KR100780406B1 - 유전체 박막의 기둥 미세구조를 이용한 위상지연판의구조와 제작방법 - Google Patents

유전체 박막의 기둥 미세구조를 이용한 위상지연판의구조와 제작방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 유전체 박막의 기둥 미세구조를 이용한 위상지연판의 구조와 제작방법에 관한 것으로, 물리증기 증착법을 이용하되, 유전체 물질을 경사입사각으로 증착하여 기둥 미세구조를 가지는 박막의 광학적 복굴절성을 이용하고, 위상지연판의 광투과도를 향상시키기 위하여 등방적인 광학 특성을 갖는 저굴절률층을 사용함으로써 제작이 간단하고, 열에 안정적이며, 변형에 강할 뿐만 아니라, 투과율이 우수하고, 넓은 면적으로 응용이 가능한 유전체 박막의 기둥 미세구조를 이용한 위상지연판의 구조와 제작방법을 제공하기 위한 것으로서, 그 기술적 구성은 유전체 박막의 기둥 미세구조를 이용한 위상지연판의 제조방법에 따른 위상지연판의 구조에 있어서, 유리 또는 고분자로 이루어지는 기판; 상기 기판의 상부에 증착되는 비등방 박막층; 및 상기 비등방 박막층의 외측에 증착되어 특정 파장 영역에서의 투과를 증가시키고, 비등방 박막층을 보호하기 위한 등방 박막층; 을 포함하는구조로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
위상지연판, 기둥 미세구조, 비등방 박막층, 등방 박막층, 기판, 투과율

Description

유전체 박막의 기둥 미세구조를 이용한 위상지연판의 구조와 제작방법{Fabrication method and structure of retardation plate using a columnar micro-structured dielectric thin films}
도 1은 일반적인 복굴절률을 갖는 매질에서의 빛의 진행을 개략적으로 나타내는 도면,
도 2는 본 발명에 의한 유전체 박막의 기둥 미세구조를 이용한 위상지연판의 제작을 위한 경사입사 증착법을 개략적으로 나타내는 도면,
도 3은 본 발명에 의한 유전체 박막의 기둥 미세구조를 이용한 위상지연판에서 경사입사 증착법으로 증착한 박막의 증발 물질의 입사 방향과 기둥의 성장 방향을 개략적으로 나타내는 도면,
도 4는 본 발명에 의한 유전체 박막의 기둥 미세구조를 이용한 위상지연판에서 경사입사 증착법으로 증착한 TiO2 박막의 SEM 단면 이미지를 나타내는 도면,
도 5는 본 발명에 의한 유전체 박막의 기둥 미세구조를 이용한 위상지연판의 경사입사각에 따른 TiO2 박막의 투과 스펙트럼을 나타내는 도면,
도 6은 본 발명에 의한 유전체 박막의 기둥 미세구조를 이용한 위상지연판의 경사입사각에 따른 TiO2 박막의 굴절률을 나타내는 도면,
도 7은 본 발명에 의한 유전체 박막의 기둥 미세구조를 이용한 위상지연판의 경사입사각에 따른 TiO2 박막의 SEM 표면 이미지를 나타내는 도면,
도 8은 본 발명에 의한 유전체 박막의 기둥 미세구조를 이용한 위상지연판에서 박막의 미세구조를 조절하기 위한 경사입사 증착법을 개략적으로 나타내는 도면,
도 9는 본 발명에 의한 유전체 박막의 기둥 미세구조를 이용한 위상지연판에서 증착된 다양한 기둥 미세구조의 박막 SEM 단면 이미지를 나타내는 도면,
도 10은 본 발명에 의한 유전체 박막의 기둥 미세구조를 이용한 위상지연판에서 미세구조에 따른 박막의 비등방 굴절률을 나타내는 도면,
도 11은 본 발명에 의한 유전체 박막의 기둥 미세구조를 이용한 위상지연판의 다양한 미세구조를 갖는 위상지연판의 SEM 단면 이미지를 나타내는 도면,
도 12는 본 발명에 의한 유전체 박막의 기둥 미세구조를 이용한 위상지연판의 경사구조를 갖는 위상지연판의 위상차를 나타내는 도면,
도 13은 본 발명에 의한 유전체 박막의 기둥 미세구조를 이용한 위상지연판의 지그재그구조를 갖는 위상지연판의 위상차를 나타내는 도면,
도 14는 본 발명에 의한 유전체 박막의 기둥 미세구조를 이용한 위상지연판에서 미세구조에 따른 위상지연판의 파장에 따른 위상차를 나타내는 도면,
도 15는 본 발명에 의한 유전체 박막의 기둥 미세구조를 이용한 위상지연판 에서 미세구조에 따른 위상지연판의 파장에 따른 투과율을 나타내는 도면,
도 16은 본 발명에 의한 유전체 박막의 기둥 미세구조를 이용한 위상지연판의 구조적 특징을 개략적으로 나타내는 도면.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
10 : 위상지연판,
11 : 기판,
13 : 비등방 박막층,
15 : 등방 박막층.
본 발명은 유전체 박막의 기둥 미세구조를 이용한 위상지연판의 구조와 제작방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 물리증기 증착법을 이용하되, 유전체 물질을 경사입사각으로 증착하여 미세구조를 조절함으로써 광학적 복굴절성이 큰 박막을 증착하는 방법과 위상지연판의 광투과도를 향상시키기 위하여 등방적인 광학 특성을 갖는 저굴절률층을 사용함으로써 제작이 간단하고, 열에 안정적이며, 변형에 강할 뿐만 아니라, 투과율이 우수하고, 넓은 면적으로 응용이 가능한 유전체 박막의 기둥 미세구조를 이용한 위상지연판의 구조와 제작방법에 관한 것이다.
