KR20080046017A - 와이어 그리드 편광자 및 이의 제조방법 - Google Patents

와이어 그리드 편광자 및 이의 제조방법 Download PDF

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Abstract

와이어 그리드 편광자 및 이의 제조방법이 개시된다. 개시된 와이어 그리드 편광자는 기판과; 상기 기판 위에 배열된 것으로, 와이어 코어와 상기 와이어 코어를 소정 두께로 둘러 싸는 폴리머 쉘(shell)을 구비하는 복수의 코어-쉘 나노와이어;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 개시된 와이어 그리드 편광자의 제조방법은 메탈 와이어 코어와 상기 메탈 와이어 코어를 소정 두께로 둘러 싸는 폴리머 쉘로 이루어진 코어-쉘 나노와이어를 제조하는 단계와; 기판 위에 상기 코어-쉘 나노와이어를 나란하게 배열하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

와이어 그리드 편광자 및 이의 제조방법{Wire grid type polarizer and method for manufacturing the same}
도 1은 일반적인 와이어 그리드 편광자를 보이는 개략도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 의한 와이어 그리드 편광자를 보이는 도면이다.
도 3a 내지 도 3e는 본 발명의 실시예에 의한 와이어 그리드 편광자의 제조방법을 보이는 도면이다.
도 4는 도 3a 내지 도 3e의 제조단계에서 복수의 코어-쉘 나노와이어가 기판 위에 정렬되는 원리를 설명하는 도면이다.
도 5a 내지 도 5d는 본 발명의 다른 실시예에 의한 와이어 그리드 편광자의 제조방법을 보이는 도면이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
100,300,500...기판 200,400,600...코어-쉘 나노와이어
220,420,620...와이어 코어 240,440,640...폴리머 쉘
본 발명은 와이어 그리드 편광자 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 특히 포 토 공정을 사용하지 않아 제작이 용이하고 또한 편광자의 대형화에 유리한 제조방법에 관한 것이다.
많은 응용분야에서 광원에서 나온 빛을 편리하게 제어하기 위하여 빛의 편광 특성을 이용한다. 예를 들어 액정표시소자를 이용한 디스플레이 장치의 경우, 액정분자가 직선편광의 편광방향을 변화시킴으로써 빛을 통과시키거나 차단하는 셔터 기능을 수행하므로, 일 방향으로 직선 편광된 광만을 사용하게 된다. 그러나 일반적으로 광원에서 제공되는 광은 무편광의 광이므로 액정표시장치의 양면에 편광판이 구비되게 된다. 또한, 광통신 장치의 경우에도 편광특성에 따라 외부의 수동 광소자와의 커플링 효율이 큰 차이를 나타내므로 편광된 광을 만드는 기술이 중요시된다.
도 1은 일반적인 와이어 그리드 편광자를 보이는 개략도이다. 도면을 참조하면, 일반적인 와이어 그리드 편광자는 투명기판(1)과, 이 기판(1) 상에 소정 주기로 배열된 복수의 나노 와이어(3)를 포함한다.
이와 같이 구성된 와이어 그리드 편광자는 나노 와이어(3)의 길이방향(A)과 평행한 방향의 편광은 차단하고, 나노 와이어(3)의 길이방향에 수직한 방향(B)의 편광은 투과시킴으로써, 편광자로서의 기능을 수행한다.
이 때, 나노와이어(3)의 폭은 나노와이어 편광자에 입사되는 광의 파장(λ)에 비해 충분히 짧으며, 또한, 이웃하는 나노와이어(3) 사이의 피치는 λ/2 보다 작게 배열된다.
이러한 와이어 그리드 편광자를 포토 공정을 사용하여 제조하고자 하는 경우 대략 100nm 이하의 포토 공정을 구현해야 하므로 제작이 어렵고 대형화에 한계가 있다.
포토 공정을 사용하지 않는 방법으로 전자 빔 또는 레이저 간섭을 이용하여 매스터 몰드(master mold)를 제작하고 이를 스탬핑하여 복제하고 메탈을 증착함으로써 제조하는 방법이 있다. 그러나 이 역시 매스터 몰드를 제조하는 과정에 전자빔 방법은 많은 시간이 소요되고 레이저 간섭방법은 대형화에 한계가 있는 방법이다.
