KR20080075753A - 와이어 그리드 편광자 및 그 제조 방법 - Google Patents

Abstract

와이어 그리드 편광자 및 그 제조 방법이 개시된다.

개시된 와이어 그리드 편광자는, 입사광 중 제1 편광을 투과하고, 제2 편광을 반사시키는 와이어 그리드 편광자로서, 하나 이상의 투명한 유전체층; 상부에서 하부로 점차로 그 폭이 증가하는 제1 영역과, 상부에서 하부로 점차로 그 폭이 감소하는 제2 영역을 가지는 단면을 포함하는 와이어들이 상기 유전체층에 주기적으로 배열된 와이어 그리드;를 포함한다.

Description

와이어 그리드 편광자 및 그 제조 방법{Wire grid polarizer and method of manufacturing the same}

도 1a는 종래 사각 단면의 와이어 그리드 편광자의 사시도이다.

도 1b는 도 1a에 도시된 와이어 그리드 편광자의 단면도이다.

도 2는 종래 사각 단면의 와이어가 유전체 물질에 둘러싸인 형태의 와이어 그리드 편광자의 단면도이다.

도 3은 도 2에 도시된 와이어 그리드 편광자에 유효 물질 이론을 적용하여 변환한 구조를 도시한 것이다.

도 4는 도 2에 도시된 와이어 그리드 편광자에서 와이어의 두께에 따른 제1편광의 투과율을 입사광의 파장별로 나타낸 것이다.

도 5는 도 2에 도시된 와이어 그리드 편광자에서 와이어의 두께에 따른 제2 편광의 반사율을 입사광의 파장별로 나타낸 것이다.

도 6은 도 2에 도시된 와이어 그리드 편광자에서 와이어의 두께에 따른 제1 편광의 투과율을 제2 편광의 투과율로 나눈 값을 입사광의 파장별로 나타낸 것이다.

도 7은 종래의 삼각 단면의 와이어 그리드 편광자의 사시도를 도시한 것이다.

도 8은 도 7에 도시된 와이어 그리드 편광자의 와이어가 유전체 물질로 둘러싸인 형태의 와이어 그리드 편광자를 도시한 것이다.

도 9는 도 8에 도시된 와이어 그리드 편광자에 유효 물질 이론을 적용하여 변환한 구조를 도시한 것이다.

도 10은 도 8에 도시된 와이어 그리드 편광자에서 와이어의 두께에 따른 제1편광의 투과율을 입사광의 파장별로 나타낸 것이다.

도 11은 도 8에 도시된 와이어 그리드 편광자에서 와이어의 두께에 따른 제2 편광의 반사율을 입사광의 파장별로 나타낸 것이다.

도 12는 도 8에 도시된 와이어 그리드 편광자에서 와이어의 두께에 따른 제1 편광의 투과율을 제2 편광의 투과율로 나눈 값을 입사광의 파장별로 나타낸 것이다.

도 13은 도 8에 도시된 와이어 그리드 편광자에서 와이어의 두께에 따른 제1 편광의 반사율을 입사광의 파장별로 나타낸 것이다.

도 14는 제1 실시예에 따른 와이어 그리드 편광자의 단면도를 도시한 것이다.

도 15는 도 14에 도시된 와이어 그리드 편광자에 유효 물질 이론을 적용하여 변환한 구조를 도시한 것이다.

도 16은 도 14에 도시된 와이어 그리드 편광자에서 와이어의 두께에 따른 제1편광의 투과율을 입사광의 파장별로 나타낸 것이다.

도 17은 도 14에 도시된 와이어 그리드 편광자에서 와이어의 두께에 따른 제 2 편광의 반사율을 입사광의 파장별로 나타낸 것이다.

도 18은 도 14에 도시된 와이어 그리드 편광자에서 와이어의 두께에 따른 제1 편광의 투과율을 제2 편광의 투과율로 나눈 값을 입사광의 파장별로 나타낸 것이다.

도 19는 도 14에 도시된 와이어 그리드 편광자에서 와이어의 두께에 따른 제1 편광의 반사율을 입사광의 파장별로 나타낸 것이다.

도 20은 본 발명의 제1 실시예에 따른 와이어 그리드 편광자의 변형예를 도시한 것이다.

도 21은 본 발명의 제1 실시예에 따른 와이어 그리드 편광자의 또 다른 변형예를 도시한 것이다.

도 22는 본 발명의 제2 실시예에 따른 와이어 그리드 편광자를 도시한 것이다.

도 23은 본 발명에 따른 와이어 그리드 편광자가 다이아몬드형 단면의 와이어를 구비한 예를 도시한 것이다.

도 24는 본 발명에 따른 와이어 그리드 편광자가 타원형 단면의 와이어를 구비한 예를 도시한 것이다.

도 25a 내지 도 25g 및 도 26은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 와이어 그리드 편광자의 제조 방법을 도시한 것이다.

