KR20180087409A - 광학적으로 등방성인 액체로 이루어지고 전기적으로 제어 가능한 광학 요소, 특히 렌즈, 및 액체 합성물을 기본으로 해서 이와 같은 광학 요소를 제조하기 위한 방법 - Google Patents

광학적으로 등방성인 액체로 이루어지고 전기적으로 제어 가능한 광학 요소, 특히 렌즈, 및 액체 합성물을 기본으로 해서 이와 같은 광학 요소를 제조하기 위한 방법 Download PDF

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포커스텍 게엠베하
클라우스 호프만
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Abstract

본 발명은, 광학적으로 등방성인 액체로 이루어지고 전기적으로 제어 가능한 광학 요소, 특히 렌즈, 및 액체 합성물을 기본으로 해서 이와 같은 광학 요소를 제조하기 위한 방법에 관한 것이다. 종래 기술에는, 특히 광 변조를 위해, 전기 광학적인 커-효과(Kerr effect)를 이용하는 상이하게 형성된 장치들이 공지되어 있다. 산업적으로 폭넓은 적용을 위해서는, 높은 작동 전압과 더불어 상기 커-효과의 매우 강한 온도 의존성이 단점이 된다. 전기 광학적인 커-효과를 토대로 해서 낮은 임계 전압 및 작동 전압, 이 효과의 최소화된 온도 의존성, 및 낮은 응답 시간에 도달하도록, 전기적으로 제어 가능한 광학 요소를 형성하거나 제조하기 위하여, - 특허 청구항 1의 전제부에 따른, 전기적으로 제어 가능한 광학 요소로부터 출발해서 - 본 발명에 따라 커 액체(K)는 막대 형상의 분자(5) 및 비-막대 형상의 분자(4)로 이루어진 혼합물을 활성 합성물로서 구비하며, 상기 커 액체(K)는, 전기 광학적인 커-효과에 상응하게 작업 온도 범위(RT) 안에 전기장이 없는 경우에는 커 액체(K)의 활성 합성물(4, 5)의 상태가 등방성이도록, 그리고 전압(U)의 전기적으로 연속적인 조정에 의해서 또는 전압(U)의 스위칭 온/오프에 의해서 광학 요소의 전압 유도된 페이즈 편이 또는 굴절률 편이의 변경이 발생하도록, 그리고 광이 전극에 대해 수직으로 전극 간극을 통과하도록, 박막 셀 내에서 기판(1) 상에 적층된 구조화된 전도성 층(2)과 그리고/또는 평평한 전도성 층 사이에 예비 압축 가능하고 메시(mesh) 폭이 넓은 비등방성 망(9)을 갖는 박막을 형성한다. 본 발명은, 전기적으로 제어 가능한 광학 요소의 분야에 속한다.

Description

광학적으로 등방성인 액체로 이루어지고 전기적으로 제어 가능한 광학 요소, 특히 렌즈, 및 액체 합성물을 기본으로 해서 이와 같은 광학 요소를 제조하기 위한 방법
본 발명은, 특허 청구항 1에 따른, 광학적으로 등방성인 액체로 이루어지고 전기적으로 제어 가능한 광학 요소, 특히 렌즈, 및 특허 청구항 9에 따른, 액체 합성물을 기본으로 해서 이와 같은 광학 요소를 제조하기 위한 방법에 관한 것이다.
조정 가능한 광학 요소는 현재로서는 우선적으로 기계식 시스템을 의미한다. 이들 기계식 시스템은 무겁고 부피가 크며, 기계식 구동 장치 등의 사용으로 인해 장애가 발생하기 쉽고 지나치게 느려지는 경우가 많다. 이와 같은 이유 때문에, 비-기계식 광학 요소가 바람직하며, 현재의 개발 대상이 되고 있다. 이용 가능한 직경이 더 작은 상기와 같은 광학 요소를 위해서는 이미 해결책이 상용화된 한편, 구경이 더 큰 경우를 위해서는 아직까지 해결책이 강구되지 않고 있다.
인가된 자장의 전계 강도에 의해 2차식으로(quadratically) 계속해서 증가하는 광학적인 이중 굴절의 발생이 전기 광학적인 커-효과(J. Kerr 1875), 2차식 전기 광학 효과 또는 전기 이중 굴절로서 지칭된다. 이와 같은 효과에서는, 영구적인 쌍극자 모멘트를 갖는 분자들이 전기장 내 등방성 액체 내에서 정렬된다. 이와 같은 정렬에 의해서 자장 내 재료는 광학적으로 비등방성으로 되며, 이 경우 자장 방향으로는, 전압이 없는 상태에서의 등방성 액체와 비교할 때, 더 높은 굴절률 및 그에 대해 수직으로 더 낮은 굴절률이 설정된다. 커-셀의 경우에는, 재료의 굴절 특성 및 편광 특성이 외부에서 인가된 전기장에 의해 변경됨으로써, 결과적으로 전기 신호가 광학 신호로 변환된다. 커-액체 내 전극 플레이트 위에서는, 입사 광의 방향에 대해 가로 방향으로 전기장이 인가된다. 커-액체로서는 대부분 순수한 니트로벤젠이 사용되며, 이 물질은 2.44 x 10-12 m/V2의 커-상수(K)를 갖고, 실온에서는 액체 상태이며, 알코올, 에테르 및 벤졸과 우수하게 혼합될 수 있다. 비교하자면, 니트로톨루올은 1.37 x 10-12 m/V2의 커-상수(K)를 갖고, 물은 5.1 x 10-14 m/V2의 커-상수(K)를 갖는다. 이때, 전술된 액체의 경우에 그리고 셀 크기가 센티미터 범위 안에 있는 경우에는, 수 킬로볼트의 범위 안에 있는 전기 전압이 사용된다. 커-셀의 전면 및 후면은 유리로 이루어져 광을 투과시킬 수 있으며, 금속으로 이루어진 측벽은 전극 플레이트이다.
이로써, 커-셀의 기술적인 적용 분야는, 커-액체 - 대부분 니트로벤젠 - 를 유전체로서 갖는 커패시터이다. 커-셀은 교차된 편광기들 사이에 삽입되고, 이들 편광기의 광학 주축은 전기장의 방향과 반대로 각각 45°만큼 기울어져 있다. 셀에 전압이 인가되지 않으면, 광은 이와 같은 배열체를 통과할 수 없게 된다.
이때, 전기장 내에서는 커-액체가 이중으로 굴절되는데, 다시 말해 자장의 방향으로 진동하는 광 성분은 자장에 대해 수직으로 진동하는 광 성분과 다른 재생속도를 갖는다. 이로써, 두 가지 광 성분 사이에서는, 커-셀로부터 배출될 때 페이즈 이동(δ)이 존재하게 된다. 이때부터는, 가장 유리한 경우에 발생하는 광량(L0) 및 페이즈 이동(δ)과 다음과 같은 관계를 맺고 있는 광량(L)이 광학 배열체를 통과하게 된다:
Figure pct00001
페이즈 이동(δ)은 전계 강도(E), 커패시터 플레이트들 사이에 있는 광 경로의 길이(l) 및 다음과 같은 관계식에 따른 유전체(B)의 커-상수에 의존한다:
Figure pct00002
따라서, 다음과 같은 식이 성립된다:
Figure pct00003
광 릴레이로서의 커-셀의 감도를 현저히 높이기 위하여, DE 555 249-A호에는, 사용되고 편광된 광의 부분 빔에 커-셀 내에서 발생하고 전압에 의존하는 페이즈 이동 외에 변경 불가능한 또 하나의 추가 페이즈 이동을 부여하는 것이 공지되어 있다. 추가의 페이즈 이동을 발생하기 위해, 이중으로 굴절시키는 결정 플레이트가 광 경로 내에 삽입된다.
니트로벤젠과 같은 액체의 경우에는, 심지어 킬로볼트-범위 안에 있는 전압이 인가되는 경우에도, 발견된 굴절률-차이가 매우 낮다. 공지된 긴 커-효과의 크기가 작음으로 인해, 이와 같은 효과를 토대로 하는 활성 광학 요소의 제조가 처음에는 배제된 듯하다. 따라서, 커-효과의 강도를 양자화하는 커-상수는 니트로벤젠(Zinth, W., Optik, Oldenbourg-Verlag, Muenchen, 2011)에 대해 다만 약 2.44 x 10-12 mV-2에 불과하다.
수십 년 전부터 계속해서, 지금까지 사용되던 니트로벤젠보다 높은 커-상수를 갖고, 이로 인해 제어 전압이 더 낮은 경우에도 동일한 효과를 낳는 액체를 발견하려는 시도가 이루어졌다. 예를 들어 DE 622 368-A호에는, 실온에서 고체 응집 상태에 있는 벤졸 링의 2중 치환체 또는 3중 치환체의 경우에, 용매 내부로 보내지고, 니트로벤젠의 10배에 해당하는 커-상수를 갖는 커-셀 액체가 공지되어 있다. 바람직하게, 이 경우에는, 치환체 NO2가 선호된다. 용매로서는, DE 622 368-A호에 따라, 예를 들어:
니트로벤젠
니트로톨루올 메타
니트로톨루올 오르토가 사용된다.
용해될 물질로서는 다음과 같은 물질들이 제안된다: 디니트로벤젠 오르토, 니트라닐린(바람직하게는 파라), 니트로톨루올 파라, 클로르니트로벤졸 오르토, 클로르디니트로벤젠 1:2:3, 디클로르니트로벤제 1:2:3, 니트로나프탈린 알파, 디니트로나프탈린 1:8.
또한, 현재는, 거시적으로 배향된 액체 결정질 물질을 기본으로 하는 요소들이 사용되어 있다. 하지만, 이와 같은 시스템들은, 이들이 다만 광의 편광 방향으로만 작용을 하고, 그에 대해 수직인 편광 방향에서는 광이 거의 영향을 받지 않은 상태로 유지된다는 단점을 갖는다. 이와 같은 사실로 인해, 상기와 같은 요소들과 흡수성 편광체가 조합된다. 그러나 이와 같은 조합은 필연적으로 광량을 50% 미만으로 감소시킨다. 이와 같은 단점을 제거하기 위해, 직교 방식으로 배향된 2개(또는 그 이상)의 구조적으로 동일한 요소들을 서로 조합하는 방식이 제안되었으나, 이와 같은 방식은 비용을 현저하게 높이고, 공간적인 누화에 의한 추가의 오류 원인을 야기하며, 광학적인 손실을 야기하고, 요소들 서로 간의 정확한 정렬과 관련된 추가의 문제점을 야기한다.
추가의 등방성 LC 상태는 분산성 PDLC, 분산이 적은 나노-PDLC 시스템 및 등방성의 폴리머 보강된 등방성 블루 LC 페이즈이다. 이들은, 폴리머 매트릭스 및 도메인 한계에 의해서 야기되는 높은 스위칭 전압을 특징으로 한다. LC 페이즈 변조기와 같은 반사성 요소와 달리, 투과성 요소의 경우에는 발생하는 잔류 분산이 장애를 일으킨다.
쌍극자 모멘트의 비등방성이 높고 막대 형상의 분자 형태를 갖는 등방성 액체의 경우에는, 훨씬 더 큰 굴절률-차이에 도달할 수 있음으로써, 결과적으로 10배만큼 더 높은 커-상수가 발견된다. 이와 같은 상황은, 예컨대 더 높은 온도에서 액정의 등방성 페이즈에 대해 이미 나타났다.
훨씬 더 높은 값은, 클리어 온도(clear temperature) 바로 위에 있는 액정의 등방성 용융물에서(J. Chem. Soc., Faraday Trans. 2, 1976, 72, 1447-1458 / DOI: 10.1039/F29767201447) 또는 폴리머 안정화된 등방성 액정에서(Appl. Phys. Lett. 98, 023502 (2011)/DOI: 10.1063/1.3533396) 그리고 액정의 폴리머 안정화된 블루 페이즈에서 측정될 수 있다. 여기에서는, 300 x 10-12 mV-2까지의 커-상수가 측정되었다.
하지만, 상기와 같은 시스템들에서 커-효과가 갖는 한 가지 큰 단점은, 예컨대 액정 5CB의 등방성 용융물에 대해 기술된 바와 같은(Dunmur D. A. and Tomes A.E., 1981, Mol. Cryst. Liq. Cryst. 76, 231), 상기 커-효과의 매우 강한 온도 의존성이다. 폴리머 안정화된 등방성 액정에서는, 온도 의존성이 줄어들 수 있지만, 다만 강하게 제한된 온도 범위에 대해서만 줄어들 수 있다(J. Phys. D: Appl. Phys. 42 (2009) 112002 / DOI: 10.1088/0022-3727/42/11/112002). 이와 같은 다수의 시스템에서는, 요구되는 높은 전압 및 긴 스위칭 시간이 불리한 것으로 증명된다.
