KR20140107384A - 신장 가능한 및 변형 가능한 광학 소자의 제조방법 및 이에 의해 얻어진 소자 - Google Patents

Abstract

완전히 또는 부분적으로 반사성인 신장 가능한 및 변형 가능한 광학 소자의 제조방법으로서, 하나 이상의 금속, 이들의 합금, 이들의 산화물 또는 이의 혼합물 중에서 선택된 재료의 중성 나노클러스터를 탄성 지지체의 적어도 한 표면에 "클러스터 빔 삽입(Cluster Beam Implantation)" 기술에 의해 삽입하여, 가능하게는 상기 소자의 표면에서 드러나는 나노복합 층을 상기 지지체에서 얻는 단계를 포함하고, 상기 삽입이, 상기 탄성 지지체의 표면에 상기 나노클러스터를 균일하게 삽입하고, 여기서 상기 표면은: 제조하고자 하는 광학 소자의 프로파일에 본질적으로 상응하는 성형 프로파일을 가지거나; 상기 탄성 지지체의 편평한 표면에 상기 나노클러스터를 선택적으로 삽입하거나; 또는 상기 탄성 지지체의 표면에 상기 나노클러스터의 제1 층을 균일하게 삽입한 다음 얻어진 제1 나노클러스터 층 상에 상기 나노클러스터의 제2 층을 선택적으로 삽입함으로써, 일어나는 것인 방법이 기술된다.

Description

신장 가능한 및 변형 가능한 광학 소자의 제조방법 및 이에 의해 얻어진 소자{METHOD FOR THE PRODUCTION OF STRETCHABLE AND DEFORMABLE OPTICAL ELEMENTS, AND ELEMENTS THUS OBTAINED}

본 발명은 일반적으로 신장 가능한 및 변형 가능한 광학 소자의 제조방법에 관한 것이며, 구체적으로는, 완전히 또는 부분적으로 반사성인 신장 가능한 및 변형 가능한 광학 소자의 제조방법에 관한 것이며, 더 구체적으로는, 신장 가능한 및 변형 가능한 반사성 회절 격자에 관한 것이다. 본 발명은 또한 이에 의해 얻어진 신장 가능한 및 변형 가능한 광학 소자에 관한 것이다.

신장 가능한 및 변형 가능한 광학 소자는 인장 또는 압축 변형률에 따른 그 형태의 변경에 의해 그 광학적 특성이 변화하는 능력을 특징으로 한다. 이러한 요소들은 또한 형태가 매우 잘 정합될 수 있어서(conformable) 복잡한 형태 및 곡면으로 변형되거나 표면에 적용 가능한 특징을 갖는다. 이러한 광학적 요소의 예로는 신장 가능한 및 변형 가능한 회절 격자, 거울, 필터, 조정 가능한(tunable) 거울, 근접 필드 이미징 장치, 광 스캐너, 브로드밴드 빔 스플리터 또는 고반사형 브래그 반사기(DBR), 광 마이크로공진기(optical microcavities) 또는 이의 조합이 있다.

신장 가능한 및 변형 가능한 거울은, 예를 들면, 광수차(optical aberration)를 교정하기 위하여, 추가의 거울이나 렌즈를 사용하지 않고, 초점거리를 변화시키거나 임의의 입사파면을 잘 정의된 복잡한 형태로 변경하는 것을 필요로 하는 모든 분야에 활용될 수 있다. 하나의 예는 적응광학(adaptive optic, AO)에의 응용(Jen-Liang Wang et al., ETRI Journal, 29, 817, 2007)이다. 탄성 간섭계 필터는 상쇄 간섭을 만나는 파장에 동조하기 위하여 엘라스토머의 두께를 변화시킬 수 있다(B. Grzybowski, et al. Sensors and Actuators A, 86, 81, 2000).

신장 가능한 및 변형 가능한 광학 소자의 특별한 관심 분야는 회절 격자로서 이러한 응용의 중요성에 기인하며, 이후의 설명은 주로 이러한 소자를 참조하여 이루어진다. 그러나, 본 발명의 가르침은 상술한 임의의 종류의 광학 소자에 적용될 수 있는 것으로 의도된다.

회절 격자는 빛을 스펙트럼으로 분해하기 위한 목적으로, 근접하여, 동일 간격으로, 평행한 특징의 주기적 구조가 형성된 표면으로 구성된 광학 소자이다. 주기적 구조는 일반적으로 기판 상의 슬릿, 그루브, 엣지 또는 반사선으로 만들어지며, 이는 빛을 서로 다른 방향으로 진행하는 다수의 빔으로 나누고 회절시킨다. 이러한 빔의 방향은 (두 개의 연속된 특징 사이의 거리로 정의되는) 격자의 간격과 빛의 파장에 의존하며 격자는 분산 소자로 동작한다. 이 때문에, 회절 격자는 단색광 분광기(monochromator) 및 분광계(spectrometer)에서 일반적으로 사용된다.

회절 격자는 투명한지 거울형인지, 즉 투명 기판 상에 제조되었는지 기판 상에 증착된 금속 박막 상에 제조되었는지에 따라 투과형 또는 반사형으로 지칭된다. 투과형 격자에서 주기적 구조는 (예를 들면 유리 BK-7, 석영 등과 같은) 투명 기판 상에 제조되며, 입사광은 장치를 통과하여 입사 면 반대쪽의 격자 면에서 회절된다. 반사형 격자는 동일한 성질의 기판 상에 투과형 격자와 동일한 방법으로 형성되지만, 이 경우에는 격자의 두 면 중 한쪽 면에 반사 코팅이 증착된다. 입사광 빔은 반사되어 입사 빔과 동일한 면에서 분산된다. 반사 격자는, 다시, 입사광의 100%(또는 이에 근접)가 반사되는지 또는 입사광의 일부가 입사광 면에 반대되는 격자 면에서 회절되는지에 따라, 완전히 또는 부분적으로 반사형인 종류일 수 있다.

반사형 격자는 또한 평면형 또는 오목형으로 나누어질 수 있으며, 후자는 가상의 평평한 표면 상의 평행한 등간격 선이 투사된 선으로 채워진 곡면이다. 평면형 격자에 대한 오목형 격자의 이점은 렌즈나 추가의 거울 없이 뚜렷한 스펙트럼 선을 얻을 수 있는 점이다.

본 발명의 목적에 비추어 특별히 관심이 있는 것은 평면형 또는 곡면형 모두의 반사형 회절 격자이며, 이하에서 자세하게 설명된다.

반사형 회절 격자에서, 주기적 구조를 갖는 표면은 알루미늄, 은, 금 또는 백금과 같은 금속 중에서 선택된 금속 박막으로 코팅된다. 가장 널리 사용되는 코팅 기술 중의 하나는 금속 증착(evaporation)이다. 반사형 회절 격자와 같은 광학 소자의 표면에 금속층을 증착하는 공정은 또한 광학 소자의 "금속화"로 지칭된다.

최근에는, 그 광학 특성을 조정할 수 있는 특징 때문에 조정 가능한(tunable) 회절 격자에 대한 관심이 늘어나고 있다. 회절 격자는 주기적인 회절 구조의 열 간격을 변화시킴에 의해 조정될 수 있으며, 열 간격의 변화는 고정된 각에서 회절되는 빛의 파장의 변화를 결정한다. 입사 광의 다른 광학 요소는 기계적인 변형에 의해 신장 가능한 및 변형 가능한 격자의 피치를 변경함으로써 다른 각도에서 회절될 수 있다. 피치가 고정된 강성 격자에서는, 회절된 방사의 다른 차수를 연구하기 위해서는 다른 피치를 갖는 다른 격자를 사용하여야만 한다. 신장 가능한 및 변형 가능한 격자에서는, 기계적 변형을 인가함으로써 피치가 연속적으로 변화될 수 있다.

회절 주기 구조 간격의 변화는 장치의 지지체를 제조하는 데 변형 가능한 물질, 예를 들면, 엘라스토머를 사용함으로써 얻어질 수 있다. 그 위에 격자가 제조되는 변형 가능한 물질의 형태의 변화는 회절 주기 구조의 피치의 변경을 결정한다. 이는 격자의 분산 특성을 변경하는 데 활용될 수 있다(예를 들면, B. A. Grzybowski et al., "Beam redirection and frequency filtering with transparent elastomeric diffractive elements", Applied Optics (1999), Vol. 38, No. 14, page 2997; Bartosz A. Grzybowski et al ., "Thermally actuated interferometric sensors based on the thermal expansion of transparent elastomeric media", Review of Scientific Instruments, Vol. 70, Pag. 2031, Year 1999; Steven Chin Truxal, et al ., "Design of a MEMS Tunable Grating for Single Detector Spectroscopy", International Journal of Optomechatronics, Vol. 2, Pag.75, Year 2008; M. Aschwanden et al., "Polymeric, electrically tunable diffraction grating based on artificial muscles", Optics Letters, Vol. 31, Pag. 2610, Year 2006 참조). 특히, 격자를 그루브 방향에 직각인 방향으로 신장시키면, 피치 거리(격자를 구성하는 주기적 구조의 두 피크 사이의 거리)는 증가하며, 이에 따라 주어진 회절 차수에서 출사광 빔의 회절각이 격자 평면에 수직인 방향에 대해 줄어든다. 탄성 격자를 회절 그루브와 동일한 방향으로 신장시킴으로써 격자 기판의 푸아송 비(Poisson ratio)로 인한 선 사이의 피치 거리 감소를 활용하여 입사광을 더 큰 각도로 회절시키는 것이 가능하다.

조정 가능한 탄성 격자의 사용은 고상 레이저 및 그의 섬유 광학 시스템과의 결합에서 출력 파장의 조정을 위하여(예를 들면, S. C. Truxal et al. International Journal of Optomechatronics 참조) 또는 광 스캐너의 제조를 위하여(예를 들면, A. N. Simonov et al ., Optics Letters 30, 949, 2005 참조) 소형화된 간섭계를 요구하는 많은 응용에서 바람직한 것이 문헌에서 나타나 있다.

유용하고 신뢰성 있는 격자를 위한 중요한 파라미터는 입사광 세기에 대한 측정되는 차수로 회절되는 단색광의 세기의 비로 정의되는 광 회절의 효율이다. 입사광 세기가 낮으면, 모든 회절광을 하나의 주어진 회절 차수로 집중시키는 것이 유용하다. 이러한 목적을 위하여 주기적 구조 내의 특별한 기하학적 프로파일을 갖는 격자가 있으나, 이러한 특별한 격자의 효율은 제한된 파장 범위에 대해 최적화되어 있다. 가시 스펙트럼의 넓은 범위에 대한 고효율은 예를 들면, 그루브의 높이와 피치 거리 사이의 비를 변경하는 것과 같이 격자의 주기적 구조의 기하를 변경시킴으로써 얻어질 수 있다. 이는 기계적 변형을 겪는 신장 가능한 및 변형 가능한 반사성 격자의 사용에 의해 얻어질 수 있는데, 이러한 종류의 투명한 격자가 이용 가능하지만, 이들이 위치한 광학 시스템의 동작 중에 수차를 일으키는 것으로 알려져 있어 이러한 소자의 질은 만족스럽지 않다.

그 위에 이러한 반사형 회절 격자가 제조되는 기판의 높은 형태부합성(conformality) 및 신축성으로 인하여, 이들은 복잡한 비평면 표면(예를 들면, 실린더 또는 구형, M. Kolle, et al., Optics Express 18, 4356, 2010)으로 변경되거나 적용될 수 있어, 추가적인 거울이나 렌즈의 사용 없이도 입사광을 회절하고 입사광 빔의 임의의 파면을 회절광 빔의 잘 정의된 파면으로 변경한다. 이는, 예를 들면, 단일 광학 소자를 사용한 (예를 들면 광학 수차의 정정을 위한) 파면의 변경 및/또는 회절된 광 빔의 집중에 유용하다.

