KR20090033454A - 형상 기억 물질을 사용한 부유 이미지를 갖는 마이크로렌즈시트 - Google Patents

형상 기억 물질을 사용한 부유 이미지를 갖는 마이크로렌즈시트 Download PDF

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KR20090033454A
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더글라스 에스. 던
미에치슬라우 에이치. 마주렉
제임스 엠. 존자
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쓰리엠 이노베이티브 프로퍼티즈 컴파니
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Abstract

시트는 마이크로렌즈의 표면을 갖는 형상-기억 중합재의 층을 포함하고, 마이크로렌즈 각각은 시트 내의 복수의 이미지 중 하나와 연계된다. 형상-기억 중합재의 층은 마이크로렌즈의 광학 특성이 제1 값을 갖는 제1 상태로부터 마이크로렌즈의 광학 특성이 제2 값을 갖는 제2 상태로 전이함으로써 외부 자극, 예를 들어 온도, 용제 또는 습기에 감응한다. 마이크로렌즈는 형상-기억 중합재의 층이 제1 상태 및 제2 상태 중 하나에 있을 때 시트 내의 위치에 광을 투과시켜 시트 내에 형성된 이미지로부터 합성 이미지를 생성하는 굴절 표면을 갖는다. 이미지 중 적어도 하나는 부분적으로 완전한 이미지이고, 각각의 이미지는 마이크로렌즈의 상이한 하나와 연계된다.
시트, 마이크로렌즈, 형상-기억, 중합재, 외부 자극, 이미지

Description

형상 기억 물질을 사용한 부유 이미지를 갖는 마이크로렌즈 시트{MICROLENS SHEETING WITH FLOATING IMAGE USING A SHAPE MEMORY MATERIAL}
관련 출원에 대한 상호 참조
본 출원은 2006년 7월 28일자로 출원되고 발명의 명칭이 "미세구조화된 표면을 갖는 형상 기억 중합체 물품(Shape Memory Polymer Articles with Microstructured Surface) "이며 공히 양도되어 공계류 중인 미국 특허 출원 제11/460,685 호 및 2006년 7월 28일자로 출원되고 발명의 명칭이 "형상 기억 중합체 물품의 표면의 형상을 변화시키는 방법(Methods for Changing the Shape of a Surface of a Shape Memory Polymer Article)"이며 공히 양도되어 공계류 중인 미국 특허 출원 제11/460,682 호와 관련된다.
본 발명은 하나 이상의 합성 이미지를 제공하는 시트에 관한 것이다.
그래픽 이미지 또는 다른 표시를 갖는 시트 재료는 특히 물품 또는 서류를 인증하기 위한 라벨(label)로서 널리 사용되어 왔다. 예를 들어, 종래의 이미지화된 시트는 이미지가 마스크 또는 패턴을 통한 시트의 레이저 조사에 의해 형성되는 노출-렌즈 타입의 고-이득 재귀반사성 시트를 사용한다. 그러한 시트는 부분적으로 결합제 층 내에 매립되고 부분적으로 결합제 층 위로 노출되는 복수의 투명 유 리 미소구체(microsphere)를 포함하며, 복수의 미소구체의 각각의 매립된 표면 상에는 금속 반사 층이 코팅되어 있다. 결합제 층은 이미지화되는 동안에 시트 상에 충돌하는 임의의 미광(stray light)을 최소화하는 것이라고 하는 카본 블랙을 함유한다.
레이저 빔의 에너지는 결합제 층 내에 매립된 마이크로렌즈들의 초점 효과에 의해 더욱 집중된다. 이 재귀반사성 시트 내에 형성된 이미지는 레이저 조사가 시트를 향했던 각도와 사실상 동일한 각도로 시트를 보는 경우 그리고 그런 경우에 한해 관찰될 수 있다. 이는 다르게 말하면 이미지가 매우 한정된 관측 각도에 걸쳐서만 관측 가능하다는 것을 의미한다.
발명의 개요
대체로, 본 발명은 시트가 외부 자극에 감응하여 제1 상태와 제2 상태 사이에서 전이되게 하는 형상-기억 특성을 갖는 형상-기억 중합재로 형성된 시트를 기술한다. 시트는 형상-기억 중합재의 일 표면 상에 마이크로렌즈의 층을 갖는다. 형상-기억 중합재의 형상-기억 특성의 결과로서, 마이크로렌즈의 광학 특성은 외부 자극에 노출시 제어되고 반복 가능한 방식으로 변화될 수 있다. 예를 들어, 시트는 적합한 시야각에서 관찰될 때 합성 이미지를 제공하도록 이미지화될 수 있다. 합성 이미지는 외부 자극에 감응하여 시각적으로 "나타나거나" 또는 "사라질 수 있다". 이러한 예시적인 효과는 형상-기억 중합재의 전이로 인한 마이크로렌즈의 층의 물리적 형상에 대한 변화의 결과인 마이크로렌즈의 광학 특성의 변화에 기인한다. 예를 들어, 시트가 열, 용제 또는 습기와 같은 외부 자극에 노출될 때, 시트 는 제1 물리적 상태로부터 제2 물리적 상태로 전이한다. 초점거리와 같은 마이크로렌즈의 광학 특성은 형상-기억 중합재가 겪는 물리적 전이에 감응하여 제1 값으로부터 제2 값으로 변한다.
본 명세서에 기술된 시트는 다양한 적용예에 사용될 수 있다. 일 예로서, 시트는 주어진 온도에 대한 노출을 시각적으로 표시하는 수동 센서로서 사용될 수 있다. 다른 예로서, 시트는 습기 센서, 압력 센서로서 작동할 수 있거나 또는 용제의 존재를 감지할 수 있다. 시트는 또한 외부 자극에 감응하여 시각적으로 변하는 보안 특징부로서 사용될 수 있어서, 그것에 의해 시트가 부착된 물품의 인증을 확인한다. 보안 특징부로서, 시트는 은행권, 여권, 운전 면허증, 신분증, 신용 카드 또는 다른 보안 문서와 같은 다양한 적용예에 사용될 수 있다.
일 실시 형태에서, 시트는 마이크로렌즈의 표면을 갖는 형상-기억 중합재의 층을 포함하고, 마이크로렌즈 각각은 시트 내의 복수의 이미지 중 하나와 연계된다. 형상-기억 중합재의 층은 마이크로렌즈의 광학 특성이 제1 값을 갖는 제1 상태로부터 마이크로렌즈의 광학 특성이 제2 값을 갖는 제2 상태로 전이함으로써 외부 자극에 감응한다.
다른 실시 형태에서, 방법은 마이크로렌즈의 표면을 갖는 형상-기억 중합재의 층을 포함하는 시트를 영구 형상으로 형성하는 단계와, 마이크로렌즈의 표면이 시트 내의 위치에 이미지를 형성하도록 시트를 이미지화하는 단계를 포함한다. 방법은 형상-기억 중합재의 층을 임시 형상으로 변형시키는 단계를 추가로 포함한다.
다른 실시 형태에서, 물품은 거기에 부착된 시트를 갖고, 시트는 시트 내의 위치에 형성된 하나 이상의 이미지로부터 합성 이미지를 시각적으로 생성하는 마이크로렌즈의 표면을 갖는 형상-기억 중합재의 층을 포함한다. 형상-기억 중합재의 층은 마이크로렌즈의 광학 특성이 제1 값을 갖는 제1 상태로부터 마이크로렌즈의 광학 특성이 제2 값을 갖는 제2 상태로 전이함으로써 외부 자극에 감응한다.
본 발명의 하나 이상의 실시 형태의 상세 사항이 첨부된 도면과 하기의 설명에서 설명된다. 본 발명의 다른 특징, 목적 및 이점들은 설명 및 도면 그리고 청구의 범위로부터 명백해질 것이다.
도 1A 및 도 1B는 형상-기억 물질로 형성된 예시적인 마이크로렌즈 시트의 확대 단면도.
도 2는 형상-기억 물질로 형성된 마이크로렌즈의 층을 갖는 시트를 제조하는 예시적인 공정을 도시하는 플로우차트.
도 3은 형상-기억 물질로 형성된 마이크로렌즈의 층을 갖는 예시적인 시트의 온도 대 시간 특성을 도시하는 그래프.
도 4는 형상-기억 물질로 형성된 마이크로렌즈의 층을 갖는 시트를 프로그래밍하는 예시적인 공정을 도시하는 플로우차트.
