JP2023514001A - ナノボイド化ポリマーのテンプレート合成 - Google Patents
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Abstract
ボイド化ポリマーを形成する方法は、ポリマー前駆体および固体テンプレート剤を含む重合性組成物を形成すること、重合性組成物のコーティングを形成すること、コーティングを処理して、複数の画定された領域に固体相を有する硬化ポリマー材料を形成すること、および硬化ポリマー材料から固体相の少なくとも一部を除去して、ボイド化ポリマー層を形成することを含む。【選択図】図5
Description
関連出願の相互参照
本願は、2020年2月4日に出願された米国仮特許出願第62/969,967号および2020年7月14日に出願された米国仮特許出願第63/051,573号の35U.S.C.§119(e)の下での優先権の利益を主張し、その内容は参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。
本願は、2020年2月4日に出願された米国仮特許出願第62/969,967号および2020年7月14日に出願された米国仮特許出願第63/051,573号の35U.S.C.§119(e)の下での優先権の利益を主張し、その内容は参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。
ポリマー材料は、能動式光学系と受動式光学系および電気活性デバイスを含む、様々な異なる光学および電気光学的デバイスアーキテクチャに組み込むことができる。例えば、電気活性ポリマー(EAP)材料は、電場の影響下でその形状を変化させることができる。EAP材料は、作動、検知、および/またはエネルギーハーベスティングを含む様々な技術での使用が調査されている。軽量で適合可能な電気活性ポリマーは、触覚装置などのウェアラブル装置に組み込むことができ、快適で調整可能なフォームファクタが望まれる仮想現実/拡張現実デバイスを含む新興技術の魅力的な候補である。
例えば、仮想現実(VR)および拡張現実(AR)アイウェア装置またはヘッドセットは、ユーザが三次元世界のコンピュータ生成シミュレーションにおける人々との対話、または現実世界の視界に重ね合わされたデータを見るなどのイベントを体験することを可能にすることができる。VR/ARアイウェア装置およびヘッドセットはまた、レクリエーション以外の目的に使用されてもよい。例えば、政府はこのような装置を軍事訓練に使用することができ、医療専門家はそのような装置を使用して手術をシミュレートすることができ、エンジニアはそのような装置を視覚化設計の補助として使用することができる。
これらの用途および他の用途は、光を操作するための屈折率、および/または電気活性用途の例では、導電性電極間に圧縮を発生させるための静電気力を含む、薄膜ポリマー材料の1つまたは複数の特性を活用することができる。いくつかの実施形態では、電気活性応答は、装置の空間的範囲にわたって変化する電気入力に対する機械的応答を含むことができ、電気入力は、制御回路によって、対電極間に位置する電気活性材料の層に印加される。機械的応答は、作動と呼ばれてもよく、例示的な装置は、アクチュエータであってもよく、またはアクチュエータを含んでもよい。
第1の態様によれば、方法であって、ポリマー前駆体および固体テンプレート剤を含む重合性組成物を形成すること、重合性組成物のコーティングを形成すること、コーティングを処理して、複数の画定された領域に固体相を含む硬化ポリマー材料を形成すること、および硬化ポリマー材料から固体相の少なくとも一部を除去して、ボイド化ポリマー層を形成することを含む方法が提供されている。
方法は、重合性組成物を処理して均一溶液を形成することをさらに含み得る。
固体相の少なくとも一部を除去することが、テンプレート剤をおよそ30℃~およそ300℃の温度で昇華させることを含み得る。
テンプレート剤は、多環芳香族炭化水素を含み得る。
テンプレート剤は、2-ナフトール、アントラセン、安息香酸、サリチル酸、樟脳、サッカリン、キニン、コレステロール、パルミチン酸、ステアリン酸、アセチルサリチル酸、アトロピン、ヒ素、ピペラジンおよび1,4-ジクロロベンゼンからなる群から選択され得る。
複数の画定された領域は、およそ20μm未満の最大寸法を有する材料リッチ領域をテンプレート化することを含み得る。
固体相の少なくとも一部を除去することは、昇華を含むことができる。
ボイド化ポリマー層が、およそ0.2MPa~およそ500MPaの弾性率を有し得る。
重合性組成物は、UVラジカル開始剤、熱ラジカル開始剤、およびレドックスラジカル開始剤からなる群から選択される開始剤をさらに含み得る。
第2の態様によれば、方法であって、ポリマー前駆体および固体テンプレート剤を含む均一溶液を形成すること、基板に溶液の層を形成すること、層を処理して、固体テンプレート剤相の個別のドメインを含む硬化ポリマー材料を形成すること、およびドメインから固体相の少なくとも一部を除去して、ボイド化ポリマー層を形成することを含む方法が提供されている。
テンプレート剤は、多環芳香族炭化水素を含み得る。
テンプレート剤は、2-ナフトール、アントラセン、安息香酸、サリチル酸、樟脳、サッカリン、キニン、コレステロール、パルミチン酸、ステアリン酸、アセチルサリチル酸、アトロピン、ヒ素、ピペラジンおよび1,4-ジクロロベンゼンからなる群から選択され得る。
固体相の少なくとも一部を除去することは、昇華を含むことができる。
第3の態様によれば、ボイド化ポリマーであって、ポリマーマトリックス全体に不均一に分散された複数のボイドを有するポリマーマトリックスを含む、ボイド化ポリマーが提供されている。
ボイドは、樹枝状パターンを呈し得る。
第4の態様によれば、ボイド化ポリマー層が導電性電極間に配置されている、第3の態様に記載のボイド化ポリマーの層を含むアクチュエータ要素が提供されている。
第5の態様によれば、第3の態様のボイド化ポリマーを含む音響要素が提供されている。
第6の態様によれば、方法であって、気化した反応物組成物を反応チャンバに導入することであって、気化した反応物組成物が、ポリマー前駆体および有機テンプレート剤を含む、導入すること、反応チャンバ内に配置された基板の上に反応物組成物を含むコーティングを形成すること、およびコーティングを処理してポリマー前駆体を硬化させ、有機テンプレート剤を結晶化させて複合層を形成することを含む方法が提供されている。
方法は、結晶化した有機テンプレート剤の少なくとも一部をコーティングから除去して、ボイド化ポリマー層を形成することをさらに含んでもよい。
方法は、複合層の表面上にポリマー層を形成することをさらに含んでもよい。
この方法は、有機テンプレート剤の結晶化を局所的に促進するために基板を前処理することをさらに含んでもよい。
方法は、コーティングを形成する前に基板上に光配向層を形成することをさらに含んでもよい。
第7の態様によれば、複合構造であって、ポリマードメイン間に分散した有機結晶性ドメインを含む、複合構造が提供されている。
結晶ドメインは、好ましい結晶学的配向によって特徴付けられることができる。
ポリマードメインは、ガラス状態により特徴付けられることができる。
ポリマードメインは、機械的に弾性であってもよい。
添付の図面は、いくつかの例示的な実施形態を示し、本明細書の一部である。以下の説明と共に、これらの図面は、本開示の様々な原理を実証し説明する。
図面を通して、同一の参照符号および説明は、類似しているが必ずしも同一ではない要素を示す。本明細書に記載の例示的な実施形態は、様々な修正および代替形態の影響に曝されるが、特定の実施形態が例として図面に示されており、本明細書で詳細に説明される。しかしながら、本明細書に記載された例示的な実施形態は、開示された特定の形態に限定されることを意図してはいない。むしろ、本開示は、添付の特許請求の範囲内に入るすべての修正形態、均等物、および代替形態を包含する。
ポリマー材料は、能動式光学系と受動式光学系および電気活性デバイスを含む、様々な異なる光学および電気光学的デバイスアーキテクチャに組み込むことができる。例えば、電気活性ポリマー(EAP)材料は、電場の影響下でその形状を変化させることができる。EAP材料は、作動、検知、および/またはエネルギーハーベスティングを含む様々な技術での使用が調査されている。軽量で適合可能な電気活性ポリマーは、触覚装置などのウェアラブル装置に組み込むことができ、快適で調整可能なフォームファクタが望まれる仮想現実/拡張現実デバイスを含む新興技術の魅力的な候補である。
例えば、仮想現実(VR)および拡張現実(AR)アイウェア装置またはヘッドセットは、ユーザが三次元世界のコンピュータ生成シミュレーションにおける人々との対話、または現実世界の視界に重ね合わされたデータを見るなどのイベントを体験することを可能にすることができる。VR/ARアイウェア装置およびヘッドセットはまた、レクリエーション以外の目的に使用されてもよい。例えば、政府はこのような装置を軍事訓練に使用することができ、医療専門家はそのような装置を使用して手術をシミュレートすることができ、エンジニアはそのような装置を視覚化設計の補助として使用することができる。
これらの用途および他の用途は、光を操作するための屈折率、および/または電気活性用途の例では、導電性電極間に圧縮を発生させるための静電気力を含む、薄膜ポリマー材料の1つまたは複数の特性を活用することができる。いくつかの実施形態では、電気活性応答は、装置の空間的範囲にわたって変化する電気入力に対する機械的応答を含むことができ、電気入力は、制御回路によって、対電極間に位置する電気活性材料の層に印加される。機械的応答は、作動と呼ばれてもよく、例示的な装置は、アクチュエータであってもよく、またはアクチュエータを含んでもよい。
特定の実施形態では、変形可能な光学要素および電気活性層は、一体化されてもよく、それによって光学要素自体が作動可能であってもよい。電気活性ポリマーの変形を使用して、レンズ系などの光学アセンブリ内の光学要素を作動させることができる。昨今開発がなされてきたが、光学的に透明なパッケージにおける制御可能な変形応答および/または調整可能な屈折率を含む、改善された特性を有する電気活性ポリマー材料を提供することは有利であろう。
本開示は、一般に、ナノボイド化ポリマー(NVP)を含むボイド化ポリマー材料の形成に関する。ボイド化ポリマーは、例えばエラストマーであってもよい。特定の実施形態では、ボイド化ポリマー材料は、ポリマー前駆体の均一溶液および固体テンプレート剤を含有する重合性組成物から形成されてもよい。重合性組成物は、層または薄膜としての蒸気からブランケット層としてまたは所定のパターンで基板の上に堆積させることができる。例えば化学線による堆積層の硬化は、ポリマーマトリックスの架橋およびポリマーとテンプレート剤との間の相分離を誘導することができる。温度、圧力などの1つまたは複数の変化を含み得る後続の処理ステップを使用して、新生ポリマーマトリックスから固体テンプレート剤を昇華および除去し、ボイド化ポリマー層を形成することができる。本開示はまた、1つ以上のボイド化ポリマー層を含む光学要素に関する。
いくつかの例では、「光学要素」は、光と相互作用するように構成された構造化物品を含むことができ、限定はしないが、屈折光学系、反射光学系、分散光学系、偏光光学系、または回折光学系を含むことができる。ボイド化ポリマー層は、構造化層またはパターニング層に組み込まれてもよい。「構造化層」は、いくつかの例では、光学要素と相互作用する光の波長(λ)未満、例えば、l<0.5λ、l<0.2λ、またはl<0.1λの少なくとも一方向の特性寸法(l)を有し得る特徴、すなわち周期的特徴を有するボイド化ポリマー層を含み得る。
いくつかの実施形態によれば、ボイド化ポリマーを作動させて、その中のボイドの大きさおよび形状を制御することができる。ボイドの形状、ならびにボイド化ポリマー層の全体的な形状の制御を使用して、光学要素の機械的、光学的、および他の特性を制御することができる。例えば、ボイド化ポリマー層は、非作動状態の第1の有効屈折率と、作動状態の第1の屈折率とは異なる第2の有効屈折率とを有することができる。
静的屈折率または2つの静的状態間で切り替えることができる屈折率のいずれかを有することができる従来の光学材料とは対照的に、ナノボイド化ポリマーを含むボイド化ポリマーは、屈折率をある範囲の値にわたって調整して、これらの材料と光との相互作用を有利に制御することができる光学材料のクラスを表す。
いくつかの実施形態に関連して、ボイド化(例えば、ナノボイド化)ポリマーをスピーカなどの音響要素に組み込んで音響ボリュームを増加させることができる。そのようなポリマー材料は、スピーカシステムの音響性能(特に低音性能)を改善することができる。また、同じ音量を発しながらスピーカエンクロージャをさらに小型化することができる。ボイド化またはナノボイド化ポリマーは、例えば、スピーカチャンバに自由に分散されてもよく、またはスピーカチャンバの内壁に配置されてもよい。いくつかの実施形態では、ボイド化またはナノボイド化ポリマーを界面活性剤で処理して、ボイドの内面での電子密度を制御し、したがって吸着および脱着性能を改善することができる。ナノメートルからマイクロメートルまでの広範囲のボイドサイズを含み得るボイド化またはナノボイド化ポリマーは、異なる波長の音に対してより良好な応答を成し、広帯域オーディオ周波数(例えば、20Hz~20kHz)において効果的な応答を成すために実装され得る。
