KR20060050540A

KR20060050540A - 금속 세선이 매립된 편광 분리 소자

Info

Publication number: KR20060050540A
Application number: KR1020050075515A
Authority: KR
Inventors: 나루토시 하야시; 다카시 후지
Original assignee: 스미또모 가가꾸 가부시키가이샤
Priority date: 2004-08-20
Filing date: 2005-08-18
Publication date: 2006-05-19
Also published as: CN1737618A; TW200608067A; US20060039069A1; JP2006058615A

Abstract

본 발명은 대형화 제품을 용이하게 제조할 수 있는 안정한 구조와 우수한 내구성을 가진 고성능 편광 분리 소자를 제공한다. 복수의 금속 세선 (21)이 상호 평행하도록 평면 기판 (10)에 매립 및 배열되어 있고, 세선 (21)의 피치 (P)가 100 ~ 300 nm이며, 세선 (21)의 폭 (D)과 세선의 피치 (P)의 비 (D/P)가 0.1 ~ 0.6이고, 세선의 길이 방향에 직교하는 단면의 세선 (21)의 높이 (H)가 50 ~ 50O nm로 구성되는 편광 분리 소자를 제공한다. 세선 (21)의 표면은 금속 산화물 필름으로 덮여있을 수 있다. 기판 (10)은 고분자 수지 필름인 것이 바람직하다.

Description

금속 세선이 매립된 편광 분리 소자 {POLARIZED LIGHT SEPARATING ELEMENT EMBEDDED WITH THIN METALLIC WIRE}

도 1은 금속 격자형 편광 분리 소자의 예를 도식적으로 보여주는 원근도이다.

도 2는 본 발명에 의한 편광 분리 소자의 예를 보여주는 단면 도식도이다.

도 3은 본 발명에 의한 편광 분리 소자의 다른 예를 보여주는 단면 도식도이다.

도 4는 본 발명에 의한 편광 분리 소자의 추가적 예를 보여주는 단면 도식도이다.

도 5는 본 발명에 의한 편광 분리 소자의 또다른 추가적 예를 보여주는 단면 도식도이다.

도 6은 본 발명에 의한 편광 분리 소자의 또다른 추가적 예를 보여주는 단면 도식도이다.

도 7은 시뮬레이션의 개념을 설명하기 위한 도식적인 원근도이다.

도 8은 시뮬레이션에 셀의 모형을 보여주는 도이다.

본 발명은 액정 표시 소자, 투사형의 표시 소자, 자동차의 전조등에 사용되는 편광 분리 소자에 관한 것이다.

편광 분리 소자는 특정 방향으로 진동하는 직선 편광만을 선택적으로 투과하고 상기 특정 방향에 대한 직교 방향으로 진동하는 직선 편광을 반사한다. 이러한 편광 분리 소자로는 상이한 굴절율 이방성을 가진 여러 종류의 고분자 필름의 다층 적층체로 구성된 소자 및 금속 격자로 구성된 소자가 공지되어 있다. 금속 격자형 편광 분리 소자는 예를 들면, WO 00/079317 호 공보(= 일본 특허 출원 2003-502758 호 공보) 및 JP No. 10-73722 호에 기술되어 있다. 이 금속 격자형 편광 분리 소자는 격자에 평행한 방향으로 진동하는 직선 편광을 반사하고 직교 방향으로 진동하는 직선 편광을 투과하여 편광을 분리한다.

금속 격자형 편광 분리 소자 제작을 위해 종래의 반도체 제조 기술이 사용되고 있다. 예를 들면, 포토레지스트 내에 미세 선 및 공간을 가진 구조를 형성하고 이온 광선 에칭에 의해 이 구조를 금속 필름에 전사하는 홀로그램 간섭 리소그래피를 사용한 방법; 레지스트 패턴을 형성하고 반응성 이온 에칭에 의해 금속 필름에 패턴을 전사하는 전자 광선 리소그래피를 직접적으로 사용하는 방법; 레지스트 패턴을 제작하기 위한 극자외선 리소그래피와 X-선 리소그래피를 포함하는 다른 고해상도 리소그래피 기법을 사용한 방법; 및 레지스트로부터 금속 필름에 패턴을 전사하기 위한 다른 에칭 메카니즘을 사용한 방법이 있다. 이 방법에 의해 제작되는 금속 격자형 편광 분리 소자는 미세 구조가 정확히 형성되기 위한 고편광 분리능을 성취할 수 있다.

종래의 금속 격자는 기판 표면에 형성되어 있으므로, 금속 격자의 구조가 부서지기 쉽고 내구성에 떨어진다. 또한, 종래의 금속 격자는 일반적으로 회분 방법에 의해 제작되기 때문에, 1OO cm² 이상의 대형화로의 적용이 용이하지 않다.

