DE602005002737T2

DE602005002737T2 - Verfahren zur herstellung einer faser mit seitlichen elektrischen feldern

Info

Publication number: DE602005002737T2
Application number: DE602005002737T
Authority: DE
Inventors: Johannes.T. A WILDERBEEK; Dirk Burdinski; Jacob.M. J. DEN TOONDER; Jan M. Krans; Michel P. Van Bruggen
Original assignee: Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 2004-03-30
Filing date: 2005-03-24
Publication date: 2008-07-17
Anticipated expiration: 2025-03-25
Also published as: WO2005096078A1; EP1733278B1; JP2007532784A; ATE374958T1; DE602005002737D1; GB0407228D0; KR20060134143A; CN1938640A; EP1733278A1; WO2005096078A8

Description

Die Erfindung betrifft die Herstellung einer Faser oder eines Fadens, insbesondere einer bzw. eines solchen, welche(r) für eine Einfügung in einen Stoff oder ein Gewebe geeignet ist, zu dem Zweck, optisch erkennbare Effekte darin zu erzeugen.
Es sind verschiedene Verfahren zur Herstellung von die Farbe wechselnden oder Licht emittierenden Fasern bekannt.
Ein bekanntes Verfahren beruht auf dem Perforieren der Außenfläche einer optischen Faser, so dass Licht durch die Perforationen "entweicht", wenn Licht in ein Ende der Faser eingespeist wird.
Andere bekannte Verfahren beruhen auf der Anordnung von Schichten aus elektroluminophorem Material zwischen mindestens zwei Elektrodenschichten in einer Faser, wobei das Material unter dem Einfluss eines elektrischen Feldes, das in dem Raum zwischen den Elektrodenschichten erzeugt wird, Licht emittiert. Ein solches Verfahren ist in der britischen Patentanmeldung Nr. GB 2 273 606 und der internationalen Patentanmeldung Nr. WO 97/15939 beschrieben. Ein anderes bekanntes Verfahren wird in US 6096666 offenbart, welches die Basis des Oberbegriffes der Ansprüche 1 und 16 bildet.
Ein typisches Beispiel einer existierenden Faser ist in 1a dargestellt. Die Faser 1 besteht aus einem zylindrischen leitenden Kern 2, der von aufeinanderfolgenden äußeren Schichten 3 bis 5 umgeben ist. Der Kern ist aus Metalldraht, z. B. Kupferdraht, hergestellt und fungiert als eine innere Elektrode oder ein Heizelement. Die elektrooptische Substanz 3 bildet eine Schicht um den Kern 2 herum und ist zwischen dem Kern 2 und einer äußeren Elektrodenschicht 4 angeordnet. Wie in 1a dargestellt, kann die Faser optional eine äußere Ummantelung 5 aufweisen, welche wenigstens teilweise lichtdurchlässig ist.
Ein Problem bei existierenden Faseranordnungen ist, dass die äußere Elektrodenschicht 4 normalerweise durch Prozesse der Dünnschichtabscheidung hergestellt wird, deren Erfolg weitgehend von den mechanischen Eigenschaften der tragenden elektrooptischen Substanz 3 abhängig ist. Daher begrenzt die Notwendigkeit, eine äußere Elektrodenschicht 4 einzufügen, die Anzahl möglicher Kombinationen von Substanzen, die für eine Verwendung in der Faser geeignet sind. Zum Beispiel ist die Abscheidung einer äußeren Elektrode 4, die eine Schicht aus einer flüssigen oder gelartigen elektrooptischen Substanz bedeckt, in der Praxis äußerst schwer zu realisieren.
Die optischen Eigenschaften der elektrooptischen Substanz werden im Allgemeinen durch eine äußere Anregung wie etwa Wärme, Strom oder ein elektrisches Feld verändert. Infolge der vorhandenen Elektrodenschichten der Faser weisen elektrische Felder 6 in der Faser eine radiale Topologie auf, d. h. die Feldlinien verlaufen zwischen den Elektrodenschichten 2, 4 senkrecht zum Kern 2 der Faser 1. Dies ist in 1b dargestellt, in der zu erkennen ist, dass die elektrischen Feldlinien 6 durch die Schicht 3 aus der elektrooptischen Substanz hindurch in radialen Richtungen bezüglich des Kerns 2 verlaufen.
Ein anderes Problem bei bekannten Fasern ist, dass eine radiale Topologie des elektrischen Feldes innerhalb der Fasern eine Begrenzung der Anzahl der elektrooptischen Schaltprinzipien bewirkt, welche innerhalb der elektrooptischen Substanz möglich sind. Dies wiederum bestimmt die Änderungen bei optischen Effekten, die innerhalb einer bestimmten Faser erzielbar sind. Existierende Fasern müssen daher mit immer ausgeklügelteren Elektrodenschichten hergestellt werden, um die Anzahl möglicher Schaltprinzipien zu erhöhen.
Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere das Gebiet der Herstellung von intelligenter Kleidung (Wearable Electronics). Dieses Gebiet hat das Ziel, spezifische Funktionen wie etwa Abfühlen, Betätigen, Emittieren von Licht und Wechseln der Farbe, in Kleidungsstücke zu integrieren. Insbesondere ist es wünschenswert, in der Lage zu sein, Farbwechseleigenschaften in Textilien zur Herstellung von Kleidungsstücken, Einrichtungsgegenständen usw. zu integrieren. Eine solche Technologie könnte verwendet werden, um Wearable Displays (in Kleidung integrierte Displays) und Wearable Indicators (in Kleidung integrierte Anzeigevorrichtungen) herzustellen, und auch, um einfach einen Wechsel einer Farbe oder eines Musters von Textilien aus ästhetischen Gründen zu bewirken.
Es ist bekannt, ein Wearable Display durch Verflechten von leitenden Fasern und elektrooptische Substanzen enthaltenden Fasern herzustellen. Ein Problem bei solchen Displays ist, dass der lichtemittierende Effekt nicht in eine einzelne Faser integriert ist. Das bedeutet, dass der Effekt nicht gleichmäßig in dem gesamten Kleidungsstück oder anderen Gegenstand, der aus den Fasern hergestellt ist, vorhanden ist. Außerdem ist es notwendig, entweder zwei Mengen von miteinander verflochtenen Fasern zu verwenden, die leitende Elemente enthalten, oder zusätzliche leitende Schichten, die auf die gewebte Struktur aufgebracht werden.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung einer Faser oder eines Fadens bereitzustellen, bei welchem die sich optisch ändernde Funktion in eine einzige Faser oder einen einzigen Faden integriert werden kann, und wobei die Änderung des Aussehens der Faser oder des Fadens aktiv gesteuert werden kann.
Eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung einer Faser oder eines Fadens bereitzustellen, bei welchem die Änderung des Aussehens der Faser oder des Fadens durch eine einzige Elektrodenschicht aktiv gesteuert werden kann.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung einer Faser oder eines Fadens bereitzustellen, das eine nichtradiale Topologie des elektrischen Feldes in der Faser oder dem Faden aufweist.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Stoff aus einer Faser oder einem Faden zu schaffen, die bzw. der gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt wurde, wobei dieser Stoff verwendet werden kann, um zum Beispiel Kleidungsstücke oder Möbel herzustellen.
Einige dieser oder alle diese Aufgaben können durch Ausführungsformen der Erfindung gelöst werden, die hier beschrieben werden.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung einer Faser oder eines Fadens bereitgestellt, wie in Anspruch 1 definiert.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung einer Faser oder eines Fadens bereitgestellt, wie in Anspruch 16 definiert.
Im Folgenden werden Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beispielhaft und unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
die 1a und 1b perspektivische Schnittdarstellungen von Fasern, die nach dem Stand der Technik bekannt sind;
2 eine schematische Schnittdarstellung einer ersten Ausführungsform einer gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellten Faser;
die 3a und 3b perspektivische Schnittdarstellungen einer Faser, die zwei unterschiedliche Elektrodenanordnungen veranschaulichen, die gemäß bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung strukturiert sind;
die 3c und 3d perspektivische Schnittdarstellungen einer Faser, welche eine Topologie eines elektrischen Feldes gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulichen;
die 4a und 4b schematische Darstellungen, die zwei unterschiedliche Elektrodenanordnungen veranschaulichen, die gemäß bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung strukturiert sind;
die 5a, 5b und 5c schematische Darstellungen, die drei unterschiedliche Elektrodenanordnungen veranschaulichen, die gemäß bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung strukturiert sind;
6 eine schematische Darstellung einer weiteren Elektrodenanordnung, die gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung strukturiert ist;
die 7a und 7b schematische Schnittdarstellungen einer zweiten und einer dritten Ausführungsform einer gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellten Faser;
8 eine schematische Darstellung einer (+)mCP Paralleldrucktechnik zum Strukturieren von Elektrodenanordnungen gemäß bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung;
9 eine Folge von Fotos, welche vergrößerte Ansichten einer Elektrodenanordnung gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigen.
