KR100380584B1 - 테이퍼광중합된도파관어레이제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 테이퍼 광중합된 도파관의 제조 방법에 관한 것이다. 상기 테이퍼 도파관은 직시기구 및 투시 표시장치 기구에 표시장치 수단으로 유용한 것이다.

단계 (a)에서, 투명한 부분과 불투명한 부분을 갖는 포토마스크를 기판과 실질적으로 접하도록 놓여진다. 단계 (b)에서, (i) 광중합가능한 혼합물은 최소 하나의 반응단량체 및 광개시제를 포함하며, (ii) 상기 광개시제는 후속 단계 (c)에서 상기 광중합가능한 혼합물의 두께를 가로질러 실질적으로 조준된 화학방사선의 그레디언트가 형성되기에 충분한 양으로 존재하며, 실질적으로 균일한 두께의 광중합가능한 혼합물은 상기 기판이 상기 광중합가능한 혼합물과 포토마스크사이에 위치하도록 기판에 놓인다. 단계(c)에서, (i)상기 각 도파관의 테이퍼 말단은 상기 기판으로부터 바같쪽으로 신장되며, (ii)상기 각 도파관은 상기 기판에 인접한 광입력면 및 상기 광입력면으로 부터 떨어져서 위치하는 광출력면을 갖으며, (iii) 상기 각 도파관의 광입력면의 면적은 광출력면이 면적보다 넓으며, 상기 실질적으로 평행한 화학 방사선에 상기 광중합가능한 혼합물 및 기판을 실질적으로 고정된 면으로 유지하면서, 상기 포토마스크의 투명한 부분을 통하여 광중합가능한 혼합물을 테이퍼 광중합된 도파관 어레이를 형성하기에 충분한 시간동안 상기 실질적으로 조준된 화학방사선에 노출된다. 단계 (d)에서는 상기 기판에서 상기 포토마스크 및 단계 (c)도중 상기 실질적으로 조준된 화학 방사선에 의해 실질적으로 중합되지 않은 상기 광중합가능한 혼합물을 제거한다.

Description

테이퍼 광중합된 도파관 어레이 제조방법

제 1도는 본 발명에 의한 방법의 실시에 유용한 기판의 단면도

제 2도는 본 발명에 의한 방법의 실시에 유용한 포토마스크의 단면도

제 2A도는 제2도에 도시한 포토마스크 평면도

제 3도는 제1도의 기판과 제2도의 포토마스크가 결합된 상태를 나타내는 단면도

제 4도는 본 발명에 의한 방법의 실시에 유용한 광중합가능한 물질과 결합된 상태를 나타내는 제3도의 단면도

제 5도는 본 발명에 의한 방법의 실시에 유용한 덮개판을 갖는 상태를 도시한 제4도의 단면도

제 6도는 실질적으로 팽행한 광선에 노출되는 제5도의 결합체를 나타내는 단면도

제 7도는 포토마스크와 덮개판을 제거한 후의 상태를 도시한 제6도 결합체의 단면도

제 8도는 제7도의 결합체에서 노출되지 않은 광중합가능한 물질을 제거하는 방법을 나타내는 도면

제 9도는 제8도에 도시한 방법으로 물질을 제거한 결합체를 나타내는 단면도

제 9A도는 본 발명의 다른 실시예 의한 결합체를 나타내는 단면도

제 10도는 제9도 결합체를 자외선에 노출시킴을 예시한 도면

제 11도는 본 발명에 의한 방법에 의해 제조된 직선 측벽을 갖는 테이퍼 도파관 에레이의 확대단면도

제 12도는 본 발명에 의한 방법으로 제조된 직사각형 단면을 갖는 테이퍼 도파관 어레이의 사시도

제 13도는 본 발명에 의한 방법으로 제조된 원형 단면을 갖는 테이퍼 도파관 어레이의 사시도

제 14도는 본 발명에 의한 방법으로 제조된 수직 측벽을 갖는 하나의 테이퍼 도파관의 단면도

제 15도는 본 발명에 의한 방법으로 제조된 굽은 측벽을 갖는 테이퍼 도파관 어레이의 확대 단면도

제 16도는 도파관사이의 틈새부위에 광 흡수 흑색입자물질을 함유하는 본 발명에 의한 방법으로 제조원 테이퍼 도파관 어레이의 단면도

제 17도는 도파관 어레이의 출력면이 투명한 보호층으로 덮혀진 본 발명에 의한 방법으로 제조된 테이퍼 도파관 어레이의 단면도

제 18도는 도파관 어레이의 출력면이 렌즈어레이가 편입된 투명한 보호층으로 덮혀진 본 발명에 의한 방법으로 제조된 테이퍼 도파관 어레이의 단면도

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

2.... 도파관 기판 4, 70.... 기판

6.... 접착 증진층 8.... 포토마스크

16.... 스페이서 18.... 광중합가능한 혼합물

20.... 덮개판 22.... 덮개기판

24.... 릴리이스층 26.... 화학방사선

28.... 테이퍼 도파관 34.... 자외선

36.... 표시장치수단 38.... 광입력면

40.... 광출력면 42.... 측벽

58.... 광흡수 입자물질 60, 66.... 보호층

64.... 반사방지막 68.... 오목렌즈

본 발명은 테이퍼(tapered) 광중합된 도파관 어레이의 제조방법에 관한 것이다. 이 기술분야에 광 투과장치 혹은 광도파관(lightguide)로 알려진 도파관은 예를들면 영사(projection) 표시장치, 오프 스크린 표시장치 및 직접조망 표시장치와 같은 표시장치에 사용된다. Miller의 미국특허 제 3,218,924 와 3,279,314 및 Bradley, Jr 등의 미국특허 제 4,767,186을 참조할 수 있다. 이와 같은 표시장치는 컴퓨터 터미널, 비행기 조종실 표시장치, 자동차 기기 패널, 텔레비젼 그리고 문서, 그래픽 혹은 화상 정보를 제공하는 다른 장치를 포함하는 광범위한 적용처에 사용될 수 있다.

표시장치에 사용되는 도파관 제조방법은 알려져 있다. 예를들면 미국특허 제 3,218,924, 3,279,314 및 4,767,445는 공지된 방법으로 영사 스크린을 제조할 수있으며, 그 방법으로 압축성형, 사출성형, 압출, 열간 압연, 주조 및 광중합을 기재하고 있다. 미국 특허 제 3,767,445는 필요로하는 균일한 단면 도파관 형태와 일치하는 표면을 갖는 다이를 제조하고, 상기 다이를 갖는 투명한 플라스틱 기판을 새긴다음, 상기 새겨진 기판을 굴절률이 큰 물질로 코팅하여 집적 광도파관을 제조하는 방법을 가르치고 있다.

미국 특허 제 5,230,990은 전체의 코어 길이에 걸쳐서 균일한 단면을 갖는 광투과 코어의 광 도파관 배열을 제조하는 방법을 가르치고 있다. 레지스트 마스터는 먼저 포토마스크를 통해 포토레지스트 층을 노출시키는 단계, 노출된 부분을 용해시키 단계 및 노출되지 않은 부분을 가열하여 반원형 돌기의 평행한 열을 형성하는 단계에 의해 제조된다. 상기 레지스트는 용해될 때까지 가열되며 액체 표면 장력이 상기 레지스트를 반원형 단면 혹은 반구 비드선내부로 당긴다. 따라서 반원형 그루브(groove) 혹은 반구 단점(dot)이 상기 방법으로 얻을수 있는 유일한 형태이다. 그후 레지스트 마스터상의 전기전도성 피막을 스퍼터(sputtering)하여 금속 마스터를 형성한 후 금속 마스터상에 금속 피막을 형성하여 반원형 돌기의 평행한 열을 갖는 스탬퍼를 형성하여 레지스트 마스터로 부터 스템퍼를 형성한다. 그 후 상기 스탬퍼는 스탬퍼상의 굴절률이 낮은 물질을 노출하는 단계, 경화된 층을 제거하는 단계, 굴절률이 큰 물질을 경화된 층의 반원형 그루브에 놓는 단계, 상기 굴절률이 큰 물질을 경화하는 단계, 굴절률이 작은 물질을 굴절률이 큰 물질에 놓는 단계 및 경화하는 단계에 의해 광 도파관 어레이제조에 사용된다. 미국특허 제 4,902,086; 5,113,471; 및 5,136,678.

1991, 10, 31에 발행된 일본 공개 특허공보 245106은 도파관 전체 길이에 걸쳐서 균일한 단면을 갖는 굴절률이 큰 도파관을 갖는 기판의 광 플레이트을 제조하는 방법에 대하여 가르치고 있으며, 여기서 상기 도파관은 굴절률이 작은 물질에 의해 분리된다. 상기 광 플레이트는 기판에 굴절률이 큰 광감성수지 놓는 단계, 상기 감광성 수지를 산소 투과율이 낮은 시이트로 피복하는 단계, 및 포토마스크 및 상기 산소 투과율이 낮은 시이트를 통하여 상기 광감성 수지를 자외선에 노출시켜 균일한 단면의 도파관을 형성하는 단계에 의해 제조된다. 상기 노출되지 않은 수지 및 산소 투과율에 낮은 시이트는 제거되고 굴절률이 작은 물질은 도파관 주위에 놓여진다.

상기 245106의 방법은 표시 장치에 사용되는 경우 콘트라스트가 낮고 시각이 변함에 따라 가시 색도가 변하는 도파관이 생성되도록 함으로 바람직하지 않은 것이다. 입력부 말단에서 광 수집성이 우수한 도파관을 얻기 위해 도파관은 공개 제 245106 에서 가르치고 있는 바와같이 입력 말단부가 촘촘히 채워져야 한다. 단면이 균일함으로 상기 촘촘히 채워진 배열은 도파관 길이를 따라 광 플레이트 전체에 걸쳐서 유지된다. 그 결과 현상 단계에서 벽면으로 부터 노출되지 않은 물질이 제거되기 어렵게되며, 더욱이 첨가되는 콘트라스트 개선물질에 대하여 플레이트의 출력 말단에 공간을 제공하지 못하게 된다. 더욱이 균일한 단면을 갖는 도파관은 이를 통과하는 빛의 각분포를 증대시키지 않는다. 1993. 7. 1에 출원된 미국 특허 출원 제 86,414에 가르치고 있는 바와 같이 도파관의 각분포가 증대되는 것이 종종 매우 바람직한 것이다.

균일한 단면을 갖는 광 도파관을 제조하는 다른 방법이 미국특허 제 4,783,136 및 5,138,687; 1990. 3. 7일에 발행된 유럽 특허 공보 357396; 1993.2.2일에 발행된 공개 유럽 공보 24121; 및 1993. 5. 18일에 발행된 공개 유럽 공보 119203에 개시되어 있다.

