KR20010033903A - 광학 장치에 사용하는 하이브리드 층 - Google Patents

Abstract

본 발명은 광학 장치에 사용하는 하이브리드 층에 관한 것으로, 상기 층은 포러스 컬럼 형태 구조 뿐만 아니라 광학적 비등방성 재료를 포함한다. 더욱이, 본 발명은 상기 기판 사이에 존재하는 그 하이브리드 층을 스위칭 하기 위하여 마주하는 면 상에 전극층을 갖는 두 개의 실질적으로 평행한 기판을 포함하는 광학 장치에 관한 것이다.

Description

광학 장치에 사용하는 하이브리드 층{HYBRID LAYER FOR USE IN AN OPTICAL DEVICE}

전문에서 언급된 바의 광학 장치는 광학 셔터 또는 액정 디스플레이의 형태로 알려져 있다(known as such,f.i. in the form of optical shutters or liquid crystal displays).

공지되어 있는 광학 장치의 심각한 단점은 상대적으로 그 장치의 높은 스위칭 전압이다.

최근에 도입된 콜레스테릭 액정(CLC : Cholesteric Liquid Crystals)에 기초하는 디스플레이 장치는 아직도 성능면에서 제한되어 있는 것으로 간주된다. 치럴 액정(chiral liquid crystal) 광학 장치와 디스플레이의 이점을 실현하기 위한 주요한 장애는 바람직한 방향으로 헤리컬 구조(the helical structure)의 충분히 긴 범위의 정렬을 만드는 것이 어렵다는 데에 있다. 데이트에 대한 정렬 시도(alignment attempts to date)는 표면에 강한 정열을 생성하기 위해, 액정을 포함하는 셀의 양측에 표면 정렬층을 사용하였다. 불운하게도, 액정이 정렬되지 않은 전위 영역(unaligned dislocation regions)에 의해 분리된 도메인 구조를 형성하는 것이 더 바람직한, 셀 덩어리(the bulk of the cell)에서 정렬을 제어하는 것은 어려웠다. 우수한 콘트라스트를 달성하기 위하여, 셀의 두께는 증가되어야 하지만, 정렬과 광학 특성은 저하된다.

본 발명은 기판 사이에 존재하는 광학적으로 활성층을 스위칭 하기 위하여 마주하는 측면 상의 전극층을 갖는, 두 개의 실질적으로 평행한 기판을 포함한다. 더욱이, 본 발명은 그러한 광학 장치에 사용하기 위한 하이브리드 층에 관한 것이다.

도 1 은 증기 증착 얇은 막(2)을 제조하는 장치를 도시하는 개략도.

도 2a 및 도 2b 및 도 2c는 피치가 ~350㎚ 인 15 번의 헤리컬 횟수를 갖는 유리 상에 본 발명에 따라 얻어진 MgF₂의 얇은 막의 주사 전자 현미경 마이크로그래프(SEM micrograph : Scanning Electron Microscope micrograph)(1), 증착된 대로의 막, 물이 주입된(impregnated) 막 및 광학적으로 등방성 폴리머 -SR349가 주입된 막에 대해 우원형 편광된 광과 좌원형 편광된 광의 막과 기판을 통한 절대 투과(b), 증착된 대로의 막에 대해 투과된 우방향의 광 마이너스 투과된 좌방향의 광의 차이 스펙트럼(c)을 도시하는 도면.

도 3a 및 도 3b 는 메르크사(Merck)로부터 비반응성 액정 브렌드-ZLI4792(a)와 액정 다이아크리레이트-1,4-페닐렌 비스{4-〔3-아크릴로이록시)프로피록시〕벤조에이트} 또는 80℃에서 폴리머화된 C3M(도 5 참조)(b)이 주입된 도 2a에 도시된 막을 통해 우방향 투과 광에서 좌방향 투과 광을 뺀 차이 스펙트럼(difference spectra for right-handed minus left-handed transmitted light)을 도시하는 도면.

도 4a 및 도 4b 는 사이아노비페닐과 사이아노테르페닐의 액정 혼합물이 주입된 도 2a에 도시된 스펙트럼과 유사한 막에 대한 절대 투과 스펙트럼 및 차이 투과 스펙트럼을 도시하는 도면.

도 5 는 C3M 모노머(monomer)의 분자식(the molecular formula)을 도시하는 도면.

도 6 은 두 전극 사이에 액정이 채워져 있는 치럴 막으로 구성된 막에 대한 투과 차이 스펙트럼(the difference transmission spectra)을 도시하는 도면.

