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KR100774436B1 - 레이저 표면 처리 방법 - Google Patents

레이저 표면 처리 방법 Download PDF

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KR100774436B1
KR100774436B1 KR1020060028048A KR20060028048A KR100774436B1 KR 100774436 B1 KR100774436 B1 KR 100774436B1 KR 1020060028048 A KR1020060028048 A KR 1020060028048A KR 20060028048 A KR20060028048 A KR 20060028048A KR 100774436 B1 KR100774436 B1 KR 100774436B1
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KR
South Korea
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substrate
metal film
laser
laser beam
periodic structure
Prior art date
Application number
KR1020060028048A
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English (en)
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KR20060104938A (ko
Inventor
겐이치로 다나카
마사유키 후지타
Original Assignee
마츠시다 덴코 가부시키가이샤
자이단 호진 레이저 기쥬츠 소고 겐큐쇼
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 마츠시다 덴코 가부시키가이샤, 자이단 호진 레이저 기쥬츠 소고 겐큐쇼 filed Critical 마츠시다 덴코 가부시키가이샤
Publication of KR20060104938A publication Critical patent/KR20060104938A/ko
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Publication of KR100774436B1 publication Critical patent/KR100774436B1/ko

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Abstract

광학 재료의 표면상에서 반사 손실을 줄이기 위한 레이저 표면 처리 방법이 제공된다. 금속 필름이 광학 재료의 표면상에 형성되고, 이후 금속 필름은 1 펨토초(femtosecond) 내지 100 피코초(picosecond) 사이의 펄스 폭을 갖는 초강도 단파 레이저 빔(ultra-intense short-pulse laser beam)의 조사(irradiation)에 의해 광학 재료로부터 제거되어, 미세 주기 구조가 금속 필름의 제거에 의해 노출되는 광학 재료의 표면상에 형성된다. 생성된 미세 주기 구조는 바람직하게는 50 내지 1000 nm의 주기 간격을 갖는 돌출부를 가지고, 이러한 돌출부는 레이저 에너지 밀도를 변화시킴으로써 제어될 수 있다.
레이저 표면 처리 방법, 미세 주기 구조, 주기 간격, 금속 필름

Description

레이저 표면 처리 방법{LASER SURFACE TREATMENT}
도 1은 본 발명의 레이저 표면 처리 방법의 개략도이다.
도 2a는 선형 편광된(linearly-polarized) 레이저 빔의 조사(irradiation)에 의해 얻어진 미세 주기 구조(fine periodic structure)를 나타낸 주사 전자 현미경(scanning electron microscope, SEM) 사진이다.
도 2b는 원형 편광된(circulary-polarized) 레이저 빔의 조사에 의해 얻어진 미세 주기 구조를 나타낸 주사 전자 현미경 사진이다.
도 2c는 미세 주기 구조의 표면 윤곽을 도시한 것이다.
도 3은 미세 주기 구조를 가지는 두 종류의 광학 기판 간의 경계를 도시한 단면도이다.
도 4는 미세 주기 구조의 레이저 조사각과 주기 간격 간의 관계를 도시한 개략도이다.
도 5는 본 발명의 광학 부재의 개략적인 단면도이다.
도 6a 내지 6d는 실시예 3, 6, 9 및 12에서 얻어진 미세 주기 구조의 주사 전자 현미경 사진이다.
본 발명은 초강도 단파 레이저 빔(ultra-intense short-pulse laser beam)을 사용한 레이저 표면 처리 방법에 관한 것으로, 특히 미세 주기 구조의 형성을 위한 레이저 표면 처리 방법에 관한 것이다. 미세 주기 구조는 광학 재료의 표면상에서 반사 손실을 감소시키는데 효과적이다.
