JP2019501424A - 光学的に等方性の液体からなる電気制御可能な光学素子、ことにレンズ、および液状複合材料を基礎とするその製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
L=L0・sin2δ/2
位相シフトδは、電界強度E、コンデンサープレート間の光路長l、および誘電体のカー定数Bに依存して、次の関係に従う
δ=2π・B・l・E2
したがって、L=L0・sin2(π・B・l・E2)となる。
ニトロベンゼン
ニトロトルエン メタ
ニトロトルエン オルト
が使用される。
溶解されるべき物質として次のものが提案される:ジニトロベンゼン オルト、ニトロアニリン(好ましくはパラ)、ニトロトルエン パラ、クロロニトロベンゼン オルト、クロロジニトロベンゼン 1:2:3、ジクロロニトロベンゼン 1:2:3、ニトロナフタレン アルファ、ジニトロナフタレン 1:8。
・ 基板;
・ 基板にわたって延在する電気光学構造、ここで、電気光学構造は伝播軸を有する導波路を含む;
・ 電界をその間に形成するための第1および第2の電極構造、ここで、電界は導波路内に回折格子を誘導し、ここで、第1および第2の電極構造は電気光学構造の向かい合った側に配置されていて、かつ各々は同一平面内で導波路の伝播軸に対して平行に延在し、ここで、第1の電極構造は指型に配置されたフィンガーの第1のセットおよび第2のセットを含み、ここで、第1のセットフィンガーは電位V0未満であり、かつ第2のセットフィンガーは電位V0+¢V未満であり、ここで、V0は回折格子の屈折率の調節のために可変であり、かつ格子の空間周期性の切替のために計数値の間で可変である。
・ 基板;
・ 基板にわたって延在する電気光学構造;
・ 電界をその間に形成するための第1および第2の電極構造、ここで、電界は電気光学構造内に回折格子を誘導し、ここで、第1および第2の電極構造は、上下に配置された平面に沿って互いに平行に、かつ電気光学構造に対して平行に延在し、かつ電気光学構造の向かい合った側に配置されていて、かつ第1の電極構造は、指型に配置されたフィンガーの第1のセットおよび第2のセットを含み、ここで、第1のセットフィンガーは電位V0未満であり、かつ第2のセットフィンガーは電位V0+¢V未満であり、ここで、V0は回折格子の屈折率の調節のために可変であり、かつ格子の空間周期性の切替のために計数値の間で可変的である。
a) カー液体は、活性複合材料としての棒状分子と非棒状分子との混合物、反応性メソゲン、光開始剤および脂肪族モノマーを有し、
b) カー液体を、薄層セルとして構成されたカーセル内へ充填し、
c) カー液体を、ホメオトロピック配向を有するLC相が形成される、室温RTよりも低い温度Tに冷却し、かつ
d) ホメオトロピックに配向した層のUV照射によりラジカルを生成させ、このラジカルが、カー液体中で脂肪族モノマーと架橋したメソゲンからなる目の粗いルーズな異方性網目構造が生じるように、配向した反応性セミメソゲンの重合を引き起こすので、
電圧Uなしで作動温度範囲RTでは、大きな双極子モーメントを有する棒状分子と、非棒状双極分子との複合材料は再び等方性であり、かつ電圧Uの印加の際に複合材料の分子は電気力線の方向に配向する
ことにより解決される。
a) 視力補助具用の電気的に高速切替可能な個別光学素子
b) 調整可能な、個々に調節可能な視力補助具
c) テレスコープメガネ用の切替可能な拡大系
・ 屈折光学素子および回折光学素子、
・ 電気的に連続して調節可能な、または2つの状態の間で切替可能なレンズ、
・ 電気的に連続して調節可能で、かつ局所的に変更可能なレンズ(補正レンズ、非球面レンズ)、
・ 局所的に、かつ効果について連続的に調節可能な視力補正具または2つの状態の間で切替可能なレンズ(切替可能な近方視部分)、
・ 電気制御可能な回折格子、
・ 偏光に依存しない位相変調器。
セル基板は、ガラスまたはプラスチックからなることができる。基板は、平坦であるか、もしくは凹状であるか、もしくは凸状であることができ、またはマイクロレンズを有していてもよい。基板1は、数μmの均一な間隔でスペーサー(ガラス繊維片もしくはプラスチック繊維片または小球またはリソグラフィーにより作製されたポリマー構造)により保持される。光学接着剤によって、両方の基板1は端面で互いに固定される。