광학 메시지 전송 또는 통신 분야에서, 광학 신호의 변조, 감쇠, 편광 제어 및 스위칭을 요구하는 적용예들에 적합한, 평면형 도파관 또는 도광 섬유와 조합된 개선된 전기 광학 요소를 제조하기 위하여, WO 2004/046796-A1호에는, 광학 도파관 코어 및 이 광학 도파관 코어에 광학적으로 결합된 플레이팅을 포함하는 도파관 장치가 공지되어 있다. 플레이팅은, 광학적으로 기능하는 구역에 인가되는 제어 신호에 응답해서 변하도록 형성된 굴절률을 규정하는 커-효과 매질을 갖는 광학적으로 기능하는 구역을 포함한다. 광학적으로 기능하는 구역의 굴절률은, 상기 장치의 작동에 따른 광 파장 및 온도에서 광학 도파관 코어의 굴절률보다 낮다. 플레이팅은, 극성을 갖지 않는 실질적으로 등방성의 또는 실질적으로 비등방성의 폴리머 플레이팅 매질에 의해서 규정된, 광학적으로 기능하는 구역을 포함한다. 특히, 플레이팅 매질은, 광학적으로 기능하는 구역으로 하여금 패시브 천이를 경험하게 하기에 충분한, 특히 약 1초 미만의 시간 안에 실질적으로 배향된 상태로부터 실질적으로 등방성의 상태로의 천이를 경험하게 하기에 충분한 발색 가동성을 특징으로 하는 폴리머/발색 피복이다. 더욱 상세하게 설명하자면, 폴리머/발색 피복은 적어도 약 5 중량-% 및 약 20 중량-%의 발색단을 함유하고, 가소화되어 있으며, 커-효과-매질은 폴리카보네이트, 테르폴리머, PMMA 및 폴리시클로헥산으로부터 선택된 폴리머를 함유한다. 바람직하게, 발색단은 도너-구성 요소, 컨쥬게이트된 그리고/또는 방향족 성분을 갖는 브리징 구성 요소 및 억셉터-구성 요소를 구비한다. 상세하게는, 이 목적을 위해, 커-효과-매질의 12개의 다양한 구조식이 제공된다. 또한, 도파관 장치의 작동 온도를 제어하거나 조절하도록 구성된 컨트롤러가 제공되어 있다. 폴리머 플레이팅 매질 또는 피복 매질은, 장치의 작동 온도보다 낮은 효과적인 유리-전리 온도를 특징으로 한다. 이 경우에 고려해야 할 사실은, 일 재료의 효과적인 유리 전이 온도는, 발색단의 재배향 가동성이 상기 물질의 온도 함수로서 상대적으로 큰 증가를 나타내는 온도이다. 전기 광학적인 재료의 효과적인 유리 전이 온도는, 상기 물질의 온도 함수로서의 상기 물질의 전기 광학적인 응답 특성의 측정을 참조해서 결정될 수 있다. 가소성 작용제가 플레이팅 매질 내에 통합됨으로써, 또는 플레이팅 매질의 효과적인 유리 전이 온도가 장치의 작동 온도보다 낮은 상황이 보장됨으로써, 플레이팅 매질은 수용 가능한 정도의 발색 가동성 및 물리적인 안정성을 갖게 된다. 상세하게, WO 2004/046796호의 플레이팅 매질은, 약 120℃ 아래의 내지 20℃ 아래의 효과적인 유리 전이 온도를 특징으로 한다. 충분한 발색 가동성에 도달하기 위하여, 플레이팅 매질 내에 용매가 제공되어 있다. 하나의 발색단 및 하나의 기본-폴리머를 함유하는 폴리머 플레이팅 매질의 경우에는, 적합한 용매가 발색단뿐만 아니라 폴리머까지도 용해시킨다. 다수의 경우에, 상기와 같은 용매의 사용은, 실온에서 또는 실온 가까이에서 장치의 적합한 작동 온도를 유도한다. 제어 전극에 의해, 플레이팅의 광학적으로 기능하는 구역 내에서 전기장(E)이 발생한다. 대안적으로, 제어 신호는 열적인 신호를 야기할 수 있으며, 이 경우 플레이팅의 광학적으로 기능하는 구역은 열적인 신호의 크기에 대해 응답한다. 각각의 경우에, 도파관 장치는, 광학 특성들을 광학적으로 기능하는 구역의 광학적으로 기능하는 섹션들과 상호 무관하게 변경하도록 구성된 적합한 컨트롤러를 구비한다. 특히, 전기 광학적인 폴리머-플레이팅 또는 폴리머-코팅에 제어 전압을 인가하는 것은 또한 광학 신호에서 연속적인 페이즈 이동(Δφ)을 유도하지만, 동일한 값을 갖는 그리고 특히 제어 전압(V)에 있어서 증가 폭이 점진적으로 작아지는 연속적인 페이즈 이동이 유도된다(E는 대략 sin2 φ이며, 이 경우에는 φ = BV2가 적용됨). 그렇기 때문에, 180°의 연속적인 페이즈 이동(Δφ)의 경우에는, 180°의 연속적인 페이즈 이동(Δφ)을 유도하기 위해서 필요한 연속적인 제어 전압 증분(Vπ)의 크기가 감소하되, 특히 제어 전압(V)의 크기가 증가함에 따라 감소한다. 180°-페이즈 이동을 통해 마흐-젠더-간섭계(Mach-Zehnder-Interferometer, 페이즈 이동을 측정하기 위한 또는 간섭계의 일 암 내에서 의도된 페이즈 변조에 의해 광을 변조시키기 위한 혹은 파장에 따라 역-다중화(demultiplexing) 하기 위한 2개의 암을 갖는 빔 스플리터)를 작동시키기 위하여, WO 2004/046796-A1호의 도파관 장치에서는 대략 340 볼트가 필요하다. 하지만, 대략 520 볼트에서의 다음 180°-페이즈 이동은 다만 대략 180 볼트만큼의 구동 전압의 증가에 의해서만 성취된다(520 볼트와 340 볼트 간의 차이). 제3의 180°-페이즈 이동은, 다만 대략 90 볼트만 증가된 대략 610 볼트에서 발생한다. 간단한 외삽에 의해서, 대략 3000 볼트의 바이어스 전압으로써 대략 4 볼트의 Vπ-구동 전압에 도달할 수 있다는 사실이 제안된다. 폴리머 플레이팅 매질 또는 코팅 매질의 개선 및 제어 전극으로서 사용된 전극 구성의 정밀화에 의해서, 180°-페이즈 이동에 도달할 수 있으며, 특히 5 볼트 미만의 구동 전압 및 대략 1000 볼트의 바이어스 전압에 의해서 180°-페이즈 이동에 도달할 수 있다.
광학 메시지 전송 또는 통신 분야에서, 전기 광학적인 커-효과 또는 포켓-효과의 또 다른 기술적인 적용예는, 입력/출력 커플러로서 전기적으로 조정 가능한 굴절률 및 전기적으로 조정 가능한 공간적인 주기성을 갖는 격자, 도파관-커플링 요소(-인터페이스), 모드-/편광-변환기, 모드-/편광-필터, 편향기 또는 디플렉터, 리플렉터이다. 이 목적을 위해, EP 1 155 355 B1호에는, 전기적으로 조정 가능한 굴절률 및 전기적으로 조정 가능한 공간적인 주파수를 갖는 회절 격자가 공지되어 있으며, 이 경우 상기 격자는 다음과 같은 부재들을 포함한다:
Figure pct00004
기판;
Figure pct00005
기판 위로 연장되는 전기 광학 구조물로서, 이 경우 상기 전기 광학 구조물은 확장 축을 갖는 도파관을 포함한다;
Figure pct00006
그 사이에서 전기장을 발생하기 위한 제1 전극 구조물 및 제2 전극 구조물로서, 이 경우에는 회절 격자가 도파관 내에서 전기장을 유도하며, 이 경우 제1 및 제2 전극 구조물은 전기 광학 구조물의 마주 놓여 있는 측에 배열되어 있고, 각각 하나의 평면에서 도파관의 확장 축에 대해 평행하게 연장되며, 이 경우 제1 전극 구조물은 핑거 형태로 배열된 제1 및 제2 세트의 핑거를 포함하며, 이 경우 제1 세트의 핑거는 전위(V0) 하에 있고, 제2 세트의 핑거는 전위(V0 + ￠V) 하에 있으며, 이 경우 V0는 회절 격자의 굴절률을 조정하기 위해 가변적이고, 이산 값들 사이에서 격자의 공간적인 주기성을 스위칭하기 위해 가변적이다.
대안적으로, 외부로부터 입사되는 광을 변경시키기 위해 상기 회절 격자는 다음과 같은 부재들을 포함한다:
Figure pct00007
기판;
Figure pct00008
기판 위로 연장되는 전기 광학 구조물;
Figure pct00009
그 사이에서 전기장을 발생하기 위한 제1 전극 구조물 및 제2 전극 구조물로서, 이 경우에는 회절 격자가 전기 광학 구조물 내에서 전기장을 유도하며, 이 경우 제1 및 제2 전극 구조물은 위·아래로 배열된 평면을 따라 서로에 대해 그리고 전기 광학 구조물에 대해 평행하게 연장되고, 전기 광학 구조물의 마주 놓여 있는 측에 배열되어 있으며, 이 경우 제1 전극 구조물은 핑거 형태로 배열된 제1 및 제2 세트의 핑거를 포함하며, 이 경우 제1 세트의 핑거는 전위(V0) 하에 있고, 제2 세트의 핑거는 전위(V0 + ￠V) 하에 있으며, 이 경우 V0는 회절 격자의 굴절률을 조정하기 위해 가변적이고, 이산 값들 사이에서 격자의 공간적인 주기성을 스위칭하기 위해 가변적이다.
상세하게, EP 1 155 355 B1호의 회절 격자는, 브래그-필터(Bragg-filter)로서 작용하도록 또는 리플렉터 기능을 위한 동일 선상의 반대 방향 커플링을 위해 사용되도록 형성될 수 있으며, 이 경우 상기 회절 격자는 분산형 피드백(DFB, distributed feedback)-레이저 또는 분산형 브래그 반사(DBR, distributed Bragg reflection)-레이저를 위한 활성 광학 필터로서 이용된다. 다른 실시예들은, 섬유 광학적인 통신을 위한 파장 분할 다중화(WDM, wavelength division Multiplexing)을 위해 멀티플렉스 시스템에 적용하는 것과 관련이 있다. 격자는 단독으로 또는 다른 전기 광학 구성 요소와 조합해서 통합 구조물을 형성하기 위해 사용될 수 있다. 격자는, 전기 광학 구조물, 예를 들어 LiNbO3와 같은 재료 또는 전기 광학 폴리머로부터 형성되었고, 바람직하게는 거의 0.5 내지 2 ㎛의 두께 및 대략 5 ㎛의 폭을 가지며, 기판 위로 연장되는 전기 광학 막대를 포함한다. 제1 및 제2 전극 구조물은 전기 광학 구조물의 마주 놓여 있는 측에서 확장 방향에 대해 평행하게 제공되어 있다. 특히 빗과 유사한 형상을 갖는 제1 및 제2 전극 구조물은, 그 사이에서 전기장을 발생하고 이로써 결과적으로 나타나는 전기장으로 인한 주기성을 발생하기 위한 다양한 잠재성에 종속된다. 나노 범위에서의 현대적인 제조 기법은 서브미크론 핑거 간격을 갖는 핑거 형상의 전극 구조물을 가능하게 한다. 핑거 형상의 전극은 투명한 전도성 재료 및 예를 들어 a = 105 ㎛의 폭 및 0.1 ㎛의 ITO 두께를 갖는 인듐-주석-산화물(ITO)로부터 제조된다. 도파관과 전극 핑거의 간격은 SiO2와 같은 유전성 재료로 이루어진 버퍼 층으로 채워지며, 이 유전성 재료는 도파관의 굴절률보다 낮은 굴절률을 갖는다. 상기 버퍼 층은, 전기 광학 막대 내부에 형성된 도파관의 클래드 층(cladding layer)을 형성하고, 가이드 된 웨이브를 손실과 결부된 전극과의 상호 작용으로부터 보호한다.
또한, 스테레오 TV의 기술 분야에서는, DE 28 28 910-A1호에 개시된 편광 안경의 프리즘 형태의 안경 유리와 더불어 전기 광학적인 커-효과를 이용하는 것이 공지되어 있다. 이 목적을 위해, 편광 장치는, TV 스크린의 전체 표면에 걸쳐 연장되도록 배열 및 치수 설계되어 있으며, 이 경우 편광 장치의 편광 평면은 관찰자의 편광 안경의 좌측 렌즈 또는 우측 렌즈의 편광 평면에 맞추어 선택적으로 정렬하기 위해 회전 가능하다. 편광 장치의 편광 평면의 회전은 바람직하게, 연속하는 편광된 광의 편광 평면이 제어 전압원으로부터 셀의 반대편 전극에 인가되는 전압에 따라 회전하는 광학적으로 활성인 재료로 이루어지는 커-효과-셀에 의해서 성취된다. 이 경우에는, 좌측 렌즈 또는 우측 렌즈의 역할을 바꾸는 것이 가능하며, 이 경우 편광 장치의 일 상태에서는 좌측 렌즈가 편광 장치를 통과하는 광을 전달하는 한편, 우측 렌즈는 다크 필터(dark filter)로서 작용하며, 이 장치의 다른 상태에서는 렌즈들이 편광 장치를 통과하는 광을 차단하거나 전달한다. 더 나아가서는, 관찰자의 선택에 따라, 좌측 렌즈 또는 우측 렌즈가 다크 필터로서 작용하도록 선택됨으로써, 결과적으로 이미지를 원하는 바에 따라 관찰자에게 더 가까운 것처럼 보이게 하거나 멀리 떨어진 것처럼 보이게 하는 것이 가능해진다. 제어 전압원은 상기 전압을 명령 신호에 따라 전달할 수 있으며, 이 명령 신호는 (TV 신호 재생의 경우에는) TV 신호와 함께 또는 (필름 재생의 경우에는) 필름에 기록된 신호에 따라 전압을 전달할 수 있다. 커-효과-셀은 PLZT(다결정질 란타늄-변형된 지르콘티탄산납) 또는 다른 공지된 유전성 세라믹 물질로부터 제조될 수 있다.
