KR20100024387A - 로우 트위스트 카이랄 액정 편광 격자들 및 관련된 제조 방법들 - Google Patents

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Abstract

편광 격자는 기판 및 기판 상의 제1 편광 격자 층을 포함한다. 제1 편광 격자 층은 제1 편광 격자 층의 대향하는 면들 사이로 정의되는 제1 두께에 걸쳐서 제1 트위스트 센스에 따라 트위스트 되는 분자 구조를 포함한다. 일부 실시예들은 제1 편광 격자 층 상에 제2 편광 격자 층을 포함할 수 있다. 제2 편광 격자 층은 제2 편광 격자 층의 대향하는 면들 사이로 정의되는 제2 두께에 걸쳐서 제1 트위스트 센스에 반대되는 제2 트위스트 센스에 따라 트위스트 되는 분자 구조를 포함한다. 또한, 스위칭 가능한 편광 격자는 제1 기판과 제2 기판 사이에 액정 층을 포함한다. 액정 층은 제1 기판의 제1 주기적 배향 조건과 제2 기판의 제2 주기적 배향 조건 사이의 상대적 위상 각도와 다른 트위스트 각도로 그것의 대향하는 면들 사이로 정의되는 두께에 걸쳐서 회전하는 각각의 상대적인 방위들을 가지는 액정 분자들을 포함한다. 또한, 관련된 소자들 및 제조 방법들이 논의된다.
편광 격자, 액정 디스플레이

Description

로우 트위스트 카이랄 액정 편광 격자들 및 관련된 제조 방법들{Low-twist chiral liquid crystal polarization gratings and related fabrication methods}
본 발명은 편광 격자들(polarization gratings)에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 액정 편광 격자들 및 관련된 제조 방법들에 관한 것이다.
본 출원은 2007년 04월 16일에 출원되고, 제목이 "Low-twist chiral liquid crystal polarization gratings and related fabrication methods"인 미국 임시 특허 출원 번호 제60/912,044호에 대하여 우선권을 주장하고, 상기 미국 임시 특허 출원 번호 제60/912,044호는 전체로써 본 명세서에 참조 병합된다.
액정들은 질서 있게 배열된 분자들이 존재하는 액체들을 포함할 수 있다. 일반적으로, 액정(liquid crystal, LC) 분자들은 이방성일 수 있는데, (막대와 같이) 길게 늘어난 형태 또는 (디스크와 같이) 평평한 형태를 갖는다. 이방성 분자들의 배열의 결과로서, 벌크(bulk) 액정은 종종 그 물리적인 특성들에서 이방성을 나타내는데, 예를 들어, 그 기계적, 전기적, 자기적, 및/또는 광학적 특성들에서 이방성을 나타낸다.
막대 모양 또는 디스크 모양인 특성으로 인하여, 액정 분자들의 방위(orientation)의 분포는 액정 디스플레이들(liquid crystal displays, LCD)과 같 은 광학적 응용장치들에서 중요한 역할을 할 수 있다. 이러한 응용장치들에서, 액정 배향(alignment)은 배향 표면에 의해 결정될 수 있다. 배향 표면은, 액정이 표면에 대해 예측 가능하고 제어 가능한 방식으로 배향되도록 처리될 수 있다. 많은 경우들에서, 이러한 배향 표면은 액정 소자 전체에 걸쳐서 단일한 도메인(domain)을 보장할 수 있다. 처리된 배향 표면이 없는 경우에는, 액정은 많은 도메인들 및/또는 방위의 많은 불연속들을 가질 수 있다. 광학적 응용장치들에서, 이러한 도메인들 및 불연속들은 광의 산란을 유발할 수 있고, 이것은 디스플레이의 성능 저하를 이끈다.
편광 격자들(polarization gratings)은 (종래의 격자들이 위상 또는 진폭에 영향을 끼치는 것과 반대로) 이들을 통하여 이동하는 광의 국부적 편광 상태에 주기적으로 영향을 끼치는 데에 사용될 수 있다. 예를 들어, 스위칭 가능한(switchable) 액정 편광 격자들(liquid crystal polarization gratings, LCPG)은 편광되지 않은 광 상에서 동작할 수 있는 강도 변조기(intensity modulator)를 구현하는데 이용될 수 있다. 더욱 상세하게는, 이러한 스위칭 가능한 액정 편광 격자들은 예를 들어, 프로젝션(projection) 디스플레이들 및 광 셔터들(light-shutters)을 포함하는 응용장치들에서, (레이저와 같이) 상대적으로 좁은 대역폭을 가지는 편광되지 않은 광의 상대적으로 높은 콘트라스트(contrast) 변조를 달성하는 데에 이용될 수 있다. 예를 들어, 종래의 일부 액정 편광 격자들은 5% 미만의 대역폭을 가지는 광에 대하여 0차(0th order)에서 약 200:1 보다 큰 콘트라스트 비율로 광을 변조할 수 있다. 그러나, 종래의 액정 편광 격자들의 콘트라스트 변조 는 (발광 다이오드들로부터의 광과 같은) 넓은 대역의 광을 변조하는 데에 적용될 경우에 저하될 수 있는데, 이는 많은 응용장치들에서 중요할 수 있다.
본 발명의 일부 실시예들에 따르면, 편광 격자는 기판 및 상기 기판 상의 제1 편광 격자를 포함한다. 상기 제1 편광 격자 층은 제1 편광 격자 층의 대향하는 면들 사이로 정의되는 제1 두께에 걸쳐서 제1 트위스트 센스에 따라 트위스트 되는 분자 구조를 포함한다.
일부 실시예들에 있어서, 상기 제1 편광 격자 층의 분자들 각각의 상대적인 방위들은, 상기 제1 두께에 걸쳐서 제1 트위스트 각도로 회전될 수 있고, 이에 따라 상기 제1 편광 격자 층의 국부적 이방성 패턴은 상기 제1 두께에 걸쳐서 연속적인 가변 위상 천이를 가질 수 있다. 또한, 상기 기판은 반사형 기판일 수 있다.
다른 실시예들에 있어서, 상기 편광 격자는 상기 제1 편광 격자 층 상의 제2 편광 격자 층을 더 포함할 수 있다. 상기 제2 편광 격자 층은 상기 제2 편광 격자 층의 대향하는 면들 사이로 정의되는 제2 두께에 걸쳐서 상기 제1 트위스트 센스에 반대되는 제2 트위스트 센스에 따라 트위스트 되는 분자 구조를 포함할 수 있다. 구체적으로, 상기 제1 편광 격자 층의 분자들 각각의 상대적인 방위들은 상기 제1 두께에 걸쳐서 제1 트위스트 각도로 회전될 수 있고, 상기 제2 편광 격자 층의 분자들 각각의 상대적인 방위들은 상기 제2 두께에 걸쳐서 제2 트위스트 각도로 회전될 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 상기 제2 트위스트 각도는 상기 제1 트위스트 각도의 대각(opposite angle)일 수 있다. 그것으로, 상기 제2 편광 격자 층의 국부적 이방성 패턴은 상기 제2 두께에 걸쳐서, 상기 제1 두께에 걸친 상기 제1 편광 격자 층의 국부적 이방성 패턴의 위상 천이에 반대되는, 연속적인 가변 위상 천이를 가질 수 있다. 예를 들어, 상기 제2 트위스트 각도는 약 +70 도일 수 있고, 상기 제1 트위스트 각도는 약 -70 도일 수 있다.
다른 실시예들에 있어서, 상기 제1 및 제2 편광 격자 층들의 상기 분자들 각각의 방위들은 그들 사이의 경계면을 따라 배향될 수 있다. 상기 기판은 투과형 기판일 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 상기 제1 편광 격자 층은 그 안에 상기 제1 트위스트 센스를 가지는 카이랄 액정 분자들을 포함하는 제1 카이랄 액정 층일 수 있다. 상기 제2 편광 격자 층은 그 안에 상기 제2 트위스트 센스를 가지는 카이랄 액정 분자들을 포함하는 제2 카이랄 액정 층일 수 있다.
다른 실시예들에 있어서, 상기 제1 편광 격자 층 및 상기 제2 편광 격자 층 중 적어도 하나는 중합성(polymerizable) 액정 층일 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 상기 제1 편광 격자 층 및 상기 제2 편광 격자 층 중 다른 하나는 비반응성 액정 층일 수 있다. 예를 들어, 상기 비반응성 액정 층은 네마틱(nematic) 액정 층일 수 있다.
다른 실시예들에 있어서, 상기 제1 및/또는 제2 두께는, 상기 편광 격자의 동작(operational) 파장 범위 내에 광의 반파장 지연(half-wave retardation)을 제공하도록 구성될 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 상기 편광 격자는 상기 기판 상에 위치하고, 그 안에 제1 주기적 배향 조건을 포함하는 제1 배향 층을 더 포함할 수 있다. 상기 제1 편광 격자 층은 상기 제1 배향 층 상에 위치할 수 있고, 상기 제1 편광 격자 층의 분자들은 상기 제1 배향 층의 상기 제1 주기적 배향 조건에 따라 배향될 수 있다.
다른 실시예들에 있어서, 상기 편광 격자는 상기 제1 편광 격자 층 상에 상기 제1 배향 층에 대향하여 위치하고, 그 안에 제2 주기적 배향 조건을 포함하는 제2 배향 층을 포함할 수 있다. 상기 제1 편광 격자 층은 상기 제1 배향 층과 상기 제2 배향 층 사이의 비반응성 액정 층일 수 있다. 상기 비반응성 액정 층은 각각 상대적인 방위들을 가지는 액정 분자들을 포함할 수 있고, 상기 상대적인 방위들은 상기 제1 및 제2 배향 층의 상기 제1 및 제2 주기적 배향 조건들 사이의 상대적인 위상 각도와 다른 트위스트 각도에 의해 상기 두께에 걸쳐서 회전할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예들에 따르면, 편광 격자를 형성하는 방법은 기판을 형성하는 단계; 및 상기 기판 상에 제1 편광 격자 층을 형성하는 단계를 포함한다. 상기 제1 편광 격자 층은 상기 제1 편광 격자 층의 대향하는 면들 사이로 정의되는 제1 두께에 걸쳐서 제1 트위스트 센스에 따라 트위스트 되는 분자 구조를 포함한다.
일부 실시예들에 있어서, 상기 제1 편광 격자 층은, 상기 제1 편광 격자 층의 국부적 이방성 패턴이 상기 제1 두께에 걸쳐 연속적인 가변 위상 천이를 가지도록, 상기 제1 두께에 걸쳐서 제1 트위스트 각도로 회전하는 각각 상대적인 방위들을 가지는 분자들을 포함하도록 형성될 수 있다. 또한, 상기 기판은 반사형 기판일 수 있다.
