KR100493294B1 - 액정 광학 스위치 소자 - Google Patents

Abstract

본 발명은 액정 광학 스위칭 소자에 관한 것으로, 특히 콜레스테릭 액정 필름(cholesteric liquid crystal film)을 도입하고, 적절한 셀 설계를 통한 고효율의 액정 광 스위치에 관한 것이다. 이와 같은 본 발명에 따른 액정 광학 스위칭 소자는 액정박막을 이용한 편광 분리부와, 상기 편광된 파들이 액정 셀의 전압인가 여부에 따라 동작하는 모듈레이션부와, 상기 모듈레이션 된 파의 방향을 결정하는 조합부로 구성된다.

Description

액정 광학 스위치 소자{Liquid crystal optical switching device}

본 발명은 액정 광학 스위칭 소자에 관한 것으로, 특히 콜레스테릭 액정 필름(cholesteric liquid crystal film)을 도입하고, 적절한 셀 설계를 통한 고효율의 액정 광학 스위칭 소자에 관한 것이다.

최근 통신(telecommunication) 분야에서, 크기는 작으면서 많은량의 정보를 운반할 수 있는 광섬유(optical fiber)의 도입으로 기술적인 변화들이 빠르게 일어나고 있는데, 신호들의 광 투과 이용에 따라 투과된 신호의 조절을 위하여 필수적인 것이 광 스위치이다.

과거에는 쉽게 노화되는 무빙 파트(moving parts)와 높은 구동 전압을 가지는 기계적인 스위치들이 사용되었지만 많은 단점들로 인해 점차 사용이 줄어들고 있는 추세이다.

따라서 이러한 단점들을 개선하기 위하여 최근에 가장 폭 넓게 온도 광학 스위치(thermo-optical switch)와 더불어 액정 광 스위치 소자가 이용되고 있으며, 초기 제품이 시장에 선보이고 있다.

하지만 이들 역시 고가이며 대량생산의 어려움이 있고 내부 크로스 토크(cross talk), 라이트 스캐터링(light scattering)에 따른 시그널 로스(signal loss), 광 패스의 부정확함으로 광 통신 시스템에는 실용적이지 못하였다.

또한, 지금까지 알려진 대부분의 액정 광 스위치에서는 편광 분리/조합 기능으로 수직 배열된 얇은 액정 셀(homeotropically aligned slide liquid crystal cell) 또는 자기 배열된 액정 빔 분리기(self-aligned liquid crystal beam splitter) 뿐만 아니라, 다층 유전 코팅된 빔 스프리터(Multi-layer dielectric coated beam splitter)를 이용해 왔다.

이들 장치들은 고가일 뿐만 아니라 제작상의 어려움이 있어 상용화 시스템에 도입하는 데는 한계가 있는 문제점이 있다.

따라서, 본 발명의 목적은 이상에서 언급한 종래 기술의 문제점을 감안하여 안출한 것으로서, 콜레스테릭 액정 필름을 도입하여 고속구동이 가능한 액정 광학 스위칭 소자를 제공하기 위한 것이다.

이상과 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 구조 특징에 따르면, 입사되는 광의 좌원편광과 우원 편광을 분리하여 하나의 파는 투과되고 다른 하나의 파는 반사되는 액정박막을 이용한 편광 분리부와, 상기 편광된 광의 편광 방향을 전압인가 여부에 따라 변화시키는 반사형 모듈레이션부와, 하나의 셀로 구성되어 상기 광의 진행 방향을 결정하는 조합부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.상기 액정박막은 콜레스테릭 또는 chiral nematic 액정인 것을 특징으로 한다.상기 반사형 모듈레이션부에서 편광된 광의 전반사가 일어나는 것을 특징으로 한다.상기 반사형 모듈레이션부는, 두개의 글래스 커버 사이에 안티 리플렉션 코팅이 형성되고, 그 내부에 액정 배향을 위한 배향막 처리된 액정물이 주입된 구조를 갖는 것을 특징으로 한다.상기 글래서 커버 중 하나에는 반사 물질 전극이 형성된 것을 특징으로 한다.

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이하 본 발명의 바람직한 일 실시 예에 따른 구성 및 작용을 첨부된 도면을 참조하여 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 액정 광학 스위치 소자로 반사형의 액정 셀을 나타낸 도면이다.

도 1를 참조하면, ITO와 같은 전극 물질이 형성되어 있는 두 개의 글래스 커버(glass cover)사이에, 적절한 굴절율이 매칭(matching) 되어 있는 안티 리플렉션 코팅을 형성하고, 그 내부에 액정 배향을 위한 배향막처리를 행하여 설계된 액정물질(높은 굴절율 이방성 액정)을 주입한 구조로 형성되어 있다.

