KR101234986B1 - 다중 막 와이어 그리드 편광 장치 - Google Patents

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목스테크, 인크
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Abstract

빛(12)을 편광하는 다중 막 와이어 그리드 편광기(10a)가 기판(14)에 배치된 한 스택의 박막(18)을 포함하며, 연장된 금속 소자(26)의 와이어 그리드 어레이(22)가 상기 빛의 파장보다 긴 길이와 상기 빛의 파장의 절반보다 짧은 주기를 가진다. 위의 막 중 하나가 기판의 굴절률보다 큰 굴절률을 가지는 박막(18a-c)을 포함할 수 있다. 박막 중 하나가 비금속 소자(38, 46)로 이루어진 절연 어레이를 포함할 수 있다.

Description

다중 막 와이어 그리드 편광 장치{Multilayer Wire-Grid Polarizer}
본 발명은 가시 및 근 가시 스펙트럼을 위한 와이어 그리드 편광기(WGP: Wire Grid Polarizer)에 관한 것이다.
와이어 그리드 편광기(WGP: Wire Grid Polarizer)는 유리와 같은 기판의 표면에 배치된 평행 와이어의 어레이이다. 보통, 와이어 그리드 편광기는 기판상의 단일한, 주기적인 어레이이다. 와이어의 주기가 빛의 파장의 절반보다 큰 경우에, 그리드가 회절 격자 역할을 한다. 와이어의 주기가 빛의 파장의 절반보다 작은 경우에 그리드는 편광기 역할을 한다.
WGP는 하나의 편광된 빛 모두를 전송하고 다른 편광된 빛 모두를 반사하는 반면, 편광기가 완벽하지 않다. 실제 WGP는 양쪽의 편광된 빛 중 일부를 전송하고, 양쪽의 편광된 빛의 일부를 반사할 것이다. 빛이 투명 물질(가령, 한 시트의 유리)의 표면에 입사할 때, 적은 양의 빛이 반사된다. 예를 들어, 일반적인 입사시에, 입사한 빛의 약 4%가 유리의 각 표면으로부터 반사된다.
파랑 빛과 같은 가시 스펙트럼의 일부에서 성능을 향상시키기 위해, WGP 하에 또는 와이어와 기판의 사이에 필름을 배치하도록 더 짧은 파장에 대해 제 1 회절 차수로 이동된다. 미국특허 제6,122,103호를 참조한다. 필름은 기판의 굴절률보 다 작은 굴절률을 가진다. 또한 기판이나 하부 막으로 식각을 하여 와이어 그리드 하부의 유효 굴절률을 더 감소시키는 것이 제안되고 있다. 미국 특허 제6,122,103호를 보면, 각각의 와이어를 금속과 절연막이 교대되는 구성으로 형성하는 것이 추가로 제안되어 있다. 미국특허 제6,532,111호를 참조한다.
향상된 성능을 가지는 와이어 그리드 편광기나, 하나의 상태(예, p 편광 상태)의 증가한 투과율 및 다른 편광 상태(s 편광 상태)의 감소된 투과율(또는 증가된 반사율)을 가지는 와이어 그리드 편광기를 개발하는 것이 필요하다. 또한, 편광기가 하나의 편광 상태를 반사하기 위한 금속의 역할을 하며, 다른 편광 상태에 대한 손실 절연체로 이루어진 박막의 역할을 한다. 따라서, 형태 복굴절 및 유효 굴절률이 와이어 그리드 편광기에 적용될 수 있다. 또한, 와이어 그리드 편광기는 박막으로 취급될 수 있으며 광학 스택(stack)에 포함될 수 있다.
간략하게, 일반적인 용어로서, 본 발명은 빛을 편광하는 다중막 와이어 그리드 편광기를 목적으로 한다. 본 발명의 일 측면에 따르면, 편광기는 기판(14)에 배치되고 상기 기판의 굴절률보다 큰 굴절률을 가지는 박막을 포함한다. 와이어 그리드 막은 하나 이상의 박막 상부에 배치된다. 와이어 그리드 막은 상기 빛의 파장보다 긴 길이와 상기 빛의 파장의 절반보다 작은 주기를 가지는 연장된 금속 소자로 이루어진 어레이를 포함한다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 상기 편광기는 기판 상부에 배치된 와이어 그리드 막을 포함한다. 상기 와이어 그리드 막은 상기 빛의 파장보다 긴 길이와 상기 빛의 파장의 절반보다 작은 주기를 가지는 연장된 금속 소자로 이루어진 어레이를 포함한다. 절연막은 상기 와이어 그리드 막 상부에 배치된다. 상기 절연막은 비금속 소자로 이루어진 어레이를 포함한다. 하나 이상의 박막(thin film layer)이 상기 와이어 그리드 막과 상기 절연막 사이에 배치된다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 상기 편광기가 기판 상부에 배치된 한 스택의 박막으로서, 상기 기판을 가로질러 확장하는 박막을 포함한다. 상기 박막 중 하나 이상이 구조 및 물질 면에서 균일하다. 상기 박막 중 하나 이상이 상기 빛의 파장보다 긴 길이와 상기 빛의 파장의 절반보다 짧은 주기를 가지는 연장된 금속 소자로 이루어진 와이어 그리드 어레이를 포함한다. 상기 박막 중 하나 이상이 비금속 소자의 절연 어레이를 포함한다.
도 1 및 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 다중 막 와이어 그리드 편광기를 나타내는 단면도이다(이 도면은 계측을 위한 것이 아니며, 명확한 표현을 위해 형태가 과장될 수 있다).
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라 다중 막 와이어 그리드 편광기를 나타내는 단면도이다(이 도면은 계측을 위한 것이 아니며, 명확한 표현을 위해 형태가 과장될 수 있다).
도 4a는 다른 편광기와 비교하여, 도 3의 다중 막 와이어 그리드 편광기에 대한 p 편광 반사율 대 파장을 나타내는 그래프이다.
도 4b는 다른 편광기와 비교하여, 도 3의 다중막 와이어 그리드 편광기에 대 한 s 편광 투과율 대 파장을 나타내는 그래프이다.
