhängig vom Reflexions- oder Transmissionszustand. Jacob erwähnt, dass die Teilchendispersion ersetzt werden kann durch einen reinen teilchenfreien Flüssigkristallströmungsmittel-Host zur Erzeugung einer Vorrichtung, die in ähnlicher Weise arbeitet.

U.S. Patent 5 650 872, ausgegeben an R.L. Saxe und Andere am 22. Juli 1997 beschreibt eine "Suspended Particle Device" (SPD), die auf submikronen, anisometrischen, polarisierten Teilchen basiert, die dispergiert sind in einem Host- oder Wirtsmedium für die erforderliche Funktion. Anlegen eines elektrischen Feldes bewirkt, dass sich die Teilchen reorientieren. Zweifarbschaltung ist möglich, aber sehr große Zellenpfadlängen (125–825 &mgr;m) und hohe Treiberspannung (> 2000V) sind erforderlich und die Kontrastdifferenz zwischen Ein- und Auszuständen ist niedrig.

Kürzlich wurden auf Teilchen basierende Vorrichtungen, die Mikroeinkapselungstechniken verwenden als besonders interessant angesehen, und zwar zur Verwendung als neue Formen flexibler, wieder beschreibbarer, wieder verwendbarer elektronischer Speichermedien, die die Stelle von Zeitungen oder anderem gedruckten Material einnehmen könnten. Derartige papierartige Informationsspeichermedien, die elektronisch auf den neuesten Stand gebracht werden könnten, und zwar mittels des Internets oder anderer Quellen von gespeicherten Informationen könnten einen großen wirtschaftlichen Einfluss besitzen, und zwar infolge des breiten Anwendungspotentials und der Marktbereiche, an welche sich solch eine Vorrichtung wenden könnte. Diese Vorrichtungen bestehen aus einer Teilchen/Flüssighost-Dispersion, die selbst in einem Polymerfilm bildenden Material eingekapselt sind, um ein flexibles elektrisch adressierbares Blatt zu bilden mit bi-stabilen Schaltcharakterisitka, wobei dieses Blatt Text und graphische Bilder für lange Zweitperioden behalten kann.

In diesem Zusammenhang beschreiben die folgenden Patente: N.K. Sheridon et al. U.S. Patent 4 143 103, 4 126 854, 5 344 594, 5 389 945, 5 708 525, 5 739 801, 5 751 268, 5 760 761, 5 767 826, J.M. Crowley I.S. Patente 5 754 332 und 5 825 529, D.K, Biegelsen et al. in U.S. Patent 5 717 283 und J.D. Mackinlay et al. in U.S. Patent 5 737 115 verschiedene Formen einer "Gyricon"-Vorrichtungen, die aus 50–500 &mgr;m "bi-chromalem" Glass- oder Polymerkugeln bestehen, und zwar enthalten in mit Flüssigkeit gefüllten Hohlräumen, die ihrerseits in einer flexiblen Polymermatrix eingekapselt sind. Jede Kugel ist derart geformt, dass ihre entgegengesetzten Halbkugeln unterschiedliche Farben besitzen und sie können veranlasst werden von 90–180° zu rotieren, und zwar bei Anwesenheit eines quer durch den Film angelegten elektrischen Feldes, da die zwei Halbkugeln entgegengesetzte Oberflächenladungen tragen. Treiberspannungen steigen mit ansteigendem Durchmesser der rotierenden Kugeln an und die Hohlräume, die sie enthalten und erzeugen die bistabile Schaltung. Die Gyricon-Vorrichtung arbeitet in reflektivem Modus.

Eine weitere Anzeigetechnologie, die mikrogekapselte Teilchenanzeige verwendet, ist s "E-INKTM", was in den U.S. Patenten 5 961 804 ausgegeben an J. Jacobsen et al. und 6 017 584, ausgegeben an J.D. Albert et al. beschrieben ist. Diese Technologies basiert auf einer "elektrophoretischen Dispersion" von negativ und positiv geladenen Mikroteilchen (< 1 &mgr;m im Durchmesser) in einem isotropen, dielektrischen Hostfluid, das wiederum in einem Polymerbindemittel eingekapselt ist. Gemäß Jacobsen und Albert ist die Mikroeinkapselung der elektrophoretischen Dispersion ein wichtiges Element zum Vermeiden der Teilchenagglomeration und Sedimentation, was üblicherweise in konventionellen elektrophoretischen Anzeigen auftritt. Anders als die Gyricon-Vorrichtung arbeitet die E-Ink-Vorrichtung durch die Translation von Teilchen zu der Oberseite oder der Unterseite der Mikrokapsel hin, und zwar abhängig von dem Vorzeichen der angelegten Spannung. Die Teilchen bestehen im Allgemeinen aus anorganischen oder metallischen Teilchen, die mit einem Polymerüberzug beschichtet sind. Andere Pigmente, Metallflocken oder Retroreflektoren können zu den elektrophoretischen Dispersionen hinzugegeben werden, und zwar entweder zur Erzeugung einer Schaltung zwischen Farben oder zur Erzeugung von Reflektivitätsänderungen. Ein nematisches Flüssigkristallfluid kann anstelle des isotropen, dielektrischen Hostfluids in der Dispersion verwendet werden, um die Schaltschwelle und Bistabilität der Vorrichtung zu modifizieren. A. Somlyody et al., im U.S. Patent 4 305 807, ausgegeben am 15. Dezember 1981 berichten die Verwendung eines nematischen Flüssigkristalls als einen Fluidhost für geladene Teilchenanzeigen zum Vorsehen einer Schwellenansprechcharakteristik in einer ähnlichen Weise, wie die Vorrichtungen von Jacobsen und Albert.

Obwohl Beispiele sowohl in der Patentliteratur als auch in der allgemeinen Literatur die Teilchen basierenden Vorrichtung betreffen und anorganische oder metallische Teilchen bekannt sind, sind berichtete Fälle über elektrooptische Teilchenvorrichtungen die doppelbrechende Polymere oder Polymerflüssigkristalle als aktive Teilchen verwenden nahezu nicht existent. Ein Beispiel ist die Verwendung von in-situ polymerisierten nematischen Flüssigkristallkugeln, hergestellt durch Polymersieren eines UV-aushärtbaren Flüssigkristall-reaktiven-Monomers, dispergiert in Glycerol in Anwesenheit eines geeigneten Photoinitiators, und zwar berichet von D. Cairns et al. in dem Society for Information Display (SID) Digest of Technical Papers, Band 30, Seite 722 bis 725 (1999). Diese Vorrichtung unterscheidet sich beträchtlich von denjenigen, die in den oben genannten Patenten beschrieben sind, und zwar insofern als (1) die resultierten polymerisierten nematischen Flüssigkristallkugeln selbst doppelbrechend und bipolar sind und (2) diese Kugeln reorientiert werden können, und zwar durch Koppeln eines angelegten elektrischen Wechselstromfeldes an die dielektrische Anisotropie des polymerisierten LC-Materials. Somit stellt Cairns et al. eine elektro-mechanische optische (EIMO = Electro-Mechano-Optical)-Vorrichtung vor, die ähnlich wie die Gyricon-Vorrichtung arbeitet, und zwar insofern, als die optischen Effekte durch eine feldinduzierte Rotation von sphärischen Teilchen suspendiert in einem Fluid erzeugt werden. Aber anders als die Gyricon-Vorrichtung, die mit Reflexion arbeitet, vertraut die EIMO-Vorrichtung auf einen Unterschied der nematischen Doppelbrechung, erzeugt durch die Rotation der polymerisierten nematischen LC-Kugeln, um den optischen Effekt zu erzeugen und arbeitet somit als eine Polarisationsrotationsvorrichtung nur in der Übertragungsbetriebsart.

In S. Faris et al., U.S. Patent 5, 364 557, ausgegeben am 15. November 1994 wird Folgendes offenbart: Teilchen oder Flocken erzeugt durch thermisches Brechen von polymeren cholesterischen Flüssigkristall (PCLC = Polymer Cholestric Liquid Cristal)-Polysiloxan-Filmen, die in der Grandjean-Textur ausgerichtet sind. Diese Flocken liegen im Bereich von hunderten von Mikron bis zu weniger als ein Mikron und zeigen optische Eigenschaften identisch zu den Ausgangsfilmen, aus denen sie abgeleitet wurden. Da sie ihren Ursprung von einem ausgerichteten PCLC-Film nehmen, der eine relativ hohe Glasübergangstemperatur (Tg) besitzt, sind deren einzigartige optische Eigenschaften (selektive Reflexionswellenlänge, Doppelbrechung) und die Ausrichtungsqualität "eingefroren" und somit im Wesentlichen unempfindlich gegenüber thermischen oder mechanischen Störungen. Diese einzigartigen optischen Eigenschaften können auf andere Polymer-"Hosts" übertragen werden, und zwar durch Verteilung der Flocken in einer Lösung des Polymers und durch Verwendung dieser als ein Bindemittel zur Herstellung passiver (d.h. nicht-schaltbarer) konformer Überzüge mit üblichen optischen Eigenschaften für Anwendungen, die im Bereich der Dokumentensicherheit bis zu Außenüberzügen für Motorfahrzeuge reichen. Andere Verfahren zur Erzeugung der PLC-Flocken und Pigmente wurden auch in folgenden Druckschriften berichtet: I.A. Shanks et al. im U.K. Patent 2 276 883, C. Müller-Rees et al. in U.S. Patent 5 851 604, R.W. Phillips in U.S. Patent 5 279 657 und W. Hou et al. in U.S. Patent 5 5587 242. Kürzlich haben Faris et al. auch über ein Verfahren berichtet zur Herstellung von gemusterten Plättchen basierend auf photo-vernetzbaren PLC-Materialien.