따라서 본 발명의 목적은 대형화에서 용이하게 제조할 수 있는 안정한 구조와 우수한 내구성을 가진 고성능 편광 분리 소자를 제공하는 것이다.

본 발명은 평면 기판에서 서로 평행하게 매립되고 배열된 복수의 금속 세선을 포함하는 편광 분리 소자를 제공하며, 여기서 세선 피치 (P)가 100 ~ 300 nm이며, 세선의 폭 (D)과 세선 피치 (P)의 비 (D/P)가 0.1 ~ 0.6이고, 세선 길이 방향으로 직교하는 교차 구역의 세선 높이가 50 ~ 500 nm이다. 여기서, 금속 세선은 그 표면이 금속 산화물 필름으로 덮여있을 수 있다. 평면 기판은 고분자 수지 필름이 바람직하다.

본 발명에 의한 편광 분리 소자는 안정한 금속 격자의 구조 및 우수한 내구성을 가지며, 대형화에서도 용이하게 성취된다.

본 발명은 하기에서 첨부된 도를 적절히 참조하여 상세히 기술한다. 도 1은 금속 격자형 편광 분리 소자의 예를 도식적으로 보여주는 원근도이며, 도 2 ~ 도 6은 본 발명에 의한 편광 분리 소자 예를 보여주는 단면 도식도이다. 도 7과 도 8은 광학적 시뮬레이션을 실행하는 경우에 금속 세선이 매립된 편광 분리 소자의 설명도이며; 도 7은 시뮬레이션의 개념을 설명하기 위한 도식적인 원근도이고, 도 8은 시뮬레이션에서 셀의 모형을 나타내는 도이다.

금속 격자형의 편광 분리 소자의 형태는 복수의 금속 세선 (20)이다. 20은 도 1에 도식적인 원근도로 나타낸 바와 같이 상호 평행하게 평면 기판 (1O)에 배열되어 있다. 종래에는, 이러한 금속 세선 (20)이 리소그래피 수법 등으로 평면 기판 (10)의 표면에 볼록하게 형성되어 있었다. 이에 반하여 본 발명의 편광 분리 소자는 금속 세선 (20)이 (10)에 매립되고 배열되도록 구성한다.

또한 본 발명에서, 세선 (20)의 피치 (P)를 100 ~ 300 nm로 하고, 세선의 폭 (D)과 피치 (P)의 비 (D/P)가 0.1 ~ 0.6이 되도록, 즉 0.1 ≤ (D/P) ≤ 0.6을 만족하도록 하고, 더하여 세선 (20)의 길이 방향으로 직교하는 단면에 있어서의 높이 H가 50 ~ 500 nm가 되도록 한다.

유리판 및 고분자 수지 필름을 평면 기판 (10)으로 사용할 수 있으며, 긴 길이를 가진 권취된 상태의 관점 및 대형화 성취에서 고분자 수지 필름이 바람직하다. 고분자 수지 필름의 예로 아크릴계 수지 필름, 폴리에스테르계 수지 필름, 폴리카보네이트계 수지 필름, 노르보넨 또는 이의 유도체의 개환 또는 첨가중합으로부터 유도된 구조 단위를 갖는 고리형 폴리올레핀계 수지 필름, 폴리올레핀계 수지, 폴리에테르설폰계 수지 필름 및 에폭시계 수지 필름을 포함한다. 폴리에스테르계 수지 필름의 예로는 폴리에틸렌 테레프탈레이트 및 폴리에틸렌 부티레이트를 포함한다. 고리형 폴리올레핀계 수지의 예로는 JSR 가부시키가이샤에서 판매되는 "ARTON" 및 OPTES Inc. 또는 Nippon Zeon Co.. Ltd.에서 판매되는 "ZEONOR" 및 "ZEONEX" (모두 상품명)을 포함한다. 고분자 수지 필름을 사용하는 경우, 선팽창 계수가 형태 안정화 관점에서 유리와 같이 낮은 것이 바람직하다.

평면 기판 (10)의 두께는 특별히 한정하는 것은 아니지만, 예를 들면, 1 ㎛ ~ 5 ㎜, 바람직하게는 40 ㎛ ~ 500 ㎛이다. 평면 기판 (10)은 투명성이 높고 가열, 열 및 습기 조건 하에 치수 변화가 작은 것이 바람직하다.

평면 기판 (10)에 형성되는 금속 세선 (20)은 피치 (P), 즉, 금속 세선 (20)의 배열 간격이 100 ~ 300 nm가 되도록 한다. 금속 세선 (20)의 피치 (P)가 l00 nm 미만이면 목적한 편광 분리 소자의 제조가 용이하지 않고 균일한 특성을 얻기 어렵다. 한편, 금속 세선 (20)의 피치 (P)가 300 nm 이상이면 회절이 쉽게 일어나 착색의 원인이 된다.

