KR101656949B1 - 편광 회전자 및 광학 소자 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 편광 회전자 및 광학 소자를 제공한다. 이 편광 회전자는 일면에서 액정의 방향자의 방향과 타면에서 액정의 방향자의 방향은 R/2의 각도를 가지는 제1 비틀림 네마틱 액정; 및 상기 제1 비틀림 네마틱 액정 상에 배치되고 일면에서 액정의 방향자의 방향은 제1 비틀림 네마틱 액정의 일면에서 액정의 방향자의 방향을 기준으로 R/2 + 90도를 가지고 타면에서 방향자는 R+ 90도를 가지는 제2 비틀림 네마틱 액정을 포함한다.

Description

편광 회전자 및 광학 소자{Polarization Rotator And Optical Device}
본 발명은 편광 회전자에 관한 것으로, 더 구체적으로 2 층 구조의 단축 결정 구조를 포함하는 편광 회전자에 관한 것이다.
편광 빛을 조작함에 있어서, 선형 편광된 빛의 편광 방향의 회전이 자주 요구된다. 반파장판(Half wave plate;HWP)은 편광 방향을 회전시키기 위하여 널리 사용되는 방법 중에 하나이다. 그러나, 편광 회전자(polarization rotator )로서 상기 반파장판의 효용성은 파장에 강하게 의존한다. 그리고, 선형 편광된 빛의 편광 방향과 상기 반파장판의 광축(optic axis) 사이의 각도는 요구되는 회전 각을 얻기 위하여 적절히 선택될 필요가 있다.
반파장판(half wave plate)는 선편광 회전자로 사용된다. 상기 반파장판은 입사광의 편광 방향과 상기 반파장판의 광축 사이의 각도의 2배로 편광 방향을 회전시킬 수 있다. 빛의 통과 및 차단을 목적으로, 입사광의 편광 방향과 상기 반파장판의 광축 사이의 각도는 45도로 선택된 경우, 상기 반파장판을 투고한 투과 광의 편광 방향은 상기 입사광의 편광 방향과 수직이다.
상기 반파장판에 입사하는 선형 편광된 제1 빔이 편광 방향과 상기 반파장판의 광축 사이의 제1 각도를 가지고, 상기 반파장판에 입사하는 선형 편광된 제2 빔이 편광 방향과 상기 반파장판의 광축 사이의 제2 각도를 가지는 경우, 편광 회전각도는 서로 다르다. 따라서, 상기 반파장판에 입사하는 선형 편광된 빔의 편광 방향은 상기 반파장판의 광축과 정렬이 요구된다. 이러한 정렬을 수반하는 광 세기 변조기 (light intensity modulator)등과 같은 응용 제품은 단가를 증가시키고 진동 또는 광학 정렬에 취약하다.
광학 활동(optical activity)의 성질을 가진 광학 물질(Optical media )은 편광 방향의 회전을 야기할 수 있는 것으로 보고되고 있다. 그러나, 매우 두꺼운 물질이 편광 방향의 수십 도(tens of degrees)를 회전시키기 위하여 요구된다.
비틀림 네마틱(twisted nematic;TN )액정(liquid crystal; LC)은 아디아바틱 활로잉(adiabatic following)이라 불리는 특정한 조건 하에서 편광 방향의 회전을 야기할 수 있는 것으로 보고되었다. 상기 아디아바틱 활로잉(adiabatic following) 조건 하에서, 입사하는 편광된 빛의 방향은 LC 방향자(LC directors)의 방향을 따라 회전하는 것으로 보고되었다. 이 방법은 입사하는 광의 편광 방향이 입구 측에서 상기 LC 방향자의 방향에 평행 또는 수직한 경우에 한하여, 효율적인 것으로 알려져 있다.
본 발명의 해결하고자 하는 일 기술적 과제는 간단한 구조를 가지면서 파장 의존성을 억제하고 입사하는 광의 선형 편광 방향을 불문하고 일정한 각도의 편광 회전을 제공할 수 있는 편광 회전자 및 이를 포함하는 광학 소자를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 편광 회전자는 일면에서 액정의 방향자의 방향과 타면에서 액정의 방향자의 방향은 R/2의 각도를 가지는 제1 비틀림 네마틱 액정; 및 상기 제1 비틀림 네마틱 액정 상에 배치되고 일면에서 액정의 방향자의 방향은 제1 비틀림 네마틱 액정의 일면에서 액정의 방향자의 방향을 기준으로 R/2 + 90도를 가지고 타면에서 방향자는 R+ 90도를 가지는 제2 비틀림 네마틱 액정을 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 적층된 제1 비틀림 네마틱 액정 및 제2 비틀림 네마틱 액정의 일면 상에 배치된 제1 편광자; 및 상기 적층된 제1 비틀림 네마틱 액정 및 제2 비틀림 네마틱 액정의 타면 상에 배치되는 제2 편광자를 포함하고, 상기 제1 편광자와 상기 제2 편광자는 서로 임의의 각도로 배치될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 편광 회전자는 입사하는 광에 대하여 R/2의 편광 회전을 유도하고, -iΓ/2의 위상 변화를 유도하는 제1 광학 이방성 구조 물질층; 및 상기 제1 광학 이방성 구조 물질층 상에 배치되고, 입사하는 광에 대하여 R/2의 편광 회전을 유도하고, iΓ/2의 위상 변화를 유도하는 제2 광학 이방성 구조 물질층을 포함한다. 상기 제1 광학 이방성 구조 물질층 및 제2 이방성 구조 물질층은 R의 편광 회전을 제공하고, 영의 위상 변화를 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제1 광학 이방 구조 물질층은 반응성 메소겐(reative mesogne)일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 편광 회전자는 서로 나란히 이격된 제1 평면과 제2 평면 사이에 배치된 제1 단축 결정 필름; 및 상기 제1 단축 결정 필름 상에 배치되고 서로 나란히 이격된 제3 평면과 제4 평면 사이에 배치된 제2 단축 결정 필름을 포함한다. 상기 제1 단축 결정 필름의 제1 광축은 상기 제1 평면 내에 배치되고, 상기 제1 광축은 필림의 두께에 따라 순차적으로 비틀림을 가진다. 상기 제2 단출 결정 필름의 제2 광축은 상기 제3 평면 내에 배치되고, 상기 제2 광축은 필림의 두께에 따라 순차적으로 비틀림을 가진다. 상기 제2 단축 결정 필름의 제1 광축은 상기 제1 단축 결정 필름의 제2 광축에 대하여 90도 회전하여 배치된다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제1 단축 결정 필름 및 상기 제2 단축 결정 필름은 반응성 메소겐(reactive mesogen;RM)일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 광학 소자는 서로 나란히 이격된 제1 평면과 제2 평면 사이에 배치된 제1 단축 결정 필름을 포함하는 제1 편광 회전자; 및 서로 나란히 이격된 제3 평면과 제4 평면 사이에 배치된 제2 단축 결정 필름을 포함하는 제2 편광 회전자를 포함한다. 상기 제1 단축 결정 필름의 제1 광축은 상기 제1 평면 내에 배치되고, 상기 제1 광축은 필림의 두께에 따라 순차적으로 비틀림을 가진다. 상기 제2 단출 결정 필름의 제2 광축은 상기 제3 평면 내에 배치되고, 상기 제2 광축은 필림의 두께에 따라 순차적으로 비틀림을 가진다. 상기 제2 단축 결정 필름의 제1 광축은 상기 제1 단축 결정 필름의 제2 광축에 대하여 90도 회전하여 배치된다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제1 단축 결정 필름 및 상기 제2 단축 결정 필름은 반응성 메소겐(reactive mesogen;RM)일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 광학 소자의 제조 방법은 투명 기판 상에 제1 반응성 메소겐(reactive mesogen;RM) 배향막을 형성하는 단계; 상기 제1 반응성 메소겐(reactive mesogen;RM) 배향막을 제1 방향으로 배열하는 단계; 상기 반응성 메소겐(reactive mesogen;RM) 배향막에 반응성 메소겐 및 비틀림 각도를 결정하는 도펀트를 포함하는 제1 반응성 메소겐 혼합물을 코팅하는 단계; 상기 제1 반응성 메소겐 혼합물을 열 또는 자외선을 사용하여 경화하여 제1 반응성 메소겐 필름을 형성하는 단계; 상기 제1 반응성 메소겐층 상에 제2 배향막을 형성하는 단계; 상기 제2 배향막을 상기 제1 방향에 수직한 제2 방향으로 배열하는 단계; 상기 제2 배향막에 반응성 메소겐 및 비틀림 각도를 결정하는 도펀트를 포함하는 