KR101506950B1 - 다층 어크로매틱 액정 편광 격자들 및 관련된 제조 방법들 - Google Patents

다층 어크로매틱 액정 편광 격자들 및 관련된 제조 방법들 Download PDF

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Abstract

다층 편광 격자는 제1 편광 격자 층, 상기 제1 편광 격자 층 상의 제2 편광 격자 층, 및 상기 제2 편광 격자 층 상의 제3 편광 격자층을 포함하고, 이에 따라 상기 제2 편광 격자 층은 상기 제1 편광 격자 층과 상기 제3 편광 격자 층 사이에 위치한다. 상기 제2 편광 격자 층은 그들 사이의 계면을 따라 상기 제1 편광 격자 층에 대해 오프셋 되는 주기적 분자 구조를 가진다. 또한, 상기 제3 편광 격자 층도 그들 사이의 계면을 따라 상기 제2 편광 격자 층에 대해 오프셋 되는 주기적 분자 구조를 가질 수 있다. 그것으로서, 제1 및 제2 편광 격자 층들의 상기 주기적 분자 구조들은 제1 상대적 각도 천이만큼 위상이 어긋날 수 있고, 상기 제2 및 제3 편광 격자 층들의 상기 주기적 분자 구조들은 제2 상대적 각도 천이만큼 위상이 어긋날 수 수 있다. 또한, 관련된 제조 방법들도 논의된다.
편광 격자, 액정 디스플레이

Description

다층 어크로매틱 액정 편광 격자들 및 관련된 제조 방법들{Multi-layer achromatic liquid crystal polarization gratings and related fabrication methods}
본 발명은 편광 격자들(polarization gratings) 및 관련된 제조 방법들에 관한 것이다.
본 출원은 2007년 04월 16일에 출원되고, 제목이 "Multi-layer achromatic liquid crystal polarization gratings and related fabrication methods"인 미국 임시 특허 출원 번호 제60/912,039호에 대하여 우선권을 주장하고, 상기 미국 임시 특허 출원 번호 제60/912,039호는 전체로써 본 명세서에 참조 병합된다.
액정들은 질서 있게 배열된 분자들이 존재하는 액체들을 포함할 수 있다. 일반적으로, 액정(liquid crystal, LC) 분자들은 이방성일 수 있는데, (막대와 같이) 길게 늘어난 형태 또는 (디스크와 같이) 평평한 형태를 갖는다. 이방성 분자들의 배열의 결과로서, 벌크(bulk) 액정은 종종 그 물리적인 특성들에서도 이방성을 나타내는데, 예를 들어, 그 기계적, 전기적, 자기적, 및/또는 광학적 특성들에서 이방성을 나타낸다.
막대 모양 또는 디스크 모양인 특성으로 인하여, 액정 분자들의 방 위(orientation)의 분포는 액정 디스플레이들(liquid crystal displays, LCD)과 같은 광학적 응용장치들에서 중요한 역할을 할 수 있다. 이러한 응용장치들에서, 액정 배향(alignment)은 배향 표면에 의해 결정될 수 있다. 배향 표면은, 액정이 표면에 대해 예측 가능하고 제어 가능한 방식으로 배향되도록 처리될 수 있다. 많은 경우들에서, 이러한 배향 표면은 액정 소자 전체에 걸쳐서 단일한 도메인(domain)을 보장할 수 있다. 처리된 배향 표면이 없는 경우에는, 액정은 많은 도메인들 및/또는 방위의 많은 불연속들을 가질 수 있다. 광학적 응용장치들에서, 이러한 도메인들 및 불연속들은 광의 산란을 유발할 수 있고, 이것은 디스플레이의 성능 저하를 이끈다.
편광 격자들(polarization gratings)은 (종래의 격자들이 위상 또는 진폭에 영향을 끼치는 것과 반대로) 이들을 통하여 이동하는 광의 국부적 편광 상태에 주기적으로 영향을 끼치는 데에 사용될 수 있다. 예를 들어, 스위칭 가능한(switchable) 액정 편광 격자들(liquid crystal polarization gratings, LCPG)은 편광되지 않은 광 상에서 동작할 수 있는 강도 변조기(intensity modulator)를 구현하는데 이용될 수 있다. 더욱 상세하게는, 이러한 스위칭 가능한 액정 편광 격자들은 예를 들어, 프로젝션(projection) 디스플레이들 및 광 셔터들(light-shutters)을 포함하는 응용장치들에서, (레이저와 같이) 상대적으로 좁은 대역폭을 가지는 편광되지 않은 광의 상대적으로 높은 콘트라스트(contrast) 변조를 달성하는 데에 이용될 수 있다. 예를 들어, 종래의 일부 액정 편광 격자들은 5% 미만의 대역폭을 가지는 광에 대하여 0차(0th order)에서 약 200:1 보다 큰 콘트라스트 비 율로 광을 변조할 수 있다. 그러나, 종래의 액정 편광 격자들의 콘트라스트 변조는 (발광 다이오드들로부터의 광과 같은) 넓은 대역의 광을 변조하는 데에 적용될 경우에 저하될 수 있는데, 이는 많은 응용장치들에서 중요할 수 있다.
본 발명의 일부 실시예들에 따르면, 다층 편광 격자는 제1 편광 격자 층, 상기 제1 편광 격자 층 상의 제2 편광 격자 층, 및 상기 제2 편광 격자 층 상의 제3 격자 층을 포함하고, 이에 따라 상기 제2 편광 격자 층은 상기 제1 편광 격자 층과 상기 제3 편광 격자 층 사이에 위치한다. 상기 제2 편광 격자 층은 상기 제1 편광 격자 층과 제2 편광 격자 층 사이의 계면을 따라 상기 제1 편광 격자 층의 제1 주기적 분자 구조에 대해 오프셋(offset) 되는 제2 주기적 분자 구조를 가진다.
일부 실시예들에 있어서, 상기 제3 편광 격자 층은 상기 제2 편광 격자 층과 상기 제3 편광 격자 층 사이의 계면을 따라 상기 제2 편광 격자 층의 상기 제2 주기적 분자 구조에 대해 오프셋 되는 제3 주기적 분자 구조를 가질 수 있다. 상기 제1 및 제2 편광 격자 층들의 상기 주기적 분자 구조들은 제1 상대적 각도 천이만큼 위상이 어긋날 수 수 있고, 상기 제2 및 제3 편광 격자 층들의 상기 주기적 분자 구조들은 제2 상대적 각도 천이만큼 위상이 어긋날 수 있다. 예를 들어, 상기 제2 편광 격자 층 내의 국부적인 네마틱 방향자의 방위는 상기 제1 편광 격자 층 내의 국부적인 네마틱 방향자의 방위에 대해 상기 제1 각도 천이를 가질 수 있고, 상기 제3 편광 격자 층 내의 국부적인 네마틱 방향자의 방위는 상기 제2 편광 격자 층 내의 상기 국부적이 네마틱 방향자의 방위에 대해 상기 제2 각도 천이를 가질 수 있다.
다른 실시예들에 있어서, 상기 제3 주기적 분자 구조는 상기 제2 편광 격자 층과 상기 제3 편광 격자 층 사이의 상기 계면을 따라 상기 제2 주기적 분자 구조에 대해 반대로 오프셋 될 수 있다. 예를 들어, 상기 제2 각도 천이는, 상기 제1 주기적 분자 구조와 상기 제3 주기적 분자 구조가 동위상(in phase)일 수 있도록 상기 제1 각도 천이의 대각일 수 있다. 상기 제1 각도 천이는 0° 보다 크지만 180°보다 작을 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 각도 천이는 약 +55°내지 약 +56°일 있고, 상기 제2 각도 천이는 약 -55° 내지 약 -56°일 수 있다. 다른 실시예들에 있어서, 상기 제3 편광 격자 층의 상기 제3 주기적 분자 구조는 상기 제1 편광 격자 층의 상기 제1 주기적 분자 구조에 대해 위상이 어긋날 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 상기 다층 편광 격자는 상기 제1 편광 격자 층과 상기 제2 편광 격자 층 사이의 상기 제1 편광 격자 층 상에 위치하는 제1 카이랄(chiral) 중합성(polymerizable) 액정 층을 더 포함할 수 있다. 상기 제1 카이랄 중합성 액정 층은, 상기 제2 편광 격자 층의 상기 제2 주기적 분자 구조가 상기 제1 편광 격자 층의 상기 제1 주기적 분자 구조에 대해 상기 제1 각도 천이만큼 천이되도록 구성될 수 있다.
