DE10033899A1 - Electro-optical switches - Google Patents

Electro-optical switches

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Abstract

The invention relates to a switch for electromagnetic radiation, composed of at least two control electrodes, one or more inputs and outputs for the electromagnetic radiation to be switched and electrophoretically mobile particles that are impermeable to the electromagnetic radiation suspended in a suspension that is permeable to the electromagnetic radiation. Said suspension is preferably characterized by a negative electrorheological effect. The microstructured components can be used for optical switches or as components for optical computers.

Description

Die Erfindung betrifft elektrisch ansteuerbare Schaltvorrichtungen für die optische Lichtleitung.The invention relates to electrically controllable switching devices for the optical Light line.

Lichtleitfaser sind Quarz- oder Glasfaser zum Weiterleiten von Licht. Die Dämpfungsfaktoren neuerer Fasern sind im sichtbaren und nahen infraroten Spektralbereich sehr niedrig; z. B. bei Wellenlängen von 850 nm kleiner als 3 dB/km, bei 1300 nm kleiner als 0,5 dB/km und bei 1550 nm bis 0,16 dB/km. Bei kurzen Wellenlängen ist die Dämpfung durch die Rayleigh-Streuung und bei langen Wellenlängen durch die Eigenabsorption bestimmt. Lichtleitfasern werden in der Nachrichtentechnik (Faseroptik), z. B. im Verbund mit integrierter Optik, in der Messtechnik, in der Spektroskopie und Medizin verwendet. Zu Herstellung und Einsatz von Lichtleitfasern siehe z. B. Freidinger, in Junge (Hrsg.), Lichtwellenleiter u. -leiterkabel, parat Jahrb. Optoelektronik 1988, Seite 33, Weinheim: VCH Verlagsges. 1988; Phys. Unserer Zeit 19, 37 (1988); Schwanhäuser, Lichtwellenleiter, Weinheim: VCH Verlagsges. 1989; Sci. Am. 259, Nr. 11, 76 (1988); Spektr. Wiss. 1996, Nr. 7, 107; Young, Optik, Laser, Wellenleiter, Berlin: Springer 1996.Optical fibers are quartz or glass fibers for transmitting light. The Damping factors of newer fibers are in the visible and near infrared Spectral range very low; z. B. at wavelengths of 850 nm less than 3 dB / km, at 1300 nm less than 0.5 dB / km and at 1550 nm to 0.16 dB / km. at short wavelengths is the attenuation by the Rayleigh scattering and at long ones Wavelengths determined by self-absorption. Optical fibers are used in the Telecommunications (fiber optics), e.g. B. in combination with integrated optics, in the Measurement technology, used in spectroscopy and medicine. To manufacture and For use of optical fibers see e.g. B. Freidinger, in Junge (ed.), Optical fiber u. -leiterkabel, ready year 1988 optoelectronics, page 33, Weinheim: VCH Verlagsges. 1988; Phys. Our Time 19, 37 (1988); Schwanhäuser, Optical fiber, Weinheim: VCH Verlagsges. 1989; Sci. At the. 259, No. 11, 76 (1988); Spektr. Wiss. 1996, No. 7, 107; Young, optics, lasers, waveguides, Berlin: Springer 1996th

Lichtleitfasern können auch aus speziellen organischen Polymeren (z. B. Polymethylmethacrylat, Polycarbonat, Polystyrol) hergestellt werden. Polymere Lichtleitfasern - auch polymeric optical fibers (POF) genannt - werden im Schmelz- Spinnverfahren mit einer Coextrusionstechnik hergestellt, die zu Fasern mit einer Kern-Mantel-Struktur führt. Sie zeichnen sich gegenüber konventionellen Lichtleitfasern aus Glas u. a. durch niedrigere Herstellkosten, bessere Verarbeitbarkeit, geringeres Gewicht und höhere Flexibilität aus. Nachteilig ist z. Z. noch ihre relativ hohe Lichtdämpfung, die z. B. bei aus Polymethylmethacrylat hergestellten polymeren Lichtleitfasern und Licht der Wellenlänge 650 nm bei 100 bis 200 dB/km liegt. Diese hohe Dämpfung erlaubt nur kurze Übertragungsstrecken (ca. 100 m), wenn das Signal nicht aufgefrischt wird. Signifikant niedrigere Dämpfungswerte können über Polymer-Modifizierungen, z. B. durch Austausch von Wasserstoff- gegen Fluor-Atome, eingestellt werden; mit Poly(2-fluoracrylsäure) z. B. wurden Dämpfungswerte von ca. 5 bis 18 dB/km erreicht.Optical fibers can also be made from special organic polymers (e.g. Polymethyl methacrylate, polycarbonate, polystyrene) can be produced. polymers Optical fibers - also called polymeric optical fibers (POF) - are Spinning process made with a coextrusion technique that turns into fibers with a Core-shell structure leads. They stand out from conventional ones Optical fibers made of glass and. a. through lower manufacturing costs, better Processability, lower weight and greater flexibility. The disadvantage is z. Z. still their relatively high light attenuation, the z. B. from polymethyl methacrylate produced polymer optical fibers and light of wavelength 650 nm at 100 up to 200 dB / km. This high attenuation allows only short transmission distances (approx. 100 m) if the signal is not refreshed. Significantly lower Damping values can be modified via polymer, e.g. B. by exchanging  Hydrogen versus fluorine atoms; with poly (2-fluoroacrylic acid) z. B. attenuation values of approx. 5 to 18 dB / km were achieved.

Einsatzmöglichkeiten für polymere Lichtleitfasern, z. B. für solche mit Polymethylmethacrylat als Kern und Fluor-Polymeren als Mantel, bestehen insbesondere auf dem Gebiet der Kommunikations-Technik, in den Bereichen der Optoelektronik, der Produktions-, Büro- und Laborautomatisierung, des Automobilbaus, der Sensorik und spezieller Beleuchtungstechniken [Lit.: Encycl. Polym. Sci. Eng. 7, 1-15; 10, 493-540; Jenekhe u. Wynne, Photonic and Optoelectronic Polymers, ACS Symp. Ser. 672, Washington: ACS 1997; J. Polym. Sci. Part A 25, 37-46 (1987); Phys. Unserer Zeit 19, 37 ff. (1988)].Possible uses for polymer optical fibers, e.g. B. for those with Polymethyl methacrylate as the core and fluoropolymer as the jacket especially in the field of communication technology, in the fields of Optoelectronics, production, office and laboratory automation, des Automotive engineering, sensor technology and special lighting technologies [Lit .: Encycl. Polym. Sci. Closely. 7, 1-15; 10, 493-540; Jenekhe et al. Wynne, Photonic and Optoelectronic Polymers, ACS Symp. Ser. 672, Washington: ACS 1997; J. Polym. Sci. Part A 25: 37-46 (1987); Phys. Our time 19, 37 ff. (1988)].

Der wachsende Markt der Kommunikationstechnik über optische Fasern erfordert Elemente für Verbindungen, Lichtweichen und als Schalter aus diesen Materialien.The growing market for communication technology via optical fibers requires Elements for connections, light switches and as switches made from these materials.

Für photonische Schaltelemente gibt es die Möglichkeit der Verwendung von Materialien mit nicht-linearen optischen Eigenschaften.For photonic switching elements there is the possibility of using Materials with non-linear optical properties.

Da nicht-lineare optische Eigenschaften häufig nur bei hohen optischen Eingangsintensitäten zu beobachten sind, werden meist "smart pixel" eingesetzt, bei denen die Abgabeintensität elektronisch kontrolliert wird. Die einfallenden und ausfallenden Strahlengänge liegen hier in einer Ebene.Since non-linear optical properties are often only available with high optical Input intensities are usually observed, "smart pixels" are used at where the delivery intensity is controlled electronically. The invading and beam paths that fall out lie in one plane.

In der Literatur wird zum Beispiel ein Konzept beschrieben [P. Kiesel, U. Hilburger, M. Kneissl, B. Knüpfer, H. Grothe, G. H. Döhler, "All Optical Switching With Gain in Waveguide Modulator Structures", IEE Proceedings Optoelectronics, Vol. 40, (1996), Seiten 683 bis 686], bei dem so genannte self electro-optic effect devices (SEED) eingesetzt werden. Hier wird ein photoleitender Detektor mit einer Referenzdiode zu einem digitalen optoelektronischen Schalter kombiniert, der direkt den Frequenzmodulator kontrolliert.For example, a concept is described in the literature [P. Kiesel, U. Hilburger, M. Kneissl, B. Knüpfer, H. Grothe, G. H. Döhler, "All Optical Switching With Gain in Waveguide Modulator Structures ", IEE Proceedings Optoelectronics, Vol. 40, (1996), Pages 683 to 686], in the so-called self electro-optic effect devices (SEED) be used. Here a photoconductive detector with a reference diode becomes a digital optoelectronic switch that directly connects the Frequency modulator controlled.

