KR20200039706A - 액정 공간 광 변조기 - Google Patents

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엠 토마스 하이저
엠 토마스 레그리에
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위니베르시떼 드 스트라스부르
유니버시티 오브 사우스햄튼
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Abstract

본 발명은 액정 공간 광 변조기(101)에 있어서, 액정 분자들을 포함하는 액정 층(7), 및 상기 액정 층(7)의 적어도 일 측 상에, 적어도 하나의 광 전지(456)를 포함하고, 각각의 광 전지(456)는 전자-공여(D) 분자들 및 전자 수용(A) 분자들을 포함하는 감광 층(5)을 포함하고, 각각의 광 전지(456)는 조명 하에서 자발적인 광전압을 위해 배치된다. 전자-공여 분자들 및 전자 수용 분자들은 바람직하게 혼합되고 바람직하게 유기 벌크 이질접합 층을 형성한다. 각각의 광 전지(456)의 감광 층(5)은 바람직하게 - 그 접촉하는 감광 층(5)으로부터 전자 홀의 전달보다 더 쉬운 그 접촉하는 감광 층(5)으로부터 전자의 전달을 위해 배치되는 전자 전도 층(4), 및 - 그 접촉하는 감광 층(5)으로부터 전자들의 전달보다 더 쉬운 그 접촉하는 감광 층(5)으로부터 전자 홀들의 전달을 위해 배치되는 전자 홀 전도 층(6) 사이에 포함된다.

Description

액정 공간 광 변조기
본 발명은 액정 공간 광 변조기에 관한 것이다.
기고 "Liquid crystal cells based on photovoltaic substrates(광전지 기판들에 기초한 액정 전지들)" by L.Lucchetti, K.Kushnir, A.Zaltron 및 F.Simoni (Eur. Opt. Soc>-rapid 11, 16007 (2016))는 기판들로서 LiNbO3:Fe 결정들을 갖는 액정 전지를 기술한다. 외부 전기장의 적용 없이, 광전지의 LiNbO3:Fe 결정 기판들은 액정 방향기의 지향성을 변경시킬 수 있고 이로써 전지를 통해 전파되는 광에 대하여 위상 천이를 발생시킬 수 있다. 종래 기술에 따른 이 장치의 문제들은 다음과 같다:
- 이 장치는 LiNbO3:Fe 결정 기판들의 두께로 인해 두껍고,
- 이 장치는 LiNbO3:Fe 결정 기판들의 제조 프로세스로 인해 그리고 LiNbO3:Fe 결정 기판들의 취약성으로 인해 큰 표면 상으로 구현하기 어렵고, 그리고
- 이 장치는 LiNbO3:Fe 결정 기판들의 연약성으로 인해 부서지기 쉽다.
- 이 장치는 입사광에 대하여 낮은 민감도를 가진다(10W/cm2의 광 세기에서 복굴절
Figure pct00001
nmax = 0.1).
본 발명의 목적은 상기의 문제들 중 적어도 하나를 해결하는 액정 공간 광 변조기를 제안하는 데 있다.
본 발명의 일 측면은 액정 공간 광 변조기에 있어서,
- 액정 분자들을 포함하는 액정 층,
- 상기 액정 층의 적어도 일 측 상에, 적어도 하나의 광 전지를 포함하고, 각각의 광 전지는 전자-공여 분자들 및 전자 수용 분자들을 포함하는 감광 층을 포함하고, 각각의 광 전지는 조명 아래에서 자발적인 광전압을 위해 배치되는 액정 공간 광 변조기에 관한 것이다.
전자-공여 분자들 및 전자 수용 분자들은 혼합되어 있을 수 있고 벌크 이질접합 층을 형성할 수 있다. "혼합되어"는 전자-공여 분자들 및 전자 수용 분자들이 혼합된 상태에 있는 것을 의미한다.
상기 전자-공여 분자들은 바람직하게 유기 전자-공여 분자들이다.
상기 전자 수용 분자들은 바람직하게 유기 전자 수용 분자들이다.
상기 적어도 하나의 광 전지는, 상기 액정 층의 적어도 일 측 상에, 복수의 광 전지들의 중첩을 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 공간 광 변조기는, 상기 액정 층의 각 측 상에, 적어도 하나의 광 전지를 포함할 수 있다.
상기 또는 각각의 또는 적어도 하나의 광 전지는 내부 인터페이스 층을 더 포함하고, 이 내부 인터페이스 층은
- 이 광 전지의 상기 감광 층과 접촉되고, 이 내부 인터페이스 층은 상기 액정 층과 이 감광 층 사이에 위치되거나, 또는
- 상기 액정 층일 수 있다.
상기 내부 인터페이스 층은 그 접촉하는 감광 층으로부터 전자들의 전달보다 더 쉬운 그 접촉하는 감광 층으로부터 전자 홀들의 전달을 위해 배치되는 전자 홀 전도 층일 수 있다.
상기의 광 전지(들) 중 상기 또는 하나의 광 전지의 상기 내부 인터페이스 층은
- 상기 액정 층과 접촉되고, 상기 내부 인터페이스 층은 이 내부 인터페이스 층과 상기 액정 층 사이의 인터페이스에서 상기 액정 층의 액정을 정렬하도록 배치될 수 있거나, 또는
- 상기 액정 층일 수 있고, 이 광 전지의 상기 감광 층은 이 감광 층과 상기 액정 층 사이의 인터페이스에서 상기 액정 층의 액정을 정렬시키도록 배치된다.
상기 내부 인터페이스 층은
- 상기 액정 층과 접촉될 수 있고, 소수성일 수 있거나, 또는
- 상기 액정 층일 수 있고, 이 광 전지의 감광 층은 소수성일 수 있다.
하나의 층은 이 층 상에 부착되는 물방울의 접촉 각도가 90°보다 크면 바람직하게 "소수성"으로 간주된다(20℃의 온도 및 1 bar와 같은 물방울을 둘러싸는 공기 압력에 대하여).
상기 또는 각각의 또는 적어도 하나의 광 전지는 이 광 전지의 상기 감광 층과 접촉하는 외부 인터페이스 층을 더 포함할 수 있고, 이 감광 층은 상기 액정 층과 이 외부 인터페이스 층 사이에 위치된다.
상기 외부 인터페이스 층은 그 접촉하는 감광 층으로부터 전자 홀들의 전달보다 더 쉬운 그 접촉하는 감광 층으로부터 전자들의 전달을 위해 배치되는 전자 전도 층일 수 있다.
상기 또는 각각의 또는 적어도 하나의 광 전지는
- 이전에 설명된 바와 같은 내부 인터페이스 층,
- 이전에 설명된 바와 같은 외부 인터페이스 층 모두를 포함할 수 있고,
주어진 감광 층과 접촉하는 상기 내부 인터페이스 층과 동일한 주어진 감광 층과 접촉하는 상기 외부 인터페이스 층은 바람직하게 서로 다른 물질들로 만들어진다.
바람직하게,
- 상기 내부 인터페이스 층과 상기 외부 인터페이스 층 중 하나는 그 접촉 감광 층으로부터 전자의 전달보다 더 쉬운 그 접촉 감광 층으로부터 전자 홀의 전달을 위해 배치되는 전자 홀 전도 층일 수 있고, 그리고
- 상기 내부 인터페이스 층과 상기 외부 인터페이스 층 중 다른 하나는 그 접촉 감광 층으로부터 전자 홀의 전달보다 더 쉬운 그 접촉 감광 층으로부터 전자의 전달을 위해 배치되는 전자 전도 층일 수 있다.
상기 전자 전도 층의 일 함수와 이 외부 인터페이스 층과 접촉하는 상기 감광 층의 각각의 전자 수용 분자의 전자 친화도 사이의 에너지 차의 절대 값은 바람직하게 0.2 eV와 같거나 또는 이보다 적다.
상기 전자 홀 전도 층의 일 함수와 이 내부 인터페이스 층과 접촉하는 상기 감광 층의 각각의 전자-공여 분자의 이온화 전위 사이의 에너지 차의 절대 값은 바람직하게 0.2 eV와 같거나 또는 이보다 적다.
상기 액정 층은 바람직하게 상기 광 전지(들)의 각각의 부분보다 더 높은 전기 저항을 가진다.
각각의 전자-공여 분자의 이온화 전위와 전자 친화도 사이의 에너지 차는 바람직하게 3 eV와 같거나 또는 이보다 크다.
