KR20200104402A - 도파관 셀을 제조하기 위한 시스템 및 방법 - Google Patents

도파관 셀을 제조하기 위한 시스템 및 방법 Download PDF

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KR20200104402A
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조나단 데이비드 월던
랫손 모라드
알라스테어 존 그랜트
시휘 허
시부 아브라함
밀란 맘실로 포포비치
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디지렌즈 인코포레이티드.
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Abstract

다양한 실시형태에 따른 도파관 셀을 제조하기 위한 시스템은 많은 상이한 방식으로 구성 및 구현될 수 있다. 많은 실시형태에서, 투명 기판 상에 광학 레코딩 재료의 층(들)을 퇴적하기 위해 다양한 퇴적 메커니즘이 사용된다. 제 2 투명 기판이 제공될 수 있고, 3 개의 층을 적층하여 도파관 셀을 형성할 수 있다. 적절한 광학 레코딩 재료는 주어진 용도에 따라 크게 달라질 수 있다. 일부의 실시형태에서, 퇴적된 광학 레코딩 재료는 층 전체에 걸쳐 유사한 조성을 갖는다. 다수의 실시형태에서, 광학 레코딩 재료는 조성이 공간적으로 변화하여 다양한 특성을 갖는 광학 요소의 형성을 가능하게 한다. 광학 레코딩 재료의 조성에 무관하게, 기판 상에 광학 레코딩 재료를 배치하거나 퇴적하는 임의의 방법을 이용할 수 있다.

Description

도파관 셀을 제조하기 위한 시스템 및 방법
관련 출원의 상호 참조
본 출원은 2018년 4월 27일에 출원된 "홀로그래픽 격자를 제조하기 위한 방법 및 장치"라는 명칭의 미국 가특허출원 제 62/663,864 호, 2018년 1월 8일에 출원된 "헤이즈(haze)가 낮은 액정 재료"라는 명칭의 미국 가특허출원 제 62/614,813 호, 2018년 1월 8일에 출원된 "액정 재료 및 배합물"이라는 명칭의 미국 가특허출원 제 62/614,831 호, 2018년 1월 8일에 출원된 "광 도파관을 제조하기 위한 방법"이라는 명칭의 미국 가특허출원 제 62/614,932 호, 2018년5월 7일에 출원된 "공통 마스터로부터 다양한 홀로그램 처방을 카피하기 위한 방법 및 장치"라는 명칭의 미국 가특허출원 제 62/667,891 호, 및 2018년 7월 25일에 출원된 "다층 광 구조물을 제조하기 위한 시스템 및 방법"이라는 명칭의 미국 가특허출원 제 62/703,329 호에 대해 35 미국C. § 119(e) 하의 이익 및 우선권을 주장한다.
미국 가특허출원 제 62/663,864 호, 제 62/614,813 호, 제 62/614,831 호, 제 62/614,932 호, 제 62/667,891 호, 및 제 62/703,329 호의 개시내용은 모든 목적을 위해 그 전체가 원용에 의해 본원에 포함된다.
본 발명은 도파관 셀을 제조하기 위한 프로세스 및 장치, 보다 구체적으로는 퇴적 기술 및 인쇄 기술을 이용하여 도파관 셀을 제조하는 프로세스 및 장치에 관한 것이다.
도파관은 파를 감금하고 안내하는(즉, 파가 전파될 수 있는 공간 영역을 제한하는) 능력을 가진 구조로 지칭될 수 있다. 도파관의 하나의 클래스는 광 도파관을 포함하며, 이것은 전자파(전형적으로 가시 스펙트럼 내의 전자파)를 안내할 수 있는 구조이다. 도파관 구조는 다수의 다양한 메커니즘을 사용하여 파의 전파 경로를 제어하도록 설계될 수 있다. 예를 들면, 평면 도파관은 회절 격자를 이용하여 입사광을 도파관 구조 내로 회절 및 결합시키고, 결합된 광이 전반사(TIR; total internal reflection)에 의해 평면 구조 내에서 진행할 수 있도록 설계될 수 있다.
도파관의 제조는 도파관 내의 홀로그래픽 광학 요소의 레코딩을 가능하게 하는 재료 시스템의 사용을 포함할 수 있다. 이러한 재료의 하나의 클래스는 폴리머 분산 액정(PDLC; polymer dispersed liquid crystal) 혼합물을 포함하며, 이것은 광중합성 모노머 및 액정을 함유하는 혼합물이다. 이러한 혼합물의 추가의 서브클래스는 홀로그래픽 폴리머 분산 액정(HPDLC; holographic polymer dispersed liquid crystal) 혼합물을 포함한다. 체적 위상 격자와 같은 홀로그래픽 광학 요소는 이러한 액체 혼합물 내에 이 재료를 2 개의 상호 간섭성 레이저 빔으로 조사함(illuminating)으로써 레코딩될 수 있다. 레코딩 프로세스 중에, 모노머는 중합되고, 혼합물은 광중합에 의해 유발된 상분리를 일으키고, 투명한 폴리머의 영역이 산재된 액정 미소 액적이 밀집된 영역을 생성한다. 교호하는 액정 풍부 영역과 액정 고갈 영역은 격자의 프린지 평면(fringe plane)을 형성한다.
전술한 것과 같은 도파관 광학계는 다양한 디스플레이 및 센서의 용도로 고려될 수 있다. 많은 적용분야에서, 다수의 광학 기능을 인코딩하는 하나 이상의 격자 층을 포함하는 도파관은 다양한 도파관 아키텍쳐 및 재료 시스템을 이용하여 실현될 수 있으며, 증강 현실(AR; Augmented Reality) 및 가상 현실(VR; Virtual Reality)용 니어 아이 디스플레이(near-eye display), 항공 및 도로 수송용의 콤팩트한 헤드 업 디스플레이(HUD), 및 생체 및 레이저 레이더(LIDAR; laser radar)용 센서의 분야에서 새로운 혁신을 가능하게 한다.
일 실시형태는 도파관 셀을 제조하기 위한 방법을 포함하고, 이 방법은 제 1 기판을 제공하는 것, 미리 정해진 격자 특성을 결정하는 것, 및 적어도 하나의 퇴적 헤드를 사용하여 제 1 기판 상에 광학 레코딩 재료의 층을 퇴적하는 것을 포함하며, 격자 영역 상에 퇴적된 광학 레코딩 재료는 미리 정해진 격자 특성을 달성하도록 배합된다.
다른 실시형태에서, 이 방법은 제 2 기판을 제공하는 것, 퇴적된 광학 레코딩 재료의 층 상에 제 2 기판을 배치하는 것, 및 제 1 기판, 광학 레코딩 재료의 층, 및 제 2 기판을 적층하는 것을 더 포함한다.
추가의 실시형태에서, 광학 레코딩 재료의 층을 퇴적하는 것은 광학 레코딩 재료의 제 1 혼합물을 제공하는 것, 광학 레코딩 재료의 제 2 혼합물을 제공하는 것, 및 적어도 하나의 퇴적 헤드를 사용하여 사전결정된 패턴으로 제 1 기판 상에 광학 레코딩 재료의 제 1 혼합물 및 제 2 혼합물을 퇴적하는 것을 포함한다.
또 다른 실시형태에서, 광학 레코딩 재료의 제 1 혼합물은 제 1 비드를 포함하고, 광학 레코딩 재료의 제 2 혼합물은 제 1 비드와 상이한 크기의 제 2 비드를 포함한다.
더 추가의 실시형태에서, 광학 레코딩 재료의 제 1 혼합물은 광학 레코딩 재료의 제 2 혼합물과 상이한 중량%의 액정을 갖는다.
또 다른 실시형태에서, 이 방법은 제 1 기판 상에 격자 영역과 비격자 영역을 형성하는 것을 더 포함하고, 광학 레코딩 재료의 제 1 혼합물은 액정 및 모노머를 포함하고, 광학 레코딩 재료의 제 2 혼합물은 모노머를 포함하고, 사전결정된 패턴으로 제 1 기판 상에 광학 레코딩 재료의 제 1 혼합물 및 제 2 혼합물을 퇴적하는 것은 격자 영역 상에 광학 레코딩 재료의 제 1 혼합물을 퇴적하는 것 및 비격자 영역 상에 광학 레코딩 재료의 제 2 혼합물을 퇴적하는 것을 포함한다.
더 추가의 실시형태에서, 광학 레코딩 재료의 제 1 혼합물은 모노머, 액정, 광개시제 염료, 및 공개시제를 포함하는 폴리머 분산 액정 혼합물이다.
다른 추가의 실시형태에서, 폴리머 분산 액정 혼합물은 광개시제, 나노 입자, 저관능성 모노머, 스위칭 전압을 감소시키기 위한 첨가제, 스위칭 시간을 감소시키기 위한 첨가제, 굴절률 변조를 증가시키기 위한 첨가제, 및 헤이즈를 감소시키기 위한 첨가제를 포함하는 그룹으로부터 선택된 첨가제를 포함한다.
더 추가의 실시형태에서, 적어도 하나의 퇴적 헤드는 적어도 하나의 잉크젯 프린트 헤드를 포함한다.
또 다른 실시형태에서, 광학 레코딩 재료의 층을 퇴적하는 것은 광학 레코딩 재료의 제 1 혼합물을 제공하는 것, 광학 레코딩 재료의 제 2 혼합물을 제공하는 것, 적어도 하나의 잉크젯 프린트 헤드를 사용하여 광학 레코딩 재료의 제 1 혼합물의 제 1 도트(dot)를 인쇄하는 것, 및 적어도 하나의 잉크젯 프린트 헤드를 사용하여 제 1 도트에 인접하여 광학 레코딩 재료의 제 2 혼합물의 제 2 도트를 인쇄하는 것을 포함한다.
추가의 실시형태에서, 적어도 하나의 잉크젯 프린트 헤드는 제 1 잉크젯 프린트 헤드 및 제 2 잉크젯 프린트 헤드를 포함하고, 광학 레코딩 재료의 층을 퇴적하는 것은 광학 레코딩 재료의 제 1 혼합물을 제공하는 것, 광학 레코딩 재료의 제 2 혼합물을 제공하는 것, 제 1 잉크젯 프린트 헤드를 사용하여 제 1 기판 상에 광학 레코딩 재료의 제 1 혼합물을 인쇄하는 것, 및 제 2 잉크젯 프린트 헤드를 사용하여 제 1 기판 상에 광학 레코딩 재료의 제 2 혼합물을 인쇄하는 것을 포함한다.
또 다른 실시형태에서, 미리 정해진 격자 특성은 굴절률 변조, 굴절률, 복굴절, 액정 디렉터 정렬, 및 격자 층 두께를 포함하는 그룹으로부터 선택된 특성을 포함한다.
또 다른 실시형태에서, 미리 정해진 격자 특성은 굴절률 변조, 굴절률, 복굴절, 액정 디렉터 정렬, 및 격자 층 두께를 포함하는 그룹으로부터 선택된 특성의 공간 변화를 포함한다.
또 다른 추가의 실시형태에서, 미리 정해진 격자 특성은 노광 후에 격자를 생성하고, 격자는 공간적으로 변화하는 회절 효율을 가진다.
또 다른 추가의 실시형태는 격자를 제조하기 위한 시스템을 포함하며, 이 시스템은 광학 레코딩 재료의 적어도 하나의 혼합물을 수용하는 적어도 하나의 저장소에 연결된 적어도 하나의 퇴적 헤드, 격자를 지지하기 위한 적어도 하나의 미리 정해진 영역을 갖는 제 1 기판, 제 1 기판의 전체에 걸쳐 적어도 하나의 퇴적 헤드를 위치결정할 수 있는 위치결정 요소를 포함하며, 적어도 하나의 퇴적 헤드는 위치결정 요소를 사용하여 제 1 기판 상에 광학 레코딩 재료의 적어도 하나의 혼합물을 퇴적하도록 구성되고, 퇴적된 재료는 홀로그래픽 노광 후에 적어도 하나의 미리 정해진 격자 영역 내에 미리 정해진 격자 특성을 제공한다.
또 다른 실시형태에서, 적어도 하나의 퇴적 헤드는 광학 레코딩 재료의 제 1 혼합물을 수용하는 제 1 저장소 및 광학 레코딩 재료의 제 2 혼합물을 수용하는 제 2 저장소에 연결된다.
더 추가의 실시형태에서, 광학 레코딩 재료의 제 1 혼합물은 액정 및 모노머를 포함하고; 광학 레코딩 재료의 제 2 혼합물은 모노머를 포함하고; 적어도 하나의 퇴적 헤드는 적어도 하나의 미리 정해진 격자 영역 상에 광학 레코딩 재료의 제 1 혼합물을 퇴적하도록 구성된다.
또 다른 추가의 실시형태에서, 적어도 하나의 퇴적 헤드는 적어도 하나의 잉크젯 프린트 헤드를 포함한다.
또 다른 추가의 실시형태에서, 미리 정해진 격자 특성은 굴절률 변조, 굴절률, 복굴절, 액정 디렉터 정렬, 및 격자 층 두께를 포함하는 그룹으로부터 선택된 특성을 포함한다.
또 다른 실시형태에서, 광학, 미리 정해진 격자 특성은 노광 후에 격자를 생성하고, 격자는 공간적으로 변화하는 회절 효율을 가진다.
추가의 실시형태 및 특징의 일부는 다음의 설명에서 설명되며, 일부는 본 명세서를 검토할 때 당업자에게 명백하거나 본 발명을 실시함으로써 알게 될 것이다. 본 발명의 성질 및 장점의 추가의 이해는 본 개시의 일부를 형성하는 명세서 및 도면의 나머지 부분을 참조함으로써 실현될 수 있다.
설명은 다음의 도면 및 데이터 그래프를 참조하여 더 완전하게 이해될 것이며, 도면은 본 발명의 예시적인 실시형태로서 제시된 것이며, 본 발명의 범위를 완전히 열거하는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 발명은 다음의 설명에 개시된 바와 같이 본 발명의 일부 또는 전부를 사용하여 실시될 수 있다는 것은 당업자에게 명백할 것이다.
도 1a는 본 발명의 실시형태에 따른 도파관 셀의 프로파일 도(profile view)를 개념적으로 도시한다.
도 1b는 본 발명의 실시형태에 따른 쐐기형 부품 프로파일을 가진 도파관 셀을 개념적으로 도시한다.
도 1c는 본 발명의 실시형태에 따른 도파관 셀의 평면도를 개념적으로 도시한다.
도 2a는 본 발명의 실시형태에 따른 워크셀 클러스터(workcell cluster) 시스템을 개념적으로 도시한다.
도 2b는 본 발명의 실시형태에 따른 2 개의 퇴적 워크셀을 구비한 워크셀 클러스터 시스템을 개념적으로 도시한다.
도 3a는 본 발명의 실시형태에 따른 퇴적 워크셀의 등각도를 개념적으로 도시한다.
도 3b는 본 발명의 실시형태에 따른 퇴적 워크셀의 평면도를 개념적으로 도시한다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 다양한 실시형태에 따른 코팅을 위한 보상된 굴절률 변조를 계산하기 위해 역광선 추적의 사용을 개략적으로 개념적으로 도시한다.
도 5a 및 도 5b는 SBG와 SRG 사이의 기본적은 구조 차이를 개념적으로 도시한다.
도 6은 본 발명의 실시형태에 따른 격자를 위한 마킹된 영역을 갖는 도파관 셀을 개념적으로 도시한다.
도 7a 및 도 7b는 본 발명의 실시형태에 따른 분사 모듈을 이용하는 퇴적 메커니즘의 동작을 개념적으로 도시한다.
도 8a 및 도 8b는 본 발명의 실시형태에 따른 분사 모듈의 2 개의 동작 상태를 개념적으로 도시한다.
도 9는 본 발명의 실시형태에 따른 선택적 코팅 프로세스를 사용하는 홀로그래픽 격자를 제조하는 방법을 개념적으로 도시하는 흐름도이다.
도 10은 본 발명의 실시형태에 따라 격자 영역 내에 미리 정해진 격자 특성을 제공하기 위한 퇴적 헤드를 개념적으로 도시한다.
도 11은 본 발명의 실시형태에 따른 미리 정해진 격자 특성을 구비한 영역을 갖는 재료를 퇴적하기 위한 퇴적 헤드의 동작을 개념적으로 도시한다.
도 12는 본 발명의 실시형태에 따른 2 개의 격자 층을 퇴적하기 위한 퇴적 메커니즘을 개념적으로 도시한다.
도 13은 본 발명의 실시형태에 따라 재료의 격자 층을 퇴적시키고 이 층을 홀로그래픽 노광하기 위한 시스템을 개념적으로 도시한다.
도 14는 본 발명의 실시형태에 따른 미리 정해진 격자 특성을 갖는 영역을 구비한 재료의 막을 퇴적하는 방법을 개념적으로 도시하는 흐름도이다.
도 15는 본 발명의 실시형태에 따른 잉크젯 인쇄 조정 방식을 개념적으로 도시한다.
