JP2006106758A - ワイヤーグリッド偏光子及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】可視光線透過率を向上させるワイヤーグリッド偏光子及び該ワイヤーグリッド偏光子を容易に製造できる製造方法を提供する。
【解決手段】ワイヤーグリッド偏光子は、第1表面と第2表面を有する基板と、前記第1表面の上に形成された複数の金属ワイヤーと、前記第2表面に形成され、入射光の波長の半分以下のグレーティング周期を有するグレーティングパターンとを含む。
【選択図】図4
【解決手段】ワイヤーグリッド偏光子は、第1表面と第2表面を有する基板と、前記第1表面の上に形成された複数の金属ワイヤーと、前記第2表面に形成され、入射光の波長の半分以下のグレーティング周期を有するグレーティングパターンとを含む。
【選択図】図4
Description
本発明は、光学素子(Optical device)に関し、特に、ワイヤーグリッド偏光子(Wire grid Polarizer)及びその製造方法に関する。
一般に、従来技術に係るワイヤーグリッド偏光子は、透明ガラス基板(Transparent glass substrate)の上に形成された複数の並列金属電極(Wires)から構成され、入射光(Incident light beam)を偏光させる。
図7は、従来技術に係るワイヤーグリッド偏光子の構造を示す図である。
図7に示すように、従来技術に係るワイヤーグリッド偏光子は、透明ガラス基板10と、該透明ガラス基板10の上に形成された金属格子(Metallic grid)(複数の並列ワイヤー)11とから構成される。図中、Aは格子間隔(Grid spacing)を、Hは格子の高さを、Piは入射光のP波(P Polarization)を、Siは入射光のS波(S Polarization)を、Ptは前記P波の透過光(Transmitted light beam)を、Stは前記S波の透過光を示す。
前記ワイヤーグリッド偏光子の性能は、偏光消滅率または偏光吸収率(Polarization extinction ratio)と光透過率(Light transmittance)により表すことができる。前記ワイヤーグリッド偏光子が高い偏光消滅率を有するためには、金属格子11の周期(Period)が入射光の波長より短くならなければならない。例えば、肉眼で感知できる可視光線領域は、一般に400nm〜700nmの波長である。従って、可視光線領域で使用されるワイヤーグリッド偏光子の格子周期(Grid period)が200nm以下にならないと入射光を適切に偏光させることができない。また、前記格子周期が青色の波長に比べて十分小さくないため、前記偏光消滅率は前記入射光の波長が短くなるほど低くなる。
前記ワイヤーグリッド偏光子の偏光消滅率と光透過率は、反比例の関係であり、格子周期と金属格子(金属ワイヤー)の高さ及び幅に依存する。従って、同一の偏光消滅率を有していても高い光透過率を有することが性能向上のために必要である。
前記ワイヤーグリッド偏光子は、一般にリソグラフィ方法を用いて透明ガラス基板の上に金属ワイヤー(金属格子)を形成することにより製造される。前記ワイヤーグリッド偏光子の光透過率は、金属ワイヤーと入射光の反射率(Reflectivity)により決定される。例えば、可視光線が透明ガラス基板に垂直に入射するとき、それぞれ空気/ガラス界面(Interface)で約4%の反射損失が発生する。従って、前記金属ワイヤーが形成された透明ガラス基板の反対表面に反射防止膜(Anti-reflection Coating)が形成される。しかしながら、前記反射防止膜が可視光線の波長帯域で使用されるためには、多層反射防止膜(Multilayer Anti-reflection Coatings)(例えば、4〜5層の反射防止膜)が必要である。また、前記多層反射防止膜は、真空蒸着技術(Vacuum deposition technique)により形成されるため、その形成には多くの時間及び費用がかかる。