<도면 중 주요 부분에 대한 설명>

100,140,150,160,170...유전체, 103,133,143,153,163,173...와이어

t...와이어의 두께, w...와이어의 폭

p...와이어의 배열 주기

본 발명은 무편광의 광이 입사할 때 한 편광은 투과하고 다른 편광은 반사하는 와이어 그리드 편광자 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

와이어 그리드 편광자(wire grid polarizer, 이하 WGP)는 기판에 금속 와이어가 주기적이며 평행하게 배열되어 있는데, 통상적인 WGP 구조의 사시도와 단면도를 도 1a, 도 1b에 각각 나타낸다. 상기 구조에서 배열된 금속 와이어의 주기가 입사광의 파장보다 작으면, 회절이 일어나지 않기 때문에 편광자로서 작동이 가능하다. 구체적으로 WGP는 전기장이 금속 와이어에 수직한 편광(제1편광)은 투과하고, 평행한 편광(제2 편광)은 반사한다. 상기 통상적인 WGP의 구조와 작동 특성에 대해서는 종래 특허 US6,243,199에 기술되어 있다.

WGP는 한 편광은 투과하고 다른 편광은 반사하는 특성으로 인해 프로젝션 디스플레이에 주로 사용된다. WGP는 이론적으로는 제1 편광을 100% 투과하고, 제2 편광을 100% 반사하지만 실제로는 제1 편광의 일부를 반사시키고, 제2 편광의 일부를 투과시킨다. WGP의 제1 편광의 투과율을 T, 제2 편광의 반사율을 R, 제1 편광의 투과율을 제2 편광의 투과율로 나눈 값을 CR이라고 할 때, T와 R은 프로젝션 디스플레이의 광 이용 효율의 척도가 되고, CR은 명암비와 같은 화질에 관련된 척도가 된 다. 이들 T, R, CR이 높을 수록 우수한 성능의 디스플레이를 구현할 수 있다. 최근에는 LCD의 광 이용 효율을 향상하기 위해 WGP를 LCD의 하부 편광판으로 사용하는 것이 고려되고 있다. 통상적으로 LCD에 사용되는 흡수형 편광판은 광원에서 공급되는 무 편광의 광 중에서 일 편광의 광은 투과하고, 다른 편광의 광은 흡수한다. 따라서 적어도 절반의 광량이 손실되어 광이용 효율이 저하된다. 반면에 WGP는 투과하지 않아야 할 편광을 흡수하지 않고 반사시켜 광원으로 되돌려 보냄으로써 재사용을 도모한다. 이러한 동작은 흡수형 편광판의 사용에 비해 광 이용 효율을 향상시킬 것으로 예상된다. 프로젝션 디스플레이와 유사하게 LCD에서도 T와 R은 광 이용 효율의 척도이며 CR은 화질의 척도가 된다. 따라서, LCD의 광 이용 효율을 향상하기 위해 T와 R을 증대시키고, 화질을 개선하기 위해 CR을 증대시킬 필요가 있다.

WGP는 도 1a에 도시된 바와 같이 투명한 기판(10), 기판(10) 위에 평행하게 배열된 금속 와이어(15)를 포함한다. 그리고, 상기 금속 와이어들(15) 사이와 윗 공간에 공기 또는 투명한 저굴절 물질이 채워질 수 있다. 이하에서는 WGP를 구성하는 금속 와이어의 단면과 그것이 WGP 성능에 미치는 영향을 살펴보고자 하며, 여기서는 기판, 공기, 저굴절 물질의 효과를 배제하기로 한다. 따라서 금속 와이어가 한 종류의 투명한 물질에 삽입되어 있는 구조를 기본으로 금속 와이어의 단면 형태에 따른 효과에 초점을 맞추어 설명한다. WGP가 실제 시스템에 사용될 때에도 미세한 선폭의 금속 와이어의 부식방지 및 물리적인 충격에 대한 보호를 위해 WGP의 금속 와이어는 공기에 노출되지 않는 것이 바람직하다.

도 1b는 WGP의 동작을 설명하기 위한 것으로, 무편광의 광이 WGP에 입사되면 제1 편광은 와이어(15)를 통과하고, 제2 편광은 와이어(15)에서 반사된다.

미국특허 US 6,243,199는 가시광 영역에서 작동하는 WGP의 대표적인 구조를 기술한다. 이 특허가 제안하는 WGP는 도 1a에 도시된 바와 같이 사각 단면을 가지는 와이어 그리드를 포함한다. 도 2는 사각 단면의 금속 와이어(30)가 한 종류의 유전체(35)로 둘러싸인 구조를 나타낸 것이다. 여기서 와이어 그리드의 주기를 p, 와이어의 폭을 w, 와이어의 두께를 t, 입사광의 입사각을 θ라고 한다. 도 2에 도시된 WGP에서 금속 와이어(30)는 알루미늄으로 형성되고, 유전체(35)의 굴절률은 1.5이며, p=100nm, w=50nm, t=50~250nm, θ=0°일 때, 입사 파장=450nm, 550nm, 650nm에 대해 제1 편광의 투과율(T), 제2 편광의 반사율(R), 제1 편광의 투과율을 제2 편광의 투과율로 나눈 값(CR)을 도 4, 도 5, 및 도 6에 각각 도시한다. 여기서 적용한 알루미늄의 굴절률은 하기의 [표1]과 같다.

