KR20070106796A - 복합 중합체 섬유 - Google Patents

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올레스터 쥬니어 벤슨
제임스 씨. 브레이스터
로버트 엘. 브로트
연-종 쵸우
패트릭 알. 플레밍
윌리엄 제이. 코페키
다이안 노쓰
로저 제이. 스투모
크리스틴 엘. 턴호스트
브루스 비. 윌슨
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Abstract

복합 중합체 섬유는 중합체 충전재 및 상기 충전재 내에 배치된 복수의 중합체 산란 섬유를 포함한다. 상기 충전재 및 산란 섬유의 적어도 하나는 복굴절성 재료로 형성된다. 상기 충전재 및 산란 섬유의 굴절율은 상기 복합 중합체 섬유 상에 첫 번째 편광 상태로 입사되는 빛에 대하여 실질적으로 일치하며 수직 편광 상태로 입사되는 빛에 대해서는 일치하지 않는다. 상기 산란 섬유는 상기 복합 섬유 내에서 광자성 결정을 형성하도록 배열될 수 있다. 상기 복합 섬유는 압출될 수 있고, 얀, 직물 등으로 형성될 수 있다. 상기 충전재가 가용성일 경우, 이는 상기 얀 또는 직물로부터 세척될 수 있고, 이어서 상기 산란 섬유는 나중에 경화되는 수지로 침투될 수 있다.
복합 섬유, 충전재, 굴절율, 편광, 광자성 결정, 산란 섬유

Description

복합 중합체 섬유 {Composite Polymer Fibers}
본 발명은 중합체 섬유, 더욱 특별하게는 광자성 결정으로 형성되는 "바다-중-섬(island in the sea)" 중합체 섬유에 관한 것이다.
광자성 결정 장치는 다양한 배열에서 빛을 조절하기 위한 가능성을 제공한다. 예를 들면, 광자성 결정 섬유는 유리 섬유를 특정 패턴으로 배열된 일련의 세로 구멍을 갖는 유리 섬유를 배열함으로써 형성되어, 상기 섬유를 따라서 전달되는 빛에 대한 한계를 제공한다.
그러나 광자성 결정 장치는 아직 시장에 상당히 침투해본 적이 없다. 그 이유의 하나는 광자성 결정 섬유를 제작하는 어려움에 있으며, 이것이 상기 장치를 고가로 만든다.
발명의 요약
본 발명의 하나의 구현예는 중합체 충전재 및 상기 충전재 내에 배치된 복수의 중합체 산란 섬유를 포함하는 복합 중합체 섬유에 관한 것이다. 상기 산란 섬유는 상기 복합 중합체 섬유의 세로 축에 실질적으로 평행한 세로 축을 갖는다. 상기 충전재 및 산란 섬유의 적어도 하나는 복굴절성 재료로 형성되며, 상기 충전재 및 상기 산란 섬유의 굴절율은 상기 복합 중합체 섬유 상에 첫 번째 편광 상태 로 입사되는 빛에 대하여 실질적으로 일치되고, 상기 첫 번째 편광 상태에 수직인 두 번째 편광 상태로 입사되는 빛에 대해서는 실질적으로 일치되지 않는다.
본 발명의 또 하나의 구현예는 중합체 매트릭스 및 상기 중합체 매트릭스 내에 배치된 복수의 중합체 복합 섬유를 포함하는 광학 물체에 관한 것이다. 상기 중합체 복합 섬유의 적어도 하나는 첫 번째 중합체 재료와는 상이한 두 번째 중합체 재료의 충전재 내에 첫 번째 중합체 재료로 된 복수의 산란 섬유를 포함한다. 상기 중합체 복합 섬유는 상기 중합체 매트릭스에 실질적으로 평행하게 배열되고, 상기 중합체 매트릭스, 상기 첫 번째 중합체 재료 및 상기 두 번째 중합체 재료의 적어도 하나는 복굴절성이다.
본 발명의 또 다른 구현예는 광학 물체의 제조 방법에 관한 것이다. 상기 방법은 복합 섬유를 압출하는 것을 포함하며, 각각의 복합 섬유는, 가용성인 두 번째 중합체로 제조된 충전재에 분산되어 있는, 첫 번째 중합체로 제조된 복수의 산란 섬유를 함유한다. 상기 첫 번째 중합체는 상기 첫 번째 중합체가 복굴절성이되도록 배향되어 있다. 상기 배향된 복합 섬유를 함유하는 얀이 형성되고, 이어서 용매로 세척하여 두 번째 중합체를 제거한다. 얀의 어레이가 형성되고, 여기에서 얀의 어레이는 바람직한 배향을 갖는다. 얀의 어레이를 수지로 포화시키고, 상기 수지를 굳힌다.
본 발명의 또 다른 구현에는 복합 섬유를 압출하는 것을 포함하는, 광학 물체의 제조 방법에 관한 것이며, 여기에서 각각의 복합 섬유는 첫 번째 중합체로 제조된 복수의 산란 섬유를 함유한다. 상기 산란 섬유는 두 번째 중합체로 제조된 충전재 내에 분산되어 있다. 상기 첫 번째 및 두 번째 중합체의 적어도 하나는 배향성이다. 상기 복합 섬유는 한데 배열되고 융합되어 융합된 광학 물체를 형성한다.
본 발명의 상기 요약은 본 발명의 각각의 예시된 구현예 또는 모든 실시를 기재하고자 의도되는 것이 아니다. 이하의 도면 및 상세한 설명이 이들 구현예를 더욱 특별히 예시한다.
본 발명은 첨부 도면과 관련하여 본 발명의 다양한 구현예의 이하 상세한 설명을 고려하면 더욱 완전히 이해될 수 있을 것이며, 여기에서:
도 1은 본 발명에 따르는 중합체 섬유를 함유하는 광학 요소를 도식적으로 보여주고;
도 2A-2K는 본 발명의 원리에 따르는 복합 섬유의 다양한 구현예의 단면도를 도식적으로 보여주며;
도 3A-3I는 본 발명의 원리에 따르는 복합 섬유의 다양한 추가의 구현예의 단면도를 도식적으로 보여주고;
도 3J-3M은 본 발명의 원리에 따르는, 산란 섬유를 따라 단면 치수에서 변화를 나타내는 복합 섬유의 더 많은 구현예의 단면도를 도식적으로 보여주며;
도 4는 광 산란 효율을 산란 섬유 반경의 함수로 보여주는 그래프를 나타내고;
도 5는 본 발명의 원리에 따르는, 코어/외피 구조를 갖는 산란 섬유를 포함 하는 복합 섬유의 구현예를 도식적으로 보여주며;
도 6은 본 발명의 원리에 따르는 복합 섬유 얀의 구현예를 도식적으로 보여주고;
도 7A-7E는 본 발명의 원리에 따르는 복합 섬유를 함유하는 광학 요소의 구현예를 통한 단면도를 도식적으로 보여주며;
도 7F-7J는 본 발명의 원리에 따르는 구조화된 표면을 갖는 광학 요소의 구현예를 통한 단면도를 도식적으로 보여주고;
도 8A-8D는 본 발명의 원리에 따르는 복합 섬유를 함유하는 광학 요소의 제조 방법의 구현예에서의 단계를 도식적으로 보여주며;
도 9는 본 발명의 원리에 따르는 복합 섬유 광학 요소의 제조 방법의 구현예에 사용될 수 있는 복합 섬유 토우(tow)를 도식적으로 보여주고;
도 10은 본 발명의 원리에 따르는 복합 섬유 광학 요소의 제조 방법의 하나의 구현예에 사용될 수 있는 복합 섬유 직물을 도식적으로 보여주며;
도 11A 및 11B는 본 발명의 원리에 따르는 복합 섬유 광학 요소에 사용될 수 있는 복합 섬유 직물의 구현예의 단면도를 도식적으로 보여주고;
도 12A 및 12B는 본 발명의 원리에 따르는, 융합된 복합 섬유 광학 요소를 형성하기 위해 복수의 복합 섬유를 융합시키는 단계의 구현예를 도식적으로 보여주며;
도 13은 신장 이전 공압출된 복합 섬유를 통한 단면의 사진을 나타낸다.
본 발명은 다양한 수정 및 대체 형태가 가능하지만, 그 명세는 도면에 예로 써 보여졌고 상세히 기재될 것이다. 그러나, 의도는 본 발명을 기재된 특정 구현에에 한정하고자 함이 아니다. 반대로, 첨부된 청구항에 의해 정의된 것과 같은 본 발명의 정신 및 범위에 해당하는 모든 수정, 동등물 및 대체물을 포함하고자 한다.
본 발명은 광학 시스템에 응용가능하며, 더욱 특별하게는 편광된 빛을 제어 및 사용하는 시스템에 응용가능하다. 본 발명은 주로 중합체성 재료로 제조된 장치 내 광자성 결정 구조를 포함할 수 있는 제품에 관한 것이다. 중합체의 사용은, 섬유를 구성하는, 종종 "바다-중-섬" 구조라 일컬어지는, 중합체 재료의 또 다른 재료의 "바다"와 함께 중합체 재료의 한 특정 종류의 "섬"의 배열을 가능하게 한다. 또한, 중합체의 사용은 섬의 형태 및 위치가 긴밀하게 조절되는 "바다-중-섬" 섬유의 공-압출을 가능하게 한다. 그러한 "바다-중-섬" 섬유에 대한 그러한 조절은 2-차원의 광자성 결정성 구조의 비교적 저비용의 제작을 가능하게 한다. 뿐만 아니라, 상기 중합체성 재료의 적어도 하나가 복굴절성일 경우, 상기 섬유는 입사광의 편광에 민감해진다. 복수의 2-차원 광자성 결정 구조가 함께 배열될 수 있고, 예를 들면 매트로 배열되거나 필름 내에 캡슐화 및 횡으로 조명되어, 입사광이 각 섬유의 회선하는 성질인 큰-면적의 광자성 결정 효과를 경험하게 된다.
본 발명의 섬유를 이용하는 장치는 섬유의 축을 따라서가 아닌 횡으로 조명될 수 있으며, 이는 광자성 결정 장치와 관련되어 종종 고려되는 한계의 완화를 초래할 수 있다. 예를 들면, 광자성 결정 섬유가 빛을 세로로 유도하기 위해 사용될 경우, 상기 섬유는 낮은 손실의 광학 재료로부터 제작되어야 하며, 그렇지 않으면 광학적 처리량이 낮다. 광자성 결정 섬유가 횡으로 조명될 경우에는, 반대로, 경로 길이가 비교적 짧기 때문에 더 높은 손실의 재료가 사용될 수 있다.
다수의 응용에서, 실질적인 굴절율 비가, 예를 들면 1.0 내지 2.6의 비가 2-차원 광자성 밴드 갭 효과를 나타내는 데 필요하다. 그러나, 파장 범위 및 입사각의 범위가 더 제한되는 경우, 굴절율 비에 대한 요건은 덜 엄격해지고, 더 작은 굴절율 차이가 사용될 수 있다. 그러나, 복굴절성 중합체성 재료의 사용은 굴절율 콘트라스트가 하나의 선택된 편광 상태에 대하여 상당히 더 높은 것을 가능하게 하며, 예를 들면, 상기 굴절율 차이는 0.01 내지 0.4의 범위 내일 수 있다. 결과적으로, 광학적 효과는 다른 편광 상태에 실질적으로 영향을 주지 않고, 하나의 편광 상태에 대하여, 비교적 넓은 범위의 파장 및 입사각에 걸쳐 나타날 수 있다.
여기에서 사용되는 "정반사" 및 "정반사율"이라는 용어는 반사 각이 입사 각과 동일한 물체로부터 광선의 반사를 의미하고, 여기에서 상기 각은 상기 물체의 표면에 대한 표준에 대하여 측정된다. 달리 말하면, 빛이 특정의 각 분포를 가지고 상기 물체 위에 입사될 경우, 상기 반사된 빛은 실질적으로 동일한 각 분포를 갖는다. "확산 반사" 또는 "확산 반사율"이라는 용어는 반사된 빛의 일부의 각이 입사 각과 동일하지 않은 광선의 반사를 의미한다. 결과적으로, 빛이 특정의 각 분포를 가지고 상기 물체 위에 입사될 경우, 상기 반사된 빛의 각 분포는 상기 입사광의 각 분포와 상이하다. "총 반사" 또는 "총 반사율"은 정 반사 및 확산 반사의 모든 빛의 합쳐진 반사율을 의미한다.
유사하게, "정 투과" 및 "정 투과율"이라는 용어는 여기에서, 투과된 빛의 각 분포가 입사광의 각 분포와 실질적으로 동일한, 물체를 통한 빛의 투과와 관련하여 사용된다. "확산 투과" 및 "확산 투과율"이라는 용어는 투과된 빛이 입사광의 각 분포와 상이한 각 분포를 갖는, 물체를 통한 빛의 투과를 표현하기 위해 사용된다. "총 투과" 또는 "총 투과율"이라는 용어는 정 투과 및 확산 투과의 모든 빛의 합쳐진 투과율을 의미한다.
본 발명의 예시적 구현예에 따르는 광학 요소(100)를 통한 절단도를 도 1에 도식적으로 나타낸다. 광학 요소(100)는 연속 상이라고도 하는 중합체 매트릭스(102)를 포함한다. 상기 중합체 매트릭스는 광학적으로 등방성이거나 광학적으로 복굴절성일 수 있다. 예를 들면, 상기 중합체 매트릭스는 단축 또는 이축방향으로 복굴절성일 수 있는데, 이는 상기 중합체의 굴절율이 하나의 방향을 따라서 상이하고 두 수직 방향에서 유사하거나 (단축), 모든 3 개의 수직 방향에서 상이할 수 있음(이축)을 의미한다. 복합 중합체 섬유(104)가 상기 매트릭스(102) 내에 배치되어 있다. 상기 복합 중합체 섬유(104)는 적어도 2종의 재료를 포함한다.