Der Farbton, die Sättigung und Helligkeit von PCLC-Filmen wurden sämtlich ausführlich studiert. Die Farbeigenschaften und die chemische Kompatibilität von PCLC-Flocken in einigen Hostfluids wurde durch E. Korenic et al. untersucht, und berichtet in Mol. Cryst. Liq. Crist. 317, Seiten 197–219 (1998). Zweifarbige übereinander angeordnete Beschichtungen besitzen eine additive Farbmischung, die sich von den subtraktiven Farbeffekten unterscheiden, die durch konventionelle Tinten, Farbstoffe und Pigmente erreicht werden. Da die Farben außerordentlich saturiert sind und eine Abhängigkeit von den Beleuchtungs- und Beobachtungswinkeln besitzen, wurde ihre visuelle Erscheinung als eine Basis für Kunst verwendet oder die Erstellung von kommerziellen Produkten, wie beispielsweise Farben und Kosmetikstoffen. L. Li, in U.S. Patent 5 691 789 schlägt vor, dass spezialisierte Härtezyklen verwendet werden können zum thermischen oder photo-chemischen Vernetzen von PCLCs, um so einen Steigungsgradienten (pitch gradient) in den PCLC-Film einzuführen. Durch Steuern der Gradienten der Steigung (pitch) können Filme mit breiten Reflexionsbändern erzeugt werden, und zwar im Bereich von sichtbaren bis zum nahen Infrarot-Bereich. Eine Anwendung dieser Materialien sind breitbandige, nicht-absorbierende Polarisatoren in LC-Anzeigen.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Erfindungsgemäß wurde gefunden, dass dann, wenn Flocken (flakes) oder Plättchen (platelets) aus polymeren, cholesterischen Flüssigkristallen (PCLC = Polymer Cholesteric Liquid Crystals) und anderen doppelbrechenden Polymer (BP)-Materialen in einem Fluidhost dispergiert oder suspendiert werden, um ein Flocken/Host-System vorzusehen, diese überraschend empfindlich gegenüber einem angelegten elektrischen Feld sind und ohne weiteres auf unterschiedliche Winkelorientierungen geschaltet werden können. Wie aufgrund der obigen Diskussion früherer Patente und Veröffentlichen klar wird, wurde die Empfindlichkeit dieser Flocken oder Plättchen bei Dispersion oder Suspension in einem Fluidhost bislang nicht erkannt bzw. geschätzt. Diese Flocken oder Plättchen werden nachstehend allgemein als elektro-optisch empfindliche Flocken oder (Flöckchen) bezeichnet. Die Performance der Vorrichtung gemäß der Erfindung hängt ab sowohl von dem Charakter der elektrooptisch empfindlichen Flocken als auch dem Host, wobei vorzugsweise die folgenden Charakteristika vorliegen:

  • 1) Das Flockenmaterial ist chemisch mit dem Hostmedium kompatibel (d.h. vollständig unlösbar);
  • 2) Die Dichte von sowohl dem Flockenmaterial als auch dem Hostmedium (Wirtsmedium) ist so dicht wie möglich angepasst, damit die Flocken gleichförmig im Host suspendiert sind und um zu verhindern, dass sie ein Agglomerat bilden, sich am Boden absetzen oder zur Oberseite der Vorrichtung hin ansteigen;
  • 3) Das Hostfluid hat einen hohen Widerstandswert (> 109 &OHgr;-cm) ausreichend, um konkurrierende elektro-hydrodynamische Effekte zu eliminieren;
  • 4) Die Flocken liegen innerhalb eines Bereichs von 20–40 &mgr;m Breite mit einem Länge-zu-Breite-Verhältnis von 2–3, um optimales Schalten und optimalen Kontrast zu beachten;
  • 5) Die Viskosität des Hostmaterials ist der niedrigste Wert, der die Flocken-Suspension hält, um die Ansprechzeit zu minimieren;
  • 6) Der Brechungsindex des Flockenmaterials und des Hostfluids sind so eng wie möglich angepasst, um Streuverluste zu vermeiden.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Die 1(a) und (b) sind schematische Querschnittsansichten von Vorrichtungen gemäß der Erfindung, wobei die Reorientierung und die sich ergebende Änderung der reflektierten Lichtintensität dargestellt ist, und zwar PCLC-Flocken mit einer grünen selektiven Reflexionswellenlänge dispergiert in einem Fluidhostmedium, das isotrop ist. Die Innenoberflächen der Zellsubstrate sind mit einer transparenten leitenden Beschichtung oder Überzug versehen, typischerweise Indium Zinnoxid (ITO). Glassfasern, Perlen oder Mylar-Streifen werden als Zellenbeabstandungsmittel verwendet werden, um die Fluid-Spalt-Beabstandung einzustellen, die im Allgemeinen kleiner ist oder gleich der längsten Dimension der Flocke. In 1(a), welches den Aus-Zustand der Vorrichtung mit keinem angelegten elektrischen Feld zeigt, liegend die Flocken nahezu parallel zu den Substraten und reflektieren selektiv eine zirkular polarisierte grüne Komponente (&lgr;r) des einfallenden Lichtes (I0). In 1(b), wenn ein elektrisches Feld an die Vorrichtung angelegt ist, rotieren die Flocken, um einen Winkel von 3–20° von der Normalen zu den Substraten, was den Akzeptanzwinkel für selektive Reflexion übersteigt und die reflektierte grüne Komponente (&lgr;r) des einfallenden Lichtes (I0) wird ausgelöscht und die Vorrichtung tritt in einen nicht-reflektierenden dunklen Zustand ein.

Die 2(a) und (b) sind Querschnittsansichten einer reinen PCLC-Flocke (1(a)] und der gleichen PCLC-Flocke (feste oder solide Fläche) beschichtet mit einer Ladesteuerschicht (gemusterte Schicht) [1(b)]. Die Ladungssteuerungsschicht wird durch Abscheiden einer Lösung aus einem Ladungssteueragens und einem Polymermaterial (typischerweise dem gleichen PCLC-Material, das die Flocke bildet) auf einer Oberfläche des Parent- oder Eltern-PCLC-Films (Ausgangs-PCLC-Film oder Schicht bzw. Lage) gebildet, aus dem die Flocken hergeleitet sind.

Die 3(a) und (b) sind perspektivische Ansichten einer Vorrichtung gemäß der Erfindung, die schematisch die Gast-Wirt-Schaltung (Guest-Host-Switching) der PCLC-Flocken mit grüner selektiver Reflexion, gezeigt als Formen in den Figuren, zeigen, und zwar dann, wenn sie in einen nematischen Flüssigkristallhost eingemischt und suspendiert sind, was mit Strichen in den Figuren gezeigt ist. Transparente, leitende, beschichtete Substrate, ähnlich denen in der 1 sind mit Nylon 6/6 beschichtet und die Nylon-Schichten werden geglättet, bevor die Zelle zusammengebaut und mit der Flocken/Flüssigkeithostsuspension gefüllt wird, um gleichförmige molekulare Ausrichtung des LC-Hosts zu induzieren. Die Zellenspaltdimension ist größer als die längste Dimension der PCLC-Flocken. In dem Aus-Zustand 2(a), sind sowohl die Guest bzw. Gast-Flocken und die Host-LC-Moleküle mit ihrer längsten Dimension parallel zu den Zellwänden ausgerichtet und grüne selektive Reflexion wird beobachtet. In 2(b), bewirkt das Anlegen eines elektrischen Wechselstromfeldes an die Vorrichtung, dass der LC-Host sich parallel mit dem elektrischen Feld ausrichtet und die PCLC-Flocken werden gezwungen, der Orientierungsrichtung des Hosts zu folgen. Der große Winkel der Reorientierung der Flocken/Hostmischung übersteigt bei weitem den Akzeptanzwinkel für selektive Reflexion und die grüne selektive Reflexionsfarbe wird gedämpft oder ausgelöscht. Die PCLC-Flocken spielen eine passive Rolle in dieser Vorrichtung, da sie keine inherente dielektrische Anisotropie oder Oberflächenladung besitzen und die Schaltcharakteristika werden primär durch die Eigenschaften des LC-Hostmediums gesteuert.

Die 4(a) und (b) sind perspektivische Ansichten einer Vorrichtung gemäß der Erfindung, wobei schematisch eine Suspension von PCLC-Flocken in einem Fluidmedium (dem Host/Flocken-System) dargestellt ist, und zwar eingekapselt in eine Schicht bzw. einen Film aus transparentem Polymer. Wenn kein elektrisches Feld angelegt ist [4(a)], so nehmen die Flocken eine Zufallsverteilung in den sphärischen Mikrokapseln an und die selektive Reflexionsfarbe der Flocken ist im Wesentlichen gedämpft oder nicht existent. Das Anlegen eines elektrischen Feldes an den mikroeingekapselten Film [4(b)] bewirkt, dass die Flocken eine gleichförmige Orientierung annehmen, und zwar mit der langen Achse der Flocke normal bzw. senkrecht zum angelegten Feld und parallel zu der langen Filmdimension. Wenn die Flocken sich nunmehr normal zum Einfallslicht befinden, so tritt selektive Reflexion auf und die reflektierte Farbe der Vorrichtung wird stark intensiviert. Für die beste Ausführung, werden der Brechungsindex des Polymerbindemittels und des isotropen Hostfluids angepasst.

5(a) und (b) sind Ansichten ähnlich den 4(a) und (b) und zeigen eine Vorrichtung ähnlich der gemäß 4, mit der Ausnahme, dass die PCLC-Flocken in den Mikrokapseln in einem doppelbrechenden nematischen Flüssigkristallhostmaterial suspendiert sind, anstelle eines isoptropen Fluids. Hier schaltet die Vorrichtung von einer streuenden Textur in dem Feld-Aus-Zustand [5(a)] auf einen farbigen Reflexionszustand [5(b)], wenn das elektrische Feld angelegt ist. Wie in 3 besitzen die PCLC-Flocken keine merkliche dielektrische Anisotropie oder Oberflächenaufladung und somit verhalten sie sich als passive Gäste in dem nematischen Host. Der Brechungsindex des Polymerbindemittels entspricht genau dem üblichen Brechungsindex des Flüssigkristallhosts, um die Trübung bzw. den Schleier zu minimieren. Der Flüssigkristallhost besitzt auch eine große negative dielektrische Anisotropie.

Die 6(a) und (b) zeigen Ansichten ähnlich den 4(a) und (b), mit der Ausnahme, dass ein Farbstoff dem PCLC-Flocken/Fluid-System vor der Mikroeinkapselung hinzugefügt wurde. Die Zugabe des Farbstoffs gestattet, dass die Vorrichtung zwischen zwei unterschiedlichen Farbzuständen schaltet, im Gegensatz zur Reduktion der Intensität des reflektierten Lichts in einem Zustand, wie dies bei der Vorrichtung der 4 erfolgt.

