Elementos ópticos con estructura de gradiente así como procedimiento para su producción.

Procedimiento para preparar elementos ópticos con estructura de gradiente,

en particular para aplicacionesholográficas, en el que la estructura de gradiente se forma a través de un gradiente de índices de refracción con lassiguientes etapas:

(a) preparar una composición que comprende uno o varios monómeros orgánicos polimerizables o policondensablesy al menos un líquido iónico;

(b) generar una diferencia de potencial para la difusión dirigida de los monómeros con formación de un gradientede índices de refracción mediante la inducción de una polimerización local o una policondensaciónlocal.

Elementos ópticos con estructura de gradiente así como procedimiento para su producción Campo de la invención La invención se refiere a elementos ópticos que tienen una estructura de gradiente, en particular para aplicaciones holográficas, en donde la estructura de gradiente se forma mediante un gradiente de índices de refracción, así como un procedimiento para producir estos elementos ópticos con estructura de gradiente.

Estado de la técnica

A través de los documentos de patentes de EE.UU. 5.552.261 y 5.529.473 se sabe que la difusión de monómeros que tienen un índice de refracción aumentado o reducido en comparación con una matriz líquida circundante, se puede usar para producir un gradiente de índices de refracción. Este efecto conocido en el caso de polímeros como efecto Colburn-Haines puede conducir, después de una polimerización subsiguiente, a un producto con un gradiente de índices de refracción. Tales polímeros son conocidos también como fotopolímeros.

Los documentos de patente de EE.UU. 3.658.526, 4.959.284, 4.942.112, 5.013.632, 5.098.803 (E.I. Du Pont de Nemours) describen la preparación de fotopolímeros mediante la polimerización radicálica de monómeros en un medio sólido. Esto no sólo requiere la ausencia de oxígeno, sino que también se produce una fuerte contracción del material como resultado de la polimerización. Para el recubrimiento de superficies además es necesaria la adición de un disolvente. El espesor del material está limitado por lo tanto a un máximo de 150 μm.

El documento de patente de EE.UU. 6.482.551 describe el uso de una matriz, que se polimeriza en una primera etapa. Los monómeros del fotopolímero se polimerizan solo en una segunda etapa con la formación del propio fotopolímero. Puesto que la mezcla de los monómeros y la matriz se puede seleccionar de forma que sea líquida, no es necesaria ninguna adición de disolvente para recubrir superficies y se pueden producir recubrimientos de más de un milímetro de espesor. Los monómeros del fotopolímero y la matriz no pueden reaccionar entre sí en ninguna de las etapas. De este modo, en el documento de patente de EE.UU. 5.453.340 se emplean monómeros polimerizables de forma catiónica para la matriz, tales como epóxidos u oxetanos que se pueden polimerizar con ácidos de Bronsted o de Lewis, y monómeros polimerizables radicálicos para el fotopolímero. De nuevo, esto conduce a una contracción elevada en las zonas expuestas. Además, el material se debe iluminar siempre dos veces con diferentes longitudes de onda.

En los documentos de solicitudes de patente de EE.UU. 2003/0157414 y 2005/0231773, se emplean, por ejemplo, epóxidos como monómeros para el fotopolímero, con el fin de reducir la contracción. Sin embargo, estas composiciones requieren más energía para la escritura de la información óptica, es decir, durante la exposición, que los materiales descritos anteriormente, que se basan en la polimerización radicálica.

Los documentos de patentes de EE.UU. 7.022.392 y 6.969.578 no se refieren a la polimerización de monómeros, sino a una fotoisomerización de moléculas individuales que conduce a un cambio local en el índice de refracción. Por lo tanto, en este caso, solo se producen pequeños cambios en la exposición. Sin embargo, este sistema requiere monómeros especiales.

En los documentos de patentes estadounidenses 6.268.089 y 7.163.769 se describen intentos para poner a disposición un fotopolímero en una matriz inorgánica-orgánica. La matriz se prepara en un proceso de sol-gel, y el fotopolímero se polimeriza tanto de forma radicálica como catiónicamente. Los materiales obtenidos no muestran grandes ventajas sobre los materiales ya conocidos.

Otra manera de producir estructuras de gradiente se describe en el documento de solicitud de patente de EE.UU. 2005/0101698. En este caso, se produce un gradiente de concentración de nanopartículas en un material compuesto y se fija por polimerización de la matriz circundante. Este procedimiento permite la preparación de hologramas de volumen con una eficacia de refracción del 90%. Sin embargo, el espesor de las capas es limitado y el material muestra una contracción elevada debido a la polimerización radicálica.