ガラス基板またはプラスチック基板1に、透明電極2が設けられる。これらの透明電極は、好ましくはITO、金属、もしくは導電性ポリマーからなる電極であり、これらの電極はスパッタリング、蒸着、印刷などにより基板1上に塗布される。電極2は、大面積であるか、または構造化されていてもよく、この場合、構造化は、電極の塗布の際にマスクを用いた印刷により行うことができる。あるいは、本発明の範囲内で、大面積の電極は構造化することができる。
ITO電極2上に整列層3の薄層(20nm〜1μm)を塗布し、この整列層は低温でもしくは作動温度範囲未満(T<RT)で複合材料のホメオトロピック配向を引き起こす。このために、本発明の範囲内で、ポリイミド、ポリビニルアルコール、感光性ポリマー、レシチンなどのようなポリマーが使用される。
複合材料は、ほぼ室温の作動温度範囲RTで等方性である。異方性状態は、配向層を用いた界面配向により低温で達成される。この異方性中間状態は、反応性メソゲン5の光重合による異方性網目構造9の製造のために必要なだけである。次いで、作動温度範囲RTで、再び、極性の棒状および非棒状分子4、5の等方性状態が達成される。
1. 室温RTで、基板1の間の複合材料混合物4、5の等方性の初期状態。
2. 光重合前の低温でのホメオトロピック状態(図1左参照)。
3. 低温での光重合により作製される異方性網目構造を有するホメオトロピック状態(図1右参照)。
4. 電圧Uのスイッチオフによる、室温RTでの異方性網目構造を有する等方性状態(図2左参照)。
5. 電圧Uの印加による複合材料の配向。この配向は、異方性網目構造9により促進される(図2右参照)。
− 高い屈折率異方性を有する液晶化合物、
− 秩序の調節のためのセミメソゲン4、ならびに
− 異方性網目構造9の形成のための光重合可能な反応性メソゲン8
からなるこの混合物(図3参照)の主成分の光学特性および動的特性ならびに分子間相互作用の正確な調節を必要とする。
(1) 液晶秩序の解消は、アルキル末端基の二次的または三次的分枝および/または側方の置換基により達成することができる。
(2) 高い誘電異方性、高いカー定数、または高い屈折率異方性は、極性の頭部基のバリエーションにより、および剛性の分子部分内の複素環の導入により達成される。
a) ホメオトロピックに配向した混合物(予備複合材料)中での反応性メソゲン8を有する等方性混合物(図5a参照)、および
b) 網目構造安定化分子による網目構造9と整列層3との共有結合(図5b参照)。
− 高いカー定数
− 高い誘電異方性
− セミメソゲン4による作動温度範囲内で等方性でかつ液状
− 棒状分子5および極性セミメソゲン4による高い電気的に誘導可能な屈折率変調
− 全体の作動温度範囲内での良好な均質性(物質の混和性、低い相分離傾向)
− 低い回転粘度によるわずかな切替時間
− 可視スペクトル領域内でのわずかな吸収
− 高い(光)化学的安定性。
a) 視力補助具用の、ことに切替可能な近方視部分を有する視力補助具用の無偏光の電気的に調節可能な近方視野、
b) 調整可能な、個別に調節可能な視力補助具(透過型アクティブマトリックスディスプレイの場合に類似して、μmで構造化された電極の利用下での画素的制御を備えた視力補助具)および
c)テレスコープメガネまたは多機能メガネ用の切替可能な拡大系。
− 測定ヘッド内でのカーセルによる試料の分析
− ウェハ検査システム
− 顕微鏡または内視鏡内の偏光子
− 電界強度の測定
− ICまたはLCD用のマイクロリソグラフィー投影露光装置
− 印刷版の露光用の光変調器
− CDまたはDVDに記録する際の偏光方向に回転する素子
− 100GHzまでの信号(光学的信号)のデジタル化のための、カーセルを用いた、および後続する偏光フィルタありまたは偏光フィルタなしの高速光スイッチ
− MRT系(核磁気共鳴断層撮影系)での光学変調器
− 顕微鏡または内視鏡内の偏光子
2 導電性層(導電性ITO電極)
3 配向層(整列層)
4 非棒状分子(活性複合材料、セミメソゲン、前駆体混合物)
5 棒状分子(活性複合材料、前駆体混合物)
6 光開始剤
7 脂肪族モノマー
8 反応性メソゲン
9 異方性網目構造(ポリマー網目構造)
10 架橋したメソゲン
K カー液体
RT 作動温度範囲
U 電圧
Claims (10)