다른 실시예들에 있어서, 상기 다층 편광 격자는 상기 제3 편광 격자 층과 상기 제2 편광 격자 층 사이에서 상기 제3 편광 격자 층 상에 위치하는 제2 카이랄 중합성 액정 층을 더 포함할 수 있다. 상기 제1 및 제2 카이랄 중합성 액정 층들은 그 안에 카이랄 분자들을 각각 포함할 수 있다. 상기 제2 카이랄 중합성 액정 층의 상기 카이랄 분자들은 상기 제1 카이랄 중합성 액정 층의 상기 카이랄 분자들에 대해 반대되는 방향성(handedness)을 가질 수 있고, 이에 따라 상기 제2 카이랄 중합성 액정 층은 상기 제3 편광 격자 층의 상기 제3 주기적 분자 구조를 상기 제2 편광 격자 층의 상기 제2 주기적 분자 구조에 대해 상기 제2 각도 천이만큼 역으로 천이시키도록 구성될 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 상기 제1 카이랄 중합성 액정 층은 그것의 대향하는 면들 사이의 두께에 걸쳐서 약 +55도의 트위스트(twist)를 가질 수 있고, 상기 제2 카이랄 중합성 액정 층은 그것의 대향하는 면들 사이의 두께에 걸쳐서 약 -55도의 트위스트를 가질 수 있다.
다른 실시예들에 있어서, 상기 다층 편광 격자는 상기 제1 편광 격자 층 상에 위치하고 제1 전극을 포함하는 제1 기판, 및 상기 제3 편광 격자 층 상에 위치하고 제2 전극을 포함하는 제2 기판을 더 포함할 수 있다. 상기 제2 편광 격자 층은 비반응성 액정 층일 수 있다. 예를 들어, 상기 제2 편광 격자 층은 네마틱 액정 층일 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 상기 제2 편광 격자 층은 중합성 액정 층일 수 있다.
본 발명의 다른 실시예들에 따르면, 다층 편광 격자의 제조 방법은 제1 편광 격자 층을 형성하는 단계, 상기 제1 편광 격자 층 상에 제2 편광 격자 층을 형성하는 단계, 및 상기 제2 편광 격자 층 상에 제3 편광 격자 층을 형성하는 단계를 포함하고, 이에 따라 상기 제2 편광 격자 층은 상기 제1 편광 격자 층과 상기 제3 편광 격자 층 사이에 위치한다. 상기 제2 편광 격자 층은 상기 제1 편광 격자 층과 제2 편광 격자 층 사이의 계면을 따라 상기 제1 편광 격자 층의 제1 주기적 분자 구조에 대해 오프셋 되는 제2 주기적 분자 구조를 가진다.
일부 실시예들에 있어서, 상기 제3 편광 격자 층은 상기 제2 편광 격자 층과 상기 제3 편광 격자 층 사이의 계면을 따라서 상기 제2 주기적 분자 구조에 대해 오프셋 되는 제3 주기적 분자 구조를 가질 수 있다. 상기 제2 편광 격자 층은, 상기 제1 및 제2 편광 격자 층들의 주기적 분자 구조들이 제1 상대적 각도 천이에 의해 위상이 어긋나도록 형성될 수 있다. 상기 제3 편광 격자 층은, 상기 제2 및 제3 편광 격자 층들의 주기적 분자 구조들이 제2 상대적 각도 천이에 의해 위상이 어긋나도록 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 제2 편광 격자 층 내의 국부적인 네마틱 방향자의 방위는 상기 제1 편광 격자 층 내의 국부적인 네마틱 방향자의 방위에 대해 상기 제1 각도 천이를 가질 수 있고, 상기 제3 편광 격자 층 내의 국부적인 네마틱 방향자의 방위는 상기 제2 편광 격자 층 내의 상기 국부적인 네마틱 방향자의 방위에 대해 상기 제2 각도 천이를 가질 수 있다.
다른 실시예들에 있어서, 상기 제3 편광 격자 층은, 상기 제3 주기적 분자 구조가 상기 제2 편광 격자 층과 상기 제3 편광 격자 층 사이의 상기 계면을 따라 상기 제2 주기적 분자 구조에 대해 반대로 오프셋 되도록 상기 제2 편광 격자 층 상에 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 제2 각도 천이는, 상기 제1 주기적 분자 구조와 상기 제3 주기적 분자 구조가 동위상이 될 수 있도록 상기 제1 각도 천이의 대각일 수 있다. 상기 제1 각도 천이는 0°보다 크지만 180°보다 작을 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 각도 천이는 약 +55°내지 약 +56°일 수 있고, 상기 제2 각도 천이는 약 -55°내지 약 -56°일 수 있다. 다른 실시예들에 있어서, 상기 제3 편광 격자 층은, 상기 제3 주기적 분자 구조가 상기 제1 편광 격자 층의 상기 제1 주기적 분자 구조에 대해 위상이 어긋나도록 형성될 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 제1 카이랄 중합성 액정 층은 그 위에 상기 제2 편광 격자 층을 형성하는 단계를 수행하기에 앞서 상기 제1 편광 격자 층 상에 형성될 수 있다. 상기 제1 카이랄 중합성 액정 층은, 상기 제2 편광 격자 층의 상기 제2 주기적 분자 구조가 상기 제1 편광 격자 층의 상기 제1 주기적 분자 구조에 대해 상기 제1 각도 천이만큼 천이되도록 구성될 수 있다.
다른 실시예들에 있어서, 제2 카이랄 중합성 액정 층은 상기 제3 편광 격자 층 상에 형성될 수 있다. 상기 제1 및 제2 카이랄 중합성 액정 층들은 그 안에 카이랄 분자들을 각각 포함할 수 있다. 상기 제2 카이랄 중합성 액정 층의 상기 카이랄 분자들은 상기 제1 카이랄 중합성 액정 층의 상기 카이랄 분자들에 대해 반대편의 방향성을 가질 수 있고, 이에 따라 상기 제2 카이랄 중합성 액정 층은 상기 제3 편광 격자 층의 상기 제3 주기적 분자 구조를 상기 제2 편광 격자 층의 상기 제2 주기적 분자 구조에 대해 상기 제2 각도 천이만큼 역으로 천이시키도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 카이랄 중합성 액정 층은 그것의 대향하는 면들 사이의 두께에 걸쳐서 약 +55도의 트위스트를 가질 수 있고, 상기 제2 카이랄 중합성 액정 층은 그것의 대향하는 면들 사이의 두께에 걸쳐서 약 -55도의 트위스트를 가질 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 상기 제2 카이랄 중합성 액정 층이 상기 제2 편광 격자 층 상에 형성될 수 있고, 이어서 상기 제3 편광 격자 층이 상기 제2 카이랄 중합성 액정 층 상에 형성될 수 있다. 상기 제2 편광 격자 층은 반응성 메조겐(mesogen) 층일 수 있다.