본 발명은 상기한 문제점을 감안하여 안출된 것으로, 포토공정이나 매스터 몰드를 사용하지 않으면서 기판 위에 직접 나노 와이어가 정렬되도록 하는 구조의 와이어 그리드 편광자 및 이를 용이하게 제조할 수 있는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 와이어 그리드 편광자는 기판과; 상기 기판 위에 배열된 것으로, 와이어 코어와 상기 와이어 코어를 소정 두께로 둘러 싸는 폴리머 쉘(shell)을 구비하는 복수의 코어-쉘 나노와이어;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 와이어 그리드 편광자의 제조방법은 메탈 와이어 코어와 상기 메탈 와이어 코어를 소정 두께로 둘러 싸는 폴리머 쉘로 이루어진 코어-쉘 나노와이어를 제조하는 단계와; 기판 위에 상기 코어-쉘 나 노와이어를 나란하게 배열하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 코어-쉘 나노와이어를 배열하는 단계는 상기 코어-쉘 나노와이어의 표면에 전하를 공급하여 대전시키는 단계와; 상기 기판의 양 측부에 상기 코어-쉘 나노와이어와 반대 전하로 대전된 플레이트를 배치하는 단계;를 포함하여, 정전력에 의해 상기 코어-쉘 나노와이어를 상기 기판 상에 배열하는 것을 특징으로 한다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 와이어 그리드 편광자 및 이의 제조방법을 상세히 설명하기로 한다. 그러나 아래에 예시되는 실시예는 본 발명의 범위를 한정하는 것이 아니며, 본 발명을 이 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 충분히 설명하기 위해 제공되는 것이다. 이하의 도면들에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 도면상에서 각 구성요소의 크기는 설명의 명료성과 편의상 과장되어 있을 수 있다.
도 2은 본 발명의 바람직한 실시예에 와이어 그리드 편광자를 개략적으로 보이는 도면이다. 도면을 참조하면, 와이어 그리드 편광자는 기판(100)과, 상기 기판(100) 위에 배열된 복수의 코어-쉘 나노와이어(200)를 포함하여 구성된다.
코어-쉘 나노와이어(200)는 와이어 코어(220)와 와이어 코어를 소정 두께로 둘러싸는 폴리머 쉘(240)로 이루어진다.
복수의 코어-쉘 나노와이어(200)는 제1방향(X방향)을 따라 피치 p를 가지고 배열되어 있으며, 길이방향은 제2방향(Y방향)과 나란하게 되어 있다.
와이어 코어(220)의 단면은 두께(t1)과 폭(w)가 같은 원형 형상으로 되어 있 고 폴리머 쉘(240)은 와이어 코어(220)를 소정 두께(t2)로 둘러 싸는 형상으로 되어 있다. 다만, 단면 형상이 이에 한정되는 것은 아니며 다양한 형태, 예를 들어 폭(w)과 두께(t1)를 다르게 조절할 수 있는 사각형 형상이나 타원형상이 될 수도 있다.
와이어 그리드 편광자는 와이어 코어(220)의 재질 및 배열에 의해 입사된 광 중 제1방향의 편광을 갖는 광은 투과시키고 제2방향의 편광을 갖는 광은 반사시키는 것므로, 와이어 코어(220)는 반사율이 높은 금속재질로 형성되는 것이 좋다. 예를 들어, 알루미늄(Al), 금(Au) 또는 은(Ag)이 채용될 수 있다.
폴리머 쉘(240)은 와이어 코어(220)을 둘러싸며 코팅 형성되는 것으로, 후술하는 제조방법 상의 필요에 의해 마련되는 것이다. 폴리머 쉘(240)로는 투명재질, 예를 들어 PMMA(polymethyl methacrylate)나 PET(polyester)가 채용될 수 있다.