다른 실시예들에 있어서, 제2 편광 격자 층이 상기 제1 편광 격자 층 상에 형성될 수 있다. 상기 제2 편광 격자 층은 상기 제2 편광 격자 층의 대향하는 면들 사이로 정의되는 제2 두께에 걸쳐서, 상기 제1 트위스트 센스에 반대되는 제2 트위스트 센스에 따라 트위스트 되는 분자 구조를 포함할 수 있다. 구체적으로, 상기 제1 편광 격자 층은, 상기 제1 편광 격자 층의 분자들 각각의 방위들이 상기 제1 두께에 걸쳐서 제1 트위스트 각도로 회전할 수 있도록 형성될 수 있다. 이와 유사하게, 상기 제2 편광 격자 층은, 상기 제2 편광 격자 층의 분자들 각각의 방위들이 상기 제2 두께에 걸쳐서 제2 트위스트 각도로 회전할 수 있도록 형성될 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 상기 제2 편광 격자 층은 상기 제1 편광 격자 층 상에 형성될 수 있고, 이에 따라 상기 제1 및 제2 편광 격자 층들의 상기 분자들의 각각의 방위들이 그들 사이의 경계면을 따라 배향된다. 상기 기판은 투과형 기판일 수 있다.
다른 실시예들에 있어서, 상기 제1 편광 격자 층을 형성하는 단계는, 상기 제1 트위스트 센스를 가지는 카이랄 액정 분자들을 제1 액정 층에 도핑하는 단계를 포함할 수 있다. 또한, 상기 제2 편광 격자 층을 형성하는 단계는, 상기 제2 트위스트 센스를 가지는 카이랄 액정 분자들을 제2 액정 층에 도핑하는 단계를 포함할 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 제1 배향 층이 상기 기판 상에 형성될 수 있다. 상기 제1 배향 층은 그 안에 제1 주기적 배향 조건을 가질 수 있다. 상기 제1 편광 격자 층은, 상기 제1 편광 격자 층의 상기 분자들이 상기 제1 주기적 배향 조건에 따라 배향되도록 상기 제1 배향 층 바로 위에 형성될 수 있다. 그런 다음, 상기 제2 편광 격자 층이 상기 제1 편광 격자 층 상에 형성될 수 있다.
다른 실시예들에 있어서, 상기 제1 편광 격자 층은 중합성 액정 층일 수 있다. 상기 중합성 액정 층은 그 위에 상기 제2 편광 격자 층을 형성하는 단계에 앞서 상기 제1 배향 층 상에 광 중합될 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 제2 배향 층이 제2 기판 상에 형성될 수 있다. 상기 제2 배향 층은 그 안에 제2 주기적 배향 조건을 가질 수 있다. 그 위에 상기 제2 배향 층을 포함하는 상기 제2 기판은, 상기 제2 배향 층과 상기 제1 배향 층 사이에 간격을 정의하도록 상기 제1 편광 격자 층에 인접하게 조립될 수 있고, 상기 제2 편광 격자 층은 상기 간격 안에 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 제2 편광 격자 층은 비반응성 액정 층일 수 있다.
다른 실시예들에 있어서, 상기 제2 편광 격자 층은 중합성 액정 층일 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 상기 제1 및 제2 편광 격자 층들의 상기 제1 및/또는 제2 두께는, 상기 편광 격자의 동작 파장 범위 내에 광의 반파장 지연을 제공하도록 구성될 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예들에 따르면, 스위칭 가능한 편광 격자는 제1 주기적 배향 조건을 포함하는 제1 기판; 제2 주기적 배향 조건을 포함하는 제2 기판; 및 상기 제1 기판과 상기 제2 기판 사이의 액정 층을 포함한다. 상기 액정 층은, 그것의 대향하는 면들 사이로 정의되는 두께에 걸쳐서, 상기 제1 주기적 배향 조건과 상기 제2 주기적 배향 조건 사이의 상대적인 위상 각도와 다른 트위스트 각도로 회전하는 각각의 상대적인 방위들을 가지는 액정 분자들을 포함한다.
일부 실시예들에 있어서, 상기 제2 주기적 배향 조건은 상기 제1 주기적 배향 조건에 대해 위상이 어긋날(out of phase) 수 있다.
다른 실시예들에 있어서, 상기 액정 층은, 상기 액정 층의 분자 구조를 그것의 두께에 걸쳐서 상기 트위스트 각도로 트위스트 하도록 구성된 트위스트 센스를 가지는 카이랄 도판트를 그 안에 포함하는 네마틱 액정 층을 포함할 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 상기 액정 분자들은 상기 제1 배향 층과 상기 제2 배향 층의 상기 제1 배향 조건 및 상기 제2 배향 조건에 따라 그들 사이의 각각의 경계면들에서 배향될 수 있다. 또한, 상기 액정 층은 그 안에 탄성 에너지 변형(strain)을 포함하도록 상기 액정 층의 두께에 걸쳐서 상기 트위스트 각도로 회전될 수 있다.
다른 실시예들에 있어서, 상기 위상 각도는 약 70 °내지 약 360 °일 수 있다. 또한, 상기 트위스트 각도는 약 70 °내지 약 360 °일 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예들에 따르면, 스위칭 가능한 편광 격자의 제조 방법은 제1 주기적 배향 조건을 포함하는 제1 기판을 형성하는 단계; 제2 주기적 배향 조건을 포함하는 제2 기판을 형성하는 단계; 및 상기 제1 기판 및 상기 제2 기판 상에 액정 층을 형성하는 단계를 포함한다. 상기 액정 층은 그들의 대향하는 면들 사이에 정의되는 두께에 걸쳐서 상기 제1 주기적 배향 조건과 상기 제2 주기적 배향 조건 사이의 상대적인 위상 각도와 다른 트위스트 각도로 회전하는 각각의 상대적인 방위들을 가지는 액정 분자들을 포함한다.
일부 실시예들에 있어서, 제1 배향 층은 상기 제1 기판 상에 형성될 수 있고, 그 안에 상기 제1 주기적 배향 조건을 정의하도록 패터닝될 수 있다. 또한, 제2 배향 층은 상기 제2 기판 상에 형성될 수 있고, 상기 제1 주기적 배향 조건에 대해 위상이 어긋나는 상기 제2 주기적 배향 조건을 그 안에 정의하도록 패터닝될 수 있다.
다른 실시예들에 있어서, 상기 액정 층은 네마틱 액정 층일 수 있다. 상기 네마틱 액정 층은 상기 액정 층의 분자 구조가 그것의 두께에 걸쳐서 상기 트위스트 각도로 트위스트 하도록 구성된 트위스트 센스를 가지는 카이랄 분자로 도핑될 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 상기 액정 층은 상기 액정 층의 상기 분자들이 상기 제1 배향 층과 상기 제2 배향 층의 상기 제1 배향 조건과 상기 제2 배향 조건에 따라 그들 사이의 각각의 경계면들에서 배향될 수 있도록, 그리고, 상기 액정 층이 그 안에 탄성 에너지 변형을 포함하도록 상기 액정 층의 상기 두께에 걸쳐서 상기 트위스트 각도로 회전될 수 있도록 형성될 수 있다.
일부 실시예들에 따른 다른 소자들 및/또는 제조 방법들은 후술되는 도면들 및 상세한 설명의 검토를 통하여 본 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백하게 될 것이다. 모든 추가적인 방법들 및/또는 소자들은 본 설명 내에 포함되고, 본 발명의 범위 내이고, 첨부되는 청구항들에 의해 보호되는 것으로 의도된다.
도 1a는 본 발명의 일부 실시예들에 따른 편광 격자들을 나타내는 사시도이다.
도 1b는 본 발명의 일부 실시예들에 따른 편광 격자들을 나타내는 평면도이다.
도 1c는 본 발명의 일부 실시예들에 따른 편광 격자들을 나타내는 측면도이다.
도 1d는 본 발명의 다른 실시예들에 따른 편광 격자들을 나타내는 측면도이다.
도 2는 본 발명의 일부 실시예들에 따른 편광 격자들의 특성들을 시뮬레이션 하는데 이용되는 모델을 나타내는 다이어그램이다.
도 3, 4a 및 4b는 시뮬레이션 결과들을 기초로 하여 본 발명의 일부 실시예들에 따른 편광 격자들의 특성들을 나타내는 그래프들이다.
도 5a 내지 5e는 본 발명의 일부 실시예들에 따른 편광 격자들의 제조 방법들 및 그에 따라 제조되는 소자들을 나타내는 횡단면도들이다.
도 6a 및 6b는 실험적 결과들을 기초로 하여 일부 실시예에 따른 회절 격자들의 특성들을 나타내는 그래프들이다.
도 7a 내지 7d는 본 발명의 다른 실시예들에 따른 편광 격자들의 제조 방법들 및 그에 따라 제조되는 소자들을 나타내는 횡단면도들이다.
도 8a 내지 8e는 본 발명의 다른 실시예들에 따른 편광 격자들의 전기광학적 특성들을 나타내는 그래프들이다.
이하에서는 본 발명의 실시예들이 도시된 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명을 더욱 상세하게 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 다양한 형태들로 실시될 수 있으며, 본 명세서에서 상술한 실시예들에 한정하는 것으로서 해석되는 것은 아니다. 오히려, 이러한 실시예들은 본 명세서의 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 범위를 완전하게 전달하기 위하여 제공될 것이다. 도면에서 층들의 두께와 영역들은 명확성을 위하여 과장될 수 있다. 전체에 걸쳐 동일한 참조부호들은 동일한 구성요소들을 지칭한다.
본 명세서에서 제1, 제2, 제3 등의 용어가 다양한 부재들, 요소들, 영역들, 층들 및/또는 섹션들을 설명하기 위하여 사용되지만, 이러한 부재들, 요소들, 영역들, 층들 및/또는 섹션들은 이러한 용어들에 의해 한정되어서는 아니 되는 것으로 이해될 수 있다. 이러한 용어들은 하나의 부재, 요소, 영역, 층 또는 섹션을 다른 영역, 층 또는 섹션과 구별하기 위하여만 사용된다. 그러므로, 이하에서 설명되는 제1 부재, 요소, 영역, 층 또는 섹션은 본 발명의 가르침들로부터 벗어나지 않고서도 제2 부재, 요소, 영역, 층 또는 섹션으로 정의될 수 있다.
"바로 아래의", "아래의", "하의", "하부의", "위의", "상부의" 등과 같은 공간적으로 상대적인 용어들은 도면들에서 도해되는 것처럼 다른 부재(들) 또는 형상(들)에 대한 어떤 부재 또는 형상의 관계를 기술하기 위하여 설명의 편이상 본 명세서에서 사용될 수 있다. 이러한 공간적으로 상대적인 용어들은 도면들에서 묘사되는 방위에 추가하여 사용이나 동작에서 소자의 다른 방위들을 포함하는 것을 의도한다고 이해될 수 있다. 예를 들어, 도면에서 소자가 뒤집어지면, 다른 부재들 또는 형상들의 "아래의" 또는 "바로 아래의" 또는 "하부의"로 기재된 부재들은 상기 다른 부재들 또는 형상들의 "위의" 방향으로 방위될 것이다. 그러므로, 예시적인 용어들인 "아래의" 및 "하부의"는 윗 방향과 아랫 방향 모두를 포함할 수 있다. 그렇지 않으면 상기 소자는 (90도 또는 다른 방위들로 회전되어) 방위될 수 있고, 본 명세서에서 사용되는 공간적으로 상대적인 기술어들은 그에 따라서 이해된다. 또한, 어떤 층이 두 층들의 "사이에" 위치하는 것으로 언급된 경우, 상기 두 층들 사이에 오직 그 층만이 있을 수도 있고, 또한 그 사이에 개재되는 하나 또는 그 이상의 층들이 존재할 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
본 명세서에서 사용된 용어는 특정 실시예들을 설명하기 위하여만 사용되며, 본 발명을 제한하기 위한 것이 아니다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 단수 형태인 "a", "an" 및 "the"는 문맥상 다른 경우를 분명히 지적하는 것이 아니라면, 복수의 형태를 포함할 수 있다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 경우 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급한 형상들, 숫자들, 단계들, 동작들, 부재들 및/또는 요소들의 존재를 특정하는 것이며, 하나 또는 이상의 다른 형상들, 숫자들, 단계들, 동작들, 부재들, 요소들 및/또는 그들의 그룹들의 존재 또는 부가를 배제하는 것이 아니다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 용어 "및/또는"은 해당 열거된 항목 중 어느 하나 또는 그 이상의 모든 조합들을 포함한 다.