편광이 없고 전기적으로 조정 가능하거나 스위칭 가능한 광학 렌즈의 또 다른 적용예는 시각 교구(visual aids) 및 스위칭 가능한 확대 시스템(망원경-안경)이다. 이중 초점 시스템을 포함하는 전통적인 시각 교구는 추가 기능의 장착이 점점 더 증가하고 있다. 매우 중요한 일 양상은, 활성의, 다시 말해 지능적이거나 스위칭 가능하거나 조정 가능한 광학 시스템의 개발이다. 현재, 이와 같은 개발은 "Head Mounted Displays(HMD)"의 개발에 의해서 그리고 "증강 현실(Augmented Reality)"의 신속하게 개발되는 분야를 위한 LC 시스템에 의해서도 영향을 받는다(증강 현실은, 실제 세계의 이미지가 컴퓨터에 의해 재생된 정보들과 조합됨으로써, 결과적으로 실제 세계의 이미지가 가상의 정보들로 채워지는 기술이다). 이와 같은 개발의 토대는 LCD-기반의 마이크로 디스플레이이다. 이와 같은 기술은, 변형된 형태로, 또한 다른 광학의 영역들에도 대변혁을 일으킬 수 있으며, 렌즈, 프리즘 및 다른 패시브 요소와 같은 전통적인 굴절 요소의 분리를 유도한다.
개별화 가능하거나 조정 가능한 렌즈 및 확대된 기능성의 두 가지 양상하에서, 예를 들어 EP 1 463 970 B1호에는 안경 프레임을 갖는 양안용 전자 안경이 개시되어 있으며, 이와 같은 양안용 전자 안경의 프레임은 측면부가 연결된 방진 폐쇄형 하우징으로서 형성되어 있고, 이와 같은 양안용 전자 안경은 하우징 내에 배열된 전자 비디오 카메라, 대물렌즈 - 이 대물렌즈의 렌즈는 전방을 주시함 - 및 CCD-센서를 구비한다. 상세하게는, 플라스틱으로 이루어진 렌즈, 및 전자 카메라와 연결되어 개별 렌즈의 회전 및/또는 구부러짐에 의해서 조정을 실행하기 위한 가이드 수단을 갖춘, 전동식으로 조정 가능하고 전면에 배열된 렌즈 시스템이 제공되어 있다. 상기 렌즈 시스템 및 카메라와는 전기 제어 장치가 연결되어 있고, 이 전기 제어 장치와는 메모리가 연결되어 있으며, 상기 메모리는 작동 동안의 굴절 오차 및 눈의 간격을 자동으로 보정하기 위한 적응을 위한 목표 값으로서 양쪽 눈에 대한 수동적인 사전 설정 값을 갖고 있다. 시각 결손의 보정은, 렌즈 굴절력의 조정에 의해서 그리고/또는 독서 거리 또는 작업 거리에 맞추어 자동으로 설정하는 것을 포함하는 포커싱에 의해서 이루어지며, 이 경우 콘트라스트 제어된 포커싱은, 콘트라스트 제어된 포커싱이 영구적으로 조정되도록 제어 장치가 설계됨으로써 실행된다. 렌즈 시스템은 4개의 렌즈로 이루어지고, 확대 범위는 2.5배 내지 10배이다. 제어 장치는 모터 제어를 위해서 그리고 조정 속도를 높이기 위해서 이용되고, 모터의 출력 측에는 트랜스미션이 배열되어 있다. 에너지 공급을 위해 안경 프레임에는 축전지가 배열되어 있고, 안경 프레임에는 축전지의 충전 상태를 위한 디스플레이가 제공되어 있다. 더 나아가, 카메라와 연결된 인터페이스 회로가 기록 수단의 연결을 위해 제공되어 있다. 또한, 측면부 영역에는, 디스플레이와 연결된 방송 수신기 및/또는 페이저(pager)가 배열되어 있다. 안경 시스템을 처음 이용하기 전에, 안경 착용자는 눈의 간격을 조정하고, 굴절 오차가 있는 경우에는 자신의 디옵터-값을 조정한다. 구성이 시스템 내에 기억되고, 자동으로 제어되는 다른 모든 공정을 위한 기초로서 이용된다. 약 25 ㎝의 독서 거리와 무한대까지의 포커싱 사이에서 줌을 위한 정밀 조정까지는 다만 수 초가 경과한다. 기계식 렌즈 시스템은, 대물렌즈를 2.4배까지 무단으로 줌-인 할 수 있다. 대물렌즈는 - 버튼을 누를 때마다 조정되는 줌의 단계와 무관하게(디지털 카메라와 유사하게) - 자동으로 선명하게 투영한다. 이와 같은 자동 포커스-안경은 칩 제어되는 카메라, 모터, 및 표면 처리된 특별한 렌즈와의 메커트로니컬한 협력에 의해서 기능한다. 또 다른 추가 기능은 메모리-테이스트, 마이크로폰, 언어 제어, 측면부에 있는 스피커, 외부 배터리 팩, 비디오 및 오디오의 장시간 기록을 위한 메모리 그리고 스포프라이트일 수 있다.
상기와 같은 다기능 안경의 한 가지 중요한 광학적 기능은 확대 시스템이다. 종래의 망원경 안경은 관찰된 물체의 확대를 위해, 안경의 하부 영역에 고정된 렌즈 시스템을 이용한다. 이와 같은 망원경 안경의 특징은, 오히려 전체 시야의 제한된 영역만을 이용하는 고정된 확대 시스템이다. 일반적으로, 확대 시스템에서는, 요구 조건에 따라 케플러식 시스템 또는 갈릴레이식 시스템이 사용된다: 갈릴레이-시스템은 다름 아닌 수직의 그리고 측면에 적합한 확대의 실현을 허용하는 반면, 케플러식 시스템은 더 큰 시야를 특징으로 한다. 하지만, 케플러 망원경에서는, 상황에 따라 추가의 광학 요소(프리즘 또는 렌즈)에 의해서 변환되는, 좌우가 거꾸로 된 이미지가 발생된다. 확대 시스템의 전체 깊이가 중요하다면, 갈릴레이-망원경이 선호될 수 있다.
지금까지 이용되던 조정 가능한 광학 요소, 특히 렌즈의 개발 원리들은 적합한 유체와 조합된 탄력적인 멤브레인, 액체 렌즈의 전자 습윤-원리를 토대로 하거나, 액정의 전기식으로 유도된 재배향을 토대로 한다. 탄성 중합체-멤브레인의 경우에는, 얇은 탄성 중합체-박막에 의해서 형성되는 공동 내부로 액체가 펌핑되거나, 멤브레인의 곡률 변경을 야기하기 위해 상기 액체가 저장기 내로 방출된다. 멤브레인 렌즈는 망원경-시스템 내에도 통합될 수 있다(Biomed. Opt. Express 5(2), 645-652 (2014) 또는 Biomed. Opt. Express 5(6), 1877-1885 (2014) 참조). 그러나 이와 같은 기계식 해결책은 다만 적당한 스위칭 시간만을 갖는데, 그 이유는 멤브레인-공동이 스위칭 과정 중에는 액체로 채워지거나 비워져야만 하기 때문이다. 더 나아가서는, 스위칭 사이클의 회수가 많은 경우에도 탄성 중합체-멤브레인의 안정성이 검사될 수 있다. 그밖에, 멤브레인-렌즈의 주변은 저장기, 펌프 및 모터에 의해서 상대적으로 부피가 크다. 멤브레인 렌즈를 기초로 하여, 조정 가능한 시각 교구도 출시되었고, 이 경우에는 펌핑 과정이 수동으로 실행된다. 이와 같은 시스템은 당연히 매우 느리다.
멤브레인-렌즈에 대한 한 가지 대안은, 전자 습윤의 원리를 토대로 하는 액체 렌즈이다. 이와 같은 제어 가능한 광학 오토 포커스-액체 렌즈의 사용 분야는 스마트 폰, 웹 캠 및 다른 적용예이다.
렌즈의 튜닝 가능한 굴절력의 범위는 상당히 크고, -12 내지 12 디옵터에 달하며, 스위칭 시간은 일련의 적용예를 위해 20 ms로써도 충분히 빠르지만, 기계 시각(machine vision) 범위 안에 있는 높은 클럭 속도를 위해서는 충분치 않다. 하지만, 기계 시각의 범위 안에 있는 광학 포커싱 요소에 사용하기 위해서는, 애퍼처, 속도 및 해상도 측면에서의 다른 요구 조건들도 적용된다. 산업 분야에서 포커싱을 위한 종래 기술은 대물 렌즈의 기계식 포커싱이다. 이와 같은 방식은 이동할 질량(속도) 때문에 그리고 장시간 안정성(기계 요소의 마모) 측면에서 한계에 부딪친다. 이와 같은 해결책의 또 다른 한 가지 단점은, 무전압 상태가 광학적으로는 중립이 아니라 오히려 분산 렌즈를 의미한다는 데 있다. 그밖에, 렌즈 요소의 총 직경에 대한 비율에서 자유 애퍼처가 제한되어 있음으로써, 결과적으로 특히 머리에 사용하는 경우에는 환상의 공급 유닛이 렌즈 요소를 지배하게 된다.
따라서, 전자 습윤-원리를 토대로 하는 요소뿐만 아니라 멤브레인-렌즈도, 부피가 큰 공급 장치를 갖는 자체의 구조적 형상으로 인해 그리고 하이브리드-광학 수단을 위한 자체 중량에 의해서, 시각 교구 또는 망원경-안경에는 덜 적합하다.
액정(LC - Liquid Crystal)을 토대로 하는 스위칭 가능한 렌즈는 상기와 같은 단점들을 나타내지 않는다. 액정-기반의 스위칭 가능한 이중 초점 안경은 일반적으로, 전통적인 굴절 렌즈 내부에서 시야에 의해 유도되는, 액정-박막의 배향 변경을 토대로 한다. 굴절률 콘트라스트에 의해서는, 스위칭-온 상태에서는, 선명한 근거리 시력을 가능하게 해야만 하는 추가의 렌즈 요소가 활성화 된다. 스위칭-오프 상태에서는, 상기 렌즈-요소가 비활성이고, 선명한 근거리 시력은 굴절 렌즈에 의해서 보장된다. 두 가지 상태 간의 스위칭은 수동으로 이루어질 수 있거나 경사각 검출기에 의해서 이루어질 수 있다.
이동 전화기의 웹 캠 또는 카메라에 사용하기 위해서는, 다만 수 밀리미터의 직경을 갖는 렌즈로 충분하며, 이와 같은 상황은 기술적인 문제를 매우 단순화시킨다. 이 경우에는, 추가 편광기의 사용에 의해서 광 효율을 감소시키는 이용된 효과의 강한 편광 의존성이 제한되거나, 2개 요소의 대안적인 직교 조합에 의해서 이들 요소의 구조가 훨씬 더 복잡해져서, 제조시 추가의 오류 원인을 낳게 된다. LC 기반 렌즈의 장점은, 이와 같은 렌즈에 의해서, 예컨대 완전히 기계식 요소 없이도 충분하고, 이로써 견고하고도 관리가 필요 없는 광학 수단을 가능하게 하며, 또한 전체 깊이 및 중량의 감소를 유도하는 망원경 시스템 또는 포커싱 장치가 구현될 수 있다는 데 있다.
굴절 렌즈의 경우에는, 가능한 굴절력이 일반적으로 광학적으로 더 조밀한 매질과 더 얇은 매질 간의 페이즈 한계의 곡률 반경에 의해서 그리고 굴절률 편이에 의해서 결정되어 있다. 이와 유사한 내용은 GRIN-렌즈(Gradient-Index)에도 적용되며, 이 렌즈는 그 자체로 평면형 액정-렌즈로서도 간주 될 수 있다. 이 경우에는, 중심으로부터 에지 영역까지의 반경 방향 굴절률 편이가 직경과 더불어 결정 변수가 된다. 이와 같은 유형의 모든 렌즈에서는 다음과 같은 내용이 적용된다: 매질의 층 두께가 일정하게 유지되어야 하는 경우에는, 렌즈의 요구되는 직경이 달성될 굴절력을 제한한다. 특정 굴절력에서 렌즈의 직경이 증가되어야 한다면, 층 두께도 증가되어야만 한다. 하지만, 이와 같은 상황은 액정-렌즈에서, 스위칭 속도가 동시에 감소하는 경우, 필요한 스위칭 전압의 2차식 증가를 유도한다.
상기와 같은 제한들은 다만 회절 렌즈에 의해서만, 더 정확하게 말하자면 페이즈-구역 플레이트에 의해서만 극복된다. 진폭 변조를 토대로 하는 프레넬-구역 플레이트와 달리, 페이즈-구역 플레이트는, 렌즈 기능에 도달하기 위하여, 파장 절반으로부터의 페이즈 이동을 활용한다. 그렇기 때문에, 페이즈-구역 플레이트의 경우에는 광 출력도 훨씬 더 높은데, 그 이유는 진폭-구역 플레이트의 경우에는 다만 절반만 이용되는 대신에, 페이즈-구역 플레이트의 경우에는 전체 입사 광이 이용되기 때문이다. 추가로, 가보어-홀로그램(Gabor-hologram)으로서의 실시예(구역들의 2진법 천이 대신에 사인파 형태의 천이)에 의해서는, 초점 거리의 전형적인 주기성이 특정 초점 거리로 줄어들 수 있다.
