KR100581688B1 - 동심원 패턴을 가진 렌즈 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 동심원 패턴을 가진 마스크를 제조한 후 포토 레지스트가 코팅된 기판 상에 상기 마스크를 정렬시켜 노광하고, 상기 노광된 기판을 현상하여 토러스 형태를 가진 포토 레지스트의 동심원 패턴을 얻는다. 그런 다음 상기 현상된 기판에 대해 리플로우 공정을 수행하여 상기 토러스 형태의 포토 레지스트를 만곡시키고, 상기 토러스 형태의 포토 레지스트로 이루어진 동심원 패턴을 음각한 스탬퍼를 제작한 후 상기 스탬퍼를 금형으로 사용하여 상기 동심원 패턴을 가진 렌즈 및 렌즈어레이 패턴을 성형한다.

동심원 패턴, 렌즈, 토러스, 리플로우, 스탬퍼

Description

동심원 패턴을 가진 렌즈 제조 방법{Method for manufacturing a multi-circular lens}

도 1은 일반적인 프레넬 렌즈의 평면도 및 수직 단면도.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 동심원 패턴이 형성된 마스크의 정면도.

도 3a 내지 도 3d는 마스크를 이용하여 동심원 패턴을 기판에 형성하는 공정도.

도 4a 내지 도 4c는 상기의 제조가 된 동심원상 렌즈의 구조를 이용하여 스탬퍼를 만드는 공정도.

도 5는 본 발명에 따라 제조된 동심원 패턴을 가진 렌즈의 형상도.

도 6은 도 5에 도시된 렌즈의 동심원 패턴의 총거리를 보인 도면.

도 7은 본 발명에 따른 동심원 패턴을 가진 렌즈를 도광판에 응용한 일 예시도.

*도면의 주요 부분에 대한 부호 설명*

21: 마스크

22: 빛이 통과되는 부분

23: 빛이 통과되지 않는 동심원 패턴

30: 기판

31: 코팅된 포토 레지스트

32: 노광/현상된 포토 레지스트

33: 리플로우 공정 후의 포토 레지스트

41: 금속 박막

42: 니켈 전기 도금된 부분, 스탬퍼

43: 음각된 동심원 패턴

본 발명은 렌즈(Lens) 및 렌즈 어레이(Lens Array) 제조 방법에 관한 것으로, 특히, 동심원 패턴을 이루는 각 토러스(환원체; torus)가 구면 렌즈의 기능을 하는 상기 동심원 패턴을 가진 가진 렌즈의 제조 방법에 관한 것이다.

일반적으로 렌즈는 전체 표면을 매끄럽게 가공하여 부의 굴절율을 가지는 형태 또는 양의 굴절율을 가지도록 제조되는데, 렌즈로 입사되는 전체 광의 경로 중 특정 부분의 광의 경로를 보정하거나 평행광을 만드는 등의 특수 용도를 위해서 렌즈 표면에 특정 패턴을 형성시키는 형태로 제조하기도 한다.

특수 용도를 위해 제조된 렌즈 중에서 본 발명과 같이 동심원 패턴을 가진 프레넬 렌즈(Fresnel Lens)가 도 1에 도시되어 있다. 도 1에서 (a)는 프레넬 렌즈의 평면도이고, (b)는 프레넬 렌즈의 수직 단면도이다.

도 1에 도시된 바와 같이 프레넬 렌즈는 구형 렌즈의 왜곡을 보정하면서 두께를 줄이기 위해 볼록 렌즈를 평면 설계한 집광 렌즈로서, 렌즈의 중앙을 중심으로 서로 다른 직경을 가진 동심원의 띠 모양을 형성하고 각 띠에 프리즘(prism) 작용을 가지게 하여 수차를 작게 한 것이다. 이러한 프레넬 렌즈는 등대용으로 옛날부터 사용되었으나 플라스틱 재료를 사용하여 카메라의 파인더를 밝게 하는 핀트판에 이용되거나 오버헤드프로젝터, 자동차의 미등 등에 사용되고 있으며, 평행광을 만드는 등의 다양한 응용이 가능하다.

그런데 프레넬 렌즈와 같이 동심원 패턴이 형성된 렌즈는 기계적 가공을 통하여 제조되고 있다. 따라서 종래 기술에 따라 동심원 패턴의 렌즈 특히 마이크로 렌즈를 제조하게 되면, 시간이 많이 들고 비용이 비싼 문제가 있으며, 기계적 가공으로 제조하기 때문에 정밀성이 떨어지거나 원하는 형태를 제작할 수 없는 문제가 있다.