いくつかの実施形態に関連して、ユーザの鼓膜に入射する環境音圧を減少させるために(すなわち、デバイスの音響受動減衰を改善するために)、ボイド化(例えば、ナノボイド化)ポリマーを耳内装置(ヒアラブルデバイスまたは補聴器の耳栓の内側など)に組み込むことができる。デバイスの改善された受動減衰はまた、ヒアラブルデバイスまたは補聴器のより高い利得出力で通常発生するフィードバックを軽減することによって、システムの最大安定利得(MSG)を改善することができる。
様々な実施形態によれば、ボイド化ポリマー材料は、ポリマーマトリックスと、マトリックス全体に分散した複数のボイドとを含んでもよい。ポリマーマトリックス材料は、ポリジメチルシロキサン、アクリレート、ウレタン、またはポリビニリデンフルオリドなどの変形可能な電気活性ポリマーおよびその共重合体、ならびに前述のものの混合物を含んでもよい。いくつかの実施形態によれば、そのような材料は、例えば、およそ1.2~およそ30の範囲の誘電率などの誘電率または比誘電率を有することができる。
本明細書で使用される場合、「ナノボイド」、「ナノスケールのボイド」、「ナノボイド化」などの用語は、少なくとも1つのサブミクロン寸法、すなわちおよそ1000nm未満の長さおよび/または幅および/または深さを有するボイドを指すことができる。いくつかの実施形態では、ボイドの大きさの平均は、およそ2nm~およそ1000nm(例えば、およそ2nm、およそ5nm、およそ10nm、およそ20nm、およそ30nm、およそ40nm、およそ50nm、およそ60nm、およそ70nm、およそ80nm、およそ90nm、およそ100nm、およそ110nm、およそ120nm、およそ130nm、およそ140nm、およそ150nm、およそ160nm、およそ170nm、およそ180nm、およそ190nm、およそ200nm、およそ250nm、およそ300nm、およそ400nm、およそ500nm、およそ600nm、およそ700nm、およそ800nm、およそ900nm、またはおよそ1000nmであり、前述の値のいずれかの間の範囲を含む)であり得る。
特定の実施形態では、本明細書に開示されるボイド化ポリマーは、ナノボイド化ポリマー、ならびにより大きい平均孔径、すなわちおよそ20μmまで、例えばおよそ1μm、およそ2μm、およそ5μm、およそ10μm、またはおよそ20μmまでの孔径を有するボイド付ポリマーを含み得、前述の値のいずれかの間の範囲を含む。
例示的なボイド化ポリマーでは、ボイドまたはナノボイドは、ポリマーマトリックス全体にわたってランダムに分配させて、広範囲にわたるいずれの整然性も呈していなくてよく、またはボイドまたはナノボイドは、およそ20nm~およそ1000nmの規則的な繰り返し距離を有する規則的・周期的な構造を含む構造化された構造を呈してもよい。無秩序の構造および整然とした構造の両方において、ボイドは、離散した独立気泡ボイド、少なくとも部分的に相互接続され得る連続気泡ボイド、またはそれらの組み合わせであり得る。連続気泡ボイドの場合、ボイドのサイズ(d)は、気泡の最小平均直径であり得る。ボイドは、任意の適切なサイズであってもよく、いくつかの実施形態では、ボイドは、ボイド化ポリマー層の厚さのスケールに接近してもよい。
特定の実施形態では、走査電子顕微鏡によって判定されるように、ボイドは、ボイド化ポリマーマトリックスの体積のおよそ5%~およそ75%、例えば、前述の値のいずれかの間の範囲を含む、およそ5%、およそ10%、およそ20%、およそ30%、およそ40%、およそ50%、およそ60%、およそ70%、またはおよそ75%を占めることができる。
いくつかの実施形態によれば、ボイドは実質的に球形であってもよいが、ボイドの形状は特に限定されない。例えば、球状のボイドに加えて、または球状ボイドの代わりに、ボイド化ポリマー材料は、扁円、扁平、レンズ状、卵形などのボイドを含んでもよく、凸状および/または凹状の断面の形状を特徴とし得る。ボイドの形状は、等方性であっても異方性であってもよい。さらに、ポリマーマトリックス全体のボイドのトポロジーは、均一であっても不均一であってもよい。本明細書で使用される場合、ボイドに関する「トポロジー」とは、ポリマーマトリックス内のそれらの全体的な配置を指し、それらのサイズおよび形状、ならびにポリマーマトリックス全体にわたるそれらのそれぞれの分配(密度、周期性など)を含み得る。例として、ボイドのサイズおよび/またはボイドの大きさの分配は、ボイド化ポリマー材料内の位置の関数として多様であってもよい。
様々な実施形態によれば、ボイドは、均一にまたは不均一に分配し得る。例として、ボイドの大きさおよび/またはボイドの大きさの分配は、ボイド化ポリマー材料内で空間的に、すなわち、ボイド化ポリマー材料の層の横方向および/または厚さに対して多様であってもよい。同様に、ボイド化ポリマーの薄膜は、一定の密度のボイドを有してもよく、またはボイドの密度は、位置、例えば、ボイド化ポリマー層の厚さの関数として増減し得る。EAPのボイド率を調整することは、例えば、その圧縮応力-歪み特性またはその有効屈折率を調整するために使用することができる。
いくつかの実施形態では、ボイドは、ガスで少なくとも部分的に充填されてもよい。充填ガスをボイドに組み込んで、電気活性ポリマー要素(例えば、容量作動中に)の電気的破壊を抑制することができる。ガスは、空気、窒素、酸素、アルゴン、六フッ化硫黄、有機フッ化物および/または任意の他の適切なガスを含むことができる。いくつかの実施形態では、そのようなガスは高い絶縁の強度を有することができる。いくつかの実施形態では、充填ガス組成物は、光の散乱、反射、吸収、および/または透過を含む、ボイド化ポリマーの光学特性を調整するように選択されてもよい。
いくつかの実施形態では、ボイド化ポリマー層への電圧の印加は、そのボイド化領域内に位置する充填ガスの内圧を変化させることができる。これに関して、充填ガスは、その変形に関連する寸法上の変化の間に、ボイド化ポリマーマトリックスの中または外のいずれかに、拡散し得る。このようなボイドのトポロジーの変化は、例えば、寸法上の変化の間に電気活性ポリマーを組み込んだ電気活性デバイスのヒステリシスに影響を及ぼす可能性があり、また、ボイド化ポリマー層の寸法が急速に変化するとドリフトをもたらす可能性がある。
いくつかの実施形態では、ボイド化ポリマーは、およそ0.2MPa~およそ500MPaの弾性率を特徴とし得る。いくつかの実施形態では、ボイド化ポリマー材料は、およそ100MPa未満(例えば、およそ100MPa、およそ50MPa、およそ20MPa、およそ10MPa、およそ5MPa、およそ2MPa、およそ1MPa、およそ0.5MPa、またはおよそ0.2MPaであり、前述の値のいずれかの間の範囲を含む)の弾性率を有するエラストマーポリマーマトリックスを含んでもよい。いくつかの実施形態では、ボイド化ポリマー材料は、少なくともおよそ0.2MPaの弾性率を有するエラストマーポリマーマトリックスを含んでもよい。すなわち、いくつかの実施形態では、ボイド化ポリマー材料は、例えば、その形成またはその後の加工中に、崩壊または他の望ましくない変形を回避するのに十分な剛性を示し得る。
ナノスケール寸法を有するボイドを含むポリマー材料は、いくつかの有利な属性を有し得る。例えば、ポリマーマトリックスへのナノボイドの組み込みは、得られる複合材の誘電率を高めることができる。さらに、ナノボイド化ポリマーに関連する高い表面面積対体積比は、ナノボイドと周囲のポリマーマトリックスとの間のより大きな界面領域をもたらす。このような表面積の広い構造では、電荷がボイド-マトリックス接触面に蓄積し得、これにより、より大きな分極率、ひいては複合材の誘電率(εr)の増加を可能にすることができる。さらに、プラズマ電子などのイオンは、ナノスケールの寸法を有するボイド内の短い距離にわたってのみ加速され得るので、追加のイオンを遊離させて破壊的なカスケードを生じる分子衝突の可能性が低下し、その結果、ナノボイド化材料は、非ボイド化ポリマーまたはさらにはマクロのボイド化のポリマーよりも大きな破壊の強度を示す可能性がある。いくつかの実施形態では、整然としたナノボイド化構造は、制御された変形反応をもたらすことができ、一方、不規則なナノボイド化構造は、亀裂の伝播に対する耐性の向上、したがって機械的耐久性の改善をもたらすことができる。
本明細書に開示されるように、印刷、蒸着、または他の堆積方法を使用して、ナノボイド化ポリマー薄膜または構造化層などのボイド化ポリマー材料を形成することができる。ボイド化ポリマー薄膜または構造化層を形成する方法は、ポリマー前駆体および固体テンプレート剤を含有する重合性組成物を堆積させること、ポリマー前駆体を硬化させてポリマーマトリックスを形成すること、次いで昇華によってポリマーマトリックスからテンプレート剤を除去することを含み得る。基板に重合性組成物のコーティングを形成するための例示的な方法は、押出および印刷(例えば、インクジェット印刷またはグラビア印刷)、蒸着(例えば、物理気相成長法(PVD)、化学気相成長法(CVD)、開始化学気相成長法(i-CVD)など)を含むが、スピンコーティング、スプレーコーティング、浸漬コーティング、およびドクターブレードなどの追加の堆積方法が考えられている。
様々な実施形態によれば、例示的な方法は、(i)硬化性材料および少なくとも1つのテンプレート剤を含む溶液(すなわち、重合性組成物)を堆積させること、(ii)堆積させた溶液を処理して、固体テンプレート剤の個別の領域を有する硬化ポリマー材料を形成すること、および(iii)硬化ポリマー材料から固体テンプレート剤の少なくとも一部を除去して、基板にボイド化ポリマー材料を形成することを含むことができる。
重合性組成物を形成するために、様々な前駆体のケミストリーを利用することができる。いくつかの実施形態によれば、ポリマー前駆体は、1つ以上の多官能性ビニル含有(不飽和二重結合含有)分子、または単官能性ビニル含有分子と多官能性ビニル含有分子との混合物を含み得る。例示的なビニル含有種としては、アリル、(メタ)アクリレート、フルオロ-(メタ)アクリレート、(メタ)アクリレート末端、ビニル末端またはアリル末端フルオロ-(プレ)ポリマー、シリコーン-(メタ)アクリレート、(メタ)アクリレート末端、ビニル末端またはアリル末端シリコーン-(プレ)ポリマー、(メタ)アクリレート末端、ビニル末端またはアリル末端ポリジメチルシロキサン、ウレタン(メタ)アクリレート、(メタ)アクリレート末端、ビニル末端またはアリル末端ウレタン-(プレ)ポリマー、エチレングリコール(メタ)アクリレート、(メタ)アクリレート末端、ビニル末端またはアリル末端エチレングリコール-(プレ)ポリマー、(メタ)アクリレート末端、ビニル末端またはアリル末端チオエーテル-(プレ)ポリマー、脂肪族(メタ)アクリレート、アクリロニトリル、およびスチレン系を含む。本明細書で使用される場合、「(メタ)アクリレート」または「(メタ)アクリレート」という名称は、アクリレートおよび/またはメタクリレート組成物を集合的に指す。例えば、ウレタン(メタ)アクリレートを含むポリマー前駆体は、ウレタンアクリレートおよびウレタンメタクリレートの一方または両方を含み得る。
例示的なビニル分子は、2,2,3,3,4,4,5,5-オクタフルオロペンチル(メタ)アクリレート、2,2,3,3,4,4,5,5,6,6,7,7-ドデカフルオロヘプチル(メタ)アクリレート、2,2,3,3,4,4,4-ヘプタフルオロブチル(メタ)アクリレート、1H,1H,2H,2H-ペルフルオロデシル(メタ)アクリレート、トリメチロールプロパンエトキシレートトリ-(メタ)アクリレート、ポリ(エチレングリコール)ジ(メタ)アクリレート、エチル(メタ)アクリレート、2(2-エトキシエトキシ)-エチル(メタ)アクリレート、ブチル(メタ)アクリレート、イソデシル(メタ)アクリレート、1,6-ヘキサンジオールジ(メタ)アクリレート、2,2,3,3,4,4-ヘキサフルオロ-1,5-ペンチルジ(メタ)アクリレート、アクリロニトリル、1-シアノビニルアセテート、エチル2-シアノアクリレート、ビニル末端ポリジメチルシロキサン、ウレタンアクリレートなどを含む。特定の例示的な組成物は、DMS-V31およびDMS-V00(Gelest社)、Silmer VIN 65,000およびSilmer VIN 10,000(Siltech Corporation)、NAM-122PおよびNAM-UXF4001M35(NAGASE America)、ならびにGN4230およびGN4122(RAHN USA Corp.)が含まれる。
いくつかの実施形態によれば、ポリマー前駆体は、上記の多官能性ビニル含有種と、2を超える平均官能性を有する多官能性チオール含有種との混合物を含み得る。チオール含有種は、ジチオール、トリチオール、テトラチオール、チオール末端フルオロ(プレ)ポリマー、チオール末端シリコーン(プレ)ポリマー、チオール末端ポリジメチルシロキサン、チオール末端ウレタン(プレ)ポリマー、チオール末端エチレングリコール(プレ)ポリマー、チオール末端チオエーテル(プレ)ポリマーなどを含み得る。チオール含有反応性分子の特定の例としては、トリメチロールプロパントリス(3-メルカプトプロピオネート)、2,2’-(エチレンジオキシ)ジエタンチオール、ペンタエリスリトールテトラキス(3-メルカプトプロピオネート)、1,4-ブタンジチオール、テトラ(エチレングリコール)ジチオール、ポリ(エチレングリコール)ジチオール、ペンタエリスリトールテトラキス(3-メルカプトプロピオネート)、チオール末端ポリジメチルシロキサンなどが挙げられる。