하나의 요소 또는 층이 다른 요소 또는 층 "상에", "연결되어", "커플링되어", 또는 "인접하여" 위치하는 것으로 언급될 때는, 상기 요소 또는 층이 직접적으로 요소 또는 층 상에, 연결되어, 커플링되어 또는 인접하여 위치하거나, 그 사이에 개재되는 또 다른 요소들 또는 층들이 존재할 수도 있는 것으로 이해될 수 있다. 반면에, 하나의 요소가 다른 요소 또는 층의 "직접적으로 상에", "직접적으로 연결되어", "직접적으로 커플링되어", 또는 "직접 인접하여" 위치하는 것으로 언급될 때는, 그 사이에 개재되는 다른 요소 또는 층들이 존재하지 않는다고 해석된다.
본 발명의 실시예들은 본 명세서에서 본 발명의 이상화된 실시예들(및 중간 구조들)의 개략적인 예시들인 단면도 예시들을 참조하여 설명된다. 이러한, 상기 예시들의 형태들로부터 변형에 따라, 예를 들어, 제조 기술들 및/또는 허용 오차들과 같은 결과들이 예측될 것이다. 그러므로, 본 발명의 실시예들은 여기서 예시된 영역들의 특별한 형태들에 의해 한정되어 해석되어서는 안되고, 예를 들어, 제조로부터의 결과인 형태들에서 이탈들을 포함한다. 그러므로, 도면들에서 예시된 영역들은 사실상 개략적이고, 그것들의 형태들은 장치의 영역의 정확한 형태를 예시하기 위한 것으로 의도되지 않고, 본 발명의 범위를 제한하기 위한 것으로 의도되지 않는다.
달리 정의된 것이 아니라면, 본 명세서에서 사용되는 (기술적 및 과학적 용어를 포함하는) 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가지 는 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 것과 동일한 의미를 갖는다. 또한, 공통적으로 이용되는 사전들에 정의된 바와 같은 용어들은, 관련 기술의 문맥 및/또는 본 명세서의 문맥에서 갖는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하고, 본 명세서에서 명시적으로 정의된 것이 아닌 한 이상적으로 또는 지나치게 형식적인 의미로 해석되어서는 아니 된다.
본 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 명세서에서 사용된 "투과형(transmissive)" 또는 "투명(transparent)" 기판은 입사광의 적어도 일부가 기판을 통해 통과하도록 허용할 수 있다는 점을 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 일부 실시예들에서 투명 기판은 유리 기판일 수 있다. 반면에, 본 명세서에서 사용된 "반사형(reflective)" 기판은 입사광의 적어도 일부를 반사할 수 있다. 또한, "중합성(polymerizable) 액정들"은 중합될 수 있는 상대적으로 낮은 분자량을 가지는 액정 물질들을 지칭할 수 있고, 또한, 본 명세서에서 "반응성 메소겐들(reactive mesogens)"으로 기술될 수 있다. 반면에, "비반응성 액정들(non-reactive liquid crystals)"은 중합되지 않을 수 있는 상대적으로 낮은 분자량을 가지는 액정 물질들을 지칭할 수 있다.
본 명세서에서 본 발명의 실시예들은 액정 물질들 및 이들로써 구성되는 편광 격자들을 참조하여 설명된다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 액정들은 네마틱(nematic) 상(phase), 카이랄 네마틱(chiral nematic) 상, 스멕틱(smectic) 상, 강유전체(ferroelectric) 상, 및/또는 다른 상을 가질 수 있다. 또한, 다수의 광 중합성(photopolymerizable) 중합체들이 본 명세서에서 설명된 편광 격자들을 생성 하기 위하여 배향 층들로서 이용될 수 있다. 광 중합성에 추가적으로, 이러한 물질들은 액정에 대해 불활성일 수 있고, 액정 소자의 동작 온도들의 범위(예를 들어, 약 -50 ℃에서 약 100 ℃까지)에 걸쳐 안정된 배향을 제공할 것이고, 또한, 본 명세서에서 설명된 제조 방법들과 호환될 수 있다. 광 중합성 중합체들의 일부 예들은 폴리이미드들(polyimides)(예를 들어, JSR Micro 사(써니베일, 캘리포니아)로부터 상업적으로 이용 가능한 AL 1254), Brewer Science 사(Rolla, Mo.)로부터 이용 가능한 Nissan RN-1199, 및 시나메이트들(cinnamates)(예를 들어, 스카트(M. Schadt) 등이 Jpn. J. Appl. Phys., Vol. 31 (1992), pp. 2155-2164에 개시한 "Surface-Induced Parallel Alignment of Liquid Crystals by Linearly Polymerized Photopolymers"에 기술된 바와 같은 폴리비닐(polyvinyl) 4-메톡시(methoxy)-시나메이트)이다. 광 중합성 중합체들의 다른 예는 Vantico 사(로스앤젤레스, 캘리포니아)로부터 상업적으로 이용 가능한 Staraligm.TM.이다. 또 다른 예들은 최동훈과 동료들이 Bull. Korean Chem. Soc, Vol. 23, No. 4 587 (2002)에 개시한 "Photo-alignment of Low-molecular Mass Nematic Liquid Crystals on Photochemically Bifunctional Chalcone-epoxy Film by Irradiation of a Linearly Polarized UV"에 개시된 것들과 같은 칼콘(chalcone)-에폭시(epoxy) 물질들, 리(M. Ree)와 동료들이 Synth. Met., Vol. 117(1-3), pp. 273-5 (2001)에 개시한 "Alignment behavior of liquid-crystals on thin films of photosensitive polymers -Effects of photoreactive group and UV-exposure"에 개시된 것들과 같은 쿠마린 사이드 체인 폴리이미드들(coumarin side chain polyimides)을 포함한 다(이러한 물질들을 이용할 경우에, 액정은 편광 방향에 거의 수직으로 배향된다). 또한, 액정 배향의 방법들에 대한 추가적인 예들은 크로포드(Crawford) 등의 미국 특허 등록 번호 제7,196,758호에 개시된다. 또한, 본 명세서에 기재된 일부 구조들은 스핀 코팅 프로세스들과 액정 물질들의 균형을 통한 정밀한 제조를 수반할 수 있다. 본 발명의 일부 실시예들의 이용에 대한 추가적인 구조들 및/또는 방법들은 에스쿠티(Escuti) 등의 PCT 공개 번호 제2006/092758호에서 논의되고 있으며, 상기 특허에 개시된 내용은 전체로써 본 명세서에 참조 병합된다.
본 발명의 일부 실시예들은, 그 두께를 따라서 트위스트된 분자 구조를 가지는 편광 격자를 이용하여, 어크로매틱(achromatic)(넓은 대역)이며 높은 콘트라스트의 회절을 달성할 수 있는 방법들 및 소자들을 제공한다. 예를 들어, 일부 실시예들에 있어서, 높은 콘트라스트의 어크로매틱 회절은 서로 반대되는 트위스트 센스(twist sense)의 두 액정 편광 격자 층들을 이용함으로써 달성될 수 있는데, 이들은 그들 각각의 두께에 걸쳐서 서로에 대하여 위상에 있어서 측방향으로 오프셋(laterally offset)되거나 천이된 것들이다. 더욱 상세하게는, 반파장 지연(retardation) 두께와 +70°의 트위스트를 가지는 제1 편광 격자는 투과형 기판 상에서 -70°의 트위스트를 가지는 제2 편광 격자와 라미네이트된다(laminated). 또한, 이러한 첫 번째 층이 비반응성 액정 층으로 구현되고 두 번째 층이 중합성 액정 층으로 구현되면(각각 약 +70°및 약 -70°의 트위스트 각도를 가짐), 격자는 스위칭 가능할 수 있고, 또한, 액정 디스플레이(LCD)에서 사용하기에 적합한 공간 광 변조기를 제공할 수 있다. 다른 실시예들에 있어서, 그 두께에 걸쳐서 70°의 트위스트를 가지는 단일 중합체 또는 비반응성 액정 편광 격자 층이 반사형 기판 상에 형성되어 유사한 결과들을 제공할 수 있다. 또한, 다른 트위스트 각도들도 상술한 실시예들 중 어느 것에도 사용될 수 있다. 이와 대조적으로, 단일 층 편광 격자는 편광되지 않은 광을 변조할 수 있는 반면, 그것의 높은 콘트라스트 동작은 매우 좁은 입사광에 대한 것으로 제한될 수 있다. 따라서, 많은 응용장치들에서 넓은 대역의 광이 존재함에 따라, 본 발명의 일부 실시예들은 기존의 기술들에 비해 실질적으로 더 높은 콘트라스트 및/또는 휘도를 제공하는 데에 이용될 수 있다.
또한, 본 발명의 일부 실시예들에 따른 로우 트위스트(low-twist) 액정 편광 격자들에서는, 전기광학적 곡선의 향상된 비선형 응답을 달성하기 위하여, 액정의 카이랄 트위스트와 기판들의 오프셋 각도 사이의 균형을 맞추는 것이 가능할 수 있다. 따라서, 모든 픽셀 내에 TFT를 필요로 할 수 있는 능동 매트릭스 어드레싱 구조(active matrix addressing scheme) 대신에, 덜 비싸고 및/또는 낮은 전력의 수동 매트릭스 어드레싱 구조가 이용될 수 있다. 이러한 어드레싱 구조는 예를 들어, 휴대 가능한 응용장치들에서 상당한 이점들을 제공할 수 있다.
도 1a 내지 1d는 본 발명의 일부 실시예들에 따른 편광 격자들을 나타낸다. 도 1a에 도시된 바와 같이, 제2 편광 격자 층(PG2)(102)은 제1 편광 격자 층(PG1)(101) 상에 형성되어 다중 층 구조(105)를 형성한다. 제1 및 제2 편광 격자 층들(PG1, PG2)(101, 102)는 서로에 대해 반대되는 트위스트 센스를 갖는 분자 구조들을 가지는 카이랄 액정 층들이다. 다시 말해, 제1 및 제2 편광 격자 층들(PG1, PG2)(101, 102)은 반대 방향(opposite handedness)의 카이랄 분자들을 (즉, 서로 다른 왼손 방향(left-handed) 형태와 오른손 방향(right-handed)의 형태를 가지는 비대칭적인 분자들을) 포함한다. 이런 식으로(as such), 일부 실시예들에 있어서는, 제2 편광 격자 층(PG2)(102)은 두께(d2)에 걸쳐서 그것의 국부적 이방성 패턴의 위상 천이를 가질 수 있는데, 이러한 국부적 이방성 패턴은 두께(d1)에 걸친 제1 편광 격자 층(PG1)(101)의 패턴과 반대된다. 상기 두께들(d1, d2)은 제1 편광 격자 층(PG1)(101)의 대향면들 사이와 제2 편광 격자 층(PG2)(102)의 대향면들 사이에서 각각 정의된다.