레이저 빔을 사용하여 투명 기판상에 미세 주기 구조를 형성하는 기술, 예를 들면 펨토초 펄스(femtosecond-pulse) 레이저 빔을 조사(irradiation)함으로써 주기 초소형 구조(periodic microstructure)를 형성하는 방법이 일본 특허 조기 공개 번호 2003-57422에 소개되어 있다. 이 방법은 서로 간섭하는 두 개의 펨토초 펄스 레이저 빔을 사용하는 것이 필수적이고, 상기 레이저 빔은 기판상에 홀로그램 회절격자(diffraction grating)를 형성하도록 기판상에 조사된다. 생성된 회절 격자는 5 내지 200 nm의 최소 평균 크기를 갖는 주기 구조를 가진다. 하지만, 이 경우에 두 개의 펨토초 펄스 레이저 빔이 서로 간섭되도록 광학 시스템의 위치 조정이 고정밀도로 수행되어야 하는 불편함이 있다. 또한, 간섭 현상을 이용하기 때문에 넓은 영역의 표면 처리가 어렵다는 문제가 있다.
임의의 굴절률을 갖는 광학 매질에서 전파되는 광(light)이 상이한 굴절률을 갖는 또 다른 광학 매질에 입사될 때, 일반적으로 광학 매질들 간의 경계에서 반사 손실이 일어난다. 반사 손실은 광학 매질들 간의 굴절률의 차이가 커짐에 따라 더욱 증가한다. 또한, 고굴절률을 갖는 광학 매질로부터 저굴절률을 갖는 광학 매질에 광이 입사되는 경우, 입사각이 한계값(전반사각)을 초과하게 되면 전반사가 일 어나고, 광은 저굴절률을 갖는 광학 매질 내부로 전파될 수 없다. 예를 들면, 광이 굴절률이 7.7인 사파이어로부터 굴절률이 1인 공기로 전파되는 경우, 입사각이 90˚일 때, 반사 손실은 7.7 % 가 된다. 한편, 입사각이 34.4˚를 초과하게 되면, 전반사가 일어난다. 따라서, 광학적 투명성을 이용하여 광학 부재들에서 반사 손실을 줄이는 것이 해결되어야 할 과제이다.
따라서, 본 발명의 주된 관심사는 레이저 빔의 간섭 현상을 이용하지 않고도 감소돤 레이저 파워를 이용하여 광학 재료의 표면상에서 반사 손실을 줄이는데 효과적인 미세 주기 구조를 형성하기 위한 레이저 표면 처리 방법을 제공하는 것이다.
즉, 본 발명의 레이저 표면 처리 방법은 광학적 투명성을 가지는 기판의 표면상에 금속 필름을 형성하는 단계와 1 펨토초(fs) 내지 100 피코초(ps)의 펄스 폭을 가지는 초강도 단파 레이저를 조사하여 기판으로부터 상기 금속 필름을 제거하는 단계를 포함하며, 상기 금속 필름이 제거됨으로써 노출되는 기판의 표면상에 주기 간격이 50 내지 1000 nm인 미세 주기 구조가 형성된다.
상기 레이저 표면 처리 방법에 의하면, 기판상의 원하는 영역에 금속 필름을 형성하고, 이후 초강도 단파 레이저 빔을 사용하여 기판으로부터 금속 필름을 제거함으로써, 반사 손실을 감소시키는 특성을 가지는 미세 주기 구조가 기판의 표면상에 형성될 수 있다. 또한, 미세 주기 구조의 주기 간격은 레이저 에너지 밀도(laser energy density)를 변화시킴으로써 제어될 수 있기 때문에, 입사되는 광 의 파장에 적합한 미세 주기 구조를 가지는 광학 부재를 용이하게 제조할 수 있다. 더욱이, 금속 필름이 없는 상태에서 레이저 조사에 의해 기판을 처리하는 경우에 비해 훨씬 더 작은 레이저 에너지 밀도를 사용하여 레이저 표면 처리가 수행될 수 있다는 이점이 있다. 또한, 본 발명에서는 초강도 단파 레이저 빔이 사용되기 때문에 기판 표면에 대한 열 손상(thermal damage)의 발생을 방지할 수 있다.
본 발명의 레이저 표면 처리 방법에 있어서, 원형 편광된(circularly-polarized) 레이저 빔 또는 타원형 편광된(elliptically-polarized) 레이저 빔이 초강도 단파 레이저 빔으로서 사용될 때, 미세 주기 구조는 주기 간격으로 형성된 도트형 돌출부(dot-like projections)들을 가지는 특성이 있다. 한편, 선형 편광된(linearly-polarized) 레이저 빔이 초강도 단파 레이저 빔으로서 사용될 때는 미세 주기 구조가, 편광 방향과 수직인 방향으로 연장되어 있으면서 주기 간격으로 형성된 기다란 돌출부들을 가지는 특성이 있다. 본 발명에서, 주기 간격은 미세 주기 구조의 인접한 돌출부(도트형 돌출부 또는 기다란 돌출부)들의 상단 간의 평균 수평 거리로서 정의될 수 있다.