본 발명은 무엇보다도 상대적으로 낮은 스위칭 전압을 가지는 광학 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

더욱이, 본 발명은 3 차원으로 된 헤리컬 구조의 충분히 긴 범위의 정렬과 구조 제어를 가지는 광학 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

이 목적은 기판 사이에 존재하는 광학적인 활성층을 스위칭 하기 위하여 마주하는 면에 전극층을 갖는 두 개의 실질적으로 평행인 기판을 포함하는 광학 장치로 달성되는데, 본 발명에 따른 이 광학 장치는 광학적인 활성층이 포러스 컴럼 형태 구조(a porous columnar structure) 뿐만 아니라, 광학적으로 비등방성 재료를 포함하는 하이브리드 층으로 형성되는 것을 특징으로 한다. 이 명세서에서 "컬럼 형태 구조"란 말이 언급되는 곳은 어디든지, 본 발명에 의한 설명으로 달성될 수 있는 서로 다른 종류의 구조를 의미한다. 그러한 모양은 헤리컬 구조(helical structures), 필러 구조(pillars structure), 슬랜트 된 필러 구조(slanted pillars structure), 지그재그 구조, 치럴 구조(chiral structure), 또는 시누소이달 구조(sinusoidal structur)이다(Such shapes are a.o. helical structures, pillars, slanted pillars, zig-zag, chiral or sinusoidal structures). 특히, 비등방성 재료에 대해 액정 재료를 사용할 때, 상기 구조의 존재는 광학 장치의 스위칭 전압을 낮추게 된다.

본 명세서에서는, 3 차원으로 구조 제어와 강한 정렬을 생성하기 위해 액정 재료가 무기물 포러스 백본 구조(an inorganic porous backbone structure)로 삽입되는 기술을 설명한다. 셀 두께는 두꺼운 막(thick films) 제조의 어려움으로 제약이 있지만, 50㎛의 두께는 쉽게 달성할 수 있다. 더욱이, 액정 정렬 구조는 희망하는 광학적 응답을 처리하도록 하여질 수 있다. 예를 들면, CLC 셀에 전형적인 투과/반사의 좁은 대역폭이 그레이드 된 피치 구조(a graded pitch structure)를 생성하여 증가될 수 있다. 본 방법으로, 피치 그레디언트나 다른 구조(pitch gradients or other structures)는 증착 제어 시스템(the deposition control system)에 간단한 소프트웨어 수정으로 달성될 수 있다. 이 피치는 심지어 층 내에서 역전될 수도 있어 실질적으로 반사율이 100% 가 된다(leading to substantially 100% reflection). 최종적으로, 본 방법의 다양성으로 인하여, 셀 제조에 필요한 모든 편광 성분(all polarization components)이 완전한 장치를 생성하기 위하여 모두 본 방법에 기초하여 소수의 증착 단계(a small number of deposition steps)로 수행될 수 있다. 다수의 사항이 아직 조사되어야 하지만, 본 방법은 뿐만 아니라 능동형 및 수동형 모두의 다른 성분을 위한 액정 장치 뿐만 아니라 디스플레이 응용을 위한 액정 장치를 만드는 유망한 기술이다.

본 발명은 또한 광학 장치에 사용하기 위한 하이브리드 층에 관한 것으로, 상기 층은 포러스 컬럼 형태 구조 뿐만 아니라 광학적으로 비등방성 재료를 포함한다. 상기 구조는 광학 장치의 스위칭 전압을 낮추게 한다. 이 컬럼 형태 구조는 헤리컬 구조를 포함하는 것이 바람직한데, 헤릭스 구조(the helixes)는 원한다면, 정사각형 측면을 가질 수 있다.

