KR102213920B1

KR102213920B1 - 광학 액정 위상 변조기

Info

Publication number: KR102213920B1
Application number: KR1020157026313A
Authority: KR
Inventors: 노르베르트 레이스터
Original assignee: 시리얼 테크놀로지즈 에스.에이.
Priority date: 2013-02-27
Filing date: 2014-02-26
Publication date: 2021-02-10
Also published as: KR20210016480A; US10268080B2; CN105190417A; CN108828842B; US20170269436A1; CN108828842A; US20160004126A1; WO2014131774A1; CN105190417B; KR102527503B1; US9671649B2; DE112014001025A5; KR20150121167A

Abstract

본 발명은 편광을 위한 위상 변조기에 관한 것이며, 상기 위상 변조기는 제1 표면(5)을 구비한 제1 기판(2)과, 제2 표면(6)을 구비한 제2 기판(3)과, 두 기판(2, 3) 사이의 액정 층(9)과, 전극 어셈블리(4)를 포함한다. 또한, 본 발명은 상기 위상 변조기를 제조하기 위한 방법에도 관한 것이다. 이 경우, 상기 위상 변조기는 이전까지의 위상 변조기들의 단점들을 방지해야 하고 가변 편향 격자로서도 이용될 수 있으며, 그리고 상기 위상 변조기의 제조를 위해 오늘날 통상적인 액정 재료들이 이용될 수 있어야 한다. 이는, 두 표면에 인접한 액정 분자들의 면외 각도이면서 그 크기는 0도보다 더 크지만, 그러나 45보다 더 작거나 같은 상기 면외 각도를 갖는 위상 변조기를 통해서뿐만 아니라, 액정 분자 배향의 면내 성분이 최대 180도까지의 각도 범위에서 설정될 수 있으면서 제1 표면(5)에 인접하는 액정 분자들(10)의 회전 방향은 제2 표면(6)에 인접하는 액정 분자들의 회전 방향과 반대되는 방식으로 제어될 수 있는 전극 어셈블리(4)를 통해서도 달성된다.

Description

광학 액정 위상 변조기{OPTICAL LIQUID-CRYSTAL PHASE MODULATOR}

본 발명은 편광(polarized light)을 위한 위상 변조기에 관한 것이며, 상기 위상 변조기는, 큰 프리틸트 각(pretilt angle)을 갖는 LC 정렬(LC = Liquid Crystal = 액정)을 기반으로 하면서, 제1 표면을 구비한 제1 기판과, 제2 표면을 구비한 제2 기판과, 두 기판 사이의 (LC 층으로도 지칭되는) 액정 층과, 전극 어셈블리를 포함한다. 또한, 본 발명은 상기 위상 변조기의 제조를 위한 방법에도 관한 것이다.

WO 2011/067265 A1에는, 위상 변조기와 상호 작용하는 광을 변조하기 위한 위상 변조기가 기재된다. 원편광(circularly polarized light)의 위상을 변조하기 위한 WO 2011/067265 A1에 기재된 위상 변조기는 특히 제1 및 제2 기판과, 이 2개의 기판 사이의 액정 층을 포함하며, 기판들의 표면들은, 제1 표면에 인접한 액정 분자들을 제1 표면에 대해 실질적으로 평행한 방향으로 배향시키도록, 그리고 제2 표면에 인접한 액정 분자들을 제2 표면에 대해 실질적으로 수직인 방향으로 배향시키도록 형성된다. 상기 배향은 네마틱 액정의 하이브리드 정렬(hybrid alignment of a nematic; HAN)로서도 지칭된다.

WO 2011/067265 A1에서 인용되는 것처럼, 상기 HAN 구성은, 전극들에 인가된 전계의 부호에 따라서 선택적으로 예컨대 0도 내지 +90도 또는 0도 내지 -90도로 액정 분자 배향의 면내 성분(in-plane component)의 회전을 달성하기 위해, 그에 따라 인가된 전계의 제어를 통해 전체적으로 0 내지 2Π의 위상 변조를 달성하기 위해 이용된다. 이 경우, LC 층의 두께는 바람직하게는 그 광학 기능이 λ/2 플레이트에 상응하도록 선택된다.

이 경우, 전계에서 부호에 따른 회전은 플렉소 전기 분극(flexo-electric polarization)을 기반으로 한다. 이런 분극은 하이브리드 정렬을 통한 LC 또는 LC 분자들의 기계적 변형을 기반으로 한다.

또한, WO 2011/067265 A1은, 위상 변조기와 상호 작용하는 광이 회절에 근거하여 사전 설정 가능한 방향으로 가변 편향될 수 있고 이로써 가변 설정 가능한 편향 격자의 기능이 달성될 수 있는 방식으로 형성되는 상기 위상 변조기를 기재하고 있다.

DE 10 2009 028 626 A1에 기재된 것처럼 유사하게 이용되는, 위상 변조를 기반으로 하는 가변 편향 격자는 개별 면내 전극들(in-plane electrode)의 개별적인 제어를 통해 실현될 수 있다.

하이브리드 정렬을 통해 LC 분자들은 부분적으로 면외(out-of-plane) 배향되며, 더욱 정확하게 말하면 액정 층의 일측 표면에서 타측 표면까지 약 0도와 90도 사이의 선형 변화(linear variation) 조건에서 평균값으로서 층 두께에 걸쳐 약 45도 미만으로 배향된다.

LC 층을 통과하는 광에 대한 효과적인 복굴절은 하기와 같고, LC 분자들은 광의 통과 방향에 대해 각도(β)만큼 경사지며,

상기 식에서, n₁과 n₂는 복굴절(

)을 갖는 액정의 정상 굴절률(ordinary refractive index)과 이상 굴절률(extraordinary refractive index)이다.

하이브리드 정렬을 위해, 각도(β)는 층 두께에 걸쳐서 0도와 90도 사이에서 변동하며, 그 결과로 Δn_eff도 LC 층의 층 두께에 걸쳐서 변동된다. 이런 경우에, LC 배향이 균일할 때 통상적으로 층 두께가 d이고 복굴절이 Δn인 조건에서 opd = d Δn으로서 표현되는 유효 광학 경로 차이(opd)는 하기와 같다.

.

하이브리드 배향의 경우, 근사치로서의 층 두께에 걸친 평균 유효 복굴절은

이고,

광학 경로 차이는

이다.

액정 층을 수직으로 통과하는 광에 대한 유효 광학 경로 차이는 액정 분자들이 면내 배향되는 액정 층에서의 경우보다 더 작다. 그러므로 λ/2 플레이트의 광학 기능을 달성하기 위해, LC 층의 층 두께와 LC 재료의 복굴절의 곱은 상대적으로 커야만 한다. 층 두께가 3마이크로미터인 경우, 녹색 광을 위한 λ/2 플레이트를 설정하기 위해, 대략 0.18의 Δn이 필요하다. 이런 수치 값들에 의해, 요컨대

이며, 이는 대략 녹색 광의 파장의 반값에 상응한다.

통상적으로 동시에 낮은 점도와 조합하여 재료 특성으로서 0.18 또는 이와 유사한 값의 상기 복굴절을 실현하는 것은 어렵다. 그러나 증가된 점도를 갖는 LC 재료의 이용은 가변 설정 가능한 위상 변조기의 최대로 설정 가능한 설정 속도를 저하시킨다.

면내 전계(in-plane electric field)에서 액정 분자들의 부호에 따른 회전은 플렉소 전기 분극을 기반으로 한다. 전계와 분극의 상호작용은 선형이다. 플렉소 전기 분극 외에도, 전계와 유전 이방성(Δε)(dielectric anisotropy)의 2차 상호작용(quadratic interaction) 역시도 개시된다.