도 5는 형상-기억 물질로 형성된 마이크로렌즈의 층을 갖는 다른 예시적인 시트의 온도 대 시간 특성을 도시하는 그래프.
도 6A 내지 도 6C는 예시적인 마이크로렌즈 어레이를 도시하는 원자힘 현미경(atomic force microscopy; AFM) 이미지.
도 7A 및 도 7B는 생주물 렌즈 및 평평해진 렌즈에 대한 광선 추적 모델의 결과를 도시하는 광선 추적도.
도 8A 및 도 8B는 생주물 렌즈 및 평평해진 렌즈에 대한 광학 현미경사진.
도 9는 생주물 마이크로렌즈 및 변형되어 열적으로 복원된 마이크로렌즈의 AFM으로 측정된 표면 프로파일의 비교를 도시하는 그래프.
도 10A는 예시적인 엠보싱된 마이크로렌즈를 도시하는 AFM 현미경사진.
도 10B는 필름이 본 발명의 원리에 따라 원래의 평평한 상태로 복원된 후 엠보싱된 렌즈를 도시하는 AFM 현미경사진.
도 11A 내지 도 11C는 시트가 고온에서 압축될 때 사라지고 시트가 가열될 때 다시 나타나는 부유 이미지로 이미지화된 샘플 시트의 사진.
도 1A는 예시적인 시트(10)의 확대 단면도이다. 이 예에서, 시트(10)는 제1 및 제2 표면을 갖는 평철(plano-convex) 또는 비구면 기부 시트(11)를 포함하고, 제1 표면은 사실상 반-회전 타원형 또는 반-비회전 타원형 마이크로렌즈(14)의 어레이를 가지며 제2 표면(12)은 사실상 평면이다. 기부 시트(11)는 이하에 더욱 상세하게 기술되는 바와 같이 형상-기억 중합재로 형성된다. 이러한 제1 실시 형태에서, 마이크로렌즈의 형상 및 기부 시트(11)의 두께는 어레이에 입사하는 시준된 광이 제2 면(12)에 대략적으로 포커싱되도록 선택된다. 물질(16)의 층이 시트(10)의 제2 면 상에 구비된다. 몇몇 실시 형태에서, 물질(16)의 층은 방사선-감응 물질일 수 있다. 기부 시트(11)는 투명, 아투명(translucent) 또는 반투명일 수 있다.
도 1B는 마이크로렌즈의 단일 층을 포함하는 마이크로렌즈 시트(20)의 확대 단면도이다. 도 1B의 도시된 실시 형태에서, 시트(20)는 제1 및 제2 표면을 갖는 투명한 평철 또는 비구면 기부 시트를 포함하고, 제1 표면은 그 위에 사실상 반-회전 타원형 또는 반-비회전 타원형인 마이크로렌즈(24)의 어레이가 형성되며 제2 표면(22)은 사실상 평면이다. 층(26)은 이하에 더욱 상세하게 기술되는 바와 같이 형상-기억 중합재로 형성된다. 이러한 제2 실시 형태에서, 마이크로렌즈(24)의 형상 및 층(26)의 두께는 어레이에 입사하는 시준된 광이 단일 층(26) 내부의 영역(28)에 포커싱되도록 선택된다. 층(26)의 두께는 마이크로렌즈가 광을 포커싱하는 거리와 같은 마이크로렌즈(24)의 광학 특성에 적어도 부분적으로 좌우된다. 예를 들어, 렌즈의 전방으로부터 60 ㎛의 거리에 광을 포커싱하는 마이크로렌즈가 사용될 수 있다. 몇몇 실시 형태에서, 층(26)의 두께는 마이크로렌즈가 층(26) 내부에 광을 포커싱하도록 20 내지 100 ㎛일 수 있다.
도 1A 및 도 1B의 시트(10, 20)의 마이크로렌즈는 바람직하게는 이미지 형성이 생기도록 이미지-형성 굴절 표면을 갖는 데, 일반적으로 이는 만곡된 마이크로렌즈 표면에 의해 제공된다. 만곡된 표면의 경우, 마이크로렌즈는 바람직하게는 균일한 굴절률을 가질 것이다. 공기 내에 침지된 구형 굴절 표면의 이미지 초점거리(f)는 다음의 식에 의해 주어지며,
Figure 112009004676242-PCT00001
,
여기서, n은 표면을 포함하는 물질의 굴절률이고, R은 표면의 곡률 반경이다. 굴절률은 물질의 구성 원자의 전자 특성에 종속적이고 그에 따라서 만일 원자의 전자 구성이 변할 수 없다면 광의 특정 파장에 대해 고정된다. 이 경우에, 굴절 표면의 이미지화 특성을 제어하는 하나의 수단은 구형 굴절 표면의 곡률 반경, 즉 형상의 변화를 통해서이다. 본 발명의 기술은 외부 자극 또는 환경 변화에 대한 노출시 형상-기억 중합재로 형성된 마이크로렌즈(14, 22)의 굴절 표면의 형상의 제어된 변화를 위한 기구를 제공한다.
각각의 전체 내용이 본 명세서에 참고로 포함된, 현재 미국 특허 제6,288,842 호인, 2000년 2월 22일자로 출원된 미국 특허 출원 제09/510,428 호의 계속 출원인 2001년 7월 3일자로 출원된 미국 특허 출원 제09/898,580 호의 계속 출원인 2006년 4월 6일자로 출원되고 발명의 명칭이 "부유하는 합성 이미지를 갖는 시트(SHEETING WITH COMPOSITE IMAGE THAT FLOATS)"인 미국 특허 출원 제11/399,695 호에 기술된 "부유 이미지" 시트 내의 렌즈 층으로서 환경-감응 마이크로렌즈가 사용될 수 있다. 마이크로렌즈의 광학 특성, 예를 들어 곡률 반경과 그에 따른 초점거리가 상이한 외부 자극에 대한 노출시 변할 수 있기 때문에, 환경 요인에 기초하여 예상 가능하게 변화하는 외관을 갖는 부유 이미지를 시각적으로 제공하는 시트가 제조될 수 있다.
비록 마이크로렌즈 표면은 바람직하게는 본질적으로 구형이지만, 비구면 표 면도 허용될 수 있다. 만약 굴절 표면이 물질(16)의 층 내에서 (도 1A) 또는 물질 분해, 어블레이션(ablation), 조성 변화 또는 상 변화에 의해 영역(26)에서 (도 1B) 실상을 형성한다면, 마이크로렌즈는 원통형 또는 구형과 같은 임의의 대칭 형태를 가질 수 있다. 마이크로렌즈는 시트의 표면이 이미지화 특성을 갖는 반복 프로파일을 생성하도록 형상이 변하는 복제(replication) 또는 엠보싱 공정으로부터 형성될 수 있다.
본 발명의 원리에 따라, 마이크로렌즈는 형상-기억 중합재로 형성된다. 즉, 도 1A 및 도 1B의 예에서, 도 1A의 기부 시트(11) 또는 도 1B의 층(28)은 형상-기억 중합재로 형성된다. 일반적으로, 형상-기억 중합재는 물리적으로 형상을 변화시킴으로써 외부 자극에 감응하는 중합체이다. 특히, 형상-기억 중합재는 "영구" 형상(본 명세서에서 제2 물리적 "상태"라 함)으로 형성될 수 있고, 전이 온도 Ttrans보다 높은 온도에서 임시 형상(제1 물리적 "상태")으로 변형될 수 있으며, 변형된 형상으로 유지되는 동안 냉각될 수 있다. 해제시, 물질은 전이 온도 Ttrans보다 높은 온도에 노출될 때까지 임시 형상을 유지할 것이고, 그 온도에서 물질은 제2 물리적 상태로 전이되어 그의 영구 형상을 회복한다. "스위칭" 단편이라고 하는 형상-기억 물질의 일 성분은 중합체의 영구 및 임시 형상을 결정한다. 스위칭 단편의 전이 온도 Ttrans보다 높은 온도에서, 스위칭 단편은 가요성이고, 중합체는 변형될 수 있다. 스위칭 단편의 전이 온도 Ttrans보다 낮은 온도에서, 스위칭 단편은 그의 가요성을 잃는다.
