KR102460599B1 - 열가소성 광학 장치 - Google Patents

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모로우 엔.브이.
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Abstract

광학 장치(1)가 제공되며, 제1 광학 투명 열가소성 층(2), 및 제2 광학 투명 열가소성 층(3)을 포함하고, 제1 광학 투명 열가소성 층(2)과 제2 광학 투명 열가소성 층(3) 사이에, 제1 광학 투명 열가소성 층(2)에 인접하는 회절 광학 요소(4), 회절 광학 요소(4)와 제2 광학 투명 열가소성 층(3) 사이의 스페이서(5), 및 회절 광학 요소(4)를 둘러싸 밀봉된 공동(7)을 형성하는 경계부(6)를 포함한다.

Description

열가소성 광학 장치
본 발명은 만곡형 광학 장치에 관한 것으로서, 특히 액체를 포함하는 만곡형 광학 장치에 관한 것이다.
노안은 가까운 거리에서 초점을 맞출 수 있는 눈의 능력이 떨어지는, 잘 알려져 있는 질환으로서 전 세계적으로 20억 명이 넘는 환자에게 영향을 미치고 있다. 전통적인 해결수단으로는 독서용 안경, 프로그레시브 렌즈 또는 다초점 콘택트 렌즈와 같은 수동형 렌즈가 포함된다. 그러나, 이러한 수동형 렌즈는 전형적으로 제한된 시야, 감소된 콘트라스트 또는 긴 적응 시간 등의 문제가 있다.
따라서 렌즈 또는 그 일부의 초점 거리가 변경될 수 있는 재초점맞춤가능한(refocusable) 렌즈가 본 기술분야에서 많은 주목을 받게 되었는데, 이는 알려진 많은 문제점을 해소하였기 때문이다. 일부 광-기계식 해결수단이 있지만 전기-광학식 해결수단이 선호되는데, 이는 재구성하기 더 쉽고 응답 시간이 빠르며 기계적으로 견고하기 때문이다. 대부분의 전기-광학식 해결수단은 하나 이상의 액체로 충진되는 공동을 필요로 하며 일반적으로 액정 기반 구현을 이용한다. 액정 디스플레이 기술은 매우 원숙한 반면, 재초점맞춤가능 액정 렌즈를 안과용 렌즈에 통합하는 방법은 어려운 것으로 밝혀졌는데, 이는 주로 안과용 렌즈가 일반적으로 가지고 있는 메니스커스 형상 때문이다.
예를 들어, 기존의 재초점맞춤가능 액정 렌즈는 미국 특허 제7,728,949호에 기재되어 있다. 이 특허는 2개의 플라스틱 렌즈 반부, 즉 회절/굴절 광학 구조를 갖는 제1 만곡 렌즈 반부 및 제2 렌즈 반부로 이루어진 렌즈를 개시한다. 양 렌즈 반부 상에 투명 전극이 증착된다. 렌즈 반부는 광학 구조의 영역을 제외하고 전체 표면에 걸쳐 UV 경화성 접착제로 함께 접착된다. 광학 구조의 위치에서 액정 재료는 두 렌즈 반부 사이의 틈새를 충진한다. 오프 상태에서, 액정은 렌즈 반부의 플라스틱 기판과 동일한 굴절률을 갖는다. 이는 회절/굴절 구조를 은폐하고 어떠한 렌즈 작용도 없게 된다. 렌즈 반부들 사이에 전기장을 인가함으로써, 액정 재료의 굴절률은 변조되어 하부의 회절/굴절 광학 구조와 상이하게 되고, 그에 따라 렌즈 작용을 유도한다.
이러한 접근법에서는 액정 렌즈가 두 개의 상대적으로 두꺼운(1mm 이상) 렌즈 반부 상에 직접 만들어지는데 이는 일련의 단점을 가지고 있다. 회절/굴절 광학 구조물의 만곡된 표면 상에 전극 층의 컨포멀 증착이 실현되기 어렵기 때문에 대량으로 제조하기가 매우 어렵고, 신뢰성 문제를 야기할 수 있다. 최첨단의 원-드롭 충진(one-drop fill) 공정을 사용하여 비용 효율적이고 심미적으로 깔끔한 밀봉을 얻는 것은 초박막 렌즈에서 실현하기가 어렵기 때문에 이러한 접근법의 대량 생산을 방해하게 된다. 회절/굴절 광학 구조는 평평한 표면을 가질 수 있지만, 이는 전형적인 얇은 렌즈 설계에서 최대 직경을 제한하게 되는데 평평한 렌즈가 만곡된 후면과 전면 사이에 어떻게든 통합될 필요가 있기 때문이다. 회절/굴절 광학 구조는 만곡될 수 있지만, 액정이 공정 중에 유출(spill over)되어 표면의 오염 및 접착제의 불량 접착을 초래할 수 있다. 접착 후 공동을 충진하는 것도 또 다른 옵션이지만, 렌즈가 충진되는 채널이 보이는 상태로 남아 있을 수 있어 렌즈의 미감을 손상시킬 수 있다. 각각의 렌즈 블랭크를 개별적으로 제조해야 하므로 처리량이 제한된다. 편광 독립적인 초점 길이 변화가 일반적으로 요구되기 때문에, 네마틱 액정을 갖는 다층 렌즈 구조, 예를 들어, 두 편광에 대해 직교 정렬을 갖는 2개의 층을 이용하거나 또는 콜레스테릭 액정과 조합된 단일 층을 사용할 필요가 있다. 이러한 접근법에 의하면 다층 렌즈 구조를 만드는 것이 매우 어려워지며, 단 하나의 층만을 갖는 편광 독립적인 렌즈를 만들기 위해 콜레스테릭 액정의 사용을 강요하게 된다. 그러나, 콜레스테릭 층의 큰 내부 에너지와 디스클리네이션 라인으로 인해 콜레스테릭 층, 특히 두꺼운 층의 혼탁을 제어하는 것이 매우 어렵다는 점이 통상의 기술자에게 알려져있다. 콜레스테릭 액정의 혼탁을 피하기 위해, 액정 층의 두께를 감소시켜야 하지만, 이것은 블레이즈 높이를 제한하여 광학 회절/굴절 구조에서 더 짧은 피치의 블레이즈의 사용을 강요하게 되고 따라서 색수차를 증가시킨다. 전술한 바와 같이, 네마틱 액정을 사용하는 다층 렌즈는 덜 혼탁한 편광 독립적인 렌즈를 생성할 수 있지만, 제안된 접근법은 큰 두께 및 많은 취급상 이슈를 갖는 렌즈를 초래할 것이다.
이러한 과제를 해결하기 위한 또 다른 접근법은 먼저 평평한 표면 상에 박막 액정 층을 형성한 다음, 이러한 평평한 표면을 수동형 렌즈에 매립하는 것도 있다. 이에 관한 시도가 EP 1,480,063 B1에 개시되어 있으며, 이는 액정에 기초한 전기-변색 렌즈 인서트를 제조하는 방법을 기술하고 있다. 기술된 접근법은 평평한 기판 상에 액정 장치를 먼저 제조하는 것이다. 이 장치는 두 개의 대향하는 기판으로 구성되며, 전통적인 볼 스페이서 또는 구형 폴리머 입자를 이용하여 두 기판 상에 투명한 전도체들이 서로 이격되어 증착된다. 간극은 액정 층으로 충진되고 그 후 밀봉된다. 그 다음에 평평한 장치는 렌즈 블랭크에 통합되도록 열 성형된다. 기술된 장치에는 어떠한 렌즈 동작도 없으며, 즉 굴절력이 아니라 렌즈의 투명도를 변경하는 데 사용할 수 있다.
따라서 신뢰성 있는 방식으로 대량 생산될 수 있는, 전기적으로 조절 가능한 위상 프로파일, 예를 들어 초점 길이 변화를 갖는 만곡형 광학 장치가 필요하다.
제1 양태로서 광학 장치가 개시되며, 이는 제1 광학 투명 열가소성 층, 및 제2 광학 투명 열가소성 층을 포함하고, 제1 광학 투명 열가소성 층과 제2 광학 투명 열가소성 층 사이에, 제1 광학 투명 열가소성 층에 인접하는 회절 광학 요소, 회절 광학 요소와 제2 광학 투명 열가소성 층 사이의 스페이서, 및 회절 광학 요소를 둘러싸 밀봉된 공동을 형성하는 경계부를 포함한다. 따라서 광학 장치는 제1 열가소성 층과 제2 열가소성 층, 그리고 이러한 열가소성 층 사이의 경계부에 의해 형성되는 밀봉된 공동을 함유한다. 경계부에 의해 둘러싸인 영역에는 회절 광학 요소 및 스페이서가 존재한다. 경계부는, 공동으로부터 이격되어, 노치를 포함하되, 노치는 제2 광학 투명 열가소성 층과 접촉하는 접착제를 함유한다. 이러한 광학 장치의 공동은 액정 재료로 충진된다. 몇몇 구현예에서, 경계부를 통해 공동 내로 연장되는 채널이 존재하여, 이러한 채널을 통해 공동을 액정 재료로 충진할 수 있다.
