KR101344941B1

KR101344941B1 - 액정을 이용한 동적 간섭무늬 생성 장치 및 그 제조 방법

Info

Publication number: KR101344941B1
Application number: KR1020120057556A
Authority: KR
Inventors: 김학린; 주경일
Original assignee: 경북대학교 산학협력단
Priority date: 2012-05-30
Filing date: 2012-05-30
Publication date: 2013-12-27
Also published as: KR20130134204A

Abstract

본 발명은 동적 간섭무늬 생성장치 및 그 제조 방법에 관한 것이다. 상기 동적 간섭무늬 생성 장치는 액정이 Homogeneous Planar Mode로 정렬된 제1 영역과 액정이 90도 TN 모드로 정렬된 제2 영역을 구비하는 액정층; 상기 액정층의 제1면에 배치되는 하부층; 상기 액정층의 제1면과 대향되는 제2면에 배치되는 상부층;를 구비한다. 상기 상부층은 공통 슬릿과 다수 개의 선택용 슬릿들로 구성된 마이크로 슬릿 어레이가 형성된 슬릿 어레이층, 및 기준 전극과 다수 개의 선택 전극들이 형성된 상부 투명 전극층을 구비한다. 상기 동적 간섭무늬 생성 장치는 기준 전극에 인가되는 전압 및 선택 전극들로 인가되는 전압을 순차적으로 제어하여, 서로 다른 공간 주파수를 갖는 다수 개의 간섭 무늬를 출력하며, 임의의 공간 주파수를 갖는 간섭 무늬를 위상 천이시키는 것을 특징으로 한다.

Description

액정을 이용한 동적 간섭무늬 생성 장치 및 그 제조 방법{Pattern generator using Liquid Crystal and method thereof}

본 발명은 액정을 이용한 동적 간섭무늬 생성 장치 및 그 제조 방법에 관한 것으로서, 더욱 구체적으로는 단일 액정 시편을 이용하여 제작하고 선택적 전압 인가를 통해 간섭 무늬의 이동 및 주기 변화를 동시에 제어할 수 있도록 하여 3차원 표면 형상 측정기에 사용되는 프린지 패턴(fringe pattern)을 생성하는 동적 간섭무늬 생성 장치 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

3차원 표면형상 측정기(Optical Surface Profilometry)는 측정하고자 하는 물체 표면의 위치와 깊이정보를 광학적인 방법을 통해 측정할 수 있는 기술이다. 이 기술은 물체의 표면에 직접적인 접촉을 하지 않고 3차원 표면형상 정보를 빠르게 얻을 수 있다는 장점 때문에, 최근 의료와 로봇산업 및 산업용 계측기기 분야에서 폭넓게 응용되고 있다.

3차원 표면형상 측정기는 물체의 표면에 조사된 간섭무늬의 표면에 따른 왜곡된 이미지(Image)에서 깊이정보를 계산하여 표면의 형상을 측정하는 장비이다. 도 1은 3차원 표면 형상 측정기의 동작 원리를 설명하기 위한 개념도이다. 도 1을 참조하면, 도 1의 (a)와 같이 측정하고자 하는 물체(Object; 13)의 표면으로 간섭 무늬를 조사하는 장치인 프로젝터(15)와 간섭 무늬가 조사된 물체(13)의 표면을 촬영하는 장치(17)를 구비한다. 이 때, 간섭 무늬를 조사하는 점과 촬영하는 점이 공간적으로 분리되도록 설계함으로써, 표면의 형상은 조사된 간섭무늬의 왜곡된 정도로부터 측정을 할 수 있다. 도 1의 (b)는 측정하고자 하는 물체(13)와 복원하고자 하는 영역을 표시한 것이다. 프로젝터(15)는 다수 개의 주파수를 갖는 간섭 무늬들을 순차적으로 물체의 표면으로 조사하게 된다.

다음, 카메라(17)를 이용하여 측정할 물체의 표면에 조사되어 왜곡된 형태의 간섭 무늬를 촬영한다. 도 1의 (c)는 측정하고자 하는 물체의 표면으로 조사된 간섭 무늬들을 캡쳐한 영상들이다. 촬영된 이미지로부터 간섭 무늬의 왜곡된 정도를 측정하고 이를 바탕으로 하여 물체의 표면 정보를 계산하여 도 1의 (d)와 같이 복원한다.

전술한 3차원 표면 형상 측정기는 성능을 향상시키기 위하여 4-step 위상 천이 방법(phase-shifting)과 다중 공간 주파수 방법(multi-spatial frequency)이 많이 응용되고 있다. 위상 천이 방법은 주변광에 의한 잡음 신호와 코사인 함수로 인해 발생하는 복원된 위상 프로파일의 불명확성을 줄이기 위해 많이 사용되고 있으며, 다중 공간 주파수 방법은 측정 가능한 깊이(Depth) 범위를 증가시키고 측정 정확도를 향상시키기 위해 많이 사용되고 있다. 따라서, 종래의 3차원 표면 형상 측정기는 4-step 위상 천이 방법(phase-shifting)과 다중 공간 주파수 방법(multi-spatial frequency)을 적용하기 위한 프린지 패턴(fringe pattern)을 형성하기 위하여, DMD(Digital micro-mirror Device), AOM(Acousto-Optical Modulator), SLM(Spatial Light Modulator)와 같은 광학 부품들과 프로젝터(projector)와 같은 장비들을 사용한다. 하지만, 이러한 광학 부품들은 고가일 뿐만 아니라 상당한 부피를 차지하므로 소형화가 어려운 문제점이 있으며 상용화도 용이하지 않은 문제점이 있다.

