KR100282534B1 - 렌즈제조방법 - Google Patents

Abstract

렌즈 제조방법에 관해 개시된다. 개시된 렌즈 제조방법은 소정 패턴이 형성된 마스크를 포토레지스트가 코팅된 기판위에 올려놓는 제1단계와, 상기 포토레지스트 상면에 키노폼 패턴을 전사하는 제2단계와, 상기 기판을 현상처리하는 제3단계와, 상기 기판위에 키노폼을 이식하기 위해 에칭하는 제4단계와, 상기 포토레지스트를 제거하는 제5단계와, 유리판 표면에 복합수지를 코팅하는 제6단계와, 상기 기판을 복합수지 상면에 밀착하여 가압하는 제7단계를 구비하여 된 것을 특징으로 한다. 이로써, 광학계의 수차를 줄이기 위해 사용되는 렌즈수가 줄어들며 전체적인 무게와 가격이 감소되는 이점이 있다.

Description

렌즈 제조방법{Manufacturing method of lense}

본 발명은 렌즈의 제조방법에 관한 것으로서, 특히, 프레스방식을 이용한 렌즈 제조방법에 관한 것이다.

광학계에서 고품질의 상을 얻기 위해서는 초점으로 빛을 모아주는 렌즈들의 수차를 잘 보정해주어야 한다. 대물렌즈에 대해서 단색 수차를 보정해주는 것만으로는 충분하지 않다. 따라서, 렌즈는 상대적으로 넓은 파장영역에 대해서 색수차를 보정해주어야만 한다. 특히, 굴절렌즈로 입사하는 빛의 각 파장에 대해서 렌즈는 다른 초점거리를 가질 것이기 때문에 종방향과 횡방향에서의 색수차를 가지게 된다.

상기한 색수차를 보정하기 위해 카메라등의 광학계에 이용되는 대물렌즈들은 부가적인 렌즈들을 사용한다. 따라서, 광학계의 렌즈 시스템은 더 무겁고 더 비싸게 될 수밖에 없다. 단색수차들중의 일부는 비구면의 플라스틱 성형소자를 사용함으로써 보정될 수 있다. 그러나, 색수차들이 단색수차들보다 더 심각하게 작용하여 최소 스폿크기(spot size)를 제한하게 되며, 색수차가 포함된 상들을 보여주게 된다.

현재 일반 광학계에 사용되는 대물렌즈들은 종방향의 색수차를 최소화하기 위해 낮은 색분산값과 저굴절률의 재질로 만들어진다. 따라서, 렌즈 설계는 필요한 파워를 얻고 렌즈의 조리개 수치를 줄이기 위해 분산을 줄이는 방향으로 유도되어 왔으며, 더 높은 곡률과 더 두꺼운 두께의 렌즈를 가질 수밖에 없었다. 이렇게 두꺼운 렌즈들은 조립시 렌즈의 기울어짐과 편심등의 불량이 발생되기 쉽기 때문에 대량 생산하는 데 있어서 오차를 많이 일으키게 된다. 결국, 광학계의 수차를 줄이기위해 부수적으로 여러장의 렌즈를 사용하거나, 색수차를 줄이기 위해 비싼 저분산 소자를 이용함으로써, 광학계 전체 크기와 무게가 증가되고 가격 또한 상승되는 요인으로 작용된다. 또한, 기존 광학계를 구성하는 렌즈들은 연삭방법을 이용하여 깎아서 만들기 때문에 공수가 길고 제작시간도 장시간 소요되는 문제점이 있다.

본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로서, 광학계 전체의 크기와 무게가 줄어들며 렌즈수가 감소될 수 있도록 그 방법이 개선된 렌즈의 제조방법을 제공함에 그 목적이 있다.

도 1은 홀로그래픽 광학 렌즈의 이론적인 키노폼 포로파일(kino profile)을 개략적으로 도시한 도면이다.

도 2는 도 1의 키노폼 프로파일을 바이너리 형태로 도시한 도면이다.

도 3 내지 도 12는 본 발명에 따른 렌즈 제조방법을 도시한 공정도이다.

도 13은 본 발명에 따른 제조방법으로 만들어진 렌즈가 채용된 광학계와 종래의 렌즈를 채용한 광하계를 비교하여 도시한 도면이다.