실시형태를 설명하기 위한 목적으로, 광학 설계 및 시각 디스플레이 분야에서 당업자에게 알려져 있는 광학 기술의 일부의 주지된 특징은 본 발명의 기본 원리를 불명료하게 하지 않도록 하기 위해 생략되거나 단순화되었다. 달리 언급되지 않는 한, 광선 또는 빔 방향에 관하여 "축 상에서"라는 용어는 본 발명에 관하여 설명된 광학 부품의 표면에 수직인 축에 평행한 전파(propagation)를 지칭한다. 이하의 설명에서, 광, 광선, 빔 및 방향이라는 용어는 상호교환가능하게 그리고 상호관련하여 사용되어 직선 궤도를 따르는 광 에너지의 전파 방향을 나타낼 수 있다. 이하의 설명의 일부는 광학 설계 분야의 당업자가 일반적으로 채용하는 용어를 사용하여 제시될 것이다. 예시의 목적을 위해, 달리 언급되지 않는 한 도면은 축척에 따라 작도되지 않았음을 이해해야 한다.
이제 도면을 참조하면, 도파관 셀을 제조하기 위한 시스템 및 방법이 도시되어 있다. 도파관 셀은 전자기 방사의 특정 파장에의 노광을 통해 비제한적으로 격자와 같은 광학요소를 레코딩할 수 있는 비경화된 및/또는 비노광된 광학 레코딩 재료를 수용하는 장치로 정의된다. 도파관 셀을 제조 및 구축하기 위한 많은 기술이 존재한다. 많은 실시형태에서, 도파관 셀은 2 개의 투명 기판들 사이에 광학 레코딩 재료의 박막을 배치함으로써 구축된다. 추가의 실시형태에서, 이러한 도파관 셀을 구축하기 위해 워크셀 클러스터 제조 시스템이 구현된다. 워크셀은 특정 제조 작업에 할당된 일련의 기계로 정의될 수 있다. 클러스터는 유사한 기능을 협력적으로 수행하는 일군의 기계로 정의될 수 있다. 일부의 실시형태에서, 워크셀 클러스터는 퇴적용 기판을 준비하는 준비 워크셀, 기판 상에 광학 레코딩 재료를 퇴적하기 위한 퇴적 워크셀, 및 다양한 층들을 적층하여 도파관 셀을 형성하기 위한 적층 워크셀을 포함한다.
다양한 실시형태에 따른 워크셀 및 워크셀 클러스터는 많은 다양한 방식으로 구성 및 구현될 수 있다. 예를 들면, 준비 워크셀은 비제한적으로 세정 프로시저 및 프로토콜을 포함하는 다양한 프로세스를 통해 재료 퇴적용 기판을 준비하도록 구성될 수 있다. 많은 실시형태에서, 기판의 준비는 기판의 표면으로부터 오염물질 및 입자를 제거하기 위한 유리 세정 프로시저를 포함한다. 일부의 실시형태에서, 재료 퇴적용 기판을 준비하기 위해 기판의 표면 접착 특성을 증가시키기 위한 프로시저가 구현된다.
퇴적 워크셀은 다양한 상이한 퇴적 및 인쇄 메커니즘을 사용하여 투명 기판 상에 광학 레코딩 재료의 하나 이상의 층을 퇴적하도록 구성될 수 있다. 많은 실시형태에서, 비제한적으로 잉크젯 인쇄와 같은 적층 조형 기술이 광학 레코딩 재료의 층(들)을 퇴적하는데 사용된다. 여러 실시형태에서, 광학 레코딩 재료의 층(들)을 퇴적하는데 분사 기술이 이용된다. 적절한 광학 레코딩 재료는 주어진 용도에 따라 크게 달라질 수 있다. 일부의 실시형태에서, 퇴적된 광학 레코딩 재료는 층 전체에 걸쳐 유사한 조성을 갖는다. 다수의 실시형태에서, 광학 레코딩 재료는 조성이 공간적으로 변화하여 다양한 특성을 갖는 광학 요소의 형성을 가능하게 한다. 광학 레코딩 재료의 조성에 무관하게, 기판 상에 광학 레코딩 재료를 배치하거나 퇴적하는 임의의 방법을 이용할 수 있다.
적층 워크셀은 다양한 층을 적층하여 도파관 셀을 형성하도록 구성될 수 있다. 다수의 실시형태에서, 적층 워크셀은 광학 레코딩 재료 및 투명 기판의 3 층 복합체를 적층 및 형성하도록 구성된다. 쉽게 이해할 수 있는 바와 같이, 도파관 셀을 구축하는데 사용되는 층의 개수 및 재료의 유형은 주어진 용도에 따라 달라질 수 있다. 예를 들면, 일부의 실시형태에서, 도파관 셀은 보호 커버 층, 편광 제어 층, 및/또는 정렬 층을 포함하도록 구축될 수 있다. 일부의 실시형태에서, 시스템은 곡선형 도파관 및 도파관 셀의 제조용으로 구성된다. 도파관 셀을 구축하기 위한 특정의 재료, 시스템, 및 방법이 아래에서 더 상세히 논의된다.
도파관 셀
도파관 셀은 본 발명의 다양한 실시형태에 따른 많은 상이한 방식으로 구성 및 구축될 수 있다. 전술한 바와 같이, 많은 도파관 구성에서, 도파관 셀은 2 개의 기판 사이에 샌드위치된 광학 레코딩 재료의 박막을 포함한다. 이러한 도파관 셀은 다양한 프로세스를 사용하여 제조될 수 있다. 많은 실시형태에서, 도파관 셀은 제 1 기판을 광학 레코딩 매체로서 작용할 수 있는 광학 레코딩 재료로 코팅함으로써 구축될 수 있다. 다양한 광학 레코딩 재료가 사용될 수 있다. 일부의 실시형태에서, 광학 레코딩 재료는 홀로그래픽 폴리머 분산 액정 혼합물(예를 들면, 액정 액적의 매트릭스)이다. 쉽게 이해할 수 있는 바와 같이, 이용되는 광학 레코딩 재료 및 혼합물 유형의 선택은 주어진 용도에 따라 달라질 수 있다. 광학 레코딩 재료는 다양한 퇴적 기술을 사용하여 퇴적될 수 있다. 다수의 실시형태에서, 광학 레코딩 재료는 잉크젯팅, 스핀 코팅, 및/또는 분사 프로세스를 통해 제 1 기판 상에 퇴적될 수 있다. 퇴적 프로세스는 하나 이상의 유형의 광학 레코딩 재료를 퇴적하도록 구성될 수 있다. 일부의 실시형태에서, 퇴적 프로세스는 기판의 전체에 걸쳐 조성이 공간적으로 변화하는 광학 레코딩 재료를 퇴적하도록 구성된다. 광학 레코딩 재료의 퇴적 후, 광학 레코딩 재료가 2 개의 기판 사이에 샌드위치되어 도파관 셀을 형성하도록 제 2 기판이 배치될 수 있다. 다수의 실시형태에서, 제 2 기판은 노출된 층 상에 코팅된 얇은 보호 필름일 수 있다. 이러한 실시형태에서 비제한적으로 분사 프로세스를 포함하는 다양한 기술을 사용하여 노광 층을 원하는 재료의 막으로 코팅할 수 있다. 다수의 실시형태에서, 도파관 셀은 비제한적으로 편광 제어 층 및/또는 정렬 층과 같은 다양한 추가의 층을 포함할 수 있다. 도파관 셀을 제조하기 위한 기타 프로세스는 비제한적으로 중력 충전 및 진공 충전 방법과 같은 프로세스를 사용하여 광학 레코딩 재료로 (2 개의 기판으로 구축된) 빈 도파관 셀을 충전하는 것을 포함할 수 있다.
도파관 셀의 구축에서 사용되는 기판은 종종 투명한 재료로 제조된다. 일부의 실시형태에서, 기판은 광학 플라스틱이다. 다른 실시형태에서, 기판은 유리로 제조될 수 있다. 예시적인 유리 기판은 표준 Corning Willow 유리 기판(굴절률 1.51)이며, 두께는 50 마이크로미터까지 이용될 수 있다. 기판의 두께는 용도에 따라 달라질 수 있다. 많은 실시형태에서, 1 mm 두께의 유리 슬라이드가 기판으로서 사용된다. 다양한 두께에 더하여, 비제한적으로 직사각형 및 곡성 형상과 같은 다양한 형상의 기판이 용도에 따라 사용될 수도 있다. 많은 경우, 기판의 형상이 도파관의 전체 형상을 결정할 수 있다. 다수의 실시형태에서, 도파관 셀은 동일한 형상의 2 개의 기판을 포함한다. 다른 실시형태에서, 기판은 다른 형상이다. 쉽게 이해될 수 있는 바와 같이, 기판의 현상, 치수 및 재료는 변화될 수 있고, 미리 정해진 용도의 특정의 요건에 의존할 수 있다.
많은 실시형태에서, 비드bead), 또는 기타 입자가 광학 레코딩 재료 전체에 걸쳐 분산되어 광학 레코딩 재료의 층의 두께를 제어하는 것을 돕고 2 개의 기판이 서로 붕괴되는 것을 방지하는 것을 돕는다. 일부의 실시형태에서, 도파관 셀은 2 개의 평면 기판 사이에 개재된 광학 레코딩 재료 층으로 구축된다. 사용되는 광학 레코딩 재료의 유형에 따라, 두께 제어는 일부의 광학 레코딩 재료의 점도 및 광학 레코딩 재료 층의 경계 연부의 결여로 인해 달성하기 어려울 수 있다. 다수의 실시형태에서, 비드는 비교적 비압축성 고체이며, 이것에 의해 일정한 두께의 도파관 셀을 구축할 수 있다. 비드의 크기는 개별 비드 주위의 영역의 국부적인 최소 두께를 결정할 수 있다. 따라서, 비드의 치수는 원하는 광학 레코딩 재료 층 두께를 달성하는 것을 돕도록 선택될 수 있다. 비드는 비제한적으로 유리 및 플라스틱을 포함하는 임의의 다양한 재료로 제조될 수 있다. 다수의 실시형태에서, 비드의 재료는 그 굴절률이 도파관 셀 내에서 광의 전파에 실질적으로 영향을 주지 않도록 선택된다.
일부의 실시형태에서, 도파관 셀은 2 개의 기판이 평행하거나 실질적으로 평행하도록 구축된다. 이러한 실시형태에서, 비교적 유사한 크기의 비드가 광학 레코딩 재료의 전체에 걸쳐 분산되어 층의 전체에 걸쳐 균일한 두께를 달성하는 것을 도울 수 있다. 다른 실시형태에서, 도파관 셀은 테이퍼형 프로파일(tapered profile)을 갖는다. 테이퍼형 도파관 셀은 광학 레코딩 재료 전체에 상이한 크기의 비드를 분산시킴으로써 구축될 수 있다. 전술한 바와 같이, 비드의 크기는 광학 레코딩 재료 층의 국부적인 최소 두께를 결정할 수 있다. 재료 층의 전체에 크기를 증가시키는 패턴으로 비드를 분산시킴으로써 재료가 2 개의 기판 사이에 개재될 때 광학 레코딩 재료의 테이퍼형 층이 형성될 수 있다.
일단 구축되면, 도파관 셀은 광학 레코딩 재료 내에 광학 요소를 레코딩하기 위한 다양한 프로세스와 연동하여 사용될 수 있다. 예를 들면, 개시된 프로세스는 비제한적으로 2018년 8월 29일 출원된 "도파관 셀 내에 홀로그래픽 격자의 높은 처리능력의 레코딩을 위한 시스템 및 방법"이라는 명칭의 미국 특허출원 제 16/116,834 호 및 2018년 6월 13일에 출원된 "저관능성 모노머를 포함한 홀로그래픽 재료 시스템 및 도파관"이라는 명칭의 미국 특허출원 제 16/007,932 호에 기술된 것과 같은 재료 및 프로세스로부터의 실시형태 및 교시를 포함한다. 미국 특허출원 제 16/116,834 호 및 제 16/007,932 호의 개시내용은 모든 목적을 위해 그 전체가 본원에 포함된다.
본 발명의 실시형태에 따른 도파관 셀(100)의 프로파일 도는 도 1a에 개념적으로 도시되어 있다. 도시된 바와 같이, 도파관 셀(100)은 비제한적으로 격자와 같은 광학 요소용 레코딩 매체로서 사용될 수 있는 광학 레코딩 재료(102)의 층을 포함한다. 광학 레코딩 재료(102)는 비제한적으로 전술한 HPDLC 혼합물과 같은 임의의 다양한 화합물, 혼합물, 또는 용액일 수 있다. 도시된 실시형태에서, 광학 레코딩 재료(102)는 2 개의 평행한 유리 플레이트(104, 106) 사이에 개재되어 있다. 기판은 평행 구성 및 비평행 구성의 둘 모두로 배치될 수 있다. 도 1b는 본 발명의 일 실시형태에 따라 비드(110, 112, 114)를 이용하는 테이퍼형 도파관 셀(108)의 프로파일 도를 개념적으로 도시한다. 도시된 바와 같이, 비드(110, 112, 114)는 크기가 다르고, 2 개의 유리 플레이트(118, 120) 사이에 개재된 광학 레코딩 재료(116)의 전체에 걸쳐 분산되어 있다. 도파관 셀의 구축 중에, 광학 레코딩 재료 층의 일 영역의 국부적인 두께는 그 특정 영역 내의 비드의 크기에 의해 제한된다. 비드를 광학 레코딩 재료의 전체에 걸쳐 증가하는 순서로 분산시킴으로써, 기판이 비드와 접촉하여 배치될 때, 테이퍼형 도파관 셀이 구축될 수 있다. 전술한 바와 같이, 도파관 셀에서 이용되는 기판은 두께 및 형상이 다를 수 있다. 많은 실시형태에서, 기판은 직사각형의 형상일 수 있다. 일부의 실시형태에서, 도파관 셀의 형상은 곡선 부품의 조합이다. 도 1c는 본 발명의 실시형태에 따른 곡선 형상을 갖는 도파관 셀(122)의 평면도를 개념적으로 도시한다.
도 1a 내지 도 1c는 특정 도파관 셀의 구성 및 배치를 도시하고 있으나, 도파관 셀은 많은 상이한 구성으로 구축될 수 있고, 주어진 용도의 특정 요건에 따라 다양한 상이한 재료를 사용할 수 있다. 예를 들면, 기판은 유리 대신 투명한 플라스틱 폴리머로 제조될 수 있다. 또한, 도파관 셀의 형상 및 크기는 매우 다를 수 있고, 비제한적으로 도파관의 용도, 인체공학적 고려사항, 및 경제적 요인과 같은 다양한 요인에 의해 결정될 수 있다. 많은 실시형태에서, 기판은 만곡되어 만곡된 단면을 갖는 도파관을 제조할 수 있다.
격자 구조
본 발명의 다양한 실시형태에 따른 도파관 셀은 다양한 감광성 재료를 포함할 수 있다. 많은 실시형태에서, 도파관 셀은 광학 요소를 레코딩할 수 있는 광학 레코딩 매체로서 기능하는 홀로그래픽 폴리머 분산 액정 혼합물을 포함한다. 광학 요소는 상이한 광학 특성을 나타낼 수 있는 많은 상이한 유형의 격자를 포함할 수 있다. 도파관 셀에 레코딩될 수 있는 격자의 유형 중 하나는 체적 브래그 격자이며, 이것은 굴절률이 주기적으로 변화하는 투명한 매체로서의 특징을 가질 수 있다. 이러한 변화는 특정 각도에서 특정 파장의 입사광의 회절을 허용할 수 있다. 체적 브래그 격자는 더 높은 차수로 회절되는 광이 거의 없고 고효율을 가질 수 있다. 회절된 0 차수에서의 광의 상대량은 격자의 굴절률 변조를 제어함으로써 변화될 수 있다.
홀로그래픽 도파관 장치에서 사용되는 하나의 종류의 격자는 스위칭가능한 브래그 격자(SBG; Switchable Bragg Grating)이다. SBG는 HPDLC 혼합물(다른 재료가 사용될 수도 있음)에 체적 위상 격자를 레코딩함으로써 형성될 수 있는 회절 장치이다. SBG는 먼저 유리 플레이트들 또는 기판들 사이에 광중합성 모노머와 액정 재료의 혼합물의 박막을 배치함으로써 제조될 수 있으며, 이것은 도파관 셀을 형성한다. 하나 또는 두 개의 유리 플레이트는 필름 전체에 전기장을 인가하기 위해 전극, 전형적으로는 투명한 주석 산화물 필름을 지지할 수 있다. SBG는 HPDLC가 도파관 코어 또는 도파관에 근접한 에바네센트 결합 층을 형성하는 도포기 장치로서 구현될 수 있다. HPDLC 셀을 형성하는데 사용되는 유리 플레이트는 전반사 도광 구조를 제공할 수 있다. 스위칭가능한 격자가 TIR 조건을 초과하는 각도로 광을 회절시키면 광이 SBG로부터 결합된다.
