JP2015523715A - フォトニック装置を製造する方法 - Google Patents

Abstract

フォトニック装置は、（i）液晶（LC）材料のアリコートを（例えばインクジェット印刷により）提供するステップと、（ii）流動性材料層の表面にアリコートを成膜して、液晶デポジットを形成するステップと、により製造され、前記流動性材料とLC材料は実質的に不混和性である。液晶デポジットは、流動性材料層との相互作用のため、アリコートの形状に対して変形した形状をとる。レーザ色素の導入により、フォトニック装置は、レーザとして機能することができる。これは、環境に応じて、閾値未満または閾値超で作動する。フォトニック装置は、整列されたLC材料のフォトニックバンドギャップに基づくパッシブ装置として使用することも可能である。

Description

本願は、フォトニック装置を製造する方法、およびそのような方法により製造されたフォトニック装置に関する。特に、本発明は、これに限られるものではないが、液晶レーザ装置の製造に適用される。

液晶（LC）材料は、機能性フォトニック材料の一種である。LC材料は、光軸に沿って自己組織化する傾向を示す分子を含む。LC材料中の分子の配列態様で、LC材料の光学特性が定められる。例えば、キラル液晶は、光軸の周りにらせん形配置で自己組織化する傾向を示す。材料の複屈折により、このらせん形配置の結果、光軸に沿った屈折率の周期的変化が生じる。適切な周期性のため、これにより、円偏光の可視光波長に、フォトニックバンドギャップが生じる。

キラルLC材料の光学特性により、キラルLC材料は、双安定ディスプレイからレーザまでの範囲の用途に適する。光収穫器またはゲイン媒体としての有機レーザ色素の、光学キャビティへの導入により、フォトニックバンド端でレーザ放射が生じる。これらの材料系で構築されるレーザ装置は、極めて低コストで製造でき、小型化や放射波長の選択性が可能となるという特徴を有する。現在、選択性は、400nmから850nmの範囲である（文献4および2参照）。
アキラルLC材料の適用例は、従来のフラットパネルディスプレイ（ネマチックLCD）、可変位相差板、およびSLMを含む。

米国特許出願公開第2011／0097557号には、銀行手形のようなセキュリティ特徴物の製造技術が示されており、この文献では、重合可能なLC材料が固体PVA層上に印刷される。PVA層は、研磨されていないが、あるLC材料の配列を助長することが認められている。

現代の大部分のレーザシステムに使用されている従来の半導体レーザは、半導体装置であり、通常、高品質単結晶半導体ウェハに対する成膜ステップ、エッチングステップ、およびフォトリソグラフィステップの組み合わせを含む、複雑なプロセスを用いて製造される。そのような従来のレーザは、例えばバーコーティングまたはインクジェット印刷法のような、比較的低コストな印刷技術を用いて製造することは難しい。文献11および12には、印刷可能なエマルジョン系LCレーザシステムを、例えば、ガラス、プラスチック、金属、または紙を含む、様々な種類の基板上に設置することが示されている。これらの文献には、エマルジョン化サンプルおよび単純なバーコーティングプロセスを用いて、適当な基板上にLCレージング（lasing）媒体を成膜することが記載されている。これらの記載では、液晶およびレーザ色素組成物は、PVAの連続相中でエマルジョン化され、その後、このエマルジョンが基板に設置される。乾燥ステップおよび界面での相互作用の後、連続相により、有意な応力がLC液滴に印加され、LC分子の適切な配列が支援される。

米国特許出願公開第2011／0097557号明細書

本願発明者らは、文献11、12に記載の対策では、簡単な製造プロセスが提供されるものの、この対策にはいくつかの問題があることを見出した。個々のLC液滴は、寸法の点で多分散系であり、通常、直径が数十から数百ミクロンの範囲である。これは、レーザ放射の品質に影響を及ぼす。また、液滴は、連続相内に、局部的に無秩序に分散される。従って、文献11、12による対策では、個々の液滴を適格に配置することは難しく、その結果、装置からの光の放射の空間位置を正確に制御することはできない。

このため、本願発明者らは、LCレージング媒体のパターンの成膜により、前述の問題を克服することを検討した。本願発明者らは、LCレージング媒体の成膜用の必要なパターンを、例えばインクジェット印刷法で製造できることを見出した。しかしながら、本願発明者らは、LCレージング媒体を、清浄な乾燥した表面に直接成膜した場合、LC分子を適切な度合いで配列することができないことを見出した（例えば、キラルLC材料を使用する多くの装置において、適当な配列は、キラルLCらせん軸が基板に対して垂直に配列されることである）。

LC材料内の配列の制御は、特定の用途用のLC材料の所望の光学特性を得る上で、重要であることが知られている。例えば、ネマチックLCを有するフラットパネルディスプレイ装置では、表示機能のため、LCディレクターの均一な方向誘導、すなわちLC材料の配列が要求される。例えば、レージング媒体として使用される、成膜LC材料内での均一な配列の欠如の結果、マルチモードのレーザ放射が生じ、またはレーザ照射が生じなくなり、これは通常好ましくない。

本発明は、前述の問題の少なくとも一つに対処することを目的とする。好ましくは、本発明は、前述の問題の少なくとも一つを低減し、改善し、回避し、または克服する。

本発明の一般的態様では、本願発明者らは、LC材料とは実質的に不混和性である流動性材料層の上に、液晶（LC）材料を成膜することが有意であることを見出した。また、本願発明者らは、LC材料のインパクトの際に、流動性材料層は、LC材料を成形し、LC材料の分子の配列を促進することがさらに有意であることを見出した。

第1の好適態様では、本発明により、表面の1または2以上の別個の領域に、液晶（LC）材料を成膜することにより、レーザまたは光学特徴物のような、フォトニック装置を製造する方法が提供される。

第2の好適態様では、本発明により、フォトニック装置を製造する方法であって、
（i）体積がVの液晶（LC）材料のアリコートを提供するステップであって、前記体積Vは、直径D1の球と同じ体積である、ステップと、
（ii）流動性材料層の表面に前記アリコートを成膜して、液晶デポジットを形成するステップであって、前記流動性材料と前記LC材料は、実質的に不混和性である、ステップと、
を有し、
前記液晶デポジットは、前記流動性材料層との相互作用のため、前記アリコートの形状に対して変形した形状をとり、前記液晶デポジットは、前記流動性材料層の成膜前の表面と平行な方向で測定される、最大長さL1を有し、
該L1は、D1よりも大きい、方法が提供される。

第3の好適態様では、本発明により、前記第1または第2の態様の方法によって得られた、または得られるフォトニック装置が提供される。

第4の好適態様では、本発明により、前記第1または第2の態様の方法によって得られた、または得られるレーザ装置が提供される。

第5の好適態様では、本発明により、下地層の上に形成された少なくとも一つの液晶（LC）材料デポジットを有するフォトニック装置であって、
前記下地層は、前記LC材料デポジットを取り囲む下地層表面を有し、
前記LC材料デポジットは、前記LC材料デポジットを取り囲む前記下地層表面と平行な方向で測定される最大長さL2と、前記LC材料デポジットを取り囲む前記下地層表面に対して垂直な方向で測定される最大高さH2と、を有し、
L2は、H2よりも大きく、
前記液晶デポジットは、前記LC材料デポジットを取り囲む前記下地層表面の上に突出するように形状化される、フォトニック装置が提供される。

第6の好適態様では、本発明により、第3または第5の態様によるフォトニック装置の使用が提供され、この場合、前記フォトニック装置は、電磁放射線源によって照射され、対応する応答を提供し、該対応する応答は、検出器または観測により検出される。

本発明のいかなる態様も、相互に組み合わせることができる。

本発明のいかなる態様も、矛盾のない範囲で、以下の任意の特徴のいかなる組み合わせを有しても良い。

本願に使用される液晶（LC）材料という用語は、液晶挙動を示す少なくとも一つの化学的化合物を、少なくとも50wt%、好ましくは少なくとも75wt%、より好ましくは少なくとも90wt%含有する材料を意味する。LC材料は、必要な場合、液晶挙動を示すことが知られている、複数の化学的化合物を含有しても良い。LC材料は、細長い分子を含むことが好ましい。

好適なLC材料は、キラル材料であり、これは、少なくとも50wt%、好ましくは少なくとも75wt%、より好ましくは少なくとも90wt%の液晶挙動を示す少なくとも一つの化学的化合物と、キラル添加物、例えばBDH−1281とを含有する材料である。キラル添加物の添加により、LC材料中の屈折率変化の周期性を制御して、LC材料のキラリティを制御することができる。好適なキラル添加物は、米国特許第6217792号明細書および国際公開第WO2011/137986号に記載されている。好適には、キラルLC材料は、10wt%未満のキラル添加物を含有する。キラルLC材料は、約2wt%から6wt%のキラル添加物を含有することが好ましい。キラルLC材料は、らせん配置で整列する傾向を示す。キラルLC材料は、特に、バンド端レーザの形成に適する。あるいは、キラルLC材料は、液晶挙動を示すことが知られているキラル化学的化合物を含有する。

LC材料は、ネマチック、キラルネマチック、スメクチック、または青色相材料の1または2以上であっても良い。キラルネマチック材料は、特に好ましい。

LC材料は、レーザを形成することが好適である。LC材料は、フォトニックバンド端レージングを示すことが好ましい。あるいは、LC材料は、無秩序なレージングを示しても良い。

