KR101281401B1 - 메소젠 필름에서의 편광 격자 - Google Patents

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엠. 바스티안센 코네리스 더블유.
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Abstract

편광민감성 광 배향층(2)과 상기 광 배향층(2)에 배열된 액정 조성물(3)을 포함하는 편광 격자가 제공된다. 홀로그램의 편광 패턴에 대응하는 배향 패턴은 상기 광 배향층에 기록되고, 상기 액정 조성물은 광 배향층에 배향된다. 액정 조성물의 배향을 위한 방위가 광 배향층에 기록된 편광 홀로그램일 때, 이러한 접근방식에 의해 기본적으로 무결함성 패턴을 얻을 수 있다.
배향층, 액정, 패턴, 전극, 도메인, 광 빔, 거울면

Description

메소젠 필름에서의 편광 격자{POLARIZATION GRATINGS IN MESOGENIC FILMS}
본 발명은 신규한 편광 격자와, 이러한 신규한 편광 격자의 응용 분야에 관한 것이다.
종래의 회절 격자는 격자를 통해 전파되는 광의 상(phase) 또는 진폭을 주기적으로 변조시키고, 입사광을 다수의 회절차수로 잠재적으로 분할하므로써 작동된다.
편광 홀로그램의 일반적인 경우에 관한 초기 출판물이 소비에트 저어얼(Soviet journal)에 나타났을 때, 격자를 통해 이동하는 광의 편광 상태를 주기적으로 변조시키는 편광 격자는 1970년대 이후로 알려져 왔다.
종래 회절 격자에 대한 편광 격자의 가장 강력한 장점은 회절된 차수의 편광 상태를 제어할 수 있다는 가능성과 이와 동시에 각각의 차수에서의 효율을 입사광의 편광에 의존할 수 있게 한다는 점이라는 것을 곧 인식하게 되었다. 실용화된 편광 격자 이론의 변형에 대한 초기 성공은 홀로그래피를 이용한 광호변성(光互變性) 염화은으로 나타났다. 이러한 접근방식에 있어서, 거의 직교하는 두개의 편광성 코히런트(coherent) 레이저 빔은 거의 평행한 전파에 중첩되어, 일정한 세기를 유지할동안 편광 상태의 주기적 변조로 직립의 광파를 생성한다. 바이게르트 효과를 통한 물질에서는 선형으로 편광된 광이 상당한 광학 이방성(선형 복굴절)을 유도하기 때문에, 편광이 선형으로부터 원형으로 그리고 다시 선형으로 변화되는 주기적 패턴이 편광 격자로서 채택된다.
이러한 홀로그래피 방법은 아조벤젠 모이어티를 함유한 유기물질이 이러한 편광 홀로그램을 매우 강한 복굴절로 기록할 수 있는 것으로 나타났을 때, 궁극적으로 실질적인 진보를 이루게 되었다. 이러한 물질에 있어서, 아조벤젠 그룹은 역전가능한 trans =>cis => trans 이성질화 처리과정 및 발색단(發色團)의 관련의 방향성 재분포를 거치게 된다. 연구에 따르면, 다양한 아조함유 폴리머 및 분산이 사용된다는 것을 나타내고 있다.
이러한 많은 폴리머에 있어서, 조사(照射)중에는 표면 해제 격자가 형성된다. 표면 발생 처리과정의 주요한 이유는 잘 이해할 수 없지만, 현존의 현상학을 설명하기 위해 몇가지 원리가 시도되었으며, 상기 표면 해제는 질량 확산 메카니즘의 결과로서 나타난 것으로 의견이 일치되었다. 유용하기는 하지만 이러한 표면 해제 구조는 상 격자로서 회절되며, 이를 통한 광 전파의 편광 상태의 변조를 유발시키지는 않는다. 실제로, 이러한 표면 해제 격자는 편광 격자의 독특한 회절 특성을 악화시키는데, 그 이유는 표면 해제 격자 및 편광 격자의 특성들이 중첩되기 때문이다. 아조함유 물질은 시각적으로 색깔을 가지므로, 파장 적용범위가 제한을 받는다. 특히 격자가 물질의 흡수 대역에서 광에 노출되거나 LCD 제조 등과 같은 용도에서 일반적인 고온 열처리를 받게 될 때, 통상적으로 장기간의 안정성이 제한을 받게 된다.
박테리오로돕신, 홀로그래픽 폴리머 분산된 액정, 아조벤젠 액정 분자가 흡입된 다공성 유리 시스템 등을 포함하여, 선택적인 편광 홀로그램 물질로서 기타 다른 물질이 연구되었다. 공간적으로 주기적 이방성 흡수를 유도하므로써, 서브파장 금속 스트라이프 구조의 리토그래피 처리과정이 편광 격자를 성공적으로 형성하는 것으로 나타났다. 이러한 접근에 있어서, 기판상의 도전층은 서브파장 피치(선형 편광자를 생성하는)를 갖는 평행한 라인으로 패턴되고, 상기 라인의 방향은 편광자의 전송/흡수 축선을 결정한다. 이러한 방향은 파장 보다 큰 피치로 리토그래피에 의해 주기적으로 변화되어, 편광 격자를 형성한다.
이러한 형태의 격자는 적외선 파장으로 작동되지만, 가시 파장에서는 그 원리가 유효하다(그러나, 실질적으로는 칫수가 적어지기 때문에 제조는 더욱 어렵다). 양호한 광학적 품질이 달성될 수는 있지만, 광학 소자를 흡수하게 되며(전형적으로는 입사광의 약 50%가 흡수된다), 제조 과정은 반도체 웨이퍼에 사용되는 바와 같이 실질적인 포토그래피 처리과정을 필요로 한다(클린룸 설비, 고가의 새도우 마스크, 포토레지스트 전개, 무기성 도전층의 습식 화학에칭 등등).
이킨 등에 의해 저술된 "주기적으로 배향된 액정에서 제로 전압 프레데릭츠 전이"(어플라이드 피직스 레터스 85, 10권, 1671-1673 페이지, 2004년)에는 편광민감성 배향층을 광-중합화하기 위한 홀로그래픽 노출을 이용하고 또한 이에 액정 조성물을 배향시키므로써, 액정에 기초한 편광 격자의 생산을 위한 최근의 한가지 방법이 서술되어 있다.
그러나, 생산이 용이하고 온도가 안정되어 있으며 실제 용도로 사용할 수 있 는 고품질의 신규한 편광 격자가 요망되고 있다.
본 발명의 목적은 상술한 바와 같은 종래기술의 문제점을 극복하고 생산이 용이하며 높은 회절 효율과, 가시/IR 파장에서의 투명도와, 넓은 사용 영역에 적당하고, 적절한 온도 및 가시광에 노출되었을 때 안정스럽고, 디자인 특성이 융통성을 나타내는 편광 격자를 제공하는 것이다.
본 발명자는 편광 홀로그램을 사용하여 그 편광 패턴을 광 배향 필름에 기록하고 이러한 광 배향 필름상에 액정 조성물을 배향시키므로써, 상술한 바와 같은 목적을 만족시킬 수 있는 편광 격자가 생산될 수 있다는 점을 발견하였다.
따라서, 제1특징에 따르면 본 발명은 예를 들어 기판상에 배열된 편광민감성 광 배향층과, 상기 광 배향층에 배열되는 일체형 액정 조성물을 포함하는 편광 격자를 제공한다. 홀로그램의 편광 패턴에 대응하는 패턴은 이방성 패턴의 화학결합 형태처럼 광 배향층에 배열된다(기록된다). 액정 조성물은 배향층상에 배열되고, 그 결과 배향층에 인접한 액정 조성물의 국부적인 메소젠 디렉터(director)가 이방성 패턴, 즉 메소젠의 디렉터를 따르며; 이에 따라 국부적인 광축은 홀로그램의 편광 패턴을 따를 것이다. 액정 물질의 특성으로 인해, 배향층의 표면에 인접한 메소젠의 방위는 액정 조성물의 두께를 통해 전파되어, 패턴화된 높은 값의 이방성 및 복굴절을 갖는 투명한 필름을 생산하게 된다.
패턴화된 복굴절에 대한 원인은 광 배향층에 기록된 편광 홀로그램이기 때문에, 이러한 접근방식에 의해 기본적으로 무결점 패턴을 얻을 수 있다. 복굴절의 패턴화된 방위는 편광 격자로서 매우 강한 회절로 나타나게 된다.
본 발명의 실시예에서, 이방성 배향 패턴의 배향 방향은 배향층의 평면에서 적어도 하나의 라인을 따라 주기적이다.
본 발명의 실시예에서, 배향 방향은 하나의 주기에 대해 푸엥카레 구체(Poincare sphere)에서 원을 따라 편광 방향의 변화에 대응하는 주기적 변화를 나타낸다.
이방성 패턴은 일정한 세기를 가지며 주기적으로 변화하는 편광 프로필에 대응하며, 이러한 패턴은 푸엥카레 구체상에 가장 편리하게 맵핑된다. 본 발명의 연구중 가장 놀랄만한 발견은, 푸엥카레 구체상의 그 어떤 원에도 대응하는 배향 패턴이 홀로그래픽 방법에 의해 생성되어, 광을 선형과 원형 및/또는 타원형 편광을 포함하여 원하는 직각 편광 세트로 회절시키는 편광 격자를 생성할 수 있다는 점이다.
