KR20100079856A - 다층 탑레이어가 형성된 나노 와이어 그리드 편광판 및 그 제조 방법 - Google Patents

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KR20100079856A
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Abstract

본 발명은 폴리머, 불화물, 질화물 또는 산화물로 이루어진 보호층을 나노 구조물 위에 소정 두께로 코팅함으로써, 상기 나노 구조물의 형상 및 특성은 유지한 채 내 스크래치성 및 내 부식성을 증가시킬 수 있고, 금속층 패터닝 후에 복수의 서로 다른 굴절율을 갖는 탑레이어를 형성함으로써, 파장에 따른 투과율 특성이 개선된 와이어 그리드 편광판 및 그 제조방법에 관한 것이다.
다층, 와이어 그리드, 보호층, 기공, 탑레이어, NWGP, polarizer

Description

다층 탑레이어가 형성된 나노 와이어 그리드 편광판 및 그 제조 방법{Wire grid polarizer with multi top layer formed thereon and manufacturing method thereof}
본 발명은 나노 와이어 그리드 편광판 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
보다 구체적으로, 본 발명은 폴리머, 불화물, 질화물 또는 산화물로 이루어진 보호층을 나노 구조물 위에 소정 두께로 코팅함으로써, 상기 나노 구조물의 형상 및 특성은 유지한 채 내 스크래치성 및 내 부식성을 증가시킬 수 있고, 금속층 패터닝 후에 복수의 서로 다른 굴절율을 갖는 탑레이어를 형성함으로써, 파장에 따른 투과율 특성이 개선된 와이어 그리드 편광판 및 그 제조방법에 관한 것이다.
평판표시장치 중 액정표시장치(LCD)는 소형/경량화 및 저소비 전력 등 많은 장점을 가지고 있어 그 사용이 점차 증가하고 있는 추세이다. 액정표시장치는 음극선관과는 달리 TFT 기판과 컬러필터 기판 사이에 주입된 액정물질이 자체 발광을 하는 발광성 물질이 아니라 외부에서 들어오는 광의 양을 조절하여 화면에 표시하는 수광성 물질이기 때문에 액정표시패널에 광을 조사하기 위한 별도의 장치, 즉 백라이트 어셈블리가 반드시 필요하게 된다.
백라이트 어셈블리는 수납 공간이 형성된 몰드 프레임과, 수납 공간의 기저면에 설치되어 액정표시패널쪽으로 빛을 반사하는 반사시트, 반사시트에 상부면에 설치되어 빛을 안내하는 도광판, 도광판과 수납 공간의 측벽 사이에 설치되어 빛을 발산하는 램프 유닛, 도광판의 상부면에 적층되어 빛을 확산하고 집광하는 광학시트들, 몰드 프레임의 상부에 설치되어 액정표시패널 가장자리의 소정 부분에서 부터 몰드 프레임의 측면에 이르는 영역을 덮는 탑샤시로 구성된다.
여기서, 광학시트들은 빛을 확산시키는 확산시트와, 확산시트의 상부면에 적층되어 확산된 빛을 집광시켜 액정표시패널로 전달하는 프리즘 시트 및 상기 확산시트와 프리즘 시트를 보호하기 위한 보호시트로 구성된다.
도 1은 종래의 액정표시장치를 구성의 나타낸 단면도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 종래의 액정표시장치(60)는 광을 발생하는 백라이트 어셈블리(50), 및 백라이트 어셈블리(50)의 상측에 구비되고 백라이트 어셈블리(50)로부터 광을 공급받아 영상을 표시하는 디스플레이 유닛(40)을 포함한다. 백라이트 어셈블리(50)는, 광을 발생하는 램프 유닛(51), 램프 유닛(51)으로부터의 광을 액정표시패널(10) 측으로 가이드하기 위한 도광 유닛을 구비한다. 또한, 디스플레이 유닛(40)은 액정표시패널(10) 및 액정표시패널(10)의 상부 및 하부에 각각 구비되는 상측 및 하측 편광판(30, 20)으로 이루어지며, 액정표시패널(10)은 전극이 형성된 TFT 기판 및 컬러필터 기판(11, 12)과 TFT 기판 및 컬러필터 기판(11, 12)의 사이에 주입된 액정층으로 이루어진다.
구체적으로, 램프 유닛(51)은 광을 발생하는 램프(51a) 및 램프(51a)를 감싸 는 램프 반사판(51b)을 포함한다. 램프(51a)로부터 발생된 광은 후술되는 도광판(52)측으로 입사되며, 램프 반사판(51b)은 램프(51a)로부터 발생된 광을 도광판(52)측으로 반사시킴으로써 도광판에 입사되는 광의 양을 증가시키게 된다.
도광 유닛은 반사판(54), 도광판(52) 및 광학 시트류(53)를 포함한다. 먼저, 도광판(52)은 램프 유닛(51)의 일측에 구비되어 램프 유닛(51)으로부터의 광을 가이드한다. 이때, 도광판(52)은 램프 유닛(51)으로부터 출사된 광의 경로를 변경하여 액정표시패널(10)측으로 가이드하게 된다. 또한, 도광판(52)의 하부에는 도광판(52)으로부터 누설된 광을 다시 도광판(52) 측으로 반사하기 위한 반사판(54)이 구비된다.
