KR100288093B1 - 미소 광학부품 가공방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 마스크에 레이저빔을 조사하여 폴리머 재료로 미소 광학부품을 가공하기 위한 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 미소 광학부품을 가공하는 방법은 폴리머에 레이저빔이 조사되는 시간을 달리하여 3차원 미소 구조를 가공한다. 본 발명은 초소형 프리즘이나 실린더형 렌즈 등 초소형 광학부품을 제조하는데 사용된다.

Description

미소 광학부품 가공방법 {Method for Fabrication of micro optics}

본 발명은 미소 광학부품을 가공하는 방법에 관한 것으로, 고분자플라스틱(폴리머)으로 이루어진 초소형 프리즘, 초소형 원통형 렌즈 등 미소 광학 부품을 제조하는 방법에 관한 것이다.

종래의 미소 광학부품의 가공방법은 기계적 가공법으로 초정밀 가공기계를 이용하여 금형을 제작한 후 사출하여 미소 광학부품을 제작하는 것이다. 이러한 종래의 가공방법은 고가의 초정밀 가공기계를 사용하여야 할뿐만 아니라 수백μm이하의 초소형 미소 구조물은 제작이 불가능한 경우가 많고 제작된 미소 광학부품 자체의 정밀도가 매우 떨어졌다. 또한 가공된 미소 광학부품이 다양하지 못하며, 에너지의 소비가 많고, 제조시간이 길며, 가공 경계 부분이 깨끗하지 못하였다.

본 발명의 목적은 위와 같은 종래 기술의 문제점을 개선하기 위한 것으로서, 다양한 미소 광학부품을 보다 정밀하게 제조하는 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 미소 광학부품을 안정적으로 가공하며, 가공이 용이하며 가공 시간을 단축할 수 있는 미소 광학부품을 제조하는 방법을 제공하는 것이다.

도1은 미소 광학부품(Micro-Optics)을 가공하기 위해 가공 시스템의 개략도

도2의 (a)는 본 발명의 일 실시예에 따른 마스크의 패턴을 도시한 도면이며, (b) 및 (c)는 가공된 초소형 프리즘 가공물의 평면도 및 측면도

도3은 (a)은 다른 실시예에 따른 마스크의 패턴을 도시한 도면이며, (b) 및 (c)는 초소형 렌즈 가공물의 사시도

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

23 : 레이저가공시스템 25 : 레이저 발진기

29 : 빔조절기구 32, 32a : 마스크

35 : 집속렌즈 39 : 가공물설치대

52,72: 패턴 구멍 54,74: 기준직선

56,58: 경사 직선 60,78: 가공된 구조물

68: 경사면 76: 원호

80: 원호면 L: 폭

이러한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 고분자 플라스틱 수지의 공작물 재료에 레이저빔을 조사하여 미소 광학부품을 제조하기 위한 방법으로서, 공작물 재료를 설치하는 단계와, 상기 공작물 재료의 앞쪽에 패턴 구멍을 갖는 마스크를 설치하는 단계와, 상기 마스크 또는 공작물 재료를 연속적으로 이동시키면서 상기 패턴 구멍을 통하여 레이저빔을 상기 공작물 재료에 조사하는 단계를 포함함으로써, 상기 공작물의 일 지점에 레이저빔이 조사되는 시간이 조절되어 가공깊이가 결정되는 것을 특징으로 하는 미소 광학부품의 제조 방법을 제공한다.

폴리머 재료에 적외선 레이저를 조사하면 전자적 여기(electronic excitation) 과정을 거쳐 결합의 해체 및 화학적 분해가 일어난다. 이를 어블레이션(ablation)이라 한다. 적외선 레이저의 펄스 에너지가 증가하여 1J/cm²이상이 되는 경우 이러한 광학적 반응 이외에 열반응 효과가 지배적이지만, 폴리머의 경우에는 수백 mJ/cm²이하의 영역에서 가공이 완료되므로 광반응에 의한 미소 가공이 지배적으로 일어나며 결과적으로 가공 단면에 열흔이 거의 발생하지 않는다. 레이저 어블레이션 공정에서 발생되는 물질로는 원자, 분자, 폴리머의 파편 등이 있으며, 이것은 레이저 펄스 조사시 수십 μsec 사이에 모두 어블레이션이 완료된다. 그리고 어블레이션에서 발생되는 물질의 구성 비율은 어블레이션 공정과 레이저의 에너지 밀도에 따라 결정되며, 어블레이션 물질 중 일부는 이온화되어 가공 표면 위에서 플라즈마를 형성한다.

