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KR100697614B1 - 회절격자 및 그 제조 방법 - Google Patents

회절격자 및 그 제조 방법 Download PDF

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KR100697614B1
KR100697614B1 KR1020060009414A KR20060009414A KR100697614B1 KR 100697614 B1 KR100697614 B1 KR 100697614B1 KR 1020060009414 A KR1020060009414 A KR 1020060009414A KR 20060009414 A KR20060009414 A KR 20060009414A KR 100697614 B1 KR100697614 B1 KR 100697614B1
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KR
South Korea
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glass substrate
thin film
diffraction grating
film layer
polymer
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KR1020060009414A
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심용식
조성민
박준오
Original Assignee
주식회사 엘지에스
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Abstract

본 발명은 회절 격자 및 그 제조 방법에 관한 것으로서, 유리기판과 상기 유리기판 상에 형성되는 격자패턴을 가지는 회절격자에 있어서, 무반사 코팅이 미리 처리된 제 1 유리기판 상에 유기물 또는 폴리머로 이루어지는 박막층을 코팅하여 상기 격자 패턴을 구성하는 요철부를 형성하고, 상기 요철부에 상기 박막층의 굴절율과 상이한 유기물 또는 폴리머로 이루어진 접착층을 개재하여 무반사 코팅이 미리 처리된 제 2 유리기판을 접합한 후 자외선을 조사하여 경화시켜 형성된 것을 특징으로 하는 것으로, 무반사 코팅을 할 때의 광학적 특성 및 신뢰성의 재연성을 향상시킨 것으로서 소자의 특성을 동일하게 유지할 수 있으며, 수율의 향상으로 인하여 생산단가를 낮출 수 있다.
회절격자, 무반사코팅, 폴리머, 유기물, 위상지연판, 접착층

Description

회절격자 및 그 제조 방법{Diffraction grating and method of fabrication thereof}
도1은 폴리머 또는 유기물로 이루어진 격자 패턴에 무반사코팅을 처리한 회절 격자의 단면도이다.
도2는 본 발명에 따라 무반사코팅이 처리된 회절 격자의 제 1 실시예의 단면도이다.
도3은 본 발명에 따라 무반사 코팅 처리된 회절 격자의 제 2 실시예의 단면도이다.
도4는 본 발명에 따른 무반사 코팅을 처리한 회절 격자의 제조공정도이다.
도5는 본 발명에 따른 무반사 코팅을 처리한 회절 격자의 또 다른 제조공정도이다.
《도면의 주요부분에 대한 부호의 설명》
11, 17 : 유리기판 12 : 박막층
13, 14, 15 : 무반사코팅층 16, 18 : 접착층
20 : 요철부 30 : 위상지연판
본 발명은 회절 격자 및 그 제조 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 유리 기판 또는 플라스틱 위에 격자패턴을 형성할 때 무반사 코팅이 형성된 광픽업용 회절 격자 또는 무반사 코팅을 통한 회절 격자 제조 방법에 관한 것이다.
일반적으로 CD나 DVD 등의 광디스크에 저장된 데이터를 읽는 CD 플레이어나 DVD 플레이어 등에는 광기록매체로부터 정보를 읽어내기 위하여 광신호 검출에 의한 데이터를 검출하는 회절소자나 위상 소자를 구비하는 광픽업 장치가 사용되고 있다.
상기 광픽업 장치는 레이저빔을 주사하는 레이저다이오드와, 레이저다이오드에서 주사된 레이저빔의 광량을 소정 비율로 분배하는 회절격자, 광 디스크상에 기록된 정보에 따라 반사되는 빔과 회절격자를 통하여 입사빔을 소정 비율로 투과 또는 반사시키는 빔 스플리터와 빔을 수광하여 데이터를 검출하는 광 검출기를 포함하고 있다.
상기 광픽업 장치에서 종래에 채용되었던 회절격자는 유리기판 상에 일정한 간격의 요철형상의 격자 패턴이 형성되어 있는 구조로 되어 있었다.