와이어 그리드 편광자의 구체적인 형상치수, 예를 들어 코어-쉘 나노와이어(200)의 배열 피치(p)나, 와이어 코어(220)의 두께(t1), 폭(w) 그리고 폴리머 쉘(240)의 두께(t2) 등은 와이어 코어(220)의 재질과 입사되는 광의 파장(λ)을 고려하여 적절히 설계되는 양이다. 예를 들어, 와이어 코어(220)의 두께(t1)는 와이어 코어(220)의 길이방향으로 편광된 광에 대해서는 반사금속으로 작용하기에 충분한 두께가 되어야 하며, 또한, 와이어 코어(220)의 폭(w)은 와이어 그리드 편광자에 입사되는 광의 파장(λ)에 비해 충분히 짧아야 한다. 또한, 이웃하는 코어 쉘 나노 와이어(200) 사이의 피치 p는 규칙적 배열에 의한 회절효과가 나타나지 않도록 λ/2 보다 작은 것이 바람직하다. 코어-쉘 나노와이어(200) 간의 피치(p)는 폴리머 쉘(240)의 코팅 두께(t2)에 따라 최소값이 제한될 수 있으므로, 이를 고려하여 폴리머 쉘(t2)의 두께를 적절히 결정한다.
와이어 그리드 편광자(100)가 와이어 그리드 편광자에 입사된 광 중 코어-쉘 나노와이어(200)의 길이방향(X방향)으로 편광된 광은 반사시키고, Y방향으로 편광된 광을 투과시키는 원리는 다음과 같다. 와이어 그리드 편광자(100)는 와이어 코어(220)를 이루는 금속 내부의 자유전자의 편광에 대한 반응특성에 기인하여 편광을 제어한다. 제2편광의 광(I2), 즉, 편광방향이 와이어 코어(220)의 길이 방향과 나란한 광이 와이어 코어(220)에 입사되면, 와이어 코어(220)의 자유전자들은 길이방향으로 진동하며 이에 따른 전자기파 상쇄에 의해 대부분 반사된다. 즉, 제2편광의 광(I2)에 대해 와이어 코어(220)는 고반사 금속특성을 나타낸다. 한편, 제1편광의 광(I1), 즉, 편광방향이 와이어 코어(220)의 폭 방향과 나란한 광이 와이어 코어(220)에 입사되는 경우, 와이어 코어(220)의 자유전자들의 폭 방향 진동은 공간적으로 제한을 받게 되어, 전자기파 상쇄는 일어나지 않고 대부분 투과하게 된다. 즉, 제1편광의 광(I1)에 대해 와이어 코어(220)는 손실있는 유전체의 특성을 나타낸다.
이하 도 3a 내지 도 5d와 함께 상기한 구조를 갖는 와이어 그리드 편광자의 제조방법을 설명한다.
도 3a 내지 도 3e는 본 발명의 실시예에 의한 와이어 그리드 편광자의 제조방법을 설명하는 도면이고, 도 4는 도 3a 내지 도 3e의 제조방법에서 특히 기판 위에 코어 쉘 나노와이어가 정렬되는 원리를 보이는 도면이다. 먼저 소정 길이로 준비된 메탈 재질의 와이어 코어(420)를 준비한다. 다음, 준비된 메탈 재질의 와이어 코어(420)를 폴리머 용액(345)에 담근다. 폴리머 용액(345)은 예를 들어 PMMA를 톨루엔과 같은 유기용매에 용해시켜 만들 수 있다. 와이어 코어(420)는 폴리머 용액(345) 속에 담겨진 와이어 코어(420)의 표면에 폴리머(440), 예를 들어 PMMA가 코팅되어 코어-쉘 나노와이어(400)가 완성된다. 이 때, 코팅 두께는 폴리머 용액(345)의 두께나 담겨진 시간, 코팅 회수를 조절하여 적절히 결정할 수 있다. 다음, 코어-쉘 나노와이어(400)을 대전시키고, 대전된 코어-쉘 나노와이어(400)를 기판(300) 위에 뿌려 놓는다. 이 때 기판(300)의 마주보는 양단에는 상기 코어-쉘 나노와이어(400)와 반대 전하로 대전된 플레이트(310)가 마련된다. 예를 들어, 코어-쉘 나노와이어(400)은 양전하로 대전된 경우, 기판(300)의 양단에는 음전하로 대전된 플레이트(310)가 배치된다. 도 4를 참조하면, 코어-쉘 나노와이어(400)의 표면 전하와 플레이트(310) 간에 정전인력이 작용하며 이에 의해 코어-쉘 나노와이어(400)의 양 끝은 각각 가까운 플레이트(310) 쪽으로 끌려 양쪽으로 당겨지기 때문에 기판(300) 위에 코어-쉘 나노와이어(400)가 팽팽하게 정렬된다. 또한, 동일 전하로 대전된 코어-쉘 나노와이어(400) 간에는 척력이 작용하므로 복수의 코어-쉘 나노와이어(400)들은 균일한 간격으로 배열되게 된다. 이웃하는 코어-쉘 나노와이 어(400) 사이의 거리는 폴리머 쉘(440)의 두께, 코어-쉘 나노와이어(400)와 플레이트(310)의 표면전하량에 의해 조절할 수 있다. 이를 위하여, 상기 제조방법에서는, 코어-쉘 나노와이어(400)와 플레이트(310)에 대전되는 전하량을 조절하는 제어부(미도시)에 의해 코어-쉘 나노와이어(400) 사이의 거리가 적정 거리가 되도록 전하량을 조절하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 설명한 제조방법에 있어서, 와이어 코어는 CNT(carbon nano tube)의 표면에 메탈 입자를 코팅함으로써 제조하는 것도 가능하다. 또한, 와이어 코어의 표면에 폴리머 쉘을 코팅하여 코어-쉘 나노와이어를 제조하는 것이 아니라, 광학적 이방성 물질로 이루어진 폴리머 파이버를 코어-쉘 나노와이어로 사용하는 것도 가능하다.