각각의 전자 수용 분자의 이온화 전위와 전자 친화도 사이의 에너지 차는 바람직하게 3 eV와 같거나 또는 이보다 크다.
상기 전자-공여 분자들의 전자 친화도와 상기 전자 수용 분자들의 전자 친화도 사이의 에너지 차는, 바람직하게 전자-공여 분자와 전자 수용 분자의 한 쌍마다, 0.1 eV와 같거나 또는 이보다 크고, 바람직하게 0.3 eV와 같거나 또는 이보다 크다.
상기 전자-공여 분자들의 이온화 전위와 상기 전자 수용 분자들의 이온화 전위 사이의 에너지 차는, 바람직하게 전자-공여 분자와 전자 수용 분자의 한 쌍마다, 0.1 eV와 같거나 또는 이보다 크고, 바람직하게 0.3 eV와 같거나 또는 이보다 크다.
상기 전자 수용 분자들의 전자 친화도와 상기 전자-공여 분자들의 이온화 전위 사이의 에너지 차는, 전자-공여 분자와 전자 수용 분자의 한 쌍마다, 이하의 수식:
IE(D) - EA(A)
Figure pct00002
V(Fredericks) x e + 0.3
을 준수할 수 있고, 이때
EA(A)는 eV로 표현되는 각각의 전자 수용 분자의 전자 친화도, IE(D)는 eV로 표현되는 각각의 전자-공여 분자의 이온화 전위이고, V(Fredericks)는 V로 표현되는, 상기 액정 층(7)의 액정의 프레데릭 임계 전압, e는 C로 표현되는 전자의 기본 전하이다.
각각의 전자-공여 분자의 이온화 전위는 바람직하게 5 eV와 같거나 또는 이보다 크다.
각각의 전자 수용 분자의 전자 친화도는 바람직하게 3.5 eV와 같거나 또는 이보다 크다.
상기 액정 층과 상기 적어도 하나의 광 전지는 2 개의 편광기들 사이에 포함될 수 있다.
각각의 광 전지의 두께는 바람직하게 1 ㎛ 보다 작다.
전자-공여 분자들과 전자 수용 분자들은 바람직하게 그 화학적 구조에 있어서 다르다.
본 발명의 다른 장점들 및 특징들은 첨부된 도면들 및 한정하고자 하는 것이 아닌 실시예들의 상세한 설명의 검토로 명백해질 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 공간 광 변조기의 제1 실시예(101)의 일부의 측면도이다.
도 2는 본 발명에 따른 공간 광 변조기의 제1 실시예의 일부의 사시도이다.
도 3은 본 발명에 따른 공간 광 변조기의 제1 실시예의 감광 층(5)의 일부의 측면도이다.
도 4는 유기 감광 층(5)을 갖는 2 개의 OASLM(Optically-addressed Spatial Light Modulator)들의 복굴절 변형을 보여준다. 곡선들은 복굴절의 변형들을 나타낸다(전극들(3, 9) 사이에 적용되는 전압의 함수로서 532 nm 주파수에서 89 mW/cm2의 광 세기 및 0.017 mW/cm2의 광 세기에서 측정되는 복굴절 사이의 차). 이때
- 곡선(16)은 도 1의 제1 실시예에 대응하고,
- 곡선(17)은 도 1의 제1 실시예의 변형(층(6, 12) 없음)에 대응한다.
도 5는 서로 다른 층들(4, 6) 또는 분자들(14, 15)의 전자 친화도 및/또는 이온화 포텐셜 및/또는 일 함수의 대략적인 도면이다.
도 6은 본 발명에 따른 공간 광 변조기의 제2 실시예(102)의 일부의 측면도이다.
도 7은 본 발명에 따른 공간 광 변조기의 제3 실시예(103)의 일부의 측면도이다.
이 실시예들은 한정적으로 해석되지 않고, 이 특징들의 선택이 기술 수준에 대하여 기술적인 장점을 부여하거나 또는 본 발명을 구분하기에 충분하다면, 설명되거나 또는 도시된 다른 특징들로부터 분리되어, 이후에 설명되거나 또는 도시되는 특징들 중에서 선택만을 포함하는 본 발명의 변형들을 고려할 수 있다(이 선택이 다른 특징들을 포함하는 문장으로부터 취해질 때조차도). 이 선택은 기술 수준에 대하여 기술적인 장점을 부여하거나 또는 본 발명을 구분하기에 충분하다면, 적어도 하나의 특징, 바람직하게 구조적인 상세사항들 없이 또는 구조적인 상세사항들 중 일부만을 가지는, 기능적인 특징을 포함한다.
이제 도 1 내지 도 5를 참조하여, 본 발명에 따른 공간 광 변조기의 제1 실시예(101)를 설명하기로 한다.
제1 실시예(101)는 OASLM(Optically-Addressed Spatial Light Modulator), 보다 상세하게는 광학적으로 다루어지는 액정 공간 광 변조기(101)이다.
변조기(101)는 외부 전력 공급 없이 작동시키기 위해 에너지 원으로서 입사 광을 수확하는, 액정 광학적으로 다루어지는 공간 광 변조기(OASLM)의 새로운 세대이다.
변조기(101)는
- 액정(LC로 지칭되는)의 층(7),
- 액정 층(7)의 적어도 일 측 상에, 적어도 하나의 광 전지(456)를 포함한다.
층(7)의 액정은 네마틱 액정이다.
층(7)의 액정은 "E7"으로 알려진, 긴 지방성 테일들(aliphatic tails)을 갖는 수 개의 시아노바이페닐들(cyanobiphenyls)로 구성되는 액정 혼합물이다. 여기서 사용되는 E7 액정은 이하의 분자들의 이하의 백분율들을 포함하는 고전적인 E7이다:
Figure pct00003
층(7)의 두께는 1 ㎛ 보다 크고, 통상적으로 2 ㎛ 보다 크거나 및/또는 100 ㎛ 보다 작고, 바람직하게 3 내지 25 마이크론, 통상 8 ㎛ 근처이다.
도 1 및 도 2는 단지 하나의 전지(456)을 포함하는 특별한 경우를 보여준다.
각각의 광 전지(456)는 광전 다이오드이다.
각각의 광 전지(456)는 전자-공여 분자들(D) 및 전자 수용 분자들(A)을 포함하는 감광 층(5)을 포함한다.
층(5)의 두께는 500 nm 보다 작고, 통상 100 nm 근처이다.
전자-공여 분자들(D)(도면 상에서 참조부호 15) 및 전자 수용 분자들(A)(도면 상에서 참조부호 14)은 결합(conjugate)되어 있다.
전자-공여 분자들(D) 및 전자 수용 분자들(A)은 그 화학적 구조에 있어서 다르다.
층(5)에서, 질량 비는 전자 수용 분자들(A, 14) 0.8 내지 1.2 mg에 대하여 전자-공여 분자들(D, 15) 1mg, 바람직하게 전자 수용 분자들(A, 14) 0.9 내지 1.1 mg에 대하여 전자-공여 분자들(D, 15) 1mg, 보다 바람직하게 전자 수용 분자들(A, 14) 0.99 내지 1.01 mg에 대하여 전자-공여 분자들(D, 15) 1mg이다.
감광 층(5)은 분자들(A 및 D)을 위한 어떠한 용제(solvent)도 포함하지 않는다.
감광 층(5)은 전자-공여 분자들(D) 및 전자 수용 분자들(A)만으로 구성된다.
감광 층(5)은 전자-공여 분자들(D) 및 전자 수용 분자들(A)만으로 구성되고 그 외에는 어떤 것도 포함하지 않는다.
전자-공여 분자들(D)은 유기 반도체 분자들이다.
전자-공여 분자들(D)은 단 한 종류의 전자-공여 분자(여기선 P3HT)의 수 개의 복사본들을 포함한다.
전자-공여 분자들(D, 15)은 P3HT(>93% regioregular, Solaris Chem)로 지칭되는, 폴리(3-헥실티오프렌-2,5-디일)(poly(3-hexylthiophene-2,5-diyl) 전자-공여 폴리머의 분자들이다.
전자 수용 분자들(A)은 유기 반도체 분자들이다.
전자 수용 분자들(A)은 단 한 종류의 전자 수용 분자(여기선 PCBM)의 수 개의 복사본들을 포함한다.