＜ 도면의 주요 부분에 대한 부호 설명 ＞

10...키노폼 프로파일 20...바이너리 키노폼 프로파일

100...기판 101...증류수

102...물탱크 103...자외선

104...현상액 105...이온빔

106...에칭액 107...에칭탱크

108...에칭된 기판 109...현상탱크

110...포토레지스트 111...온도계

120...회전축 130...마스크

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 소정 패턴이 형성된 마스크를 포토레지스트가 코팅된 기판위에 올려놓는 제1단계와, 상기 포토레지스트 상면에 키노폼 패턴을 전사하는 제2단계와, 상기 기판을 현상처리하는 제3단계와, 상기 기판위에 키노폼을 이식하기 위해 에칭하는 제4단계와, 상기 포토레지스트를 제거하는 제5단계와, 유리판 표면에 복합수지를 코팅하는 제6단계와, 상기 기판을 복합수지 상면에 밀착하여 가압하는 제7단계를 구비하여 된 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 렌즈 제조방법을 상세히 설명한다. 도 1은 홀로그래픽 광학렌즈의 이론적인 키모폼(kinoform) 프로파일을 개략적으로 도시한 도면이다. 도 2는 도 1의 키노폼 프로파일을 바이너리 형태로 도시한 도면이다.

홀로그래픽 광학 렌즈의 패턴은 도 1에 도시된 키노폼 프로파일(10)인데, 그 패턴 자체가 워낙 미세하다. 따라서, 반도제 제조공정 기술의 향상으로 집적회로 제작에 사용되는 미세 패턴 제작기술을 응용하여 사용하게 된다. 컴퓨터로 제작된 미세 패턴의 키노폼을 가진 홀로그래픽 광학렌즈의 제조원리는 다음과 같다.

특히, 본 발명에 따른 렌즈 제조방법에 채용되는 사진석판기술을 이용한 마스크 및 에칭방법은 도 1에 도시된 것과 같은 키노폼 프로파일(10)을 도 2에 도시된 바이너리 형태의 다단계 프로파일(20)로 근사시켜서 제작하는 방법이다.

우선 각 단계별로 소정 패턴이 기록된 마스크들을 제작한다. 마스크는 기존의 사진 기록과 같은 형식으로 고해상도를 가지는 감광 플레이트에 패턴을 노광해주거나 전자빔으로 직접 그려서 제작된다. 이렇게 마스크 제작이 끝난후의 제조공정은 다음과 같다.

우선, 도 3에 도시된 바와 같이 플레이트 타입의 기판(100)이 선택되면, 도 4에 도시된 바와 같이, 물탱크(102)에 기판(100)을 집어넣고 증류수(101)로 세척하게 된다. 세척이 완료된 기판(100)은 도 5에 도시된 바와 같이, 회전축(120)의 상면에 장착되고 일정 속도로 회전된다. 이때, 기판(100)의 상면에 포토레지스트(110)용액을 떨어뜨려 스핀코팅(spin coating)하게 된다. 기판(100)의 상면에 포토레지스트(110)가 스핀코팅되면, 도 6에 도시된 바와 같이, 일정 온도까지 가열하여 코팅된 포토레지스트를 경화시킨다. 포토레지스트(110) 코팅된 기판(100)의 경화가 완료되면 그 상면에 일정 패턴이 기록된 마스크(130)를 도 7에 도시된 바와 같이, 올려놓고 투영법 접촉모사법에 의해 포토레지스트(110)의 상면에 키노폼 패턴을 전사한다. 이때, 미설명된 다수의 화살표 부호 103은 자외선을 의미한다.

포토레지스트에 마스크의 키노폼 패턴이 전사되면, 도 8에 도시된 바와 같이, 현상액(104)이 담겨있는 현상탱크(109)에 기판(100)을 넣고 현상처리하게 된다. 현상된 기판(100)의 포토레지스트(100)에서 노광된 부분이 제거되면 패턴 형태만 기판(100)위에 남게 된다. 이때, 일정 온도 이상으로 가열하여 패턴형태만 남은 기판(100)의 포토레지스트(110)를 경화시킨다. 미설명된 부호 111은 온도계를 의미한다.

노광된 부분이 제거되고 패턴형태만 남은 기판(100)에 에칭을 통해 기판위에 키노폼 패턴을 이식하게 된다. 이때, 도 10에 도시된 바와 같이, 전자빔이나 이온빔을 이용한 드라이 에칭법이 바람직하다. 전자빔 또는 이온빔 에칭은 화학 약품을 사용하는 젖음(wet)에칭에 의해 발생될 수 있는 기판의 변성이 없기 때문이다. 또한, 이 방법은 높은 방향성을 가지고 있기 때문에 모서리 부분을 확실히 만들 수 있고, 에칭 비율을 이용하여 깊이 오차를 최소화할 수 있으며 에칭동안 공정변수들을 쉽게 모니터링(monitoring)할 수 있어 신뢰성이 있고 재현가능한 결과를 줄 수 있다. 미설명된 부호 105는 전자빔 또는 이온빔을 의미한다.