도 4c는 다른 편광기와 비교하여, 도 3의 다중막 와이어 그리드 편광기에 대한 p 편광 투과율 대 파장을 나타내는 그래프이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따라 다중 막 와이어 그리드 편광기의 단면도를 나타내는 도면이다(이 도면은 계측을 위한 것이 아니며, 명확한 표현을 위해 형태가 과장될 수 있다).
도 6a은 다른 편광기에 비교하여, 도 5의 다중막 와이어 그리드 편광기에 대한 s-편광 반사율 대 파장을 나타내는 그래프이다.
도 6b는 다른 편광기와 비교하여, 도 5의 다중막 와이어 그리드 편광기에 대한 p-편광 투과율 대 파장을 나타내는 그래프이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따라 다중 막 와이어 그리드 편광기의 단면도를 나타내는 도면이다(이 도면은 계측을 위한 것이 아니며, 명확한 표현을 위해 형태가 과장될 수 있다).
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따라 다중 막 와이어 그리드 편광기의 단면도를 나타내는 도면이다(이 도면은 계측을 위한 것이 아니며, 명확한 표현을 위해 형태가 과장될 수 있다).
도 9는 다른 편광기와 비교하여, 도 7 및 8 의 다중막 와이어 그리드 편광기에 대한 p 편광 반사율 대 파장을 나타내는 그래프이다.
도 10a 및 b는 본 발명의 일 실시예에 따라 다중 막 와이어 그리드 편광기의 단면도를 나타내는 도면이다(이 도면은 계측을 위한 것이 아니며, 명확한 표현을 위해 형태가 과장될 수 있다).
도 11은 다른 편광기와 비교하여, 도 10a 및 b의 다중막 와이어 그리드 편광기에 대한 s 편광 반사율 대 파장을 나타내는 그래프이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따라 또 다른 다중 막 와이어 그리드 편광기의 단면도를 나타내는 도면이다(이 도면은 계측을 위한 것이 아니며, 명확한 표현을 위해 형태가 과장될 수 있다).
도 13은 다른 편광기와 비교하여, 도 12의 다중막 와이어 그리드 편광기에 대한 s 편광 투과율 대 파장을 나타내는 그래프이다.
도 14는 본 발명의 일 실시예에 따라 와이어 그리드 막의 금속 소자 구성요소 사이의 공간에 존재하는 절연막을 포함하는 와이어 그리드 막의 단면도를 나타내는 도면이다.
도 15는 본 발명의 일 실시예에 따라, 두 개의 서로 다른 물질로 구성되는 두 개의 절연 그리드를 포함하는 절연 그리드 막을 나타내는 단면도이다.
빛의 하나의 편광에 대해, 와이어-그리드 편광기가 빛(이 빛의 하나의 편광)을 반사하는 금속의 역할을 한다. 반면에, 빛의 다른 편광에 대해, 와이어-그리 편광기가 빛(또는 다른 편광)을 전송하는 손실 절연체(lossy dielectric)로 이루어진 박막의 역할을 한다. 따라서, 두 개의 개념 즉, 형태 복굴절 및 유효 굴절률이 편광기의 성능을 향상시킬 수 있다는 것이 알려졌다.
일반적으로 와이어-그리드 편광기가 형태 복굴절의 일 예로 간주되는 것은 아니다. 보통, 복굴절은 서로 다른 편광에 대해 물질이 서로 다른 굴절률을 가지는 것을 의미한다. 수정과 같은 결정 물질과 인장 중합체(stretched polymer)에 공통적이다. 형태 복굴절은 물질의 형태에 의해 야기되는 복굴절을 일컫는다.
빛의 파장보다 작은 변형 크기에서, 물질이 물질 속성(예, 밀도)에 대한 변형이 이루어질 때, 굴절률이 일정한 벌크 물질의 인덱스와 다르다. 균일한 박막이 빛에 대해 동일한 효과를 나타내는 유효 굴절률이 존재한다. 이러한 효과에 대한 이론적인 처리를 유효 매체 이론이라 한다. 이러한 현상은 절연 물질을 이용하여 초미세 무반사 코팅(moth-eye antireflection coating)과 같은 물질을 만드는 데 이용된다.
추가로, 와이어-그리드 편광기는 일반적으로 박막으로 간주되지 않는다. 광학에서, 형태 복굴절 및 유효 굴절률 모두는 일반적으로 절연 물질에 대해서만 고려된다. 그러나 유효 굴절률을 이용하여, 와이어-그리드 편광기를 등가 복굴절 박막으로 다루는 것은 편광기를 박막 스택 내의 소자로 간주하고, 특정 성능 목표를 가지는 박막 디자인 기술을 사용하도록 한다.
본 발명은 금속 와이어 그리드 편광기와 함께 박막을 이용하여 편광기의 성능을 향상시킨다. 일반적으로 이는 와이어 그리드의 하부 및 상부에 필름을 포함할 수 있다. 이러한 필름 중 어느 하나가 균일하거나, 또는 절연 그리드일 수 있다. 와이어 그리드는 복합 그리드일 수 있으며, 복합 와이어를 포함할 수 있다. 서로 다른 물질로 이루어진 다중 막과 와이어 그리드를 조합함으로써, 서로 다른 굴절률이 전송될 편광의 반사율을 감소시킬 수 있다. 예를 들어, 와이어 그리드는 s 편광 된 빛을 반사시킬 수 있으며, p 편광된 빛을 전송한다. 상술한 바와 같이, p 편광된 모든 빛을 전송하고 s 편광된 모든 빛을 반사하는 것이 바람직한 반면, 전형적인 와이어 그리드는 양쪽의 편광 중 일부를 전송하고 양쪽의 편광 중 일부를 반사할 것이다. 그러나, 와이어 그리드를 복굴절 박막으로 취급하는 것 및 와이어 그리드를 다중 박막과 조합하는 것은 p 편광된 빛의 반사를 줄일 수 있다.
