KR100913024B1 - Molecular mechanical devices with a band gap change activated by an electric field for optical switching applications - Google Patents

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Abstract

분자 시스템(430, 630, 630', 730)은 광학 스위치(101, 205, 207, 209) 등의 전기장 활성화된 스위치를 위해 제공된다. 분자 시스템(430, 630, 630', 730)은 (1) 분자 배위 변화 또는 이성화; (2) 밴드 갭을 변화시키도록 화학 결합 변화를 통해 확장된 콘쥬게이션의 변화; 및 (3) 분자 접힘 및 신축과 같은 메카니즘 중 하나를 통해 발생하는 전기장 유도 밴드 갭 변화를 갖는다. 이로써, 다양한 광학 스위치(101, 205, 207, 209)를 제조하는데 용이하게 조립될 수 있고, 광학 디스플레이(100, 200, 300)를 비롯한 다양한 광학 장치를 제조하는데 용이하게 조립될 수 있는 나노미터 스케일의 가역적 광학 스위치가 제공된다.

Figure 112003040193701-pct00010

Molecular systems 430, 630, 630 ′, 730 are provided for electric field activated switches, such as optical switches 101, 205, 207, 209. Molecular systems 430, 630, 630 ′, 730 may comprise (1) molecular coordination changes or isomerizations; (2) changes in conjugation extended through chemical bond changes to change the band gap; And (3) electric field induced band gap changes that occur through one of mechanisms such as molecular folding and stretching. As such, the nanometer scale can be easily assembled to manufacture various optical switches 101, 205, 207, and 209, and can be easily assembled to manufacture various optical devices, including optical displays 100, 200, and 300. A reversible optical switch of is provided.

Figure 112003040193701-pct00010

Description

전기장에 의해 활성화된 밴드 갭 변화를 갖는, 광학 스위칭 용도의 분자 기계적 장치{MOLECULAR MECHANICAL DEVICES WITH A BAND GAP CHANGE ACTIVATED BY AN ELECTRIC FIELD FOR OPTICAL SWITCHING APPLICATIONS} FIELD OF THE INVENTION MOLECULAR MECHANICAL DEVICES WITH A BAND GAP CHANGE ACTIVATED BY AN ELECTRIC FIELD FOR OPTICAL SWITCHING APPLICATIONS             

본 발명은 일반적으로 그의 기능적 길이 스케일이 나노미터로 측정되는 광학 장치, 더욱 구체적으로 광학 스위칭을 제공하는 분자 부류에 관한 것이다. 마이크로미터 및 나노미터 스케일의 광학 장치가 본 교시에 따라 구성될 수 있다.
The present invention generally relates to optical devices whose functional length scales are measured in nanometers, and more particularly to the class of molecules that provide optical switching. Micrometer and nanometer scale optical devices can be constructed in accordance with the present teachings.

분자 전자공학의 영역은 아직 초기 단계에 있다. 지금까지, 기술 문헌에 발표된 전자 스위치로서 분자를 증명하는 문헌은 두 개가 있다; 콜리어(C.P. Collier) 등의 문헌[Science, Vol. 285, pp. 391-394(1999년 7월 16일) 및 Science, Vol. 289, pp. 1172-1175(2000년 8월 18일)] 참조. 그러나, 이러한 문제와 관련하여 과학 협회 내에서는 커다란 공론과 관심을 가지고 있다. 발표된 연구에서, 로탁산(rotaxane) 또는 카테난(catenane)이라 지칭되는 분자는 두 개의 금속 전자 사이에 포획되어 분자에 대한 양의 바이어스 인가시 온(on) 상태에서 오프(off) 상태로 스위치된다. 온 및 오프 상태는 로탁산 및 카테난에서 각각 약 100 및 5의 인수 만큼 저항율에서 차이가 있다,The field of molecular electronics is still in its infancy. To date, there are two documents demonstrating molecules as electronic switches published in the technical literature; Collier et al., Science, Vol. 285, pp. 391-394 (July 16, 1999) and Science, Vol. 289, pp. 1172-1175 (August 18, 2000). However, there is a great deal of publicity and interest within the scientific association in this regard. In a published study, a molecule called rotaxane or catenane is trapped between two metal electrons, switching from on to off when a positive bias is applied to the molecule. do. The on and off states differ in resistivity by a factor of about 100 and 5 in rotaxane and catenan, respectively.

로탁산에서의 주요 난제는 이것이 비가역 스위치라는데 있다. 이것은 단지 한번의 터글(toggle) 만이 가능하다. 따라서, 프로그램성 독해 전용 기억 장치(PROM)에는 사용될 수 있지만, RAM-유형(랜덤 어세스 메모리) 장치에서나 재배열성 시스템, 예를들면 결함-내성 통신 및 로직 네트워크(logic network)에서는 사용될 수 없다. 또한, 로탁산은 스위치가 터글되기 전에 산화 및/환원반응을 필요로 한다. 이것은 스위치를 터글하기에 충분한 양의 에너지 소비를 필요로 한다. 또한, 로탁산 및 관련된 화합물이 크고 복잡한 성질을 가지기 때문에 분자의 스위칭 시간이 매우 느리다. 카테난의 주요 난제는 온 대 오프 비가 작고 스위칭 시간이 느리다는데 있다.The main challenge with rotaxane is that it is an irreversible switch. This can only be a single toggle. Thus, it can be used for programmable read only memory (PROM) but not in RAM-type (random access memory) devices or in rearrangement systems such as fault-tolerant communication and logic networks. Rotaxane also requires oxidation and / or reduction before the switch is toggled. This requires a sufficient amount of energy consumption to toggle the switch. In addition, the switching time of the molecules is very slow because rotaxane and related compounds have large and complex properties. Catenan's major challenge is its small on-off ratio and slow switching time.

현재, 박막 형태의 광학 스위칭을 제공할 수 있는 공지된 다양한 발색단 물질이 있다. 이러한 물질 및 용도는 최근에 그린베르그(C.B. Greenberg)의 문헌[Thin Solid Films, Vol. 251, pp. 81-93(1994)] 및 몰티머(R.J. Mortimer)의 문헌[Chemical Society Reviews, Vol. 26, pp. 147-156(1997)]에서 찾아 볼 수 있다. 이러한 물질은 선글래스에서의 활성 암화, 빌딩의 인공지능 광 및 열 관리용 윈도우의 활성 암화 및 다양한 유형의 광학 디스플레이, 예를들면 자동차 또는 항공기의 바람막이 창 내부에서의 헤드-업 디스플레이 및 접안 렌즈 디스플레이를 비롯한 여러 용도에서 현재 연구되고 있다. Currently, there are a variety of known chromophore materials that can provide optical switching in the form of thin films. Such materials and uses have recently been described by CB Greenberg, Thin Solid Films , Vol. 251, pp. 81-93 (1994) and RJ Mortimer, Chemical Society Reviews , Vol. 26, pp. 147-156 (1997). Such materials include active darkening in sunglasses, artificial light in buildings' artificial light and thermal management windows, and various types of optical displays, such as head-up displays and eyepiece displays inside windshields of automobiles or aircraft. It is currently being studied in a number of uses.

이러한 긴 역사의 큰 전망에도 불구하고, 현존하는 부류의 전기 색소 물질로 부터 만들어진 광자 게이팅 장치는 거의 없다. 이는, 이런 물질 대부분이 H+, Li+, 또는 Na+와 같은 이온을 일부 유형의 액체 또는 고체 전해질을 통해 수송하는 산화-환원 반응을 필요로 하기 때문이다. 이온 수송을 필요로 하는 낮은 속력의 임의 장치에서와 같이, 적절한 전해질을 발견하는 것이 주요한 문제이다. 더욱이, 이러한 반응은 산소 또는 다른 종과 같은 주위의 오염물에 극단적으로 민감하기 때문에, 색소 전극의 분해가 주요 한계가 되고 있다.Despite this long history, few photon gating devices are made from existing classes of electropigmenting materials. This is because most of these materials require redox reactions that transport ions such as H + , Li + , or Na + through some type of liquid or solid electrolyte. As with any low speed device that requires ion transport, finding a suitable electrolyte is a major problem. Moreover, since this reaction is extremely sensitive to surrounding contaminants such as oxygen or other species, the decomposition of the dye electrode is a major limitation.

사실상, 섬유 광학 통신망에 대한 교차바(crossbar) 스위치 루터(router)와 같은 광자 스위칭 용도에서, 적절한 색소 물질이 부족하여 매우 상이한 방법, 즉 (a) 광학 신호를 전자 신호로 변환하고, 스위칭 작동을 실시하고, 섬유로 만들기 전에 광학 신호로 다시 변환하는 방법(이것이 오늘날 사용되는 가장 흔한 해결방법이지만, 전자가 광학 시스템의 데이터 속도를 계속 유지하기 위해서는 매우 불충분하고 어렵다), (b) 광학 데이터 패킷을 스위치하기 위해 마이크로-전기 기계(MEM) 처리에 의해 만들어진 이동-거울 어레이를 사용하는 방법(이것은, 장치에서 매우 높은 내성을 필요로 하고, 매우 값이 비싸다는 단점을 갖는다), (c) 버블을 잉크 젯 기술을 사용하여 챔버에 밀어 넣어 광학 비임으로 반사시키는 거울을 형성하는 방법(이러한 방법은 정밀한 제작을 필요로 하며 스위칭 시간이 느리다)을 서로 조합하여 사용한다.In fact, in photon switching applications such as crossbar switch routers for fiber optical networks, there is a lack of suitable pigment material and thus very different methods: (a) converting optical signals to electronic signals, and switching operations And converting them back into optical signals before they are made into fibers (this is the most common solution used today, but very insufficient and difficult for the electrons to maintain the data rate of the optical system), (b) optical data packets Using a moving-mirror array made by micro-electromechanical (MEM) processing to switch (this requires a very high immunity in the device and has the disadvantage of being very expensive), (c) bubbles Using ink jet technology to form a mirror that is pushed into the chamber and reflected by an optical beam (these methods And slow switching time).

따라서, 화학적 산화 및/또는 환원을 피하고 제 1 상태로부터 제 2 상태로 합리적으로 빠르게 스위칭하고, 리얼 타임(real-time) 또는 비디오 비율 디스플레 이(video rate display) 사용을 가역적으로 가능하게 하고 다양한 광학 장치에 사용될 수 있는 분자 시스템이 요구되고 있다. Thus, avoiding chemical oxidation and / or reduction and reasonably fast switching from the first state to the second state, reversibly enable the use of real-time or video rate displays and provide a variety of optical There is a need for molecular systems that can be used in devices.

발명의 개시Disclosure of Invention

본 발명에 따라, 광학 스위칭용 분자 시스템이 제공된다. 분자 시스템은 다음과 같은 메카니즘 중 하나를 통해 발생하는 전기장 유도 밴드 갭 변화를 갖는다:According to the present invention, a molecular system for optical switching is provided. Molecular systems have electric field induced band gap changes that occur through one of the following mechanisms:

(1) 분자 배위 변화 또는 이성화;(1) molecular coordination change or isomerization;

(2) 밴드 갭을 변화시키도록 화학 결합 변화를 통해 확장된 콘쥬게이션의 변화; 또는 (2) changes in conjugation extended through chemical bond changes to change the band gap; or

(3) 분자 접힘 및 신축;(3) molecular folding and stretching;

밴드 갭을 변화시키기 위한, 화학 결합 변화를 통한 확장된 콘쥬게이션의 변화는 다음 방식 중 하나에 의해 실시될 수 있다;Changes in extended conjugation through chemical bond changes to change the band gap can be carried out in one of the following ways;

(a) 밴드 편재화의 증가 또는 감소에 의해 수반되는 전하 분리 또는 재조합; 또는 (a) charge separation or recombination accompanied by an increase or decrease in band localization; or

(b) 전하 분리 또는 재조합 및 π-결합 파쇄 또는 형성을 통한 확장된 콘쥬게이션의 변화.(b) changes in expanded conjugation through charge separation or recombination and π-bond rupture or formation.

본 발명은, 예를들면 쉽게 결합되어 디스플레이, 전자 북, 재교정 매체, 전자 렌즈, 윈도우 및 거울용의 전기 제어 색조화(tinting), 섬유 광학 통신 용 광학 교차바 스위칭 등을 제작할 수 있는 광학 스위치를 제공한다. 이러한 용도에 대해서는 다른 곳에서도 논의되고 있으며, 본 발명의 광학 스위치가 상기 용도의 장치의 구성에 사용되는 정도를 제외하고는 본 발명과 관련없다. The invention is an optical switch that can be easily combined to produce, for example, electrically controlled tinting for displays, electronic books, recalibration media, electronic lenses, windows and mirrors, optical crossbar switching for fiber optical communications, and the like. To provide. Such uses are discussed elsewhere and are not relevant to the present invention except to the extent that the optical switch of the present invention is used in the construction of a device for such use.                 

본 발명은 수 개의 새로운 유형의 스위치 메카니즘을 소개하고 있다: 즉 (1) 분자의 밴드 갭을 변화시키는, 분자의 하나이상의 회전 영역(회전자)의 전자(E)장 유도 회전; (2) 밴드 갭을 변화시키는, 화학적 결합 변화를 통한 분자의 E-장 유도 전하 분리 또는 재조합; 및 (3) 분자 접힘 또는 신축을 통한 E-장 유도 밴드 갭 변화. 이러한 장치는 일반적으로 전기장 장치일 것으로 생각되며, 전기화학 장치에 관련된 이전의 실시태양(전술된 관련된 특허 출원 및 특허에 기술됨)과 구별된다.The present invention introduces several new types of switch mechanisms: (1) field-induced rotation of one or more rotational regions (rotors) of the molecule, which change the band gap of the molecule; (2) E-field induced charge separation or recombination of molecules via chemical bond changes, changing the band gap; And (3) E-field induced band gap change through molecular folding or stretching. Such devices are generally considered to be electric field devices and are distinguished from previous embodiments relating to electrochemical devices (described in the related patent applications and patents described above).

본 발명은 또한 상태가 변할 때 분자의 색상이 변하는 광학 스위치용 분자의 사용 능력을 소개한다. 이러한 특성은 다양한 디스플레이 장치 또는 색상을 변화시키거나 투명으로부터 유색으로 변환될 수 있는 물질에 의해 가능한 임의 다른 용도에 사용될 수 있다.The present invention also introduces the ability of a molecule for an optical switch to change color when the state changes. This property can be used for a variety of display devices or any other use possible by materials that can change color or be converted from transparent to colored.

따라서, 분자는 스위치의 터글에서 산화되지도 환원되지도 않는다. 또한, 움직이는 분자 부분이 아주 작아서, 스위칭 시간이 매우 빠르다. 또한, 분자가 로탁산, 카테난 및 관련 화합물 보다 훨씬 간단하고 용이하고 저렴하다.
Thus, the molecule is neither oxidized nor reduced in the toggle of the switch. In addition, the moving part of the molecule is so small that the switching time is very fast. In addition, the molecules are much simpler, easier and cheaper than rotaxanes, catenans and related compounds.

도 1은 본 발명에 따라 사용되는 두가지 색상(즉, 흑색 및 백색)의 디스플레이 스크린 구성의 개략도(투시도)이다.1 is a schematic (perspective) view of a display screen configuration of two colors (ie black and white) used in accordance with the present invention.

도 1a는 도 1에 도시된 디스플레이 스크린의 착색제 층 원소의 상세도이다.1A is a detail view of the colorant layer elements of the display screen shown in FIG. 1.

도 2는 본 발명에 따라 사용되는 전색 디스플레이 스크린 구성의 개략도(투시도)이다.2 is a schematic (perspective view) of a full-color display screen configuration used in accordance with the present invention.

도 3은 본 발명에 따라 사용되는 두가지 색상의 디스플레이 스크린 구성의 스캔(scan) 어드레싱 실시태양의 개략도(투시도)이다.3 is a schematic (perspective view) of a scan addressing embodiment of a two color display screen configuration used in accordance with the present invention.

도 4는 분자 변위 변화(회전자/고정자 유형의 모델)를 통한 E-장 유도 밴드 갭 변화를 도시한 모델의 개략도이다.4 is a schematic of a model showing E-field induced band gap change through molecular displacement change (rotor / stator type model).

도 5a는 쌍극자를 갖는 중간 회전자 부분 및 두 개의 단부 고정자 부분을 포함하는 분자를 도시한다.5A shows a molecule comprising an intermediate rotor portion with a dipole and two end stator portions.

도 5b는 평면 상태를 설명하는, 도 5a에 도시된 분자의 개략도(투시도)로서, 이때 회전자 및 고정자는 모두 동일 평면에 있다.FIG. 5B is a schematic (perspective) view of the molecule shown in FIG. 5A, illustrating the planar state, wherein the rotor and stator are both coplanar.

도 5c는 회전 상태를 설명하는 개략도(투시도)로서, 회전자는 고정자에 대해 90° 회전되었다.5C is a schematic view (perspective view) illustrating the rotational state, in which the rotor is rotated 90 ° with respect to the stator.

도 6a는 밴드 편재화의 증가 또는 감소에 의한 전하 분리 또는 재조합을 통한 확장된 콘쥬게이션의 변화에 의해 발생된 E-장 유도 밴드 갭 변화를 도시한 모델의 개략도이다.6A is a schematic diagram of a model showing E-field induced band gap changes caused by changes in charge conjugation or extended conjugation through recombination with increasing or decreasing band localization.

도 6b는 전하 분리 또는 재조합 및 π-결합 파쇄 또는 형성을 통한 확장된 콘쥬게이션의 변화에 의해 발생된 E-장 유도 밴드 갭 변화를 도시한 모델의 개략도이다.FIG. 6B is a schematic diagram of a model depicting E-field induced band gap changes caused by changes in expanded conjugation through charge separation or recombination and π-bond disruption or formation.

도 7은 분자 접힘 또는 신축을 통한 E-장 유도 밴드 갭 변화를 도시한 모델의 개략도이다.

7 is a schematic of a model showing E-field induced band gap change through molecular folding or stretching.

발명을 수행하기 위한 최선의 양태Best Mode for Carrying Out the Invention

A. 정의A. Definition

본원에서 용어 "자가-조립화"는 시스템의 성분때문에 일부 기하학적 패턴을 자연적으로 채택하는 시스템을 일컫는 것으로, 이 시스템에서는 이러한 배열을 채택함으로써 그의 에너지가 적어도 국부적으로 최소에 달한다.The term "self-assembly" herein refers to a system that naturally adopts some geometric patterns because of the components of the system, in which the energy is at least locally minimal by adopting such an arrangement.

용어 "단일 배열성"은 산화 또는 환원 반응과 같은 비가역적 과정을 통해 스위치가 단지 한번만 그의 상태를 변화시킬 수 있다는 것을 의미하는 것으로, 상기와 같은 스위치는 예를들면 프로그램성 독해 전용 기억 장치(PROM)의 기본이 될 수 있다.The term "mono-array" means that the switch can change its state only once through an irreversible process, such as an oxidation or reduction reaction, such a switch is for example a programmable read only memory (PROM). ) Can be the basis of

용어 "재배열성"은 산화 또는 환원반응과 같은 가역적 과정을 통해 스위치가 그의 상태를 여러번 변화시킬 수 있다는 것을 의미하는 것으로, 다시 말하자면 메모리가 랜덤 어세스 메모리(RAM)에 있거나 디스플레이에서 칼라 픽셀에 있는 것과 같이 스위치는 여러번 열리고 닫힐 수 있다.The term "rearrangement" means that a switch can change its state multiple times through a reversible process, such as oxidation or reduction, that is, the memory is in random access memory (RAM) or colored pixels in the display. As the switch can be opened and closed several times.

분자에 적용될 때, 용어 "쌍안정성(bi-stable)"은 에너지(또는 활성화) 장벽에 의해 분리된 비교적 낮은 두 개의 에너지 상태(국부적 최소 상태)를 갖는 분자를 의미한다. 분자는 한 상태로부터 다른 상태로 비가역적으로 스위치되거나(단일 배열성) 또는 한 상태로부터 다른 상태로 가역적으로 스위치된다(재배열성). 용어 "다안정성(multi-stable)"은 상기 낮은 두 에너지 상태 또는 국부 최소 상태보다 큰 에너지 상태를 갖는 분자를 의미한다.When applied to a molecule, the term “bi-stable” means a molecule having two relatively low energy states (local minimum states) separated by an energy (or activation) barrier. Molecules are irreversibly switched from one state to another (single arrangement) or reversibly switched from one state to another (rearrangement). The term "multi-stable" means a molecule having an energy state that is greater than the two low energy states or the local minimum state.