일 실시예로서, 스페이서와 회절 광학 요소는 서로 적층될 수 있고, 이러한 적층에 의해 제1 광학 투명 열가소성 층과 제2 광학 투명 열가소성 층 사이에 제어된 거리를 유지하게 된다. 존재하는 경우 액정 재료의 정렬을 개선하기 위해, 제2 열가소성 층에 대면하는 회절 광학 요소의 표면은 액정 재료를 위한 정렬 층으로서 구성되는 미크론 미만의 홈을 함유한다. 부가적으로, 홈 중 적어도 일부를 덮는 컨포멀 정렬 층이 제공될 수 있다.
또 다른 실시예로서, 평탄화 재료의 층이 제공될 수 있고, 이는 회절 광학 요소를 덮어 회절 광학 요소에 인접하는 경계부 중 적어도 일부가 평탄화 재료로 만들어진다. 이제 스페이서, 평탄화 층 및 회절 광학 요소는 서로 적층되어 이러한 적층에 의해 제1 광학 투명 열가소성 층과 제2 광학 투명 열가소성 층 사이에 제어된 거리를 유지하게 된다. 존재하는 경우 액정 재료의 정렬을 개선하기 위해, 제2 열가소성 층에 대면하는 회절 광학 요소를 덮는 평탄화 층의 부분의 표면이 액정 재료를 위한 정렬 층으로서 구성되는 미크론 미만의 홈을 함유한다. 부가적으로, 홈 중 적어도 일부를 덮는 컨포멀 정렬 층이 제공될 수 있다. 경계부는, 공동으로부터 이격되어, 평탄화 재료에 형성되는 노치를 포함하되, 노치는 제2 광학 투명 열가소성 층과 접촉하는 접착제를 함유한다.
바람직하게는 회절 광학 요소, 스페이서 및 경계부가 동일한 재료 조성을 가져, 나노 임프린트에 의해 동일한 적층에 이러한 컴포넌트를 형성할 수 있다.
광학 장치는, 제1 광학 투명 열가소성 층에 인접하는 제1 광학 투명 전극, 및 제2 광학 투명 열가소성 층에 인접하는 제2 광학 투명 전극을 더 포함할 수 있고, 적어도 공동이 제1 광학 투명 전극과 제2 광학 투명 전극 사이에 있게 되어, 사용 시에, 공동 내에 존재할 때 적어도 액정 재료에 걸쳐 전기장이 인가된다. 제1 투명 전극이 회절 광학 요소와 제1 광학 투명 열가소성 층 사이에 위치될 수 있고, 이에 의해 회절 광학 요소와 공동이 양 전극 사이에 있게 된다. 대안으로서, 제1 투명 전극이 나머지 광학 투명 열가소성 층에 대면하는 회절 광학 요소의 표면 상에 위치한다.
나아가, 광학 장치는 만곡될 수 있고, 즉 양 광학 투명 열가소성 층 모두가 미리결정된 곡률을 가진다.
제2 양태로서, 제1 양태에 따른 광학 장치를 적어도 포함하는 광학 기구가 개시된다. 광학 장치는, 사용 시에, 눈을 향하는 광의 위상 프로파일을 조절하도록 구성된다. 이러한 광학 기구의 일례는 렌즈이다. 광학 기구는 제1 양태에 따른 광학 장치를 두 개 이상 포함할 수 있고, 예를 들면 2개의 광학 장치의 적층을 포함할 수 있다.
제3 양태로서 제1 양태에 따른 광학 장치를 제조하는 방법이 개시된다. 이러한 방법은, 제1 광학 투명 열가소성 층을 제공하는 단계, 제1 광학 투명 열가소성 층 상에 나노 임프린트에 의해, 스페이서, 광학 회절 요소, 및 광학 회절 요소와 스페이서를 둘러싸는 경계부 중 적어도 하나를 형성하는 단계, 및 제2 광학 투명 열가소성 층을 제공하는 단계로서, 스페이서와 광학 회절 요소를 함유하는 밀봉된 공동을 형성함으로써, 스페이서가 광학 회절 요소와 제2 광학 투명 열가소성 층 사이에 있게 하는, 제2 광학 투명 열가소성 층을 제공하는 단계를 포함한다. 스페이서, 광학 회절 요소, 및 광학 회절 요소를 둘러싸는 경계부를 나노 임프린트할 때, 공동으로부터 이격되어 경계부에 노치가 형성될 수 있다. 이러한 노치는 제2 광학 투명 열가소성 층과 접촉하는 접착제를 함유하도록 구성되고, 제2 광학 투명 열가소성 층이 적용되기 전에 노치에만 접착체가 제공된다.
광학 회절 요소 위에 액정 재료가 제공될 수 있고, 제2 광학 투명 열가소성 층이 제공될 때 밀봉된 공동만을 충진하도록 그 양이 선택된다. 이러한 액정 재료는 제2 광학 투명 열가소성 층이 공동을 폐쇄하기 전에 공동에 제공될 수 있다. 대안으로서 이러한 액정 재료는, 적어도 경계부의 상부 부분에 형성되어 경계부를 통해 공동 내로 연장되는 채널을 통해 폐쇄된 공동에 제공될 수 있다. 이러한 채널은 바람직하게는 경계부를 나노 임프린트할 때 형성된다.
일 실시예로서, 스페이서, 회절 광학 요소 및 이러한 회절 광학 요소를 둘러싸는 경계부가 동일한 재료 적층으로 형성된다. 그에 따라 제1 광학 투명 층 상에 재료 조성의 층이 형성되고, 이러한 층 내에 스페이서, 회절 광학 요소 및 이러한 회절 광학 요소를 둘러싸는 경계부가 나노 임프린트되고, 이에 의해 스페이서와 회절 광학 요소는 서로 적층되어 제1 광학 투명 열가소성 층과 제2 광학 투명 열가소성 층 사이에 제어된 거리를 유지하게 된다. 이러한 나노 임프린트 단계 동안에 제2 열가소성 층에 대면하는 회절 광학 요소의 표면에 미크론 미만의 홈이 형성될 수 있고, 이러한 미크론 미만의 홈은 액정 재료를 위한 정렬 층으로서 구성된다. 선택적으로, 홈 중 적어도 일부를 덮는 컨포멀 정렬 층(미도시)이 증착될 수 있다.
또 다른 실시예로서, 회절 광학 요소 및 회절 광학 요소에 인접하는 경계부 중 적어도 일부를 덮도록 평탄화 재료의 층이 제공된다. 이러한 평탄화 층에 스페이서 및 경계부의 일부가 나노 임프린트되고, 이에 의해 스페이서, 평탄화 층 및 회절 광학 요소는 서로 적층되어 제1 광학 투명 열가소성 층과 제2 광학 투명 열가소성 층 사이에 제어된 거리를 유지하게 된다. 이러한 나노 임프린트 동안에 제2 열가소성 층에 대면하는 평탄화 층의 표면에 미크론 미만의 홈이 형성될 수 있고, 이러한 미크론 미만의 홈은 액정 재료를 위한 정렬 층으로서 구성된다. 부가적으로, 홈 중 적어도 일부를 덮는 컨포멀 정렬 층이 형성될 수 있다. 평탄화 재료가 경계부에 걸쳐 연장된다면, 이러한 평탄화 재료에 노치가 나노 임프린트될 수 있다.
방법은 또한, 제1 광학 투명 열가소성 층에 인접하여 제1 광학 투명 전극을 형성하는 단계, 및 제2 광학 투명 열가소성 층에 인접하여 제2 광학 투명 전극을 형성하는 단계를 더 포함하고, 이에 의해 적어도 공동이 제1 광학 투명 전극과 제2 광학 투명 전극 사이에 있게 된다.
이러한 방법은, 나노 임프린트에 의해, 경계부에 의해 둘러싸이는, 스페이서와 광학 회절 요소의 어레이를 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
광학 장치의 어레이가 형성되면 이러한 어레이는 개개의 광학 장치로 단일화된다. 그 다음에 광학 장치는 열 성형되어 각각의 광학 투명 열가소성 층에 미리결정된 곡률을 부여할 수 있다.