폴리머의 레이저 어블레이션 특성 중 가장 대표적인 것은 폴리머의 가공깊이를 레이저 펄스 수와 조사되는 레이저의 에너지 밀도에 의해 최소 가공 단위로 매우 정밀하게 제어할 수 있다는 것이다. 또한 가공 소재에 레이저가 조사되는 시간을 달리함으로써 폴리머에 경사면이나 평행면을 가공할 수 있다. 따라서 다양한 미소 광학부품을 가공할 수 있는 것이다.

본 발명에서는 레이저의 어블레이션(Ablation) 기능을 이용하여, 가공 대상에 레이저가 조사되는 시간을 조절함으로써 대기 중에서 화학용액을 사용하지 않고 미소 광학부품을 가공하는 방법을 제공한다. 이러한 레이저 조사되는 시간은 마스크에 특정한 형상을 부여하고, 마스크 또는 가공 대상을 이동시킴으로써 얻어진다.

이하 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다.

도1은 본 발명에 따른 방법으로 초소형 프리즘 또는 원통형 렌즈 등 3차원 구조물을 가공하기 위한 레이저 가공 시스템을 도시한다. 레이저 가공 시스템(23)은 레이저 광선이 진행하는 방향으로 차례로 배치된 레이저 발진기(25)와 빔조절기구(29)를 갖는다. 이어서 마스크(32)가 배치된다. 마스크(32) 다음에는 집속렌즈(focusing lens; 35)가 있어 마스크(32) 형상을 축소 투영할 수 있다.

레이저 가공 시스템(23)은 재료를 설치하기 위한 가공물 설치대(39)를 갖는다. 가공물 설치대(39)는 소재를 직선 이송하는 것이 가능하다. 레이저 가공 시스템(23)에는 레이저 에너지의 크기를 감시할 수 있는 감시장치(laser energy monitoring unit; 42)가 구비된다.

레이저 발진기(25)로는 엑사이머 레이저 발진기를 사용하는 것이 바람직하다. 엑사이머 레이저(Excimer Laser)는 펄스 지속시간이 짧고 피크 출력이 높고 집속성과 균일성이 우수하다. 발진 파장은 사용하는 가스의 종류에 따라 달라지지만, 어느 것이나 자외선 영역에서 발진하는 것이 특징이다. 엑사이머 천이를 이용하여 발진하는 매질의 조합은 많이 존재하나 통상 엑사이머 레이저라고 할 때에는 희귀원소가스(예를 들면, Ar, Kr, Xe)와 할로겐 가스(예를 들면, F, Cl)를 희석가스(Ne 또는 He) 안에 미량 혼합하여 사용한다. 엑사이머 레이저 발생 시 방전 지속시간은 수십 ns (나노 초) 정도이고, 레이저의 발진시간도 20 ns 전후로 매우 짧으나, 펄스에너지는 수백 mJ로 비교적 크다.

엑사이머 레이저는 어느 것이나 사용이 가능하며, 바람직하기로는 KrF 엑사이머 레이저를 광원으로 사용한다. KrF 레이저는 파장이 짧아 미소 구조물을 가공하는 데에 요구되는 해상도를 충분히 제공할 수 있으며, 발진되는 빔의 출력밀도가 균일하므로 광학계가 간단하다.

빔조절기구(29)는 빔 어테뉴에이터(beam attenuator; 44)와 다수의 렌즈로 이루어진 빔 전달계(45)와 다이아프램(46)으로 이루어진다. 다이아프램(46)은 출력밀도가 낮은 가장자리 부분들을 제거하기 위한 것이다.

마스크(32)에는 뒤에 설명하는 바와 같이 패턴(pattern)이 형성되어 있다. 마스크(32)의 패턴 형상을 변경함에 따라, 다른 형태의 3차원 구조물을 제조할 수 있다. 집속렌즈(35)는 마스크(32)의 패턴을 축소 투영한다. 축소 투영하면, 미소한 패턴을 가공할 수 있고 정밀도가 높아진다.

미소 구조물을 형성할 소재는 설치대(39)에 장착된다. 빔 에너지 감시장치(42)는 마스크(32) 다음에 빔 스플리트장치(beam split; 49)를 두고 일부(예를 들면 4%)의 레이저빔을 추출하여 마스크를 통과한 레이저빔 전체의 에너지를 모니터링한다.

도1에 도시한 레이저 가공 시스템(23)은 마스크(32)를 고정하고 공작물을 이동시키는 것으로 설명하였으나, 이와는 달리 공작물을 고정하고 마스크를 이동시킬 수도 있다. 또한, 도1에는 마스크(32)가 집속렌즈(35) 전에 위치하는 것으로 도시하였으나, 이와는 달리 공작물 바로 앞에 마스크를 위치시킬 수도 있다.