신장 가능한 및 변형 가능한 반사성 회절 격자는 여러 기술을 이용해 제조될 수 있다.

반사성 회절 격자를 제조하기 위해서는 성형된 탄성 격자의 광활성 표면에, 예를 들면 반사성 금속(예를 들면 Ag, Al, Au ... )으로 상기 표면을 금속화하는 것과 같이, 거울과 같은 반사층을 코팅하거나 심는 것이 필요하다. 많은 가능한 금속화 기술 중에서, 가장 널리 사용되는 것 중 하나는 금속 증착(metal evaporation)이다. 금속 증착의 특별한 예에서, 이를 통과하는 고전류에 의한 줄 효과(Joule effect)에 의해 가열되는 용광로 내에 금속을 넣는다. 금속의 녹는 점에 이르면, 그 원자는 고진공 챔버 내로 증발되고 직선으로 이동하여 결과적으로 용광로 앞에 고정된 기판에 부착된다. 이 기술은 기판의 표면에 금속층을 얻는 것을 허용한다. 금속 증착은 광학 응용을 위한 코팅 기술로 널리 사용되고 있지만, 이 분야의 기술자에게 알려진 바와 같이, 제조된 금속층의 강성(rigidity) 때문에 변형 가능한 기판(그리고 특히 신장 가능한 기판)에는 적절하지 않다. 또한, 이 분야의 기술자에게 알려진 바와 같이, 증착된 금속층은 탄성 기판에 낮은 접착성을 가져, 탄성 기판의 변형 도중에 금속층의 박리 및/또는 파손을 일으키며, 증착 공정 동안 기판이 상당히 가열되므로 결과적으로 공정 내에서 사용되는 폴리머 기판의 변형을 일으키게 된다. 이러한 접근법의 다른 문제는 기판 상의 금속 박막의 표면장력이 소자의 광학 특성을 손상시키는 탄성 기판 내의 휨 및 주름의 형성을 일으킨다는 것이다(예를 들면, J. Genzer, J. Groenewold, Soft Matter, Vol. 2, Pag. 310, Year 2006 참조).

이 분야의 기술자에게 알려진 바와 같이, 이는 금속 증착 공정에 개입되는 많은 단점 중 몇몇에 불과하다.

탄성 격자 구조를 제조하는 다른 접근법은, 강성 격자를 복제하고, 이를 액체 금속(수은 또는 갈륨)으로 덮고, 소자를 탄성 재료의 층으로 덮어 액체 금속을 도드라지게 하는 것이다. 이 소자는 신장 가능하고 형태 정합적이며, 광학 특성의 손상이 관찰되지 않지만, 주입된 액체 금속의 무게가 그루브 구조의 변형을 일으켜 이러한 소자의 성능에 부정적인 영향을 준다(예를 들면, Wilbur et al., Chem. Mater., 1996, 8, 1380-1385 참조).

유사한 단점이 DBR, 거울 또는 간섭계 필터와 같은 다른 신장 가능한 및 변형 가능한 광학 소자의 제조에서 나타난다.

따라서 본 발명의 과제는 상술한 종래 기술의 단점을 극복할 수 있는 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 상기 방법에 의해 제조되는 신장 가능한 및 변형 가능한 광학 소자, 특히 회절 격자를 제공하는 것이다.

이러한 과제는, 본 발명에 따르면, 완전히 또는 부분적으로 반사성인 신장 가능한 및 변형 가능한 광학 소자의 제조방법으로서, 하나 이상의 금속, 이들의 합금, 이들의 산화물 또는 이의 혼합물 중에서 선택된 재료의 중성 나노클러스터를 탄성 지지체(elastomeric support)의 적어도 한 표면에 "클러스터 빔 삽입(Cluster Beam Implantation)" 기술에 의해 삽입하여, 가능하게는 상기 소자의 표면에서 드러나는 나노복합 층을 상기 지지체에서 얻는 단계를 포함하고, 상기 삽입이

- 상기 탄성 지지체의 표면에 상기 나노클러스터를 균일하게 삽입하고, 여기서 상기 표면은 제조하고자 하는 광학 소자의 프로파일에 본질적으로 상응하는 성형 프로파일을 가지거나; 또는

- 상기 탄성 지지체의 편평한 표면에 상기 나노클러스터를 선택적으로 삽입하거나; 또는

- 상기 탄성 지지체의 표면에 상기 나노클러스터의 제1 층을 균일하게 삽입한 다음 얻어진 제1 나노클러스트 층 상에 상기 나노클러스터의 제2 층을 선택적으로 삽입함으로써,

일어나는 것인 방법에 의해 얻어진다.

본 명세서 및 청구범위에서 사용된 바와 같이, "나노복합 층"의 용어는 탄성 지지체 내에 삽입된 금속, 합금, 또는 산화물의 나노클러스터로 형성된 복합 층을 의미한다.

본 발명은 이하에서 도면을 참조하여 자세히 설명된다.
도 1은 본 발명의 제1 구현예에 따른 격자의 탄성 지지체의 준비 단계를 나타낸다.
도 2는 나노클러스터 제조 및 삽입을 위한 본 발명의 방법을 수행하는 가능한 시스템을 나타낸다.
도 3은 제조의 다른 단계들에서 본 발명의 신장 가능한 및 변형 가능한 격자의 개략 단면도이다.
도 4는 본 발명의 제2 구현예에 따른 격자의 탄성 지지체의 준비 단계를 나타낸다.
도 5는 격자의 광학 특성의 평가 시스템을 개략적으로 나타낸다.
도 6은 본 발명의 격자에 의해 회절된 광 스팟을 나타낸다.
도 7은 신장 상태의 본 발명의 격자의 광학 특성의 우수한 품질을 나타내는 그래프이다.
도 8은 종래 기술의 탄성 격자에 의해 회절된 광 스팟을 나타낸다.
도 9는 신장 상태의 종래 기술의 격자의 광학 특성의 상대적으로 나쁜 품질을 나타내는 그래프이다.
도 10은 본 발명의 격자의 품질의 측정결과를 나타내는 두 그래프로서, 각각 첫번째 신장 사이클(a) 및 1000번째 신장 사이클(b)을 나타낸다.
도 11은 원래의 노출된 탄성 지지체, 발명의 격자 및 종래 기술의 격자의 높이지도 및 원자힘 현미경에 의해 촬영된 이러한 샘플 표면의 프로파일 그래프를 나타낸다.
도 12는 도 11에서 측정된 동일한 격자의 품질의 측정결과를 제공하는 히스토그램이다.
도 13은 신장 후의 본 발명의 격자와 종래 기술의 격자의 표면의 광학 현미경 사진이다.
도 14는 본 발명의 다른 격자의 마이크로현미경 사진이다.
도 15는 스퀘어 패턴의 반사 도트를 갖는 본 발명의 격자의 광 회절 패턴을 나타낸다.
도 16은 평평하지 않은 표면에 적용된 본 발명의 격자의 회절 특성을 개략적으로 나타낸다.
도 17은 본 발명의 두 다른 광학 소자를 포함하는 시스템의 광학 특성을 개략적으로 나타낸다.

본 발명의 방법으로, 격자, 거울, 간섭계 필터, 빔 변조기, 근접 필드 이미징 장치 또는 상기 장치들의 조합과 같은 완전히 또는 부분적으로 반사성인 신장 가능한 및 변형 가능한 다양한 광학 소자를 제조할 수 있다. 특히 신장 가능한 및 변형 가능한 반사성 회절 격자의 중요성에 기인하여, 이하의 설명에서는 이러한 소자를 참조하여 설명하였지만, 이 가르침은 임의의 종류의 완전히 또는 부분적으로 반사성인 신장 가능한 및 변형 가능한 다양한 광학 소자의 제조에 적용될 수 있다.

특히, 이 방법은 적어도 25%에 이르는 신장을 견딜 수 있으며, 이는 그 결과로서 입사광 회절 능력을 유지하면서 동일한 양으로 피치 거리를 변화시키는 신장 가능한 및 변형 가능한 반사성 격자를 제조할 수 있게 한다. 신장 가능한 및 변형 가능한 반사성 격자는 임의의 복잡한 형태를 갖거나 이에 적용될 수 있으며, 그 부분 중 하나 이상이 탄성 폴리머로 이루어진다.

바람직하게는 신장 가능한 및 변형 가능한 반사성 격자는 수 마이크로미터에서 수 밀리미터 범위의 두께를 갖는 탄성 지지체에 의해 구성된다.

본 발명에서 사용될 수 있는 탄성 폴리머의 실례로는 폴리실록산(polysiloxane)(즉, 실리콘 폴리머), 실리콘 고무, 라텍스, 열가소성 엘라스토머, 포토레지스트, 폴리우레탄, 폴리아미드, 폴리이미드, 플루오로폴리머(fluoropolymer), 폴리비닐 피롤리돈, 폴리에틸렌 글리콜, 폴리에틸렌 옥사이드, 폴리비닐 알코올 및 하이드로겔을 포함하지만, 이에 제한되지 않는다. 바람직한 탄성 폴리머는 폴리디메틸실록산(PDMS)이다.

광학 소자 표면에서 나노복합 층이 드러나는 조건은 선택된 탄성 폴리머의 성질이 필수적이거나 이에 의존하는 것은 아니다. 예를 들면 PDMS와 같은 투명한 폴리머를 사용하면, 상기 조건은 필수적이지 않다. 이러한 폴리머에서, 나노복합 층이 탄성 지지체의 표면 아래로 완전히 매립되더라도, 나노복합 층이 상기 표면에 매우 가깝다는 사실(일반적으로 상기 표면 아래로 1μm보다 깊지 않음)을 감안하면 광학 소자는 어쨌든 완전히 또는 부분적으로 반사성 소자로서의 바라는 기능을 충족한다. 한편, 탄성 폴리머가 투명하지 않은 경우, 바라는 반사성을 얻기 위해서는 원하는 나노복합 층이 반드시 필수적으로 소자의 표면에 드러나야 한다.

신장 가능한 및 변형 가능한 반사성 격자는 본 발명의 두 주요한 구현예에 따라 제조될 수 있다. 제1 구현에에서, 제조될 격자와 본질적으로 동일한 표면 기하를 갖는 탄성 지지체가 먼저 제공되며, 이러한 종류의 지지체는 이하에서 "성형 지지체"로 지칭된다. 다음 이 성형 지지체의 격자형태 표면의 10nm 내지 1μm 사이의 침투 깊이에 이르는 표층(superficial layer)에 나노클러스터가 균일하게 삽입된다. 제2 구현예에서는, 나노클러스터가 삽입되는 탄성 지지체의 표면이 최종 격자와 유사한 프로파일을 갖지 않으며, 격자는 마스크를 이용하여 상기 표면의 선택된 영역에만 나노클러스터를 국부적으로 삽입하는 것에 의해 얻어진다.

본 발명의 제1 구현예에 따르면, 예를 들면, 이 분야의 기술자에게 알려진 바와 같이 미리 제조된 몰드("마스터"라고도 지칭된다)를 이용하는 표준 성형/엠보싱 기술을 사용하여, 탄성 지지체의 하나 이상의 면에 주기적인 격자 구조가 제조된다.

본 발명의 방법의 제1 단계가 도 1을 참조하여 이하에서 설명된다.