いくつかの実施形態では、ポリマー前駆体は、白金系触媒などの有機金属触媒で加熱して架橋ポリジメチルシロキサンエラストマーを構築することができる水素化物(Si-H)とビニル含有シロキサンの混合物を含むことができる。水素化ケイ素は、例えば、1,1,3,3,5,5,7,7-オクタメチルテトラシロキサンを含み得る。有機金属触媒は、塩化白金酸、ジシクロペンタジエン白金(II)ジクロリドなどの可溶性白金化合物、または白金-ジビニルテトラメチルジシロキサン錯体などの白金錯体を含み得る。
いくつかの実施形態では、ポリマー前駆体は、シロキサン、シラン含有架橋結合剤およびチタン系またはスズ系触媒の混合物を含み得る。シラン含有架橋結合剤は、アルコキシ、アセトキシ、エステル、エポキシ、およびオキシムシランを含み得る。チタン系触媒は、チタン酸塩または有機チタン酸塩、例えばテトラアルコキシチタン酸塩を含んでもよく、スズ含有触媒は、キレート化スズまたは有機スズ、例えばジブチルスズジラウレートを含んでもよい。
いくつかの実施形態では、ポリマー前駆体は、2を超える平均官能価を有する多官能性イソシアネート含有種と多官能性プロトン供与種との混合物を含み得る。イソシアネート含有種は、ヘキサメチレンジイソシアネート、イソホロンジイソシアネート、1,4-ジイソシアナトブタン、トルエン2,4-ジイソシアネート、メチレンジフェニル4,4’-ジイソシアネート、メチリジントリ-p-フェニレントリイソシアネート、テトライソシアナトシランなど、ならびに様々なブロック化イソシアネートを含むことができる。ブロックされたイソシアネートは、イソシアネートと、例えばフェノール、カプロラクタム、オキシム、またはβ-ジカルボニル化合物との反応生成物であり、高温で解離して元のイソシアネート基を再形成する。
プロトン供与種は、例えば、エチレングリコール、1,4-ブタンジオール、1,6-ヘキサンジオール、p-ジ(2-ヒドロキシエトキシ)ベンゼン、ポリエチレングリコール、ポリカプロラクトンジオール、ポリプロピルグリコールトリオール、ポリカプロラクトントリオールなどのアルコールおよびポリオールを含み得る。いくつかの例では、プロトン供与種は、本明細書に開示されるように、様々なチオールを含み得る。さらなる例によれば、プロトン供与種は、アミン、例えば、ジエチルトルエンジアミン、メチレンビス(p-アミノベンゼン)、3,3’-ジクロロ-4,4’-ジアミノジフェニルメタンなどを含み得る。
重合性組成物に組み込まれ得るさらなる例示的な触媒は、トリエチレンジアミンまたはN,N,N’,N’’-ペンタメチル-ジエチレン-トリアミンなどの第三級アミン、1,8-ジアザビシクロ[5.4.0]ウンデカ-7-エンまたは1,5-ジアザビシクロ[4.3.0]ノナ-5-エンなどの強塩基を含む。強塩基触媒は保護され、光照射時に活性になり得る。
例示的な固体および昇華性テンプレート剤は、多環式芳香族炭化水素(例えば、2-ナフトール、アントラセンなど)、安息香酸、サリチル酸、樟脳、サッカリン、キニーネ、コレステロール、パルミチン酸およびステアリン酸、アセチルサリチル酸、アトロピン、ヒ素、ピペラジン、1,4-ジクロロベンゼン、ならびにそれらの組み合わせが挙げられ得る。いくつかの態様では、テンプレート剤は気化可能であり、およそ30℃を超える昇華温度を特徴とし得る。例えば、テンプレート剤は、大気圧でおよそ30℃~およそ300℃、例えばおよそ30℃、およそ50℃、およそ75℃、およそ100℃、およそ150℃、およそ200℃、およそ250℃、またはおよそ300℃の温度(前述の値のいずれかの間の範囲を含む)で昇華し得る。昇華温度は、昇華圧力を、例えば大気圧未満の圧力まで低下させることによって、低下させることができる。
いくつかの実施形態では、固体テンプレート剤は、均一な混合物、すなわち液体の溶液を形成するためにポリマー前駆体に十分に可溶性であり得る。本明細書で使用される場合、「均一溶液」では、溶液を構成する成分は分子レベルで均一に分配されているため、溶液の組成は全体を通して同じである。理解されるように、均一な溶液では単相のみが観察される。
いくつかの実施形態によれば、ポリマー前駆体(硬化性材料)および固体テンプレート剤に加えて、重合性組成物は、重合開始剤、界面活性剤、乳化剤、触媒および/または架橋結合剤などの他の添加剤、などの1つ以上の追加の成分を含んでもよい。重合性組成物の様々な成分を単一のバッチに混合し、同時に堆積させることができる。
重合性組成物は、任意の適切な基板に堆積されてもよい。いくつかの実施形態では、基板は透明または半透明であってもよい。例示的な基板材料は、レンズなどの様々な光学要素アーキテクチャを画定することができるガラスおよびポリマー組成物を含むことができる。本明細書に開示されるように、さらなる例示的な基板は、透明導電性電極などの透明導電層を含むことができる。
特定の実施形態では、重合性組成物を堆積させる前に、例えば堆積した層の濡れ性または接着性を改善するために、基板表面を前処理またはコンディショニングしてもよい。基板の前処理は、サブトラクティブまたはアディティブ法を含むことができる。例えば、基板の前処理は、プラズマ処理(例えば、CF4プラズマ)、熱処理、電子ビーム露光、UV露光、UVオゾン露光、機械的摩耗、または溶媒、ナノ粒子、もしくは自己組織化単層の層によるコーティング(例えば、スピンコーティング、浸漬コーティング、またはエレクトロスプレーコーティング)のうちの1つまたは複数を含み得る。理解されるように、自己集合単分子層の形成は、基質依存性であり得る。自己集合単層の例は、アルカンチオール、-COOH、-NH2、-OHなどの1つ以上の末端基を含み得る。
基板の前処理は、基板表面の粗さを増加または減少させることができる。基板の前処理は、基板表面の表面エネルギーを増加または減少させることができる。特定の実施形態では、基板の前処理を使用して、結晶ドメインへのテンプレート材料の核生成および成長に影響を及ぼすことができる。いくつかの実施形態では、前処理を使用して、親水性表面または疎水性表面を形成することができる。いくつかの実施形態では、前処理を使用して親油性表面または疎油性表面を形成することができる。
基板は、結晶相の核生成および成長を全体的または局所的に促進するために使用することができる光配向層、例えばブランケットまたはパターニング層を含むことができる。例示的な光配向材料としては、アゾベンゼン誘導体またはシンナメート部分、例えば、Rolic(登録商標)ROP 131-306またはRolic(登録商標)LCMO-VAが挙げられる。いくつかの実施形態では、基板は、斜めに堆積された層であってもよい無機層、例えばSiOxを含んでもよい。いくつかの実施形態では、基板の堆積表面は、イオンビームなどによって斜めにエッチングすることができる有機材料または無機材料の層を含むことができる。いくつかの実施形態では、基板は半結晶性ポリマーを含み得る。
理解されるように、従来のフォトリソグラフィ技術を使用して、基板の前処理に空間的に影響を与えることができる。例えば、フォトレジストのパターニングされた犠牲層またはパターニングされた犠牲ハードマスクを使用して、例えば、不明瞭領域内の結晶相の核生成および成長を空間的に阻止するために、前処理ステップ中に堆積表面の一部を局所的に不明瞭にすることができる。すなわち、基板の堆積表面は、ポリマー前駆体およびテンプレート剤の両方の空間的に局在した堆積を促進するように改質させてもよい。
様々な実施形態では、重合性組成物は、大気圧付近で堆積され得るが、堆積圧力は特に限定されず、減圧下、例えば、およそ0.1トール~およそ760トール、例えば、0.1、0.2、0.5、1、2、5、10、20、50、100、200、500、または760トールで行われてもよく、前述の値のいずれかの間の範囲を含む。
1つまたは複数の堆積ステップの間、基板温度は室温付近(およそ23℃)に維持され得るが、より低いおよびより高い基板温度が使用されてもよい。例えば、基板の温度は、およそ-50℃~およそ250℃、例えば、-50℃、-40℃、-20℃、0℃、20℃、40℃、60℃、80℃、100℃、120℃、140℃、160℃、180℃、200℃、または250℃の範囲であってよく、前述の値のいずれかの間の範囲を含み、堆積中実質的に一定に保持されてもよく、または変化してもよい。
いくつかの実施形態によれば、重合性組成物のコーティングの厚さは、およそ5nm~およそ3ミリメートル、例えばおよそ5nm、およそ10nm、およそ20nm、およそ50nm、およそ100nm、およそ200nm、およそ500nm、およそ1μm、およそ2μm、およそ5μm、およそ10μm、およそ20μm、およそ50μm、およそ100μm、およそ200μm、およそ500μm、およそ1mm、およそ2mm、またはおよそ3mmの範囲であり得、前述の値のいずれかの間の範囲を含む。
堆積した重合性組成物は、基板にコーティングまたは薄膜を形成してもよく、これを硬化させてポリマー前駆体を架橋および重合させてもよい。重合性組成物の加工には、例えば、光源や熱源などの硬化の源を用いることができる。いくつかの実施形態では、コーティングを化学線に曝露することによって重合を達成することができる。いくつかの例では、「化学線」は、材料の共有結合を破壊することができるエネルギーを指し得る。例としては、電子、電子ビーム、中性子、アルファ粒子(He2+)、X線、ガンマ線、紫外線および可視光、ならびに適切に高いエネルギーレベルのプラズマを含むイオンが挙げられ得る。例として、単一のUVランプまたはUVランプのセットを化学線の供給源として使用することができる。高いランプの電力を使用すると、硬化時間を短縮することができる。化学線の他の源は、レーザ(例えば、UV、IR、または可視レーザ)または発光ダイオード(LED)を含むことができる。
追加的または代替的に、熱源が熱を発生させて、ポリマー前駆体、開始剤および/または架橋結合剤間の反応を開始してもよい。ポリマー前駆体、開始剤、および/または架橋結合剤は、加熱および/または化学線への曝露の時に反応して、本明細書に記載のポリマーを形成し得る。
いくつかの実施形態では、重合は、フリーラジカルの開始であり得る。そのような実施形態では、フリーラジカルの開始は、化学線または熱への曝露によって実施され得る。化学線および熱生成フリーラジカルに加えて、またはその代わりに、ボイド化ポリマーの重合は、原子移動ラジカル開始、電気化学的開始、プラズマ開始、または超音波開始、ならびに前述の組み合わせであってもよい。特定の実施形態では、フリーラジカル開始を誘導するために使用され得る重合性組成物への例示的な添加剤としては、アゾ化合物および過酸化物などの熱開始剤、またはホスフィンオキシドなどの光開始剤が挙げられる。
いくつかの実施形態では、ポリマー前駆体は、例えば重合開始剤を使用せずに、短波長放射線、例えば電子ビーム、中性子、アルファ粒子(He2+)、ガンマ線またはX線放射線を使用して重合されてもよい。さらなる実施形態によれば、ポリマー前駆体は、光開始剤と組み合わせてUVまたは可視光を使用して重合されてもよい。UVラジカル開始剤の例としては、2-ヒドロキシ-2-メチルプロピオフェノン、2-ヒドロキシ-2-フェニルアセトフェノン、2-メチルベンゾフェノン、ホスフィンオキシド、ジフェニル(2,4,6トリメチルベンゾイル)ホスフィンオキシド、3’-ヒドロキシアセトフェノン、ベンゾフェノン、および1-ヒドロキシシクロヘキシルフェニルケトンブレンドが挙げられる。ビニルエーテルまたはビニルエーテル末端(プレ)ポリマーを含有するポリマー前駆体の例では、重合は、UVカチオン開始剤、例えばトリアリールスルホニウムヘキサフルオロアンチモネート塩またはビス(4-tert-ブチルフェニル)ヨードニウムペルフルオロ-1-ブタンスルホネートを用いて開始され得る。いくつかの実施形態では、2,2’-アゾビスイソブチロニトリル、過酸化ベンゾイル、過酸化tert-ブチルなどの熱ラジカル開始剤を使用して、重合を開始することができる。いくつかの実施形態では、レドックスラジカル開始剤を使用して、重合を開始することができる。例示的なレドックスラジカル開始剤は、過酸化ベンゾイルとN,N-ジメチルアニリンとの混合物などの過酸化物-アミン混合物を含み得る。
いくつかの実施形態では、重合プロセスは、単一の硬化ステップに限定されなくてもよい。むしろ、2つ以上のステップによって重合を実施することが可能であり得、それによって、例として、重合性組成物のコーティングは、同じタイプの2つ以上のランプ、または連続している2つ以上の異なるランプに曝露され得る。異なる硬化ステップの硬化温度は、同じであっても異なっていてもよい。異なるランプからのランプ出力、波長、および線量も、同じであっても異なっていてもよい。一実施形態において、重合は、空気中で行われてもよい。しかしながら、窒素またはアルゴンなどの不活性ガス雰囲気で重合することも考えられている。
様々な態様において、硬化時間は、コーティングの反応性、コーティングの厚さ、重合開始剤の種類およびUVランプの出力に依存し得る。UV硬化時間は、およそ60分以下、例えば5分未満、3分未満、または1分未満であり得る。別の実施形態では、30秒未満の短い硬化時間を大量生産に使用することができる。