특히, 유전 상호작용(dielectric interaction)은, 전계가 상대적으로 더 높은 경우, LC 분자 배향의 면내 성분의 의도하는 회전 외에도 이와 연결되어 전계 내에서 LC 분자 배향의 면외 성분의 의도하지 않은 회전도 개시되게 할 수 있다. 이처럼 LC 분자 배향의 면외 성분의 회전은, LC 층이 λ/2 플레이트의 광학 기능을 더 이상 충족하지 못하게 한다. 최악의 경우, 광학 경로는 LC 층을 통해 배가될 수 있다. 요컨대, 모든 LC 분자가 면내에서, 다시 말하면 기판들에 대해 평행하게 배향된다면, 광학 경로는

일 수도 있다.

면내 회전 각도를 갖는 광학 경로의 변동은 특히 가변 편향 격자로서 위상 변조기를 이용할 경우 편향 격자의 회절 효율(diffraction efficiency)을 감소시킨다. 다시 말하면, 보다 적은 광이 의도하는 회절 차수에 도달하고, 상황에 따라서는 의도하지 않는 간섭 광이 또 다른 회절 차수에 도달한다.

그러므로 가변 편향 격자로서 HAN 위상 변조기의 적합한 기능은 높은 플렉소 전기 계수 및 이와 동시에 적은 유전 이방성(Δε)을 갖는 액정 재료를 요구한다. 바람직하게 Δε는 2 미만, 이상적인 방식으로는 0.2 미만의 범위이다. 앞서 기재한 것처럼, 이는 바람직하게는 0.15 내지 0.2 범위의 액정 재료의 높은 복굴절(Δn)과 조합되어 필요하다.

바람직할 수도 있는 경우는, 기재한 단점들을 방지하면서, 특히 그 재료 매개변수들이 오늘날 이용되는 재료들의 표준 값들에 더 가까운 액정 재료들의 이용을 허용하는 가변 편향 격자로서 이용될 수 있는 위상 변조기이다.

예컨대 현재 디스플레이에서 이용되는 액정 재료들의 복굴절(Δn)은 전형적으로 0.08 내지 0.10의 범위이며, 유전 이방성(Δε)은 전형적으로 5 내지 10의 범위이다.

US 7,564,510 B2에서는 픽셀들을 포함하는 액정 디스플레이 장치가 기재되는데, 여기서 각각의 픽셀은 다수의 영역으로 분할되고 이 영역들 중 일측 영역에서 (기판들에 대해 실질적으로 평행한) 전계의 방향은 타측 영역에서의 전계 방향과 반대되며, 그 외에도 전계가 인가되지 않으면 분극이 액정 층 내에 존재한다. 그에 따라, US 7,564,510 B2는, 큰 시야각에 대해, 하나의 픽셀의 여러 영역이 다양한 시야 방향들을 위해 픽셀의 전체 휘도와 관련하여 상호 간에 보상함으로써 균일한 휘도 효과를 생성하는 픽셀 구조를 기재하고 있다. 예컨대 특정 방향으로부터 주시할 때, 픽셀의 제1 영역은 상대적으로 더 밝게 작용하고 그 중 제2 영역은 상대적으로 더 어둡게 작용한다. 또 다른 방향으로부터 주시할 때에는 상기 사항과 반대되는 작용이 발생한다. 그러나 눈은 픽셀의 영역들을 개별적으로 분해할 수 없기 때문에, 균일한 휘도 효과가 발생한다.

이런 목적을 위해, US 7,564,510 B2에서는, 전계의 부호에 따르는 액정 분자 배향의 회전이 이용되며, 그럼으로써 예컨대 액정 분자들은 하나의 픽셀의 여러 영역에서 서로 반대 방향으로 회전하게 된다. 상기 미국 공보에는, 상기 부호에 따른 회전이 마찬가지로 플렉소 전기 분극을 기반으로 할 수 있다고도 기재되어 있다.

US 7,564,510 B2의 도 3에서는, 기판들의 두 표면 상에 평행한 러빙(rubbing)을 이용한 구현예가 기재된다. 그 결과, (LC 층의 중심에 기판들에 대해 평행한 반사면을 갖는) 두 기판 상에서 LC 분자들의 반사대칭형으로 동일한 정렬과, 두 기판 사이에서 LC 층 내에 스플레이 변형(Splay Deformation)이 발생한다. 이런 스플레이 변형은 플렉소 전기 분극을 생성한다.

그러나 US 7,564,510 B2에 기재된 배열은 위상 변조기로서 이용될 수 없는데, 그 이유는 하나의 픽셀의 여러 영역이 각각 서로 다른 위상 값들을 생성할 수도 있고, 그럼으로써 전체 픽셀은 균일한 위상 변조를 나타내지 못하게 되기 때문이다.

그러므로 본 발명의 과제는, 앞서 언급한 단점들을 방지하고, 그 외에 가변 편향 격자로서도 이용될 수 있으며, 그 제조를 위해서는 특히 오늘날 통상적인 액정 재료들이 이용될 수 있는 위상 변조기를 기재하는 것에 있다.

상기 과제는 청구항 제1항에 따른 위상 변조기를 통해 해결된다.

특히, 일반적으로 원형 편극되면서 위상 변조기와 상호 작용하는 편광의 위상을 변조하는 역할을 하는 위상 변조기는, 두 기판이 상호 간에 대향하여 배열되는 조건으로 제1 표면을 구비한 제1 기판과, 제2 표면을 구비한 제2 기판과, 두 기판 사이에 배열되고 액정 분자들을 포함하는 액정 층과, 기판들 중 적어도 하나의 기판 상에 배열되는 전극 어셈블리를 포함하며, 기판들의 두 표면은 각각의 표면에 인접하는 액정 분자들을 각각의 기판의 각각의 표면에 대해 면외 각도를 각각 형성하는 방향으로 배향시키도록 형성된다.

본 발명에 따른 위상 변조기에서, 면외 각도의 크기는 0도보다 더 크지만, 그러나 45도보다 더 작거나 같다. 면외 각도 또는 극각(polar angle), 다시 말하면 각각의 기판의 표면과 함께 액정 분자들의 광학 장축을 형성하는 각도는, 그로써 각각의 기판과 관련하여 상기 액정 분자들의 배향의 초기 상태( 다시 말하면, 전극 어셈블리를 이용하여 전계를 인가하는 것을 통한 재배향이 없는 상태)가 표현되는 점에 한해, 프리틸트 각으로도 지칭된다. 여기서 배향이란, 항상, 액정 재료, 또는 또 다른 정렬 가능한 복굴절성 재료의 광학 장축의 정렬을 의미한다.

또한, 본 발명에 따른 위상 변조기에서, 전극 어셈블리는, 액정 분자 배향의 (방위각 성분으로도 지칭되는) 면내 성분(φ)이 최대 180도까지의 각도 범위에서 설정될 수 있고 제1 표면에 인접하는 액정 분자들의 회전 방향은 제2 표면에 인접하는 액정 분자들의 회전 방향과 반대되는 방식으로 제어될 수 있다.

달리 말하면, 앞서 언급한 문제들이 방지되거나 적어도 감소되는 위상 변조기는 하기와 같이 형성된다.

