(57)【要約】ＨＰＤＬＣ材料システムは、用途に応じて多くの異なる方法で調合されることができる。ＨＰＤＬＣ調合は、反応性モノマー液晶混合物（「ＲＭＬＣＭ」）を含むことができる。ＲＭＬＣＭは、モノマーアクリレートと、多官能性アクリレートと、架橋剤と、光開始剤と、液晶（「ＬＣ」）とを含むことができる。混合物（多くの場合、シロップと称される）はまた、頻繁に、界面活性剤を含む。一実施形態は、少なくとも１つの液晶と、光開始剤染料と、共開始剤と、少なくとも１つの単官能性モノマーおよび少なくとも１つの二官能性モノマーを含む光重合性モノマーとを含む、反応性モノマー液晶混合物材料を含む。いくつかの実施形態では、二官能性モノマーは、反応性モノマー液晶混合物材料の少なくとも１０重量パーセントを占め、少なくとも１つの単官能性モノマーは、反応性モノマー液晶混合物材料の少なくとも３０パーセントを占める。
2021509737.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
反応性モノマー液晶混合物材料であって、
少なくとも１つの液晶と、
光開始剤染料と、
共開始剤と、
少なくとも１つの単官能性モノマーおよび少なくとも１つの多官能性モノマーを含む、光重合性モノマーと、
を含む、反応性モノマー液晶混合物材料。
【請求項２】
前記少なくとも１つの単官能性モノマーは、２−エチルヘキシルアクリレートを含む、請求項１に記載の反応性モノマー液晶混合物材料。
【請求項３】
前記少なくとも１つの多官能性モノマーは、二官能性モノマーである、請求項１に記載の反応性モノマー液晶混合物材料。
【請求項４】
前記二官能性モノマーは、前記反応性モノマー液晶混合物材料の少なくとも２重量パーセントを占める、請求項３に記載の反応性モノマー液晶混合物材料。
【請求項５】
前記二官能性モノマーは、前記反応性モノマー液晶混合物材料の少なくとも１０重量パーセントを占め、
前記少なくとも１つの単官能性モノマーは、前記反応性モノマー液晶混合物材料の少なくとも３０パーセントを占める、
請求項４に記載の反応性モノマー液晶混合物材料。
【請求項６】
前記少なくとも１つの液晶は、前記反応性モノマー液晶混合物材料の少なくとも３０重量パーセントを占める、請求項５に記載の反応性モノマー液晶混合物材料。
【請求項７】
前記少なくとも１つの液晶は、前記反応性モノマー液晶混合物材料の少なくとも３５重量パーセントおよび５０重量パーセント未満を占める、請求項６に記載の反応性モノマー液晶混合物材料。
【請求項８】
前記少なくとも１つの単官能性モノマーは、接着促進剤と、脂肪族化合物および芳香族化合物から成る群から選択される化合物とを含む、請求項６に記載の反応性モノマー液晶混合物材料。
【請求項９】
前記少なくとも１つの液晶は、高複屈折性液晶を含む、請求項６に記載の反応性モノマー液晶混合物材料。
【請求項１０】
前記高複屈折性液晶は、０．２を上回る複屈折性を有し、前記反応性モノマー液晶混合物材料の少なくとも２０重量パーセントを占める、請求項９に記載の反応性モノマー液晶混合物材料。
【請求項１１】
体積位相格子を記録するための方法であって、
２つのガラス基板の間に挟装されるポリマー分散液晶混合物を提供するステップであって、前記ポリマー分散液晶混合物は、
少なくとも１つの液晶と、
光開始剤染料と、
共開始剤と、
少なくとも１つの単官能性モノマーおよび少なくとも１つの多官能性モノマーを含む、光重合性モノマーと、
を含む、反応性モノマー液晶混合物材料、
を含む、ステップと、
前記体積位相格子を形成するために、干渉パターンを使用して前記ポリマー分散液晶混合物を露光するステップと、
を含む、方法。
【請求項１２】
前記少なくとも１つの単官能性モノマーは、２−エチルヘキシルアクリレートを含む、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記少なくとも１つの多官能性モノマーは、二官能性モノマーである、請求項１１に記載の方法。
【請求項１４】
前記二官能性モノマーは、前記反応性モノマー液晶混合物材料の少なくとも２重量パーセントを占める、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記二官能性モノマーは、前記反応性モノマー液晶混合物材料の少なくとも１０重量パーセントを占め、
前記少なくとも１つの単官能性モノマーは、前記反応性モノマー液晶混合物材料の少なくとも３０パーセントを占める、
請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記少なくとも１つの液晶は、前記反応性モノマー液晶混合物材料の少なくとも３０重量パーセントを占め、
前記体積位相格子は、９０％よりも高い回折効率および０．１よりも高い屈折率変調を有する、
請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記少なくとも１つの液晶は、前記反応性モノマー液晶混合物材料の少なくとも３５重量パーセントおよび５０重量パーセント未満を占める、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記少なくとも１つの単官能性モノマーは、接着促進剤と、脂肪族化合物および芳香族化合物から成る群から選択される化合物とを含む、請求項１６に記載の方法。
【請求項１９】
前記少なくとも１つの液晶は、高複屈折性液晶を含む、請求項１６に記載の方法。
【請求項２０】
前記高複屈折性液晶は、０．２を上回る複屈折性を有し、前記反応性モノマー液晶混合物材料の少なくとも２０重量パーセントを占める、請求項１９に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
発明の分野
本発明は、概して、ポリマー分散液晶材料システムに関し、より具体的には、ホログラフィック導波管において使用するためのポリマー分散液晶材料システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
背景
導波管は、波を閉じ込め、誘導する（すなわち、波が伝搬し得る空間領域を制限する）能力を伴う構造と称されることができる。１つのサブクラスは、電磁波、典型的には、可視スペクトルにおけるものを誘導し得る構造である、光導波管を含む。導波管構造は、いくつかの異なる機構を使用して波の伝搬経路を制御するように設計されることができる。例えば、平坦な導波管は、回折格子を利用し、入射光を回折させ、導波管構造の中に結合するように設計されることができ、したがって、内部結合された光は、全内部反射（「ＴＩＲ」）を介して平坦な構造内で進行し続けることができる。
【０００３】
導波管の製作は、導波管内のホログラフィック光学要素の記録を可能にする材料システムの使用を含むことができる。そのような材料の１つのクラスは、光重合性モノマーと、液晶とを含む混合物である、ポリマー分散液晶（「ＰＤＬＣ」）混合物を含む。そのような混合物のさらなるサブクラスは、ホログラフィックポリマー分散液晶（「ＨＰＤＬＣ」）混合物を含む。体積位相格子等のホログラフィック光学要素は、２つの相互にコヒーレントなレーザビームを用いて材料を照射することによって、そのような液体混合物中に記録されることができる。記録プロセスの間、モノマーは、重合し、混合物は、光重合誘発相分離を受け、クリアなポリマーの領域が点在する、液晶微小液滴が密集する領域を作成する。交互する液晶が豊富な領域および液晶が空乏した領域は、格子のフリンジ面を形成する。