또한, 세선 (20)의 폭 (D)와 피치 (P)의 비 (D/P)가 O.1 ~ 0.6이 되도록 한다. 세선의 폭과 피치의 비 (D/P)가 O.1 ~ 0.3인 것이 바람직하다. (D/P)가 0.1 미만이면 구조형성이 힘들며 편광 분리능이 감소한다. 한편, (D/P)가 0.6 이상이면 간섭 작용이 현저하여 투과광이 착색되기 때문에, 바람직하지 못하다.

세선의 길이 방향으로 직교하는 단면에 있어서 금속 세선 (20)의 높이 (H)는 50 ~ 500 nm로 한다. 세선 (20)의 높이 (H)는 10O ~ 300 nm가 바람직하다. 높이가 50 nm 미만이면 편광 분리능이 감소한다. 한편, 높이가 500 nm 이상이면 구조 형성이 어렵다.

금속 세선 (20)을 구성하는 금속의 예로 알루미늄, 금, 은 및 구리를 포함한 다. 알루미늄은 반사광의 착색이 작고 금속 산화물층이 화학적 안정화를 위해 표면에 형성되므로 바람직하다.

이와 같이, 금속 세선의 표면은, 금속 산화물 필름, 예컨대 그 세선을 구성하는 금속의 산화물로 이루어지는 막으로 덮여있을 수 있다. 금속으로서 알루미늄을 채택한 경우, 통상, 공기와의 접촉으로 표면에 산화알루미늄층이 형성된다. 금속 산화물 필름의 두께는 통상 2 nm 이상이며, 바람직하게는 10 nm 이상이다. 인접하는 금속 세선의 사이 공간이 금속 산화물층으로 채워질 수 있다. 알루미늄이 금속 산화물층, 예컨대 산화알루미늄으로 덮여있을 때, 투과광의 파장 의존성이 감소하므로 바람직한 결과를 유도한다.

예를 들면, 하기 방법은 평면 기판 (10)에 금속 세선 (20)을 매립하기 위해 채택될 수 있다;

(1) 평면 기판 (10)의 표면에 금속 세선 (20)을 형성시켜, 표면을 지지체 (10)의 동종 또는 이종 물질을 사용하여 덮는 방법,

(2) 평면 기판 (10)의 전 표면에 금속 박막을 형성시켜, 유사벨트 상으로 금속을 산화시킨 후 산화되지 않고 남아 있는 금속의 부분을 금속 세선 (20)으로 하는 방법.

적절한 방법은 평면 기판 (10)의 표면에 금속 세선 (20)을 형성하기 위한, 예컨대 나노 임프린트법에 의해 롤 표면에 목적한 형태로 미리 형성하는 방법, 롤을 기판 (10)의 표면에 밀어 요철 형태를 전사시킨 뒤 오목부에 금속을 매립하는 방법을 채용할 수 있다. 금속 세선 (20)은 기판 표면에 롤 표면을 불규칙 전사하는 방법의 채택에 의해 롤 표면에서 형성될 수 있으며, 대형화가 손쉽게 달성된다.

적절한 방법은 기판 (10)의 표면에 형성된 오목부에 금속을 매립하기 위해서, 예컨대 스퍼터링법 및 진공 증착법에 의해 금속층을 형성하는 방법 및 금속 페이스트를 매립하는 방법을 채택할 수 있다. 금속층이 오목부 뿐 아니라 기판의 표면에 형성된 경우, 기판의 볼록부의 금속을 표면 연마에 의해 제거하거나 또는 금속 표면을 산화시켜 금속 산화물로 전환하여 오목부에 형성된 금속 격자만이 남길 수 있다. 또한, 금속 격자는 증착법 및 스퍼터링법에 의해 평면 기판 (10)에 금속 층을 형성시킨 후 유사 벨트 또는 유사선 상태에서 금속 부분을 제거하여 형성할 수 있다.

금속 세선 (20)이 형성된 기판 (10)의 표면을 기판 (10)과 동종 또는 이종의 물질로 덮는 경우, 물질의 예로는 아크릴계 수지, 폴리에스테르계 수지, 폴리카보네이트계 수지, 노르보넨 또는 이의 유도체의 개환 또는 첨가중합으로부터 유도된 구조 단위를 갖는 고리형 폴리올레핀계 수지, 폴리올레핀계 수지, 폴리에테르설폰계 수지, 에폭시계 수지, 실리콘계 수지, 알키드계 수지 및 저굴절율을 가진 불소계 수지를 포함한다. 특히, 굴절율이 작은 수지는 고편광 분리 특성을 얻기 용이하므로 바람직하다.