必要な場合、LC材料は、蛍光色素、蛍光レーザ色素、量子ドット、または他の光収穫器もしくはゲイン添加物を有する。例えば、Nd：YAG、Ti：サファイア、Cr：サファイア、Cr：LiSAF、Er:YLF、Nd：ガラス、およびEr：ガラスがある。この場合、LC材料は、レージング媒体として機能する。

LC材料は、ネマチック相を示すことが好適である。ネマチック相を示すキラルLC材料は、バンド端レーザの形成に、特に好適である。ただし、これらの材料は、無秩序レーザの形成に使用されても良い。

必要な場合、LC材料は、スメクチック相を示しても良い。キラルスメクチックLC材料は、バンド端レーザの形成に適するが、これは無秩序レーザの形成に使用されても良い。

必要な場合、LC材料は、青色相I、II、またはIIIを示す。青色相材料は、バンド端レーザの形成に特に適する。

別の実施例では、レーザの形成に、LC材料は必ずしも必要ではない。これは、例えば、フォトニック装置がパッシブ装置であることが意図される場合に当てはまる。好適なパッシブ装置は、例えば、ブラッグのような反射器を有し、ここでは、電磁スペクトルの既知の部分が、スペクトルの他の領域にわたって選択的に反射される。

液晶材料のアリコートは、インクジェット印刷で提供されることが好ましい。正確な空間配置を提供するという問題を克服するため、本願発明者らは、インクジェット系プロセスを開発した。これは、所望の放射特性を保持したまま、好ましくは、LCレーザまたは他のフォトニック装置のアレイの構築に使用され得る。

本発明の方法は、液晶材料デポジットの、例えば予備設計された複雑な2次元パターンのような、パターン化アレイの構成に使用されても良い。パターン化アレイは、液晶デポジットの規則的なアレイであっても良い。

本発明のフォトニック装置は、規則的および／またはパターン化アレイの状態で、複数の液晶デポジットを有しても良い。

必要な場合、液晶デポジットは、LC材料デポジットを取り囲む流動性材料層（または下地層表面）の情報および下方に突出するように形状化される。

必要な場合、流動性材料層は、少なくとも部分的に、LCデポジットを取り囲む。例えば、LCデポジットは、レンズ形状を取り、流動性材料層は、レンズ形状の主要凸表面の一部を取り囲む。

インクジェットプロセスを使用する際の追加の利点は、制御可能な放射特性を有するレーザ材料自身を成膜する際のフレキシビリティに加えて、さらに別の添加処理が容易に行えることである。従って、例えば、インクジェット印刷により、別の材料を成膜することができる。流動性材料層が、（LC材料の成膜の前に）インクジェット印刷により、成膜されても良い。この方法で、他の高分子層のような、他の材料を成膜することもでき、LC材料の保護が提供もしくは支援され、および／またはLC材料内の整列が改善される。

液晶デポジットの長さL1は、流動性材料層上の液晶デポジットにわたる最大距離であり、流動性材料層の表面に平行な直線に沿って測定される。例えば、液晶デポジットが、平面視実質的に円形の島である場合、L1は、島の直径である。

液晶デポジットは、最小幅W1を有する。液晶デポジットの幅W1は、流動性材料層上の液晶デポジットにわたる最小距離であり、平面視、液晶デポジットの中心点（または重心）を通り、流動性表面に平行な直線に沿って測定される。ここで、流動性材料層の表面は、LC材料デポジットの成膜前の状態である。例えば、液晶デポジットが、平面視実質的に円形の島の場合、W1は、島の直径である。

液晶デポジットの幅W2は、サポート層（または下地層）上の液晶デポジットにわたる最小距離であり、W1と同様の方法で、LCデポジットを取り囲むサポート層表面（または下地層表面）と平行に測定される。流動性材料層のサポート層（または下地層）への変換のため、W2は、W1とは異なっても良い。

液晶デポジットの長さL2は、サポート層（または下地層）上の液晶デポジットにわたる最大距離であり、LCデポジットを取り囲むサポート層表面（または下地層表面）と平行に測定される。例えば、液晶デポジットが実質的に円形液滴の場合、L2は、液滴の直径となる。流動性材料層のサポート層（または下地層）への変換のため、L2は、L1とは異なっても良い。

長さL1は、デポジットの成膜後の静止画像顕微鏡を介して測定することができる。長さL2は、流動性材料層がサポート層に変化した後、静止画像顕微鏡を介して測定することができる。

幅W1は、デポジットの成膜後の静止画像顕微鏡を介して測定することができる。幅W2は、流動性材料層がサポート層に変化した後、静止画像顕微鏡を介して測定することができる。

直径D1も、顕微鏡を介して測定することができる。インクジェット印刷の場合、D1は、ビデオ顕微鏡を用いて、インクジェットノズルから生じた後であって、流動性材料層への堆積の前に、生じた液滴を画像として捉えることにより測定することができる。あるいは、他の成膜プロセスの場合、D1は、LC材料のアリコートの既知の体積Vに基づいて計算しても良い。

LC材料デポジットの高さH1は、液晶デポジットの最大高さであり、流動性材料層の表面に対して垂直に測定される。ここで、流動性材料層の表面は、LC材料デポジットの成膜前の状態であることが考慮される。

液晶デポジットの高さH2は、LC材料デポジットの最大高さであり、LC材料デポジットを取り囲むサポート層表面（または下地層表面）に対して垂直に測定される。

液晶デポジットの高さH1およびH2は、液滴の体積後に、静止画像顕微鏡を介して測定することもできる。高さH1およびH2は、SEMを用いて測定することも可能である。

LC材料内の位置精度の低さの問題を克服するため、本願発明者らは、LC材料とは実質的に不混和である、ある流動性材料が確認、選定できるという事実を考慮した対策を開発した。例えば、好適なLC材料は、水溶性PVAのような高分子溶液とは不混和性を示す。これは、文献9、11、12に記載されており、これらの文献において、水溶性PVAの連続相中に、LC材料相のエマルジョンが形成される。本願発明者らは、LC相の液滴が、例えば高分子溶液のような流動性材料層よりも小さい体積の場合、例えばウェット膜のような流動性材料層上に小さなデポジットが生じるような場合、界面張力により、LC相（デポジット）が変形することを見出した。この影響は、液晶デポジット内のLC分子の所望の整列を助長する。

本願発明者らは、LC材料のインクジェット印刷により、被印刷表面に、LC材料を正確に空間配置できることを見出した。LC材料とは実質的に不混和性の流動性材料上のLC材料のインクジェット印刷により、表面でのLC材料の空間配置精度が改善され、LC材料内の整列が改善される。2つの材料が実質的に不混和性とは、両材料が相互に接触した際に、独自の相を形成することを意味する。ここで、LC材料デポジットは、上面視、円形状を有し、LC材料と流動性材料相の間の界面張力は、LC材料のデポジットを直径D2を有するように形状化する。D2は、堆積するLC材料のアリコートと同じ体積を有する球の直径D1よりも大きい。この変形により、LC材料内で分子の整列が生じる。この方法の非接触および「自己組織化」の性質により、広い範囲の表面上に、フォトニック装置の低コストでフレキシブルな製造が可能となる。また、この方法では、LC材料の整列化を生じさせることにより、LC材料のフォトニック特性の制御とともに、パターン化の正確な制御が可能となる。

流動性材料層内の流動性材料の体積は、本発明のプロセスにおいて、インクジェット印刷により成膜されるLC材料の体積よりも大きいことが好ましい。流動性材料層（または下地層）の深さは、LC材料デポジットの最大高さH1および／またはH2よりも大きいことが好ましい。流動性材料層（または下地層）の深さは、LC材料のアリコートと同じ体積Vの球の直径D1よりも大きいことがより好ましい。

H2は、1μmよりも大きく、5μmよりも大きいことが好ましい。H2は、100μmよりも小さいことが好ましい。H2は、1μｍから100μmの範囲であることが好ましく、5μmから50μｍの範囲であることがより好ましく、5μmから30μmの範囲であることがさらに好ましい。

H2に対するH1の比は、1：1以上であることが好ましい。

H2に対するH1の比は、50：1以下であることが好ましい。

前述の範囲のH2を有するLC材料のデポジットは、レージングキャビティの得られる長さのため、レーザとしての使用に特に好適であると考えられる。

H1に対するD1の比は、50：1未満であることが好ましい。

H2に対するL2の比は、2：1から200：1の範囲であることが好ましい。

D1に対するL1の比は、20：1以下であり、10：1未満であることが好ましく、3：1未満であることがより好ましい。

H1に対するL1の比は、1：1以上であることが好ましい。

H1に対するL1の比は、50：1未満であることが好ましい。

H2に対するL2の比は、1.1：1以上であることが好ましい。

H2に対するL2の比は、1000：1以下であることが好ましい。

D1に対するW1の比は、0.1：1以上であることが好ましい。

D1に対するW1の比は、20：1以下であることが好ましい。

W2に対するW1の比は、1：1以下であることが好ましい。

W2に対するW1の比は、0.01：1以上であることが好ましい。

W1に対するL4の比は、1：1以上であることが好ましい。

W1に対するL1の比は、200：1以下であることが好ましい。

W2に対するL2の比は、1：1以上であることが好ましい。

W2に対するL2の比は、1000：1以下であることが好ましい。

本願発明者らは、前述の範囲内で作動させた場合、流動性材料層との相互作用によって生じる形状化効果により、LC材料デポジット内でのLC材料の整列が助長されることを見出した。