SBG의 격자 구조는 공간적으로 주기적인 강도 조정을 수반하는 간섭 노광을 사용하여 광중합에 의해 유발된 상분리를 통해 HPDLC 재료의 필름에 레코딩될 수 있다. 비제한적으로 조사 강도, HPDLC 재료의 성분 체적 분율, 및 노광 온도의 제어와 같은 요인은 결과로서 생기는 격자의 형태 및 성능을 결정한다. 레코딩 프로세스 중에, 모노머는 중합되고, 혼합물은 상분리된다. LC 분자는 응집되어 광 파장의 규모로 폴리머 네트워크에 주기적으로 분포되는 불연속 액적 또는 합체된 액적을 형성한다. 교호하는 액정 풍부 영역과 액정 고갈 영역은 격자의 프린지 평면을 형성하며, 이로 인해 액적 내의 LC 분자의 배향 순서(orientation ordering)로부터 기인하는 강한 편광을 수반하는 브래그 회절이 생성될 수 있다. 결과로서 생기는 체적 위상 격자는 매우 높은 회절 효율을 나타낼 수 있으며, 이는 HPDLC 층의 전체에 인가되는 전기장의 크기에 의해 제어될 수 있다. 전기장이 투명 전극을 통해 홀로그램에 인가될 때, LC 액적의 자연적인 배향이 변하므로 프린지의 굴절률 변조를 저하시키고 홀로그램 회절 효율을 매우 낮은 수준으로 떨어뜨린다. 장치의 회절 효율은, 인가된 전압에 의해, 전압이 인가되지 않는 거의 100%의 효율로부터 충분히 높은 전압이 인가되는 실질적으로 0의 효율까지 연속적 범위에 걸쳐 조정될 수 있다. 특정 유형의 HPDLC 장치에서, 폴리머로부터 LC 재료의 상분리는 식별가능한 액적 구조가 생기지 않는 정도로 달성될 수 있다. SBG는 패시브(passive) 격자로서 사용될 수도 있다. 이 모드에서, 주요 이점은 고유의 높은 굴절률 변조이다. SBG는 자유 공간 용도를 위한 투과 격자 또는 반사 격자를 제공하는데 사용될 수 있다. SBG는 HPDLC가 도파관 코어 또는 도파관에 근접한 에바네센트 결합 층을 형성하는 도포기 장치로서 구현될 수 있다. HPDLC 셀을 형성하는데 사용되는 유리 플레이트는 전반사 도광 구조를 제공한다. 스위칭가능한 격자가 TIR 조건을 초과하는 각도로 광을 회절시키면 광이 SBG로부터 결합될 수 있다.
많은 실시형태에서, SBG는 액체 폴리머에 분산된 고체 액정의 매트릭스를 갖는 POLICRYPS 또는 POLIPHEM과 같은 균일한 변조 재료에 레코딩된다. 예시적인 균일한 변조 액정-폴리머 재료 시스템은 Caputo 등의 미국 특허출원 공개 제 US2007/0019152 호 및 Stumpe 등의 PCT 출원 제 PCT/EP2005/006950 호에 개시되어 있으며, 이 둘 모두는 원용에 의해 그 전체가 본원에 포함된다. 균일한 변조 격자는 높은 굴절률 변조(및 따라서 높은 회절 효율) 및 낮은 산란을 특징으로 한다. 일부의 실시형태에서, 격자 중 적어도 하나는 리버스 모드의 HPDLC 재료에 레코딩된다. 리버스 모드의 HPDLC는 전기장이 인가되지 않을 때 격자가 패시브이고 전기장의 존재 하에서는 회절성이 된다는 점에서 종래의 HPDLC와 다르다. 리버스 모드의 HPDLC는 "홀로그래픽 폴리머 분산 액정 재료 및 장치의 개량"이라는 명칭의 PCT 출원 제 PCT/GB2012/000680 호에 개시된 임의의 레시피 및 프로세스에 기초할 수 있다. 광학 레코딩 재료 시스템을 이하에서 상세히 설명한다.
광학 레코딩 재료 시스템
본 발명의 다양한 실시형태에 따른 HPDLC 혼합물은 일반적으로 LC, 모노머, 광개시제(photoinitiator) 염료, 및 공개시제(coinitiator)를 포함한다. 이 혼합물(종종 시럽으로 지칭됨)은 종종 계면활성제를 또한 포함한다. 본 발명을 설명하기 위한 목적에서, 계면활성제는 액체 혼합물의 전체의 표면 장력을 낮추는 임의의 화학 약품으로 정의된다. PDLC 혼합물에서 계면활성제의 사용은 공지되어 있으며, PDLC의 가장 초기의 조사로 거슬러 올라간다. 예를 들면, 원용에 의해 본원에 포함되는 R.L Sutherland 등의 논문(SPIE Vol. 2689, 158-169, 1996)에는 모노머, 광개시제, 공개시제, 쇄 연장제(chain extender), 및 계면활성제가 첨가될 수 있는 LC를 포함하는 PDLC 혼합물이 기재되어 있다. 계면활성제는 또한 원용에 의해 본원에 포함되는 Natarajan 등의 논문(Journal of Nonlinear Optical Physics and Materials, Vol. 5 No. l 89-98, 1996)에도 언급되어 있다. 또한, Sutherland 등의 미국 특허 제 7,018,563 호는 적어도 하나의 아크릴산 모노머, 적어도 하나의 유형의 액정 재료, 광개시제 염료, 공개시제, 및 계면활성제를 포함한다 폴리머 분산 액정 광학 요소를 형성하기 위한 폴리머 분산 액정 재료를 논의한다. 미국 특허 제 7,018,563의 개시내용은 그 전체가 원용에 의해 본원에 포함된다.
특허 및 과학 문헌에는, 높은 회절 효율, 빠른 응답 시간, 낮은 구동 전압 등을 달성하기 위한 이러한 재료 시스템을 공식화하기 위한 조사를 포함하여, 체적 격자를 포함하는 도파관을 제조하는데 사용될 수 있는 재료 시스템 및 프로세스의 많은 예가 포함되어 있다. Sutherland의 미국 특허 제 5,942,157 호 및 Tanaka 등의 미국 특허 제 5,751,452 호의 둘 모두에는 체적 격자를 포함하는 도파관을 제조하기에 적합한 모노머와 액정 재료의 조합을 기술하고 있다. 레시피의 예는 1990 년대 초로 소급되는 논문에서 발견되며, 이들 중 다수는 아크릴레이트 모노머를 사용을 개시하며, R. L. Sutherland 등의 "Chem. Mater. 5, 1533 (1993)"에는 아크릴레이트 폴리머 및 계면활성제의 사용이 설명되어 있고, 이것의 개시내용은 원용에 의해 본원에 포함된다.
특히, 이 레시피는 가교 다관능성 아크릴레이트 모노머; 쇄 연장제 N-비닐 피롤리디논, LC E7, 광개시제 로즈 벤갈(rose Bengal), 및 공개시제 N-페닐 글리신을 포함한다. 계면활성제 옥탄산이 특정의 변형으로 첨가되었다.
Fontecchio 등의 "SID 00 Digest 774-776, 2000"(이것의 개시내용은 원용에 의해 본원에 포함됨)에는 다관능성 아크릴레이트 모노머, LC, 광개시제, 공개시제, 및 쇄 정지제(chain terminator)를 포함하는 반사형 디스플레이 용도로 UV 경화성 HPDLC가 기술되어 있다.
Y.H. Cho 등의 "Polymer International, 48, 1085-1090, 1999"(이것의 개시내용은 원용에 의해 본원에 포함됨)에는 아크릴레이트를 포함하는 HPDLC 레시피가 개시되어 있다.
Karasawa 등의 "Japanese Journal of Applied Physics, Vol. 36, 6388-6392, 1997"(이것의 개시내용은 원용에 의해 본원에 포함됨)에는 다양한 관능 순서의 아크릴레이트가 기술되어 있다.
T.J. Bunning 등의 "Polymer Science: Part B: Polymer Physics, Vol. 35, 2825- 2833, 1997"(이것의 개시내용은 원용에 의해 본원에 포함됨)에도 또한 다관능성 아크릴레이트 모노머가 개시되어 있다.
G.S. Iannacchione 등의 "Europhysics Letters Vol. 36 (6). 425-430, 1996"(이것의 개시내용은 원용에 의해 본원에 포함됨)에는 펜타 아크릴레이트 모노머, LC, 쇄 연장제, 공개시제, 및 광개시제를 포함하는 PDLC 혼합물이 개시되어 있다.
아크릴레이트는 빠른 반응속도, 다른 재료와의 우수한 혼합, 및 필름 형성 프로세스와의 호환성이라는 이점을 제공한다. 아크릴레이트는 가교되어 있으므로 기계적으로 견고하고 유연한 경향이 있다. 예를 들면, 2(di) 및 3(tri)의 관능성인 우레탄 아크릴레이트가 HPDLC 기술에서 광범위하게 사용되어 왔다. 펜타 및 헥스 관능성 스템(functional stem)과 같은 더 높은 관능성 재료가 또한 사용되어 왔다.
위에서는 특정 성분을 포함하는 HPDLC 혼합물이 도파관 셀의 광학 레코딩 재료로서 적절한 용도와 관련하여 설명되었으나, 광학 레코딩 재료의 특정의 배합은 크게 다를 수 있고, 주어진 용도의 특정의 요건에 의존할 수 있다. 이러한 고려사항에는 회절 효율("DE"), 헤이즈(haze), 태양 내성(solar immunity), 투명성, 및 스위칭 요건이 포함된다.
S 편광 및 P 편광 RMLCM 재료의 실시형태
LC를 포함하는 격자의 S 편광 및 P 편광 응답은 격자 K 벡터에 대한 평균 LC 디렉터 배향에 의존할 수 있다. 전형적으로, 디렉터는 K 벡터에 실질적으로 평행하여 강한 P 응답 및 약한 S 응답을 부여한다. LC 디렉터가 정렬되지 않으면, 격자는 강한 S 응답을 가질 수 있다. 본 발명의 많은 실시형태는 LC 및 모노머(및 광개시제 염료, 공개시제s, 계면활성제를 포함하는 기타 성분)의 혼합물을 포함하도록 구성된 반응성 모노머 액정 혼합물("RMLCM") 재료 시스템을 포함하고, 이것은 홀로그래픽 노광 하에서 상분리되어 격자를 제공하며, 적어도 하나의 LC 및 적어도 하나의 모노머는 P 편광 응답을 제공하는 제 1 HPDLC 형태를 형성하고, 적어도 하나의 LC 및 적어도 하나의 모노머는 S 편광 응답을 제공하는 제 2 HPDLC 형태를 형성한다. 이러한 다양한 실시형태에서, 재료 시스템은 RMLCM을 포함하며, 이것은 적절한 관능기(예를 들면, 특히, 아크릴레이트, 메르캅토, 및 기타 에스테르), 가교제, 광개시제, 계면활성제 및 액정으로 구성된 광중합성 모노머를 포함한다.
재료 배합물의 성분으로 돌아가서, 조합되었을 때 가교되어 상분리되는 약 1.5 내지 1.9의 굴절률을 갖는 임의의 단일의 광반응성 모노머 재료 또는 광반응성 모노머 재료의 혼합물로 형성된 임의의 캡슐화 폴리머가 이용될 수 있다. 실시형태에 따른 재료 배합물에서 사용가능한 예시적인 모노머 관능기는 아크릴레이트, 티올-엔, 티올-에스테르, 플루오로모노머, 메르캅토, 실론산 기반의 재료, 및 기타 에스테르 등을 포함하지만 이것에 한정되지 않는다. 폴리머 가교는 비제한적으로 광학적으로 유발된 광중합, 열적으로 유발된 중합, 및 화학적으로 유발된 중합을 포함하는 다양한 반응 유형을 통해 달성될 수 있다.
이들 광중합성 재료는 제 2 액정 재료와의 2 상 블렌드로 조합될 수 있다. 폴리머의 굴절률과 일치하는 통상의 굴절률 및 이례적인 굴절률을 갖는 임의의 적절한 액정 재료가 최종 RMLCM 재료의 굴절률을 균형을 맞추기 위한 도펀트로서 사용될 수 있다. 액정 재료는 제조되거나, 정제되거나, 자연 발생될 수 있다. 액정 재료는 네마틱 상 및 스메틱 상, 콜레스테릭 상, 리요트로픽 디스코틱 상을 포함하는 액정성의 기지의 모든 상을 포함한다. 액정은 강유전성 또는 반강유전성 특성 및/또는 거동을 나타낼 수 있다.
모노머 및 LC 재료와 함께 사용하기에 적절한 임의의 적절한 광개시제, 공개시제, 쇄 연장제 및 계면활성제(예를 들면, 옥탄산 등)가 RMLCM 재료 배합물에서 사용될 수 있다. 광개시제는 UV 및/또는 가시 대역을 포함하는 임의의 원하는 스펙트럼 대역에서 동작할 수 있다는 것이 이해될 것이다.
다양한 실시형태에서, LC는 상호작용하여 LC 혼합물을 형성할 수 있고, 2 개 이상의 상이한 LC의 분자가 상호작용하여 S 편광 및 P 편광과 상호작용하는 비축선 방향의 구조를 형성한다. 도파관은 또한 최적의 S 성능 및 P 성능을 위해 LC 정렬을 최적화하기 위한 LC 정렬 재료를 포함할 수도 있다. 많은 실시형태에서, PDLC 형태에서 P 편광 및 S 편광의 회절 효율의 비는, 1.1:1로부터 2:1까지의 상대 비율에서, 그리고 일부의 실시형태에서는 약 1.5:1의 상대 비율에서 유지된다. 다른 실시형태에서, P 편광의 측정된 회절 효율은 20% 초과 내지 60% 미만이고, S 편광의 회절 효율은 10% 초과 내지 50% 미만이며, 일부의 실시형태에서, P 편광의 PDLC 형태는 약 30%이고, S 편광의 PDLC 형태의 회절 효율은 약 20%이다. P 편광의 회절 효율이 약 60%이고, S 편광의 회절 효율이 1%인 종래의 PDLC 형태(즉, 종래의 P 편광 재료는 매우 낮고 무시할 수 있는 S 성분을 가짐)와 비교될 수 있다.
나노입자를 포함하는 혼합물
많은 실시형태에서, 반응성 모노머 액정 혼합물은 LC 도메인 내에 배치된 화학적 활성 나노입자를 더 포함할 수 있다. 일부의 이러한 실시형태에서, 나노입자는 LC 도메인 내의 탄소 나노튜브("CNT") 또는 나노클레이 나노입자 재료이다. 실시형태는 또한 나노클레이 입자 크기, 형상, 및 균일성을 제어하는 방법에 관한 것이다. 나노클레이 입자를 블렌딩 및 분산시키는 방법은 장치 장치의 결과적인 전기적 및 광학적 특성을 결정할 수 있다. HPDLC에서 나노클레이의 사용은 "홀로그래픽 폴리머 분산 액정 재료 및 장치의 개량"이라는 명칭의 PCT 출원번호 제 PCT/GB2012/000680 호에 논의되어 있다.
나노클레이 나노입자는 액정 재료 내에 분산될 수 있는 한 자연 발생된 조성물 또는 제조된 조성물로 형성될 수 있다. 선택되는 특정 나노클레이 재료는 막 및/또는 장치의 특정 용도에 의존한다. 분산액의 농도 및 분산 방법도 막 및/또는 장치의 특정 용도에 의존한다. 많은 실시형태에서, 액정 재료는 이 액정의 통상의 굴절률이 나노클레이 재료와 일치하도록 선택된다. 결과적인 복합체 재료는 나노클레이 입자의 분산으로 인해 액정 분자의 강제 정령을 가질 수 있으며, 막 및/또는 장치의 광학 품질은 영향을 받지 않을 수 있다. 액정 및 나노클레이 입자를 포함하는 복합체 혼합물은 초음파처리에 의해 등방성 상태로 혼합될 수 있다. 다음에 이 혼합물은 광개시된 아크릴레이트화 또는 우레탄 수지와 같은 광학적으로 가교가능한 모노머와 조합되어 기판들 사이에 샌드위치되어 셀을 형성할 수 있다(또는 대안적으로 코팅 프로세스를 사용하여 기판에 도포될 수 있다).
다양한 실시형태에서, 나노입자는 나노클레이 나노입자, 바람직하게는 구 또는 플레이트리트로 구성되고, 최단 치수로 약 2-10 나노미터 그리고 최장 치수로 약 10 나노미터의 입자 크기를 갖는다. 바람직하게는, 액정 재료는 이 액정의 통상의 굴절률이 나노클레이 재료와 일치하도록 선택된다. 대안적으로, 나노입자는 강유전성 특성을 갖는 재료로 구성될 수 있고, 입자가 액정 분자에 강유전성 정렬 효과를 일으킴으로써 장치의 전기 광학 스위칭 특성을 향상시킨다. 본 발명의 다른 실시형태에서, 나노입자는 강자성 특성을 갖는 재료로 구성되고, 입자가 액정 분자에 강자성 정렬 효과를 일으킴으로써 장치의 전기 광학 스위칭 특성을 향상시킨다. 본 발명의 다른 실시형태에서, 나노입자는 유도 전기장 또는 자기장을 가지며, 입자가 액정 분자에 정렬 효과를 일으킴으로써 장치의 전기 광학 스위칭 특성을 향상시킨다. 열가소성플라스틱, 폴리머 결합제 등을 포함하는 다른 목적으로 사용되는 예시적인 나노입자는 미국 특허 제 7,068,898 호; 제 7,046,439 호; 제 6,323,989 호; 제 5,847,787 호; 및 미국 특허공개 제 2003/0175004 호; 제 2004/0156008 호; 제 2004/0225025 호; 제 2005/0218377 호; 및 제 2006/0142455 호에 개시되어 있으며, 이들 개시내용은 원용에 의해 본원에 포함된다.