이러한 광학 장치의 적층은 제3 양태에서 논의된 방법을 적용하여 형성될 수 있다. 또한 광학 장치의 어레이를 제조하고 2개의 단일화된 광학 장치를 적층함으로써 형성될 수 있다. 선택적으로, 이러한 2개의 광학 장치의 적층이 열 성형되어, 각각의 광학 투명 열가소성 층에 미리결정된 곡률을 부여할 수 있다. 대안으로서, 이러한 제3 양태에서 논의된 공정 시퀀스가, 적층에 포함될 광학 장치의 수만큼 반복될 수 있다. 그 다음으로 제조 방법은, 이러한 제3 양태에서 논의된 바와 같은 방법을 적용함으로써 제1 양태에 따른 제1 광학 장치를 제조한 다음 제1 광학 장치 상에 제1 양태에 따른 제2 광학 장치를 제조하는 것을 포함하는데, 제1 광학 장치의 제2 광학 투명 열가소성 층은 제2 광학 장치의 제1 광학 투명 열가소성 층으로 기능하게 된다. 어레이가 형성되면, 이러한 어레이는 2개의 광학 장치의 적층을 생성하도록 단일화된다. 그 다음에 이러한 2개의 광학 장치의 적층이 열 성형되어, 각각의 광학 투명 열가소성 층에 미리결정된 곡률을 부여할 수 있다.
본 개시내용의 더 나은 이해를 위해, 이하에서는 몇몇 예시적인 실시예에 관하여 첨부된 도면 및 도면에 대한 설명과 함께 기술된다.
도 1은 일 실시예에 따른 열 성형 이전의 광학 장치를 도시한다.
도 2는 일 실시예에 따른 열 성형 후의 도 1의 광학 장치를 도시한다.
도 3은 일 실시예에 따른 홈이 있는 표면을 갖는 회절 광학 요소를 도시한다:(a) 단면, (b) 원형 홈이 있는 (a)의 평면도, (c) 평행 홈이 있는 (a)의 평면도.
도 4는 일 실시예에 따른 열 성형 이전의 평탄화 층을 갖는 광학 장치를 도시한다.
도 5는 일 실시예에 따른 도 2의 광학 장치들의 적층을 포함하는 광학 기기를 도시한다.
도 6은 일 실시예에 따라, 열 성형될 때의 도 4의 광학 장치들의 적층을 포함하는 광학 기기를 도시한다.
도 7(a) 내지(d)는 광학 장치의 제조 방법의 다양한 실시예를 도시한다.
도 8(a) 내지(e)는 광학 장치의 제조 방법의 바람직한 실시예를 도시한다.
도 9(a) 내지(b)는 광학 장치의 제조 방법의 실시예를 나타낸 것이다: (a) 측면도, (b) 수평 단면 A-A.
본 발명은 특정 실시예 및 특정 도면을 참조하여 설명될 것이나, 본 발명은 이에 제한되지 않는다. 설명된 도면은 단지 개략적이며 비 제한적이다. 도면에서, 일부 구성 요소들의 크기는 과장될 수 있으며, 설명의 목적으로 축척에 맞게 그려지지 않을 수 있다. 치수 및 상대 치수는 반드시 본 개시내용의 실시에 대한 실제 축소판에 대응하는 것은 아니다.
또한, 상세한 설명 및 청구 범위에서의 제1, 제2, 제3 등의 용어는 유사한 구성 요소를 구별하기 위해 사용되며, 반드시 순차적 또는 연대기적으로 설명하려는 것은 아니다. 이들 용어는 적절한 상황 하에서 상호 교환될 수 있으며, 본 개시내용의 실시예는 본 명세서에서 설명되거나 도시된 것과는 다른 순서로 동작될 수 있다.
또한, 상세한 설명 및 청구 범위에서의 상부, 하부, 위, 아래 등의 용어는 설명의 목적으로 사용되며, 반드시 상대 위치를 설명하는 데 사용되는 것은 아니다. 그렇게 사용되는 용어는 적절한 상황 하에서 상호 교환될 수 있으며, 여기서 기술된 본 개시내용의 실시예는 여기에 설명되거나 도시된 것과는 다른 배향으로 동작될 수 있다.
청구 범위에서 사용된 "포함하는"이라는 용어는 이후 열거된 수단에 한정되는 것으로 해석되어서는 안된다; 이와 다른 구성 요소나 단계를 제외하려는 것이 아니다. 이는 언급된 특징, 정수, 단계 또는 컴포넌트의 존재를 특정하는 것으로 해석되어야 하지만, 하나 이상의 다른 특징, 정수, 단계 또는 컴포넌트 또는 이들의 그룹의 존재 또는 추가를 배제하지는 않는다. 따라서, "수단 A 및 B를 포함하는 장치"라는 표현의 범위는 컴포넌트 A 및 B만으로 이루어진 장치로 제한되어서는 안 된다. 이는 본 개시내용과 관련하여, 장치의 관련된 컴포넌트가 A 및 B라는 의미이다.
제1 양태에서, 광학 장치(1)가 개시되는데 이는, 제1 광학 투명 열가소성 층(2), 제2 광학 투명 열가소성 층(3), 및 두 열가소성 층(2,3) 사이에, 제1 광학 투명 열가소성 층(2)에 인접한 회절 광학 요소(4), 회절 광학 요소(4)와 제2 열가소성 층(3) 사이의 스페이서(5), 및 회절 광학 요소(4)를 둘러싸 공동(7)을 형성하는 경계부(6)를 포함한다. 따라서, 광학 장치(1)는 제1 열가소성 층(2), 제2 열가소성 층(3), 및 열가소성 층(2,3) 사이에 위치하는 경계부(6)에 의해 형성되는 밀봉된 공동(7)을 포함한다. 경계부에 의해 둘러싸인 공동 영역 내에, 회절 광학 요소(4) 및 스페이서(5)가 존재한다.
열가소성, 또는 열연화성 플라스틱은 특정 온도를 넘어서는 경우 유연 가능하거나 성형 가능하게 되고 냉각 시에 고형화되는 플라스틱 재료, 폴리머이다. 바람직하게는 이들 열가소성 층은 광학적으로 투명한 폴리머, 즉 가시 스펙트럼(예컨대, 400-700nm)에서 광 투과 효율이 5 내지 100 %인 폴리머로 제조된다. 예를 들면, 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 셀룰로오스 트리아세테이트, 투명한 폴리우레탄 폴리카보네이트, 또는 Mitsui MR8과 같은 안경 제조에 사용되는 티오우레탄 재료가 있다. 이러한 재료로 만들어진 막은 5 내지 1000 μm의 두께를 가지며 일반적으로 최대 3 mm의 굽힘 반경까지 견딜 수 있다.
회절 광학 요소는 회절 구조, 예컨대 블레이즈된 격자, 프레넬 렌즈, 프레넬 액시콘(Fresnel axicons) 또는 투과된 광 내에 소정의 위상 프로파일을 유도하는 다른 구조를 포함할 수 있다.
이러한 광학 장치(1)의 일 실시예가 도 1에 도시되어 있다. 이하의 실시예들에 개시된 바와 같이, 도 1에 도시된 장치는 공동(7) 내에 존재할 때 액정 재료(10)에 걸쳐 전기장을 인가하도록 배치되는, 공동(7) 양측의 한 쌍의 광학 투명 전극(8, 9)을 더 포함한다. 이 장치는 접착제(15)를 함유하는, 경계부(6)에 형성된 노치(16)를 더 포함한다. 장치의 상부는 제2 광학 투명 전극(9)이 형성되어 있는 제2 광학 투명 열가소성 층(3)과 함께 형성되어 이러한 접착제(15)에 의해 경계부(6)에 부착된다.
바람직하게는 노치(16)가 경계부(6)에 형성된다. 액정 재료(10)가 공동(7)을 충진하고 접착제(15)가 노치(16)를 충진할 때, 두 재료는 도 1에 도시된 바와 같이 회절 광학 요소(4)에 인접한 경계부(6)의 측벽에 의해 이격된다. 이러한 간극은 제2 광학 투명 열가소성 층(3)을 제공할 때 공동(7)의 밀봉 시에 교차 오염 및/또는 유출(spill-over)을 방지한다.
제3 양태에서 논의된 바와 같이, 채널(19)이 경계부(6)에 존재할 수 있고, 제2 광학 투명 열가소성 층(3)에 의해 폐쇄된 후에도 공동(7)에 대한 통로를 제공할 수 있다. 도 9는 이러한 채널(19)을 포함하는 광학 장치(1)의 측면도 및 그 횡단면 AA를 도시한다. 일 실시예에서, 채널(19)은 경계부(9)의 전체 폭에 걸쳐 연장된다.