理解されるように、堆積層の硬化は、新生ポリマー層とテンプレート剤との間の相の分離を誘導し得る。硬化の作用の前または間に、温度および/または圧力の制御は、溶解したテンプレート材料を、例えば沈殿および/または結晶化を介して固化させ、固体相の個別の領域またはドメインを形成するよう誘導することができる。そのようなドメイン内のテンプレート材料は、結晶性または非晶質であってもよい。いくつかの例では、テンプレート材料は、長距離での整然性を有する枝状粒子を形成することができる。ドメイン構造は、所望の形状を有するように、および/または結晶ドメインの例では、好ましい結晶学的配向を示すようにパターニングされ得る。いくつかの例では、パターニングされたドメインは、特定の方向に沿って配向された空間的な寸法などの、異方性の特徴を有することができる。追加的または代替的に、パターニングされたドメイン間の距離は、複数のドメインがランダムにまたは規則的もしくは半規則的なアレイで構成され得るように制御され得る。
さらなる処理ステップでは、テンプレート剤は、ボイドを形成するべきポリマーマトリックス、すなわちテンプレート材料が以前に占めていた領域から除去することができる。いくつかの実施形態では、温度および/または圧力の変化を使用して、テンプレート剤を昇華させることができる。
昇華および付随的なポリマーマトリックスからのテンプレート材料の除去の前に、キャッピング層をポリマー層の上に形成することができる。様々な実施形態によれば、本明細書に開示される堆積方法および材料のいずれかを使用して、改質重合性組成物から実質的に緻密な(実質的にボイドのない)キャッピング層を形成することができる。したがって、先の実施形態のように、改質重合性組成物は、ポリマー前駆体および他の任意選択の添加剤(例えば、開始剤、界面活性剤、乳化剤、触媒、架橋結合剤など)を含んでもよいが、改質重合性組成物からテンプレート剤は省かれる。非多孔質キャッピング層を堆積させることにより、ナノボイド化ポリマー層は、導電性電極の形成などのさらなる処理に適した実質的に平坦でボイドのない表面を備えることができる。
キャッピング層が設けられている場合、キャッピング層およびポリマーマトリックスの組成物の隣接するボイド化ポリマーマトリックスと同じポリマー材料を含んでいてもよく、異なっていてもよい。
本明細書に開示されるボイド化ポリマー層は、様々な光学要素に組み込むことができる。特定の実施形態によれば、光学要素は、一次電極と、一次電極の少なくとも一部と重なる二次電極と、一次電極と二次電極との間に配置され、一次電極と二次電極とに当接するボイド化ポリマー層とを含むことができる。
いくつかの実施形態では、光学要素は、波長可変レンズと、波長可変レンズの第1の表面上に配置されたボイド化ポリマーの電極層とを含むことができる。波長可変レンズは、例えば、液体レンズであってもよく、プリズム、自由曲面、平面、メニスカス、凸な両面、平らな凸、凹な両面、または平らな凹から選択される幾何学的形状を有してもよい。特定の実施形態では、さらなる光学要素が、波長可変レンズの第2の表面上に配置されてもよい。光学要素は、ヘッドマウントディスプレイに、例えばその透明な開口部内に組み込まれてもよい。
様々な実施形態によれば、液体レンズを使用して、迅速な焦点合わせから恩恵を受ける多種多様な用途にわたって撮像システムの柔軟性を高めることができる。特定の実施形態によれば、作動可能な液体レンズを統合することにより、撮像システムは、カメラからの物体の距離とは無関係に、焦点面を迅速に変更して、より鮮明な画像を生じることができる。液体レンズの使用は、複数の距離での焦点合わせを含む用途に特に有利であり得、検査中の物体は、異なるサイズを有し得るか、または仮想現実/拡張現実デバイスに加えて、パッケージソート、バーコードの読み取り、セキュリティ、および迅速な自動化など、レンズから様々な距離に配置され得る。
静電場(E場)の存在下では、電気活性ポリマー(すなわち、ボイド化ポリマー)は、印加された電場の大きさおよび方向に従って変形(例えば、圧縮、伸長、屈曲など)し得る。そのような場の生成は、それぞれが異なる電位にある2つの電極、例えば一次電極と二次電極との間に電気活性ポリマーを配置することによって、達成され得る。電極間の電位差(すなわち、電圧差)が増加または減少する(例えば、0電位から)につれて、主に電界線に沿って変形量も増加し得る。この変形は、特定の静電場強度に達したときに飽和を達成することができる。静電場がない場合、電気活性ポリマーは、その弛緩状態において、誘導された変形を受けていなくてもよく、または同等に言えば、内部または外部のいずれにおいても誘導された歪みを受けていなくてもよい。
電極(例えば、一次電極および二次電極)は、金属、半導体(例えば、ドープされた半導体)、カーボンナノチューブ、グラフェン、酸化グラフェン、フッ素化グラフェン、水素化グラフェン、他のグラフェン誘導体、カーボンブラック、透明導電性酸化物(TCO、例えば、酸化インジウムスズ(ITO)、酸化亜鉛(ZnO)など)、または他の導電性材料などの1つまたは複数の導電性材料を含み得る。いくつかの実施形態では、電極は、アルミニウム、金、銀、白金、パラジウム、ニッケル、タンタル、スズ、銅、インジウム、ガリウム、亜鉛、それらの合金などの金属を含むことができる。透明導電性酸化物のさらなる例としては、限定されないが、アルミニウムドープ酸化亜鉛、フッ素ドープ酸化スズ、インジウムドープ酸化カドミウム、インジウム亜鉛酸化物、インジウムガリウムスズ酸化物、インジウムガリウム亜鉛酸化物、インジウムガリウム亜鉛スズ酸化物、バナジン酸ストロンチウム、ニオブ酸ストロンチウム、モリブデン酸ストロンチウム、モリブデン酸カルシウムおよびインジウム亜鉛スズ酸化物が挙げられる。
他の実施形態では、電極は、ポリ(3,4-エチレンジオキシチオフェン)ポリスチレンスルホネート、ポリ(3,4-エチレンジオキシチオフェン)、Na1+、Li1+、H1+、NH4
1+、K1+、Ca2+、Mg2+を含むイオンと錯化したポリ(3,4-エチレンジオキシチオフェン)、または他のアニオン性もしくはカチオン性対カチオン、ポリアニリン、ポリアセチレン、ポリフェニレンビニレン、ポリピロール、ポリチオフェン、ポリフェニレンスルフィド、または他の導電性ポリマーなどの1つ以上の導電性ポリマーを含んでもよい。
いくつかの実施形態では、電極(例えば、一次電極および二次電極)は、およそ1nm~およそ1000nmの厚さを有することができ、例示的な厚さは、およそ10nm~およそ50nmである。電極のいくつかは、電気的破壊(例えば、エラストマーポリマー材料の電気的破壊に関連する)の回復を可能にするように設計されてもよい。自己修復材料(例えば、アルミニウム)を含む電極の厚さは、およそ30nmであり得る。
電極は、弾性的に伸張するように構成されてもよい。そのような実施形態では、電極は、TCO粒子、グラフェン、カーボンナノチューブなどを含むことができる。他の実施形態では、比較的剛性の電極(例えば、アルミニウムなどの金属を含む電極)を使用することができる。電極、すなわち電極材料は、所与の用途に対して所望の導電性、変形性、透明性、および光学的透明性を達成するように選択することができる。例として、変形可能な電極の降伏点は、少なくとも0.5%の加工での歪みで生じ得る。
電極(例えば、一次電極および二次電極)は、任意の適切なプロセスを使用して製造することができる。例えば、電極は、物理蒸着(PVD)、化学蒸着(CVD)、エバポレーション、スプレーコーティング、浸漬コーティング、スピンコーティング、原子層堆積(ALD)などを使用して製造することができる。別の態様では、電極は、熱エバポレーター、スパッタリングシステム、スプレーコーター、スピンコーターなどを使用して製造されてもよい。
電極間に電圧を印加すると、材料のポアソン比によって特徴付けられるように、印加された電界の方向における介在するボイド化ポリマー層の圧縮、および1つまたは複数の横方向の広がりにおけるポリマー層の関連する膨張または収縮を引き起こすことができる。いくつかの実施形態では、印加された電圧(例えば、一次電極および/または二次電極に)は、ボイド化ポリマー層に少なくとも1つの方向の広がり(例えば、定義された座標系に対するx、y、またはz方向)に少なくともおよそ0.01%の歪み(例えば、印加された電圧から生じる印加された力の方向の変形量を、材料の初期の寸法で割ったもの)を生じさせることができる。
作動可能なボイド化ポリマー層は、様々な受動式光学系および能動式光学系に組み込まれてもよい。例示的な構造は、調整可能なプリズムおよび格子ならびに調整可能な形態の複屈折構造を含み、これは、均一な多孔度を有するパターニングされたボイド化ポリマー層または空間的に可変な多孔度を有するパターニングされていないボイド化ポリマー層のいずれかを含み得る。いくつかの実施形態では、ボイド化ポリマー格子の光学性能は、格子要素のピッチまたは高さを変更することができる格子の作動によって調整することができる。いくつかの実施形態では、調整可能な屈折率を有するボイド化ポリマー層を、能動的に切り替え可能な光導波路に組み込むことができる。いくつかの実施形態によれば、光学要素の1つまたは複数の光学特性は、容量作動、機械的作動、および/または音響作動によって調整することができる。
本開示のボイド化材料は、一般に受動式光学系および能動式光学系に関連して説明されているが、ボイド化材料は他の分野で使用されてもよい。例えば、ボイド化ポリマーは、光学位相差フィルム、偏光子、補償器、ビームスプリッタ、反射フィルム、配向層、カラーフィルタ、帯電防止保護シート、電磁干渉保護シート、自動立体視三次元ディスプレイ用の偏光制御レンズ、赤外線反射フィルムなどの一部として、またはそれらと組み合わせて使用することができる。
いくつかの実施形態によれば、ボイド化ポリマー層は、トップダウンまたはボトムアップ堆積およびパターニング方式を使用して形成することができる。トップダウンプロセスでは、バルクのボイド化ポリマー層を形成し、その後、例えばリソグラフィおよびエッチングプロセスを使用してパターニングして、2Dまたは3Dの光学要素を定めることができる。ボトムアッププロセスでは、2Dまたは3Dの光学要素を選択的堆積によって層ごとに形成することができる。例示的なボトムアッププロセスでは、テンプレート剤の硬化および昇華の作用は、完全な構造が堆積された後、または複数の連続する層の各々の堆積後に行われてもよい。
本明細書に記載された実施形態のいずれかからの特徴は、本明細書に記載された一般原理に従って互いに組み合わせて使用され得る。これらおよび他の実施形態、特徴、および利点は、添付の図面および特許請求の範囲と併せて以下の詳細な説明を読めば、より完全近く理解されよう。
以下、図1~図22を参照して、固体テンプレート剤を含む重合性組成物を使用してボイド化ポリマーを製造する方法を含む、ボイド化ポリマー材料の詳細な説明をする。図1~図5に関連する説明は、ナノボイド化ポリマーおよびナノボイド化ポリマー含有構造を形成する例示的な昇華方法の説明を含む。図6および図7に関連する説明は、例示的なボイド化ポリマー層におけるボイド化構造の説明を含む。図8および図9に関連する説明は、複合またはナノボイド化ポリマー材料を形成するための蒸着プロセスの説明を含む。図10に関連する説明は、複合またはナノボイド化ポリマー材料を含む例示的な複合アーキテクチャを示す。図11~図17は、そのような材料を形成するために蒸着プロセスで使用することができる、例示的な気化性および結晶性材料を示す。図18~図22に関連する説明は、ナノボイド化ポリマー層を有する光学要素を含むことができる例示的な仮想現実および拡張現実デバイスに関する。
図1には、ボイド化ポリマーを形成するための例示的な方法が概略的に示されている。最初に図1Aを参照すると、方法100は、基板110上に重合性組成物のコーティング120を形成することを含み得る。コーティング120は、ポリマー前駆体および固体テンプレート剤の均一溶液を含むことができる。その後の硬化ステップでは、図1Bに示すように、コーティング120を架橋および重合して、ポリマーマトリックス130全体に分散した複数の固体テンプレート含有ドメイン140を含むポリマーマトリックス130を形成することができる。図1Cを参照すると、ドメイン140内のテンプレート材料の少なくとも一部を、例えば昇華150によって除去して、ポリマーマトリックス130全体に分配される複数のボイド145を含むボイド化ポリマー層160を形成することができる。図1に概略的に示すように、ボイド145は、ポリマー層160の表面162に露出してもよい。
いくつかの実施形態によれば、露出したボイドによって中断されない滑らかな表面を提供するために、ナノボイド化ポリマー層の表面上にキャッピング層を形成することができる。図2を参照すると、方法200は、図2Aに示すように、基板210に重合性組成物のコーティング220を形成することを含み得る。先の実施形態と同様に、図2Bを参照すると、コーティング220を架橋および重合して、ポリマーマトリックス230を形成することができ、ポリマーマトリックス230全体に分散した複数の固体テンプレート含有ドメイン240を含む。
固体テンプレート剤を除去する前に、図2Cに示すように、改質重合性組成物からポリマーマトリックス230上にキャッピング層270を形成することができる。改質重合性組成物は、ポリマー前駆体および他の任意の添加剤を含んでもよい。ただし、改質重合性組成物から、固体テンプレート剤は省かれている。
図2Dを参照すると、ドメイン240内のテンプレート材料の少なくとも一部を、例えば昇華250によって除去して、ポリマーマトリックス230全体に分配される複数のボイド245を含むボイド化ポリマー層260と、ボイド化のない表面272を有する上層のキャッピング層270とを形成することができる。理解されるように、前述の方法論は、1つ以上のボイド化ポリマー層および1つ以上のキャッピング層を含む多層構造を形成するために繰り返されてもよい。