ある実施例では、LC材料は、インクジェット印刷により、液体層上に成膜される。ここで、液体層は、本発明の第2の態様の流動性材料層の一例である。

ある実施例では、液体層は、ドクターブレード法、バーコーティング法、またはロールコーティング法を用いた、フィルムコーティング法により成膜され、あるいは連続ウェット膜（例えば溶液層）、個々の液滴、接続された液滴の群、もしくは同じ配置の複数の液滴のいずれかのインクジェット成膜法により成膜される。

好適には、本方法は、流動性材料層をサポート層に変換するステップを有する。通常、これは、LC材料液滴の成膜後に生じる。必要な場合、流動性材料層を変換するステップは、流動性材料層を硬化してサポート層を形成するステップを有する。流動性材料層をサポート層に変換するステップは、例えば液体を固体または半固体に変換する、化学的または物理的プロセスを有しても良い。必要な場合、流動性材料層を変換するステップは、流動性材料層の冷却（例えば固体化）、溶媒気化、架橋、または重合化ステップを有する。流動性材料が溶液の場合、サポート層への変換は、溶液から溶媒の一部または全てを気化するステップを含んでも良い。流動性材料層のサポート層への変換は、LC材料がサポート層内で、所望の配置で支持される点で有意である。従って、サポート層は、例えば、フォトニック装置の移動中または振動の際に、所望の位置からLC材料液滴が動くことを抑制することが好ましい。

流動性材料層をサポート層に変換するステップは、流動性材料層を収縮するステップを有しても良い。例えば、流動性材料が溶液の場合、溶媒の気化によりサポート層が形成されると、結果的に流動性材料層の収縮が生じる。流動性材料の収縮ステップは、さらにLC材料の液滴を変形させ、LC材料内で分子の配列を改善しても良い。

また、流動性材料層をサポート層に変換するステップは、LC材料デポジットを変形するステップを有しても良い。流動性材料層をサポート層に変換するステップの後のLC材料デポジットの最大長さは、L2である。流動性材料層のサポート層への変換後のLC材料デポジットの最大高さは、H2である。

ある実施例では、LC材料デポジットの最大長さは、流動性材料層のサポート層への変換の間に上昇し、L2は、L1よりも大きくなる。これにより、LC材料内の整列がさらに改善される。

ある実施例では、LC材料デポジットの最大高さは、流動性材料層のサポート層への変換の間に減少し、H2は、H1よりも小さい。これにより、LC材料内の整列がさらに改善される。

必要な場合、流動性材料層のサポート層への変換の後には、LC材料のアリコートと同じ体積Vを有する球の直径D1に対する、サポート層上のLC材料デポジットの最大長さL2の比は、20：1未満であることが好ましく、10：1未満であることがより好ましく、3：1未満であることが最も好ましい。

好適には、本方法は、LC材料デポジットを硬化するステップを有する。例えば、液晶モノ−およびジ−アクリレート材料が、LC材料内に含有され、あるいはLC材料自身が重合可能である場合、LC材料を硬化するステップは、反応性モノマーを光重合するステップを有しても良い。LC材料の堆積液滴の硬化ステップは、例えばフォトニック装置の移動の間、または振動の際に、本発明の方法によって達成される改善された整列の妨害を抑制する。

好適には、流動性材料は、液体である。液体は、溶液、例えば高分子溶液であることが好ましい。液体は、コロイド溶液、サスペンション、またはエマルジョンであっても良い。ある実施例では、流動性材料層は、文献11および12に記載の高分子分散液晶層である。他の実施例では、流動性材料は、例えばゲルまたはペーストのような発生した液滴の到達に応じて塑性変形する材料であっても良い。

流動性材料層が高分子溶液の場合、高分子溶液は、PVA、ポリウレタン、ポリアミド、例えばナイロン6,6、PMMA、ポリイミド、ポリ（ピロメリット（pyromellitic） 二無水物 オキシジアニリン）、およびポリスチレンの群から選択された高分子を有しても良い。溶媒は、いかなる好適な溶媒であっても良く、例えば、水、ジクロロメタン、ギ酸、アセトン、イソプロピルアルコール、トルエン、シクロヘキサン、または他の有機溶媒もしくは誘導体である。

必要な場合、高分子溶液は、1wt%から30wt%の濃度を有する。高分子溶液は、5wt%から20wt%の濃度を有することが好ましい。

ある実施例では、流動性材料は、レージング材料を有し、例えば流動性材料は、文献11、12に記載のレージング媒体系のエマルジョンであっても良い。LC材料デポジットがレージング材料を有する場合、流動性材料は、LC材料デポジットと同じレージング動作を示しても良い。あるいは、流動性材料は、LC材料デポジットとは異なる種類のレージング動作を示しても良い。

流動性材料は、LC材料の整列を促進する整列成分を有することが好ましい。整列成分は、ポリイミド、界面活性剤、高分子（例えばポリビニルアルコール、ポリウレタン、ポリアミド、ナイロン6,6、ポリメチルメタクリレート、またはポリ（ピロメリット（pyromellitic）、ポリ二無水物 オキシジアニリン））、またはLCの好適配向を促進する、これらの材料の誘導体を含んでも良い。

整列成分を含む流動性材料は、LC材料デポジットを形状化することによる物理的制御に加えて、LC材料内の整列の化学的制御が提供される点で有意である。従って、整列成分の使用により、LC材料内の整列がさらに改善される。

流動性材料は、LC材料内での平坦な変性（degenerate）整列を促進する整列成分を有することが好ましい。LC材料がキラルLC材料の場合、平坦変性整列成分により、LC材料デポジット内でLC光軸のホモトロピックな整列（垂直アンカー）が生じる。

平坦変性整列成分の使用により、LC材料内での整列がさらに改善される。例えば、キラルLC材料は、前述のように、らせん軸に沿って自己組織化する分子を有する。前述のLC材料デポジットの形状化により、らせん軸の配列精度が改善される。流動性材料層内の平坦変性整列成分の提供により、LC材料デポジットの底部における分子は、流動性材料層の表面に平行に整列する。らせん構造の底部でのこの分子整列により、らせん軸は、流動性材料層の表面（または下地層表面）に対して垂直に配列される。これは、バンド端レージングにおいて、特に有意である。

好適には、流動性材料層は、基板上に形成される。本発明の別の利点は、基板の選択が特に限られないことである。基板は、いかなる材料であっても良く、この表面には、流動性材料が成膜され、フォトニック装置用の適当なサポートが提供される。基板は、光透過性であっても反射性であっても良く、例えば、レーザとしての作動のため、ポンプ放射線によるLC材料液滴への照射が可能となる。従って、適当な基板には、光透過性ガラスおよび光透過性プラスチックが含まれる。基板は、例えば、剛性があり、または実質的に堅くても良い。あるいは、基板は、可撓性であっても良い。

基板の表面は、ウェルまたはバリアのような構造物でパターン化されても良い。パターン化された基板は、流動性層、成膜されるLC材料、および／もしくは保護層の空間配置、または形状をさらに制御することができる。

流動性材料層は、ドクターブレード法、バーコーティング法、ロールコーティング法を用いたフィルムコーティング法、または連続膜、個々の液滴、もしくは接続液滴の群のインクジェット成膜法により成膜されることが好ましい。流動性材料のインクジェット成膜では、LCフォトニック装置の連続「印刷」が可能になる。

あるいは、流動性材料は、別個の領域に、成膜されても良く、例えば、個々のデポジット、または接続されたデポジットの群の形態で、配線または他の特徴物が形成される。流動性材料層の別個の領域の提供により、後に成膜されるLC材料内に非対称な応力が生じ、所望の光学特徴物が形成される。

インクジェット印刷を使用して、流動性材料層を成膜した場合、インクジェット成膜法のデジタルの性質により、材料成膜の順番および配置の変更のフレキシビリティが得られ、例えば、LC材料を流動性材料層上に設置したり、もしくは逆にしたりすることが可能となり、あるいはLC材料と他の流動性材料層の、1または2以上の層からなるマルチレイヤの構造物を形成することができる。また、前述のような本発明の方法の適用は、LC材料の広い範囲に拡張することができ、これに限られるものではないが、ネマチック、キラルネマチック、スメクチック、青色層、またはこれらの材料のいかなる組み合わせに拡張することができる。

好適には、本方法は、保護層を提供するステップを有する。保護材料層は、LC材料デポジットの上部に設置されることが好ましい。保護材料は、流動性材料と同じ材料であっても良い。保護材料層は、保護サポート層に変化しても良い。保護材料層と流動性材料層（またはサポート層もしくは下地層）はともに、LC材料デポジットを完全に覆うことが好ましい。また、保護材料層は、さらにLC材料デポジットを形状化して、LC材料内に別の配列を生じさせても良い。

保護材料層は、疎水性または親水性表面を提供しても良い。保護材料層は、脱酸素剤またはゲッターであっても良い。保護材料層は、水分バリアまたは選択吸収材であっても良い。例えば、ポリウレタン、PVA、ポリジメチルシロキサン、または他のシリコーンが使用できる。流動性材料層用の前述の任意のおよび好ましい特徴は、保護材料層にも適用できる。例えば保護層は、整列成分を有し、LC材料デポジット内の整列が改善されることが好ましい。適当な保護材料は、PVA、ポリウレタン、ナイロン6,6、ポリメチルメタクリレート、ポリイミド、ポリ（ピロメリット 二無水物 オキシジアニリン）、金属酸化物高分子コンポジット、またはこれらの材料の誘導体を有する。