So beschreibt US 4 491 384 ein elektrooptisches Schalterelement, bei dem der Brechungsindex eines Materials mit Hilfe einer auf die Oberfläche des Materials induzierten Frequenz (hochfrequente akustische Wellen) so verändert, d. h. moduliert werden kann, dass einfallendes Licht nur an definierten Stellen wieder austreten kann.No. 4,491,384 describes an electro-optical switch element in which the  Refractive index of a material using one on the surface of the material induced frequency (high frequency acoustic waves) so changed, d. H. can be modulated that incident light only at defined points can leak.

Mit Hilfe von nicht-linearer Optik und von optischer Bistabilität lassen sich digitale optische Speicher und logische Gates [AND, OR, NOT (Inverter)] realisieren. Das sind im Prinzip alle Funktionen, die man braucht, um einen optischen Computer zu bauen. Daher erwartet man, in Zukunft optische Computer bauen zu können, die mit Lichtpulsen statt wie konventionelle elektronische Computer mit elektrischen Strom- und Spannungspulsen arbeiten. Der große Vorteil der optischen Computer ist die Möglichkeit paralleler Datenverarbeitung, da bits (Informationselemente) von einer logischen Ebene (z. B. 103 × 103 bits) mit einer Linse parallel auf die nächste Ebene abgebildet werden können. Im Gegensatz dazu kann durch einen Verbindungsdraht in einem elektronischen Computer zu einer Zeit nur ein Signal übertragen werden. Diese Maschinen arbeiten also im Wesentlichen seriell. Das führt zu Begrenzungen in der Rechengeschwindigkeit, dem so genannten von Neumann-Bottleneck, das durch optische Computer überwunden werden könnte.With the help of non-linear optics and optical bistability, digital Realize optical memories and logical gates [AND, OR, NOT (inverter)]. The are basically all the functions you need to use an optical computer to build. Therefore, one expects to be able to build optical computers in the future Pulses of light instead of conventional electronic computers with electrical current and voltage pulses work. The big advantage of optical computers is that Possibility of parallel data processing, since bits (information elements) from one logical level (e.g. 103 × 103 bits) with a lens parallel to the next level can be mapped. In contrast, through a connecting wire only one signal is transmitted in an electronic computer at a time. So these machines essentially work in series. This leads to limitations in computing speed, the so-called von Neumann-Bottleneck, the could be overcome by optical computers.

Nach einer euphorischen Phase in der ersten Hälfte der 80er-Jahre zeigte sich, dass rein optische Computer nur schwer zu realisieren sind. Die wesentlichen Gründe dafür sind, dass optische bistabile Schalter entweder langsam sind oder sehr hohe Lichtintensitäten bzw. tiefe Temperaturen benötigen. Weiter reicht das Ausgangssignal eines bistabilen Bauelementes im Allgemeinen nicht aus, mehrere Bauelemente in der nächsten Ebene zu schalten (fan out). Derzeit geht die technische Entwicklung daher zu Hybridbauelementen (optische Bistabilität), die die Vorteile optischer Datenübertragung und elektronischen Schaltens miteinander verbinden.After a period of euphoria in the first half of the 1980s, it became clear that purely optical computers are difficult to implement. The main reasons are that optical bistable switches are either slow or very high Need light intensities or low temperatures. That goes further The output signal of a bistable component is generally not sufficient, several Switch components on the next level (fan out). Currently the Technical development to hybrid components (optical bistability), which the Advantages of optical data transmission and electronic switching with each other connect.

Unter den oben diskutierten "Optoelektrischen Modulatoren" versteht man Bauelemente, in denen entweder ein zeitlich veränderlicher, einfallender Lichtstrahl ein entsprechend zeitlich variierendes elektrisches Strom- bzw. Spannungssignal hervorruft oder bei denen ein angelegtes elektrisches Signal einen Lichtstrahl entsprechend moduliert. Zu der ersten Gruppe von Bauelementen gehören die mit Photoeffekten arbeitenden Photoleiter und Photodioden. In der zweiten Gruppe von Bauelementen sind besonders Pockels- und Kerr-Zellen zu erwähnen, akustooptische Modulatoren und Halbleiterlaser.The "optoelectric modulators" discussed above are understood to mean Components in which either a time-varying, incident light beam a correspondingly time-varying electrical current or voltage signal  causes or where an applied electrical signal a light beam modulated accordingly. The first group of components includes Photo effects working photoconductor and photodiodes. In the second group of Components include Pockels and Kerr cells, acousto-optic modulators and semiconductor lasers.

Beim Pockels- und Kerr-Effekt ändert sich die Brechzahl eines Kristalls oder einer Flüssigkeit durch Anlegen eines elektrischen Feldes. Bringt man einen Kristall so orientiert zwischen gekreuzte Polarisatoren, dass er keine Doppelbrechung zeigt, so lässt diese Kombination kein Licht durch. Durch Anlegen einer elektrische Spannung wird das Material doppelbrechend oder es dreht die Polarisationsebene, sodass je nach Länge der Zelle und elektrische Feldstärke mehr oder weniger Licht durchgelassen wird. Diese Effekte sind sehr schnell und erlauben eine Lichtmodulation bis in den GHz-Bereich.In the Pockels and Kerr effect, the refractive index of a crystal or one changes Liquid by applying an electric field. Bring a crystal like that oriented between crossed polarizers that it shows no birefringence, so this combination does not let light through. By applying an electrical voltage the material becomes birefringent or it rotates the polarization plane, so that depending on the length of the cell and electric field strength more or less light is let through. These effects are very fast and allow one Light modulation up to the GHz range.

Weiterhin können zur Modulation flüssige Kristalle herangezogen werden oder nicht- linear optisch oder optisch bistabile Bauelemente, so beschrieben in Hecht u. Zajac, Optics, Reading MA: Addison-Wesley Publ. Comp. 1987, Paul, Elektronische Halbleiterbauelemente, Studienskripte 112, Stuttgart: Teubner 1986, Paul, Optoelektronische Halbleiterbauelemente, Studienskripte 96, Stuttgart: Teubner 1985, Sze, Physics of Semiconductor Devices, 2. Aufl., New York: Wiley 1981.Furthermore, liquid crystals can be used for the modulation or not. linear optically or optically bistable components, as described in Hecht u. Zajac, Optics, Reading MA: Addison-Wesley Publ. Comp. 1987, Paul, Electronic Semiconductor components, study scripts 112, Stuttgart: Teubner 1986, Paul, Optoelectronic semiconductor components, study scripts 96, Stuttgart: Teubner 1985, Sze, Physics of Semiconductor Devices, 2nd ed., New York: Wiley 1981.

Diese Techniken sind verbesserungsfähig. Insbesondere sollten elektrooptische Schalter mit geringen Spannungen auskommen und kleine Abmessungen aufweisen, dagegen sollte der Unterschied zwischen transparentem und nicht­ transparentem (EinlAus)-Zustand möglichst groß sein.These techniques can be improved. In particular, electro-optical Switches manage with low voltages and small dimensions the difference between transparent and not transparent (inlet-off) state should be as large as possible.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung war daher die Entwicklung neuer elektrooptischer Schalter.The object of the present invention was therefore to develop new ones electro-optical switch.

Bi- oder multistabile optische Zustände können durch elektrophoretisch mobile Partikel erzeugt werden. So beschreiben WO 98/03898, WO 98/19208, WO 98/41899 und WO 98/41898 die Anwendung von elektrophoretisch mobilen Partikeln in einer Suspensionsflüssigkeit zur Darstellung von elektrisch veränderbaren Informationen.Bistable or multistable optical states can be generated by electrophoretically mobile Particles are generated. For example, WO 98/03898, WO 98/19208,  WO 98/41899 and WO 98/41898 the use of electrophoretically mobile Particles in a suspension liquid to represent electrical changeable information.

Diese Techniken sollen im Folgenden näher beschrieben werden.These techniques are described in more detail below.

Eine neuartige Entwicklung zur Darstellung von elektronisch veränderbarer Infor­ mation stellt die "elektronische Tinte" von Prof. J. Jacobson et al. für elektrophoretische Displays dar. Diese Technik nutzt die Orientierung von ein- oder mehrfarbigen Pigmentpartikel in einem elektrischen Feld aus, um Bildinformation darzustellen. Details können z. B. in J. Jacobson et al., IBM System Journal 36, (1997), Seiten 457 bis 463 oder B. Comiskey et. al., Nature, Vol. 394, July 1998, Seiten 253 bis 255 nachgelesen werden.A new development for the display of electronically changeable information mation provides the "electronic ink" from Prof. J. Jacobson et al. For electrophoretic displays. This technology uses the orientation of one or multicolored pigment particles in an electric field to provide image information display. Details can e.g. B. in J. Jacobson et al., IBM System Journal 36, (1997), pages 457 to 463 or B. Comiskey et. al., Nature, Vol. 394, July 1998, Pages 253 to 255.