Es wird zunächst auf 2 Bezug genommen; eine gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellte Faser ist allgemein mit dem Bezugszeichen 10 bezeichnet. Die Faser 10 umfasst ein Substrat 11 in der Form eines länglichen Kerns, wobei der Kern eine Kernachse aufweist. Bei bevorzugten Ausführungsformen wird das Substrat 11 von einer herkömmlichen flexiblen Polymerfaser gebildet, welche eine im Wesentlichen zylindrische Form hat und vorzugsweise aus einem elektrisch isolierenden Material hergestellt ist. Zu den Beispielen geeigneter Polymerfasern gehören unter anderem Polyester, Polyamide, Polyacryle, Polypropylene, Polymere auf Vinylbasis, Wolle, Seide, Flachs, Hanf, Leinen, Jute, Fasern auf der Basis von Kunstseide, Fasern auf der Basis von Celluloseacetat und Baumwolle.
Ein Vorteil der Verwendung herkömmlicher Polymerfasern ist, dass sie jederzeit verfügbar sind und mechanische Eigenschaften aufweisen, welche so angepasst werden können, dass sie für die speziellen Anforderungen an die Faser geeignet sind, z. B. im Hinblick auf Festigkeit und Biegsamkeit. Dies steht im Gegensatz zu leitenden Metalldrähten, welche nur einen begrenzten Bereich von mechanischen Eigenschaften aufweisen. Die Verwendung eines Kernmaterials mit einem umfangreicheren Bereich möglicher mechanischer Eigenschaften ist vorteilhaft, da sie einige elektrooptische Substanzen und Kombinationen davon gestattet, die zuvor nicht als für eine Verwendung bei der Herstellung der Faser 10 geeignet betrachtet wurden.
Bei bevorzugten Ausführungsformen kann das Substrat 11 unmittelbar (d. h. auf einer Außenfläche des Substrats) mit einer Sperrschicht (nicht dargestellt) beschichtet werden, um das Material des Substrats 11 während der nachfolgenden Schritte des Verfahrens zur Herstellung der Faser zu schützen. Insbesondere kann die Sperrschicht so gewählt werden, dass sie vorzugsweise gegen chemische Ätzmittel beständig ist. Im weiteren Text sind Bezugnahmen auf "Substrat" oder "Kern" so zu verstehen, dass diese Begriffe das Substrat oder den Kern mit oder ohne eine Sperrschicht beinhalten.
Das Substrat 11 der Faser 10 wird behandelt, indem das Substrat 11 mit einer elektrooptischen Substanz 13 beschichtet wird, welche so gewählt wird, dass sie vorzugsweise mindestens eine elektrisch modulierbare optische Eigenschaft aufweist. Das Substrat 11 kann entweder vorzugsweise unmittelbar, oder indirekt, mit der elektrooptischen Substanz 13 beschichtet werden.
Die Substanz 13 reagiert auf ein angelegtes elektrisches Feld, und um die optische Eigenschaft der Substanz 13 aktiv zu steuern, wird im Rahmen des Herstellungsverfahrens ein elektrisches Stimulationsmittel 12 in die Faser 10 integriert. Das elektrische Stimulationsmittel 12 ist in der Lage, ein elektrisches Feld an die Substanz 13 anzulegen, um einen optisch erkennbaren Effekt hervorzurufen. Das Stimulationsmittel 12 kann mit dem Substrat 11 und/oder der Substanz 13 gekoppelt sein, ist jedoch bei allen Ausführungsformen so konfiguriert, dass es ein elektrisches Feld an einen benachbarten Abschnitt einer elektrooptischen Substanz 13 anlegt.
Bei bevorzugten Ausführungsformen ist das Stimulationsmittel 12 in einer oder mehreren langgestreckten Stimulationsschichten angeordnet, die sich in einer im Wesentlichen zur Kernachse parallelen Richtung erstrecken, wobei die Stimulationsschichten im Wesentlichen koaxial zum Kern sind und bei verschiedenen Radien bezüglich der Kernachse in Abständen voneinander angeordnet sind. Vorzugsweise kann das Stimulationsmittel 12 ferner so angeordnet sein, dass es eine oder mehrere Substanzschichten aufweist, die jeweils die elektrooptische Substanz 13 enthalten. Dabei erstreckt sich jede Substanzschicht in einer im Wesentlichen zur Kernachse parallelen Richtung, wobei die Substanzschichten im Wesentlichen koaxial zum Kern sind und jede mit mindestens einer Stimulationsschicht gekoppelt ist.
Bei bevorzugten Ausführungsformen kann die Faser 10 so aufgebaut sein, dass eine Stimulationsschicht und eine Substanzschicht so hergestellt sind, dass sie wenigstens einen Abschnitt des Kerns umgeben. Am besten ist eine Stimulationsschicht 12 zwischen dem Kern und einer Substanzschicht 13 angeordnet.
Bei anderen bevorzugten Ausführungsformen kann die Substanzschicht 13 zwischen dem Kern und einer Stimulationsschicht 12, welche so beschaffen ist, dass sie wenigstens teilweise lichtdurchlässig ist, angeordnet sein.
Es ist zu beachten, dass, obwohl die bevorzugten Ausführungsformen die Herstellung einer Faser 10 vorsehen, die eine im Wesentlichen zylindrische Form aufweist, dies keine Einschränkung darstellen soll, und dass die Faser 10 der vorliegenden Erfindung so hergestellt werden kann, dass sie andere geometrische Querschnitte und Konfigurationen aufweist. Insbesondere kann die Faser 10 der vorliegenden Erfindung auch die Form einer flachen oder bandförmigen Faser haben.
Daher sind hier beliebige Bezugnahmen auf "Faser", "Faden", "Schicht" oder "Kern" nicht so zu verstehen, dass diese Begriffe auf zylindrische Geometrien begrenzt sind. Außerdem kann ein "Kern" einer flachen oder bandförmigen Faser so verstanden werden, dass er eine Basisschicht beinhaltet.
Bei bevorzugten Ausführungsformen kann die elektrooptische Substanz 13 hauptsächlich aus einem herkömmlichen Flüssigkristallmaterial mit niedrigem Molekulargewicht und Kombinationen aus Flüssigkristallen mit niedrigem Molekulargewicht und Polymeren bestehen. Diese Polymere können aus flexiblen Polymeren, Seitenketten-Flüssigkristallpolymeren, Hauptketten-Flüssigkristallpolymeren, isotropen oder anisotropen Netzen, dispergierten Polymerpartikeln und Kombinationen davon bestehen. Stattdessen kann die elektrooptische Substanz 13 auch hauptsächlich aus optional gefärbten kugelförmigen oder zylindrisch geformten Partikeln bestehen. Die Partikel können optional eine Ladung tragen und können in einem Träger wie etwa einer Flüssigkeit suspendiert sein. Ferner kann jedes Partikel zusätzliche Subpartikel umfassen, wie etwa gefärbte Polymer-Mikrokapseln, die optional in einem zweiten Träger suspendiert sind. In einem anderen Beispiel können gefärbte Partikel, z. B. Farbstoffe und Pigmente, verwendet werden, welche in einer wässrigen Lösung dispergiert sind und welche in Reaktion auf externe Stimuli eine Farbänderung bei reversiblen Volumenphasenübergängen aufweisen (siehe zum Beispiel "Polymer gel light-modulation materials imitating pigment cells", Akashi, R. et al., Adv. Mater., 14 (24), 2002, S. 1808).
Bei noch einer anderen Ausführungsform kann die elektrooptische Substanz 13 ein beliebiges bekanntes anorganisches oder organisches elektrolumineszentes Material oder nicht elektrolumineszentes Trägermaterial, das elektrolumineszentes Material enthält, sein. Zu den nicht einschränkenden Beispielen eines solchen Materials gehören Leuchtstoffe und Leuchtstoff enthaltende Schichten. Insbesondere sind Beispiele von Leuchtstoffen Halbleiter mit großer Bandlücke, wie etwa II-VI-Verbindungen, Seltenerdoxide und Oxysulfide sowie Isolatoren. Vorzugsweise können II-VI-Materialien verwendet werden, wie etwa ZnS, SrS, dotiert zum Beispiel, unter anderem, mit Mn, Cu, Eu oder Ce, und ihre jeweiligen Derivate. Eine andere Alternative ist die Verwendung von organischen (z. B. organische Leuchtdiodenmaterialien mit kleinen Molekülen oder oligomere oder polymere organische Leuchtdiodenmaterialien) oder anorganischen Leuchtdiodenmaterialien.
Die Aufbringung der Substanz 13 in Schichten kann unter Anwendung allgemein bekannter Verfahren bewerkstelligt werden, wie etwa unter anderem Tauchbeschichtung, Spritzbeschichtung, Aufdampfung und Kathodenzerstäubung (Sputtering).
Bei anderen bevorzugten Ausführungsformen kann die Faser 10 ferner mit einer äußeren Ummantelung 15 beschichtet sein, um die elektrooptische Substanz 13 zu schützen und um wenigstens für zusätzliche Stabilität und eine Abstützung für die Faser 10 zu sorgen. Vorzugsweise ist die äußere Ummantelung 15 aus einem nichtleitenden Material hergestellt und ist so beschaffen, dass sie wenigstens teilweise lichtdurchlässig ist. Zweckmäßigerweise ist die äußere Ummantelung 15 aus einem flexiblen Polymer hergestellt.