미국 특허 제 4,712,852는 광 섬유에 연결하기에 적절한 광도파관을 제조하는 두가지 방법에 대하여 가르치고 있다. 첫번째 방법은 광중합 물질의 길이방향으로 굴절을 프로파일이 형성되도록하는 제 1의 자외선 노출 단계 및 폭 방향으로 굴절을 프로파일이 형성되도록하는 제 2의 자외선 노출 단계를 포함하여 그래디드 인덱스 (graded index) 형태의 광섬유에 비하여 정합성이 우수한 광도파관이 형성된다. 상기 방법은 두번의 자외선 노출단계를 필요로 함으로 이롭지 못한 것이다. 더욱이 릴리프상을 형성하지 못하며 도파관은 연속 중합체 피막 시트 혹은 이와 같은 피막의 몇 몇 라미네이션 굴절률이 큰 부분으로 구성된다. 따라서 광도파관에 의한 전파하는 피막면에 대하여 수직인 방향으로 전파되지 못하며, 피막면에 엄격하게 제한된다.

1986. 9. 19일에 발행된 일본 공고 특허 공보 42241은 기판에 균일한 단면 광도파관(lightguide)형체가 형성되도록 포토마스크를 통하여 용액을 자외선에 노출시키면서 단량체 용액 용기를 통하여 기판을 이동시켜 광도파관 배열을 제조하는 방법을 가르치고 있다. 상기 공정도중 노출되는 단량체 용액은 포토마스크와 기판사이에 위치하며 포토마스크는 자외선과 단량체 용액 사이에 위치한다. 노출되는 동안 기판은 광원으로 부터 수직으로 멀리 이동한다. 그후 상기 기판은 용기에서제거되고 굴절률이 보다 작은 물질을 로드-형의 광도파관 형체 주위에 붓고 경화시킨다. 테이퍼 광도파관 형체는 렌즈를 포토마스크와 단량체 용액사이에 위치시키고 렌즈를 움직임으로써 마스크 상의 배율을 변화시켜 광도파관 형체 테이퍼가 기판에서 렌즈, 포토마스크 및 자외선 방향으로 멀어지도록하여 형성한다. 상기 복잡한 이동 마스크 및 렌즈 시스템으로 인하여 상기 방법은 사용하기에 불리한 것이다. 또한 상기 방법으로는 인접한 형태의 광입력 표면사이의 중심-대-중심 거리가 광 출력 표면 사이의 중심-대-중심사이의 거리가 실질적으로 같은 테이퍼 광도파관 형태를 제조할 수 없다. 그 결과 어레이의 입력면 및 출력면의 표면적이 다르게 된다. 상기 공개 제 42241의 다이어그램에 나타난 바와 같이 테이퍼 말단에서 어레이 면적은 각 요소의 감소비의 제곱에 따라 감소된다. 따라서 상기 방법은 표시장치부의 크기가 감소되는 것이 매우 바람직하지 않은 액정 표시장치(LCD's)와 같은 표시적용에 사용되는 테이퍼 도파관 어레이 제조에 사용될 수 없다. 나아가 렌즈를 이동시킴으로써 형성된 어레이중 각 요소의 단면은 균일하지 않다. 렌즈 시스템의 광축에 가까운 것은 어레이 주변에 놓여진 것에 비하여 다른 단면 프로파일을 갖는다. 상기 효과는 공고 42241의 다이어그램로으로 부터 또한 분명히 알 수 있는 것이다. 그 결과 어레이 각각의 요소는 균일하지 않은 광학적 특성을 갖게되며, 이는 이와 같은 비균일성이 화상의 특성을 감소시키는 표시 장치 시스템에 매우 바람직하지 못한 것이다.

이와 같이 테이퍼 광 중합된 도파관 어레이의 특성이 개선된 테이퍼 광중합된 도파관의 어레이를 제조하는 간단한 방법이 이 기술분야에 요구되어 왔다.

본 발명자들은 상기 이 기술분야의 필요에 부응하여 테이퍼 광중합된 도파관 어레이를 제조하는 방법을 개발하였다. 단계(a)에서는 불투명한 부분 및 투명한 부분을 갖는 포토마스크가 기판과 실질적으로 접하도록 위치시킨다. 단계(b)에서는 기판이 광중합가능한 혼합물과 포토마스크사이에 위치하도록 실질적으로 균일한 두께의 광중합가능환 혼합물이 기판상에 위치하도록하며, 여기서 (i) 상기 광중합가능한 혼합물은 최소 하나의 반응 단량체 및 광개시제를 포함하며 (ii) 상기 광개시제는 후속 단계(c)동안 광중합가능한 혼합물의 두께를 가로질러서 실질적으로 시준된(collimated) 화학 방사선의 구배를 형성하기에 충분한 양으로 존재한다. 단계(c)에서는 실질적으로 시준된 화학 방사선에 대하여 상기 광중합가능한 혼합물 및 기판을 실질적으로 고정된 평면으로 유지하면서 테이퍼 광중합된 도파관의 어레이가 형성된기에 충분한 시간동안 상기 광중합가능한 혼합물을 포토마스크의 투명한 부분을 통하여 실질적으로 시준된(collimated) 화학 방사선에 노출시킨다. 여기서 (i) 상기 도파관의 각 테이퍼 말단은 기판으로 부터 바깥쪽으로 신장되며, (ii) 각 도파관은 기판에 인접한 광 입력 표면 및 광입력면으로 부터 멀리 위치하는 광 출력면을 갖으며, (iii) 각 도파관의 광입력면의 면적은 광출력면의 면적보다 크다. 단계(d)에서는 포토마스크 및 단계(c)동안 실질적으로 시준된 화학방사선에 의해 실질적으로 중합되지 않은 포토마스크 및 광중합가능한 혼합물이 기판에서 제거된다.

다른 실시에 있어서, 단계(a)에서는 실질적으로 균일한 두께의 광중합가능한 혼합물을 포토마스크에 위치시키며, 여기서 (i)포토마스크는 불투명한 부분 및 투명한 부분을 갖으며, (ii)상기 광중합가능한 혼합물은 최소 하나의 반응단량체 및 광개시제를 포함하고 (iii)상기 광개시제는 후속 단계(b) 동안 광중합가능한 혼합물의 두께를 가로질러 실질적으로 시준된 화학 방사선 구배가 형성되기에 충분한 양으로 존재한다. 단계(b)에서는 광중합가능한 혼합물 및 포토마스크가 실질적으로 시준된 화학 방사선에 대하여 실질적으로 고정된 평면으로 고정되도록 유지하면서, 테이퍼 광중합된 도파관 배열이 형성되기에 충분한 시간 동안 포토마스크의 투명한 부분을 통하여 광중합가능한 혼합물이 실질적으로 시준된 화학방사선에 노출되도록한다. 여기서 (i) 도파관의 각 테이퍼 말단은 포토마스크로 부터 바깥쪽으로 신장되며, (ii) 각 도파관은 포토마스크에 인접한 광 입력면 및 광 입력면에서 멀리 위치한 광 입력면을 갖으며, (iii) 각 도파관의 광 입력면의 면적은 광 출력면의 면적보다 크다. 단계(c)에서는 단계(b)에서 실질적으로 시준된 화학 방사선에 의해 실질적으로 중합되지 않은 광중합가능한 혼합물이 포토마스크에서 제거된다.

공개 특허 공보 42241과 달리, 본 발명에 의한 방법은 테이퍼 광도파관을 제조하기 위해 노출 단계도중 광중합가능한 혼합물을 이동시켜야 하거나 복잡한 렌즈 시스템을 필요로하지 않음으로 이로운 것이다. 보다 중요하게는 이와같은 테이퍼 도파관 어레이의 입력면 및 출력면의 면적이 실질적으로 변하지 않으며 각 도파관의 테이퍼 정도에 의존하지 않는다. 더욱이 각 개개의 도파관은 배열내에서 도파관의 위치에도 불구하고 실질적으로 동일하며 그 결과 배열을 가로질러 균일한 광학적 특성을 나타낸다.

이하, 본 발명에 대하여 상세히 설명한다.

본 발명에 의한 바람직한 실시는 도면을 참조로하여 이 기술분야의 숙련된 기술자 들에의해 보다 상세히 이해될 수 있다. 도면에 나타낸 본 발명의 바람직한 예는 이로써 본 발명의 범위를 한정하는 것은 아니다. 도면은 본 발명의 원리를 기술하거나 설명할 수 있도록 선택하였으며, 이를 적용 및 실제로 사용함으로써 이 기술 분야의 숙련된 기술자들은 본 발명을 이용할 수 있는 것이다.

제 1도에 나타낸 도파관 기판 2는 본 발명의 실시에 유용한 것이다. 도파관 기판 2는 기판4 및 임의의 접착 증진층 6을 포함한다. 최소한, 기판 4는 약 400-700nm 파장범위의 빛에 대하여 투명하며, 상기 파장은 가시광선의 파장범위로 형성되는 광도파관이 작용하기에 가장 바람직한 범위이다. 상기 기판 4가 많은 유용한 광개시제가 빛을 흡수하는 범위로서 약 250-400nm 범위의 자외선을 또한 투과시키는 것이 바람직하다. 더욱이 약 700-2000nm의 적외선 영역 부근에서 테이퍼 도파관 어레이를 사용하여야 하는 경우에는 또한 상기 영역에서 투명한 기판 4를 사용하는 것이 바람직하다. 기판 4의 굴절률은 약 1.45- 1.65범위일 수 있다. 가장 바람직한 굴절률은 약 1.50-1.60이다. 기판 4는 어떠한 투명한 고형물로 제조할 수 있다. 바람직한 물질은 상업적으로 이용가능하며 투명한 중합체, 유리 및 용융 실리카를 포함한다. 유용한 투명한 중합체로는 폴리에스테르, 폴리아크릴레이트 및 메타크릴레이트, 폴리스티렌, 및 폴리카보네이트를 포함한다. 이들 물질의 필요한 특성은 표시장치의 전형적인 작동온도에서 기계적 및 광학적 안정성을 포함한다. 유리에 비하여 투명한 중합체는 구조적인 유연성이라는 부가적인 잇점을 갖으며 생성물을 대규모의 박판으로 형성한 후 필요에 따라 절단 및 라미네이트 할 수 있다. 기판 4로바람직한 물질은 유리 및 폴리에틸렌 테레프탈레이트와 같은 폴리에스테르이다. 기판 4의 두께는 다양하게 변화될 수 있다. 바람직하게는 기판 4의 두께는 약 1mil (25 microns)- 약 10 mil(250 microns)이다.