마이크론-스케일 칫수는 1마이크로미터 내지 수 마이크로 미터의 크기 범위를 갖는 칫수를 의미한다.Micron-scale dimension means a dimension having a size range of 1 micrometer to several micrometers.

써브마이크론-스케일 칫수는 1마이크론미터에서 0.05마이크론미터 범위의 칫수를 의미한다.Submicron-scale dimensions refer to dimensions ranging from 1 micron to 0.05 microns.

나노미터 스케일 칫수는 0.1나노미터 내지 50나노미터(0.05마이크로미터) 범위의 칫수를 의미한다.Nanometer scale dimensions refer to dimensions ranging from 0.1 nanometers to 50 nanometers (0.05 micrometers).

마이크론-스케일 및 써브마이크론-스케일 와이어는 0.05 내지 10마이크로미터의 칫수를 갖는 너비 또는 직경, 수십 나노미터 내지 마이크로미터 범위의 높이 및 수 마이크로미터 이상의 길이를 갖는 로드형 또는 리본형 전도체 또는 반도체를 의미한다.Micron-scale and submicron-scale wire means a rod or ribbon conductor or semiconductor having a width or diameter having dimensions of 0.05 to 10 micrometers, a height ranging from tens of nanometers to micrometers and a length of several micrometers or more do.

"HOMO"는 "가장 높은 점유 분자 오비탈(highest occupied molecular orbital)"에 대한 통상의 화학적 접두 문자이고, "LUMO"는 "가장 낮은 비점유 분자 오비탈(lowest unoccupied molecular orbital)"에 대한 화학적 접두 문자이다. HOMO 및 LUMO는 분자에서 전자 전도에 대해 책임이 있고, HOMO 및 LUMO와 다른 에너지적 근접 분자 오비탈 사이의 에너지 차이는 분자의 색상에 대해 책임이 있다."HOMO" is the usual chemical prefix for "highest occupied molecular orbital" and "LUMO" is the chemical prefix for "lowest unoccupied molecular orbital". . HOMO and LUMO are responsible for electron conduction in the molecule, and the energy difference between HOMO and LUMO and other energetic proximity molecular orbitals is responsible for the color of the molecule.

본 발명의 내용에 있어서, 광학 스위치는 사람의 눈에 의해 검출가능한 범위이 내, 외의 광선, 예를들면 원 적외선(IR) 내지 심 자외선(UV) 범위에서의 분자의 전자기 특성의 변화와 관련된다. 광학 스위칭은 전자-자기 방사선의 흡수, 반사, 굴절, 회절 및 확산 산란과 같은 특성의 변화를 포함한다.In the context of the present invention, optical switches are associated with changes in the electromagnetic properties of molecules within the range of detectable by the human eye, within and outside the light, such as far infrared (IR) to deep ultraviolet (UV). Optical switching includes changes in properties such as absorption, reflection, refraction, diffraction and scattering scattering of electron-magnetic radiation.

용어 "투명"은 가시 스펙트럼 내에서 착색제를 통과하는 광학적 광이 착색제 가 스펙트럼적으로 흡수하는 영역을 제외하고는 함침되거나 변경되지 않는 것을 의미하는 것으로 정의된다. 예를들면, 만일 분자 착색제가 가시 스펙트럼 영역에서 빛을 흡수하지 않는다면 착색제는 물처럼 매우 투명하게 보일 것이다.The term “transparent” is defined to mean that optical light passing through the colorant in the visible spectrum is not impregnated or altered except in the region where the colorant absorbs spectrally. For example, if the molecular colorant does not absorb light in the visible spectral region, the colorant will look very transparent like water.

용어 "전-주위 조명 시인성"은 본원에서 눈에 반응하는 임의 주위 조명 상태하의 시인성으로서 정의된다. The term "pre-ambient illumination visibility" is defined herein as visibility under any ambient lighting condition in response to the eye.

B. 광학 스위치B. Optical switch

광학 스위치는 2001년 10월 16일자 제출된 계류중인 미국 특허출원 제 09/981,166 호에 보다 상세히 기술되어 있다. 상기 출원으로부터 비롯된 일반 보기가 도 1에 기술되어 있는데, 하나이상의 착색제 층(101)을 결합한 디스플레이 스크린(100)이 도시되어 있다. 착색제 층(101)은, 이후 상세히 기술될 본 발명의 전기 장 스위치성 재배열성 염료 또는 안료 분자(일반적으로 "분자 착색제"로서 불리운다)를 사용하는 픽셀 어레이를 포함한다. 각 안료 또는 염료 분자는 이미지 색상(예, 흑색) 및 투명 색상 사이에서, 또는 두 개의 상이한 색상(예, 적색 및 녹색) 사이에서 스위치될 수 있는 계이다. Optical switches are described in more detail in pending US patent application Ser. No. 09 / 981,166, filed Oct. 16, 2001. A general view from this application is described in FIG. 1, which shows a display screen 100 incorporating one or more colorant layers 101. The colorant layer 101 comprises an array of pixels using the electric field switchable rearrangeable dyes or pigment molecules of the invention (generally referred to as "molecular colorants"), which will be described in detail later. Each pigment or dye molecule is a system that can be switched between an image color (eg black) and a transparent color or between two different colors (eg red and green).

도 1a을 참조하면, 착색제 층(101)은 선택된 분자 세트가 하나의 픽셀과 관련을 갖도록 배열된 쌍안정성 분자로 형성된 어드레스성 픽셀 어레이이다. 착색제 층(101)은 디스플레이가 의도하는 배경 색상(예, 백색)을 갖는 배경 기판(103) 상에 피복된 박층이다. 기판(103)은 예를들면 층에 대해 전압 강하를 최소로 하면서 우수한 백색 및 불투명 색을 제공하는 고 유전성 안료(예, 티타니아)를 중합체 결합제에 포함한다. 따라서, 조합된 착색제 층(101)과 기판(103)의 적층은 종이 상의 잉크 층과 완전히 유사하다. 흑색 모드 또는 이레이즈(erased) 상태에서, 각 분자는 이것의 투명 배향으로 스위치되어 "잉크 층"을 볼 수 없다. 배경(예, 백색 픽셀)은 착색제 층(101) 분자가 투명 배향으로 스위치되는 픽셀 영역에서 투시된다. 투명한 플라스틱 또는 유리와 같은 투명 투시 층(105)이 샌드위치된 착색제-배경 층 상에 구비되어 적절한 보호를 제공한다. 투시 층(105)은 이에 장착되고 착색제 층(101) 상에 위치된 픽셀 칼럼 또는 열 활성화를 위한 투명 전극 어레이(107)를 구비한다. 배경 기판(103)은 이에 장착된 픽셀 열 또는 칼럼 활성화를 위한 보충 전극 어레이(109)를 구비한다(당분야의 숙련가들은 각 픽셀의 매트릭스 어드레싱 및 계 기록을 위한 전극 어레이(107, 109)의 적층에 대한 특정 매설이 전기 공학적 실시에 따라 변할 수 있다는 것을 인식할 것이다). 임의적으로, 픽셀은 당 기술분야에 공지된 바와 같이 박막 트랜지스터(TFT) 구동 기술을 사용하여 샌드위치된다.Referring to FIG. 1A, the colorant layer 101 is an addressable pixel array formed of bistable molecules arranged such that a selected set of molecules is associated with one pixel. The colorant layer 101 is a thin layer coated on the background substrate 103 having a background color (eg, white) intended for the display. Substrate 103 includes, for example, a high dielectric pigment (eg titania) in the polymeric binder that provides excellent white and opaque colors with minimal voltage drop over the layer. Thus, the lamination of the combined colorant layer 101 and the substrate 103 is completely similar to the ink layer on paper. In the black mode or erased state, each molecule is switched to its transparent orientation so that the "ink layer" cannot be seen. The background (eg, white pixels) is projected in the pixel region where the colorant layer 101 molecules are switched in a transparent orientation. A transparent see-through layer 105, such as clear plastic or glass, is provided on the sandwiched colorant-background layer to provide adequate protection. The see-through layer 105 has a transparent electrode array 107 for pixel column or thermal activation mounted thereon and positioned on the colorant layer 101. Background substrate 103 has a complementary electrode array 109 for pixel column or column activation mounted thereon (a person skilled in the art will appreciate stacking electrode arrays 107, 109 for matrix addressing and field writing of each pixel). It will be appreciated that the specific burial for may vary with electrical engineering practices). Optionally, the pixels are sandwiched using thin film transistor (TFT) driving techniques as known in the art.

본 발명의 디스플레이(100)는 하드 카피 인쇄(hard copy print)와 동일한 콘트라스트 및 색상일 수 있다. 분자 착색제는 이것의 크기 및 질량이 매우 작기 때문에 이상적이고, 따라서 계 기록 전극 및 회로에 의해서만 한정되는 레졸루션 및 착색 스위칭 시간을 허용한다. 잉크와 같이, 착색제 층(101)은 써브마이크론 내지 마이크론의 박층에서 적절한 밀도로 현상되어 로직 상태 사이에서 착색제를 스위치하는데 필요한 계 전압을 잠재적으로 낮추고, 따라서 저가의 구동 회로의 사용을 가능하게 한다.The display 100 of the present invention may be of the same contrast and color as hard copy print. Molecular colorants are ideal because of their very small size and mass, thus allowing for a resolution and coloring switching time limited only by the system recording electrode and circuit. Like the ink, the colorant layer 101 is developed to a suitable density in the submicron to micron layers, potentially lowering the field voltages needed to switch the colorant between logic states, thus enabling the use of low cost drive circuits.

이러한 디스플레이에 사용하기 위한 적절한 재배열성 쌍안정성 분자는 이후에 기술되며 본원에 청구되어 있다. 중요 사항으로서, 상기 분자들은 π오비탈 전자 콘쥬게이션 정도에 의해 결정되는 광학 특성(예, 색상)을 갖는다. 색상, 투명도를 비롯한 분자의 광학 특성은 분자에 인가된 계 극성에 따라 변하고 인가된 전기장의 부재에서 색소적으로 안정성을 유지한다. 분자에 대한 콘쥬게이션의 연속성을 방해하면, 분자는 하나의 광학 상태로부터 다른 광학 상태, 예컨대 유색으로부터 투명 상태로 변할 수 있다. 외부 전기장이 인가되거나 변할 때, 전기 쌍극자는 염료 또는 안료 분자의 임의 세그먼트를 다른 세그먼트에 대해 회전하거나 비틀려서 물리적으로 방해를 유발할 수 있는 착색제로 설계될 수 있다. Suitable rearrangeable bistable molecules for use in such displays are described later and claimed herein. Importantly, the molecules have optical properties (eg color) that are determined by the degree of π-orbital electron conjugation. The optical properties of the molecule, including color and clarity, change with the polarity of the system applied to the molecule and remain pigmented in the absence of the applied electric field. Interfering with the continuity of conjugation to the molecule, the molecule can change from one optical state to another, such as colored to transparent. When an external electric field is applied or changed, the electric dipole can be designed with a colorant that can cause physical interference by rotating or twisting any segment of the dye or pigment molecule relative to another segment.

착색제 층(101)은 보다 콘쥬게이션된 배향에서는 바람직하게는 착색되고(예를 들어, 흑색, 청록색, 자홍색, 또는 황색), 덜-콘쥬게이션된 배향에서는 투명한 분자의 균일 층이다. 인접한 배경 기판(103)이 백색이면, 이로써 착색제 층(101)은 높은 콘트라스트의 백색과 흑색, 및 착색된 이미지를 형성할 수 있다. 착색제 층(101)은 단일 장 스위칭성(switchable) 염료 또는 안료를 포함할 수 있거나, 복합적으로 복합 색상(예를 들어 흑색)을 형성할 수 있는 상이한 스위칭성 염료 또는 안료의 혼합물을 포함할 수 있다. 분자 착색제를 사용함으로써, 형성된 이미지의 선명도는 전극 어레이(107, 109)에 의해 형성되는 전기장 선명도에 의해 제한된다. 분자 착색제는 부가적으로 빠른 스캐닝(scanning)(하기 도 3에 대해 설명하는 바와 같음)의 요구에 유리한 것으로 사실상 순간 스위칭 속도를 갖는다. 특정한 경우, 분자 착색제는 중합체 층에 포함될 수 있다. 이러한 피복물을 형성하기 위한 중합체는 공지된 것으로, 예를 들어 아크릴레이트, 우레탄 등을 들 수 있다. 또다르게 는, 착색제 층(101)은 자가-조립형(self-assemble)일 수 있다.Colorant layer 101 is preferably a homogeneous layer of molecules in more conjugated orientations (eg black, cyan, magenta, or yellow) and transparent in less-conjugated orientations. If the adjacent background substrate 103 is white, this allows the colorant layer 101 to form high contrast white and black, and colored images. Colorant layer 101 may comprise a single field switchable dye or pigment, or may comprise a mixture of different switchable dyes or pigments that may form a complex color (eg black) in combination. . By using molecular colorants, the sharpness of the formed image is limited by the electric field sharpness formed by the electrode arrays 107, 109. Molecular colorants additionally have the instantaneous switching speed which is advantageous for the need for fast scanning (as described with respect to FIG. 3 below). In certain cases, molecular colorants may be included in the polymer layer. Polymers for forming such coatings are known and include, for example, acrylates, urethanes and the like. Alternatively, the colorant layer 101 may be self-assembled.

한 실시태양에서, 착색제 층(101)은 매트릭스-어드레싱 액정의 편평한 패널 디스플레이용 기판으로서 제공된다. 이러한 디스플레이에 대해 공지된 바와 같이, 각각의 픽셀은 고정된 위치의 횡렬과 종렬의 전극 어레이(예를 들어, 107, 109)를 통해 어드레싱된다. 고정된 위치의 전극 어레이(107, 109)는 통상적인 크로스바 전극(111, 113)으로 구성되되, 상기 통상적인 크로스바 전극(111, 113)은 착색제 층(101)을 샌드위치시켜 픽셀의 중첩형 격자(매트릭스)를 형성하며, 각각의 픽셀은 전극의 중첩점에서 어드레싱된다. 크로스바 전극(111, 113)은 전극의 종렬과 횡렬에 배열된 것으로 상기 횡렬과 종렬의 전극이 착색제 층(101)의 반대측에서 분리되어 있는, 평행하고 이격된 횡렬 전극을 포함한다. 바람직하게, 투명 크로스바 전극(107)(하기에서 상세하게 설명한 도 2의 201, 203)의 제 1 세트는 투명 기판(예를 들어, 유리)상의 인듐 주석 산화물(ITO)의 박막 침적에 의해 형성된다. 이러한 횡렬 어드레싱성 픽셀 크로스바 전극(107)은 통상적인 박막 패턴화 및 에칭 기법을 사용하여 ITO 층에서 형성된다. 착색제(101) 층 및 배경 기판(103)은, 통상적인 박막 기법(예를 들어 증착) 또는 두꺼운 막용 기법(예를 들어, 실크 스크린, 스핀 캐스팅(spin cast) 등)을 사용하여 투명 전극 층에 순차적으로 피복되거나 장착된다. 부가적인 피복 기법으로는 랭뮤어 블로젯(Langmuir-Blodgett) 침착법 및 자가-조립형 단층을 들 수 있다. 종렬 어드레싱성 픽셀 크로스바 전극(109)(도 2의 202, 204 참조)은 바람직하게는 횡렬 전극(107)과 유사한 방식으로 구성된다. 종렬 어드레싱성 픽셀 크로스바 전극(109)은 선택적으로 종래의 기법을 사용하여 백색 피복물에 후속적으로 부착된 개별적인 기판상에 구성될 수 있다.In one embodiment, the colorant layer 101 is provided as a substrate for flat panel displays of matrix-addressed liquid crystals. As is known for such displays, each pixel is addressed through an array of rows and columns of fixed positions (e.g., 107, 109). The electrode arrays 107, 109 in fixed positions are composed of conventional crossbar electrodes 111, 113, which sandwich the colorant layer 101 to sandwich the lattice of pixels. Matrix) and each pixel is addressed at the overlapping point of the electrode. The crossbar electrodes 111 and 113 are arranged in rows and columns of electrodes and comprise parallel and spaced row electrodes in which the rows and columns of electrodes are separated on opposite sides of the colorant layer 101. Preferably, a first set of transparent crossbar electrodes 107 (201, 203 in FIG. 2 described in detail below) is formed by thin film deposition of indium tin oxide (ITO) on a transparent substrate (eg, glass). . This row addressable pixel crossbar electrode 107 is formed in the ITO layer using conventional thin film patterning and etching techniques. The colorant 101 layer and the background substrate 103 may be applied to the transparent electrode layer using conventional thin film techniques (e.g., deposition) or thick film techniques (e.g., silk screen, spin cast, etc.). Sequentially coated or mounted. Additional coating techniques include Langmuir-Blodgett deposition and self-assembled monolayers. The column addressing pixel crossbar electrode 109 (see 202, 204 in FIG. 2) is preferably configured in a similar manner to the row electrode 107. The column addressable pixel crossbar electrode 109 may optionally be constructed on a separate substrate subsequently attached to a white coating using conventional techniques.

이러한 디스플레이(100, 200)는, 공지된 액정 착색제에 대해 요구되는 편극화 층을 제거함으로써 지면상의 프린트물와 같은 콘트라스트, 색상, 시야각, 및 전체-주변 조명에서의 시인성을 제공한다. 전술한 디스플레이를 사용하면, 전력 소모를 상당히 감소시킨다. 정지상에 대해서 조차도 액정이 고정 장(holding field)을 요구하는 반면, 쌍안정성 분자가 사용되는 경우, 착색제 층(101)의 본 발명의 분자가 장 없이도 형성될 수 있다. 따라서, 본 발명의 쌍안정성 착색제 층(101)은, 픽셀이 변하는 경우에만 장을 요구한다. 전력 및 이미지 품질이 상당히 개선되면, 전기 제품(예를 들어, 손목 시계, 계산기, 휴대폰 또는 기타 이동성 전자 제품), 텔레비젼 모니터 및 컴퓨터 디스플레이의 다양한 시야 및 조명 조건하에서도 배터리 수명 및 디스플레이의 읽기 용이성에 장점을 부여할 것이다. 추가로, 착색제 층은 보다 낮은 선명도의 칼라 디스플레이용으로 다양한 색상의 쌍안정성 색상 분자의 어레이를 사용하는 착색된 픽셀의 모자이크를 포함할 수도 있다.Such displays 100, 200 provide contrast, color, viewing angle, and visibility in all-ambient illumination, such as prints on the ground, by removing the polarization layers required for known liquid crystal colorants. Using the aforementioned display significantly reduces power consumption. Even for stationary phases, while liquid crystals require a holding field, when bistable molecules are used, the molecules of the invention of the colorant layer 101 can be formed without a field. Thus, the bistable colorant layer 101 of the present invention requires field only when the pixel changes. Significant improvements in power and image quality can improve battery life and readability of the display, even under varying field of view and lighting conditions for electrical appliances (such as wristwatches, calculators, mobile phones or other mobile electronics), television monitors, and computer displays. Will give advantages. In addition, the colorant layer may comprise a mosaic of colored pixels using an array of bistable color molecules of various colors for lower vivid color displays.