일반적으로, 위상지연판은 광학적 복굴절을 이용하여 투과광에 대한 위상차가 π/2 혹은 π가 되도록 두께를 조절하여 제작된다.
이렇게 제작된 위상지연판은 선형 편광된 빛을 원 편광으로 변환시키거나, 선형 편광된 빛을 90°로 회전시키는 역할을 하게 된다.
이러한 광학 위상지연판은 액정 표시장치, 광학 아이솔레이터(Optical Isolator), 광 픽업장치, 레이저 공진기, 광 통신소자, 발광소자, 광 연산소자, 플라즈마 표시장치 등 편광 성분을 제어하는 다양한 광학 기기에 널리 사용된다.
여기서, 광학 위상지연판은 도 1에서 도시하고 있는 바와 같이, x 방향과 y방향에 대하여 선형으로 편광된 빛에 대해 nx 와 ny 의 서로 다른 굴절률을 가지는 이등방(복굴절) 물질을 이용한다.
이때, 물질 내에서의 x 방향과 y 방향으로의 빛의 전파 속도는 υx = c0 / nx 와 υy= c0 / ny 로 서로 다르게 된다.
그러므로 입사하는 빛의 위상이 같아도 위상지연판을 지나 투과된 빛에 위상차가 생기게 된다.
이때, x 방향과 y 방향으로 선형 편광된 빛의 광경로차는
△l = d(nx - ny) [식 1]
가 되고, 이것에 대응하는 위상차(Retardation)를 △φ라고 하면,
△φ = (2πd/λ)(nx - ny) [식 2]
가 된다.
따라서, x 방향과 y 방향으로 선형 편광된 빛에 대한 위상차는 x 방향과 y 방향의 굴절률차(nx - ny)와 두께 d에 의해 결정된다.
이와 같이, 광학 위상지연판은 방향에 따라 다른 굴절률을 가지는 비등방 물질을 이용하며, [식 2]를 만족하는 두께로 제작함으로써 위상차가 π/2 혹은 π가 되도록 하는 광학소자이다.
이러한, 종래의 위상지연판의 제조방법은 광학 결정을 이용하는 방법과 액정을 이용하는 방법 및 고분자를 이용하는 방법들을 통하여 제작한다.
여기서, 광학 결정을 이용하여 위상지연판을 제작하는 방법은 복굴절 특성을 가지는 광학 결정을 특정한 각도로 가공한 뒤 위상차가 π/2 혹은 π가 되는 두께로 잘라서 연마하는 방법이다.
상술한 바와 같이, 광학 결정을 이용하여 위상지연판의 제조방법은 광학 결정의 가공 및 연마가 어렵다는 문제점이 있을 뿐만 아니라, 광학 결정을 성장시켜야 하는 문제점이 있으며, 크기에 제한을 받으므로 넓은 면적의 위상지연판을 제작하기가 어렵다는 문제점과 이로 인해 제조 및 제작 단가가 상승된다는 문제점이 있었다.
한편, 액정을 이용하여 위상지연판을 제작하는 방법은 광배향막과 액정을 사용하여 위상지연판을 제작하는 방법과 액정 디스플레이에 사용될 수 있는 위상지연판을 제작하는 방법이 대한민국 특허 제2002-0068195호 및 제2000-0022649호에 제안되었으며, 이때 액정의 복굴절을 이용한다.
상술한 바와 같이, 액정을 이용하여 위상지연판을 제작하는 방법은 액정의 정렬 방향에 의해 나타나는 복굴절을 이용한다.
이때, 액정의 방향성을 유지하기 위한 방법으로는 기판을 물리적 러빙(Rubbing), 광배향 그리고 전기장을 걸어주는 방법을 사용한다.
여기서, 러빙을 이용하여 위상지연판을 제작하는 경우, 넓은 면적에 대해 균일한 러빙이 어려운 단점이 있으며, 광배향 방법을 사용하여 위상지연판을 제작하는 경우, 광배향을 위한 물질의 코팅 과정과 선형 편광된 자외선을 조사하는 과정 그리고 이를 경화시키는 과정 등 제조방법이 복잡하다는 단점이 있었다.
또한, 전기장을 가하여 위상지연판을 제작하는 경우, 전기장을 인가하기 위한 전극 기판을 제작하여야 하고, 별도의 외부장치를 필요로 하기 때문에 전체적인 부피가 증가한다는 문제점이 있었다.
특히, 액정을 이용한 위상지연판의 경우, 온도에 의해 액정의 복굴절률이 달라지므로 온도에 따른 위상차의 변화가 발생되는 문제점이 있으며, 액정의 두께를 일정하게 유지하기 위하여 적어도 2개 이상의 기판을 사용하기 때문에 기판과 기판 사이의 두께를 일정하게 유지하는데 어려움이 있다.
여기서, 고분자를 이용하여 위상지연판을 제작하는 방법은 고분자를 중합한 공중합체를 제작한 후 이를 연신하여 위상지연판을 제작하는 방법이 대한민국 특허 제2002-0086242호와 2002-0022725호 및 EP-0-287-667-A1호에 제안되었다.
또한, 고분자 혼합물을 제작하고, 이를 연신하거나, 열 변형 온도보다 높은 온도에서 전계를 가한 상태에서 냉각하는 방법을 사용하여 복굴절성을 가지는 고분자를 제작하고, 이를 위상지연판으로 사용하는 방법이 대한민국 특허 제1990-0000712호에 제안되었다.