상기 회절격자는 레이저 다이오드에서 주사된 하나의 레이저빔을 메인빔과 두개의 서브빔으로 만들어 광디스크를 향하도록 하는 역할을 수행한다.
종래의 회절격자는 유리기판상에 벌크글라스나 석영 재질을 스퍼터링이나 스핀코팅의 방법으로 산화박막 또는 SOG(spin on glass) 방법으로 형성한 뒤에 에칭 용액이나 에칭 가스 상태에서 사진 식각 공정을 통하여 제작되었다.
그러나, 상술한 제조 방법에 따라 제작된 격자 패턴은 균일도가 이루어지기 어렵고, 회절 격자의 성능이 불안정하여 대량 생산하기 어려운 점이 있었다.
그래서, 한국 공개특허 2005-17079에 개시된 바와 같이, 회절격자의 패턴층으로 유리 기판 상에 자외선 경화성폴리머를 박막층으로 코팅하고, 격자패턴에 대응하는 성형패턴이 형성되어 있는 스탬퍼를 상기 박막층에 가압한 후, 상기 박막층에 자외선을 조사하여 경화시켜 형성하는 제조방법이 제안되었다.
여기에서, 광빔으로서 입사되는 빛의 투과율을 높이기 위하여 유리 기판 위에 폴리머나 유기물을 이용하여 UV 또는 엠보싱 방법에 의하여 요철형태를 제작한 후 유리기판과 폴리머 위에 TiO2, SiO2 등을 이용하여 무반사 코팅(AR: Anti Reflection coating) 처리를 하게 된다.
도1은 폴리머 또는 유기물로 이루어진 격자 패턴에 무반사코팅을 처리한 회절 격자의 단면도이다.
상기 도1에서, 평활한 투명소재인 유리기판(11)에 유기물 또는 폴리머롤 이루어진 격자패턴층인 박막층(12)이 형성되어 있고, 상기 박막층(12)의 요철부에 무반사코팅층(14)이 더 형성되며, 레이저 다이오드측에서 입사되는 방향에 있는 유리기판(11)면에도 상기 무반사코팅층(14)이 형성되어 있다.
상기 무반사 코팅의 제작공정은 커다란 챔버안에 진공상태(10-5Torr이하)를 만든후 고온(100 ~ 300도)으로 TiO2, SiO2 등을 교대로 증착하면서 제작하게 된다.
이때에 진공상에서 온도를 가하기 때문에 격자패턴을 형성하는 박막층(12)을 구성하는 상기 폴리머나 유기물등은 열적 안정성이 부족하여 팽창을 하게 된다.
또한, 상기 폴리머나 유기물 등이 경화되는 정도에 따라 팽창되는 정도도 다르게 된다.
한편, 진공상태에서 저온(40~100도)으로 무반사 코팅을 할때에는 요철부에 증착된 코팅층이 열적 안정성이 부족하여 신뢰성을 갖지 못하는 단점이 있다.
따라서, 상기 무반사 코팅을 할때마다 회절 격자의 광학적 특성이 변하게 되고, 요철부에 무반사 코팅을 할 경우에 저온에서는 신뢰성이, 고온에서는 수율이 악화되는 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하고자 안출된 것으로, 격자패턴을 형성하는 박막층의 유기물 또는 폴리머보다 열적안정성 및 신뢰성이 좋은 유리기판에 먼저 무반사 코팅을 한 후에 이를 접합함으로써 광학적 특성 및 신뢰성 있는 회절격자를 대량으로 생산할 수 있도록 한 회절 격자 및 그 제조 방법을 제공하기 위한 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 회절격자는, 유리기판과 상기 유리기판 상에 형성되는 격자패턴을 가지는 회절격자에 있어서, 무반사 코팅이 미리 처리된 제 1 유리기판 상에 유기물 또는 폴리머로 이루어지는 박막층을 코팅하여 상기 격자 패턴을 구성하는 요철부를 형성하고, 상기 요철부에 상기 박막층의 굴절율과 상이한 유기물 또는 폴리머로 이루어진 접착층을 개재하여 무반사 코 팅이 미리 처리된 제 2 유리기판을 접합한 후 자외선을 조사하여 경화시켜 형성된 것을 특징으로 하는 것이다.