前述のように、流動性材料層は、LC材料アリコートの体積Vに対応する直径D1よりも大きな厚さT1を有することが好ましい。これにより、流動性材料層によりLC材料のデポジットを形状化することができる。

流動性材料は、生じたLC材料の液滴の直径D1の10倍小さい厚さT1を有することが好ましい。好適な厚さT1は、10mmと10nmの間であり、1mmと1μmの間であることが好ましく、100μmと10μmの間であることがより好ましい。T1が極めて大きい場合、流動性材料層上に成膜されるLC材料の液滴は、流動性材料内に生じる流れ（current）により、成膜位置から移動され得る。例えば、流動性材料が溶液の場合、流動性材料が液体相で存在する時間の長さは、通常、流動性材料層の厚さの増加とともに長くなる。溶媒は、溶液層から揮発するため、これにより、流動性材料層に流れ（current）が生じ、これは、流動性材料層上のLC材料の液滴の配置を妨げる。従って、流動性材料層の厚さの制御は、有意である。流動性材料層の硬化速度の制御も、同じ理由により有意である。

流動性材料層の厚さに対するサポート層の厚さT2の比は、1：1から0.01：1の範囲であることが好ましい。

流動性材料層は、層にわたって実質的に一定の厚さを有することが好ましい。流動性材料層のインクジェット印刷法により、この層の厚さの正確な制御ができる。

好適には、保護層は、10nmから10mmの範囲の厚さを有する。

本方法は、LC材料の第2、および任意で第3、さらに任意で第4等のアリコートを提供するステップと、これを流動性材料層の上に成膜するステップと、を有することが好ましい。すなわち、ステップ（i）と（ii）は繰り返される。この方法では、アクティブフォトニック配置のような、複数のフォトニック配置を有する装置が提供される。LC材料の第2のおよび任意のさらなるデポジットは、第1の液滴と同じ流動性材料層上に成膜されるが、各々、第1の液滴とは異なる配置であることが好ましい。この場合、この方法を使用して、流動性材料層の上に、LC材料デポジットのアレイ（好ましくは秩序化アレイ）を得ることができる。あるいは第2、任意の第3，および任意の第4等のデポジットは、それぞれ、異なる流動性材料層、すなわち、第2，任意の第3、および任意の第4等の流動性材料層の上に成膜されても良い。この場合、この方法を用いて、いくつかの別の流動性材料層の上に、LC材料デポジットを得ることができる。この場合、流動性材料層は、例えば組成、厚さ等が異なっていても良く、LC材料の液滴に対して、異なる制御が提供される。

ある実施例では、本方法は、LC材料デポジットの第2，任意の第3，および任意の第4等のアリコートを発生させるステップと、流動性材料層の上に、第1のLC材料デポジットと同じ配置で、LC材料を成膜するステップとを有する。これにより、LC材料デポジットのサイズが制御できる。

ある実施例では、LC材料の複数のアリコートが提供された際に、異なる配置で成膜されたLC材料は、同じLC材料であっても良い。あるいは、例えば，異なる位置に異なるレージング機能が必要な場合には、異なる配置に成膜されたLC材料は、異なるLC材料であっても良い。

LC材料デポジットの長さL1（単位μmで測定）に対するLC材料のアリコートの体積V（単位μm³で測定）の比は、10：1から1000000：1μm²の範囲であることが好ましい。

ある実施例では、流動性材料層は、2または3以上の別個の層を有することが好ましい。これは、設置されるLCアリコートとの間で、特定の所望の相互作用を提供する上部層を提供し、設置されるLCアリコートとの間または上部層との間で、別の所望の相互作用を提供する下部層（1または複数）を提供する際に有意である。

第6の好適態様では、本発明により、第3または第5の態様によるフォトニック装置が提供される。ここで、フォトニック装置は、電磁放射線源によって照射され、対応する応答を提供し、該対応する応答は、検出器または観測により検出される。

本発明の第6の態様に関し、想定されるフォトニック装置のいくつかの作動モードが存在する。これらは、装置自身および装置の照射に依存する。

フォトニック装置がレーザの場合、装置は、通常、レーザ色素を有する。電磁放射線源による照射は、光ポンプを提供することが好ましい。この場合、通常、光源自身がレーザである。しかしながら、光源は、高パワーLEDのようなLEDであっても良い。

閾値を超えてレーザを作動することができる。すなわち、光源により提供される光ポンプ化は、LC材料デポジット内でのレージングの提供に十分である。

あるいは、光源のパワー、光源の出力スペクトルの適当な調節により、または異なる光源を使用することにより、閾値未満でレーザを作動させることも可能である。この場合、レーザ色素は、依然蛍光を発するが、レーザ色素により放射される光子の数は、実際のレージングには不十分となる。しかしながら、装置の光出力は、レーザ色素により放射される光子と、LC材料デポジットのフォトニックバンドギャップの相互作用に関する特性を含む。従って、この場合、フォトニック装置の低閾値作動が適しており、検出され観測される特徴的な出力が提供される。この方法では、フォトニック装置の閾値未満作動により、適当な照射源を用いて取り出すことができるセキュリティ特徴物が提供される。また、従来のレーザ色素の代わりに、他の蛍光発色団が使用されても良い。これらは、例えば他の蛍光無反応物質（taggant）、色素、または量子ドットを有しても良く、本来の蛍光は、液晶フォトニックバンドギャップの存在により、調整される。

同じフォトニック装置を、前述の作動モードのいずれかに利用できることについては、特に高い関心がある。従って、適当な電磁放射線源を利用した場合、フォトニック装置は、閾値を超えて作動することができ、装置からレーザ出力を得ることができる。しかしながら、低パワーの電磁放射線源のみを利用した場合、フォトニック装置は、閾値未満で作動され、閾値未満の特性出力が得られる。

フォトニック装置には、蛍光色素またはレーザ色素を組み入れる必要はない。フォトニック装置は、パッシブモードで使用されても良い。この場合、周囲光、または特定の光源（例えば既知のスペクトル出力のLED）からの光による装置の照射により、フォトニック装置から、フォトニックバンドギャップに基づいた選択的反射が生じる。混合物に、非蛍光色素、または電磁スペクトルのある部分を吸収する材料を加えて、特徴的署名（サイン）を形成しても良い。

これらの作動モードの各々において、適当なアレイまたはパターンで配置された、複数のフォトニック装置が提供されることが好ましい。アレイまたはパターンは、秩序化され、例えば、これは、ある程度の対称性を有し、または認識可能な形状を提供しても良い。しかしながら、アレイまたはパターンが秩序化されることは本質ではない。完全にランダムな、または明らかにランダムなアレイもしくはパターンを使用しても良い。基板に対する、および相互に対する装置の配置は、情報のエンコードに使用できる。そのようなアレイまたはパターンは、前述のインクジェット印刷法に基づいて、簡単に得ることができる。光学的応答は、アレイ内で、装置から装置で変化する。フォトニック装置の得られるアレイ化光学的応答は、適切に照射された場合、価値のある対象物または資料を同定するための、セキュリティ特徴物の強力な基本原理を提供する。

本発明のさらなる任意の特徴は、以下に示されている。

比較例1のデポジットにおける532nmの波長の光励起の下での放射スペクトルである。 本発明の実施例による流動性材料層の形成の様子を概略的に示した図である。 本発明の実施例によるLC材料のインクジェット印刷法を概略的に示した図である。 LC材料のデポジットの形成過程の0μsでの、図3aに示した印刷ヘッドの微細像形成中に撮影された拡大図である。 LC材料のデポジットの形成過程の20μsでの、図3aに示した印刷ヘッドの微細像形成中に撮影された拡大図である。 LC材料のデポジットの形成過程の50μsでの、図3aに示した印刷ヘッドの微細像形成中に撮影された拡大図である。 LC材料のデポジットの形成過程の250μsでの、図3aに示した印刷ヘッドの微細像形成中に撮影された拡大図である。 0msの参照時間でのインクジェット印刷ヘッドに生じるLC材料のデポジットを示す拡大された高速微細画像である。 参照時間後0.2msでの流動性材料層の表面に衝突するLC材料のデポジットを示す拡大された高速微細画像である。 参照時間後0.6msでの流動性材料層上のLC材料のデポジットを示す拡大された高速微細画像である。 参照時間後100msでの流動性材料層上のLC材料のデポジットを示す拡大された高速微細画像である。 参照時間後500msでの流動性材料層上のLC材料のデポジットを示す拡大された高速微細画像である。 参照時間後2sでの流動性材料層上のLC材料のデポジットを示す拡大された高速微細画像である。 流動性材料層上のLC材料のデポジット膜を示す概略的な断面図である。 流動性材料層上のLC材料のデポジットを示す概略的な上面図である。 本発明による成膜されたLC材料のデポジットからの、レーザ色素の吸収最大値での光励起に続くレーザ放射を示すグラフである。 図6と同じLC材料の励起エネルギーの関数としての出力強度を示したグラフである。 キラルネマチックLC材料の反射バンドの例、および色素と組み合わされた同じキラルネマチックLC材料の反射バンドを示したグラフである。 例5のサンプルのスペクトル応答を示す図である。 例6のサンプルのスペクトル応答を示す図である。