전술한 레이저 표면 처리 방법에 있어서, 금속 필름은 구리, 철, 금, 은, 알루미늄, 니켈, 마그네슘, 티타늄, 실리콘, 스테인리스 강 및 이들의 합금들 중에서 선택된 하나 이상의 금속으로 제조되는 것이 바람직하고, 구리, 철 및 구리와 철 중 하나 이상을 포함하는 합금들로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 금속으로 제조되는 것이 더 바람직하다.
또한, 초강도 단파 레이저 빔의 레이저 에너지 밀도는 1 내지 100 mJ/㎟의 범위에 있는 것이 바람직하다. 상기 범위의 레이저 에너지 밀도를 적절히 선택함으로써, 원하는 주기 간격을 가지는 미세 주기 구조가 안전하게 형성될 수 있다. 또한, 주기 간격은 금속 필름에 대한 초강도 단파 레이저 빔의 조사각을 변화시킴으로써 제어될 수 있다.
본 발명의 추가적인 관심사는 전술한 레이저 표면 처리 방법에 의해 형성된 미세 주기 구조를 가지는 광학 부재를 제공하는 데에 있다. 본 발명의 광학 부재는 반사 손실의 감소 및 투과율의 향상을 가져온다.
본 발명의 여러 가지 특징과 이점은 이하 발명의 상세한 설명을 통해 더욱 명확해질 것이다.
본 발명의 레이저 표면 처리 방법이 이하 상세히 기술된다.
본 발명의 레이저 표면 처리 방법의 제 1 단계는 금속 필름을 형성하는 단계이다. 즉, 금속 필름은 광학적 투명성을 가지는 기판의 표면상에 형성된다. 기판 재료로서, 예를 들면, 투명성을 가지는 무기 재료(inorganic material)를 사용하는 것이 가능하고, 바람직하게는 용융된 실리카(fused silica), 비실리카 유리(nonsilica glass로서, ZrF4 유리, ThF4 유리, BeF2 유리, CaF2 유리 및 산화물 유리(oxide glass)를 포함한다), 사파이어 유리(sapphire glass), ZnO 유리, SiC 유리, GaN 유리(InGaN 및 AlInGaN을 포함한다), InN 유리, YGA 유리, GaAs 유리, GaP 유리, ZnS 유리, ZnSe 유리, SrS 유리 또는 CaGa2S4 유리를 사용할 수 있다.
금속 필름의 재료로서, 예를 들면, 구리, 철, 금, 은, 알루미늄, 니켈, 마그네슘, 티타늄, 실리콘, 스테인리스 강 및 이들의 합금들로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 금속을 사용하는 것이 바람직하다. 이 경우, 후술할 미세 주기 구조가 기판상에서 질적으로 안정하게 얻어질 수 있다. 또한, 금속 필름의 양호한 가공성의 측면에서, 구리, 철 또는 구리 및 철 중 하나 이상을 포함하는 합금을 사용하는 것이 바람직하다. 더욱이, 후술할 표면 플라즈마 폴라리톤(surface plasmon polaritons)의 효과적인 발생의 측면에서, 금, 은 또는 구리를 사용하는 것이 바람직하다. 기판상에서 금속 필름을 형성하는 방법은 특별히 제한되지 않는다. 기판상에 금속 필름을 균일하게 형성시키기 위해, 예를 들면, 스퍼터링(sputtering), 물리 증착(physical vapor deposition, PVD) 또는 진공 증착(vacuum deposition)을 이용하는 것이 바람직하다.