예를 들어 유리로 이루어진 렌즈 또는 결정질 빔 스플리터와 같은, 무기 물질로 이루어진 종래의 강성의 광학 요소는 점차 유기 물질로 대체되고 있다. 전자는 탁월한 광학 특성 및 높은 안정성의 장점을 갖지만, 부피가 크고 복잡한 제조 기법을 특징으로 한다. 유기 물질은 훨씬 더 용이하게 처리 및 가공될 수 있는데, 특히 구조화될 수 있다(사출 성형, 프린팅, 나노 임프린팅, 3D 프린팅, 레이저 구조화). 매우 현저한 또 다른 장점은, 많은 유기 물질들이 광, 전기 전압, 온도 등과 같은 외부 자극에 대해 반응하고, 이로 인해 이들 물질의 물리적인 특성이 영구적으로 또는 가역적으로 변한다는 데 있다. 이에 대해, LCD 내에서 액정의 전압 유도된 재배향은 액정의 전기 광학적인 배향 효과를 토대로 하는, 전기적으로 스위칭 가능하고 조정 가능한 광학 요소의 이용에 대한 가장 두드러진 예이다. 액추에이터 또는 튜닝 가능한 격자에서 이용 가능한, 탄성 중합체의 전압 유도된 두께 변경 또는 길이 변경은 또 다른 일 예이다. 따라서, 의도한 바대로 조정 가능하거나 외부 조건에 능동적으로 반응하는 활성 광학 시스템 또는 지능적인 시스템이 가능해진다.
그와 달리 편광 의존성의 문제점은, 육안으로 투과 방향으로 볼 때 등방성인 독특한 LC-시스템에 의해서 제거될 수 있을 것이다. 이와 같은 상황은 예컨대 PDLC 시스템(Polymer Dispersed Liquid Crystal) 또는 블루 페이즈를 갖는 폴리머 안정화된 액정(복잡한 3D 구조를 갖는 등방성 LC 페이즈)에 적용된다. 하지만, 폴리머 벽과의 증가된 상호 작용으로 인해, 높은 스위칭 전압이 필요하다. 이에 대해 추가로, 페이즈 분리에 의해서 야기되는 투과된 광의 증가된 분산이 발생하며, 이와 같은 상황은 투영 광학 시스템에 대한 상기 기본 용액의 적합성을 상당히 제한한다. 스위칭 시간을 줄이려는 컨셉에 대해서도 집중적으로 작업이 이루어지며, 이 경우 스위칭 시간의 감소는 현재 종래 기술에서는 상당한 정도의 스위칭 편이를 나타냈지만 서브-ms-범위에 제한되어 있다.
액체 내에서의 극성 분자의 전압 유도된 배향은 오래전부터 광학 커-효과로서 공지되어 있다. 하지만, 예컨대 니트로벤젠 또는 이황화 탄소와 같은 종래의 액체의 커-상수는 렌즈에 적용하기에는 10배만큼 지나치게 낮고, 스위칭 전압은 10배만큼 지나치게 높다.
훨씬 더 높은 커-상수는 등방성 액정에서 관찰된다. 스위칭 시간은 한 자리 ms-범위 안에 있거나 그 미만이다. 이와 같은 액정 시스템 및 종래의 커-액체의 몇 가지 문제점은 투명점(clear point) 위에서 등방성 페이즈 내에 있는 액정에 의해서 극복될 수 있다. 이 경우, 액정의 예비 배향 효과는 투명점 바로 위에 있는 등방성 용융물에서 활용된다. 이와 같은 상황은 편향 없는, 신속하게 스위칭 되는 그리고 충분히 효율적인 커-시스템을 유도한다. 하지만, 아주 중요한 한 가지 단점은, 상기 효과의 극도로 강한 온도 의존성이다. 요약해서 말하자면, 전기 습윤-원치, LC-배향 또는 멤브레인 유체 공학을 토대로 하는 모든 변형예들이 가끔은 광학적인 또는 기하학적인 파라미터 측면에서 상당히 제한된다.
종래 기술에 대한 전술된 평가 결과가 보여주는 바와 같이, 특히 광 변조를 위해 전기 광학적인 커-효과를 활용하는 상이하게 형성된 장치들이 공지되어 있다. 폭넓은 산업적 적용을 위해서는, 높은 작동 전압과 더불어 상기 효과의 매우 강한 온도 의존성이 단점이 된다.
본 발명의 과제는, 전기 광학적인 커-효과를 토대로 해서 낮은 임계 전압 및 작동 전압, 상기 효과의 최소화된 온도 의존성 및 낮은 응답 시간에 도달하도록, 전기적으로 제어 가능한 광학 요소를 형성하거나 제조하는 것이다.
상기 과제는, 특허 청구항 1의 전제부에 따른 전기적으로 제어 가능한 광학 요소에서, 커 액체가 막대 형상의 분자 및 비-막대 형상의 분자로 이루어진 혼합물을 활성 합성물로서 구비하며, 상기 커 액체가, 전기 광학적인 커-효과에 상응하게 작업 온도 범위(RT) 안에 전기장이 없는 경우에는 커 액체의 활성 합성물의 상태가 등방성이도록, 그리고 전압(U)의 전기적으로 연속적인 조정에 의해서 또는 전압(U)의 스위칭 온/오프에 의해서 광학 요소의 전압 유도된 페이즈 편이 또는 굴절률 편이의 변경이 발생하도록, 그리고 광이 전극에 대해 수직으로 전극 간극을 통과하도록, 박막 셀 내에서 기판상에 적층된 구조화된 전도성 층과 그리고/또는 평평한 전도성 층 사이에 예비 압축 가능하고 메시(mesh) 폭이 넓은 비등방성 망을 갖는 박막을 형성함으로써 해결된다.
또한, 상기 과제는, 특허 청구항 9의 전제부에 따른 전기적으로 제어 가능한 광학 요소를 제조하기 위한 방법에서,
a) 커 액체가 막대 형상의 분자 및 비-막대 형상의 분자로 이루어진 혼합물을 활성 합성물로서, 반응성 메조겐(mesogen)으로서, 광 개시제로서 그리고 지방족 모노머로서 구비하며,
b) 커 액체가 박막 셀로서 형성된 커 셀 내부에 채워지며,
c) 커 액체가 실온(RT)보다 낮은 온도(T)로 냉각되고, 이 온도에서는 수직 배향을 갖는 LC-페이즈가 형성되며, 그리고
d) 수직 배향된 층의 UV-조사에 의해 라디칼이 발생되고, 이 라디칼은, 커 액체 내에서 지방족 모노머와 교차 결합된 메조겐으로 이루어진, 메시 폭이 넓고 느슨한 등방성 망이 생성되도록, 배향된 반응성 세미-메조겐의 중합을 야기하며,
그 결과 작업 온도 범위(RT) 안에 전압(U)이 없는 경우에는, 쌍극자 모멘트가 큰 막대 형상의 분자 및 비-막대 형상의 쌍극성 분자로 이루어진 합성물이 재차 등방성이고, 전압(U)이 인가되는 경우에는 상기 합성물의 분자들이 E-자력선의 방향으로 배향됨으로써 해결된다.
본 발명에서는, 전기 광학적인 커-효과(또한 Internet-Lexicon Wikipedia, https://de.wikipedia.org./wiki/Kerr-Effekt 참조)가 등방성 액체 내에서 이용된다. 그에 따라, 액정질 상태가 다루어진다. 특히, 본 발명에 따른 광학 요소의 경우에는, 예비 압축 가능하고 메시 폭이 넓으며 느슨한 비등방성 망을 기본으로 하는 자체 구성에 의해서, 광학 커-효과가 강화된다. 이로써, 놀라운 유형 및 방식으로, 본 발명에 따른 합성물의 사용에 의해서, 그리고 본 발명에 따른 박막 셀 내에서 특유의 셀 구조를 유도하는 본 발명에 따른 제조 기법에 의해서, 단점들이 제거될 수 있다. 본 발명에 따른 활성 합성물의 상태는 작업 온도 범위 안에 전기장이 없는 경우에는 등방성이다. 분산을 야기할 수 있는 규칙적인 분자의 도메인 또는 마이크로 도메인은 존재하지 않는다. 특히, 마찬가지로 (추가의 합성 단계를 위한 출발 재료로서의) 전구체-혼합물의 구성 성분인 고정된 메조겐-클러스터가 발생된다. 메조겐-클러스터는 커-효과를 증가시키고, 이 효과의 온도 의존성을 최소화한다. 전체 합성물은 등방성 액체 상태로 유지된다.
상기와 같은 내용을 토대로 하는 본 발명에 따른 광학 박막 요소는 전기적으로 연속으로 조정 가능하거나 대안적으로는 규정된 상태들 사이에서 스위칭 가능한 페이즈 변조기, 렌즈 및 시각 교구이다. 이들 광학 박막 요소는, 광학적으로 등방성인 것, 다시 말해 편광이 없고 분산되지 않는 것을 특징으로 한다. 이들 광학 박막 요소는, 투과 방향으로 편광 없이 적용되고, 전기적으로 유도되는 높은 페이즈 편이 및/또는 굴절률 편이를 특징으로 하는 전기 화학적으로 활성인 합성물에 의해서 구현된다. 특히 시각 교구와 같은 적용예를 위해서는, 직류 전압(U)의 작동 전압 범위가 15 V 내지 40 V의 범위 안에, 바람직하게는 25 V 내지 30 V의 범위 안에 놓여 있다.
본 발명에 따른 방법에 의해서는, 새로운 형태의 전기 활성 액체를 갖는 박막 셀을 토대로 하는, 편광이 없고 전기적으로 스위칭 가능한 광학 요소가 제조되며, 이와 같은 광학 요소의 배향은 비등방성 폴리머 망 내에서 이루어지는 막대 형상의 극성 분자들의 상호 작용에 의해서 강화된다. 자체 구성에 의한 커-효과의 강화 및 분자 설계에 의해서, 짧은 스위칭 시간 및 낮은 전압에서도, 훨씬 더 높은 굴절률 변조 또는 페이즈 편이에 도달하게 된다. 전기적으로 스위칭 가능하거나 조정 가능한 렌즈에 대한 예들, 특히 시각 교구에 대한 예들은 다음과 같다:
a) 시각 교구를 위한, 전기적으로 신속하게 스위칭 가능한 광학 개별 요소
b) 튜닝 가능하고 개별적으로 조정 가능한 시각 교구
c) 망원경-안경을 위한 스위칭 가능한 확대 시스템.
특허 청구항 2에 따른 본 발명의 개선예에서는, 박막 셀이 2개의 유리 기판 또는 폴리머 기판을 구비하고, 이들 기판의 내부 표면에는 각각 전도성 층으로서의 전도성 ITO-전극이 제공되어 있고, 이들 기판상에는 배향 층이 제공되어 있으며, 메시 폭이 넓은 비등방성 폴리머 망을 위한 예비 압축은 냉각된 커 액체 내부에 혼합된 광 개시제, 지방족 모노머 및 반응성 세미-메조겐에 의해서 이루어지고, 막대 형상 분자의 정렬은 전압(U)의 인가 및 커 액체의 UV-조사에 의해서 이루어진다.
상기 본 발명의 개선예는, 놀라운 유형 및 방식으로 분자 구조의 대략 절반이 메조겐으로 형성될 수 있고, 합성물의 세미-메조겐과의 두드러진 상호 작용을 특징으로 하며, 대략 분자 구조의 다른 절반은 비-메조겐이라는 장점을 가지며, 이 경우에는 막대 형상 구조로부터의 편차가 유전성 등방성의 강도를 저하시키지 않는다.
특허 청구항 3에 따른 본 발명의 바람직한 일 실시예에서는, 수직 배향을 유도하는 배향 층이 광 교차 결합 가능하거나 광 중합 반응 가능한 기이고, 비등방성 망이 2개의 기판 경계면에 공유 결합 방식으로 고정됨으로써, 상기 망은, 거의 실온(RT)에 가까운 작업 범위로의 온도 증가에 의해 커 액체가 등방성화 되는 경우에도 자신의 비등방성 형태를 그대로 유지한다.
상기와 같은 본 발명의 실시예는, 놀라운 유형 및 방식으로 배향 층의 작용이 수직 배향(즉, 분자가 기판에 대해 수직으로 정렬됨)을 강화시키고, 망이 박막 셀 내에서 2개의 기판 경계면에 고정된다는 장점을 갖는다.
추가의 장점들 및 세부 사항은, 도면을 참조해서 이루어지는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 대한 이하의 설명으로부터 인용될 수 있다. 도면부에서:
도 1은 전기적으로 제어 가능한 광학 요소의 바람직한 일 실시예를 좌측의 출발 상태에서 그리고 우측의 예비 압축 상태에서 도시하고,
도 2는 거의 실온(RT)에서 도 1에 따른 광학 요소를 좌측에서는 전압(U)이 제공되지 않은 상태에서 그리고 우측에서는 전압(U)이 인가된 후의 상태에서 도시하며,
도 3은 등방성 커-합성물의 조성을 도시하고,
도 4는 세미-메조겐의 바람직한 일 실시예의 구성을 도시하며, 그리고
도 5a 및 도 5b는 다차원의 비등방성 망에 대한 일 실시예를 도시한다.
도 1 내지 도 2는, 특히 비등방성 망(9) 내에 있는 막대 형상의 분자(5) 및 비-막대 형상의 분자(4)로 이루어진 혼합물을 기본으로 하는 커 액체(K)의 등방성 합성물의 본 발명에 따른 커-효과를 설명하기 위한, 전기적으로 제어 가능한 광학 요소의 바람직한 일 실시예를 보여준다. 이 경우, 이하에서, 액정 + 세미-메조겐이란 등방성 혼합물로 이해될 수 있고, 등방성 혼합물 + 반응성 메조겐 + 지방족 모노머 + 광 개시제 + 등은 전구체-혼합물로 이해될 수 있으며, 전구체-혼합물 + UV-조사는 도 3에 도시된 바와 같이 (본 발명에 따른) 합성물로서 이해될 수 있다.