제2 반응성 메소겐 혼합물을 코팅하는 단계; 및 상기 제2 반응성 메소겐 혼합물을 열 또는 자외선을 사용하여 경화하여 제2 반응성 메소겐 필름을 형성하는 단계;를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 광학 소자는 일면에서 액정의 방향자의 방향과 타면에서 액정의 방향자의 방향은 R/2의 각도를 가지는 제1 비틀림 네마틱 액정 소자; 및 상기 제1 비틀림 네마틱 액정 상에 배치되고 일면에서 액정의 방향자의 방향은 제1 비틀림 네마틱 액정의 일면에서 액정의 방향자의 방향을 기준으로 R/2 + 90도를 가지고 타면에서 방향자는 R+ 90도를 가지는 제2 비틀림 네마틱 액정 소자를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제1 비틀림 네마틱 액정 소자는: 하부 투명 기판; 상기 하부 투명 기판 상에 형성되고 제1 방향으로 배열된 하부 배향막; 상기 하부 배향막 상에 배치되는 상부 투명 기판; 상기 상부 투명 기판의 하부면에 형성되고 상기 제1 방향과 소정의 비틀림 각도를 가진 제2 방향으로 배열된 상부 배향막; 및 상기 하부 배향막과 상기 상부 배향막 사이에 주입되는 제1 비틀림 네마틱 액정을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제1 비틀림 네마틱 액정 소자는: 하부 투명 기판; 상기 하부 투명 기판 상에 형성된 하부 투명 전극; 상기 하부 투명 전극 상에 형성되고 제1 방향으로 배열된 하부 배향막; 상기 하부 배향막 상에 배치되는 상부 투명 기판; 상기 상부 투명 기판의 하부면에 형성되는 상부 투명 전극; 상기 상부 투명 전극의 하부면에 형성되고 상기 제1 방향과 소정의 비틀림 각도를 가진 제2 방향으로 배열된 상부 배향막; 및 상기 하부 배향막과 상기 상부 배향막 사이에 주입되는 제1 비틀림 네마틱 액정;을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 편광 회전자는 파장 의존성을 억제하고 입사하는 광의 선형 편광 방향을 불문하고 일정한 각도의 편광 회전을 제공할 수 있다. 또한, 상기 편광 회전자는 억제된 위상 지연을 제공한다.
도 1은 통상적인 비틀림 네마틱(twisted nematic;TN )액정의 동작을 설명하는 도면이다.
도 2는 E-모드와 O-도드에 대한 아디아바틱 활로잉의 조건 하에서 TN LC 셀(celㅣ)을 통과하는 편형 편광의 진행을 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 편광 회전자를 나타내는 도면이다.
도 4은 LC 비틀림 R이 LC 층의 위상 지연보다 충분히 작은 조건하에서 제1 및 제2 LC 층의 입구와 출구에서 편광 상태의 계통도를 나타낸다.
도 5는 통상적인 지연 Γ 와 비틀림각 R을 가진 하나의 비틀림 LC 층(twisted LC layer)의 구성(a) 및 본 발명의 일 실시예에 따른 TN LC 매질의 두 층의 제안된 구성(b)을 나타낸다.
도 6는 도 5의 (a)의 한 층의 구성에 대한 550 nm (a) 및 650 nm (b)의 파장에서 비틀림각(twist angle) R= 30도 에서 계산된 투과도를 나타낸다.
도 7은 도 5의 (b)의 두 층의 구조에 대한 550 nm (a) 및 650 nm (b)의 파장에서 비틀림각 R=30 도에서 계산된 투과도를 설명한다.
도 8은 도 5의 (b)의 두 층의 구성에 대한 550nm (a) 및 650nm (b)의 파장에서 R=90도에 대한 계산된 투과도를 나타낸다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 편광 회전자를 설명하는 도면이다.
도 10은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 편광 회전자를 설명하는 도면이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 광학 소자의 제조 방법의 흐름도이다.
도 12는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 광학 소자를 설명하는 도면이다.
도 13은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 광학 소자를 설명하는 도면이다.
도 14는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 광학 소자를 설명하는 도면이다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되어지는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예는 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되어지는 것이다. 도면들에 있어서, 구성요소는 명확성을 기하기 위하여 과장되어진 것이다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호로 표시된 부분들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
도 1은 통상적인 비틀림 네마틱(twisted nematic;TN )액정의 동작을 설명하는 도면이다.
도 1을 참조하면, 비틀림 네마틱(twisted nematic;TN )액정(liquid crystal;LC)은 비틀림 각(twist angle; R)을 가지고 있으며, 광은 TN LC의 비틀림 축(twist axes)인 z축을 따라 진행한다. 상기 TN LC의 광축(optical axis)은 xy 평면에 평행하고, y축과 비틀림 각 R을 가진다. 정상 굴절 계수(ordinalry refractive index)은 no이고, 이상 굴절 계수(extraordinary refractive index)는 no이다. 위상 지연(phase retadation)은 (ne-no)kd로 주어진다. 여기서, k는 파수(wave number)이고, d는 TN LC의 두께이다.
편광 회전을 위하여 보고된 방법들은 장점 및 단점을 가짐에 따라, 초기 편광 방향 및 파장에 무관하게 선형 편광된 빛의 방향을 회전시키기 위한 효율적인 방법이 연구되었다.
이를 위하여, TN LC의 두 층으로 구성된 구조가 새롭게 제안된다. 그리고, 상기 TN LC 물질을 통하여 임의의 편광 방향의 입사하는 선형 편광의 행동이 조사되었다. 초기 편광 방향과 파장에 대한 의존성이 역시 조사되었다.
[TN LC 매질에서 아디아바틱 활로잉의 현상]
TN LC 매질을 통하여 진행하는 편광 상태는 E-성분(Extraordinary-component; E-component)과 O-성분(Ordinary component; O-component)을 사용하여 국부 프린서펄 좌표계(local principal coordinate system)에서, 다음의 수학식으로 표시될 수 있다.
Figure 112014112717424-pat00001
여기서, E- 모드와 O-모드는 각각 광선이 통과하는 위치에서 LC 방향자(director)에 평행 및 수직한 방향을 나타낸다. 입구와 출구에서 LC 방향자들 사이의 각도는 φ로 표시될 수 있다. (V'e, V'o)는 국부 프린서펄 좌표계에서 출구에서 E- 모드와 O-모드를 나타내고, (Ve, Vo)은 입구에서 국부 프린서펄 좌표계(local principal coordinate system)에서 입구에서 E- 모드와 O-모드를 나타낸다.
상기 각도 φ는 LC 층의 비틀림각(twist angle)을 나타낸다. X는 다음과 같이 정의된다.
Figure 112014112717424-pat00002
수학식 2에서, λ,d, ne, 및 no는 파장, LC 매질의 두께, LC의 이상 굴절 계수, 및 LC의 정상 굴절 계수를 각각 나타낸다. Γ는 전체 위상 지연(overal phase detardation)이다. 초기 편광 방향이 LC 매질의 입구 측에서 LC 방향자의 방향과 평행한 경우, 입구에서 편광 상태 (Ve, Vo)는 국부 프린서펄 좌표계에서 (1,0)으로 표시된다. LC 매질로부터 나오는 광의 편광 상태는 다음과 같이 표시될 수 있다.
Figure 112014112717424-pat00003
LC 비틀림(LC twist)의 변화가 LC 층의 전체 위상 지연(overal phase detardation Γ)에 비교하여 충분히 작은 경우, 수학식 3은 다음과 같이 근사될 수 있다.