상기 중합체 섬유(104)는 도시된 것과 같이 단일의 섬유로, 또는 많은 다른 배열로 상기 매트릭스(102) 내에 구성될 수 있다. 몇 가지 예시적 배열은 얀, 상기 중합체 매트릭스 내에 하나의 방향으로 배열된 토우 (섬유 또는 얀의), 직물, 부직, 잘게 썬 섬유, 잘게 썬 섬유 매트(무작위 또는 질서잡힌 포맷을 갖는), 또는 상기 포맷의 조합을 포함한다. 상기 잘게 썬 섬유 매트 또는 부직은 신장, 긴장, 또는 배향되어, 섬유의 무작위 배열을 갖기 보다는, 상기 부직 또는 잘게 썬 섬유 매트 내 섬유의 일부 정렬을 제공할 수 있다.
섬유(104)가 x-축에 거의 평형하게 위치한, 오른 손 데카르트 좌표가 도 1에 도입되었다. 이하의 논의는 또한 섬유의 세로 축이 상기 x-축과 평행한 것을 가정하지만, 그러한 표시는 임의적인 것이며 본 발명의 설명에 도움을 주기 위해 채택된 것임이 잘 인식될 것이다.
복합 섬유(200)의 하나의 예시적 구현예를 도 2A에서 단면으로 나타낸다. 상기 복합 섬유(200)는 충전재(204) 내에 함유된 다수의 산란 섬유(202)를 포함한다. 일부 구현예에서, 산란 섬유(202) 또는 충전재(204)의 적어도 하나는 복굴절성이다. 예를 들면, 일부 예시적 구현예에서, 산란 섬유(202)의 적어도 일부는 복굴절성 재료로 형성되고, 상기 충전재(204)은 복굴절성이 아니다. 다른 예시적 구현예에서, 상기 산란 섬유(202)는 복굴절성이 아니지만, 상기 충전재(204)은 복굴절성이다. 다른 구현예에서, 상기 산란 섬유(202) 및 충전재(204)는 모두 복굴절성이다. 상기 상이한 변형에서, 산란 섬유(202)의 재료과 충전재(204) 사이의 각 계면은 복굴절성 재료과 또 다른 재료 사이의 계면, 즉 복굴절성 계면이며, 선택된 편광 상태에서 빛의 우세한 반사 및/또는 산란에 기여할 수 있다. 상기 상이한 구현예 각각에서, 상기 복합 섬유가 파묻혀 있는 중합체 매트릭스는 광학적으로 등방성이거나 복굴절성일 수 있다.
일부 다른 구현예에서, 상기 복합 섬유(200)는 등방성 충전재(204)을 갖는 등방성 산란 섬유(202)로부터 제조될 수 있다. 상기 복합 섬유(200)가 파묻혀 있는 매트릭스는 복굴절성일 수 있다.
산란 섬유 재료에 대한 x-, y- 및 z-방향에서의 굴절율은 n1x, n1y 및 n1z라 할 수 있고, 충전재에 대한 x-, y- 및 z-방향에서의 굴절율은 n2x, n2y 및 n2z라 할 수 있다. 상기 재료가 등방성일 경우, 상기 x-, y- 및 z-굴절율은 모두 실질적으로 일치한다. 상기 재료가 복굴절성일 경우, 상기 x-, y- 및 z-굴절율의 적어도 하나는 다른 것들과 상이하다. 단축 재료에서는, 상기 굴절율의 2 개가 실질적으로 일치하는 한편, 세 번째 것은 상이하다. 이축 재료에서는, 3 개의 모든 굴절율이 상이하다.
상기 산란 섬유(202)와 충전재 (204) 사이에서 각 복합 섬유(200) 내에 다수의 계면이 존재한다. 상기 산란 섬유(202)와 충전재(204) 사이에 계면을 형성하는 적어도 하나의 재료가 복굴절성일 경우, 상기 계면을 복굴절성 계면이라 할 수 있다. 예를 들면, 산란 섬유(202) 및 충전재(204)가 상기 계면 굴절율에서 그들의 x- 및 y-굴절율을 나타내고 n1x ≠ n1y일 경우, 즉, 산란 섬유 재료가 복굴절성일 경우, 상기 계면은 복굴절성이다.
복합 섬유(104)는 도 1에서 x-축으로 도시된, 하나의 축에 일반적으로 평행하게 배치되어 있다. x-축에 평행한 편광된 빛에 대하여 복합 섬유(104) 내 복굴절 계면에서 굴절율 차이인 n1x - n2x는 y-축에 평행한 편광된 빛에 대한 굴절율 차이인 n1y - n2y와 상이할 수 있다. 따라서, 하나의 편광 상태에 대하여, 복합 섬유(104) 중 복굴절성 계면에서 굴절율 차이는 비교적 작다. 일부 예시적인 경우, 상기 굴절율 차이는 약 0.05 미만이거나, 0.03 미만이거나, 0.02 미만이거나 0.01 미만일 수 있다. 상기 상태는 실질적으로 굴절율-일치된 것으로 간주된다. 상기 편광 방향이 x-축에 평행일 경우, x-편광된 빛은 반사나 산란이 거의 또는 전혀 없이 상기 물체(100)를 통과한다. 달리 말하면, x-편광된 빛은 상기 물체(100)를 통해 잘 투과된다.
한편, 상기 복합 섬유(104)의 복굴절성 계면에서 굴절율 차이는 수직 편광 상태에서의 빛에 대하여 비교적 높을 수 있다. 일부 예시적인 실시예에서, 상기 굴절율 차이는 적어도 약 0.05일 수 있고, 예를 들면 0.1 또는 0.15보다 크거나, 0.2일 수도 있다. 상기 편광 방향이 y-축에 평행일 경우, y-편광된 빛은 상기 복굴절성 계면에서 반사된다. 즉, y-편광은 상기 물체(100)에 의해 반사된다. 상기 복합 섬유(104) 내의 복굴절성 계면이 서로에 대하여 실질적으로 평행일 경우, 상기 반사는 실질적으로 정반사일 수 있다. 반면에, 상기 복합 섬유(104) 내의 복굴절성 계면이 서로에 대하여 실질적으로 평행하지 않을 경우, 상기 반사는 실질적으로 확산 반사일 수 있다. 상기 복굴절성 계면의 일부는 평행하고, 다른 계면은 평행하지 않을 수도 있으며, 이는 정반사 및 확산 반사 요소를 둘 다 함유하는 반사된 빛을 초래할 수 있다. 또한, 복굴절성 계면은 굽어지거나 비교적 작을 수 있고, 이는 확산 산란을 초래할 수 있다.
바로 위에서 기재한 예시적 구현예는 y-방향에서 비교적 큰 굴절율 차이를 가지고 x-방향에서 일치하는 굴절율에 관한 것인 반면, 다른 예시적 구현예는 x-방향에서 비교적 큰 굴절율 차이를 가지고 y-방향에서 일치하는 굴절율을 포함한다.
상기 중합체 매트릭스(102)는 실질적으로 광학 등방성일 수 있고, 예를 들면 0.05 미만, 바람직하게는 0.01 미만의 복굴절율, n3x - n3y를 갖는다 (여기에서 x- 및 y-방향에서의 굴절율은 각각 n3x 및 n3y임). 다른 구현예에서, 상기 중합체 매트릭스는 복굴절성일 수 있다. 결과적으로, 일부 구현예에서, 상기 중합체 매트릭스와 복합 섬유 재료의 하나 또는 양자 사이의 굴절율 차이는 상이한 편광에 대하여 다를 수 있다. 예를 들면, x-굴절율 차이인 n1x - n3x는 y-굴절율 차이인 n1y - n3y와 다를 수 있다. 일부 구현예에서, 이들 굴절율 차이의 하나는 다른 굴절율 차이보다 적어도 2배만큼 클 수도 있다.
일부 구현예에서, 굴절율 차이, 복굴절성 계면의 크기 및 형태, 및 산란 섬유의 상대적 위치는 다른 편광에 비하여 많은, 하나의 입사된 편광의 확산 산란을 초래할 수 있다. 그러한 산란은 주로 후방-산란 (확산 반사), 전방-산란 (확산 투과) 또는 후방- 및 전방-산란 양자의 조합일 수 있다.
중합체 매트릭스 및/또는 섬유에 사용하기 적합한 재료는 원하는 범위의 광 파장에 걸쳐 투명한 열가소성 및 열경화성 중합체를 포함한다. 일부 구현예에서는, 중합체가 물에 불용성인 것이 특히 유용한다. 또한, 적합한 중합체 재료는 무정형 또는 반-결정성일 수 있고, 단독중합체, 공중합체 또는 이들의 배합물을 포함할 수 있다. 중합체 재료의 예는 폴리(카보네이트) (PC); 신디오택틱 및 이소택틱 폴리(스티렌) (PS); C1-C8 알킬 스티렌; 폴리(메틸메타크릴레이트) (PMMA) 및 PMMA 공중합체를 포함하는, 알킬, 방향족 및 지방족 고리-함유 (메트)아크릴레이트; 에톡실화 및 프로폭실화 (메트)아크릴레이트; 다작용성 (메트)아크릴레이트; 아크릴화 에폭시; 에폭시; 및 다른 에틸렌계 불포화된 재료; 고리형 올레핀 및 고리형 올레핀계 공중합체; 아크릴로니트릴 부타디엔 스티렌 (ABS); 스티렌 아크릴로니트릴 공중합체 (SAN); 에폭시; 폴리(비닐시클로헥산); PMMA/폴리(비닐플루오라이드) 배합물; 폴리(페닐렌 옥시드) 알로이; 스티렌계 블럭 공중합체; 폴리이미드; 폴리술폰; 폴리(비닐 클로라이드); 폴리(디메틸 실록산) (PDMS); 폴리우레탄; 불포화된 폴리에스테르; 낮은 복굴절율 폴리에틸렌을 포함하는 폴리(에틸렌); 폴리(프로필렌) (PP); 폴리(에틸렌 테레프탈레이트)(PET)와 같은 폴리(알칸 테레프탈레이트); 폴리(에틸렌 나프탈레이트)(PEN)와 같은 폴리(알칸 나프탈레이트); 폴리아미드; 이오노머; 비닐 아세테이트/폴리에틸렌 공중합체; 셀룰로오스 아세테이트; 셀룰로오스 아세테이트 부티레이트; 플루오로중합체; 폴리(스티렌)-폴리(에틸렌) 공중합체; 폴리(카보네이트)/지방족 PET 배합물, 및 폴리올레핀계 PET 및 PEN을 포함하는 PET 및 PEN 공중합체를 비제한적으로 포함한다. (메트)아크릴레이트라는 용어는 상응하는 메타크릴레이트 또는 아크릴레이트 화합물의 하나인 것으로 정의된다. 신디오택틱 PS를 제외하고, 상기 중합체들은 광학적 등방성 형태로 사용될 수 있다.
배향될 경우, 이들 중합체 중 여럿은 복굴절성으로 될 수 있다. 특히, PET, PEN 및 이들의 공중합체, 및 액정 중합체는 배향될 경우 비교적 큰 값의 복굴절율을 나타낸다. 중합체들은 압출 및 신장을 포함하는 다양한 방법을 이용하여 배향될 수 있다. 신장은, 그것이 높은 배향도를 가능하게 하고, 온도 및 신장 비와 같은 다수의 쉽게 제어가능한 외부 변수에 의해 조절될 수 있기 때문에, 중합체를 배향하기 위해 특히 유용한 방법이다. 배향된 및 배향되지 않은 다수의 예시적인 중합체에 대한 굴절율을 이하의 표 1에 나타낸다.
몇 가지 중합체 재료에 대한 전형적인 굴절율 값
수지/배합물 S.R. T (℃) nx ny nz
PEN 1 - 1.64
PEN 6 150 1.88 1.57 1.57
PET 1 - 1.57
PET 6 100 1.69 1.54 1.54
CoPEN 1 - 1.57
CoPEN 6 135 1.82 1.56 1.56
PMMA 1 - 1.49
PC, CoPET 배합물 1 - 1.56
THV 1 - 1.34
PETG 1 - 1.56
SAN 1 - 1.56
PCTG 1 - 1.55
PS, PMMA 공중합체 1 - 1.55-1.58
PP 1 - 1.52
신디오택틱 PS 6 130 1.57 1.61 1.61
PCTG 및 PETG(글리콜-개질된 폴리에틸렌 테레프탈레이트)는 예를 들면 이스트만 케미칼 사(Eastman Chemical Co., Kingsport, TN)로부터 이스타(Eastar™)라는 브랜드명 하에 시판되는 코폴리에스테르의 종류이다. THV는 쓰리엠 캄파니(3M Company, St. Paul, MN)로부터 디네온(Dyneon™)이라는 브랜드 명 하에 시판되는 테트라플루오로에틸렌, 헥사플루오로프로필렌 및 비닐리덴 플루오라이드의 중합체이다. PS/PMMA 공중합체는 상기 공중합체 중 구성 단량체의 비를 변화시켜 그 굴절율을 "조정"함으로써 원하는 굴절율 값을 수득할 수 있는 공중합체의 예이다. "S.R."로 표시된 열은 신장 비를 포함한다. 1의 신장 비는 상기 재료가 신장되지 않았고, 따라서 배향되지 않았음을 의미한다. 6의 신장 비는 그 원래 길이의 6 배로 신장되었음을 의미한다. 정확한 온도 조건 하에 신장될 경우, 상기 중합체 분자는 배향되고 상기 재료는 복굴절성이 된다. 그러나, 가능하다면, 분자를 배향하지 않고, 재료를 그의 유리 온도(Tg)의 위에서 신장시키는 것이 가능하다. "T"라고 표시된 열은 시료가 신장된 온도를 나타낸다. 신장된 시료는 시트로서 신장되었다. nx, ny 및 nz로 표시된 열은 재료의 굴절율을 의미한다. ny 및 nz에 대하여 표에 값이 나열되어 있지 않을 경우, ny 및 nz의 값은 nx와 같다.
