專利名稱：用于提高可調(diào)衍射光柵(tdg)調(diào)制器中使用的聚合物的表面電導(dǎo)率的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及基于全內(nèi)反射(TIR )原理的可調(diào)衍射光柵(TDG)光芯片領(lǐng) 域，如US 6,897,995所示例的。本發(fā)明更具體地涉湖于提高這樣的體中使 用的聚合物的表面電導(dǎo)率的方法。
背景技術(shù)：
TDG芯片應(yīng)用領(lǐng)域的例子是電信(光通信)(圖l)和顯示(圖2)。兩種 市場都越來m切地需要一種允許高產(chǎn)率批量生產(chǎn)從而向最終使用者提供新產(chǎn) 品和服務(wù)的有價(jià)格競爭力的技術(shù)。
TDG的工作原理是通過由基板上的電極施加的電場而對聚合物膜進(jìn)行表 面調(diào)節(jié)。TDG調(diào)制器的功能的細(xì)節(jié)在例如US 6,897,995中進(jìn)行了描述(詳見圖 3)。此聚合物可以是任何具有適當(dāng)?shù)呐蛎泟?swellingagent)的大分子網(wǎng)絡(luò)，或 合 1$ (elastomer)。到目前為止最有希望的聚合物系是^^;疑膠，更準(zhǔn)確 地，是聚二甲基硅繊(PDMS) 鵬，其例子由WO01/48531給出。
本發(fā)明涉及的TDG調(diào)制器，基于入射光在聚合物凝膨空氣界面上的全內(nèi) 反射。該結(jié)構(gòu)原理上不同于其它公知的基于夾在兩個(gè)電極 之間的可變形聚 合物的光調(diào)制器。有兩處原理上的不同 一個(gè)是光不透過該聚合物膜，另一個(gè) 是對于變形的物理學(xué)因素是不同的。
和光效率典型值為80-90%的金屬娜對比，基于全內(nèi)湖的光調(diào)制器具有 100%光效率的優(yōu)點(diǎn)。在高光通量的應(yīng)用環(huán)境中，小部分非g光將導(dǎo)致熱fi^ 生并M"調(diào)制器的結(jié)構(gòu)帶來額外的要求。在許多應(yīng)用中(例如電信和顯示)，激 勵(lì)裝置的光效率將是影響裝置總體質(zhì)量的決定性的參數(shù)。
從物理學(xué)的觀點(diǎn)來看，基于全內(nèi)反射的光調(diào)制器，可以由與在兩電極^S 之間的可郷材料(聚合物)構(gòu)造的光調(diào)制器相同的方程組描述，例如Uma等 人(正EE J. Sel. Topics in Quantum Elec., 10(3), 2004)、 Gerhard-Miilthaupt(Displays,Technol. Applicat, 12,115-128,蘭)等所描述的。
兩種類型之間的根本區(qū)別在于a) TIR調(diào)制器具有兩個(gè)異質(zhì)材料(空氣和 聚合物)，b)TIR調(diào)制器的聚合物/M^膜必須^t明的，以及c)g調(diào)制器中 的作用力來源于離散電荷，而在TIR調(diào)制器中，偶極子取向具有作用。
實(shí)際上，這些差異意歸礎(chǔ)調(diào)制器中的聚合物膜可以是任何可變形的種 類(包括例如非透明材料)，而對于TIR調(diào)制器，透明度和偶極子位錯(cuò)的重要性 是很明顯的。對本領(lǐng)域技術(shù)人員而言，顯然地，與艦調(diào)律幡相比，對基于HR 原理的光調(diào)制器中的聚合物膜有完全不同的要求。
動(dòng)態(tài)響應(yīng)，其定義為達(dá)到期魏伏振幅(reliefamplitude)的90%所需的時(shí) 間，和TDG調(diào)制器的靈驗(yàn)，其定義為施加的每一伏電壓導(dǎo)致的起伏振幅，這 兩個(gè)都是調(diào)制器操作的關(guān)鍵參數(shù)。這些參數(shù)通過調(diào)節(jié)凝膠的成分和幾何參數(shù)來 控制，例如凝膠的厚度和凝膠與電極之間的距離。要求何種時(shí)間常數(shù)將取決于 該TDG調(diào)制器的設(shè)計(jì)應(yīng)用。