더욱 상세하게는, 도 1b 및 1c에 도시된 바와 같이, 제2 편광 격자 층(PG2)(102)의 분자들은 제1 편광 격자 층(PG1)(101)의 분자들(오른손 방향)과 비교하면 반대 방향이다(왼손 방향). 예를 들어, 제1 편광 격자 층(PG1)(101)은 카이랄 분자로 도핑될 수 있고, 이에 따라 그 안의 분자들의 방위는 회전되거나 다시 말해 제1 편광 격자 층(PG1)(101)의 두께(d1)에 걸쳐서 트위스트 각도(
Figure 112009069478030-PCT00001
)로 "트위스트" 될 수 있고, 제2 편광 격자 층(PG2)(102)은 다른 카이랄 분자로 도핑될 수 있고, 이에 따라 그 안의 분자들의 방위는 제2 편광 격자 층(PG2)(102)의 두께(d2)에 걸쳐서 반대편의 트위스트 각도(
Figure 112009069478030-PCT00002
)로 "트위스트" 될 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 제2 편광 격자 층(PG2)(102)은 약 -70°의 트위스트 각도(
Figure 112009069478030-PCT00003
)를 가질 수 있고, 반면 제1 편광 격자 층(PG1)(101)은 약 70°의 트위스트 각도(
Figure 112009069478030-PCT00004
)를 가질 수 있다. 이러한 실시예들에 있어서, 제1 편광 격자 층(PG1)(101)의 두께(d1)는 제2 편광 격자 층(PG2)(102)의 두께(d2)와 실질적으로 동일할 수 있다. 제1 및 제2 편광 격자 층들(PG1, PG2)(101, 102)의 제조 공정에서, 네마틱 액정 혼 합물은, 중대한 결함들을 발생시키지 않으면서, 그 안에 각각의 트위스트 각도들을 유도하도록 구성된 카이랄 액정 분자들로 도핑될 수 있다. 트위스트 각도(
Figure 112009069478030-PCT00005
)는 카이랄 도판트의 양 및/또는 편광 격자 층의 두께 변화에 의해 변경될 수 있다. 각각의 편광 격자에서 그 두께에 걸친 분자들의 "트위스팅"은 국부적 이방성 패턴에서 연속적인 위상 천이를 제공할 수 있다. 도 1c에 도시된 바와 같이, 제1 및 제2 편광 격자 층들(PG1, PG2)(101, 102)의 분자들은 그들 사이의 경계면에서 배향되며 다시 말해 동위상(in-phase)이 된다.
일부 실시예들에 있어서, 제1 및 제2 편광 격자 층들(PG1, PG2)(101, 102)은 반응성 메소겐(즉, 중합성 액정) 층들과 같은 단일 기판 중합체 층들일 수 있다. 예를 들어, 제1 편광 격자 층(PG1)(101)은, 노출된 광 배향 층(115) 상에 (소정의 방향 또는 트위스트 센스를 제공하도록 도핑된) 제1 카이랄 액정 물질을 스핀 캐스팅(spin-casting)함으로써 형성될 수 있고, 이에 따라 제1 편광 격자 층(PG1)(101)은 편광 격자의 동작에 이용되는 광에 대하여 반파장 두께에 도달한다. 광 배향 층(115)는, 공지의 기술들에 의해 유리 기판(110a)과 같은 투명 기판 상에 형성되고 패터닝될 수 있으며, 이러한 공지 기술들은 본 명세서에서 상세하게 논의되지는 않을 것이다. 반대 방향/트위스트 센스를 제공하도록 도핑되는 제2 카이랄 액정 혼합물은, 제2 편광 격자 층(PG2)(102)을 형성하기 위하여 제1 편광 격자 층(101)의 바로 위에, 이것 또한 반파장 두께를 가질 때까지 도포될 수 있다.
다른 실시예들에 있어서, 스위칭 가능한 액정 편광 격자가 형성될 수 있다. 더욱 상게하게는, 편광 격자 층(PG2)(102)은 소정의 방향 또는 트위스트 센스(예를 들어, -70°)로 상술된 바와 같이 형성될 수 있다. 그 위에 노출된 광 배향 물질(115)을 포함하는 (유리 기판(110a)과 같은) 대향 위치에 있는(opposing) 투과형 기판이 반파장 셀 두께에 상응하는 셀 간격으로 제2 편광 격자 층(PG2)(102)에 대해 라미네이트될 수 있다. 광 배향 물질(115)은 편광 격자 층(PG2)(102)의 트위스트 센스를 기준으로 하여 오프셋되는 주기적 배향 조건을 포함할 수 있다. 상기 간격은, 광 배향 층(115)과 편광 격자 층(PG2)(102) 사이에 편광 격자 층(PG1)(101)으로써 액정 층을 제공하고 그럼으로써 스위칭 가능한 액정 편광 격자를 정의할 수 있도록, 반대 방향의 트위스트 센스(예를 들어, +70°)를 가지는 카이랄 네마틱 액정 물질로 채워질 수 있다.
도 1d는 본 발명의 다른 실시예들에 따른 편광 격자를 나타낸다. 도 1d의 편광 격자는 반사형 기판(110b)과 같은 기판 상에 형성되는 단일 편광 격자 층(PG1)(101)을 포함한다. 예를 들어, 편광 격자 층(PG1)(101)은, 반사형 기판(110b) 상의 노출된 광 배향 층(115) 상에, 편광 격자의 동작에 이용되는 광에 대하여 반파장 두께에 도달할 수 있도록 형성될 수 있다. 상술된 바와 같이, 편광 격자 층(PG1)(101)은 카이랄 분자로 도핑될 수 있고, 이에 따라 그 안의 분자들의 방위가 회전되거나 다시 말해 층(PG1)(101)의 두께(d1)에 걸쳐서 트위스트 각도(
Figure 112009069478030-PCT00006
)로 "트위스트" 되어 국부적 이방성 패턴에 연속적인 위상 천이를 제공할 수 있다. 편광 격자 층(PG1)(101)은 약 70°의 트위스트 각도(
Figure 112009069478030-PCT00007
)를 가질 수 있다. 그러나, 트위스트 각도(
Figure 112009069478030-PCT00008
)는 카이랄 도판트의 양 및/또는 편광 격자 층(PG1)(101)의 두께의 변화에 의해 변경될 수 있다. 일부 실시예들에서 편광 격 자 층(PG1)(101)은 중합성 액정 층일 수 있고, 다른 실시예들에서 편광 격자 층(PG1)(101)은 스위칭 가능한 액정 편광 격자를 제공할 수 있는 비반응성 액정 층일 수 있다. 작용 광은 반사형 기판(110b)의 존재로 인하여 편광 격자 층(PG1)(101)을 (입사 및 반사에) 두 번 통과하기 때문에, 도 1d의 단일 층 편광 격자는 광학적으로 도 1c의 두 층의 편광 격자와 유사한 방식으로 기능할 수 있는데, 이것은 이하에서 더욱 상세하게 설명된다.
그러므로, 본 발명의 일부 실시예들은 투과광의 방향 및/또는 편광 상태가 넓은 스펙트럼 범위에 걸쳐서 조절될 수 있는 회절 광학 소자들을 제공한다. 이러한 회절 광학 소자들은 디스플레이 응용장치들에서 사용되어, 예를 들어, 더욱 효율적인 백라이트들(backlignts)로부터의 아웃커플링(outcoupling), 편광에 독립적인(polarization-independent) 픽셀 디자인들, 및/또는 광 재순환을 제공할 수 있다.
본 발명의 일부 실시예들에 따른 편광 격자들은 이방성의 주기적 구조들일 수 있고, (특별한 편광들 및 100%까지의 효율을 가지는 세 개의 가능한 차수(order)들(0과 ±1)과 같은) 독특한 회절 특성들을 나타낼 수 있고, 다양한 범위의 응용장치들을 지원할 수 있다. 종래의 편광 격자들은 중심 파장의 약 7%의 스펙트럼 범위에 걸쳐서 상대적으로 높은 효율로 회절시킬 수 있다. 이와 반대로, 본 발명의 일부 실시예들에 따른 어크로매틱 편광 격자들(achromatic PG)은 이러한 대역폭에서 약 5배까지의 증가를 제공할 수 있고, 넓은 대역의 조명(예를 들어, 백색광)으로도, 대부분의 가시(visible) 스펙트럼 범위에 걸쳐서 약 100%까지의 효율로 회절 시킬 수 있다. 구체적으로, 본 발명의 일부 실시예들에 따른 편광 격자들은, 각각 (70°와 같은) 상대적으로 크지 않은 트위스트 각도 및 반대 트위스트 센스를 가지는 적어도 두 개의 카이랄 액정 층들을 포함할 수 있다.
기본적인 편광 홀로그램들(holograms)로서 편광 격자들이 도입된 이후, 이들의 회절 특성들 및 유용성들에 대한 연구가 수행되어 왔다. 예를 들어, 편광 격자들의 응용장치들은 편광 측정 및 하이퍼스펙트럴(hyperspectral) 편광계(polarimetry)를 포함한다. 네마틱 액정들은 선형 복굴절(birefringence)을 가진 연속적인 조직(texture)의 편광 격자들을 생성할 수 있다. 이러한 접근 방식을 이용하여, 실질적으로 결함이 없는 스위칭 가능한 편광 격자들이 바람직한 회절 특성들 및/또는 상대적으로 낮은 산란을 가지고서 생성될 수 있다. 이에 따라, 스위칭 가능한 편광 격자들은 편광에 독립적인 변조기들로서 이용될 수 있다.
종래의 ("원형" 타입의) 편광 격자는 공간적으로 상이한(spatially-variant) 단축 복굴절(uniaxial birefringence)(즉,
Figure 112009069478030-PCT00009
)을 포함할 수 있다. 수직 입사에서 이상적인 회절 효율은 아래의 수학식 1과 같이 유도될 수 있다.
[수학식 1]
Figure 112009069478030-PCT00010
여기서,
Figure 112009069478030-PCT00011
은 m차(mth-order) 회절 효율이고,
Figure 112009069478030-PCT00012
는 입사광의 진공 파장(vacuum wavelength)이며,
Figure 112009069478030-PCT00013
은 선형 복굴절이고, d는 격자 두께이며, 그리고,
Figure 112009069478030-PCT00014
는 입사광의 타원율(ellipticity)에 대응되는 정규화(normalized) 스트록스(Strokes) 파라미터이다. 세 가지의 차수들(0과 ±1)이 존재할 수 있고, 1차 회절들(first orders)은 직교 원형 편광들(왼손 방향과 오른손 방향)을 가질 수 있다. 편광 격자들의 회절 행동은 (수학식 1의
Figure 112009069478030-PCT00015
을 통해) 파장에 의존적일 수 있다.
다시 도 1b 및 1c를 참조하면, 본 발명의 일부 실시예들에 따른 두 층의 트위스트된 구조를 포함하는 편광 격자의 어크로매틱 성능은 상대적으로 넓은 스펙트럼 폭에 걸쳐 100 %까지의 효율을, 예를 들어, 중심 파장의 경우 약 34.3 %까지의 효율을 제공할 수 있다. 이것은 중심 파장의 약 6.8%의 스펙트럼 폭을 제공할 수 있는 종래의 편광 격자들과 비교하면 약 5배만큼 증가를 나타낸다. 이렇듯, 편광 격자 회절의 무색성(achromacity)은 반대편의 트위스트 센스를 가지는 두 개의 트위스트된 격자들을 결합하여 획득될 수 있다.
