KR102520800B1 - 가요성의, 조정 가능한 렌즈 파워 액정 셀 및 렌즈 - Google Patents

가요성의, 조정 가능한 렌즈 파워 액정 셀 및 렌즈 Download PDF

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Abstract

전기적으로 조절 가능한 광학기기를 실현하기 위한 재료로서 액정(LC)을 채택한 가요성 광학적 요소가 접힐 수 있다. 가요성 요소를 제조하기 위한 방법이 패터닝된 광-중합을 포함한다. LC 광학기기는, 편광기가 없는 특성을 위한 수직으로 정렬된 LC 도파부를 갖는 LC 층의 쌍, 가요성 중합체 정렬 층, 가요성 기재, 및 전기장을 제어하기 위한 모듈을 포함할 수 있다. LC 광학기기의 렌즈 파워는 광학 구역에 걸친 전기장의 분포를 제어함으로써 변경될 수 있다. 렌즈 파워 제어는 정렬 층 내의 전극 구성, 구동 신호 및 고정 강도의 조합을 이용하여 제공될 수 있다.

Description

가요성의, 조정 가능한 렌즈 파워 액정 셀 및 렌즈{FLEXIBLE, ADJUSTABLE LENS POWER LIQUID CRYSTAL CELLS AND LENSES}
본 발명은 전기활성적 광학기기 및 그러한 광학기기를 이용하는 렌즈, 그리고 특히, 가요성 액정 셀 및 렌즈에 관한 것이다.
소프트 콘택트 렌즈가 콘택트 렌즈 착용자에 의해서 취급될 때, 렌즈는 변형된다. 일부 경우에, 렌즈는, 2 밀리미터 등과 같이 작은, 작은 접힘 반경에 걸쳐 절반으로 접힐 수 있다. 따라서, 소프트 콘택트 렌즈는, 합리적인 가용 수명에 걸쳐 손상 없이 이러한 변형을 견딜 수 있을 정도로 충분한 가요성을 가져야 한다. 또한, 렌즈의 크기 및 형상을 회복할 수 있고 변형으로부터의 회복 후에 렌즈의 광학적 특성을 유지할 수 있다는 의미에서, 렌즈는 또한 탄성적인 것으로 생각될 수 있다. 히드로겔 콘택트 렌즈 및 실리콘 히드로겔 콘택트 렌즈를 포함하는 많은 수의 중합체가 가요성 및 탄성을 염두에 두고 개발되었다.
전기활성적 렌즈에서, 액정 셀과 같은, 전기활성적 구성요소가 가요성 및 탄성 중합체로 제조된 렌즈 본체 내에 내재될 수 있다. 그러나, 전기활성적 구성요소는 렌즈 본체의 가요성 및 탄성 모두를 전체적으로 제한할 수 있다.
가요성 및 탄성 모두를 가지는 전기활성적 구성요소를 갖는 렌즈를 제공하는 것이 요구될 수 있다.
제1 및 제2 정렬 층을 포함하는 전기적으로 조절 가능한 렌즈가 설명되고, 활성 층이 렌즈의 광학적 경로 내의 제1 및 제2 정렬 층들 사이에 한정된 액정을 포함한다. 제1 전극이 제1 정렬 층 위에 배치되고, 활성 층의 개구 영역 위에 배치된, 원형 홀과 같은, 제1 패터닝된 개구부를 갖는 실시예가 설명된다. 또한, 제2 전극이 제2 정렬 층 아래에 배치되고, 제1 전극과 조합되어 활성 층 내에서 전기장을 유도하도록 배열된 제2 패터닝된 개구부를 갖는다. 제1 및 제2 패터닝된 개구부가 원형 형상일 수 있다. 일부 실시예에서, 제1 및 제2 패터닝된 개구부는 공통 반경을 갖는 원형 형상들을 갖는다. 일부 실시예에서, 제1 및 제2 패터닝된 개구부는 상이한 반경들을 갖는 원형 형상들을 갖는다.
패터닝된 개구부를 갖는 제1 및 제2 전극을 포함하는 실시예의 가요성 또는 탄성적 버전에서, 그리고 본원에서 설명된 다른 실시예에서, 탄성적 중합체 포스트의 어레이가 활성 층 내에 배치되고, 굽혀지고 그 원래의 형상으로 회복된 후에 활성 층의 두께를 유지하도록 구성된다.
본원에서 설명된 전기적으로 조절 가능한 렌즈의 실시예는, 활성 층을 통한 전기장 라인의 분산을 개선하기 위해서, 제1 정렬 층 위에 그리고 제2 정렬 층 아래에 배치된 저항 층을 가질 수 있다.
제1 및 제2 정렬 층의 하나 또는 모두가 액정 부분(liquid crystal moiety)을 포함하는 중합체 층을 포함할 수 있다.
일부 실시예에서, 제3 정렬 층이 제1 정렬 층과 제2 정렬 층 사이에 배치되고, 액정을 포함하는 제2 활성 층이 제3 정렬 층과 제2 정렬 층 사이에서 한정된다. 패드 전극은 제1 활성 층과 제2 활성 층 사이에 배치될 수 있다.
패터닝된 개구부를 갖는 제1 및 제2 전극을 포함하는 실시예에서, 그리고 본원에서 설명된 다른 실시예에서, 구동부가 제1 및 제2 전극에 전기적으로 연결될 수 있다. 구동부는, 제1 및 제2 전극에 걸쳐 구동 신호를 인가하도록 구성될 수 있다. 여러 실시예에서, 구동부는 조정 가능 듀티 사이클을 갖는 구동 신호를 인가할 수 있다. 구동부는 펄스 폭 변조를 이용하는 구동 신호를 인가할 수 있다. 구동부는 DC 오프셋을 갖는 구동 신호를 인가할 수 있다.
일부 실시예에서, 구동부는, 초기의 큰 필드 파워 간격 및 후속되는 작은 필드 파워 간격을 포함하는 구동 신호를 인가할 수 있고, 작은 필드 파워 간격은 작은 필드 파워 간격 중에 목표 렌즈 파워를 형성하도록 구성된다. 큰 필드 파워 간격과 후속되는 작은 필드 파워 간격의 조합은, 특히 렌즈의 개구 영역의 연부에 근접하여, 활성 층 내의 액정 부분의 회위(disclination)를 감소시킬 수 있다.
본원에서 설명된 실시예에서, 제1 및 제2 정렬 층 중 적어도 하나가 10-4 J/m2 보다 큰 고정 강도를 갖는다. 정렬 층이, 고정 강도가 10-4 J/m2 보다 큰, 액정 부분을 포함하는 중합체 층을 포함하는 실시예가 설명된다. 이러한 유형의 중합체 층은 가요성을 가질 수 있고 탄성적일 수 있다.
또한, 제1 및 제2 정렬 층들 사이의 액정을 포함하는 제1 활성 층 및 제3 및 제4 정렬 층들 사이의 액정을 포함하는 제2 활성 층을 가지는, 제1, 제2, 제3 및 제4 정렬 층을 포함하는, 전기적으로 조절 가능한 렌즈가 설명된다. 제1 전극은 제1 정렬 층 위에 배치되고, 제1 활성 층의 개구와 정렬되어 배치된 제1 패터닝된 개구부를 갖는다. 제2 전극은 제4 활성 층 아래에 배치되고, 제2 활성 층의 개구와 정렬되어 배치된 제2 패터닝된 개구부를 갖는다. 패드 전극이 제1 활성 층과 제2 활성 층 사이에 배치된다. 구동부는 제1 및 제2 전극에 그리고 패드 전극에 전기적으로 연결된다. 구동부는, 제1 구동 신호를 제1 전극에 그리고 제2 구동 신호를 제2 전극에 인가하도록 구성된다. 패드 전극은 접지와 같은 기준 전위에서 유지될 수 있거나, 그와 달리 제1 및 제2 구동 신호의 생성에서 이용될 수 있다. 구동 신호는, 패드 전극과 조합되어, 렌즈의 광학적 파워를 조절하기 위해서, 제1 및 제2 활성 층 내에서 전기장을 유도하도록 배열된다. 전술한 특징 중 많은 특징이, 패터닝된 개구부를 갖는 외부 전극 및 중간 패드 전극을 갖는, 2개의 활성 층을 가지는 이러한 유형의 전기적으로 조절 가능한 렌즈에 적용될 수 있다.
또한, 탄성 또는 가요성의, 전기적으로 조절 가능한 액정 렌즈가 설명된다. 액정 렌즈는, 접힌 후에 그리고 그 원래의 형상으로 회복된 후에 실질적으로 유지되는 셀 갭 두께를 갖는 셀을 포함한다. 따라서, 액정 렌즈의 형상 및 광학적 특성은 접힘 후에 회복될 수 있다.
설명된 실시예는, 중합체 정렬 층들 사이의 갭 내에서 액정을 포함하는 전기활성적 셀을 포함하고, 중합체 포스트의 어레이가 정렬 층들 사이의 갭 내에 배치된다.
본원에서 설명된 예에서, 정렬 층들 중 하나 이상이, 내재된 액정 부분을 포함하는 가요성 중합체 재료를 포함한다.
본원에서 설명된 전기적으로 조절 가능한 렌즈의 일부 예는 제1 정렬 층 및 제2 정렬 층; 제1 정렬 층과 제2 정렬 층 사이의 갭 내의 탄성 중합체 포스트의 어레이로서, 어레이 내의 포스트는 제1 정렬 층으로부터 제2 정렬 층까지 연장되는, 탄성 중합체 포스트의 어레이; 어레이 내의 포스트 주위에서 제1 정렬 층과 제2 정렬 층 사이의 갭 내에 한정되는 액정; 및 액정 내에서 전기장을 유도하도록 배열된 하나 이상의 전극을 포함한다.
편광-독립적인 예는 제3 정렬 층, 및 제2 정렬 층과 제3 정렬 층 사이의 제2 갭 내의 탄성중합체 포스트의 제2 어레이를 포함하고, 제2 어레이 내의 포스트는 제2 정렬 층으로부터 제3 정렬 층까지 연장된다. 또한, 액정은 제2 어레이 내의 포스트 주위에서 제2 갭 내에서 한정된다. 예의 제2 정렬 층은 액정 부분을 포함할 수 있고, 액정 부분은 광학적 경로에 수직으로 그리고 제1의 언급된 갭에 인접한 제1 표면에 거의 평행하게 정렬된 도파부(director) 및 제2의 언급된 갭에 인접하고 제1 표면 부근의 도파부에 수직인 제2 표면에 부근의 광학적 경로에 수직으로 정렬된 도파부를 포함한다.
패턴에 따른 광-중합에 의해서 액정 층 내에 중합체 포스트를 형성하는 것을 포함하는, 가요성 액정 셀을 제조하기 위한 방법이 설명된다. 본원에서 설명된 실시예에서, 방법은 제1 가요성 정렬 층과 제2 가요성 정렬 층을 그 사이에 갭을 두고 조립하는 단계; 제1 가요성 정렬 층과 제2 가요성 정렬 층 사이의 갭에 걸쳐 연장되는 가요성 또는 탄성 중합체 포스트를 형성하는 단계; 및 갭 내에서 포스트를 둘러싸는 액정 재료를 제공하는 단계를 포함한다. 본원에서 설명된 실시예에서, 방법은 갭 내에서 액정 재료 및 중합체 전구체 재료의 조합을 제공하는 단계, 및 중합체 전구체 및 액정의 상 분리를 유도함으로써, 그리고 패턴에 따라 중합체 전구체를 중합시킴으로써 탄성 포스트를 형성하는 단계를 포함한다.
장치 및 방법에 대한 다양한 조합 및 부가가 이하에서 설명된다.
본 발명의 다른 양태 및 장점은, 이하의 도면, 상세한 설명 및 청구범위로부터 확인될 수 있다.
도 1은 본원에서 설명된 바와 같은 전기활성적 셀을 갖는 가요성 렌즈의 접힘을 보여주는 단순화된 도면이다.
도 2는 단일 액정 층을 가지는 가요성 액정 전기활성적 셀을 도시한다.
도 3a, 도 3b, 도 3c, 및 도 3d는 2개의 액정 층을 가지는 편광-독립적인, 가요성 액정 전기활성적 셀의 대안적인 실시예를 도시한다.