Die 7(a) und (b) sind Ansichten ähnlich den 4(a) und (b) und geben eine elektrische feldinduzierte Schaltung in den PCLC/Fluidhost-System wieder, und zwar dann, wenn sie in einem Polymerbindemittel eingekapselt sind, das verarbeitet werden kann, um einen Film (oder eine Schicht bzw. Lage) zu erzeugen, der elliptische Mikrokapseln enthält. Die kleine Achse der elliptischen Mikrokapsel ist kleiner oder gleich der längsten Dimension oder Abmessung der Flocke, was die Flocken innerhalb der Mikrokapseln veranlasst, sich spontan mit sowohl der Hauptachse des Mikrokapsel-Ellipsoid als auch der Film-Zug-Richtung auszurichten. Diese Bedingungen erzeugen eine bevorzugte Orientierungsrichtung durch sterische Faktoren. Wenn kein elektrisches Feld angelegt ist [7(a)], sind die Flockenoberflächen parallel zur Filmoberfläche orientiert und normal oder senkrecht zum einfallenden Licht und selektive Reflexion tritt auf. Die selektive Reflexionsfarbe geht dann verloren, wenn ein elektrisches Feld durch die kurze Dimension des eingekapselten Films (7(b)] angelegt wird und die Flocken rotieren aus der Oberflächenebene des Filmes heraus, ähnlich dem was in der Vorrichtung gemäß 1 passiert. Wie in 6 oben, kann ein Farbstoff dem isotropen Fluidhost hinzugefügt werden, und zwar zur Farbschaltung und Abstimmen zwischen dem Absorptionszustand, erzeugt durch den Farbstoff und dem selektiven Reflexionszustand erzeugt durch die PCLC-Flocke.

Die 8(a) und (b) sind Darstellungen, welche das elektro-optische Ansprechen der Vorrichtung 1 zeigen, die gemäß Beispiel 1, wie es unten angegeben ist, hergestellt ist. In 8(a) ist das optische Ansprechen der Vorrichtung dann gezeigt, wenn die Beleuchtung mit normalem Einfall oder Einfallswinkel erfolgt und 8(b) zeigt das optische Ansprechen der Vorrichtung, dann, wenn die Beleuchtung mit einem nicht-normalen Einfallswinkel erfolgt. Für sowohl die 8(a) als auch (b) ist die obere Spur die treibenden Wellenform und die untere Spur ist das optische Ansprechen, wie von einem Detektor gemessen..

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG

Die elektro-optisch empfindlichen Flocken können PLC-Flockenmaterialien sein, und zwar hergestellt durch Verfahren, wie denen, die in folgenden Schriften beschrieben sind: S. Faris et al. in U.S. Patent 5 364 557 (vergleiche auch Faris U.S. Patent Anmeldung Nr. 09/196 583 eingereicht am 20. November 1998). Die elektro-optisch empfindlichen Flocken können ferner in der Form von entweder polymeren, nematischen Flüssigkristallen (PNLC = Polymer Nematic Liquid Crystals) oder polymer cholesterischen Flüssigkristallen (PCLC = Polymer Cholestric Liquid Crystals) vorliegen. Die elektro-optisch empfindlichen Flocken können doppelbrechende Polymere (BP) sein, die keine Flüssigkristalleigenschaften besitzen, wie beispielsweise mehrschichtige polarisierende Pigmente, die kommerziell von der 3M Company in St. Paul, Minnesota, USA verkauft werden. In dem einfachsten Ausführungsbeispiel der Vorrichtung (1) sind die PNLC-PCLC- oder BP-Flocken in dem Hostmedium dispergiert und die Flocken/Host-Suspension ist zwischen zwei Glassubstraten eingeschlossen, die elektrisch leitende Überzüge auf den Oberflächen tragen, und zwar in Kontakt mit der Flocken/Host-Suspension (flake/host suspension). Der auf diese Weise gebildete Fluidspalt der elektro-optischen Zelle kann gesteuert werden durch Mylar-Abstandsmittel, Glasfasern, Glas/Plastikkugeln oder durch fortschrittliche Verfahrensweisen, wie beispielsweise Photolithografie oder chemische Dampfabscheidung und der Spalt ist typischerweise mindestens so groß wie die größte Querschnittsabmessung der Flocken.

1 zeigt die grundsätzliche Vorrichtungskonfiguration und das Schaltverhalten für den Fall, wenn die Flocken aus einem PCLC-Material aufgebaut sind. Typische Dimensionen (Abmessungen) der Flocken, die in den verschiedenen Ausführungsbeispielen der Vorrichtung verwendet sind, sind die Folgenden:

Von 20–40 &mgr;m Länge mit einem Aspekt oder Länge-zu-Breite-Verhältnis von 2–3 und einer Dicke von 5–7 &mgr;m. Das Anlegen eines elektrischen Feldes an die Vorrichtung initiiert die Flockenrotation mit einer resultierenden Änderung der optischen Eigenschaften (d.h. selektive Reflexionsfarbe oder Doppelbrechung) der Vorrichtung. Wegen der großen effektiven optischen Pfadlänge oder hohen Winkelempfindlichkeit der selektiven Reflexion der PCLC-Flocken ist es nur notwendig, dass die Flocken um 3–20° um die Senkrechte oder Normale zur Oberfläche rotieren, um die Schaltcharakteristika oder Eigenschaften zu erreichen. Es sei auf Folgendes hingewiesen: Ein wesentlich größeres Ausmaß an Rotation (beispielsweise Gyricon) oder Translation (beispielsweise E-Ink) der aktiven Teilchen war bislang erforderlich. Zudem gestatten die einzigartigen optischen und polarisierenden Eigenschaften der PLC-Flocken, dass die erfindungsgemäßen Vorrichtungen auf einen beträchtlich größeren Bereich von Anwendungen angewandt werden können, wie beispielsweise auf dem Gebiet der Optik und Photonik, als dies möglich war mit den Vorrichtungen, wie sie in der bekannten Patentliteratur beschrieben sind.

In allen hier beschriebenen Ausführungsbeispielen, wo PLC-Flocken verwendet werden, besitzen die Flocke und die Hostmaterialen die folgenden Charakteristika: (1) das PLC-Flockenmaterial ist chemisch kompatibel mit dem Hostmedium; (2) die Dichte des PLC-Flockenmaterials und des Hostmediums sind eng angepasst, um Agglomeration, Sedimentation oder Trennung der Flocken vom Host zu verhindern; (3) die Viskosität des Hostmaterials ist hinreichend hoch um die Suspension aufrecht zu erhalten, aber ist so. niedrig wie möglich, um die Ansprechzeit zu minimieren; (4) die Resistivität oder der Widerstand des Hostfluids ist hinreichend hoch, um konkurrierende elektrohydrodynamische Effekte zu vermeiden; und (5) der Brechungsindex des PLC-Flockenmaterials und des Hostfluids sind eng angepasst, um Streuverluste zu vermeiden.

Die Natur des verwendeten elektrischen Feldes zum Betreiben der Vorrichtung in ihren verschiedenen Ausführungsbeispielen hängt von sowohl der Zusammensetzung des Flockenmaterials als auch dem Fluidhost ab. Wenn das Flockenmaterial zusammengesetzt ist, beispielsweise aus einem Material wie PNLC oder PCLC, was einen hinreichend großen Wert der dielekirischen Anisotropie besitzt, dann kann ein elektrisches Wechselstromfeld verwendet werden, um den Schaltprozess zu initiieren. Solche Materialien können in reiner Form durch Synthese hergestellt werden. Eine niedrige Molarmasse besitzende Flüssigkristallfluids mit entweder einer sehr niedrigen oder nicht existierenden dielektrische Anisotropie können modifiziert werden durch Zumischen oder durch Dotieren derselben mit Mengen von anderen eine niedrige Molarmasse besitzenden Additiven mit einem sehr großen Wert der dielektrischen Anisotropie, um der gesamten Mischung einen finiten Wert der dielektrischen Anisotropie aufzuprägen. Es ist ein Merkmal der Erfindung, den Effekt der dielektrischen Anisotropie durch die Zugabe einer solchen niedrigen Molarmasse, eine hohe dielektrische Anisotropie aufweisende Dotiermitteln vorzusehen, und zwar zu kommerziell oder im Handel verfügbaren Polymer-CLC-Materialien mit einer sehr niedrigen oder einer nicht-existierenden dielektrischen Anisotropie für die Bildung der PCLC-Flocken, die durch Wechselstromfelder reorientiert werden können.

Alternativ gilt: Für Flockenmaterialien, die im beträchtlichen Ausmaß keine dielektrische Anisotropie zeigen, können Gleichstromfelder verwendet werden, um die Flocken zu reorientieren, und zwar durch Kopplung mit gespeicherten Oberflächenladungen auf den Flockenoberflächen. Dieser Gleichstromschaltprozess kann unter Verwendung von Ladungssteueragenzien verwendet werden. Eine repräsentative Probe oder Auswahl von derartigen Ladungssteueragenzien ist in Tabelle 1 angegeben. Viele dieser Ladungssteueragenzien arbeiten auch als Surfactants, um die Teilchen-Agglomeration und die Sedimentation zu verhindern. Diese Ladungssteueragenzien können entweder direkt zu dem Hostfluid hinzugefügt werden oder direkt auf die Oberfläche der Flocke derart aufgebracht werden, dass sichergestellt wird, dass das Ladungssteueragens nicht in merklicher Weise in die Hostfluidmatrix dissoziiert. Eine Möglichkeit, dies zu erreichen, besteht darin das Ladungssteueragens in ein Film-Formungspolymermaterial einzugeben, auf welche Weise eine "Ladungssteuerschicht" gebildet wird, die direkt auf den Ausgangs-PLC oder BP-Film vor der Flockenbildung lösungsgegossen wird. Die erwünschteste Möglichkeit zum Erreichen des obigen Zieles ist es, die filmbildende Polymerladungssteuerschicht aus dem gleichen Material wie dem Ausgangs-PLC oder BP-Film zu machen. Diese Möglichkeit stellt sicher, dass die thermische und chemische Kompatibilität in einem größten Ausmaß auftritt zwischen der Flocke und der Ladungssteuerschicht ohne im Wesentlichen die optischen Eigenschaften der äußeren Oberflächen der Flocken zu ändern. 2(b) zeigt schematisch eine Flocke, die eine derartige Ladungssteuerschicht trägt.