본 발명의 레이저 표면 처리 방법의 제 2 단계는 레이저를 조사하는 단계이다. 즉, 도 1에 도시된 바와 같이, 금속 필름(2)은 1 펨토초(fs) 내지 100 피코초(ps), 바람직하게는 1 fs 내지 1 ps의 펄스 폭을 가지는 초강도 단파 레이저 빔(3)의 조사에 의해 기판(1)으로부터 제거되어, 50 내지 1000 nm의 주기 간격을 가지는 미세 주기 구조(4)가 금속 필름의 제거를 통해 노출되는 기판의 표면상에 형성된다. 필요한 경우, 처리될 표면적이 더 큰 기판상에 미세 주기 구조를 효과적으로 형성시키도록, 레이저 빔이 스캔될 수 있다. 동일한 효과를 얻기 위해 레이저 빔의 스캔 대신에 기판을 지지하는 테이블이 이동될 수 있다.
초강도 단파 레이저 빔으로서, 예를 들면, 모드 잠김(mode-locked) Ti: 사파 이어 레이저, YAG 레이저, SHG-Ti 사파이어 레이저, THG-Ti 사파이어 레이저, FHG-Ti 사파이어 레이저, SHG-YAG 레이저, THG-YAG 레이저, FHG-YAG 레이저 또는 엑시머(excimer) 레이저 등을 이용할 수 있다. 초강도 단파 레이저 빔이 선형 편광된 레이저 빔에 의해서 제공될 때, 편광 방향과 수직인 방향으로 연장되어 있으면서 주기 간격으로 형성된 기다란 돌출부들을 가지는 미세 주기 구조가 도 2a에 도시된 바와 같이 기판상에 얻어진다. 한편, 초강도 단파 레이저 빔이 원형 또는 타원형 편광된 레이저 빔에 의해서 제공될 때, 주기 간격으로 형성된 도트형 돌출부들을 가지는 미세 주기 구조가 도 2b에 도시된 바와 같이 기판상에 얻어진다. 따라서, 미세 주기 구조는 레이저 빔의 편광 방향을 변화시킴으로써 제어될 수 있다. 미세 주기 구조의 표면 윤곽을 도시한 도 2c에서, "P"는 주기 간격을 의미하고, 이는 미세 주기 구조의 인접 돌출부들의 상단 간의 평균 수평 거리로서 정의된다.
레이저 조사에 의해 증발된 금속 필름의 일부가 기판 표면상에 침적되는 상태를 방지하기 위해, 레이저 조사 단계는 0.01 Pa 이하의 감압 하에서 수행되는 것이 바람직하다. 선택적으로, 레이저 조사 단계는 기판의 산화와 같은 열화(deterioration)를 방지하기 위해 불활성 가스(inert gas) 분위기에서 수행될 수 있다.
본 발명은, 미세 주기 구조가 특정한 레이저 조사를 통해 금속 필름을 제거함으로써 노출되는 기판 표면상에 형성될 수 있다는 발명자의 발견을 기초로 이루어졌다. 본 발명은 미세 주기 구조를 형성하는 메카니즘에 의해 제한되지 않지만, 레이저 조사에 의해 다음의 현상이 나타나는 것으로 생각된다. 즉, 금속 필름이 레이저 조사에 의해 기판으로부터 제거될 때, 표면 플라즈마 폴라리톤이 기판상에 남겨진 금속 필름의 일부에서 발생되어, 기판 표면의 부근에 전개된, 부분적으로 강화된 전기장이 기판상의 미세 주기 구조의 형성에 기여한다.
일반적으로, 기판이 기판상의 금속 필름의 형성 없이 레이저 조사에 의해 가공될 때, 레이저 빔은 한계 에너지 밀도(즉, 기판으로서 용융된 실리카를 사용할 경우 50 mJ/㎟이다) 이상의 레이저 에너지 밀도를 가져야 한다. 다시 말하면, 레이저 에너지 밀도가 한계 에너지 밀도보다 작은 경우, 기판은 레이저 조사에 의해 가공될 수 없다. 하지만, 금속 필름이 존재하는 상태에서 수행된 본 발명의 레이저 표면 처리 방법에 있어서, 전술한 표면 플라즈마 폴라리톤은 미세 주기 구조의 형성을 촉진시키므로, 금속 필름의 형성 없이 레이저 표면 처리를 수행하는 경우와 비교할 때, 레이저 표면 처리에 필요한 레이저 에너지 밀도는 한계 에너지 밀도의 1/3 까지 현저히 감소될 수 있다.