이와 같이, 고분자를 이용하여 위상지연판을 제작하는 경우, 대부분 고분자의 혼합체나 공중합체를 x 방향 또는 y 방향을 향하여 기계적으로 연신하여 원하는 복굴절 특성을 얻어내는 것이다.
상술한 바와 같이, 고분자 또는 액정을 이용하여 위상지연판을 제작할 경우, 비교적 두께가 얇은 필름형태로 제작이 가능하고, 전체적인 부피를 감소시킬 수 있다는 장점이 있으나, 온도 변화에 의한 광학적 특성 변화가 크고, 쉽게 변형된다는 단점이 있었다.
한편, 일반적으로 광학적 특성을 조절하는 광학소자(박막)의 제작은 일반적으로 물리증기 증착법을 사용한다.
특히, 유전체를 이용한 물리증기 증착법은 넓은 면적에 코팅이 가능하고, 외부 환경에 강한 박막을 증착할 수 있다는 장점이 있다.
반면, 기존의 일반적인 물리증기 증착법으로 증착한 유전체 박막은 광학적으로 거의 등방적이기 때문에 즉, (nx - ny)이 거의 0 이므로, 앞에서 언급한 광학적 비등방성을 가지지 않기 때문에 위상지연판에 응용하기 어렵다는 문제점이 있었다.
한편, 경사입사 증착법은 K. Robbi,L. J. Friedrich, and S. K. Dew,"Fabrication of thin films with highly porous microstructures" J. Vac. Sci. Technol.A 13(3) 1995와 K. Robbie and M. J. Brett,"Sculptured thin flims and glancing angle deposition: Growth mechanics and applications" J. Vac. Sci. Technol. A 13(3), 1997 등에 박막 성장의 원리와 기둥구조에 대해 설명이 되어 있으며, 박막기둥구조를 조절하는 방법 등을 기술하고 있다.
이때, 경사입사 증착법으로 증착된 박막은 경사입사각이 증가함에 따라 박막미세 기둥의 그림자 효과(Shadow Effect)에 의해 다공성구조를 갖는 박막으로 성장되어지며(H.A. Macleod, Thin-Film Optical Filter, 3rd ed 2001), 경사입사각을 크게 증착하는 경우, 기둥구조와 그림자 효과에 의해 박막의 다공성이 증가되고 박막의 유효 굴절률이 낮아지게 된다.
상기한 바와 같은 경사입사 증착법은 US 특허 6,908,538 B2에서 이용되고 있으며, 이는 전극과 전극 사이의 중간층을 경사입사 증착법에 의해 기판을 회전시키면서 증착한구조물에서 증착된 박막의 다공성을 크게 함으로써 반응 가스의 화학적 결합에 의한 전기 신호의 변화를 측정하고, 이를 이용하여 반응 시간과 민감도가 우수한 전기화학 가스센서를 제작하는 방법으로 사용되나, 경사입사 증착법으로 증착한 대부분의 박막들은 미세구조를 이용한 전기적, 기계적 특성을 이용하는데 제한적으로 사용되는데 그치고 있다.
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 물리증기 증착법을 이용하되, 유전체 물질을 경사입사각으로 증착하여 미세구조를 조절함으로써 광학적 복굴절성이 큰 박막을 증착하는 방법과 위상지연판의 광투과도를 향상시키기 위하여 등방적인 광학 특성을 갖는 저굴절률층을 사용함으로써 제작이 간단하고, 열에 안정적이며, 변형에 강할 뿐만 아니라, 투과율이 우수하고, 넓은 면적으로 응용이 가능한 유전체 박막의 기둥 미세구조를 이용한 위상지연판의 구조와 제작방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 유전체 박막의 기둥 미세구조를 이용한 위상지연판의 제조방법에 따른 위상지연판의 구조에 있어서, 유리 또는 고분자로 이루어지는 기판; 상기 기판의 상부에 증착되는 비등방 박막층; 및 상기 비등방 박막층의 외측에 순차적으로 적층 및 증착되어 특정 파장 영역에서의 투과를 증가시키고, 비등방 박막층을 보호하기 위한 등방 박막층; 을 포함하는구조로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 비등방 박막층이 △φ = (2πd/λ)(nx - ny)을 만족하는 두께로 증착되어 위상차를 갖도록 이루어진다.
여기서, 유전체 박막의 기둥 미세구조를 이용한 위상지연판의 제조방법에 있어서, 투명재질을 갖는 기판 상에 비등방 박막층과 등방 박막층을 순차적으로 적층시키되, 증착 두께의 조절에 의하여 위상차와 투과율이 조절되도록 소정 각도의 경사입사각(α)을 갖는 기판에 증착시키는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 비등방 박막층은 기판의 굴절률보다 높은 굴절률을 갖으며, 사용하고자 하는 파장 영역에서 흡수가 0.01 이하의 작은 유전체 물질로 SiO2, Al2O3, HfO2, Y2O3, TiO2, Ta2O5, CeO2 중 적어도 어느 하나 이상을 포함하여 이루어지는 금속 산화물이다.
여기서, 상기 비등방 박막층은 경사입사각(α)을 40°에서 80°범위 내에서 증착한다.
한편, 상기 비등방 박막층의 미세구조를 경사구조로 형성하되, 적어도 1층 이상의 미세구조로 이루어진다.
더불어, 상기 비등방 박막층의 미세구조를 지그재그구조로 형성하되, 적어도 1층 이상의 미세구조로 이루어진다.
