KR20200025979A - 회절격자 소자와 그 제조방법과 회절격자 소자를 포함하는 광학장치 - Google Patents

Abstract

회절격자 소자와 그 제조방법과 상기 회절격자 소자를 포함하는 광학장치에 관해 개시되어 있다. 일 실시예에 의한 회절격자 소자는 광 반사 기판 상에 배치된 회절격자를 포함한다. 이러한 회절격자는 복수의 회절요소를 포함하고, 45°이상의 입사각으로 입사되는 광에 대해서 상기 복수의 회절요소 각각은 자신의 상부면에서 반사된 광과 자신의 밑면에서 반사된 광이 서로 상쇄 간섭을 일으키는 높이를 갖는다. 일 실시예에 의한 광학장치는 광원과 제1 회절격자 소자와 제2 회절격자 소자를 포함한다. 일 실시예에 의한 회절격자 소자의 제조방법은 광 반사 기판 상에 유전층을 형성한 다음, 상기 유전층을 패터닝하여 상기 기판 상에 회절격자를 이루는 복수의 회절요소를 형성한다. 유전층의 굴절률은 2.0이하이다.

Description

회절격자 소자와 그 제조방법과 회절격자 소자를 포함하는 광학장치{Grating device and method of manufacturing the same and optical apparatus including grating device}

본 개시는 회절요소에 관한 것으로써, 보다 자세하게는 회절격자 소자와 그 제조방법과 회절격자 소자를 포함하는 광학장치에 관한 것이다.

회절격자는 빛의 진폭 및 위상에 주기적인 변화를 주는 광학장치로 볼 수 있다. 회절격자는 프리즘처럼 분광작용을 한다. 그러므로 회절격자를 이용하여 빛의 스펙트럼을 얻을 수 있다.

회절격자는 빛의 진폭 및 위상에 주기적인 변화를 주기 위한 구조를 갖는데, 예를 들면 평면이나 오목한 유리판 혹은 금속판에 회절구멍, 장애물, 평행한 얇은 선 등이 주기적으로 새겨진 구조를 가질 수 있다.

회절격자는 투과형 회절격자와 반사형 회절격자로 분류할 수 있다. 투과형 회절격자는 투명기판에 많은 수의 슬릿(slit)이 일정한 간격으로 배열된 구조를 갖는다. 반사형 회절격자는 반사거울 등과 같이 불투명기판에 많은 선들이 일정한 간격으로 촘촘히 새겨진 구조를 갖는다.

본 개시에서 고 입사각에 대한 회절효율을 높일 수 있는 회절격자 소자를 제공한다.

본 개시에서 넓은 시야를 확보할 수 있고, 부피를 최소화할 수 있는 회절격자 소자를 제공한다.

본 개시에서 이러한 회절격자 소자를 포함하여 색 분산을 줄일 수 있는 광학장치를 제공한다.

본 개시에서 대면적의 회절격자 소자를 용이하게 구현하면서 생산 비용도 줄일 수 있는 회절격자 소자의 제조방법을 제공한다.

본 개시에서 일 실시예에 의한 회절격자 소자는 광 반사 기판 상에 배치된 회절격자를 포함한다. 이러한 회절격자는 복수의 회절요소를 포함하고, 75°이상의 입사각으로 입사되는 광에 대해서 상기 복수의 회절요소 각각은 자신의 상부면에서 반사된 광과 자신의 밑면에서 반사된 광이 서로 상쇄 간섭을 일으키는 높이를 갖는다.

일 실시예에서 상기 기판과 상기 회절격자 사이에 스페이스층으로 유전층이 존재할 수 있고, 유전층의 두께는 입사광의 파장의 n배(n=1,2,3..)이다. 상기 기판은 굴절률이 서로 다른 유전체들을 포함하는 브래그 반사기(Bragg reflector)일 수 있다. 상기 회절격자의 굴절률은 2.0이하일 수 있다. 일 예로, 회절격자의 굴절률은 1.3~2.0일 수 있다.

일 실시예에서 상기 복수의 회절요소는 각각 주 회절요소와 보조 회절요소를 포함할 수 있다. 상기 주 회절요소의 폭은 상기 보조 회절요소의 폭보다 클 수 있다. 상기 보조 회절요소는 서로 이격된 복수의 보조 회절요소들을 포함하고, 상기 복수의 보조 회절요소들의 폭은 서로 동일하거나 다를 수 있다. 상기 복수의 회절요소는 각각 주 회절요소와 복수의 보조 회절요소를 포함할 수 있고, 상기 복수의 보조 회절요소는 그 수가 증가하면서 고 회절효율을 얻을 수 있는 음의 회절각도 범위가 증가하도록 배치된 것일 수 있다.

일 실시예에서 상기 복수의 회절요소들은 모두 동일한 회절특성을 나타내도록 배치된 것일 수 있다.

다른 실시예에서, 상기 복수의 회절요소들은 서로 다른 회절특성을 나타내도록 배치된 것일 수 있다.

상기 유전층은 단일층일 수 있다. 다른 실시예에서 상기 유전층은 적층된 제1 및 제2 유전층을 포함하고, 상기 제1 및 제2 유전층의 굴절률은 서로 다를 수 있다.

일 실시예에서 상기 기판은 금속성 기판 또는 WGP(reflective wire gird polarizer) 일 수 있다.

일 실시예에서 상기 복수의 회절요소들은 모두 양의 회절특성 또는 음의 회절특성을 나타내도록 배치된 것일 수 있다. 상기 복수의 회절요소들 사이의 피치는 동일할 수 있다.

다른 예에서 상기 복수의 회절요소들은 양의 회절특성을 나타내는 회절요소들과 음의 회절특성을 나타내는 회절요소들을 포함할 수 있다.

상기 유전층의 굴절률은 상기 회절격자의 굴절률과 같거나 보다 클 수 있다.

일 실시예에서 상기 제1 및 제2 유전층 중 상기 회절요소에 직접 접촉된 유전층의 굴절률은 상기 회절요소의 굴절률보다 크고, 상기 제1 및 제2 유전층 중 상기 회절요소에 직접 접촉된 유전층의 굴절률은 그 바로 아래에 구비된 유전층의 굴절률보다 클 수 있다.

일 실시예에서 상기 양의 회절특성을 나타내는 회절요소들은 양의 회절특성의 정도가 서로 다르게 나타나도록 배열된 것일 수 있다. 상기 양의 회절특성을 나타내는 회절요소들의 피치는 서로 다를 수 있다.

일 실시예에서 상기 음의 회절특성을 나타내는 회절요소들은 음의 회절특성의 정도가 서로 다르게 나타나도록 배열된 것일 수 있다. 상기 음의 회절특성을 나타내는 회절요소들의 피치는 서로 다를 수 있다.

본 개시에서 일 실시예에 의한 광학장치는 광원부로부터 입사되는 광을 회절시키는 제1 회절격자 소자를 포함한다. 상기 제1 회절격자 소자는 상술한 본 개시에서 일 실시예에 의한 회절격자 소자의 특징들 중 어느 하나를 포함하는 회절격자 소자이다.

일 실시예에 따르면, 상기 광원부는 직접 광을 방출하는 광원과 상기 광원으로부터 입사되는 광을 회절시켜 상기 제1 회절격자 소자에 입사광을 제공하는 제2 회절격자 소자를 포함할 수 있다.

일 실시예에 따르면, 상기 제1 회절격자 소자와 상기 제2 회절격자 소자는 서로 동일한 회절특성을 나타내는 회절격자 소자일 수 있다.

다른 실시예에 따르면, 상기 제1 회절격자 소자와 상기 제2 회절격자 소자는 서로 다른 회절특성을 나타내는 회절격자 소자일 수 있다.

다른 실시예에 따르면, 상기 광원부는 직접 광을 방출하는 광원과, 상기 광원으로부터 입사되는 광을 주어진 방향으로 회절시키는 제2 회절격자 소자와, 상기 제2 회절격자 소자의 회절광을 상기 제1 회절격자 소자에 전달하는 전달요소를 포함할 수 있다.

일 실시예에 따르면, 상기 제1 회절격자 소자와 상기 제2 회절격자 소자 중 어느 한 소자의 회절면에 수직한 법선에 대해 나머지 소자는 45°보다 작은 각으로 경사지게 배치될 수 있다.

일 실시예에 따르면, 상기 제1 및 제2 회절격자 소자는 빔 확장기(beam expander) 역할을 하는 회절격자 소자일 수 있다.

다른 실시예에 따르면, 상기 제1 회절격자 소자는 렌즈 역할을 하는 회절격자 소자이고, 상기 제2 회절격자 소자는 빔 확장기 역할을 하는 회절격자 소자일 수 있다.

일 실시예에서 상기 전달요소는 광 반사기일 수 있다.

본 개시에서 일 실시예에 의한 회절격자 소자의 제조방법은 광 반사 기판 상에 유전층을 형성한 다음, 상기 유전층을 패터닝하여 상기 기판 상에 회절격자를 이루는 복수의 회절요소를 형성한다. 여기서 유전층의 굴절률은 2.0이하이다.

일 실시예에 따르면, 상기 유전층을 패터닝하는 과정은 일 면에 상기 복수의 회절요소에 대응되는 회절요소 패턴이 새겨진 템플리트(template)를 상기 유전층 상에 정렬하고, 정렬된 상태로 상기 템플리트를 상기 유전층에 찍은 다음, 상기 템플리트를 제거하는 과정을 포함한다.

일 실시예에 따르면, 75°이상의 입사각으로 입사되는 광에 대해서 상기 복수의 회절요소 각각은 자신의 상부면에서 반사된 광과 자신의 밑면에서 반사된 광이 서로 상쇄 간섭을 일으키는 높이를 가질 수 있다.

다른 실시예에서 상기 기판과 상기 유전층 사이에 스페이스층을 더 형성할 수 있다.

일 실시예에서 상기 복수의 회절요소 각각은 주 회절요소와 보조 회절요소를 포함할 수 있다. 상기 보조 회절요소는 복수의 보조 회절요소를 포함할 수 있다. 상기 복수의 회절요소는 모두 동일한 피치 또는 서로 다른 피치를 갖도록 형성할 수 있다. 상기 복수의 보조 회절요소는 그 수가 증가하면서 고 회절효율을 얻을 수 있는 음의 회절각도 범위가 증가하도록 배치될 수 있다.

다른 실시예에서 상기 복수의 회절요소의 일부는 주 회절요소와 보조 회절요소를 포함하고, 나머지는 주 회절요소만 포함할 수 있다.

개시된 일 실시예에 의한 회절격자 소자에서 회절요소는 75°이상의 입사각으로 비스듬히 입사되는 입사광에 대해서 0차 회절광을 상쇄시킬 수 있는 높이를 갖는다. 또한, 음의 회절광을 일으키는 회절요소에 대해서는 주 회절요소와 함께 보조 회절요소를 적절히 배치하여 2차 이상의 고차 회절광을 제거한다. 이에 따라 1차 회절광에 대해서 1에 가까운 높은 회절효율을 얻을 수 있다. 개시된 회절격자 소자에서 회절요소들의 구성과 제원(높이, 피치 등)은 수평에 가까운 높은 입사각을 갖는 입사광의 회절에 최적화되어 있어 회절격자 소자의 전체 부피는 매우 얇아진다. 그러므로 개시된 회절격자 소자를 다른 장치에 적용할 경우, 해당 장치의 부피를 기존보다 줄일 수 있을 것이다.

또한, 회절요소의 피치나 보조 회절요소 수의 조절을 통해 회절광의 출력각(output angle)을 조절할 수 있으므로, 넓은 범위의 출력각을 확보할 수도 있다. 이는 개시된 회절격자 소자가 디스플레이에서 시야각을 확대하는데 기여할 수 있음을 시사한다.