【０００４】
上記に説明されるもの等の導波管光学系は、様々なディスプレイおよびセンサ用途のために考慮されることができる。多くの用途では、複数の光学機能をエンコードする１つまたはそれを上回る格子層を含む、薄い透明な軽量基板が、本開示に説明される種々の導波管アーキテクチャおよび材料システムを使用して実現され、拡張現実（「ＡＲ」）および仮想現実（「ＶＲ」）のための接眼ディスプレイ、航空および道路交通のためのコンパクトなヘッドアップディスプレイ（「ＨＵＤ」）、ならびにバイオメトリックおよびレーザレーダ（「ＬＩＤＡＲ」）用途のためのセンサにおける新しい革新を可能にすることができる。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００５】
発明の要旨
導波管の製作のための材料システムは、具体的用途のために調合される種々の混合物を含むことができる。一実施形態は、少なくとも１つの液晶と、光開始剤染料と、共開始剤と、少なくとも１つの単官能性モノマーおよび少なくとも１つの多官能性モノマーを含む、光重合性モノマーとを含む、反応性モノマー液晶混合物材料を含む。
【０００６】
別の実施形態では、少なくとも１つの単官能性モノマーは、２−エチルヘキシルアクリレートを含む。
【０００７】
さらなる実施形態では、少なくとも１つの多官能性モノマーは、二官能性モノマーである。
【０００８】
なおも別の実施形態では、二官能性モノマーは、反応性モノマー液晶混合物材料の少なくとも２重量パーセントを占める。
【０００９】
なおもさらなる実施形態では、二官能性モノマーは、反応性モノマー液晶混合物材料の少なくとも１０重量パーセントを占め、少なくとも１つの単官能性モノマーは、反応性モノマー液晶混合物材料の少なくとも３０パーセントを占める。
【００１０】
また別の実施形態では、少なくとも１つの液晶は、反応性モノマー液晶混合物材料の少なくとも３０重量パーセントを占める。
【００１１】
またさらなる実施形態では、少なくとも１つの液晶は、反応性モノマー液晶混合物材料の少なくとも３５重量パーセントかつ５０重量パーセント未満を占める。
【００１２】
別の付加的実施形態では、少なくとも１つの単官能性モノマーは、接着促進剤と、脂肪族化合物および芳香族化合物から成る群から選択される化合物とを含む。
【００１３】
さらなる付加的実施形態では、少なくとも１つの液晶は、高複屈折性液晶を含む。
【００１４】
再び、別の実施形態では、高複屈折性液晶は、０．２を上回る複屈折性を有し、反応性モノマー液晶混合物材料の少なくとも２０重量パーセントを占める。
【００１５】
再び、さらなる実施形態は、体積位相格子を記録するための方法を含み、本方法は、２つのガラス基板の間に挟装されるポリマー分散液晶混合物を提供するステップであって、ポリマー分散液晶混合物は、少なくとも１つの液晶と、光開始剤染料と、共開始剤と、少なくとも１つの単官能性モノマーおよび少なくとも１つの多官能性モノマーを含む、光重合性モノマーとを含む、反応性モノマー液晶混合物材料を含む、ステップと、体積位相格子を形成するために、干渉パターンを使用してポリマー分散液晶混合物を露光するステップとを含む。
【００１６】
なおもまた別の実施形態では、少なくとも１つの単官能性モノマーは、２−エチルヘキシルアクリレートを含む。
【００１７】
なおもまたさらなる実施形態では、少なくとも１つの多官能性モノマーは、二官能性モノマーである。
【００１８】
なおも別の付加的実施形態では、二官能性モノマーは、反応性モノマー液晶混合物材料の少なくとも２重量パーセントを占める。
【００１９】
なおもさらなる付加的実施形態では、二官能性モノマーは、反応性モノマー液晶混合物材料の少なくとも１０重量パーセントを占め、少なくとも１つの単官能性モノマーは、反応性モノマー液晶混合物材料の少なくとも３０パーセントを占める。
【００２０】
再び、なおも別の実施形態では、少なくとも１つの液晶は、反応性モノマー液晶混合物材料の少なくとも３０重量パーセントを占め、体積位相格子は、９０％よりも高い回折効率および０．１よりも高い屈折率変調を有する。
【００２１】
再び、なおもさらなる実施形態では、少なくとも１つの液晶は、反応性モノマー液晶混合物材料の少なくとも３５重量パーセントかつ５０重量パーセント未満を占める。
【００２２】
さらに別の付加的実施形態では、少なくとも１つの単官能性モノマーは、接着促進剤と、脂肪族化合物および芳香族化合物から成る群から選択される化合物とを含む。
【００２３】
またさらなる付加的実施形態では、少なくとも１つの液晶は、高複屈折性液晶を含む。
【００２４】
再び、また別の実施形態では、高複屈折性液晶は、０．２を上回る複屈折性を有し、反応性モノマー液晶混合物材料の少なくとも２０重量パーセントを占める。
【００２５】
付加的実施形態および特徴が、続く説明に部分的に記載され、部分的に、本明細書の考察に応じて当業者に明白となるか、または本発明の実践によって学習され得る。本発明の性質および利点のさらなる理解が、本明細書の残りの部分および本開示の一部を形成する図面を参照することによって実現され得る。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
説明は、本発明の例示的実施形態として提示され、本発明の範囲の完全な列挙として解釈されるべきではない、以下の図およびデータグラフを参照して、より完全に理解される。
【００２７】
【図１】図１は、本発明のある実施形態による、ＨＰＤＬＣデバイスの一部の側面輪郭図を概念的に図示する。
【００２８】
【図２Ａ】図２Ａは、本発明のある実施形態による、動作時のＨＰＤＬＣデバイスの一部の側面輪郭図を概念的に図示する。
【００２９】
【図２Ｂ】図２Ｂは、本発明のある実施形態による、反転モード動作時のＨＰＤＬＣデバイスの一部の側面輪郭図を概念的に図示する。
【００３０】
【図３】図３Ａ−３Ｃは、本発明の種々の実施形態による、異なるタイプのナノ粒子を概念的に図示する。
【００３１】
【図４Ａ】図４Ａは、本発明のある実施形態による、液晶およびナノ粒子を含む液滴領域を伴うポリマー分散液晶材料を概念的に図示する。
【００３２】
【図４Ｂ】図４Ｂは、本発明のある実施形態による、液晶およびナノ粒子を含む平坦な領域を伴うポリマー分散液晶材料を概念的に図示する。
【００３３】
【図５Ａ】図５Ａは、本発明のある実施形態による、ＬＣと、単官能性モノマーとを含む、材料システムの調合を示す、表である。
【００３４】
【図５Ｂ】図５Ｂは、本発明のある実施形態による、ＬＣと、単官能性モノマーと、多官能性モノマーとを含む、材料システムの調合を示す、表である。
【００３５】
【図６Ａ】図６Ａは、本発明のある実施形態による、単官能性モノマーの構造式を概念的に図示する。
【００３６】
【図６Ｂ】図６Ｂは、本発明のある実施形態による、多官能性モノマーの構造式を概念的に図示する。
【００３７】
【図７】図７Ａ−７Ｃは、本発明の種々の実施形態による、官能性に対する格子形成の依存性を概念的に図示する。
【発明を実施するための形態】
【００３８】
詳細な説明
実施形態を説明する目的のために、光学設計および視覚ディスプレイの当業者に公知の光学技術のいくつかの周知の特徴は、本発明の基本的原理を不明瞭にしないために、省略または簡略化されている。別様に記載されない限り、光線またはビーム方向に関連する用語「軸上」は、本発明に関連して説明される光学コンポーネントの表面に対して垂直な軸に平行な伝搬を指す。以下の説明では、光、光線、ビーム、および方向という用語は、同義的に、かつ相互に関連付けて使用され、直線軌道に沿った光エネルギーの伝搬の方向を示し得る。以下の説明の一部は、光学設計の当業者によって一般的に採用される専門用語を使用して提示される。例証目的のために、図は、別様に記載されない限り、縮尺通りに描かれないことを理解されたい。