또한, 본 발명의 레이저 표면 처리 방법에서는 두 개의 레이저 빔의 간섭 현상이 필요하지 않으므로, 큰 면적의 기판에 대한 레이저 표면 처리가 용이하게 효과적으로 수행될 수 있다. 또한, 초강도 단파 레이저 빔이 사용될 때, 레이저 표면 처리는 짧은 시간 내에 완료될 수 있고, 이로 인해 기판에 대한 열 손상의 발생을 방지할 수 있는 이점이 있으며, 미세 주기 구조의 질적 안정성을 향상시킬 수 있다.
전술한 바와 같이, 본 발명의 기술적 사상의 특징은 표면 플라즈마 폴라리톤 현상을 이용하여 기판상에 미세 주기 구조를 형성하는 데에 있다. 따라서, 본 발 명은 레이저 빔을 사용하여 기판상에 금속 필름의 배선 패턴(wiring pattern)을 형성하는 종래의 기술과는 차이점이 있다. 이러한 관점으로부터, 본 발명의 레이저 표면 처리 방법은, 기판의 소정의 영역상에 금속 필름을 형성하고, 이후 초강도 단파 레이저 빔의 조사에 의해 상기 소정의 영역상에 금속 필름을 모두 제거하여, 미세 주기 구조가 금속 필름의 제거에 의해 노출되는 기판의 상기 소정의 영역상에 형성되는 단계를 포함하는 것으로 정의될 수 있다.
다음으로, 본 발명의 미세 주기 구조가 자세히 기술된다. 미세 주기 구조의 주기 간격은 기판 내부로 전파되는 광의 파장의 1/10 내지 10배 사이에서 결정되는 것이 바람직하다. 즉, 주기 간격이 파장(λ)의 1 내지 10배 범위에 있을 때, 미세 주기 구조는 회절 격자로서 거동하여, 심지어 광이 전반사를 일으키는 한계각보다 큰 입사각으로 기판에 입사될 때에도 광은 회절 효과에 의해 기판 내부로 전파된다. 또한, 주기 간격이 파장(λ)의 1/10 내지 1배 범위에 있을 때, 미세 주기 구조는 마치 굴절률이 점차적으로 감소하는 것처럼 거동한다. 결과적으로, 굴절률의 상당한 변화가 기판 표면에서 일어나지 않으므로, 반사가 억제되어 투과율을 향상시킬 수 있다.
예를 들면, 광이 제 1 매질과 제 2 매질 간의 경계에 형성된 미세 주기 구조를 통해 굴절률이 "n2"인 제 2 매질(20)로부터 굴절률이 "n1"인 제 1 매질로 입사되고, 미세 주기 구조의 주기 간격 "P"가 광의 파장 "λ" 보다 충분히 작을 때, TE파 및 TM파에 대한 유효 굴절률(nE,nM)은 다음의 수학식으로 표시할 수 있다.
Figure 112006021899649-pat00001
Figure 112006021899649-pat00002
여기에서, "a"는 제 2 매질(20)의 미세 주기 구조의 삼각형 돌출부의 반폭(1/2폭)을 나타내고, "b"는 제 1 매질(10)의 미세 주기 구조의 삼각형 돌출부의 반폭을 나타낸다. 따라서, 유효 굴절률이 점차적으로 변하므로, 이러한 미세 주기 구조에 의해 형성된 경계는 제 1 매질(10)의 굴절률과 제 2 매질(20)의 굴절률 사이의 중간 굴절률을 갖는 얇은 층(layer)으로서의 기능을 한다. 결과적으로 반사를 효과적으로 줄이는 것이 가능하다.
본 발명에 있어서, 초강도 단파 레이저 빔의 레이저 에너지 밀도는 1 내지 100 mJ/㎟의 범위에 있다. 미세 주기 구조의 주기 간격은 레이저 에너지 밀도가 증가함에 따라 점차적으로 변하기 때문에, 이 범위에서 레이저 에너지 밀도를 제어함으로써 원하는 주기 간격을 가지는 미세 주기 구조가 용이하게 형성될 수 있다는 이점이 있다.