다른 실시예들에 있어서, 상기 제2 카이랄 중합성 액정 층은 상기 제2 편광 격자 층을 형성하는 단계를 수행하기에 앞서 상기 제3 편광 격자 층 상에 형성될 수 있다. 상기 제1 카이랄 중합성 액정 층과 상기 제2 카이랄 중합성 액정 층 사이의 간격(gap)을 정의하도록, 그 위에 상기 제2 카이랄 중합성 액정 층을 포함하는 상기 제3 편광 격자 층은, 그 위에 상기 제1 카이랄 중합성 액정 층을 포함하는 상기 제1 편광 층에 인접하게 조립될 수 있다. 상기 제2 편광 격자 층은 비반응성 액정 층일 수 있고, 상기 제2 편광 격자 층의 상기 제2 주기적 분자 구조가 상기 제1 주기적 분자 구조에 대해 상기 제1 각도 천이에 의해 천이될 수 있고, 상기 제3 주기적 분자 구조에 대해 상기 제2 각도 천이에 의해 천이될 수 있도록, 상기 제1 카이랄 중합성 액정 층과 상기 제2 카이랄 중합성 액정 층 사이의 상기 간격 내에 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 제2 편광 격자 층은 네마틱 액정 층일 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 상기 제1 편광 층은 제1 전극을 포함하는 제1 기판 상에 형성될 수 있고, 상기 제3 편광 층은 제2 전극을 포함하는 제2 기판 상에 형성될 수 있다. 상기 제1 카이랄 중합성 액정 층과 상기 제2 카이랄 중합성 액정 층 사이의 상기 간격을 정의하도록, 상기 제1 기판은 상기 제2 기판에 인접하게 조립될 수 있다. 상기 제1 카이랄 중합성 액정 층과 상기 제2 카이랄 중합성 액정 층 사이의 상기 간격은 약 반파장 지연 두께일 수 있다.
일부 실시예들에 따른 다른 소자들 및/또는 제조 방법들은 후술되는 도면들 및 상세한 설명의 검토를 통하여 본 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백하게 될 것이다. 모든 추가적인 방법들 및/또는 소자들은 본 설명 내에 포함되고, 본 발명의 범위 내이고, 첨부되는 청구항들에 의해 보호되는 것으로 의도된다.
도 1a는 본 발명의 일부 실시예들에 따른 다층 편광 격자들을 나타내는 사시도이다.
도 1b는 본 발명의 일부 실시예들에 따른 다층 편광 격자들에 대한 네마틱 방향자(director)의 프로파일들(profiles)을 x-y 평면에 나타내는 조감도이다.
도 2a는 종래의 단일 편광 격자의 동작 대역폭을 나타내는 그래프이다.
도 2b는 본 발명의 일부 실시예들에 따른 다층 편광 격자들의 동작 대역폭을 나타내는 그래프이다.
도 3 및 4는 본 발명의 일부 실시예들에 따른 다층 편광 격자들의 동작 특성을 나타내는 그래프들이다.
도 5a 내지 5e는 본 발명의 일부 실시예들에 따른 다층 편광 격자들의 제조 방법들을 나타내는 횡단면도들이다.
도 6a 내지 6c는 본 발명의 다른 실시예들에 따른 다층 편광 격자들의 제조 방법들을 나타내는 횡단면도들이다.
이하에서는 본 발명의 실시예들이 도시된 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명을 더욱 상세하게 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 다양한 형태들로 실시될 수 있으며, 본 명세서에서 상술한 실시예들에 한정하는 것으로서 해석되는 것은 아니다. 오히려, 이러한 실시예들은 본 명세서의 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 범위를 완전하게 전달하기 위하여 제공될 것이다. 도면에서 층들의 두께와 영역들은 명확성을 위하여 과장될 수 있다. 전체에 걸쳐 동일한 참조부호들은 동일한 구성요소들을 지칭한다.
본 명세서에서 제1, 제2, 제3 등의 용어가 다양한 부재들, 요소들, 영역들, 층들 및/또는 섹션들을 설명하기 위하여 사용되지만, 이러한 부재들, 요소들, 영역들, 층들 및/또는 섹션들은 이러한 용어들에 의해 한정되어서는 아니 되는 것으로 이해될 수 있다. 이러한 용어들은 하나의 부재, 요소, 영역, 층 또는 섹션을 다른 영역, 층 또는 섹션과 구별하기 위하여만 사용된다. 그러므로, 이하에서 설명되는 제1 부재, 요소, 영역, 층 또는 섹션은 본 발명의 가르침들로부터 벗어나지 않고서도 제2 부재, 요소, 영역, 층 또는 섹션으로 정의될 수 있다.
"바로 아래의", "아래의", "하의", "하부의", "위의", "상부의" 등과 같은 공간적으로 상대적인 용어들은 도면들에서 도해되는 것처럼 다른 부재(들) 또는 형상(들)에 대한 어떤 부재 또는 형상의 관계를 기술하기 위하여 설명의 편이상 본 명세서에서 사용될 수 있다. 이러한 공간적으로 상대적인 용어들은 도면들에서 묘 사되는 방위에 추가하여 사용이나 동작에서 소자의 다른 방위들을 포함하는 것을 의도한다고 이해될 수 있다. 예를 들어, 도면에서 소자가 뒤집어지면, 다른 부재들 또는 형상들의 "아래의" 또는 "바로 아래의" 또는 "하부의"로 기재된 부재들은 상기 다른 부재들 또는 형상들의 "위의" 방향으로 방위될 것이다. 그러므로, 예시적인 용어들인 "아래의" 및 "하부의"는 윗 방향과 아랫 방향 모두를 포함할 수 있다. 그렇지 않으면 상기 소자는 (90도 또는 다른 방위들로 회전되어) 방위될 수 있고, 본 명세서에서 사용되는 공간적으로 상대적인 기술어들은 그에 따라서 이해된다. 또한, 어떤 층이 두 층들의 "사이에" 위치하는 것으로 언급된 경우, 상기 두 층들 사이에 오직 그 층만이 있을 수도 있고, 또한 그 사이에 개재되는 하나 또는 그 이상의 층들이 존재할 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
본 명세서에서 사용된 용어는 특정 실시예들을 설명하기 위하여만 사용되며, 본 발명을 제한하기 위한 것이 아니다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 단수 형태인 "a", "an" 및 "the"는 문맥상 다른 경우를 분명히 지적하는 것이 아니라면, 복수의 형태를 포함할 수 있다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 경우 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급한 형상들, 숫자들, 단계들, 동작들, 부재들 및/또는 요소들의 존재를 특정하는 것이며, 하나 또는 이상의 다른 형상들, 숫자들, 단계들, 동작들, 부재들, 요소들 및/또는 그들의 그룹들의 존재 또는 부가를 배제하는 것이 아니다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 용어 "및/또는"은 해당 열거된 항목 중 어느 하나 또는 그 이상의 모든 조합들을 포함한다.
하나의 요소 또는 층이 다른 요소 또는 층 "상에", "연결되어", "커플링되어", 또는 "인접하여" 위치하는 것으로 언급될 때는, 상기 요소 또는 층이 직접적으로 요소 또는 층 상에, 연결되어, 커플링되어 또는 인접하여 위치하거나, 그 사이에 개재되는 또 다른 요소들 또는 층들이 존재할 수도 있는 것으로 이해될 수 있다. 반면에, 하나의 요소가 다른 요소 또는 층의 "직접적으로 상에", "직접적으로 연결되어", "직접적으로 커플링되어", 또는 "직접 인접하여" 위치하는 것으로 언급될 때는, 그 사이에 개재되는 다른 요소 또는 층들이 존재하지 않는다고 해석된다.
본 발명의 실시예들은 본 명세서에서 본 발명의 이상화된 실시예들(및 중간 구조들)의 개략적인 예시들인 단면도 예시들을 참조하여 설명된다. 이러한, 상기 예시들의 형태들로부터 변형에 따라, 예를 들어, 제조 기술들 및/또는 허용 오차들과 같은 결과들이 예측될 것이다. 그러므로, 본 발명의 실시예들은 여기서 예시된 영역들의 특별한 형태들에 의해 한정되어 해석되어서는 안되고, 예를 들어, 제조로부터의 결과인 형태들에서 이탈들을 포함한다. 그러므로, 도면들에서 예시된 영역들은 사실상 개략적이고, 그것들의 형태들은 장치의 영역의 정확한 형태를 예시하기 위한 것으로 의도되지 않고, 본 발명의 범위를 제한하기 위한 것으로 의도되지 않는다.
달리 정의된 것이 아니라면, 본 명세서에서 사용되는 (기술적 및 과학적 용어를 포함하는) 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가지는 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 것과 동일한 의미를 갖는다. 또한, 공통적으로 이용되는 사전들에 정의된 바와 같은 용어들은, 관련 기술의 문맥 및/또는 본 명세서의 문맥에서 갖는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하고, 본 명세서에서 명시적으로 정의된 것이 아닌 한 이상적으로 또는 지나치게 형식적인 의미로 해석되어서는 아니 된다.