Es wird erneut auf 2 Bezug genommen; vorzugsweise können Distanzmittel 14 zusätzlich in der Faser 10 angebracht werden, um die Faser 10 in einer vorgegebenen Form zu halten. In Abhängigkeit von der Art der elektrooptischen Substanz 13 kann es vorteilhaft sein, Distanzelemente 14 in die Faser oder den Faden 10 einzufügen, insbesondere wenn die Substanz 13 eine flüssige oder gelartige Form hat und daher keine von selbst erhalten bleibende Gestalt aufweist.
Die Distanzmittel 14 sind vorzugsweise aus einem nichtleitenden Material hergestellt, wie etwa Glas oder Polystyrol, und können die Form von zum Beispiel langgestreckten Drähten, im Wesentlichen sich in Umfangsrichtung erstreckenden Drahtringen oder im Wesentlichen kugelförmigen Perlen haben.
Bei bevorzugten Ausführungsformen umfasst jede Stimulationsschicht eine Elektrodenschicht. Die Elektrodenschicht ist eine Schicht aus leitendem Material und kann von ihrer Beschaffenheit her anorganisch oder organisch sein. Zu Beispielen gehören unter anderem Metallschichten, wie etwa Indiumzinnoxid, Gold, Silber, Platin, Kupfer und ihre Derivate sowie leitende oder halbleitende Oligomere oder Polymere, wie etwa Polyanilinderivate und Thiophenderivate, z. B. PEDT oder PEDOT. Optional können diese Oligomere oder Polymere Zusatzstoffe enthalten, um die elektrische und thermische Leitfähigkeit zuoptimieren und die Lebensdauer zu verlängern. Die Stimulationsschicht kann vorzugsweise ferner eine Haftvermittlungsschicht (nicht dargestellt) aufweisen, welche insbesondere von Nutzen ist, um die Haftung von metallischen Elektrodenschichten zu fördern. Die Haftschicht kann ein Metall sein und ist vorzugsweise Titan oder Chrom.
Die Elektroden- und Haftschichten werden vorzugsweise unter Anwendung allgemein bekannter Verfahren aufgebracht, wie etwa unter anderem Kathodenzerstäubung (Sputtering), Aufdampfung, stromloses Abscheiden, oder unter Nutzung von Prozessen der Selbstassemblierung (Self-Assembly) von selbstassemblierten Monoschichten. Die Dicke der Haftschicht liegt vorzugsweise im Bereich von 1 bis 5 nm und beträgt am besten 2 nm. Die Dicke der Elektrodenschicht liegt vorzugsweise im Bereich von 10 bis 400 nm und beträgt am besten 20 nm für anorganische Schichten und 200 nm für organische Schichten.
Bei bevorzugten Ausführungsformen wird die Elektrodenschicht unmittelbar auf eine Außenfläche des Substrats 11 aufgebracht, oder sie wird stattdessen über einer Haftschicht aufgebracht, welche zuvor auf die Außenfläche des Substrats 11 aufgebracht wurde.
Bei anderen bevorzugten Ausführungsformen kann die Elektrodenschicht unmittelbar auf eine Außenfläche einer Substanzschicht aufgebracht werden.
Die Elektrodenschicht ist vorzugsweise als ein Array von Elektroden 16, 17 strukturiert, das mehrere Elektrodenpaare umfasst, wie in den 3a und 3b dargestellt. Die Elektroden sind so angeordnet, dass sie ein seitliches elektrisches Feld 18 entweder in einer Richtung, die im Wesentlichen parallel zur Achse des Kerns ist, wie in 3c dargestellt, oder in einer Richtung, die sich im Wesentlichen in Umfangsrichtung um die Kernachse herum erstreckt, wie in 3d dargestellt, erzeugen. Bei einigen Ausführungsformen können ein oder mehrere Elektrodenarrays so angeordnet sein, dass sie elektrische Felder erzeugen, welche sich sowohl im Wesentlichen entlang der Richtung der Kernachse als auch im Wesentlichen in Umfangsrichtung um die Kernachse erstrecken. Dies steht im Gegensatz zu den herkömmlichen radialen oder senkrechten elektrischen Feldern, die in existierenden Fasern verwendet werden (siehe 1b). Das seitliche elektrische Feld 18 ist im Wesentlichen auf die Ebene der Elektroden begrenzt, d. h. ein Flächenfeld, welches im Falle von zylindrischen Geometrien auf eine zylindrische Fläche begrenzt wäre. Die lokale effektive Feldstärke hängt von der angelegten Spannung, dem Typ und der Mikrostruktur der in der Faser verwendeten Substanz 13 und vom Abstand von den Elektroden 16, 17 ab. Normalerweise werden makroskopische Feldstärken im Bereich 0–50 Vmm^–1 benötigt, jedoch normalerweise 0,5–5 Vmm^–1 für Substanzschichten, die Flüssigkristall mit niedrigem Molekulargewicht enthalten. Die makroskopische Feldstärke erhöht sich bei zunehmendem Gehalt an Flüssigkristallen mit höherem Molekulargewicht, wie etwa Flüssigkristallpolymeren. Im Falle von elektrolumineszenten Materialien kann die makroskopische Feldstärke wesentlich höher sein, im Bereich von 0–500 Vmm^–1, jedoch normalerweise 10–250 Vmm^–1.
Bezugnahmen auf ein "seitliches elektrisches Feld", "seitliches Feld" oder "Oberflächenfeld" sind hier so zu verstehen, dass sie ein beliebiges elektrisches Feld beinhalten, das Richtungen im Wesentlichen parallel zur Achse des Faserkerns aufweist bzw. Richtungen im Wesentlichen entlang des Umfangs um die Kernachse aufweist, unabhängig von der Stärke des Feldes oder irgendwelchen Gradienten im Feld.
Ferner sind im Falle von flachen oder bandförmigen Fasergeometrien (nicht dargestellt) die mehreren Elektrodenpaare in dem Elektrodenarray so angeordnet, dass sie ein seitliches elektrisches Feld entweder in einer Richtung im Wesentlichen parallel zur Achse des Kerns 11 oder in einer Richtung im Wesentlichen quer zur Kernachse erzeugen, wobei die Elektrodenpaare in derselben nicht durch die Achse verlaufenden Ebene angeordnet sind. Das transversale Feld ist daher im Wesentlichen auf die nicht durch die Achse verlaufende Ebene eingeschränkt und weist keine radiale Feldkomponente auf, die durch die Kernachse verläuft. Daher sind Bezugnahmen auf ein "seitliches elektrisches Feld", "seitliches Feld" oder "Oberflächenfeld" hier auch so zu verstehen, dass sie transversale elektrische Oberflächenfelder in flachen oder bandförmigen Fasergeometrien beinhalten.
Seitliche Felder 18 innerhalb der Faser 10 sind vorteilhaft, da sie es ermöglichen, einige elektrooptische Substanzen 13 und Kombinationen davon, die bislang als ungeeignet angesehen wurden, in der Faser 10 zu verwenden. Die Richtung des elektrischen Feldes in der Faser 10, die gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt wurde, ermöglicht, dass elektrooptische Substanzen 13 in der Faser 10 in einer nicht radialen Richtung (bezüglich des Kerns) elektrisch stimuliert werden. Dies kann für einige Flüssigkristallmaterialien und deren Schaltprinzipien und Elektroluminophore besonders vorteilhaft sein. Insbesondere profitieren Schaltprinzipien von Flüssigkristallen, welche ein so genanntes Schaltprinzip in der Ebene (In-Plane Switching) anwenden, von dieser Konstruktion, siehe zum Beispiel "Principles and characteristics of electro-optical behaviour with in-plane switching mode", Oh-e, M. et al., Proc. of the 15th International Display Research, Japan, 1995, S. 577, und "Single-substrate liquid-crystal displays by photo-enforced stratifcation", Penterman et al., Nature, 417, 2002, S. 55.
Für ein Elektrodenarray, das mit einer Schicht aus einer elektrooptischen Substanz bedeckt ist, ist das elektrische Feld dann auf die Ebene des Arrays beschränkt, und die lokale effektive Feldstärke hängt von der angelegten Spannung, dem Typ und der Mikrostruktur der in der Faser verwendeten Substanz 13 und vom Abstand von den Elektroden 16, 17 ab. Im Allgemeinen kann das gesamte Volumen der Substanz geschaltet werden, wie zum Beispiel in Flüssigkristall-Displays mit Schaltung in der Ebene erfolgreich nachgewiesen worden ist, wobei Flüssigkristallschichten mit einer Schichtdicke von 0–30 mm geschaltet werden (siehe zum Beispiel "Principles and characteristics of electro-optical behaviour with in-plane switching mode", Oh-e, M. et al., Proc. of the 15th International Display Research, Japan, 1995, S. 577, und "18.0-in.-Diagonal super-TFTs with fast response speed of 25 msec", Ohta, M. et al., Digest of Technical Papers, SID International Symposium, San Jose (USA), 1999, XXX, S. 86.
