KR100975120B1 - 위상지연을 갖는 편광성 회절소자 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 위상 지연을 가지는 복합 편광성 회절소자 및 제조방법에 관한 것으로서, 교대로 형성된 오목부와 볼록부로 구성되는 회절격자를 가지는 투광성기판과, 상기 회절격자 상에 형성된 복굴절성 액정편광층을 포함하는 편광성 회절소자, 및 상기 편광성 회절소자의 액정편광층 상에 연속하여 적층되고 복굴절성을 갖는 물질로 형성된 적어도 하나의 위상지연층을 포함한다.
본 발명에 따르면, 단일의 베이스기재에 편광성 회절소자 및 위상지연층을 연속 공정으로 제작함으로써, 소자의 박막화를 이룰 수 있고 편광성 회절소자의 액정편광층 또는 각각의 위상지연층을 직접 러빙하여 배향처리 함으로써 별도의 폴리 이미드 배향막을 사용하지 않고 액정을 배향할 수 있게 되므로 제작 공정을 간략화 할 수 있고 재료비 절감 및 원가 절감 효과를 얻을 수 있다.
편광, 회절, 위상지연, 배향막, 복굴절

Description

위상지연을 갖는 편광성 회절소자{Polarization Diffraction Device with Phase Delay}
본 발명은 위상지연을 갖는 편광성 회절소자에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 회절격자 상에 복굴절 액정편광층을 형성한 후 다수의 위상지연층을 연속 공정으로 적층함으로써 제작되는 위상지연을 갖는 편광성 회절소자에 관한 것이다.
일반적으로 광헤드장치는 광원에서 발생된 레이저광이 빔스프리터와 시준렌즈 및 대물렌즈를 거쳐 광디스크로 집광 유도되고, 광디스크로부터의 반사광을 광검출기로 수광함으로써 광디스크에 저장된 정보를 읽어낸다.
이와 같이, 레이저광을 이용해서 CD 또는 DVD와 같은 광기록매체에 정보를 기록하거나 광기록매체에 기록된 정보를 읽어 들이는 광헤드장치에서는, 광기록매체에서 반사된 레이저광이 다시 광원으로 입사되어 광원의 발진상태가 불안정해지고 광원이 손상되는 것을 방지하기 위해 광 아이솔레이터(isolator)의 일종인 편광성 회절 소자가 사용된다.
편광성 회절소자는 일방향으로 편광된 선편광의 광만을 선택적으로 회절시키는 광학소자를 의미하는데, 광헤드장치에서는 위상지연소자를 추가하여 CD 또는 DVD와 같은 광기록매체에서 반사된 레이저광의 편광 방향을 조절한 후 편광성 회절소자에 입사시켜 회절되도록 함으로써 레이저광이 광원으로 입사되는 것을 방지할 수 있다.
도 1은 종래의 광헤드장치의 개략적인 구성도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 광원(210)에서 발생된 레이저광이 빔스프리터(220)와 시준렌즈(230) 및 대물렌즈(240)를 거쳐 광디스크(250)로 집광 유도되고, 광디스크(250)로부터의 반사광을 광검출기(260)로 수광함으로써 광디스크(250)에 저장된 정보를 읽어낸다.
이때, 광원(210)에서 발생된 레이저광은 직선편광 상태로 광디스크(250)를 향하게 되는데, 이러한 직선편광 상태의 레이저광은 편광소자(A) 및 위상지연판(B)을 거쳐서 위상 지연된 선편광으로 변환된 후 광디스크(250)로 조사되고, 광디스크(250)에서 반사되는 선편광은 다시 위상지연판(B) 및 편광소자(A)를 거치며 직선편광으로 변환된 후 광검출기(260)로 전달되어 광디스크(250)의 정보를 읽어낼 수 있다.
이와 같이, 광원(210)과 광디스크(250) 사이의 광로상에 편광소자(A) 및 위상지연판(B)이 별도로 배치되어 레이저광의 편광상태를 변환시키는데 사용된다.
그런데, 이러한 편광소자(A) 및 위상지연판(B)을 각각의 베이스기재에 형성시켜 이격배치하는 경우 전체적인 두께가 두꺼워지고, 0차 빔의 손실이 발생할 수 있는 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하고자 안출된 것으로, 편광성 회절소자와 위상지연층을 일체화시켜 하나의 베이스기재에 연속 적층함으로써 광손실을 줄이고 슬림화된 위상지연을 가지는 복합 편광성 회절소자를 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 일 측면에 따른 위상지연을 갖는 편광성 회절소자는 교대로 형성된 오목부와 볼록부로 구성되는 회절격자를 가지는 투광성기판과, 상기 투광성 기판 상에 충진된 복굴절성 액정을 포함하는 편광성 회절소자, 및 상기 편광성 회절소자의 액정 상에 연속하여 적층되고 복굴절성을 갖는 물질로 형성된 적어도 하나의 위상지연층을 포함한다.