치럴 광학 장치는 예를 들면 액정(LC) 디스플레이에서 선형 편광을 필터링하기 위해 기본적으로 사용된다. 치럴 액정(CLC)에 기초하는 여러 가지 광학 스위칭 기술은 상업용 액정 디스플레이의 대다수에 사용되는 트위스트 된 네마틱 셀(the twisted nematic cells)과 같은 선형 편광 기반 장치보다 더 우수한 광학 특성으로 볼 수 있다. 사실, 트위스트 된 네마틱 셀은 치럴 "트위스트" 길이가 가시광선의 파장보다 상당히 더 긴 치럴 광학 장치의 한 형태이다. 여기에서 논의되는 치럴 광학 장치는 가시광의 파장에 비교할만한 트위스트 또는 피치를 구비하며, CLC 문헌에서 "선택적 반사 영역"에 해당하는 "공명" 체제 내에서 동작한다. 치럴 광학 장치와 스위칭 하는 것은 원형 브래그 반사(circular Bragg reflection) 현상에 기초하고 있는데, 좌원형 편광 성분(letf-circularly polarized light components)이나 우원형 편광 성분(right-circularly polarized light components) 중 하나가 치럴 재료의 헤리컬 구조에 의하여 선택적으로 반사된다. 원형 브래그 반사는 헤리컬 구조로부터 원형 편광의 구조적 산란으로 일어나며, 하이/로우 지수 다층(high/low index multilayers)으로부터 평면 편광의 구조적 간섭 반사와 기본적으로 매우 유사하다. 원형 브래그 반사는 광이 선형 편광 장치에 사용되는 편광자와 같은 흡수 편광자(absorbing polarizers)를 사용하지 않고 {디스플레이와 다른 포토닉 응용(other photonic applications)에서} 스위칭에 대해 편광이 되게 해주는데, 이는 이 장치를 통해 투과에 이용되는 광의 절반을 흡수하여 전력의 효율을 감소시킨다.

가장 흔히 사용되는 치럴 광학 재료인 치럴 네마틱 액정(CLC)은 약간 비대칭 모양을 갖는 네마틱{막대 모양(rodlike)의} 분자로 구성되어 있거나 비대칭의 첨가제와 네마틱 분자의 혼합으로 구성되어 있다. 이 분자층의 구조는, 많은 시트로 구성되어 있는 것으로 설명될 수 있는데, 이 구성에서 하나의 시트 내에는 모든 막대 모양 분자가 정렬되어 있고, 상기 분자는 하나의 시트에서 인접한 시트 방향으로 약간 회전한 모양을 한다. 이 방향은 셀을 통해 헤리컬 방식으로 회전하며, 1 회의 완전한 분자의 회전(one full molecular rotation)을 피치(p)라고 한다. 주의: 이 방향으로 디스플레이 되는 제 1 액정은 콜레스테롤과 밀접하게 관련되어 있었고 이 상(phase)은 원래 "콜레스테릭" 상이라고 불리웠다. 그러나, 이 상에 대한 좀더 정확한 명칭은 "치럴 네마틱"으로, 이 상세한 설명에서 사용될 명칭이다. CLC와 원형 브래그 반사의 편광 선택 특성은와사이에서 일어나는데, 여기서 n₀와 n_e는 국부 단축 구조(the locally uniaxial structure)의 정상 굴절률(the ordinary refractive indices)과 이상 굴절률(extraordinary refractive indices)이다. 이 반사 대역(this reflection band) 내에서, 우방향 광(right-handed light)은 우방향 헤릭스로부터 반사되고, 좌방향 광은 투과된다. 선택적으로, 반사 대역 외의 파장은 모든 편광에서 투과된다.

본 발명은 미리 결정된 성장 패턴을 갖는 복합 마이크로 구조의 성장을 가능하게 하는 막 형성 시스템 방법을 제공하는 것이 목적이다. 더욱이, 섀도우 조각된 박막의 다공성과 광학적 특성(porosity and optical properties of the shadow sculpted thin film)은 증기 선속의 입사각의 범위를 확장시켜 개선된다.

더욱이, 본 발명자는 기판이 약 80도보다 더 큰 폴러 각도(at polar angles)에서 비스듬히 입사하는 증기 선속에 노출되는 동안 기판의 회전은 잘 정의된 마이크로 구조를 생성한다는 놀라운 사실을 발견하였다.

그러므로, 본 발명의 일 측면에 따라, 증기 증착 박막을 조각하는 방법으로서, 컬럼 형태 박막을 성장시키기 위해 비스듬한 입사각으로 증기 선속에 기판의 표면을 노출하는 초기 단계와,

그후에, 그 표면을 증기 선속에 계속 노출하는 동안, 기판의 평면에 평행한 축에 대하여 기판을 회전시키는 단계를 포함하는 방법이 제공된다.