또한, 개시된 회절격자 소자의 경우, 2개를 광학적으로 결합하여 사용함으로써, 1개만 사용할 때 회절광에 나타날 수 있는 색 분산을 줄이거나 제거할 수 있다.

또한, 개시된 회절격자 소자에서 회절요소들은 굴절률이 2.0이하인 물질(예컨대, 폴리머)로 형성된다. 이에 따라 개시된 회절격자 소자는 나노 임프린트 제조방법을 사용하여 형성할 수 있으므로, 대구경의 회절격자 소자를 용이하게 형성할 수 있을 뿐만 아니라 생산 비용도 줄일 수 있다.

도 1은 일 실시예에 의한 회절격자 소자를 나타낸 단면도이다.
도 2는 다른 실시예에 의한 회절격자 소자를 나타낸 단면도이다.
도 3은 또 다른 실시예에 의한 회절격자 소자를 나타낸 단면도이다.
도 4는 도 2의 회절격자 소자에 대한 입체도이다.
도 5는 또 다른 실시예에 의한 회절격자 소자의 단면도이다.
도 6은 또 다른 실시예에 의한 회절격자 소자의 단면도이다.
도 7은 또 다른 실시예에 의한 회절격자 소자의 단면도이다.
도 8 내지 도 11은 앞에 설명한 실시예에 의한 회절격자 소자의 회절요소 형태에 따른 회절효율을 알아보기 위해 실시한 시뮬레이션 결과를 나타낸 그래프들이다.
도 12a 내지 도 12c는 일 실시예에 의한 회절격자 소자가 빔 확장기(beam expander)로 사용된 경우를 나타낸 단면도이다.
도 13은 일 실시예에 의한 회절격자 소자가 렌즈로 사용된 경우를 나타낸 단면도이다.
도 14는 일 실시예에 의한 회절격자 소자가 디스플레이 장치의 한 구성요소로 사용된 경우를 나타낸 단면도이다.
도 15는 일 실시예에 의한 회절격자 소자를 포함하는 광학장치를 나타낸 단면도이다.
도 16은 일 실시예에 의한 회절격자 소자를 포함하는 다른 광학장치를 나타내 단면도이다.
도 17은 일 실시예에 의한 회절격자 소자를 포함하는 또 다른 광학장치를 나타낸 단면도이다.
도 18과 도 19는 도 17을 18-18’방향으로 절개한 단면도이다.
도 20 내지 도 24는 일 실시예에 의한 회절격자 소자의 제조방법에서 회절격자를 임프린트(imprint)하는데 사용되는 템플리트(template)를 제조하는 과정을 단계별로 나타낸 단면도들이다.
도 25 내지 도 29는 도 20 내지 도 24에서 형성한 템플리트를 이용하여 일 실시예에 의한 회절격자 소자를 형성하는 방법을 나타낸 단면도들이다.

이하, 일 실시예에 의한 회절격자 소자와 그 제조방법과 회절격자 소자를 포함하는 광학장치를 첨부된 도면들을 참조하여 상세하게 설명한다. 이 과정에서 도면에 도시된 층이나 영역들의 두께는 명세서의 명확성을 위해 과장되게 도시된 것이다.

도 1은 일 실시예에 의한 회절격자 소자를 보여준다.

도 1을 참조하면, 일 실시예에 의한 회절격자 소자(5)는 기판(10)과 기판(10) 상에 마련된 복수의 회절요소(20)를 포함한다. 기판(10)은 입사광을 반사시킬 수 있는 물질층일 수 있다. 곧, 기판(10)은 입사광을 반사시키는 광 반사기판일 수 있다. 일 예로 기판(10)은 금속성 미러 혹은 금속을 포함하여 광 반사 특성을 나타내는 기판 혹은 금속기판일 수 있다. 다른 예에서 기판(10)으로 반사형 와이어 그리드 편광자 (reflective wire gird polarizer, WGP)가 사용될 수도 있다. 복수의 회절요소(20) 전체를 통칭해서 회절격자라 할 수 있다. 회절요소들(20)은 기판(10)의 일 면 상에 배치될 수 있다. 일 예로 회절요소들(20)은 기판(10)의 상부면 상에 배치될 수 있다. 복수의 회절요소(20)는 서로 이격되어 있다. 회절요소들(20)은 기판(10) 상에서 서로 주어진 피치(P1)를 갖도록 분포될 수 있다. 회절요소들(20)은 주어진 높이(H1)를 갖고 주어진 폭(W1)을 갖는다. 회절요소들(20)의 이러한 제원들이 달라지면, 회절요소들(20)에 의한 회절 특성도 달라질 수 있다. 회절요소들(20)의 굴절률은 2.0 이하일 수 있는데, 일 예로 고효율 동작과 작은 종횡비를 위해 회절요소들(20)의 굴절률은 1.35~2.0 정도일 수 있다. 회절요소들(20)은 폴리머(polymer) 또는 SiO2와 같은 저 손실 유전체 물질을 포함하여 형성된 것일 수 있다. 여기서 ‘저 손실’은 입사광 흡수 손실이 낮음을 의미한다. 곧, 회절요소들(20)에 의한 입사광의 흡수 손실은 낮다. 회절요소들(20)의 높이(H1)는 입사광의 파장과 연계하여 결정될 수 있다. 이렇게 함으로써, 상쇄 간섭을 통해 회절의 영차(zeroth order) 광을 제거할 수 있다. 예컨대, 회절요소들(20)의 상부면에서 반사되는 광(L1)과 회절요소들(20)의 바닥에서 반사되는 광(L2) 사이에 경로차가 발생되는데, 회절요소들(20)의 높이(H1)를 상기 경로차가 상부면에서 반사되는 광(L1)과 바닥에서 반사되는 광(L2) 사이에 상쇄간섭이 일어나는 조건을 갖는 만족하는 높이로 설정할 수 있다. 이러한 높이 특성은 회절효율을 높이는 한 원인이 될 수 있다. 복수의 회절요소들(20)은 또한 주어진 필 팩터(fill factor)를 갖도록 마련될 수 있다. 상기 필 팩터는 한 개의 주기(P1) 상에 있는 회절격자 커버리지(grating coverage)로 정의된다. 일 예에서 복수의 회절요소(20)의 필 팩터는 입사광에 대해서 각 회절요소(20)의 상부면으로부터 반사된 광의 퍼센트와 각 회절요소(20)의 바닥면으로부터 반사된 광의 퍼센트가 동일하도록 설정될 수 있다. 이때, 광 흡수손실(absorption loss)은 제외한다. 이러한 필 팩터는 입사광, 광 흡수율, 회절요소(20)의 굴절률 등에 따라 달라질 수 있다. 복수의 회절요소(20)의 굴절률이 낮을 수록 보다 큰 필 팩터가 요구될 수 있다.

복수의 회절요소(20)의 피치(P1)에 따라 회절격자 소자(5)의 회절특성은 달라질 수 있다. 복수의 회절요소(20)의 피치(P1)에 따라 회절격자 소자(5)는 양의 회절특성 또는 음의 회절특성을 나타낼 수 있다. 회절요소(20)에서 입사광(L0)이 입사광(L0)을 방출하는 광원이 있는 쪽으로 회절될 때, 회절격자 소자(5)는 양의 회절특성을 나타낸다거나 갖는다고 말할 수 있다. 이 경우의 회절광(L3)은 양의 출력각(positive output angle)을 갖는다. 달리 말하면, 도 1에서 회절요소(20)에 입사된 입사광(L0)이 기판(10)의 상부면에 수직한 기준선(10L)의 좌측으로 회절되는 회절광(L3)으로 나타나는 경우, 회절격자 소자(5)는 양의 회절특성을 갖는다거나 회절요소(20)는 양의 회절특성을 갖는다고 말할 수 있다. 반대로, 입사광(L0)이 상기 광원이 있는 쪽과 반대 방향으로 회절되는 경우, 곧, 입사광(L0)이 기준선(10L)의 우측으로 회절되는 회절광(L4)으로 나타나는 경우, 회절격자 소자(5)는 음의 회절특성을 나타낸다거나 갖는다고 말할 수 있으며, 회절요소(20)가 음의 회절특성을 나타내거나 갖는다고 말할 수도 있다. 이 경우의 회절광(L4)은 음의 출력각을 갖는다. 기판(10) 상에 배치된 복수의 회절요소(20)가 모두 기하학적으로 동일한 형태이고, 회절요소(20) 간 피치(P1)도 동일할 경우, 회절격자 소자(5)는 전체적으로 피치(P1)에 따라 양의 회절 특성을 갖거나 음의 회절 특성을 가질 수 있다.

한편, 후술되지만, 복수의 회절요소(20)의 일부 회절요소의 피치가 나머지 회절요소와 다를 경우, 회절격자 소자(5)는 영역에 따라 서로 다른 회절특성을 나타낼 수 있다. 예컨대, 복수의 회절요소(20) 중 왼쪽 2개의 회절요소는 음의 회절특성을 나타내는 피치를 갖도록 배치될 수 있고, 오른 쪽 2개의 회절요소는 양의 회절특성을 나타내는 피치를 갖도록 배치될 수 있다. 결과적으로, 회절격자 소자(5)는 복수의 회절요소(20)의 회절특성에 따라 다양한 광학요소(예, 광 확장기, 렌즈 등)로 사용될 수 있다. 이에 대해서는 후술된다.

회절격자 소자(5)에서 회절요소(20)에 입사되는 입사광(L0)의 입사각(θ1)은 45°이상일 수 있다. 일 예로 입사각(θ1)의 범위는 75°≤θ1<90°일 수 있다. 이와 같이 입사각(θ1)이 45°이상으로 상대적으로 크고, 상대적으로 넓은 범위의 회절광을 얻을 수 있기 때문에, 초소형 회절격자 소자를 구현할 수 있다.

다른 실시예에서, 회절격자 소자(5)의 회절요소(20)는 도 2에 도시한 제2 회절요소(30) 또는 도 3에 도시한 제3 회절요소(40)로 대체될 수 있다. 복수의 회절요소(20) 모두가 도 2의 제2 회절요소(30) 또는 도 3의 제3 회절요소(40)로 대체될 수 있다. 또 다른 실시예에서, 복수의 회절요소(20) 중 일부만 도 2의 회절요소(30)나 도 3의 회절요소(40)로 대체될 수도 있다. 이 경우에 회절격자 소자(5)가 2가지 회절특성을 동시에 나타낼 수 있다.

도 2를 참조하면, 기판(10) 상에 형성된 제2 회절요소(30)는 주 회절요소(30A)와 보조 회절요소(30B)를 포함한다. 주 회절요소(30A)와 보조 회절요소(30B)는 서로 이격되어 있으며, 서로 접촉되지 않는다. 주 회절요소(30A)의 높이와 보조 회절요소(30B)의 높이는 서로 동일할 수 있다. 주 회절요소(30A)의 폭(W2)은 보조 회절요소(30B)의 폭(W3)보다 넓다. 제2 회절요소(30)는 음의 회절특성을 나타내는 피치를 갖도록 구비될 수 있다. 이에 따라 제2 회절요소(30)에 입사된 광(L30)은 기준선(10L)의 오른 쪽으로 회절된다. 회절효율을 높일 수 있는 방법의 하나가 회절광에서 고차 성분(예컨대, 2차 이상의 회절광)이 제거하는 것인데, 이를 위해 구비된 것이 보조 회절요소(30B)이다. 보조 회절요소(30B)의 존재로 인해 고차 회절성분의 위상과 상쇄간섭을 일으킬 수 있는 회절성분이 발생한다. 이에 따라, 회절광에 포함된 원하지 않는 고차 회절성분이 제거될 수 있다. 이를 감안하여 보조 회절요소(30B)의 폭(W3), 주 회절요소(30A)와 보조 회절요소(30B) 간 간격 등이 설정될 수 있다. 이러한 보조 회절요소(30B)를 포함함으로써, 1에 가까운 회절효율을 얻을 수 있다.

