KR20070016570A - 저굴절률 박막 제조방법 및 이를 이용한 무반사 코팅 방법 - Google Patents
저굴절률 박막 제조방법 및 이를 이용한 무반사 코팅 방법 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 다공성 박막 미세 구조를 이용하여 매우 낮은 굴절률을 가지며 비등방성이 매우 작은 광학 박막을 제조하는 방법과 넓은 파장영역과 큰 입사각에서 투과특성이 우수한 무반사 코팅이 가능한 저굴절률 박막의 제조방법 및 이를 이용한 무반사 코팅 방법을 제공한다.
이러한 본 발명의 무반사 코팅에 사용되어지는 저굴절률의 박막은 경사 입사 증착법을 사용하여 증착한 다공성 유전체 박막을 포함하는 층으로 광학적으로 거의 등방인 특성을 가지며, 경사 입사각의 조절로 박막의 굴절률을 변화시킬 수 있으며, 또한 무반사 코팅에서 기판보다 낮은 굴절률을 갖는 유전체 층을 사용함으로써 작은 층수로 넓은 파장 영역과 큰 입사각도에 대해 반사가 작은 무반사 코팅이 되도록 함을 특징으로 한다. 이는 증착 중 기판의 경사각을 조절함으로써 굴절률의 조절이 가능하므로 기존 챔버 구조를 그대로 이용할 수 있으며, 한 종류의 물질만을 사용하므로 챔버 내의 오염을 방지할 수 있고, 2층 구조만으로도 넓은 파장영역에서 무반사 코팅이 가능 할뿐만 아니라 두께오차와 공정을 단순화하여 생산성을 향상시킬 수 있게 된다.
다공성, 저굴절률 박막, 무반사 코팅, MgF2, SiO2, 경사입사 증착법
Description
도 1은 일반적인 전자빔 증착 방법의 구현을 위한 개략적인 시스템 구성도.
도 2는 일반적인 전자빔 증착법으로 증착(α=0도)한 MgF2 박막의 단면 SEM 이미지.
도 3은 일반적인 전자빔 증착법으로 증착(α=0도)한 MgF2 박막의 표면 SEM 이미지.
도 4는 일반적인 경사 입사 증착법의 구현을 위한 개략적인 시스템 구성도.
도 5는 경사 입사 증착법으로 증착(α=80도)한 MgF2 박막의 단면 SEM 이미지.
도 6은 경사 입사 증착법으로 증착(α=80도)한 MgF2 박막의 표면 SEM 이미지.
도 7은 경사 입사각에 따른 MgF2 박막의 굴절률을 나타낸 그래프.
도 8은 경사 입사 증착법으로 증착(α=0도와 α=80도)한 MgF2 일층 무반사 코팅의 반사율 그래프.
도 9는 경사 입사 증착법으로 증착(α=0도와 α=80도)한 MgF2 박막의 위상차 측정결과를 나타낸 그래프.
도 10은 경사각 α=80도로 3rpm으로 회전하며 증착한 MgF2 박막의 단면 SEM 이미지.
도 11은 경사각 α=80도로 3rpm으로 회전하며 증착한 MgF2 박막의 표면 SEM 이미지.
도 12는 경사 입사 증착법으로 경사각 α=80도로 하여 기판을 고정, 회전하며 증착한 SiO2 박막의 위상차 측정결과를 나타낸 그래프.
도 13은 본 발명에 따른 넓은 대역 무반사 코팅을 하기 위한 박막 구조를 개략적으로 나타낸 도.
도 14는 MgF2를 사용한 2층 구조의 무반사 코팅의 수직입사시의 반사율 그래프.
도 15는 MgF2를 사용한 2층 구조의 무반사 코팅의 수직입사(AOI=0도)와 입사각(AOI=40도)에 따른 반사율 그래프.
도 16은 MgF2를 사용한 2층 구조의 무반사 코팅의 두께(5%)와 굴절률(2%) 오차에 따른 반사율 그래프.
도 17은 MgF2를 사용한 2층 구조의 무반사 코팅의 어드미턴스 그래프.
도 18은 MgF2를 사용한 2층 구조의 무반사 코팅의 반사율 측정 결과 그래프.
도 19는 MgF2를 사용한 3층 구조의 무반사 코팅의 반사율 그래프.
도 20은 SiO2를 사용한 2층 구조의 UV 영역에서의 무반사 코팅의 반사율 그 래프.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
1 : 용기 2,6,8,9,10 : 박막
3-a,3-b,7 : 기판 4 : 셔터
5 : 물리두께 측정 장치
본 발명은 프리즘, 광학 필터 등의 각종 광학소자 및 디스플레이용 광학 시스템, 광통신용 광학박막, UV 노광 장치등에 사용되어지는 무반사 코팅 기술에 관한 것으로, 특히 경사 입사 증착법을 사용하여 다공성 기둥 미세 구조를 갖는 박막으로 매우 낮은 굴절률을 가지며 광학적으로 거의 등방(Isotropic)인 광학 특성을 갖는 저굴절률의 박막을 제조하는 방법 및 층수가 작으면서도 넓은 파장영역과 큰 입사각에 대해 투과 특성이 우수한 무반사 코팅 방법에 관한 것이다.
무반사(Antireflection)코팅은 기판으로부터의 광 투과도를 증가시키기 위한 광학박막 코팅 방법으로 기판의 굴절률과 공기의 굴절률 차이에 의해 발생하는 경계면에서의 반사를 빛의 간섭효과를 이용하여 줄이는 방법으로 일반 광학 소자에 널리 사용되어진다.