Tabelle 1

Das Hostmaterial kann ausgewählt werden aus mehreren isotropen elektrischen Fluidmaterialien. Fluorsilikon-Öle werden als Host bevorzugt, da sie eine geringe Viskosität, hohe Resistivität und einen niedrigen Brechungsindex besitzen, was bei der Optimierung der Flockenbewegung hilft bzw. die Streuverluste reduziert. Ferner helfen die eine höhere Dichte besitzende Fluorsilikone mit bei Verhinderung der Sedimentation der suspendierten PLC-Flocken. Dielektrische Hostfluids, die effektiv in Vorrichtungen wie denen durch die Erfindung vorgesehen wirken, sind in Tabelle 2 angegeben. Nematische Flüssigkeitskristallfulids können auch als Hostmaterialien verwendet werden; da jedoch nematische LC-Materialien sowohl eigene optische und dielektrische Anisotropie besitzen, ändert dies beträchtlich sowohl die optischen Eigenschaften als auch die Schaltleistung der sich ergebende Vorrichtung, verglichen mit denjenigen, die einen isotropen Host verwenden.

Tabelle 2

Das Vorhandensein eines Surfactants in dem Hostmaterial kann hilfreich sein hinsichtlich der Sicherstellung, dass die Flocken gleichförmig dispergiert und suspendiert im dielektrischen Medium verbleiben und es kann auch von Hilfe sein bei der Verhinderung, dass die Flocken an den Zellenelektroden-Oberflächen immobil werden. Die in Tabelle 1 angegebenen Ladungssteueragenzien sind auch Surfactantien und führen sowohl die Ladungssteuerung als auch die Flockensuspensionssteuerungsfunktionen gleichzeitig aus.

Im Folgenden werden Beispiele der Auswahl an Flocken und/oder Hostmaterialien angegeben, die der in 1 gezeigten Vorrichtung spezielle Charakteristika geben.

Beispiel A

Die Flocken sind aus PCLC-Material, wie aus beispielsweise nicht-quervernetztem zyklischen Polysiloxane-Flüssigkristallpolymer (CLC535 LC Polysiloxane der Wacker-Chemie) oder photopolymerisierbare CLC-Polymer-Systeme, wie beispielsweise die quervernetzten Polysiloxane-CLC-Polymer-Systeme, geliefert von der Wacker-Chemie oder die vernetzten Acrylat CLC-Polymere hergestellt von BASF. Flocken, die aus diesen Materialien erzeugt werden, werden in einem Fluorosilikon-Öl oder in einem anderen Host der Tabelle 2 dispergiert, wobei diesem ein Ladungssteueragens, ausgewählt aus der Gruppe in Tabelle 1 hinzugefügt wurde. Eine derartige Vorrichtung schaltet aus einem grünen selektiven Reflexionszustand in einen dunklen Zustand beim Anlegen eines elektrischen Gleichstromfeldes und ist beispielsweise brauchbar als eine reflektierende Anzeigevorrichtung, ein schaltbarer Schmalbandspiegel oder ein schaltbares Farbfilter.

Beispiel B

Die PCLC-Flocken können erzeugt werden aus Pitch- oder Steigungsgradienten PCLC-Filmen bzw. Schichten hergestellt, wie dies in dem U.S. Patent 5 691 789 von L. Li beschrieben wurde, und zwar dispergiert in einen Fluorosilikon-Öl oder einem anderen Host aus Tabelle 1 zusammen mit einem Ladungssteueragens aus Tabelle 2, um eine schaltbare, Breitband reflektierende Vorrichtung zu erzeugen, die über sehr breite Bereiche des UV-, des sichtbaren oder des IR-Spektrums arbeitet. Ein angelegtes Wechselstromfeld kann zum Schalten der Vorrichtung verwendet werden.

Beispiel C

Die PCLC-Flocken können eine Mischung aus PCLC-Flocken mit unterschiedlichen selektiven Reflexionsfarben sein, wobei die Flocken in jeder Farbgruppe beschichtet sind mit einer "Ladungssteuerschicht", die eine unterschiedliche Konzentration des Ladungssteueragens enthält, ausgewählt aus Tabelle 1, wie dies in 2 gezeigt ist. Jede Farbgruppe von Flocken, wenn in einem dielektrischen Hostfluid dispergiert, wie beispielsweise Fluorosilikon-Öl oder einem Host ausgewählt aus Tabelle 2, spricht auf einen unterschiedlichen Pegel der angelegten Gleichstromspannung an. Infolge dessen könnte jede Farbe individuell adressiert werden oder in Kombination mit anderen Farben, um beispielsweise eine Voll-Farb-Reflexions-Informationsanzeigevorrichtung zu schaffen, ein variables optisches Filter oder einen abstimmbaren Spiegel für einen Fabry-Perot-Hohlraum.

Beispiel D

Die Flocken können aus einem PNLC-Material oder einem anderen doppelbrechenden Polymer (BP) bestehen, und zwar dispergiert in einem dielektrischen Host wie beispielsweise Fluorosilikon-Öl oder einem Host, wie in Tabelle 2, welches ein Ladungssteueragens aus Tabelle 1 enthält. Eine derartige Vorrichtung arbeitet als eine durchlässige (transmissive), elektrisch variable optische Verzögerungsvorrichtung, die durch ein angelegtes Gleichstromfeld geschaltet oder abgestimmt werden kann.

Beispiel E

Die PCLC-Flocken können gemusterte PCLC-Flocken sein. Derartige gemusterte Flocken können in bestimmten Formen hergestellt sein (d.h. Kreise, Ovale, Quadrate, Rechtecke, Dreiecke und dreidimensionale Formen), und zwar in gut gesteuerten oder kontrollierten Größen und in speziellen Farbbereichen oder aber die Bildung kann erfolgen, um räumliche Markierungen zu tragen, wie beispielsweise erhöhte oder abgesenkte Teile, Buchstaben, Zahlen, Formen, Öffnungen oder Nuten, gemusterte Flocken und Verfahren, um diese herzustellen sind in der oben genannten U.S. Patent Anmeldung Nr. 09/196 583 beschrieben. Die Flocken können derart geformt sein, dass sie unterschiedliche spektrale Eigenschaften auf unterschiedlichen Flächen der Flockenoberfläche besitzen. Die gemusterten Teilchen, wie sie oben beschrieben sind, können in einem dielektrischen Hostmedium, wie beispielsweise einem Fluorosilikon-Öl oder in einem der Rosts der Tabelle 2 dispergiert sein, und zwar mit einem Ladungssteueragens, ausgewählt aus der Tabelle 1, um eine schaltbare Vorrichtung zum Speichern oder zur Anzeige von codierten Informationen zu erzeugen. Eine derartige Vorrichtung würde auf den folgenden Gebieten Anwendung finden: Beispielsweise militärische Sicherheit und Tarnung, Dokumentensicherheit, Antifälschungsanwendungen, Zielmarkierung und Identifikation.

Für jedes der fünf vorher beschriebenen Beispiele wird, wenn das dielektrischen Hostfluid durch die Zugabe einer kleinen Menge von quervernetzbarer Polymersubstanz, ähnlich der wie von J.W. Doane et al. in U.S. Patent 5 691 795 für Polymer-stabilisierte-Flüssigkristall (PSLC)-Systeme beschrieben, ein Polymer-Netzwerk in das Flocken-Host-System eingeführt, um das Material zu "gelieren" und seine Leistung zu stabilisieren. Ein solches System wäre insbesondere erwünscht zur Herstellung von Vorrichtungen, die zu bistabiler Schaltung in der Lage sind mit Langzeitinformationszurückhaltung (d.h. einem Speicher) einschließlich optischer Informationsspeichervorrichtungen.

Zudem kann für jedes der fünf zuvor beschriebenen Beispiele mit oder ohne den Gel-Hosts das dielektrische Hostfluid und das Ladungssteueragens ersetzt werden durch ein nematisches Flüssigkristallfluid. Die dispergierten Flocken werden sich dann als passive "Gast"-Teilchen verhalten, und zwar suspendiert in dem nematischen "Host". Die elektrischen Schalteigenschaften (beispielsweise Schwellenspannungen, Ansprechzeiten) werden nunmehr primär durch die Kopplung des angelegten elektrischen Feldes mit der dielektrischen Anisotropie des eine niedrige molare Masse besitzenden LC-Hosts bestimmt und derartige Vorrichtungen können durch ein angelegtes elektrisches Gleichstromfeld geschaltet werden. 3 zeigt dies schematisch für PLCL-Flocken dispergiert in einem nematischen LC-Host-Fluid mit positiver dielektrischer Anisotropie.

Für jedes der zuvor beschriebenen Beispiele mit oder ohne Gel-Host und mit oder ohne einen nematischen LC-Host gilt Folgendes: Wenn die PCLC oder PNLC-Flocken, die verwendet werden, bestehen aus (1) Materialien mit einem großen Wert der dielektrischen Anisotropie, sei sie inherent zu dem reinen Material oder erhalten durch das Dotieren oder Zumischen mit einem eine niedrige Molarmasse besitzenden Additiv und (2) weder das Hostmaterial noch die Flocken irgendwelche Ladungssteueragenzien wie in den Beispielen A und C enthalten, dann basiert der Mechanismus für elektrisch induzierte Schaltung auf der Kopplung des angelegten elektrischen Feldes an die dielektrische Flocken-Anisotropie und nicht auf Oberflächenladungen; auf diese Weise wird das elektrische Schalten oder Adressieren durch Verwendung eines Wechselstromfeldes ermöglicht.