한편, 구성은 금속 격자가 매립된 경화 수지층이 고분자 필름 표면에 형성될 수 있다. 경화 수지층으로 굴절율이 약 1.3 ~ 1.6 범위의 것을 들 수 있다. 저굴절율은 고편광 분리능을 가지며, 1.3 ~ 1.5의 굴절률이 바람직하다. 경화 수지층을 형성하는 수지의 예로는 아크릴계 수지, 폴리에스테르계 수지, 폴리카보네이트계 수지, 노르보넨 또는 이의 유도체의 개환 또는 첨가중합으로부터 유도된 구조 단위를 갖는 고리형 폴리올레핀계 수지, 폴리올레핀계 수지, 폴리에테르설폰계 수지, 에폭시계 수지, 실리콘계 수지, 알키드계 수지 및 저굴절율을 가진 불소계 수지를 포함한다. 상기 방법은 경화 수지층 내에 금속 격자를 형성하는 방법에 따라 적절히 선택할 수 있다.

금속 격자를 형성하는 금속 세선의 단면형상은 직사각형, 정방형, 사다리꼴, 삼각형, 원형 및 타원형일 수 있다. 뿔은 라운딩일 수 있다. 고편광 분리능를 얻기 쉬운 형태는 직사각형, 사다리꼴, 삼각형 및 타원형이다. 금속 세선 (20)은 동일 평면에 평행하게 형성되거나 다른 깊이 또는 복수의 평면에 형성될 수 있다.

본 발명에 의한 편광 분리 소자의 여러 가지 예로 도 2 ~ 6에 각각 금속 세선의 길이 방향으로 직교하는 단면의 도식도를 도시하였다. 도 2에 도시하는 예는 단면이 폭 D 및 높이 H의 거의 직사각형인 복수의 금속 세선 (21)이 소정의 피치 P 에서 일렬 평행하게 평면 기판 (10)의 표면의 근방에 매립된 상태를 나타낸다. 이 예로 금속 세선의 단면에서 직사각형의 긴 변 방향이 평면 기판 (10)의 두께 방향이 되도록 금속 세선 (21)이 매립되어 있다.

도 3에 도시하는 예는 단면이 높이 H의 사다리꼴인 복수의 금속 세선 (22)이 소정의 피치 P에서 일렬 평행하게 평면 기판 (10)의 표면 근방에 매립된 상태를 나타낸다. 이 예에서 도시한 바와 같이 금속 세선 (22)의 단면 높이 방향에서 폭이 다른 경우, 그 평균적인 값, 이 예에서 높이 방향의 중앙부의 측면 치수인 평균값이 폭 D인 것이 바람직하다. 또한 이 예에서, 금속 세선 (22)의 단면으로 긴 방향 이 평면 기판 (10)의 두께 방향이 되도록 매립되어 있다.

도 4에 도시하는 예는 단면이 높이 H의 이등변 삼각형인 복수의 금속 세선 (23)이 소정의 피치 P에서 일렬 평행하게 평면 기판 (10)의 표면 근방에 매립되어 있는 상태를 나타낸다. 이 경우도, 도 3과 마찬가지로 금속 세선 (23)의 단면 높이 방향 중앙부의 측면 치수가 폭 D인 것이 바람직하다. 또한 이 예에서, 금속 세선 (23)의 단면으로 긴 방향이 평면 기판 (10)의 두께 방향이 되도록 금속 세선이 매립되어 있다.

도 5에 도시하는 예는 단면이 폭 D 및 높이 H의 거의 직사각형인 복수의 금속 세선 (24)이 소정의 피치 P에서 평면 기판 (10)에 매립되어 있는 것이 도 2에 도시한 예와 동일하지만; 이 금속 세선 (24)이 평면 기판 (10)의 한 표면 근방과 다른 한 표면 근방에 2 열 평행하게 매립되어 있다. 또한 예에서, 금속 세선 (24)의 단면에서 직사각형의 긴변 방향이 평면 기판 (10)의 두께 방향이 되어 있다.

도 2 ~ 5에 도시한 바와 같이, 금속 세선의 단면 형상이 등방성이 아닌 경우, 그것의 긴 방향이 평면 기판 (10)의 두께 방향, 즉 편광 분리 소자의 두께 방향이 되도록 하는 것이 바람직하다.

도 6에 도시하는 예는 단면이 직경 D의 원인 복수의 금속 세선 (25)이 소정의 피치 P에서 2 열 평행하게 평면 기판 (10)에 매립된 상태를 나타낸다. 2 열의 금속 세선 (25)은 평면 기판 (10)의 표면으로부터 교대로 위치해 있다. 이와 같이 2 열 금속 세선 (25)을 번갈아서 배치하는 경우, 피치 P는 각 열에서 금속 세선 (24)의 간격으로 나타내어 본 발명에 의해 제공되는 (D/P) 값을 결정하는 것이 바 람직하다. 이 예로, 금속 세선의 단면이 원이므로 그것의 높이도 원의 직경 D와 동일하다.