前述したように、従来技術に係るワイヤーグリッド偏光子は、約4%の反射損失が発生するという問題があった。
また、従来技術に係るワイヤーグリッド偏光子の多層反射防止膜は、真空蒸着工程により形成されるため、前記多層反射防止膜を形成するために多くの時間及び費用がかかるという問題もあった。
一方、他の従来技術に係るワイヤーグリッド偏光子に関する技術は、以下の特許文献1及び2に記載されている。
米国特許第6,788,461号明細書
米国特許第6,243,199号明細書
本発明の目的は、可視光線透過率を向上させるワイヤーグリッド偏光子を提供することにある。
本発明の他の目的は、可視光線透過率を向上させるワイヤーグリッド偏光子を容易に製造できる製造方法を提供することにある。
このような目的を達成するための本発明の実施形態に係るワイヤーグリッド偏光子は、第1表面と第2表面を有する基板と、前記第1表面の上に形成された複数の金属ワイヤーと、前記第2表面に形成され、入射光の波長の半分以下のグレーティング周期を有するグレーティングパターンとを含むことを特徴とする。
また、本発明の実施形態に係るワイヤーグリッド偏光子は、第1表面と第2表面を有する基板と、前記第1表面の上に形成された複数の金属ワイヤーと、前記第2表面に形成されたグレーティングパターンと、を含み、ここで、前記グレーティングパターンは、前記第2表面をエッチングすることにより形成されることを特徴とする。
このような目的を達成するための本発明の実施形態に係るワイヤーグリッド偏光子の製造方法は、第1表面及び第2表面を有する基板の第1表面の上に金属ワイヤーを形成する段階と、前記基板の第2表面に入射光の波長の半分以下のグレーティング周期を有するグレーティングパターンを形成する段階とを含むことを特徴とする。
さらに、本発明の実施形態に係るワイヤーグリッド偏光子の製造方法は、基板の第1表面の上に複数の金属ワイヤーを形成する段階と、前記基板の第2表面にグレーティングパターンを形成する段階と、を含み、ここで、前記グレーティングパターンは、前記第2表面をエッチングすることにより形成されることを特徴とする。
本発明の実施形態に係るワイヤーグリッド偏光子及びその製造方法は、金属ワイヤーが形成された透明ガラス基板の反対表面にグレーティングパターンを形成することにより、可視光線透過率を向上させるという効果がある。
また、本発明の実施形態野に係るワイヤーグリッド偏光子及びその製造方法は、リソグラフィ方法を用いてグレーティングパターンを形成することにより、可視光線透過率を向上させるワイヤーグリッド偏光子の製造工程を単純化できるという効果がある。
以下、可視光線透過率を向上させるワイヤーグリッド偏光子及び前記ワイヤーグリッド偏光子の製造工程を単純化できる製造方法を図1〜図6を参照して詳細に説明する。
図1は、本発明を説明するためのワイヤーグリッド偏光子の格子周期と偏光消滅率の関係を示すグラフである。
図1に示すように、本発明の実施形態に係るワイヤーグリッド偏光子の金属ワイヤーの材料はアルミニウムであり、各金属ワイヤーの高さは140nmであり、各金属ワイヤーの幅は格子周期(格子周期は入射光の波長の半分以下でなければならない)の半分であると仮定する場合、前記格子周期が短くなるほど偏光効率が向上する。例えば、赤(450nm)、緑(550nm)、青(650nm)の波長で偏光消滅率が10,000以上になるためには前記格子周期が120nm以下でなければならないことが分かる。ここで、金属ワイヤーの幅は60nmである。また、前記ワイヤーグリッド偏光子はレーザー干渉リソグラフィ(Laser Interference Lithography)方法又はナノインプリントリソグラフィ(Nano imprint lithography)方法により製造される。
以下、本発明の実施形態に係るワイヤーグリッド偏光子に適用される金属ワイヤーをナノインプリントリソグラフィ方法により製造する方法を図2及び図3を参照して詳細に説明する。