광학박막에서 매질에서의 어드미턴스와 박막에서의 최종 어드미턴스가 같으 면 반사율 R이 R=0인 무반사 코팅이 되며 반사되는 빛이 없게 된다. 따라서 일반적으로 기판위에 다층 박막 구조의 박막을 증착하며, 박막의 굴절률과 두께 그리고 층수를 조절하여 공기의 어드미턴스와 박막의 어드미턴스를 거의 같도록 하여 반사율을 낮추게 된다(H.A. Macleod, Thin-Film Optical Filters, 3rd ed. 2001). 이러한 무반사 코팅 방법으로는 다음과 같은 방법들이 사용 되어진다.
1. 일층 무반사 코팅
일반적으로 공기중에서 굴절률이 1.5인 유리의 반사율은 약 4％이며, 유리 기판위에 한 층을 코팅하여 반사율이 0이 되도록 하기 위해서는 박막의 굴절률(n f )은 다음의 식을 만족해야 한다.
n2 f = nsubnair
여기서, n f 는 일층 박막의 굴절률이고, n sub 는 유리의 굴절률(n sub =1.5) 그리고 n air 는 공기의 굴절률(n air =1.0)이다. 이때 박막의 두께는 1/4 파장 광학두께이다.
따라서 일층으로 무반사 코팅을 만족하는 박막의 굴절률 n f 를 구하면 n f =1.22가 된다. 그러나 일반적으로 이렇게 낮은 굴절률을 갖는 박막이 존재하지 않으므로 굴절률이 낮은 물질인 MgF2(n f =1.38) 혹은 SiO2(n f =1.46)를 주로 사용한다. 이 경우 박막의 굴절률이 무반사 코팅을 만족하는 굴절률인 1.22가 아니므로 반사율을 많이 줄이지는 못한다는 단점이 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위해서 대부분의 무반사 코팅에서는 일층이 아닌 2층 이상의 다층 구조가 사용되어진다.
2. 이층 무반사 코팅
2층 구조의 무반사 코팅은 일층의 무반사 코팅의 문제점을 해결하기 위해서 고굴저률 물질과 저굴절률 물질을 사용하여 박막의 어드미턴스를 공기의 어드미턴스인 (1.0)에 가깝게 만드는 방법이다. 그러나 일반적으로 2층의 무반사 코팅은 기준파장에서는 반사율을 거의 R=0으로 만들 수 있지만 다른 파장영역에서는 반사율이 높은 V-형태의 무반사 코팅이 된다. 따라서 1/2 파장 광학두께의 다른 층을 이용하여 무반사 코팅 대역을 넓히는 방법을 사용한다.
이러한 구조에서는 V-형태의 좁은 무반사 영역이 넓어지는 효과가 있으며, W-형태의 무반사 코팅이 된다. 상기의 무반사 코팅 구조는 모두 기준파장에 대해 1/4 파장 광학 두께 혹은 1/2 파장 광학 두께의 박막으로 구성되어 있다.
그러나 이러한 무반사 코팅을 위해서는 물질에 제한이 있으므로 1/4 혹은 1/2 파장광학 두께만으로는 무반사를 얻기가 어렵다. 따라서 박막의 두께를 1/4 혹은 1/2 광학 두께가 아닌 층으로 구성된 다층 구조로 무반사 코팅이 이루어진다.
3. 다층 무반사 코팅
낮은 반사율을 가지며 무반사 파장 영역이 넓은 무반사 코팅을 위해서는 일반적으로 고굴절률 물질과 저굴절률 물질로 2가지 혹은 3가지 이상의 물질을 사용하여 다층 구조의 무반사 코팅이 달성될 수 있다.
US 3,185,020는 기판(1.45-1.75)위에 3종류의 물질을 사용하여 3층 구조의 무반사 코팅을 하였으며, 증착은 먼저 중간 굴절률(1.8-1.85)인 박막을 1/4 파장 광학 두께로 증착하고, 그 위에 고굴절률(1.9-2.3)인 박막을 1/2 파장 광학 두께로 증착 그리고 마지막 층에 저굴절률(1.38)의 박막을 1/4 파장 광학두께로 증착한 구조를 사용하고 있다.
US특허 3,960,441는 굴절률이 균일한 박막들을 사용한 3층 구조의 무반사 코팅에서 중간층을 두께 방향에 따라 굴절률이 연속적으로 변하는 불균일 굴절률(Gradient Refractive Index)을 가지는 박막으로 대체하여 경계면에서의 반사를 최소화하고 무반사 영역을 넓히는 구조를 사용하여 무반사 코팅을 실현하고 있다.
US특허 4,372,987, US특허 3,604,784는 다층 박막으로 이루어진 무반사 코팅에서 중간 굴절률을 갖는 박막으로 두 가지의 금속산화물(Al2O3+TiO2, Al2O3+Ta2O5)을 혼합하여 박막의 굴절률을 조절하는 방법을 사용하여 무반사 코팅을 하는 방법으로 특히 3층 구조의 무반사 코팅의 경우 중간층을 두 가지의 금속산화물(Al2O3+TiO2, Al2O3+Ta2O5)을 혼합함으로써 반사영역에서의 반사율을 일정하게 하고 있다.
US특허 5,170,291는 3가지의 굴절률을 갖는 박막을 사용하여 4층 구조의 무반사 코팅을 통해 넓은 영역에서 무반사 코팅을 실현하고 있다.
그 외에도 US특허 5,450,238(4층 구조), US특허 5,194,990(3층 구조) 등에서의 방법들은 3층 이상의 구조와 2종류 이상의 물질을 사용하여 무반사 코팅을 이룰 수 있다.
상술한 종래의 무반사 코팅 방법들은 최소한 2 종류이상의 다른 물질을 사용하여 증착하여야 하며, 특히 넓은 영역에서의 무반사 코팅을 위해서는 3층 이상의 다층 구조를 해야만 한다.