상기 설명한 제조방법에 있어서 복수의 코어-쉘 나노와이어를 기판에 정렬하는 것은 LB(Langmuir-Blodgett)법에 의하는 것도 가능하다. 비휘발성, 비수용성 물질이 수용액의 표면 상에 존재할 때 확산이론에 따라 분산되어 일정한 간격으로 정렬되며, 기판을 상기 수용액에 넣었다 빼는 과정으로 정렬된 물질들을 기판 상에 이전할 수 있다. 예를 들어, 코어-쉘 나노와이어가 소수성(hydrophobic)인 경우 수용액에 코어-쉘 나노와이어를 넣으면, 수용액의 표면에 코어-쉘 나노와이어가 정렬되며 기판을 수용액속에 넣었다 빼는 과정에 의해 기판위에 코어-쉘 나노와이어를 정렬시킬 수 있게 된다. LB법은 당업자에게 널리 알려진 방법이므로 이에 대한 자세한 설명은 생략한다.
또한, 코어-쉘 나노와이어를 제조하는 것은 폴리머 용액에 와이어 코어(420) 를 담그는 방법에 의하는 것 외에 다른 방법도 가능하다. 예를 들어 폴리머를 녹는 점 이상의 온도로 가열하여 녹인 용융액에 와이어 코어를 통과시켜 와이어 코어의 표면에 소정 두께의 폴리머 쉘이 코팅되게 하는 방법에 의할 수도 있다.
또한, 전기방사(electrospinning)법에 의하여 코어-쉘 나노와이어를 제조하는 것도 가능하다. 도 5a 내지 도 5d는 본 발명의 다른 실시예에 의한 와이어 그리드 편광자의 제조방법으로서, 이에 의하면 코어-쉘 나노와이어는 전기방사법을 사용하여 제조된다. 전기방사법은 섬유화하고자 하는 재료의 용액에 높은 전압을 인가하여 대전시키는 방법에 의해 용액을 노즐 끝에서 분출시켜 방사하는 기술이다. 실시예에서는 와이어 코어(620)와 이를 소정 두께로 둘러싸는 폴리머 쉘(640)로 구성된 코어-쉘 나노와이어(600)를 만들기 위해, 먼저, 도막 형태의 와이어 코어(620)를 폴리머 용액(645)에 담근다. 이 때, 와이어 코어(620)의 표면은 폴리머 용액(645)의 성질에 따라 친수성처리 또는 소수성처리한다. 와이어코어(620)와 폴리머 용액(645)으로 이루어진 용액을 주사기(syringe)에 부은 후, 주사기(710)와 플레이트(510) 사이에 고전압, 대략 10000~30000V의 전압을 인가한다. 상기 용액은 대전에 의해 분자 사이의 반발력이 용액의 표면 장력을 넘을 때 노즐(715)을 통해 분출되며, 이 때, 대전된 코어-쉘 나노와이어(600)가 분출된다. 코어 쉘 나노와이어(600)와 상기 코어-쉘 나노와이어(600)를 정렬하고자 하는 기판(500)의 양단에 마련된 플레이트(510)는 서로 반대 전하로 대전되어 있기 때문에, 도 4에서 설명한 바와 같이 코어-쉘 나노와이어(600)는 기판(500) 위에 나란하게 정렬된다.