도 1 및 2에 도시된 바와 같이, 다중 막 와이어-그리드 편광 장치(일반적으로 10a 및 10b로 각각 표시됨)가, 빛(12)을 편광 시키거나 직교 편광 상태로부터 하나의 편광 상태를 분리하기 위한 본 발명에 따라 구현된 실시예를 나타낸다. 이러한 실시예에 따르면 원하지 않는 편광의 반사 및/또는 전송을 더 개선된 방식으로 줄일 수 있다. 이러한 장치는 가시 광선 애플리케이션에 대하여 효용성을 가지며, 약 400-700nm(나노미터)이나 0.4-0.7um(마이크로미터 또는 미크론) 범위의 가시광선에 대하여 실질적 효용성을 가진다. 이러한 가시 광선 애플리케이션은 프로젝터(projector)와 같은 프로젝션 디스플레이 장치를 포함할 수 있다. 여기에 도시된 중 막 와이어-그리드 장치는, 편광기, 빔 스플리터, 분석 등과 같은 다양한 종류의 서로 다른 용량으로 사용될 수 있다. 이 명세서의 장치는 자외선 및/또는 적외선 애플리케이션과 같은 근-가시광 애플리케이션에서 사용된다. 또는 약 250-400나노미터 나 700-10,000나노미터 범위의 빛에 대해 효용성이 있다. 따라서, "빛(light)"이란 용어는 이 명세서에서, 가시광선, 자외선, 및 적외선과 250-10,000 나노미터 범위의 전자파를 일컫는데 폭넓게 사용된다.
편광기(10a 및 10b)는 복수의 또는 한 스택의 박막(18)을 운반하거나 지지하는 기판(14)을 포함한다. 여기서 편광기는 와이어 그리드 또는 와이어 그리드 막(22)을 포함한다. 기판(14)은 처리될 빛에 대해 투명할 수 있다. 예를 들어, 기판은 유리(Bk7)일 수 있다. 다른 기판은 수정이나 플라스틱일 수 있다. 추가로, 기판(14)이 잔여 필름 막에 대하여 실질 두께(ts)를 가질 수 있다. 나아가, 기판이 굴절률(ns)을 가질 수 있다. 예를 들어, 유리 기판(Bk7)은 1.52(550나노미터에서)의 굴절률을 가진다 (굴절률은 파장에 대해 약간 변한다).
와이어 그리드 또는 와이어 그리드 막(22)은 연장된 금속 소자(26)의 와이어 그리드 어레이를 포함한다. 소자(26)는 빛의 파장 길이 보다 긴 길이를 가지며, 빛의 파장 길이의 절반보다 작은 주기(P)를 가지는 일반적으로 평행한 배열에 배치된다. 따라서, 가시 광의 사용을 위해, 소자(26)는 가시 광의 파장보다 긴 길이를 가지거나 700나노미터(0.7 마이크로미터)보다 크다. 그러나, 길이는 훨씬 더 길 수 있다. 소자(26)는 센터-투-센터 공간을 가질 수 있으며, 가시 광의 파장 길이의 절반 보다 짧은 또는 200나노미터(0.2마이크로미터) 이하의 피치나 주기(P)를 가진다. 소자(26)는 피치나 주기의 10 내지 90퍼센트의 범위 내에서 폭(w)을 가질 수 있다. 소자(26)는 빛의 파장보다 작거나 가시 광선 애플리케이션에 대해 400나노미터(0.4um)보다 작은 두께나 높이(t)를 가진다. 일 측면에서, 두께는 가시광선 애플리케이션에 대해 0.2마이크로미터보다 작을 수 있다.
소자(26) 또는 어레이는 1)일반적으로 실질적으로 균일하며 일정한 선형 편광 상태(p 편광)를 가지는 전송된 빔(30)을 전송하고, 2)실질적으로 균일하며 일정한 선형 편광 상태(s 편광)를 가지는 반사된 빔(34)을 반사한다. 소자는 일반적으로, 소자에 대해 부분적으로 수직이거나 소자를 가로지르는 방향을 가진, 제 1 편광 상태(p 편광)로 빛을 전송하며, 소자에 대해 평행한 방향을 가진 제 2 편광 상태(s 편광)로 빛을 반사한다. 와이어-그리드 편광기가 특정 정도의 효율로 빛의 편광 상태를 분리하며, 양쪽의 편광 상태 중 일부가 전송 및/또는 반사된다. 소자의 일부가 서로 다른 편광 상태를 전송 또는 반사하도록 구성될 수 있다.
소자(26)나 어레이는 사진 식각에 의해 기판상에 또는 그 상부에 형성될 수 있다. 소자(26)는 전도체일 수 있으며, 알루미늄, 은, 금이나 구리로 형성될 수 있다.
복수의 박막(18)이 와이어 그리드 막(22) 하부 및/또는 상부의 막을 포함할 수 있다. 따라서, 하나 이상의 막(18a-c)은 기판(14)과 와이어 그리드 막(22) 사이에 배치될 수 있다. 또한, 하나 이상의 막이 와이어 그리드 막(22) 상부에 배치될 수 있다. 막(18)은 서로 다른 물질 또는, 기판(14)과 다른 물질로 형성될 수 있다. 따라서, 막(18)이 기판(14)의 굴절률(ns)과 다른 굴절률(n)을 가질 수 있다. 나아가, 기판(14)의 굴절률(ns)보다 큰 굴절률(n1-3)을 가지는 막(18a-c) 중 하나 이상이 p 편광된 빛의 반사율을 감소시킨다는 것을 알 수 있다. 따라서, 본 발명의 일 측면에 따르면, 편광기(10a 또는 10b)는 기판(14)과 와이어 그리드 막(22) 사이에 배치된 하나 이상의 박막(18a)을 포함하며, 박막(18a)은 기판(14)의 굴절률(ns)보다 큰 굴절률(n1)을 가진다. 본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 편광기(10a 또는 10b)는 둘 이상의 박막(18a 및 b) 또는 셋 이상의 박막(18a-c)을 포함할 수 있다.