図3を参照すると、1つ以上のボイド化ポリマー層を含む例示的な多層構造が示されている。図3Aに示すように、ボイド化ポリマー層360をキャッピング層370の上に配置することができる。図3Bを参照すると、ボイド化ポリマー層360は、第1キャッピング層370と第2キャッピング層372との間に配置されてもよい。積層構造380を図3Cに示す。積層構造380は、下から上に、第1キャッピング層370、第1ボイド化ポリマー層360、第2キャッピング層372、第2ボイド化ポリマー層362、および第3キャッピング層374を含み得る。
いくつかの実施形態では、ボイド化ポリマー層は、1つ以上の導電性電極と一体化されてもよい。例として、電極多層スタック400が図4に示されており、下から上に、一次電極480、第1キャッピング層470、第1ボイド化ポリマー層460、第2キャッピング層472、二次電極482、第3キャッピング層474、第2ボイド化ポリマー層462、第4キャッピング層476、および三次電極484を含む。
上記に加えて、図5に概略的に示すように、例示的な製造プロセスは、ポリマー層から固体テンプレート剤を除去して、キャップされ、電着されたボイド化ポリマー層を形成するために、基板前処理(ステップ1)、重合性組成物の基板の上に堆積させて、ポリマー前駆体および固体テンプレート剤を含む堆積層を形成すること(ステップ2)、硬化させてポリマー層を形成すること(ステップ3)、改質重合性組成物のポリマー層上に堆積させること(ステップ4)、硬化させてポリマー層上に緻密キャッピング層を形成すること(ステップ5)、電極形成(ステップ6)、および昇華(ステップ7)の行為を含んでもよい。理解されるように、多層構造は、ステップ2~6のうちの1つまたは複数を繰り返すことによって形成されてもよい。
例示的なボイド化ポリマー材料の走査型電子顕微鏡(SEM)の顕微鏡写真を図6および図7に示す。顕微鏡写真に見られるように、ボイド化ポリマー材料は、ポリマーマトリックスと、マトリックス全体に分散した複数のボイドとを含む。理解されるように、ボイドは長距離の整然性を示し、ポリマーマトリックス全体にわたって不均一に分配されている。
複合またはボイド化ポリマー材料を形成するための例示的な化学蒸着(CVD)方法を図8に概略的に示す。図8の方法では、真空チャンバ801は、チャンバ801に導入される重合性組成物の重合を開始するように構成された放射線源802を含む。放射線源802は、熱フィラメントもしくはフィラメントアレイ、またはプラズマ、UV、X線、ガンマ線、電子もしくは電子ビーム、可視光、および適切なエネルギーレベルのイオンなどの放射線源を含むことができる。真空チャンバ801は、重合性組成物およびその副産物をチャンバ内およびチャンバ外に送達および除去するための、1つ以上の入口803および1つ以上の出口804を含むことができる。
チャンバ801内で、基板805は、基板805を所望の温度に加熱または冷却するように構成され得る熱制御プレート806に配置され得る。さらに、様々な実施形態によれば、基板の温度、チャンバの温度、およびチャンバ内の圧力のうちの1つまたは複数は、堆積プロセス全体を通して一定に保持されてもよく、または変化してもよい。
例示的な方法では、ポリマー前駆体807、テンプレート剤808、および任意の重合開始剤809は、1つ以上の入口803を介して蒸気状態でチャンバ801に導入される。前述の反応物が基板805で凝縮して堆積すると、ポリマー前駆体807の重合およびテンプレート剤808の結晶化を介して、基板の堆積表面に、複合薄膜が形成される。いくつかの実施形態では、ポリマー前駆体807の重合は、気相中、堆積中、および/または堆積後に開始し得る。未凝縮/未反応の蒸気は、出口804を介してチャンバ801から出ることができる。
エピタキシャル堆積プロセスでは、例えば化学反応物が制御され、システムパラメータは、堆積種807~809が基板805の堆積表面に現れ、堆積表面の結晶の配向または表面の構造に従って配向するように、表面の拡散を介して十分に移動可能なままであるように設定される。
例示的なプロセスが図9に概略的に示されている。ステップ1では、基板の表面に縮合して離散的なドメインに偏析するポリマー前駆体907およびテンプレート剤908を蒸着することにより薄膜を形成する。ステップ2では、ポリマー前駆体907およびテンプレート剤908をそれぞれ重合および結晶化させて、高分子領域917および結晶領域918を形成し、複合薄膜を形成する。ポリマー前駆体907の重合およびテンプレート剤908の結晶化は、連続的にまたは同時に起こり得る。ステップ1およびステップ2の間、流量、温度、および圧力のうちの1つまたは複数を制御して、例えば結晶領域918の結晶子のサイズ、順序、および配向に影響を及ぼすことができる。結晶領域918の結晶子のサイズ、順序、および配向はまた、組成、極性、親水性、キラリティーなどを含むポリマー前駆体907およびテンプレート剤908の選択によって影響され得る。
重合開始剤809または他の触媒に加えて、またはその代わりに、ポリマー前駆体907の重合は、熱的に進行させてもよく、または新生薄膜をプラズマ、UV、X線、ガンマ線、中性子、アルファ粒子(He2+)、可視光、電子ビームなどに曝露するなどの放射線によって進行させてもよい)。場合によっては、重合は堆積プロセス中に起こり得る。場合によっては、堆積が完了した後に重合が起こり得る。
さらに図9を参照すると、ステップ3に示すように、結晶領域918の昇華によってボイド化ポリマー薄膜を形成することができる。いくつかの実施形態では、得られたボイド928は、ステップ4に示すように、二次結晶材料938などで埋め戻してもよい。
いくつかの実施形態により、積層ポリマー構造を図10に概略的に示す。図10Aおよび図10Bをそれぞれ参照すると、例示的な多層構造は、積層基板の間に交互に配置された複合ポリマー薄膜およびボイド化ポリマー薄膜を含むことができる。基板1001、1002、および1003は、本明細書に開示される任意の適切な基板を含むことができる。特定の実施形態では、基板1001、1002、および1003は、ポリマー前駆体907の硬化層、すなわち、テンプレート剤808、908なしで形成された単一ドメイン層を含んでもよい。
さらなる例示的なテンプレート剤を図11~17に示す。図示された材料は、鏡像異性的に純粋な組成物またはラセミ混合物として使用されてもよく、単独でまたは任意の組み合わせで使用されてもよい。図示の構造において、「R」は、CH3、H、OH、OMe、OEt、OiPr、F、Cl、Br、I、Ph、NO2、SO3、SO2Me、i-Pr、Pr、t-Bu、sec-Bu、Et、アセチル、SH、SMe、カルボキシル、アルデヒド、アミド、アミン、ニトリル、エステル、SO2NH3、NH2、NMe2、NMeH、およびC2H2を含むがこれらに限定されない任意の適切な官能基を含むことができ、「n」は、0~4を含む任意の整数の値であり得る。図11~図17に示す材料は、気化性、結晶性、およびいくつかの実施形態では昇華性として特徴を明らかにすることができる。
様々な例示的なテンプレート剤を図11に示す。メチル、ヒドロキシル、およびフルオロ官能基のアントラセンへの付加を示す特定の例示的なテンプレート剤組成物を図12に示す。例示的なアミノ酸を図13に示し、例示的な糖類を図14に示し、例示的な脂肪酸を図15に示す。さらなる例として、適切な炭化水素を図16に示し、適切なステロイド組成物を図17に示す。
様々な実施形態によれば、テンプレートの昇華によってナノボイド化ポリマーを形成するための例示的な合成経路が試験1に記載されている。
試験1-2-フェニルオキシエチルアクリレート(Sartomer製のSR339、40.75wt.%)、イソデシルアクリレート(Sartomer製のSR395、40.75wt.%)、ポリエチレングリコールアクリレート(Sartomer製のCD553、10wt.%)、[3-プロパ-2-エノイルオキシ-2,2-ビス(プロパ-2-エノイルオキシメチル)プロピル]プロパノエート(Sartomer製のSR351、8wt.%)、およびベンゾイン(0.5wt.%)を組み合わせることによって溶液を調製した。次いで、溶液(5.608g)に樟脳(5.809g)を添加することによって、混合物を調製した。混合物を撹拌し、ベンゾインおよび樟脳が完全に溶解して均一な溶液を形成するまで60℃で加熱した。溶液を、0.5mmのプラスチックスペーサを用いて2枚の8×50mmガラススライドの間に封入し、60℃に加熱した。薄膜を365nmのUV照射に曝露して、ポリマー前駆体を重合し、ポリマーフィルムを形成した。樟脳を、ポリマー膜を60℃のオーブン中で加熱することによって昇華によって除去した。およそ50wt.%の総重量の減少が、21時間の加熱後に観察された。走査型電子顕微鏡画像化により、およそ1から20マイクロメートルの範囲の直径を有するボイドの樹状ネットワークの形成が確認された。
本明細書に開示されるように、ナノボイド化ポリマーは、ポリマー前駆体および固体テンプレート剤を含む重合性組成物から形成されてもよい。ポリマー前駆体の硬化中または硬化後の鋳型材料の相分離および昇華は、テンプレートによって以前に占有されていた新生ポリマーマトリックスの領域内にボイドのネットワークを生成し得る。テンプレート材料の例には、多環式芳香族炭化水素(2-ナフトールおよびアントラセンなど)、樟脳、安息香酸などが含まれるが、さらなる固体材料も企図される。様々な実施形態によれば、固体の昇華性テンプレート剤の使用は、抽出中のポリマーマトリックスによる吸収および表面張力駆動ボイド崩壊を含む、液体テンプレート剤に関連する複雑化を回避する。
硬化は、熱または化学線への曝露によって達成され得、これはまた、テンプレートの材料とポリマー前駆体との間の相分離を促進し得る。硬化の作用の前または間に起こり得るテンプレート剤の結晶化は、ポリマーマトリックス内にランダム、短距離または長距離の整然性を有するボイドのネットワークの形成をもたらし得る。いくつかの例では、ボイドの構造は樹枝状のパターンを示し得る。昇華は、温度、圧力などの変化の1つまたは複数によって進められてもよい。
様々な堆積技術を使用して、重合性組成物の層を基板に堆積させることができる。重合性組成物の化学的性質および堆積方法の詳細を使用して、ボイドのサイズ、ボイドのサイズの分配、ボイドの密度、ボイドの短い整然性またはボイドの長い距離の程度などを含むナノボイド化ポリマー層の特性を調整し、それに応じて作動応答、透過率、および複屈折を含むその機械的および光学的特性を制御することができる。
いくつかの実施形態では、平均のボイドのサイズは、およそ5nm~およそ20μmの範囲であり得る。いくつかの実施形態では、昇華前に重合性組成物の層の上にボイドを含まないキャッピング層を形成して、平坦で実質的にポッキングのない表面を有するナノボイド化ポリマー層を作製することができる。
多層構造体は、場合により1つ以上のキャッピング層を含む1つ以上のナノボイド化ポリマー層を含むことができ、ナノボイド化ポリマー層を容量的に作動させるように構成された対の電極をさらに含むことができる。そのようなナノボイド化ポリマー層は、ブランケットボイド化ポリマー層をパターニングおよびエッチングすることを含むトップダウン法を使用して、または構造化2Dもしくは3D要素を層ごとに形成することができるボトムアップ法を使用して、受動式光学系または能動式光学系に組み込むことができる。
例示的な実施形態
例1:方法は、ポリマー前駆体および固体テンプレート剤を含む重合性組成物を形成すること、重合性組成物のコーティングを形成すること、コーティングを処理して、複数の画定された領域に固体相を有する硬化ポリマー材料を形成すること、および硬化ポリマー材料から固体相の少なくとも一部を除去して、ボイド化ポリマー層を形成することを含む。
例1:方法は、ポリマー前駆体および固体テンプレート剤を含む重合性組成物を形成すること、重合性組成物のコーティングを形成すること、コーティングを処理して、複数の画定された領域に固体相を有する硬化ポリマー材料を形成すること、および硬化ポリマー材料から固体相の少なくとも一部を除去して、ボイド化ポリマー層を形成することを含む。
例2:重合性組成物を処理して均一溶液を形成することをさらに含む、例1の方法。
例3:固体相の少なくとも一部を除去することが、およそ30℃~およそ300℃の温度でテンプレート剤を昇華させることを含む、例1および2のいずれかの方法。
例4:テンプレート剤が多環芳香族炭化水素を含む、例1~3のいずれかの方法。
例5:テンプレート剤が、2-ナフトール、アントラセン、安息香酸、サリチル酸、樟脳、サッカリン、キニン、コレステロール、パルミチン酸、ステアリン酸、アセチルサリチル酸、アトロピン、ヒ素、ピペラジンおよび1,4-ジクロロベンゼンから選択される、例1~4のいずれかの方法。
例6:複数の画定された領域が、およそ20マイクロメートル未満の最大寸法を有する材料リッチ領域をテンプレート化することを含む、例1から5のいずれかの方法。
例7:固体相の少なくとも一部を除去することが昇華を含む、例1~6のいずれかの方法。
例8:ボイド化ポリマー層がおよそ0.2MPa~およそ500MPaの弾性率を有する、例1~7のいずれかの方法。
例9:重合性組成物が、UVラジカル開始剤、熱ラジカル開始剤、およびレドックスラジカル開始剤から選択される開始剤をさらに含む、例1~8のいずれかの方法。
例10:方法は、ポリマー前駆体および固体テンプレート剤を含む均一溶液を形成すること、基板に溶液の層を形成すること、層を処理して、固体相の個別のドメインを含む硬化ポリマー材料を形成すること、およびドメインから固体相の少なくとも一部を除去して、ボイド化ポリマー層を形成することを含む。