한국등록특허공보 제 10-1092422호 한국등록특허공보 제 10-484637호 한국등록특허공보 제 10-892875호 한국등록특허공보 제 10-500406호 한국공개특허공보 제 10-2011-46222호

전술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 슬릿 어레이가 구비된 다중 배향된 액정 시편을 이용하여, 액정 측에 인가된 전압 조건에 따라 액정 시편에 입사된 빛의 가간섭 주기를 변화시킴과 동시에, 인가된 전압에 따른 유효굴절률 변조 특성을 이용하여, 기계적인 구동없이 전압의 스위칭만을 이용하여 간섭 무늬의 이동 및 주기 변화 특성을 동시에 구현할 수 있는 동적 간섭무늬 생성 장치를 제공하는 것이다.

또한, 본 발명의 다른 목적은 액정을 이용하여 초소형의 동적 간섭무늬 생성 장치를 제공하는 것이다.

전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 제1 특징에 따른 동적 간섭무늬 생성장치는, 액정이 제1 모드로 정렬된 제1 영역과 액정이 제2 모드로 정렬된 제2 영역을 구비하는 액정층; 상기 액정층의 제1면에 배치되는 하부층; 상기 액정층의 제1면과 대향되는 제2면에 배치되는 상부층;를 구비하고,

상기 하부층은 상기 액정층의 제1면과 접하며 제1 방향으로 배향된 하부 배향막; 및 일면이 하부 배향막에 접하도록 배치된 하부 투명 전극층;을 구비하고,

상기 상부층은 절연성 재질의 투명 기판; 상기 액정층의 제2면과 접하며 액정층의 제1 영역과 제2 영역에 대응되는 영역들이 서로 다른 방향으로 배향된 상부 배향막; 상기 투명 기판의 제1면과 상부 배향막의 사이에 배치되고, 상기 제1 영역에 대응되는 위치에 형성된 단일의 기준 전극과 상기 제2 영역에 대응되는 위치에 형성된 다수 개의 선택 전극들을 구비하는 상부 투명 전극층; 불투명 재질로 이루어져 상기 투명 기판의 제1면과 대향되는 제2면에 배치되며, 공통 슬릿과 다수 개의 선택용 슬릿들로 구성되는 슬릿 어레이가 형성되어 있는 슬릿 어레이층;을 구비하고,

상기 슬릿 어레이의 공통 슬릿은 상기 액정층의 제1 영역의 상부에 배치되고, 상기 선택용 슬릿들은 상기 액정층의 제2 영역의 상부에 배치되며, 상기 기준 전극과 상기 다수 개의 선택 전극들은 공통 슬릿과 선택용 슬릿들과 대응되는 위치에 각각 배치된다.

전술한 제1 특징에 따른 상기 동적 간섭무늬 생성 장치에 있어서, 상기 하부층으로 상기 제1 영역을 통과할 수 있는 편광을 제공한 상태에서, 상기 기준 전극과 선택 전극들로 인가되는 전압을 제어하여 슬릿 어레이를 통해 출력되는 간섭 무늬의 공간 주파수 및 위상 천이를 조절할 수 있도록 하는 것이 바람직하다.

전술한 제1 특징에 따른 상기 동적 간섭무늬 생성 장치에 있어서, 상기 동적 간섭무늬 생성 장치는 하부층에 편광판(polarizer)을 더 구비하고, 상기 편광판의 편광 방향은 상기 하부 배향막의 배향 방향과 동일한 것이 바람직하다.

전술한 제1 특징에 따른 상기 동적 간섭무늬 생성 장치에 있어서, 상기 동적 간섭무늬 생성 장치는 상부층에 검광판(analyzer)을 더 구비하고, 상기 검광판의 편광 방향은 상기 하부 배향막의 배향 방향과 동일한 것이 바람직하다.

전술한 제1 특징에 따른 상기 동적 간섭무늬 생성 장치에 있어서, 상기 액정층의 제1 영역의 액정은 호모지니어스 플래너 모드(Homogeneous Planar Mode)로 정렬되고, 상기 제2 영역의 액정은 TN 모드(Twisted Nematic mode)로 정렬된 것이 바람직하다.

전술한 제1 특징에 따른 상기 동적 간섭무늬 생성 장치에 있어서, 상기 액정층의 제1 영역에 접한 상부 배향막과 하부 배향막은 동일한 방향으로 배향되며, 상기 액정층의 제2 영역에 접한 상부 배향막과 하부 배향막은 서로 수직인 방향으로 배향된 것이 바람직하다.

전술한 제1 특징에 따른 상기 동적 간섭무늬 생성 장치에 있어서, 상기 액정층의 액정은 유전율이방성(△ε)이 0보다 큰 것이 바람직하다.

전술한 제1 특징에 따른 상기 동적 간섭무늬 생성 장치에 있어서, 상기 제1 영역은 인가 전압과 무관하게 항상 빛이 투과되도록 액정이 정렬되며, 상기 제2 영역은 전압이 인가되면 빛이 투과되도록 액정이 정렬되는 것이 바람직하다.

전술한 제1 특징에 따른 상기 동적 간섭무늬 생성 장치에 있어서, 상기 제1 영역은 인가되는 전압에 따라 광경로길이(Optical Path Length; 이하 OPL 이라 한다)가 변하게 되는 가변 OPL 영역이며, 상기 제2 영역은 충분한 전압이 인가된 이후에는 OPL이 항상 일정한 고정 OPL 영역인 것이 바람직하다.