원하는 형상은 중합체 구조를 가교결합시킴으로써 영구적일 수 있다. 가교결합은 화학적 또는 물리적일 수 있다. 예를 들어, 고무는 가교결합되어, 트라이 또는 테트라 작용 반응물의 추가, e-빔 가교결합, 또는 종국적으로 중합체를 가교결합하는 측쇄를 개시하는 자유 라디칼을 형성하도록 분해하는 과산화물에 의해 유동을 방지한다. 엉킴 분자량과 유사한 또는 작은 가교들 사이의 평균 분자량은 유동으로 인한 왜곡 없이 구조를 순환시키는 것이 바람직하다.
바람직한 공유 가교결합된 시스템의 예는 에틸렌 공중합체를 기재로 할 수 있다. 보다 선명한 허상을 위해 광 산란을 최소화하도록 폴리에틸렌 결정 구조 크기를 감소시키는 임의의 공단량체가 적합하다. 전자 빔 조사 또는 과산화물 가교결합이 채용될 수 있고, 가열 및 임시 형상으로의 냉각이 뒤따른다. 물질이 용융 온도보다 높게 가열될 때, 영구 형상이 회복될 것이다.
물리적으로 가교결합된 중합체는 열가소성 탄성중합체의 기재이다. 이들 고무 물질은 사출 성형될 수 있고 심지어 공유 가교결합된 고무와는 다르게 재-용융에 의해 다시 성형될 수 있다. 블록 공중합체가 바람직할 수 있다. 몇몇 예는 폴리올 또는 폴리에스테르 연성 단편을 갖는 폴리우레탄 경질 단편, 또는 폴리올레핀 연성 단편을 갖는 폴리스티렌 경질 단편이다. 본 발명에 유용한 중합체의 이들 유형의 경우, 스위칭 단편에 대한 전이 온도는 경질 단편의 Tg 또는 Tm보다 낮아야 한다. 예를 들어, 폴리에스테르 스위칭 단편은 폴리카프로락톤을 기재로 할 수 있고, 60℃ 근방에서 용융되는 한편, 폴리우레탄 경질 단편은 약 130℃의 유리 전이 온도를 갖는다. 영구 형상을 형성하기 위한 실제 온도 범위는 130℃와 분해 역치(decomposition threshold) 사이이다. 임시 형상을 형성하기 위한 실제 범위는 65 내지 125℃이고, 폴리에스테르 스위칭 단편이 결정화하게 하기 위해 그 형상에 대해 50℃ 아래로 냉각한다. 이어지는 60℃ 초과의 재-가열은 폴리에스테르 단편을 용융시킬 것이고, 영구 형상이 재형성되게 할 것이다.
따라서 외부 자극은 온도 변화일 수 있다. 대안적으로, 용제에 노출될 때, 습기에 노출될 때, 압력 변화에 노출될 때 또는 다른 환경 변화에 노출될 때 상태를 변화시키도록 설계될 수 있다. 예를 들어, 용제에 대한 노출은 물질의 유효 전이 온도 Ttrans를 실온 미만으로 낮출 수 있다. 형상-기억 물질의 전이 온도는 형상-기억 물질의 용융 온도 Tm 또는 유리-전이 온도 Tg일 수 있다. 비록 전이 온도가 대체로 본 명세서에 걸쳐 유리-전이 온도 Tg라 할 것이지만, 전이 온도가 대신에 물질의 용융 온도 Tm일 수 있다는 것이 이해된다. 또한, 몇몇 실시 형태에서, 형상-기억 중합재는 하나 초과의 전이 온도를 가질 수 있다.
예로서, 마이크로렌즈가 형성된 형상-기억 중합체는 폴리(ε-카프로락톤) 스위칭 단편을 갖는 폴리우레탄; 폴리(테트라하이드로퓨란) 스위칭 단편을 갖는 폴리우레탄; 폴리노보넨; 폴리에틸렌, 에틸렌 공중합체 또는 이온화 방사선을 사용하여 공유 가교결합된 다른 중합체(열-수축성 중합체); 메타크릴레이트 말단기로 작용기화된 올리고(ε-카프로락톤)다이올; 또는 다른 형상-기억 중합체일 수 있다. 다른 예로서, (메트)아크릴레이트 단량체와 실론산 대 아크릴레이트의 상이한 비율에 서 공반응한, 상이한 작용기 및 일정 범위의 분자량을 갖는 텔레켈릭 실록산으로 형상-기억 중합체를 형성할 수 있다. 예를 들어, 텔레켈릭 실록산은 메타크릴옥시우레아 실록산(MAUS), 아크릴아미도아미도 실록산(ACMAS), 메타크릴아미도아미도 실록산(MACMAS) 또는 메틸스티릴우레아 실록산(MeStUS)일 수 있다. 또한, 예로서, (메트)아크릴레이트 단량체는 아이소보닐 아크릴레이트(IBA), 사이클로헥실 아크릴레이트, 트라이메틸사이클로헥실 아크릴레이트, 메틸 메타크릴레이트, 메타크릴산, 또는 t-부틸아크릴레이트일 수 있다.
가시 파장 및 적외선 파장에 걸쳐 1.35와 3.0 사이의 균일한 굴절률을 갖는 마이크로렌즈가 가장 유용할 수 있다. 적합한 마이크로렌즈 물질은 가시광을 최소로 흡수할 것이고, 에너지원이 방사선-감응 층을 이미지화하는 데 사용되는 실시 형태에서, 물질은 마찬가지로 에너지원의 최소 흡수를 나타내어야 한다. 도 1A에 도시된 예시적인 실시 형태에서, 마이크로렌즈(14)의 굴절력은 바람직하게 굴절 표면 상에 입사하는 광이 굴절하여 각각의 마이크로렌즈의 대향 측 상에 포커싱할 것이다. 즉, 광이 마이크로렌즈의 배면(12) 상에 또는 마이크로렌즈(14)에 인접한 물질(16) 상에 포커싱될 것이다. 물질 층(16)이 방사선에 감응성인 실시 형태에서, 마이크로렌즈(14)는 바람직하게는 그러한 층 상의 적합한 위치에 축소된 실상을 형성한다. 대략 100 내지 800배의 이미지의 축소는 양호한 해상도를 갖는 이미지를 형성하기 위해 특히 유용하다.
시트 내에, 예를 들어 마이크로렌즈의 층 내에 또는 마이크로렌즈에 인접한 물질의 층 상에 이미지 패턴을 제공하는 하나의 방식은 방사원을 사용하여 시트를 이미지화하는 것이다. 200 ㎚ 내지 11 마이크로미터의 파장을 갖는 방사선을 제공할 수 있는 장치가 특히 바람직한 것으로 믿어진다. 본 발명에 유용한 높은 피크 출력의 방사원의 예는 엑시머 섬광 램프, 수동 Q-스위칭 마이크로칩 레이저, 및 Q-스위칭 네오디뮴 도핑된 이트륨 알루미늄 가닛 (Nd:YAG로 축약됨), 네오디뮴 도핑된 이트륨 리튬 플루오라이드 (Nd:YLF로 축약됨) 및 티타늄 도핑된 사파이어 (Ti:sapphire로 축약됨) 레이저를 포함한다. 이러한 높은 피크 출력의 공급원은 어블레이션, 즉 재료의 제거를 통해, 또는 다중 광자 흡수 공정으로 이미지를 형성하는 방사선-감응 물질에 가장 유용하다. 유용한 방사원의 다른 예로는 레이저 다이오드, 이온 레이저, 비 Q-스위칭 고체 상태 레이저, 금속 증기 레이저, 가스 레이저, 아크 램프 및 고출력 백열 광원과 같은 낮은 피크 출력을 제공하는 장치를 포함한다. 이러한 공급원은 방사선-감응 매체가 비-어블레이션 방법에 의해 이미지화될 때 특히 유용하다.
도 1A의 시트(10) 또는 도 1B의 시트(20)를 이미지화하기 위해, 방사원으로부터의 에너지는 마이크로렌즈(14 또는 22)를 향해 각각 지향되고 에너지의 고 발산 빔을 부여하도록 제어된다. 본 발명에 따른 예시적인 이미지화 공정은 레이저로부터의 시준된 광을 렌즈를 통해 마이크로렌즈 시트를 향하게 하는 것으로 이루어진다. 부유 이미지를 갖는 시트를 생성하기 위해, 하기에서 상세하게 설명되는 바와 같이, 일 실시 형태에서, 광은 높은 개구수(NA)를 갖는 발산 렌즈를 통해 투과되어 고 발산광 원뿔을 생성한다. 예를 들어, 0.3 이상의 NA를 갖는 렌즈가 소정 실시 형태에 사용될 수 있다.