커 액체(K)의 본 발명에 따른 합성물(4, 5)은, 쌍극자 모멘트가 큰 막대 형상의 분자(5), 그리고 예컨대 액정-페이즈와 같은 규칙적인 상태의 형성을 방해하는 비-막대 형상의 쌍극성 분자(4), 광 교차 결합 가능한 단일 작용성, 2작용성 및 3작용성 분자, 특히 반응성 메조겐(8), 및 광 개시제(6)의 적합한 조합을 특징으로 한다. 광 개시제는, (UV-)광의 흡수 후에 광 분해 반응에서 붕괴되고, 반응을 시작(개시)하는 반응성 종을 형성하는 화학적 화합물이다; 본 발명에 따른 커 액체(K)의 틀 안에서는 중합. 반응성 종으로서는 라디칼 또는 양이온이 다루어진다. 이 경우에는, 비-공유 결합 상호 작용하는 분자 및 고정된 메조겐-클러스터와 같은 추가의 구성 성분들이 원하는 특성을 뚜렷하게 개선시킨다.
비-막대 형상의 쌍극성 분자(세미 메조겐)(4)는 실온 또는 작업 온도(RT)에서 액정질 페이즈의 형성을 억제한다. 이들의 기능은 막대 형상 분자(5)의 액정-페이즈의 투명점을 낮추는 작용에 있다. 이와 같은 균형 잡힌 투명점 저하는 예를 들어 부피가 큰 날개 기(wing group), 즉 측면 치환체에 의해서, 더 작은 길/폭-비율에 의해서, 막대 형상 구조물로부터의 편차 등에 의해서 성취될 수 있다.
다른 한편으로, 세미 메조겐(4)의 분자 형상, 세미 메조겐의 분자 상호 작용 및 세미 메조겐의 농도는, 세미 메조겐이 작업 온도 범위 아래의 낮은 온도(T < RT)에서 혼합물의 수직 배향의 형성을 허용하도록 설계되어 있다. 다시 말해, 분자 구조의 일 절반은 세미-메조겐이고, 합성물의 메조겐과의 두드러진 상호 작용을 특징으로 하며, 다른 절반은 비-메조겐이며, 이 경우에는 막대 형상 구조로부터의 편차가 유전성 비등방성의 강도를 저하시키지 않는다. 그러나 이들 분자는 또한 가급적 높은 쌍극자 모멘트를 특징으로 하며, 이로써 이들 분자는 합성물의 커-효과의 강도에 기여한다.
(바람직하게 UV-파워 다이오드에 의한) 수직 배향된 층의 UV-조사에 의해서는, 배향된 반응성 메조겐(8)의 중합을 야기하는 라디칼이 발생된다. 그 결과, 메시 폭이 넓고 느슨한 비등방성 망(9)이 나타난다. 실온에서 또는 작업 온도 범위(RT)에서, 쌍극자 모멘트가 큰 막대 형상의 분자 및 비-막대 형상의 쌍극성 분자로 이루어진 합성물은 재차 등방성이다. 전압(U)이 인가되면, 합성물(4, 5)의 분자가 E-자력선의 방향으로(수직으로, 다시 말해 기판 면에 대해 수직으로) 배향된다(도 1의 좌측 참조).
일 실시예에서는, 수직 배향을 유도하는 배향 층(3)은 광 교차 결합 가능하거나 광 중합 가능한 기들을 함유한다. 이 경우에는, 비등방성 망(9)이 2개의 기판 경계면에 공유 결합 방식으로 고정됨으로써, 상기 망은, (거의 실온에 가까운) 작업 온도(RT)로의 온도 상승에 의해 합성물(4, 5)이 등방성화 되는 경우에도 자신의 비등방성 형태를 특별한 정도까지 그대로 유지하게 된다.
폴리머 기반의 비등방성 매트릭스 또는 비등방성 망(9)은 전기적으로 야기되는 스위칭 상태를 지지하기 위해서 이용되고, 스위칭 전압을 저하시킨다. 폴리머 기반의 비등방성 매트릭스는 활성 재료의 전구체-혼합물(4, 5)에서 특별한 방법에 의해 발생된다. 지원 망(9)의 형성에 의해서는, 폴리머 안정화된 블루 페이즈, 폴리머 안정화된 등방성 페이즈 및 등방성 폴리머 분산형 페이즈에서 나타나는 경우와 같은 육안으로 감지할 수 있는 페이즈 분리가 전혀 야기되지 않는다.
자체 배향 기능(벌크-얼라인먼트, 배향 층(3))을 갖고 메시 폭이 넓은 비등방성 폴리머 망(9)은 더 우수한 온도 일관성, 낮은 스위칭 전압, 및 자체 구성에 의한 광학 커-효과의 강화를 야기한다.
극단적인 경우에는, 충분히 높은 전압(U)이 인가되는 경우 그리고 정확하게 매칭된 합성물(4, 5)의 조성의 적합한 중간 분자적인 상호 작용의 경우에 그리고 오로지 이와 같은 경우들에 의해서만 액정 페이즈가 형성된다.
커 액체(K) 내에서의 배열 고정으로 인한 안정화에 의해서 더 낮은 온도 의존성을 얻기 위하여, 등방성 합성물의 커-효과는, 메시 폭이 넓은 비등방성 폴리머 망(9) 내에서 큰 쌍극자 모멘트를 갖는 형태 비등방성 분자의 나노 입자 및 나노 크기의 클러스터에 의해서 달성될 수 있다. 이 목적을 위해, 공유 결합 또는 중간 분자 상호 작용에 의해서 자체의 규칙적인 배열체 내에 고정되는 형태 비등방성 분자(4)가 나노 입자 및 나노 크기의 클러스터가 전구체-혼합물(4, 5)의 구성 성분으로서 사용된다. 이와 같은 나노 크기의 비등방성 클러스터 및 나노 입자는, 비등방성 망(9) 내에 있는 막대 형상의 분자(5) 및 비-막대 형상의 분자(4)로 이루어진 혼합물을 기본으로 하는 등방성 합성물의 전술된 커-효과를 확장시킨다. 차이점은, 쌍극자 모멘트(5)가 나노 크기의 클러스터 또는 나노 입자 형태로, 큰 막대 형상의 분자가 규칙적인 배열체 내에 고정된 형태로 존재한다는 데 있다(네마틱 페이즈의 투명점 바로 위에서 스웜(swarm)의 예비 순위 효과와 유사함). 이와 같은 클러스터 및 나노 입자는 나노 수준으로 작다(1 ㎚ 내지 200 ㎚, 바람직하게는 5 내지 20 ㎚). 나노 수준의 크기로 인해, 이들 클러스터 및 나노 입자는 합성물의 분산을 전혀 야기하지 않는다. 반응성 기(반응성 메조겐)를 갖는 막대 형상의 분자는 광 중합에 의해서, 형성된 액적 내에, 나노 입자 내에 또는 투명점 바로 위에서의 네마틱 예비 순위 스웜 내에 고정될 수 있다. 이와 같은 고정은, 공유 결합에 의한 고정 대신에, 비-공유 결합 방식의 중간 분자 상호 작용(H-브리지 결합, 이온성 상호 작용 및 ππ-상호 작용)에 의해서도 이루어질 수 있으며, 이는 마찬가지로 더 안정적으로 배열된 나노 크기의 분자 배열을 유도한다. 이와 같은 분자-클러스터 또는 구형의 그리고 비-구형의 나노 입자는 전구체-혼합물(4, 5) 내에서 분산된다. 결과적으로 나타나는 합성물은 등방성의 비-분산 액체이다.
형태 비등방성 분자를 기본으로 하고 배열 고정된 클러스터 및 나노 입자는 한 편으로는 고도로 안정적인 배향 배열에 의해 커-효과의 증가를 야기하고, 특히 투명점 위에 있는 용액 또는 LC 물질 내에서 커-효과의 두드러진 온도 의존성을 최소화시킨다.
중간 분자 착물 형성과 커-액체(K) 내에서의 예비 순위 효과 간의 상이한 온도 의존성에 의해서 더 적은 온도 의존성을 얻기 위하여, 등방성 합성물의 커-효과는 큰 쌍극자 모멘트를 갖고 생성되는 형태 비등방성 분자(5)의 착물 형성을 토대로 하여, 메시 폭이 큰 비등방성 폴리머 망(9) 내에서의 중간 분자 상호 작용에 의해서 달성될 수 있다. 이 목적을 위해, 쌍극자 모멘트가 큰 막대 형상의 분자(5)는, 예를 들어 H-브리지 결합, 이온성 상호 작용 및 (예컨대 피리딘/산, 산/산 등의) ππ-상호 작용과 같은 중간 분자 상호 작용에 의해서 비로소 형성된다. 중간 분자 상호 작용과 예비 배향 효과의 상이한 온도 의존성은 이 효과의 안정화를 위해서 이용된다. 따라서, 막대 형상 분자(5)의 순서 경향은 - 막대 형상의 분자(5) 및 비-막대 형상의 분자(4)로 이루어진 혼합물을 기본으로 하는 등방성 합성물의 전술된 커-효과에 상응하게 - 비-공유 결합 방식의 중간 분자 상호 작용에 의해서 증가된다. 그에 따라, 전압-유도된 배열 효과 또는 강화 효과는, 지나치게 높은 커-상수를 유도하는 자체 구성에 의해서 야기된다.
중간 분자 착물 형성과 커-액체(K) 내에서의 예비 순위 효과 간의 상이한 온도 의존성에 의해서 더 적은 온도 의존성을 얻기 위하여, 중간 분자 상호 작용에 의해서 형성되는 비-형태 비등방성 분자에 의해 등방성 합성물의 커-효과의 열적인 안정성에 도달할 수 있다. 이 경우에는, 비-막대 형상의 세미 메조겐(4)이 예를 들어 H-브리지 결합 또는 이온성 또는 ππ-상호 작용과 같은 중간 분자 상호 작용에 의해서 비로소 형성된다. 세미 메조겐(4)의 형성에 의해, 실온에서 또는 작업 온도 범위(RT)에서 등방성 페이즈가 생성된다. 온도 상승은 비-공유 결합 상호 작용의 약화 및 착물의 약화를 야기할 수 있다(부분적으로 분해됨). 이와 같은 방식에 의해서, 그 농도는 더 적어지고, 이로써 순서 경향의 제어가 가능해진다. 열적으로 유도되는 착물의 분해, 즉 예컨대 H-브리지 결합의 감소된 형성은, 착물 형성에 의해서 야기되는 전하의 희미해짐(blurring)을 제거해주고, 단편은 더 높은 쌍극자 모멘트를 얻게 된다. 이와 같은 방식에 의해, 합성물은 온도가 상승함에 따라 더 높은 유전성 등방성을 얻게 되고, 커-효과가 지지된다.
본 발명에 따른 활성 합성물(4, 5)의 이용에 의해서 그리고 본 발명에 따른 활성 합성물(4, 5)을 구조화된 그리고/또는 평평한 전극(2) 사이에 있는 박막에 적용함으로써, 다음과 같은 다양한 적용예들이 구현될 수 있다:
Figure pct00010
굴절 및 회절 광학 요소,
Figure pct00011
전기적으로 연속으로 조정 가능하거나 두 가지 상태 사이에서 스위칭 가능한 렌즈,
Figure pct00012
전기적으로 연속으로 조정 가능하고 국부적으로 변형 가능한 렌즈(보정 렌즈, 비구면 렌즈),
Figure pct00013
국부적으로 그리고 효과에 있어서 연속으로 조정 가능한 시각 교구 또는 두 가지 상태 사이에서 스위칭 가능한 시각 교구(접속 가능한 근거리 시력 부분),
Figure pct00014
전기적으로 제어 가능한 회절 격자,
Figure pct00015
편광 독립적인 페이즈 변조.
이하에서는, 전기적으로 제어 가능한 본 발명에 따른 광학 요소의 구조가 도 1 및 도 2를 참조해서 상세하게 설명된다.
셀 기판(1):
셀 기판은 유리 또는 플라스틱으로 이루어질 수 있다. 기판은 평평하거나 오목하거나 볼록할 수 있거나 마이크로 렌즈도 구비할 수 있다. 기판(1)은 스페이서(유리- 또는 플라스틱 섬유 부재 또는 소형 구 또는 리소그래픽 방식으로 발생된 폴리머 구조물)에 의해서 수 ㎛의 균일한 간격으로 유지된다. 광학용 접착제에 의해서, 2개의 기판(1)이 전면에서 서로에 대해 고정된다.
전극(2):
유리- 또는 플라스틱 기판(1)에는 투명한 전극(2)이 제공된다. 이 전극은 바람직하게, 스퍼터링, 진공 증착, 프린팅 등에 의해서 기판(1) 상에 적층되는 ITO, 금속 혹은 전도성 폴리머로 이루어진 전극이다. 전극(2)은 면적이 클 수 있거나 구조화될 수 있으며, 이 경우 구조화는 프린팅에 의해서, 전극 적층시에는 마스킹을 이용해서 이루어질 수 있다. 대안적으로, 본 발명의 틀 안에서는, 면적이 큰 전극이 구조화될 수 있다.
배향 층(3):
ITO 전극(2) 상에는 배향 층(3)의 박막(20 ㎚ 내지 1 ㎛)이 적층되며, 이들 박막은 낮은 온도에서 또는 작업 온도 범위 아래에서 합성물의 수직 배향을 야기한다(T < RT). 이를 위해, 본 발명의 틀 안에서는, 폴리이미드, 폴리비닐알코올, 감광성 폴리머, 레시틴 등과 같은 폴리머가 사용된다.
선택적으로, 배향 층(3)은, 반응성 메조겐의 공유 결합 또는 그로부터 형성되는 망(9)을 허용하는 (광-)교차 결합 가능한 기를 함유한다.
