(57)【要約】【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
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
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。
【請求項２】
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。
【請求項３】
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。
【請求項４】
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。
【請求項５】
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。
【請求項６】
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。
【請求項７】
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。
【請求項８】
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。
【請求項９】
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。
【請求項１０】
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。
【請求項１１】
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。
【請求項１２】
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。
【請求項１３】
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。
【請求項１４】
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。
【請求項１５】
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。
【請求項１６】
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。
【請求項１７】
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。
【請求項１８】
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。
【請求項１９】
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。
【請求項２０】
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。
【請求項２１】
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。
【請求項２２】
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。
【請求項２３】
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。
【請求項２４】
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。
【請求項２５】
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。
【請求項２６】
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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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。
【０００４】
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。
【０００５】
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。
【０００６】
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。
【０００７】
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。
【０００８】
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。
【０００９】
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。
【００１０】
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。
【特許文献１】米国特許第６，７８８，４６１号明細書
【特許文献２】米国特許第６，２４３，１９９号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
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。
【００１２】
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。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
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。
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【発明の効果】
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】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２】Ａ〜Ｅ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３】Ｆ〜Ｈ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４】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５】Ａ〜Ｅ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６】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７】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。
【符号の説明】
【００４６】
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
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
2006106758.tif 000007
【図６】
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【図７】
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