도 4a, 도 4b, 도 4c, 도 4d, 도 4e 및 도 4f는 가요성 전기활성적 셀의 제조 프로세스 내의 스테이지를 도시한다.
도 5는 도 4a, 도 4b, 도 4c, 도 4d, 도 4e 및 도 4f와 같은 프로세스에서 사용된 리소그래픽 마스크를 위한 예시적인 레이아웃을 도시한다.
도 6a, 도 6b, 도 6c, 도 6d, 도 6e 및 도 6f는 도 2 그리고 도 3a, 도 3b, 도 3c, 및 도 3d의 구조에서 이용되는 것과 같은 중합체 층의 제조에서의 스테이지를 도시한다.
도 7은 곡선형의, 가요성 액정 전기활성적 셀의 예를 도시한다.
도 8은 2개의 액정 층을 가지는 곡선형의, 가요성 액정 전기활성적 셀의 예를 도시한다.
도 9는 액정 층 내에서 하이브리드 정렬을 가지는 2-층 액정 셀의 예를 도시한다.
도 10은 대안적인 전극 위치를 가지는 액정 층 내의 하이브리드 정렬을 가지는 2-층 액정 셀의 예를 도시한다.
도 11은 곡선형 유전체 층을 가지는 2-층 액정 셀의 예를 도시한다.
도 12는 액정 층 내에서 하이브리드 정렬을 가지는, 곡선형 유전체 층을 갖는 2-층 액정 셀의 다른 예를 도시한다.
도 13은 액정 중합체 필름 내에서 렌즈 파워(lens power)를 가지는, 2-층 액정 셀의 예를 도시한다.
도 14는, 도 3d의 것과 유사한, 그러나 상부 및 하부 전극 모두가 패터닝된 개구부를 갖도록 수정된, 2-층 액정 셀의 예를 도시한다.
도 15는, 패터닝된 개구부를 갖는 제1 및 제2 외부 전극과 함께, 중간 패드 전극을 갖는, 2-층 액정 셀의 예를 도시한다.
도 16은, 편평한 대신 곡선형인, 도 15의 것과 유사한 2-층 액정 셀의 예를 도시한다.
도 17은 활성 층 내에서 DC 오프셋을 유도하도록 구성된 듀티 사이클을 갖는 액정 셀을 위한 구동 신호를 보여주는 그래프이다.
도 18은 구동 신호에서 DC 오프셋을 갖는 액정 셀을 위한 구동 신호를 보여주는 그래프이다.
도 19는, 비편향 상태에서의, 홀 패터닝된 상단 전극 및 패드 전극 사이에 배치된 액정 부분을 갖는 활성 층의 단순화된 도면이다.
도 20은, 초기에 인가된 구동 신호가 액정 부분의 수직 정렬을 유도하는 비교적 큰 필드 파워를 가지는, 도 19의 구조물의 단순화된 도면이다.
도 21은, 후속하여 인가된 구동 신호가, 바람직한 렌즈 파워를 형성하도록 설정된, 도 20보다 작은 필드 파워를 갖는, 도 19의 구조물의 단순화된 도면이다.
도 22는 도 20 및 도 21을 참조하여 설명된 바와 같은 초기의 큰 필드 파워 간격 및 후속되는 작은 필드 파워 간격을 포함하는 구동 신호를 보여주는 그래프이다.
도 1 내지 도 22를 참조하여, 본 발명의 실시예에 관한 상세한 설명을 제공한다.
도 1은 전기활성적 셀(11)이 내재된 렌즈(10)를 도시한다. 렌즈(10)는 가요성을 가지고, 예를 들어, 히드로겔 재료 또는 실리콘 히드로겔 재료를 포함할 수 있다. 전기활성적 셀(11)은 전기활성적 재료, 및 렌즈의 굴절력을 변경하기 위해서 이용되는 적어도 하나의 전자적 구성요소를 포함한다. 도 1에 도시된 바와 같이, 렌즈가 가요성 재료로 제조된 경우에, 렌즈가 사용자에 의해서 취급될 때 렌즈(10)가 접힐 수 있다. 예를 들어, 렌즈(10)가 콘택트 렌즈일 때, 사용자는 렌즈를 눈에 삽입할 때 그리고 제거할 때 렌즈를 접을 수 있다. 도면의 하부 부분에 도시된 바와 같이 렌즈가 접힐 때, 접힘부의 반경(R)은 특히 영역(12)에서 매우 작을 수 있다. 예를 들어, 렌즈는 약 1 내지 9 mm의 접힘 반경으로 접힐 수 있다. 렌즈가 접힐 때, 전기활성적 셀(11)이 변형될 수 있다.
본원에서 설명된 실시예에서, 셀이 접힌 후에 그 원래의 형상으로 회복될 때 그 형상 및 그 조절 가능한 또는 조정 가능한 광학적 특성을 회복한다는 의미에서, 전기활성적 셀은 탄성적이다.
도 2는, 전술한 의미에서 탄성적인, 가요성의 단일 층 액정 셀을 도시한다. 액정 셀은 상부(제1) 중합체 층(24)과 하부(제2) 중합체 층(27) 사이의 갭 내에 배치된 액정 층(25)(즉, 액정을 포함하는 활성 층)을 포함하고, 중합체 층(24, 27)은, 액정 층(25)을 위한 정렬 층으로서 작용하도록 구성된 액정 부분과 혼합된 가요성 또는 탄성 중합체를 포함한다. 중합체 층(24, 27)은, 층의 중앙 영역 내의 수직 도파부 및 표면 상의 수평 도파부를 가지는 액정 부분을 갖는다. 이러한 예의 상부 중합체 층(24)에서, 표면 부근의 도파부는, 광학 축일 수 있는, z-축(5)에 수직이고 액정 층(25)의 주 표면에 대해서 수평이며, 도면의 평면의 내외로 연장된다. 이러한 예의 하부 중합체 층(27)에서, 대향 표면들 상의 도파부들이 액정 층(25)의 주 표면에 대해서 수평이고, 도면의 평면의 내외로 연장된다. 이러한 예의 도파부의 배향은, 서로 평행한 액정 층(25)의 상부 표면 및 하부 표면 상에서 정렬 방향을 초래한다.
이러한 예에서, 액정 층(25)은, 적어도 액정 셀의 유효 개구에 걸쳐, 중합체 층들(24, 27) 사이에서 균일한 두께(T)를 갖는다. 이러한 설명을 위해서, 셀의 사용자가, 광학적 성능이, 환경적, 제조 및 재료 변동성이 발생되는 상업적 제조 셋팅에서 발생될 수 있는 범위와 같이, 공칭적으로 균일한 두께를 가지는 셀에서 예상되는 범위 내에 포함되는 것으로, 인지할 때, 액정 층은 셀의 유효 개구에 걸쳐 균일한 두께를 갖는다.
포스트(예를 들어, 포스트(26))의 어레이가 액정 층의 내측에서 중합체 층들(24, 27) 사이의 갭 내에 배치된다. 어레이 내의 포스트는 상부 중합체 층(24)으로부터 하부 중합체 층(27)까지 연장되고, 두께(T)를 유지하는 경향이 있다. 포스트(예를 들어, 26)는 중합체 또는 중합체 재료를 포함할 수 있다. 바람직하게, 포스트는 탄성적이다. 또한, 바람직하게, 중합체 층은 탄성적인 중합체 또는 탄성중합체를 포함한다.
액정 재료는 포스트의 어레이 내의 포스트 주위에서 제1 중합체 층과 제2 중합체 층 사이의 갭 내에서 한정되고, 셀의 액티브 요소(active element)로서 작용하여, 인가된 전기장에 응답하여 셀의 광학적 특성을 변화시킨다.
이러한 예에서, 액정 층(25) 내에 전기장을 인가하기 위해서 사용되는 전기 구성요소는 (이러한 예에서, 층(20, 22, 29)을 포함하는) 유전체 중합체 내에 배치된다. 전기 구성요소는 저항 층(23), 상부 중합체 층(24) 위의 원형 홀 패터닝된 전극 층(21), 및 하부 중합체 층(27) 아래의 투명 패드 전극 층(28)을 포함한다. 본원에서 설명된 이러한 그리고 다른 실시예에서, 패터닝된 전극 층은 일부 실시예에서, 액정 층 내의 전기장 벡터의 형상의 보다 복잡한 제어를 위해서, 화소화된 패턴, 및 링-형상의 패턴을 포함하는, 원형 홀 이외의 패턴을 가질 수 있다.
하나의 대표적인 실시예에서, 액정 셀의 기재는, 두께가 각각 약 17 ㎛인 폴리디메틸실록산(PDMS)을 포함하는 유전체 층(20, 22)을 포함한다. 마찬가지로, 유전체 층(29)은 두께가 약 17 ㎛ 이하인 PDMS를 포함한다. 패터닝된 전극 층(21) 및 패드 전극 층(28)은 두께가 약 1 ㎛ 이하인 가요성 전극 재료를 포함할 수 있다. 액정 층(25)은 약 30 내지 40 ㎛의 두께, 예를 들어 약 34 ㎛의 두께일 수 있다. 상부 및 하부 중합체 층들은 약 6 내지 7 ㎛ 두께일 수 있다. 이러한 예에서, 셀은 약 98 ㎛의 전체 두께를 갖는다.
추가적인 실시예에서, 액정 셀의 기재는 PDMS를 포함하는 유전체 층(20, 22)을 포함하고, 각각의 유전체 층은 15 ㎛ 내지 20 ㎛의 두께를 갖는다. 유사하게, 유전체 층(29)은 PDMS를 포함할 수 있고, 15 ㎛ 내지 20 ㎛의 두께를 가질 수 있다. 패터닝된 전극 층(21) 및 패드 전극 층(28)은 두께가 0.1 ㎛ 내지 1 ㎛인 가요성 전극 재료를 포함할 수 있다. 액정 층(25)은 25 ㎛ 내지 45 ㎛의 두께일 수 있다. 상부 및 하부 중합체 층들은 5 ㎛ 내지 10 ㎛의 두께를 각각 가질 수 있다.
대표적인 실시예에서, 액정 층(25)의 두께(T)는 약 34 ㎛이다.
일부 실시예에서, 두께(T)는 액정 층(25)의 광학적 구역 전체를 통해서 일정한 두께이고, 광학적 구역은 유효 개구이고, 그러한 유효 개구 내에서 조절 가능한 렌즈 효과가 이용된다.
이러한 예에서 셀의 균일한 두께가, 광학기기의 중심으로부터 유효 개구의 연부까지 1.2 미크론 미만만큼 달라지는 두께일 수 있다. 일부 실시예에서, 유효 개구 내의 두께(T)의 변동이 0.5 미크론 내에서 유지될 수 있다.
본원에서 설명된 액정 셀의 실시예는, 작은 반경에 걸쳐 접히고 원래의 형상으로 회복된 후에, 광학적 특성을 유지할 수 있다. 예를 들어, 액정 층이 약 10 ㎛로 접히기 전에 평균적인 원래의 두께(T)를 가지는 셀 갭을 포함하는 실시예에서, 평균 두께(T)는 그 원래의 두께의 10% 이내로 회복될 수 있거나, 9 내지 11 ㎛ 범위의 평균 두께로 회복될 수 있다. 다른 실시예에서, 평균 두께(T)는 그 원래의 두께의 2% 이내로 회복될 수 있거나, 9.8 내지 10.2 ㎛ 범위의 평균 두께까지 회복될 수 있다. 셀 갭 또는 액정 층의 평균 두께는 다수의 위치에서 두께를 측정하는 것 그리고 이러한 측정치들을 함께 더하고 측정의 수로 나누는 것에 의해서 결정될 수 있다. 그러한 측정은 (원형 형상을 가지는 경우) 액정 층의 하나의 직경을 따라서 취해질 수 있거나, 측정이 액정 층 주위의 무작위적인 지점들을 따라서 취해질 수 있다.