본 발명의 실시예에서, 액정 조성물은 예를 들어 중합가능한 메소젠 또는 중합가능한 비-메소젠 화합물 등과 같은 중합가능한 화합물을 포함한다.
본 발명의 실시예에서, 중합가능한 액정 조성물은 액정 조성물로부터 고형의 필름을 형성하기 위해 적어도 부분적으로 중합된다. 본 발명의 실시예에서, 편광 격자는 두개의 배향층 사이에 협지되어 배열되는 상술한 바와 같은 액정 조성물을 포함한다. 또 다른 실시예에서, 편광 격자는 배향층에 배열된 제1액정 조성물과, 상기 제1액정 조성물에 의해 배열 및 배향되는 제2액정 조성물을 포함한다. 또한, 상기 제2액정 조성물에는 제3액정 조성물이 배열된다.
본 발명의 실시예에서, 액정 조성물은 다른 형태의 염료와 이방성 형태 및/또는 스펙트럼 특성을 갖는 입자 등과 같은 부가의 기능적 화합물을 포함한다. 이러한 화합물은 메소젠에 의해 조성물에 지향되므로써, 편광 격자에 대해 예를 들어 옵티칼 등과 같은 부가의 특성을 부여한다.
본 발명의 실시예에서, 편광 격자는 예를 들어 전극처럼 상기 액정 조성물에 전기장 및/또는 자기장을 설정하기 위한 수단을 포함한다. 메소젠의 방위는 상기 전기장이나 자기장에 의해 영향을 받으며, 또한 옵티칼 특성도 영향을 받아 절환가능한 격자를 제공한다.
본 발명은 전송 효율이 높고 파장 간격이 넓은 광대역 편광 격자에 관한 것이다. 이러한 광대역 편광 격자는 종래의 편광 격자에 대한 대체물로서 매우 매력적이다.
본 발명은 옵티칼 스위치로서 본 발명의 편광 격자를 포함하는 디스플레이 장치에 관한 것이다. 이러한 형태의 스위치는 비편광된 광으로 작동되어 편광자의 사용을 제거하므로써, 전체적으로 매우 높은 옵티칼 효율을 위한 잠재성을 가능하게 한다.
본 발명은 작은 격자 피치를 필요로 하지 않고 높은 회절 각도를 얻을 수 있는, 편광 격자에 기초한 빔 분할기에 관한 것이다.
본 발명은 본 발명의 편광 격자를 포함하는 신규한 편광자에 관한 것이다. 이러한 편광자는 비편광된 광을 50% 이상의 효율로 편광된 광으로 전환시킬 수 있는 능력을 갖고 있다.
본 발명은 편광 격자를 포함하는 보안 배열부에 관한 것이다.
본 발명의 기타 다른 목적과 특징 및 장점은 첨부된 도면을 참조한 하기의 상세한 설명에 의해 보다 명확하게 이해될 것이다.
도1은 직각으로 편광되어 중첩되는 빔의 두개의 상이한 셋업과, 최종적인 편광 패턴을 도시한 도면으로서; 도1a는 원형으로 편광된 좌측 및 우측 빔을 도시한 도면이고, 도1b는 선형으로 편광된 수직 및 수평 빔을 도시한 도면.
도2는 두개의 칫수로 반복 선회하는 이방성 편광 패턴을 도시한 도면.
도3a는 본 발명에 따른 편광 격자의 실시예를 개략적으로 도시한 도면.
도3b는 교차된 편광자 사이에서 도3a에 도시된 편광 격자의 사진.
도4는 본 발명에 따른 편광 격자의 다른 실시예를 개략적으로 도시한 도면.
도5a는 본 발명에 따른 편광 격자의 또 다른 실시예를 개략적으로 도시한 도면.
도5b는 교차된 편광자 사이에서 도5a에 도시된 편광 격자의 사진.
도6은 표준형 편광 격자 및 광대역 편광 격자의 전송 곡선을 도시한 도면.
도7a는 광대역 편광 격자의 제1실시예를 도시한 도면.
도7b는 광대역 편광 격자의 제2실시예를 도시한 도면.
도7c는 광대역 편광 격자의 이방성 디렉터 패턴을 도시한 도면.
도8은 편광 격자-인가 전압에 대한 전송 곡선을 도시한 도면.
도9는 적색(도9a), 녹색(도9b), 청색(도9c)에 최적인 편광 격자의 전송 곡선 을 도시한 도면.
도10은 본 발명의 편광 격자를 포함하는 디스플레이 장치를 도시한 도면.
도11은 편광 격자를 포함하는 편광자의 실시예를 도시한 도면.
도12는 편광 격자를 포함하는 편광자의 다른 실시예를 도시한 도면.
도13은 두개의 편광 격자를 포함하는 빔 분할기를 도시한 도면.
도14는 편광 격자를 포함하는 보안 장치의 실시예를 도시한 도면.
도15는 편광 격자를 포함하는 보안 장치의 다른 실시예를 도시한 도면.
도16은 편광 격자에 대한 제1차수 회절 효율-전압을 도시한 도면.
도3a에는 본 발명의 편광 격자의 실시예가 도시되어 있다. 이러한 실시예의 편광 격자는 편광민감성 광 배향층(2)이 배열된 기판(1)을 포함한다.
광 배향층에서, 편광 홀로그램에 대응하는 이방성 패턴은 광 배향층을 구성하는 폴리머내에서 화학결합의 이방성 패턴으로서 기록된다(도1a 및 도1b 참조).
광 배향층(2)에는 액정 조성물(3)이 배열된다. 광 배향층의 표면에 인접하여 배치된 메소젠은 광 배향층에서 이방성 패턴을 따라 자체적으로 지향될 것이다.
따라서, 광 배향층(2)의 표면에 인접하여 배치된 액정 메소젠의 디렉터는 편광 홀로그램의 각각의 위치에서 편광 방향으로 지향될 것이다.
액정 조성물(3)의 특성으로 인해, 패턴화된 디렉터 배열부는 패턴화된 이방성 및 복굴절을 갖는 투명한 필름을 형성하기 위해 상기 조성물을 따라 전파되며, 그 결과 편광 격자의 옵티칼 특성을 제공하게 된다.
"메소젠" 및 "액정"이라는 용어는 (거의)단단한 막대형, 바나나형, 보드형 또는 디스크형 메소젠 그룹 등과 같은 하나이상의 메소젠 그룹을 포함하는, 즉 액정 상 반응을 유도할 수 있는 능력이 구비된 그룹을 포함하는 물질 또는 화합물을 나타내는데 사용된다. 막대형 또는 보드형 그룹을 갖는 액정 화합물은 본 기술분야에서는 "칼라미틱(calamitic)" 액정으로서 알려져 있다. 디스크형 그룹을 갖는 화합물 또는 물질은 필연적으로 액정 상 자체를 나타낼 필요는 없다. 이들은 혼합물 또는 기타 다른 화합물에서만 메소젠 화합물 또는 물질 또는 이들의 혼합물이 중합되었을 때 액정 상 반응을 나타낼 수 있다.
"액정 조성물"이라는 용어는 메소젠을 포함하며 액정 상 반응을 나타내는 조성물을 의미한다.
광 배향층(2)이 배열되는 기판(1)은 단단하거나 가요성인 기판 이다. 적절한 기판의 실시예로는 유리; 투명 세라믹; 용융 실리카; PC(폴리카보네이트), PMMA(폴리메틸메타크릴레이트), PET(폴리에틸렌 테레프탈레이트), PVC(폴리비닐클로라이드), PS(폴리스티렌)(폴리카보네이트), COC(사이클릭 올레핀 코폴리머), PET(폴리에틸렌 테레프탈레이트), PES(폴리에테르 설폰) 및 교차결합된 아크릴레이트, 에폭시, 우레탄 및 실리콘 고무 등과 같이, 열경화되거나 열가소된 (반)-정질 또는 비정질의 투명 폴리머 등이 포함되지만; 본 발명은 이에 한정되지 않는다.
기타 다른 적절한 기판 물질은 은 및 알루미늄 등의 금속 기판 등과 같은 반사성 기판과, 실리콘 등의 반도체성 기판을 포함한다. 또 다른 기판 물질들은 본 기술분야의 숙련자에게 널리 알려져 있다.
배향층(2)은 스핀 코팅, 닥터 블레이드 코팅, 캐스팅 등과 같은 공지의 방법에 의해 기판(1)에 배열되어, 기판상에 얇은 필름을 형성한다.
편광민감성 광 배향층 물질은 본 기술분야에 공지되어 있으며; 롤릭, 반티코 앤드 헌츠만에 의해 상용화된 바와 같이 또한 JSR 및 LG 케이블 등에 의한 유사한 물질 처럼, 예를 들어 선형의 광중합 폴리머를 포함한다.
선택적으로, 상술한 바와 같이 아조함유 물질이 배향층으로서 사용될 수 있는데, 그 이유는 이들이 편광 패턴을 기록하고 메소젠을 편광 패턴으로 기록하기 때문이다.
