JP4508876B2 - マイクロメカニカル熱的構造及び該マイクロメカニカル構造を製造する方法 - Google Patents

Description

本発明は、マイクロメカニカル熱的構造に関する。本発明は、さらに、このようなマイクロメカニカル熱的構造を含む熱光学変調器及びこのようなマイクロメカニカル熱的構造を製造するための方法に関する。

このタイプのマイクロメカニカル熱的構造を、切り替え可能なミラーのような、放射を変調するためのデバイス、速い撮像デバイス、及び光記録媒体において使用することができる。

冒頭の段落で述べたタイプのマイクロメカニカル熱的構造は、特許文献１から知られている。この文書は、熱的に作動させられる板を開示し、ここで加熱器が、二つの重合体の層の間に挟まれ、重合体の層は、異なる熱膨張係数を有する。例えば、両方の層が、第一の初期の温度で同じ長さを有する場合には、一方の層の長さは、初期の温度と異なる温度で、他方の層の長さと異なることになる。

さらに、この文書は、反射性の表面を形成するマイクロ電子基板に位置決めされた複数の熱光学構造を含む熱光学変調器を開示し、ここで熱光学構造は、衝突する放射を反射させる又は吸収することができるように、熱光学構造を選択的に加熱することによって、反射性の表面に不連続性を導入する。

知られた熱光学構造の不都合は、それらが、とりわけ、数回のマスキング及びエッチングのステップを要求する従来のマイクロ電子又はマイクロメカニカル技術によって製造されることである。
米国特許第６，１３７，６２３号明細書

本発明の目的は、冒頭の段落で述べたようなマイクロメカニカル熱的構造及び本質的に単純な技術によって製造することができる熱光学変調器を提供することである。

この目的を達成するために、本発明の第一の態様は、請求項１に指定したマイクロメカニカル構造を、及び、本発明の第二の態様は、請求項６に記載した熱光学変調器を提供する。本発明は、とりわけ、配向させた重合体、例えば、液晶質の重合したネットワークの場合には、分子の方向性に平行な方向における、整列させた液晶質の重合したネットワークの熱膨張が、分子の方向性に垂直な方向における熱膨張と異なるという認識に基づく。マイクロメカニカル熱的構造の二つの層が、互いに付着させられる場合には、温度の変化は、マイクロメカニカル熱的構造の曲がりに至る。この熱膨張の挙動は、可逆的である。

この出願においては、方向性は、配向させた重合体の分子の軸線の平均の方向を意味する。

一つを超えるマイクロメカニカル構造が単一の基体に作られる場合には、熱光学変調器を得ることができる。熱光学変調器は、各々のマイクロメカニカル熱的構造の重合体の層は、吸収性の色素又は反射性のコーティングが提供されると共に、第一の温度における第一の状態で、マイクロメカニカル構造が、下にある表面の一部分を遮断すること及び入射光を絞ることが可能であるという方式で、透明な基体において配向させられ、且つ、第二の温度における第二の状態で、それらは、透明な基体を介して入射光の一部分を透過させることが可能であるという事実に基づく。

特定の好都合な実施形態は、請求項２に指定される。液晶質の重合した材料は、単量体の又は反応性の基を含む単量体の混合物の反応生産物である。このような重合体材料は、液晶質の基を、重合より先に、配向させることができるという利点を有する。重合は、このような配向が、まるでそれが、配向を誘起させておいたその初期の状態にあるかのように、凍結させられることを引き起こす。これらの液晶質の材料は、それ自体、公開された国際特許出願ＷＯ９７／４４４０９から知られている。

さらなる実施形態は、請求項３に指定される。この実施形態において、機械的な結合が、本質的に、二層構造が、ねじれた方向性のパターンを有する重合体材料の単一の層から作られるとき、得られる。この実施形態を、液晶質の単量体の、単量体の状態において、異なるが良好に制御された分子の配向を確立する、配向を誘起する層が提供される型から、光複製によって作ることができるが、その単量体は、その後に光重合の工程で固定される。

好ましくは、液晶質の材料は、平らに配向させられ、ここで、単一の層の一方の側における方向性は、単一の層に対して平行に配向させられ、且つ、単一の層の他方の側における方向性は、単一の層に垂直に配向させられる。

本発明のさらなる目的は、設けることが相対的に単純である、冒頭の段落で述べたようなマイクロメカニカル熱的構造を製造する方法を提供することである。この目的は、請求項９に指定したような方法によって達成される。この方式では、熱光学変調器又はマイクロメカニカル熱的構造を、液晶質の単量体の、単量体の状態で、異なるが良好に制御された分子の配向を確立する、配向を誘起する層が提供される型から、光複製によって作ることができるが、その単量体は、その後に光重合の工程で固定される。