Scott R. Kennedy and Michael J. Brett "Porous broadband antireflection coating by glancing angle deposition" Applied optics 42, 2003, 4573-4579 에서는 유리기판 위에 연속적으로 굴절률이 변하도록 경사 입사 증착법(Glancing Angle Deposition)을 이용하여 다공성 구조를 갖는 SiO2 박막을 증착하면 400nm~1000nm의 넓은 영역에서 반사율이 낮은 일층의 무반사 코팅이 가능하다. 그러나 이 방법은 증착 중에 입사각을 연속적으로 조절해야 할뿐만 아니라 두께도 각도에 따라 연속적으로 조절해야하는 번거러움이 있다.
한편, Gisia Beydaghyan, Kate Kaminska, Tim Brown, and Kevin Robbie, "Enhanced birefringence in vacuum evaporated silicon thin films" Applied optics 43, 2004, 5343-5349 에서는 유리기판 위에 Si박막을 경사 입사 증착법으로 증착하였을 때 경사입사각이 증가함(20도~85도)에 따라 굴절률이 약 4.3에서 1.3 으로 감소함을 보였다. 또한, 경사 입사각이 약 60도 일 때 비등방성(Anisotropy)이 가장 크다는 것을 보였다.
이러한 경사 입사 증착법을 이용한 증착은 US특허 4,490,015, US특허 6,426,786 B1, US특허 6,867,837 등에서 칼라 디스플레이 액정 판넬의 배향을 위해 경사 입사 증착법(Oblique Deposition)을 이용하였으며, SiO2, SiO, CeO2, Al2O3, MgF2, CaF2, LiF 등의 금속산화물과 금속불화물을 사용하여 표면에 방향성을 가지게 하는데 사용되었으며, 한국 특허공개 1998-084672에서는 특정한 성장방향을 가지도록 경사 입사 증착법을 사용하여 유전체를 증착함으로써 복굴절성을 발생시켜 편광소자를 제작하는 방법이 사용되고 있다.
주로 경사 입사 증착법은 US특허 4,874,664에서와 같이 박막의 비등방성을 이용하여 복굴절판(Birefringent Plate)의 제작을 위해 SiO2, TiO2, Y2O3, Ta2O5, Bi2O3, Nb2O5, SiO, ZnS, CeO2, MoO3, SnO2, WO3 등의 고굴절률 물질을 전자빔을 이용하여 큰 입사각으로 증착하여 복굴절판 등의 제작에 이용한다.
이러한 경사 입사 증착법은 K. Robbi, L.J. Friedrich, and S. K. Dew,"Fabrication of thin films with highly porous microstructures" J. Vac. Sci. Technol. A 13(3) 1995 와 K. Robbie and M. J. Brett, "Sculptured thin films and glancing angle deposition: Growth mechanics and applications" J. Vac. Sci. Technol. A 13(3), 1997 등에 박막 성장의 원리와 기둥 구조에 대해 설명이 되어 있으며, 이러한 박막 기둥구조를 조절하는 방법 등을 기술하고 있다.
경사 입사 증착법으로 증착된 박막은 경사 입사각이 증가함에 따라 박막 미세기둥의 그림자 효과(Shadow Effect)에 의해 다공성 구조를 갖는 박막으로 성장 되어진다(H.A. Macleod, Thin-Film Optical Filters, 3rd ed. 2001).
따라서 경사 입사각을 크게 증착하는 경우, 기둥구조와 그림자 효과에 의해 박막의 다공성이 증가되고 박막의 유효굴절률은 낮아지게 된다. 그러나 박막의 기둥 미세구조에 의해 광학적으로 비등방(Anisotropy) 특성이 나타나는 문제점이 있다. 이는 광학적으로 등방(Isotropic)적인 특성을 가지는 일반 광학코팅 등에는 적용하기 어렵다는 문제점이 있다.
상기와 같은 종래의 무반사 코팅방법의 경우 모두 최소한 일층 이상의 저굴 절률 층이 반드시 필요하며, 이때 굴절률이 낮은 저굴절률 층을 증착하는데 있어 사용하는 물질의 종류에는 한계가 있다.
또한, 기존의 방법으로는 일층만으로 넓은 영역에서 투과 특성이 우수한 무반사 코팅이 어렵기 때문에 다층구조가 필요하며, 2종류 이상의 물질을 사용해야 한다. 또한, 두 물질을 혼합하며 증착하여 굴절률이 연속적으로 변하도록 하는 무반사 코팅의 경우 증착과정에서 물질의 혼합비의 조절이 매우 어렵다는 단점이 있다.
연속적인 굴절률을 갖도록 불균일 박막을 이용한 일층의 무반사 코팅의 경우, 증착하는 동안 입사각을 연속적으로 변화시키며 증착하며, 연속적으로 입사각을 조절해야 하는 번거러움과 정밀한 두께조절이 필요하다는 문제점이 있다.
또한, 경사 입사 증착법의 경우, 유효굴절률은 낮아지지만 경사 입사각이 증가함에 따라 광학적 비등방성이 증가하므로 광학적으로 등방이여야 하는 무반사 코팅 등에는 적용하기 어렵다는 문제점이 있다.
따라서 본 발명은 이와 같은 종래 기술의 문제점을 감안한 것으로, 본 발명의 목적은 다공성 박막 미세 구조를 이용하여 낮은 굴절률을 가지며 광학적으로 비등방성이 매우 작은 광학 박막을 제작하고, 넓은 파장영역과 큰 입사각에서 투과특성이 우수한 무반사 코팅이 가능한 저굴절률 박막 제조방법 및 이를 이용한 무반사 코팅 방법을 제공함에 있다.