본 발명의 다른 측면에서, 기판을 증기 선속에 노출시키는 초기 단계 동안, 예를 들어 헤리컬 막 성장을 생성시키기 위해 기판 표면의 법선에 대하여 기판을 회전시키는 것과 같이, 컬럼의 성장 방향을 변경시키기 위해 기판을 이동시키는 단계를 포함한다. 그후 이 기판은 헤리컬 얇은 막 성장을 위해 캡(cap)을 형성하기 위해 기판의 평면에 평행한 축에 대하여 회전될 수 있다. 다른 측면으로, 증기 선속을 형성하는 재료의 용융점 부근까지 기판을 가열함으로써 밀집된 균일한 덩어리(a dense uniform mass)가 얻어지도록 높은 확산 길이의 상태(in conditions of high diffusion length)에서 기판을 증기 선속에 노출하여 형성될 수 있다.

본 발명의 다른 측면에서, 맞춤된 막 성장(tailored film growths)은 컴퓨터로 박막 성장의 희망하는 패턴을 확립하는 단계(a), 증기 선속을 기판의 표면에 대해 비스듬한 입사각으로 노출하는 동안, 증기 선속의 입사각에 대해 표면의 방향을 변화시키는 단계(b), 기판 상의 얇은 막 성장을 나타내는 제어 신호를 컴퓨터에 제공하는 단계(c), 및 희망하는 패턴에 따라 얇은 막을 성장시키기 위해 제어 신호에 응답하여 표면의 방향의 변화율을 자동적으로 제어하는 단계(d)에 의하여 달성될 수 있다.

본 발명의 또다른 측면에서, 증기 증착 얇은 막을 조각하는 방법으로서, 증기 선속에 대해 기판의 표면을 비스듬한 각도로 노출하는 단계와, 동시에 80도 보다 더 큰 비스듬한 각도를 유지하는 동안 표면의 법선에 대하여 기판을 회전시키는 단계를 포함하는 방법이 제공된다.

희망하는 패턴의 막 성장은 더 맞추어(tailor)질 수도 있다. 예를 들면, 막이 급속한 방위각 회전으로 지수적으로 증가하는 폴러 각도{제로(0) 내지 거의 90도}를 통하여 기판을 회전시켜 낮은 다공성의 평면 막으로 시작될 수 있으며, 그후 컬럼이 회전으로 또는 회전 없이 기판 사에 성장될 수 있다. 맞춤된 성장 패턴의 일 실시예에서, 기판이 설정 각도, 예를 들어 90도를 방위각으로 반복적으로 회전시키는 동안(a)에 기판은 일정 폴러 각도로 유지되고 또 막이 비스듬하지만 선형적으로 성장하는 동안에는 일정한 방위각 위치로 위치된다(b)(the substrate is maintained at a constant polar angle while the substrate is repeatedly (a) rotated azimuthally a set number of degrees, for example 90.degree., and (b) held at a constant azimuthal position while the film grows obliquely, but linearly). 그 결과는 이 예에서 정사각형 측면을 갖는 헤릭스가 된다. 일반적으로, 헤릭스의 측면의 개수는 360/.감마.(.gamma.)이고, 여기서 .감마. 는 증착 주기 동안 기판이 회전하는 각도의 숫자이다.

증착률이 일정 피치로 헤리컬 성장을 달성하기 위해 증착하는 동안 상당히 변화하는 경우가 있기 때문에, 회전 속도는 증착하는 동안 증가 및/또는 감소되어야 할 필요가 있을 수 있다. 더욱이, 증착률에 대한 회전을 증가/감소시킴으로써, 감소/증가된 피치를 갖는 헤릭스 또는 그레이드 된 피치를 갖는 헤릭스가 얻어질 수 있다.

일반적으로 헤리컬 마이크로 구조가 생성되어야 하는 초기 증착 주기 동안의 폴러 각도는 약 80도보다 더 커야 한다.

이제 본 발명은 첨부되는 도면을 참조하여 선호되지만 제한하지 않는 실시예에 대하여 설명될 것이다.

도 1 은 증기 증착 얇은 막(2)을 제조하는 장치를 도시하는 개략도로서, 여기서 증기 소스(1)로부터의 증기는 기판 법선(4)으로부터 큰 경사 각도(I)(I＞70°)로 입사하고 기판(3)은 증착 동안 연속적으로 회전(Φ)된다.