전자 수용 분자들(A, 14)은 PCBM(Solenne BV)으로 지칭되는, 풀러린 유도체 [6,6] 페닐-C61-부티르산 메틸 에스테르(pheyl-C61-butyric acid methyl ester)의 분자들이다.
각각의 광 전지(456)는 조명 하에서 자발적인 광전압을 위해 배치된다. 여기서 사용되는 바와 같이, "조명(illumination)"이라는 용어는 전자기 방출을 지칭한다. 몇몇의 실시예들에 있어서, 조명은 적외선, 가시광선 및/또는 자외선 스펙트럼의 범위 내에 있을 수 있다. 몇몇의 실시예들에 있어서, 적외선(IR) 또는 근-적외선(NIR)의 범위에서 조명을 이용하는 것은 유리할 수 있다. 몇몇의 실시예들에 있어서, 자외선(UV)의 범위에서 조명을 이용하는 것은 유리할 수 있다. 몇몇의 실시예들에 있어서, 가시광선 스펙트럼의 범위에서 조명을 이용하는 것은 유리할 수 있다. 개시를 위해, 가시광선 범위 파장들은 350 nm에서 800 nm까지인 것으로 고려되고, 근-적외선 및 적외선 파장들은 800 nm보다 더 긴 것으로 고려되고(바람직하게 1.4 ㎛까지) 또한 자외선 파장들은 350 nm보다 더 짧은 것으로 고려된다(바람직하게 10 nm부터). 각각의 광 전지(456)는 바람직하게 350 nm와 600 nm 사이(또는 보다 일반적으로 10 nm와 1.4 ㎛ 사이)에 포함되는 적어도 하나의 파장에 대하여 100 mW/cm2의 조명 하에서 적어도 0.6 볼트(또는 심지어 적어도 0.7 볼트)의 전기 전위의 자발적인 광전압을 위해 배치된다.
자발적으로(spontaneous)는, 본 설명에 있어서 각각의 광 전지(456)가 전극들(3, 9) 사이에 0 바이어스 전압에서조차 및/또는 전극(3 및/또는 9)의 존재 없이도 및/또는 이 광 전지(456)를 지나는 초기의 0 바이어스 전압에서조차도, 이 광 전지(456)의 조명 하에서 광전압을 위해 배치되는 것을 의미한다.
통상적으로, 각각의 광 전지(456)는 350 nm와 600 nm 사이(또는 보다 일반적으로 10 nm와 1.4 ㎛ 사이)에 포함되는 적어도 하나의 파장에 대하여 100 mW/cm2의 이 광 전지(456)의 조명 하에서, 심지어 전극들(3, 9) 사이의 0 바이어스 전압에서 및/또는 심지어 전극들(3 및/또는 9)의 존재 없이, 및/또는 심지어 이 광 전지(456)를 통하는 초기의 0 바이어스 전압에서, 적어도 0.6 볼트(또는 심지어 적어도 0.7 볼트)의 전기 전위의 광전압을 위해 배치된다.
도 3에 도시된 바와 같이, 전자-공여 분자들(D, 15) 및 전자 수용 분자들(A, 14)은 혼합되고(즉, 혼합된 상태에 있고) 그리고 벌크 D/A 이질접합 층을 형성한다.
전자-공여 분자들(D)은 유기 전자-공여 분자들이다.
전자 수용 분자들(A)은 유기 전자 수용 분자들이다.
이 상세한 설명에서, 유기 물질, 유기 원료, 또는 유기 분자는 바람직하게 화학적 합성에 의해 획득되는 탄소-기반의 화합물들을 지칭한다. 특히, 유기 분자는 고리 및/또는 사슬로 함께 연결되어 있는 탄소 원자들을 포함하는 탄소-기반의 분자를 지칭하고; 이 탄소 원자들은 바람직하게 수소, 산소, 및 질소와 이러한 요소의 다른 원자들에 부착된다.
유기 반도체들(14, 15)의 사용은 장치(101)의 설계(유연성, 색상 조정, 큰 면적)에 더 많은 자유를 허용하고 또한 본 발명에 따른 장치를 만들기 위해 용액 처리 기술들(solution processing techniques)을 이용하는 것을 허용한다.
무기 반도체들과 달리, 유기 반도체에 의한 광자의 흡수는 자유 전하들을 자발적으로 생성하지 않지만 여기자(exciton)의 형성을 발생시킨다. 이 여기자들은 수 ns 차수의, 매우 짧은 수명을 가지고 결국 광자를 재조합하고 방출하게 된다: 이 물질은 형광이다. D/A 인터페이스는 여기자를 이들이 재조합하기 전에, 반대 부호들을 가지는, 한 쌍의 자유 전하들로 분열하는 것을 허용한다.
광 전지(456)는 이 광 전지(456)의 감광 층(5)에 접촉하는 내부 인터페이스 층(12)을 더 포함하고, 이 내부 인터페이스 층(12)은 액정 층(7)과 이 감광 층(5) 사이에 위치된다.
광 전지(456)의 내부 인터페이스 층(12)은 액정 층(7)과 접촉하고 이 내부 인터페이스 층(12)과 액정 층(7) 사이 인터페이스에 액정 층(7)의 액정을 정렬시키기 위해 배치된다. 층(12)은 층(7)의 액정의 정렬 층이 되도록 하기 위해 (층(7)과 접촉하는 그 면에서) 기계적으로 솔질(brush)되었다.
광 전지(456)는 이 광 전지(456)의 감광 층(5)에 접촉하는 외부 인터페이스 층(13)을 더 포함하고, 이 감광 층(5)은 액정 층(7)과 이 외부 인터페이스 층(13) 사이에 위치된다.
동일한 광 전지(456)의 주어진 감광 층(5)과 접촉하는 내부 인터페이스 층(12)과 동일한 광 전지(456)의 동일한 주어진 감광 층(5)과 접촉하는 외부 인터페이스 층(13)은 서로 다른 물질들로 만들어진다.
변조기(101)는 2 개의 편광기들(1, 11)을 포함한다.
각각의 편광기(1, 11)는 토르랩스사(Thorlabs)의 WP25M-UB 초광대역 와이어 그리드 편광기들(250 nm - 4 ㎛)이다.
편광기들(1, 11)은 교차 편광기들이다.
변조기(101)는 2 개의 기판들(2, 10)을 포함한다.
각각의 기판(2, 10)은 유리 기판이다.
각각의 기판(2, 10)의 두께는 500 ㎛보다 크고, 통상적으로 대략 1 mm이다.
변조기(101)는 2 개의 전도 층들 또는 전극들(3, 9)을 포함한다.
각각의 전극(3, 9)은 투명 전도 필름이다.
각각의 전극(3, 9)은 인듐 주석 산화물(Indium tin oxide, ITO)이다.
전극들(3, 9) 사이에 다른 전극은 없다.
각각의 전극(3, 9)의 두께는 200 nm보다 작고, 통상적으로 대략 140 nm이다.
변조기(101)는 정렬 층(8)을 포함한다.
층(8)은 층(7)의 액정의 정렬 층이 되도록 하기 위해 (층(7)과 접촉하는 그 면에서) 기계적으로 솔질되었다.
정렬 층(8)은 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜)-폴리(스티렌설포네이트)(poly(3,4-ethylenedioxythiophene)-poly(styrenesulfonate, PEDOT:PSS) 층이다.
정렬 층(8)은 100 nm보다 작은 두께, 통상적으로 대략 30 nm의 두께를 가진다.
액정 층(7) 및 적어도 하나의 광 전지(456)는 2 개의 편광기들(1, 11) 사이에 포함된다.
액정 층(7) 및 적어도 하나의 광 전지(456)는 2 개의 기판들(2, 10) 사이에 포함된다.
액정 층(7) 및 적어도 하나의 광 전지(456)는 2 개의 전도 층들 또는 전극들(3, 9) 사이에 포함된다.
액정 층(7)은 2 개의 정렬 층들(12, 8) 사이에 포함된다.
2 개의 전도 층들 또는 전극들(3, 9)은 2 개의 기판들(2, 10) 사이에 포함된다.
2 개의 전도 층들 또는 전극들(3, 9)은 2 개의 편광기들(1, 11) 사이에 포함된다.
2 개의 기판들(2, 10)은 2 개의 편광기들(1, 11) 사이에 포함된다.
적어도 하나의 광 전지(456)는 2 개의 전도 층들 또는 전극들(3, 9) 중 하나에 접촉한다.