전자빔 또는 이온빔에 의해 키노폼 패턴이 기판위에 이식되면, 도 11에 도시된 바와 같이 기판(100)을 세정제(106)가 담겨진 세정탱크(107)에 집어넣어 기판(100)위에 남겨진 포토레지스트(110)를 제거하게 된다. 이렇게하여 완성된 기판(100)은 도 12에 도시된 바와 같이 에칭완료후의 기판(108)이 된다.

그러나, 식각된 기판 위에 다단계를 형성해주기 위해 상기한 공정을 마스크의 개수만큼 반복하여야 한다. 일반적으로 마스크의 개수가 n개 일 때, 형성되는 단계의 수는 2ⁿ으로 표현되는데, 단계의 수가 많을수록 원래의 이상적인 패턴에 근접하게 되기 때문에 될 수 있으면 많은 단계를 가지도록 제작되어야 한다.

상기한 사진석판기술로 제작된 기판(108)을 사용하여 에폭시 계열의 복합수지를 유리표면에 코팅한 후 가온 가압하여 프레스 방법으로 찍어서 복제하게 된다. 복제방법은 기판(108)의 패턴을 상대적으로 높은 정확도로 복제할 수 있는 장점을 가지고 있으며, 그 방법은 두가지이다.

첫 번째 방법에 의하면, 깨끗한 유리판에 에폭시피치(epoxy pitch)와, 디부틸세바스나트(di-butyl cebacenat)와, 말레이노비안게드리드(maleinovyangedrid)로 이루어진 폴리머로 코팅을 하게 된다. 이때, 상기 에폭시피치는 100wt%, 디부틸세바스나트는 5∼15wt%, 말레이노비안게드리드는 15∼25wt%이다. 상기 유리판에 코팅된 복합수지의 두께는 90∼110㎛의 두께이며, 그 굴절률은 1.58이고, 395∼850㎚영역에서 투명한 특성을 가진다.

상기 에칭된 기판(108)에 분리를 위한 윤활층을 코팅하고, 상기 유리판과 기판을 함께 프레스기계에 집어넣고 압력을 가한다. 이때, 압력조건은 1∼2㎏/㎠인 것이 바람직하다. 이후, 유리판과 기판을 아래아 같은 순서로 열처리한다. 50∼70℃로 20∼400분, 70∼90℃로 20∼30분, 80∼100℃로 50∼70분, 90∼110℃로 50∼70분, 그리고 110∼130℃로 110∼130분 열처리를 하게 된다. 유리판과 기판을 1∼3℃/min이하의 냉각속도로 식힌 다음 분리한다.

기판의 패턴을 유리판의 복합수지층에 복제하는 두번째 방법에 의하면, 세척된 유리판에 에폭시 아크릴(epoxy acrylic)과, 폴리옥사민(polyoxamin)과, 아틸렌 글리콜리 메타 아크릴릭 에테르(metha acrylic ether of atylen glicoly)로 이루어진 폴리머로 코팅을 하게 된다. 이때, 상기 에폭시 아크릴(epoxy acrylic)는 100wt%, 폴리옥사민(polyoxamin)은 35∼45wt%, 아틸렌 글리콜리 메타 아크릴릭 에테르(metha acrylic ether of atylen glicoly)는 10∼20wt%인 것이 바람직하다. 상기 복합수지층은 90∼110㎛의 두께를 가지며, 굴절률은 1.56이고 370∼900㎚ 영역에서 투명하다. 준비된 다른 광학 유리판의 연마된 표면에 분리를 위한 윤활층을 코팅하고, 상기 복합수지층이 코팅된 유리판과 함께 프레스 기계에 넣고 필요한 폴리머 두께를 만들어준다. 그리고 120분동안 22±2℃로 유지시켜 준 다음, 광학 유리판을 복합수지가 코팅된 유리판으로부터 분리시킨다. 소정패턴이 형성된 기판의 표면에 윤활층을 코팅한 후, 상기 유리판과 기판을 프레스 기계에 넣는다. 60℃에서 1.5kg/㎠의 압력을 주면서 180분동안 이 상태를 유지한다. 이후,기판과 유리판을 1∼3℃/min이하의 냉각속도로 냉각시켜 분리하는 것이 바람직하다.

이와 같은 복합수지를 이용한 복사방식은 기판에 직접 온도와 압력을 가해서 에폭시를 주축으로 한 복합수지에 복제하는 것이기 때문에 높은 정확도를 가질 수 있다.