Wenn die Suspensionen) der PCLC-Flocken aus unterschiedlichen Farbgruppen hergestellt werden, so dass die Flocken in jeder Farbgruppe (Beispiel C) einen unterschiedlichen Wert der dielektrischen Anisotropie besitzen, so kann jede Farbgruppe von Flocken auf einen unterschiedlichen Pegel der angelegten Wechselspannung und/oder Frequenz ansprechen. Infolge dessen kann jede Farbe individuell adressiert werden oder in Kombination mit anderen Farben, um beispielsweise eine vollständige Farbreflexionsinformationsanzeigevorrichtung vorzusehen, ein variables optisches Filter oder einen abstimmbaren Spiegel für einen Fabry-Perot-Hohlraum, der adressiert werden kann unter Verwendung von Wechselstromfeldern unterschiedlicher Stärken oder Frequenzen. Eine bequeme Möglichkeit zum Erhalt einer Mischung aus Flocken mit unterschiedlichen Werten der dielektrischen Anisotropie unter Verwendung des gleichen PLC-Material-Systems ist das durch Dotieren oder Zumischen des Basissystems mit einem eine niedrige Molarmasse besitzenden Additivs mit einer großen dielektrischen Anisotropie, wie oben beschrieben.

Die 47 zeigen Ausführungsbeispiele von Vorrichtungen gemäß der Erfindung, die erzeugt werden können durch Einkapseln der PLC-Flocken/Host-Systeme, beschrieben in irgendeinem der vorhergehenden Beispiele in einer Polymer-"Bindemittel"-Lösung, in der weder das Flockenmaterial noch der Fluidhost irgendeine merkliche Löslichkeit oder Affinität besitzt (beispielsweise ein Wasser lösliches filmbildendes Polymer, wie beispielsweise Acrylemulsion, Polyethylene-Oxid, Polyvinylalkohol). Diese neue Suspension, wenn sie in einen Film (oder Schicht) gegossen und gehärtet wird, bildet eine Polymerschicht, die mikroskopische fluid-gefüllte Einschlüsse bildet order Leerräume, die frei suspendierte PLC-Flocken (eingekapselte Flocken/Host-Systeme) enthalten. Dieser Film oder diese Schicht kann entweder auf ein starres oder flexibles transparentes Substratmaterial gegossen werden, wie beispielsweise Glas oder Mylar, welches einen leitenden Überzug trägt, wie beispielsweise Indium-Zinnoxid (ITO). Ein zweites transparentes Substrat, welches auch einen ITO-Überzug trägt, kann auf die freiliegende Oberfläche des Films oder der Schicht mit der ITO-beschichteten Oberfläche in Kontakt mit dem Film laminiert werden. Wenn ein elektrisches Feld an die resultuierende Sandwich-Zelle angelegt wird, so sind die Flocken frei in den fluidgefüllten Leerräumen zu rotieren. Der sich ergebende Film oder die sich ergebende Schicht kann verwendet werden als eine konforme Beschichtung auf Substraten mit verschiedenen Formen und Größen. Die Vorrichtung ist somit körperlich robust und behält die einzigartigen optischen Eigenschaften der PLC-Flocken. Die konforme Beschichtung kann elektrisch abstimmbar sein.

Die in 4 gezeigte Vorrichtung besitzt Flocken aus PCLC-Material und Fluidhost, umschlossen in sphärischen Hohlräumen in einem Polymer-Bindemittel-Film bzw. einer Polymer-Bindemittelschicht. In diesem speziellen Ausführungsbeispiel arbeitet die Vorrichtung in "umgekehrter Betriebsart", verglichen mit dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 insofern als dann, wenn die Vorrichtung sich in dem feldfreien Aus-Zustand (4(a) befindet, die grüne selektive Reflexionsfarbe gedämpft ist und dann, wenn das elektrische Feld angelegt wird (dem "Ein"-Zustand") wie in 4(b) gezeigt, die Größe der selektiven Reflexion intensiviert wird.

Es seien die folgenden Beispiele der Herstellung von Vorrichtungen mit Flocken/Host-System, die eingekapselt sind, betrachtet. Die die Flocken/Host-Systeme enthaltenden Hohlräume sind Kapseln davon. Diese Kapseln können von mikroskopischer Größe sein (einige wenige hundert Mikron-Durchmesser oder weniger) und können somit als Mikrokapseln bezeichnet werden.

Beispiel F

Flocken aus PCLC-Material werden, wie im Beispiel A beschrieben verwendet, und zwar nicht-quervernetzbare zyklische Polysiloxan-Flüssigkristall-Polymere (beispielsweise Wacker CLC535), photopolymerisierbare Polysiloxan-CLC-Polymer-Systeme von Wacker Chemie, oder die quervernetzbaren Acrylat-CLC-Polymere erzeugt von BASF. Derartige Flocken sind in einem Host-Material, ausgewählt aus Tabelle 2 dispergiert, welche ein Ladungssteueragens oder -agenzien enthalten, ausgewählt aus Tabelle 1. Die Suspension wird sodann mikro-eingekapselt, und zwar in einem geeigneten film- oder schichtbildenden Bindematerial, das selbst ein Surfactants oder eine Reihe von Surfactantien enthält und wird in einen Film oder eine Schicht gegossen, und zwar auf starren oder flexiblen Substraten, die transparente, leitende Beschichtungen tragen. Eine solche Vorrichtung kann nahezu sphärische Mikrokapseln enthalten, und zwar gefüllt mit der Flocken/Fluid-Host-Mischung, die von einem dunkleren Grau oder trüben Zustand auf einen hellen (grünen) selektiven Reflexionszustand schalten würde, wenn ein elektrisches Gleichstromfeld angelegt wird. Verwendungen für eine solche Vorrichtung umfassen die folgenden: Entweder ein starres oder flexibles Medium für Informationsanzeigeanwendungen auf entweder flachen oder gekrümmten Oberflächen (beispielsweise großflächige Zeichen, Automobilarmaturenbretter, aufrecht stehende Anzeigen (heads-up displays) und "elektronisches Papier"), schaltbare "Smart Windows" entweder für die Energie- oder Persönlichkeitskontrolle, schaltbare konforme Beschichtungen zur Verwendung in dekorativen Anwendungen und schaltbare Beschichtungen für Anwendungen auf dem Gebiet der militärischen Sicherheit, der Tarnung, Substratreflexionssteuerung, Dokumentensicherheit, Antifälschung sowie Objektkennzeichnung und identifikation.

Beispiel G

Die PCLC-Flocken werden aus Steigungsgradienten (pitch gradient) PCLC-Filmen oder Schichten hergestellt, wie es in dem U.S. Patent 5 691 789 (L. Li) beschrieben ist. Diese Pitch-Gradienten-Flocken werden suspendiert und mikro-eingekapselt, wie in Beispiel F, und als ein Film oder eine Schicht auf ein starres oder flexibles Substrat gegossen, welches transparente leitende Schichten trägt, um mechanisch starre oder flexible breitbandige reflektierende Vorrichtungen zu bilden oder um eine konforme Beschichtung vorzusehen, die über sehr breite Regionen des UV, sichtbaren oder IR-Spektrums arbeitet. Eine derartige Beschichtung ist schaltbar, und zwar durch ein angelegtes elektrisches Wechselstromfeld.

Beispiel H

Eine Mischung aus PCLC-Flocken mit unterschiedlichen selektiven Reflexionsfarben wird verwendet, zusammen Flocken in jeder Farbgruppe, beschichtet mit einer "Ladungssteuerschicht", wie dies in 2 gezeigt wird, die eine unterschiedliche Konzentration des Ladungssteueragens enthält. Wie im Beispiel C spricht jede Farbgruppe von Flocken auf einen unterschiedlichen Pegel der angelegten Gleichspannung an und somit kann jede Farbe individuell adressiert werden oder in Kombination mit anderen Farben. Wenn diese Flocken/Host-Suspension ihrerseits in einem film- oder schichtbildenden Polymer-Bindemittel mikro-eingekapselt ist, wie dies im Beispiel F beschrieben ist, dann wird die resultierende Emulsion auf starre oder flexible Substrate gegossen die transparente, leitende Beschichtungen tragen oder aber auf mechanisch starre oder flexible Vorrichtungen, wie beispielsweise Vollfarb-Reflexionsinformationsanzeigen, schaltbare konforme Beschichtungen zur Verwendung in dekorativen Anwendungen und schaltbare Beschichtungen für Anwendungen auf dem Gebiet der militärischen Sicherheit, der Tarnung, Substratreflexionssteuerung, der Dokumentensicherheit, der Antifälschungssicherheit sowie der Objektkennzeichnung und Identifikation.

Beispiel I

Eine Flocken/Host-Suspension aus PNLC-Material oder anderen doppelbrechenden Polymeren ist dispergiert und mikro-eingekapselt in einen dielektrischen Host bzw. ein einen film- bzw, schichtbildendes Polymer-Bindemittel. Wenn der Guss auf flexible oder starre Substrate, die transparente, leitende Beschichtungen tragen, erfolgt, so kann eine derartige Vorrichtung als eine durchlässige, elektrisch variable optische Retardations- oder Verzögerungsvorrichtung verwendet werden, die schaltbar ist durch eine elektrisches Gleichspannungsfeld.

Beispiel J

Es werden gemusterte PCLC-Flocken verwendet. Derartige gemusterte Flocken können wie im Einzelnen im Beispiel E beschrieben hergestellt werden.

Wenn derartige gemusterte Teilchen in einen dielektrischen Host suspendiert werden und die Suspension in ein mikro-eingekapseltes, filmbildendes Polymer-Bindemittel dispergiert wird, wie dies im Beispiel F beschrieben ist, und wenn diese Emulsion auf flexible oder starre Substrate gegossen wird, die transparente, leitende Beschichtungen tragen, so kann eine schaltbare Vorrichtung geformt werden, die in der Lage ist, codierte Informationen anzuzeigen und zwar in Form von Kreisen, Ovalen, Quadraten, Rechtecken, Dreiecken und dreidimensionalen Formen, räumlichen Markierungen (angehobene oder abgesenkte Teile, Buchstaben, Zahlen, Öffnungen oder Nuten) in speziellen Farbbereichen oder mit unterschiedlichen spektralen Eigenschaften. Eine solche Vorrichtung würde zahllose Anwendungsfälle besitzen, und zwar auf den Gebieten der militärischen Sicherheit und der Tarnung, der Dokumentensicherheit, Fälschungssicherheit, der Objektverfolgung sowie der Identifikation.