Figure 112014112717424-pat00004
수학식 4는 LC 매질에서 존재하는 광의 편광 방향이 LC 매질의 출구측에서 LC 방향자의 방향과 평행한 것을 의미한다. 따라서, 입구와 출구에서 LC 방향자의 비틀림각 φ은 입사하는 선형 편광 빛의 편광 방향의 회전각을 결정한다.
도 2는 E-모드와 O-도드에 대한 아디아바틱 활로잉의 조건 하에서 TN LC 셀(celㅣ)을 통과하는 편형 편광의 진행을 나타내는 도면이다.
도 2를 참조하면, E-모드에 대한 편광 방향은 LC 방향자에 대하여 평행하고, O-모드에 대한 편광 방향은 LC 방향자에 대하여 수직하다. E-모드와 O-모드가 LC 매질을 진행함에 따라, E-모드에 대하여 -Γ/2 의 지연이 유도되고, O-모드에 대한 Γ/2 의 지연이 유도된다.
도 2에서 설명된 것과 같이 입사광의 방향이 LC 방향자의 비틀림을 따라가는 현상은 아디아바틱 활로잉(adiabatic following)으로 알려져 있다.
한편, 편광 방향이 LC 매질의 입구측에서 LC 방향자의 방향에 수직한 경우, 입구에서 편광 상태(Ve, Vo)는 국부 프린서펄 좌표계에서 (0,1)로 표시될 수 있다. LC 비틀림의 변화가 전체 위상 지연에 비교하여 충분히 작은 경우, LC 매질로부터 나오는 광의 편광 상태는 다음과 같이 주어질 수 있다.
Figure 112014112717424-pat00005
O-모드의 선형 편광은 도 2 에서 설명된 것과 같이 각도 φ 만큼 회전한다. 만약 입사하는 선형 편광의 편광 방향이 입구에서 LC 방향자의 방향과 평행하거나 수직하지 않는 경우, 입사하는 선형 편광은 E-모드와 O-모드를 위한 2 성분으로 분해된다. LC 매질을 진행하는 각 성분의 편광 상태는 위의 식에 의하여 결정될 수 있다.
출구에서 이들 두 편광의 위상은 수학식 5 및 수학식 5에 의하여 (-Γ/2) 및 (Γ/2)로서 결정될 수 있다. 이들 두 편광의 위상은 더 이상 동일하지 않다. 따라서, 이들 두 편광은 위상(Γ/2) 이 π의 배수인 경우를 제외하고 LC 매질로부터 선형 편광으로 일반적으로 결합할 수 없다. 만약 비틀림 LC 매질의 구성이 E- 성분과 O- 성분 사이의 위상 차이가 영 또는 2π의 배수가 되도록 설계되면, 이 E- 성분과 O- 성분은 선형 편광으로 결합할 수 있다. 이 경우, 선형 편광은 편광 방향을 불문하고, 비틀림각(twist angle)의 양만큼 회전할 수 있다.
[ TN LC 매질의 두 층의 구성]
LC 비틀림의 변화가 전체 위상 지연 Γ에 비교하여 충분히 작으면, E-모드 및 O-모드를 위한 LC 매질에 의하여 유도되는 위상의 절대 크기는 수학식 4 및 5에서 보여지는 바와 같이 반대 부호를 가지고 동일하다. 이러한 위상 차이를 보상하기 위하여, ne와 no의 방향이 서로 교환된 TN LC의 두 층이 고려될 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 편광 회전자를 나타내는 도면이다.
도 3을 참조하면, 편광 회전자(100)는 일면에서 액정의 방향자의 방향과 타면에서 액정의 방향자의 방향은 R/2의 각도를 가지는 제1 비틀림 네마틱 액정(110), 및 상기 제1 비틀림 네마틱 액정(110) 상에 배치되고 일면에서 액정의 방향자의 방향은 제1 비틀림 네마틱 액정(110)의 일면에서 액정의 방향자의 방향을 기준으로 R/2 + 90도를 가지고 타면에서 방향자는 R+ 90도를 가지는 제2 비틀림 네마틱 액정(120)을 포함한다.
각 R의 편광 회전을 위하여 TN LC의 두 층의 구성이 설명된다. TN LC의 두층의 정렬이 표시된다. LC 방향자는 R/2의 비틀림 각을 가지고 균일하게 정렬될 수 있다. 두 층의 LC는 수직이다. 제1 LC 층과 제2 LC 층에 대하여 입구 및 출구에서 LC 방향자의 방위각(azimuthal angle)이 표시된다.
각 층의 LC 방향자는 R/2 의 비틀림각으로 균일하게 정열되었다. 제1 LC 층의 LC 방향자의 방향이 영으로 선택된 경우, 제1 LC 층의 출구에서 LC 방향자의 가도는 R/2 기 되도록 선택된다. 제2 LC 층의 입구에서 LC 방향자의 각도는 R/2 + 90 도가 되도록 선택되고, 제2 LC 층의 출구에서 LC 방향자의 각도는 R+90도가 되도록 선택된다.
도 4은 LC 비틀림 R이 LC 층의 위상 지연보다 충분히 작은 조건하에서 제1 및 제2 LC 층의 입구와 출구에서 편광 상태의 계통도를 나타낸다.
도 4를 참조하면, TN LC의 두층의 구성을 통하여 E-모드와 O-모드의 선형 편광이 표시된다. 선형 편광 상태 P(A,B)는 편광각(polarzation angle,A)과 위상(B)으로 표시된다.
편광 회전자(100)는 일면에서 액정의 방향자의 방향과 타면에서 액정의 방향자의 방향은 R/2의 각도를 가지는 제1 비틀림 네마틱 액정(110), 및 상기 제1 비틀림 네마틱 액정(110) 상에 배치되고 일면에서 액정의 방향자의 방향은 제1 비틀림 네마틱 액정(110)의 일면에서 액정의 방향자의 방향을 기준으로 R/2 + 90도를 가지고 타면에서 방향자는 R+ 90도를 가지는 제2 비틀림 네마틱 액정(120)을 포함한다.
빛의 진행 방향 및 제1 비틀림 네마틱 액정(110)의 입구에서 LC 방향자의 방향은 z축과 x축으로 각각 선택되었다. 위에서 기술한 E-모드와 O-모드의 거동에 기초하여, 편광 상태에 대한 본 발명에서 제안한 구성의 효과는 다음과 같이 유도될 수 있다. x축으로 편광된 입사 광은 P(0,0)의 편광 상태를 가지고 제1 비틀림 네마틱 액정(110)의 입구에서 E-모드에 대응한다. 상기 제1 비틀림 네마틱 액정(110)은 R/2의 편광 회전 및 -iΓ/2 의 위상 변화를 유도한다. 따라서, 제1 비틀림 네마틱 액정(110)의 출구에서 광의 편광 상태 P(R/2, -iΓ/2) 는 R/2 의 편광 상태 및 -iΓ/2의 위상이 된다. 이 광은 제2 비틀림 네마틱 액정(120)에 들어올 때, R/2의 편광 방향은 제2 비틀림 네마틱 액정(120)의 입구에서 LC 방향자에 수직이다. 이 편광은 국부 프린서펄 좌표계에서 제2 비틀림 네마틱 액정(120)의 입구에서 O-모드에 대응한다. 따라서, 제2 비틀림 네마틱 액정(120)은, 제2 비틀림 네마틱 액정(120)의 입구에 들어오는 광의 편광 상태에서 추가적으로 R/2의 편광 회전 및 iΓ/2 의 위상 변화를 유도한다. 결과적으로, 제2 비틀림 네마틱 액정(120)의 출구로부터 나오는 편광 상태는 R/2+R/2=R 의 편광 방향 및 (-iΓ/2 + iΓ/2 =0)의 위상 변화를 가진다.
y축으로 편광된 입사광은 P(90,0)의 편광 상태를 가지고, 제1 비틀림 네마틱 액정(120)의 입구에서 LC 방향자에 수직이고, 제1 비틀림 네마틱 액정(120)의 입구에서 O-모드에 대응한다. 이 광은 제1 비틀림 네마틱 액정(120)에 의하여 (90+R/2) 의 편광 회전 및 iΓ/2의 위상이 된다. 이 광이 제2 비틀림 네마틱 액정(120)에 들어올 때, 각 R/2 의 편광 방향은 제2 비틀림 네마틱 액정(120)의 입구에서 E-모드에 대응한다. 따라서, 제2 비틀림 네마틱 액정(120)은 R/2의 회전을 유도하고, -iΓ/2의 위상 변화를 유도한다. 결과적으로, 제2 비틀림 네마틱 액정(120)의 출구로부터 나오는 편광 상태는 (90+R)의 편광 상태 및 영의 위상이 된다.