나노클레이는 그 자연 발생 표면 특성과 함께 사용될 수 있거나, 표면이 특정 결합, 전기적, 자기적, 또는 광학적 특성을 위해 화학적으로 처리될 수 있다. 바람직하게는, 나노클레이 입자는 액정 재료 내에 균일하게 분산되도록 삽입된다. 본 발명의 설명에서 사용되는 일반적인 용어 "나노클레이"는 자연 발생 몬모릴로나이트 나노클레이, 삽입된 몬모릴로나이트 나노클레이, 표면 개질된 몬모릴로나이트 나노클레이, 및 표면 처리된 몬모릴로나이트 나노클레이를 지칭할 수 있다. 나노입자는 상업적으로 구매된 상태로 사용할 수 있거나, 크기를 줄이거나 형태를 변경해야 할 수도 있다. 사용될 수 있는 프로세스는 화학적 입자 크기 축소, 입자 성장, 습식 또는 건식 입자의 분쇄, 큰 입자 또는 스톡(stock)의 밀링, 큰 입자 또는 스톡의 진동 밀링, 입자 또는 스톡의 볼 밀링, 입자 또는 스톡의 원심 볼 밀링, 및 입자 또는 스톡의 진동 볼 밀링을 포함한다. 이들 기술은 모두 건식으로 또는 액체 현탁액을 이용하여 수행될 수 있다. 액체 현탁액은 완충액, 용매, 불활성 액체, 또는 액정 재료일 수 있다. Spex LLC(Metuchen, NJ)에 의해 제공되는 하나의 예시적인 볼 밀링 프로세스는 Spex 8000 High Energy Ball Mill로 알려져 있다. Retsch(France)에 의해 제공된 다른 예시적인 프로세스는 유성 볼 밀을 사용하여 마이크로미터 크기의 입자를 나노스케일 입자로 감소시킨다.
나노입자는 폴리머 분산 전에 액정 재료 내에 분산될 수 있다. 건조 또는 용매에 현탁된 나노입자는 폴리머 분산 전에 액정 재료 또는 모노머와 초음파로 혼합되어 등방성 분산을 달성할 수 있다. 습식 입자는 사용되는 특정 재료에 따라 액정 내의 분산을 위해 준비될 필요가 있을 수 있다. 입자가 용매 또는 액체 완충액 중에 있는 경우, 이 용액은 건조될 수 있고, 건조 입자는 전술한 바와 같이 액정 내에 분산될 수 있다. 건조 방법에는 공기 중 증발, 진공 증발, 질소와 같은 불활성 가스에 의한 퍼지 및 용액 가열이 포함된다. 입자가 액정 재료보다 낮은 증기압으로 용매 또는 액체 완충액 중에 분산되면, 용액은 액정과 직접 혼합될 수 있고, 용매는 상기 방법 중 하나를 사용하여 증발되고, 액정/나노입자 분산액이 남는다. 본 발명의 일 실시형태에서, 광학 막은 액정 재료 및 나노클레이 나노입자를 포함하고, 나노입자는 적어도 1 차원에서 1 마이크로미터 미만의 크기를 갖는 재료의 입자이다. 막은 등방적으로 분포될 수 있다.
나노클레이 재료가 설명되었으나, 많은 실시형태에서, CNT가 전압을 감소시키기 위한 수단으로서 나노클레이의 대체물로서 사용된다. PDLC 장치에 관련된 CNT의 특성은 E.H. Kim 등에 의해 "Polym. Int. 2010; 59: 1289-1295"에서 검토되었으며, 그 개시내용은 그 전체가 원용에 의해 본원에 포함된다. PDLC 막은 이 PDLC 막의 전기 광학적 성능을 최적화하기 위해 다양한 양의 다중벽 탄소 나노튜브(MWCNT; multi-walled carbon nanotube)로 제조되었다. MWCNT는 최대 0.5 중량%의 프리폴리머 혼합물 내에 잘 분산되었으며, 이는 폴리우레탄 아크릴레이트("PUA") 올리고머 사슬이 그 길이를 따라 MWCNT를 둘러싸고, 높은 회절 효율 및 우수한 상분리를 유발한다. 폴리머 매트릭스의 경도 및 탄성 계수는 본질적으로 우수한 기계적 특성을 갖는 MWCNT의 강화 효과로 인해 MWCNT의 양이 증가함에 따라 강화되었다. PUA 매트릭스의 증가된 탄성 및 매트릭스와 액정 사이의 비혼화성은 PDLC 막의 회절 효율을 점진적으로 증가시켰다. 그러나, 0.05 중량%를 초과하는 MWCNT를 갖는 PDLC 막의 회절 효율은 반응성 혼합물의 점도가 높으므로 매트릭스와 LC 사이의 상분리가 불량하여 저하되었다. 75%의 낮은 구동 전압을 보이는 PDLC 막은 40 중량%의 LC에서 0.05 중량%의 MWCNT를 사용하여 얻어졌다.
PDLC 재료가 이러한 나노입자를 포함하는 실시형태에서, 폴리머 분산 액정 막 및/또는 폴리머 분산 액정 장치의 스위칭 전압의 저감 및 전기 광학 특성의 개선은 나노입자를 액정 도메인 내에 함유시킴으로써 얻어질 수 있다. 나노입자를 함유시키는 것은 액정 분자를 정렬시키는 역할 및 굴절률 평균화를 통해 막의 복굴절 특성을 변경하는 역할을 한다. 또한, 나노입자를 함유시키면 액정 도메인의 스위칭 응답이 개선된다.
모노머 기능
다양한 실시형태에 따른 RMLCM 재료 시스템은 다양한 방식으로 배합될 수 있다. 많은 실시형태에서, 재료 시스템은 적어도 하나의 LC, 적어도 하나의 다관능성 모노머, 광개시제, 염료, 및 적어도 하나의 단관능성 모노머를 포함하는 RMLCM이다. 비제한적으로 레코딩 빔 파워/파장, 격자 주기성, 및 격자 두께와 같은 여러 가지 요인들과 함께, 성분들의 특정 혼합물 및 이들의 백분율 조성은 생성된 HPDLC 격자의 회절 효율을 결정할 수 있다. 노광의 공간적으로 주기적인 조사 강도로 인한 불균질 중합은 모노머와 LC를 분리하는, 그리고 LC 분자의 배향에 질서를 부여하는 구동력일 수 있다. 종종, 모노머의 확산 계수는 그 분자량 및 반응성에 의존한다. 다양한 모노머 분자량 또는 관능가가 복잡한 분포의 폴리머 및 LC 상을 생성할 수 있는 것으로 밝혀졌다. 많은 경우에, 효율적인 상분리 및 높은 회절 효율을 갖는 격자 형성을 달성하는데 분자의 관능성이 중요할 수 있다. 따라서, 본 발명의 많은 실시형태는 결과적인 격자 구조의 회절 효율 및 굴절률 변조에 영향을 주도록 이들 관능성에 대하여 적어도 부분적으로 선택된 모노머의 특정의 혼합물과 배합된 재료 시스템을 포함한다. 이러한 혼합물을 배합하는 다른 고려사항에는 비제한적으로 레코딩 빔의 특성 및 격자의 두께가 포함될 수 있다. 본 발명을 설명하기 위한 목적으로, 모노머의 관능성은 각각의 모노머 단위 상의 반응 부위의 수를 지칭한다.
HPDLC 재료 시스템 내의 다양한 모노머 관능성의 효과는 과학 문헌에서 어느 정도 연구되어 왔다. 이러한 연구는 일반적으로 격자 형성 및 성능과 관련하여 혼합물의 유효 또는 평균 관능성의 영향을 조사하였다. 예를 들면, 개시내용이 원용에 의해 본원에 포함되는 Pogue 등의 논문(Polymer 41 (2000) 733-741)에서, 투광조명(floodlit) PDLC 및 홀로그래픽 PDLC 격자에서 조사가 수행되었고, 효과적인 모노머 관능성의 저하가 일반적으로 LC 상분리의 저하를 유발함을 보여준다.
본 발명에 따른 많은 실시형태는 높은 회절 효율 및 효율적인 상분리를 갖는 격자의 형성을 유발할 수 있는 저관능성의 모노머의 특정 블렌드와의 혼합물에의 조사를 포함한다. 과학 문헌은 전형적으로 고관능성 모노머의 사용을 강조하고 있으나, 본 발명에 따른 다양한 실시형태는 특정 용도에서 저관능성 모노머의 사용에 초점이 맞추어져 있다. 일부의 실시형태에서, 혼합물 내의 모노머는 단관능성 모노머 또는 2관능성 모노머이다. 다수의 실시형태에서, 3관능성 모노머가 또한 포함된다. 이러한 혼합물에서, 3관능성 모노머는 전형적으로 5 중량% 미만과 같은 저농도로 포함된다.
저관능성 모노머를 포함하는 혼합물은 비제한적으로 재료 시스템의 파장 감도, 형성될 HPDLC의 두께, 및 노광 온도와 같은 다양한 요인에 따라 다르게 거동할 수 있다. 과학 문헌에서, 일반적으로 가시광 시스템으로는 재료 반응 효율이 전형적으로 낮으므로 PDLC 재료 시스템의 조사에는 UV 민감성 재료 시스템 이 전형적으로 포함된다. 그러나, 본 발명의 다양한 실시형태에 따른 배합물은 가시광에 민감한(중합되는) 저관능성 모노머를 사용하여 낮은 헤이즈로 높은 회절 효율(>80%)에 도달할 수 있었다. 추가의 실시형태에서, 재료 시스템은 495-570 nm 범위의 파장을 갖는 광과 같은 녹색광에 민감한 모노머를 포함한다. 상이한 광 시스템에 더하여, HPDLC 혼합물의 성능은 격자가 형성되는 도파관 셀의 두께에 의존할 수 있다. 예를 들면, 주어진 재료 시스템의 경우, 퇴적된 막의 상이한 두께는 상이한 양의 헤이즈를 갖는 도파관을 형성할 수 있다. 이 특허 문헌 및 과학 문헌에서는 격자 두께가 검토되었으나, 이러한 조사는 비교적 두꺼운 격자에 초점이 맞추어진다. 다수의 실시형태에서, 재료 시스템은 얇은 폼 팩터를 갖는 도파관에서 사용하도록 배합된다. 추가의 실시형태에서, 재료 시스템은 10 μm 미만의 두께 및 80%를 초과하는 회절 효율을 갖는 HPDLC 층을 갖는 도파관을 제조하는 사용하도록 배합된다. 추가의 실시형태에서, 재료 시스템은 2-3 μm 두께의 HPDLC 층 및 80-90%의 회절 효율을 갖는 격자를 갖는 도파관에서 사용하도록 배합된다. 재료 시스템은 또한 헤이즈가 낮은 도파관을 제조하도록 배합될 수도 있다. 여러 실시형태에서, 재료 시스템은 1% 미만의 헤이즈를 갖는 HPDLC 층을 형성할 수 있다. 도파관 헤이즈는 많은 빔 바운스에서의 재료와 표면 불균질성과 상호작용하는 광의 통합 효과이다. ANSI 콘트라스트에 미치는 영향, 체크보드 패턴으로부터 취득된 평균화된 화이트 대 블랙의 측정치의 비율은 블랙 레벨에의 산란의 기여로 인해 극적으로 될 수 있다. 헤이즈는 주로 격자 레코딩 중의 LC/모노머 혼합물의 불완전한 상분리로부터 생기는 LC 액적 및 기타 작은 입자 또는 산란 중심에 의한 광각의 산란으로 인한 것이다. 헤이즈는 적어도 부분적으로 대규모 불균일성에 의해 생성되는 좁은 각도의 산란으로부터 발생될 수도 있고, 시스루(see-through) 품질의 손실 및 이미지 선명도의 저하를 초래할 수 있다. 두꺼운 도파관 내에서 1-D 빔 확대를 사용하는 항공기 HUD로서의 일부의 도파관 용도는 7 회의 바운스(bounce)를 생성하며, 최대 80:1의 콘트라스트를 가능하게 한다. 그러나, 니어 아이 디스플레이에서 사용되는 유형의 얇은 도파관에서, 바운스의 수는 10 배 증가하여 헤이즈 제어의 필요성이 더 심각해질 수 있다.
RMLCM 레시피는 특정 두께의 HPDLC 층에 맞게 최적화될 수 있다. 많은 실시형태에서, RMLCM 레시피는 ~0.16의 굴절률 변조를 갖도록 설계된 ~ 3 μm 두께의 균일한 변조 격자에 맞게 최적화된다. 쉽게 이해할 수 있는 바와 같이, 제조될 도파관 부품의 특정 두께는 달라질 수 있고, 주어진 용도의 특정 요건에 의존할 수 있다. 다수의 실시형태에서, 도파관 부품은 90% 투과율 및 0.3% 헤이즈를 갖도록 제조될 수 있다. 다른 실시형태에서, 도파관 부품은 ~0.1% 헤이즈(동일한 재료의 비노광 샘플에서 레코딩된 ~0.01% 헤이즈)를 갖도록 제조될 수 있다. 일부의 실시형태에서, RMLCM은 0.05% 미만의 헤이즈를 포함하는 도파관 부품을 제조하기 위해 배합될 수 있다.
투과율 헤이즈는 평균으로 2.5 도(ASTM D1003 표준에 따름)를 초과하는 만큼 원하는 빔 방향으로부터 벗어나는 광의 백분율로 정의될 수 있다. 도파관의 투명도는 (법선으로부터 도파관 표면까지 2.5° 미만의 각도의) 협각 산란광의 양을 특징으로 할 수 있다. 투과율은 산란되지 않고 도파관을 투과하는 광의 양으로서 정의될 수 있다. 일반적인 재료의 헤이즈를 평가하기 위해, 산란은 도파관 TIR 표면에 수직인 벡터를 중심으로 측정될 수 있다. 홀로그래픽 헤이즈를 평가하기 위해, 산란은 (아이 박스의 중심을 관통하는) 주 회절 방향을 중심으로 측정될 수 있다. 헤이즈, 투명도 및 투과율을 측정하기 위한 프로시저는 ASTM D1003 국제 시험 표준에 정의되어 있으며, 여기서 "프로시저 A"는 헤이즈 미터를 사용하고, "프로시저 B"는 분광광도계를 사용한다. 헤이즈를 측정하기 위한 예시적인 기기는 BYK-Gardner HAZE Guard II 기기이다. 많은 실시형태에서, RMLCM 혼합물은 액정 혼합물, 아크릴레이트와 아크릴레이트 에스테르의 복합 혼합물, Dynasylan® MEMO, 및 광개시제를 포함한다. 추가의 실시형태에서, RMLCM은 EHA 및 DFHA를 포함한다. 성분의 특정의 혼합 및 그 백분율 조성에 따라, 결과로서 생기는 격자는 매우 상이한 특성을 가질 수 있다. 일부의 실시형태에서, 중량 기준으로 LC의 비율은 30%를 초과한다. 추가의 실시형태에서, LC의 비율은 35 중량%를 초과한다. 일부의 실시형태에서, 이 혼합물은 복굴절이 높은 액정을 포함한다. 추가의 실시형태에서, 고 복굴절 액정은 혼합물의 20 중량%를 초과하여 점유한다. 다수의 실시형태에서, 염료 및 광개시제는 혼합물의 5 중량% 미만을 차지한다.
네마틱 LC 재료는 다양한 복굴절(이는 굴절률 변조로 변화될 수 있음)을 제공할 수 있다. 저 복굴절 내지 중 복굴절은 전형적으로 0.09 - 0.12 범위이다. 그러나, 격자는 복굴절이 격자를 따라 변화하는 격자를 포함하여 훨씬 더 낮은 복굴절 값을 사용하여 설계될 수 있다. 이러한 격자는 격자의 일단부에서 저효율을 갖는 그리고 격자의 타단부에서 고효율을 갖는 도파관으로부터 광을 추출하여 공간적으로 균일한 출력 조명을 제공하기 위해 사용될 수 있다. 높은 복굴절(네마틱 LC)은 전형적으로 0.2 - 0.5 범위이다. 훨씬 더 높은 값이 가능하다. 네마틱 액정, 화합물, 및 양의 유전 이방성(즉, 유전 상수가 다른 방향에서보다 분자의 장축의 방향에서 큰 LC)을 갖는 혼합물이 R. Dabrowski 등의 논문("High Birefringence Liquid Crystals"; Crystals; 2013;3;443-482)에서 검토되었고, 그 개시내용은 원용에 의해 본원에 포함된다.
혼합물 중의 모노머의 관능성은 결과로서 생기는 격자의 회절 효율에 큰 영향을 줄 수 있다. 많은 실시형태에서, 이 혼합물은 다양한 농도의 적어도 하나의 단관능성 모노머 및 적어도 하나의 다관능성 모노머를 포함한다. 여러 실시형태에서, 혼합물 내의 단관능성 모노머의 농도는 1 - 50 중량% 범위이다. 단관능성 모노머는 지방족/방향족 기 및 접착 촉진제를 포함할 수 있다. 일부의 실시형태에서, 혼합물 내에 존재하는 다관능성 모노머의 비율은 2 - 30 중량% 범위이다. 본 발명의 다양한 실시형태에 따른 다관능성 모노머는 전형적으로 저관능성 모노머를 포함한다. 다수의 실시형태에서, 혼합물은 저농도의 2관능성 모노머를 포함한다. 추가의 실시형태에서, 혼합물은 15 중량% 미만의 2관능성 모노머를 포함한다. 혼합물 중의 2관능성 모노머의 유형 및 농도에 따라 적절한 상분리 및 격자 형성이 발생할 수 있다. 도시된 실시형태에서, 단관능성 모노머, 2관능성 모노머 및 LC는 30%, 14%, 및 40%의 상대 중량비를 가지며, 이는 90%를 초과하는 회절 효율 및 약 0.12의 굴절률 변조를 갖는 격자의 레코딩을 가능하게 하는 배합물을 생성한다.