(표 1) 알루미늄의 굴절률

파장	실수 굴절률(n)	허수 굴절률(k)
450nm	0.618	5.47
550nm	0.958	6.69
650nm	1.47	7.79

도 2에서 금속 와이어 그리드가 배열되어 있는 평면을 따라 유효 물질 이론(effective medium theory)을 적용하면 도 3과 같이 유효 박막(effective thin film) 구조로 변환된다. 유효 물질 이론에 의하면, 금속 와이어 그리드의 주기가 입사광의 파장보다 훨씬 작으면 입사광은 금속 와이어와 유전체의 자세한 구조를 식별하지 못하고 균일한 유효 물질이 있는 것처럼 동작한다. 따라서, 도 2의 금속 와이어(30)가 있는 층은 도 3에 도시된 바와 같이 금속 와이어와 그 사이의 유전체 가 혼합된 유효 물질로 이루어진 유효 박막(50)으로 변환할 수 있다.

유효 박막(50)의 상부와 하부에 각각 유전체층(51)이 구비되며, 유효 박막(50)과 상부 유전체층과의 사이에 제1 경계면(1b)이 생기고, 유효 박막(50)과 하부 유전체층과의 사이에 제2 경계면(2b)이 생긴다. 이와 같은 박막 구조에서는 박막 효과(thin film effect) 또는 파브리-페롯 에탈론 효과(Fabry-Perot etalon effect)로 인해 투과나 반사가 박막 두께의 변화에 따라 주기적으로 요동할 수 있다.

상기 제1 경계면(1b)과 제2 경계면(2b) 사이의 유효 박막(50)으로 인해 투과율(T)이 두께(t)의 변화에 따라 주기적으로 요동하게 된다. 도 4를 참조하면, T가 입사광의 파장에 따라 정해진 주기를 가지고 요동함을 볼 수 있다. 또한, 도 5는 t에 대한 R의 변화를 나타낸 것으로 R은 t에 대해 영향을 적게 받음을 알 수 있다. 도 6은 t에 대한 CR의 변화를 나타낸 것으로, t가 증가함에 따라 CR이 증가한다.

가시광 전체 영역에서 높은 T를 달성하기 위해, 450nm, 550nm, 650nm의 세 파장에 대해 T가 높도록 두께(t)를 예를 들어 120nm로 설정할 수 있다. 이때 T>0.73,R>0.83, CR>2500의 성능이 달성된다. 여기에서 더 높은 CR을 얻고자 한다면 도 6에 도시된 바와 같이 금속의 두께(t)를 늘리는 것이 가장 통상적인 방법이다. 그러나 사각 단면에서는 전술한 T의 주기적인 요동으로 인해 CR은 향상되는 대신 T는 저하된다. 예를 들어 t를 120nm에서 160nm로 늘리면 입사 파장이 450nm일 경우의 CR은 2500에서 30000으로 증가하는 반면에 T는 0.73에서 0.55로 급격히 감소한다. 이와 같이 사각 단면은 높은 T가 달성되도록 두께(t)를 조절하면, CR에 대해서 는 최적으로 개선하는 것이 어려운 단점을 가지고 있다. 즉, T와 CR 양쪽을 만족스럽게 향상하는 데는 한계가 있다.

사각 단면의 단점의 원인인 박막 효과를 제거하기 위해 미국특허 US 7,046,442에서는 도 7에 도시된 바와 같은 기판(60) 위에 구비된 삼각 단면의 금속 와이어(63)를 제안한다. 여기서도 도 8과 같이 한 종류의 물질(70)에 의해 삼각 단면의 금속 와이어(73)가 둘러싸인 구조를 고려한다. 삼각 단면의 금속 와이어는 금속 와이어(73)의 상부로부터 하부로 갈수록 금속이 차지하는 부피가 점차적으로 증가하기 때문에 도 9에 도시된 바와 같이 유효 박막의 상부 경계면(a)은 제거되고, 하부 경계면(b)만 생기는 단일 경계면 구조로 변환된다. 즉, 삼각 단면의 금속 와이어의 상부는 금속의 밀도가 소하므로 유전체(81)와 비교할 때 명확한 경계면을 형성하지 않는데 반해, 삼각 단면의 하부로 갈수록 금속의 밀도가 밀하게 되므로 유전체와의 경계가 명확해진다.

도 8에 도시된 WGP에서 금속 와이어(73)는 알루미늄으로 형성되고, 주변 유전체(70)의 굴절률은 1.5이며, p=100nm, w=50nm, t=150~350nm이다. 그리고, 입사각 θ=0°일 때, 입사 파장=450nm, 550nm, 650nm에 대해 T, R, CR, 제1 편광의 반사율(RP)을 도 10, 도 11, 도 12, 도 13에 각각 나타낸다. 도 10에 도시된 T를 참조하면 삼각 단면의 금속 와이어 그리드에서는 박막 효과가 제거되어 도 4에 비해 T의 요동이 매우 작음을 확인할 수 있다. 따라서 t를 증가시키더라도 T에 대한 큰 손실 없이 CR을 향상시킬 수 있다. 예를 들어 t를 230nm에서 290nm로 늘리면 입사 파장이 450nm일 경우의 T는 0.76에서 0.75로 1% 감소하는데 비해 CR은 2800에서 26000으로 크게 향상된다.