전술한 제1 특징에 따른 상기 동적 간섭무늬 생성 장치에 있어서, 상기 동적 간섭무늬 생성 장치는 기준 전극에 전압을 인가하지 않은 상태에서 하나의 선택 전극에 전압을 인가하여 간섭 무늬가 생성되도록 하며, 상기 간섭 무늬의 공간주파수(spatial frequency)는 빛이 출력되는 공통 슬릿과 선택용 슬릿과의 이격 거리에 따라 결정되며,

특히, 전압을 인가하는 선택 전극을 순차적으로 변경하여 서로 다른 공간주파수를 갖는 다수 개의 간섭 무늬들이 순차적으로 생성되도록 하는 것이 바람직하다.

전술한 제1 특징에 따른 상기 동적 간섭무늬 생성 장치에 있어서, 상기 동적 간섭무늬 생성 장치는 하나의 선택 전극에 전압을 인가하고, 기준 전극에 인가되는 전압을 조절하여, 전압이 인가된 선택 전극에 대응되는 선택용 슬릿과 공통 슬릿을 통과하는 빛에 의한 간섭 무늬가 위상 천이되도록 하는 것을 특징으로 하며, 상기 간섭 무늬의 공간 주파수는 빛이 출력되는 공통 슬릿과 선택용 슬릿의 이격 거리에 따라 결정되는 것이 바람직하다.

전술한 제1 특징에 따른 상기 동적 간섭무늬 생성 장치에 있어서, 상기 동적 간섭무늬 생성 장치는 기준 전극에 인가되는 전압 및 선택 전극들로 인가되는 전압을 순차적으로 제어하여, 서로 다른 공간 주파수를 갖는 다수 개의 간섭 무늬를 출력하며, 임의의 공간 주파수를 갖는 간섭 무늬를 위상 천이시키는 것이 바람직하다.

본 발명의 제2 특징에 따른 동적 간섭무늬 생성 장치의 제조 방법에 있어서, 상기 방법은 (a) 상부층을 형성하는 단계; (b) 하부층을 형성하는 단계; (c) 상부층과 하부층을 일정 거리 이격되도록 배치하여 접합시키고, 그 사이에 액정을 주입하는 단계;를 구비하고,

상기 (a) 단계는 (a1) 투명 기판의 제1면에 투명전극물질을 증착한 후 패터닝하여 다수 개의 전극들로 구성되는 상부 투명 전극층을 형성하는 단계; (a2) 투명 기판의 제1면과 대향되는 제2면에 다수 개의 슬릿으로 구성되는 슬릿 어레이(slit array)를 구비하는 슬릿 어레이층을 형성하는 단계; (a3) 상부 투명 전극층이 형성된 투명 기판의 제1면에 상부 배향막을 증착하는 단계; (a4) 상기 상부 배향막을 제1 영역과 제2 영역으로 분할하고, 제1 영역과 제2 영역을 각각 서로 다른 방향으로 배향 처리하는 단계;를 구비하고,

상기 (b) 단계는 (b1) 하부 투명 전극층을 형성하는 단계; (b2) 하부 투명 전극층의 제1면에 하부 배향막을 증착하는 단계; (b3) 상기 하부 배향막을 단일 방향으로 배향처리하는 단계; 를 구비한다.

전술한 제2 특징에 따른 방법에 있어서, 상기 (a2) 단계는 투명 기판의 제1면과 대향되는 제2면에 포토 레지스트(Photo Resist)를 도포하고, 슬릿 어레이의 형태로 포토레지스트를 패터닝하고, 패터닝된 포토레지스트의 표면에 슬릿 어레이층을 위한 불투명 물질을 증착한 후, 포토레지스트를 제거하여, 슬릿 어레이를 구비하는 슬릿 어레이층을 형성하는 것이 바람직하다.

전술한 제2 특징에 따른 방법에 있어서, 상기 상부 배향막의 제1 영역과 상기 하부 배향막은 동일한 방향으로 배향처리되고,

상기 상부 배향막의 제2영역과 상기 하부 배향막은 서로 수직인 방향으로 배향 처리되는 것이 바람직하다.

전술한 제2 특징에 따른 방법에 있어서, 상기 슬릿들의 하부에 각각 전기적으로 분리된 전극들이 배치되는 것이 바람직하다.

전술한 제2 특징에 따른 방법에 있어서, 상기 슬릿 어레이는 다수 개의 슬릿들이 일정 간격을 주기로 하여 이격 배치되는 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 동적 간섭무늬 생성장치는 슬릿 어레이가 구비된 다중 배향된 액정 시편을 이용하여, 액정 측에 인가된 전압 조건에 따라 액정 시편에 입사된 빛의 가간섭 주기를 변화시킴과 동시에, 인가된 전압에 따른 유효굴절률 변조 특성을 이용하여, 기계적인 구동없이 전압의 스위칭만을 이용하여 간섭 무늬의 이동 및 주기 변화 특성을 동시에 구현할 수 있는 동적 간섭무늬 생성 장치를 제공하는 것이다.

본 발명에 따른 동적 간섭무늬 생성 장치는 반도체 공정을 사용하여 제작하면 5×5 mm 이하의 dimension 까지 소형화를 할 수 있으며, 이는 광학 부품을 사용하던 종래의 3차원 표면 형상장치의 패턴 생성장치에 비해 약 1/10 이하의 크기밖에 되지 않는 수준이다. 이와 같이, 본 발명에 따른 동적 간섭무늬 생성 장치는 3차원 표면 형상 측정 장치의 소형화를 가능하게 한다.