섬유를 신장시킬 때 굴절율의 성질은, 반드시 같을 필요는 없지만, 시트를 신장시킬 경우의 성질과 유사한 결과를 제공할 것으로 예상된다. 중합체 섬유는 원하는 값의 굴절율을 생성하는 임의의 원하는 값까지 신장될 수 있다. 예를 들면, 일부 중합체 섬유는 적어도 3, 그리고 아마도 적어도 6의 신장 비를 생성하도록 신장될 수 있다. 일부 구현예에서, 중합체 섬유는 예를 들면 20에 이르는 또는 심지어는 그 이상에 이르는 신장 비까지 더욱 신장될 수 있다.
복굴절율을 수득하도록 신장하기 적합한 온도는 켈빈(Kelvins)으로 환산된, 중합체의 융점의 약 80%이다. 복굴절율은 또한 압출 및 필름 형성 공정 도중에 겪는, 중합체 용융물의 흐름에 의해 유도된 응력에 의해 유도될 수도 있다. 복굴절율은 또한 상기 필름 물품의 섬유와 같은 인접한 표면과의 정렬에 의해 발현될 수도 있다. 복굴절율은 양 또는 음의 값일 수 있다. 양의 복굴절율은 직선으로 편광된 빛에 대한 전기장 축의 방향이, 그것이 중합체의 배향 또는 정렬하는 표면과 평행일 때 가장 높은 굴절율을 경험하는 경우로 정의된다. 음의 복굴절율은 직선으로 편광된 빛에 대한 전기장 축의 방향이, 그것이 중합체의 배향 또는 정렬하는 표면과 평행일 때 가장 낮은 굴절율을 경험하는 경우로 정의된다. 양의 복굴절성 중합체의 예는 PEN 및 PET를 포함한다. 음의 복굴절성 중합체의 예는 신디오택틱 폴리스티렌을 포함한다.
매트릭스(102) 및/또는 복합 섬유(104)는 광학 요소에 원하는 성질을 제공하기 위해 다양한 첨가제를 구비할 수 있다. 예를 들면, 첨가제는 내후성 약품, UV 흡수제, 방해된 아민 광 안정화제, 산화방지제, 분산제, 윤활제, 정전방지제, 안료 또는 염료, 핵형성제, 난연제 및 발포제의 1종 이상을 포함할 수 있다. 중합체의 굴절율을 변화시키거나 재료의 강도를 증가시키기 위해 다른 첨가제가 구비될 수도 있다. 상기 첨가제는 예를 들면, 중합체성 비드 또는 입자 및 중합체성 나노입자와 같은 유기 첨가제, 또는 유리, 세라믹 또는 금속-산화물 나노입자, 또는 제분된, 분말화된, 비드, 박편, 섬유 또는 미립자의 유리, 세라믹 또는 유리-세라믹과 같은 무기 첨가제를 포함할 수 있다. 이들 첨가제의 표면은 상기 중합체에 대한 결합을 위해 결합제를 구비할 수 있다. 예를 들면, 실란 커플링제가 유리 첨가제를 상기 중합체에 결합시키기 위해 유리 첨가제와 함께 사용될 수 있다.
일부 구현예에서, 매트릭스(102) 또는 충전재(204)는 불용성이거나, 적어도 용매에 대하여 내성인 것이 바람직할 수 있다. 내용매성인 적합한 재료의 예는 폴리프로필렌, PET 및 PEN을 포함한다. 다른 구현예에서, 상기 매트릭스(102) 또는 충전재(204)는 유기 용매에 가용성인 것이 바람직할 수 있다. 예를 들면, 폴리스티렌으로 형성된 매트릭스(102) 또는 충전재(204)는 아세톤과 같은 유기 용매에 가용성이다. 다른 구현예에서, 매트릭스는 수용성인 것이 바람직할 수 있다. 예를 들면, 폴리비닐 아세테이트로 형성된 매트릭스(102) 또는 충전재(204)는 물에 가용성이다.
광학 요소의 일부 구현예에서 재료의 굴절율은 x-방향에서 섬유의 길이를 따라서 변할 수 있다. 예를 들면, 상기 요소는 균일한 신장에 처해지지 않을 수 있으며, 다른 영역에서보다 일부 영역에서 더 많은 정도로 신장될 수 있다. 결과적으로, 배향가능한 재료의 배향 정도는 상기 요소를 따라서 균일하지 않으며, 따라서 복굴절율도 상기 요소를 따라서 공간적으로 변할 수 있다.
또한, 상기 매트릭스 내에 섬유를 포함하는 것은 상기 광학 요소의 기계적 성질을 향상시킬 수 있다. 특히, 폴리에스테르와 같은 일부 중합체성 재료는 필름의 형태에서보다 섬유의 형태에서 더 강하므로, 섬유를 함유하는 광학 요소는 섬유를 함유하지 않는 유사한 치수의 것보다 더 강할 수 있다. 더 나아가서, 상기 매트릭스 재료와 섬유 재료의 기계적 성질의 차이로 인하여 상기 요소에 기계적 성질 향상이 부여될 수 있다.
중합체 재료의 다양한 조합이 상기 산란 섬유, 충전재 및 중합체 매트릭스에 대하여 사용될 수 있다. 하나의 예에서, 상기 산란 섬유 및 충전재는 모두 등방성 재료로 형성될 수 있다. 산란 섬유의 굴절율인 n1은 상기 충전재의 굴절율보다 크거나 작을 수 있다. 또 다른 예에서, 상기 산란 섬유는 등방성이고 상기 충전재는 복굴절성이고, 예를 들면 n2x ≠ n2y일 수 있다. 그러한 경우, 상기 산란 섬유의 굴절율 값인 n1은 n2x 및 n2y의 양자보다 낮거나, n2x 또는 n2y와 거의 같거나, n2x와 n2y의 사이에 있거나, n2x 및 n2y 양자보다 높을 수 있다. 또한, n2x의 값은 n2y의 값보다 크거나, 상기 n2x의 값은 n2y의 값보다 작을 수 있다.
또 다른 예에서, 충전재는 등방성이고 상기 산란 섬유는 복굴절성이고, 예를 들면 n1x ≠ n1y일 수 있다. 그러한 경우, 충전재의 굴절율 값인 n2는 n1x 및 n1y의 양자보다 낮거나, n1x 또는 n1y와 거의 같거나, n1x와 n1y의 사이에 있거나, n1x 및 n1y 양자보다 높을 수 있다. 또한, n1x의 값은 n1y의 값보다 크거나, n1x의 값은 n1y의 값보다 작을 수 있다. 또 다른 예에서는, 충전재 및 산란 섬유의 양자가 복굴절성일 수 있고, 예를 들면, n1x ≠ n1y이고 n2x ≠ n2y일 수 있다. 그러한 경우, 충전재의 굴절율의 값인 n2x 및 n2y는 각각이 n1x 및 n1y의 양자보다 낮거나, n1x 또는 n1y와 거의 같거나, n1x와 n1y의 사이에 있거나, n1x 및 n1y 양자보다 높을 수 있다. 또한, n1x의 값은 n1y의 값보다 크거나 작을 수 있고, n2x의 값은 n2y의 값보다 크거나 작을 수 있다.
상기 복합 섬유는 많은 다양한 방법으로 구성될 수 있다. 예를 들면, 상기 복합 섬유는 상이한 단면 형태를 취할 수 있다. 도 2A에서, 상기 복합 섬유(200)는 원형의 단면 형태를 갖는다. 도 2B 및 2C에서 복합 섬유(210 및 220)의 다른 구현예는 각각 타원형 및 정사각의 단면 형태를 갖는다. 예를 들면 정다각형 및 불규칙한 다각형 형태, 또는 굽어진 및 직선의 변을 조합한 단면 형태와 같은 여타의 단면 형태가 사용될 수 있으며, 도면에 나타낸 단면 형태에 본 발명을 한정하고자 함은 아니다.
복합 섬유의 직경 또는 다른 단면 치수는 적어도, 2 개 이상의 산란 섬유를 포함하기에 충분히 크다. 상기 복합 섬유의 직경이나 다른 단면 치수에 상한은 없지만, 섬유의 제조가능성에 대한 실제적 한계는 있을 수 있다.
복합 섬유는 선택적으로 외부 층(206)을 구비할 수 있다. 상기 외부 층(206)은, 예를 들면 복합 섬유와, 상기 복합 섬유가 그 안에 파묻힌 중합체 매트릭스 사이의 접착에 영향을 주기 위해 사용될 수 있다. 일부 구현예에서, 상기 외부 층(206)은 상기 복합 섬유와 중합체 매트릭스 사이의 접착을 증가시키는 재료, 예를 들면 폴리에스테르 수지 피복, 실란 피복 또는 상기 중합체 매트릭스와 중합체 섬유 사이의 접착을 증가시키기 위해 사용된 여타 하도로 형성될 수 있다. 다른 구현예에서, 상기 외부 층(206)은, 예를 들면 플루오로카본 재료, 실리콘 재료 등과 같이, 중합체 섬유와 주위의 중합체 매트릭스 사이의 접착을 감소시키는 재료로 만들어질 수도 있다. 일부 구현예에서, 상기 외부 층(206)은, 예를 들면 상기 충전재(204)와 중합체 매트릭스 사이에 약간의 굴절율 일치를 제공함으로써 항반사 기능을 제공하도록 사용될 수 있다.
상기 산란 섬유(202)의 위치는, 예를 들면 도 2A-2C의 예시적 구현예에 도식적으로 나타낸 것과 같이, 상기 복합 섬유 내에서 무작위일 수 있다. 산란 섬유의 다른 배열이 사용될 수도 있다. 예를 들어, 상기 산란 섬유(202)는, 예를 들면 2-차원 광자성 결정 구조와 같이, 상기 복합 섬유(230) 내에 규칙적으로 배열될 수 있다. 도 2D에 나타낸 섬유(230)의 예시적 구현예는 2-차원 어레이로 배열된 산란 섬유(202)를 보여주며, 여기에서 인접한 산란 섬유(202) 사이의 y-방향에서의 간격 거리인 dy는 z-방향에서의 간격 거리인 dz와 같다. 그러한 복합 섬유(230) 위에 측면으로 입사되는 빛은 y- 및 z-방향을 따라서 입사되는 빛에 대하여 유사한 스펙트럼 특성을 나타낸다.
도 2E에 도시된 복합 섬유(240)의 예시적 구현예에서, 산란 섬유(202)는 2-차원 어레이로 배열되고, 여기에서 y-방향에서의 간격 거리인 dy는 z-방향에서의 간격인 dz와 다르다. 그러한 복합 섬유(240) 위에 측면으로 입사되는 빛은 y- 및 z-방향을 따라 입사되는 빛에 대하여 상이한 스펙트럼 특성을 나타낸다. 더욱 구체적으로, 더 큰 z-간격은 y-방향을 따라서 입사되는 빛에 대한 것보다 z-방향을 따라서 입사되는 빛에 대하여 최대 반사 파장을 더 길게 만드는 경향이 있을 것이다.
도 2D 및 2E에서 산란 섬유(202)는 직사각형 격자 패턴으로 놓이며, 이는 도 2D의 정사각형 격자 패턴을 포함하는 것으로 이해된다. 인접한 산란 섬유(202) 사이의 간격은 예를 들면 50 nm 내지 500 nm의 범위일 수 있다.
산란 섬유(202)의 다른 규칙적인 배열이 가능하다. 예를 들면, 도 2F에 단면으로 도식적으로 나타낸 복합 섬유(250)에서, 산란 섬유는 y-방향을 따라서 열을 지어 놓이며, 여기에서 인접한 열에 있는 섬유는 y-방향에서 서로로부터 엇갈려 있다. 상기 특정 구현예에서, 인접한 열들 사이의 상기 엇갈림은 산란 섬유(202)가 정사각형 또는 직사각형 패턴보다는 육각형 패턴으로 배열되게 한다. 투과 및 반사와 같은 스펙트럼 특성은 상이한 방향에서 복합 섬유(250) 상에 측면으로 입사되는 빛에 대하여 비교적 균일하다.
도 2F에서 배열의 변화를 도 2G에서 복합 섬유(255)에 대하여 도식적으로 나타내며, 여기에서 가장 가까운 이웃하는 산란 섬유들(202) 사이의 간격은 다른 방향보다 한 방향에서 더 크고, 상기 특정한 경우에는 y-방향에서보다 z-방향에서 더 크다. 스펙트럼 특성은 복합 섬유(250)에 대한 것보다 복합 섬유(255) 위에 측면으로 입사되는 빛에 대하여 덜 균일하다. 예를 들면, z-방향에서 더 큰 간격은 더 긴 파장에 대하여 반사 및 투과에 있어서의 스펙트럼 특성을 이동시키는 경향이 있다.
다른 예시적 구현예에서, 산란 섬유(202)는 다른 패턴을 형성할 수 있다. 예를 들면, 상기 산란 섬유는 규칙적인 어레이에서 모든 위치는 아니지만 일부의 위치를 채우도록 배열될 수 있다. 더 나아가서, 공간 또는 간격이 인접한 산란 섬유 또는 산란 섬유의 군들 사이에 도입될 수 있다. 상기 군 또는 공간 및 간격의 크기 및 분포는 특히 바람직한 스펙트럼 특성을 생성하도록 선택될 수 있다. 예를 들면, 산란 섬유의 일부 배열은 특정 파장 범위 내의 빛에 대하여 2-차원 광자성 결정으로 작용할 수 있고, 이것이 스펙트럼 선택적 반사 및/또는 투과를 초래할 수 있다. 2-차원 광자성 결정성 구조는 색상 이동 효과를 나타내고, 여기에서 반사 및/또는 투과 스펙트럼은 상기 복합 섬유 위로 빛이 입사되는 각에 의존한다. 복합 섬유의 다양한 영역의 크기, 분포 및 굴절율을 조절함으로써, 색상-이동 성질이 조절될 수 있다. 또한, 복합 섬유는 입사각의 함수로서 색상 이동 성질의 추가 조절을 가능하게 한다. 예를 들면, 상기 색상 이동은 입사광의 편광 각으로부터 아주 다른 방식으로, 입사광의 방위각에 의존하도록 만들어질 수 있다.
