픽셀화된 나노 회절격자와 나노임프린트를 활용한 Geometric-phase 광학소자의 대면적 및 고속 제작

Abstract

근래에 각광받고 있는 AR/VR이나 HUD 등의 분야에서는 매우 얇고 가벼우면서 고효율로 다양한 위상 변조를 수행하는 새로운 광학 소자의 필요성이 대두되고 있고, 이 해결책으로 메타표면과 geometric-phase 관련 연구가 주목받고 있다. 이러한 추세에 맞추어 본 연구에서는 geometric-phase를 이용한 새로운 광학 소자로서 마이크로 크기의 픽셀마다 다른 방향의 격자 방향을 가지는 나노 회절격자를 배치한 pixelated nano-gratings으로 액정 정렬을 국소적으로 제어하는 방식으로 이방성 물질인 액정의 광축을 회전시켜 geometric-phase을 구현하는 micro-dot rubbing geometric-phase 광학소자를 제안하고, 그 광학 소자 제작에 핵심인 pixelated nano-gratings를 대면적 및 고속으로 제작하는 새로운 방법인 pixelated interference lithography을 개발하였다. 기존의 나노임프린트 공정으로 pixelated nano-gratings를 쉽게 복제할 수 있고, 사용된 액정과 취급 공정에서의 제조비용이 저렴하기에 본 방식의 광학소자 제작은 대량 생산에 매우 유리하다. 제2장에서는 이방성 물질을 통과하는 원편광 입사광에 물질의 광축 회전에 따라 geometric-phase이 추가되는 과정을 설명하였다. geometric-phase를 적용한 광학소자는 기존의 위상 변조 방식 비해 위상 제어가 용이하고, 완전 평면인 구조를 가져 고차 잡음과 제조상 어려움이라는 기존의 방식의 문제점을 해소할 가능성을 가진다. 제3장에서는 액정을 사용하여 geometric-phase를 구현하는 방법을 설명하고, 마이크로 크기의 픽셀마다 서로 다르게 패터닝된 회절격자를 러빙 홈으로 사용하여 액정 정렬을 제어하는 micro-dot rubbing 방법을 제안하였다. 그리고 효과적인 러빙을 위한 회절격자, 액정층, 픽셀의 조건을 확인하였다. 제안된 광학소자 제작의 핵심은 나노 미터의 격자 주기를 가진 나노 회절격자를 픽셀 마다 다른 격자 방향으로 패터닝하는 공정이다. 제4장에서는 이를 위해 개발한 pixelated interference lithography 시스템을 설명하였다. 시스템은 UV 펄스 레이저와 음향광학 편향기 쌍, 평판 빔 분리기, 릴레이 렌즈 시스템 및 오토포커싱으로 구성된 광학계와 대면적 스테이지, synchronizer, PC 제어 프로그램 등으로 구성된 제어계로 구성된다. 시스템은 스테이지가 움직이고 있는 사이에 임의의 격자 주기와 방향을 가지는 나노 회절격자를 최대 초당 10,000 개의 빠른 속도로 패터닝한다. 제5장에서는 pixelated interference lithography로 제작된 pixelated nano-gratings과 나노임프리트 공정으로 pixelated nano-gratings를 쉽게 복제할 수 있음을 보였다. 제6장에서는 pixelated nano-gratings에서 micro-dot rubbing geometric-phase 광학소자를 제작하는 공정을 설명하였다. KAPS 사의 임프린트 레진과 Merck 사의 액정 RMS03-013C을 사용할 때의 상세한 공정 조건을 확인하였다. 제7장에서는 micro-dot rubbing geometric-phase 광학소자 방식의 적용 사례로 geometric-phase spherical 렌즈를 제작하여 geometric-phase 효과의 기본적인 동작을 확인했고, geometric-phase 이중 초점 렌즈를 제작하여 다양한 위상 분포에 대응할 수 있음을 확인했고, 130 mm × 130 mm 면적의 geometric-phase lenticular 렌즈로 대면적으로 제작 가능함을 확인했고, 복합 multi-focal geometric-phase 렌즈를 제작하여 제안된 방식의 위상 분포 표현이 정밀함을 정량적으로 확인했다. 위의 내용으로 본 연구에서는 micro-dot rubbing geometric-phase 광학소자의 개념과 제작 및 기능성, pixelated interference lithography의 개발과 실용성을 설명하고 확인했다. 이 기술은 얇고, 작고, 가벼운 광학 소자를 필요로 하는 AR/VR 디스플레이 이외에도 자동차용 조명, 감성 조명 등의 분야와 대면적 정밀 광학 부품이 필요한 대구경 광학계 분야 등에서 활발히 응용될 것으로 기대한다.