Für jedes der Beispiele F–J kann das dielektrischen Hostfluid ein Gel sein, wie es durch die Zugabe einer kleinen Menge einer quervernetzbaren Polymersubstanz gebildet wird, ähnlich wie dies von J.W. Doane et al, in U.S. Patent 5 691 795 für Polymer-stabilisierte Flüssigkristall (PSLC)-Systeme beschrieben ist.. Jedes Flocken/Host-System, enthalten innerhalb einer jeden der Mikrokapseln, ist "geliert". Das "Gelieren" kann die Leistung stabilisieren. Ein solches System kann insbesondere zweckmäßig sein zur Herstellung von Vorrichtungen, die zu bistabiler Schaltung in der Lage sind, und zwar mit Langzeitinformationszurückhaltung (d.h. einem Speicher) einschließlich optischer Informationsspeichervorrichtungen und "elektronischem Papier".

Wenn das dielektrische Hostfluid und die Ladunssteueragenzien in den Mikrokapseln durch ein nematisches Flüssigkristallfluid (vergl. 5) ersetzt wird, so werden sich die dispergierten Flocken wie passive "Gast"-Teilchen suspendiert in dem nematischen Hostfluid verhalten. Die elektrischen Schalteigenschaften (beispielsweise Schwellenspannungen, Ansprechzeiten) werden primär bestimmt durch das Koppeln des angelegten elektrischen Wechselspannungsfeldes mit der dielektrischen Anisotropie des eine niedrige molare Masse besitzenden LC-Hosts. Der Mechanismus ist ähnlich sowohl der nematischen, gekrümmt ausgerichteten Phase (NCAP) und dem Polymerdispergierten Flüssigkristall (PDLC), wie dies in J. L. Fergason's U.S. Patent 4 707 080 und J.W. Doane et al.'s U.S. Patent 4 688 900 beschrieben ist. Der Mechanismus, der einen nematischen Host entsprechend dieser Erfindung verwendet, unterscheidet sich insofern, als der erzeugte optische Effekt sich aus einer Kombination der speziellen optischen Eigenschaften des geordneten nematischen LC-Hosts und der Gast-Flocken ergibt. In 5 enthalten die Mikrokapseln PCLC-Flocken, dispergiert in einem nematischen LC-Host-Fluid mit negativer dielektrischer Anisotropie. Die Mikrokapseln sind in einem Polymerbindemittel eingekapselt.

In den Beispielen, die Mikrokapseln jeweils mit einem Flocken/Host-System betreffen, können die in dem Flocken/Host-System verwendeten PCLC oder PNCL-Flocken aufgebaut sein aus: (1) Materialien, die einen großen dielektrisehen Anisotropie-Wert besitzen, unabhängig davon, ob dieser dem reinen Material inne wohnt oder erhalten wurde durch Dotieren oder Zumischen mit einem eine niedrige Molarmasse besitzenden Additiv, und (2) Hostmaterialien und Flocken ohne irgendwelche Ladungsteueragenzien. Sodann basiert der Mechanismus für die elektrisch induzierte Schaltung bzw. das Schalten auf der Kopplung des angelegten elektrischen Feldes mit der dielektrischen Flocken-Anisotropie und nicht den Oberflächenladungen. Somit wird das elektrische Schalten oder Adressieren unter Verwendung eines Wechselspannungsfeldes ermöglicht.

Auch in den Beispielen, die Mikrokapseln verwenden (47), beinhalten die Mischungen aus PCLC-Flocken in den unterschiedlichen Farbgruppen (Beispiel H) Flocken in jeder Farbgruppe mit einem unterschiedlichen Wert dielektrischer Anisotropie von dem der anderen Gruppen. Sodann kann jede Farbgruppe von Flocken auf einen unterschiedlichen Pegel angelegter Wechselspannung und/oder Frequenz ansprechen. Infolge dessen kann jede Farbe individuell oder in Kombination mit anderen Farben adressiert werden, um Vorrichtungen zu erzeugen, die unter Verwendung von Gleichspannungsfeldern unterschiedlicher Stärke oder Frequenzen adressiert werden können.

Unter Bezugnahme auf die 6, sei Folgendes ausgeführt: Ein zusätzlicher Pegel an Farbschaltfähigkeit kann vorgesehen werden, und zwar durch Dotieren oder Zumischen eines in Öl löslichen Farbstoffs zu der Flocken/Host-Mischung. Dieser Farbstoff ist in den fluidgefüllten Mikrokapseln dann aufgelöst, wenn die Flocken/Host-Mischung eingekapselt wird und verbleibt auch aufgelöst. Die Verwendung eines isotropen Farbstoffs hat eine konstante Hintergrundfarbe zur Folge, die sich nicht mit dem Anlegen des elektrischen Feldes ändert. Die Verwendung eines dichromatischen Farbstoffs erzeugt eine zusätzliche schaltbare Farbquelle unabhängig von der, die durch das Flockenmaterial erzeugt wird. Ein Beispiel dieser Art einer Vorrichtung unter Verwendung des gleichen Flocken- und Hostmaterials in einem Mikro-Einkapselungsmedium, das sphärische Mikrokapseln erzeugt, ist in 6 gezeigt.

Unter Bezugnahme auf 7 sei Folgendes ausgeführt: Die Flocken/Host-Systeme ähnlich denjenigen, die oben beschrieben wurden sind mikroeingekapselt in ein Polymerbindemittel, das während des Aushärtprozesses abgeschert wird, um Mikrokapseln zu erzeugen, die in ihrer Form elliptisch und nicht sphärisch sind. Auf das U.S. Patent 5 523 863 von J.L. Fergason kann Bezug genommen werden hinsichtlich eines Verfahrens zur Herstellung von Polymer-Filmen oder -schichten, die elliptische Kapseln aus Flüssigkristallmaterial enthalten. Die asymmetrische Form oder Gestalt der Mikrokapseln beeinflusst die optischen Schaltcharakteristika der Vorrichtungsausführungsbeispiele, die auf der Mikro-Einkapselung basieren. In 7, ist die kleinere oder Nebenachse der elliptischen Mikrokapsel kleiner oder gleich der längsten Abmessung der Flocke. Dies bewirkt, dass die Flocken innerhalb der Mikrokapseln sich spontan mit der Hauptachse des Mikrokapselellipsoids ausrichten und auf diese Weise eine bevorzugte Orientierungsrichtung durch sterische Faktoren erzeugen.

Mehrfachelement- oder "pixelierte" (pixelated) Anordnungen von Vorrichtungen der 1 bis 7, wie beispielsweise eine Matrix, wo jedes Anzeigeelement gesondert adressiert wird, können eine hohe informationsdichte Farbanzeige vorsehen. Da nur ein kleines Ausmaß der Flockenrotation erforderlich ist, um einen beträchtlichen optischen Effekt zu erreichen, können die Flocken-Host-Systeme besonders brauchbar in Vorrichtungsgeometrien sein, wo das elektrische Feld parallel zu den Substraten angelegt wird.

Ein weiteres Merkmal der Erfindung ist die Verwendung in den hier beschriebenen Vorrichtungen von selektiven Reflexionseigenschaften der PCLC-Flocken zur Erzeugung von Farbe, anstatt durch einen Absorptionsmechanismus der Farbstoffe und absorbierenden Pigmente. Die Vorrichtungen in der vorliegenden Erfindung sind somit in der Lage, höhere Pegel an Photonenfluss zu widerstehen (d.h. optisch induzierte Schäden). Dieses Merkmal ist ein deutlicher Vorteil bei Anwendungen, wo solche Vorrichtungen entweder hohen Spitzenleistungsquellen (beispielsweise gepulsten oder CW-Lasern) oder anderen Formen von optischer Strahlung (beispielsweise starkes Sonnenlicht oder ultraviolettes Licht) ausgesetzt sind.

BEISPIELE DER HERSTELLUNGSVERFAHREN Beispiel 1

Um die Vorrichtung der 1 (Beispiel A) zu erzeugen, wurden PCLC-Flocken erzeugt, und zwar mit 5–7 &mgr;m Dicke, thermisch gegossene Filme oder Schichten aus Wacker CLC535 Polycyclosiloxan LC-Polymer (grüne selektive Reflexion), und zwar durch Verarbeiten des Films ader der Schicht gemäß dem Verfahren beschrieben durch Faris et al. in U.S. Patent 5 364 557. Die sich ergebenden PCLC-Flocken bestanden aus einer Vielzahl von sich stark verändernden Flockengrößen, die in Größengruppen unterteilt wurden, und zwar durch Dispersion derselben in einem geeigneten Lösungsmittel (beispielsweise Methanol) und durch Gießen der Flockenaufschlämmung durch eine Reihe von Sieben mit Maschen entsprechend der gewünschten Größenverteilung (idealerweise zwischen 20–40 &mgr;m). Die größenmäßig behandelte Flockenaufschlämmung ließ man an der Luft trocknen bis das Lösungsmittel verdampft war. Annähernd 10–20 mg eines oder mehrerer Ladungsteueragenzien, ausgewählt aus Tabelle 1, wobei eines derselben typischerweise Aerosol OT war, wurden 20 g eines ausgewählten dielektrischen isotropen Hostfluids (typischerweise Fluorosilikon-Öl) zugesetzt. Die Gesamtheit dieser Ladungssteueragenzien, die zugefügt wurden, kann im Bereich von 0,01–1 Gewichts% der gesamten Mischung liegen. Optional, d.h. wahlweise können zusätzliche 10–20 mg eines Surfactants hinzu gegeben werden, wie beispielsweise ein Poly (ethylenglycerol) oder eine Vielzahl von Surfactantien von 0,001–1 Gewichts% der gesamten Mischung können auch dem Hostfluid zugegeben werden, um bei der Dispersion der Flocken zu helfen und deren Agglomeration, Sedimentation und Immobilisation auf den Zellenwandelektroden zu verhindern. Nach dem Auflösen der Ladungssteueragenzien und Surfactantien wurden 50 mg größenbemessener PCLC-Flocken einem 1 Gramm der Host/Ladungssteueragenzien/Surfactantsmischung (annähernd 3–6 Gewichts% der gesamten Mischung) hinzugefügt, und zwar für die Verwendung in einer Testzelle. Die Flocken wurden in den Host dispergiert unter Verwendung entweder eines Magnetrührers, eines Ultraschallbades oder einer Schüttelvorrichtung, wobei die Schüttelvorrichtung das bevorzugte Verfahren darstellt. Die Agitation oder das Rühren wurde fortgesetzt, bis alle Flocken gleichförmig verteilt waren. Zwei 1'' × 1'' Glas-Substrate, jedes mit einer 500 Å Schicht aus Indium-Zinnoxid (ITO) leitende Beschichtung wurde verwendet, um die Vorrichtung zu konstruieren. Der Fluidspalt zwischen den Substraten, typischerweise 40 &mgr;m, wurde eingestellt, und zwar durch abgeschiedenes Glas- oder Plastigperlen oder Kügelchen oder Fasern auf der leitenden Oberfläche eines der Substrate, wobei aber Mylar-Streifen oder irgendwelche andere Beeabstandungsmaterialien, die dem Fachmann bekannt sind, auch verwendet werden könnten. Eine kleine Menge der PCLC-Flocken-Suspension wurde sodann auf dem Substrat abgeschieden und das zweite Substrat wurde zu einer leitenden Oberfläche nach unten weisend auf das erste gesetzt, um eine Sandwich-Zelle zu bilden. Alternativ könnten die zwei Substrate zusammengebaut werden, wobei als erstes die oben beschriebenen Beabstandungsmaterialien verwendet wurden, und die Flocken-Suspension könnte durch Kapillarwirkung in den leeren Zellenspalt gezogen werden. Die Zelle wurde um den Umfang des Fluidspalts herum abgedichtet, und zwar mit einem Epoxy-Abdichtmaterial, um die Suspension innerhalb der Zelle zu halten. Das Anlegen einer Reihe von + 40 V Gleichspannungspulsen entgegen gesetzter Polarität an die Vorrichtung erzeugte einen Verlust an lintensität der hellen grünen Aus-Zustandsfarbe der Flocken. Das optische Ansprechen auf die Vorrichtung ist in den 8(a) und (b) gezeigt.