금속 세선 (20 ~ 25)이 규칙적인 간격으로 평면 기판 (10)에 배열된 경우, 각 간격을 피치 (P)로 하는 것이 바람직하지만; 간격이 일정하지 않을 경우, 평면 기판 (10)의 표면에 평행한 방향에서 금속 세선의 평균 간격을 피치 (P)로 간주하여, 본 발명에 의해 제공되는 (D/P)의 값을 결정한다. 피치 (P)가 일정하지 않을 경우, 전부 100 ~ 300 nm의 범위에 있도록 하는 것이 좀더 바람직하다. 마찬가지로 금속 세선 (20 ~ 25)의 폭이 일정하지 않은 경우, 이들이 평균값을 폭(D)로 간주하여 (D/P) 값을 결정하는 것이 바람직하다. 각 인접 금속 세선의 (D/P)가 일정하지 않은 경우, 인접하는 금속 세선 전부에서 (D/P) 값이 0.1 ~ 0.6 범위에 있도록 하는 것이 좀더 바람직하다. 추가로, 금속 세선 (20 ~ 25)의 높이(H)가 일정하지 않은 경우, 이들의 평균값이 본 발명에 의해 제공되는 50 ~ 500 nm의 범위에 있는 것이 바람직하다. 높이 (H)가 일정하지 않을 경우, 이들의 전부가 50 ~ 50O nm 범위에 있도록 하는 것이 좀더 바람직하다.

상기처럼 구성된 본 발명의 편광 분리 소자는 편광 분리능이 높다. 여기서 편광 분리능은 하기 수학식 1로 정의된다:

상기 식에서, Tp 및 Tc는 각각 하기 수학식 2 및 수학식 3으로 정의되는 각 파장 λ에서 투과 방향 투과율 Tp(λ) 및 반사 방향 투과율 Tc(λ)의 시감도 보정 값이다.

여기서, kp(λ)는 금속 세선과 직교 (입사광을 주로 투과하는 방향)하는 직선 편광 투과율, kc(λ)는 금속 세선과 평행 (입사광이 주로 반사하는 방향)한 직선 편광 투과율이며, kp(λ) 및 kc(λ)로부터 산출되는 Tp(λ) 및 Tc(λ)를 하기 수학식 4에 의해 시감도 보정하여 Tp 및 Tc를 산출한다.

상기 식에서, S(λ)는 C 광원의 강도 분포 (JIS Z 8701에 의한), y(λ)는 시감도 보정 계수(JIS Z 8701에 의한), T(λ)는 Tp(λ) 또는 Tc(λ)이며, 또한, K는 하기 수학식 5로 산출된 상수이다.

실시예

본 발명에 의한 금속 격자형 편광 분리 소자의 예를 시뮬레이션 결과를 기초로 하여 하기에 설명하였다.

우선, 시뮬레이션의 개요에 관해서 설명하였다. 금속 격자형 편광 분리 소자의 특성은 전자파 분석법인 Finite Difference Time Domain: FDTD 법을 이용하여 계산했다. 이 분석법을 상세히 설명하는 문헌의 예로 하기 문헌 1을 포함한다.

문헌 1: TOHRU UNO 저 "Electromagnetic Field And Antenna Analysis By FDTD Method" CORONA PUBLISHING CO., LTD. (1998)

이 문헌을 참조하여 하기 기술된 시뮬레이션을 실행하기 위한 충분한 정보를 얻었고, 그 외에도 공지된 여러 문헌이 존재한다. 가장 초기의 문헌의 예로는 하기 문헌 2가 있다.

문헌 2: K. S. Yee; IEEE Trans. Antennas Propagat. 14, 302 (1966)

FDTD 법에서는 1/e 반폭 88 nm의 가우스 펄스 평면파를 입사광으로 사용하였다. 이 펄스는 가시광 영역을 초과하는 파장 성분을 갖는다. 이 펄스를 금속 격자형 편광 분리 소자에 수직으로 입사시켜 전자장의 시간 변화를 계산한다. 계산에 사용되는 식 및 계산 방법은 상기 문헌 1에 기술되어 있다. 입사하는 전자 펄스파는 금속 세선에 평행한 편광과 금속 세선에 직교하는 편광을 1:1의 비율로 포함하는 것이다. 계산에 의해 금속 격자를 통과한 후의 위치에서 시간 t에서의 전자장 Ex(t), Ey(t), Ez(t), Hx(t), Hy(t) 및 Hz(t)를 얻을 수 있다. 여기서, Ex(t)는 전장 벡터의 x 축 방향 성분이며, 여기서 시간 t에서의 값을 의미한다. 마찬가지로, Ey(t) 및 Ez(t)는 각각 시간 t에서 전장의 y 축 방향 및 z 축 방향의 성분을 의미 한다. 또한, Hx(t), Hy(t) 및 Hz(t)는 각각 시간 t에서 자장 벡터의 x 축 방향, y 축 방향 및 z 축 방향의 성분이다.