위상 변조기는 제1 기판과, 제2 기판과, 전극 어셈블리와, 액정 분자들을 갖는 액정 층을 포함한다. 제1 기판은 제2 기판에 대향하여 배열된다. 액정 층은 2개의 기판 사이에 배열된다. 제1 기판은 제1 표면을 포함하고 제2 기판은 제2 표면을 포함한다. 제1 표면은, 제1 표면에 인접한 액정 분자들을 제1 기판의 제1 표면에 대해 제1 면외 각도(α(0)) 또는 극각을 형성하는 방향으로 배향시키도록 형성된다. 이 경우, α(0)의 크기는 0도보다 더 크지만, 그러나 45도보다 더 작거나 같다. 제2 표면은, 제2 표면에 인접한 액정 분자들을 제2 기판의 제2 표면에 대해 제2 면외 각도(α(d)) 또는 극각을 형성하는 방향으로 배향시키도록 형성된다. α(d)의 크기도 마찬가지로 0도보다 더 크지만, 그러나 45보다 더 작거나 같다. 이 경우, 본 발명에 따라서, 면외 각도들(α(0) 및 α(d))과 그에 따른 표면들에 인접하는 액정 분자들의 회전 방향은 표면에 상대적으로 반대된다. 달리 말하면, 각도들(α(0) 및 α(d))의 부호가 서로 다르다. 그 밖의 점에서, 각도(α)는, 광이 수직으로 위상 변조기를 통과하는 특수한 경우에 대한 앞서 기재한 각도(β)에 상응한다. 본 발명에 따른 위상 변조기를 이용하는 바람직한 경우에, 광은 수직으로 위상 변조기 내로 입사되지만, 그러나 각각 또 다른 입사각도 생각해볼 수 있다.

이 경우, 전극 어셈블리는, 액정 분자 배향의 면내 성분 또는 방위각 성분이 최대 약 180도까지의 각도 범위에서 설정될 수 있는 방식으로 제어될 수 있다.

이는, 액정 분자들이 자신들의 면내 성분으로 각각 가능한 위치만을 취할 수 있도록 보증하는데, 그 이유는 액정 분자들이 자신들의 광학 특성들과 관련하여 이른바 타원체를 형성하는 광학 대칭 분자들이기 때문이다.

본원의 위상 변조기를 통해 수행되는 편광의 위상 변조의 경우, 광의 편향도 수행될 수 있다. 다시 말하면, 본원에 기재된 광 변조기는 위상 편향기로서도 이용될 수 있다.

이 경우, 본 발명에 따른 위상 변조기의 특별한 실시예에서, 두 기판 사이에 배열되는 "액정 층"은, 액정 분자들 대신에, 또는 액정 분자들 외에도, 또 다른 정렬 가능한 복굴절성 재료를 포함한다. 보통, 위상 변조기들은 액정 재료로 구현되며, 이는 상기 유형의 광학적 목적을 위해 다수의 구체적인 액정 재료가 속하는 최상의 특징을 나타내는 재료 군이다. 그러나 이와 관련하여 원칙적으로, 예컨대 여러 재료, 다시 말하면 여러 유전 재료 또는 금속의 비구면 나노 입자들, 특히 탄소 나노 튜브들처럼 또 다른 정렬 가능한 복굴절성 재료들도 이용될 수 있다. 이런 경우, 상기 또 다른 재료들은 본원에 기재된 액정 분자들과 유사하게 이용될 수 있다. 그리고 상기 또 다른 재료들도 마찬가지로 자신들의 광학 특성과 관련하여 대칭성이다.

본 발명에 따른 위상 변조기의 한 실시예에서, 면내 성분은 전압을 인가하지 않을 때 배향에 상응하는 사전 설정 가능한 중앙 배향과 관련하여 -φ₁도와 +φ₂도 사이에서 설정될 수 있고, 여기서 φ₁, φ₂ ≤ 90도이다. 이 경우, 바람직하게 φ₁, φ₂에 대한 값들의 범위는 70도 ≤ φ₁, φ₂ ≤ 90도이다.

특히 바람직한 본 발명에 따른 위상 변조기에서, 면내 성분은 사전 설정 가능한 중앙 배향과 관련하여 -90도와 +90도 사이에서 설정될 수 있다.

한 바람직한 실시예에 따라서, 각도들(α(0) 및 α(d))은 크기에서 동일하지만, 그러나 부호에서는 서로 다르며, 그럼으로써 두 표면 상에서 LC 분자들의 상호 간에 반사대칭인 배향이 제공된다.

두 표면 상에서 액정 분자들의 상호 간에 반사대칭인 상기 배향이 두 표면으로부터 각각 동일한 이격 간격으로 이격되고 상기 표면들에 대해 평행한 평면들에 걸쳐서도 계속되고, 반사대칭인 배향의 관점에서 반사면 또는 대칭면이 두 기판의 두 표면 사이의 액정 층의 중심에서 가상으로 존재할 수 있다면, 본 발명에 따른 위상 변조기는 한 바람직한 실시예에서 액정 층에 걸쳐서 스플레이 변형을 나타낸다.

본 발명에 따른 위상 변조기의 특히 바람직한 실시예에서 각도들(α(0) 및 α(d))의 크기는 각각 20도와 40도 사이의 범위이다. 특히 각도들(α(0) 및 α(d))의 크기들은 실질적으로 동일할 수 있다.

매우 특히 바람직하게 위상 변조기는, 위상 변조기와 상호작용하는 광이 회절에 근거하여 사전 설정 가능한 방향으로 가변 편향될 수 있는 방식으로 형성된다. 본 발명에 따른 위상 변조기는, 특히 위상 편향기와 같이 작동하도록 형성되고 제어된다면, WO 2011/039286 A1에 기재된 위상 편향기와 유사한 방식으로 이용될 수 있다. 그러므로 WO 2011/039286 A1의 공개 내용은 그 전체 범위에서 본원에 포함된다. 예컨대 홀로그래픽 디스플레이에서 ("트랙킹"으로도 지칭되는) 시야 추적을 위해 이용될 수 있는 위상 변조기들 또는 위상 편향기들과 같은 회절 부재들은 예컨대 회절 장치로서 지칭하는 DE 10 2009 028 626 A1 또는 WO 2010/149587 A2에 기재되어 있다. 본 발명에 따른 위상 변조기 또는 위상 편향기는 특히 DE 10 2009 028 626 A1에, 또는 WO 2010/149587 A2에 기재된 회절 장치와 유사한 방식으로 이용될 수 있기 때문에, DE 10 2009 028 626 A1 및 WO 2010/149587 A2의 공개 내용은 그 전체 범위에서 본원에 포함된다.

α(0) 및 α(d)가 크기에서 동일하지만, 그러나 부호에서는 서로 다름으로써 두 표면 상에서 LC 분자들의 상호 간에 반사대칭인 배향이 제공되고 α(0) 및 α(d)의 크기는 20도와 40도 사이의 범위인 위상 변조기의 바람직한 구현예는 하기와 같은 장점들을 갖는다.

상기 어셈블리의 경우, LC 배향의 면외 각도의 크기의 LC 층 두께에 걸친 평균값은 α(0)의 반 크기에 상응한다. α(0) = 30°인 경우, 예컨대 LC 분자들은 평균 15도로 면외 배향된다.

각도가 15도인 경우, 예컨대

이다.

다시 LC 층의 두께에 걸친 적분으로서 구해지는 광학 경로 차이(

)는 하이브리드 배향의 경우에서보다 분명히 더 크다.

다시 말해, λ/2 플레이트를 설정하기 위해 필요한 층 두께와 복굴절의 곱은 완전히 면내 배향된 LC의 그 곱과 실질적으로 다르지 않다.

예컨대 액정 분자들의 완전한 면내 배향의 경우, 녹색 광을 위한 λ/2 플레이트를 실현하기 위해, 3마이크로미터의 층 두께 및 0.09의 Δn이 필요하다. 그 대신, 30도의 α(0)(및 -30도의 α(d))를 갖는 기재한 배열의 경우, 녹색 광을 위한 λ/2 플레이트를 실현하기 위해서는 약 0.095의 Δn이 필요할 수도 있다. 이런 Δn은 디스플레이 내에서 LC 혼합을 위해 전형적인 범위이다.