특정 구현예의 요건에 따라, 액정 층을 위한 기재의 역할을 하는 가요성 유전체 층(20, 22, 29)의 재료는, PDMS-함유 재료, PET(폴리에틸렌 테레프탈레이트)-함유 재료, 및 히드록시에틸 메타크릴레이트(HEMA)-함유 재료를 포함하는, 렌즈에서 이용하기에 적합한 다양한 중합체 및 탄성중합체 및 그 조합으로부터 선택될 수 있다.
특정 구현예의 요건에 따라, 패터닝된 전극 층(21) 및 투명 패드 전극 층(28)을 위해서 이용될 수 있는 대표적인 재료는 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜) 폴리스티렌 설포네이트(PEDOT:PSS), 인듐 주석 산화물(ITO), 인듐 아연 산화물(IZO), 그래핀, 은 나노와이어 및 구리 금속 메시, 그리고 재료의 조합일 수 있다.
저항 층(23)의 기능은 전기장을 렌즈의 유효 개구의 중심 내로 분배하는 것을 돕는 것이다. 저항 층(23)은 전극에 비해서 비교적 큰 저항을 가지며, 큰 저항성의 층으로서 지칭될 수 있다. 몇몇 예에서, 저항 층(23)으로, 동작 전압이 감소될 수 있다. 저항 층의 시트 저항은, 렌즈 재료 및 재원에 따라, 약 106 내지 108 Ω/sq일 수 있다. 저항 층은 PEDOT:PSS 용액과 PVA (폴리(비닐 알코올)) 용액의 혼합에 의해서 제조될 수 있다. 시트 저항은, 예를 들어, 2개의 용액들 사이의 중량비에 의해서 제어될 수 있다.
액정(LC)은 복굴절 특성을 가지는 광학적 이방성 재료이다. LC 광학기기에 수직으로 입사되고 LC 분자의 장축 및 편광화 방향이 동일 평면 내에 있는 선형-편광화된 광을 고려한다. 광에는, 광의 편광화-방향과 LC의 도파부 사이의 각도에 의해서 결정되는 유효 굴절률이 적용된다. 또한, LC 분자의 배향은 외부 전기장에 의해서 제어될 수 있다. 그에 따라, 균일한 두께의 LC 층 상의 불균일한 전기장은 LC 분자의 배향의 공간적 분포를 유발할 것이다. LC 분자의 배향의 공간적 분포는 또한 유효 광학적 경로의 공간적 분포를 형성할 것이다. 적절한 설계에 의해서, 유효 광학적 경로의 공간적 분포가 상이한 렌즈 파워를 갖는 렌즈 효과를 실현할 수 있다.
LC는 편광화 의존적이고, 이는 편광기와 조합되어 사용될 때 광 효율의 적어도 50%를 감소시킬 수 있다. 편광화-독립적 LC 광학기기를 실현하기 위해서, 도 3a 내지 도 3d에 도시된 예에서 구현된 바와 같이, 동일한 두께를 가지고 수직으로 정렬된 LC 도파부들을 가지는 LC 층의 쌍이 이용될 수 있다. 수직 도파부들을 가지는 LC 층의 쌍을 이용할 때, 광의 2개의 Eigen-편광화는 동일 위상 천이를 겪고, 편광화-독립적, 조절 가능 렌즈를 초래한다.
도 3a 내지 도 3d는, 전술한 의미에서 탄성적인 가요성의, 2-층 액정 셀의 대안적인 실시예를 도시한다. 이러한 대안적인 실시예는 도 2와 관련하여 전술한 재료를 이용하여 만들어질 수 있다.
도 3a에서, 셀은 제1 액정 층(45) 및 제2 액정 층(48)을 포함한다. 제1 액정 층(45)은 상부 (제1) 액정 중합체 층(44)과 중간 (제2) 액정 중합체 층(47) 사이의 갭 내에 배치된다. 제2 액정 층(48)은 중간 액정 중합체 층(47)과 하부 (제3) 액정 중합체 층(50) 사이의 갭 내에 배치된다.
상부 중합체 층(44)은, 액정 층(45)의 표면에 평행하고 도면의 평면에 수직인, 액정 층(45)에 인접한 하부 표면 상의 도파부를 갖는다. 중간 중합체 층(47)은, 액정 층(45)의 표면에 평행하고 도면의 평면에 수직인(즉, 상부 중합체 층(44)의 하부 표면 상의 도파부에 평행한), 액정 층(45)에 인접한 상부 표면 상의 도파부를 갖는다. 중간 중합체 층(47)은, 액정 층(48)의 표면에 평행하고 도면의 평면에 평행한(즉, 중간 중합체 층(47)의 상부 표면 상의 도파부에 수직인), 액정 층(48)에 인접한 하부 표면 상의 도파부를 갖는다. 하부 중합체 층(50)은, 액정 층(48)의 표면에 평행하고 도면의 평면에 평행한(즉, 중간 중합체 층(47)의 하부 표면 상의 도파부에 평행인), 액정 층(48)에 인접한 상부 표면 상의 도파부를 갖는다.
중합체 층(44, 47, 50)은 액정 층을 위한 정렬 층으로서 작용한다. 중간 중합체 층(47)은 그 상부 및 하부 표면 상에서 수직 도파부를 갖는다. 상부 및 하부 중합체 층(44, 50)은, 일부 실시예에서, 브러시형(brushed) 폴리이미드 층과 같은, 다른 정렬 층 재료로 대체될 수 있다. 중간 중합체 층에서 브러시형 폴리이미드를 이용하는 것은 실용적이지 않을 수 있는데, 이는 광학적 손실 및 다른 문제 때문이다. 따라서, 바람직한 실시예에서 액정 층들 사이의 정렬 기술은 상부 및 하부 표면 상에서 수직 도파부들을 가지는 액정 중합체 층의 이용을 포함한다.
액정 층(45 및 48)은 갭 내에 한정된 액정 재료를 포함하고, 합리적인 제조 및 광학적 성능 공차 내에서, 중합체 층들 사이에서 동일한 두께를 갖는다.
포스트(예를 들어, 46)의 어레이가 상부 중합체 층(44)과 중간 중합체 층(47) 사이의 갭 내에 배치되고, 액정 층(45) 내의 액정 재료에 의해서 둘러싸인다. 어레이 내의 포스트는 상부 중합체 층(44)으로부터 중간 중합체 층(47)까지 연장되고, 전술한 바와 같이 두께를 유지하는 경향이 있다.
포스트(예를 들어, 49)의 제2 어레이가 중간 중합체 층(47)과 하부 중합체 층(50) 사이의 갭 내에 배치된다. 포스트의 제2 어레이는 갭 내에 한정된 액정 층(48) 내의 액정 재료에 의해서 둘러싸인다.
이러한 예에서, 전기 구성요소가, 층(40, 43, 52)을 포함하는, 유전체 중합체 기재 내에 배치된다. 전기 구성요소는 저항 층(41), 상부 중합체 층(44) 위에 배치된 패터닝된 전극 층(42), 및 하부 중합체 층(50) 아래의 투명 패드 전극 층(51)을 포함한다.
도 3a의 액정 셀은, 작은 반경에 걸쳐 접히고 원래의 형상으로 회복된 후에, 광학적 특성을 유지할 수 있다.
일반적으로, 2-층 액정 셀은, 전기장이 패터닝된 전극을 통해서 인가될 때, 비편광화 광을 위한 양의 렌즈 파워(positive lens power)를 제공할 수 있다. 액정 층에 의한 부가된 렌즈 파워는 인가 전기장의 진폭, 주파수, 듀티 사이클, DC 오프셋, 또는 펄스 형상 중 하나 이상을 변경함으로써 조절될 수 있다.
도 3b 내지 도 3d는, 도 3a의 구성과 유사한, 2-층 액정 셀의 대안적인 구성을 도시한다. 일부 경우에 다시 설명되지 않는 유사한 구성요소를 지칭하기 위해서, 동일 참조 번호가 이용된다. 도 3b 내지 도 3d의 액정 셀은, 마찬가지로, 작은 반경에 걸쳐 접히고 원래의 형상으로 회복된 후에, 광학적 특성을 유지할 수 있다.
도 3b에 도시된 바와 같이, 대안적인 구성에서, 폴리이미드 층이 저항 층과 함께 이용되어 그 균일성을 개선할 수 있다. 따라서, 도 3b에서, 저항 층(41)과 접촉되게 폴리이미드 층(60)을 부가하는 것에 의해서, 2-층 액정 셀이 수정된다.
도 3c에서, 저항 층(41)과 접촉되게 폴리이미드 층(60)을 부가하는 것에 의해서, 그리고 상부 패터닝된 전극 층(42)을 상부 중합체 층(44)의 상부 표면과 접촉되게 이동시키고, 그에 의해서 도 3a 및 도 3b에 도시된 유전체 기재의 층(43)의 영역을 제거하는 것에 의해서, 2-층 액정 셀이 수정되는 실시예가 도시되어 있다. 이는 가요성 액정 셀의 필요 동작 전압 및 전체 두께를 감소시키는 효과를 갖는다.
도 3d에서, 저항 층(41)을 상부 중합체 층(44)의 상부 표면과 접촉되게 이동시키는 것, 유전체 기재의 층(43)의 영역의 상당 부분을 제거하는 것, 그리고 도 3b 및 도 3c의 폴리이미드 층을 제거하는 것에 의해서, 2-층 액정 셀이 도 3a의 구조에 비해서 수정되는 실시예가 도시되어 있다. 이는 구조물의 전체 두께를 더 감소시키고, 폴리이미드 층을 위한 요건을 제거한다.
도 2의 실시예와 유사한 가요성 액정 셀을 제조하기 위한 방법의 실시예가 도 4a 내지 도 4f에 도시되어 있다.
도 4a는 비어 있는 프로세스 셀을 프로세스의 제1의 예시된 스테이지로서 도시한다. 빈 프로세스 셀은, 셀을 형성하는 동안 커버 층으로서 작용하는 상부 및 하부 유리 층(80, 82)으로 구성된다. 유리 층은 기재 유전체 재료(70, 72, 79), 전극 재료(71, 78), 저항 층(73), 및 이러한 예에서 전술한 바와 같이 중합체 층(74, 77)인 정렬 층으로 코팅된다. 상부 전극 재료(71)를 패터닝하여, 조절 가능한 렌즈 파워를 제공하기 위해서 전술한 바와 같이 가변적인 전기장을 유도하기 위해서 사용되는 홀을 형성한다. 하부 전극 재료(78)는 패드 형상으로 배치된다. Mylar 필름 이격체(75)가 상부 중합체 층(74)과 하부 중합체 층(77) 사이에 배치되어, 액정 층 및 포스트의 어레이가 내부에 형성되는 갭(76)을 형성한다. 이러한 예에서, Mylar 필름 이격체(75)는 35 ㎛의 갭 두께를 형성한다.
도 4b에 도시된 바와 같이, 제조의 다음 스테이지에서, 액정 재료 및 중합체 전구체의 조합이, 예를 들어 모세관력에 의존하여, 갭(76) 내로 주입된다. 일부 실시예에서, 그러한 조합은 액정질 단량체 부분(liquid crystalline monomer moiety)(100), 광-개시제(101), 및 액정 부분(102)을 포함한다. 더 구체적으로, 하나의 예시적인 프로세스에서, 조합은, 비율이 99 중량%: 0.5 중량%: 0.5 중량%인, 네마틱 LC(LCM-1656), 액정질 단량체(RM257), 및 광-개시제(IRG184)로 구성된다. LCM-1656는 LC Matter Corp.(예를 들어, 미국 플로리다 올란도; lcmatter.com)로부터 입수될 수 있고, RM-257 및 IRG-184는 Merck 또는 Merck KgaA(독일, 다름스타트, merckgroup.com)로부터 입수될 수 있다. 선택된 재료는 바람직하게, 심각한 변형을 견딜 수 있는 충분한 경직성을 가지면서도, 굽힘 후에 구조물 내의 셀 갭을 회복하기 위한 양호한 탄성을 가지는 중합체 포스트의 형성을 초래한다.