선택된 탄성 폴리머의 액상 전구체(간단히 "액상 폴리머"라 한다)가 제공된다. 비커(101)에 담긴 액상 폴리머가, 사용 전에, 거품과 이에 따라 최종 제품의 결함의 형성을 가져올 수 있는 임의의 기체를 액체로부터 배출하기 위하여, 바람직하게는 진공 챔버에 배치된다. 도면의 윗부분에 도시된 바와 같이, 이와 같이 얻어진 액상 폴리머(102)를 강성 격자(103)의 그루브가 생성된 표면에 붓는다. 강성 격자(103)는 성형 탄성 격자(105)의 두께의 비균일성을 피하기 위해 평평하게 된 평면(104)에 수평으로 유지된다. 강성 격자는 예를 들면, 전형적인 평면 강성 회절 격자일 수 있으며, 본 발명에서 사용될 수 있는 강성 격자는 10 내지 20000 lines/mm 범위의 그루브 밀도를 가질 수 있다. 성형 탄성 격자의 두께는 강성 격자(103) 위에 증착된 액상 폴리머의 양에 의존하며, 임의로 변할 수 있지만, 적어도 강성 격자의 전체 표면을 덮어 얻어진 성형 탄성 격자(105)가 연속적인 형태를 이루도록 해야 한다. 이제 액상 폴리머는 중합된다, 즉, (선택된 폴리머에 따라) 이 분야의 기술자에게 알려진 임의의 방법에 의해서 가교결합되거나(cross-linked) 경화된다(cured). 액상 폴리머가 가교결합을 위해 라디칼 화합물(radicalic compound)과 같은 경화촉매제의 첨가를 요구하는 경우, 이는 배출 단계 이전에 적절한 비율로 액상 폴리머에 첨가될 수 있다. 액상 폴리머의 가교결합을 일으키는 다른 공지의 방법은 열 또는 UV 경화가 있다. 중합 이후에, 고무와 같은 양상을 갖는 성형 탄성 격자(105)가 얻어지며 강성 격자(103)로부터 제거될 수 있다. 제거 공정은 예를 들면 강성 격자(103)로부터 성형 격자(105)를 코너와 바깥쪽 가장자리(106)로부터 족집게(107)를 이용하여 매우 천천히 분리하는 것에 의해 수행될 수 있다. 이 단계는 도면의 중간 부분에 개략적으로 도시되어 있다. 도면의 아래쪽에 도시된 바와 같이, 애초에 강성 격자와 접촉하고 있던 성형 탄성 격자의 표면(108)은 강성 격자의 주기적 구조를 정확하게 재현한다.

본 발명의 제1 구현예에 따른 제2 단계에서는, 본 발명에 따른 광학 소자를 제조하기 위하여, 제1 단계에서 얻어진 탄성 지지체 상에 반사층을 제조한다. 종래기술의 코팅 방법과는 달리, 상기 반사층은 전기적으로 중성인 "나노클러스터"를 폴리머 내에 직접 삽입(implant)함으로써 얻어진다.

"나노클러스터"의 용어는 수 개의 유닛으로부터 수천까지의 범위의 다수의 원자에 의해 구성되며, 수 옹스트롬에서 수백 나노미터의 범위의 크기를 갖는 작은, 다원자 입자를 나타낸다. 나노클러스터는 크기 및 형태에 따라, 예를 들면, 전기적 전도성, 빛 흡수성 및 자기적 특성과 같은 특성을 가지며, 이는 동일한 재료로 구성된 거시적인 고체의 특성과는 근본적으로 다르다.

"전기적으로 중성"의 의미는 나노클러스터가, 평균적으로, 전하의 과도 또는 부족이 없어 0의 전하상태를 갖는 것을 의미한다. 전기적으로 중성인 나노클러스터는 정전기적 또는 전기역학적 힘과, 또는 이에 의해, 상호작용하지 않는다.

나노클러스터는 일반적 재료의 나노미터 크기의 입자를 사용하여 여러 다른 기술에 의해 제조될 수 있다. 이 분야의 기술자에게 알려진 바와 같이, 매우 많은 다양한 종류의 나노클러스터 재료가 있다. 이러한 종류는 종종 서로 단지 기술적인 구조의 상세나 상기 나노클러스터의 제조에 사용되는 재료의 증발에 관련된 방법의 면에서만 다를 뿐이다(예를 들면, 일부 기술은 스퍼터링 공정, 레이저 증착, 전자빔 증착 등이다).

나노클러스터 재료에는 두 주요한 종류가 있는데, 하나는 그 합성 이후에 재료로부터 나노클러스터가 나오는 것으로서 자유롭게 임의의 방향으로 퍼지며, 다른 하나는 나노클러스터와 기체가 혼합된 "빔"을 형성하기 위하여 나노클러스터가 불활성 기체 캐리어를 통해 끌려나오는 것이다.

"나노클러스터 빔"의 용어는 대략 같은 속도(속력 및 방향)를 갖는 나노클러스터의 공간적으로 국부화된 그룹을 의미한다. 나노클러스터 빔은 일반적으로 클러스터 소스에 의해 생성되는데, 기체, 액체 또는 고체 전구체로부터 개시된 물리적 또는 화학적 공정에 의해 입자가 형성되고, 소스로부터 나노클러스터의 추출을 돕기 위하여 사용되는 기체("캐리어 기체"), 바람직하게는 불활성 기체와 혼합된다. 나노클러스터 빔은 일반적으로 나노클러스터를 구성하는 재료, 이들의 평균 직경("나노클러스터 크기"라고도 함) 또는 직경의 분포, 이들의 평균 속도(또는 속도 분포) 및 빔의 발산에 의해 특징지어진다. "나노클러스터 빔의 발산"은 빔이 발생하는 클러스터 소스의 개구로부터의 거리에 따른 빔 직경의 증가 각도를 의미한다.

본 발명의 목적을 위하여, 나노클러스터 빔이 추출되는 클러스터 소스, 상기 "클러스터 빔 소스"가 사용된다. 특히, 상기 나노클러스터를 갖는 캐리어 기체의 팽창이 초음속 조건에서 일어날 때, "나노클러스터 빔"은 "초음속 클러스터 빔"으로 불린다. 유사하게, 나노클러스터를 폴리머 기판에 삽입하기 위하여 클러스터 빔 소스로부터 추출된 나노클러스터 빔을 사용하는 기술은 "클러스터 빔 삽입(Cluster Beam Implantation)", 줄여서 "CBI"로 불리며, "초음속 클러스터 빔"을 사용하는 기술은 "초음속 클러스터 빔 삽입" 또는 "SCBI"로 불린다(예를 들면, G. Corbelli et al ., "Highly Deformable Nanostructured Elastomeric Electrodes With Improving Conductivity Upon Cyclical Stretching", Advanced Materials, Vol. 23, page 4504, Year 2011 참조).

본 발명에 따른 나노클러스터 빔을 생성하는 기술은 SCBI이다. 초음속 클러스터 빔 장치가 도 2에 개략적으로 나타나 있다. 이 장치 및 그 동작은 특허출원 WO 2011/121017 A1, 특히 상기 공보의 12 내지 17쪽의 부분에 자세히 기재되어 있으며, 이는 그 전체가 본 출원에 참조로 포함된다. 본 개시의 목적을 위하여, SCBI 장치에 대한 간략한 설명이 도 2를 참조로 이하에 기술된다. SCBI 장치(200)는 3개의 주 영역을 포함하는데, 이는 클러스터 빔 소스로 동작하는 공동(201), 팽창 챔버(204) 및 증착 챔버(209)이다. 공동(201) 내에는 나노클러스터의 재료 전구체가 수용되는데, 도면에서는 막대(202)에 의해 예시되어 있지만, 공동 내에 배치된 용광로 내에 담긴 분말의 형태일 수도 있다. 밸브(203)가 일반적으로 고순도의 희유 기체(또는 고순도 희유 기체의 혼합물)인 반응 기체의 공동(201) 내 도입을 제어한다. 공동은 구멍, 및 일반적으로 중앙 구멍(일반적으로 수 밀리미터 직경)을 갖는 디스크로 이루어진 공기역학적 렌즈에 의해 서로 연결된 일련의 단계로 구성되는 콜리메이터(205)를 통해 팽창 챔버(204)와 소통한다. 콜리메이터의 마지막 단계는 다시 다른 공기역학적 렌즈를 통해 팽창 챔버와 연결된다. 팽창 챔버(204)는 도면에서 구성요소(206)로 일반적으로 표시된 펌핑 시스템에 의해 통상 1.0*10^-6Pa와 1.0*10^-3Pa 사이의 압력으로 진공이 유지된다. 팽창 챔버(204)는 다시 개구, 일반적으로 이 분야에서는 "스키머(skimmer)"로 알려져 있으며, 도면에서 요소(208)로 표시된 원뿔 형태의 끝에 개구가 있는 형태를 통해 증착 챔버(209)와 소통한다. 증착 챔버는 제2 펌핑 시스템(210)에 의하여 챔버(204) 내의 압력보다 높으며 일반적으로 1.0*10^-3Pa와 1.0*10^-2Pa 사이의 압력으로 진공화된다. 증착 챔버(209) 내에는 샘플 홀더(211)가 배치되며, 그 위에 나노클러스터로 덮일 지지체(212)가 고정된다.

나노클러스터의 전구체가 금속 막대이며, 나노클러스터를 형성할 재료가 전기장의 인가에 의해 이로부터 제거되는 경우를 참조하여 이러한 소스의 동작을 여기에서 기술한다. 그러나, 이 분야의 기술자에게는 다른 시스템, 예를 들면, 공동(201) 내에서 용광로에 담긴 재료를 임의의 알려진 수단(열적, 레이저 절삭,...)에 의해 증발시키는 것을 사용하더라도 동일한 결과를 얻을 수 있음이 명백할 것이다.

공동(201)의 동작은 일반적으로 수 Hertz의 주파수를 갖는 순환이다. 각 사이클 동안, 밸브는 일반적으로 150 내지 350μs 사이의 시간 동안 열려, 선택된 기체(예를 들면, He, Ne, Ar 또는 그 혼합물)를 허용하고, 0.35 내지 0.85ms 사이의 지연 후에 약 500 내지 1000 V 사이 범위의 전압이 (음극으로 동작하는) 금속 막대(202)와 공동 내에 존재하는 양극 사이에 인가된다. 전압의 인가는 각 사이클 내에서 약 40 내지 120μs 사이의 주기 동안 유지된다. 이러한 조건 하에서, 일반적으로 약 0.1 내지 0.5 바(bar) 사이의 압력을 갖는 선택된 기체와 막대 금속 나노클러스터의 혼합물이 생성된다. 공동(201)과 팽창 챔버(204)의 압력 차이로 인하여 혼합물은 후자 쪽을 향해 가속되고, 일반적으로 약 10² 내지 10⁴ m/s 사이의 속도를 갖는 발산하는 "빔"을 형성하며 팽창된다. 빔의 중앙 부분은 스키머(208)의 개구를 통과하여 콜리메이터(205)와 스키머(208)에 의해 정의되는 축 상에 정렬된 샘플 홀더(211) 상에 고정된 탄성 지지체(212)에 도달한다. 속도에 의하여 빔의 나노클러스터는 탄성 지지체(212)의 표면에 삽입된다.

주로, 샘플 홀더는 원격제어 구동 시스템에 연결되어 이를 (그리고 결과적으로 탄성 지지체를) 클러스터 빔의 축에 직각인 두 방향으로 움직일 수 있어 "주사(rastering)"를 가능하게 하며, 이에 따라, 상대적으로 넓은 면적에 걸쳐, 예를 들면 10*10 cm²의 차수로, 지지체를 나노클러스터로 커버할 수 있다(예를 들면 상기한 Corbelli et al. 의 논문에 의해 이 분야의 기술자에게 알려진 바와 같다).

나노클러스터 증착 동안, 탄성 지지체 옆 샘플 홀더 위에 알루미늄 시트로 절반이 덮인 작은 실리콘 조각을 고정할 수 있다. 이는 동일한 노출 시간 동안 탄성 지지체를 향하는 동일한 나노클러스터 빔에 노출되며, 증착 작업시간이 끝나면, "동등 두께"로 지칭되는 강성의 삽입가능하지 않은 기판 상에 증착된 나노클러스터의 양의 측정값이 탄성 지지체 내에 삽입된 나노클러스터의 양의 측정값을 제공한다(이 방법의 상세에 대해서는 예를 들면 상기한 Corbelli et al. 의 논문 참조).