쉽게 이해할 수 있는 바와 같이, RMLCM 내의 각각의 성분의 백분율 조성은 광범위하게 변할 수 있다. 이러한 재료 시스템의 배합물은 결과적으로 생기는 격자 내에서 특정의 특성을 실현하도록 설계될 수 있다. 많은 경우에, RMLCM은 가능한 높은 회절 효율을 갖도록 배합된다.
도파관 셀을 제조하기 위한 워크셀 클러스터
본 발명의 다양한 실시형태에 따른 도파관 셀 제조 시스템은 워크셀 클러스터로서 구현될 수 있다. 상이한 제조 단계를 워크셀 내로 구획함으로써 모듈식 시스템이 구현될 수 있다. 많은 실시형태에서, 워크셀 클러스터는 퇴적용 기판을 준비하는 준비 워크셀, 기판 상에 광학 레코딩 재료를 퇴적하기 위한 퇴적 워크셀, 및 다양한 층들을 적층하여 도파관 셀을 구축 위한 적층 워크셀을 포함한다. 워크셀은 다양한 방식으로 구성되어 도파관 셀을 위한 상이한 제조 프로세스를 구현할 수 있다. 일부의 실시형태에서, 워크셀은 하나의 워크셀의 출력이 다른 워크셀로 전달되어 제조 조립 라인을 형성하도록 연결되고 구성된다. 이 전달 메커니즘은 비제한적으로 기계식 암, 흡인, 및/또는 컨베이어 시스템을 사용하는 것과 같은 다양한 방식으로 구현될 수 있다. 여러 실시형태에서, 제품은 수동으로 이송된다. 도 2a는 본 발명의 실시형태에 따른 워크셀 클러스터(workcell cluster) 시스템(200)을 개념적으로 도시한다. 도시된 실시형태에서, 시스템(200)은 준비 워크셀(202), 퇴적 워크셀(204), 및 적층 워크셀(206)을 포함한다. 도시된 바와 같이, 화살표(208)는 워크셀 사이의 순차적인 작업흐름 관계를 나타낸다.
모듈식 시스템에서 하나의 장점은 워크셀의 사용을 최적화하고 워크셀 다운타임(downtime)을 줄임으로써 처리능력을 개선하기 위해 특정 작업에 전용되는 워크셀의 수를 변경할 수 있다는 것이다. 예를 들면, 상이한 광학 레코딩 재료로 제조되는 도파관 셀은 상이한 퇴적 시간을 유발할 수 있다. 이러한 실시형태에서 퇴적 워크셀의 수는 워크셀의 전체적인 다운타임을 최소화하도록 각각의 워크셀의 작업 완료 시간의 균형을 맞추도록 달라질 수 있다. 도 2b는 본 발명의 일 실시형태에 따라 2 개의 퇴적 워크셀(212, 214)을 갖는 워크셀 클러스터 시스템(210)를 개념적으로 도시한다. 도시된 실시형태에서, 본 시스템(210)은 준비 워크셀(216), 2 개의 퇴적 워크셀(212, 214), 및 적층 워크셀(218)을 포함한다. 점선 화살표(220)는 준비 워크셀(216)로부터의 출력이 퇴적 워크셀(212, 214) 중 어느 하나에 의해 수신될 수 있음을 나타낸다. 이러한 시스템은 단일 퇴적 프로세스의 완료 시간이 다른 프로세스의 완료 시간의 약 2 배일 경우에 이상적으로 구현될 수 있다.
도 2a 및 도 2b는 특정 워크셀 클러스터 시스템 구성을 개념적으로 도시하고 있으나, 본 발명의 다양한 실시형태에 따른 워크셀 클러스터는 주어진 용도의 특정 요건에 따라 많은 방식으로 구성될 수 있다. 예를 들면, 워크셀 클러스터는 상이한 작업흐름 경로, 워크셀의 유형, 및/또는 워크셀의 수를 갖도록 구성될 수 있다.
도파관 셀 제조와 관련된 일부의 재료 및 프로세스의 민감한 특성으로 인해, 워크셀은 환경 광 및 오염물질로부터 보호되도록 구성될 수 있다. 많은 실시형태에서, 광학 필터는 원하지 않는 광이 전형적으로 광민감성 재료인 광학 레코딩 재료와 상호작용하는 것을 저감 및/또는 방지하도록 워크셀을 덮는다. 광학 레코딩 재료의 특정 유형에 따라, 퇴적 워크셀은 특정 파장의 광이 워크셀 내로 들어가서 광학 레코딩 재료를 노광하는 것을 방지하는 적절한 광학 필터로 라이닝될 수 있다. 광 오염의 저감/방지에 더하여, 워크셀은 미립자 오염을 줄이도록 구성될 수도 있다. 여러 실시형태에서, 워크셀은 공기 오염이 최소화된 환경 중에서 동작하도록 구성된다. 저 미립자 환경은 비제한적으로 공기 필터의 사용을 포함하는 많은 상이한 방식으로 달성될 수 있다. 다수의 실시형태에서, 층류 기류 원리를 채용하는 공기 필터가 구현된다. 전술한 것과 같은 오염 저감/방지 시스템은 개별적으로 또는 조합하여 구현될 수 있다. 특정 시스템이 개시되었으나, 본 발명의 다양한 실시형태에 따른 워크셀은 원하는 방식으로 작업 환경을 변경하도록 다양한 방식으로 구축될 수 있다. 예를 들면, 여러 실시형태에서, 워크셀은 진공 중에서 동작하도록 구성된다. 특정 워크셀과 그 구현 및 구축을 아래의 섹션에서 더 상세히 설명한다.
준비 워크셀
본 발명의 다양한 실시형태에 따른 도파관 셀은 전형적으로 2 개의 기판 사이에 샌드위치된 광학 레코딩 재료의 층으로 구성된다. 본 발명의 다양한 실시형태에 따른 이러한 도파관 셀을 구축하기 위한 제조 기술은 광학 레코딩 재료의 층을 기판 중 하나 상에 퇴적하는 퇴적 단계를 포함할 수 있다. 많은 실시형태에서, 준비 워크셀은 기판 상에서 세정/준비 프로시저를 수행하여 퇴적 단계를 위해 기판을 준비하도록 구현될 수 있다. 비제한적으로 유리 플레이트와 같은 기판을 준비하는 것은 표면으로부터 오염물질을 제거하는 것 및 더 우수한 재료 퇴적을 위해 표면 접착 특성을 향상시키는 것을 포함할 수 있다.
준비 워크셀은 다양한 세정 및 준비 프로토콜을 구현하도록 구성될 수 있다. 기계식 암 및/또는 흡인 장치를 사용하여 워크셀의 전체에 걸쳐 기판들을 조작할 수 있다. 많은 실시형태에서, 준비 워크셀은 비제한적으로 비누 용액, 산 세척제, 아세톤, 및 다양한 유형의 알코올을 포함하는 다양한 용매 및 용액을 사용하여 유리 기판을 세정하도록 구성된다. 일부의 실시형태에서, 여러 가지 유형의 용매 및/또는 용액이 조합하여 사용된다. 예를 들면, 여러 실시형태에서, 아세톤 후에 메탄올 또는 이소프로판올을 투여하여 과잉의 아세톤을 헹궈낼 수 있다. 다수의 실시형태에서, 탈이온수를 사용하여 과잉의 용매 또는 용액을 헹궈낸다. 용매는 비제한적으로 노즐 및 욕의 사용을 포함하는 여러 가지 방식으로 투여될 수 있다. 세정 후, 워크셀은 질소와 같은 불활성 가스 및/또는 가열 요소를 사용하여 기판을 건조시키도록 구성될 수 있다.
많은 실시형태에서, 세정 프로세스는 초음파처리 단계를 포함한다. 여러 실시형태에서, 기판은 용액을 수용하고 있는 체임버 내에 배치되고, 트랜스듀서를 사용하여 초음파를 생성한다. 초음파는 용액을 교반하여 기판에 부착된 오염물질을 제거할 수 있다. 이 처리는 여러 가지 요인에 따라 지속시간이 다를 수 있고, 상이한 유형의 기판에서 수행될 수 있다. 오염의 유형 및 기판의 유형에 따라 탈이온수 또는 세정 용액/용매가 사용될 수 있다.
많은 실시형태에서, 준비 워크셀은 기판의 표면을 플라즈마 처리하기 위해 플라즈마 체임버를 구현하도록 구성된다. 일부의 실시형태에서, 기판은 유리로 제작된다. 이온 및 전자의 형태로 존재하는 플라즈마는 본질적으로 음 및 양의 두 상태의 과잉 전자로 대전된 이온화 가스이다. 플라즈마를 사용하여 기판의 표면을 처리하여 오염물질을 제거하고, 및/또는 표면 에너지를 증가시켜 접착 특성을 개선함으로써 재료 퇴적을 위한 표면을 준비할 수 있다. 다수의 실시형태에서, 워크셀은 진공 펌프를 포함하고, 이것을 사용하여 플라즈마 처리를 수행할 수 있는 진공을 생성할 수 있다.
쉽게 이해할 수 있는 바와 같이, 본 발명의 다양한 실시형태에 따른 준비 워크셀은 주어진 용도의 요건에 따라 특정 세정 프로토콜을 구현하기 위해 다양한 단계의 조합을 수행하도록 구성될 수 있다. 유리 플레이트를 제조하기 위한 특정 준비 워크셀이 위에서 설명되었으나, 준비 워크셀은 비제한적으로 플라스틱을 포함하는 다양한 상이한 기판을 위한 다양한 준비 단계를 수행하도록 구형될 수 있다.
퇴적 워크셀
도파관 셀 제조 시스템은 2 개의 기판 사이에 광학 레코딩 재료를 배치하기 위한 다양한 기술을 이용할 수 있다. 본 발명의 다양한 실시형태에 따른 제조 시스템은 광학 레코딩 재료의 막을 기판 상에 퇴적하고, 복합체를 제 2 기판을 따라 적층하여 3 층 적층체를 형성하는 퇴적 프로세스를 이용할 수 있다. 많은 실시형태에서, 이 제조 시스템은 기판 상에 광학 레코딩 재료의 막을 퇴적하기 위한 퇴적 워크셀을 포함하는 워크셀 클러스터이다. 이러한 퇴적 워크셀은 준비 워크셀로부터 기판을 받아들이도록 구성될 수 있다. 일부의 실시형태에서, 퇴적 워크셀은 기판을 지지하기 위한 스테이지 및 이 기판 상에 재료를 퇴적하기 위한 적어도 하나의 퇴적 메커니즘을 포함한다. 다양한 퇴적 헤드 중 임의의 것이 퇴적 메커니즘으로서 기능하도록 구현될 수 있다. 여러 실시형태에서, 비제한적으로 분사 노즐과 같은 분사 메커니즘이 기판 상에 광학 레코딩 재료를 퇴적하도록 구현된다. 일부의 실시형태에서, 광학 레코딩 재료는 인쇄 메커니즘을 사용하여 퇴적된다. 구현되는 퇴적 메커니즘/헤드의 유형에 따라, 여러 가지 상이한 퇴적 기능이 달성될 수 있다. 다수의 실시형태에서, 퇴적 헤드는 성분 농도가 다른 상이한 재료 및/또는 혼합물의 퇴적을 가능하게 할 수 있다. 쉽게 이해할 수 있는 바와 같이, 이용되는 특정 퇴적 메커니즘은 주어진 용도의 특정 요건에 의존할 수 있다.
퇴적 워크셀 내의 성분은 기판 상에 광학 레코딩 재료를 퇴적하기 위해 다양한 방식으로 제거하도록 구성될 수 있다. 많은 실시형태에서, 퇴적 헤드 및/또는 스테이지는 일층 또는 다층의 광학 레코딩 재료를 퇴적하기 위해 특정 축을 가로질러 이동하도록 구성된다. 일부의 실시형태에서, 퇴적 헤드는 재료를 3 차원 유클리드 공간과 같은 3 차원에 걸쳐 재료를 이동 및 퇴적시키도록 구성되고, 이것에 의해 기판 상에 다층의 퇴적이 가능해진다. 다수의 실시형태에서, 퇴적 헤드는 단일 층을 퇴적하기 위해 2 개의 축선에서만 이동하도록 구성된다. 다른 실시형태에서, 스테이지 및 결과적으로 기판은 퇴적 헤드가 정지되어 있는 동안에 3 차원 내에서 이동하도록 구성된다. 쉽게 이해할 수 있는 바와 같이, 퇴적 어플리케이션은 프린트 헤드(들) 및/또는 스테이지의 운동의 자유도를 구성함으로써 다양한 치수로 재료를 퇴적하도록 구형될 수 있다. 이 스테이지와 퇴적 헤드는 운동의 자유도의 조합에 의해 n 차원의 유클리드 공간에서 재료를 퇴적할 수 있도록 구성될 수 있으며, 여기서 n은 원하는 차원이다. 예를 들면, 여러 실시형태에서, 퇴적 헤드는 스테이지가 상이한 축 상에서 이동하는 동안에 하나의 축에서 전후로 이동하여 재료를 퇴적하도록 구성되고, 이로 인해 2 차원 유클리드 평면에서의 재료의 퇴적이 가능해진다. 다수의 실시형태에서, 스테이지는 컨베이어 벨트를 사용하여 구현된다. 시스템은 컨베이어 벨트가 준비 워크셀과 같은 상이한 워크셀로부터 기판을 받아들이도록 설계될 수 있다. 일단 받아들이면, 컨베이어 시스템은 퇴적 헤드가 기판 상에 재료의 층을 퇴적시킬 때 기판을 이동시킬 수 있다. 컨베이어 경로의 단부에서 기판은 다른 워크셀에 전달될 수 있다.
다수의 실시형태에서, 퇴적 워크셀은 기판 상에 광학 레코딩 재료를 퇴적하도록 구성된 잉크젯 프린트 헤드를 포함한다. 통상적으로, 잉크젯 인쇄는 잉크 도트(dot)의 매트릭스를 퇴적하여 원하는 이미지를 형성하는 인쇄 방법을 지칭한다. 전형적인 동작에서, 잉크젯 프린트 헤드는 각각 재료의 도트를 퇴적할 수 있는 대량의 작은 개별 노즐을 포함하고 있다. 적층 조형 용도에서, 전형적인 잉크젯 프린트 헤드의 노즐의 크기 및 개수로 인해 잉크젯 인쇄를 사용하여 고정밀도의 복잡한 패턴 및 구조를 생성할 수 있다. 도파관 셀 제조 용도에 이 원리를 적용하면, 잉크젯 인쇄를 사용하여 두께 및 조성의 면에서 균일하거나 거의 균일한 광학 레코딩 재료의 층을 인쇄할 수 있다. 용도와 잉크젯 프린트 헤드에 따라, 하나 이상의 층의 광학 레코딩 재료를 기판 상에 인쇄할 수 있다. 위의 섹션에서 설명한 것과 같은 다양한 광학 레코딩 재료가 잉크젯 프린트 헤드와 조합하여 사용될 수 있다. 상이한 재료로 인쇄할 수 있는 것에 더하여, 이 인쇄 시스템은 다양한 유형의 기판과 함께 사용하도록 구성될 수 있다. 쉽게 이해할 수 있는 바와 같이, 인쇄될 재료 및 사용되는 기판의 선택은 주어진 용도의 특정 요건에 의존할 수 있다. 예를 들면, 재료 시스템의 선택은 인쇄 안정성 및 정확성에 기초하여 선택될 수 있다. 다른 고려사항은 비제한적으로 점도, 표면 장력, 및 밀도를 포함할 수 있으며, 이들은 비제한적으로 액적 형성성 및 균일한 두께의 층을 형성하는 능력과 같은 여러 가지 요인에 영향을 미칠 수 있다.
본 발명의 실시형태에 따른 퇴적 워크셀(300)은 도 3a 및 도 3b에 개념적으로 도시되어 있다. 도 3a는 퇴적 워크셀(300)의 등각도를 도시하고, 도 3b는 동 퇴적 워크셀(300)의 평면도를 도시한다. 도시된 바와 같이, 퇴적 워크셀(300)은 미립자 오염물 및 환경 광이 워크셀(300) 내의 광학 레코딩 재료를 노광하는 것을 방지하도록 광학 유리 필터를 유지할 수 있는 프레임으로 구축된다. 워크셀은 기판을 받아들이고 도파관 셀을 배출하기 위한 체임버(302, 304)를 포함한다. 도시된 실시형태에서, 스테이지는 수용된 기판을 일방향을 따라 이동시키는 컨베이어 벨트(306)로서 구현된다. 퇴적 워크셀(300)은 퇴적 메커니즘으로서 구현된 잉크젯 프린터(308)을 더 포함한다. 이 잉크젯 프린터(308)는 컨베이어 벨트(306)의 이동과 다른 방향을 가로질러 인쇄하도록 구성되며, 이로 인해 기판의 평평한 표면의 전체에 걸쳐 광학 레코딩 재료의 층의 퇴적을 가능하게 한다. 또한, 퇴적 워크셀(300)은 인쇄된 층과 2 개의 기판을 적층하여 도파관 셀을 구축하기 위한 롤러 라미네이터(roller laminator; 310)를 구현한다. 워크셀(300)은 청결한 환경을 유지하면서 워크셀(300) 내의 장치의 수동 조작을 가능하게 하는 글러브(312)를 구비한 글러브박스로서도 구현된다.