착색제 층(101)의 각각의 착색제 분자는 착색제의 흡수 밴드 이외에서는 투명하기 때문에, 다층 착색제 층이 포개지고 개별적으로 어드레싱되어 현재 시판중인 것보다 보다 높은 선명도의 칼라 디스플레이드를 제조할 수 있다. 도 2는 제 2 실시태양의 개략도이다. 높은 선명도, 풀 칼라, 매트릭스의 어드레싱성, 디스플레이 스크린(200)은 투명 전극, 즉 횡렬 전극(201, 203) 및 종렬 전극(202, 204)과 각각 상이한 색상의 분자 어레이를 갖는 다수의 착색제 층(205, 207, 209)의 교대 층을 포함한다. 각각의 착색제 층의 각각의 픽셀이 착색되거나 투명하기 때문에, 주어진 픽셀의 색상은 디스플레이의 전체 어드레싱 선명도에서 색상 층(예를 들어, 청록색, 자홍색, 황색, 흑색)중 임의의 하나 또는 이들의 조합으로부터 제조될 수 있다. 픽셀용 모든 착색제 층(205, 207, 209)이 투명하게 된 경우, 픽셀은 배경 기판(103)(예를 들어, 백색)을 나타낸다. 이러한 디스플레이드는 동일한 픽셀 밀도를 갖는 현재의 매트릭스 LCD 장치에 비해 3배 이상의 선명도를 갖지만 단일 층 모자이크 색상에 좌우되는 장점을 제공한다. 디스플레이의 제조상의 세부 사항은 전술한 공계류중인 특허출원에 명시되어 있다.Since each colorant molecule of the colorant layer 101 is transparent outside the absorption band of the colorant, the multilayer colorant layers can be superimposed and individually addressed to produce color displays with higher clarity than currently available. 2 is a schematic diagram of a second embodiment. High clarity, full color, addressability of the matrix, the display screen 200 is a transparent electrode, i.e., a plurality of colorant layers having molecular arrays of different colors each with the row electrodes 201, 203 and the column electrodes 202, 204. Alternating layers 205, 207, and 209. Since each pixel of each colorant layer is colored or transparent, the color of a given pixel is derived from any one or combination of color layers (eg, cyan, magenta, yellow, black) in the overall addressing clarity of the display. Can be prepared. If all of the colorant layers 205, 207, 209 for the pixel have become transparent, the pixel represents the background substrate 103 (eg, white). Such displays have the advantage of being more than three times the sharpness of current matrix LCD devices with the same pixel density but with a single layer mosaic color. The manufacturing details of the display are specified in the co-pending patent application described above.

각각의 픽셀에 대해 설정된 색상는, 선택된 색상 층에 직접적으로 인접한 전극을 통해 전압을 인가함으로써 어드레싱된다. 예를 들어, 황색이 최상위 착색제 층(205)인 것을 가정하면, 자홍색은 그다음 착색제 층(207)이고 청록색은 제 3 착색제 층(209)이고, 그다음, 황색 층내 픽셀은 횡렬 전극(201) 및 종렬 전극(202)을 통해 어드레싱되고, 자홍색은 종렬 전극(202) 및 횡렬 전극(203)을 통해 어드레싱되고, 청록색은 횡렬 전극(203) 및 종렬 전극(204)을 통해 어드레싱된다. 각각의 착색제 분자가 인가된 전기장의 부재하에서도 안정하기 때문에, 이러한 간단한 공통 어드레싱 설계가 가능해진다.The color set for each pixel is addressed by applying a voltage through an electrode directly adjacent to the selected color layer. For example, assuming that yellow is the top colorant layer 205, magenta is the next colorant layer 207 and cyan is the third colorant layer 209, and then the pixels in the yellow layer are the row electrodes 201 and columns. Addressed through electrode 202, magenta is addressed through column electrode 202 and row electrode 203, and cyan is addressed through row electrode 203 and column electrode 204. Since each colorant molecule is stable even in the absence of an applied electric field, such a simple common addressing design becomes possible.

도 3은 매트릭스-어드레싱이 아닌 스캔-어드레싱을 사용하는 제 3 실시태양을 나타낸다. 매트릭스 어드레스 디스플레이는 디스플레이의 비교적 넓은 2차원 표면상에 패턴화될 수 있는 것으로 다수의 어드레싱 라인(각각의 라인은 픽셀 횡렬 또는 종렬을 디스플레이 영역의 외부 가장자리에 연결시킨다) 및 공간에 의해 선명도의 측면에서 현재 제한적이다. 이러한 제 3 실시태양에서, 쌍안정성 분자 착색제 층(101) 및 배경 기판(103) 층 구조물은 전술한 2가지 제 1 실시태양과 동일한 읽기 용이성 장점을 갖는 스케닝 전극 디스플레이 장치(300)를 제공하도록 프린트된 스캐닝 전극 어레이와 조합되고, 추가로 상업적으로 공개되어 있는 선명도가 추가된다. 스캐닝 전극 어레이 및 구동 전자제품은 정전기형 프린터에 일반적이고, 이들의 구조 및 인터페이스는 공지되어 있다. 기본적으로, 쌍안정성 분자가 스위칭하는 것을 기억하면 고정 장이 필요없고, 스캐닝 전극 어레이 디스플레이 장치(300)가 동시에 픽셀 횡렬을 프린트함으로써 디스플레이 이미지를 변화시킨다. 따라서, 스캐닝 전극 어레이 디스플레이 장치(300)는, 관통 어레이 연결부를 갖는 다중 어드레스 층을 포함하고 스캐닝 동안 균형잡히게 포개진 다중 어레이를 파상 배치하는, 어레이의 반대층을 따라 홀수 및 짝수 어드레스 라인을 교호하는 능력에 의해 매우 우수한 선명도를 제공한다. 착색제 층(101)은 다시 칼라 모자이크로 패턴화되어 이례적으로 높은 선명도의 스캐닝 칼라 디스플레이를 제공할 수 있다.3 shows a third embodiment using scan-addressing rather than matrix-addressing. Matrix address displays can be patterned on a relatively wide two-dimensional surface of the display, in terms of sharpness by number of addressing lines (each line connects pixel rows or columns to the outer edge of the display area) and space. Currently limited. In this third embodiment, the bistable molecular colorant layer 101 and the background substrate 103 layer structure are printed to provide a scanning electrode display device 300 having the same readability advantages as the first two embodiments described above. Combined with an array of scanning electrodes, which adds to the commercially available sharpness. Scanning electrode arrays and drive electronics are common in electrostatic printers and their structures and interfaces are known. Basically, remembering that the bistable molecules are switching, no fixed field is needed, and the scanning electrode array display device 300 changes the display image by printing the pixel row at the same time. Thus, the scanning electrode array display apparatus 300 includes alternating odd and even address lines along the opposite layer of the array, including multiple address layers with through array connections and staggering the nested multiple arrays balanced during scanning. The ability to provide very good clarity. The colorant layer 101 may be patterned back into a color mosaic to provide an exceptionally high definition scanning color display.

보다 구체적으로, 도 3에서 도시한 제 3 실시태양은 디스플레이 스크린(302), 스캔화 전극 어레이(304) 및 스크린의 표면을 따라 전극 어레이를 정확하게 움직이는 어레이 트랜스레이션 메카니즘(301)을 포함한다. 디스플레이 스크린(302)은 다시 배경 기판(103), 투명 투시 층(105) 및 하나 이상의 2중-안정성 분자 착색제 층(101)을 포함한다. 착색제 층(101)은 전술한 바와 같은 균일한 단색의 착색제(예를 들어, 흑색) 또는 칼라 모자이크를 포함할 수 있다. 스캔화 전극 어레이(304)는 배경 기판(103)과 접촉하거나 거의 접촉하는, 선형 어레이 또는 동등한 엇갈림형 어레이를 포함한다. 전극의 엇갈림형 어레이는, 예를 들어 다른 인접 전극 사이의 장 크로스토크를 최소화하고 디스플레이 선명도를 증가시키는데 사용될 수 있다.More specifically, the third embodiment shown in FIG. 3 includes a display screen 302, a scan electrode array 304, and an array translation mechanism 301 that accurately moves the electrode array along the surface of the screen. The display screen 302 again includes a background substrate 103, a transparent see-through layer 105 and one or more bi-stable molecular colorant layers 101. Colorant layer 101 may comprise a uniform monochromatic colorant (eg black) or color mosaic as described above. Scanned electrode array 304 includes a linear array or equivalent staggered array, in contact with or near contact with background substrate 103. A staggered array of electrodes can be used, for example, to minimize field crosstalk between other adjacent electrodes and to increase display clarity.

이러한 과정에서, 각각의 전극은 픽셀 컬럼을 따라서 설정된 픽셀 위치에서 착색제 층(101)을 가로질러, 화살표로 "E"라고 표시한 적당한 전기장을 제공하도록 사이징화되고, 배치되고, 전기적으로 어드레싱된다. 전기장은 착색제 분자의 칼라 스위칭 축에 따라 착색제 층(101)의 면에 수직으로 배치될 수 있거나, 이와 평행하게 배치될 수 있다. 수직 장은 전극 어레이에 대해 반대편 피복물 측에 공동 전극(예를 들어, ITO 층)을 배치함으로써 제조될 수 있다. 전극 어레이는 또한 프린지 장(fringe field)을 제거하도록 구성될 수 있고, 평행한 프린지 장은 어레이에 인접하고 평행한 공동 전극을 배치함으로써 형성될 수 있다. 수직형 프린지 장은 전극 어레이 주변에 체계적으로 이격된 평행한 공동 전극을 배치함으로써 제조될 수 있다. 전압은, 어레이(304) 바로 밑에 형성된 주요 장(dominant field)이 어드레싱된 착색제 분자를 스위칭하기에는 충분하지만 분할 리턴 라인은 그렇지 않도록 조절된다. 선택적인 실시태양에 관한 추가 정보 및 스캐닝 수단은 전술한 공계류중인 출원에서 논의된다.In this process, each electrode is sized, placed, and electrically addressed to provide a suitable electric field, indicated by the arrow "E", across the colorant layer 101 at the pixel location set along the pixel column. The electric field may be disposed perpendicular to or parallel to the plane of the colorant layer 101 along the color switching axis of the colorant molecule. Vertical fields can be made by placing a common electrode (eg, an ITO layer) on the side of the coating opposite to the electrode array. The electrode array can also be configured to remove the fringe field, and the parallel fringe field can be formed by placing a cavity electrode adjacent and parallel to the array. Vertical fringe fields can be prepared by placing parallel cavity electrodes that are systematically spaced around the electrode array. The voltage is regulated so that the dominant field formed just below the array 304 is sufficient to switch the colorant molecules addressed but the split return line is not. Further information and scanning means relating to alternative embodiments are discussed in the co-pending application described above.

C. 본 발명C. the present invention

본 발명에 따르면, 다수의 신규한 유형의 스위칭중 하나를 증명하는 분자가 착색제 층(101)에 제공된다. 즉, 본 발명은 종래 기술과는 하기 특성면에서 차이가 나는 다수의 신규한 유형의 스위칭 수단을 제안한다: According to the present invention, molecules are provided in the colorant layer 101 which demonstrate one of a number of novel types of switching. That is, the present invention proposes a number of novel types of switching means which differ in the following characteristics from the prior art:                 

(1) 분자의 밴드 갭을 변화시키는 분자 또는 하나 이상의 회전형 구획(회전자)의 전기장("E-장") 유도 회전;(1) electric field (“E-field”) induced rotation of a molecule or one or more rotatable compartments (rotors) that change the band gap of the molecule;

(2) 밴드 갭을 변화시키도록 화학적 결합 변화를 통한, 분자의 E-장 유도 전하 분리 또는 재조합; 및(2) E-field induced charge separation or recombination of molecules through chemical bond changes to change the band gap; And

(3) 분자 접힘 또는 신축을 통한 E-장 유도 밴드 갭 변화. (3) E-field induced band gap change through molecular folding or stretching.

따라서, 칼라 스위칭은 종래의 접근법과는 상이하게 확산 또는 산화/환원 반응 보다는 E-장 유도 분자내 변화의 결과이다. 또한, 움직이는 분자의 일부는 매우 작아서, 스위칭 시간이 매우 빠를 것으로 에상된다. 또한, 분자는 록타크산, 카테난 및 관련 화합물을 제조하는 것에 비해 간단하고 용이하고 저렴하다.Thus, color switching is a result of E-field induced intramolecular changes rather than diffusion or oxidation / reduction reactions unlike conventional approaches. In addition, some of the moving molecules are so small that the switching time is expected to be very fast. In addition, the molecules are simple, easy and inexpensive compared to preparing lactic acid, catenane and related compounds.

이들의 작용에 대한 간단한 설명과 함께 모델 분자의 예를 하기에 제시하였다:Examples of model molecules along with a brief description of their action are given below:

(1) 분자 배위 변화(회전자/고정자형 모델)를 통한 E-장 유도 밴드 갭 변화 - 도 4 및 도 5a 내지 도 5c 참조;(1) E-field induced band gap change through molecular coordination change (rotor / stator shaped model)-see FIGS. 4 and 5A-5C;

(2a) 밴드 편재화의 증가 또는 감소가 수반되는 전하 분리 또는 재조합을 통한 확장된 콘쥬게이션의 변화에 의해 발생된 E-장 유도 밴드 갭 변화 - 도 6a 참조; (2a) E-field induced band gap change caused by a change in extended conjugation through charge separation or recombination accompanied by an increase or decrease in band localization-see FIG. 6A;

(2b) 전하 분리 또는 재조합 및 π-결합 파쇄 또는 형성을 통한 확장된 콘쥬게이션의 변화에 의해 발생된 E-장 유도 밴드 갭 변화 - 도 6b 참조; 및(2b) E-field induced band gap change caused by changes in extended conjugation through charge separation or recombination and π-bond rupture or formation—see FIG. 6B; And

(3) 분자 접힘 또는 신축을 통한 E-장 유도 밴드 갭 변화 - 도 7 참조.(3) E-field induced band gap change through molecular folding or stretching-see FIG.

각각의 모델은 실시예에 의해 지지됨과 함께 하기에서 논의된다. 그러나, 주어진 실시예는 본 발명을 전술한 구체적인 분자 시스템으로 한정하는 것이 아니라, 오히려 전술한 스위칭 메카니즘을 예시하는 것으로 간주된다.Each model is discussed below along with being supported by the examples. However, the given examples are not intended to limit the invention to the specific molecular system described above, but rather to exemplify the switching mechanism described above.

모델(1): 분자 배위 변화를 통한 E-장 유도 밴드 갭 변화(회전자/고정자형 모델):Model (1): E-field induced band gap change through molecular coordination change (rotor / stator type model):

도 4는 분자 배위 변화를 통한 E-장 유도 밴드 갭 변화를 포함하는 것(회전자/고정자형 모델)으로, 이러한 모델의 한가지 실시태양에 대한 개략도이다. 도 4에서 도시한 바와 같이, 분자(430)는 회전자 부분(432) 및 고정자 부분(434)을 포함한다. 회전자 부분(432)은 인가된 전기장에 의해 회전한다. 이러한 상태에서, 도면의 좌측에 도시한 바와 같이, 전체 분자로 콘쥬게이션이 확장되어, 비교적 좁은 밴드 갭이 형성되어 결과적으로 장파장(적색-이동) 광 흡수가 유발된다. 다른 상태에서, 회전자의 회전 이후에, 도면의 우측에 도시한 바와 같이, 확장된 콘쥬게이션이 파괴되어, 결과적으로 비교적 넓은 밴드 갭이 형성되어 결국 단파장(청색-이동) 광 흡수가 유발된다. 도 5a 내지 도 5c는 번갈아 발생하고 바람직한 이러한 모델 1의 실시태양을 나타내며, 후자의 도면은 하기에서 상기 모델 1의 실시예 1 및 2와 관련하여 설명된다.4 is a schematic diagram of one embodiment of such a model, including an E-field induced band gap change through molecular coordination changes (rotor / stator shaped model). As shown in FIG. 4, the molecule 430 includes a rotor portion 432 and a stator portion 434. Rotor portion 432 rotates by an applied electric field. In this state, as shown on the left side of the figure, the conjugation is extended to the whole molecule, so that a relatively narrow band gap is formed, resulting in long wavelength (red-shift) light absorption. In another state, after rotation of the rotor, as shown on the right side of the figure, the expanded conjugation is broken, resulting in a relatively wide band gap, which eventually results in short wavelength (blue-shift) light absorption. Figures 5A-5C show alternately preferred embodiments of this Model 1, the latter diagram being described below in connection with Examples 1 and 2 of Model 1 above.

하기 요구사항이 이 모델에서 충족되어야만 한다:The following requirements must be met in this model:

(a) 분자는 하나 이상의 회전자 분절 및 하나 이상의 고정자 분절을 포함해야만 하고;(a) the molecule must comprise at least one rotor segment and at least one stator segment;

(b) 분자의 한 상태에서는 분자의 큰 부분(회전자 및 고정자)으로 확장된 탈편재화 HOMO 및/또는 LUMO(π-상태 및/또는 비결합 오비탈)이어야만 하는 반면, 다른 상태에서는 오비탈이 회전자 및 고정자에서 편재화되어야만 하고; (b) in one state of the molecule must be delocalized HOMO and / or LUMO (π-state and / or unbound orbitals) extended to large portions of the molecule (rotor and stator), while in the other state the orbital is the rotor And must be localized in the stator;                 

(c) 회전자와 고정자 사이의 연결 단위는 단일 σ-결합이거나 (1) 비-결합 전자(p 또는 다른 전자), (2) π-전자, 또는 (3) π 전자와 비결합 전자를 갖는 하나 이상의 원자일 수 있고;(c) The linking unit between the rotor and the stator is either a single σ-bond or (1) a non-bonded electron (p or other electron), (2) π-electron, or (3) π electron and a non-bonded electron May be one or more atoms;

(d) E-장에 의해 활성화되는 경우, 회전자는 회전하지만, 회전자 및 고정자의 비-결합 전자, π-전자, 또는 π-전자와 비-결합 전자는 분자의 배위에 따라 편재화 또는 비편재화될 수 있고;(d) When activated by an E-field, the rotor rotates, but the non-bonded electrons, π-electrons, or π-electrons and non-bonded electrons of the rotor and stator are localized or deflected depending on the configuration of the molecule Can be goods;

(e) 분자의 배위는 E-장 의존성 또는 쌍안정성일 수 있고;(e) the coordination of molecules can be E-field dependent or bistable;

(f) 쌍안정성 상태는 분자내 또는 분자간 힘, 예를 들어 수소 결합, 쿨롱힘, 반 데르 발스 힘, 금속 이온 착체 또는 쌍극자간-안정화에 의해 달성될 수 있고;(f) bistable states can be achieved by intramolecular or intermolecular forces such as hydrogen bonding, coulomb forces, van der Waals forces, metal ion complexes, or dipole-stabilization;

(g) 분자의 밴드 갭은 분자의 비-결합 전자, π-전자, 또는 π-전자와 비결합 전자의 탈편재화의 정도에 따라 변할 것이다. 이는 분자의 광학 특성(예를 들어, 색상 및/또는 굴절률)을 조절할 것이다.(g) The band gap of the molecule will vary depending on the degree of delocalization of the non-bonded electrons, π-electrons, or π-electrons with the unbonded electrons of the molecule. This will control the optical properties of the molecule (eg color and / or refractive index).

이러한 모델의 2가지 실시예를 하기에 제시한다(실시예 1 및 2):Two examples of this model are presented below (Examples 1 and 2):

본 발명의 신규한 이중 양식 분자는 외부 전기장에 의해 스위치될 수 있는 능동 광학 장치이다. 바람직하게, 착색제 분자는 쌍안정성이다. 일반적인 견해는, 큰 쌍극자 모멘트를 갖고(실시예 1 및 2 참조) 부동성인 분자(430)의 2개의 다른 부분(고정자)(434)을 연결하는 회전성 중간 분절(회전자)(432)을 분자에 설계하는 것이다. 인가된 전기장의 영향에 따라, 회전자(432)의 벡터 쌍극자 모멘트는 외부 장의 방향에 평행하게 배열되는 것이 시도된다. 그러나, 분자(430)는 고정자(434)에 대해 특정한 배향에서 회전자(432)를 안정화시키는 분자내 및/또는 분자간 힘, 예를 들어 수소 결합, 쌍극자-쌍극자 상호작용, 및 입체 반발력이 존재하도록 설계된다. 따라서, 회전자(432)가 이들의 초기 배향으로부터 고정자(434)에 대해 회전하도록 큰 전기장이 요구된다.The novel bimodal molecules of the present invention are active optical devices that can be switched by an external electric field. Preferably, the colorant molecule is bistable. The general view is that molecules having a large dipole moment (see Examples 1 and 2) and which have a rotating intermediate segment (rotor) 432 connecting two different portions (stators) 434 of the floating molecules 430 To design. Depending on the effect of the applied electric field, it is attempted that the vector dipole moments of the rotor 432 are arranged parallel to the direction of the external field. However, the molecule 430 is such that there are intramolecular and / or intermolecular forces such as hydrogen bonds, dipole-dipole interactions, and steric repulsive forces that stabilize the rotor 432 in a particular orientation with respect to the stator 434. Is designed. Thus, a large electric field is required for the rotor 432 to rotate relative to the stator 434 from their initial orientation.