바람직하게는, 상기 접착 증진층 6은 유기 물질이며 이는 빛을 투과시켜 접착 증진층에 도파관이 형성되도록하며, 특히 예를들면 광교차결합된 아크릴레이트 단량체 물질과 같은 중합체로 부터 형성된 도파관은 기판 4에 강하게 부착되도록한다. 이와 같은 물질은 이 기술분야에 잘 알려져 있으며, 상업적으로 이용가능한 것으로 본 명세서에 상세히 기술하지 않는다. 예를들어 기판 4가 유리이고 도파관이 아크릴레이트 단량체로 물질로 형성된다면, 적절한 접착 증진층 6은 유리표면과 3-(트리메톡시실릴)프로필 메타크릴레이트; 3-아크릴옥시프로필 트리클로로실란; 및 트리메틸실릴프로필메타크릴레이트를 포함하는 특정 형태의 실란 화합물과의 반응에 의해 형성될 수 있다. 예를들어 기판 4가 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET)이고 도파관이 예를들면 아크릴레이트 단량체 물질로 부터 형성된다면, 접착 증진층 6은 Hostaphan 4500(Hoechst-Celanese)와 같이 접착 처리된 PET피막을 사용하여 제공될 수 있다. 기판 4가 코팅된 에멀션이고 상기 도파관이 아크릴레이트 단량체 물질로부터 형성된다면, 접착 증진층 6은 3-아크릴옥시프로필트리클로로실란(Huls America AO396)로 부터 형성될 수 있다. 접착 증진층 6의 두께는 광범위하게 변화될 수 있다. 일반적으로 접착 증진층 5의 두께는 통상의 직접 조망 평판 표시 장치와 같은 말단 적용에 사용되는 바와 같다. 본 발명의 바람직한 실시에 있어서, 접착 증진층 6의 두께는 약 1 μm미만이다. 본래의 기판 4에 대한 도파관의 점착력이충분한 것으로 측정되면, 접착층 6은 생략될 수 있다.

제2 도에 나타낸 포토마스크 8은 본 발명에 의한 방법을 실시하기에 유용한 것이다. 포토마스크 8은 공중합가능한 물질을 비추어 자외선의 공간 프로파일을 제어한다. 포토마스크 8은 투명한 기판 10을 포함하며 이는 일 면에 불투명한 부분 12 및 투명한 부분 14를 갖으며 따라서 포토마스크 8에 조사된 방사선이 광중합가능한 물질의 필요한 부분에만 조사되게 된다. 제 2A 도에 나타낸 바와같이, 포토마스크 8은 불투명한 부분 12와 투명한 부분 14를 포함하며 이는 테이퍼 도파관 어레이의 바람직한 배열을 포함하는 투명한 부분 14를 갖는다. 제 2A도의 패턴은 많은 유용한 패턴중 하나이며, 단지 예시하기 위한 것이다. 투명한 부분 및 불투명한 부분을 갖는 다른 많은 패턴이 본 발명에 유용하게 사용된다. 상업적으로 이용가능한 포토마스크가 본 발명에 유용하게 사용된다.

본 발명의 일 실시중 제 1단계에서, 포토마스크 8은 제 3도에 나타낸 바와 같이 도파관 기판 2와 실질적으로 접하게 된다. 본 명세서에서 사용된 용어 "실질적으로 접한다"는 것은 포토마스크 8과 도파관 기판 2가 본 발명의 후속 공정도중에 분리되지 않음을 의미한다. 두 기판 사이의 실질적인 접촉이 유지되도록하는 어떠한 공지된 방법이 본 발명에 사용될 수 있다. 예를들면 이소프로판올, 메탄올 혹은 물과 같은 액체를 포토마스크 8과 도파관 기판 2사이에 위치시킨 후 고무 롤러를 사용하여 포토마스크 8과 도파관 기판 2를 함께 가압할 수 있다. 두 기판 사이를 실질적으로 접하도록 유지 할 수 있는 다른 공지된 방법은 기계적 고정, 진공 접촉, 정적 접촉 및 간접 인쇄 혹은 근접 인쇄, 연성-접촉(soft-contact) 인쇄 및스캐닝을 포함한다.

본 발명의 일 실시예중 제 2단계에서, 실질적으로 균일한 두께의 광중합가능한 혼합물은 도파관 기판이 광중합가능한 혼합물과 포토마스크사이에 위치하도록 도파관 기판에 놓여지며, 상기 광중합가능한 혼합물은 반응 단량체, 혹은 이와 같은 단량체의 혼합물 및 광개시제 혹은 광개시제의 혼합물을 포함하며, 상기 광개시제는 후속 단계에서 광중합가능한 혼합물의 두께를 가로질러 실질적으로 시준된 자외선의 구배가 형성되기에 충분한 양으로 존재한다. 기판에 실질적으로 균일한 두께의 광중합가능한 물질을 위치시키는데 사용되는 어떠한 공지된 방법이 본 발명에 의한 방법에 사용될 수 있다. 본 명세서에서 사용된 "실질적으로 균일한 두께"란 혼합물 면적을 가로지르는 두께가 약 10%, 보다 바람직하게는 약 5%미만으로 변화되는 것을 의미한다. 하기에 보다 상세히 설명한 비와 같이, 광중합 가능한 혼합물의 두께는 번갈아 가면서 도파관 입력면을 가로지르는 최소 횡단 거리에 의해 결정되는 광중합된 테이퍼 도파관의 필요한 최종 길이이다. 바람직한 광중합된 테이퍼 도파관의 길이 혹은 광중합가능한 혼합물의 두께는 약 1-4000 micron, 보다 바람직하게는 약 15-1600 micron 이며, 가장 바람직하게는 약 50-400 micron 이다.

실질적으로 균일한 두께의 광중합가능한 물질을 위치시키는 방법으로는 스핀 코팅, 롤러 코팅, 독터 블래딩(doctor blading), 슬롯을 사용한 패치 코팅, 압출 코팅 등을 포함한다. 제 4도 및 제 5도는 다른 다른 방법을 도시한 것이다. 스페이서 16은 도파관 기판 2에 위치한다. 스페이서 16의 높이는 광중합된 테이퍼 도파관의 필요한 최종 높이이다. 그 후 광중합가능한 혼합물 18은 도파관 기판 2가 광중합가능한 혼합물 18 과 포토마스크8 사이에 위치하도록 도파관 기판 2에 놓여진다.

광중합가능한 물질 18은 두가지 필수 성분을 포함한다. 제1 필수성분은 광중합가능한 단량체, 특히 투명한 고형 중합체 물질을 제공하는 에틸렌계 불포화 단량체이다. 바람직한 고형 중합체 물질의 굴절률은 약 1.45-약 1.65이며 상업적으로 이용가능한 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리카보네이트, 폴리에스테르, 폴리스티렌 및 아크릴레이트 혹은 메타크릴레이트 단량체의 광중합에 의해 형성된 중합체를 포함한다. 보다 바람직한 물질은 굴절률이 약 1.50-약 1.60인 것으로, 우레탄 아크릴레이트 및 메타크릴레이트, 에스테르 아크릴레이트 및 메타크릴레이트, 에폭시 아크릴레이트 및 메타크릴레이트, (폴리)에틸렌 글리콜 아크릴레이트 및 메타크릴레이트 및 비닐 함유 유기 단량체로 구성된 아크릴레이트 단량체 혼합물을 광중합하여 제조한 중합체를 포함한다. 튠(tune) 교차결합 밀도, 점도, 접착력, 경화율 및 굴절률과 같은 조성물의 특성을 개선하고 조성물로 부터 형성된 광중합체의 탈색, 균열 및 디라미네이션이 감소되도록 광중합가능한 혼합물에 단량체 혼합물을 사용하는 것이 유용하다.

유용한 보다 바람직한 단량체의 예로는 메틸 메타크릴레이트; n-부틸 아크릴레이트 (BA); 2-에틸헥실 아크릴레이트(EHA); 이소데실 아크릴레이트; 2-히드록시에틸 아크릴레이트; 2-히드록시프로필 아크릴레이트; 시클로헥실 아크릴레이트(CHA); 1,4-부탄디올 디아크릴레이트; 에톡시화된 비스페놀 A 디아크릴레이트 ; 네오펜틸글리콜 디아크릴레이트(NPGDA); 디에틸렌글리콜 디아크릴레이트(DEGDA); 디에틸렌글리콜 디메타크릴레이트(PEGDMA); 1,6-헥산디올 디아크릴레이트(HDDA); 트리메틸올 프로판 트리아크릴레이트(TMPTA); 펜타에리트리톨 트리아크릴레이트(PETA); 펜타에리트리톨 테트라-아크릴레이트(PETTA); 페녹시에틸 아크릴레이트(PEA); β-카르복시에틸, 아크릴레이트(β-CEA); 이소보닐 아크릴레이트(IBOA); 테트라하이드로푸르푸릴 아크릴레이트(THFFA); 프로필렌 글리콜 모노아크릴레이트(MPPGA); 2-(2에톡시에톡시)에틸 아크릴레이트(EOEOEA), N-비닐 피롤리돈(NVP); 1,6-헥산디올 디메타크릴레이트(HDDMA); 트리에틸렌 글리콜 디아크릴레이트(TEGDA) 혹은 디메타크릴레이트(TEGDMA); 테트라에틸렌 글리콜 디아크릴레이트(TTEGDA) 혹은 디메타크릴레이트(TTEGDMA); 폴리에틸렌 글리콜 디아크릴레이트(PEGDMA) 혹은 디메타크릴레이트(PEGDMA); 디프로필렌글리콜 디아크릴레이트(DPGDA); 트리프로필렌 글리콜 디아크릴레이트(TPGDA); 에톡시화된 네어펜틸 글리콜 디아크릴레이트(NPEOGDA); 프로폭시화된 네오펜틸 글리콜 디아크릴레이트(NPPOGDA); 지방족 디아크릴레이트(ADA); 알콕시화된 지방족 디아크릴레이트(AADA); 지방족 카보네이트 디아크릴레이트(ACDA); 트리메틸올프로판 트리메타크릴레이트(TMPTMA); 에톡시화된 트리메틸올프로판 트리아크릴레이트(TMPEOTA); 프로폭시화된 트리메틸올프로판 트리아크릴레이트(TMPPOTA); 글리세릴 프로폭시화된 트리아크릴레이트(GPTA); tris(2-히드록시에틸)이소시아누레이트 트리아크릴레이트(THEICTA); 디펜타에리트리톨 펜타아크릴레이트(DPEPA); 디트리메틸올프로판 테트라아크릴레이트(DTMPTTA); 및 알콕시화된 테트라아크릴레이트(ATTA)를 포함한다.

특히 유용한 혼합물은 혼합물중 최소 하나의 단량체가 반응된 광중합체내에서 교차결합 망상구조를 제공할 수 있는 디아크릴레이트 혹은 트리아크릴레이트와 같은 다작용성 단량체인 것이다. 본 발명의 방법에 사용되는 가장 바람직한 물질을 에톡시화된 비스페놀 A 디아크릴레이트와 트리메틸올 프로판 트리아크릴레이트로된 혼합물을 광중합하여 형성된 교차결합된 중합체이다. 가장 바람직한 물질의 굴절률은 약 1.53-약 1.56 범위이다. 투명한 고형물질의 굴절률이 도파관 요소 전반에 걸쳐 반드시 균일하여야 하는 것은 아니다. 광조 혹은 산란 입자 혹은 계(domain)와 같이 굴절률이 균일하지 않도록 하는 것이 바람직할 수 있으며, 이와 같은 비균질성은 도파관 어레이의 출력면에서 빛의 발산이 증대되도록 한다.

광중합가능한 물질중 단량체의 양은 광범위하게 변화될 수 있다. 단량체의 양 혹은 단량체 혼합물의 총양은 일반적으로 광중합가능한 물질의 약 60-99. 8중량%, 바람직하게는 광중합가능한 물질의 약 80-99중량% 이며, 보다 바람직하게는 광중합가능한 물질의 약 85-99중량% 이다.