두 표면에서 서로 상이한 부호의 각도를 갖는 액정 분자들의 배향은 스플레이 변형을 생성한다. 변형을 통해, 플렉소 전기 분극이 생성된다. 이런 분극은 LC 분자들의 부호에 따른 스위칭 또는 정렬을 허용한다.

플렉소 전기 분극은 다음 공식으로서 정의된다.

위의 식에서, n은 지시자(director), 다시 말하면 LC 분자들의 종축 방향의 벡터이고, ∇는 나블라 연산자(Nabla operator)이고, ∇·n은 지시자(n)의 발산이고, x는 외적(cross product)을 지칭하고, ∇×n은 지시자(n)의 회전이고, e_s는 스플레이 플렉소 전기 계수이며, e_b는 벤드 플렉소 전기 계수(bend flexo-electric coefficient)이다.

플렉소 전기 계수들(e_s 및 e_b)은, 그 크기가 LC 분자들의 기하학적 형태뿐만 아니라 상기 LC 분자들의 전기 쌍극자 및 사중극자 모멘트에 따라서 결정되는 재료 상수들을 나타낸다.

플렉소 전기 분극에 대한 이론 모델들에서, 예컨대 전기 사중극자 모멘트는 LC 분자가 이상적으로 쌀알 형태인 경우에도 두 계수(e_s 및 e_b)를 촉진하는 것으로 기술된다.

전기 쌍극자 모멘트는, 쌀알의 모델로부터 LC 분자들의 형태의 차이가 존재할 때 촉진한다. 세로 방향의(다시 말하면 분자 장축의 방향으로 놓이는) 전기 쌍극자 모멘트와 조합되는 오히려 배(pear) 모양인 분자 형태는 높은 스플레이 플렉소 전기 계수(e_s)를 촉진한다. (분자 장축에 대해 횡방향으로 놓이는) 가로 방향의 전기 쌍극자 모멘트와 조합되는 오히려 바나나 모양인 분자 형태는 상대적으로 더 높은 벤드 플렉소 전기 계수(e_b)를 촉진한다.

스플레이 플렉소 전기 계수(e_s)에 의한 플렉소 전기 분극의 촉진은 상기 방정식에 따라서 특히 지시자의 발산(∇·n)이 영(0)이 아닐 때 발생한다.

일측 기판 상에서 면외 각도(α(0))를 갖고 타측 기판 상에서는 α(0)와 (부호 및/또는 크기에서) 다른 각도(α(d))를 갖는 LC 배향의 경우, 영(0)이 아닌 지시자(n)의 상기 발산이 존재한다.

이와 반대로 지시자(n)의 회전(∇×n)은 LC 분자들의 상기 배향의 경우 작으며, 그럼으로써 이런 경우에 벤드 플렉소 전기 계수(e_b)는 아주 조금만 플렉소 전기 분극을 촉진하게 된다.

다시 말해, 바람직하게, 상기 배열에서는, 높은 스플레이 플렉소 전기 계수(e_s)를 갖는 LC 분자들이 이용된다.

전계의 부호에 따라서, 예컨대 0도 내지 +90도 또는 0도 내지 -90도의 액정 분자 배향의 면내 성분의 회전이 선택적으로 수행된다.

그러나 고체 LC 재료의 경우 스플레이 변형과 그에 따른 플렉소 전기 분극도 바람직하게는 각도들(α(0) 및 α(d))의 크기와 더불어 증가한다. 예컨대 5도의 작은 각도는 전형적으로 작은 분극만을 야기할 수도 있다. 예컨대 45도의 큰 각도에서는 큰 플렉소 전기 분극이 존재하기는 한다. 그러나 각도가 큰 경우 불리한 방식으로 Δn_eff는 적어진다. α(0) 및 α(d)의 20 내지 40도의 바람직한 범위는 두 인수 간 절충을 나타낸다.

이런 경우에서도, 전계와의 상호작용은 플렉소 전기 분극을 통해서뿐만 아니라 유전 이방성을 통해서도 수행된다. 유전 이방성(Δε)은, 면내 전계가 강한 경우 액정들의 면외 배향이 변동되게 할 수 있다.

그러나 앞서 지시한 것처럼, 완전한 액정 면내 배향과 표면들 상에서 예컨대 +/-30도를 갖는 배향 간에 광학 경로에서의 차이는 작기 때문에, 위상 변조기로서, 그리고 특히 또한 가변 편향 격자로서의 광학 기능에 대한 유전 상호작용의 부정적인 작용은 적다. 다시 말하면, 가변 편향 격자의 회절 효율은 Δε를 통해 사소할 정도로만 감소된다.

반대로, 약간 더 높은 유전 이방성(Δε)은 바람직하게는 위상 변조기의 제어 동안 상대적으로 더 낮은 전압의 이용을 허용한다.

그러므로 한 바람직한 실시예에서 Δε ≥ 5의 유전 이방성을 갖는 액정 재료를 함유하는 액정 층이 이용된다. 그러므로 바람직한 구현예에서 복굴절(Δn)뿐만 아니라 (앞서 기재한 것처럼) 유전 이방성(Δε)도 디스플레이에서 이용되는 것과 같은 액정 재료들에 대해 전형적인 범위이다. 그러나 추가로 그 밖에도 증가된 플렉소 전기 계수들이 선호되는데, 특히 예컨대 e_s ≥ 5pC/m(피코-쿨롱/미터) 또는 심지어 e_s ≥ 10pC/m의 증가된 스플레이 플렉소 계수(e_s)가 선호된다.

한 실시예에서, 전극들은 제1 기판 상에만 배열된다. 제1 기판 상의 전극들은 바람직하게는 개별적으로 제어될 수 있다.

한 추가 실시예에서, 두 기판 상에서 면내 전극들이 이용되고, 일측 기판 상의 전극들은 타측 기판 상의 전극들에 상대적으로 약 90도의 각도로 배향된다. 이 경우, "면내" 전극들 또는 "면내" 전극 어셈블리는, 이는 기판 표면에 대해 평행한 전극 어셈블리에 관계된다는 것을 의미한다.

여기서도 바람직하게는 증가된 유전 이방성(Δε)이 이용된다. 이런 경우, 제1 기판 상의 전극들은 플렉소 전기 상호작용 및 유전 상호작용의 조합을 통해 전계의 부호에 따른 스위치 온에 이용된다. 이 경우, 증가하는 회전 각도에 따라 Δε이 증가되면 플렉소 전기 분극은 감소하는데, 그 이유는 LC 분자들이 유전 상호작용을 통해 상대적으로 더 강하게 면내 배향되기 때문이다. 제2 기판 상의 전극들은 전계의 능동적인 스위치 오프에 이용된다. LC 분자들의 역회전은 유전 상호작용에 의해 우세하게 작용하는 방식으로 수행된다. 이로써 양 방향으로 신속한 스위칭이 수행될 수 있다.

특히 제1 기판상의 전극 어셈블리뿐만 아니라 제2 기판 상의 전극 어셈블리도 포함하는 상기 위상 변조기는 바람직하게는 상호 간에 끼워지는 2개의 빗 모양 돌기(comb) 또는 빗 모양과 유사한 구조(comb-like structure)의 형태로 제2 기판 상의 전극 어셈블리를 포함할 수 있으며, 상기 2개의 돌기 또는 구조 사이에서는 전역 전압 값(global voltage value)이 설정될 수 있다. 그에 따라, 제2 기판 상의 전극들의 개별적인 제어는 필요하지 않다. 이런 본 발명에 따른 실시예는 신속한 스위칭 거동을 가능하게 한다. 그에 따라, 요컨대 두 스위칭 과정, 즉 스위치 온뿐만 아니라 스위치 오프는 각각 능동적으로 전계를 통해 제어될 수 있다.

