KR20150013896A - 습윤 중합체 용액 상의 액정 액적 레이저 공진기의 프린팅 및 이로부터 제조된 생성물 - Google Patents

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필립 핸즈
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Abstract

광자 장치가 (i) 액정 물질(504)의 분액을 (예를 들어, 잉크젯 프링팅에 의해) 제공하는 단계; 및 (ii) 유동가능한 물질 층(502)의 표면에 상기 분액을 침착하여 액정 침착체를 형성하는 단계로서, 상기 유동가능한 물질 및 LC 물질이 실질적으로 비혼화성인 단계;에 의해 제조된다. 상기 액정 침착체는 상기 유동가능한 물질 층과의 상호 작용으로 인해, 상기 분액의 형상을 기준으로 하여 변형된 형상을 취한다. 이는 LC 물질의 정렬을 촉진시킨다. 레이저 염료의 포함은 상기 광자 장치가 레이저로 기능하도록 하며, 이는 환경에 따라 문턱치 위에서 또는 그 아래에서 작동될 수 있다. 또한, 상기 광자 장치는 정렬된 LC 물질의 광자 밴드갭에 기반한 수동 소자로 사용될 수 있다.

Description

습윤 중합체 용액 상의 액정 액적 레이저 공진기의 프린팅 및 이로부터 제조된 생성물{Printing of liquid crystal droplet laser resonators on a wet polymer solution and product made therewith}
본 발명은 광자 장치(photonic device)의 제조 방법 및 이러한 방법으로 제조된 광자 장치에 관한 것이다. 본 발명은 특히, 액정 레이저 장치의 제조에 적용되나, 이에 제한되지 않는다.
액정(liquid crystal:LC) 물질은 기능성 광자 물질의 유형이다. LC 물질은 광축을 따라 자기 조직화(self-organize)되는 경향을 갖는 분자들을 함유한다. LC 물질에서 분자들이 배향하는 방식은 이 LC 물질의 광학 성질을 좌우한다. 예를 들어, 키랄(chiral) 액정은 광축 주변으로 나선형 배열로 자기조직화되려는 경향을 갖는다. 물질의 복굴절로 인해, 이러한 나선형 배열은 광축을 따라 굴절률의 주기적 변동을 야기한다. 적합한 주기성의 경우, 이는 원편광(circularly polarized light)의 가시 파장에 대한 광자 밴드갭을 일으킨다.
키랄 LC 물질의 광학 성질은 이들이 쌍안정(bistable) 디스플레이에서 레이저에 이르는 활용 분야에 적합하도록 만든다. 광수집기(light harvester) 또는 게인 매체(gain medium)로서 유기 레이저 염료를 광학 공동(cavity)에 포함시키는 것은 광자 밴드 엣지(band-edge)에서 레이저 방출을 일으킬 수 있다. 이러한 물질들을 기반으로 설계된 레이저 장치는 매우 낮은 제조 비용, 작은 사이즈 및 현재 400 nm 내지 850 nm 범위에서 선택가능한 방출 파장에 특징이 있다(참조문헌 [4] 및 [2] 참조). 비키랄(achiral) LC 물질의 활용은 종래의 평판 디스플레이(네마틱 LCD), 가변성 지연기 및 SLM을 포함한다.
US2011/0097557은 보안 장치, 예를 들어, 은행 어음용 보안 장치의 제조를 개시하며, 여기서, 중합가능한 LC 물질이 고체 PVA 층에 프린팅된다. 이러한 PVA 층은 러빙(rubbed)되지 않으나, 특정 LC 물질에 대해서만 배향을 촉진하는 것으로 발견된다.
대부분의 현대 레이저 시스템에서 사용되는 종래의 반도체 레이저는 고품질의 단일 결정 반도체 웨이퍼 상의 침착, 에칭 및 포토리소그래피 단계의 조합을 포함하는 복잡한 공정을 사용하여 통상적으로 제조되는 고체 상태의 장치이다. 이러한 종래의 레이저는 예를 들어, 바 코팅 또는 잉크젯 프린팅과 같이 비교적 저렴한 프린팅 기술을 사용하여 제조될 수 없다. 앞서, 참조 문헌 [11] 및 [12]에는 프린팅가능한 에멀전계 LC 레이저 시스템이 예를 들어, 유리, 플라스틱, 금속 또는 종이를 포함하는 매우 다양한 기판에 침착될 수 있다는 것을 보여주었다. 이러한 문헌들은 LC 레이저 매체가 에멀전화 샘플 및 간단한 바 코팅 공정을 사용하여 적합한 기판상에 침착되는 것을 기술한다. 이러한 문헌들에서, 액정 및 레이저 염료 조성물이 PVA의 연속상에서 에멀전화되었고, 이러한 에멀전은 이후 상기 기판에 도포된다. 상기 연속상의 뒤이은 건조 및 상기 연속상과의 계적 상호 작용에 의하여, 유리한 응력이 LC 액적에 가해지게 되고, 그에 따라, LC 분자의 적합한 배향의 발현을 돕게 된다.
본 발명의 발명자들은 참조 문헌 [11] 및 [12]에 의해 기술된 접근법이 간단한 제조 공정을 제공함에도 불구하고, 이 접근법이 몇몇 단점을 갖는다는 것을 발견하였다. 개별적 LC 액적들은 크기 측면에서, 통상적으로 수십 내지 수백 마이크론 범위의 직경을 갖는 크기 측면에서, 다분산(polydisperse)된다. 이는 레이저 방출선의 품질에 영향을 준다. 더욱이, 이 액적들은 연속상에서 국부적으로 랜덤하게 분포된다. 그러므로, 참조문헌 [11] 및 [12]에 사용된 접근법은 개별적 액적의 정확한 배치가 불가능하며, 그 결과로 장치로부터 나오는 빛이 방출되는 공간적 위치가 정확하게 제어될 수 없다.
따라서, 본 발명의 발명자들은 상술한 단점들을 LC 레이저 매체(LC lasing medium)의 패턴을 침착함으로써 극복하는 시도를 하였다. 본 발명의 발명자들은, 예를 들어 잉크젯 프린팅에 의해, LC 레이저 매체 침착의 요구되는 패턴을 제조하는 것이 실제 가능하다는 것을 발견하였다. 그러나, 본 발명의 발명자들은 깨끗한 건조 표면상의 LC 레이저 매체의 직접 침착이 LC 분자의 적합한 배향 정도(예를 들어, 키랄 LC 물질을 사용하는 다수의 장치를 위한 적합한 배향은 키랄 LC 나선 축이 기판에 수직으로 배향되어 있는 것이다)를 생성하지 못한다는 것을 발견하였다.
LC 물질 내에서 배향의 제어는 얻고자 하는 특정 용도를 위한 LC 물질의 목적하는 광학 성질을 허용하는데 중요한 것으로 알려져 있다. 예를 들어, 네마틱 LC를 포함하는 평판 디스플레이 장치는, 디스플레이가 기능하도록 하기 위하여, LC 디렉터(LC director)의 균일한 방향, 즉, LC 물질의 배향을 요구한다. 예를 들어, 레이저 매체로서 사용하기 위한 침착된 LC 물질 내에 균일한 배향의 결여는 통상적으로 바람직하지 않은 다중 모드 레이저 방출을 야기하거나, 또는 심지어 레이저 미방출을 야기할 수 있다.
본 발명은 상술한 문제들 중 하나 이상을 해결하기 위해 고안되었다. 바람직하게는, 본 발명은 상술한 문제들 중 하나 이상을 감소시키거나, 개선하거나, 회피하거나 또는 극복한다.
본 발명의 일반적인 측면에서, 본 발명의 발명자들은 액정(LC) 물질을 상기 LC 물질과 실질적으로 비혼화성인 물질의 유동가능한 층에 침착하는 것이 유리하다는 것을 발견하였다. 더욱이, 본 발명의 발명자들은, LC 물질의 충돌 순간에, 상기 물질의 유동가능한 층이 상기 LC 물질 내의 분자들의 배향을 촉진시킨 결과로 LC 물질을 형상화하는 경우 추가의 이점들이 달성될 수 있다는 것을 발견하였다.
첫번째 바람직한 측면에서, 본 발명은 표면 위의 하나 이상의 별개(discrete) 영역에 액정(LC) 물질들을 침착함으로써 광자 장치(photonic device), 예를 들어, 레이저 또는 광학 특징(optical feature)을 제조하는 방법을 제공한다.
두번째 바람직한 측면에서, 본 발명은 광자 장치의 제조 방법을 제공하며, 상기 제조 방법은:
(i) 부피 V의 액정(LC) 물질의 분액(aliquot)을 제공하는 단계로서, 상기 부피 V는 직경 D1의 구의 부피와 동일한 부피인 단계; 및
(ii) 유동가능한 물질 층의 표면에 상기 분액을 침착하여 액정 침착체를 형성하는 단계로서, 상기 유동가능한 물질 및 상기 LC 물질이 실질적으로 비혼화성인 단계;를 포함하고,
상기 액정 침착체가 상기 유동가능한 물질 층과의 상호 작용으로 인해, 상기 분액의 형상을 기준으로 변형된 형상을 취하고, 상기 액정 침착체가, 침착 이전의 상기 유동가능한 물질 층의 표면에 대해 평행한 방향으로 측정하였을 때, 최대 길이 L1을 갖고, L1은 D1 초과이다.
세번째 바람직한 측면에서, 본 발명은 상기 첫번째 또는 두번째 측면의 방법으로 제조된 또는 제조가능한 광자 장치를 제공한다.
네번째 바람직한 측면에서, 본 발명은 상기 첫번째 또는 두번째 측면의 방법으로 제조된 또는 제조가능한 레이저 장치를 제공한다.
다섯번째 바람직한 측면에서, 본 발명은 하부층(underlayer) 위에 형성된 1종 이상의 액정(LC) 물질 침착체를 갖는 광자 장치로서, 상기 하부층이 상기 LC 물질 침착체를 둘러싼 하부층 표면을 갖고, 상기 액정 침착체가, 상기 LC 물질 침착체를 둘러싼 상기 하부층 표면에 평행한 방향으로 측정하였을 때, 최대 길이 L2, 및 상기 LC 물질 침착체를 둘러싼 상기 하부층 표면에 수직인 방향으로 측정하였을 때, 최대 높이 H2를 갖고, L2가 H2 초과이며, 상기 액정 침착체가 상기 LC 물질 침착체를 둘러싼 상기 하부층 표면 위로 돌출하도록(project) 형상화되는 광자 장치를 제공한다.
여섯번째 바람직한 측면에서, 본 발명은 상기 세번째 또는 다섯번째 측면에 따른 광자 장치의 용도로서, 상기 광자 장치가 전자기 방사선의 공급원에 의해 조사되고, 검출기에 의해 또는 관찰에 의해 검출되는 상응하는 반응을 제공하는 광자 장치의 용도를 제공한다.
본 발명의 임의의 측면들은 서로 조합될 수 있다.
본 발명의 임의의 측면들은 하기 선택적 특징들 중 임의의 하나를, 또는, 이들이 양립될 수 있는 정도까지는, 이들의 임의의 조합을 가질 수 있다.
본 명세서에서 사용되는 바와 같은 용어 액정(LC) 물질은 액체 결정질 거동을 나타내는 1종 이상의 화학적 화합물을 50 중량% 이상, 바람직하게는 75 중량% 이상, 더욱 바람직하게는 90 중량% 이상으로 함유하는 물질을 기술한다. 선택적으로, LC 물질은 액체 결정질 거동을 나타내는 것으로 알려진 복수개의 화학적 화합물들을 함유한다. 바람직하게는, LC 물질은 신장된(elongated) 분자를 함유한다.
적합하게는, LC 물질은 키랄 LC 물질이며, 이는 액체 결정질 거동을 나타내는 50 중량% 이상, 바람직하게는 75 중량% 이상, 더욱 바람직하게는 90 중량% 이상의 1종 이상의 화학적 화합물 및 키랄 첨가제(예를 들어, BDH-1281)를 함유하는 물질이다. 키랄 첨가제의 첨가는, LC 물질에서 굴절률 변동의 주기성을 제어함으로써, LC 물질의 키랄성이 제어되도록 한다. 적합한 키랄 첨가제는 미국 특허공보 제6217792호 및 WO 2011/137986에 기술된다. 적합하게는, 키랄 LC 물질은 10 중량% 미만의 키랄 첨가제를 함유한다. 바람직하게는, 키랄 LC 물질은 약 2 중량% 내지 6 중량%의 키랄 첨가제를 함유한다. 키랄 LC 물질은 나선형 배열로 정렬하는 경향을 갖는다. 키랄 LC 물질은 밴드 엣지 레이저(band-edge laser)의 형성에 특히 적합하다. 대안적으로, 키랄 LC 물질은 액체 결정질 거동을 나타내는 것으로 알려진 키랄 화학적 화합물을 함유한다.
LC 물질은 1종 이상의 네마틱, 키랄 네마틱, 스멕틱 또는 청색상 물질일 수 있다. 키랄 네마틱 물질이 특히 바람직하다.
