KR101211869B1 - 변전-광학 액정 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따르면, 전송되는 광의 편광 상태를 제어하는 장치는 키랄 액정 물질의 층을 둘러싸는 제 1 및 제 2 셀 벽들을 포함한다. 이 물질은 인가된 전기장이 없이 균일하게 지향된(orientated) 나선축, 및 나선축에 실질적으로 수직인 방향의 전기장을 인가하기 위한 전극들을 갖는다. 인가된 전기장은 분자에 변전 결합하고, 이는 나선형 구조의 왜곡을 가져오고 따라서 셀의 벌크 복굴절(bulk birefringence)을 변경한다.
키랄 액정, 편광, 나선, 전기장, 복굴절, 변전 결합

Description

변전-광학 액정 장치 { Flexoelectro-optic liquid crystal device }
본 발명은 액정 장치에 관한 것이며, 특히 원격 통신 및 다른 응용에서 유용한 편광 상태 제어기로서 기능하는 액정 장치, 및 이 장치를 이용하는 방법에 관한 것이다.
액정 물질은 디스플레이 응용 분야에서 사용을 위해 매우 성공적으로 개발되어 왔으나, 광섬유 시스템을 위한 원격 통신 장치에서 그 가능성은 오직 최근에 광범위한 연구 논문들1 ,2,3,4,5,6,13의 중심이 되었다. 리튬 니오베이트와 같은 통상의 전기-광학 전기통신 물질에 대하여 열굴성의(thermotropic) 액정들은 높은 복굴절성(birefringence), 높은 광 투명성(optical transparency), 낮은 전력 소비, 비-기계적 작동성을 갖고, 그리고 제조가 간편하고 비용이 작다는 점에서 이점을 갖는다.
액정 장치들이 비교면에서 고려되는 주요 영역은 그 상대적으로 낮은, 통상적으로 수십 밀리초(tens of miliseconds)의 스위칭 속도이다. 더욱 기대되는 액정 원격 통신 장치들이 강유전성 및 전기클리닉 효과(ferroelectric and electroclinic effects)13와 같은, 단순한 프리데릭 전송(Freedericksz transition) 보다 빠른 액정 전기-광학 효과(electro-optic effects)를 활용하거나, 또는 교환가능한 내부 연결1 ,2, 광 분기결합 장치(add/drop multiplexers)3와 같은 시스템의 비트-레이트 이하에서의 교체를 요구하는 어드레스 응용(address applications)을 활용하거나, 또는 편광 제어(polarization control)4 ,5,6, 11를 활용하기 위해 시도하는 점이 이러한 이유이다.
그러나, 임의의 물질에서 네마틱 범위에 걸쳐 선형 전기장 응답 및 온도 독립을 구비한 매우 빠른 스위칭 기구(switching mechanism)임에도 불구하고, 변전-광학 효과(flexoelectro-optic effects)8,9는 원격 통신 관점으로부터 개척되지 않은 채 남아 있다. 이는 셀의 평면 내에서 순수하게 광축을 교체하는 것이 섬유-광학 시스템에서 바람직하지 않은 일치효과(consistent effect)를 생성하는, 장치 안으로 진입하는 광선의 편광 상태의 주의 깊은 제어를 요구하기 때문이다.
본 발명의 일 양태에 따르면 전송되는 광선의 편광 상태를 제어하기 위한 장치가 존재하고, 이 장치는 인가된 전기장이 없이 균일하게 정렬된 나선축을 갖는 액정 물질의 층을 둘러싸는 제 1 및 제 2 셀 벽들, 및 나선축에 실질적으로 수직인 전기장을 인가하기 위한 전극들을 포함한다.
사용에서, 나선축은 장치를 통해 전파되는 광선의 방향에 실질적으로 평행하게 지향될 것이다.
특히 바람직한 액정(liquid crystal)은 키랄 네마틱(chiral nematic; 콜레스테릭; cholesteric) 물질이고, 본 발명은 편의를 위하여 이러한 바람직한 실시형태를 참조하여 이 문서에 기술될 것이다. 유리 벽의 평면에 놓여진 분자를 구비한 그랑장 (평면) 조직(Grandjean (planar) texture) 내에 키랄 네마틱을 정렬함으로써 그리고 셀 내에 위에서 아래로 나선축을 정렬함으로써 본 발명은 종래기술의 장치의 문제점들 중 일부를 극복한다. 셀의 평면 내에 전기장을 인가하는 것은(그러므로 여전히 나선축에 대해 수직인) 변전 변형(flexo-electro deformation)이 발생하도록 허용하고, 편광된 입력 광선(예를 들면, 섬유로부터)이 어떠한 소망의 출력 편광으로 변환되도록 허용한다. 특히 바람직한 실시형태에서 키랄 네마틱 나선의 피치 길이는 실질적으로 장치 위로 입사되는 광선의 파장보다 실질적으로 작고 따라서 회전 분산 효과를 줄이거나 또는 최소화한다. 이러한 상황에서 입사되는 광선에 의해 경험되는 것처럼 액정 분자의 복굴절(birefringence)은 층의 벌크 복굴절(bulk birefringence)로써 표현될 수 있다. 입사되는 광선의 전파 방향에 평행한 나선축을 구비한 교란되지 않은 그랑장 조직(Grandjean texture)의 경우에서 이러한 벌크 복굴절은 나선 구조 내에 분자 디렉터(molecular directors)의 '완전-원형'('full-circle') 진전(precession) 때문에 영(0)가 되는 경향이 있다. 광선의 파장보다 크게 작은 나선 피치를 이용함으로써, 장치는 온도에 실질적으로 둔감하게 제작될 수 있고, 이는 피치 길이의 열적 변형이 작동 길이에 비교하여 미미할 것이기 때문이다. 예를 들어 1550 ㎚의 전기통신 대역에서 키랄 네마틱의 반사 대역으로부터 벗어난 파장에서 셀을 작동시키는 것은 광선이 최소의 광학적 활동성을 경험하도록 함을 보증한다. 나선축에 횡단하는 전기장이 시스템에 인가되는 경우에, 변전 결합은 나선을 왜곡하고 따라서 입사되는 광선의 편광 상태를 제어하기 위해 이용될 수 있는 벌크 복굴절이 유도된다. 평면상의 전기장은 전파 방향을 따라 놓여지는 것으로부터 광선의 편광 평면 내 일부 요소를 갖는 것까지 광축을 굴절시킨다.
우리의 지식으로, 그랑장 조직에서 변전-광학 디렉터 변형(flexoelector-optic director deformation)의 전송 효과에 관하여 수행된 작업(연구; work)은 없다. 우리는 원격 통신 파장에서 이러한 구성의 전기-광학 효과의 존재를 논증하였고 그리고 그 효과의 속성을 나타내었다. 이 효과는 파이 포토닉 리미티드사(Pi Photonics Ltd)에서 개발중이고 그리고 본 실험 작업에서 사용되는 "카트휠" 셀들("cartwheel" celles)이 설계되는 편광 제어기, 평평한 네마틱 버전(plain nematic version)5,6,12,17에서 특히 유용하다.
이론
변전 이론(flexoelectric theory)에 따르면, 액정을 포함하는 분자의 형태 비대칭 및 자생적인 전기 양극자는, 전기장이 인가된 경우에, 물질이 벌크 전기 편광을 얻도록, 펼침 및/또는 휨(splay and/or bend) 변형이 물질7로 유도되고, 변형 정도는 유도된 편광:
Figure 112012037306848-pct00001
에 비례한다는 점을 의미하고, 여기서 P는 유전 편광(dielectric polarization)이고, S 및 B는 각각 펼침 및 휨 변형 벡터들,
Figure 112012037306848-pct00002
및
Figure 112012037306848-pct00003
이다. 상술한 공식에서,
Figure 112012037306848-pct00004
은 로칼 네마틱 디렉터 유닛 벡터(local nematic direcotr unit vector)이고, 그리고 es 및 eb는 펼침 및 휨 각각에 대한 변전 계수들이다.
키랄 네마틱에서, 만일 전기장이 나선축에 수직하게 인가된다면, 펼침 및 휨의 조합은 디렉터가 형성하는 나선들의 변형에 의해 달성될 수 있고, 따라서 분자는 불리강 절단면(Bouligand cut plane)8에 놓여진다. 이 점이 도 1에 도시된다.