PDMS繊鵬的性能來自于聚合體鏈的高度撓性，使得材料在寬鵬范 圍內(nèi)保持柔軟且可變形。通常硅氧院以及尤其是PDMS的一個(gè)公知的人為現(xiàn)象 是極低的電導(dǎo)率。PDMS經(jīng)常,純電介質(zhì)，且其性能在很寬的應(yīng)用范圍內(nèi)是 十瓶合的。
然而，這樣的低電導(dǎo)剩每在TDG調(diào)制器的操作期間導(dǎo)致不需要的效應(yīng)。特 別地，當(dāng)電荷的傳輸率低于凝膠膜的粘彈響應(yīng)時(shí)，可以看到與驅(qū)動(dòng)電壓和時(shí)間 有關(guān)的起伏振幅的復(fù)雜效應(yīng)。當(dāng)階躍電壓建立時(shí)，多個(gè)時(shí)間常數(shù)的存在可能在 TDG調(diào)制器的動(dòng)態(tài)操作中導(dǎo)致不期望的效應(yīng)。取決于其應(yīng)用，這些效應(yīng)可能是: 對電壓脈沖開始的過于慢的響應(yīng)、存儲效應(yīng)和雜散光
發(fā)明內(nèi)容
發(fā)明目的
本發(fā)明的主要目的是提供一種用于TDG調(diào)制器的聚合物膜，其中，的 聚合物膜的復(fù)雜行為被消除；結(jié)果是僅有一個(gè)適合于調(diào)制器的設(shè)計(jì)應(yīng)用的時(shí)間 常數(shù)。
因財(cái)發(fā)明的目的是提供用于提高用在TDG調(diào)制器中的硅敏聚合物的 表面電導(dǎo)率的方法，而不對聚合物膜的其它重要參數(shù)造成消極影響。
5發(fā)明，
大肝凝鵬TDG調(diào)制器中的f頓被充分地描述于例如US 6,897,995中。 其工作原理是非均質(zhì)的電場的形成對聚合物凝膠膜的表面產(chǎn)生作用力。以下對 基于TDG調(diào)制器的聚，膜的主要工作原Si^彌步描述(為了示意性說明請 參見圖3):
大^ MK被^S為棱鏡表面上的薄膜
M^表面以離電極基板的固定的給超巨離被安裝
電極被圖案化，假定平行電極交替連接
招鵬表面和電極鎌之上鵬其后粒偏壓
每隔一個(gè)電極施加信號電壓(或者對一個(gè)電極拖加正電壓，而對下一個(gè)
電,加負(fù)電壓)
從而形成不均勻的電場， 可 凝1$膜上產(chǎn)生作用力
凝膠膜根據(jù)電場進(jìn)行變形，假定空間表面調(diào)制由電極圖案確定且電壓施
加在該裝置上
根據(jù)最終應(yīng)用的需要，施加在表面上的調(diào)制對入射光進(jìn)行散射。如果表 面不被調(diào)制，夷P么入射光在凝膠和氣體間隙之間的界面上經(jīng)歷全內(nèi)反射。
由于在硅氧院的情況下，小的，非零的電導(dǎo)率主要來源于偶極子或者離子
電導(dǎo)，因此偏壓將在給定的時(shí)間之后出現(xiàn)在;鵬表面和電極繊之間。齢上， 電荷現(xiàn)在位于凝膠膜表面上。電荷傳輸和凝膠膜變形的組合效應(yīng)的圖解描述將
在圖5中給出。由于一瞎的表面電導(dǎo)率，)| "電荷傳輸￡#^ 表面，導(dǎo)致例
如在負(fù)電極之上的正電荷的累積，反之亦然。電荷的積累貝u將導(dǎo)致在凝膠膜上 作用力的增強(qiáng)，結(jié)果對起伏振幅帶來了額外的影響。對于硅氧烷凝膠，電荷傳 輸率有時(shí)候比凝膠對源自不均勻的電場的作用力的粘彈響應(yīng)要慢。這將再一次
導(dǎo)致多個(gè)時(shí)間常數(shù)。粘彈響應(yīng)明顯比電荷傳輸率快的一個(gè)例子展示于圖4中
第一響應(yīng)是表面電荷位移之前的粘彈響應(yīng)，第二響應(yīng)處于電荷傳輸率為決定性 的速率的^K態(tài)。
聚合物膜對施加的電場的粘彈響應(yīng)由例如儲肯^莫量(storage moduli)和損 耗模量(lossmoduli)確定，并且可以通過常規(guī)方法控制。