본 발명에서 제안된 구성에 입사하는 선형 편광은 E- 성분 및 O-성분으로 분해될 수 있다. 각 성분은 회전각 R의 변화와 영 위상 변화를 가지고 제2 비틀림 네마틱 액정(120)의 출구까지 제안된 구성을 통하여 진행한다. 따라서, 제2 비틀림 네마틱 액정(120)의 출구에서, E-성분 및 O-성분은, 편광 방향이 각 R의 양만큼 변환되어, 다시 선형 편광으로 결합할 수 있다.
만약, 제안된 구성의 효과에 관한 위의 유도(derivation)이 옳다면, 선형 편광 광은, 초기 편광 방향을 불문하고, 각도 R 만큼 회전할 수 있다. LC 비틀림의 변화는 LC 층의 전체 위상 지연 Γ에 비교하여 충분히 작은 조건은 파장에 거의 의존하지 않는다. 따라서, 편광 회전의 현상은 입사하는 광의 파장에 의하여 거의 영향 받지 않을 것으로 예측된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 복층 구조의 편광 회전자는 파장 및 입사광의 편광 방향에 의존하지 않고 편광 방향을 회전시킬 수 있다. 이에 따라, 종래의 반파장판과 같은 위상 지연자(phase retarder) 또는 편광 회전자(polariazation rotator)에 비하여 광축 정렬없이 안정적인 편광 회전을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 편광 회전자의 LC 비틀림 R이 전압으로 조절되는 경우, 상기 편광 회전자는 전압 조절 편광 회전자, 전압 조절 광 스위치, 또는 전압 조절 광량 변조기로 사용될 수 있다.
위에서, 우리는 비틀림 LC 를 사용하여 편광 회전자를 설명하였다. 그러나, 비틀림 LC는 다른 이방성 구조(various anisotropic structure) 물질로 대체될 수 있다.
반응성 메소겐(reactive mesogen;RM)는 TN LC 층과 유사하게 다양한 이방성 구조(various anisotropic structure)의 필름을 생성할 수 있는 것으로 보고되고 있다. 반응성 메소겐과 같은 물질을 사용하면, 비틀림 LC 매질(twisted LC medium)의 층은 박막으로 형성될 수 있다. 서로 수직한 이러한 두 필름을 겹치는 것은 본 제안된 구조를 만들기 위하여 사용될 수 있다.
다만, 상기 편광 회전자가 능동 소자로서 동작하기 위하여, 상기 편광 회전자는 전압을 인가하기 위한 전극 사이에 배치된 비틀림 LC를 사용할 수 있다.
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 편광 회전자의 성능을 확인하기 위한 시뮬레이션 결과가 소개된다.
[시뮬레이션]
도 3 및 도 4의 제안된 구성을 디자인함에 있어서 주 가정(main assumption)은 LC 비틀림의 변화는 LC 층의 전체 위상 지연에 비하여 충분히 작다는 것이다. 상용 소프트웨어(Techwiz LCD simulator)는 비틀림각 R과 지연 Γ 사이의 다양한 비에 대하여 본 제안된 구성의 가능성을 조사하기 위하여 사용되었다. 파장 의존성이 역시 조사되었다.
시뮬레이션을 위한 설치(setups)은 도 4에 설명된다. LC 층의 입구와 출구에서 LC 방향자들은 균일하게 정렬되고, 방향은 도 4에 도시되었다.
LC 층의 총 두께 및 굴절률 차이(ne-no)는 각각 5.5 μm 및 0.1로 선택되었다.
도 5는 통상적인 지연 Γ 와 비틀림각 R을 가진 하나의 비틀림 LC 층(twisted LC layer)의 구성(a) 및 본 발명의 일 실시예에 따른 TN LC 매질의 두 층의 제안된 구성(b)을 나타낸다.
도 5의 (a)를 참조하면, 비틀림 LC 층(twisted LC layer)은 교차하는 편광자(crossed polarizer) 사이에 놓인다. 편광자(crossed polarizer)는 하부 편광자(31)와 상부 편광자(32)를 포함할 수 있다.
도 5의 (b)를 참조하면, TN LC 매질의 두 층 구조의 편광 회전자는 교차하는 편광자(crossed polarizer) 사이에 놓인다. 편광자(crossed polarizer)는 하부 편광자(131)와 상부 편광자(132)를 포함할 수 있다. TN LC 매질의 두 층 구조는 제1 비틀림 네마틱 액정(110) 및 제2 제1 비틀림 네마틱 액정(120)을 포함할 수 있다.
Γ/2의 지연과 비틀림 각 R/2의 두 층은 교차하는 편광자(crossed polarizer) 사이에 놓인다. P1 및 P2는 제1 편광자(131) 및 제2 편광자(132)의 투과축(transmittance axes)의 방향을 나타낸다. 입사하는 선형 편광의 편광 방향은 제1 편광자(131)의 각 P1의 변화에 의하여 제어된다. 이들 편광자의 축이 변함에 따라, 이들 두 구조의 투과도(transmittance)가 계산된다. 계산된 투과도는 교차하는 편광자(131,132) 사이에 어떤 LC 매질도 없이 두 편광자가 평행인 경우의 값으로 규격화된다. 만약, 선형 편광이 LC 층의 제2 편광자(132)의 투과축(transmittance axes)에 평행하게 되면, 규격화된 투과도는 P2의 특정한 각도에서 100 퍼센트로 되도록 계산된다.
[결과 및 분석]
파장에 대한 의존성은 550 nm 및 650 nm의 파장에 대하여 조사되었다. 550nm는 녹색(green colour)을 위한 주요 파장이고, 650 nm는 적색(red colour)을 위한 주요 파장으로 고려되었다.
도 6는 도 5의 (a)의 한 층의 구성에 대한 550 nm (a) 및 650 nm (b)의 파장에서 비틀림각(twist angle) R= 30도 에서 계산된 투과도를 나타낸다. 수평축은 제2 편광자(32)의 투과축의 각 P2를 나타내고, 수직축은 규격화된 투과도(normalized transmittance)를 나타낸다. 그래프의 상부에 표시된 수차는 제1 편광자(31)의 투과축의 각 P1을 나타낸다. P1은 입하는 편광 방향과 동일한다.
도 6를 참조하면, 제1 편광자(31)의 투과축 P1은 0도, 30도, 60도, 및 90 도의 각도에 설치되었다.
550 nm의 파장의 경우에, 30도의 편광 회전은 도 6a에서 도시된 것 처럼, 제1 편광자(31)의 각도에 불구하고, 30도의 편광 회전이 관측되었다. 그러나, 650 nm의 파장에 대한 도 6의(b)는 도 6의 (a)와 다른 경향을 보인다. 이에 따라, 제1 편광자(31)의 각도가 0도 또는 90도인 경우에 한하여 30도의 편광 회전이 관측되었다.
이 결과는 비틀림 LC 층을 통한 편광 상태의 분석에 의하여 설명될 수 있다. 제1 편광자(31)의 투과축이 0도의 각도에 있는 경우, 오직 E-성분은 LC 층의 입구에 입사하고, E-성분은 30도의 양만큼 LC 층을 통하여 회전한다. 따라서, 550nm 및 650 nm의 파장을 불문하고, 제2 편광자(32)의 투과축 P2가 P1+30도의 각도에 설정된 경우, 계산된 투과도는 100 퍼센트에 접근한다.
제2 편광자의 투과축이 90도로 설정된 경우, 오직 O-성분은 LC 층의 입구에 입사하고, 이 편광은 비틀림 LC 층에 의하여 120도의 각도로 회전한다. 제1 편광자 의 각도 P1이 30도 또는 60도 인 경우, E-모드 및 O-모드는 LC 매질을 통하여 진행한다.