본 발명의 위상지연을 가지는 복합 편광성 회절소자에 의하면, 단일의 베이스기재에 편광성 회절소자 및 위상지연층을 연속 공정으로 제작함으로써, 소자의 박막화를 이룰 수 있고, 편광성 회절소자의 액정편광층 또는 각각의 위상지연층을 직접 러빙하여 배향처리 함으로써 별도의 폴리 이미드 배향막을 사용하지 않고 액정을 배향할 수 있게 되므로 제작 공정을 간략화 할 수 있고, 재료비 절감 및 원가 절감 효과를 얻을 수 있다. 또한, 편광성 회절소자와 위상지연층을 연속 적층함으로써 0차 빔 손실을 줄일 수 있다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제2 구성요소는 제1 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제1 구성요소도 제2 구성요소로 명명될 수 있다.
이하 도면을 참고하여 본 발명의 실시 예에 따른 위상지연을 갖는 편광성 회절소자에 대하여 도면을 참고하여 상세하게 설명하고, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
도 2 내지 도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 위상지연을 갖는 편광성 회절소자의 단면도를 도시한 도면이다.
본 발명의 실시 예에 따른 위상지연을 갖는 편광성 회절소자(1000)는 편광성 회절소자(1100) 및 위상지연소자(1200)를 포함하여 구성된다. 상기 편광성 회절소자(1100)는 투광성 기판(1110)과, 상기 투광성 기판(1110) 상에 교대로 형성된 오목부와 볼록부로 구성되는 회절격자 및 상기 회절격자 상에 충진된 복굴절성 액정(1120)을 포함한다.
먼저, 투광성기판(1110)은 글래스와 같은 광투광성 투명 재질로 형성될 수 있으며, 바람직하게는 강도와 내열성이 우수한 투명 유리판이나 투명 필름으로 제작될 수 있고 광투과율이 90%이상이 되어야 한다.
또한, 상기 투광성기판(1110)은 단일의 투광성 부재로 형성됨이 일반적이나(도 2 및 도 3 참조), 글래스 재질의 기판(1112) 상에 등방성 고분자레진층(1114)을 적층하는 방식으로 형성될 수도 있으며, 상기 고분자레진층(1114)을 이용하여 회절격자를 형성할 수 있다(도 4 및 도 5 참조).
고분자레진층(1114)은 UV 경화성 레진 또는 열 경화성 레진 등으로 형성됨이 일반적이다.
글래스 기판(1112)의 열팽창계수(TG), 고분자레진층(1114)의 열팽창계수(TR) 및 액정(1120)의 열팽창계수(TLC)는 TR > TLC > TG의 관계를 갖도록 함으로써 소자의 동작 및 주변 환경에 의해 발생되는 열적 변형을 최소화할 수 있다.
투광성기판(1110)은 뒤틀림 변형 등으로부터 액정(1120) 및 위상지연소자(1200)의 형태를 유지하는 역할을 한다.
또한, 회절격자는 입사되는 광을 회절시키기 위한 것으로, 상기 투광성기판(1110) 과 일체로 형성되거나 투광성기판(1110) 상에 접합 배치되며, 오목부와 볼록부가 교대로 형성되어 있다.
이와 같이 형성된 회절격자의 깊이 또는 간격에 따라 회절 정도가 상이하고, 이는 광투과율 및 균일도와 상관된다. 회절격자의 깊이는 양산성 확보를 위하여 0.2㎛ ~ 10㎛인 것이 바람직하다.
상기 오목부와 볼록부는 도 2 내지 5에 도시된 바와 같이 식각 또는 프레스 롤 가공으로 형성되는 수직형 측벽을 갖는다. 그러나 상기 회절격자의 형상은 반드시 이에 한정되는 것은 아니고 예를 들면 도 6 또는 도 7에 도시된 바와 같이 오목부와 볼록부의 양측벽이 계단형 측벽(111a)으로 구성되거나 또는 일측 벽이 계단형 측벽(1110b)이 되도록 구성될 수도 있다. (이하에서는 설명의 편의를 위하여 수직형 측벽을 갖는 회절격자로 설명한다.)
도 8은 상기 오목부 깊이에 따른 회절특성의 균일도를 나타낸 도면이다.