Beispiel 2

Um die PLC-Flocken zu erzeugen, die eine Ladungssteuerschicht, wie im Beispiel C beschrieben, enthalten, wurden 15 g von Wacker CLC535 Cyclopolsiloxan-LC-Polymer in 30 g von entweder Toluol oder Methylenchlorid aufgelöst. Ein Ladungssteueragens, typischerweise Aerosol OT (30 mg, 0,2 Gewichts) wurde der Mischung zugefügt und die Komponenten wurden mit einem Magnetrührer gemischt. Diese CLC-Polymer/Ladungssteueragensmischung wurde in der Form von aufeinander folgenden Ladungssteuerschichten abgeschieden, und zwar auf einer 5–7 &mgr;m dicken reinen CPC 535-Schicht, die zuvor thermisch auf ein Substrat beschichtet wurde. Die Anzahl der Schichten, die aufgebracht werden kann, kann verwendet werden zur endgültigen Konzentration des Ladungssteueragens in der Ladungssteuerschicht. Ladungssteuerschichten wurden auf den reinen CLC-535-Basis-Film gegossen, und zwar sowohl durch Messerbeschichtung und Drehbeschichtungstechniken, wobei aber das Letztere als das bevorzugte Verfahren herausgefunden wurde, da es außerordentlich gleichförmige Filme oder Beschichtungen mit guter Reproduzierbarkeit erzeugt.

Nach dem Abscheiden der Ladungssteuerschicht wurde der PLC-Film oder die PLC-Schicht erhitzt, und zwar weit über die Glasübergangstemperatur hinaus und es erfolgte eine Ausrichtung durch Scheren, um so einen monodomänen Ausrichtungszustand mit hochqualitativer, selektiver Reflexion zu erhalten. Letzteres wurde erreicht durch: (1) Erhitzen des PLC-Films über die Glasübergangstemperatur hinaus, und zwar auf einer Heizplatte, (2) Laminieren eines Teils von Kapton-Film auf PLC-Film und (3) Zurückbringen der laminierten Filme zur der Heizplatte. Der Kapton-Film bzw. die Kapton-Schicht wurde über den PLC-Film hin und her gezogen, um die Scherbewegung zu erzeugen, was eine gleichförmige Molekularausrichtung in dem PLC-Film zur Folge hat. Der Film wurde sodann in einem Ofen erhitzt und auf 10–20°C angelassen, und zwar liegt diese Temperatur oberhalb der Glasübergangs- oder Glastransitionstemperatur für 3–4 Stunden, wobei nach dieser Zeit der Film gekühlt wurde, und zwar auf Raumtemperatur, um den außerordentlich geordneten mono-domänen Ausrichtungszustand einzufrieren.

Der die Ladungssteuerschicht oder Lage enthaltende PCLC-Film wurde in eine Flockenform umgewandelt, und zwar gemäß dem Verfahren des Standes der Technik von Faris et al. im U.S. Patent 5 364 557. Die Vorbereitung der Flocken/Host-Mischung, der Zellenanordnung und das Testen werden in identischer Art und Weise zu der in Beispiel 1 beschriebenen Art und Weise ausgeführt.

Beispiel 3

Um die Vorrichtung der 1 herzustellen (vergl. Beispiel C) wurden 5–7 &mgr;m thermisch gegossene PCLC-Filme oder -schichten mit unterschiedlich selektiven Reflexionsfarben, wie beispielsweise Wacker CLC 535 (grün), Wacker CLC-670 (rot) und CLC-450 (blau) jeweils beschichtet, und zwar mit entweder einer unterschiedlichen Menge oder einer unterschiedlichen Anzahl von Schichten des Ladungssteueragens, ausgewählt aus Tabelle 1 und aufgelöst in einer Lösungsmittellösung des PCLC-Polymers der entsprechenden selektiven Reflexionsfarbe gemäß dem in Beispiel 2 erläuterten Prozess. Derartige Flocken werden in einem dielektrischen Fluid-Host suspendiert, und zwar ausgewählt aus Tabelle 2 und angeordnet in einer Testzelle zur Auswertung, wie in Beispiel 1 beschrieben. Ein alternatives Verfahren zum Erreichen des gleichen Resultats besteht in der Verwendung eines unterschiedlichen Ladungsteueragens aus Tabelle 1 für jede Flocken-Farbgruppe, um eine unterschiedliche Größe oder ein unterschiedliches Vorzeichen der Ladung zu erhalten in der Ladungssteuerschicht jeder Flocken-Farbgruppe.

Beispiel 4

PCLC-Flocken mit einem großen Wert dielektrischer Anisotropie können aus den Ausgangs-PCLC-Materialien mit wenig oder keiner inherenten dielektrischen Anisotropie durch Mischen von 0,55g von CB-15 (E. Merck) einer niedrigen Molarmasse einer chiralen Verbindung mit positiver dielektrischer Anisotropie mit 2,20 g Wacker CLC535 Polysiloxan-LC-Polymer, aufgelöst in 8,0 g Toluol hergestellt werden. Die Mischung wird gerührt und ein Film oder eine Schicht aus dem modifizierten PCLC-Material wird gegossen und verarbeitet gemäß dem Verfahren, wie dies in Beispiel 2 angegeben ist. Flocken des modifizierten PLC-Materials können aus dem modifizierten Ausgangsfilm erhalten werden, und zwar gemäß dem Verfahren, wie dies von Faris et al. in U.S. Patent 5 364 557 beschrieben ist. Diese Verfahrensweisen und Prozesse zur Herstellung der Flocken/Host-Mischung, der Zellenanordnung und des Testens werden, wie in Beispiel 1 beschrieben, ausgeführt.

Beispiel 5

Zur Erzeugung der PLC-Flocken mit unterschiedlichen Farben und entsprechend unterschiedlichen Werten der dielektrischen Anisotropie wird das Verfahren, beschrieben in Beispiel 4, verwendet, mit der Ausnahme, dass Mehrfach-PCLC-Ausgangs-Polymer-Filme oder Schichten mit unterschiedlichen selektiven Reflexions-Wellenlängen mit unterschiedlichen Mengen eines Additivs, CB-15 dotiert werden, um die dielektrische Anisotropie des modifizierten PCLC-Films zu bestimmen und die resultierenden Flocken für jede gewünschte Farbe. Die Flocken aus modifiziertem PLC-Material können aus dem modifizierten Ausgangsfilm erhalten werden, dadurch dass man dem Verfahren gemäß Faris et al. in U.S. Patent 5 364 557 folgt. Die Verfahrenweise und Prozesse zur Herstellung der Flocken/Host-Mischung, der Zellenanordnung und des Testens werden gemäß dem Beispiel I ausgeführt.

Beispiel 6

Die Herstellung der Vorrichtung gemäß 3 wird dadurch erreicht, dass man als erstes 50 mg (3–6 Gewichts%) Wacker CLC535 Polysiloxan-LC-Flocken der in Beispiel 1 beschriebenen Dimensionen in 1 g einer E7 nematischen Flüssigkristallmischung (E. Merck) mischt. Substrate, die eine transparente leitende Beschichtung, wie im Beispiel 1 tragen, werden mit einer 500 Å Schicht aus Nylon 8/6 spin-abgeschieden aus einer 2% Ameisensäurelösung beschichtet. Nach dem Backen der Substrate bei 120°C für 15 Minuten, wurden die Polyimide-Beschichtungen "gebufft" bzw. geglättet, und zwar unter Verwendung einer Samtwalze, um einen gleichförmigen homogenen Ausrichtzustand zu erzeugen. Die PLCL-Flocken/nematische LC-Suspension wurde der Zelle hinzugefügt, wie in Beispiel I beschrieben und die Zelle wurde ausgewertet durch Anlegen einer Treiberwellenform bestehend aus intermittierenden 1 KHz Sinus-Wellen oder Rechteck-Wellen-Stöße an die Vorrichtung.