박막(18a-c)은 기판(14)을 가로질러 확장할 수 있으며, 변하지 않는 또는 일정한 막(18a 및 18c로 표시됨)일 수 있다. 막(18a-c)은 절연 물질로 형성될 수 있다. 예를 들어, 막은 다음의 물질로 구성될 수 있다. 즉, 알루미늄 옥사이드, 안티모니 트리옥사이드, 안티모니 설파이드, 베릴륨 옥사이드, 비스무스 옥사이드, 비스무스, 트리플루오라이드, 카드뮴 설파이드, 카드뮴 텔루라이드, 칼슘 플루오라이드, 세릭 옥사이드, 치올라이트, 크리올라이트, 게르마늄, 하프늄 다옥사이드, 란탄 플로라이드, 란탄 옥사이드, 레드(lead) 클로라이드, 레드(lead) 플루오라이드, 레드(lead) 텔루라이드, 리튬 플루오라이드, 마그네슘 플루오라이드, 마그네슘 옥사이드, 네오지미늄 플루오라이드, 네오지미늄 옥사이드, 프라세오디뮴 옥사이드, 스칸듐 옥사이드, 실리콘, 실리콘 옥사이드, 다이실리콘 트리옥사이드, 실리콘 다이옥사이드, 소듐 플루오라이드, 탄탈룸 펜트옥사이드, 텔루르, 티타늄 다이옥사이드, 탈루스 클로라이드, 이트륨 옥사이드, 징크 셀레나이드, 징크 설파이드, 및 지르코늄 다이옥사이드이다. 박막은 기판에 증착될 수 있다. 금속 옥사이드의 경우에, 옥사이드 증착 물질(필요한 경우에 산소 백필(backfill)을 추가함)로 시작함으로써 증착될 수 있다. 그러나, 기반 물질을 증착시키고, 후방으로 산소를 포함하는 증착된 물질을 산화시킴으로써 물질이 증착될 수 있다.
이하에서 상세히 설명되는 바와 같이, p 편광된 빛의 반사율을 낮추도록, 박막(18a-c)의 두께(t1-3) 및 물질(또는 굴절률 n1-3)이 조절될 수 있다.
하나 이상의 박막(18a-c)은 비금속 소자(38)의 어레이를 포함하는 절연 그리드를 포함할 수 있다. 어레이의 비금속 및 금속 소자(38, 26)가 서로 평행한 방향을 향할 수 있다. 추가로, 어레이들은 실질적으로 동일한 주기 및/또는 폭을 가질 수 있다. 하나의 측면에서, 도 1 에 도시된 바와 같이, 절연 그리드의 비금속 소자(38) 및 금속 소자(26)가 정렬되며, 즉 비금속 소자(38)가 와이어 그리드 막의 금속 소자(26)와 관련하여 정렬된다. 또 다른 측면에서, 도 2에 도시된 바와 같이, 절연 그리드의 비금속 소자(38) 및 금속 소자(26)가 오프-셋(off-sef) 되는데, 즉 비금속 소자(38)가 와이어 그리드 막의 금속 소자(26)에 관하여 오프-셋 된다.
상술한 바와 같이, 복수의 박막(18)은 와이어-그리드 막(22) 상부에 배치된 하나 이상의 박막을 포함할 수 있다. 다른 박막은 절연 물질을 포함하며, 연속적이거나 일정할 수 있다. 추가로, 다른 박막(42)이 비금속 소자(46)로 이루어진 어레이를 포함하는 절연 그리드를 포함할 수 있다. 어레이의 비금속 및 금속 소자(46, 26)는 서로에 대해 실질적으로 평행하게 배치될 수 있으며, 실질적으로 동일한 주기를 가진다. 일 측면에서, 비금속 소자(46) 및 금속 소자(26)가 정렬되거나, 절연 그리드의 비금속 소자(46)가 와이어 그리드 막(도 1에 도시된 바와 같음)의 금속 소자(26)의 상부에 정렬된다. 다른 측면에서, 비금속 소자(46) 및 금속 소자(26)가 오프-셋 되거나, 절연 그리드의 비금속 소자(46)가 와이어 그리드 막(22)의 금속 소자(26)의 상부로 오프-셋 된다.
상술한 바와 같이, 박막(18)의 개수, 두께(t) 및 물질(또는 굴절률)이 p 편광된 빛의 반사율을 감소시키도록(p 편광된 빛의 전송률을 증가하도록) 그리고/또는 s 편광된 빛의 전송률을 감소시키도록(s 편광된 빛의 반사율을 증가시키도록) 변경될 수 있다. 막(18a, c)의 일부가 구조 및 물질 면에서 균일할 수 있다. 반면에 다른 막은 그리드(와이어 그리드 막(22)의 금속 소자(26)나 절연 그리드의 비금속 소자(38))를 포함할 수 있다. 특정 구조의 예가 이하에서 논의된다.
도 3을 참조하면, 다중 막 와이어 그리드 편광기(10c)의 일 실시예가 도시된다. 편광기는 유리(BK7) 기판(14) 상에 그리고 기판과 와이어 그리드(또는 와이어 그리드 막(22)) 사이에 세 개의 균일한 박막(50a-c)을 포함한다. 기판(14)은 1.52의 귤절률(ns)을 가진다. 제 1 박막(50a)이 65나노미터의 두께(t1)를 가지는 마그네슘 옥사이드(MgO)로 이루어진 균일한 물질이다. 따라서, 제 1 막(50a)은 (550나노미터의 파장에 대해) 1.74의 굴절률(n1)을 가지며, 이는 기판(14)의 굴절률(ns)보다 크다. 제 2 박막(50b)은 130나노미터의 두께(t2)와 2.0의 굴절률을 가지는 ZrO2로 이루어진 균일한 물질이다. 따라서, 제 2 막(50b)은 기판(14)의 굴절률(ns)보다 큰 굴절률(n2)을 가질 수 있다. 제 3 박막(50c)은 70나노미터의 두께를 가지는 마그네슘 플루오라이드(MgF2)로 이루어진 균일한 물질이다.
와이어 그리드 막(22)이나 와이어 그리드가 제 3 막(50c)의 상부에 배치된다. 와이어 그리드는 알루미늄으로 만들어진 소자들을 포함한다. 소자는 144나노미터의 주기(P)와, 39.5%의 폭(w)이나 57나노미터, 그리고 twg의 두께나 155나노미터의 높이를 가질 수 있다.