회절격자에서는 오목부와 볼록부가 교대로 형성되는 어려움으로 인하여 위치에 따라 광의 회절 정도에 차이가 발생할 수 있다.
이와 같이 회절 정도의 차이는 광의 투과율로 파악될 수 있으며, 회절격자의 깊이에 따른 균일도를 아래 [수학식 1]로부터 계산할 수 있다.
Figure 112009036991236-pat00001
(여기서, 최대투과율과 최소투과율은 광투과율이 최대인 지점과 최소인 지점 에서의 광투과율을 의미한다.)
도 8에 도시된 바와 같이, 회절격자 오목부의 깊이가 0.2㎛ ~ 10㎛인 경우에는 2% 이하의 균일도를 보였으나, 회절격자의 깊이가 10㎛를 초과하게 되면 균일도가 급격히 불안정해지는 것을 알 수 있다. 따라서, 회절격자의 양산성 확보를 위하여 회절격자의 오목부 깊이는 0.2㎛ ~ 10㎛인 것이 바람직하다.
또한, 액정(1120)의 잔류두께(d2)인 볼록부의 상단으로부터 제1 위상지연층(1210) 하단까지의 길이는 1~2㎛인 것이 바람직하다. 상기 액정(1120) 상면에 위상지연층을 연속 적층하기 위해서는 액정(1120)의 상부 면이 평탄해야 하며, 상부 면의 평탄화를 위해서 액정(1120)의 잔류두께(d2)는 1~2㎛가 실험적으로 요구될 수 있다.
따라서 상기 투광성 기판 상에 충진되는 액정(1120)의 높이는 상기 볼록부의 상단보다 높고 상기 오목부의 하단으로부터 1.2㎛ 이상 12㎛ 이하로 형성될 수 있다.
또한, 액정(1120)은 회절격자 상에 형성된 복굴절성 매질로서, 회절격자를 배향 처리함으로써 액정(1120)과의 사이에 폴리 이미드(polyimid) 등의 배향막 또는 접착제를 사용하지 않고 바로 적층할 수 있다(도 2 내지 도 4 참조).
그리고, 편광성 회절소자(1100)의 회절격자 상 측면, 액정(1120) 상 측면이 각각 배향처리될 수 있고, 위상지연소자(1200)가 복수개의 위상지연층(1210, 1220)으로 형성된 경우에는 먼저 적층되는 위상지연층(이하, '제1 위상지연층(1210)' 이 라 하며, 나중에 적층되는 상부 위상지연층을 '제2 위상지연층(1220)' 이라 함) 상 측면을 배향처리 할 수 있다(도 2 및 도 4 참조).
위상지연소자(1200)는 편광성 회절소자(1100)의 액정(1120) 상에 연속하여 적층되며 복굴절성을 갖는 물질로 형성된다. 위상지연소자(1200)는 적어도 하나의 위상지연층(1210, 1220)을 포함하며, 배향성을 갖는 물질, 예를 들어, 내열성 및 내구성이 우수한 폴리 이미드 배향막을 갖는 액정으로 형성될 수 있다.
위상지연소자(1200)는 액정 분자 배향을 통해 위상지연값(λ')을 조절하여 입사되는 입사광의 편광이 변화된 후 출사된다. 이와 같은 폴리 이미드 배향막을 갖는 액정으로 이루어진 위상지연소자(1200)는 액정(1120) 상에 직접 적층된 상태에서 경화되기 때문에, 별도의 접착물질을 사용하지 않고도 적층할 수 있어 소자의 박막화에 효과적이다.
위상지연소자(1200)는 적어도 두 개의 상이한 파장에 대하여 위상지연이 발생되도록 형성할 수 있다. 위상지연소자(1200)는 각 층의 위상지연층이 아래 [수학식2]을 만족하는 위상지연값(λ')을 갖도록 제작될 수 있다.
λ'=Δn*d
(여기서, Δn: 한 층의 위상지연층의 복굴절값, d: 한 층의 위상지연층의 두께)
예를 들어, CD 및 DVD 호환형 광픽업장치에서 일반적으로 DVD계 광디스크에 대해 대략 660㎚ 파장대역의 레이저광을 사용하고, CD계 광디스크에 대해 780㎚ 파 장대역의 레이저광을 사용하는 경우에, 660㎚ 파장대역과 780㎚ 파장대역에 대해서 각각 반파장판(Half wave plate)으로서 기능을 할 수 있도록 제작될 수 있다(대한민국 등록특허 제10-0616072호 참조).