다른 필수 성분으로, 광중합가능한 물질 18은 광개시제를 포함하며, 광개시제는 화학 방사선에 의해 활성화되어 단량체의 광중합을 개시할 수 있는 활성화된 종을 제공한다. 광개시제 시스템은 광개시제 및 바람직하게는 스펙트럼 응답성이 레이져가 여기되고 많은 통상의 광물질이 투과광되는 예를들면 자외선 영역 부근 및 가시광선 스펙트럼 영역의 스펙트럼 유용성을 갖는 영역으로 확대되도록 하는 통상의 증감제를 함유할 수 있다. 일반적으로 상기 광개시제는 화학광선에 의해 활성화되어 자유 라디칼을 발생하는 첨가중합 개시제이며, 바람직하게는 실온(예를들면 약 20-25℃)이하의 온도에서 열에 의해서는 활성화되지 않는다.

이와 같은 개시제의 예는 미국특허 제 4,943,112에 개시되어 있다. 바람직한 자유 라디칼 개시제는 1-히드록시-시클로헥실-페닐 케톤(Irgacure 184); 벤조인; 벤조인 에틸 에테르; 벤조인 이소프로필 에테르; 벤조페논; 벤지디메틸 케탈(Irgacure 651); α, α-디에틸옥시 아세토페논, α, α-디메틸옥시-α-히드록시 아세토페논(Darocur 1173); 1-[4-(2-히드록시에톡시)페닐]-2-히드록시-2-메틸-프로판-1-온(Darocur 2959); 2-메틸-1-[4-(메틸티오)페닐]-2-모르폴리노-프로판-1-온(Irgacure 907); 2-벤질-2-디메틸아미노-1-(4-모르폴리노페닐)-부탄-1-온(Irgacure 369); 폴리{1-[4-(1-메틸비닐)페닐]-2-히드록시-2-메틸-프로판-1-온}(Esacure KIP); [4-(4-메틸페닐티오)-페닐]페닐메탄온(Quantacure BMS); 디-캄페르퀴논; 및 50% 1-히드록시 시클로헥실 페닐 케톤 및 50% 벤조페논(Irgacure 500)이다.

보다 바람직한 광개시제로는 벤지디메일 케탈(Irgacure 651); α, α-디에틸옥시 아세토페논, α, α-디메틸옥시-α-히드록시 아세토페논(Darocur 1173); 1-히드록시-시클로헥실-페닐케톤(Irgacure 184); 1-[4-(2-히드록시에톡시)페닐]-2-히드록시-2-메틸-프로판-1-온(Darocur 2959); 2-메틸-1-[4-(메틸티오)페닐]-2-모르폴리노-프로판-1-온(Irgacure 907); 2-벤질-2-디메틸아미노-1-(4-모르폴리노페닐)부탄-1-온(Irgacure 369); 및 50% 1-히드록시시클로헥실 페닐 케톤 및 50% 벤조페논(Irgacure 500)을 포함한다. 가장 바람직한 광개시제는 방사시 황변하지 않으며, 따라서 ASTM D1544-80으로 측정한 바에 따라 190℃ 온도에 24시간 노출하는 경우 Gardner 스케일 값으로 8이상으로 조성물의 착색이 증대되지 않는 것이다.이와 같은 광개시제로는 벤지디메틸 케탈(Irgacure 651); α, α-디메틸옥시-α-히드록시 아세토페논(Darocur 1173); 1-히드록시-시클로헥실-페닐케톤(Irgacure 184); 1-[4-(2-히드록시에톡시)페닐]-2-히드록시-2-메틸-프로판-1-온(Darocur 2959); 및 50% 1-히드록시시클로헥실 페닐 케톤 및 50% 벤조페논(Irgacure 500)을 포함한다.

후속 단계에서 광중합가능한 혼합물 18의 두께를 가로질러 실질적으로 시준된 자외선의 구배가 형성되도록 존재하여야 하는 광개시제의 양은 광중합가능한 물질의 총중량을 기준으로 약 0.1- 12중량%이다. 광개시제의 양은 광중합가능한 물질의 총중량을 기준으로 바람직하게는 약 0.5- 12중량% 이며, 보다 바람직하게는 약 0.5∼ 8중량%이다. 필요한 구배는 개시제의 농도뿐만 아니라 노출 광원에 존재하는 방사파장을 선택에 의해 영향을 받으며, 이는 이 기술 분야의 숙련된 기술자에 의해 조절될 수 있다.

상기 필수성분 뿐만 아니라, 광중합가능한 물질은 안정화제, 억제제, 가소제, 광택제(optical brightner). 이형제, 사슬전달제, 기타 광중합가능한 단량체와 같은 여러가지 광학적 성분을 포함할 수 있다.

상기 광중합가능한 물질은 바람직하게는 ASTM D 4538-90A에 의거하여 24시간 동안 공기중에서 190℃로 열노화한 후 균열과 디라미네이션 및 열노화 후 ASTM D1544-80에 의거하여 Gardner 색지수로 8이상으로 황변하는 것과 같이 특성이 퇴화되도록하는 감성이 방지 혹은 감소되도록 안정화제를 포함한다. 이와 같은 안정화제로는 UV 흡광제, 광안정화제 및 산화방지제를 포함한다.

UV 흡광제는 2-[2-히드록시-3,5-디(1,1-디메틸벤질)페닐]-2-H-벤조트리아졸(Tinuvin 900); 폴리(옥시-1,2-에탄디일), α-(3-(3-(2H-벤지오트리아졸-2-일)-5-(1,1-디메틸에일)-4-히드록시페닐)-1-옥소프로필 )-ω-히드록시(Tinuvin 1130); 및 2-[2-히드록시-3,5-디(1,1-디메틸프로필)페닐]-2H-벤조트리아졸(Tinuvin 238)과 같은 히드록시페닐 벤조트리아졸 및 4-메톡시-2-히드록시벤조페논 및 4-n-옥토시-2-히드록시벤조페논과 같은 히드록시벤조페논을 포함한다. 광안정화제로는 4-히드록시-2,2,6,6-테트라메틸피페리린, 4-히드록시-1,2,2,6,6-펜타메틸피페리딘, 4-벤조일옥시-2,2,6,6-테트라메틸피페리린, 비스(2,2,6,6-테트라메틸-4-피페리디닐)세바케이트(Tinuvin 770); 비스(1,2,2,6,6-펜타메틸-4-피페리디닐)세바케이트(Tinuvin 292); 비스(1,2,2,6,6-펜타메틸-4-피페리디닐)-2-n-부틸-2-(3,5-디-tert-부틸-4-히드록시벤질)말로네이트(Tinuvin 144); 및 숙신산과 N-β-히드록시-에틸-2,2,6,6-테트라메틸-4-히드록시-피페리린(Tinuvin 622)로된 폴리에스테르와 같은 힌더드 아민을 포함한다. 산화방지제로는 1,3,5-트리메틸-2,4,6-트리스(3,5-디-tert-부틸)-4-히드록시벤질)벤젠, 1,1,3-트리스-(2-메틸-4-히드로시-5-tert-부틸)페닐)부탄, 4,4'-부틸리덴-비스-(6-tert-부틸-3-메틸)페놀, 4,4'-티오비스-(6-tert-부틸-3-메틸)페놀, 트리스(3,5-디-tert-부틸-4-히드록시벤질)이소시아누레이트, 세틸-3,5-디-tert-부틸-4-히드록시벤조산(Cyasorb UV2908); 3,5-디-tert-부틸-히드록시벤조산, 1,3,5-트리스(tert-부틸-3-히드록시-2,6-디메틸벤질) (Cyasorb 1790); 스테아릴-3-(3,5-디-tert-4-히드록시페닐)프로피오네이트(Irganox 1076); 펜타에리트리톨 테트라비스(3,5-디-tert-부틸-4-히드록시 페닐)(Irganox 1010) 및 티오디에틸렌 비스(3,5-디-tert-부틸-4-히드록시)하이드로신나메이트(Irganox 1035)와 같은 치환된 페놀을 포함한다.

본 발명에 사용되는 바람직한 안정화제는 산화방지제이다. 바람직한 산화방지제는 1,3,5-트리메틸-2,4,6-트리스(3,5-디-tert-부틸)-4-히드록시벤질)벤젠, 1,1,3-트리스-(2-메틸-4-히드록시-5-tert-부틸페닐)부탄, 4,4'-부틸리덴-비스-(6-tert-부틸-3-메틸페놀), 4,4'-티오비스-(6-tert-부틸-3-메틸페놀), 트레스-(3,5-디-tert-부틸-4-히드록시벤질)이소시아누레이트, 세틸-3,5-디-tert-부틸-4-히드록시벤젠(Cyasorb UV 2908); 3,5-디-tert-부틸-4-히드록시벤조산; 1,3,5-트리스-tert-부틸-3-히드록시-2,6-디메틸벤질) (Cyasorb 1790); 스테아릴-3-(3,5-디-tert-부틸-4-히드록시페닐)프로피오네이트(Irganox 1010); 및 티오디에틸렌 비스-(3,5-디-tert-부틸-4-히드록시)하이드로신나메이트(Irganox 1035)와 같은 치환된 페놀로 부터 선택된다. 가장 바람직한 안정화제로는 펜타에리트리톨 테트라비스(3,5-디-tert-부틸-4-히드록시페닐) (Irganox 1010); 티오디에틸렌-비스-(3,5-디-tert-부틸-4-히드록시)하이드로신나메이트(Irganox 1035); 및 스테아릴-3-(3,5-디-tert-부틸-4-히드록시페닐)프로피오네이트(Irganox 1076)이다.

상기 조성물중 안정화제의 양은 변화될 수 있으며, 일반적으로 광중합가능한 물질의 약 0.1-10중량%이다. 안정화제의 양은 바람직하게는 광중합가능한 물질의 약 0.1-5중량%이며, 보다 바람직하게는 광중합가능한 물질의 약 0.2-3중량%이다.

그 후 제 5도에 나타낸바와 같이 덮개판 20은 광중합가능한 혼합물 18위에 놓이며, 위치되며, 스페이서 16과 접할때까지 가압된다. 덮게판 20은 덮게기판 22 및 릴리이스층 24를 포함한다. 덮게기판 22는 유리, 석영, 용융 실리카, 중합체 시이트 혹은 금속 시이트와 같은 물질로 제조될 수 있다. 릴리이스층 24는 Teflon AF, 폴리실록산과 같은 플루오르화된 중합체 혹은 폴리에틸렌 데레프탈레이트와 같이 처리되지 않은 중합체 피막일 수 있다.