트위스트된 편광 격자들의 넓은 대역의 회절에 대한 일부 설계 파라미터들은 각각의 편광 층의 두께(d)와 트위스트 각도(
Figure 112009069478030-PCT00016
)를 포함할 수 있다. 이러한 파라미터들의 영향들은, 시간영역 유한 차분법(finite-difference time-domain, FDTD) 방법과 특히 주기적 이방성 매질들을 위해 개발된 오픈 소스 소프트웨어 패키지(open source software package)를 이용하여 증명되어 왔다. 따라서, 이하에서는 도 2 내지 6을 참조하여, 편광 홀로그래피(holography)와 광 배향 기술들을 이용하여 중합성 액정 막으로 형성되는 어크로매틱 편광 격자들에 대한 사전 실험 결과들을 상술하기로 한다.
도 2는 상술된 시간영역 유한 차분법(FDTD) 시뮬레이션 공간의 기본 기하학적 형상을 나타낸다. 프레넬(Fresnel) 손실들을 감소시키고 및/또는 최소화하기 위하여, 양쪽의 공기-편광 격자 계면들에서 편광 격자(PG)(201)에 구배된 굴절률을 가지는(gradient-index) 반사방지 코팅들(206)이 도포될 수 있다. 시뮬레이션 공간을 한정하고 및/또는 시뮬레이션 시간을 감소시키기 위해서, 주기적 경계들(207) 및 UPML(uniaxial perfectly matched layer) 기술을 이용하여 매칭된 층 경계들(208)이 이용될 수 있다. 입력/입사 평면파(209)는 격자 구조 바로 앞에 놓이는 수직 선형 편광을 가지는 가우시안 펄스형(Gaussian-pulsed) 평면파(즉, 넓은 대역의 소스)일 수 있고, 출력 회절 효율들은 격자 바로 뒤의 선(211)에서 전기장으로부터 계측될 수 있다. 원거리장에서 스펙트럼 회절 특성들을 분석하기 위하여, 근접장에서 원격장으로의(near-to-far) 광학적 변형 및 시간적 푸리에 변환(Fourier transform)이 이용될 수 있다.
본 명세서에서 사용되는 바와 같이, 높은 편광 격자 효율에 대한 (파장의 단위로 표현되는) 스펙트럼 범위(
Figure 112009069478030-PCT00017
)는 총 1차 회절(
Figure 112009069478030-PCT00018
)이 약 99.5 % 보다 큰 파장들의 범위로 정의된다. (% 단위로 표현되는) 정규화된 대역폭(
Figure 112009069478030-PCT00019
)은 스펙트럼 범위 대 그 중심 파장(
Figure 112009069478030-PCT00020
)의 비율로 정의된다.
도 3은 0 °에서 90 °까지의 서로 다른 트위스트 각도들의 범위에 대하여 단일 층의 트위스트된 편광 격자의 회절 특성들을 보여주는 시뮬레이션 결과들을 나타낸다. 이에 따라, 데이터는 오른손 방향과 왼손 방향에 대하여 동일할 수 있다. 더욱 상세하게는, 도 3은 파형들(301, 302, 303, 304 및 305)로 각각 표현되는 0°, 30°, 60°, 70° 및 90°의 서로 다른 트위스트 각도들(
Figure 112009069478030-PCT00021
)에 대하여, 1차 효율의 합(
Figure 112009069478030-PCT00022
)에 대한 정규화된 지연(
Figure 112009069478030-PCT00023
)을 나타낸다. 도 3에 도시된 바와 같이, 최대 고효율 대역폭은 종래의 편광 격자의 경우에 발생하고(즉, 트위스트 각도(
Figure 112009069478030-PCT00024
)가 0°일 때의 파형(301)으로 나타남), 결과적으로 정규화된 대역폭(
Figure 112009069478030-PCT00025
)는 6.8%가 된다. 그러므로, (도파 현상(waveguiding)으로도 알려진) 단열 추적(adiabatic-following)을 위한 조건이 매우 작은 트위스트 각도들을 제외하면 만족되지 않을 수 있으므로, 트위스트 각도들의 증가에 따라 효율이 저하될 수 있다. 그럼에도 불구하고, 출력에는 0과 ±1의 차수들만이 존재하고, 1차 편광들은 (원형과는 반대로) 점점 더 타원형이 된다.
그러나, 본 발명의 일부 실시예들에 따르면, 반대 트위스트 센스를 가지는 두 개의 트위스트된 편광 격자들을 적층함으로써, 높은 회절 효율(즉, 약 100%까지의)이 제공될 수 있다. 양쪽 편광 격자 층들의 광학적 특성들은 (트위스트의 방향을 제외하면) 실질적으로 유사하거나 동일할 수 있다. 이렇게 하여, 제2 층은 제1 트위스트된 구조의 편광 효과를 보상할 수 있다. 그 결과, 어크로매틱 효과는 정성적으로 말하자면 국부화된 지연 보상이라고 설명될 수 있다.
도 4a는 본 발명의 일부 실시예들에 따른 반대 트위스트 센스를 가지고, 트위스트 각도들은 약 0°에서 약 90°의 범위에 걸쳐서 변하는 두 개의 층의 트위스트된 구조의 회절 특성들을 보여주는 시뮬레이션 결과들을 나타낸다. 더욱 상세하게는, 도 4a는 일차 효율(
Figure 112009069478030-PCT00026
)을, 파형들(401, 402, 403, 404 및 405)로 각각 표현되는 0°, 30°, 60°, 70° 및 90°의 서로 다른 트위스트 각도들(
Figure 112009069478030-PCT00027
)의 값에 대하여, 정규화된 지연(
Figure 112009069478030-PCT00028
)의 함수로써 나타낸다. 도 4b에 나타난 바와 같이, 트위 스트 각도(
Figure 112009069478030-PCT00029
)가 70°일 때에 최대 대역폭인
Figure 112009069478030-PCT00030
가 획득될 수 있다. 더욱 상세하게는, 도 4b의 그레이 스케일 레벨들은 시뮬레이션된 회절 효율을 나타내고, 대역폭(
Figure 112009069478030-PCT00031
)은 도시된 영역에 걸쳐서 최대일 때이다. 그러므로, 종래의 편광 격자와 비교하면 최대 회절 대역폭에서 약 5배의 향상이 획득될 수 있다. 회절 대역폭이 트위스트 각도에 민감할 수 있으므로, 향상된 대역폭 성능을 제공하기 위해서는 트위스트 각도(
Figure 112009069478030-PCT00032
)에 대한 세심한 제어가 중요할 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 본 발명의 일부 실시예들에 따른 어크로매틱 편광 격자들은, 편광 홀로그래피와 광 배향 기술들의 결합을 이용하여 중합성 액정 막으로써 형성될 수 있다. 소재 및 공정의 최적화를 기초로 하여, 상대적으로 높은 효율 및/또는 낮은 산란을 가지는 실질적으로 결함이 없는 RM 편광 격자들이 제조될 수 있다. 도 5a 내지 5e에 도시된 바와 같이, 중합성 액정 편광 격자들(501, 502)이 후술되는 바와 같이 제조될 수 있다. 도 5a에 도시된 바와 같이, 기판(505) 상에 상대적으로 얇은 광 배향 물질 막(515)이 코팅된다. 기판(505)은 일부 실시예들에서 유리 기판과 같이 투과형 또는 투명 기판일 수 있다. 그러나, 다른 실시예들에서, 기판(505)은 반사형 기판일 수 있다. 도 5b에 도시된 바와 같이, 실질적으로 일정한 강도(intensity)를 가진 편광 간섭 패턴(516)을 제공하기 위하여, 기판(505)은 상대적으로 작은 각도에서 직교 원형 편광들을 가지는 레이저로부터의 동기 빔들(coherent beams)(509)을 이용하여 노출되거나 패터닝된다. 도 5c에서, 제1 트위스트 센스를 가지는 제1 RM 층(501)이 광 배향 층(515) 상에 형성되고, 표면 패턴(516)에 따라 배향된다. 예를 들어, 제1 RM 층(501)을 제공하기 위하여, 제1 RM 혼합물은 제1 카이랄 도판트로 도핑되고, 광 배향 층 상으로 스핀 캐스트(spin-cast)될 수 있다. 도 5d에 도시된 바와 같이, 거대 구조의 광학적 이방성을 영구적으로 고정시키기 위하여, 제1 RM 층(501)은 예를 들어, 블랭킷(blanket) 자외선(UV) 노출(519)을 이용하여 광 중합된다. 도 5e에서, 반대 트위스트 센스를 가지는 제2 RM 층(502)이 제1 RM 층(501) 상에 형성된다. 예를 들어, 제2 RM 층(502)을 제공하기 위하여, 제2 RM 혼합물은 제2 카이랄 도판트로 도핑되고, 제1 RM 층(501) 상에 스핀 캐스팅되고, 광 중합될 수 있다. 제2 RM 층(502)은 제1 RM 층(501)의 배향을 기초로 하여 그들 사이의 경계면에서 배향된다.
도 5a 내지 5e를 참조하면, 일부 실시예들에 있어서, ROP-103 (Rolic)과 같은 선형 광 중합성 중합체(linear-photopolymerizable polymer, LPP)가 광 배향 물질(505)로 이용될 수 있다. 광 배향 층(515) 상으로
Figure 112009069478030-PCT00033
의 주기를 가지는 표면 배향 패턴을 노출하거나 형성하기 위해, 직교 원형 편광된(orthogonal circular polarized) 빔들을 가지는 HeCd 레이저(325 nm)가 이용될 수 있다. 광 배향 노출 후에, 제1 및 제2 RM 막들(501, 502)는 기판(505) 상의 광 배향 층(515) 상에 스핀 코팅으로 증착될 수 있다. 제1 RM 층(501)은 적은 양의 (0.25%) 카이랄 도판트 CB15(머크(Merck)사 제품, 오른손 방향)를 가지는 RMS03-001(머크사 제품, 589 nm에서
Figure 112009069478030-PCT00034
)로 이루어진 혼합물일 수 있고, 제1 RM 층(501)의 두께(d1)가 반파장 두께(
Figure 112009069478030-PCT00035
)에 도달하고, 트위스트 각도가 70°(
Figure 112009069478030-PCT00036
)가 되도록 선택될 수 있다. 제2 RM 층(502)은 제1 RM 층(501)의 상부의 바로 위에 증착될 수 있고, 동일한 두께와 반대 트위스트 조건을 따르는, 적은 양의 (0.34%)의 다른 카이랄 도판 트 ZLI-811 (머크사 제품, 왼손 방향)로 도핑된 RMS03-001로 이루어질 수 있다. 그러므로, 본 발명의 일부 실시예들에 따른 편광 격자의 최종 격자 두께는 2d일 수 있는데, 이것은 각각 약 반파장 두께인 d를 가지는 두 개의 층들(501, 502)이 적층될 수 있기 때문이다.