도 1은 3차원 표면 형상 측정기의 동작 원리를 설명하기 위한 개념도이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 동적 간섭무늬 생성 장치의 단면을 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 동적 간섭무늬 생성 장치에 있어서, 다중 공간주파수 특성을 구현하는 과정을 설명하기 위하여 도시한 개념도들이다.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 동적 간섭무늬 생성 장치에 있어서, 간섭 무늬에 대한 위상 쉬프트 특성을 구현하는 동작 방법을 설명하기 위하여 도시한 개념도이다.
도 5는 공간주파수가 600㎛인 간섭무늬에 대하여 4-step phase shifting된 간섭무늬들의 CCD 영상을 도시한 것이며, 도 6은 공간주파수가 200㎛인 간섭무늬에 대하여 4-step phase shifting된 간섭무늬들의 CCD 영상을 도시한 것이다.
도 7은 공통 전극으로의 인가 전압에 따른 간섭 무늬의 위상 쉬프팅값을 도시한 그래프이다.
도 8은 본 발명에 따른 동적 간섭무늬 생성 장치의 제조 방법 중 상부층을 완성하는 과정을 순차적으로 도시한 도면이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 동적 간섭무늬 생성 장치의 구조, 동작 방법, 및 그 제조방법에 대하여 구체적으로 설명한다.

도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 동적 간섭무늬 생성 장치의 단면을 개략적으로 도시한 단면도이다.

도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 동적 간섭무늬 생성장치(20)는 액정층(24), 상부층(22), 하부층(26)을 구비한다.

상기 액정층(24)은 액정이 제1 모드로 배향된 제1 영역(도 2의 'a'영역)과 액정이 제2 모드로 배향된 제2 영역(도 2의 'b'영역)을 구비한다. 또한, 상기 액정층은 유전율이방성(△ε=ε_∥ -ε_⊥)이 0보다 큰 특성을 갖는 액정으로 구성됨으로써, 액정에 전압이 인가될 때 인가 전계의 방향과 평행한 방향으로 정렬되는 특성을 가지도록 하는 것이 바람직하다.

상기 액정층의 제1 영역은 액정이 균일한 단일 수평배향모드(Homogeneous Planar Mode)로 초기 정렬하여 전압의 인가 여부와 관계없이 초기 배향된 방향의 선편광된 빛이 입사된 경우 액정층을 투과한 이후에도 편광상태는 변하지 않는다. 이때, 빛이 입사되는 액정 시편의 하부 기판에는 제 1 영역의 액정의 초기 배향과 평행한 방향으로 투과축을 가지는 편광자가 위치하며, 상부 기판에도 동일한 투과축 방향을 가지는 편광자가 위치한다. 이에 따라, 상기 액정층의 제1 영역은 인가되는 전압에 따라 액정층의 유효 굴절률이 변하게 되므로, 인가 전압을 제어하여 광경로 길이(Optical Path Length; 이하 'OPL'이라 한다)를 가변시키는 가변 OPL 영역(Voltage-variable OPL region)이 되며, 상부 편광자를 투과하는 빛의 세기는 인가된 전압에 무관하게 된다.

상기 액정층의 제2 영역은 액정을 비틀린 네마틱 모드(Twisted Nematic(TN) Mode)로 상하 기판의 배향 조건에 의하여 90도 비틀린 구조로 초기 정렬되어 있다. 이때, 하부 기판의 배향 방향은 하부 기판의 편광자의 투과축과 평행하며, 상부 기판의 배향 방향은 상부 기판의 편광자의 투과축 방향과 수직하게 된다. 제 2 영역에 입사된 빛은 전압이 인가되지 않은 상태에서는 90도 비틀린 네마틱 액정의 편광 변화 효과에 의하며 선편광이 90도 회전한 상태로 상부 편광자를 만나게 되어 투과도를 나타내지 않는다. 제 2 영역에 입사된 빛은 전압이 충분히 인가된 상태에서는 전계 방향에 평행하게 액정이 재정렬되어 액정층은 편광 변화를 유발하지 못하므로 하부 기판의 투과축이 그대로 유지되어 상부 기판의 편광자를 만나게 되며, 이때 입사된 빛은 그대로 투과하게 된다. 이에 따라, 상기 액정층의 제2 영역은 전압이 충분히 인가된 상태에서는 액정은 전계 방향으로 모두 재정렬되므로, 액정 시편의 두께와 액정의 상굴절률에 의해 일정한 광경로길이를 가지는 고정 OPL 영역(Fixed OPL region)이 된다.

상기 하부층(26)은 상기 액정층의 제1면에 배치되며, 하부 배향막(270) 및 하부 투명 전극층(280)을 구비한다. 상기 하부 배향막(270)은 상기 액정층과 접하며 전체적으로 하나의 방향으로 배향처리된다. 상기 하부 투명 전극층(280)은 일면이 하부 배향막에 접하도록 배치되며, 전체적으로 하나의 전극으로 이루어지는 것이 바람직하다.

상기 상부층(22)은 상기 액정층의 제1면과 대향되는 제2면에 배치되며, 절연성 재질의 투명 기판(200), 상부 배향막(220), 패터닝된 다수 개의 전극들을 구비하는 상부 투명 전극층(210), 슬릿 어레이가 형성된 슬릿 어레이층(230)을 구비한다.

상부 배향막(220)은 상기 액정층의 제2면과 접하며 액정층의 제1 영역과 제2 영역에 대응되는 영역들이 서로 다른 방향으로 배향처리되되, 서로 수직인 방향으로 배향처리된다. 상기 액정층의 제1 영역에 접하는 상부 배향막과 하부 배향막은 동일한 방향으로 배향처리하여 제1 영역의 액정이 Homogeneous Planar Mode로 정렬되도록 하는 것이 바람직하다. 또한, 상기 액정층의 제2 영역에 접하는 상부 배향막과 하부 배향막은 서로 수직 방향으로 각각 배향 처리하여 제2 영역의 액정이 Twisted Nematic Mode로 정렬되도록 하는 것이 바람직하다.