아래 [표1]은 2개의 파장에 대하여 반파장 위상지연을 갖는 편광성 회절소자가 제1 위상지연층(1210)의 fast optical axis는 3°이고, 제2 위상지연층(1220)의 fast optical axis는 62°로 고정되어 있으며, 입사되는 선편광의 입사 각도는 입사면을 바라보는 위치에서 150°로 입사될 때, 660㎚ 및 780㎚ 파장의 타원율은 -0.1~+0.1 범위로, 출사각은 85°~95°로 출사되도록 시뮬레이션한 데이터를 나타낸 것이다.
제1위상지연층의
위상지연값		 제2위상지연층의 위상지연값 660㎚타원율 780㎚타원율 660㎚출사각 780㎚출사각
335~345㎚ 306~368㎚ -0.097~0.097 -0.096~0.098 85~95 85~95
346~355㎚ 318~381㎚ -0.099~0.098 -0.098~0.099 85~95 85~95
356~365㎚ 331~394㎚ -0.098~0.096 -0.01~0.097 85~95 85~95
365~375㎚ 341~401㎚ -0.097~0.100 -0.099~0.099 85~95 85~95
본 발명의 다른 실시 예에 따른 위상지연을 갖는 편광성 회절소자(1000)는 편광성 회절소자(1100)의 투광성기판(1110)과 액정(1120) 사이, 액정(1120)과 제1 위상지연층(1210) 사이, 제1 위상지연층(1210)과 제2 위상지연층(1220) 사이에 폴리 이미드 등으로 된 배향막(1115)이 형성되거나, 표면 개질제 또는 계면 활성제(1205, 1215) 등으로 표면 처리한 후 배향막을 형성할 수 있다.
즉, 회절격자가 형성된 투광성 기판(1110)의 표면에는 폴리 이미드(polyimid) 등으로 이루어진 배향막이 형성될 수 있으며, 배향막은 액정(1120)을 일정 방향으로 정렬시킬 수 있도록 배향 처리된다. 배향처리는 러빙롤 등을 사용하여 배향막을 러빙하는 방식으로 이루어지는 것이 일반적이며, 본 발명에서는 러빙 방향이 회절격자의 길이 방향과 평행한 방향으로 정렬될 수 있도록 하여야 균일한 배향막(1115)을 형성할 수 있다.
마찬가지로, 편광성 회절소자(1100)의 일 측면, 복수개의 위상지연층(1210, 1220)의 경우 먼저 적층되는 제1 위상지연층(1210) 상 측면에 배향막이 형성되거나, 표면 개질제 또는 계면 활성제(1205, 1215)로 표면 처리한 후 배향막을 형성할 수 있다. 다수개의 위상지연층이 형성되는 경우 각각의 위상지연층 은 광축이 상이하므로 위상지연층 사이에 배향막을 형성하는 것이 바람직하다.
이하에서는 설명의 편의상 투광성기판(1100) 상에 배향막(1115)을 형성하고 배향막(1115)에 배향처리를 한 경우를 기준으로 설명하도록 하지만 이는 배향막(1115)을 사용하지 않고 직접 회절격자의 표면에 배향처리를 한 경우도 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
배향 처리된 배향막(1115) 또는 회절격자 상에 액체 상태의 액정을 도포하면 액정들의 장축은 회절격자의 길이 방향과 평행한 방향으로 정렬된다. 따라서 액정(1120)은 일 방향으로 편광된 광에 대해서는 상광 굴절율을 가지며 상기 일방향과 직각을 이루는 방향으로 편광된 광에 대해서는 이상광 굴절율을 갖는다.
예를 들어, 광이 Z축을 따라 진행하는 경우 액정(1120)이 X축 방향으로 편광된 광에 대해서 상광 굴절율을 갖는다면, Y축 방향으로 편광된 광에 대해서는 이상광 굴절율을 갖게 된다. 만일 Y축 방향으로 편광된 광에 대해서 액정(1120)이 상광 굴절율을 갖는 경우라면 X축 방향으로 편광된 광에 대해서는 이상광 굴절율을 갖게 된다. 이때 이상광 굴절율은 상광 굴절율보다 큰 값을 갖는 것이 바람직하다.
이하에서는 상기와 같은 구성을 갖는 편광성 회절소자(1100)에서의 회절 과정을 설명하도록 한다.
이때 설명의 편의상 액정(1120)이 상광 굴절율을 갖게 되는 방향으로 편광된 광을 '보통광선'이라 하며, 이상광 굴절율을 갖게 되는 방향으로 편광된 광을 '이상광선'이라고 한다.