Außerdem ermöglichen die seitlichen Felder 18 auch, dass zuvor ungeeignete Schaltprinzipien bei der elektrooptischen Substanz 13 der Faser 10 verwendet werden, und führen somit zu potentiell neuen ästhetischen und kreativen Effekten im visuellen Erscheinungsbild der Faser 10.
Ferner ist bei herkömmlichen Schaltprinzipien die exakte Definition des Elektrodenabstands, oder Zellabstands (Cell Gap), von besonderer Bedeutung, da der Zellabstand für eine optimale Modulation des Lichtes manchmal mit einer Genauigkeit von 0,1 mm eingestellt werden muss. Durch Verwendung seitlicher elektrischer Felder 18 innerhalb der Faser brauchen die Elektroden 16, 17 nur in einer einzigen im Wesentlichen dünnen Schicht (d. h. einer Elektrodenschicht) angeordnet zu werden, und es ist daher nicht mehr erforderlich, die Faser so herzustellen, dass sie eine innere (Kern-)Elektrode und eine äußere Elektrodenschicht aufweist, die in einem bestimmten Abstand voneinander gehalten werden. Dies bedeutet, dass eine äußere Elektrodenschicht nicht erforderlich ist und aus einer umfangreicheren Menge von elektrooptischen Substanzen für eine Verwendung in der Faser 10 gewählt werden kann.
Das Stimulationsmittel 12 ermöglicht, dass die optischen Eigenschaften der elektrooptischen Substanz 13 nur über eine einzige Elektrodenschicht gesteuert werden, und gestattet, dass die Funktion der optischen Änderung während der Herstellung vollständig in die Faser 10 integriert wird, mit weniger strengen Spezifikationen bezüglich des Abstands zwischen den Elektroden, als sie für herkömmliche Schaltprinzipien gewöhnlich erforderlich sind.
Die Elektrodenarrays 16, 18 können unter Anwendung von Verfahren der Selbstassemblierung, Abscheidungsverfahren, lithographischen Verfahren, Röntgenlithographie, Teilchenstrahlverfahren und nichtlithographischen Verfahren strukturiert werden. Elektrodenmaterialien sowohl auf anorganischer als auch auf organischer Basis können Materialien in der Form von Nanostäben, Nanorohren, Nanodrähten oder Plättchen umfassen, oder die Materialien können Mischungen sein, die in eine anorganische, organische oder Hybridmatrix integriert sind, entweder durch Auflösung, Mischen, Komplexbildung, Adsorption an einem Bindemittel, Aufdampfung, Ultraschallbehandlung (Sonifikation), Dispergierung, oder an Ort und Stelle durch einen externen Stimulus wie etwa eine UV-Bestrahlung.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird das Elektrodenarray 16, 17 durch ein lithographisches Verfahren strukturiert, bei welchem das Substrat 11 unmittelbar mit einer Haftschicht bedeckt wird, vorzugsweise einer 2 nm dicken Titanschicht, und diese dann mit einer Elektrodenschicht überzogen wird, vorzugsweise einer 20 nm dicken Goldschicht. Die Faser wird vorzugsweise mit einer photoresistiven Substanz tauchbeschichtet, wie etwa einem Photoresist (Photolack) auf der Basis von Diazonaphthoquinon (DNQ), der in einer Phenolharzmatrix dispergiert ist. Selbstverständlich kann eine beliebige geeignete photoresistive Substanz verwendet werden. Die Außenfläche der beschichteten Faser wird dann mit einer separaten Belichtungsmaske bedeckt, wobei die Maske das Muster des Elektrodenarrays definiert. Die abgedeckte Faser wird dann bestrahlt, vorzugsweise mit UV-Strahlung, und in eine Entwicklerlösung getaucht, wie etwa eine wässrige Lösung von Tetramethylammoniumhydroxid. Die nicht abgedeckten Bereiche der Faser, welche bestrahlt wurden, werden anschließend durch ein chemisches Ätzmittel entfernt, so dass die gewünschte Elektrodenarray-Konfiguration auf der Außenfläche des Substrats 11 zurückbleibt. Das hier angegebene Beispiel ist das eines Positivresists, bei dem die belichteten Bereiche anschließend durch ein geeignetes Lösungsmittel entfernt werden. Negativresists, bei denen anschließend der nicht belichtete Bereich entfernt wird, können im Prinzip ebenfalls verwendet werden.
Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform wird das Elektrodenarray durch eine weichlithographische Technik strukturiert, die auf Mikrokontaktdruck (mCP) beruht. Wie bei der vorhergehenden Ausführungsform beschrieben, wird das Substrat 11 mit einer Haftschicht beschichtet, vorzugsweise einer 2 nm dicken Titanschicht, welche anschließend mit einer Elektrodenschicht überzogen wird, vorzugsweise einer 20 nm dicken Goldschicht. Ein flexibler Stempel mit einem Oberflächenreliefmuster, das dem Muster des Elektrodenarrays entspricht, wird vorzugsweise mit einer Lösung von Alkanethiol (z. B. Hexa- oder Octadecanethiol in Ethanol, oder andere geeignete Farbmoleküle) eingefärbt und wird in einen konformen Kontakt mit einer Außenfläche der Goldschicht gebracht. Eine selbstassemblierte Monoschicht (Self-Assembled Monolayer, SAM) von den Farbmolekülen wird auf der Außenfläche nur in den in Kontakt gebrachten Bereichen gebildet und dient dadurch als ein Ätzschutz (Ätzresist). Wenn die Faser in ein chemisches Ätzmittel eingetaucht wird, werden die ungeschützten Goldabschnitte selektiv entfernt. Ein zweites chemisches Ätzmittel kann vorzugsweise angewendet werden, um die freiliegenden Abschnitte der darunter befindlichen Titanhaftschicht zu entfernen. Dies ist ein Beispiel von negativem Mikrokontaktdruck (–)mCP.
Stattdessen kann die obige Ausführungsform auch durch die Anbringung einer zweiten (SAM) Monoschicht, vorzugsweise aus einer Lösung oder aus der Gasphase, oder durch Anwenden eines zweiten Stempels so modifiziert werden, dass es sich um eine positive Mikrokontaktdruck-Technik (+)mCP handelt. Die Moleküle der zweiten Monoschicht werden vorzugsweise so gewählt, dass sie eine höhere Stabilität gegenüber dem chemischen Ätzmittel aufweisen als die erste Monoschicht, und demzufolge werden während des Ätzprozesses die durch die erste Monoschicht eingefärbten Abschnitte des Goldes entfernt. Dies erzeugt ein positives Elektrodenarray-Muster (bezüglich des ursprünglichen Stempels) auf der Außenfläche des Substrats 11. In Abhängigkeit vom Füllverhältnis (d. h. dem Verhältnis von in Kontakt gebrachten zu nicht in Kontakt gebrachten Oberflächenbereichen) des Elektrodenarray-Musters kann dieses zweite Verfahren des positiven mCP gegenüber dem negativen Verfahren des mCP bevorzugt werden, um Probleme wie etwa ein Quetschen oder einen Zusammenbruch des Stempels unter dem niedrigen angewendeten Druck zu vermeiden.
Bei den vorhergehenden zwei Ausführungsformen kann der flexible Stempel vorzugsweise bezüglich der Faser in einem Ruhezustand gehalten werden, und die Faser selbst kann in Kontakt mit dem Stempel bewegt werden, um das Einfärben der Außenfläche der Elektrodenschicht einzuleiten. Außerdem kann die Elektrodenschicht vorzugsweise über die Fläche des gemusterten Stempels gerollt werden, was besonders vorteilhaft bei zylindrisch geformten Fasern ist. Was das Verfahren (+)mCP anbelangt, kann die Aufbringung der ersten und zweiten SAM in einem Prozessschritt mit zwei parallelen Stempeln 30 erfolgen, die eingefärbt werden, indem sie sich in vorzugsweise entgegengesetzten Richtungen bewegen, wobei jeder Stempel mit einem der zwei Farbmoleküle eingefärbt wird und die Stempel nacheinander in Kontakt mit der Faser gebracht werden, wie in 8 dargestellt. Eine parallele Bearbeitung, bei welcher verschiedene Fasern parallel über verschiedene Bereiche eines einzigen großen Stempels gerollt werden können, wird bei dieser Vorgehensweise möglich, und anstatt einzelne Fasern nacheinander mit Muster zu versehen, wird es möglich, kontinuierlich Partien von Fasern zu bearbeiten.
Es ist zu beachten, dass auch andere Mikrokontaktdruckverfahren angewendet werden können, um das Elektrodenarray der Faser oder des Fadens, die bzw. der gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt wird, zu strukturieren.
Ein Beispiel eines Elektrodenarrays, das unter Anwendung einer weichlithographischen Technik wie etwa Mikrokontaktdruck strukturiert wurde, ist in 9 dargestellt. Jeder Teil der Figur zeigt das Elektrodenarray in einer anderen Vergrößerung, und zur Angabe des Maßstabes sind Quadrate mit den Abmessungen 10 mm × 10 mm eingefügt. In dem in 9 dargestellten Beispiel wurde ein Polyestersubstrat mit einer 2 nm Titan-Haftvermittlungsschicht und einer 20 nm Gold-Elektrodenschicht bedeckt, unter Anwendung einer Aufdampfung bei einem Druck von 3 × 10^–7 bar. Das Muster des Elektrodenarrays wurde unter Verwendung einer Thiolfarbe auf eine Außenfläche des Goldes übertragen, und in einem nachfolgenden Ätzschritt wurde das Gold entfernt, so dass das Elektrodenarray wie dargestellt zurückblieb.
