KR102543890B1 - 광학 활성면 프로필을 갖는 박막 셀과 같은 전기제어 광학요소 및 그 제조방법 - Google Patents

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클라우스 호프만
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Abstract

본 발명은, 2개의 기판(1a,1b) 각각의 내면에 도전층(2a,2b)이 부착되어 있고, 출발 혼합물(K)로 충전된 박막 셀(D)을 구비하는 전기제어 광학요소에 관한 것으로, 출발 혼합물(K)이 양극성 막대형 분자(5) 및 세미-메조겐(4)의 혼합물을 활성 합성물로 구비하며; 커 혼합물(K)은 박막 셀(D)의 기판(1a,1b)들 사이 및/또는 평평한 도전층(2a,2b) 사이에 형성된 광중합-생산된 넓은 메시의 비등방성 망(9)을 갖는 박막이어서, 전기광학적 커 효과에 따라, 커 혼합물(K)의 세미-메조겐과 막대형 분자(4,5)의 활성 합성물의 상태가 작업온도범위에서 전기장 없이는 등방성이 되고, 전압(U)를 연속 조정해서 또는 일정 전압을 인가해서 광학요소에 전압유도 위상편이나 굴절율 편이의 변화가 생기며; 기판(1a,1b) 중의 어느 하나나 양쪽의 내면에 광학적 효과의 표면프로필(O)이 형성된다.

Description

광학 활성면 프로필을 갖는 박막 셀과 같은 전기제어 광학요소 및 그 제조방법
본 발명은, 특허 청구항 1에 따른 광학 활성면 프로필을 갖는 박막 셀과 같은 전기제어 광학요소와, 청구항 12에 따른 액체 조성물에 의거한 그 제조방법에 관한 것이다.
조정 가능한 광학 요소는 현재로서는 우선적으로 기계식 시스템을 의미한다. 이들 기계식 시스템은 무겁고 부피가 크며, 기계식 구동 장치 등의 사용으로 인해 장애가 발생하기 쉽고 지나치게 느려지는 경우가 많다. 이와 같은 이유 때문에, 비-기계식 광학 요소가 바람직하며, 현재의 개발 대상이 되고 있다. 이용 가능한 직경이 더 작은 상기와 같은 광학 요소를 위해서는 이미 해결책이 상용화된 한편, 구경이 더 큰 경우를 위해서는 아직까지 해결책이 강구되지 않고 있다.
인가된 자장의 전계 강도에 의해 2차식으로(quadratically) 계속해서 증가하는 광학적인 이중 굴절의 발생이 전기 광학적인 커-효과(J. Kerr 1875), 2차식 전기 광학 효과 또는 전기 이중 굴절로서 지칭된다. 이와 같은 효과에서는, 영구적인 쌍극자 모멘트를 갖는 분자들이 전기장 내 등방성 액체 내에서 정렬된다. 이와 같은 정렬에 의해서 자장 내 재료는 광학적으로 비등방성으로 되며, 이 경우 자장 방향으로는, 전압이 없는 상태에서의 등방성 액체와 비교할 때, 더 높은 굴절률 및 그에 대해 수직으로 더 낮은 굴절률이 설정된다. 커-셀의 경우에는, 재료의 굴절 특성 및 편광 특성이 외부에서 인가된 전기장에 의해 변경됨으로써, 결과적으로 전기 신호가 광학 신호로 변환된다. 커-액체 내 전극 플레이트 위에서는, 입사 광의 방향에 대해 가로 방향으로 전기장이 인가된다. 커-액체로서는 대부분 순수한 니트로벤젠이 사용되며, 이 물질은 2.44 x 10-12 m/V2의 커-상수(K)를 갖고, 실온에서는 액체 상태이며, 알코올, 에테르 및 벤졸과 우수하게 혼합될 수 있다. 비교하자면, 니트로톨루올은 1.37 x 10-12 m/V2의 커-상수(K)를 갖고, 물은 5.1 x 10-14 m/V2의 커-상수(K)를 갖는다. 이때, 전술된 액체의 경우에 그리고 셀 크기가 센티미터 범위 안에 있는 경우에는, 수 킬로볼트의 범위 안에 있는 전기 전압이 사용된다. 커-셀의 전면 및 후면은 유리로 이루어져 광을 투과시킬 수 있으며, 금속으로 이루어진 측벽은 전극 플레이트이다.
이로써, 커-셀의 기술적인 적용 분야는, 커-액체 - 대부분 니트로벤젠 - 를 유전체로서 갖는 커패시터이다. 커-셀은 교차된 편광기들 사이에 삽입되고, 이들 편광기의 광학 주축은 전기장의 방향과 반대로 각각 45°만큼 기울어져 있다. 셀에 전압이 인가되지 않으면, 광은 이와 같은 배열체를 통과할 수 없게 된다.
이때, 전기장 내에서는 커-액체가 이중으로 굴절되는데, 다시 말해 자장의 방향으로 진동하는 광 성분은 자장에 대해 수직으로 진동하는 광 성분과 다른 재생속도를 갖는다. 이로써, 두 가지 광 성분 사이에서는, 커-셀로부터 배출될 때 페이즈 이동(δ)이 존재하게 된다. 이때부터는, 가장 유리한 경우에 발생하는 광량(L0) 및 페이즈 이동(δ)과 다음과 같은 관계를 맺고 있는 광량(L)이 광학 배열체를 통과하게 된다:
Figure 112019082185604-pct00001
페이즈 이동(δ)은 전계 강도(E), 커패시터 플레이트들 사이에 있는 광 경로의 길이(l) 및 다음과 같은 관계식에 따른 유전체(B)의 커-상수에 의존한다:
Figure 112019082185604-pct00002
따라서, 다음과 같은 식이 성립된다:
Figure 112019082185604-pct00003
광 릴레이로서의 커-셀의 감도를 현저히 높이기 위하여, DE 555 249-A호에는, 사용되고 편광된 광의 부분 빔에 커-셀 내에서 발생하고 전압에 의존하는 페이즈 이동 외에 변경 불가능한 또 하나의 추가 페이즈 이동을 부여하는 것이 공지되어 있다. 추가의 페이즈 이동을 발생하기 위해, 이중으로 굴절시키는 결정 플레이트가 광 경로 내에 삽입된다.
니트로벤젠과 같은 액체의 경우에는, 심지어 킬로볼트-범위 안에 있는 전압이 인가되는 경우에도, 발견된 굴절률-차이가 매우 낮다. 공지된 긴 커-효과의 크기가 작음으로 인해, 이와 같은 효과를 토대로 하는 활성 광학 요소의 제조가 처음에는 배제된 듯하다. 따라서, 커-효과의 강도를 양자화하는 커-상수는 니트로벤젠(Zinth, W., Optik, Oldenbourg-Verlag, Muenchen, 2011)에 대해 다만 약 2.44 x 10-12 mV-2에 불과하다.
수십 년 전부터 계속해서, 지금까지 사용되던 니트로벤젠보다 높은 커-상수를 갖고, 이로 인해 제어 전압이 더 낮은 경우에도 동일한 효과를 낳는 액체를 발견하려는 시도가 이루어졌다. 예를 들어 DE 622 368-A호에는, 실온에서 고체 응집 상태에 있는 벤졸 링의 2중 치환체 또는 3중 치환체의 경우에, 용매 내부로 보내지고, 니트로벤젠의 10배에 해당하는 커-상수를 갖는 커-셀 액체가 공지되어 있다. 바람직하게, 이 경우에는, 치환체 NO2가 선호된다. 용매로서는, DE 622 368-A호에 따라, 예를 들어:
니트로벤젠
니트로톨루올 메타
니트로톨루올 오르토가 사용된다.
용해될 물질로서는 다음과 같은 물질들이 제안된다: 디니트로벤젠 오르토, 니트라닐린(바람직하게는 파라), 니트로톨루올 파라, 클로르니트로벤졸 오르토, 클로르디니트로벤젠 1:2:3, 디클로르니트로벤제 1:2:3, 니트로나프탈린 알파, 디니트로나프탈린 1:8.
또한, 현재는, 거시적으로 배향된 액체 결정질 물질을 기본으로 하는 요소들이 사용되어 있다. 하지만, 이와 같은 시스템들은, 이들이 다만 광의 편광 방향으로만 작용을 하고, 그에 대해 수직인 편광 방향에서는 광이 거의 영향을 받지 않은 상태로 유지된다는 단점을 갖는다. 이와 같은 사실로 인해, 상기와 같은 요소들과 흡수성 편광체가 조합된다. 그러나 이와 같은 조합은 필연적으로 광량을 50% 미만으로 감소시킨다. 이와 같은 단점을 제거하기 위해, 직교 방식으로 배향된 2개(또는 그 이상)의 구조적으로 동일한 요소들을 서로 조합하는 방식이 제안되었으나, 이와 같은 방식은 비용을 현저하게 높이고, 공간적인 누화에 의한 추가의 오류 원인을 야기하며, 광학적인 손실을 야기하고, 요소들 서로 간의 정확한 정렬과 관련된 추가의 문제점을 야기한다.
추가의 등방성 액정상태/LC 상태는 분산성 PDLC, 분산이 적은 나노-PDLC 시스템 및 등방성의 폴리머 보강된 등방성 블루 LC 페이즈이다. 이들은, 폴리머 매트릭스 및 도메인 한계에 의해서 야기되는 높은 스위칭 전압을 특징으로 한다. LC 페이즈 변조기와 같은 반사성 요소와 달리, 투과성 요소의 경우에는 발생하는 잔류 분산이 장애를 일으킨다.
쌍극자 모멘트의 비등방성이 높고 막대형 분자 형태를 갖는 등방성 액체의 경우에는, 훨씬 더 큰 굴절률-차이에 도달할 수 있음으로써, 결과적으로 10배만큼 더 높은 커-상수가 발견된다. 이와 같은 상황은, 예컨대 더 높은 온도에서 액정의 등방성 페이즈에 대해 이미 나타났다.
훨씬 더 높은 값은, 클리어 온도(clear temperature) 바로 위에 있는 액정의 등방성 용융물에서(J. Chem. Soc., Faraday Trans. 2, 1976, 72, 1447-1458 / DOI: 10.1039/F29767201447) 또는 폴리머 안정화된 등방성 액정에서(Appl. Phys. Lett. 98, 023502 (2011)/DOI: 10.1063/1.3533396) 그리고 액정의 폴리머 안정화된 블루 페이즈에서 측정될 수 있다. 여기에서는, 300 x 10-12 mV-2까지의 커-상수가 측정되었다.
하지만, 상기와 같은 시스템들에서 커-효과가 갖는 한 가지 큰 단점은, 예컨대 액정 5CB의 등방성 용융물에 대해 기술된 바와 같은(Dunmur D. A. and Tomes A.E., 1981, Mol. Cryst. Liq. Cryst. 76, 231), 상기 커-효과의 매우 강한 온도 의존성이다. 폴리머 안정화된 등방성 액정에서는, 온도 의존성이 줄어들 수 있지만, 다만 강하게 제한된 온도 범위에 대해서만 줄어들 수 있다(J. Phys. D: Appl. Phys. 42 (2009) 112002 / DOI: 10.1088/0022-3727/42/11/112002). 이와 같은 다수의 시스템에서는, 요구되는 높은 전압 및 긴 스위칭 시간이 불리한 것으로 증명된다.
광학 메시지 전송 또는 통신 분야에서, 광학 신호의 변조, 감쇠, 편광 제어 및 스위칭을 요구하는 적용예들에 적합한, 평면형 도파관 또는 도광 섬유와 조합된 개선된 전기 광학 요소를 제조하기 위하여, WO 2004/046796-A1호에는, 광학 도파관 코어 및 이 광학 도파관 코어에 광학적으로 결합된 플레이팅을 포함하는 도파관 장치가 공지되어 있다. 플레이팅은, 광학적으로 기능하는 구역에 인가되는 제어 신호에 응답해서 변하도록 형성된 굴절률을 규정하는 커-효과 매질을 갖는 광학적으로 기능하는 구역을 포함한다. 광학적으로 기능하는 구역의 굴절률은, 상기 장치의 작동에 따른 광 파장 및 온도에서 광학 도파관 코어의 굴절률보다 낮다. 플레이팅은, 극성을 갖지 않는 실질적으로 등방성의 또는 실질적으로 비등방성의 폴리머 플레이팅 매질에 의해서 규정된, 광학적으로 기능하는 구역을 포함한다. 특히, 플레이팅 매질은, 광학적으로 기능하는 구역으로 하여금 패시브 천이를 경험하게 하기에 충분한, 특히 약 1초 미만의 시간 안에 실질적으로 배향된 상태로부터 실질적으로 등방성의 상태로의 천이를 경험하게 하기에 충분한 발색 가동성을 특징으로 하는 폴리머/발색 피복이다. 더욱 상세하게 설명하자면, 폴리머/발색 피복은 적어도 약 5 중량-% 및 약 20 중량-%의 발색단을 함유하고, 가소화되어 있으며, 커-효과-매질은 폴리카보네이트, 테르폴리머, PMMA 및 폴리시클로헥산으로부터 선택된 폴리머를 함유한다. 바람직하게, 발색단은 도너-구성 요소, 컨쥬게이트된 그리고/또는 방향족 성분을 갖는 브리징 구성 요소 및 억셉터-구성 요소를 구비한다. 상세하게는, 이 목적을 위해, 커-효과-매질의 12개의 다양한 구조식이 제공된다. 또한, 도파관 장치의 작동 온도를 제어하거나 조절하도록 구성된 컨트롤러가 제공되어 있다. 폴리머 플레이팅 매질 또는 피복 매질은, 장치의 작동 온도보다 낮은 효과적인 유리-전리 온도를 특징으로 한다. 이 경우에 고려해야 할 사실은, 일 재료의 효과적인 유리 전이 온도는, 발색단의 재배향 가동성이 상기 물질의 온도 함수로서 상대적으로 큰 증가를 나타내는 온도이다. 전기 광학적인 재료의 효과적인 유리 전이 온도는, 상기 물질의 온도 함수로서의 상기 물질의 전기 광학적인 응답 특성의 측정을 참조해서 결정될 수 있다. 가소성 작용제가 플레이팅 매질 내에 통합됨으로써, 또는 플레이팅 매질의 효과적인 유리 전이 온도가 장치의 작동 온도보다 낮은 상황이 보장됨으로써, 플레이팅 매질은 수용 가능한 정도의 발색 가동성 및 물리적인 안정성을 갖게 된다. 상세하게, WO 2004/046796호의 플레이팅 매질은, 약 120℃ 아래의 내지 20℃ 아래의 효과적인 유리 전이 온도를 특징으로 한다. 충분한 발색 가동성에 도달하기 위하여, 플레이팅 매질 내에 용매가 제공되어 있다. 하나의 발색단 및 하나의 기본-폴리머를 함유하는 폴리머 플레이팅 매질의 경우에는, 적합한 용매가 발색단뿐만 아니라 폴리머까지도 용해시킨다. 다수의 경우에, 상기와 같은 용매의 사용은, 실온에서 또는 실온 가까이에서 장치의 적합한 작동 온도를 유도한다. 제어 전극에 의해, 플레이팅의 광학적으로 기능하는 구역 내에서 전기장(E)이 발생한다. 대안적으로, 제어 신호는 열적인 신호를 야기할 수 있으며, 이 경우 플레이팅의 광학적으로 기능하는 구역은 열적인 신호의 크기에 대해 응답한다. 각각의 경우에, 도파관 장치는, 광학 특성들을 광학적으로 기능하는 구역의 광학적으로 기능하는 섹션들과 상호 무관하게 변경하도록 구성된 적합한 컨트롤러를 구비한다. 특히, 전기 광학적인 폴리머-플레이팅 또는 폴리머-코팅에 제어 전압을 인가하는 것은 또한 광학 신호에서 연속적인 페이즈 이동(Δφ)을 유도하지만, 동일한 값을 갖는 그리고 특히 제어 전압(V)에 있어서 증가 폭이 점진적으로 작아지는 연속적인 페이즈 이동이 유도된다(E는 대략 sin2 φ이며, 이 경우에는 φ = BV2가 적용됨). 그렇기 때문에, 180°의 연속적인 페이즈 이동(Δφ)의 경우에는, 180°의 연속적인 페이즈 이동(Δφ)을 유도하기 위해서 필요한 연속적인 제어 전압 증분(Vπ)의 크기가 감소하되, 특히 제어 전압(V)의 크기가 증가함에 따라 감소한다. 180°-페이즈 이동을 통해 마흐-젠더-간섭계(Mach-Zehnder-Interferometer, 페이즈 이동을 측정하기 위한 또는 간섭계의 일 암 내에서 의도된 페이즈 변조에 의해 광을 변조시키기 위한 혹은 파장에 따라 역-다중화(demultiplexing) 하기 위한 2개의 암을 갖는 빔 스플리터)를 작동시키기 위하여, WO 2004/046796-A1호의 도파관 장치에서는 대략 340 볼트가 필요하다. 하지만, 대략 520 볼트에서의 다음 180°-페이즈 이동은 다만 대략 180 볼트만큼의 구동 전압의 증가에 의해서만 성취된다(520 볼트와 340 볼트 간의 차이). 제3의 180°-페이즈 이동은, 다만 대략 90 볼트만 증가된 대략 610 볼트에서 발생한다. 간단한 외삽에 의해서, 대략 3000 볼트의 바이어스 전압으로써 대략 4 볼트의 Vπ-구동 전압에 도달할 수 있다는 사실이 제안된다. 폴리머 플레이팅 매질 또는 코팅 매질의 개선 및 제어 전극으로서 사용된 전극 구성의 정밀화에 의해서, 180°-페이즈 이동에 도달할 수 있으며, 특히 5 볼트 미만의 구동 전압 및 대략 1000 볼트의 바이어스 전압에 의해서 180°-페이즈 이동에 도달할 수 있다.