상기 본 발명의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 저굴절률 박막 제조방법은, 기판 상에, 금속산화물 혹은 금속불화물과 같은 유전체 물질을 경사 입사 증착법으로 증착하여 다공성 구조를 갖는 저굴절률 박막을 얻는 것을 특징으로 한다.
상기 저굴절률 박막은 사용하고자 하는 파장 영역에서 흡수가 0.01 이하의 물질로, SiO2, Al2O3, HfO2, Y2O3와 같은 금속 산화물 또는 MgF2, CaF2, LaF3, Na3AlF6와 같은 금속불화물을 사용하며, 상기 저굴절률 박막은 경사 입사각을 40도 이상으로 증착하며, 상기 저굴절률 박막은 기둥 미세구조를 갖는 다공성 박막으로, 낮은 굴절률과 균일한 두께 및 비등방성이 매우 작은 층을 증착하기 위해 소정 경사 입사각(α)으로 상기 기판을 고정하고 기판을 360도 회전시키면서 증착하거나 또는 +α와 -α의 지그재그 구조로 증착하는 것을 특징으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 무반사 코팅방법은, 기판 상에, 금속산화물 혹은 금속불화물과 같은 유전체 물질을 경사 입사각을 40도 이상으로 증착하여 기판보다 굴절률이 낮은 다공성 구조를 갖는 저굴절률 박막 층을 얻고, 이 박막 층을 최소 일층이상 사용하여 무반사 특성을 얻는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 무반사 코팅방법은, 기판 상에, 금속산화물 혹은 금속불화물과 같은 유전체 물질을 경사 입사증착법으로 증착하여 기판보다 굴절률이 낮은 다공성 구조를 갖는 저굴절률 박막 층을 얻어, 이 박막 층과 함께 일반적인 방법으로 증착된 고굴절률을 갖는 박막 등을 교대로 적층하여 광 학적 특성을 얻는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 무반사 코팅방법은, 기판 상에, 금속산화물 혹은 금속불화물과 같은 유전체 물질을 한 종류만을 사용하여 경사입사 증착법으로 증착하고, 이들 박막 층들을 적어도 2층 이상의 다층 구조로 증착하되, 경사 입사각을 상기 각각의 층마다 다르게 단계적으로 변화시키면서 증착하는 것을 특징으로 한다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다. 단, 하기 실시 예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐 본 발명의 내용이 하기 실시 예에 한정되는 것은 아니다.
도 1은 일반적인 전자빔 증착방법을 구현하기 위한 개략적인 시스템 구성도를 나타낸 것으로, 고진공 상태에서 기판(3-a)을 장착하고 전자빔(미도시)을 사용하여 물질이 담긴 용기(1) 내에 수용된 물질을 가열하여 증발시켜 박막(2)을 증착하는 구조를 하고 있으며, 상기 기판(3-a)은 유기 기판과 같은 투명 기판이다.
챔버에는 고진공 상태를 유지하기 위한 진공펌프(미도시)와 외부에서 챔버 안으로 기체(Ar, O2 등)를 공급하기 위한 MFC(미도시)가 설치된다. 두께의 측정을 위해 물리두께 측정장치(5)가 기판(3-a) 근처에 위치하고 물질이 담긴 용기(1) 위에 셔터(4)가 위치하여 박막(2)의 두께를 조절하게 된다.
도 1과 같은 진공 장비를 사용하여 박막을 제작하는 방법을 설명하면 다음과 같다.
먼저, 기판(3-a)을 도시하지 않은 홀더에 장착함과 동시에 물질을 담는 용기 (1)에 증착하고자 하는 물질을 채운 후, 진공펌프를 이용하여 챔버 내를 약 10-6 torr의 고진공 상태가 되도록 한다. 이때, 기판(3-a)의 온도를 200도~300도 정도로 가열하기도 한다.
박막의 증착 방법을 보면, 전자빔을 사용하여 먼저 용기(1)에 담겨진 물질을 녹이기 시작하고 셔터(4)를 열어 증발된 물질이 기판(3-a)에 증착되도록 한다. 이때 도 1과 같이 증발되는 입자가 기판(3-a)의 증착면에 대해 거의 수직 방향으로 증착되도록 한다. 또한, 이때 기판(3-a)에서의 박막(2)의 두께를 균일하게 하기 위해 기판(3-a)을 회전하기도 한다.
일반적으로 전자빔을 이용한 열증착법은 증착되는 입자는 약 0.1 eV 정도의 낮은 에너지를 가지며, 이동도가 작아 기판위에 박막이 성장하면서 기둥(Column)의 모양으로 성장하게 된다. 기둥이 자라게 되면 기둥에 의해 빈공간이 가려지는 그림자 효과에 의해 뒤에 도착하는 입자가 빈공간을 채울 수 있는 확률이 작아지게 된다. 따라서 박막이 성장하는 동안 박막 기둥과 빈공간을 포함하는 기둥 미세구조(Columnar Microstructure)를 가지게 된다.
도 2와 도 3에는 상기의 방법으로 증착된 MgF2 박막의 단면과 표면의 실제 예를 나타내었다. 도 2는 박막이 증착면에 대해 수직으로 균일한 기둥 구조를 가지며, 도 3은 단면과 표면이 조밀한 구조를 가지고 있음을 보여준다.
도 4는 일반적인 경사 입사 증착방법을 구현하기 위한 개략적인 시스템 구성도를 나타낸 것으로, 이는 본 발명을 구현하기 위한 기본 시스템이기도 하다.