以下、一例として示された添付図面を参照して、本発明の実施例について説明する。

キラルネマチック液晶（LC）は、双安定ディスプレイからレーザまで広い範囲に適用される、ユニークな機能性フォトニック材料である^（1，2）。これらの材料では、細長い構成分子は、らせん軸または光軸の周囲に、らせん形配置に自己組織化する。得られる屈折率の周期的変化は、可視高波長のフォトニックバンドギャップを生じさせる^（3）。これは、最近、フォトニックバンド端レージングの内容で、大きく取り上げられている^（2−4）。らせん構造または光学キャビティへの、ゲイン媒体としての有機発光色素の導入は、フォトニックバンド端でのレーザ放射につながるためである。そのようなシステムは、60%を超える高スロープ効率、狭小ライン幅放射^（5）を提供し、自己組織化「ソフト」周期構造、ブロードバンド波長選択性、および調整可能性を与える。通常のレーザ放射波長は、450nmから850nmの範囲である^（6−10）。本発明では、キラルLCレーザの液体的特性が利用され、これらの材料のインクジェット成膜手法が示される。そのような対応では、レーザ源の単純で任意の位置制御が可能となり、従来のレーザ処理および製造と箱となる、新たな種類の機能性フォトニック材料および装置が実現できる。

レージングLC材料は、製造コストの低減のみならず、表面または装置へのコーティングの形成についても、現在の半導体レーザの製造に必要な伝統的なプロセスでは実現できない、有意な可能性を提供する。個々のレーザデポジットの配置および寸法の高精度で制御可能な設置により、レーザコーティングおよび装置の機能が改善される。例えば、秩序化されたレーザアレイ構造は、生物検体アレイ、光学流体の適用、および新たな情報ディスプレイでは特に関心が高い。

近年、インクジェット印刷法のような、電子装置および生物装置のフレキシブルな製造方法として、直接書き込みプロセスを使用する関心が高まっている^（14）。本発明は、「ドロップオンデマンド」^（15）インクジェット成膜プロセスを使用し、アリコート寸法を正確に制御し、例えば局部的空間レーザ源のような、LC材料デポジットの局部的空間アレイの形成が可能となる。例えばウェット、溶液系高分子のような流動性材料の上に、LCレージング（lasing）材料を設置することにより、LC材料内で、必要な配列が得られる。

LC材料がレーザ色素を有する場合、レーザ色素の吸収最大値での光励起の後、LC材料内での必要な整列が得られた際に、適正に定められた閾値および狭小ライン幅で、単一モードのレーザ放射が観測される。本発明では、インクジェット成膜プロセスでは、従来のガラスセル組立法で製造されたセルの制御に比べて、レージング閾値およびLCレーザシステムの放射特性に、僅かな影響しか生じないことが示される。この結果から、用途の様々な範囲での、制御された任意のサイズ、位置、および使用波長の、完全に2次元のレーザアレイの形成の可能性が示される。

本発明の主な目的は、レーザ装置を製造することであるが、最終的な装置がレーザ装置であることは重要ではない。他のフォトニック装置も想定される。他の任意の効果は、キラルネマチック液晶の配列により生じ、可能となる。

固有のキラルネマチック液晶フォトニックバンドギャップは、選択波長反射バンドとしても知られ、これ自身、光学的効果およびフォトニック装置を形成するために使用され得る。例えば、レーザ色素を追加する必要はなく、またレーザ色素を追加しても、前述のレーザ色素の閾値作動は必要ではない。

整列されたキラルネマチック液晶の重要な特性の一つは、らせん軸に対して平行に伝播する光の、この適正に定められた一次元フォトニックバンドギャップである。フォトニックバンドギャップ効果を観測するためには、キラルネマチック液晶の固有のピッチ（すなわち、局部的なネマチックディレクターまたは好適配向の360°回転の距離）は、関心波長範囲と同じオーダーである必要がある。キラルネマチック液晶のこの光学特性は、文献では良く知られている（例えば、H.J. Coles, “Handbook of Liquid Crystals” Vol. 2A (Chapter 4) “Chiral nematics: Physical properties and applications” pages 335−411, Editors D. Demus, J. Goodby, G.W. Gray, H.−W. Spiess, V. Vill, Wiley (1998)参照）。

図8には、反射バンドの一例を示す。この場合、液晶ホストBL006に、3.9wt%の高ねじれパワーキラル添加物BDH−1281が添加されている。混合物は、9μmのスペーサビーズによって離間された2枚のガラス基板を有するテストセルにキャピラリ充填され、表面は、基板に対して垂直ならせん配列が得られるように処理されている（研磨ポリイミド）。次に、セルは、顕微鏡（オリンパスBX−51）に取り付けられ、白色光で照射され、分光器（Ocean Optic USB2000）により、透過光の特性が測定される。

フォトニックバンドギャップの中心波長λcおよび反射バンドの幅Δλの位置は、液晶の固有のピッチP（LCディレクターが360°回転する流さスケール）により定められ、ネマチック液晶ホストの複屈折Δnは、以下の式で与えられる：

ここでn_avは、ローカルなネマチックディレクターに平行および垂直な屈折率の平均である。ピッチ（キラル添加物の濃度から容易に操作できる）および／または複屈折の選定により、反射バンドの位置および幅が容易に調整できる。

一次元フォトニックバンドギャップは、らせん軸に対して平行に伝播する光にのみ存在する。従って、視認方向が基板に対して実質的に垂直な、キラルネマチック液晶のフォトニックバンドギャップを観測するため、キラル軸は、基板に対して実質的に垂直に整列される必要がある。本発明の好適実施例では、印刷成膜プロセスを介して、そのような配列が促進される。ある実施例では、ある波長または波長範囲が優先的に反射されるようなピッチおよび／または複屈折のある値を有することが有益である。例えば、ある影響のため、赤、緑、もしくは青のスペクトルを反射する異なる領域、または可視光スペクトルよりも外側の領域を有することが有意である。反射バンドは、LED光源を備える装置（例えば携帯電話、カメラ電話、スマートフォン）によって形成されるスペクトルの既知の部分を反射するように、意図的に形成されることが好ましい。そうでなければ、材料は、肉眼で低い視認性を示す。一般に、光スペクトルのいかなる部分が選択的に反射されても良い。

また、吸収特性のさらなる調整のため、液晶ホストに吸収色素を追加することが有益である。図8には、ホストキラルネマチック液晶に、1%のPM−597色素が添加されたサンプルが示されている。測定される光特性は、実質的に色素吸収と液晶反射バンドの重ね合わせとなる。色素の多くの選択が可能であることは、当業者には明らかである。特に、認証およびセキュリティ用途では、例えば、可視スペクトルの外側で吸収を示す色素を追加することが有益である。

記載された光学的効果は、例えば、偽像防止、ブランド認証、および一般的なセキュリティ印刷パッケージ用の、ユニークな光署名を形成する際に特に有意である。

前述のパッシブな光反射に加えて、他の実際に有益なフォトニック効果を発生させても良い。これらは、例えば、予備閾値レーザ放射、またはキラルネマチックバンドギャップの存在により調整された発光を含む。さらなる詳細は、以下の実施例5および6に示されている。

以下の例に使用される液晶（LC）材料は、アキラルネマチックLCBL006（Merck KGaA）に、4.2wt%のキラル添加物BDH1281（Merck KGaA）を添加し、キラルネマチック相（BL006は、広く使用されており、4−シアノ−4’ −ペンチル−1，1’ −ビフェニルおよびターフェニル誘導体を有する広い温度のネマチック液晶混合物である）を発生させることにより調製される。高い量子効率のレーザ色素、ピロメテン−597（Excitonにより得られ、さらなる純化なしで使用される、1,3,5,7,8−ペンタメチル−2,6,−ジ−t−ブチルピロメテン−ジフルオロボレート錯体）が、キラルネマチック混合物に、1wt%の濃度で添加される。混合物は、オーブン内に配置され、ネマチックから等方性となる転移温度よりも10℃高い温度で24時間さらされ、十分な構成物の熱拡散が行われる。LCデポジットのレーザ波長を定める長波長フォトニックバンド端の位置を確認するため、混合物は、逆平行の研磨ポリイミド整列層を有する、10μmの厚さのガラスセルに充填される。

（比較例1）
最初の実験は、清浄な平坦ガラス基板上に、レージングLC材料を成膜することにより行われた。最適化レージングLC混合物は、ネマチック液晶BL006、高ねじれパワーキラル添加物（4.2wt%のBDH−1281）、および蛍光色素（1wt%のピロメテン−597）を含む。混合物は、色素のゲイン最大値で、LC媒体の585nmに近い放射波長を有するように設計された。LC混合物の粘度は、20℃で約110mPa・sであり、プリントヘッド製造者（MicroFab）により提案されているジェット限界の20mPa・sよりも大きい。しかしながら、LC混合物の流動学的測定では、その粘度は、高温では大きく減少し、通常のアレニウス挙動に従うことが示されている。市販のインクジェットシステムは、通常、室温または僅かの高温でインク処理がなされるが、相変化レジストのような機能材料の印刷には、より高いインク温度が好ましいことが示されている^（16）。従って、プリントヘッドは、LCレーザ混合物のネマチック遷移点に近い90℃から95℃に加熱され、最適な印刷用粘度が得られる。印刷の後、均一な固着液滴が得られ、通常、直径は、約200μmである。

清浄な平坦ガラス基板上でのインクジェット成膜後に得られたデポジットを、交差した偏光器の間で評価した。ディレクター配向内の欠陥を表す回位ラインが液滴にわたって広がっていることは明らかであった。また、この場合、実質的に環状の液滴デポジット内に不均一性が認められ、これは、液滴の中心から端部までの色の変化によって示されている。液滴の色は、交差する偏光器の下から視認した場合、中心で赤色であるが、色は、液滴の厚さの減少とともに、液滴の端部に向かって青色に変化した。