합성물(4, 5):
합성물은 거의 실온(RT)에 가까운 작업 범위에서는 등방성이다. 비등방성 상태는, 낮은 온도에서 배향 층에 의해 경계면 배향에 의해서 성취된다. 이와 같은 비등방성 중간 상태는 오로지 반응성 메조겐(5)의 광 중합에 의한 비등방성 망(9)의 제조를 위해서만 필요하다. 작업 온도 범위(RT)에서는, 재차 막대 형상의 그리고 비-막대 형상의 극성 분자(4, 5)의 등방성 상태에 도달한다.
제조 동안의 그리고 전기적으로 제어 가능한 본 발명에 따른 광학 요소의 작동 중의 상태들은 다음과 같다:
1. 실온(RT)에서 기판(1) 사이에서의 합성-혼합물(4, 5)의 등방성 출발 상태.
2. 광 중합 전의 낮은 온도에서의 수직 상태(도 1의 좌측 참조).
3. 낮은 온도에서 광 중합에 의해 발생하는 비등방성 망을 갖는 수직 상태(도 1의 우측 참조).
4. 전압(U) 차단에 의해 실온(RT)에서 비등방성 망을 갖는 등방성 상태(도 2의 좌측 참조).
5. 전기 전압(U)의 인가에 의한 합성물의 배향. 이 배향은 비등방성 망(9)에 의해서 지원된다(도 2의 우측 참조).
새로운 형태의 높은-Δn 물질과 혼합물의 조합, 순서를 설정하거나 분해하는 그리고 커-효과에 기여하는 구성 성분 및 비등방성 폴리머 망(9)의 인-시튜 발생에 의해서, 본 발명에 따른 합성물은 - 전형적인 액체 내에서 커-효과를 이용하는 것에 대하여 - 편광에 의존하지 않는 광학 특성의 전압 유도된 변조의 상당한 증가를 갖는다. 이 경우, 합성물은 다양한 기능 구성 성분들로 구성될 수 있다:
이들 기능 구성 성분은, 한 편으로는 쌍극자 모멘트가 큰 막대 형상의 분자(5)이며, 이 분자의 순서 경향은 작업 온도 범위 안에서 제한된 메조겐 성질(세미-메조겐(4))을 갖는 쌍극성 분자에 의해 감소된다. 이 경우에는, 세미-메조겐(4)이 결정적인 역할을 하는데, 그 이유는 세미-메조겐(4)이 막대 형상의 높은-Δn 화합물에 대하여 거의 방해물로서 기능하고, 이로써 작업 온도 범위 내에서 그의 순서 경향을 부분적으로 낮추며, LC-페이즈와 같은 규칙적인 상태의 형성을 방해한다. 그러나 세미-메조겐도 마찬가지로 높은 유전성 등방성을 갖기 때문에, 세미-메조겐은 협력 방식으로 커-효과에 기여한다.
또 다른 중요한 구성 요소는, 광 개시제(6)와 조합된 광 교차 결합 가능한 반응성-메조겐(8)이다. 작업 온도 범위 아래에서는, 출발 혼합물이 네마틱 LC 페이즈로 존재하고, 이는 경계면 효과 및/또는 전기 전압에 의해서 수직으로 배향될 수 있다. 상기 상태에서 UV-조사는, 반응성-메조겐(8)의 광 중합에 의해서 메시 폭이 넓고 느슨하며 비등방성이고 배향 작용하는 망(9)의 형성을 유도한다. 하지만, 결과적으로 나타나는 합성물은 실온에서 또는 작업 온도 범위에서 등방성이고, 비-분산적이며, 광학적으로 투명하다. 하지만, 충분히 높은 전기 전압이 인가되면, 등방성 액체의 막대 형상 극성 분자(5)가 자력선의 방향으로 기판에 대해 수직으로 배향되며, 이로 인해 굴절률이 변경된다. 이 경우에는, 비등방성 망(9)이 예비 순위 효과에 의해서 합성물의 막대 형상 극성 분자(5)의 정렬을 지원한다. 그 결과, 스위칭 전압이 더 적은 경우에도 종래 기술에 비해 훨씬 더 강한 굴절률 변조에 도달하게 된다. 더 나아가서는, 공정의 온도 의존성도 현저히 줄어들고, 이로써 기술적인 이용이 가능해진다. 필수적인 전압 유도된 굴절률 편이 또는 페이즈 편이는 전기 광학적인 커-효과를 토대로 하여 본 발명에 따른 합성물 내에서 발생된다. 등방성 액체 합성물은 매우 짧은 스위칭 시간을 특징으로 한다.
전술된 구성에서는, 모든 스위칭 상태가 투과 방향에 대해 대칭이고, 이로써 편광과 무관하다. 전체적으로 볼 때, 본 발명에 따른 합성물은 렌즈 기능을 갖춘 박막 요소의 제조를 위해 전기 광학적인 기본 효과의 이용을 허용하는데, 그 이유는 굴절률 변조의 값이 상당히 증가되고, 스위칭 시간이 줄어들며, 필요한 스위칭 전압이 감소되기 때문이다. 이 경우, 본 발명의 틀 안에서는, 어드레싱 된 회절 렌즈의 패턴을 갖는 새로운 형태의 합성물이 기본 요소로서 제조될 수 있다. 활성 프레넬- 또는 페이즈-구역 플레이트의 발생은 대안적으로 환상의 비-주기적인 전극 구조물들의 제조 및 이들의 접촉을 요구한다. 링 전극은 ITO 내에서 제조될 수 있다. 두 가지 방법 모두 기판 내에서 또는 활성 물질 내에서 스위칭 가능한 렌즈, 즉 프레넬-구조의 구현을 위해 적합하며, 이 경우 본 발명에 따른 스위칭 가능한 회절 박막-렌즈는 다양한 광학적 적용을 위해서 구상 및 적응될 수 있으며, 이와 같은 내용은 이하에서 더욱 상세하게 설명된다.
전술된 바와 같이, 전자 습윤-원리 및 탄성 중합체-멤브레인을 기본으로 하는 스위칭 가능한 렌즈는 자체 중량, 부피가 큰 공급 구성 요소 및 제한된 애퍼처로 인해 시각 교구 및 망원경-안경에는 덜 적합하다. 하이브리드 광학 수단의 제조를 위해서도, 상기와 같은 접근 방식은 제한적으로만 이용 가능하다.
액정을 기본으로 하는 스위칭 가능한 렌즈는 상기와 같은 단점들을 나타내지 않는다. 하지만, 배향된 액정의 편향 의존성은 상기와 같은 접근을 강하게 제한한다. 이와 같은 단점을 극복하기 위해서는, 예컨대 편광기 또는 반대 방향의 LC-배향을 갖는 다수의 LC-요소(A.Y.G.; Ko, S. W.; Huang, S. H.; Chen, Y.Y.; Lin, T.H., Opt. Express 2011, 19, 2294-2300 참조) 또는 반대 방향으로 배향되는 층(특히 Ren, H.; Lin, Y.H.; Fan, Y.H.; Wu, S.T. Appl. Phys. Lett. 2005, 86, 141110; Lin, Y.H.; Ren, H.; Wu, Y.H.; Zhao, Y.; Fang, J.; Ge, Z.; Wu, S.T. Opt. Express 2005, 13, 8746-8752; Wang, B.; Ye, M.; Sato, S., Opt. Commun. 2005, 250, 266-273 참조)과 같은 추가의 광학 구성 요소들이 사용되어야만 한다. 그러나 이로 인해서는 광 출력이 줄어들고, 시스템 구조가 훨씬 더 복잡해지며, 제조시 추가의 오류 원인이 생성된다.
그와 달리, PDLC를 기본으로 하는 등방성 LC 요소는 OFF-출발 상태에서 상이한 배향의 액적의 강한 분산을 갖는다. 광학적으로 두 가지 상태에서 거의 투명한 나노-PDLC 시스템도 마찬가지로 잔류 분산을 갖는다. 그밖에, 필수적인 스위칭 전압도 비교적 높고, 스위칭 시간은 나노미터 크기의 액적과 이 액적을 둘러싸는 폴리머 매트릭스의 상호 작용에 의해서 다른 LC-요소보다 훨씬 더 길다.
LC 요소에서는 (특히 자장이 없는 상태에서) 유전성 재배향의 공정이 일반적으로는 상대적으로 느리기 때문에, 최근 몇 년 동안에는, LCD의 그리고 다른 LC-요소를 위한 더 짧은 스위칭 시간에 도달하기 위하여, 수많은 접근 방식들이 수행되었다. 그에 대한 예들은 다음과 같다: NLC's의 점탄성 파라미터의 최적화, 시스템의 초과 제어(D.-K. Yang 및 S.-T. Wu, fundamentals of Liquid Crystal Devices (John Wiley, New York, 2006) 참조), 서브-㎛-폴리머-망-템플릿 내에서 NLC's의 "새로운 정렬"(J. Xiang 및 O. D. Lavrentovich, Appl. Phys. Lett. 103, 051112 (2013) 참조) 또는 또한 "Dual Frequency"-LC's(DFLC)(B. Golovin, S. V. Shiyanovskii, 및 O. D. Lavrentovich, Appl. Phys. Lett. 83, 3864 (2003) 참조), 표면 안정화된 강유전성 LC's(SSFLC) 또는 chiral smektischen LC's(G. Polushin, V. B. Rogozhin, 및 E. I. Ryumtsev Doklady Physical Chemistry, 2015, Vol. 465, Part 2, pp. 298-300 참조).
극성 분자의 정렬(예를 들어 Bing-Xiang Li, Volodymyr Borshch, Sergij V. Shiyanovskii, Shao-Bin Liu; Oleg D. Lavrentovich, Appl. Phys. Lett. 104, 201105 (2014) 참조)을 토대로 하고 배향된 액정의 LC-다이렉터의 유전성 재배향을 필요로 하지 않는(프레드릭-효과) 커-효과는, 나노 초-범위 안에 있는 스위칭 시간을 갖는다(1-33 ns). 하지만, 종래의 커-액체를 위해서 필수적인 스위칭 전압은 수백 볼트(300 내지 900 V, E =~108 V/m)이며, 이 경우 전기적으로 유도되는 이중 굴절의 값은 0.001 내지 0.01에 달한다. 이와 같은 접근 방식은 복잡한 제어 회로에 의해서, 히스테리시스-특성에 의해서 그리고 또한 불안정한 스위칭 상태(Su Xu, Yan Li, Yifan Liu, Jie Sun, Hongwen Ren, Shin-Tson Wu, Micromachines 2014, 5, 300-324)에 의해서도 제한되어 있다.
일 대안은, 복잡한 3D 구조를 갖지만 자장이 없는 상태에서 광학적으로 등방성인 블루 LC 페이즈이다. 이와 같은 등방성 블루 LC 페이즈는 짧은 스위칭 시간을 특징으로 하지만, 이 페이지의 매우 작은 열적인 존재 범위 때문에 렌즈-사용을 위해서는 부적합하다. 폴리머 보강된 블루 페이즈(PSBP, Su Xu, Yan Li, Yifan Liu, Jie Sun, Hongwen Ren, Shin-Tson Wu, Micromachines 2014, 5, 300-324 참조)는 더 높은 굴절률 변조를 나타내고, 적용과 관련된 존재 범위를 갖지만, OFF-상태에서 상대적으로 높은 스위칭 전압 및 명백한 분산 효과(Y. Haseba 및 H. Kikuchi, Mol. Cryst. Liq. Cryst., 2007, 470,1; Young-Cheol Yang 및 Deng-Ke Yang Applied Physics Letters 98, 023502, 2011 참조)를 갖는다.
전기장 내에서 극성 분자의 배향은 오래전부터 광학 커-효과로서 공지되어 있다. 하지만, 예컨대 니트로벤젠 및 이황화 탄소와 같은 종래의 액체의 커-상수는 렌즈에 적용하기에는 10배만큼 지나치게 낮고, 관련 층 두께를 위한 스위칭 전압은 10배만큼 지나치게 높다. 밀리 초-범위 및 서브-ms-범위 안에 있는 스위칭 시간을 갖는 훨씬 더 높은 커-상수는 네마틱 액정의 등방성 용융물을 갖는다(F. Costache, M. Blasl Optik & Photonik Volume 6, Issue 4, pages 29-31, December 2011 참조). 이는 편광이 없고 신속하게 스위칭 되며 효율적인 커-시스템을 유도한다. 이 효과는 공식적으로 두 가지 원인을 갖는데, 한 편으로는 길게 연장된 π-시스템을 갖는 막대 형상의 극성 액정이 높은 커-상수를 야기하고, 다른 한 편으로는 투명점 위에 있는 분자 스웜의 네마틱 예비 순위 효과에서 그 원인을 찾을 수 있다. 그로부터 결과적으로 나타나는 이 효과의 극도로 강한 온도 의존성은 상기와 같은 접근 방식의 주요 단점이다.
전술된 단점들은 본 발명에 따른 등방성 합성물에 의해서 극복된다. 비등방성 폴리머 망(9) 내에서 등방성 메조겐과 세미-메조겐-혼합물의 조합에 의해, 신속한 스위칭 시간 및 적절한 스위칭 전압에서 굴절률 변조의 높은 값에 도달하게 된다. 새로운 유형의 재료 컨셉은, 광학 커-효과를 토대로 하는 전기적으로 스위칭 가능하거나 조정 가능한 광학 렌즈 또는 다른 광학 요소를 제조하기 위해서 이용될 수 있다.