이는 도 1과 동일한 진공증착 챔버 구조에서 홀더를 α의 각도로 기울일 수 있도록 되어 있다. 경사 입사 증착법으로 박막을 증착하는 방법은 상기의 일반적인 증착방법과 같은 방법으로 이루어지며, 도 4에 나타낸 바와 같이 증발되는 입자의 증발 방향이 기판(3-b)의 증착면에 대해 α의 각도로 유지된 상태에서 증착되도록 하는 방법이다. 이때, 박막(6)의 두께를 균일하게 하기 위해 기판(3-b)의 홀더를 회전하거나, +α와 -α의 지그재그로 움직일 수 있다.
상기의 방법으로 증착된 MgF2 박막의 실제 단면과 표면 이미지를 도 5와 도 6에 나타내었다. 증발되는 입자의 증착방향을 α=80도의 각도로 기울여 증착한 경우, 도 5와 같이 기둥 미세구조를 가지며 기판(3-b)의 증착면에 대해 기울어져 박막(6)이 성장된다.
또한, 박막 기둥 미세구조에 의해 빈공간이 생겨 다공성 구조가 됨을 보여준다. 박막(6)의 표면에는 도 6과 같이 많은 빈 공간들이 관측되며, 기둥을 따라 빈공간이 형성된 다공성 구조를 가지게 된다.
도 7에는 경사 입사 증착법으로 증착된 MgF2 박막의 경사 입사각에 따른 550nm에서의 굴절률을 나타내었다.
경사 입사각이 α=0도인 경우 MgF2 박막의 굴절률은 약 1.38의 값을 가지며, 경사 입사각이 증가할수록 다공성 구조를 가지게 되며 박막의 굴절률이 감소하여 경사 입사각이 약 α=80도의 경우 유리 위에 일층 박막으로 무반사 코팅이 가능한 약 1.20의 굴절률을 가진다.
도 8에 굴절률이 1.52인 유리기판 위에 경사 입사각을 α=0도와 α=80도로 증착한 일층 무반사 코팅의 반사율을 비교하였다. 이때 박막의 두께는 550nm에서 1/4 파장 광학두께로 증착 하였다.
기존의 방법(??=0도)으로 증착한 일층 무반사 코팅(n=1.38)에 비해 경사 입사각을 α=80도로 증착한 일층 무반사 코팅(n=1.20)의 경우 반사율이 거의 R=0에 가깝게 낮아지며 무반사 영역이 넓어짐을 보여 준다.
이러한 결과들은 전자빔을 이용하여 유전체 박막을 증착할 때 경사 입사각을 조절함으로써 다공성 구조를 갖는 저굴절률 유전체 박막을 증착할 수 있음을 보여준다.
일반적으로 경사 입사 증착법을 사용하여 증착한 박막은 입사각이 증가할수록 박막의 다공성 기둥미세 구조에 의해 박막의 유효 굴절률은 낮아지지만 비등방 특성이 증가하게 된다 (Gisia Beydaghyan, Kate Kaminska, Tim Brown, and Kevin Robbie, "Enhanced birefringence in vacuum evaporated silicon thin films" Applied optics 43, 2004, 5343-5349).
이러한 비등방 특성은 광학적으로 등방적인 특성을 나타내야 하는 광학 필터나 무반사 코팅에 이용하기가 어렵다. 이러한 비등방성은 기둥 미세구조에 의해 발생하며, 기둥과 빈 공간으로 이루어진 기둥 미세구조가 등방적인 구조를 하고 있지 않기 때문에 기둥과 빈공간의 굴절률 차에 의해 발생한다.
따라서 비등방 특성이 작은 박막을 증착하는 방법으로는 MgF2(n=1.38)와 같이 굴절률이 낮은 물질을 증착하는 것으로 이 경우, 물질의 굴절률(1.38)이 공기의 굴절률(1.0)과의 차이가 작기 때문에 기둥 미세구조에 의한 굴절률차를 작게 할 수 있다. 또 다른 방법으로는 기둥 미세구조가 등방적이 되도록 경사각(α)을 유지한 상태에서 기판을 회전시키는 방법 등이 있다.
도 9에는 경사 입사각을 α=0도와 α=80도로 증착(도 2와 도 5)한 MgF2 단층 박막의 복굴절 측정 결과를 나타내었다. 경사 입사각을 각각 α=0도와 α=80도로 증착한 MgF2 박막들의 위상차(Retardation)가 매우 작아 거의 등방적인 광학 특성을 가짐을 보여준다.
도 10은 MgF2 박막을 경사 입사각 α=80도로 증착하면서 3rpm으로 회전시키며 증착한 박막의 단면을 나타낸 것으로, 박막의 기둥구조가 회전하는 형태를 가지고 있고, 박막 내부에 빈공간이 많은 다공성 구조를 가짐을 보여주고 있다.
또한, 도 11은 상기의 방법으로 증착된 박막의 표면 이미지로 박막이 표면에서도 다공성구조를 가짐을 보여준다. 이와 같은 방법으로 증착된 박막은 거의 등방적인 광학적 특성을 나타내며, 도 12에 MgF2(n=1.38)보다 굴절률이 큰 SiO2(1.46)박막을 입사각 80도로 고정하고 증착한 박막과 회전하면서 증착한 박막의 위상차 측정값을 나타내었다. 박막을 회전하지 않고 증착한 경우 비등방 특성이 증가하여 △n이 0.022의 값을 가졌으나, 기판을 회전한 경우는 0.005로 비등방 특성이 크게 감소하는 것을 보여준다. 이는 경사 입사 증착법으로 증착한 박막의 비등방 특성을 작게 하기 위해서는 기판을 회전하는 것이 효과적이라는 것을 보여준다.