상부 투명 전극층(210)은 패터닝되어 형성된 기준 전극(212) 및 다수 개의 선택 전극들(213, 214, 215)을 구비하며, 상기 투명 기판의 제1면과 상부 배향막의 사이에 배치된다. 상기 기준 전극은 상기 액정층의 제1 영역에 대응되는 위치에 배치되며, 상기 선택 전극들은 상기 액정층의 제2 영역에 대응되는 위치에 배치된다.

슬릿 어레이층(230)은 알루미늄(Al)과 같은 불투명 특성을 갖는 물질로 이루어져 투명 기판의 제1면과 대향되는 제2면에 배치된다. 상기 슬릿 어레이층은 슬릿 어레이(slit array)가 형성되어 있으며, 상기 슬릿 어레이는 공통 슬릿(232)과 둘 이상의 선택용 슬릿들(234, 235, 236)로 구성된다. 상기 슬릿 어레이의 공통 슬릿은 상기 액정층의 제1 영역의 상부에 배치되고, 상기 선택용 슬릿들은 상기 액정층의 제2 영역의 상부에 배치된다. 슬릿 어레이를 구성하는 슬릿들은 일정 주기에 따라 배치될 수 있으나, 각 슬릿들이 반드시 동일한 간격으로 이격되어 배치될 필요는 없다. 2개의 슬릿들을 통과되는 빛들에 의해 간섭 무늬가 생성되는데, 간섭 무늬의 공간주파수는 2개의 슬릿들의 이격 거리에 따라 결정된다. 따라서, 본 발명에 따른 동적 간섭무늬 생성장치의 선택용 슬릿들의 개수는 구현하고자 하는 공간주파수들의 개수에 따라 결정하게 된다.

상기 상부 투명 전극층의 기준 전극 및 다수 개의 선택 전극들은 공통 슬릿과 선택용 슬릿들의 각각에 대응되는 위치에 배치되고, 상기 전극들은 인접한 전극들과 전기적으로 분리된다.

상기 동적 간섭무늬 생성 장치는 기판 하부층에서 상부층으로 광을 입사시키게 되는데, 이때 입사되는 광은 하부 배향막의 배향 방향과 동일한 방향의 편광이어야 한다.

한편, 본 발명에 따른 동적 간섭무늬 생성 장치는 하부층 및 상부층에 편광판(polarizer)을 더 구비하고, 상기 편광판은 상기 하부 배향막의 배향 방향과 동일한 편광을 통과시키는 것으로 구성할 수 있다. 이와 같이 편광판을 더 구비함으로써, 광원을 자유로이 사용할 수 있게 된다.

또한, 본 발명에 따른 동적 간섭무늬 생성 장치는 상부층에 검광판(analyzer)을 더 구비할 수 있으며, 상기 검광판은 하부 배향막의 배향 방향과 동일한 편광만을 통과시키는 것으로 구성할 수 있다.

<동적 간섭무늬 생성 장치의 구동 방법-다중 공간주파수 특성>

이하, 전술한 구성을 갖는 본 발명에 따른 동적 간섭무늬 생성 장치의 동작 방법에 대하여 구체적으로 설명한다. 본 발명에 따른 동적 간섭무늬 생성 장치는 각 전극으로 인가되는 전압을 제어함으로써, 다중 공간주파수 특성 및 다단계 위상 쉬프트 특성을 갖는 간섭 무늬들을 순차적으로 생성하여 출력할 수 있게 된다.

먼저, 상기 동적 간섭무늬 생성 장치에서 공간주파수가 서로 다른 다수 개의 간섭무늬들을 순차적으로 생성하여 출력할 수 있는 다중 공간주파수(multi spatial frequency) 특성을 구현하는 동작 방법을 설명한다. 도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 동적 간섭무늬 생성 장치에 있어서, 다중 공간주파수 특성을 구현하는 과정을 설명하기 위하여 도시한 개념도들이다.

본 발명에 따른 동적 간섭무늬 생성장치로 편광이 입사되는 경우, 액정층의 제1 영역의 액정은 Homogeneous planar mode로 정렬되어 있기 때문에, 전압 인가와 무관하게 하부 기판의 편광자와 평행한 투과축을 가지는 상부기판의 검광자 필름을 항상 빛이 투과되는 특성을 가진다. 또한, 액정층의 제2 영역의 액정은 TN mode로 정렬되어, 전압이 인가되지 않은 경우 편광이 투과될 수 없으며, 전압이 인가된 경우 액정 분자들이 수직하게 재배열되어 빛이 투과되는 특성을 가진다.

도 3의 (a)와 같이, 제1 영역에 대응되는 기준 전극에 전압을 인가하지 않은 상태에서, 제2 영역에 대응되는 첫번째 선택 전극에 전압을 인가하면, 해당 영역의 액정 분자들이 수직하게 재배열된다. 그 결과, 공통 슬릿과 전압 인가된 영역의 선택용 슬릿을 통해 각각 빛이 출력되어 간섭 무늬를 생성하게 된다. 이때, 생성되는 간섭무늬의 공간주파수는 공통 슬릿과 첫번째 선택용 슬릿의 이격거리에 따라 결정된다.

본 발명에 따른 동적 간섭무늬 생성장치의 슬릿 어레이는 공통 슬릿과의 이격 거리가 서로 다른 다수 개의 선택용 슬릿들을 구비하고, 선택 전극들 중 하나를 순차적으로 선택하여 전압을 인가함으로써, 서로 다른 공간 주파수를 갖는 간섭 무늬들이 순차적으로 생성되도록 하여 다중 공간주파수 특성을 구현할 수 있다.