본 발명에 의한 와이어 그리드 편광자는 코어-쉘 구조의 나노와이어를 포함하는 특징을 가진다. 또한, 이의 제조방법은 코어-쉘 나노와이어를 제작한 후 이를 기판 위에 배열하는 단계를 포함하는 특징을 가지며, 따라서, 100nm 이하의 포토 공정을 구현해야 하거나 매스터 몰드를 제작해야 하는 어려움이 없다. 또한, 공정단계를 줄이면서 용이하게 대형화를 실현할 수 있다는 이점이 있다.
상기한 실시예들은 예시적인 것에 불과한 것으로, 당해 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 아래의 특허청구범위 내에서 정해져야만 할 것이다.

Claims (12)

  1. 기판과;
    상기 기판 위에 배열된 것으로, 와이어 코어와 상기 와이어 코어를 소정 두께로 둘러 싸는 폴리머 쉘(shell)을 구비하는 복수의 코어-쉘 나노와이어;를 포함하는 것을 특징으로 하는 와이어 그리드 편광자.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 와이어 코어의 단면형상은 원형, 타원형 또는 사각형인 것을 특징으로 하는 와이어 그리드 편광자.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 폴리머 쉘은 PMMA 또는 PET로 이루어진 것을 특징으로 하는 와이어 그리드 편광자.
  4. 와이어 그리드 편광자의 제조방법에 있어서,
    와이어 코어와 상기 와이어 코어를 소정 두께로 둘러 싸는 폴리머 쉘로 이루어진 복수의 코어-쉘 나노와이어를 제조하는 단계와;
    기판 위에 상기 코어-쉘 나노와이어을 나란하게 배열하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 와이어 그리드 편광자의 제조방법.
  5. 제4항에 있어서, 상기 코어-쉘 나노와이어를 배열하는 단계는,
    상기 코어-쉘 나노와이어의 표면에 전하를 공급하여 대전시키는 단계;
    상기 기판의 양 측부에 상기 코어-쉘 나노와이어와 반대 전하로 대전된 플레이트를 배치하는 단계;를 포함하여, 정전력에 의해 상기 코어-쉘 나노와이어를 상기 기판 상에 배열하는 것을 특징으로 하는 와이어 그리드 편광자의 제조방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 이웃하는 코어-쉘 나노와이어 사이의 거리가 적정 거리가 되도록 상기 코어-쉘 나노와이어와 상기 플레이트에 대전되는 전하량을 조절하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 와이어 그리드 편광자의 제조방법.
  7. 제4항에 있어서,
    상기 코어-쉘 나노와이어는 LB(Langmuir-Blodget)법에 의해 상기 기판 상에 배열되는 것을 특징으로 하는 와이어그리드 편광자의 제조방법.
  8. 제4항에 있어서,
    상기 코어-쉘 나노와이어의 제조는,
    전기방사(electrospinning) 방법에 의하는 것을 특징으로 하는 와이어그리드 편광자의 제조방법.
  9. 제8항에 있어서, 상기 코어-쉘 나노와이어를 배열하는 단계는,
    상기 기판의 마주보는 양 측부에 상기 코어-쉘 나노와이어와 반대 전하로 대전된 플레이트를 배치하는 단계;를 포함하여, 정전력에 의해 상기 코어-쉘 나노와이어를 상기 기판 상에 배열하는 것을 특징으로 하는 와이어 그리드 편광자의 제조방법.
  10. 제4항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 코어-쉘 나노와이어를 제조하는 단계에서,
    폴리머를 유기용매에 용해시켜 폴리머 용액을 제조하고,
    상기 와이어코어를 상기 폴리머 용액에 통과시켜 메탈 와이어코어의 표면에 폴리머가 코팅되게 하는 것을 특징으로 하는 와이어그리드 편광자의 제조방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 폴리머는 PMMA이고,
    상기 유기용매는 톨루엔인 것을 특징으로 하는 와이어 그리드 편광자의 제조방법.
  12. 제4항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서
    상기 코어-쉘 나노와이어를 제조하는 단계는,
    폴리머를 녹는점 이상의 온도로 가열하여 녹인 용융액에 상기 와이어코어를 통과시켜 코팅하는 방법에 의하는 것을 특징으로 하는 와이어 그리드 편광자의 제조방법.
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