본 명은 종래의 문제를 해결하기 위한 것으로, 동심원 패턴을 가진 렌즈 제조시 제조 과정을 단순화시키고 정밀성을 향상시키며 원하는 형태의 패턴을 가진 렌즈 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명은 동심원 패턴을 가진 마스크 를 제조하는 제1 단계; 포토 레지스트가 코팅된 기판 상에 상기 마스크를 정렬시켜 노광하는 제2 단계; 상기 노광된 기판을 현상하여 토러스 형태를 가진 포토 레지스트의 동심원 패턴을 얻는 제3 단계; 상기 현상된 기판에 대해 리플로우 공정을 수행하여 상기 토러스 형태의 포토 레지스트를 만곡시키는 제4 단계; 상기 토러스 형태의 포토 레지스트로 이루어진 동심원 패턴을 음각한 스탬퍼를 제작하는 제5 단계; 및 상기 스탬퍼를 금형으로 사용하여 상기 동심원 패턴을 가진 렌즈를 사출하는 제6 단계를 포함하는 동심원 패턴을 가진 렌즈의 제조 방법을 제공한다.

상기에서, 마스크는 필름 마스크 또는 크롬 마스크인 것이 바람직하다.

또한, 상기 제3 단계는 AZ 계열의 400k를 현상액으로 사용하고, 현상액 온도 23℃에 6분 동안 디핑하는 방식을 사용하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 제5 단계는 상기 기판 상에 금속 박막을 코팅하는 단계와, 상기 금속 박막 상에 니켈 전기 도금을 수행하고 상기 니켈 전기 도금한 부분과 상기 기판을 분리시키는 단계 및, 상기 니켈 전기 도금한 부분을 상기 스탬퍼로 하는 단계를 포함하며, 상기 금속 박막 코팅으로 크롬을 코팅하는 것이 바람직하다. 그리고 상기 제5 단계는 상기 크롬을 코팅한 후 금을 추가로 코팅하는 것이 바람직하다.

이하, 첨부한 도면을 참조로 하여 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 설명한다. 하기에서 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 기술은 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고 려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

본 발명을 위해서 먼저 동심원 패턴을 형성하기 위한 마스크(21)를 제작한다. 도 2에는 본 발명의 동심원 패턴을 형성하기 위한 마스크의 일 예가 도시되어 있다.

도 2에 도시된 바와 같이 마스크(21)는 빛이 통과하는 부분(22)과 빛이 통과하지 못하는 부분(23)을 가진다. 제작자는 마스크(21) 제작시 제조하고자 하는 렌즈의 형태에 따라 빛이 통과하지 못하는 부분(23)의 형태 및, 이 부분(23)의 패턴을 결정하게 된다. 여기서 본 발명은 구면 렌즈 형태를 가진 마이크로 렌즈를 우선적으로 제조하여야 하므로, 빛이 통과하지 못하는 부분(23)을 동심원 형태로 만든다. 그리고 마스크(21)에 형성된 동심원 패턴의 각 토러스 두께를 달리한다.

여기서, 상기 마스크(21)는 패턴의 정밀도에 따라 필름 마스크나 크롬 마스크 등이 결정된다. 크롬 마스크를 사용하면 1 ㎛ 정도의 정밀도로 제작이 가능하다.

한편, 도 3a와 같이 스핀 코터(Spin Coater) 장비를 이용하여 유리 또는 실리콘 웨이퍼 기판(30) 상에 감광제인 PR(Photoresist; 31)를 코팅한다. 이때 사용되는 PR(31)의 종류는 두께에 따라 다양하게 정할 수 있는데, 두꺼운(Thick) PR인 AZ 계열의 9260을 사용하면 코딩된 PR의 두께는 10㎛가 된다.

코팅이 끝나면 오븐기에 넣고 코팅된 기판(30)을 소프트 베이킹(Soft baking)을 한다. 이때 베이킹 조건은 온도 95℃에 시간은 30분 정도인 것이 양호하다.

소프트 베이킹이 끝나면, 도 3b에 도시된 바와 같이 마스크(21)를 PR 코팅된 기판(30) 상에 얼라인(align) 키(key)에 맞춰서 얼라인시키고, 정해진 시간으로 노광공정을 실시한다. 이때 도 3b에 도시된 바와 같이 마스크(21)의 동심원 패턴에서 각 토러스(a, b, c, d)는 서로 다른 두께를 가진다. 즉, 가운데 원(a)의 두께가 가장 두껍고, 순차적으로 가장 외곽의 원(d)의 두께가 가장 얇다.