또한, 상기 비등방 박막층의 미세구조를 경사구조와 지그재그구조가 혼합된 형태의구조로 형성하되, 적어도 1층 이상의 미세구조로 이루어진다.
한편, 상기 등방 박막층은 비등방 박막층에 비하여 동일한 굴절률 또는 낮은 굴절률을 갖는 층으로 형성한다.
여기서, 상기 등방 박막층은 사용하고자 하는 파장 영역에서 흡수가 0.01 이하의 작은 물질로 SiO2, Al2O3, HfO2, Y2O3, TiO2, Ta2O5, CeO2와 같은 금속 산화물 또는 MgF2, YF3, Na3AlF3 와 같은 불화 화합물 또는 고분자 화합물 중 어느 하나 이상을 포함하여 이루어진다.
대안적으로는, 상기 기판은 유리 또는 고분자 물질로 이루어진다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다. 단, 하기 실시 예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐 본 발명의 내용이 하기 실시 예에 한정되는 것은 아니다.
여기서, 본 발명에 의한 유전체 박막의 기둥 미세구조를 이용한 위상지연판의 제조방법 및 그에 따른 위상지연판의 구조에 적용되는 경사입사 증착법은 유전체 박막의 기둥 미세구조에 의해 비등방적인구조를 가지는 박막을 증착할 수 있으며, 이는 광학적 비등방 특성이 나타나게 된다.
이와 같은 광학적 비등방 특성에 대한 본 발명의 선행 연구인 Seouk-Hoon Woo and Chang Kwon Hwangbo," Optical Anisotropy of Microstructure-Controlled TiO2 Films fabricated by Glancing angle deposition," J. Korea Phys. Soc. 48 1199-1204, 2006 에서 기술한 바와 같이, 유전체 광학 박막을 경사입사 증착법으로 증착하여 박막의 미세구조를 조절함으로써 유전체 광학 박막의 광학적 비등방성을 조절할 수 있음을 보였으며, 비등방성이 나타나는 원인과 광학적 비등방성이 최대가 되는 증착 조건을 연구하였다.
그 결과, 경사입사 증착법으로 TiO2 박막을 증착하였을 때 경사입사각이 0°에서 80°로 증가할 경우, 굴절률이 약 1.99에서 1.5로 감소함을 알 수 있으며, 경사입사각이 약 60°일 경우, 비등방성이 가장 크다는 것을 알 수 있었다.
또한, 박막의 미세구조가 경사구조, 지그재그구조를 갖는 경우, 비등방성은 크고, 박막의 미세구조가 기판을 회전하면서 증착하는 나선형구조를 갖을 경우, 광학적으로 거의 등방적인 특성을 갖으며, 이러한 광학적 특성으로부터 위상차가 π/2 또는 π가 되도록 하는 위상지연판을 제작할 수 있음을 알 수 있다.
도 2는 본 발명에 의한 유전체 박막의 기둥 미세구조를 이용한 위상지연판의 제작을 위한 경사입사 증착법을 개략적으로 나타내는 도면으로서, 도면에서 도시하고 있는 바와 같이, 기판을 α의 각도로 경사지게 기울임으로써 증발되는 입자가 기판에 대하여 경사각이 α의 각도로 입사하도록 증착하는 방법이며, 기판 홀더의 경사각 α는 0°에서 90°까지 변화시킬 수 있다.
이러한 경사입사 증착법은 고진공 상태에서 전자빔을 이용하여 물질을 가열하여 박막을 증착하는 물리증기 증착기에서 단지 기판의 경사각만을 기울일 수 있도록구조물을 변경함으로써 구현할 수 있다.
도 3은 본 발명에 의한 유전체 박막의 기둥 미세구조를 이용한 위상지연판에서 경사입사 증착법으로 증착한 박막의 증발 물질의 입사 방향과 기둥의 성장 방향을 개략적으로 나타내는 도면으로서, 도면에서 도시하고 있는 바와 같이, 일반적으로 물리증기 증착법으로 증착된 박막은 증발되는 입자가 낮은 에너지를 가지므로 인해 기판 위에서 성장하는 동안 기둥(Column)과 빈 공간(void)으로 이루어진 기둥 미세구조(Columnar Microstructure)를 가지게 된다.
특히, 기판을 경사각 α로 증착하는 경우, 초기의 증착된 입자들에 의해 나중에 날아오는 입자들이 그림자(Shadow Effect)를 형성하기 때문에 박막의 미세 기둥은 β의 각도로 기울어져서 자라게 된다.
도 4는 본 발명에 의한 유전체 박막의 기둥 미세구조를 이용한 위상지연판에서 경사입사 증착법으로 증착한 TiO2 박막의 SEM 단면 이미지를 나타내는 도면으로서, 도면에서 도시하고 있는 바와 같이, 경사입사각이 α = 0°일 경우, 박막의 기둥은 기판에 대해 수직으로 성장하며, 기판의 기울기가 α≠0°경우, 기판에 대해 기울어져서 성장함을 보여준다.
이러한 박막의 기울기에 의해 박막 미세구조에구조적 비등방성이 있음을 알 수 있다.
또한, 기판의 기울기 α가 증가함에 따라 기둥의 기울기 β도 증가함을 알 수 있다.
이때, 기판의 기울기가 증가함에 따라 박막은 기둥과 기둥 사이에 빈 공간이 증가함을 SEM 이미지를 통해 알 수 있다.