도 2a 및 도 2b 및 도 2c는 피치가 ~350㎚ 인 15 번의 헤리컬 횟수를 갖는 유리 상에 본 발명에 따라 얻어진 MgF₂의 얇은 막의 주사 전자 현미경 마이크로그래프(SEM micrograph : Scanning Electron Microscope micrograph)(1), 증착된 대로의 막, 물이 주입된(impregnated) 막, 및 광학적으로 등방성 폴리머 -SR349가 주입된 막에 대해 우원형 편광된 광과 좌원형 편광된 광의 막과 기판을 통한 절대 투과(b), 증착된 대로의 막에 대해 투과된 우방향 광에서 투과된 좌방향 광을 뺀 차이 스펙트럼(c)(difference spectrum of transmitted right-handed minus tranmitted left-handed light)을 도시한다.

도 3a 및 도 3b 는 메르크사(Merck)로부터 비반응성 액정 브렌드-ZLI4792(a)와 액정 다이아크리레이트-1,4-페닐렌 비스{4-〔3-아크릴로이록시)프로피록시〕벤조에이트} 또는 80℃에서 폴리머화된 C3M(도 5 참조)(b)이 주입된 도 2a에 도시된 막을 통해 우방향 투과 광에서 좌방향 투과 광을 뺀 차이 스펙트럼을 도시한다.

도 4a 및 도 4b 는 사이아노비페닐과 사이아노테르페닐의 액정 혼합물이 주입된 도 2a에 도시된 스펙트럼과 유사한 막에 대한 절대 투과 스펙트럼 및 차이 투과 스펙트럼을 도시한다. 도 4b에서, 계산된 스펙트럼은 본 발명에 따라 얻어진 막의 공백 내에 액정의 치럴 네마틱 정열을 가정하여 도시되어 있다.

도 5 는 C3M 모노머(monomer)의 분자식(the molecular formula)을 도시하는 한편, 도 6 은 두 전극 사이에 액정이 채워져 있는 치럴 막으로 구성된 막에 대한 투과 차이 스펙트럼(the difference transmission spectra)을 도시한다.

MgF₂와 SiO₂의 헤리컬 모양으로 된 컬럼으로 구성된 구조를 갖는 포러스 막은 본 방법에 따라 제조되었다. 임의의 다른 적절한 재료가 사용될 수 있다. 이 경우에 본 방법은, 진공 환경(10^-6Torr, 10^-4Pa) 내에 희망하는 막 재료의 증기를 생성하기 위해 고체 소스 재료의 저항 가열이나 전자 빔 가열을 하는 박막 증발 시스템을 사용한다. 스퍼터링과 같은 다른 증착 방법이 사용될 수 있다. 증기 재료가 기판 위에 응축됨에 따라 수십 개의 나노미터 직경의 컬럼들로 구성되는 구조가 생성된다. 증기 선속이 섬광 각도(도 1 - I＞70°)로 입사하도록 기판을 기울(tilt)임으로써, 막 컬럼은 증착 증기가 도달할 수 없는 섀도우를 만든다. {기판의 온도(T)는 막 재료 덩어리의 용융 온도(T_m)보다 상대적으로 작을 때, 일반적으로 켈빈 온도로 했을 때 T/T_m＜ 0.3}, 막 재료의 표면 확산을 제한한 상태에서, 이 섀도우 된 영역은 막에서 공백으로 되고 최종 구조는 증기 소스를 향하여 기울어져 있으며 공백 영역으로 분리되어 있는 컬럼으로 구성되어진다. 섀도우의 정도, 이로 인한 다공성은 증기 입사각을 변경함으로써 아주 정확하게 제어될 수 있다. 기판이 그후 증착 동안 회전(Φ회전)된다면, 헤리컬 구조가 형성된다(도 2a). 좀더 복잡한 모양 역시 증착된 막 재료의 함수로서 회전(Φ)과 기울기(tilt)(I)를 설계함으로써 아주 간단히 형성될 수 있다. 그러한 기능을 수용할 수 있는 컴퓨터 기반 증착 제어기가 개발되어 막 구조를 제조하여 왔다.

다만, 본 방법에 따라 제조된 헤리컬 막은 광학적 활성 측정(optical activity measurements)에 의하여 설명될 수 있는 바와 같이, 치럴(chiral)이다. 헤리컬 막들은 치럴 분자와 CLC의 용액과 같은 등방성 치럴 매질을 포함하는 다른 치럴 시스템과 비교하여 예측될 수 있는 바와 같이 광학적 회전과 원형 다이크로이즘(circular dichroism)을 나타낸다. 광학적 비등방성의 제한과 스위칭 메커니즘의 부족으로 디스플레이 응용에서 그 사용이 제한되고 있다. 그러나, LC 첨가제 없는 치럴 막이 하이브리드 치럴 막/LC 시스템의 스위칭 특성에 기초하여 디스플레이 응용에서 원형 편광자 층으로 사용될 수 있다는 것이 상당히 가능해 지고 있다.