Im Anschluss an das Entfernen der Titanschicht mit einem zweiten Ätzmittel könnte das Elektrodenarray mit einer elektrooptischen Substanz bedeckt werden, um eine Faser 10 gemäß der vorliegenden Erfindung herzustellen.
Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform wird das Elektrodenarray unter Anwendung einer weiteren weichlithographischen Technik strukturiert, welche Microtransfer Patterning (mTP) genannt wird. Bei dieser Technik wird ein gemusterter Stempel mit einer Farblösung eingefärbt, welche einen in Suspension gehaltenen Metallvorläufer (Metal Precursor) enthält. Der Metallvorläufer liegt vorzugsweise in der Form von Metallmikro- oder Nanopartikeln oder Metallclustern vor. Die erhöhten Bereiche des Stempels werden mit der Farbe bedeckt, und bei direktem Kontakt mit der Außenfläche des Substrats 11 wird die Farbe von diesen eingefärbten Bereichen auf das Substrat 11 übertragen. Das eingefärbte Substrat wird dann einer Wärmebehandlung unterzogen, um den Vorläufer in Metallelektroden umzuwandeln, die in dem Muster des Elektrodenarrays angeordnet sind. Die Umwandlungstemperaturen betragen normalerweise einige 100°C. Falls wärmeempfindliche Faserkerne verwendet werden, können vollständig vorgemusterte Elektrodenarrays in dem mTP Prozess mit einem flexiblen Stempel aufgebracht werden, der eine dünne Metallschicht nur auf den erhöhten Bereichen des Oberflächenreliefmusters trägt. Der Stempel wird zunächst in Kontakt mit der Metallschicht gebracht, welche von einer im Wesentlichen ebenen Fläche gestützt wird. Das Stempelmaterial und das Material der Stützfläche sind derart vorgewählt, dass die Haftung des Metalls an dem Stempel die Haftung des Metalls an der Stützfläche überwindet, so dass das Metall selektiv nur an den erhöhten Bereichen haftet. Der vorbereitete Stempel wird dann gegen eine Außenfläche des Substrats gedrückt, um die Elektroden in dem Muster des Elektrodenarrays herzustellen.
Es wird nochmals auf die 3a und 3b Bezug genommen; sie zeigen zwei bevorzugte beispielhafte Anordnungen von Elektrodenarrays 16, 17 zur Verwendung in der Faser 10, die gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt wurde. In 3a weist das Elektrodenarray 16 zwei Mengen (als schwarz bzw. weiß dargestellt) von leitenden Elektrodenfingern auf, die in ineinandergreifenden, abwechselnden benachbarten Folgen angeordnet sind, d. h. als mehrere Elektrodenpaare. Das Array 16 ist in Umfangsrichtung und Längsrichtung um den Kern 11 der Faser 10 herum angeordnet. Bei einer alternativen Anordnung in 3b sind die zwei Mengen von Elektrodenfingern miteinander verschlungen (obwohl elektrisch voneinander isoliert) und schraubenlinienförmig entlang der Richtung der Kernachse angeordnet.
In den 4a und 4b sind zwei bevorzugte Anordnungen von Elektrodenarrays 16a, 16b dargestellt. Um der Klarheit willen sind diese zweidimensional als eine "ebene" schematische Darstellung abgebildet, und es ist klar, dass diese je nach Erfordernis um eine zylindrische oder andere geometrische Fläche herum gewickelt werden könnte. In der bevorzugten Anordnung in 4a weisen die Elektrodenfinger der zwei Mengen von Elektroden 16a1, 16a2 eine seitliche Abmessung von normalerweise 5–20 mm auf, sind in gleichen Abständen von normalerweise 5–50 mm angeordnet und sind von gleicher Länge, die normalerweise nahezu gleich dem Faserdurchmesser ist, normalerweise von 20 mm bis zu mehreren mm, wobei die zentralen "Wirbelsäulen" der Elektroden in Abständen voneinander angeordnet sind, die wenigstens gleich der Länge der Finger sind. Bei der alternativen Anordnung in 4b, die dem Elektrodenarray 16 entspricht, das in 3a dargestellt ist, sind die "Wirbelsäulen" der Elektroden 16b1 und 16b2 vorzugsweise so angeordnet, dass sie sich "Rücken an Rücken" befinden. Vornehmlich wird die minimale Abmessung irgendeiner Elektrode nur durch das Bearbeitungsverfahren bestimmt, z. B. Lithographie, und auf diese Weise ist es auch machbar, Elektroden mit einer seitlichen Abmessung von zum Beispiel 50 nm herzustellen, doch werden in der Praxis Elektroden mit Abmessungen wie oben angegeben bevorzugt, da die Verarbeitung wesentlich einfacher und kostengünstiger ist.
Selbstverständlich sind die dargestellten beispielhaften Elektrodenanordnungen 16a, 16b nicht einschränkend, und es können auch andere geeignete Konfigurationen, welche seitliche elektrische Felder erzeugen, in der gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellten Faser verwendet werden.
Vorzugsweise sind die Elektroden 16, 17 von einer Form, die kammartig verzahnte Elektroden (Interdigitated Electrodes) genannt wird und welche bekanntlich in einigen flachen 2-dimensionalen Flüssigkristall-Displays zur Verbesserung des Gesichtswinkels verwendet werden (siehe zum Beispiel "Principles and characteristics of electro-optical behaviour with in-plane switching mode", Oh-e, M. et al., Proc. of the 15th International Display Research, Japan, 1995, S. 577).
Bei bevorzugten Ausführungsformen kann das Elektrodenarray 16, 17 im Wesentlichen die gesamte Außenfläche des Substrats 11 oder nur einen Teil der Fläche bedecken. Es wird erneut auf die 3c und 3d Bezug genommen; das seitliche elektrische Feld 18 ist im Wesentlichen auf die Elektrodenschicht begrenzt, welche bei der bevorzugten Ausführungsform einem Oberflächenfeld entsprechen würde, das im Wesentlichen die Außenfläche des Kerns bedeckt. Das Oberflächenfeld weist dabei im Wesentlichen keine radialen Feldkomponenten auf.
Bei bevorzugten Ausführungsformen kann die Elektrodenschicht optional mit einer sie überlagernden Umhüllung (nicht dargestellt) bedeckt sein. Die Hauptfunktion der Umhüllung ist vorzugsweise, die Elektroden zu schützen, da diese von Natur aus sehr fein und empfindlich sind. Die Umhüllung kann jedoch außerdem eine Nebenfunktion erfüllen, welche unter anderem die einer Abstandsschicht, einer Haftschicht, einer Sperrschicht, einer Dicht- oder Abdeckschicht, einer UV-Abschirmungsschicht, einer Polarisationsschicht, einer Schicht zur Verstärkung der Helligkeit oder Verbesserung der Wahrnehmung, einer Färbungsschicht, einer leitenden oder halbleitenden Schicht, einer kanalisierenden Schicht, einer zusätzlichen Elektrodenschicht, einer dielektrischen Schicht oder beliebiger Kombinationen davon sein kann.
Das seitliche elektrische Feld 18, dass von dem Array von Elektroden 16, 17 erzeugt wird, übt einen elektrischen Einfluss auf den Abschnitt der elektrooptischen Substanz 13 in der nahen Umgebung der Elektroden aus. Der Abschnitt der Substanz definiert ein schaltbares Volumen in der elektrooptischen Substanz 13, welches einem schaltbaren Bereich auf der Außenfläche der Substanz 13 entspricht. Folglich kann durch Wählen von Bereichen 16, 17 von unterschiedlichen Größen ein Teil der Faser 10 oder die gesamte Faser geschaltet werden, um erkennbare optische Effekte im Aussehen der Faser zu erzeugen.
Musterartige Schalteffekte können in der Faser 10 durch die bevorzugten Anordnungen von Elektrodenarrays 16c, 16d und 16e hervorgerufen werden, die in den 5a, 5b und 5c dargestellt sind. In 5a sind die Elektroden so strukturiert, dass sie unterschiedliche Längen entlang des Arrays 16c aufweisen. Vorzugsweise können die Längenunterschiede so gewählt werden, dass sie zufällig verteilt sind, oder aber sie werden durch das gesamte Array 16c hindurch zyklisch wiederholt. Indem die Elektroden so strukturiert werden, das sie unterschiedliche Längen aufweisen, ist es möglich, Änderungen in dem seitlichen elektrischen Feld 18 innerhalb des Arrays 16c zu erzeugen, welche variable Schalteffekte in dem Abschnitt der Substanz in der nahen Umgebung der Elektroden hervorrufen.