도 5는 본 발명에 의한 유전체 박막의 기둥 미세구조를 이용한 위상지연판의 경사입사각에 따른 TiO2 박막의 투과 스펙트럼을 나타내는 도면으로서, 도면에서 도시하고 있는 바와 같이, 경사입사각 α를 0°와 60°로 증착한 TiO2 박막의 편광 방향에 따른 투과 스펙트럼을 나타내었다.
이때, 박막의 투과율은 기판에 대해 수직 방향으로 입사된 빛에 대한 투과율을 측정한 결과이다.
한편, 경사입사각을 0°로 증착한 경우, x 방향과 y 방향으로의 편광에 대해 투과율이 일치하며, 광학적으로 등방성을 나타내는 반면, 경사입사각을 60°로 증착한 경우, x 방향과 y 방향으로의 편광에 대한 투과율이 서로 다르며, 광학적 비등방성을 나타낸다.
도 6은 본 발명에 의한 유전체 박막의 기둥 미세구조를 이용한 위상지연판의 경사입사각에 따른 TiO2 박막의 굴절률을 나타내는 도면으로서, 경사입사 증착법으로 제작한 TiO2 박막의 투과 스펙트럼으로부터 구한 경사입사각에 따른 박막의 굴절률을 나타내었다.
도면에서 도시하고 있는 바와 같이, 경사입사각이 증가함에 따라 박막의 평 균 굴절률이 감소함을 알 수 있다.
이러한 결과는 도 4에서 도시하고 있는 바와 같이, 경사입사각이 증가함에 따라 기둥과 기둥 사이의 빈 공간이 증가하기 때문이며, 특히 y 방향으로의 굴절률이 x 방향의 굴절률보다 큰 값을 가지며, 경사입사각이 0°일 경우, 거의 같은 값을 가지는 반면, 경사입사각이 증가함에 따라 두 방향의 굴절률차(nx - ny)가 달라짐을 알 수 있다.
이는 박막의 비등방성을 이용한 위상지연판에 응용이 가능함을 알 수 있다.
도 7은 본 발명에 의한 유전체 박막의 기둥 미세구조를 이용한 위상지연판의 경사입사각에 따른 TiO2 박막의 SEM 표면 이미지를 나타내는 도면으로서, 도면에서 도시하고 있는 바와 같이, 경사입사 증착법으로 증착한 TiO2 박막의 SEM 표면 이미지로 경사입사각이 60°이상이 되면, 박막 표면에 빈 공간이 관측되기 시작되고, 경사입사각이 더 증가하면 빈 공간이 증가하는 것을 보여준다.
이와 같은 결과는 경사입사각이 증가함에 따라 박막 미세기둥에 의한 그림자 효과가 증대되기 때문이다.
따라서, 경사입사각이 증가함에 따라 박막의 평균 굴절률은 도 6에서 도시한 바와 같이 감소함을 알 수 있다.
도 8은 본 발명에 의한 유전체 박막의 기둥 미세구조를 이용한 위상지연판에 서 박막의 미세구조를 조절하기 위한 경사입사 증착법을 개략적으로 나타내는 도면으로서, 경사구조(Tilted Structure), 지그재그구조(Zigzag Structure), 나선형구조(Helical Structure)를 갖는 박막을 증착하기 위한 방법을 나타내었다.
도면에서 도시하고 있는 바와 같이, 경사구조의 경우, 기판을 경사입사각 α로 고정하여 증착하는 방법이고, 지그재그구조의 경우, 기판을 180°로 회전하여 경사입사각 α와 -α로 각각 고정하여 증착하는 방법이며, 나선형구조는 기판을 경사입사각 α로 고정하여 기판에 수직방향으로 회전하면서 증착하는 방법이다.
이러한 기판의 회전과 경사입사각을 변화시킴으로써 다양한구조의 미세구조를 갖는 유전체 박막을 증착할 수 있다.
도 9는 본 발명에 의한 유전체 박막의 기둥 미세구조를 이용한 위상지연판에서 증착된 다양한 기둥 미세구조의 박막 SEM 단면 이미지를 나타내는 도면으로서, 도 8을 참조하여 설명하면 도면에서 도시하고 있는 바와 같이, 경사구조, 지그재그구조, 나선형구조의 TiO2 박막을 경사입사각 60°에서 증착한 예로 다양한 미세구조를 갖는 박막을 증착할 수 있음을 보여준다.
도 10은 본 발명에 의한 유전체 박막의 기둥 미세구조를 이용한 위상지연판에서 미세구조에 따른 박막의 비등방 굴절률을 나타내는 도면으로서, 도면에서 도시하고 있는 바와 같이, 도 8에서의 경사입사 증착법을 이용하여 증착한 TiO2 박막 의 미세구조와 경사입사각에 따른 비등방 굴절률(nx - ny)을 나타내었다.
여기서, 박막의 미세구조가 경사구조와 지그재그구조를 가지는 경우, 비등방 굴절률이 거의 유사한 특성을 나타내었으며, 경사입사각이 60°일 경우, 가장 큰 비등방 굴절률을 갖는다.
반면, 기판을 회전하면서 증착한 나선형구조의 박막은 경사구조와 지그재그구조에 비하여 매우 낮은 비등방 굴절률을 갖으며, 이를 토대로 [표 1]에서 도시하고 있는 바와 같이, 3가지구조를 갖는 위상지연판을 증착하였다.
[표 1]
Figure 112006049856192-pat00001
이때, 경사입사각은 60°로 하였으며, 이때 도 10의 비등방 굴절률로부터
△φ = (2πd/λ)(nx - ny) [식 1]
를 사용하여 박막의 두께를 결정하였으며, 경사구조와 지그재그구조의 비등방 굴절률이 거의 같기 때문에 지그재그구조의 경우, α와 -α의 경사 각도로 각각 전체 두께의 반을 증착하여 같은 두께가 되도록 증착하였다.