물질의 광축이 항상 분자의 길이 축에 대해 수직함에 따라, 이러한 변형은 인가된 전기장 및 물질의 나선축 양자에 대해 수직인 광축의 회전을 야기한다. 균일하게 놓여진 나선 조직(ULH texture; uniform lying helix texture)의 키랄 네마틱을 포함하는, 유리판들 사이에 인가된 전기장을 구비한 표준 셀에 대하여, 이는 셀의 평면 내 광축의 회전을 부여한다. 회전의 정도는 수학식 1에 의해 주어지고:
Figure 112007010307259-pct00005
여기서, k는 나선 파동 벡터(helical wavevector; k=2π/P(P는 나선 피치))이고, 그리고 E는 인가된 전기장이고, K는 각각 펼침 및 휨 탄성 상수들(splay and bend elastic constants; k11 및 k33)의 평균이고, 그리고 e는 변전 계수들(flexoelectric coefficients)의 평균이다. 그러므로 변전 물질에 대한 감도 지수(figure of merit)는 e/K, 변전 계수들의 평균 대 탄성 상수들의 평균의 비, 또 는 변탄성비(flexo-elastic ratio)이다. 이러한 효과의 더욱 상세한 설명은 [참고문헌 8]을 참조한다.
특성 스위칭 시간이 (수십 밀리초로) 적어짐에 따라 그리고 광축의 굴절이 인가된 전기장에 선형으로 비례함에 따라, 잠재적 장치(potential devices), 및 물질 최적화(material optimisation) 양자에서 이러한 효과는 막대한 이점에 처해지고15, 그리고 네마틱 범위(nematic range)에 걸쳐 온도에 대략 독립될 수 있다. 또한, 22.5°의 각으로 경사진 광축을 구비한 교차 편광자들 사이에 배치된 장치, 및 셀이 반 파장판(half waveplate)이 되도록 하는 두께는 입사되는 광선의 100 % 변조를 부여한다.
그러나, 여기에 제안된 장치의 중심 개념은 전기장의 인가가 이제 수학식 1에 따라 광축을 굴절시키도록 키랄 네마틱의 기하 형태 및 셀 내의 전기장 방향을 회전시키는 것이고, 그러나 셀의 평면 내 전기장을 이용하여, 광축이 전파 방향에 놓여진 것(영 복굴절)에서 변전 경사각(flexoelectric tilt angle)으로 놓여지도록 이동하고, 그리고 그에 따라 복굴절을 유도하는, 전파 방향에 수직인 일부 성분을 갖는다. 이는 셀이 균일하게 놓여진 나선(ULH)보다 더욱 신뢰할 수 있는 그랑장(선 자세의 나선; standing helix) 조직으로 정렬되는 것을 허용한다. 만일 셀이 적외선(infra-red)에 조사된다면, 통상의 짧은 피치의 키랄 네마틱의 광학 활동성(optical activity)은 최소화될 것이고, 교체된 장치는 직접적인 분수(分數)의 파장판(fractional waveplate)으로써 기능할 것이다. 제안된 셀 기하 형태가 도 2에 도시된다. 비록 전극들이 셀의 어느 한 측면 상에 도시되어 있음에도, 도 2의 전기장은 y 방향으로 페이지 안쪽으로 향한다는 점에 유의한다.
교체된 셀의 광축이 전파 방향에서 남겨지는 성분을 가지게 됨에 따라(경사각이 90°가 아니라면), 셀은 또한 이중 굴절에 의한 종료판(walk-off plate)으로써 기능할 것이고, 그러나 빔의 측면 전이(lateral translation)는 10 ㎛ 두께 셀 내에서 최소화되어야 한다.
키랄 네마틱의 나선축에 따라 전파되는 선형으로 편광된 광선의 회전은 다음의 수학식 2에 의해 주어진다.
Figure 112007010307259-pct00006
여기서, Ψ는 회전 각이고, P는 나선 피치이고, d는 셀 두께이고, 그리고
Figure 112007010307259-pct00007
및
Figure 112007010307259-pct00008
는 각각 디렉터(director)에 평행한 그리고 수직한 미소 굴절 지수들(microscopic refractive indeces)이다. 굴절 지수들, 500 ㎚의 피치 및 1550 ㎚의 광선의 통상의 값에 대하여, 이는 10 ㎛ 두께 셀에서 대략적으로 0.2°의 회전을 부여한다. 그러므로, 광 회전은 무시될 수 있고, 선형으로 편광된 광선은 초기 편광 방향에 관계없이, 셀을 통한 진행상에서, 나선의 피치를 이용하여
Figure 112007010307259-pct00009
에서
Figure 112007010307259-pct00010
까지 사인곡선으로 변화하는 굴절 지수를 나타내는 것으로 고려될 것이다.
전기적으로 유도된 복굴절의 소스(source)는 전파 방향에 수직인 평면 내 나선의 교차-단면(cross-section)을 고려함으로써 도시될 수 있다(도 3). 인가된 전기장 없이, 비편향된 디렉터의 회전은 완전 원형을 추종하고, 인가된 전기장 하에서, 전기장에 수직인 그 축에 놓이는 디렉터는 평면으로부터 경사져 벗어나고, x 방향에서 그 성분을 줄인다. 전기장에 평행한 그 긴 축에 놓여지는 디렉터는 반면 그 긴 축에 대해 단순히 회전하고, 이러한 전파 방향에 대해 광선 위에서 기능하는 타원체의 값에 대한 변화 없음의 결과로 나타난다. 셀을 통한 전파 상의 디렉터의 "완전 원형" 진전(precession)은 그리고 나서 인가된 전기장에 대해 수직인 방향에서 압축되어 타원을 형성하고, 그리고 복굴절의 결과로 나타난다. 인가된 전기장을 구비하고 그리고 구비함 없이, 셀을 통한 전파 상의 x 방향에서 편광된 광선의 이론적 변화 굴절 지수(theoretical changing refractive index)가 도 4에 도시된다.
셀 내에 유도된 복굴절의 크기는 인가된 전기장에 평행한 그리고 수직한 평균 굴절 지수들의 차이에 의해 주어진다:
복굴절 물질을 구비한 교차된 편광자를 통한 광선의 전송에 대한 공식은 다음의 수학식 3과 같다:
Figure 112007010307259-pct00011
여기서, I/I0는 전송되는 입사 강도의 비(분수)이고, Ψ는 물질 및 편광자의 광축들 사이의 각이고, 그리고 λ는 입사되는 광선의 파장이다. 수학식 3은 만일 광축이 편광자들의 어느 것에 평행하다면, 어떠한 지연에 대해 영 전송, 편광자에 대한 45°의 광축을 구비한 최대 전송 및 파장의 반에 동등한 지연을 부여한다. 주어진 경사각에 대해서, 교차된 편광자들을 통해 키랄 네마틱의 예기된 전송의 예비 해석은 편광 평면 내 굴절 타원체 타원면의 투사의 존스 매트릭스 개념(Jones matrix representation)을 이용하여 수행되었다. 이러한 투사는 예측된 적외선 굴절 지수 및 500 ㎛의 평균 피치 길이에 대해서, 변전-광학 이론으로부터 타원면의 회전에 대해 계산되었고, 그 결과가 도 11에 도시되었다.
만일 4 V/㎛ 양극 삼각파에 대해서, 도 11에 의해 예측된 Δn, 및 위에서 사용된 통상의 물질 변수들을 취하고, 그리고 유도된 광축 각도를 10 ㎛ 두께의 셀 및 편광자들에 대해 Ψ=45°에서 셀의 평면 내 성분으로 가정하면, 전기-광학 응답은 도 5에 도시된 바로 예측된다.
도 5는 0 V/㎛에서 주기당 두 번의 광학적으로 중립의 수직 위치를 통과하는 양극 전기장(bipolar field) 내 광축의 규칙적인 작용에 의해 야기되는 이중 응답의 예측되는 주파수를 보여준다. 또한 적은 유도 복굴절에 의한 매우 적은 기대 응답(8%의 전체 변조)을 보여준다. 비록 도 5가 물질 응답 시간을 고려하지 않고 이상적임에도, 장치가 생성해야 하는 것은 이러한 응답이다.
본 발명의 장치는 광섬유 시스템(optical fibre systems) 내에서 현저하게 편광 모드 분산 보상(polarization mode dispersion compensation)에 대해 빠르고, 끊임없이 회전 가능한 파장판(waveplate)으로써 사용될 수 있다. 이 장치는 예를 들면, 어떠한 방향에서의 1/4 파장판 또는 1/2 파장판과 같이, 어떠한 소망하는 파 장판으로써 기능할 수도 있다. 응용예는 광 중계기(optical routers) 및 광 분기장치(drop multiplexers)를 포함한다. 편광 감각적인 종래기술의 장치와 다르게, 본 발명의 장치는 입력되는 광선의 편광에 둔감하고 그리고, 피치가 조정될 수 있기 때문에 어떠한 소망의 입력 파장에 대해 최적화될 수 있다.