적합하게는, LC 물질이 레이저를 형성한다. 바람직하게는, LC 물질이 광자 밴드-엣지 레이저 발광성을 나타낸다. 대안적으로, LC 물질은 랜덤 레이저 발광성을 나타낼 수 있다.
선택적으로, LC 물질은 형광 염료, 형광 레이저 염료, 양자점, 또는 다른 광 수집기 또는 게인 첨가제, 예를 들어, Nd:YAG, Ti:사파이어, Cr:사파이어, Cr:LiSAF Er:YLF, Nd:유리, 및 Er:유리를 포함하여 LC 물질이 레이저 발광성 매체로 기능하도록 한다.
적합하게는 LC 물질이 네마틱 상을 나타낸다. 네마틱 상을 나타내는 키랄 LC 물질은 특히 밴드 엣지 레이저의 형성에 적합하다. 그러나, 이러한 물질들은 랜덤 레이저를 형성하는데 사용될 수도 있다.
선택적으로, LC 물질은 스멕틱 상을 나타낸다. 키랄 스멕틱 LC 물질은 밴드 엣지 레이저의 형성에 적합하며, 랜덤 레이저를 형성하는데에 사용될 수도 있다.
선택적으로, LC 물질은 청색상 I, II 또는 III를 나타낸다. 청색상 물질은 밴드 엣지 레이저의 형성에 특히 적합하다.
대안적인 구현예에서, LC 물질이 레이저를 형성할 필요는 없다. 이는, 예를 들어, 광자 장치가 수동 장치(passive device)인 것으로 의도되는 경우이다. 적합한 수동 장치는 예를 들어, 브래그형 반사기(Bragg-like reflector)를 포함하며, 여기서, 전자기 스펙트럼의 알려진 부분이 이 스펙트럼의 다른 영역에 걸쳐 선택적으로 반사된다.
바람직하게는, 액정 물질의 분액이 잉크젯 프린팅에 의해 제공된다. 정확한 공간적 배치를 제공하는 문제를 극복하기 위해, 본 발명의 발명자들은 잉크젯 기반 공정을 개발하였으며, 이는 목적하는 방출 특징들을 유지하면서, LC 레이저 또는 다른 광자 장치의 배열을 형성하는 데에 바람직하게 사용될 수 있다.
본 발명의 방법은 액정 물질 침착체의 패턴화된 배열, 예를 들어, 예비 설계된 복합 2 차원 패턴을 형성하는데 사용될 수 있다. 또한, 이러한 패턴화된 배열은 액정 침착체의 규칙적인 배열일 수 있다.
본 발명의 광자 장치는 규칙적 및/또는 패턴화된 배열에서 복수개의 액정 침착체를 가질 수 있다.
선택적으로, 액정 침착체는 상기 LC 물질 침착체를 둘러싼 유동가능한 물질 층(또는 하부층 표면)의 위로 및 아래로 돌출하도록 형상화된다.
선택적으로, 유동가능한 물질 층은 LC 침착체를 적어도 부분적으로 캡슐화한다. 예를 들어, LC 침착체가 렌즈 형상을 취하는 경우, 유동가능한 물질 층은 렌즈 형상의 주요 볼록 표면들 중 하나를 캡슐화할 수 있다.
잉크젯 공정을 사용하는 추가적 이점은 제어가능한 방출 특성으로 레이저 물질 자체의 침착에서의 유연성을 얻을 뿐만 아니라, 추가의 첨가제 처리가 상당히 더 용이하게 수행된다는 것이다. 따라서, 예를 들어, 추가 물질이 잉크젯 프린팅을 통해 침착될 수 있다. 유동가능한 물질 층이 잉크젯 프린팅을 통해 침착될 수 있다(LC 물질의 침착 이전에). 또한, 다른 물질들, 예를 들어, LC 물질의 보호를 보조하거나 제공하고/하거나 LC 물질 내의 정렬(alignment)을 향상시키는 다른 중합체 층이 이러한 방식으로 침착될 수 있다.
액정 침착체의 길이 L1은 유동가능한 물질 층 표면에 평행한 직선을 따라 측정하였을 때, 유동가능한 물질 층 상의 액정 침착체를 가로지르는 최대 거리이다. 예를 들어, 액정 침착체가 평면도에서 봤을 때, 실질적으로 원형 섬인 경우, L1은 섬의 직경이다.
액정 침착체는 최소 너비 W1을 갖는다. 액정 침착체의 너비 W1은 평면도에서 보는 경우, 유동가능한 표면에 평행한 직선을 따라 액정 침착체의 중심점(또는 중심)을 통해 통과하면서 측정하였을 때, 유동가능한 물질 층 상의 액정 침착체를 가로지르는 최소 거리이다. 여기서, 유동가능한 물질 층의 표면은 LC 물질 침착체의 침착 이전에 고려된다. 예를 들어, 액정 침착체가, 평면도에서 봤을 때, 실질적으로 원형 섬인 경우, W1은 섬의 직경이다.
액정 침착체의 너비 W2는 W1과 유사한 방식으로, LC 침착체를 둘러싼 지지체 층 표면(또는 하부층 표면)에 평행하게 측정하였을 때, 지지체 층(또는 하부층) 상의 액정 침착체를 가로지르는 최소 거리이다. W2는 유동가능한 물질 층의 지지체 층(또는 하부층)으로의 변형으로 인해, W1과 상이할 수 있다.
액정 침착체의 길이 L2는 LC 침착체를 둘러싼 지지체 층 표면(또는 하부층 표면)에 평행하게 측정하였을 때, 지지체 층(또는 하부층) 상의 액정 침착체를 가로지르는 걸친 최대 거리이다. 예를 들어, 액정 침착체가 실질적으로 원형 액적인 경우, L2는 액적의 직경이다. L2는 유동가능한 물질 층의 지지체 층(또는 하부층)으로의 변형으로 인해, L1과 상이할 수 있다.
길이 L1은 상기 침착체를 침착한 이후, 정지 이미지 현미경법을 통해 측정될 수 있다. 길이 L2는 유동가능한 물질 층의 지지체 층으로의 변형 단계 이후 정지 이미지 현미경법을 통해 측정될 수 있다.
너비 W1은 상기 침착체를 침착한 이후, 정지 이미지 현미경법을 통해 측정될 수 있다. 너비 W2는 유동가능한 물질 층의 지지체 층으로의 변형 단계 이후 정지 이미지 현미경법을 통해 측정될 수 있다.
또한, 직경 D1은 현미경법을 통해 측정될 수 있다. 잉크젯 프린팅의 경우, D1은 잉크젯 노즐로부터의 형성 이후 그러나 유동가능한 물질 층에서의 침착 이전에, 형성된 액적의 이미지를 포착함으로써 비디오 현미경법을 통해 측정될 수 있다. 대안적으로, 다른 침착 공정의 경우, D1은 LC 물질의 분액의 부피 V 정보를 기반으로 계산될 수 있다
LC 물질 침착체의 높이 H1은 유동가능한 물질 층 표면에 수직으로 측정된 액정 침착체의 최대 높이이다. 따라서, 이번에도, 유동가능한 물질 층의 표면은 LC 물질 침착체의 침착 이전에 고려된다.
액정 침착체의 높이 H2는 LC 물질 침착체를 둘러싼 지지체 층 표면(또는 하부층 표면)에 수직으로 측정된 LC 물질 침착체의 최대 높이이다.
또한, 액정 침착체의 높이 H1 및 H2는 액적의 침착 이후 정지 이미지 현미경법을 통해 측정될 수 있다. 또한, 높이 H1 및 H2는 SEM을 사용하여 측정될 수 있다.
LC 물질 내에서 열악한 정렬(alignment) 문제를 극복하기 위해, 본 발명의 발명자들은 LC 물질과 실질적으로 혼화성이 아닌 특정한 유동가능한 물질이 식별 및 선택될 수 있다는 사실의 이점을 취하는 접근법을 개발하였다. 예를 들어, 적합한 LC 물질은 수성 PVA와 같은 중합체 용액에 혼화성이 아닌 경향을 보인다. 이는 참조 문헌 [9], [11] 및 [12]에서 실증되며, 여기서, 수성 PVA의 연속상에서 LC 물질상의 에멀전이 형성된다. 본 발명의 발명자들이 밝혀낸 바에 따르면, LC 상의 액적의 부피가 유동가능한 물질, 예를 들어, 중합체 용액보다 작은 경우, 유동가능한 물질 층, 예를 들어, 습윤 필름 상의 작은 침착체의 경우에서와 같이, 계면 장력이 LC 상(침착체)을 압박하고 변형시킨다. 이것의 효과는 액정 침착체 내의 LC 분자의 바람직한 정렬을 촉진시킨다는 것이다.
본 발명의 발명자들은 LC 물질의 잉크젯 프린팅이, 프린팅되는 표면 상의 LC 물질의 정확한 공간적 배치가 가능하도록 한다는 것을 발견하였다. LC 물질과 실질적으로 비혼화성인 유동가능한 물질에 LC 물질을 잉크젯 프린팅하는 것은 상기 표면 상의 LC 물질의 공간적 배치를 향상시키고, 또한 LC 물질 내의 정렬을 향상시킨다. 두 물질의 실질적인 비혼화성은 이 물질들이 서로 접촉하여 위치하는 경우, 구별되는 상을 형성한다는 것을 의미한다. LC 물질 침착체가 평면도에서 원형 형상을 갖는 경우, LC 물질과 유동가능한 물질 층 사이의 표면 장력이 LC 물질의 침착체가 직경 D2를 갖도록 형상화하며, 직경 D2는 침착된 LC 물질의 분액과 동일한 부피 V를 갖는 구의 직경 D1를 초과한다. 이러한 변형은 LC 물질 내의 분자의 정렬을 유도한다. 이러한 방법의 비접촉 및 "자가 조립(self-assembly)" 성질은 매우 넓은 범위의 표면 위에서 광자 장치의 저가의 유연한 제조를 가능하게 한다. 또한, 이러한 방법은 LC 물질에서 배향을 유도함으로써 LC 물질의 광자 특성에 대한 제어와 함께 패터닝의 정밀한 제어를 가능하게 한다.
적합하게는, 유동가능한 물질 층에서 유동가능한 물질의 부피가 본 발명의 공정에서 잉크젯 프린팅에 의해 침착된 LC 물질의 부피를 초과한다. 바람직하게는, 유동가능한 물질 층(또는 하부층)의 깊이가 LC 물질 침착체의 최대 높이 H1 및/또는 H2를 초과한다. 더욱 바람직하게는, 유동가능한 물질 층(또는 하부층)의 깊이는 LC 물질의 분액과 동일한 부피 V를 갖는 구의 직경 D1을 초과한다.
바람직하게는, H2는 1μm 초과, 바람직하게는 5μm 초과이다. 바람직하게는 H2는 100μm 미만이다. 바람직하게는, H2는 1μm 내지 100μm 범위, 더욱 바람직하게는 5μm 내지 50μm, 및 가장 바람직하게는 5μm 내지 30μm 범위이다.
바람직하게는, H1 대 H2의 비가 1:1 미만이 아니다.
바람직하게는, H1 대 H2의 비가 50:1을 초과하지 않는다.
앞서 기술된 수치 내의 H2를 갖는 LC 물질의 침착체는 레이저 발생성 공동의 최종 길이로 인해, 레이저로 사용하기에 특히 적합한 것으로 고려된다.
바람직하게는, D1 대 H1의 비가 50:1 미만이다.
바람직하게는, L2 대 H2의 비가 2:1 내지 200:1이다.
바람직하게는, L1 대 D1의 비가 20:1을 초과하지 않고, 바람직하게는 10:1 미만이고, 가장 바람직하게는 3:1 미만이다.
바람직하게는, L1 대 H1의 비가 1:1 미만이 아니다.
바람직하게는, L1 대 H1의 비가 50:1을 초과하지 않는다.
바람직하게는, L2 대 H2의 비가 1.1:1 미만이 아니다.
바람직하게는, L2 대 H2의 비가 1000:1을 초과하지 않는다.
바람직하게는, W1 대 D1의 비가 0.1:1 미만이 아니다.
바람직하게는, W1 대 D1의 비가 20:1을 초과하지 않는다.
바람직하게는, W1 대 W2의 비가 1:1을 초과하지 않는다.
바람직하게는, W1 대 W2의 비가 0.01:1 미만이 아니다.
바람직하게는, L1 대 W1의 비가 1:1 미만이 아니다.
바람직하게는, L1 대 W1의 비가 200:1을 초과하지 않는다.
바람직하게는, L2 대 W2의 비가 1:1 미만이 아니다.
바람직하게는, L2 대 W2의 비가 1000:1을 초과하지 않는다.
본 발명의 발명자들은 앞서 확인된 범위 내에서의 작동이, 유동가능한 물질 층과의 상호작용으로 야기된 형상화 효과로 인해, LC 물질 침착체 내의 LC 물질의 정렬을 촉진시키려는 경향이 있다는 것을 발견하였다.