例11:テンプレート剤が多環芳香族炭化水素を含む、例10の方法。
例12:テンプレート剤が、2-ナフトール、アントラセン、安息香酸、サリチル酸、樟脳、サッカリン、キニン、コレステロール、パルミチン酸、ステアリン酸、アセチルサリチル酸、アトロピン、ヒ素、ピペラジンおよび1,4-ジクロロベンゼンから選択される、例10および11のいずれかの方法。
例13:固体相の少なくとも一部を除去することが昇華を含む、例10~12のいずれかの方法。
例14:ボイド化ポリマーであって、ポリマーマトリックス全体に不均一に分散された複数のボイドを有するポリマーマトリックスを含む、ボイド化ポリマー。
例15:ボイドが樹枝状パターンを示す、例14のボイド化ポリマー。
例16:ボイド化ポリマー層が導電性電極間に配置されている、例14および15のいずれかのボイド化ポリマーの層を含むアクチュエータ要素。
例17:例14および15のいずれかのボイド化ポリマーを含む音響要素。
例18:方法は、気化した反応物組成物を反応チャンバに導入することであって、気化した反応物組成物が、ポリマー前駆体および有機テンプレート剤を含む、導入すること、反応チャンバ内に配置された基板の上に反応物組成物を含むコーティングを形成すること、およびコーティングを処理してポリマー前駆体を硬化させ、有機テンプレート剤を結晶化させて複合層を形成することを含む。
例19:結晶化した有機テンプレート剤の少なくとも一部をコーティングから除去して、ボイド化ポリマー層を形成することをさらに含む、例18の方法。
例20:複合層の表面上にポリマー層を形成することをさらに含む、例18および19のいずれかの方法。
例21:有機テンプレート剤の結晶化を局所的に促進するために基板を前処理することをさらに含む、例18~20のいずれかの方法。
例22:コーティングを形成する前に基板の上に光配向層を形成することをさらに含む、例18~21のいずれかの方法。
例23:複合構造であって、ポリマードメイン間に分散した有機結晶性ドメインを含む、複合構造。
例24:結晶性ドメインが好ましい結晶学的配向によって特徴付けられる、例23の複合構造。
例25:ポリマードメインがガラス状態によって特徴付けられる、例23および24のいずれかの複合構造。
例26:ポリマードメインが機械的に弾性である、例23~25のいずれかの複合構造。
本開示の実施形態は、様々な種類の人工現実システムを含むか、またはそれと共に実装されてもよい。人工現実は、ユーザに提示される前に何らかの方法で調整された現実の形態であり、例えば、仮想現実、拡張現実、複合現実、ハイブリッド現実、またはそれらの何らかの組み合わせおよび/または派生物を含むことができる。人工現実コンテンツは、完全にコンピュータ生成コンテンツまたはキャプチャされた(例えば、現実世界)コンテンツと組み合わされたコンピュータ生成コンテンツを含むことができる。人工現実コンテンツは、ビデオ、オーディオ、触覚フィードバック、またはそれらの何らかの組み合わせを含むことができ、それらのいずれも、単一のチャネルまたは複数のチャネル(視聴者に3次元(3D)効果を生成するステレオビデオなど)で提示することができる。さらに、いくつかの実施形態では、人工現実はまた、例えば、人工現実でコンテンツを作成するために使用される、および/または人工現実で(例えば人工現実での活動の実行のため)使用されるアプリケーション、製品、アクセサリ、サービス、またはそれらの何らかの組み合わせに関連付けられてもよい。
人工現実システムは、様々な異なるフォームファクタおよび構成で実装され得る。いくつかの人工現実システムは、ニアアイディスプレイ(NED)なしで動作するように設計され得る。他の人工現実システムは、実世界への可視性も提供するNED(例えば、図18の拡張現実システム1800)、または人工現実にユーザを視覚的に没入させるNED(例えば、図19の仮想現実システム1900)を含むことができる。一部の人工現実デバイスは自己完結型システムであり得るが、他の人工現実デバイスは、ユーザに人工現実体験を提供するために外部デバイスと通信および/または調整することができる。そのような外部デバイスの例には、ハンドヘルドコントローラ、モバイルデバイス、デスクトップコンピュータ、ユーザによって装着されたデバイス、1人または複数の他のユーザによって装着されたデバイス、および/または任意の他の適切な外部システムが含まれる。
図18に移ると、拡張現実システム1800は、ユーザの目の前に左表示装置1815(A)および右表示装置1815(B)を保持するように構成されたフレーム1810を有するアイウェア装置1802を含むことができる。表示装置1815(A)および1815(B)は、画像または一連の画像をユーザに提示するために一緒にまたは独立して動作することができる。拡張現実システム1800は2つのディスプレイを含むが、本開示の実施形態は、単一のNEDまたは2つを超えるNEDを有する拡張現実システムで実施することができる。
いくつかの実施形態では、拡張現実システム1800は、センサ1840などの1つまたは複数のセンサを含むことができる。センサ1840は、拡張現実システム1800の動きに応答して測定シグナルを生成することができ、フレーム1810の実質的に任意の部分に配置することができる。センサ1840は、位置センサ、慣性測定ユニット(IMU)、深度カメラアセンブリ、構造化光エミッタおよび/または検出器、またはそれらの任意の組み合わせを表すことができる。いくつかの実施形態では、拡張現実システム1800は、センサ1840を含んでも含まなくてもよく、または複数のセンサを含んでもよい。センサ1840がIMUを含む実施形態では、IMUは、センサ1840からの測定シグナルに基づいて較正データを生成することができる。センサ1840の例は、加速度計、ジャイロスコープ、磁力計、動きを検出する他の適切なタイプのセンサ、IMUのエラー訂正に使用されるセンサ、またはそれらの何らかの組み合わせを含むことができるが、これらに限定されない。
拡張現実システム1800はまた、集合的に音響トランスデューサ1820と呼ばれる複数の音響トランスデューサ-1820(A)~1820(J)を有するマイクロフォンアレイを含んでもよい。音響トランスデューサ1820は、音波によって誘導される空気圧変動を検出するトランスデューサであってもよい。各音響トランスデューサ1820は、音を検出し、検出された音を電子フォーマット(例えば、アナログまたはデジタル形式)に変換するように構成されてもよい。図18のマイクロフォンアレイは、例えば、ユーザの対応する耳の内側に配置されるように設計され得る10個の音響トランスデューサ1820(A)および1820(B)、フレーム1810上の様々な位置に配置され得る音響トランスデューサ1820(C)、1820(D)、1820(E)、1820(F)、1820(G)、および1820(H)、ならびに/または対応するネックバンド1805上に配置され得る音響トランスデューサ1820(I)および1820(J)を含んでもよい。
いくつかの実施形態では、音響トランスデューサ1820(A)~(F)のうちの1つまたは複数を出力トランスデューサ(例えば、スピーカ)として使用することができる。例えば、音響トランスデューサ1820(A)および/または1820(B)は、イヤホンまたは任意の他の適切なタイプのヘッドホンまたはスピーカであってもよい。
マイクロフォンアレイの音響トランスデューサ1820の構成は異なっていてもよい。拡張現実システム1800は、10個の音響トランスデューサ1820を有するものとして図18に示されているが、音響トランスデューサ1820の数は10個より多くても少なくてもよい。いくつかの実施形態では、より多数の音響トランスデューサ1820を使用すると、収集されるオーディオ情報の量および/またはオーディオ情報の感度および精度を高めることができる。対照的に、より少ない数の音響トランスデューサ1820を使用することにより、収集されたオーディオ情報を処理するために関連するコントローラ1850によって必要とされる計算能力を低減することができる。加えて、マイクロフォンアレイの各音響トランスデューサ1820の位置は変化してもよい。例えば、音響トランスデューサ1820の位置は、ユーザの定義された位置、フレーム1810の定義された座標、各音響トランスデューサ1820に関連する向き、またはそれらの何らかの組み合わせを含むことができる。
音響トランスデューサ1820(A)および1820(B)は、耳介の後ろ、耳珠の後ろ、および/または耳介もしくは窩の中など、ユーザの耳の異なる部分に配置されてもよい。または、外耳道内の音響トランスデューサ1820に加えて、耳の上または耳を囲む追加の音響トランスデューサ1820があってもよい。音響トランスデューサ1820をユーザの外耳道の隣に配置することにより、マイクロフォンアレイは、音が外耳道にどのように到達するかに関する情報を収集することができる。少なくとも2つの音響トランスデューサ1820をユーザの頭部の両側(例えば、バイノーラルマイクロフォンとして)に配置することにより、拡張現実デバイス1800は、バイノーラル聴覚をシミュレートし、ユーザの頭部の周りの3Dステレオ音場を捉えることができる。いくつかの実施形態では、音響トランスデューサ1820(A)および1820(B)は、有線接続1830を介して拡張現実システム1800に接続されてもよく、他の実施形態では、音響トランスデューサ1820(A)および1820(B)は、無線接続(例えば、ブルートゥース接続)を介して拡張現実システム1800に接続されてもよい。さらに他の実施形態では、音響トランスデューサ1820(A)および1820(B)は、拡張現実システム1800と共にまったく使用されなくてもよい。
フレーム1810上の音響トランスデューサ1820は、テンプルの長さに沿って、ブリッジを横切って、表示装置1815(A)および1815(B)の上または下、またはそれらの何らかの組み合わせに配置されてもよい。音響トランスデューサ1820は、マイクロフォンアレイが拡張現実システム1800を装着しているユーザを取り囲む広範囲の方向の音を検出できるように配向されてもよい。いくつかの実施形態では、拡張現実システム1800の製造中に最適化プロセスを実行して、マイクロフォンアレイ内の各音響トランスデューサ1820の相対的な位置決めを決定することができる。
いくつかの例では、拡張現実システム1800は、ネックバンド1805などの外部装置(例えば、ペアリングされた装置)を含むか、またはそれに接続されてもよい。ネックバンド1805は、一般に、任意のタイプまたは形態のペアリングされた装置を表す。したがって、ネックバンド1805に関する以下の説明は、充電ケース、スマートウォッチ、スマートフォン、リストバンド、他のウェアラブル装置、ハンドヘルドコントローラ、タブレットコンピュータ、ラップトップコンピュータ、他の外部コンピュータデバイスなどの様々な他のペアリングされた装置にも適用され得る。
図示のように、ネックバンド1805は、1つ以上のコネクタを介してアイウェア装置1802に結合されてもよい。コネクタは、有線または無線であってもよく、電気および/または非電気(例えば、構造)構成要素を含んでもよい。場合によっては、アイウェア装置1802およびネックバンド1805は、それらの間の有線または無線接続なしに独立して動作してもよい。図18は、アイウェア装置1802およびネックバンド1805上の例示的な位置におけるアイウェア装置1802およびネックバンド1805の構成要素を示しているが、構成要素は、アイウェア装置1802および/またはネックバンド1805の他の場所に配置されてもよく、および/または異なるように分配されてもよい。いくつかの実施形態では、アイウェア装置1802およびネックバンド1805の構成要素は、アイウェア装置1802、ネックバンド1805、またはそれらの何らかの組み合わせとペアリングされた1つまたは複数の追加の周辺装置に配置されてもよい。
ネックバンド1805などの外部装置を拡張現実アイウェア装置とペアリングすることにより、アイウェア装置は、拡張機能のための十分なバッテリおよび計算能力を依然として備えながら、メガネのフォームファクタを達成することができる。拡張現実システム1800のバッテリ電力、計算リソース、および/または追加の機能の一部またはすべては、ペアリングされた装置によって与えられるか、またはペアリングされた装置とアイウェア装置との間で共有されてもよく、したがって、依然として所望の機能性を保持しながら、アイウェア装置の重量、ヒートプロファイル、およびフォームファクタを全体的に低減する。例えば、ネックバンド1805は、そうでなければアイウェア装置に含まれるであろう構成要素がネックバンド1805に含まれることを可能にすることができるが、これは、ユーザが自分の頭部において耐えるよりも自分の肩において重い重量負荷に耐えることができるからである。ネックバンド1805はまた、周囲環境に熱を拡散および分散させるためのより大きな表面積を有することができる。したがって、ネックバンド1805は、独立型アイウェア装置で可能であったよりも大きなバッテリおよび計算能力を可能にすることができる。ネックバンド1805内に担持される重量は、アイウェア装置1802内に担持される重量よりもユーザにとって侵襲性が低くなり得るため、ユーザは、より軽いアイウェア装置を装着し、重いスタンドアロンのアイウェア装置を装着することに耐えるよりも長い時間にわたってペアリングされた装置を担持または装着することに耐えることができ、それにより、ユーザが日常的な活動に人工現実環境をより完全に組み込むことを可能にする。