본 발명의 다른 양상에 따르면 다음을 포함하는 광 중계기가 제공된다:
a) 인가된 전기장이 없이 셀 벽들의 내부 표면들에 실질적으로 수직인 방향의 광축을 갖는 키랄 네마틱(콜레스테릭) 또는 키랄 틸트 스메틱 액정 물질(chiral nematic(cholesteric) or chiral tilted smectic liquid crystal material)의 층을 둘러싸는 제 1 및 제 2 셀 벽들, 그리고 액정 층의 광 입력 영역 주변에 배치된 다수의 전극들을 포함하고, 각 전극은 광 입력 영역에 걸쳐 횡단 전기장을 인가하도록 선택적으로 공급 가능하고, 그에 따라 전기장은 셀 벽들의 내부 표면들에 실질적으로 평행한 다수의 선택가능한 방향들 중 하나로 인가되는 것을 특징으로 하는 셀(cell);
b) 제 1 셀 벽을 통하여 광 입력 영역을 통해 광선을 지향시키도록 배치되는 광원(light source); 및
c) 광선이 특정한 상태 및/또는 방향의 편광인 경우에 각각 제 2 셀 벽을 통해 광 입력 영역으로부터 광선을 수신하기에 적합하게 배치되는 다수의 광 출력 캐리어들(light output carriers)로써, 이때, 특정한 상태 및/또는 방향은 각각의 광 출력 캐리어들에 대해 상이한 것을 특징으로 하는 다수의 광 출력 캐리어들.
바람직하게는 적어도 네 개 이상의 전극들이 존재하고, 그러나 요구되는 출 력의 개수에 따라서 예컨대, 여섯 개, 여덟 개, 또는 열 개의 모든 소망하는 개수가 사용될 수 있다.
광 출력 캐리어는 다른 장치 또는 성분과 연결을 위한 광섬유를 포함할 수 있다. 광원은 대략 1530 ㎚에서 대략 1563 ㎚까지의 원격 통신 범위(telecommuication range)에서 현저하게, 적당한 파장 범위의 광 에미터(light emitter)에 연결된 광섬유를 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 양상들 및 이점들이 뒤따르는 상세한 설명, 도면 및 청구범위에서 명확해질 것이다.
이제부터 다음의 도면들을 참조로 하여 본 발명의 일례를 설명한다.
도 1은 광학 축을 각 φ만큼 회전시킨 불리강 절단면(Bouligand cut plane)에 분자들이 놓일 수 있도록 허용하기 위한 키랄 네마틱(chiral nematic)의 나선(helix) 변형을 도시한 도면이다.
도 2는 나선축에 따른 광선의 전파와 셀의 면에 인가되는 전기장이 있을 때 그량장 조직(Grandjean texture) 내의 키랄 네마틱에 대한 변전-광학 효과를 도시한 도면이다.
도 3은 정상 상태와 변형된 상태에서 x-y면 내의 나선의 단면이다.
도 4는, 인가되는 전기장이 있을 때와 없을 때,
Figure 112007010307259-pct00012
=1.5,
Figure 112007010307259-pct00013
=1.7 이고 피치 길이가 500 nm인 물질에서 전파 방향에 따른 예상 굴절 지수 프로파일을 도시한 도면이다.
도 5는 전형적인 물질 파라미터가 제공된 상태에서 수학식 9 및 10에 따라서 4 V/㎛ 양극 삼각파(bipoalar triangular wave)에 대한 그량장 변전 효과(Grandjean flexoelectric effect)의 예상 전기-광학 응답을 보여주는 그래프이다.
도 6은 비대칭적 바이메소겐 α-(2',4-디플루오로바이페닐-4'-일옥시)-ω-(4-시아노바이페닐-4'-일옥시)노난(즉, FFO-9-OCB)의 화학적 구조를 도시한 도면이다.
도 7은 중심 박스 내에 보여지는 활성 영역에서의 전극 패턴을 보여주는 파이 포토닉스(Pi Photonics) 카트휠 셀(cartwheel cell)의 사진, 및 그 장치 구조의 개략도이다.
도 8은 실험 기구의 개략적인 도면이다.
도 9는 110℃에서 4 V/㎛, 0.8 kHz의 삼각파에서 구동될 때 1550 nm에서 카트휠 셀의 전기-광학 응답을 보여준다.
도 10은 N*-I 전이 아래의 5℃에서 70CB + 3% BDH1281 샘플을 함유하는 도 7의 카트휠 셀에 인가되는 전압 펄스와 결과적인 프로브 빔 강도 전송을 보여주는 디지털 포스퍼 오실로스코프(Digital Phosphor Oscilloscope) 기록이다.
도 11은 변전-광학 경사각과 강도 전송의 예비적인 이론상의 의존 관계를 도시한 도면이다.
도 12는 I-N* 전이 아래의 10℃에서 세 혼합물 각각의 인가된 전기장에 따라 교차 편광자를 통해 도 7의 셀에 의해 전송된 강도의 비(분율)를 도시한 도면이다.
도 13은 편광자에 대하여 인가된 전기장이 이루는 각에 따른 카트휠 셀의 전기-광학 응답의 강도를 이론에 비교하여 보여주는 그래프이다.
도 14는 3 V/㎛ 전기장이 인가된 상태에서 I-N* 전이 아래의 온도에 따른 세 혼합물에서의 10%~90% 응답 시간을 도시한 도면이다.
도 15는 3 V/㎛ 전기장이 제거된 상태에서 I-N* 전이 아래의 온도에 따른 세 혼합물에서의 10%~90% 응답 시간을 도시한 도면이다.
도 16은 세 개의 개별적으로 중합된 키랄 네마틱 혼합물을 만들기 사용하는 다섯 개의 바이메소게닉(bimesogenic) 물질의 화학적 구조를 도시한 도면이다.
도 17은 변전-광학(a), 그리고 유전체(b) 나선축에 직교하게 인가되는 전기장과의 결합(coupling)(c)에 의해 키랄 네마틱 나선 디렉터 구조(chiral nematic helical director structure)의 변형을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 18은 Tc-10=118℃ (Tc=128℃)에서 혼합물 4에 대하여 서로 다른 전기장 강도와 주파수(frequency)에서 복굴절이 유도되는 전기장을 도시한 도면이다.
도 19는 Tc-10=56℃ (Tc=66℃)에서 혼합물 5에 대하여 서로 다른 전기장 강도와 주파수에서 복굴절이 유도되는 전기장을 도시한 도면이다.
도 20은 Tc-10=59℃ (Tc=69℃)에서 혼합물 6에 대하여 서로 다른 전기장 강도와 주파수에서 복굴절이 유도되는 전기장을 도시한 도면이다.
도 21은, 균일하게 놓여진 나선(uniform lying helix, ULH) 조직에서 측정된 변전-광학 경사각에 따라, 6.8 V/㎛ 에서 세 혼합물에 대하여 그랑장 조직 셀에서 유도되는 복굴절의 전기장-field-following portion(변전에 의해 야기되는 field-following portion)을 보여주는 도면이다.
샘플 준비
세 개의 개별적인 키랄 네마틱 혼합물이 준비되어 테스트되었다. 이들 중 처음 둘의 혼합물은, 그 구조가 도 6에 도시된 비대칭적 바이메소젠(bimesogen) α-(2',4-디플루오로바이페닐-4'-일옥시)-ω-(4-시아노바이페닐-4'-일옥시)노난(즉, FFO-9-OCB)로 이루어지고, 큰 플렉소-탄성(flexo-elastic) 비율과 낮은 유전 이방성14의 최적화된 변전-광학 특성을 위해 사내에서 특별하게 합성되었다. 바이메소제닉(bimesogenic) 액정 조성16에 기초한 액정 시스템에서 볼 수 있는 더 큰 변전 커플링(flexoelectric couplig) 효과가 나타났다. 이 FFO-9-OCB는, 첫 번째 혼합물과 두 번째 혼합물에 각기 2% w/w와 3%의 비율로 높은 회전력의 키랄 도펀트 DBH1281 (Merck NB-C)와 함께 혼합되었다. 세 번째 혼합물은, 구조와 변전-광학 성질이 잘 알려져 있는15 4-헵틸-알킬옥시-4'-시아노바이페일(70CB), 그리고 3% (w/w) BDH1281으로 구성되며, 대조 혼합물(control mixture)로서 의도되었다. 이들 혼합물 각각은 완전한 혼합이 되도록 24시간 동안 등방성의 상(phase)으로 가열되었고, 등방성의 상 내의 테스트 셀 내로 모세관 충전(capillary-filled)되었다. 편광 현미경 검사, 그리고 자외선 및 가시광선 분광 광도법(UV-Visible spectrophotometer)를 이용하여 측정된 N*상 내에서의 반사 밴드(reflection band)를 이용하여 이 혼합물들의 각 상들이 특징 지워졌다. 이는 대략 1.6의 평균 굴절 지수(refractive index)를 이용하여 물질의 피치 길이를 계산하는데 이용될 수 있으며, 상술한 순서에 따른 혼합물에 대하여 각기 485 nm, 300 nm, 및 410 nm의 피치들을 제공하는 것으로 발견되었다.