따라서 기판의 경사각을 증가시켜 박막의 다공성을 증가시킴으로써 낮은 굴절률을 가지는 박막을 증착할 수 있으며, 기판을 회전하며 증착하는 방법은 굴절률이 큰 물질의 비등방성을 줄일 수 있음과 동시에 두께를 균일하게 증착할 수 있는 방법임을 보여준다.
도 13는 상기의 방법을 이용하여 증착한 저굴절률 박막을 이용하여 넓은 파장 영역에서의 무반사를 얻을 수 있는 코팅 구조의 개략도를 나타내었다.
무반사 코팅을 위해서 금속산화물 혹은 금속불화물과 같은 유전체 물질을 사용하여 경사 입사각을 α를 40도 이상으로 하여 증착한 저굴절율 층을 사용하면 최소 일층만으로도 무반사 특성을 얻을 수 있으며, 무반사 파장영역이 좁을 경우, 도 13과 같이 2-3층의 구조로 층수를 증가시키면 무반사가 되는 파장 영역을 넓힐 수 있다.
유리 기판(7) 위에 굴절률이 낮은 물질을 사용하여 경사 입사각을 αA, αB, αC로 하여 증착한 박막을 이용한 구조를 하고 있다. 무반사 코팅의 구조는 기판(7) 쪽으로부터 각층의 경사 입사 각도를 αA, αB, αC 순서로 증착을 하며, 입사 경사각은 αA < αB < αC가 되도록 한다. 이때의 각 박막의 굴절률은 nA > nB > nC가 되며 기판(7)쪽의 층(8)이 가장 큰 굴절률(nA)을 가지며, 공기쪽의 층(10)이 가장 작은 굴절률(nC)을 가지는 구조를 한다. 각 광학 박막은 1/4파장 광학두께로 하며, 마지막층(10)을 제외한 나머지 층들은 반사율과 파장 영역 등을 고려하여 중간의 층들을 제거하여 일층으로 증착하거나 새로운 층들을 중간에 삽입할 수 있다. 이때 증착하는 물질은 금속산화물 혹은 금속불화물과 같은 유전체 물질을 경사입사 증착법으로 증착하여 기판(7)보다 굴절률이 낮은 박막을 증착하도록 하고, 1종류의 물질 만을 사용하여 증착한다.
상기한 바와 같은 방법과 구조로 증착을 하게 되면, 한 가지 물질을 사용하여 증착하므로 챔버내의 오염을 막을 수 있다는 장점이 있으며, 증착 중 기판홀더를 기울여 경사 입사각 α를 0~85도 범위에서 층 수 만큼 1~3개의 스텝(Step)을 주며 증착하므로 기존의 증착에 방법에 비해 제작과정이 비교적 간단하다.
또한, 이러한 구조를 갖는 무반사 코팅은 한 가지 물질(MgF2)만을 사용하고, 기판에 비해 굴절률이 낮은 층들만을 사용하게 되므로 작은 층수로도 넓은 영역에서의 무반사 코팅이 가능할 뿐만 아니라, 입사각의 변화에 의해서도 반사율의 변화가 작고, 큰 입사각에서도 무반사 특성을 나타낼 수 있다. 또한 이러한 방법으로 증착된 구조의 무반사 코팅은 기존의 코팅에 비해 박막의 총 두께와 층수를 줄일 수 있다.
유리 기판의 굴절률이 550nm에서 1.52이고, 경사 입사각을 α=0도와 α=80도의 각도로 증착한 MgF2 박막의 굴절률은 각각 1.38과 1.20이므로 한 가지 물질(MgF2)만을 사용하여 상기의 구조(도 13)를 이용한 2층 구조 일때의 반사율은 도 14와 같다. 400nm ~ 1200nm의 넓은 파장영역에서 반사율이 1% 이하의 무반사 코팅이 됨을 보여준다.
도 15는 입사빔의 입사각이 수직입사인 경우와 40도의 경사각을 가지고 입사하는 빛에 대해 반사율을 계산한 결과로 공기 중에서의 빛의 입사각이 40도의 큰 각을 가지고 입사하여도 400nm ~ 1000nm의 넓은 파장 영역에서 반사율이 1％ 이하인 무반사 코팅이 됨을 보여준다.
도 16은 무반사 코팅의 두께와 굴절률에 대한 민감도를 나타낸 것이다. 이는 두께의 오차가 5％이고 굴절률의 오차가 2％일 경우의 반사율의 변화를 나타낸 것으로, 상기한 오차를 가지고 박막을 증착하는 경우에 대해서도 무반사 특성이 유지됨을 보여준다. 이는 무반사 코팅에서의 공정오차를 크게 허용할 수 있는 장점이 있다.
이렇게 2층으로 넓은 파장 대역의 무반사 코팅이 가능한 이유는 무반사 코팅에서 기판보다 낮은 굴절률의 물질 만을 사용하기 때문이며, 도 17에서 상기 구조를 어드미턴스로 설명할 수 있다. 박막의 반사율이 0이 되기 위해서는 박막의 어드미턴스가 공기의 어드미턴스인 (1,0)이면 된다. 기판의 어드미턴스인 (1.52,0)을 출발하여 첫 번째 박막이 증착되는 동안 어드미턴스는 원을 그리면서 (1.26,0)이 된다. 이때, 박막의 두께가 1/4 파장 두께일 경우 실수축과 만나는 반원을 그리게 된다.
그러나 굴절률의 한계에 의해 어드미턴스의 궤적의 크기가 제한된다. 따라서 두 번째 층에서는 첫 층보다 보다 굴절률이 낮은 물질을 증착하게 되면 반사율 차이만큼 왼쪽으로 원을 그리며 어드미턴스 궤적을 그린다.