본 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 명세서에서 사용된 "투과형(transmissive)" 또는 "투명(transparent)" 기판은 입사광의 적어도 일부가 그것을 통해 통과하도록 허용할 수 있다는 점을 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 일부 실시예들에서 투명 기판은 유리 기판일 수 있다. 반면에, 본 명세서에서 사용된 "반사형(reflective)" 기판은 입사광의 적어도 일부를 반사할 수 있다. 또한, "중합성(polymerizable) 액정들"은 중합될 수 있는 상대적으로 낮은 분자 무게를 가지는 액정 물질들을 지칭할 수 있고, 또한, 본 명세서에서 "반응성 메소겐들(reactive mesogens)"으로 기술될 수 있다. 반면에, "비반응성(non-reactive) 액정들"은 중합되지 않을 수 있는 상대적으로 낮은 분자 무게를 가지는 액정 물질들을 지칭할 수 있다.
본 명세서에서 본 발명의 실시예들은 액정 물질들 및 그것들로 구성되는 편광 격자들을 참조하여 설명된다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 액정들은 네마틱 상(nematic phase), 카이랄 네마틱(chiral nematic) 상, 스멕틱(smectic) 상, 및/또는 강유전체(ferroelectric) 상을 가질 수 있다. 또한, 다수의 광 중합성(photopolymerizable) 중합체들은, 본 명세서에서 설명된 편광 격자들을 생성하기 위하여 배향 층들로 이용될 수 있다. 광 중합성에 추가적으로, 이러한 물질들은 액정에 대해 불활성일 수 있고, 액정 소자의 동작 온도들의 범위(예를 들어, 약 -50 ℃에서 약 100 ℃까지)에 걸쳐서 안정된 배향을 제공할 것이고, 또한, 본 명세서에서 설명된 제조 방법들과 호환 가능할 것이다. 광 중합성 중합체들의 일부 예들은 폴리이미드들(polyimides)(예를 들어, JSR Micro 사(써니베일, 캘리포니아)로부터 상업적으로 이용 가능한 AL 1254), Brewer Science 사(Rolla, Mo.)로부터 이용 가능한 Nissan RN-1199, 및 시나메이트들(cinnamates)(예를 들어, 스카트(M. Schadt) 등이 Jpn. J. Appl. Phys., Vol. 31 (1992), pp. 2155-2164에 개시한 "Surface-Induced Parallel Alignment of Liquid Crystals by Linearly Polymerized Photopolymers"에 기술된 바와 같은 폴리비닐(polyvinyl) 4-메톡시(methoxy)-시나메이트)이다. 광 중합성 중합체들의 다른 예는 Vantico 사(로스앤젤레스, 캘리포니아)로부터 상업적으로 이용 가능한 Staraligm.TM.이다. 또 다른 예들은 최동훈과 동료들이 Bull. Korean Chem. Soc, Vol. 23, No. 4 587 (2002)에 개시한 "Photo-alignment of Low-molecular Mass Nematic Liquid Crystals on Photochemically Bifunctional Chalcone-epoxy Film by Irradiation of a Linearly Polarized UV"에 개시된 것들과 같은 칼콘(chalcone)-에폭시(epoxy) 물질들, 리(M. Ree)와 동료들이 Synth. Met., Vol. 117(1-3), pp. 273-5 (2001)에 개시한 "Alignment behavior of liquid-crystals on thin films of photosensitive polymers -Effects of photoreactive group and UV-exposure"에 개시된 것들과 같은 쿠마린 사이드 체인 폴리이미드들(coumarin side chain polyimides)을 포함한다(이러한 물질들을 가지고 액정은 편광 방향에 거의 수직으로 배향된다). 또한, 액정 배향의 방법들에 대한 추가적인 예들은 크로포드(Crawford) 등의 미국 특허 등록 번호 제7,196,758호에 개시된다. 또한, 본 명세서에 기재된 일부 구조들은 스핀 코팅 프로세스들과 액정 물질들의 균형을 통한 정확한 제조를 포함할 수 있다. 본 발명의 일부 실시예들의 이용에 대한 추가적인 구조들 및/또는 방법들은 에스쿠티(Escuti) 등의 PCT 공개 번호 제2006/092758호에서 논의되고, 상기 특허에 개시된 내용은 전체로써 본 명세서에 참조 병합된다.
본 발명의 일부 실시예들은, 편광 격자들을 이용하여 높은 콘트라스트의 어크로매틱 회절(achromatic high contrast diffraction)을 달성할 수 있는 방법들 및 소자들을 제공한다. 더욱 상세하게는, 본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 세 개의 편광 격자들은 그들 사이에 소정의 위상 천이(phase shift)을 제공하도록 서로 라미네이트될(laminated) 수 있다. 예를 들어, 제1 비반응성 액정 층은 두 개의 반응성 메조겐 층들 사이에 라미네이트될 수 있고, 이에 따라 상기 액정 층의 주기적 분자 방위(periodic molecular orientation)는 상기 반응성 메조겐 층들의 주기적 분자 방위들에 대해 약 55° 내지 약 56°의 각도 천이에 의해 오프셋 된다. 또한, 0°보다 크고 180°보다 작은 범위에 걸친 다른 각도 천이들도 이용될 수 있다. 또한, 일부 실시예들에서, 제1 편광 격자 층과 제2 편광 격자 층 사이의 각도 천이는 제2 편광 격자 층과 제3 편광 격자 층 사이의 각도 천이와 다른 값일 수 있다. 그것으로서, 격자는 스위칭 가능할 수 있고, 액정 디스플레이(LCD)에서의 이용에 적합한 공간 광 변조기를 제공할 수 있다. 이와 반대로, 단일 층의 편광 격자는 편광되지 않은 광을 변조할 수 있기는 하지만, 그것의 높은 콘트라스트 동작은 매우 좁은 입력 광으로 제한될 수 있다. 그러므로, 많은 응용장치들에서 넓은 대역의 광이 존재함에 따라, 본 발명의 일부 실시예들은 기존의 기술들에 비해 실질적 더 높은 콘트라스트 및/또는 휘도를 제공하는데 이용될 수 있다.
도 1a는 본 발명의 일부 실시예들에 따른 다층 편광 격자를 나타낸다. 도 1a에 도시된 바와 같이, 제1 편광 격자 층(PG1, 101), 제2 편광 격자 층(PG2, 102), 및 제3 편광 격자 층(PG3, 103)은 서로 라미네이트되어 다층 구조(105)를 형성한다. 제2 편광 격자 층(PG2, 102)는 제1 편광 격자 층(PG1, 101)과 제3 편광 격자 층(PG3, 103) 사이에 위치하지만, 제2 편광 격자 층(PG2, 102)의 주기적 분자 구조는 제1 편광 격자 층(PG1, 101) 및/또는 제3 편광 격자 층(PG3, 103)의 주기적 분자 구조들에 대해 격자 벡터(grating vector)를 따라서 측방향으로 오프셋 되거나 "천이(shifted)"된다. 더욱 상세하게는, 제1 편광 격자 층(PG1, 101) 및/또는 제3 편광 격자 층(PG3, 103)에 대한 제2 편광 격자 층(PG2, 102)의 공간적 차이는, 편광 격자 층들 사이의 계면에 의해 정의되는 평면을 따라서 국부적인 네마틱 방향자(nematic director)의 방위의 각도 천이(
Figure 112009069478377-pct00001
)를 제공한다. 다시 말해, 중간의 편광 격자 층(PG2, 102)의 주기적 분자 구조는, 평행하게 배향되어 있을 수 있는 외곽의 편광 격자 층들(PG1, PG3)(101, 103) 중 적어도 하나의 주기적 분자 구조들에 대해 위상이 어긋나게(out of phase) 천이된다. 도 1b에 도시된 바와 같이, 제2 편광 격자 층(PG2, 102)의 네마틱 방향자의 방위의 위상 천이 또는 각도 천이(
Figure 112009069478377-pct00002
)은 x-y 평면에서 약 55°이다. 다층 구조(105)에 의해 변조될 수 있는 광의 대역폭을 증가시키기 위하여, 각도 천이(
Figure 112009069478377-pct00003
)는 편광 격자 층들(PG1, PG2, PG3)(101, 102, 103) 사이의 상대적인 공간적 차이들을 기초로 하여 조절될 수 있다. 각 편광 격 자(101, 102, 및/또는 103)의 격자 피치(pitch)는 약 10 마이크로미터(μm)일 수 있고, 그래서, 각도 천이(
Figure 112009069478377-pct00004
)는 제어하기가 다소 어려울 수 있다. 또한, 편광 격자들(PG1, PG2, PG3)(101, 102, 103) 사이의 (약 수십 나노미터의) 간격들도 다층 편광 격자 구조(105)의 동작 대역폭 및/또는 효율에 영향을 미칠 수 있다는 점에 유의하여야 한다.