광자성 결정 섬유(PCF)의 종래 연구는, 예를 들면 유리 섬유와 같은 섬유의 코어를 둘러싸는 세로 구멍과 같이, 상기 섬유를 따라서 빛을 유도하기 위한 산란 부위의 주기적인 배열의 사용에 초점을 맞추어 왔다. 섬유 코어 내 빛의 제한은 상기 섬유 내 구멍의 특정 배열로부터 발생하는 광자성 밴드갭으로 인한 것이다. 섬유 중 구멍의 배열에서 비대칭성이, 상기 섬유로 하여금 편광 의존적 파동유도 성질을 나타내게 한다. 그러나, 이러한 편광 의존적 성질들이 섬유에 사용된 물질의 복굴절성으로 인하여 발생되는 것이 아님에 주목하는 것이 중요하다.
여기에 개시된 종류의 복합 섬유, 및 상기 복합 섬유로부터 형성될 수 있는 광학 요소의 종류는 그러한 PCF 연구에 사용된 유리 섬유와는 상당히 다르다. 먼저, 상기 복합 섬유는 산란 섬유를 포함하는 반면, 유리 PCF는 산란 부위로 구멍을 갖는다. 뿐만 아니라, 일부 구현예에서, 상기 복합 섬유의 재료는 적어도 1종의 복굴절 재료를 포함하는 반면, 종래의 PCF는 단지 등방성 재료만을 함유한다.
또한, 일부 구현예에서, 상기 복합 섬유의 단면에 걸쳐 산란 섬유의 밀도는 비교적 균일할 수 있고, 산란 섬유는 상기 복합 섬유의 전체 단면을 실질적으로 가로질러 위치한다. 산란 섬유의 총 단면적은 상기 복합 섬유의 단면적의 약 1% 내지 95%, 바람직하게는 10% 내지 90%, 더욱 바람직하게는 10% 내지 50%를 차지할 수 있다. 충전 비가 상기 복합 섬유에 걸쳐 균일할 필요는 없다. 그러나, 종래 PCF에서의 산란 부위는 섬유의 중앙 코어 주위에 전형적으로 집중되어 있고, 코어를 둘러싸는 커다란 면적은 산란 부위를 갖지 않는다. 결과적으로, 상기 산란 부위의 단면적은 종래 PCF의 총 단면적의 작은 분율을 차지한다.
상기 복합 섬유 내 산란 섬유의 특정 배열이 공지의 방법을 이용하여 선택되어, 상기 복합 섬유를 이용하는 광학 요소의 반사 및 투과에 대한 특정의 스펙트럼 반응을 제공할 수 있다.
가능한 산란 섬유 배열의 비제한적인 선택을 보여주는 복합 섬유의 추가의 예시적 구현예를 이제 기재한다. 도 2H에 도식적으로 나타낸 복합 섬유(260)의 예시적 구현예에서, 일부 산란 섬유(202)는 섬유(260)의 중앙 주위의 면적에 규칙적으로 배열되어 있지만, 섬유(260)의 중앙부에는 산란 섬유가 없다. 도 2I에 도식적으로 나타낸 복합 섬유(265)의 또 다른 예에서, 산란 섬유(202)는 동심의 고리(206)로 배열되어 있다. 산란 섬유(202)의 크기 및 간격 및/또는 동심 고리의 크기는 투과 및/또는 반사와 같은 특정의 광학 성질에 대하여 선택될 수 있다. 도 2I에 도시된 예에서, 상기 산란 섬유는 육각형 격자에 의해 고정된 위치에 위치하는 것으로 나타난다. 이는 필요 조건은 아니며, 상기 산란 섬유(202)는 예를 들면 도 2J에 도식적으로 나타낸 것과 같이, 방사상 동심 패턴으로 형성될 수 있다.
일부 구현예에서, 상기 산란 섬유(202)는 모두 같은 크기일 필요는 없다. 예를 들면, 도 2J 및 2K에 도시된 복합 섬유(270 및 275)의 구현예에서 나타난 것과 같이, 상기 복합 섬유는 상이한 단면 크기의 산란 섬유를 포함할 수 있다. 이들 특정 구현예에서, 산란 섬유(202a)는 단면이 비교적 더 크고, 산란 섬유(202b)는 단면이 비교적 더 작다. 상기 산란 섬유(202)는 적어도 2 가지 상이한 크기의 군에 해당할 수 있지만, 사실상 모두 상이한 크기일 수 있다. 더 나아가서, 산란 섬유(202)는 예를 들면 도 2I에 도시된 것과 같이 복합 섬유의 중앙에 위치하거나, 상기 복합 섬유의 중앙에 산란 섬유(202)가 없을 수도 있다: 예를 들면 산란 섬유(202a)는 도 2J의 복합 섬유(270)의 중앙 주위에 위치하나, 중앙에는 위치하지 않는다. 실제로, 산란 섬유(202)의 치수는 단일의 값을 갖기보다는 일정 범위 내에 해당할 수 있다.
상기 논의된 것과 같이, 복합 섬유는 형태가 원형일 필요는 없고, 원형이 아닌 단면을 가질 수 있다. 도면에서, 도 3A 및 3B는 각각 정사각형 및 육각형 패턴으로 산란 섬유(202)를 함유하는 원형이 아닌 복합 섬유(300, 310)를 보여준다. 상기 원형이 아닌 섬유는 규칙적인 격자 패턴 위의 점에 위치한 그의 산란 섬유(202)를 가질 수 있지만, 상기 격자 패턴의 모든 위치가 산란 섬유(202)와 관련될 필요는 없다. 예를 들어, 도 3C에 도식적으로 나타낸 원형이 아닌 복합 섬유(320)는 육각형 격자 상에 위치한 산란 섬유(202)를 함유하지만, 일부 간격(312)이 섬유들 사이에 존재할 수 있다. 산란 섬유(202)의 상기 특정 배열에는 대칭 축이 없다.
원형이 아닌 복합 섬유(330, 340)의 다른 예시적 구현예를 도 3D 및 3E에 도식적으로 나타낸다. 이들 예시적인 원형이 아닌 복합 섬유(330, 340)는 단면이 정사각형이고 다양한 예시적 패턴으로 배열된 산란 섬유(202)를 함유한다. 복합 섬유(330)에서 산란 섬유(202)는 육각형 격자 패턴 상에 배열되어 있는 한편, 복합 섬유(340)에서 산란 섬유(202)는 정사각형 격자 패턴으로 배열되어 있다. 각각의 경우, 산란 섬유(202)의 배열 내에 간격이 존재한다.
본 발명의 범위는 복합 섬유 내 산란 섬유의 모든 배열을 포함하도록 의도된다. 일부 예시적인 배열에서, 산란 섬유의 상대적 위치, 산란 섬유의 크기, 및 산란 섬유와 충전재 사이에 굴절율의 차이가 조정되어, 복합 섬유에 원하는 스펙트럼 선택적 성질을 제공할 수 있다. 그러한 스펙트럼 선택적 성질의 예는 반사 및 투과를 비제한적으로 포함한다. 복합 섬유의 일부 구현예에서, 상기 산란 섬유의 단면 위치는 입사광의 일관되지 않은 산란을 초래할 수 있다. 다른 구현예에서, 산란 섬유의 위치는 광자성 결정 성질을 일으키는 산란된 빛에서 일관된 효과를 초래할 수 있다. 복합 섬유 내 산란 섬유의 평균 밀도는 넓은 범위를 포함할 수 있고, 예를 들면 상기 산란 섬유에 의해 차지된 복합 섬유의 단면적의 분율은 전술한 범위 내, 즉 1% 내지 95%, 바람직하게는 10% 내지 90%, 더욱 바람직하게는 10% 내지 50%일 수 있지만, 상기 산란 섬유 밀도는 상기 범위 외에 해당할 수도 있다.
산란 섬유(202)는 산란에 중대한 영향을 가질 수 있다. 산란 효과, 표준화된, 눈금화된 광학 두께(NSOT)의 플롯을 도 4에서, 산란 섬유의 평균 반경의 함수로 나타낸다. NSOT는 다음 수학식으로 표현된다:
NSOT = τ(1-g)/(tf)
[상기 식에서 τ는 광학 두께이며 tk와 같고, k는 단위 부피 당 소멸 단면이고 (소멸에 대한 평균 자유 경로의 역수), t는 확산자의 두께이며, f는 확산자의 부피 분율이고, g는 비대칭 변수이다.] g의 값은 순수한 전방-산란의 경우 +1이고, 순수한 후방-산란의 경우 -1이며, 동등하게 전방 및 후방 산란인 경우에는 0이다. 상기 플롯을 생성하는 데 사용된 계산은 입사광의 진공 파장이 550 nm임을 가정하였다.
알 수 있는 바와 같이, 산란 효과는 약 150 nm의 반경에서 최대이고, 약 50 nm 내지 1000 nm의 반경 범위에 걸쳐 최대값의 약 절반의 값을 갖는다. 산란 섬유는 임의의 원하는 단면 치수를 가질 수 있지만, 상기 단면 치수는 약 550 nm의 파장에 중심이 위치한 빛에 대하여, 약 50 nm 내지 약 2000 nm의 범위, 더욱 바람직하게는 약 100 nm 내지 약 1000 nm의 범위일 수 있다. 단면 치수는 상기 산란 섬유가 거의 원형인 단면을 가질 경우 직경이고, 원형이 아닌 섬유 단면의 경우 산란 섬유 폭으로 채택될 수 있다. 산란 섬유의 크기는, 복합 섬유가, 입사광의 파장이 스펙트럼의 가시 영역 외부에, 예를 들면 자외선이나 적외선 영역에 놓이는 응용을 위해 사용될 경우 상이할 수 있다. 일반적으로, 산란 섬유의 단면 치수를 위해 바람직한 범위는 약 λ/10 내지 약 4λ이며, 여기에서 λ는 빛의 진공 파장이다. 빛이 파장의 범위로 존재할 경우, λ의 값은 상기 파장 범위의 중앙 값으로 채택될 수 있지만, 상기 복합 섬유는 또한 치수의 범위를 갖는 산란 섬유를 구비할 수도 있다.
산란 섬유가 너무 작을 경우, 예를 들면 복합 섬유 내 빛의 파장의 약 1/30 미만일 경우, 또는 진공에서 550 nm의 빛에 대하여 약 0.012 μm 미만일 경우, 및 산란 섬유의 밀도가 예를 들면 복합 섬유 부피의 약 60% 내지 80% 범위로 충분히 높을 경우, 상기 광학 요소는 임의의 주어진 축을 따라서 상기 산란 섬유와 상기 충전재의 굴절율 사이에서 어느 정도 효과적인 굴절율을 갖는 매질로 작용한다. 그러한 경우, 광은 거의 산란되지 않는다. 산란 섬유의 단면 크기가 상기 광 파장보다 상당히 더 커지면, 예를 들면 상기 파장의 적어도 3 배 또는 그 이상이 되면, 산란 효율은 매우 낮아지고, 무지개 효과가 일어날 수 있다.
산란 섬유의 단면 치수는 광학 재료의 원하는 용도에 의존하여 변할 수 있다. 즉, 예를 들면, 산란 섬유의 치수는, 가시광선, 자외선 및 적외선을 산란 또는 투과시키는 데 요구되는 상이한 치수를 가지고, 특정 응용에서 관심있는 빛의 파장에 의존하여 변할 수 있다. 그러나, 일반적으로 산란 섬유의 치수는 상기 재료 중 관심있는 파장 범위에서 빛의 가장 작은 파장의 대략 1/30보다는 커야 한다.
원하는 치수 범위의 위에서, 산란 섬유의 평균 치수는 바람직하게는, 상기 재료 중 관심있는 파장 범위에 걸쳐 빛의 파장의 2배 이하, 바람직하게는 원하는 파장의 0.5 배 미만이다.
복합 섬유 내 산란 섬유의 밀도는 발생하는 산란의 정도에 영향을 미친다. 산란 섬유 사이의 중심-대-중심 간격은 약 λ/10 내지 약 2λ인 것이 유용하다 (λ는 입사광의 중앙 또는 평균 진공 파장임).
산란 섬유는 단면이 둥글 수 있지만, 반드시 둥글 필요는 없으며 다른 단면 형태를 가질 수 있다. 도 3F에 단면으로 도식적으로 나타낸 예시적 복합 섬유(350)에서, 상기 산란 섬유(352)는 정사각형 단면을 갖는다. 예를 들면, 삼각형, 직사각형, 육각형과 같은 정다각형 및 불규칙한 다각형 형태, 또는 곡선의 변과 직선의 변을 합친 단면 형태 등 여타의 단면 형태가 사용될 수도 있다. 도면에 나타낸 단면 형태를 갖는 산란 섬유에 본 발명을 한정하고자 함은 아니다.
원형이 아닌 단면을 갖는 산란 섬유의 사용은 중심-대-중심 섬유 간격이 균일하지 않을 경우 유용한데, 그 이유는 그것이 상기 산란 섬유로 하여금 복합 섬유의 단면적의 더 많은 분율을 채울 수 있게 하기 때문이다. 예를 들면, 산란 섬유가 직사각형 격자 상에 배열되고 상기 중심-대-중심 간격이 y-방향에서 z-방향의 2 배일 경우, 산란 섬유는 상기 산란 섬유가 원형일 경우에 비하여 z-방향보다 y-방향에서 2 배 더 긴 타원의 단면을 가질 경우, 상기 복합 섬유의 더 큰 단면을 채운다.