따라서 더욱 공기의 굴절률 (1,0)에 가까워지게 되기 때문에 반사율은 낮아지게 된다. 이때 어드미턴스의 궤적이 원이기 때문에 기판의 반사율보다 낮은 굴절률을 가진 층만을 사용한 무반사 코팅의 어드미턴스는 항상 기판보다 작거나 같게 된다.
따라서 기판보다 굴절률이 작은 저굴절률 박막만을 이용한 무반사 코팅은 기 판보다 굴절률이 큰 물질을 사용하는 경우에 비해 두께의 변화나 굴절률 그리고 입사각의 변화에 대해 반사율에 영향이 작은 코팅을 얻을 수 있을 뿐만 아니라, 층수가 작으면서도 무반사 영역을 매우 넓게 가지는 무반사 코팅을 할 수 있다는 장점이 있다.
도 18에는 한 가지 물질(MgF2)만을 사용하여 2층 구조의 무반사 코팅의 측정결과를 보여준다. 400nm~1300nm의 넓은 파장 영역에서 평균 반사율이 0.4％를 갖는 무반사 코팅이 되었음을 보여 준다. 반사율을 더 낮추기 위해서는 한 가지 물질(MgF2)만을 사용하여 3층 구조로 무반사 코팅을 할 수 있으며, 도 19에 3층 구조에서의 반사율을 보여준다. 3층 구조의 경우, 2층 구조의 무반사 코팅에 비해 반사율이 낮으며 무반사 영역도 넓은 광학적 특성을 얻을 수 있다.
상기의 방법을 사용한 무반사 코팅의 경우, SiO2, Al2O3, HfO2, Y2O3 등의 금속 산화물과 MgF2, CaF2, LaF3, Na3AlF6와 같은 금속불화물을 사용하여 기판의 굴절률보다 작은 박막을 증착할 수 있다.
이때, SiO2와 대부분의 금속불화물은 UV(자외선)영역에서 투명하기 때문에 UV용 무반사 코팅이 가능하다는 장점이 있다. UV영역에서 투명한 기판인 석영(Quartz)는 245nm에서 약 1.51의 굴절률을 가지므로, 상기의 방법을 사용하여 SiO2 박막으로 증착하는 경우, 입사각을 조절하여 굴절률이 1.20인 박막을 증착할 수 있으며, 도 13의 구조를 갖는 일층의 무반사 코팅(굴절률 1.2인 층을 일층 사용한 경우)의 경우 기존의 MgF2(굴절률 1.38)를 사용한 일층 무반사 코팅 보다 반사율을 낮게 할 수 있다.
도 20에 나타낸 바와 같이, SiO2를 사용하여 굴절률이 1.48인 층과 1.20인 층을 사용한 2층 무반사 코팅의 경우 한 가지 물질(SiO2)만을 사용하여 넓은 파장 영역(200nm ~ 300nm)에서 반사율이 0.3% 이하인 무반사 코팅을 할 수 있다.
이러한 본 발명은 VIS(가시광선) 영역과 IR(적외선) 영역에서 1.0% 이하의 반사율을 가지며, 무반사 파장 영역이 300nm 이상이다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시 예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 또는 변형하여 실시할 수 있다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명은 다음과 같은 효과를 갖는다.
첫째, 증착 중 기판의 경사각을 조절함으로써 굴절률의 조절이 가능하므로 기존 챔버 구조를 그대로 이용할 수 있다는 장점이 있다.
둘째, 한 종류의 물질만을 사용하므로 챔버 내의 오염을 방지할 수 있다.
셋째, 2층만으로도 넓은 대역의 무반사 코팅이 가능하므로 두께오차와 공정을 단순화하여 생산성을 향상시킬 수 있다.
넷째, 기존의 방법으로 얻은 굴절률에 비해 매우 낮은 굴절률(1.0 < n < 1.38)과 거의 등방적인 광학 박막을 얻을 수 있으므로 광학 다층 박막에서의 광학적 특성을 향상시키고 박막의 층수를 줄일 수 있다.
다섯째, MgF2, CaF2, LaF3 등의 금속불화물 계열의 물질을 사용하는 경우, 특히 UV 영역에서 흡수가 거의 없으므로 이 영역에서의 무반사 코팅에 사용될 수 있다는 장점이 있다.
여섯째, 자외선 영역, 가시광선 영역 및 근적외선 영역에 대해 응용이 가능하고 넓은 무반사 영역을 가지므로 각종 광학소자에 적용이 가능하므로 기존의 무반사 코팅을 대체할 수 있게 된다.
Claims (24)
- 기판 상에, 증착물질을 경사 입사 증착법으로 증착하여 다공성 구조를 갖는 저굴절률 박막을 얻되, 상기 저굴절률 박막은 기둥 미세구조를 갖는 다공성 박막으로, 낮은 굴절률과 균일한 두께 및 작은 등방성을 갖도록 증착하기 위해 소정 경사 입사각(α)으로 상기 기판을 고정하고 기판을 360도 회전시키면서 증착하거나 또는 +α와 -α의 지그재그 구조로 증착하는 것을 특징으로 하는 저굴절률 박막 제조방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 저굴절률 박막 증착 물질로는 사용하고자 하는 파장 영역에서 흡수가 0.01 이하의 물질로 SiO2, Al2O3, HfO2, Y2O3와 같은 금속 산화물 또는 MgF2, CaF2, LaF3, Na3AlF6와 같은 금속불화물을 사용하는 것을 특징으로 하는 저굴절률 박막 제조방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 저굴절률 박막은 경사 입사각(α)을 40도 이상으로 증착하는 것을 특징으로 하는 저굴절률 박막 제조방법.