さらに好都合な実施形態は、従属請求項に指定される。

本発明のこれらの及び他の態様は、以後に記載した実施形態から明らかであると共に、それら実施形態を参照して解明されると思われる。

図１は、第一の方向で及び第二の方向でそれぞれ異なる熱膨張係数を備えた、長さｈ並びに厚さｄ_１及びｄ_２の配向させた重合体材料の二つの層１２、１４をそれぞれ含むマイクロメカニカル熱的構造１０を概略的に示す。第一の層１２の配向させた重合体の分子の方向性ｎ１は、第二の層１４の配向させた重合体の分子の方向性ｎ２に垂直である。好ましくは、配向させた重合体は、液晶質の単量体で作られる。

さらに、第一及び第二の層１２、１４を、同じ液晶質の重合した材料で作ることができる。この液晶質の重合した材料においては、ある一定の方向における熱膨張が、液晶質の重合したネットワークにおける分子の方向性に関してその方向の配向に依存する。この例においては、その方向における膨張係数は、液晶質の重合したネットワークにおける分子の方向性と一致する方向で最も大きいものである。

図２は、適切な液晶質の材料Ｃ６Ｈ及びＣ１０Ｈの重合したネットワークの分子の図１６を示す。

図３は、配向させた状態での単量体Ｃ６Ｈ及びＣ１０Ｈの重合によって形成された二つの液晶質のネットワークの温度の関数としての熱膨張のグラフを示す。曲線２０は、その方向性に対して垂直な方向に重合したＣ６Ｈについての熱膨張を示し、且つ、曲線２２は、その方向性に平行な方向に重合したＣ６Ｈについての熱膨張を示す。

曲線２４は、その方向性に垂直な方向に重合したＣ１０Ｈについての熱膨張を示し、且つ、曲線２６は、その方向性に平行な方向に重合したＣ１０Ｈについての熱膨張を示す。図３から、所定の方向における熱膨張の差は、明らかである。よって、液晶質の重合した材料の、二つの、室温で真っ直ぐな、層が、垂直に配向させた方向性を備えるが、マイクロメカニカル熱的構造を形成するために、互いに付着させられるとき、これらの層は、温度の変化で曲がることを強いられる。これは、熱膨張の差によって、引き起こされる。その方向性に垂直な方向でのその層における熱膨張は、大きく、且つ、その方向性に平行なその層における熱膨張は、小さく、且つ、負になることさえある。

図４は、ねじれた方向性のパターン４２を備えた液晶質の重合した材料の単一の層で作られたマイクロメカニカル熱的構造４０を示すが、ここで二つの層の間における機械的な結合が、本質的に得られる。より高い温度では、例えば、一方の辺４４は、線４６に沿って膨張し、その層の反対の辺４８は、線５０に沿って収縮する。結果として、その層は、線５２に沿った方向に曲がる。

あるいは、液晶質の分子は、斜めに配向させられるが、単一の層の一方の側での方向性は、単一の層に平行に配向させられ、且つ、単一の層の他方の側での方向性は、単一の層に垂直に配向させられる。

図５は、ねじれた分子の配置を備えたマイクロメカニカル熱的構造についての製造方法のフローチャートを示す。第一のステップ５４において、所望のマイクロメカニカル熱的構造の外形に依存する所望の表面の起伏５８を備えた型５６には、配向を誘起する層６０が、例えば、光整列層６０で表面の起伏５８を被覆することによって提供される。液晶質の単量体の所定の分子の配向を局所的に提供する、配向層を、型５６に提供するために、適切な光整列層を使用することができる。これらの光整列層は、例えば、偏光した光での露出によって異方性の１，２−環状付加を受けることができる、桂皮酸エステルを主材料とする。これらの光整列層は、Ｊｏｕｒｎａｌ ＳＩＤ，８／１，６７−７０，２０００におけるＨ．Ｓｉｅｂｅｒｌｅ及びＭ．ｓｈａｄｔによる“Ｐｈｏｔｏａｌｉｇｎｍｅｎｔ ａｎｄ ｐｈｏｔｏ−ｐａｔｔｅｒｎｉｎｇ ｏｆ ｐｌａｎａｒ ａｎｄ ｈｏｍｅｏｔｒｏｐｉｃ ｌｉｑｕｉｄ−ｃｒｙｓｔａｌ−ｄｉｓｐｌａｙ ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ”並びにＪｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｄ：Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．，３３，Ｒ６７−Ｒ８４，２０００におけるＭ．Ｏ’Ｎｅｉｌｌ及びＳ．Ｍ．Ｋｅｌｌｙによる“Ｐｈｏｔｏｉｎｄｕｃｅｓ ｓｕｒｆａｃｅ ａｌｉｇｎｍｅｎｔ ｆｏｒ ｌｉｑｕｉｄ ｃｒｙｓｔａｌ ｄｉｓｐｌａｙｓ”から知られている。