원형이 아닌 단면을 갖는 산란 섬유의 몇 가지 추가의 예시적 배열을 도 3G-3I에 도식적으로 나타낸다. 원형이 아닌 산란 섬유는 무작위 방향으로 배열된 그들의 단면 형태를 가지고 배열될 수 있다. 다른 구현예에서, 산란 섬유의 단면은 서로에 대하여 정렬될 수 있다. 예를 들어, 도 3G에서, 복합 섬유(360)는 타원형 단면을 갖는 산란 섬유(362)로 파묻힌 충전재(204)를 가지고 형성되어 있다. 상기 특정 구현예에서, 산란 섬유(362)는 그들의 단면 타원의 장축이 y-축과 평행이도록 정렬되어 있다.
상기 산란 섬유의 단면 형태는 압출 다이의 형태의 결과이거나, 압출 후 광학 요소의 후-처리의 결과일 수 있다.
산란 섬유는 그들의 단면이 모두 정렬되도록 배열되어야 할 필요는 없으며, 상이한 산란 섬유가 복합 섬유 내에서 상이한 정렬을 가질 수 있다. 도 3H에 도식적으로 나타낸 복합 섬유(370)의 예시적 구현예에서, 산란 섬유(372)는 타원형 단면을 가지며, 일부 섬유(372a)는 그들의 장축이 z-축과 평행이도록 배열된 한편, 다른 섬유들(372b)은 그들의 단축이 z-축과 평행이도록 배열되어 있다. 산란 섬유(372)의 거의 절반이 각 방향으로 정렬되어 있다. 또한, 섬유(372a 및 372b)의 개체들이 상기 복합 섬유(370)의 단면 내에 규칙적으로 배열되어 있다. 섬유(372a 및 372b)의 개체들은 또한 복합 섬유(370)의 단면 내에 불규칙하게 배열될 수도 있음이 잘 인식될 것이다.
도시된 구현예에 대한 다른 변화가 가능하다. 예를 들면, 모든 산란 섬유가 같은 단면 형태, 크기 또는 정렬을 가질 필요는 없다. 또한, 상기 산란 섬유는 상기 복합 섬유 내에서 패턴을 형성하도록 단면 정렬될 수 있다. 그러한 복합 섬유(380)의 하나의 특정 예를 도 3I에 도식적으로 나타낸다. 충전재(204)가, 타원형 섬유(382) 및 원형 섬유(384)인 2 가지 상이한 단면 형태를 갖는 산란 섬유로 파묻혀 있다. 도시된 구현예에서, 상기 타원형 섬유(382)은 그들의 타원형 단면의 단축이 가장 가까운 원형의 섬유(384)를 향하도록 정렬되어 있다. 산란 섬유의 다른 패턴이 사용될 수도 있다.
상기 산란 섬유는 상기 복합 섬유 내에 꼬이지 않고 놓여, 산란 섬유의 정면이 상기 산란 섬유의 길이를 따라 복합 섬유의 한 면을 향하도록 배향될 수 있다. 다른 예시적 구현예에서, 산란 섬유는 복합 섬유 내에서 꼬여, 산란 섬유의 길이를 따라 상이한 지점에서, 상기 산란 섬유의 정면이 상기 복합 섬유의 상이한 면을 향해 배향되도록 할 수 있다.
굴절율의 불일치가 복합 섬유 내 편광-의존적 산란을 촉진하기 위해 의존하는 주요 요인이지만, 복합 섬유의 단면 형태 또한 산란에 영향을 줄 수 있다. 예를 들면, 상기 산란 섬유가 단면에 있어 타원형일 경우, 상기 타원형 단면 형태는 후방 산란된 빛 및 전방 산란된 빛의 양자에서 비대칭 확산의 원인이 될 수 있다. 상기 효과는 상기 굴절율 불일치로부터 산란의 양을 더하거나 감할 수 있다.
더 나아가서, 산란 섬유는 그 길이를 따라서 단면 치수에 있어 균일하거나, 상기 단면 치수는 산란 섬유의 길이를 따라서 상이한 지점에 대하여 상이할 수 있다. x-y 평면에서 복합 섬유를 통해 길이로 본 단면을 보여주는, 그러한 변형의 예를 도 3J-3M에 도식적으로 나타낸다. 도 3J에 도시된 구현예에서, 복합 섬유(400)는 매트릭스(402) 내에 파묻힌 산란 섬유(404)를 포함한다. 상기 특정 구현예에서, 산란 섬유(404)는 단면 치수가 비교적 작은 영역(406) 및 단면 치수가 비교적 큰 영역(408)을 갖는다. 상기 영역(406, 408)은, 예를 들면 상기 복합 섬유(400)를 공압출하면서, 상기 산란 섬유 중합체 상에서 압력을 일시적으로 감소 또는 증가시킴으로써 생성될 수 있다.
도 3K에 도식적으로 나타낸 또 다른 구현예에서, 상기 복합 섬유(410)는 매트릭스(412) 내 산란 섬유(414)를 포함하며, 여기에서 상기 산란 섬유(414)의 단면 폭은 일부 영역(416)에서 0으로 감소된다. 이는 공압출 도중 상기 산란 섬유 중합체의 압력의 더욱 심한 감소에 의해 이루어질 수 있다.
모든 산란 섬유가 같은 방식으로 단면의 치수에 있어서 변할 필요는 없다. 예를 들면, 도 3L 및 3M은 각각 도 3J 및 3K의 것들과 유사한 단면을 보이지만, 여기에서 일부 산란 섬유(404a, 414a)는 균일한 단면 치수를 가지며 다른 산란 섬유(404b, 414b)는 단면 치수에 있어서 변한다. 일부 산란 섬유(404b, 414b)에 있어서 그러한 변화는 예를 들면, 산란 섬유 중합체를 위한 공압출 공급블럭으로 2 개의 입구를 가짐으로써 이루어질 수 있다. 그 입구의 하나는 일정한 단면의 산란 섬유(404a, 414a)를 생성하도록 일정한 압력에 처해지는 한편, 다른 입구는 변하는 단면의 산란 섬유(404b, 414b)를 생성하기 위해 압력의 변동에 처해진다.
일부 구현예에서, 상기 산란 섬유는 코어 및 외피 구조를 가질 수 있다. 외피 및 코어 구조를 가지고 형성된 산란 섬유(502)를 갖는 복합 섬유(500)의 예시적 구현예를 도 5에 도식적으로 나타낸다. 상기 구현예에서, 복합 섬유(500)는 외부 층(506)을 가지며 산란 섬유(502)는 충전재(504) 내에 파묻혀 있다. 산란 섬유(502)는 코어(510)를 둘러싸는 외피 층(508)으로 형성된다. 외피 층(508) 및 코어(510)는 동일 또는 상이한 재료로부터 제조된다. 상기 외피 층(508) 및 코어(510)는 중합체 재료, 예를 들면 전술한 것과 같은 중합체 재료로부터 형성될 수 있다. 코어(510)는 중공의 것이거나 고체, 액체 또는 기체이거나 유기 또는 무기물일 수 있는 적합한 매질에 의해 점유될 수 있다. 코어(510)의 단면 형태는 산란 섬유(502)의 길이를 따라서 균일하거나 산란 섬유(502)의 길이를 따라서 변할 수 있다. 코어(510)에 사용된 매질의 굴절율은 복굴절성 계면에서 반사나 산란의 원하는 정도를 수득하기 위해 외피(508)를 갖는 복굴절성 계면에서의 굴절율을 고려하여 선택될 수 있다. 적합한 등방성 및 복굴절성 중합체 재료는 위에서 논한 바와 같다. 일부 구현예에서, 외피/코어 산란 섬유(502)는 복굴절성 재료로 형성된 외피(508) 또는 코어(510)을 가지고 형성되거나, 외피(508) 및 코어(510)의 양자가 복굴절성 재료로 형성될 수 있다. 다른 구현예에서, 외피(508) 및 코어(510)는 모두 등방성 재료로부터 형성될 수 있다.
외피(508)는 예를 들면, 상기 산란 섬유(502)와 충전재(504) 사이의 접착에 영향을 주기 위해 사용될 수 있다. 일부 구현예에서, 상기 외피(508)는 상기 산란 섬유(502)와 충전재(504) 사이의 접착을 증가시키는 재료, 예를 들면 폴리에스테르 수지 피복, 실란 피복 또는 상기 중합체 매트릭스와 상기 중합체 섬유 사이의 접착을 증가시키기 위해 사용되는 다른 하도로 형성될 수 있다. 다른 구현예에서, 상기 외피(508)는 상기 산란 섬유(502)와 충전재(504) 사이의 접착을 감소시키는 재료, 예를 들면 플루오로카본 재료, 실리콘 재료 등으로 만들어질 수 있다. 일부 구현예에서, 상기 외피(508)는 항반사 기능을 제공하도록, 예를 들면 상기 코어(510)와 충전재(504) 사이에 일치하는 약간의 굴절율을 제공함으로써 사용될 수 있다.
복합 섬유는 얀(600)으로 형성될 수 있으며, 그 하나의 예시적 구현예를 도 6에 도식적으로 나타낸다. 얀(600)은 배향된 섬유(602)를 한데 꼬아 얀을 형성한 다음, 상기 섬유(602)와 충전재 사이의 공간을 채움으로써 형성될 수 있다. 또 다른 접근에서, 얀(600)은 등방성 섬유(602)를 한데 꼬아 형성되며, 여기에서 섬유는 배향가능한 재료로 제조된다. 상기 섬유는 그 후, 예를 들면, 얀 형성 후 신장시킴으로써 배향될 수 있다. 섬유(602)의 재료가 배향되기 이전 또는 이후에 충전재가 상기 꼬인 섬유들(602) 사이에 적용될 수 있다. 다른 예시적 구현예에서, 섬유(602)는 복굴절성이 아닌 재료로부터 만들어질 수 있고, 상기 충전재는 배향가능한 재료로 형성될 수 있다. 상기 얀(600)은 배향가능한 재료만으로 된 섬유를 함유하는 것에 한정되지 않고, 예를 들면 등방성이거나 복굴절성인 다른 중합체성 재료로 된 섬유; 목면, 견 또는 마와 같은 천연 섬유; 및 유리 또는 유리-세라믹 섬유와 같은 무기 섬유 등 여타 섬유를 포함할 수 있다.
얀(600)은 유리, 세라믹 및/또는 유리-세라믹 재료로 이루어진 섬유 또는 섬유의 부분을 포함할 수 있다. 유리-세라믹 재료는 95-98 부피%의, 일반적으로 1 μm보다 작은 크기를 갖는 매우 작은 결정을 일반적으로 포함한다. 일부 유리-세라믹 재료는 50 nm만큼 작은 결정 크기를 가져, 이들을 가시광선 파장에서 효과적으로 투명하게 만드는데, 이는 결정 크기가 가시광선의 파장보다 훨씬 작기 때문이다. 상기 유리-세라믹은 또한 상기 유리질과 결정성 영역의 굴절율 사이에 거의 또는 전혀 유효한 차이가 없어서, 이들을 시각적으로 투명하게 만들 수도 있다. 투명도 외에도, 유리-세라믹 재료는 유리를 능가하는 파열 강도를 가지며, 0 또는 심지어는 음의 값인 열 팽창 계수를 갖는 것으로 알려져 있다. 관심있는 유리-세라믹은 Li2O-Al2O3-SiO2, CaO-Al2O3-SiO2, Li2O-MgO-ZnO-Al2O3-SiO2, Al2O3-SiO2, 및 ZnO-Al2O3-ZrO2-SiO2, Li2O-Al2O3-SiO2, 및 MgO-Al2O3-SiO2를 비제한적으로 포함하는 조성을 갖는다.
일부 세라믹은 또한, 그들이 적절하게 일치된 굴절율을 갖는 매트릭스 중합체 중에 파묻힐 경우 투명하게 나타날 수 있도록 충분히 작은 결정 크기를 갖는다. 쓰리엠 캄파니(3M Company, St. Paul, MN)로부터 입수가능한 넥스텔(Nextel™) 세라믹 섬유가 이러한 종류의 재료의 예이며, 실, 얀 및 직조 매트로 이미 입수가능하다. 적합한 세라믹 또는 유리-세라믹 재료가 또한 문헌[Chemistry of Glasses, 2 nd Edition (A. Paul, Chapman and Hall, 1990) 및 Introduction to Ceramics, 2 nd Edition (W.D. Kingery, John Wiley and Sons, 1976)]에 기재되어 있다.
얀(600)은 상기 얀(600)의 전체 길이에 걸쳐 뻗어있지 않은, 통상적으로 스테이플 섬유라 하는 섬유의 부분을 포함할 수 있다. 일부 구현예에서, 상기 얀은 중합체 매트릭스 내에 캡슐화되어, 상기 매트릭스가 얀(600)을 포함하는 섬유들(602) 사이의 공간을 채울 수 있다. 다른 구현예에서, 얀(600)은 섬유들(602) 사이에 충전재를 가질 수 있다.
얀(600)에 사용하기 적합한 복굴절성 중합체 재료는 위에 논하였다.
다른 구현예에서는, 2 개 이상의 복합 섬유가 한데 꼬여 얀을 형성할 수 있다.
본 개시의 복합 섬유는 다수의 상이한 방식으로 중합체 매트릭스 내에 배열되어 광학 요소를 형성할 수 있다. 예를 들면, 도 1에 도시된 것과 같이, 상기 복합 섬유(104)는 매트릭스(102)의 단면적에 걸쳐 무작위로 배열될 수 있다. 다른 배열이 사용될 수도 있다. 예를 들면, 광학 요소(700)에 걸쳐 단면을 보여주는 도 7A에 도식적으로 나타낸 예시적 구현예에서, 상기 복합 섬유(704)는 인접한 복합 섬유(704) 사이에 규칙적인 간격을 가지고, 상기 매트릭스 (702) 내에 1-차원 어레이로 배열되어 있다. 상기 구현예의 일부 변형에서, 인접한 복합 섬유(704) 사이의 간격은 모든 섬유(704)에 대하여 같을 필요는 없다. 상기 도면은 광원(706)으로부터 빛(705)에 의해 측면으로 조명되는 광학 요소(700)를 보여준다. 빛(708a)의 일부는 상기 요소(700)을 통해 투과되고, 빛(708b)의 일부는 상기 요소(700)에 의해 확산 반사된다.