図2及び図3は、本発明の実施形態に係るワイヤーグリッド偏光子に適用される金属ワイヤーをナノインプリントリソグラフィ方法により製造する方法を示す図である。
図2(A)及び(B)に示すように、研磨された前面及び背面を有する透明ガラス基板10の上に金属薄膜20を蒸着する。ここで、金属薄膜20の材料としては、アルミニウム、銀、クロムなどを利用することができ、透明ガラス基板10の代りに透明プラスチック基板(Transparent plastic substrate)を使用することもできる。
図2(C)及び(D)に示すように、金属薄膜20の上にポリマー層(Polymer layer)30をコーティングした後、予め製造したグレーティング構造(Grating structure)のモールド(Mold)40を利用してポリマー層30をグレーティング構造にパターニング(patterning)する。ここで、熱ナノインプリント法(Thermal Nanoimprint)を用いてポリマー層30をパターニングするとき、ポリマー層30をプリベーク(Pre-bake)することが好ましい。それに対して、UVナノインプリント法(UV Nanoimprint)を用いてポリマー層30をパターニングするときは、コートされたポリマー層30をプリベークせずに、紫外線に対して透明なモールドを利用してポリマー層30をパターニングすることが好ましい。例えば、熱ナノインプリント法を用いるときは、透明ガラス基板10の温度をポリマー層30のガラス転移温度(Glass transition temperature)以上に上昇させると共に、モールド40でポリマー層30を押圧する。また、前記UVナノインプリント法を用いるときは、モールド40でポリマー層30を押圧しながらモールド40を通じて紫外線を露光(Exposure)してポリマー層30を硬化する。
モールド40の材料としては、シリコン(Silicone: Si)、シリコン酸化膜(Silicon oxide: SiO2)、石英ガラス(quartz glass)、ニッケル(Nickel: Ni)、プラチナ(Platinum: Pt)、クロム(Chrome: Cr)、ポリマー物質(polymer material)などが使用される。
図2(E)に示すように、モールド40をポリマー層30から分離すると、モールド40によりグレーティング構造(例えば、四角形状のグレーティング構造)を有するポリマーパターン30−1が形成される。ここで、前記熱ナノインプリント法を用いるときは、透明ガラス基板10が冷却された後、モールド40をポリマーパターン30−1から分離することが好ましい。また、前記UVナノインプリント法を用いるとき、紫外線硬化が終わった後、モールド40をポリマーパターン30−1から分離することが好ましい。
図3Fに示すように、金属薄膜20の一部分が露出するようにポリマーパターン30−1をドライエッチング(Dry etching)する。
図3Gに示すように、金属薄膜20がドライエッチングされると、透明ガラス基板10の一部分が露出し、金属薄膜20は格子構造になる。また、前記格子構造の金属薄膜(金属ワイヤー)20−1の上にのみポリマーパターン30−1が残る。
図3Hに示すように、前記格子構造の金属薄膜(金属ワイヤー)20−1の上に形成されたポリマーパターン30−1を前記ドライエッチング工程で除去することにより、金属ワイヤー(金属格子)20−1が前記透明ガラス基板10の上に形成される。
図3Hに示すように、前記格子構造の金属薄膜(金属ワイヤー)20−1の上に形成されたポリマーパターン30−1を前記ドライエッチング工程で除去することにより、金属ワイヤー(金属格子)20−1が前記透明ガラス基板10の上に形成される。