본 발명에 있어서, 미세 주기 구조의 주기 간격은 금속 필름에 대한 초강도 단파 레이저 빔의 조사각을 변화시킴으로써 제어될 수 있다. 즉, 도 4에 도시된 바와 같이, 레이저 빔의 편광 방향이 레이저 스캐닝 방향과 일치하고, 레이저 빔(3)이 직각이 아닌 조사각 "θ"로 금속 필름에 조사되는 조건하에, 레이저 빔(3)이 "S1" 방향으로 스캔될 때, 미세 주기 구조(4)의 주기 간격(Pθ)은 아래의 수학식 3에 의해 결정될 수 있고, 레이저 빔(3)이 "S2" 방향으로 스캔될 때, 주기 간격(Pθ)은 아래의 수학식 4에 의해 결정될 수 있다. 이들 수학식에서, "PO"는 금속 필름에 수직인 방향으로부터 레이저 조사에 의해 얻어지는 미세 주기 구조의 주기 간격을 나타낸다.
Figure 112006021899649-pat00003
Figure 112006021899649-pat00004
또한, 금속 필름의 두께는 미세 주기 구조의 주기 간격에 영향을 미치는 경향이 있다. 즉, 높은 레이저 에너지 밀도를 사용하는 경우에 있어서, 금속 필름의 두께가 더 커짐에 따라 주기 간격은 증가하는 경향이 있다. 본 발명에 있어서, 금속 필름은 50 내지 1000 nm의 두께를 가지는 것이 바람직하다. 따라서, 이 범위에서 금속 필름의 적당한 두께를 선택함으로써 주기 간격이 용이하게 제어될 수 있다.
본 발명에 있어서, 레이저 조사 후에 기판의 처리된 표면에 대해 에칭 처리를 수행하는 것이 바람직하다. 에칭 처리 방법으로서, 플라즈마 에칭 또는 화학적 에칭이 이용될 수 있다. 화학적 에칭의 경우, 기판의 처리된 표면으로부터 잔류물들을 선택적으로 제거하기 위해 불산(hydrofluoric acid)을 사용하는 것이 바람직하다. 예를 들면, 에칭 처리는 5% 불산 수용액을 사용하여 5분 이상 수행될 수 있다. 이러한 에칭 처리에 의해 광은 미세 주기 구조를 통해 기판 내부로 보다 효과적으로 전파될 수 있다.
레이저 조사 후에, 제 1 기판상에 형성된 미세 주기 구조와 상이한 굴절률을 갖는 제 2 기판을 접합하는 것이 바람직하다. 이 경우에, 미세 주기 구조를 가지는 제 1 기판은 제 2 기판보다 더 큰 경도를 지닌다. 따라서, 미세 주기 구조는 제 1 기판과 제 2 기판 간의 경계에서 양질의 미세 주기 구조를 형성하는 한편 기공들(pores)의 생성을 억제할 정도의 작은 경도를 가진 제 2 기판의 표면에 단단하게 결합된다.
선택적으로, 제 1 기판상에 형성된 미세 주기 구조는, 제 1 및 제 2 기판과 상이한 굴절률을 갖는 중간층(intermediate layer)을 통해, 제 2 기판상에 형성된 미세 주기 구조와 접합되는 것이 더 바람직하다. 이 경우에, 중간층을 형성하는데 사용된 재료는 제 1 및 제 2 기판보다 작은 경도를 가지기 때문에, 이들 기판의 미세 주기 구조에 단단하게 결합될 수 있다. 따라서, 제 1 기판과 제 2 기판 간에 무기공(free pore) 경계를 가지는 광학 부재를 얻을 수 있다. 예를 들면, 도 5에 도시된 바와 같이, 제 1 기판(10)이 굴절률이 1.77인 사파이어이고, 제 2 기판이 굴절률이 1.5인 용융된 실리카일 때, 중간층(30)은 두 기판 사이의 굴절률 구배를 갖는 광학 부재를 얻도록, 바람직하게는 굴절률이 1.6인 아크릴 수지(acrylic resin)를 사용하여 형성될 수 있으며 그에 따라 광의 반사 손실이 효과적으로 방지될 수 있다. 또한, 미세 주기 구조의 형성에 의해 얻어진 인접한 광학 기판들 간의 경계에서 표면적의 증가는 투과율의 향상을 가져온다. 미세 주기 구조는 제 1 기판 및 제 2 기판 중 단지 하나에만 형성될 수 있다.