LC 층의 총 두께 및 굴절률 차이(ne-no)는 5.5 um 및 0.1로 각각 선택되었으므로, 지연 Γ는 수학식 2로부터 550 nm에 대하여 2π가 되고, 650 nm에 대하여 1.7π가 된다.
550 nm의 파장에 대하여 E-모드와 O-모드 사이의 위상 차이는 LC 층의 출구에서 2π이므로, E-모드 와 O-모드는 선형 편광으로 결합될 수 있고, 최대 투과도는 P1+30도의 각도에서 관측될 수 있다. 그러나, 650nm의 파장에 대한 E-모드와 O-모드 사이의 위상 차이는 2π가 아니다. 따라서, E-모드와 O-모드는 선형 편광으로 결합할 수 없고, 이 비틀림 LC층은 더 이상 편광 회전자로서 유효하지 않다.
계산된 결과는 하나의 비틀림 층들의 한계를 보여준다.
도 7은 도 5b의 두 층의 구조에 대한 550 nm (a) 및 650 nm (b)의 파장에서 비틀림각 R=30 도에서 계산된 투과도를 설명한다. 수평축은 제2 편광자(132)의 투과축의 각 P2를 나타내고, 수직축은 규격화된 투과도(normalized transmittance)를 나타낸다. 그래프의 상부에 표시된 수차는 제1 편광자(131)의 투과축의 각 P1을 나타낸다. P1은 입하는 편광 방향과 동일한다.
도 7를 참조하면, 제1 편광자(131)의 투과축, P1은 0도, 30도, 60도, 및 90도의 각도에서 설정된다. 제2 편광자(132)의 각 P2가 P1+30도의 각에 있을 때, 계산된 투과도는 100 퍼센트에 근접한다. 이것은 TN LC의 두층이 P1의 다른 편광에 대하여 550 nm 및 650 nm의 파장에 대하여 비틀림각 R= 30도의 양 만큼 편광 방향을 효과적으로 회전시킨 것을 의미한다.
파장 650 nm의 파장에서 도 6(b) 및 도 7(b)의 결과 사이에의 비교는 E-성분과 O-모성분 사이의 위상 차이는, 하나의 비틀림 LC 층의 구성과 비교하여 파장에 적은 의존성을 가지고, 두 비틀림 층을 사용하는 제안된 구성에 의하여 보상되는 것 및 제안된 구성은 편광 방향을 불문하고 회전을 효과적으로 변경할 수 있는 것을 보여준다.
편광 회전의 효율성은 근사적인 수학식 4 및 5의 타당성 및 비틀림각(R)은 지연(Γ) 보다 충분히 작다는 가정에 강하게 관계된다. 계산을 위하여 사용된 비틀림각 R과 지연 Γ 사이의 비율은 표 1에 표시된다. 비틀림각이 30도인 도 7의 조건에서, 비는 0.1 미만이다.
Twist angle R (radians)
wavelength retardation 30 deg 90 deg
550nm 2π 1/12 1/4
650nm 1.7π 0.10 0.29
비틀림각이 90도가 되도록 선태된 경우, 비는 표1에서 보여지는 바와 같이 약 0.25~0.3이 된다. 편광 회전은 이 비의 유효한 범위를 확인하기 위하여, 90도의 비틀림각에 대하여 계산되었다.
도 8은 도 5의 (b)의 두 층의 구성에 대한 550nm (a) 및 650nm (b)의 파장에서 R=90도에 대한 계산된 투과도를 나타낸다. 수평축은 제2 편광자(132)의 투과축의 각 P2를 나타내고, 수직축은 규격화된 투과도(normalized transmittance)를 나타낸다. 그래프의 상부에 표시된 수차는 제1 편광자(131)의 투과축의 각 P1을 나타낸다. R=90도인 경우, 편광 회전자(100)는 반파장판에 대응할 수 있다.
도 8을 참조하면, 계산된 투과도는 550nm 및 650nm에 대하여 100 퍼센트에 근접한다. 650 nm의 파장에 대한 최대 투과도의 각도는 도 8의 (b)에서 설명한 것과 같이 P1+30와 완전히 동일하지는 않았다. 도 8의 (b)에서, P1+30도의 각이 최대 투과도의 각과 동일하기 않은 때 조차도, P1+30도의 각도에서 투과도는 90 퍼센트 초과이다. 따라서, 빛의 효율성은 조금 감소하더라도, 이것은 실용적인 관점에서 편광 회전을 위하여 유효할 수 있다.
도 7 및 도 8 및 표 1의 결과는 0.1 근처의 비(비틀림각 R/ 지연 Γ)는 LC 비틀림의 변화는 LC 층의 전체 위상 지연 Γ에서 비하여 충분히 작다는 가정을 만족하는 것으로 고려될 수 있다. 만약, 비틀림 각(R)이 더 크게 되면, LC 층의 두께 비(thickness ratio, R/Γ)는 역시 증가할 수 있다.
비틀림 LC 매질을 사용한 편광 회전의 효과가 조사되었다. 만약 지연이 2π의 배수인 조건을 만족하는 경우, 비틀림 LC의 한층의 구성은 초기 편광 방향을 불문하고 편광 효전을 위하여 효과적이다.
비틀림 LC의 두 층을 사용한 제안된 구성의 성능은 파장에 대한 적은 의존하는 것으로 보여졌고, 초기 편광 방향을 불문하고 편광 방향을 효율적으로 회전시킬 수 있다.
회전 각의 양이 제안된 구조에서 변하지 않는 한, 제안된 구조는, 초기 편광 방향을 불문하고, 다 파장의 광에 대한 편광 회전자로서 사용될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 편광 회전자는 수동 소자 및 가변 능동 소자로 동작할 수 있다. 구체적으로, 가변 능동 소자인 경우, 외부 신호를 제공받아, 상기 편광 회전자는 외부 신호에 대응하는 편광 회전을 제공할 수 있다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 편광 회전자를 설명하는 도면이다.
도 9를 참조하면, 편광 회전자(200)는 입사하는 광에 대하여 R/2의 편광 회전을 유도하고, -iΓ/2의 위상 변화를 유도하는 제1 광학 이방성 구조 물질층(210), 및 상기 제1 광학 이방성 구조 물질층(210) 상에 배치되고, 입사하는 광에 대하여 R/2의 편광 회전을 유도하고, iΓ/2의 위상 변화를 유도하는 제2 광학 이방성 구조 물질층(220)을 포함한다. 상기 제1 광학 이방성 구조 물질층(210) 및 제2 이방성 구조 물질층(220)은 R의 편광 회전을 제공하고, 영의 위상 변화를 제공한다. 상기 제1 광학 이방성 구조 물질층 및 상기 제2 광학 이방성 구조 물질층은 반응성 메소겐(reative mesogne) 또는 TN LC일 수 있다.
상기 제1 광학 이방성 구조 물질층(210) 및 상기 제1 광학 이방성 구조 물질층(210)은 동일한 구조일 수 있다. 제1 광학 이방성 구조 물질층의 광축은 배치 평면에 배치되고, 상기 제2 광학 이방성 구조 물질층의 광축은 배치 평면에 배치될 수 있다. 한편, 제1 광학 이방성 구조 물질층의 광축은 상기 제2 광학 이방성 구조 물질층의 광축과 90도 회전하여 배치될 수 있다.
반응성 메소겐(reative mesogne) 또는 TN LC인 경우, 상기 제1 광학 이방성 구조 물질층(210) 및 상기 제1 광학 이방성 구조 물질층(210)은 동일한 비틀림각을 가지고, 서로 90도 회전하여 배치될 수 있다.
서로 다른 파장의 입사광이 상기 회전 회전자(200)를 통과하는 경우, 상기 회전 회전자(200)는 영의 위상 지연을 제공하고, 편광 회전을 파장을 불문하고 동일하게 제공할 수 있다.
도 10은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 편광 회전자를 설명하는 도면이다.