테스트 셀은 호모트로프적(homeotropically)으로 정렬된 네마틱 회전 파장판(waveplate)의 개발을 위하여 파이 포토닉스 주식회사(Pi Photonics Ltd)에 의해 제조되었다. 이러한 목적에 따라, 네 전극들 모두에 전압을 변경시킴으로써 셀의 면에 어느 방향으로도 활성 영역 중심부의 전기장이 인가될 수 있으며 그 광학 축이 원하는 방위각으로 회전될 수 있도록, 테스트 셀은 50㎛ 지름의 활성 영역으로 집중되는 네 개의 전극들을 가지도록 설계되었다. 이 셀의 전극 설계는 도 7에서 볼 수 있다.
이러한 최초의 실험에 있어서, 이러한 자유도는 요구되지 않고, 전기장은 오직 중앙쪽의 두 개의 전극들 사이에만 인가되며, 도면에 박스된 부분에서 알 수 있는 바와 같이 프로브 빔(probe beam)이 이들 사이의 채널의 좁은 (50㎛) 영역으로 향한다. 이는 전기장의 균일성에 있어서 최대의 신뢰성을 허용한다. 전극들이 10 ㎛ 두께의 금으로 증착되고, 또한 셀의 리드(lid)를 접착하며 그 두께를 정의하는 스페이서(spacer)로써 기능한다.
이 셀은 이후에 네마틱 디렉터(nematic director)의 평면 배향을 촉진하는 정렬층을 증착하기 위하여 증발되는 1%의 PVA 용액으로 스핀 코팅된다. 액정 분자들이 셀의 평면에서 우선적인 방향이 없이 셀 내에서 평평하게 놓여지도록 만들어 졌다고 하더라도 이 정렬층은 전극들 때문에 마찰(rub)될 수 없다. 현미경 커버 슬립(microscope cover slip) 100 ㎛ 두께의 2 mm2의 쪼개진 부분으로 이루어진 리드는, 단일 방향으로 마찰된 PTTE의 정렬에 의해 코팅된 셀 위에 위치한다. PVA보다 더 우수한 조직과 신뢰성이 높은 정렬을 제공할 수 있음이 발견되었다. 이 리드는, 채널이 충전되지 않고 세트(set)를 드러내지 않도록 전극들 위에 자외선 경화 접착제(UV curing glue)를 인출하는 모세관 작용을 이용하여 셀에 고정된다. 리드를 고정하면 키랄 네마틱은 셀을 충전하기 위하여 스스로 채널을 통하여 모세관 충전되고, 다음으로 리드의 가장자리 주위에 접착제의 2차 적용에 의해 셀이 밀봉된다. 다음으로 셀이 키랄 네마틱 범위에 이르렀을 때 요구되는 그랑장 조직이 존재하는지를 증명하기 위하여 편광 현미경이 사용된다.
실험
다음으로, 충전되고 밀봉된 셀은 네 개의 전극들 위에 접촉부(contacts)를 클램프하기 위하여 마이크로미터 나사를 사용하는 프로브 스테이션(probe station) 내에 위치된다. 이 프로브 스테이션은, 셀을 가로질러 인가되며 형태 및 폭과, 400 Vpp까지 강도가 변경되는 펄스를 허용하기 위하여 증폭된 신호 생성기 출력(amplified signal generator output)에 연결된다. 특정한 온도로 셀이 유지될 수 있도록 가열 수단 및 온도계가 함께 구비된다. 프로브 빔은 1550 nm 파이버 유도 DFB 레이저이다.
나온 빔이 편광되어 셀의 관련된 부분을 통해 직접 포커싱되고 두번째 직각 편광자를 통해 재시준되며(re-collimated) 파워 미터(power meter)로 포커싱되도록, 셀은 교차 편광자와 현미경 대물 렌즈 사이에 위치한다. 그 후에 파워 미터로부터의 출력은 셀에 인가되는 전자 펄스와 함께 디지털 포스퍼 오실로스코프에서 볼 수 있다. 이 배치는 도 8에서 볼 수 있다.
레이저의 출력 파워는, 인가된 전기장이 영(0)이며 제2 편광자가 교차되지 않은 상태에서, 검전기(detector)에 대략 100 ㎼ 총 파워 전송을 제공하도록 조절될 수 있다. 테스트 파장에서 그랑장 조직 내에 광학 활동도(optical activity)와 복굴절의 결핍(lack)을 확인한 상태에서, 전기장이 영이며 편광자들이 교차될 때의 파워 전송도 모든 편광자 각에서 5 ㎼ 아래인 것으로 확인되고 발견되었다. 이는 빔에 의해 샘플이 된 영역에서 복굴절 "유성 줄무늬(oily streack)" 회위(disclination)가 없음을 제공한다.
그 후 전압 펄스의 적용은 복굴절(briefringence)을 유도하는 인가된 전기장에 수직하는 셀의 면의 일부 성분에 대한 전파 방향에 따라 놓여진 것으로부터 물질의 광학축이 기울어지도록 나선을 변형한다. 그 다음 입사되는 광선의 일부는 하기 수학식 4에 따라 교차된 편광자(polarizer)를 통하여 투과된다.
Figure 112007010307259-pct00014
여기에서, ψ는 매질인 경우의 편광자와 광학축 사이의 각도이며, δ는 유도된 위상지연(phase retardance)으로서 하기 수학식 5와 같다.
Figure 112007010307259-pct00015
여기에서, Δn은 유도된 복굴절이고, d는 셀의 두께이며, λ는 프로브(probe) 파장이다. 편광자가 인가된 전기장에 대해 45°에 맞춰지면, 이는 다음과 같이 변형된다:
Figure 112007010307259-pct00016
그리고 나서 유도된 복굴절은 펄스 동안 투과된 광선의 일부로부터 추론될 수 있다. 가해진 전압은 모든 측정에 대해 2 ms의 지속 및 5 Hz 반복 비율(repetition rate)의 양극 사각 펄스(square pulse)를 형성하며, 이용된 응답 추적(response trace)은 16 펄스 이상의 평균을 갖는다. 등가의 주파수에서의 연속적 양극 사각파(bipolar squar wave)는 N* 조직(texture)에서의 불안정성, 셀의 광 학 응답을 바꾸는 복굴절 회위(disclination)의 발생 및 이동을 야기하므로, 반복 비율은 천천히 낮게 유지되었다. 그러나, 5 Hz 펄스 반복에서, 그랑장 조직(Grandjean texture)은 매우 안정하였으며, 셀은 응답의 모양이나 크기의 큰 변화없이 몇 시간 동안 유지될 수 있었다.
결과 및 논의
±3 V/㎛ 2ms 지속(duration) 양극 사각파에 대한 N*-I 전이 이하의 5℃에서 70CB + 3% BDH1281 샘플로부터의 응답을 도 10에 나타내었다. 이는 키랄 카트휠(cartwheel) 셀로부터의 특성 응답을 보여주며, 그 모양은 테스트된 모든 물질에 공통된 것으로, 이로부터 다음 측정이 이루어진다.
1) 응답의 진폭; I/I0가 되도록 측정되고 조정된 입력을 표준화하였다.
2) 효과적인 응답시간; 리딩에지(leading edge)에서 승압 시간동안 10% 및 90% I/I0 값 사이의 시간 간격 및 트레일링 에지(trailing edge)에서의 90~10% 시간간격.
도면에 나타난 바와 같이, 응답이 빠르고(~100 ㎲), 광축이 변전 광학 이론으로부터 예측되는 바와 같은 전기장을 따르는 값으로 전기장이 변화함에 따라 전송(transmission)에서의 딥(dip)으로부터 나타날 수 있으면서도, 전기장 방향에 독립적이나, 전송은 광축의 기울기의 크기에 대해서만 의존적이고 그 방향에 대해서 는 그렇지 않다. 변전 광학 축 경사는 수학식 4로 얻어지며, 여기에서 φ는 유도된 경사각이고, e/K는 플렉소 탄성율(flexo-elastic rate)이며, P는 물질의 나선 피치이다.
Figure 112007010307259-pct00017
탄젠트(tan) 함수는 예측된 경사각의 범위에 대하여 거의 선형이므로, 시스템의 전송은 광선의 편광면에서의 유효 굴절 지수들(effective refractive indices)이 궁극적으로 굴절 타원체(refractive indecatrix)의 모양에 기초하는 주어진 경사각을 어떻게 변화시키는지에 의존하게 된다. 주어진 경사각에 대한 예측되는 전송의 사전 분석은 편광 면에서의 굴절 타원체 타원면 투사(projection)의 존스 매트릭스 개념을 이용하여 수행되었다. 이 투사는 변전 광학 이론으로부터의 타원면의 회전, 예측되는 적외선 국절 지수, 및 500 ㎛의 평균 피치 길이에 대해 계산되었으며, 결과는 도 11에 나타내었다.