도2의 (a)를 참조하면, 본 발명의 가공 방법에 따라 초소형 프리즘을 가공하는 마스크(32)는 중앙부에 패턴 구멍(52)이 마련되어 있다. 패턴(52)은 기준직선(54)과 상기 기준 직선의 중간부를 향하여 볼록하도록, 서로 만나서 꼭지점을 형성하는 두 개의 경사 직선(56, 58)을 구비한다. 상기 기준직선(54)의 양끝점과 상기 두 개의 경사 직선(56, 58)의 각각의 끝점을 연결하면, 닫힌 다각형의 구멍이 형성된다. 따라서, 기준직선(54)에 수직방향으로 경사 직선(56, 58)까지의 거리(L)는 중간부로부터 상하로 갈수록 비례하여 커진다. 닫힌 다각형의 구멍(52)은 마스크(32)의 패턴이 된다.

도1 및 도2의 (a),(b),(c)를 참조하여, 본 발명에 따라 프리즘의 제조 과정에 대하여 설명한다. 먼저 마스크(32)와 집속렌즈(35)의 위치를 조절한다. 발진기(25)를 켜고 마스크(32)의 위치를 조절하여 마스크(32)의 패턴을 통과하는 빔의 세기가 최대가 되도록 한다. 가공물설치대(39)에 가공할 소재를 장착하고 소재와 집속렌즈(35)의 위치를 조절하여 소재에 가장 선명한 상이 생기도록 한다.

그 후 발진기(25)에서 가공을 위해 레이저빔을 생성한다. 레이저빔은 빔조절기구를 통과하고 집속렌즈(35)로 집속되어, 가공할 소재에 축소 투영되어 조사된다.

이때 마스크의 패턴부 이외에 조사되는 레이저빔은 마스크의 스크린 면에 의해 차단되어 가공소재까지 도달하지 않는다. 따라서 마스크의 패턴부만을 통과한 레이저빔이 가공소재에 도달하게 된다. 마스크의 패턴부를 통과한 레이저빔은 소재 표면에서 어블레이션 현상을 일으킨다.

도2의 (b)를 참조하면, 마스크(32)는 기준직선(54)과 수직을 이루는 방향 즉, 화살표 방향(A)으로 이동한다. (반대로 공작물을 화살표 반대 방향으로 이동한 것이라고 할 수도 있다) 마스크(32)는 화살표(A) 방향으로 동일한 속도로 이동한다.

도2의 (b)와 (c)를 참조하면, 도2의 (a)와 같은 마스크(32)를 이용하여 가공된 구조물(60)이 도시되어 있다. 가공 초기에는 공작물에 초기 경사면(62)이 형성된다. 마스크를 이동시키면서 계속 레이저를 조사하면, 마스크(32) 기준선(54)의 중간부가 위치하는 공작물의 중간부(66)로부터 멀어질수록 가공 깊이가 깊어지며, 마스크 구멍의 상하 끝에 가까운 부분은 공작물에 구멍(64)이 형성된다. 이 때, 가공 깊이는 중간부(66)로부터의 거리에 비례하여 경사면(68)을 형성한다. 중간부(66)로부터 멀어질수록 도달하는 레이저의 펄스 수가 증가하기 때문이다.

일반적으로, 레이저빔의 어블레이션에 의해 가공되는 어떤 경사면(68)의 기울기를 나타내는 수식은 아래와 같다.

여기서 θ는 미소 구조물에 형성되는 경사면의 기울기이며, f는 레이저 펄스 반복율이며, e는 펄스당 제거 깊이이며, v는 마스크의 이송속도이며, H는 총 가공 깊이이며, L은 마스크의 폭이다. 따라서 다른 가공조건(f, e, v)이 동일하게 유지되고 마스크의 폭(L)만을 변화시키면 가공 깊이(H)는 마스크의 폭(L)에 비례하게 된다.

레이저빔의 조사를 중지시키면, 마주보는 경사면(68)이 형성된 가공물(60)이 얻어진다. 경사면(68)만이 형성된 영역만 가공에 의해 분리하면, 초소형 프리즘이 완성된다.

한편, 마스크(32)의 패턴의 형상에서 각각의 경사직선(56,58)의 기울기를 달리 하면, 프리즘에 형성되는 경사면의 기울기를 서로 다르게 할 수도 있다.