Zur Herstellung von entsprechenden bipolaren, ein- oder zweifarbigen Partikeln in verschiedenen Ausführungsformen und deren Anwendung in elektrophoretisch arbeitenden Displays kann z. B. auf WO 98/03896 verwiesen werden. Hier wird beschrieben, wie diese Partikel in einer inerten Flüssigkeit suspendiert und in kleinen Blasen eines Trägermaterials eingekapselt werden. Diese Technik erlaubt die makroskopische Anzeige von zwei Farben durch Rotation eines zweifarbigen Partikels je nach angelegtem elektrischen Feld.For the production of corresponding bipolar, one or two-colored particles in different embodiments and their application in electrophoretic working displays can e.g. B. be referred to WO 98/03896. Here will described how these particles are suspended in an inert liquid and in small bubbles of a carrier material are encapsulated. This technique allows the macroscopic display of two colors by rotating a two-color Particles depending on the applied electric field.

In WO 98/19208 wird ein ähnliches elektrophoretisches Display beschrieben, wobei elektrophoretisch mobile Partikel in einer gegebenenfalls farbigen Flüssigkeit durch ein elektrisches Feld innerhalb einer Mikrokapsel bewegt werden können. Je nach Feldrichtung orientieren sich die Partikel zu einer Elektrode und stellen so makros­ kopisch eine ja/nein-Farbinformation (entweder ist die Farbe der Partikel oder die Farbe der Flüssigkeit sichtbar) dar.WO 98/19208 describes a similar electrophoretic display, wherein electrophoretically mobile particles in a possibly colored liquid an electric field can be moved within a microcapsule. Depending on In the field, the particles orientate themselves towards an electrode, making them macros copied yes / no color information (either the color of the particles or the Color of the liquid visible).

WO 98/41899 offenbart elektrophoretische Displays, die zwar auf den oben beschriebenen Prinzipien beruhen, jedoch entweder fluoreszierende oder reflek­ tierende Partikel enthalten. Darüber hinaus ist auch die Verwendung einer Suspen­ sion mit flüssigkristallinem Verhalten beschrieben. Die Flüssigkristalle blockieren oder ermöglichen die elektrophoretische Migration der Partikel je nach angelegtem elektrischem Feld.WO 98/41899 discloses electrophoretic displays based on the above described principles are based, however, either fluorescent or reflective containing particles. In addition, the use of a suspender is also  sion described with liquid crystalline behavior. Block the liquid crystals or enable the electrophoretic migration of the particles depending on the applied electric field.

WO 98/41898 beschreibt ebenfalls ein solches elektrophoretisches Displaysystem, das durch seine spezielle Anordnung durch einen Druckvorgang, insbesondere durch Tintenstrahldrucktechnik, hergestellt werden kann. Vorteilhaft können sowohl die Elektroden als auch das elektrophoretische Display an sich in aufeinander folgenden Druckschritten hergestellt werden.WO 98/41898 also describes such an electrophoretic display system, that due to its special arrangement through a printing process, in particular can be produced by inkjet printing technology. Both can be beneficial the electrodes as well as the electrophoretic display per se in one another following printing steps.

Es ist ein gemeinsames Merkmal dieser Techniken, das die Suspensionsflüssigkeit und die Partikel in Kapseln, Blasen oder sonstigen Kavitäten eines polymeren Materials eingebettet werden. Die Partikel können auch mit der Suspensionsflüssig­ keit eingekapselt werden; diese Kapseln können dann entweder vorgefertigt in den Polymerisationsvorgang des Trägermaterials eingebracht oder in einer komplexen Emulsionspolymerisation gemeinsam mit dem Trägermaterial gebildet werden.It is a common feature of these techniques that the suspension liquid and the particles in capsules, bubbles or other cavities of a polymer Material to be embedded. The particles can also be liquid with the suspension encapsulated; these capsules can then either be prefabricated in the Polymerization process of the carrier material introduced or in a complex Emulsion polymerization are formed together with the carrier material.

In WO 99/56171 wird ein "shutter mode"-Display, basierend auf der elektrophoretischen Migration von Partikeln in einer Suspension beschrieben. Um einen besseren Kontrast von "Ein" zum "Aus"-Zustand des Displays zu erhalten, sind die Kavitäten hier konisch ausgeführt. Die konische Bauform ermöglicht die Zusammenführung der Partikel an der kleinsten Stelle der Kavität, sodass Licht in diesem Fall nahezu ungehindert aus der Kavität austreten kann. Der Betrachter nimmt nur noch einen kleinen Bereich als Störstelle wahr. Die Arbeitsweise der aus konischen Kavitäten bestehenden Displays entspricht der aus der o. g. Literatur bekannten elektrophoretischen Displays.WO 99/56171 describes a "shutter mode" display based on the electrophoretic migration of particles in a suspension is described. Around to get a better contrast from "on" to the "off" state of the display the cavities are conical here. The conical design enables that Merging the particles at the smallest point in the cavity, so that light in this case can emerge from the cavity almost unhindered. The viewer only perceives a small area as a defect. The way of working out existing conical cavities corresponds to that from the above. literature known electrophoretic displays.

In DE 100 21 984.5 werden mit elektrophoretischen mobilen Partikeln arbeitende Verbundfolien beschrieben, deren Schaltzustände durch die Verwendung elektrorheologischer Suspensionen auch ohne äußeres elektrisches Feld über einen längeren Zeitraum bestehen bleiben. DE 100 21 984.5 describes working with electrophoretic mobile particles Composite films described, their switching states through use electrorheological suspensions even without an external electric field over a remain for a longer period.  

Der Einsatz von elektrophoretisch mobilen Partikeln in elektrooptischen Bauteilen ist mit diesen Techniken weder beschrieben noch möglich, da hier Anwendungen als Display, d. h. visuelle Effekte im Vordergrund standen.The use of electrophoretically mobile particles in electro-optical components is with these techniques neither described nor possible, since applications as Display, d. H. visual effects were in the foreground.

Überraschenderweise wurde gefunden, dass mit Hilfe von elektrophoretisch mobilen Partikeln Schalter für elektromagnetische Strahlung hergestellt werden können, wobei die Partikel in einem elektrischen Feld bewegt werden und so die eigentliche Schalterfunktion übernehmen.Surprisingly, it was found that with the help of electrophoretically mobile Particle switch for electromagnetic radiation can be made whereby the particles are moved in an electric field and so the actual one Take over the switch function.

Gegenstand der vorliegenden Erfindung sind daher Schalter für elektromagnetische Strahlung, aufgebaut aus mindestens zwei Steuerelektroden, einem oder mehreren Ein- und Ausgängen für die zu schaltende elektromagnetische Strahlung und elektrophoretisch mobilen, für die elektromagnetische Strahlung nicht durchlässigen Partikeln in einer für die elektromagnetische Strahlung durchlässigen Suspension.The present invention therefore relates to switches for electromagnetic Radiation, made up of at least two control electrodes, one or more Inputs and outputs for the electromagnetic radiation to be switched and electrophoretically mobile, not permeable to electromagnetic radiation Particles in a suspension permeable to electromagnetic radiation.

Die erfindungsgemäßen Schalter bedienen sich der bereits erwähnten Suspension elektrophoretisch mobiler Partikel zur Blockade oder Weiterleitung von elektromagnetischer Strahlung. Dies setzt die Transparenz der Suspensionsflüssigkeit bzw. die nicht-Transparenz der Partikel gegenüber der zu schaltenden Strahlung voraus, wobei gewisse Intensitätsverluste der Strahlung innerhalb der Suspension nicht zu vermeiden sind.The switches according to the invention use the suspension already mentioned electrophoretically mobile particles for blocking or transferring electromagnetic radiation. This sets the transparency of the Suspension liquid or the non-transparency of the particles compared to the switching radiation ahead, with certain intensity losses of the radiation cannot be avoided within the suspension.

Die zu schaltende elektromagnetische Strahlung kann sich in weiten Wellenlängenbereichen bewegen. Es ist möglich, sichtbares Licht (400 bis 800 nm), jedoch auch ultraviolette Strahlung (200 bis 400 nm) oder IR-Strahlung (800 bis 1200 nm), jeweils in Form von monochromatischer Strahlung oder polychromatischem Licht einzusetzen. Licht mit einer engen Wellenlängenverteilung ist bevorzugt.The electromagnetic radiation to be switched can vary widely Move wavelength ranges. It is possible to use visible light (400 to 800 nm), however also ultraviolet radiation (200 to 400 nm) or IR radiation (800 to 1200 nm), each in the form of monochromatic radiation or use polychromatic light. Light with a narrow wavelength distribution is preferred.