도 4c는 제조 프로세스의 다음 스테이지를 도시한다. 조합 재료가 갭(76) 내로 주입된 셀은, 홀(112, 113)의 어레이를 형성하는 리소그래픽 마스크(110)와 정렬된다. 그러한 구조물은 이어서, 본 예에서 UV 복사선과 같은, 화학 복사선(111)에 노광된다. 노광 중에, 상 분리 프로세스에서, 액정 부분(125)은 홀(112, 113)을 통해서 자외선 광에 노광된 영역으로부터 멀리 이동되는 반면, 액정 단량체(120, 121)는 노광 영역 내로 이동된다.
도 4d에 도시된 바와 같이, 화학 복사선(111)에 대한 노광 중에, 중합체 체인(135)이 액정 단량체들(120, 121) 사이의 광-중합에 의해서 형성되고, 그에 따라 중합체 층들(74, 77) 사이에서 연장되는 포스트의 어레이를 형성한다.
화학 복사선(111)에 대한 노광은 100 ℃ 미만의 저온에서 그리고, 설명된 예에서, 거의 상온(약 20 내지 25 ℃)에서 실행될 수 있다. 이러한 저온의 광-중합은, 광-중합 프로세스 중에 유리 커버에 의해서 지지되는 구조물의 층에 대한 손상이 없는 제조를 가능하게 한다.
다음 스테이지에서, 도 4e에 도시된 바와 같이, 셀은 리소그래픽 시스템으로부터 제거되고, 탄성 중합체 포스트는 하부 중합체 층(77)의 상부 표면으로부터 상부 중합체 층(74)의 하부 표면까지 연장되고, 액정은 갭을 충진하고 포스트를 둘러싼다.
도 4f는 후속 스테이지를 도시하고, 여기에서 유리 층(커버)(80, 82)이 제거되어, 도 2에 도시된 것과 같은, 가요성의 조절 가능한 액정 셀을 남긴다.
액정 셀은, 이러한 예에서 UV 경화성 중합체를 이용하여, Mylar 이격체에 의해서 밀봉된다. 이러한 예에서, 포스트는, 광-중합에 의한 경화 중에, 액정 및 단량체의 혼합물 내에서 형성된다. 다른 실시예에서, 포스트는 제1 단계에서 형성될 수 있고, 이어서 미경화 재료를 제거하여 포스트의 네트워크를 남기고, 이어서 포스트의 네트워크 주위를 제거한 후에 액정을 주입한다. 일부 예에서, 액정 셀은, 밀봉 영역을 형성하기 위해서 패터닝된 마스크를 이용하는 것, 그리고 포스트를 만들기 위해서 이용되는 것과 동일한 재료로 셀을 폐쇄하는 것에 의해서 경화 중에 밀봉될 수 있다.
이러한 제조 프로세스는, 중간 중합체 층, 및 제2 갭을 형성하기 위한 제2 Mylar 이격체를 부가하는 것에 의해서, 도 3a 내지 도 3d에 도시된 것과 같이, 2-층 셀까지 확장될 수 있다. 그렇지 않은 경우에, 유사한 프로세싱 단계가 2-층 셀을 위해서 적용된다.
도 5는, 도 4c 및 도 4d를 참조하여 설명된 프로세스의 스테이지에서 이용될 수 있는, 리소그래픽 마스크(110)를 위한 대표적인 레이아웃을 도시한다. 이러한 예에서, 마스크 레이아웃은, 직경이 약 50 ㎛이고 수평 및 수직 치수 모두에서 피치가 약 500 ㎛인, 원형 홀(250, 251)의 어레이를 포함한다. 이러한 레이아웃은, 전술한 재료를 이용하는, 약 35 ㎛ 두께의 액정 층을 위해서 선택되었다. 다른 레이아웃이 특정 실시예의 필요에 따라 선택될 수 있다. 홀의 밀도는, 중합체 층들 사이의 갭 내에 배치되는 포스트의 밀도로 변환된다. 접힘에 의해서 변형된 후에, 셀의 형상이 원래의 형상으로 회복되도록 전술한 의미에서 충분한 탄성을 유지하면서, 셀의 전기-광학 성능과 상당히 간섭하지 않게 밀도가 선택되어야 한다.
홀이 도 5에 도시된 바와 같이 원형일 필요가 없고, 타원형, 직사각형, 또는 다른 보다 복잡한 형상일 수 있다. 실험적 방법 또는 시뮬레이션을 이용하여, 바람직한 형상 및 형상의 밀도가 결정될 수 있다.
도 6a 내지 도 6f는, 전술한 실시예에서 정렬 층으로서 이용되는 중합체 층을 제조하기 위한 방법의 실시예의 스테이지를 도시한다. 도 6a는 ITO와 같은 전도체의 각각의 층(802, 806)으로 코팅된 유리 층(800, 801), 및 설명된 예에서 요구되는 배향에 따라 중합체 층의 대향 표면들 상의 중합체 층 내에서 액정 재료의 도파부를 정렬시키도록 구성된, 브러시형 폴리이미드와 같은, 정렬 층(803, 805)으로 구성된 빈 프로세스 셀을 포함하는 프로세스의 스테이지를 도시한다. Mylar 이격체(804)는, 설계에 따라 조정될 수 있는 두께를 갖는 유리 층들(800, 801) 사이에서 갭(810)을 유지한다. 예를 들어, 도 2의 상부 및 하부 중합체 층(24, 27)의 두께가 약 7 ㎛이고, 도 3a 내지 도 3d의 중합체 층(47)의 두께는 약 35 ㎛이다.
도 6b에 도시된 바와 같이, 부분(852), 단량체(851) 및 광-개시제(850)를 포함하는 액정 재료의 혼합물이 약 90 ℃의 온도에서 빈 프로세스 셀 내로 주입된다. 정렬 층(803, 806)의 결과로서, 액정 특성을 가지는 메소머(mesomer)일 수 있는 단량체 및 액정이 정렬 층(803, 806)에 의해서 설정된 방향에 따라 혼합물 내에서 정렬된다. 이러한 예에서, 이러한 액체 상 내의 도파부는 도면의 평면 내에서, 그리고 정렬 층(802, 805)의 평면과 평행하게 정렬된다.
도 6c에 도시된 바와 같이, 전도성 ITO 층(802, 806)은, 단량체(예를 들어, 856) 및 액정 부분(857) 모두의 분자를 유리 커버의 표면에 수직인 z-축(5)에 평행하게 재-배향시키는 큰 AC 전압을 인가하는 전원(900)에 연결된다. 그러나, 정렬 층에 의해서 제공되는 강한 고정력으로 인해서, 정렬 층 표면 부근의 분자 배향(예를 들어, 854, 855)은 마찰 방향에 평행하게 유지된다.
도 6d에 도시된 바와 같이, AC 전기장이 인가되는 동안 구조물은 화학 UV 복사선(910)에 노광된다. 이러한 복사선은 광-개시제를 촉발하고 단량체의 광-중합을 활성화시킨다. 단량체가 반응하여 중합체 체인을 형성할 때, 액정 부분이 내재된 중합체 필름이 2개의 유리 커버 사이에서 초래된다. 중합으로부터 초래되는 중합체 네트워크(예를 들어, 860)는 중합체 층 내에서 액정 분자를 포획하고 그 배향을 유지하는데 도움을 준다.
도 6e에 도시된 바와 같이, 중합이 완료된 후에, 전기장 및 UV 복사선이 제거될 수 있다. 이어서, 도 6f에 도시된 바와 같이, 유리 커버(802, 801)는, ITO 및 정렬 층(802, 803 및 805, 806)과 함께, 중합체 층(1000)으로부터 박리된다.
결과적으로, 이러한 예의 중합체 층은 광학적으로 이방적일 수 있는데, 이는, 정렬 층과 접촉되는 표면으로부터 먼 중심 내의 중합체 층의 대부분을 통한 액정 부분의 도파부가 z-축 상에 놓이기 때문이다. 중합체 층의 표면 상의 액정 분자는 정렬 층의 표면에 평행하게 배치되어 그리고 중합체 네트워크에 의해서 한정되어 유지된다. 따라서, 중합체 층의 표면은, 전술한 구조물 내의 액정 층 내에서 액정 분자를 정렬시키기 위해서 이용될 수 있다.
이러한 프로세스는, 제조 중에 정렬 층(803, 805)의 재료 및 마찰 방향을 변경하는 것에 의해서, 중합체 층의 표면 상에서 액정 분자의 상이한 배향을 설정하기 위해서 이용될 수 있다. 또한, 중합 중에 가변적인 전기장을 인가하는 것에 의해서, 중합체 층 전체를 통한 정렬 방향이 경사지게 할 수 있고, 그에 따라 패시브 렌즈 효과(passive lens effect)를 초래할 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 중합체 층은, 비율이 RM257 : MLC2144 : IRG184 = 79 중량% : 20 중량% : 1 중량%인, 반응성 메소겐(mesogen)(RM257), 액정(MLC2144) 및 광-개시제(IRG184)로 구성된다. RM257은 CAS 174063-87-7을 갖는 1,4-비스-[4-(3-아크릴로일옥시프로필옥시)벤조일옥시]-2-메틸벤젠이다. IRG184는 CAS 947-19-3을 갖는 1-히드록시시클로헥실 페닐 케톤이다.
일 실시예에서, 도 4a 내지 도 4f를 참조하여 설명한 바와 같이 포스트를 형성하기 위해서 이용되는 반응성 단량체는, 중합체 층의 형성에서 반응성 단량체로서 사용된 것과 동일한 것(예를 들어, RM257)일 수 있다. 다른 실시예에서, 중합체 전구체들이 2개의 과정에서 상이할 수 있다. 또한, 일부 실시예에서, 상이한 중합체 전구체들 및 액정 재료들이 상이한 중합체 층들을 위해서 이용될 수 있다.
중합체 층을 제조하기 위한 재료는 RM257, IRG184 및 MLC2144로 제한되지 않는다. 대안적인 재료가 다른 액정질 단량체 및 광-개시제를 포함할 수 있다. 또한, 액정(MLC2144)이 다른 네마틱 액정에 의해서 대체될 수 있다.
10-4 J/m2 보다 큰 고정 강도를 갖는 중합체 정렬 층을 형성하기 위해서, 중합체 정렬 층의 표면 상의 중합체 네트워크의 오더링(ordering)이 강해야 한다. 중합체 네트워크의 이러한 강한 오더링을 달성하기 위한 하나의 기술에서, 도 6a 내지 도 6f의 프로세스에서 이용되는 정렬 층(803, 805)은, 폴리이미드 AL 22620 또는 폴리이미드 SE 7492와 같은, 강한 고정 강도를 갖는 정렬 층이다. 중합체 정렬 층의 표면 상에서 강한 오더링을 달성하기 위한 다른 기술이 이용될 수 있다.
도 7은 곡선형 기재 상에 형성된 가요성 단일-층 액정 셀을 도시한다. 이러한 구조물은, 예를 들어, 곡선형 표면을 가지는 프로세스 셀 내의 유리 커버로, 전술한 프로세스를 이용하여 제조될 수 있다. 액정 셀은 중합체 층(324)과 중합체 층(327) 사이의 갭 내에 배치된 액정 층(325)을 포함하고, 중합체 층(324 및 327)은, 액정 층(325)을 위한 정렬 층으로서 작용하도록 구성된 액정 부분과 혼합된 가요성 또는 탄성 중합체를 포함한다. 중합체 층(324, 327)은, 층의 중앙 영역 내의 수직 도파부 및 표면 상의 수평 도파부를 가지는 액정 부분을 갖는다. 이러한 예의 상부 중합체 층(324)에서, 표면들 상의 도파부들이 액정 층(325)의 주 표면에 대해서 수평이고, 도면의 평면에 평행하다. 이러한 예의 하부 중합체 층(327)에서, 상부 표면들 상의 도파부들이 액정 층(325)의 주 표면에 대해서 수평이고, 도면의 평면에 평행하다. 하부 중합체 층(327)의 하부 표면 상에서, 도파부는 상부 표면 상의 도파부에 평행하다. 이러한 예의 도파부의 배향은, 서로 평행한 액정 층(25)의 상부 표면 및 하부 표면 상에서 정렬 방향을 초래한다.
포스트(예를 들어, 포스트(326))의 어레이가 액정 층(325) 내에 배치된다. 어레이 내의 포스트는 상부 중합체 층(324)으로부터 하부 중합체 층(327)까지 연장되고, 액정 층(325)의 두께를 유지하는 경향이 있다.