4 V/㎛까지의 필드에 대한 모든 세 가지 혼합물(70CB 혼합물 제외. 적용된 필드가 3 V/㎛ 보다 크면 신호 왜곡(distortion)을 야기하였으며, 이는 유전체 커플링 유도 나선 언와인딩(dielectric coupling induced helix unwinding)에 기인한 것으로 보인다.)에 대한 응답의 진폭은 도 12에 나타내었다. 전송(transmission)은 수학식 7에 따라서 피치 길이의 증가와 함께 증가하는 것으로 보일 수 있으나, 모든 혼합물의 높은 전기장에서의 전송은 예측된 것보다 매우 크며, 도 11의 이론 으로부터의 경사각이 균일하게 놓여진 나선 조직에서 같은 물질에 대하여 측정된 것보다 매우 크다는 것을 암시한다.
정렬조건의 변화가 변전 커플링 정도의 큰 증가를 야기한다는 것은 믿을 수가 없으므로, 이를 설명하기 위한 추가 작업이 필요하다. 대체로, 1550 nm에서 굴절 지수, 카노 웨지 셀(Cano wedge cell)을 이용하는 명확한 피치 길이, 및 기밀 셀(sealed cell)의 셀 두께에 대한 정확한 측정이 필요하다. 사용된 셀의 큰 전극영역은 UV-비저블 분광 광도계에서 표준 에탈론법(standard etalon method)으로 측정되는 두께에 대하여 셀을 통하여 투과되는 광선을 충분히 막는다. 그러나 이러한 문제는 유도된 복굴절 및 그로 인하여 암시된 경사각의 정확한 측정을 얻기 위하여 극복되어야 할 것이다. 그러나 셀에서 유도된 전체 지연(retardation)은 충분히 크므로(>λ/3), 모든 가능한 편광(polarization) 상태에 대한 접근을 제공하기 위하여 작동 파장에서 λ/2 지연을 요구하는 편광 제어장치에 대한 좋은 특성을 제공할 수 있다.
도 13은 편광자(polariser)에 인가된 전기장의 각에 대한 장치의 교차된 편광자를 통하여 투사된 최대 강도의 의존도를 나타낸다. 수학식 3 및 4에 따라 예측된 sin2(2Ψ) 응답이 관찰된다.
I-N* 전이 이하의 온도 범위에서 3 V/μ에서 인가된 전기장의 적용 및 제거에 대한 혼합물의 응답 시간을 도 14 및 도 15에 나타내었다. 응답 시간은 피치 길이 증가와 함께 증가하는 것으로 보일 수 있으며, 예측된 바와 같이 모든 혼합물 에서 냉각(cooling)이 약간의 증가하는 것으로 나타났다. 흥미있는 것은 전기장의 제거에 대한 완화시간이 전기장의 적용에 대한 응답보다 일반적으로 빠르다는 것이며, 이는 액정에서 매우 특이한 효과이며, 아직 이를 설명할 수 있는 것이 없다. 그러나, 일반적으로, 응답 시간은 원격 통신 파장에 대해 빠른 응답 편광 제어 장치의 가능한 발전을 위해 권장되는 충분히 빠른 밀리초 이하로 나타날 수 있다.
우리는 궁극적으로 변전 광학(flexoelectro-optic) 효과는 그랑장 조직(Grandjean texture)에 정렬되어 있는 단피치(short-pitch) 키랄 네마틱 물질과 함께 작동하고, 원격 통신 파장에서 그 물질 내 복굴절(birefringence)을 유도할 수 있으며, 만약 그렇지 않으면 구조(conformation)가 광학적으로 중성화된다는 것을 제시하였다. 우리는 변전 광학(flexoelectro-optic) 효과에 기반한 종래의 균일하게 놓여진 나선(UHL)으로부터의 예측과 같이, 이 효과의 응답 시간이 빠르나(~100 ㎲), 응답의 크기, 특히 70CB에서 응답의 크기는 기대치(δ> 2π/3)보다 훨씬 크다는 것을 제시하였다.
디바이스 응용
이 실험은 평면의 전기장(in-plane field)과 그랑장 조직을 가지고 큰 변전 계수를 가진 키랄 네마틱의 광축이 셀의 평면에서 어느 정도의 각으로 굴절될 수 있는가를 나타내기 위해서 수행되었으며, 광축 회전의 크기와 방향은 전기장의 크기 및 방향에 의존한다. 광섬유 통신 시스템에서 편광 모드 분산(PMD: polarization mode dispersion)의 문제에 대한 가능한 해결책 중 하나인 무한 회전가능한 파장판(waveplate)이 요구된다. PMD 보상기(PMD compensator)는 진동 및 온도 변화에 의하여 섬유에 유도된 일시적 복굴절에 의한 긴 통신 섬유로부터의 출력인 편광 상태(SOP: state of polarization)를 랜덤으로 변동할 수 있어야 하며, 최소의 손실로 이것을 바람직한 편광 상태로 전환할 수 있어야 한다. 이것은 π/2, π, 및 π/2 지연11의 세 개의 회전 파형 시리즈에 의하여 가능하게 된다. 액정은 간단한 네마틱5 ,6,12 및 빠른 일렉트로클리닉13(electroclinic) 스위칭 메카니즘을 미리 이용하는 그러한 장치를 제조하는 데에 활용되어 왔으나, 가장 효과적인 해결책을 제시하기 위해서는 신뢰성 있는 셀 구조에 속도 또는 전체적인 지연을 향상시키는 것이 바람직하다. 여기에 설명된 그랑장 변전 광학 기구(mechanism)는 이러한 향상을 가져올 수 있을 것이다. 시판되는 장치에 이러한 새로운 효과를 최적화하기 위해서는 세 가지의 개선이 필요하다:
1: 장치의 지연 증가. 이것은 1550 nm에서 더 큰 인가된 전기장을 활용하거나, 가능한 복굴절의 더 많은 부분에 엑세스하도록 큰 경사각을 갖는 물질을 사용하거나, 또는 더 두꺼운 셀을 사용하여 광학 경로 길이를 증가시킴으로써 원료 물질의 복굴절을 증가시켜 얻어질 수 있다
2: 광학축의 회전. 이것은 카트휠 셀(cartwheel cell)의 의도적 기능이나, 이들 측정은 어떠한 방향에서 전기장에 인가되는 전극의 각 확산(angular spread)에는 이용되지 않았다. 전극은 쌍을 이루고, 전기장은 효과의 기본적 설명을 제공 하는 한 방향에만 인가되었다. 광축을 회전시키고 그리고 최대 각속도를 측정하기 위해서, PMD 보상기에 대한 임계적 테스트는, 셀은 더욱 넓은 전기장에 대하여 보다 더 안정하게 만들어지는 것이 바람직하다. 바람직한 실시형태에서 액정의 조직은 활성 영역의 바깥쪽 전기장의 큰 불균일성에 의하여 야기되는 흐름 효과(flow effect)를 방지하거나 감소시키기 위하여 중합체에 의하여 안정화된다. 중합체 안정화는 셀의 응답 시간에 약간의 증가를 초래하는 액정 매질의 점도를 증가시키나, 안정성 및 그랑장 조직의 온도 사이클에 대한 신뢰성을 증가시킨다.
3: 교류 전압(a.c. voltage)에 대한 셀의 최적화. 변전 광학 효과는 직류 효과(d.c. effect), 즉 광축의 회전 방향이 인가된 필드의 방향 및 극성에 의존하는 것이다. 이는 직류 전압(d.c. voltage)이 세트 포지션(set position)에 광축을 고정하기 위하여 요구된다는 것을 의미한다. 직류 전기장이 장치를 손상시키는 전하 형성(charge build-up) 및 물질 내의 불순물의 전도(conduction)를 야기하므로, 이것은 교류 전기장(a.c. field)의 r.m.s.에 대하여 정상적으로 응답하는 액정 장치에는 바람직하지 않다. 따라서, 바람직한 실시예에서는, 장치는 둘 이상의 카트휠 셀이 연결된 형태로 구성될 수 있는데, 이것은 각각의 위상으로부터의 싸이클의 4분의 1이 동일한 파형에 의하여 유도될 수 있으며, 파형의 모양은 각 셀에서의 광축의 전후 움직임(ticking)에도 불구하고 두 셀의 각각에서 유도된 복굴절의 총합이 일정하도록 하였다. 그 후, 광축의 방향은 소정의 효과를 제공하기 위하여 상호 동일한 방향 또는 반대로 회전되었다. 이것은 몇 가지 복잡한 구동 전자학(drive electronics)을 요구하나, 전자공학 분야의 숙련된 기술자라면 물론 실행할 수 있다. 교류 전기장과 안정한 광축을 유지하기 위한 수단을 제공하는 것 이외에, 이러한 배열은 또한 더 빠른 작동을 위한 어셈블리를 가능하게 할 수 있다.