1개의 주 회절요소에 대해 복수의 보조 회절요소가 구비될 수 있는데, 도 3은 이에 대한 일 예를 보여준다.

도 3을 참조하면, 기판(10) 상에 형성된 제3 회절요소(40)는 주 회절요소(40A)와 제1 내지 제3 보조 회절요소(40B, 40C, 40D)를 포함한다. 보조 회절요소는 2개 또는 3개 이상 구비될 수도 있다. 이러한 보조 회절요소를 구비함으로써, 측면 큰 각 입사에서도 넓은 회절각을 얻을 수 있고, 회절효율도 높아질 수 있다. 또한, 보조 회절요소의 수에 비례해서 높은 회절효율을 얻을 수 있는 회절각도의 범위가 넓어질 수 있다.

주 회절요소(40A)의 높이는 제1 내지 제3 보조 회절요소(40B, 40C, 40D)의 높이와 서로 동일할 수 있다. 제1 내지 제3 보조 회절요소(40B, 40C, 40D)의 높이는 서로 동일할 수 있다. 주 회절요소(40A)의 폭(W4)은 제1 내지 제3 보조 회절요소(40B, 40C, 40D) 각각의 폭보다 넓다. 주 회절요소(40A)와 제1 내지 제3 보조 회절요소(40B, 40C, 40D)는 서로 이격되어 있고, 서로 접촉하지 않는다. 제1 내지 제3 보조 회절요소(40B, 40C, 40D)는 서로 이격되어 있고, 서로 접촉되지 않는다. 주 회절요소(40A)와 제1 보조 회절요소(40B)의 간격(D1)과 제1 내지 제3 보조 회절요소(40B, 40C, 40D) 사이의 간격(D2, D3)은 서로 동일하거나 다를 수 있다.

간격(D1, D2, D3)의 다를 경우, 주 회절요소(40A)와 제1 보조 회절요소(40B)의 간격(D1)이 제1 내지 제3 보조 회절요소(40B, 40C, 40D) 사이의 간격(D2, D3)보다 넓거나 좁을 수 있고, 제1 내지 제3 보조 회절요소(40B, 40C, 40D) 사이의 간격(D2, D3)은 주 회절요소(40A)로부터 멀어질 수록 넓어지거나 좁아질 수 있다.

편의 상, 제1 내지 제3 보조 회절요소(40B, 40C, 40D)의 폭은 모두 동일한 것으로 도시하였지만, 제1 내지 제3 보조 회절요소(40B, 40C, 40D)의 폭은 서로 다를 수도 있다. 예를 들면, 제1 내지 제3 보조 회절요소(40B, 40C, 40D)는 주 회절요소(40A)에서 멀어질 수록 폭이 넓어지거나 좁아지는 방향으로 배치될 수 있다.

주 회절요소(40A)와 제1 내지 제3 보조 회절요소(40B, 40C, 40D)의 제원들(높이, 폭, 간격 등)은 요구되는 회절광의 특성에 따라 제작 단계에서 조절될 수 있다. 보조 회절요소의 수가 증가하면서 회절광의 고차 회절성분(LD1, LD2)에 대한 상쇄간섭 효과도 증가할 수 있다. 결국, 보조 회절요소의 존재로 인해 1에 가까운 회절효율을 얻을 수 있다. 곧, 회절광에 포함된 성분들 중에서 특정 성분(차수)의 광, 예컨대 1차 회절광만 나타낼 수 있다. 본원의 회절격자 소자는 이러한 회절특징으로 인해 다양한 장치에 적용될 수 있다. 예를 들면, 빔 확장기에 적용될 수도 있고, 증강현실(Augmented Reality), 가상현실(Virtual Reality) 또는 라이트 필드 디스플레이 시스템(light field display system)용 광 컴바이너(optical combiner)로 사용될 수도 있다.

도 4는 도 2에 도시한 제2 회절요소(30)를 갖는 회절격자 소자를 입체적으로 보여준다.

도 4를 참조하면, 기판(10) 상에서 제2 회절요소들(30)은 이격 상태에서 서로 평행하게 배치되어 있다. 또한, 주 회절요소(30A)와 보조 회절요소(30B)도 서로 이격된 상태에서 서로 평행하게 배치되어 있다. 도 1의 회절요소들(20)이나 도 3의 제3 회절요소들(40)도 제2 회절요소들(30)처럼 기판(10) 상에 배치될 수 있다.

도 4에서 참조번호 4L1은 주 회절요소(30A)의 상부면에서 반사된 광을 나타내고, 참조번호 4L2는 주 회절요소(30A)의 바닥면에서 반사된 광을 나타낸다. 반사광들(4L1, 4L2)은 0차 회절광에 해당한다. 주 회절요소(30A)의 높이(H1)는 반사광들(4L1, 4L2) 사이의 경로차가 입사광의 파장의 ½가 되는 높이를 가지므로, 반사광들(4L1, 4L2)은 서로 상쇄되어 사라진다. 곧 주 회절요소(30A)가 갖는 이러한 높이 조건으로 인해 0차 회절광은 상쇄간섭을 통해 제거될 수 있다.

도 5는 또 다른 실시예에 의한 회절격자 소자(55)를 보여준다.

도 5를 참조하면, 회절격자 소자(55)는 기판(10), 제1 스페이서 또는 스페이스 물질층(50), 복수의 회절요소(20) 등을 포함한다. 복수의 회절요소(20) 대신에 도 2의 제2 회절요소(30)나 도 3의 제3 회절요소(40)가 배치될 수도 있다. 제1 스페이서(50)는 회절요소들(20)과 기판(10) 사이에 배치될 수 있다. 제1 스페이서(50)는 기판(10)의 일 면 상에 배치될 수 있는데, 예를 들면 기판(10)의 상부면 상에 구비될 수 있다. 제1 스페이서(50)는 기판(10)의 상부면 전체를 덮을 수 있다. 제1 스페이서(50)는 입사광의 파장의 정수배에 해당하는 두께(T1)를 가질 수 있다. 제1 스페이서(50)의 두께(T1)는 광의 입사각, 회절각, 제1 스페이서(50)의 굴절률, 회절요소(20)의 굴절률 등을 고려하여 결정될 수 있다. 제1 스페이서(50)는 입사광에 대한 광 흡수율이 낮은 저 손실 물질로 형성된 물질층일 수 있는데, 예를 들면 회절요소(20)보다 굴절률이 작은 유전층일 수 있다. 따라서 회절격자 소자(55)에 광이 입사될 때, 제1 스페이서(50)에 의한 광 흡수 손실은 무시할 수 있다. 여기에 개시된 회절격자 소자들은 다양한 방법으로 제조될 수 있는데, 그 중의 한 방법이 나노-임프린트(nano-imprint) 방법이다. 이에 대해서는 후술된다. 이러한 제조방법을 고려해서, 제1 스페이서(50)는 회절요소(20)와 동일한 재질의 물질층일 수 있다. 제1 스페이서(50)는 단일층일 수 있다. 복수의 회절요소(20)는 제1 스페이서(50) 상에 서로 이격되게 배치되어 있다. 복수의 회절요소(20)는 제1 스페이서층(50)의 상부면 상에서 일정한 피치로 배치될 수 있다. 다른 예에서 복수의 회절요소(20) 중 일부의 피치는 나머지의 피치와 다를 수 있다. 달리 말하면, 복수의 회절요소(20)는 양의 회절특성을 나타내도록 배치될 수도 있고, 음의 회절특성을 나타내도록 배치될 수도 있으며, 양과 음의 회절특성을 모두 나타내도록 배치될 수 있다. 복수의 회절요소(20) 사이의 제1 스페이서(50) 상에 잔류 물질층(52)이 존재할 수도 있다. 잔류 물질층(52)은 회절요소(20) 하부에 위치하며, 제1 스페이서(50)의 상부면 전체를 덮을 수 있다. 잔류 물질층(52)은 회절격자 소자(55)를 제조하는 과정에서 회절요소들(20) 하부에 남은 것으로 그 두께는 30nm를 넘지 않는 것으로, 일 예로 20nm 이하일 수 있다. 잔류 물질층(52)은 제조 과정에서 공정조건에 따라 그 두께를 20nm 이하로 줄이거나 형성되지 않게 할 수도 있다. 이처럼 잔류 물질층(52)의 두께는 매우 얇기 때문에, 회절에 대한 잔류 물질층(52)에 의한 영향은 무시할 수 있다. 잔류 물질층(52)은 회절요소(20)와 동일한 재질의 물질층이다.

도 6은 또 다른 실시예에 의한 회절격자 소자를 보여준다. 도 6에 예시된 회절격자 소자는 도 5에 예시된 회절격자 소자(55)와 구성면에서 유사한 부분이 있다. 따라서 도 6에 대해서는 도 5과 다른 부분에 대해서만 설명한다.

도 6을 참조하면, 기판(10)과 복수의 회절요소(20) 사이에 제2 스페이서(60)가 존재한다. 제2 스페이서(60)는 기판(10) 및 회절요소(20)와 직접 접촉될 수 있다. 제2 스페이서(60)는 기판(10)의 일 면, 예컨대 상부면 상에 형성되어 있고, 상부면 전체를 덮을 수 있다. 복수의 회절요소(20)는 제2 스페이서(60) 상에 위치한다. 제2 스페이서(60)는 순차적으로 적층된 제1 유전층(60a)과 제2 유전층(60b)을 포함한다. 제1 유전층(60a)은 기판(10)의 상부면 상에 형성되어 있다. 제2 유전층(60b)은 제1 유전층(60a) 상에 형성되어 있다. 회절요소(20)는 제2 유전층(60b) 상에 배치되어 있고, 제2 유전층(60b)과 직접 접촉된다. 제2 스페이서(60)에서 적어도 제2 유전층(60b)의 굴절률은 복수의 회절요소(20)의 굴절률보다 클 수 있다. 또한, 제2 유전층(60b)의 굴절률은 제1 유전층(60a)의 굴절률보다 클 수 있다. 이와 같이 제1 및 제2 유전층(60a, 60b)의 굴절률은 서로 다른 바, 제2 스페이서(60)는 브래그 반사층(Bragg Reflector)의 역할을 할 수 있다. 제2 스페이서(60)는 제1 및 제2 유전층(60a, 60b)외에 더 많은 유전층을 포함할 수 있다. 예를 들면, 제2 스페이서(60)는 제1 및 제2 유전층(60a, 60b)를 단위층으로 하여 복수의 단위층이 순차적으로 적층된 층 구조를 가질 수도 있다. 제2 스페이서(60)의 두께(T2)는 회절격자 소자(55)에 큰 입사각으로 비스듬히 입사하는 광(6L1)의 파장의 정수배일 수 있다. 이러한 조건을 만족하면서 제2 스페이서(60)에 포함된 제1 유전층(60a)의 두께와 제2 유전층(60b)의 두께는 서로 동일하거나 다를 수 있다. 기판(10)에 의한 광 반사손실이 무시할 수 없을 정도이거나 작은 출력각(small output angle)이 요구될 때, 도 5의 제1 스페이서(50)나 도 6의 제2 스페이서(60)는 회절효율을 개선하는데 도움이 될 수 있다. 복수의 회절요소(20) 사이의 제2 스페이서(60) 상에 잔류 물질층(62)이 존재할 수 있다. 잔류 물질층(62)은 도 5의 잔류 물질층(52)과 동일한 것일 수 있다.

한편, 제2 스페이서(60)가 브래그 반사층으로 사용될 경우, 기판(10)은 생략되거나 유리와 같은 투명한 기판으로 대체될 수도 있다. 그리하여 회절격자 소자(65)는 투명할 수 있다.