하지만 삼각 단면에도 개선해야 할 점이 존재한다. 도 13을 참조하면, 투과해야할 제1 편광의 원하지 않는 반사인 RP가 5% 이상으로 존재한다. 이는 도 9에 도시된 단일 경계면(b) 때문에 나타나는 현상이다. 이러한 반사가 억제되어 투과로 전환된다면 T의 향상을 기대할 수 있다. 한편, CR을 향상시키기 위해 t를 증가시킬수록 금속 삼각형은 과도하게 뾰족한 형태가 된다. 금속 삼각형이 뾰족해질수록 도 11에 도시된 바와 같이 반사되어야 할 제2 편광의 반사율이 0.7 이하로 크게 낮아지는 문제가 발생한다.

따라서, 본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로, 투과시키고자 하는 제1 편광의 투과율과, 반사시키고자 하는 제2 편광의 반사율을 높게 유지하면서, 제1 편광의 투과율을 제2 편광의 투과율로 나눈 값을 향상한 와이어 그리드 편광자를 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 폭이 점차로 증가하다가 감소하는 단면을 가진 와이어를 포함하는 와이어 그리드 편광자의 제조 방법을 제공하는 것을 또 다른 목적으로 한다.

상기한 목적을 달성하기 위해 본 발명은, 입사광 중 제1 편광을 투과하고, 제2 편광을 반사시키는 와이어 그리드 편광자로서,

하나 이상의 투명한 유전체층;

상부에서 하부로 점차로 그 폭이 증가하는 제1 영역과, 상부에서 하부로 점 차로 그 폭이 감소하는 제2 영역을 가지는 단면을 포함하는 와이어들이 상기 유전체층에 주기적으로 배열된 와이어 그리드;를 포함하는 것을 특징으로 하는 와이어 그리드 편광자를 제공한다.

상기 와이어들은 유전체층 속에 전부 또는 일부가 매립될 수 있다.

상기 제1 영역과 제2 영역이 삼각형 형상을 가질 수 있다.

상기 제1 영역이 이등변 삼각형 형상을 가지고, 제2 영역이 역 이등변 삼각형 형상을 가질 수 있다.

상기 제1 영역이 계단 형상의 프로 파일을 가지며, 제2 영역이 역 계단 형상의 프로파일을 가질 수 있다.

상기 제1 영역이 직각 삼각형 형상을 가지고, 제2 영역이 역 직각 삼각형 형상을 가질 수 있다.

상기 와이어는 마름모, 다이아몬드, 원형, 또는 타원형 형상 중 어느 하나의 단면을 가질 수 있다.

상기 제1 영역이 계단 형상의 프로 파일을 가지며, 제2 영역이 역 계단 형상의 프로파일을 가질 수 있다.

상기 와이어는 금속으로 형성될 수 있다.

상기 와이어는 알루미늄, 금, 은, 또는 구리 중 어느 하나로 구성될 수 있다.

상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 기판 위에 금속층과 제1 마스크층을 코팅하는 단계; 상기 제1 마스크층에 제1 패턴을 형성하는 단계; 상기 제1 마스 크층과 금속층을 식각하는 단계; 식각되고 남은 금속층 위에 제1 유전체층을 코칭하는 단계; 상기 제1 유전체층이 밑으로 가도록 상기 기판을 뒤집은 다음 금속층으로부터 기판을 분리하는 단계; 상기 금속층에 제2 마스크층을 코팅하고, 제2 마스크층에 제2 패턴을 형성하는 단계; 제2 마스크층과 금속층을 식각하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 와이어 그리드 편광자 제조 방법을 제공한다.

상기 제1 패턴과 제2 패턴은 나노 임프린트 리소그라피 방법, 레이저 간섭 리소그라피 방법, 또는 전자 빔 리소그라피 방법으로 형성될 수 있다.

상기 제1 패턴과 제2 패턴은 삼각형, 반다이아몬드, 반원형 또는 반타원형 형상을 가질 수 있다.

상기 제1 패턴과 제2 패턴은 계단형 프로파일을 가질 수 있다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 와이어 그리드 편광자 및 그 제조 방법에 대해 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

본 발명에 따른 와이어 그리드 편광자는 예를 들어 전기장이 와이어에 수직한 제1 편광은 투과시키고, 전기장이 와이어에 평행한 제2 편광은 반사시키는 것으로, 제1 편광의 투과율(T)과, 제2 편광의 반사율(R)을 높게 유지하면서, 제1 편광의 투과율을 제2 편광의 투과율로 나눈 값(CR)을 크게 향상한다. 이를 실현하기 위해 투명한 유전체층에 금속 와이어들이 입사광의 파장보다 작은 주기로 평행하게 배열되고, 상기 금속 와이어들은 상부에서 하부로 점차로 그 폭이 증가하는 제1 영역과, 상부에서 하부로 점차로 그 폭이 감소하는 제2 영역을 가진다.