본 발명에서 나노클러스터 빔에 사용될 수 있는 예시적인 재료는, 예를 들면, Au, Ag, Pd, Pt, Cu, Ti, Fe, Ni, Cr, Co, Nb, Zr, Al, V, Zn, Mo, W, Pb, Sn, Hf, Ir 과 같은 금속, 그 합금 및 산화물을 포함하지만, 이제 한정되지 않는다. 나노클러스터 빔은 모두 동일한 재료로 만들어진 입자 또는 다른 재료로 만들어진 입자를 포함할 수 있다. 본 발명에서 사용되는 "금속(metallic)"의 용어는 하나 이상의 전도성 금속 또는 금속 합금을 포함하는 재료를 나타내는 것으로 사용된다.

본 발명에서 바람직하게 사용되는 재료는 Au, Pt, Al 및 Ag이다. Au는 희유 금속이며, 높은 반사성을 가져 IR 방사와 관련된 모든 응용에서 선호된다. Ag 및 Al은 높은 반사성의 재료이며 상용화된 회절 격자의 코팅 금속으로 일반적으로 사용된다.

바람직하게는, 빔의 나노클러스터는 50nm 이하의 평균 직경을 가지며, 더 바람직하게는 1nm 내지 20nm 사이이다.

나노클러스터의 평균 속도(또는 속도 분포)는 넓은 범위에서 변할 수 있다. 나노클러스터의 삽입 속도의 일반적인 값은 약 100m/s 내지 약 10000m/s 사이로 구성되며, 통상 500m/s로부터 2000m/s까지이다.

일반적으로 나노클러스터 소스에 의해 발생되는 빔의 발산은 0° 및 약 90°사이로 구성된다. 본 발명의 목적에 따라, 빔은 바람직하게는 0° 및 약 10°사이의 발산을 가지며, 더 바람직하게는 약 2°이하이다.

위에서 언급된 기술 중 하나의 의해 생성된 나노클러스터 빔을 사용하는 것에 의하여, 특히 도 2에 도시된 초음속 클러스터 빔 장치에 의하여, 원하는 재료의 나노클러스터를 상술한 바와 같이 제조된 성형 탄성 격자(105)의 표층 내에 삽입하는 것이 가능하다. 이러한 방법으로 나노복합 층이 탄성 지지체의 표층 내에 생성된다.

나노복합 층의 제조 단계가 도 3에 도시되어 있다. 도 3은 성형 탄성 격자(105)와 그 내부에 삽입되어 나노복합 층(301)을 형성하는 나노클러스터 빔(300)을 나타낸다.

이하의 설명에서 "나노클러스터 삽입"의 용어는 성형 탄성 격자(105) 방향으로의 속도를 갖는 중성 나노클러스터가 나노클러스터 소스와 마주보는 면에 충돌하고 (운동 에너지 및 관성과 같은) 그 물리적 특성에 의하여 내부로 침투하는 과정을 나타내기 위하여 사용된다. 침투 과정에서, 나노클러스터는 감속되며, 성형 탄성 격자의 노출된 표면으로부터 (표면 아래로) 거리를 두고 멈추며, 이는 "침투 깊이"라고 지칭된다. 나노클러스터 삽입 공정에서 얻어지는 침투 깊이의 최대값이 (도면에서 PP로 지시된) 나노복합 층의 "두께"로 불린다. 이 공정의 결과는 격자(302)이다.

일반적으로 나노복합 층의 두께는 5nm 및 10μm 사이로 구성되며, 바람직하게는 10nm 및 1μm 사이이다. 나노복합 층의 두께는, 성형 탄성 격자(105)의 재료와 빔(300) 내의 나노클러스터 재료에 따라, 삽입 공정 동안의 성형 탄성 격자의 온도("삽입 온도"라 한다), 성형 탄성 격자의 표면에 충돌하기 직전의 나노클러스터의 속도("삽입 속도"라 한다) 및 나노클러스터의 크기 또는 크기의 분포를 선택함으로써 선택될 수 있다.

본 발명에서 사용되는 폴리머에 대해 일반적인 삽입 온도는 약 -10℃로부터 약 150℃까지의 범위이며, 바람직하게는 20℃와 90℃ 사이이다. 나노클러스터의 일반적인 삽입 속도는 약 100 m/s 내지 약 10000 m/s 사이로 구성되며, 바람직하게는 500 m/s로부터 2000 m/s까지이다. 본 발명을 수행하기 위한 바람직한 조건은 약 25℃의 삽입 온도와 약 1000 m/s의 삽입 속도이다.

나노복합 층(301)의 두께와 독립적으로, 성형 폴리머 격자(105) 내에 삽입된 나노클러스터의 밀도는 삽입되는 나노클러스터의 양을 변화시킴으로써 선택될 수 있다. "나노클러스터 밀도"는 단위 영역 당 성형 폴리머 격자 상에 충돌하는 빔(300)의 나노클러스터의 수를 얻어진 나노복합 층(301)의 두께로 나눈 값을 의미한다. 정의된 나노클러스터 밀도가 나노복합 층 내에 존재하는 나노클러스터의 수를 그 부피로 나눈 것에 비해 높을 수 있다는 점이 강조된다. 실제로, 삽입 동안 또는 그 이후에, 빔의 나노클러스터는 폴리머 매트릭스 내에서 집합 과정을 거쳐 원래 나노클러스터의 크기에 비해 더 큰 크기를 갖는 줄어든 수의 나노클러스터가 폴리머 내에 삽입되는 결과를 낳는다. 나노복합체의 나노클러스터의 밀도는 일반적으로 약 10^-7 cluster/nm³에서 약 10^-1 cluster/nm³이다. 본 발명의 목적을 위하여 나노클러스터의 밀도는 10^-5 cluster/nm³에서 약 10^-1 cluster/nm³이다.

나노복합 층(301)은 제조된 후에 약 40℃ 내지 약 120℃에서 약 0.3 내지 약 48시간 주기 동안 경화(cure)될 수 있다. 나노복합 층의 경화는 폴리머 내에 삽입된 나노클러스터의 집합 과정을 가속화하고 나노클러스터가 삽입된 폴리머 매트릭스 내의 개편(reorganizatioin)(즉, 추가 중합화)을 촉진한다. 그 결과로 경화된 나노복합 층은 시간이 흘러도 변하지 않는 구조와 물리적 특성을 갖는다.

나노복합 층(301)은 절연성 또는 전도성일 수 있다. 본 명세서에서 사용되는 "절연성"은 나노복합 층이 그 두 지점 사이에 전위가 인가되어도 특정할 수 있을 만한 전류의 흐름을 허용하지 않는 것을 의미한다. "전도성"은 나노복합 층이 층에 인가되는 전위 "V"에 비례하는 측정가능한 전류 "I"의 흐름을 허용하는 것을 의미한다. 전도층에서 측정된 V/I 비는 나노복합 층의 전기 저항 "R"(또는 저항)이다.

금속 나노클러스터를 삽입할 때, 절연성 나노복합 층은 나노클러스터의 밀도가 임계치("임계 나노클러스터 밀도"라 한다) 이하일 때 얻어진다. 임계 나노클러스터 밀도는 삽입된 나노클러스터의 크기 또는 크기 분포와 성형 탄성지지체 격자에 사용된 폴리머에 의존한다. 상기 임계 나노클러스터 밀도를 초과하면, 나노복합 층은 전도성이다. 본 발명에서 사용되는 재료에 대한 임계 나노클러스터 밀도의 전형적인 값은 약 3*10^-4 cluster/nm³ 로부터 약 1*10^-3 cluster/nm³까지의 범위이다.

본 발명의 공정의 제2 구현예에서, 격자는 최종 광학 소자에 상응하는 프로파일을 갖지 않는 탄성 지지체의 표면에 제조된다.

이러한 본 발명의 제2 구현예에서, 격자는 나노클러스터를 탄성 지지체의 미리 정해진 영역에만 선택적으로 향하게 함으로써 나노클러스터 삽입의 단계 동안 직접 제조된다. 이는 도 2의 장치의 기하학적 구성을 적합하게 조정함으로써 도달 빔을 고도로 조준할 수 있는 덕분에, 증착 분야의 기술자에게 잘 알려진 사진식각(photolithography) 또는 스텐실 마스크 마스킹을 사용하여 얻어질 수 있다. 이 기술은 마스크 개구의 크기에 따라 마이크로미터 또는 서브마이크로미터 단위를 갖는 반사성 주기 구조를 생성할 수 있도록 한다.

이하에서 도 4를 참조하여 본 발명의 제2 구현예가 설명된다. 특히, 도면의 왼쪽은 제2 구현예의 제1 삽입을 나타내고, 도면의 오른쪽은 본 발명의 상기 구현예의 제2 삽입을 개략적으로 나타낸다.

양자의 실시에서, 공정은 바람직하게는 상기한 PDMS로 이루어진 탄성 층의 제조로 시작한다. 이 층은 액상 폴리머(바람직하게는 액상 PDMS)로부터 시작되어, 도 1을 참조로 먼저 설명된 것과 동일한 공정에 따라 제조될 수 있다. 액상 폴리머(401)는 이제 평탄한 기판(402), 예를 들면 유리 슬라이드 위로 주조된다. 중합(가교결합 또는 경화) 후에 탄성 지지체(405)를 생성하게 되는 통상 약 수 마이크로미터 내지 수 밀리미터 사이의 두께를 갖는 액상 폴리머(403) 층이 얻어진다.

제1 구현예에서, 스텐실 마스크(404)가 수 마이크로미터로부터 약 1밀리미터까지 변할 수 있는 거리에서 탄성 지지체 위로 접촉된다. 스텐실 마스크는, 예를 들면, TEM 그리드이다. 탄성 지지체와 마스크로 구성된 어셈블리가 도 2를 참조로 설명된 것과 같은 SCBI 장치의 샘플 홀더 위로 장착되고, 상술된 공정에 따라 나노클러스터 증착이 이루어진다. 마스크와 지지체를 향하는 나노클러스터의 흐름이 화살표(406)로 개략적으로 도시된다. 공정의 결과는 마스크의 개구에 대응되는 영역에 국소적으로 나노클러스터가 증착되어 지지체(405)의 표면에 형성된 반사성 "섬(islands)"에 의해 형성된 격자(407)이다. 격자(407)는 부분적으로 반사성인 종류로서, 즉 입사광의 일부가 반사되고 일부는 격자를 통해 전달된다.

제2 구현예에서(도 4의 오른쪽), 지지체(405)는 화살표(408)에 의해 표시되는 마스킹되지 않은 나노클러스터의 흐름에 의해 생성되는 균일한 금속화 층의 증착을 받고, 그 결과는 상부 표면이 전체적으로 연속적인 반사층(410)으로 덮인 지지체(405)로 이루어진 중간 생성물(409)이다. 생성물(409)은 다시 이번에는 마스크(411)를 이용하여 제2 나노클러스터 증착 작업을 거친다. 화살표(412)에 의해 나타낸 나노클러스터 흐름은 마스크(411)의 개구에 대응하는 영역에 돌기를 생성한다. 이 결과물은 동일한 반사성 물질의 다른 높이의 표면에 의해 형성된 격자(413)이며 이는 완전히 반사형인 종류이다.

성형 탄성 필름으로부터 시작하는 것에 대한 이 기술의 이점은 적절한 시판중인 스텐실 또는 사진식각 마스크를 사용하여 부분적으로 또는 완전히 고반사성의 신장 가능한 및 변형 가능한 SCBI 격자의 복잡한 주기적 구조를 생성(및 이에 따라 복잡한 회절 패턴을 획득)할 수 있는 가능성이다.

본 발명의 둘 중 임의의 구현예에 따라 제조된 반사성 신장 가능한 및 변형 가능한 격자의 품질은, 레이저 빔을 격자의 평균 표면에 수직한 방향으로 유도하고, 1차 회절의 방향과 격자에 수직인 방향(즉 입사 레이저 빔 방향) 사이의 각("회절각"으로 알려짐)을 측정함으로써 확인될 수 있다. 이 분야에서 잘 알려진 바와 같이, 적합하게 동작하는 평면 회절 격자에서는 상기한 설정에서 측정된 회절각이 격자의 피치 거리와 다음의 식에 따라 직접 연관된다.