이를 위해, 매우 높은 굴절률-비등방성을 갖는 액정 화합물이 선택되었고, 이에 매칭되었으며, 등방성 세미-메조겐이 개발되어 액정 화합물과 혼합됨으로써, 결과적으로 나타나는 두 가지 성분의 혼합물은 다만 잠재된 액정 특성만을 갖게 된다. 특히, 이들은 작업 온도 범위 안에서 전기 전압의 인가 없이도 등방성 액체로서 존재한다. 본 발명에 따른 세미-메조겐-4는 구조, 그 특성 조합 및 기능에 있어서 새로운 부류의 기능 물질이다. 이를 위해 필요한 특성을 적합한 분자 설계 및 효율적인 합성에 의해서 조정하는 과정은 이하에서 더욱 상세하게 설명된다.
본 발명에 따른 합성물은 광학적이고 다이내믹한 특성의 정확한 설정 그리고 상기 혼합물의 주요 성분들의 중간 분자적인 상호 작용의 정확한 설정을 필요로 하며(도 3 참조), 다음과 같이 구성된다:
- 굴절률-비등방성이 높은 액정 화합물,
- 순위를 설정하기 위한 세미-메조겐(4) 그리고
- 비등방성 망(9)을 형성하기 위한 광 중합 가능한 반응성-메조겐(8).
본 발명에 따라, 커-혼합물은 굴절률-비등방성이 큰 막대 형상의 액정(5)을 함유한다. 이들의 높은 순위 경향 및 높은 용융점 및 투명점은 세미-메조겐(4)과의 혼합에 의해서, 상기 혼합물이 작업 온도 범위(RT) 안에서는 등방성 액체로서 존재할 정도로 낮아진다. 복잡한 일련의 테스트에서는, 상기 특성 조합을 설정하기 위한 다양한 분자 접근 방식이 검사되었다: 적합한 길이/폭-비율의 설정에 의해서, 단단한 방향족 고리계의 길이의 변화, 날개 기의 길이 및 분지의 변화에 의해서, 그리고 헤드 기(head group)의 극성 변화에 의해서, 다시 말해 일반적으로는 LC-페이즈를 억제하는 적합한 중간 분자 상호 작용의 설정에 의해서. 극성 세미-메조겐(4)은, 마찬가지로 전기장 내에서 배향될 수 있지만 혼합물의 액정 특성을 억제하도록 설계되었다. 상기 세미-메조겐(4)은 다만 잠재된 LC-특성만을 갖고, 다만 잠재된 액정 특성만을 갖는 등방성 액체이다.
마찬가지로 요구되는 커-혼합물의 광학적이고 전기 광학적인 특성 측면에서, 세미-메조겐(4)은 임의의 용매로 대체될 수 없다. 액정의 배향 순위는 본 발명에 따라 규정된 바대로 해체되고 설정된다. 이로써, 최종 혼합물은 작업 범위 안에서는 광학적으로 등방성인 액체로서 존재해야 하지만, 네마틱 예비 배향 경향을 갖는다. 하지만, 낮은 온도에서는, 액정이어야 하고, 배향 층에 의해서 또는 전기장의 인가에 의해서 수직으로 정렬되어야 한다. 이와 같은 규정된 배향 순위는, 낮은 온도에서 광 중합에 의한 비등방성 망의 구성을 위해 필수적이다.
세미-메조겐(4)은 추가의 기능을 충족시켜야만 하며, 이로써 본 발명에 따라 세미-메조겐의 분자 설계에 의해서 또한 광학적인 커-효과에도 기여하게 된다. 그렇기 때문에, 세미-메조겐도 마찬가지로 높은 유전성 비등방성을 가져야만 하고, 높은 굴절률-비등방성에 기여해야만 하며, 전기장 내에서 혼합물의 협력적인 배향을 지원해야만 한다. 상기와 같은 다양한 특성들의 조합은 다음과 같은 구조 특징에 의해서 성취된다:
(1) 액정 순위의 해체는 알킬 날개 기의 2차 또는 3차 분지에 의해서 그리고/또는 측면 치환체에 의해서 달성될 수 있다.
(2) 높은 유전성 비등방성, 높은 커-상수 또는 높은 굴절률-비등방성은 극성 헤드 기의 변화에 의해서 그리고 단단 분자 부분 내에 헤테로 사이클을 도입함으로써 달성된다.
세미-메조겐(4)의 기본적인 구성은 도 4에서 인용할 수 있다.
등방성 세미-메조겐(4)의 기술된 기능성은 적합하게 치환된 바이페닐을 토대로 해서 달성될 수 있다. 특히 분지된 날개 기는 분자의 폭을 심하게 확대시키고, 전이 온도의 두드러진 강하를 유도한다. 변경된 길이/폭-비율에 의해서는, 네마틱 페이즈의 형성이 방해될 수 있거나 상기와 같은 페이즈의 존재 범위가 강하게 줄어들 수 있다. 이와 같은 상황은 예컨대 메틸기 및 에틸기를 지방족 날개 기의 분지로서 형성함으로써 달성되며, 이 경우에는 날개 기에서의 분지의 위치가 매우 중요하다.
상기 구조 특성은 이하에서 a) 2차 분지를 갖는 날개 기에 대해서, R = CN
Figure pct00016
이고, b) 3차 분지를 갖는 날개 기에 대해서, R = CN
Figure pct00017
이다.
높은 유전성 및 광학적인 비등방성, 즉 높은 Δε- 및 Δn-값을 갖는 등방성 세미-메조겐(4)을 합성하기 위한 목적은 예컨대 극성 헤드 기에 의해서 촉진될 수 있다. 한 편으로는 전기적으로 유도 가능한 이중 굴절에 기여하고, 다른 한 편으로는 높은 유전성 등방성에 기여하는 특히 적합한 기로서, 다음과 같은 치환체가 바이페닐-구조의 파라-위치에 삽입되는 것, 즉 극성 헤드 기를 갖는 메조겐 단위체의 치환이 장점이 된다:
Figure pct00018
또한, 영구적인 쌍극자 모멘트 및 이로써 세미-메조겐(4)의 유전성 비등방성(Δε)이 페닐 고리를 헤테로 방향족 코어로 교환함으로써 증가될 수 있다. 분자 구조는 헤테로 방향족 코어에 의해 단지 약간만 변하는 한편, A. Boller, M. Cereghetti, H. Scherrer, Z. Naturforsch., Teil B, 33,433 (1978)에 따라 유전성 특성에 대한 강한 영향이 예상되며, 이 경우 헤드 기와 비교되는 헤테로 원자 또는 또한 헤테로 방향족 화합물의 위치는, 쌍극자 모멘트가 부가적인 특성을 나타내도록 선택될 수 있다. 유전성 비등방성의 증가 외에, 편광화 가능성 비등방성의 증가 및 이로써 더 높은 이중 굴절도 예상될 수 있다. 이와 같은 상황은 특히 피리딘-고리를 갖는 세미-메조겐(4) 및 헤드 기의 변화에 대하여 다음과 같이 도시되어 있다.
Figure pct00019
유전성 비등방성은 또한 단단한 고리에 있는 극성 기들에 의해서도 증가될 수 있다. 가로 방향 치환체는 동시에 2량체 형성에 의해 쌍극자 모멘트의 부분 보상을 저지한다.
이로써, 특히 3,5-지점에 2개의 플루오르 방향족 화합물을 도입하는 것은 약 8.5 단위 만큼의 유전성 비등방성의 증가를 야기한다(P. Kirsch, A. Hahn, Eur. J. of Org. Chem. (2005), (14), 3095-3100 참조). 가로 방향 3,5-치환체의 경우에는, 부분 전하가 분자 세로 축을 따라 그대로 유지되며(즉, 쌍극자 모멘트가 세로 축에 대해 평행하게 유지되며), 이로부터 결과적으로 양의 유전성 비등방성이 나타난다. 동시에, 가로 방향 치환체는 전이 온도의 저하를 야기한다. 특히, 극성 치환체의 도입에 의한 유전성 비등방성의 증가가 다음과 같이 나타난다.
Figure pct00020
본 발명에 따라, 등방성 혼합물의 자장 유도된 정렬의 지원은 비등방성 폴리머 망(9)에 의해서 이루어진다. 잠재된 액정질 합성물의 네마틱 예비 순위 효과와 조합된 망(9)의 정렬 메모리-효과가 광학적인 커-효과를 강화시킨다.
망(9)의 또 다른 중요한 과제는, 커-효과의 온도 의존성이 두드러지게 감소한다는 데 있다. 망(9)의 구성을 위해, 특히 방향족 반응성-메조겐(8) 및 지방족 모노머가 메조겐 및 세미-메조겐(4)으로 이루어진 등방성 혼합물 내로 삽입된다. 그 다음에, 이들은 합성물이 수직 배열된 상태에서 광 중합에 의해 낮은 온도에서 중합되고, 메시 폭이 넓은 비등방성 망(9)을 형성한다. 반응성-메조겐(8)의 혼합은 출발 혼합물에서 그리고 망 구조의 구성 후에 최종 합성물에서 중간 분자 상호 작용의 매칭을 요구한다. 추가로 망(9)의 높은 안정성에 도달하기 위하여, 망(9)은 배열 층(3)의 기능화에 의해 기판과 고유 결합된다. 도 5는 다차원적인 비등방성 망의 형성을 보여준다, 즉:
a) 수직으로 배향된 혼합물(예비 합성물) 내에서의 반응성-메조겐(8)과의 등방성 혼합(도 5a 참조) 및
b) 망 안정화된 분자와 망(9) 및 배열 층(3)의 공유 결합(도 5b 참조).
배열 층(3)의 경계면에서의 망(9)의 공유 결합은 전기 광학적인 스위칭 특성 및 장시간 안정성의 두드러진 개선을 유도한다. 이 목적을 위해, 배열 재료가 온도 안정적인 반응성 기(예컨대 OH-기)와 기능화된다. 변형된 재료가 기판상에 증착될 수 있고, 기능 기는 이작용성 반응성-메조겐(8)과 반응할 수 있도록 변형된다. 라디칼 광 중합에 의해 느슨해진 망 형성이 기능화된 2개 배열 층(3)과의 결합을 형성함으로써, 결과적으로 등방성 망(9)은 경계면 안정화된 상태에서 셀을 영구적으로 가로지른다. 이 경우에는, 경계면에서의 결합 지점의 필수적인 농도가 적합한 방식에 의해서 조정될 수 있다.
지방족 또는 방향족 반응성-메조겐(8)을 토대로 하는, 망 형성에 의한 합성물 특성의 개선 외에, 가능한 분리 현상도 억제된다.
본 발명에 따른 커-합성물은, 예를 들어 렌즈 적용 분야를 위해, 특히 시각 교구 및 망원경-안경을 위해 다음과 같은 요구 프로파일에 상응한다:
- 높은 커-상수
- 높은 유전성 비등방성
- 세미-메조겐(4)에 의한 작업 온도 범위에서의 액체 상태 및 등방성
- 막대 형상 분자(5) 및 극성 세미-메조겐(4)에 의해 전기적으로 유도 가능한 높은 굴절률 변조
- 전체 작업 온도 범위에서의 우수한 균질성(물질들의 혼합 가능성, 적은 위상 분리 경향)
- 낮은 회전 점성에 의한 적은 스위칭 시간
- 가시 스펙트럼 범위에서의 적은 흡수
- 높은 (광)-화학적 안정성.
또한, 편광 비의존성 및 접근 방식의 신속한 스위칭 시간도 액정을 토대로 하는 접근 방식과 비교되는 중요한 장점이다. 본 발명에 따른 합성물은 한 편으로는 액정질 시스템의 장점(막대 형상 극성 분자의 큰 커-상수 및 높은 순위 경향)과 다른 한 편으로는 회전 점성이 적고 스위칭 시간이 매우 작은 등방성 액체의 장점을 연결하고, 이로써 이들 합성물은 등방성 액체의 장점과 긴 막대 모양 결정체 액정의 장점을 연결한다.
시각 교구를 위해, 본 발명에 따른 렌즈는, 적절한 스위칭 시간에서 전기적으로 조정 가능한 편광 없는 근거리 시력을 갖고, 적용에 상응하게 42 V 미만의 비임계적인 스위칭 전압을 갖는다. 렌즈의 직경은 적절한 시야를 가능하게 하고, 스위칭 가능한 렌즈의 굴절률은 한 자리 디옵터-범위 안에 있는 값에 놓여 있다. 광학적인 기능이 실질적으로는 광파장에 덜 의존적이고 회절 효율이 상당히 높음으로써, 결과적으로 "유령 상의 형성"이 피해진다. 또한, 본 발명에 따른 렌즈가 전형적인 안경 유리와 조합 가능하고, 요소의 제어를 위해 적은 중량 및 구성 부피를 가짐으로써, 결과적으로 이 렌즈는 정상적인 안경 유리와 함께 통합될 수 있거나 안경 프레임 내에 통합될 수 있다.
본 발명의 틀 안에서, 시각 교구를 위한 이용은 튜닝 가능하고 개별적으로 조정 가능한 시각 교구로 확장될 수 있다. 투과성 LC-디스플레이의 전극-래스터와 유사한 픽셀화된 전극-래스터를 이용함으로써, 매우 작은 영역에 대해 광학적인 특성들이 개별적으로 조정된다. 이로써, 난시의 교정을 위해 필요한 것과 같은, 예컨대 방향 의존적인 굴절률을 갖는 회절 렌즈의 발생이 가능해진다. 그 다음에, 렌즈의 조정은, EP 1 463 970 B1호의 전자식 양안 안경에서 기술된 바와 같이 개별적으로 적응 및 저장될 수 있다.