Komplexere musterartige Schalteffekte können erreicht werden, indem die Elektroden so strukturiert werden, dass unterschiedliche Folgen von Elektroden und/oder unterschiedliche Abstände zwischen ihnen vorliegen. In 5b ist eine bevorzugte Anordnung dargestellt, in welcher eine oder mehrere Elektroden aus dem Muster von Elektroden ausgelassen wurden. Durch Weglassen von Elektroden werden Diskontinuitäten in dem seitlichen elektrischen Feld 18 entlang des Arrays 16d erzeugt, welche bewirken, dass die entsprechenden Abschnitte der elektrooptischen Substanz 13 an den Stellen der Diskontinuitäten nicht schaltbar werden. Indem gewählt wird, welche Elektroden während des Strukturierens der Elektroden weggelassen werden sollen, können variable optische Effekte im visuellen Erscheinungsbild der Faser 10 hervorgerufen werden.
Falls die Abstände zwischen benachbarten Elektrodenfingern unterschiedlich strukturiert sind, wie in 5c dargestellt, kann ein Schalteffekt mit Intensitätsgradient entlang des Arrays 16e hervorgerufen werden. Auf diese Weise ist es möglich, Effekte einer Grauskala und Effekte der optischen Abstufung in der elektrooptischen Substanz 13 entweder entlang einer Richtung parallel zur Kernachse oder in Umfangsrichtung um die Kernachse hervorzurufen, oder in beiden Richtungen. Fasern 10, die mit der Fähigkeit hergestellt werden, Intensitätsgradienten zu zeigen, sind für die Textilindustrie von beträchtlichem Interesse, insbesondere für Modedesigner, die sich bemühen, elektrooptische Fasern in Textildesigns zu integrieren.
Bei einer weiteren bevorzugten Anordnung von Elektroden, die in 6 dargestellt ist, sind die Elektroden in segmentierten Gruppen 16f1, ..., 16f4 strukturiert. Ein Vorteil dieser Anordnung ist, dass die Gruppen 16f1, ..., 16f4 einzeln adressiert und geschaltet werden können, wodurch eine bessere Beherrschung des nach einem Muster erfolgenden Schaltens in der Faser 10 ermöglicht wird. Eine individuelle Adressierung von Elektrodengruppen 16f1, ..., 16f4 bietet weitere Möglichkeiten, interessante und ästhetisch ansprechende optische Effekte hervorzurufen. Es ist jedoch anzumerken, dass, obwohl das Beispiel vier Gruppen 16f1, ..., 16f4 zeigt, die jeweils aus vier Elektrodenfingern bestehen, dies keine Einschränkung darstellt und selbstverständlich auch andere Anordnungen von segmentierten Elektroden möglich sind.
Es wird auf 7a Bezug genommen; diese zeigt eine andere bevorzugte Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung. In diesem Beispiel ist die Elektrodenschicht so strukturiert, dass sie mehrere separate Elektrodenarrays umfasst, wobei jedes Array einen jeweiligen Teil der Außenfläche des Substrats 11 bedeckt. Die jeweiligen Teile können im Wesentlichen flächengleich sein oder auch unterschiedliche Größe haben. Vorzugsweise kann entweder ein Teil oder im Wesentlichen die gesamte Außenfläche des Substrats 11 von den mehreren Elektrodenarrays bedeckt sein.
Stattdessen können sich die mehreren separaten Elektrodenarrays auch auf der Oberseite der elektrooptischen Substanz 13 befinden, wobei die Substanz 13 im Wesentlichen den Kern der Faser 10 umgibt.
Die mehreren Elektrodenarrays sind so strukturiert, dass sie voneinander elektrisch isoliert sind, und jedes ist vorzugsweise in der Lage, einen entsprechenden Abschnitt der elektrooptischen Substanz 13 zu schalten. Vorzugsweise können die mehreren Elektrodenarrays unabhängig voneinander geschaltet werden, oder auch in Verbindung mit einem oder mehreren anderen.
Vorzugsweise sind die mehreren Elektrodenarrays Arrays von kammartig verzahnte Elektroden.
Bei der in 7a dargestellten Ausführungsform kann die Faser ferner zusätzlich mit einer äußeren Ummantelung 15 versehen werden, um die elektrooptische Substanz 13 zu schützen und um für zusätzliche Stabilität und Abstützung in der Faser 10 zu sorgen. Vorzugsweise ist die äußere Ummantelung 15 aus einem nichtleitenden Material hergestellt und ist wenigstens teilweise lichtdurchlässig. Zweckmäßigerweise wird die äußere Ummantelung 15 aus einem flexiblen Polymer hergestellt. Die äußere Ummantelung kann zum Beispiel durch Tauchbeschichten der Faser in einem geeigneten flexiblen Polymermaterial angebracht werden.
Es wird erneut auf 7a Bezug genommen; die Faser kann zusätzlich mit Distanzdrähten 14 versehen werden. Die Distanzdrähte 14 stellen das Vorhandensein einer wohldefinierten Dicke der Schicht der elektrooptischen Substanz 13 sicher. Dies kann notwendig sein, da die Substanz 13 flüssige oder gelartige Eigenschaften aufweist und daher keine feste Form hat. Die Distanzdrähte sind vorzugsweise um den Kern 11 herum geschlungen (wobei sie die mehreren Elektrodenarrays überlagern) und weisen einen Drahtdurchmesser von ungefähr 20–200 μm auf. Stattdessen können die Distanzdrähte auch die Form von separaten, im Wesentlichen in Umfangsrichtung verlaufenden Drahtringen haben, die entweder zufällig oder in vorgegebenen Intervallen entlang der Länge des Kerns angeordnet sind. Die Distanzdrähte 14 sind vorzugsweise aus einem nichtleitenden Material hergestellt, um ein Kurzschließen der Elektrodenarrays zu verhindern.
Stattdessen können die Distanzelemente 14 auch die Form von im Wesentlichen kugelförmigen Distanzperlen haben, die in der elektrooptischen Substanz 13 angeordnet sind. Der Durchmesser jeder der Perlen 14 ist im Wesentlichen gleich der gewünschten Dicke der Substanz 13, welche in diesem Beispiel rund 5–50 μm beträgt. Die Distanzperlen 14 sind vorzugsweise aus einem nichtleitenden Material hergestellt, um ein Kurzschließen der Elektrodenarrays zu verhindern. Die Perlen können entweder in die Substanz 13 integriert sein, oder sie können zusammen mit den mehreren Elektrodenarrays direkt auf die Außenfläche des Kerns 11 aufgebracht sein.
Es wird auf 7b Bezug genommen; sie zeigt eine weitere bevorzugte Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung. In diesem Beispiel ist die Faser 10 so gestaltet, dass sie zwei Substanzschichten 131, 132 und zwei Stimulationsschichten 121, 122 in unterschiedlichen Tiefen innerhalb der Faser 10 aufweist. Alle diese Schichten liegen über einem nichtleitenden Kern 11.
Vorzugsweise sind ein oder mehrere Elektrodenarrays in einer Elektrodenschicht strukturiert, welche sich in Kontakt mit der Außenfläche des Kerns 11 befindet. Die Elektrodenschicht wird dann mit einer ersten elektrooptischen Substanz bedeckt. Die Elektrodenschicht, die sich in Kontakt mit dem Kern 11 befindet, steuert das Schalten der Substanz in der ersten Substanzschicht 131. Die Faser 10 ist zusätzlich mit einer zentralen Ummantelung 151 versehen, um für strukturelle Abstützung und Stabilität in der Faser 10 zu sorgen. Die zentrale Ummantelung 151 ist vorzugsweise aus nichtleitendem Material hergestellt und ist mindestens teilweise lichtdurchlässig. Zweckmäßigerweise ist die zentrale Ummantelung 151 aus einem flexiblen Polymer hergestellt.
Die Außenfläche der zentralen Ummantelung 151 fungiert vorzugsweise als ein Substrat für ein oder mehrere weitere Elektrodenarrays, welche anschließend mit einer zweiten elektrooptischen Substanz bedeckt werden. Die Elektrodenarrays, die sich in Kontakt mit der zentralen Ummantelung 151 befinden, steuern vorzugsweise das Schalten der Substanz in der zweiten Substanzschicht 132. Die Faser 10 kann ferner zusätzlich mit einer äußeren Ummantelung 152 versehen werden, um für weitere strukturelle Abstützung und Stabilität in der Faser 10 zu sorgen. Die äußere Ummantelung 152 ist vorzugsweise aus nichtleitendem Material hergestellt und ist mindestens teilweise lichtdurchlässig. Zweckmäßigerweise ist die äußere Ummantelung 152 aus einem flexiblen Polymer hergestellt.
Vorzugsweise können die erste und die zweite Substanzschicht 131, 132 dieselbe elektrooptische Substanz enthalten, oder auch unterschiedliche elektrooptische Substanzen enthalten. Jedoch ist jede so gewählt, dass sie mindestens eine elektrisch modulierbare Eigenschaft aufweist. Die Substanzen in den Schichten 131, 132 können gleichzeitig geschaltet werden, oder können auch unabhängig geschaltet werden.