도광판(52)의 상부에는 도광판(52)으로부터 출사된 광의 효율을 향상시키기 위한 다수의 광학 시트(53)가 구비된다. 구체적으로, 광학 시트는 확산 시트(53a), 프리즘 시트(53b) 및 보호 시트(53c)로 이루어지며, 도광판(52)의 상부에 순차적으로 적층된다. 확산 시트(53a)는 도광판(52)으로부터 입사되는 광을 산란하여 광의 휘도 분포를 고르게 한다. 또한, 프리즘 시트(53b)는 상부 면에 삼각기둥 모양의 프리즘이 반복적으로 형성되어 있으며, 확산 시트(53a)에 의해 확산된 광을 액정표시패널(10)의 평면에 수직한 방향으로 집광하게 된다. 따라서, 프리즘 시트(53b)를 통과하는 광은 대부분 액정표시패널(10)의 평면에 대하여 수직하게 진행되어 균일한 휘도 분포를 갖게 된다. 또한, 프리즘 시트(53b)의 상부에 구비되는 보호 시트(53c)는 프리즘 시트(53b)의 표면을 보호함과 동시에, 프리즘 시트(53b)로부터 입사된 광의 분포를 균일하게 하기 위하여 광을 확산시키는 역할을 수행한다.
광학시트에는 프리즘 모양이 연속적으로 배열되어 주로 광의 집광기능을 수행하는 집광시트, 비드 또는 마이크로렌즈 또는 렌티큘러(lenticular) 타입의 렌즈가 다수 배열되어 주로 광의 확산 기능을 수행하는 확산시트, 상기 집광시트와 확산시트의 역할을 복합적으로 수행하는 기능혼합형의 복합 광학시트 등으로 나눌 수 있는데, 이들은 편광시트, 보호시트와 결합되어 하나 또는 복수개로 적층되어 사용되기도 한다. 또한, 광 효율을 높이기 위해서는 나노 와이어 그리드 편광판(nano wire grid polarizer, NWGP)를 삽입하여 사용되기도 한다.
상기 나노 와이어 그리드 편광판는 400 내지 800nm의 파장을 갖는 가시광선을 편광시키기 위한 것이다. 그러나, 상기 나노 와이어 그리드 편광판는 작업자의 작업 과정 및 LCD BLU 필름 어레이 과정에서 약한 내 스크래치성으로 인한 결함이 발생하고, 습기 또는 열이 존재하는 상태에서는 금속이 부식 또는 열화되기 쉽다는 문제점이 있다.
이러한 문제점으로 인해, 나노 와이어 그리드 편광판의 능력이 감소되거나 파괴되어 편광장치의 기능이 제대로 작동하지 않아 화질의 열화가 발생하고 낮은 광효율을 갖게 되는 문제점이 발생하게 된다.
또한 종래의 와이어 그리드 편광기는 내 스크라치성, 내마모성으로 인한 장시간 일체성, 내구성 및 보관성에서 문제점을 가진다. 구체적으로 작업과정에서 작업자의 취급과 LCD BLU 필름 어레이 과정에서 약한 내 스크라치성으로 인한 결함이 발생하고, 또한 습기가 있거나 열이 존재하는 상태 또는 이와 같은 유사한 적용 예 에서 전도 요소(금속)들은 부식 또는 열화되기 쉽다. 이와 같은 문제로 인하여 직 교하는 광선의 편광들을 분리시키는 와이어 그리드의 능력이 감소되거나 파괴되어, 편광기 및 편광장치의 기능이 상실된다. 그리고 상기의 문제점을 해결하기 위하여 그리드들을 단지 밀봉하는 것은 이용되는 재료와 와이어 그리드 요소들과 상기 재료상에 인터패이스가 형성되어 편광기 또는 편광장치로서의 특성을 변화시켜 편광기 및 편광장치로서의 작동 또는 기능을 상실시키는 또 다른 문제점이 존재한다.
본 발명은 상기의 문제점을 해결하고자 안출된 것으로서, 본 발명은 나노 와이어 그리드 편광판의 편광 특성을 변화시키지 않으면서 내 스크래치성 및 내 부식성을 증가시킬 수 있는 나노 와이어 그리드 편광판를 제안하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 목적은 나노 와이어 그리드 편광판의 금속 요소들의 상부에 굴절율이 다른 물질(산화물, 불화물, 질화물, 금속등)을 다층(Multi-layer, 2층 이상)으로 증착(코팅)하여 가시광선 대역 중 중~고 파장(500~700nm; Green, Red)의 투과율은 유지하면서 저파장 대역 (400~500까지)의 P파 투과율을 향상(90%이상)시켜 R, G, B 투과율을 균일하게 조정하여, 나노 와이어 그리드 편광판의 광학적 특성(휘도, 색좌표) 및 물리/화학적 특성을 증진 시키는데 목적이 있다.