본 발명의 다른 실시예에서, 도파관 기판 2는 사용되지 않으며, 광중합가능한 물질 18은 포토마스크 8위에 직접 놓여진다 (도시되지 않음)

본 발명에 의한 방법의 두 실시예의 다음 단계에서, 광중합가능한 혼합물은 실질적으로 시준된 자외선에 대하여 실질적으로 정지되도록 유지하면서, 상기 광중합가능한 혼합물은 포토마스크의 투명한 부분을 통하여 테이퍼 광중합된 도파관 어레이를 형성하기에 충분한 시간동안 실질적으로 시준된 자외선에 노출되며, (i) 상기 도파관의 각 테이퍼 말단은 기판 혹은 포토마스크로 부터 바깥쪽으로 신장되며, (ii) 각 도파관은 기판 혹은 포토마스크에 인접한 광입력면 및 광입력면으로 부터 떨어져서 위치하는 광출력면을 갖으며, (iii) 각 도파관의 광입력면은 광출력면의 면적보다 크다. 그 후 상기 제 5도의 어셈블리는 제 6도에 나타낸바와 같이 실질적으로 시준된 화학 방사선 26에 노출된다. 본 명세서에서 사용된 용어 "실질적으로 시준된" 이란 광원에서 방출되는 빛이 노출 시스템의 광축으로 부터 10 °이상 벗어나지 않음을 의미한다.

상기 광중합가능한 물질은 필요한 기간동안 필요한 파장 및 세기의 화학 방사선에 노출된다. 본 명세서에서 사용된 용어 "화학방사선"은 스펙트럼 중 가시광선, 자외선 혹은 적외선 영역의 빛 뿐만아니라, 전자빔, 이온 혹은 중성자빔 혹은 X-선으로 정의된다. 화학방사선은 예를들면 비간섭성 빛 혹은 레이져광과 같은 간섭성 빛일 수 있다.

화학 방사선의 광원, 및 조사방법, 시간, 파장 및 세기는 필요한 중합도, 광중합체의 굴절률 및 이 기술분야의 숙련된 기술자에게 알려진 다른 요인에 따라 변화될 수 있다. 이와 같은 통상의 광중합법 및 이에 관한 작용 매개변수는 이 기술분야에 잘 알려져있다. S. P. Pappas Ed. "Radiation Curing: Science and Technology"(Plenum Press, New York, NY), D.R. Randell Ed., "Radiation Curing of Polymer, II,(Royal Society of Chemistry, Cambridge, Mass); 및 C. E. Hoyle 및 J.F. Kristle, Ed., "Radiation Curing of Polymeric Materials", (American Chemical Socity). 따라서, 상기 사항에 대하여 상세히 기재하지 않는다.

화학 방사선의 광원 및 방사선의 파장은 변화될 수 있으며, 통상의 파장 및 광원이 사용될 수도 있다. 상대적으로 파장이 짧은(혹은 에너지가 큰) 방사선이 광화학적으로 여기되어 공정이 진행되기 전에 일반적으로 마주치게되는 복사선(예를들면, 실내광)에 노출되어 광중합가능한 물질이 미리 중합되지 않도록한다. 따라서, 자외선(300-400nm 파장) 및 원자외선(190-300nm)에 노출되는 것이 바람직하다. 편리한 광원은 공정에 필요한 파장을 선택하기 위한 적절한 광학 필터를 갖는 고압 크세논 혹은 수은-크세논 아크 램프이다. 또한, 단파 간섭 방사선이 본 발명의 실시에 유용한 것이다. 350nm 부근의 몇몇 파장에서 "UV"모드로 작용하는 아르곤 이온 레이져가 바람직한 것이다. 또한, 257nm 파장 부근에서 방출되는 주파수 배가된(frequency-doubled) 아르곤 이온 레이져가 바람직한 것이다. 전자빔 혹은 이온빔 여기가 또한 이용될 수 있다. 가장 바람직한 화학 방사선은 수은, 크세논 혹은 수은-크세논 램프에 의해 발생되는 300-400nm영역의 자외선이다.

실질적으로 시준된 화학 방사선 26은 포토마스크 8의 투명한 부분 14를 통하여 제6도에 나타낸 바와 같이 포토마스크 8의 투명한 부분 14와 일렬로 배치된 광중합가능한 혼합물 18의 노출된 부분 28에서 광중합반응되도록한다. 포토마스크 8의 불투명한 부분 12에 의해 실질적으로 시준된 화학 방사선으로부터 가리워진 부분의 광중합가능한 혼합물 18에서는 광반응이 일어나지 않거나 혹은 특정한 경우에 단지 한정된 광반응만이 발생한다.

노출된 부분 28이 적절한 테이퍼 형태를 갖도록하기 위해, 화학 방사선 노출 도중 피막을 통하여 화학방사선 강도의 구배가 형성되도록, 자외선 파장에서 광중합가능한 혼합물 18이 충분히 빛을 흡수하여야 한다. 즉, 광반응이 개시되도록하는 광중합가능한 혼합물 18에서 이용가능한 화학 방사선의 양은 광중합가능한 혼합물 18의 미세한 흡수로 인하여 덮게판 20 측면으로 향하는 포토마스크 8측면으로부터 감소된다. 화학 방사선이 변화되어 광중합가능한 혼합물 18두께를 가로질러 발생되는 광중합반응의 양이 변화되며, 그 결과 현상된 도파관 구조의 독특한 테이퍼 배열이 형성되며, 상기 배열은 본 발명의 방법에 의해 쉽게 이용할 수 있는 것이다.

광중합가능한 혼합물 18의 두께를 가로질러 발생하는 광중합 양의 구배는 나아가 광중합가능한 혼합물 18내에 용해된 산소가스의 존재에 의해 영향을 받을 수있으며, 이와 같은 산소는 모든 산소가 광중합 공정에서 생성된 자유 라디칼에 의해 소비된 부분은 제외하고는 광중합반응를 감소시키거나 혹은 급냉시키는 작용을 한다. 광중합 반응의 진행에 대한 용해된 산소기체의 이와 같은 작용은 이 기술분야의 숙련된 기술자에게 잘 알려져 있다. 나아가, 광중합체 구조의 필요한 배열은 나아가 자동-촛점 조정 공정에 의해 영향을 받을 수 있다. 즉, 상기 포토마스크 8에 인접한 광중합가능한 혼합물 18의 표면에 조사된 빛이 상기 표면에서의 광중합을 개시하며, 고화된 중합체 물질의 굴절률이 액체 단량체의 굴절률보다 큼으로, 고화된 중합체 물질은 이를 통과한 빛이 반사되도록 한다. 이와 같은 방법에서, 상기 층의 덮게판에 인접한 광중합가능한 혼합물에 조사된 빛의 공중화상은 포토마스크에 가까이 위치하는 이미-중합된 물질에 의한 굴절에 의해 변화된다. 상기 효과에 의해 영상빛이 덮개판 20을 향하여 조사되는 경우, 마스크 측면으로 부터 결과물인 중합된 구조가 좁아질 수 있다.

본 발명에 의한 두가지 실시예의 마지막 단계에서는, 노출단계에서 실질적으로 시준된 화학 방사선에 노출되지 않은 상기 광중합가능한 혼합물이 제거된다. 포토마스크 8, 스페이서 16 및 릴리이스 층 24를 갖는 덮개판 20은 제 7도에 도시한 바와 같이 제거된다. 반응되지 않은 단량체는 제 8도에 나타낸 바와 같이 용기 32내의 아세톤, 메탄올 혹은 이소프로판올과 같은 적절한 용매 30으로 세척되어, 도파관 기판 2에 광중합된 부분 28의 패턴이 남게된다. 선택된 단량체에 따라, 수성-기초 용매를 사용할 수도 있다. 본 발명의 제 1실시예에서 잔존하는 최종 구조는 제9도에 나타낸 바와 같이 도파관 기판 2상의 광중합된 부분 28로 구성된다. 본 발명의 다른 실시예에서, 광중합된 부분 28의 패턴은 제 9A도에 도시한 바와 같이 포토마스크 8위에 남게된다. 테이퍼 광중합된 도파관 28의 어레이를 포함하는 최종 구조는 제 10도에 예시된 바와 같이 현상 후에 임의적으로 자외선 34에 노출시켜 광중합체 물질을 경화시킬 수 있다.

통상의 배치 생산 라인에서, 포토마스크 및 기판이 사용되면 제 1단계에서 접촉될 수 있다. 그 후 상기 어셈블리는 시준된 자외선 광원이 위치하는 제 2단계로 진행된다. 광중합가능한 혼합물은 기판 혹은 포토마스크에 놓이며 포토마스크의 투명한 부분을 통하여 실질적으로 시준된 화학방사선에 노출된다. 그 후 노출된 상기 어셈블리는 포토마스크 및 노출되지 않은 광중합가능한 혼합물이 제거되는 제 3단계로 진행된다.

통상의 연속생산라인에서, 광중합가능한 혼합물을 가요성 기판과 가요성 덮개판(도시하지 않음)사이에서 사출성형될 수 있다. 그 후 상기 어셈블리는 두 롤러사이에서 이송되며, 상기 한 롤러는 불투명한 부분 및 투명한 부분을 갖는 포토마스크를 포함하며, 화학 방사선은 상기 롤러의 내부에 위치한다. 그 후 상기 광중합가능한 혼합물은 포토마스크의 투명한 부분을 통하여 실질적으로 시준된 화학방사선에 노출된다. 그 후 상기 덮개판은 노출된 에셈블리에서 제거되며 노출된 에셈블리는 용매 배드를 통하여 다른 롤러 주위로 진행되어 노출되지 않은 혼합물이 제거된다.

제 11도는 제 10도에 나타낸 테이퍼 광중합된 도파관 28의 어레이로 제조된 화상표시장치 수단 36의 확대단면도를 도시한 것이다. 상기 표시장치 수단 36은 기판 4, 접착 증진층 6 및 테이퍼 도파관 28의 어레이로 구성된다. 상기 테이퍼 도파관 28은 광입력면 38, 광출력면 40, 측벽 42를 갖으며 도파관의 굴절률보다 굴절률이 작은 격자간 부분 44에 의해 분리된다. 상기 각 테이퍼 도파관 28의 입력면 38은 접착 증진층 6에 인접하여 위치하며 각 도파관 28의 출력면 40의 면적보다 크다. 상기 테이퍼 도파관 28의 구조 및 위치는 중요한 것이다.

제 11도에 나타낸 바와 같이, 각 테이퍼 도파관 28의 광입력면 38의 면적은 광출력면 40의 면적보다 크며, 어레이에서 인접한 도파관 28의 광입력면사이의 중심-대-중심거리는 도파관의 광출력면 40사이의 중심-대-중심거리와 같거나 혹은 실질적으로 같아 도파관 28의 광출력면 40으로 부터 방출되는 빛의 각분포가 도파관 28의 빛이 입사되는 입력면 38의 각도 분산보다 크게된다. LCD와 같은 변조수단(도시하지 않음)에 의해 형성된 화상의 해상도가 화상표시장치 수단 36을 가로지름에 따라 감소되지 않도록, 인접한 도파관 28의 광입력면 38사이의 중심-대-중심거리가 변조수단의 인접한 픽셀사이의 중심-대-중심거리와 같거나 혹은 작은 것이 바람직하다. 제 11도에서, 측벽 42는 직선이지만, 측벽 42의 모양은 직선이거나 혹은 곡선일 수 있다.

화상 표시장치 수단 36의 표면에 평행한 평판에서 테이퍼 도파관 28의 단면은 정사각형, 직사각형, 정다각형, 원형 혹은 타원형을 포함하는 어떠한 형태일 수 있다.