몇몇 구현예에서, LC 물질은 액체 층 위로 잉크젯 프린팅에 의해 침착된다. 여기서, 액체 층은 본 발명의 두번째 측면의 유동가능한 물질 층의 일례이다.
몇몇 구현예에서, 액체 층은 닥터 블레이드(doctor blade)를 사용하는 필름 코팅, 또는 바 코팅 또는 롤 코팅 또는 연속성 습윤 필름(예를 들어, 용액 층), 개별 액적, 연결된 액적 그룹, 또는 동일한 위치에서의 다수 액적의 잉크젯 침착에 의해 침착된다.
적합하게는, 상기 방법은 상기 유동가능한 물질 층을 지지체 층으로 전환시키는 단계를 포함한다. 통상적으로, 이는 LC 물질 액적의 침착 이후에 일어난다. 선택적으로, 상기 유동가능한 물질 층을 지지체 층으로 전환시키는 단계는 유동가능한 물질 층을 경화시켜 지지체 층을 형성하는 것을 포함한다. 상기 유동가능한 물질 층을 지지체 층으로 전환시키는 단계는 예를 들어, 액체를 고체 또는 반고체(semi-solid)로 전환할 수 있는 임의의 화학적 또는 물리적 공정을 포함할 수 있다. 선택적으로, 상기 유동가능한 물질 층을 전환시키는 단계는 유동가능한 물질 층의 냉각(예를 들어, 고체화), 용매 증발, 가교 결합, 또는 중합(예를 들어, 광유도 중합)을 포함한다. 유동가능한 물질이 용액인 경우, 지지체로의 전환은 상기 용액으로부터 용매의 일부 또는 전부의 증발을 포함할 수 있다. 상기 유동가능한 물질 층을 지지체 층으로 전환시키는 단계는 LC 물질이 지지체 층 내의 목적하는 위치에 지지될 수 있다는 이점을 제공한다. 그러므로, 지지체 층은 바람직하게는 LC 물질 액적이, 예를 들어 광자 장치의 이동 또는 진동 동안, 목적하는 위치로부터 이동하는 것을 방지한다.
또한, 상기 유동가능한 물질 층을 지지체 층으로 전환시키는 단계는 유동가능한 물질 층을 수축시키는 단계를 포함할 수 있다. 또한, 예를 들어, 유동가능한 물질이 용액인 경우, 지지체 층을 형성하기 위한 용매의 증발이 유동가능한 물질 층의 수축을 일으킬 수 있다. 유동가능한 물질의 수축은 LC 물질의 액적을 추가로 변형시켜 LC 물질 내 분자들의 정렬을 추가로 향상시킬 수 있다.
또한, 상기 유동가능한 물질 층을 지지체 층으로 전환시키는 단계는 LC 물질 침착체를 변형시키는 단계를 포함할 수 있다. 상기 유동가능한 물질 층을 지지체 층으로 전환시키는 단계 이후 LC 물질 침착체의 최대 길이는 L2이다. 상기 유동가능한 물질 층을 지지체 층으로 전환시키는 단계 이후 LC 물질 침착체의 최대 높이는 H2이다.
몇몇 구현예에서, LC 물질 침착체의 최대 길이는 유동가능한 물질 층의 지지체 층으로의 변형 동안 증가하여, L2가 L1을 초과한다. 이는 LC 물질 내의 정렬을 추가로 향상시킨다.
몇몇 구현예에서, LC 물질 침착체의 최대 높이가 유동가능한 물질 층의 지지체 층으로의 변형 동안 감소하여 H2가 H1 미만이다. 이는 LC 물질 내의 정렬을 추가로 향상시킨다.
선택적으로, 유동가능한 물질 층의 지지체 층으로의 변형 이후, 지지체 층 위의 LC 물질 침착체의 최대 길이 L2 대 LC 물질의 분액과 동일한 부피 V를 갖는 구의 직경 D1의 비는 바람직하게는 20:1 미만, 더욱 바람직하게는 10:1 미만, 및 가장 바람직하게는 3:1 미만이다.
적합하게는, 상기 방법은 LC 물질 침착체를 경화시키는 단계를 포함한다. LC 물질을 경화시키는 단계는, 예를 들어, 액체 결정질 모노- 및 디-아크릴레이트 물질이 LC 물질에 함유되는 경우 또는 LC 물질 그 자체가 중합가능성인 경우에, 반응성 단량체의 광중합을 포함할 수 있다. LC 물질의 침착된 액적을 경화시키는 것은, 예를 들어 광자 장치의 이동 또는 진동 동안, 본 발명의 방법으로 달성된 향상된 정렬의 붕괴를 방지한다.
적합하게는, 유동가능한 물질은 액체이다. 바람직하게는, 상기 액체는 용액, 예를 들어, 중합체 용액이다. 상기 액체는 콜로이드성 용액, 현탁액 또는 에멀젼일 수 있다. 몇몇 구현예에서, 상기 유동가능한 물질 층이 참조 문헌 [11] 및 [12]에서 기술된 바와 같이 중합체-분산 액정 층이다. 다른 구현예에서, 상기 유동가능한 물질은 생성된 액적, 예를 들어, 겔 또는 페이스트의 도달에 대응하여 가소적으로 변형되는 물질일 수 있다.
유동가능한 물질이 중합체 용액인 경우, 상기 중합체 용액은 하기를 포함하는 그룹으로부터 선택되는 중합체를 포함할 수 있다: PVA; 폴리우레탄; 폴리아미드, 예를 들어, Nylon 6,6; PMMA; 폴리이미드, 폴리(피로멜리틱 디안하이드라이드 옥시디아닐린) 및 폴리스티렌. 용매는 임의의 적합한 용매, 예를 들어, 물, 디클로로메탄, 포름산, 아세톤, 이소-프로필 알콜, 톨루엔, 사이클로헥산 또는 다른 유기 용매 또는 유도체일 수 있다.
선택적으로, 중합체 용액은 1 중량% 내지 30 중량%의 농도를 갖는다. 더욱 바람직하게는, 중합체 용액은 5 중량% 내지 20 중량%의 농도를 갖는다.
몇몇 구현예에서, 상기 유동가능한 물질은 레이저 발생성 물질을 포함하며, 예를 들어, 상기 유동가능한 물질은 참조 문헌 [11] 및 [12]에 기술된 바와 같은 에멀젼계 레이저 발생성 매체일 수 있다. LC 물질 침착체가 레이저 발생성 물질을 포함하는 경우, 유동가능한 물질은 LC 물질 침착체와 동일한 레이저 발생 작용을 나타낼 수 있다. 대안적으로, 유동가능한 물질은 LC 물질 침착체와 상이한 유형의 레이저 발생 작용을 나타낼 수 있다.
바람직하게는, 상기 유동가능한 물질은 LC 물질 내의 정렬을 촉진시키는 정렬 성분을 포함한다. 상기 배향 성분은 LC의 바람직한 배향을 촉진시키는 폴리이미드, 계면활성제, 중합체(예를 들어, 폴리비닐 알콜, 폴리우레탄, 폴리아미드, Nylon 6,6, 폴리메틸 메타크릴레이트 또는 폴리(피로멜리틱, 폴리디안하이드라이드 옥시디아닐린)) 또는 이러한 물질의 유도체를 포함할 수 있다.
정렬 성분을 포함하는 유동가능한 물질은 LC 물질 침착체의 형상화에 의한 물리적 제어에 추가로, LC 물질 내의 정렬의 화학적 제어를 제공하는 이점을 제공한다. 그러므로, 정렬 성분의 사용은 LC 물질 내의 정렬을 추가로 향상시킨다.
바람직하게는, 유동가능한 물질은 정렬 성분을 함유하여 LC 물질에서 평면 축퇴 정렬(planar degenerate alignment)을 촉진시킨다. LC 물질이 키랄 LC 물질인 경우, 적합하게는 평면 축퇴 배향 성분이 LC 물질 침착체 내에서 LC 광축의 호메오트로픽 정렬(수직 앵커(perpendicular anchoring))을 야기한다.
또한, 평면 축퇴 정렬 성분의 사용은 LC 물질 내의 정렬을 추가로 향상시킨다. 예를 들어, 키랄 LC 물질은 상술한 바와 같이 나선 축을 따라 자기 조직화되는 분자들을 함유한다. 상술한 LC 물질 침착체의 형상화는 나선 축의 정렬을 향상시킨다. 유동가능한 물질 층에서 평면 축퇴 정렬 성분의 제공은 LC 물질 침착체의 하부에서 분자들이 유동가능한 물질 층의 표면에 평행하게 정렬되도록 한다. 나선형 구조의 하부에서 이러한 분자들의 정렬은 나선 축들이 유동가능한 물질 층 표면(또는 하부층 표면)에 수직으로 정렬하도록 한다. 이는 밴드 엣지 레이저 발생에서 특히 유리하다.
적합하게는, 유동가능한 물질 층이 기재 위에 형성된다. 본 발명의 다른 이점은 기재의 선택이 특별히 제한되지 않는다는 것이다. 기판은 그 표면에 유동가능한 물질이 침착될 수 있고, 광자 장치에 적합한 지지체를 제공하는 어떠한 물질도 가능하다. 기재는 광투과성 또는 반사성일 수 있으며, 그에 따라, 예를 들면, 레이저로서의 작동을 위한 방사 펌핑으로 LC 물질 액적의 조사를 가능하게 한다. 그러므로, 적합한 기재는 광투과성 유리 및 광투과성 플라스틱을 포함한다. 예를 들어, 상기 기재는 경성이거나 실질적으로 경성이다. 대안적으로 상기 기재는 연성일 수 있다.
기판의 표면은 웰(well) 또는 장벽과 같은 구조로 패턴화될 수 있다. 패턴화된 기판은 유동가능한 층, 침착된 LC 물질 및/또는 보호 층의 공간적 위치 또는 형상의 추가적인 제어를 허용한다.
바람직하게는 유동가능한 물질 층이 닥터 블레이드를 사용한 필름 코팅, 바 코팅, 롤 코팅 또는 연속 필름, 개별 액적, 또는 연결된 액적들의 그룹의 잉크젯 침착를 사용하여 필름 코팅에 의해 침착된다. 유동가능한 물질의 잉크젯 침착은 LC 광자 장치의 연속적 "프린팅"을 허용한다.
대안적으로, 유동가능한 물질은 별개(discrete)의 영역에, 예를 들어, 개별적 침착체의 형태로 또는 선이나 다른 특징을 형성하기 위한 연결된 침착체들의 그룹 형태로 침착될 수 있다. 유동가능한 물질 층의 별개 영역의 제공은 후반에 침착된 LC 물질에 비대칭적인 응력이 유도되어 목적하는 광학 특징을 생성하도록 한다.
잉크젯 프린팅이 사용되어 유동가능한 물질을 침착하는 경우, 잉크젯 침착 방법의 디지털 성질은 또한, 물질 침착의 순서 및 위치를 변경하는 유연성을 허용하며, 예를 들어, 유동가능한 물질 상의 LC 물질 또는 그 반대를 허용하거나, 또는 LC 물질 및 다른 유동가능한 물질의 하나 이상의 층들로 이루어진 다층 구조의 형성을 허용한다. 또한, 기술된 본 발명의 방법의 적용은, 네마틱, 키랄 네마틱, 스멕틱, 청색상 또는 이들 물질의 임의의 조합을 포함하는 광범위한 LC 물질로 확장될 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
적합하게는, 본 방법은 보호 층을 제공하는 단계를 포함한다. 바람직하게는, 보호 물질 층이 LC 물질 침착체의 상부에 침착된다. 보호 물질은 유동가능한 물질과 동일한 물질일 수 있다. 보호 물질 층은 보호 지지체 층으로 변형될 수 있다. 바람직하게는, 보호 물질 층 및 유동가능한 물질 층(또는 지지체 층, 또는 하부층)이 함께 LC 물질 침착체를 전체적으로 캡슐화할 수 있다. 또한, 보호 물질 층이 LC 물질 침착체를 추가로 형상화하여 LC 물질 내의 추가 정렬을 유도할 수 있다.
보호 물질 층은 소수성 또는 친수성 표면을 제공할 수 있다. 보호 물질 층은 산소 포획제 또는 제거제(oxygen scavenger or getter)일 수 있다. 보호 물질 층은 수분 차단제 또는 우선적 흡수제일 수 있다. 예를 들어, 폴리우레탄, PVA, 폴리디메틸실록산 또는 다른 실리콘(silicones)이 사용될 수 있다. 또한, 유동가능한 물질 층에 대해 상술한 선택적 및 바람직한 특징이 보호 물질 층에 적용된다. 예를 들어, 바람직하게는, 보호 층은 정렬 성분을 함유하여 LC 물질 침착체의 정렬을 향상시킨다. 적합하게는, 보호 물질은 하기를 포함할 수 있다: PVA, 폴리우레탄, Nylon 6,6, 폴리메틸 메타크릴레이트, 폴리이미드, 폴리(피로멜리틱 디안하이드라이드 옥시디아닐린), 금속-산화물 중합체 복합체 또는 이들 물질의 유도체.