다음에, 투과율의 파장 스펙트럼의 산출을 기술하였다. FDTD 법에 의한 결과는 전자장의 시간 변화로 나타내며, 이대로는 각 파장에서 투과율의 값을 직접 얻을 수 없다. 그래서, 시간 변화 파형을 고속 Fourier 변환 (FFT)으로, 전장 및 자장에 관하여 입사된 펄스의 주파수 성분 및 금속 격자를 투과한 펄스의 주파수 스펙트럼을 얻는다. 입사 전자파 조건이 연속파가 아닌 펄스파이기 때문에 FFT에서 윈도우 함수에 직사각형을 사용하였다. 광주파수 f 및 진공에서의 파장 λ는 광속 c에 의한 λ = c/f의 관계를 충족하며, 파장 스펙트럼을 얻을 수 있다. 각 편광의 에너지투과율을 얻기 위해서, FFT에 의해서 얻어진 각 주파수 진폭 Ex(f), Ey(f), Ez(f), Hx(f), Hy(f) 및 Hz(f)로부터 금속 세선에 평행한 편광 및 금속 세선에 직교하는 편광에 관하여 각각 투과 방향에서 포인팅 벡터 성분을 계산하였다. 즉, 빛의 진행 방향을 x 축, 금속 세선의 폭 방향을 y 축 및, 금속 세선의 길이 방향을 z 축으로 간주하고 금속 세선에 직교하는 편광의 에너지 Sxy(f) 및 금속 세선에 평행한 편광의 에너지 Sxz(f)는 각각 Sxy(f) = Ey(f) × Hz(f) 및 Sxz(f) = Ez(f) × Hy(f)에 의해 산출한다. 시뮬레이션에서 금속 격자가 있는 경우와 금속 격자가 없는 경우에 관해 각각 계산을 했다. 금속 격자가 있는 경우와 금속 격자가 없는 경우 하기에서와 같이 각각 첨자 1 및 첨자 0으로 나타냈다:

계산된 kc(f) 및 kp(f)를 전술한 λ = c/f의 관계를 기초로 kc(λ) 및 kp(λ)로 전환하였다.

'Drude 모델'은 계산이 필요한 금속의 물리적 특성을 위해 이 FDTD 법에서 사용하였다. 이 모델은 금속의 광학 특성을 기술하고 자유 전자의 관성 및 평균 자유 경로 값인 파라메터를 갖는다. 하기에서 알루미늄 파라메터를 사용하였다. 본 발명의 범위 및 시뮬레이션의 적용 범위가 알루미늄에 한정되는 것은 아니다. 시뮬레이션에 사용된 Drude 모델 파라메터는 알루미늄의 복소 유전률에서 하기 문헌 3에 기재된 값을 피팅하여 측정하였다.

문헌 3: Hagemann, H. J., Gudat, W., Kunz, C.; DESYSR -74/7, Hamburg (1974)

다만, 알루미늄은 가시광 영역의 단파장 측에서 밴드간 이동의 영향이 나타난다. 밴드간 이동은 원자 핵에 의해 속박된 전자로부터 유도된 현상이며, 자유 전자의 영향이 지배적인 금속 격자의 편광 분리 기능에서는 전이가 거의 영향을 미치지 않는다고 생각된다. 그래서, 속박 전자의 영향이 적고 알루미늄 자유 전자의 행동이 강하게 반영되는 적외 영역에서 복소 유전률로부터 Drude 모델 파라메터를 결정하여 FDTD 법에 의해 계산하였다. 계산에 사용한 파라메터는 하기에 있다.

(FDTD 계산 파라메터)

경계 조건

완벽 일치층 (PML) 흡수 경계 조건: 8 층 3 차, 반사 계수 1 × 10^-10

주기적 경계 조건: 셀 크기 dx = 5 nm, 시간 간격 dt = 9 × 10^-18 초

(Drude 파라메터)

하기 수학식 6으로 나타내는 Drude 식에서, 플라즈마 각 주파수 ω_p = 1.88 × 10¹⁶ 초^-1, 충돌 주파수 ν_c = 1.13 × 1O¹⁴ 초^-1로 했다.

여기서, e는 복소 유전률이고, 광 각 주파수 ω의 기능으로서 표현했다. 또한, 광 각 주파수 ω는 광 주파수 f와 ω= 2 pf, 허수를 나타내는 i를 나타낸다. Drude 모델은, Piecewise Linear Recursive Convolution 법 (PLRC 법)에 의해 계산하여 취하였다. 본 명세서에서 기술한 FDTD 법의 계산 파라메터의 의미 및 PML 법과 PLRC 법은 상기 문헌 1에 상세히 기술되어 있다.