따라서, 도 3의 (a), (b) 및 (c) 와 같이, 제2 영역에 대응되는 첫번째 선택 전극, 두번째 선택 전극, 세번째 선택 전극으로 순차적으로 전압을 인가하면, 전압이 인가되는 전극의 위치에 따라 서로 다른 공간 주파수(spatial frequency)를 갖는 간섭 무늬들이 순차적으로 생성된다.

<동적 간섭무늬 생성장치의 구동 방법 - 다단계 위상 천이 특성>

이하, 상기 동적 간섭무늬 생성 장치에서 임의의 공간 주파수를 갖는 간섭 무늬를 위상 쉬프트시키는 동작 방법을 설명한다. 도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 동적 간섭무늬 생성 장치에 있어서, 간섭 무늬에 대한 위상 쉬프트 특성을 구현하는 동작 방법을 설명하기 위하여 도시한 개념도이다.

도 4의 (a)를 참조하면, 기준 전극에 전압이 인가되지 않은 상태에서 첫번째 선택 전극에 전압을 인가함으로써, 공통 슬릿과 첫번째 선택용 슬릿을 통과한 빛들에 의한 간섭 무늬가 생성됨을 알 수 있다. 이와 같이, 기준 전극에 전압이 인가되지 않은 상태에서의 간섭 무늬를 위상 '0' 상태로 정의할 수 있다.

한편, 도 4의 (b)를 참조하면, 공통 슬릿에 대응되는 위치의 액정 분자는 특성상 전압을 인가하면 경사각(tilting angle)이 변화하게 되고, 그 결과 유효 굴절율도 함께 변화하게 된다. 이와 같이, 액정의 유효 굴절율이 변화하면 액정층을 통과하는 빛의 광경로길이(Optical Path Length;'OPL')가 변화하게 된다.

이와는 반대로, 수직 배열된 액정 분자는 전압이 인가되더라도 초기 상태에서 추가적인 액정의 변화가 없으므로 슬릿을 통과하는 빛의 OPL은 변화가 없다.

그러므로, 2개의 슬릿을 통과하는 빛의 OPL은 공통 슬릿에 인가되는 전압의 변화에 따라 차이가 생기게 되며, 이 차이를 광경로 차이(Optical Path Difference;'OPD'라 한다). 간섭무늬의 위상 천이(Phase Shifting) 값은 OPD에 의해 결정된다.

도 5의 (a), (b), (c), (d)는 동일한 간격을 갖는 슬릿들에 인가되는 전압에 따라 동일한 주기를 갖는 간섭무늬가 순차적으로 이동하는 것을 설명하기 위하여 도시한 것으로서, 도 5는 공간주파수가 600인 간섭무늬에 대하여 4-step phase shifting된 간섭무늬들의 CCD 영상을 도시한 것이다. 또한, 도 6의 (a), (b), (c), (d)도 도 5와 마찬가지로 동일한 간격을 갖는 슬릿들에 인가되는 전압에 따라 동일한 주기를 갖는 간섭무늬가 순차적으로 이동하는 것을 설명하기 위하여 도시한 것으로서, 공간주파수가 200인 간섭무늬에 대하여 4-step phase shifting된 간섭무늬들의 CCD 영상을 도시한 것이다. 도 5 및 도 6을 통해, 슬릿들로 인가되는 전압 제어에 의해 (a), (b), (c), (d)에 도시된 바와 같이 동일한 주기를 갖는 간섭무늬들이 순차적으로 위상 천이되었음을 알 수 있다.

본 발명에 따른 동적 간섭무늬 생성 장치에 있어서, 제1 영역의 액정으로의 인가 전압이 증가함에 따라 유효굴절율이 변화되며 그 결과 위상 지연(phase retardation)이 증가하게 된다. 이때, 위상 지연값은 수학식 1 에 의해 결정되므로 수학식 1을 통해 위상 지연값(Γ)은 인가 전압에 따라 조절 가능함을 알 수 있다.

여기서, n_eff은 액정의 유효 굴절율로서 인가된 전압이 증가함에 따라 n_e로부터 n_o까지 변하는 값이며, d는 액정층의 두께이다. 도 7은 기준 전극으로의 인가 전압에 따른 간섭 무늬의 이동을 유발하는 위상 천이값을 도시한 그래프이다. 도 7을 통해, 4-step 위상천이를 구현하기 위한 3π/2 이상으로 위상 천이(phase shifting)가 안정적으로 구동되는 것을 알 수 있다.

<동적 간섭무늬 생성 장치의 제조 방법>

이하, 전술한 동적 간섭무늬 생성 장치에 대한 제조 방법을 구체적으로 설명한다. 본 발명에 따른 동적 간섭무늬 생성 장치의 제조 방법은, (a) 상부층을 형성하는 단계; (b) 하부층을 형성하는 단계; 및 (c) 상부층과 하부층을 일정 거리 이격되도록 배치하여 접합시키고, 그 사이에 액정을 주입하는 단계;를 구비한다.

상기 (b) 단계는 (b1) 하부 투명 전극층을 형성하는 단계; (b2) 하부 투명 전극층의 제1면에 하부 배향막을 증착하는 단계; (b3) 상기 하부 배향막을 단일 방향으로 배향처리하는 단계;를 순차적으로 진행하여 하부층을 완성한다.

도 8은 본 발명에 따른 동적 간섭무늬 생성 장치의 제조 방법 중 상부층을 완성하는 과정을 순차적으로 도시한 도면이다.