또한, 본 발명에 따른 회절격자에 있어서, 상기 무반사 코팅층은 TiO2, SiO2을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 회절격자에 있어서, 상기 유기물 또는 폴리머는 폴리카보네이트, 폴리이미드, 폴리알킬레이트, 폴리에스테르 술폰, 폴리올레핀, 아크릴레이트, 폴리에테르이미드, 아크릴계, 에폭시계, 우레탄계, 폴리에스테르계에서 선택되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 회절격자에 있어서, 상기 요철부와 상기 제 2 유리 기판 사이에 위상 지연판을 삽입하고 상기 접착층을 상기 위상 지연판의 양면에 개재하여 형성된 것을 특징으로 하는 것이다.
또한, 본 발명에 따른 회절격자에 있어서, 상기 위상 지연판은 2개 이상 복수개로 삽입되는 것을 특징으로 하는 것이다.
한편, 본 발명에 따른 회절격자의 제조방법은 제 1 유리기판과 제 2 유리기판의 일측면에 무반사 코팅을 하는 단계, 상기 제 1 유리기판의 타측면에 유기물 또는 폴리머로 이루어진 박박층을 코팅하는 단계, 격자 패턴이 형성되어 있는 스탬퍼를 상기 박막층에 가압하여 요철부를 형성하는 단계, 상기 요철부가 형성된 박막층에 자외선을 조사하는 단계, 상기 제2유리기판의 타측면과 상기 요철부 사이에 상기 박막층의 굴절율과 상이한 유기물 또는 폴리머로 이루어진 접착층을 개재하여 상기 제1유리기판과 제2유리기판을 접합하는 단계 및 상기 접착층에 자외선을 조사하여 경화시키는 단계를 포함한다.
또한, 본 발명에 따른 회절 격자의 제조 방법에 있어서, 상기 접착층을 위상 지연판의 양면에 개재하여 상기 요철부와 상기 제 2 유리 기판 사이에 상기 위상 지연판을 삽입하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 것이다.
이하, 본 발명에 대하여 첨부된 도면을 참조하여 도면에 도시된 실시예에 대하여 더욱 상세히 설명한다.
도2는 본 발명에 따라 무반사코팅이 처리된 등방성 회절 격자의 제 1 실시예의 단면도이다.
도2를 참조하면, 본 발명에 따른 회절격자는 일측면에 무반사 코팅층(14)이 미리 처리되어 있고, 다른 측면에 유기물 또는 폴리머로 이루어지는 박막층(12)에 격자 패턴을 구성하는 요철부(20)를 형성한 제 1 유리기판(11)과, 일측면에 무반사코팅층(15)이 미리 처리된 제 2 유리기판(17)과 상기 박막층(12)의 요철부(20)와 상기 제 2 유리기판(17) 사이에 개재된 접착층(16)을 포함하여 구성된다.
상기 박막층(12)은 UV 경화성 폴리머 또는 유기물을 상기 유리기판(11) 상에 코팅하고 요철부(20)로 이루어진 격자패턴은 상기 격자 패턴에 대응하는 성형 패턴이 형성된 스탬퍼로 상기 박막층(12)을 가압 성형하여 형성한다.
또한, 상기 무반사코팅층(14, 15)은 회절 격자에서 광 투과도를 증가시키기 위하여 형성하는 것으로, 상기 유리기판(11, 17)을 챔버 내에 두고 진공상태(10-5 Torr 이하)로 만든 후 고온(100∼300℃)으로 TiO2, SiO2 등을 교대로 증착하면서 처리하게 된다.
여기서, 상기 무반사코팅층(14, 15)은 유리기판(11, 17) 상에 박막층(13)이나 접착층(16)을 형성하기 전에 미리 처리하여둔다.