바람직하게, 포스트 및 중합체 층은 탄성적인 중합체 또는 탄성중합체를 포함한다.
액정은 포스트의 어레이 내의 포스트 주위의 제1 및 제2 중합체 층들 사이의 갭 내에서 한정된다.
이러한 예에서, 전기 구성요소가 (이러한 예에서, 층(320, 322, 329)을 포함하는) 유전체 중합체 내에 배치된다. 전기 구성요소는 저항 층(323), 상부 중합체 층(324) 위의 패터닝된 전극 층(321), 및 하부 중합체 층(327) 아래의 패드 전극 층(328)을 포함한다.
하나의 대표적인 실시예에서, 액정 셀의 기재는 PDMS를 포함하는 유전체 층(20, 22)을 포함한다.
여러 실시예에서, 셀의 곡률반경은 약 100 mm 내지 8 mm 또는 그 미만의 범위일 수 있다. 예를 들어, 곡률반경이 100 mm 내지 1 mm의 범위일 수 있다.
도 7에 도시된 액정 셀의 실시예는, 작은 반경에 걸쳐 접히고 원래의 형상으로 회복된 후에, 광학적 특성을 유지할 수 있다.
도 8은 곡선형 기재 상에 형성된 가요성 2-층 액정 셀을 도시한다. 도 8에서, 셀은 제1 액정 층(425) 및 제2 액정 층(428)을 포함한다. 제1 액정 층(425)은 상부 (제1) 액정 중합체 층(424)과 중간 (제2) 액정 중합체 층(427) 사이의 갭 내에 배치된다. 제2 액정 층(428)은 중간 액정 중합체 층(427)과 하부 (제3) 액정 중합체 층(430) 사이의 갭 내에 배치된다.
상부 중합체 층(424)은, 셀의 z-축(5)에 수직이고 도면의 평면에 평행한, 액정 층(425)에 인접한 하부 표면 상의 도파부를 갖는다. 중간 중합체 층(427)은, z-축(5)에 수직이고 도면의 평면에 평행한(즉, 상부 중합체 층(424)의 하부 표면 상의 도파부에 평행한), 액정 층(425)에 인접한 상부 표면 상의 도파부를 갖는다. 중간 중합체 층(427)은, z-축(5)에 수직이고 도면의 평면에 수직인(즉, 중간 중합체 층(427)의 상부 표면 상의 도파부에 수직인), 액정 층(428)에 인접한 하부 표면 상의 도파부를 갖는다. 하부 중합체 층(430)은, z-축(5)에 수직이고 도면의 평면에 수직인(즉, 중간 중합체 층(427)의 하부 표면 상의 도파부에 평행한), 액정 층(428)에 인접한 그 상부 표면 상에서 도파부를 갖는다.
중합체 층(424, 427, 430)은 액정 층을 위한 정렬 층으로서 작용한다. 중간 중합체 층(427)은 그 상부 및 하부 표면 상에서 수직 도파부를 갖는다. 상부 및 하부 중합체 층(424, 430)은, 일부 실시예에서, 브러시형 폴리이미드 층과 같은, 다른 정렬 층 재료로 대체될 수 있다.
포스트(예를 들어, 426)의 어레이가 상부 중합체 층(424)과 중간 중합체 층(427) 사이의 갭 내에 배치되고, 갭 내에서 한정된 액정 층(425) 내의 액정 재료에 의해서 둘러싸인다. 어레이 내의 포스트는 상부 중합체 층(424)으로부터 중간 중합체 층(427)까지 연장되고, 전술한 바와 같이 두께를 유지하는 경향이 있다.
포스트(예를 들어, 429)의 제2 어레이가 중간 중합체 층(427)과 하부 중합체 층(430) 사이의 갭 내에 배치된다. 포스트의 제2 어레이는 갭 내에 한정된 액정 층(428) 내의 액정 재료에 의해서 둘러싸인다.
이러한 예에서, 전기 구성요소가, 층(432, 433, 434)을 포함하는, 유전체 중합체 기재 내에 배치된다. 전기 구성요소는 저항 층(423), 상부 중합체 층(424) 위에 배치된 패터닝된 전극(421), 및 하부 중합체 층(430) 아래의 패드 전극 층(431)을 포함한다.
도 7 및 도 8의 곡선형 실시예는 패시브, 부가적 렌즈 파워를 셀의 전기활성적 구성요소에 제공할 수 있다.
도 7 및 도 8에 도시된 액정 셀의 실시예는, 작은 반경에 걸쳐 접히고 원래의 형상으로 회복된 후에, 광학적 특성을 유지할 수 있다.
도 9는 액정 층 내에서 액정 분자의 하이브리드 정렬을 이용하는 2-층 액정 셀의 다른 실시예를 도시한다. 셀은 제1 액정 층(505) 및 제2 액정 층(508)을 포함한다. 제1 액정 층(505)은, 예를 들어 PDMS를 포함할 수 있는 상부 수직 정렬 층(504)과 중간 중합체 층(507) 사이의 갭 내에 배치된다. 제2 액정 층(508)은 중간 중합체 층(507)과 하부 수직 정렬 층(510) 사이의 갭 내에 배치된다. 중간 중합체 층(507)은, z-축(5)에 수직이고(액정 층(505)의 표면에 평행하고) 도면의 평면에 수직인, 액정 층(505)에 인접한 상부 표면 상의 도파부를 갖는다. 중간 중합체 층(507)은, z-축(5)에 수직이고 도면의 평면에 평행한(즉, 중간 중합체 층(507)의 상부 표면 상의 도파부에 수직인), 액정 층(508)에 인접한 하부 표면 상의 도파부를 갖는다. 상부 수직 정렬 층(504) 및 하부 수직 정렬 층(510)에 인접한 액정 층(505, 508) 내의 도파부는 도면의 평면 내에서, z-축(5)에 평행하게, 수직으로 배열된다. 액정 층 내의 도파부들은, 수직 평면들 내에서, 도시된 바와 같이 액정 층(505, 508)의 상부 표면과 하부 표면 사이에서 꼬이는데(twist), 이는 중간 중합체 층(507)의 정렬 기능 때문이다.
액정 층(505 및 508)은, 합리적인 제조 및 광학적 성능 공차 내에서, 중합체 층들 사이에서 동일한 두께를 갖는다.
포스트(예를 들어, 506)의 어레이가 상부 정렬 층(504)과 중간 중합체 층(507) 사이의 갭 내에 배치되고, 갭 내에서 한정된 액정 층(505) 내의 액정 재료에 의해서 둘러싸인다. 어레이 내의 포스트는 상부 정렬 층(504)으로부터 중간 중합체 층(507)까지 연장되고, 전술한 바와 같이 두께를 유지하는 경향이 있다.
포스트(예를 들어, 509)의 제2 어레이가 중간 중합체 층(507)과 하부 정렬 층(510) 사이의 갭 내에 배치된다. 포스트의 제2 어레이는 갭 내에 한정된 액정 층(508) 내의 액정 재료에 의해서 둘러싸인다.
이러한 예에서, 전기 구성요소가, 층(512, 510, 500, 504)을 포함하는, 유전체 중합체 기재 내에 배치된다. 전기 구성요소는 저항 층(502), 폴리이미드 층(501), 상부 정렬 층(504) 위에 배치된 패터닝된 전극 층(503), 및 하부 정렬 층(510) 아래의 패드 전극 층(511)을 포함한다. 이러한 구조물에서, 응답 시간은 도 3a 내지 도 3d를 참조하여 설명한 구조물의 응답 시간보다 빠를 수 있다. 그러나, 조절 가능한 범위는 더 작을 수 있다.
도 10은 도 9의 실시예와 유사한 대안적인 실시예를 도시하며, 동일한 참조 번호는 동일한 구성요소를 지칭하기 위해서 사용되며, 다시 설명하지는 않는다. 이러한 실시예에서, 패터닝된 전극(523) 및 저항 필름(521)/폴리이미드 필름(522) 구조물의 위치가 반전되며, 그에 따라 패터닝된 전극(523)이 저항 필름(521) 위에 놓인다. 그 이외에, 구조물은 유사하고, 유사한 방식으로 거동할 수 있다.
도 9 및 도 10의 액정 셀은, 작은 반경에 걸쳐 접히고 원래의 형상으로 회복된 후에, 그 광학적 특성을 유지할 수 있다.
대안적인 실시예에서, 패터닝된 전극이 이용되지 않을 수 있다. 불균일한 전기장이, 공간적으로 분포된 유전 상수들 또는 표면들을 갖는 유전체 층이 구조물에 부가된, 투명한 패드-형상의 전극의 쌍에 의해서 생성될 수 있다.
도 11은, 전극을 패터닝하지 않은, 투명 전극(601 및 610)을 가지는 구조물의 일 실시예를 도시한다.
도 11에 도시된 셀은 제1 액정 층(604) 및 제2 액정 층(607)을 포함한다. 제1 액정 층(604)은 상부 (제1) 액정 중합체 층(603)과 중간 (제2) 액정 중합체 층(606) 사이의 갭 내에 배치된다. 제2 액정 층(607)은 중간 액정 중합체 층(606)과 하부 (제3) 액정 중합체 층(609) 사이의 갭 내에 배치된다.
상부 중합체 층(603)은, z-축(5)에 수직이고(액정 층(604)의 표면에 평행하고) 도면의 평면에 수직인, 액정 층(604)에 인접한 하부 표면 상의 도파부를 갖는다. 중간 중합체 층(606)은, z-축(5)에 수직이고(액정 층(604)의 표면에 평행하고) 도면의 평면에 수직인(즉, 상부 중합체 층(603)의 하부 표면 상의 도파부에 평행한), 액정 층(604)에 인접한 상부 표면 상의 도파부를 갖는다. 중간 중합체 층(606)은, z-축(5)에 수직이고(액정 층(607)의 표면에 평행하고) 도면의 평면에 평행한(즉, 중간 중합체 층(606)의 상부 표면 상의 도파부에 수직인), 액정 층(607)에 인접한 하부 표면 상의 도파부를 갖는다. 하부 중합체 층(609)은, z-축(5)에 수직이고(액정 층(607)의 표면에 평행하고) 도면의 평면에 평행한(즉, 중간 중합체 층(606)의 하부 표면 상의 도파부에 평행한), 액정 층(607)에 인접한 상부 표면 상의 도파부를 갖는다.
액정 층(604 및 607)은, 합리적인 제조 및 광학적 성능 공차 내에서, 중합체 층들 사이에서 동일한 두께를 갖는다.
포스트(예를 들어, 605)의 어레이가 상부 중합체 층(603)과 중간 중합체 층(606) 사이의 갭 내에 배치되고, 갭 내에서 한정된 액정 층(604) 내의 액정 재료에 의해서 둘러싸인다. 어레이 내의 포스트는 상부 중합체 층(603)으로부터 중간 중합체 층(606)까지 연장되고, 전술한 바와 같이 두께를 유지하는 경향이 있다.
포스트(예를 들어, 608)의 제2 어레이가 중간 중합체 층(606)과 하부 중합체 층(609) 사이의 갭 내에 배치된다. 포스트의 제2 어레이는 갭 내에 한정된 액정 층(607) 내의 액정 재료에 의해서 둘러싸인다.
이러한 예에서, 전기 구성요소는, 층(600, 602, 611)을 포함하는 유전체 중합체 기재 내에 배치되고, 전기 구성요소는 상부 중합체 층(603) 위에 배치된 편평한 투명 전극(601), 및 하부 중합체 층(609) 아래의 편평한 투명 전극(610)을 포함한다. 이러한 종류의 구조물에서, 저항 층 또는 패터닝된 전극은 필요치 않다. 그러나, 구조물의 전체 두께가 증가될 수 있다. 중합체 층(603, 606, 609)은 액정 층을 위한 정렬 층으로서 작용한다. 중간 중합체 층(606)은 그 상부 및 하부 표면 상에서 수직 도파부를 갖는다. 이러한 예에서, 상부 중합체 층(603)의 상부 표면(603A)은, 층(602) 내의 유전체 재료의 합치되는 곡선과 함께, 곡선화된다. 그러한 곡선은, 전압이 편평한 투명 전극(601 및 610) 상에 인가될 때, 불균일한 전기장의 생성을 초래할 수 있다.