Ein Vorteil des Vorhandenseins von zwei oder mehr Substanzschichten 131, 132 in unterschiedlichen Tiefen innerhalb der Faser 10 ist, dass interessante und ästhetisch ansprechende optische Effekte im Aussehen der Faser 10 hervorgerufen werden können, z. B. variierende Farbeffekte. Insbesondere kann das Schalten einer oder mehrerer Substanzen in Schichtkonfigurationen der Faser 10 ein dreidimensionales "Gefühl" geben.
Stattdessen kann die zentrale Ummantelung 151 auch weggelassen werden, und das eine oder die mehreren Elektrodenarrays können auf der Außenfläche der ersten Substanzschicht 131 strukturiert sein. Bei dieser Anordnung kann die Substanz in der ersten Substanzschicht 131 entweder durch die Elektroden an ihrer Außenfläche geschaltet werden, oder durch die Elektroden am Kern 11, oder durch beide. Die äußeren Elektrodenarrays sind vorzugsweise mindestens teilweise lichtdurchlässig.
Es ist wichtig, sich bei der in 7b dargestellten Ausführungsform darüber im Klaren zu sein, dass die in der Faser 10 erzeugten seitlichen elektrischen Felder 18 im Wesentlichen auf ihre jeweiligen Stimulationsschichten, d. h. Oberflächenfelder begrenzt sind und nicht radial zwischen den verschiedenen Schichten der Faser 10 verlaufen.
Es wird erneut auf 7b Bezug genommen; die Faser kann ferner zusätzlich mit Distanzelementen 14 in der Form von Distanzdrähten in der ersten und/oder zweiten Substanzschicht 131, 132 versehen sein. Die Distanzdrähte sind vorzugsweise um die den Substanzschichten 131, 132 vorangehenden Schichten geschlungen und weisen einen Drahtdurchmesser von ungefähr 20–200 μm auf. Stattdessen können die Distanzdrähte auch die Form von separaten, im Wesentlichen in Umfangsrichtung verlaufenden Drahtringen haben, die entweder zufällig oder in vorgegebenen Intervallen entlang der Länge der vorhergehenden Schichten angeordnet sind. Die Distanzdrähte sind vorzugsweise aus einem nichtleitenden Material hergestellt, um ein Kurzschließen der Elektrodenarrays zu verhindern.
Stattdessen können die Distanzelemente 14 auch die Form von im Wesentlichen kugelförmigen Distanzperlen haben, welche entweder in die elektrooptischen Substanzen 131, 132 integriert sind oder direkt auf den Außenflächen der Schichten angebracht sind, die den jeweiligen elektrooptischen Substanzen 131, 132 vorangehen. Der Durchmesser jeder der Perlen 14 ist im Wesentlichen gleich den gewünschten Dicken der Substanzschichten 131, 132, welche in diesem Beispiel rund 5–50 μm beträgt. Die Distanzperlen sind vorzugsweise aus einem nichtleitenden Material hergestellt, um ein Kurzschließen der Elektrodenarrays zu verhindern.
Selbstverständlich sind auch andere Faserkombinationen möglich, wie etwa mehrere Substanzschichten und mehrere Stimulationsschichten, die in verschiedenen Schichtkonfigurationen innerhalb der Faser 10 angeordnet sind.
Weitere Ausführungsformen sollen im Schutzbereich der beigefügten Ansprüche enthalten sein.

Claims

Verfahren zur Herstellung einer Faser oder eines Fadens (10) von einer zylindrischen Form, welches die folgenden Schritte umfasst: Formen eines Substrats (11) in der Form eines länglichen Kerns, der eine Kernachse aufweist; Beschichten des Substrats unmittelbar oder indirekt mit einer Substanz (13), die mindestens eine elektrisch modulierbare optische Eigenschaft aufweist; und Aufbringen auf das Substrat eines elektrischen Stimulationsmittels (12), das in der Lage ist, ein elektrisches Feld zu erzeugen, das so beschaffen ist, dass es elektrisch eine Änderung in der optischen Eigenschaft der Substanz hervorruft, wodurch es das visuelle Erscheinungsbild der Faser oder des Fadens verändert, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrische Stimulationsmittel so beschaffen ist, dass sich das elektrische Feld in einer Richtung erstreckt, die im Wesentlichen parallel zur Kernachse ist, oder in einer Richtung, die sich im Wesentlichen in Umfangsrichtung um die Kernachse erstreckt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Substrat aus einem Material geformt wird, dass so beschaffen ist, dass es elektrisch isolierend ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei der Schritt des Formens ein Wählen der mechanischen Eigenschaften des Substrats beinhaltet.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der längliche Kern so geformt wird, dass er im Wesentlichen zylindrisch ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welches ferner mehrere Verbindungsschritte umfasst, wobei jeder Verbindungsschritt mit dem Substrat ein weiteres elektrisches Stimulationsmittel verbindet, das so beschaffen ist, dass es ein elektrisches Feld erzeugt, das sich in einer Richtung erstreckt, die im Wesentlichen parallel zur Kernachse ist, oder in einer Richtung, die sich im Wesentlichen in Umfangsrichtung um die Kernachse erstreckt, wobei des elektrische Feld elektrisch eine Änderung in der optischen Eigenschaft der Substanz hervorruft, wodurch es das visuelle Erscheinungsbild der Faser oder des Fadens verändert.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei der oder jeder Verbindungsschritt die Schritte des Anordnens des Stimulationsmittels umfasst, derart, dass es eine langgestreckte Stimulationsschicht bildet, die sich in einer im Wesentlichen zur Kernachse parallelen Richtung erstreckt und im Wesentlichen koaxial zum Kern ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welches ferner mehrere Beschichtungsschritte umfasst, wobei jeder Beschichtungsschritt das Substrat unmittelbar oder indirekt mit einer Substanz beschichtet, die mindestens eine elektrisch modulierbare optische Eigenschaft aufweist.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei der oder jeder Beschichtungsschritt die Substanz in einer langgestreckten Substanzschicht anordnet, die sich in einer im Wesentlichen zur Kernachse parallelen Richtung erstreckt und im Wesentlichen koaxial zum Kern ist.
Verfahren nach Anspruch 7 oder Anspruch 8, welches ferner den Schritt des Verbindens jeder Substanzschicht mit mindestens einer Stimulationsschicht umfasst.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Beschichtungsschritt das Aufbringen der Substanz durch irgendeines der folgenden Verfahren umfasst: Tauchbeschichtung, Spritzbeschichtung, Aufdampfung und Kathodenzerstäubung (Sputtering).
Verfahren nach Anspruch 6, wobei die oder jede Stimulationsschicht eine Elektrodenschicht umfasst und der oder jeder Verbindungsschritt eine Außenfläche des Substrats mit der Elektrodenschicht verbindet.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei die oder jede Stimulationsschicht eine Haftschicht und eine Elektrodenschicht umfasst und der Verbindungsschritt eine Außenfläche des Substrats mit der Adhäsionsschicht verbindet, auf welche die Elektrodenschicht folgt.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei die oder jede Haftschicht durch Kathodenzerstäubung (Sputtering) oder Aufdampfung aufgebracht wird und eine Dicke im Bereich von 1 bis 5 nm aufweist.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei die oder jede Haftschicht entweder aus Titan oder Molybdän oder Chrom oder Legierungen davon hergestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei eine Außenfläche des Substrats mit einer Substanzschicht beschichtet wird und der Verbindungsschritt die Substanzschicht mit einer Stimulationsschicht verbindet, die eine Elektrodenschicht umfasst.
Verfahren zur Herstellung einer flachen oder bandförmigen Faser oder eines ebensolchen Fadens, welches die folgenden Schritte umfasst: Formen eines Substrats in der Form eines länglichen Kerns, der eine Kernachse aufweist; Beschichten des Substrats unmittelbar oder indirekt mit einer Substanz, die mindestens eine elektrisch modulierbare optische Eigenschaft aufweist; und Aufbringen auf das Substrat eines elektrischen Stimulationsmittels, das in der Lage ist, ein elektrisches Feld zu erzeugen, das so beschaffen ist, dass es elektrisch eine Änderung in der optischen Eigenschaft der Substanz hervorruft, wodurch es das visuelle Erscheinungsbild der Faser oder des Fadens verändert, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrische Stimulationsmittel ein erstes und ein zweites Elektrodenpaar umfasst, die in derselben nicht durch die Achse verlaufenden Ebene angeordnet sind und so beschaffen sind, dass sich das elektrische Feld in einer Richtung, die im Wesentlichen parallel zur Kernachse ist, oder in einer Richtung, die sich im Wesentlichen quer zur Kernachse erstreckt, in der nicht durch die Achse verlaufenden Ebene erstreckt.
Verfahren nach Anspruch 16, wobei das elektrische Stimulationsmittel ferner eine Elektrodenschicht umfasst, die das erste und zweite Elektrodenpaar enthält, wobei die Elektrodenschicht eine Ebene aufweist, die der nicht durch die Achse verlaufenden Ebene entspricht.
Verfahren nach Anspruch 11 oder Anspruch 12 oder Anspruch 17 oder einem davon abhängigen Anspruch, wobei die Elektrodenschicht durch Kathodenzerstäubung (Sputtering) oder Aufdampfung aufgebracht wird und eine Dicke im Bereich von 10 bis 400 nm aufweist.