또한, 보다 적게 선호되는 또 다른 실시예에서, 매우 높은 스플레이 플렉소 전기 계수(e_s ≥ 20pC/m)와 매우 적은 유전 이방성(Δε ≤ 0.2)을 갖는 LC 재료도 이용될 수 있다. 이런 경우에, 전계와 플렉소 전기 분극의 상호작용은 LC 분자들의 큰 면내 회전 각도를 위해서도 우세하게 작용할 수도 있으며, 능동적인 스위치 오프는 반대되는 부호를 갖는 전계를 통해 수행될 수 있다. 이런 방식으로, 마찬가지로 신속한 스위칭 시간을 갖는 위상 변조기가 실현될 수 있다. 본 실시예는 바람직하게는 하나의 기판 상의 전극들만을 필요로 한다. 이런 실시예는, 기재한 특성들을 갖는 LC 재료가 상대적으로 더 어렵게 실현되는 이유에서만 보다 적게 선호된다.

본 발명에 따른 위상 변조기는 이제 공간 광 변조기에서 이용될 수 있다. 공간 광 변조기 내에는 복수의 픽셀이 규칙적으로 상호 간에 나란히 배열되며, 각각 하나의 픽셀의 전체 표면에 걸쳐 본 발명에 따른 위상 변조기의 전술한 구성의 이용을 통해 균일하고 설정 가능한 위상 값이 생성된다.

이 경우, 바람직하게 각각의 픽셀은 2개의 영역으로 분할되고, 이 2개의 영역은 기판들의 표면들 근처에서 반사대칭으로 반대되는 LC 분자들의 배향을 각각 나타낸다.

본 발명에 따른 위상 변조기의 제조를 위해, 대응하는 표면 상에, 또는 그 근처에 도달하는 액정 분자들이 의도하는 면외 각도를 갖는 제공되는 배향을 설정하게 하는 정렬 층(alignment layer)이 생성되는 방식으로, 제1 기판 및 제2 기판 상에 표면이 형성되는 방법이 이용된다. 그런 다음, 두 기판은 상호 간에 반대되는 방식으로 스페이서들(spacer)의 이용하에 결합되고, 중간 공간은 액정 재료로 채워진다. 이 경우, 본 발명에 따라, 상기 초기 배향에서 프리틸트 각으로도 지칭되는 면외 각도뿐만 아니라 두 기판 상의 고정 에너지(anchoring energy)도 정렬 층의 화학적 특성들, 정렬 층의 제조의 공정 매개변수들 및 액정 재료의 화학적 특성들의 조합을 통해 설정되며, 두 기판 상에서 각각의 면외 각도 또는 프리틸트 각은 0도와 45도 사이, 바람직하게는 20도와 40도 사이의 범위이다.

기판 상에서 LC 분자들의 특정 배향(정렬) 및 그 표면 고정(surface anchoring)을 설정하기 위한 가장 널리 알려지고 LC 디스플레이의 산업 생산에서 통상적인 방법은 배향 층(정렬 층)의 기계적 러빙(Rubbing)(또는, 버퍼링(Buffing))이다. 전형적으로 폴리이미드가 배향 층으로서 이용된다.

정렬 층의 화학적 특성들과 (예컨대 접촉 압력과 같은) 러빙 공정의 매개변수들의 조합을 통해, 고정 에너지뿐만 아니라 프리틸트 각이 설정된다. 그 밖에, 프리틸트 각은 LC 재료의 화학적 특성들에 따라서도 결정된다.

다시 말하면, 본 발명에 따라 기재되는 배열에서, 제1 기판 상의 프리틸트 각은 면외 각도(α(0))에 상응할 수도 있고, 제2 기판 상의 프리틸트 각은 면외 각도(α(d))에 상응할 수도 있다. 이런 각도들은, 앞서 러빙을 통해 처리된 기판들이 스페이서들의 이용하에 결합되고 중간 공간은 LC로 채워질 때 설정된다.

종래의 방식으로 이용되는 폴리이미드 정렬 재료들 및 러빙에 의해, 전형적으로 약 1도 내지 8도 범위의 프리틸트 각이 가용할 수 있다.

각도들(α(0) 및 α(d))이 폴리이미드의 종래의 기계적 러빙으로 설정되는 본 발명의 한 구현예는 바람직하게는 러빙으로 가용한 범위의 상단에서 각도를 설정하는, 다시 말하면 7 ~ 8도의 프리틸트 각을 설정하는 폴리이미드를 이용할 수도 있다. 또한, LC 재료의 화학적 특성들이 프리틸트 각에 영향을 미치는 점도 공지되었다. 바람직하게는, 그 화학적 조성이 약간 더 큰 프리틸트 각을 촉진하는 LC 혼합물들이 이용된다.

그러나 본 발명에 따른 위상 변조기의 스위칭 속도를 위해 바람직하게는, 종래의 기계적 러빙으로 가용한 범위보다 더 큰 각도가 설정될 수 있다.

그러므로 본 발명의 또 다른 구현예에서, 면외 각도들(α(0) 및 α(d))은 러빙에 의해서가 아니라 광 정렬(photo-alignment)에 의해 설정된다.

따라서 러빙을 위한 종래의 폴리이미드 정렬 층 대신, 광 배향 가능한 정렬 층이 이용된다. 이런 정렬 층은 UV 광에 노출된다. 이 경우, 면외 각도 또는 프리틸트 각은, UV 광의 노출량이 적합하게 조정됨으로써 설정될 수 있다.

그런 다음, 그에 상응하게 적합하게 조정된 노출량으로 노출되는 2개의 기판은 하나의 셀로 결합되며, 그럼으로써 두 기판 상에는 각도들(α(0) 및 α(d))이 설정된다. 결과적으로 본 발명의 또 다른 구현예들을 위해 이용될 수 있는 높은 프리틸트 각들을 설정할 수 있는 추가 방법들은 하기와 같다.

- 비스듬하게 증기 증착된 SiO₂ 또는 SiNx 층들로 이루어진 정렬 층들의 이용.

- 각각 수직 정렬을 위한 폴리이미드와 수평 정렬을 위한 폴리이미드로 이루어진 혼합물의 이용. 이런 경우에, 적합한 혼합비를 통해, 종래의 러빙으로도 증가된 프리틸트(Pretilt)가 설정될 수 있다.

- 도펀트에 의해 폴리이미드의 표면 에너지가 변동되고 이처럼 표면 에너지에 대한 영향에 의해 프리틸트가 설정되는 도핑된 폴리이미드층의 이용.

본 발명은 기재한 구현예들로만 국한되지 않는다.

이제 본 발명의 교시들을 바람직한 방식으로 구현하고 개선하는 다양한 가능성이 존재한다. 이를 위해, 한편으로 특허 청구항 제1항 및 제15항에 종속되는 특허 청구항들 및 다른 한편으로는 도면들에 따르는 본 발명의 바람직한 실시예들의 하기 설명이 참조된다. 도면들에 따르는 본 발명의 바람직한 실시예들의 설명과 결부하여, 전반적으로 본원의 교시들의 바람직한 구현예들 및 그 개선예들이 설명된다.