여기에서, "d"는 피치 거리, "m"은 회절각이 측정된 회절 차수, "λ"는 레이저 파장, "θ"는 회절각이다.

측정된 회절각으로부터 얻어진 격자의 피치 거리(수학식 1에 의해 계산된)를 격자의 형태학적 특성에 의해 측정된 동일한 양과 비교함으로써 격자가 평면형 회절 격자로서 적절히 작동하는지 확인할 수 있으며, 따라서 적합한 광학 기능성을 확인할 수 있다.

회절각의 측정은 도 5를 참조로 이하에서 설명하는 장치를 이용하여 수행될 수 있다. 시험대상 격자가 3 공간좌표가 제어될 수 있는 위치의 샘플 홀더에 장착된다. 샘플 홀더가 장착되는 시스템에 대해서는 후술한다. 단색광 레이저 빔(501)이 레이저 소스(502)에 의해 방출되고 일련의 거울(504, 504')에 의해 이루어진 (이 분야에서 알려진 바와 같은) 적절한 광학적 셋업에 의해 격자(503)를 향해 반사된다. 격자(503)는 격자의 그루브에 수직인 방향으로 격자에 제어된 변형(strain)을 인가할 수 있는 맞춤형 신장기(505)에 장착된다. 신장기는 광학 변환 스테이지(507)를 구동하는 컴퓨터-제어 스텝퍼 모터(506)를 포함한다. 격자는 (그루브에 수직인 방향으로) 두 대향되는 가장자리에서, 한쪽은 광학 변환 스테이지(507)에, 다른 쪽은 고정 베이스에, 두 개의 홀더(508, 508')에 의해 고정된다. 두 개의 홀더는 격자가 신장 동안 광학 변환 스테이지 및 고정 베이스로부터 벗어나서 미끄러지는 것을 방지하며, 이에 따라 격자에 인가되는 신장의 백분율을 정확히 제어할 수 있도록 한다. 신장 백분율("신장 %")은, 인가된 변형 방향 내에서, 인가된 변형으로 인한 탄성체의 증가된 길이의 동일한 탄성체의 원래 길이에 대한 (백분율로 표시된) 비로 정의된다. 전체 신장기(505)는 입사 레이저 빔(511)에 대한 격자의 정확한 수직 정렬을 위하여 두 개의 다른 광학 변환기(510, 510') 위에 장착된 두 개의 수직 장착 플레이트(509, 509')에 의해 광학 셋업 내에 장착된다. 광학 셋업(504, 504')의 거울은 입사 레이저 빔(511)을 격자 위에 수직으로 향하게 하기 위하여 정렬된다. 이러한 광학 배열 덕분에, 격자는 입사 레이저 빔을 입사 레이저 빔 방향(즉, 격자 표면에 수직)에 대해 동일하지만 반대 방향의 회절각을 갖는 두 개의 광 빔(512, 512')으로 회절시킨다. 회절각은 두 개의 회절 빔(512, 512')이 간섭할 때 격자 앞에 평행하게 정확히 정의된 거리로 놓여진 흰색의 눈금이 매겨진 스크린(514)에 생성되는 두 점(513, 513')의 거리를 측정함으로써 (수학식 1을 이용하여) 계산될 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 장치는 또한 격자의 그루브에 수직 방향으로 제어된 변형을 인가할 때의 격자의 광학 특성을 평가하는 것을 가능하게 하는 신장기(505)를 포함한다. 주목할 만하게도, 원래의(bare) 성형 PDMS 격자의 탄성 특성이 금속화 과정 이후에도 유지되고(즉, "신장 가능한 및 변형 가능한 SCBI 격자"가 실제로 신장 가능하고) 인가된 변형이 푸아송 변형(Poisson deformation)을 무시할 만한 것이라면, 격자에 인가된 신장 %는 피치 거리의 변화 백분율(즉 변형이 인가되지 않은 연속하는 그루브 사이의 거리에 대한 인가된 변형으로 인한 연속하는 그루브 사이의 거리의 변화량의 비로 얻어지는 격자의 연속하는 그루브 사이의 거리의 변화의 백분율)과 동일하여야 한다.

격자가 신장 동안 그 적합한 광학 기능성을 유지한다면, "신장 %"는 수학식 1을 이용하여 임의의 인가된 변형에서 회절각의 측정치에 의해 결정된 "피치 거리의 변화 백분율"과 동일하여야 한다. 이에 따라 두 양은 1의 각 계수로 선형적으로 상관되어야 한다. 실제 시스템에서, 이 각 계수(이하에서는 "광학 신장도 계수"로도 지칭됨)는 1과 일치하기 어렵다. 측정된 각 계수의 근접도가 따라서 신장 동안 광학 시스템의 품질을 나타내는 지수가 된다. 0.8의 각 계수를 갖는 신장가능한 격자는 0.99의 각 계수를 갖는 신장 가능한 격자에 비해 (광학 및 기계적 관점에서) 비효율적이다.

신장 가능한 격자의 평가를 위해 사용하기 전에, 탄성 격자의 성형 공정의 마스터로 사용되는 강성 격자와 같은 알려지고 잘 정의된 기하의 평면 강성 격자를 측정함으로써 도 5에 나타난 장치가 적합하게 기능하는 것을 확인할 수 있다.

도 5의 셋업으로 얻을 수 있는 격자의 광학 품질의 다른 지표는 이하의 수학식 2에 정의되는 바와 같이 회절된 점 아래의 입체각(solid angle) Ω의 측정값이다.

여기에서, A는 회절 점의 면적이고, R은 격자로부터 점의 거리이다. Ω의 값이 작으면 날카로운 점을 의미하며 따라서 격자의 좋은 광학 품질을 의미한다.

지지체의 탄성 특질과 지지체 상에 낮은 두께(수 마이크로미터에 이르기까지)로 장치를 제조할 수 있는 가능성 덕분에, 본 발명의 신장 가능한 및 변형 가능한 반사형 격자는 매우 형태정합적이며 복잡한 형태를 취할 수 있거나 복잡한 형태의 표면에 적용할 수 있다. 예를 들면 본 발명의 탄성 반사성 격자는 오목한 원통형 표면의 내측면에 부착될 수 있으며, 이는 본 발명의 장치가 취하거나 적용될 수 있는 가능한 형태를 제한하지 않는다.

본 발명에 따라 제조된 다른 광학 소자가 입사광의 파면을 변경하기 위하여 사용될 수 있다. 예를 들면, 이러한 변경은 SCBI에 의해 제조된 "신장 가능한 및 변형 가능한 거울"에 의해 얻어질 수 있으며, 이 분야의 기술자에게 알려진 다양한 방식으로 적절한 편평한 표면이나 적절한 형태로 변형된 표면(예를 들면, 구형의 볼록하거나 오목한 지지체)에 적용되어 입사광 빔의 파면을 수평 및 수직 방향 모두에 대해 변경하고 출사광 빔(또는 격자가 사용될 경우에는 출사 회절광 빔)을 각각 초점을 맞추거나 초점을 흐리게 할 수 있다.

복잡한 광학 시스템을 얻기 위해서 본 발명에 따라 제조된 여러 광학 소자가 결합될 수 있다.

최종적으로 이 분야의 기술자에게 알려진 구동 시스템이 본 발명의 거울 또는 격자에 적용될 수 있으며, 이는 입사광 빔의 특정한 파면 형태에 따라 이러한 장치의 형태를 연속적으로 변화시키기 위한 것이다. 이러한 최종 구성은 예를 들면 적응 광학에 사용될 수 있다.

초점 맞추기/흐리기(focusing/defocusing), 회절 및 입사광 빔의 파면 변경을 위해 신장 가능한 및 변형 가능한 광학 소자를 사용하는 것의 이점은 명백하다. 동일한 신장 가능한 및 변경 가능한 소자가 다른 형태의 또는 다른 방법으로 변형된 다른 표면에 적용된 것을 사용함으로써 다른 광학 소자를 제조하지 않고도 임의의 입사광 빔을 변경할 수 있다. 또한, 원통형(또는 구형) 대칭을 갖는 복잡한 형태의 지지체의 제조는 유사한 복잡한 형태의 거울 또는 더 심하게는 격자를 제조하는 것에 비해 훨씬 쉽고 저렴하다. 완전히 또는 부분적으로 반사성인 신장 가능한광학 소자의 사용은 빛을 흡수 및/또는 굴절할 수 있어 입사광 빔의 파면과 스펙트럼을 소극적으로 변경하는 전통적인 전달(transmission) 광학 소자(예를 들면, 렌즈 또는 전달 격자와 같은)의 사용을 최종적으로 회피할 수 있다.

본 발명은 이하의 실시예에 의해 구체적으로 설명된다.

실시예 1

이 실시예는 성형 탄성 격자의 제조에 관한 것이다.

도 1을 참조로 설명된 방법에 따라, 약 30그램의 Sylgard 184 (Dow Corning Corporation) 폴리머 베이스 분량을 적절한 경화촉매제와 10:1의 비율로 혼합함으로써 아직 가교결합되지 않은 액상 PDMS 폴리머가 준비된다. 혼합물은 공기 기포를 배출하기 위하여 멤브레인 타입 진공 펌프에 의해 진공화되는 챔버에 배치되고 약 13Pa의 압력에서 30분간 유지된다. 이 공정에 의해 "액상 PDMS"가 형성된다. 이와 같이 얻어진 "액상 PDMS"를 1200 lines/mm의 그루브 밀도를 갖는 강성 격자의 그루브가 형성된 표면에 붓는다. 강성 격자의 라인의 높은 부분(정점, crest)과 그 낮은 부분(골짜기, valley) 사이의 높이 차이는 50nm이다. 강성 격자는 3*3cm 크기를 갖는다. 강성 격자 상의 액상 PDMS의 두께는 약 1mm이다.

강성 격자와 함께 형성된 어셈블리를 청결하고 먼지없는 환경에서 48시간 동안 상온에서 휴지함으로써 "액상 PDMS"는 이제 중합된다. 중합 이후에, PDMS는 투명한 고무와 같은 양상을 가지며 강성 격자로부터 제거된다. 강성 격자와 접촉한 성형 PDMS 격자의 표면은 강성 격자의 주기적 구조를 재현한다.

이와 같이 획득된 성형 PDMS 나격자(bare grating)의 높이 맵을 원자힘 현미경에 의해 얻은 결과 이미지가 도 11의 A에 나타나 있다. 동일한 표면의 AFM 단일선 주사가 성형 PDMS 나격자의 그루브에 수직인 선을 따라 획득되었으며, 그 결과 그래프가 도 11의 D에 나타나 있다.

실시예 2

이 실시예는 본 발명의 제1 구현예에 따라 제1 실시예에서 얻어진 성형 PDMS 나격자의 금속화에 관한 것이다.

실시예 1에서 얻어진 성형 PDMS 격자의 금속화는 SCBI 기술에 의해 수행된다. 실험적인 셋업은 도 2를 참조로 이전에 기술되었다. 이 시스템에서, 소스의 공동(201)은 약 2.5cm³의 체적을 갖는다. 공동 내에 그에 수직으로 99.99%의 순도와 2mm의 직경을 갖는 은 막대(silver rod)가 배치되어 4rpm으로 회전한다. 99.9999% 순도의 Ar이 40 bar의 주입구 압력으로 솔레노이드 밸브(203)에 의해 공동으로 주입된다. 소스의 양극은 2cm 직경에 중앙에 1mm의 구멍이 있는 구멍뚤린 구리 디스크로 구성된다. 공동과 팽창 챔버(204) 사이의 노즐은 2mm 오리피스이며, 그 하류에 공기역학적 렌즈를 갖춘 콜리메이터가 위치한다. 이는 차례로 연결된 네 단계로 구성되며 그 각각이 다시 내부 직경 10mm 및 높이 28mm의 빈 금속 원통으로 구성된다. 단계들은 빈 원통과 동일한 직경과 2mm 직경의 중앙 구멍을 갖는 철 디스크로 구성된 공기역학적 렌즈에 의해 서로 연결된다. 마지막 단계는 다시 1mm 직경의 오리피스를 갖는 다른 공기역학적 렌즈를 통해 팽창 챔버로 연결된다.