- 기판 상에, 금속산화물 또는 금속불화물 물질을 경사 입사 증착법으로 증착하여 다공성 구조를 갖는 저굴절률 박막 층을 얻어 이 박막 층을 적어도 일층 이상 사용하여 무반사 특성을 얻는 것을 특징으로 하는 무반사 코팅방법.
- 제 4 항에 있어서, 상기 저굴절률 박막 증착 물질로는 사용하고자 하는 파장 영역에서 흡수가 0.01 이하의 물질로 SiO2, Al2O3, HfO2, Y2O3와 같은 금속 산화물 또는 MgF2, CaF2, LaF3, Na3AlF6와 같은 금속불화물을 사용하는 것을 특징으로 하는 무반사 코팅방법.
- 제 4 항에 있어서, 상기 저굴절률 박막은 경사 입사각을 40도 이상으로 증착하는 것을 특징으로 하는 무반사 코팅방법.
- 제 6 항에 있어서, 경사 입사각을 40도 이상으로 증착한 상기 저굴절률 박막을 마지막 층(공기쪽)에 사용한 것을 특징으로 하는 무반사 코팅방법.
- 제 4 항에 있어서, 상기 저굴절률 박막은 기둥 미세구조를 갖는 다공성 박막 으로, 낮은 굴절률과 균일한 두께 및 작은 비등방성을 갖는 층을 증착하기 위해 소정 경사 입사각(α)으로 상기 기판을 고정하고 기판을 360도 회전시키면서 증착하거나 또는 +α와 -α의 지그재그 구조로 증착하는 것을 특징으로 하는 무반사 코팅방법.
- 제 4 항에 있어서, UV(자외선) 영역에서 0.5% 이하의 반사율을 갖도록 함을 특징으로 하는 무반사 코팅방법.
- 제 4 항에 있어서, VIS(가시광선) 영역과 IR(적외선) 영역에서 1.0% 이하의 반사율을 갖으며, 무반사 파장 영역이 300nm 이상인 것을 특징으로 하는 무반사 코팅방법.
- 기판 상에, 금속산화물 또는 금속불화물 물질을 경사 입사 증착법으로 증착하여 다공성 구조를 갖는 저굴절률 박막 층을 얻어 이 박막 층과 함께 일반적인 방법으로 증착된 고굴절률 물질을 교대로 적층하여 광학적 특성을 얻는 것을 특징으로 하는 코팅방법.
- 제 11 항에 있어서, 상기 저굴절률 박막 증착 물질로는 SiO2, Al2O3, HfO2, Y2O3와 같은 금속 산화물 또는 MgF2, CaF2, LaF3, Na3AlF6와 같은 금속불화물을 사용하는 것을 특징으로 하는 코팅방법.
- 제 11 항에 있어서, 상기 저굴절률 박막의 증착시 경사 입사각을 40도 이상으로 증착하는 것을 특징으로 하는 코팅방법.
- 제 11 항에 있어서, 상기 저굴절률 박막은 기둥 미세구조를 갖는 다공성 박막으로, 낮은 굴절률과 균일한 두께 및 작은 비등방성을 갖는 층을 증착하기 위해 소정 경사 입사각(α)으로 상기 기판을 고정하고 기판을 360도 회전시키면서 증착하거나 또는 +α와 -α의 지그재그 구조로 증착하는 것을 특징으로 하는 코팅방법.
- 기판 상에, 상기 기판보다 굴절률이 낮은 저굴절률 박막 층들을 적어도 2층 이상의 다층 구조로 증착하되, 경사 입사각을 상기 각각의 층마다 다르게 단계적으로 변화시키면서 증착하는 것을 특징으로 하는 무반사 코팅방법.
- 제 15 항에 있어서, 상기 저굴절률 박막 증착 물질로는 SiO2, Al2O3, HfO2, Y2O3와 같은 금속 산화물 또는 MgF2, CaF2, LaF3, Na3AlF6와 같은 금속불화물을 사용하는 것을 특징으로 하는 무반사 코팅방법.
- 제 15 항에 있어서, 상기 저굴절률 박막의 증착시 경사 입사각을 40도 이상으로 증착하는 것을 특징으로 하는 무반사 코팅방법.
- 제 15 항에 있어서, 상기 저굴절률 박막은 기둥 미세구조를 갖는 다공성 박막으로, 낮은 굴절률과 균일한 두께 및 작은 비등방성을 갖는 층을 증착하기 위해 소정 경사 입사각(α)으로 상기 기판을 고정하고 기판을 360도 회전시키면서 증착하거나 또는 +α와 -α의 지그재그 구조로 증착하는 것을 특징으로 하는 무반사 코팅방법.
- 제 15 항에 있어서, 상기 경사 입사각은 기판 측의 층으로부터 공기(Air) 측의 층으로 순차적으로 증가하는 것을 특징으로 하는 무반사 코팅방법.
- 제 15 항에 있어서, 상기 경사 입사각은 0 내지 85도 범위에서 상기 층 수 만큼의 단계로 변화되는 것을 특징으로 무반사 코팅방법.
- 제 15 항에 있어서, 상기 증착 물질은 한 종류 물질만을 사용하는 것을 특징으로 하는 무반사 코팅방법.
- 제 15 항에 있어서, UV(자외선) 영역에서 0.5% 이하의 반사율을 갖도록 함을 특징으로 하는 무반사 코팅방법.
- 제 15 항에 있어서, VIS(가시광선) 영역과 IR(적외선) 영역에서 1.0% 이하의 반사율을 갖으며, 무반사 파장 영역이 300nm 이상인 것을 특징으로 하는 무반사 코팅방법.
- 제 18 항에 있어서, 마지막(공기쪽) 층에 상기 다공성 박막구조를 가지는 저굴절률 층을 사용한 것을 특징으로 하는 무반사 코팅방법.
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