あるいは、光整列層は、当業者によって選択される光反応によって、光整列層６０と接触させられる液晶質の材料を整列させるために異方性を提供する、光増感ポリイミドを主材料とすることができる。光整列層は、商業的に利用可能であると共に、Ｖａｎｔｉｃｏ、ＪＳＲ、及びＮｉｓｓａｎから得ることができる。

その後のステップ６２において、表面の起伏５８は、第一の直線偏光の方向を備えた紫外光に対して露出される。さらに後のステップ６４において、表面の起伏は、第一の偏光方向と異なる、第二の直線偏光の方向を有する紫外光に対して露出される。これらの露出は、型の表面の起伏５８に所定の配向を誘起する構造を提供する。また、露出させると共に紫外光の露出において所定の平面の方向に液晶質の分子を整列させることなく、型５６の表面に対して垂直に液晶質の分子を配向させる光整列層を設けることは、可能である。このタイプの光整列は、反応性の液晶の単量体に所定の方向性の配向を提供するために型の準備の間に単一の露出のみが要求されるという利点を有する。

さらに後のステップ６６において、基板６８は、型５６に対向して、位置決めされ、且つ、反応性の液晶質の単量体７０は、型５６と基板６８との間で加圧される。液晶質の単量体における所定の分子の配向が得られる待機時間の後で、紫外放射への露出によって単量体を重合させる。好ましくは、待機時間の間に、液晶質の単量体の所定の分子の配向を得ることを促進するために、熱的なアニーリングのステップを適用することができる。適切な液晶質の単量体は、Ｃ６Ｈ又はＣ１０Ｈである。

さらに後のステップ７２において、型５４が、取り除かれると共に、マイクロメカニカル熱的構造７３が、得られる。図５における型５４は、単一のマイクロメカニカル熱的構造７３を形成する。しかしながら、熱光学変調器を製造するために、単一の基体にマイクロメカニカル熱的構造の配列用の型を形成することもまた可能である。

図６は、重合体の壁７５を含む熱光学変調器７４を示す。第一の温度で、重合体の壁７５は、好ましくは、透明な基板７６に垂直である。好ましくは、重合体の壁７５には、（示さない）反射性のコーティングが、例えば、Ａｌ、Ａｇ、又はＡｕが、提供される。また、重合体の壁７４に、（示さない）吸収性のコーティングを、例えばＣｒＯ_２を、提供することも可能である。

あるいは、重合体の壁７５を、液晶質の表示デバイスにおいて従来より使用された偏光子に塗布されるヨウ素−ポリ酢酸ビニルのような二色性のゲスト−ホスト色素を加えることによって、自己吸収性にすることができる。変形してない状態で、重合体の壁７５は、真っ直ぐであり、且つ、熱光学変調器７４は、透明な基板７２を介して全ての入射光７７を実質的に透過させる。第二のより高い温度での第二の変形した状態では、熱光学変調器７４の重合体の壁７２は、曲げられ、且つ、それによって、実質的に全ての入射光７７を遮断することになる。反対の矢印は、温度が、その初期の値まで戻るとき、切り替わる工程の可逆性を示す。

この熱光学変調器の透過率を、式（１）

を使用して、算出することができ、ここで
Ｔｒは、透過率を表し、
ｐは、基体における隣接する重合体の壁の間のピッチ又は距離を表し、
ｄ_１、ｄ_２は、それぞれ、各々の壁の第一及び第二の層の厚さを表し、
ξは、投影された変形を表す。

投影された変形を、式（２）

を使用することによって、それぞれ、その方向性に垂直な及び平行な熱膨張係数、γ_１及びγ_２から見積もることができ、ここで、
ｈは、重合体の壁の高さを表し、且つ、ｒは、式（３）