En resumen, hay que señalar que el desarrollo de fotopolímeros en los últimos años ha registrado un gran avance. Sin embargo, los sistemas conocidos tienen algunos inconvenientes. Los sistemas empleados no son suficientemente sensibles para permitir una modulación más nítida del índice de refracción. En este caso, la sensibilidad incluye la intensidad luminosa requerida para la polimerización, así como el tiempo de exposición necesario para producir la estructura de gradiente. Ambos limitan la resolución y la eficiencia de la refracción de las estructuras de gradiente producidas. Al mismo tiempo, el ancho de banda de la modulación del índice de refracción alcanzado en el material, también tiene un papel importante. Ambos parámetros mencionados limitan, por ejemplo, el espesor mínimo de la capa del material, con el que todavía es posible la preparación de estructuras ópticas con gradiente.

Dado que las estructuras ópticas con gradiente se utilizan hoy en día en muchos campos con requisitos muy diferentes, por ejemplo, en materia de flexibilidad, espesor y estabilidad mecánica, es de gran importancia una variabilidad elevada de los componentes utilizados.

Objeto El objeto de la invención es proporcionar un procedimiento simple, de aplicación universal y económico para preparar elementos ópticos con estructura de gradiente, que supere las desventajas mencionadas de la técnica anterior.

Consecución Este objeto se consigue mediante las invenciones que tienen las características de las reivindicaciones independientes. Los desarrollos ventajosos de la invención se caracterizan en las reivindicaciones dependientes. La redacción de todas las reivindicaciones se incorpora por referencia en esta memoria descriptiva. La invención también incluye todas las combinaciones razonables y, en particular, todas las combinaciones mencionadas de las reivindicaciones independientes y/o dependientes.

En el procedimiento de acuerdo con la invención para la producción de elementos ópticos con estructura de gradiente, en particular para aplicaciones holográficas, la estructura de gradiente se forma mediante un gradiente de índices de refracción que se prepara por medio de las siguientes etapas:

(a) preparar una composición mediante la mezcla de uno o varios monómeros orgánicos polimerizables o policondensables y al menos un líquido iónico;

(b) generar una diferencia de potencial para la difusión dirigida de los monómeros con formación de un gradiente de índices de refracción mediante la inducción de una polimerización o policondensación local.

Las etapas individuales del procedimiento se describen a continuación con más detalle. Las etapas no se tienen que llevar a cabo necesariamente en el orden indicado, y el procedimiento que se va a explicar también puede comprender otras etapas no mencionadas.

Con la diferencia de potencial, se genera preferiblemente una diferencia de potencial químico, por ejemplo, de manera análoga al efecto descrito anteriormente de Colburn-Haines, que se basa en el mecanismo siguiente: en el caso de una polimerización o policondensación local (por ejemplo, inducida térmica y/o fotoquímicamente) de especies con grupos polimerizables o policondensables, tales como enlaces múltiples de carbono-carbono o anillos de epóxido, la polimerización o la policondensación conduce a un agotamiento de los grupos polimerizables o policondensables en las regiones en las que se realiza la polimerización o la policondensación. Esto conduce a una difusión dirigida de monómeros con grupos polimerizables o policondensables que aún no han reaccionado en las regiones (calentadas o expuestas) , en las que se lleva a cabo o se ha producido la polimerización o la policondensación, con el fin de equilibrar la diferencia de potencial químico. Estos monómeros están disponibles en estas regiones para la polimerización. Esto da como resultado un cambio de la densidad óptica y por lo tanto un aumento o una disminución local del índice de refracción en las regiones calentadas o expuestas.

Los términos utilizados anteriormente "polimerización" y "polimerizable" incluyen también la poliadición y los grupos capaces de poliadición.

Sorprendentemente, se ha encontrado ahora que mediante la adición de al menos un líquido iónico, se puede mejorar y acelerar considerablemente la formación de un gradiente de índices de refracción. Esto se describe con más detalle a continuación.