聚合物膜表面上的電荷位移率可以通過例如表面電導(dǎo)率來^。在許多情 形中，表面電導(dǎo)率與體電導(dǎo)率直接相關(guān)。然而，其它的因素，例如表面缺陷和雜質(zhì)也可以顯著地起作用，特別是在聚合物本身具剤艮低的電導(dǎo)率的情況下。
為了舉例說明當(dāng)在粘彈性的電荷傳輸率和TDG調(diào)偉幡的所需響應(yīng)之間存在沖突時(shí)會出現(xiàn)的問題，介紹以下情況
假定粘彈響應(yīng)比表面電荷傳輸率更快。如果TDG調(diào)制^t所需響應(yīng)時(shí)間與表面電荷傳輸率相沖突的狀態(tài)下工作，將有兩個(gè)明顯的問題
1) 由于受限的表面電荷傳輸率，沒有采用對于給定電壓的起伏振幅的全電勢，并且
2) 利用隨后的信號脈沖，電荷可以積累，導(dǎo)致調(diào)制器的存儲效應(yīng)，和作為時(shí)間函數(shù)的復(fù)雜的起伏振幅改進(jìn)(development)。
這些問題可能對調(diào)制器的電子驅(qū)動(dòng)帶來較高的要求，通常導(dǎo)致在顯示應(yīng)用中的雜散光和操作的不穩(wěn)定性。
對于基于UR原理的TDG調(diào)制器，增大聚合物膜或者聚合物膜表面的電 導(dǎo)率并非無關(guān)緊要。這與具有反射(金屬)表面的光調(diào)制器相反。在那些光調(diào) 制器中，反射表面同時(shí)作為反射鏡和用于控制周期表面變形(光柵)的電極。 反射表面(g鏡)是最常用的金屬。金屬由于其電導(dǎo)率而具有反射性。對于 TIR光調(diào)制器，增大聚合物膜的表面電導(dǎo)率或者體電導(dǎo)率，而不對目或， 射性能帶來負(fù)面影響并非不重要。簡單地對聚合物/空氣界面涂敷金屬將導(dǎo)致特 定的光吸收，這在一些應(yīng)用中是不希望有的。
本發(fā)明涉及控制用在基于全內(nèi)反射的TDG調(diào)制器中的聚合物膜的表面電 導(dǎo)率。介紹了增大聚合物膜表面的電導(dǎo)率而不消極地影響其它重要參數(shù)，例如 全內(nèi)反射、聚合物的透射率、調(diào)制器的靈敏度、和整體的動(dòng)態(tài)響應(yīng)的方法。


圖1顯示了如從現(xiàn)有技術(shù)(US 6,897,995)得知的可調(diào)衍射光柵(TDG)光 芯片的實(shí)施例，i) Mil, iO細(xì)節(jié)fiE上角。
圖2顯示了可調(diào)衍射光柵(TDG)光芯片作為其一部分的投影儀系統(tǒng)的實(shí) 施例。
圖3顯示了如US 6,897,995中例示的光調(diào)制器的實(shí)施例的截面。電極方向 垂直于紙面。假定Vl不等于V2并且Vbias不等于Vsubstote。
圖4顯示了聚合糊M階躍電壓的響應(yīng)，且兩個(gè)過程具有其自己的時(shí)間常數(shù)。
圖5示意地描述了初始的粘彈響應(yīng)以及隨后的電荷位移，繼之以對起伏振 幅的附加貢獻(xiàn)。
具體實(shí)施例方式
傳統(tǒng)地，在TDG調(diào)制器中，高^T凝膠被作為可變形材料，在非均勻電 場中被調(diào)制。該凝膠通常是聚二甲基硅氧烷凝膠、用線狀聚二甲基硅氧烷油膨 脹(swelled)的聚二甲基硅氧烷的交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，雖然其它的; 系統(tǒng)己有報(bào)道(例 如見W001/48531并且在此處引用)。
為了將1WTDG調(diào)制器對信號電壓動(dòng)態(tài)響應(yīng)的時(shí)間常數(shù)的數(shù)量減少為一 ^N"聚合物膜的粘彈響應(yīng)""聚合物膜表面上的電荷位移率必須比粘彈響應(yīng)快。 通常對于聚硅氧烷，并且特別地對于聚二甲基硅氧院，電導(dǎo)率極低。本發(fā)明涉 及多種提高聚合物膜的表面電導(dǎo)率而不負(fù)面地影響其它重要參數(shù)的方法。
1)表面電導(dǎo)率常常與體電導(dǎo)率直接相關(guān)， 一組實(shí)施例因此涉及改變交,