도 2a 및 2b는 종래의 단일 편광 격자 디자인들(도 2a)과 본 발명의 일부 실시예들에 따른 다층 편광 격자들(도 2b) 사이의 동작 밴드갭에서의 차이점들을 나타내는 시뮬레이션 결과들의 예들이다. 도 2a 및 2b의 시뮬레이션 결과들은 존스 계산식(Jones Calculus)를 이용하여 2×2 전달 행렬 계산법들을 가지고, 또한, 광학적 회절을 모델링하기 위한 시간영역 유한 차분법(finite-difference time-domain, FDTD) 기술들을 이용하여 계산되었다. 도 2b에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일부 실시예들에 따른 다층 편광 격자들의 동작 대역폭은 도 2a의 종래의 단일 편광 격자에 비해서 약 1200%의 증가를 제공할 수 있다. 더욱 상세하게는, 도 2a의 단일 편광 격자는 빗금 친 부분(205)으로 나타난 바와 같이, 약 633 nm의 소정의 파장 또는 중심 파장(
Figure 112009069478377-pct00005
)에 대하여 약 575 nm 내지 약 618 nm의 파장 범위에 걸쳐서 (예를 들어, 98%보다 큰 효율로) 광의 높은 콘트라스트 변조를 제공한다. 그러나, 도 2b의 다층 편광 격자는 빗금 친 부분(210)으로 나타난 바와 같이, 약 633 nm의 소정의 파장 또는 중심 파장(
Figure 112009069478377-pct00006
)에 대하여 훨씬 넓은 파장 범위, 즉, 약 432 nm에서 약 985 nm까지의 파장 범위에 걸쳐서 광의 높은 콘트라스트 변조를 제공한다. 그러므로, 본 발명의 일부 실시예들에 따른 다층 편광 격자들은 종래의 편광 격자들에 비해 향상된 대역폭을 제공할 수 있다.
도 3a는 본 발명의 일부 실시예들에 따른 다층 편광 격자들의 다양한 각도 천이들에 대한 스펙트럼 응답들을 나타낸다. 더욱 상세하게는, 도 3a는 (파형(310)으로 표현되는) 종래의 단일 층 편광 격자에 대하여, (각각 파형들(301, 302, 303, 304, 및 305)로 표현되는) 각각 0°, 22.5°, 45°, 67.5° 및 90°의 각도 천이들(
Figure 112009069478377-pct00007
)을 가지는 서로 다른 5개의 다층 편광 격자들의 회절 효율을 나타낸다. 도 3a에 도시된 바와 같이, (파형들(301, 302)로 나타나는) 약 45°미만의 각도 천이들(
Figure 112009069478377-pct00008
)의 경우, 대응하는 다층 편광 격자들의 스펙트럼 응답은 (파형(310)으로 나타나는) 단일 층 편광 격자보다 빠르게 진동하고(oscillate), 이로써 단일 층 편광 격자의 경우 동작 대역폭에서 성능 저하가 생긴다. 그러나, (파형들(303, 304)로 나타나는) 약 45°와 약 90°사이의 각도 천이들(
Figure 112009069478377-pct00009
)의 경우, 대응하는 다층 편광 격자들의 스펙트럼 응답은 파형(310)으로 도시되는 단일 층 편광 격자보다 상당히 넓다. 그것으로서, 약 45°와 약 90°사이의 각도 천이들(
Figure 112009069478377-pct00010
)을 가지는 다층 편광 격자들은 단일 편광 격자보다 큰 회절 효율을 제공할 수 있다.
도 3b는 본 발명의 일부 실시예들에 따른 다층 편광 격자들에서 각도 천이(
Figure 112009069478377-pct00011
)와 (중심 파장(
Figure 112009069478377-pct00012
)에 대한 비율로써의) 동작 대역폭 사이의 관계들을 나타낸다. (파장 단위로 표현된) 스펙트럼 범위(
Figure 112009069478377-pct00013
)는 총 1차 회절(
Figure 112009069478377-pct00014
)이 99.5% 이상인 파장들의 범위를 나타낸다. (% 단위로 표현된) 정규화된 대역폭(
Figure 112009069478377-pct00015
)은 중심 파장(
Figure 112009069478377-pct00016
)에 대한 스펙트럼 범위의 비율로서 정의된다. 도 3b에 도시된 바와 같이, 중심 파장(
Figure 112009069478377-pct00017
)의 약 90%에 이르는 최대 대역폭(
Figure 112009069478377-pct00018
)(325)은 약 55°의 각도 천 이(
Figure 112009069478377-pct00019
)에서 발생된다. 반대로, 종래의 단일 편광 격자에 대한 최대 대역폭(
Figure 112009069478377-pct00020
)(330)은 파장(
Figure 112009069478377-pct00021
)의 약 6.8%이다.
도 4는 종래의 단일 편광 격자에 대한 본 발명의 일부 실시예들에 따른 약 55°의 각도 천이(
Figure 112009069478377-pct00022
)를 가지는 다층 편광 격자의 스펙트럼 응답에서 차이들을 나타낸다. 더욱 상세하게는, 도 4에 도시된 바와 같이, 약 55°의 각도 천이(
Figure 112009069478377-pct00023
)을 가지는 다층 편광 격자에 대한 (파형(405)으로 나타나는) 1차 회절 효율(
Figure 112009069478377-pct00024
)은, 더 넓은 스펙트럼 응답으로 증명된 바와 같이, 단일 편광 격자의 (파형(410)으로 표시되는) 1차 회절 효율(
Figure 112009069478377-pct00025
)보다 상당히 크다. 그러나, 각도 천이(
Figure 112009069478377-pct00026
)는 일부 실시예들에서, 예를 들어, 서로 다른 액정 물질들의 이용 및/또는 서로 다른 복굴절 값들을 기초로 하여 변경될 수 있다는 점을 이해하여야 한다. 예를 들어, 일부 실시예들에서, 각도 천이(
Figure 112009069478377-pct00027
)는 0°보다 크지만 180°보다 작을 수 있다. 그러므로, 본 발명의 일부 실시예들에 따른 다층 편광 격자들은 종래의 단일 편광 격자들에 비해 동작 대역폭에서 상당한 개선을 제공할 수 있다.