또한, 본 발명의 목적은 종래의 편광판에 비해 파장에 따른 투과율 특성이 개선된 나노 와이어 그리드 편광판 및 그 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 나노 와이어 그리드 편광판은, 투명 기판; 상기 투명 기판 위에 형성된 나노 구조물; 상기 나노 구조물의 적어도 일부를 커버하는 보호층; 상기 보호층의 상부에 형성된 금속 패턴; 상기 금속 패턴의 상부에 형성된 굴절율이 서로 다른 복수의 탑레이어들; 및 상기 탑레이어들 중 최하단에 배치된 제1층과 상기 나노 구조물 및 금속 패턴 사이에 형성된 기공을 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 나노 와이어 그리드 편광판 제조방법은, 투명 기판에 나노 구조물을 형성하는 단계; 상기 나노 구조물 위에 보호층을 증착하는 단계; 상기 보호층 위에 금속 패턴을 형성하는 단계; 상기 금속 패턴 상에 기공이 형성되도록 제1층 탑레이어를 형성하는 단계; 및 상기 제1층 탑레이어 상에 추가 탑레이어를 적층하는 단계; 를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 나노 와이어 그리드 편광판은, 투명 기판; 상기 투명 기판 위에 형성된 나노 구조물; 상기 나노 구조물 위에 형성된 금속 패턴; 상기 나노 구조물 또는 상기 금속 패턴의 적어도 일부를 커버하는 보호층; 상기 보호층의 상부에 형성된 굴절율이 서로 다른 복수의 탑레이어들; 및 상기 복수의 탑레이어들 중 최하단에 배치된 제1층 탑레이어와 상기 보호층 사이에 형성된 기공을 포함한다.
본 발명에 따르면, 나노 와이어 그리드 편광판에 소정의 두께를 갖는 복수의 탑레이어를 형성함으로써 편광 장치의 편광 기능은 유지하면서도 와이어 그리드의 접착성 및 내 스크래치성을 증가시켜 취급성, 일체성, 내구성 및 보관성이 증가되는 효과를 얻을 수 있다.
본 발명에 따르면 와이어 그리드를 구성하는 요소들 위에 PE-CVD, 스퍼터링 및 이베포레이션 공정 등을 이용하여 탑레이어를 형성함으로써 와이어 그리드 편광판의 내부식성, 내화학성, 내마모성, 내열성을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 나노 와이어 그리드 편광판은 파장에 따른 투과율이 균일하게 개선되는 효과가 있다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에 있어서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 이해하고 실시할 수 있도록 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다.
도 2는 본 발명에 따른 광학 시트를 이용한 백라이트 유닛의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
백라이트 유닛은 광원(36), 램프 반사경(37), 도광판(38), 반사판(39)으로 구성된 램프 유닛(60)과 광학 시트(41)로 구성된다.
상기 광학 시트(41)는 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 와이어 그리드 편광판을 포함하는 것으로서, 상기 광학 시트(41)는 빛을 확산시키는 확산 시트, 빛을 집광하는 집광 시트, 또는 빛을 확산시키고 동시에 집광시키는 확산-집광 일체형 시트 등을 더 포함할 수 있다.
광원(36)에서 생성된 광은 램프 반사경(37) 및 반사판(39)에서 반사되어 도광판(38)을 통해 액정 패널(34)로 전달된다. 액정 패널(34)의 상하부에는 각각 상부 편광판(33) 및 하부 편광판(35)이 배치된다. 설명을 위해 램프 유닛(60)으로부터의 광이 광학 시트(41)를 통과하지 않는 부분(31)과 광학 시트를 통과하는 부분(32)으로 나누어 도시하였다.
광학 시트(41)가 설치되지 않은 부분(31)에서는 램프 유닛(60)으로부터의 광은 하부 편광판(35)에 의해, P파 성분만 통과되고, S파 성분은 차단된다. 따라서, 생성된 광의 50% 미만이 액정 패널의 광원으로서 유효하게 사용된다.
광학 시트(41)가 설치된 부분(32)에서는 램프 유닛(60)으로부터의 광이 하부 편광판(35)에 의해 P파 성분만 통과되고, S파 성분은 광학 시트(41)에 의해 반사되어 다시 램프 유닛(60)으로 반사되며, 도광판(38)에 의해 산란되어 편광성이 상쇄된다. 도광판(38)을 통과한 후에 반사판(39)에 의해 다시 반사되어 액정 패널 쪽으로 전달되며, 이때 다시 P파 성분만 통과하고, S파 성분은 반사되어 도광판(38)을 통과하고 반사판(39)에 의해 반사되어 액정 패널 쪽으로 향한다.
도 2에서는 광학 시트가 배치된 부분(32)에서 화살표의 굵기로 광의 세기를 나타내었다. 즉, 1차적으로 램프 유닛(60)에서 나온 광 중 약 절반이 광원으로 사용되고, 나머지 절반의 절반이 다시 광원으로 사용된다. 이와 같이 하여 광의 이용 효율을 높일 수 있게 된다.
도 3a 내지 도 3f는 본 발명의 제1 실시예예 따른 나노 와이어 그리드 편광판의 제조 방법을 나타내는 도면이다. 본 발명의 제1 실시예에 따른 나노 와이어 그리드 편광판은 보호층이 나노 구조물 및 금속 패턴 사이에 위치한다.
도 3a에서, 먼저 투명 기판(101) 위에 나노 구조물(102)을 형성한다. 상기 투명 기판(101)은 투명한 폴리머 기판 또는 얇은 유리 기판을 사용할 수 있다.
상기 나노 구조물(102)은 임프린트 공정 예컨대, 롤투롤(roll-to-roll) 방식 의 임프린트 공정, 스탬프 방식의 임프린트 공정을 이용하여 형성될 수 있다.
상기 나노 구조물(102)은 열 경화성 또는 UV 경화성 수지로 구성될 수 있다.
도 3b에서, 상기 나노 구조물(102) 위에 보호층(103)을 증착한다. 상기 보호층(103)은 폴리머, 불화물, 질화물 또는 산화물로 구성되며, 상기 폴리머는 폴리프로필렌, 아크릴, PVC, 및 파릴렌 중 어느 하나일 수 있으며, 또는 메틸실란, 에틸실란, 메틸트리클로로실란, 디메틸실란, 트리메틸실란, 테트라메틸실란, 트리메틸에톡시실란, 메틸트리에톡시실란, 헥사메틸디실록산, 테트라메틸디실라잔, 헥사메틸디실라, 및 테트라메틸디시록산 등을 축중합 반응하여 생성된 폴리머일 수 있다.