Die Suspension kann in den bereits genannten Kavitäten verkapselt sein, wobei die Steuerelektroden innerhalb oder außerhalb der Kavitäten liegen können. The suspension can be encapsulated in the cavities already mentioned, the Control electrodes can be inside or outside the cavities.  

Es ist möglich, dass alle Steuerelektroden im Strahlengang der zu schaltenden elektromagnetischen Strahlung angeordnet sind. Eine solche Anordnung ist z. B. in Fig. 1 gezeigt, wobei eine im Strahlengang befindliche Elektrode selbstverständlich für die Strahlung transparent sein muss. Fig. 1 bezeichnet eine Möglichkeit, wie durch einen erfindungsgemäßen Schalter elektromagnetische Strahlung geschaltet werden kann: Zwischen den mit a) und b) bezeichneten Steuerelektroden werden die elektrophoretisch mobilen Partikel mittels eines elektrischen Felds bewegt, wobei in den Fig. 1 I und 1 III keine Strahlung den Schalter passieren kann ("Aus"). Liegt kein elektrisches Feld zwischen den Elektroden a) und b) an (Fig. 1 II), so verteilen sich die Partikel in der Suspension und die Strahlung kann den Schalter passieren ("An"). Fig. 2 zeigt das gleiche Schalterprinzip, wobei jedoch ein Schalterelement mehrere, unabhängig von einander, d. h. mehrere unabhängige Steuerelektroden a) aufweisende Ausgänge aufweist.It is possible that all control electrodes are arranged in the beam path of the electromagnetic radiation to be switched. Such an arrangement is e.g. B. shown in Fig. 1, wherein an electrode located in the beam path must of course be transparent to the radiation. Fig. 1 denotes a possibility can be switched as indicated by an inventive switch electromagnetic radiation: Between with a) and b) control electrodes designated the electrophoretically mobile particles are moved by means of an electric field, where in Figures 1 I and 1 III none. Radiation can pass the switch ("Off"). If there is no electrical field between electrodes a) and b) ( Fig. 1 II), the particles are distributed in the suspension and the radiation can pass the switch ("On"). Fig. 2 shows the same principle of switch, but a switch element several, independently of each other, ie several independent control electrodes a) having having outputs.

Weitere Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung betreffen die Anordnung der Steuerelektroden. So ist es möglich, dass mindestens eine oder alle Steuerelektroden oder keine der Steuerelektroden im Strahlengang der zu schaltenden elektromagnetischen Strahlung angeordnet sind. Die Fig. 1 bis 4 zeigen exemplarisch jeweils solche Anordnungen.Further embodiments of the present invention relate to the arrangement of the control electrodes. It is thus possible for at least one or all of the control electrodes or none of the control electrodes to be arranged in the beam path of the electromagnetic radiation to be switched. Figs. 1 to 4 show examples of such arrangements, respectively.

Weiterhin kann ein erfindungsgemäßer Schalter ein oder mehrere Eingänge und ein oder mehrere Ausgänge auf einer optischen Achse, d. h. im direkten Durchgang der Strahlung durch den erfindungsgemäßen Schalter, z. B. wie in den Fig. 1 bis 4 gezeigt, aufweisen.Furthermore, a switch according to the invention can have one or more inputs and one or more outputs on an optical axis, ie in the direct passage of the radiation through the switch according to the invention, e.g. B. as shown in FIGS. 1 to 4, have.

Alternativ können ein oder mehrere Eingänge und/oder ein oder mehrere Ausgänge senkrecht zueinander stehen, d. h. nicht auf einer optischen Achse bzw. in einem direkten Durchgang der Strahlung durch den erfindungsgemäßen Schalter.Alternatively, one or more inputs and / or one or more outputs are perpendicular to each other, d. H. not on an optical axis or in one direct passage of the radiation through the switch according to the invention.

Fig. 5 zeigt eine solche Ausführungsform, wobei der Eingang a) und der Ausgang c) senkrecht zueinander stehen und Eingang a) und Ausgang b) auf einer optischen Achse liegen. Möglich ist auch eine vollständig orthogonale Anordnung der Ausgänge c) und d) bezüglich des Eingangs a) [d) würde aus der Papierebene heraus zeigen]. FIG. 5 shows such an embodiment, the input a) and the output c) being perpendicular to one another and the input a) and output b) lying on an optical axis. A completely orthogonal arrangement of the outputs c) and d) with respect to the input a) [d) would also point out from the paper plane is possible].

Die erfindungsgemäßen Schalter werden zweckmäßig als Ensemble in einer Matrix verwendet und entsprechend hergestellt.The switches according to the invention are useful as an ensemble in a matrix used and manufactured accordingly.

Die erfindungsgemäßen Schalter können auch als flächiges Ensemble optischer An- Aus-Schalter verwendet werden. Wichtig für den Einsatz von optischen Schaltern ist die Möglichkeit, verschiedene Pfade des eingestrahlten Lichts gezielt zu ermöglichen und zu steuern.The switches according to the invention can also be used as a flat ensemble of optical Off switches are used. It is important for the use of optical switches the possibility of targeting different paths of the incident light enable and control.

Die Anordnung der Schalter als flächiges Ensemble kann z. B. in Farm einer Verbundfolie mit regelmäßig angeordneten Kavitäten und entsprechenden Steuerelektroden erfolgen.The arrangement of the switches as a flat ensemble can, for. B. in farm one Composite film with regularly arranged cavities and corresponding ones Control electrodes are made.

Die Ansteuerung der einzelnen Schalter kann durch gedruckte Schaltungen erfolgen, die Zu- und Ableitung der elektromagnetischen Strahlung durch Lichtwellenleiter.The individual switches can be controlled by printed circuits take place, the supply and discharge of the electromagnetic radiation Optical fiber.

In Fig. 7 ist solches flächiges Ensemble skizziert. Hier wird das Licht einer Lichtquelle a) durch eine als Verbundfolie b) ausgeführte Vielzahl von optischen Schaltern in einzelne Lichtpunkte, z. B. zur Erzeugung eines Signals oder einer Informationseinheit (bit) c), aufgeteilt bzw. diese gesteuert. Die Weiterleitung der "Lichtbits" kann z. B. durch gedruckte Lichtwellenleiter oder -fasern d) erfolgen.Such a flat ensemble is sketched in FIG. 7. Here the light from a light source a) is converted into individual light points, e.g. B. to generate a signal or an information unit (bit) c), divided or controlled. The forwarding of the "light bits" can, for. B. done by printed optical fibers or fibers d).

Zur Herstellung der erfindungsgemäßen Schalter kann die Kavität des Bauteils durch erodierende oder spahnende Verfahren in einer Matrix erzeugt wird. Ein geeignetes erodierendes Verfahren verwendet Laserstrahlung.The cavity of the component can be used to manufacture the switches according to the invention is generated in a matrix by eroding or spinning methods. On suitable eroding process uses laser radiation.

Die Kavitäten können auch z. B. durch CNC-Fräsen, Nadeln, Prägen, 3D-Drucken, Erodieren, Ätzen, Abformen mit Gießmassen, Spritzguss, photographische oder photolithographische Verfahren oder Interferenzmethoden in ein Trägermaterial gebracht werden. Wie solche mikrostrukturierten Bauteile hergestellt werden können, ist z. B. in DE 29 29 313, WO 97/06468, US 4 512 848, DE 41 35 676, WO 97/13633, EP 0 620 092 B1 oder EP 0 580 052 beschrieben. Weitere Methoden zur Herstellung kleiner Strukturen beschreiben Younan Xia und George M. Whitesides in Angew. Chem. 1998, 110, 568-594. Diese "Softlithographie" genannten Methoden ermöglichen die Herstellung von sehr kleinen Strukturen im Bereich unterhalb von 1 µm bis ca. 35 nm. Eine weitere Methode ist das Mikrofräsen eines Masters, mit dem Platten oder Folien mit der gewünschten Mikrostruktur hergestellt werden können. Der Master stellt eine Negativform dar. Diese kann dann in einem Präge-, Guss- oder Spritzgussverfahren abgeformt werden.The cavities can also, for. B. by CNC milling, needles, embossing, 3D printing, EDM, etching, molding with molding compounds, injection molding, photographic or photolithographic processes or interference methods in a carrier material  to be brought. How such microstructured components are manufactured can, for. B. in DE 29 29 313, WO 97/06468, US 4 512 848, DE 41 35 676, WO 97/13633, EP 0 620 092 B1 or EP 0 580 052. Other methods of Younan Xia and George M. Whitesides describe the manufacture of small structures in Angew. Chem. 1998, 110, 568-594. These methods called "soft lithography" enable the production of very small structures in the area below 1 µm to approx. 35 nm. Another method is the micro-milling of a master with which Plates or foils with the desired microstructure can be produced. The master represents a negative form. This can then be embossed, cast or injection molding process.