によって計算される。

液晶質の重合した材料について、熱膨張係数γ_１及びγ_２は、構成する重合体のガラス転移温度のあたりで互いに離れ始める。結果として、このガラス転移温度のあたりの透過率は、鋭い転移を示す。これは、異なる壁の幾何学的配置を有する熱光学変調器についてモデル化される。

図７は、異なる高さについて、２０マイクロメートルの一定のピッチｐ及び２マイクロメートルの厚さｄ_１、ｄ_２を有するデバイスについての熱光学変調器の温度の関数としての熱光学変調器の透過率を表すグラフ８１を示す。曲線８２−８５は、それぞれ、１０、２０、３０、及び４０マイクロメートルの重合体の壁の高さｈについての温度Ｔの関数としての透過率Ｔｒを示す。

さらに、図７は、異なるピッチについて、３０マイクロメートルの一定の高さｈ及び２マイクロメートルの厚さｄ_１、ｄ_２を有するデバイスについての熱光学変調器の温度の関数としての熱光学変調器の透過率を表すグラフ８６を示す。曲線８７−９０は、それぞれ、１０、２０、３０、及び４０マイクロメートルの重合体の壁のピッチｐについての温度Ｔの関数としての透過率Ｔｒを示す。

多くの変形例が、添付した請求項の範囲から逸脱することなく、本発明の範囲内で可能であることは、明らかであると思われる。
［付記］
付記（１）：第一の方向及び第二の方向においてそれぞれ異なる熱膨張係数を備えた材料の二つの層を含み、それによって、該第一の方向は、該第二の方向に対して横向きであり、且つ、該二つの層は、配向させた重合体を含み、それによって、該第一の層の配向させた重合体の分子の方向性は、該第二の層の配向させた重合体の分子の方向性に対して横向きである、マイクロメカニカル熱的構造。
付記（２）：前記配向させた重合体は、液晶質の重合体の材料を含む、付記（１）に記載のマイクロメカニカル熱的構造。
付記（３）：前記二つの層は、単一の層を構成し、該単一の層の一方の側における液晶質の分子の方向性は、該単一の層の反対の側における液晶質の分子の方向性に関して回転させられる、付記（１）に記載のマイクロメカニカル熱的構造。
付記（４）：前記液晶質の分子は、前記単一の層に対して平行に配向させられる前記単一の層の一方の側における方向性及び前記単一の層に垂直に配向させられる前記単一の層の他方の側における方向性に対して、斜めに配向させられる、付記（３）に記載のマイクロメカニカル熱的構造。
付記（５）：前記液晶質の分子の方向性は、前記層に平行である、付記（１）に記載のマイクロメカニカル熱的構造。
付記（６）：基体に配列された複数の付記（１）に記載のマイクロメカニカル熱的構造を含む熱光学変調器。
付記（７）：前記層は、反射性のコーティング又は吸収性のコーティングが提供される、付記（６）に記載の熱光学変調器。
付記（８）：前記配向させた重合体の層は、光を吸収する二色性のゲスト−ホストの色素を含む、付記（６）に記載の熱光学変調器。
付記（９）：マイクロメカニカル熱的構造の形状を複製するための所望の表面の起伏を備えた型を形作るステップ、液晶質の単量体の、単量体の状態における分子の配向を得るために、配向を誘起する層を該型に提供するステップ、該型と基体との間における反応性の液晶質の単量体の材料を加圧するステップ、該液晶質の単量体の材料を重合させるステップ、該基体から該型を解放するステップを含み、それによって、該基体の該マイクロメカニカル熱的構造が得られる、マイクロメカニカル熱的構造を製造する方法。
付記（１０）：前記配向を誘起する層を型に提供するステップは、前記型の表面を光整列層でコーティングするステップ、及び前記型の表面に、所定の方向の、前記液晶質の分子の方向性を誘起する構造を得るために、ＵＶ放射に対して該光整列層を露出させるステップをさらに含む、付記（９）に記載のマイクロメカニカル熱的構造を製造する方法。
付記（１１）：前記光整列層を露出させるステップは、第一の直線偏光の方向を備えた紫外放射に対して前記光整列層を露出させるサブステップ、及び第二の直線偏光の方向を備えた紫外放射に対して該光整列層を露出させるサブステップの二つのサブステップを含み、該第二の偏光の方向は、該第一の偏光の方向と異なる、付記（７）に記載のマイクロメカニカル熱的構造を製造する方法。