상기 불화물은 BaF2, CaF2, CeF3, LaF3, PbF2, LiF, MgF2, Na3AlF6, NaF, SrF2, 및 YF3 중 어느 하나일 수 있고, 상기 질화물은 AlN, BN, HfN, NbN, Si3N4, TaN, TiN, VN, ZrN 중 어느 하나일 수 있으며, 상기 산화물은 Al2O3, Bi2O3, CaO, CeO, Cr2O3, CuO, Eu2O3, Fe2O3, Ga2O3, GeO2, HfO2, Y2O3, I.C.O, I.T.O, I.Z.O, La2O3, MgO, MnO2, Mn3O4, Nb2O5, Nd2O3, NiO, PbO, Pr6O11, Sb2O3, SiO, SiO2, SixOy, SnO2, Ta2O5, TiO, TiO2, V2O5, WO2 .9, WO3, Yb2O3, ZnO, ZrO2, Y.S.Z, BaTiO3, BaZrO3, LaAlO3, LaGaO3, LiNbO3, Li3PO4, PbTiO3, PbZrO3, SrTiO3 중 어느 하나일 수 있고, 이 중 비전도성 물질을 사용하는 것이 바람직하다.
바람직하게, 상기 보호층(103)의 두께는 3000 Å 이하인 것이 바람직하다.
상기 보호층(103)은 화학기상성장법(chemical vapor deposition, CVD), 스퍼 터링(sputtering), 이베포레이션(evapolation) 등의 방법을 사용하여 증착될 수 있다. 이때, 증착 방법, 증착의 방향 또는 공정 시간 등을 조절하면 상기 보호층(103)의 증착 형태 또는 범위를 변경할 수 있다. 예컨대, 도 3b에서는 보호층(103)이 나노 구조물(102)의 전체 상부면에 균일하게 적층된 것으로 도시하였지만, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 증착이 충분하게 이루어지기 이전에 증착 공정을 종료하면 상기 나노 구조물(102)의 상단부에만 상기 보호층(103)을 증착시킬 수 있다. 이는 증착이 상기 나노 구조물(102)의 상부에서부터 먼저 이루어지기 때문이다.
또는, 스퍼터링 및 이베포레이션 방식을 사용할 경우 증착의 방향을 변화시켜가며 상기 나노 구조물(102)의 일 측면에만 부분적으로 보호층(103)이 증착될 수 있게 형성할 수 있다.
도 3c에서, 상기 보호층(103) 위에 금속층(104)을 증착한다. 상기 금속층(104)은 Al, Ti, Cr, Ag, Ni과 Cr의 합금, 및 Au 중 어느 하나일 수 있다.
금속층의 증착은 스퍼터링 등의 방법을 이용할 수 있으며, 상기 보호층(103) 위에 상기 금속층(104)이 증착됨으로써, 상기 보호층(103)이 상기 금속층(104) 및 상기 나노 구조물(102)을 접착시켜주는 접착층의 역할도 함께하게 된다.
상기 나노 구조물(102) 위에 금속을 증착시키게 되면, 상기 금속층(104) 내에는 금속 입자가 갖는 본질적 특성으로 인해 도 3c에 도시된 바와 같이 보이드(void, 106)를 포함하는 면경계(105)가 형성된다.
상세하게, 도 3c에는 나노 구조물 상에 증착된 금속층 내에 면경계(105)가 형성된 것으로 도시되어 있으며, 특히 와이어 그리드 볼록부 사이의 영역에 위치하는 금속에 면경계(105)가 형성된다.
이러한 면경계들에 의하여 캐리어 전자의 면경계 산란이 커지고, 이에 따라 저항율이 높아지는 것이 일반적이지만, 본 발명의 실시예에서는 상기 금속층(104) 내에 형성되는 경계면(105)은 상기 금속층(104)을 패턴화하기 위한 식각 공정에 이용된다.
즉, 상기 금속층(104) 내에 형성되어 있는 면경계(105) 내에 습식 식각을 위한 반응성 화합물이 유입될 경우에는, 상기 면경계(105)가 발생된 부위를 중심으로 식각율이 높아지게 되고, 따라서 상기 나노 구조물(102) 상에 형성된 금속은 식각률이 상대적으로 작아지게 된다.
상기 습식 식각은 식각액으로서 질산, 인산, 불산 및 초산을 이용하거나 이들의 혼합액을 이용하는 것이 바람직하며, 실시예에 따라 건식 식각을 이용할 수도 있다.
도 3d에 도시된 바와 같이, 상기 식각 공정을 통해 상기 보호층(103) 위에 금속 패턴(104')이 형성된다.
실시예에 따라서는, 금속 패턴(104') 위에 추가 보호층을 도포하여 금속 패턴(104')과 나노 구조물(102) 또는 나노 구조물(102)과 투명 기판(101) 사이의 밀착력을 증가시키는 것도 가능하다.
그리고 나서, 도 3e와 같이 금속 패턴(104') 상에 탑레이어 재료(106)를 증 착한다.
상기 탑레이어 재료(106)로는 폴리프로필렌, 아크릴, PVC, 파릴렌, SiO2, ITO, ZnO, AZO, Al2O3, CrO2, MgO2, IZO, TiO2, Nb2O5, MgF2, SixOy 및 DLC(Diamond like Carbon)중 어느 하나를 사용할 수 있다.