제 12도는 직사각형 단면을 갖는 테이퍼 도파관 28로 구성된 어레이의 사시도이다. 제 13도는 원형단면을 갖는 테이퍼 도파관 28로 구성된 어레이의 사시도이다. 전체 도파관 28에 대한 형태의 예로는 원뿔, 타원뿔, 정사각형 피라미드, 직사각형 피라미드 및 전체 혹은 끝이 잘린 형태일 수 있다.

테이퍼 도파관 28 어레이의 광학적 특성 즉, 시각(viewing angle) 함수로서 색도 대조 및 변화는 각 도파관 28의 형태, 크기 및 물리적 배열에 대해 결정된다. 제11도에서, 인접한 도파관 28의 광입력면 38사이의 중심-대-중심거리는 인접한 도파관 28의 광출력면 40사이의 중심-대-중심거리와 같거나 실질적으로 같다. 따라서, 광입력면 38에서 어레이로 유입되는 광화상은 어레이를 가로지른 후 확대되거나 혹은 축소되지 않을 수 있다.

제 11도, 12도 및 제 13도에 도시한 어레이된 테이퍼 광도파관 28은 도파관 사이의 격자부분 44보다 굴절률이 큰 투명한 고형물로 형성된다. 빛이 광입력면 38(제1도에 도시함)을 통하여 도파관 28에 입사된 후 임계각보다 큰 각도(스넬의 법칙)로 도파관의 측벽 28에 입사된 광선은 측벽 42로 부터 하나 또는 그 이상으로 총 내부반사되며, 대부분의 경우에는 광출력면 40을 통해 도파관 28로 부터 방출된다.

소량의 광선은 측벽 42를 통하여 통과되거나 광입력면 38로 다시 반사된다. 테이퍼 도파관 28의 작용함수는 렌즈가 모든 내부 반사를 이용할 수 없음으로 렌즈에 따라 다르다.

도파관 28은 광출력면 40의 면적이 광입력면 38의 면적보다 작은 테이퍼를 갖음으로, 광출력면 40으로 부터 방출되는 빛의 각분포는 광입력면 38로 입사되는 빛의 각도 분산보다 크게된다. 변조 수단의 바깥쪽면에 위치하는 테이퍼 도파관 28의 어레이를 갖는 화상 표시장치 수단 36은 변조 수단으로 부터 화상이 보다 큰 각도로 보여지도록 변조 수단으로 부터의 출력광의 각도 분산을 변화시킬 수 있다. 각 도파관 28의 광출력면 40의 면적이 광입력면 38 면적의 약 1-60%인 것이 바람직하다. 광출력면 40의 면적이 광입력면 38 면적의 약 3-40%인 것이 보다 바람직하다. 광출력면 40의 면적이 광입력면 38의 면적의 약 4-20%인 것이 가장 바람직하다.

화상 표시장치 수단 36이 전반적으로 많은 빛을 갖도록, 모든 도파관 광입력면 38에 대한 면적의 합이 어레이 기판 4 총면적의 40%이상인 것이 바람직하다. 화상 표시장치 수단 36에서 모든 도파관 광입력면 38에 대한 면적의 합이 어레이 기판 4 총면적의 60%이상인 것이 보다 바람직하다. 화상표시장치 수단 36에서 모든 도파관 광입력면 38에대한 면적의 합이 어레이 기판 4 총면적의 80%이상인 것이 가장 바람직하다.

테이퍼 도파관 28사이의 결정격자 부분 44사이의 굴절률은 테이퍼 도파관 28의 굴절률보다 작아야 한다. 결정격자 부분에 바람직한 물질로는 굴절률이 1.00인 공기 및 굴절률이 약 1.30-1.40인 플루오로 중합체 물질이다. 가장 바람직한 물질은 공기이다.

광입력면 38, 광출력면 40 및 직선 측벽 42를 갖는 단일한 테이퍼 도파관 28을 제14도에 도시하였다. 도면에서 테이퍼 직선 측벽 42를 교차될 때까지 신장하면, 테이퍼 각 46을 형성한다. 테이퍼 각 45에의 바람직한 각도의 범위는 약 2 ° -14 °이며, 보다 바람직하게는 약 4 °-12 ° 이고, 가장 바람직하게는 약 6 °-10 °이다.

테이퍼 도파관 28의 길이 48은 도파관 광입력면 38을 가로지르는 최소 거리인 치수 50에 의존한다. 예를들면, 광입력면 38이 정방형인 경우, 치수 50은 정방형 일면의 길이이다. 광입력면 38이 직사각형인 경우, 치수 50은 직사각형의 두면중 짧은면의 길이이다. 치수 50에 대한 특정한 값은 변조 수단의 인접한 픽셀사이의 중심-대-중심 거리에 따라 광범위하게 변화될 수 있다. 변조수단에 의해 형성된 화상의 해상도가 감소되지 않도록, 치수 50은 변조 수단의 인접한 픽셀사이의 중심-대-중심 거리와 같거나 이 보다 작아야 한다. 예를들면, 변조수단에서 인접한 픽셀사이의 중심-대-중심거리가 200미크롱이면, 치수 50의 범위는 일반적으로 약 5-200미크롱, 보다 바람직하게는 약 15-200미크롱이며, 가장 바람직하게는 약 25-100미크롱이다.

치수 50이 결정되면, 길이 48은 길이 48 대 치수 50의 비에 의해 정해질 수 있다. 길이 48 대 치수 50의 비는 광 입력면 38에 입사되는 빛의 각분포에 비하여 광출력면 40에서 방출되는 빛의 각도 분산이 얼마나 증대되기를 바라는 가에 따라 광범위하게 변화될 수 있다. 길이 48 대 치수 50의 비는 일반적으로 약 0.25-20, 보다 바람직하게는 약 1-8, 가장 바람직하게는 약 2-4이다.

나아가 본 발명의 다른 실시예는 제 15도에 나타내었다. 화상 표시장치 수단 36은 기판 4, 접착 증진층 6 및 각각의 테이퍼 도파관 28로 구성된다. 도파관 28은 제11도에 도시한 수직 측벽대신 곡면으로된 측벽을 갖는다. 광출력면 54의 면적과 광입력면 56의 관계는 상기한 직선 측벽을 갖는 테이퍼 도파관 28에서 두 면의 바람직한 관계와 같은 것이 바람직하다. 특히, 각 도파관 28의 광출력면 54의 면적은 바람직하게는 광입력면 56 면적의 약 1-60%, 보다 바람직하게는 약 3-40%이며, 가장 바람직하게는 약 4-20%이다.

테이퍼 도파관 28사이의 결정 격자 사이 부분 44가 예를들면 빛을 흡수하는 검은 입자물질과 같은 광흡수 물질 58로 충진된 본 발명에 의한 바람직한 실시예를 제16도에 도시하였다. 결정 격자 사이 부분 44에 광흡수 물질을 사용함으로써, 직시 표시장치는 보다 큰 콘트라스트를 나타내며, 보다 적은 주위의 빛이 관찰에게로 다시 반사된다. 도파관의 측벽 42와 접하는 흑색 물질의 면적을 최소화하기위해 연속적인 흑색물질보다는 결정격자 부분 44에 광흡수 입자를 사용하는 것이 바람직하다. 결정격자 사이 부분 44에 연속적인 흑색물질을 사용하는 경우 도파관 28을 투과하는 빛이 다량 흡수되어 손실된다. 어떠한 광흡수 물질을 사용하여 광흡수 흑색 입자 58을 형성할 수 있다. 상기 물질은 흑색인 것으로 동일시 될 수 있다.

유용한 광흡수 흑색 입자물질의 예로는 탄소 철매 분말, 카본블랙과 토너의 혼합물 및 카본블랙과 플루오로중합체의 혼합물을 포함한다. 테이퍼 광중합된 도파관 어레이의 광출력면에서, 상기 광흡수 흑색 입자물질은 어레이가 어두운 무광택의 흑색으로 보이도록하며, 우수한 빛 투과성 및 적은 반사율이 제공되도록한다.

일 실시에 있어서, 광흡수 흑색 입자물질 58은 내부에 빛을 흡수하는 흑색 입자물질을 갖는 굴절률이 작은 중합체를 사용함으로써 광흡수 입자 물질 58이 도파관 28사이의 결정격자 사이 부분 44에 한정된다. 광흡수 흑색 입자물질을 서스펜션 혹은 에멀션으로 제조할 수 있다. 이와 같은 경우, 흑색 입자에 사용되는 캐리어 물질의 굴절률이 개개의 테이퍼 도파관의 굴절률보다 작아야 한다. 상기 굴절률이 낮은 충진 물질에 의해 테이퍼 도파관을 통하여 전파하는 빛이 모두 내부로 반사(total internal reflection; tir)된다. 굴절률이 바람직한 테이퍼 도파관 물질의 굴절률 보다 최소 약 0.1 유니트 작은 것이 보다 바람직하며, 대략 0.2 유니트 이하인 것이 가장 바람직하다. 예를들면, DuPont사에서 판매하는 Teflon AF 와 같은 무정형 테프론 서스펜션 및 용매에 용해된 카본 철매 분말로 테이퍼 광중합된 도파관의 에레이를 피복할 수 있다. 그 후 용매가 증발되며 테프론은 광학적 버퍼와같이 작용한다. 다른 실시예에서, 플루오로중합체 에멀션 및 물에 용해된 카본 철매 분말이 사용될 수 있다. 다른 실시예에서, 카본 철매 분말과 혼합된 굴절률이 작은 플루오르화된 폴리우레탄 수지가 사용될 수 있다. 상기 광흡수 흑색 입자 물질 혼합물은 전형적으로 열 혹은 IR에 의해 경화되며, 경화 후 상기 표면은 버핑하여 세척될 수 있다.

제 17도에 나타낸 바와 같이 본 발명의 다른 실시예에서 테이퍼 도파관 28의 출력 말단에 보호층 60이 편입된다. 보호층 60은 도파관 28의 출력면이 기계적으로 손상되는 것을 방지하며, 또한 광흡수 입자물질 58이 도파관 28사이의 결정격자 부분 44에 한정되도록 한다. 보호층 60은 사출성형되거나 혹은 라미네이트되어 보호막을 형성한다. 보호층은 광흡수 흑색입자 물질 58을 갖는 결정격자 사이 부분 44를 충진하기 전에 도파관 28의 출력면에 또한 적용될 수 있다. 보호층 60은 예를들면 기판 4 제조에 사용되는 물질과 같은 투명한 흑색물질 62 및 임의로 그리고 바람직하게는 플루오르화 마그네슘과 같은 물질로 형성되며, 화상 표시장치 수단 36의 표면으로 부터 주위의 빛이 거울 반사되는 것을 감소시키는 반사 방지막 64로 구성된다. 상기 방사 방지 피보물은 테이퍼 도파관 28의 광출력면 및 결정격자 부분 44에서 직접 증발될 수 있다. 유용한 반사 방지 피복물은 Aharoni 등의 미국 특허 제5,061,769; 5,118,579; 5,139,879 및 5,178,955에서 통상적으로 가르치고 있는 플루오르중합체이다.