소정의 거리에 (층들(1, 3, 4, 5, 6, 8, 9, 11)을 갖는) 2 개의 기판들(2, 10)을 유지하기 위해, 보정된 미세구와 혼합된 UV-경화 접착제(UV-curable glue, 미도시)가 사용된다. 2 개의 기판들(2, 10)은 함께 접착되어 미세 갭이 형성되는데, 그후 이 갭은 모세관 현상(capillarity)에 의해 액정(7)으로 채워진다. 그후 이 갭은 장치(101)을 밀폐하기 위해 UV-경화 접착제로 폐쇄된다.
내부 인터페이스 층(12) 및 외부 인터페이스 층(13) 중에서 하나는 그 접촉하는 감광 층(5)으로부터 전자의 전달보다 더 용이한 그 접촉하는 감광 층(5)으로부터 전자 홀의 전달을 위해 배치되는 전자 홀 전도 층(6)이다. 내부 인터페이스 층(12) 및 외부 인터페이스 층(13) 중에서 다른 하나는 그 접촉하는 감광 층(5)으로부터 전자 홀의 전달보다 더 용이한 그 접촉하는 감광 층(5)으로부터 전자의 전달을 위해 배치되는 전자 전도 층(4)이다.
특히 도 1의 경우에 있어서, 내부 인터페이스 층(12)은 그 접촉하는 감광 층(5)으로부터 전자들의 전달보다 더 용이한 그 접촉하는 감광 층(5)으로부터 전자 홀들의 전달을 위해 배치되는 전자 홀 전도 층(6)이다.
전자 홀 전도 층(6)은 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜)-폴리(스티렌설포네이트)(poly(3,4-ethylenedioxythiophene)-poly(styrenesulfonate, PEDOT:PSS) 층이다.
전자 홀 전도 층(6)은 100 nm보다 작은 두께, 통상적으로 대략 30 nm를 가진다.
특히 도 1의 경우에 있어서, 외부 인터페이스 층(13)은 그 접촉하는 감광 층(5)으로부터 전자 홀의 전달보다 더 용이한 그 접촉하는 감광 층(5)으로부터 전자의 전달을 위해 배치되는 전자 전도 층(4)이다.
전자 전도 층(4)은 폴리에틸렌이민(Polyethylenimine, PEI-E) 층이다.
전자 전도 층(4)은 100 nm 보다 작은 두께를 가지거나 또는 10 nm보다 훨씬 더 작거나, 통상적으로 대략 7 nm이다.
전자 전도 층(4)은 전기적으로 절연 물질(PEIE)의 매우 얇은 층(10 nm보다 작은 두께, 통상적으로 7 nm 두께)이지만 내재하는 전기 다이폴들을 가진다. 이 다이폴들은, 좋은 선택성으로 인해, 전자 홀들의 층(3)에의 접근을 어렵게 만든다.
감광 층(5)과 인접한 물질들(4, 6) 사이의 인터페이스들은 광-생성되는 전하들의 진화에 상당한 영향을 준다. 층(5)은 그 전자적 일 함수들이 서로 다른 2 개의 물질들(4, 6) 사이에 포함된다. 그러므로, 층(5) 내에서 생성되는 음 및 양의 전하들은 분리된다(이 음의 전하들은 낮은 일 함수를 갖는 물질(4)과의 인터페이스에 우선적으로 축적될 것이고 양의 전하들에 대해서는 마찬가지로 그 역이 적용될 것이다.) 이것은 그 진폭이 광의 세기와 함께 (사전 대수적으로) 증가되는, 2 개의 인접하는 물질들(4 및 5, 또는 5 및 6 각각의) 사이에서 전기 전위에 있어서의 차(ΔV)로 귀결된다. "광-전압(photo-voltage)"(ΔV)은 광 전지의 "개방 회로 전압(open circuit voltage)"과 균등하다.
일반적으로, (바람직하게 층(4 및/또는 6)과 조합된) 감광 층(5)은 이 감광 층(5)의 조명 하에서, (심지어 전극들(3, 9) 사이 0 바이어스 전압에서 또는 심지어 층(3 및/또는 9)의 존재 없이도, 즉, 자발적으로 또는 층(7) 및/또는 층(5)을 통한 초기 0 바이어스 전압에서) 액정 분자들의 지향성을 변경(및 층(7)의 복굴절을 변형)하는 액정 층(7)의 전압 강하의 원천(origin)에 있도록 배치된다.
통상적으로, (바람직하게 층(4 및/또는 6)과 조합된) 감광 층(5)은 350 nm와 600 nm 사이(또는 보다 일반적으로 10 nm와 1.4 ㎛ 사이)에 포함되는 적어도 하나의 파장에 대하여 100 mW/cm2의 이 감광 층(5)의 조명 하에서, (심지어 전극들(3, 9) 사이 0 바이어스 전압에서 또는 심지어 층(3 및/또는 9)의 존재 없이도, 즉, 자발적으로 또는 층(7) 및/또는 층(5)을 통한 초기 0 바이어스 전압에서) 액정 분자들의 지향성을 변경(및 층(7)의 복굴절을 변형)하는 액정 층(7)에 걸리는 (0.6V 만큼 낮을 수 있는) 액정 층(7)의 액정의 적어도 프레데릭스 임계 전압, 즉 통상적으로 액정 층(7)에 걸리는 적어도 0.6 V(또는 심지어 적어도 0.7V)의, 전압 강하의 원천에 있도록 배치된다.
조명 하에서, 층들(3 및 9)은 전기적으로 연결되는 것으로 가정하면, 유기 층(5)은 액정 층(7)에 걸리는 전압 강하의 원천에 있게 되고, 이로써 액정 분자들의 지향성은 변경되고, 층(7)의 복굴절도 변형된다. 결과적으로, 장치(101)가 2 개의 교차 편광기들(1, 11) 사이에 배치될 때, 복굴절 변경은 장치(1)의 투과율(transmittance)의 변형으로 바뀐다. 광 노출에 대한 액정 층(7)의 응답은 정렬 층들(12, 8)의 상대적 지향성에 따라 달라진다: 액정 층(7)은 TN(twisted nematic) 또는 평면 셀일 수 있다. 이것은 광 세기에 따라서 변하고 그러므로 입사 광의 세기의 공간적 분포를 따른다. 층(7)의 액정은
- 트위스티드 네마틱 액정(정렬 층들(12, 8)이 직교한다면): 이 구성은 각각의 영역에 의해 수신되는 광 세기 및 파장에 따라서 변조기(101)의 각각의 영역을 "on" 또는 "off" 시키는 데 사용되고, 또는
- 평면 네마틱 액정(정렬 층들(12, 8)이 평행하다면)이다: 이 구성은 각각의 영역에 의해 수신되는 광 세기 및 파장에 따라서 변조기(101)의 각각의 영역을 교차하는 광의 편광을 변형시키는 데 사용된다.
이 상세한 설명의 절대적 또는 상대적 수치들 모두는 20 ℃의 온도 및 1 bar의 압력에 있어서 디폴트로 주어진다.
이 상세한 설명에서
- 분자의 HOMO는 이 분자의 분자 오비탈이 차지하는 최고 에너지 레벨을 지칭한다.
- 분자의 LUMO는 분자 오비탈이 차지하지 않는 최소 에너지 레벨을 지칭한다.
- 이온화 전위(또는 이온화 에너지(IE))는 양이온(cation)을 형성하기 위해 분리되는 분자의, (HOMO 오비탈로부터) 가장 느슨하게 결합된 전자를 제거하는 데 필요한 에너지 양이다.
- 전자 친화도(EA)는 음이온을 형성하기 위해 전자가 중성 분자에 부가될 때 방출되거나 또는 소모되는 에너지의 양이다.
- 일 함수(Wf)는 고체 표면 외부 진공 중의 한 점으로 고체로부터 전자를 제거하는 데 필요한 최소 열역학적 일이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 전자 전도 층(4)의 일 함수와 이 외부 인터페이스 층(13)에 접촉하는 감광 층(5)의 전자 수용 분자의 전자 친화도 사이의 에너지 차의 절대 값은 0.2 eV와 같거나 이보다 작다. 이것은 층(5)으로부터 전자 홀들을 끌어당겨서 전자 홀들을 전도하는 것에 비하여 층(5)로부터 전자를 끌어당겨서 전자들을 전도하는 층(4)의 능력을 향샹시킨다.