硅織的體電導(dǎo)率，mii以下實(shí)施例鄉(xiāng)脫明
i. 增加離子物質(zhì)的控制總量，例如
1. 有+臓的i族和n方繊鹽，例如安息雜、輔、月繊、酞^^。
2. 無機(jī)鹽
3. 陰離子和陽離子硅，化^i
ii. 增力口表面活性齊啲控制總量，例如1. 陰離子禾,離子有機(jī)表面活性劑，例如十二烷Mt勝內(nèi)、十二烷基磺酸 鈉(sodium dodecyl sulfonate)
2. 非離子型表面活性劑，例如聚(環(huán)氧乙烷)與例如聚苯乙烯的接枝共聚
物
3. 包含非離子型表面活性齊啲硅氧烷，例如聚(接枝-二甲基硅織，環(huán)氧 乙烷)等等。
4. 陰離子和陽離子硅^m面活性劑
iii. 在聚合物中引入^>量的多電子基團(tuán)(electron rich group )，或者為非交 糊質(zhì)(non-linkedsubstance),或者通過例如對氫硅烷基團(tuán)(hydrosilyl group)
進(jìn)行乙烯基加成反應(yīng)(氫化硅烷化)被包括在硅，聚合物中，實(shí)施例的例子是
1. 二甲基Zl^凝呷基苯基硅氧烷的共聚物
2. 包含多電子基團(tuán)例如F、 CN、 Cl、聚(環(huán)氧乙烷)等等的聚硅，
3. 乙烯基蒽、苯乙烯、氯苯乙烯、乙烯基二茂鐵(vinyl feirocene)、乙烯 基聯(lián)苯、乙烯基萘(naphtalene)等等。
iv. 引入少量增大體電導(dǎo)率的添加劑，例如水、酒精等等。
v. 引入導(dǎo)電的納米微粒例如Au和其它金屬、富勒烯(fUUerene)、涂有金 屬的硅石微粒等等。
2)在與蟲的生產(chǎn)步驟中直接改變聚硅織聚合物膜的表面電導(dǎo)率，M5i以
下實(shí)施例舉例說明
i.用導(dǎo)電聚^T凃敷聚合物表面，例如聚苯胺、聚吡咯、聚噻盼等
ii .吸附單層或多層聚合電解質(zhì)，例如聚烯丙胺鹽酸鹽(polyallylamine
hydrochloride^聚丙烯酸(金屬鹽)及其他
iii. 用例如Au、 Ag、 Al及其ftk^屬涂敷該聚合物表面
iv. 用導(dǎo)電金屬氧化物，例如氧化銦錫、氧化f將等涂敷該聚合物表面
v. 在聚合物表面上吸附電子、偶極子或離子導(dǎo)電物質(zhì)，例如
1. 陰離子和陽離子有機(jī)表面活性劑，例如十二烷S^勝內(nèi)、十二烷基磺酸
鈉
2. 非離子型表面活性劑，例如聚(環(huán)氧乙烷)與例如聚苯乙烯、山梨聚糖 表面活性劑(sorbitanesurfactant)、烷，(環(huán)氧乙烷)等等的接枝共聚物。
3. 包含非離子型表面活性齊啲硅氧烷，例如聚(接枝-二甲基硅繊，環(huán)氧 乙烷)等等。
4. 用例如聯(lián)苯、蒽、萘、苯基等的官能團(tuán)改性的聚硅織。
vi. 對聚合物表面進(jìn)^^離子體^射^S
vii. 用化學(xué)方法改變該聚合物表面，通過例如
1. 在該聚合物表面上使包含適當(dāng)?shù)幕钚曰鶊F(tuán)的功能化學(xué)物質(zhì)與例如殘余 的乙烯基、氫化物、環(huán)氧基進(jìn)行反應(yīng)
2. 使功能物質(zhì)與等離子體或輻射活化的表面進(jìn)行反應(yīng)。 對于包括表面改性的實(shí)施例的例子，重要的是獲得導(dǎo)電層厚度和電導(dǎo)率的
優(yōu)化組合，以具有足夠々子的電導(dǎo)率和最少的光損耗。最理想的電導(dǎo)率實(shí)際上是由聚合物膜的粘彈響應(yīng)確定的。例如，如果該粘彈響應(yīng)是lus，那么表面電阻 率應(yīng)該不大于5000MOhm，以使信號電壓脈沖開始之后電荷的位移比1 u s快。 也可考慮將上述的組1)和2)的過程g從而影響聚合物的體電導(dǎo)率和表 面電導(dǎo)率二者。
在所有過程中，基底聚合物是聚硅氧烷凝膠或合繊膠，包括聚二甲基硅 織，二甲基S^呷基苯基硅氧烷的共聚物，聚二乙基硅敏等等。
權(quán)利要求