광학 메시지 전송 또는 통신 분야에서, 전기 광학적인 커-효과 또는 포켓-효과의 또 다른 기술적인 적용예는, 입력/출력 커플러로서 전기적으로 조정 가능한 굴절률 및 전기적으로 조정 가능한 공간적인 주기성을 갖는 격자, 도파관-커플링 요소(-인터페이스), 모드-/편광-변환기, 모드-/편광-필터, 편향기 또는 디플렉터, 리플렉터이다. 이 목적을 위해, EP 1 155 355 B1호에는, 전기적으로 조정 가능한 굴절률 및 전기적으로 조정 가능한 공간적인 주파수를 갖는 회절 격자가 공지되어 있으며, 이 경우 상기 격자는 다음과 같은 부재들을 포함한다:
Figure 112019082185604-pct00004
기판;
Figure 112019082185604-pct00005
기판 위로 연장되는 전기 광학 구조물로서, 이 경우 상기 전기 광학 구조물은 확장 축을 갖는 도파관을 포함한다;
Figure 112019082185604-pct00006
그 사이에서 전기장을 발생하기 위한 제1 전극 구조물 및 제2 전극 구조물로서, 이 경우에는 회절 격자가 도파관 내에서 전기장을 유도하며, 이 경우 제1 및 제2 전극 구조물은 전기 광학 구조물의 마주 놓여 있는 측에 배열되어 있고, 각각 하나의 평면에서 도파관의 확장 축에 대해 평행하게 연장되며, 이 경우 제1 전극 구조물은 핑거 형태로 배열된 제1 및 제2 세트의 핑거를 포함하며, 이 경우 제1 세트의 핑거는 전위(V0) 하에 있고, 제2 세트의 핑거는 전위(V0 + ￠V) 하에 있으며, 이 경우 V0는 회절 격자의 굴절률을 조정하기 위해 가변적이고, 이산 값들 사이에서 격자의 공간적인 주기성을 스위칭하기 위해 가변적이다.
대안적으로, 외부로부터 입사되는 광을 변경시키기 위해 상기 회절 격자는 다음과 같은 부재들을 포함한다:
Figure 112019082185604-pct00007
기판;
Figure 112019082185604-pct00008
기판 위로 연장되는 전기 광학 구조물;
Figure 112019082185604-pct00009
그 사이에서 전기장을 발생하기 위한 제1 전극 구조물 및 제2 전극 구조물로서, 이 경우에는 회절 격자가 전기 광학 구조물 내에서 전기장을 유도하며, 이 경우 제1 및 제2 전극 구조물은 위·아래로 배열된 평면을 따라 서로에 대해 그리고 전기 광학 구조물에 대해 평행하게 연장되고, 전기 광학 구조물의 마주 놓여 있는 측에 배열되어 있으며, 이 경우 제1 전극 구조물은 핑거 형태로 배열된 제1 및 제2 세트의 핑거를 포함하며, 이 경우 제1 세트의 핑거는 전위(V0) 하에 있고, 제2 세트의 핑거는 전위(V0 + ￠V) 하에 있으며, 이 경우 V0는 회절 격자의 굴절률을 조정하기 위해 가변적이고, 이산 값들 사이에서 격자의 공간적인 주기성을 스위칭하기 위해 가변적이다.
상세하게, EP 1 155 355 B1호의 회절 격자는, 브래그-필터(Bragg-filter)로서 작용하도록 또는 리플렉터 기능을 위한 동일 선상의 반대 방향 커플링을 위해 사용되도록 형성될 수 있으며, 이 경우 상기 회절 격자는 분산형 피드백(DFB, distributed feedback)-레이저 또는 분산형 브래그 반사(DBR, distributed Bragg reflection)-레이저를 위한 활성 광학 필터로서 이용된다. 다른 실시예들은, 섬유 광학적인 통신을 위한 파장 분할 다중화(WDM, wavelength division Multiplexing)을 위해 멀티플렉스 시스템에 적용하는 것과 관련이 있다. 격자는 단독으로 또는 다른 전기 광학 구성 요소와 조합해서 통합 구조물을 형성하기 위해 사용될 수 있다. 격자는, 전기 광학 구조물, 예를 들어 LiNbO3와 같은 재료 또는 전기 광학 폴리머로부터 형성되었고, 바람직하게는 거의 0.5 내지 2 ㎛의 두께 및 대략 5 ㎛의 폭을 가지며, 기판 위로 연장되는 전기 광학 막대를 포함한다. 제1 및 제2 전극 구조물은 전기 광학 구조물의 마주 놓여 있는 측에서 확장 방향에 대해 평행하게 제공되어 있다. 특히 빗과 유사한 형상을 갖는 제1 및 제2 전극 구조물은, 그 사이에서 전기장을 발생하고 이로써 결과적으로 나타나는 전기장으로 인한 주기성을 발생하기 위한 다양한 잠재성에 종속된다. 나노 범위에서의 현대적인 제조 기법은 서브미크론 핑거 간격을 갖는 핑거 형상의 전극 구조물을 가능하게 한다. 핑거 형상의 전극은 투명한 전도성 재료 및 예를 들어 a = 105 ㎛의 폭 및 0.1 ㎛의 ITO 두께를 갖는 인듐-주석-산화물(ITO)로부터 제조된다. 도파관과 전극 핑거의 간격은 SiO2와 같은 유전성 재료로 이루어진 버퍼 층으로 채워지며, 이 유전성 재료는 도파관의 굴절률보다 낮은 굴절률을 갖는다. 상기 버퍼 층은, 전기 광학 막대 내부에 형성된 도파관의 클래드 층(cladding layer)을 형성하고, 가이드 된 웨이브를 손실과 결부된 전극과의 상호작용으로부터 보호한다.
또한, 스테레오 TV의 기술 분야에서는, DE 28 28 910-A1호에 개시된 편광 안경의 프리즘 형태의 안경 유리와 더불어 전기 광학적인 커-효과를 이용하는 것이 공지되어 있다. 이 목적을 위해, 편광 장치는, TV 스크린의 전체 표면에 걸쳐 연장되도록 배열 및 치수 설계되어 있으며, 이 경우 편광 장치의 편광 평면은 관찰자의 편광 안경의 좌측 렌즈 또는 우측 렌즈의 편광 평면에 맞추어 선택적으로 정렬하기 위해 회전 가능하다. 편광 장치의 편광 평면의 회전은 바람직하게, 연속하는 편광된 광의 편광 평면이 제어 전압원으로부터 셀의 반대편 전극에 인가되는 전압에 따라 회전하는 광학적으로 활성인 재료로 이루어지는 커-효과-셀에 의해서 성취된다. 이 경우에는, 좌측 렌즈 또는 우측 렌즈의 역할을 바꾸는 것이 가능하며, 이 경우 편광 장치의 일 상태에서는 좌측 렌즈가 편광 장치를 통과하는 광을 전달하는 한편, 우측 렌즈는 다크 필터(dark filter)로서 작용하며, 이 장치의 다른 상태에서는 렌즈들이 편광 장치를 통과하는 광을 차단하거나 전달한다. 더 나아가서는, 관찰자의 선택에 따라, 좌측 렌즈 또는 우측 렌즈가 다크 필터로서 작용하도록 선택됨으로써, 결과적으로 이미지를 원하는 바에 따라 관찰자에게 더 가까운 것처럼 보이게 하거나 멀리 떨어진 것처럼 보이게 하는 것이 가능해진다. 제어 전압원은 상기 전압을 명령 신호에 따라 전달할 수 있으며, 이 명령 신호는 (TV 신호 재생의 경우에는) TV 신호와 함께 또는 (필름 재생의 경우에는) 필름에 기록된 신호에 따라 전압을 전달할 수 있다. 커-효과-셀은 PLZT(다결정질 란타늄-변형된 지르콘티탄산납) 또는 다른 공지된 유전성 세라믹 물질로부터 제조될 수 있다.
편광이 없고 전기적으로 조정 가능하거나 스위칭 가능한 광학 렌즈의 또 다른 적용예는 시각 교구(visual aids) 및 스위칭 가능한 확대 시스템(망원경-안경)이다. 이중 초점 시스템을 포함하는 전통적인 시각 교구는 추가 기능의 장착이 점점 더 증가하고 있다. 매우 중요한 일 양상은, 활성의, 다시 말해 지능적이거나 스위칭 가능하거나 조정 가능한 광학 시스템의 개발이다. 현재, 이와 같은 개발은 "Head Mounted Displays(HMD)"의 개발에 의해서 그리고 "증강 현실(Augmented Reality)"의 신속하게 개발되는 분야를 위한 LC 시스템에 의해서도 영향을 받는다(증강 현실은, 실제 세계의 이미지가 컴퓨터에 의해 재생된 정보들과 조합됨으로써, 결과적으로 실제 세계의 이미지가 가상의 정보들로 채워지는 기술이다). 이와 같은 개발의 토대는 LCD-기반의 마이크로 디스플레이이다. 이와 같은 기술은, 변형된 형태로, 또한 다른 광학의 영역들에도 대변혁을 일으킬 수 있으며, 렌즈, 프리즘 및 다른 패시브 요소와 같은 전통적인 굴절 요소의 분리를 유도한다.
개별화 가능하거나 조정 가능한 렌즈 및 확대된 기능성의 두 가지 양상하에서, 예를 들어 EP 1 463 970 B1호에는 안경 프레임을 갖는 양안용 전자 안경이 개시되어 있으며, 이와 같은 양안용 전자 안경의 프레임은 측면부가 연결된 방진 폐쇄형 하우징으로서 형성되어 있고, 이와 같은 양안용 전자 안경은 하우징 내에 배열된 전자 비디오 카메라, 대물렌즈 - 이 대물렌즈의 렌즈는 전방을 주시함 - 및 CCD-센서를 구비한다. 상세하게는, 플라스틱으로 이루어진 렌즈, 및 전자 카메라와 연결되어 개별 렌즈의 회전 및/또는 구부러짐에 의해서 조정을 실행하기 위한 가이드 수단을 갖춘, 전동식으로 조정 가능하고 전면에 배열된 렌즈 시스템이 제공되어 있다. 상기 렌즈 시스템 및 카메라와는 전기 제어 장치가 연결되어 있고, 이 전기 제어 장치와는 메모리가 연결되어 있으며, 상기 메모리는 작동 동안의 굴절 오차 및 눈의 간격을 자동으로 보정하기 위한 적응을 위한 목표 값으로서 양쪽 눈에 대한 수동적인 사전 설정 값을 갖고 있다. 시각 결손의 보정은, 렌즈 굴절력의 조정에 의해서 그리고/또는 독서 거리 또는 작업 거리에 맞추어 자동으로 설정하는 것을 포함하는 포커싱에 의해서 이루어지며, 이 경우 콘트라스트 제어된 포커싱은, 콘트라스트 제어된 포커싱이 영구적으로 조정되도록 제어 장치가 설계됨으로써 실행된다. 렌즈 시스템은 4개의 렌즈로 이루어지고, 확대 범위는 2.5배 내지 10배이다. 제어 장치는 모터 제어를 위해서 그리고 조정 속도를 높이기 위해서 이용되고, 모터의 출력 측에는 트랜스미션이 배열되어 있다. 에너지 공급을 위해 안경 프레임에는 축전지가 배열되어 있고, 안경 프레임에는 축전지의 충전 상태를 위한 디스플레이가 제공되어 있다. 더 나아가, 카메라와 연결된 인터페이스 회로가 기록 수단의 연결을 위해 제공되어 있다. 또한, 측면부 영역에는, 디스플레이와 연결된 방송 수신기 및/또는 페이저(pager)가 배열되어 있다. 안경 시스템을 처음 이용하기 전에, 안경 착용자는 눈의 간격을 조정하고, 굴절 오차가 있는 경우에는 자신의 디옵터-값을 조정한다. 구성이 시스템 내에 기억되고, 자동으로 제어되는 다른 모든 공정을 위한 기초로서 이용된다. 약 25 ㎝의 독서 거리와 무한대까지의 포커싱 사이에서 줌을 위한 정밀 조정까지는 다만 수 초가 경과한다. 기계식 렌즈 시스템은, 대물렌즈를 2.4배까지 무단으로 줌-인 할 수 있다. 대물렌즈는 - 버튼을 누를 때마다 조정되는 줌의 단계와 무관하게(디지털 카메라와 유사하게) - 자동으로 선명하게 투영한다. 이와 같은 자동 포커스-안경은 칩 제어되는 카메라, 모터, 및 표면 처리된 특별한 렌즈와의 메커트로니컬한 협력에 의해서 기능한다. 또 다른 추가 기능은 메모리-테이스트, 마이크로폰, 언어 제어, 측면부에 있는 스피커, 외부 배터리 팩, 비디오 및 오디오의 장시간 기록을 위한 메모리 그리고 스포프라이트일 수 있다.
상기와 같은 다기능 안경의 한 가지 중요한 광학적 기능은 확대 시스템이다. 종래의 망원경 안경은 관찰된 물체의 확대를 위해, 안경의 하부 영역에 고정된 렌즈 시스템을 이용한다. 이와 같은 망원경 안경의 특징은, 오히려 전체 시야의 제한된 영역만을 이용하는 고정된 확대 시스템이다. 일반적으로, 확대 시스템에서는, 요구 조건에 따라 케플러식 시스템 또는 갈릴레이식 시스템이 사용된다: 갈릴레이-시스템은 다름 아닌 수직의 그리고 측면에 적합한 확대의 실현을 허용하는 반면, 케플러식 시스템은 더 큰 시야를 특징으로 한다. 하지만, 케플러 망원경에서는, 상황에 따라 추가의 광학 요소(프리즘 또는 렌즈)에 의해서 변환되는, 좌우가 거꾸로 된 이미지가 발생된다. 확대 시스템의 전체 깊이가 중요하다면, 갈릴레이-망원경이 선호될 수 있다.
지금까지 이용되던 조정 가능한 광학 요소, 특히 렌즈의 개발 원리들은 적합한 유체와 조합된 탄력적인 멤브레인, 액체 렌즈의 전자 습윤-원리를 토대로 하거나, 액정의 전기식으로 유도된 재배향을 토대로 한다. 탄성 중합체-멤브레인의 경우에는, 얇은 탄성 중합체-박막에 의해서 형성되는 공동 내부로 액체가 펌핑되거나, 멤브레인의 곡률 변경을 야기하기 위해 상기 액체가 저장기 내로 방출된다. 멤브레인 렌즈는 망원경-시스템 내에도 통합될 수 있다(Biomed. Opt. Express 5(2), 645-652 (2014) 또는 Biomed. Opt. Express 5(6), 1877-1885 (2014) 참조). 그러나 이와 같은 기계식 해결책은 다만 적당한 스위칭 시간만을 갖는데, 그 이유는 멤브레인-공동이 스위칭 과정 중에는 액체로 채워지거나 비워져야만 하기 때문이다. 더 나아가서는, 스위칭 사이클의 회수가 많은 경우에도 탄성 중합체-멤브레인의 안정성이 검사될 수 있다. 그밖에, 멤브레인-렌즈의 주변은 저장기, 펌프 및 모터에 의해서 상대적으로 부피가 크다. 멤브레인 렌즈를 기초로 하여, 조정 가능한 시각 교구도 출시되었고, 이 경우에는 펌핑 과정이 수동으로 실행된다. 이와 같은 시스템은 당연히 매우 느리다.
멤브레인-렌즈에 대한 한 가지 대안은, 전자 습윤의 원리를 토대로 하는 액체 렌즈이다. 이와 같은 제어 가능한 광학 오토 포커스-액체 렌즈의 사용 분야는 스마트 폰, 웹 캠 및 다른 적용예이다.
렌즈의 튜닝 가능한 굴절력의 범위는 상당히 크고, -12 내지 12 디옵터에 달하며, 스위칭 시간은 일련의 적용예를 위해 20 ms로써도 충분히 빠르지만, 기계 시각(machine vision) 범위 안에 있는 높은 클럭 속도를 위해서는 충분치 않다. 하지만, 기계 시각의 범위 안에 있는 광학 포커싱 요소에 사용하기 위해서는, 애퍼처, 속도 및 해상도 측면에서의 다른 요구 조건들도 적용된다. 산업 분야에서 포커싱을 위한 종래 기술은 대물 렌즈의 기계식 포커싱이다. 이와 같은 방식은 이동할 질량(속도) 때문에 그리고 장시간 안정성(기계 요소의 마모) 측면에서 한계에 부딪친다. 이와 같은 해결책의 또 다른 한 가지 단점은, 무전압 상태가 광학적으로는 중립이 아니라 오히려 분산 렌즈를 의미한다는 데 있다. 그밖에, 렌즈 요소의 총 직경에 대한 비율에서 자유 애퍼처가 제한되어 있음으로써, 결과적으로 특히 머리에 사용하는 경우에는 환상의 공급 유닛이 렌즈 요소를 지배하게 된다.
따라서, 전자 습윤-원리를 토대로 하는 요소뿐만 아니라 멤브레인-렌즈도, 부피가 큰 공급 장치를 갖는 자체의 구조적 형상으로 인해 그리고 하이브리드-광학 수단을 위한 자체 중량에 의해서, 시각 교구 또는 망원경-안경에는 덜 적합하다.
액정(LC - Liquid Crystal)을 토대로 하는 스위칭 가능한 렌즈는 상기와 같은 단점들을 나타내지 않는다. 액정-기반의 스위칭 가능한 이중 초점 안경은 일반적으로, 전통적인 굴절 렌즈 내부에서 시야에 의해 유도되는, 액정-박막의 배향 변경을 토대로 한다. 굴절률 콘트라스트에 의해서는, 스위칭-온 상태에서는, 선명한 근거리 시력을 가능하게 해야만 하는 추가의 렌즈 요소가 활성화 된다. 스위칭-오프 상태에서는, 상기 렌즈-요소가 비활성이고, 선명한 근거리 시력은 굴절 렌즈에 의해서 보장된다. 두 가지 상태 간의 스위칭은 수동으로 이루어질 수 있거나 경사각 검출기에 의해서 이루어질 수 있다.