장치의 중합 안정화
상기에서 보이는 결과에 연속하여, 추가적인 결과가 세 개 이상의 키랄 네마틱 혼합물을 사용하여 달성되며, 상기 혼합물은 각각 낮은 퍼센티지(3-6%w/w)의 활성 메소젠 RM257(Merck-NB-C) 및 광개시제(photoinitiator) 이르가큐어 819(Irgacure 819)(1%w/w)를 가진다. 이는 자외선(UV) 복사에 노출됨에 의하여 액정 조직(texture) 내에 안정화 고분자 네트워크를 형성하도록 한다. 이렇게 지지된 네트워크는 액정 조직의 형상을 나타내고, 그런 이후에 UV 노출 시간에서 가교 구조(cross-linking)가 액정 조직을 지지한다(그랑장의 경우). 상기에서와 같은 셀에 사용되는, 이러한 안정화된 혼합물은 충분한 강성(ruggedness)을 제공하여 상기 조직의 파괴 없이 연속적인 교류 사각파(square wave)가 적용되도록 한다. 본 발명으로부터 상기 물질이 사용된 세부항목과 결과는 하기에 개략적으로 나타낸다.
세 개의 분리된 키랄 네마틱 혼합물이 제조되고 시험되었다:
혼합물 4: FFO11OCB + 3.48% BDH1281 높은 꼬임력(high twisting power)의 키랄 도펀트(Merck NB-C) + 5.84% 응답성 메소제닉 단량체 RM257(Merck NB-C);
혼합물 5: [FFO9OFF + FFO11OFF](50/50) + 2% BDH1281 + 3% RM257; 및
혼합물 6: [FFE9EFF + FFE11EFF + FF090FF + FF0110FF](25/25/25/25) + 1.78% BDH1281 + 4.36% RM257.
상기의 모든 퍼센티지는 질량 대 질량의 분율이다. 이러한 혼합물에 사용되는 상기 바이메소젠(bimesogen) 물질은 이들의 축약어에 의하여 인용되며, 이들은 다음의 화학물질과 대응된다: α-(2',4-디플루오로바이페닐-4'-일옥시)-ω-(4-시아노바이페닐-4'-일옥시)운데케인 (FF0110CB); α-(2',4-디플루오로바이페닐-4'-일옥시)-ω-(2',4-디플루오로바이페닐-4'-일옥시)노난 (FF090FF); α-(2',4-디플루오로바이페닐-4'-일옥시)-ω-(2',4-디플루오로바이페닐-4'-일옥시)운데케인 (FF0110FF); α-(2',4-디플루오로바이페닐-4'-에스테르)-ω-(2',4-디플루오로바이페닐-4'-에스테르)노난 (FFE9EFF) 및 α-(2',4-디플루오로바이페닐-4'-에스테르)-ω-(2',4-디플루오로바이페닐-4'-에스테르)운데케인 (FFE11EFF). 상기 물질들의 구조는 도 16에서 도시된다.
상기 셀은 이전과 같이 구성되나, 상기 셀에 부합하도록 고착된 100 ㎛ 두께의 커버 슬립(cover slip)으로 구성된 리드(lid) 및 셀을 제외하며, 상기 셀 및 리드는 셀 표면에서의 액정의 평면 정렬(planar alignment)을 증진시키기 위한 정렬 층으로 코팅된다. 벌크 전극이 층의 기계적 마찰을 방지함에 따라, 선형 광중합성 광중합체(linearly photopolymerizable photopolymer: LPP)(롤릭 사; Rolic inc)는 셀 및 리드에 스핀 코팅되어 있고, 정렬 방향은 편광된 자외선 광선과 지향성 가 교(directional cross-linking)에 의하여 유도된다. 이는 셀 표면과의 물리적 접촉의 필요 없이 충분한 성질의 정렬 층을 제공한다. 일단 정렬되면, 상기 리드는 자외선 경화 접착제(curing glue)가 경화 전의 모세관 작용을 통하여 벌크 전극의 최상부 표면과 리드 사이에서 습식처리(wet)되게 함으로써 상기 셀에 고정된다. 상기 셀 간극(gap)은 그 다음 패브리-페로 간섭기술(fabry-perot interference technique)을 사용하여 측정된다. 상기 셀은 그 후 키랄 네마틱 혼합물로 채워질 수 있으며, 바람직한 그랑장 조직이 얻어지고, 응답성 메소젠을 가교하기 위한 UV노출에 의하여 안정화된다.
상기 셀은 이전과 같이 동일한 실험 기구에 위치하며, 연속적인 교류 사각파(square wave) 전압에 노출시킨다.
모든 혼합물은 전기장(field)에 의존적인 주파수(frequency)로서 다음과 같은 응답을 보이는 것으로 나타났다: 낮은 주파수에서, 상기 광축은 이의 변전적으로(flexoelectrically) 유도된 값으로 지향되지 않으며, 상기 전기장이 극성을 반대로 할 때까지 유지되고, 특정 지점에서 이는 반대 방향에서 동일한 값을 지나 전환한다. 이것은 영(0)의 전기장 교차점에서 일어나고, 관찰된 복굴절의 성분에 따른 영역으로서 광학 응답에서 그 자체로 명백하다.
상기 응답이 이러한 전이(transition)에서 일어나는 정도는 앞서 논의한 바와 같이 전기장 변화 지점에서 일정한 "베이스라인"("baseline") 복굴절을 일으키는 유전성 나선 풀기(dielectric helix unwinding)의 한도에 의존한다. 이러한 베이스라인은 고주파수(＞2 KHz) 선(trace)에서 그 자체로 드러나고, 여기에서 상기 광축의 변전-광학 움직임(movement)은 너무 느려서 상기 전기장 진동(feild oscillations)을 따르지 못한다. 이러한 상황에서, 상기 광축은 단지 상기 나선축에 대하여 약간 진동하고, 관찰되는 복굴절은 교류 파형(waveform)에 대하여 대략 일정하다. 연속적인 사각파에 기인하는 키랄 네마틱 나선 구조에서의 변전-광학 및 유전 변형의 상이한 효과는 도 17에서 설명된다. 이는 또한 양 변형이 어떻게 이들의 효과를 분리하기 위한 구동 주파수(driving frequency)의 변경을 요구하는, 유사한 복굴절을 일으키는지 보여준다. 상기 변형의 효과는 결과적인 복굴절의 원인을 설명하는 나선축을 따라(위쪽 도면) 및 그에 직각되게(아래쪽 도면) 보여진다. 두 시각에 대하여 전자장 방향이 상이한 변전 예의 기호는 설명적 목적으로 필요하다.
상기 세 개의 혼합물에 대한 높고 낮은 주파수 사각파에 대한 광학 응답은 도 18 내지 20에서 보여진다.
이론에 의하여 한정됨이 없이, 본 발명자들은 낮은 주파수 응답이 영(9) 전기장 교차점에서 높은 주파수의 베이스라인의 범위 내에서 일어나지 않은 이유는 사용된 증폭기가 효과적인 r.m.s 영역 값에 도달하도록 높은 주파수에서 사각파를 정확히 반복(replicate)하지 못하였기 때문으로 생각된다. 이러한 생각은 사각파가 오실로스코프상에서 왜곡(distort)되게 보일 수 있으며, 제 3의 혼합물로부터의 응답에서, 상기 낮은 주파수 응답에서의 상기 특징적인 딥(characteristic dips)이 영(0) 복굴절의 모든 방식으로 진행된다는 사실에 의하여 뒷받침된다. 이것은 또한 이렇게 매우 낮은 Δε물질(Δε~ 0.9)에서, 유전성 결합(coupling)이 중요하지 않으며 나선풀기 효과(helix unwinding effects)가 제거된다는 것을 확인시킨다.