이미지화하고자 하는 "물체"는 "물체"의 윤곽을 추적하거나 또는 마스크를 사용함으로써 강한 광원의 사용을 통해 형성될 수 있다. 이와 같이 기록된 이미지가 복합적인 외양(composite aspect)을 갖도록 하기 위해서, 물체로부터의 빛은 넓은 범위의 각도에 걸쳐서 방사한다. 물체로부터 방사하는 광이 물체의 일 지점으로부터 나오고 넓은 범위의 각도에 걸쳐서 방사될 때, 모든 광선은 물체에 대한 정보를 전달하지만, 비록 정보가 방사 광선의 각도의 관점에 의한 것일지라도 상기 정보는 단지 일 지점으로부터의 정보이다. 각각의 개별 마이크로렌즈가 광학 축에 대해 고유한 위치를 점유하기 때문에, 각각의 마이크로렌즈 상에 충돌하는 광은 각각의 다른 마이크로렌즈 상에 입사하는 광에 대해 고유한 입사각을 가질 것이다. 따라서, 광은 각각의 마이크로렌즈에 의해 시트의 고유한 위치로 투과되고, 고유한 이미지를 생성할 것이다.
보다 정확하게, 물체의 윤곽을 추적하는 예에서, 단일 광 펄스는 시트 내에 단일의 이미지화된 점만을 생성하여 각 마이크로렌즈에 인접한 이미지를 제공하고, 광의 다수 펄스가 다수의 이미지화된 점으로부터 그 이미지를 생성하기 위해 사용된다. 각 펄스의 경우, 광학 축은 선행 펄스 중의 광학 축의 위치에 대해 새로운 위치에 위치된다. 마이크로렌즈들에 대한 광학 축의 위치의 이러한 연속적인 변화는 각 마이크로렌즈 상으로의 입사각의 대응 변화와, 그에 따른 그러한 펄스에 의해 시트 내에서 생성되는 이미지화된 점의 위치의 변화로 이어진다. 그 결과, 마이크로렌즈에 의해 포커싱되는 입사광은 방사선-감응 층 내에 선택된 패턴을 이미지화한다. 각 마이크로렌즈의 위치가 모든 광학 축에 대해 고유하기 때문에, 각 마이크로렌즈에 대해 방사선-감응 물질 내에(또는 마이크로렌즈 자체 내에) 형성된 이미지는 다른 모든 마이크로렌즈와 연계된 이미지와 상이할 것이다.
부유하는 합성 이미지를 형성하기 위한 다른 방법은 렌즈 어레이를 사용하여 시트를 이미지화하도록 고 발산광을 생성한다. 렌즈 어레이는 평면 형태로 배열된 모두가 높은 개구수를 갖는 다수의 소형 렌즈로 이루어진다. 광원으로 어레이를 조명하면, 이 어레이는 각각이 어레이 내의 해당 렌즈 상에 중심이 놓인 고 발산광의 다수의 원뿔을 생성한다. 어레이의 치수에 의해, 렌즈릿에 의해 형성되는 개개의 에너지 원뿔은 광 펄스를 받는 동안에 개별 렌즈들이 어레이의 모든 지점들에 순차적으로 위치되는 것처럼 시트를 노출시키게 된다. 어느 렌즈가 입사광을 수용하는지의 선택은 노출될 합성 이미지의 섹션에 대응하는 투명 영역과 이미지가 노출되어서는 안되는 반사 영역을 갖는 반사 마스크의 사용에 의해 행해진다. 입사 에너지에 의해 마스크가 충분히 조명되게 함으로써, 에너지가 통과할 수 있게 하는 마스크의 부분들은 이미지가 단일한 렌즈들에 의해 추적된 것처럼 부유 이미지의 윤곽을 나타내는 다수의 개별 고 발산광 원뿔들을 형성할 것이다. 그 결과, 단 하나의 광 펄스만이 마이크로렌즈 시트 내에 전체 합성 이미지를 형성하는 데 필요하게 된다.
시트 내에 형성된 개별 이미지들은 관측자가 반사광 또는 투과광 하에서 볼 때 시트 위에서, 시트의 평면 내에서, 그리고/또는 시트 아래에서 떠 있거나 부유하는 것처럼 보이는 합성 이미지를 제공한다. 위의 이미지화 기술에 의해 형성된 합성 이미지는 모두 실제 물체의 상이한 경관(perspective)을 갖는 일부 또는 전부 의 많은 이미지의 합의 결과로서 생각될 수 있다. 많은 고유한 이미지들이 미니어쳐 렌즈의 어레이를 통해 형성되며, 이 모든 렌즈들은 물체나 이미지를 서로 다른 유리한 시점에서 "본다". 개별 미니어쳐 렌즈의 후방에, 이미지의 형태와 이미지화 에너지원을 받는 방향에 좌우되는 이미지의 경관이 시트 내에 생성된다. 그러나, 렌즈가 보는 모든 것이 시트 내에 기록되는 것은 아니다. 시트를 변형시키기에 충분한 에너지를 갖는 렌즈에 의해 보이는 이미지 또는 물체의 일부만이 기록될 것이다.
시트 위에 부유하는 합성 이미지가 발산 렌즈를 포함하는 광학 이미지화 기술을 사용하여 생성될 수 있어 각각의 마이크로렌즈를 통해 그리고 다시 발산 렌즈를 통해 물질 층으로부터 추적된 가상의 "이미지 광선"의 세트가 시트 위의 위치에서 만날 것이다. 동일한 방식으로, 시트 아래에 부유하는 합성 이미지가 수렴 렌즈를 포함하는 광학 이미지화 기술을 사용하여 생성되어 각각의 마이크로렌즈를 통해 그리고 다시 수렴 렌즈를 통해 물질 층으로부터 추적된 가상의 "이미지 광선"의 세트가 시트 아래의 위치에서 만날 것이다.
물질(16)의 층(도 1A)이 방사선 감응 물질일 필요가 없는 부유하는 합성 이미지를 형성하는 다른 방법이 사용될 수 있다. 예로서, 고 해상도 잉크계 인쇄 기술, 포토리소그래피 기술 또는 원하는 구조의 나노복제기술을 사용하여 개별 이미지가 물질(16)의 층 상에 형성될 수 있다. 개별 이미지는 마이크로렌즈를 통해 보여질 때 합성 이미지를 형성하는 완전한 또는 부분적으로 완전한 이미지일 수 있는 데, 각각의 개별 이미지는 상이한 마이크로렌즈와 연계된다. 예를 들어, 시트는 모아레 확대(
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magnification)의 원리를 채용할 수 있다. 예를 들어, 1998년 1월 27일자로 드링크워터(Drinkwater) 등에게 허여된 미국 특허 제5,712,731호를 참조하라. 예를 들어, 시트는 전술된 바와 같은 이미지화된 구성요소뿐만 아니라 잉크를 사용하여 인쇄된 구성요소를 갖는 개별 이미지를 포함할 수 있다. 시트가 모아레 확대를 포함하는 몇몇 실시 형태에서, 마이크로렌즈와 연계된 개별 이미지의 각각은 동일할 수 있다. 다른 예로서, 고 강도의 공급원이 각 마이크로렌즈 뒤에서 물질의 층의 광분해 또는 탄화를 유발시킴으로써 개별 이미지를 형성하는 데 사용될 수 있다.
본 발명의 원리에 따라 만들어진 합성 이미지는 (길이 및 폭을 갖는) 2차원이나 (길이, 폭 및 높이를 갖는) 3차원인 것으로 보일 수 있고, 시트의 위에, 시트의 평면 내에 또는 시트의 아래에 보일 수 있다. 3차원 합성 이미지는 단지 시트의 아래 또는 위에, 또는 원한다면 시트의 아래, 평면 내 및 위의 임의의 조합으로 나타날 수 있다.