【００３９】
ここで図面に目を向けると、ホログラフィック導波管用途のためのホログラフィックポリマー分散液晶材料システムが、図示される。本発明の種々の実施形態によるＨＰＤＬＣ材料システムは、多くの異なる方法で調合されることができる。多くの実施形態では、ＨＰＤＬＣ調合物は、本質的に、反応性モノマー液晶混合物（「ＲＭＬＣＭ」）である。ＲＭＬＣＭは、モノマーアクリレートと、多官能性アクリレートと、架橋剤と、光開始剤と、液晶（「ＬＣ」）とを含むことができる。混合物（多くの場合、シロップと称される）はまた、頻繁に、界面活性剤を含む。
【００４０】
本発明を説明する目的のために、界面活性剤は、液体混合物全体の表面張力を低下させる任意の化学薬品として定義される。ＰＤＬＣ混合物における界面活性剤の使用は、公知であり、ＰＤＬＣの最も初期の調査に遡る。例えば、Ｒ．Ｌ  Ｓｕｔｈｅｒｌａｎｄ  ｅｔ  ａｌ．による論文であるＳＰＩＥ  Ｖｏｌ．  ２６８９，  １５８−１６９，  １９９６（その開示は、参照することによって本明細書に組み込まれる）は、界面活性剤が添加され得る、モノマーと、光開始剤と、共開始剤と、連鎖延長剤と、ＬＣとを含む、ＰＤＬＣ混合物を説明している。界面活性剤はまた、Ｎａｔａｒａｊａｎ  ｅｔ  ａｌ．による論文であるＪｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｎｏｎｌｉｎｅａｒ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  ａｎｄ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，  Ｖｏｌ．  ５  Ｎｏ．  ｌ  ８９−９８，  １９９６（その開示は、参照することによって本明細書に組み込まれる）に言及されている。さらに、Ｓｕｔｈｅｒｌａｎｄ  ｅｔ  ａｌ．による米国特許第７，０１８，５６３号は、少なくとも１つのアクリル酸モノマーと、少なくとも１つのタイプの液晶材料と、光開始剤染料と、共開始剤と、界面活性剤とを含む、ポリマー分散液晶光学要素を形成するためのポリマー分散液晶材料を特許請求の範囲に記載している。米国特許第７，０１８，５６３号の開示は、参照することによってその全体として本明細書に組み込まれる。
【００４１】
ＲＭＬＣＭは、異なる成分の様々な組成物を用いて調合されることができる。多くの実施形態では、ＲＭＬＣＭ混合物は、液晶混合物と、アクリレートおよびアクリレートエステルの複合混合物と、３−メタクリロキシプロピルトリメトキシシラン（「Ｄｙｎａｓｙｌａｎ（登録商標）  ＭＥＭＯ」）と、光開始剤とを含む。さらなる実施形態では、ＲＭＬＣＭは、２−エチルヘキシルアクリレート（「ＥＨＡ」）と、２，２，３，３，４，４，５，５，６，６，７，７−ドデカフルオロヘプチルアクリレート（「ＤＦＨＡ」）とを含む。いくつかの実施形態では、低官能性モノマーが、ＲＭＬＣＭ内に含まれる。そのようなＲＭＬＣＭ混合物は、ポリマーからのＬＣ材料のほぼ完全な相分離を達成し、事実上全く観察可能ではない液滴構造をもたらし得る。後者の効果は、走査電子顕微鏡（「ＳＥＭ」）分析によって確認されることができる。さらなる実施形態では、ＲＭＬＣＭは、約３０％相対重量比における単官能性モノマーと、約１４％相対重量比における二官能性モノマーとを含む。そのような実施形態では、ＲＭＬＣＭは、約０．１２の屈折率変調をもたらし、屈折率変調は、（ｎｅ−ｎｏ）／２によって与えられる、ピーク対谷の屈折率差の半分として定義されることができ、式中、ｎｅは、異常な屈折率であり、ｎ０は、通常の屈折率である。より高い屈折率変調は、より高い回折効率（＞９０％）に変換され、これは、導波管の中への光のより効率的な結合ならびに導波管から抽出される光のより高い輝度およびコントラストをもたらし得る。ＨＰＤＬＣ材料システムおよびＲＭＬＣＭ調合は、下記の節においてさらに詳細に議論される。
ホログラフィック導波管デバイス
【００４２】
本発明の種々の実施形態によるＨＰＤＬＣ材料システムが、ホログラフィック格子を組み込む導波管を組み込む種々の光学デバイスの製作プロセスにおいて使用されることができる。ホログラフィック導波管デバイスにおいて使用される格子の１つのクラスは、切換可能ブラッグ格子（「ＳＢＧ」）である。ＳＢＧは、最初に、光重合性モノマーおよび液晶材料の混合物の薄フィルムを平行なガラス板の間に設置することによって製作されることができる。一方または両方のガラス板は、フィルムを横断して電場を印加するために、電極、典型的には、透明な酸化スズフィルムを支持することができる。上記に説明されるように、体積位相格子が、次いで、空間的周期的強度変調を伴う干渉露光を使用する光重合誘発相分離を通して、ＨＰＤＬＣ材料のフィルム内に記録されることができる。限定ではないが、照射強度、ＨＰＤＬＣ材料の成分の体積分率、および露光温度の制御等の因子が、結果として生じる格子形態および性能を決定することができる。記録プロセスの間、モノマーは、重合し、混合物は、相分離を受ける。ＬＣ分子は、集合し、光学波長のスケールでポリマーネットワーク内に周期的に分散される離散または合体液滴を形成する。交互する液晶が豊富な領域および液晶が空乏した領域は、格子のフリンジ面を形成し、これは、液滴中のＬＣ分子の格子ベクトルに沿った配向秩序からもたらされる強力な光学偏光選択性を伴うブラッグ回折を生成することができる。体積位相格子は、非常に高い回折効率を呈することができ、これは、フィルムを横断して印加される電場の大きさによって制御されることができる。電場が透明電極を介して格子に印加されると、ＬＣ分子の自然な配向は、変化され、フリンジの屈折率変調を低減させ、ホログラム回折効率を非常に低いレベルに低下させる。典型的には、ＳＢＧ要素は、３０μ秒においてクリアに切り替えられる。オンに切り替えるための緩和時間は、より長い。本デバイスの回折効率は、連続的範囲にわたって、印加される電圧を用いて調節され得ることに留意されたい。多くの場合では、本デバイスは、いかなる電圧も印加されないと、ほぼ１００％効率を呈し、十分に高い電圧が印加されると、本質的にゼロ効率を呈する。あるタイプのＨＰＤＬＣデバイスでは、磁場が、ＬＣ配向を制御するために使用されることができる。いくつかのＨＰＤＬＣ用途では、ポリマーからのＬＣ材料の相分離は、いかなる認識可能な液滴構造ももたらされない程度まで遂行されることができる。ＳＢＧはまた、光学記録材料を暴露される基板上にコーティングすることによって製作され、次いで、保護オーバーコート層によってシールされることができる。大量生産では、上記に説明される伝統的な２ビームホログラフィック記録プロセスをマスタからの接触焼付法を使用するものと置換することが、より効率的かつ費用効果があり得る。本プロセスはまた、ＬＣ分子の整合を偏向させるための整合層の追加を含むことができる。ある場合には、半波長および４分の１波長フィルム等の偏光層が、追加されることができる。いくつかの実施形態では、所与の層内の格子は、格子面積を横断して記録レーザビームを走査または段階化することによって、段階的方式で記録される���多くの実施形態では、ＳＢＧは、ホログラフィック印刷業界において現在使用されているマスタリングおよび接触複写プロセスを使用して製作されることができる。ＳＢＧデバイスを製作するための方法が、「ＩＭＰＲＯＶＥＭＥＮＴＳ  ＴＯ  ＨＯＬＯＧＲＡＰＨＩＣ  ＰＯＬＹＭＥＲ  ＤＩＳＰＥＲＳＥＤ  ＬＩＱＵＩＤ  ＣＲＹＳＴＡＬ  ＭＡＴＥＲＩＡＬＳ  ＡＮＤ  ＤＥＶＩＣＥＳ」と題された、ＰＣＴ出願第ＰＣＴ／ＧＢ２０１２／０００６８０号（その開示が、参照することによって本明細書に組み込まれる）に開示されている。本開示は、反転モードＨＰＤＬＣを使用するプラスチック導波管デバイスおよびＳＢＧを対象とする実施形態を含む。