放射特性を評価するため、Nd：YAGレーザの二次高調波（532nm、3−4nsパルス期間）により、サンプルを光励起させた。スポットサイズは、110μmに収束させた。得られた放射プロファイルを図1に示す。強いマルチモードのレージング出力が得られた。約560nmと620nmの間に、一連の可変ライン幅ピークが得られた（PM−597の蛍光放射曲線に対応する）。多くのレージングモードは、液滴内に、異なる値のらせんピッチを有する領域からなる、多数のドメインがあることを示唆している。

Morrisら（2005）^（13）によって示された、研磨平坦表面整列LCセルに関する前の研究では、僅かに異なるピッチの値を有し、ポンプスポット径以下の通常のドメインサイズを有するマルチドメインサンプルでは、マルチモードレージング出力が得られることが示されている。一方、単ドメインサンプルは、高品質で単一モードのレーザ挙動を示す。図1に示すような低放射特性は、レーザ適用の範囲を大きく制限する。通常、適正に定められた放射波長において、中心化された狭小ライン幅が要求される。

（実施例1）
10wt%のポリビニルアルコールPVA（平均分子量10000amu、85%加水分解）溶液が、清浄なガラススライド上に滴下成形され、PVA膜が形成された。スキージとして、第2のガラススライドを用いて、PVA溶液が設置される前に、深さゲージとして、まずガラススライドの上に、50μmの厚さのポリイミド（Kapton）テープが配置された。単一のノズルMicrofab印刷装置（80μmのノズル直径）で構成されたカスタム印刷リグを用いて、ウェットPVA膜上のLCデポジットがパターン化された。LC混合物の粘度を、室温で110mPa・sから、MicroFab装置のジェット限界の20mPa・sまで下げるため、プリントヘッドは、加熱され、等方性からネマチックに変化する遷移温度よりも90℃から95℃低い温度に維持された。カスタム圧縮／真空制御器を用いて、ノズルでのLCメニスカス位置が維持され、二極性波形が印加され、ウェットPVA膜上にLC材料が放出された。

LC材料内の配列を促す所望の特徴物を、LC材料の正確な空間配置、例えば、単一モードのレーザ放射特性を得るために必要な配列と結びつける試みにおいて、本願発明者らは、前述の交互成膜法を開発した。この方法では、LC材料は、流動性材料層、例えば、図2、3に示すように、脱イオン水中の10wt%のPVA高分子溶液のウェット膜の上に直接印刷される。

図2には、この場合ガラスである基板200上に、この場合前述のPVA高分子溶液である流動性材料202の成膜を示した概略図を示す。基板は、この例ではKaptonテープである深さゲージ204を有し、ガラススライド200の対向する側に沿った深さゲージとして提供される。流動性材料202、例えば前述のPVA高分子溶液は、いかなる適当な方法で基板上に設置されても良く、例えば、前述の液滴成形法により設置される。次に、例えばガラススライドのような、バーまたはブレード206が、基板にわたって矢印210に示す方向に、動かされ、一定の厚さの流動性材料層208が残留する。流動性材料層（ウェット膜）の厚さは、深さゲージ204によって定められ、この場合、流動性材料層にわたって、約50μmであった。この流動性材料を成膜する方法は、ドクターブレード法として知られている。

図3aには、図2に示すように成膜された流動性材料層の上に、LC材料をインクジェット印刷する方法を示した概略図を示す。図2に示した特徴物は、再び記載されていないが、同様の参照符号が使用されている。図3aには、プリントヘッド300を示すが、これは、この例では液滴状のLC材料のアリコートを発生し、流動性材料層208の上に、LC材料が設置される。プリントヘッドは、例えばピエゾ電気制御手段のような、いかなる適当な制御手段で制御されても良く、流動性材料層の上にLC材料デポジットが正確に配置される。この例では、プリントヘッドは、LC材料デポジットの秩序化されたアレイをインクジェット印刷する。図3b乃至3eには、プリントヘッド300のプリントヘッド先端302の拡大断面が示されている。LC材料のデポジットが生じ、これは、流動性材料層上にLC材料デポジット304として設置される。図3bには、LC材料の液滴が生じる前（0μs）の、プリントヘッド先端が示されている。図3cには、LC材料の液滴発生から20μs後の、プリントヘッド先端が示されている。図3dには、LC材料の液滴発生から50μs後の、プリントヘッド先端が示されている。図3eには、LC材料の液滴発生から250μs後の、液滴の形成が示されている。この液滴は、その後、流動性材料層208の上に設置される。

図4aから4fには、通常の液滴成膜現象の重要な段階を示す。これらの図には、高速カメラで撮影された画像が示されている。図4aには、インクジェット印刷による液滴発生後の、LC材料400のほぼ球形の液滴が流動性材料層402に接近する様子を示す。図4bには、図4aの画像から0.2ms後の、LC液滴が流動性材料層402の表面に衝突する様子を示す。LC材料液滴が表面に衝突すると、流動性材料層の表面および液滴に変形が生じる。しかしながら、図4c乃至4eにおいて、図4aに示した画像から、それぞれ0.6ms、100ms、500msでのフレームでは、ウェットPVA溶液のLC液滴に対する表面張力および不混和性が十分に大きく、液滴がバルク高分子溶液に侵入することが抑制されていることは明らかである。最後に、図4fの2sのフレームでは、液滴は、適正に定められた対称プロファイルを有する状態で、膜の表面の平衡位置にあることが示されている。

直立らせん構造において、LCのレージングに必要な配列は、PVA高分子とLCの相互作用と、LC液滴の変形によって生じる機械的力との組み合わせによって得られると思われる。PVA高分子と両ネマチックおよびキラルLCの相互作用は、高分子分散液晶装置（PDLC）の内容で以前から評価されている^（17）。PVAは、LCディレクターの界面での平行配置を促進することが確認されている^（18,19）。図4b乃至4eに示す衝突プロセスに続き、また図4fに示すような平衡状態に達した際に得られる横方向の剪断により、LC液滴は、偏球形状になり、短軸は、PVA膜と垂直になる。LC材料と、流動性材料によって囲まれるLC材料の液滴の表面の流動性材料の間の境界は、破線404で示されている。図4aにおいて生じるLC材料のアリコートと同じ体積Vを有する球の直径D1（この例ではLC材料のアリコートは、実質的に球形液滴の直径D1に等しい）に対する、図4fにおける流動性材料層上のLC材料デポジットの長さL1（この例では、デポジットは、実質的に円形液滴であり、長さL1は、設置液滴の直径に相当する）の比は、約2：1である（D1は、80μmと測定され、L1は、160μmと測定され、H1は、51μmと測定された）。流動性材料層およびLC材料液滴が乾燥されると、D1に対する長さL2の比は、約3：1となる（L2は、250μmと測定され、H2は、10μmと評価された）。液滴は、表面を濡らし続けることはなく、膜が乾燥すると、液滴形状およびプロファイルの両方は、一定に維持される。平行アンカーおよび横の動きの組み合わせにより、図5に示すような直立らせん配列が得られ、これは、偏光顕微鏡を用いて確認された。

図5aには、基板500の概略的な断面図を示す。この基板は、厚さT1の流動性材料層502を支持し、この上には、LC材料504の実質的に円形のデポジットが形成される。図5には、本発明の方法により形成された、LC材料のデポジットの偏球形状が示されている。LC材料のデポジットは、高さH1および最大長さL1（この場合直径）を有する。この例では、LC材料は、キラルLC材料であり、これは、細長い分子506を含む。LC材料と流動性材料の間の不混和性および界面張力により、細長い分子にらせん配列が生じる。

図5bには、流動性材料層502の概略的な上面図を示す。この上には、LC材料デポジット504が形成される。図5bに示すLC材料デポジットは、楕円形状を有し、最大長さL1および最小幅W1を有する。

前述の実施例1に記載された方法で製造された本発明のLC材料デポジットのアレイを、交差偏光器の間で評価した。前述の比較例1に示した未処理表面に設置された液滴と比べて、本発明により製造されたLC材料のデポジットは、比較例1に示した清浄なガラス基板上のLC材料デポジットに比べて、良好な均一性を示した。本発明により設置された全てのLC材料のデポジットは、交差偏光器の間で視認した場合、全デポジットにわたり赤色であった。これは、比較例1の結果に比べて、デポジットにわたり均一なキラルネマチックピッチが得られていることを示す。本発明により製造されたデポジットの形態は、交差偏光器の間で視認した場合、45°までの回転下で、不変であることが認められた。これは、LCプロファイルが液滴自身の内部で回転対称であることを示すものである。また、液滴内で光消光は認められず、すなわちLCディレクターが偏光器もしくは解析器に対して、平行または垂直な領域は認められなかった。材料がキラルであり、局部的に均一な液晶ディレクターが巨視的ならせんを形成するという事実と組み合わせると、これらの観測結果から、LCディレクタープロファイルにおいて、らせん軸は基板に垂直であることが示唆される（グランジャン形態または均一直立らせん）。そのような配向は、基板に対して垂直なキラルLCにおける、単一モードのフォトニックバンド端レージングの予備必要条件であり、この場合、レーザ放射は、らせん軸に沿って生じる^（2）。