또한, 광원에서 출사되어 투광성 기판(1110)을 통해 입사되는 광은 입사광이라 하며, 입사광과는 반대로 위상지연소자를 통해 입사되는 광은 반사광이라 한다. 이때 반사광은 편광성 회절소자(1100)를 투과한 입사광이 CD 또는 DVD 등의 광기록매체에서 반사된 후 되돌아오는 것으로서, 광경로상에 위치한 다양한 광학필름을 거치면서 편광의 방향이 입사광과는 직각을 이루도록 조절된 광을 의미한다.
편광성 회절소자(1100)는 일 방향으로 편광된 선편광의 입사광은 회절을 시키지 않고 그대로 통과를 시키지만 입사광의 편광 방향과 직각을 이루는 방향으로 편광된 반사광은 회절을 시킴으로써 반사광이 광원으로 입사되는 것을 방지할 수 있다.
따라서 입사광은 회절격자를 인지할 수 없고 반사광만이 회절격자를 인지하도록 하여야 하므로, 이는 투광성기판(1110)의 굴절율을 조절함으로써 이룰 수 있다.
투광성기판(1110)의 굴절율이 액정(1120)의 상광 굴절율과 동일한 상태에서 보통광선의 특성을 갖는 입사광이 입사된다면 입사광은 투광성기판(1110)과 액정(1120)의 굴절율이 동일하므로 회절격자를 인지하지 못하게 되며 그 결과 회절이 발생하지 않고 그대로 투과하게 된다. 그러나, 반사광은 입사광의 편광 방향과 직각을 이루는 방향으로 편광된 광으로서 이상광선의 특성을 갖게 된다. 따라서 반사광은 액정(1120)의 이상광 굴절율 값을 갖게 되므로 액정(1120)과 투광성기판(1110)의 굴절율이 달라지게 되므로 반사광은 회절격자를 인지하게 되고 그 결과 회절이 발생된다.
이때 상기에서 설명한 바와 같이 투광성기판(1110)의 굴절율은 상광 굴절율과 동일한 값을 갖는 것이 이상적이지만, 투광성기판(1110) 및 액정(1120)으로 사용될 수 있는 물질의 종류는 제한적일 수 밖에 없으므로 투광성기판(1110)과 액정(1120)의 굴절율을 일치시키는 것은 많은 노력이 요구된다. 따라서 해당 기술분야에서 요구되는 사양이 만족되는 범위 내에서 굴절율을 조절할 필요가 있다.
이하에서는 투광성기판(1110)의 굴절율을 1.51로 가정한 상태에서 입사광의 95% 이상을 통과시킬 수 있는 액정(1120)의 상광 굴절율의 범위를 한정하도록 한다.
도 9는 투광성 기판(1110)의 굴절율이 1.520이며, 액정(1120)의 상광 굴절율이 1.53인 경우 입사광의 투과율을 오목부의 깊이에 따라 나타낸 그래프이며, 도 10은 상광 굴절율이 1.525인 경우의 그래프이다.
도 9에 나타난 바와 같이, 상광 굴절율이 1.53인 경우에는 오목부의 깊이가 4.5㎛를 초과하게 되면 입사광의 투과율은 95% 미만으로 감소되는 것을 알 수 있다. 그러나, 도 10에 나타난 바와 같이 상광 굴절율을 더욱 작게 하여 1.525가 되도록 하여 투광성 기판(1110)과의 굴절율 차이가 0.005 이하가 되도록 하면 오목부의 깊이가 0.2~10㎛인 범위에서 입사광의 투과율은 95% 이상이 되는 것을 알 수 있다.
따라서 입사광이 95% 이상이 투과되도록 하기 위해서는 투광성기판(1110)의 굴절율과 액정(1120)의 상광 굴절율의 차이는 0.005 이하가 되어야 한다.
이상에서는 입사광의 95% 이상을 투과시키는 상광 굴절률의 범위를 한정하였다. 그런데 편광성 회절소자(1110)는 그 목적상 입사광에 대해 높은 투과율을 보임과 동시에 반사광은 효율적으로 회절시킬 수 있어야 하는바 이하에서는 반사광의 95% 이상을 회절시킬 수 있는 액정의 이상광 굴절률의 범위를 한정하도록 한다.
도 11은 반사광의 투과율(%)을 회절격자의 오목부의 깊이에 따라 나타낸 그래프로서, 액정의 이상광 굴절률은 투광성기판(1110)의 굴절률과 0.02의 차이를 갖는 경우를 나타낸 것이다.