【００４３】
ＳＢＧはまた、受動的格子として使用されることができる。本モードでは、その主要な利益は、一意に高い屈折率変調である。ＳＢＧはまた、自由空間用途のための透過または反射格子を提供するために使用されることができる。ＳＢＧは、ＨＰＤＬＣが導波管コアまたは導波管に近接するエバネッセント結合層のいずれかを形成する導波管デバイスとして実装されることができる。ＨＰＤＬＣセル（または他のＳＢＧ製作プロセスにおいて使用される基板およびオーバーコート層）を形成するために使用される平行ガラス板は、全内部反射（「ＴＩＲ」）光誘導構造を提供することができる。切替可能な格子がＴＩＲ条件を超える角度において光を回折すると、光は、ＳＢＧから外に結合される。
【００４４】
図１および２Ａ−２Ｂは、本発明の種々の実施形態による、ホログラフィック導波管構造を概念的に図示する。図１に示されるように、ホログラフィック導波管は、第１の透明基板層１００と、第２の透明基板層１０２と、純粋ポリマー領域１０６によって取り囲まれる格子構造を含むＲＭＬＣＭ領域１０４を有する、２つの基板１０２、１０２の間に挟装されるＨＰＤＬＣ層とを含むことができる。光ガイド層ならびに基板１００および１０２はともに、光ガイドを形成する。例証的実施形態では、格子構造は、交互する液晶が豊富な領域およびポリマーが豊富な（すなわち、液晶が空乏した）領域からもたらされる傾斜フリンジを含む。格子構造は、ＳＢＧまたはサブ波長格子であり得る。多くの実施形態では、透明電極のセット（図示せず）が、基板の内面の両方に適用されることができる。典型的には、電極は、印加される電場が基板に垂直であるように構成される。いくつかの実施形態では、電極は、酸化インジウムスズ（「ＩＴＯ」）から製作される。いかなる電場も印加されないオフ状態では、液晶の異常軸は、概して、ブラッグフリンジに対して垂直に（すなわち、格子ベクトルに沿って）整合する。格子は、したがって、Ｐ偏光に関して高屈折率変調および高回折効率を呈する。電場がＨＰＤＬＣに印加されると、格子は、オン状態に切り替わり、液晶分子の異常軸は、印加された電場に平行に、したがって、基板に垂直に整合する。オン状態では、格子は、ＳおよびＰ偏光の両方に関してより低い屈折率変調およびより低い回折効率を呈する。したがって、格子領域は、もはや光を回折しない。各格子領域は、例えば、ＨＰＤＬＣデバイスの機能によるピクセルマトリクス等の多数の格子要素に分割されることができる。典型的には、１つの基板表面上の電極は、均一かつ連続的である一方、対向する基板表面上の電極は、多数の選択的に切替可能な格子要素に従ってパターン化される。
【００４５】
ここで図２Ａの概略側面立面図に目を向けると、図１の実施形態に基づくＳＢＧデバイスの動作が、より詳細に示される。本デバイスはさらに、入力光ガイド２００と、ビームストップ２０２とを含むことが分かる。基板の間に挟装される領域は、ＳＢＧを含む少なくとも１つのＲＭＬＣＭ領域１０４と、ＲＭＬＣＭの両側上の純粋ポリマー領域１０６とを含む。電圧が、電圧源２０４を用いて格子領域を横断して、かつ２０６によって図式的に示される回路を横断して印加されることができる。ピクセル化ＳＢＧに関して、回路は、ＬＣＤにおいて一般的に使用されるタイプのアクティブマトリクススキームを含むことができる。例証的実施形態では、格子は、印加される電圧がゼロであるときにその回折状態にあり、電圧が印加されるとクリアされる。入力光ガイド２００は、ＬＥＤからの光が１００および１０２によって形成される光ガイドの内側の全内部反射を受けるように、基板１００および１０２に光学的に結合される。概して、２０８として示される他の源からの外部光は、本デバイスを通して伝搬し、光ガイド内の光の伝搬に干渉しない。本デバイスを通した源２１０からの光の伝搬は、ＳＢＧが回折しているとき、すなわち、いかなる電場も印加されていない状態を考慮することによって理解されることができる。光源２１０から発生する光線２１２および２１４は、最初に、入力光ガイド２００によって誘導される。格子領域１０６に衝突する光線２１４は、本デバイスから外に方向２１６において回折されることができる。一方、格子領域１０６に衝突しない光線２１２は、臨界角において基板−空気界面に当たり、方向２１８において完全に内部反射され、最終的にビームストップ２０２において収集される。電場がＳＢＧに印加されると、格子は、オン状態に切り替わり、液晶分子の異常軸は、印加された電場に平行に、したがって、基板に垂直に整合する。平坦な電極に起因する電場は、基板に垂直であることに留意されたい。したがって、オン状態では、格子は、ＳおよびＰ偏光の両方に関してより低い屈折率変調およびより低い回折効率を呈する。したがって、格子領域は、もはや光を回折しない。図１および２Ａに図示されるデバイスの基本原理は、広い範囲の異なるディスプレイ、光学電気通信、およびセンサ用途において適用され得ることを理解されたい。図２Ｂは、図２Ａに図示されるものと類似する反転モード格子デバイスを図示する。格子は、印加される電圧がゼロであるときにその非回折（クリアされた）状態にあり、電圧Ｖｍが電極を横断して印加されるとその回折状態に切り替わる。従来のセル設計では、これらの基本コンポーネントに加えて、接着剤およびスペーサ（図示せず）が、基板１０と４０との間に配置され、要素の層をともに添着し、セル間隙または厚さ寸法を維持することができる。これらのデバイスでは、スペーサは、限定ではないが、材料、サイズ、および幾何学形状等の多くの形態をとることができる。材料は、例えば、プラスチック（例えば、ジビニルベンゼン）、シリカ、および伝導性スペーサを含むことができる。それらは、限定ではないが、ロッドおよび球体等の任意の好適な幾何学形状をとることができる。スペーサは、任意の好適なサイズをとることができる。多くの場合では、スペーサのサイズは、１〜３０μｍに及ぶ。これらの接着剤材料およびスペーサの使用は、従来の材料および製造方法を使用するＬＣセルにおいて必要であり得るが、それらは、導波管およびデバイスの光学性質ならびに性能を劣化させるセルの曇りの一因となり得る。
ＨＰＤＬＣ材料システム
【００４６】
本発明の種々の実施形態によるＨＰＤＬＣ材料は、概して、ＬＣと、モノマーと、光開始剤染料と、共開始剤とを含む。特許および科学文献は、高回折効率、迅速な応答時間、低駆動電圧等を達成するためにそのような材料システムを調合することへの調査を含む、ＳＢＧを製作するために使用され得る材料システムおよびプロセスの多くの実施例を含む。Ｓｕｔｈｅｒｌａｎｄによる米国特許第５，９４２，１５７号およびＴａｎａｋａ  ｅｔ  ａｌ．による米国特許第５，７５１，４５２号の両方は、ＳＢＧデバイスを製作するために好適なモノマーおよび液晶材料組み合わせを説明している。レシピの実施例はまた、以下を含む、１９９０年代初頭に遡る論文に見出されることができ、その多くは、アクリレートモノマーの使用を開示している。