ネックバンド1805は、アイウェア装置1802および/または他の装置と通信可能に結合されてもよい。これらの他の装置は、拡張現実システム1800に特定の機能(例えば、追跡、位置特定、深度マッピング、処理、記憶などである)を提供することができる。図18の実施形態では、ネックバンド1805は、マイクロフォンアレイの一部である(または潜在的に独自のマイクロフォンサブアレイを形成する)2つの音響トランスデューサ(例えば、1820(I)および1820(J))を含んでもよい。ネックバンド1805はまた、コントローラ1825および電源1835を含むことができる。
ネックバンド1805の音響トランスデューサ1820(I)および1820(J)は、音を検出し、検出された音を電子フォーマット(アナログまたはデジタル)に変換するように構成されてもよい。図18の実施形態において、音響トランスデューサ1820(I)および1820(J)は、ネックバンド1805に配置されてもよく、それにより、ネックバンド音響トランスデューサ1820(I)および1820(J)と、アイウェア装置1802に配置された他の音響トランスデューサ1820との間の距離を増加させる。場合によっては、マイクロフォンアレイの音響トランスデューサ1820間の距離を大きくすることにより、マイクロフォンアレイを介して行われるビームフォーミングの精度を向上させることができる。例えば、音響トランスデューサ1820(C)および1820(D)によって音が検出され、音響トランスデューサ1820(C)と1820(D)との間の距離が、例えば音響トランスデューサ1820(D)と1820(E)との間の距離よりも大きい場合、検出された音の音源の位置は、音が音響トランスデューサ1820(D)および1820(E)によって検出された場合よりも正確であり得る。
ネックバンド1805のコントローラ1825は、ネックバンド1805および/または拡張現実システム1800のセンサによって生成された情報を処理することができる。例えば、コントローラ1825は、マイクロフォンアレイによって検出された音を記述するマイクロフォンアレイからの情報を処理してもよい。検出された音ごとに、コントローラ1825は、到来方向(DOA)推定を実行して、検出された音がマイクロフォンアレイに到来した方向を推定し得る。マイクロフォンアレイが音を検出すると、コントローラ1825は、オーディオデータセットに情報を入力し得る。拡張現実システム1800が慣性測定ユニットを含む実施形態では、コントローラ1825は、アイウェア装置1802に配置されたIMUからすべての慣性および空間の計算を計算することができる。コネクタは、拡張現実システム1800とネックバンド1805との間、および拡張現実システム1800とコントローラ1825との間で情報を伝達することができる。情報は、光学データ、電気データ、無線データ、または任意の他の送信可能なデータ形式の形態であってもよい。拡張現実システム1800によって生成された情報の処理をネックバンド1805に移動させることにより、アイウェア装置1802の重量および熱を低減し、ユーザにとってより快適にすることができる。
ネックバンド1805内の電源1835は、アイウェア装置1802および/またはネックバンド1805に電力を供給することができる。電源1835は、リチウムイオン電池、リチウムポリマー電池、一次リチウム電池、アルカリ電池、または任意の他の形態の電力貯蔵部を含むことができるが、これらに限定されない。場合によっては、電源1835は有線電源であってもよい。アイウェア装置1802の代わりにネックバンド1805に電源1835を含めることは、電源1835によって生成された重量および熱をより良好に分配させるのに役立ち得る。
上述したように、いくつかの人工現実システムは、人工現実を実際の現実とブレンドする代わりに、現実世界のユーザの知覚の1つまたは複数を仮想体験に実質的に置き換えることができる。このタイプのシステムの一例は、ユーザの視野をほとんどまたは完全にカバーする、図19の仮想現実システム1900などの頭部装着型ディスプレイシステムである。仮想現実システム1900は、ユーザの頭部の周りに適合するように成形された前部剛体1902およびバンド1904を含むことができる。仮想現実システム1900はまた、出力オーディオトランスデューサ1906(A)および1906(B)を含むことができる。さらに、図19には示されていないが、前部剛体1902は、1つまたは複数の電子ディスプレイ、1つまたは複数の慣性測定ユニット(IMU)、1つまたは複数の追跡エミッタまたは検出器、および/または人工現実体験を作成するための任意の他の適切なデバイスまたはシステムを含む、1つまたは複数の電子要素を含むことができる。
人工現実システムは、様々なタイプの視覚フィードバック機構を含むことができる。例えば、拡張現実システム1800および/または仮想現実システム1900の表示デバイスは、1つまたは複数の液晶ディスプレイ(LCD)、発光ダイオード(LED)ディスプレイ、有機LED(OLED)ディスプレイ、デジタル光プロジェクト(DLP)マイクロディスプレイ、液晶オンシリコン(LCoS)マイクロディスプレイ、および/または任意の他の適切なタイプの表示画面を含むことができる。人工現実システムは、両眼用の単一の表示画面を含むことができ、または各眼用の表示画面を提示することができ、焦点可変調整またはユーザの屈折誤差を補正するための追加の柔軟性を可能にすることができる。いくつかの人工現実システムはまた、ユーザが表示画面を見ることができる1つまたは複数のレンズ(例えば、従来の凹レンズまたは凸レンズ、フレネルレンズ、調整可能な液体レンズなどである)を有する光学サブシステムを含むことができる。これらの光学サブシステムは、光をコリメート(例えば、物体をその物理的距離よりも大きな距離に出現させる)、拡大(例えば、物体をその実際のサイズよりも大きく見せる)、および/またはリレー(例えば、視聴者の目に)することを含む様々な目的を果たすことができる。これらの光学サブシステムは、非瞳形成アーキテクチャ(光を直接コリメートするがいわゆる糸巻き歪みをもたらす単一レンズ構成など)および/または瞳形成アーキテクチャ(糸巻き歪みを無効にするいわゆる樽型歪みを生成するマルチレンズ構成など)で使用することができる。
ディスプレイスクリーンを使用することに加えて、またはその代わりに、いくつかの人工現実システムは、1つ以上の投影システムを含むことができる。例えば、拡張現実システム1800および/または仮想現実システム1900の表示装置は、周囲の光を通過させる透明コンバイナーレンズなどの表示装置に光を投射する(例えば、導波路を使用して)マイクロLEDプロジェクタを含むことができる。表示装置は、投射された光をユーザの瞳孔に向けて屈折させることができ、ユーザが人工現実コンテンツと現実世界の両方を同時に見ることを可能にすることができる。表示装置は、導波路構成要素(例えば、ホログラフィック、平面、回折、偏光、および/または反射導波路要素)、光操作面および要素(回折要素、反射要素、屈折要素、格子など)、結合要素などを含む様々な異なる光学構成要素のいずれかを使用してこれを達成することができる。人工現実システムはまた、仮想網膜ディスプレイに使用される網膜プロジェクタなどの任意の他の適切なタイプまたは形態の画像投影システムで構成されてもよい。
人工現実システムはまた、様々なタイプのコンピュータビジョン構成要素およびサブシステムを含むことができる。例えば、拡張現実システム1800および/または仮想現実システム1900は、二次元(2D)または3Dカメラ、構造化光トランスミッタおよび検出器、飛行時間型深度センサ、シングルビームまたはスイーピングレーザ距離計、3D LiDARセンサ、および/または任意の他の適切なタイプまたは形態の光学センサなどの、1つまたは複数の光学センサを含むことができる。人工現実システムは、これらのセンサのうちの1つまたは複数から得たデータを処理して、ユーザの位置を識別し、現実世界をマッピングし、現実世界の周囲に関するコンテキストをユーザに提供し、および/または様々な他の機能を実行することができる。
人工現実システムはまた、1つまたは複数の入力および/または出力オーディオトランスデューサを含むことができる。図19に示す例では、出力オーディオトランスデューサ1906(A)および1906(B)は、ボイスコイルスピーカ、リボンスピーカ、静電スピーカ、圧電スピーカ、骨伝導トランスデューサ、軟骨伝導トランスデューサ、耳珠振動トランスデューサ、および/または任意の他の適切なタイプまたは形態のオーディオトランスデューサを含むことができる。同様に、入力オーディオトランスデューサは、コンデンサーマイクロフォン、ダイナミックマイクロフォン、リボンマイクロフォン、および/または任意の他のタイプまたは形態の入力トランスデューサを含むことができる。いくつかの実施形態では、単一のトランスデューサをオーディオ入力とオーディオ出力の両方に使用することができる。
図18には示されていないが、人工現実システムは、帽子、手袋、ボディスーツ、ハンドヘルドコントローラ、環境装置(例えば、椅子、フロアマットなどである)、および/または任意の他の種類の装置またはシステムに組み込まれ得る触知(すなわち、触覚)フィードバックシステムを含み得る。触覚フィードバックシステムは、振動、力、牽引、テクスチャ、および/または温度を含む様々なタイプの皮膚フィードバックを提供することができる。触覚フィードバックシステムはまた、動きおよびコンプライアンスなどの様々なタイプの運動感覚フィードバックを提供し得る。触覚フィードバックは、モータ、圧電アクチュエータ、流体システム、および/または様々な他の種類のフィードバック機構を使用して実施することができる。触覚フィードバックシステムは、他の人工現実デバイスから独立して、他の人工現実デバイス内で、および/または他の人工現実デバイスと組み合わせて実装され得る。
触覚感覚、可聴コンテンツ、および/または視覚コンテンツを提供することにより、人工現実システムは、仮想体験全体を作成するか、または様々なコンテキストおよび環境におけるユーザの現実世界体験を向上させることができる。例えば、人工現実システムは、特定の環境内のユーザの知覚、記憶、または認知を支援または拡張することができる。いくつかのシステムは、現実世界における他の人々とのユーザの対話を強化することができ、または仮想世界における他の人々とのより没入的な対話を可能にすることができる。人工現実システムはまた、教育目的(例えば、学校、病院、政府機関、軍事機関、企業などでの教育または訓練のためのものである)、娯楽目的(例えば、ビデオゲームのプレイ、音楽の聴取、ビデオコンテンツの視聴などのためのものである)、および/またはアクセシビリティ目的(例えば、補聴器、視覚補助具などとして)に使用されてもよい。本明細書で開示される実施形態は、これらのコンテキストおよび環境のうちの1つまたは複数において、ならびに/あるいは他のコンテキストおよび環境において、ユーザの人工現実体験を可能にし、または強化することができる。
上述したように、人工現実システム1800および1900は、より訴えかけるものがある人工現実体験を提供するために、様々な他のタイプの装置と共に使用されることができる。これらの装置は、触覚フィードバックを提供し、および/または環境とのユーザの対話に関する触覚情報を収集するトランスデューサとの触覚インターフェースであり得る。本明細書で開示される人工現実システムは、触覚フィードバック(例えば、ユーザが皮膚の神経を介して検出するフィードバック、皮膚フィードバックとも呼ばれる)および/または運動感覚フィードバック(例えば、ユーザが筋肉、関節、および/または腱に位置する受容体を介して検出するフィードバック)を含む、様々なタイプの触覚情報を検出または伝達する様々なタイプの触覚インターフェースを含むことができる。
触覚フィードバックは、ユーザの環境内に配置されたインターフェース(例えば、椅子、テーブル、床などである)および/またはユーザによって着用または携帯され得る物品のインターフェース(例えば、手袋、リストバンドなど)によって与えられ得る。例として、図20は、ウェアラブルな手袋(触覚装置2010)およびリストバンド(触覚装置2020)の形態の振動触覚システム2000を示す。触覚装置2010および触覚装置2020は、ユーザの手および手首に対してそれぞれ位置決めするように成形され構成された可撓性のウェアラブルなテキスタイル材料2030を含むウェアラブル装置の例として示されている。本開示はまた、指、腕、頭、胴体、足、または脚などの他の人体の部分に対して位置決めするように成形および構成され得る振動触覚システムを含む。限定ではなく例として、本開示の様々な実施形態による振動触覚システムはまた、他の可能性の中でも、手袋、ヘッドバンド、アームバンド、スリーブ、ヘッドカバー、靴下、シャツ、またはパンツの形態であってもよい。いくつかの例では、「テキスタイル」という用語は、織布、不織布、皮革、布、可撓性ポリマー材料、複合材料などを含む任意の可撓性のウェアラブルな材料を含み得る。
1つ以上の振動触覚装置2040は、振動触覚システム2000のテキスタイル材料2030に形成された1つ以上の対応するポケット内に少なくとも部分的に配置されてもよい。振動触覚装置2040は、振動触覚システム2000のユーザに振動感覚(例えば、触覚フィードバック)を提供する場所に配置されてもよい。例えば、振動触覚装置2040は、図20に示すように、ユーザの指、親指、または手首に対して配置されてもよい。振動触覚装置2040は、いくつかの例では、ユーザの対応する身体部分に適合するかまたはそれと共に屈曲するように十分に可撓性であってもよい。