도 14는 본 발명의 제1실시예에 따른 와이어 그리드 편광자의 단면도를 도시 한 것으로, 와이어들(103)이 입사광의 파장보다 작은 주기로 평행하게 배열된 와이어 그리드가 형성되고, 상기 와이어(103)는 제1 영역(103a)과 제2 영역(103b)을 가지는 단면을 가진다. 제1 영역(103a)은 상부에서 하부로 그 폭이 점차로 증가하고, 제2 영역(103b)은 상부에서 하부로 그 폭이 점차로 감소한다. 여기서, 폭의 증가나 감소는 연속적이거나 불연속적일 수 있다. 와이어(103)는 금속으로 형성될 수 있으며, 예를 들어 알루미늄, 금, 은, 또는 구리 중 어느 하나로 형성될 수 있다.

상부에서 하부로 갈수록 그 폭이 증가하는 형상을 여러 가지가 가능하나 예를 들어 삼각형 형상을 가질 수 있다. 삼각형으로는 예를 들어 정삼각형, 이등변 삼각형, 직각 삼각형 중 하나일 수 있다. 도 14에서는 제1 영역이 이등변 삼각형인 경우를 도시한 것이고, 도 21에서는 직각 삼각형인 경우를 도시하고 있다.

또한, 제2 영역은 상부에서 하부로 갈수록 그 폭이 감소하는 다양한 형상이 가능하나, 예를 들어 역 삼각형 형상을 가질 수 있다. 역 삼각형으로는 예를 들어, 역 정삼각형, 역 이등변 삼각형, 역 직각 삼각형 중 하나일 수 있다. 제2 영역은 제1 영역과 수평 방향에 대해 대칭인 형상을 가질 수 있다.

상기 와이어(103)의 단면은 전체적으로 마름모 형상을 가질 수 있다. 그리고 와이어(103)의 둘레에 유전체층(100)이 구비될 수 있다. 유전체층(100)은 한 층 또는 복수의 층으로 구성될 수 있다. 와이어(103)는 유전체층(100)에 전체적으로 매립되거나 일부만이 매립될 수 있다.

예를 들어, 도 14에 도시된 바와 같이 이등변 삼각형 형상의 제1영역(103a)과 역 이등변 삼각형 형상의 제2영역(103b)을 포함하여, 금속 와이어의 단면은 마 름모 형상을 가질 수 있다. 그리고 와이어(103)의 둘레에 유전체(100)가 구비된다. 여기서, 와이어(103)의 두께를 t, 와이어의 폭을 w, 와이어가 배열된 주기를 p, 와이어로 입사되는 입사광의 입사각을 θ라고 한다.

도 14에 도시된 마름모 형상의 단면을 가지는 금속 와이어로 이루어진 편광자에 유효 물질 이론을 적용하여 변환한 것을 도 15에 도시하였다. 도 15를 참조하면, 금속 와이어가 있는 층(110)이 중앙 부분은 금속의 밀도가 크고, 상부와 하부로 갈수록 밀도가 감소하는 경향을 보인다. 그림에서는 와이어가 있는 층의 금속의 밀도를 선의 밀도로 나타내었다. 와이어가 있는 층(110)의 상부와 하부에는 유전체층(111)이 구비되며, 유전체층(111)과 와이어가 있는 층(110)의 경계(a,b)에서는 금속 와이어가 차지하는 영역이 점차로 변함으로써 유효 경계면이 형성되지 않는다.

다시 말하면, 마름모 형상의 단면은 와이어의 상부부터 하부까지 와이어가 차지하는 영역이 점차적으로 변하므로 유효 경계면이 형성되지 않는다. 따라서 전술한 사각 단면의 CR 향상에 문제가 되는 박막 효과가 제거된다. 그리고 삼각 단면의 단일 경계면에서의 반사도 제거되어 RP가 감소하여 T가 향상된다. 또한, 마름모 형상은 두 개의 삼각형을 맞대어 붙여 놓은 형태이므로, 같은 두께로 와이어를 제작할 때, 삼각형의 와이어보다 덜 뾰족하게 형성된다. 따라서 과도한 뾰족함으로 인한 R 성능 저하를 억제하면서 CR도 향상이 가능하다.

도 14에 도시된 WGP에서 금속 와이어(103)는 알루미늄으로 형성되고, 유전체(100)의 굴절률은 1.5이며, p=100nm, w=50nm, t=150~350nm, θ=0°일 때, 입사 파장=450nm, 550nm, 650nm에 대해 T, R, CR, RP를 도 16, 도 17, 도 18, 도 19에 각각 도시한다. 도 16은 t의 변화에 따른 T를 도시한 것으로, t가 변해도 T가 거의 요동하지 않는다. 도 17은 t의 변화에 따른 R을 도시한 것으로, t가 증가함에 따라 약간 감소한다. 도 18은 t의 변화에 따른 CR을 도시한 것으로, t가 증가할수록 CR이 증가한다. 도 19는 t 대한 RP를 도시한 것으로, t 증가할수록 RP가 감소한다.

도 16을 참조하면, 도 4와 비교할 때 t의 변화에 따라 T가 거의 요동하지 않는다. 이는 마름모 단면에서 박막 효과가 제거된 결과이다. 따라서, T를 높게 유지하면서 와이어(103)의 t를 증가시켜 CR을 향상시킬 수 있다.