이때, 위상차(Retardation)를 △φ라고 하고, x 방향과 y 방향으로 선형 편광된 빛에 대한 위상차는 x 방향과 y 방향의 굴절률차(nx - ny)와 두께 d에 의해 결 정된다.
도 11은 본 발명에 의한 유전체 박막의 기둥 미세구조를 이용한 위상지연판의 다양한 미세구조를 갖는 위상지연판의 SEM 단면 이미지를 나타내는 도면으로서, [표 1]의 증착 조건으로 제작된 위상지연판의 미세구조를 나타내었다.
도면에서 도시하고 있는 바와 같이, A-Type의 경우, 경사구조를 갖으며, B-Type의 경우, 지그재그구조를 갖으며, C-Type의 경우, [표 1]에서 도시하고 있는 바와 같이, B-Type 위에 나선형구조를 갖는 TiO2 박막을 경사입사각 80°로 회전하며, 400nm 더 증착하는 구조를 가지고 있음을 보여준다.
도 12는 본 발명에 의한 유전체 박막의 기둥 미세구조를 이용한 위상지연판의 경사구조를 갖는 위상지연판의 위상차를 나타내는 도면으로서, 미세구조가 경사구조를 갖도록 증착한 A-Type 위상지연판을 15mm 의 간격으로 위치에 따라 측정한 위상차를 나타내었다.
도면에서 도시하고 있는 바와 같이, 경사구조로 증착하는 경우, 기판을 경사지게 기울려 증착하기 때문에 증발 물질로부터 가까운 쪽이 두껍게 증착되고, 먼 쪽은 얇게 증착되어 위치에 따라 위상차가 달라짐을 알 수 있다.
도 13은 본 발명에 의한 유전체 박막의 기둥 미세구조를 이용한 위상지연판 의 지그재그구조를 갖는 위상지연판의 위상차를 나타내는 도면으로서, 도면에서 도시하고 있는 바와 같이, 미세구조가 지그재그구조를 가지도록 증착한 B-Type 위상지연판을 15mm의 간격으로 위치에 따라 측정한 위상차로 α와 -α의 경사 각도로 증착하기 때문에 경사구조를 갖는 A-Type 에서의 두께에 대한 차이를 보상할 수 있음을 보여준다.
이러한 지그재그구조로 증착하는 방법은 두께에 대한 균일도가 우수하여 넓은 면적의 위상지연판의 제작에 적용할 수 있음을 보여준다.
도 14는 본 발명에 의한 유전체 박막의 기둥 미세구조를 이용한 위상지연판에서 미세구조에 따른 위상지연판의 파장에 따른 위상차를 나타내는 도면으로서, [표 1]에서 도시하고 있는 바와 같이, 3가지 형태의 미세구조를 갖는 위상지연판의 위상차 측정값을 보여준다.
도면에서 도시하고 있는 바와 같이, 미세구조가 상호 다르더라도 위상차가 같음을 알 수 있다.
이러한 결과로부터 지그재그구조의 경우에도 경사구조와 같은 비등방 특성을 갖음을 알 수 있다.
또한, C-Type에서의 나선형구조의 400nm 두께의 TiO2 층은 도 10에서의 결과와 같이 거의 등방적인 특성을 갖기 때문에 박막의 위상차에는 영향이 없음을 보여준다.
도 15는 본 발명에 의한 유전체 박막의 기둥 미세구조를 이용한 위상지연판에서 미세구조에 따른 위상지연판의 파장에 따른 투과율을 나타내는 도면으로서, 3가지 형태의 위상지연판의 투과 스펙트럼을 나타내었다.
도면에서 도시하고 있는 바와 같이, 경사구조와 지그재그구조를 갖는 A-Type과 B-Type의 경우, 투과 스펙트럼이 거의 같은 특성을 갖는 반면, 400nm 두께를 갖는 나선형구조를 마지막 층에 추가한 형태인 C-Type의 경우, 가시광선 영역에서의 투과율이 증가됨을 보여준다.
이러한 결과는 경사입사각을 80°로 증착한 마지막 층의 나선형구조를 갖는 TiO2 박막의 굴절률이 경사입사각을 60°로 증착한 지그재그구조의 박막에 비해 작기 때문에 굴절률차에 의해 무반사 효과가 나타나기 때문에 위상지연판의 투과율이 향상되었음을 알 수 있다.
따라서, 경사구조와 지그재그구조의 미세구조를 갖는 박막으로부터 비등방성이 큰 광학박막을 얻을 수 있었으며, 지그재그구조의 경우, 넓은 면적에 대해 균일한 두께를 증착할 수 있음을 보였다.
이러한 박막 미세구조를 갖는 박막의 증착으로부터 위상지연판을 제작할 수 있었으며, 마지막 층에 광학적으로 등방적이고, 굴절률이 작은 층을 사용함으로써 사용하고자 하는 파장 영역에서의 투과율을 향상시킬 수 있음을 알았다.
도 16은 본 발명에 의한 유전체 박막의 기둥 미세구조를 이용한 위상지연판의 구조적 특징을 개략적으로 나타내는 도면으로서, 도면에서 도시하고 있는 바와 같이, 본 발명에 의한 위상지연판(10)은 유리 또는 고분자로 이루어지는 기판(11)과 상기 가판의 상부에 증착되는 비등방 박막층(13) 및 상기 비등방 박막층(13)의 외측에 순차적으로 적층 및 증착되어 특정 파장 영역에서의 투과를 증가시키고, 비등방 박막층(13)을 보호하기 위한 등방 박막층(15)을 포함하는구조로 이루어진다.