광 배향층에 이방성 배향 패턴을 얻기 위하여, 두개 이상의 코히런트 및 직각 편광된 레이저 빔(선형, 타원형, 또능 원형 편광)이 광의 편광에서 공간상에서 주기적인 변화를 따라 배향층에 중첩된다.
이를 위한 기본적인 원리는 예를 들어 니코로바 등에 의한 Optica Acta 31, 579(1984)에 개시되어 있다.
두개의 직각으로 편광된 원형의 중첩된 빔인 경우는 선형 편광시 공간상에서 일차원적으로 연장되는 주기적인 "회전" 패턴을 제공하며, 각각의 주기에서 편광 패턴은 푸엥카레 구체의 적도 주위에서 그레이트-서클(S3 = 0)로서 나타난다(도1a 참조).
두개의 직각으로 편광된 선형의 중첩된 빔인 경우는 선형과 원형 및 타원형을 포함하여 다양한 편광으로 구성된, 공간상에서 일차원적으로 주기적 패턴을 제공하며; 각각의 주기에서 편광 패턴은, 두개의 중첩된 빔의 편광을 나타내는 지점 및 포올을 통해 이동하는 푸엥카레 구체 주위에서 그레이트-서클(S1 = 0)로서 나타난다(도1b 참조).
두개의 직각으로 편광된 타원형의 중첩된 빔인 일반적인 경우는 일반적으로 푸엥카레 구체에서의 그 어떤 원에 대응하는 방식으로 선택된 다양한 편광으로 구성된, 공간상에서 일차원적으로 주기적 패턴을 제공한다. 두개의 빔이 동일한 세기를 가질 때, 홀로그램은 상기 구체상에서 "그레이트 서클"에 맵핑된다. 두개의 빔이 상이한 세기를 가질 때, 홀로그램은 상기 구체상의 그 어떤 원에 맵핑된다.
액정 조성물이 배향층에 배열될 때, 조성물내의 메소젠은 배향 패턴으로 배향되어, 복굴절 격자를 형성하며; 이러한 복굴절 격자에서, 광축 배향층에 근접하며, 즉 배향층에 인접한 메소젠의 디렉터는 배향 패턴을 따르게 된다. 디렉터 패턴은 사용된 액정 조성물에 대해 특정한 방식으로 상기 층을 통해 전파된다. 예를 들어, 콜레스테릭 액정 조성물에 있어서, 디렉터 패턴은 배향층으로부터 거리를 두고 비틀리며, 배향층으로부터 그 어떤 거리를 두고 상기 디렉터 패턴이 계속 제공되지만 액정 조성물의 피치에 의해 한정된 각도로 비틀린다.
일반적으로, 이러한 격자의 회절 특성은 회절된 차수가 홀로그램을 형성하는 직각 빔과 동일한 편광으로 회절되도록 형성된다.
이러한 편광 패턴의 주기(Λ)는 레이저 빔의 파장(λ)과 중첩된 코히런트 빔을 분리시키는 각도(θ)에 의해 하기의 식에 따라 결정된다.
Λ = λ/2(2*sin(θ/2)) (Ⅰ)
2차원 편광 패턴(즉, 편광 패턴이 평면의 두개의 차원에서 주기적으로 공간상에서 회전하는 패턴을 나타내는)은 "단일단계" 방법 및 "연속적인" 방법 등을 포함하여 여러가지 상이한 방식으로 형성된다. 상기 두 경우에 있어서, 이러한 형태의 격자는 관심을 끌고 있으며 또한 유용한데, 그 이유는 회절된 차수가 홀로그램(상술한 바와 같이 일차원인 경우)을 형성하는 빔에 따라 편광되기 때문이다.
먼저 연속적인 형성법이 서술될 것인데, 그 이유는 이러한 방식이 우리의 지식으로는 종래 기술이 아닌 "단일단계" 형성법의 설명에 이어, 가장 직관적이고 본 기술분야에 널리 알려져 있기 때문이다.
연속적인 방법에 있어서, 일차원(1D) 격자는 상술한 바와 같이(두개의 직각의 코히런트 빔을 간섭하므로써) 형성되며, 그후 기판이 설정의 각도(예를 들어, 90°)로 회전된다. 이어서, 제2노출이 실행되어(동일한 또는 상이한 두개의 직각의 코히런트 빔으로), 제1격자에 중첩되는 제2의 1D 격자가 된다. 이것은 필요에 따라 여러번 반복된다[H.Ono 등, Opt. Exp. 11, 2379-2384(2003)].
이 방법의 한가지 장점은 1D 편광 격자를 생성하는 동일 셋업이 2D 편광 격자를 생성하는데 사용될 수 있다는 점이다. 그러나, 관심있는 많은 2D 편광 패턴은 이러한 방식으로는 형성될 수 없으며, 여러 경우에 있어서 일련의 기록은 이전의 기록 품질을 악화시킨다. 또한, 일부 경우에 있어서[R.C. Gauthier and A. Ivanov, Opt.Expr. 12, 990-1003(2004)], 회전 스테이지는 과도하게 엄격한 위치조 정/회전 요구사항을 필요로 한다.
2D 편광 격자를 제공하는 또 다른 방식은 단일단계 형성법을 통해서 이루어진다. 이것은 3개 이상의 코히런트 레이저 빔을, 일정한 또는 거의 일정한 세기의 패턴이 나타나도록 선택된 전파 및 편광 변수와 중첩시키므로써 실행된다. 예를 들어, 3개의 중첩된 코히런트 빔으로부터의 간섭 패턴은 하기와 같은 식으로 표시될 수 있다.
I(x,y) = 1 + V12* cos(G12X * x + G12y * y ) (Ⅱ)
+ V23* cos(G23X * x + G23y * y )
+ V31* cos(G31X * x + G31y * y )
상기 식에서 상수 G##x 및 G##y 는 코히런트 빔의 전파 벡터와 연관되어 있으며, 상수 V## 는 편광 및 전파 변수에 의해 결정된다. 2D 세기 격자를 위한 이러한 표현에 대한 상세한 내용은 M.J. Escuti 및 G.P. Crawford, Opt.Eng.43, 1973-1987(2004)에 개시되어 있다. 2D 편광 격자를 위한 상태는 I(x,y)가 일정하다는 것이다. 이것은 함수에서의 도함수가 제로일 때 발생된다.
dI(x,y)/dx = dI(x,y)/dy = 0 (Ⅲ)
이러한 상태하에서, 2D 편광 패턴이 종결된다. 하기의 변수, 즉 입사각 = ∼35.3°, 횡자기(transverse-magnetic: TM) 편광을 갖는 모든 빔에 의해 결정되는 대표적인 실시예가 도2에 도시되어 있다.
중첩된 빔은 광 배향층에 편광을 유발하며, 광의 편광은 교차결합 접합제의 방향을 결정하며, 이에 따라 이방성 화학 구조의 배열부에 패턴의 편광 특성을 포획한다. 이러한 구조의 배열부는 배열된 액정 혼합물을 배향시킬 수 있다.
피치, 즉 편광 패턴의 주기(Λ)는 예를 들어 0.4 내지 25㎛(mm당 40 내지 2500 주기) 등과 같이, 0.2 내지 100㎛(mm당 10 내지 5000 주기)의 범위에 속하게 된다.
일반적으로, 어떤 파장의 레이저 빔은 배향층에 편광 패턴을 기록하는데 사용될 수 있으며, 파장(λ)은 157nm 내지 1064nm 의 범위에 속하는 것이 바람직하다.
식(Ⅰ)에 있어서, 중첩된 코히런트 빔의 입사각을 분리시키는 각도(φ)는 원하는 피치(Λ) 및 파장(λ)에 의존한다. 실질적으로, 원하는 각도를 생성하기 위해 각도(0°< φ < 180°)가 사용된다.
액정 조성물(3)은 광 배향층(2)에 배열된다. 본 발명에 사용하기 적합한 메소젠의 실시예는 스메틱, 네마틱, 키랄(chiral) 네마틱 및 강유전성 메소젠을 포함한다.
메소젠은 반응성 메소젠 또는 비반응성 메소젠일 수도 있다.
적절한 비반응성 메소젠의 실시예는 예를 들어 그 제품 폴더 Licristal® 전자-옵틱 디스플레이용 액정 혼합물(2002년 5월)에 개시된 바와 같이, 머크(Merck)에 의해 상용화된 메소젠 등을 포함하며; 이러한 내용은 비반응성 메소젠에 관한 기준으로 본 발명에 참조인용되었다. 실시예는 예를 들어 TL205(머크, 다름스타트) 등과 같은 할로겐화 메소젠과, 예를 들어 E7(머크, 다름스타트) 등과 같은 시아노비페닐을 포함한다. 또한, 두개 이상의 비반응성 메소젠의 혼합물이 사용될 수 있다.
적절한 반응성 메소젠의 실시예는 예를 들어 아크릴레이트, 메타크릴레이트, 에폭시, 옥세탄, 비닐-에테르, 스티렌, 및 티오렌 그룹을 갖는 메소젠을 포함한다. 적절한 실시예는 중합가능한 메소젠 화합물 및 중합가능한 액정 물질로서 WO04/025337로서 언급된, 반응성 메소젠에 관한 기준으로 본 발명에 참조인용된 WO04/025337호에 개시되어 있다. 실시예는 C3M, RMM34(Merck)를 포함한다. 또한, 두개 이상의 반응성 메소젠의 혼합물이 사용될 수 있다(머크 반응성 메소젠, 브라이터 클리어러 커뮤니케이션).
