시간-공간 변환과 LCD 백라이트를 위한 평판 마이크로 광학

Abstract

본 논문은 마이크로광학과 이를 이용하는 시스템에 관한 것이다. 자유공간의 광학계를 소형의 집적된 시스템으로 옮기기 위한 평판 마이크로광학계를 제시하였으며 이를 이용한 광통신 소자와 디스플레이 소자로의 응용을 다루었다. 이를 위하여 평판광학계에 필요한 회절광학소자의 설계와 제작, 그리고 이를 이용한 시스템을 측정, 분석하였으며 구체적인 내용은 다음과 같다. 먼저 광통신 분야로의 응용은 O-CDMA에서 활용 가능한 시간-공간변환 기술을 마이크로광학기술을 이용하여 평판 광학계에 집적하는 것에 대하여 살펴보았다. 이를 위하여 평판광학계에서의 4-f 시스템을 설계, 분석하고 이것을 시간-공간 변환 기술에 적용하였다. 제안된 시스템의 구조적 한계를 설정하고 이로부터 얻어지는 시스템의 최대 성능을 위한 구조를 도출하였다. 또한 실제 제작된 평판 집적된 마이크로 시간-공간 변환기의 특성을 측정, 분석하였다. 디스플레이로의 응용으로는 마이크로 홀로그래픽 회절격자를 이용한 홀로그래픽 도광판에 관하여 연구하였다. 홀로그래픽 회절격자의 선택적 출광의 기능성을 이용하여 균일한 출광분포를 얻기 위한 도광판 설계의 걸림돌인 핫스팟을 제거하기 위한 새로운 방법을 제시하였으며 이러한 구조에 있어서 균일도 및 출광각분포를 최적화하는 방법과 그에 대한 결과를 도출하였다. 또한 설계된 구조를 제작하고 측정, 분석하여 제시된 구조의 도광판에 대한 실제 성능을 확인하였으며 핫스팟이 제거되고 65% 이상의 균일도를 가지며 20도 미만의 수직출광 분포의 결과를 얻었다. 마지막으로 마이크로광학의 능동소자로서 역할을 할 수 있는 전자습윤현상의 동작 특성 분석 방법에 대하여 논의하였다. 전자습윤현상은 미세한 ( 단위) 부피의 액체를 수백 msec 이내의 빠른 속도로 동작시키는데 이때의 액체 계면의 형태적 특성을 분석하기 위해서는 고가의 장비와 높은 수준의 분석기술이 요구되며 특히 동적인 특성의 분석은 빠르고 정밀한 측정을 위한 방법이 많지 않다. 이러한 문제를 해결하기 위해 액체의 순간 동작을 분석하기 위한 광학적인 측정 방법을 제시하였으며 고속카메라를 이용하여 측정된 결과와 비교하였다. 이 방법은 접촉각의 측정이 아닌 곡률반경을 1 msec 이내의 고속으로 측정함으로써 계면의 광학적 성질을 측정할 수 있으며 기존의 분석방법에 비해 단순하고 직관적인 측정 방법이다.; As one of smart approaches to solve the fundamental problems of free-space optics in terms of size, robustness, manufacturability, and robustness, the concept of planar integration of free-space optical components has been proposed. The planar integrated optics is composed of the similar optical components used in conventional free-space optics, but they are integrated on a single bulk substrate with built-in alignment. In this thesis, the planar-optics concept based on miro-optics is utilized to optical applications such as optical communication and LCD display. A femto-second(fs) pulse shaping system with high density, and high precision by use of planar integrated optics is proposed and analyzed in its limits on pulse modulation capacity. The fs pulse shaping, one of the typical coherent time-to-space conversion optics, is designed in planar optics. Maximum resolution (phase modulation width) of the planar optical pulse shaper (POPS) is evaluated in terms of input pulse width and substrate thickness. It is found that a POPS for 100 fs pulse with a compact dimension of 10 mm(W) x 11 mm(H) x 50 mm(L) and a maximum resolution of 56 is accomplishable. As an application for LCD display, a holographic backlighting system is suggested based on planar diffractive optics. The proposed holographic backlighting system completely eliminates hot spots near the LEDs in LED backligting. The holographic micro-gratings placed on top surface of a planar substrate are designed by rigorously coupled wave analysis(RCWA) and fabricated by micro-holographic interference. Diffraction efficiencies of main propagation modes determined by RCWA calculation are first tabulated in terms of grating period, depth and orientation, and finally fitted in an analytical form of polynomial with polar and azimuthal incident angles. With a given angular distribution of LED source, depth and orientation of each of holographic-grating dots placed on the planar substrate can be determined by the fitted polynomial. The designed holographic backlighting system has no hot spots, and 85% uniformity and sharp angular width of 15° at normal emission. Experimentally the designed sample which has a size 30 mm x 40 mm x 0.6 mm is verified by uniform (~ 65%) and normal (~ 20° width) emission performance without any recognizable hot spots near LED sources. At the last in this thesis, an active micro-optics of electro-wetting lens is introduced. Before the active lens is adopted to actively controlled planar optics, it is important to characterize its dynamic behavior of the moving liquid surface. A novel measurement method with high-speed, high-resolution, and relatively simple optics, is proposed and compared its performance with the conventional method using streak camera.