상기 탑레이어 재료(106)를 증착하는 방법으로는 PE-CVD, 스퍼터링, 이베포레이션 중 어느 하나를 사용할 수 있다.
이 때, 도 3d에 도시된 바와 같이, 금속 패턴(104')은 마루 부분과 골 부분이 존재하는데, 금속 패턴의 마루에 해당하는 곳은 하이 에너지 상태, 즉 증착 물질이 증착되기 쉬운 위치이고, 금속 패턴의 골 부분은 로우 에너지 상태, 즉 증착 물질이 증착되기 어려운 위치에 해당한다.
상기 증착 방법들을 사용하여 탑레이어 재료를 증착하면 시간에 따라 증착 두께가 증가하게 되는데, 증착 시간에 따라 증착 물질이 두꺼워지는 속도는 상기 금속 패턴의 마루 부분과 골 부분에 차이가 생기게 된다.
도 4에 도시된 바와 같이, 증착 초기에는 금속 패턴(104')의 표면에 얇게 거의 고르게 형성되지만, 시간이 흐를수록 도 4의 우측에 도시된 바와 같이 금속 패턴(104')의 상부에는 더 많은 증착물이 증착되고, 골 부분에는 증착물 두께의 변화가 거의 없게 된다.
도 3e의 상태에서 증착 시간을 보다 늘려주면, 도 3f와 같이 금속 패 턴(204')의 상부에 증착된 탑레이어 재료들이 서로 연결되면서 탑레이어(107)가 형성된다. 동시에 탑레이어(107)와 상기 나노 구조물(102) 및 금속 패턴(104') 사이에는 기공(108)이 형성되게 된다.
금속 패턴 상의 탑레이어 재료들이 서로 연결될 수 있도록 하는데 소요되는 증착 시간은 증착 방법, 탑레이어 재료, 및 기타 공정 환경에 따라 달라질 수 있다.
또한, 상기 금속 패턴 상의 탑레이어 재료들이 서로 연결되기 위해 상기 금속 패턴 상에 증착되어야 하는 두께도 탑레이어 재료로 어떤 것을 사용하느냐에 따라 달라질 수 있다.
탑레이어 재료(106)로 SiO2를 사용하는 경우에, 금속 패턴(104') 상에 180nm 의 두께 만큼의 탑레이어 재료(106)가 증착될 때부터 탑레이어 재료(106)들이 연결되기 시작하며, 약 300nm 정도로 증착하였을 때 안정된 탑레이어(107)가 형성될 수 있다.
탑레이어(107)가 형성된 뒤에는 도 3f에 도시된 바와 같이 탑레이어(107)의 상면이 평탄하지 않을 수 있으므로, 적절한 연마 가공을 통해 표면을 평탄하게 하는 것이 바람직하다. 연마 가공법으로는 화학 기계적 연마 가공법(CMP)을 사용할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따라 탑레이어(107)와 금속 패턴(104') 및 나노 구조물(102) 사이에 기공(108)이 형성하면서 단일 재료의 탑레이어(107)를 형성하면 기공으로 인해 광특성, 내 스크라치성, 내구성, 작업성 등을 향상시킬 수 있다.
즉, 와이어 그리드 편광판의 금속 패턴 사이사이에 기공을 형성하면, 가시광선 및 준 가시광선에서 분리된 편광된 광선이 불필요하게 변화되지 않고 편광기능은 유지하면서도 내구성, 내스크래치성 및 작업성을 향상시킬 수 있다.
탑레이어(107)가 증착되는 두께는 실시예에 따라 다양하게 변형될 수 있으며, 10Å~ 수㎛ 까지 편광특성과 제품별로 필요한 내구성, 내 스크라치성을 감안하여 조절할 수 있다.
도 5a 및 도 5b는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 와이어 그리드 편광판 제조 방법을 나타낸다.
도 5a 및 도 5b에 도시된 바와 같이 탑레이어 재료(110)의 증착 방향을 경사 방향으로 변형할 수 있다. 즉, 탑레이어 재료(110)가 증착되는 방향을 기판에 대해 경사지도록 하여 탑레이어(111)을 형성할 수 있다.
이와 같이 하면, 기공(112)이 형성되기까지 금속 패턴(104') 상에 증착되어야 하는 탑레이어(111)의 두께를 줄일 수 있다. 즉, 증착 두께를 줄이면서도 기공을 형성하여 내구성을 향상시킬 수 있고, 광특성 및 내구성은 그대로 유지할 수 있다.
탑레이어 재료(110)인 증착 물질이 증착되는 방향은 증착 물질, 증착 방법에 따라 달라질 수 있으며, 각 실시예에 따라 다양하게 변형가능하다.
경사 방향으로 증착하는 방법은 PE-CVD, 스퍼터링 또는 이베포레이션 등의 증착 방법에 따라, 재료를 경사지게 기울이는 방법, 증착 물질이 뿌려지는 방향을 기울이는 방법 등 다양한 방법을 사용할 수 있다.
한편, 전술한 실시예들 의해 형성된 탑레이어(107,110)에 의해서도 저파장 영역(Blue; 400~450nm)의 편광이 원할하게 이루어 지지 않아 액정표시장치에서 사용하기 부적합한 색좌표를 가지는 문제점을 가지고 있다.