또한, 반응성 및 비반응성 메소젠의 혼합물이 사용될 수 있다.
혼합물인 경우, 사용된 모든 메소젠은 최종층에서 배열된 상태인 것이 바람직하다.
또한, 액정 조성물은 메소젠-에어 인터페이스 또는 조성물과 배향층 사이에서 표면에너지를 감소시키기 위하여, 적절한 계면활성제를 포함한다.
액정 조성물은 편광 격자에 부가의 기능을 첨가하기 위하여 흡수제, 형광성 전자발광 염료, 이방성 형태 및/또는 스펙트럼 특성을 갖는 나노/마이크로 입자를 부가로 포함한다. 특히, 액정 조성물은 염료를 포함하며; 이러한 염료는 이색성이고, 액정 조성물에서의 방위로 배향된다.
G205(하기 참조) 등과 같이 이방성 흡수계수를 갖는 이색성 염료 분자가 액정 혼합물에 첨가될 때, 그 배향은 디렉터 패턴을 따를 것이다.
Figure 112007063702357-pct00001
현미경 수준에서, 이색성 염료는 하나의 선형 편광을 효과적으로 통과시키면서 다른 편광을 흡수하는 선형 편광자로서 작용한다. 편광 격자(예를 들어, 직각의 원형으로 편광된 빔에 의해 형성된)의 거시적 수준에서, 이색성 염료 분자는 나선형 네마틱 디렉터 배치를 따른다. 최종적인 필름은 적어도 염료의 강한 이방성 흡수의 대역폭내에서 F.Gori(supra)에 의해 제안되어 이론적으로 분석된 스톡스(Stokes) 변수 센서의 실시예이다. 따라서, 본 발명은 본 발명의 편광 격자를 포함하는 스톡스 변수 센서에 관한 것이다.
이색성이고 네마틱 디렉터를 따르는 나노/마이크로 입자로부터는 거의 동일한 옵티칼 효과가 예견된다. 예를 들어, 흡수 염료 대신에, 탄소 나노튜브가 액정 혼합물에 첨가된다. 이 경우, 최종적인 스톡스 변수 센서는 더 넓은 검출 대역폭을 갖는데, 그 이유는 나노튜브가 더 넓은 흡수 대역(자외선으로부터 적외선 파장을 통해 효과적인)을 갖기 때문이다. 액정 혼합물에 형광성 분자를 첨가하면 또 다른 기능성, 즉 레이징(lasing)의 기능성을 허용한다.
그러나, 액정 편광 격자는 액정의 특성으로 인해 온도에 민감하다. 액정 조 성물에 대한 소거 온도 이상의 온도에서, 방위 및 위치 순서는 혼란스러워지며, 조성물은 편광 특성이 소실되는 이방성 상으로 된다.
따라서, 이러한 이유 및 기타 다른 이유로 인해, 상술한 바와 같은 액정 편광 격자의 편광 특성을 갖는 고형 필름을 얻는 것이 바람직하다.
고형 필름 편광 격자를 형성하기 위하여, 액정 조성물은 메소젠의 방위를 고정하기 위해 중합되는 중합가능한 화합물을 포함한다. 중합가능한 화합물은 중합가능한 메소젠에 의해 구성되지만, 별도의 중합가능한 비-메소젠 화합물일 수도 있다.
반응성 메소젠을 포함하는 액정 조성물은 광감성이거나 열감성인, 자유 라디컬 개시제 또는 카티온 제제(cationic agent) 등과 같은 중합 개시제를 포함하며, 상기 개시제는 광 및 열에 의해 각각 작동된다. 하나이상의 중합 개시제의 혼합물이 사용된다.
본 기술분야에는 여러개의 상이한 중합 개시제가 알려져 있으며, 개시제의 선택은 중합가능한 화합물의 선택에 의존할 것이다.
따라서, 본 발명의 이러한 실시예에서, 도4에 도시된 바와 같이, 격자는 이방성 배향 패턴이 기록된 편광민감성 광 배향층(2, 12)을 갖는 두개의 기판(1, 11)으로 구성된 셀(cell)을 포함한다. 광 배향층은 협지되며, 액정 조성물(3)을 배향시켜 편광 격자를 형성한다.
이러한 조립체를 생산하기 위하여, 두개의 편광민감성 광 배향층(2, 12)이 기판(1, 11)에 각각 제공된다. 표준 LCD 기법을 사용하여, 두개의 배향층이 서로 에 대해 평행하게 배열되며, 선택적으로 셀 갭을 제어하는 스페이서와 적어도 하나의 충진 개구를 갖는 아교 밀봉부를 갖는다. 상기 기판은 배향층이 서로 대면하도록 배열된다.
편광 홀로그램은 배향층을 동일한 편광 홀로그램에 동시에 노출시키므로써 배향층(2, 12)에 기록되며, 이때 바닥 배향층은 상부 배향층을 통해 노출된다.
홀로그램 패턴을 뒤집을 수도 있는 셀 내부에서의 편광의 영향을 피하기 위하여, 상기 셀은 이러한 단계에서는 사이클로헥산 등의 유기 솔벤트처럼 예를 들어 액체 등과 같은 등방성 조성물이나, 또는 배향층의 굴절률에 매칭되는 굴절률을 갖는 등방성 액정 조성물로 충진되는 것이 바람직하다.
편광 홀로그램을 기록한 후, 이방성 조성물이 셀로부터 제거되며(예를 들어 기화되며), 상기 셀은 배향층의 이방성 패턴으로 배향되는 액정 조성물로 충진된다.
또한, 본 발명의 이러한 실시예에서, 액정 조성물은 적어도 부분적으로 중합된다. 액정 물질에 고유한 한가지 제한은 배향층으로부터 멀리 있는 메소젠은 배향층에 인접한 메소젠 보다는 배향층에 의해 영향을 덜 받는다는 점이다. 이러한 배향 손실도는 탄성계수 및 점도 등과 같은 액정 조성물의 특성 뿐만 아니라, 여러가지 사항 즉, 예를 들어 패턴 및 화학적 조성물 등과 같은 배향층의 특성에 의존한다. 이러한 사항으로 인해, 단일의 배향 필름을 사용하였을 때 고품질의 편광 패턴을 유지하면서 피치가 작은 매우 두꺼운 홀로그래픽 격자를 생성하는 것은 어렵다.
실험에 따르면, 이러한 형태의 적용에 있어서 배향층에 배열된 단일 액정층의 최대 두께는 하기의 적절한 엄지규칙(thumb-rule) 식에 의해 결정된다.
dmax ≤ Λ/2 (Ⅳ)
상기 식에서 d는 층의 두께이고, Λ는 격자의 피치이다. 이러한 식이 정확하지는 않지만, 옵티칼 품질의 현격한 악화없이 단일 기판에 인가된 단층의 적절한 두께한계를 나타낸다. 여러가지 실시예의 디자인에서는 특정한 옵티칼 효과에 도달하기 위해 이러한 한계를 초과할 필요가 있다.
이러한 한계를 극복한 본 발명의 또 다른 실시예가 도5a에 도시되어 있으며, 이러한 실시예는 여러개의 액정 조성물을 포함한다. 제1액정 조성물(3)은 기판(1)에 배열된 배향 필름(2)에서 배향 패턴(상술한 바와 같이)에 의해 배열 및 배향된 후, 적어도 부분적으로 중합된다. 이러한 제1조성물(3)에서, 제2액정 조성물(13)이 배열된다. 이제, 제2조성물(13)은 제1액정 조성물(3)에 의해 배향될 것이다. 본 발명자는 이러한 원리를 20개층 이상에 적용하여, 높은 옵티칼 품질을 얻었다.
이러한 방식으로, 메소젠은 그 배향층으로부터 멀리 배치되지 않으며, 이것은 매우 얇은 많은 층을 통해 매우 작은(심지어, dtotal > Λ/2) 피치를 갖는 매우 두꺼운 편광 격자의 제조를 허용한다.
상술한 바와 같은 실시예는 단지 예시적이며, 본 기술분야의 숙련자라면 첨부의 청구범위내에서 이러한 실시예의 여러가지 변형 및 수정이 가능함을 인식할 것이다. 예를 들어 액정 조성물에 전기장 및/또는 자기장을 설정하기 위해 전극 등과 같은 수단이 제공된다. 중합으로 인해 이들이 정위치에 로킹되지 않는한, 메소젠 자체는 조성물 위에 인가된 전기장 또는 자기장으로 지향될 것이다. 이것은 옵티칼 특성이 전기장 또는 자기장의 인가에 의해 제어될 수 있는, 협지가능한 편광 격자를 허용한다. 예를 들어, 상술한 바와 같이 본 발명의 두개의 기판 격자에서 기판에는 한쌍의 패턴화된 전극이 배열된다.
또한, 본 발명의 두개 이상의 편광 격자가 서로의 상부에 배열된다.
본 발명의 편광 격자의 한가지 예시적인 적용은 광대역 편광 격자와 연관되어 있다.