도면들은 각각 개략도로 도시되어 있다.
도 1a는 종래 기술에 따르는 위상 변조기를 도시한 단면도이다.
도 1b는 도 1a의 위상 변조기를 90도만큼 회전시켜 도시한 단면도이다.
도 2a는 본 발명에 따른 위상 변조기의 제1 실시예를 도시한 단면도이다.
도 2b는 전계가 스위치 오프된 상태에서 도 2a의 위상 변조기를 90도만큼 회전시켜 도시한 단면도이다.
도 3은 전계가 스위치 온된 상태에서 본 발명에 따른 위상 변조기의 한 실시예를 도시한 단면도이다.
도 4a는 본 발명에 따른 위상 변조기의 제2 실시예를 도시한 단면도이다.
도 4b는 전계가 스위치 오프된 상태에서 도 4a의 위상 변조기를 90도만큼 회전시켜 도시한 단면도이다.
도 4c는 전계가 스위치 온된 상태에서 도 4a 또는 도 4b의 위상 변조기를 도시한 단면도이다.
도 5a 내지 도 5d는 본 발명에 따른 위상 변조기의 제3 실시예를 도시한 다양한 단면도들이다.

도면들에서 동일한 컴포넌트들 또는 부재들은 동일한 도면부호들로 표시되어 있다.

도 1a에는, 종래 기술에 따르는 위상 변조기(1)를 절단한 단면도가 개략적으로 도시되어 있다. 상기 위상 변조기(1)는 2개의 유리 기판(2, 3)을 포함한다. 기본적으로 유리 기판들(2, 3) 중 적어도 하나의 유리 기판은 또 다른 기판 재료로 대체될 수 있다. 기판들 중 일측 기판은 예컨대 광학 반사성으로 형성될 수도 있다. 그러나 적어도 하나의 기판은 자신과 상호작용하는 광에 대해 광학 투명성으로 형성될 수 있다. 제1 유리 기판(2) 상에는 전극들(4)이 배열된다. 도면에는, 하나의 전극(4)이 도면 평면에 개략적으로 도시되어 있다. 상기 전극(4)과, 도면 평면의 전방 또는 그 후방에 배열되는 추가의 (미도시한) 전극들 사이에, 도면 평면에 대해 실질적으로 수직을 이루는 전계가 인가될 수 있다. 도 1a에는, LC 분자들(10)이 각각 "쌀알 형태"로 도시되어 있으며, 전계가 스위치 오프된 경우의 LC 배향이 도시되어 있다. 유리 기판들(2, 3)은 각각 표면(5, 6)을 포함한다. 본 예시에서, 유리 기판들(2, 3)의 표면들은 폴리이미드(7, 8)(PI)로 각각 코팅되어 있으며, 그럼으로써 각각의 폴리이미드 층(7, 8)의 표면(5, 6)은 LC 분자들(10)에 대한, 또는 LC 층(9)에 대한 경계층으로서 작용한다. 하부 폴리이미드 층(7)의 근처에서, LC 층(9)의 LC 분자들(10)은 폴리이미드 층(7)의 표면 구조에 근거하여 표면(5)에 대해 대략 평행하게 위치하도록 배향된다. '대략 평행하게'란 표현은 약 1 내지 3도 범위의 작은 각도(α(0))도 포함할 수 있다. 여기서, 폴리이미드 층(7)의 표면 구조는 "러빙"에 의해, 다시 말하면 폴리이미드 층(7)의 기계식 솔질(mechanical brushing)에 의해 생성된다. 상부 폴리이미드 층(8)의 표면(6)의 근처에서, LC 분자들(10)은 폴리이미드 층(8)의 표면 특성에 근거하여 표면(6)에 대해 대략 수직으로 배향된다.

도 1b에는, 더 나은 이해를 위해, 종래 기술에 따르는 동일한 위상 변조기(1)를 도 1a에 비해 90도만큼 회전시켜 바라본 부분으로 한 절개 부분이 도시되어 있다. 이 도면에는, 하부 기판(2) 상에 서로 나란히 위치하는 3개의 전극(4)이 개략적으로 도시되어 있다. 그러나 특히 가변 편향 격자에서 전극들(4)의 실제 개수는 상당히 더 많을 수 있다. 상기 도면에서, 전극들(4) 사이에 인가될 수 있는 전계는 도면 평면에 위치할 수도 있다. 개별 전극들(4)의 개별적인 제어를 통해, 예컨대 가변 편향 격자가 실현될 수 있다.

도 2a에는, 도 1a와 유사하게, 본 발명에 따른 위상 변조기(1)의 한 구현예가 도시되어 있다. 이런 구현예는 마찬가지로 2개의 유리 기판(2, 3)과, 하부 유리 기판(2) 상의 전극들(4)을 포함한다. 전극들(4) 및 전계의 패턴은 실질적으로 도 1a의 위상 변조기(1)의 대응하는 사항들에 상응한다.

본 구현예는 마찬가지로 2개의 폴리이미드 층(7, 8)과 하나의 액정 층(9)을 포함한다. 그러나 두 표면(5, 6)의 근처에서 LC 분자들(= Liquid Crystal Molecules = 액정 분자들)의 배향은, 본 발명에 따르는 경우, 도 1에 도시된 종래 기술의 배향과 다르다. 하부 표면(5) 근처의 LC 분자들(10)은 각도(α(0))로 배향되고, 상부 표면(6) 근처의 LC 분자들(10)은 각도(α(d))로 배향된다. 하부 표면(5) 및 상부 표면(6) 상에서 각도(α(0), α(d))의 회전 방향(즉 부호)은 서로 반대된다.

본 실시예에서, 두 표면(5, 6) 상의 각도(α(0), α(d))의 크기는 동일하다. 이는 하부 표면(5)과 비교하여 상부 표면(6) 상에서 LC 분자들(10)의 반사된 배향에 상응하며, 가상의 반사면(11)은 액정 층(9)의 중심을 통과하여, 그리고 기판들(2, 3)에 대해, 또는 기판들의 표면들(5, 6)에 대해 평행하게 연장된다. 구체적인 도해를 위해, 상기 반사면(11)도 파선으로 표시되어 있다.

또 다른 (보다 적게 선호되는) 구현예들에서, 각도들(α(0), α(d))은 서로 상이한 크기를 보유할 수도 있다. 예컨대 ｜α(0)｜ = 20°일 수도 있으며, 그리고 ｜α(d)｜ = 40°일 수도 있다.

도 2b에는, 도 1b와 유사하게, 본 발명에 따른 위상 변조기(1)의 실시예를 90도만큼 회전시켜 바라본 부분으로 한 절개 부분이 도시되어 있다. 여기서도, 전극들의 상대적으로 더 많은 개수에 대해 대표적으로, 3개의 전극(4)만이 개략적으로 도시되어 있다.

WO 2011/067265 A1에는, 자체의 도 1과 관련하여, 원편광, 그리고 λ/2 플레이트로서 작용하는 배열의 위상 변조가 기재되어 있다. 상기 국제 공보의 도 4에는, 가변 편향 격자를 위한 개별적으로 제어 가능한 전극들을 포함하는 배열이 도시되어 있다. 상기 국제 공보의 도 5에는, 종래 기술에 따르는 고정된 격자 주기(grid period)를 갖는 분극 격자가 도시되어 있다. 상기 국제 공보의 도 9 및 도 10에는, 특정 격자 주기의 편향 격자를 실현하기 위해 전극들 상에 인가되는 전압들에 대한 예시들이 도시되어 있다. 이런 도면들은 그 의미에 부합하게 본 발명의 설명을 위해서도 고려될 수 있다. 이런 점에 한해서, 추가 실시예들과 관련하여 WO 2011/067265 A1이 참조되며, WO 2011/067265 A1의 공개 내용은 그 전체 범위에서 본원에 포함된다.

도 3에는, 전계 내에서 LC 분자들(10)의 부호에 따르는 회전이면서, 플렉소 전기 분극에 의해 감소되는 상기 회전이 매우 개략적으로 도시되어 있다. 본 예시에서, 중앙 전극(4)은 0볼트이며, 좌측 및 우측 전극(4)은 각각 동일한 전압((V1)이다. 그러므로 전계의 부호는 좌측 반부와 우측 반부에서 서로 다르다. 그에 상응하게, 위상 변조기(1)의 도 3에 도시된 절개 부분의 상기 반부들에서 LC 분자들(10)의 회전 방향도 서로 다르다. WO 2011/067265 A1의 도 9와 유사하게, 가변 편향 격자를 실현하기 위해 전압 시퀀스는 많은 전극(4)을 통해 인가될 수 있다.