しかしながら、前記ワイヤーグリッド偏光子は、透明ガラス基板10の上に製造されるため、透明ガラス基板10の前面及び背面の屈折率の差により入射光の一部分(約4%)が反射される。従って、本発明の実施形態に係るワイヤーグリッド偏光子は、金属ワイヤー20−1が形成された透明ガラス基板10の反対表面に入射光の波長の半分以下のグレーティング周期を有するグレーティングパターン(例えば、三角形状のグレーティングパターン(triangle-shaped grating patterns))を形成することにより、反射率を低減して光透過率を増加させることができる。ここで、前記グレーティングパターンの幅は、透明ガラス基板10の内部方向へ行くほど広くなることが好ましい。
以下、本発明の実施形態に係るワイヤーグリッド偏光子の構造を図3を参照して詳細に説明する。
図4は、本発明の実施形態に係るグレーティングパターンを有するワイヤーグリッド偏光子の構造を示す図である。
図4に示すように、前記グレーティングパターンを有するワイヤーグリッド偏光子は、第1表面(例えば、前面)と第2表面(例えば、背面)を有する透明ガラス基板10と、前記第1表面上に形成された金属ワイヤー(金属格子)20−1と、前記第2表面に形成され、入射光の波長の半分以下のグレーティング周期を有するグレーティングパターン10−1とから構成される。ここで、前記金属ワイヤー20−1は、前記グレーティングパターン(例えば、三角形状のグレーティングパターン)10−1の方向に合わせて形成されることが好ましい。
図4に示すように、前記グレーティングパターンを有するワイヤーグリッド偏光子は、第1表面(例えば、前面)と第2表面(例えば、背面)を有する透明ガラス基板10と、前記第1表面上に形成された金属ワイヤー(金属格子)20−1と、前記第2表面に形成され、入射光の波長の半分以下のグレーティング周期を有するグレーティングパターン10−1とから構成される。ここで、前記金属ワイヤー20−1は、前記グレーティングパターン(例えば、三角形状のグレーティングパターン)10−1の方向に合わせて形成されることが好ましい。
前記グレーティングパターンの構造は、三角形状の構造(Triangle-shaped structure)、半楕円形状の構造(Semioval-shaped structure)、アーチ状の構造(Arch structure)又は一辺が半円の四角形状の構造(semicircle-square structure)などの多様な形状を有することができる。そのうち、三角形状の構造は、透明ガラス基板10の内部方向へ行くほどその幅が急激が広くなるので、該三角形状の構造を使用することが好ましい。従って、以下、前記三角形状のグレーティング構造(三角形状のグレーティングパターン)を有するワイヤーグリッド偏光子を例にして説明する。
前記三角形状のグレーティングパターンが適用されたワイヤーグリッド偏光子は、透明ガラス基板の屈折率を連続的に変化させて不連続的な屈折率の変化を除去することにより、反射率を低減することができる。本発明による実験結果によると、従来技術に係るワイヤーグリッド偏光子の反射損失は4%であるが、本発明によるワイヤーグリッド偏光子の反射損失は0.5%以下である。
前記ワイヤーグリッド偏光子のグレーティング周期が入射光の波長の半分以下でなければならない理由は、三角形状のグレーティングパターンによる回折(Diffraction)を除去するためである。すなわち、可視光線の波長が400nm〜600nmであると仮定する場合、グレーティング周期は200nm以下でなければならない。前記グレーティングパターンの高さが高いほど透明ガラス基板の屈折率が緩慢に変化するため有利であり、グレーティング周期が200nm以下であると共に、グレーティングパターンの深さが200nm以上であると、透明ガラス基板10の反射率は0.5%以下となる。
以下、本発明の実施形態に係るワイヤーグリッド偏光子の構造を容易に製造する方法を図5を参照して詳細に説明する。すなわち、前記金属ワイヤーを製造する工程と同様に前記ナノインプリントリソグラフィ方法を用いて前記三角形状のグレーティングパターンを容易に形成できる。
図5は、本発明の実施形態に係る三角形状のグレーティングパターンを有するワイヤーグリッド偏光子の構造を示す図である。
図5(A)乃至(C)に示すように、透明ガラス基板10の上にポリマー層50を形成し、予め製造した三角形状のグレーティング構造のモールド60でポリマー層50を押圧する。