도 8을 참조하면, 상기 상부층을 제조하기 위하여, 먼저 투명 기판(800)의 제1면에 투명전극용 물질(810)을 증착하고 포토 레지스트(812)를 증착한 후(a1) 사진식각공정(a2)을 이용하여 패터닝하여 다수 개의 상부 전극들(814)을 형성한다(a3).

다음, 투명 기판의 제1면과 대향되는 제2면에 다수 개의 슬릿으로 구성되는 슬릿 어레이(slit array)를 구비하는 슬릿 어레이층을 형성하기 위하여, 투명 기판(800)의 제2면에 포토 레지스트(820)를 증착한 후(a5) 마이크로 슬릿(micro-slit) 형태(822)로 패터닝한다(a6).

다음, 마이크로 슬릿 형태로 패터닝된 포토 레지스트층(822)위에 전체적으로 불투명한 알루미늄(Al)(830)을 증착한 후(a7), 리프트-오프(lift-off) 공정을 이용하여 포토레지스트를 제거하여 최종적으로 마이크로 슬릿 어레이(832)를 형성한다(a8).

다음, 상부 전극이 형성된 투명 기판의 제1면에 상부 배향막용 물질을 증착한 후, 전체를 제1 방향으로 러빙 등의 방법을 이용하여 배향처리한다. 다음, 전체 영역을 제1 영역 및 제2 영역으로 분할하고, 제1 영역 및 제2 영역 중 하나에 대하여 상기 제1 방향과 수직인 제2 방향으로 러빙 등의 방법을 이용하여 배향 처리하여, 제1 영역과 제2 영역이 서로 수직인 방향으로 배향처리되도록 한다.

이상에서 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예를 중심으로 설명하였으나, 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 그리고, 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

본 발명에 따른 동적 간섭무늬 생성 장치는 3차원 표면 형상 측정기에 사용되는 프린지 패턴(fringe pattern)을 생성하는 장치로서, 의료와 로봇산업 및 산업용 계측기기 분야에서 폭넓게 응용될 수 있다.

20 : 동적 간섭무늬 생성장치
24 : 액정층
22 : 상부층
26 : 하부층
270 : 하부 배향막
280 : 하부 투명 전극층
200 : 투명 기판
220 : 상부 배향막
210 : 상부 투명 전극층
230 : 슬릿 어레이층