<실시예 1 내지 12>
각각의 실시예에서 다음과 같은 레이저 표면 처리를 실시했다. 즉, 사파이어 단결정(sapphire single crystal)이 기판으로서 사용되었다. 구리 필름은 종래의 스퍼터링 방법에 의해 표 1에 기재된 두께를 갖도록 기판상에 형성되었다. 그 후, 도 1에 도시된 바와 같이, 표 1에 기재된 레이저 에너지 밀도로, 0.01 Pa의 감압 하에서 100 fs의 펄스 폭을 가지는 초강도 단파 레이저 빔의 조사에 의해 구리 필름이 기판으로부터 제거되었다. 최종적인 미세 주기 구조의 주기 간격은 주사 전자 현미경(scanning electron microscope, SEM)을 사용하여 측정되었다. 결과는 표 1에 나타나 있다. 또한, 실시예 3, 6, 9 및 12에서 형성된 미세 주기 구조의 주사 전자 현미경 사진이 도 6a 내지 6d에 도시되어 있다. 실시예에서 사용된 레이저 빔은 선형 편광된 레이저이다. 따라서, 미세 주기 구조는 도 2a에 도시된 바와 같이 편광 방향과 수직인 방향으로 연장된 기다란 미세 돌출부를 가진다.
금속 필름 두께(㎛) 레이저 에너지 밀도(mJ/㎟) 주기 간격(㎚)
실시예 1 100 5 167
실시예 2 100 40 250
실시예 3 100 80 270
실시예 4 200 5 214
실시예 5 200 40 300
실시예 6 200 80 330
실시예 7 300 5 214
실시예 8 300 40 300
실시예 9 300 80 750
실시예 10 400 5 167
실시예 11 400 40 330
실시예 12 400 80 750
표 1의 결과를 통해 알 수 있듯이, 4개 종류의 서로 다른 두께(100, 200, 300, 400 ㎛)를 가진 구리 필름에 대하여 레이저 에너지 밀도가 증가할수록 주기 간격은 더 커진다. 또한, 구리 필름의 두께가 100 ㎛일 때, 주기 간격에 대한 레이저 에너지 밀도의 영향은 상대적으로 작다. 하지만, 구리 필름의 두께가 300 ㎛ 이상일 때, 레이저 에너지 밀도의 증가에 따라 주기 간격이 현저히 변하게 된다. 따라서, 금속 필름의 두께와 레이저 에너지 밀도의 적절한 조합을 선택함으로써 원하는 주기 간격을 가지는 미세 주기 구조를 얻을 수 있다.
<실시예 13 및 14>
실시예 13에서, 구리 필름은 용융된 실리카 기판상에 형성된 다음, 펄스 폭이 100 fs이며 선형 편광된 레이저 빔인 초강도 단파 레이저 빔의 조사에 의해 기판으로부터 제거된다. 마찬가지로, 실시예 14의 미세 주기 구조는 원형 편광된 레이저 빔을 사용한 것을 제외하고는 실질적으로 실시예 13과 동일한 방법에 의해 용융된 실리카 기판상에 형성되었다. 이 경우, 최종적인 미세 주기 구조의 주기 간격은 대략 200 ㎚이다.
실시예 13 및 14의 각각에 대해, 용융된 실리카 기판의 투과율은 파장이 각각 670 ㎚ 및 450 ㎚인 두 개의 광을 사용하여 측정되었다. 또한, 레이저 표면 처리를 하지 않은 용융된 실리카 기판의 투과율은 비교 실시예 1로서 측정되었다. 결과는 표 2에 나타나 있다. 표 2의 결과로부터 본 발명의 레이저 표면 처리는 투과율을 향상시킨다는 것을 알 수 있다.