도 7은 또 다른 실시예에 의한 회절격자 소자를 보여준다.

도 7은 동일 기판(10) 상에 회절특성이 다른 복수의 회절요소들(70, 72, 74)이 분포된 경우를 보여준다.

도 7을 참조하면, 기판(10) 상에 제1 회절요소(70), 제2 회절요소(72) 및 제3 회절요소(74)가 마련되어 있다. 제1 회절요소(70)는 입사광(7L1)을 기준선(10L) 우측으로 주어진 회절각(-θ1)으로 회절시키는, 음의 회절특성을 갖는 회절요소일 수 있다. 제1 회절요소(70)는 도 2에 도시한 제2 회절요소(30) 또는 도 3에 도시한 제3 회절요소(40)일 수 있다. 제2 회절요소(72)는 입사광(7L1)을 기준선(10L1)과 평행한 방향으로, 곧 기판(10)의 상부면에 수직한 방향으로 회절시키는 양의 회절특성을 갖는 회절요소일 수 있다. 제2 회절요소(72)는 보조 회절요소를 갖지 않는 도 1의 회절요소(20)일 수 있다. 제3 회절요소(74)는 입사광을 기준선(10L1) 좌측으로 주어진 회절각(+θ1)으로 회절시키는, 양의 회절특성을 갖는 회절요소일 수 있다. 제3 회절요소(74)는 도 1의 회절요소(20)일 수 있다. 제1 내지 제3 회절요소(70, 72, 74)의 회절특성을 서로 다른 바, 제1 내지 제3 회절요소(70, 72, 74)의 피치는 서로 다를 수 있다. 제1 내지 제3 회절요소(70, 72, 74)의 이러한 회절특성으로 인해 입사광(7L1)은 회절후 주어진 위치에 수렴된다. 결과적으로, 도 7의 회절격자 소자(75)는 입사광을 초점에 수렴시키는 렌즈 혹은 거울과 같은 역할을 할 수 있다. 제1 및 제3 회절요소(70, 74)의 회절특성을 반대로 변경함으로써, 도 7의 회절격자 소자(75)는 입사광이 발산시키는 렌즈나 거울의 역할을 할 수 있다. 이와 같이 기판(10) 상에 다양한 회절특성을 갖는 회절요소를 적절한 피치를 갖도록 배치함으로써, 회절격자 소자(75)는 렌즈나 거울과 같이 광학요소로 사용될 수도 있다. 도 7에서 제1 내지 제3 회절요소(70, 72, 74) 사이에 복수의 회절요소들이 더 배치될 수 있고, 더 배치되는 회절요소들의 회절 방향 특성은 서로 다를 뿐만 아니라 제1 내지 제3 회절요소(70, 72, 74)의 회절특성과도 다를 수 있다. 일 예로, 제1 내지 제2 회절요소(70, 72) 사이에 더 배치되는 회절요소들의 경우, 회절요소들 간의 피치를 조절하여 제1 회절요소(70)에서 제2 회절요소(72)로 가면서 음의 회절특성이 점차 감소하도록, 곧 음의 출력각이 점차 감소하도록 배치될 수 있다. 제1 내지 제2 회절요소(70, 72) 사이에 더 배치되는 회절요소들의 경우, 각각 보조 회절요소의 수도 다를 수 있다. 제2 회절요소(72)와 제3 회절요소(74) 사이에 더 배치되는 회절요소들의 경우, 제3 회절요소(74)에서 제2 회절요소(72)로 가면서 피치를 조절하여 양의 회절특성이 점차 감소하도록, 곧 양의 출력각이 점차 감소하도록 배치될 수 있다.

도 8 내지 도 11은 회절요소의 형태에 따른 회절효율을 알아보기 위해 실시한 시뮬레이션 결과를 보여준다. 시뮬레이션에서 주 회절요소의 종횡비(aspect ratio)의 최대값은 3으로 하였다. 각 도에서 가로축은 출력각(out angle)을, 세로축은 회절효율을 나타낸다.

도 8은 회절요소가 보조 회절요소없이 주 회절요소만 포함하는 경우의 회절효율을 보여준다.

도 8을 참조하면, 회절요소가 주 회절요소만 포함하는 경우, 음의 출력각보다 양의 출력각에서 회절효율이 높은 것을 알 수 있다.

도 9는 회절요소가 주 회절요소만 포함할 때(G1)와 회절요소가 주 회절요소와 1개의 보조 회절요소를 포함할 때(G2)의 회절효율을 보여준다.

도 9를 참조하면, 회절요소가 주 회절요소와 함께 1개의 보조 회절요소를 포함하는 경우, 양의 출력각과 음의 출력각에서 대등한 회절효율을 보여준다. 이는 주 회절요소와 1개의 보조 회절요소를 포함하는 회절요소를 사용하는 경우, 양의 회절광과 음의 회절광을 대등하게 발생시킬 수 있음을 시사한다. 그러나 회절요소가 주 회절요소만 포함하는 경우(G1)와 비교했을 때, 양의 출력각에서는 주 회절요소만 포함하는 회절요소의 회절효율이 주 회절요소와 1개의보조 회절요소를 포함하는 회절요소의 회절효율보다 높은 것을 알 수 있다. 반대로 음의 출력각에서는 주 회절요소와 1개의 보조 회절요소를 포함하는 회절요소의 회절효율이 주 회절요소만 포함하는 회절요소의 회절효율보다 높은 것을 알 수 있다. 따라서 음의 출력각을 갖는 회절광, 곧 음 방향 회절광을 발생시키기 위해서는 주 회절요소와 1개의 보조 회절요소를 포함하는 회절요소를 사용하는 것이 보다 유익할 수 있다.

도 10은 회절요소가 주 회절요소와 2개의 보조 회절요소를 포함하는 경우의 회절효율을 보여준다.

도 10을 참조하면, 제1 그래프(G1)는 주 회절요소만 포함하는 회절요소의 회절효율을 보여준다. 제2 그래프(G2)는 주 회절요소와 1개의 보조 회절요소를 포함하는 회절요소의 회절효율을 보여준다. 제3 그래프(G3)는 주 회절요소와 2개의 보조 회절요소를 포함하는 회절요소의 회절효율을 보여준다.

제2 그래프(G2)와 제3 그래프(G3)를 비교하면, 보조 회절요소의 수가 증가할 수록 양의 출력각에서 회절효율은 낮아지는 반면, 음의 출력각에서, 특히 상대적으로 큰 음의 출력각에서 회절효율은 높아진다. 이러한 결과는 주 회절요소와 보조 회절요소를 포함하는 회절요소가 사용되는 경우, 보조 회절요소의 수가 증가하면서 음의 회절광의 회절효율도 높아질 수 있음을 시사한다. 이러한 시사는 도 11의 결과로부터 더욱 명확해진다.

도 11은 회절요소가 주 회절요소만 포함하는 경우의 회절효율(G1)과, 회절요소가 주 회절요소와 1개의 보조 회절요소를 포함하는 경우의 회절효율(G2)과, 회절요소가 주 회절요소와 2개의 보조 회절요소를 포함하는 경우의 회절효율(G3)과, 회절요소가 주 회절요소와 3개의 보조 회절요소를 포함하는 경우의 회절효율(G4)을 보여준다.

도 11의 제1 내지 제4 그래프(G1-G4)를 비교하면, 음의 출력각의 각도가 큰 영역에서 1개의 보조 회절요소를 포함하는 회절요소에서 3개의 보조 회절요소를 포함하는 회절요소의 순서로 회절효율(G4)이 높아진다. 이러한 결과는 주 회절요소와 보조 회절요소를 포함하는 회절요소가 사용되는 경우, 보조 회절요소의 수가 증가하면서 음의 회절광의 회절효율도 높아지며, 음의 출력각이 상대적으로 큰 영역(예컨대, -40°를 포함하는 영역)에서 그러한 현상이 뚜렷함을 시사한다.

도 11의 결과로부터 양의 출력각을 갖는 회절광의 회절효율을 높이는데, 주 회절요소만 포함하는 회절요소가 유리하고, 음의 출력각을 갖는 회절광의 회절효율을 높이기 위해서는 주 회절요소와 보조 회절요소를 포함하는 회절요소가 유리함을 알 수 있다.

다음에는 일 실시예에 의한 회절격자 소자의 다양한 적용예를 설명한다. 일 실시예에 의한 회절격자 소자는 하기 설명된 적용예외에도 다양한 장치에 적용될 수 있다.

도 12a 내지 도 12c는 일 실시예에 의한 회절격자 소자가 빔 확장기(beam expander)로 사용된 경우를 보여준다.

도 12a를 참조하면, 광원(90)으로부터 회절격자 소자(92)에 광이 입사된다. 이때, 기준선(13L)에 대한 광의 입사각은 45°보다 클 수 있다. 이와 같이 기준선(13L)에 대해 큰 입사각으로 입사되기 때문에, 입사광은 회절격자 소자(92)의 상부면에 대해서는 비스듬하게 입사되고, 경사각은 45° 보다 작게 된다. 여기서 경사각은 광원(90)으로부터 방출된 광과 회절격자 소자(92)의 상부면 사이의 각을 말한다. 이와 같이 광원(90)에서 방출된 광은 회절격자 소자(92)의 상부면에 비스듬하게 입사되므로, 광 방출 구경이 작은 광원으로도 회절격자 소자(92)의 상부면의 넓은 면을 비출 수 있다. 광원(90)의 구경이 정해진 경우라면, 광원(90)에서 방출되는 광, 곧 회절격자 소자(92)에 입사되는 광과 회절격자 소자(92)의 상부면 사이의 경사각을 조절하여 광원(90)에서 방출되는 광이 회절격자 소자(92)의 상부면 전체에 도달되게 할 수 있다. 이에 따라, 회절격자 소자(92)의 상부면 전체에서 회절광이 발생될 수 있다. 회절격자 소자(92)의 상부면에 배치된 회절요소들이 모두 동일한 회절특성을 갖는 것이라면, 도 12a 내지 도 12c에 도시한 바와 같이 회절격자 소자(92)의 상부면 전체에서 주어진 방향을 향하는 평행한 회절광(94, 94a, 94b), 곧 평행광이 방출될 수 있다.

회절격자 소자(92)는 도 1의 회절격자 소자(5)일 수 있다. 이때, 복수의 회절요소(20)는 모두 동일한 회절특성을 갖는 것일 수 있다. 일 예로, 복수의 회절요소(20)가 양의 회절특성을 갖는 것으로, 기준선(10L1)에 대한 출력각이 0°인 회절광을 발생시키는 회절요소인 경우, 회절격자 소자(92)의 상부면에 입사된 광은 회절요소(20)에 의해 회절된다. 이 결과, 도 12a에 도시한 바와 같이, 회절격자 소자(92)의 상부면에 수직한 방향으로 진행하는 평행한 회절광(94)이 발생된다.곧, 회절격자 소자(92)의 상부면 전체에서 기준선(13L)에 평행한 광이 발생된다.

복수의 회절요소(20)가 양의 회절특성을 갖는 것으로, 0보다 큰 양의 출력각을 갖는 회절광을 발생시키는 회절요소인 경우, 회절격자 소자(92)의 상부면에 입사된 광은 회절요소(20)에 의해 회절된다. 이 결과, 도 12b에 도시한 바와 같이, 기준선(13L)의 좌측으로, 곧 양의 출력각을 갖는 방향으로 진행하는 평행한 회절광(94a)이 발생된다. 달리 말하면, 회절격자 소자(92)의 상부면 전체에서 기준선(13L) 좌측으로 진행하고, 기준선(13L)에 대해 동일한 각을 갖는 평행한 광(94a)이 발생된다.

