KR100232147B1 - 편광소자 및 그의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 입사광의 입사면적의 증가에 의한 편광소자의 부피가 증가되는 단점을 해소함과 동시에 편광특성이 뛰어날 뿐만 아니라 반영구적인 수명을 지니는 편광소자 및 그의 제조방법을 제공함을 목적으로 하고 있다.
본 발명의 제 1 특징에 따르면, 편광소자는 특정한 성장방향을 가지는 이방성의 박막으로 이루어지는 복굴절성의 박막(Birefringent Film)과 등방성의 박막(Isotropic Film)의 교호다층막으로 투명기판위에 형성되는 편광박막을 가지는 것으로서 상기 복굴절성의 박막을 통과하는 빛의 전기장 운동방향이 성장방향과 동일한 경우의 박막굴절율과 성장방향과 90° 각도를 이루는 경우의 각 박막의 굴절율의 차이에 의해 편광분리 기능을 가진다.

Description

편광소자 및 그의 제조방법
본 발명은 편광소자 및 그의 제조방법에 관한 것으로, 특히 투명기판위에 특정 성장방향을 가지는 복굴절성의 이방성 박막과 등방성 박막을 교호적으로 증착하여 편광특성을 지니도록한 편광소자 및 그의 제조방법에 관한 것이다.
입사광을 편광시키는 편광소자로서는 일반적으로 편광 프리즘과 편광판이 사용되고 있다.
도 1은 종래 일반적으로 사용되는 편광 프리즘을 모식적으로 나타낸 것으로, 이 편광 프리즘은 입사면(1)과 입사면(1)에 45°로 경사지게 내부에 형성된 다층의 편광박막(2)을 가지는 그라스 재질의 프리즘(3, 3')으로 구성되어 있으며, 입사광(4)이 프리즘(3)의 입사면(1)에 수직입사한후 다층의 편광박막(2)을 45°로 입사하게 되면 편광박막(2)의 면과 평행하게 운동하는 전기장을 가진 S파(5)는 위로 향하게 되고, 상기 편광박막(2)의 면과 평행하게 운동하는 자기장을 가진 P파(6)는 프리즘(3')을 통하여 그대로 투과하게 된다.
또한 도 2는 LCD 패널에 많이 사용되는 폴리머(Polymer)필름의 재질로 구성된 편광판(7)을 나타낸 것으로, 편광되지 않는 입사광(8)이 입사하면 특정방향으로 편광된 광선(9)을 투과시키고 나머지는 편광판(7) 내부에서 흡수하게 된다.
그러나 상술한 편광 프리즘의 경우에는 반사 또는 투과되어 나오는 광의 편광특성이 양호하고, 편광프리즘의 열화에 의한 광학적 특성저하의 위험은 없으나, 입사광의 입사면적이 커질 경우 편광 프리즘의 부피가 증가하여 이 편광 프리즘을 채용하게될 광학부품 또는 광학시스템의 크기와 중량이 필요없이 증가하게 되어 상품으로써의 가치를 저하시킨다는 문제점이 있으며, 상술한 폴리머 재질로된 편광판의 경우에는 부피가 커지는 단점 및 광학박막 증착의 필요는 없으나 광흡수 및 약한 내환경성으로 인한 편광 특성저하 및 수명단축의 문제점이 있었다.
따라서 본 발명은 이와 같은 종래 기술의 문제점을 감안하여 발명한 것으로, 입사광의 입사면적의 증가에 의한 편광소자의 부피가 증가되는 단점을 해소함과 동시에 편광특성이 뛰어날 뿐만 아니라 반영구적인 수명을 지니는 편광소자 및 그의 제조방법을 제공함을 목적으로 하고 있다.
도 1은 종래의 편광 프리즘의 단면을 모식적으로 나타낸 도면,
도 2는 종래의 폴리머 필름의 재질로 구성된 편광판을 개략적으로 도시한 도면,
도 3은 본 발명의 편광소자의 단면을 모식적으로 나타낸 도면,
도 4는 본 발명의 편광소자의 편광현상을 설명하기 위한 도면,
도 5, 도 7은 본 발명의 편광소자를 제조하기 위한 장치의 단면을 모식적으로 나타낸 도면,
도 6는 본 발명의 편광소자에 있어서 분광특성을 나타낸 그래프이다.