세 18도에서, 본 발명에 의한 실시예를 도시하였으며, 본 실시예에서는 오목 렌즈 68 어레이를 포함하는 보호층 66을 이용하는 것이다. 각 렌즈 68은 기판 70에 형성되며, 테이퍼 도파관 28의 광출력 말단 40과 일렬로 배열된다. 렌즈 68은 피복층 72보다 굴절률이 작은 물질로 구성된다. 화상 표시장치 수단 36에 오목렌즈 어레이를 편입함으로써 상기 결과물인 표시장치의 시각이 증대될 수 있다.

본 발명에 의한 방법으로 제조된 테이퍼 도파관 어레이는 1993. 7. 1일에 출원된 미국 특허 출원 제 86,414의 직시 평판 표시장치의 화상 표시장치수단에 사용될 수 있다. 이와 같은 표시장치는 컴퓨터 터미널, 텔레비젼, 비행기 조정실 표시장치, 자동차 기구 패널 및 문서, 그래픽 혹은 영상정보를 제공하는 다른 표시장치에 사용된다. 더욱이 본 발명에 의한 방법으로 제조된 테이퍼 도파관 어레이는 도로표지판, 양극선 튜브(CTR) 표시장치, 책상 정면의 표시장치 및 평판 기구에 한정하지 않고 문서, 그래픽 혹은 영상 정보 표시장치와 같은 다른 정보 표시장치의 광학적 특성을 변경 혹은 개선하거나 전광시스템의 밝기 및 광학적 특성을 변형 및 개선하기위해 사용될 수 있다.

상업적으로 제조하는 다른 방법에 있어서, 상기한 광화학적 제조 방법을 소규모로 사용하여 테이퍼 도파관 모형을 제조할 수 있다. 그 후 상기 테이퍼 도파관 모형을 사용하여 역 테이퍼 도파과 모울드를 제조할 수 있다. 이와 같은 역 테이퍼 도파관 모울드 제조방법은 이 기술분야의 숙련된 기술자에게 잘 알려져 있다.(예를들면, Michael T. Gale 등의 "Continuous-relief Diffractive Optical Elements for Two-dimensional Array Generation" in Applied Optics, vol. 32, No. 14, P. 2526(1993)). 전형적으로, 상기 모울드는 니켈 금속을 무전기 용착하여 제조 할 수 있다. 이 방법으로 부터, 나아가 금속 모울드를 제조할 수 있다. 각각의 연속적인 모울드 생성에 의해 앞의 모울드로 부터 대향되는 프로파일 대립을 제공하게 된다. 그 후 테이퍼 도파관 광중합가능한 혼합물을 갖는 모형으로 부터 대향되는 다수의 프로파일 대립을 충진한 후 상기 혼합물을 화학 방사선에 노출시켜 제조한다. 그 후 결과물의 구조는 모울드에서 분리되고 실질적으로 본래의 테이퍼 도파관 모형이 정확하게 복사된다. 복제된 구조물은 독립적으로 제조되거나 혹은 기판을 광중합가능한 혼합물에 적용하고 중합하기전에 주조하여 유리 혹은 폴리에스테르 피막과 같은 기판으로 제조할 수 있다. 주조법에서 복제물을 사용하는 것은 제조되는 도파관 어레이의 정확한 치수뿐만 아니라 생산 규모에 따라 결정된다. 상기 방법에서 기술된 후속단계는 본래의 혹은 복제된 테이퍼 도파관 어레이에 적용될 수 있다.

이하, 본 발명의 실시예에 대하여 상세히 설명한다.

실시예 1

얇은 플라스틱 피막에 테이퍼 도파관 어레이를 제조하였으며 이는 얇으며 또는 경제적으로 가장 이로운 것이다. 석판 인쇄술로 제조한 50mm 중심부상에, 폭이45 micron 투명 사각형으로 된 이차원 격자를 갖는 마스크(5" X 5" X 0.09")를 제조하였다.

정사각형사이의 상기 폭 5 미크롱의 간격은 자외선 및 가시광선에 대하여 불투명하다. 상기 마스크위에 및 방울의 메탄올을 떨어드린 후 이에 100미크롱 두께의 폴리(에틸렌 테레프탈레이트)(PET)피막을 가압하였다. 상기 PET피막은 피막이 중합 단량체 용액에 반응하고 접착되도록 하는 극박 피막면 처리법으로 조제하였다. 이와 같은 표면-활성화된 피막은 이 기술분야의 숙련된 기술자에게 알려져 있다. 상기 메탄올의 표면장력에 의해 피막이 마스크에 부드럽지만 확실하게 부착된다. 상기 마스크 및 표면 활성화된 PET 피막은 상기 어레이 기판 서브어셈블리를 구성한다.

압력에 민감한 접착제를 사용하여 별도의 12.7cm X 12.7cm X 0.64cm의 블랭크 유리판에 PET피막을 접착하였다. 이는 상기 릴리이스 피막 서브어셈블리를 구성한다. 상기 릴리이스 피막 서브어셈블리를 실구멍을 갖는 검은색의 금속 플랫포옴위에 피막면을 위로하여 놓았다. 1 cm X 3cm X 200 micron 두께의 금속 스페이서를 상기 릴리이스피막의 상부 가장자리 둘레에 놓았다. 광중합가능한 단량체 용액 약 1ml를 상기 릴리이스 피막의 중심에 놓았다. 상기 단량체 용액은 에톡시화된 비스페놀 A 디아크릴레이트 62부; 트리메틸올프로판 트리아크릴레이트 31부; 펜타에리트리톨테트라비스(3,5-디-tert-부틸-4-히드록시페닐) (Irganox 1010) 산화방지지제 1부, α ,α-디메틸옥시-α-히드록시 아세토페논(Darocur 1173) 광개시제 2부; 벤지디메틸케탈(Irgacure 651) 광개시제 2부; 및 50% 1-히드록시시클로헥실 케톤 및50% 벤조페논(Irgacure 500) 광개시제 2부로 구성되었다. 그 후 상기 어레이 기판 서브어셈블리를 PET 피막면을 아래로 하여 상기 단량체 용액의 위에 놓았다. 12.7cm X 12.7 cm X 0.64cm의 깨끗한 유리판을 상기 전체 조립 어셈블리의 상부에 놓고 상기 릴리이스 피막과 상기 어레이 기판 사이의 단량체 용액층의 두께가 200미크롱이 되도록 금속 클램프와 스크루우를 사용하여 상기 판을 서로 완전하고 고르게 압착하였다.

이때 상기 전체 조립 어셈블리를 자외선/가시광선(UV/vis) 노출 시스템의 조준렌즈 하에 놓았다. 상기 UV-vis 시스템은 1000 Watt 수은-크세논 램프를 포함하였으며, 강도가 85 mW/cm²인 균일하고 평행하며, 균질하고 완전한-스펙트럼 방사선이 총 면적이 12.7cm X 12.7cm인 조립 어셈블리에 도달하도록 하였다. 상기 시료를 0.76초간 조사하였다. 그 후 상기 어셈블리를 해체하고 형성은 되었으나, 요소사이의 결정격자사이의 부분에 아직 단량체 용액이 덮혀있는 상기 테이퍼 광도파관 어레이를 갖는 PET피막을 이소프로판올 배스에 거꾸로 위치시켜 10분간 방치하였다. 이소프로판올은 상기 단량체에 대하여는 상대적으로 저조한 용매지만 상기 광도파관 요소의 반사벽이 고르고 부드럽게 현상되도록 함으로 이로운 것이다. 상기 잔류 단량체를 제거한 후, 상기 테이퍼 광도파관을 질소가스 흐름내에서 건조시키고 질소 가스-스퍼지된 밀폐물에 넣고 추가로 20분간 UV-vis 방사선으로 단단히 경화되도록 하였다.

전자 현미경 및 광학 현미경을 사용하여 상기 테이퍼 광도파관을 평가하였다. 상기 각각 광도파관은 끝이 잘린 정사각형 피라미드 형태인 것으로 관찰되었다. 상기 요소는 길이가 200미크롱이었다. 상기 광도파관 출력면의 보다 작은 폭의 길이는 20미크롱이었다. 상기 반사 측벽은 매우 부드러우며, 상기 출력면 아래의 160 미크롱 깊이에서 서로 연결되었다. 상기 도파관의 입력면은 두께 100미크롱인 PET어레이 기판 사이의 접촉면에 위치하며, 상기한 바와 같이 입력면의 폭은 50미크롱이지만 본 실시예에서 상기 입력면은 완전히 서로 융합되었다. 따라서 상기 광도파관의 테이퍼각은 12 °였다.

실시예 2

상기 실시예1을 출발점으로 하였다. 상기 테이퍼 광도파관을 광흡수 물질인 탄소 철매 분말로 충분히 덮었다. 상기 철매 분말의 평균 입자 크기는 광도파관의 치수 50 미크롱보다 훨씬 작았다. 그 후 상기 분말을 부드로운 기구, 본 실시예에서는 장갑을 낀 손가락으로 테이퍼 광도파관 어레이의 결정격자 사이부분에 조심스럽게 펴지도록 하였다. 초과량은 같은 기구로 제거하였다. 상기 광도파관에 상기 철매는 가시적인 손상 없이 펴질 수 있다. 상기 테이퍼 도파관 어레이의 바깥쪽 측면에서, 상기 철매로 인하여 에레이가 어둡고 윤이 없는 흑색으로 보이게된다. 흑색으로된 가시 표면적의 퍼센트는 85%로 측정되었다.

테이퍼 광도파관 에레이를 6 °의 전 발산각(divergence angle)으로 가우스 모드형의 헬륨-네온 레이져 빔을 통과시켜 투과성을 측정하였다. 도파관의 광입력면으로 광출력면으로 부터 빛이 전파되는 경우 투과율은 60%였다.

나아가 별도의 테이퍼 광도파관 에레이에서 시험을 행하였다. 본 경우 어레이의 반은 철매분말로 충진하였으며, 다른 반은 흑색 액체 에폭시로 충진하였다. 에폭시를 건조한 후, 두 시료를 비교하였다. 철매로 충진된 상기 에레이 부분을 광입력면에서 보는 경우 잘 투과되며 에레이는 광입력면에서 광출력면으로 60%의 투과율을 나타냈다. 상기 흑색 에폭시로 충진된 어레이 부분을 광입력면에서 보는 경우 다소 투과율이 떨어지며, 상기 어레이는 광입력면에서 광출력면으로 약 15% 투과율을 나타낸다. 이는 광흡수 물질의 선택이 테이퍼 도파관 어레이를 통하여 빛이 성공적으로 전파되도록하는데 매우 중요함을 나타낸다. 광흡수 물질이 철매 분말인 경우, 상기 분말은 도파관 측벽 표면적의 단지 작은 부분과 직접 접하게 되며 총내부 반사 현상이 저해되지 않도록한다. 빛이 도파관의 입력면에 입사되고, 도파관의 측벽에서 반사되며, 출력면을 통하여 방출됨으로써 도파관을 통하여 투과된다. 광흡수 물질이 흑색 에폭시인 경우, 이의 굴절률이 굴절 측벽과 일치하여 빛이 측벽을 통하여 연결되어 광 흡수 물질에 의해 흡수된다.