공동(7)을 충진하는 유체 재료는 액정 재료, 가변 굴절률 폴리머 재료, 가변 염료, 전기 변색 전해질 또는 수지일 수 있다. 바람직하게는 액정 재료(10)의 굴절률은 적어도 액정 재료(10)의 상태들 중 하나에 대해 회절 광학 요소(4), 경계부(6) 및 접착제(15)의 굴절률에 부합한다. 예를 들어, 잘 알려진 액정 E7의 일반적인 굴절률은 UV 접착제 NOA74와 동일하다.
바람직하게는, 제1 광학 투명 열가소성 층(2) 및 존재하는 경우 제1 광학 투명 전극(8)을 포함하는 하부 기판과 제2 광학 투명 열가소성 층(3) 및 존재하는 경우 제2 광학 투명 전극(9)을 포함하는 상부 기판은, 회절 광학 요소(4) 상의 스페이서(5)의 적층에 의해, 그리고 이와 병행하여 경계부(6)에 의해 설정되는 고정된 거리(d)에 있게 되고, 두 구조(5-4, 6)는 도 1에 도시된 바와 같이 양 기판 사이에 위치한다. 이러한 높이는 10 나노미터(nm) 내지 100 마이크로미터(μm), 전형적으로는 50nm 내지 50μm일 수 있다.
바람직한 실시예에서, 경계부(6), 스페이서(5) 및 회절 광학 요소(4)는 동일한 재료 조성(12)을 갖는다. 예를 들어, 스페이서(5), 회절 광학 요소(4) 및 경계부(6)는 비스페놀 불소 디아크릴레이트와 같은 고 굴절률 모노머 또는 NOA 1625 또는 NOA 164와 같은 고 굴절률 UV- 접착제로 제조될 수 있다.
아래에 개시된 바와 같이, 경계부(6), 스페이서(5) 및 회절 광학 요소(4)는, 하부 기판 상에 존재하는, 이러한 재료 조성(12)을 갖는 동일한 층(18)으로부터 나노 임프린트 기술을 이용하여 형성될 수 있다.
바람직하게는, 제2 열가소성 층(3)을 향해 배향되는 회절 광학 요소(4)의 표면은, 액정 재료(10)를 위한 정렬 층(11)으로 구성되는 미크론 미만의 홈(14)을 포함한다. 장치(1)의 작동 중에, 이러한 홈은 공동(7)에 존재하는 액정의 배향을 돕는다. 바람직하게는 또 다른 정렬 층(11)이 또한 제2 광학 투명 전극(3)에 인접한 공동(7)의 측에 존재하여 홈이 있는 표면에 면하게 된다. 도 3(a)는 회절 광학 요소(4)의 3차원 표면에 이들 홈(14)이 존재하는 모습을 나타내는 단면도이다. 도 3(b)는 홈들이 원형 패턴을 갖는 경우의 이러한 표면의 평면도이고, 도 3(c)는 홈들이 평행한 패턴을 갖는 경우의 이러한 표면의 평면도이다. 도 3에서는, 본 실시예에서 회절 광학 요소(4) 및 회절 광학 요소(4)의 상부의 스페이서(5)는 위의 단락에서 논의된 바와 같이 동일한 재료로 형성됨을 알 수 있다.
이러한 홈은 앞선 단락에서 논의된 바와 같이 나노 임프린트에 의해 회절 광학 요소(4)를 형성할 때 생성될 수 있다. 나노 임프린트 공정에 사용되는 몰드는 경계부(6), 스페이서(5) 및 회절 광학 요소(4)의 음각(negative) 형상뿐만 아니라 그 내부 표면은 적어도 회절 광학 요소의 형상의 위치에 예를 들면 원형 또는 직사각형 패턴으로 홈을 포함한다. 이러한 접근법은 이러한 4 가지 특징부(4, 5, 6, 14)를 통합적으로 형성할 수 있게 한다. Y.J. Liu 등은, R. Lin 등의 저서 'Molecular-Scale Soft Imprint Lithography in Alignment'와 마찬가지로, 'Nanoimprinted ultrafine line and space nano-gratings for liquid crystal alignment'에서 나노 임프린트 기술을 사용하여 그러한 정렬 패턴을 형성하는 것을 개시한다.
액정 재료(10)의 정렬 특성은 홈(14) 그 자체의 기하학적 형상에 의해서 뿐만 아니라 홈이 형성되는 회절 광학 요소(4)를 구성하는 재료에 의해서도 결정된다. 다른 재료가 홈의 동일한 구성에 사용되는 경우, 추가적인 컨포멀 정렬 층(20)(도시되지 않음)이 상이한 재료 정렬 특성을 제공하기 위해 형성되어 이들 홈(14) 위에 놓일 수 있다. 예를 들어, 회절 광학 요소의 재료가 액정 분자를 평면 방식으로 정렬하는 경우 수직 배향 층(homeotropic alignment layer)이 코팅되어 홈의 적어도 일부 위에 놓일 수 있다. 이 컨포멀 정렬 층(20)은 회절 광학 요소(4)의 홈이 있는 전체 표면을 덮을 수 있다. 선택적으로, 이러한 홈이 있는 표면의 일부만이 이러한 추가적인 컨포멀 정렬 층으로 덮일 수 있고, 이렇게 되면 추가적인 컨포멀 정렬 층(20)(도시되지 않음)과 회절 광학 요소(4) 사이의 재료 정렬 특성의 차이를 이용하게 될 수 있다.
평탄화 재료(17)의 층(13)은 도 4에 도시된 바와 같이 회절 광학 요소(4) 상에 공동(7) 내부에 존재할 수 있다. 도 3에 도시된 구현예와 마찬가지로, 정렬 층(11)은 제2 열가소성 층(3)을 향하는 평탄화 층(13)의 표면에 형성된 홈(14)에 의해 공동(7)의 바닥에 존재할 수 있다. 장치(1)의 작동 중에, 이러한 홈은 공동(7)에 존재하는 액정의 배향을 돕는다. 바람직하게는 또 다른 정렬 층(11)이 제2 광학 투명 전극(3)에 인접한 공동(7)의 측에 존재하여 홈이 있는 표면에 면한다.
액정 재료(10)의 정렬 특성은 홈(14) 그 자체의 기하학적 형상에 의해서 뿐만 아니라 이러한 홈이 형성되는 평탄화 층(13)을 구성하는 재료에 의해서도 결정된다. 다른 재료가 홈의 동일한 구성에 사용되는 경우, 추가적인 컨포멀 정렬 층(20)(도시되지 않음)이 상이한 재료 정렬 특성을 제공하기 위해 형성되어 이들 홈(14) 위에 놓일 수 있다. 예를 들어, 회절 광학 요소의 재료가 액정 분자를 평면 방식으로 정렬하는 경우 수직 배향 층(homeotropic alignment layer)이 코팅되어 홈의 적어도 일부 위에 놓일 수 있다. 이러한 컨포멀 정렬 층은 평탄화 층(13)의 홈이 있는 전체 표면을 덮을 수 있다. 대안으로서, 이러한 홈이 있는 표면의 일부만이 이러한 추가적인 컨포멀 정렬 층으로 덮일 수 있고, 이렇게 되면 추가적인 컨포멀 정렬 층(20)(도시되지 않음)과 평탄화 층(13) 사이의 재료 정렬 특성의 차이를 이용하게 될 수 있다.
적어도 그 계면에서 회절 광학 요소(4)와 평탄화 층(13) 각각의 재료(12, 17)는 동일한 굴절률을 가질 수 있다. 또한, 이러한 재료(12, 17)의 저주파 전계(예컨대, 1Hz-10kHz)에서의 유전 상수가 다를 수 있다.
이 평탄화 재료(17)는 또한 경계부(6)의 상부를 형성하는 데 사용될 수 있다. 노치(16)가 존재하는 경우, 노치(16)는 도 4에 도시된 바와 같이 이러한 평탄화 재료(17) 내에 형성된다. 도 1에 도시된 광학 장치(1)와 비교하여, 도 4의 광학 장치(1)에서는, 공동(7)이 바닥 및 측면에서 이러한 평탄화 재료(17)에 의해 경계가 정해지고, 상부에서는 제2 광학 투명 열가소성 층(3) 및 존재하는 경우 제2 광학 투명 전극(9)을 함유하는 상부 기판에 의해 경계가 정해진다.
도 4에 도시된 바와 같은 구현예에서, 제1 광학 투명 열가소성 층(2) 및 존재하는 경우 제1 광학 투명 전극(8)을 포함하는 하부 기판과 제2 광학 투명 열가소성 층(3) 및 존재하는 경우 제2 광학 투명 전극(9)을 포함하는 상부 기판은, 회절 광학 요소(4)를 덮고 있는 평탄화 층(13) 상의 스페이서(5)의 적층에 의해, 그리고 이와 병행하여 경계부(6)에 의해 설정되는 고정된 거리(d)에 있게 되고, 두 구조물(4-5-13, 6)은 도 4에 도시된 바와 같이 양 기판 사이에 위치한다. 이러한 높이는 10 나노미터(nm) 내지 100 마이크로미터(μm), 전형적으로는 50nm 내지 50μm일 수 있다.