도 3a 및 도 3b는 특정 퇴적 워크셀 구성을 도시하고 있으나, 퇴적 워크셀은 본 발명의 다양한 실시형태에 따른 많은 방식으로 구성될 수 있다. 예를 들면, 라미네이터는 별개의 적층 워크셀 내에 구현될 수 있다. 여러 실시형태에서, 자동 시스템 구성이 구현될 수 있다. 많은 실시형태에서, 다수의 잉크젯 프린트 헤드가 사용된다. 다른 실시형태에서, 분사 노즐이 퇴적 메커니즘으로서 사용된다.
재료 조성의 조정
고 휘도 및 우수한 색 재현성은 AR 도파관 디스플레이에서 중요한 요소이다. 어느 경우에도, FOV의 전체에 걸쳐 높은 균일성은 필수적이다. 그러나, 도파관의 기본적 광학계는 도파관을 바운싱(bouncing)하는 빔의 갭 또는 중첩으로 인한 불균일성을 초래할 수 있다. 또한 이 불균일성은 격자의 불완전성 및 도파관 기판의 비평면성으로부터 발생할 수 있다. SBG에서, 복굴절 격자에 의한 편광 회전의 추가의 문제가 존재할 수 있다. 최대의 과제는 격자 프린지와 빔의 복수의 교차를 유발하는 수백만의 광 경로가 존재하는 폴드 격자이다. 본 발명의 다양한 실시형태에 따라, 격자 특성, 특히 굴절률 변조의 주의 깊은 관리를 이용하여 불균일성을 극복할 수 있다.
다수의 가능한 빔 상호작용(회절 또는 0 차 투과율) 중에서 단 하나의 서브세트만이 아이 박스에서 제시되는 신호에 기여한다. 아이박스로부터 역추적함으로써 주어진 필드 포인트(필드 포인트)에 기여하는 폴드 영역을 정확하게 지적할 수 있다. 다음에 출력 조명의 암 영역(dark region)에 더 이송되는 것이 필요한 변조에 대한 정확한 보정이 계산될 수 있다. 하나의 색의 출력 조명의 균일성을 목표로 다시 적용하면, 이 프로시저는 다른 색에도 반복될 수 있다. 굴절률 변조 패턴이 확립되면, 디자인은 퇴적 메커니즘에 익스포팅(exporting)될 수 있고, 각각의 굴절률 변조는 코팅될 기판 상의 각 공간 해상도 셀에 대한 고유의 퇴적 설정으로 변환된다. 많은 실시형태에서, 공간 패턴은 완전한 재현성을 갖는 30 마이크로미터 해상도로 구현될 수 있다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 다양한 실시형태에 따른 코팅을 위한 보상된 굴절률 변조를 계산하기 위해 역광선 추적의 사용을 개략적으로 개념적으로 도시한다. 이 프로시저는 폴드 격자의 최적의 사용가능 영역과 아이 박스에서 균일한 조명을 제공하는데 필요한 폴드 격자의 전체에 걸친 굴절률 변조의 변동을 결정할 수 있다. 도 4a는 입력 격자(402), 계산 메시(404)로 분할된 폴드 격자, 및 출력 격자(406)를 포함하는 기본적인 도파관 아키텍처의 수학적 모델을 도시한다. 아이 박스를 가로지르는 점들로부터 출력 격자 및 폴드 격자를 통해 광선을 추적함으로써 주어진 FOV 방향의 아이박스 조명에 기여하는 폴드 격자 셀을 특정할 수 있다. 출력 격자로부터 역 빔 경로는 광선(408-414)에 의해 표시되어 있다. 상이한 FOV 각도에 대하여 광선 추적을 반복함으로써, 아이 박스를 채우는데 필요한 폴드 격자의 최대 범위를 결정할 수 있다. 이것에 의해 퇴적/인쇄되는 HPDLC 재료의 영역을 최소한으로 유지할 수 있으므로 완성된 도파관 부품의 헤이즈를 확실하게 감소시킬 수 있다. 이 프로시저는 아이박스의 전체의 조명의 균일성을 유지하기 위해 굴절률 변조를 증가(또는 감소)시킬 필요가 있는 셀을 특정할 수도 있다. 예를 들면, 도 4a의 실시형태에서, 폴드 격자 영역의 대부분은 0.03의 굴절률 변조를 갖는다. 그러나, 416으로 둘러싸인 특정의 계산 셀(예를 들면, 셀(418)) 및 420으로 둘러싸인 특정의 계산셀(예를 들면, 셀(422))은 0.07의 굴절률 변조를 가져야 하며, 직사각형 구역(424) 내에 있는 계산 셀은 0.05의 굴절률 변조를 가져야 한다. 전형적으로, 굴절률 변조 값의 맵은 AutoCAD DXF(Drawing Interchange Format) 파일로서 퇴적 메커니즘을 제어하는 프로세서 내로 익스포팅된다. 도 4b는 교차 편광자(cross polarizer) 하에서 인쇄된 격자를 조사함으로써 드러나도록 (도 4a의 모델에 대응하는) 인쇄된 격자 층의 굴절률 변조 맵이 중첩된 최종 도파관 부품(452)의 평면도(450)이다. 격자 영역은 입력 격자(454), 출력 격자(456), 및 폴드 격자(458)를 포함한다. 도시된 실시형태에서, 폴드 격자는 도 4a의 영역(416, 420, 424)에서 식별된 셀에 대응하는 높은 굴절률 변조 영역(460, 462, 464)을 포함한다. 도 4b의 격자 영역은 투명한 폴리머 영역(466)에 의해 둘러싸여 있다. 도 4a 및 도 4b는 보상된 굴절률 변조 패턴을 계산하는 특정의 방법을 도시하고 있으나, 임의의 다양한 기술을 이용하여 이러한 패턴을 계산할 수 있다.
표면 릴리프 격자(SRG; surface relief grating)를 이용하는 도파관과 비교하여, 본 발명의 다양한 실시형태에 따른 제조 기술을 구현하는 SBG 도파관은 퇴적 프로세스 중에 동적으로 조정되는 굴절률 변조 및 격자 두께와 같은 효율 및 균일성에 영향을 주는 격자 설계 파라미터를 가능하게 할 수 있다. 따라서, 격자 레코딩 프로세스를 위한 새로운 마스터가 불필요하다. 변조가 에칭 깊이에 의해 제어되는 SRG에서, 격자의 각각의 변화가 복잡한 그리고 고가의 툴링 프로세스를 반복할 필요가 있으므로 이러한 방법은 실용적이지 않다. 또한, 필요한 에칭 깊이의 정확성을 달성하고, 이미지의 복잡성에 저항하는 것이 매우 어려울 수 있다. 도 5a 및 도 5b는 SBG와 SRG 사이의 기본적은 구조 차이를 개념적으로 도시한다. 도 5a는 SRG의 일부의 단면도(500)를 도시한다. 도시된 실시형태에서, 격자는 에어 갭(506)에 의해 분리된 경사 표면 릴리프 요소(504)를 지지하는 기판(502)을 포함한다. 전형적으로, 표면 릴리프 요소 및 기판은 공통의 재료로 형성된다. 격자 피치는 기호 p로 표시되고, 격자 깊이는 기호 h로 표시된다. 도 5b는 SBG(350)의 단면도(550)를 도시한다. SRG와 대조적으로, SBG에는 552와 같은 낮은 굴절률의 모노머가 풍부한 프린지 및 554와 같은 더 높은 굴절률의 LC가 풍부한 프린지로 형성된 경사 브래그 프린지가 교대로 포함되어 있다. 이 굴절률 차이는 굴절률 변조 δn를 특징으로 하며, 이것은 SRG의 격자 깊이에 대한 격자 회절 효율을 결정하는데 동등한 역할을 한다. 굴절률 변조의 변화는 굴절률 변조 대 격자를 따른 거리 z의 중첩 플롯(superimposed plot; 556)에 의해 표시된다. 일부의 실시형태에서, 굴절률 변조는 도 5b에 도시된 바와 같은 정현파 프로파일을 갖는다. SBG가 균일 변조 HPDLC로 형성되는 실시형태에서, 굴절률 변조 프로파일은 직사각형에 가까운 LC 및 폴리머가 풍부한 영역을 포함할 수 있다.
본 발명의 다양한 실시형태에 따른 퇴적 프로세스는 퇴적되는 재료의 유형을 제어함으로써 격자 설계 파라미터의 조정을 제공할 수 있다. 다재료 적층 조형 기술과 유사하게, 본 발명의 다양한 실시형태는 기판 상의 상이한 영역 내에 상이한 재료나 상이한 재료의 조성물을 퇴적하도록 구성될 수 있다. 많은 실시형태에서, 광학 레코딩 재료의 층은 상이한 영역에서 상이한 재료로 퇴적될 수 있다. 예를 들면, 퇴적 프로세스는 격자 영역인 것을 의미하는 기판의 영역에 HPDLC 재료를 퇴적하도록 그리고 비격자 영역을 의미하는 기판의 영역 상에 모노머를 퇴적하도록 구성될 수 있다. 여러 실시형태에서, 퇴적 프로세스는 성분 조성이 공간적으로 변화하는 광학 레코딩 재료의 층을 퇴적하도록 구성되고, 이로 인해 퇴적된 재료의 다양한 양태의 조정을 가능하게 한다. 상이한 유형의 재료 및 혼합물의 조정 방식 및 퇴적 프로세스를 아래에서 더 상세히 설명한다.
특정의 영역에 인쇄되는 재료의 선택은 후에 그 영역에 레코딩될 광학 요소에 의존할 수 있다. 예를 들면, 일부의 실시형태에서, 퇴적 헤드는 3 개의 상이한 격자로 레코딩되도록 의도된 도파관 셀을 위한 광학 레코딩 재료의 층을 퇴적하도록 구성된다. 3 개의 격자용으로 지정된 영역의 각각에 인쇄된 재료가 서로 다르도록 층을 퇴적할 수 있다. 도 6은 본 발명의 실시형태에 따른 다양한 격자로 레코딩되도록 의도된 마킹된 영역을 갖는 도파관 셀(600)을 개념적으로 도시한다. 도시된 바와 같이, 입력 격자(602), 폴드 격자(604), 및 출력 격자(606)의 영역이 표시되어 있다. 이러한 영역은 주어진 용도에 따라 각각 상이한 재료 또는 상이한 혼합물 조성물로 구성될 수 있다. 다수의 실시형태에서, 상이한 재료가 퇴적되어 레코딩된 격자들 사이에 상이한 회절 효율을 생성할 수 있다. 도시된 실시형태에서, 도파관 셀은 곡선 형상이고, 격자의 위치, 크기 및 형상과 함께 니어 아이 용도의 도파관이 되도록 설계되어 있다.
상이한 조성을 갖는 재료의 퇴적은 여러 가지 상이한 방법으로 구현될 수 있다. 많은 실시형태에서, 2 개 이상의 퇴적 헤드를 이용하여 상이한 재료 및 혼합물을 퇴적할 수 있다. 각각의 퇴적 헤드는 상이한 재료/혼합물 저장소에 연결될 수 있다. 이러한 구현형태는 다양한 용도에 사용될 수 있다. 예를 들면, 도파관 셀의 격자 영역과 비격자 영역에 상이한 재료를 퇴적할 수 있다. 일부의 실시형태에서, HPDLC 재료는 격자 영역 상에 퇴적되고, 모노머는 비격자 영역에만 퇴적된다. 여러 실시형태에서, 퇴적 메커니즘은 상이한 성분 조성을 갖는 혼합물을 퇴적하도록 구성될 수 있다.
일부의 실시형태에서, 분사 노즐은 단일 기판 상에 다수의 유형의 재료를 퇴적하도록 구성될 수 있다. 도파관 용도에서, 분사 노즐을 사용하여 도파관의 격자 영역과 비격자 영역에 상이한 재료를 퇴적할 수 있다. 도 7a 및 도 7b는 본 발명의 실시형태에 따른 분사 모듈을 이용하는 퇴적 메커니즘의 동작을 개념적으로 도시한다. 도시된 바와 같이, 장치(700)는 제 1 재료의 제 1 혼합물을 수용하는 제 1 저장소(708)에 파이프(706)를 통해 연결된 제 1 분사 모듈(704) 및 제 2 재료의 제 2 혼합물을 수용하는 제 2 저장소(714)에 파이프(712)를 통해 연결된 제 2 분사 모듈(710)을 포함하는 코팅 모듈(702)을 포함한다. 도시된 실시형태에서, 제 1 재료는 적어도 액정 및 모노머를 포함하고, 제 2 재료는 모노머만 포함한다. 이러한 구성은 정해진 격자 영역과 비격자 영역을 갖는 광학 레코딩 재료의 층의 퇴적을 가능하게 한다. 쉽게 이해할 수 있는 바와 같이, 특정 용도에 따라 임의의 구성의 상이한 혼합물을 적절하게 이용할 수 있다.
도 7a 및 도 7b에서, 제 1 및 제 2 분사 모듈은 716 및 718에 의해 표시되는 제어가능한 발산 각도에 걸쳐 액체 액적의 제트를 제공한다. 이 장치는 음영 영역(722 - 726)으로 도시된 격자를 지지하기 위한 미리 정해진 영역, 728 및 730에 의해 표시되는 아이박스 내에 광을 투과하지 않는 격자 영역인 음영 영역(722 - 726), 및 732로 표시된 격자를 둘러싸는 영역을 갖는 투명 기판(720)용 지지체를 더 포함한다. 일부의 실시형태에서, 이 영역(728, 730)은 아이박스로부터의 도파관의 역관선 추적에 의해 식별된다. 동작 중에, 아이 박스에 들어가는 회절된 광을 제공하는 격자를 지지하는 영역은 제 1 혼합물로 코팅된다. 영역(728, 730)은 제 2 혼합물로 코팅된다. 이 장치는 기판을 가로질러 코팅 장치를 횡단하기 위한 제어 링크(736)에 의해 코팅 장치에 연결된 위치결정 장치(734)를 더 포함한다. 이 장치는 코팅 장치가 격자를 지지하기 위한 기판 영역 상에 위치되었을 때 제 1 분사 모듈을 활성화시키고 제 2 분사 모듈을 비활성화시키고, 코팅 장치가 격자를 지지하지 않는 기판 상에 위치되었을 때 제 1 분사 모듈을 비활성화시키고 제 2 분사 모듈을 활성화시키기 위한 스위칭 메커니즘을 더 포함한다.
장치의 2 가지 동작 상태가 기판의 상세를 도시하는 도 8a 및 도 8b에 개념적으로 도시되어 있다. 도 8a에 도시된 바와 같이, 코팅 장치가 (연부(802, 804)에 의해 경계가 정해지는 스트립의 상부 영역에 위치하는) 비격자 지지 영역(800)의 위에 있을 때, 제 2 분사 모듈은 활성화되고, 제 1 분사 모듈은 비활성화되어 모노머(806)의 층이 기판 상에 분사된다. 도 8b에 도시된 바와 같이, 코팅 장치가 (연부(802, 804)에 의해 경계가 정해지는 스트립의 하부 영역에 위치하는) 실질적으로 격자 지지 영역(808)의 위에 있을 때, 제 2 분사 모듈은 비활성화되고, 제 1 분사 모듈은 활성화되어 액정의 층 및 모노머 혼합물(810)이 기판 상에 분사된다.
도 7a 내지 도 8b는 분사 메커니즘의 특정의 용도 및 구성을 도시하고 있으나, 분사 메커니즘 및 퇴적 메커니즘은 일반적으로 다양한 용도로 구성 및 이용될 수 있다. 많은 실시형태에서, 분사 메커니즘은 적어도 2 개의 선택가능한 분사 헤드를 갖는 코팅 장치를 사용하여 재료 조성, 복굴절, 및 두께 중 적어도 하나를 제어할 수 있는 격자를 인쇄하도록 구성된다. 일부의 실시형태에서, 퇴적 워크셀은 레이저 밴딩(laser banding)의 제어를 위해 최적화된 격자 레코딩 재료를 퇴적하기 위한 장치를 제공한다. 여러 실시형태에서, 퇴적 워크셀은 편광의 불균일성의 제어를 위해 최적화된 격자 레코딩 재료를 퇴적하기 위한 장치를 제공한다. 일부의 실시형태에서, 퇴적 워크셀은 정렬 제어 층에 관련된 편광 불균일성의 제어를 위해 최적화된 격자 레코딩 재료를 퇴적하기 위한 장치를 제공한다. 다수의 실시형태에서, 퇴적 워크셀은 빔 분할 코팅 및 환경 보호 층과 같은 추가의 층을 퇴적하도록 구성될 수 있다. 또한, 도 7a 내지 도 8b는 분사 노즐의 기능을 설명하고 있으나, 이들 기능은 다른 퇴적 메커니즘으로 구현될 수 있다. 예를 들면, 잉크젯 프린트 헤드는 기판의 격자 영역과 비격자 영역에 상이한 재료를 인쇄하도록 구현될 수도 있다.