도 10을 참조하면, 편광 회전자(300)는 서로 나란히 이격된 제1 평면과 제2 평면 사이에 배치된 제1 단축 결정 필름(310), 및 상기 제1 단축 결정 필름 상에 배치되고 서로 나란히 이격된 제3 평면과 제4 평면 사이에 배치된 제2 단축 결정 필름(320)을 포함한다. 상기 제1 단축 결정 필름(310)의 제1 광축은 상기 제1 평면 내에 배치되고, 상기 제1 광축은 필림의 두께에 따라 순차적으로 비틀림을 가진다. 상기 제2 단출 결정 필름(320)의 제2 광축은 상기 제3 평면 내에 배치되고, 상기 제2 광축은 필림의 두께에 따라 순차적으로 비틀림을 가진다. 상기 제2 단축 결정 필름의 제1 광축은 상기 제1 단축 결정 필름의 제2 광축에 대하여 90도 회전하여 배치된다. 상기 제1 단축 결정 필름 및 상기 제2 단축 결정 필름은 반응성 메소겐(reactive mesogen;RM)일 수 있다.
편광자(231)는 상기 투명 기판(312)의 하부에 배치되어 일정한 선평광의 입사광을 제공할 수 있다.
상기 편광 회전자(300)는 투명 기판(231) 상에 차례로 적층된 하부 배향막(313), 제1 단축 결정 필름(310), 상부 배향막(315), 및 제2 단축 결정 필름(320)을 포함할 수 있다.
제1 내지 제4 평면은 수직 방향(z축)으로 서로 이격되어 배치될 수 있다. 상기 제1 내지 제4 평면은 xy평면일 수 있다. 상기 제1 단축 결정 필름(310)은 일정한 두께를 가지고 일정한 비틀림각을 가질 수 있다. 상기 제2 단축 결정 필름(320)은 일정한 두께를 가지고 상기 제1 단축 결정 필름(310)의 비틀림각과 동일한 비틀림각을 가질 수 있다. 상기 제1 단축 결정 필름(310)의 광축은 배치 평면에 배치되고, 두께에 따른 순차적으로 광축이 회전하여 일정한 비틀림각을 형성할 수 있다. 상기 제1 단축 결정 필름(310)의 광축은 상기 제2 단축 결정 필름(320)의 광축과 90도 회전하여 배치될 수 있다.
투명 기판(312)은 입사광을 투과시킬 수 있는 재질로, 유리 또는 플라스틱 재질일 수 있다. 적외선이 입사하는 경우, 상기 투명 기판은 반도체 기판을 포함할 수 있다.
하부 배향막(313)은 상기 투명 기판 상에 배치된다. 상기 하부 배향막(313)은 폴리이미드(polyimide)와 같은 폴리머일 수 있다. 상기 하부 배향막(313)은 러빙(rubbing) 또는 광배향(photoalignment)와 같은 방법으로 제1 방향의 정렬 방향을 가지고 액정 또는 반응성 메소겐(reactive mesogen;RM)과 같은 물질의 배향을 유도할 수 있다. 상기 하부 배향막(313)은 스핀 코팅 또는 증발 증착과 같은 방법으로 형성될 수 있다.
상기 제1 단축 결정 필름(310)은 상기 하부 배향막(313) 상에 형성될 수 있다. 상기 제1 단축 결정 필름(310)은 반응성 메소겐(reactive mesogen;RM)을 포함할 수 있다. 액상의 반응성 메소겐은 스핀 코팅과 같은 방법으로 상기 하부 배향막(313) 상에 코팅될 수 있다. 상기 반응성 메소겐은 하부의 하부 배향막을 따라 정렬하고, 도핑 물질에 의하여 비틀림각이 결정될 수 있다.
상기 제1 단축 결정 필름(310)은 반응성 메소겐(reactive mesogen;RM)으로 자외선 경화 또는 열 경화에 의하여 형성될 수 있다. 반응성 메소겐 혼합물은 반응성 메소겐, 및 비틀림각을 결정하는 도펀트, 및 경화제를 포함할 수 있다. 상기 경화제는 광 경화제 또는 열 경화제일 수 있다. 상기 반응성 메소겐 혼합물이 상기 하부 배향막 상에 코딩된 후, 상기 반응성 메소겐은 일정한 방향으로 정렬되고, 비틀림각을 가질 수 있다. 이후, 열 경화 또는 자외선 경화가 수행될 수 있다. 이에 따라, 상기 제1 단축 결정 필름이 형성될 수 있다.
상기 제1 단축 결정 필름(310)이 형성된 후, 상부 배향막(315)이 코팅될 수 있다. 상기 상부 배향막(315)은 상기 하부 배향막과 동일한 물질이나 배향 방향은 상기 하부 배향막과 90도 회전하여 배치될 수 있다. 상기 상부 배향막(315)의 정렬 방향은 상기 하부 배향막의 정렬 방향과 90도 회전하여 배치될 수 있다. 90도 회전은 제1 단축 결정 필름의 출구 면의 정렬 방향을 기준으로 한다.
상기 제2 단축 결정 필름(320)은 상기 상부 배향막(315) 상에 배치될 수 있다. 상기 제2 단축 결정 필름(320)은 반응성 메소겐(reactive mesogen;RM)으로 자외선 경화 또는 열 경화에 의하여 형성될 수 있다. 반응성 메소겐 혼합물은 반응성 메소겐, 및 비틀림각을 결정하는 도펀트, 및 경화제를 포함할 수 있다. 상기 경화제는 광 경화제 또는 열 경화제일 수 있다. 상기 반응성 메소겐 혼합물이 상기 상부 배향막 상에 코딩된 후, 상기 반응성 메소겐은 일정한 방향으로 정렬되고, 비틀림각을 가질 수 있다. 이후, 열 경화 또는 자외선 경화가 수행될 수 있다. 이에 따라, 상기 제2 단축 결정 필름(320)이 형성될 수 있다. 상기 제2 단축 결정 필름(320) 상에는 보호 필름 등이 형성될 수 있다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 광학 소자의 제조 방법의 흐름도이다.
도 11을 참조하면, 상기 제조 방법은 투명 기판 상에 제1 배향막을 형성하는 단계(S111), 상기 제1 배향막을 제1 방향으로 배열하는 단계(S112), 상기 제1 배향막 상에 반응성 메소겐 및 비틀림 각도를 결정하는 도펀트를 포함하는 제1 반응성 메소겐 혼합물을 코팅하는 단계(S113), 상기 제1 반응성 메소겐 혼합물을 열 또는 자외선을 사용하여 경화하여 제1 반응성 메소겐 필름을 형성하는 단계(S114), 상기 제1 반응성 메소겐 필름 상에 제2 배향막을 형성하는 단계(S115), 상기 제2 배향막을 상기 제1 방향에 수직한 제2 방향으로 배열하는 단계(S116), 상기 제2 배향막 상에 반응성 메소겐 및 비틀림 각도를 결정하는 도펀트를 포함하는 제2 반응성 메소겐 혼합물을 코팅하는 단계(S117), 및 상기 제2 반응성 메소겐 혼합물을 열 또는 자외선을 사용하여 경화하여 제2 반응성 메소겐 필름(S118)을 형성하는 단계를 포함한다. 제2 반응성 메소겐 필름의 비틀림 각과 상기 제1 반응성 메소겐 필름의 비틀림 각은 서로 90도를 이룰 수 있다.
도 12는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 광학 소자를 설명하는 도면이다.
도 12를 참조하면, 상기 광학 소자(400)는 서로 나란히 이격된 제1 평면과 제2 평면 사이에 배치된 제1 단축 결정 필름(410a)을 포함하는 제1 편광 회전자(401a), 및 서로 나란히 이격된 제3 평면과 제4 평면 사이에 배치된 제2 단축 결정 필름(410b)을 포함하는 제2 편광 회전자(401b)를 포함한다. 상기 제1 단축 결정 필름(410a)의 제1 광축은 상기 제1 평면 내에 배치되고, 상기 제1 광축은 필림의 두께에 따라 순차적으로 비틀림을 가지고, 상기 제2 단출 결정 필름(410b)의 제2 광축은 상기 제3 평면 내에 배치되고, 상기 제2 광축은 필림의 두께에 따라 순차적으로 비틀림을 가진다. 상기 제2 단축 결정 필름의 제1 광축은 상기 제1 단축 결정 필름의 제2 광축에 대하여 90도 회전하여 배치된다. 상기 제1 단축 결정 필름 및 상기 제2 단축 결정 필름은 반응성 메소겐(reactive mesogen;RM)일 수 있다.