일단 특정 배향으로 스위칭되면, 분자(430)는 상이한 배향으로 스위칭되거나 재배열되기 전에는 그의 배향을 유지할 것이다. 그러나, 분자 설계의 주요 요소는, 회전자(432)가 완전히 180°반원으로 회전하는 것을 방지할 수 있는 입체 반발력 또는 입체장애가 존재한다는 점이다. 대신, 회전은 전형적으로 초기 배향으로부터 10° 내지 170°의 광학적으로 상당한 각도에서 회전자(432) 및 고정자(434)상에 벌키 기의 입체 상호작용에 의해 중지된다. 설명을 위해, 이러한 각도는 본 발명의 명세서에서 90°로 도시하였다. 추가로, 이러한 스위칭 배향은 분자간 및/또는 분자내 수소 결합 또는 쌍극자 상호작용의 상이한 세트에 의해 안정화될 수 있고, 따라서 인가된 전기장이 소멸된 이후에도 적소에 고정된다. 쌍안정성 또는 다안정성 착색제 분자에 있어서, 고정자로부터의 광학적으로 상당한 회전에 의해 분리되는 2가지 상태 사이에서 회전자(432)를 고정시키는 능력이 중요하다.Once switched to a particular orientation, the molecule 430 will maintain its orientation until it is switched or rearranged to a different orientation. However, a key element of molecular design is the presence of steric repulsion or steric hindrance, which can prevent the rotor 432 from rotating completely in a 180 ° semicircle. Instead, rotation is typically stopped by the steric interaction of the bulky groups on the rotor 432 and stator 434 at optically significant angles from 10 ° to 170 ° from the initial orientation. For illustration purposes, these angles are shown at 90 ° in the context of the present invention. In addition, this switching orientation can be stabilized by a different set of intermolecular and / or intramolecular hydrogen bonds or dipole interactions, and is therefore fixed in place even after the applied electric field is extinguished. For bistable or polystable colorant molecules, the ability to fix the rotor 432 between the two states separated by optically significant rotation from the stator is important.

전술한 전략은, 다중(2중 이상) 상태가 다중 상태(예를 들어, 다중 색상) 시스템을 생성하도록 다수의 스위칭 단계를 제공하는 착색제 분자를 설계하기 위해 일반화될 수 있다. 이러한 분자는, 전기장을 감소 또는 증대시킴으로써 착색제 층의 광학 특성을 연속적으로 변화시키거나 펄스형 전기장을 인가함으로써 한 상태에서 다른 상태로 갑작스럽게 변화시킨다.The strategy described above can be generalized to design colorant molecules that provide multiple switching steps such that the multi (dual or higher) state creates a multi-state (eg multi-color) system. Such molecules continuously change the optical properties of the colorant layer by reducing or increasing the electric field or abruptly change from one state to another by applying a pulsed electric field.

추가로, 착색제 분자는 신속하지만 소멸성(volatile)인 스위칭을 위해 활성화 장벽을 보유하지 않거나 낮은 활성화 장벽만을 보유하도록 설계될 수 있다. 후자의 경우, 쌍안정성이 요구되지 않고, 분자는 전기장에 의해 한 상태로 스위칭되고 전기장을 제거함으로써 원상태로 풀린다("이중 양식"). 효과면에서, 이러한 이중 양식 착색제 분자의 배위는 "자가-삭제형"이다. 반대로, 쌍안정성 착색제 분자로는, 전기장을 제거한 이후에도(비소멸성 스위치) 고정상태가 유지되고, 이러한 경우 활성화 장벽이 존재하는 경우 이전의 상태로 분자를 다시 스위칭하기 위해서는 반대 전기장의 인가가 요구된다.In addition, colorant molecules may be designed to have no activation barrier or only a low activation barrier for fast but volatile switching. In the latter case, no bistable is required, and the molecules are switched to one state by the electric field and released ("dual form") by removing the electric field. In effect, the coordination of these bimodal colorant molecules is "self-deleting". Conversely, with bistable colorant molecules, a fixed state remains after removal of the electric field (non-destructive switch), in which case the application of an opposite electric field is required to switch the molecule back to its previous state in the presence of an activation barrier.

회전자(432) 및 고정자(434)가 모두 동일 평면상에 있는 경우, 분자가 "많이 콘쥬게이션된" 것을 의미한다. 따라서, 착색제 분자의 비결합 전자, π-전자, 또는 π-전자 및 비결합 전자는 가장 높은 점유 분자 오비탈(HOMO) 및 가장 낮은 비점유 분자 오비탈을 통해 상기 분자(430)의 넓은 부분에 걸쳐 탈편재화된다. 이를 분자에 대해 "적색-이동 상태" 또는 "광학 상태 I"이라 부른다. 회전자(432)가 고정자(434)에 대해 약 90°만큼 콘쥬게이션 밖으로 회전하는 경우, 분자(430)의 콘쥬게이션은 파괴되고, HOMO 및 LUMO는 분자의 적은 부분에서 편재화되는데, 이는 "적게-콘쥬게이션된" 것을 의미한다. 이를 분자(430)의 "청색-이동 상태" 또는 "광학 상태 II"라 부른다. 따라서, 착색제 분자(430)는 2개의 상이한 광학 상태 사이에서 가역적으로 스위칭된다.When the rotor 432 and stator 434 are both coplanar, it means that the molecules are "conjugated a lot". Thus, unbound electrons, π-electrons, or π-electrons and unbound electrons of the colorant molecule depart over a large portion of the molecule 430 via the highest occupied molecular orbital (HOMO) and the lowest unoccupied molecular orbital. It is a good. This is called the "red-shifted state" or "optical state I" for the molecule. When the rotor 432 rotates out of conjugation about 90 ° relative to the stator 434, the conjugation of the molecules 430 breaks and HOMO and LUMO localize in a small portion of the molecule, which is “less -Conjugated ". This is called the "blue-shift state" or "optical state II" of the molecule 430. Thus, the colorant molecule 430 is reversibly switched between two different optical states.

이상적인 경우에 회전자(432) 및 고정자(434)가 완전히 동일 평면상에 있는 경우 분자는 완전히 콘쥬게이션되어 있고, 회전자(432)가 고정자(434)에 대해 90° 의 각도로 회전하는 경우 분자는 콘쥬게이션되어 있지 않음을 당해 기술분야의 숙련자들은 알 수 있을 것이다. 그러나, 열적 요동으로 인해, 이러한 이상적인 상태는 완전히 실현되지 않고, 이로써 분자는 상기의 경우에 "많이 콘쥬게이션된" 것으로 지칭되고, 후자의 경우에 "적게 콘쥬게이션된" 것으로 지칭된다. 또한, "적색-이동" 및 "청색-이동"은 색조에 대한 임의의 관계를 전함을 의미하지 않고, HOMO 및 LUMO 상태 사이의 갭의 에너지 이동에 대한 전자기 에너지 스펙트럼 방향을 의미한다.
Ideally, the molecules are fully conjugated when the rotor 432 and the stator 434 are completely coplanar, and the molecules when the rotor 432 rotates at an angle of 90 ° relative to the stator 434. Will be appreciated by those skilled in the art that is not conjugated. However, due to thermal fluctuations, this ideal state is not fully realized, whereby the molecule is referred to as “many conjugated” in this case and “less conjugated” in the latter case. Further, "red-shift" and "blue-shift" do not mean convey any relationship to hue, but rather the direction of the electromagnetic energy spectral versus energy shift of the gap between the HOMO and LUMO states.

실시예 1 및 2는 분자의 스위칭에 관한 2가지 상이한 배향을 나타낸다. 하기 실시예 1a는 상기 모델 1의 경우의 제 1 일반 분자의 실례를 나타낸다: Examples 1 and 2 show two different orientations regarding the switching of molecules. Example 1a below shows an example of a first general molecule in the case of Model 1 above:

실시예 1aExample 1a

Figure 112003040193701-pct00001
Figure 112003040193701-pct00001

상기 실시예 1a에서, 문자 A-는 억셉터 기이고, 이는 전자 끄는 기이다. 이는 수소, 카복실산 또는 이의 유도체, 황산 또는 이의 유도체, 인산 또는 이의 유도체, 니트로, 니트릴, 헤테로원자(예: N, O, S, P, F, Cl, Br), 전술한 헤테로원자중 적어도 하나를 갖는 작용기(예: OH, SH, NH 등), 탄화수소(포화 또는 불포화), 또는 치환된 탄화수소중 하나일 수 있다. In Example 1a above, the letter A − is an acceptor group, which is an electron withdrawing group. It may be hydrogen, carboxylic acid or derivatives thereof, sulfuric acid or derivatives thereof, phosphoric acid or derivatives thereof, nitro, nitrile, heteroatoms (e.g., N, O, S, P, F, Cl, Br), at least one of the foregoing heteroatoms Functional groups (eg, OH, SH, NH, etc.), hydrocarbons (saturated or unsaturated), or substituted hydrocarbons.

문자 D+는 도너 기이고, 이는 전자 주는 기이다. 이는 수소, 아민, OH, SH, 에테르, 탄화수소(포화 또는 불포화), 치환된 탄화수소, 또는 적어도 하나의 헤테로원자(예: B, Si, I, N, O, S, P)를 갖는 작용기중 하나일 수 있다. 도너는 분자상에서 억셉터 기보다 덜 음전기성(electronegative)이거나 더 양전기성(electropositive)인 사실로써 억셉터와 구별된다. The letter D + is a donor group, which is an electron giving group. It is either hydrogen, amine, OH, SH, ether, hydrocarbon (saturated or unsaturated), substituted hydrocarbon, or functional group having at least one heteroatom (e.g., B, Si, I, N, O, S, P) Can be. Donors are distinguished from acceptors by the fact that they are less electronegative or more electropositive than acceptor groups on the molecule.

문자 Con1 및 Con2는 한 분자와 또 다른 분자 사이, 또는 분자와 고체 기판(예: 금속 전극, 무기 또는 유기 기판 등) 사이의 연결 단위를 나타낸다. 이들은 수소(수소 결합을 이용함), 다가 헤테로원자(즉, C, N, O, S, P 등), 이들 헤테로원자를 함유하는 작용기(예: NH, PH 등), 탄화수소(포화 또는 불포화) 또는 치환된 탄화수소중 임의의 하나일 수 있다. The letters Con 1 and Con 2 represent the connecting unit between one molecule and another, or between a molecule and a solid substrate (eg metal electrode, inorganic or organic substrate, etc.). These include hydrogen (using hydrogen bonds), polyvalent heteroatoms (ie, C, N, O, S, P, etc.), functional groups containing these heteroatoms (eg NH, PH, etc.), hydrocarbons (saturated or unsaturated) or It may be any one of substituted hydrocarbons.

문자 SA 및 SB는 본원에서 고정자 A 및 고정자 B를 지칭하기 위해 사용된다. 이들은 탄화수소(불포화 또는 포화) 또는 치환된 탄화수소일 수 있다. 전형적으로는, 이들 탄화수소 단위는 분자가 평면 상태(적색-이동 상태)일 때 분자의 확장된 콘쥬게이션에 기여하는 콘쥬게이션된 고리를 함유한다. 이들 고정자 단위에서, 이들은 브리지(bridging)기 Gn 및/또는 이격기 Rn을 함유할 수 있다. 전형적으로는, 브리지기(예: 아세틸렌, 에틸렌, 아미드, 이미드, 이민, 아조 등)는 고정자와 회전자를 연결하거나, 2개 이상의 콘쥬게이션된 고리를 연결하여 목적하는 발색단을 달성하기 위하여 사용된다. 또다르게는, 연결기는 단일 원자 브리지, 예컨대 산소 원자를 갖는 에테르 브리지, 또는 회전자와 고정자 사이의 직접 시그마 결합을 함유할 수 있다. 이격기(예: 페닐, 이소프로필 또는 t-부틸 등)는 적절한 3차원 골격을 제공하여 각각의 회전자가 원하는 운동 범위에서 회전하도록 공간을 제공하면서 분자가 함께 팩킹될 수 있게 하는데 사용된다. The letters SA and SB are used herein to refer to stator A and stator B. These may be hydrocarbons (unsaturated or saturated) or substituted hydrocarbons. Typically, these hydrocarbon units contain conjugated rings that contribute to the expanded conjugation of the molecule when the molecule is in the planar state (red-shifted state). In these stator units they may contain a bridging group G n and / or a spacer R n . Typically, bridging groups (e.g. acetylene, ethylene, amide, imide, imine, azo, etc.) are used to connect the stator and the rotor or to connect two or more conjugated rings to achieve the desired chromophore. do. Alternatively, the linking group may contain a single atom bridge, such as an ether bridge with oxygen atoms, or a direct sigma bond between the rotor and the stator. Spacers (eg phenyl, isopropyl or t-butyl, etc.) are used to provide a suitable three-dimensional backbone so that the molecules can be packed together while providing space for each rotor to rotate in the desired range of motion.

하기 실시예 1b는 모델 1의 실제 분자 실례이다. 실시예 1b에서, 회전자의 회전축은 분자의 네트 전류-전달축에 거의 수직이 되도록 설계되지만, 실시예 2에서 회전축은 분자의 배향축에 평행하도록 설계된다. 이러한 설계에 의해 분자 막 및 전극의 상이한 기하구조가 목적하는 결과에 따라 사용되게 된다: Example 1b below is an actual molecular example of model 1. In Example 1b, the axis of rotation of the rotor is designed to be nearly perpendicular to the net current-transmission axis of the molecule, while in Example 2 the axis of rotation is designed to be parallel to the axis of orientation of the molecule. This design allows different geometries of molecular membranes and electrodes to be used depending on the desired result:

실시예 1bExample 1b

Figure 112003040193701-pct00002
Figure 112003040193701-pct00002

상기 실시예 1b에서, 문자 A-는 억셉터 기이고, 이는 전자 끄는 기이다. 이는 수소, 카복실산 또는 이의 유도체, 황산 또는 이의 유도체, 인산 또는 이의 유도체, 니트로, 니트릴, 헤테로원자(예: N, O, S, P, F, Cl, Br), 전술한 헤테로원자중 적어도 하나를 갖는 작용기(예: OH, SH, NH 등), 탄화수소(포화 또는 불포화), 또는 치환된 탄화수소중 하나일 수 있다. In Example 1b above, the letter A − is an acceptor group, which is an electron withdrawing group. It may be hydrogen, carboxylic acid or derivatives thereof, sulfuric acid or derivatives thereof, phosphoric acid or derivatives thereof, nitro, nitrile, heteroatoms (e.g., N, O, S, P, F, Cl, Br), at least one of the foregoing heteroatoms Functional groups (eg, OH, SH, NH, etc.), hydrocarbons (saturated or unsaturated), or substituted hydrocarbons.

문자 D+는 도너 기이고, 이는 전자 주는 기이다. 이는 수소, 아민, OH, SH, 에테르, 탄화수소(포화 또는 불포화), 치환된 탄화수소, 또는 적어도 하나의 헤테로원자(예: B, Si, I, N, O, S, P)를 갖는 작용기중 하나일 수 있다. 도너는 분자상에서 억셉터 기보다 덜 음전기성이거나 더 양전기성인 사실로써 억셉터와 구별된다. The letter D + is a donor group, which is an electron giving group. It is either hydrogen, amine, OH, SH, ether, hydrocarbon (saturated or unsaturated), substituted hydrocarbon, or functional group having at least one heteroatom (e.g., B, Si, I, N, O, S, P) Can be. Donors are distinguished from acceptors by the fact that they are less negative or more positive than acceptor groups on the molecule.

문자 Con1 및 Con2는 한 분자와 또 다른 분자 사이, 또는 분자와 고체 기판(예: 금속 전극, 무기 또는 유기 기판 등) 사이의 연결 단위를 나타낸다. 이들은 수소(수소 결합을 이용함), 다가 헤테로원자(즉, C, N, O, S, P 등), 이들 헤테로원자를 함유하는 작용기(예: NH, PH 등), 탄화수소(포화 또는 불포화) 또는 치환된 탄화수소중 임의의 하나일 수 있다. The letters Con 1 and Con 2 represent the connecting unit between one molecule and another, or between a molecule and a solid substrate (eg metal electrode, inorganic or organic substrate, etc.). These include hydrogen (using hydrogen bonds), polyvalent heteroatoms (ie, C, N, O, S, P, etc.), functional groups containing these heteroatoms (eg NH, PH, etc.), hydrocarbons (saturated or unsaturated) or It may be any one of substituted hydrocarbons.

문자 R1, R2, R3은 분자에 있는 이격기를 나타낸다. 이들 이격 단위는 적절한 3차원 골격을 제공하여 각각의 회전자를 위한 회전 공간 제공하면서 분자가 함께 팩킹되게 하는 기능을 한다. 이들은 수소, 탄화수소(포화 또는 불포화) 또는 치환된 탄화수소 중 임의의 하나일 수 있다.Letters R 1 , R 2 , R 3 represent spacers in the molecule. These spacing units serve to provide the appropriate three-dimensional skeleton to pack molecules together while providing rotational space for each rotor. These may be any one of hydrogen, hydrocarbons (saturated or unsaturated) or substituted hydrocarbons.

문자 G1, G2, G3 및 G4는 브리지기이다. 이들 브리지기는 고정자와 회전자를 연결하거나, 2개 이상의 콘쥬게이션된 고리를 연결하여 목적하는 발색단을 달성하는 기능을 한다. 이들은 헤테로원자(예: N, O, S, P 등), 전술한 헤테로원자 중 적어도 하나를 갖는 작용기(예: NH, NHNH 등), 탄화수소(포화 또는 불포화) 또는 치환된 탄화수소 중 임의의 하나일 수 있다. 또다르게는, 연결기는 단일 원자 브리지, 예컨대 산소 원자를 갖는 에테르 브리지, 또는 회전자와 고정자 사이의 직접 시그마 결합을 포함할 수 있다. The letters G 1 , G 2 , G 3 and G 4 are bridge groups. These bridging groups serve to connect the stator and the rotor or to connect two or more conjugated rings to achieve the desired chromophore. These may be any one of heteroatoms (e.g., N, O, S, P, etc.), functional groups having at least one of the foregoing heteroatoms (e.g., NH, NHNH, etc.), hydrocarbons (saturated or unsaturated) or substituted hydrocarbons. Can be. Alternatively, the linker may comprise a single atom bridge, such as an ether bridge with oxygen atoms, or a direct sigma bond between the rotor and the stator.

상기 실시예 1b에서, 수직 점선은 다른 분자 또는 고체 기판을 나타낸다. 스위칭 장의 방향은 수직 점선에 수직이다. 전기 스위칭에 있어서 이러한 배열을 사용하고, 선택 스위칭에 있어서 연결 잔기를 제거할 수 있고, 분자를 단순히 2개의 전극 사이에 놓을 수 있다. 이들은 단순히 하나의 분자를 다른 분자에 연결시키거나 분자를 유기 또는 유기 고체 기판에 연결시키는데 사용된다. 도 5a에서, 상기 나타낸 분자(실시예 1b)는 전체 분자(430)의 배향축에 수직인 내부 회전자(432)와 함께 설계되었다. 이 경우, 도시된 바와 같이 외부 장을 분자(430)의 배향축에 따라 인가하고, 전극(수직 점선)을 종이 평면에 수직으로 그리고 분자(430)의 배향축에 수직으로 배향시킨다. 도면에서 좌측에서 우측으로 전기장을 인가하면 회전자(432)가 상부 도면에 도시한 바와 같이 도면의 하부 우측에 나타낸 위치로 회전하거나, 이와 반대가 될 것이다. 이 경우, 하부 우측 도면에 도시한 회전자(432)는 나머지 분자의 동일 평면상에 없게 되어 분자의 청색 이동 광학 상태가 되지만, 회전자가 상부 도면상의 나머지 분자와 동일 평면상에 있으면 분자의 적색 이동 광학 상태가 된다. 하부 좌측 도면에 나타낸 구조는 상부 도면(동일 평면상, 콘쥬게이션됨) 및 하부 우측 도면(회전된 중심 부분, 콘쥬게이션되지 않음) 사이의 회전 전이 상태를 나타낸다.In Example 1b above, the vertical dotted line represents another molecular or solid substrate. The direction of the switching field is perpendicular to the vertical dashed line. This arrangement can be used for electrical switching, connecting residues can be eliminated for selective switching, and molecules can simply be placed between two electrodes. They are simply used to link one molecule to another or to link an molecule to an organic or organic solid substrate. In FIG. 5A, the molecules shown above (Example 1b) were designed with an internal rotor 432 perpendicular to the orientation axis of the entire molecule 430. In this case, an external field is applied along the orientation axis of the molecule 430 as shown, and the electrode (vertical dotted line) is oriented perpendicular to the paper plane and perpendicular to the orientation axis of the molecule 430. Applying an electric field from left to right in the figure will cause the rotor 432 to rotate to the position shown on the bottom right of the figure as shown in the upper figure, or vice versa. In this case, the rotor 432 shown in the lower right figure is not in the same plane of the rest of the molecule and becomes the blue shifting optical state of the molecule, but if the rotor is in the same plane as the rest of the molecule in the upper figure, the red shift of the molecule It becomes an optical state. The structure shown in the lower left figure shows the rotational transition state between the upper figure (on the same plane, conjugated) and the lower right figure (rotated center portion, not conjugated).