도 4a-c를 참조하면, 도 3의 편광기(10c)의 성능이, 와이어 그리드와 기판 사이의 박막을 포함하지 않는 유사한 편광기와 비교되며, 와이어 그리드와 기판 사이의 마그네슘 플루오라드(MgF2)로 이루어진 30나노미터의 막을 포함하는 유사한 편광기(따라서, 기판보다 작은 굴절률을 가지는 박막을 포함한다)와 비교된다. 빛(12)이 45도의 입사 각으로 편광기(10c)에 입사한다. 이 경우에, p 편광(30)이 먼저 전송되고, s 편광(34)이 먼저 반사된다. 도 4a를 참조하면, 곡선(54)에 도시된 바와 같이, 편광기(10c)를 통한 p 편광의 전송이 다른 두 개의 편광기들보다 크다(또는 편광기로부터의 p 편광의 반사가 적다). 더 낮은 굴절률의 박막을 가지는 편광기가 평범한 편광기보다 더 잘 동작한다는 것을 알 수 있는 반면, 세 개의 박막(50a-c)을 가지는 편광기(10c)가 이보다 더 나은 성능을 가진다. 도 4b를 참조하면, 곡선(56)에 도시된 바와 같이, s 편광의 투과율(누설(leakage))이 다른 편광기 중 어느 하나를 사용하는 것보다 편광기(10c)를 사용하는 것이 더 적다. (또한, 편광기를 통한 s 편광의 투과율이 더 적다). 도 4c를 참조하면, 곡선(58)에 도시된 바와 같이, p 편광의 반사가 다른 편광기를 사용할 때보다 편광기(10c)를 사용할 때 더 적다(또는 p 편광의 투과율이 더 크다). 더 전송된 p 편광과, 전송 및 반사 측면에서 강화된 콘트라스트가 존재하는 것이 기본결과이다. 이는 전송되고 반사된 복수의 편광이 다중 막 편광기(10c)를 이용할 때보다 더 크다.
도 5를 참조하면, 다중 막 와이어-그리드 편광기(10d)의 다른 실시예가 도시된다.
편광기(10d)는, 와이어 그리드 막(22)의 상부 즉 알루미늄 소자를 가지는 와이어 그리드의 상부 바로 위에 배치되는, 두 개의 절연 막 즉 두 개의 절연 그리드(60a 60b)를 포함한다. 와이어 그리드 또는 와이어 그리드 막(22)은 유리(BK7) 기판(14) 상에 배치된다. 와이어 그리드의 소자(26)의 두께나 높이(twg)는 160나노미터이다. 제 1 절연 그리드(60a)가 와이어 그리드 상에 배치되고, 100나노미터의 두께(t1)을 가진다. 또한 1.45의 굴절률(n1)을 가지는 실리콘 옥사이드(SiO2)로 형성된다. 제 2 절연 그리드(60b)는 100나노미터의 두께(t2)를 가지며, 2.5의 굴절률(n2)을 가지는 물질로 형성된다. 그리드의 주기(P)가 144나노미터이다. 소자의 폭이 주기(P)의 45%이거나 57나노미터이다. 빛(12)이 45도에서 입사된다.
도 6a 및 b를 참조하면, 도 5에 도시된 편광기(10d)의 성능이 상부에 절연 그리드를 포함하지 않는 유사한 편광기와 비교된다. 그리드의 주기(P)가 가시 광선의 파장보다 작기 때문에, 이들은 주요하게 모두 박막으로 역할을 한다. 도 6a에서, 곡선(62)에 도시된 바와 같이, 반사된 s 편광이 편광기(10d)보다 실질적으로 더 크다. 도 6b에서, 곡선(64)에 도시된 바와 같이, 전송된 p 편광이 편광기 10d를 사용할 때보다 더 크다.
도 7을 참조하면, 다중 막 와이어 그리드 편광기(10e)의 다른 예가 도시된다.
편광기(10e)는 와이어 그리드(또는 와이어 그리드 막(22))과 유리(BK7) 기판(14) 사이에 세 개의 균일한 박막(70a-c)을 포함한다. 제 1 막(70a)이 기판(14) 상에 배치되며, 33나노미터의 두께를 가지고, 1.8의 굴절률(n1)을 가진다. 제 2 막(70b)이 1.38의 굴절률(n2)과 30나노미터의 두께를 가지는 마그네슘 플루오라드(MgF2)로 구성된 물질이다. 제 3막(70c)은 20나노미터의 두께(t3)를 가지며, 1.8의 굴절률(n3)을 가진다. 따라서, 제 1 및 제 3 막(70a 및 c)가 기판(14)의 굴절률(ns)보다 큰 굴절률(n1 및 n3)을 가진다. 와이어 그리드 또는 와이어 그리드 막(22)은 144나노미터의 주기(P)를 가지는 알루미늄 소자를 포함한다. 소자 높이(twg)는 160나노미터이고, 소자 폭(w)은 주기의 45%이거나 57나노미터이다. 빛(12)이 통사적으로 입사한다(0도).
도 8을 참조하면, 다중 막 와이어 그리드 편광기(10f)의 다른 실시예에가 도시된다. 편광기(10e)는 세 개의 박막(80a-c)을 포함하며, 이는 다음을 제외하고 도 7에 도시된 바와 유사하다. 즉, 제 1 막(80a)가 28나노미터의 두께(t1)을 가지고, 제 2 막(80b)가 25나노미터의 두께(t2)를 가지며, 제 3 막(80c)가 17나노미터의 두께(t3)를 가진다. 추가로, 편광기(10f)가 와이어 그리드 막(22) 상부의 박막(84)을 포함한다. 박막(84)은 와이어 그리드의 금속 소자에 배치된 비금속 소자를 포함하는 절연 그리드를 포함한다. 와이어 그리드 또는 와이어 그리드 막(22)이 도 7에 대해 상부에 기술된 와이어 그리드와 유사하다. 절연 막(84)의 소자는 100나노미터의 두께(t4)를 포함한다. 절연 막(84)의 소자가 실리콘 다이옥사이드(SiO2)로 형성될 수 있다.
도 9를 참조하면, 편광기(10e 및 f)의 성능이, 박막을 포함하지 않는, 유사한 와이어 그리드 편광기와 비교된다. 곡선(86, 88)에 도시된 바와 같이, 양쪽의 편광기(102 및 f)는 p 편광을 덜 반사한다(즉, 더 많은 p 편광을 통과시킨다). 와이어 그리드 막의 하부에 박막을 포함하는 편광기(10f)와 와이어 그리드 상부의 절연 그리드는, 곡선(88)에 의해 도시된 바와 같이, 확연한 개선점을 나타낸다.