여기서, 상기 비등방 박막층(13)은 △φ = (2πd/λ)(nx - ny)을 만족하는 두께로 증착되어 위상차를 갖도록 이루어진다. 즉, 상기에서 설명한 바와 같이, x 방향과 y 방향으로 선형 편광된 빛에 대한 위상차는 x 방향과 y 방향의 굴절률차(nx - ny)와 두께 d에 의해 결정되며, 위상지연판(10)은 방향에 따라 다른 굴절률을 가지는 비등방 박막층을 이용하여 위 식을 만족하는 두께로 제작하여 위상차가 π/2 혹은 π가 되도록 한다.
본 발명의 일 실시예에서는 상기 기판(11)의 상부에 비등방 박막층(13)이 증착되고, 상기 비등방 박막층(13)의 상부에 등방 박막층(15)이 증착되도록 이루어져 있으나, 상기 기판(11)의 상부에 비등방 박막층(13)만이 증착되는 것도 가능하다.
한편, 상기 비등방 박막층(13)은 증발 입자의 증발 방향에 대해 기판(11)을 경사지도록 증착하는 방법을 통하여 증착된 층을 형성하며, 박막의 미세구조를 조절함으로써 광학적 비등방성을 얻으며, 박막의 두께 균일도를 위하여 지그재그구조를 갖는 층을 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 등방 박막층(15)은 경사입사 증착법 또는 일반 전자빔 증착법으로 증착된 층을 이루며, 비등방 박막층(13)의 굴절률에 비해 낮은 특성을 갖는 것이 바람직하며, 광학적 등방성으로 등방적인 특성을 갖도록 이루어지는 것이 바람직하다.
상기한 바와 같은구조를 갖는 위상지연판(10)은 유전체를 사용하기 때문에 비교적 고온의 열에 안정적이며, 제작과정이 단순하고, 투과율이 높은 매우 얇은 박막 형태로 제작이 가능하며, 넓은 면적으로의 제작이 가능하다.
이하, 본 발명에 의한 유전체 박막의 기둥 미세구조를 이용한 위상지연판의 제조방법을 설명한다.
투명재질을 갖는 기판 (11)상에 비등방 박막층(13)과 등방 박막층(15)을 순차적으로 적층시키되, 증착 두께의 조절에 의하여 위상차와 투과율이 조절되도록 소정 각도의 경사입사각(α)을 갖는 기판에 증착시킨다.
이때, 상기 비등방 박막층(13)은 기판(11)의 굴절률보다 높은 굴절률을 갖으며, 사용하고자 하는 파장 영역에서 흡수가 0.01 이하의 작은 유전체 물질로 SiO2, Al2O3, HfO2, Y2O3, TiO2, Ta2O5, CeO2 중 적어도 어느 하나 이상을 포함하여 이루어지는 금속 산화물로 이루어지는 것이 바람직하다.
한편, 상기 비등방 박막층(13)은 경사입사각(α)을 40°에서 80°범위 내에서 증착한다.
여기서, 상기 비등방 박막층(13)의 미세구조를 경사구조로 형성하되, 적어도 1층 이상의 미세구조로 이루어진다.
본 발명의 일 실시예에서는 상기 비등방 박막층(13)을 경사구조로 형성하되, 적어도 1층 이상의 미세구조로 이루어져 있으나, 상기 비등방 박막층(13)을 지그재그구조로 형성하되, 적어도 1층 이상의 미세구조로 이루어지는 것도 가능하고, 상기 비등방 박막층(13)을 경사구조와 지그재그구조가 혼합된 형태의구조로 형성하되, 적어도 1층 이상의 미세구조로 이루어지는 것도 바람직하다.
한편, 상기 등방 박막층(15)은 비등방 박막층(13)에 비하여 동일한 굴절률 또는 낮은 굴절률을 갖는 층으로 형성한다.
이때, 상기 등방 박막층(15)은 사용하고자 하는 파장 영역에서 흡수가 0.01 이하의 작은 물질로 SiO2, Al2O3, HfO2, Y2O3, TiO2, Ta2O5, CeO2와 같은 금속 산화물 또는 MgF2, YF3, Na3AlF3 와 같은 불화 화합물 또는 고분자 화합물 중 어느 하나 이상을 포함하여 이루어진다.
본 발명의 일 실시예에서는 상기 기판(11)이 유리 또는 고분자 물질로 이루어져 있으나, 투명체로 이루어질 수 있다면 기타 다양한 재질로 이루어지는 것도 가능하다.
또한, 본 발명의 일 실시예에서는 상기 비등방 박막층(13)을 기판(11) 상에 증착하도록 이루어져 있으나, 상기 비등방 박막층(13)을 다층구조의 광학 박막 또는 금속 상에 증착하여 투과 또는 반사되는 빛의 위상을 조절함으로써 광학 소자로 제작하는 것도 가능하다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시 예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 또는 변형하여 실시할 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이 상기와 같은 구성을 갖는 본 발명은 다음과 같은 효과를 갖는다.
첫째, 기판의 경사각과 회전을 통하여 박막 미세구조를 조절할 수 있으며, 이러한 미세구조의 조절을 통하여 비등방 광학 특성을 가지는 유전체 박막을 증착할 수 있을 뿐만 아니라, 기존 진공 챔버를 그대로 이용할 수 있어 비용 절감 효과가 있다는 장점이 있다.