도 1A 및 도 1B의 시트(10, 20)는 다양한 적용예에 사용될 수 있다. 일 예로서, 기술된 바와 같이 형상-기억 중합재를 갖고 이미지화된 시트는 주어진 온도에 대한 노출을 시각적으로 표시하는 수동 센서로서 사용될 수 있다. 다른 예로서, 시트는 습기 센서, 압력 센서로서 작동할 수 있거나 또는 용제의 존재를 감지할 수 있다. 시트는 또한 외부 자극에 감응하여 시각적으로 변하는 보안 특징부로서 사용될 수 있어서, 그것에 의해 시트가 부착된 물품의 인증을 확인한다. 보안 특징부로서, 시트는 은행권, 여권, 운전 면허증, 신분증, 신용 카드 또는 다른 보 안 문서와 같은 다양한 적용예에 사용될 수 있다.
도 2는 하나 이상의 외부 자극에 노출될 때 마이크로렌즈의 광학 특성을 예상 가능하게 변화시키는 형상-기억 물질로 형성된 마이크로렌즈의 층을 갖는 시트를 제조하는 예시적인 방법을 도시하는 플로우차트이다. 처음에, 마이크로렌즈의 어레이를 포함하는 시트가 형상-기억 중합재로 형성된다(30). 예를 들어, 마이크로렌즈 어레이를 갖는 시트는 오목부의 어레이를 갖는 툴(tool) 상에 용액을 주조하고 자외선(ultraviolet; UV) 광에 대한 노출에 의해 용액을 경화시킴으로써 제조될 수 있다. 결과적인 시트는 도 1A의 시트(10) 또는 도 1B의 시트(20)와 각각 유사할 수 있다. 이러한 구성 또는 제2 상태는 본 명세서에서 시트의 "영구" 형상이라 한다. 다음으로, 이미지가 시트 내에 형성된다(32). 이미지는 전술된 기술 중 하나를 사용하여 형성된, "허상" 또는 "부유" 이미지라 하는 합성 이미지일 수 있다.
제조 동안, 그 후 시트는 형상-기억 중합체의 Tg를 초과하는 온도까지 가열되고, 그 다음 몇몇 방식으로 물리적으로 변형될 수 있다(34). 일 예로서, 시트는 시트에 압축력을 가함으로써 평평해질 수 있다. 변형은 마이크로렌즈의 초점거리와 같은 마이크로렌즈의 광학 특성의 변화로 귀착된다. 예를 들어, 시트가 평평해질 때, 초점거리뿐만 아니라 마이크로렌즈의 곡률 반경도 증가한다. 광학 특성의 변화 때문에, 허상은 더 이상 볼 수 없거나, 또는 시각적으로 변화될 수 있다. 그 후, 시트는 변형 형상으로 유지되는 동안 냉각된다(36). 이 공정은 제1 상태라고 하는 임시 변형 형상으로 고정된 시트로 귀결된다. 시트를 임시 형상으로 고정하는 이 공정은 "프로그래밍(programming)"이라고 한다.
시트는 형상-기억 중합체의 Tg를 초과하는 온도로 다시 가열될 때까지 평평해진 형상을 유지할 것이고(38), 그 온도에서 시트는 영구 형상(제2 상태)을 회복하며(40), 허상은 다시 나타나거나 또는 원래의 시각적 외관으로 돌아온다. 예를 들어, 제1 상태에 있는 동안 마이크로렌즈는 50과 70 마이크로미터 사이의 곡률 반경을 가질 수 있고, 제2 상태에 있는 동안 마이크로렌즈는 20과 35 마이크로미터 사이의 곡률 반경을 가질 수 있다. 다른 예로서, 제1 상태에 있는 동안 마이크로렌즈는 450과 600 마이크로미터 사이의 초점거리를 가질 수 있고, 제2 상태에 있는 동안 마이크로렌즈는 65와 85 마이크로미터 사이의 초점거리를 가질 수 있다.
도 3은 본 발명의 원리와 일치하는 형상-기억 물질로 형성된 마이크로렌즈의 층을 갖는 예시적인 시트의 온도 대 시간 특성을 도시하는 그래프이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 시간 t1에서 시트는 실온 Tr에서 영구 형상으로 형상-기억 중합체로 주조된다. 영구 형상은 마이크로렌즈의 어레이를 포함한다. 시간 t2에서, 시트는 전술된 바와 같이 허상을 포함하도록 이미지화된다. 시간 t3에서, 시트는 형상-기억 중합체의 Tg를 초과하는 온도까지 가열되고 평평해짐으로써 임시 형상으로 변형된다. 그 결과, 허상은 더 이상 존재하지 않는다. 시간 t3와 t4사이에서, 시트는 다시 실온 Tr으로 냉각된다. 시트는 이제 임시 형상을 유지한다. 시간 t5에서 시트는 Tg를 초과하여 가열된다. 그 후, 시트는 영구 형상을 회복하고, 허상이 다시 나타난다. 따라서, 이 예에서, 허상은 t2 및 t3에서부터 존재하고, t3 및 t5부터 보이지 않으며, 시간 t5 이후에 다시 나타난다.
전술된 마이크로렌즈의 단순한 평평화 대신에 임시 형상화가 대안적으로 사용될 수 있다. 예를 들어, 마이크로렌즈와 상이한 디자인, 또는 마이크로렌즈보다 큰 크기 비율의 텍스트를 갖는 엠보싱 롤이 채용될 수 있다. 마이크로렌즈가 모든 곳에서 평평해지고 패턴이 더욱 깊은 경우에, 물체는 문자 메시지로 또는 부유 이미지를 갖지 않는 큰 아이콘으로 보인다. 가열시, 큰 이미지는 대부분 (가능하다면 완전히) 사라지고 부유 이미지가 나타난다. 만약 엠보싱부들 사이의 영역이 마이크로렌즈를 방해하지 않는다면, 엠보싱된 이미지와 (방해받는 마이크로렌즈의 비율에 좌우되는 다양한 선명도를 갖는) 부유 이미지 둘 모두를 갖는 것이 가능할 수 있는 데, 부유 이미지는 엠보싱된 이미지가 단지 고스트 이미지(ghost image)이거나 또는 가능하게는 완전히 사라져 더 뚜렷한 부유 이미지가 된다.
도 4는 형상-기억 물질로 형성된 마이크로렌즈의 층을 갖는 시트를 제조하는 방법의 다른 예를 도시하는 플로우차트이다. 처음에, 시트가 형상-기억 중합재로 형성된다(44). 이 예에서, 시트는 사실상 평평한 형상으로 형성될 수 있다. 평평한 형상은 시트의 영구 형상이다. 그 후, 시트는 형상-기억 중합체의 Tg를 초과하는 온도까지 가열되고 마이크로렌즈 어레이 패턴으로 엠보싱하여 변형된다(46). 시트는 엠보싱된 형상으로 유지되는 동안 냉각된다(48). 엠보싱의 결과로서, 시트 는 마이크로렌즈의 어레이를 갖는 임시 형상을 유지한다.
그 후, 시트는 전술한 바와 같이 이미지화되어 시트는 적합한 시야각에서 관찰될 때 허상을 생성한다(50). 시트는 시트가 다시 형상-기억 중합체의 Tg를 초과하는 온도로 가열될 때까지 마이크로렌즈 어레이 형상을 유지할 것이고(52), 그 온도에서 시트는 평평한 영구 형상을 사실상 회복하며(54), 허상이 사라지거나 또는 시각적으로 변한다. 예를 들어, 시트가 그의 평평한 형상으로 회복할 때, 마이크로렌즈의 광학 특성, 즉 곡률 반경과 그에 따른 초점거리의 변화 때문에 허상은 더 이상 볼 수 없다.
예를 들어, 제1 상태에 있는 동안 마이크로렌즈는 20 내지 35 마이크로미터의 곡률 반경을 가질 수 있고, 제2 상태에 있는 동안 마이크로렌즈는 250 마이크로미터보다 큰 곡률 반경을 가질 수 있다. 다른 예로서, 제1 상태에 있는 동안 마이크로렌즈는 75 내지 95 마이크로미터의 초점거리를 가질 수 있고, 제2 상태에 있는 동안 마이크로렌즈는 750 내지 950 마이크로미터의 초점거리를 가질 수 있다.
도 5는 본 발명의 원리와 일치하는 형상-기억 물질로 형성된 마이크로렌즈의 층을 갖는 다른 예시적인 시트의 온도 대 시간 특성을 도시하는 그래프이다. 도 5에 도시된 바와 같이, 시간 t1에서 시트는 실온 Tr에서 영구 형상으로 형상-기억 중합체로 주조된다. 시간 t2에서, 시트는 형상-기억 중합체의 Tg를 초과하는 온도까지 가열되고 패턴으로 엠보싱됨으로써 임시 형상으로 변형되어 시트의 표면 상에 마이크로렌즈의 어레이를 형성한다. 시간 t2와 t3사이에서, 시트는 다시 실온 Tr으 로 냉각된다. 시트는 이제 임시 형상을 유지한다. 시간 t4에서, 시트는 전술된 바와 같이 허상을 포함하도록 이미지화된다.