노광공정이 끝나면 현상 작업을 한다. 이때 현상액 종류는 AZ 계열의 400K이고, 현상 조건은 현상액 온도 23℃에 6분 동안 디핑(Dipping)하는 방식을 취한다. 현상을 하면, 도 3c에 도시된 바와 같이 마스크(21)를 통과한 빛을 쬔 PR 부분은 용해되고 빛을 받지 않은 부분(32)은 그대로 남는다. 즉, 원 기둥 형태인 토러스(torus) 구조가 동심원 형태로 남는다. 이때 빛을 받지 않은 부분(32)의 각 토러스는 마스크의 동심원 패턴과 동일한 두께 및 형태를 가진다. 이러한 이유로 설명을 용이하게 하기 위해 마스크의 토러스와 노광후의 토러스에 같은 도면 부호를 부여한다. 결국 노광으로 얻은 각 토러스(a, b, c, d)의 두께는 a>b>c>d 의 순서로 된다.

현상 작업을 마치면, 핫(Hot) 플레이트(Plate) 장비를 이용해 리플로우(Refolw) 공정을 수행하여 도 3d에 도시된 바와 같은 토러스가 만곡된 동심원 패턴의 PR(33)을 형성한다. 상기 리플로우 공정은 토러스 구조의 PR(33)에 열을 가하여 상기 감광제(즉, PR)가 열을 받아서 녹아 내리게 하는 공정이다. 이때 리플로우 조건은 제조 형상에 따라 달라지는데, 온도 100~200℃ 사이에 수분 동안 실시한다.

전술한 바와 같이 도 3c에 도시된 PR인 토러스(a, b, c, d)를 리플로우 공정 처리를 하면 도 3d와 같이 만곡된 토러스(a1, b1, c1, d1)가 제조되는데, 도 3c의 토러스(a, b, c, d) 간격보다 도 3d의 토러스(a1, b1, c1, d1) 간격이 줄어든다. 이러한 이유는 토러스를 이루는 PR(33)이 리플로우 공정 시 이웃하는 PR측으로 흘러내렸기 때문이다. 만약 리플로우 공정의 시간을 늘이거나 토러스간의 간격을 좁히면 리플로우 공정에 의해 만들어지는 PR의 형태는 도 5에 도시된 형태와 같이 만곡된 형태를 가지나 이웃하는 PR과 접하는 형태가 된다.

여기서, 리플로우 공정에 의해 도 3c의 토러스(a, b, c, d)가 변하는 것은 토러스간의 간격 뿐만 아니라, 토러스의 높이가 변하게 된다. 리플로우 공정에 의해 변하는 토러스의 높이는 리플로우 전 토러스의 초기 두께에 따르게 된다. 토러스(a, b, c, d)를 예를 들면, 리플로우 후의 토러스(a1, b1, c1, d1)의 높이는 a1>b1>c1>d1의 순서가 된다.(도 6 참조)

이와 같이 리플로우 공정 후의 만곡형상 및 PR의 높이를 변화시킬 수 있기 때문에 본 발명은 토러스의 높이 비율을 설계 및 결정하는 것으로 다양한 형태의 마이크로 렌즈 및 마이크로 렌즈 어레이를 설계 및 제작할 수 있다.

상기 리플로우 공정 후의 기판(30)을 수직으로 자른 기판의 수직 단면도가 도 4a에 도시되어 있다. 도 4a는 구면 렌즈 형태간에 소정 간격을 가지는 경우에 대한 것이다. 도 4a를 보면, 만곡된 토러스(33)는 그 단면이 구면렌즈의 형태를 가지는 마이크로 렌즈가 되었음을 알 수 있다.

리플로우 공정을 통해 각 토러스를 이루는 PR을 마이크로 렌즈의 형태로 만들면, 도 4a에 도시된 바와 같이 기판(30) 상에 금속 박막(41)을 코팅한다. 이때 상기 금속 박막(41) 코팅은 보통 크롬(Cr) 코팅을 많이 하며, 금(Au)을 추가로 코팅하기도 한다.

상기 금속 박막 코팅이 끝나면, 기판(30)을 도금장비에 장착하고 도 4b에 도시된 바와 같이 니켈 전기 도금을 실시한다. 이때 공급되는 전류는 각 스텝에 따라 수 암페어를 흘리며 이에 따른 도금두께는 400~450㎛가 되고(4인치 웨이퍼 기준),니켈 도금된 부분이 스탬퍼(stamper; 42)가 된다.

상기 니켈 전기 도금이 끝나면, 기판(30)과 스탬퍼(42)를 분리시킨다. 이때 분리된 스탬퍼(42)는 구면 렌즈 형태간에 간격이 없으면 도 4c와 같은 형태를 가지게 되고, 구면 렌즈 형태간에 간격이 있으면 도 4c의 도면에서 각 토러스 간이 떨 어진 형태가 된다. 그리고 스탬퍼(42)에는 동심원 패턴(43)의 PR이 음각으로 전사된 형태를 가진다. 즉, 스탬퍼(42)에는 동심원의 패턴이 음각으로 새겨져 있다.