상술한 바와 같이, 바람직하게는, 유동가능한 물질 층이 LC 물질 분액의 부피 V에서 기인되는 직경 D1을 초과하는 두께 T1을 갖는다. 이것은 유동가능한 물질 층이 LC 물질의 침착체를 형상화하도록 한다.
바람직하게는, 유동가능한 물질이 LC 물질의 생성된 액적의 직경 D1의 10배 미만인 두께 T1을 갖는다. 적합하게는, 두께 T1이 10 mm 내지 10 nm, 더욱 적합하게는, 1 mm 내지 1μm, 및 더더욱 적합하게는 100μm 내지 10μm이다. T1이 너무 큰 경우, 유동가능한 물질 층에 침착된 LC 물질의 액적은 유동가능한 물질 내에 야기된 흐름에 의해 침착 위치로부터 이동될 수 있다. 예를 들어, 유동가능한 물질이 용액인 경우, 유동가능한 물질이 액상으로 존재하는 시간의 길이는 전형적으로, 유동가능한 물질 층의 두께가 증가됨에 따라 증가한다. 용매가 용액 층으로부터 증발됨에 따라, 유동가능한 물질 내에서 유동하는 흐름을 야기할 수 있으며, 이러한 흐름은 유동가능한 물질 층 위의 LC 물질 액적의 위치를 교란시킬 수 있다. 그러므로, 유동가능한 물질 층의 두께 제어가 유리하다. 또한, 유동가능한 물질 층의 경화속도의 제어가 동일한 이유로 유리하다.
바람직하게는, 지지체 층의 두께 T2 대 유동가능한 층의 두께의 비가 1:1 내지 0.01:1이다.
바람직하게는, 유동가능한 물질 층이 층에 걸쳐서 실질적으로 일정한 두께를 갖는다. 유동가능한 물질 층의 잉크젯 프린팅은 이러한 층의 두께의 정밀 제어를 가능하게 한다.
적합하게는, 보호 층이 10 nm 내지 10 mm 범위의 두께를 갖는다.
바람직하게는, 상기 방법이 LC 물질의 두번째, 및 선택적으로, 세번째 및 선택적으로 네번째 등의 분액을 제공하는 단계 및 이를 유동가능한 물질 층에 침착하는 단계를 포함하고, 즉, 단계 (i) 및 (ii)가 반복된다. 이러한 방식으로, 복수개의 광자 위치, 예를 들어, 활성 광자 위치를 갖는 장치가 제공될 수 있다. 적합하게는, LC 물질의 두번째 및 선택적으로 추가의 침착체가, 첫번째 액적의 적가에서와 동일한 유동가능한 물질 층에 침착되나, 각각은 첫번째 액적과 상이한 위치로 침착된다. 이러한 방식으로, 상기 방법은 유동가능한 물질 층 위의 LC 물질 침착체의 배열(바람직하게는 질서있는 배열)을 수득하는데 사용될 수 있다. 대안적으로 두번째, 및 선택적으로 세번째, 및 선택적으로 네번째 등의 침착체가 상이한 유동가능한 물질 층, 즉, 두번째, 및 선택적으로 세번째, 및 선택적으로 네번째 등의 유동가능한 물질 층에 각각 침착될 수 있다. 이러한 방식으로, 상기 방법은 여러개의 분리된 유동가능한 물질 층 위의 LC 물질 침착체를 수득하는데 사용될 수 있다. 이러한 경우에, 유동가능한 물질 층들은 LC 물질의 액적의 상이한 제어를 제공하기 위해, 조성, 두께 등의 측면에서 서로 상이할 수 있다.
몇몇 구현예에서, 상기 방법은 두번째, 및 선택적으로 세번째, 및 선택적으로 네번째 등의 LC 물질의 분액을 생성하는 단계 및 상기 LC 물질을 첫번째 LC 물질 침착체와 동일한 위치에서 유동가능한 물질 층 위에 침착시키는 단계를 포함한다. 이는 LC 물질 침착체의 크기가 제어되도록 한다.
몇몇 구현예에서, LC 물질의 복수개의 분액이 제공되는 경우, 상이한 위치에 침착된 LC 물질이 동일한 LC 물질일 수 있다. 대안적으로, 상이한 위치에 침착된 LC 물질은, 예를 들어 상이한 레이저 발생 작용이 상이한 위치에서 요구되는 경우, 상이한 LC 물질일 수 있다.
바람직하게는, LC 물질의 분액의 부피 V (μm3 단위로 측정됨) 대 LC 물질 침착체의 길이 L1 (μm 단위로 측정됨)의 비는 10:1 내지 1,000,000:1μm2 범위이다.
몇몇 구현예에서, 유동가능한 물질 층이 2종 이상의 별개의 층을 포함하는 것이 바람직하다. 이는 상부층을 제공하기 위해 유리할 수 있으며, 상부층은 도입된 LC 분액과 하부층(또는 하부층들)과의 바람직한 특정 상호작용을 제공하고, 이때 하부층은 도입된 LC 분액과의 바람직한 상호작용 또는 상부층과의 다른 바람직한 상호작용을 제공한다.
여섯번째 바람직한 측면에서, 본 발명은 상기 세번째 또는 다섯번째 측면에 따른 광자 장치의 용도를 제공하며, 여기서, 상기 광자 장치는 전자기 방사선 공급원에 의해 조사되고, 검출기에 의해 또는 관찰에 의해 검출되는 상응하는 반응을 제공한다.
본 발명의 여섯번째 측면과 관련하여, 고려되는 광자 장치의 여러 작동 모드가 존재한다. 이들은 장치 그 자체 및 장치의 조사(illumination)에 따라 다르다.
광자 장치가 레이저인 경우, 장치는 통상적으로 레이저 염료를 포함한다. 전자기 방사선 공급원에 의한 조사는 바람직하게는, 광학 펌핑(optical pumping)을 제공한다. 이러한 경우에, 공급원은 그 자체로 전형적으로 레이저이다. 그러나, 상기 공급원은 대안적으로 LED, 예를 들어, 고전력 LED일 수 있다.
상기 레이저를 문턱치(threshold) 위에서 작동하는 것이 가능하다. 즉, 상기 공급원에 의해 제공된 광학 펌핑이 LC 물질 침착체에서 레이저 발생을 제공하는데 충분하다.
그러나, 대안적으로, 상기 공급원 전력, 상기 공급원의 출력 스펙트럼의 적합한 조정으로, 또는 상이한 공급원을 사용함으로써, 문턱치(threshold) 아래에서 레이저를 작동하는 것이 가능하다. 이러한 경우에, 상기 레이저 염료는 여전히 형광을 발생할 수 있으나, 레이저 염료에 의해 방출되는 광자 개수가 실제 레이저 발생을 일으키는데 불충분하다. 그러나, 상기 장치의 광학 출력은 레이저 염료에 의해 방출된 광자와 LC 물질 침착체의 광자 밴드 갭의 상호 작용과 관련한 특성을 포함할 수 있다. 그러므로, 이러한 경우에, 광자 장치의 문턱치 아래에서의 작동은, 검출될 수 있거나 관찰될 수 있는 특징적 출력을 제공하는데 적합할 수 있다. 이러한 방식으로, 광자 장치의 문턱치 아래에서의 작동은, 적합한 조사 공급원을 사용하여 조회(interrogation)될 수 있는 보안 특징을 제공할 수 있다. 나아가, 다른 형광 발색단이 종래의 레이저 염료 대신 사용될 수 있다. 이들은 다른 형광 타간트(taggant), 염료 또는 양자점을 포함할 수 있고, 예를 들어, 여기서, 원래의 형광은 액정 광자 밴드갭의 존재에 의해 개질된다.
동일한 광자 장치가 앞서 언급된 작동 모드들 중 하나로 작동될 수 있다는 것이 특히 흥미롭게 주목된다. 따라서, 전자기 방사선의 적합한 공급원이 이용가능한 경우, 광자 장치는 문턱치 위에서 작동될 수 있으며, 그에 따라, 상기 장치로부터 레이저 출력을 얻을 수 있다. 그러나, 전자기 방사선의 저전력 공급원만이 이용가능한 경우, 광자 장치는 문턱치 아래에서 작동될 수 있으며, 그에 따라, 문턱치-아래 특성을 갖는 출력을 얻게 된다.
광자 장치는 레이저 또는 형광 염료를 포함할 필요가 없다. 광자 장치는 수동 모드(passive mode)로 사용될 수 있다. 이러한 경우, 주변 광에 의한 또는 특정 공급원(예를 들어, 알려진 스펙트럼 출력의 LED)으로부터의 광에 의한 장치의 조사(illumination)는 광자 밴드갭에 기초하여, 광자 장치로부터의 선택적 반사를 야기할 수 있다. 또한, 비형광 염료, 또는 전자기적 스펙트럼의 특정 부분을 흡수하는 물질이 상기 혼합물에 첨가되어 특징적 성질(characteristic signature)을 형성할 수 있다.
이러한 작동 모드 각각에서, 적합한 배열 또는 패턴으로 배열된 다수의 광자 장치가 제공되는 것이 바람직하다. 이러한 배열 또는 패턴은 질서가 있을 수 있으며, 예를 들어, 어느 정도의 대칭성을 가질 수 있고, 또는 인지가능한 형상을 제공할 수 있다. 그러나, 상기 배열 또는 패턴이 질서를 반드시 가질 필요는 없다. 완전한 랜덤 또는 겉보기에 랜덤한 배열 또는 패턴이 사용될 수 있다. 기판상에의 장치들의 서로에 대한 배치적 위치가 사용되여 정보를 부호화할 수 있다. 이러한 배열 또는 패턴은 기술된 잉크젯 프린팅 접근법을 기초로 달성되기 용이하다. 광학 반응이, 배열 내의 장치들간에 달라질 수 있다. 광자 장치들의 그렇게 얻어진 배열된 광학 반응은, 적합하게 조사(illumination)되는 경우, 가치있는 물체 또는 문서를 식별하기 위한 보안 특징을 위한 강력한 기반을 제공한다.
본 발명의 추가 선택적 특징들이 하기에 설명된다.
본 발명의 구현예들은 이제 첨부된 도면을 참조하여 예로서 기술될 것이다:
도 1은 비교예 1의 침착체에 대한 532 nm의 파장에서 광학 여기하에서의 방출 스펙트럼을 나타낸다.
도 2는 본 발명의 일 구현예에 따른 유동가능한 물질 층의 형성을 나타내는 개략도이다.
도 3a는 본 발명의 일 구현예에 따른 LC 물질의 잉크젯 프린팅을 나타내는 개략도이다.
도 3b는, LC 물질의 침착체 형성 동안 0 μs에서, 도 3a에서 나타난 프린트 헤드의 현미경 이미징 동안 포착된 확대도이다.
도 3c는, LC 물질의 침착체 형성 동안 20 μs에서, 도 3a에서 나타난 프린트 헤드의 현미경 이미징 동안 포착된 확대도이다.
도 3d는, LC 물질의 침착체 형성 동안 50 μs에서, 도 3a에서 나타난 프린트 헤드의 현미경 이미징 동안 포착된 확대도이다.
도 3e는, LC 물질의 침착체 형성 동안 250 μs에서, 도 3a에서 나타난 프린트 헤드의 현미경 이미징 동안 포착된 확대도이다.
도 4a는 0 ms의 기준 시간에서 잉크젯 프린팅 헤드에 의해 형성된 LC 물질의 침착체를 나타내는, 스케일이 표시된 고속 현미경 이미지이다.
도 4b는 기준 시간 이후 0.2 ms에서, 유동가능한 물질 층의 표면과 충돌하는 LC 물질의 침착체를 나타내는, 스케일이 표시된 고속 현미경 이미지이다.
도 4c는 기준 시간 이후 0.6 ms에서, 유동가능한 물질 층 위의 LC 물질의 침착체를 나타내는, 스케일이 표시된 고속 현미경 이미지이다.
도 4d는 기준 시간 이후 100 ms에서, 유동가능한 물질 층 위의 LC 물질의 침착체를 나타내는, 스케일이 표시된 고속 현미경 이미지이다.
도 4e는 기준 시간 이후 500 ms에서, 유동가능한 물질 층 위의 LC 물질의 침착체를 나타내는, 스케일이 표시된 고속 현미경 이미지이다.
도 4f는 기준 시간 이후 2 s에서, 유동가능한 물질 층 위의 LC 물질의 침착체를 나타내는, 스케일이 표시된 고속 현미경 이미지이다.
도 5a는 유동가능한 물질 층 위의 LC 물질의 침착체를 나타내는 도식적인 단면도이다.
도 5b는 유동가능한 물질 층 위의 LC 물질의 침착체를 나타내는 도식적인 평면도이다.