Ｒ．  Ｌ．  Ｓｕｔｈｅｒｌａｎｄ  ｅｔ  ａｌ．，  Ｃｈｅｍ．  Ｍａｔｅｒ．  ５，  １５３３  （１９９３）（その開示が、参照することによって本明細書に組み込まれる）は、アクリレートポリマーおよび界面活性剤の使用を説明している。具体的には、レシピは、架橋多官能性アクリレートモノマー、連鎖延長剤Ｎ−ビニルピロリジノン、ＬＣ  Ｅ７、光開始剤ローズベンガル、および共開始剤Ｎ−フェニルグリシンを含む。界面活性剤オクタン酸が、ある変形において添加された。
Ｆｏｎｔｅｃｃｈｉｏ  ｅｔ  ａｌ．，  ＳＩＤ  ００  Ｄｉｇｅｓｔ  ７７４−７７６，  ２０００（その開示が、参照することによって本明細書に組み込まれる）は、多官能性アクリレートモノマー、ＬＣ、光開始剤、共開始剤、および連鎖停止剤を含む、反射型ディスプレイ用途のためのＵＶ硬化性ＨＰＤＬＣを説明している。
Ｙ．Ｈ．  Ｃｈｏ，  ｅｔ  ａｌ．，  Ｐｏｌｙｍｅｒ  Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ，  ４８，  １０８５−１０９０，  １９９９（その開示が、参照することによって本明細書に組み込まれる）は、アクリレートを含むＨＰＤＬＣレシピを開示している。
Ｋａｒａｓａｗａ  ｅｔ  ａｌ．，  Ｊａｐａｎｅｓｅ  Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ，  Ｖｏｌ．  ３６，  ６３８８−６３９２，  １９９７（その開示が、参照することによって本明細書に組み込まれる）は、種々の官能状態のアクリレートを説明している。
Ｔ．Ｊ．  Ｂｕｎｎｉｎｇ  ｅｔ  ａｌ．，  Ｐｏｌｙｍｅｒ  Ｓｃｉｅｎｃｅ：  Ｐａｒｔ  Ｂ：  Ｐｏｌｙｍｅｒ  Ｐｈｙｓｉｃｓ，  Ｖｏｌ．  ３５，  ２８２５−  ２８３３，  １９９７（その開示が、参照することによって本明細書に組み込まれる）もまた、多官能性アクリレートモノマーを説明している。
Ｇ．Ｓ．  Ｉａｎｎａｃｃｈｉｏｎｅ  ｅｔ  ａｌ．，  Ｅｕｒｏｐｈｙｓｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ  Ｖｏｌ．  ３６  （６）．  ４２５−４３０，  １９９６（その開示が、参照することによって本明細書に組み込まれる）は、ペンタアクリレートモノマーと、ＬＣと、連鎖延長剤と、共開始剤と、光開始剤とを含む、ＰＤＬＣ混合物を説明している。
【００４７】
アクリレートは、迅速な動態、他の材料との良好な混合、およびフィルム形成プロセスとの適合性の利益を提供する。アクリレートは、架橋されるため、それらは、機械的にロバストかつ可撓性である傾向がある。例えば、官能性２（ジ）および３（トリ）のウレタンアクリレートが、ＨＰＤＬＣ技術に関して広範に使用されている。ペンタおよびヘキサ官能性ステム等のより高い官能性の材料もまた、使用されている。
【００４８】
透過ＳＢＧの公知の属性のうちの１つは、ＬＣ分子が、格子フリンジ面に対して垂直な（すなわち、格子またはＫベクトルに平行な）平均方向と整合する傾向があることである。ＬＣ分子整合の効果は、透過ＳＢＧがＰ偏光（すなわち、入射面において偏光ベクトルを伴う光）を効率的に回折するが、Ｓ偏光（すなわち、入射面に対して垂直な偏光ベクトルを伴う光）に関してほぼゼロの回折効率を有することである。
ＳおよびＰ偏光ＲＭＬＣＭ材料の実施形態
【００４９】
本発明の多くの実施形態は、ＬＣおよびモノマー（ならびに光開始剤染料、共開始剤、界面活性剤を含む他の成分）の混合物を組み込むように構成される、反応性モノマー液晶混合物（「ＲＭＬＣＭ」）材料システムを含み、これは、ホログラフィック露光下で、相分離を受け、ＬＣのうちの少なくとも１つおよびモノマーのうちの少なくとも１つが、Ｐ偏光応答を提供する第１のＨＰＤＬＣ形態を形成し、ＬＣのうちの少なくとも１つおよびモノマーのうちの少なくとも１つが、Ｓ偏光応答を提供する第２のＨＰＤＬＣ形態を形成する格子を提供する。種々のそのような実施形態では、材料システムは、ＲＭＬＣＭを含み、これは、好適な官能基（例えば、とりわけ、アクリレート、メルカプト、および他のエステル）と、架橋剤と、光開始剤と、界面活性剤と、液晶とから構成される光重合性モノマーを含む。
【００５０】
材料調合のコンポーネントに目を向けると、任意の単一の光反応性モノマー材料、または組み合わせられると架橋し、相分離する、約１．５〜１．９の屈折率を有する、光反応性モノマー材料の混合物から形成される、任意のカプセル化ポリマーが、利用されることができる。実施形態による材料調合において使用可能な例示的モノマー官能基は、限定ではないが、アクリレート、チオレン、チオールエステル、フルオロモノマー、メルカプト、シロキサンベースの材料、他のエステル等を含む。ポリマー架橋は、限定ではないが、光誘発光重合、熱誘発重合、および化学誘発重合を含む、異なる反応タイプを通して達成されることができる。
【００５１】
これらの光重合性材料は、第２の液晶材料を伴う二相配合物において組み合わせられることができる。ポリマーの屈折率に合致する通常および異常な屈折率を有する任意の好適な液晶材料が、最終ＲＭＬＣＭ材料の屈折率を平衡させるためのドーパントとして使用されることができる。液晶材料は、製造される、精製される、または天然に存在することができる。液晶材料は、ネマティック相およびスメクチック相、コレステリック相、リオトロピックディスコティック相を含む、液晶度の全ての公知の相を含む。液晶は、強誘電性または反強誘電性性質および／または挙動を呈することができる。
【００５２】
モノマーおよびＬＣ材料と併用するために好適な任意の好適な光開始剤、共開始剤、連鎖延長剤、および界面活性剤（例えば、オクタン酸等）が、ＲＭＬＣＭ材料調合において使用されることができる。光開始剤は、ＵＶおよび／または可視帯域内を含む、任意の所望のスペクトル帯域内で動作し得ることを理解されたい。
【００５３】
種々の実施形態では、ＬＣは、相互作用し、ＬＣ混合物を形成することができ、２つまたはそれを上回る異なるＬＣの分子が、相互作用し、非軸方向構造を形成し、これは、ＳおよびＰ偏光の両方と相互作用する。導波管はまた、最適なＳおよびＰ性能のためにＬＣ整合を最適化するためのＬＣ整合材料を含むことができる。多くの実施形態では、ＨＰＤＬＣ形態におけるＰおよびＳ偏光の回折効率の比率は、１．１：１〜２：１の相対的比率に、およびいくつかの実施形態では、約１．５：１に維持される。他の実施形態では、Ｐ偏光の測定される回折効率は、２０％〜６０％であり、Ｓ偏光に関する回折効率は、１０％〜５０％であり、いくつかの実施形態では、Ｐ偏光に関するＨＰＤＬＣ形態の回折効率は、約３０％であり、Ｓ偏光に関するＨＰＤＬＣ形態の回折効率は、約２０％である。これは、Ｐ偏光に関する回折効率が約６０％であり、Ｓ偏光に関する回折効率が約１％である従来のＨＰＤＬＣ形態と比較されることができる（すなわち、従来のＰ偏光材料は、非常に低い、または無視できるＳ成分を有する）。
ナノ粒子を組み込む混合物
【００５４】
多くの実施形態では、反応性モノマー液晶混合物はさらに、ＬＣ領域内に配置される化学的活性ナノ粒子を含むことができる。いくつかのそのような実施形態では、ナノ粒子は、ＬＣ領域内のカーボンナノチューブ（「ＣＮＴ」）またはナノクレイナノ粒子材料である。実施形態はまた、ナノクレイ粒子サイズ、形状、および均一性を制御するための方法を対象とする。ナノクレイ粒子を配合および分散させるための方法は、本デバイスの結果として生じる電気および光学性質を決定することができる。ＨＰＤＬＣにおけるナノクレイの使用が、「ＩＭＰＲＯＶＥＭＥＮＴＳ  ＴＯ  ＨＯＬＯＧＲＡＰＨＩＣ  ＰＯＬＹＭＥＲ  ＤＩＳＰＥＲＳＥＤ  ＬＩＱＵＩＤ  ＣＲＹＳＴＡＬ  ＭＡＴＥＲＩＡＬＳ  ＡＮＤ  ＤＥＶＩＣＥＳ」と題された、ＰＣＴ出願第ＰＣＴ／ＧＢ２０１２／０００６８０号に議論されている。