Es ist Stand der Technik, dass Mikrostrukturkörper, d. h. eine Matrix mit Kavitäten, aus Kunststoff, Metall oder Keramik nach dem so genannten LIGA-Verfahren durch Lithographie, Galvanoformung und Abformung hergestellt werden können [Lit.: Kernforschungszentrum Karlsruhe, Bericht 3995 (1985)].It is prior art that microstructure bodies, i.e. H. a matrix with cavities, made of plastic, metal or ceramic using the LIGA process Lithography, electroforming and impression can be made [Lit .: Nuclear Research Center Karlsruhe, Report 3995 (1985)].

Die Primärstruktur erhält man durch bildmäßiges Bestrahlen eines strahlungsempfindlichen Kunststoffs mittels Röntgen- oder Synchrotron-Strahlung und anschließendes Auflösen der bestrahlten (oder unbestrahlten) Bereiche des Kunststoffs. Durch galvanisches Abscheiden von Metall in den so aufgelösten Bereichen der Primärstruktur erhält man einen Formeinsatz, der dann mittels Spritzguss oder anderer Mehrfach-Abform-Verfahren die Herstellung von Mikrostrukturkörpern aus Kunststoff ermöglicht.The primary structure is obtained by irradiating an image radiation-sensitive plastic using X-ray or synchrotron radiation and then dissolving the irradiated (or unirradiated) areas of the Plastic. By galvanic deposition of metal in the so dissolved Areas of the primary structure are given a mold insert, which is then by means of Injection molding or other multiple-impression process the manufacture of Microstructure bodies made of plastic.

Das Trägermaterial der Kavitäten bzw. der Schalter kann optisch transparent, farblos oder gefärbt sein. Die Steuerelektroden können an verschiedenen Stellen des Bauelementes angebracht werden, wobei die in einem Strahlengang angeordnete, d. h. zwischen der in das Bauelement einleitenden oder weiterführenden Lichtleitung bzw. des angeschlossenen weiteren Bauelementes und der Kavität liegende Elektrode ebenso transparent oder gefärbt wie das Trägermaterial bzw. das Suspensionsmedium sein kann. The carrier material of the cavities or the switches can be optically transparent, colorless or be colored. The control electrodes can be at various points on the Component are attached, the arranged in a beam path, d. H. between the light conduction leading into the component or continuing or the connected further component and the cavity Electrode just as transparent or colored as the carrier material or the Suspension medium can be.  

Bei der Konstruktion der Schalter können auch verspiegelte Innenflächen innerhalb des Bauelementes verwendet werden, d. h. nicht im Strahlengang befindliche Innenflächen des Schalters können so ausgestaltet werden, dass sie die zu schaltende elektromagnetische Strahlung reflektieren. Dies kann z. B. durch Aufdampfen von Metallen, wie Silber, erfolgen.When designing the switches, mirrored inner surfaces can also be used inside the component are used, d. H. not in the beam path Inner surfaces of the switch can be designed so that the reflect switching electromagnetic radiation. This can e.g. B. by Evaporation of metals, such as silver, take place.

Je nach Form der Schalterkavität kann das erfindungsgemäße Bauteil zwischen mindestens zwei unterschiedlichen optischen Zuständen geschaltet werden (siehe Fig. 1 bis 6).Depending on the shape of the switch cavity, the component according to the invention can be switched between at least two different optical states (see FIGS. 1 to 6).

In einem Fall bedeutet dies das Umschalten des Bauteils zwischen "optisch transparent" und "optisch nicht-transparent" (z. B. Fig. 1 I, III und II); in einem anderen Fall (z. B. Fig. 2 II und III) kann die zu schaltende Strahlung in mehrere Teilstrahlen aufgeteilt werden.In one case, this means switching the component between "optically transparent" and "optically non-transparent" (e.g. FIGS. 1 I, III and II); in another case (e.g. FIGS. 2 II and III) the radiation to be switched can be divided into several partial beams.

Optische Transparenz oder nicht-Transparenz stellen die bevorzugten Extremschaltzustände dar. In der Praxis können eine weitgehende Transparenz/nicht-Transparenz z. B. für das Abdunkeln oder Dimmen von einzelnen Lichtleitern verwendet werden.Optical transparency or non-transparency represent the preferred ones Extreme switching states. In practice, extensive Transparency / non-transparency e.g. B. for darkening or dimming individual Optical fibers are used.

Als Trägermaterial der Kavitäten bzw. der Schalter eignen sich alle mechanisch oder lithographisch bearbeitbaren Polymere, wie beispielsweise Thermoplaste, Polycarbonate, Polyurethane, Polysiloxane, Polyolefine, wie z. B. Polyethylen, Polypropylen, COC (Cyclo-Olefinische Copolymere), Polystyrol, oder ABS-Poly­ merisate, PMMA, PVC, Polyester, Polyamide, thermoplastische Elastomere oder vernetzende Werkstoffe, wie UV-härtende Acrylatlacke, aber auch Polytetrafluor­ ethylen, Polyvinylidenfluorid oder Polymere aus Perfluoralkyloxyverbindungen, sei es als Homo- oder Copolymer oder als Mischungsbestandteil eines Polymerblends.Mechanically or are all suitable as carrier material for the cavities or the switches polymers that can be lithographically processed, such as thermoplastics, Polycarbonates, polyurethanes, polysiloxanes, polyolefins, such as. B. polyethylene, Polypropylene, COC (cyclo-olefinic copolymers), polystyrene, or ABS-Poly merisate, PMMA, PVC, polyester, polyamide, thermoplastic elastomer or cross-linking materials, such as UV-curing acrylic lacquers, but also polytetrafluor ethylene, polyvinylidene fluoride or polymers made from perfluoroalkyloxy compounds it as a homo- or copolymer or as a component of a blend of a polymer blend.

Die Kavitäten können jede der jeweiligen Schaltaufgabe angepasste Form aufweisen. Die Fig. 1 bis 6 zeigen eine Auswahl der Schaltaufgaben und entsprechende Formen der Schalter. The cavities can have any shape adapted to the respective switching task. Figs. 1 to 6 show a selection of switching tasks and corresponding shapes of the switches.

Je nach Form des Bauteils kann die Suspensionsflüssigkeit Streupartikel enthalten, die auch eine nicht geradlinige Lichtleitung, z. B. falls sich die Eingänge oder Ausgänge nicht auf einer optischen Achse (Fig. 5) befinden, ermöglichen.Depending on the shape of the component, the suspension liquid can contain scattering particles, which also have a non-linear light guide, e.g. B. if the inputs or outputs are not on an optical axis ( Fig. 5), allow.

Die Formgebung der Bauteile kann auch so gestaltet sein, dass die Innenwände der Schalter, ähnlich einer Lichtleitfaser, das eingespeiste Licht über Totalreflexion weiterleiten. So können die Außen- oder Innenflächen der erfindungsgemäßen Bauteile lichtundurchlässig beschichtet oder verspiegelt werden. So kann z. B. eine Aluminiumkaschierung, Metallbedampfung, z. B. mit Silber, Spiegellegierungen o. ä., oder eine TiO2-Beschichtung vorgenommen werden. Dies verhindert den uner­ wünschten Lichtaustritt an Flächen, wenn der Lichtaustritt über die Kavitäten durch die elektrophoretisch mobilen Partikel blockiert ist. Dabei ist darauf zu achten, dass die elektrophoretisch mobilen Partikel sich nur an den dafür vorgesehenen Stellen ansammeln oder reversibel haften können.The shape of the components can also be designed in such a way that the inner walls of the switches, similar to an optical fiber, transmit the fed-in light via total reflection. The outer or inner surfaces of the components according to the invention can be coated or mirrored so that they are opaque. So z. B. an aluminum lamination, metal vapor deposition, e.g. B. with silver, mirror alloys or the like, or a TiO 2 coating. This prevents the undesired light emission from surfaces when the light emission through the cavities is blocked by the electrophoretically mobile particles. Care must be taken to ensure that the electrophoretically mobile particles can only accumulate at the places provided for them or can adhere reversibly.