Beispiel 7

Vorrichtungen mit einem PCLC-Flocken/Hostfluid-System eingekapselt in sphärischen Hohlräumen in einem film- oder schichtbildenden Polymerbindemittel können hergestellt werden, und zwar dadurch, dass man als erstes die erwünschten PCLC-Flocken, oder die Mischung aus PCLC-Flocken in das gewünschte Host-Fluid, ausgewählt aus Tabelle 2 mit geeigneten Ladungssteueragenzien, ausgewählt aus Tabelle 1, suspendiert. Wenn gewünscht, kann ein Öl löslicher isotroper oder dichromatischer Farbstoff, wie beispielsweise Öl Rot O, Sudan III oder Sudan Schwarz B der Flocken/Fluid-Host-Suspension zugegeben werden, um zusätzliche Farbschaitfähigkeiten, wie zuvor beschrieben hinzuzufügen. Ein auf Wasser basierendes Einkapselungsmedium, welches beispielsweise Wasser lösliche thermoplastische Polymere, wie Polyvinylalkohol (PVA), Polyethylen-Oxid (PEO) oder Polyvinyl-Pyrroldon (PVP) verwendet, wird hergestellt durch Auflösen einer geeigneten Polymermenge in Wasser, um für die Einkapselung hinreichend Viskosität zur Verfügung zu stellen. Typischerweise wird eine Festkonzentration (solid concentration) für ungefähr 10–50% des filmbildenden Polymers in Wasser verwendet, und zwar abhängig von der speziellen ausgewählten Polymer-Matrix. Ein Surfactant oder eine Reihe von Surfactantien wird der Einkapselungsmatrix zugegeben, um die endgültige Emulsion zu stabilisieren. Die PCLC-Flocken/Fluid-Host-Suspension wird der Einkapselungsmatrix zugegeben, und zwar in einem entsprechenden Verhältnis von 60% bzw. bis 40% und dispergiert unter Verwendung entweder eines hohen Schermischers oder eines kommerziellen Mischers in einer Art und Weise ähnlich, wie dies durch Fergason für NCAP-Dispersionen in den U.S. Patent 4 707 080 und 5 523 863 beschrieben wurde. Die sich ergebende Emulsion kann sodann auf ein starres oder flexibles Substrat aufgegossen werden, welches einen transparenten, leitenden Überzug trägt, und zwar unter Verwendung von Messerbeschichtungsverfahren, die dem Fachmann bekannt sind. Nach dem der Film lufttrocknen konnte, kann ein zweites Substrat mit einer leitenden Beschichtung auf die verbleibende freiliegende Oberfläche des Films laminiert werden, um die gewünschte Vorrichtung zu bilden.

Beispiel 8

Die Herstellung einer Vorrichtung mit dem PCLC-Flocken/Host-Fluid-System enthalten innerhalb elliptischer Hohlräume in einem polymeren Bindemittel (7) wird erreicht durch Vorbereitung der PCLC-Flocken/Fluid-Host-Suspension, wie dies in Beispiel 7 beschrieben wurde und Einkapseln in eine Wasser lösliche durch Wärme aushärtbare (thermosetting) filmbildende Polymeremulsion oder Firnis, wie beispielsweise eine Varathane Polyurethan-Emulsion. Das Urethan-Einkapselungsmedium enthält auch Mengen von zusätzlichen Surfactantien, wie dies in Beispiel 7 beschrieben ist. Die Mikro-Einkapselung, das Film- oder Beschichtungsgießen und die Film- oder Beschichtungsverarbeitung wird, wie im Beispiel 7 beschrieben ausgeführt, und zwar mit der Ausnahme, dass der teilweise ausgehärtete Film durch Strecken und Erhitzen laminiert wird, und zwar entsprechend dem Verfahren, wie dies von Fergason in U.S. Patent 5 523 863 beschrieben wurde, um gleichzeitig die langgestreckten Kapseln zu erzeugen und den Film auszuhärten, um die elliptische Kapselform beim Kühlen aufrecht zu erhalten.

Aus der obigen Beschreibung ergibt sich, dass eine Klasse von elektrisch schaltbaren elektro-optischen Vorrichtungen unter Verwendung von PLC- und BP-Flocken, suspendiert in Fluid-Hosts offenbart wurde, wobei diese Vorrichtungen viele Anwendungen auf dem Gebiet der Optik, Photonik und als Anzeigevorrichtung besitzen. Abwandlungen und Modifikationen der hier beschriebenen Vorrichtungen ergeben sich für den Fachmann im Rahmen der Erfindung. Demgemäß sollte vorstehende Beschreibung als veranschaulichend und nicht in einem einschränkenden Sinne verstanden werden.


Anspruch[de]
Eine optische Vorrichtung die Folgendes aufweist: ein System aus elektro-optisch empfindlichen Flocken, suspendiert in einem Host- bzw. Wirtsfluid zum selektiven Ändern einer optischen Charakteristik davon durch Änderungen in einem angelegten elektrischen Feld, wobei die erwähnten Flocken ein polymeres Flüssigkristallmaterial (PLCI) oder ein doppelbrechendes Polymermaterial (BP) sind. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die erwähnte optische Charakteristik die Reflektivität, die Transmissivität oder die Polarisation ist, und wobei die Flocken und das Hostsystem Zustände besitzen, in denen die optische Charakteristik in jedem der erwähnten Zustände geändert wird. Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei die Flocken in dem System durch das Feld schaltbar sind zwischen den erwähnten Zuständen, in denen sie durch Drehung von ungefähr 3 bis ungefähr 20° repräsentiert sind, wodurch zwei Zustände relativer Winkeldisposition oder -anordnung vorgesehen sind. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die erwähnten Flocken durch ausgewählte geometrische Formen oder Markierungen auf mindestens einer Oberfläche davon gemustert sind. Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei die Flocken von ungefähr 20 bis ungefähr 40 Mikron breit sind, und ein Längen- zu Breitenverhältnis von ungefähr 2:3 besitzen, und eine Dicke von ungefähr 5 bis 7 Mikron. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Hostfluide aus der folgenden Gruppe ausgewählt sind: ein isotropes dielektrisches Material und ein nematisches Flüssigkristallfluid. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Flocken aus der aus Folgendem bestehenden Gruppe ausgewählt sind: PNLC, PCLC, BP und Steigungsgradient PCLC. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Flocken eine dielektrische Anisotropie besitzen, und in der erwähnten optischen Charakteristik durch ein Wechselstromfeld (AC-Feld) änderbar sind. Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei die erwähnte dielektrische Anisotropie durch Dotieren der Materialien der erwähnten Flocken vorgesehen wird, und zwar während der Herstellung derselben mit einem dielektrische Anisotropie induzierenden Material. Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei unterschiedliche Gruppen der erwähnten Flocken unterschiedliche Werte dielektrischer Anisotropie besitzen, um selektive Reflektion oder Transmission unterschiedlicher Farben vorzusehen, und zwar entsprechend unterschiedlichen Werten der Amplitude oder Frequenz des erwähnten Wechselstromfeldes. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das System ein Ladungssteueragens aufweist. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die erwähnten Flocken, Flocken mit Ladungssteuerschichten auf der Oberfläche davon aufweisen, um die erwähnte Ladungssteuerschicht vorzusehen. Vorrichtung nach Anspruch 11, wobei die erwähnten unterschiedlichen Gruppen von Flocken die erwähnten Ladungssteuerschichten mit unterschiedlichen Konzentrationen besitzen, um so selektiv durch elektrische Felder unterschiedlicher Größe adressierbar zu sein. Vorrichtung nach Anspruch 13, wobei die unterschiedlichen Gruppen Polarisationen für unterschiedliche Farben besitzen. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der erwähnte Host ein Surfactantmaterial aufweist. Vorrichtung nach Anspruch 15, wobei der erwähnte Host ein Ladungssteueragens aufweist. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der erwähnte Host einen Farbstoff enthält. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei eine Vielzahl der erwähnten Flocken/Hostsysteme in einem Polymerbindemittel eingebettet sind und eine Vielzahl von Kapseln in den Bindemitteln bilden. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die erwähnten Kapseln mikroskopische Größe besitzen. Vorrichtung nach Anspruch 18, wobei das Bindemittel ein flexibles Polymer ist. Vorrichtung nach Anspruch 18, wobei der Host ausgewählt ist aus Folgendem: einer isotropen dielektrischen Hostflüssigkeit und einer nematischen Flüssigkeit. Vorrichtung nach Anspruch 18, wobei die Flocken aus der aus Folgendem bestehenden Gruppe ausgewählt sind: PNLC, PCLC, BP und Steigungsgradient PCLC, und zwar mit einer Flockengröße kleiner als die erwähnten Kapseln entlang deren Längsdimension. Vorrichtung nach Anspruch 22, wobei die erwähnten Kapseln im Allgemeinen kugelförmig bzw. sphärisch sind. Vorrichtung nach Anspruch 22, wobei die erwähnten Kapseln im Allgemeinen elliptisch sind. Vorrichtung nach Anspruch 22, wobei die erwähnten Flocken eine dielektrische Anisotropie induzierendes Agens oder Dotierungsmittel enthalten. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die erwähnten Flocken in dem Hostfluid nicht lösbar sind. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die erwähnten Flocken und der Host im Allgemeinen die gleiche Dichte besitzen. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Hostfluid einen Widerstandswert besitzt, der gleich oder größer ist als 109 Ohm × cm. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Host eine Viskosität besitzt, die nur ausreicht um die Flocken in Suspension zu halten. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Brechungsindex der Flocken und des Hostfluids annähernd der gleiche ist. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Flockenhostsystem zwischen Zellsubstraten enthalten ist, und zwar beschichtet mit einer transparenten leitenden Beschichtung oder einem Überzug, an die bzw. an den eine Spannung zur Erzeugung des erwähnten Feldes angelegt ist. Vorrichtung nach Anspruch 31, wobei die Flocken Polymerflüssigkeitskristallflocken in Grandjean-Orientierung sind. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Hostfluid ein Gel ist. Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei die erwähnten Zustände bistabil sind. Vorrichtung nach Anspruch 34, wobei das Wirts- oder Hostmaterial eine Viskosität besitzt, die es ermöglicht, dass die erwähnten bistabilen Zustände vorgesehen werden. Vorrichtung nach Anspruch 35, wobei das Hostmaterial ein Gel ist.






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