도 5a 내지 5e는 본 발명의 일부 실시예들에 따른 다층 편광 격자들의 제조 방법들을 나타내는 횡단면도들이다. 도 5a를 참조하면, 기판(500) 상에 제1 편광 격자(PG1, 501)가 형성된다. 예를 들어, 제1 편광 격자(PG1, 501)는 홀로그래피 기술들을 이용하여 투과형 또는 투명 기판(500) 상에 형성될 수 있다. 제1 편광 격자(PG1, 501)는 중합성(polymeriable) 액정 편광 격자 층 층일 수 있다. 도 5b에 도시된 바와 같이, 제1 편광 격자(PG1, 501) 상에 상대적으로 얇은 카이랄(chiral) 중합성 액정 층(C1, 505)이 형성된다. 예를 들어, 일부 실시예들에서, 층(C1, 515)은 약 +55°의 트위스트(twist)를 가지는 얇은 카이랄 중합성 액정 층일 수 있다. 다시 말해, 층(C1, 515)은 카이랄 분자(즉, 서로 다른 왼손 방향 형태 및 오른손 방향 형태를 가지는 비대칭 분자)로 도핑될 수 있고, 이에 따라 층(C1, 515) 내의 분자들의 방위는, (도 5e에 나타난 바와 같이) 층(C1, 515)의 대향하는 면들 사이의 두께(d1)에 걸쳐서 약 55°의 각도(
Figure 112009069478377-pct00028
)로 "트위스트" 될 수 있다. 도 5c에 도시된 바와 같이, 제2 편광 격자(PG2, 502)는 카이랄 중합성 액정 층(C1, 515) 상에 조립된다. 그것으로서, 제2 편광 격자(PG2, 502)는 층(C1, 515) 내의 카이랄 트위스트의 양을 기초로 하여 제1 편광 격자(PG1, 501)에 대해 동위상(in phase)으로 천이될 수 있다. 또한, 상대적인 각도 천이(
Figure 112009069478377-pct00029
)의 양은 제1 편광 격자(PG1, 501) 및 제2 편광 격자(PG2, 502) 사이의 거리에 의존할 수 있는데, 다시 말해, 층(C1, 515)의 두께를 기초로 할 수 있다. 도 5d에 도시된 바와 같이, 층(C1, 515)에 대해 반대 방향성을 가지는 상대적으로 얇은 카이랄 중합성 액정 층(C2, 525)이 제2 편광 격자(PG2, 502) 상에 형성된다. 예를 들어, 일부 실시예들에서, 층(C2, 525)은 층(C2, 525)의 대향하는 면들 사이의 두께(d2)에 걸쳐서 약 -55°의 트위스트를 가지는 얇은 카이랄 중합성 액정 층일 수 있다. 제3 편광 격자(PG3, 503)는 도 5e에 도시된 바와 같이, 카이랄 중합성 액정 층(C2, 525) 상에 조립되고, 또한, 층(C2, 525) 내의 카이랄 트위스트의 양을 기초로 하여, 제2 편광 격자(PG2, 502)에 대해 동위상으로 위와 유사하지만 역으로 천이된다. 그것으로서, 제1 및 제3 편광 격자들(PG1, PG3)(501, 503)의 주기적 분자 방위들은 동위상일 수 있다. 그러므로, 본 발명의 일부 실시예들에서, 다층 편광 격자는 중합성 액정 물질들과 단일 기판으로 완전히 형성될 수 있다. 그러나, 다른 실시예들에서, 다른 물질들 및/또는 기판들이 이용될 수 있다. 예를 들어, 층(C1, 515)의 두께(d1)와 층(C2, 525)의 두께(d2)는 서로 다를 수 있고, 그것으로서, 일부 다른 실시예들에서는 제1 및 제2 편광 격자들(PG1, PG3)(501, 503)의 주기적 분자 방위들은 위상이 어긋날(out of phase) 수 있다.
도 6a 내지 6c는 본 발명의 또 다른 실시예들에 따른 다층 편광 격자들의 제조 방법들을 나타내는 횡단면도들이다. 도 6a를 참조하면, 제1 및 제2 편광 격자들(PG1, PG2)(601, 603)이 제1 및 제2 기판(600, 610) 상에 각각 형성된다. 예를 들어, 제1 편광 격자(PG1, 601) 및/또는 제2 편광 격자(PG2, 603)은 잘 알려진 홀로그래피 기술들을 이용하여 형성될 수 있는데, 이는 본 명세서에서는 더 상세히 논의되지 않을 것이다. 또한, 각 기판은 인듐-주석-산화물(indium-tin-oxide, ITO) 전극(미도시)과 같은 투명한 도전성 전극을 포함할 수 있다. 도 6b에 도시된 바와 같이, 서로 반대 방향성을 가지는 제1 및 제2 카이랄 중합성 액정 층들(C1, C2)(615, 625)이 제1 및 제2 편광 격자들(PG1, PG2)(601, 602) 상에 각각 형성된다. 예를 들어, 제1 층(C1, 615)은 약 +55°의 트위스트를 가지는 얇은 카이랄 중합성 액정 층일 수 있고, 제2 층(C2, 625)은 약 -55°의 트위스트를 가지는 얇은 카이랄 중합성 액정층일 수 있다. 도 6c에 도시된 바와 같이, 제1 및 제2 기판들(600, 610)은 그들 사이에 실질적으로 균일한 셀 간격(cell gap, 621)을 제공하도록 조립되고, 스위칭 가능한 액정 층(602)을 형성하기 위하여 액정 물질로 채워진다. 셀 간격(621)은 다층 편광 격자의 동작에 이용되는 광에 대하여 반파장 지 연 두께보다 클 수 있는데, 예를 들어, 약 2 마이크로미터(μm)일 수 있다. 그러나, 다른 실시예들에서, 셀 간격(621)은 반파장 지연 두께보다 작거나 같을 수도 있다. 그것으로서, 액정 층의 분자들은 층들(C1, C2)(615, 625) 내의 카이랄 트위스트에 따라 배향되어, 편광 격자들(PG1, PG2)(601, 603)의 분자 방위에 대해 상대적인 각도 천이(
Figure 112009069478377-pct00030
)를 제공한다. 그러므로, 본 발명의 일부 실시예들은 넓은 대역의 높은 콘트라스트 및 어크로매틱 동작을 가지는 스위칭 가능한 픽셀 구조를 제공할 수 있다.
따라서, 본 발명의 일부 실시예들에 따르면, 액정 편광 격자 내의 어크로매틱(넓은 대역의) 회절은, 그들 사이에 고정 각도 천이 및/또는 가변 각도 천이를 제공하도록 구성된 세 개의 편광 격자들에 의해 달성될 수 있다. 이러한 다층 편광 격자는 예를 들어, 휴대용 프로젝션 디스플레이들, 소비자용 TV 세트들, 실시간 홀로그래피 등과 같은 편광 독립적인(polarization-independent) 초소형 디스플레이들에서 이용하기 위한 개선된 공간 광 변조기 소자를 생성하도록 공지의 박막 기술들 및/또는 공지의 액정 물질들을 이용하여 제조될 수 있다. 더욱이, 일부 예들에서, 본 발명의 일부 실시예들에 따른 다층 편광 격자들은 소정의 중심 파장의 약 90%까지의 파장 범위에 걸쳐서 높은 콘트라스트 변조를 증가시킬 수 있고, 이것은 종래의 단일 편광 격자들에 비해 1200%까지의 향상을 야기할 수 있다. 그러므로, 디스플레이 응용장치들에서, 영상 품질은 크게 개선될 수 있다.
상술한 내용은 본 발명의 예시적인 것이고, 그것의 한정으로 해석되지 않는다. 본 발명의 몇몇 예시적인 실시예들이 설명되었지만, 본 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 신규한 교시들과 이점들로부터 실질적으로 벗어나지 않고서도 예시적인 실시예들에서 많은 변경들이 가능하다는 점을 쉽게 이해할 것이다. 예를 들어, 이상에서는 제1 및 제3 편광 격자 층들에 대해 오프셋되는 주기적 분자 구조를 포함하는 제2 편광 격자 층을 주로 참조하여 상술하였지만, 상기 제1 및 제3 편광 격자 층들의 주기적 분자 구조들도 또한 서로에 대해 오프셋될 수 있다. 더욱이, 본 명세서에서 설명된 기판들은 그 표면들 상에, 예를 들어, 기판들 상에 투명한 인듐-주석-산화물(ITO) 코팅으로 제공되는 하나 또는 그 이상의 전극들을 포함할 수 있다. 그러므로, 이러한 모든 변경들은 본 발명의 범위 내로 포함되는 것으로 의도된다. 결과적으로, 상술된 내용은 본 발명의 예시적인 것이고, 개시된 특정 실시예들로 한정되는 것으로 해석되어서는 아니되며, 다른 실시예들 뿐 아니라, 개시된 실시예들에 대한 변형들은 본 발명의 범위 내에 포함되는 것으로 의도된다.