상기 기술된 바와 같이 실행되는 시뮬레이션의 개념을 도 7의 도식적인 원근도로 나타내었다. 이 예에서, 단면이 직사각형이고 무한대의 길이를 가지는 금속 세선 (20)이 지지체에 매립되어 편광 분리 소자를 구성하고, 편광 분리 소자의 두께 방향 (금속 세선 (20)에서 직사각형 단면의 높이 방향)을 x 축, 금속 세선 (20) 의 주기적 배열 방향(금속 세선 (20)에서 직사각형 단면의 폭 방향)을 y 축, 금속 세선 (20)의 길이 방향을 z 축으로 간주하였다. 또한, 금속 세선 (20)은 y 축 방향에 무한히 주기적 배열하는 것으로 간주한다.

그리고, 금속 세선 (20)의 영역을 포함하고 x 축 방향으로 긴 FDTD 계산 영역 (30) (도 7에서 직방체 영역은 두꺼운 선으로 둘러쌓이고 가로 방향이 길다)을 설정한다. 이 FDTD 계산 영역 (30)에서, x 축 방향으로 수직한 면 (33) (도 7에서의 직방체 중, 우측의 영역에서 우측 하단 사선에 있는 면)은 PML 흡수 경계 조건의 적용 면이 된다. y 축 방향으로 수직한 면 (34) (도 7에 있어서의 직방체 중, 우측의 영역에서 우측 상단 및 우측 하단 사선에 있는 면) 및 z 축 방향으로 수직한 면 (35) (도 7에 있어서의 직방체 중, 우측의 영역에서 우측 상단 사선에 있는 면)은 주기적 경계 조건 적용 면이 된다. 이 FDTD 계산 영역 (30)의 x 축 방향을 빛의 전파 방향 (38)으로 간주하고, 이 FDTD 계산 영역 (30)을 그것의 z 축 방향에서 높이를 1 변으로 가지는 입방체로 구성되는 다수의 셀 (40)로 분할한다.

시뮬레이션에서 셀의 모델을 도 8에 나타내었다. 도 8에서, 1 개 셀은 정방형 (40)에 의해 나타나며, 그것의 무게 중심 좌표는 흑점 (41)에 의해 나타내었다. 금속 세선의 단면은 원 또는 타원이고, 금속 세선과 지지체 사이의 경계면 (42)는 두꺼운 선에서 원호형으로 나타난다. 원호로 나타난 경계면 (42)의 내측은 금속 세선 (20)이며, 외측은 지지체 (10)이다. 셀은 금속 세선 (20)으로 만들어진 매질 또는, 지지체 (10)으로 만들어진 매질로서 간주되고, 그것의 무게 중심 좌표 (41)는 금속 세선 (20)의 면 또는 지지체 (10)의 면에 있다고 믿어진다. 도 8에서, 시뮬레 이션은 사선을 가진 셀이 금속 세선 (20)으로 이루어진 매질로 간주하고, 사선이 없는 백색의 셀은 지지체 (10)로 이루어지는 매질로 간주하는 조건에서 실행된다.

다음은, 계산 모델의 상세에 관하여 기술하였다. FDTD에서, 계산된 구조에 의한 광학 상수는 계산이 실행된 각 셀에서 할당된다. 예를 들면, 반경 r의 원주 금속 세선 배열을 위한 시뮬레이션 실행의 경우, 금속의 광학 상수는 금속 격자 내부의 해당 위치에 있는 입방체 셀로 지정하고, 고분자 수지의 광학 상수 (유전율)는 다른 셀로 지정한다. 따라서, 단면에서 세선의 형태, 예컨대 원주, 사각 기둥, 삼각 기둥 또는 사다리꼴을 시뮬레이션에서 취하였다.

FDTD 법으로 준비된 계산 영역은 빛이 전파된 x 축 방향에서 약 1,600 셀, 세선이 주기적으로 배열된 y 축 방향에서 약 50 셀 (금속 세선의 피치에 의한), 금속 세선이 확장된 z 축 방향에 1 셀을 배열시켰다. 그 후, 계산은 x 축으로 수직한 계산 영역 경계면 (33)에 대해서는 PML 흡수 경계 조건을, y 축에 수직한 경계면 (34) 및 z 축에 수직한 경계면 (35)에 대해서는 주기 경계 조건을 적용하여 실행하였다. 즉, 시뮬레이션은 y 축 방향에서 금속 세선 (20)은 무한이 배열되며, z 축 방향으로는 무한히 배열되는 것으로 실행된다.