도 6은 도 3f에 도시된 나노 와이어 그리드 편광판에서 탑레이어(107)로 SiO2를 200nm 두께로 적층하고, 가시광선 대역에서의 편광된 빛(P파)의 투과율을 측정한 결과를 나타낸다. 도 6에 도시된 바와 같이, 저 파장대역(400~450nm)인 블루 영역에서 편광된 빛(P파)의 투과율이 79~84%로 레드와 그린 영역(500~700nm)의 P파 투과율(평균 90%)보다 약 5~12%정도 낮아지고, 이로 인해 레드, 그린, 블루의 색 혼합이 원할하게 되지 않아 색특성이 좋지 않은 문제점이 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 나노 와이어 그리드 편광판의 금속 요소들의 상부에 형성되는 탑레이어(107,110) 위에 굴절율이 서로 다른 물질을 추가로 적층하여 투과율 특성을 개선할 수 있다.
도 7a와 같이, 도 3f 또는 도 5b의 편광판의 탑레이어(107, 110) 위에 탑레이어와 서로 다른 굴절율을 갖는 제2층 탑레이어(122)를 적층한다. 이하에서는, 가장 아래에 있는 탑레이어를 "제1층 탑레이어"라 하고, 그 위로 적층되는 적층을 순서대로 제2층 탑레이어, 제3층 탑레이어 등으로 명명하기로 한다.
상기의 서로 다른 굴절율을 갖는 복수의 탑레이어를 적층함으로써, 굴절율 변화에 의해 광학적 특성(휘도, 색좌표)을 향상시킬 수 있다. 이때 다층으로 사용 되는 탑레이어로 사용되는 물질의 굴절율은 550nm 파장에서 1.35~2.58까지의 굴절을 갖는 투명한 물질을 사용할 수 있다. 바람직하게는 550nm 파장에서 1.38~2.3까지의 굴절율을 갖는 투명한 물질을 사용할 수 있다. 이러한 물질의 예로는 CaF2 (굴절율 1.35), MgF2(굴절율 1.38), SiO2(굴절율 1.46), TiO2(굴절율 2.3), ZnSe(굴절율 2.58)를 들 수 있다.
그 외에도 상기 다층의 탑레이어의 재료로는 투명재료인 폴리로필렌, 아크릴, PVC, 파릴렌, PEDOT(poly(3,4 ethylenedioxythiophene)), SiO2, ITO, ZnO, AZO, Al2O3, CrO2, MgO, IZO, TiO2, Nb2O5, SixOy, Ta2O5, DLC(Diamond like carbon), MgF2, CeF3, CaF2, BaF2, PbF2, ZnSe, ZnS 중 어느 것을 사용할 수 있다.
또한 상기 탑레이어 재료를 증착하는 방법으로는 CVD(PE-CVD, MO-CVD), Sputtering, Evaporation, ALD(Atomic Layer Deposition)등을 사용할 수 있다. 불화물의 경우에는 이베포레이션을 사용하는 것이 바람직하다.
단, 제1층 탑레이어(107,110)는 금속패턴(104')과 접속되기 때문에, 도전성이 있는 재료를 사용하면 편광특성이 크게 저하될 가능성이 있으므로 도전성이 없는 재료를 사용하는 것이 바람직하다.
또한 복수의 탑레이어들의 층수는 실시예에 따라 달라질 수 있으나, 바람직하게는 8층 이하, 더욱 바람직하게 4층 이하이다. 탑레이어들의 총 두께는 1㎛(1000nm)이하가 바람직하며, 더 바람직하게는 400nm이하이다. 이와 같은 이유는 400nm 이상이면서 4층 이상(5~8층)으로 다층 탑레이어를 형성하기 위해서는 제조 공정이 매우 까다로워지고, 탑레이어 적층으로 인한 P파 투과율이 개선되는 정도가 낮아져 비효율적이기 때문이다.
마지막으로 상기의 다층 탑레이어가 증착되는 층(layer)의 재료의 종류와 층의 수 및 층의 두께는 필요특성과 제작 공정에 따라 아래의 예처럼 사용자가 감안하여 조절할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 도 7a의 나노 와이어 그리드 편광판의 금속패턴(104')의 상부에 제1층 탑레이어(107)로 SiO2를 190~210nm로 증착하고, 제2층 탑레이어(122)로 MgF2를 50~80nm롤 증착한 경우에, 파장에 따른 P파 투과율을 측정하면 도 7b와 같이 된다.
도 7b에 도시된 바와 같이, SiO2 190~210nm + MgF2 50~80nm의 탑레이어를 증착한 경우 블루 영역의 P파 투과율이 도 6의 SiO2를 단일층(200~250nm)의 경우보다 약 8% 이상 증가하였고, 그린 영역의 P파 투과율도 2~3% 증가하여 전체적인 투과율 증가로 인한 휘도가 상승됨을 알 수 있다. 또한, RGB 각각에 따른 P파 투과율의 편차가 5%내외로, 도 6의 경우(12%이하) 보다 P파 투과율 편차가 적어 백색광에 가깝게 향상된다.
도 8a는 3층의 탑레이어들을 적층한 실시예를 나타낸다. 도 8a의 나노 와이어 그리드 편광판의 금속패턴(104')의 상부에 제1층 탑레이어(107)로 SiO2를 190~210nm 두께로 적층하고, 제2층 탑레이어(122)로 MgF2를 50~80nm 두께로 적층하고, 제3층 탑레이어(123)로 SiO2를 50~80nm로 적층한 경우에 파장에 따른 P파 투과율을 측정하면 도 8b와 같이 된다.