도 11의 액정 셀은, 작은 반경에 걸쳐 접히고 원래의 형상으로 회복된 후에, 광학적 특성을 유지할 수 있다.
도 12는, 편평한 투명 전극이 패터닝된 전극 대신 이용되는 다른 실시예를 도시한다. 도 12에서, 액정 층 내에서 액정 분자의 하이브리드 정렬을 이용하는 2-층 액정 셀이 도시되어 있다. 도 12의 셀은 제1 액정 층(704) 및 제2 액정 층(707)을 포함한다. 제1 액정 층(704)은, 예를 들어 PDMS를 포함할 수 있는 상부 수직 정렬 층(703)과 중간 중합체 층(706) 사이의 갭 내에 배치된다. 제2 액정 층은 중간 중합체 층(706)과 하부 수직 정렬 층(709) 사이의 갭 내에 배치된다.
중간 중합체 층(706)은, z-축(5)에 수직이고(액정 층(704)의 표면에 평행하고) 도면의 평면에 수직인, 액정 층(704)에 인접한 상부 표면 상의 도파부를 갖는다. 중간 중합체 층(706)은, z-축(5)에 수직이고(액정 층(707)의 표면에 평행하고) 도면의 평면에 내에 놓인(즉, 중간 중합체 층(706)의 상부 표면 상의 도파부에 수직인), 액정 층(707)에 인접한 하부 표면 상의 도파부를 갖는다. 곡선형 중합체 층(702)은 상부 정렬 층(703) 위에 그리고 그와 접촉되어 배치된다. 이는, 편평한 투명 전극들(701 및 710) 사이의 전기장의 경로 내에서 곡선형 표면(703A)을 형성한다.
PDMS 층은 구조물을 위한 수직 정렬 층(703, 709)으로서 작용한다. 결과적으로, 상부 수직 정렬 층(703) 및 하부 수직 정렬 층(709)에 인접한 액정 층(704, 707) 내의 도파부들이, 광학적 경로를 따라, 수직으로 배열된다. 액정 층 내의 도파부들은, 도시된 바와 같이 상부 표면과 하부 표면 사이의 수직 평면 내에서 꼬이는데, 이는 중간 중합체 층(706)의 정렬 기능 때문이다.
액정 층(704 및 707)은, 합리적인 제조 및 광학적 성능 공차 내에서, 중합체 층들 사이에서 동일한 두께를 갖는다.
포스트(예를 들어, 705)의 어레이가 상부 정렬 층(703)과 중간 중합체 층(706) 사이의 갭 내에 배치되고, 갭 내에서 한정된 액정 층(704) 내의 액정 재료에 의해서 둘러싸인다. 어레이 내의 포스트는 상부 정렬 층(703)으로부터 중간 중합체 층(706)까지 연장되고, 전술한 바와 같이 두께를 유지하는 경향이 있다.
포스트(예를 들어, 708)의 제2 어레이가 중간 중합체 층(706)과 하부 정렬 층(709) 사이의 갭 내에 배치된다. 포스트의 제2 어레이는 갭 내에 한정된 액정 층(707) 내의 액정 재료에 의해서 둘러싸인다.
이러한 예에서, 전기 구성요소는 곡선형 중합체 층(702) 위에 배치된 편평한 투명 전극 층(701), 및 하부 정렬 층(709) 아래의 편평한 투명 전극 층(710)을 포함한다. 유전체 기재 층(700, 711)은 셀의 대향 표면들 상에 배치된다.
도 12의 액정 셀은, 작은 반경에 걸쳐 접히고 원래의 형상으로 회복된 후에, 광학적 특성을 유지할 수 있다.
앞서 언급한 바와 같이, 액정 및 중합체 필름 내의 액정 분자의 배향은 광-중합 중에 인가되는 외부 전기장에 의해서 규정될 수 있다. 프로세스 중에 불균일한 전기장을 인가하는 것에 의해서, 결과적인 액정 중합체 필름이 고정된 렌즈 파워를 가질 수 있다. 가요성 전기활성적 구성요소와 조합하여 액정 중합체 렌즈의 렌즈 파워를 이용하는 것은 렌즈 파워를 구조물에 부가할 수 있다.
액정 중합체 층에 의해서 부가된 렌즈 파워를 갖는, 예시적인 2-층 액정 전기활성적 셀이 도 13에 도시되어 있다.
도 13에서, 셀은 제1 액정 층(954) 및 제2 액정 층(957)을 포함한다. 제1 액정 층(954)은 상부 (제1) 액정 중합체 층(953)과 중간 (제2) 액정 중합체 층(956) 사이의 갭 내에 배치된다. 제2 액정 층(957)은 중간 액정 중합체 층(956)과 하부 (제3) 액정 중간 액정 중합체 층(959) 사이의 갭 내에 배치된다.
상부 중합체 층(953)은 렌즈 파워를 유도하도록 분포된 그 표면들 사이의 도파부를 가지고, z-축(5)에 수직이고(액정 층(954)의 표면에 평행하고) 도면의 평면에 수직인 그 상부 및 하부 표면 상의 도파부를 갖는다. 상부 중합체 층(953)의 표면들 사이의 도파부는, z-축(5)에 평행한 그리고 이러한 예에서 도면의 평면에 수직인 평면 내에서, 광학적 구역의 중심선에 대한 그 위치에 따른 양만큼 경사진다.
중간 중합체 층(956)은, z-축(5)에 수직이고(액정 층(954)의 표면에 평행이고) 도면의 평면에 수직인(즉, 상부 중합체 층(953)의 하부 표면 상의 도파부에 평행한), 액정 층(954)에 인접한 상부 표면 상의 도파부를 갖는다. 중간 중합체 층(956)은, z-축(5)에 수직이고(액정 층(957)의 표면에 평행하고) 도면의 평면에 평행한(즉, 중간 중합체 층(956)의 상부 표면 상의 도파부에 수직인), 액정 층(957)에 인접한 하부 표면 상의 도파부를 갖는다. 표면들 사이의 도파부 및 중간 중합체 층(956)이 수직으로 배열된다.
하부 중합체 층(959)은 렌즈 파워를 유도하도록 분포된 그 표면들 사이의 도파부를 가지고, z-축(5)에 수직이고(액정 층(957)의 표면에 평행하고) 도면의 평면에 평행한(즉, 중간 중합체 층(956)의 하부 표면 상의 도파부에 평행한) 그 상부 및 하부 표면 상의 도파부를 갖는다. 하부 중합체 층(959)의 표면들 사이의 도파부는, z-축(5)에 평행한 그리고 이러한 예에서 도면의 평면에 평행한 평면 내에서, 광학적 구역의 중심선에 대한 그 위치에 따른 양만큼 경사진다. 결과적으로, 상부 및 하부 중합체 층 내의 표면들 사이의 도파부들의 배향은 서로 수직이다.
중합체 층(953, 956, 959)은 액정 층을 위한 정렬 층으로서 작용한다.
액정 층(954 및 957)은, 합리적인 제조 및 광학적 성능 공차 내에서, 중합체 층들 사이에서 동일한 두께를 갖는다.
포스트(예를 들어, 955)의 어레이가 상부 중합체 층(953)과 중간 중합체 층(956) 사이의 갭 내에 배치되고, 갭 내에서 한정된 액정 층(954) 내의 액정 재료에 의해서 둘러싸인다. 어레이 내의 포스트는 상부 중합체 층(953)으로부터 중간 중합체 층(956)까지 연장되고, 전술한 바와 같이 두께를 유지하는 경향이 있다.
포스트(예를 들어, 958)의 제2 어레이가 중간 중합체 층(956)과 하부 중합체 층(959) 사이의 갭 내에 배치된다. 포스트의 제2 어레이는 갭 내에 한정된 액정 층(957) 내의 액정 재료에 의해서 둘러싸인다.
이러한 예에서, 전기 구성요소가, 층(950, 961, 962)을 포함하는, 유전체 중합체 기재 내에 배치된다. 전기 구성요소는, 접촉되는 폴리이미드 층(951A)을 갖는, 저항 층(951B), 상부 중합체 층(953) 위에 배치된 패터닝된 전극 층(952), 및 하부 중합체 층(959) 아래의 투명 패드 전극 층(960)을 포함한다.
상부 중합체 층(953) 및 하부 중합체 층(959) 내의 분포된 도파부는 부가적인 렌즈 파워를 전기활성적 셀에 제공한다. 일부 실시예에서, 중합체 층(953 및 959)에 의해서 제공된 패시브 렌즈 파워가 액정 층에 의해서 제공된 전기활성적 파워와 조합되어, 근거리 물체 및 원거리 물체에 초점을 맞추기 위해서 렌즈 구조물을 이용하게 할 수 있다.
도 13의 액정 셀은, 작은 반경에 걸쳐 접히고 원래의 형상으로 회복된 후에, 광학적 특성을 유지할 수 있다.
도 14는, 제2 액정 층(48) 아래의 패드 전극 층(51)을 제거하는 것 그리고 패터닝된 개구부를 갖는 제2 전극(42A)을 제공하는 것에 의해서, 2-층 액정 셀이 도 3d의 구조물에 대해서 수정된, 렌즈를 위한 조절 가능한 전기활성적 액정 셀의 실시예를 도시한다. 제2 전극(42A)은 유전체 중합체(40A) 내에 배치된다. 또한 저항 층(41A)이 정렬 층(50) 아래에 배치된다. 도 3a 내지 도 3d의 실시예의 요소와 공통되는 도 14의 요소는 유사한 참조 번호를 가지며, 다시 설명하지 않는다.
제1 전극(42) 및 제2 전극(42A) 내의 패터닝된 개구부는 원형 형상을 가질 수 있다. 일부 실시예에서, 패터닝된 개구부는 공통 반경을 갖는 원형 형상들을 갖는다. 다른 실시예에서, 패터닝된 개구부는 상이한 반경들을 갖는 원형 형상들을 가질 수 있다. 또한, 다른 실시예에서, 패터닝된 개구부는 원형 이외의 형상을 가질 수 있다.
도 14의 실시예의 원형 개구부는, 조절 가능한 렌즈 파워를 달성하기 위해서 제1 및 제2 활성 층 내의 액정 부분의 정렬을 제어하는데 적합한, 전기장 파워를 갖는, 전기장 라인을 유도하도록 구성된, 조절 가능한 렌즈의 개구와 정렬되어 배치된다.
대안적인 실시예에서, 제1 전극(42) 및 제2 전극(42A)은, 도 11 및 도 12의 경우에서와 같이 패드 전극 및 곡선형 중합체 층을 이용하여 대체될 수 있는 홀 패터닝된 개구부를 갖는다. 또한, 대안예에서, 전술한 바와 같이 중합체 층을 이용하여, 패시브 렌즈 파워가 제공될 수 있다.
도 15는, 액정(즉, 액정 층(45, 48))을 포함하는 제1 및 제2 활성 층들 사이에 패드 전극(150)을 삽입하는 것에 의해서, 2-층 액정 셀이 도 14의 구조물에 대해서 수정된, 렌즈를 위한 조절 가능한 전기활성적 액정 셀의 실시예를 도시한다. 도 14의 실시예와 공통되는 도 15의 요소는 유사한 참조 번호를 가지며, 다시 설명하지는 않는다.
이러한 실시예에서, 투명 가요성 패드 전극(150)이 제2 정렬 층(47) 아래의 유전체 중합체(155, 156) 내에 배치된다. 부가적인 정렬 층(47A)이 패드 전극(150) 아래에 그리고 제2 액정 층(48)의 상부 표면과 접촉되게 배치된다.
제1 및 제2 전극(42, 42A)은 도 14와 관련하여 전술한 바와 같이 패터닝된 개구부를 가질 수 있다.