상기한 방법으로 만들어진 홀로그래픽 광학 렌즈를 채용한 야시용 릴레이 렌즈 광학계를 도 13에 나타내었다.

도면을 참조하면, 중심선을 중심으로 상방에 도시된 복수의 렌즈들은 홀로그래픽 광학 렌즈를 채용한 광학계(300)이며, 중심선을 중심으로 하방에 도시된 복수의 렌즈들은 종래의 렌즈들을 채용한 광학계(200)이다. 이때, 종래의 광학계는 7개의 렌즈로 이루어지지만, 본 발명에 따른 렌즈 제조방법으로 만들어진 홀로그래픽 광학렌즈가 채용된 광하계는 5개의 렌즈만으로 이루어지기 때문에 렌즈의 감소 이점이 있다. 따라서, 광학계 자체도 단순화되어 무게가 종래의 110g에서 65g으로 감소되고, 그 전체길이도 줄어드는 이점이 있다.

상기한 렌즈 제조방법은 다음과 같은 효과가 수반된다.

첫째, 광학계에 채용되는 렌즈의 수가 감소된다.

종래의 렌즈를 채용한 야시용 릴레이 렌즈 광학계는 7개의 렌즈를 필요로 하였으나, 본 발명에 따른 렌즈 제조방법으로 만들어진 홀로그래픽 광학 렌즈를 채용한 릴레이 렌즈 광학계의 경우에는 5개의 렌즈만을 필요로 하기 때문에 종래에 비해 광학계에 채용되는 렌즈의 수가 감소되는 이점이 있다.

둘째, 광학계의 무게가 감소된다.

본 발명에 따른 렌즈 제조방법으로 만들어진 홀로그래픽 광학 렌즈를 채용한 광학계에서는 렌즈의 수가 감소되므로 광학계의 무게가 종래에 비해 감소된다.

본 발명은 도면에 도시된 실시예들을 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허 청구범위에 한해서 정해져야할 것이다.

Claims (5)

1. 소정 패턴이 형성된 마스크를 포토레지스트가 코팅된 기판상에 정렬하는 단계;

   상기 포토레지스트 윗면에 키노폼 패턴을 전사하는 단계;

   상기 기판을 현상하는 단계;

   상기 기판을 에칭하고, 기판상에 잔류하는 포토레지스트를 제거하여 키노폼 패턴을 가지는 기판을 완성하는 단계;

   별도로 마련된 유리판 표면에 복합수지를 코팅하는 단계; 및

   상기 기판을 유리판상에 형성된 복합수지 윗면에 밀착하고, 가온가압하여 키노폼 패턴을 복제하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 렌즈 제조방법.
2. 제1항에 있어서,

   유리판 표면에 복합수지를 코팅하는 단계에서는,

   100 wt％의 에폭시피치(epoxy pitch)와, 5 내지 15 wt％의 디부틸세바스나트(di-butyl cebacenat)와, 15 내지 25 wt％의 말레이노비안게드리드(maleinovyangedrid)로 혼합된 폴리머를 코팅하는 것을 특징으로 하는 렌즈 제조방법.
3. 제1항에 있어서,

   상기 복합수지의 두께는 90 내지 110 ㎛로 형성시키는 것을 특징으로 하는 렌즈 제조방법.
4. 제1항에 있어서,

   상기 기판을 유리판상에 밀착하여 키노폼 형상을 복제하는 단계에서는,

   밀착된 기판과 유리판은 1 내지 2 ㎏/㎠ 정도의 압력범위내에서 50 내지 70 ℃에서 20 내지 40분, 70 내지 90 ℃에서 20 내지 30분, 80 내지 100 ℃에서 50 내지 70분, 90 내지 110 ℃에서 50 내지 70분, 110 내지 130 ℃에서 110 내지 130분의 범위내에서 연속적으로 열처리하며,

   열처리후의 상기 기판과 유리판은 1 내지 3 ℃/min의 냉각속도로 냉각시켜 분리하는 것을 특징으로 하는 렌즈 제조방법.
5. 제1항에 있어서,

   유리판 표면에 복합수지를 코팅하는 단계에서는,

   100 wt%의 에폭시 아크릴(epoxy acrylic)과, 35 내지 45 wt%의 폴리옥사민(polyoxamin)과, 10 내지20 wt%의 아틸렌 글리콜리 메타 아크릴릭 에테르(metha acrylic ether of atylen glicoly)로 혼합된 폴리머를 코팅하는 것을 특징으로 하는 렌즈 제조방법.