도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1 : 입사면 2 : 편광박막
3, 3' : 프리즘 4, 8 : 입사광선
5 : 반사광 6 : 투과광
7 : 편광판 9 : 편광광선
11 : 투명기판 12 : 이방성 박막
13 : 등방성 박막 14 : 다층편광 박막
15 : 입사광선 16, 17 : 편광광선
18,24 : 이방성 박막의 증착방향 20 : 챔버
21, 26 : 홀더 22 : 비임 건
23, 34 : 용기 25 : 스퍼터링 타겟물질
27, 28 : MFC 30 : 고주파 파워 발생기
31 : RF 매칭 네트워크 32 : 셔터
본 발명의 제 1 특징에 따르면, 편광소자는 특정한 성장방향을 가지는 이방성의 박막으로 이루어지는 복굴절성의 박막(Birefringent Film)과 등방성의 박막(Isotropic Film)의 교호다층막으로 투명기판위에 형성되는 편광박막을 가지는 것으로서 상기 복굴절성의 박막을 통과하는 빛의 전기장 운동방향이 성장방향과 동일한 경우의 박막굴절율과 성장방향과 90° 각도를 이루는 경우의 각 박막의 굴절율의 차이에 의해 편광분리 기능을 가진다.
본 발명의 제 2 특징에 따르면, 상기 편광소자는 복굴절성의 이방성 박막과 등방성 박막이 금속재료를 사용하지 않고 모두 유전체 물질로 구성되며 이방성 박막과 등방성 박막은 동일 물질이거나 굴절율이 거의 같은 유전체 물질로 구성된다.
본 발명의 제 3 특징에 따르면, 편광소자의 제조방법은, 동일의 진공증착 챔버내에서 복굴절성의 이방성 박막과 등방성 박막을 투명기판위에 교호적으로 증착하여 제조하며, 상기 복굴절성 의 이방성 박막은 투명기판이 증발되는 유전체 물질의 증착방향이 투명기판의 박막증착면(광입사면)과 수직을 이루지 않고 약 40° 이하, 바람직하기로는 30° 이하의 각을 이룬 상태에서 형성되고 상기 등방성 박막은 투명기판의 증착면과 유전체 물질의 증착방향이 거의 수직을 이루도록 형성되며, 등방특성을 높이기 위해 투명기판을 회전시킨다.
이하 첨부도면에 근거하여 본 발명의 실시예에 대하여 상세히 설명한다.
본 발명에 따른 편광소자는 도 3에 도시된 바와 같이, 자외선 영역에서 투과특성이 양호한 석영의 투명기판(11)위에 복굴절성의 이방성 박막(12)과 등방성 박막(13)을 교호로 형성된 다층의 편광박막(14)으로 이루어져 있으며, 상기 복굴절성 박막(12) 및 등방성 박막(13)은 모두 λ/4(λ=300nm)의 광학적 두께(광학적 두께 = 박막의 굴절율×박막의 실제두께)이며, 이때 복굴절성 박막(12)의 경우는 통과하는 빛의 전기장을 운동방향이 성장방향과 동일한 평면상에 있는 경우의 박막굴절율을 기준으로 한 것이다.
또한 상기 복굴절성 박막(12) 및 등방성 박막(13)의 박막 재료는 모두 투명성의 유전체(예를들면 산화실리콘)이며 이들 박막(12),(13)은 동일재료(굴절율 동일)이거나 또는 굴절율이 거의 같은 것이면 된다.
이와 같이 구성된 본 발명에 의한 편광소자는 도 4에 도시된 바와 같이, 등방성 박막과 교호적으로 적층되어 다층 편광박막(14)을 이루는 복굴절성의 이방성 박막의 증착방향이 Y축과 θ(0<θ<30)만큼의 각을 이루고 있을 때, 편광되지 않은 광(15)이 편광박막(14)에 수직으로 입사하면 X축으로 편광된 광(16)은 투과되고 Y축 방향으로 편광된 광(17)은 반사된다.
이것은 특정한 성장방향(18)을 가지는 이방성 박막으로 되는 복굴절성의 박막에서 통과하는 빛의 전기장 운동방향이 성장방향과 동일한 평면상에 위치한 경우의 박막굴절율(nbH)과 성장방향과 90°의 각도를 이루는 경우의 박막굴절율(nbL)의 차이(단, nbH>nbL)에 의해 편광되기 때문이다.
도 6은, 본 발명의 도 3에 도시된 다층편광 박막을 가진 편광소자의 분광특성을 나타낸 그래프로, 도 4에서 도시한 X축 방향으로 편광된 광은 약 95% 이상의 투과율을 보이고 Y축으로 편광된 광은 파장범위 300±5nm에서 약 90% 이상의 반사율을 나타냄을 알수 있다.