Herstellung von SchalterensemblesManufacture of switch groups

Nachdem ein entsprechender Träger mit den gewünschten Kavitäten ausgerüstet worden ist, werden die Kavitäten mit den elektrophoretisch mobilen Partikeln und der Suspensionsflüssigkeit gefüllt. Dies kann z. B. mittels durch Einschlämmen und Abrakeln der überschüssigen Suspension, durch direktes Einrakeln/Einstreichen der Suspension, mittels Tintenstrahltechnik in einem Druckvorgang oder durch Selbstfüllung mittels Kapillarkräfte erfolgen. Durch diese Maßnahmen werden die Partikelsuspensionen direkt in die Kavitäten eingebracht. Die Kavitäten müssen anschließend verkapselt oder versiegelt werden. Die Füllung kann auch durch die Kapillarkräfte über feine Kanäle erfolgen, wobei die Kavitäten vor dem Füllvorgang verschlossen sind. Zweckmäßig erfolgt dies mit einer Deckfolie, die dicht mit der Kavitätsfläche, der Umhüllung der Kavitäten verbunden wird. Zur Versiegelung der Kavitäten können diverse Verfahren zum Einsatz kommen, wie z. B.:
After an appropriate carrier has been equipped with the desired cavities, the cavities are filled with the electrophoretically mobile particles and the suspension liquid. This can e.g. B. by slurrying and scraping off the excess suspension, by directly knife-coating / brushing in the suspension, by means of inkjet technology in one printing process or by self-filling by means of capillary forces. Through these measures, the particle suspensions are introduced directly into the cavities. The cavities must then be encapsulated or sealed. The filling can also take place through the capillary forces via fine channels, the cavities being closed before the filling process. This is expediently carried out using a cover film which is tightly connected to the cavity surface, the envelope of the cavities. Various methods can be used to seal the cavities, e.g. B .:

  • - Verkleben oder thermisches Verschmelzen (Mikrowellenerwärmung, Kontakt- oder Reibschweißen, Schmelzkleber, Heißlaminierung)- gluing or thermal fusion (microwave heating, contact) or friction welding, hot melt adhesive, hot lamination)
  • - Reaktivharze, insbesondere UV-härtend (z. B. Acrylat-Dispersionen) oder 2- Komponenten-Systeme (z. B. Polyurethan-Lacksysteme), die sich nicht mit der Pigmentsuspension mischen, Grenzflächenpolymerisation, Grenzflächenpoly­ kondensation und andere Verfahren, die z. B. auch im Bereich der Mikroverkapselungstechnologien angewandt werden, wie z. B. in "Microencapsulation: methods and industrial applications", Ed. S. Benita, Marcel Dekker, Inc. NY/1996 für die Verkapselung sphärischer Partikel beschrieben.- reactive resins, in particular UV-curing (e.g. acrylate dispersions) or 2-  Component systems (e.g. polyurethane coating systems) that are not compatible with the Mix pigment suspension, interfacial polymerization, interfacial poly condensation and other processes such. B. also in the field of Microencapsulation technologies are applied, such as. B. in "Microencapsulation: methods and industrial applications", Ed. S. Benita, Marcel Dekker, Inc. NY / 1996 for the encapsulation of spherical particles.

Wichtig bei der Versiegelung ist es, dass möglichst keine Luft- oder sonstigen Gaseinschlüsse erfolgen, keine Reaktionen zwischen dem Suspensionsmedium oder den Mikropartikeln der Suspension und der Kapselschicht auftreten und dass keine Leckagen zur Umgebung bzw. Verbindungen zwischen den einzelnen Kavitäten existieren.It is important when sealing that there is no air or other Gas inclusions occur, no reactions between the suspension medium or the microparticles of the suspension and the capsule layer occur and that no leaks to the environment or connections between the individual Cavities exist.

Die Kavitäten bzw. die vorbereiteten Kapseln können mit einer Suspension oder mit mehreren Suspensionen gefüllt werden. Es ist bei Auswahl der Suspensionsflüssigkeit auf eine ausreichende Transparenz für die zu schaltende elektromagnetische Strahlung zu achten. Absorptions- oder Emissionsphänomene der Flüssigkeit sind insbesondere im Intensitätsmaximum der Strahlung nicht erwünscht.The cavities or the prepared capsules can be with a suspension or with several suspensions can be filled. It is when choosing the Suspension liquid to a sufficient transparency for the to be switched to pay attention to electromagnetic radiation. Absorption or emission phenomena The liquid is not at the maximum intensity of the radiation he wishes.

Als optisch transparente und farblose Flüssigkeiten eignen sich z. B. unpolare organische Flüssigkeiten, wie Paraffin- oder Isoparaffin-Öle, niedermolekulare oder niedrigviskose Silikon-Öle.As optically transparent and colorless liquids such. B. non-polar organic liquids, such as paraffin or isoparaffin oils, low molecular weight or low-viscosity silicone oils.

Zur Herstellung von Bauteilen, die gezielt bestimmte Frequenzen des Lichtes blockieren bzw. eine alleinige Transmission von spezielle Wellenlängen ermöglichen sollen, können die Kavitäten auch gefärbte Suspensionsflüssigkeiten enthalten.For the production of components that target specific frequencies of light block or a sole transmission of special wavelengths The cavities can also enable colored suspension liquids contain.

Gefärbte Suspensionen müssen eine lichtechte Farbe aufweisen und dürfen keine Reaktionen mit dem Material des Bauteils oder der Deckschicht eingehen. Sie können weiterhin fluoreszierende oder phosphoreszierende Substanzen enthalten. Colored suspensions must have a lightfast color and must not Enter into reactions with the material of the component or the top layer. she can also contain fluorescent or phosphorescent substances.  

Die Verwendung von fluoreszierenden oder phosphoreszierenden Substanzen ermöglicht eine höhere Lichtausbeute, und/oder den Einsatz von Lichtquellen mit einem UV-Strahlenanteil. Als Fluoreszenzfarbstoffe eignen sich z. B. Cumarin 314T der Firma Acros Organics oder Pyromethene 580.The use of fluorescent or phosphorescent substances enables a higher luminous efficacy, and / or the use of light sources with a UV radiation component. As fluorescent dyes are such. B. Coumarin 314T from Acros Organics or Pyromethene 580.

Die Herstellung der zwischen 0,1 und 20 µm, bevorzugt zwischen 0,3 und 10 µm, besonders bevorzugt zwischen 0,4 und 5 µm im Durchmesser betragenden elektrophoretisch mobilen Partikel kann in Anlehnung an WO 98/41898, WO 98/41899 oder WO 98/0396 erfolgen. Dies beinhaltet die Umhüllung der Pigmente mit organischen und/oder polymeren Materialien und/oder die Verwendung der reinen Pigmente, die z. B. durch Behandlung von ladungskontrollierenden Additiven (siehe insbesondere WO 96/41899) mit elektrischen Ladungen versehen worden sind.The production of between 0.1 and 20 µm, preferably between 0.3 and 10 µm, particularly preferably between 0.4 and 5 microns in diameter electrophoretically mobile particles can be based on WO 98/41898, WO 98/41899 or WO 98/0396. This includes the coating of the pigments with organic and / or polymeric materials and / or the use of the pure pigments, e.g. B. by treatment of charge-controlling additives (see in particular WO 96/41899) have been provided with electrical charges are.

Die Partikel müssen in der Suspensionsflüssigkeit frei beweglich sein, sodass sich die Partikel aufgrund ihrer Ladung je nach angelegtem elektrischen Feld zu einer der Steuerelektroden bewegen können. Der "Aus"/"Ein"-Zustand eines Schalters bzw. der makroskopisch wahrnehmbare Schalterzustand ist daher durch die räumliche Anordnung der Partikel bestimmt und kann durch das elektrische Feld gesteuert werden.The particles must be able to move freely in the suspension liquid so that the particles become one due to their charge depending on the applied electric field the control electrodes can move. The "off" / "on" state of a switch or the macroscopically perceptible switch state is therefore due to the spatial arrangement of the particles is determined and can be determined by the electric field to be controlled.

Fig. 6 zeigt in Aufsicht (6 I) und in Seitenansicht (6 II) beispielhaft den Aufbau der erfindungsgemäßen optischen Schalter, wobei
 Fig. 6 shows a top view (6 I) and a side view (6 II) as an example of the structure of the optical switch according to the invention, wherein

  • a) Eingang der zu schaltenden elektromagnetischen Strahlung,a) input of the electromagnetic radiation to be switched,
  • b) Ausgang der zu schaltenden elektromagnetischen Strahlung,b) output of the electromagnetic radiation to be switched,
  • c) Durchgang (Strahlengang) im Bauteil,c) passage (beam path) in the component,
  • d) Suspensionsflüssigkeit,d) the suspension liquid,
  • e) elektrophoretisch mobile Partikel,e) electrophoretically mobile particles,
  • f) Steuerelektrode "Aus"-Zustand undf) control electrode "off" state and
  • g) Steuerelektrode "Ein"-Zustandg) Control electrode "on" state

bezeichnen.describe.