구체적으로 t=150nm인 삼각 단면과 t=300nm인 마름모 단면의 비교를 통해 단일 경계면 반사의 제거를 확인할 수 있다. 여기서, 마름모 단면은 두 개의 삼각 단면을 맞대어 놓은 것과 같으므로 와이어가 금속으로 형성될 때, 마름모는 삼각형보다 2배의 금속량을 가진다. 그럼에도 불구하고 단일 경계면 반사가 제거되면서 입사 파장이 450nm일 경우의 RP는 8.4%에서 0.8%로 감소함을 도 13과 도 19에서 확인할 수 있다. 또한, T는 0.79에서 0.85로 증가함을 도 10과 도 16에서 확인할 수 있다. 이와 같이 단일 경계면 반사가 제거되어 RP가 억제되어 T가 증가하는 경향은 나머지 입사 파장이 550nm나 650nm일 경우에서도 볼 수 있다.

t=150nm인 삼각 단면과 t=300nm인 마름모 단면에서는, 삼각형과 마름모가 같은 정도의 뾰족함을 가지고 있어서 도 11과 도 17에 도시한 바와 같이 입사 파장이 450nm일 경우의 R이 0.71로 양쪽이 비슷하다. 하지만 마름모의 금속량이 2배이므로 도 12와 도 18에 도시한 바와 같이 입사 파장이 450nm일 경우의 CR은 각각 150과 36000으로 마름모의 경우가 훨씬 크다. 따라서 마름모 단면은 삼각 단면의 과도한 뾰족함으로 인한 R 성능 저하를 피하면서 높은 CR을 달성할 수 있다.

예를 들어 도 14에서 와이어(103)를 알루미늄으로 형성하고, 주변 유전체(100)의 굴절률은 1.5이며, p=100nm, w=50nm, t=290nm, θ=0°일 경우 T>0.84, R>0.70, CR>25000의 성능이 달성된다. 이에 비해, 도 2의 사각 단면의 WGP 구조에서 와이어(30)를 알루미늄으로 형성하고, 주변 유전체(35)의 굴절률은 1.5, p=100nm, w=50nm, t=120nm, θ=0°일 경우, T>0.73, R>0.83, CR>2500이다. 이 결과를 비교하면 T는 11% 정도 향상되고, R은 13% 정도 저하되는 수준에서 CR은 10배 정도 향상된다. T와 R을 함께 고려한다면 이는 비슷한 수준으로 유지되면서 CR이 10배 정도 향상되었다고 볼 수 있다.

전술한 구조의 구체적인 치수와 굴절률은 마름모 단면을 통한 WGP 성능 향상을 명확하게 보여 주기 위한 한 가지 예이다. 이 외에도, 다양한 p, w, t, θ, 금속, 주변 유전체의 조합으로 마름모 단면의 장점을 살려 WGP 성능 향상을 달성할 수 있다.

도 20은 금속 와이어를 둘러싸고 있는 유전체층의 다른 조합을 예시한다. 마름모의 제1영역(133a)은 제1유전체층(135)에 둘러싸여 있고, 제2영역(133b)은 제2유전체층(136)에 둘러싸여 있다. 여기서, 제1 유전체층(135)은 공기가 될 수도 있다. 더 나아가, 유전체층은 하나 이상의 유전체층으로 구성될 수 있으며, 와이어들은 유전체층들 속에 전부 또는 일부가 매립될 수도 있다.

전술한 바와 같이 마름모 단면이 우수한 성능을 나타내는 이유는 금속 와이 어의 상부에서 하부까지 금속이 차지하는 영역이 점차적으로 변함으로써 유효 경계면이 형성되지 않기 때문이다. 이러한 원리는 마름모 단면뿐만 아니라 그와 유사한 단면 형태에도 적용될 수 있다. 금속 와이어의 단면에서 상부에서 매우 작은 폭에서 시작하여 점차로 증가하다 다시 점차로 감소하여 하부에서 그 폭이 다시 매우 작아지는 단면 형태는 전술한 원리에 의해 비교적 높은 T, R 성능과 동시에 매우 높은 CR을 달성할 수 있다.

도 21은 직각 삼각형 형상의 제1영역(143a)과 역 직각 삼각형 형상의 제2영역(143b)을 가지 와이어(143)가 유전체층(140)에 둘러싸인 구조를 도시하고 있다. 여기서도 마름모 형상과 마찬가지로 와이어의 폭이 점차로 증가하다가 점차로 감소하는 형상을 가지고 있어 유효 경계면이 형성되지 않기 때문에, 비교적 높은 T, R 성능과 동시에 매우 높은 CR을 달성할 수 있다.

다음, 도 22는 본 발명의 제2 실시예에 따른 와이어 그리드 편광자를 도시한 것으로, 와이어(153)의 제1 영역(153a)이 상부에서 하부로 갈수록 점차로 그 폭이 증가함에 있어서 계단형 프로파일을 가지며, 제2 영역(153b)이 상부에서 하부로 갈수록 점차로 그 폭이 감소함에 있어서 역 계단형 프로파일을 가진다. 제1 영역 및 제2 영역에 단차가 있지만 그것이 입사 파장에 비해 매우 작으면 빛은 금속 와이어 영역이 점차로 증감하는 것으로 느낀다. 그리고, 상기 와이어(153)의 둘레에 유전체층(150)이 형성되어 있다. 상기 유전체층(150)은 한 층 또는 복수층으로 이루어질 수 있다.