일반적으로, 복합 중합체 섬유(704)의 복굴절성 계면이 신장되어, 상기 복합 섬유(704)를 따라서 방향으로 연신된다. 복합 섬유를 포함하는 광학 요소의 일부 예시적 구현예에서, 산란 섬유(704)는 x-축에 평행하게 놓이고, 따라서, 상기 확산 반사된 빛은 대부분이 상기 섬유에 수직인 평면, y-z 평면으로 산란되며, x-z 평면에는 거의 산란이 존재하지 않는다. 편광-의존적 산란 특성을 갖는 복합 섬유를 포함하는 광학 요소는 그 자체가 편광-의존적 특성을 나타낼 수 있다. 예를 들면, 상기 광학 요소는 하나의 편광 상태에서 빛을 투과시키고 수직 편광상태에서 빛을 확산 반사하는 반사성 편광자일 수 있다.
도 7B에 단면으로 도식적으로 나타낸 광학 요소의 또 하나의 예시적 구현예에서, 상기 복합 섬유(714)는 매트릭스(712) 내에 규칙적인 2-차원 어레이로 배열되어 있다. 도시된 구현예에서, y-방향에서 인접한 복합 섬유들(714) 사이의 간격 거리 hy는 z-방향에서 인접한 복합 섬유들(714) 사이의 간격 거리 hz와 동일하다. 이는 반드시 그럴 필요가 있는 것은 아니며, 도 7C에 도식적으로 나타낸 것과 같이 z-방향에서의 간격 거리가 y-방향에서의 간격 거리와 상이할 수도 있다. 또한, 섬유(714)는 z-축에 평행하도록 열을 지어 정렬될 필요는 없으며, 예를 들면 도 7D에 도식적으로 나타낸 것과 같이 인접한 열들 사이에 엇갈림이 있어, 육각형으로 충전된 섬유 패턴을 형성할 수 있다. 섬유(714)의 다른 규칙적 패턴이 사용될 수 있다.
다른 구현예에서, 복합 섬유들 사이의 간격은 매트릭스의 폭을 따라서, 즉 y-방향을 따라서, 매트릭스의 두께에 걸쳐, 즉 z-방향을 따라서 변하거나, y- 및 z-방향 모두를 따라서 상이한 위치에 대하여 변할 수 있다. 예를 들면, 도 7E에 도식적으로 나타낸 구현예에서, 광학 요소(715)는 매트릭스(712) 내에 파묻힌 복합 섬유(714)를 갖는다. 상기 특정 구현예에서, 인접한 복합 섬유(714) 사이의 중심-대-중심 간격은 다른 쪽의 이웃하는 영역에 비하여 하나의 영역에서, 도면의 중앙에서, 감소된다. 결과적으로, 그 영역에 대하여, 충전 인자, 즉 복합 섬유(714)에 의해 차지된 단면적의 분율이 증가한다. 충전 인자에 있어서 그러한 변화는 예를 들면 광원(716)으로부터 요소(715)를 통하여 투과된 빛의 균일성을 향상시키는 데 유용할 수 있다. 이는, 예를 들면, 상기 요소(715)가 불연속 광원에 의해 밝혀진 직접 보는 스크린에 포함될 경우, 중요할 수 있다. 그러한 장치에서는, 보는 이에게 균일한 조명의 상으로 나타나는 것이 중요하다. 균일한 확산자 뒤에 광원이 위치할 경우, 상기 확산자를 통해 투과된 빛의 휘도는 상기 광원의 위에서 가장 높다. 도 7E에 도시된 충전 인자의 변화는 광원(716)의 바로 위에서 확산의 양을 증가시키는 데 사용될 수 있고, 따라서 투과된 빛의 강도에 불균일성을 감소시킬 수 있다.
상기 광학 요소는 편평한 표면, 예를 들면 도 1에 나타낸 z-축에 수직인 편평한 표면을 가질 수 있다. 상기 광학 요소는 또한 상기 광학 요소를 통해 투과되거나 그에 의해 반사된 빛에 대하여 원하는 광학 효과를 제공하도록 구조화된 하나 이상의 표면을 포함할 수 있다. 예를 들면, 도 7F에 도식적으로 나타낸 하나의 예시적 구현예에서, 매트릭스(722) 및 다수의 복합 섬유(724)를 가지고 형성된 상기 요소(720)는 하나 이상의 곡면(726)을 가질 수 있다. 상기 곡면(726)은 상기 표면(726)을 통해 투과된 빛에 대하여 초점을 맞추거나 초점을 흐리게 하는 광학 능력을 제공한다. 도시된 구현예에서, 광선(728)은 상기 요소(720)의 투과 축에 평행으로 편광된, 굴절 곡면(726)에 의해 초점 맞추어진 광선의 예를 나타낸다. 상기 예에서, 굴절 곡면(726)은, 이를 통해 상기 요소(720)에 의해 투과된 빛이 상기 요소(720)를 빠져나가는, 상기 요소(720)의 출구 표면이다. 다른 예시적 구현예에서, 이를 통해 빛이 상기 요소(720)로 들어오는, 상기 요소(720)의 진입 표면은 곡면을 가질 수 있다. 상기 입구 표면 또는 출구 표면의 어느 하나는 구조화된 표면을 통과하는 빛에 광학 능력을 제공하는, 프레넬 (Fresnel) 렌즈 구조와 같은 여타 구조를 포함할 수 있다.
상기 구조화된 표면은 또한 굽어진 영역에 더하여, 또는 그 대신 직선 영역을 포함할 수 있다. 예를 들면, 도 7G에 도식적으로 나타낸 또 다른 예시적 구현예에서, 복합 섬유(734)를 함유하는 매트릭스(732)를 가지고 형성된 상기 요소(730)는, 휘도 향상 표면이라고 일컬어지는, 프리즘 구조화된 표면(736)을 구비할 수 있다. 휘도 향상 표면은, 디스플레이 패널을 조명하는 빛의 원뿔 각을 감소시키기 위해서, 그리고 따라서 보는 이에게 축-상의 휘도를 증가시키기 위해서, 예를 들면 배경조명 액정 디스플레이에 통상적으로 사용된다. 상기 도면은 두 개의 축을 벗어난 광선(738 및 739)의 예를 보여준다. 광선(738)은 복합 섬유(734)에 의해 투과되는 편광 상태에 있고, 또한 구조화된 표면(736)에 의해 z-축을 향해 전환된다. 광선(739)은 복합 섬유(734)에 의해 확산 반사되는 편광 상태에 있다. 상기 휘도 향상 표면은 프리즘 구조가 상기 섬유(734)에 평행이도록 배열될 수 있고, 이 또한 도시된 것과 같이 x-축에 대하여 평행이다. 다른 구현예에서, 프리즘 구조는 섬유의 방향에 대하여 어떤 다른 각으로 놓일 수 있다. 예를 들면, 상기 프리즘 구조는 y-축에 평행으로, 섬유(734)에 수직으로, 또는 x-축과 y-축 사이의 어떤 각으로 놓이는 리브(rib)를 형성할 수 있다.
구조화된 표면은 임의의 적합한 방법을 이용하여 상기 매트릭스 상에 형성될 수 있다. 예를 들면, 매트릭스는 그 도구 표면이 매트릭스의 표면 위에 원하는 형태를 생성하는, 마이크로복제 도구와 같은, 도구의 표면과 그 표면이 접촉하면서 경화될 수 있다.
산란 섬유는 광학 요소의 상이한 영역을 가로질러 존재할 수 있다. 도 7G에서, 상기 복합 섬유(734)는 구조화된 표면(736)에 의해 형성된 구조(737)에는 위치하지 않지만, 요소(730)의 본체(731)에만 위치한다. 다른 구현예에서, 복합 섬유(734)는 다르게 분포할 수 있다. 예를 들면, 도 7H에 도식적으로 나타낸 광학 요소(740)에서, 복합 섬유(734)는 상기 요소(740)의 본체(731), 및 또한 상기 구조화된 표면(736)에 의해 형성된 구조(737) 내에 모두 위치한다. 도 7I에 도식적으로 나타낸 또 다른 예에서, 상기 복합 섬유(734)는 상기 요소(750)의 구조(737)에만 위치하고 상기 요소(750)의 본체(731)에는 위치하지 않는다.
본 발명의 또 하나의 예시적 구현예를 도 7J에 도식적으로 나타내며, 여기에서 요소(760)는 매트릭스(762) 중 중합체 섬유(764)를 갖는다. 상기 특정 구현예에서, 섬유(764a)의 일부는 매트릭스(762) 내에 완전히 파묻히지 않지만, 매트릭스(762)의 표면(766)을 관통한다.
편광자 요소에 복합 섬유를 사용하는 것은 변리사 문서 번호 58959US002 호인 발명의 명칭이 "중합체 섬유를 함유하는 반사성 편광자"인 2005년 2월 28일자 출원된 함께 소유된 미국 특허 출원 일련번호 11/068,157 호에도 기재되어 있다. 광학 요소에 산란 섬유를 사용하는 것은 변리사 문서 번호 60401US002 호인 발명의 명칭이 "공-연속 상을 갖는 복합 중합체성 광학 필름"인 본 출원과 동일자로 출원된 미국 특허 출원 일련번호 11/068,159 호에도 기재되어 있다.
일부 예시적 구현예에서, 광학 요소 내에 배치된 복합 섬유는 적어도 하나의 복굴절성 재료, 및 예를 들면 실질적으로 복굴절성이 아닌 재료와 같은 또 다른 재료를 포함하는, 다양한 중합체 재료의 부피를 함유한다. 이러한 다양한 재료는 여러 다양한 방식으로, 예를 들면, 규칙적인 교대되는 층으로, 또는 다른 재료의 "풀(pool)" 안에 배치된 1종의 재료의 미세 섬유로 배열될 수 있다. 상기 매트릭스 재료는 복굴절성이 거의 또는 전혀 없거나, 역으로 복굴절성일 수 있다. 예를 들면, 상기 섬유 중 복굴절성 재료가 nx > ny를 가질 경우, 상기 매트릭스 재료는 ny > nx를 가질 수 있다.
본 발명에 따르는 복합 섬유를 포함하는 광학 요소를 제작하는 하나의 접근을 이제 도 8A-8D를 참고하여 논한다. 하나 이상의 복합 섬유(802)가 첫 번째 중합체 층(804) 위에 놓이고 (도 8A), 두 번째 중합체 층(806)이 상기 중합체 섬유(802) 위에 성형 또는 달리 형성된다 (도 8B). 상기 첫 번째 중합체 층(804) 및 두 번째 중합체 층(806)은 같은 중합체 재료이거나 상이한 재료일 수 있다.
섬유(802)는 개별적으로 놓이거나 토우로 놓일 수 있으며, 이는 함께 꼬이지 않은 섬유(802)의 배열이다. 특히, 상기 토우는 실질적으로 평면이고 서로에 대하여 실질적으로 평행인 복합 섬유(802)의 층을 형성할 수 있다. 섬유 토우(906)를 도 9에 도식적으로 나타낸다. 상기 중합체 섬유(802)에 지지를 제공하고 상기 중합체 섬유(802)를 그 이웃에 대하여 원하는 간격으로 유지하기 위해 횡단-요소(908)가 존재할 수 있다. 횡단-요소(908)는 예를 들면, 상기 중합체 섬유(802)가 상기 첫 번째 중합체 층(804) 위에 연속적 방법으로 놓일 경우, 존재할 필요가 없다.
섬유(802)는 또한 직물의 부분으로 상기 첫 번째 층(804) 위에 놓일 수도 있다. 직물(1006)을 도 10에 도식적으로 나타내며, 여기에서 복합 섬유(802)는 날실을 형성하고, 횡단-섬유(1008)는 씨실을 형성한다. 상기 횡단-섬유(1008)는 임의의 적합한 유기 및 무기 섬유 재료로 만들어질 수 있고, 예를 들면 등방성 또는 복굴절성 섬유와 같은 중합체 섬유, 또는 목면, 견 및 마와 같은 천연 섬유일 수 있다. 다른 예시적 구현예에서, 상기 횡단 섬유(1008)는 예를 들면 E-유리, S-유리 섬유, 또는 다른 종류의 유리 섬유와 같은 유리 섬유일 수 있다. 상기 횡단-섬유(1008)의 굴절율은 주위의 중합체 매트릭스의 굴절율과 실질적으로 일치되어, 이들이 상기 광학 요소 내로 통과하는 빛에 대한 광학 효과를 감소시키도록 할 수 있다. 뿐만 아니라, 날실 섬유의 전부가 복굴절성 계면을 함유하는 복합 섬유(802)일 필요는 없다. 예를 들면, 날실 섬유의 일부는 또한 등방성 섬유일 수 있고 상기 횡단-섬유와 같은 종류의 섬유로 형성될 수 있다.
직물은 임의의 적합한 직조 방법을 이용하여 형성될 수 있다. 예를 들면, 상기 직물은 도시된 것과 같은 평직, 능직, 새틴직 또는 어떤 다른 종류의 직물일 수 있다. 일부 예시적 구현예에서, 상기 복합 섬유(802)는, 예를 들면, 도 11A의 부분 단면에 도식적으로 나타낸 것과 같이, 직물 내에서 비교적 편평하다. 상기 도면은 상기 복합 섬유(802)가 실질적으로 x-방향을 따라서 놓이는 관행에 부합함을 주목하라. 일부 예시적 구현예에서, 상기 복합 섬유(802)는 꼬이지 않고, 직물 내 단일의 배향을 유지한다.