Fig. 6 I und II zeigen "Ein"-Zustände, 6 III den "Aus"-Zustand. Fig. 6 I and II "on" states, 6 III the "off" state.

Die Ansteuerung der Elektroden, d. h. die Adressierung von einzelnen Kavitäten kann z. B. parallel durch eine Reihen-/Spaltenanordnung von elektrischen Schaltereinheiten gemäß WO 97/04398 oder einzeln erfolgen. Sind die Kavitäten für eine Einzelansteuerung zu klein, so werden mehrere Kavitäten (optische Schalter) pro elektrischer Schaltereinheit geschaltet.The control of the electrodes, i. H. the addressing of individual cavities can e.g. B. in parallel by a row / column arrangement of electrical Switch units according to WO 97/04398 or individually. Are the cavities Too small for a single control, so several cavities (optical Switch) switched per electrical switch unit.

Die elektrophoretischen Partikel gehen ohne äußeres elektrisches Feld schnell wieder in einen ungeordneten, über den gesamten Schalter verteilten Zustand über. Dies wird durch Wärme oder äußere Erschütterungen noch begünstigt, sodass ein eingestellter Schalterzustand mit der Zeit wieder verschwindet, sofern nicht dauerhaft ein elektrisches Feld den gewünschten Ordnungszustand der Partikel aufrechterhält.The electrophoretic particles go quickly without an external electric field back into an unordered state, distributed over the entire switch. This is further favored by heat or external shocks, so that a set switch status disappears over time, if not permanently an electric field the desired order state of the particles maintains.

Dies ist für schnelle Änderungen des Schaltzustands erwünscht.This is desirable for rapid changes in the switching state.

Es sind jedoch auch Anwendungen denkbar, deren Schaltzustände auch ohne äußeres elektrisches Feld über einen längeren Zeitraum bestehen bleiben sollen.However, applications are also conceivable whose switching states also without external electric field should persist over a longer period of time.

In einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung werden daher Suspensionen mit einem durch ein elektrisches Feld kontrollierbaren rheologischen Verhalten verwendet.In a further embodiment of the present invention, therefore Suspensions with a rheological controlled by an electric field Behavior used.

Bevorzugt werden Suspensionen mit einem negativen elektrorheologischen Effekt eingesetzt.Suspensions with a negative electrorheological effect are preferred used.

Mit Hilfe der Suspension mit einem negativen elektrorheologischen Effekt werden bistabile Schalter für elektromagnetische Strahlung erhalten. Bei Anlegen eines elektrischen Feldes orientieren sich die elektrophoretisch mobilen Partikel gemäß ihrer Ladung im Feld, d. h. sie können sich bei angelegten elektrischem Feld ungehindert in der Suspension bewegen. Wird das elektrische Feld entfernt, so steigt die Viskosität der elektrorheologischen Suspension stark an und die Partikel werden in ihrem gerade eingenommenen Ordnungszustand weitgehend fixiert. Die vorher eingestellten Schaltzustände werden entsprechend ebenso fixiert, sodass diese auch ohne äußeres elektrisches Feld stabil bleiben.With the help of a suspension with a negative electrorheological effect bistable switches for electromagnetic radiation obtained. When creating a electrical field, the electrophoretically mobile particles are oriented accordingly their cargo in the field, d. H. they can apply to an applied electric field move freely in the suspension. If the electric field is removed, so the viscosity of the electrorheological suspension increases sharply and the particles  are largely fixed in the order state they have just taken. The previously set switching states are also fixed accordingly, so that these remain stable even without an external electrical field.

Um in der Erfindung eingesetzten Suspensionen mit einem negativen elektrorheologischen Effekt zu erhalten, kann die Suspension entweder eine gelöste Substanz oder elektrophoretisch mobile Partikel enthalten, die den negativen elektrorheologischen Effekt zeigen.To use suspensions used in the invention with a negative To obtain electrorheological effect, the suspension can either be a dissolved one Contain substance or electrophoretically mobile particles that contain the negative show electrorheological effect.

Es ist möglich, dass die Suspension mehrere Partikelarten enthält, von denen mindestens eine den negativen elektrorheologischen Effekt zeigt.It is possible that the suspension contains several types of particles, one of which at least one shows the negative electrorheological effect.

Flüssigkeiten, die in An- oder Abwesenheit eines elektrischen Feldes ihre Viskosität ändern (elektrorheologischer Effekt, ER) sind bekannt. Es wird in der Literatur zwischen den positiven und negativen ER unterschieden, wobei die Viskosität beim positiven ER mit steigender elektrischer Feldstärke ansteigt, beim negativen ER sinkt. Die Ursache von positiven und negativem ER sind noch nicht vollständig bekannt (z. B. T. Uemura et al., Polym. Prep. ACS, Div. Polym. Chem., 1994, 35(2), 360-361; K. Minagawa et al., Journal of Intelligent Material Systems and Structures, Vol. 9, 8/1998, 626-631; H. C. Conrad et al., J. Rheol. 41 (2) 1997, 267-281; O. Quadrat et al., Langmuir 2000, 16, 1447-1449; C. Zukowski IV et. al. J. Chem. Soc., Faraday Trans. I, 1989, 85(9), 2785-2795; T. Hao et al., Langmuir 1999, 15, 918-921), werden jedoch auf eine Nachordnung von Molekülen aufgrund van-der-Waals- Wechselwirkungen zurückgeführt, die bei Anlegen eines elektrischen Feldes überwunden werden.Liquids that have their viscosity in the presence or absence of an electrical field changes (electrorheological effect, ER) are known. It is in the literature differentiate between the positive and negative ER, the viscosity at positive ER increases with increasing electric field strength, with negative ER sinks. The causes of positive and negative ER are not yet complete known (e.g. T. Uemura et al., Polym. Prep. ACS, Div. Polym. Chem., 1994, 35 (2), 360-361; K. Minagawa et al., Journal of Intelligent Material Systems and Structures, Vol. 9, 8/1998, 626-631; H.C. Conrad et al., J. Rheol. 41 (2) 1997, 267-281; O. Quadrat et al., Langmuir 2000, 16, 1447-1449; C. Zukowski IV et. al. J. Chem. Soc., Faraday Trans. I, 1989, 85 (9), 2785-2795; T. Hao et al., Langmuir 1999, 15, 918-921), are however reordered by molecules due to van der Waals Interactions attributed to the creation of an electrical field be overcome.

Für einen negativen elektrorheologischen Effekt durch eine in der Suspensionsflüssigkeit gelöste Substanz eignen sich z. B. Polykondensate aus Phenylisocyanat und Polytetramethylenglycol oder p-Chlorophenylisocyanat und Polytetramethylenglycol oder Polymethylmethacrylat als Alkalisalz hydratisiert oder als Blend mit Polystyrol-block-(polethylen-co-propylen).For a negative electrorheological effect due to an in the Suspension liquid dissolved substance are suitable for. B. from polycondensates Phenyl isocyanate and polytetramethylene glycol or p-chlorophenyl isocyanate and Hydrated polytetramethylene glycol or polymethyl methacrylate as the alkali salt or as a blend with polystyrene block (polyethylene-co-propylene).

Die in der Suspension gelösten Substanzen sind in der Regel polymerer Natur und daher nur bis zu einem bestimmten Molgewicht in der Suspensionsflüssigkeit löslich. Welche Substanz in welcher Flüssigkeit ausreichend löslich ist, kann durch orientierende Versuche unschwer ermittelt werden.The substances dissolved in the suspension are usually polymeric in nature and  therefore only soluble up to a certain molecular weight in the suspension liquid. Which substance is sufficiently soluble in which liquid can be determined by orientation tests can be easily determined.

Für die vorliegende Erfindung ist nur der negative elektrorheologische Effekt der Suspension wichtig. Es sind Substanzen, Flüssigkeiten oder Suspensionen bekannt, die neben einem rheologischen, d. h. viskositätsverändernden Effekt einen Flüssigkristallinen-Effekt (LCD) bei Anlegen eines elektrischen Feldes zeigen.For the present invention, only the negative electrorheological effect is Suspension important. Substances, liquids or suspensions are known which in addition to a rheological, i.e. H. viscosity changing effect Show liquid crystal effect (LCD) when applying an electric field.

Dieser zusätzliche, die optischen Eigenschaften der Suspension bzw. der Verbundfolie negativ beeinflussende LCD-Effekt hat mit dem negativen elektrorheologischen Effekt der Suspension nichts gemein und ist hier nicht erwünscht.This additional, the optical properties of the suspension or Composite film negatively influencing LCD effect has with the negative electrorheological effect of the suspension has nothing in common and is not here he wishes.