도 11에 나타난 바와 같이 반사광의 투과율은 오목부의 깊이(d1)가 깊어질수록 감소된다. 그러나 투과율이 최소인 경우, 즉, 반사광의 회절이 최대인 d1=10μm의 경우에도 투과율은 약 10%에 이르게 되므로 이는 반사광의 약 90%만이 회절에 의해 차단된다는 것을 의미하므로, 편광성 회절소자(1100) 분야에서 일반적으로 요구되는 회절률인 95%에는 이르지 못한다. 따라서 회절률이 95% 이상이 되기 위해서는 굴절률의 차이가 0.02를 초과하여야 함을 알 수 있다.
도 12는 굴절률의 차이가 0.03인 경우의 반사광의 투과율을 나타낸 그래프이며, 도 13과 도 14는 각각 굴절률의 차이가 0.1 및 0.2인 경우의 그래프이다.
도 12에 나타난 바와 같이 굴절률의 차이가 0.03인 경우에는 오목부의 깊이(d1)가 9.5 ~ 10μm인 범위에서 5% 이하의 투과율을 보였는바 95% 이상의 반사광이 회절되고 있음을 알 수 있다.
따라서 투광성기판(1110)의 굴절률과 액정의 이상광 굴절률은 0.025이상 차이가 나는 것이 바람직함을 알 수 있다.
도 13에서는 굴절률의 차이 0.1 이상인 경우로 이때 오목부의 깊이(d1)가 3~3.5μm, 9.5~10 μm 인 범위에서 5% 이하의 투과율을 보였는바, 굴절률의 차이가 커질수록 반사광의 95% 이상을 회절시킬 수 있는 오목부의 깊이(d1)의 범위가 늘어나는바 회절격자의 제작의 용이성이 증대됨을 알 수 있다.
또한 도 14는 굴절률의 차이가 0.2 이상인 경우로서 오목부의 깊이(d1)가 1.5~2μm, 4.5~5.0μm, 및 8.0 ~ 8.5μm인 범위에서 요구되는 투과율을 보임을 알 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이 반사광의 95% 이상을 회절시키기 위해서는 투광성 기판(1110)의 굴절률과 액정편광층(1120)의 이상광 굴절률의 차이는 0.025 이상인 것이 바람직하다.
이상에서는 입사광이 보통광선의 특징을 갖고 반사광은 이상광선의 특징을 갖는 경우를 기준으로 설명하였으나, 이는 입사광이 이상광선의 특성을 갖고 반사광이 보통광선의 특성을 갖는 경우에도 동일하게 발생된다.
이하에서는 본 발명에 따른 위상지연을 갖는 편광성 회절소자(1000)의 제작 방법에 대하여 설명하도록 한다. 도 15는 본 발명에 따른 위상지연을 갖는 편광성 회절소자(1000)의 제작 방법을 나타낸 순서도이다.
위상지연을 갖는 편광성 회절 소자(1000)의 제작 과정은 회절격자 형성과정(S11), 배향막 코팅과정(S12), 배향처리 과정(S13), 액정편광층 형성과정(S14), 액정편광층 경화과정(S15) 및 위상지연층 적층과정(S16, S17)을 포함한다.
회절격자는 도 15에 도시된 바와 같이 회절격자의 형상에 대응되는 격자성형패턴이 형성된 마스터(2000)로 투광성 기판(1110)을 가압하여 형성하게 된다(S11). 이와 같이 마스터(2000)로 가압하는 방식으로 회절격자를 제작하게 되면 포토 리소그래피 공정을 통해 액정층을 에칭하던 종래의 방식에 비해 고가의 장비를 사용하지 않으면서 간단하게 회절격자를 형성할 수 있게 된다.
회절격자가 형성되면 회절격자상에 배향막(1115)을 박막 코팅하고(S12), 러빙롤(3000)로 배향막(1115)을 러빙하여 배향처리를 한다(S13). 이때 상기에서 설명한 바와 같이 배향막(1115)을 사용하지 않고 회절격자의 표면을 직접 러빙하여 배향처리를 할 수도 있다.
배향처리가 완료되면 회절격자 상에 액체상태의 액정을 도포한다(S14). 이때 입사광이 액정에서 과도하게 흡수되는 것을 방지하고 액정 상부가 평탄하게 형성될 수 있도록 하기 위하여 회절격자의 볼록부 상에 형성되는 액정의 두께(d2)는 1~2μm 이하가 가 되도록 하는 것이 바람직하다.