도 6a는 분광 광도계로 측정된 것으로서, (파형(610)으로 나타낸) 종래의 편광 격자 및 (파형(620)으로 나타낸) 본 발명의 일부 실시예들에 따른 어크로매틱 편광 격자에 대한 0차 효율 스펙트럼들을 나타내는 실험적 결과들을 제공한다. 또한, 깨끗한 유리 슬라이드에 대해 측정된 투과율(즉, 파형(630)으로 나타낸 약 100%인 그래프)도 제공되는데, 이러한 투과율은 편광 격자들에 대한 조건들과 실질적으로 유사한 조건들에서 측정되었다. 종래의 편광 격자(601') 및 본 발명의 일부 실시예들에 따른 어크로매틱 편광 격자(602')에 대하여 0차 회절로부터 계산되는 예측 회절 효율(
Figure 112009069478030-PCT00037
)의 스펙트럼들이 도 6b에 도시된다. 도 3, 4a 및 4b의 시간영역 유한 차분법 시뮬레이션 결과들로부터 예상되는 바와 같이, 회절 대역폭의 현저한 향상이 도 6a 및 6b에 도시된다. 또한, 도 6b에 도시된 예측 효율들을 확인하기 위하여, 종래의 편광 격자와 본 발명의 일부 실시예들에 따른 어크로매틱 편광 격자 모두에 대하여, 적색 레이저(633 nm), 녹색 레이저(532 nm) 및 청색 레이저(473 nm)를 이용하여 세 파장들에서의 효율들이 측정되었다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 회절 효율은
Figure 112009069478030-PCT00038
로 정의되는데, 여기서,
Figure 112009069478030-PCT00039
은 m차 투과 회절 차수(mth transmitted diffracted order)의 측정 강도이고,
Figure 112009069478030-PCT00040
는 유리 기판에 관한 기준 투과 강도이다. 비간섭성 산란은, 상기 회절된 스펙트럼들을 깨 끗한 유리 슬라이드의 경우에 비교하면, 400 nm 이상에서 약 2% 또는 그 미만으로 측정되었다.
따라서, 본 발명의 일부 실시예들에 따라 반대 트위스트 센스를 가지는 적어도 두 개의 층들을 포함하는 어크로매틱 편광 격자들은 세 가지의 회절 차수들(0, ±1), 1차 차수들의 직교 원형 편광 특성들, 및/또는 (스톡스 파라미터에 선형적으로 비례할 수 있는) 편광에 매우 민감한 1차 차수들과 같은 회절 특성들을 제공할 수 있다. 또한, 입사 원형 편광은 약 100%까지의 효율로 1차 차수들 중 하나로 생성될 수 있고, 선형의 입사 편광 또는 편광되지 않은 입력은 약 50%까지의 효율로 각각의 1차 차수들로 이어질 수 있다.
다른 액정 격자들(즉, 중합체-벽(polymer-wall) 액정 격자들 및/또는 HPDLC 격자들)에 비해, 본 발명의 일부 실시예들에 따른 어크로매틱 편광 격자들은 비슷하거나 더 높은 실험적 회절 효율 및/또는 더 낮은 비간섭성 산란을 제공할 수 있다. 그것으로서, 본 발명의 일부 실시예들에 따른 어크로매틱 편광 격자들은 가시 광의 거의 전 범위에 걸쳐 두꺼운 (브래그) 격자들이 갖는 높은 효율들을 제공할 수 있다. 디스플레이들에서 광학 소자들로 이용되는 경우, 본 발명의 일부 실시예들에 따른 어크로매틱 편광 격자들은 다른 광학적 구성요소들과 합체될 수 있는데, 이로써 더욱 소형의 효율적인 디스플레이들이 생성될 수 있다. 또한, 이러한 회절성 광학 소자들은 빔스플릿팅(beamsplitting), 편광계 등에 대하여 유용할 수 있다. 또한, 유사한 어크로매틱 편광 격자 디자인은 변조기 응용장치들에 대한 스위칭 가능한 액정 격자를 제공하도록 구현될 수 있다. 더욱 상세하게는, 두 개의 트 위스트된 편광 격자 층들 중 하나는 비반응성 네마틱 액정 물질로 구현될 수 있고, 이러한 전체 구조는 스위칭 가능한 액정 격자를 제공할 수 있도록 전극들을 가지는 기판들 사이에 배치될 수 있다.
본 발명의 일부 실시예들에 따른 반대 트위스트 센스를 가지는 적어도 두 개의 층들을 포함하는 어크로매틱 편광 격자들은 그 때문에 넓은 스펙트럼 범위에 걸쳐서 상대적으로 높은 효율을 획득할 수 있고, 또한, 그럼으로써, 그 고유의 회절 행동에 기초한 광의 더욱 효율적인 제어를 제공하도록 디스플레이 기술 분야에서 넓은 범위의 잠재적 응용장치들을 제공할 수 있다. 더욱 상세하게는, 이러한 박막 어크로매틱 편광 격자들은 (넓은 스펙트럼 대역폭에 대하여) 투과된 광의 방향, 강도, 및/또는 편광 상태에 이르기까지 종래의 회절 격자들보다 실질적으로 더 기능적인 제어를 제공할 수 있고, 많은 원격 감지 응용장치들에 잠재적인 이점들을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명의 일부 실시예들에 따른 어크로매틱 편광 격자들은, 예를 들어, 휴대용 프로젝션 디스플레이들, 소비자 TV 세트들, 실시간 홀로그래피 등과 같은 편광 독립적인(polarization-independent) 소형 디스플레이들에서 사용하기 위한 개선된 공간 광 변조기 소자(spatial-light-modulator element)를 생성하도록 공지의 박막 기술들 및/또는 공지의 액정 물질들을 이용하여 제조될 수 있다. 더욱이, 일부 예들에서, 본 발명의 일부 실시예들에 따른 어크로매틱 편광 격자들은 소정의 중심 파장의 약 45%까지의 파장 범위에 걸쳐서 높은 콘트라스트 변조를 증가시킬 수 있고, 이것은 종래의 단일 편광 격자들에 비해 900%까지의 향상을 이룰 수 있다. 그러므로, 디스플레이 응용장치들에서, 영상 품질은 크게 개선될 수 있다.
더 나아가, 본 발명의 일부 실시예들에 따른 어크로매틱 편광 격자들은 영상 편광 간섭계(imaging polarization interferometer)를 제공하기 위하여 이용될 수 있다. 편광 격자가 세 가지의 회절 차수들을 생성할 수 있고, 각 1차 차수들이 편광 민감도(polarization sensitivity)를 가질 수 있으므로, 편광 격자와 파장판(waveplate)의 결합은 직교 편광 정보를 두 가지의 회절 차수들로 분리하는 것을 허용할 수 있다. 그러므로, 편광 격자의 이러한 편광 선택성과 색분산의 결합에 의해 소형의 분광 편광계(spectropolarimeter)가 제공될 수 있다. 예를 들어, 각각의 회절 차수들의 강도들을 측정하는 대신에, 두 개의 실질적으로 동일한 편광 격자들을 통해 이동하는 두 개의 회절 빔들의 간섭도(interferogram)로부터 동일한 편광 정보(즉, 스톡스 파라미터들)이 추출될 수 있다. 더욱 상세하게는, 제1 편광 격자는 스펙트럼 영상들을 포함하는 빔들을 두 가지의 1차 차수들로 분리할 수 있고, 제2 편광 격자는 빔들이 평행하도록 빔들의 방향을 바꿀 수 있다. 각각의 회절된 빔의 편광 상태는, 서로 간에 직각이 되도록 향해 있는(oriented at a right angle)
Figure 112009069478030-PCT00041
의 파동판들(waveplates)을 통과한 후에 동일한 선형 편광으로 변환될 수 있다. 간섭 패턴은, 검출기가 위치한 동일한 영상 면(image plane) 상에 두 개의 회절된 빔들을 포커싱(focusing)함으로써 획득될 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예들은, 수동 매트릭스 어드레싱 구조를 이용하여 픽셀 레벨에서 제어될 수 있는 스위칭 가능한 액정 편광 격자들을 제공한다. 수동 매트릭스 어드레싱은, 고비용의 능동 매트릭스 어드레싱에서 사용되는 것과 같은 각각의 개별 픽셀 내의 박막 트랜지스터(TFT)에 대한 요구를 감소 및/또는 제거할 수 있도록, 행열 전압 평균 방식(row-and-column voltage-averaging approach)을 이용할 수 있다. 알다시피, 수동 매트릭스 어드레싱은 (휴대폰들 및 PDA들과 같은) 저전력 및 저비용이 요구되는 액정 디스플레이들에서 이용될 수 있다. 그러나, 액정 편광 격자들에서 수동 매트릭스 어드레싱의 구현은 상대적으로 가파른(steep) 전기광학적 응답 곡선을 필요로 할 수 있다. 반면에, 종래의 액정 편광 격자 기술은 상대적으로 열악한 전기광학적 응답 곡선을 가질 수 있고, 그럼으로써, 수동 매트릭스 어드레싱의 이용에 적합하지 않을 수 있다. 그러므로, 본 발명의 일부 실시예들은 (경사가) 상당히 더 가파른 전기광학적 응답 곡선들을 가진 스위칭 가능한 액정 편광 격자들을 제공하는데, 이것은 수동적으로 어드레싱될 수 있는 행들의 수를 약 1개의 행에서 약 100개 이상의 행들까지 향상시킬 수 있다. 이것은 STN(super-twisted-nematic) 구조를 기초로 하는 종래의 핸드폰 액정 디스플레이들에 비해 손색이 없다.
도 7a 내지 7d는 본 발명의 또 다른 실시예들에 따른 액정 편광 격자들의 제조 방법들 및 이로써 제조된 소자들을 나타내는 횡단면도들이다. 도 7a를 참조하면, 상대적으로 얇은 배향층들(715a, 715b)이 제1 및 제2 기판들(705, 710) 상에 각각 형성된다. 제1 기판(705) 및/또는 제2 기판(710)은 유리와 같은 투과형 또는 투명 물질로 형성될 수 있다. 또한, 각 기판은 투명한 도전성 전극들(미도시)을 포함할 수 있다. 도 7b에서, 각 기판 상의 배향층들(715a, 715b)은, 각 기판 상에 주기적 배향 조건들을 제공하기 위하여 패터닝된다. 예를 들어, 배향층들은 그 안에 광 중합성 중합체들을 포함하는 광 배향 층들일 수 있고, 직교 원형 편광된 레이저 빔들(709a, 709b)을 이용하여 홀로그래픽적으로 패터닝될 수 있다. 제1 및 제2 기판들(705a, 710b)은 도 7c에 도시된 바와 같이, 각 배향층(715a, 715b)의 주기적 배향 조건들이 상대적인 위상 각도(
Figure 112009069478030-PCT00042
)로 오프셋되도록 조립된다. 이렇듯, 도 7d에 도시된 바와 같이, 소정의 트위스트 센스를 가진 액정층(725)은 제1 기판과 제2 기판 사이에 셀 간격(721)으로 형성된다. 액정층은 셀 간격(721)의 두께(d)에 걸쳐서 특정 트위스트(
Figure 112009069478030-PCT00043
)를 제공하도록, 카이랄 분자로 도핑된 단일층의 네마틱 액정일 수 있다. 다시 말해, 트위스트 각도(
Figure 112009069478030-PCT00044
)는 액정층의 두께(d)에 걸쳐서 국부적인 이방성 패턴에서 연속적인 가변 위상 천이를 제공할 수 있다. 또한, 액정층(725)의 분자들은 배향 조건들을 기초로 하여 광 배향 층들에서 배향될 수 있다. 그러므로, 트위스트 각도(
Figure 112009069478030-PCT00045
)가 기판의 오프셋 각도(
Figure 112009069478030-PCT00046
)와 다른 경우에 액정층에서 탄성 에너지 변형이 생성될 수 있고, 이것은 더욱 비선형적인 스위칭 행동을 야기할 수 있다. 도 8a 내지 8e의 예시적인 시뮬레이션 결과들에서 나타난 바와 같이, STN 디스플레이들을 포함하는 경우와 같이, 이것은 중간 층 경사 각도를 계산함으로써 인가 전압의 함수로서 정량화될 수 있다.