도 6은 본 발명에 따라 침착된 LC 물질의 침착체로부터의, 레이저 염료의 최대 흡수에서의 광학 여기에 따른 레이저 방출을 나타내는 그래프이다.
도 7은 도 6과 동일한 LC 물질에 대한, 여기 에너지의 함수로서의 출력 강도를 나타내는 그래프이다.
도 8은 키랄 네마틱 LC 물질에 대한 그리고 염료와 조합된 동일한 키랄 네마틱 LC 물질에 대한 예시적인 반사 밴드를 나타내는 그래프이다.
도 9는 실시예 5의 샘플에 대한 스펙트럼 반응(response)을 나타낸다.
도 10은 실시예 6의 샘플에 대한 스펙트럼 반응을 나타낸다.
키랄 네마틱 액정(LC)은 쌍안정성 디스플레이로부터 레이저에 이르는 활용 범위를 갖는 기능성 광자 물질의 독특한 유형이다.[1][2] 이러한 물질에서, 신장된 구성 분자들은 나선 축 또는 광축 주변의 나선형 배열(helicoidal arrangement)로 자기조직화한다. 그 결과 얻어진 굴절률의 주기적 변동은 가시 파장에 대한 광자 밴드 갭을 야기한다.[3] 이는 최근 광자 밴드-엣지 레이저 발생 현상의 맥락에서 상당한 주목을 받고 있는데, [2][4]이는, 게인 매체(gain medium)로서 유기 형광 염료를 상기 나선형 구조 또는 광학 공동 내로 투입함으로써, 광자 밴드-엣지에서의 레이저 방출을 야기할 수 있기 때문이다. 이러한 시스템은 60% 초과의 높은 경사 효율 및 좁은 방출 선폭[5]을 제공하고, 또한, 자기 조직화된 "연성(soft)" 주기성 구조로 인하여, 광대역 파장 선택성 및 조절가능성(tuneability)을 제공한다. 통상적인 레이저 방출 파장은 450 nm 내지 850 nm 범위이다[6-10]. 본 발명은 키랄 LC 레이저의 액체형 성질을 활용하고, 이러한 물질들의 잉크젯 침착 접근법을 기술한다. 이러한 접근법은, 종래의 레이저 가공 및 제작과 상반되는 레이저 공급원의 간단하고 임의적인 배치 제어를 가능하도록 하며 기능성 광자 물질 및 장치의 새로운 유형을 실현한다.
레이저 발생성 LC 매체는 제조 비용을 감소시킬 뿐만 아니라, 반도체 레이저 제조에서 요구되는 전통적 공정에서는 현재 접근하기 어려운 표면 또는 장치 상에 코팅을 형성할 수 있는 상당한 잠재력을 제공한다. 개별 레이저 침착체의 위치 및 크기의 정밀하고 제어가능한 배치는 레이저 코팅 및 장치의 기능성을 상당히 향상시킨다. 예를 들어, 질서가 잡힌 레이저 배열 구조는 바이오 분석 배열(bio-assay arrays), 광유체적 활용(optofluidic application) 및 새로운 정보 디스플레이에 특히 흥미롭다.
최근 몇년 동안, 전자 장치 및 생물학 장치의 유연한 제작 방법으로서 잉크젯 프린팅과 같은 직접 기록 공정을 사용하는 것에 흥미가 증가하였다.[14] 본 발명은 "필요에 따른 액적(drop-on-demand)"[15] 잉크젯 침착 공정을 사용하는데, 이는 분액 크기를 정밀하게 제어하고 LC 물질 침착체의 공간적으로 편재된 배열(예를 들어, 공간적으로 편재된 레이저 공급원들)의 형성을 가능하게 한다. LC 레이저 발생성 물질을 유동가능한 물질, 예를 들어, 습윤 상태의 용액 기반 중합체 위에 침착시킴으로써, LC 물질 내에 필요한 정렬(alignment)이 얻어질 수 있다.
LC 물질이 레이저 염료를 포함하는 경우, LC 물질 내에서 필요한 배향이 얻어지면, 레이저 염료의 최대 흡수에서의 광학 여기에 따른 단일 모드 레이저 방출선이 잘 정의된 문턱치 및 좁은 선폭을 갖는 상태인 것으로 관찰된다. 본 발명은 잉크젯 침착 공정이, 종래의 유리 셀 어셈블리 방법을 사용하여 제조된 셀을 제어하는 것에 비해, LC 레이저 시스템의 레이저 발생 문턱치 및 방출 특성에 단지 미약한 영향을 갖는다는 것을 보여준다. 이 결과는 다양한 범위의 분야에 사용하기 위해, 제어된 임의의 크기, 위치 및 파장을 갖는, 진정한 2차원 레이저 배열을 형성할 수 있다는 가능성을 증명한다.
본 발명 개발의 중심적 목표가 레이저 장치를 제조하는 것이나, 최종 장치가 반드시 레이저 장치여야 하는 것은 아니다. 다른 광자 장치가 고려될 수 있다. 다른 광학 효과가 키랄 네마틱 액정의 정렬(alignment)에 의해 생성될 수 있고 가능하게 될 수 있다.
또한, 선택적 파장 반사 밴드로도 알려져 있는 태생적 키랄 네마틱 액정 광학 광자 밴드갭이 홀로 사용되어, (예를 들어, 레이저 염료를 첨가할 필요 없이, 또는 레이저 염료가 첨가되나 레이저 염료의 문턱치-위 작동 없이) 광학 효과 및 광자 장치를 형성할 수 있다.
정렬된 키랄 네마틱 액정의 중요한 성질 중 하나는 나선 축에 평행한 광 전파를 위한 이러한 잘 정의된 1차원 광자 밴드갭이다. 광자 밴드갭 효과를 관찰하기 위해서, 키랄 네마틱 액정의 고유 피치(intrinsic pitch)(즉, 국부 네마틱 디렉터의 360℃ 회전 또는 바람직한 배향에 대한 거리)는 관심대상인 파장 범위와 동일한 규모이어야 한다. 키랄 네마틱 액정의 이러한 광학 성질은 문헌(예를 들어, H.J. Coles, "Handbook of Liquid Crystals" Vol. 2A (Chapter 4) "Chiral nematics: Physical properties and applications" pages 335-411, Editors D. Demus, J. Gooby, G.W. Gray, H.-W. Spiess, V. Vill, Wiley (1998) 참조)에 공지된다.
반사 밴드의 예가 도 8에 나타난다. 이 경우에, 3.9% w/w의 높은 트위스팅 파워(high-twisting power) 키랄 첨가제 BDH-1281이 액정 호스트 BL006에 첨가되었다. 혼합물은 유리 기판들을 포함하는 시험 셀에 모세관 충전되었으며, 유리 기판들은 9μm 스페이서 비드에 의해 분리되었고, 그 표면은 처리(러빙된(rubbed) 폴리이미드)되어 기판에 수직인 나선형 정렬을 얻었다. 이후, 셀을 현미경(Olympus BX-51)에 장착하였고, 백색광으로 조사하였고, 투과광의 특성을 분광기(Ocean Optics USB2000)로 측정하였다.
광자 밴드갭의 중심 파장의 위치(λC) 및 반사 갭의 너비(Δλ)는 하기 관계식에서 주어진, 액정의 고유 피치(P)(LC 디렉터가 360°회전하는 길이 규모) 및 네마틱 액정 호스트의 복굴절(Δn)에 의해 결정된다:
λCC=na υP 및 Δλ=ΔnP
상기 식에서, na υ는 국부 네마틱 디렉터에 평행 및 수직인 굴절률들의 평균이다. 피치(키랄 첨가제의 농도를 통해 용이하게 조정된다) 및/또는 복굴절의 선택을 통해 반사 밴드의 위치 및 너비가 용이하게 조절될 수 있다.
단지 1-D 광자 밴드갭이 나선 축에 평행한 광 전파에 대하여 존재한다. 그러므로, 관찰 방향이 기판에 실질적으로 수직인 키랄 네마틱 액정에 대한 광자 밴드갭을 관찰하기 위해, 키랄 축 역시 기판에 대해 실질적으로 수직으로 정렬되어야 한다. 하기에서 기술되는 본 발명의 바람직한 구현예는 프린트 침착 공정을 통해 이러한 정렬을 촉진시킨다. 몇몇 구현예에서, 피치 및/또는 복굴절의 특정 값을 가져 특정한 파장 또는 파장의 범위가 우선적으로 반사되도록 하는 것이 유용할 수 있다. 예를 들어, 특정 효과를 위해, 스펙트럼의 적색, 녹색 또는 청색 부분을 반사하는 상이한 영역 또는 가시광 스펙트럼의 밖에 있는 영역을 갖는 것이 유리할 수 있다. 바람직하게는, 반사 밴드는 LED 광원이 구비된 장치(예를 들어, 휴대폰, 카메라 폰, 스마트 폰)에 의해 형성된 스펙트럼의 공지된 영역을 반사하도록 의도적으로 설계될 수 있으며, 이때, 그렇지 않은 경우, 상기 재료는 육안에 대해 단지 낮은 가시성만을 갖는다. 원칙적으로, 광학 스펙트럼의 임의의 부위 또는 부분이 선택적으로 반사될 수 있다.
또한, 흡수 특성을 추가로 수정하기 위해, 흡수 염료를 액정 호스트에 첨가하는 것이 실용적으로 유용할 수 있다. 또한, 도 8은 1%의 PM-597 염료가 호스트 키랄 네마틱 액정에 첨가되었던 샘플을 나타낸다. 측정된 광학 특성은 필수적으로 염료 흡수 및 액정 반사 밴드의 중첩이다. 염료의 여러 선택이 통상의 기술자에게 명백하며; 특히, 인증 및 보안 분야에서, 예를 들어, 가시광 스펙트럼의 밖에 있는 영역을 흡수하는 염료를 첨가하는 것이 유익할 수 있다.
예를 들어, 기술된 광학 효과는 특히, 위조 방지, 브랜드 인증 및 일반 보안 프린팅 및 패키징을 위한 고유한 광학 서명(optical signature)을 형성하는데 적용가능하다.
앞서 기술된 수동(passive) 광학 반사에 추가로, 실용적으로 유용한 다른 광학 효과가 생성될 수 있다. 예를 들어, 이들은 키랄 네마틱 광자 밴드갭의 존재에 의해 개질된 전-문턱치(pre-threshold) 레이저 방출 또는 형광을 포함한다. 더욱 자세한 설명이 하기 실시예 5 및 6에 제공된다.
하기 실시예에서 사용된 액정(LC) 물질을, 4.2 중량%의 키랄 첨가제 BDH1281(Merck KGaA)를 비키랄(achiral) 네마틱 LC BL006(Merck KGaA)에 첨가하여 키랄 네마틱 상을 생성함으로써 제조하였다(BL006은 상업적으로 입수가능하며 4-시아노-4'-펜틸-1,1'-비페닐 및 터페닐 유도체를 포함하는 광범위한 온도의 네마틱 액정 혼합물이다). 고광자 효율 레이저 염료인 피로메텐-597(Exciton으로부터 얻어지며 추가 정제 없이 사용된 1,3,5,7,8-펜타메틸-2,6-디-t-부틸피로메텐-디플루오로보레이트 착체)를 1% w/w 농도에서 키랄 네마틱 혼합물에 첨가하였다. 혼합물을, 네마틱으로부터 등방성으로의 전이 온도보다 10℃ 더 높은 온도에서, 24 시간 동안, 오븐에 위치시켜 구성 성분들의 충분한 열적 확산을 보장하였다. LC 침착체의 레이저 파장을 규정하는 장파장 광자 밴드-엣지의 위치를 확인하기 위해, 혼합물을 역평행 러빙된(antiparallel rubbed) 폴리이미드 정렬 층을 갖는 10μm 두께의 유리 셀 내로 모세관 충전하였다.
비교예 1
세척된 평탄한 유리 기판에 레이저 발생성 LC 제형을 침착하여 초기 실험을 수행하였다. 최적화된 레이저 발생성 LC 혼합물은 네마틱 액정 BL006, 높은 트위스팅 파워의 키랄 첨가제(4.2 중량%의 BDH-1281) 및 형광 염료(1 중량%의 피로메텐-597)을 함유하였다. 이 혼합물은, LC 매체 내의 염료가 585 nm에 근접한 게인 최대치에서의 방출 파장을 갖도록 설계되었다. LC 혼합물의 점도는 20℃에서 약 110 mPa.s였고, 프린트 헤드 제조사(MicroFab)에 의해 제안된 제트 한계 20 mPa.s를 상당히 초과하였다. 그러나, LC 혼합물의 확장된 유변학 측정은 이의 점도가 전형적인 아레니우스(Arrehenius) 거동을 준수하면서 고온에서 상당히 감소한다는 것을 보여주었다. 상업적 잉크젯 시스템이 실온 또는 다소 상승된 온도에서 통상적으로 잉크를 처리하는 반면, 훨씬 더 높은 잉크 온도가 상변화 레지스트(phase-change resists) 같은 기능성 물질의 프린팅에 실현 가능한 것으로 나타났다. [16]그러므로, 프린트 헤드를 LC 레이저 혼합물의 등방성 대 네마틱 전이점에 근접한 90℃ 내지 95℃로 가열하여 프린팅에 대한 최적 점도를 제공하였다. 프린팅 이후, 대략 200 마이크론의 전형적 직경을 갖는 균일한 고착성(sessile) 액적을 얻었다.