편광 투과율(%)
450 nm 670 nm
실시예 13 선형 편광 94.0 96.2
실시예 14 원형 편광 95.7 96.2
비교 실시예 1 비 표면처리 93.3 93.7
상기 레이저 표면 처리 방법에 의하면, 기판상의 원하는 영역에 금속 필름을 형성하고, 이후 초강도 단파 레이저 빔을 사용하여 기판으로부터 금속 필름을 제거함으로써, 반사 손실을 감소시키는 특성을 가지는 미세 주기 구조가 기판의 표면상에 형성될 수 있다. 또한, 미세 주기 구조의 주기 간격은 레이저 에너지 밀도를 변화시킴으로써 제어될 수 있기 때문에, 입사되는 광의 파장에 적합한 미세 주기 구조를 가지는 광학 부재를 용이하게 제조할 수 있다. 더욱이, 금속 필름이 없는 상태에서 레이저 조사에 의해 기판을 처리하는 경우에 비해 훨씬 더 작은 레이저 에너지 밀도를 사용하여 레이저 표면 처리가 수행될 수 있다는 이점이 있다. 또한, 본 발명에서는 초강도 단파 레이저 빔이 사용되기 때문에 기판 표면에 대한 열 손상의 발생을 방지할 수 있다.
미세 주기 구조의 주기 간격이 파장(λ)의 1 내지 10배 범위에 있을 때, 미세 주기 구조는 회절 격자로서 거동하여, 심지어 광이 전반사를 일으키는 한계각보다 큰 입사각으로 기판에 입사될 때에도 광은 회절 효과에 의해 기판 내부로 전파된다. 또한, 주기 간격이 파장(λ)의 1/10 내지 1배 범위에 있을 때, 미세 주기 구조는 마치 굴절률이 점차적으로 감소하는 것처럼 거동한다. 결과적으로, 굴절률의 상당한 변화가 기판 표면에서 일어나지 않으므로, 반사가 억제되어 투과율을 향상시킬 수 있다.

Claims (12)

  1. 광학적 투명성을 가지는 기판의 표면상에 금속 필름을 형성하는 단계; 및
    1 펨토초(femtosecond, ft) 내지 100 피코초(picoseconds, ps)의 펄스 폭을 가지는 단파 레이저 빔(short-pulse laser beam)의 조사(irradiation)에 의해 상기 기판으로부터 상기 금속 필름을 제거하여, 50 내지 1000 nm의 주기 간격을 가지는 미세 주기 구조를 상기 금속 필름의 제거에 의해 노출되는 상기 기판의 표면상에 형성하는 단계;
    를 포함하는 레이저 표면 처리 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 단파 레이저 빔은 원형 편광된(circularly-polarized) 레이저 빔 또는 타원형 편광된(elliptically-polarized) 레이저 빔인 것을 특징으로 하는 레이저 표면 처리 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 단파 레이저 빔은 선형 편광된(linearly-polarized) 레이저 빔인 것을 특징으로 하는 레이저 표면 처리 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 금속 필름은 50 내지 1000 nm의 두께를 가지는 것을 특징으로 하는 레이저 표면 처리 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 금속 필름은 구리, 철, 금, 은, 알루미늄, 니켈, 마그네슘, 티타늄, 실리콘, 스테인리스 강 및 이들의 합금들로 이루어진 군으로 부터 선택된 하나 이상의 금속으로 제조되는 것을 특징으로 하는 레이저 표면 처리 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 단파 레이저 빔의 레이저 에너지 밀도는 1 내지 100 mJ/㎟의 범위에 있는 것을 특징으로 하는 레이저 표면 처리 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 금속 필름은 상기 기판에 형성되고, 이후 상기 기판의 상기 금속 필름이 모두 상기 단파 레이저 빔의 조사에 의해 제거되어, 상기 미세 주기 구조가 상기 금속 필름의 제거에 의해 노출된 상기 기판에 형성되는 것을 특징으로 하는 레이저 표면 처리 방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 미세 주기 구조의 상기 주기 간격을 제어하기 위해, 상기 금속 필름에 대한 상기 단파 레이저 빔의 조사각이 변화되는 것을 특징으로 하는 레이저 표면 처리 방법.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 단파 레이저 빔의 조사 후에, 상기 기판의 표면에 에칭 처리를 수행하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 표면 처리 방법.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 기판의 상기 미세 주기 구조와, 상기 기판과 상이한 굴절률을 갖는 제 2 기판을 접합하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 표면 처리 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 기판 및 상기 제 2 기판과 상이한 굴절률을 가지고, 상기 기판 및 상기 제 2 기판보다 더 작은 경도를 가지는 중간층(intermediate layer)을 통해 상기 기판의 상기 미세 주기 구조가 상기 제 2 기판과 접합되는 것을 특징으로 하는 레이저 표면 처리 방법.
  12. 삭제
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