광대역 편광 격자는 넓은 파장 범위에 걸쳐 높은 회절 효율을 갖는 격자 이다. 이를 위한 또 다른 이름으로는 "색지움(achromatic) 편광 격자"인데, 그 이유는 옵티칼 소자의 성능이 파장 변화에 대해 민감하지 않기 때문이다. 이를 이해하기 위해서는 두개의 직교하는 원형 편광 빔(도1a)에 의해 형성된 기본적인 편광 격자의 회절 효율이 다음과 같음을 인식해야 한다(표기는 주로 공지의 문헌에 의한 것이지만, S3/S0-종속성은 본 발명자에 의해 입증되었다)
Eff(제0차수) = cos2(Γ/2) (Ⅳa)
Eff(±제1차수) = (1/2)*sin2(Γ/2)*[1± S3/S0] (Ⅳb)
Eff(기타 다른 모든 차수) = 0 (Ⅳc)
상 지연은 Γ= 2πΔnL/λ 이고, 입사 빔의 타원율은 그 표준화된 스톡스 변수(S3/S0)로 서술된다.
제1차수의 회절 효율은 상 지연이 반파일 때, 또는 환원하면 Γ= π±2πp 일 때(p는 정수) 가장 높다. 이것은 측정 파장에 용이하게 매칭되지만, 상 지연은 파장에 역-의존성을 갖는다. 또한, 액정층 자체의 복굴절(Δn)은 파장(확산 으로 알려진)에 의존하는 것으로 나타났다. 예를 들어, 반응성 메소젠 혼합물[RMS03-001)(Merck)]은 다음과 같이 측정된(nm으로의 λ) 복굴절을 갖는다.
Δn(λ) = 0.12 + (110/λ)2 (Ⅴ)
이러한 물질의 층을 사용하여 형성된 표준형 편광 격자는 도6에 도시된 바와 같은 회절 효율을 나타낼 것이다(표준형 PG). 이러한 도면과 광대역 편광 격자에 관한 하기의 설명에 있어서, 모든 지연 및 회절은 적색-오렌지 원형으로 편광된 입사광(λ= 0.6㎛)을 위해 최적화된다. 이러한 도면에서 표준형 편광 격자는 ±20nm의 범위에서 또는 40nm의 대역폭에서 높은 회절(>99.5%)을 갖는다.
그러나, 높은 회절 효율의 대역폭을 증가시키는 것이 바람직할 때가 있다.
한가지 접근방법에 있어서, 두개의 편광 격자는 조합되어 광대역 효과를 달성할 수 있다.
작동 대역폭[예를 들어, S.Pancharatnal, Proc. Indian Acad. Of Sci. A41, 130(1955)]을 넓히기 위해, 광대역 지연 플레이트를 생성하는 방식으로 두개의 단축 이방성 플레이트가 배열된다는 것은 일반적인 옵틱에 의해 알려져 있다. 이러한 실시예중 하나는 상기 복굴절[Δn(λ)]로부터 실시예의 물질(RMS03-001)을 사용 하여 형성된 두개의 반파 플레이트이다. 그 옵티칼 축 사이에서 45°의 각도로 배열되었을 때(예를 들어, 일부 임의의 축선에 대해 첫번째는 22.5°로, 두번째는 66.5°로), 이들은 오직 하나가 사용된 경우 보다 넓은 범위에 걸쳐 반파 지연을 나타낸다.
이러한 사고를 편광 격자에 적용하면, λ= 0.6㎛ 에서 가장 높은 회절을 위해 최적화될 것을 요구한다. 이들이 서로 라미네이트되어 중첩되므로써, 국부적인 네마틱 디렉터들 사이에 45°의 회절이 존재하며 높은 회절 효율로 나타난다. 그 결과가 도6(광대역 PG)에 도시되어 있다. 최종적인 편광 격자는 510nm 내지 750nm 의 범위에서 또는 240nm의 대역폭에서 높은 회절(>99.5%)을 갖는다. 단층 편광 격자에 대해 6개 소자에 의한 이러한 개선으로 인해, 이러한 종류의 광대역 격자는 다양한 용도로 사용될 수 있다.
본 발명의 광대역 편광 격자의 제1실시예가 도7a에 도시되어 있다. 그러나, Λ/4(중첩된 네마틱 디렉터들 사이에 45°의 각도를 제공하는)의 중첩에서 대응의, 예를 들어 동일한 네마틱 배향 패턴을 갖는 실시예에 대한 두개의 분리된 단층 편광 격자(71, 72)는 평행하게 배향되어 서로 라미네이트되며; 상기 Λ 는 편광 격자에 공통인 격자 주기 이다. 이것은 도7c에 도시된 평탄한 네마틱 디렉터에서의 중첩으로 이어진다.
본 발명의 광대역 편광 격자의 제2실시예가 도7b에 도시되어 있다. 제1메소젠 조성물(73)은 원하는 이방성 편광 패턴이 기록된 배향층상에 배향된다. 그후, 이러한 제1층은 중합되고, ∼45°비틀림(예를 들어, LC756, BASF 등과 같은)을 나 타내는 타이트한 피치를 갖는 얇은 제2키랄 메소젠 조성물(74)이 하부의 제1메소젠 조성물(73)에 배열되어 이에 의해 배향된다. 또한, 이러한 얇은 제2키랄 메소젠 조성물(74)은 중합된다. 키랄 메소젠층(74)의 상부에 있어서, 제1메소젠 조성물(73)에 사용된 동일한 물질의 제3메소젠 조성물(75)이 제2키랄 메소젠 조성물(74)에 배열되고 이에 의해 배향되며; 그후, 상기 제3메소젠층(75)이 중합된다. 이것은 완전히 중합된 격자의 단일 기판을 생성하며; 제3메소젠 조성물의 네마틱 디렉터 프로필은 제1메소젠층(도7c)의 네마틱 디렉터 프로필에 비해 키랄층에서의 비틀림으로 인해, 45°로 중첩된다.
본 발명의 광대역 편광 격자에서 두개의 편광 격자 사이의 중첩값은 유용한 파장 범위의 최대 확장이 45°에서 얻어질 때, 45°(또는 Λ/4)가 바람직하다. 그러나, 범위 확장 효과는 예를 들어 30 내지 60°사이에서처럼, 45°보다 높거나 낮은 중첩에서도 발견될 수 있다.
본 발명의 편광 격자의 또 다른 예시적인 적용은 직접 투시 디스플레이 및 프로젝션 디스플레이 등과 같이 예를 들어 LCD 디스플레이에 사용되는 것처럼 옵티칼 스위치이다.
이러한 형태의 옵티칼 스위치는 도4에 도시된 상술한 실시예의 본 발명의 비-중합된 편광 격자와, 메소젠층의 네마틱 디렉터의 경사에 영향을 끼치기 위하여 메소젠층 위에 전기장을 인가하는 수단을 포함한다.
이러한 옵티칼 스위치를 이해하기 위해서는 사용된 액정 편광 격자의 기본적인 절환 특성을 인식하는 것이 중요하다. 제0차수 전송이 제로이고 모든 광(편광 된 또는 비-편광된)이 처음 2차수(±1)로 회절되는 것을 의미하는, λ= 0.610㎛ 에서 3/2-파 지연으로 최적화된 반복되는 나선형 네마틱 디렉터 패턴을 갖는 절환가능한 편광 격자를 고려해보자. 상술한 바와 같은 식(Ⅳa-c)을 사용하면, 이러한 경우에 대한 0V 전송은 대표적인 액정 E7(Merck, Δn∼0.2217@0.610㎛)을 위한 도8에 도시되어 있으며, 이때 610nm에서 3/2 파 지연을 달성하기 위해서는 L = 2.06㎛의 두께가 필요하다.
전압(V > 0)이 이러한 메소젠층에 인가될 때, 국부적인 지연이 감소되며, 즉 Δn(V)* L < Δn(0V)* L 이 된다.
그 결과, 도8에 도시된 바와 같이 전송 스펙트럼이 변화되어, 제로 및 완전 전송 파장이 전체 가시 범위에 걸쳐 전기적으로 제어될 수 있게 한다. 이것은 대조적으로 격자를 포함하는 대부분의 LCD에 적용되며, 전압의 인가는 전송 스펙트럼의 프로필을 변화시키지 않고 단순히 회절 효율을 감소시키기만 한다.
이러한 효과의 하나의 적용이 서술될 것이며, 도9a 내지 도9c에 도시되어 있다. 예시적으로 청색(436nm), 녹색(546nm), 적색(610nm) 등과 같은 어떤 파장에 대해, 전압(V)은 제로 차수 전송이 최대화되고 제1차수 회절이 최소화되는[온(ON) 값] 또는 제로 차수 전송이 최소화되고 제1차수 회절이 최대화되는[오프(OFF) 값]이 되도록 선택된다.
각각의 색깔에 있어서, 온 상태는 비편광된 광의 100%를 이상적으로 통과시키며, 오프 상태는 광의 ∼0%를 이상적으로 허용한다. 이러한 연산에 있어서, 0V < V1 < V2 < V3 < V4 < V5 이고, {V1, V2, V3, V4, V5}는 지연값{0.86, 0.66, 0.58, 0.57, 0.38}*Δn(0V)* L 을 유도하는 값임을 인식해야 한다.