상기 무반사코팅층(14, 15)을 유리기판(11, 17) 상에 미리 처리하여 주면, 박막층(13)을 구성하는 폴리머 또는 유기물로 이루어진 격자패턴을 가지는 유리기판을 진공상태에서 약 200도의 고온으로 무반사코팅을 하게 될때, 폴리머 등이 팽창하는 정도가 수㎚씩 변하기 때문에 무반사코팅 전에는 회절격자가 균일한 광량비를 가지더라도 무반사코팅 후에 상기 코팅되는 TiO2, SiO2 등이 약 300∼800㎚의 높이로 증착을 하는 경우에, 증착장비의 균일도 또는 증착 높이분포에 따라 광량비가 변화하게 되는 것을 방지하게 된다.
한편, 상기 접착층(16)은 상기 박막층(13)에 사용된 등방성 유기물 또는 폴리머의 굴절율과 상이한 굴절율을 가지는 등방성 유기물 또는 폴리머를 사용한다.
그리고, 상기 박막층(13) 또는 상기 접착층(16)으로 사용되는 등방성 유기물 또는 폴리머는 폴리카보네이트, 폴리이미드, 폴리알킬레이트, 폴리에스테르 술폰, 폴리올레핀, 아크릴레이트, 폴리에테르이미드, 아크릴계, 에폭시계, 우레탄계, 폴리에스테르계 등에서 선택될 수 있다.
상기 유리기판(11) 상에 박막층(13)으로 코팅되는 유기물 또는 폴리머는 광투과성과 성형성 및 경화성이 우수하고 재료비가 저렴하게 된다.
특히, 자외선 경화성 폴리머는 상기 유리기판(11) 상에 스핀코팅(spin coating) 또는 드롭핑(droping) 방법으로 코팅할 수 있으며, 기타 핫 엠보싱(hot embossing)에 의하여도 코팅을 형성할 수 있다.
상기 접착층(16)은 상기 제 1 유리기판(11)의 요철부(20)와 상기 제2 유리기판(17)이 접합된 후 자외선 조사에 의하여 경화됨으로써, 본 발명에 따른 회절 격자는 상기 제 1 유리기판(11)과 상기 제 2 유리기판(17) 사이에 2층의 폴리머 또는 유기물층을 매개로 하여 접합되어 구성된다.
도3은 본 발명에 따라 무반사 코팅 처리된 등방성 회절 격자의 제 2 실시예의 단면도이다.
도3을 참조하면, 일측면에 무반사 코팅층(14)이 미리 처리되어 있고, 다른 측면에 유기물 또는 폴리머로 이루어지는 박막층(12)에 격자 패턴을 구성하는 요철부(20)를 형성한 제 1 유리기판(11)과, 일측면에 무반사코팅층(15)이 미리 처리된 제 2 유리기판(17)과 상기 박막층(12)의 요철부(20)와 상기 제 2 유리기판(17) 사이에 위상 지연판(30)을 삽입하고, 상기 요철부(20)와 상기 위상지연판(20) 사이와, 상기 제 2 유리 기판(17)과 상기 위상지연판(20) 사이에는 접착층(16, 18)이 형성되어 있다.
또한, 제2실시예의 상기 접착층(16, 18)도 상기 제1실시예에서와 같이 상기 접착층(16, 18)은 상기 박막층(12)을 구성하는 등방성 유기물 또는 폴리머와 다른 굴절율을 가지는 다른 등방성 유기물 또는 폴리머로 이루어진다.
제2실시예에서, 상기 접착층(16)은 상기 제 1 유리기판(11)의 요철부(20), 상기 위상 지연판(30), 상기 제2 유리기판(17) 사이에서 각각 접합된 후 자외선 조사에 의하여 경화됨으로써, 본 발명에 따른 회절 격자는 상기 제 1 유리기판(11)과 상기 제 2 유리기판(17) 사이에 3층의 폴리머 또는 유기물층과 위상지연판(30)을 매개로 하여 접합되어 구성된다.