LC가 주입된 치럴 막의 광학적 반응을 조사하기 위해, 원형 편광된 투과 스펙트로스코피가 수행되었다. 자외선-가시광선 영역의 스펙트로미터가 광학 경로에 광원, 편광 해제자(depolarizer), 선형 편광자, 선형 편광에 대해 +/-45°로 방향이 정해진 1/4파장 지연자(quarter-wave retarder), 광원으로 향하여 샘플의 방향이 정해진 막 측면, 편광 해제자, 및 검출기를 포함하여 구성되었다. 선형 편광자의 방향에 대해 + 45°에서 -45°까지 1/4파장 지연자의 방향을 변화시킴으로써 우원형 편광과 좌원형 편광 모두에 대해 각 샘플에 대한 투과율이 측정되었다. 포러스 치럴 막에는 물, 광학적으로 등방성 폴리머, 반응성 및 비반응성 네마틱 LC, 및 치럴-네마틱 LC를 포함하는 여러 가지 재료가 주입(impregnated)되었다. 막에 주입하기 위해, 두 에지(edge)에서 테이프의 작은 조각(small pieces of tape)으로 고정된 얇은 유리 슬라이드(a thin glass slide)로 샘플을 덮는다. 주입되는 재료의 작은 방울은 개방 에지들 중 하나의 에지에 위치되었고 광 산란의 변화로 관측된 바 포러스 막으로 신속히 채워졌다.

여러 가지 재료가 주입된 두 막이 이 응용에서 논의될 것이다. 이 막들은 두 막이 약 I=85°로 설정된 증기 입사각으로 증착되었기 때문에 상당히 유사하며 거의 동등한 다공성을 갖는다. 제 1 막은 도 2a의 SEM 마이크로그래프에 도시되어 있다. 이 막은 약 350㎚와 약 15회의 헤리컬 피치를 갖는 MgF₂의 헤리컬 컬럼으로 구성되어 있다. 유사한 막의 밀도는 마이크로 평형 질량 측정 기술(a microbalance mass measurement technique)로 측정되었고 부피 밀도의 약 60%인 것으로 확인되었다. 논의된 제 2 막은 약간 더 큰 피치이며 제 1 막과 거의 동일하다.

먼저, 임의의 것도 주입된 것이 없는 막의 원형 편광 투과율이 측정되었고 도 2b 및 도 2c에서 도시되어 있다. 도 2a 는 막/기판 시스템("막")을 통한 투과율을 측정값으로 도시하고 있으며, 유리에서의 경계 반사나 흡수를 설명하지 못한다. 도 2b 는 두 원형 편광 위의 막의 미소 효과를 보기 위해 우방향 투과율에서 좌방향 투과율을 뺀 차이 스펙트럼이다. 투과율의 차이는 실험 오차(experimented uncertainty) 내에서= 350㎚*1.2 = 420㎚ 의 예상치 피크에 해당하는 약 480㎚에서 피크를 갖는데, 여기서 n_avg는 MgF₂컬럼의 계수(n=1.38)와 공백에서 공기 중의 계수(n=1.00)의 밀도(60%) 가중 합으로 예상될 수 있는 막의 유효 굴절률이다. 피크 파장의 약간 낮은 예상값은, 유효 지수를 증가시키고 피크 파장을 더 높은 값으로 이동시키기 쉬운 공백 내에 물이 흡수되는 결과로 나타날 것이다.