도 5에 도시된 바와 같이, 전자 홀 전도 층(6)의 일 함수와 이 내부 인터페이스 층(12)에 접촉하는 감광 층(5)의 전자-공여 분자의 이온화 전위 사이의 에너지 차의 절대 값은 0.2 eV와 같거나 이보다 작다. 이것은 층(5)으로부터 전자들을 끌어당겨서 전자들을 전도하는 것에 비하여 층(5)로부터 전자 홀들을 끌어당겨서 전자 홀들을 전도하는 층(6)의 능력을 향샹시킨다.
액정 층(7)은 광 전지(456)의 각각의 부분 또는 층보다 더 큰, 심지어 전극들(3, 9) 사이에 포함되는 각각의 부분 또는 층보다 더 큰 전기 저항을 가진다. 액정 층(7)은 광 전지(456)의 각각의 부분 또는 층(4, 5, 6)보다 적어도 2 배 큰, 심지어 전극들 사이에 포함되는 각각의 부분 또는 층보다 적어도 2 배 큰 전기 저항을 가진다. 각각의 층(7, 4, 5, 6, 8)의 전기 저항은 각각 각각의 층(7, 4, 5, 6, 8)의 두께에 나란한 이 층(7, 4, 5, 6, 8)에 수직하게 측정되고, 그 두께는 각각의 층(7, 4, 5, 6, 8)의 더 작은 공간적 치수이다.
EA(A)는 eV로 표현되는 각각의 전자 수용 분자의 전자 친화도이다.
EA(D)는 eV로 표현되는 각각의 전자-공여 분자의 전자 친화도이다.
IE(A)는 eV로 표현되는 각각의 전자 수용 분자의 이온화 전위이다.
IE(D)는 eV로 표현되는 각각의 전자-공여 분자의 이온화 전위이다.
각각의 전자-공여 분자(즉 단지 하나의 분자(D)에 대하여)의 전자 친화도와 이온화 전위 사이의 에너지 차는 바람직하게 3 eV와 같거나 또는 이보다 크다: EA(D) - IE(D)
Figure pct00004
3 eV. 이것은 변조기(101)가 가시광선 범위에서(그 《오프 상태》에서), 예를 들어 스마트 창문 응용들에 있어서, 투명하도록 허용한다. 이것은 도 5의 실시예의 특별한 경우에 있는 경우는 아니다.
각각의 전자 수용 분자(즉 단지 하나의 분자(A)에 대하여)의 전자 친화도와 이온화 전위 사이의 에너지 차는 바람직하게 3 eV와 같거나 또는 이보다 크다: EA(A) - IE(A)
Figure pct00005
3 eV. 이것은 변조기(101)가 가시광선 범위에서(그 《오프 상태》에서), 예를 들어 스마트 창문 응용들에 있어서, 투명하도록 허용한다. 이것은 도 5의 실시예의 특별한 경우에 있는 경우는 아니다.
그럼에도 불구하고, (PCBM과 같은) C60 유도체와 같은 몇몇의 분자들은 밴드갭(bandgap) 값이 3 eV보다 작더라도 (이 분자들의 구면 대칭으로 인해) 가시광선을 거의 흡수하지 않는다. 예를 들어, 물질(D)(폴리머 또는 작은 분자)만, 예를 들어 수용체 분자들(A)이 C60의 유도체인 D/A 혼합물들에 있어서, 3 eV의 한계를 준수할 수 있다.
도 5에 도시된 바와 같이, 전자-공여 분자들의 전자 친화도와 전자 수용 분자들의 전자 친화도 사이의 에너지 차는, 전자-공여 분자와 전자 수용 분자의 쌍 당, 0.1 eV와 같거나 또는 이보다 크고 (EA(D) - EA(A)
Figure pct00006
0.1 eV), 바람직하게 0.3 eV와 같거나 또는 이보다 크다 (EA(D) - EA(A)
Figure pct00007
0.3 eV). 이러한 분자들(14, 15)의 조합은 층(5) 내 UV 광자들의 흡수 후 층(5) 내 자유 전기 전하들의 생성을 허용한다.
도 5에 도시된 바와 같이, 전자-공여 분자들의 이온화 전위와 전자 수용 분자들의 이온화 전위 사이의 에너지 차는, 전자-공여 분자와 전자 수용 분자의 쌍 당, 0.1 eV와 같거나 또는 이보다 크고 (IE(D) - IE(A)
Figure pct00008
0.1 eV), 바람직하게 0.3 eV와 같거나 또는 이보다 크다 (IE(D) - IE(A)
Figure pct00009
0.3 eV). 이러한 분자들(14, 15)의 조합은 층(5) 내 UV 광자들의 흡수 후 층(5) 내 자유 전기 전하들의 생성을 허용한다.
도 5에 도시된 바와 같이, 전자 수용 분자들의 전자 친화도와 전자-공여 분자들의 이온화 전위 사이의 에너지 차는, 전자-공여 분자와 전자 수용 분자의 쌍 당, 이하의 수식을 준수한다:
IE(D) - EA(A)
Figure pct00010
V(Fredericks) x e + 0.3
이때 EA(A)는 eV로 표현되는 각각의 전자 수용 분자의 전자 친화도이다.
IE(D)는 eV로 표현되는 각각의 전자-공여 분자의 이온화 전위이다.
V(Fredericks)는 V로 표현되는, 액정 층(7)의 액정의, 프레데릭스 임계 전압이다(즉, 액정이 그들의 지향성을 변경하는 임계 전압).
e는 C로 표현되는 전자의 전하이다.
그후 층(5) 내의 전하들의 생성은 액정의 프레데렉스 전압과 동일한 크기의 차수인 광도(phototension)로 귀결된다.
도 5에 도시된 바와 같이, 각각의 전자-공여 분자의 이온화 전위는 5 eV와 같거나 또는 이보다 크다. 이것은 산소 또는 수증기의 존재 시 변조기(101)의 안정성을 향상시킨다.
도 5에 도시된 바와 같이, 각각의 전자 수용 분자의 전자 친화도는 3.5 eV와 같거나 또는 이보다 크다. 이것은 산소 또는 수증기의 존재 시 변조기(101)의 안정성을 향상시킨다.
액정 층(7) 및 적어도 하나의 광 전지(456)는 2 개의 편광기들(1, 11) 사이에 포함된다.
각각의 광 전지(456)의 두께는 1 ㎛보다 작다.
변조기(101)는 이로써 유리/ITO/PEIE/P3HT:PCBM/PEDOT:PSS/E7/PEDOT:PSS/ITO /유리 구조를 가진다. 이 제조 프로세스는 이하와 같다. 인듐 주석 산화물(ITO)이 코팅된 유리 슬라이드들이 투명 전도 전극으로서 사용된다. ITO 코팅된 유리 슬라이드들이 각각 아세톤, 이소프로패놀, 탈이온화된 물에 15 분동안 연속하는 초음파 처리(sonication)에 의해 세정된다. ITO 슬라이드들은 그후 유기 층 증착 전에 UV 오존 처리된다. PEDOT:PSS(Clevios PH, Heraeus), 전도성 폴리머는 응집물들을 제거하기 위해 0.22 ㎛ 필터를 통해 필터링되고, 대기 조건에서 ITO 코팅된 유리 슬라이드들 상에 스핀-코팅되고, 불활성 질소 대기(<1 ppm O2 및 H2O)를 갖는 도구함(glovebox)으로 전달되고, 140 ℃에서 30 분 동안 건조된다. 광활성 층(photoactive layer)에 있어서, 클로로벤젠과 (1:1) 중량으로 P3HT(>93% 레지오레귤라, Solaris Chem) 및 PCBM(Solenne BV)의 용액이 준비되고 60 ℃에서 밤새 젓는다. P3HT:PCBM 층 증착 전에, ITO는 시그마-앨드리치사(Sigma-Aldrich)로부터 구매한 2-메토시에탄올로 희석된, 역시 시그마-앨드리치사로부터 구매한 PEIE 용액(폴리에틸렌이민, 80% 에토실레이티드 용액, H2O의 35-40 wt.%, 평균 Mw = 70000) 스핀-코팅에 의해 변형된다. PEIE 용액은 대기 조건에서 ITO 코팅된 유리 슬라이드 상에 스핀-코팅되고, 불활성 질소 대기(<1 ppm O2 및 H2O)를 갖는 도구함(glovebox)으로 전달되고, 100 ℃에서 10 분 동안 건조된다. 광활성 층은 그후 ITO 변형된 기판 상에 스핀-코팅되고 140 ℃에서 10 분 동안 건조된다. 마지막으로, PEDOT:PSS(Clevios CPP 105 D 또는 HTL Solar, Heraeus)의 얇은 막은 대기 조건에서 광활성 층의 위에 스핀-코팅되고, 불활성 질소 대기(<1 ppm O2 및 H2O)를 갖는 도구함(glovebox)으로 전달되고, 120 ℃에서 5 분 동안 건조된다.