도 10a 및 b를 참조하면, 다중 막 와이어 그리드 편광기(10g 및 h)의 예가 도시된다. 두 개의 편광기(10g 및 h)는 기판(14) 상에 배치된 와이어 그리드 또는 와이어 그리드 막(22)을 포함한다. 와이어 그리드의 주기(P)는 144나노미터이고 소자는 150나노미터의 두께(twg)를 가진다. 소자의 폭(w)은 주기의 45%이거나 65나노미터이다. 추가로, 소자(26)는 그 사이의 공간(92)을 정의한다. 이 공간은 1.17의 굴절률(n1)을 가지는 물질을 포함한다. 제 2 균일 막(96)이 소자(26) 및 공간(92), 또는 100 나노미터의 두께(t2)와 1.17의 굴절률을 가지는 와이어 그리드(22) 상부에 배치된다. 제 3 박막(100)은 제 2 막(96)의 상부에 배치된다. 제 3 막(100)은 실리콘 다이옥사이드(SiO2)의 균일막 및 60나노미터의 두께(t3)를 가진다. 따라서, 제 3 막(100)은 1.45의 굴절률(n3)을 가진다. 제 4 막(104)은 제 3 막(100) 상에 배치되고, 비금속 소자를 포함하는 절연 그리드를 포함한다. 절연 그리드의 소자는 50나노미터의 두께(t4)를 가진다. 절연 그리드의 소자는 실리콘 다이옥사이드(SiO2)로 형성되고, 2.0의 굴절률(n4)을 가진다. 절연막 소자의 폭(w)은 주기의 50%이다. 절연막의 소자가 와이어 그리드의 소자 바로 상부에 배치된다(도 10a 도시됨). 선택적으로, 절연막의 소자가 와이어 그리드의 소자에 대해 오프-셋 되거나 반 주기 쉬프트 되어, 도 10b에 도시된 바와 같이, 와이어 그리드의 소자 사이의 공간 위로 위치한다. 빛(12)이 45도에서 입사된다.
도 11을 참조하면, 편광기(10g 및 h)의 성능이 유리 기판 상에 와이어 그리드만을 가지는 유사한 편광기와 비교된다. 곡선(104)에 의해 도시된 바와 같이(서로 겹침), 편광기(10g, h)가 향상된 s 편광 반사율을 가진다. 추가로, 유효 매체 이론 적용 조건 적용시 와이어 그리드에 대한 절연 그리드의 배치가 적절하지 않다는 것을 나타낸다. 이러한 실시예는 또한 균일 막과 절연막이 결합되고 유리하게 사용된다는 것을 나타낸다. 추가로, 이러한 실시예는 유효 매체 이론의 주요 원리 를 구현한다.
도 12를 참조하면, 다중 막 와이어 그리드 편광기(10i)의 다른 실시예가 도시된다. 편광기(10i)가 도 3에 도시된 편광기(10c)와 유사하나, 복합 소자를 포함하는 와이어 그리드 또는 와이어 그리드 막(112)을 포함한다. 복합 소자는 금속과 비금속 막이 교대되는 막을 포함한다. 이러한 복합 소자의 실시예가 미국 특허 제6,532,111호에 기술되며, 이 명세서에 참조문헌으로 첨부된다. 예를 들어, 각 소자는 알루미늄과 마그네슘 플루오라이드가 교대되는 막을 포함한다.
도 13을 참조하면, 편광기(10i)의 성능이 복합 소자를 가지는 유사한 편광기와 비교된다. 다만, 이 편광기는 기판과 와이어 그리드 막 사이의 박막을 포함하지 않는다. 곡선(116)에 의해 도시된 바와 같이, 편광기(10i)는 누설이나 투과율이 적다.
도 14를 참조하면, 와이어 그리드 막(22) 상술한 막과 유사하나, 와이어 그리드 막의 금속 소자들 사이에 공간 내에 절연 물질(120)을 포함한다. 이러한 와이어 그리드 또는 와이어 그리드 막은 위에서 설명한 어느 예시를 대신하여 사용될 수 있다.
도 15를 참조하면, 절연 그리드 막이, 각각 서로 다른 굴절률(n1, n2)을 가지는 서로 다른 두 개의 물질로 이루어진 소자를 포함하는 두 개의 절연 그리드(124, 128)로 도시된다. 따라서, 절연막이나 그리드가 서로 다른 물질로 이루어진 교대되는 소자를 포함하거나, 다른 그리드의 공간에 배치된 하나의 그리드로 이루어진 소자를 포함한다. 이러한 절연 그리드나 막이 상술한 예시 중 어느 하나로 대용될 수 있다.
이 명세서에 실시예들이 표현되었으나, 이는 본 발명으로부터 실현 가능한 여러 가능성 중 일부이다. 일반적으로, 균일 막 및 절연 그리드의 조합이, 빛의 지정된 밴드의 입사 각의 지정 범위를 넘는 전송 및 반사를 최적화하는 것과 같은 특정 애플리케이션을 위해 조합될 수 있다. 최적화가 전송이나 반사 또는 둘 모두에 대해 이루어질 수 있다. 편광기에 대한 공기 측으로부터 또는 기판 측으로부터 또는 양쪽 모두로부터의 입사에 대해 만들어질 수도 있다.
와이어-그리드 편광기의 다양한 측면, 광학 트레인 및/또는 프로젝션/디스플레이 시스템이 미국특허 제5,986,730호, 제6,081,367호, 제3,122,103호, 제6,208,463호, 제6,243,199호, 제6,288,840호, 제6,348,995호, 제6,108,131호, 제6,452,724호, 제6,710,921호, 제6,234,634호, 제6,447,120호, 및 제6,666,556호에 기술되어 있으며, 이들은 이 명세서에 참조문헌으로 포함된다.
와이어-그리드 편광기가 광원을 접하는 것으로 도시되거나, 광원을 향하는 연장된 소자를 포함하는 것으로 도시되었으나, 이는 단지 도시를 위한 목적인 것으로 이해되어야 한다. 본 발명이 속하는 분야의 당업자는, 이미징 베어링 빔이 기판을 통하하는 것을 방지하는 간단한 목적을 위해, 와이어 그리드 편광기가 액정 어레이로부터 이미징 베어링 빔(imaging bearing beam)을 향하도록 배치될 수 있으며, 이에 따라 기판과 같은 매체를 통과하는 빛과 관련된 고스트 이미지나 다중 반사를 방지할 수 있다. 이러한 구조는 광원으로부터 떨어져 광원을 향하는 와이어 그리드 편광기를 구현할 수 있다.