도포된 액정(1120)은 UV 또는 열 등을 사용하여 경화시켜(15) 편광성 회절소자(1100)를 제작한다. 편광성 회절소자(1100)가 제작되면, 액정(1120) 상부에 배향막을 형성하여 배향 처리를 한 후 제1 위상지연층(1210)을 형성할 수 있다(S16). 제1 위상지연층이 형성되면 다시 제1 위상지연층 상부에 배향막을 형성하거나 또는 표면 개질제 또는 계면 활성제(1215)로 표면 처리한 후 배향막을 형성하여 배향 처리를 한 후 제2 위상지연층(1220)을 형성하여(S17), 2개의 파장에 대하여 위상지연을 갖는 편광성 회절소자를 제작할 수 있다.
상기 제1 위상지연층(1210) 또는 제2 위상지연층(1220)은 공기와 닿는 상부면과 공기와 직접 닿지 않는 하부면의 표면 에너지 차이가 발생될 수 있다.
아래 [표2] 내지 [표5]는 제1 위상지연층(1210) 표면 접촉각과 제2 위상지연층(1220)의 표면 접촉각 변화에 따른 상부 위상지연층의 코팅 가능 여부를 실험한 것이며, 도 16 내지 도 21은 본 발명의 실시 예에 따른 위상지연을 갖는 편광성 회절소자의 제1 위상지연층의 상부면의 증류수의 접촉각 및 습윤 에너지에 따른 접촉력(work of adhension)을 나타내는 도면이다.
제2위상지연층 접촉각 54.4°
제1위상지연층 접촉각 54.4° 접촉각 71° 접촉각 68.3° 접촉각 81.9°
코팅가능여부 코팅가능 코팅가능 코팅가능 코팅불가능
제2위상지연층 접촉각 54.4°
제1위상지연층 접촉각 54.4° 접촉각 71° 접촉각 68.3° 접촉각 81.9°
코팅가능여부 코팅가능 코팅가능 코팅가능 코팅불가능
제2위상지연층 접촉각 68.3°
제1위상지연층 접촉각 54.4° 접촉각 71° 접촉각 68.3° 접촉각 81.9°
코팅가능여부 코팅가능 코팅가능 코팅가능 코팅불가능
제2위상지연층 접촉각 81.9°
제1위상지연층 접촉각 54.4° 접촉각 71° 접촉각 68.3° 접촉각 81.9°
코팅가능여부 코팅가능 코팅가능 코팅가능 코팅불가능
상기 [표2] 내지 [표5]에서 나타내는 바와 같이, 위상지연층의 코팅 가능 여부는 접합면의 접촉각 또는 습윤 에너지가 영향을 미치는 것을 알 수 있다.
즉, 제2 위상지연층(상부 위상지연층)과 접하는 제1 위상지연층(하부 위상지연층)의 상부면의 접촉각이 80도 이하 또는 습윤 에너지가 10mN/M 이상이 되도록 제1 위상지연층이 형성되어야 상부 위상지연층이 코팅될 수 있다.
도 16 내지 도 21에 도시된 바와 같이, 접촉각이 80도 이상인 경우 접촉력이 85이하가 되며 제2 위상지연층의 코팅이 불가능한 것으로 나타났다.
따라서, 제1 위상지연층의 상부면 접촉각이 80도 이상인 경우에는 표면 개질제 코팅 및 계면 활성제 코팅을 통해 접촉각을 낮춘 후 제2 위상지연층을 형성할 수 있다.
본 발명에 따른 위상지연을 갖는 편광성 회절소자는 하나의 베이스기재를 이용하여 회절격자를 형성한 후, 액정을 충진하며, 상기 액정 상에 연속 공정으로 위상지연층을 적층하는 방법으로 제작된다.
본 발명에 따른 위상지연을 갖는 편광성 회절소자의 제조방법은 위상지연층이 적어도 두 개의 상이한 파장에 대하여 위상지연이 발생되도록 형성할 수 있으며, 예를 들어, 광픽업장치에 이용되는 경우에는 상기 위상지연층은 660㎚ 및 780㎚에 대하여 위상지연이 발생되도록 형성될 수 있다.
위상지연층은 폴리카보네이트, 폴리이미드, 폴리알킬레이트, 폴리에스테르술폰, (지환족) 폴리올레핀, 폴리(메타) 아크릴레이트, 폴리에테르이미드 중 어느 하나 또는 이들의 중합체 등의 고분자 박막을 일축연신 하는 등의 방법으로 복굴절성을 부여하여 위상지연을 실현하는 유기물 박막을 제작할 수 있으며, 상기 위상지연층은 복굴절 특성을 갖는 어떠한 매질 또한 응용할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 위상지연을 갖는 편광성 회절소자의 양 측면에 AR 코팅층을 형성하여 광투광성을 향상시킬 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명은 바람직한 실시예를 통하여 상세히 설명되었지만, 본 발명은 이러한 실시예의 내용에 제한되는 것은 아니다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면, 비록 실시예에 개시되지 않았지만 첨부된 청구항의 기재범위 내에서 다양한 수정, 변경 또는 부가가 가능하며, 이들 모두 본 발명의 기술적 범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.