뒤의 시간 t5에서 시트는 Tg를 초과하여 가열된다. 그 후, 시트는 평평한 영구 형상을 사실상 회복한다. 그 결과, 허상이 사라진다. 따라서, 이 예에서, 허상은 시간 t4 내지 시간 t5에서 존재하고, 시간 t5후에는 사라진다. 몇몇 실시 형태에서, 시트는 Tg를 초과하여 가열된 후에 정확히 원래의 형상으로 복귀하지 않을 수 있고 희미한 마이크로렌즈 어레이 형상을 유지할 수 있다. 그러나, 임의의 잔류 마이크로렌즈 형상이 허상을 보이게 하기에는 충분히 작은 곡률 반경을 갖지 않을 것이기 때문에, 허상은 여전히 사실상 사라질 것이다.
도 3 및 도 5에 기술된 예에서, 시트는 시트가 Tg를 초과하는 온도에 노출된 것을 검출하여 시각적 표시를 생성하는 센서로서 사용될 수 있다. 예를 들어, 시트는 물품에 적용되어 제품이 특정 온도에 노출되었을 때를 표시하는 온도 센서로서 사용될 수 있다. 일 예로서, 물품은 고온에 노출되어서는 안되는 제약품 또는 식품일 수 있다. 시트는 물품이 손상될 수 있는 온도 근처의 Tg를 갖는 형상-기억 물질로 형성될 수 있다. 도 3의 예에서, 시트는 물품이 고온에 노출되었고 손상되었거나 또는 소비에 적합하지 않을 수 있다는 메시지 또는 경고 표시를 갖는 허상을 포함할 수 있다. 이 예에서, 시트가 영구 물리적 상태로 복귀하였을 때 허상이 존재하기 때문에, 허상은 시트가 나중에 Tg보다 낮은 온도로 복귀되었을 때에도 지 속된다. 허상은 텍스트 및/또는 그래픽을 포함할 수 있다. 도 5의 예에서, 시트는 물품이 바람직하지 않은 상태(예를 들어, 고온)에 노출되지 않았음을 표시하는 텍스트 및/또는 그래픽을 포함하는 허상을 포함할 수 있다. 이 경우에, 허상은 시트가 고온에 노출될 때 사라진다. 시트가 영구 물리적 상태로 복귀하기 때문에, 허상은 시트가 나중에 Tg보다 낮은 온도로 복귀할 때에도 다시 나타나지 않는다.
몇몇 실시 형태에서, 시트는 물품이 해당 범위의 누적 시간동안 소정 범위의 온도에 노출된 것을 나타내는 시간/온도 표시기로서 작동할 수 있다. 예를 들어, 형상-기억 중합체는 긴 시간 동안 Tg를 약간 초과하는 온도에 노출된 것이 보다 짧은 시간 동안 Tg를 상당히 초과하는 온도에 노출된 것과 동일한 효과를 생성하는 것일 수 있다. 형상-기억 효과는 Tg를 초과하는 온도에 대한 누적 노출 후에 발생할 것이다.
다른 예시적인 실시 형태에서, 시트는 용제에 대한 노출을 표시할 수 있다. 예를 들어, 시트가 용제와 접촉하게 될 때, 용제는 마이크로렌즈를 팽창하게 할 수 있고, 이는 마이크로렌즈의 크기 또는 형상을 변화시켜 허상이 변화되거나 또는 사라지게 할 수 있다. 또한, 용제는 형상-기억 물질의 유효 Tg를, 몇몇 경우에 실온 아래의 온도로 낮출 수 있다. 이 예에서, 용제에 대한 노출시 시트는 형상-기억 물질의 Tg를 초과하는 온도로 된 것처럼 거동하고, 전술된 형상-기억 효과를 겪을 수 있다. 용제의 증발시, 형상-기억 물질은 이전의 크기 및/또는 형상으로 사실상 복귀할 수 있다. 용제는 바람직하게 형상-기억 물질을 사실상 손상시키거나 분해하지 않는다.
추가의 예시적인 실시 형태에서, 시트는 습기에 대한 노출을 표시할 수 있다. 예를 들어, 시트는 친수성 아크릴레이트와 같은 친수성 물질로 형성될 수 있다. 다른 예로서, 시트는 산화폴리에틸렌 또는 폴리비닐 알코올과 같은 친수성 히드로젤 물질로 형성될 수 있다. 또 다른 예로서, 시트는 우레탄과 가교결합된 수계 중합체로 형성될 수 있다. 예를 들어, 시트가 습기와 접촉하게 될 때, 물질의 굴절률(n)과 같은 광학 특성이 변할 수 있다. 다른 예로서, 마이크로렌즈의 곡률 반경이 습기에 노출시 또한 변할 수 있다.
전술한 바와 같이, 넓은 범위의 Tg를 갖는 다양한 형상-기억 물질이 본 발명의 시트를 형성하기 위해 사용될 수 있다. 적합한 형상-기억 물질 및 그의 대응 Tg는 시트의 특정 적용예에 따라서 선택될 수 있다. 예를 들어, 시트는 80℃보다 높은, 특히 80 내지 90℃, 또는 100 내지 110℃와 같은 높은 전이 온도를 갖는 형상-기억 물질로 형성될 수 있다. 본 발명 원리의 다른 예시적인 적용에서, 시트가 실온보다 약간 높은 Tg를 갖는 형상-기억 중합체로 형성될 때, 허상은 압력 및 체온의 적용에 의해 사라지고 그리고/또는 다시 나타나도록 형성될 수 있다. 이 경우에, 형상-기억 중합체는 25 내지 35℃의 전이 온도를 가질 수 있다. 그러한 시트는 보안 특징부로서, 예를 들어 은행권, 신분증, 운전 면허증, 신용 카드, 여권 및 다른 보안 문서의 확인 특징부로서 사용될 수 있다.
이제 본 발명의 원리가 본 명세서에서 기술된 바와 같이 제조된 3개의 예시적인 시트에 의해 설명될 것이다.
실시예 1
도 6A 내지 도 6C는 마이크로렌즈 어레이가 본 명세서에 기술된 기술에 따라 제조된 제1 실험의 결과를 예시하는 원자힘 현미경(AFM) 이미지이다. 5,000 MW 텔레켈릭 실리콘(메타크릴옥시우레아-종결 폴리다이메틸실록산)(5K MAUS)을 40/60 w/w로 아이소보닐 아크릴레이트(IBA)에 분해시켜 용액을 형성하였다. 다음, 0.5 wt％의 광개시제 다로커(Darocur)™ 1173을 용액에 첨가하였다.
이 용액의 필름을 5 밀 두께의 폴리이미드 툴 상에 주조하였다. 툴은 평면의 엑시머 레이저 기계가공(excimer laser machining of flat; ELMoF) 공정에 의해 생성된 오목부(34 마이크로미터 간격)의 육각형 어레이를 포함하였다. ELMoF 공정에 대한 상세한 설명에 대해서는, 예를 들어 2001년 9월 4일에 플레밍(Fleming) 등에게 허여된 미국 특허 제6,285,001호를 참조하라. 오목부는 직경이 30 마이크로미터이고, 28.7 마이크로미터의 곡률 반경과 -0.745의 원추 계수에 의해 특징지어지는 구형 형상을 갖는다. 폴리이미드 기재 상의 필름은 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET)의 시트로 덮이고 10 분 동안 저-강도 자외선 광에 노출되어 경화되었다. 도 6A는 이 공정에 의해 생성된 결과적인 마이크로렌즈 어레이를 도시하는 AFM 이미지이다. 마이크로렌즈 어레이는 필름(시트)의 영구 형상을 나타내었다.