상술한 본 발명의 실시예들은 단지 예시와 설명을 위한 것일 뿐이며, 본 발명을 설명된 형태로 한정하려는 것이 아니다. 따라서, 다양한 변화 및 변경을 할 수 있음은 본 발명이 속하는 분야의 당업자에게 자명하다. 또한, 이 명세서의 상세한 설명이 본 발명의 범위를 제한하는 것은 아니다. 본 발명의 범위는 첨부된 청구항에 의해서 정의된다.

Claims (25)

  1. 빛을 편광하기 위한 와이어 그리드 편광 장치에 있어서, 상기 편광 장치는
    a) 기판과;
    b) 상기 기판상에 배치된 둘 이상의 연속적인 박막으로서, 서로에 대해 다른 굴절률을 가지는 상기 박막과;
    c) 상기 기판의 굴절률보다 큰 두 개의 박막 중 하나 이상의 굴절률과; 그리고
    d) 상기 둘 이상의 박막 상부에 배치된 와이어 그리드 막으로서, 상기 빛의 파장보다 긴 길이와 상기 빛의 파장의 절반보다 작은 주기를 가지는 연장된 금속 소자로 이루어진 어레이를 포함하는 상기 와이어 그리드 막;
    을 포함하고,
    e) 상기 박막 중 하나 이상은 절연 소자로 이루어진 어레이를 포함하는 절연 그리드를 포함하고, 상기 어레이의 상기 절연 소자 및 상기 금속 소자는 서로에 대해 평행하게 배치되며, 그리고 상기 어레이들은 동일한 주기를 가지며, 상기 박막 중 하나 이상은 상기 와이어 그리드 막과 상기 절연 소자로 이루어진 어레이를 포함하는 상기 둘 이상의 박막 중 하나 이상의 박막 사이에 배치됨을 특징으로 하는 와이어 그리드 편광 장치.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 와이어 그리드 막의 상부에 배치된 하나 이상의 박막을 더 포함하되,
    상기 하나 이상의 박막은 절연 소자의 어레이를 포함하는 절연 그리드를 포함하고,
    상기 어레이의 절연 소자 및 금속 소자는 서로에 대해 평행하게 배치되며, 그리고
    상기 어레이들은 동일한 주기를 가지는 것을 특징으로 하는 와이어 그리드 편광 장치.
  4. 빛을 편광하는 와이어 그리드 편광 장치에 있어서, 상기 편광 장치는
    a) 굴절률을 가지는 기판과;
    b) 상기 기판상에 배치된 하나 이상의 박막으로서, 상기 박막은 상기 기판의 상기 굴절률보다 큰 굴절률을 가지는 상기 박막과;
    c) 상기 하나 이상의 박막 상부에 배치된 와이어 그리드 막으로서, 상기 빛의 파장보다 긴 길이와 상기 빛의 파장의 절반보다 작은 주기를 가지는 연장된 금속 소자로 이루어진 어레이를 포함하는 상기 와이어 그리드 막; 그리고
    d) 상기 와이어 그리드 막 상부에 배치된 하나 이상의 다른 박막;
    을 포함하며,
    상기 기판상에 배치된 하나 이상의 박막과 상기 와이어 그리드 막 상부에 배치된 하나 이상의 다른 박막 중 하나 이상은 금속 소자의 어레이와 평행하게 배치되고 금속 소자의 어레이에 관하여 오프셋(offset) 된 절연 소자의 어레이를 포함하는 절연 그리드를 포함하는 것을 특징으로 하는 그리드 편광 장치.
  5. 삭제
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 와이어 그리드 막 상부에 배치된 하나 이상의 다른 박막을 더 포함하고, 상기 하나 이상의 다른 박막은 절연 소자로 이루어진 어레이를 포함하며, 상기 어레이의 절연 소자 및 금속 소자는 서로에 대해 평행하게 배치되며, 그리고 상기 어레이들은 동일한 주기를 가지는 것을 특징으로 하는 그리드 편광 장치.
  7. 빛을 편광하는 와이어 그리드 장치에 있어서, 상기 장치는:
    a) 기판과;
    b) 상기 기판 상부에 배치된 와이어 그리드 막으로서, 상기 와이어 그리드 막은 상기 빛의 파장보다 긴 길이와 상기 빛의 파장의 절반보다 작은 주기를 가지는 연장된 금속 소자로 이루어진 어레이를 포함하는 상기 와이어 그리드 막과;
    c) 상기 와이어 그리드 막 상부에 배치된 절연막으로서, 상기 절연막은 절연 소자로 이루어진 어레이를 포함하는 상기 절연막과; 그리고
    d) 상기 와이어 그리드 막과 절연막 사이에 배치된 하나 이상의 박막
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 와이어 그리드 장치.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 기판과 상기 와이어 그리드 막 사이에 배치된 하나 이상의 박막을 더 포함하되, 상기 하나 이상의 박막은 서로에 대해 서로 다른 굴절률을 각각 가지는 복수의 박막을 포함하는 것을 특징으로 하는 와이어 그리드 장치.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 기판과, 상기 기판의 굴절률보다 큰 굴절률을 가지는 상기 와이어 그리드 막 사이에 하나 이상의 박막을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 와이어 그리드 장치.
  10. 제 7 항에 있어서,
    상기 기판과 절연 소자의 어레이를 포함하는 상기 와이어 그리드 막 사이의 절연 그리드를 더 포함하되, 상기 어레이의 절연 소자 및 금속 소자는 서로에 대해 평행하게 배치되며, 그리고 상기 어레이들은 동일한 주기를 가지는 것을 특징으로 하는 와이어 그리드 장치.