図5(D)に示すように、ポリマー層50が硬化した後、モールド60をポリマー層50から分離すると、入射光の波長の半分の以下のグレーティング周期で形成された三角形状のグレーティング構造のポリマーパターン50−1が透明ガラス基板10の上に形成される。
図5(E)に示すように、透明ガラス基板10の第2表面が露出するようにポリマーパターン50−1の全体表面をドライエッチングすると、入射光の波長の半部以下のグレーティング周期(例えば、200nm以下)を有する三角形状のグレーティングパターン10−1が透明ガラス基板10の第2表面(背面)に形成される。ここで、透明ガラス基板10の第2表面(背面)がエッチングされることにより、三角形状のグレーティングパターン10−1が形成される。
以下、本発明の実施形態に係る200nmのグレーティング周期を有するグレーティングパターンが適用されたワイヤーグリッド偏光子の反射率を図6を参照して詳細に説明する。
図6は、本発明の実施形態に係るワイヤーグリッド偏光子の反射率の変化を示す図である。
図6に示すように、本発明に係るワイヤーグリッド偏光子の反射率は、光の偏光によって変化し、グレーティングパターン面に対する垂直偏光が低い反射率を有する。また、100nmの高さより200nmの高さのグレーティングパターンが低い反射率を有することが分かる。従って、本発明の実施形態に係るワイヤーグリッド偏光子に適用された各グレーティングパターン10−1は、200nm以下のグレーティング周期を有して透明ガラス基板10に形成されることが好ましい。また、本発明の実施形態に係るワイヤーグリッド偏光子に適用された各グレーティングパターン10−1の高さは、少なくとも200nmであることが好ましく、グレーティングパターン10−1の幅は、グレーティング周期の60%以下であることが好ましい。例えば、グレーティング周期が200nmであると、グレーティングパターンの幅は120nm以下になり、グレーティング周期が100nmであると、グレーティングパターンの幅は60nm以下になることが好ましい。
一方、本発明の実施形態に係るワイヤーグリッド偏光子に適用されたグレーティングパターンは、前記レーザー干渉リソグラフィ方法又はナノインプリントリソグラフィ方法により製造でき、その他の多様なリソグラフィ方法で製造することもできる。
10:透明ガラス基板
10−1:グレーティングパターン
20:金属薄膜
20−1:金属ワイヤー
30、50:ポリマー層
30−1、50−1:ポリマーパターン
40、60:モールド
10−1:グレーティングパターン
20:金属薄膜
20−1:金属ワイヤー
30、50:ポリマー層
30−1、50−1:ポリマーパターン
40、60:モールド
Claims (26)
- 第1表面と第2表面を有する基板と、
前記第1表面の上に形成された複数の金属ワイヤーと、
前記第2表面に形成され、入射光の波長の半分以下のグレーティング周期を有するグレーティングパターンと、
を含むことを特徴とするワイヤーグリッド偏光子。 - 前記グレーティングパターンは、
三角形状のグレーティングパターンであることを特徴とする、請求項1に記載のワイヤーグリッド偏光子。 - 前記グレーティングパターンは、
前記第2表面をエッチングすることにより形成されることを特徴とする、請求項1に記載のワイヤーグリッド偏光子。 - 前記グレーティングパターンの構造は、
三角形状の構造であることを特徴とする、請求項3に記載のワイヤーグリッド偏光子。 - 前記グレーティングパターンの幅は、
前記基板の内部方向へ行くほど広くなることを特徴とする、請求項1に記載のワイヤーグリッド偏光子。 - 前記グレーティングパターンの幅は、
前記グレーティング周期の60%以下であることを特徴とする、請求項1に記載のワイヤーグリッド偏光子。 - 前記グレーティングパターンは、
三角形状の構造、半楕円形状の構造、アーチ状の構造又は一辺が半円の四角形状の構造のうちいずれか1つの構造を有することを特徴とする、請求項1に記載のワイヤーグリッド偏光子。 - 前記グレーティング周期は、