振動触覚装置2040の起動のために振動触知装置に電圧を印加するための電源2050(例えば、バッテリ)は、導電性配線2052などを介して振動触覚装置2040に電気的に結合されてもよい。いくつかの例では、振動触覚装置2040の各々は、個々の起動のために電源2050に独立して電気的に結合されてもよい。いくつかの実施形態では、プロセッサ2060は、電源2050に動作可能に結合され、振動触覚装置2040の起動を制御するように構成され(例えば、プログラムされ)得る。
振動触覚システム2000は、様々な方法で実装することができる。いくつかの例では、振動触覚システム2000は、他の装置およびシステムから独立して動作するための一体型サブシステムおよび構成要素を備えたスタンドアロンシステムであってもよい。別の例として、振動触覚システム2000は、別の装置またはシステム2070と相互作用するように構成されてもよい。例えば、振動触覚システム2000は、いくつかの例では、他の装置またはシステム2070にシグナルを受信および/または送信するための通信インターフェース2080を含むことができる。他の装置またはシステム2070は、モバイル装置、ゲーム機、人工現実(例えば、仮想現実、拡張現実、複合現実)装置、パーソナルコンピュータ、タブレットコンピュータ、ネットワーク装置(例えば、モデム、ルータなどである)、ハンドヘルドコントローラなどであってもよい。通信インターフェース2080は、無線(例えば、Wi-Fi、Bluetooth、セルラ、無線などである)リンクまたは有線リンクを介して振動触覚システム2000と他の装置またはシステム2070との間の通信を可能にすることができる。存在する場合、通信インターフェース2080は、振動触覚装置2040のうちの1つまたは複数を作動または停止させるためのシグナルをプロセッサ2060に提示するなどのために、プロセッサ2060と通信することができる。
振動触覚システム2000は、任意選択的に、タッチ感知パッド2090、圧力センサ、モーションセンサ、位置センサ、照明要素、および/またはユーザインターフェース要素(例えば、オン/オフボタン、振動制御要素などである)などの他のサブシステムおよび構成要素を含んでもよい。使用中、振動触覚装置2040は、ユーザのユーザインターフェース要素との相互作用、動きまたは位置センサからのシグナル、タッチ感知パッド2090からのシグナル、圧力センサからのシグナル、他の装置またはシステム2070からのシグナルなどに応答して、様々な異なる理由で起動されるように構成され得る。
電源2050、プロセッサ2060、および通信インターフェース2080は、触覚装置2020に配置されるものとして図20に示されているが、本開示はそのように限定されない。例えば、電源2050、プロセッサ2060、または通信インターフェース2080のうちの1つまたは複数は、触覚装置2010内または別のウェアラブルな布地の中に配置されてもよい。
図20に示され、それに関連して説明されたものなどの触覚ウェアラブルは、様々なタイプの人工現実システムおよび環境で実装され得る。図21は、1つのヘッドマウント型仮想現実ディスプレイおよび2つの触覚装置(すなわち、手袋)を含む例示的な人工現実環境2100を示し、他の実施形態では、これらの構成要素および他の構成要素の任意の数および/または組み合わせが人工現実システムに含まれてもよい。例えば、いくつかの実施形態では、各々が関連する触覚装置を有する複数のヘッドマウントディスプレイがあってもよく、各ヘッドマウントディスプレイおよび各触覚装置は、同じコンソール、ポータブルコンピューティングデバイス、または他のコンピューティングシステムと通信する。
ヘッドマウントディスプレイ2102は、一般に、図19の仮想現実システム1900などの任意の種類または形態の仮想現実システムを表す。触覚装置2104は、一般に、ユーザが仮想物体と物理的に係合しているという知覚をユーザに与えるために触覚フィードバックをユーザに提供する、人工現実システムのユーザによって装着される任意のタイプまたは形態のウェアラブル装置を表す。いくつかの実施形態では、触覚装置2104は、振動、動き、および/または力をユーザに加えることによって触覚フィードバックを提供することができる。例えば、触覚装置2104は、ユーザの動きを制限または増強することができる。具体的な例を挙げると、触覚装置2104は、ユーザが自分の手が仮想の壁と物理的に接触したという知覚を得るように、ユーザの手が前方に移動するのを制限することができる。この特定の例では、触覚装置内の1つ以上のアクチュエータは、触覚装置の膨張可能なブラダに流体を送り込むことによって物理的な動きの制限を達成することができる。いくつかの例では、ユーザは、触覚装置2104を使用してコンソールにアクション要求を送信することもできる。アクション要求の例には、限定するものではないが、アプリケーションを開始し、および/またはアプリケーションを終了する要求、および/またはアプリケーション内の特定のアクションを実行する要求が含まれる。
図21に示すように、触覚インターフェースを仮想現実システムで使用することができるが、図22に示すように、触覚インターフェースを拡張現実システムで使用することもできる。図22は、拡張現実システム2200と対話するユーザ2210の斜視図である。この例では、ユーザ2210は、1つ以上のディスプレイ2222を有することができ、触覚装置2230とペアになる一対の拡張現実メガネ2220を装着することができる。この例では、触覚装置2230は、複数のバンド要素2232と、バンド要素2232を互いに接続する張力付与機構2234とを含むリストバンドであってもよい。
バンド要素2232のうちの1つまたは複数は、触覚フィードバックを提供するのに適した任意のタイプまたは形態のアクチュエータを含むことができる。例えば、バンド要素2232のうちの1つまたは複数は、振動、力、牽引、テクスチャ、および/または温度を含む様々なタイプの皮膚フィードバックのうちの1つまたは複数を提供するように構成されてもよい。そのようなフィードバックを提供するために、バンド要素2232は、様々なタイプのアクチュエータのうちの1つまたは複数を含むことができる。一例では、バンド要素2232の各々は、一斉にまたは独立して振動して、様々なタイプの触覚のうちの1つまたは複数をユーザにもたらすように構成された振動体(例えば、振動触覚アクチュエータ)を含むことができる。あるいは、単一のバンド要素またはバンド要素のサブセットのみが振動子を含んでもよい。
触覚装置2010、2020、2104、および2230は、任意の適切な数および/または種類の触覚トランスデューサ、センサ、および/またはフィードバック機構を含むことができる。例えば、触覚装置2010、2020、2104、および2230は、1つまたは複数の機械トランスデューサ、圧電トランスデューサ、および/または流体トランスデューサを含むことができる。触覚装置2010、2020、2104、および2230はまた、ユーザの人工現実感体験を向上させるために一緒にまたは独立して機能するトランスデューサの異なるタイプおよび形態の様々な組み合わせを含むことができる。一例では、触覚装置2230のバンド要素2232の各々は、一斉にまたは独立して振動して、様々なタイプの触覚のうちの1つまたは複数をユーザにもたらすように構成された振動体(例えば、振動触覚アクチュエータ)を含むことができる。
本明細書に記載および/または図示されるステップのプロセスパラメータおよび順序は、例としてのみ与えられ、所望に応じて変更することができる。例えば、本明細書に図示および/または説明されるステップは特定の順序で図示または説明され得るが、これらのステップは必ずしも図示または説明された順序で実行される必要はない。本明細書に記載および/または図示された様々な例示的な方法はまた、本明細書に記載または図示されたステップの1つまたは複数を省略してもよく、または開示されたステップに加えて追加のステップを含んでもよい。
前述の説明は、他の当業者が本明細書に開示された例示的な実施形態の様々な態様を最良に利用することを可能にするために提示された。この例示的な説明は、網羅的であること、または開示された任意の正確な形態に限定されることを意図するものではない。本開示の趣旨および範囲から逸脱することなく、多くの修正および変形が可能である。本明細書で開示された実施形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本開示の範囲を決定する際には、添付の特許請求の範囲およびそれらの均等物を参照すべきである。
特に明記しない限り、本明細書および特許請求の範囲で使用される「に接続される」および「に結合される」(およびそれらの派生語)という用語は、直接的および間接的(すなわち、他の要素または構成要素を介して)接続の両方を可能にすると解釈されるべきである。さらに、本明細書および特許請求の範囲で使用される「a」または「an」という用語は、「少なくとも1つ」を意味すると解釈されるべきである。最後に、使用を容易にするために、本明細書および特許請求の範囲で使用される「含む(including)」および「有する(having)」という用語(およびそれらの派生語)は、「備える(comprising)」という単語と交換可能であり、同じ意味を有する。
層または領域などの要素が別の要素に形成される、堆積される、または「に配置される」もしくは「上に配置される」と言及される場合、それは他の要素の少なくとも一部に直接配置され得、または1つ以上の介在要素が存在してもよいことが理解されよう。対照的に、ある要素が別の要素に「直接」または「直接上に」あると言及される場合、それは、介在する要素が存在しないで、他の要素の少なくとも一部に配置され得る。
特定の実施形態の様々な特徴、要素またはステップは、移行句「含む(comprising)」を使用して開示され得るが、移行句「からなる(consisting)」または「から本質的になる(consisting essentially of)」を使用して記載され得るものを含む代替の実施形態が暗示されることを理解されたい。したがって、例えば、酸化インジウムスズを含む(comprising)または含む(including)電極に対する暗示的な代替実施形態は、電極が酸化インジウムスズから本質的になる実施形態、および電極が酸化インジウムスズからなる実施形態を含む。
Claims (15)
- ポリマー前駆体および固体テンプレート剤を含む重合性組成物を形成すること、
前記重合性組成物のコーティングを形成すること、
前記コーティングを処理して、複数の画定された領域に固体相を含む硬化ポリマー材料を形成すること、および
前記硬化ポリマー材料から前記固体相の少なくとも一部を除去して、ボイド化ポリマー層を形成すること
を含む方法。 - 前記重合性組成物を処理して均一溶液を形成することをさらに含む、請求項1に記載の方法。
- 前記固体相の少なくとも一部を除去することが、前記テンプレート剤をおよそ30℃~およそ300℃の温度で昇華させることを含む、請求項1に記載の方法。
- 前記テンプレート剤が多環芳香族炭化水素を含む、請求項1に記載の方法。
- 前記テンプレート剤が、2-ナフトール、アントラセン、安息香酸、サリチル酸、樟脳、サッカリン、キニン、コレステロール、パルミチン酸、ステアリン酸、アセチルサリチル酸、アトロピン、ヒ素、ピペラジンおよび1,4-ジクロロベンゼンからなる群から選択される、請求項1に記載の方法。
- 前記複数の画定された領域が、およそ20μm未満の最大寸法を有する材料リッチ領域をテンプレート化することを含む、請求項1に記載の方法。
- 前記固体相の少なくとも一部を除去することが昇華を含む、請求項1に記載の方法。
- 前記ボイド化ポリマー層が、およそ0.2MPa~およそ500MPaの弾性率を有する、請求項1に記載の方法。
- 前記重合性組成物が、UVラジカル開始剤、熱ラジカル開始剤、およびレドックスラジカル開始剤からなる群から選択される開始剤をさらに含む、請求項1に記載の方法。
- ポリマー前駆体および固体テンプレート剤を含む均一溶液を形成すること、
基板に溶液の層を形成すること、
前記層を処理して、固体テンプレート剤相の個別のドメインを含む硬化ポリマー材料を形成すること、および
前記ドメインから固体相の少なくとも一部を除去して、ボイド化ポリマー層を形成すること
を含む方法。 - ポリマーマトリックス全体に不均一に分散された複数のボイドを有するポリマーマトリックス
を含むボイド化ポリマー。 - 前記ボイド化ポリマー層が導電性電極間に配置されている、請求項11に記載のボイド化ポリマーの層を含むアクチュエータ要素。
- 請求項11に記載のボイド化ポリマーを含む音響要素。
- 気化した反応物組成物を反応チャンバに導入することであって、前記気化した反応物組成物が、ポリマー前駆体および有機テンプレート剤を含む、導入すること、
前記反応チャンバ内に配置された基板の上に前記反応物組成物を含むコーティングを形成すること、および
前記コーティングを処理して前記ポリマー前駆体を硬化させ、前記有機テンプレート剤を結晶化させて複合層を形成すること
を含む方法。 - ポリマードメイン間に分散した有機結晶性ドメイン
を含む複合構造。
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