JP6198817B2 - フォトニック装置を製造する方法 - Google Patents
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Description
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。
(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。
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。
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。
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。
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]。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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Claims (28)
- 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。 - 前記アリコートは、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。
- 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。 - 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。 - 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。 - 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。
- 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。
- 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。
- 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。 - 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。 - 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。 - 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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