200nm以下であることを特徴とする、請求項1に記載のワイヤーグリッド偏光子。 - 前記グレーティングパターンの高さは、
200nm以上であることを特徴とする、請求項1に記載のワイヤーグリッド偏光子。 - 前記グレーティングパターンは、
リソグラフィ方法により形成されることを特徴とする、請求項1に記載のワイヤーグリッド偏光子。 - 第1表面と第2表面を有する基板と、
前記第1表面の上に形成された複数の金属ワイヤーと、
前記第2表面に形成されたグレーティングパターンと、を含み、
前記グレーティングパターンは、前記第2表面をエッチングすることにより形成されることを特徴とする、ワイヤーグリッド偏光子。 - 前記グレーティングパターンは、
三角形状のグレーティングパターンであることを特徴とする、請求項11に記載のワイヤーグリッド偏光子。 - 前記三角形状のグレーティングパターンは、
前記ワイヤーグリッド偏光子に入射する光の波長の半分以下のグレーティング周期を有することを特徴とする、請求項12に記載のワイヤーグリッド偏光子。 - 前記複数の金属ワイヤーは、
前記三角形状のグレーティングパターンの方向に合わせて形成されることを特徴とする、請求項11に記載のワイヤーグリッド偏光子。 - 第1表面及び第2表面を有する基板の前記第1表面の上に金属ワイヤーを形成する段階と、
前記基板の前記第2表面に入射光の波長の半分以下のグレーティング周期を有するグレーティングパターンを形成する段階と、
を含むことを特徴とするワイヤーグリッド偏光子の製造方法。 - 前記グレーティングパターンは、
三角形状であることを特徴とする、請求項15に記載のワイヤーグリッド偏光子の製造方法。 - 前記グレーティングパターンは、
前記第2表面をエッチングすることにより形成されることを特徴とする、請求項15に記載のワイヤーグリッド偏光子の製造方法。 - 前記グレーティングパターンの幅は、
前記基板の内部方向へ行くほど広くなることを特徴とする、請求項15に記載のワイヤーグリッド偏光子の製造方法。 - 前記グレーティングパターンは、
三角形状の構造、半楕円形状の構造、アーチ状の構造又は一辺が半円の四角形状の構造のうちいずれか1つの構造を有することを特徴とする、請求項15に記載のワイヤーグリッド偏光子の製造方法。 - 前記グレーティング周期は、
200nm以下であることを特徴とする、請求項15に記載のワイヤーグリッド偏光子の製造方法。 - 前記グレーティングパターンの高さは、
200nm以上であることを特徴とする、請求項15に記載のワイヤーグリッド偏光子の製造方法。 - 前記グレーティングパターンは、
リソグラフィ方法により形成されることを特徴とする、請求項15に記載のワイヤーグリッド偏光子の製造方法。 - 前記グレーティングパターンを形成する段階は、
前記基板の上にポリマー層を形成する段階と、
前記ポリマー層をグレーティング構造にパターニングする段階と、
前記基板の表面が露出するように前記パターニングされたグレーティング構造をエッチングする段階と、
を含むことを特徴とする請求項15に記載のワイヤーグリッド偏光子の製造方法。 - 基板の第1表面の上に複数の金属ワイヤーを形成する段階と、
前記基板の第2表面にグレーティングパターンを形成する段階と、を含み、
前記グレーティングパターンは、前記第2表面をエッチングすることにより形成されることを特徴とする、ワイヤーグリッド偏光子の製造方法。 - 前記グレーティングパターンは、
三角形状のグレーティングパターンであることを特徴とする、請求項24に記載のワイヤーグリッド偏光子の製造方法。 - 前記三角形状のグレーティングパターンは、
前記ワイヤーグリッド偏光子に入射する光の波長の半分以下のグレーティング周期を有することを特徴とする、請求項25に記載のワイヤーグリッド偏光子の製造方法。
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