따라서, 전압을 적절히 선택하므로써, 격자를 통과하는 광이 수직 방향(제0차수 전송 최대)에 존재하는지 또는 제1회절 차수의 방향(±제1차수 전송 최소)에 존재하는지의 여부가 결정될 수 있다.
이러한 전자-옵티칼 효과는 예를 들어 LCD 디스플레이에 사용된다.
도10에 도시된 LCD 소자의 제1실시예는 한쌍의 광 배향층(102, 112) 사이에 협지되어 이에 의해 배향되는 비-편광된 메소젠층(103)을 포함하는 편광 격자를 포함하며, 상기 광 배향층은 기판(101, 111)에 배열되며, 각각의 배향층은 기록된 편광 홀로그램에 대응하는 이방성 패턴을 갖는다. 또한, 독립적으로 어드레스가능한 다수의 도메인(105, 106)으로 패턴화된 전극쌍(104, 114)은 메소젠층에 대해 전기장의 도메인방향의 적용을 허용하도록 배열된다.
메소젠층에 인입되기 전에 독립적으로 어드레스가능한 각각의 도메인에 대해 입사광을 분리된 색깔(예를 들어, 적색이나 녹색 또는 청색)로 분리시키는 컬러 필터(107)가 제공된다.
모든 도메인(R, G, B)은 동일한 편광 격자 패턴 및 동일한 두께를 갖는다.
이러한 각각의 도메인을 위해, 각각의 도메인(105, 106)에 대한 전압을 적절히 선택하므로써, 상기 도메인을 통과하는 광의 방향이 격자를 탈출하는 것을 제어할 수 있다.
수직선을 벗어난 각도로 탈출하는 광을 차단하는 수단을 제공하므로써, 기본적으로 오직 제0차수 전송광이 사용자에게 보일 수 있다.
본 발명의 일실시예는 광원으로서의 표준형 역광과, 상술한 바와 같은 절환가능한 편광 격자를 포함하는 직접 투시 디스플레이다. 사용자로의 도달로부터 수직선을 벗어난 각도로 격자를 탈출하는 광을 차단하기 위해, 디스플레이 장치는 예를 들어 통상적으로 현금 인출장치(ATM)에 사용되는, 약 15°이상에서 입사광의 각도로 광을 효과적으로 차단하는 "프라이버시 필름(pricacy film)"을 포함한다.
본 발명의 또 다른 실시예는 광원과, 상술한 바와 같은 절환가능한 편광 격자와, 프로젝션 렌즈 시스템을 포함하는 프로젝터 디스플레이(데이터 프로젝터 등과 같은) 이다. 렌즈 시스템으로의 도달로부터 수직선을 벗어난 각도로 격자를 탈출하는 광을 차단하기 위해, 렌즈 시스템은 오직 제0차수만 통과하고 제1차수 회절광은 렌즈 시스템으로의 입구를 타격하지 않도록, 편광 격자로부터 일정거리로 배열된다.
이러한 형태의 편광 격자에 기초한 디스플레이 장치에서의 한가지 장점은 이들은 예를 들어 종래의 액정 디스플레이 장치와는 대조적으로 비-편광된 광으로 직접 작동된다는 점이다. 이것은 상당히 증가된 광 효율을 유발하므로, 부가의 편광자가 필요없다.
실험 데이터에 기초하여, 본 발명자는 이러한 디스플레이 장치의 작동은 종래 LCD 구동 전압(1V-3V)으로 충분하며, 종래 네마틱 메소젠 조성물을 사용하였을 때 절환 시간(온 + 오프 시간)은 10ms로 낮다는 것을 예상하였다. 선택적으로, 강 유전성 또는 기타 다른 액정이 사용될 수도 있다.
본 발명의 편광 격자의 또 다른 예시적인 실시예는 비-편광된 광을 수용하고, 적어도 협소한 파장 대역에서 50% 이상의 높은 효율로 이를 편광된 광으로 전환하는 편광자이다.
도11에 도시된 편광자의 일실시예는 직교하는 두개의 원형으로 중첩된 빔으로 기록된 주기적 광축 패턴이 구비된 제1편광 격자(121)를 포함하며, 이러한 편광자는 입사된 비-편광된 광을 약 50%의 효율로 두개의 직교하는 두개의 원형으로 편광된 빔으로 회절시키는데 사용된다.
제1 빔은 제1편광 격지에 비해 역전된 네마틱 디렉터 패턴을 갖는 제2편광 격자(122)와 만날 때까지, 투명한 매질을 통해 이동한다. 제2 빔은 스펙트럼 표면상에서, 예를 들어 격자의 수직선에 수직한 수직선을 갖는 평면 거울(123)에서 반사된다. 반사에 의해, 제2 빔은 그 방향 및 편광이 제1 빔의 방향 및 편광으로 각각 변화된다. 반사후, 제2 빔은 제2편광 격자와 만난다.
두개의 격자 사이의 거리는 두개의 빔의 회절 각도에 의존하지만, 그러나 제1격자로부터 오직 하나의 빔만 거울에서의 반사없이 제2격자와 만날 수 있도록 충분히 긴 것이 바람직하다. 또한, 제2격자는 제1격자에 의해 회절된 모든 빔을 수집할 수 있도록 충분히 넓은 것이 바람직하다.
이제, 동일한 방향 및 편광을 갖는 두개의 빔은 제2회절 격자에 의해 원형으로 편광된 광으로 회절되어, 수직선을 통해 제2격자를 탈출한다. 광플럭스는 변하지 않지만, 빔 영역을 확장된다. 그러나, 이것은 렌즈 시스템을 사용하여 다시 집중된다. 쿼터 플레이트(quarter-plate)를 사용하면, 제2격자를 탈출하는 원형으로 편광된 시준된 광은 선형으로 편광된 광으로 고효율로 변형된다.
도12에는 편광자의 다른 실시예가 도시되어 있다. 선형 편광에서 나선형 광축 패턴을 갖는 편광 격자(125)는 비편광된 입사광을 직교하는 두개의 원형으로 편광된 빔으로 약 50%의 효율로 각각 편광시키는데 사용된다.
상당히 경사진 단축 복굴절층(126)[경사진 리타더(slanted retarder)]은 빔중 하나의 편광 특성을 전환하는 두개의 빔 방식으로 배열되므로, 두 빔은 경사진 리타더를 통과한 후 분기 방향으로 동일한 편광을 갖게 된다.
이러한 두 빔 각각은 프리즘(127)에 의해 편광 격자의 수직 방향으로 다시 분기되어, 확장된 빔 영역을 갖는 원형으로 편광된 빔의 시준된 빔을 형성한다. 또한, 이러한 실시예에서, 렌즈 시스템은 편광자를 탈출하는 빔을 수집하여 집중시키는데 사용된다.
빔을 분기하는데 사용된 프리즘은 도12에 도시된 바와 같이 대칭 프리즘의 시트에 포함된다.
본 발명의 편광 격자를 위한 또 다른 예시적인 용도는 빔 분할기에 관한 것으로서, 특히 작은 격자 피치를 요구하지 않고서도 예를 들어 > 45°등과 같이 높은 회절각을 얻기 위하여 하나의 편광 격자 보다 많은 조립체를 포함하는 빔 분할기에 관한 것이다.
만일 이러한 경우를 위해 단일 격자가 사용된다면, 격자 방정식(제1차수 및 에어내 격자를 위한)에 따라 1㎛ 이하의 피치가 필요하다.
Sin(θIN) + Sin(θOUT) = λ/ Λ (Ⅵ)
만일 두개의 분리된 격자가 조합되어(격자 피치 Λ1 및 Λ2 를 갖는) 광이 수직으로 입사된다면, 전체적인 격자 방정식은 다음과 같다.
Sin(θOUT) = λ* (1/Λ1 + 1/Λ2 ) (Ⅵ)
이러한 방식으로, 우변에 관한 용어는 두개 이상의 격자를 적층하므로써(그러나 피치를 감소시키지 않으므로써) 간단히 크게 이루어질 수 있다.
도13에 도시된 빔 분할기의 일실시예는 제1편광 격자(131)와, 상기 제1편광 격자에 배열된 제2편광 격자(132)를 포함하며; 이러한 두 격자는 직교하는 두개의 원형으로 중첩된 빔으로 기록될 때 주기적인 광축 패턴을 갖는다. 그러나, 제1편광 격자의 특성은 선 분기를 달성하기 위하여 제2편광 격자(132)의 특성과는 반대이다.
제1편광 격자(131)는 인입되는 비-편광된 광을 원형으로 편광된 좌측의 제1성분(+제1차수 회절) 및 원형으로 편광된 우측의 제2성분[식(Ⅵ)에 의해 한정된 각도(각각 양 및 음)에서 -제1차수 회절]으로 회절시킨다.
반대의 특성을 갖는 제2격자(132)는 좌측의 제1성분을 제1격자로부터 제2격자로 회절시키며, 식(Ⅵ)에 의해 한정된 각도에서 우측의 제2성분을 좌측 성분으로 회절시킨다. 두개의 격자의 조합은 매우 높은 전체 회절각을 제공한다.