도 1은 종래의 광헤드장치의 개략적인 구성도이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 위상지연을 갖는 편광성 회절소자의 단면도를 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 위상지연을 갖는 편광성 회절소자의 단면도를 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 제3 실시예에 따른 위상지연을 갖는 편광성 회절소자의 단면도를 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 제4 실시예에 따른 위상지연을 갖는 편광성 회절소자의 단면도를 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 위상지연을 갖는 편광성 회절소자의 회절격자에 대한 다른 실시예의 단면도를 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 위상지연을 갖는 편광성 회절소자의 회절격자에 대한 또 다른 실시예의 단면도를 도시한 도면이다
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 위상지연을 갖는 편광성 회절소자의 오목부 깊이에 따른 회절특성의 균일도를 나타내는 그래프이다.
도 9 내지 도 14는 본 발명의 실시예에 따른 위상지연을 갖는 편광성 회절소자에 사용되는 편광성 회절소자의 광투과율을 나타내는 그래프이다.
도 15는 본 발명의 실시예에 따른 위상지연을 갖는 편광성 회절소자의 제작순서를 도시한 도면이다.
도 16 내지 도 21은 본 발명의 실시예에 따른 위상지연을 갖는 편광성 회절소자의 제1 위상지연층의 접촉각 및 습윤 에너지에 따른 접촉력을 나타내는 도면이다.
<도면의 주요 부호에 대한 간단한 설명>
1000: 위상지연을 갖는 편광성 회절소자
1100: 편광성 회절소자 1110: 투광성기판
1120: 액정 1112: 글라스기판
1114: 고분자레진층 1115: 배향막
1200: 위상지연소자 1210: 제1 위상지연층
1220: 제2 위상지연층

Claims (12)

  1. 글래스 기판과, 상기 글래스 기판상에 고분자 레진으로 형성되고 오목부와 볼록부가 교대로 배열되는 회절격자, 및 상기 회절격자 상에 상기 볼록부의 상단보다 1㎛ 이상 2㎛ 이하의 높이로 충진되는 복굴절성 액정을 포함하는 편광성 회절소자; 및
    상기 액정의 상면에 서로 광축이 상이하고 복굴절성 박막으로 형성된 제1위상지연층과 제2위상지연층이 연속 적층되고, 상기 제1위상지연층 상부면의 표면 접촉각이 80도 이하인 광대역 위상지연소자;를 포함하고,
    상기 오목부의 깊이는 0.2㎛ 이상 10㎛ 이하이고, 상기 글래스 기판의 열팽창계수(TG), 고분자 레진의 열팽창계수(TR) 및 액정의 열팽창계수(TLC)는 TR > TLC > TG의 관계를 갖는 편광성 회절소자.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 오목부와 볼록부는 계단형 측벽이 형성된 것을 특징으로 하는 위상지연을 갖는 편광성 회절소자.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 투광성 기판은 광투과율이 90% 이상이며, 상기 투광성 기판 상에 충진되는 액정의 높이는 상기 볼록부의 상단보다 높고 상기 오목부의 하단으로부터 1.2㎛ 이상 12㎛ 이하로 형성되는 것을 특징으로 하는 위상지연을 갖는 편광성 회절소자.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 위상지연층은 배향성을 갖는 물질로 형성되는 것을 특징으로 하는 위상지연을 갖는 편광성 회절소자.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1위상지연층과 제2 위상지연층 중 적어도 어느 하나는 아래 수학식이 만족되는 위상지연값(λ')을 갖는 것을 특징으로 하는 위상지연을 갖는 편광성 회절소자.
    λ'= Δn*d
    (여기서, Δn: 단일 위상지연층의 복굴절값, d: 단일 위상지연층의 두께)
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1위상지연층은 상부 면의 습윤(wetting) 에너지가 10mN/M 이상인 것을 특징으로 하는 위상지연을 갖는 편광성 회절소자.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 액정, 제1위상지연층, 및 제2위상지연층 중 적어도 어느 하나의 일 측면에는 표면 개질제 또는 계면 활성제가 도포되는 것을 특징으로 하는 위상지연을 갖는 편광성 회절소자.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 회절격자의 표면은 상기 액정의 장축이 상기 회절격자의 길이 방향과 평행하게 배열될 수 있도록 배향처리되어 있는 것을 특징으로 하는 위상지연을 갖는 편광성 회절소자.
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