그러나 반사형의 경우 한쪽 글래스 커버에는 광을 반사시키기 위하여 반사 물질 전극(14)이 형성되어 있다.

또한 이러한 다층막의 굴절율을 적절히 매칭함으로써 인터널 스캐터링에 의한 광 로스를 최소화 할 수 있도록 설계한다.

그리고, 사용 가능한 액정 모드로서는 90도 TN 및 VAN 모드 모두 가능하고 적절한 설계에 따라 최적화 되어지고, 반사형 액정 셀 내에서 반사가 일어나므로 프리즘에서 전반사가 일어나도록 설계할 필요가 없는 장점도 있다.

도 2는 도 1에 따른 반사형 액정 광학 스위치 소자의 제 1 실시예이다.

도 2를 참조하면, 1*2 반사형 액정 광학 스위치로, 입력부의 광 파이버(optical fiber)에 의해 광원이 스위치에 도입되면, 우선 콜레스테릭 액정 레이어에 의해 좌원편광과 우원편광이 분리되어 특정 한 파는 반사되고 다른 한 파는 투과하게 된다.

상기 분리된 두 파는 액정 셀에 배치된 1/4 웨이브 플레이트를 거치면서 선편광(linear polarization))으로 전환되어 상기 반사형 액정 셀을 통해서 전압인가 여부에 따라 모듈레이션이 일어나게 된다.

즉, 90도 TN액정 셀일 경우 전압이 인가되지 않았을 경우 P파는 S파로 S파는 P파로 전환되지만 전압이 인가된 경우 편광변화가 없게 된다.

따라서, 상기 모듈레이션 된 빛은 다시 한번 콜레스테릭 액정 레이어를 거쳐 합쳐(combine)지게 되는데, 이때 모듈레이션 여부에 따라 빛의 출력 방향이 결정되게 된다.

즉, 상기 액정 셀에 전압이 인가되지 않는 경우에는 편광변환에 따라 b 와 같이 제 2 출력부로 빛이 향하게 되고, 액정 셀에 전압이 인가되어 빛의 편광 성분이 바뀌지 않는 경우에는 제 1 출력부로 빛이 향하게 된다.

도 3은 도 1에 따른 반사형 액정 광학 스위치 소자의 제 2 실시예이다.

도 3을 참조하면, 2*2 액정 광학 스위치 소자로 동작 원리는 상기 도 2와 동일하지만, 입력부가 하나 더 늘어난 2*2 스위치로서 예를 보여주고 있다.

도 2의 1*2 스위치에서는 하나의 스위치로 2가지의 경로로만 스위칭이 가능하지만 2*2 스위치의 경우는 하나의 스위치로 4가지의 경로로 스위칭이 가능하게 된다.

제 1 입력부에서 입사된 빛은 각각 모듈레이션 여부에 따라 제 1 출력부 또는 제 2 출력부로 향하게 되고, 제 2 입력부에서 입사된 빛, 역시 모듈레이션 여부에 따라 제 1 출력부 또는 제 2 출력부로 각각 향하게 된다.

이 경우 쌍방향 스위칭 역시 가능함을 내포한다.

도 4는 본 발명에 따른 액정 광학 스위치 소자로 투과형 액정 셀을 나타낸 도면이다.

도 4를 참조하면, ITO(굴절율이 약 2.0)와 같은 전극물질이 코팅된 두 개의 글래스 커버 사이에 적절한 굴절율(약 1.8)이 매칭되는 안티 리플렉션 코팅을 형성하고, 그 내부에 액정배향을 위한 배향처리막을 행하여 설계된 액정 물질(굴절율이 약 1.55)을 주입한 구조로 형성된다.

이러한 다층막의 굴절율을 적절히 매칭함으로서 내부 스케터링(scattering)에 의한 광 로스를 최소화할 수 있다.

또한, 액정 광 스위치에서는 고속 스위칭이 요구되므로 투과형 타입의 액정 셀인 경우 고속응답을 위해 얇은 셀 갭을 추구할 필요가 있는데 패턴 스페이서(patterned spacer)를 이용하여 정확하게 원하는 얇은 셀 갭을 확보할 수 있다.

사용 가능한 액정 모드로서는 90도 TN 및 VAN 모드 모두 가능하고 저절한 설계에 따라 최적화 되어질 수 있다.

도 5는 도 4에 따른 투과형 액정 스위치 소자의 제 1 실시예이다.

도 5를 참조하면, 1*2 투과형 액정 스위치 소자로 입력부의 광 파이버에 의해 광원이 스위치에 도입되면, 우선 콜레스테릭 액정 레이어에 의해 좌원편광과 우원편광이 분리되어 특정 한파는 반사되고, 다른 한 파는 투과하게 된다.