이동 전화기의 웹 캠 또는 카메라에 사용하기 위해서는, 다만 수 밀리미터의 직경을 갖는 렌즈로 충분하며, 이와 같은 상황은 기술적인 문제를 매우 단순화시킨다. 이 경우에는, 추가 편광기의 사용에 의해서 광 효율을 감소시키는 이용된 효과의 강한 편광 의존성이 제한되거나, 2개 요소의 대안적인 직교 조합에 의해서 이들 요소의 구조가 훨씬 더 복잡해져서, 제조시 추가의 오류 원인을 낳게 된다. LC 기반 렌즈의 장점은, 이와 같은 렌즈에 의해서, 예컨대 완전히 기계식 요소 없이도 충분하고, 이로써 견고하고도 관리가 필요 없는 광학 수단을 가능하게 하며, 또한 전체 깊이 및 중량의 감소를 유도하는 망원경 시스템 또는 포커싱 장치가 구현될 수 있다는 데 있다.
굴절 렌즈의 경우에는, 가능한 굴절력이 일반적으로 광학적으로 더 조밀한 매질과 더 얇은 매질 간의 페이즈 한계의 곡률 반경에 의해서 그리고 굴절률 편이에 의해서 결정되어 있다. 이와 유사한 내용은 GRIN-렌즈(Gradient-Index)에도 적용되며, 이 렌즈는 그 자체로 평면형 액정-렌즈로서도 간주 될 수 있다. 이 경우에는, 중심으로부터 에지 영역까지의 반경 방향 굴절률 편이가 직경과 더불어 결정 변수가 된다. 이와 같은 유형의 모든 렌즈에서는 다음과 같은 내용이 적용된다: 매질의 층 두께가 일정하게 유지되어야 하는 경우에는, 렌즈의 요구되는 직경이 달성될 굴절력을 제한한다. 특정 굴절력에서 렌즈의 직경이 증가되어야 한다면, 층 두께도 증가되어야만 한다. 하지만, 이와 같은 상황은 액정-렌즈에서, 스위칭 속도가 동시에 감소하는 경우, 필요한 스위칭 전압의 2차식 증가를 유도한다.
상기와 같은 제한들은 다만 회절 렌즈에 의해서만, 더 정확하게 말하자면 페이즈-구역 플레이트에 의해서만 극복된다. 진폭 변조를 토대로 하는 프레넬-구역 플레이트와 달리, 페이즈-구역 플레이트는, 렌즈 기능에 도달하기 위하여, 파장 절반으로부터의 페이즈 이동을 활용한다. 그렇기 때문에, 페이즈-구역 플레이트의 경우에는 광 출력도 훨씬 더 높은데, 그 이유는 진폭-구역 플레이트의 경우에는 다만 절반만 이용되는 대신에, 페이즈-구역 플레이트의 경우에는 전체 입사 광이 이용되기 때문이다. 추가로, 가보어-홀로그램(Gabor-hologram)으로서의 실시예(구역들의 2진법 천이 대신에 사인파 형태의 천이)에 의해서는, 초점 거리의 전형적인 주기성이 특정 초점 거리로 줄어들 수 있다.
예를 들어 유리로 이루어진 렌즈 또는 결정질 빔 스플리터와 같은, 무기 물질로 이루어진 종래의 강성의 광학 요소는 점차 유기 물질로 대체되고 있다. 전자는 탁월한 광학 특성 및 높은 안정성의 장점을 갖지만, 부피가 크고 복잡한 제조 기법을 특징으로 한다. 유기 물질은 훨씬 더 용이하게 처리 및 가공될 수 있는데, 특히 구조화될 수 있다(사출 성형, 프린팅, 나노 임프린팅, 3D 프린팅, 레이저 구조화). 매우 현저한 또 다른 장점은, 많은 유기 물질들이 광, 전기 전압, 온도 등과 같은 외부 자극에 대해 반응하고, 이로 인해 이들 물질의 물리적인 특성이 영구적으로 또는 가역적으로 변한다는 데 있다. 이에 대해, LCD 내에서 액정의 전압 유도된 재배향은 액정의 전기 광학적인 배향 효과를 토대로 하는, 전기적으로 스위칭 가능하고 조정 가능한 광학 요소의 이용에 대한 가장 두드러진 예이다. 액추에이터 또는 튜닝 가능한 격자에서 이용 가능한, 탄성 중합체의 전압 유도된 두께 변경 또는 길이 변경은 또 다른 일 예이다. 따라서, 의도한 바대로 조정 가능하거나 외부 조건에 능동적으로 반응하는 활성 광학 시스템 또는 지능적인 시스템이 가능해진다.
그와 달리 편광 의존성의 문제점은, 육안으로 투과 방향으로 볼 때 등방성인 독특한 LC-시스템에 의해서 제거될 수 있을 것이다. 이와 같은 상황은 예컨대 PDLC 시스템(Polymer Dispersed Liquid Crystal) 또는 블루 페이즈를 갖는 폴리머 안정화된 액정(복잡한 3D 구조를 갖는 등방성 LC 페이즈)에 적용된다. 하지만, 폴리머 벽과의 증가된 상호작용으로 인해, 높은 스위칭 전압이 필요하다. 이에 대해 추가로, 페이즈 분리에 의해서 야기되는 투과된 광의 증가된 분산이 발생하며, 이와 같은 상황은 투영 광학 시스템에 대한 상기 기본 용액의 적합성을 상당히 제한한다. 스위칭 시간을 줄이려는 컨셉에 대해서도 집중적으로 작업이 이루어지며, 이 경우 스위칭 시간의 감소는 현재 종래 기술에서는 상당한 정도의 스위칭 편이를 나타냈지만 서브-ms-범위에 제한되어 있다.
액체 내에서의 극성 분자의 전압 유도된 배향은 오래전부터 광학 커-효과로서 공지되어 있다. 하지만, 예컨대 니트로벤젠 또는 이황화 탄소와 같은 종래의 액체의 커-상수는 렌즈에 적용하기에는 10배만큼 지나치게 낮고, 스위칭 전압은 10배만큼 지나치게 높다.
훨씬 더 높은 커-상수는 등방성 액정에서 관찰된다. 스위칭 시간은 한 자리 ms-범위 안에 있거나 그 미만이다. 이와 같은 액정 시스템 및 종래의 커-액체의 몇 가지 문제점은 클리어 온도(clear point) 위에서 등방성 페이즈 내에 있는 액정에 의해서 극복될 수 있다. 이 경우, 액정의 예비 배향 효과는 클리어 온도 바로 위에 있는 등방성 용융물에서 활용된다. 이와 같은 상황은 편향 없는, 신속하게 스위칭 되는 그리고 충분히 효율적인 커-시스템을 유도한다. 하지만, 아주 중요한 한 가지 단점은, 상기 효과의 극도로 강한 온도 의존성이다. 요약해서 말하자면, 전기 습윤-원치, LC-배향 또는 멤브레인 유체 공학을 토대로 하는 모든 변형예들이 가끔은 광학적인 또는 기하학적인 파라미터 측면에서 상당히 제한된다.
종래 기술에 대한 전술된 평가 결과가 보여주는 바와 같이, 특히 광 변조를 위해 전기 광학적인 커-효과를 활용하는 상이하게 형성된 장치들이 공지되어 있다. 폭넓은 산업적 적용을 위해서는, 높은 작동 전압과 더불어 상기 효과의 매우 강한 온도 의존성이 단점이 된다.
이를 위해, 본 출원인의 DE10 2015 015 436.2 A1과 WO/2017/092877A1에서는, 광학적 등방성 액체의 전기제어 광학요소, 특히 렌즈와 그 제조법을 소개하고 있다. 특히, 커 혼합물은 쌍극성 막대형 분자와 세미-메조겐의 혼합물을 활성 성분으로 갖는다. 커 혼합물은 광중합으로 형성된 넓은 메시의 비등방성 망을 갖는 박막을 형성하고, 이 망은 박막셀내 기판상에 증착된 패턴화 및/또는 평면 도전층 사이에 있어, 전기장 없는 상태에서 작업온도 범위에서 커 혼합물의 세미-메조겐과 막대형 분자들의 전기광학 커 효과에 대응하는 활성 상태는 등방성이 되고, 전압 U의 연속적 조절에 의해서나 정전압을 인가하면 전압유도 위상편이나 굴절율 편차의 변화가 광학요소에 생긴다. 자세하게는, 박막셀이 2개의 유리나 폴리머 기판들을 갖고, 그 내면에 도전 ITO 전극이 도전층으로 제공되며, 이곳에 배향층이 배치된다. 냉각된 커 혼합물내의 넓은 메시의 비등방성 폴리머 망의 생성은 광개시제, 지방족 모노머 및 반응성 메조겐의 첨가와 UV 조사에 의해 일어나고, 전압 U을 걸면 막대형 분자들이 전기력선들을 따라 정렬된다. 이것의 장점은 놀랍게도, 세미-메조겐 분자들의 절반 가까이가 메조겐화되고 나머지 절반이 메조겐화되지 않았을 때에도 유전성 비등방체의 강도가 줄어들지 않으며, 막대형 구조체에서의 편차가 합성물의 메조겐 성분들과의 상호작용을 억제하지 않는다는 것이다. 또, 수직배향을 일으키는 배향층에 가교결합이나 중합 가능한 기들이 있다. 비등방성 망은 wro의 기판 경계면에 공유결합으로 고정되어, 비등방성 형태로의 망의 안정성이 작동 온도의 상승으로 커 액체의 등방상태에서도 장기간 유지된다. 이는, 놀랍게도 작동 온도범위 밑에서 정렬층의 효과로 수직배향이 증가되어 분자들이 기판에 수직이 되고 박막셀내 망이 2개의 기판 경계면에 고정되는 장점을 보인다.
본 출원인의 DE10 2015 015 436.2 A1과 WO/2017/092877A1에서는 커 혼합물로 충전된 셀을 갖는 전기제어 광학요소 제조방법도 소개하고, 이때 2개의 기판 각각의 내면에 도전층이 증착되며, 이 방법에서:
a) 커 혼합물은 활성성분으로서의 쌍극성 막대형 분자와 세미-메조겐, 반응성 메조겐, 광개시제 및 지방족 모노머의 혼합물을 포함하고,
b) 커 혼합물을 박막셀에 충전하며,
c) 커 혼합물을 실온(RT)보다 낮은 온도(T)로 냉각하여, 수직배향을 갖는 액정상을 형성하고,
d) 수직배향층들에 UV를 조사해, 라디칼들을 만들어 배향된 반응성 메조겐들의 중합을 일으켜, 커 혼합물내의 반응성 메조겐들과 지방족 모노머들이 가교결합된 넓은 메시의 느슨한 비등방성 망을 만든다.
본 발명의 과제는, 전기 광학적인 커-효과를 토대로 해서 낮은 임계 전압 및 작동 전압, 상기 효과의 최소화된 온도 의존성 및 낮은 응답 시간에 도달하도록, 전기적으로 제어 가능한 광학 요소를 형성하거나 제조하는 것이다. 특히 본 출원인의 DE10 2015 015 436.2 A1과 WO/2017/092877A1에 따른 박막셀을 이용해, 렌즈효과를 실현해야 한다.
상기 과제는, 특허 청구항 1의 전제부에 따른 2개의 기판(1a,1b) 각각의 내면에 도전층(2a,2b)이 부착되어 있고, 출발 혼합물(K)로 충전된 박막 셀(D)을 구비하는 전기제어 광학요소에서, 출발 혼합물(K)이 양극성 막대형 분자(5) 및 세미-메조겐(4)의 혼합물을 활성 합성물로 구비하며; 커 혼합물(K)은 박막 셀(D)의 기판(1a,1b)들 사이 및/또는 평평한 도전층(2a,2b) 사이에 형성된 광중합-생산된 넓은 메시의 비등방성 망(9)을 갖는 박막이어서, 전기광학적 커 효과에 따라, 커 혼합물(K)의 세미-메조겐과 막대형 분자(4,5)의 활성 합성물의 상태가 작업온도범위에서 전기장 없이는 등방성이 되고, 전압(U)를 연속 조정해서 또는 일정 전압을 인가해서 광학요소에 전압유도 위상편이나 굴절율 편이의 변화가 생기며; 기판(1a,1b) 중의 어느 하나나 양쪽의 내면에 광학적 효과의 표면프로필(O)이 형성되되도록 하여 해결된다.
또한, 상기 과제는, 특허 청구항 12의 전제부에 따른 2개의 기판(1a,1b) 각각의 내면에 도전층(2a,2b)이 부착되어 있고, 커 혼합물로 충전된 셀(D)을 구비한 전기제어 광학요소의 제조방법에 있어서:
a) 출발 혼합물(K)이 쌍극성 막대형 분자들(5), 활성 합성물로서의 세미-메조겐(4), 반응성 메조겐(8), 광개시제(6) 및 지방족 모노머(7)의 혼합물을 포함하고;
b) 출발 혼합물(K)이 박막셀에 충전되며;
c) 출발 혼합물(K)이 실온(RT)보다 낮은 온도(T)로 냉각되고, 이 온도에서 수직 배향을 갖는 액정상이 형성되며;
d) 수직 배향된 층의 UV-조사에 의해 라디칼이 발생되어, 배향된 반응성 메조겐(8)의 중합반응을 일으키며, 반응성 메조겐의 느슨한 비등방성 망(9)이 출발 혼합물내의 지방족 모노머들과 가교결합되고;
e) 기판(1a,1b)의 어느 하나나 양쪽의 내면에 광학활성 표면프로필(O)이 배치되어, 작업온도 범위(RT)에서 전압(U)이 걸리지 않으면 모멘트가 큰 막대형 분자(5)와 세미-메조겐(4)의 합성물이 다시 등방성으로 되고, 전압(U)이 걸리면 상기 합성물의 분자들이 전기력선의 방향으로 배향되는 것에 의해 해결된다.
본 발명에서는, 전기 광학적인 커-효과(또한 Internet-Lexicon Wikipedia, https://de.wikipedia.org./wiki/Kerr-Effekt 참조)가 등방성 액체 내에서 이용된다. 그에 따라, 액정질 상태가 다루어진다. 특히, 본 발명에 따른 광학 요소의 경우에는, 예비 압축 가능하고 메시 폭이 넓으며 느슨한 비등방성 망을 기본으로 하는 자체 구성에 의해서, 광학 커-효과가 강화된다. 이로써, 놀라운 유형 및 방식으로, 본 발명에 따른 합성물의 사용에 의해서, 그리고 DE10 2015 015 436.2 A1과 WO/2017/092877A1에 소개된 박막 셀 내에서 특유의 셀 구조를 유도하는 본 발명에 따른 제조 기법에 의해서, 단점들이 제거될 수 있다. 본 발명에 따른 활성 합성물의 상태는 작업 온도 범위 안에 전기장이 없는 경우에는 등방성이다. 분산을 야기할 수 있는 규칙적인 분자의 도메인 또는 마이크로 도메인은 존재하지 않는다. 특히, 마찬가지로 (추가의 합성 단계를 위한 출발 재료로서의) 전구체-혼합물의 구성 성분인 고정된 메조겐-클러스터가 발생된다. 메조겐-클러스터는 커-효과를 증가시키고, 이 효과의 온도 의존성을 최소화한다. 전체 합성물은 등방성 액체 상태로 유지된다.
상기와 같은 내용을 토대로 하는 본 발명에 따른 광학 박막 요소는 전기적으로 연속으로 조정 가능하거나 대안적으로는 규정된 상태들 사이에서 스위칭 가능한 페이즈 변조기, 렌즈 및 시각 교구이다. 이들 광학 박막 요소는, 광학적으로 등방성인 것, 다시 말해 편광이 없고 분산되지 않는 것을 특징으로 한다. 이들 광학 박막 요소는, 투과 방향으로 편광 없이 적용되고, 전기적으로 유도되는 높은 페이즈 편이 및/또는 굴절률 편이를 특징으로 하는 전기 화학적으로 활성인 합성물에 의해서 구현된다. 특히 시각 교구와 같은 적용예를 위해서는, 직류 전압(U)의 작동 전압 범위가 15 V 내지 40 V의 범위 안에, 바람직하게는 25 V 내지 30 V의 범위 안에 놓여 있다.
DE10 2015 015 436.2 A1과 WO/2017/092877A1에 따른 방법에 의해서는, 새로운 형태의 전기 활성 액체를 갖는 박막 셀을 토대로 하는, 편광이 없고 전기적으로 스위칭 가능한 광학 요소가 제조되며, 이와 같은 광학 요소의 배향은 비등방성 폴리머 망 내에서 이루어지는 막대형 극성 분자들의 상호작용에 의해서 강화된다. 자체 구성에 의한 커-효과의 강화 및 분자 설계에 의해서, 짧은 스위칭 시간 및 낮은 전압에서도, 훨씬 더 높은 굴절률 변조 또는 페이즈 편이에 도달하게 된다. 전기적으로 스위칭 가능하거나 조정 가능한 렌즈에 대한 예들, 특히 시각 교구에 대한 예들은 다음과 같다:
a) 시각 교구를 위한, 전기적으로 신속하게 스위칭 가능한 광학 개별 요소
b) 튜닝 가능하고 개별적으로 조정 가능한 시각 교구
c) 망원경-안경을 위한 스위칭 가능한 확대 시스템.
특허 청구항 2에 따른 본 발명의 개선예에서는, 전극들이 표면프로필 밑에 부착되거나 병합되거나 표면프로필에 배열된다.
또, 박막 셀이 2개의 유리 기판 또는 폴리머 기판을 구비하고, 이들 기판의 내부 표면에는 각각 전도성 층으로서의 전도성 ITO-전극이 제공되어 있고, 이들 기판상에는 배향층이 제공되어 있으며, 냉각된 커 액체(출발 혼합물)에서의 메시 폭이 넓은 비등방성 폴리머 망의 예비 스탬핑은 광개시제, 지방족 모노머 및 반응성 세미-메조겐의 혼합과 UV-조사에 의해서 이루어지고, 막대형 분자의 정렬은 전압(U)의 인가에 의해 전력선을 따라 이루어진다.