마이크로렌즈 어레이 필름의 일부는 110℃에서 PET 필름에 대한 압축에 의해 평평하게 되었고, 이어서 가압 하에서 실온까지 냉각하였다. 도 6B는 변형된 마이 크로렌즈 어레이 필름을 도시하는 AFM 이미지이다. 평평해진 마이크로렌즈 어레이 필름은 필름의 임시 형상을 나타낸다. 도 6A 및 도 6B에 도시된 마이크로렌즈 형상의 AFM 분석은 생주물 마이크로렌즈의 곡률 반경이 대략 23 마이크로미터이고 평평해진 마이크로렌즈의 곡률 반경이 대략 60 마이크로미터인 것을 보여준다. 곡률 반경에 있어서 2.6 증가의 이러한 요인은 생주물 마이크로렌즈와 비교하여 평평해진 마이크로렌즈의 광출력(optical power)에 뚜렷한 영향을 미친다.
도 7A 및 도 7B는 (A) 생주물 마이크로렌즈의 렌즈 및 (B) 평평해진 마이크로렌즈의 평평해진 렌즈에 대한 광선 추적 모델(미국 워싱턴주 벨레뷰 소재의 지맥스 디벨롭먼트 코포레이션(Zemax Development Corporation)의 지맥스 광학 설계 프로그램(Zemax Optical Design Program))의 결과를 예시하는 광선 추적도이다. 도 8A 및 도 8B는 (A) 생주물 마이크로렌즈 및 (B) 평평해진 마이크로렌즈에 대한 광학 현미경 사진이다. 모델은 생주물 렌즈가 가시광(λ=550 ㎚)을 렌즈의 전방 표면으로부터 74.4 마이크로미터의 거리에서 근방 회절-제한 스폿(near diffraction-limited spot)에 집중시켜야 함을 보여준다. 대조적으로, 도 7B에 도시된 바와 같이, 이 거리에서 평평해진 렌즈의 포커싱된 스폿 크기는 생주물 렌즈에 대해서보다 7배 컸다. 이는 도 8A 및 도 8B의 광학 현미경 사진과 일치하며, 이는 생주물 렌즈 어레이 내의 렌즈에 의해 형성된 초점 평면이 뚜렷하고 밝은 스폿인 반면, 평평해진 렌즈 어레이에 대한 동일 평면의 이미지는 더 크고 희미한 스폿을 포함하고 있음을 보여준다.
그 후 평평해진 필름을 구속받지 않는 형상에서 110℃까지 가열하였고, 이는 도 6C에 도시된 복원된 구조로 되었다. 도 9는 생주물 마이크로렌즈 및 변형되어 열적으로 복원된 마이크로렌즈의 AFM으로 측정된 표면 프로파일의 비교를 도시하는 그래프이다. 이들 두 렌즈의 30 마이크로미터 직경에 걸쳐 표면 프로파일의 차이는 기껏해야 대략 200 ㎚이었고, 이는 최초 형상의 우수한 복원을 나타낸다는 것을 주목하라. 이들 결과는 열 이력(thermal history)에 따라 광학 성능을 수동적으로 그리고 가역적으로 변화시킬 수 있는 광학 장치 내로 물질이 포함될 수 있다는 것을 나타낸다. 이 예에서, 마이크로렌즈의 광학 성능은 열 및 압력에 의해 소실되었고, 가열에 의한 렌즈 초점력의 회복이 뒤따랐다.
실시예 2
제2 실험에서, 두께를 제어하기 위해 스페이서로 분리된 2개의 PET 필름 사이에 실시예 1에서와 같이 MAUS/IBA 용액을 중합시킴으로써 평평한 40/60 5K MAUS/IBA 필름이 제조되었다. 결과적인 필름은 실시예 1에서 기술된 폴리이미드 툴을 사용하여 마이크로렌즈 어레이 패턴으로 엠보싱되었다. 엠보싱 절차는 강철 플레이트 상에 놓여진 라이너 상에 툴을 배치하는 단계를 포함한다. MAUS/IBA 필름은 툴 상에 배치되고, 다른 PET 필름과 다른 강철 플레이트로 덮였다. 그 다음 적충물은 정밀 프레스에 배치되고, 110℃까지 예열되고, 10분 동안 가압되고, 그 다음 가압 하에서 실온까지 냉각되었다. 복제된 필름의 일부는 구속되지 않는 형상으로 10분 동안 110°의 온도까지 가열되어 필름을 원래의 형상으로 복원시켰다.
도 10A는 이 실험에서 엠보싱된 마이크로렌즈의 AFM 현미경 사진을 보여주고, 도 10B는 필름이 원래의 평평한 상태로 '복원된' 후의 엠보싱된 렌즈의 AFM 현 미경 사진을 보여준다. 렌즈 형상의 AFM 프로파일은 엠보싱된 렌즈의 곡률 반경이 대략 29 마이크로미터인 반면 '복원된' 렌즈의 곡률 반경은 그 값의 적어도 10배인 것을 나타낸다. 위의 방정식 1을 사용하여, 평평한 상태로 '복원된' 렌즈의 경우 870 마이크로미터인 초점거리와 비교하여, 엠보싱된 렌즈는 초점거리가 대략 87 마이크로미터였다. 이 실시예는, MAUS/IBA 필름을 사용함으로써, 기능을 하는 마이크로렌즈가 열 및 압력을 이용하여 형상-기억 물질 상에 엠보싱될 수 있고 마이크로렌즈가 열에 대한 이어지는 노출 시 광출력의 극적인 변화를 겪는다는 것을 보여주었다.
실시예 3
Nd:YAG 레이저(파장 = 1064 ㎚)로부터의 광에 노출될 때 검은색으로 변하는 첨가제를 함유하는 177.8 마이크로미터(7 밀) 두께의 폴리카르보네이트 필름 상에 형상-기억 마이크로렌즈를 코팅함으로써 시트가 형성되었다. 40 중량％의 실리콘 수지(5K 메틸스티릴우레아 실록산(MeStUS))와 60 중량％의 아이소보닐아크릴레이트(IBA)를 함유하는 용액으로 필름이 코팅되었다. 광개시제로서 상표명 다로커 1173(0.5％)이 사용되었다. 원하는 렌즈 패턴을 포함하는 ELMoF 공정에 의해 패턴이 형성된 불소화 캡톤 툴링의 일부가 코팅에 대해서 가압되었고, 31.4 ㎽/㎠의 강도와 371 ㎚의 피크 파장에서 마이크로파-구동 수은 램프의 출력에 4분 동안 노출시킴으로써 기재를 통하여 코팅이 경화되었다. 직경이 30 ㎛이고 초점거리가 60 ㎛인 형상-기억 렌즈를 포함하는 결과적인 시트가 형상-기억 중합재로 형성되었다. 1 와트(1 나노초의 펄스 지속 시간, 1 ㎑의 펄스 주파수)의 평균 출력에서 작동하 는 펄스형 Nd:YAG 레이저를 사용하여 마이크로렌즈를 통해 레이저 조각이 가능한 폴리카르보네이트 필름에 부유 이미지가 그려졌다. 각각의 마이크로렌즈 뒤에 생성된 검은 마이크로이미지에 의해 부유 이미지가 형성되었다.
도 11A는 전술된 시트의 샘플에 그려진 3개의 예시적인 이미지(52)의 사진이다. 이미지는 부유/침하된 정사각형 및 원이다. 도 11A에 도시된 이미지화된 샘플 시트는 7,257 ㎏(16,000 파운드)의 힘으로 대략 7.62 ㎝ × 7.62 ㎝(3" × 3") 크기의 2개의 연마된 크롬 플레이트 사이에서 1분 45초 동안 137.8℃(280℉)에서 가압되었다. 샘플 시트가 프레스로부터 제거될 때 시트는 평평해진 형상을 유지하였고, 마이크로렌즈의 평평해짐으로 인해 투명한 외관을 갖는 영역을 포함하였다. 이들 투명한 영역에서 부유/침하된 원 및 정사각형의 부유 이미지는 더 이상 볼 수 없었다.
도 11B는 압축된 샘플 시트의 투명한 영역 중 하나의 사진이다. 비록 부유 이미지가 사라졌지만, 샘플 시트는 정사각형 및 원 형상을 보여주는 희미한 2D 이미지(54)를 유지하였다. 이는 부유 이미지 새김 공정 동안 마이크로렌즈 뒤에 생성된 검은 마이크로이미지로 인한 것이다. 이들 2D 이미지는 부유 이미지의 형상 내에 위치되어 그들은 2D 패턴의 희미한 외관을 주었지만, 부유/침하된 부유 이미지로서 보이지는 않았다. 샘플 시트가 렌즈 조제에서 IBA 성분의 Tg를 초과하는 온도까지 재가열되었을 때, 원래의 마이크로렌즈 형상이 회복되었고 부유 이미지(52)가 다시 나타났다. 도 11C는 재가열된 후 샘플 시트의 사진이다.