제1 구동 신호 공급원(160) 및 제2 구동 신호 공급원(161)을 포함하는 구동부가 제1 패터닝된 전극(42) 및 제2 패터닝된 전극(42A)에 전기적으로 연결되어, 제1 액정 층(45)을 위한 제1 구동 신호 및 제2 액정 층(48)을 위한 제2 구동 신호를 인가한다. 일부 실시예에서, 제1 및 제2 구동 신호가, 제조 및 성능 재원(specification)에서, 동일할 수 있다. 다른 실시예에서, 제1 및 제2 구동 신호가 펄스 형상, 듀티 사이클, DC 오프셋, 진폭, 및 주파수 중 적어도 하나에서, 그리고 일부 실시예에서 그 중 하나 초과에서 상이할 수 있다. 구동 신호의 특성은, 예를 들어, 특정 렌즈 파워를 위한 교정, 및 달성하고자 하는 다른 성능 특성에 의해서 결정될 수 있다.
일부 실시예에서, 구동부가 패드 전극(150)에 커플링되고, DC 기준 전압 또는 접지를 패드 전극에 인가한다. 일부 실시예에서, 서로 격리된, 그리고 제1 및 제2 활성 층들(액정 층들) 사이에 배치된 제1 및 제2 패드 전극들이 있을 수 있다. 제1 구동 신호가 제1 전극과 제1 패드 전극 사이에 커플링될 수 있고, 제2 구동 신호가 제2 전극과 제2 패드 전극 사이에 커플링될 수 있다.
도 16은, 패드 전극(450)을 제1 및 제2 활성 층들(425, 428) 사이에 삽입하는 것, 그리고 또한 도 8의 패드 전극을 도 14 및 도 15를 참조하여 설명한 전극(42A)과 같은 패터닝된 개구부를 갖는 제2 전극(421A)으로 대체하는 것에 의해서, 곡선형 2-층 액정 셀이 도 8의 구조물에 비해서 수정된, 렌즈를 위한 조절 가능한 전기활성적 액정 셀의 실시예를 도시한다. 도 8의 구조물과 공통되는 도 16의 요소는 유사한 참조 번호를 가지며, 다시 설명하지는 않는다.
이러한 실시예에서, 투명 가요성 패드 전극(450)이 제2 정렬 층(중합체 층(427)) 아래의 유전체 중합체(455, 456) 내에 배치된다. 부가적인 정렬 층(중합체 층(427A))이 패드 전극(450) 아래에 그리고 제2 액정 층(428)의 상부 표면과 접촉되게 배치된다.
제2 전극(421A)은 유전체 중합체(433A, 434A) 내에 배치된다. 또한 저항 층(423A)이 중합체 층(430) 아래에 배치된다.
제1 구동 신호 공급원(460) 및 제2 구동 신호 공급원(461)을 포함하는 구동부가 제1 패터닝된 전극(421) 및 제2 패터닝된 전극(421A)에 전기적으로 연결되어, 제1 액정 층(425)을 위한 제1 구동 신호 및 제2 액정 층(428)을 위한 제2 구동 신호를 인가한다. 일부 실시예에서, 제1 및 제2 구동 신호가, 제조 및 성능 재원에서, 동일할 수 있다. 다른 실시예에서, 제1 및 제2 구동 신호가 펄스 형상, 듀티 사이클, DC 오프셋, 진폭, 및 주파수 중 적어도 하나에서, 그리고 일부 실시예에서 그 중 하나 초과에서 상이할 수 있다. 구동 신호의 특성은, 예를 들어, 특정 렌즈 파워를 위한 교정, 및 달성하고자 하는 다른 성능 특성에 의해서 결정될 수 있다.
일부 실시예에서, 구동부가 패드 전극(450)에 커플링되고, DC 기준 전압 또는 접지를 패드 전극에 인가한다. 일부 실시예에서, 서로 격리된, 그리고 제1 및 제2 활성 층들 사이에 배치된 제1 및 제2 패드 전극들이 있을 수 있다. 제1 구동 신호가 제1 전극과 제1 패드 전극 사이에 커플링될 수 있고, 제2 구동 신호가 제2 전극과 제2 패드 전극 사이에 커플링될 수 있다.
10-4 J/m2보다 큰 고정 강도를 갖는 정렬 층과 같은, 강한 고정 강도를 갖는 정렬 층을 이용하는 것에 의해서, 회위 효과가 감소될 수 있다. 충분한 강도를 갖는 정렬 층이 중합체 정렬 층을 이용하여 전술한 바와 같이 제조될 수 있다.
도 17은, 50%가 아닌 듀티 사이클을 갖는 구동 신호를 보여주는 그래프이다. 이러한 예에서, 구동 신호는, 양의 피크 및 음의 피크의 크기가 동일한 AC 구형파(square wave)이다. 그러나, 양의 진행 펄스의 펄스 폭(τ)은 신호의 주기(T)의 50% 미만이다. 구동 신호의 듀티 사이클을 제어하는 것에 의해서, DC 오프셋이, 이온 효과 또는 변전 효과(flexoelectric effect)로 인해서 렌즈 파워를 수정할 수 있는 활성 셀 내의 전기장에서 유도될 수 있다. 다른 예에서, 구동 신호는 정현파(sinusoidal wave), 톱니파, 또는 상이한 펄스 형상들 또는 혼합된 펄스 형상들을 갖는 다른 신호일 수 있다.
도 18은, DC 오프셋을 유도하는, 양 및 음의 피크들의 크기들이 동일하지 않은 구동 신호를 보여주는 그래프이다. 이러한 예에서, 구동 신호의 듀티 사이클은 50%이다. 구동 신호에서 DC 오프셋을 생성하는 양 및 음의 피크의 크기를 제어하는 것에 의해서, DC 오프셋이, 이온 효과 또는 변전 효과로 인해서 렌즈 파워를 수정할 수 있는 활성 셀 내의 전기장에서 유도될 수 있다.
일부 실시예에서, 조정 가능한 듀티 사이클 및 조정 가능한 양 및 음의 피크의 크기의 조합을 갖는 구동 신호가 인가될 수 있다.
일부 실시예에서, 희망하는 렌즈 파워 특성을 달성하기 위해서, 구동 신호가 펄스 폭 변조를 이용하여 인가될 수 있다. 실시간으로 환경 인자를 제어하기 위해서, 예를 들어 선택된 렌즈 파워에서, 포커스의 품질을 나타내는 피드백을 이용하여, 펄스 폭 변조가 인가될 수 있다. 액정 렌즈들의 렌즈 파워는, 이온 효과 또는 변전 효과로 인해서, 양의 전압 또는 음의 전압 하에서 다르다. 교번적인 펄스 폭은 양의 DC 오프셋 또는 음의 DC 오프셋을 갖는 평균 전압을 제공할 수 있고, 그에 따라 렌즈 파워를 변경할 수 있다.
조정될 수 있는 구동 신호의 다른 양태는 주파수 및 크기를 포함할 수 있다. 일반적으로, 주파수 및 크기는, 액정 부분 내의 도파부(director)의 조정에 인가되는 액정 층 내의 전기장 강도를 결정한다.
도 19는, 패터닝된 개구부를 갖춘 제1 전극(480)을 갖는 조절 가능한 액정 셀, 전기장 라인의 분산을 돕기 위한 저항 층(481), 및 패드 전극과 같은 제2 전극(482)의 설명을 위한 단순화된 도면이다. 액정 층은 제1 전극(480)과 제2 전극(482) 사이에 배치된다. 액정 층은, 예를 들어 패시브 상태에서 바이어스가 인가된 셀 내의 정렬 층(미도시)에 따라 정렬된 부분(예를 들어, 485)을 갖는 액정을 포함한다. 정렬 층은, 구체적으로 전술한 바와 같은, 중합체 정렬 층을 포함할 수 있다. 액정 셀은 전술한 바와 같은 탄성 포스트를 포함할 수 있다. 액정 셀은 전술한 바와 같은 부가적인 셀과 조합될 수 있다.
도 20은, 분산형 패턴으로 제1 전극(480)으로부터 제2 전극(482)으로 연장되는 필드 라인에 의해서 표시된 비교적 큰 파워의 전기장을 유도하는 초기 구동 신호가 인가된 도 19의 액정 셀을 도시한다. 초기 구동 신호에 응답하여, 액정 층 내의 액정 부분은 실질적으로 균일하게 수직으로 정렬될 수 있다. 초기 구동 신호가 인가된 후에, 이러한 실시예에서, 도 21에서 분산형 패턴으로 제1 전극(480)으로부터 제2 전극(482)까지 연장되는 필드 라인에 의해서 표시된 작은 파워 전기장을 가지는, 도 21에 의해서 표시된 바와 같은 구동 신호가 인가된다. 그 후에, 도 21의 구동 신호가 초기 구동 신호에 인가되고, 액정 부분이 목표 렌즈 파워를 위한 희망 배향으로 완화될 수 있게 한다.
도 22는 도 21 및 도 22를 참조하여 설명된 바와 같은 후속되는 작은 파워 간격이 뒤따르는, 초기의 큰 파워 간격을 갖는 구동 신호를 보여주는 그래프이다. 초기의 큰 파워 간격에서, 구동 신호는, 도 20에서와 같은, 비교적 균일한 전기장 분포를 형성하기 위해서 제1 주파수(f1) 및 제1 크기(V1)를 갖는다. 후속되는 작은 파워 간격에서, 구동 신호는, 도 21에서와 같은, 렌즈 파워를 설정하기 위해서 제2 주파수(f2) 및 제2 크기(V2)를 갖는다. 주파수 및 크기의 조합은, 활성 층 내의 액정 부분의 제어 가능한 정렬을 유발할 수 있고, 렌즈 필드의 둘레에서 적은 회위를 가지고 셀의 액정 층 내의 렌즈 파워를 더 신속하게 조정하기 위해서 이용될 수 있는, 전기장 파워를 형성한다. 초기의 큰 필드 파워 간격에서의 구동 신호는, 후속되는 작은 필드 파워 간격에서의 구동 신호의 주파수(f2) 및 크기(V2)보다 작은 주파수(f1) 및 큰 크기(V1)를 가질 수 있다. 일부 실시예에서, 초기의 큰 파워 간격은, 다수의 사이클의 세트가 아니라, 하나의 큰 크기의 펄스일 수 있다. 주파수 및 크기의 다른 조합, 그리고 DC 오프셋, 조정 가능한 듀티 사이클, 및 펄스 폭 변조를 포함하는 구동 신호가 또한 다양한 조합으로 인가되어, 특정 구현예를 위한 초기 및 후속 필드 파워를 달성할 수 있다. 일 예에서, f1, V1이 500 밀리초에 대해서 500 Hz, 40 Vrms일 수 있는 한편, f2, V2는 4 KHz, 35 Vrms일 수 있다.
설명된 가요성 액정 셀 기술은, 구조물이 접힌 후에 그 원래의 형상 및 원래의 광학적 특성으로 회복된다는 의미에서 탄성적일 수 있는, 콘택트 렌즈와 같은, 가요성 렌즈에서 이용하기에 적합하다.
가요성 액정 셀의 실시예는, 모두가 중합체를 기초로 하는 광학기기를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 액정 셀은 편광기를 포함할 수 있거나, 편광기를 포함하지 않을 수 있다. 일부 실시예에서, 단일 액정 층이 있다. 다른 실시예에서, 둘 이상의 액정 층이 있다.
액정 층 내에 포스트의 어레이를 제조하기 위한 설명된 기술은, 중합체 전구체 및 액정 재료를 포함하는 혼합물의 저온에서의 광-중합을 기초로 한다. 광-중합은, 예를 들어 리소그래픽 마스크를 이용하여 형성된 패턴에 따라, 포스트의 어레이를 형성하기 위해서, 전구체들의 상 분리 및 중합을 유도한다.
본원에서 설명된 가요성 액정 셀은 파괴되지 않고 접힐 수 있고, 전기활성적 렌즈의 광학적 특성을 회복하면서 원래의 형상으로 회복될 수 있다.
예를 들어, 액정 층의 두께가 접힘 이전 및 이후에 유지될 수 있고, 그에 따라 접힘 이전 및 이후의 평균 두께는 초기 두께의 10% 이내에서 유지된다. 또한, 액정 층의 두께는 접힘 이전 및 이후에 균일한 두께일 수 있고, 예를 들어 광학기기의 중심으로부터 광학기기의 유효 개구의 연부까지 1.2 ㎛ 미만만큼 변경될 수 있다.