이 경우의 장점은, 놀랍게도, 세미-메조겐의 분자들의 절반 정도가 메조겐 분자로 이루어지고 나머지 절반이 비메조겐일 경우에도 유전성 비등방체의 강도가 저하되지 않으며, 막대형 구조에서의 편차가 합성물의 메조겐 성분과의 상호작용을 억제하지 않는데 있다.
또, 수직 배향을 유도하는 배향층이 광가교결합이나 광중합 가능 기를 함유하고, 비등방성 망이 2개의 기판 경계면에 공유결합으로 고정되어, 비등방성 형태에서의 망의 안정성이 작업온도 범위에서의 온도 상승에 의해 커 혼합물의 등방성 과정 동안에도 장기간 유지되는 것이 장점이다.
또, 작업온도범위 밑에서도, 배향층의 효과가 수직배향에 작용하여 분자들이 기판에 수직으로 배향되고 2개의 기판 경계면에서의 박막셀의 망이 저온에 있어도, 즉 LC 상이 있어도 고정된다. 작업온도범위에서 합성물은 등방성이고 배향층이 전기장에 의해 배향을 지원한다.
추가의 장점들 및 세부 사항은, 도면을 참조해서 이루어지는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 대한 이하의 설명으로부터 인용될 수 있다. 도면부에서:
도 1은 본 발명에 따른 전기제어 광학요소내 전극들의 광학효과 표면 프로필과 구조에 대한 여러 예를 보여주고,
도 2는 비등방성 네트웍의 광화학적 생성 직후에 초기 상태로 남아있는 전기제어 광학요소들의 바람직한 예들을 보여주며,
도 3은 등방성 커-합성물의 조성을 도시하고,
도 4는 세미-메조겐의 바람직한 일 실시예의 구성을 도시하며,
도 5a 및 도 5b는 다차원의 비등방성 망에 대한 일 실시예를 도시하고,
도 6은 기판에 비등방성 네트웍을 연결하는 실시예를 보여주며,
도 7은 본 발명에 따른 머신 비전 영역의 일례를 보여준다.
도 2 내지 3은, 개시 혼합물 - 본 출원인이 소개한 박막셀에 관한 DE 10 2015 015 436.2A1이나 WO2017/092877A1에 따른 비등방성 망(9) 내에 있는 막대형 분자(5)와 세미-메조겐(4; semi-mesogen)의 혼합물을 기본으로 하는 커 액체(K)라 하는 등방성 합성물의 본 발명에 따른 커-효과를 설명하기 위한 전기제어 광학 요소의 바람직한 일 실시예를 보여준다. 커 셀은 다르게 구성되는바; 빛이 전극에 나란한 전극 갭을 통과하고, 전극은 보통 금속으로 이루어지며 1cm의 간격을 갖는다. 본 출원인의 DE 10 2015 015 436.2SA1이나 WO2017/092877A1에 소개된 박막셀의 경우, 빛이 전극들(2a,2b)에 직각인 전극 간격을 통과하고, 이들 전극은 ITO(indium tin oxides)와 같은 투명한 도체로 이루어지며 수 ㎛의 간격을 갖는다. 또, "등방성 혼합물)이란 작동온도 범위에서 등방성인 세미-메조겐과 액정의 혼합물을 의미한다. (요소 4 내지 8을 포함한) 망(9)의 생성 이전의 혼합물은 등방성 혼합물, 반응성 메조겐, 지방족 모노머 및 광개시제로 이루어진다. 출발 혼합물은, 도 2~4에서 보듯이, 본 발명에 따른 합성물에 현장에서 UV를 조사해 비등방성 망을 구축하여 형성된다.
본 출원인의 DE 10 2015 015 436.2A1이나 WO2017/092877A1에 사용된 "프리커서 혼합물"이란 용어를 출발 혼합물로 대체할 수도 있다. 이들은 막대형 분자들(5)과 세미-메조겐(4)은 물론 반응성 메조겐, 광개시제 및 지방족 모노머의 혼합물이다. 반응성 메조겐(8)과 지방족 모노머(7)의 광중합반응시켜 출발 혼합물을 UV에 노출시키면, 비등방성 폴리머 망(9)의 형성이 이루어진다.
또, 본 출원인의 DE 10 2015 015 436.2A1이나 WO2017/092877A1의 "프리-스탬핑"은 수직순서 상태로 있는 이관능형 반응성 메조겐의 넓은 메쉬의 비등방성 폴리머 망(9)을 의미한다. 기판(1a,1b)에 직각인 망(9)의 메조겐 단위의 수직정렬은 실온(합성물/커 액체 K의 등방성 상태)에서나 인가전압 U을 끈 상태에서도 유지된다. 비등방성 망(9)은 전압(U)을 인가해 막대형 분자(5)와 세미-메조겐(4)의 합성물의 능동 성분들의 방향을 지지한다. 이런 동작은 2 기판(1a,1b) 사이에서 합성물 막에서의 망(9)의 비등방성 3D-구조(커 액체 K)와 체인 구간의 분자구조들에 의해 이루어진다.
또, 본 출원인의 DE 10 2015 015 436.2A1이나 WO2017/092877A1의 "메조겐"은 단일 기질이나 혼합물이나 폴리머의 성분들이 액정상으로 존재하는 분자단위를 의미한다. 이들은 결정상태와 등방성 용융물 사이의 메조상(액정상)을 형성하여, 열방성 액정들은 용융에 의해 결정에서 바로 등방성 액체로 변하지 않고, 배향과 위치 순서의 점진적 열화를 가져오는 온도에 따라 비등방성 분자구조가 이루어진다. 메조겐이란 용어는 액정(분자)에 대한 동의어로도 사용된다.
액정 혼합물들의 열적 전기광학적 성질들은 물론 순서와 클리어 온도는 다른 액정들의 혼합물에 의해 아주 정확하게 설정할 수 있다. 본 발명에서는, 등방성 용융물을 형성하는데 순서 간섭 기질이 필요한바, 즉 변형된 분자간 간섭으로 인해 소위 클리어 온도 하락효과(클리어 온도 저하효과, 즉 액정에서 등방상으로의 전이온도의 저하)가 일어난다.
DE 10 2015 015 436.2A1이나 WO2017/092877A1에서 "광반응 세미-메조겐"이나 "광중합반응 세미-메조겐"이란 용어는 본 발명의 반응성 메조겐(8)을 의미한다.
유전 비등방성과 커 상수가 높은 쌍극성 막대형 분자(5)는 막대형 다수의 열방성액정의 특성을 갖는다. 분자 종축선에 많은 방향족고리를 갖는 분자들은 일반적으로 결정이나 액정으로 존재한다. 이 구조는 결정질 및/또는 액정질 상을 필요로 한다. DE10 2015 015 436 A1과 WO2017/092877에서는, 쌍극성 막대형 고유전성 비등방성과 높은 커 상수의 조합이 중요하다. 이들은 액정일 수 있지만 반드시 그럴 필요는 없다. 그러나, 쌍극성 막대형 분자가 액정이면 바람직하다. 이런 분자는 커 상수에 크게 기여한다.
DE 10 2015 015 436.2A1이나 WO2017/092877A1에 사용된 세미-메조겐(4)은 쌍극성이지만 유전 비등방성과 커 상수가 높고 질서가 낮은 비막대형 분자이기 때문에, 등방성 액체보다 높은 융점을 갖는다. 이런 분자는 LCD와 다른 전기광학요소와 같은 지금까지의 액정 연구분야와는 정반대이다.
본 발명에 의하면, 이런 쌍극성 비막대형 분자(4)는 쌍극성 막대형 분자(5)와 비슷한 기초구조로 개발되었다. 낮은 질서경향은 막대형 분자 형상에서 벗어나고 구부러지거 짧은 길이/폭 비율 등 때문이다. 본 발명에 의하면, 낮은 질서경향 때문에 분자(5)의 클리어 온도가 낮아져(클리어 온도 저하), 작동온도 범위에서 액정 특성이 전혀 구현되지 않지만, 혼합물은 등방성 액체로 존재한다.
혼합물의 클리어 온도, 즉 쌍극성 막대형 분자들(5)의 액정/등방성 액체 상천이점이 세미-메조겐(4)의 첨가에 의해 낮아지므로, 작동 온도범위에 등방성 액체가 존재한다. 이를 위해, 질서도가 낮거나 액정 성질(출발 혼합물의 액정은 상당히 낮은 온도에서만 일어날 수 있음)이 숨겨진 쌍극성 비막대형 분자들(4)이 개발되었는데, 이를 세미-메조겐(4)이라 한다. 이렇게 정의된 용어는 본 발명에 따른 혼합물에 다른 기능을 유도하는 새로운 등급의 기능성 물질들을 나타낸다. 세미-메조겐(4)이란 용어는 새로운 것으로, 본 발명의 기능성 분자들의 성질들을 조합한 것을 특징으로 하는바, 본 발명의 근본을 이룬다.
또, 세미-메조겐(4)은 에탄올, 클로로포름, 벤젠과 같은 단순한 용매가 아니고, 본 발명의 다기능성 분자들(4)은 전기장에 의해 배향되고 혼합물의 광학 커 효과에 배향과 쌍극 특성을 부여하기도 한다. 한편, 전술한 기존의 용매들은 세미-메조겐(4)에 비해 커 효과를 크게 낮춘다.
세미-메조겐(4)의 구조는 비등방성 망(9)의 구성에도 중요하다. 따라서, 그 분자구조는 아래와 같이 디자인된다:
a) 작업 온도범위보다 낮은 저온(T<RT)에서 출발 혼합물이 수직으로 배향된 액정상을 형성하고,
b) 저온에서 액정상이 생기지 않을 경우, 정렬된 막대형 분자들(5)과 세미-메조겐(4)을 이용해 배향응력을 가해 비등방성 망을 구축한다.
혼합물의 커 상수를 가능한 최대로 하려면 유전 비등방성과 커 상수가 큰 막대형 분자들(5)에 비해 혼합물에서의 세미-메조겐(4)의 농도가 작아야만 한다. 세미-메조겐(4)의 농도는 1~20 Ma%이지만, 3~5 Ma%가 바람직하다.
본 발명에 따른 출발 혼합물/커 액체의 합성물은 쌍극자 모멘트가 큰 막대형 분자들(5)은 물론 비막대형 쌍극 세미-메조겐(4)의 적절한 혼합, 액정상 형성을 방해하는 질서상태의 형성, 반응성 메조겐(8)과 광개시제(6)와 같은 광가교결합성 모노-, 2중- 및 3중 기능 분자들을 특징으로 한다. 광개시제는 UV를 흡수하면 광분해 반응으로 분해되어 커 액체에서 중합반응을 개시(시작)하는 반응종을 형성하는 화합물이다. 이런 반응종으로는 라디칼이나 양이온이 있다. 비공유 상호작용을 갖는 분자와 고정된 메조겐 클러스터와 같은 다른 성분들은 원하는 특성들을 크게 개선한다.
세미-메조겐(4)이라고 하는 비막대형 분자들은 분자 프레임웍의 일부, 바람직하게는 절반정도는 막대형이어서 다른 막대형 분자들(5)과 상호작용하지만 나머지 부분은 비막대형이어서 액정상의 형성을 복잡하게하거나 방해하는 특징을 갖는다. 또, 본 발명의 세미-메조겐(4)은 쌍극성 분자여서, 전기장에 의해 정렬되는 특징도 갖는다. 유전 등방성의 정도는 막대형 액정의 정도이다. 모든 요소들의 기능적 연결도 디스플레이된다. 본 발명은 DE 10 2015 015 436.2A1이나 WO2017/092877A1에 소개된 등방성 액체 형태이고 커 상수가 높은 분자들에 의거한 전기조절 및 스위칭 광학 박막요소들로부터 시작한다.
출발 혼합물은 아래 요소들로 이루어진다:
a) 쌍극자 모멘트가 큰 막대형 쌍극 분자들(5); 이 분자는 분자축으로 방향족고리가 다수인 막대형 액정이고, 커 상수에 크게 기여하며, 결정과 액정상을 형성하는 구조임.
b) 세미-메조겐(4); 비막대형 쌍극 분자이고 실온에서 등방성 액체이며, 성분 5를 첨가하면 작동 온도범위에서 액정상 형성에 대한 무질서를 일으켜 출발 혼합물의 액정상 형성을 방해함. 쌍극성 세미-메조겐(4)은 질서적인 액정상태의 형성을 방해함은 물론 전기장에 의해 배향되어 합성물의 광학적 커 효과에 기여한다.
등방성 합성물/커 액체(K)의 확산과 회전확산은 더이상 메조상에 의해 제한되지 않으며, 등방성 액체의 높은 동력을 가짐과 동시에 액정에서만 관찰되는 장력에 의한 배향상태와 높은 비등방성을 갖는다.
한편, 세미-메조겐(4)의 분자 형태, 이들의 상호작용 및 그 농도 때문에 작동 온도범위 이하의 저온(T<TR)에서 출발 혼합물(커 액체 K)이 수직 배향된다.
출발 혼합물의 다른 성분은 비등방성 망을 형성하기 위한 것이고 아크릴레이트, 메타크릴레이트, 에폭시처럼 중합성 기를 갖는 (반응성 액정/메조겐인) 반응성 메조겐(8), 지방족 모노머 및 광중합 반응으로 망을 형성하기 위한 광개시제가 있다.
세미-메조겐(4)은 쌍극성이지만 비막대형 분자이고 유전 비등방성과 커 상수가 높으며 질서도가 낮아 등방성 액체로 존재한다. 이런 분자는 지금까지 연구개발 대상이었던 LCD에 사용되던 것과 다른 전기광학 액정계 요소들로 개발되던 것과 정반대이다.
비-막대형 쌍극성 분자(세미 메조겐)(4)는 실온 또는 작업 온도(RT)에서 액정질 페이즈의 형성을 억제한다. 이들의 기능은 막대형 분자(5)의 액정-페이즈의 클리어 온도를 낮추는 작용에 있다. 이와 같은 균형 잡힌 클리어 온도 저하는 예를 들어 부피가 큰 날개 기(wing group), 즉 측면 치환체에 의해서, 더 작은 길/폭-비율에 의해서, 막대형 구조물로부터의 편차 등에 의해서 성취될 수 있다.
다른 한편으로, 세미 메조겐(4)의 분자 형상, 세미 메조겐의 분자 상호작용 및 세미 메조겐의 농도는, 세미 메조겐이 작업 온도 범위 아래의 낮은 온도(T < RT)에서 혼합물의 수직 배향의 형성을 허용하도록 설계되어 있다. 다시 말해, 분자 구조의 일 절반은 세미-메조겐이고, 합성물의 메조겐과의 두드러진 상호작용을 특징으로 하며, 다른 절반은 비-메조겐이며, 이 경우에는 막대형 구조로부터의 편차가 유전성 비등방성의 강도를 저하시키지 않는다. 그러나 이들 분자는 또한 가급적 높은 쌍극자 모멘트를 특징으로 하며, 이로써 이들 분자는 합성물의 커-효과의 강도에 기여한다.
(바람직하게 UV-파워 다이오드에 의한) 수직 배향된 층의 UV-조사에 의해서는, 배향된 반응성 메조겐(8)의 중합을 야기하는 라디칼이 발생된다. 그 결과, 메시 폭이 넓고 느슨한 비등방성 망(9)이 나타난다. 실온에서 또는 작업 온도 범위(RT)에서, 쌍극자 모멘트가 큰 막대형 분자 및 비-막대형 쌍극성 분자로 이루어진 합성물은 재차 등방성이다. 전압(U)이 인가되면, 합성물(4, 5)의 분자가 E-자력선의 방향으로(수직으로, 다시 말해 기판 면에 대해 수직으로) 배향된다(도 3의 좌측 참조).
일 실시예에서는, 수직 배향을 유도하는 배향층(3)은 가교결합이나 중합이 가능한 기들을 함유한다. 이 경우에는, 비등방성 망(9)이 2개의 기판 경계면에 공유결합 방식으로 고정됨으로써, 상기 망은, (거의 실온에 가까운) 작업 온도(RT)로의 온도 상승에 의해 합성물(4, 5)이 등방성화 되는 경우에도 자신의 비등방성 형태를 특별한 정도까지 그대로 유지하게 된다. 본 발명에서 광가교결합이나 광중합 가능한 기들을 이용할 수 있다.
폴리머 기반의 비등방성 매트릭스 또는 비등방성 망(9)은 전기적으로 야기되는 스위칭 상태를 지지하기 위해서 이용되고, 스위칭 전압을 저하시킨다. 폴리머 기반의 비등방성 매트릭스는 성분 4 내지 8을 갖는 출발 혼합물에 특수한 공정으로 생성된다. 보조 망(9)의 형성에 의해, 폴리머 안정화된 블루 페이즈, 폴리머 안정화된 등방성 상 및 등방성 폴리머 분산상과 마찬가지로, 육안으로 볼 수 있는 상분리가 일어나지 않는다.
자체 배향 기능(대량정렬, 배향층(3))을 갖고 메시 폭이 넓은 비등방성 폴리머 망(9)은 더 낮은 온도 안정성, 낮은 스위칭 전압, 및 자체 구성에 의한 광학 커-효과의 강화를 야기한다.
극단적인 경우에는, 충분히 높은 전압(U)이 인가되는 경우 그리고 정확하게 매칭된 합성물의 조성의 적합한 분자간간 상호작용이 일어날 때만 액정상이 형성된다.