1.一種用于提高用作可調(diào)衍射光柵(TDG)調(diào)制器中的可變形材料的聚合物的表面電導(dǎo)率而同時(shí)保持全內(nèi)反射(TIR)和透明度的方法，包括通過添加提高體電導(dǎo)率的成分來改變聚合物的體電導(dǎo)率。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中有機(jī)酸的I族和n族金屬鹽、無豐/M 陰離子型或陽離子型硅鄉(xiāng)化儲被添加至賺合物。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中對聚合^T添加表面活性劑。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中^>量的多電子基團(tuán)波添加至驟合物，作 為非交^/質(zhì)或被包括在聚合物中。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中少量的增大體電導(dǎo)率的添加劑，以7jC或酒 精的形式被添加到聚合物。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中導(dǎo)電納米微粒被添加。
7. —種用于提高用作可調(diào)衍射光柵(TDG)調(diào)制器中的可變形材料的聚合 物的表面電導(dǎo)率而同時(shí)保持全內(nèi)反射(UR)和透明度的方法，包括直接改變表 面層的電導(dǎo)率。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7的方法，其中聚儲表面涂有金屬。
9. 根據(jù)權(quán)利要求7的方法，其中聚合物表面涂有導(dǎo)電金屬氧化物，例如氧 化銦錫或氧化鈦。
10. 根據(jù)木又利要求7的方法，其中聚合物表面涂有導(dǎo)電聚合物。
11.根據(jù)權(quán)禾腰求7的方法，其中單或多層聚合電解質(zhì)被吸附在該聚糊表面上。
12. 根據(jù)權(quán)利要求7的方法，其中電子-、偶極子-、或傳導(dǎo)離子的物質(zhì)被吸 附在該聚合物表面上。
13. 根據(jù)權(quán)利要求12的方法，其中陰離子型或陽離子型表面活性劑被吸附 在該聚合物表面上。
14. 根據(jù)權(quán)利要求12的方法，其中非離子型表面活性劑被吸附在聚合物表 面上。
15. 根據(jù)權(quán)利要求12的方法，其中用官能團(tuán)改性的聚硅氧烷被吸附在該聚 合物表面上。
16. 根據(jù)權(quán)利要求7的方法，其中所述表面被等離子體鄉(xiāng)射處理。
17. 根據(jù)權(quán)利要求7的方法，其中聚合物表面受到化學(xué)改性。
18. 根據(jù)權(quán)利要求17的方法，包括在該聚合物表面上使包含活性官能團(tuán)的 功能化學(xué)物質(zhì)與殘余的乙烯基、氫化物、環(huán)氧基進(jìn)行反應(yīng)。
19. 根據(jù)權(quán)利要求17的方法，包括使功能物質(zhì)與等離子體或輻射活化的表 面進(jìn)行反應(yīng)。
20.—種用于提高用作可調(diào)衍射光柵(TDG)調(diào)制器中的可變形材料的聚合 物的表面電導(dǎo)率而同時(shí)保持全內(nèi)反射(TIR)和透明度的方法，包括通迚添加提 高體電導(dǎo)率的成分以及直接改變表面層的電導(dǎo)率來改變聚合物的體電導(dǎo)率。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于提高可調(diào)衍射光柵(TDG)調(diào)制器中使用的聚合物的表面電導(dǎo)率并同時(shí)保持全內(nèi)反射(TIR)和透明度的方法。
文檔編號G02BGK101322061SQ200680045631
公開日2008年12月10日 申請日期2006年12月6日 優(yōu)先權(quán)日2005年12月6日
發(fā)明者G·赫丁, L·亨德里克森, M·埃利亞森, V·卡塔索夫 申請人:珀萊特公司