막에 물(n = 1.33 - MgF₂의 지수와 매우 일치하는 것으로 선택됨)이 주입되었을 때, 모든 투과율의 차이는 도 2a 에 도시된 바와 같이, 상실된다("막+물"). 차이 스펙트럼은 차이가 1% 이하인 몇몇 구조를 보여주지만, 실제 어떤 차이가 있는지 또는 관측된 스펙트럼이 스펙트로미터 구성의 불완전성에 해당하는지를 식별하기는 어렵다. 또 막에 추가된 물은 포러스 구조로부터 야기되는 산란의 정도를 보게 해 준다. 물과 350㎚ 이상의 막 투과율 스펙트럼 사이의 차이는 막 내 불균질성으로부터 산란을 확산하는데 기여한다. 사용된 유리 기판으로부터 예상된 바와 같이 350㎚이하에서 흡수가 대단히 강하다. 검사를 받은 제 2 주입 재료는 UV 노출로 경화된 후 1.56의 지수를 가지는 광학적으로 등방성인 폴리머인 에톡실레이트 비스페놀 바이아크릴레이트(SR349)였다. 투과율 스펙트럼이 도 2b에 다시 도시되어 있다("막+SR349"). 물이 주입된 것과 유사하게, 우방향 투과율과 좌방향 투과율 사이의 차이는 보이지 않는다. 또 확산 산란으로부터 투과율의 감소는 막 단독인 경우보다는 더 작지만 물의 경우만큼 낮지는 않다. 이것은 폴리머와 막(MgF₂) 사이의 지수 일치가 되지 않는 것에 기인한다. 광학적으로 등방성 주입제(the optically isotropic impregnates)를 갖는 막과 광학적으로 등방성 주입제를 갖지 않는 막을 통한 투과율 스펙트럼으로부터, 본 발명자는 증착된 대로의 막에서 보여지는 치럴의 광학적 반응이 막/공기 경계에서의 산란으로부터 발생한다고 결론 내렸다. 공백이 지수 일치 재료로 채워질 때, 효과는 사라진다.

액정과 같은 광학적으로 비등방성인 주입제가 사용될 때, 두드러진 효과가 있다. 도 2a 에 도시된 막은 80℃에서 폴리머화된 LC 다이아크릴레이트 C3M과 비반응성 LC 브렌드 ZLI4792(메르크사)가 채워져 있었다. 폴리머화한 후에, C3M 폴리머 네트워크는 n_o= 1.5488과 n_e= 1.6880을 가진다. ZLI4792 브렌드는 n_o= 1.479와 n_e= 1.573을 가진다. 약간 더 큰 피치를 갖는 위에서 언급된 제 2 차적 막이 n₀= 1.5 및 n_e= 1.7인 비반응성 네마틱 E7(메르크사)에 주입되었다. 이 모든 3 재료는 보통 실내 온도에서 네마틱 상을 나타내고, 그리하여 원형 편광에 미소 효과도 가지지 않는다. 도 2a에 도시된 막에 주입된 ZLI4792와 C3M 재료에 대한 차이 스펙트럼은 도 3 에 도시되어 있으며, 이 경우에 확산 산란 기여를 제거하기 위해 측정된 우방향 투과율로 정규화된다. 절대 투과율은 ZLI4792 주입제는 다소 더 높은 투과율을 나타내고 C3M은 다소 더 낮은 투과율을 나타내는 SR249(도 2b에 도시됨)가 주입된 막에 대해 관측된 투과율과 거의 동등하였다. LC 주입제가 본 방법으로 얻어진 막의 헤리컬 구조에 의해 치럴 네마틱 순서로 유발되면, 원형 브래그 반사는에서 최대를 가질 것이며, 여기서 n_avg는 매질의 적당한 평균 유효 굴절률이다. MGF₂의 지수와 LC의 평균 지수의 밀도 가중 합{= 350*〔0.6*1.38+0.4*(1.5488+1.6880)/2〕 = 520㎚}의 단순 혼합 규칙을 취하면, 최대값은 C3M에 대해서는 약 520㎚에서, ZLI4792에 대해서는 500㎚에서 일어나야 한다. 측정된 투과율 차이의 최대값은 실험 오차 내에서 상기 막이 단순한 네마틱 LC에서 치럴 네마틱 순서를 유도하게 제안하여 준다. 네마틱(E7)이 주입된 제 2 막을 통한 절대 투과율과 정규화된 투과율의 차이가 도 4 에 도시되어 있다. 여기에서, 관측된 투과율의 차이는 C3M과 ZLI4792가 주입된 경우 관측된 투과율보다 훨씬 더 강하다. 다시, 최대값은 실험 오차 내에서 본 발명에 따라 얻어진 막 내에 LC의 치럴 네마틱 순서를 가정한 것에 기초하여 예상값으로 일어난다. 도 4b 는 투과율의 차이 피크 크기와 파장이 측정된 스펙트럼과 일치하도록 선택된 방정식(1)으로부터 계산된 곡선을 도시한다. 측정된 곡선과 일치시킬 때, n_avg= 1.4275의 평균 지수와 비등방성= 0.0245 가 사용되었다. 위에서 설명된 단순한 혼합 규칙으로부터, n_avg= 1.47 의 평균 지수는 실험 오차 내에서 계산될 수 있다. 이 광학 비등방성은 E7 단독의 경우보다 훤씬 더 작다(~ 0.12).