Ein solcher LCD-Effekt ist ein elektrorheologischer Effekt, der bei Suspensionen von nicht mischbaren flüssigkristallinen Substanzen, wie sie z. B. von Tajiri (Tajiri et al., J. Rheol., 41 (2), 335 (1997)) beschrieben werden, auftreten kann. Mischungen aus Umgebungs-(Suspensions-)Matrix und flüssigkristallinen Substanzen führen zu phasenseparierten Morphologien, bei denen die flüssigkristalline Phase bei angelegtem elektrischen Feld ein höheres Aspektverhältnis (Länge/Durchmesser) in Feldrichtung ausbildet. Die Phasenseparierung der flüssigkristallinen Substanzen kann zu einer unerwünschten Änderung der optischen Eigenschaften der Suspension führen (z. B. zur Änderung des Transmissionsverhaltens für die zu schaltende Strahlung).Such an LCD effect is an electro-rheological effect that occurs with suspensions of immiscible liquid-crystalline substances, such as those e.g. B. by Tajiri (Tajiri et al., J. Rheol., 41 (2), 335 (1997)). Mixtures of Surrounding (suspension) matrix and liquid crystalline substances lead to phase-separated morphologies, in which the liquid crystalline phase at applied electrical field a higher aspect ratio (length / diameter) in Field direction trained. The phase separation of the liquid crystalline substances can lead to an undesirable change in the optical properties of the Suspension (e.g. to change the transmission behavior for the switching radiation).

In der Literatur werden Systeme von flüssigen, inhomogenen Blends beschrieben, die nicht auf flüssigkristallinen Substanzen basieren, sondern eine höhere Dielektrizitätskonstante besitzen (z. B. Kimura et al., J. Non-Newtonian Fluid Mech. 76 (1998), 199-211), wobei die optischen Eigenschaften und die Dielektrizitätskonstante, wie dem Fachmann bekannt, modifiziert werden können.Systems of liquid, inhomogeneous blends are described in the literature, which are not based on liquid crystalline substances, but a higher one Have dielectric constants (e.g. Kimura et al., J. Non-Newtonian Fluid Mech. 76 (1998), 199-211), the optical properties and the Dielectric constant, as known to those skilled in the art, can be modified.

Es ist ebenso möglich, die o. g. Substanzen in Partikelform, d. h. als Partikel, die nicht elektrophoretisch mobil sind, als elektrorheologische Kontrollsubstanz (rheological control agent, RCA) einzusetzen.It is also possible to use the above. Particulate substances, i.e. H. as particles that  are not electrophoretically mobile, as an electrorheological control substance (rheological control agent, RCA).

Weiterhin können die elektrophoretisch mobilen Partikel selbst den erforderlichen negativen elektrorheologischen Effekt zeigen. Dies kann z. B. durch eine Umhüllung von elektrophoretisch mobilen Partikeln mit Polykondensaten aus Phenylisocyanat und Polytetramethylenglycol oder p-Chlorophenylisocyanat und Polytetramethylenglycol oder Polymethylmethacrylat als Alkalisalz hydratisiert oder als Blend mit Polystyrol-block-(polethylen-co-propylen) erfolgen.Furthermore, the electrophoretically mobile particles themselves can be the required ones show negative electrorheological effect. This can e.g. B. by an envelope of electrophoretically mobile particles with polycondensates from phenyl isocyanate and polytetramethylene glycol or p-chlorophenyl isocyanate and Hydrated polytetramethylene glycol or polymethyl methacrylate as the alkali salt or as a blend with polystyrene block (polyethylene-co-propylene).

Die Partikel können zusätzlich zu der Umhüllung mit RCA-Substanzen eine Umhüllung mit Polyacrylaten, Polymethacrylaten, Polyurethanen oder Polyamiden, entweder über oder zweckmäßig unter der RCA-Substanz aufweisen.In addition to the coating with RCA substances, the particles can be a Coating with polyacrylates, polymethacrylates, polyurethanes or polyamides, have either above or appropriately below the RCA substance.

Die elektrophoretisch mobilen Partikel selbst können anorganische oder organische Pigmente wie z. B. TiO2, Al2O3, ZrO2, FeO, Fe2O3, Ruß, Fluoreszenzpigmente, Phthallocyanine, Porphyrine oder Azofarbstoffe enthalten. Solche Partikel können wieder eine Umhüllung aus Polyacrylaten, Polymethacrylaten, Polyurethanen oder Polyamiden besitzen.The electrophoretically mobile particles themselves can contain inorganic or organic pigments such as e.g. B. TiO 2 , Al 2 O 3 , ZrO 2 , FeO, Fe 2 O 3 , carbon black, fluorescent pigments, phthalocyanines, porphyrins or azo dyes. Such particles can again have a coating made of polyacrylates, polymethacrylates, polyurethanes or polyamides.

Schließlich ist die Verwendung der erfindungsgemäßen optischen Schalter Gegenstand der vorliegenden Erfindung. Aufgrund der flachen Bauart und der Möglichkeit, Signale aufzuteilen oder wieder zusammen zu führen, können die erfindungsgemäßen Schalter zur Herstellung von elektrooptischen Bauteilen oder optischen Computern verwendet werden. Hier ist insbesondere die Ausführungsform der Erfindung mit mehreren Ein- bzw. Ausgängen für die zu schaltende Strahlung von Bedeutung, da so Schalterelemente erhalten werden, mit denen Bolleansche Algebraoperationen durchgeführt werden können.Finally, the use of the optical switch according to the invention Subject of the present invention. Because of the flat design and the Possibility to split signals or to bring them together again, the switch according to the invention for the production of electro-optical components or optical computers are used. Here is the embodiment in particular of the invention with several inputs and outputs for the radiation to be switched important, since switch elements are obtained with which Bolleansche Algebra operations can be performed.

Claims (11)

1. Schalter für elektromagnetische Strahlung, aufgebaut aus mindestens zwei Steuerelektroden, einem oder mehreren Ein- und Ausgängen für die zu schaltende elektromagnetische Strahlung und elektrophoretisch mobilen, für die elektromagnetische Strahlung nicht durchlässigen Partikel in einer für die elektromagnetische Strahlung durchlässigen Suspension.1. Switch for electromagnetic radiation, made up of at least two Control electrodes, one or more inputs and outputs for the switching electromagnetic radiation and electrophoretically mobile, for the electromagnetic radiation in a particle not permeable to the electromagnetic radiation permeable suspension. 2. Schalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass alle Steuerelektroden im Strahlengang der zu schaltenden elektromagnetischen Strahlung angeordnet sind.2. Switch according to claim 1, characterized, that all control electrodes in the beam path of the switchable electromagnetic radiation are arranged. 3. Schalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Steuerelektrode im Strahlengang der zu schaltenden elektromagnetischen Strahlung angeordnet ist.3. Switch according to claim 1, characterized, that at least one control electrode in the beam path of the switch electromagnetic radiation is arranged. 4. Schalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass keine Steuerelektrode im Strahlengang der zu schaltenden elektromagnetischen Strahlung angeordnet ist.4. Switch according to claim 1, characterized, that no control electrode in the beam path of the switch electromagnetic radiation is arranged. 5. Schalter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass sich ein oder mehrere Eingänge und ein oder mehrere Ausgänge auf einer optischen Achse befinden.5. Switch according to one of claims 1 to 4, characterized, that there are one or more inputs and one or more outputs on one optical axis. 6. Schalter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein oder mehrere Eingänge und ein oder mehrere Ausgänge senkrecht zueinander stehen. 6. Switch according to one of claims 1 to 4, characterized, that one or more inputs and one or more outputs perpendicular to stand by each other.   7. Schalter nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die nicht im Strahlengang befindlichen Innenwände des Schalters die zu schaltende elektromagnetische Strahlung reflektieren.7. Switch according to one of claims 1 to 6, characterized, that the inside walls of the switch, which are not in the beam path reflect switching electromagnetic radiation. 8. Schalter nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Suspension einen negativen elektrorheologischen Effekt aufweist.8. Switch according to one of claims 1 to 7, characterized, that the suspension has a negative electrorheological effect. 9. Schalter nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Suspension eine Substanz mit einem negativen elektrorheologischen Effekt enthält.9. Switch according to claim 8, characterized, that the suspension is a substance with a negative electrorheological Contains effect. 10. Schalter nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrophoretisch mobilen Partikel einen negativen elektrorheologischen Effekt aufweisen.10. Switch according to claim 8, characterized, that the electrophoretically mobile particles have a negative have electrorheological effect. 11. Verwendung der Schalter gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10 zur Herstellung von elektrooptischen Bauteilen.11. Use of the switch according to one of claims 1 to 10 for the manufacture of electro-optical components.
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