한편, 본 발명의 편광소자의 제조방법에 대하여 설명하면 다음과 같다.
도 5는 본 발명의 편광소자를 제조하기 위한 제조장치의 단면을 모식적으로 나타낸 것으로, 고진공 상태를 형성하고 증착장비를 수용하기 위한 챔버(20)내에 투명기판(11)을 장착하고 캐소드 기능을 가진 홀더(21)와, 복굴절성의 박막을 투명기판(11)에 형성하기 위한 유전체 물질을 수용하는 용기(23) 및 상기 용기(23)내에 수용된 유전체 물질을 가열하여 증발시키기 위한 일렉트론 비임 건(Electron Beam Gun)(22)이 설치되어 있다.
상기 홀더(21)를 도시된 방향 (가)로 회전시킬수 있도록 상기 홀더(21)가 회전축(도시생략)에 장착되어 있으며, 상기 일렉트론 비임 건(22)에 의해 증발되는 유전체 물질의 증발방향(24)과 투명기판(11)의 박막증착면을 θ°, 예를들어 0<θ<30°,의 각도를 유지하도록 상기 회전축(도시생략)에 장착되어 있다.
그리고 상기 투명기판(11)에 스퍼터링 방식으로 증착하기 위해 상기 투명기판(11)과 평행하게 대향하여, 투명기판(11)에 등방성 박막을 형성하기 위해 스퍼터링 타겟(25)을 지지하기 위한 홀더(26)가 설치되어 있으며, 쳄버(20)의 일측 외부에는 챔버(20)내로 프라즈마를 형성하는 비활성 기체(Ar등)를 조절하여 공급하기 위한 MFC(Mass Flow Controller)(27)와, 산소(O2)를 쳄버(20)내로 조절하여 공급하기 위한 MFC(28)와 챔버(20) 내부를 고진공상태(약 1×10-5torr)로 유지시키기 위한 진공펌프(29)가 설치되어 있다.
그리고 다른 일측 외부에는, 상기 홀더(21)에 고주파(Radio Frequency) 파워를 제공하기 위한 고주파 발생기(30)와, 상기 고주파 출력을 매칭되게 조절하기 위한 RF 메칭 네트워크(31)가 설치되어 있으며 등방성 박막의 성막과 이방성 박막의 성막시 성막재료의 혼합을 방지하도록 셔터(32)가 설치되어 있다. 그리고 미설명 부호 24는 유전체 물질의 증발방향을 나타낸 것이다.
상기와 같은 진공증착 장비를 사용하여 본 발명의 제조방법에 대하여 설명하면 다음과 같다.
먼저 투명기판(11)은 홀더(21)에 장착함과 동시에 등방성 박막(13)을 이루는 유전체 물질 SiO2로 되는 스퍼터링타겟(25)을 홀더(26)에 장착시키고, 이방성 박막(12)을 이루는 유전체물질 SiO2(과립형태)를 용기(23)에 담은 후 진공펌프(29)를 이용하여 챔버(20)내를 약 10-5torr의 고진공 상태로 배기시킨다.
이방성 박막(12)의 증착방법을 보면, 우선 셔터(32)를 점선위치에서 실선으로 표시된 위치로 이동하여 고정시킨후 일렉트론 비임 건(22)를 사용하여 용기(23)내의 유전체 물질인 SiO2을 증발 시켜 투명기판(11)에 θ각도로 경사지게 SiO2막을 성장시켜 특정 방향으로 이방성인 복굴절 특성을 가지는 이방성 박막(12)이 형성된다.
이때에 투명기판(11)은 그의 증착면과 θ 각도로 유지하도록 고정되어야 하며, 회전하지 않고 특정방향(도면4의 x,y 및 θ방향)으로 항상 고정되어 있어야 한다. 이때의 성장두께(광학적 두께)는 λ/4 이며 투명기판(11)의 증착온도는 300°이상으로 하여 준다.
그리고 등방성박막(13)의 증착방법을 보면, MFC(27,28)를 조절하여 고진공상태의 챔버(20)내로 비활성기체(Ar등) 및 반응가스인 산소(O2)를 공급하고, 동시에 고주파 발생기(30)의 고주파 파워를 고주파 매칭 네트워크(31)로 조절하여 상기투명기판(11)에 인가함으로써 프라즈마 상태를 형성시킨다.
이때 투명기판(11)이 회전되도록 홀더(21)를 도시하지 않는 모터로 회전시키며 셔터(32)는 점선으로 표시된 위치로 고정한다.