도 6에서, 본 발명에 따라 막의 스위칭 동작이 도시되어 있다. 이 도면은 어드레스 된 상태(전계가 존재하는 상태)와 어드레스 되지 않은 상태(전계가 없는 상태 또는 임계 전계 아래의 전계가 있는 상태)에서 두 투명 전극 사이에 액정이 주입된 치럴 막에 대하여 정규화된 투과율 차이 스펙트럼을 도시한다. 비교를 위해 투과율 차이 스펙트럼이 채워지지 않은 막에 대해서도 도시되어 있는데, 액정 재료가 채워져서 생성된 광학적 활성이 증가된 것을 도시한다.

본 발명은 MgF₂의 무기 구조의 포러스 공백 내부에 액정 재료의 치럴 네마틱 정렬을 도시하였다. 이 구조는 본 응용에서 자세하게 설명된 바와 같이 증기 증착된 얇은 막을 조각하는 본 방법에 따라 제조되었는데, 본 방법은 나노미터 크기의 제어된 구조를 발생시키기 위해 비스듬한 각도로 증착하는 단계와 기판 이동 단계를 사용한다. MgF₂의 헤리컬 모양으로 된 컬럼으로 구성된 무기 구조 내에 포러스 공백에 주입되는 네마틱 액정 재료는 다른 액정 재료에서 보여지는 치럴 네마틱 상과 아주 유사한 상을 형성하도록 유도되었다. 이것은 우원편광된 광과 좌원편광된 광으로 막을 통한 투과율의 측정값으로 제시되었다. 채럴적으로 방향이 정해진 액정(the chirally oriented liquid crystal)의 헤리컬 구조로부터 원형 편광의 선택적 반사는 이론적인 예측과 잘 일치하는 미소 투과율을 일으킨다. 본 발명에 따라 얻어진 재료는 액정의 정렬에 대해 유망한 새로운 기술로서 설명되어 있으며, 디스플레이와 다른 포토닉 스위칭 응용에서의 사용을 제안하고 있다. 가능한 응용은 색상 필터로서 하이브리드 층의 사용이다. 헤릭스의 트위스트가 증착 동안 역전되면, 100%의 반사율이 얻어질 수 있다.

투과형 디스플레이 응용에서, 다수의 반사 대역이 예를 들면 적색과 청색이 차단되는 동안 녹색을 통과시키도록 도입될 수 있다. 반사는 헤릭스 그레디언트, 포러스 구조, 또는 내장형 재료를 변화시켜 조정될 수 있다. 다른 응용이 이 특성을 변화시켜서, 서로 다른 색상 영역을 픽셀화한 증착으로 할 수 있다.

Claims (9)

1. 광학 장치에 사용하는 하이브리드 층으로서,

   포러스 컬럼 형태 구조 뿐만 아니라 광학적으로 비등방성 재료를 포함하는 광학 장치에 사용하는 하이브리드 층.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 광학적 비등방성 재료는 액정 재료인 광학 장치에 사용하는 하이브리드 층.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 포러스 컬럼 형태 구조는 헤리컬 구조인 광학 장치에 사용하는 하이브리드 층.
4. 제 3 항에 있어서, 서로 다른 포러스 구조를 가지는 두 개 이상의 영역을 포함하는 광학 장치에 사용하는 하이브리드 층.
5. 제 3 항에 있어서, 서로 다른 광학적 비등방성 재료를 가지는 두 개 이상의 영역을 포함하는 광학 장치에 사용하는 하이브리드 층.
6. 기판 사이에 존재하는 광학적 활성 층을 스위칭 하기 위하여 기판의 마주하는 면 상에 전극층을 갖는 두 개의 실질적으로 평행한 기판을 포함하는 광학 장치에 있어서,

   상기 광학적 활성층은 포러스 컬럼 형태 구조 뿐만 아니라 광학적 비등방성 재료를 포함하는 하이브리드 층으로 형성되는 것을 특징으로 하는 광학 장치.
7. 제 6 항에 있어서, 상기 광학적 비등방성 재료는 액정7 재료인 것을 특징으로 하는 광학 장치.
8. 제 6 항에 있어서, 상기 포러스 컬럼 형태 구조는 헤리컬 구조인 것을 특징으로 하는 광학 장치.
9. 제 6 항에 있어서, 상기 구조로 인하여 상기 광학 장치의 스위칭 전압을 낮추게 되는 광학 장치.