따라서, 상기 위상지연 회절격자인 위상 지연판(30)도 박막층(13)의 요철부(20)에 무반사 코팅을 바로 하지 않고, 상기 유리기판(11, 17)에 미리 처리한 후 위상 지연판(30)을 내부에 삽입하여 접착하고 일체로 접합하면 안정성 있는 회절 격자를 얻을 수 있게 된다.
이때, 상기 위상지연판(30)은 2개 이상 다수개 삽입되어도 맨위 또는 맨 아래 부분에 회절격자를 형성하여서 모든 위상 지연 회절 격자에 적용이 가능하다.
도4는 본 발명에 따른 무반사 코팅을 처리한 회절 격자의 제조공정도이다.
도4를 참조하면, 본 발명의 제1실시예에 따른 무반사 코팅이 처리된 회절 격자의 제조 방법은 먼저 제 1 유리기판(11)과 제 2 유리기판(17)의 일측면에 미리 무반사 코팅을 하여 무반사 코팅층(14, 15)를 형성한다(S41).
그 다음에, 상기 제 1 유리기판(11)의 상기 무반사 코팅층(14)이 형성된 반대쪽 타측면에 등방성 유기물 또는 폴리머로 이루어진 박막층(12)을 형성한다(S42).
상기 격자패턴의 요철부(20)를 형성하기 위하여 격자 패턴 형성되어 있는 스탬퍼를 상기 박막층(12)에 가압하여 요철부(20)를 형성하는 단계가 진행된다(S43).
여기서, 스탬퍼는 사진식각공정(photo lithography)의 방법으로 격자패턴에 대응하는 패턴을 가지는 마스터를 제작하고 마스터에 형성된 패턴면에 금속도금을 하여 격자패턴에 대응하는 성형 패턴을 형성시켜서 제작된다.
상기 마스터 제작공정은 사진식각(photo lithography), SOG(Spin on Glass), 에칭 등 다양한 방법을 이용할 수 있다.
사진식각에 의한 방법에서는, 먼저 일반적인 반도체 공정을 이용하여 포토레지스트을 스핀 코팅하여 유리 또는 웨이퍼위에 도포한다.
도포할 때의 높이는 제품의 높이와 비슷한데, 이때 높이는 100nm ∼ 400nm로 상당히 얇게 도포한다.
도포한 후 뜨거운 플레이트 또는 오븐에서 70도 내지 120도 사이에서 베이킹(baking)을 한 후 웨이퍼나 유리기판위에 포토마스크를 놓고 UV를 조사한다. UV를 조사한 후에 현상액에 담근후 원하는 패턴으로 마스터를 제작한다. 이 공정은 일반적인 반도체 공정이나 높이가 상당히 얇은 것이 특징이다.
다음에, 상기 요철부가 형성된 박막층(12)을 경화시키기 위하여 상기 박막층(12)에 자외선을 조사하는 단계가 진행된다(S44).
상기 박막층(12)에 격자패턴으로서 형성되는 요철부(20)는 UV 경화 이외에 핫엠보싱(hot embossing)으로 이루어질 수 있다.
그 후, 상기 제2유리기판(17)의 타측면과 상기 요철부(20) 사이에 상기 박막층(12)의 굴절율과 상이한 등방성 유기물 또는 폴리머로 이루어진 접착층(16)을 개재하여 상기 제1유리기판(11)과 제2유리기판(17)을 접합하게 된다(S46).
이때, 상기 접착층(16)은 액상의 폴리머 또는 유기물질로 이루어져 있으므로 상기 접착층(16)에 자외선을 조사하여 경화시켜서 상기 회절 격자를 완성하게 된다 (S47).
도5는 본 발명에 따른 무반사 코팅을 처리한 회절 격자의 또 다른 제조공정도이다.
도5를 참조하면, 본 발명에 따른 본 발명의 제2실시예에 따른 무반사 코팅이 처리된 회절 격자의 제조 방법으로서, 상기 제2실시예는 위상지연용 회절 격자로서 위상 지연판이 추가로 삽입되어 있는 구조이다.
여기서도, 먼저 제 1 유리기판(11)과 제 2 유리기판(17)의 일측면에 미리 무반사 코팅을 하여 무반사 코팅층(14, 15)을 형성한다(S51).