이러한 실시예에 따른 빔 분할기는 상이한 특성의 편광 격자의 적층을 형성하기 위하여 부가의 편광 격자를 부가로 포함한다.
또한, 상술한 바와 같이 하나이상의 편광 격자는 절환가능한 편광 격자이므로, 빔 분할기는 온 및 오프되거나 원하는 색깔의 광의 회절로 조정된다.
본 발명의 편광 격자의 또 다른 예시적인 용도는 보안 장치의 영역에서이다.
편광 격자는 여러가지 방식으로 보안 장치에 사용된다. 그 신규한 편광의존성 회절 특성으로 인해 본 발명의 편광 격자 자체를 단순히 보안 장치로서 사용하는 것은 차치하고라도, 적어도 3개의 보안 "레벨"을 갖는 보안 장치를 형성하는데는 적어도 두가지 방식이 있다.
이러한 보안 장치의 제1실시예에 있어서, 전송된 및 회절된 영상은 예를 들어 생물측정학적 영상, 상표, 또는 문자숫자식 정보를 제공하기 위해 이중 형태로 패턴된다. 보안 장치와 이러한 실시예의 기본적인 작동은 도14에 도시되어 있다. 투명한 필름(141)은 상이한 도메인으로 패턴되며, 적어도 하나의 도메인(142)은 원하는 영상을 형성하며, 도14에서는 "TU/e"로 제공되었다.
영상을 형성하는 필름의 도메인(들)은 예를 들어 선형 편광에서 직교하는 두개의 원형으로 중첩된 빔으로 기록될 때 주기적 광축을 갖는 편광 격자 등과 같은, 제1편광 격자를 포함한다.
필름이 백색광 또는 단색광으로 조명될 때, 사용된 패턴(이러한 실시예에서는 "TU/e")은 제0, +제1, -제1 회절된 방향으로 나타날 것이다. 이러한 실시예에서, 글자는 직교하는 원형 빔에 의해 형성된 본 발명의 편광 격자를 갖는 도메인(142)에 대응한다. 이러한 영역은 입사광을 ±1 차수로 강하게 회절시키며, 제0차수에서 검은 레터링(lettering)에 도달하게 한다. 이러한 검은 레터링은 편광 격자의 지연에 의존하여 색깔 범위로 설계될 수 있다. 영상을 형성하지 않는 도메인(143)은 균일하게 배향된 LC 배향부(격자가 아니다)로 형성된 영역에 대응하므로, 모두 회절시키지 않는다.
따라서, 이러한 실시예는 이중(중간색조) 영상으로 패턴화될 수 있는 보안 장치를 형성한다. 하기의 특징은 이러한 실시예를 보안 특징[(a)많아야 3개의 회절된 영상이 가능하며, (b)모든 차수는 편광 격자의 특성을 따르는 매우 독특하고 제거가능한 방식으로 편광된다]을 위한 종래 격자 디자인과는 구별되게 한다.
모두 3개의 주요한 보안 "레벨"은 이러한 기법을 적용한다. 상기 보안 특징은 육안 및 수직 광으로 투시될 수 있으며("레벨1"), 편광된 레이저 광으로 투시될 수 있고 편광 상태를 위해 탐침으로 조사될 수 있으며("레벨2"), 모든 스펙트럼 특성은 분광계로 측정될 수 있다("레벨3"). 훨씬 복잡한 다른 방법도 있다.
보안 장치의 제2실시예에서는 회절된 영상의 국부적 편광 상태가 패턴화된다. 이러한 제2실시예에 따른 보안 장치로서의 편광 격자의 작동이 도15에 도시되어 있다.
이러한 실시예의 투명 필름(151)에서 배경 즉, 영상을 형성하지 않는 필름의 도메인(153)은 편광 격자이지만, 상이한 광축 패턴을 갖고 있다. 예를 들어, 비-영상 형성 도메인(들)(153)은 직교하는 두개의 원형으로 편광된 빔의 기록에 의해 형성된 광축 패턴을 갖는 편광 격자이며, 영상 형성 도메인(들)(152)은 직교하는 두개의 선형으로 편광된 빔의 기록에 의해 형성된 광축 패턴을 갖는 편광 격자이다.
필름은 백색광 또는 단색광으로 조명되며, 사용된 패턴("TU/e")은 +제1, 및 -제1 회절된 영상에서 먼저 희미하게 나타날 것이다(도15a). 일단 편광자가 회절된 영상에 배치되었다면, 콘트라스트가 높은 영상이 나타난다(도15b).
이러한 실시예에서는 각각의 영역내에서 편광 격자의 선택에 의해 회절된 영상을 그레이 스케일로 할 수 있다. 보다 높은 차수( ≥제2회절 차수)를 위해 이러한 특징을 설계할 수도 있다.
이러한 실시예에서, 글자는 직교하는 선형 빔에 의해 형성된 편광 격자를 갖는 영역에 대응한다. 이러한 영역은 입사광을 ±1 차수로 적절히 회절시킨다. 글자가 아닌 배경은 직교하는 원형 빔으로 형성된 영역에 대응하며, 입사광을 글자 영역 보다 강한 형태로 회절시킨다. 이러한 두 영역은 동일한 방식으로 제0차수에 영향을 끼지며, 제0차수의 편광 상태에는 영향을 끼치지 않으므로, 이러한 영상은 균일하게 회색으로 나타날 것이다.
보안 특징의 이러한 제2실시예는 그레이 스케일 영상으로 패턴화되며, 상기 실시예에서의 동일한 영상은 존재하는 모든 보안 특징[(a)3개 이상의 회절된 영상이 가능하다고, (b)모든 차수는 기록 셋업의 특성을 따르는 매우 독특하고 제어가능한 방식으로 편광된다]으로부터 영상을 구별시킨다.
이러한 기법에는 모두 3개의 주요한 보안 "레벨"이 인가된다. 보안 특징은 육안 및 수직 광으로 투시될 수 있으며("레벨1"), 편광된 레이저 광으로 투시될 수 있고 편광 상태를 위해 탐침으로 조사될 수 있으며("레벨2"), 모든 스펙트럼 특성은 분광계로 측정될 수 있다("레벨3").
본 발명은 하기의 비제한적인 실시예에서 상세히 서술될 것이다.
실시예
실시예1 : 단층 편광 격자의 제조
편광 격자를 얻기 위하여 광 배향 물질인 Vantico Star Align 2110 이 붕규산 유리 기판상에 스핀캐스팅되어, 얇은 ∼50nm 의 필름을 형성한다.
상기 유리 기판은 자외선 흡수기와 폴리카보네이트 시트 및 인덱스 매칭 유체 필름에 배치되어, 배면 반사를 최소화한다.
그후, 광 배향 필름은 표준형 홀로그래픽 셋업에서 ∼9 J/cm2 에서 351nm의 두개의 중첩된 레이저 빔에 노출되며; 이러한 레이저 빔은 우측 및 좌측에서 원형으로 편광되고, 두개의 빔을 분리시키는 1.18°의 입사각과 2.36°의 입사각을 갖는다. 따라서, 이러한 홀로그래픽 셋업에서 형성된 편광 홀로그램은 광 배향 필름에 기록된다.
광 배향층상에서, 중합가능한 액정 조성물(RMM34 공정 혼합물, Merck)은 스핀코팅되어(Convac Spinner, 2500 rpm에서 60), 약 1.4㎛의 층 두께를 생성한다. 액정 조성물을 배향 패턴으로 배향하기 위하여, 이러한 조성물을 갖는 기판은 고온 플레이트에서 30분동안 70℃로 어닐링된다. 그후, 액정 조성물은 질소환경에서 자외선 광(2.5 W/m2 에서 Oriel lamp로 실온에서 2분간 노출후, 90℃에서 약 2분간 노출)으로 중합되어, 1.87㎛의 두꺼운 고형 필름을 형성하며, 이러한 필름에서 광축과 메소젠의 네마틱 디렉터는 주기적인 반복 "나선형" 패턴을 나타낸다.
최종적인 편광 격자는 두개의 교차된 편광자들 사이에 배치되며, 이러한 사진이 도3b에 도시되어 있다. 스케일 표시는 10㎛ 이며, 격자 주기(Λ)는 ∼8.1㎛로 측정된다.
실시예2 : 이중층 편광 격자의 제조
편광 격자는 실시예1에서처럼 제조되지만, 빔을 분리시키는 6.70°의 각도를 갖는다.
광 배향층상에서, 중합가능한 액정 조성물(RMM34, 실시예1)은 광축이 반복적인 나선형 패턴을 나타내는 1㎛의 두꺼운 고형 필름을 형성하도록 배향 및 중합된다.
제1메소젠 조성물의 중합후, 제2메소젠 조성물(상술한 바와 같은 RMM34)이 제1메소젠 조성물상에 코팅되므로써; 제2메소젠 조성물은 제1메소젠의 반복적인 나선형 광축 패턴으로 배향되고, 1.2㎛의 두꺼운 고형층을 형성하도록 중합된다.
최종적인 이중층 필름은 교차된 편광자들 사이에 배치되며, 이러한 사진이 도5b에 도시되어 있으며, 이때 스케일 표시는 10㎛ 이며, 격자 주기(Λ)는 ∼3㎛ 이다.