실시예 1b에 나타낸 분자는 발색적으로 투명하거나 청색-이동된다. 콘쥬게이션 상태에서 분자는 착색되거나 적색-이동된다. The molecules shown in Example 1b are chromophorically transparent or blue-shifted. In the conjugated state the molecule is colored or red-shifted.

실시예 1b의 분자의 경우, 분자의 배향축이 사용된 전극의 평면과 수직이 되어 분자를 스위치하도록, 예를 들어 랭뮤어-블로젯 기법 또는 자가-조립된 단층을 사용하여 단일 단층 분자 막을 성장시킨다. 전극을 상기 콜리어 등의 문헌에 기재된 방법 또는 상기 특허출원 및 허여된 특허에 기재된 방법으로 침착시킬 수 있다. 또다른 두꺼운 막 침착 기법으로는 증기상 침착법, 접촉 또는 잉크젯 프린팅 또는 실크 스크리닝이 포함된다.For the molecules of Example 1b, a single monolayer molecular film is grown using, for example, Langmuir-Blozet technique or a self-assembled monolayer such that the orientation axis of the molecule is perpendicular to the plane of the electrode used and switches the molecule. Let's do it. The electrode can be deposited by the method described in the literature such as Collier or the like or in the method described in the above-mentioned patent application and granted patent. Another thick film deposition technique includes vapor phase deposition, contact or inkjet printing or silk screening.

하기 실시예 2a는 모델 1의 경우의 제 2 일반 분자의 실례를 나타낸다:Example 2a below shows an example of a second generic molecule for Model 1:

실시예 2aExample 2a

Figure 112003040193701-pct00003
Figure 112003040193701-pct00003

상기 실시예 2a에서, 문자 A-는 억셉터 기이고, 이는 전자 끄는 기이다. 이 는 수소, 카복실산 또는 이의 유도체, 황산 또는 이의 유도체, 인산 또는 이의 유도체, 니트로, 니트릴, 헤테로원자(예: N, O, S, P, F, Cl, Br), 전술한 헤테로원자중 적어도 하나를 갖는 작용기(예: OH, SH, NH 등), 탄화수소(포화 또는 불포화), 또는 치환된 탄화수소중 하나일 수 있다. In Example 2a above, the letter A − is an acceptor group, which is an electron withdrawing group. It is hydrogen, carboxylic acid or derivatives thereof, sulfuric acid or derivatives thereof, phosphoric acid or derivatives thereof, nitro, nitrile, heteroatoms (e.g. N, O, S, P, F, Cl, Br), at least one of the foregoing heteroatoms Functional groups (eg, OH, SH, NH, etc.), hydrocarbons (saturated or unsaturated), or substituted hydrocarbons.

문자 D+는 도너 기이고, 이는 전자 주는 기이다. 이는 수소, 아민, OH, SH, 에테르, 탄화수소(포화 또는 불포화), 치환된 탄화수소, 또는 적어도 하나의 헤테로원자(예: B, Si, I, N, O, S, P)를 갖는 작용기중 하나일 수 있다. 도너는 분자상에서 억셉터 기보다 덜 음전기성이고, 또는 더 양전기성인 사실로써 억셉터와 구별된다. The letter D + is a donor group, which is an electron giving group. It is either hydrogen, amine, OH, SH, ether, hydrocarbon (saturated or unsaturated), substituted hydrocarbon, or functional group having at least one heteroatom (e.g., B, Si, I, N, O, S, P) Can be. Donors are distinguished from acceptors by the fact that they are less negative or more positive than acceptor groups on the molecule.

문자 Con1 및 Con2는 한 분자와 또 다른 분자 사이, 또는 분자와 고체 기판(예: 금속 전극, 무기 또는 유기 기판 등) 사이의 연결 단위를 나타낸다. 이들은 수소(수소 결합을 이용함), 다가 헤테로원자(즉, C, N, O, S, P 등), 이들 헤테로원자를 함유하는 작용기(예: NH, PH 등), 탄화수소(포화 또는 불포화) 또는 치환된 탄화수소중 임의의 하나일 수 있다. The letters Con 1 and Con 2 represent the connecting unit between one molecule and another, or between a molecule and a solid substrate (eg metal electrode, inorganic or organic substrate, etc.). These include hydrogen (using hydrogen bonds), polyvalent heteroatoms (ie, C, N, O, S, P, etc.), functional groups containing these heteroatoms (eg NH, PH, etc.), hydrocarbons (saturated or unsaturated) or It may be any one of substituted hydrocarbons.

문자 SA 및 SB는 본원에서 고정자 A 및 고정자 B를 지칭하기 위해 사용된다. 이들은 탄화수소(불포화 또는 포화) 또는 치환된 탄화수소일 수 있다. 전형적으로는, 이들 탄화수소 단위는 분자가 평면 상태(적색-이동 상태)일 때 분자의 확장된 콘쥬게이션에 기여하는 콘쥬게이션된 고리를 함유한다. 이들 고정자 단위에서, 이들은 브리지기 Gn 및/또는 이격기 Rn을 함유할 수 있다. 전형적으로는, 브리지기는 고정자와 회전자를 연결하거나, 2개 이상의 콘쥬게이션된 고리를 연결하여 목적하는 발색단을 달성하기 위하여 사용된다. 또다르게는, 연결기(connector)는 단일 원자 브리지, 예컨대 산소 원자를 갖는 에테르 브리지, 또는 회전자와 고정자 사이의 직접 시그마 결합을 함유할 수 있다. 이격기는 적절한 3차원 골격을 제공하여 각각의 회전자를 위한 회전 공간을 제공하면서 분자가 함께 팩킹될 수 있게 한다. The letters SA and SB are used herein to refer to stator A and stator B. These may be hydrocarbons (unsaturated or saturated) or substituted hydrocarbons. Typically, these hydrocarbon units contain conjugated rings that contribute to the expanded conjugation of the molecule when the molecule is in the planar state (red-shifted state). In these stator units they may contain a bridge group G n and / or a spacer group R n . Typically, bridging groups are used to connect the stator and the rotor, or to connect two or more conjugated rings to achieve the desired chromophore. Alternatively, the connector may contain a single atom bridge, such as an ether bridge with oxygen atoms, or a direct sigma bond between the rotor and the stator. Spacers provide a suitable three-dimensional skeleton so that molecules can be packed together while providing rotational space for each rotor.

하기 실시예 2b는 모델 1의 또 다른 실제 분자의 실례이다:Example 2b below is an example of another actual molecule of Model 1:

실시예 2bExample 2b

Figure 112003040193701-pct00004
Figure 112003040193701-pct00004

상기 실시예 2b에서, 문자 A-는 억셉터 기이고, 이는 전자 끄는 기이다. 이는 수소, 카복실산 또는 이의 유도체, 황산 또는 이의 유도체, 인산 또는 이의 유도체, 니트로, 니트릴, 헤테로원자(예: N, O, S, P, F, Cl, Br), 전술한 헤테로원자중 적어도 하나를 갖는 작용기(예: OH, SH, NH 등), 탄화수소(포화 또는 불포화), 또는 치환된 탄화수소중 하나일 수 있다. In Example 2b above, the letter A − is an acceptor group, which is an electron withdrawing group. It may be hydrogen, carboxylic acid or derivatives thereof, sulfuric acid or derivatives thereof, phosphoric acid or derivatives thereof, nitro, nitrile, heteroatoms (e.g., N, O, S, P, F, Cl, Br), at least one of the foregoing heteroatoms Functional groups (eg, OH, SH, NH, etc.), hydrocarbons (saturated or unsaturated), or substituted hydrocarbons.

문자 D+는 도너 기이고, 이는 전자 주는 기이다. 이는 수소, 아민, OH, SH, 에테르, 탄화수소(포화 또는 불포화), 치환된 탄화수소, 또는 적어도 하나의 헤테로원자(예: B, Si, I, N, O, S, P)를 갖는 작용기중 하나일 수 있다. 도너는 분자상에서 억셉터 기보다 덜 음전기성이고, 또는 더 양전기성인 사실로써 억셉터와 구별된다. The letter D + is a donor group, which is an electron giving group. It is either hydrogen, amine, OH, SH, ether, hydrocarbon (saturated or unsaturated), substituted hydrocarbon, or functional group having at least one heteroatom (e.g., B, Si, I, N, O, S, P) Can be. Donors are distinguished from acceptors by the fact that they are less negative or more positive than acceptor groups on the molecule.

문자 Con1 및 Con2는 한 분자와 또 다른 분자 사이, 또는 분자와 고체 기판(예: 금속 전극, 무기 또는 유기 기판 등) 사이의 연결 단위를 나타낸다. 이들은 수소(수소 결합을 이용함), 다가 헤테로원자(즉, C, N, O, S, P 등), 이들 헤테로원자를 함유하는 작용기(예: NH, PH 등), 탄화수소(포화 또는 불포화) 또는 치환된 탄화수소중 임의의 하나일 수 있다. The letters Con 1 and Con 2 represent the connecting unit between one molecule and another, or between a molecule and a solid substrate (eg metal electrode, inorganic or organic substrate, etc.). These include hydrogen (using hydrogen bonds), polyvalent heteroatoms (ie, C, N, O, S, P, etc.), functional groups containing these heteroatoms (eg NH, PH, etc.), hydrocarbons (saturated or unsaturated) or It may be any one of substituted hydrocarbons.

문자 R1, R2 및 R3은 분자에 있는 이격기를 나타낸다. 이들 이격 단위는 적절한 3차원 골격을 제공하여 각각의 회전자에 회전 공간을 제공하면서 분자가 함께 팩킹되게 하는 기능을 한다. 이들은 수소, 탄화수소(포화 또는 불포화) 또는 치환 된 탄화수소중 임의의 하나일 수 있다. The letters R 1 , R 2 and R 3 represent spacers in the molecule. These spacing units serve to pack the molecules together while providing a suitable three-dimensional skeleton to provide rotational space for each rotor. These may be any one of hydrogen, hydrocarbons (saturated or unsaturated) or substituted hydrocarbons.

문자 G1, G2, G3, G4, G5, G6, G7 및 G8은 브리지기이다. 이들 브리지기는 고정자와 회전자를 연결하거나, 2개 이상의 콘쥬게이션된 고리를 연결하여 목적하는 발색단을 달성하는 기능을 한다. 이들은 헤테로원자(예: C, N, O, S, P 등), 전술한 헤테로원자중 적어도 하나를 갖는 작용기(예: NH, NHNH 등), 탄화수소(포화 또는 불포화) 또는 치환된 탄화수소중 임의의 하나일 수 있다. 또다르게는, 연결기는 단일 원자 브리지, 예컨대 산소 원자를 갖는 에테르 브리지, 또는 회전자와 고정자 사이의 직접 시그마 결합을 포함할 수 있다. The letters G 1 , G 2 , G 3 , G 4 , G 5 , G 6 , G 7 and G 8 are bridge groups. These bridging groups serve to connect the stator and the rotor or to connect two or more conjugated rings to achieve the desired chromophore. These may be any of heteroatoms (e.g. C, N, O, S, P, etc.), functional groups having at least one of the aforementioned heteroatoms (e.g. NH, NHNH, etc.), hydrocarbons (saturated or unsaturated) or substituted hydrocarbons. It can be one. Alternatively, the linker may comprise a single atom bridge, such as an ether bridge with oxygen atoms, or a direct sigma bond between the rotor and the stator.

문자 J1 및 J2는 분자내로 구축되는 동조(tuning)기를 나타낸다. 이들 동조기(예: OH, NHR, COOH, CN, 니트로 등)는 적절한 기능적 효과(예: 유도 효과 및 공명 효과) 및/또는 입체 효과를 제공하는 기능을 한다. 기능적 효과는 분자의 밴드 갭(△EHOMO/LUMO)을 조절하여 목적하는 분자의 전자적 및 광학적 특성을 얻게 한다. 입체 효과는 입체 장애, 분자간 또는 분자내 상호작용 힘(예: 수소 결합, 쿨롱 상호작용, 반 데르 발스 힘)을 통해 분자 배위를 조절하거나 분자 배향의 쌍안정성 또는 다안정성을 제공한다. 이들은 수소, 헤테로원자(예: N, O, S, P, B, F, Cl, Br 및 I), 전술한 헤테로원자중 적어도 하나를 갖는 작용기, 탄화수소(포화 또는 불포화) 또는 치환된 탄화수소중 임의의 하나일 수 있다. The letters J 1 and J 2 represent a tuning group built into the molecule. These tuners (eg, OH, NHR, COOH, CN, nitro, etc.) serve to provide appropriate functional effects (eg induction and resonance effects) and / or steric effects. Functional effects control the band gap (ΔE HOMO / LUMO ) of the molecule to obtain the electronic and optical properties of the desired molecule. Steric effects modulate molecular coordination or provide bistable or multistable molecular orientation through steric hindrance, intermolecular or intramolecular interaction forces (eg, hydrogen bonds, coulomb interactions, van der Waals forces). These are any of hydrogen, heteroatoms (e.g., N, O, S, P, B, F, Cl, Br and I), functional groups having at least one of the foregoing heteroatoms, hydrocarbons (saturated or unsaturated) or substituted hydrocarbons. It can be one of.

상기 실시예 2b에 나타낸 분자는 전체 분자의 배향축 선에 평행한 내부 회전자를 갖도록 설계되었다. 이 경우, 외부 장은 분자 축에 수직으로 인가되고, 전극은 분자의 장축에 평행하게 배향되어 상기 모델의 구조의 평면에 명목상 수직이거나 평행일 수 있다. 예컨대, 전기장 라인이 분자 축에 수직이고 상향인 전술한 상부 분자에 전기장을 인가하면, 해당 도면에 도시된 회전자가 상기 아래 분자 도면에 나타낸 바와 같이 대략 90°로 회전하게 되어 모서리상에 나타나게 되거나, 또는 그 반대로 되게 할 것이다. 이 경우, 아래 도면에 도시된 회전자는 분자의 나머지와 동일 평면상에 있지 않고, 따라서 이는 분자의 청색-이동 광학 상태, 즉 광학 상태 II이고, 반면 회전자는 위 도면에서 분자의 나머지와 동일 평면상에 있고 이는 분자의 적색-이동 광학 상태, 즉 광학 상태 I이다. 문자 N, H 및 O는 이들의 통상의 의미를 갖는다. The molecules shown in Example 2b above were designed to have internal rotors parallel to the alignment axis line of the entire molecule. In this case, the external field is applied perpendicular to the molecular axis, and the electrode is oriented parallel to the long axis of the molecule, which can be nominally perpendicular or parallel to the plane of the structure of the model. For example, applying an electric field to the above-mentioned upper molecule, where the electric field line is perpendicular to the molecular axis and upwards, causes the rotor shown in the figure to rotate about 90 ° as shown in the molecular diagram below, appearing on the corners, or Or vice versa. In this case, the rotor shown in the figure below is not coplanar with the rest of the molecule, so it is the blue-shifting optical state of the molecule, ie optical state II, while the rotor is coplanar with the rest of the molecule in the above figure. And is the red-shift optical state of the molecule, ie optical state I. The letters N, H and O have their usual meanings.

도 5a는 실시예 1b 및 2b의 분자와 유사하지만 더 단순한, 중간 회전자 부분(432) 및 2개의 말단 고정자 부분(434)을 포함하는 분자를 도시한다. 실시예 1b 및 2b에서와 같이, 회전자 부분(432)은 회전자가 쌍극자를 갖게 하는 치환체를 갖는 벤젠 고리를 포함한다. 2개의 고정자 부분(434)은 아조 결합을 통해 벤젠 고리에 각각 공유결합되고, 두 부분은 방향족 고리를 포함한다. FIG. 5A shows a molecule comprising an intermediate rotor portion 432 and two terminal stator portions 434, similar to the molecules of Examples 1b and 2b but simpler. As in Examples 1b and 2b, the rotor portion 432 includes a benzene ring with substituents that cause the rotor to have a dipole. Two stator portions 434 are each covalently bonded to the benzene ring via an azo bond, and the two portions comprise an aromatic ring.

도 5b는 회전자(432) 및 고정자(434)가 모두 동일 평면상에 있는 평면 상태를 도시하는 개략도(투시도)이다. 평면 상태에서, 분자(430)는 완전히 콘쥬게이션되고, 색상(제 1 분광 또는 광학 상태)이 분명하고, 비교적 전기적으로 더 전도성이다. 고리의 콘쥬게이션은 각각 분자(430)의 평면의 상부 및 하부의 π-오비탈 구름(500a, 500b)으로 도시된다. 5B is a schematic diagram (perspective view) showing a planar state in which both the rotor 432 and the stator 434 are coplanar. In the planar state, the molecule 430 is fully conjugated, the color (first spectroscopic or optical state) is evident, and is relatively more electrically conductive. Conjugation of the rings is shown by the π-orbital clouds 500a and 500b at the top and bottom of the plane of the molecule 430, respectively.

또한, 도 5c는 회전자(432)가 동일 평면상에 있는 고정자(434)에 대하여 90 °로 회전한 회전 상태를 도시하는 개략도(투시도)이다. 회전 상태에서, 분자(430)의 콘쥬게이션은 파괴된다. 그 결과로서, 분자(430)는 투명해지고(제 2 분광 또는 광학 상태) 비교적 전기적으로 덜 전도성이다. 5C is a schematic diagram (perspective view) showing a rotational state in which the rotor 432 is rotated by 90 ° with respect to the stator 434 on the same plane. In the rotated state, the conjugation of molecules 430 is broken. As a result, molecule 430 becomes transparent (second spectroscopic or optical state) and is relatively less electrically conductive.

실시예 2b의 분자의 경우, 분자 축이 전극의 평면에 평행하도록 막이 구성된다. 이는 다중 단일층 두께인 막을 포함할 수 있다. 분자는 큰 고정자 기가 분자간 상호작용 또는 지지 구조체에의 직접 결합에 의해 제 위치에 갇힌 고체 상태 또는 액정을 형성하지만, 회전자는 분자의 격자 내에서 이동하기에 약간 불충분하다. 이러한 유형의 구조는 전기장 제어된 디스플레이를 구축하는데 사용되거나, 본원에서 전술한 바의 다른 용도에 사용될 수 있다. For the molecules of Example 2b, the membrane is configured so that the molecular axis is parallel to the plane of the electrode. It may include a film that is multiple monolayer thick. The molecule forms a solid state or liquid crystal in which large stator groups are trapped in place by intermolecular interactions or direct bonds to the support structure, but the rotor is slightly insufficient to move within the lattice of the molecule. This type of structure can be used to build electric field controlled displays or for other uses as discussed herein above.