"루트" 펌프 및 터보분자 펌프로 구성된 펌핑 시스템(206)이 팽창 챔버 내의 압력을 약 9.3*10^-5Pa에 이르게 한다.

이제 전기적으로 중성인 나노클러스터의 제조 및 삽입 공정이 시작되며, 이는 5Hz 주파수의 펄스 방식으로 동작한다. 각 사이클에서 솔레노이드 밸브가 300μs 동안 열리고, 밸브 개방으로부터 0.43ms의 지연시간 후에, 850V의 전압이 80μs 동안 소스(은 막대)의 양극과 음극 사이에 인가된다. 약 0.27 bar의 압력을 갖는 아르곤과 은 나노클러스터의 혼합물이 생성된다. 소스의 공동과 팽창 챔버의 압력 차이에 기인하여, 혼합물은 팽창 챔버를 향해 가속되며 약 1000m/s의 평균 속도를 갖는 은 나노클러스터 빔을 생성한다.

팽창 챔버는 정점에 3mm의 구멍을 갖는 스키머를 통해 증착 챔버(209)와 소통한다. 증착 챔버는 이전의 것과 유사하며, 소스의 동작 동안 증착 챔버 내에 약 6.7*10^-3 Pa의 평균 압력을 유지하는 제2 펌핑 시스템(210)에 연결되어 있다.

증착 챔버 내에서, 빔 축에 수직이며 나노클러스터 빔을 향한 방향으로, 증착 챔버를 진공화하기 전에 실시예 1에서 제조된 성형 PDMS 격자가 위치되는 10 cm x 10 cm 의 샘플 홀더가 위치된다. 샘플 홀더는 원격제어 동력화 시스템에 연결되어, 샘플 홀더(및 결과적으로 성형 PDMS 격자)를 클러스터 빔 축에 수직인 두 방향으로 움직일 수 있으며 8 cm x 8 cm 영역에 걸쳐 "주사(rastering)"를 수행할 수 있어 성형 PDMS 격자가 위치한 샘플 홀더의 전체 영역을 나노클러스터 빔에 노출시킨다.

노출의 전과 노출 동안, 성형 PDMS 격자는 상온(약 25 ℃)에서 유지된다. 노출시간은 90분이다.

5 mm x 5 mm의 크기를 갖고 알루미늄 호일로 반 마스킹된(half-masked) 실리콘 기판이 성형 PDMS 격자 옆 샘플 홀더 상에 위치되며, 성형 PDMS 격자에서와 동일한 나노입자 빔을 (샘플 홀더를 움직임에 의하여) 가로챈다. 89±2 nm 동등 두께의 은 나노클러스터가 측정된다. 이 실시예에서 PDMS 지지체 내에 삽입된 은 나노클러스터의 양은 완전히 반사성인 표면을 발생시킨다.

이와 같이 얻어진 금속화된 격자는 실시예 1에서 얻어진 베이스 PDMS 격자에서와 동일한 형태학적 특성화, 즉 두 AFM 측정치를 얻는다. 이 샘플에 대한 AFM 측정 결과인 높이 맵 및 단일선 주사에 의해 얻어진 표면 프로파일이 도 11의 B와 E에 각각 나타나있다.

실시예 3(비교)

이 실시예는 종래기술의 방법에 따른 성형 PDMS 나격자의 금속화에 관한 것이다.

실시예 1의 공정을 따라 제2 성형 PDMS 나격자가 제조된다. 이 지지체는 증착에 의해 금속화된다. 성형 PDMS 나격자는 동등 두께의 측정을 위한 알루미늄 호일로 반 마스킹된(half-masked) 작은 실리콘 기판 (5 mm x 5 mm)과 함께 샘플 홀더에 배치되고, 2그램의 은 펠렛으로 채워진 몰리브덴 용광로 앞의 증착 장치의 진공 챔버 내에 배치된다. 진공 챔버는 확산 펌프에 의해 4 x 10^-3 Pa까지 진공화된다. 용광로는 약 70A의 직류에 의한 줄 효과에 의해 가열되며 증발된 은이 약 10분 동안 성형 PDMS 나격자와 실리콘 시트 상에 증착된다. 실리콘의 비증착 부분과 증착 부분 사이의 높이 차이를 측정함으로써, 60nm의 동등 두께를 얻는다.

이와 같이 얻어진 금속화된 격자는 완전히 반사성이며, 실시예 1에서 얻어진 베이스 PDMS 격자에서와 동일한 형태학적 특성화, 즉 두 AFM 측정치를 얻는다. 이 샘플에 대한 AFM 측정 결과인 높이 맵 및 단일선 주사에 의해 얻어진 표면 프로파일이 도 11의 C와 F에 각각 나타나 있다.

실시예 4

이 실시예는 본 발명의 제2 구현예의 제1 변형에 따른 부분적으로 반사성인 격자의 제조에 관한 것이다.

편평한 PDMS 지지체가 (실시예 1에서 기술된 바에 따라 제조된) "액상 PDMS"를 1 cm x 1 cm 치수의 유리 슬라이드 위로 주조함에 의해 제조된다. 중합 후에, 얻어진 PDMS 슬래브는 투명한 고무와 같은 양상을 가지며 실시예 1에서 기술된 바와 같이 편평한 지지체로부터 제거될 수 있다.

이와 같이 얻어진 PDMS 지지체가 도 2를 참조로 설명된 SCBI 장치의 샘플 홀더에 배치된다. 빔과 PDMS 지지체 사이에, PDMS 지지체로부터 0.5mm의 거리를 두고 스텐실 마스크가 삽입된다. 마스크는 3μm 간격으로 0.85μm 변의 사각 개구를 갖는 TEM 그리드(G2786N grid from Agar Scientific)이다. 이제 실시예 2에서 기술된 것과 동일한 공정을 따르는 나노클러스터 증착이 시작된다. 이 경우의 유일한 차이점은 3mm 직경의 금 막대가 사용되며 증착이 60분 동안 계속되고, 약 50nm의 동등 두께가 측정되는 점이다.

이와 같이 얻어진 샘플을 반사 광학 현미경으로 관찰하였다. 현미경으로 얻어진 현미경 사진이 도 14에 나타나 있다. 반사 광학 현미경에서 사각 패턴의 가시성은 삽입된 금 사각형에 의해 조사된 빛이 잘 반사됨을 확인하는 것이다. 비교예로서, 삽입되지 않은 원래의(bare) PDMS는 검게 나타나는데, 이는 그 투명도와 조사된 빛의 반사가 없는 것 때문이다. 명백히 나타난 바와 같이, SCBI 내의 나노클러스터 빔의 높은 시준(collimation) 덕분에, 마스크의 개구는 서브마이크로미터의 해상도로 PDMS 필름 상에 정확히 복제된다.

이러한 공정에 의해 얻어진 신장 가능한 및 변형 가능한 SCBI 격자는 금 패턴 PDMS 사이의 삽입되지 않은 원래의 PDMS 영역 때문에 반-반사성(semi-reflective)이다.

실시예 5

이 실시예는 본 발명의 격자의 광학적 특성화에 관한 것이다.

실시예 2에서 제조된 샘플의 광학 특성이 도 5를 참조하여 설명된 실험적 셋업을 이용하여 조사되었다.

이 실시예에서 제조된 샘플을 평가하기 위한 이 실험적 셋업을 사용하기 전에, 실시예 1의 마스터로 사용된 평면형 강성 격자의 광학적 특성을 참조로서 측정함으로써 그 적절한 기능성을 확인하였다. 이 격자는 제조자 데이터에 의해 알려진 바와 같이, 833nm의 피치 거리에 대응하는 1200 lines/mm의 그루브 주기를 가진다. 도 5의 셋업에 의한 참조 샘플에 대한 회절각 측정 결과는 832±3nm로서, 계획된 값과 충분히 적합하다. 이는 채택된 광학적 셋업에 의해 평면형 회절 격자의 피치 거리를 정확하고 정밀하게 결정할 수 있음을 증명한다.

도 5와 관련하여 설명된 실험적 셋업으로, 실시예 2에서 제조된 격자의 광학적 성능이 조사되었다. 도 6은 격자로부터 40cm의 거리에 배치된 눈금이 매겨진 스크린(스크린 그리드의 수평(62) 및 수직 평행 검은 선(62') 양자는 모두 2cm 간격이다) 상에 상기 격자를 사용하여 얻어진 회절 점(61) 중 하나를 나타낸다. 나타난 바와 같이, 점은 좁고 잘 정의되어 있어, 그 위치와 따라서 회절각을 정밀하고 신뢰성 있게 측정할 수 있다. 격자는 그루브가 수직 방향으로 정렬되는 방식으로 광학적 셋업 내에 장착되고, 결과적으로, 회절 점(61)은, 예측한 바와 같이, 입사광 빔에 대하여 수평 방향으로 반대되는 양측에 위치한다.

신장기(505)에 의하여, 시험 대상 격자는 그루브에 수직 방향으로 변형되는 반면, 입사 레이저 빔(511)의 방향으로는 일정하게 유지된다. 시험 동안 점(61)의 변위가 계속적으로 검출되고 측정된다. 도 7은 (수학식 1과 회절각의 측정에 의해 얻어진) "피치 거리의 변화 백분율"을 인가된 "신장 %"의 함수로 나타낸 그래프이다. 그래프에서 나타난 바와 같이, 실험 데이터는 명백하게 선형의 경향을 따른다. 데이터의 선형 피팅을 수행함으로써, 1.003의 광학 신장도 계수가 얻어졌다(선형 회귀 계수 r²=0.998).

주목할 만하게, 본 발명의 반사성 격자의 빛의 분광 능력은 나안에도 이미 명백하다. 가시광에 의해 조사될 때 이는 표준 강성 격자와 동일한 방식으로 스펙트럼 요소로 분광된다.

이 실시예는 본 발명의 방법에 따라 얻어진 격자에 의해 획득될 수 있는 우수한 광학적 성능과 인가된 변형을 변화시킴에 따라 광학적 기능성을 쉽게 변화할 수 있는 가능성을 명백하게 나타낸다. 주목할 만하게, 이러한 격자는 그 광학적 기능성을 유지하면서 25%에 이르기까지 신장될 수 있다.

실시예 6(비교)

이 실시예는 종래기술의 격자의 광학적 특성화에 관한 것이다.

실시예 3에서 제조된 격자가 실시예 5의 동일한 과정을 따라 측정되었다. 도 8은 이 격자의 신장 후에 얻어진 점 구성을 보여준다. 실시예 5에서와 같이, 이 경우에도 입사광 빔(82)의 양측에 측면으로 위치하며 거울(83) 상에 보이는 두 개의 회절점(81, 81')이 있지만, 점은 본 발명의 격자에 의해 얻어진 것들에 비해 훨씬 크며 흐릿하다. 알려진 바와 같이, 이는 주기적 구조에 평행한 다수의 크랙의 형성에 의한 것일 수 있다. 또한, 두 개의 측면 점 외에도, 입사광 빔(82)의 양쪽에 위치하는 두 개의 수직 점(84)이 존재한다(도 8에서는 이 두 수직 점 중 하나만이 보인다). 이 분야의 기술자에게 알려진 바와 같이, 이러한 점의 수직 분산은 가능하게는 또한 수평 방향(즉, 신장 방향에 평행한 방향)의 임의의 주기적 거리를 갖는 크랙의 형성에 의하여 격자 표면에 추가로, 장치의 성형 그루브에 수직으로, 수평방향의 주기적 구조가 존재하는 것을 시사한다. 다수의 수직 크랙의 존재는 2차 회절광이 나타나는 것과 함께 회절광 내의 수차를 일으킬 수 있으며, 회절 격자의 기능성을 부정적으로 변경시킨다.