도 8a 내지 8e는 본 발명의 일부 실시예들에 따른 액정 편광 격자들의 전기광학적 응답을 나타낸다. 도 8a 내지 8e에 도시된 바와 같이, 트위스트 각도(
Figure 112009069478030-PCT00047
)가 기판의 오프셋 각도(
Figure 112009069478030-PCT00048
)에 대하여 변화함에 따라, 상대적으로 가파른 전기광학적 응답이 획득될 수 있다. 더욱 구체적으로, 도 8a에 도시된 바와 같이, (오프셋 각 도(
Figure 112009069478030-PCT00049
)가 0°이고, 트위스트 각도(
Figure 112009069478030-PCT00050
)가 0°에서 89°인) 베이스라인(baseline) 곡선들은 수동 어드레싱에 이용할 경우에 적합하지 않을 수 있는데, 그 이유는 이것이 상대적으로 양호한 콘트라스트를 가진 오직 약 1개의 행만을 인에이블할 수 있기 때문이다. 도 8b에 도시된 바와 같이, 오프셋 각도(
Figure 112009069478030-PCT00051
)가 300°이고, 트위스트 각도(
Figure 112009069478030-PCT00052
)가 240°에서 345°까지인 설계의 경우, 곡선들은 매우 더 가파르다. 그러므로, 100개 이상의 행들이 수동적으로 어드레싱될 수 있다. 도 8c 및 8d는 오프셋 각도(
Figure 112009069478030-PCT00053
)가 각각 240° 및 270° 일 때 가변하는 트위스트 각도(
Figure 112009069478030-PCT00054
)의 값들에 대한 전기광학적 응답을 유사하게 나타낸다. 상술한 예측들에 대한 추가적인 세부사항들은 Scheffer와 Nehring의 Annual Review of Material Science 27, 555-583 (1997) 및 Alt와 Pleshko의 IEEE Trans. Elec. Dev. ED-21, 146-155 (1974)에 개시된 STN 디스플레이 어드레싱의 요약에서 발견될 수 있으며, 이들 문헌들은 본 명세서에 참조로써 병합된다.
도 8e는 비교를 위하여 도 8a, 8b 및 8c의 전기광학적 응답 곡선들을 하나의 공통된 축들의 집합을 따라 나타낸다. 구체적으로, 곡선(805a)은
Figure 112009069478030-PCT00055
이고,
Figure 112009069478030-PCT00056
인 경우에 대한 전기광학적 응답을 나타낸다. 이와 유사하게, 곡선(805b)는
Figure 112009069478030-PCT00057
이고,
Figure 112009069478030-PCT00058
인 경우에 대한 전기광학적 응답을 나타내고, 곡선(805c)는
Figure 112009069478030-PCT00059
이고,
Figure 112009069478030-PCT00060
인 경우를 나타낸다. 그러므로, 도 8e는 트위스트 각도(
Figure 112009069478030-PCT00061
)와 기판의 오프셋 각도(
Figure 112009069478030-PCT00062
)에서의 변화들을 기초로 하여 응답 곡선들이 매우 가파르게 만들어질 수 있음을 나타낸다. 구체적으로, 응답 곡선(805b)은 상대적인 위상 각도(
Figure 112009069478030-PCT00063
)가 약 300° 보다 크거나 같은 경우와, 트위스트 각도(
Figure 112009069478030-PCT00064
)가 약 240° 와 약 300° 사이인 경우에 개선된 스위칭 행동에 대하여 상대적으로 가파른 기울기를 보인다. 더욱 일반적으로, 일부 실시예들에서, 상대적인 위상 각도(
Figure 112009069478030-PCT00065
)는 약 70°에서 약 360°까지 일 수 있고, 트위스트 각도(
Figure 112009069478030-PCT00066
)는 약 70°에서 약 360°까지 일 수 있다.
따라서, 본 발명의 일부 실시예들에 따른 액정 편광 격자들은 더욱 비선형적인 전기광학적 응답 곡선을 제공하기 위하여 카이랄 스트레인과 트위스트 구조를 이용할 수 있다. 그러므로, 본 발명의 일부 실시예들에 따른 액정 편광 격자들은 오프 상태에서 온 상태로 더욱 빠르게 스위칭할 수 있고, 그것으로서, 수동 매트릭스 어드레싱 구조들을 이용하여 좀더 제어 가능하게 될 수 있다.
상술한 내용은 본 발명의 예시적인 것이고, 그것의 한정으로 해석되지 않는다. 본 발명의 몇몇 예시적인 실시예들이 설명되었지만, 본 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 신규한 교시들과 이점들로부터 실질적으로 벗어나지 않고서도 예시적인 실시예들에서 많은 변경들이 가능하다는 점을 쉽게 이해할 것이다. 예를 들어, 도 1a 내지 1d 및 도 7a 내지 7d를 참조하여 상술된 구조들은 스위칭 불가능한 액정 물질들 및/또는 스위칭 가능한 액정 물질들을 이용하여 각각 하나 또는 두 개의 기판 어셈블리들에 제조될 수 있다는 점을 이해할 수 있다. 더욱이, 본 명세서에서 설명된 기판들은 그 표면들 상에, 예를 들어, 기판들 상에 투명한 인듐-주석-산화물(ITO) 코팅으로 제공되는 하나 또는 그 이상의 전극들을 포함할 수 있다. 그러므로, 이러한 모든 변경들은 본 발명의 범위 내로 포함되는 것으로 의도된다. 결과적으로, 상술된 내용은 본 발명의 예시적인 것이고, 개시된 특정 실시예들로 한정되는 것으로 해석되어서는 아니되며, 다른 실시예들 뿐 아니라, 개시된 실시예들에 대한 변형들은 본 발명의 범위 내에 포함되는 것으로 의도된다.
따라서, 본 발명의 일부 실시예들에 따른 액정 편광 격자들은 더욱 비선형적인 전기광학적 응답 곡선을 제공하기 위하여 카이랄 스트레인과 트위스트 구조를 이용할 수 있다. 그러므로, 본 발명의 일부 실시예들에 따른 액정 편광 격자들은 오프 상태에서 온 상태로 더욱 빠르게 스위칭할 수 있고, 그것으로서, 수동 매트릭스 어드레싱 구조들을 이용하여 좀더 제어 가능하게 될 수 있다.

Claims (44)

  1. 기판; 및
    상기 기판 상의 제1 편광 격자 층을 포함하고,
    상기 제1 편광 격자 층은 상기 제1 편광 격자 층의 대향하는 면들 사이로 정의되는 제1 두께에 걸쳐서 제1 트위스트 센스(twist sense)에 따라 트위스트 되는 분자 구조를 포함하는 편광 격자.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 편광 격자 층의 분자들 각각의 상대적인 방위들은, 상기 제1 두께에 걸쳐서 제1 트위스트 각도로 회전되고, 이에 따라 상기 제1 편광 격자 층의 국부적 이방성 패턴은 상기 제1 두께에 걸쳐서 연속적인 가변 위상 천이를 가지는 것을 특징으로 하는 편광 격자.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 편광 격자 층 상의 제2 편광 격자 층을 더 포함하고,
    상기 제2 편광 격자 층은 상기 제2 편광 격자 층의 대향하는 면들 사이로 정의되는 제2 두께에 걸쳐서 상기 제1 트위스트 센스에 반대되는 제2 트위스트 센스에 따라 트위스트 되는 분자 구조를 포함하는 것을 특징으로 하는 편광 격자.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제1 편광 격자 층의 분자들 각각의 상대적인 방위들은, 상기 제1 두께에 걸쳐서 제1 트위스트 각도로 회전되고,
    상기 제2 편광 격자 층의 분자들 각각의 상대적인 방위들은, 상기 제2 두께에 걸쳐서 제2 트위스트 각도로 회전되는 것을 특징으로 하는 편광 격자.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제2 트위스트 각도는 상기 제1 트위스트 각도의 대각(opposite angle)을 포함하고, 이에 따라 상기 제2 편광 격자 층의 국부적 이방성 패턴은 상기 제2 두께에 걸쳐서, 상기 제1 두께에 걸친 상기 제1 편광 격자 층의 국부적 이방성 패턴의 위상 천이에 반대되는, 연속적인 가변 위상 천이를 가지는 것을 특징으로 하는 편광 격자.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 제2 트위스트 각도는 약 +70 도이고, 상기 제1 트위스트 각도는 약 -70 도인 것을 특징으로 하는 편광 격자.
  7. 제4항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 편광 격자 층들의 상기 분자들 각각의 방위들은 그들 사이의 경계면을 따라 배향되는 것을 특징으로 하는 편광 격자.
  8. 제3항에 있어서,
    상기 제1 편광 격자 층은, 그 안에(therein) 상기 제1 트위스트 센스를 가지는 카이랄(chiral) 액정 분자들을 포함하는 제1 카이랄 액정 층을 포함하고,
    상기 제2 편광 격자 층은, 그 안에 상기 제2 트위스트 센스를 가지는 카이랄 액정 분자들을 포함하는 제2 카이랄 액정 층을 포함하는 것을 특징으로 하는 편광 격자.
  9. 제3항에 있어서,
    상기 제1 편광 격자 층 및 상기 제2 편광 격자 층 중 적어도 하나는 중합성(polymerizable) 액정 층을 포함하는 것을 특징으로 하는 편광 격자.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 제1 편광 격자 층 및 상기 제2 편광 격자 층 중 다른 하나는 비반응성(non-reactive) 액정 층을 포함하는 것을 특징으로 하는 편광 격자.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 비반응성 액정 층은 네마틱(nematic) 액정 층을 포함하는 것을 특징으로 하는 편광 격자.
  12. 제3항에 있어서,
    상기 기판은 투과형 기판을 포함하는 것을 특징으로 하는 편광 격자.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 기판은 반사형 기판을 포함하는 것을 특징으로 하는 편광 격자.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 제1 두께는, 상기 편광 격자의 동작(operational) 파장 범위 내에 광의 반파장 지연(half-wave retardation)을 제공하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 편광 격자.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 기판 상에 위치하고, 그 안에 제1 주기적 배향 조건을 포함하는 제1 배향 층을 더 포함하고,
    상기 제1 편광 격자 층은 상기 제1 배향 층 상에 위치하고,
    상기 제1 편광 격자 층의 분자들은 상기 제1 배향 층의 상기 제1 주기적 배향 조건에 따라 배향되는 것을 특징으로 하는 편광 격자.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 제1 편광 격자 층 상에 상기 제1 배향 층에 대향하여 위치하고, 그 안에 제2 주기적 배향 조건을 포함하는 제2 배향 층을 더 포함하고,
    상기 제1 편광 격자 층은 상기 제1 배향 층과 상기 제2 배향 층 사이에 비반응성 액정 층을 포함하고,
    상기 비반응성 액정 층은 각각 상대적인 방위들을 가지는 액정 분자들을 포함하고, 상기 상대적인 방위들은 상기 제1 및 제2 배향 층의 상기 제1 및 제2 주기적 배향 조건들 사이의 상대적인 위상 각도와는 다른 트위스트 각도에 의해 상기 두께에 걸쳐서 회전하는 것을 특징으로 하는 편광 격자.