Verfahren nach Anspruch 11 oder Anspruch 12 oder Anspruch 17 oder einem davon abhängigen Anspruch, wobei die Elektrodenschicht so gewählt wird, dass sie aus einem der folgenden Metalle besteht: Gold, Silber, Platin und Kupfer, oder aus einer Legierung, die irgendeines dieser Metalle in einem wesentlichen Anteil enthält, wie etwa Indiumzinnoxid, oder aus einem der folgenden mindestens teilweise leitenden Oligomere oder Polymere: Polyanilin und Poly(3,4-ethylendioxythiophen) (PEDOT) und Derivate davon.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 15 oder Anspruch 17 bis 19, welches den Schritt des Strukturierens der Elektrodenschicht in ein Array von Elektroden umfasst, wobei der Strukturierungsschritt der Aufbringung der Elektrodenschicht folgt.
Verfahren nach Anspruch 20, wobei die Elektrodenschicht in mehrere Elektrodenarrays strukturiert ist, wobei jedes Array elektrisch unabhängig von den anderen Elektrodenarrays ist.
Verfahren nach Anspruch 20 oder Anspruch 21, wobei der Schritt des Strukturierens aus einem der folgenden gewählt wird: Verfahren der Atomabscheidung, lithographische Verfahren einschließlich weichlithographischer Verfahren, Röntgenlithographie und Teilchenstrahlverfahren.
Verfahren nach Anspruch 20 oder Anspruch 21, wobei der Schritt des Strukturierens die folgenden Schritte umfasst: Beschichten einer Außenfläche der Elektrodenschicht mit einer photoresistiven Substanz; Abdecken der beschichteten Außenfläche der Elektrodenschicht mit einer Belichtungsmaske, wobei die Belichtungsmaske das Muster des Elektrodenarrays definiert; Bestrahlen der photoresistiven Substanz durch die Belichtungsmaske hindurch; und Eintauchen der beschichteten Elektrodenschicht in eine Entwicklerlösung; wobei im Falle eines Positivresists die freiliegenden Abschnitte der photoresistiven Substanz durch ein Ätzmittel entfernt werden, um das Elektrodenarray herzustellen, und wobei im Falle eines Negativresists die abgedeckten Abschnitte der photoresistiven Substanz durch ein Ätzmittel entfernt werden, um das Elektrodenarray herzustellen.
Verfahren nach Anspruch 23, wobei die photoresistive Substanz so gewählt wird, dass sie ein Photoresist auf der Basis von Diazonaphthoquinon (DNQ) ist, der in einer Phenolharzmatrix dispergiert ist, und die Entwicklerlösung so gewählt wird, dass sie eine wässrige Lauge ist, wie etwa Metallhydroxidlösungen, zum Beispiel Kaliumhydroxid und Natriumhydroxid, und Nichtmetall enthaltende Lösungen, wie etwa Tetramethylammoniumhydroxid-Lösung.
Verfahren nach Anspruch 20 oder Anspruch 21, wobei der Schritt des Strukturierens die folgenden Schritte umfasst: Einfärben eines flexiblen Stempels, der ein Oberflächenreliefmuster aufweist, das ein Muster des Elektrodenarrays definiert; Anlegen des Stempels an eine Außenfläche der Elektrodenschicht, um eine Schicht, die eine Monoschicht beinhaltet, von Farbe in dem Muster des Elektrodenarrays aufzubringen; und Eintauchen der Elektrodenschicht in ein Ätzmittel, um die nicht eingefärbten Abschnitte der Elektrodenschicht zu entfernen.
Verfahren nach Anspruch 25, welches den weiteren Schritt des Eintauchens der Elektrodenschicht in ein weiteres Ätzmittel umfasst, um die freiliegenden Abschnitte der Haftschicht zu entfernen, nachdem die Elektrode in das Ätzmittel eingetaucht worden ist.
Verfahren nach Anspruch 20 oder Anspruch 21, wobei der Schritt des Strukturierens die folgenden Schritte umfasst: Einfärben eines flexiblen Stempels, der ein Oberflächenreliefmuster aufweist, das ein Muster des Elektrodenarrays definiert, unter Verwendung einer ersten Farbe; Anlegen des Stempels an eine Außenfläche der Elektrodenschicht, um eine Schicht der ersten Farbe in dem Muster des Elektrodenarrays aufzubringen; Aufbringen einer zweiten Farbe auf die Abschnitte der Außenfläche der Elektrodenschicht, die nicht durch die erste Farbe eingefärbt wurden; und Eintauchen der Elektrodenschicht in ein Ätzmittel, um die durch die erste Farbe eingefärbten Abschnitte der Elektrodenschicht zu entfernen.
Verfahren nach Anspruch 27, wobei der Schritt des Aufbringens irgendeinen der folgenden Schritte beinhalten kann: Abscheidung aus einer Lösung, Abscheidung aus der Gasphase und Anlegen eines Stempels.
Verfahren nach einem der Ansprüche 25 bis 28, wobei der Schritt des Anlegens beinhaltet, den Stempel ruhig zu halten und die Außenfläche der Elektrodenschicht über das Muster des Elektrodenarrays zu rollen.
Verfahren nach Anspruch 11, welches den Schritt des Strukturierens der Elektrodenschicht in ein Array von Elektroden umfasst, wobei der Schritt des Strukturierens die folgenden Schritte umfasst: Einfärben eines flexiblen Stempels, der ein Oberflächenreliefmuster aufweist, das ein Muster des Elektrodenarrays definiert, wobei die Farbe aus einer Suspension eines Metallvorläufers besteht; Anlegen des Stempels an eine Außenfläche des Substrats, um eine Schicht von Farbe in dem Muster des Elektrodenarrays aufzubringen; und Durchführen einer Wärmebehandlung der aufgebrachten Farbe, um den in Suspension gehaltenen Metallvorläufer in mehrere Metallelektroden umzuwandeln, die in dem Muster des Elektrodenarrays angeordnet sind.
Verfahren nach Anspruch 30, wobei der Metallvorläufer so gewählt wird, dass er eines von Folgendem ist: Metallmikro- oder Nanopartikel und Metallcluster.
Verfahren nach Anspruch 11, welches den Schritt des Strukturierens der Elektrodenschicht in ein Array von Elektroden umfasst, wobei der Schritt des Strukturierens die folgenden Schritte umfasst: Bringen eines flexiblen Stempels, der ein Oberflächenreliefmuster aufweist, in Kontakt mit einer eine Metallschicht tragenden Stützfläche, wobei das Material des flexiblen Stempels und das Material der Stützfläche derart vorgewählt sind, dass die Haftung des Metalls an dem Stempel die Haftung des Metalls an der Stützfläche überwindet, so dass das Metall selektiv nur an erhöhten Bereichen des Oberflächenreliefmusters des Stempels haftet; und Anlegen des vorbereiteten Stempels an eine Außenfläche des Substrats, um die Metallschicht in dem Muster des Elektrodenarrays aufzubringen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Schritt des Formens ein unmittelbares Beschichten einer Außenfläche des Substrats mit einer Schutzschicht beinhaltet.
Verfahren nach Anspruch 33, wobei die Schutzschicht durch irgendeines der folgenden Verfahren aufgebracht wird: Tauchbeschichtung, Spritzbeschichtung, Aufdampfung und Kathodenzerstäubung (Sputtering).
Verfahren nach Anspruch 33 oder Anspruch 34, wobei die Schutzschicht so beschaffen ist, dass sie gegen chemische Ätzmittel beständig ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, das ferner den Schritt des zusätzlichen Anbringens von Distanzmitteln umfasst.
Verfahren nach Anspruch 36, wobei die Distanzmittel mehrere im Wesentlichen kugelförmige Perlen und/oder einen oder mehrere Distanzdrähte, die sich in einer Richtung im Wesentlichen parallel zur Kernachse erstrecken, umfassen.
Verfahren nach Anspruch 37, wobei die Substanz so beschaffen ist, dass sie im Wesentlichen die kugelförmigen Perlen enthält.
Verfahren nach Anspruch 36, wobei der Schritt des zusätzlichen Anbringens das Befestigen der Distanzmittel an einer Außenfläche der Elektrodenschicht beinhaltet.
Verfahren nach Anspruch 7 oder Anspruch 8 oder irgendeinem davon abhängigen Anspruch, welches ferner den Schritt des Bedeckens der Substanzschicht mit einer oder mehreren äußeren Schichten umfasst.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Substrat aus einer flexiblen Polymerfaser hergestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 41, wobei die flexible Polymerfaser als irgendeine von folgenden gewählt ist: Polyester, Polyamid, Acryl, Polypropylen, Polymere auf Vinylbasis, Wolle, Seide, Flachs, Hanf, Leinen, Jute, Kunstseide, Celluloseacetat und Baumwollfasern.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die elektrisch modulierbare Substanz so gewählt ist, dass sie ein anorganisches oder organisches elektrolumineszentes Material oder ein Flüssigkristallmaterial ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei als die optische Eigenschaft der Substanz die Farbe gewählt ist.