도 8b에 도시된 바와 같이, SiO2 190~210nm + MgF2 50~80nm+SiO2 50~80nm의 다층 탑레이어를 적층한 경우 블루 영역의 P파 투과율이 도 6의 단일층 탑레이어 보다 약 12% 정도 증가 하였고, 그린 영역의 P파 투과율도 2~3% 증가하여 전체적으로 투과율이 증가함을 알 수 있다. 또한, RGB 간의 P파 투과율 편차가 3%내외로 도 6의 단일층의 경우(12%이하) 보다 RGB의 P파 투과율 차가 적어 백색광에 가깝게 향상된다.
도 9는 본 발명의 또 다른 실시예로서, 총 4층의 탑레이어(107,122,123,124)를 증착한 경우를 나타낸다. 이 때, 각 층의 재료는 전술한 재료들 중 임의의 것을 사용하여도 무방하지만, 바람직하게는 제1층 탑레이어(107)로는 SiO2, 제2층 탑레이어(122)로는 MgF2, 제3층 탑레이어(123)로는 SiO2, 제4층 탑레이어(124)로는 MgF2를 사용할 수 있다.
도 10a 내지 도 10f는 본 발명의 다른 실시예에 따른 나노 와이어 그리드 편광판의 제조 방법을 나타내는 도면이다. 본 실시예에 따른 나노 와이어 그리드 편광판은 나노 구조물(202) 위에 금속 패턴(204')을 형성하고, 상기 나노 구조물(202) 또는 상기 금속 패턴(204')의 적어도 일부를 커버하도록 상기 보호층(203)을 형성한다.
도 10a와 같이, 투명 기판(201) 위에 나노 구조물(202)을 형성한다. 상기 나노 구조물(202)은 임프린트 공정 예컨대, 롤투롤(roll-to-roll) 방식의 임프린트 공정, 스탬프 방식의 임프린트 공정을 이용하여 형성될 수 있다.
도 10b와 같이, 상기 나노 구조물(202) 위에 금속층(204)을 증착한다. 상기 증착은 스퍼터링 방식 등을 이용할 수 있으며, 이때 상기한 바와 같이 금속층(204) 내에는 금속 입자가 갖는 본질적 특성으로 인해 보이드(void, 206)를 포함하는 면경계(205)가 형성된다.
도 10c와 같이, 상기 도 3a 내지 도 3f에 도시된 실시예에서와 동일한 방식을 이용하여 상기 금속층(204)을 패터닝하여 금속 패턴(204')을 형성한다.
다음으로, 상기 금속 패턴(204') 또는 상기 나노 구조물(202)의 적어도 일부분에 보호층(203)을 형성한다. 상기 보호층(203)은 화학기상성장법(chemical vapor deposition, CVD), 스퍼터링(sputtering), 이베포레이션(evapolation) 등의 방법을 사용하여 증착될 수 있다.
이때, 증착 방법, 증착의 방향 또는 공정 시간 등을 조절하면 상기 보호층(203)의 증착 형태 또는 범위를 변경할 수 있다. 예컨대, 도 10d에서는 보호층(203)이 나노 구조물(202) 또는 금속 패턴(204')의 전체 상부면에 균일하게 적층된 것으로 도시하였지만, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 증착이 충분하게 이루어지기 이전에 증착 공정을 종료하면 상기 금속 패턴(204')의 상단부에만 상기 보호층(203)을 증착시킬 수 있다. 이는 증착이 상기 금속 패턴(204')의 상부에서부터 먼저 이루어지기 때문이다.
바람직하게, 상기 보호층(203)의 두께는 3000 Å 이하인 것이 바람직하다.
또한, 실시예에 따라서는 도 10b에서, 금속 패턴(204')을 적층하기 전에 추가 보호층을 적층하여 금속 패턴(204')과 나노 구조물(202) 간의 밀착력을 더욱 증가시킬 수도 있다.
그리고 나서, 도 10e와 같이 금속 패턴(204') 상에 탑레이어 재료(206)를 증착한다.
도 10e의 상태에서 증착 시간을 보다 늘려주면, 도 10f와 같이 금속 패턴(204')의 상부에 증착된 탑레이어 재료들이 서로 연결되면서 탑레이어(207)가 형성된다. 동시에 탑레이어(207)와 상기 나노 구조물(202) 및 금속 패턴(204') 사이에는 기공(208)이 형성되게 된다.
도 10f의 편광판에 도 7a, 도 8a, 도 9와 같이 추가 탑레이어(122,123,124)를 적층할 수 있다.
도 1a 및 도 1b 는 종래의 액정표시장치를 구성의 나타낸 단면도이다.
도 2는 본 발명에 따른 광학 시트를 이용한 백라이트 유닛의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 3a 내지 도 3f는 본 발명의 제1 실시예예 따른 나노 와이어 그리드 편광판의 제조 방법을 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명에 따른 탑레이어 형성 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 5a 및 도 5b는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 와이어 그리드 편광판 제조 방법을 나타낸다.
도 6은 도 3f에 도시된 나노 와이어 그리드 편광판에서 P파의 투과율을 측정한 결과를 나타낸다.
도 7a는 본 발명의 일 실시예에 따라 2층의 탑레이어를 적층한 예를 나타내고, 도 7b는 그 P파 투과율을 나타낸다.
도 8a는 본 발명의 일 실시예에 따라 3층의 탑레이어들을 적층한 실시예를 나타내고, 도 8b는 그 P파 투과율을 나타낸다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따라 4층의 탑레이어들을 적층한 실시예를 나타낸다.