사실 조사된 세 개의 혼합물은 유전성 베이스라인 복굴절의 감소의 견지에서 양호한 진전(progression)을 보여주며, [FFE9EFF + FFE11EFF + FF090FF + FF0110FF](25/25/25/25) + 1.78% BDH1281 + 4.36%RM257 혼합물의 전체적인 변전-광학 응답이 절정에 달하는 낮은 주파수에서 변전-광학 변조(modulation)를 증가시킨다. 이 셀에서 관찰되는 0.0135의 복굴절에만 기초하는 최대 변전-광학은 29 ㎛ 두께 셀에서 1/2 파장판(half waveplate) 변조를 제공하기에 충분하다. 이것은 일반적인 액정 셀 두께의 표준에 대하여 크나, 상기 셀로 채워지고 평면의 전기장(in-plane field)을 제공하는 벌크 전극은 증가한 광학 경로 길이(optical path length)가 전극 분리에 대한 증가를 필요로 하지 않으며, 따라서 ITO 코팅 유리평면 셀에서의 현저히 증가된 응답 시간을 일으키는 셀 간극 증가의 일반적인 문제가 적용되지 않는다는 것을 의미한다. 또한 자외선 영역에서 아이소씨오시아나토(isothiocyanato) 기반의 부가물을 사용하며, 더 얇은 셀이 바람직한 위상 행정(phase excursion)을 하도록 하는 증가된 복굴절을 가지는 혼합물의 제조에 대한 상당한 포텐셜이 있는 것으로 여겨진다. 평면의 전기장 내 셀에서 최대로 인가된 전기장이 6.8V/㎛으로, 이는 증폭기 한계(즉, 10 KHz에서 340 V)와 50 ㎛의 전극 간격(aperture), 변전-광학 경사각(tilt angles)이 이러한 바이메소젠들로 달성될 수 있는 최대치가 아닌 것에 기인하며, 이에 따라 이는 증가된 Δn에 대한 또 다른 포탈셜 수단(avenue)인 것이다.
각 물질에 대한 상기 변전-광학 경사각은 균일하게 놓인 나선(ULH) 조직 된(textured) 셀에서 6.8 V/㎛에서 측정되었다. 만일, 도 18 내지 20의 각각에 대한 "a"선(trace)에 있어서 변조에 대한 단순한 진폭(amplitude)이고, ULH(도 21)에서 변전-광학 경사각도에 대하여 표현된 유도된 복굴절의 (변전-광학) 성분을 따르는 영역이라면, 동일한 변전-광학 변형이 상기 효과의 이러한 부분에 대하여 영향을 미친다는 결론을 지지하여 주는, 양호한 상관관계가 밝혀지게 된다. 이러한 도면에서 보여지는 경향은 약 8도(degree) 이하의 경사각에 대한 영(0) 복굴절을 향하는 것으로 보일 수 있다. 이것은 관찰가능한 효과에 대한 "스레스홀드"("threshold") 경사각으로서 여겨질 수 있다. 도 21에서 상기 결과는 ULH조직에서 더 큰 경사각을 가진 물질은 그랑장 장치(the grandjean device)에서 더 큰 변전적으로 유도된 복굴절을 보이게 된다는 것을 보여준다.
또한, 각 셀 배치(configuration)에서 4V /㎛ 스위치에 대한 응답 시간이 비교된다면, 동일한 온도 및 전기장 크기(field strength)에 대하여, 하기의 표 1에서 보이는 것과 같은 양호한 상관관계가 다시 관찰되게 된다. 표 1로부터 측정된 모든 응답 시간은 보통 10 ms 규정의 전통적인 네마틱 장치에서 도파기(director) 재배향(reorientation)의 통상적인 응답보다 월등히 빠른, Tc-10에서의 서브-밀리초라는 것을 주목할 수 있다. 이것은 최종 적용으로서의 활성 파장판(active waveplate)을 더 빨리 작동시킨 의도된 결과물에 대한 약속(promise)을 보여준다.
혼합물 1 혼합물 2 혼합물 3
Tc 128℃ 66℃ 69℃
유전 이방성
(dielectric anisotropy)		 3.7 0.9 0.9
UHL셀 변전-광학 경사각(6.8 V/㎛) 16.5o 25o 34o
UHL셀 응답시간 (4V/㎛) 60㎲ 670㎲ 590㎲
그랑장 셀 응답시간 (4V/㎛) 120㎲ 810㎲ 560㎲
또한 혼합물 1에서와 같이, 스위치상에서의 중요한 유전성 결합도(degree of dielectric coupling)의 존재는 표 1에서 보여지는 바와 같이, 응답 시간에 반대의 효과를 미치지 않는다는 것이 주목된다.
표 1은 평면의 전기장 셀에서의 그랑장 조직 및 변전-광학 셀이 조직된 UHL에서 관찰되는 평균 10-90% 및 90-10% 응답 시간을 보여준다. 모든 시간은 Tc-10o에서, 그랑장 케이스(case)의 후면과 0 V 내지 4 V/㎛에서의 스위치에 대하여, UHL케이스(case)의 후면과 -4 내지 +4 V/㎛에서 측정되었다.
결론적으로, 일련의 바이메소제닉, 단피치(short pitch), 키랄 네마틱 혼합물은 원격 통신 파장, 즉 1550 ㎚에서 변전-광학 효과를 위하여 제조되고 시험되었다. 상기 물질은 평면의 전기장의 적용이 가능하도록 디자인된 셀의 그랑장 조직에서 정렬되었다. 관찰된 응답은 변전-광학 및 유전성 결합 효과의 조합으로 발견되었다. 이러한 효과들로부터의 상대적인 공헌은 인가된 전기장의 주파수에 대한 이들의 상이한 의존성에 의하여 무시될 수 있었다. 사용된 혼합물은 전통적으로 단일한 나선 조직상의 매우 큰 변전-광학 특성을 가지도록 디자인되어, 유전성 기여(contribution)에 대한 이러한 효과를 증진하도록 하였다. 변전 결합에 단독으로 기인하는 복굴절이 유도된 최대 영역은 0.0135이고, 모든 혼합물은 1 밀리초 이하의 응답 시간을 보인다. 이러한 양 측정결과는 더 빠른 활성 파장판 장치를 제공하기 위한 메커니즘에 대한 양호한 포텐셜을 보여준다.
본 발명의 특징적 요소는 명확화를 위하여 별도의 실시예의 내에서 설명되며, 단일의 실시예에서의 조합으로 제공될 수도 있다는 것을 이해하여야 한다. 반대로, 본 발명에서 다양한 특정 요소들은 간명화를 위하여, 단일의 실시예의 내용으로부터 설명되며, 또한 분리되거나 또는 어떠한 적당한 조합을 통하여 제공될 수 있다.
본 발명의 청구범위에 의하여 개시되는 본 발명의 범주로부터 벗어남이 없이 다양한 변형, 수정 및/또는 부가가 상기 설명된 부분의 구성 및 개시사항에 도입될 수 있음을 인식하여야 한다.
참고문헌
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16. 영국 2 356 629호 (GB 2 356 629)
17. 국제공개공보 2004/021073 (WO 2004/021073)
본 발명에 따르면, 특히 원격 통신 및 다른 응용에서 유용한 편광 상태 제어기로서 기능하는 액정 장치, 및 이 장치를 이용하는 방법을 제공할 수 있다.

Claims (34)

  1. 제 1 셀 및 광선의 전파 방향을 따라 상기 제 1 셀을 통해 편광된 광선을 지향시키도록 배치된 광원을 포함하고,
    상기 제 1 셀은 전기장이 없이 제 1 셀을 통해 상기 광선의 전파 방향에 평행하게 지향된 나선축을 갖는 키랄(chiral) 네마틱 액정 물질의 단일 층을 둘러싸는 제 1 및 제 2 셀 벽들과, 전기장이 없이 상기 나선축의 방향에 수직인 전기장을 인가하도록 배치된 전극들을 포함하며,
    상기 액정 물질은 상기 광원으로부터의 광선의 파장보다 짧은 나선 피치를 갖는 것을 특징으로 하는 출력 광선의 편광 상태를 제어하는 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 액정 물질은 200 nm - 1 ㎛ 범위의 나선 피치를 갖는 것을 특징으로 하는 장치.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 나선 피치는 200 - 800 ㎚의 범위 내인 것을 특징으로 하는 장치.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 전극들은 액정 층의 영역 주변에 배치되는 적어도 네 개의 전극들을 포함하고, 각 전극은 상기 영역에 걸쳐 전기장을 인가하기 위해 선택적으로 공급되고, 그에 따라 상기 전기장은 셀 벽들의 내부 표면들에 평행한 다수의 선택가능한 방향들 중 하나로 인가되는 것을 특징으로 하는 장치.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 광원은 셀 벽들의 내부 표면들에 수직인 방향으로 상기 제 1 셀 벽 위로 광선을 지향시키도록 배치되는 것을 특징으로 하는 장치.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 광원은 셀 벽들의 내부 표면들에 평행하게, 셀 벽들의 단부 사이의 간극 위로 광선을 지향시키도록 배치되는 것을 특징으로 하는 장치.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 광원은 광 에미터에 결합된 광섬유를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 광 에미터는 200 - 2000 ㎚ 범위의 파장을 갖는 광선을 방출하는 것을 특징으로 하는 장치.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 광 에미터는 1400 - 1600 ㎚ 범위의 파장을 갖는 광선을 방출하는 것을 특징으로 하는 장치.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 광 에미터는 원격 통신에서 1530 - 1563 ㎚ 범위의 파장을 갖는 광선을 방출하는 것을 특징으로 하는 장치.