도 23은 다이아몬드 형상의 단면을 가지는 와이어(163)가 평행하게 배열된 와이어 그리드를 도시한 것이다. 와이어(163)의 둘레에는 한 층 이상의 유전체층(160)이 형성되어 있다.

도 24는 원형 형상 또는 타원형 형상의 단면을 가지는 와이어(173)가 평행하게 배열된 와이어 그리드를 도시한 것이다. 와이어(173) 둘레에는 한 층 이상의 유전체층(170)이 형성되어 있다.

이상 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 금속 와이어는 상부에서 하부로 점차로 그 폭이 증가하는 제1 영역과 상부에서 하부로 갈수록 점차로 그 폭이 감소하는 제2 영역을 가지는 단면을 포함하여 유효 경계면을 제거함으로써 WGP의 T, R, CR을 향상한다.

다음은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 와이어 그리드 편광자의 제조 방법에 대해 설명한다.

본 발명에 따른 와이어 그리드 편광자는 나노 임프린트 리소그라피 방법, 레이저 간섭 리소그라피, 혹은 전자 빔 리소그라피 방법으로 제작될 수 있다.

도 25a에 도시된 바와 같이, 기판(200) 위에 금속층(203)과 제1 마스크층(205)을 코팅한다. 그런 다음, 제1 패턴이 형성된 몰드(207)를 준비한다. 상기 제1 패턴은 예를 들어 삼각형, 반다이아몬드형, 반원형 또는 반타원형 형상을 가질 수 있다. 도 25b에 도시된 바와 같이 상기 몰드(207)로 제1 마스크층(205)을 누른다. 그리고 제1 마스크층을 경화시킨 후 몰드(207)를 분리하면 도 25c에 도시된 바와 같이 제1 패턴의 제1 마스크 패턴(205')이 형성된다. 여기서, 몰드를 이용하는 나노 임프린트 리소그라피 방법 대신 레이저 간섭 리소그라피 방법이나 전자 빔 리 소그라피 방법을 채택할 수 있다. 즉, 상기 제1 마스크층에 간섭된 레이저로 노광하거나 전자 빔으로 패턴을 그려서 제1 패턴을 형성할 수 있다. 다음, 도 25d에 도시된 바와 같이 제1 마스크 패턴(205')과 금속층(203)을 순차적으로 식각하면 금속층의 상부에 제1 패턴의 금속 패턴(203')이 형성된다. 그리고, 도 25e에 도시된 바와 같이 상기 금속 패턴(203') 위에 제1유전체층(210)을 코팅한다.

이어서, 도 25f에 도시된 바와 같이 상기 제1유전체층(210)이 밑으로 오도록 기판을 뒤집은 다음 기판(200)을 제거하고 금속 패턴(203')의 반대 면 위에 제2 마스크층(213)을 코팅한다. 그런 다음은 상기 제1 마스크층(205)을 이용하여 제1 패턴의 금속 패턴(203')을 형성한 것과 동일한 방법으로 제2 패턴(215)을 형성한다. 제2 패턴(215)을 형성하는 것에 대해 설명하면, 몰드로 상기 제2 마스크층(213)을 누른 다음 경화시키고 몰드를 제거한다. 그리고, 마스크층과 금속층을 식각하여 금속층에 제2 금속 패턴(215)을 형성한다. 상기 제1 및 제2 패턴이 삼각형인 경우에는 마름모 단면의 와이어 그리드 편광자를 제작할 수 있다.

한편, 마름모 단면의 와이어 둘레에 두 개의 유전체층을 형성하는 것도 가능하다. 두 개의 유전체층을 형성하고자 하는 경우 도 26에 도시된 바와 같이 제2 금속 패턴(215) 위에 제2 유전체층(220)을 코팅한다. 여기서, 제2 유전체층은 상기 제1유전체층과 다른 물질로 형성될 수 있는 한편, 동일한 유전체로 형성하는 것이 가능하다.

본 발명에 따른 와이어 그리드 편광자는 금속 와이어의 상부에서 하부로 갈 수록 그 폭이 증가하는 제1 영역과 상부에 하부로 갈수록 그 폭이 감소하는 제2 영역을 가지는 단면을 포함하여 유효 경계면이 형성되지 않는다. 따라서, 사각형 단면에서 CR 향상에 문제가 되는 박막 효과가 제거된다. 그리고 삼각 단면의 단일 경계면 반사도 제거되어 RP가 감소하여 T가 향상된다. 또한, 마름모 형상의 와이어는 두 개의 삼각형을 맞대어 붙여 놓은 형태이므로 삼각형처럼 뾰족하지 않아도 두꺼운 금속 와이어가 형성될 수 있다. 따라서 과도한 뾰족함으로 인한 R 성능 저하를 억제하며 CR의 향상이 가능해진다. 결국, 일반적인 사각 단면의 와이어 그리드 편광자와 비교해서 T와 R을 비슷한 수준으로 높게 유지하면서 CR을 크게 향상시킬 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 와이어 그리드 편광자의 제조 방법은 나노 임프린트 리소그라피 방법, 레이저 간섭 리소그라피 방법 또는 전자 빔 리소그라피 방법을 이용하여 용이하게 와이어 그리드 편광자를 제작할 수 있는 방법을 제공한다.