Claims

액정이 제1 모드로 정렬된 제1 영역과 액정이 제2 모드로 정렬된 제2 영역을 구비하는 액정층;
상기 액정층의 제1면에 배치되는 하부층;
상기 액정층의 제1면과 대향되는 제2면에 배치되는 상부층;를 구비하고,
상기 하부층은
상기 액정층의 제1면과 접하며 제1 방향으로 배향된 하부 배향막;및
일면이 하부 배향막에 접하도록 배치된 하부 투명 전극층;을 구비하고,
상기 상부층은
절연성 재질의 투명 기판;
상기 액정층의 제2면과 접하며 액정층의 제1 영역과 제2 영역에 대응되는 영역들이 서로 다른 방향으로 배향된 상부 배향막;
상기 투명 기판의 제1면과 상부 배향막의 사이에 배치되고, 상기 제1 영역에 대응되는 위치에 형성된 단일의 기준 전극과 상기 제2 영역에 대응되는 위치에 형성된 다수 개의 선택 전극들을 구비하는 상부 투명 전극층;
불투명 재질로 이루어져 상기 투명 기판의 제1면과 대향되는 제2면에 배치되며, 공통 슬릿과 다수 개의 선택용 슬릿들로 구성되는 슬릿 어레이가 형성되어 있는 슬릿 어레이층;을 구비하고,
상기 슬릿 어레이의 공통 슬릿은 상기 액정층의 제1 영역의 상부에 배치되고, 상기 선택용 슬릿들은 상기 액정층의 제2 영역의 상부에 배치되며,
상기 기준 전극과 상기 다수 개의 선택 전극들은 공통 슬릿과 선택용 슬릿들과 대응되는 위치에 각각 배치되는 동적 간섭무늬 생성 장치.
제1항에 있어서, 상기 동적 간섭무늬 생성 장치는, 상기 하부층으로 상기 제1 영역을 통과할 수 있는 편광을 제공한 상태에서, 상기 기준 전극과 선택 전극들로 인가되는 전압을 제어하여 슬릿 어레이를 통해 출력되는 간섭 무늬의 공간 주파수 및 위상 천이를 조절할 수 있는 것을 특징으로 하는 동적 간섭무늬 생성 장치.
제1항에 있어서, 상기 동적 간섭무늬 생성 장치는 하부층에 편광판(polarizer)을 더 구비하고, 상기 편광판의 편광 방향은 상기 하부 배향막의 배향 방향과 동일한 것을 특징으로 하는 동적 간섭무늬 생성 장치.
제1항에 있어서, 상기 동적 간섭무늬 생성 장치는 상부층에 검광판(analyzer)을 더 구비하고, 상기 검광판의 편광 방향은 상기 하부 배향막의 배향 방향과 동일한 것을 특징으로 하는 동적 간섭무늬 생성 장치.
제1항에 있어서, 상기 액정층의 제1 영역의 액정은 호모지니어스 플래너 모드(Homogeneous Planar Mode)로 정렬되고, 상기 제2 영역의 액정은 TN 모드(Twisted Nematic mode)로 정렬된 것을 특징으로 하는 동적 간섭무늬 생성 장치.
제1항에 있어서, 상기 액정층의 제1 영역에 접한 상부 배향막과 하부 배향막은 동일한 방향으로 배향되며, 상기 액정층의 제2 영역에 접한 상부 배향막과 하부 배향막은 서로 수직인 방향으로 배향된 것을 특징으로 하는 동적 간섭무늬 생성 장치.
제1항에 있어서, 상기 액정층의 액정은 유전율이방성(△ε)이 0보다 큰 것을 특징으로 하는 동적 간섭무늬 생성 장치.
제1항에 있어서, 상기 제1 영역은 인가 전압과 무관하게 항상 빛이 투과되도록 액정이 정렬되며, 상기 제2 영역은 전압이 인가되면 빛이 투과되도록 액정이 정렬되는 것을 특징으로 하는 동적 간섭무늬 생성 장치.
제1항에 있어서, 상기 제1 영역은 인가되는 전압에 따라 광경로길이(Optical Path Length; 이하 OPL 이라 한다)가 변하게 되는 가변 OPL 영역이며, 상기 제2 영역은 사전 설정된 전압이 인가된 이후에는 OPL이 항상 일정한 고정 OPL 영역인 것을 특징으로 하는 동적 간섭무늬 생성 장치.
제1항에 있어서, 상기 동적 간섭무늬 생성 장치는
기준 전극에 전압을 인가하지 않은 상태에서 하나의 선택 전극에 전압을 인가하여 간섭 무늬가 생성되도록 하며,
상기 간섭 무늬의 공간주파수(spatial frequency)는 빛이 출력되는 공통 슬릿과 선택용 슬릿과의 이격 거리에 따라 결정되는 것을 특징으로 하는 동적 간섭무늬 생성 장치.
제10항에 있어서, 상기 동적 간섭무늬 생성 장치는
전압을 인가하는 선택 전극을 순차적으로 변경하여 서로 다른 공간주파수를 갖는 다수 개의 간섭 무늬들이 순차적으로 생성되도록 하는 것을 특징으로 하는 동적 간섭무늬 생성 장치.
제1항에 있어서, 상기 동적 간섭무늬 생성 장치는
하나의 선택 전극에 전압을 인가하고, 기준 전극에 인가되는 전압을 조절하여, 전압이 인가된 선택 전극에 대응되는 선택용 슬릿과 공통 슬릿을 통과하는 빛에 의한 간섭 무늬가 위상 천이되도록 하는 것을 특징으로 하며,
상기 간섭 무늬의 공간 주파수는 빛이 출력되는 공통 슬릿과 선택용 슬릿의 이격 거리에 따라 결정되는 것을 특징으로 하는 동적 간섭무늬 생성 장치.
제1항에 있어서, 상기 동적 간섭무늬 생성 장치는
기준 전극에 인가되는 전압 및 선택 전극들로 인가되는 전압을 순차적으로 제어하여, 서로 다른 공간 주파수를 갖는 다수 개의 간섭 무늬를 출력하며, 임의의 공간 주파수를 갖는 간섭 무늬를 위상 천이시키는 것을 특징으로 하는 동적 간섭무늬 생성 장치.
(a) 상부층을 형성하는 단계;
(b) 하부층을 형성하는 단계;
(c) 상부층과 하부층을 일정 거리 이격되도록 배치하여 접합시키고, 그 사이에 액정을 주입하는 단계;를 구비하고,
상기 (a) 단계는
(a1) 투명 기판의 제1면에 투명전극물질을 증착한 후 패터닝하여 다수 개의 전극들로 구성되는 상부 투명 전극층을 형성하는 단계;
(a2) 투명 기판의 제1면과 대향되는 제2면에 다수 개의 슬릿들로 구성되는 슬릿 어레이(slit array)를 구비하는 슬릿 어레이층을 형성하는 단계;
(a3) 상부 투명 전극층이 형성된 투명 기판의 제1면에 상부 배향막을 증착하는 단계;
(a4) 상기 상부 배향막을 제1 영역과 제2 영역으로 분할하고, 제1 영역과 제2 영역을 각각 서로 다른 방향으로 배향 처리하는 단계;를 구비하고,
상기 (b) 단계는
(b1) 하부 투명 전극층을 형성하는 단계;
(b2) 하부 투명 전극층의 제1면에 하부 배향막을 증착하는 단계;
(b3) 상기 하부 배향막을 단일 방향으로 배향처리하는 단계;
를 구비하는 것을 특징으로 하는 동적 간섭 무늬 생성장치의 제조 방법.
제14항에 있어서, 상기 (a2) 단계는 투명 기판의 제1면과 대향되는 제2면에 포토 레지스트(Photo Resist)를 도포하고, 슬릿 어레이의 형태로 포토레지스트를 패터닝하고, 패터닝된 포토레지스트의 표면에 슬릿 어레이층을 위한 불투명 물질을 증착한 후, 포토레지스트를 제거하여, 슬릿 어레이를 구비하는 슬릿 어레이층을 형성하는 것을 특징으로 하는 동적 간섭 무늬 생성장치의 제조 방법.
제14항에 있어서, 상기 상부 배향막의 제1 영역과 상기 하부 배향막은 동일한 방향으로 배향처리되고,
상기 상부 배향막의 제2영역과 상기 하부 배향막은 서로 수직인 방향으로 배향 처리되는 것을 특징으로 하는 동적 간섭 무늬 생성장치의 제조 방법.
제14항에 있어서, 상기 다수 개의 슬릿들의 하부에 각각 전기적으로 분리된 전극들이 배치되는 것을 특징으로 하는 동적 간섭 무늬 생성장치의 제조 방법.
제14항에 있어서, 상기 슬릿 어레이는 상기 다수 개의 슬릿들이 일정 간격을 주기로 하여 이격 배치되는 것을 특징으로 하는 동적 간섭 무늬 생성장치의 제조 방법.