모델 2a: 밴드 편재화의 증가 또는 감소가 수반되는 전하 분리 또는 재조합을 통한 확장된 콘쥬게이션의 변화에 기인한 전기장 유도 밴드 갭 변화Model 2a: Electric field induced band gap change due to a change in extended conjugation through charge separation or recombination accompanied by an increase or decrease in band localization

도 6a는 이 모델의 개략도이며, 이는 밴드 편재화의 증가 또는 감소가 수반되는 전하 분리 또는 재조합을 통한 확장된 콘쥬게이션의 변화에 기인한 전기장 유도 밴드 갭 변화를 포함한다. 도 6a에 나타낸 바와 같이, 분자(630)는 두 부분(632, 634)을 포함한다. 분자(630)는 적은 π-비편재화를 갖는 더 큰 밴드 갭 상태를 명시한다. 전기장을 인가하면 분자(630)에서 전하 분리가 일어나, 더 많은 π-비편재화를 갖는 더 적은 밴드 갭 상태를 가져온다. 전하의 재조합은 분자(630)를 원래 상태로 복귀시킨다. 6A is a schematic of this model, which includes field induced band gap changes due to changes in extended conjugation through charge separation or recombination accompanied by an increase or decrease in band localization. As shown in FIG. 6A, molecule 630 includes two portions 632, 634. Molecule 630 specifies a larger band gap state with less [pi] -unlocalization. Applying an electric field causes charge separation in the molecule 630, resulting in a less band gap state with more [pi] -unlocalization. Recombination of the charge returns the molecule 630 to its original state.

이 모델에서는 하기 요건을 충족시켜야 한다. The model must meet the following requirements:                 

(a) 분자는 적당한 유전 상수 εr을 가져야 하고, 2 내지 10 범위의 εr 및 0.01 내지 10V/nm 범위의 편극화 장을 갖는 외부 전기장에 의해 쉽게 편극화될 수 있어야 한다. (a) The molecule should have a suitable dielectric constant ε r and be able to be easily polarized by an external electric field having ε r in the range of 2 to 10 and a polarization field in the range of 0.01 to 10 V / nm.

(b) 분자의 적어도 하나의 분절이, 전체 분자 또는 분자의 일부분에 걸쳐 이동할 수 있는 비결합 전자, π-전자, 또는 π-전자 및 비결합 전자를 가져야 한다. (b) At least one segment of the molecule must have unbound electrons, π-electrons, or π-electrons and unbound electrons that can migrate across the entire molecule or portion of the molecule.

(c) 분자가 대칭 또는 비대칭일 수 있다.(c) The molecules may be symmetrical or asymmetrical.

(d) 분자의 유도성 쌍극자가 적어도 한 방향으로 배향될 수 있다.(d) The inducible dipoles of the molecule can be oriented in at least one direction.

(e) 전하가 전기장 유도된 편극화중 부분적으로 또는 전체적으로 분리된다.(e) The charge is partially or wholly separated during the electric field induced polarization.

(f) 전하 분리 또는 재조합의 상태가 공유 결합 형성, 수소 결합, 전하 인력, 쿨롱 힘, 금속 착물 또는 루이스산(염기) 착물 등 같은 분자간 또는 분자내 힘을 통해 전기장 의존적으로 또는 쌍안정적으로 안정화될 수 있다.(f) The state of charge separation or recombination may stabilize electric field dependent or bistable through intermolecular or intramolecular forces such as covalent bond formation, hydrogen bonds, charge attraction, coulomb forces, metal complexes or Lewis acid (base) complexes, etc. Can be.

(g) 분자의 전하 분리 또는 재조합의 과정이 σ- 및 π-결합 파쇄 또는 형성을 포함하거나 포함하지 않을 수 있다.(g) The process of charge separation or recombination of molecules may or may not include σ- and π-bond rupture or formation.

(h) 전기장에 의해 활성화된 전하 분리 또는 재조합 과정중 분자의 밴드 갭이 분자 내의 비결합 전자, π-전자, 또는 π-전자 및 비결합 전자 비편재화의 정도에 의존하여 변한다. 따라서, 분자의 광학 및 전기 특성이 둘 다 변한다. (h) The band gap of a molecule during charge separation or recombination activated by an electric field changes depending on the extent of unbound electrons, π-electrons, or π-electrons and unbound electron delocalization in the molecule. Thus, both optical and electrical properties of the molecule change.

결합 파쇄 또는 결합 형성을 포함하는 전하 분리 또는 재조합을 통한 전기장 유도 밴드 갭 변화(색상 변화)의 한 실례를 하기 실시예 3에 나타낸다. An example of electric field induced band gap change (color change) through charge separation or recombination involving bond breakage or bond formation is shown in Example 3 below.                 

실시예 3Example 3

Figure 112003040193701-pct00005
Figure 112003040193701-pct00005

상기 실시예 3에서, 문자 J1, J2, J3, J4 및 J5는 분자에 있는 동조기를 나타낸다. 이들 동조기(예: OH, NHR, COOH, CN, 니트로 등)는 적절한 기능적 효과(예: 유도 효과 및 공명 효과 둘 다) 및/또는 입체 효과를 제공하는 기능을 한다. 기능적 효과는 분자의 밴드 갭(△EHOMO/LUMO)을 조절하여 목적하는 분자의 전자적 및 광학적 특성을 얻게 한다. 입체 효과는 입체 장애, 분자간 또는 분자내 상호작용 힘(예: 수소 결합, 쿨롱 상호작용, 반 데르 발스 힘)을 통해 분자 배위를 조절하여 분자 배향의 쌍안정성 또는 다안정성을 제공한다. 이들은 수소, 헤테로원자(예: N, O, S, P, B, F, Cl, Br 및 I), 전술한 헤테로원자중 적어도 하나를 갖는 작용기, 탄화수소(포화 또는 불포화) 또는 치환된 탄화수소중 임의의 하나일 수 있다. In Example 3 above, the letters J 1 , J 2 , J 3 , J 4 and J 5 represent the tuning groups in the molecule. These tuners (eg, OH, NHR, COOH, CN, nitro, etc.) serve to provide appropriate functional effects (eg both induction and resonance effects) and / or steric effects. Functional effects control the band gap (ΔE HOMO / LUMO ) of the molecule to obtain the electronic and optical properties of the desired molecule. The steric effect modulates molecular coordination via steric hindrance, intermolecular or intramolecular interaction forces (eg, hydrogen bonds, coulomb interactions, van der Waals forces) to provide bistable or multistable molecular orientation. These are any of hydrogen, heteroatoms (e.g., N, O, S, P, B, F, Cl, Br and I), functional groups having at least one of the foregoing heteroatoms, hydrocarbons (saturated or unsaturated) or substituted hydrocarbons. It can be one of.

문자 G1은 브리지기이다. 브리지기는 2개 이상의 콘쥬게이션된 고리를 연결하여 목적하는 발색단을 달성하는 기능을 한다. 브리지기는 헤테로원자(예: N, O, S, P 등), 전술한 헤테로원자중 적어도 하나를 갖는 작용기(예: NH 등), 탄화수소 또는 치환된 탄화수소중 임의의 하나일 수 있다. The letter G 1 is a bridge group. The bridging group functions to join two or more conjugated rings to achieve the desired chromophore. The bridging group can be any one of heteroatoms (eg, N, O, S, P, etc.), functional groups having at least one of the aforementioned heteroatoms (eg, NH, etc.), hydrocarbons or substituted hydrocarbons.

문자 W는 전자 끄는 기이다. 이 기는 이 분자의 말레산 무수물 기의 반응성을 조절하여, 이 분자가 인가된 외부 전기장의 영향하에서 원활한 전하 분리 또는 재조합(결합 파쇄 또는 형성 등)을 진행될 수 있게 한다. 전자 끄는 기는 카복실산 또는 이의 유도체(예: 에스테르, 아미드 등), 니트로, 니트릴, 케톤, 알데하이드, 설폰, 황산 또는 이의 유도체, 헤테로원자(예: F, Cl 등) 또는 헤테로원자(예: F, Cl, Br, N, O, S 등)중 적어도 하나를 갖는 작용기중 임의의 하나일 수 있다. The letter W is an electronic drawer. This group modulates the reactivity of the maleic anhydride group of the molecule, allowing the molecule to undergo smooth charge separation or recombination (such as bond breakage or formation) under the influence of an applied external electric field. Electron withdrawing groups are carboxylic acids or derivatives thereof (e.g. esters, amides, etc.), nitros, nitriles, ketones, aldehydes, sulfones, sulfuric acid or derivatives thereof, heteroatoms (e.g. F, Cl, etc.) or heteroatoms (e.g. F, Cl , Br, N, O, S, etc.) may be any one of the functional groups having at least one.

분자-금속 착물 또는 분자-루이스산 착물의 형성을 포함하는 전기장 유도 밴드 갭 변화의 실례를 하기 실시예 4에 나타낸다. Examples of electric field induction band gap changes involving the formation of molecular-metal complexes or molecular-Lewis acid complexes are shown in Example 4 below.                 

실시예 4Example 4

Figure 112003040193701-pct00006
Figure 112003040193701-pct00006

상기 실시예 4에서, 문자 J1, J2, J3, J4 및 J5는 분자에 있는 동조기를 나타낸다. 이들 동조기(예: OH, NHR, COOH, CN, 니트로 등)는 적절한 기능적 효과(예: 유도 효과 및 공명 효과 둘 다) 및/또는 입체 효과를 제공하는 기능을 한다. 기능적 효과는 분자의 밴드 갭(△EHOMO/LUMO)을 조절하여 목적하는 분자의 전자적 및 광학적 특성을 얻게 한다. 입체 효과는 입체 장애, 분자간 또는 분자내 상호작용 힘(예: 수소 결합, 쿨롱 상호작용, 반 데르 발스 힘)을 통해 분자 배위를 조절하여 분자 배향의 쌍안정성 또는 다안정성을 제공한다. 이들은 수소, 헤테로원자(예: N, O, S, P, B, F, Cl, Br 및 I), 전술한 헤테로원자중 적어도 하나를 갖는 작용기, 탄화수소(포화 또는 불포화) 또는 치환된 탄화수소중 하나일 수 있다. In Example 4 above, the letters J 1 , J 2 , J 3 , J 4 and J 5 represent the tuning groups in the molecule. These tuners (eg, OH, NHR, COOH, CN, nitro, etc.) serve to provide appropriate functional effects (eg both induction and resonance effects) and / or steric effects. Functional effects control the band gap (ΔE HOMO / LUMO ) of the molecule to obtain the electronic and optical properties of the desired molecule. The steric effect modulates molecular coordination via steric hindrance, intermolecular or intramolecular interaction forces (eg, hydrogen bonds, coulomb interactions, van der Waals forces) to provide bistable or multistable molecular orientation. These are hydrogen, heteroatoms (e.g., N, O, S, P, B, F, Cl, Br and I), functional groups having at least one of the foregoing heteroatoms, hydrocarbons (saturated or unsaturated) or substituted hydrocarbons Can be.

문자 G1은 브리지기이다. 브리지기는 2개 이상의 콘쥬게이션된 고리를 연결하여 목적하는 발색단을 달성하는 기능을 한다. 브리지기는 헤테로원자(예: N, O, S, P 등), 전술한 헤테로원자중 적어도 하나를 갖는 작용기(예: NH 등) 또는 치환된 탄화수소중 하나일 수 있다. The letter G 1 is a bridge group. The bridging group functions to join two or more conjugated rings to achieve the desired chromophore. The bridging group may be one of a heteroatom (eg, N, O, S, P, etc.), a functional group having at least one of the aforementioned heteroatoms (eg, NH, etc.) or a substituted hydrocarbon.

M+는 전이 금속을 비롯한 금속 또는 이의 할로겐 착물, 또는 H+ 또는 다른 유형의 루이스산을 나타낸다.M + represents a metal, including a transition metal, or a halogen complex thereof, or H + or another type of Lewis acid.

모델 2b: 전하 분리 또는 재조합 및 π-결합 파쇄 또는 형성을 통한 확장된 콘쥬게이션의 변화에 기인한 전기장 유도 밴드 갭 변화Model 2b: Electric field induced band gap change due to change in extended conjugation through charge separation or recombination and π-bond rupture or formation

도 6b는 이 모델의 개략도이며, 이는 전하 분리 또는 재조합 및 π-결합 파쇄 또는 형성을 통한 확장된 콘쥬게이션의 변화에 기인한 전기장 유도 밴드 갭 변화를 포함한다. 도 6b에 나타낸 바와 같이, 분자(630')는 두 부분(632', 634')을 포함한다. 분자(630')는 더 작은 밴드 갭 상태를 명시한다. 전기장을 인가하면 분자(630')에서 π-결합의 파쇄가 일어나, 더 큰 밴드 갭 상태를 가져온다. 전기장의 반전은 두 부분(632', 634') 사이의 π-결합을 재조합시키고 분자(630')를 원래 상태로 복귀시킨다. 6B is a schematic of this model, which includes electric field induced band gap changes due to changes in extended conjugation through charge separation or recombination and π-bond rupture or formation. As shown in FIG. 6B, molecule 630 ′ includes two portions 632 ′ and 634 ′. Molecule 630 ′ specifies a smaller band gap state. Application of an electric field results in the breaking of π-bonds in the molecule 630 ', resulting in a larger band gap state. Reversal of the electric field recombines the [pi] -bond between the two portions 632 'and 634' and returns the molecule 630 'to its original state.

이 모델에서 충족시켜야 하는 요건은 모델 2a에 대하여 열거한 바와 같다.The requirements to be met in this model are as listed for Model 2a.

전하 분리(σ-결합 파쇄 및 π-결합 형성)를 통한 확장된 콘쥬게이션에 기인 한 전기장 유도 밴드 갭 변화의 실례를 하기 실시예 5에 나타낸다.Examples of electric field induced band gap changes due to extended conjugation through charge separation (σ-bond rupture and π-bond formation) are shown in Example 5 below.

실시예 5Example 5

Figure 112003040193701-pct00007
Figure 112003040193701-pct00007

상기 실시예 5에서, 문자 Q는 두 페닐 고리 사이의 연결 단위를 지칭하기 위해 본원에 사용된다. 이는 S, O, NH, NR, 탄화수소 또는 치환된 탄화수소중 하나일 수 있다. In Example 5 above, the letter Q is used herein to refer to a linking unit between two phenyl rings. It may be one of S, O, NH, NR, hydrocarbons or substituted hydrocarbons.                 

문자 Con1 및 Con2는 한 분자와 또 다른 분자 사이, 또는 분자와 고체 기판(예: 금속 전극, 무기 또는 유기 기판 등) 사이의 연결기이다. 이들은 수소(수소 결합을 이용함), 헤테로원자(즉, N, O, S, P 등), 이들 헤테로원자중 적어도 하나를 함유하는 작용기(예: NH 등), 탄화수소(포화 또는 불포화) 또는 치환된 탄화수소중 하나일 수 있다. The letters Con 1 and Con 2 are linking groups between one molecule and another, or between a molecule and a solid substrate (eg metal electrode, inorganic or organic substrate, etc.). These include hydrogen (using hydrogen bonds), heteroatoms (ie, N, O, S, P, etc.), functional groups containing at least one of these heteroatoms (eg NH, etc.), hydrocarbons (saturated or unsaturated) or substituted It may be one of the hydrocarbons.

문자 R1 및 R2는 분자내로 구축되는 이격기를 나타낸다. 이들 이격 단위는 적절한 3차원 골격을 제공하여 각각의 회전자를 위한 회전 공간을 제공하면서 분자가 함께 팩킹되게 하는 기능을 한다. 이들은 수소, 탄화수소(포화 또는 불포화) 또는 치환된 탄화수소중 임의의 하나일 수 있다. The letters R 1 and R 2 represent spacers that are built into the molecule. These spacing units serve to allow the molecules to pack together while providing an appropriate three-dimensional skeleton to provide rotational space for each rotor. These may be any one of hydrogen, hydrocarbons (saturated or unsaturated) or substituted hydrocarbons.

문자 J1, J2, J3 및 J4는 분자에 있는 동조기를 나타낸다. 이들 동조기(예: OH, NHR, COOH, CN, 니트로 등)는 적절한 기능적 효과(예: 유도 효과 및 공명 효과 둘 다) 및/또는 입체 효과를 제공하는 기능을 한다. 기능적 효과는 분자의 밴드 갭(△EHOMO/LUMO)을 조절하여 목적하는 분자의 전자적 및 광학적 특성을 얻게 한다. 입체 효과는 입체 장애, 분자간 또는 분자내 상호작용 힘(예: 수소 결합, 쿨롱 상호작용, 반 데르 발스 힘)을 통해 분자 배위를 조절하여 분자 배향의 쌍안정성 또는 다안정성을 제공한다. 또한, 이들은 적절한 3차원 골격을 제공하여 각각의 회전자를 위한 회전 공간을 제공하면서 분자가 함께 팩킹되게 하는 기능을 하는 이격기로서 사용될 수 있다. 이들은 수소, 헤테로원자(예: N, O, S, P, B, F, Cl, Br 및 I), 전술한 헤테로원자중 적어도 하나를 갖는 작용기, 탄화수소(포화 또는 불포화) 또는 치환된 탄화수소중 하나일 수 있다. The letters J 1 , J 2 , J 3 and J 4 represent the tuning groups in the molecule. These tuners (eg, OH, NHR, COOH, CN, nitro, etc.) serve to provide appropriate functional effects (eg both induction and resonance effects) and / or steric effects. Functional effects control the band gap (ΔE HOMO / LUMO ) of the molecule to obtain the electronic and optical properties of the desired molecule. The steric effect modulates molecular coordination via steric hindrance, intermolecular or intramolecular interaction forces (eg, hydrogen bonds, coulomb interactions, van der Waals forces) to provide bistable or multistable molecular orientation. They can also be used as spacers that function to allow molecules to pack together while providing a suitable three-dimensional skeleton to provide a rotational space for each rotor. These are hydrogen, heteroatoms (e.g., N, O, S, P, B, F, Cl, Br and I), functional groups having at least one of the foregoing heteroatoms, hydrocarbons (saturated or unsaturated) or substituted hydrocarbons Can be.

문자 G1은 브리지기이다. 이 브리지기는 고정자와 회전자를 연결하거나, 2개 이상의 콘쥬게이션된 고리를 연결하여 목적하는 발색단을 달성하는 기능을 한다. 이는 헤테로원자(예: N, O, S, P 등), 전술한 헤테로원자중 적어도 하나를 갖는 작용기(예: NH, NHNH 등), 탄화수소(포화 또는 불포화) 또는 치환된 탄화수소중 하나일 수 있다. The letter G 1 is a bridge group. The bridge functions to connect the stator and the rotor or to connect two or more conjugated rings to achieve the desired chromophore. It may be one of a heteroatom (eg N, O, S, P, etc.), a functional group having at least one of the aforementioned heteroatoms (eg NH, NHNH, etc.), a hydrocarbon (saturated or unsaturated) or a substituted hydrocarbon. .

문자 W는 전자 끄는 기이다. 이 기는 이 분자의 락톤 기의 반응성을 조절하여, 이 분자가 인가된 외부 전기장의 영향하에서 원활한 전하 분리 또는 재조합(결합 파쇄 또는 형성 등)을 진행할 수 있게 한다. 전자 끄는 기는 카복실산 또는 이의 유도체(예: 에스테르, 아미드 등), 니트로, 니트릴, 케톤, 알데하이드, 설폰, 황산 또는 이의 유도체, 헤테로원자(예: F, Cl 등), 헤테로원자(예: F, Cl, Br, N, O, S 등)중 적어도 하나를 갖는 작용기, 탄화수소(포화 또는 불포화) 또는 치환된 탄화수소중 하나일 수 있다. The letter W is an electronic drawer. This group modulates the reactivity of the molecule's lactone groups, allowing the molecule to undergo smooth charge separation or recombination (such as bond breakage or formation) under the influence of an applied external electric field. Electron withdrawing groups are carboxylic acids or derivatives thereof (e.g. esters, amides, etc.), nitros, nitriles, ketones, aldehydes, sulfones, sulfuric acid or derivatives thereof, heteroatoms (e.g. F, Cl, etc.), heteroatoms (e.g. F, Cl , Br, N, O, S, etc.) may be one of a functional group, a hydrocarbon (saturated or unsaturated) or a substituted hydrocarbon.

최상부 분자 구조는 최하부 분자 구조보다 더 작은 밴드 갭 상태를 갖는다.The top molecular structure has a smaller band gap state than the bottom molecular structure.