必要なキラルLC配列の観測に続き、LCレーザデポジットの放射特性を評価した。

励起レーザ閾値およびピロメテンドープLCエマルジョンサンプルからの放射の偏光を測定するため、ネオジミウムイットリウムアルミニウムガーネット（Nd：YAG）レーザ（ポラリスII、New Wave Research）の二次高調波（波長＝532nm）により、コーティング膜を光ポンプ化した。このレーザは、3−4nsのパルス期間を有し、繰り返し速度は1Hzである。入力エネルギーは、ビルトイン減衰システムにより変調し、較正エネルギーメータに接続された焦電ヘッドを用いてモニターした。いずれの場合も、ポンプビームがフォトニックバンドギャップに干渉しないことを確実にするため、1／4波長板を用いて、直線偏光を、キラルネマチックLCのらせんと反対の掌性の円偏光に変換した。次に、双凸レンズを用いて、ポンプビームを、サンプル位置でスポット径110μmまで集束させた。LCサンプルからの出力を、（らせん軸に対して平行な）基板の前方において捕集し、二重メニスカスレンズからなるレンズ組を用いて、HR2000USB分光器（Ocean Optics 解像度0.3nm）に集束させた。ポンプビームの検出を避けるため、検出器の前にロングパスフィルタを挟み、Nd：YAGレーザからの出力を排除した。

図6および図7には、532nmでの光励起の後に得られた放射スペクトルおよび入出力特性を示す。図6において、サンプルは、580nmに放射ピークを有する、鋭い単一モードの挙動を示した。これは、フォトニックバンド端の長波長、および1nm未満のライン幅に対応する。図7には、出力エネルギーの関数としての、入力のプロットを示す。サンプルは、約300nJ／パルスのレージング閾値を示した。キャピラリ力により、逆平行配列層を有する10μmの透過型テストセルに充填された従来の（非噴出）サンプルでは、閾値は、100nJ／パルスであった。閾値が向上した主な理由は、液滴と、レーザ空間プロファイルの不適切なマッチングによるものであり、これは、通常液滴に結合されないある入射光が存在することを意味する。本発明の方法により製造されるLC材料デポジットの最適高さH2は、ゲイン最大値に近いレージングの場合、前述のように約10μmである^（20）。LCレーザの偏光状態が実験的に定められ、右円偏光であることが認められた。これは、らせん構造の掌性と整合する。これは、レーザ機構は、フォトニックバンドギャップの端部での、大きな状態密度によるものであるという、さらなる事実を提供する^（21）。レージング出力の単一モードの性質は、このインクジェット成膜技術によって生じる液滴の均一性の有意な改善の直接的結果であることは明らかである。

（実施例2）
本願発明者らは、印刷に使用される材料とインクの粘度、および表面張力のような他の特性の制御が特に有益で有意であると考えている。これは、特に、適正な印刷または噴射に要求される通常の粘度が、約20mPa・sであり、表面張力が約20から70mN/mであるようなインクジェット印刷の場合、当てはまる。2013年5月16日にアクセスされた以下のURL参照：[http://www.microfab.com/images/pdfs/microjet_mf4]。

インクジェット印刷用の適当な条件を形成する従来の方法は、プリントヘッドおよび／またはリザーバを加熱し、印刷される材料の粘度および表面張力を適当な範囲にすることである。液晶を含む多くの材料において、粘度は、温度に大きく依存する。通常、粘度は、材料温度に対して、アレニウスタイプまたは指数関数的な依存性を示す。しかしながら、できる限り室温に近い温度で噴出ができることが有益である。これにより、プリントヘッドに対する複雑な加熱素子の必要性が低減され、既存の設備を用いることが可能となり、コストが抑制され、製造設備の汎用性が広がるからである。

液晶材料の場合、所与の温度で粘度を低下させ、または適正な印刷が可能となるように温度を低下させる、ある特に好適な方法は、液晶材料または中間相が秩序化された等方性液体に相変化する転移温度を低下させることである。この技術分野では、LC材料の個々の成分の選択および混合物の形成により、広い範囲で（例えば0℃未満から200℃超まで）、相転移温度または透明点が、制御できることは良く知られている。

この実施例2では、LCE−100（Merck、独国）中に、3%のキラルドーパントR−5011（Merck）を溶解した。混合物の透明点は、約68℃であった。単一ノズルのMicrofab印刷装置（ノズル直径80μm）を含むカスタム印刷リグを用いて、混合物をインクジェット印刷した。この装置は、LCデポジットの印刷に使用される。LCは、ウェットPVA（脱イオン水中10%PVA；PVAは、10000amu平均重量で、85%加水分解されている）膜上に設置された。ウェット膜は、標準的なK−barバーコータ（RK Print Ltd．英国）を用いて成膜された。6、24、および100μmの異なる膜厚を使用した。

光学的観測により、標準的ならせん配列が確認された。MicroFab装置の噴出限界である20mPa・sまで、LC混合物の粘度を低下させるため、プリントヘッドを約77℃に加熱し、この温度に維持した。この温度は、約68℃の相転移点を超える。カスタム圧縮／真空制御器を使用して、ノズル位置にLCメニスカスを維持し、バイポーラ波形を印加し、LC材料をウェットPVA膜上に噴出した。

この実施例では、LCインクの組成を適当に制御することにより、実施例1に比べて、約20℃、LC材料の印刷温度の低下が可能であることが示された。

（実施例3）
キラルLCデポジットの成膜後に、LC材料を架橋できることは特に有益である。これにより、装置の環境的および機械的耐久性が向上し、ならびに／または装置のさらなる機能の付与が可能になる。

LC材料の架橋を可能にするため、適当な量の反応性メソゲン（液晶材料ではあるものの、LC分子自身の一部として、接続／架橋が可能な、アクリレート基のような反応性化学基を有する）を、キラルLC混合物に加えた。通常、反応性メソゲンの濃度は、0%より大きく、最大100%である（100%は、存在する全てのLC分子が架橋基を有する状況を表す）。

実施例3では、UCL−011−K1（大日本インク社、日本）に、3.2%のキラルドーパントR−5011を溶解した。厚さ24から50μmの間のウェットPVA膜上に、115℃のプリントヘッド温度で、材料を連続的に噴射し成膜した。、PVA膜は、実施例1と同様の方法で形成した。次に、成膜した材料を、10分間、UV硬化した（365nm、OmnicureS1000、10mW／cm²）。

実施例1と同様の方法での光学的観察により、直立らせん配列が確認された。

（実施例4）
ウェットPVA膜の形成と、後続のインクジェット印刷によるLCアリコート成膜の間のタイミングの影響を評価する実験を行った。ここでは、ウェットPVA膜の形成と、インクジェット印刷による後続のLCアリコートの成膜との間の時間を、「処理時間」と称する。

この実験に基づくと、処理時間の好ましい下限が存在し、この時間以降では、LCの良好な配列（すなわち直立らせん）が生じる。

処理時間の最大値は、ウェット膜の厚さ、組成、および処理条件によって、変化することが認められた。

厚さ24μmのウェットPVA（H₂O中10%PVA）膜の場合、最小処理時間は、250秒弱である。最小時間は、ウェット膜の開始厚さの減少とともに減少する。最小処理時間は、さらに、基板のアクティブ乾燥により、制御（低減）できることが観測された。

厚いまたは比較的希釈された流動性材料層の場合、通常、比較的長い処理時間を採用する必要があり、あるいは処理時間を抑制するため、活性化手段（活性乾燥処理など）を用いることが必要となる。

理論に拘束されるものではないが、本願発明者らは、この現象は、LC材料の配列を促進する適正な条件を提供するためには、流動性材料層が定着し、（乾燥により）適当な濃度に達する必要があるためであると考えている。

特定の膜厚、組成、および処理条件における最小処理時間の前後の液滴配列は、前述の実施例1に関して示したような偏光光学顕微鏡により、直接観測することができる。

（比較例2）
成膜のさらなる均一性の改善を試みるため、研磨処理され、ベークされたポリイミド配列層のみで処理された表面への成膜を用いて実験を行った。これらの表面は、従来のガラスセル内のLCの平坦アンカー効果を促進する。これらの実験では、LC材料は、前述のように使用され、この材料は、前述のものと同様のインクジェットプロセス条件を用いて成膜された。実施例1の流動性材料層の代わりに、一軸研磨方向に平坦配列剤（Merck AM4276）を有する基板上に、LC材料を成膜した。この場合、成膜直後、および時間の関数として、液滴による表面の顕著な濡れが観測され、装置は実用的ではないことが観測された。

（実施例5）
ネマチック液晶BL006に溶解された4.15wt%のBDH−1281（いずれも独国Merck GmbHから入手できる）からなる、キラルネマチック色素ドープ液晶混合物を作製し、これに1wt%のPM−597レーザ色素（米国Exciton）を添加した。混合物を、2つの平行平面ガラス表面を有するテストセルにキャピラリ充填した。各平行表面は、研磨ポリイミド配列層でコーティングされ、9μmのスペーサビードで離間され、直立らせんまたはグランジャンのキラルネマチック液晶の配列が促進される。配列は、偏光光学顕微鏡による観測を通して確認された。次に、サンプルは、532nmのNd：YAGレーザ（CryLas GmbH；レンズにより約100μmのスポットサイズに収束される）により光学的にポンプ化された。
パルスエネルギーは、約270nJである。次に、Ocean Optics USB2000ファーバー結合分光器を用いて、光放射が記録された。比較のため、同じ条件下で、フォトニックバンドギャップのない、アキラルBL006サンプル（すなわちキラル添加剤なし）中の1wt%のPM−597サンプルを、光学的にポンプ化し、光学バンドギャップの調整効果なしで観測される蛍光を評価した。図9には結果を示す。