커 액체(K) 내에서의 배열 고정으로 인한 안정화에 의해서 더 낮은 온도 의존성을 얻기 위하여, 등방성 합성물의 커-효과는, 메시 폭이 넓은 비등방성 폴리머 망(9) 내에서 큰 쌍극자 모멘트를 갖는 형태 비등방성 분자의 나노 입자 및 나노 크기의 클러스터에 의해서 달성될 수 있다. 이 목적을 위해, 공유결합 또는 분자간 상호작용에 의해서 자체의 규칙적인 배열체 내에 고정되는 형태 비등방성 분자(4)가 나노 입자 및 나노 크기의 클러스터가 출발 혼합물의 구성 성분으로서 사용된다. 이와 같은 나노 크기의 비등방성 클러스터 및 나노 입자는, 비등방성 망(9) 내에 있는 막대형 분자(5) 및 비-막대형 분자(4)로 이루어진 혼합물을 기본으로 하는 등방성 합성물의 전술된 커-효과를 확장시킨다. 차이점은, 쌍극자 모멘트(5)가 나노 크기의 클러스터 또는 나노 입자 형태로, 큰 막대형 분자가 규칙적인 배열체 내에 고정된 형태로 존재한다는 데 있다(네마틱 페이즈의 클리어 온도 바로 위에서 스웜(swarm)의 예비 순위 효과와 유사함). 이와 같은 클러스터 및 나노 입자는 나노 수준으로 작다(1 ㎚ 내지 200 ㎚, 바람직하게는 5 내지 20 ㎚). 나노 수준의 크기로 인해, 이들 클러스터 및 나노 입자는 합성물의 분산을 전혀 야기하지 않는다. 반응성 기(반응성 메조겐)를 갖는 막대형 분자는 광중합에 의해서, 형성된 액적 내에, 나노 입자 내에 또는 클리어 온도 바로 위에서의 네마틱 예비 순위 스웜 내에 고정될 수 있다. 이와 같은 고정은, 공유결합에 의한 고정 대신에, 비-공유결합 방식의 분자간 상호작용(H-브리지 결합, 이온결합 및 ππ-상호작용)에 의해서도 이루어질 수 있으며, 이는 마찬가지로 더 안정적으로 배열된 나노 크기의 분자 배열을 유도한다. 이와 같은 분자-클러스터 또는 구형의 그리고 비-구형의 나노 입자는 출발 혼합물(4 내지 8) 내에서 분산된다. 결과적으로 나타나는 합성물은 등방성의 비산란 액체이다.
형태 비등방성 분자를 기본으로 하고 배열 고정된 클러스터 및 나노 입자는 한 편으로는 고도로 안정적인 배향 배열에 의해 커-효과의 증가를 야기하고, 특히 클리어 온도 위에 있는 용액 또는 LC 물질 내에서 커-효과의 두드러진 온도 의존성을 최소화시킨다.
분자간 착물 형성과 커-액체(K) 내에서의 예비 순위 효과 간의 상이한 온도 의존성을 이용해 더 적은 온도 의존성을 얻기 위하여, 등방성 합성물의 커-효과는 큰 쌍극자 모멘트를 갖고 생성되는 형태 비등방성 분자(5)의 착물 형성을 토대로 하여, 메시 폭이 큰 비등방성 폴리머 망(9) 내에서의 분자간 상호작용에 의해서 달성될 수 있다. 이 목적을 위해, 쌍극자 모멘트가 큰 막대형 분자(5)는, 예를 들어 H-브리지 결합, 이온결합 및 (예컨대 피리딘/산, 산/산 등의) ππ-상호작용과 같은 분자간 상호작용에 의해서 비로소 형성된다. 분자간 상호작용과 예비 배향 효과의 상이한 온도 의존성은 이 효과의 안정화를 위해서 이용된다. 따라서, 막대형 분자(5)의 순서 경향은 - 막대형 분자(5) 및 비막대형 세미-메조겐(4)으로 이루어진 혼합물을 기본으로 하는 등방성 합성물의 전술된 커-효과에 상응하게 - 비-공유결합 방식의 분자간 상호작용에 의해서 증가된다. 그에 따라, 전압-유도된 배열 효과 또는 강화 효과는, 지나치게 높은 커-상수를 유도하는 자체 구성에 의해서 야기된다.
분자간 착물 형성과 커-액체(K) 내에서의 예비 순위 효과 간의 상이한 온도 의존성에 의해서 더 적은 온도 의존성을 얻기 위하여, 분자간간 상호작용에 의해서 형성되는 세미-메조겐(4)으로 등방성 합성물의 커-효과의 열적인 안정성에 도달할 수 있다. 이 경우에는, 비-막대형 세미 메조겐(4)이 예를 들어 H-브리지 결합 또는 이온성 또는 ππ-상호작용과 같은 분자간 상호작용에 의해서 비로소 형성된다. 세미 메조겐(4)의 형성에 의해, 실온에서 또는 작업 온도 범위(RT)에서 등방성 페이즈가 생성된다. 온도 상승은 비-공유결합 상호작용의 약화 및 착물의 약화를 야기할 수 있다(부분적으로 분해됨). 이와 같은 방식에 의해서, 그 농도는 더 적어지고, 이로써 순서 경향의 제어가 가능해진다. 열적으로 유도되는 착물의 분해, 즉 예컨대 H-브리지 결합의 감소된 형성은, 착물 형성에 의해서 야기되는 전하의 희미해짐(blurring)을 제거해주고, 단편은 더 높은 쌍극자 모멘트를 얻게 된다. 이와 같은 방식에 의해, 합성물은 온도가 상승함에 따라 더 높은 유전성 등방성을 얻게 되고, 커-효과가 지지된다.
본 발명에 따른 활성 합성물(4, 5)의 이용에 의해서 그리고 본 발명에 따른 활성 합성물(4, 5)을 구조화된 그리고/또는 평평한 전극(2) 사이에 있는 박막에 적용함으로써, 다음과 같은 다양한 적용예들이 구현될 수 있다:
Figure 112019082185604-pct00010
굴절 및 회절 광학 요소,
Figure 112019082185604-pct00011
전기적으로 연속으로 조정 가능하거나 두 가지 상태 사이에서 스위칭 가능한 렌즈,
Figure 112019082185604-pct00012
전기적으로 연속으로 조정 가능하고 국부적으로 변형 가능한 렌즈(보정 렌즈, 비구면 렌즈),
Figure 112019082185604-pct00013
국부적으로 그리고 효과에 있어서 연속으로 조정 가능한 시각 교구 또는 두 가지 상태 사이에서 스위칭 가능한 시각 교구(접속 가능한 근거리 시력 부분),
Figure 112019082185604-pct00014
전기적으로 제어 가능한 회절 격자,
Figure 112019082185604-pct00015
편광 독립적인 페이즈 변조.
이하, 본 발명의 전기제어 광학요소의 구조에 대해 도 2~3을 참조해 설명한다.
셀 기판(1):
셀 기판은 유리 또는 플라스틱으로 이루어질 수 있다. 기판은 평평하거나 오목하거나 볼록할 수 있거나 마이크로 렌즈도 구비할 수 있다. 기판(1)은 스페이서(유리- 또는 플라스틱 섬유 부재 또는 소형 구 또는 리소그래픽 방식으로 발생된 폴리머 구조물)에 의해서 수 ㎛의 균일한 간격으로 유지된다. 광학용 접착제에 의해서, 2개의 기판(1)이 전면에서 서로에 대해 고정된다.
전극(2):
유리- 또는 플라스틱 기판(1)에는 투명한 전극(2)이 제공된다. 이 전극은 바람직하게, 스퍼터링, 진공 증착, 프린팅 등에 의해서 기판(1) 상에 적층되는 ITO, 금속 혹은 전도성 폴리머로 이루어진 전극이다. 전극(2)은 면적이 클 수 있거나 구조화될 수 있으며, 이 경우 구조화는 프린팅에 의해서, 전극 적층시에는 마스킹을 이용해서 이루어질 수 있다. 대안적으로, 본 발명의 틀 안에서는, 면적이 큰 전극이 구조화될 수 있다.
배향층(3):
ITO 전극(2) 상에는 배향층(3)의 박막(20 ㎚ 내지 1 ㎛)이 적층되며, 이들 박막은 낮은 온도에서 또는 작업 온도 범위 아래에서 합성물의 수직 배향을 야기한다(T < RT). 이를 위해, 본 발명의 틀 안에서는, 폴리이미드, 폴리비닐알코올, 감광성 폴리머, 레시틴 등과 같은 폴리머가 사용된다.
선택적으로, 배향층(3)은, 반응성 메조겐의 공유결합 또는 그로부터 형성되는 망(9)을 허용하는 (광-)교차 결합 가능한 기를 함유한다.
등방성 혼합물(4,5):
등방성 혼합물은 작업 범위에서는 등방성이다. 비등방성 상태는, 낮은 온도에서 배향층에 의해 경계면 배향에 의해서 성취된다. 이와 같은 비등방성 중간 상태는 오로지 반응성 메조겐(8)의 광중합에 의한 비등방성 망(9)의 생산에만 필요하다. 작업 온도 범위에서는, 막대형 분자들(5)과 비막대형 세미-메조겐(4)이 다시 등방성 상태에 도달한다.
제조 동안의 그리고 전기적으로 제어 가능한 본 발명에 따른 광학 요소의 작동 중의 상태들은 다음과 같다:
1. 실온(RT)에서 기판(1) 사이에서의 합성-혼합물(4, 5)의 등방성 출발 상태.
2. 광중합 전의 작업온도 범위보다 낮은 온도에서의 수직 상태(도 2의 좌측 참조).
3. 작업온도 범위보다 낮은 온도에서 생기는 비등방성 망의 수직 상태(도 2의 우측 참조).
4. 전압(U) 차단에 의해 작업온도 범위에서 비등방성 망을 갖는 등방성 상태(도 3의 좌측 참조).
5. 전압(U)의 인가에 의한 합성물의 배향. 이 배향은 비등방성 망(9)에 의해서 지원된다(도 3의 우측 참조).
새로운 형태의 높은-Δn 물질과 혼합물의 조합, 순서를 설정하거나 분해하는 그리고 커-효과에 기여하는 구성 성분 및 비등방성 폴리머 망(9)의 인-시튜 발생에 의해서, 본 발명에 따른 합성물은 - 전형적인 액체 내에서 커-효과를 이용하는 것에 대하여 - 편광에 의존하지 않는 광학 특성의 전압 유도된 변조의 상당한 증가를 갖는다. 이 경우, 합성물은 다양한 기능 구성 성분들로 구성될 수 있다:
이들 기능 구성 성분은, 한 편으로는 쌍극자 모멘트가 큰 막대형 분자(5)이며, 이 분자의 작업온도에서의 질서도는 실온에서 등방성 액체이면서 저온에서만 액정상을 가질 수도 있는 비막대형 쌍극성 세미-메조겐인 제한된 메조겐 성질(세미-메조겐(4))에 의해 감소된다. 이 경우, 세미-메조겐(4)이 결정적인 역할을 하는데, 그 이유는 세미-메조겐(4)이 막대형 높은-Δn 화합물에 대하여 거의 방해물로서 기능하고, 이로써 작업 온도 범위 내에서 그의 순서 경향을 부분적으로 낮추며, LC-페이즈와 같은 규칙적인 상태의 형성을 방해한다. 그러나 세미-메조겐도 마찬가지로 높은 유전성 비등방성을 갖기 때문에, 세미-메조겐은 협력하여 커-효과에 기여한다.
또 다른 중요한 구성 요소는, 광개시제(6)와 조합된 광가교결합 가능한 반응성-메조겐(8)이다. 작업 온도 범위 아래에서는, 출발 혼합물이 네마틱 LC 페이즈로 존재하고, 이는 경계면 효과 및/또는 전기 전압에 의해서 수직으로 배향될 수 있다. 상기 상태에서 UV-조사는, 반응성-메조겐(8)의 광중합에 의해서 메시 폭이 넓고 느슨하며 비등방성이고 배향 작용하는 망(9)의 형성을 유도한다. 하지만, 결과적으로 나타나는 합성물은 실온에서 또는 작업 온도 범위에서 등방성이고, 비-분산적이며, 광학적으로 투명하다. 하지만, 충분히 높은 전기 전압이 인가되면, 등방성 액체의 막대형 극성 분자(5)가 자력선의 방향으로 기판에 대해 수직으로 배향되며, 이로 인해 굴절률이 변경된다. 이 경우에는, 비등방성 망(9)이 예비 순위 효과에 의해서 합성물의 막대형 극성 분자(5)의 정렬을 지원한다. 그 결과, 스위칭 전압이 더 적은 경우에도 종래 기술에 비해 훨씬 더 강한 굴절률 변조에 도달하게 된다. 또, 공정의 온도 의존성도 현저히 줄어들어, 기술적 이용이 가능하다. 필수적인 전압-유도 굴절률 편이 또는 페이즈 편이는 전기 광학적인 커-효과를 토대로 하여 본 발명에 따른 합성물 내에서 발생된다. 본 발명의 합성물의 전압-유도 굴절률은 매우 짧은 스위칭 시간을 특징으로 한다.
전술된 구성에서는, 모든 스위칭 상태가 투과 방향에 대해 대칭이고, 이로써 편광과 무관하다. 전체적으로 볼 때, 본 발명에 따른 합성물은 렌즈 기능을 갖춘 박막 요소의 제조를 위해 전기 광학적인 기본 효과의 이용을 허용하는데, 그 이유는 굴절률 변조의 값이 상당히 증가되고, 스위칭 시간이 줄어들며, 필요한 스위칭 전압이 감소되기 때문이다. 이 경우, 본 발명의 틀 안에서는, 어드레싱 된 회절 렌즈의 패턴을 갖는 새로운 형태의 합성물이 기본 요소로서 제조될 수 있다. 활성 프레넬- 또는 페이즈-구역 플레이트의 발생은 대안적으로 환상의 비-주기적인 전극 구조물들의 제조 및 이들의 접촉을 요구한다. 링 전극은 ITO 내에서 제조될 수 있다. 두 가지 방법 모두 기판 내에서 또는 활성 물질 내에서 스위칭 가능한 렌즈, 즉 프레넬-구조의 구현을 위해 적합하며, 이 경우 본 발명에 따른 스위칭 가능한 회절 박막-렌즈는 다양한 광학적 적용을 위해서 구상 및 적응될 수 있으며, 이와 같은 내용은 이하에서 더욱 상세하게 설명된다.
전술된 바와 같이, 전자 습윤-원리 및 탄성 중합체-멤브레인을 기본으로 하는 스위칭 가능한 렌즈는 자체 중량, 부피가 큰 공급 구성 요소 및 제한된 애퍼처로 인해 시각 교구 및 망원경-안경에는 덜 적합하다. 하이브리드 광학 수단의 제조를 위해서도, 상기와 같은 접근 방식은 제한적으로만 이용 가능하다.
액정을 기본으로 하는 스위칭 가능한 렌즈는 상기와 같은 단점들을 나타내지 않는다. 하지만, 배향된 액정의 편향 의존성은 상기와 같은 접근을 강하게 제한한다. 이와 같은 단점을 극복하기 위해서는, 예컨대 편광기 또는 반대 방향의 LC-배향을 갖는 다수의 LC-요소(A.Y.G.; Ko, S. W.; Huang, S. H.; Chen, Y.Y.; Lin, T.H., Opt. Express 2011, 19, 2294-2300 참조) 또는 반대 방향으로 배향되는 층(특히 Ren, H.; Lin, Y.H.; Fan, Y.H.; Wu, S.T. Appl. Phys. Lett. 2005, 86, 141110; Lin, Y.H.; Ren, H.; Wu, Y.H.; Zhao, Y.; Fang, J.; Ge, Z.; Wu, S.T. Opt. Express 2005, 13, 8746-8752; Wang, B.; Ye, M.; Sato, S., Opt. Commun. 2005, 250, 266-273 참조)과 같은 추가의 광학 구성 요소들이 사용되어야만 한다. 그러나 이로 인해서는 광 출력이 줄어들고, 시스템 구조가 훨씬 더 복잡해지며, 제조시 추가의 오류 원인이 생성된다.
그와 달리, PDLC를 기본으로 하는 등방성 LC 요소는 OFF-출발 상태에서 상이한 배향의 액적의 강한 분산을 갖는다. 광학적으로 두 가지 상태에서 거의 투명한 나노-PDLC 시스템도 마찬가지로 잔류 분산을 갖는다. 그밖에, 필수적인 스위칭 전압도 비교적 높고, 스위칭 시간은 나노미터 크기의 액적과 이 액적을 둘러싸는 폴리머 매트릭스의 상호작용 때문에 다른 액정(LC) 요소보다 훨씬 더 길다.
LC 요소에서는 (특히 자장이 없는 상태에서) 유전성 재배향의 공정이 일반적으로는 상대적으로 느리기 때문에, 최근 몇 년 동안에는, LCD의 그리고 다른 LC-요소를 위한 더 짧은 스위칭 시간에 도달하기 위하여, 수많은 접근 방식들이 수행되었다. 그에 대한 예들은 다음과 같다: NLC's의 점탄성 파라미터의 최적화, 시스템의 초과 제어(D.-K. Yang 및 S.-T. Wu, fundamentals of Liquid Crystal Devices (John Wiley, New York, 2006) 참조), 서브-㎛-폴리머-망-템플릿 내에서 NLC's의 "새로운 정렬"(J. Xiang 및 O. D. Lavrentovich, Appl. Phys. Lett. 103, 051112 (2013) 참조) 또는 또한 "Dual Frequency"-LC's(DFLC)(B. Golovin, S. V. Shiyanovskii, 및 O. D. Lavrentovich, Appl. Phys. Lett. 83, 3864 (2003) 참조), 표면 안정화된 강유전성 LC's(SSFLC) 또는 chiral smektischen LC's(G. Polushin, V. B. Rogozhin, 및 E. I. Ryumtsev Doklady Physical Chemistry, 2015, Vol. 465, Part 2, pp. 298-300 참조).