상기 제1 편광 회전자(401a)는 제1 투명 기판(412a) 상에 차례로 적층된 제1 배향막(413a), 및 제1 단축 결정 필름(410a)을 포함할 수 있다. 상기 제1 단축 결정 필름(401a)은 반응성 메소겐(reactive mesogen;RM)으로 자외선 경화 또는 열 경화에 의하여 형성될 수 있다. 반응성 메소겐 혼합물은 반응성 메소겐, 및 비틀림각을 결정하는 도펀트, 및 경화제를 포함할 수 있다. 상기 경화제는 광 경화제 또는 열 경화제일 수 있다. 상기 반응성 메소겐 혼합물이 상기 상부 배향막 상에 코딩된 후, 상기 반응성 메소겐은 일정한 방향으로 정렬되고, 비틀림각을 가질 수 있다. 이후, 열 경화 또는 자외선 경화가 수행될 수 있다.
상기 제2 편광 회전자(401b)는 제2 투명 기판(412b) 상에 차폐로 적층된 제2 배향막(413b), 및 제2 단축 결정 필름(410b)을 포함할 수 있다. 상기 제2 단축 결정 필름(401b)은 반응성 메소겐(reactive mesogen;RM)으로 자외선 경화 또는 열 경화에 의하여 형성될 수 있다. 반응성 메소겐 혼합물은 반응성 메소겐, 및 비틀림각을 결정하는 도펀트, 및 경화제를 포함할 수 있다. 상기 경화제는 광 경화제 또는 열 경화제일 수 있다. 상기 반응성 메소겐 혼합물이 상기 상부 배향막 상에 코딩된 후, 상기 반응성 메소겐은 일정한 방향으로 정렬되고, 비틀림각을 가질 수 있다. 이후, 열 경화 또는 자외선 경화가 수행될 수 있다.
상기 제1 편광 회전자(401b)는 상기 제1 편광 회전자(401a) 상에 뒤집혀서 정렬될 수 있다. 상기 제1 편광 회전자(401b)와 상기 제1 편광 회전자(401a)가 정렬된 경우, 상기 제1 단축 결정 필름과 상기 제2 단축 결정 필름이 접하는 면에서 광축은 90도 차이를 가질 수 있다.
도 13은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 광학 소자를 설명하는 도면이다.
도 13을 참조하면, 상기 광학 소자(500)는 일면에서 액정의 방향자의 방향과 타면에서 액정의 방향자의 방향은 R/2의 각도를 가지는 제1 비틀림 네마틱 액정 소자(510), 및 상기 제1 비틀림 네마틱 액정 소자 상에 배치되고 일면에서 액정의 방향자의 방향은 제1 비틀림 네마틱 액정의 일면에서 액정의 방향자의 방향을 기준으로 R/2 + 90도를 가지고 타면에서 방향자는 R+ 90도를 가지는 제2 비틀림 네마틱 액정 소자(520)를 포함한다.
상기 제1 비틀림 네마틱 액정 소자(510)는 하부 투명 기판(512), 상기 하부 투명 기판(512) 상에 형성되고 제1 방향으로 배열된 하부 배향막(514), 상기 하부 배향막(514) 상에 배치되는 상부 투명 기판(519), 상기 상부 투명 기판(519)의 하부면에 형성되고 상기 제1 방향과 소정의 비틀림 각도를 가진 제2 방향으로 배열된 상부 배향막(518), 및 상기 하부 배향막(514)과 상기 하부 배향막(518) 사이에 주입되는 제1 비틀림 네마틱 액정(516)을 포함한다. 상기 스페이서(511)는 상기 하부 배향막(514)과 상기 상부 배향막(518) 사이에 일정한 간격을 유지할 수 있다.
상기 제2 비틀림 네마틱 액정 소자(520)는 상기 제1 비틀림 네마틱 액정 소자(510)와 동일한 구조를 가질 수 있다. 그러나, 액정의 정렬 방향은 서로 다를 수 있다. 상기 제2 비틀림 네마틱 액정 소자(520)는 뒤집혀서 상기 제1 비틀림 네마틱 액정 소자(510)와 정렬될 수 있다.
상기 제2 비틀림 네마틱 액정 소자(520)는 하부 투명 기판(522), 상기 하부 투명 기판(522) 상에 형성되고 제3 방향으로 배열된 하부 배향막(524), 상기 하부 배향막(524) 상에 배치되는 상부 투명 기판(529), 상기 상부 투명 기판(529)의 하부면에 형성되고 상기 제3 방향과 소정의 비틀림 각도를 가진 제4 방향으로 배열된 상부 배향막(528), 및 상기 하부 배향막(524)과 상기 상부 배향막(528) 사이에 주입되는 제2 비틀림 네마틱 액정(526)을 포함한다. 상기 스페이서(521)는 상기 하부 배향막(524)과 상기 상부 배향막(528) 사이에 일정한 간격을 유지할 수 있다.
상기 제2 비틀림 네마틱 액정 소자(520)와 상기 제1 비틀림 네마틱 액정 소자(510)가 서로 마주보는 면에서 액정의 방향자는 90도 회전하여 배치될 수 있다.
도 14는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 광학 소자를 설명하는 도면이다.
도 14를을 참조하면, 상기 광학 소자(600)는 일면에서 액정의 방향자의 방향과 타면에서 액정의 방향자의 방향은 R/2의 각도를 가지는 제1 비틀림 네마틱 액정 소자(510a), 및 상기 제1 비틀림 네마틱 액정 소자(510a) 상에 배치되고 일면에서 액정의 방향자의 방향은 제1 비틀림 네마틱 액정(516)의 일면에서 액정의 방향자의 방향을 기준으로 R/2 + 90도를 가지고 타면에서 방향자는 R+ 90도를 가지는 제2 비틀림 네마틱 액정 소자(520a)를 포함한다.
상기 제1 비틀림 네마틱 액정 소자(510a)는 하부 투명 기판(512), 상기 하부 투명 기판(512) 상에 형성된 하부 투명 전극(513), 상기 하부 투명 전극(513) 상에 형성되고 제1 방향으로 배열된 하부 배향막(514), 상기 하부 배향막(514) 상에 배치되는 상부 투명 기판(519), 상기 상부 투명 기판(519)의 하부면에 형성되는 상부 투명 전극(517), 상기 상부 투명 전극(517)의 하부면에 형성되고 상기 제1 방향과 소정의 비틀림 각도를 가진 제2 방향으로 배열된 상부 배향막(518), 및 상기 하부 배향막(514)과 상기 상부 배향막(518) 사이에 주입되는 제1 비틀림 네마틱 액정(516)을 포함한다. 상기 스페이서(511)는 상기 하부 배향막(514)과 상기 상부 배향막(518) 사이에 일정한 간격을 유지할 수 있다.
상기 제2 비틀림 네마틱 액정 소자(520a)는 상기 제1 비틀림 네마틱 액정 소자(510a)와 동일한 구조를 가질 수 있다. 그러나, 액정의 정렬 방향은 서로 다를 수 있다. 상기 제2 비틀림 네마틱 액정 소자(520a)는 뒤집혀서 상기 제1 비틀림 네마틱 액정 소자(510a)와 정렬될 수 있다.