상기 분리된 두 파는 액정 셀에 배치된 λ/4플레이트를 거치면서 선편광으로 전환되어 투과형 액정 셀을 통해서 전압인가 여부에 따라 모듈레이션이 일어나게 된다.

즉 90 TN 액정 셀인 경우 전압이 인가되지 않을 경우, P파는 S파로, S파는 P파로 전환되지만, 전압이 인가된 경우 편광 변화가 없게 된다.

따라서, 모듈레이션 된 빛은 각 프리즘에서 내부 전반사를 거쳐 다시 한번 콜레스테릭 액정 레이어를 거쳐 합쳐지게 되는데 이 때, 모듈레이션 여부에 따라 빛의 출력 방향이 결정되게 된다.

즉 액정 셀에 전압이 인가되지 않은 경우에는 편광변환에 따라 2번 출력부로 빛이 향하게 되고 액정 셀에 전압이 인가되어 빛의 편광성분이 바뀌지 않은 경우에는 1번 출력부로 빛이 향하게 된다.

도 6은 도 4에 따른 투과형 액정 스위치 소자의 제 2 실시예이다.

도 6을 참조하면, 기본 동작원리는 도 5와 동일하지만, 다만 입력부가 하나 더 늘어난 2*2 스위치로, 도 5의 1*2 스위치에서는 하나의 스위치로 2가지의 경로로만 스위칭이 가능하지만, 2*2 스위치의 경우는 하나의 스위치로 4가지의 경로로 스위칭이 가능하게 된다.

제 1 입력부에서 입사된 광은 각각의 모듈레이션 여부에 따라 제 1 출력부 또는 제 2 출력부로 향하게 되고, 제 2 입력부에서 입사된 광, 역시 모듈레이션 여부에 따라 제 1 출력부, 제 2출력부로 각각 향하게 된다.

이 경우 쌍방향 스위칭 역시 가능함을 내포한다.

이상의 설명에서와 같이 본 발명은 콜레스테릭 액정 필름 레이어를 도입함으로, 소자 제작이 간편하고 비교적 저가로 대량생산이 가능한 효과를 볼수 있고, 고속 스위칭 뿐만 아니라 내부 스케터링 로스를 최소화 할 수 있고, 프리즘 내부에서 전반사가 일어나도록 설계할 필요도 없다.

이상 설명한 내용을 통해 당업자라면 본 발명의 기술 사상을 일탈하지 아니하는 범위에서 다양한 변경 및 수정이 가능함을 알 수 있을 것이다.

따라서, 본 발명의 기술적 범위는 실시예에 기재된 내용으로 한정하는 것이 아니라 특허 청구 범위에 의해서 정해져야 한다.

도 1은 본 발명에 따른 액정 광학 스위치 소자로, 반사형의 액정 셀을 나타낸 도면

도 2는 도 1에 따른 액정 광학 스위치 소자의 제 1 실시예를 나타낸 도면

도 3은 도 1에 따른 액정 광학 스위치 소자의 제 2 실시예를 나타낸 도면

도 4는 본 발명에 따른 액정 광학 스위치 소자로, 투과형 액정 셀을 나타낸 도면

도 5는 도 4에 따른 액정 광학 스위치 소자의 제 1 실시예를 나타낸 도면

도 6은 도 4에 따른 액정 광학 스위치 소자의 제 2 실시예를 나타낸 도면

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*

11 : 커버 글래스 12 : 반사방지층(Anti-Reflective coating)

14 : 반사전극 15 : ITO

Claims (6)

1. 입사되는 광의 좌원편광과 우원 편광을 분리하여 하나의 파는 투과되고 다른 하나의 파는 반사되는 액정박막을 이용한 편광 분리부;

   상기 편광된 광의 편광 방향을 전압인가 여부에 따라 변화시키는 반사형 모듈레이션부; 그리고,

   하나의 셀로 구성되어 상기 광의 진행 방향을 결정하는 조합부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 액정 광학 스위치 소자.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 액정박막은 콜레스테릭 또는 chiral nematic 액정인 것을 특징으로 하는 액정 광학 스위치 소자.
3. 삭제
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 반사형 모듈레이션부에서 편광된 광의 전반사가 일어나는 것을 특징으로 하는 액정 광학 스위치 소자.
5. 제 1 항에 있어서, 상기 반사형 모듈레이션부는,

   두개의 글래스 커버 사이에 안티 리플렉션 코팅이 형성되고, 그 내부에 액정 배향을 위한 배향막 처리된 액정물이 주입된 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 액정 광학 스위치 소자.
6. 제 5 항에 있어서,

   상기 글래서 커버 중 하나에는 반사 물질 전극이 형성된 것을 특징으로 하는 액정 광학 스위치 소자.