형성된 편광 격자의 전체 두께(d)는 2.2㎛ 이며, 따라서 이러한 필름은 d < Λ/2 라는 적정 한계를 상당히 초과한다.
이러한 실험은 최종 격자에서 높은 옵티칼 품질로 20개의 액정 조성물을 서로의 상부에 배열하도록 계속 전개되었다.
실시예3 : 절환가능한 편광 격자
두개의 붕규산 유리 기판은 실시예1에서처럼 광 배향 필름으로 코팅되었으며, 배향 필름이 서로 대면하는 밀폐된 셀 구조로 배열되었다. 셀 이격거리는 5.1㎛ 이다. 상기 셀은 표준형 홀로그래픽 셋업에서 사이클로헥산으로 충진되었으며, ∼10 J/cm2 에서 351nm의 두개의 중첩된 레이저 빔에 노출되며; 이러한 레이저 빔은 우측 및 좌측에서 원형으로 편광되고, 두개의 빔을 분리시키는 2.28°의 입사각을 갖는다.
따라서, 이러한 홀로그래픽 셋업에서 형성된 편광 홀로그램은 광 배향 필름에 기록된다. 상기 사이클로헥산은 셀로부터 기화되며, 상기 셀은 배향 필름에 의해 배향되는 액정 조성물(E7, Merck)로 충진된다.
각각의 기판의 외측에는 투명한 전극이 배열되고, 633nm의 광이 셀을 통과한다. 제1차수 회절 효율은 셀에 대한 전압의 함수로서 측정되었다. 0V 내지 12V 사이의 이러한 전압에 대한 결과가 도16에 도시되어 있으며, 도시된 바와 같이 제1차수 회절 효율은 ∼0 내지 ∼100% 사이에서 용이하게 제어된다.

Claims (27)

  1. 편광민감성 광 배향층(2)과 상기 배향층(2)에 배열된 액정 조성물(3)을 포함하는 편광 격자에 있어서,
    편광 홀로그램에 대응하는 이방성 배향 패턴은 상기 광 배향층에 배열되고, 상기 액정 조성물(3)은 배향 패턴에 의해 배향되고,
    상기 액정 조성물은 이하의 수학식에 따라 결정되는 두께 d의 층(layer)을 가지며,
    d≤dmax =Λ/2
    상기 식에서 d는 층의 두께이고, Λ는 편광 격자의 피치인 것을 특징으로 하는 편광 격자.
  2. 제1항에 있어서, 이방성 배향 패턴의 배향 방향은 배향층의 평면에서 적어도 하나의 라인을 따라 주기적인 것을 특징으로 하는 편광 격자.
  3. 제2항에 있어서, 배향 방향은 주기적 변화를 나타내며, 이러한 변화는 하나의 주기에 대해 푸엥카레 구체(poincare sphere)에서 원을 따라 편광 방향에 대응하는 것을 특징으로 하는 편광 격자.
  4. 제3항에 있어서, 배향 방향 변화는 선형 편광에서 편광 방향 변화에 대응하는 것을 특징으로 하는 편광 격자.
  5. 제1항에 있어서, 액정 조성물은 중합가능한 메소젠을 포함하는 것을 특징으로 하는 편광 격자.
  6. 제1항에 있어서, 액정 조성물은 적어도 부분적으로 중합되는 것을 특징으로 하는 편광 격자.
  7. 제1항에 있어서, 적어도 제1액정 조성물(3)과 제2액정 조성물(13)을 포함하며, 상기 제1액정 조성물(3)은 배향층(2)에 의해 배열 및 배향되고 적어도 부분적으로 중합되며, 상기 제2액정 조성물(13)은 제1액정 조성물(3)에 의해 배열 및 배향되고, 상기 제1액정 조성물 및 제2액정 조성물 모두는 이하의 수학식에 따라 결정되는 두께 d의 층(layer)을 가지며,
    d≤dmax = Λ/2
    상기 식에서 d는 층의 두께이고, Λ는 편광 격자의 피치인 것을 특징으로 하는 편광 격자.
  8. 제7항에 있어서, 화학결합의 이방성 배향 패턴을 갖는 두개의 광 배향층(2, 12)을 포함하며, 상기 광 배향층은 제1액정 조성물(3) 및 제2 액정 조성물(13) 모두 또는 둘중 하나를 협지 및 배향시키는 것을 특징으로 하는 편광 격자.
  9. 제7항에 있어서, 상기 제1액정 조성물(3) 및 제2 액정 조성물(13) 모두 또는 둘중 하나는 흡수제, 형광 염료, 전자발광 염료, 이방성 형태 또는 스펙트럼 특성을 갖는 나노 및 마이크로 입자, 이들의 조합으로 구성된 집단으로 선택되는 기능적 화합물을 부가로 포함하는 것을 특징으로 하는 편광 격자.
  10. 제7항에 있어서, 상기 제1액정 조성물(3) 및 제2 액정 조성물(13) 모두 또는 둘중 하나에 전기장 또는 자기장을 설정하는 수단을 부가로 포함하는 것을 특징으로 하는 편광 격자.
  11. 제1편광 격자(71, 73)와 상기 제1편광 격자상에 배열되는 제2편광 격자(72, 75)를 포함하며, 상기 제1편광 격자는 제1광축 패턴을 나타내고, 상기 제2편광 격자는 제2광축 패턴을 나타내며, 상기 제2광축 패턴은 상기 격자의 평면에서 제1광축 패턴을 향해 30°내지 60°범위의 각도로 회전하고, 상기 제1편광 격자 및 상기 제2편광 격자 중 적어도 하나는 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 기재된 편광 격자인 것을 특징으로 하는 편광 격자.
  12. 제7항에 있어서, 상기 제1액정 조성물(73)과 제2액정 조성물(75) 사이에는 콜레스테릭 액정 조성물(74)이 배열되고, 상기 콜레스테릭 액정 조성물은 30°내지 60°의 범위에서 비틀림을 나타내는 것을 특징으로 하는 편광 격자.
  13. 광원(115)과, 청구항 제8항에 따른 편광 격자와, 상기 편광 격자에 전기장을 인가하는 전극 수단(104, 114)을 포함하는 것을 특징으로 하는 디스플레이 장치.
  14. 제13항에 있어서, 상기 전극 수단(104, 114)은 다수의 도메인(105, 106)으로 패턴화되며, 각각의 도메인은 독립적으로 어드레스 가능한 것을 특징으로 하는 디스플레이 장치.
  15. 제13항에 있어서, 광원과 편광 격자 사이에 배열된 컬러 필터(107)를 포함하는 것을 특징으로 하는 디스플레이 장치.
  16. 제13항에 있어서, 편광 격자에 의해 제로 회절 차수가 아닌 회절 차수로 회절된 광을 차단하는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 디스플레이 장치.
  17. 입사광 빔을 제1편광 및 제1방향의 회절된 제1빔과 제2편광 및 제2방향의 회절된 제2빔으로 회절시키도록 배열된 편광 격자(121, 125)와,
    제2빔의 편광을 제1빔으로 편광으로 전환하는 수단과,
    제1 및 제2빔을 시준시키는 수단을 포함하고,
    상기 편광 격자는 제1항 내지 제10항, 및 제12항 중 어느 한 항에 기재된 편광 격자인 것을 특징으로 하는 편광자.
  18. 제17항에 있어서, 제2빔의 편광을 제1빔의 편광으로 전환하는 수단과 상기 제1 및 제2빔을 시준시키는 수단은 상기 회절된 제2빔의 적어도 일부를 상기 회절된 제1빔의 방향에 평행한 방향으로 반사하도록 배열된 거울면(123)을 포함하는 것을 특징으로 하는 편광자.
  19. 제17항에 있어서, 상기 제1 및 제2빔을 시준시키는 수단은 편광 격자(122)를 부가로 포함하는 것을 특징으로 하는 편광자.
  20. 제17항에 있어서, 제2빔의 편광을 제1빔의 편광으로 전환하는 수단은 리타더를 포함하며, 상기 제1 및 제2빔을 시준시키는 수단은 적어도 하나의 프리즘(127)을 포함하는 것을 특징으로 하는 편광자.
  21. 적어도 제1편광 격자(131)와 상기 제1편광 격자상에 배열되는 제2편광 격자(132)를 포함하며, 상기 제1편광 격자는 제1특성의 제1광축 패턴을 나타내고, 상기 제2편광 격자는 제2특성의 제2광축 패턴을 나타내며, 상기 제2특성은 제1특성과는 반대인 특성을 나타내며, 상기 제1편광 격자(131)와 상기 제2편광 격자(132) 중 적어도 하나는 제1항 내지 제10항, 및 제12항 중 어느 한 항에 따른 편광 격자인 것을 특징으로 하는 빔 분할기.
  22. 적어도 제1도메인(141, 151)과 제2도메인(143, 153)을 포함하며, 상기 제1도메인(141, 151)은 제1광축 패턴의 제1편광 격자를 포함하고, 상기 제1편광 격자는 제1항 내지 제10항, 및 제12항 중 어느 한 항에 따른 편광 격자인 것을 특징으로 하는 투명 필름.
  23. 제22항에 있어서, 제2도메인(143, 153)은 제2광축 패턴의 제2편광 격자를 포함하는 것을 특징으로 하는 투명 필름.
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