知られた重合体の二層の素子を示す。 Ｃ６Ｈ及びＣ１０Ｈの概略の重合体のネットワークを示す。 ポリＣ６Ｈ及びポリＣ１０Ｈの液晶質のネットワークの熱膨張のグラフを示す。 温度を変化させるとき、曲がることになる、ねじれた液晶質のネットワークを概略的に示す。 ねじれた液晶質の分子の構造を作るための複製工程のステップを示す。 熱光学変調器を概略的に示す。 温度の関数として熱光学変調器の透過率温度図を示す。

Claims (11)

1. マイクロメカニカルな熱的な構造であって、
   材料の第一の及び第二の層、
   各々の層が、配向させられた重合体を具備すること、
   いずれの方向においても各々の層の熱膨張係数は、それぞれの配向させられた重合体の分子の方向に関して上記の方向の配向に依存性のものであること、並びに、
   前記第一の層の前記配向させられた重合体の分子のダイレクターは、前記第一の層が、第一の方向における第一の熱膨張係数を有すると共に前記第二の層が、第二の方向における第二の熱膨張係数を有するように、前記第二の層の配向させられた重合体の分子のダイレクターに対して横向きのものであること、
   上記の第一の及び第二の熱的な膨張係数が、異なるものであること、及び、
   上記の第一の方向が、上記の第二の方向に対して横向きのものであること
   を具備する、マイクロメカニカルな熱的な構造。
2. 請求項１に記載のマイクロメカニカルな熱的な構造において、
   前記配向させられた重合体は、液晶質の重合体の材料を具備する、マイクロメカニカルな熱的な構造。
3. 請求項１に記載のマイクロメカニカルな熱的な構造において、
   前記二つの層は、単一の層を構成すると共に、
   前記単一の層の一方の側における前記液晶質の分子のダイレクターは、前記第一の層の反対の側における前記液晶質の分子のダイレクターに関して回転させられたものである、マイクロメカニカルな熱的な構造。
4. 請求項３に記載のマイクロメカニカルな熱的な構造において、
   前記液晶質の分子は、前記単一の層に対して平行に配向させられたものである前記単一の層の一方の側におけるダイレクター及び前記単一の層に対して垂直に配向させられたものである前記単一の層の他方の側におけるダイレクターで斜めに配向させられたものである、マイクロメカニカルな熱的な構造。
5. 請求項１に記載のマイクロメカニカルな熱的な構造において、
   前記液晶質の分子のダイレクターは、前記層に対して平行なものである、マイクロメカニカルな熱的な構造。
6. 基体に配列された複数の請求項１に記載のマイクロメカニカルな熱的な構造を具備する、熱光学的な変調器。
7. 請求項６に記載の熱光学的な変調器において、
   前記層は、反射性のコーティング又は吸収性のコーティングが提供されたものである、熱光学的な変調器。
8. 請求項６に記載の熱光学的な変調器において、
   前記配向させられた重合体の層は、光を吸収するための二色性のゲスト−ホストの色素を具備する、熱光学的な変調器。
9. 請求項１に記載のマイクロメカニカルな熱的な構造を製造する方法であって、
   前記方法は、
   − マイクロメカニカルな熱的な構造の形状を複製するための望まれた表面のレリーフを備えた型を形作ること；
   − 液晶質の単量体の、単量体の状態における分子の配向を得るために配向を誘起する層を前記型に提供すること、
   − 前記型及び基体の間における反応性の液晶質の単量体の材料をプレスすること、
   − 前記液晶質の単量体の材料を重合させること；
   − 前記基体から前記型を解放すること、前記基体のマイクロメカニカルな熱的な構造が得られること
   ：のステップを具備する、マイクロメカニカルな熱的な構造を製造する方法。
10. 請求項９に記載のマイクロメカニカルな熱的な構造を製造する方法において、
    前記配向を誘起する層を型に提供することのステップは、
    光整列層で前記型の表面をコートすること、及び
    前記型の表面に前記液晶質の分子のダイレクターの予め決められた方向を誘起する構造を得るためにＵＶ放射に対して前記光整列層を露出させること
    ：のさらなるステップを具備する、マイクロメカニカルな熱的な構造を製造する方法。
11. 請求項１０に記載のマイクロメカニカルな熱的な構造を製造する方法において、
    前記光整列層を露出させることのステップは、
    − 第一の直線偏光の方向を備えた紫外の放射に対して前記光整列層を露出させること；及び
    − 第二の直線偏光の方向を備えた紫外の放射に対して前記光整列層を露出させること、上記の第二の偏光の方向は、前記第一の偏光の方向と異なるものであること、
    の二つのサブステップを具備する、マイクロメカニカルな熱的な構造を製造する方法。

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