다른 구현예에서, 상기 복합 섬유(802)는 직물 내에서 편평할 필요가 없다. 그러한 직물(1106)에서의 예시적인 부분 단면을 도 11B에 도식적으로 나타낸다. 상기 도면의 시야는 도 11A의 것과 다름을 인식하는 것이 중요하다. 도 11A는 횡단-섬유(1008)의 측면을 보이는 한편, 도 11B는 중합체 섬유(802)의 측면을 보인다. 좌표 축은 앞의 도면에 사용된 관행에 부합하여, 상기 중합체 섬유(802)가 일반적으로 x-축에 평행인 방향으로 놓인다. 그러나, 상기 복합 섬유(802)가 상기 직물(1106) 내에서 물결치므로, 상기 중합체 섬유(802)의 복굴절성 계면이 모두 정확하게 x-축에 평행으로 놓이는 것은 아니다. 따라서, 상기 복합 섬유(802)에 의해 반사 또는 산란된 빛은 x-z 평면에서 상이한 각으로 산란될 수 있다. 도면에서, 빛(1102)은 x-축에 수직인 방향으로 섬유(802) 위에 입사되고, 빛(1102)의 일부는, 상기 양의 x-방향 또는 음의 x-방향에서의 요소와 함께, 빛(1102)이 "하향경사" 또는 "상향경사"로 상기 중합체 섬유(802) 위에 입사되는지 여부에 따라, 각 α을 통해 반사된다. 즉, 상기 중합체 섬유(802)는 또한 x-z 평면에서 반사된 빛을 확산시킬 수도 있다. 상기 x-z 평면에서 확산 반사된 빛의 원뿔 각은 상기 직물 내 복합 섬유(802)의 형태에 의존한다: 상기 섬유(802)의 부분이 x-방향에 대한 평행으로부터 더 멀어질수록, x-z 평면에서 빛의 각 분포가 더 커진다.
상기 광학 요소는 배치 방법으로 또는 연속적 방법으로 형성될 수 있다. 연속적 방법에서, 섬유(802), 바람직하게는 얀에서, 토우 또는 직물은 상기 첫 번째 중합체 층(804) 위에 놓인 다음, 상기 두 번째 중합체 층(806)은 섬유(802) 위에 연속적으로 성형되거나 달리 형성될 수 있다. 상기 두 번째 중합체 층(806)은 함침 단계에서 섬유(802) 내로 침투될 수 있다. 상기 두 번째 층(806)은 그 후 경화되거나 경화를 위해 방치될 수 있다.
상기 첫 번째 중합체 층(804)은 열가소성 중합체 또는 열경화-형 중합체일 수 있다. 상기 두 번째 및 이어지는 중합체 층들(806, 808)도 열가소성 또는 열경화-형 중합체의 어느 하나일 수 있다. 열가소성 중합체가 앞선 중합체 층(804)에 적용되고, 열과 압력, 용매 피복 및 건조, 또는 그 자리에서의 중합을 포함하는 다양한 방법을 통해 섬유(802) 내로 침투될 수 있다. 열경화-형 중합체는 압력, 열, 화학선 방사, 및/또는 경과 시간에 대한 노출을 통해, 상기 섬유(802) 및 앞선 중합체 층(804 및 806) 위에 피복 및 경화될 수 있다.
요소를 제작하기 위한 또 다른 접근에서, 특정의 바람직한 광학적, 물리적 또는 표면 성질을 갖는 중합체 필름(804)이, 그 위에 섬유(802)가 놓이는 기질로서 사용될 수 있다. 열가소성 및 열경화성 수지 또는 경화가능한 조성물이 상기 두 번째 중합체 필름(806)으로 적용되어 섬유(802)의 층 또는 층들을 침투한 다음, 두 번째 기질(808)이 적용되어 섬유(802) 주위로 샌드위치-형 구조 및 상기 수지 또는 경화가능한 조성물로 된 두 번째 중합체 필름(806)을 만들 수 있다. 상기 경화가능한 수지를 그 후 경화시키거나, 굳히거나 반응시켜 라미네이트를 형성할 수 있다. 이러한 경우, 상기 기질(804, 808)은 열가소성, 열경화성 수지 또는 경화가능한 조성물과 같은 재료로부터 만들어지거나, 상이한 재료로부터 만들어질 수 있다. 넓은 범위의 감압 접착제 및 고온 용융 접착제가 상기 두 번째 층(806)을 위한 열가소성 또는 열경화성 수지 또는 경화가능한 조성물 대신 사용될 수 있다. 일부 구현예에서, 상기 첫 번째 및 두 번째 기질(804, 808)은 상기 섬유(802)를 함유하는 열가소성 또는 열경화성 수지 또는 경화가능한 조성물(806)에 긴밀하게 부착될 수 있다. 다른 구현예에서, 상기 첫 번째 및 두 번째 기질(804, 808)은 제거가능할 수 있다.
원한다면, 복합 섬유(802)의 추가의 층이 중합체 재료(808)의 이어지는 층과 함께 부가될 수 있다. 예를 들면, 도 8C 및 8D는 상기 두 번째 중합체 층(806) 위에 일련의 복합 섬유(802)의 부가, 및 세 번째 중합체 층(808)의 적용을 보여준다.
둘 이상의 층의 복굴절성 섬유를 갖는 광학 요소의 제작을 위한 또 다른 예시적인 접근에서, 둘 이상의 섬유 층이 첫 번째 중합체 층의 상단 위에 놓인 다음, 중합체 재료로 된 두 번째 층이 단일의 단계로 상기 섬유 위에 중합체 매트릭스로서 성형될 수 있다.
복합 섬유를 갖는 편광자를 제작하는 또 하나의 예시적 방법에서, 상기 복합 섬유의 충전재는, 예를 들면, 상기 복합 섬유가 상기 중합체 매트릭스 내에 파묻히기 전에 용매에 용해시킴으로써, 제거될 수 있다. 상기 중합체 매트릭스는 그 후 상기 복합 섬유의 산란 섬유들 사이에서 충전재로서 사용될 수 있다. 상기 방법은 복합 섬유가 얀, 토우 또는 직물로 제공되는 경우에 특히 유용할 수 있다.
복합 섬유를 제조하는 데 적합한 방법은 복합 섬유를 복굴절성 산란 섬유 및 가용성 충전재와 함께 압출하는 것을 포함한다. 적합한 수용성 충전재는 폴리비닐피롤리돈, 셀룰로오스 아세테이트 및 폴리비닐 알코올을 포함한다. 적합한 폴리비닐 알코올은 약 70 내지 95%의 정도로 가수분해되는 폴리비닐아세테이트로부터 제조된 것을 포함한다.
산란 섬유는 어레이로 압출되고, 상기 압출된 어레이를 가열하고 상기 산란 섬유가 신장되도록 적합한 인장을 적용하여 배향함으로써 원하는 값의 굴절율을 초래하는 신장 비를 수득할 수 있다.
상기 복합 섬유를 형성하는, 산란 섬유의 배향된 어레이는 얀으로 형성될 수 있다. 얀은 선택적으로 다른 종류의 섬유를 또한 포함할 수 있다. 상기 얀은 섬유의 토우를 형성함으로써 또는 섬유를 직조하여 직물을 형성함으로써 단일의 방향으로 바람직하게 배향된다. 가용성 중합체 충전재는 상기 얀을 압출 후 임의의 제조 단계에서 세척함으로써 제거될 수 있다.
상기 세척된 산란 섬유는 유체, 바람직하게는 경화가능한 수지 유체로 침투될 수 있다. 상기 수지를 굳히기 위해 임의의 적합한 기술이 사용될 수 있는데, 예를 들면, 상기 수지는 열 및/또는 방사선 경화되어 상기 중합체 섬유를 함유하는 매트릭스를 형성할 수 있다. 일부 예시적 구현예에서, 상기 수지는 매트릭스가 편평한 표면을 갖도록 경화된다. 다른 예시적 구현예에서, 상기 수지는 하나 이상의 표면 위에 원하는 구조를 갖도록 경화될 수 있다. 예를 들면, 상기 수지는 그것이 마이크로복제 도구의 마이크로구조화된 표면과 접촉하는 표면을 가지면서 경화될 수 있다. 적합한 마이크로구조화된 표면의 예는 기계 절단된 금속 표면, 전기주조된 복제품, 또는 성형된 중합체 필름을 포함한다. 상기 매트릭스 표면 위에 형성된 적합한 마이크로구조의 예는 직선형 프리즘 구조, 비-직선형 프리즘 구조, 프레넬 표면, 마이크로렌즈 등을 포함한다.
복합 섬유를 이용하여 광학 요소를 형성하기 위한 또 다른 접근을 이제 도 12A 및 12B를 들어 논한다. 다수의 개별 복합 섬유(1201)를 도 12A에 나타낸다. 이들 섬유(1201)는 산란 섬유(1202) 및 상기 산란 섬유들(1202) 사이의 충전재(1204)를 함유한다. 도시된 구현예에서, 상기 복합 섬유(1201)는 직사각형의 단면을 가지며 대칭성이 없는 특정의 규칙적인 단면 패턴으로 배열된 산란 섬유(1202)를 갖는다. 예를 들면 둥근, 타원형, 직사각형 등, 복합 섬유(1201)의 다른 형태가 사용될 수도 있고, 산란 섬유(1202)의 다른 단면 배열이 사용될 수 있다.
섬유(1201)는 한데 융합되어, 예를 들면 도 12B에 도식적으로 나타낸 것과 같은 단일의 물체(1210)를 형성한다. 점선은 융합 이전 섬유들(1201) 사이에 경계가 있었던 곳을 나타낸다. 상기 섬유(1201)는 다양한 방법을 이용하여 한데 융합될 수 있다. 예를 들면, 섬유(1201)는 압력 및/또는 열의 적용에 의해 한데 융합될 수 있다. 섬유(1201)에 열이 가해질 경우, 섬유(1201)의 온도는 상기 섬유(1201)의 중합체성 재료의 용융 온도에 도달해야 할 필요는 없으며, 단지 섬유(1201)가 서로에 대하여 접착되는 것을 가능하게 할만큼 충분히 높은 온도에 도달할 필요가 있다. 예를 들면, 상기 온도는 충전재(1204)의 유리 온도 Tg보다 높지만 섬유(1201)의 중합체 성분 중 적어도 1종의 용융 온도 아래의 값에 이를 수 있다. 또 다른 접근에서, 상기 섬유(1201)는 상기 섬유(1201)를 한데 접착시키는 재료로 피복되거나, 섬유들(1201) 사이의 공간이 상기 재료로 침투될 수 있다. 그러한 재료는 예를 들면 아크릴레이트와 같은, 경화가능한 수지일 수 있다. 상기 접착 재료의 굴절율은 상기 복합 섬유(1201)의 충전재의 굴절율과 가까운 것이 바람직할 것이다. 또 다른 접근에서, 상기 복합 섬유(1201)는 상기 복합 섬유(1201)를 점착성으로 만드는 용매로 처리될 수 있으며, 그 결과, 상기 복합 섬유(1201)는 압력의 적용을 통해 서로에 대하여 접착된다.
섬유(1201)는 융합 이전 개별 섬유로 배열될 수 있고, 융합 이전 (도시된 것과 같이) 서로에 대하여 평행하게 정렬될 수 있다. 일부 접근에서, 섬유(1201)는 융합 이전 서로에 대하여 평행하게 정렬될 필요가 없다. 다른 접근에서, 상기 섬유(1201)는 융합 이전, 얀, 토우 또는 직물로 제공될 수도 있다. 개개의 얀, 토우 또는 직물은 융합 이전 서로 정렬되어 배열될 수도 있고 그렇지 않을 수도 있다. 복합 섬유(1201)는 복굴절성 중합체를 배향하기 위해 융합 이전 또는 이후 신장될 수 있다.
복합 섬유를 제조하는 하나의 방법은 복합 섬유를 제조하기 위해 고안된 공급블럭을 이용하여 다수의 산란 섬유를 공압출하는 것이다. 상기 방법은 문헌[Handbook of Fiber Science and Technology: High Technology Fibers Part D, Vol.3; Lewin and Preston (editors), Marcel Dekker, 1996, ISBN 0-8247-9470-2]에 더욱 상세하게 논의되어 있다. 상기 참고문헌에 기재된 것들을 포함하여 여타의 섬유 구조 및 단면 분포가 사용될 수 있다. 상기 복합 섬유는 복굴절성 재료를 배향하기 위해 압출에 이어 신장될 수 있다. 압출은, 예를 들면 에폭시와 함께 통상적으로 사용되는, 반응성 압출 공정일 수도 있다. 다른 접근에서는, 단량체가 압출된 다음 압출-후 경화될 수 있다.
공압출 공급 블럭의 몇 가지 종류는 한데 쌓인 다수의 플레이트를 포함하며, 여기에서 상기 플레이트는 한 면 또는 양면에 구비된 채널 및/또는 구멍을 가져 유체 중합체 재료로 하여금 플레이트의 한 면에서 다른 면으로 통과하는 것을 허용한다. 상기 채널 및 구멍은, 상기 플레이트가 한데 쌓일 때 내부에 있는 소수의 입구 포트가 출구 측으로 채널의 수를 증가시키도록 고안된다. 다양한 출구 구멍이 배열되어 공급블럭의 출구에서 공압출물을 통한 단면이 충전재의 원하는 형태의 "바다" 중 원하는 형태의 산란 섬유 중합체 재료의 "섬"을 함유하도록 한다. 복합 섬유 내 산란 섬유를 압출하기 적합한 공급블럭은 2005년 2월 28일자 출원된 변리사 문서 번호 60401US002 호인, 미국 특허 출원 일련번호 11/068,159 호, "공-연속 상을 갖는 복합 중합체성 광학 필름"에 더 상세하게 기재되어 있다.