실시예 3

상기 실시예 2를 출발시점으로 하였다. 결정격자 사이 부분이 철매 분말로 충진된 테이퍼 광도파관 어레이를 압력 감응 접착제로 제조된 PET 피막 조각과 함께 라미네이트하였다. 상기 압력-감응 접착제는 상기 광도파관의 출력면을 갖는 접촉면과 굴절률이 일치하는 접촉면에 형성되었다. 도파관 어레이는 상기 실시예 2와 같이 계속하여 굴절률이 60%임을 나타내었다. 상기 테이퍼 광도파관 어레이에 보호층을 형성하고 세척, 굽혀지도록 하였으며, 도파관의 손상 및 분말상의 광 흡수 물질의 손상없이 취급하였다.

실시예 4

상기 실시예 2를 출발시점으로 하였다. 결정격자 사이 부분이 철매 분말로 충진된 테이퍼 광도파관 어레이를 전형적으로는 신분증명서 카드의 라미네이트에 사용되는 열-활성화된 라미네이션 피막 조각과 함께 라미네이트하였다. 라미네이팅 피막을 광도파관의 출력면과 굴절률이 일치하는 경계면에 라미네이팅 피막이 형성되었다. 상기 도파관 어레이의 투과율은 상기 실시예 2와같이 계속하여 60%임을 나타냈다. 상기 테이퍼 광도파관 어레이에 보호층을 형성하고 세척 및 굽혀지도록하였으며, 도파관 및 부말상의 광흡수 물질이 손상되지 않도록 취급하였다.

실시예 5

상기 실시예 4를 출발시점으로 하였다. 광출력면에서 보는 경우, 상기 라미네이트된 보호막은 관찰자의 뒤로부터 빛이 관찰자의 눈으로 다시 반사되도록하는 연속적인 대기-플라스틱 경계면을 제공한다. 본 실시예는 상기 실시예 1에서 사용된 바와 같은 광중합가능한 단량체 용액 층으로 피복되었다. 그후 어레이의 상부 및 단량체 용액을 반사 방지 피복물을 갖는 유리판에 놓았다. 상기 단량체 용액을 UV-vis방사선으로 경화한 후, 보호층인 라미네이트된 플라스틱 피막 및 반사 방지의 피복된 유리판을 갖는 상기 테이퍼 광도파관 어레이가 보다 어두워진 것으로 관찰되었다. 이는 관찰자의 눈에 도달하는 반사광이 감소됨에 기인한다.

실시예 6

상기 실시예 4를 출발시점으로 하였다. 흑색 흡수 물질을 갖는 상기 보호된 테이퍼 광도파관 어레이를 가우스 모드 형태의 헬륨-네온 빔앞에 6 °의 충분한 발산 각으로 위치시켰다. 상기 광입력면으로 부터 광출력면으로 레이져빔이 전파되었다. 그 후 상기 광출력은 광범위한 패턴으로 형성되어 확산 조망 스크린상에 관찰되었다. 영상 프레임 그래빙(video frame grabbing) 기구 및 컴퓨터 소프트웨어를 사용하여 상기 패턴을 분석하였다. 분석결과 빛이 넓은 출력 패턴으로 변형되도록하는 상기 테이퍼 광도파관 어레이가 대략 중심 레이져빔 스팟의 중심에 모이는 것으로 관찰되었다. 단일한 레이져빔 및 도파관의 기하학적 구조로 인해서 상기 출력 패턴은 4-배 대칭과 같은 강도의 대략 강도 및 8 스팟이 함유되어 있다. 최대 스팟강도 부분의 완전한 전각 분산은 40 °였다. 상기 테이퍼 도파관 어레이 전체의 출력 패턴은 상기 레이져빔 입력이 단지 6 °로 발산되더라도 약 60 ° 전각에 대하여 광출력 세기가 상대적으로 서서히 감소하면서 변화됨을 나타낸다.

람베르티안 확산계를 사용하여 상기 테이퍼 광도파관 어레이의 절대적인 표시장치 특성을 측정하였다. 상기 레이져빔과 평행하게 전파되는 빛의 세기를 1로 표준화하였다. 40 ° 전각에서 상기 테이퍼 광도파관 어레이는 이상적인 람베르티안 확산계 강도의 50%를 제공하였다. 60 ° 전각에서 상기 테이퍼 광도파관 어레이는 이상적인 람베르티안 확산계 강도의 17%를 제공하였다. 상기 람베르티안 확산계는 집중 산란 메카니즘에의해 작동되며 전방으로 일면에 입사된 빛의 단지 47%만이 투과된다.

실시예 7

실시예 1을 출발점으로 하였다. 탄소 철매(Degussa Corporation) 5부와 Fluorolink-T 20부, Fluorolink-B (Ausimont Corporation) 80부 및 경화제, 디부틸틴이라우레이트 0.005부를 혼합하여 흑색충진 혼합물을 제조하였다. 상기 프루오르화된 폴리우레탄 혼합물의 굴절률은 상기 광중합체 테이퍼 도파관의 굴절률보다 약 0.2유니트 작았다. 그 후 부드로운 기구, 본 실시예에서는 장갑을 낀 손가락으로 상기 혼합물을 상기 테이퍼 도파관 어레이 결정격자 사이 부분에 적용하였다. 초과량을 같은 기구로 제거하였으며 또한 압지로 세척하였다. 상기 원뿔 상부면은 깨끗한 흑색 혼합물로 관찰되었다. 그 후 상기 흑색 충진물로 충진된 결정격자 사이부분을 갖는 상기 테이퍼 광도파관 어레이를 2시간 동안 50℃의 오븐에서 경화하였다.

상기 테이퍼 도파관 어레이의 출력면에서, 상기 흑색 충진물로 인하여 상기 어레이가 어두운 무광택 흑색으로 되었다. 검게된 상기 가시가능한 표면적은 85%였다. 상기 테이퍼 광도파관 어레이를 통하여 6 ° 전각으로 가우스 모드 형태의 헬륨-네온 레이져빔을 통과시켜 투과율을 측정하였다. 상기 도파관의 광입력면에서 광출력면으로 빛이 전파되는 경우, 투과율은 57%였다.

Claims (10)

1. (a) 투명한 부분과 불투명한 부분을 갖는 포토마스크를 기판과 실질적으로 접하도록 위치시키는 단계;

   (b) (i) 광중합가능한 혼합물은 최소 하나의 반응단량체 및 광개시제를 포함하며,

   (ii) 상기 광개시제는 후속 단계 (c)에서 상기 광중합가능한 혼합물의 두께를 가로질러 실질적으로 조준된 화학방사선의 그레디언트가 형성되기에 충분한 양으로 존재하며,

   실질적으로 균일한 두께의 광중합가능한 혼합물을 상기 기판이 상기 광중합가능한 혼합물과 포토마스크사이에 위치하도록 기판에 위치시키는 단계;

   (c)(i)상기 각 도파관의 테이퍼 말단은 상기 기판으로 부터 바같쪽으로 신장되며,

   (ii)상기 각 도파관은 상기 기판에 인접한 광입력면 및 상기 광입력면으로 부터 떨어져서 위치하는 광출력면을 갖으며,

   (iii) 상기 각 도파관의 광입력면의 면적은 광출력면이 면적보다 넓으며, 상기 실질적으로 평행한 화학 방사선에 상기 광중합가능한 혼합물 및 기판을 실질적으로 고정된 면으로 유지하면서, 상기 포토마스크의 투명한 부분을 통하여 상기 광중합가능한 혼합물을 테이퍼 광중합된 도파관 어레이를 형성하기에 충분한 시간동안 상기 실질적으로 조준된 화학방사선에 노출시키는 단계;

   (d)상기 기판에서 상기 포토마스크 및 단계 (c)도중 상기 실질적으로 평행한 화학 방사선에 의해 실질적으로 중합되지 않은 상기 광중합가능한 혼합물을 제거하는 단계;를 포함하는 테이퍼 광중합된 도파관 어레이 제조방법.
2. 1항에 있어서, 상기 단계(b) 후, 덮게판을 실질적으로 균일한 두께의 광중합 가능한 혼합물에 위치시키는 단계를 포함함을 특징으로 하는 방법.
3. 1항에 있어서,

   (e) 광 흡수물질을 상기 테이퍼 광중합된 도파관 어레이에 적용하는 단계를 포함함을 특징으로하는 방법.
4. 1항에 있어서, 상기 화학방사선은 자외선임을 특징으로 하는 방법.
5. 1항에 있어서, 상기 단량체는 메틸 메타크릴레이트, n-부틸 아크릴레이트, 2-에틸헥실 아크릴레이트, 이소데실 아크릴레이트, 2-히드록시에틸 아크릴레이트, 2-히드록시프로필 아크릴레이트, 시크로헥실 아크릴레이트, 1,4-부탄디올디아크릴레이트, 에톡시화된 비스페놀 A 디아크릴레이트, 네오펜틸글리콜 디아크릴레이트, 디에틸렌글리콜 디아크릴레이트, 디에틸렌글리콜 디메타크릴레이트, 1,6-헥산디올 디아크릴레이트, 트리메틸올 프로판 트리아크릴레이트, 펜타에리트리톨 트리아크릴레이트, 펜타에리트리톨 테트라-아크릴레이트 및 이들의 혼합물로 구성되는 그룹으로 부터 선택됨을 특징으로하는 방법.
6. 1항에 있어서, 상기 단량체는 에톡시화된 비스페놀 A 디아크릴레이트와 트리메틸올 프로판 트리아크릴레이트의 혼합물임을 특징으로하는 방법.
7. 1항에 있어서, 상기 광개시제는 벤지디메틸 케탈; α, α-디에틸옥시 아세토페논; α, α-디메틸옥시-α-히드록시 아세토페논; 50% 1-히드록시시클로헥실 페닐 케톤 및 50% 벤조페논; 1-히드록시-시클로헥실-페닐 케톤; 1-[4-(2-히드록시에톡시)페닐]-2-히드록시-2-메틸-프로판-1-온; 2-메틸-1-4-(메일티오)페닐]-2-모르폴리노-프로판-1-온 및 2-벤질-2-디메틸아이노-1-(4-모르폴리노페닐)부탄-1-온으로 구성되는 그룹으로 부터 선택됨을 특징으로 하는 방법.
8. 1항에 있어서, 상기 광개시제는 벤지디메틸 케탈; α, α-디메틸옥시-α-히드록시아세토페논, 50% 1-히드록시시클로헥실 페닐 케톤 및 50% 벤조페논; 1-히드록시-시클로헥실-페닐 케톤; 및 1-[4-(2-히드록시에톡시)페닐]-2-모르폴리노-프로판-1-온으로 구성되는 그룹으로 부터 선택됨을 특징으로 하는 방법.
9. 1항에 있어서, 상기 광개시제는 상기 광중합가능한 혼합물의 총 중량을 기준으로 약 0.5-12 중량% 양으로 존재함을 특징으로 하는 방법.
10. 1항에 있어서, 상기 광개시제는 상기 광중합가능한 혼합물의 총 중량을 기준으로 약 0.5-8 중량% 양으로 존재함을 특징으로 하는 방법.