복수의 회절요소(20)가 음의 회절특성을 갖는 것으로, 음의 출력각을 갖는 회절광을 발생시키는 회절요소(주 회절요소+보조 회절요소)인 경우, 회절격자 소자(92)의 상부면에 입사된 광은 회절요소(20)에 의해 회절된다. 이 결과, 도 12c에 도시한 바와 같이, 기준선(13L)의 우측으로, 곧 음의 출력각을 갖는 방향으로 진행하는 평행한 회절광(94b)이 발생된다. 달리 말하면, 회절격자 소자(92)의 상부면 전체에서 기준선(13L) 우측으로 진행하고, 기준선(13L)에 대해 동일한 각을 갖는 평행한 광(94b)이 발생된다.

상술한 실시예들에 의한 빅 확장기들의 경우, 입사광이 45°보다 큰 입사각으로, 예컨대 80°이상의 입사각으로 비스듬하게 회절격자 소자(92)에 입사되므로, 장치의 전체 부피를 얇게 가져갈 수 있고, 장치를 소형화할 수 있다.

도 13은 일 실시예에 의한 회절격자 소자가 렌즈로 사용된 경우를 보여준다. 도 13에서 회절격자 소자(102)는 앞에서 설명된 것이므로, 그 자세한 구성은 생략하였다.

도 13을 참조하면, 렌즈로 사용된 회절격자 소자(102)는 상부면에 앞에서 설명한 서로 다른 회절특성을 갖는 회절요소들을 포함한다. 이러한 회절요소들은 도 1 내지 도 3과 도 7 등에서 설명한 양의 회절특성을 갖는 회절요소와 음의 회절특성을 갖는 회절요소를 포함할 수 있다.

일 예로, 회절격자 소자(102)의 상부면의 제1 영역(102A)에 음의 회절특성을 갖는 회절요소들이 배치될 수 있고, 제2 영역(102B)에 양의 회절특성을 갖는 회절요소들이 배치될 수 있다. 제1 영역(102A)에 배치된 회절요소들의 경우, 모두 음의 회절특성을 갖는 것이지만, 회절격자 소자(102)가 렌즈 특성을 나타내도록 하기 위해 서로 간에 출력각이 다르도록 배치될 수 있다. 이를 위해, 제1 영역(102)에 배치된 회절요소들의 피치는 서로 다를 수 있는데, 일 예로, 회절요소들의 피치는 회절격자 소자(102)의 가장자리에서 중심으로 갈수록 점차 증가하거나 작아질 수 있다. 여기서 피치는 주 회절요소들 사이의 피치를 의미한다.

제2 영역(102B)에 배치된 회절요소들의 회절특성은 제1 영역(102A)에 배치된 회절요소들의 회절특성과 다르다. 제2 영역(102B)에 배치된 회절요소들의 회절특성은 제1 영역(102A)에 배치된 회절요소들의 회절특성과 정반대일 수 있다. 제2 영역(102B)에 배치된 회절요소들은 모두 양의 회절특성을 갖는 회절요소를 포함한다. 제2 영역(102B)에 배치된 회절요소들은 모두 양의 회절특성을 갖지만, 회절요소들 간의 피치는 다를 수 있다. 일 예로 제2 영역(102B)에 배치된 회절요소들의 경우, 회절격자 소자(102)의 가장자리에서 중심으로 갈수록 회절요소들 간의 피치는 증가하거나 작아질 수 있다. 회절격자 소자(102)의 상부면의 중심에는 입사광을 수직으로 회절시키는 중심 회절요소가 있을 수 있다. 상기 중심 회절요소는 양의 회절특성을 갖는 것일 수 있다. 일 예에서 제2 영역(102B)에 배치된 회절요소들 중 회절격자 소자(102)의 상부면 중심에 배치된 것 또는 제1 영역(102A)에 가장 가깝게 배치된 회절요소가 상기 중심 회절요소 역할을 할 수도 있다.

이러한 회절격자 소자(102)에 광원(90)으로부터 제1 영역(102A)에 입사되는 광은 회절되어 음의 출력각을 갖는 광, 곧 기준선(14L)의 우측방향을 향해 진행하는 광이 된다. 상술한 바와 같이, 제1 영역(102A)에 배치된 회절요소들은 회절격자 소자(102)의 가장자리에서 중심으로 피치가 순차적으로 다르게 배치될 수 있고, 도 14의 경우, 회절격자 소자(102)의 가장자리에서 중심으로 갈수록 회절광(102C)의 출력각이 감소하도록 제1 영역(102A)의 회절요소들의 피치가 설정되어 있는 바, 제1 영역(102A)에서 회절되는 광의 음의 출력각도 회절격자 소자(102)의 가장자리에서 중심으로 갈수록 순차적으로 감소된다. 결과적으로, 제1 영역(102A)에서 발생되는 회절광(102C)은 기준선(14L) 상의 한 위치(point)를 향하게 된다.

반대로, 광원(90)으로부터 제2 영역(102B)에 입사되는 광은 회절되어 양의 출력각을 갖는 광, 곧 기준선(14L)의 좌측방향을 향해 진행하는 광이 된다. 제1 영역(102A)에 배치된 회절요소들과 마찬가지로, 제2 영역(102B)에 배치된 회절요소들의 피치도 회절격자 소자(102)의 가장자리에서 중심으로 갈수록 순차적으로 증가하거나 감소한다. 도 14의 경우, 제2 영역(102B)에 배치된 회절요소들의 피치는 회절격자 소자(102)의 가장자리에서 중심으로 갈수록 회절광(102D)의 출력각이 감소하도록 설정되었는 바, 제2 영역(102B)에서 회절되는 광의 양의 출력각도 회절격자 소자(102)의 가장자리에서 중심으로 갈수록 점차 감소하게 된다. 결과적으로, 제2 영역(102B)에 발생되는 회절광(102D)도 기준선(14L) 상의 상기 위치를 향하게 된다.

결국, 회절격자 소자(102)는 광원(90)으로부터 입사되는 광을 회절시켜 어느 한 위치에 모으는 역할을 한다. 곧, 회절격자 소자(102)는 볼록렌즈 또는 오목거울과 동등한 역할을 한다.

한편, 제1 영역(102A)에 배치된 회절요소들과 제2 영역(102B)에 배치된 회절요소들이 서로 반대되는 회절특성을 갖는 경우, 예컨대, 제1 영역(102A)에 배치된 회절요소들이 양의 회절특성을 갖는 것이고, 제2 영역(102B)에 배치된 회절요소들이 음의 회절특성을 갖는 것이면, 회절격자 소자(102)는 광원(90)으로부터 입사되는 광을 발산시키는 광학요소 역할을 할 수 있다.

이와 같이, 일 실시예에 의한 회절격자 소자는 다양한 광학요소로 사용될 수 있는 바, 여러 광학장치들, 예컨대 AR장치, VR장치, 라이트필드 디스플레이 회절 광학요소 등에 적용될 수 있다.

도 14는 일 실시예에 의한 회절격자 소자가 디스플레이 장치의 한 구성요소로 사용된 경우를 보여준다.

도 14를 참조하면, 디스플레이 장치(150)는 광원(110), 공간 광 변조기(Spatial Light Modulator, SLM)(112) 및 회절광학요소(116)를 포함한다. 광원(110)는 평행광을 방출하는 광원일 수 있다. 광원(110)은 이미지를 제공하는 장치를 포함할 수도 있다. 공간 광 변조기(112)는 광원(110)과 회절광학요소(116) 사이에 배치되어 있다. 공간 광 변조기(112)는 광원(110)으로부터 입사되는 광 혹은 이미지의 세기와 위상을 주어진 신호에 따라 변조하여 회절광학요소(116)에 전달한다. 회절광학요소(116)는 공간 광 변조기(112)로부터 입사되는 광 혹은 이미지를 시청자(118)에 제공한다. 회절광학요소(116)는 일 실시예에 의한 회절격자 소자로써, 렌즈 역할을 하는 회절격자 소자일 수 있다. 회절광학요소(116)는 공간 광 변조기(112)로부터 광이 입사되는 면(116S)에 형성된 복수의 회절요소들을 포함할 수 있다. 이 회절요소들은 도 14에서 설명한 바와 같이 렌즈역할을 하도록 배치될 수 있다.

도 15는 일 실시예에 의한 회절격자 소자를 포함하는 광학장치(160)를 보여준다. 도 15에 소개된 회절격자 소자들은 앞에서 설명한 회절격자 소자에 해당하는 바, 광 입사면에 배치된 회절요소들은 도시하지 않았다.

도 15를 참조하면, 일 실시예에 의한 회절격자 소자를 포함하는 광학장치(160)는 제1 회절격자 소자(130), 제2 회절격자 소자(132) 및 광원(134)을 포함한다. 광원(134)은 팽행광을 방출하는 광원일 수 있는데, 예를 들면, 레이저를 방출하는 광원이거나 광 방출 다이오드를 포함하는 광원일 수 있다. 제2 회절격자 소자(132)는 광원(134)과 제1 회절격자 소자(130) 사이에 배치되어 있다. 광원(134)과 제2 회절격자 소자(132)의 배치관계는 앞에서 설명한 실시예들에 의한 회절격자 소자들 중 어느 하나의 광원과 회절격자 소자의 배치관계, 예를 들면, 도 12a 내지 도 12c 중 어느 하나에 도시된 광원(90)과 회절격자 소자(92)의 배치관계를 따를 수 있다. 따라서 광원(134)으로부터 방출된 광(134L)은 제2 회절격자 소자(132)의 광 입사면에 대해 45°보다 작은 경사각으로 비스듬하게 입사된다. 제2 회절격자 소자(132)는 광원(134)으로부터 입사된 광을 회절시켜 제1 회절격자 소자(130)에 전달한다. 제1 및 제2 회절격자 소자(130, 132)의 회절특성은 서로 동일하거나 다를 수 있다. 일 예로 제1 및 제2 회절격자 소자(130, 132)는 빔 확장기의 경우처럼 평행한 회절광을 발생시키는 회절격자 소자일 수 있다. 다른 예에서, 제2 회절격자 소자(132)는 빔 확장기처럼 평행한 회절광을 발생시키는 회절격자 소자이고, 제1 회절격자 소자(130)는 평행한 회절광 또는 비 평행한 회절광을 발생시키는 회절격자 소자일 수 있다. 여기서 비 평행한 회절광은 회절후 주어진 위치에 수렴하는 광 또는 회절후 발산되는 광을 포함할 수 있다. 제1 회절격자 소자(130)는 앞에서 빔 확장기 역할을 하는 회절격자 소자(예, 도 12a 내지 도 12c 중 어느 하나의 회절격자 소자) 또는 앞에서 설명한 렌즈 역할을 하는 회절격자 소자(예, 도 13의 회절격자 소자)일 수 있다. 제2 회절격자 소자(132)는 앞에서 설명한 빔 확장기 역할을 하는 회절격자 소자일 수 있다. 제2 회절격자 소자(132)는 제1 회절격자 소자(130)에 평행한 광을 입사광으로 제공한다. 이러한 점에서 제2 회절격자 소자(132)는 제1 회절격자 소자(130)에 대해 광원의 역할을 할 수 있다. 따라서 광원(134)과 제2 회절격자 소자(132)를 결합한 것은 제1 회절격자 소자(130)에 입사광을 제공하는 광원장치나 광원부로 간주될 수도 있다. 이러한 기술적 사상은 후술되는 2개의 회절격자 소자를 포함하는 다른 예에도 적용될 수 있다.