도 4a 및 도 4b에는, 도 2a 및 도 2b와 유사한 배열이 2가지 부분으로 도시되어 있다. 추가로 여기서는 상부 기판(3)이, 하부 기판(2) 상의 전극들(4)에 대해 약 90도의 각도로 배열되어 있는 추가 전극들(12)을 포함한다. 다시 말해, 상부 기판(3) 상의 전극들(12) 사이의 전계는 도 4a에서 대략 도면 평면에 위치하고 도 4b에서는 도면 평면에 대해 대략 수직으로 위치할 수도 있다. 도 4b에는, 하부 전극들(4) 상에서뿐만 아니라 상부 전극들(12) 상에서도 전계가 인가되지 않을 때 액정들(10)의 배향이 도시되어 있다.

도 4c에는, 도 4b의 동일한 부분으로, 하부 기판(2) 상의 전극들(4) 사이에 전계가 인가될 때, 액정들(10)의 배향이 개략적으로 도시되어 있다. 본 실시예에서, 액정의 재료 매개변수는, 상기 액정이 Δε ≥ 5의 유전 이방성을 보유하도록 설정된다. 플렉소 전기 계수(e_s)는 예컨대 약 10pC/m이다. 전계가 인가된 경우, LC 분자들(10)의 면내 회전이 개시된다. 플렉소 전기 분극에 근거하여, LC 분자들(10)의 회전 방향은 전계의 부호에 따라서 결정된다. 이는, 전계와 유전 및 플렉소 전기 상호작용의 조합 시에도 적용된다. 이에 대한 이유는, 플렉소 전기 상호 작용을 통해 LC 분자들(10)에 작용하는 토크가 LC 분자들(10)의 플렉소 전기 분극의 분극 벡터와 전계 벡터 사이의 각도의 코사인에 비례하여 거동하기 때문이며, 다시 말하면 상기 토크는 상기 각도가 90도에 달할 때 크기 때문이다. 그러나 유전 상호작용으로 인해 야기되는 토크는 전계와 LC 분자들(10)의 배향 사이의 각도의 사인과 코사인을 곱한 곱에 비례한다. 이런 토크는 각도가 정확히 90도일 경우 영(0)의 값을 갖는다.

그러나 두 토크의 비율은 각도의 사인과 더불어 변동된다. 또한, 전계가 증가할 때, 유전 상호작용의 우위성(dominance)도 증가한다. 다시 말하면, 비율(Δε / e_s)에 따라서, 특정 회전 각도부터 유전 상호작용이 우세하게 작용한다.

추가로, 유전 상호작용은, 전계가 상대적으로 더 강한 경우, 바람직하게는 LC 분자들(10)의 면외 배향의 변동도 실현한다. 이런 면외 배향의 변동을 통해, 증가하는 면내 회전 각도와 더불어 스플레이 변형도 더 적어지고 그에 따라 플렉소 전기 분극도 더 작아진다. 그런 다음, Δε이 충분히 크거나, 또는 몫(Δε / e_s)이 충분히 큰 경우, 거의 90도의 회전 각도를 위해 LC 분자들은 거의 완전하게 면내 배향되고 플렉소 전기 분극은 매우 작다.

그런 다음, 자신들의 원래의 배향으로 LC 분자들(10)의 신속한 능동적인 역회전은 상부 기판(3) 상의 전극들(12)에 인가되는 전계로 수행된다. 분극이 증가하는 회전 각도와 더불어 더 작아지도록 LC 재료의 매개변수들(Δε 및 e_s)이 설정된다면, 바람직하게는 (전계의 변경된 방향을 통해 전계와 LC 배향의 사이에서 거의 90도의 변경된 각도에도 불구하고도) 역회전을 위해 유전 상호작용이 우세하게 작용한다. 그런 다음, 액정 내의 탄성력 및 표면 고정의 조합으로, LC 분자들(10)은 전계의 부호와 무관하게 자신들의 원래의 배향으로 역회전된다. 바람직하게 상부 기판(3) 상의 전극들(12)은 상호 간에 끼워지는 2개의 빗 모양 돌기의 구조를 포함할 수 있다. 다시 말해, 상기 기판(3) 상에서 전극들(12)의 개별적인 제어는 필요하지 않을뿐더러, 전역 전압 값만이 빗 모양 돌기들 사이에 인가되기만 하면 된다. 바람직하게 상기 구현예는 신속한 스위칭 거동도 나타내는데, 그 이유는 두 스위칭 과정, 즉 스위치 온 및 스위치 오프가 각각 전계를 통해 능동적으로 제어되기 때문이다.

다른 한편으로, 변동된 면외 배향을 통해 야기되는 사항으로 LC 층을 통한 광의 광학 경로의 변동은 충분히 적으며, LC 층(9)은 면내 회전 각도와 무관하게 거의 λ/2 플레이트처럼 거동한다. 다시 말해, 가변 편향 격자 또는 위상 변조기(1)의 회절 효율은 기재한 구현예를 통해 사소할 정도로만 감소된다.

도 5a 내지 도 5d에는, 공간 광 변조기의 기능에서 이용될 수 있는 위상 변조기(1)의 한 실시예가 도시되어 있다. 다시 말해, 본 실시예의 경우, 위상 변조기(1)는 편향 격자로서 이용되는 것이 아니라, 규칙적으로 배열되는 복수의 픽셀(13)을 포함하고 하나의 픽셀(13)의 표면에 걸쳐서 최대한 균일하고 설정 가능한 위상 값을 갖는 공간 광 변조기(SLM = Spatial Light Modulator)로서 이용된다. 도 5a 및 도 5b에는, 위상 변조기(1)의 위상 변조 픽셀(13)의 도 5d에 따른 선 5a － 5a 또는 5b ― 5b를 따르는 단면도가 각각 도시되어 있다. 도 5d에는, 도 5c에 따른 선 5d － 5d를 따르는 픽셀(13)의 단면도가 도시되어 있으며, 이 도 5d에는, 영역들(14, 15) 내에서 도 5c에 도시된 LC 분자들(10)의 정렬도 생성하는 전계가 전극들(4)에 인가되어 있다. 위상 변조 픽셀(13)은 2개의 영역(14, 15)으로 분할되고, 이들 영역은 표면(5 또는 6)의 근처에서 LC 분자들(10)의 반사대칭으로 반대되는 배향을 각각 나타낸다. 영역들(14, 15)의 대략적인 분리는 도 5c 및 도 5d에 수직 파선을 통해 도시되어 있다. 영역(14)에서 LC 분자들(10)은 표면(5)의 하면에서 각도(α(0))로, 그리고 표면(6)의 상면에서는 각도(α(d))로 배열되고 정렬된다. 영역(15)에서는 LC 분자들(10)은 표면(5)의 하면에서 각도(-α(0))로, 그리고 표면(6)의 상면에서는 각도(-α(d))로 배열되고 정렬된다.

도 5c에는, 전계가 인가된 상태에서 (도 5d의 선 5c - 5c를 따라서) 픽셀(13)을 90도만큼 회전시켜 바라본 부분이 도시되어 있다. 도 5c의 좌측 부분에는 도 5a의 단면도의 영역(14)이 확인된다. 도 5c의 좌측 부분에서는 도 5b의 제2 단면의 영역(15)이 확인된다.