둘째, 기존의 위상지연판의 제조방법에 비해 공정이 비교적 간단하므로 제작 비용이 절감될 수 있다.
셋째, 유전체 박막으로 제작되어지므로 기존의 고분자나 액정을 이용하는 위상지연판에 비하여 열적으로 안정적이며, 기계적으로 견고하다는 장점이 있다.
넷째, 넓은 면적에 대해 균일한 위상차를 가지는 위상지연판의 제작이 가능하므로 대형으로 제작이 가능하며, 생산성의 향상과 비용의 절감을 기대할 수 있 다.
다섯째, 마지막 층에 저굴절률층을 사용하기 때문에 광 투과도를 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라, 박막 미세구조를 보호하는 보호층으로도 사용될 수 있다는 장점이 있다.
여섯째, 증착되는 유전체 물질의 특성에 따라 사용하는 파장(적외선, 가시광선, 적외선)영역에서의 적용이 가능하므로 그 응용분야가 넓다는 장점이 있다.
일곱째, 한 종류의 물질만을 사용하여도 위상지연판의 제작이 가능하므로 챔버 내의 오염을 방지할 수 있다는 장점이 있다.
여덟째, 다른 방법들에 비해 두께 조절이 용이하며, 광학 소자에 적용 시 접착제 등이 필요하지 않다는 장점이 있다.
아홉째, 박막 형태로 제작이 가능하므로 부피와 무게를 줄일 수 있으며, 소형 광학 시스템에 활용이 가능하다는 장점이 있다.

Claims (11)

  1. 유리 또는 고분자로 이루어지는 기판(11);
    상기 기판(11)의 상부에 증착되며 유전체 기둥 미세구조를 가지는 비등방 박막층(13); 및
    상기 비등방 박막층(13)의 상부에 증착되어 특정 파장 영역에서의 투과를 증가시키고, 상기 비등방 박막층(13)을 보호하기 위한 등방 박막층(15);
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 유전체 박막의 기둥 미세구조를 이용한 위상지연판의 구조.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 비등방 박막층(13)은 위상차가 △φ이고, 두께가 d, X 방향의 굴절률이 nx, Y 방향의 굴절률이 ny 인 경우, △φ = (2πd/λ)(nx - ny)을 만족하는 두께로 증착되어 위상차를 갖는 것을 특징으로 하는 유전체 박막의 기둥 미세구조를 이용한 위상지연판의 구조.
  3. 유전체 박막의 기둥 미세구조를 이용한 위상지연판(10)의 제조방법에 있어서,
    투명재질을 갖는 기판(11) 상에 비등방 박막층(13)과 등방 박막층(15)을 순차적으로 적층시키되, 증착 두께의 조절에 의하여 위상차와 투과율이 조절되도록 0°보다 크고 90°보다 작은 각도의 경사입사각(α)을 가지도록 기판에 증착시키는 것을 특징으로 하는 유전체 박막의 기둥 미세구조를 이용한 위상지연판의 제조방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 비등방 박막층(13)은 기판(11)의 굴절률보다 높은 굴절률을 갖으며, 사용하고자 하는 파장 영역에서 흡수가 0.01 이하의 작은 유전체 물질로 SiO2, Al2O3, HfO2, Y2O3, TiO2, Ta2O5, CeO2 중 적어도 어느 하나 이상을 포함하여 이루어지는 금속 산화물인 것을 특징으로 하는 유전체 박막의 기둥 미세구조를 이용한 위상지연판의 제조방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 비등방 박막층(13)은 경사입사각(α)을 40°에서 80°범위 내에서 증착하는 것을 특징으로 하는 유전체 박막의 기둥 미세구조를 이용한 위상지연판의 제조방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 비등방 박막층(13)의 미세구조를 경사구조로 형성하되, 적어도 1층 이상의 미세구조로 이루어지는 것을 특징으로 하는 유전체 박막의 기둥 미세구조를 이용한 위상지연판의 제조방법.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 비등방 박막층(13)의 미세구조를 지그재그구조로 형성하되, 적어도 1층 이상의 미세구조로 이루어지는 것을 특징으로 하는 유전체 박막의 기둥 미세구조를 이용한 위상지연판의 제조방법.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 비등방 박막층(13)의 미세구조를 경사구조와 지그재그구조가 혼합된 형태의구조로 형성하되, 적어도 1층 이상의 미세구조로 이루어지는 것을 특징으로 하는 유전체 박막의 기둥 미세구조를 이용한 위상지연판의 제조방법.
  9. 제3항에 있어서,
    상기 등방 박막층(15)은 비등방 박막층(13)에 비하여 동일한 굴절률 또는 낮은 굴절률을 갖는 것을 특징으로 하는 유전체 박막의 기둥 미세구조를 이용한 위상지연판의 제조방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 등방 박막층(15)은 사용하고자 하는 파장 영역에서 흡수가 0.01 이하의 작은 물질로 SiO2, Al2O3, HfO2, Y2O3, TiO2, Ta2O5, CeO2와 같은 금속 산화물 또는 MgF2, YF3, Na3AlF3 와 같은 불화 화합물 또는 고분자 화합물 중 어느 하나 이상을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 유전체 박막의 기둥 미세구조를 이용한 위상지연판의 제조방법.
  11. 제3항에 있어서,
    상기 기판(11)은 유리 또는 고분자 물질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 유전체 박막의 기둥 미세구조를 이용한 위상지연판의 제조방법.
KR1020060065487A 2006-07-12 2006-07-12 유전체 박막의 기둥 미세구조를 이용한 위상지연판의구조와 제작방법 KR100780406B1 (ko)

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