- 2枚の基板(1)と、前記基板(1)の内側表面上に設けられた導電性層(2)とを有する、カー液体で充填されたカーセルを有する電気制御可能な光学素子において、前記カー液体(K)は、活性複合材料として棒状分子(5)と非棒状分子(4)との混合物を有し、かつ前記カー液体(K)は、薄層セル内で、基板(1)上に設けられ構造化されたまたは/および平面状の導電性層(2)の間で、予備形成可能な、目の粗い異方性網目構造(9)を有する薄層を、電気光学カー効果に従って、前記カー液体(K)の前記活性複合材料(4、5)の状態が電界なしで作動温度領域RTで等方性であり、かつ電圧Uの電気的に連続する調節によるか、もしくは電圧Uのスイッチオン/スイッチオフにより前記光学素子の電圧により誘導された位相高低差または屈折率高低差の変化を生じ、かつ光が電極に対して垂直方向で電極間隔を通過するように形成することを特徴とする、電気制御可能な光学素子。
- 前記薄層セルは、2枚のガラス製またはポリマー製の基板(1)を有し、前記基板(1)の内側表面に、それぞれ導電性層として導電性ITO電極(2)が設けられていて、かつその上に配向層(3)が設けられていて、かつ冷却されたカー液体(K)中に混合された光開始剤(6)、脂肪族モノマー(7)および反応性メソゲン(8)を用いた目の粗い異方性ポリマー網目構造(9)のための予備形成、電圧Uの印加による前記棒状分子(5)の整列、および前記カー液体(K)のUV照射が行われることを特徴とする、請求項1記載の電気制御可能な光学素子。
- ホメオトロピック配列を引き起こす配向層(3)は光架橋可能な基または光重合可能な基を含み、かつ前記異方性網目構造(9)は両方の基板界面に共有結合で固定されていて、それにより前記網目構造(9)は、ほぼ室温RTの作動範囲への温度上昇による前記カー液体(K)の等方化の場合であっても、その異方性の形を維持することを特徴とする、請求項2記載の電気制御可能な光学素子。
- 前記カー液体(K)の活性複合材料として大きな双極子モーメントを有する前記棒状分子(5)は、ナノスケールのクラスターまたはナノ粒子の形で目の粗い異方性ポリマー網目構造(9)内に固定されて存在し、ここで、形状異方性分子(5)の網目構造(9)内での固定は、非共有結合型の分子間相互作用によって行われ、かつここで前駆体混合物(4、5)の分子クラスターまたは球形または非球形のナノ粒子は分散され、それにより一方でカー効果の向上が秩序づけて固定されたクラスターまたはナノ粒子の高い安定した配向秩序により達成され、他方で溶液中で、または澄明点を超えたLC材料中でのカー効果の温度依存性は最小化されることを特徴とする、請求項1記載の電気制御可能な光学素子。
- 前記形状異方性分子(5)の前記分子間相互作用は、ピリジン/酸または酸/酸のH架橋結合、イオン性相互作用およびππ相互作用に基づき形成され、かつ前記カー効果の安定化のために前記分子間相互作用および予備配向効果の多様な温度依存性が利用されることを特徴とする、請求項4記載の電気制御可能な光学素子。
- 前記カー液体(K)の活性複合材料として前記非棒状セミメソゲン(4)が分子間相互作用により形成され、かつ温度上昇が、非共有結合型の相互作用の弱体化を引き起こし、ここで複合体は部分的に分解されることを特徴とする、請求項1記載の電気制御可能な光学素子。
- 2枚の基板(1)と、前記基板(1)の内側表面上に設けられた導電性層(2)とを有し、カー液体で充填されたカーセルを有する電気制御可能な光学素子の製造方法において、
a) 前記カー液体(K)は、活性複合材料としての棒状分子(5)と非棒状分子(4)との混合物、反応性メソゲン(8)、光開始剤(6)および脂肪族モノマー(7)を有し、
b) 前記カー液体(K)を、薄層セルとして構成されたカーセル(K)内に充填し、
c) 前記カー液体(K)を、ホメオトロピック配向を有するLC相が形成される、室温RTよりも低い温度Tに冷却する、
d) ホメオトロピックに配向した層のUV照射によりラジカルを生成させ、前記ラジカルが、前記カー液体(K)中で前記脂肪族モノマー(7)と架橋したメソゲン(10)からなる目の粗いルーズな異方性網目構造(9)が生じるように、配向した反応性セミメソゲン(8)の重合を引き起こすので、
電圧Uなしで作動温度範囲RTでは、大きな双極子モーメントを有する棒状分子(5)と、非棒状双極子分子(4)との複合材料はまた等方性であり、かつ電圧Uの印加の際に前記複合材料の分子は、電気力線の方向に配向する、
ことを特徴とする、電気制御可能な光学素子の製造方法。 - ホメオトロピック配向を引き起こす配向層(3)は、光架橋可能な基または光重合可能な基を含むことを特徴とする、請求項9記載の方法。
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