본 발명의 다양한 실시예들이 설명되었다. 이들 및 다른 실시예들은 이하의 청구의 범위의 범주 내에 속한다.

Claims (31)

  1. 마이크로렌즈의 표면을 갖는 형상-기억 중합재의 층을 포함하고, 마이크로 렌즈 각각은 시트 내의 복수의 이미지 중 하나와 연계되고,
    형상-기억 중합재의 층은 마이크로렌즈의 광학 특성이 제1 값을 갖는 제1 상태로부터 마이크로렌즈의 광학 특성이 제2 값을 갖는 제2 상태로 전이함으로써 외부 자극에 감응하는 시트.
  2. 제1항에 있어서, 마이크로렌즈는, 형상-기억 중합재의 층이 제1 상태 또는 제2 상태 중 하나에 있을 때 시트 내의 위치에 광을 투과시켜 시트 내에 형성된 이미지로부터 합성 이미지를 생성하는 굴절 표면을 갖는 시트.
  3. 제1항에 있어서, 이미지 중 적어도 하나는 부분적으로 완전한 이미지이고, 각각의 이미지는 마이크로렌즈들 중 상이한 하나와 연계된 시트.
  4. 제1항에 있어서, 마이크로렌즈와 연계된 이미지의 각각은 동일한 시트.
  5. 제1항에 있어서, 외부 자극은 형상-기억 중합재의 전이 온도보다 높은 온도인 시트.
  6. 제5항에 있어서, 전이 온도는 유리 전이 온도인 시트.
  7. 제1항에 있어서, 외부 자극은 용제 또는 습기인 시트.
  8. 제1항에 있어서, 형상-기억 중합재는 폴리(메트)아크릴레이트 스위칭 단편을 갖는 폴리실록산인 시트.
  9. 제8항에 있어서, 형상-기억 중합재는 (메트)아크릴레이트 단량체와 공반응된 텔레켈릭 실록산인 시트.
  10. 제9항에 있어서, 텔레켈릭 실록산은 메타크릴옥시우레아 실록산(MAUS), 아크릴아미도아미도 실록산(ACMAS), 메타크릴아미도아미도 실록산(MACMAS) 및 메틸스티릴우레아 실록산(MeStUS) 중 하나인 시트.
  11. 제9항에 있어서, (메트)아크릴레이트 단량체는 아이소보닐 아크릴레이트, 사이클로헥실 아크릴레이트, 트라이메틸 사이클로헥실 아크릴레이트, 메틸 메타크릴레이트, 메타크릴산 및 t-부틸 아크릴레이트 중 하나인 시트.
  12. 제1항에 있어서, 형상-기억 중합재는 폴리(ε-카프로락톤) 스위칭 단편을 갖는 폴리우레탄, 폴리(테트라하이드로푸란) 스위칭 단편을 갖는 폴리우레탄, 폴리노 보넨, 공유 가교결합된 폴리에틸렌 또는 에틸렌 공중합체, 및 메타크릴레이트 말단기로 작용기화된 올리고(ε-카프로락톤)다이올 중 하나인 시트.
  13. 제1항에 있어서,
    광학 특성이 마이크로렌즈의 초점거리이고,
    형상-기억 중합재의 층이 제1 물리적 상태로부터 제2 물리적 상태로 전이할 때 마이크로렌즈의 곡률 반경이 변하는 시트.
  14. 제13항에 있어서,
    마이크로렌즈는 층이 제2 상태에 있을 때 시트 내의 위치에 광을 투과시켜 형상-기억 중합재의 층 내에 형성된 이미지로부터 합성 이미지를 생성하는 굴절 표면을 갖고,
    초점거리의 제1 값은 450 내지 600 마이크로미터이며,
    초점거리의 제2 값은 25 내지 85 마이크로미터인 시트.
  15. 제13항에 있어서,
    마이크로렌즈는 층이 제1 상태에 있을 때 시트 내의 위치에 광을 투과시켜 형상-기억 중합재의 층 내에 형성된 이미지로부터 합성 이미지를 생성하는 굴절 표면을 갖고,
    초점거리의 제1 값은 25 내지 125 마이크로미터이며,
    초점거리의 제2 값은 750 내지 950 마이크로미터인 시트.
  16. 제1항에 있어서, 합성 이미지는 텍스트 또는 그래픽 중 적어도 하나를 포함하는 시트.
  17. 제1항에 있어서, 합성 이미지는 시트가 적용된 물품이 손상되었는가를 표시하는 경고를 포함하는 시트.
  18. 제1항에 있어서, 형상-기억 중합재의 전이 온도가 80℃보다 높은 시트.
  19. 제1항에 있어서, 형상-기억 중합재의 전이 온도가 25 내지 35℃인 시트.
  20. 제1항에 있어서, 마이크로렌즈의 표면에 대향하는 형상-기억 중합재의 층에 인접 배치된 물질의 층을 추가로 포함하고, 마이크로렌즈는 물질 내에 하나 이상의 이미지를 형성하며, 마이크로렌즈는 물질의 위치에 광을 투과시켜 물질 내에 형성된 이미지로부터 합성 이미지를 생성하는 굴절 표면을 갖는 시트.
  21. 제20항에 있어서, 물질의 층은 방사선-감응 물질인 시트.
  22. 제1항에 있어서, 마이크로렌즈는 형상-기억 중합재의 층 내에 하나 이상의 이미지를 형성하고, 마이크로렌즈는 층의 위치에 광을 투과시켜 층 내에 형성된 이미지로부터 합성 이미지를 생성하는 굴절 표면을 갖는 시트.
  23. 마이크로렌즈의 표면을 갖는 형상-기억 중합재의 층을 포함하는 시트를 영구 형상으로 형성하는 단계와,
    마이크로렌즈의 표면이 시트 내의 위치에 이미지를 형성하도록 시트를 이미지화하는 단계와,
    형상-기억 중합재의 층을 임시 형상으로 변형시키는 단계를 포함하는 방법.
  24. 제23항에 있어서, 시트를 이미지화하는 단계는 마이크로렌즈의 각각의 하나에 대해 이미지의 하나를 형성하도록 시트를 이미지화하는 단계를 포함하고, 이미지 중 적어도 하나는 부분적으로 완전한 이미지인 방법.
  25. 제23항에 있어서, 형상-기억 중합재의 층을 변형시키는 단계는
    형상-기억 중합재의 전이 온도보다 높은 온도에서 마이크로렌즈의 표면을 평평하게 함으로써 형상-기억 중합재의 층을 임시 형상으로 변형시키는 단계와
    시트를 변형시키는 동안 시트를 냉각시키는 단계를 포함하는 방법.
  26. 제23항에 있어서, 시트를 냉각한 후에 시트가 형상-기억 중합재의 전이 온도보다 높은 온도로 가열될 때, 시트가 임시 형상으로부터 영구 형상으로 전이하는 방법.
  27. 제23항에 있어서, 시트를 이미지화하는 단계는 형상-기억 중합재의 층을 변형시키기 이전에 영구 형상의 시트를 이미지화하는 단계를 포함하는 방법.
  28. 제23항에 있어서, 시트를 이미지화하는 단계는 형상-기억 중합재의 층을 변형시킨 후에 임시 형상의 시트를 이미지화하는 단계를 포함하는 방법.
  29. 시트가 부착된 물품으로서,
    시트는 시트 내의 위치에 형성된 하나 이상의 이미지로부터 합성 이미지를 시각적으로 생성하는 마이크로렌즈의 표면을 갖는 형상-기억 중합재의 층을 포함하고,
    형상-기억 중합재의 층은 마이크로렌즈의 광학 특성이 제1 값을 갖는 제1 상태로부터 마이크로렌즈의 광학 특성이 제2 값을 갖는 제2 상태로 전이함으로써 외부 자극에 감응하는 물품.
  30. 제29항에 있어서, 시트는 습기, 압력 또는 온도 중 하나에 대한 물품의 노출을 시각적으로 표시하는 물품.
  31. 제29항에 있어서, 은행권, 여권, 운전 면허증, 신분증, 신용 카드 또는 보안 문서 중 하나인 물품.
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