광학장치(160)의 동작을 살펴보면, 광원(134)으로부터 제2 회절격자 소자(132)에 입사되는 광(134L)은 제2 회절격자 소자(132)에 의해 회절된다. 제2 회절격자 소자(132)는 빔 확장기 역할을 할 수 있다. 따라서 제2 회절격자 소자(132)로부터 평행한 회절광(132L)이 발생된다. 제2 회절격자 소자(132)로부터 발생된 회절광(132L)은 제1 회절격자 소자(130)의 상부면에 대해 비스듬하게 입사된다. 이때, 경사각(θ2)은 45°보다 작을 수 있는데, 예를 들면 30°이하일 수 있다. 제2 회절격자 소자(132)와 제1 회절격자 소자(130)의 배치관계는 도 12a 내지 도 12c에 도시한 광원(90)과 회절격자 소자(92)의 배치관계를 따를 수 있다. 제1 회절격자 소자(130)가 빔 확장기일 경우, 제1 회절격자 소자(130)에 입사된 광(132L)은 도시된 바와 같이 제1 회절격자 소자(130)의 상부면에 수직한 방향으로 회절되고, 회절된 광(130L)은 평행광이 된다.

한편, 광원(134)으로부터 방출되는 광(134L)은 단색광이지만, 완벽한 단색광은 아니다. 곧, 광원(134)은 설정된 단일 파장의 광을 방출하는 광원이지만, 설정된 단일 파장의 광만을 완벽히 방출시키기는 현실적으로 어려울 수 있다. 결국, 광원(134)으로부터 방출된 광(134L)은 설정한 단일 파장을 중심 파장으로 포함하고, 더불어 상기 중심 파장에 근접한 파장(이하, 잡음 파장)도 포함한다. 이때, 상기 잡음 파장의 광의 세기는 상기 중심 파장의 광의 세기에 비해 극히 작다. 그렇지만, 광원(134)으로부터 방출된 광(134L)이 제2 회절격자 소자(132)에 의해 회절되는 과정에서 상기 잡음 파장에 해당하는 광도 함께 회절된다. 이에 따라 제2 회절격자 소자(132)로부터 발생된 회절광(132L)에 색 분산(chromatic dispersion)이 나타날 수 있다. 곧, 회절광(132l)은 상기 중심 파장에 대응하는 광의 회절에 의한 주 회절광을 포함하고, 더불어 상기 주 회절광의 진행 방향과 색이 다른, 상기 잡음 파장에 해당하는 광의 회절에 의한 잡음 회절광이 포함되어 있다. 잡음 회절광에 의한 영향은 근거리의 빔 확장이나 빔 포커싱 과정에서는 나타나지 않거나 미미하지만, 원거리 빔 확장이나 빔 포커싱에서는 영향이 나타날 수 있다. 회절광(132L)이 제1 회절격자 소자(130)에 의해 다시 회절되면서 상기 잡음 회절광이 제거될 수 있다. 이를 위해 제1 회절격자 소자(130)에 포함된 회절요소들의 피치는 제2 회절격자 소자(132)에 포함된 회절요소들의 피치와 동일할 수 있다. 제1 회절격자 소자(130)로부터 발생되는 회절광(130L)은 잡음 회절광을 포함하지 않는다.

도 16은 일 실시예에 의한 회절격자 소자를 포함하는 다른 광학장치(170)를 보여준다. 도 16에 소개된 회절격자 소자들은 앞에서 설명한 회절격자 소자에 해당하는 바, 광 입사면에 배치된 회절요소들은 도시하지 않았다.

도 16을 참조하면, 광학장치(170)는 광원(146), 제1 회절격자 소자(140), 제2 회절격자 소자(142), 반사기(144)를 포함한다. 광원(146)에서 제1 회절격자 소자(140)까지의 광 경로 상에서 제2 회절격자 소자(142)는 광원(146)과 반사기(144) 사이에 배치되어 있다. 그리고 반사기(144)는 제1 회절격자 소자(140)와 제2 회절격자 소자(142) 사이에 배치되어 있다. 광원(146)은 제2 회절격자 소자(142)에 입사광을 제공하기 위한 것이다. 광원(146)은 구성과 역할에서 도 15의 광원(134)과 동일할 수 있다. 따라서 광원(146)으로 도 15의 광원(134)을 사용할 수도 있다. 제1 및 제2 회절격자 소자(140, 142)는 앞에서 설명한 회절격자 소자들 중 하나일 수 있다. 예컨대, 제1 회절격자 소자는 빔 확장기 역할을 하는 회절격자 소자일 수도 있고, 렌즈 역할을 하는 회절격자 소자일 수도 있다. 제2 회절격자 소자(142)는 광원(146)으로부터 입사되는 광을 회절시켜 반사기(144)에 평행광을 제공하는 회절격자 소자일 수 있다. 제2 회절격자 소자(142)는 빔 확장기 역할을 하는 회절격자 소자일 수 있다. 광원(146)과 제2 회절격자 소자(142)의 배치관계는 도 15의 광원(134)과 제2 회절격자 소자(132)의 배치관계를 따를 수 있다. 반사기(144)는 일면을 통해 제2 회절격자 소자(142)로부터 입사되는 광을 제1 회절격자 소자(140)의 회절면(예, 상부면)으로 반사시킨다. 곧, 반사기(144)는 제2 회절격자 소자(142)의 회절광을 제1 회절격자 소자(140)에 전달하는 광 전달요소의 하나일 수 있다. 반사기(144)는 프리즘이거나 프리즘을 포함하는 반사장치일 수 있다. 반사기(144)로 프리즘외에 미러 등 다른 반사기구나 장치를 사용할 수도 있다. 반사기(144)는 제2 회절격자 소자(142)로부터 입사되는 광을 반사시켜 제1 회절격자 소자(140)의 회절면에 주어진 경사각(θ3)으로 비스듬하게 입사시킨다. 경사각(θ3)은 45°이하일 수 있는데, 일 예로 30°이하일 수 있다. 이와 같은 제1 회절격자 소자(140)에 입사되는 입사각을 고려한 반사기(144)와 제1 회절격자 소자(140)의 배치관계는 도 15의 제1 회절격자 소자(130)와 제2 회절격자 소자(132)의 배치관계를 따를 수 있다. 곧, 반사기(144)는 제1 회절격자 소자(140)와 제2 회절격자 소자(142) 사이에서 제1 회절격자 소자(140)에 대한 상기 광 입사 조건이 유지되도록 배치될 수 있다.

제2 회절격자 소자(142)로부터 발생되는 회절광은 평행광이다. 따라서 반사기(144)에서 제1 회절격자 소자(140)로 입사되는 광도 평행광이다. 반사기(144)로부터 반사되는 광은 제1 회절격자 소자(140)의 상기 회절면 전체에 동시에 입사될 수 있다. 제1 회절격자 소자(140)가 빔 확장기 역할을 하는 회절격자 소자일 경우, 제1 회절격자 소자(140)로부터 발생되는 회절광은 도 16에 도시한 바와 같이 평행광일 수 있다. 점선 화살표들은 제1 회절격자 소자(140)의 상기 회절면에 형성된 회절요소들이 모두 양의 회절특성을 갖는 경우(왼쪽 화살표) 또는 음의 회절특성을 갖는 경우(우측 화살표)에 평행한 회절광의 진행 방향을 나타낸다.

도 17은 일 실시예에 의한 회절격자 소자를 포함하는 또 다른 광학장치(180)를 보여준다.

도 17을 참조하면, 광학장치(180)는 광원(186), 제1 회절격자 소자(182) 및 제2 회절격자 소자(184)를 포함한다. 광원(186)에서 시작되는 광 경로 상에서 제2 회절격자 소자(184)는 광원(186)과 제1 회절격자 소자(182) 사이에 배치되어 있다. 광원(186)은 평행광을 방출하는 광원일 수 있다. 일 예로 광원(186)은 레이저를 방출하는 광원 또는 LED를 포함하는 광원일 수 있다. 제1 및 제2 회절격자(182, 184)는 앞에서 설명한 실시예들에 의한 회절격자 소자들 중 어느 하나일 수 있다. 제1 회절격자 소자(182)는 도 12a 내지 도 12c에 도시한 바와 같이 광이 입사되는 회절면 전체에서 평행한 광을 발생시키는 회절격자 소자일 수 있다. 제1 회절격자 소자(182)는 또한 제1 회절격자 소자(182) 전방의 정해진 위치에 모이는 수렴광을 발생시키는 회절격자 소자일 수 있다. 이 경우에, 제1 회절격자 소자(182)는 도 13의 렌즈 역할을 하는 회절격자 소자일 수 있다. 제2 회절격자 소자(184)는 광원(186)으로 입사된 광을 회절시켜 제1 회절격자 소자(182)에 입사광(184L)을 제공한다. 입사광(184L)은 평행광일 수 있다. 제2 회절격자 소자(184)는, 예를 들면 도 12a에 도시한 회절격자 소자일 수 있다.

광원(186)과 제1 회절격자 소자(182)와 제2 회절격자 소자(184)는 입사광의 입사각을 고려하여 배치될 수 있다.

구체적으로, 광원(186)과 제2 회절격자 소자(184)는 광원(186)으로부터 방출된 광이 제1 회절격자 소자(182)에 주어진 입사각으로 입사되도록 배치될 수 있다. 이때, 각의 측정은 제2 회절격자 소자(184)의 회절면(184S)에 수직한 기준선(법선)(도 18의 184V)을 기준으로 한다. 광원(186)으로부터 방출된 광이 제1 회절격자 소자(182)의 회절면(184S)에 입사되는 입사각은 45°보다 클 수 있는데, 일 예서 75°이상일 수 있다. 회절면(184S)을 기준으로 입사각을 측정할 경우, 상기 입사각은 45°보다 작을 수 있고, 일 예로 30°보다 작을 수 있다.

제2 회절격자 소자(184)의 회절면(184S)은 직사각형일 수 있다. 광원(186)과 제2 회절격자 소자(184)는 동일 평면 상에 배치될 수 있다. 광원(186)은 제2 회절격자 소자(184)의 측면에 배치되어 제2 회절격자 소자(184)의 길이 방향으로 회절면(184S)에 광을 조사한다. 제2 회절격자 소자(184)의 회절면(184S)에서 발생되는 회절광은 회절면(184S)에 수직하게 방출되는 평행광이다. 제2 회절격자 소자(184)의 회절면(184S)으로부터 발생되는 회절광(184L)은 제1 회절격자 소자(182)의 회절면(상부면)(182S) 전체 영역에 입사된다.

이러한 상황에서 제1 회절격자 소자(182)와 제2 회절격자 소자(184) 사이에도 광원(186)과 제2 회절격자 소자(184) 사이의 광 입사각 관계가 만족되어야 한다. 이러한 점을 고려할 때, 제1 및 제2 회절격자 소자(182, 184)는 도 18과 도 19에 도시한 바와 같이 배치될 수 있다.

도 18과 도 19는 도 17을 18-18’방향으로 절개한 단면에 대한 예들이다.

도 18을 참조하면, 제2 회절격자 소자(184)는 수직하게 배치되어 있고, 제1 회절격자 소자(182)는 제2 회절격자 소자(184)에 대해 경사지게 배치되어 있다. 제1 회절격자 소자(182)는 제2 회절격자 소자(184)의 회절면(184S)에 수직한 기준선(법선)(184V)에 대해 주어진 각(θ4)을 갖도록 배치되어 있다. 주어진 각(θ4)은 45° 보다 작을 수 있는데, 일 예에서 주어진 각(θ4)은 30°이하일 수 있고, 다른 예에서는 15°이하일 수 있다. 제2 회절격자 소자(184)의 회절면(184S)으로부터 회절면(184S)에 수직하면서 평행한 회절광(184L)이 방출된다. 상기한 바와 같이 제1 회절격자 소자(182)는 제2 회절격자 소자(184)에 대해 주어진 각(θ4)으로 경사져 있고, 제2 회절격자 소자(184)로부터 방출되는 회절광(184L)의 진행방향은 제2 회절격자 소자(184)의 회절면(184S)에 수직하다. 따라서 제2 회절격자 소자(184)의 회절면(184S)으로부터 방출된 회절광(184L)이 제1 회절격자 소자(182)에 입사될 때의 입사각(θ5)은 제1 회절격자 소자(182)의 경사각(θ4)과 동일하게 된다. 경사각(θ4)과 입사각(θ4)은 광원(186)으로부터 방출된 광이 제2 회절격자 소자(184)에 입사될 때의 입사각 조건을 따를 수 있다.