전기적으로 조절 가능한 광학기기를 실현하기 위해서 액정을 이용하는 가요성 광학적 요소를 구현하기 위한 기술이 설명된다. 액정 광학기기는, 가요성 중합체 정렬 층, 가요성 기재, 및 전기장을 제어하기 위한 모듈과 함께, 편광기가 없는 동작을 가능하게 하기 위한 수직으로 정렬된 액정 도파부를 가지는 액정 층의 쌍을 포함할 수 있다. 액정 광학기기의 렌즈 파워는 전체 광학 구역에 걸친 전기장의 분포를 제어함으로써 변경될 수 있다. 근시 및 노안을 갖는 환자의 경우에, 원거리 물체에 초점을 맞추기 위한 음의 렌즈 파워 및 근거리 물체에 초점을 맞추기 위한 부가적 렌즈 파워를 갖는 가요성 콘택트 렌즈가 본원에서 설명된 기술을 이용하여 구현될 수 있다. 일부 예에서, 음의 렌즈 파워는, 액정 층의 전기-광학 액티브 구조물과 조합된, 광학적 층의 적층체의 패시브 구조물에 의해서 제공될 수 있다. 따라서, 가요성 콘택트 렌즈가, 본원에서 설명된 바와 같이, 액정을 이용하는 가요성 광학적 요소를 포함할 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
전기적으로 조절 가능한 광학기기를 실현하기 위한 재료로서 액정(LC)을 채택한 가요성 광학적 요소가 설명된다. LC 광학기기는, 편광기가 없는 동작을 위한 수직으로 정렬된 LC 도파부로 층을 이룬 LC의 쌍, 가요성 중합체 정렬 층, 가요성 기재, 및 전기장을 제어하기 위한 모듈을 포함할 수 있다. LC 광학기기의 렌즈 파워는 광학 구역에 걸친 전기장의 분포를 제어함으로써 변경될 수 있다. 본원에서 설명된 바와 같은 액정 셀은, 가요성 중합체를 포함하는 콘택트 렌즈 내에 포함될 수 있다.
동시에, 근시 및 노안, 또는 원시 및 노안을 갖는 환자의 경우에, 원거리 물체에 초점을 맞추는 것을 지원하기 위한 음의 렌즈 파워 및 근거리 물체에 초점을 맞추는 것을 지원하기 위한 부가된 양의 렌즈 파워를 갖는 가요성 콘택트 렌즈가 설명된다. LC 광학기기는 부가된 양의 렌즈 파워를 전기적으로 제공할 수 있고, 그러한 환자를 위해서 패시브, 초기 음의 렌즈 파워를 갖는 가요성 콘택트 렌즈와 조합될 수 있다.
본원에서 설명된 제조 프로세스가 특정 순서로 설명되었다. 단계의 일부가, 달성 기능에 영향을 미치지 않고, 조합될 수 있거나, 병렬로 실시될 수 있거나, 다른 순서로 실시될 수 있다. 일부 경우에, 독자가 이해할 수 있는 바와 같이, 단계의 재배열은, 특정의 다른 변화가 또한 이루어진다면, 동일한 결과를 달성할 것이다. 다른 경우에, 독자가 이해할 수 있는 바와 같이, 단계의 재배열은, 특정 조건이 만족된다면, 동일한 결과를 달성할 것이다.
구체적으로 전술한 바람직한 실시예 및 예를 참조하여 본 발명을 개시하였지만, 이러한 예가 제한적인 의미보다 예시적인 것임을 이해할 수 있을 것이다. 당업자에 의해서 수정 및 조합이 용이하게 이루어질 수 있고, 그러한 수정 및 조합은 본 발명의 사상 및 이하의 청구항의 범위 내에 포함될 것임을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (22)

  1. 전기적으로 조절 가능한 렌즈이며:
    제1 정렬 층 및 제2 정렬 층;
    상기 렌즈의 광학적 경로 내의 상기 제1 및 제2 정렬 층들 사이에 한정된 액정을 포함하는 활성 층;
    상기 제1 정렬 층 위에 배치되는 제1 전극, 상기 제2 정렬 층 위에 배치되는 제2 전극; 및
    상기 제1 및 제2 전극에 전기적으로 연결되고, 초기의 큰 필드 파워의 간격 및 후속되는 작은 필드 파워의 간격을 포함하는 상기 제1 및 제2 전극에 걸친 구동 신호를 인가하도록 구성되는 구동부를 포함하고,
    상기 작은 필드 파워는 상기 작은 필드 파워의 간격 중에 목표 렌즈 파워를 형성하도록 구성되는, 전기적으로 조절 가능한 렌즈.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 정렬 층 중 적어도 하나가 10-4 J/m2 보다 큰 고정 강도를 갖는, 전기적으로 조절 가능한 렌즈.
  3. 전기적으로 조절 가능한 렌즈이며:
    제1 정렬 층 및 제2 정렬 층;
    상기 렌즈의 광학적 경로 내의 상기 제1 및 제2 정렬 층들 사이에 한정된 액정을 포함하는 활성 층;
    상기 제1 정렬 층 위에 배치되고, 상기 활성 층의 개구 영역 위에 배치된 제1 패터닝된 개구부를 갖는 제1 전극,
    상기 제2 정렬 층 위에 배치되고, 상기 제1 전극과 조합되어 상기 활성 층 내에서 전기장을 유도하도록 배열된 제2 패터닝된 개구부를 가지는 제2 전극; 및
    상기 제1 및 제2 전극에 전기적으로 연결되고, 초기의 큰 필드 파워의 간격 및 후속되는 작은 필드 파워의 간격을 포함하는 상기 제1 및 제2 전극에 걸친 구동 신호를 인가하도록 구성되는 구동부를 포함하고,
    상기 작은 필드 파워는 상기 작은 필드 파워의 간격 중에 목표 렌즈 파워를 형성하도록 구성되는, 전기적으로 조절 가능한 렌즈.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 패터닝된 개구부가 원형 형상을 가지는, 전기적으로 조절 가능한 렌즈.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 패터닝된 개구부는 공통 반경을 갖는 원형 형상을 가지는, 전기적으로 조절 가능한 렌즈.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 제1 정렬 층 위에 배치되는 제1 저항 층, 및 상기 제2 정렬 층 아래에 배치되는 제2 저항 층을 포함하는, 전기적으로 조절 가능한 렌즈.
  7. 제3항에 있어서,
    상기 제1 정렬 층과 상기 제2 정렬 층 사이의 상기 활성 층 내에서 탄성 중합체 포스트의 어레이를 포함하고, 상기 어레이 내의 포스트는 상기 제1 정렬 층으로부터 상기 제2 정렬 층까지 연장되는, 전기적으로 조절 가능한 렌즈.
  8. 제3항에 있어서,
    상기 제1 정렬 층 및 제2 정렬 층의 적어도 하나가, 액정 부분을 포함하는 중합체 층을 포함하는, 전기적으로 조절 가능한 렌즈.
  9. 제3항에 있어서,
    상기 제1 정렬 층과 상기 제2 정렬 층 사이의 제3 정렬 층; 및
    상기 제3 정렬 층과 상기 제2 정렬 층 사이에서 한정된 액정을 포함하는 제2 활성 층을 포함하는, 전기적으로 조절 가능한 렌즈.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 활성 층과 상기 제2 활성 층 사이에 배치된 패드 전극을 포함하는, 전기적으로 조절 가능한 렌즈
  11. 제3항에 있어서,
    상기 활성 층은 10 mm 미만의 접힘 반경에 걸쳐 굽혀지기 전의 평균 두께(X), 및 굽힘으로부터의 회복 후에 평균 두께(Y)를 가지며, Y=X±10%X인, 전기적으로 조절 가능한 렌즈.
  12. 제3항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 정렬 층 중 적어도 하나가 10-4 J/m2 보다 큰 고정 강도를 가지는, 전기적으로 조절 가능한 렌즈.
  13. 제3항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 정렬 층 중 적어도 하나가, 액정 부분을 포함하고 10-4 J/m2 보다 큰 고정 강도를 가지는 중합체 층을 포함하는, 전기적으로 조절 가능한 렌즈.
  14. 전기적으로 조절 가능한 렌즈이며:
    제1 정렬 층, 제2 정렬 층, 제3 정렬 층 및 제4 정렬 층;
    상기 렌즈의 광학적 경로 내의 상기 제1 및 제2 정렬 층들 사이에 한정된 액정을 포함하는 제1 활성 층;
    상기 렌즈의 광학적 경로 내의 상기 제3 및 제4 정렬 층들 사이에 한정된 액정을 포함하는 제2 활성 층;
    상기 제1 정렬 층 위에 배치되고, 상기 제1 활성 층의 개구 영역과 정렬되어 배치된 제1 패터닝된 개구부를 갖는 제1 전극; 및
    상기 제4 정렬 층 아래에 배치되고, 상기 제2 활성 층의 개구 영역과 정렬되어 배치된 제2 패터닝된 개구부를 갖는 제2 전극; 및
    상기 제1 활성 층과 상기 제2 활성 층 사이에 배치된 패드 전극; 및
    상기 제1 및 제2 전극에 전기적으로 연결되고, 상기 패드 전극과 조합되어, 상기 제1 및 제2 활성 층 내에서 전기장을 유도하도록 배열된 상기 제1 전극에 제1 구동 신호를 그리고 상기 제2 전극에 제2 구동 신호를 인가하도록 구성된, 구동부를 포함하고;
    상기 제1 구동 신호 및 상기 제2 구동 신호 중 적어도 하나가 초기의 큰 필드 파워의 간격 및 후속되는 작은 필드 파워의 간격을 포함하고, 상기 작은 필드 파워는 상기 작은 필드 파워의 간격 중에 목표 렌즈 파워를 형성하도록 구성되는, 전기적으로 조절 가능한 렌즈.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 패터닝된 개구부가 원형 형상을 가지는, 전기적으로 조절 가능한 렌즈.
  16. 제14항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 패터닝된 개구부는 공통 반경을 갖는 원형 형상을 가지는, 전기적으로 조절 가능한 렌즈.
  17. 제14항에 있어서,
    상기 제1 정렬 층 위에 배치된 제1 저항 층 및 상기 제4 정렬 층 아래에 배치된 제2 저항 층을 포함하는, 전기적으로 조절 가능한 렌즈.
  18. 제14항에 있어서,
    상기 제1 정렬 층과 상기 제2 정렬 층 사이의 상기 제1 활성 층 내의 탄성 중합체 포스트의 제1 어레이로서, 상기 제1 어레이 내의 포스트는 상기 제1 정렬 층으로부터 상기 제2 정렬 층까지 연장되는, 탄성 중합체 포스트의 제1 어레이; 및
    상기 제3 정렬 층과 상기 제4 정렬 층 사이의 상기 제2 활성 층 내의 탄성 중합체 포스트의 제2 어레이로서, 상기 제2 어레이 내의 포스트는 상기 제3 정렬 층으로부터 상기 제4 정렬 층까지 연장되는, 탄성 중합체 포스트의 제2 어레이를 포함하는, 전기적으로 조절 가능한 렌즈.
  19. 제14항에 있어서,
    상기 제1 정렬 층 및 제4 정렬 층의 적어도 하나가, 액정 부분을 포함하는 중합체 층을 포함하는, 전기적으로 조절 가능한 렌즈.
  20. 제14항에 있어서,
    상기 제1 활성 층은 10 mm 미만의 접힘 반경에 걸쳐 굽혀지기 전의 평균 두께(X), 및 굽힘으로부터의 회복 후에 평균 두께(Y)를 가지며, Y=X±10%X인, 전기적으로 조절 가능한 렌즈.
  21. 제14항에 있어서,
    상기 제1, 제2, 제3 및 제4 정렬 층 중 적어도 하나가 10-4 J/m2 보다 큰 고정 강도를 가지는, 전기적으로 조절 가능한 렌즈.
  22. 제14항에 있어서,
    제1, 제2, 제3 및 제4 정렬 층 중 적어도 하나가, 액정 부분을 포함하고 10-4 J/m2 보다 큰 고정 강도를 가지는 중합체 층을 포함하는, 전기적으로 조절 가능한 렌즈.
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