극성 분자의 정렬(예를 들어 Bing-Xiang Li, Volodymyr Borshch, Sergij V. Shiyanovskii, Shao-Bin Liu; Oleg D. Lavrentovich, Appl. Phys. Lett. 104, 201105 (2014) 참조)을 토대로 하고 배향된 액정의 LC-다이렉터의 유전성 재배향을 필요로 하지 않는(프레드릭-효과) 커-효과는, 나노 초-범위 안에 있는 스위칭 시간을 갖는다(1-33 ns). 하지만, 종래의 커-액체를 위해서 필수적인 스위칭 전압은 수백 볼트(300 내지 900 V, E =~108 V/m)이며, 이 경우 전기적으로 유도되는 이중 굴절의 값은 0.001 내지 0.01에 달한다. 이와 같은 접근 방식은 복잡한 제어 회로에 의해서, 히스테리시스-특성에 의해서 그리고 또한 불안정한 스위칭 상태(Su Xu, Yan Li, Yifan Liu, Jie Sun, Hongwen Ren, Shin-Tson Wu, Micromachines 2014, 5, 300-324)에 의해서도 제한되어 있다.
일 대안은, 복잡한 3D 구조를 갖지만 자장이 없는 상태에서 광학적으로 등방성인 블루 LC 페이즈이다. 이와 같은 등방성 블루 LC 페이즈는 짧은 스위칭 시간을 특징으로 하지만, 이 페이지의 매우 작은 열적인 존재 범위 때문에 렌즈-사용을 위해서는 부적합하다. 폴리머 보강된 블루 페이즈(PSBP, Su Xu, Yan Li, Yifan Liu, Jie Sun, Hongwen Ren, Shin-Tson Wu, Micromachines 2014, 5, 300-324 참조)는 더 높은 굴절률 변조를 나타내고, 적용과 관련된 존재 범위를 갖지만, OFF-상태에서 상대적으로 높은 스위칭 전압 및 명백한 분산 효과(Y. Haseba 및 H. Kikuchi, Mol. Cryst. Liq. Cryst., 2007, 470,1; Young-Cheol Yang 및 Deng-Ke Yang Applied Physics Letters 98, 023502, 2011 참조)를 갖는다.
전기장 내에서 극성 분자의 배향은 오래전부터 광학 커-효과로서 공지되어 있다. 하지만, 예컨대 니트로벤젠 및 이황화 탄소와 같은 종래의 액체의 커-상수는 렌즈에 적용하기에는 10배만큼 지나치게 낮고, 관련 층 두께를 위한 스위칭 전압은 10배만큼 지나치게 높다. 밀리 초-범위 및 서브-ms-범위 안에 있는 스위칭 시간을 갖는 훨씬 더 높은 커-상수는 네마틱 액정의 등방성 용융물을 갖는다(F. Costache, M. Blasl Optik & Photonik Volume 6, Issue 4, pages 29-31, December 2011 참조). 이는 편광이 없고 신속하게 스위칭 되며 효율적인 커-시스템을 유도한다. 이 효과는 공식적으로 두 가지 원인을 갖는데, 한 편으로는 길게 연장된 π-시스템을 갖는 막대형 극성 액정이 높은 커-상수를 야기하고, 다른 한 편으로는 클리어 온도 위에 있는 분자 스웜의 네마틱 예비 순위 효과에서 그 원인을 찾을 수 있다. 그로부터 결과적으로 나타나는 이 효과의 극도로 강한 온도 의존성은 상기와 같은 접근 방식의 주요 단점이다.
전술된 단점들은 본 발명에 따른 등방성 합성물에 의해서 극복된다. 비등방성 폴리머 망(9) 내에서 등방성 메조겐과 세미-메조겐-혼합물의 조합에 의해, 신속한 스위칭 시간 및 적절한 스위칭 전압에서 굴절률 변조의 높은 값에 도달하게 된다. 새로운 유형의 재료 컨셉은, 광학 커-효과를 토대로 하는 전기적으로 스위칭 가능하거나 조정 가능한 광학 렌즈 또는 다른 광학 요소를 제조하기 위해서 이용될 수 있다.
이를 위해, 매우 높은 굴절률-비등방성을 갖는 쌍극성 막대형 분자들, 특히 액정 화합물이 선택되었고, 이에 매칭되었으며, 등방성 세미-메조겐이 개발되어 액정 화합물과 혼합됨으로써, 결과적으로 나타나는 두 가지 성분의 혼합물은 다만 잠재된 액정 특성만을 갖게 된다. 특히, 이들은 작업 온도 범위 안에서 전기 전압의 인가 없이도 등방성 액체로서 존재한다. 본 발명에 따른 세미-메조겐-4는 구조, 그 특성 조합 및 기능에 있어서 새로운 부류의 기능 물질이다. 이를 위해 필요한 특성을 적합한 분자 설계 및 효율적인 합성에 의해서 조정하는 과정은 이하에서 더욱 상세하게 설명된다.
본 발명에 따른 합성물은 광학적이고 다이내믹한 특성의 정확한 설정 그리고 상기 혼합물의 주요 성분들의 분자간 상호작용의 정확한 설정을 필요로 하며(도 3 참조), 다음과 같이 구성된다:
- 막대형 분자, 특히 굴절률-비등방성이 높은 액정 화합물,
- 순위를 설정하기 위한 세미-메조겐(4) 그리고
- 비등방성 망(9)을 형성하기 위한 광중합 가능한 반응성-메조겐(8).
본 발명에 따라, 커-혼합물은 굴절률-비등방성이 큰 액정인 막대형 분자(5)을 함유한다. 이들의 높은 질서도와 높은 용융점과 클리어 온도는 세미-메조겐(4)과의 혼합에 의해서 낮아지므로, 혼합물이 실온과 같은 작업온도 범위(RT) 안에서는 등방성 액체로서 존재한다. 복잡한 일련의 테스트에서는, 상기 특성 조합을 설정하기 위한 다양한 분자 접근 방식이 검사되었다: 적합한 길이/폭-비율의 설정에 의해서, 단단한 방향족 고리계의 길이의 변화, 날개 기의 길이 및 분지의 변화에 의해서, 그리고 헤드 기(head group)의 극성 변화에 의해서, 다시 말해 일반적으로는 LC-페이즈를 억제하는 적합한 분자간 상호작용의 설정에 의해서. 극성 세미-메조겐(4)은, 마찬가지로 전기장 내에서 배향될 수 있지만 혼합물의 액정 특성을 억제하도록 설계되었다. 이들은 등방성 액체이고 잠재된 액정 특성만을 갖는다.
마찬가지로 요구되는 커-혼합물의 광학적이고 전기 광학적인 특성 측면에서, 세미-메조겐(4)은 임의의 용매로 대체될 수 없다. 액정의 배향 순위는 본 발명에 따라 규정된 바대로 해체되고 설정된다. 이로써, 최종 혼합물은 작업 범위 안에서는 광학적으로 등방성인 액체로서 존재해야 하지만, 네마틱 예비 배향 경향을 갖는다. 하지만, 낮은 온도에서는, 액정이어야 하고, 배향층에 의해서 또는 전기장의 인가에 의해서 수직으로 정렬되어야 한다. 이와 같은 규정된 배향 순위는, 낮은 온도에서 광중합에 의한 비등방성 망의 구성을 위해 필수적이다.
세미-메조겐(4)은 추가의 기능을 충족시켜야만 하며, 이로써 본 발명에 따라 세미-메조겐의 분자 설계에 의해서 또한 광학적인 커-효과에도 기여하게 된다. 그렇기 때문에, 세미-메조겐도 마찬가지로 높은 유전성 비등방성을 가져야만 하고, 높은 굴절률-비등방성에 기여해야만 하며, 전기장 내에서 혼합물의 협력적인 배향을 지원해야만 한다. 상기와 같은 다양한 특성들의 조합은 다음과 같은 구조 특징에 의해서 성취된다:
(1) 액정 순위의 해체는 알킬 날개 기의 2차 또는 3차 분지에 의해서 그리고/또는 측면 치환체에 의해서 달성될 수 있다.
(2) 높은 유전성 비등방성, 높은 커-상수 또는 높은 굴절률-비등방성은 극성 헤드 기의 변화에 의해서 그리고 단단 분자 부분 내에 헤테로 사이클을 도입함으로써 달성된다.
세미-메조겐(4)의 기본적인 구성은 도 4에서 인용할 수 있다.
등방성 세미-메조겐(4)의 기술된 기능성은 적합하게 치환된 바이페닐을 토대로 해서 달성될 수 있다. 특히 분지된 날개 기는 분자의 폭을 심하게 확대시키고, 전이 온도의 두드러진 강하를 유도한다. 변경된 길이/폭-비율에 의해서는, 네마틱 페이즈의 형성이 방해될 수 있거나 상기와 같은 페이즈의 존재 범위가 강하게 줄어들 수 있다. 이와 같은 상황은 예컨대 메틸기 및 에틸기를 지방족 날개 기의 분지로서 형성함으로써 달성되며, 이 경우에는 날개 기에서의 분지의 위치가 매우 중요하다.
상기 구조 특성은 이하에서 a) 2차 분지를 갖는 날개 기에 대해서, R = CN
Figure 112019082185604-pct00016
이고, b) 3차 분지를 갖는 날개 기에 대해서, R = CN
Figure 112019082185604-pct00017
이다.
높은 유전성 및 광학적인 비등방성, 즉 높은 Δε- 및 Δn-값을 갖는 등방성 세미-메조겐(4)을 합성하기 위한 목적은 예컨대 극성 헤드 기에 의해서 촉진될 수 있다. 한 편으로는 전기적으로 유도 가능한 이중 굴절에 기여하고, 다른 한 편으로는 높은 유전성 등방성에 기여하는 특히 적합한 기로서, 다음과 같은 치환체가 바이페닐-구조의 파라-위치에 삽입되는 것, 즉 극성 헤드 기를 갖는 메조겐 단위체의 치환이 장점이 된다:
Figure 112019082185604-pct00018
또한, 영구적인 쌍극자 모멘트 및 이로써 세미-메조겐(4)의 유전성 비등방성(Δε)이 페닐 고리를 헤테로 방향족 코어로 교환함으로써 증가될 수 있다. 분자 구조는 헤테로 방향족 코어에 의해 단지 약간만 변하는 한편, A. Boller, M. Cereghetti, H. Scherrer, Z. Naturforsch., Teil B, 33,433 (1978)에 따라 유전성 특성에 대한 강한 영향이 예상되며, 이 경우 헤드 기와 비교되는 헤테로 원자 또는 또한 헤테로 방향족 화합물의 위치는, 쌍극자 모멘트가 부가적인 특성을 나타내도록 선택될 수 있다. 유전성 비등방성의 증가 외에, 편광화 가능성 비등방성의 증가 및 이로써 더 높은 이중 굴절도 예상될 수 있다. 이와 같은 상황은 특히 피리딘-고리를 갖는 세미-메조겐(4) 및 헤드 기의 변화에 대하여 다음과 같이 도시되어 있다.
Figure 112019082185604-pct00019
유전성 비등방성은 또한 단단한 고리에 있는 극성 기들에 의해서도 증가될 수 있다. 가로 방향 치환체는 동시에 2량체 형성에 의해 쌍극자 모멘트의 부분 보상을 저지한다.
이로써, 특히 3,5-지점에 2개의 플루오르 방향족 화합물을 도입하는 것은 약 8.5 단위 만큼의 유전성 비등방성의 증가를 야기한다(P. Kirsch, A. Hahn, Eur. J. of Org. Chem. (2005), (14), 3095-3100 참조). 가로 방향 3,5-치환체의 경우에는, 부분 전하가 분자 세로 축을 따라 그대로 유지되며(즉, 쌍극자 모멘트가 세로 축에 대해 평행하게 유지되며), 이로부터 결과적으로 양의 유전성 비등방성이 나타난다. 동시에, 가로 방향 치환체는 전이 온도의 저하를 야기한다. 특히, 극성 치환체의 도입에 의한 유전성 비등방성의 증가가 다음과 같이 나타난다.
Figure 112019082185604-pct00020
본 발명에 따라, 등방성 혼합물의 자장 유도된 정렬의 지원은 비등방성 폴리머 망(9)에 의해서 이루어진다. 잠재된 액정질 합성물의 네마틱 예비 순위 효과와 조합된 망(9)의 정렬 메모리-효과가 광학적인 커-효과를 강화시킨다.
망(9)의 또 다른 중요한 과제는, 스위칭 공정의 온도 의존성이 두드러지게 감소한다는 데 있다. 망(9)의 구성을 위해, 특히 방향족 반응성 메조겐(8) 및 지방족 모노머가 막대형 분자들, 바람직하게는 메조겐과 세미-메조겐(4)으로 이루어진 등방성 혼합물 내로 삽입된다. 다음, 이들은 합성물이 수직 배열된 상태에서 광중합에 의해 낮은 온도에서 중합되고, 메시 폭이 넓은 비등방성 망(9)을 형성한다. 반응성 메조겐(8)의 혼합은 출발 혼합물에서 그리고 망 구조의 구성 후에 최종 합성물에서 분자간 상호작용의 매칭을 요구한다. 추가로 망(9)의 높은 안정성에 도달하기 위하여, 망(9)은 배열 층(3)의 기능화에 의해 기판과 고유 결합된다. 도 6은 다차원적인 비등방성 망의 형성을 보여준다, 즉:
a) 수직으로 배향된 혼합물(예비 합성물) 내에서의 반응성 메조겐(8)과의 등방성 혼합(도 6a 참조) 및
b) 망 안정화된 분자와 망(9) 및 배열층(3)의 공유결합(도 6b 참조).
배열 층(3)의 경계면에서의 망(9)의 공유결합은 전기 광학적인 스위칭 특성 및 장시간 안정성의 두드러진 개선을 유도한다. 이 목적을 위해, 배열 재료가 온도 안정적인 반응성 기(예컨대 OH-기)로 기능화되어, 2기능 반응성 메조겐들(8)과의 연결을 형성할 수 있다. 변형된 재료가 기판상에 증착될 수 있고, 기능 기는 이작용성 반응성-메조겐(8)과 반응할 수 있도록 변형된다. 라디칼 광중합에 의해 느슨해진 망 형성이 기능화된 2개 배열 층(3)과의 결합을 형성함으로써, 결과적으로 등방성 망(9)은 경계면 안정화된 상태에서 셀을 영구적으로 가로지른다. 이 경우에는, 경계면에서의 결합 지점의 필수적인 농도를 적절하게 조절할 수 있다. 이를 위해, 배열층(3)을 코팅 및 건조 후에 적절한 반응성 용액으로 개질하는데, 기능성 화합물들은 플라즈마 공정으로 기능화된 배열층 표면의 코팅 물질에 이미 함유되어 있다.
지방족 모노머와 방향족 반응성 메조겐을 토대로 하는, 망 형성에 의한 합성물 특성의 개선 외에, 가능한 분리 현상도 억제된다.
본 발명에 따른 커-합성물은, 예를 들어 렌즈 적용 분야를 위해, 특히 시각 교구 및 망원경-안경을 위해 다음과 같은 요구 프로파일에 상응한다:
- 높은 커-상수
- 높은 유전성 비등방성
- 세미-메조겐(4)에 의한 작업 온도 범위에서의 액체 상태 및 등방성
- 막대형 분자(5) 및 극성 세미-메조겐(4)에 의해 전기적으로 유도 가능한 높은 굴절률 변조
- 전체 작업 온도 범위에서의 우수한 균질성(물질들의 혼합 가능성, 적은 위상 분리 경향)
- 낮은 회전 점성에 의한 적은 스위칭 시간
- 가시 스펙트럼 범위에서의 적은 흡수
- 높은 (광)-화학적 안정성.
또한, 편광 비의존성 및 접근 방식의 신속한 스위칭 시간도 액정을 토대로 하는 접근 방식과 비교되는 중요한 장점이다. 본 발명에 따른 합성물은 막대형 극성분자들의 높은 커 상수와 높은 분자량 질서도를 특징으로 하는 액정질 시스템의 장점들을, 낮은 회전점도와 아주 짧은 스위칭시간을 특징으로 하는 등방성 액체의 장점에 합친 것이다.
DE10 2015 015 436A1과 WO2017/092877A1에 따른 실시예들로부터 시작해, 본 발명에 따른 표면구조를 이용한 렌즈, 특히 구조적 전극을 이용해 개발된 커 혼합물의 국부적으로 다른 배향에 의한 렌즈 효과부터 시작한다. 광학적 유효면 프로필(O)의 목적은 렌즈 기능의 실현에 있다. 굴절율이 충분하거나 위상편이가 유도되면, 모든 빛이 초점에서 합쳐지도록 빛이 위치에 따른 각도로 굴절된다.
도 1에 도시된 본 발명의 실시예는 광학적 유효 표면 프로필(O)을 기반(1a,1b)의 하나나 둘다에 구현한다. 이런 표면 프로필(O)은 계단식이나 위상판이나 격자면일 수 있다. 표면 프로필(O)은 충전된 박막셀의 정지상태에서는 광학적으로 비활성인데, 이는 재료가 본 발명의 (전기활성) 합성물(K)와 거의 같은 굴절율을 갖기 때문이다. 전압 U를 인가하면, 전기광학 활성물질의 굴절율이 변해, 광학기능이 실행된다. 계단식 렌즈의 경우, 박막셀(D)의 전압의존 굴절능이 생긴다. 렌즈의 굴절능의 크기는 인가된 전압(U)의 크기에 좌우된다. 격자면의 경우, 빔스플리터, 컴바이너, 모노크로메이터, 멀티플렉서 또는 디멀티플렉서를 구현할 수 있다.
본 발명의 경우 광학적 유효 표면 프로필(O)을 회절렌즈나 프레넬렌즈로 디자인한 것을 특징으로 한다. 이런 표면프로필(O)은 프로필 높이 위상편이나 굴절각에 맞게 적절한 굴절율을 생성하여, 프로필의 다른 위치들에서 나오는 모든 빛이 초점에서 만나거나(수렴렌즈) 가상의 초점에서 나오는 것(확산렌즈)처럼 할 수 있다는 특징을 갖는다.