  11. 빛을 편광하는 와이어 그리드 편광 장치에 있어서, 상기 장치는:
    a) 기판과;
    b) 상기 기판 상부에 배치된 한 스택의 박막으로서, 상기 기판을 가로질러 확장하는 상기 한 스택의 박막과;
    c) 상기 박막 중 하나 이상이 상기 빛의 파장보다 긴 길이와 상기 빛의 파장의 절반보다 작은 주기를 가지는 연장된 금속 소자로 이루어진 와이어 그리드 어레이를 포함하는 상기 박막 중 하나 이상의 박막과;
    d) 상기 박막 중 하나 이상이 절연 소자의 절연 어레이를 포함하는 상기 박막 중 하나 이상의 박막과; 그리고
    e) 상기 박막 중 하나 이상이 구조 및 물질 면에서 균일하고, 상기 와이어 그리드 어레이를 포함하는 상기 하나 이상의 상기 박막과 상기 절연 어레이를 포함하는 상기 하나 이상의 박막 사이에 배치된 상기 박막 중 하나 이상의 박막;
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 와이어 그리드 편광 장치.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 어레이의 절연 소자 및 금속 소자가 서로에 대해 평행하게 배치되며, 상기 어레이들은 동일한 주기를 가지는 것을 특징으로 하는 와이어 그리드 편광 장치.
  13. 제 11 항에 있어서,
    상기 기판과 상기 와이어 그리드 어레이 사이에 배치된 하나 이상의 박막을 더 포함하되,
    상기 하나 이상의 박막은 서로에 대해 서로 다른 굴절률을 각각 가지는 복수의 박막을 포함하는 것을 특징으로 하는 와이어 그리드 편광 장치.
  14. 제 11 항에 있어서,
    상기 기판과 상기 와이어 그리드 막 사이의 박막 중 하나 이상이 상기 기판 의 굴절률보다 큰 굴절률을 가지는 것을 특징으로 하는 와이어 그리드 편광 장치.
  15. 제 11 항에 있어서,
    상기 어레이의 상기 절연 소자 및 금속 소자가 서로에 대해 평행하게 배치되며, 상기 어레이들은 동일한 주기를 가지는 것을 특징으로 하는 와이어 그리드 편광 장치.
  16. a) 기판과;
    b) 상기 기판의 상부에 배치되고 빛의 파장보다 긴 길이와 빛의 파장의 절반보다 작은 주기를 가지는 연장된 금속 소자의 와이어 그리드 어레이와;
    c) 상기 와이어 그리드 어레이의 상부 또는 하부에 배치되고, 서로 다른 굴절률을 가지는 서로 다른 물질로부터 형성되는 절연 소자로 구성된 둘 이상의 서로 다른 절연 어레이로서, 상기 굴절률 중 하나 이상의 굴절률이 상기 기판의 굴절률보다 큰 상기 절연 어레이와;
    d) 상기 절연 어레이의 절연 소자 및 상기 와이어 그리드 어레이의 금속 소자로서, 서로에 대해 평행하게 배열되며, 상기 어레이들은 동일한 주기를 가지는 상기 절연 소자 및 상기 금속 소자와; 그리고
    e) 구조 및 물질 면에서 균일하고, 상기 둘 이상의 절연 어레이 중 하나 이상과 상기 와이어 그리드 어레이 사이에 배치된 하나 이상의 박막;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 와이어 그리드 편광 장치.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 와이어 그리드 편광 장치가 자외선을 편광 시키는 자외선 편광기이며,
    상기 연장된 금속 소자로 구성된 상기 와이어 그리드 어레이가 150나노미터보다 작은 주기를 가지는 것을 특징으로 하는 와이어 그리드 편광 장치.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 절연 어레이로 구성된 상기 물질이 카드뮴 텔루라이드, 게르마늄, 리드 텔루라이드, 실리콘 옥사이드, 텔루르, 티타늄 다이옥사이드, 카드뮴 설파이드, 징크 설파이드 또는 이들의 혼합물을 포함하는 것을 특징으로 하는 와이어 그리드 편광 장치.
  19. 제 16 항에 있어서,
    상기 와이어 그리드 편광 장치가 가시광을 편광 시키는 가시광 편광기이고,
    상기 연장된 금속 소자로 구성된 와이어 그리드 어레이가 200 나노미터보다 작은 주기를 가지는 것을 특징으로 하는 와이어 그리드 편광 장치.
  20. 제 19 항에 있어서,
    상기 절연 어레이로 구성된 물질이 카드뮴 텔루라이드, 게르마늄, 리드 텔루라이드, 실리콘 옥사이드, 텔루르, 티타늄 다이옥사이드, 실리콘 또는 이들의 혼합물을 포함하는 것을 특징으로 하는 와이어 그리드 편광 장치.
  21. 제 16 항에 있어서,
    상기 와이어 그리드 편광 장치가 적외선을 편광 시키는 적외선 편광기이고,
    상기 연장된 금속 소자로 구성된 와이어 그리드 어레이가 5000 나노미터보다 작은 주기를 가지는 것을 특징으로 하는 와이어 그리드 편광 장치.
  22. 빛을 편광하기 위한 와이어 그리드 편광 장치에 있어서, 상기 편광 장치는
    a) 기판과;
    b) 상기 기판상에 배치된 와이어 그리드 막으로서, 상기 빛의 파장보다 긴 길이와 상기 빛의 파장의 절반보다 작은 주기를 가지는 연장된 금속 소자들로 이루어진 어레이를 포함하며 상기 소자들은 상기 소자들 사이의 간격을 정의하는 상기 와이어 그리드 막과;
    c) 상기 와이어 그리드 막 상부에 배치되고 서로 경계를 짓는 복수의 경계 절연 그리드 막으로서, 상기 절연 그리드 막 중 하나 이상은 절연 물질 소자의 어레이를 포함하는 상기 복수의 경계 절연 그리드 막과; 그리고
    d) 서로 평행하게 배열된 절연 물질 소자의 어레이와 금속 소자의 어레이;
    를 포함하는, 와이어 그리드 편광 장치.
  23. 삭제
  24. 제 1 항에 있어서, 상기 연장된 금속 소자는 알루미늄을 포함하고; 상기 둘 이상의 박막 중 둘 이상은 실리콘을 포함하는 것을 특징으로 하는 와이어 그리드 편광 장치.
  25. 제 24 항에 있어서, 상기 둘 이상의 박막 중 하나 이상은 실리콘 다이옥사이드를 포함하는 것을 특징으로 하는 와이어 그리드 편광 장치.
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