복합 섬유를 공압출하는 하나의 예에서, 118 개의 레이저-기계절단된 플레이트 및 11 개의 말단-가공된 (end-milled) 플레이트를 갖는 공급블럭을 조립하였다. 상기 공급블럭은 또한 2 개의 입구 포트 및 약 1000 개의 "섬" 출구 포트를 포함하였다. 상기 공급블럭은 실질적으로 동일한 중합체 흐름을 갖는 산란 섬유를 수득하도록 고안되었다. 수득되는 공압출 복합 섬유를 통한 단면을 도 13의 사진에 나타낸다. 상기 복합 섬유는 PETG 코폴리에스테르인, 이스트만 케미칼 사(Eastman Chemical Co., Kingsport, TN)에 의해 공급되는 이스타™ 6763의 충전재 "바다" 중 산란 섬유 "섬"으로 PEN (90%)/PET (10%) 공중합체를 포함하였다. 압출된 복합 섬유는 직경이 약 200 μm이다. 상기 복합 섬유는 신장되지 않았지만, 기하학적 형태를 유지하면서 신장하면 대략 25 μm의 직경, 즉 대략 87%의 직경 감소에 도달할 수 있다. 그러한 신장에서, 산란 섬유들 간의 간격은 약 500 nm일 것이다. 산란 섬유의 단면 치수는 2종의 상이한 중합체 재료의 유량 비에 의존할 것이다.
서로에 대하여 거의 평행하게 놓이는 수 천개의 상기 복합 섬유를 포함하는 토우가 형성될 수 있다. 상기 토우는 예를 들면 150℃ 부근의 상승된 온도에서 함께 압축함으로써 한데 융합되어, 도 12A 및 12B를 참고하여 기재된 것과 같은 방식으로, 융합된 시트를 형성할 수 있다.
본 발명은 전술한 특정의 예에 국한되는 것으로 간주어서는 아니되며, 첨부 된 청구항에 분명하게 기재된 것과 같이 본 발명의 모든 국면을 포함하도록 이해되어야 한다. 본 발명이 적용가능할 수 있는 다수의 구조 뿐만 아니라, 다양한 수정, 동등한 방법이 본 명세서를 검토 시 본 발명이 관계될 당업자에게는 바로 명백할 것이다. 청구항은 그러한 수정 및 장치를 포함하도록 의도된다.

Claims (54)

  1. 중합체 충전재; 및
    산란 섬유가 복합 중합체 섬유의 세로 축에 실질적으로 평행인 세로 축을 갖는, 상기 충전재 내에 배치된 복수의 중합체 산란 섬유를 포함하고;
    상기 충전재 및 상기 산란 섬유의 적어도 하나는 복굴절성 재료로 형성되며, 상기 충전재 및 산란 섬유의 굴절율은 상기 복합 중합체 섬유 위에 첫 번째 편광 상태로 입사되는 빛에 대하여 실질적으로 일치하고 상기 첫 번째 편광 상태에 수직인 두 번째 편광 상태로 입사되는 빛에 대해서는 실질적으로 일치되지 않는, 복합 중합체 섬유.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 섬유가 실질적으로 원형의 단면을 갖는 복합 섬유.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 섬유가 실질적으로 원형이 아닌 단면을 갖는 복합 섬유.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 산란 섬유의 적어도 일부가 실질적으로 원형인 단면을 갖는 복합 섬유.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 산란 섬유의 적어도 일부가 실질적으로 원형이 아닌 단면을 갖는 복합 섬유.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 산란 섬유의 적어도 일부가 한데 꼬여 있는 복합 섬유.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 산란 섬유의 적어도 일부가 상기 복합 섬유의 단면에 걸쳐 불규칙하게 배열되어 있는 복합 섬유.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 산란 섬유의 적어도 일부가 상기 복합 섬유의 단면에 걸쳐 규칙적으로 배열되어 있는 복합 섬유.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 산란 섬유의 적어도 일부가 상기 복합 섬유의 단면에 걸쳐 규칙적인 격자 패턴의 위치로 배열되어 있으며, 상기 규칙적인 격자 패턴의 적어도 하나의 위치는 산란 섬유를 갖지 않는 복합 섬유.
  10. 제 8 항에 있어서, 상기 산란 섬유의 적어도 일부가 상기 복합 섬유 내에 배열되어, 산란 섬유의 배열이 상기 복합 섬유 위에 측면으로 입사되는 빛에 대하여 스펙트럼 선택적 성질을 제공하도록 하는 복합 섬유.
  11. 제 1 항에 있어서, 각각의 산란 섬유를 둘러싸는 커버 층을 더 포함하는 복 합 섬유.
  12. 제 11 항에 있어서, 상기 산란 섬유는 산란 섬유 재료로 형성되고, 상기 커버 층은 상기 충전재 및 상기 산란 섬유 재료 중 하나로 형성되는 복합 섬유.
  13. 제 1 항에 있어서, 상기 산란 섬유의 적어도 하나는 코어를 둘러싸는 외피를 포함하고, 상기 외피 및 코어는 상이한 재료로 형성되는 복합 섬유.
  14. 제 1 항에 있어서, 상기 산란 섬유의 적어도 하나가 두 번째 중합체 재료의 연속 상에 첫 번째 중합체 재료의 분산 상을 포함하는 복합 섬유.
  15. 중합체 매트릭스; 및
    상기 중합체 매트릭스 내에 배치된 복수의 중합체 복합 섬유를 포함하고;
    상기 중합체 복합 섬유의 적어도 하나는 첫 번째 중합체 재료과 상이한 두 번째 중합체 재료로 된 충전재 내에 첫 번째 중합체 재료로 된 복수의 산란 섬유를 포함하고, 상기 중합체 복합 섬유는 상기 중합체 매트릭스 내에 실질적으로 평행하게 배열되어 있으며, 상기 중합체 매트릭스, 상기 첫 번째 중합체 재료 및 두 번째 중합체 재료 중 적어도 하나는 복굴절성인 광학 물체.
  16. 제 15 항에 있어서, 상기 첫 번째 및 두 번째 중합체 재료의 적어도 하나가 복굴절성인 광학 물체.
  17. 제 15 항에 있어서, 상기 중합체 매트릭스가 첫 번째 중합체 재료 및 두 번째 중합체 재료 중 하나를 포함하는 광학 물체.
  18. 제 15 항에 있어서, 상기 중합체 매트릭스가 상기 첫 번째 및 두 번째 중합체 재료와 상이한 매트릭스 재료를 포함하는 광학 물체.
  19. 제 15 항에 있어서, 산란 섬유의 적어도 하나가 연속 상 중 분산 상을 포함하는 분산 상 산란 섬유를 포함하는 광학 물체.
  20. 제 15 항에 있어서, 상기 복합 섬유의 적어도 일부가 한데 꼬여 얀을 형성하는 광학 물체.
  21. 제 15 항에 있어서, 상기 중합체 매트릭스 내에 배치된 섬유 직물을 더 포함하며, 상기 섬유 직물은 복수의 중합체 복합 섬유를 포함하는 광학 물체.
  22. 제 21 항에 있어서, 상기 복수의 중합체 섬유가 상기 섬유 직물의 날실 및 씨실 중 하나를 구성하는 광학 물체.
  23. 제 22 항에 있어서, 상기 섬유 직물의 날실 및 씨실의 다른 하나가 광학적으로 등방성인 중합체 섬유, 광학적으로 등방성인 천연 섬유, 유리 섬유, 유리-세라믹 섬유 및 세라믹 섬유 중 적어도 1종을 포함하는 광학 물체.
  24. 제 22 항에 있어서, 상기 섬유 직물의 날실 및 씨실의 다른 하나가 상기 중합체 매트릭스의 굴절율과 실질적으로 유사한 굴절율을 갖는 등방성 섬유를 포함하는 광학 물체.
  25. 제 22 항에 있어서, 상기 섬유 직물의 날실 및 씨실의 다른 하나가 상기 중합체 매트릭스의 굴절율과 실질적으로 상이한 굴절율을 갖는 등방성 섬유를 포함하는 광학 물체.
  26. 제 21 항에 있어서, 상기 섬유 직물 중 중합체 섬유가 실질적으로 직선인 광학 물체.
  27. 제 15 항에 있어서, 상기 복수의 복합 섬유의 복합 섬유가 상기 중합체 매트릭스에 걸쳐 단면에 있어서 무작위 패턴으로 배열되어 있는 광학 물체.
  28. 제 15 항에 있어서, 상기 복수의 복합 섬유의 복합 섬유가 상기 중합체 매트릭스에 걸쳐 단면에 있어서 규칙적인 패턴으로 배열되어 있는 광학 물체.
  29. 제 15 항에 있어서, 상기 중합체 매트릭스가 복수의 중합체 섬유를 함유하는 층으로 형성되어 있고, 상기 층이 실질적으로 편평하고 평행인 표면을 갖는 광학 물체.
  30. 제 15 항에 있어서, 상기 중합체 매트릭스가 적어도 하나의 구조화된 표면을 갖는 층으로 형성된 광학 물체.
  31. 제 30 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 구조화된 표면이 상기 물체를 통해 투과된 빛에 광학 출력을 제공하는 광학 물체.
  32. 제 30 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 구조화된 표면이 프리즘 구조의 어레이를 포함하는 광학 물체.
  33. 제 15 항에 있어서, 상기 복합 섬유의 적어도 하나가 상기 매트릭스 및 산란 섬유를 둘러싸는 커버 층을 포함하는 광학 물체.
  34. 복합 섬유를 압출하고 (각각의 복합 섬유는, 가용성인 두 번째 중합체로 제조된 충전재에 분산된 첫 번째 중합체로 제조된 복수의 산란 섬유를 함유함);
    상기 첫 번째 중합체를, 상기 첫 번째 중합체가 복굴절성이 되도록 배향하 고;
    상기 배향된 복합 섬유를 함유하는 얀을 형성하고;
    상기 얀을 용매 중에서 세척하여 상기 두 번째 중합체를 제거하고;
    얀의 어레이가 바람직한 배향을 갖는 얀의 어레이를 형성하고;
    얀의 어레이를 수지로 포화시키고;
    상기 수지를 굳히는 것을 포함하는, 광학 물체의 제조 방법.
  35. 제 34 항에 있어서, 얀을 형성하기 이전 상기 첫 번째 중합체를 배향하는 것을 더 포함하는, 광학 물체의 제조 방법.
  36. 제 34 항에 있어서, 상기 얀을 형성한 이후 상기 첫 번째 중합체를 배향하는 것을 더 포함하는, 광학 물체의 제조 방법.
  37. 제 34 항에 있어서, 얀의 어레이를 형성하는 것이 얀을 직조하는 것을 포함하는, 광학 물체의 제조 방법.
  38. 제 34 항에 있어서, 얀의 어레이를 형성하는 것이 얀의 단축 배향된 토우(tow)를 형성하는 것을 포함하는, 광학 물체의 제조 방법.
  39. 제 34 항에 있어서, 수지를 굳히는 것이 상기 수지의 경화를 포함하는 광학 물체의 제조 방법.
  40. 제 39 항에 있어서, 수지를 경화하는 것이 상기 수지를 광경화하는 것을 포함하는, 광학 물체의 제조 방법.
  41. 제 39 항에 있어서, 수지를 경화하는 것이 상기 수지를 열경화하는 것을 포함하는, 광학 물체의 제조 방법.
  42. 제 39 항에 있어서, 수지를 경화하는 것이 상기 수지를 마이크로복제 도구의 표면과 접촉시키면서 상기 수지를 경화하는 것을 포함하는, 광학 물체의 제조 방법.
  43. 제 42 항에 있어서, 마이크로복제 도구를 이용하여 상기 물체 상에 구조화된 표면을 형성하는 것을 더 포함하는, 광학 물체의 제조 방법.
  44. 복합 섬유를 압출하고 (각각의 복합 섬유는 두 번째 중합체로 제조된 충전재에 분산된 첫 번째 중합체로 제조된 복수의 산란 섬유를 함유하고, 상기 첫 번째 및 두 번째 중합체의 적어도 하나는 배향성임);
    상기 복합 섬유를 한데 배열하고;
    상기 복합 섬유를 융합시켜 융합된 광학 물체를 형성하는 것을 포함하는, 광 학 물체의 제조 방법.
  45. 제 44 항에 있어서, 상기 복합 섬유를 융합시키는 것이 상기 복합 섬유에 압력 및 열의 적어도 하나를 적용하는 것을 포함하는 방법.
  46. 제 45 항에 있어서, 상기 복합 섬유를 융합시키는 것이 상기 복합 섬유에 열과 압력을 모두 적용하는 것을 포함하는 방법.
  47. 제 44 항에 있어서, 복수의 복합 섬유를 융합시키는 것이 접착제를 이용하여 상기 복합 섬유를 한데 부착시키는 것을 포함하는 방법.
  48. 제 44 항에 있어서, 복수의 복합 섬유를 융합시키는 것이 상기 복수의 복합 섬유를 용매로 처리하고 상기 처리된 복합 섬유를 한데 압축하는 것을 포함하는 방법.
  49. 제 44 항에 있어서, 배향성인 상기 첫 번째 및 두 번째 중합체의 적어도 하나를 배향하기 위해 상기 복합 섬유를 더 신장하는 방법.
  50. 제 44 항에 있어서, 상기 복합 섬유를 융합시키기 이전 상기 복합 섬유를 신장하는 것을 더 포함하는 방법.
  51. 제 44 항에 있어서, 상기 복합 섬유를 융합시킨 이후 상기 복합 섬유를 신장하는 것을 더 포함하는 방법.
  52. 제 44 항에 있어서, 상기 복합 섬유를 한데 배열하는 것이 상기 복합 섬유를 서로에 대하여 실질적으로 평행하도록 배열하는 것을 포함하는 방법.
  53. 제 44 항에 있어서, 상기 복합 섬유를 한데 배열하는 것이 상기 복합 섬유를 적어도 하나의 토우로 형성하는 것을 포함하는 방법.
  54. 제 44 항에 있어서, 상기 복합 섬유를 한데 배열하는 것이 상기 복합 섬유를 적어도 하나의 섬유 직물로 형성하는 것을 포함하는 방법.
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