이와 같이 형성된 프라즈마내의 비활성기체(Ar) 이온이 애노드쪽의 스퍼터링 타겟(25)과 충돌하여 떨어져나온 유전체 물질 Si와 O2의 이온이 캐소드의 역할을 하는 투명기판(11)으로 이동 증착하여 등방성 박막(13)을 형성한다.
이때의 투명기판(11)의 표면온도는 300℃ 이상으로 하여 주며, 증착되는 등방성 박막(Fb)의 광학적 두께는 λ/4(단, λ=300nm),로 되게 한다.
상기 등방성 박막(13)의 광학적 두께가 λ/4로 성장되면 등방성 박막의 성장을 중지하도록 고주파 발생기(30)의 구동을 중단함과 동시에 홀더(21)의 회전을 중지시키며 MFC(27, 28)로 비활성 기체(Ar)의 챔버내로의 주입을 중단한다.
상기와 같이 등방성 박막이 완료되면 상기 등방성 박막위에 다시 이방성 박막을 성막시켜, 교호적으로 이방성 박막과 등방성 박막을 반복 형성하여 다층의 편광막을 이룬다.
상기한 본 발명에 따른 편광소자의 제조방법에 의하면, 하나의 챔버내에서 이방성 박막과 등방성 박막의 성막을 교호적으로 행하기 때문에 제조장치의 설치비가 저렴할 뿐만 아니라 설치공간도 적으며, 또한 이방성 박막과 등방성 박막의 성막시에 동질의 유전체나 또는 굴절율이 동일 유사한 유전체를 사용하기 때문에 교호적으로 등방성 박막이나 또는 이방성 박막의 성막시에 바로 이전의 성막시 챔버내에 사용되고 남은 유전체 물질을 제거할 필요가 없으므로 박막의 제조시간이 크게 단축되고 제조공정도 간편하게 된다.
상기한 제조방법의 실시예에서는 등방성 박막의 성막은 스퍼터링 방법에 의해 제조하였으나, 도 7에 도시되어 있는 제조장치를 사용하여 스퍼터링 방법 대신 일렉트론 비임 건을 사용하여 등방성 박막을 제조하여도 된다.
즉, 스파터링 타겟(25)과, 에노드층으로 작동하고, 스파터링 타겟(25)을 지지하기 위한 홀더(26)와, 상기 투명기판(11)을 지지하는 홀더(21)에 고주파 파워를 공급하기 위한 고주파 발생기(30) 및 고주파 발생기(30)의 출력을 조절하여 매칭시키기 위한 고주파 매칭 네트워크(31), 그리고 프라즈마를 형성하기 위해 챔버내로 비활성 기체(Ar)를 제공하기 위한 MFC(27)로 형성하는 스파터링 증착장치 대신에, 유전체 물질(예를들어 SiO2)을 수용하는 용기(34)와, 상기 용기(34)내의 유전체를 증발시키기 위한 일렉트론 비임 건(33)을 설치하여, 등방성 박막형성시에 스퍼터링 방법 대신에 일렉트론 비임 건을 사용하도록 한 점이 다르며, 그 이외 구성부분은 전술한 실시예에서 사용한 제조장치와 동일하므로 이들 동일 구성부분에 대하여서는 동일 인용부호를 사용하여 이들에 대한 설명은 생략한다.
도 7에 도시된 장치를 사용하는 편광소자의 제조방법에는 먼저 셔터(32)를 점선과 같이 위치시킨후 투명기판(11)을 지지하고 있는 홀더(21)를 회전시키면서 일렉트론 비임 건(34)으로 용기(33)내에 수용되어 있는 SiO2를 증발 시켜 투명기판(11)에 등방성 박막(13)을 광학적 두께 λ/4로 되게 성막시킨다. 이때의 투명기판(11)의 온도는 300℃ 이상으로 하여 준다.
그후 일렉트론 비임 건(33)의 작동을 중지시킴과 동시에 홀더(21)의 회전을 중지시키고, 셔터(32)를 실선 위치로 이동시켜 고정한후, 일렉트론 비임 건(22)을 이용하여 용기(23)내에 수용되어 있는 SiO2를 증발 이온화시켜 투명기판(11)에 성막시킨다. 이때 투명기판(11)가 θ(0<θ<30)각도로 경사지게 지지되어 있으므로 유전체 물질의 성장방향은 투명기판(11)에 대하여 θ각도로 유지하게 되어 복굴절성의 이방성 박막(12)이 성막된다.