제1 회절격자 소자(182)의 회절면(182S)에 배치된 회절요소들의 회절 특성에 따라 제1 회절격자 소자(182)로부터 회절면(182S)에 수직한 기준선(180L)에 평행한 회절광(182L2)이 방출되거나 기준선(180L) 우측방향을 향하는 회절광(182L1)이 방출될 수 있다. 또한, 도시하지는 않았지만, 기준선(182L1)의 좌측 방향을 향하는 회절광이 방출될 수도 있고, 제1 회절격자 소자(182)의 전방의 한 위치에 수렴하는 회절광이 방출될 수도 있다.

도 19는 도 18과 반대의 경우를 보여준다. 곧, 제1 회절격자 소자(182)는 수평으로 배치되어 있고, 제2 회절격자 소자(184)는 제1 회절격자 소자(182)에 대해 경사지게 배치되어 있다. 구체적으로, 제2 회절격자 소자(184)는 제1 회절격자 소자(182)의 상부면에 수직한 기준선(법선)(182V)에 대해 주어진 각(θ6)으로 경사지게 배치되어 있다. 이 경사각(θ6)은 도 18의 제1 회절격자 소자(182)의 경사각(θ4)과 동일할 수 있다. 제2 회절격자 소자(184)로부터 방출되는 회절광(184L)은 제2 회절격자 소자(184)의 회절면에 수직하므로, 회절광(184L)이 제1 회절격자 소자(182)에 입사되는 입사각과 회절광(184L)의 입사에 따른 제1 회절격자 소자(182)로부터 나타나는 회절결과는 도 18에서 설명한 바와 동일할 수 있다.

다음에는 일 실시예에 의한 회절격자 소자의 제조방법을 도 20 내지 도 29를 참조하여 상세하게 설명한다.

도 20 내지 도 24는 일 실시예에 의한 회절격자 소자의 제조방법에서 회절격자를 찍는데 사용되는 템플리트(template)를 제조하는 과정을 보여준다.

도 20을 참조하면, 템플리트로 가공될 모기판(parent substrate)(210) 상에 복수의 마스크 패턴(21M)을 형성한다. 복수의 마스크 패턴(21M)은 서로 이격되어 있다. 따라서 마스크 패턴(21M) 사이의 모기판(210)의 상부면은 노출된다. 마스크 패턴(21M) 사이의 간격이나 마스크 패턴(21M)의 사이즈는 최종적으로 형성되는 회절격자 소자의 회절요소들의 피치를 고려하여 설정될 수 있다. 마스크 패턴(21M)을 형성한 다음, 전자 빔 리소그래피(220)를 이용하여 모기판(210)의 상부면의 노출된 영역을 식각한다. 식각은 모기판(210)의 밑면에 도달되기 전에 멈춘다.

상기 식각에 의해 도 21에 도시한 바와 같이, 모기판(210)에 복수의 돌기(210A)와 복수의 그루브(210B)가 형성된다. 복수의 그루브(210B)는 서로 이격되어 있고, 복수의 그루브(210B) 사이사이에 돌기(210A)가 존재한다. 복수의 그루브(210B)는 주어진 피치(22P)로 형성될 수 있다. 이에 따라 최종 형성되는 회절격자 소자의 회절요소들도 동일한 피치로 형성될 수 있다. 복수의 그루브(210B)의 깊이(D1)는 최종 형성되는 회절요소들의 높이에 대응될 수 있다.

상기 식각후, 마스크 패턴(21M)을 제거한다. 도 22는 마스크 패턴(21M)이 제거된, 완성된 템플리트(230)를 보여준다.

도 23과 도 24는 일 실시예에 의한 회절격자 소자의 제조방법에서 다른 템플리트를 제조하는 과정을 보여준다.

도 23을 참조하면, 모기판(210) 상에 모기판(210)의 일부를 덮고 나머지는 노출시키는 마스크(24M)를 형성한다. 마스크(24M)는 모기판(210)의 상부면 상에 형성될 수 있다. 마스크(24M)는 이격된 복수의 단위 패턴(P11)을 포함한다. 단위 패턴(P11)는 주 패턴(24M1)과 보조 패턴(24M2)을 포함한다. 주 패턴(24M1)의 폭이 보조 패턴(24M2)의 폭보다 넓다. 주 패턴(24M1)과 보조 패턴(24M2)은 서로 이격되어 있다. 주 패턴(24M1)과 보조 패턴(24M2) 사이의 간격은 단위 패턴(P11) 사이의 간격보다 작다. 주 패턴(24M1)은 폭(W11)은 최종적으로 형성되는 회절격자 소자의 보조 회절요소를 포함하는 회절요소들의 간격을 결정할 수 있다. 또한, 보조 패턴(24M2)의 폭(W22)은 최종적으로 형성되는 회절격자 소자의 보조 회절요소를 포함하는 회절요소에서 주 회절요소와 보조 회절요소의 간격을 결정할 수 있다.

이러한 마스크(24M)를 형성한 다음, 모기판(210)의 상부면이 노출된 부분을 식각한다. 이 식각은 전자 빔 리소그래피 방법을 이용한 식각일 수 있다. 식각은 모기판(210)에 정해진 깊이의 그루브가 형성될 때까지 실시할 수 있다. 상기 그루브의 깊이는 모기판(210)의 두께보다 작다. 식각 결과 도 24에 도시한 바와 같이 모기판(210)에 복수의 그루브(210G1, 210G2)와 복수의 돌기(210P1, 210P2)가 형성된다. 복수의 돌기(210P1, 210P2)는 마스크(24M)의 주 패턴(24M1)과 보조패턴(24M2) 아래에 있는 기판(210)의 영역들이다. 복수의 그루브(210G1, 210G2) 중에서 상대적으로 폭이 넓은 제1 그루브(210G1)는 최종 형성되는 회절격자 소자의 회절요소의 주 회절요소의 제원(폭, 높이 등)을 결정한다. 제1 그루브(210G1)에 인접하고 제1 그루브(210G1)에 비해 폭이 좁은 제2 그루브(210G2)는 최종 형성되는 회절격자 소자의 회절요소의 보조 회절요소의 제원을 결정한다. 제1 그루브(210G1)와 제2 그루브(210G2)의 제원(폭, 높이, 간격 등)은 최종 형성되는 회절격자 소자의 주 회절요소와 보조 회절요소를 포함하는 회절요소의 제원을 결정할 수 있다. 제1 그루브(210G1) 사이의 피치는 최종적으로 형성되는 회절격자 소자의 보조 회절요소를 포함하는 회절요소의 피치를 결정한다. 도 23의 마스크(24M)를 형성할 때는 이러한 요소들을 고려하여 주 패턴(24M1)과 보조패턴(24M2)의 제원들을 결정할 수 있다.

도 25 내지 도 29는 앞에서 형성한 템플리트를 이용하여 일 실시예에 의한 회절격자 소자를 형성하는 방법을 보여준다.

도 25를 참조하면, 기판(260) 상에 저 굴절률의 유전층(264)을 형성한다. 기판(260)의 물질은 도 1에서 설명한 기판(10)의 물질과 동일할 수 있다. 유전층(264)은 최종적으로는 회절요소로 사용되는 물질층이다. 유전층(264)은 도 1에서 설명한 회절요소(20)로 사용되는 물질과 동일한 물질일 수 있다. 유전층(264) 위에 도 22의 템플리트(210)를 정렬한다. 템플리트(210)는 돌기(210A)와 그루브(210B)가 형성된 면이 유전층(264)의 상부면 전체와 마주하도록 정렬한다. 템플리트(210) 정렬이 완료된 후, 정렬된 템플리트(210)를 그대로 내려서 도장을 찍는 것처럼 유전층(264)에 템플리트(210)를 눌러 찍는다(imprint). 찍은 후, 템플리트(210)를 유전층(264)으로부터 분리한다. 이에 따라, 템플리트(210)의 이면에 형성된 패턴, 곧 돌기(210A)와 그루브(210B)로 이루어지는 패턴이 유전층(264)에 전사된다. 결과적으로, 기판(260) 상에는 도 26에 도시한 바와 같이 서로 이격된 복수의 유전층 패턴(264A)이 형성된다. 유전층 패턴(264A)은 회절요소로 사용되며, 도 1의 회절요소(20)에 해당된다. 이러한 임프린팅 과정에서 유전층 패턴(264A) 사이의 기판(260) 상에 유전층(264)의 잔류물층(예, 도 5의 52 또는 도 6의 62)이 남아 있을 수 있으나, 그 두께는 30nm를 넘지 않는다. 도 25와 도 26의 과정은 템플리트(210) 이면에 형성된 패턴을 형성하고자 하는 회절요소의 패턴에 대응되게 변경할 경우, 다른 형태의 회절요소를 갖는 회절격자 소자를 형성하는데, 동일하게 적용될 수 있다. 도 27과 도 28은 이에 대한 일예를 보여준다.

도 25와 도 26에서 설명된 부분에 대해서는 설명을 생략한다.

도 27을 참조하면, 유전층(264) 위에 도 24에 형성한 템플리트(280)를 정렬한다. 템플리트(280)는 그 이면에 형성된 돌기들(210P1, 210P2)과 그루브들(210G1, 210G2)이 유전층(264)의 상부면과 마주하도록 정렬시킨다. 이렇게 정렬된 상태에서 템플리트(280)를 내려 도장을 찍듯이 템플리트(28)을 유전층(264)에 찍은 다음, 유전층(264)으로부터 분리한다. 이 결과, 템플리트(280)의 이면에 형성된 돌기와 그루브 패턴이 유전층(264)에 전달되어 도 28에 도시한 바와 같이 기판(260) 상에 주 패턴(264B)과 보조 패턴(264C)을 한 단위로 하는 복수의 유전층 패턴이 형성된다. 주 패턴(264B)은 도 2, 도 3등에서 설명한 주 회절요소(30A)에 해당하고, 보조 패턴(264C)은 보조 회절요소(30B)에 해당한다.

한편, 도 29에 도시한 바와 같이, 기판(260)과 유전층(264) 사이에 스페이스층(300)을 형성할 수도 있다. 스페이스층(300)은 도 5의 스페이서(50) 또는 도 6의 스페이서(60)와 동일한 층 구성을 가질 수 있다. 유전층(264)을 형성한 후, 그 위에 템플리트(310)를 정렬한 다음, 도 25 또는 도 27에서 설명한 바와 같이, 템플리트(310)의 이면에 형성된 패턴을 유전층(264)에 전사하기 위한 임프린트 과정을 수행할 수 있다. 템플리트(310)는 도 25 또는 도 27에 도시한 템플리트일 수 있다.

상기한 설명에서 많은 사항이 구체적으로 기재되어 있으나, 그들은 발명의 범위를 한정하는 것이라기보다, 바람직한 실시예의 예시로서 해석되어야 한다. 때문에 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 의하여 정하여 질 것이 아니고, 특허 청구범위에 기재된 기술적 사상에 의해 정하여져야 한다.