코팅된 층들은 그후 최종 장치에서 러빙 방향(rubbing direction)을 따라 액정 분자들의 정렬을 유도하기 위해 회전 드럼에 부착된 벨벳 천의 이용에 의해 문질러진다. 접착제들의 혼합물(UV 경화 접착제, Loctite AA350) 및 스페이서(7.75 ㎛ SiO2 미세구들)가 PEDOT:PSS 코팅된 및 P3HT:PCBM/PEDOT:PSS 코팅된 유리 슬라이드들 사이에 셀 갭을 생성하는 데 이용된다. 접착제는 5 분 동안 UV 광에 기판들을 노출시키는 것에 의해 경화된다. 그후 빈 셀은 65 ℃의 열판 상에서 모세관 현상에 의해 E7로서 알려진 액정 혼합물로 충전된다. 마지막으로, 셀의 에지들은 오염을 피하기 위해 에폭시 수지(Araldite)로 밀폐된다. 최종 셀의 요약표는 이하에 도시되어 있다.
변조기(101)는 도 4의 곡선(16)에 의해 도시된 바와 같이, 1.3 VRMS (주파수 f = 100 Hz)에서 ~ 0.04의 복굴절에 있어서의 변화(Δn)(89 mW/cm2 광학적 전력을 갖는 조명 하에서 굴절율의 편차)를 갖는, 광전지 OASLM과 같이 행동한다. 변조기(101)에 있어서, 광전압은 전극들(3, 9) 사이에 외부 편광의 기여 없이 층(7)의 액정 방향을 바꾸기에는 너무 작기 때문에, 외부 편광의 부존재 시 복굴절에 있어서의 변화는 없다. 변조기(101)는 종래 기술에 따른 PVK:C60 혼합물보다 훨씬 더 높은 주파수(AC)에서 광학적 응답을 획득하는 것을 가능하게 해주고, 이로써 종래 기술에 따른 깜빡임의 문제는 방지된다.
변조기(101)의 제2 변형(미도시)에 있어서, 내부 인터페이스 층(12)은 액정 층(7)에 바로 있다.
층(5)은 층(7)의 액정의 정렬 층이 되도록 하기 위해 (층(7)과 접촉하는 그 면에서) 기계적으로 솔질(brush)되었다. 감광 층(5)은 이로써 이 감광 층(5)과 액정 층(7) 사이의 인터페이스에서 액정 층(7)의 액정을 정렬시키기 위해 배치된다.
감광 층(5)은 소수성이다. 이것은 층(7)의 액정의 더 큰 "프리틸트(pretilt)" 각을 야기시키고, 이로써 0 바이어스 전압에서 복굴절에 있어서의 변화(Δn)를 허용한다.
변조기(101)의 제2 변형은 이로써 유리/ITO/PEIE/P3HT:PCBM/E7/PEDOT:PSS/ ITO/유리 구조를 가진다.
층(5)의 상부 (솔질된) 영역은 전자 홀 전도 층(6)의 역할을 한다(하지만 다른 변형에 있어서 층(13)은 전자 홀 전도 층(6)일 수 있고 층(5)은 전자 전도 층(4)의 역할을 한다).
변조기(101)의 이 제2 변형은 도 4의 곡선(17)에 의해 도시된 바와 같이, 0 V에서 Δn ~ 0.014 및 0.7 V VRMS (주파수 f = 1 kHz)에서 Δn ~ 0.019의 복굴절에 있어서의 변화(Δn)(조명 하에서 굴절율의 편차)를 갖는, 광전지 OASLM과 같이 행동한다. 0 V에서 0가 아닌 응답은 광전지 모드의 명백한 특징(signature)이다.
변조기(101)의 제3 변형(미도시)에 있어서, 액정 층(7)과 접촉하는 내부 인터페이스 층(12)은 소수성이다. 이것은 또한 0 V에서 0가 아닌 응답을 허용한다.
도 4의 곡선들(16 및 17)은 입사 광에 대한 민감도가 종래 기술에 비하여 본 발명에 따라 크게 개선되는 것을 명백히 보여준다. 그 효과는 광 전지들(456)의 중첩 또는 증식에 의해 배가된다.
이제 도 6을 참조하여, 본 발명에 따른 공간 광 변조기의 제2 실시예(102)를 설명하지만, 도 1 내지 도 5의 제1 실시예(101)에 비교하여 그 차이들에 대해서만 설명한다.
적어도 하나의 광 전지(456)는, 액정 층(7)의 적어도 일 측 상에, 복수의 접촉하는 광 전지들(456)의 중첩을 포함한다.
전지(456) 모두는 도 1 내지 도 5를 참조하여 이전에 설명된 바와 같이, 유사하고 또한 층(4, 13) + 층(5) + 층(6, 12)을 포함한다.
2 개의 광 전지들(456)을 가지고, 획득되는 광도는 1.2 V와 같거나 또는 이보다 크고 또한 외부 편광의 기여 없이 1 V의 임계 전압을 가지는 층(7)의 액정(E7)을 방향 바꾸기에 충분하고, 또한 외부 편광의 부존재 시 복굴절에 있어서의 편차가 있다.
이제 도 7을 참조하여, 본 발명에 따른 공간 광 변조기의 제3 실시예(103)를 설명하지만, 도 1 내지 도 5의 제1 실시예(101)에 비교하여 그 차이들에 대해서만 설명한다.
공간적 광 변조기(103)는, 액정 층(7)의 각각의 측 상에, 적어도 하나의 광 전지(456)를 포함한다.
전지(456) 모두는 유사하지 않고:
- 액정(7)의 일 측 상에, 도 1 내지 도 5를 참조하여 이전에 설명되는 바와 같이, 각각의 전지(456)는 층(4, 13) + 층(5) + 층(6, 12)을 포함한다: 이 측 상에, 각각의 외부 인터페이스 층(13)은 전자 전도 층(4)이고 각각의 내부 인터페이스 층(12)은 전자 홀 전도 층(6)이고; (층(7)에 접촉하는) 내부 인터페이스 층(12) 중 하나는 이 내부 인터페이스 층(12)과 액정 층(7) 사이 인터페이스에서 액정 층(7)의 액정을 정렬시키기 위해 배치된다;
- 액정(7)의 다른 측 상에, 각각의 전지(456)는 층(4, 12) + 층(5) + 층(6, 13)을 포함한다: 이 다른 측 상에, 각각의 내부 인터페이스 층(12)은 전자 전도 층(4)이고 각각의 외부 인터페이스 층(13)은 전자 홀 전도 층(6)이고; (층(7)에 접촉하는) 내부 인터페이스 층(12) 중 하나는 이 내부 인터페이스 층(12)과 액정 층(7) 사이 인터페이스에서 액정 층(7)의 액정을 정렬시키기 위해 배치된다.
매우 충분한 수의 광 전지들(456)을 가지고, 획득되는 광도는 외부 편광의 기여 없이 층(7)의 액정을 방향 바꾸는 데 충분하고, 외부 편광의 부존재 시 복굴절에 있어서의 편차가 있다.
본 발명에 따르면, 유기 D/A 혼합(층(5))의 이용은, 적절한 인터페이스들(4, 6)과 연관된 때, 조명 하에서 자발적인 광전압을 산출한다. 이것은 종래 기술에 따라 공통적으로 사용되는 무기 반도체 박막들(예. 비정질 Si) 또는 이전에 연구된 유기 감광 층들(PVK:C60)의 응답과는 다른데, 이는 광 노출이 전기 컨덕턴스에 있어서의 변화로만 귀결되기 때문이다. 종래 기술에 따른 후자의 경우와는 달리, 이는 액정 내 전기장 세기를 유도하고 액정 분자들을 방향 바꾸기 위해서 전압이 종래 기술에 따른 장치에 적용될 필요가 있기 때문에, 본 발명에 따른 새로운 장치는 또한 0 전압 바이어스에서 작동한다. 게다가, 유기 감광 층은 실내 온도에서 용액으로부터 증착되기 때문에, 큰 면적의 연성 장치들은 원칙적으로 낮은 비용으로 개발될 수 있다. 본 발명에 따르면, 고온의 프로세싱을 피하는 것은 프로세싱 비용을 감소시키고 또한 OASLM들을 적용하는 새로운 기회들을 발생시켜야 한다. 0 바이어스에서 작동하는 본 발명에 따른 가능성은 장치의 전력 소비를 감소시키고 새로운 적용 기회들을 발생시킨다.