1. Procedimiento para preparar elementos ópticos con estructura de gradiente, en particular para aplicaciones holográficas, en el que la estructura de gradiente se forma a través de un gradiente de índices de refracción con las siguientes etapas:

(a) preparar una composición que comprende uno o varios monómeros orgánicos polimerizables o policondensables y al menos un líquido iónico;

(b) generar una diferencia de potencial para la difusión dirigida de los monómeros con formación de un gradiente de índices de refracción mediante la inducción de una polimerización local o una policondensación local.

2. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque la diferencia de potencial se genera por exposición, preferiblemente con luz UV o luz de láser o por radiación electrónica.

3. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 1 o 2, caracterizado porque la diferencia de potencial se genera por técnicas holográficas o litográficas.

4. Procedimiento de acuerdo con una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque el monómero

orgánico polimerizable o policondensable o los monómeros orgánicos polimerizables o policondensables se seleccionan a partir del grupo que contiene ácido (met) acrílico y derivados, ésteres (met) acrílicos y derivados, (met) acrilnitrilos, estirenos y derivados de estireno, alquenos, alquenos halogenados, acetato de vinilo, vinilpirrolidona o vinilcarbazol.

5. Procedimiento de acuerdo con una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque los cationes del líquido iónico o de los líquidos iónicos se seleccionan a partir del grupo de cationes de amonio, fosfonio, uronio, tiouronio, cationes de guanidinio o heterocíclicos.

6. Procedimiento de acuerdo con una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque los aniones del líquido iónico o de los líquidos iónicos se seleccionan a partir del grupo de halogenuros, acetatos, aluminatos, fosfatos, fosfinatos, boratos, sulfatos, sulfonatos, imidas, amidas o cianatos.

7. Procedimiento de acuerdo con una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque la composición contiene de 0, 1 a 98% en peso de un material de matriz curable compuesto de monómeros y/o oligómeros y/o prepolímeros orgánicos polimerizables y/o policondensables, o precursores del material de matriz curable.

8. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 7, caracterizado porque el material de matriz curable se prepara a partir de monómeros polimerizables y/o policondensables y/o silanos hidrolizables que pueden presentar 30 también grupos polimerizables y/o policondensables.

9. Procedimiento de acuerdo con una de las reivindicaciones 7 u 8, caracterizado porque el material de matriz curable se selecciona a partir del grupo que contiene lacas de resina de poliuretano y lacas de resina poliepoxídica.

10. Procedimiento de acuerdo con una de las reivindicaciones 7 a 9, caracterizado porque la composición se

moldea en un cuerpo moldeado o se aplica sobre un sustrato y se cura térmica y/o fotoquímicamente antes de la 35 formación del gradiente de índices de refracción.

11. Elemento óptico con estructura de gradiente, en donde la estructura de gradiente se forma a través de un gradiente de índices de refracción que comprende los siguientes componentes:

(a) 4, 9 a 98% en peso de uno o varios polímeros orgánicos seleccionados entre el grupo que contiene poli (ácido (met) acrílico) y derivados, poli (met) acrilatos, poli (met) acrilonitrilos, poliestirenos o derivados de po

liestireno, polialquenos, polialquenos halogenados, poli (acetato de vinilo) , polivinilpirrolidona, polivinilcarbazol, poli ( (met) acrilatos de polietilenglicol) , poli (di (met) acrilatos de polietilenglicol) .

(b) 0, 1 a 50% en peso de al menos un líquido iónico,

(c) 0 a 5% en peso de uno o varios aditivos seleccionados a partir de iniciadores de la reticulación térmica o

fotoquímica, agentes sensibilizantes, agentes humectantes, agentes aglutinantes, agentes de nivelación, 45 antioxidantes, estabilizantes, colorantes, compuestos fotocrómicos o termocrómicos.

12. Elemento óptico de acuerdo con la reivindicación 11, caracterizado porque el elemento óptico comprende un material de matriz de un polímero y/o un material condensado de uno o varios compuestos inorgánicos modificados orgánicamente, hidrolizables.

13. Elemento óptico de acuerdo con la reivindicación 12, caracterizado porque la matriz curable contiene polí50 meros seleccionados a partir del grupo que contiene lacas de resina de poliuretano y lacas de resina poliepoxídica.

14. Uso de un elemento óptico con estructura de gradiente para aplicaciones holográficas, lentes planas con gradiente de índice en la óptica de formación de imágenes, láminas de gestión de la luz, difusores, pantallas de visualización frontal, pantallas de visualización de cabeza baja, fibras ópticas y almacenamiento de datos ópticos, obtenible por el procedimiento de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 10.