【００５５】
ナノクレイナノ粒子は、それらが液晶材料中に分散され得る限り、任意の天然に存在する、または製造される組成物から形成されることができる。選択されるべき具体的ナノクレイ材料は、フィルムおよび／またはデバイスの具体的用途に依存し得る。濃度および分散方法もまた、フィルムおよび／またはデバイスの具体的用途に依存し得る。多くの実施形態では、液晶材料は、液晶の通常の屈折率をナノクレイ材料と合致させるように選択される。結果として生じる複合材料は、ナノクレイ粒子分散に起因する液晶分子の強制的整合を有することができ、フィルムおよび／またはデバイスの光学的品質は、影響を受け得ない。液晶およびナノクレイ粒子を含む複合混合物は、超音波処理によって等方性状態に混合されることができる。混合物は、次いで、光開始されたアクリル化またはウレタン樹脂等の光学的に架橋可能なモノマーと組み合わせられ、セルを形成するように基板の間に挟装されることができる（または代替として、コーティングプロセスを使用して基板に適用される）。
【００５６】
種々の実施形態では、ナノ粒子は、ナノクレイナノ粒子、好ましくは、最も短い寸法において約２〜１０ナノメートルほどおよび最も長い寸法において約１０ナノメートルほどの粒径を伴う球体または小板から構成される。望ましくは、液晶材料は、液晶の通常の屈折率をナノクレイ材料と合致させるように選択される。代替として、ナノ粒子は、強誘電性性質を有する材料から構成され、粒子に液晶分子に対する強誘電性整合効果を誘発させ、それによって、本デバイスの電気光学切替性質を強化することができる。本発明の別の実施形態では、ナノ粒子は、誘発された電場または磁場を有し、粒子に液晶分子に対する整合効果を誘発させ、それによって、本デバイスの電気光学切替性質を強化する。熱可塑性プラスチック、ポリマーバインダ等を含む、他の文脈において使用されるナノ粒子の実施例が、米国特許第７，０６８，８９８号、第７，０４６，４３９号、第６，３２３，９８９号、第５，８４７，７８７号、ならびに米国特許出願公開第２００３／０１７５００４号、第２００４／０１５６００８号、第２００４／０２２５０２５号、第２００５／０２１８３７７号、および第２００６／０１４２４５５号（その開示が、参照することによって本明細書に組み込まれる）に開示されている。
【００５７】
図３Ａ−３Ｃは、本発明の種々の実施形態による、ナノ粒子のタイプの概略図を提供する。図３Ａは、３００によって示される球状ナノ粒子の概略図である。ナノ粒子３００の直径は、全ての３つの寸法において１マイクロメートル未満である。寸法Ｒ１は、０．５マイクロメートル未満である。本条件は、ナノ球体をもたらす。図３Ｂは、３０２によって示されるナノ粒子の概略図である。ナノ粒子３０２は、図３Ｂに示されるような寸法Ｒ１およびＲ２によって特徴付けられる。Ｒ１がＲ２未満であり、Ｒ２が円形断面の半径である場合、ナノ粒子は、偏平回転楕円体である。Ｒ１がＲ２を上回り、Ｒ２が円形断面の半径である場合、ナノ粒子は、偏長回転楕円体である。ナノ粒子３０２の直径は、少なくとも１つの寸法において１マイクロメートル未満である。Ｒ１またはＲ２のいずれかは、０．５マイクロメートル未満である。本条件は、ナノ楕円、ナノロッド、ナノワイヤ、およびナノ小板構成をもたらす。図３Ｃは、３０４によって示されるナノ粒子の概略図である。ナノ粒子３０４は、寸法Ｒ１、Ｒ２、およびＲ３によって特徴付けられる不等辺楕円体であり、Ｒ２およびＲ３が位置する平坦な断面は、３０６によって示される。ナノ粒子３０４の直径は、少なくとも１つの寸法において１マイクロメートル未満である。Ｒ１またはＲ２もしくはＲ３のいずれかは、０．５マイクロメートル未満である。本条件は、いくつかのタイプのナノ小板およびナノシートを含む、不均一構成をもたらす。
【００５８】
ナノ粒子を組み込む混合物が、図４Ａおよび４Ｂに描写される。図４Ａは、液晶４０４およびナノ粒子４０６を含む液滴領域４０２を伴う、ポリマー分散液晶材料４００の概略図である。図４Ｂは、液晶４１２およびナノ粒子４１４を含む平坦な領域４１０を伴う、ポリマー分散液晶材料４０８の概略図である。
【００５９】
ナノクレイは、その天然に存在する表面性質と併用されることができる、または表面は、具体的結合、電気、磁気、もしくは光学性質のために化学的に処理されることができる。好ましくは、ナノクレイ粒子は、それらが液晶材料中で均一に分散するように、インターカレートされる。本発明の議論において使用されるような総称用語「ナノクレイ」は、天然に存在するモンモリロナイトナノクレイ、インターカレートされたモンモリロナイトナノクレイ、表面修飾されたモンモリロナイトナノクレイ、および表面処理されたモンモリロナイトナノクレイを指し得る。ナノ粒子は、商業的に購入されるものとして使用可能であり得る、またはそれらは、サイズにおいて縮小される、もしくは形態において改変される必要があり得る。使用され得るプロセスは、化学的粒子サイズ縮小、粒子成長、湿潤または乾燥粒子の粉砕、大粒子または原料のミリング、大粒子または原料の振動ミリング、粒子または原料のボールミリング、粒子または原料の遠心ボールミリング、および粒子または原料の振動ボールミリングを含む。これらの技法は全て、乾式で、または液体懸濁液を用いてのいずれかで実施されることができる。液体懸濁液は、緩衝液、溶媒、不活性液体、または液晶材料であり得る。Ｓｐｅｘ  ＬＬＣ  （Ｍｅｔｕｃｈｅｎ，  ＮＪ）によって提供される１つの例示的ボールミリングプロセスは、Ｓｐｅｘ  ８０００  Ｈｉｇｈ  Ｅｎｅｒｇｙ  Ｂａｌｌ  Ｍｉｌｌとして公知である。Ｒｅｔｓｃｈ  （Ｆｒａｎｃｅ）によって提供される別の例示的プロセスは、ミクロンサイズ粒子をナノスケール粒子まで縮小するために遊星ボールミルを使用する。
【００６０】
ナノ粒子は、ポリマー分散に先立って、液晶材料中に分散されることができる。乾燥または溶媒懸濁ナノ粒子が、等方性分散を達成するために、ポリマー分散に先立って液晶材料またはモノマーと超音波的に混合されることができる。湿潤粒子は、使用される具体的材料に応じて、液晶中への分散のために調製される必要があり得る。粒子が溶媒または液体緩衝液中にある場合、溶液は、乾燥され、乾燥粒子が、上記に説明されるように液晶中に分散されることができる。乾燥方法は、空気中での蒸発、真空蒸発、窒素のような不活性ガスでのパージ、および溶液の加熱を含む。粒子が、液晶材料よりも低い蒸気圧を伴う溶媒または液体緩衝液中に分散される場合、溶液は、液晶と直接混合されることができ、溶媒は、上記の方法のうちの１つを使用して蒸発され、液晶／ナノ粒子分散体を残すことができる。本発明の一実施形態では、光学フィルムは、液晶材料と、ナノクレイナノ粒子とを含み、ナノ粒子は、少なくとも１つの寸法において１マイクロメートル未満のサイズを伴う材料の粒子である。フィルムは、等方的に分布することができる。
【００６１】