도3의 (a)를 참조하면, 본 발명의 가공 방법에 따라 원통형 렌즈를 가공하는 마스크(32a)는 중앙부에 패턴구멍(72)이 마련되어 있다. 패턴(72)은 기준직선(74)과 상기 기준 직선의 중간부를 향하여 볼록하도록 형성된 반원형의 원호(76)를 구비한다. 상기 기준직선(74)의 양끝점과 상기 원호(76) 양끝점을 연결하면, 닫힌 모양의 패턴 구멍(72)이 형성된다. 따라서, 기준직선(74)에 수직방향으로 경사직선까지의 거리(L)는 중간부로부터 상하로 갈수록 커진다. 닫힌 다각형의 구멍(72)은 마스크(32a)의 패턴이 된다.

본 발명에 따른 원통형 렌즈의 제조 과정은 마스크의 패턴을 제외하고는 프리즘의 제조과정과 동일하다.

도3의 (b)를 참조하면, 마스크(32a)는 기준직선(74)과 수직을 이루는 방향 즉, 화살표 방향(A)으로 이동시킨다. (반대로 공작물을 화살표 반대 방향으로 이동한 것이라고 할 수도 있다) 마스크는 화살표 방향으로 동일한 속도로 이동한다.

도3의 (b)와 (c)를 참조하면, 도2의 (a)와 같은 마스크(32a)를 이용하여 가공된 구조물(78)이 도시되어 있다. 마스크를 이동시키면서 레이저빔를 조사하면, 그 단면이 원호(80; 원호 또는 타원의 일부분)가 되도록 즉 원호면을 갖도록 가공된다 (도3의 (b) 참조). 마스크 패턴구멍(72)의 상하 끝에 가까운 부분은 공작물에 구멍(84)이 형성된다. 가공되는 공작물의 단면이 이루는 원호(또는 타원의 일부분) 형상은 패턴에 있는 원호의 형상과, 마스크의 이동속도에 따라 달라진다. 레이저빔의 조사를 중지시키고, 단면이 원호인 부분만을 분리하면, 초소형 원통형 렌즈가 완성된다.

이와 같이, 마스크의 패턴을 마스크의 이동방향(″X축″이라 한다)과 수직인 방향(″Y″축이라 한다)을 따라서 X축 방향으로 마스크의 개방된 폭(예를 들면, 도2의 (b)에 표시된 거리 L)을 변화시키면, Y-Z 평면(X축에 수직인 평면)으로 절단한 단면이 다양한 형상을 갖는 미소 광학부품을 가공할 수 있다.

본 발명의 미소 광학부품 가공 방법에 따르면, 정밀하고 다양한 형태의 미소 광학부품을 가공할 수 있다. 또한, 미소 광학부품을 안정적으로 가공하며, 가공이 용이하고 가공 시간을 단축할 수 있다.

Claims (3)

1. 레이저빔을 발생시키는 레이저 발진기와, 공작물 재료를 설치하기 위한 공작물 설치대가 구비된 레이저 가공시스템에서, 고분자 플라스틱 수지의 공작물 재료에 레이저빔을 조사하여 미소 광학부품을 제조하기 위한 방법으로서,

   공작물 재료를 상기 공작물 설치대에 설치하는 단계와,

   상기 공작물 재료의 앞쪽에 패턴 구멍을 갖는 마스크를 설치하는 단계와,

   상기 마스크과 상기 공작물 재료를 서로 상대적으로 등속으로 일직선을 따라 이동시키는 동안 상기 패턴 구멍을 통하여 레이저빔을 상기 공작물 재료에 계속 조사하는 단계를 포함하되,

   상기 마스크의 패턴 구멍은 상대 이동 방향과 동일한 방향(이하 ″X축 방향″이라 함)의 폭이 상기 이동방향과 수직인 방향(이하 ″Y축 방향″이라 함)을 따라서 변화시킴으로써,

   이러한 구성에 의해, 상기 공작물은 Y축 방향으로 따라, 레이저빔이 조사되는 시간이 조절되고 이에 따라 가공깊이가 변화되는 것을 특징으로 하는 미소 광학부품의 제조 방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 마스크의 패턴 구멍은 상기 Y축의 한 지점으로부터 상기 Y축을 따라 갈수록 상기 패턴 구멍의 X축 방향의 폭이 비례하여 넓어짐으로써,

   상기 공작물에는 경사평면이 가공되어, 3차원 형상의 초소형 프리즘을 가공할 수 있는 것을 특징으로 하는 미소 광학부품의 제조 방법.
3. 제1항에 있어서, 상기 마스크의 패턴 구멍은 Y축 방향의 일 경계선은 직선이고, 상기 직선인 경계면과 대향하는 경계선은 원호로 구성됨으로써,

   상기 공작물에는 원통면이 가공되어, 3차원 형상의 초소형 원통형 렌즈의 원주면을 가공할 수 있는 것을 특징으로 하는 미소 광학부품의 제조 방법.