그 다음에, 상기 제 1 유리기판(11)의 상기 무반사 코팅층(14)이 형성된 반대쪽 타측면에 유기물 또는 폴리머로 이루어진 박박층(12)을 형성한다(S52).
상기 격자패턴의 요철부(20)를 형성하기 위하여 격자 패턴 형성되어 있는 스탬퍼를 상기 박막층(12)에 가압하여 요철부(20)를 형성하는 단계가 진행되고, 상기 요철부가 형성된 박막층(12)을 경화시키기 위하여 상기 박막층(12)에 자외선을 조사하는 단계가 진행된다(S53, S54).
그 다음으로, 상기 제 1 유리기판(11)의 요철부(20)와 상기 제2 유리기판(17)의 타측면 사이에 위상지연판(30)을 삽입하고, 상기 위상 지연판(30)의 상, 하면에 폴리머 또는 유기물을 개재하여 상기 요철부(20)와 상기 위상지연판(20) 사이와, 상기 제 2 유리 기판(17)과 상기 위상지연판(20) 사이에는 접착층(16, 18)이 형성되도록 한다(S56).
상기 폴리머 또는 유기물로 이루어지는 액상의 접착층(16, 18)을 통하여 상 기 제 1 유리기판(11)과 제 2 유리기판(17)을 접합하고, 상기 액상의 접착층(16, 18)에 자외선을 조사하여 상기 접착층(17, 18)을 경화시켜서 위상지연 회절 격자가 형성될 수 있다.
여기서, 상기 위상 지연판(30)은 필요에 따라 2매 이상 여러장 삽입되어 접합되는 것도 가능함은 물론이다.
상술한 바와 같이, 요철부(20)의 굴절율과 다른 굴절율을 가지는 폴리머 또는 유기물로 구성된 접착층(16, 18)을 통하여 형성되는 상기 회절 소자에 있어서, 상기 굴절율이 서로 상이한 폴리머 또는 유기물을 박막층(12) 또는 접착층(16, 18)으로서 적절히 조합하여 사용하면 하나의 박막층(12)에 의한 요철부(20)를 가지는 경우와 동일한 형태로 광학적 특성을 나타내게 할 수 있게 되는 것이다.
본 발명에 따르면, 상술한 바와 같은 회절격자 및 위상지연 회절격자의 투과율을 개선하기 위하여 무반사 코팅을 할 때의 광학적특성 및 신뢰성의 재연성을 향상시킨 것으로서 소자의 특성을 동일하게 유지할 수 있으며, 수율의 향상으로 인하여 생산단가를 낮출 수 있다.
이상에서 본 발명은 기재된 구체적인 실시예에 대해서만 상세히 설명되었지만 본 발명의 기술사상 범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속함은 당연한 것이다.

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  6. 회절광이 출사하는 제 1 유리기판의 일측면인 출사면과 입사광이 입사하는 제 2 유리기판의 일측면인 입사면에 각각 미리 무반사 코팅을 하는 단계;
    상기 제 1 유리기판의 타측면에 등방성 유기물 또는 폴리머로 이루어진 박막층을 코팅하는 단계;
    격자 패턴이 형성되어 있는 스탬퍼를 상기 박막층에 가압하여 요철부를 형성하는 단계;
    상기 요철부가 형성된 박막층에 자외선을 조사하는 단계;
    상기 제2유리기판의 타측면과 상기 요철부 사이에 상기 박막층의 굴절율과 상이한 등방성 유기물 또는 폴리머로 이루어진 접착층을 개재하여 상기 제 1 유리기판과 상기 제 2 유리기판을 접합하는 단계; 및
    상기 접착층에 자외선을 조사하여 경화시키는 단계의 순서로 이루어지는 회절 격자의 제조 방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 접착층을 위상 지연판의 양면에 개재하여 상기 요철부와 상기 제 2 유리 기판 사이에 상기 위상 지연판을 삽입하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 회절 격자의 제조 방법.
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