세척된 평탄한 유리 기판에 잉크젯 침착한 이후 얻어진 침착체는 교차 편광판들 사이에서 시험하였다. 디렉터 배향에서 결함을 나타내는 회귀선(disclination line)들이 액적에 걸쳐 널리 퍼졌다는 것이 명백하였다. 또한, 비균일성이 침착체 (이 경우에 실질적으로 원형인 액적) 내에서 보였으며, 이는 액적의 중심에서 가장자리로의 색상 변화에 의하여 표시된다. 교차 편광판 하에서 관찰하였을 때, 액적의 색상은 중심에서 적색이었으며, 액적의 가장자리 쪽으로 갈수록 액적 두께가 감소됨에 따라 청색으로 변화하였다.
방출 특징을 시험하기 위해, 샘플들을, 110 마이크론의 초점 크기로 초점을 맞추고, Nd:YAG 레이저의 제2 고조파(second harmonic)(532 nm, 3-4 ns 펄스 지속)으로 광학적으로 여기시켰다. 그 결과 얻어진 방출 프로파일은, 도 1에 나타난 바와 같이, 강력한 다중 모드 레이저 발생 출력을 실증하였으며, 이는 대략 560 nm 내지 620 nm 사이(PM-597의 형광 방출 곡선에 대응한다)의 일련의 가변성 선폭 피크로 특징지어진다. 레이저 발생 모드의 큰 숫자는 나선형 피치의 상이한 값을 갖는 영역으로 이루어진 액적 내의 다중 도메인을 표시한다.
Morris [2005][13]에 의해 기술된 러빙된 평면 표면 정렬된 LC 셀에서의 이전 연구는, 약간 상이한 피치 값을 갖고 또한 펌프 초점 크기(pump spot size) 이하의 통상의 도메인 크기를 갖는 다중 도메인 샘플이 다중 모드 레이저 발생 출력을 야기한다는 것을 보여주었다. 다른 한편으로, 단일 도메인 샘플은 고품질의 단일 모드 레이저 발생을 나타내었다. 열악한 방출 특성, 예를 들어, 도 1에 나타난 바와 같은 특성들은 레이저 활용 분야 범위를 상당히 제한하는데, 이들 분야는 잘 정의된 방출 파장에 중심을 둔 좁은 선폭을 통상적으로 요구한다.
실시예 1
10 중량%의 폴리비닐 알콜 PVA(평균 분자량 10,000 amu, 85% 가수분해됨) 용액을 깨끗한 유리 슬라이드에 드롭 캐스팅하여 습윤 PVA 필름을 형성하였다. PVA 용액을 스퀴지(squeegee)로서 제2 유리 슬라이드를 사용하여 침착시키기 이전에, 50μm 두께의 폴리이미드(Kapton) 테이프를 깊이 게이지(depth gauge)로서 제1 유리 슬라이드에 두었다. 단일 노즐 Microfab 프린팅 장치(80μm 노즐 직경)로 이루어진 맞춤형 프린팅 장치를 사용하여 습윤 PVA 필름에 LC 침착체를 패턴화하였다. LC 혼합물의 점도를 실온에서 110 mPa.s에서 MicroFab 장치의 제트가능한 한계 20 mPa.s로 감소시키기 위해, 프린트 헤드를 등방성 대 네마틱 전이 온도 바로 밑인 90℃ 내지 95℃ 사이로 가열하고 유지시켰다. 맞춤형 공기식(pneumatic)/진공 제어기를 사용하여 노즐에서 LC 메니스커스(meniscus) 위치를 유지시켰으며, 쌍극성 파형이 습윤 PVA 필름에 LC 물질을 분사하는데 적용되었다.
LC 물질 내에서 유도된 정렬의 목적하는 특성들을 조합하는 시도로, 예를 들어, 단일 모드 레이저 방출 특성을 얻는데 필요한 정렬과 LC 물질의 정확한 공간적 배치를 조합하는 시도로, 본 발명의 발명자들은 앞서 기술된 대안적 침착 접근법을 개발하였으며, 여기서, 도 2 및 3에서 나타난 바와 같이, LC 물질은 유동가능한 물질 층, 예를 들어, 탈이온수 내의 10 중량%의 PVA 중합체 용액의 습윤 필름에 직접 프린팅된 혼합물이다.
도 2는 기판(200) (이 경우, 유리 슬라이드) 상에서 유동가능한 물질 (202)(이 경우, 위에서 기술된 PVA 중합체 용액)의 침착을 도시하는 개략도를 보여준다. 이 기판은 깊이 게이지(204)가 구비되며, 이러한 실시예에서, Kapton 테이프가 유리 슬라이드(200)의 양면을 따라 깊이 게이지로서 제공된다. 유동가능한 물질(202), 예를 들어, 앞서 기술된 PVA 중합체 용액이 임의의 적합한 방법, 예를 들어, 앞서 기술된 드롭 캐스팅으로 기판 상에 침착된다. 바 또는 블레이드(206), 예를 들어, 유리 슬라이드는 이후 화살표(210)로 나타난 방향으로 기판을 가로질러 당겨져서 일정한 두께를 갖는 유동가능한 물질 층(208)을 뒤에 남기게 된다. 유동가능한 물질 층(습윤 필름)의 두께는 깊이 게이지(204)에 의해 규정되며, 이러한 경우, 유동가능한 물질 층을 가로질러 대략 50μm였다. 유동가능한 물질 층을 침착하는 이러한 방법은 닥터 블레이딩으로 알려진 방법이다.
도 3a는 도 2에서 기술된 바와 같이 침착된 유동가능한 물질 층 상의 LC 물질의 잉크젯 프린팅을 나타내는 도식이다. 도 2에 기술된 특징들은 다시 기술되지 않으나 유사한 참조 번호로 제공된다. 도 3a는 LC 물질의 분액(이 실시예에서는 액적)을 생성하는 프린트 헤드(300) 및 유동가능한 물질 층(208) 상의 LC 물질 침착체를 보여준다. 프린트 헤드는 임의의 적합한 제어 수단, 예를 들어, 압전 제어 수단으로 제어하여 유동가능한 층 상에 LC 물질 침착체를 정밀하게 위치시킨다. 이러한 실시예에서, 프린트 헤드 잉크젯은 LC 물질 침착체들의 질서있는 배열을 프린팅한다. 도 3b 내지 3e는 LC 물질의 침착체가 형성되고 유동가능한 물질 층 상에 LC 물질 침착체(304)로서 침착됨에 따른 프린트 헤드(300)의 프린트 헤드 팁(302)을 통과하는 확대 단면도를 나타낸다. 도 3b는 (0μs에서) LC 물질의 액적 생성 이전의 프린트 헤드 팁을 나타낸다. 도 3c는 LC 물질의 액적 생성이 시작된 이후 20μs에서 프린트 헤드 팁을 나타낸다. 도 3d는 LC 물질의 액적 생성이 시작된 이후 50μs에서 프린트 헤드 팁을 나타낸다. 도 3e는 LC 물질의 액적 생성이 시작된 이후 250μs에서 LC 물질의 액적 형성을 나타낸다; 이러한 액적은 이후 유동가능한 물질 층(208) 위로 침착된다.
통상적인 액적 침착 이벤트의 주요 단계가 도 4a 내지 4f에서 나타나며, 이는 고속 카메라로부터 포착된 이미지를 보여준다. 도 4a는 잉크젯 프린팅에 의한 액적의 생성 이후, 유동가능한 물질 층(402)에 도달하는 LC 물질의 대략 구형인 액적(400)을 나타낸다. 도 4b는 도 4a에 나타난 이미지 이후, 0.2 ms에서 유동가능한 물질 층 (402)의 표면에 충돌하는 LC 액적을 나타낸다. LC 물질 액적이 표면에 충돌함에 따라, 유동가능한 물질 층의 표면 및 액적의 순차적인 변형이 분명하다. 그러나, 도 4a에서 나타난 이미지 이후에, 0.6 ms, 100 ms 및 500 ms에서의 각각의 프레임인 도 4c 내지 4e에서, 습윤 PVA 용액의 LC 액적에 대한 표면 장력 및 비혼화성이 액적이 벌크 중합체 용액으로 도입되는 것을 방지하기에 충분하다는 것이 명백하다. 결과적으로, 2s 프레임인 도 4f에서, 액적이 명확한 대칭적 프로파일을 갖는 필름의 표면 위에 평형화 위치에서 나타난다.
레이저용 스탠딩 나선 배열에서 LC의 필요한 정렬은 PVA 중합체와 LC의 상호 작용과 LC 액적의 변형을 통해 발생한 기계력의 조합을 통해 달성되는 것으로 나타난다. PVA 중합체와 네마틱 및 키랄 LC들 둘다의 상호작용은 중합체 분산된 액정 장치(PDLC)의 내용에서 이미 시험되었다.[17] PVA가 계면에서 LC 디렉터의 평행한 배열을 촉진시키는 것으로 확인되었다.[18,19] 도 4b 내지 4e에서 표시된 충돌 과정, 및 도 4f에 나타난 평형 상태에 도달함에 따른 최종 측면 전단(lateral shear)에 이어서, LC 액적은 PVA 필름에 수직한 단축(minor-axis)을 갖는 편구(oblate)의 형태를 취한다. 유동가능한 물질에 의해 캡슐화된 LC 물질의 액적의 표면 위의 LC 물질과 유동가능한 물질 사이의 경계가 점선(404)으로 나타난다. 도 4f에서 유동가능한 물질 층 상의 LC 물질 침착체의 길이 L1(이 실시예에서, 침착체는 실질적으로 원형 액적이었으므로, 길이 L1은 침착된 액적의 직경이다) 대 도 4a에서 생성된 LC 물질 분액과 동일한 부피 V를 갖는 구의 직경 D1(이 실시예에서, LC 물질의 분액은 직경 D1의 실질적으로 구형인 액적이었다)의 비가 대략 2:1(D1은 80μm로 측정되었고, L1은 160μm로 측정되었으며, H1은 51μm로 측정되었다)이다. 유동가능한 물질 층 및 LC 물질 침착체가 건조되었을 때, 길이 L2 대 D1의 비가 대략 3:1이었다(L2는 250μm로 측정되었고, H2는 10μm로 추정되었다). 액적이 표면을 계속 습윤하지 않았고, 액적 형상과 프로파일이 모두 필름이 건조된 이후 고정되어 유지되었다는 것이 주목할만하다. 평행한 앵커링(anchoring) 및 측방향 움직임의 조합이 도 5에 표시되고 편광 현미경을 통해 확인된 스탠딩 나선 정렬을 야기한다.
도 5a는 두께 T1을 갖는 유동가능한 물질 층(502)를 지지하는 기판(500)의 도식적인 단면도를 나타내며, LC 물질의 실질적으로 원형인 침착체(504)가 유동가능한 물질 층(502) 위에 형성된다. 도 5는 본 발명의 방법에 따라 형성된 LC 물질 침착체의 편구(oblate) 형태를 나타낸다. LC 물질의 침착은 높이 H1 및 최대 길이 L1(이 경우, 직경)를 갖는다. 이러한 실시예에서, LC 물질은 신장 분자 (506)를 포함하는 키랄 LC 물질이다. LC 물질과 유동가능한 물질 사이의 불혼화성 및 표면 장력이 연신 분자에서 나선형 정렬(helicoidal alignment)을 유도한다.
도 5b는 유동가능한 물질 층 (502)의 도식적인 평면도를 나타내며, LC 물질 침착체 (504)가 유동가능한 물질 층 (502) 위에 형성된다. 도 5b에 나타난 LC 물질 침착체는 최대 길이 L1 및 최소 너비 W1을 갖는 타원 형상을 갖는다.