아래에 개시된 바와 같이, 스페이서(5) 및 존재하는 경우 노치(16)가 나노 임프린트 기술을 사용하여 평탄화 층(13)에 형성되어 하부 기판 위에 놓일 수 있다. 스페이서(5)를 나노 임프린트 할 때 공동(7)이 형성된다. 다시, 액정 재료(10)가 공동(7)을 충진하고 접착제(15)가 노치(16)를 충진하면, 두 재료는 회절 광학 요소에 인접한 경계부(7)의 측벽에 의해 이격되며, 이는 도 4에 도시된 바와 같다. 이러한 간극은 제2 광학 투명 열가소성 층(3)을 제공할 때 공동(7)의 밀봉 시에 교차 오염 및/또는 유출(spill-over)을 방지한다.
도 1 또는 도 3에 도시된 광학 장치(1)는 평면형 장치이다. 필요한 경우, 본원의 제3 양태에서 논의되는 바와 같이 광학 장치(1)에 열 성형 공정을 적용함으로써 그 만곡된 버전을 얻을 수 있다. 바람직하게 광학 장치(1)는 구형으로 만곡되어 있다. 열가소성 층(2, 3) 및 따라서 광학 장치(1)의 사전결정된 곡률은 도 2에 도시된 바와 같이 얻어질 수 있다. 이러한 만곡형 광학 장치(1)는 특히 본원의 제2 양태에서 논의되는 바와 같이 렌즈 인서트로 사용될 수 있다.
도 1, 도 2, 도 4에 이미 도시된 바와 같이, 광학 장치(1)는 공동(7)의 양측에 한 쌍의 광학 투명 전극(8, 9)을 더 포함할 수 있다. 바람직하게는, 제1 광학 투명 전극(8)이 제1 광학 투명 열가소성 층(2)에 인접하여 존재하고, 제2 광학 투명 전극(9)은 제2 광학 투명 열가소성 층(3)에 인접하여 존재하며, 이에 의해 회절 광학 요소(4)는 양 광학 투명 전극(8, 9) 사이에 있게 된다.
제2 광학 투명 전극(9)은 전형적으로는 도 1, 도 2, 도 4에 도시된 바와 같이 공동(7)의 측에 제2 광학 투명 열가소성 층(3) 상에 있다. 제1 광학 투명 전극(8)은 도 1, 도 2, 도 4에 도시된 바와 같이 회절 광학 요소(4)와 제1 광학 투명 열가소성 층(2) 사이에 존재할 수 있다. 평탄화 층(13)이 존재하는 경우, 도 4에 도시된 바와 같이, 이 평탄화 층(13)과 회절 광학 요소(4) 사이에 이러한 제1 광학 투명 전극(8)이 존재할 수 있다.
전극(8, 9) 구성은 공동(7) 내에 존재할 때 액정 재료(10)에 걸쳐 불균일한 전기장이 인가될 수 있게 한다. 이러한 효과를 위해, 제1 광학 투명 전극(8)은 공동 근방의 회절 광학 요소(4)의 상부에 위치된다. 도 1, 도 2, 도 4에 도시된 바와 같이 제1 광학 투명 전극(8)이 회절 광학 요소(4)와 제1 광학 투명 열가소성 층(2) 사이에 위치하는 경우, 회절 광학 요소(4)의 유전 상수와 상이한 유전 상수를 갖는 평탄화 층(17)이 사용될 것이다.
광학 투명 전극은 ITO(Indium Tin Oxide), ClearOhm®은 나노와이어 또는 AGFA Orgacon 잉크와 같은 재료로 만들어질 수 있다. ITO의 취성 때문에, PEDOT:PSS, 그래핀, 탄소 나노튜브 또는 은 나노와이어와 같이 덜 단단하고 더 유연한 재료가 사용될 수 있다. 광학 투명 전극(8, 9)은 회절 광학 요소(4)의 상이한 구역들을 개별적으로 어드레싱하도록 패터닝 될 수 있다. 이들 전극은, 예를 들어 회절 광학 요소(4)의 영역 내에만 전극을 구비함으로써 전체 용량을 줄이거나 이 영역 내의 전극을 경계부(6)의 영역 내의 전극으로부터 분리시키도록 패터닝될 수 있다.
본 개시의 제2 양태에서는, 이전 양태에서 개시된 광학 장치(1)가 광학 기기에 사용된다. 광학 기기에 삽입될 때, 광학 장치(1)는 눈을 향하는 광의 위상 프로파일을 조절하도록 구성된다.
이러한 광학 기기는 광학 장치가 렌즈 인서트로서 사용되는 렌즈일 수 있다. 안과 용도를 고려할 때 렌즈는 안경 렌즈, 콘택트 렌즈 또는 안구내 렌즈일 수 있다. 안경 렌즈 및 콘택트 렌즈 양자 모두는 일반적으로 메니스커스 형상을 가지므로, 광학 장치(1)가 내장되어야 하는 렌즈의 곡률과 실질적으로 동일한 곡률로 광학 장치(1)가 만곡될 때 광학 장치는 렌즈에 보다 용이하게 통합될 수 있다. 통상적으로, 광학 장치는 2개의 직교 방향으로 만곡될 것이다. 안구내 렌즈의 경우 평면형 또는 만곡형 광학 장치가 내장될 수 있다.
이러한 광학 기기는 둘 이상의 광학 장치(1)를 포함할 수 있다. 이들 광학 장치(1, 1')는 적층될 수 있다. 다수의 광학 장치(1, 1')를 적층함으로써, 단일한 광학 장치의 전기-광학 특성이 조합될 수 있다. 예를 들어, 네마틱 액정으로 충진되지만 직교 정렬을 갖는 2개의 장치가 편광 독립적인 조절 가능한 렌즈가 될 수 있다.
도 5 및 도 6에 도시된 구현예에서는, 각각 평탄화 층(13, 13')이 없는 채로 그리고 평탄화 층(13, 13')이 있는 채로 광학 장치(1, 1')가 적층된다.
제3 양태에서는, 제1 양태에 따른 광학 장치를 제조하기 위한 방법이 개시된다. 광학 장치(1)를 제조하는 이러한 방법(100)은, 제1 광학 투명 열가소성 층(2)을 제공하는 단계(30), 제1 광학 투명 열가소성 층(2) 상에 나노 임프린트에 의해 스페이서(5), 광학 회절 요소(4), 및 스페이서(5)와 광학 회절 요소(4)를 둘러싸는 경계부(6) 중 적어도 하나를 형성하는 단계(40), 제2 광학 투명 열가소성 층(3)을 제공하는 단계(50) - 이에 의해 스페이서(5)와 광학 회절 요소(4)를 함유하는 공동(7)을 형성하여 스페이서가 광학 회절 요소(4)와 제2 광학 투명 열가소성 층(2) 사이에 위치하게 됨 - 를 포함한다. 이 방법은 도 7(a)에 도시되어 있다.
나노 임프린트 기술은 반도체 및 평판 제조 기술에 사용되는 리소그래피 패터닝에 비해 보다 간단하며 비용이 적게 들고 높은 처리량을 갖는 패터닝 기술이다. 특히, Nanoscale Research Letters 2014에서 Kooy 등의 'A review of roll-to-roll nanoimprint lithography'에 개시된 바와 같이(원용에 의해 본원에 통합됨), 나노 임프린트 리소그래피는 원하는 패턴의 역(inverse)을 포함하는 사전제작된 몰드의 사용을 수반한다. 이러한 몰드는 폴리머로 코팅된 기판 내로 가압되며, 이에 의해 패턴이 기계적 변형에 의해 폴리머 내로 복제된다. 변형 후 패턴은, 변형된 폴리머 상에서 열처리를 이용하거나 변형된 폴리머를 UV-광에 노출시켜 나노 임프린트된 패턴을 경화시킴으로써 고정된다. 그 후 몰드가 제거된다. 역 패턴은 형성될 단일 구조체에 대응할 수 있다. 그 다음으로 폴리머 내에 구조체의 어레이를 형성하기 위해서는, 필요한 구조체의 수만큼 나노 임프린트 공정을 반복해야 한다. 몰드가 역 패턴의 어레이를 포함하면 처리량이 증가될 수 있어, 단일 나노 임프린트 동안에 원하는 수의 구조체가 동일한 폴리머 내에 동시에 형성된다.