잠재적인 응용들은 예를 들어:
- 자가 적응적인 투명성을 갖는 창(유리);
- 빔 굴절 장치들(굴절율 격자를 통해);
- (고강도 입사광의 경우에 있어서 투명성이 감소된) 민감한 장치 보호
- (변색 안경들과 유사하지만 준-즉각적이고 완전히 가역적인 응답을 갖는) 보호 안경들;
- 광 세기로 제어되는 민감한 장비의 보호;
- 적응적인 광학 성분들(렌즈들, 파장판들 - 굴절율 격자들을 통해);
- 파장 선택적인 광 스위치들이다.
물론, 본 발명은 설명된 예들에 한정되지 않고 또한 본 발명의 범위를 초과하지 않으면서 다수의 보정들이 이 예들에 행해질 수 있다.
이전에 설명된 실시예들 모두의 변형들에 있어서:
- 본 발명에 따른 공간 광 변조기는, 액정 층(7)의 각 층 상에, 복수의 광 전지들(456)의 중첩을 포함한다. 이것은 예를 들어 실시예들(102 및 103)의 조합의 경우이고; 및/또는
- 각각의 전자-공여 분자의 전자 친화도와 이온화 전위 사이의 에너지 차는 3 eV보다 작거나 또는 크거나 및/또는 각각의 전자 수용 분자의 전자 친화도와 이온화 전위 사이의 에너지 차는 3 eV와 같거나 또는 이보다 작거나 또는 이보다 크다. 이것은 본 발명에 따른 변조기가 적외선 범위에서 작동하도록, 또는 가시광선에서 반-투명하도록 허용하고; 및/또는
- 감광 층(5)은 벌크 이질접합 대신 이중층(bi-layer)이다. 일반적으로, P3HT(또는 PCBM)의 제1 층이 증착되고, 그후 PCBM(또는 P3HT이 각각)의 제2 층이 증착되고; 및/또는
- 보충적인 정렬 층은 층(12)와 액정(7) 사이에 추가될 수 있고; 및/또는
- 전자 전도 층(4)은 또한 큰 갭 반도체(>3 eV)일 수 있고, 그 전도 밴드는 전자 수용 분자(A)의 LIMO에 근접하고: 예를 들어 ZnO의 얇은 층, 화학적 전구체들로부터 획득되는, 또는 TiO2; 및/또는
- 분자들(14 및/또는 15)은 특히 광전압(이로써 0 바이어스에서 장치(101, 102, 103)의 응답; 이 방식으로 단지 하나의 전지(456)로, 외부 편광의 기여 없이, 층(7)의 액정을 방향 바꾸기에 충분한 광도를 획득하는 것이 가능하고, 이로써 외부 편광의 부존재 시 복굴절에 있어서의 편차)을 향상시키기 위해 및/또는 그 스펙트럼 응답(통상 근적외선으로부터 자외선 광까지, 즉 10 nm 내지 1.4 ㎛ 사이에 포함되는 파장에 대하여)을 변형시키기 위해 변경될 수 있고; 전자 공여 분자들(D)은 예를 들어 (PCDTBT로 지칭되는) poly[N- 9'-heptadecanyl-2,7-carbazole-alt-5,5-(4,7-야2-thienyl-2',1',3'-benzothialdiazole]일 수 있고 및/또는 전자 수용 분자들(A)은 예를 들어 (ICBA로 지칭되는) 1'1,1",4',4"-Tetrahyldro-di[1,4]methanonaphthaleno[1,2:2',3',56,60:2",3"][5,6]fullerene-C60일 수 있고; 및/또는
- 편광기들(1, 11)은 특히 거기에 분산된 게스트 이색성 색소를 갖는 액정(특허 WO199906768 A1 참고)과 같은 층(7)이 "영리한" 액정을 포함한다면 선택적이고; 및/또는
- 기판(2 및/또는 10)은 다른 물질, 예를 들어 (PET로 지칭되는) 폴리에틸렌 테레프탈레이트 필름으로, 만들어질 수 있고; 및/또는
- 전도 층(3 및/또는 9)은 다른 물질, 예를 들어 PEDOT:PSS 필름으로만들어질 수 있고; 및/또는
- 전도 층(3 및/또는 9)은 특히 장치(101, 102, 103)이 0 바이어스 전압에서 작동하도록 설계된다면 및/또는 층들(2, 8, 10) 중 하나 또는 그 이상의 층이 전기 접지에 연결되거나 및/또는 전극으로 역할을 한다면 선택적이고; 본 발명에 따른 변조기는 전극(3) (바람직하게 다른 전극 없이) 또는 전극(9)(바람직하게 다른 전극 없이) 또는 전극들(3 및 9)(바람직하게 다른 전극 없이)을 포함할 수 있고 및/또는
- 층(4)은 다른 물질로, 예를 들어 ZnO로 또는 다른 고분자전해질(polyelectrolytes)로 만들어질 수 있고; 및/또는
- 층(6)은 다른 물질로, 예를 들어 MoO3로 만들어질 수 있고; 및/또는
- 층의 액정(7)은 다른 물질로, 특히 복굴절을 보여주는 네마틱 액정으로, 바람직하게 낮은 제어 전압을 갖는 액정으로 만들어질 수 있고; 층(7)의 액정은 예를 들어 (시클로헥산-플루오르화 바이페닐(cyclohexane-fluorinated biphenyls)과 플루오르화 테르페닐(fluorinated terphenyls)의 혼합물인) TL205 액정으로 만들어질 수 있고; 및/또는
- 층(8)은 다른 물질로, 예를 들어 폴리이미드로 만들어질 수 있고; 및/또는
- 전자-공여(D) 분자들 및 전자 수용(A) 분자들을 포함하는 감광 층(5)은 삼중 혼합물(ternary mixture)일 수 있고; 및/또는
- 층(13)은 다른 층(3, 2, 1) 또는 다른 층으로 융합될 수 있고; 및/또는
- 층(5)에서, 전자-공여 분자들(D, 15)과 전자 수용 분자들(A) 사이의 질량비는 1:3 내지 3:1 또는 다른 값들로 달라질 수 있다.
물론, 본 발명의 다른 특징들, 형태들, 변형들 및 실시예들은 양립될 수 없거나 또는 상호 배타적이지 않는 정도로 다양한 조합들로 서로 조합될 수 있다. 특히 상기에서 설명되는 변형들 및 실시예들은 서로 조합될 수 있다.

Claims (27)

  1. 액정 공간 광 변조기에 있어서,
    - 액정 분자들을 포함하는 액정 층(7),
    - 상기 액정 층(7)의 적어도 일 측 상에, 적어도 하나의 광 전지(456)를 포함하고, 각각의 광 전지(456)는 전자-공여(D) 분자들 및 전자 수용(A) 분자들을 포함하는 감광 층(5)을 포함하고, 각각의 광 전지(456)는 조명 하에서 자발적인 광전압을 위해 배치되고,
    상기 감광 층(5)은, 이 감광 층(5)의 조명 하에서, 상기 액정 분자들의 지향성을 변경하고 상기 액정 층(7)의 복굴절을 변형시키는, 상기 액정 층(7)을 지나는 전압 강하의 원천에 있도록 배치되는, 공간 광 변조기.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 전자-공여 분자들 및 전자 수용 분자들은 혼합된 상태에 있고 벌크 이질접합 층을 형성하는 것을 특징으로 하는, 공간 광 변조기.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 전자-공여 분자들은 유기 전자-공여 분자들인 것을 특징으로 하는, 공간 광 변조기.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전자 수용 분자들은 유기 전자 수용 분자들인 것을 특징으로 하는, 공간 광 변조기.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 광 전지(456)는, 상기 액정 층(7)의 적어도 일 측 상에, 복수의 광 전지들(456)의 중첩을 포함하는 것을 특징으로 하는, 공간 광 변조기.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 액정 층(7)의 각 측 상에, 적어도 하나의 광 전지(456)를 포함하는 것을 특징으로 하는, 공간 광 변조기.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 또는 각각의 또는 적어도 하나의 광 전지(456)는 내부 인터페이스 층(12)을 더 포함하고, 이 내부 인터페이스 층(12)은
    - 이 광 전지(456)의 상기 감광 층(5)과 접촉되고, 이 내부 인터페이스 층(12)은 상기 액정 층(7)과 이 감광 층(5) 사이에 위치되거나, 또는
    - 상기 액정 층(7)인 것을 특징으로 하는, 공간 광 변조기.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 내부 인터페이스 층(12)은 그 접촉하는 감광 층(5)으로부터 전자들의 전달보다 더 쉬운 그 접촉하는 감광 층(5)으로부터 전자 홀들의 전달을 위해 배치되는 전자 홀 전도 층(6)인 것을 특징으로 하는, 공간 광 변조기.