실시예 1에서 기술된 바와 같이 생성된 본 발명의 LC 물질 침착체의 배열은 교차 편광판들 사이에서 시험되었다. 비교예 1에서 기술된 비처리된 표면 위의 침착된 액적과 비교해 볼 때, 본 발명에 따라 생성된 LC 물질 침착체가 비교예 1에서 기술된 바와 같은 깨끗한 유리 기판 상의 LC 물질 침착체 보다 더욱 우수한 균일성을 가진다. 본 발명에 따라 침착된 모든 LC 물질 침착체는 교차 편광판 사이에서 관찰하였을 때, 전체 침착체에 걸쳐 적색이었다. 이는 비교예 1에서 기술된 결과와 비교하였을 때, 침착체에 걸친 더욱 균일한 키랄 네마틱 피치에 직접 기인한 것이다. 본 발명에 따라 생성된 침착체의 질감은 교차 편광판 사이에서 관찰하였을 때, 45°만큼 회전 하에서 변함이 없이 유지되는 것으로 발견되었으며, 이는 LC 프로파일이 액적 그 자체 내에서 회전적으로 대칭적이라는 것을 표시한다. 더욱이, 액적 내에서 광학 소광이 없다. 즉, LC 디렉터가 편광판 또는 분석기에 평행 또는 수직인 영역이 없다. 물질이 키랄이라는 사실과 조합하였을 때, 여기서, 국부적으로 균일한 액정 디렉터가 전진하여 거시적 나선형을 형성하고, 이러한 관찰들은 유사한 LC 디렉터 프로파일이 나선형 축이 기판에 수직인 것(그랑장 텍스쳐(Grandjean texture) 또는 균일한 스탠딩 나선)이라는 점을 제시한다. 이러한 배향은 기판에 법선인 키랄 LC에서 단일 모드 광자 밴드-엣지 레이저 발생을 위한 전제 조건이며, 여기서, 레이저 방출은 나선 축을 따라 발생한다.[2]
요구되는 키랄 LC 벙렬의 관찰에 이어, LC 레이저 발생성 침착체의 방출 특징들을 시험하였다.
피로메텐 도핑된 LC 에멀전 샘플로부터 여기 레이저 문턱치 및 방출의 편광을 측정하기 위해, 코팅된 필름을 네오디뮴 이트륨 알루미늄 가넷 (Nd:YAG) 레이저 (Polaris II, New Wave Research)의 제2 고조파(파장 = 532 nm)로 광 펌핑하였고, 이는 3 내지 4 ns 펄스 지속 시간과 1 Hz의 반복률을 가졌다. 입력 에너지는 내장된 감쇠 시스템으로 조절되며, 캘리브레이팅된 전력계에 연결된 초전형(pyroelectric) 헤드를 사용하여 모니터링하였다. 두 경우에서, 펌프 빔이 광자 밴드갭과 상호작용하지 않는 것을 보장하기 위해, 선형 편광이 4분의 1 파장판을 사용하여 키랄 네마틱 LC의 나선에 반대되는 손잡이의 원형 편광으로 전환되었다. 이후, 펌프 빔은 양면 볼록 렌즈를 사용하여 샘플에서 110μm의 초점 크기로 초점을 맞추었다. LC 샘플로부터의 출력을 기판의 전방 방향(나선의 축에 평행함)으로 수집하였고, 복렌즈 및 요철렌즈로 이루어진 렌즈 조합을 사용하여 HR2000 범용 직렬 버스(USB) 분광기(Ocean Optics, 분해능 0.3 nm)에 초점을 맞추었다. 펌프 빔의 검출을 회피하기 위해, Nd:YAG 레이저로부터의 출력을 제거하기 위하여 검출기 앞에 롱 패스 필터(long pass filter)를 삽입하였다.
532 nm에서 광학 여기 이후, 최종 방출 스펙트럼 및 입력-출력 특징이 도 6 및 7에 나타난다. 도 6에서, 샘플은 580 nm의 방출 피크를 갖는 명백한 단일 모드 거동을 나타내고, 이는 광자 밴드 엣지의 장파장 및 1 nm 미만의 선폭에 대응한다. 도 7은 출력 에너지의 함수로서의 입력의 플롯을 나타내며, 샘플은 대략 300 nJ/pulse의 레이저 발생 문턱치를 나타낸다. 역평행 정렬 층들로 제조되고 10μm 투과 테스트 셀 내로의 모세관 작용에 의해 충전된 종래의(비제트형(non-jetted)) 샘플에 대해, 문턱치는 100 nJ/pulse로 측정되었다. 증가된 문턱치에 대한 주요 원인은 액적과 레이저 공간 프로파일의 부적절한 매칭인 것 같으며, 이는, 액적 내로 유용하게 인커플링(in-coupled)되지 않고 있는 일부 입사광이 존재한다는 것을 의미한다. 본 발명의 방법에 따라 제조된 LC 물질 침착체에 대한 광학 높이 H2는, 게인 최대치 근방의 레이저 발생의 경우, 상술한 바와 같이 약 10μm이다.[20] LC 레이저의 편광 상태는 실험적으로 결정되었으며, 나선형 구조의 손잡이(handedness)에 매칭되면서, 우선회 원형 편광(right-circularly polarized)되는 것으로 발견되었다. 이것은 레이저 메커니즘이 광자 밴드 갭의 에지에서 상태의 높은 밀도로 인한 것이라는 추가 증거를 제공한다.[21] 레이저 발생 출력의 단일 모드 성질은 이러한 잉크젯 침착 기술에 의해 생성된 액적 균일성에서의 상당한 향상의 직접적인 결과인 것으로 나타날 것이다.
실시예 2
본 발명의 발명자들은 프린팅에 사용되도록 설계된 물질 및 잉크의 점도 및 다른 성질들, 예를 들어, 표면 장력을 제어하는 것이 실제 유용하고 유리하다는 것을 고려한다. 이것은 특히 잉크젯 프린팅에서 사실이며, 잉크젯 프린팅에서, 성공적인 프린팅 또는 분사(jetting)를 위한 통상적인 점도 요구가 대략 20 mPa.s 이하이며, 표면 장력은 이상적으로 약 20 내지 70 mN/m이다. 2013년 5월 16일에 접속된 URL: [http;//www.microfab.com/images/pdfs/microjet_mf4]의 논의 사항을 참조한다.
잉크젯 프린팅을 위한 적합한 조건을 형성하는 종래의 방법은 프린트 헤드 및/또는 저장소를 가열하여 프린팅되는 물질의 점도 및 표면 장력이 적합한 범위 내에 들어오도록 하는 것이다. 액정을 포함하는 다수의 물질에 대해, 점도는 온도에 강한 의존성을 갖고; 점도는 통상적으로 물질의 온도에 아레니우스형 또는 기하급수적 의존성을 따른다. 그러나, 가능한 한 실온에 가까운 온도에서 제트가 가능한 것이 유용하며, 이는 이것이 프린트 헤드에서 복잡한 가열 요소의 필요성을 감소시키고, 기성품 장치가 사용되는 것을 가능하게 하며, 낮은 비용 및 더욱 광범위하게 사용가능한 제조 장치를 야기하기 때문이다.
액정 물질의 경우, 주어진 온도에서 점도를 감소시키거나 성공적인 프린팅이 일어날 수 있는 온도를 낮추는 특히 적합한 하나의 방법은 전이 온도를 낮추는 것이며, 전이 온도에서, 액정 물질 또는 중간상이 일반적인 등방성 액체로 상 전이를 겪는다. 이러한 기술 분야에서, 혼합물의 조성 및 LC 물질의 개별적 성분들의 선택에 의하여, 상전이 온도 또는 투명점이 넓은 범위에 걸쳐(예를 들어, 0℃ 미만에서부터 200℃ 초과까지) 제어될 수 있다는 것은 잘 알려져 있다.
본 실시예 2에서, 3%의 키랄 도펀트 R-5011(Merck)를 LC E-100(Merck, 독일)에 용해시켰다. 이 혼합물의 투명점은 약 68℃이었다. LC 침착체를 프린팅하는데 사용되었던 단일 노즐 Microfab 프린팅 장치(80μm 노즐 직경)로 이루어진 맞춤형 프린팅 장치를 사용하여 이 혼합물을 잉크젯 프린팅하였다. LC를 습윤 PVA(탈이온수 내의 10% PVA; PVA는 10,000 amu 평균 중량이었으며 85% 가수분해됨) 필름에 침착시켰다. 습윤 필름을 표준 K-바 바 코팅기(RK Print Ltd. 영국)을 사용하여 6, 24 및 100μm의 여러가지 필름 두께를 갖도록 침착하였다.
스탠딩 나선형 정렬을 광학 관찰을 통해 확인하였다. MicroFab 장치의 제트가능한 한계 20 mPa.s까지 LC 혼합물의 점도를 감소시키기 위해, 프린트 헤드를 가열하였고, 대략 77℃에서 유지시켰으며, 이는 약 68℃의 상전이 온도를 초과한다. 맞춤형 공기식/진동 제어기를 사용하여 노즐에서 LC 메니스커스 위치를 유지시켰고, 쌍극성 파형이 습윤 PVA 필름상으로 LC 물질을 방출하는데 적용되었다.
그러므로, 본 실시예는 LC 물질의 프린팅 온도를, LC 잉크의 조성을 적합하게 제어함으로써, 실시예 1에 비교하여 약 20℃만큼 감소시키는 것이 가능하다는 것을 실증한다.
실시예 3
키랄 LC의 침착체가 침착된 이후, LC 물질을 가교 결합시키는 것이 가능한 것이 실제 유용하다. 이는 장치의 환경적 및 기계적 강인성(ruggedness)을 향상시키고/시키거나 추가의 기능성을 장치에 첨가하도록 한다.
LC 물질을 가교결합하기 위해, 적합한 양의 반응성 메소겐(액정 물질이지만, 접합/가교결합을 허용하는 반응성 화학적 작용기(예를 들어, 아크릴레이트기)를 LC 분자 그 자체의 일부로서 함유하는 물질이 키랄 LC 혼합물에 포함된다. 원칙적으로, 반응성 메소겐의 농도는 0% 초과 내지 100% 이하일 수 있다(100%는 존재하는 모든 LC 분자들이 가교결합이 가능한 기를 갖는 상황을 나타낸다).
실시예 3에서, 3.2%의 키랄 도펀트 R-5011를 UCL-011-K1(Dai-Nippon Ink Corporation, 일본)에 용해시켰다. 이 물질을 115℃의 프린트 헤드 온도에서 성공적으로 제트시켜 24 내지 50μm 두께의 습윤 PVA 필름에 침착하였다. PVA 필름이 실시예 1에 기술된 바와 같이 형성되었다. 침착된 물질은 이후 UV로 10분간 경화하였다(365 nm, Omnicure S1000, 10 mW/cm2).
스탠딩 나선 정렬을 실시예 1과 유사한 방식으로 광학 관찰을 통해 확인하였다.
실시예 4
습윤 PVA 필름의 형성과 잉크젯 프린팅에 의한 LC 분액의 순차적 침착 사이의 타이밍(timing) 효과를 평가하기 위해 실험 작업을 수행하였다. 습윤 PVA 필름의 형성과 잉크젯 프린팅에 의한 LC 분액의 순차적 침착 사이의 시간의 양을 본 명세서에서 "처리 시간"으로 지칭한다.
이러한 작업에 기초하여, 바람직한 처리 시간의 하한이 나타나며 이 하한 시간 이후에만 LC의 성공적인(즉, 스탠딩 나선) 정렬이 생성되는 것으로 발견된다.
처리 시간의 최소 값은 습윤 필름 두께, 조성 및 처리 조건에 따라 달라지는 것으로 발견된다.
24μm 두께의 습윤 PVA(H2O 내의 10% PVA) 필름에 대해, 최소 처리 시간이 250 초 미만 근처이다. 이러한 최소 시간은 습윤 필름의 출발 두께가 감소됨에 따라 감소한다. 관찰된 바에 따르면, 최소 처리 시간은 기판의 활성 건조에 의해 추가로 제어(감소)될 수 있다.
걸쭉하거나 또는 상대적으로 희석된 유동가능한 물질 층의 경우, 상대적으로 긴 처리 시간을 사용하는 것, 또는, 처리 시간을 감소시키기 위한 활성 수단(예를 들어, 활성 건조)을 취하는 것이 통상적으로 필요하다.
이론에 구속되기를 원하는 것은 아니지만, 본 발명의 발명자들은 이러한 현상이, LC 물질의 정렬을 촉진시키는 적합한 조건을 제공하기 위해, 적합한 농도(건조에 의해)를 설정하고 거기에 도달하여야 한다는 유동가능한 물질 층에 대한 요구로 인한 것일 수 있다는 것을 고려한다.
특정 필름 두께에 대한 최소 처리 시간 이전 및 이후의 액적 정렬, 조성, 및 처리 조건은 실시예 1과 관련하여 앞서 기술된 바와 같이 편광 광학 현미경으로 직접 가시화될 수 있다.
비교예 2
침착 균일성을 추가로 향상시키도록 노력하기 위해, 러빙 및 베이킹된 폴리이미드 배향 층으로만 처리된 표면으로의 침착을 사용한 실험도 수행하였으며, 러빙 및 베이킹된 폴리이미드 배향 층은 종래의 유리 셀에서 LC의 평면 앵커링(planar anchoring)을 촉진시킨다. 이러한 실험들에서, 사용된 LC 물질은 위에서 기술된 바와 같았고, 이 물질을 상술한 것과 유사한 잉크젯 공정 조건을 사용하여 침착시켰다. 실시예 1의 유동가능한 물질 층 대신, LC 물질을 단일 축 러빙 방향을 갖고 평면 정렬제(Merck AM 4276)를 포함하는 기판에 침착하였다. 이 경우에, 액적에 의한 표면의 상당한 습윤성이 침착 직후에, 시간의 함수로서 관찰되었으며, 이는 장치를 실현 불가능하게 만든다.