이러한 방법(100)의 구현예는 도 7(b) 내지(d)에서 추가로 설명된다. 도 7(b)는 스페이서(5), 광학 회절 요소(4), 및 광학 회절 요소(4)를 둘러싸는 경계부(6)가 나노 임프린트 기술(40)에 의해 형성되는 구현예를 도시한다. 도 7(c)에 도시된 바와 같이, 이러한 구현예에서, 재료 조성(12)의 층(18)은 제1 광학 투명 층(2) 상에 또는 존재하는 경우 제1 광학 투명 전극(8) 상에 제공될 수 있다. 이 층(18)에서, 스페이서(5), 광학 회절 요소(4), 및 광학 회절 요소(4)를 둘러싸는 경계부(6)는 나노 임프린트되며, 이에 의해 이들 모든 요소는 동일한 재료 조성을 갖는다. 스페이서(5)와 광학 회절 요소(4)는 서로 적층되어 양 열가소성 층(2, 3) 사이에 제어된 거리(d)를 유지한다. 도 7(d)는 스페이서(5), 광학 회절 요소(4) 및 경계부(6)를 나노 임프린트 후에 평탄화 층(13)이 제공되는 구현예를 도시한다. 이 평탄화 층(13)에서, 스페이서(5) 및 그에 따라 공동(7)은 또 다른 나노 임프린트 프로세스(72)에 의해 형성된다.
제1 양태에서 논의된 바와 같이, 공동(7)의 바닥면은, 회절 광학 요소(4)의 표면이든 또는 이러한 광학 요소(1)를 덮는 평탄화 층(13)의 표면이든, 각각의 나노 임프린트 공정(32, 62) 동안, 액정 재료(10)를 위한 정렬 층(11)을 형성하도록 홈이 형성될 수 있다.
마찬가지로, 노치(16)는 공동(7)으로부터 이격되어 경계부(6)에 형성될 수 있다. 경계부(6)에 나노 임프린트 공정을 사용하는 경우, 노치(16)는 이러한 나노 임프린트 공정(32, 62) 동안 형성될 수도 있다.
앞선 단락에서 논의된 방법(100)은, 제1 광학 투명 열가소성 층(2)에 인접한 제1 광학 투명 전극(8)을 형성하는 단계, 제2 광학 투명성 열가소성 층(2)에 인접한 제2 광학 투명 전극(9)을 형성하는 단계를 더 포함하고, 이에 의해 적어도 공동(7)이 양 광 투과성 전극(8) 사이에 있게 된다.
제1 광학 투명 열가소성 층(2) 상에 스페이서(5), 광학 회절 요소(4) 및 경계부(6), 선택적으로 경계부(6) 내의 노치(16)를 포함하는 하부 기판은, 제2 광학 투명 열가소성 층(3)을 제공하기 전에 노치(16)에만 접착제(15)를 제공함으로써 제2 광학 투명 열가소성 층(3)을 포함하는 상부 기판에 부착된다.
앞서 논의된 방법들에서는 단일한 광학 장치(1)의 제조가 개시되었지만, 반도체 또는 평면 패널 디스플레이 제조 기술을 사용하여 다수의 광학 장치(1, 1')가 제조될 수 있다. 경계부(6)에 의해 둘러싸인 스페이서(5) 및 광학 회절 요소(4)의 단일 구성을, 예를 들어 층(12) 내에서 나노 임프린트에 의해 형성하는 대신에, 경계부(6)에 의해 둘러싸인 스페이서(5) 및 광학 회절 요소(4)의 어레이가 되도록 이러한 조합의 어레이를 병렬적으로 또는 순차적으로 형성할 수 있다. 예를 들어 펀칭 또는 레이저 절단을 통해 어레이로부터 하나 또는 여러 장치를 추출할 수 있다.
도 7(b)에 도시된 바와 같이, 제2 광학 투명 열가소성 층(3)을 제공한 후에, 도 1 또는 도 4에 도시된 바와 같은 평면형 광학 장치(1)가 얻어진다. 이러한 평면형 광학 장치(1)는 열 성형 공정을 거쳐서 도 2에 도시된 바와 같은 곡면형 광학 장치(1)가 될 수 있고, 이에 의해 각각의 광학 투명 열가소성 층(2,3)은 사전결정된 곡률을 갖게 된다. 열 성형 공정 중에, 광학 장치(1)는 몰드 내에 위치되고 적어도 광학 투명 열가소성 층(2, 3)의 유리 전이 온도 Tg에 도달 할 때까지 가열되며, 이에 따라 가해진 기계적 힘에 의해 열가소성 층이 몰드의 형상을 띄게 된다. 그런 다음 몰드가 폐쇄되고 유리 전이 온도 Tg 아래로 냉각되어 변형된 열가소성 층의 형상을 고정하게 된다. 그 다음 이제 만곡된 광학 장치(1)가 몰드에서 분리된다. 대안적으로, 광학 장치는 가열 중에 그 측면에서 단일면(single-sided) 몰드 상에 클램프될 수 있다. 열 성형 공정 중에, 광학 장치는 광학 장치(1)에 걸쳐 압력 차를 생성함으로써 원하는 형상으로 될 수 있다. 이러한 압력 차는 광학 장치 또는 몰드 사이에 진공을 생성하거나 또는 장치와 몰드 사이보다 장치 위에 더 높은 압력의 분위기를 생성함으로써 얻어질 수 있다.
광학 장치(1, 1')를 서로 적층할 수도 있다. 일 실시예에서, 이러한 제3 양태의 전술한 단락에서 논의된 바와 같이, 2개의 광학 장치(1, 1')가 제조된다. 두 광학 장치(1, 1')는 적층되어 있다. 이러한 광학 장치(1, 1')의 적층은 열 성형 공정을 거쳐 도 5 또는 도 6에 도시된 바와 같은 만곡형 광학 장치(1)가 될 수 있고, 이에 의해 각각의 광학 투명 열가소성 층(2,3)은 사전결정된 곡률을 갖게 된다. 또 다른 실시예에서, 이러한 광학 장치(1, 1')들의 적층은 하나의 광학 장치(1')를 또 다른 광학 장치(1)의 상에 제조함으로써 형성된다. 이 구현예에서, 제1 광학 장치(1)는 제3 양태의 전술한 단락에서 논의된 바와 같이 제조된다. 이 광학 장치(1)의 상부에, 제3 양태의 전술한 단락에서 논의된 바와 같이 제2 광학 장치(1')가 제조된다. 이러한 제2 광학 장치(1')에 제1 광학 투명 열가소성 층(2')을 제공하는 대신에, 제2 광학 장치(1')의 제1 광학 투명 열가소성 층(2')으로서 제1 광학 장치(1)의 제2 광학 투명 열가소성 재료 층(3)을 이용할 수도 있다. 제2 광학 장치(1')가 제조되면, 제1 광학 장치(1) 상에 적층된다. 그 다음, 2개의 광학 장치(1, 1')의 적층이 열 성형되어, 각각의 광학 투명 열가소성 층(2, 3, 2', 3')에 사전결정된 곡률을 부여한다.
도 8(a) 내지(d)에서는, 이러한 방법의 일 구현예가 도시되어 있으며 그 결과 도 1에 도시된 광학 장치(1)가 된다. 바람직하게는, 광학 장치는 반도체 회로 또는 평판 디스플레이의 제조 공정에 필적하게 광학 장치(1)의 대량 생산을 가능하게 하는 제조 공정을 이용할 수 있게 하는 반도체 또는 평면 패널 디스플레이 팹에서 제조된다.
도 8(a)에 도시된 제1 단계로서, 제1 광 투과성 열가소성 층(2)이 임시 캐리어(미도시) 상에 형성된다. 대부분의 반도체 또는 평판 공정 장비는 직경이 10cm 이상인 강성 패널 또는 웨이퍼를 처리하도록 구성된다. 광학 장치(1)의 상이한 요소들이 형성되는 임시의 기계적 캐리어를 사용하면 이러한 유형의 장비를 사용하여 비용 효율적이고 신뢰성있는 제조 공정을 이끌 수 있다. 이는 또한, 광학 투명 열가소성 층 또는 막(2)이 광학 장치(1)의 가공 중에 평평하게 유지되도록 하여 제조된 광학 장치(1)의 어레이에 걸친 전체 두께 변동을 줄인다. 줄어든 두께 변동은 이후의 공정 단계, 예컨대 노치(16)와 공동(7)을 각각 충진할 때 유출(spill-over) 없이 접착제(15) 및/또는 액정 재료(10)를 제공하기 위한 원-드롭 충진(one-drop fill) 및 리소그래피를 위해 중요하다. 임시의 기계적 캐리어의 크기 덕분에 다수의 광학 장치(1)가 단일한 캐리어 상에서 제조될 수 있어 많은 처리량이 가능해지고 따라서 광학 장치당 비용이 절감된다.