본 발명의 광학적 표면프로필(O)은 회절격자에도 적용할 수 있다. 표면프로필(O)은 파장의존 굴절각에 따라 위치에 맞는 굴절율을 만들어, 같은 파장을 갖는 빛들은 같은 각도로 굴절되도록 한다. 이런 식으로, 다색광(백색광)을 공간적으로 분리된 스펙트럼으로 분할할 수 있다. 따라서, 스위칭이나 조절 가능한 모노크로메이터를 구현할 수 있다.
이런 표면프로필(O)의 장점은 렌즈나 모노크로메이터나 다른 광학요소의 광학기능을 복잡한 전극구조 없이 구현할 수 있어, 간단한 평면전극들을 사용해 필요한 전기장을 만들 수 있다. 본 발명에 따른 광학요소의 무전압 상태에서는 표면프로필(O)과 전기광학 재료 사이에 전달방향으로의 굴절율 차가 없기 때문에, 이 상태에서는 모든 요소가 광학적으로 중립이다.
또, 프레넬렌즈나 굴절렌즈로 디자인된 표면프로필(O)의 굴절율은 무응력 전기광학 활성물질보다 적당히 크다. 이때문에 동일한 요소로 전압의존 수집렌즈나 산란렌즈를 구현할 수 있다. 렌즈 프로필이나 표면프로필(O)의 광학적 특성을 선택하면, 확산렌즈에 전압을 인가할 때 전기조절 렌즈가 무전압 상태의 산란렌즈인지 여부를 결정할 수 있다.
또, 박막셀의 양쪽 기판(1a,1b) 둘다에 표면프로필(O)을 구현할 수도 있다. 이 경우, 동일한 구조적 깊이의 프로필로도 스위칭 가능한 렌즈의 굴절율을 2배로 할 수 있다.
또, 양쪽 기판(1a,1b)에서 내면의 표면프로필(O)을 격자면으로 구현해 서로 역병렬되게 배향할 수도 있다. 이 경우, 평행빔 스플리터를 구현하고, 강도비를 조절할 수 있다.
표면프로필(O)을 기판(1a,1b)에 구현할 수 있는데, 예를 들면 광학유리에 마이크로머시닝, 그라인딩, 에칭 또는 리소그래픽 기술을 적용해 할 수 있다. 표면프로필(O)을 프린팅이나 마이크로프린팅이나 나노프린팅으로 만들 수도 있다.
다른 방법은 광학적으로 적당한 플라스칙을 프레싱하는 것인데, 프레싱공구로 원하는 표면프로필(O)을 성형하면 되고, 이 방법은 제조비가 상당히 절감된다.
또, 표면프로필(O)을 기판(1a,1b)에 복제할 수도 있다. (황동이나 양은으로 된) 금속블록의 표면을 정밀가공하거나 다른 가공을 하여 원판(마스터)에 원하는 표면프로필(O)을 먼저 형성한다. 이 원판을 적절한 재료로 주조하여 스탬프를 형성한다. 바람직한 재료로는 경화 실리콘을 사용할 수 있다. 경화 실리콘은 압인 정밀도가 아주 훌륭하고 원판에서 쉽게 분리되는 특징을 갖는다. 이렇게 제작된 스탬프를 적절한 기판(1a,1b)에 프레스하고, 이런 기판은 열이나 광화학 경화재료로 미리 코팅되어 있지만, 스탬프를 코팅할 수도 있다. 재료를 경화한 뒤, 기판에서 스탬프를 분리하면, 경화재료와 표면프로필(O)가 기판에 잔류하여 광학적으로 유효한 표면프로필(O)이 원판의 복제처럼 형성된다. 복제로 적절한 재료에는 UV 경화 플라스틱이 있다. 이 방법은 비용이 아주 저렴하다.
ITO나 다른 (부분적으로) 투명한 전도체로 된 투명 전극들(2a,2b)을 갖는 내측면에 기판(1a,1b)이 제공된다. 전극들(2a,2b)은 절연층(3)으로 코팅되고, 절연층은 작동 온도범위 이하에서 전기활성 합성물(K)의 출발 혼합물의 반응성 메조겐(8)들과 활성 요소들(4,5)을 표면에 수직으로 배향한다(도 2 참조). 표면프로필(O)은 전극들(2a,2b) 밑에 배치되거나(도 1a 참조), 위에 배열된다(도 1b 참조). 여기서는 평탄한 전극들(2a,2b)을 사용한다.
도 1a, 1b는 각각 광학적 활성 표면프로필(O)을 갖는 셀을 보여주는데, 도 1c~d는 이런 표면구조를 갖지 않고, 평탄 구조의 전극들(2a,2b), 예컨대 ITO로 된 링이나 띠 모양의 전극들을 보여준다. 도 1a~b의 표면프로필(O)에 비해, 도 1c~d의 셀은 60nm 정도로 훨씬 얇지만 광학적 효과를 갖지 않는다.
광학적 유효 표면프로필을 갖는 도 1a~b의 셀들은 2개의 유리기판들(1a,1b)로 구성되고, 이런 기판의 내면에에 대면적의 도전 ITO 전극(2a,2b)이 각각 배치된다. 전극들(2a,2b)에는 절연층과 배향층(3)이 부착된다. 재료에 따라서는 배향층(3)이 2가지 기능을 모두 수행할 수도 있다. 기판들(1a,1b) 중의 하나나 둘다 렌즈효과를 갖는 중합성 표면프로필(O)에 배치된다. 재료와 (플라즈마 처리와 같은) 공정조건에 따라, 광학적 표면프로필(O)이 배향층(3) 역할을 할 수도 있는데, 재료가 최소 100nm 두께를 가지면 절연기능도 할 수 있다. 표면프로필(O)이 전극(2a,2b) 전체 표면을 커버하지 않으면 배향층(3)을 표면프로필(O)에 붙일 수도 있다. 기판들(1a,1b)의 간격을 일정하게 유지하기 위해 스페이서(도시 안됨)를 배치하고, 액정 디스플레이 분야에 공지된 장기간 안정 물질로 고정할 수 잇다. 이어서, 전기광학 활성 혼합물이나 합성물(K)의 전구체 혼합물로 셀을 충전하고 밀봉한다.
편의상, 도 1a~b에는 배향층(3)과 스페이서가 생략되어 있다. 그러나, 도 6에 동일한 구조가 도시되어 있다. ITO 전극에 두께 20nm 내지 1㎛의 배향층(3)이 부착되어, 작동온도보다 낮은 온도(T<RT)에서 합성물(K)의 수직 배향을 일으킨다. 이를 위해, 폴리이미드, 폴리비닐 알콜, 감광성 폴리머, 레시틴과 같은 기존의 폴리머들을 사용할 수 있다. 한편, 배향층(3)이 반응성 메조겐(8)이나 이로인한 망(9)의 공유결합을 일으키는 (광)반응 기들을 가질 수도 있다.
아래 기능들을 실행해야 하는 다양한 조합들이 있다:
1. 절연층: 전류 흐름을 방해하는 전극(2a,2b)의 절연체.
2. 배향층: 저온에서 전구체 혼합물의 수직 정렬을 하기위한 정렬기능.
3. 비등방성 망(9)의 고정: 기판(1a,1b)에 대한 비등방성 망(9)의 공유고정.
그러나, 어떤 막이나 층들이 다중 기능을 취할 수도 있다. 따라서, 표면프로필(O)도 전극(2a~b) 밑의 절연체 기능을 할 수도 있다. 재료와 공정이 적절하면, 표면프로필(O)이 수직정렬을 수행할 수도 있다.
배향층(3)의 일부로서의 관능기에 의해, 배향층(3)의 플라즈마 처리에 의해, 또는 반응기에 의한 표면프로필(O)의 표면 개조에 의해 비등방성 망(9)의 고정을 할 수 있다. 이런 반응기들은 반응 메조겐들(8)과의 공유결합을 형성하여 망(9)을 안정되게 고정할 수 있다.
도 1a~b에
도시된 표면프로필(O)과는 반대로, 도 1c~d의 전극 구조체는 두께가 60nm 정도이다. 전극(2a,2b)에 절연층이나 배향층(3)이 필요할 수도 있다. 이 실시예에서는, 전극(2a~b) 중의 하나나 둘다 개별적으로나 전체적으로 구동되는 개별 전극의 집합이다. 본 실시예에서, (하부) 전극은 링 전극(2b)의 집합이고 나머지 상부 전극은 평탄전극으로 디자인된다. 링 전극(2b)의 폭과 직경은 구역 판의 조건에 대응하도록 디자인된다. 전압(U)이 전극(2)을 갖는 충전된 박막셀(D)에 적용되면, 전기활성 물질내의 구역들이 상하 전극들(2a,2b) 사이에 형성되고, 이런 전극들은 전기장 범위에 없는 것과는 다른 굴절율을 갖는다. 이런 식으로 광학적 기능을 하는 전기활성 합성물(K)내에 굴절율 프로필이 생성된다. 이 실시에에서, 빛의 경로에서 굴절렌즈 기능을 하는 위상구역 판이 구현된다.
본 발명의 구조적 전극을 갖춘 셀은, 양쪽 전극들(2a,2b)이 띠전극으로 디자인된 것을 특징으로 하기도 한다(도 1d 참조). 양쪽 전극들(2a,2b)이 서로 직교하면서 개별적으로 제어할 수 있으면, 전압(U)을 걸었을 때 서로 다른 위상편차를 갖는 화소들을 생성할 수 있다. 박막셀(D) 전체가 가변구조의 위상 마스크 역할을 한다. 양쪽 전극(2a,2b)이 평행으로 배열되면, 전압을 걸어서 굴절율 격자를 구현할 수 있고, 이런 격자는 빔스플리터, 컴바이너, 모노크로메이터, 멀티플렉서 또는 디멀티플렉서 역할을 한다.
전극들(2a,2b)의 역할은 전기광학적 활성물질의 굴절율을 조절하는데 필요한 전기장을 만드는데 있다.
주어진 전압(U)에서의 전계강도가 전극들(2a,2b)의 간격이 넓을수록 크게 감소되므로, 전극들을 전기광학 활성물질에 가능한한 가까이 두는 것이 좋고, 이런 활성물질은 절연에 적절한 박막 물질에 의해 전극들에서 떨어져 있다. 이것이 광학효과 표면프로필(O)을 갖는 기판(1a,1b)에 필수는 아닌데, 이는 이런 프로필이 절연체 역할도 하기 때문이다.
박막셀의 구성에 유리기판(1a,1b)을 사용할 수도 있는데, 투명한 도전층을 갖는 안쪽을 향한 측면에 제공한다. 이런 도전층이 예컨대 ITO(indium tin oxide)로 구성될 수 있다. 표면프로필(O)이 기판(1a,1b)에 없으면, 예컨대 중분하지만 얇은 두께(100nm 정도)를 갖는 폴리아미드를 스핀코팅과 열처리하여 절연층을 평평하게 부착한다. 그러나, 어닐링 공정 전에, 기판 가장자리에서 절연체를 제거하여 후에 전극(2a,2b)이 접속될 수 있도록 한다. 이렇게 사용되는 재료는 액정을 수직으로 배향할 수도 있어야 한다.
또, 표면프로필(O)의 재료는 전류를 흘리기에 적합하기도 하다. 이 경우, 무기 도전층을 부착하는 일반적 방법에 적합하지 않는 기판 재료도 사용할 수 있다는 장점이 잇다. 이 경우, 추후 적당한 절연층을 부착한다.
또, 표면프로필(O)을 기판(1a,1b)에 사용할 경우, 표면프로필(O)에 도전 투명층을 부착한다. 이어서 전술한 것처럼 절연층을 배치한다. 이 실시예는, 제조공정중에 프레스법으로 표면프로필(O)을 기 부착한 플라스틱 기판을 사용할 수 있다는 장점을 갖는다.
시각 교구를 위해, 본 발명에 따른 렌즈는, 적절한 스위칭 시간에서 전기적으로 조정 가능한 편광 없는 근거리 시력을 갖고, 적용에 상응하게 42 V 미만의 비임계적인 스위칭 전압을 갖는다. 렌즈의 직경은 적절한 시야를 가능하게 하고, 스위칭 가능한 렌즈의 굴절률은 한 자리 디옵터-범위 안에 있는 값에 놓여 있다. 광학적인 기능이 실질적으로는 광파장에 덜 의존적이고 회절 효율이 상당히 높음으로써, 결과적으로 "유령 상의 형성"이 피해진다. 또한, 본 발명에 따른 렌즈가 전형적인 안경 유리와 조합 가능하고, 요소의 제어를 위해 적은 중량 및 구성 부피를 가짐으로써, 결과적으로 이 렌즈는 정상적인 안경 유리와 함께 통합될 수 있거나 안경 프레임 내에 통합될 수 있다.
본 발명의 틀 안에서, 시각 교구를 위한 이용은 튜닝 가능하고 개별적으로 조정 가능한 시각 교구로 확장될 수 있다. 투과성 LC-디스플레이의 전극-래스터와 유사한 픽셀화된 전극-래스터를 이용함으로써, 매우 작은 영역에 대해 광학적인 특성들이 개별적으로 조정된다. 이로써, 난시의 교정을 위해 필요한 것과 같은, 예컨대 방향 의존적인 굴절률을 갖는 회절 렌즈의 발생이 가능해진다. 그 다음에, 렌즈의 조정은, EP 1 463 970 B1호의 전자식 양안 안경에서 기술된 바와 같이 개별적으로 적응 및 저장될 수 있다.
본 발명의 틀 안에는, 본 발명에 따른 렌즈를 망원경-안경용의 스위칭 가능한 확대 시스템에 사용하는 것이 포함되어 있다. 확대 시스템에서는, 시각 교구 분야에서와 부분적으로 유사한 요구 조건들이 존재한다. 하지만, 접안 렌즈 및 대물 렌즈의 굴절률은 훨씬 더 강화되어야만 한다. 하지만, 필수적인 애퍼처에서는, 특히 접안 렌즈에 대한 요구 조건이 훨씬 더 적다. 확대 시스템을 위해서는, 2.5의 확대 인수가 충분하다. 개별 요소에서와 마찬가지로, 얻고자 하는 높은 지지 안락감을 가능하게 하기 위하여, 가급적 적은 중량을 갖는 시스템도 구현될 수 있다. 이 점에서, 본 발명에 따른 해결책은 현재 사용 가능한 망원경-안경과 뚜렷하게 구별된다. 또 다른 한 가지 중요한 장점은 당연히 전체 시야의 오프 상태에서 이용 가능하다는 데 있다; 통합될 제어 요소 및 공급 요소는 이와 같은 상황을 제한하지 않는다.
본 발명에 따른 렌즈는, 아래의 표에서 알 수 있는 바와 같이,
*a) 시각 교구, 특히 스위칭 가능한 근거리 시력 부분을 갖는 시각 교구를 위한 전기적으로 조정 가능한 편광 없는 근거리 시력을 위한,
b) 튜닝 가능하고 개별적으로 조정 가능한 시각 교구를 위한(투과성 활성 매트릭스-디스플레이에서와 유사하게, ㎛-구조화된 전극을 이용해서 픽셀 방식으로 제어되는 시각 교구), 그리고
c) 망원경-안경 또는 다기능 안경용의 스위칭 가능한 확대 시스템을 위한 기술적인 요구 조건들을 충족시킨다.
Figure 112019082185604-pct00021
충족되는 또 다른 요구 조건들은 높은 투명도, 재생 가능성, "유령 상 형성"을 피하기 위한 높은 신뢰성 및 높은 충전율 그리고 편광에 의존하지 않는 기능 방식이다. 더 나아가, 오프-상태에서는 개별 요소들이 광학적으로 중립적이다. 신체에 적용되지 놋하는 렌즈와 같이 기술적 장치용 스위칭 렌즈에 사용할 때, 최대 100V의 높은 스위칭 전압도 허용된다.
본 출원인의 DE10 2015 015 436 A1과 WO/2017/092877이 본 발명의 전기조절 광학요소의 기본이 된다. 본 발명은, 도시되고 기술된 실시예들에 한정되지 않고, 오히려 본 발명의 의도에서 동일한 작용을 하는 모든 실시예들도 포함한다.