4L1:주 회절요소(30A)의 상부면에서 반사된 광
4L2:주 회절요소(30A)의 밑면에서 반사된 광
5:회절격자 소자 6L1:큰 입사각으로 입사하는 광
10:기판 10L:기준선
13L, 14L:기준선 20:제2 회절요소
21M:마스크 패턴 22P:그루브 피치
24M:마스크 24M1:주 패턴
24M2:보조 패턴 30:제3 회절요소
30A:주 회절요소 30B:보조 회절요소
40:제3 회절요소 40A:주 회절요소
40B:제1 보조 회절요소 40C:제2 보조 회절요소
40D:제3 보조 회절요소 50:제1 스페이서
52:잔류 물질층 55:회절격자 소자
60:제2 스페이서 60a:제1 유전층
60b:제2 유전층 62:잔류 물질층
65:회절격자 소자 70:제1 회절요소
72:제2 회절요소 74:제3 회절요소
75:회절격자 소자 7L1:입사광
90:광원 102:회절격자 소자
102A:제1 영역 102B:제2 영역
102C:제1 영역에서 회절된 광 102D:제2 영역에서 회절된 광
110:광원 112:공간 광 변조기
116:회절광학요소 116S:회절광학요소의 광 입사면
118:시청자 130:제1 회절격자 소자
130L:제1 회절격자 소자로부터 발생되는 회절광
132:제2 회절격자 소자
132L:제2 회절격자 소자로부터 발생되는 회절광
134:광원 134L:광원으로부터 방출된 광
140:제1 회절격자 소자 142:제2 회절격자 소자
146:광원 144:전달요소(반사기)
150:디스플레이 장치 160, 170, 180:광학장치
180L:제1 회절격자 소자의 상부면에 수직한 기준선(법선)
182:제1 회절격자 소자
182S:제1 회절격자 소자의 회절면
184:제2 회절격자 소자
184L:제2 회절격자 소자로부터 방출되는 회절광
184S:제2 회절격자 소자의 회절면
186:광원
182L1:기준선의 우측방향으로 방출되는 회절광
182L2:제1 회절격자 소자의 회절면에 수직하게 방출되는 회절광
210:모기판 210A:돌기
210B:그루브 220:전자 빔 리소그래피
230:템플리트 210G1:제1 그루브
210G2:제2 그루브 210P1, 210P2:복수의 돌기
260:기판 264:유전층
264A:유전층 패턴 264B:주 패턴
264C:보조 패턴 280:템플리트
300:스페이스층 310:템플리트
D1:주 회절요소(40A)와 제1 보조 회절요소(40B)의 간격
D2, D3:제1 내지 제3 보조 회절요소(40B, 40C, 40D) 사이의 간격
D5:그루브(210B)의 깊이 H1:높이
L0:입사광 L1:회절요소(20)의 상부면에서 반사되는 광
L2:회절요소(20)의 바닥에서 반사되는 광
L3:기준선(10L) 좌측으로 회절된 회절광
L30:제2 회절요소(30)에 입사된 광
L4:기준선(10L) 우측으로 회절된 회절광
LD1, LD2:회절광의 고차 회절성분
P1:피치 P11:단위 패턴
T1:제1 스페이서(50)의 두께 T2:제2 스페이서(60)의 두께
W1:폭 W2:주 회절요소 폭
W11:주 패턴(24M1)의 폭 W22:보조패턴(24M2)의 폭
W3:보조 회절요소(30B)의 폭

Claims (42)

1. 광 반사 기판; 및
   상기 기판 상에 배치된 회절격자;를 포함하고,
   상기 회절격자는 복수의 회절요소를 포함하고,
   45°이상의 입사각으로 입사되는 광에 대해서 상기 복수의 회절요소 각각은 자신의 상부면에서 반사된 광과 자신의 밑면에서 반사된 광이 서로 상쇄 간섭을 일으키는 높이를 갖는 회절격자 소자.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 기판과 상기 회절격자 사이에 마련된 유전층을 더 포함하고,
   상기 유전층의 두께는 입사광의 파장의 n배(n=1,2,3..)인 회절격자 소자.
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 기판은 굴절률이 서로 다른 유전체들을 포함하는 브래그 반사기(Bragg reflector)인 회절격자 소자.
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 회절격자의 굴절률은 1.3~2.0인 회절격자 소자.
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 복수의 회절요소는 각각 주 회절요소와 보조 회절요소를 포함하는 회절격자 소자.
6. 제 1 항에 있어서,
   상기 복수의 회절요소들은 모두 동일한 회절특성을 나타내도록 배치된 회절격자 소자.
7. 제 1 항에 있어서,
   상기 복수의 회절요소들은 서로 다른 회절특성을 나타내도록 배치된 회절격자 소자.
8. 제 1 항에 있어서,
   상기 복수의 회절요소는 각각 주 회절요소와 복수의 보조 회절요소를 포함하고,
   상기 복수의 보조 회절요소는 그 수가 증가하면서 고 회절효율을 얻을 수 있는 음의 회절각도 범위가 증가하도록 배치된 회절격자 소자.
9. 제 2 항에 있어서,
   상기 유전층은 단일층인 회절격자 소자.
10. 제 2 항에 있어서,
    상기 유전층은 적층된 제1 및 제2 유전층을 포함하고, 상기 제1 및 제2 유전층의 굴절률은 서로 다른 회절격자 소자.
11. 제 2 항에 있어서,
    상기 기판은 금속성 기판인 회절격자 소자.
12. 제 2 항에 있어서,
    상기 기판은 반사형 WGP인 회절격자 소자.
13. 제 5 항에 있어서,
    상기 주 회절요소의 폭은 상기 보조 회절요소의 폭보다 큰 회절격자 소자.
14. 제 5 항에 있어서,
    상기 보조 회절요소는 서로 이격된 복수의 보조 회절요소들을 포함하고, 상기 복수의 보조 회절요소들의 폭은 서로 동일하거나 다른 회절격자 소자.
15. 제 6 항에 있어서,
    상기 복수의 회절요소들은 모두 양의 회절특성을 나타내도록 배치된 회절격자 소자.
16. 제 6 항에 있어서,
    상기 복수의 회절요소들은 모두 음의 회절특성을 나타내도록 배치된 회절격자 소자.
17. 제 6 항에 있어서,
    상기 복수의 회절요소들 사이의 피치는 동일한 회절격자 소자.
18. 제 7 항에 있어서,
    상기 복수의 회절요소들은 양의 회절특성을 나타내는 회절요소들과 음의 회절특성을 나타내는 회절요소들을 포함하는 회절격자 소자.
19. 제 9 항에 있어서,
    상기 유전층의 굴절률은 상기 회절격자의 굴절률과 같거나 보다 큰 회절격자 소자.
20. 제 10 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 유전층 중 상기 회절요소에 직접 접촉된 유전층의 굴절률은 상기 회절요소의 굴절률보다 크고, 상기 제1 및 제2 유전층 중 상기 회절요소에 직접 접촉된 유전층의 굴절률은 그 바로 아래에 구비된 유전층의 굴절률보다 큰 회절격자 소자.
21. 제 18 항에 있어서,
    상기 양의 회절특성을 나타내는 회절요소들은 양의 회절특성의 정도가 서로 다르게 나타나도록 배열된 회절격자 소자.
22. 제 18 항에 있어서,
    상기 음의 회절특성을 나타내는 회절요소들은 음의 회절특성의 정도가 서로 다르게 나타나도록 배열된 회절격자 소자.
23. 제 21 항에 있어서,
    상기 양의 회절특성을 나타내는 회절요소들의 피치는 서로 다른 회절격자소자.
24. 제 22 항에 있어서,
    상기 음의 회절특성을 나타내는 회절요소들의 피치는 서로 다른 회절격자 소자.
25. 광원부;
    상기 광원부로부터 입사되는 광을 회절시키는 제1 회절격자 소자;를 포함하고,
    상기 제1 회절격자 소자는 청구항 1항 내지 24항 중 어느 한 항의 회절격자 소자인 광학장치.
26. 제 25 항에 있어서,
    상기 광원부는,
    직접 광을 방출하는 광원; 및
    상기 광원으로부터 입사되는 광을 회절시켜 상기 제1 회절격자 소자에 입사광을 제공하는 제2 회절격자 소자;를 포함하는 광학장치.
27. 제 25 항에 있어서,
    상기 제1 회절격자 소자와 상기 제2 회절격자 소자는 서로 동일한 회절특성을 나타내는 회절격자 소자인 광학장치.
28. 제 25 항에 있어서,
    상기 제1 회절격자 소자와 상기 제2 회절격자 소자는 서로 다른 회절특성을 나타내는 회절격자 소자인 광학장치.
29. 제 25 항에 있어서,
    상기 광원부는,
    직접 광을 방출하는 광원; 및
    상기 광원으로부터 입사되는 광을 주어진 방향으로 회절시키는 제2 회절격자 소자; 및
    상기 제2 회절격자 소자의 회절광을 상기 제1 회절격자 소자에 전달하는 전달요소를 포함하는 광학장치.
30. 제 26 항에 있어서,
    상기 제1 회절격자 소자와 상기 제2 회절격자 소자 중 어느 한 소자의 회절면에 수직한 법선에 대해 나머지 소자는 45°보다 작은 각으로 경사지게 배치된 광학장치.
31. 제 27 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 회절격자 소자는 빔 확장기(beam expander) 역할을 하는 회절격자 소자인 광학장치.
32. 제 28 항에 있어서,
    상기 제1 회절격자 소자는 렌즈 역할을 하는 회절격자 소자이고, 상기 제2 회절격자 소자는 빔 확장기 역할을 하는 회절격자 소자인 광학장치.
33. 제 29 항에 있어서,
    상기 전달요소는 광 반사기인 광학장치.
34. 광 반사 기판 상에 유전층을 형성하는 단계; 및
    상기 유전층을 패터닝하여 상기 기판 상에 회절격자를 이루는 복수의 회절요소를 형성하는 단계;를 포함하고,
    상기 유전층의 굴절률은 2.0이하인 회절격자 소자의 제조방법.
35. 제 34 항에 있어서,
    상기 유전층을 패터닝하는 단계는,
    일 면에 상기 복수의 회절요소에 대응되는 회절요소 패턴이 새겨진 템플리트를 상기 유전층 상에 정렬하는 단계;
    정렬된 상태로 상기 템플리트를 상기 유전층에 찍는 단계; 및
    상기 템플리트를 제거하는 단계;를 포함하는 회절격자 소자의 제조방법.
36. 제 34 항에 있어서,
    75°이상의 입사각으로 입사되는 광에 대해서 상기 복수의 회절요소 각각은 자신의 상부면에서 반사된 광과 자신의 밑면에서 반사된 광이 서로 상쇄 간섭을 일으키는 높이를 갖는 회절격자 소자의 제조방법.
37. 제 34 항에 있어서,
    상기 기판과 상기 유전층 사이에 스페이스층을 더 형성하는 회절격자 소자의 제조방법.
38. 제 34 항에 있어서,
    상기 복수의 회절요소 각각은 주 회절요소와 보조 회절요소를 포함하는 회절격자 소자의 제조방법.
39. 제 34 항에 있어서,
    상기 복수의 회절요소는 모두 동일한 피치로 형성하는 회절격자 소자의 제조방법.
40. 제 34 항에 있어서,
    상기 복수의 회절요소는 서로 다른 피치를 갖도록 형성하는 회절격자 소자의 제조방법.
41. 제 40 항에 있어서,
    상기 복수의 회절요소의 일부는 주 회절요소와 보조 회절요소를 포함하고, 나머지는 주 회절요소만 포함하는 회절격자 소자의 제조방법.
42. 제 38 항에 있어서,
    상기 보조 회절요소는 복수의 보조 회절요소를 포함하고,
    상기 복수의 보조 회절요소는 그 수가 증가하면서 고 회절효율을 얻을 수 있는 음의 회절각도 범위가 증가하도록 배치하는 회절격자 소자의 제조방법.

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