도 9에 나타난 바와 같이, 실시예 5에서 설명된 것과 동일한 과정을 따라 얻어진 실험적 데이터의 선형 피팅의 정량적 분석으로부터 0.984의 광학 신장도 계수가 얻어졌다(선형 회귀 계수 r²=0.98). 이 결과는 이 격자가 본 발명의 방법에 의해 제조된 격자에 의해 얻어진 것과 비교할 때 열등한 광학 성능을 갖는 것을 확인한다.

실시예 7

이 실시예에서, 본 발명에 따라 제조된 격자와 종래기술에 따라 제조된 격자의 광학적 특성의 다른 비교가 수행된다.

실시예 5 및 6에서 수행된 시험 동안, 회절 점 기저의 입체각 Ω의 값이 (입체호도법(steradian)으로) 본 발명의 격자(실시예 5) 및 종래기술의 격자(실시예 6)의 제1 신장 사이클에서 신장 백분율의 함수로 측정되었으며, 그 결과가 도 10의 a의 그래프로 나타난다. 그래프로부터 명백히 관찰되는 바와 같이, 종래기술(증착)에 따라 제조된 격자는 더 높은 값의 입체각과 따라서 더 넓은 회절 점을 나타내며, SCBI에 의해 제조된 격자와 비교할 때 이 격자의 반사층의 주요한 악화의 증거가 된다.

동일한 비교가 두 격자의 1000 신장 사이클 이후에 수행되었다. 1000번째 신장 사이클 동안 측정된 입체각 Ω의 값 대 신장 %가 도 10의 b에 나타난다. 나타난 바와 같이, 본 발명의 격자는 종래기술의 격자에 비해 명백한 이점을 유지한다. 이는 본 발명의 격자가 날카로운 스펙트럼 선이 요구되거나 영상 형성 현상이 개입되는 광학 응용에서 종래기술에 따른 것에 비해 더 신뢰성이 있음을 의미한다.

실시예 8

이 실시예는 본 발명의 격자의 광학적 특성화에 관한 것이다.

실시예 4에서 제조된 격자(도 14, 사각형 점을 갖는)에 의해 생성된 회절 패턴이 단색광 빔(Ne-Ne 레이저, 632.8 nm 파장)을 사용하여 시험되었다. 도 15를 참조하면, 사각 격자에 대해 예측되는 바와 같이, 입사 레이저 빔(151)이 격자(152)에 충돌하고 두 직교하는 방향으로 회절된다. 회절 패턴(153)은 스크린 상에 명백하게 보이며 수평 방향으로 적어도 4차의 회절이 보이고 수직 방향으로 적어도 2차의 회절이 관찰된다.

실시예 9

이 실시예는 본 발명의 격자가 비평면 표면에 적용되었을 때의 광학적 특성을 종래기술의 격자와 비교하여 보여준다.

도 16을 참조하면, 실시예 2에 기재된 바에 따라 제조된 본 발명의 격자(161)가 오목한 원통형 지지체(162)의 비반사성 내표면에 적용된다. 격자는 상기 표면에 탄성 지지체의 (금속화된 면에 대향되는) 뒷면이 원통형 표면과 접촉하도록 적용된다. 이러한 구성에서, 입사광은 탄성 지지체를 통과하지 않으며, 따라서 흡수 및/또는 굴절을 피할 수 있다. 입사광 빔(163)은 164에서 나타난 입사광 빔 단면과 같이 수직 방향에서 비점수차를 나타낸다(astigmatic). 격자(161)는 이 분야의 기술자에게 알려진 바와 같이 입사광 빔을 격자의 피치에 의해 허용되는 차수만큼 회절한다. 도면에서, 0차(165) 및 1차(166) 출사광 빔이 도시되었다. 1차 회절을 고려하면 격자(161)의 원통형태는 167에서 회절된 광 빔의 단면에 의해 표시된 바와 같이 회절된 광 빔(166)이 수평방향에서 변화되지 않도록 유지하지만 이를 수직방향으로 포커싱한다.

원통형 거울의 곡면 격자의 품질을 증명하기 위하여, 단색광이 조사된 격자와 1차 회절의 초점 사이의 초점거리(168)를 측정하여 다음의 수학식으로부터 얻은 이론적 값과 비교하였다.

여기에서, f는 초점거리, R는 원통형 지지체의 곡률 반경, α 및 β는 각각 격자의 수직 방향에 대한 입사 및 회절각이다.

이 결과는 실험과 이론적 값 사이에서 10% 이하의 오차 내로 일치하는 것을 확인한다.

동일한 측정이 (증착에 의해 제조된) 종래기술의 격자가 동일한 원통형 표면에 적용된 것에 대해 수행되었으며, 예측한 바와 같이, 실험과 이론적 초점 거리 사이의 일치는 훨씬 더 좋지 않았다(10%보다 훨씬 높은 오차와 반복되지 않는 측정값). 종래기술 격자의 경우에서 이러한 불일치는 격자가 적용된 구부러진 표면에 형태가 정합되지 않는 강성 금속층의 크랙과 상기 금속층과 탄성 지지체 사이의 미스매치로 인한 것이다.

이러한 정량적인 결과는 변형에 있어서 종래기술 격자와 비교하여 본 발명에 따른 SCBI에 의해 제조된 반사형 격자의 더 나은 광학 품질과 본 발명의 곡면 격자가 빛을 집중하고, 따라서 예를 들면 분산 요소로서 전달 격자(이를 통해 입사광 빔이 통과하며, 흡수와 굴절을 겪는) 및 포커싱 요소로서 원통형 거울과 같은 것으로 이루어진 더 복잡한 광학 시스템의 사용을 피할 수 있게 하는 능력을 확인해준다.

본 발명의 격자가 취할 수 있는 원통 형태는 반사를 허용하며 회절된 광 빔에 비점수차(astigmatism)를 더하거나 제거할 수 있게 한다.

실시예 10

이 실시예는 본 발명에 따라 제조된 신장 가능한 및 변형 가능한 광학 소자의 조합이 임의의 입사광 빔의 파면을 분산, 집중 및 변경할 수 있는 능력을 보여준다.

이 실시예에서, "신장 가능한 및 변형 가능한 SCBI 거울"은 표면을 반사성으로 만들기 위하여 그 편평한 표면 상에 반사성 금속(예를 들면, 은, 백금, 금 또는 알루미늄)으로 SCBI에 의해 제조된 균일한 두께의 층이 존재하는 평면형 PDMS 지지체를 의미한다.

도 17을 참조하면, 곡면형 "SCBI 격자"(171) 및 "신장 가능한 및 변형 가능한 SCBI 거울"(172)을 포함하는 시스템이 고려된다. 이러한 시스템의 목적은 입사광 빔(173)을 수직(174) 및 수평(175) 방향 양자에서 임의의 파면 변경으로 회절시켜 출사광 빔(176) 파면을 수직(177) 및 수평(178) 방향 양자에서 적절하게 성형하여 집중하고 수차를 보정하는 것이다. 여기에서, "수직" 및 "수평"은 도 17에서 빔 및 소자의 방향에 대해 상대적이다. 포커싱 특성에 대하여, 격자(171)가 입사광 빔을 수직 방향에서 집중하기 위하여 수평 회전축을 갖는 실질적으로 원통형의 오목한(179) 지지체에 적용되는 반면, "신장 가능한 및 변형 가능한 SCBI 거울"은 격자로부터 오는 회절된 광 빔(181)을 수평 방향에서 집중하기 위하여 수직 회전 축(180)을 갖는 실질적으로 오목한 원통형 지지체에 적용된다. 입사광 빔(173)을 수직 평면 내에서 회절시키기 위하여, 격자는 예를 들면 이전의 실시예에서 서술된 공정을 따르는 수평 방향의 그루브를 갖는 지지체(179)에 적용된다. 최종적으로, 입사광 빔 파면은 두 원통형 지지체(179, 180)의 더 복잡하고 잘 정의된 형태에 의하여 원통형 곡면에 수직인 방향에서 변경되며, 각각 파면을 수평 및 수직 방향에서 변경한다. 이러한 지지체(179, 180)의 제조는 예를 들면, 일반적인 회전 선반, 또는 더 손쉽게는 CNC 머신을 이용하여 이 분야의 기술자에 의해 쉽게 이루어질 수 있다.

형태학적 및 광학 특성에 대한 논의

위에서 설명된 실시예에 의해 제조된 샘플에 대하여 신장 전후의 형태학적 특성화 및 신장 중의 광학 행동 특성화가 이루어졌으며, 특히 신장 중의 피치 거리의 변경 및 회절광 점의 형태가 연구되었다.

이러한 격자의 그루브의 작은 치수로 인하여, 형태는 원자힘 현미경에 의해 조사되었다. 얻어진 특성들은 도 11에 나타나 있다. 특히, 도 11의 (A), (B) 및 (C)는 성형 PDMS 나격자, 본 발명(제1 구현예) 및 종래기술(증착에 의한 금속화)에 따라 제조된 신장 가능한 및 변형 가능한 SCBI 격자 사이의 비교를 보여준다.

제1 삽입도 A는 성형 PDMS 나격자의 AFM 높이 맵을 나타내며, 성형 표면의 주기적 구조가 명백하다. 이는 삽입도 D에 나타난 바와 같이, 주기적 구조의 유사-사인파형 프로파일을 강조한 단일주사선 프로파일의 플롯에서 또한 분명히 알 수 있다. AFM 맵(삽입도 A)의 분석으로부터 850±28 nm의 피치 거리가 결정되고, 이는 성형 공정에서 마스터로 사용되는 평면형 강성 격자의 피치 거리 833nm (1200 lines/mm 그루브 밀도)와 충분히 정합된다. 또한, 삽입도 D에서, 격자의 그루브에 수직으로 얻어진 단일선 주사 프로파일로부터 분명히 관찰되는 바와 같이, 성형 PDMS 나격자 프로파일의 정상-골짜기(peak-to-valley) 높이는 55.0±1.4 nm이다.

동일한 측정이 실시예 2에서 제조된 본 발명의 격자에 대해 수행되었다. 실시예 2에서 얻어진 견본의 AFM 높이 맵이 도 11의 삽입도 B에 도시되어 있다. 획득된 맵은 성형 PDMS 나격자에서 얻어진 것(A)과 매우 유사하다. 이러한 금속화에 의해 얻어진 지지체 프로파일의 재현의 품질 또한 도 11의 삽입도 E의 격자의 그루브에 수직으로 획득된 단일선 주사 프로파일의 그래프에서 명백하다. 실제로, 성형 PDMS 나격자에 대한 것(D)과 매우 유사한 선 주사 프로파일(E)은 860±33 nm의 피치 거리를 보여주며, 이는 성형 PDMS 격자를 위한 마스터로 사용되는 강성 격자 및 성형 PDMS 나격자 자체의 피치 거리와 충분히 정합된다. 이 샘플은 46.2±0.1 nm의 정상-골짜기 높이를 나타낸다.

마지막으로, 종래기술의 증착 방법에 따른 실시예 3에서 얻어진 격자에 대해 동일한 측정이 수행되었다. 이 견본에 대한 AFM 높이 맵, 도 11의 삽입도 C는 앞서의 두 경우(A 및 B)와 비교하여 상당히 다르다. 주기적 구조가 여전히 존재하지만, 많은 크랙이 격자의 주기적 구조와 평행한 방향과 수직인 방향 양쪽에서 관찰된다. 도 11의 삽입도 F의 AFM 단일선 주사 프로파일은 선주사 프로파일 D 및 E와 비교할 때 상대적인 형태학적 차이를 확인해주며, 초기의 성형 PDMS 나격자의 프로파일이 열증착에 의한 코팅 공정 후에 유지되지 않음을 보여준다. 이 결과는 또한 정량적 분석에 의해 확인되었다. 실시예 3에서 얻어진 격자에 대한 피치 거리는 여전히 성형 PDMS 나격자의 것과 유사하지만(854±31nm), 평균 정상-골짜기(peak-to-valley) 높이(81±7nm) 는 성형 PDMS 나격자의 경우에 비해 훨씬 크다.