실시예 1

금속 세선은 알루미늄으로 이루어져 있고, 그것의 단면 형태는 폭 78 nm 및 높이 150 nm를 가지는 대략적인 직사각형이다. 이 세선은 전체 표면이 두께 20 nm인 산화알루미늄 막으로 덮여져 있다. 이 세선은 세선 단면의 높이 방향이 필름의 두께 방향이고 세선이 상호 평행하도록 배열된 약 1.5의 굴절률을 가지는 고분자 필름의 한면의 표면에 150 nm의 피치에 매립되어 있다. 세선의 폭과 피치의 비 (D/P)는, 78/150 = 0.52이다. 이 편광 분리 소자는 도 2에 나타낸 단면 형태를 가진다. 이 편광 분리 소자의 편광 분리능은 약 89%이다.

실시예 2

금속 세선은 알루미늄으로 이루어져 있고, 그것의 단면 형태는 긴변이 50 nm, 짧은 변이 30 nm, 높이가 150 nm인 사다리꼴이다. 이 세선은 세선 단면의 사다리꼴 높이 방향이 필름의 두께 방향이고, 세선이 상호 평행하도록 배열된 약 1.5의 굴절률을 가지는 고분자 필름의 한면의 표면에 150 nm의 피치에 매립되어 있다. 사다리꼴의 높이 방향에서 중앙부의 세선의 폭과 피치의 비 (D/P)는 40/150 = 0.26이다. 이 편광 분리 소자는 도 3에 나타낸 단면 형상을 가진다. 이 편광 분리 소자의 편광 분리능은 약 89%이다.

실시예 3

금속 세선은 알루미늄으로 이루어져 있고, 그것의 단면 형태는 저변이 80 nm이고 높이가 150 nm인 이등변 삼각형이다. 이 세선은 세선 단면의 이등변 삼각형의 높이 방향이 필름의 두께 방향이고, 세선이 상호 평행하도록 배열된 약 1.5의 굴절률을 가지는 고분자 필름의 한면의 표면에 150 nm의 피치에 매립되어 있다. 삼각형의 높이 방향에서 중앙부의 세선의 폭과 피치의 비 (D/P)는 40/150 = 0.26이다. 이 편광 분리 소자는 도 4에 나타낸 단면 형상을 가진다. 이 편광 분리 소자의 편광 분리능은 약 89%이다.

실시예 4

금속 세선은 알루미늄으로 이루어져 있고, 그것의 단면 형태는 저변이 80 nm에서 높이가 150 nm의 이등변 삼각형으로 한다. 이 세선은 세선 단면의 이등변 삼각형의 높이 방향이 필름의 두께 방향이고, 세선이 상호 평행하도록 배열된 약 1.3의 굴절률을 가지는 고분자 필름의 한면의 표면에 150 nm의 피치에 매립되어 있다. 삼각형의 높이 방향에서 중앙부의 세선의 폭과 피치의 비 (D/P)는 40/150 = 0.26이다. 이 편광 분리 소자는 도 4에 나타낸 단면 형상을 가진다. 이 편광 분리 소자의 편광 분리능은 약 94%이다.

본 발명의 편광 분리 소자는 액정 표시 장치에서 광원으로부터의 자연광 중 소정 방향으로 진동하는 직선 편광을 투과하고, 직교하는 방향으로 진동하는 직선 편광을 반사하여 배면광으로 복귀하는 것에 의해 빛을 효과적으로 이용하기 위한 휘도 향상 필름에 유용하다. 또한, 편광 분리 소자는 투사형의 표시 장치에 사용되는 편광 빔 분할기 (PBS)의 대신이나 자동차의 상향등의 직선 편광을 효율적으로 얻기 위한 소자로서 유용하다. 이들 중 어느 것이나, 편광 분리 소자는 매우 강력한 광원으로부터 방출된 자연광 중 장시간 동안 안정하게 한 방향으로 진동하는 편광만을 효율적으로 얻을 수 있다. 이 편광 분리 소자는 금속 격자의 안정한 구조와 우수한 내구성을 가지며, 대형화의 제품으로도 쉽게 제조할 수 있으며, 소자는 특히 대형 표시 소자로 유용하다.

본 발명의 목적은 대형화에서 용이하게 제조할 수 있는 안정한 구조와 우수한 내구성을 가진 고성능 편광 분리 소자를 제공하는 것이다.

Claims

복수의 금속 세선이 상호 평행하도록 평면 기판에 매립 및 배열되어 있고;

세선의 피치 (P)가 100 ~ 30O nm이며;

세선의 폭 (D)과 세선의 피치 (P)의 비 (D/P)가 0.1 ~ 0.6이며; 그리고

세선의 길이 방향으로 직교하는 단면에서 세선의 높이가 50 ~ 500 nm

를 포함하는 편광 분리 소자.
제1항에 있어서, 금속 세선의 표면이 금속 산화물 막으로 덮여있는 것인 편광 분리 소자.
제1항 또는 제2항에 있어서, 평면 기판은 고분자 수지 필름인 것인 편광 분리 소자.