제1 광학 투명 열가소성 막(2)은 라미네이션에 의해 캐리어 상에 형성될 수 있다. 전형적으로 라미네이트 막(2)은 5㎛ 내지 1000㎛ 두께이다. 대안적으로, 캐리어 상에 액체 형태의 열가소성 제료를 증착할 수 있다. 그 다음 이러한 액체 재료가 UV 또는 열 경화될 수 있어, 제1 광학 투명 열가소성 막(2)을 형성한다. 어느 경우에나, 제1 광학 투명 열가소성 막(2)을 캐리어에 부착하기 위해 일시적인 접착제가 필요할 수 있고, 처리가 완료된 후에 임시 캐리어로부터 광학 장치(1)를 분리할 수 있다. 임시 캐리어 솔루션은 TOK, Brewer Science, 3M, Nitto 등의 회사에서 입수할 수 있다. 몇몇 경우에는 막과 캐리어 사이에 진공을 가함으로써 막(2)이 고정된다.
제1 광 투과성 열가소성 층(2) 상에, 투명한 도전성 막을 형성하여 도 8(b)에 도시된 바와 같이 제1 광 투과성 전극(8)을 제조한다.
제1 광 투과성 전극(8) 상에는 경계부(6), 회절 광학 요소(4) 및 스페이서(5)가 형성된다. 도 8(b)에 도시된 바와 같이, 제1 광학 투명 전극(8) 상에 재료 조성(12)의 층(18)이 형성된다. 나노 임프린트 기술을 사용하여, 도 8(c)에 도시된 바와 같이 이러한 층(18)에 경계부(6), 회절 광학 요소(4) 및 스페이서(5)가 형성되고, 이에 의해 회절 광학 요소(4)의 위치에 공동(7)을 생성한다. 이러한 층(18)은 단일한 층일 수 있거나 또는 각각의 층이 상이한 재료 조성을 가질 수 있는 층들의 적층일 수 있다.
공동(7) 내에 존재할 때 액정 재료(10)의 배향을 제어하기 위해 정렬 층(11)이 공동(7)의 바닥에 형성된다. 이 정렬 층(11)은 나노 임프린트 공정 중에 회절 광학 구조체(4)의 표면에 미크론 미만의 홈을 형성함으로써 생성될 수 있다. 도 3은 회절 광학 구조체(4)의 상부 표면에 있는 원형 및 직사각형 패턴의 홈을 나타낸다.
공동(7)은 공동(7)의 체적에 부합하는 미세-분배된 체적 내에 액정 재료(10)를 분배함으로써 시작되는 원-드롭-충진 공정에 의해 충진되고 완료될 수 있다. 그 후, 접착제(15)는 경계부(6)에 존재하는 노치(16)에, 바람직하게는 도 8(d)에 도시된 바와 같이 분배 또는 스크린 인쇄 공정을 사용하여 분배된다. 통상적으로, 접착제(15)는 투명한 UV- 접착제, 투명한 열 접착제 또는 이들의 조합일 수 있다. 경계부는 접착제 부분, 즉 노치와 전기적-활성 부분, 즉 공동(7) 사이의 교차 오염을 최소화하면서 두 부분 사이에 명확한 라인을 생성한다.
위의 단계들은 광학 장치(1)의 하측 부분 또는 기판의 형성을 기술하였지만, 또 다른 임시 캐리어(미도시) 상에 제2 광학 투명 열가소성 층(3)을 형성함으로써 광학 장치(1)의 상측 부분 또는 기판이 형성된다. 제2 광 투과성 열가소성 막(3)은 라미네이션에 의해 이러한 캐리어 상에 형성될 수 있다. 전형적으로 라미네이트 막(3)은 5㎛ 내지 1000㎛ 두께이다. 대안적으로, 캐리어 상에 액체 형태의 열가소성 제료를 증착할 수 있다. 그 다음 이러한 액체 재료는 UV 또는 열 경화될 수 있어, 제1 광학 투명 열가소성 막(3)을 형성한다. 어느 경우에나, 제2 광 투과성 열가소성 막(3)을 캐리어에 부착하기 위해 일시적인 접착제가 필요할 수 있고, 처리가 완료된 후 임시 캐리어로부터 광학 장치(1)를 분리할 수 있다. 임시 캐리어 솔루션은 TOK, Brewer Science, 3M, Nitto 등의 회사에서 입수할 수 있다. 몇몇 경우에는 막과 캐리어 사이에 진공을 가함으로써 막(2)이 고정된다.
제2 광 투과성 열가소성 층(3) 상에 투명한 도전성 막을 형성하여 제2 광 투명성 전극(9)을 제조한다. 이 도전 막은 ITO일 수 있다. ITO의 취성 때문에, PEDOT:PSS, 그래핀, 탄소 나노튜브 또는 은 나노와이어와 같이 덜 단단하고 더 유연한 재료가 사용될 수 있다. 이러한 제2 광학 투명 전극(9) 상에는, 공동(7)에 존재할 때 액정 재료(10)의 배향을 제어하도록 또 다른 정렬 층(11)이 형성된다.
전술한 바와 같은 원 드롭 충진 공정을 완료하기 위해, 도 8(d)에 도시된 바와 같이 진공 라미네이션 단계를 사용하여 하부 기판 상에 이러한 상부 기판이 라미네이트된다. 접착제 층(15)은 예를 들어 UV 단계 및/또는 열적 단계를 통해 경화된다. 이렇게 하면 밀봉에 어떠한 방해 없이 완전히 폐쇄된 공동(7)이 얻어진다.
양 기판을 라미네이트한 후, 임시 캐리어는 탈 결합(debonding)에 의해 제거될 수 있다. 이와 같이 형성된 광학 장치(1)의 어레이는 도 1에 도시된 바와 같이 개개의 평면형 광학 장치(1)로 다이싱된다. 그 다음에 이러한 평면 광학 장치(1)는 전술한 바와 같이 열 성형에 의해 만곡될 수 있다.
공동(7)을 액정 재료(10)로 충진하는 대안적인 방법은 나노 임프린트 동안에 적어도 경계부(6)의 상부 부분에 채널(19)을 생성하는 것이다. 도 9는 상부 부분뿐만 아니라 경계부의 전체 높이(h)에 걸쳐 연장되는 채널(19)을 갖는 광학 장치(1)를 도시한다. 액정 재료(10)는 제2 광학 투명 열가소성 층(3)을 적용함으로써 공동(7)이 폐쇄된 후에 제공된다. 개개의 광학 장치(1)의 폐쇄된 공동(7)은 액정 재료(10)로 충진될 수 있다.
또한, 광학 장치(1)의 어레이는 적절한 몰드를 사용하여 전술한 기술 중 임의의 것에 의해 동시에 열 성형될 수 있다. 열 성형 후에, 어레이는 다이싱되어 개개의 광학 장치(1, 1')를 생성하게 된다.
1, 1': 광학 장치
2, 2': 제1 광학 투명 열가소성 층
3, 3': 제2 광학 투명 열가소성 층
4, 4': 회절 광학 요소
5, 5': 스페이서
6, 6': 경계부
7, 7': 공동
8, 8': 제1 광학 투명 전극
9, 9': 제2 광학 투명 전극
10: 액정 재료
11: 정렬 층
12:(4, 5, 6의) 재료 조성
13: 평탄화 층
14: 홈
15: 접착제
16: 노치
17:(층(13), 노치(16)의) 평탄화 재료
18: 재료(12)의 층
19: 경계부(6)를 통한 채널
20: 컨포멀 정렬 층

Claims (20)

  1. 광학 장치(1)로서,
    제1 광학 투명 열가소성 층(2);
    제2 광학 투명 열가소성 층(3); 및
    제1 광학 투명 열가소성 층과 제2 광학 투명 열가소성 층 사이에서 연장됨으로써 밀봉된 공동(7)을 형성하고 재초점맞춤가능한 광학 구역을 규정하게 되는 경계부(6)를 포함하되, 상기 밀봉된 공동은:
    상기 제1 광학 투명 열가소성 층(2)에 인접하고, 홈들에 의해 서로 분리된 복수 개의 렌즈 구조를 갖는 프레넬 렌즈인 회절 광학 요소(4); 및
    상기 제2 광학 투명 열가소성 층(3)을 향하는 상기 회절 광학 요소(4)의 표면과 상기 제2 광학 투명 열가소성 층(3) 사이에 있는 복수 개의 물리적으로 별개인 스페이서(5)를 함유하고,
    상기 복수 개의 물리적으로 별개인 스페이서의 각각의 스페이서는 상기 복수 개의 렌즈 구조 중 하나 상에 배치되는, 광학 장치(1).