실시예 5
키랄 네마틱 염료 도핑된 액정 혼합물을 제조하였으며, 이는 네마틱 액정 BL006에 용해된 4.15%w/w BDH-1281(둘 다 MerckGmbH 독일로부터 입수됨)으로 이루어지며, 1%w/w의 PM-597 레이저 염료(Exciton, USA)를 이에 첨가하였다. 이 혼합물을, 각각 러빙된 폴리이미드 정렬 층으로 코팅된 2개의 평행 평면 유리 표면(9 마이크론 스페이서 비드에 의해 분리되었음)을 갖는 시험 셀에 모세관 충전시켰으며, 키랄 네마틱 액정의 스탠딩 나선 또는 그랑장 정렬을 촉진시켰다. 이 정렬을 편광 광학 현미경 관찰을 통해 확인하였다. 이후, 이 샘플을 대략 270 nJ의 펄스 에너지로 532 nm Nd:YAG 레이저(CryLas GmbH; 약 100 마이크론의 초점 크기로 렌즈에 의해 초점이 맞춰짐)에 의해 광학적으로 펌핑하였다. 이후 광학 방출을 Ocean Optics USB2000 섬유 커플링된 분광기를 사용하여 기록하였다. 비교 예로서, 광자 밴드갭이 없는 비키랄 BL006 샘플 내의 1%w/w PM-597 (즉, 키랄 첨가제 없음)을 동일한 조건하에서 광학적으로 펌핑함으로써, 광학 밴드갭의 변화 효과 없이 관찰되는 형광을 예시하였다. 그 결과는 도 9에 나타난다.
도 9에서 볼 수 있듯이, 광자 밴드갭의 존재는 비키랄(광자 밴드갭이 없음) 샘플에 대하여 상대적으로 형광을 변화시킨다. 예를 들어, 이는 형광에 중첩된 강도 상의 국부 최대치(local maxima)의 형성을 포함한다. 여기서, 장치는 전-문턱치(pre-threshold) 모드에서 작동되며 이에 따라 광학 펌핑의 낮은 강도에서 작동될 수 있다는 것이 주목된다. 이는 상기 펌프 공급원이 예를 들어, 카메라 폰에 통상적으로 제공되는 플래쉬 LED와 같은 LED일 수 있다는 것을 의미한다. 이러한 작동은 하기 실시예 6에서 다뤄진다.
이 실시예에서 사용된 LC 물질은 앞서 다른 실시예에서 기술된 바와 같이 별개의 LC 물질 침착체의 형성을 위해, 유동가능한 물질 층에 잉크젯 프린팅하는데 적합하다.
실시예 6
네마틱 액정 호스트 E49(Merck, GmbH) 내의 3.5%w/w BDH-1305(키랄 도펀트, Merck GmbH로부터 입수됨) 및 1% DCM 레이저 염료(Exciton, USA)를 함유하는 혼합물을 시험 셀(10μm 통로 길이, 러빙된 폴리이미드 배향 층) 내로 충전시켰다. 이후, 이 샘플을 연속 작동 LED(450 nm 방출 파장; 1W 광전력; Luxeon으로부터 입수됨)로 펌핑하였으며, 광학 방출 특성들을 측정하였다.
파장의 함수로서의 방출 강도를 도 10에 나타내었으며, 여기서 특징적 프로파일이 나타난다. 특징적 방출 프로파일은 스펙트럼 위치 및 강도의 측면에서, 예를 들어 하기의 것 중 하나 이상을 변경함으로써 용이하게 제어될 수 있다: 광자 밴드갭의 위치 및 너비; 염료의 형광 스펙트럼; 펌프 파장; 및 여기원(excitation source)의 전력.
또한, 동일한 광학 효과는, 기판에 수직인 스탠딩 나선 정렬의 단계가 생성되면, 프린트 침착이 사용된 샘플에서 관찰 가능하다.
결론
본 발명의 잉크젯 기술에 의해 형성된 복합 기능성 레이저/광자 장치 배열이 다양한 기술 분야에서 중요한 잠재력을 가질 것으로 기대된다. 잉크젯 침착 공정을 통해 달성되는 높은 수준의 위치 제어와 매우 좁은 선폭으로 450 내지 850 nm 범위에서 연속적으로 선택가능한 레이저 방출 특성의 제어의 조합은 [8]상기 기술의 추가적인 용도를 허용한다. 또한, 잉크젯 프린팅된 LC 레이저의 배열은 단일 기재 내에서 임의의 파장의 다수의 동시 레이저 형성을 위해 배열 기반 펌핑 기술[22]과 조합될 수 있다. 특히 흥미로운 것은 앞서 기술된 바와 같은 보안 분야, 및 칩 위의 실험(lab-on-a-chip) 분야, 예를 들어, 형광 태그 기반의 바이오 분석이며, 예를 들어, 독립적으로 형성가능한 레이저들의 배열들이 동시의 광학 분석을 위해 샘플 웰(well)로 프린팅될 수 있다.
본 발명의 발명자들은 LC 물질, 예를 들어, LC 레이저 발생 매체를 유동가능한 물질 층, 예를 들어, 용액 처리가능한 습윤 PVA 필름 위에 정밀 잉크젯 침착하는 기법을 사용함으로써, 재현성있는 다수의 낮은 문턱치의 단일 모드 레이저 장치들을 형성하기 위해 본 발명의 방법이 사용될 수 있다는 것을 증명하였다. 이러한 방식으로 프린팅된 레이저는 러빙된 폴리이미드 정렬 층으로 예비 처리되는 종래의 유리 셀 내에 한정된 샘플의 모든 방출 특성들을 보유하면서도, 잉크젯 프린팅의 단순성 및 이점을 갖는다. LC 디렉터의 평면 배향을 촉진시키는 계면 상호작용과 침착 공정 동안 발생하는 전단력의 조합은, 광자 밴드 엣지 레이저에 요구되는 스탠딩 나선 배향이, 유동가능한 물질이 침착되는 기판, 예를 들어, 유리 기판에 법선으로 발생하도록 촉진한다.
본 발명이 앞서 기술된 예시적인 구현예들과 관련하여 기술되나, 다수의 균등한 개조 및 변화가, 본 개시가 제공되면, 통상의 기술자에게 명백할 것이다. 따라서, 앞서 기술된 본 발명의 예시적인 구현예들은 설명을 위한 것이지 제한을 위한 것이 아닌 것으로 고려된다. 기술된 구현예에 다양한 변화가 본 발명의 기술적 사상 및 범위에서 벗어나지 않고 만들어질 수 있다.
앞에서 인용된 모든 참조 문헌들은 인용에 의하여 본 명세서에 통합된다.
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Claims (28)

  1. 광자 장치의 제조 방법으로서, 상기 제조 방법이
    (i) 부피 V의 액정(LC) 물질의 분액을 제공하는 단계로서, 상기 부피 V는 직경 D1의 구의 부피와 동일한 부피인 단계; 및
    (ii) 유동가능한 물질 층의 표면에 상기 분액을 침착하여 액정 침착체를 형성하는 단계로서, 상기 유동가능한 물질 및 상기 LC 물질이 실질적으로 비혼화성인 단계;를 포함하고,
    상기 액정 침착체가 상기 유동가능한 물질 층과의 상호 작용으로 인해, 상기 분액의 형상을 기준으로 하여 변형된 형상을 취하고, 상기 액정 침착체가, 침착 이전의 상기 유동가능한 물질 층의 표면에 대해 평행한 방향으로 측정하였을 때, 최대 길이 L1을 갖고, L1은 D1 초과인,
    광자 장치의 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 생성된 액적이 잉크젯 프린팅에 의해 발생되는 광자 장치의 제조 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 액정 침착체가, 침착 이전의 상기 유동가능한 물질 층의 표면에 평행한 방향으로 측정하였을 때, 최소 너비 W1을 갖고, W1 대 D1의 비가 0.1:1 초과인 광자 장치의 제조 방법.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 침착된 액적이, 침착 이전의 상기 유동가능한 물질 층의 표면에 수직인 방향으로 측정하였을 때, 높이 H1을 갖고, L1이 H1 초과인 광자 장치의 제조 방법.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, L1 대 D1의 비가 20:1 이하인 광자 장치의 제조 방법.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 유동가능한 물질이 중합체 용액인 광자 장치의 제조 방법.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 유동가능한 물질 층을 지지체 층으로 전환시키는 단계를 포함하는 광자 장치의 제조 방법.
  8. 제7항에 있어서, 상기 유동가능한 물질 층을 지지체 층으로 전환시키는 단계가 상기 유동가능한 물질 층을 수축시키는 단계를 포함하는 광자 장치의 제조 방법.
  9. 제7항 또는 제8항에 있어서, 상기 유동가능한 물질 층을 지지체 층으로 전환시킨 후, 상기 LC 물질 침착체의 길이 L1 대 D1의 비가 20:1 이하인 광자 장치의 제조 방법.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 LC 물질이 키랄(chiral) LC 물질인 광자 장치의 제조 방법.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 유동가능한 물질이 상기 LC 물질 내의 정렬을 촉진하는 정렬 성분(alignment component)을 포함하는 광자 장치의 제조 방법.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 유동가능한 물질 층이 상기 LC 물질의 침착 이전에, 상기 유동가능한 물질 층에 걸쳐 실질적으로 일정한 두께를 갖는 광자 장치의 제조 방법.
  13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 LC 물질 침착체의 상부에 보호 물질 층을 제공하는 단계를 더 포함하는 광자 장치의 제조 방법.
  14. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 단계 (i) 및 (ii)가 반복되어 일련의 LC 물질 침착체들을 침착하는 광자 장치의 제조 방법.
  15. 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 LC 물질의 복수개의 분액이 제공되고 상기 유동가능한 물질 층 위의 단일 위치에 침착되는 광자 장치의 제조 방법.
  16. 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 유동가능한 물질 층이 유동가능한 물질의 연속 필름, 개별 액적 또는 연결된 액적들의 그룹의 잉크젯 침착에 의해 기판 상에 형성되는 광자 장치의 제조 방법.
  17. 제1항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 LC 물질이 레이저 발생 물질을 형성하는 광자 장치의 제조 방법.
  18. 제1항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 LC 물질이 형광 염료, 형광 레이저 염료, 양자점 또는 다른 광수집기 또는 게인(gain) 첨가제를 포함하는 광자 장치의 제조 방법.
  19. 제1항 내지 제17항 중 어느 한 항의 방법으로 제조된 또는 제조가능한 광자 장치.
  20. 제1항 내지 제17항 중 어느 한 항의 방법으로 제조된 또는 제조가능한 레이저 장치.
  21. 하부층(underlayer) 위에 형성된 1종 이상의 액정(LC) 물질 침착체를 갖는 광자 장치로서, 상기 하부층이 상기 LC 물질 침착체를 둘러싸는 하부층 표면을 갖고, 상기 LC 물질 침착체가 상기 LC 물질 침착체를 둘러싸는 상기 하부층 표면에 평행한 방향으로 측정하였을 때, 최대 길이 L2, 및 상기 LC 물질 침착체를 둘러싸는 상기 하부층 표면에 수직인 방향으로 측정하였을 때, 최대 높이 H2를 갖고, L2가 H2 초과이며, 상기 액정 침착체가 상기 LC 물질 침착체를 둘러싸는 상기 하부층 표면 위로 돌출(project)하도록 형상화되는 광자 장치.
  22. 제21항에 있어서, 복수개의 상기 LC 물질 침착체를 갖는 광자 장치.
  23. 제21항 또는 제22항에 있어서, 상기 액정 침착체가 상기 LC 물질 침착체를 둘러싸는 상기 하부층 표면 밑으로 돌출하도록 형상화되는 광자 장치.
  24. 제21항 내지 제23항 중 어느 한 항에 있어서, L2 대 H2의 비가 2:1 내지 200:1의 범위인 광자 장치.
  25. 제19항 및 제21항 내지 제24항 중 어느 한 항에 따른 광자 장치의 용도로서, 상기 광자 장치가 전자기 방사선의 공급원에 의해 조사(illumination)되고, 검출기에 의해 또는 관찰에 의해 검출되는 상응하는 반응(response)을 제공하는 광자 장치의 용도.
  26. 제25항에 있어서, 상기 광자 장치가 레이저 염료를 포함하고, 상기 전자기 방사선의 공급원이 상기 LC 물질 침착체에서 레이저 발생을 제공하기에 충분한 광학 펌핑을 제공하는 광자 장치의 용도.
  27. 제25항에 있어서, 상기 광자 장치가 레이저 염료 또는 형광 염료를 포함하고, 상기 장치가 문턱치 아래에서 작동되는 광자 장치의 용도.
  28. 제25항에 있어서, 상기 광자 장치가 조사되어, 상기 광자 장치의 광자 밴드갭에 기초하여, 상기 광자 장치로부터의 발광 전자기 방사선의 선택적 반사를 야기하는 광자 장치의 용도.
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