도 10a 내지 도 10f는 본 발명의 제2 실시예에 따른 나노 와이어 그리드 편광판의 제조 방법을 나타내는 도면이다.
※ 도면의 주요 부분에 대한 설명 ※
101, 201 : 투명 기판 102, 202 : 나노 구조물
103, 203 : 보호층 104, 204 : 금속층
105, 205 : 면경계 106, 206 : 탑레이어 재료
107, 207 : 제1층 탑레이어 108, 208 : 기공
122,123,124 : 제2,3,4층 탑레이어

Claims (16)

  1. 투명 기판;
    상기 투명 기판 위에 형성된 나노 구조물;
    상기 나노 구조물의 적어도 일부를 커버하는 보호층;
    상기 보호층의 상부에 형성된 금속 패턴;
    상기 금속 패턴의 상부에 형성된 굴절율이 서로 다른 복수의 탑레이어들; 및
    상기 탑레이어들 중 최하단에 배치된 제1층 탑레이어와 상기 나노 구조물 및 금속 패턴 사이에 형성된 기공;
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 나노 와이어 그리드 편광판.
  2. 투명 기판;
    상기 투명 기판 위에 형성된 나노 구조물;
    상기 나노 구조물 위에 형성된 금속 패턴;
    상기 나노 구조물 또는 상기 금속 패턴의 적어도 일부를 커버하는 보호층;
    상기 보호층의 상부에 형성된 굴절율이 서로 다른 복수의 탑레이어들; 및
    상기 복수의 탑레이어들 중 최하단에 배치된 제1층 탑레이어와 상기 보호층 사이에 형성된 기공;
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 나노 와이어 그리드 편광판.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 복수의 탑레이어 각각은 폴리로필렌, 아크릴, PVC, 파릴렌, PEDOT(poly(3,4 ethylenedioxythiophene)), SiO2, ITO, ZnO, AZO, Al2O3, CrO2, MgO, IZO, TiO2, Nb2O5, SixOy, Ta2O5, DLC(Diamond like carbon), MgF2, CeF3, CaF2, BaF2, PbF2, ZnSe, ZnS 중 하나이고, 제1층 탑레이어는 상기 재료들 중 도전성이 없는 재료로 구성된 나노 와이어 그리드 편광판.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 복수의 탑레이어 각각은 550nm 파장에서 1.38~2.58의 굴절율을 갖는 투명 재료로 구성된 나노 와이어 그리드 편광판.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 복수의 탑레이어는 2층이고,
    제1층은 190~210nm 두께의 SiO2이고, 제2층은 50~80nm 두께의 MgF2인 나노 와이어 그리드 편광판.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 복수의 탑레이어는 3층이고,
    제1층은 190~210nm 두께의 SiO2이고, 제2층은 50~80nm 두께의 MgF2이고, 제3층은 50~80nm 두께의 SiO2인 나노 와이어 그리드 편광판.
  7. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 복수의 탑레이어의 총 두께는 10~1000nm인 나노 와이어 그리드 편광판.
  8. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 보호층은 폴리프로필렌, 아크릴, PVC, 파릴렌, SiO2, ITO, ZnO, AZO, Al2O3, CrO2, MgO2, IZO, TiO2, MgF2, SixOy 및 Nb2O5 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 나노 와이어 그리드 편광판.
  9. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 복수의 탑레이어층은 상기 금속 패턴 상에 증착된 증착 물질이 성장하여 서로 연결된 것을 특징으로 하는 와이어 그리드 편광판.
  10. 투명 기판에 나노 구조물을 형성하는 단계;
    상기 나노 구조물 위에 보호층을 증착하는 단계;
    상기 보호층 위에 금속 패턴을 형성하는 단계;
    상기 금속 패턴 상에 기공이 형성되도록 제1층 탑레이어를 형성하는 단계; 및
    상기 제1층 탑레이어 상에 추가 탑레이어를 적층하는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 나노 와이어 그리드 편광판 제조방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 나노 구조물 위에 보호층을 증착하는 단계는, 상기 나노 구조물의 적어도 일부를 커버하도록 상기 보호층을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 나노 와이어 그리드 편광판 제조 방법.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 보호층 위에 금속 패턴을 형성하는 단계는,
    상기 보호층 위에 금속층을 증착하는 단계; 및
    상기 금속층의 일부를 식각하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 나노 와이어 그리드 편광판 제조 방법.
  13. 제10항에 있어서,
    상기 탑레이어를 형성하는 단계는,
    상기 금속 패턴 상에 탑레이어 재료를 성장시키는 단계;
    상기 성장된 탑레이어 재료들이 서로 연결되어 탑레이어를 형성하는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 와이어 그리드 편광판 제조 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 금속 패턴상에 탑레이어 재료를 성장시키는 단계는,
    상기 탑레이어 재료를 PE-CVD, 스퍼터링, 이베포레이션 중 어느 하나로 증착하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 와이어 그리드 편광판 제조 방법.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 탑레이어를 형성하는 단계는,
    상기 탑레이어 재료를 경사 증착하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 와이어 그리드 편광판 제조 방법.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 탑레이어의 상면을 연마 가공하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 와이어 그리드 편광판 제조 방법.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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EP3023821A1 (en) * 2014-11-20 2016-05-25 Samsung Display Co., Ltd. Wire grid polarizer, display device including the same and method for fabricating the same

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