図9からわかるように、フォトニックバンドギャップの存在は、アキラル（フォトニックアンドギャップを有しない）サンプルに比べて蛍光を改善する。これは、例えば、蛍光に重畳される強度の局部的な最大値の形成を含む。ここでの装置は、予備閾値モードで作動し、従って低強度の光ポンプで作動されることに留意する必要がある。これは、ポンプ源は、例えば、通常カメラフォンに設けられるフラッシュLEDのような、LEDであっても良いことを意味する。そのような作動は、以下の実施例6に示す。

この実施例に使用されるLC材料は、前述の他の実施例に示したような、LC材料デポジットの形成のための、流動性材料層上へのインクジェット印刷に適する。

（実施例6）
ネマチック液晶ホストE49（Merck GmbH）中に、3.5wt%のBDH−1305（Merck GmbHから得られるキラルドーパント）、1%DCMレーザ色素（米国Exciton）を含む混合物を、テストセル（10μm経路長、研磨ポリイミド配列層）に充填した。次に、サンプルは、連続作動LED（放射波長450nm；作動パワー1W；Luxeonから入手できる）によりポンプ化され、光放射特性が測定される。

図10には、波長の関数としての放射強度を示す。図には、特性プロファイルが示されている。スペクトル位置および強度に関する特性放射プロファイルは、例えば、以下の1または2以上を変えることにより、容易に制御することができる：フォトニックバンドギャップの位置および幅；色素の蛍光スペクトル；ポンプ波長；および励起源のパワー。

いったん、基板に垂直な、直立らせん配列のステップが生じると、印刷成膜を用いたサンプルにおいても、同じ光学的効果が観測される。

（結論）
本発明のインクジェット技術により形成された、複雑で機能的なレーザ／フォトニック装置アレイは、様々な技術分野において、重要な潜在性を有することが期待される。インクジェット成膜プロセスにより得られる高精度の位置制御と、極めて狭小のライン幅^（8）で450〜850nmの範囲で連続的に選択可能な、レーザ放射特性の制御との組み合わせにより、さらなる技術の適用が可能となる。また、インクジェット印刷されたLCレーザのアレイは、単一の基板内で、任意の波長の複数の同時レーザの発生のための、アレイベースのポンプ化技術^（22）に組み合わせることもできる。特に興味深いのは、前述のようなセキュリティ用途、および例えば、蛍光タグ系バイオ検体のようなラボオンアチップ（lab−on−a−chip）用途である。独立に設定可能なレーザのアレイを、同時光学分析用のサンプルウェル（well）に印刷することが可能になる。

本願発明者らは、本発明の方法を用いて、例えばLCレージング媒体のようなLC材料を、例えばウェット、溶液処理可能なPVA膜のような流動性材料層の上に、高精度インクジェット成膜を行い、再現性のある複数の低閾値単一モードレーザ装置の形成可能性を検証した。この方法で印刷されたレーザは、インクジェット印刷の簡単さおよび有意性を発揮したまま、研磨ポリイミド配列層で予備処理された従来のガラスセル内に閉じ込められたサンプルの全ての放射特性を維持する。LCディレクターの平坦配列を促進する界面相互作用と、成膜プロセス中に生じる剪断力との組み合わせは、例えばガラス基板のような、上部に流動性材料層が成膜される基板に対して直交する、フォトニックバンド端レーザに必要な直立らせん配列を助長する。

前述のように、一実施例を用いて本発明について説明したが、当業者には、本開示から、多くの等価な改変および変更が明らかである。従って、前述の本発明の一実施例は、一例とみなされ、限定するものではない。本発明の範囲および思想から逸脱しないで、前述の実施例に対する各種変更が可能である。

前述の参照された文献は、本願の参照文献として取り入れられる。

明細書で参照した非特許文献：
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Claims (28)

1. フォトニック装置を製造する方法であって、
   （i）体積がVの液晶（LC）材料のアリコートを提供するステップであって、前記体積Vは、直径D1の球と同じ体積である、ステップと、
   （ii）流動性材料層の表面に前記アリコートを成膜して、液晶デポジットを形成するステップであって、前記流動性材料と前記LC材料は、実質的に不混和性である、ステップと、
   を有し、
   前記液晶デポジットは、前記流動性材料層との相互作用のため、前記アリコートの形状に対して変形した形状をとり、前記液晶デポジットは、前記流動性材料層の成膜前の表面と平行な方向で測定される、最大長さL1を有し、
   該L1は、D1よりも大きい、方法。
2. 前記発生液滴は、インクジェット印刷により生じることを特徴とする請求項1に記載の方法。
3. 前記液晶デポジットは、前記流動性材料層の成膜前の表面と平行な方向で測定される、最小幅Ｗ1を有し、
   D1に対するW1の比は、0.1：1よりも大きいことを特徴とする請求項1または2に記載の方法。
4. 前記成膜された液滴は、前記流動性材料層の成膜前の表面に対して垂直な方向で測定される、高さH1を有し、
   L1はH1よりも大きいことを特徴とする請求項1乃至3のいずれか一つに記載の方法。
5. D1に対するL1の比は、20：1以下であることを特徴とする請求項1乃至4のいずれか一つに記載の方法。
6. 前記流動性材料は、高分子溶液であることを特徴とする請求項1乃至5のいずれか一つに記載の方法。
7. 前記流動性材料層をサポート層に変換するステップを有することを特徴とする請求項1乃至6のいずれか一つに記載の方法。
8. 前記流動性材料層をサポート層に変換するステップは、前記流動性材料層を収縮させるステップを有することを特徴とする請求項7記載の方法。
9. 前記流動性材料層をサポート層に変換するステップの後の、D1に対する前記LC材料デポジットの前記長さL1の比は、20：1以下であることを特徴とする請求項7または8に記載の方法。
10. 前記LC材料は、キラルLC材料であることを特徴とする請求項1乃至9のいずれか一つに記載の方法。
11. 前記流動性材料は、前記LC材料の整列を促進する配列成分を有することを特徴とする請求項1乃至10のいずれか一つに記載の方法。
12. 前記流動性材料層は、前記LC材料の成膜前に、前記層にわたって、実質的に一定の厚さを有することを特徴とする請求項1乃至11のいずれか一つに記載の方法。
13. さらに、前記LC材料デポジットの上部に、保護材料層を提供するステップを有することを特徴とする請求項1乃至12のいずれか一つに記載の方法。
14. 一連のLC材料デポジットを成膜するため、ステップ（i）および（ii）は、繰り返されることを特徴とする請求項1乃至13のいずれか一つに記載の方法。
15. 前記LC材料のアリコートは、複数提供され、前記流動性材料層に単一の配置で成膜されることを特徴とする請求項1乃至14のいずれか一つに記載の方法。
16. 前記流動性材料層は、インクジェット成膜により、連続膜、個々の液滴、または流動性材料層の接続された液滴の群として、基板上に形成されることを特徴とする請求項1乃至15のいずれか一つに記載の方法。
17. 前記LC材料は、レージング（lasing）材料を形成することを特徴とする請求項1乃至16のいずれか一つに記載の方法。
18. 前記LC材料は、蛍光色素、蛍光レーザ色素、量子ドット、または他の光収穫器もしくはゲイン添加物を含むことを特徴とする請求項1乃至17のいずれか一つに記載の方法。
19. 請求項1乃至17のいずれか一つに記載の方法によって得られた、または得られるフォトニック装置。
20. 請求項1乃至17のいずれか一つに記載の方法によって得られた、または得られるレーザ装置。
21. 下地層の上に形成された少なくとも一つの液晶（LC）材料デポジットを有するフォトニック装置であって、
    前記下地層は、前記LC材料デポジットを取り囲む下地層表面を有し、
    前記LC材料デポジットは、前記LC材料デポジットを取り囲む前記下地層表面と平行な方向で測定される最大長さL2と、前記LC材料デポジットを取り囲む前記下地層表面に対して垂直な方向で測定される最大高さH2と、を有し、
    L2は、H2よりも大きく、
    前記液晶デポジットは、前記LC材料デポジットを取り囲む前記下地層表面の上に突出するように形状化される、フォトニック装置。
22. 前記LC材料デポジットを複数有することを特徴とする請求項21に記載のフォトニック装置。
23. 前記液晶デポジットは、前記LC材料デポジットを取り囲む前記下地層表面の下方に突出するように形状化されることを特徴とする請求項21または22に記載のフォトニック装置。
24. H2に対するL2の比は、2：1から200：1の範囲であることを特徴とする請求項21乃至23のいずれか一つに記載のフォトニック装置。
25. 前記フォトニック装置は、電磁放射線源によって照射され、対応する応答を提供し、
    該対応する応答は、検出器または観測により検出される、請求項19、21、22、23、または24に記載のフォトニック装置の使用。
26. 前記フォトニック装置は、レーザ色素を有し、
    前記電磁放射線源は、前記LC材料デポジットにレージングを提供する上で十分な光ポンプを提供することを特徴とする請求項25に記載の使用。
27. 前記フォトニック装置は、レーザ色素または蛍光色素を有し、
    前記装置は、閾値未満で作動されることを特徴とする請求項25に記載の使用。
28. 前記フォトニック装置は、該フォトニック装置のフォトニックバンドギャップに基づいて、前記フォトニック装置から、前記照射電磁放射線の選択反射が生じるように照射されることを特徴とする請求項25に記載の使用。

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