  11. 제 1 항에 있어서, 상기 광원은 극초단파 에미터를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  12. 제 1 항에 있어서, 액정 물질의 구조를 안정화시키기 위하여, 액정 물질 내에 중합체 네트워크를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  13. 제 12 항에 있어서, 상기 중합체 네트워크는 액정 및 중합체 층의 3-6 중량%를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  14. 제 12 항에 있어서, 상기 중합체 네트워크는 중합된 메소제닉 물질(mesogenic material)을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  15. 제 12 항에 있어서, 중합체는 교차 연결된 것을 특징으로 하는 장치.
  16. 제 1 항에 있어서, 전기장이 없이 제 2 셀을 통해 광선의 전파 방향에 평행한 나선축을 갖는 키랄 네마틱 액정 물질의 단일 층을 둘러싸는 제 1 및 제 2 셀 벽들을 포함하는 상기 제 2 셀을 더 포함하고,
    상기 제 2 셀은 전기장이 없이 상기 나선축의 방향에 수직인 전기장을 인가하도록 배치된 전극들을 갖추며,
    상기 셀들은 상호 겹쳐 배치되고, 상기 제 1 셀을 통해 전파되는 광선이 상기 제 2 셀을 통해 전파되도록 모든 셀 벽들이 상호 평행한 것을 특징으로 하는 장치.
  17. 제 16 항에 따른 장치를 구동하기 위한 방법으로서,
    셀들의 전극에 동일한 파형을 인가하는 단계를 포함하고,
    상기 파형은 상호간에 위상의 1/4만큼 벗어나고, 그리고 상기 파형의 형태는 셀들 각각의 유도된 복굴절(birefringence)의 합이 일정하게 되도록 하는 것을 특징으로 하는 방법.
  18. 제 17 항에 있어서, 상기 셀들의 액정 물질 층의 광축은 상호 동일한 방향 또는 반대로 회전하는 것을 특징으로 하는 방법.
  19. 셀에 의해 전송된 가시광선의 편광 상태를 제어하기 위한 제 1 항에 따른 장치에서의 셀의 사용 방법으로서,
    상기 셀은 전기장이 없이 셀을 통해 광선의 전파 방향에 평행하게 지향된 나선축을 갖는 키랄(chiral) 네마틱 액정 물질의 단일 층을 둘러싸는 제 1 및 제 2 셀 벽들과, 전기장이 없이 상기 나선축의 방향에 수직인 전기장을 인가하도록 배치된 전극들을 포함하며,
    상기 액정 물질의 나선 피치는 가시광선의 파장보다 짧은 것을 특징으로 하는 방법.
  20. a) 전기장이 없이 셀을 통해 광선의 전파 방향에 평행하고 셀 벽들의 내부 표면들에 수직으로 지향된 나선축을 갖는 양성 또는 음성의 유전 이방성의 키랄 네마틱 액정 물질의 단일 층을 둘러싸는 제 1 및 제 2 셀 벽들과, 액정 물질의 층의 광 입력 영역 주변에 배치됨과 더불어 각각이 상기 광 입력 영역에 걸쳐 전기장을 인가하도록 선택적으로 공급 가능한 다수의 전극들을 포함하는 셀;
    b) 상기 광선의 전파 방향을 따라 상기 제 1 셀 벽을 통하여 상기 광 입력 영역을 통해 편광된 광선을 지향시키도록 배치되는 광원; 및
    c) 상기 광선이 각각의 광 출력 캐리어들에 대해 상이한 특정한 상태 또는 방향의 편광이나 상기 상태 및 방향의 편광인 경우에 각각 상기 제 2 셀 벽을 통해 상기 광 입력 영역으로부터 광선을 수신하도록 배치되는 다수의 광 출력 캐리어들;을 포함하고,
    상기 전기장은 전송된 광선의 편광 상태 또는 방향이나 상기 편광 상태 및 방향을 제어하기 위해 셀 벽들의 내부 표면들에 평행한 다수의 선택가능한 방향들 중 하나로 인가되며,
    상기 액정 물질의 나선 피치는 상기 광원으로부터의 광선의 파장보다 짧은 것을 특징으로 하는 광 중계기.
  21. a) 전기장이 없이 셀을 통해 광선의 전파 방향에 평행하고 셀 벽들의 내부 표면들에 평행하게 지향된 나선축을 갖는 양성 또는 음성의 유전 이방성의 키랄 네마틱 액정 물질의 단일 층을 둘러싸는 제 1 및 제 2 셀 벽들과, 액정 물질의 층의 광 입력 영역 주변에 배치됨과 더불어 각각이 상기 광 입력 영역에 걸쳐 전기장을 인가하도록 선택적으로 공급 가능한 다수의 전극들을 포함하는 셀;
    b) 상기 광선의 전파 방향을 따라 셀 벽들의 측면 사이의 간극에서 상기 광 입력 영역을 통해 편광된 광선을 지향시키도록 배치되는 광원; 및
    c) 상기 광선이 각각의 광 출력 캐리어들에 대해 상이한 특정한 상태 또는 방향의 편광이나 상기 상태 또는 방향의 편광인 경우에 각각 상기 셀 간극을 통해 상기 광 입력 영역으로부터 광선을 수신하도록 배치되는 다수의 광 출력 캐리어들;을 포함하고,
    상기 전기장은 전송된 광선의 편광 상태 또는 방향이나 상기 편광 상태 및 방향을 제어하기 위해 상기 나선축에 수직인 다수의 선택가능한 방향들 중 하나로 인가되며,
    상기 액정 물질의 나선 피치는 상기 광원으로부터의 광선의 파장보다 짧은 것을 특징으로 하는 광 중계기.
  22. 제 20 항 또는 제 21 항에 있어서, 상기 나선 피치는 광원으로부터의 광선의 파장의 10%에서 50%까지인 것을 특징으로 하는 광 중계기.
  23. 제 20 항 또는 제 21 항에 있어서, 상기 광원으로부터의 광선은 원격 통신에서 1530 - 1563 ㎚의 범위의 파장을 갖는 것을 특징으로 하는 광 중계기.
  24. 제 20 항 또는 제 21 항에 있어서, 액정 물질은 양성의 유전 이방성의 바이메소제닉 키랄 네마틱 물질(bimesogenic chiral nematic)이거나 또는 포함하는 것을 특징으로 하는 광 중계기.
  25. 제 24 항에 있어서, 바이메소젠(bimesogen)은 알파-(2', 4-디플루오르바이페닐-4'-일옥시)-오메가-(4-시안화바이페닐-4'-일옥시)노난(α-(2', 4-difluorobiphenyl-4'-yloxy)-ω-(4-cyanobiphenyl-4'-yloxy)nonane)인 것을 특징으로 하는 광 중계기.
  26. 제 1 항에 있어서, 액정 물질은 양성의 유전 이방성의 바이메소제닉 키랄 네마틱 물질(bimesogenic chiral nematic)이거나 또는 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  27. 제 26 항에 있어서, 바이메소젠(bimesogen)은 알파-(2', 4-디플루오르바이페닐-4'-일옥시)-오메가-(4-시안화바이페닐-4'-일옥시)노난(α-(2', 4-difluorobiphenyl-4'-yloxy)-ω-(4-cyanobiphenyl-4'-yloxy)nonane)인 것을 특징으로 하는 장치.
  28. 평면의 투명한 셀 벽들 사이에 개재되고 나선축을 갖는 양성의 유전 이방성의 키랄 네마틱 액정 물질의 단일 층을 통해 전파되는 광선의 편광 상태를 제어하거나 또는 수정하는 방법으로서,
    상기 광선의 전파 방향은 전기장이 없이 상기 나선축에 평행하며,
    상기 방법은 나선축에 수직인 전기장을 인가하는 단계를 포함하고, 이에 따라 인가된 전기장으로 액정 물질의 분자들의 변전 결합(flexoelectric coupling)을 통해 액정의 나선형 구조가 왜곡됨으로써 액정의 벌크 복굴절(bulk birefringence)을 변경하며,
    상기 광선은 근적외선, 극초단파 또는 가시 영역 내 파장을 갖고, 나선형 구조의 피치가 상기 파장보다 짧으므로 액정의 벌크 복굴절이 전기장이 없는 경우에 영(0)인 것을 특징으로 하는 방법.
  29. 제 28 항에 있어서, 상기 나선축은 셀 벽들의 평면에 대해 수직인 것을 특징으로 하는 방법.
  30. 제 26 항에 따른 편광 제어 방법으로부터 강도 제어를 유효하게 하기 위해 교차된 편광자들 사이에 배치된 픽셀을 포함하는 디스플레이 장치.
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