  9. 제 7 항 또는 제 8 항에 있어서, 상기의 광 전지(들)(456) 중 상기 또는 하나의 광 전지의 상기 내부 인터페이스 층(12)은
    - 상기 액정 층(7)과 접촉되고, 상기 내부 인터페이스 층(12)은 이 내부 인터페이스 층(12)과 상기 액정 층(7) 사이의 인터페이스에서 상기 액정 층(7)의 액정을 정렬하도록 배치되거나, 또는
    - 상기 액정 층(7)이고, 이 광 전지(456)의 상기 감광 층(5)은 이 감광 층(5)과 상기 액정 층(7) 사이의 인터페이스에서 상기 액정 층(7)의 액정을 정렬하도록 배치되는 것을 특징으로 하는, 공간 광 변조기.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 내부 인터페이스 층(12)은
    - 상기 액정 층(7)과 접촉되고, 소수성이거나, 또는
    - 상기 액정 층(7)이고, 이 광 전지(456)의 감광 층(5)이 소수성인 것을 특징으로 하는, 공간 광 변조기.
  11. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 또는 각각의 또는 적어도 하나의 광 전지(456)는 이 광 전지(456)의 상기 감광 층(5)과 접촉하는 외부 인터페이스 층(13)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 공간 광 변조기.
  12. 제 11 항에 있어서, 상기 외부 인터페이스 층(13)은 그 접촉하는 감광 층(5)으로부터 전자 홀들의 전달보다 더 쉬운 그 접촉하는 감광 층(5)으로부터 전자들의 전달을 위해 배치되는 전자 전도 층(4)인 것을 특징으로 하는, 공간 광 변조기.
  13. 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 또는 각각의 또는 적어도 하나의 광 전지(456)는
    - 제 7 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 따른 내부 인터페이스 층(12),
    - 제 11 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 따른 외부 인터페이스 층(13) 모두를 포함하고,
    주어진 감광 층(5)과 접촉하는 상기 내부 인터페이스 층(12)과 동일한 주어진 감광 층(5)과 접촉하는 상기 외부 인터페이스 층(13)은 서로 다른 물질들로 만들어지는 것을 특징으로 하는, 공간 광 변조기.
  14. 제 13 항에 있어서,
    - 상기 내부 인터페이스 층(12)과 상기 외부 인터페이스 층(13) 중 하나는 그 접촉 감광 층(5)으로부터 전자의 전달보다 더 쉬운 그 접촉하는 감광 층(5)으로부터 전자 홀의 전달을 위해 배치되는 전자 홀 전도 층(6)이고
    - 상기 내부 인터페이스 층(12)과 상기 외부 인터페이스 층(13) 중 다른 하나는 그 접촉 감광 층(5)으로부터 전자 홀의 전달보다 더 쉬운 그 접촉하는 감광 층(5)으로부터 전자의 전달을 위해 배치되는 전자 전도 층(4)인 것을 특징으로 하는, 공간 광 변조기.
  15. 제 14 항에 있어서, 상기 전자 전도 층(4)의 일 함수와 이 외부 인터페이스 층(13)과 접촉하는 상기 감광 층(5)의 각각의 전자 수용 분자의 전자 친화도 사이의 에너지 차의 절대 값은 0.2 eV와 같거나 또는 이보다 적은 것을 특징으로 하는, 공간 광 변조기.
  16. 제 14 항 또는 제 15 항에 있어서, 상기 전자 홀 전도 층(6)의 일 함수와 이 내부 인터페이스 층(12)과 접촉하는 상기 감광 층(5)의 각각의 전자-공여 분자의 이온화 전위 사이의 에너지 차의 절대 값은 0.2 eV와 같거나 또는 이보다 적은 것을 특징으로 하는, 공간 광 변조기.
  17. 제 1 항 내지 제 16 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 액정 층(7)은 상기 광 전지(들)(456)의 각각의 부분보다 더 높은 전기 저항을 가지는 것을 특징으로 하는, 공간 광 변조기.
  18. 제 1 항 내지 제 17 항 중 어느 한 항에 있어서, 각각의 전자-공여 분자의 이온화 전위와 전자 친화도 사이의 에너지 차는 3 eV와 같거나 또는 이보다 큰 것을 특징으로 하는, 공간 광 변조기.
  19. 제 1 항 내지 제 18 항 중 어느 한 항에 있어서, 각각의 전자 수용 분자의 이온화 전위와 전자 친화도 사이의 에너지 차는 3 eV와 같거나 또는 이보다 큰 것을 특징으로 하는, 공간 광 변조기.
  20. 제 1 항 내지 제 19 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전자-공여 분자들의 전자 친화도와 상기 전자 수용 분자들의 전자 친화도 사이의 에너지 차는, 전자-공여 분자와 전자 수용 분자의 한 쌍마다, 0.1 eV와 같거나 또는 이보다 크고, 바람직하게 0.3 eV와 같거나 또는 이보다 큰 것을 특징으로 하는, 공간 광 변조기.
  21. 제 1 항 내지 제 20 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전자-공여 분자들의 이온화 전위와 상기 전자 수용 분자들의 이온화 전위 사이의 에너지 차는, 전자-공여 분자와 전자 수용 분자의 한 쌍마다, 0.1 eV와 같거나 또는 이보다 크고, 바람직하게 0.3 eV와 같거나 또는 이보다 큰 것을 특징으로 하는, 공간 광 변조기.
  22. 제 1 항 내지 제 21 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전자 수용 분자들의 전자 친화도와 상기 전자-공여 분자들의 이온화 전위 사이의 에너지 차는, 전자-공여 분자와 전자 수용 분자의 한 쌍마다, 이하의 수식:
    IE(D) - EA(A)
    Figure pct00011
    V(Fredericks) x e + 0.3
    을 준수하고, 이때
    EA(A)는 eV로 표현되는 각각의 전자 수용 분자의 전자 친화도, IE(D)는 eV로 표현되는 각각의 전자-공여 분자의 이온화 전위이고, V(Fredericks)는 V로 표현되는, 상기 액정 층(7)의 액정의 프레데릭 임계 전압, e는 C로 표현되는 전자의 기본 전하인 것을 특징으로 하는, 공간 광 변조기.
  23. 제 1 항 내지 제 22 항 중 어느 한 항에 있어서, 각각의 전자-공여 분자의 이온화 전위는 5eV와 같거나 또는 이보다 큰 것을 특징으로 하는, 공간 광 변조기.
  24. 제 1 항 내지 제 23 항 중 어느 한 항에 있어서, 각각의 전자 수용 분자의 전자 친화도는 3.5 eV와 같거나 또는 이보다 큰 것을 특징으로 하는, 공간 광 변조기.
  25. 제 1 항 내지 제 24 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 액정 층(7)과 상기 적어도 하나의 광 전지(456)는 2 개의 편광기들(1, 11) 사이에 포함되는 것을 특징으로 하는, 공간 광 변조기.
  26. 제 1 항 내지 제 25 항 중 어느 한 항에 있어서, 각각의 광 전지(456)의 두께는 1 ㎛ 보다 작은 것을 특징으로 하는, 공간 광 변조기.
  27. 제 1 항 내지 제 26 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전자-공여 분자들과 전자 수용 분자들은 그 화학적 구조에 있어서 다른 것을 특징으로 하는, 공간 광 변조기.
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