전하 재조합 및 σ-결합 형성을 통한 확장된 π-결합 콘쥬게이션의 파괴에 기인한 전기장 유도 밴드 갭 변화의 다른 실례를 하기 실시예 6에 나타낸다. Another example of electric field induced band gap change due to disruption of extended π-binding conjugation through charge recombination and σ-bond formation is shown in Example 6 below.                 

실시예 6Example 6

Figure 112003040193701-pct00008
Figure 112003040193701-pct00008

상기 실시예 6에서, 문자 Q는 두 페닐 고리 사이의 연결 단위를 지칭하기 위해 본원에 사용된다. 이는 S, O, NH, NR, 탄화수소 또는 치환된 탄화수소중 하나일 수 있다. In Example 6 above, the letter Q is used herein to refer to a linking unit between two phenyl rings. It may be one of S, O, NH, NR, hydrocarbons or substituted hydrocarbons.

문자 Con1 및 Con2는 한 분자와 또 다른 분자 사이, 또는 분자와 고체 기판( 예: 금속 전극, 무기 또는 유기 기판 등) 사이의 연결기이다. 이들은 수소, 헤테로원자(즉, N, O, S, P 등), 이들 헤테로원자중 적어도 하나를 함유하는 작용기(예: NH 등), 탄화수소(포화 또는 불포화) 또는 치환된 탄화수소중 하나일 수 있다. The letters Con 1 and Con 2 are connectors between one molecule and another, or between a molecule and a solid substrate (eg metal electrode, inorganic or organic substrate, etc.). These may be hydrogen, heteroatoms (ie, N, O, S, P, etc.), functional groups containing at least one of these heteroatoms (eg NH, etc.), hydrocarbons (saturated or unsaturated) or substituted hydrocarbons. .

문자 R1 및 R2는 분자내로 구축되는 이격기를 나타낸다. 이들 이격 단위는 적절한 3차원 골격을 제공하여 각각의 회전자를 위한 회전 공간을 제공하면서 분자가 함께 팩킹되게 하는 기능을 한다. 이들은 수소, 탄화수소(포화 또는 불포화) 또는 치환된 탄화수소중 임의의 것일 수 있다. The letters R 1 and R 2 represent spacers that are built into the molecule. These spacing units serve to allow the molecules to pack together while providing an appropriate three-dimensional skeleton to provide rotational space for each rotor. These may be any of hydrogen, hydrocarbons (saturated or unsaturated) or substituted hydrocarbons.

문자 J1, J2, J3 및 J4는 분자에 있는 동조기를 나타낸다. 이들 동조기(예: OH, NHR, COOH, CN, 니트로 등)는 적절한 기능적 효과(예: 유도 효과 및 공명 효과 둘 다) 및/또는 입체 효과를 제공하는 기능을 한다. 기능적 효과는 분자의 밴드 갭(△EHOMO/LUMO)을 조절하여 목적하는 분자의 전자적 및 광학적 특성을 얻게 한다. 입체 효과는 입체 장애, 분자간 또는 분자내 상호작용 힘(예: 수소 결합, 쿨롱 상호작용, 반 데르 발스 힘)을 통해 분자 배위를 조절하여 분자 배향의 쌍안정성 또는 다안정성을 제공한다. 또한, 이들은 적절한 3차원 골격을 제공하여 각각의 회전자를 위한 회전 공간을 제공하면서 분자가 함께 팩킹되게 하는 이격기로서 사용될 수 있다. 이들은 수소, 헤테로원자(예: N, O, S, P, B, F, Cl, Br 및 I), 전술한 헤테로원자중 적어도 하나를 갖는 작용기, 탄화수소(포화 또는 불포화) 또는 치환된 탄화수소중 하나일 수 있다. The letters J 1 , J 2 , J 3 and J 4 represent the tuning groups in the molecule. These tuners (eg, OH, NHR, COOH, CN, nitro, etc.) serve to provide appropriate functional effects (eg both induction and resonance effects) and / or steric effects. Functional effects control the band gap (ΔE HOMO / LUMO ) of the molecule to obtain the electronic and optical properties of the desired molecule. The steric effect modulates molecular coordination via steric hindrance, intermolecular or intramolecular interaction forces (eg, hydrogen bonds, coulomb interactions, van der Waals forces) to provide bistable or multistable molecular orientation. In addition, they can be used as spacers to allow the molecules to pack together while providing a suitable three-dimensional skeleton to provide rotational space for each rotor. These are hydrogen, heteroatoms (e.g., N, O, S, P, B, F, Cl, Br and I), functional groups having at least one of the foregoing heteroatoms, hydrocarbons (saturated or unsaturated) or substituted hydrocarbons Can be.

문자 G1은 브리지기이다. 이 브리지기는 고정자와 회전자를 연결하거나, 2 개 이상의 콘쥬게이션된 고리를 연결하여 목적하는 발색단을 달성하는 기능을 한다. 이는 헤테로원자(예: N, O, S, P 등), 이들 헤테로원자중 적어도 하나를 갖는 작용기(예: NH, NHNH 등), 탄화수소(포화 또는 불포화) 또는 치환된 탄화수소중 하나일 수 있다. The letter G 1 is a bridge group. This bridge serves to connect the stator and the rotor or to connect two or more conjugated rings to achieve the desired chromophore. It may be one of heteroatoms (eg, N, O, S, P, etc.), functional groups having at least one of these heteroatoms (eg, NH, NHNH, etc.), hydrocarbons (saturated or unsaturated) or substituted hydrocarbons.

문자 W는 전자 끄는 기이다. 이 기는 이 분자의 락톤 기의 반응성을 조절하여, 이 분자가 인가된 외부 전기장의 영향하에서 원활한 전하 분리 또는 재조합(결합 파쇄 또는 형성 등)을 진행할 수 있게 하는 기능을 한다. 전자 끄는 기는 카복실산 또는 이의 유도체(예: 에스테르, 아미드 등), 니트로, 니트릴, 케톤, 알데하이드, 설폰, 황산 또는 이의 유도체, 헤테로원자(예: F, Cl 등), 헤테로원자(예: F, Cl, Br, N, O, S 등)중 적어도 하나를 갖는 작용기, 탄화수소(포화 또는 불포화) 또는 치환된 탄화수소중 하나일 수 있다. The letter W is an electronic drawer. This group functions to regulate the reactivity of the lactone group of the molecule, allowing the molecule to undergo smooth charge separation or recombination (such as bond breakage or formation) under the influence of an applied external electric field. Electron withdrawing groups are carboxylic acids or derivatives thereof (e.g. esters, amides, etc.), nitros, nitriles, ketones, aldehydes, sulfones, sulfuric acid or derivatives thereof, heteroatoms (e.g. F, Cl, etc.), heteroatoms (e.g. F, Cl , Br, N, O, S, etc.) may be one of a functional group, a hydrocarbon (saturated or unsaturated) or a substituted hydrocarbon.

또한, 최상부 분자 구조는 최하부 분자 구조보다 더 작은 밴드 갭 상태를 갖는다.The top molecular structure also has a smaller band gap state than the bottom molecular structure.

본 발명은 이전에 기술된 어떠한 전기변색성 또는 발색단 물질과도 완전히 다른 기전에 의해 외부 전기장을 이용하여 스위치될 수 있는 활성 장치로 잉크 또는 염료 분자를 변환시킨다. 일반적인 생각은 인가된 전기장의 영향하에서 락톤의 C-O 결합이 충분히 반응하기 쉽고 결합 파쇄 및 형성(상기 실시예 5 및 6 참조)을 진행할 수 있는 변형된 크리스탈 바이올렛(Crystal Violet) 락톤 유형의 분자를 이용하는 것이다. The present invention converts the ink or dye molecules into an active device that can be switched using an external electric field by a mechanism completely different from any of the previously described electrochromic or chromophore materials. The general idea is to use modified Crystal Violet lactone type molecules that are susceptible to CO bonds of the lactones under the influence of an applied electric field and that can undergo bond breakage and formation (see Examples 5 and 6 above). .

C-O 결합 파쇄 과정중 양 및 음 전하가 발생된다. 생성된 전하는 분리되어 인가된 외부 장에 평행한 맞은편 방향(분자의 상부)으로 이동하거나, 또는 결합 회전(분자의 하부)을 할 것이다. 분자의 확장된 쌍극자(상부 및 하부)를 갖는 두 방향족 고리는 완전히 콘쥬게이션되어 착색(적색-이동)된다(실시예 5 참조). 그러나, 이 분자는 분자간 및/또는 분자내 힘, 예컨대 수소 결합, 쿨롱 또는 쌍극자-쌍극자 상호작용 및 입체 반발력을 갖도록, 또는 영구적인 외부 전기장에 의해 이 특정 배향으로 두 전하를 안정화시키도록 설계된다. 따라서, 분자를 초기 배향으로부터 고정시키기 위해서 큰 장이 요구된다. 특정 배향으로 스위치되고 나면, 분자는 다시 스위치될 때까지 그 배향으로 유지될 것이다.Positive and negative charges are generated during the C-O bond fracture process. The generated charge will either move in the opposite direction parallel to the applied external field (top of the molecule), or make a combined rotation (bottom of the molecule). Two aromatic rings with extended dipoles (top and bottom) of the molecule are fully conjugated and colored (red-shifted) (see Example 5). However, this molecule is designed to have intermolecular and / or intramolecular forces such as hydrogen bonds, coulombs or dipole-dipole interactions and steric repulsion, or to stabilize both charges in this particular orientation by a permanent external electric field. Thus, large fields are required to fix the molecules from their initial orientation. Once switched to a particular orientation, the molecule will remain in that orientation until it is switched again.

반대 전기장이 인가되면(실시예 6), 두 전하는 반대의 외부 장의 방향에 이들을 재정렬시키는 경향을 갖게 된다. 분자의 상부의 양 전하는 비결합 전자, π-전자, 또는 π-전자 및 비결합 전자 비편재화를 통해 분자의 측면으로부터 분자의 중심부(트리-아릴 메탄 위치)로 이동할 것이다. 마찬가지로, 음으로 하전된 분자의 하부는 C-C 결합 회전을 통해 외부 전기장에 더 가까이 이동하려 할 것이다. 분자 설계의 핵심 요소는 CO2 -, 및 분자의 하부(음으로 하전된 부분)가 완전히 180° 반주기로 회전하는 것을 방지할 수 있는 J3 및 J4 기 사이에 입체적 및 정전기적 반발이 있다는 것이다. 그 대신에, 회전은 하부와 상부의 부피가 큰 기의 입체적 상호작용에 의해 초기 배향으로부터 약 90°의 각도에 머무른다. 더욱이, 이 90° 배향은 C-O 결합 형성 및 전하 재조합에 의해 안정화된다. 이 과정중, 4면체 탄소(격리자)가 트리-아릴 메탄 위치에 형성된다. 분자의 콘쥬게이션은 파괴되고 HOMO 및 LUMO는 분자의 전체 상부에서 더 이상 비편재화되지 않는다. 이는 전자에 의해 점유된 부피의 치수를 감소시키는 효과를 가지며, 이는 HOMO-LUMO 간격을 증가시킨다. 이 과정중 청색-이동 색상 또는 투명 상태가 생성될 것이다.When opposite electric fields are applied (Example 6), both charges tend to rearrange them in the direction of the opposite external field. The positive charge at the top of the molecule will move from the side of the molecule to the center of the molecule (the tri-aryl methane position) via unbonded electrons, π-electrons, or π-electrons and unbound electrons delocalization. Likewise, the lower portion of the negatively charged molecule will attempt to move closer to the external electric field through the CC bond rotation. A key element of molecular design is the presence of steric and electrostatic repulsions between the CO 2 − , and J 3 and J 4 groups, which can prevent the lower (negatively charged part) of the molecule from rotating in a full 180 ° half cycle. . Instead, the rotation stays at an angle of about 90 ° from the initial orientation by the steric interaction of the bulky groups of the bottom and top. Moreover, this 90 ° orientation is stabilized by CO bond formation and charge recombination. During this process, tetrahedral carbon (isolate) is formed at the tri-aryl methane position. Conjugation of the molecule is disrupted and HOMO and LUMO are no longer delocalized over the entire top of the molecule. This has the effect of reducing the dimension of the volume occupied by the former, which increases the HOMO-LUMO spacing. During this process a blue-shifting color or transparent state will be created.

착색된 잉크 및 염료 분자의 경우, 분자의 한 측면과 중심 위치 사이의 양의 전하 이동의 제한이 결정적이다. 또 다른 중요한 요소는 고정자(분자의 상부)로부터 광학적으로 유의성있는 각도(명목상으로 10 내지 170°)로 분리된 두 상태 사이의 고정자(분자의 하부)를 스위치하는 능력이다. 분자내 전하 분리가 최대 거리에 도달한 경우, 분자의 최상부가 완전히 콘쥬게이션되게 된다. 그러므로, 가장 높은 점유 분자 오비탈(HOMO) 및 가장 낮은 비점유 분자 오비탈(LUMO)을 통해 분자의 π-전자 또는 π-전자 및 비결합 전자가 최상부 영역 위로 비편재화된다. 이 효과는 상자에서 양자 역학적 입자의 경우의 효과와 동일한 바, 상자가 전체 분자의 치수인 경우, 즉 오비탈이 비편재화된 경우, HOMO와 LUMO 사이의 간격이 상대적으로 작다. 이 경우, 분자의 HOMO-LUMO 간격은 잉크 또는 염료의 목적하는 색상을 생성하도록 설계된다. 전부-평행 구조의 경우 HOMO-LUMO 간격은 분자의 상이한 방향족 기에 다양한 화학 기(J1, J2, J3, J4 및 W)를 치환함으로써 변환될 수 있다. 회전자가, 회전자 및 고정자에 결합된 화학 치환기(J1, J2, J3, J4 및 W)의 성질에 따라 고정자(분자의 상부)에 대하여 10 내지 170°로 회전하는 경우, 증가된 HOMO-LUMO 간격은 전부-평행 구조의 색상에 대하여 청색-이동된 색상에 상응할 것이다. 이동이 충분하여 새로운 HOMO-LUMO 간격이 충분히 크면 분자는 투명하게 된다. 그러므 로, 분자는 두 색상 사이에서 또는 한 색상에서 투명 상태로 스위치될 수 있다.For colored ink and dye molecules, the limitation of positive charge transfer between one side and the center position of the molecule is crucial. Another important factor is the ability to switch the stator (bottom of the molecule) between two states separated from the stator (top of the molecule) by an optically significant angle (nominally 10 to 170 °). When the intramolecular charge separation reaches the maximum distance, the top of the molecule is fully conjugated. Thus, the highest occupied molecular orbital (HOMO) and lowest unoccupied molecular orbital (LUMO) delocalizes the π-electrons or π-electrons and unbound electrons above the top region. This effect is the same as that for quantum mechanical particles in the box, where the spacing between HOMO and LUMO is relatively small when the box is the dimension of the entire molecule, ie when the orbital is delocalized. In this case, the HOMO-LUMO spacing of the molecules is designed to produce the desired color of the ink or dye. For all-parallel structures the HOMO-LUMO spacing can be converted by substituting various chemical groups (J 1 , J 2 , J 3 , J 4 and W) for different aromatic groups of the molecule. If the rotor rotates from 10 to 170 ° relative to the stator (top of the molecule) depending on the nature of the chemical substituents J 1 , J 2 , J 3 , J 4 and W bonded to the rotor and stator, increased The HOMO-LUMO spacing will correspond to a blue-shifted color relative to the color of the all-parallel structure. If the migration is good enough that the new HOMO-LUMO interval is large enough, the molecule becomes transparent. Thus, molecules can be switched between two colors or in one color in a transparent state.

실시예 5 및 6은 외부적으로 인가된 전기장의 영향하에서 스위치될 수 있는 대표적인 분자의 두 가지 다른 상태를 보여준다. 이 특정 유형의 분자의 경우, 분자의 배향축 선이 분자를 스위치하는데 사용되는 전극의 평면에 수직이도록, 예컨대 랭뮤어-블로젯 기법, 증기상 침작법 또는 전기화학적 침착법을 이용하여 충분히 두꺼운 분자 막을 성장시킨다. 또 다른 침착 기법은 단량체/올리고머 또는 용매계 용액으로서 분자를 현탁시키고 이를 기판에 후막 코팅(예: 리버스 롤)하거나 또는 스핀 코팅하고, 이어서 코팅을 전기장에 인가하여 분자를 배향시키면서 중합(예: UV 방사)하거나 건조하는 방법이다. 상단 전극은 산화 인듐-주석 같은 투명한 전도체일 수 있고, 막은 분자 축이 전극의 평면에 평행하도록 성장된다. 분자는 큰 고정자 기가 분자간 상호작용 또는 지지 구조체에의 직접 결합에 의해 제 위치에 갇힌 고체 상태 또는 액정을 형성하지만, 회전자는 어느 정도 분자의 격자 내에서 운동할 수 있다.Examples 5 and 6 show two different states of representative molecules that can be switched under the influence of an externally applied electric field. For this particular type of molecule, the molecule is thick enough such that the alignment axis of the molecule is perpendicular to the plane of the electrode used to switch the molecule, e.g. using Langmuir-Blodge technique, vapor phase deposition or electrochemical deposition. Grow the membrane. Another deposition technique involves suspending a molecule as a monomer / oligomer or solvent-based solution and thick-coating (eg, reverse roll) or spin-coating it onto a substrate and then applying a coating to an electric field to orient the molecule to polymerize (eg, UV). Spinning) or drying. The top electrode can be a transparent conductor such as indium oxide-tin, and the film is grown such that the molecular axis is parallel to the plane of the electrode. Molecules form a solid state or liquid crystal in which large stator groups are trapped in place by intermolecular interactions or direct bonds to the support structure, but the rotor can move to some extent within the lattice of the molecule.

모델(3): 분자 접힘 또는 신축을 통한 전기장 유도 밴드 갭 변화Model (3): Electric field induced band gap change through molecular folding or stretching

도 7은 분자 접힘 또는 신축을 통한 확장된 콘쥬게이션 변화에 의해 전기장-유도 밴드 갭이 변하는 모델을 개략적으로 도시한 것이다. 도 7에 도시한 바와 같이, 분자(730)는 세 부분(732, 734 및 736)을 포함한다. 분자(730)는 분자의 넓은 대역을 통해 콘쥬게이션이 확장됨에 따라 보다 작은 밴드 갭 상태를 갖는다. 전기장을 인가하면 대략 중심 부분(734)에서 분자가 접혀 분자내 콘쥬게이션이 파괴되고 분자의 넓은 영역에서 콘쥬게이션이 확장되지 않아 밴드 갭 상태가 보다 커진다. 전기장을 전도시키면 분자(730)가 펴져 원래의 상태로 되돌아온다. 분자(730)의 중심 부분(734)을 신축 및 이완시키는 것은 이와 동일한 효과를 나타낸다. FIG. 7 schematically illustrates a model in which the electric field-induced band gap changes due to extended conjugation changes through molecular folding or stretching. As shown in FIG. 7, the molecule 730 includes three portions 732, 734, and 736. Molecule 730 has a smaller band gap state as conjugation extends through a wider band of molecules. Applying an electric field causes the molecules to collapse at approximately the central portion 734, disrupting intramolecular conjugation and not expanding conjugation over a large area of the molecule, resulting in a larger band gap state. Conduction of the electric field causes the molecule 730 to unfold and return to its original state. Stretching and relaxing the central portion 734 of the molecule 730 has this same effect.