상기 제2 비틀림 네마틱 액정 소자(520a)는 하부 투명 기판(522), 상기 하부 투명 기판(522) 상에 형성된 하부 투명 전극(523), 상기 하부 투명 전극(523) 상에 형성되고 제3 방향으로 배열된 하부 배향막(524), 상기 하부 배향막(524) 상에 배치되는 상부 투명 기판(529), 상기 상부 투명 기판(529)의 하부면에 형성되는 상부 투명 전극(527), 상기 상부 투명 전극(527)의 하부면에 형성되고 상기 제3 방향과 소정의 비틀림 각도를 가진 제4 방향으로 배열된 상부 배향막(528), 및 상기 하부 배향막(524)과 상기 상부 배향막(528) 사이에 주입되는 제2 비틀림 네마틱 액정(526)을 포함한다. 상기 스페이서(521)는 상기 하부 배향막(524)과 상기 상부 배향막(528) 사이에 일정한 간격을 유지할 수 있다.
상기 제2 비틀림 네마틱 액정 소자(520)와 상기 제1 비틀림 네마틱 액정 소자(510)가 서로 마주보는 면에서 액정의 방향자는 90도 회전하여 배치될 수 있다.
이상에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 이러한 실시예에 한정되지 않으며, 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 실시할 수 있는 다양한 형태의 실시예들을 모두 포함한다.
110: 제1 비틀림 네마틱 액정
120: 제2 비틀림 네마틱 액정

Claims (12)

  1. 일면에서 액정의 방향자의 방향과 타면에서 액정의 방향자의 방향은 R/2의 각도를 가지는 제1 비틀림 네마틱 액정; 및
    상기 제1 비틀림 네마틱 액정 상에 배치되고 일면에서 액정의 방향자의 방향은 제1 비틀림 네마틱 액정의 일면에서 액정의 방향자의 방향을 기준으로 R/2 + 90도를 가지고 타면에서 방향자는 R+ 90도를 가지는 제2 비틀림 네마틱 액정을 포함하는 것을 특징으로 하는 편광 회전자.
  2. 제1 항에 있어서,
    적층된 제1 비틀림 네마틱 액정 및 제2 비틀림 네마틱 액정의 일면 상에 배치된 제1 편광자; 및
    상기 적층된 제1 비틀림 네마틱 액정 및 제2 비틀림 네마틱 액정의 타면 상에 배치되는 제2 편광자를 포함하고,
    상기 제1 편광자와 상기 제2 편광자는 서로 임의의 각도로 배치되는 것을 특징으로 하는 편광 회전자.
  3. 입사하는 광에 대하여 R/2의 편광 회전을 유도하고, -iΓ/2의 위상 변화를 유도하는 제1 광학 이방성 구조 물질층; 및
    상기 제1 광학 이방성 구조 물질층 상에 배치되고, 입사하는 광에 대하여 R/2의 편광 회전을 유도하고, iΓ/2의 위상 변화를 유도하는 제2 광학 이방성 구조 물질층을 포함하고,
    상기 제1 광학 이방성 구조 물질층 및 제2 이방성 구조 물질층은 R의 편광 회전을 제공하고, 영의 위상 변화를 제공하는 것을 특징으로 하는 편광 회전자.
  4. 제3 항에 있어서,
    상기 제1 광학 이방 구조 물질층은 반응성 메소겐(reative mesogne)인 것을 특징으로 하는 편광 회전자.
  5. 서로 나란히 이격된 제1 평면과 제2 평면 사이에 배치된 제1 단축 결정 필름; 및
    상기 제1 단축 결정 필름 상에 배치되고 서로 나란히 이격된 제3 평면과 제4 평면 사이에 배치된 제2 단축 결정 필름을 포함하고,
    상기 제1 단축 결정 필름의 제1 광축은 상기 제1 평면 내에 배치되고, 상기 제1 광축은 필림의 두께에 따라 순차적으로 비틀림을 가지고,
    상기 제2 단축 결정 필름의 제2 광축은 상기 제3 평면 내에 배치되고, 상기 제2 광축은 필림의 두께에 따라 순차적으로 비틀림을 가지고,
    상기 제2 단축 결정 필름의 제1 광축은 상기 제1 단축 결정 필름의 제2 광축에 대하여 90도 회전하여 배치된 것을 특징으로 하는 편광 회전자.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 제1 단축 결정 필름 및 상기 제2 단축 결정 필름은 반응성 메소겐(reactive mesogen;RM)인 것을 특징으로 하는 편광 회전자.
  7. 서로 나란히 이격된 제1 평면과 제2 평면 사이에 배치된 제1 단축 결정 필름을 포함하는 제1 편광 회전자; 및
    서로 나란히 이격된 제3 평면과 제4 평면 사이에 배치된 제2 단축 결정 필름을 포함하는 제2 편광 회전자를 포함하고,
    상기 제1 단축 결정 필름의 제1 광축은 상기 제1 평면 내에 배치되고, 상기 제1 광축은 필림의 두께에 따라 순차적으로 비틀림을 가지고,
    상기 제2 단축 결정 필름의 제2 광축은 상기 제3 평면 내에 배치되고, 상기 제2 광축은 필림의 두께에 따라 순차적으로 비틀림을 가지고,
    상기 제2 단축 결정 필름의 제1 광축은 상기 제1 단축 결정 필름의 제2 광축에 대하여 90도 회전하여 배치된 것을 특징으로 하는 광학 소자.
  8. 제7 항에 있어서,
    상기 제1 단축 결정 필름 및 상기 제2 단축 결정 필름은 반응성 메소겐(reactive mesogen;RM)인 것을 특징으로 하는 광학 소자.
  9. 투명 기판 상에 제1 배향막을 형성하는 단계;
    상기 제1 배향막을 제1 방향으로 배열하는 단계;
    상기 제1 배향막 상에 반응성 메소겐 및 비틀림 각도를 결정하는 도펀트( dopant)를 포함하는 제1 반응성 메소겐 혼합물을 코팅하는 단계;
    상기 제1 반응성 메소겐 혼합물을 열 또는 자외선을 사용하여 경화하여 제1 반응성 메소겐 필름을 형성하는 단계;
    상기 제1 반응성 메소겐 필름 상에 제2 배향막을 형성하는 단계;
    상기 제2 배향막을 상기 제1 방향에 수직한 제2 방향으로 배열하는 단계;
    상기 제2 배향막 상에 반응성 메소겐 및 비틀림 각도를 결정하는 도펀트를 포함하는 제2 반응성 메소겐 혼합물을 코팅하는 단계; 및
    상기 제2 반응성 메소겐 혼합물을 열 또는 자외선을 사용하여 경화하여 제2 반응성 메소겐 필름을 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 소자의 제조 방법.
  10. 일면에서 액정의 방향자의 방향과 타면에서 액정의 방향자의 방향은 R/2의 각도를 가지는 제1 비틀림 네마틱 액정 소자; 및
    상기 제1 비틀림 네마틱 액정 상에 배치되고 일면에서 액정의 방향자의 방향은 제1 비틀림 네마틱 액정의 일면에서 액정의 방향자의 방향을 기준으로 R/2 + 90도를 가지고 타면에서 방향자는 R+ 90도를 가지는 제2 비틀림 네마틱 액정 소자를포함하는 것을 특징으로 하는 광학 소자.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 제1 비틀림 네마틱 액정 소자는:
    하부 투명 기판;
    상기 하부 투명 기판 상에 형성되고 제1 방향으로 배열된 하부 배향막;
    상기 하부 배향막 상에 배치되는 상부 투명 기판;
    상기 상부 투명 기판의 하부면에 형성되고 상기 제1 방향과 소정의 비틀림 각도를 가진 제2 방향으로 배열된 상부 배향막; 및
    상기 하부 배향막과 상기 상부 배향막 사이에 주입되는 하부 비틀림 액정;을 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 소자.
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 제1 비틀림 네마틱 액정 소자는:
    하부 투명 기판;
    상기 하부 투명 기판 상에 형성된 하부 투명 전극;
    상기 하부 투명 전극 상에 형성되고 제1 방향으로 배열된 하부 배향막;
    상기 하부 배향막 상에 배치되는 상부 투명 기판;
    상기 상부 투명 기판의 하부면에 형성되는 상부 투명 전극;
    상기 상부 투명 전극의 하부면에 형성되고 상기 제1 방향과 소정의 비틀림 각도를 가진 제2 방향으로 배열된 상부 배향막; 및
    상기 하부 배향막과 상기 상부 배향막 사이에 주입되는 하부 비틀림 액정;을 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 소자.
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