세 격자의 주기적 구조의 규칙성이 이 분야에서 알려진 바와 같이, 그 프로파일의 높이 히스토그램에 의해 또한 연구되었다. 도 12에 성형 PDMS 나격자(AA), 본 발명에 따른 실시예 2에서 얻어진 격자(BB) 및 종래기술에 따른 실시예 3에서 얻어진 격자(CC)에 대한 높이 히스토그램이 도시되어 있다.

예측된 바와 같이, 성형 PDMS 나격자에 대한 높이 히스토그램(AA) 은 잘 정의된 주기적 구조를 나타내는 두 개의 잘 정의되고 좁은 분리된 피크를 보여준다. 본 발명의 격자에 대한 높이 히스토그램(BB)에서는, 두 개의 잘 정의되고 좁은 분리된 피크가 여전히 존재하며, 성형 PDMS 나격자의 경우(AA)에 비해 단지 조금 큰 폭을 갖는다. 마지막으로 종래기술의 격자에 대한 높이 히스토그램(CC)에서는, 두 개의 피크가 현저하게 넓어지는 것(즉, 그 폭의 강한 증가)을 볼 수 있으며 잘 구분되지 않게 된다. 이는 증착에 의한 탄성 표면의 금속화에 의해 얻어진 격자의 주기적 구조에서 이 분야의 기술자에게 알려진 바와 같이 나쁜 광학적 성능을 결정하는 큰 비규칙성을 보여준다.

실시예 2 및 3에서 제조된 샘플이 광학 현미경을 이용한 조사에 의해 또한 평가되었다.

도 13은 두 장치에 대한 신장 후에 실시예 2의 격자의 표면(왼쪽) 및 실시예 3의 격자의 표면(오른쪽)에 대해 얻은 광학 영상을 나타낸다. 도 13의 왼쪽 영상에서 나타난 바와 같이, 본 발명의 격자(131)는 장치의 광학 동작에 특별한 영향을 미치지 않는 표층에서 몇몇 크랙(132, 132')이 존재한다. 증착에 의해 얻어진 격자(134)의 표면에는 더 크고 명백한 크랙(133, 133', 133")이 대신 존재하며, 이는 이 장치의 광학 동작에 크게 영향을 준다(특히, 예를 들면, 회절 점의 날카로움을 줄인다). 이러한 수직 크랙에 더하여, 격자 그루브 방향에 평행하게, 강성 금속 증착층을 격자 그루브 방향에 수직으로 신장함에 의해 생기는 많은 수평 크랙(135, 136)을 또한 볼 수 있다. 이러한 수평 크랙의 방향 및 규칙성은 증착에 의해 제조된 격자에서 얻어진 도 8에 나타난 회절 패턴에서 관찰되는 수직정렬된 회절 점(84)의 원인이다. 이러한 결과는 성형 탄성 지지체 상에 (증착과 같은) 표준 금속화에 의해 형성된 금속층의 낮은 품질 성능(크랙 형성, 층간박리, 성형 패턴의 나쁜 재생성, ..)이 어떻게 격자의 나쁜 광학 기능성을 가져오는지를 보여준다.

이상에서 논의된 광학 측정이 따라서 SCBI를 통해 금속화된 성형 탄성 (바람직하게는 PDMS 상에 형성된) 전체적 또는 부분적으로 반사성의 격자가 표준 금속화 기술(예를 들면, 증착)로 얻어진 것과 비교하여 더 나은 광학 동작을 하는 것을 확인해준다. 금속화 기술로 SCBI를 사용함으로써 결함과 회절 점의 확대가 최소화되며 탄성(바람직하게는 PDMS 기반) 격자의 반사성 표면의 수평 크랙의 형성을 피할 수 있다.

초음속 클러스터 빔 삽입 공정 덕분에, 본 발명의 바람직한 구현예에서, 전체 공정이 상온에서 이루어지기 때문에, 본 발명에서 얻어진 전체적 또는 부분적으로 반사성 신장 가능한 및 변형 가능한 광학 소자(특히, 격자)는 성형 PDMS 격자를 구성하는 폴리머의 악화를 나타내지 않는다. 또한, "주사(rastering)"공정 덕분에, 탄성 지지체의 광학 활성면(즉 성형면)에 금속 나노클러스터를 매우 균일한 방법으로 삽입하는 것이 가능하다.

앞서 제시된 결과로부터, 초음속 방식에서 수행되고 삽입되는 나노클러스터의 이용이 편평하거나 성형된 원래의(bare) 탄성 지지체의 프로파일이 재현되며 변경되지 않도록 허용하는 것이 명백하다. 이는 SCBI의 사용에 의한 고유한 것이며 예를 들면 분출(effusive) 방식에서 제조되고 조종되는 원자 또는 다른 종류의 금속화를 사용해서는 얻어지지 않는다. 신장 가능한 및 변형 가능한 광학 소자(예를 들면 신장 가능한 및 변형 가능한 회절 격자) 상에 반사층을 제조하기 위해 SCBI를 사용하는 것의 이점 및 고유성은 따라서 명백하다. 원래의 탄성 지지체로부터 금속화 장치로 전달되는 표면 프로파일 유지의 극도로 높은 신뢰도는 나노복합 층의 반사성, 변형 가능성 및 신장 가능성(및 가능하게는 전도성) 과 함께 이 기술에서 고유하며, 심지어 이전의 특허출원 WO 2011/121017 A1의 내용으로부터도, 사전에 예견될 수 없었던 것이다.

Claims (21)

1. 완전히 또는 부분적으로 반사성인 신장 가능한 및 변형 가능한 광학 소자의 제조방법으로서, 하나 이상의 금속, 이들의 합금, 이들의 산화물 또는 이의 혼합물 중에서 선택된 재료의 중성 나노클러스터를 탄성 지지체의 적어도 한 표면에 "클러스터 빔 삽입(Cluster Beam Implantation)" 기술에 의해 삽입하여, 가능하게는 상기 소자의 표면에서 드러나는 나노복합 층을 상기 지지체에서 얻는 단계를 포함하고, 상기 삽입이
   - 상기 탄성 지지체의 표면에 상기 나노클러스터를 균일하게 삽입하고, 여기서 상기 표면은 제조하고자 하는 광학 소자의 프로파일에 본질적으로 상응하는 성형 프로파일을 가지거나; 또는
   - 상기 탄성 지지체의 편평한 표면에 상기 나노클러스터를 선택적으로 삽입하거나; 또는
   - 상기 탄성 지지체의 표면에 상기 나노클러스터의 제1 층을 균일하게 삽입한 다음 얻어진 제1 나노클러스터 층 상에 상기 나노클러스터의 제2 층을 선택적으로 삽입함으로써,
   일어나는 것인 방법.
2. 제 1항에 있어서,
   - 상기 재료의 중성 나노클러스터의 빔을 만들고, 여기서 상기 나노클러스터가 100 내지 10000 m/s의 평균속도 및 50 nm 미만의 크기를 가지며;
   - 탄성 지지체의 상기 표면상에 상기 빔을 향하게 하는,
   상들을 포함하는 방법.
3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
   상기 기술이 "초음속 클러스터 빔 삽입(Supersonic Cluster Beam Implantation)"인 방법.
4. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 금속이 Au, Ag, Pd, Pt, Cu, Ti, Fe, Ni, Cr, Co, Nb, Zr, Al, V, Zn, Mo, W, Pb, Sn, Hf 및 Ir인 방법.
5. 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 탄성 재료가 폴리실록산, 실리콘 고무, 라텍스, 열가소성 엘라스토머, 포토레지스트, 폴리우레탄, 폴리아미드, 폴리이미드, 플루오로폴리머, 폴리비닐 피롤리돈, 폴리에틸렌 글리콜, 폴리에틸렌 옥사이드, 폴리비닐 알코올 또는 하이드로겔 중에서 선택된 방법.
6. 제 5항에 있어서,
   상기 탄성 재료가 폴리디메틸실록산(PDMS)인 방법.
7. 제 1항 내지 제 6항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 나노클러스터가 1 내지 20 nm의 크기를 갖는 방법.
8. 제 1항 내지 제 7항 중 어느 한 항에 있어서,
   나노클러스터의 삽입 중에 상기 탄성 지지체가 -10℃ 내지 150℃의 온도로 유지되는 방법.
9. 제 8항에 있어서,
   상기 온도가 실온인 방법.
10. 제 1항 내지 제 9항 중 어느 한 항에 있어서,
    탄성 지지체 내에 나노클러스터의 삽입 후, 얻어진 나노복합 층을 약 40℃ 내지 약 120℃의 온도에서 약 0.3 시간 내지 약 48 시간 동안 경화하는 방법,
11. 제 1항 내지 제 10항 중 어느 한 항에 따라 얻어진 완전히 또는 부분적으로 반사성인 신장 가능한 및 변형 가능한 광학 소자.
12. 제 11항에 있어서, 탄성 지지체의 표면에 형성된 나노복합 층이 완전히 또는 부분적으로 반사성 및 전기적으로 전도성인 신장 가능한 및 변형 가능한 광학 소자.
13. 제 11항 또는 제 12항에 있어서, 탄성 지지체의 표면에 형성된 나노복합 층이 5 nm 내지 10 ㎛를 포함하는 두께를 갖는 신장 가능한 및 변형 가능한 광학 소자.
14. 제 13항에 있어서, 상기 나노복합 층이 10 nm 내지 1 ㎛를 포함하는 두께를 갖는 신장 가능한 및 변형 가능한 광학 소자.
15. 제 11항 내지 제 14항 중 어느 한 항에 있어서, 격자, 거울, 필터, 조정 가능한(tunable) 거울, 근접 필드 이미징 장치, 광 스캐너, 브로드밴드 빔 스플리터 또는 고반사형 브래그 반사기 (DBR) 중에서 선택된 신장 가능한 및 변형 가능한 광학 소자.
16. 제 15항에 있어서, 상기 광학 소자가 반사성 회절 격자인 신장 가능한 및 변형 가능한 광학 소자.
17. 제 15항에 있어서, 상기 광학 소자가 거울인 신장 가능한 및 변형 가능한 광학 소자.
18. 제 16항에 있어서, 상기 탄성 지지체(105)가 최종 소자의 것에 상응하는 형상의 성형 표면을 가지며, 상기 표면에서 나노복합 층(301)이 형성되는 신장 가능한 및 변형 가능한 반사성 회절 격자(302).
19. 제 16항에 있어서, 상기 탄성 지지체(405)가 편평한 표면을 가지며, 상기 표면상에 불연속 나노복합 층이 기하 패턴에 따라 위치된 반사성 "섬"의 형태로 존재하는 신장 가능한 및 변형 가능한 부분 반사성 회절 격자(407).
20. 제 16항에 있어서, 상기 탄성 지지체(405)가 편평한 표면을 가지며, 상기 탄성 지지체의 표면상에 제1 연속 나노복합 층(410)이 존재하며, 상기 제1 연속 나노복합 층 상에 제2 불연속 나노복합 층이 기하 패턴에 따라 위치된 반사성 "섬"의 형태로 존재하는 신장 가능한 및 변형 가능한 부분 반사성 회절 격자(413).
21. 제 11항 내지 제 20항 중 어느 한 항의 완전히 또는 부분적으로 반사성인 신장 가능한 및 변형 가능한 광학 소자를 적어도 포함하는 광학 시스템.
    

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