본 발명은 상기 도심원의 패턴이 음각으로 새겨진 스탬퍼(42)를 금형으로 사용하고, 금형을 통해 도 5와 같이 사출된 평판 렌즈(51)를 얻는다.(도 5의 렌즈는 리플로우에 의해 이웃하는 토러스가 접하게 된 경우에 해당). 상기 평판 렌즈(51)는 투명한 플라스틱 재질인 것이 양호하다. 이렇게 얻어진 평판 렌즈(51)에서 동심원 렌즈(즉, 패턴)의 거리는 도 6에 도시된 바와 같이 약 30~200㎛ 정도가 된다. 도 6을 보면, 각 토러스는 그 두께 차이에 의해 각각의 높이가 달라졌다. 본 발명은 이렇게 약 30~200㎛ 정도의 직경을 가진 마이크로 렌즈에 서로 다른 높이가 폭을 가진 패턴을 형성할 수 있다.

도 7 에는 상기 동심원 패턴을 가진 렌즈를 도광판(71)에 응용을 한 실시예가 도시되어 있다. 도광판은 LCD 백라이트에 사용이 되는 부품으로서 본 발명의 동심원 패턴을 가진 평판 렌즈(51)를 응용함으로서 빛의 경로를 조절할 수 있다.

이상에서 본 발명에 대한 기술사상을 첨부도면과 함께 서술하였지만 이는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 또한, 이 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 누구나 본 발명의 기술사상의 범주를 이탈하지 않는 범위 내에서 다양한 변형 및 모방이 가능함은 명백한 사 실이다.

상술한 실시 예에 따르면 본 발명은 동심원 패턴을 가진 렌즈를 반도체 공정을 이용하여 제조함으로써 정밀성을 향상시켜 마이크로 단위의 렌즈를 만들 수 있게는 효과가 있다. 또한 본 발명은 도광판(Light Guiding Plate) 및 다양한 광학부품 및 회절소자(Diffractive Optical Element) 등에 응용되어 광 경로를 변환시킬 수 있으며, 제조 공정이 간단하여 제조 원가를 줄일 수 있는 효과가 있다.

Claims (8)

1. 동심원 패턴을 가진 마스크를 제조하는 제1 단계;

   포토 레지스트가 코팅된 기판 상에 상기 마스크를 정렬시켜 노광하는 제2 단계;

   상기 노광된 기판을 현상하여 토러스 형태를 가진 포토 레지스트의 동심원 패턴을 얻는 제3 단계;

   상기 현상된 기판에 대해 리플로우 공정을 수행하여 상기 토러스 형태의 포토 레지스트를 만곡시키는 제4 단계;

   상기 토러스 형태의 포토 레지스트로 이루어진 동심원 패턴을 음각한 스탬퍼를 제작하는 제5 단계; 및

   상기 스탬퍼를 금형으로 사용하여 상기 동심원 패턴을 가진 렌즈를 사출하는 제6 단계를 포함하는 동심원 패턴을 가진 렌즈의 제조 방법.
2. 제1항에 있어서,

   상기 마스크는 필름 마스크 또는 크롬 마스크인 것을 특징으로 하는 동심원 패턴을 가진 렌즈의 제조 방법.
3. 제2항에 있어서,

   상기 제5 단계는 상기 기판 상에 금속 박막을 코팅하는 단계와, 상기 금속 박막 상에 니켈 전기 도금을 수행하고 상기 니켈 전기 도금한 부분과 상기 기판을 분리시키는 단계 및, 상기 니켈 전기 도금한 부분을 상기 스탬퍼로 하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 동심원 패턴을 가진 렌즈의 제조 방법.
4. 제3항에 있어서,

   상기 제5 단계는 상기 금속 박막 코팅으로 크롬을 코팅하는 것을 특징으로 하는 동심원 패턴을 가진 렌즈의 제조 방법.
5. 제4항에 있어서,

   상기 제5 단계는 상기 크롬을 코팅한 후 금을 추가로 코팅하는 것을 특징으로 하는 동심원 패턴을 가진 렌즈의 제조 방법.
6. 제1항에 있어서,

   상기 마스크의 동심원 패턴을 이루는 각 토러스는 서로 다른 두께를 가지는 것을 특징으로 하는 동심원 패턴을 가진 렌즈의 제조 방법.
7. 제1항에 있어서,

   상기 제6 단계에서 사출된 렌즈의 동심원들은 소정 간격을 두고 형성된 형태인 것을 특징으로 하는 동심원 패턴을 가진 렌즈의 제조 방법.
8. 제1항에 있어서,

   상기 제6 단계에서 사출된 렌즈의 동심원들은 이웃하는 토러스와 접촉된 형태인 것을 특징으로 하는 동심원 패턴을 가진 렌즈의 제조 방법.

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