도 9는 본 발명의 실시형태에 따른 선택적 코팅 프로세스를 사용하는 홀로그래픽 격자를 제조하는 방법을 개념적으로 도시하는 흐름도이다. 도 9를 참조하면, 이 방법(900)은 코팅용 투명 기판을 제공하는 것(902)을 포함한다. 기판의 격자 지지 영역 및 비격자 지지 영역이 정해진다(904). 특정 용도에 따라, 다양한 크기 및 형상의 격자가 정해질 수 있다. 일부의 실시형태에서, 격자 영역은 입력 격자, 폴드 격자, 또는 출력 격자를 지원한다. 많은 실시형태에서, 기판은 전술한 유형의 격자의 조합으로 제작된 격자에 대해 정해진 영역을 갖는다. 액정 및 모노머를 함유한 코팅용 제 1 혼합물 및 모노머를 함유한 코팅용 제 2 혼합물이 제공될 수 있다(906). 기판 상에 제 1 혼합물을 코팅하기 위한 제 1 분사 헤드가 제공될 수 있다(908). 제 2 혼합물을 코팅하기 위한 제 2 분사 헤드가 제공될 수 있다(910). 함께 통합된 제 1 및 제 2 분사 헤드는 코팅 장치로서 간주될 수 있다. 코팅 장치는 그 출발 위치(k = 1)에 설정될 수 있다(912). 코팅 장치는 기판 상의 현재 위치로 이동될 수 있다(914). 현재 코팅 장치가 격자 지지 영역 위에 위치하는지 또는 비격자 지지 영역 위에 위치하는지의 여부에 대한 결정이 이루어질 수 있다(916). 코팅 장치가 격자 영역 위에 존재할 때, 제 1 분사 헤드는 활성화될 수 있고,제 2 분사 헤드는 비활성화될 수 있다(918). 코팅 모듈이 격자 지지 영역 위에 있을 때, 제 1 분사 헤드는 비활성화될 수 있고, 제 2 분사 헤드는 활성화될 수 있다(920). 코팅 상태에 관한 결정이 이루어질 수 있다(922). 지정된 모든 영역이 코팅된 경우, 프로세스는 종료될 수 있다(924). 지정된 영역이 모두 코팅되어 있지 않은 경우, 코팅될 다음 영역(증분 k)이 선택(926)될 수 있고, 퇴적 단계가 반복될 수 있다.
도 9는 기판 상에 상이한 재료를 퇴적하기 위한 특정 방법을 도시하고 있으나, 퇴적 메커니즘은 공간적으로 그리고 영역의 전체에 걸쳐 변할 수 있는 특성을 갖는 재료의 막을 생성하도록 구성될 수 있다. 도 10은 본 발명의 실시형태에 따라 격자 영역 내에 미리 정해진 격자 특성을 제공하기 위한 퇴적 헤드를 개념적으로 도시한다. 도 10을 참조하면, 퇴적 헤드(1000)는 액정 및 모노머 중 적어도 하나의 혼합물을 수용하는 저장소(1006)로부터 파이프(1004)를 통해 공급되는 제 1 분사 모듈(1002)를 포함하며, 상기 혼합물은 투명 기판을 코팅하기 위한 분사 모듈(1002)에 의해 분사 제트(1008)로 분산된다. 기판은 격자를 지지하기 위한 미리 정해진 영역을 갖는다. 기판을 가로질러 분사 모듈을 횡단시키기 위한 X-Y 변위 제어기(1010) 및 홀로그래픽 노광 후의 격자 영역 내에 미리 정해진 격자 특성을 제공하는 막을 퇴적하기 위해 각각의 격자 영역에 걸쳐 모듈로부터의 분사 특성을 제어하기 위한 수단이 또한 제공된다. 홀로그래픽 노광은 참조 문헌에 개시된 임의의 프로세스를 포함하는 임의의 현재 홀로그래픽 프로세스를 사용하여 수행될 수 있다. 도시된 실시형태에서, 퇴적 헤드(1000)는 혼합물의 화학적 성분의 온도, 희석 및 상대 농도 중 하나 이상을 제어하기 위한 혼합물 제어기(1012)를 더 포함한다. 퇴적 헤드(1000)는 또한 기판에 대한 분사 각도, 분사 발산 각도, 및 분사 온 및 오프 상태의 지속시간 중 하나 이상을 제어하기 위한 분사 제어기(1014)를 포함할 수 있다. 여러 실시형태에서, 미리 정해진 격자 특성은 굴절률 변조, 굴절률, 복굴절, 액정 디렉터 정렬, 및 격자 층 두께 중 하나 이상을 포함한다. 쉽게 이해할 수 있는 바와 같이, 퇴적 헤드는 많은 상이한 방식으로 구현 및 구성될 수 있다. 많은 실시형태에서, X-Y 변위 제어기, 혼합물 제어기, 및 분사 제어기의 임의의 조합 및 서브세트가 이용될 수 있다. 일부의 실시형태에서, 분사 메커니즘 및 퇴적된 재료를 구성하기 위한 추가의 제어기가 이용될 수 있다.
도 11은 본 발명의 실시형태에 따른 미리 정해진 격자 특성을 구비한 영역을 갖는 재료를 퇴적하기 위한 퇴적 헤드의 동작을 개념적으로 도시한다. 전술한 바와 같이, 퇴적 헤드는 격자 영역의 전체에 걸쳐 굴절률 변조, 굴절률, 복굴절, 액정 디렉터 정렬 및 격자 층 두께 중 하나 이상의 공간 변화를 갖는 재료를 퇴적하도록 구성될 수 있다. 도 11에 도시된 바와 같이, 분사 모듈(1100)은 기판(1104)에 걸쳐 분사 경로(1102)를 따른다. 분사는 경로(1102)를 따라 이동하는 동안에 동적으로 제어되어, 예를 들면, 1106 및 1108과같은 미리 정해진 격자 영역의 영역에서의 미리 정해진 격자 특성을 변화시킬 수 있다. 일부의 실시형태에서, 퇴적 메커니즘은, 노광 후에, 공간적으로 변화하는 회절 효율을 갖는 격자를 제공한다. 예를 들면, 다시 도 11을 참조하면, (홀로그래픽 노광 후의) 코팅 영역(1106, 1108)은 각각 곡선(1110 및 1112)에 의해 표시되는 회절 효율(DE) 대 각도(U) 특성을 나타낸다.
도 12는 본 발명의 실시형태에 따른 2 개의 격자 층을 퇴적하기 위한 퇴적 메커니즘을 개념적으로 도시한다. 도시된 바와 같이, 시스템(1200)은 도 11의 시스템과 유사하지만 제 2 격자 층(1206)을 코팅하기 위한 제트(1204)를 제공하는 제 2 분사 모듈(1202)를 더 포함한다. 많은 실시형태에서, 격자 층은 상이한 혼합물 조성을 사용하여 코팅된다. 도 7a의 것과 유사한 일부의 실시형태에서, 시스템은 제 1 액정 및 제 1 모노머 중 적어도 하나를 포함하는 제 1 혼합물을 수용하는 제 1 저장소에 연결된 제 1 분사 모듈 및 제 2 액정 및 제 2 모노머 중 적어도 하나를 포함하는 제 2 혼합물을 수용하는 제 2 저장소에 연결된 제 2 분사 모듈을 포함한다.
도 13은 재료의 격자 층을 퇴적하기 위한, 그리고 코팅 모듈과 동기된 온 및 오프 상태의 레코딩 빔을 사용하여 층을 홀로그래픽 노광하기 위한 시스템을 개념적으로 도시한다. 도시된 바와 같이, 시스템(1300)은 미리 정해진 격자 영역(1306, 1308)을 제공하는 기판(1304)의 전체에 걸쳐 분사 경로(1302)를 따르는 도 12의 것과 유사한 코팅 장치를 포함한다. 코팅 프로세스가 진행되는 동안, 레코딩 빔(1312)을 제공하는 홀로그래픽 노광 장치(1310)는 코팅된 미리 정해진 격자 영역(1314)을 노광할 수 있다. 많은 실시형태에서, 홀로그래픽 노광 장치는 요구되는 격자를 미리 정해진 격자 영역에 접촉 카피(contact copy)하는 마스터 격자를 기반으로 한다.
도 14는 본 발명의 실시형태에 따른 미리 정해진 격자 특성을 갖는 영역을 구비한 재료의 막을 퇴적하는 방법을 개념적으로 도시하는 흐름도이다. 도시된 바와 같이, 방법(1400)은 코팅용 투명 기판을 제공하는 것(1402)을 포함한다. 기판의 격자 지지 영역 및 비격자 지지 영역이 정해진다(1404). 액정 및 모노머를 함유하는 혼합물이 제공될 수 있다(1406). 여러 실시형태에서, 이용되는 재료는 광개시제, 나노 입자, 저관능성 모노머, 스위칭 전압을 감소시키기 위한 첨가제, 스위칭 시간을 감소시키기 위한 첨가제, 굴절률 변조를 증가시키기 위한 첨가제 및 헤이즈를 감소시키기 위한 첨가제 중 하나 이상을 포함한다. 기판 상에 혼합물을 코팅하기 위한 분사 모듈이 제공될 수 있다(1408). 이 분사 모듈은 그 출발 위치(k = 1)에 설정될 수 있다(1410). 분사 모듈은 기판 상의 현재 위치로 이동될 수 있다(1412). 현재 코팅 장치가 격자 지지 영역 위에 위치하는지 또는 비격자 지지 영역 위에 위치하는지의 여부에 대한 결정이 이루어질 수 있다(1414). 코팅 장치가 격자 영역 위에 있는 경우, 분사 모듈은 활성화되어(1416), 격자 영역 내에서 미리 정해진 격자 특성을 달성하기 위한 분사 특성을 제공할 수 있다. 격자 영역은 코팅될 수 있다(1418). 코팅 상태에 관한 결정이 이루어질 수 있다(1420). 지정된 모든 영역이 코팅된 경우, 프로세스는 종료될 수 있다(1422). 지정된 모든 영역이 코팅되어 있지 않은 경우, 코팅될 다음 영역 이 선택(1424)될 수 있고, 퇴적 단계는 증분 k로 반복될 수 있다.
도 10 내지 도 14는 미리 정해진 격자 특성을 갖는 영역을 갖는 재료를 퇴적하는 특정 구현형태 및 방법을 도시하고 있으나, 임의의 다양한 구성이 구현될 수 있다. 예를 들면, 많은 실시형태에서, 다수의 분사 모듈 또는 퇴적 헤드가 이용된다. 특정 용도에 따라 다양한 미리 정해진 격자 특성이 제어 및/또는 조정될 수 있다. 하나 이상의 퇴적 헤드를 이용하는 재료 조성의 조절은 아래에서 더 상세히 설명한다.
전술한 바와 같이, 성분 조성이 공간적으로 변하는 광학 레코딩 재료를 퇴적하도록 퇴적 프로세스가 구성될 수 있다. 재료 조성의 조절은 많은 상이한 방식으로 구현될 수 있다. 다수의 실시형태에서, 프린트 헤드 내의 다양한 잉크젯 노즐을 이용함으로써 재료 조성을 조절하도록 잉크젯 프린트 헤드가 구성될 수 있다. 도트 단위로 조성을 변경함으로써, 광학 레코딩 재료의 층은 이 층의 평평한 표면의 전체에 걸쳐 다양한 조성을 갖도록 퇴적될 수 있다. 이러한 시스템은 비제한적으로 잉크젯 프린트 헤드를 포함하는 다양한 장치를 사용하여 구현될 수 있다. 컬러 시스템이 프린터의 CMYK 시스템 또는 디스플레이 용도의 적층 RGB 시스템과 같은 수백만 개의 개별 컬러 값의 스펙트럼을 생성하기 위해 몇 가지 컬러 만의 팔레트를 사용하는 방법과 유사하게, 본 발명의 다양한 실시형태에 따른 잉크젯 프린트 헤드는 몇 개의 상이한 재료의 저장소만을 사용하여 다양한 조성을 갖는 광학 레코딩 재료를 인쇄하도록 구성될 수 있다. 상이한 유형의 잉크젯 프린트 헤드는 상이한 정밀도 수준을 가질 수 있고, 상이한 해상도로 인쇄할 수 있다. 많은 실시형태에서, 300 DPI(dots per inch) 잉크젯 프린트 헤드가 이용된다. 정밀도 수준에 따라, 주어진 영역의 전체에 걸쳐 주어진 수의 재료의 다양한 조성의 분리가 결정될 수 있다. 예를 들면, 인쇄될 2 가지 유형의 재료와 300 DPI의 정밀도 수준을 갖는 잉크젯 프린트 헤드가 주어진 경우, 각각의 도트 위치에 2 가지 유형의 재료 중 어느 하나를 포함할 수 있는 경우, 인쇄된 재료의 주어진 체적에 대해 1 제곱 인치에 걸쳐 2 가지 유형의 재료의 조성비의 90,001 개의 가능한 개별 값이 존재한다. 일부의 실시형태에서, 각각의 도트 위치는 2 가지 유형의 재료 중 어느 하나 또는 둘 모두를 포함할 수 있다. 여러 실시형태에서, 2 개 이상의 잉크젯 프린트 헤드가 공간적으로 변화하는 조성을 갖는 광학 레코딩 재료의 층을 인쇄하도록 구성된다. 2 재료 용의 인쇄된 도트는 기본적으로 이원 시스템이지만, 실제의 용도에서는, 영역 전체에 걸쳐 인쇄된 도트를 평균화하면 인쇄되는 2 개의 재료의 비율의 슬라이딩 스케일(sliding scale)의 분리가 가능해질 수 있다.
도 15는 본 발명의 실시형태에 따른 잉크젯 인쇄 조정 방식을 개념적으로 도시한다. 도시된 바와 같이, 18 개의 개별의 단위 정사각형이 2 개의 상이한 유형의 재료의 다양한 비율로 각각 인쇄될 수 있다. 도시된 실시형태에서, 잉크젯 프린트 헤드는 18 개의 각각의 단위 정사각형 내에 64 개의 도트를 인쇄할 수 있다. 각각의 도트는 2 가지 유형의 재료 중 어느 하나로 인쇄될 수 있다. 단위 정사각형(1502)의 클로즈업(1500)은 단위 정사각형 내의 64 개의 도트 위치가 모두 제 1 재료로 인쇄되었음을 보여준다. 유사하게, 단위 정사각형(1506)의 클로즈업(1504)은 완전히 제 2 재료로 인쇄된다. 단위 정사각형(1508)은 중간 조성을 보여주며, 여기서 64 개의 도트 위치 중 30 개는 제 1 재료로 인쇄되고, 나머지는 제 2 재료로 인쇄된다. 따라서, 단위 정사각형(1508)은 전체적으로 두 재료의 중간 수준의 농도를 함유한다. 이러한 조정 방식을 이용하면, 다양한 재료 특성의 임의의 패턴이 달성될 수 있다.
단위 정사각형의 전체에 걸친 가능한 농도/비율의 분리 수준의 양은 단위 정사각형 내에 인쇄될 수 있는 도트 위치의 수에 의해 부여된다. 도시된 실시형태에서, 64 개의 개별 도트가 단위 정사각형 내에 인쇄될 수 있고, 따라서 각각의 단위 정사각형은 100%의 제 1 재료로부터 100%의 제 2 재료까지 범위의 65 개의 상이한 농도 조합의 가능성을 갖는다. 도 15는 단위 정사각형으로 영역을 설명하고 있으나, 이 개념은 실제 유닛에 적용가능하며, 잉크젯 프린트 헤드의 정밀도 수준에 의해 결정될 수 있다. 인쇄된 층의 재료 조성을 조절하는 특정 실시례가 설명되었으나, 잉크젯 프린트 헤드를 사용하여 재료 조성을 조절하는 개념은 3 개 이상의 상이한 재료 저장소를 사용하도록 확장될 수 있고, 사용되는 프린트 헤드의 유형에 따라 정밀도 수준이 크게 달라질 수 있다는 것을 쉽게 이해할 수 있다.
인쇄된 재료의 조성을 변화시키는 것은 여러 가지 이유에서 유리할 수 있다. 예를 들면, 많은 실시형태에서, 퇴적 중에 재료의 조성을 변화시키면 격자의 상이한 영역의 전체에 걸쳐 다양한 회절 효율을 갖는 격자를 갖는 도파관을 가능하게 할 수 있다. HPDLC 혼합물을 이용하는 실시형태에서, 인쇄 프로세스 중에 HPDLC 혼합물 중의 액정의 상대 농도를 조절함으로써 달성될 수 있고, 이는 노광 시에 다양한 회절 효율을 갖는 격자를 생성할 수 있는 조성을 생성한다. 여러 실시형태에서, 특정의 농도의 액정을 구비한 제 1 HPDLC 혼합물 및 액정이 없는 제 2 HPDLC 혼합물이 인쇄된 재료에 형성될 수 있는 격자의 회절 효율을 조절하도록 잉크젯 프린트 헤드 내의 인쇄 팔레트로서 사용된다. 이러한 실시형태에서 분리는 잉크젯 프린트 헤드의 정밀도에 기초하여 결정될 수 있다. 예를 들면, 150 DPI의 잉크젯 프린트 헤드가 이용되는 경우, 각각의 1 제곱 인치가 22,501 개의 분리 수준의 액정 농도로 인쇄될 수 있다. 특정 영역의 전체에 걸쳐 인쇄된 재료의 농도/비율에 의해 분리 수준이 부여될 수 있다. 이러한 실시례에서, 분리 수준은 제 1 PDLC 혼합물 내에서 액정이 전혀 없는 것으로부터 액정의 농도가 최대인 것까지 범위를 이룬다.