  2. 제1항에 있어서,
    상기 회절 광학 요소(4), 상기 스페이서(5) 및 상기 경계부(6)는 동일한 재료 조성(12)을 가지는, 광학 장치(1).
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 제1 광학 투명 열가소성 층(2)과 제2 광학 투명 열가소성 층(3) 양자 모두가 만곡되는, 광학 장치(1).
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 경계부(6)는, 상기 공동(7)으로부터 이격되어, 노치(16)를 포함하되, 상기 노치(16)는 상기 제2 광학 투명 열가소성 층(3)과 접촉하는 접착제(15)를 함유하는, 광학 장치(1).
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 광학 장치(1)는 평탄화 재료(17)의 층(13)을 더 포함하되, 상기 평탄화 재료(17)의 층(13)은 상기 회절 광학 요소(4)를 덮어 상기 회절 광학 요소(4)에 인접하는 상기 경계부(6) 중 적어도 일부는 상기 평탄화 재료(17)로 만들어지고,
    복수 개의 스페이서(5), 평탄화 층(13) 및 회절 광학 요소(4)는 서로 적층되어 상기 제1 광학 투명 열가소성 층(2)과 제2 광학 투명 열가소성 층(3) 사이에 제어된 거리(d)를 유지하게 되는, 광학 장치(1).
  6. 제5항에 있어서,
    상기 경계부(6)는, 상기 공동(7)으로부터 이격되어, 상기 평탄화 재료(17)에 형성되는 노치(16)를 포함하되, 노치는 상기 제2 광학 투명 열가소성 층(3)과 접촉하는 접착제(15)를 함유하는, 광학 장치(1).
  7. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 경계부(6)를 통해 상기 공동(7) 내로 연장되는 채널(19)을 더 포함하는, 광학 장치(1).
  8. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 제1 광학 투명 열가소성 층(2)에 인접하는 제1 광학 투명 전극(8), 및
    상기 제2 광학 투명 열가소성 층(3)에 인접하는 제2 광학 투명 전극(9)을 더 포함하고,
    적어도 상기 공동(7)이 상기 제1 광학 투명 전극(8)과 제2 광학 투명 전극(9) 사이에 있게 되는, 광학 장치(1).
  9. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 제1 광학 투명 전극(8)은 상기 회절 광학 요소(4)와 상기 제1 광학 투명 열가소성 층(2) 사이에 있는, 광학 장치(1).
  10. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 제1 광학 투명 전극(8)은 나머지 광학 투명 열가소성 층(3)에 대면하는 상기 회절 광학 요소(4)의 표면 상에 있는, 광학 장치(1).
  11. 제1항 또는 제2항에 따른 광학 장치(1)를 적어도 하나 포함하는 광학 기구(15).
  12. 제1항에 따른 광학 장치(1)를 제조하는 방법으로서,
    제1 광학 투명 열가소성 층(2)을 제공하는 단계,
    상기 제1 광학 투명 열가소성 층(2) 상에 나노 임프린트에 의해, 복수 개의 물리적으로 별개인 스페이서(5), 홈들에 의해 서로 분리된 복수 개의 렌즈 구조를 갖는 프레넬 렌즈인 광학 회절 요소(4), 및 상기 광학 회절 요소(4)와 스페이서(5)를 둘러싸는 경계부(6) 중 적어도 하나를 형성하는 단계, 및
    제2 광학 투명 열가소성 층(3)을 제공함으로써, 복수 개의 스페이서(5)와 상기 광학 회절 요소(4)를 함유하는 밀봉된 공동(7)을 형성하고 재초점맞춤가능한 광학 구역을 규정하는 단계를 포함하고,
    복수 개의 스페이서(5)는 상기 광학 회절 요소(4)의 상부 표면과 상기 제2 광학 투명 열가소성 층(3) 사이에 배치되고, 상기 복수 개의 물리적으로 별개인 스페이서의 각각의 스페이서는 상기 복수 개의 렌즈 구조 중 하나 상에 배치되는, 광학 장치(1)를 제조하는 방법.
  13. 제12항에 있어서,
    나노 임프린트에 의해, 복수 개의 스페이서(5), 광학 회절 요소(4), 및 상기 광학 회절 요소(4)를 둘러싸는 경계부(6)를 형성하는 단계는:
    상기 제1 광학 투명 열가소성 층(2) 상에 재료 조성(12)의 층(18)을 제공하는 단계; 및
    상기 층(18) 내에, 복수 개의 스페이서(5), 광학 회절 요소(4), 및 상기 광학 회절 요소(4)를 둘러싸는 경계부(6)를 나노 임프린트하는 단계 - 복수 개의 스페이서(5)와 상기 광학 회절 요소(4)는 서로 적층되어 상기 제1 광학 투명 열가소성 층(2)과 제2 광학 투명 열가소성 층(3) 사이에 제어된 거리(d)를 유지하게 됨 -
    를 포함하는, 광학 장치(1)를 제조하는 방법.
  14. 제12항 또는 제13항에 있어서,
    상기 광학 장치(1)를 열 성형함으로써 각각의 광학 투명 열가소성 층(2, 3)에 사전결정된 곡률을 부여하는 단계를 더 포함하는, 광학 장치(1)를 제조하는 방법.
  15. 제12항 또는 제13항에 있어서,
    나노 임프린트는:
    적어도 상기 경계부(6)의 상부 부분에, 상기 경계부(6)를 통해 상기 공동(7) 내로 연장되는 채널(19)을 형성하는 단계를 더 포함하는, 광학 장치(1)를 제조하는 방법.
  16. 제12항 또는 제13항에 있어서,
    나노 임프린트에 의해, 복수 개의 스페이서(5), 광학 회절 요소(4), 및 상기 광학 회절 요소(4)를 둘러싸는 경계부(6)를 형성하는 단계는:
    상기 경계부(6)에, 상기 공동(7)으로부터 이격되어, 상기 제2 광학 투명 열가소성 층(3)과 접촉하는 접착제(15)를 함유하기 위한 노치(16)를 형성하는 단계를 더 포함하고,
    제2 광학 투명 열가소성 층(3)을 제공하기 전에, 상기 노치(16)에만 접착체(15)를 제공하는 단계를 더 포함하는, 광학 장치(1)를 제조하는 방법.
  17. 제12항 또는 제13항에 있어서,
    제2 광학 투명 열가소성 층(3)을 제공하기 전에:
    상기 회절 광학 요소(4) 및 상기 회절 광학 요소(4)에 인접하는 상기 경계부(6) 중 적어도 일부를 덮도록 평탄화 재료(17)의 층(13)을 제공하는 단계, 및
    평탄화 층(13)에 복수 개의 스페이서(5) 및 상기 경계부의 일부를 나노 임프린트하는 단계를 포함하고,
    복수 개의 스페이서(5), 평탄화 층(13) 및 회절 광학 요소(4)는 서로 적층되어 상기 제1 광학 투명 열가소성 층(2)과 제2 광학 투명 열가소성 층(3) 사이에 제어된 거리(d)를 유지하게 되는, 광학 장치(1)를 제조하는 방법.
  18. 제17항에 있어서,
    나노 임프린트에 의해, 복수 개의 스페이서(5), 광학 회절 요소(4), 및 상기 광학 회절 요소(4)를 둘러싸는 경계부(6)를 형성하는 단계는:
    상기 평탄화 층(13)에, 상기 공동(7)으로부터 이격되어, 상기 제2 광학 투명 열가소성 층(3)과 접촉하는 접착제(15)를 함유하기 위한 노치(16)를 형성하는 단계를 더 포함하고,
    제2 광학 투명 열가소성 층(3)을 제공하기 전에, 상기 노치(16)에만 접착체(15)를 제공하는 단계를 더 포함하는, 광학 장치(1)를 제조하는 방법.
  19. 제12항 또는 제13항에 있어서,
    상기 제1 광학 투명 열가소성 층(2)에 인접하여 제1 광학 투명 전극(8)을 형성하는 단계, 및
    상기 제2 광학 투명 열가소성 층(3)에 인접하여 제2 광학 투명 전극(9)을 형성하는 단계를 더 포함하고,
    적어도 상기 공동(7)이 상기 제1 광학 투명 전극(8)과 제2 광학 투명 전극(9) 사이에 있게 되는, 광학 장치(1)를 제조하는 방법.
  20. 제12항 또는 제13항에 있어서,
    나노 임프린트에 의해, 복수 개의 스페이서(5), 광학 회절 요소(4), 및 상기 광학 회절 요소(4)를 둘러싸는 경계부(6)를 형성하는 단계는:
    경계부(6)에 의해 둘러싸이는, 복수 개의 스페이서(5)와 광학 회절 요소(4)의 어레이를 형성하는 단계를 포함하는, 광학 장치(1)를 제조하는 방법.
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