전계의 변경된 방향에도 불구하고, 픽셀(13)의 두 영역에서는 LC 분자들(10)의 균일한 회전이 수행된다[표면들(5, 6) 사이에서 중앙에 표시된 화살표들 참조]. 그에 따라, 전체 픽셀(13) 내에서 균일한 위상 값이 생성된다. 바람직하게 종래의 전극 구조도 픽셀(13)을 위해 이용될 수 있다.

마지막으로 매우 각별하게 주지할 사항은, 앞서 설명한 구현예들은 청구되는 교시의 기재를 위해서만 이용될 뿐이며, 상기 교시를 구현예들 자체로만 제한하지는 않는다는 점이다. 특히 앞서 기재한 구현예들은 (가능한 점에 한해) 상호 간에 조합될 수도 있다.

Claims

편광을 위한 위상 변조기로서,
제1 표면(5)을 갖는 제1 기판(2), 및 제2 표면(6)을 갖는 제2 기판(3)으로서, 상기 두 개의 기판들은 서로 마주보도록 배열되어 있는 것인, 상기 제1 기판(2) 및 상기 제2 기판(3)과,
상기 두 개의 기판들(2, 3) 사이에서 배열되며, 액정 분자들(10)을 포함하는 액정 층(9)과,
상기 기판들(2, 3) 중 적어도 하나의 기판 상의 전극 배열(4)을 포함하며,
상기 기판들(2, 3)의 두 개의 표면들(5, 6)은, 각각의 표면(5, 6)에 인접해 있는 상기 액정 분자들(10)을 각각의 기판(2, 3)의 각각의 표면(5, 6)에 대해 면외(out of plane) 각도(α(0), α(d))를 각각 형성하는 방향으로 배향시키도록 구성되고, 상기 면외 각도의 크기는 0도보다 더 크지만, 45도 이하이며,
상기 전극 배열은, 액정 분자 배향의 면내(in plane) 성분(φ)이 180도까지의 각도 범위에서 조정가능한 방식으로 제어될 수 있고, 상기 면내 성분은 사전 설정 가능한 평균 배향과 관련하여 -φ₁도와 +φ₂도 사이에서 조정가능하고, 여기서 φ₁, φ₂ ≤ 90도이며,
상기 제1 표면(5)에 인접해 있는 상기 액정 분자들(10)의 회전 방향은 상기 제2 표면(6)에 인접해 있는 상기 액정 분자들의 회전 방향과는 반대이고,
상기 액정 층(9)에 걸쳐서 스플레이(splay) 변형이 제공되는 것인, 편광을 위한 위상 변조기.
제1항에 있어서, 상기 두 개의 기판들(2, 3) 사이에 배열된 상기 액정 층(9)은 상기 액정 분자들(10) 대신, 또는 상기 액정 분자들(10)에 추가적으로 상이한 정렬 가능한 복굴절성 재료를 포함한 것인, 편광을 위한 위상 변조기.
제1항에 있어서, 상기 두 개의 면외 각도들(α(0), α(d))은 크기는 동일하지만, 부호는 서로 다른 것인, 편광을 위한 위상 변조기.
제1항에 있어서, 20도와 40도 사이의 범위 내에 각각 있는, 상기 두 개의 면외 각도들(α(0), α(d))의 크기가 제공되는 것인, 편광을 위한 위상 변조기.
제1항에 있어서, 상기 제1 기판(2) 상에 개별적으로 제어 가능한 전극들이 제공되는 것인, 편광을 위한 위상 변조기.
제1항에 있어서, 상기 두 개의 기판들(2, 3) 상에 면내 전극 배열(4)이 제공되고, 상기 제1 기판(2) 상의 전극들(4)은 상기 제2 기판(3) 상의 전극들(12)에 대해 90도의 상대적인 각도로 배향되어 있는 것인, 편광을 위한 위상 변조기.
제6항에 있어서, 상기 제2 기판(3) 상의 전극 배열은 상호 맞물리는 두 개의 빗 모양 돌기들 또는 빗 모양 구조들의 형태로 제공되고, 상기 돌기들 또는 구조들 사이에서는 글로벌 전압 값이 조정가능한 것인, 편광을 위한 위상 변조기.
제1항에 있어서, 5이상의 유전 이방율(Δε)을 갖는 액정 재료를 포함하는 액정 층(9)이 제공되는 것인, 편광을 위한 위상 변조기.
제1항에 있어서, 0.2 이하의 유전 이방율(Δε) 및 20pC/m 이상의 스플레이 플렉소 전기 계수(e_s)를 갖는 액정 재료를 포함하는 액정 층(9)이 제공되는 것인, 편광을 위한 위상 변조기.
제1항에 따르는 위상 변조기를 포함하는 공간 광 변조기에 있어서, 상기 공간 광 변조기 내에는 복수의 픽셀(13)이 규칙적으로 서로 나란히 배열되고, 픽셀(13) 각각의 전체 표면에 걸쳐서 균일하고 조정가능한 위상 값이 생성되는 것인, 공간 광 변조기.
제10항에 있어서, 각각의 픽셀(13)은 두 개의 영역들(14, 15)로 분할되고, 이 두 개의 영역들은 상기 기판들(2, 3)의 표면들(5, 6) 근처에서 상기 액정 분자들(10)의 거울 대칭적인 반대 배향을 각각 갖는 것인, 공간 광 변조기.
제1항에 따르는 위상 변조기 및 제10항에 따르는 공간 광 변조기 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 홀로그래픽 디스플레이.
제1항에 따르는 위상 변조기를 제조하기 위한 방법으로서,
제1 및 제2 기판(2, 3) 상에서, 표면(5, 6) 상에 또는 상기 표면(5, 6)의 근처에 진입하는 액정 분자들(10)이 의도하는 면외 각도(α(0), α(d))와 함께 의도하는 배향을 조정할 수 있게 하는 정렬 층이 생성되는 방식으로, 표면(5, 6)이 형성되고,
상기 두 개의 기판(2, 3)은 스페이서(spacer)들을 이용하여 서로 마주보도록 결합되고,
중간 공간이 액정 재료로 채워지고,
상기 면외 각도(α(0), α(d))뿐만 아니라 상기 두 개의 기판(2, 3) 상의 고정 에너지(anchoring energy)는 상기 정렬 층의 화학적 특성들, 상기 정렬 층의 제조의 공정 매개변수들, 및 상기 액정 재료의 화학적 특성들의 조합을 통해 조정되며, 상기 두 개의 기판 상에서의 상기 면외 각도(α(0), α(d)) 각각은 0도와 45도 사이의 범위 내에 있는 것인, 위상 변조기 제조 방법.
제13항에 있어서, 상기 기판(2, 3)의 표면(5, 6) 상의 상기 정렬 층은 기계적 러빙을 통해 조정되는 것인, 위상 변조기 제조 방법.
제13항에 있어서, 상기 기판(2, 3)의 표면들 상의 상기 정렬 층은, 광 배향 가능한 정렬 층이 UV 광에 노출되고 상기 면외 각도(α(0), α(d))가 상기 UV 광의 노출량을 적응시켜서 조정되도록 하는 방식으로, 광 정렬에 의해 조정되는 것인, 위상 변조기 제조 방법.
제13항에 있어서, 상기 면외 각도(α(0), α(d))는, 비스듬하게 증착된 실리콘 이산화물(SiO₂) 층들 또는 실리콘 질화물(SiN_x) 층들로 이루어진 정렬 층들의 이용을 통해, 또는 수직 정렬을 위한 하나의 폴리이미드와 수평 정렬을 위한 하나의 폴리이미드로 각각 이루어진 혼합물의 이용을 통해, 또는 도핑된 폴리이미드층의 이용을 통해 조정되는 것인, 위상 변조기 제조 방법.
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