도파관의 전체에 걸쳐 회절 효율을 변화시키는 능력은 다양한 목적으로 사용될 수 있다. 도파관은 전형적으로 광이 도파관의 2 개의 평평한 표면 사이에서 여러 번 반사될 수 있도록 설계된다. 이러한 다중 반사는 광 경로가 격자와 여러 번 상호작용할 수 있게 한다. 많은 실시형태에서, 격자와의 상호작용 중에 광 손실을 보상하여 균일한 출력 강도를 가능하게 하도록 광학 레코딩 재료의 층으로 형성된 격자가 다양한 회절 효율을 가지도록 도파관 셀은 다양한 조성으로 인쇄될 수 있다. 예를 들면, 일부의 도파관 용도에서, 도파관의 외부로 광을 결합하면서 일 방향으로 사출 퓨필 확대를 제공하도록 출력 격자가 구성된다. 이 출력 격자는, 도파관 내의 광이 격자와 상호작용할 때, 광의 일부만이 도파관의 외부로 굴절되도록 설계될 수 있다. 나머지 부분은 동일한 광 경로에서 계속되며, 이는 TIR 내에 유지되고 도파관 내에서 계속 반사된다. 다시 동일한 출력 격자와의 제 2 상호작용 시, 광의 다른 부분은 도파관 밖으로 굴절된다. 각각의 굴절 중에, 도파관 내에서 여전히 진행 중인 광의 양은 도파관의 밖으로 굴절된 양만큼 감소한다. 따라서, 각각의 상호작용에서 굴절된 부분은 총 강도의 측면에서 점진적으로 감소한다. 격자의 회절 효율이 전파 거리와 함께 증가하도록 회절 효율을 변화시킴으로써 각각의 상호작용을 따른 출력 강도의 감소가 보상될 수 있고, 균일한 출력 강도를 가능하게 한다.
회절 효율을 변화시키는 것은 도파관 내의 광의 다른 감쇄를 보상하는데 사용될 수도 있다. 모든 물체는 어느 정도의 반사 및 흡수가 있다. 도파관 내의 TIR 내에 포획된 광은 도파관의 2 개의 표면 사이에서 연속적으로 반사된다. 표면을 구성하는 재료에 따라, 광의 일부는 각각의 상호작용 중에 재료에 의해 흡수될 수 있다. 많은 경우에, 이러한 감쇄는 작지만, 다수의 반사가 발생하는 넓은 영역의 전체에 걸쳐서는 상당할 수 있다. 많은 실시형태에서, 광학 레코딩 재료의 층으로 형성된 격자가 기판으로부터 광의 흡수를 보상하기 위한 다양한 회절 효율을 갖도록 도파관 셀은 다양한 조성으로 인쇄될 수 있다. 기판에 따라, 특정 파장이 기판에 의해 더 흡수되기 쉬운 경향이 있을 수 있다. 다층 도파관 설계에서, 각각의 층은 특정 범위의 광의 파장에서 결합되도록 설계될 수 있다. 따라서, 이들 개별 층에 의해 결합되는 광은 층의 기판에 의해 상이한 양으로 흡수될 수 있다. 예를 들면, 다수의 실시형태에서, 도파관은 3 층의 스택으로 제작되어 컬러 디스플레이를 구현하며, 여기서 각 층은 레드, 그린 및 블루 중 하나로 설계된다. 이러한 실시형태에서, 각각의 도파관 층 내의 격자는 광의 특정 파장의 투과율 손실에 기인된 컬러 불균형을 보상함으로써 컬러 균형 최적화를 수행하도록 다양한 회절 효율을 갖도록 형성될 수 있다.
회절 효율을 변화시키기 위해 재료 내의 액정 농도를 변화시키는 것 외에 다른 기술에는 도파관 셀의 두께를 변화시키는 것이 포함된다. 이것은 비드(bead)를 사용하여 달성될 수 있다. 많은 실시형태에서, 비드는 도파관 셀의 구축 중에 구조적 지지를 위해 광학 레코딩 재료의 전체에 분산된다. 일부의 실시형태에서, 상이한 크기의 비드가 광학 레코딩 재료의 전체에 걸쳐 분산된다. 비드는 광학 레코딩 재료의 층의 일 방향에 걸쳐 오름차순의 크기로 분산될 수 있다. 도파관 셀이 적층을 통해 구축될 때, 기판들은 광학 레코딩 재료를 샌드위치하고, 다양한 크기의 비드로부터의 구조적 지지에 의해 쐐기 형상의 광학 레코딩 재료의 층을 생성한다. 다양한 크기의 비드는 전술한 변조 프로세스와 유사하게 분산될 수 있다. 또한, 비드 크기를 조정하는 것은 재료 조성을 조정하는 것과 조합될 수 있다. 여러 실시형태에서, 상이한 크기의 비드를 구비하여 매달려 있는 HPDLC 재료의 저장소는 전략적으로 분산된 다양한 크기의 비드를 포함하는 HPDLC 재료의 층을 인쇄하여 쐐기 형상의 도파관 셀을 형성하는데 사용된다. 다수의 실시형태에서, 비드 크기의 조정은 상이한 크기의 비드의 수와 사용되는 상이한 재료의 수의 곱과 동등한 양의 저장소를 제공함으로써 재료 조성의 조성과 조합된다. 예를 들면, 일 실시형태에서, 잉크젯 프린트 헤드는 2 가지 상이한 비드의 크기를 갖는 다양한 농도의 액정을 인쇄하도록 구성된다. 이러한 실시형태에서, 4 개의저장소가 준비될 수 있다: 액정이 없고, 제 1 크기의 비드를 함유하는 혼합물-현탁액, 액정이 없고, 제 2 크기의 비드를 함유하는 혼합물-현탁액, 액정이 풍부하고, 제 1 크기의 비드를 함유하는 혼합물-현탁액, 및 액정이 풍부하고, 제 2 크기의 비드를 함유하는 혼합물-현탁액.
적층 워크셀
많은 실시형태에서, 워크셀 클러스터는 도파관 셀을 적층하기 위한 적층 워크셀을 포함한다. 기판 상에 광학 레코딩 재료의 퇴적 후, 제 2 기판이 광학 레코딩 재료 상에 배치되어 3 층의 복합체를 생성할 수 있다. 종종, 제 2 기판은 제 1 기판과 동일한 재료 및 동일한 치수로 제작된다. 많은 실시형태에서, 퇴적 워크셀은 광학 레코딩 재료 상에 제 2 기판을 배치하도록 구성된다. 다른 실시형태에서, 적층 워크셀은 광학 레코딩 재료 상에 제 2 기판을 배치하도록 구성된다. 제 2 기판은 수동으로 또는 기계식 암 및/또는 흡인 메커니즘을 사용하여 배치될 수 있다. 제 2 기판이 배치되면, 이 3 층 복합체는 수동으로 다루기에는 너무 불안정할 수 있으므로, 많은 실시형태에서, 복합체를 압축하기 위해 라미네이터(laminator)가 구현된다.
3 층 복합체는 다양한 방식으로 적층될 수 있다. 많은 실시형태에서, 복합체 상에 하향 압력을 제공하는 프레스가 구현된다. 다른 실시형태에서, 적층 워크셀은 롤러 라미네이터를 통해 복합체를 공급하도록 구성된다. 광학 레코딩 재료의 압축된 복합체 및 접착 특성에 의해 수동으로 다루기에 충분한 안정성을 갖는 도파관 셀이 얻어질 수 있다. 일부의 실시형태에서, 광학 레코딩 재료의 층은 비드를 포함한다. 결과적으로, 이들 비교적 비압축성인 비드는 압축된 복합체 내의 광학 레코딩 재료의 층의 높이를 정할 수 있다. 위의 섹션에서 설명한 바와 같이, 상기한 크기의 비드가 광학 레코딩 재료의 전체에 걸쳐 배치될 수 있다. 적층 시, 이 비드의 크기는 각각 도파관 셀의 국부적 두께를 결정할 수 있다. 비드의 크기를 변화시킴으로써, 쐐기 형상의 도파관 셀이 구축될 수 있다. 쉽게 이해할 수 있는 바와 같이, 기판-광학 레코딩 재료 층 복합체의 적층은 많은 상이한 방식으로 구성 및 구현될 수 있는 적층 워크셀을 사용하여 달성될 수 있다. 여러 실시형태에서, 적층 워크셀은 워크셀 클러스터 내의 모듈식 워크셀이다. 다른 실시형태에서, 적층 워크셀은 단순히 도 3a 및 도 3b에 도시된 것과 같은 퇴적 워크셀 내에 구현된 라미네이터이다.
도파관 셀을 제조하기 위한 특정 시스템 및 방법이 위에서 설명되고 있으나, 본 발명의 상이한 실시형태에 따라 많은 상이한 구성이 구현될 수 있다. 따라서, 본 발명은 본 발명의 범위 및 사상으로부터 벗어나지 않는 구체적으로 설명된 것 이외의 방법으로 실시될 캔 있다. 따라서, 본 발명의 실시형태는 모든 면에서 예시적인 것으로 그리고 한정적이 아닌 것으로 간주되어야 한다. 따라서, 본 발명의 범위는 설명된 실시형태에 의해서가 아니라 첨부된 청구범위 및 그 등가물에 의해 결정되어야 한다.

Claims (20)

  1. 도파관 셀을 제조하는 방법으로서,
    방법은:
    제 1 기판을 제공하는 것;
    미리 정해진 격자 특성을 결정하는 것; 및
    적어도 하나의 퇴적 헤드를 사용하여 상기 제 1 기판 상에 광학 레코딩 재료의 층을 퇴적하는 것을 포함하고, 상기 격자 영역 상에 퇴적된 상기 광학 레코딩 재료는 상기 미리 정해진 격자 특성을 달성하도록 배합되는, 도파관 셀의 제조 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    방법은:
    제 2 기판을 제공하는 것;
    퇴적된 상기 광학 레코딩 재료의 층 상에 상기 제 2 기판을 배치하는 것; 및
    상기 제 1 기판, 상기 광학 레코딩 재료의 층, 및 상기 제 2 기판을 적층하는 것을 포함하는, 도파관 셀의 제조 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 광학 레코딩 재료의 층을 퇴적하는 것은:
    광학 레코딩 재료의 제 1 혼합물을 제공하는 것;
    광학 레코딩 재료의 제 2 혼합물을 제공하는 것; 및
    상기 적어도 하나의 퇴적 헤드를 사용하여 사전결정된 패턴으로 상기 제 1 기판 상에 상기 광학 레코딩 재료의 제 1 혼합물 및 제 2 혼합물을 퇴적하는 것을 포함하는, 도파관 셀의 제조 방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 광학 레코딩 재료의 제 1 혼합물은 제 1 비드(bead)를 포함하고;
    상기 광학 레코딩 재료의 제 2 혼합물은 상기 제 1 비드와 다른 크기의 제 2 비드를 포함하는, 도파관 셀의 제조 방법.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 광학 레코딩 재료의 제 1 혼합물은 상기 광학 레코딩 재료의 제 2 혼합물과 상이한 중량%의 액정을 갖는, 도파관 셀의 제조 방법.
  6. 제 3 항에 있어서,
    상기 방법은 상기 제 1 기판 상에 격자 영역 및 비격자 영역을 형성하는 것을 더 포함하고,
    상기 광학 레코딩 재료의 제 1 혼합물은 액정 및 모노머를 포함하고;
    상기 광학 레코딩 재료의 제 2 혼합물은 모노머를 포함하고;
    상기 사전결정된 패턴으로 상기 제 1 기판 상에 상기 광학 레코딩 재료의 제 1 혼합물 및 제 2 혼합물을 퇴적하는 것은:
    상기 격자 영역 상에 상기 광학 레코딩 재료의 제 1 혼합물을 퇴적시키는 것; 및
    상기 비격자 영역 상에 상기 광학 레코딩 재료의 제 2 혼합물을 퇴적시키는 것을 포함하는, 도파관 셀의 제조 방법.
  7. 제 3 항에 있어서,
    상기 광학 레코딩 재료의 제 1 혼합물은 폴리머 분산 액정 혼합물이고, 상기 폴리머 분산 액정 혼합물은:
    모노머;
    액정;
    광개시제(photoinitiator) 염료; 및
    공개시제(coinitiator)를 포함하는, 도파관 셀의 제조 방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 폴리머 분산 액정 혼합물은 광개시제, 나노 입자, 저관능성 모노머, 스위칭 전압을 감소시키기 위한 첨가제, 스위칭 시간을 감소시키기 위한 첨가제, 굴절률 변조를 증가시키기 위한 첨가제, 및 헤이즈(haze)를 감소시키기 위한 첨가제로 이루어진 그룹으로부터 선택된 첨가제를 포함하는, 도파관 셀의 제조 방법.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 퇴적 헤드는 적어도 하나의 잉크젯 프린트 헤드를 포함하는, 도파관 셀의 제조 방법.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 광학 레코딩 재료의 층을 퇴적시키는 것은:
    광학 레코딩 재료의 제 1 혼합물을 제공하는 것;
    광학 레코딩 재료의 제 2 혼합물을 제공하는 것;
    상기 적어도 하나의 잉크젯 프린트 헤드를 사용하여 상기 광학 레코딩 재료의 제 1 혼합물의 제 1 도트(dot)를 인쇄하는 것; 및
    상기 적어도 하나의 잉크젯 프린트 헤드를 사용하여 상기 제 1 도트에 인접하여 상기 광학 레코딩 재료의 제 2 혼합물의 제 2 도트를 인쇄하는 것을 포함하는, 도파관 셀의 제조 방법.
  11. 제 9 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 잉크젯 프린트 헤드는 제 1 잉크젯 프린트 헤드 및 제 2 잉크젯 프린트 헤드를 포함하고;
    상기 광학 레코딩 재료의 층을 퇴적시키는 것은:
    광학 레코딩 재료의 제 1 혼합물을 제공하는 것;
    광학 레코딩 재료의 제 2 혼합물을 제공하는 것;
    상기 제 1 잉크젯 프린트 헤드를 사용하여 상기 제 1 기판 상에 상기 광학 레코딩 재료의 제 1 혼합물을 인쇄하는 것; 및
    상기 제 2 잉크젯 프린트 헤드를 사용하여 상기 제 1 기판 상에 상기 광학 레코딩 재료의 제 2 혼합물을 인쇄하는 것을 포함하는, 도파관 셀의 제조 방법.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 미리 정해진 격자 특성은 굴절률 변조, 굴절률, 복굴절, 액정 디렉터 정렬, 및 격자 층 두께로 구성되는 그룹으로부터 선택된 특성을 포함하는, 도파관 셀의 제조 방법.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 미리 정해진 격자 특성은 굴절률 변조, 굴절률, 복굴절, 액정 디렉터 정렬, 및 격자 층 두께로 이루어지는 그룹으로부터 선택된 특성의 공간 변화를 포함하는, 도파관 셀의 제조 방법.
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 미리 정해진 격자 특성은 노광 후에 격자를 생성하고, 상기 격자는 공간적으로 변화하는 회절 효율을 갖는, 도파관 셀의 제조 방법.
  15. 격자를 제조하기 위한 시스템으로서,
    시스템은:
    광학 레코딩 재료의 적어도 하나의 혼합물을 수용하는 적어도 하나의 저장소에 연결된 적어도 하나의 퇴적 헤드;
    격자를 지지하기 위한 적어도 하나의 미리 정해진 영역을 갖는 제 1 기판; 및
    상기 제 1 기판의 전체에 걸쳐 상기 적어도 하나의 퇴적 헤드를 위치결정할 수 있는 위치결정 요소를 포함하고,
    상기 적어도 하나의 퇴적 헤드는 상기 위치결정 요소를 사용하여 상기 제 1 기판 상에 광학 레코딩 재료의 적어도 하나의 혼합물을 퇴적시키도록 구성되고;
    퇴적된 상기 재료는 홀로그래픽 노광 후에 상기 적어도 하나의 미리 정해진 격자 영역 내에 미리 정해진 격자 특성을 제공하는, 격자 제조 시스템.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 퇴적 헤드는 광학 레코딩 재료의 제 1 혼합물을 수용하는 제 1 저장소 및 광학 레코딩 재료의 제 2 혼합물을 수용하는 제 2 저장소에 연결된, 격자 제조 시스템.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 광학 레코딩 재료의 제 1 혼합물은 액정 및 모노머를 포함하고; 상기 광학 레코딩 재료의 제 2 혼합물은 모노머를 포함하고; 상기 적어도 하나의 퇴적 헤드는 상기 적어도 하나의 미리 정해진 격자 영역 상에 상기 광학 레코딩 재료의 제 1 혼합물을 퇴적하도록 구성된, 격자 제조 시스템.
  18. 제 15 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 퇴적 헤드는 적어도 하나의 잉크젯 프린트 헤드를 포함하는, 격자 제조 시스템.
  19. 제 15 항에 있어서,
    상기 미리 정해진 격자 특성은 굴절률 변조, 굴절률, 복굴절, 액정 디렉터 정렬, 및 격자 층 두께로 구성되는 그룹으로부터 선택된 특성을 포함하는, 격자 제조 시스템.
  20. 제 15 항에 있어서,
    상기 미리 정해진 격자 특성은 노광 후에 격자를 생성하고, 상기 격자는 공간적으로 변화하는 회절 효율을 갖는, 격자 제조 시스템.
KR1020207022891A 2018-01-08 2018-11-28 도파관 셀을 제조하기 위한 시스템 및 방법 KR20200104402A (ko)

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