따라서, 본 발명의 일부 실시예들에 따르면, 액정 편광 격자 내의 어크로매틱(넓은 대역의) 회절은, 그들 사이에 고정 각도 천이 및/또는 가변 각도 천이를 제공하도록 구성된 세 개의 편광 격자들에 의해 달성될 수 있다. 이러한 다층 편광 격자는 예를 들어, 휴대용 프로젝션 디스플레이들, 소비자용 TV 세트들, 실시간 홀로그래피 등과 같은 편광 독립적인(polarization-independent) 초소형 디스플레이들에서 이용하기 위한 개선된 공간 광 변조기 소자를 생성하도록 공지의 박막 기술들 및/또는 공지의 액정 물질들을 이용하여 제조될 수 있다. 더욱이, 일부 예들 에서, 본 발명의 일부 실시예들에 따른 다층 편광 격자들은 소정의 중심 파장의 약 90%까지의 파장 범위에 걸쳐서 높은 콘트라스트 변조를 증가시킬 수 있고, 이것은 종래의 단일 편광 격자들에 비해 1200%까지의 향상을 야기할 수 있다. 그러므로, 디스플레이 응용장치들에서, 영상 품질은 크게 개선될 수 있다.

Claims (30)

  1. 제1 주기적 분자 구조를 포함하는 제1 편광 격자 층;
    상기 제1 편광 격자 층 상에 위치하는 제2 편광 격자 층으로서, 상기 제1 편광 격자 층과 상기 제2 편광 격자 층 사이의 제1 계면을 따라 상기 제1 계면에 평행한 방향에서 상기 제1 주기적 분자 구조에 대해 오프셋(offset) 되는 제2 주기적 분자 구조를 포함하는 상기 제2 편광 격자 층; 및
    상기 제2 편광 격자 층이 상기 제1 편광 격자 층과 제3 편광 격자 층의 사이에 있도록 상기 제2 편광 격자 층 상에 위치하는 상기 제3 편광 격자 층으로서, 상기 제2 편광 격자 층과 상기 제3 편광 격자 층 사이의 제2 계면을 따라 상기 제2 계면에 평행한 방향에서 상기 제2 주기적 분자 구조에 대해 오프셋 되는 제3 주기적 분자 구조를 포함하는 상기 제3 편광 격자 층을 포함하는 다층 편광 격자.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제2 주기적 분자 구조는, 상기 제1 및 제2 주기적 분자 구조들이 제1 상대적 각도 천이(angular shift)만큼 위상이 어긋나도록(out of phase) 상기 제1 주기적 분자 구조에 대해 오프셋 되고,
    상기 제3 주기적 분자 구조는, 상기 제2 및 제3 주기적 분자 구조들이 제2 상대적 각도 천이만큼 위상이 어긋나도록 상기 제2 주기적 분자 구조에 대해 오프셋 되는 것을 특징으로 하는 다층 편광 격자.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제2 편광 격자 층 내의 국부적인 네마틱 방향자(nematic director)의 방위는, 상기 제1 편광 격자 층 내의 국부적인 네마틱 방향자의 방위에 대해 상기 제1 상대적 각도 천이를 가지고,
    상기 제3 편광 격자 층 내의 국부적인 네마틱 방향자의 방위는, 상기 제2 편광 격자 층 내의 상기 국부적인 네마틱 방향자의 방위에 대해 상기 제2 상대적 각도 천이를 가지며,
    상기 제2 상대적 각도 천이는 상기 제1 상대적 각도 천이와 다른 것을 특징으로 하는 다층 편광 격자.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 제3 주기적 분자 구조는 상기 제2 주기적 분자 구조에 대해, 상기 제2 주기적 분자 구조가 상기 제1 주기적 분자 구조에 대해 오프셋 되는 것과 반대로 오프셋 되는 것을 특징으로 하는 다층 편광 격자.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제2 상대적 각도 천이는, 상기 제1 주기적 분자 구조와 상기 제3 주기적 분자 구조가 동위상(in phase)이 되도록 상기 제1 상대적 각도 천이의 대각(opposite angle)을 포함하는 것을 특징으로 하는 다층 편광 격자.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제1 상대적 각도 천이는 0°보다 크지만 180°보다 작은 것을 특징으로 하는 다층 편광 격자.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 제1 상대적 각도 천이는 +55°내지 +56°이고, 상기 제2 상대적 각도 천이는 -55° 내지 -56°인 것을 특징으로 하는 다층 편광 격자.
  8. 제4항에 있어서,
    상기 제3 편광 격자 층의 상기 제3 주기적 분자 구조는 상기 제1 편광 격자 층의 상기 제1 주기적 분자 구조에 대해 위상이 어긋나는 것을 특징으로 하는 다층 편광 격자.
  9. 제2항에 있어서,
    상기 제1 편광 격자 층과 상기 제2 편광 격자 층 사이에서, 상기 제1 편광 격자 층 상에 위치하는 제1 카이랄(chiral) 중합성(polymerizable) 액정 층을 더 포함하고,
    상기 제1 카이랄 중합성 액정 층은, 상기 제2 편광 격자 층의 상기 제2 주기적 분자 구조가 상기 제1 편광 격자 층의 상기 제1 주기적 분자 구조에 대해 상기 제1 상대적 각도 천이만큼 천이되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 다층 편광 격자.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 제3 편광 격자 층과 상기 제2 편광 격자 층 사이에서, 상기 제3 편광 격자 층 상에 위치하는 제2 카이랄 중합성 액정 층을 더 포함하고,
    상기 제1 및 제2 카이랄 중합성 액정 층들은 그 안에 카이랄 분자들을 각각 포함하고,
    상기 제2 카이랄 중합성 액정 층의 상기 카이랄 분자들은 상기 제1 카이랄 중합성 액정 층의 상기 카이랄 분자들에 대해 반대되는 방향성(handedness)을 가지고, 이에 따라 상기 제2 카이랄 중합성 액정 층은 상기 제3 편광 격자 층의 상기 제3 주기적 분자 구조를 상기 제2 편광 격자 층의 상기 제2 주기적 분자 구조에 대해 상기 제2 상대적 각도 천이만큼 역으로 천이시키도록 구성되는 것을 특징으로 하는 다층 편광 격자.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 제1 카이랄 중합성 액정 층은 그것의 대향하는 면들 사이의 두께에 걸쳐서 +55도의 트위스트(twist)를 포함하고,
    상기 제2 카이랄 중합성 액정 층은 그것의 대향하는 면들 사이의 두께에 걸쳐서 -55도의 트위스트를 포함하는 것을 특징으로 하는 다층 편광 격자.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 제1 편광 격자 층 상에 위치하고, 제1 전극을 포함하는 제1 기판; 및
    상기 제3 편광 격자 층 상에 위치하고, 제2 전극을 포함하는 제2 기판을 더 포함하고,
    상기 제2 편광 격자 층은 비반응성(non-reactive) 액정 층을 포함하는 것을 특징으로 하는 다층 편광 격자.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 제2 편광 격자 층은 네마틱 액정 층을 포함하는 것을 특징으로 하는 다층 편광 격자.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 제2 편광 격자 층은 중합성 액정 층을 포함하는 것을 특징으로 하는 다층 편광 격자.