ナノクレイ材料が議論されるが、多くの実施形態では、ＣＮＴが、電圧を低減させるための手段として、ナノクレイの代替として使用される。ＨＰＤＬＣデバイスに関連するＣＮＴの性質が、Ｅ．Ｈ．  Ｋｉｍ  ｅｔ  ａｌ．によって、Ｐｏｌｙｍ．  Ｉｎｔ．  ２０１０；  ５９：  １２８９−  １２９５（その開示が、参照することによってその全体として本明細書に組み込まれる）において精査されている。ＨＰＤＬＣフィルムは、ＨＰＤＬＣフィルムの電気光学性能を最適化するために、様々な量の多層カーボンナノチューブ（「ＭＷＣＮＴ」）とともに製作された。ＭＷＣＮＴは、最大０．５重量％までプレポリマー混合物中に十分に分散され、ポリウレタンアクリレート（「ＰＵＡ」）オリゴマー鎖がそれらの長さに沿ってＭＷＣＮＴに巻着し、高回折効率および良好な相分離をもたらすことを含意した。ポリマーマトリクスの硬度および弾性係数は、本質的に良好な機械的性質を伴うＭＷＣＮＴの補強効果のため、ＭＷＣＮＴの量の増加とともに強化された。ＰＵＡマトリクスの増加された弾性およびマトリクスと液晶と間の不混和性は、ＨＰＤＬＣフィルムの回折効率を徐々に増加させた。しかしながら、０．０５重量％を上回るＭＷＣＮＴを伴うＨＰＤＬＣフィルムの回折効率は、低減され、これは、反応性混合物の高い粘度のためのマトリクスとＬＣとの間の不良な相分離によって引き起こされた。低駆動電圧（７５％）を示すＨＰＤＬＣフィルムが、４０重量％ＬＣにおける０．０５重量％ＭＷＣＮＴを用いて取得され得る。
【００６２】
ＨＰＤＬＣ材料がそのようなナノ粒子を組み込む実施形態では、スイッチング電圧の低減ならびにポリマー分散液晶フィルムおよび／またはポリマー分散液晶デバイスの電気光学性質の改良は、液晶領域内にナノ粒子を含むことによって取得されることができる。ナノ粒子の包含は、液晶分子を整合させ、屈折率平均化を通してフィルムの複屈折性質を改変する役割を果たす。加えて、ナノ粒子の包含は、液晶領域のスイッチング応答を改良する。
モノマー官能性
【００６３】
種々の実施形態によるＲＭＬＣＭ材料システムは、種々の方法で調合されることができる。多くの実施形態では、材料システムは、少なくとも１つのＬＣと、少なくとも１つの多官能性モノマーと、光開始剤と、染料と、少なくとも１つの単官能性モノマーとを含む、ＲＭＬＣＭである。限定ではないが、記録ビーム出力／波長、格子周期性、および格子厚さ等のいくつかの因子とともに、成分の具体的混合物およびそれらのパーセント組成が、結果として生じるＨＰＤＬＣ格子の回折効率を決定することができる。露光の空間的に周期的な照射強度に起因する不均質な重合は、モノマーおよびＬＣを分離し、ＬＣ分子の配向を秩序化する原動力であり得、これは、ＨＰＤＬＣ格子の回折効率に影響を及ぼすことができる。多くの場合、モノマーの拡散係数は、それらの分子量および反応性に依存する。種々のモノマー分子量または官能価は、ポリマーおよびＬＣ相の複雑な分布をもたらし得ることが示されている。多くの場合では、分子官能性は、効率的な相分離および高回折効率を伴う格子の形成を達成する際に重要であり得る。したがって、本発明の多くの実施形態は、結果として生じる格子構造の回折効率および屈折率変調に影響を及ぼすように、少なくとも部分的に、それらの官能性のために選定されるモノマーの具体的混合物を用いて調合される材料システムを含む。そのような混合物を調合する際の他の考慮事項は、限定ではないが、記録ビームの性質および格子の厚さを含むことができる。本発明を説明する目的のために、モノマーの官能性は、各モノマー単位上の反応部位の数を指す。
【００６４】
ＨＰＤＬＣ材料システムにおける様々なモノマー官能性の効果が、科学文献においてある程度研究されている。そのような研究は、概して、格子形成および性能に関する混合物の効果的な、または平均的な官能性の効果を考察している。例えば、Ｐｏｇｕｅ  ｅｔ  ａｌ．による論文であるＰｏｌｙｍｅｒ  ４１  （２０００）  ７３３−７４１（その開示が、参照することによって本明細書に組み込まれる）において、効果的なモノマー官能性の減少が、一般に、減少されたＬＣ相分離につながることを示すために、調査が、投光ＰＤＬＣおよびホログラフィックＰＤＬＣ格子において実行された。
【００６５】
本発明による多くの実施形態は、高回折効率および効率的な相分離を有する格子の形成をもたらし得る、低官能性のモノマーの具体的配合物を伴う混合物への調査を含む。科学文献は、典型的には、高官能性モノマーの使用を強調するが、本発明による種々の実施形態は、ある用途における低官能性のモノマーの使用に焦点を当てている。いくつかの実施形態では、混合物内のモノマーは、単官能性モノマーまたは二官能性モノマーのいずれかである。いくつかの実施形態では、三官能性モノマーもまた、含まれる。そのような混合物では、三官能性モノマーは、典型的には、５重量％よりも低い等の低濃度において含まれる。
【００６６】
低官能性モノマーを含む混合物は、限定ではないが、材料システムの波長感度、形成されるべきＨＰＤＬＣの厚さ、および露光温度等の種々の因子に応じて、異なるように挙動することができる。科学文献では、ＰＤＬＣ材料システムへの調査は、典型的には、材料反応効率が、一般に、典型的には、可視光システムでは不良であるため、ＵＶ感受性材料システムを含む。しかしながら、本発明の種々の実施形態による調合は、可視光に感受性がある（重合する）低官能性モノマーを使用して、低ヘイズを伴う高回折効率（＞８０％）に到達することが可能であった。さらなる実施形態では、材料システムは、４９５〜５７０ｎｍに及ぶ波長を伴う光等の緑色光に感受性があるモノマーを含む。異なる光システムに加えて、ＨＰＤＬＣ混合物の性能は、格子が形成される導波管セルの厚さに依存し得る。例えば、所与の材料システムに関して、堆積されたフィルムの異なる厚さは、異なる量のヘイズを伴う導波管を形成することができる。格子厚さは、特許および科学文献において探求されているが、そのような調査は、比較的に厚い格子に焦点を当てている。いくつかの実施形態では、材料システムは、薄い形状因子を伴う導波管において使用するために調合される。さらなる実施形態では、材料システムは、１０μｍを下回る厚さを伴うＨＰＤＬＣ層および８０％を上回る回折効率を伴う格子を有する導波管を製造する際に使用するために調合される。さらなる実施形態では、材料システムは、２〜３μｍ厚さのＨＰＤＬＣ層および８０〜９０％の回折効率を伴う格子を有する導波管において使用するために調合される。材料システムはまた、低ヘイズを伴うそのような導波管を製造するために調合されることができる。いくつかの実施形態では、材料システムは、１％未満のヘイズを有するＨＰＤＬＣ層を形成することができる。導波管ヘイズは、多くのビームバウンスにわたる材料および表面不均質性と相互作用する光の統合効果である。ＡＮＳＩコントラスト、すなわち、チェッカー盤パターンから得られる平均化された白色測定値と黒色測定値との比率に対する影響は、黒色レベルへの散乱寄与のために劇的であり得る。ヘイズは、大部分が、格子記録の間のＬＣ／モノマー混合物の不完全な相分離からもたらされる、ＬＣ液滴および他の小粒子または散乱中心による広角散乱に起因する。ヘイズはまた、少なくとも部分的に、大規模な不均一性によって発生される狭角散乱から生じ、シースルー品質の損失および低減された画像鮮明性につながり得る。厚い導波管において１Ｄビーム拡大を使用する航空機ＨＵＤ等のいくつかの導波管用途は、わずか７回のバウンスを生成し、最大８０：１のコントラストを可能にする。しかしながら、接眼ディスプレイにおいて使用されるタイプの薄い導波管では、バウンスの回数は、１０倍に増加し、ヘイズ制御の必要性をより大きくし得る。
【００６７】