예를 들어, 가로 방향으로 치환된 바이페닐을 기본으로 하는 합성은, 치환된 바이페닐을 제조하기 위한 최종 결합 반응을 위한 촉매의 합성 및 세미-메조겐의 제조를 위해서 실행될 수 있다; 5개의 세미-메조겐을 제조하기 위해 5개의 치환된 아릴 붕소산의 합성 및 특징화가 실행될 수 있다; 다양한 재료로 프레넬 렌즈를 형성하기 위해, PDMS-몰딩의 제조를 포함하는, 조면계(profilometer)에 의한 이용 가능한 프레넬 렌즈의 표면-특징화가 실행될 수 있다(Sylgard 184(실리콘-탄성 중합체-키트) 내에 표면 격자를 몰딩하기 위한 에폭시드-혼합물을 포함하는 마이크로 렌즈-어레이 및 표면 격자의 스탬프의 제조 및 NOA65(광학 접착제: 점성 1200 (cps), 굴절률 nd 1.52)를 갖는 레플리카, 특히 회절 격자의 제조(상응하는 프레넬 구역 플레이트를 위한 모델 구조로서 이용되는 선형의 표면-격자를 제조하기 위한 톱니-프로파일을 갖는 표면-격자를 몰딩하기 위한 방법); 표면-격자의 몰딩은 마스터(통상적인 회절 격자)를 이용해서 이루어지며, 이 마스터는 POMS 내에 네거티브-카피로서 형성되었고, 상기 "스탬프"에 의해서 추후에 NOA를 이용한 추가 형성 단계를 거쳐 포지티브 레플리카가 제조되며, 이는 다른 무엇보다 스위칭 가능한 광학 요소의 구조를 위해 적합하다; Suzuki-Miyaura에 따른 아릴-아릴-커플링(C-C-결합의 형성에 의한 바이페닐렌 또는 바이페닐 유도체의 합성) 또는 유사한 반응의 상응하는 메커니즘의 적용 및 중간 화합물의 크로마토그래픽 정제의 적용(특히 임시적인 정제 동작에 의한 다단의 합성)). 전기적으로 제어 가능한 본 발명에 따른 광학 요소의 적용 분야는 다수의 기술 범위로 확장되는데, 특히:
측정 기술
- 측정 헤드 내에 커 셀을 갖는 샘플의 분석
- 웨이퍼 검사 시스템
- 현미경 또는 내시경 내에 있는 편광기
- 전계 강도의 측정
제조 기술
- IC's 또는 LCD's용 마이크로리소그래픽 투영 조사 장치
- 인쇄용 판을 조사하기 위한 광 변조기
- CD 또는 DVD 상에 기록할 때 편광 방향으로 회전하는 요소
메시지 전송 기술
- 커 셀이 있으며, 100 GHz까지 신호(광학 신호)를 디지털화하기 위한, 뒤에 편광 필터가 접속되어 있거나 접속되어 있지 않은 신속한 광 스위치
의학 기술
- MRT-시스템(자기공명 단층촬영 시스템) 내에 있는 광학 변조기
- 현미경 또는 내시경 내에 있는 편광기
머신 비전필드란 인간의 시각능력을 기초로 한 컴퓨터 보조 방식으로, 최근 20년간 급속하게 성장한 분야이다. 무엇보다도, 자동화 기술과 품질보증 분야의 제조공정에서 현재 머신 비전시스템이 사용되고 있다. 생산과정중에 제품을 특정화하고 측정하여 품질을 보증하는데 필요하다. 이 기술은 카메라 분야에 크게 적용되며, 제품결함을 바로 탐지하고 결함있는 제품을 제거하는데 이용된다. 이를 위해 다른 무엇보다 생품을 정확하게 재생하는데 고정밀 렌즈가 필요하다.
이런 방법들은 소형이나 극미세 요소들의 생산에 더 많이 사용되고 있다. 3차원 제품의 특징을 위한 피사계심도 표현은 중요한 문제이다. 극소형 물체에 대해서는 작은 특징들을 매핑하고 평가하는 마크로 렌즈들을 사용하지만, 물리적 이유로 물체내 피사계심도가 아주 작다는 문제가 제기된다. 이 경우 평가에 문제가 생기는데, 이는 흐릿한 영상으로 인해 작은 상세특징의 평가가 더이상 가능하지 않기 때문이다. 물리적 이유로, 더 작은 구멍에 의한 피사계심도의 증가는 해상도 저하를 의미하고, 이런 딜레마는 해결할 수 없다. 이 문제를 해결하는 한가지 방법은 여러 사진들을 찍고 행초점을 이용해 3차원 공간으로 평가하는 것이다. 기존의 자동초점 시스템은 3D 영상 스택을 생성할 수 없어 사용할 수 없다. 리포커싱 방법은 기계식으로 물체를 움직이는 것(포커싱)을 기초로 한다. 그러나, 기계식 방법은 느리고 장기간 안정성에 문제가 있다. 머신비전의 경우, 스위칭 시간이 아주 짧고 사이클이 아주 많은 조정 시스템이 필요하다.
머신 비전에서의 조정 요소의 사용은 측정 문제와 장치 환경에 크게 좌우되므로, 특정 케이스에 맞는 근본적인 해결책을 항상 채택해야만 한다. 산업 환경에서는, (에지 디텍션을 위한 필터와 과ㅌ은 툴과, 지리적 물체 탐지를 위한 콘트라스트 분석 등으로) 영상을 분석하는 기술이 현재 성공적으로 사용되고 있다. 예를 들어, 컴퓨터는 품질제어를 지원하고 간단한 물체들을 측정한다. 결정적인 것은 오차에 중요한 환경적 조건인데, 예를 들면 카메라 위치, 빛, 조립라인 속도, 물체 위치, 패턴분석 등이다.
머신 비전을 위한 전기적 스위칭 가능한 포커싱 요소들의 기술적 기초 변수들은 아래와 같은 조건을 갖는다:
- 스위칭 시간 < 1ms
- 스위칭 전압 <100V
- 직경 > 10mm
- 회절효율 > 90%
- 초점길이 < 1000mm
"유령"을 피하기 위한 높은 투명도, 재현도, 고신뢰성 및 높은 충진율은 물론 비접촉 1D, 2D, 3D 측정을 가능케하는 편광-독립 기능성과 같은 추가 조건도 필요하다. 또, 오프 상태의 개별 요소들은 광학적으로 중립이어야 한다. 다른 분야와 달리, 고전적 광학계와 정밀조정을 위한 조정렌즈의 하이브리드 시스템도 이 분야에서 고려할만 하다.
비전 보조용 렌즈 프로필과 머신비전 분야용 렌즈 프로필은 명백히 다르다. 스위칭 전압, 초점길이 및 직경은 덜 중요하지만, 온/오프 스위칭시간과 표면에서의 높은 광학품질이 중요하다.
머신비전 분야에 대해 도 7을 참조해 설명한다. 스텝렌즈, 특히 ARCAP(non-ferrous alloy copper-nickel-zinc)이고 직경 12mm인 스텝렌즈의 정밀가공 마스터를 열경화 실리콘에 맞는 방식으로 성형한다. 이렇게 생산된 스탬프를 이용해 광학기판상에 원래 구조의 복제품을 만든다. 기판(1a,1b)으로는 유리나 폴리머 디스크를 사용하고, 이런 재료는 필요한 평면도를 갖는 것을 특징으로 한다. 기판에는 필요한 기능의 층들이 미리 구비되어 있는데, 이런 층들은 한편으로는 필요한 전기절연을 보장하고 다른 한편으로는 (예컨대 ITO로 된) 평탄한 투명 전극(2a,2b)을 구현한다. 표면프로필(O)의 복제를 위한 재료로는 UV 경화 재료가 바람직하지만, 다른 열경화성 재료도 사용할 수 있다. 표면프로필(O)을 갖는 기판(1a)과, 예컨대 ITO 전극(2a), 절연층 및 배향층(3)을 갖는 다른 전극(1b)을 사용해, 2~10 ㎛의 피치를 갖는 박막셀(D)을 기판들(1a,1b) 사이에 삽입한다. 이어서, 합성물 프리커서를 충전하고, 밀봉하며, 비등방성 망(9)을 구성하는 처리를 할 수 있다. 끝으로, 박막셀(D)을 전기적으로 연결하고, 기계식 고정한다. 이 요소를 다른 광학요소들과 기계식으로 결합하여 마크로 렌즈(M)를 형성하는데, 이 렌즈는 ㎲ 범위에서 초점면의 신속한 변경을 할 수 있다.
도 7에서, 박막셀(D) 및 (3개 내지 5개, 여기서는 4개의 렌즈를 갖고 개별 렌즈의 굽힘이나 회전으로 조정하는 수단을 안내하는 플라스틱으로 된 렌즈시스템을 갖는) 종래의 물체(MO)로 이루어진 마크로 렌즈(M)가 CCD 카메라모듈이나 C-MOS 카메라모듈과 같은 카메라모듈(C) 앞에 위치한다. 물체(MO)는 4개의 렌즈를 갖는바, 렌즈계의 원하는 초점길이를 설정하기 위한 광학적 유효면을 4개 갖는다. 카메라모듈(C)은 메모리(Z)와 평가요소(A)에 연결되어, 제어장치(도시 안됨)와 함께 제조공정의 생산사이클로 찍은 제품들을 컴퓨터제어하에 실시간으로 평가할 수 있다. 제품결함은 즉각 감지되고, 결함 제품들은 더이상 생산되지 않는다. 임시 메모리(Z)에 저장된 초점행의 영상들(화소 그래픽 파일이나 벡터 그래픽 파일)이 기준좌표를 이용해 중첩되고 저장되며 (화소그래픽이나 벡터그래픽의) 기준 영상과 비교 평가된다. 각각의 영상구간을 화소그래픽이나 벡터그래픽으로 변환하거나 3D 물체를 3D 공간에서 이동시키는 것을 포함해 각각의 영상들의 단면 구간에도 이를 적용할 수 있다. 마크로 렌즈(M), 카메라모듈(C), 메모리(Z) 및 평가요소(A)의 전원은 모듈(ST)이다.
박막셀(D)에 전압을 걸어주면 막대형 분자들(5)과 세미-메조겐(4)이 정렬되어, 스위칭요소인 박막셀(D)의 광학기능이 구현된다. 이런 식으로, 하이브리드 렌즈, 즉 고전적 렌즈(MO)와 전기조정 스위칭 렌즈의 조합이 이루어지고, 피사계심도가 증가한 새로운 마크로 영상을 위한 신속초점 렌즈 요소들에 의한 초점행의 이용이 가능하다. 마크로 물체(M)는 단일 영상에서 가능한 피사계심도(aperture F#2.8, MAG=1)에 비해 행초점에 의해 피사계심도의 평가를 20배까지 하여 사용범위를 늘인다. 따라서, 최대 피사계심도가 0.168mm 범위에 있다(0.015mm는 흐릿함). 원칙적으로는 이 범위를 더 크게 할 수도 있는데, 이는 초점행을 임의로 확장할 수 있기 때문이다. 렌즈 디자인과 기록-평가 시간에 의해서만 제한이 된다. 평가를 위해서는 훨씬 더 많은 데이터가 필요하고 영상획득 주기도 더 많이 필요하다. 전기-활성 액체에 기반한 마크로 물체(M)의 장점은 능동적 기계적 요소들이 완전히 불필요해, 튼튼하고 유지관리가 불필요한 광학계를 구현할 수 있다는데 있다.또, 피사계심도와 중량을 상당히 줄일 수 있어, 박막셀(D)의 소형화와 통합화에 도움이 된다. 제품의 정확하고 선명한 영상을 통해 안정된 평가와 측정과 테스트를 초단위 사이클로 할 수 있어, 하루 600,000 사이클 이상을 달성할 수 있다.
본 발명에 의하면, 구조적 필드강도 분포는 구조적 배향분포를 일으켜 빔 경로에 영향을 준다. 따라서, 유전상수가 다양한 요소(2개의 다른 두께의 층들과 다른 유전상수와 곡선 경계면)를 빔 형성에, 바람직하게는 수 밀리미터의 조정 렌즈에 사용할 수 있다.

Claims (15)

  1. 2개의 기판(1a,1b) 각각의 내면에 전극(2a,2b)이 부착되어 있고, 출발 혼합물(4,5,6,7,8)로 충전된 박막 셀(D)을 구비하는 전기제어 광학요소에 있어서:
    상기 출발 혼합물(4,5,6,7,8)이 양극성 막대형 분자(5) 및 세미-메조겐(4)의 혼합물을 활성 합성물로 구비하며;
    상기 세미-메조겐(4)은 아래 식 I, II, III, IV 또는 V에 따른 조성물을 갖고;
    (I)
    Figure 112022113760567-pct00033

    R1은 -CH3나 -C2H5에서 선택되고, R2는 H나 R1에서 선택되며, R은 -CN이고, m=n이면서 정수 2, 3 또는 4,
    (II)
    Figure 112022113760567-pct00034

    R1은 -CN, -NCS 또는 할로겐에서 선택,
    (III)
    Figure 112022113760567-pct00035

    R1은 -CN, -NCS 또는 할로겐에서 선택,
    (IV)
    Figure 112022113760567-pct00036

    (V)
    Figure 112022113760567-pct00037

    커 혼합물(K)은 박막 셀(D)의 기판(1a,1b)들 사이 및/또는 전극(2a,2b) 사이에 형성된 광중합-생산된 메시의 비등방성 망(9)을 갖는 막이어서, 박막 셀(D)이 작동되고 등방성인 온도범위에서 전기장 없는 상태에서 그리고 전압(U)을 계속 조정하거나 일정하게 인가하여 커 혼합물(K)의 양극성 막대형 분자(4,5)와 세미-메조겐의 활성 합성물의 전기광학적 커 효과에 따라, 광학요소에 전압유도 위상편이나 굴절율 편이의 변화가 생기며;
    전극(2a,2b) 외에, 기판(1a,1b) 중의 어느 하나나 양쪽의 내면에 광학적 효과의 표면프로필(O)이 형성되는 것을 특징으로 하는 전기제어 광학요소.
  2. 제1항에 있어서, 상기 기판(1a,1b)의 내면의 표면프로필(O)이 에너지공급 중단상태에서 충전된 박막셀(D)과 같은 굴절율을 갖는 재료로 된 스텝렌즈, 위상판 또는 표면격자이고 이 상태에서 커 혼합물(K)로서 광학적 비활성이며, 전압(U)을 인가하면 전기광학 활성물질의 굴절율이 변하면서 광학기능을 수행하는 것을 특징으로 하는 전기제어 광학요소.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 전극(2a,2b)이 표면프로필(O) 밑에 부착되거나 표면프로필에 병합되거나 배열되는 것을 특징으로 하는 전기제어 광학요소.
  4. 제3항에 있어서, 상기 전극(2a,2b) 중의 하나나 둘다가 개별 전극들의 집합이고, 이런 전극을 집단으로나 전체적으로 제어할 수 있는 것을 특징으로 하는 전기제어 광학요소.
  5. 제3항에 있어서, 상기 박막셀(D)이 2개의 유리나 폴리머 기판(1a,1b)을 구비하고, 이들 기판의 내면에는 도전 ITO-전극(2a,2b)이 제공되고, 이들 기판상에는 배향층(3)이 제공되며, 메시 냉각된 커 액체(K)에서의 폭이 넓은 비등방성 폴리머 망(9)의 생산이 광개시제, 지방족 모노머(7) 및 반응성 세미-메조겐(8)의 혼합과 UV 조사에 의해 이루어지고, 전압(U)을 걸어주면 양극성 막대형 분자들이 전력선을 따라 정렬되는 것을 특징으로 하는 전기제어 광학요소.
  6. 제5항에 있어서, 수직 배향을 유도하는 배향층(3)이 광가교결합이나 광중합 가능 기를 함유하고, 비등방성 망(9)이 2개의 기판 경계면에 공유결합으로 고정되어, 비등방성 형태에서의 망(9)의 안정성이 박막 셀(D)이 작동되는 온도 범위에서의 온도 상승에 의해 커 혼합물(K)의 등방성 과정 동안에도 장기간 유지되는 것을 특징으로 하는 전기제어 광학요소.
  7. 제1항에 있어서, 쌍극자 모멘트(5)가 큰 양극성 막대형 분자들(5)이 부분적으로나 전체적으로 커 액체(K)의 활성 합성물로서 나노 크기의 클러스터 또는 나노입자 형태로 분산되어 있고, 분자 클러스터나 구형이나 비구면형 나노입자들이 출발 혼합물(4,5,6,7,8)에 분산되어, 한편으로는 질서있게 고정된 클러스터나 나노입자들의 안정된 배향 질서에 의해 커-효과가 얻어지고 다른 다른 한편으로는 용액이나 액정재료에서의 온도 의존성이 클리어 온도 위에서 최소로 되는 것을 특징으로 하는 전기제어 광학요소.
  8. 제1항에 있어서, 쌍극성 막대형 분자들(5)의 분자간 상호작용이 H-결합, 이온결합, 또는 피리딘산이나 산의 ππ-상호작용에 의해서 형성되며, 분자간 상호작용과 예비 배향 효과의 상이한 온도 의존성이 커-효과의 안정화에 이용되는 것을 특징으로 하는 전기제어 광학요소.
  9. 제1항에 있어서, 세미-메조겐(4)이 커 혼합물(K)의 활성 합성물로서 분자간 상호작용에 의해 형성되며, 온도 상승으로 비-공유결합의 상호작용이 약화되어, 혼합물이 부분적으로 분해되는 것을 특징으로 하는 전기제어 광학요소.
  10. 제1항에 따른 전기제어 광학요소의 제조방법에 있어서:
    a) 출발 혼합물(K)이 쌍극성 막대형 분자들(5), 활성 합성물로서의 세미-메조겐(4), 반응성 메조겐(8), 광개시제(6) 및 지방족 모노머(7)의 혼합물을 포함하고;
    b) 출발 혼합물(K)이 박막셀에 충전되며;
    c) 출발 혼합물(K)이 실온(RT)보다 낮은 온도(T)로 냉각되고, 이 온도에서 수직 배향을 갖는 액정상이 형성되며;
    d) 수직 배향된 층의 UV-조사에 의해 라디칼이 발생되어, 배향된 반응성 메조겐(8)의 중합반응을 일으키며, 반응성 메조겐의 메시 비등방성 망(9)이 출발 혼합물내의 지방족 모노머들과 가교결합되고;
    e) 기판(1a,1b)의 어느 하나나 양쪽의 내면에 전극(2a,2b)에 평행하게 뻗는 광학활성 표면프로필(O)이 배치되어, 박막 셀(D)이 작동하는 온도범위에서 전압(U)이 걸리지 않으면 모멘트가 큰 막대형 분자(5)와 세미-메조겐(4)의 합성물이 다시 등방성으로 되고, 전압(U)이 걸리면 상기 합성물의 분자들이 전기력선의 방향으로 배향되는 것을 특징으로 하는 전기제어 광학요소의 제조방법.
  11. 제10항에 있어서, 수직 배향을 유도하는 하나 또는 2개의 배향층(3)이 광가교결합이나 광중합 가능한 기를 함유하는 것을 특징으로 하는 전기제어 광학요소의 제조방법.
  12. 제10항에 있어서, 기판으로 유리나 폴리머 판이 사용되고, 표면프로필(O)의 복제에 열경화 물질이 사용되는 것을 특징으로 하는 전기제어 광학요소의 제조방법.
  13. 무기 물질로 이루어진 강성의 광학요소와 조합된 제1항에 따른 전기제어 광학요소를 포함하는 하이브리드 렌즈(M).
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