이러한 모델에서는 하기 요건이 만족되어야 한다:In these models, the following requirements must be met:

(a) 분자는 둘 이상의 분절을 가져야 하고;(a) the molecule must have at least two segments;

(b) 다수의 분절(부분)은 HOMO, LUMO 및 인접 궤도에서 비결합 전자 또는 π-전자, 또는 π-전자 및 비결합 전자를 가져야 하고;(b) the plurality of segments (parts) must have unbound electrons or π-electrons, or π-electrons and unbound electrons in HOMO, LUMO and adjacent orbitals;

(c) 분자는 대칭이거나, 하나의 면 위에 도너 기를 갖고 또다른 면 위에는 억셉터 기를 갖는 비대칭일 수 있고;(c) the molecule may be symmetrical or asymmetrical with donor groups on one side and acceptor groups on another side;

(d) 분자의 분절중 둘 이상이 분자내 또는 분자간 힘, 예를 들어 수소결합, 반 데르 발스 힘, 쿨롱 인력 또는 금속 착체 형성을 통해 접힘 및 신축 상태의 안정화를 모두 돕는 일부 작용기를 가지며;(d) at least two of the segments of the molecule have some functional group which assists in both the folding and stretching states through intramolecular or intermolecular forces such as hydrogen bonding, van der Waals forces, coulomb attraction or metal complex formation;

(e) 분자의 접힘 또는 신축 상태가 전기장 어드레싱성이어야 하고;(e) the folded or stretched state of the molecule must be electric field addressing;

(f) 하나 이상의 상태(주로, 완전 신축된 상태)에서, 분자의 비결합 전자 또는 π-전자, 또는 π-전자 및 비결합 전자는 양호하게 비편재화되고, 분자의 π- 및 p-전자는 편재화되거나 다른 상태로 부분적으로 비편재화되고;(f) In one or more states (mainly fully stretched states), the unbound electrons or π-electrons, or π-electrons and unbound electrons of the molecule are well delocalized, and the π- and p-electrons of the molecule Localized or partially delocalized to another state;

(g) 인가된 외부 전기장에 의해 분자가 접히거나 신축되는 동안, 분자의 밴드 갭이 비결합 전자 또는 π-전자, 또는 π-전자 및 비결합 전자의 비편재화 정도에 따라 변하고, 이러한 유형의 변화가 분자의 전기적 또는 광학 특성에도 영향을 미치며;(g) While the molecule is folded or stretched by an applied external electric field, the band gap of the molecule changes with the degree of delocalization of unbonded or π-electrons, or π-electrons and unbound electrons, and this type of change Affects the electrical or optical properties of the molecule;

(h) 이러한 특성이 광학 또는 전기적 스위치, 게이트, 저장 또는 디스플레이 용도 를 위한 분자 유형에 적용될 수 있다. (h) These properties can be applied to molecular types for optical or electrical switch, gate, storage or display applications.

분자 접힘 또는 신축을 통한 전기장-유도 밴드 갭 변화의 실례를 하기에 설명한다Examples of electric field-induced band gap changes through molecular folding or stretching are described below.

실시예 7Example 7

Figure 112003040193701-pct00009
Figure 112003040193701-pct00009

상기 실시예 7에서, R1 및 R2는 분자에 있는 이격기를 나타낸다. 이는 수소, 탄화수소(포화 또는 불포화) 또는 치환된 탄화수소중 하나일 수 있다. In Example 7, above, R 1 and R 2 represent a spacer in the molecule. It may be one of hydrogen, hydrocarbon (saturated or unsaturated) or substituted hydrocarbon.

문자 J1, J2, J3 및 J4는 분자에 있는 동조기를 나타낸다. 이들 동조기(예: OH, NHR, COOH, CN, 니트로 등)는 적절한 기능적 효과(예: 유도 효과 및 공명 효과 둘 다) 및/또는 입체 효과를 제공하는 기능을 한다. 기능적 효과는 분자의 밴드 갭(△EHOMO/LUMO)을 조절하여 목적하는 분자의 전자적 및 광학적 특성을 얻게 한다. 입체 효과는 입체 장애, 분자간 또는 분자내 상호작용 힘(예: 수소 결합, 쿨롱 상호작용, 반 데르 발스 힘)을 통해 분자 배위를 조절하여 분자 배향의 쌍안정성 또는 다안정성을 제공한다. 또한, 이들은 이격기로서 사용될 수 있다. 이들은 수소, 헤테로원자(예: N, O, S, P, B, F, Cl, Br 및 I), 전술한 헤테로원자중 적어도 하나를 갖는 작용기, 탄화수소(포화 또는 불포화) 또는 치환된 탄화수소중 임의의 하나일 수 있다. The letters J 1 , J 2 , J 3 and J 4 represent the tuning groups in the molecule. These tuners (eg, OH, NHR, COOH, CN, nitro, etc.) serve to provide appropriate functional effects (eg both induction and resonance effects) and / or steric effects. Functional effects control the band gap (ΔE HOMO / LUMO ) of the molecule to obtain the electronic and optical properties of the desired molecule. The steric effect modulates molecular coordination via steric hindrance, intermolecular or intramolecular interaction forces (eg, hydrogen bonds, coulomb interactions, van der Waals forces) to provide bistable or multistable molecular orientation. They can also be used as spacers. These are any of hydrogen, heteroatoms (e.g., N, O, S, P, B, F, Cl, Br and I), functional groups having at least one of the foregoing heteroatoms, hydrocarbons (saturated or unsaturated) or substituted hydrocarbons. It can be one of.

Y 및 Z는 분자간 또는 분자내 수소 결합을 형성하는 작용기이다. 이들은 SH, OH, 아민, 탄화수소 또는 치환된 탄화수소중 임의의 하나일 수 있다. Y and Z are functional groups that form intermolecular or intramolecular hydrogen bonds. These may be any one of SH, OH, amines, hydrocarbons or substituted hydrocarbons.

상기 도면 상부에 도시된 분자는 분자의 다양한 부분에서 콘쥬게이션이 편재화됨에 따라 보다 넓은 밴드 갭을 갖는 반면, 도면의 하부에 도시된 분자는 분자의 넓은 대역을 통해 콘쥬게이션이 확장되어 보다 적은 밴드 갭을 갖는다.The molecules shown at the top of the figure have a wider band gap as conjugation is localized in various parts of the molecule, while the molecules shown at the bottom of the figure have fewer bands due to the conjugation being extended through a wider band of molecules. Has a gap.

광학 스위치 형성(마이크로미터 또는 나노미터)을 위해 본원에서 개시 및 청구된 기법은 디스플레이, 전자 책, 반복기록이 가능한 매체, 전기적으로 조절가능한 광학 렌즈, 창문 및 거울을 위해 전기적으로 조절되는 색조화, 및 다수의 입력 채널중 하나로부터 다수의 출력 채널중 하나로의 발송 신호용 광학 크로스바 스위치 등을 조립하는데 사용될 수 있다.

Techniques disclosed and claimed herein for optical switch formation (micrometers or nanometers) include electrically controlled tinting for displays, e-books, repeatable media, electrically adjustable optical lenses, windows and mirrors, And optical crossbar switches for sending signals from one of the plurality of input channels to one of the plurality of output channels.

본원에 개시된 장-스위치가능한 분자는 마이크로-스케일 및 나노-스케일 요소로 구성되는 광학 장치 및 다양한 시각용 디스플레이에서 용도를 가질 것으로 예상된다. The long-switchable molecules disclosed herein are expected to find use in optical devices and microvisual displays composed of micro-scale and nano-scale elements.

Claims (18)

한쌍의 전극(107, 109, 201, 202, 203, 204)에 의해 발생된 전기장 내에서 배열되며 전기장 유도 밴드 갭 변화를 갖는 분자 시스템(430)으로서,A molecular system 430 arranged in an electric field generated by a pair of electrodes 107, 109, 201, 202, 203, 204 and having a field induced band gap change, 상기 전기장 유도 밴드 갭 변화가 분자 배위 변화 또는 이성화에 의해 발생하고, 상기 분자 시스템이 적어도 하나의 고정자 부분(434)과 적어도 하나의 회전자 부분(432)를 포함하며,The electric field induced band gap change is caused by molecular coordination change or isomerization, and the molecular system comprises at least one stator part 434 and at least one rotor part 432, 상기 회전자 부분(432)은 인가된 전기장에 의해 제 1 상태로부터 제 2 상태로 회전하되, 상기 제 1 상태에서는 상기 분자 시스템에 걸쳐 콘쥬게이션이 확장되어 상기 제 2 상태보다 좁은 밴드 갭 상태가 생성되고, 상기 제 2 상태에서는 상기 확장된 콘쥬게이션이 축소되어 상기 제 1 상태보다 넓은 밴드 갭 상태가 생성되며,The rotor portion 432 is rotated from the first state to the second state by an applied electric field, in which the conjugation extends across the molecular system to create a narrower band gap state than the second state. In the second state, the expanded conjugation is reduced to generate a wider band gap state than the first state. 상기 분자 시스템(430)이 하기 구조의 화합물이며,The molecular system 430 is a compound of the following structure,
Figure 112009014435886-pct00022
또는
Figure 112009014435886-pct00023
Figure 112009014435886-pct00022
or
Figure 112009014435886-pct00023
 여기서, A-는 억셉터 기로서, (a) 수소, (b) 카복실산 또는 이의 유도체, (c) 황산 또는 이의 유도체, (d) 인산 또는 이의 유도체, (e) 니트로, (f) 니트릴, (g) N, O, S, P, F, Cl 및 Br로 이루어진 군으로부터 선택되는 헤테로원자, (h) 상기 헤테로원자 중 적어도 하나를 갖는 작용기, (i) 포화 또는 불포화 탄화수소 및 (j) 치환된 탄화수소로 이루어진 군으로부터 선택되는 전자 끄는 기를 포함하고,Wherein A − is an acceptor group, wherein (a) hydrogen, (b) carboxylic acid or derivative thereof, (c) sulfuric acid or derivative thereof, (d) phosphoric acid or derivative thereof, (e) nitro, (f) nitrile, ( g) heteroatoms selected from the group consisting of N, O, S, P, F, Cl and Br, (h) functional groups having at least one of said heteroatoms, (i) saturated or unsaturated hydrocarbons and (j) substituted An electron withdrawing group selected from the group consisting of hydrocarbons, D+는 도너 기로서, (a) 수소, (b) 아민, (c) OH, (d) SH, (e) 에테르, (f) 포화 또는 불포화 탄화수소, (g) 치환된 탄화수소 및 (h) B, Si, I, N, O, S 및 P로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나의 헤테로원자를 갖는 작용기로 이루어진 군으로부터 선택되는 전자 주는 기이고, 상기 도너 기는 상기 억셉터 기보다 더 양전기성(electropositive)이며, D + is a donor group: (a) hydrogen, (b) amine, (c) OH, (d) SH, (e) ether, (f) saturated or unsaturated hydrocarbon, (g) substituted hydrocarbon and (h) An electron donor selected from the group consisting of functional groups having at least one heteroatom selected from the group consisting of B, Si, I, N, O, S and P, the donor group being more positively charged than the acceptor group ( electropositive) Con1 및 Con2는 한 분자와 또 다른 분자 사이, 또는 한 분자와 금속 전극, 무기 기판 및 유기 기판으로 이루어진 군으로부터 선택되는 고체 기판 사이의 연결 단위로서, (a) 수소(수소 결합을 이용함), (b) C, N, O, S 및 P로 이루어진 군으로부터 선택되는 다가 헤테로원자, (c) 상기 헤테로원자를 함유하는 작용기, (d) 포화 또는 불포화 탄화수소 및 (e) 치환된 탄화수소로 이루어진 군으로부터 독립적으로 선택되며,Con 1 and Con 2 are linking units between one molecule and another, or between a molecule and a solid substrate selected from the group consisting of metal electrodes, inorganic substrates and organic substrates, wherein (a) hydrogen (using hydrogen bonds) (b) a polyvalent heteroatom selected from the group consisting of C, N, O, S and P, (c) a functional group containing said heteroatom, (d) a saturated or unsaturated hydrocarbon and (e) a substituted hydrocarbon Independently selected from the group, SA 및 SB는 각각 고정자 A 및 고정자 B를 나타내고, 이들은 같거나 다를 수 있으며, (a) 불포화 또는 포화 탄화수소 및 (b) 치환된 탄화수소로 이루어진 군으로부터 독립적으로 선택되는, 분자 시스템(430).SA and SB each represent stator A and stator B, which may be the same or different and are independently selected from the group consisting of (a) unsaturated or saturated hydrocarbons and (b) substituted hydrocarbons. 삭제delete 삭제delete 한쌍의 전극(107, 109, 201, 202, 203, 204)에 의해 발생된 전기장 내에서 배열되며 전기장 유도 밴드 갭 변화를 갖는 분자 시스템(630)으로서,A molecular system 630 arranged in an electric field generated by a pair of electrodes 107, 109, 201, 202, 203, 204 and having an electric field induced band gap change, 상기 전기장 유도 밴드 갭 변화가 밴드 갭을 변화시키도록 화학 결합 변화를 통해 확장된 콘쥬게이션의 변화에 의해 발생하되, 상기 화학 결합 변화가 밴드 편재화의 증가 또는 감소를 수반하는 전하 분리 또는 재조합을 통해 발생하며,The field induced band gap change is caused by a change in conjugation extended through chemical bond changes to change the band gap, wherein the chemical bond change is via charge separation or recombination involving an increase or decrease in band localization. Occurs, 상기 분자 시스템은 제 1 상태 및 제 2 상태 사이에서 변화하되, 상기 제 1 상태로부터 상기 제 2 상태로의 변화는 전하 분리를 수반하고, 상기 제 2 상태로부터 상기 제 1 상태로의 변화는 전하 재조합을 수반하며,The molecular system changes between a first state and a second state, wherein a change from the first state to the second state involves charge separation, and a change from the second state to the first state results in charge recombination. Accompanied by 상기 제 1 상태에서 상기 분자 시스템은 상기 제 2 상태보다 적은 π-탈편재화와 함께 상기 제 2 상태보다 넓은 밴드 갭 상태에 있으며, 상기 제 2 상태에서 상기 분자 시스템은 상기 제 1 상태보다 큰 π-탈편재화와 함께 상기 제 1 상태보다 좁은 밴드 갭 상태에 있는, 분자 시스템(630).In the first state the molecular system is in a wider band gap state than the second state with less π-delocalization than the second state, and in the second state the molecular system is larger than the first state. A molecular system (630) in a narrower band gap state than the first state with delocalization. 한쌍의 전극(107, 109, 201, 202, 203, 204)에 의해 발생된 전기장 내에서 배열되며 전기장 유도 밴드 갭 변화를 갖는 분자 시스템(630')으로서,A molecular system 630 'arranged in an electric field generated by a pair of electrodes 107, 109, 201, 202, 203, 204, having an electric field induced band gap change, 상기 전기장 유도 밴드 갭 변화가 밴드 갭을 변화시키도록 화학 결합 변화를 통해 확장된 콘쥬게이션의 변화에 의해 발생하되, 상기 화학 결합 변화가 전하 분리 또는 재조합 및 π-결합 형성 또는 파쇄를 통해 발생하며,The electric field induced band gap change is caused by a change in conjugation extended through a chemical bond change to change the band gap, wherein the chemical bond change occurs through charge separation or recombination and π-bond formation or fracture, 상기 분자 시스템은 제 1 상태 및 제 2 상태 사이에서 변화하되, 상기 제 1 상태로부터 상기 제 2 상태로의 변화는 전하 분리 및 π-결합 형성을 수반하고, 상기 제 2 상태로부터 상기 제 1 상태로의 변화는 전하 재조합 및 π-결합 파쇄를 수반하며,The molecular system changes between a first state and a second state, wherein the change from the first state to the second state involves charge separation and π-bond formation, from the second state to the first state. Changes in charge recombination and π-bond disruption, 상기 제 1 상태에서는 상기 분자 시스템(630')에 걸쳐 콘쥬게이션이 확장되어 상기 제 2 상태보다 넓은 밴드 갭 상태가 발생하고, 상기 제 2 상태에서는 상기 확장된 콘쥬게이션이 축소되고 분리된 양전하와 음전하가 상기 분자 시스템 내에서 생성되어 상기 제 1 상태보다 좁은 밴드 갭 상태가 발생하는, 분자 시스템(630'). In the first state, conjugation extends across the molecular system 630 ', resulting in a wider band gap state than the second state, and in the second state, the expanded conjugation is reduced and separated positive and negative charges. Is generated within the molecular system such that a narrower band gap state occurs than the first state. 삭제delete 한쌍의 전극(107, 109, 201, 202, 203, 204)에 의해 발생된 전기장 내에서 배열되며 전기장 유도 밴드 갭 변화를 갖는 분자 시스템(730)으로서,A molecular system 730 arranged in an electric field generated by a pair of electrodes 107, 109, 201, 202, 203, 204 and having an electric field induced band gap change, 상기 전기장 유도 밴드 갭 변화가 분자 접힘 또는 신장을 통해 발생하고, The electric field induced band gap change occurs through molecular folding or stretching, 상기 분자 시스템은 제 1 상태 및 제 2 상태 사이에서 변화하되, 상기 제 1 상태로부터 상기 제 2 상태로의 변화는 분자 접힘을 수반하고, 상기 제 2 상태로부터 상기 제 1 상태로의 변화는 분자 신장을 수반하며,The molecular system changes between a first state and a second state, wherein a change from the first state to the second state involves molecular folding, and a change from the second state to the first state is molecular elongation. Accompanied by 상기 제 1 상태에서는 상기 분자 시스템(730)에 걸쳐 콘쥬게이션이 확장되어 상기 제 2 상태보다 좁은 밴드 갭 상태가 발생하고, 상기 제 2 상태에서는 확장된 콘쥬게이션이 축소되어 상기 제 1 상태보다 넓은 밴드 갭 상태가 발생하는, 분자 시스템(730).In the first state, conjugation extends across the molecular system 730, resulting in a narrower bandgap state than in the second state, and in the second state, the expanded conjugation is reduced, resulting in a wider band than the first state. Molecular system 730, where a gap condition occurs. 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 제 1 항, 제 4 항, 제 5 항 및 제 7 항 중 어느 한 항에 따른 분자 시스템을 포함하는 전기장 작동 광학 스위치(101, 205, 207, 209).An electric field actuated optical switch (101, 205, 207, 209) comprising a molecular system according to any one of claims 1, 4, 5 and 7. 제13항에 있어서,The method of claim 13, 상기 분자 시스템(430, 630, 630', 730)이 쌍안정성(bi-stable)으로 비소멸성(non-volatile) 성분을 제공하는 전기장 작동 광학 스위치(101, 205, 207, 209).The field-operated optical switch (101, 205, 207, 209) wherein the molecular system (430, 630, 630 ', 730) provides a non-volatile component bi-stable. 제 13 항에 있어서,The method of claim 13, 상기 분자 시스템(430, 630, 630', 730)이 기본적으로 상이한 상태 간의 낮은 활성화 장벽을 가져 소멸성인 스위치를 제공하는 전기장 작동 광학 스위치(101, 205, 207, 209).The molecular system (101, 205, 207, 209) provides a switch that is volatile with the molecular system (430, 630, 630 ', 730) having a low activation barrier between essentially different states. 제 13 항에 있어서,The method of claim 13, 상기 분자 시스템(430, 630, 630', 730)이 2개보다 많은 스위칭가능한 상태를 가져, 소멸성 스위치를 형성하도록 전기장 감소 또는 증가에 의해 상기 분자 시스템(430, 630, 630', 730)의 광학 특성을 연속적으로 조절하거나, 하나 이상의 활성화 장벽을 갖는 스위치에 전압 펄스를 인가하여 색상을 갑작스럽게 변화시키는 전기장 작동 광학 스위치(101, 205, 207, 209). The molecular system 430, 630, 630 ′, 730 has more than two switchable states, thereby reducing or increasing the electric field to form an extinction switch. Field-actuated optical switches 101, 205, 207, and 209 that change color suddenly by continuously adjusting characteristics or by applying voltage pulses to switches having one or more activation barriers. 제 13 항에 있어서,The method of claim 13, 상기 분자 시스템(430, 630, 630', 730)이 투명 상태 및 유색 상태 사이에서 변하거나 한 유색 상태 및 다른 유색 상태 사이에서 변하는 전기장 작동 광학 스위치(101, 205, 207, 209).The field-actuated optical switch (101, 205, 207, 209) in which the molecular system (430, 630, 630 ', 730) changes between a transparent state and a colored state or between one colored state and another colored state. 제 13 항에 있어서,The method of claim 13, 상기 분자 시스템(430, 630, 630', 730)이 한 굴절률 및 다른 굴절률 사이에서 변하는 전기장 작동 광학 스위치(101, 205, 207, 209).The field actuated optical switch (101, 205, 207, 209) in which the molecular system (430, 630, 630 ', 730) varies between one refractive index and the other.
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