ＲＭＬＣＭレシピは、ＨＰＤＬＣ層の具体的厚さのために最適化されることができる。多くの実施形態では、ＲＭＬＣＭレシピは、約０．１６の屈折率変調を有するように設計される約３μｍ厚さの均一な変調格子のために最適化される。容易に理解され得るように、製作されるべき導波管部分の具体的厚さは、変動し得、所与の用途の具体的要件に依存し得る。いくつかの実施形態では、導波管部分は、９０％透過率および０．３％ヘイズとともに製作されることができる。他の実施形態では、導波管部分は、約０．１％ヘイズとともに製作されることができる（約０．０１％ヘイズが、同一の材料の未露光サンプル内に記録される）。いくつかの実施形態では、ＲＭＬＣＭは、０．０５％未満のヘイズを含む導波管部分を製作するために調合されることができる。
【００６８】
透過ヘイズは、（ＡＳＴＭ  Ｄ１００３規格に従って）所望のビーム方向から平均で２．５度を上回って逸脱する光のパーセンテージとして定義されることができる。導波管の透明度は、（導波管表面に対して垂直な軸から２．５°未満の角度における）狭角散乱光の量によって特徴付けられることができる。透過率は、散乱されることなく導波管を通して透過される光の量として定義されることができる。一般的材料ヘイズを査定するために、散乱は、導波管ＴＩＲ表面に対して垂直なクトルの周囲で測定されることができる。ホログラフィックヘイズを査定するために、散乱は、（アイボックスの中心を通過する）主要な回折方向の周囲で測定されることができる。ヘイズ、透明度、および透過率の測定に関する手順は、ＡＳＴＭ  Ｄ１００３国際試験規格において定義され、「手順Ａ」は、ヘイズメータを使用し、「手順Ｂ」は、分光光度計を使用する。ヘイズを測定するための例示的器具は、ＢＹＫ−Ｇａｒｄｎｅｒ  ＨＡＺＥ  Ｇｕａｒｄ  ＩＩ機器である。
【００６９】
多くの実施形態では、ＲＭＬＣＭ混合物は、液晶混合物と、アクリレートおよびアクリレートエステルの複合混合物と、Ｄｙｎａｓｙｌａｎ（登録商標）  ＭＥＭＯと、光開始剤とを含む。さらなる実施形態では、ＲＭＬＣＭは、ＥＨＡと、ＤＦＨＡとを含む。成分の具体的混合物およびそれらのパーセント組成に応じて、結果として生じる格子は、非常に異なる特性を有することができる。いくつかの実施形態では、重量比でのＬＣの割合は、３０％を上回る。さらなる実施形態では、ＬＣの割合は、３５重量％を上回る。いくつかの実施形態では、混合物は、高複屈折性を伴う液晶を含む。さらなる実施形態では、高複屈折性液晶は、混合物の２０重量％を上回るものを占める。いくつかの実施形態では、染料および光開始剤は、混合物の５重量％を下回るものを占める。
【００７０】
ネマティックＬＣ材料は、ある範囲の複屈折性を提供することができる（これは、屈折率変調に変換されることができる）。低から中程度の複屈折性は、典型的には、０．０９〜０．１２の範囲を網羅する。しかしながら、格子は、複屈折性が格子に沿って変動する格子を含む、はるかに低い複屈折値を使用して設計されることができる。そのような格子は、空間的に均一な出力照射を提供するために、格子の一方の端部において低効率を伴い、格子の他方の端部において高効率を伴う導波管からの光を抽出するために使用されることができる。高複屈折性（ネマティックＬＣ）は、典型的には、０．２〜０．５の範囲である。さらに高い値も、可能性として考えられる。正の誘電異方性を伴うネマティック液晶、化合物、および混合物（すなわち、誘電率が他の方向におけるものよりも分子長軸において大きいＬＣ）が、Ｒ．  Ｄａｂｒｏｗｓｋｉ  ｅｔ  ａｌ．による論文である「Ｈｉｇｈ  Ｂｉｒｅｆｒｉｎｇｅｎｃｅ  Ｌｉｑｕｉｄ  Ｃｒｙｓｔａｌｓ」；  Ｃｒｙｓｔａｌｓ；  ２０１３；３；４４３−４８２（その開示が、参照することによって本明細書に組み込まれる）において精査されている。
【００７１】
上記に議論されるように、混合物中のモノマーの官能性は、結果として生じる格子の回折効率に大いに影響を及ぼし得る。多くの実施形態では、混合物は、様々な濃度における、少なくとも１つの単官能性モノマーと、少なくとも１つの多官能性モノマーとを含む。いくつかの実施形態では、混合物内の単官能性モノマーの濃度は、１〜５０重量％に及ぶ。単官能性モノマーは、脂肪族／芳香族基と、接着促進剤とを含むことができる。いくつかの実施形態では、混合物中に存在する多官能性モノマーの割合は、２〜３０重量％の範囲内である。本発明の種々の実施形態による多官能性モノマーは、典型的には、低官能性のモノマーを含む。いくつかの実施形態では、混合物は、低濃度における二官能性モノマーを含む。さらなる実施形態では、混合物は、１５重量％未満における二官能性モノマーを含む。
【００７２】
図５Ａは、ＬＣと、単官能性モノマーとを含む材料システムの典型的調合を示す、表である。図５Ａに示されるように、本混合物は、無視できる屈折率変調を伴い、したがって、いかなる回折効率も伴わない格子をもたらす。図５Ｂは、多官能性モノマー、この場合では、二官能性モノマーが混合物に添加される材料システムの調合を示す。混合物中の二官能性モノマーのタイプおよび濃度に応じて、適正な相分離および格子形成が、起こることができる。例証的実施形態では、単官能性モノマー、二官能性モノマー、およびＬＣは、３０％、１４％、および４０％の相対的重量比を有し、これは、９０％よりも高い回折効率および約０．１２の屈折率変調を伴う格子の記録を可能にする調合物をもたらした。典型的な単官能性モノマー（２−エチルヘキシルアクリレート）および多官能性モノマーの構造式が、それぞれ、図６Ａおよび６Ｂに概念的に図示される。
【００７３】
容易に理解され得るように、ＲＭＬＣＭ内の各成分のパーセント組成は、広く変動し得る。そのような材料システムの調合は、結果として生じる格子においてある特性を達成するように設計されることができる。多くの場合では、ＲＭＬＣＭは、可能な限り高い回折効率を有するように調合される。
【００７４】
図７Ａ−７Ｃは、本発明の種々の実施形態による、官能性に対する格子形成の依存性を概念的に図示する。図７Ａに示される２−エチルヘキシルアクリレート等の単官能性システムは、より短い鎖を生成し、より速い連鎖停止を示す傾向がある。入射光エネルギーが、記号ｈｖによって表される。結果として生じる緩く結合されたポリマー鎖７００は、相分離および格子形成を阻害する。単官能性システムは、ペンダント基が支配的であるランダムな配向および液晶媒体中の等方相によって特徴付けられる。図７Ａおよび７Ｃは、多官能性モノマー７０２を含む混合物を示す。そのような構成では、ポリマー結合は、より強力であり、ＬＣ液滴７０４がポリマーマトリクス中に埋め込まれた状態になる可能性は、はるかに高い。
【００７５】
具体的材料システムが、上記に議論されるが、多くの異なる調合が、本発明の多くの異なる実施形態に従って実装されることができる。したがって、本発明は、本発明の範囲および精神から逸脱することなく、具体的に説明されるもの以外の方法で実践され得ることを理解されたい。したがって、本発明の実施形態は、あらゆる点で例証的であり、制限的ではないと見なされるべきである。故に、本発明の範囲は、例証される実施形態によってではなく、添付される請求項およびそれらの均等物によって決定されるべきである。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図７Ｃ】
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【国際調査報告】
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