  17. 기판을 형성하는 단계; 및
    상기 기판 상에 제1 편광 격자 층을 형성하는 단계를 포함하고,
    상기 제1 편광 격자 층은 상기 제1 편광 격자 층의 대향하는 면들 사이로 정의되는 제1 두께에 걸쳐서 제1 트위스트 센스에 따라 트위스트 되는 분자 구조를 포함하는 편광 격자의 형성 방법.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 제1 편광 격자 층을 형성하는 단계는,
    상기 제1 편광 격자 층의 국부적 이방성 패턴이 상기 제1 두께에 걸쳐 연속적인 가변 위상 천이를 가지도록, 상기 제1 두께에 걸쳐서 제1 트위스트 각도로 회전하는 각각 상대적인 방위들을 가지는 분자들을 포함하는 상기 제1 편광 격자 층을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 편광 격자의 형성 방법.
  19. 제17항에 있어서,
    상기 제1 편광 격자 층 상에 제2 편광 격자 층을 형성하는 단계를 더 포함하고,
    상기 제2 편광 격자 층은 상기 제2 편광 격자 층의 대향하는 면들 사이로 정의되는 제2 두께에 걸쳐서, 상기 제1 트위스트 센스에 반대되는 제2 트위스트 센스에 따라 트위스트 되는 분자 구조를 포함하는 것을 특징으로 하는 편광 격자의 형성 방법.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 편광 격자 층들을 형성하는 단계는,
    상기 제1 편광 격자 층의 분자들 각각의 방위들이 상기 제1 두께에 걸쳐서 제1 트위스트 각도로 회전하도록 상기 제1 편광 격자 층을 형성하는 단계; 및
    상기 제2 편광 격자 층의 분자들 각각의 방위들이 상기 제2 두께에 걸쳐서 제2 트위스트 각도로 회전하도록 상기 제2 편광 격자 층을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 편광 격자의 형성 방법.
  21. 제20항에 있어서,
    상기 제2 트위스트 각도는 상기 제1 트위스트 각도의 대각을 포함하고, 이에 따라 상기 제2 편광 격자 층의 국부적 이방성 패턴은 상기 제2 두께에 걸쳐서, 상 기 제1 두께에 걸친 상기 제1 편광 격자 층의 국부적 이방성 패턴의 위상 천이에 반대되는, 연속적인 가변 위상 천이를 가지는 것을 특징으로 하는 편광 격자의 형성 방법.
  22. 제20항에 있어서,
    상기 제2 트위스트 각도는 약 +70 도이고, 상기 제1 트위스트 각도는 약 -70 도인 것을 특징으로 하는 편광 격자의 형성 방법.
  23. 제20항에 있어서,
    상기 제2 편광 격자 층을 형성하는 단계는,
    상기 제1 및 제2 편광 격자 층들의 상기 분자들의 각각의 방위들이 그들 사이의 경계면을 따라 배향되도록, 상기 제1 편광 격자 층 상에 상기 제2 편광 격자 층을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 편광 격자의 형성 방법.
  24. 제19항에 있어서,
    상기 제1 편광 격자 층을 형성하는 단계는, 상기 제1 트위스트 센스를 가지는 카이랄 액정 분자들을 제1 액정 층에 도핑하는 단계를 포함하고,
    상기 제2 편광 격자 층을 형성하는 단계는, 상기 제2 트위스트 센스를 가지는 카이랄 액정 분자들을 제2 액정 층에 도핑하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 편광 격자의 형성 방법.
  25. 제23항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 편광 격자 층들을 형성하는 단계는,
    그 안에 제1 주기적 배향 조건을 가지는 제1 배향 층을 기판 상에 형성하는 단계;
    상기 제1 편광 격자 층의 상기 분자들이 상기 제1 주기적 배향 조건에 따라 배향되도록 상기 제1 배향 층 바로 위에 상기 제1 편광 격자 층을 형성하는 단계; 및
    그런 다음 상기 제1 편광 격자 층 상에 상기 제2 편광 격자 층을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 편광 격자의 형성 방법.
  26. 제25항에 있어서,
    상기 제1 편광 격자 층은 중합성 액정 층을 포함하고,
    상기 편광 격자의 형성 방법은, 그 위에 상기 제2 편광 격자 층을 형성하는 단계에 앞서 상기 제1 배향 층 상에 상기 중합성 액정 층을 광 중합하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 편광 격자의 형성 방법.
  27. 제26항에 있어서,
    상기 제2 편광 격자 층들을 형성하는 단계는,
    그 안에 제2 주기적 배향 조건을 가지는 제2 배향 층을 제2 기판 상에 형성하 는 단계;
    상기 제2 배향 층과 상기 제1 배향 층 사이의 간격을 정의할 수 있도록, 그 위에 상기 제2 배향 층을 포함하는 상기 제2 기판을 상기 제1 편광 격자 층에 인접하게 조립하는 단계; 및
    상기 간격 안에 상기 제2 편광 격자 층을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 편광 격자의 형성 방법.
  28. 제27항에 있어서,
    상기 제2 편광 격자 층은 비반응성 액정 층을 포함하는 것을 특징으로 하는 편광 격자의 형성 방법.
  29. 제26항에 있어서,
    상기 제2 편광 격자 층은 중합성 액정 층을 포함하는 것을 특징으로 하는 편광 격자의 형성 방법.
  30. 제19항에 있어서,
    상기 기판은 투과형 기판을 포함하는 것을 특징으로 하는 편광 격자의 형성 방법.
  31. 제17항에 있어서,
    상기 기판은 반사형 기판을 포함하는 것을 특징으로 하는 편광 격자의 형성 방법.
  32. 제17항에 있어서,
    상기 제1 편광 격자 층을 형성하는 단계는,
    상기 제1 편광 격자 층을, 상기 편광 격자의 동작 파장 범위 내에 광의 반파장 지연을 제공하도록 구성된 두께로 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 편광 격자의 형성 방법.
  33. 제1 주기적 배향 조건을 포함하는 제1 기판;
    제2 주기적 배향 조건을 포함하는 제2 기판; 및
    상기 제1 기판과 상기 제2 기판 사이의 액정 층을 포함하고,
    상기 액정 층은, 그것의 대향하는 면들 사이로 정의되는 두께에 걸쳐서, 상기 제1 주기적 배향 조건과 상기 제2 주기적 배향 조건 사이의 상대적인 위상 각도와는 다른 트위스트 각도로 회전하는 각각의 상대적인 방위들을 가지는 액정 분자들을 포함하는 스위칭 가능한(switchable) 편광 격자.
  34. 제33항에 있어서,
    상기 제2 주기적 배향 조건은 상기 제1 주기적 배향 조건에 대해 위상이 어긋나는(out of phase) 것을 특징으로 하는 스위칭 가능한 편광 격자.
  35. 제33항에 있어서,
    상기 액정 층은, 상기 액정 층의 분자 구조를 그것의 두께에 걸쳐서 상기 트위스트 각도로 트위스트 하도록 구성된 트위스트 센스를 가지는 카이랄 도판트를 그 안에 포함하는 네마틱 액정 층을 포함하는 것을 특징으로 하는 스위칭 가능한 편광 격자.
  36. 제33항에 있어서,
    상기 액정 분자들은 상기 제1 배향 층과 상기 제2 배향 층의 상기 제1 배향 조건 및 상기 제2 배향 조건에 따라 그들 사이의 각각의 경계면들에서 배향되고, 상기 액정 층이 그 안에 탄성 에너지 변형(strain)을 포함하도록 상기 액정 층의 두께에 걸쳐서 상기 트위스트 각도로 회전하는 것을 특징으로 하는 스위칭 가능한 편광 격자.
  37. 제33항에 있어서,
    상기 위상 각도는 약 70° 내지 약 360°를 포함하는 것을 특징으로 하는 스위칭 가능한 편광 격자.
  38. 제37항에 있어서,
    상기 트위스트 각도는 약 70° 내지 약 360°를 포함하는 것을 특징으로 하는 스위칭 가능한 편광 격자.
  39. 제1 주기적 배향 조건을 포함하는 제1 기판을 형성하는 단계;
    제2 주기적 배향 조건을 포함하는 제2 기판을 형성하는 단계; 및
    상기 제1 기판 및 상기 제2 기판 상에 액정 층을 형성하는 단계를 포함하고,
    상기 액정 층은 그들의 대향하는 면들 사이로 정의되는 두께에 걸쳐서 상기 제1 주기적 배향 조건과 상기 제2 주기적 배향 조건 사이의 상대적인 위상 각도와 다른 트위스트 각도로 회전하는 각각의 상대적인 방위들을 가지는 액정 분자들을 포함하는 스위칭 가능한 편광 격자의 제조 방법.
  40. 제39항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 기판을 형성하는 단계는,
    상기 제1 기판 상에 제1 배향 층을 형성하는 단계;
    그 안에 상기 제1 주기적 배향 조건을 정의하도록 상기 제1 배향 층을 패터닝하는 단계;
    상기 제2 기판 상에 제2 배향 층을 형성하는 단계; 및
    상기 제1 주기적 배향 조건에 대해 위상이 어긋나는 상기 제2 주기적 배향 조건을 그 안에 정의하도록 상기 제2 배향 층을 패터닝하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 스위칭 가능한 편광 격자의 제조 방법.
  41. 제39항에 있어서,
    상기 액정 층은 네마틱 액정 층을 포함하고,
    상기 액정 층을 형성하는 단계는,
    상기 액정 층의 분자 구조가 그것의 두께에 걸쳐서 상기 트위스트 각도로 트위스트 하도록 구성된 트위스트 센스를 가지는 카이랄 분자를 상기 네마틱 액정 층에 도핑하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 스위칭 가능한 편광 격자의 제조 방법.
  42. 제39항에 있어서,
    상기 액정 층을 형성하는 단계는,
    상기 액정 층의 상기 분자들이 상기 제1 배향 층과 상기 제2 배향 층의 상기 제1 배향 조건과 상기 제2 배향 조건에 따라 그들 사이의 각각의 경계면들에서 배향되고, 상기 액정 층이 그 안에 탄성 에너지 변형을 포함하도록 상기 액정 층의 상기 두께에 걸쳐서 상기 트위스트 각도로 회전하도록 상기 액정 층을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 스위칭 가능한 편광 격자의 제조 방법.
  43. 제39항에 있어서,
    상기 위상 각도는 약 70° 내지 약 360°를 포함하는 것을 특징으로 하는 스위칭 가능한 편광 격자의 제조 방법.
  44. 제43항에 있어서,
    상기 트위스트 각도는 약 70° 내지 약 360°를 포함하는 것을 특징으로 하는 스위칭 가능한 편광 격자의 제조 방법.
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