  15. 제1 주기적 분자 구조를 포함하는 제1 편광 격자 층을 형성하는 단계;
    상기 제1 편광 격자 층과 제2 편광 격자 층 사이의 제1 계면을 따라 상기 제1 계면에 평행한 방향에서 상기 제1 주기적 분자 구조에 대해 오프셋 되는 제2 주기적 분자 구조를 포함하는 상기 제2 편광 격자 층을 상기 제1 편광 격자 층 상에 형성하는 단계; 및
    상기 제2 편광 격자 층이 상기 제1 편광 격자 층과 제3 편광 격자 층 사이에 위치하도록, 제3 주기적 분자 구조를 포함하는 상기 제3 편광 격자 층을 상기 제2 편광 격자 층 상에 형성하는 단계를 포함하고, 이에 따라 상기 제3 주기적 분자 구조는, 상기 제2 편광 격자 층과 상기 제3 편광 격자 층 사이의 제2 계면을 따라 상기 제2 계면에 평행한 방향에서 상기 제2 주기적 분자 구조에 대해 오프셋 되는 다층 편광 격자의 제조 방법.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 제2 및 제3 편광 격자 층들을 형성하는 단계는,
    상기 제1 및 제2 주기적 분자 구조들이 제1 상대적 각도 천이만큼 위상이 어긋나도록 상기 제1 편광 격자 층 상에 상기 제2 편광 격자 층을 형성하는 단계; 및
    상기 제2 및 제3 주기적 분자 구조들이 제2 상대적 각도 천이만큼 위상이 어긋나도록 상기 제2 편광 격자 층 상에 상기 제3 편광 격자 층을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 다층 편광 격자의 제조 방법.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 제2 및 제3 편광 격자 층들을 형성하는 단계는,
    상기 제2 편광 격자 층 내의 국부적인 네마틱 방향자의 방위가 상기 제1 편광 격자 층 내의 국부적인 네마틱 방향자의 방위에 대해 상기 제1 상대적 각도 천이를 가지도록 상기 제1 편광 격자 층 상에 상기 제2 편광 격자 층을 형성하는 단계; 및
    상기 제3 편광 격자 층 내의 국부적인 네마틱 방향자의 방위가 상기 제2 편광 격자 층 내의 상기 국부적인 네마틱 방향자의 방위에 대해 상기 제2 상대적 각도 천이를 가지도록 상기 제2 편광 격자 층 상에 상기 제3 편광 격자 층을 형성하는 단계를 더 포함하고,
    상기 제2 상대적 각도 천이는 상기 제1 상대적 각도 천이와 다른 것을 특징으로 하는 다층 편광 격자의 제조 방법.
  18. 제16항에 있어서,
    상기 제3 편광 격자를 형성하는 단계는,
    상기 제3 주기적 분자 구조가 상기 제2 주기적 분자 구조에 대해, 상기 제2 주기적 분자 구조가 상기 제1 주기적 분자 구조에 대해 오프셋 되는 것과 반대로 오프셋 되도록 상기 제2 편광 격자 층 상에 상기 제3 편광 격자 층을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 다층 편광 격자의 제조 방법.
  19. 제16항에 있어서,
    상기 제2 상대적 각도 천이는, 상기 제1 주기적 분자 구조와 상기 제3 주기적 분자 구조가 동위상이 되도록 상기 제1 상대적 각도 천이의 대각을 포함하는 것을 특징으로 하는 다층 편광 격자의 제조 방법.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 제1 상대적 각도 천이는 0°보다 크지만 180°보다 작은 것을 특징으로 하는 다층 편광 격자의 제조 방법.
  21. 제19항에 있어서,
    상기 제1 상대적 각도 천이는 +55°내지 +56°이고, 상기 제2 상대적 각도 천이는 -55° 내지 -56°인 것을 특징으로 하는 다층 편광 격자의 제조 방법.
  22. 제18항에 있어서,
    상기 제3 편광 격자 층을 형성하는 단계는,
    상기 제3 주기적 분자 구조가 상기 제1 주기적 분자 구조에 대해 위상이 어긋나도록 상기 제3 편광 격자 층을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 다층 편광 격자의 제조 방법.
  23. 제15항에 있어서,
    그 위에 상기 제2 편광 격자 층을 형성하는 단계를 수행하기에 앞서, 상기 제1 편광 격자 층 상에 제1 카이랄 중합성 액정 층을 형성하는 단계를 더 포함하고,
    상기 제1 카이랄 중합성 액정 층은, 상기 제2 편광 격자 층의 상기 제2 주기적 분자 구조가 상기 제1 편광 격자 층의 상기 제1 주기적 분자 구조에 대해 상기 제1 상대적 각도 천이만큼 천이되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 다층 편광 격자의 제조 방법.
  24. 제23항에 있어서,
    상기 제3 편광 격자 층 상에 제2 카이랄 중합성 액정 층을 형성하는 단계를 더 포함하고,
    상기 제1 및 제2 카이랄 중합성 액정 층들은 그 안에 카이랄 분자들을 각각 포함하고,
    상기 제2 카이랄 중합성 액정 층의 상기 카이랄 분자들은 상기 제1 카이랄 중합성 액정 층의 상기 카이랄 분자들에 대해 반대되는 방향성을 가지고, 이에 따라 상기 제2 카이랄 중합성 액정 층은 상기 제3 편광 격자 층의 상기 제3 주기적 분자 구조를 상기 제2 편광 격자 층의 상기 제2 주기적 분자 구조에 대해 상기 제2 상대적 각도 천이만큼 역으로 천이시키도록 구성되는 것을 특징으로 하는 다층 편광 격자의 제조 방법.
  25. 제24항에 있어서,
    상기 제1 카이랄 중합성 액정 층은 그것의 대향하는 면들 사이의 두께에 걸쳐서 +55도의 트위스트를 포함하고,
    상기 제2 카이랄 중합성 액정 층은 그것의 대향하는 면들 사이의 두께에 걸쳐서 -55도의 트위스트를 포함하는 것을 특징으로 하는 다층 편광 격자의 제조 방법.
  26. 제24항에 있어서,
    상기 제2 카이랄 중합성 액정 층을 형성하는 단계는,
    상기 제2 편광 격자 층 상에 상기 제2 카이랄 중합성 액정 층을 형성하는 단계; 및
    이어서 상기 제2 카이랄 중합성 액정 층 상에 상기 제3 편광 격자 층을 형성하는 단계를 포함하고,
    상기 제2 편광 격자 층은 반응성 메조겐(mesogen) 층을 포함하는 것을 특징으 로 하는 다층 편광 격자의 제조 방법.
  27. 제24항에 있어서,
    상기 제2 카이랄 중합성 액정 층을 형성하는 단계는,
    상기 제2 편광 격자 층을 형성하는 단계를 수행하기에 앞서, 상기 제3 편광 격자 층 상에 상기 제2 카이랄 중합성 액정 층을 형성하는 단계; 및
    상기 제1 카이랄 중합성 액정 층과 상기 제2 카이랄 중합성 액정 층 사이의 간격(gap)을 정의하도록, 그 위에 상기 제2 카이랄 중합성 액정 층을 포함하는 상기 제3 편광 격자 층을, 그 위에 상기 제1 카이랄 중합성 액정 층을 포함하는 상기 제1 편광 층에 인접하게 조립하는 단계를 포함하고,
    상기 제2 편광 격자 층을 형성하는 단계는,
    상기 제2 편광 격자 층의 상기 제2 주기적 분자 구조가 상기 제1 주기적 분자 구조에 대해 상기 제1 상대적 각도 천이만큼 천이되고, 또한 상기 제3 주기적 분자 구조에 대해 상기 제2 상대적 각도 천이만큼 천이되도록, 상기 제1 카이랄 중합성 액정 층과 상기 제2 카이랄 중합성 액정 층 사이의 상기 간격 내에 비반응성 액정 층을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 다층 편광 격자의 제조 방법.
  28. 제27항에 있어서,
    상기 제2 편광 격자 층은 네마틱 액정 층을 포함하는 것을 특징으로 하는 다층 편광 격자의 제조 방법.
  29. 제27항에 있어서,
    상기 제1 및 제3 편광 격자 층들을 형성하는 단계는,
    제1 전극을 포함하는 제1 기판 상에 상기 제1 편광 층을 형성하는 단계; 및
    제2 전극을 포함하는 제2 기판 상에 상기 제3 편광 층을 형성하는 단계를 포함하고,
    상기 제3 편광 층을 상기 제1 편광 층에 인접하게 조립하는 단계는,
    상기 제1 카이랄 중합성 액정 층과 상기 제2 카이랄 중합성 액정 층 사이의 상기 간격을 정의하도록, 상기 제1 기판을 상기 제2 기판에 인접하게 조립하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 다층 편광 격자의 제조 방법.
  30. 제27항에 있어서,
    상기 제1 카이랄 중합성 액정 층과 상기 제2 카이랄 중합성 액정 층 사이의 상기 간격은 반파장 지연 두께를 포함하는 것을 특징으로 하는 다층 편광 격자의 제조 방법.
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