이때에도 성막두께는 광학적 두께로 λ/4 되게 하며 투명기판(11)의 증착온도도 300℃ 이상으로 하여 준다.
이와 같이 상기 투명기판(11)상에 이방성 박막(12)과 등방성 박막(13)을 교호적으로 성장시켜 다층막의 편광소자가 제조된다.
이상과 같이 본 발명의 편광소자는 투명기판상에 유전체 물질로 형성되는 등방성 박막과 역시 동일 유전체 물질이나 유사 굴절율을 가지는 유전체 물질로 형성되고 편광분리 기능을 가진 복굴절성의 이방성 박막을 교호적으로 적층하여 구성되므로써 부피가 커지는 단점이 없고 사용되는 유전체 재질 자체의 특성에 따라 기계적으로 견고하며, 또한 편광분리 기능이 광흡수에 의한 것이 아니라 광반사 및 광투과에 의하여 얻어지므로 광흡수로 인한 열화발생이 없어 내구성이 뛰어나 수명이 반영구적이며 편광효율도 매우 높을 뿐만 아니라 본 발명의 편광소자 제조방법에 있어서도 이방성 박막 및 등방성 박막의 성막이 동일 챔버내에서 행하여지기 때문에 제조장치가 콤팩트하여 장치의 제조비가 저렴하고 설치공간이 적으며, 또한 이방성 박막과 등방성 박막이 동일 재료나 유사 굴절율을 가지는 유전체 재료를 사용하기 때문에 하나의 박막완료후 다른 박막의 형성공정으로 옮길 때 챔버내의 잔류재료를 외부로 배출하여 제거할 필요가 없게 되어 제조시간이 대폭적으로 단축되는 등의 뛰어난 효과가 있다.

Claims (8)

  1. 투명성 기판위에 형성되는 제 1 방향으로 증착된 제 1 유전체층과,
    상기 제 1 유전체층위에 제 2 방향으로 증착된 제 2 유전체층이 교호적으로 적층되어 형성된 다층 편광박막을 포함함을 특징으로 하는 편광소자.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 방향은 상기 제 1 유전체층의 증착방향이 상기 투명기판의 증착박막의 증착면에 대하여 40°이하의 특정 방향이고, 상기 제 2 방향은 상기 제 2 유전체층의 증착방향이 상기 투명기판의 박막증착면에 대하여 실질적으로 수직으로 되는 방향으로서, 상기 제 1 유전체층은 편광 분리기능을 가진 복굴절성의 이방성 박막으로 형성하고 제2유전체층은 등방성 박막으로 형성됨을 특징으로 하는 편광소자.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 유전체층과 제 2 유전체층은 동일재료이거나 또는 굴절율이 동일 내지는 유사한 재료로 형성됨을 특징으로 하는 편광소자.
  4. 투명성 기판을 마련하는 단계와,
    상기 투명성 기판위에 제 1 방향으로 제 1 유전체층을 형성하는 단계와,
    상기 제 1 유전체층위에 제 2 방향으로 제 2 유전체층을 형성하는 단계와,
    상기 제 1 유전체층의 형성단계와 상기 제 2 유전체층의 형성단계를 교호적으로 반복 수행하여 다층형광 박막을 형성하는 단계를 구비함을 특징으로 하는 편광소자의 제조방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    제 1 유전체층은 그의 증착방향이 상기 투명기판의 박면 증착면에 대하여 40° 이하의 특정방향으로 증착되어 복굴절성의 이방성 박막을 형성하고, 제 2유체층은 그의 증착방향이 상기 투명기판의 박막 증착면에 대하여 실질적으로 수직으로 증착하여 등방성 박막을 형성하도록 함을 특징으로 하는 편광소자의 제조방법.
  6. 제 4 항 또는 제 5 항에 있어서,
    제 1 유전체층과 제 2 유전체층을 동일 재료이거나 또는 동일 내지 유사한 굴절율을 가지는 재료로 형성됨을 특징으로 하는 편광소자의 제조방법.
  7. 제 4 항에 있어서,
    제 1 유전체층은 동일 챔버내에서 일렉트론 비임 건을 이용하여 증착하고 제 2 유전체층은 스파터링에 의해 증착함을 특징으로 하는 편광소자의 제조방법.
  8. 제 4 항에 있어서,
    제 1 유전체층 및 제 2 유전체층은 동일 챔버내에서 모두 일렉트론 비임 건을 이용하여 증착함을 특징으로 하는 편광소자의 제조방법.
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