상기한 실시예들은 예시적인 것에 불과한 것으로, 당해 기술분야의 통상을 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 하기의 특허청구범위에 기재된 발명의 기술적 사상에 의해 정해져야만 할 것이다.

Claims (19)

1. 입사광 중 제1 편광을 투과하고, 제2 편광을 반사시키는 와이어 그리드 편광자로서,

   하나 이상의 투명한 유전체층;

   상부에서 하부로 점차로 그 폭이 증가하는 제1 영역과, 상부에서 하부로 점차로 그 폭이 감소하는 제2 영역을 가지는 단면을 포함하는 와이어들이 상기 유전체층에 주기적으로 배열된 와이어 그리드;를 포함하는 것을 특징으로 하는 와이어 그리드 편광자.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 와이어들은 유전체층 속에 전부 또는 일부가 매립되는 것을 특징으로 하는 와이어 그리드 편광자.
3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,

   상기 제1 영역과 제2 영역이 삼각형 형상을 가지는 것을 특징으로 하는 와이어 그리드 편광자.
4. 제 3항에 있어서,

   상기 제1 영역이 이등변 삼각형 형상을 가지고, 제2 영역이 역 이등변 삼각 형 형상을 가지는 것을 특징으로 하는 와이어 그리드 편광자.
5. 제 4항에 있어서,

   상기 제1 영역이 계단 형상의 프로 파일을 가지며, 제2 영역이 역 계단 형상의 프로파일을 가지는 것을 특징으로 하는 와이어 그리드 편광자.
6. 제 3항에 있어서,

   상기 제1 영역이 직각 삼각형 형상을 가지고, 제2 영역이 역 직각 삼각형 형상을 가지는 것을 특징으로 하는 와이어 그리드 편광자.
7. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,

   상기 와이어는 마름모, 다이아몬드, 원형, 또는 타원형 형상 중 어느 하나의 단면을 가지는 것을 특징으로 하는 와이어 그리드 편광자.
8. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,

   상기 제1 영역이 계단 형상의 프로 파일을 가지며, 제2 영역이 역 계단 형상의 프로파일을 가지는 것을 특징으로 하는 와이어 그리드 편광자.
9. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,

   상기 와이어는 금속으로 형성된 것을 특징으로 하는 와이어 그리드 편광자.
10. 제 9항에 있어서,

    상기 와이어는 알루미늄, 금, 은, 또는 구리 중 어느 하나로 구성되는 것을 특징으로 하는 와이어 그리드 편광자.
11. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,

    상기 와이어의 배열 주기는 입사광의 파장보다 작은 것을 특징으로 하는 와이어 그리드 편광자.
12. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,

    상기 입사광은 가시광인 것을 특징으로 하는 와이어 그리드 편광자.
13. 기판 위에 금속층과 제1 마스크층을 코팅하는 단계;

    상기 제1 마스크층에 제1 패턴을 형성하는 단계;

    상기 제1 마스크층과 금속층을 식각하는 단계;

    식각되고 남은 금속층 위에 제1 유전체층을 코팅하는 단계;

    상기 제1 유전체층이 밑으로 가도록 상기 기판을 뒤집은 다음 금속층으로부터 기판을 분리하는 단계;

    상기 금속층에 제2 마스크층을 코팅하고, 제2 마스크층에 제2 패턴을 형성하는 단계;

    제2 마스크층과 금속층을 식각하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 와이어 그리드 편광자 제조 방법.
14. 제 13항에 있어서,

    상기 제1 패턴과 제2 패턴은 나노 임프린트 리소그라피 방법, 레이저 간섭 리소그라피 방법 또는 전자 빔 리소그라피 방법으로 형성되는 것을 특징으로 하는 와이어 그리드 편광자 제조 방법.
15. 제 13항 또는 제 14항에 있어서,

    상기 제2 마스크층을 식각한 다음 제2 유전체층을 코팅하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 와이어 그리드 편광자 제조 방법.
16. 제 13항 또는 제 14항에 있어서,

    상기 제1 패턴과 제2 패턴은 삼각형, 반다이아몬드형, 반원형 또는 반타원형 형상을 가지는 것을 특징으로 하는 와이어 그리드 편광자 제조 방법.
17. 제 16항에 있어서,

    상기 제1 패턴과 제2 패턴은 계단형 프로파일을 가지는 것을 특징으로 하는 와이어 그리드 편광자 제조 방법.
18. 제 13항 또는 제 14항에 있어서,

    상기 와이어는 금속으로 형성되는 것을 특징으로 하는 와이어 그리드 편광자 제조 방법.
19. 제 18항에 있어서,

    상기 와이어는 알루미늄, 금, 은, 또는 구리 중 어느 하나로 형성되는 것을 특징으로 하는 와이어 그리드 편광자 제조 방법.

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