본 발명의 틀 안에는, 본 발명에 따른 렌즈를 망원경-안경용의 스위칭 가능한 확대 시스템에 사용하는 것이 포함되어 있다. 확대 시스템에서는, 시각 교구 분야에서와 부분적으로 유사한 요구 조건들이 존재한다. 하지만, 접안 렌즈 및 대물 렌즈의 굴절률은 훨씬 더 강화되어야만 한다. 하지만, 필수적인 애퍼처에서는, 특히 접안 렌즈에 대한 요구 조건이 훨씬 더 적다. 확대 시스템을 위해서는, 2.5의 확대 인수가 충분하다. 개별 요소에서와 마찬가지로, 얻고자 하는 높은 지지 안락감을 가능하게 하기 위하여, 가급적 적은 중량을 갖는 시스템도 구현될 수 있다. 이 점에서, 본 발명에 따른 해결책은 현재 사용 가능한 망원경-안경과 뚜렷하게 구별된다. 또 다른 한 가지 중요한 장점은 당연히 전체 시야의 오프 상태에서 이용 가능하다는 데 있다; 통합될 제어 요소 및 공급 요소는 이와 같은 상황을 제한하지 않는다.
본 발명에 따른 렌즈는, 아래의 표에서 알 수 있는 바와 같이,
a) 시각 교구, 특히 스위칭 가능한 근거리 시력 부분을 갖는 시각 교구를 위한 전기적으로 조정 가능한 편광 없는 근거리 시력을 위한,
b) 튜닝 가능하고 개별적으로 조정 가능한 시각 교구를 위한(투과성 활성 매트릭스-디스플레이에서와 유사하게, ㎛-구조화된 전극을 이용해서 픽셀 방식으로 제어되는 시각 교구), 그리고
c) 망원경-안경 또는 다기능 안경용의 스위칭 가능한 확대 시스템을 위한 기술적인 요구 조건들을 충족시킨다.
Figure pct00021
충족되는 또 다른 요구 조건들은 높은 투명도, 재생 가능성, "유령 상 형성"을 피하기 위한 높은 신뢰성 및 높은 충전율 그리고 편광에 의존하지 않는 기능 방식이다. 더 나아가, 오프-상태에서는 개별 요소들이 광학적으로 중립적이다.
본 발명은, 도시되고 기술된 실시예들에 한정되지 않고, 오히려 본 발명의 의도에서 동일한 작용을 하는 모든 실시예들도 포함한다.
예를 들어, 가로 방향으로 치환된 바이페닐을 기본으로 하는 합성은, 치환된 바이페닐을 제조하기 위한 최종 결합 반응을 위한 촉매의 합성 및 세미-메조겐의 제조를 위해서 실행될 수 있다; 5개의 세미-메조겐을 제조하기 위해 5개의 치환된 아릴 붕소산의 합성 및 특징화가 실행될 수 있다; 다양한 재료로 프레넬 렌즈를 형성하기 위해, PDMS-몰딩의 제조를 포함하는, 조면계(profilometer)에 의한 이용 가능한 프레넬 렌즈의 표면-특징화가 실행될 수 있다(Sylgard 184(실리콘-탄성 중합체-키트) 내에 표면 격자를 몰딩하기 위한 에폭시드-혼합물을 포함하는 마이크로 렌즈-어레이 및 표면 격자의 스탬프의 제조 및 NOA65(광학 접착제: 점성 1200 (cps), 굴절률 nd 1.52)를 갖는 레플리카, 특히 회절 격자의 제조(상응하는 프레넬 구역 플레이트를 위한 모델 구조로서 이용되는 선형의 표면-격자를 제조하기 위한 톱니-프로파일을 갖는 표면-격자를 몰딩하기 위한 방법); 표면-격자의 몰딩은 마스터(통상적인 회절 격자)를 이용해서 이루어지며, 이 마스터는 POMS 내에 네거티브-카피로서 형성되었고, 상기 "스탬프"에 의해서 추후에 NOA를 이용한 추가 형성 단계를 거쳐 포지티브 레플리카가 제조되며, 이는 다른 무엇보다 스위칭 가능한 광학 요소의 구조를 위해 적합하다; Suzuki-Miyaura에 따른 아릴-아릴-커플링(C-C-결합의 형성에 의한 바이페닐렌 또는 바이페닐 유도체의 합성) 또는 유사한 반응의 상응하는 메커니즘의 적용 및 중간 화합물의 크로마토그래픽 정제의 적용(특히 임시적인 정제 동작에 의한 다단의 합성)). 전기적으로 제어 가능한 본 발명에 따른 광학 요소의 적용 분야는 다수의 기술 범위로 확장되는데, 특히:
측정 기술
- 측정 헤드 내에 커 셀을 갖는 샘플의 분석
- 웨이퍼 검사 시스템
- 현미경 또는 내시경 내에 있는 편광기
- 전계 강도의 측정
제조 기술
- IC's 또는 LCD's용 마이크로리소그래픽 투영 조사 장치
- 인쇄용 판을 조사하기 위한 광 변조기
- CD 또는 DVD 상에 기록할 때 편광 방향으로 회전하는 요소
메시지 전송 기술
- 커 셀이 있으며, 100 GHz까지 신호(광학 신호)를 디지털화하기 위한, 뒤에 편광 필터가 접속되어 있거나 접속되어 있지 않은 신속한 광 스위치
의학 기술
- MRT-시스템(자기공명 단층촬영 시스템) 내에 있는 광학 변조기
- 현미경 또는 내시경 내에 있는 편광기
또한, 본 발명은 지금까지 특허 청구항 1 및 9에 규정된 특징 조합에도 한정되지 않았으며, 오히려 전체적으로 개시된 모든 개별 특징들 중 특정한 특징들의 각각의 임의의 다른 조합에 의해서도 규정될 수 있다. 이와 같은 내용은, 기본적으로 실제로 특허 청구항 1 및 9의 각각의 개별 특징이 생략되거나 본 출원서의 다른 지점에 개시된 하나 이상의 개별 특징으로 대체될 수 있다는 것을 의미한다.
1: 기판
2: 전도성 층(전도성 ITO-전극)
3: 배향 층(Aligning layer)
4: 비-막대 형상의 분자(활성 합성물, 세미-메조겐, 전구체-혼합물)
5: 막대 형상의 분자(활성 합성물, 전구체-혼합물)
6: 광 개시제
7: 지방족 모노머
8: 반응성 메조겐
9: 비등방성 망(폴리머 망)
10: 교차 결합된 메조겐
K: 커 액체
RT: 작업 온도 범위
U: 전압

Claims (10)

  1. 2개의 기판(1) 및 상기 기판(1)의 내부 표면에 적층된 전도성 층(2)을 갖는, 커 액체로 채워진 커 셀을 구비하는, 전기적으로 제어 가능한 광학 요소에 있어서,
    상기 커 액체(K)가 막대 형상의 분자(5) 및 비-막대 형상의 분자(4)로 이루어진 혼합물을 활성 합성물로서 구비하며, 상기 커 액체(K)는, 전기 광학적인 커-효과에 상응하게 작업 온도 범위(RT) 안에 전기장이 없는 경우에는 커 액체(K)의 활성 합성물(4, 5)의 상태가 등방성이도록, 그리고 전압(U)의 전기적으로 연속적인 조정에 의해서 또는 전압(U)의 스위칭 온/오프에 의해서 광학 요소의 전압 유도된 페이즈 편이 또는 굴절률 편이의 변경이 발생하도록, 그리고 광이 전극에 대해 수직으로 전극 간극을 통과하도록, 박막 셀 내에서 기판(1) 상에 적층된 구조화된 전도성 층(2)과 그리고/또는 평평한 전도성 층 사이에 예비 압축 가능하고 메시 폭이 넓은 비등방성 망(9)을 갖는 박막을 형성하는 것을 특징으로 하는, 전기적으로 제어 가능한 광학 요소.
  2. 제1항에 있어서, 상기 박막 셀이 2개의 유리 기판 또는 폴리머 기판(1)을 구비하고, 이들 기판의 내부 표면에는 각각 전도성 층으로서의 전도성 ITO-전극(2)이 제공되어 있고, 이들 기판상에는 배향 층(3)이 제공되어 있으며, 메시 폭이 넓은 비등방성 폴리머 망(9)을 위한 예비 압축은 냉각된 커 액체(K) 내부에 혼합된 광 개시제(6), 지방족 모노머(7) 및 반응성 세미-메조겐(8)에 의해서 이루어지고, 막대 형상 분자(5)의 정렬은 전압(U)의 인가 및 커 액체(K)의 UV-조사에 의해서 이루어지는 것을 특징으로 하는, 전기적으로 제어 가능한 광학 요소.
  3. 제2항에 있어서, 수직 배향을 유도하는 배향 층(3)이 광 교차 결합 가능하거나 광 중합 반응 가능한 기이고, 비등방성 망(9)이 2개의 기판 경계면에 공유 결합 방식으로 고정됨으로써, 상기 망(9)은, 거의 실온(RT)에 가까운 작업 범위로의 온도 증가에 의해 커 액체(K)가 등방성화 되는 경우에도 자신의 비등방성 형태를 그대로 유지하는 것을 특징으로 하는, 전기적으로 제어 가능한 광학 요소.
  4. 제1항에 있어서, 쌍극자 모멘트(5)가 큰 막대 형상의 분자가 커 액체(K)의 활성 합성물로서 나노 크기의 클러스터 또는 나노 입자 형태로, 메시 폭이 큰 비등방성 폴리머 망(9) 내에 고정된 형태로 존재하며, 상기 망(9) 내에서 형태 비등방성 분자(5)의 고정은 비-공유 결합 방식의 중간 분자적인 상호 작용에 의해서 이루어지며, 전구체-혼합물(4, 5)의 분자-클러스터 또는 구면 및 비구면 나노 입자가 분산됨으로써, 한 편으로는 순위 고정된 클러스터 또는 나노 입자의 고도로 안정적인 배향 순위에 의해서 커-효과의 증가에 도달하게 되고, 다른 한 편으로는 투명점 위에 있는 용액 또는 LC-재료 내에서 커-효과의 온도 의존성이 최소로 되는 것을 특징으로 하는, 전기적으로 제어 가능한 광학 요소.
  5. 제4항에 있어서, 형태 비등방성 분자(5)의 중간 분자적인 상호 작용이 H-브리지 결합, 이온성 상호 작용, 및 피리딘/산 또는 산/산의 ππ-상호 작용에 의해서 형성되며, 중간 분자 상호 작용과 예비 배향 효과의 상이한 온도 의존성은 커-효과의 안정화를 위해서 이용되는 것을 특징으로 하는, 전기적으로 제어 가능한 광학 요소.
  6. 제1항에 있어서, 비막대 형상의 세미-메조겐(4)이 커 액체(K)의 활성 합성물로서 중간 분자적인 상호 작용에 의해서 형성되며, 온도 상승은 비-공유 결합 방식의 상호 작용의 약화를 유도하며, 착물이 부분적으로 분해되는 것을 특징으로 하는, 전기적으로 제어 가능한 광학 요소.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항 또는 복수의 항에 있어서, 높은 유전성 및 광학적인 비등방성을 갖는 등방성 세미-메조겐(4)을 합성하기 위하여, 치환체가 하기 식에 따른 바이페닐-구조의 파라-위치에
    Figure pct00022

    극성 헤드 기로서 삽입되는 것을 특징으로 하는, 전기적으로 제어 가능한 광학 요소.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항 또는 복수의 항에 있어서, 하기 식에 따라 피리딘-고리를 갖는 세미-메조겐(4) 및 헤드 기의 변화에서 페닐 고리를 헤테로 방향족 코어로 교환함으로써,
    Figure pct00023

    영구적인 쌍극자 및 이로써 세미-메조겐(4)의 유전성 비등방성이 증가되는 것을 특징으로 하는, 전기적으로 제어 가능한 광학 요소.
  9. 2개의 기판(1) 및 상기 기판(1)의 내부 표면에 적층된 전도성 층(2)을 갖는, 커 액체로 채워진 커 셀을 구비하는, 전기적으로 제어 가능한 광학 요소를 제조하기 위한 방법에 있어서,
    a) 커 액체(K)가 막대 형상의 분자(5) 및 비-막대 형상의 분자(4)로 이루어진 혼합물을 활성 합성물로서, 반응성 메조겐(9)으로서, 광 개시제(6)로서 그리고 지방족 모노머(7)로서 구비하며,
    b) 커 액체(K)가 박막 셀로서 형성된 커 셀(K) 내부에 채워지며,
    c) 커 액체(K)가 실온(RT)보다 낮은 온도(T)로 냉각되고, 이 온도에서는 수직 배향을 갖는 LC-페이즈가 형성되며, 그리고
    d) 수직 배향된 층의 UV-조사에 의해 라디칼이 발생되고, 상기 라디칼은, 커 액체(K) 내에서 지방족 모노머(7)와 교차 결합된 메조겐(10)으로 이루어진, 메시 폭이 넓고 느슨한 등방성 망(9)이 생성되도록, 상기 배향된 반응성 세미-메조겐(8)의 중합을 야기하며,
    그 결과 작업 온도 범위(RT) 안에 전압(U)이 없는 경우에는, 쌍극자 모멘트가 큰 막대 형상의 분자(5) 및 비-막대 형상의 쌍극성 분자(4)로 이루어진 합성물이 재차 등방성이고, 전압(U)이 인가되는 경우에는 상기 합성물의 분자들이 E-자력선의 방향으로 배향되는 것을 특징으로 하는, 전기적으로 제어 가능한 광학 요소를 제조하기 위한 방법.
  10. 제9항에 있어서, 수직 배향을 유도하는 배향 층(3)이 광 교차 결합 가능하거나 광 중합 가능한 기를 함유하는 것을 특징으로 하는, 방법.
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