KR100691278B1 - 마이크로 렌즈 제조 장치 및 마이크로 렌즈 제조 방법 - Google Patents

Abstract

다양하고 복잡한 형태의 마이크로 렌즈 또는 마이크로 렌즈 어레이를 용이하게 제조할 수 있게 하는 장치 및 그 제조 방법을 개시한다. 본 발명에 따른 마이크로 렌즈 제조 장치는, 하부 전극과; 상기 하부 전극 상에 형성된 절연층과; 상기 절연층 상에 제1 렌즈 형상의 폴리머를 배치시킬 수 있도록 상기 절연층으로부터 이격되어 배치된 상부 전극을 포함한다. 상기 상부 전극 또는 하부 전극은 동심원으로 서로 다른 평면 상에 배치된 복수의 원형띠 형상의 전극들을 구비할 수 있다. 상기 상부 전극의 하면은 곡률을 가진 오목한 곡면이거나 다수의 침들을 포함할 수 있다.

마이크로 렌즈, 정전력

Description

마이크로 렌즈 제조 장치 및 마이크로 렌즈 제조 방법{Apparatus for manufacturing micro lens and Method for manufacturing micro lens}

도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 마이크로 렌즈 제조 장치의 단면도이다.

도 2a 및 도 2b는 본 발명의 마이크로 렌즈 제조 장치에 사용되는 상부 전극 또는 하부 전극의 예들을 나타내는 사시도이다.

도 3은 본 발명의 다른 실시형태에 따른 마이크로 렌즈 제조 장치의 단면도이다.

도 4는 본 발명의 마이크로 렌즈 제조 장치에 사용되는 상부 전극 또는 하부 전극의 다른 예를 나타내는 사시도이다.

도 5는 본 발명의 또 다른 실시형태에 따른 마이크로 렌즈 제조 장치의 단면도이다.

도 6은 본 발명의 마이크로 렌즈 제조 장치에 사용되는 상부 전극의 또 다른 예를 나타내는 사시도이다.

도 7은 본 발명의 마이크로 렌즈 제조 장치에 사용되는 상부 전극의 또 다른 예를 나타내는 사시도이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

102: 렌즈 형상 폴리머 103: 렌즈 기판

104: 절연층 106: 지지 기판

110, 110a, 110b, 110c, 110d, 110e: 상부 전극

120, 120a, 120b, 120c: 하부 전극

114: 침

본 발명은 마이크로 렌즈 또는 마이크로 렌즈 어레이의 제조 장치 및 제조 방법에 관한 것으로, 특히 큰 개구수의 렌즈나 비구면 형상의 렌즈 등 다양한 형태의 마이크로 렌즈를 용이하게 제조할 수 있고 장치 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

최근, 소형의 촬영 장치가 넓리 사용됨에 따라 고성능을 갖는 마이크로 렌즈에 대한 요구가 커지고 있다. 금형 등을 이용한 렌즈 복제 기술은, 마이크로 렌즈 또는 이들의 배열체인 마이크로 렌즈 어레이를 저가로 생산하는 방법으로 넓리 알려져 있다. 종래의 일반적인 마이크로 렌즈 제조 또는 복제 방법으로는, 변형된 LIGA(Lithographic-Galvanic) 공정을 이용하는 방법, 실리콘의 등방 식각을 이용하는 방법, 그레이 스케일(gray scale) 마스크를 이용하는 방법, 전자빔(E-beam) 또 는 레이저를 이용하여 직접 라이팅(direct writing)하는 방법, 금형의 정밀 가공을 이용하는 방법, 감광재의 리플로우(reflow)를 이용하는 방법 등이 있다. 예를 들어, 한국특허 출원 제2003-0024597호는 감광층의 리플로우 공정을 이용해 마이크로 렌즈 어레이를 제조하는 것을 개시하고 있다. 또한, 미국특허 제5,310,623호는 그레이 스케일 마스크를 이용하여 포토레지스트 물질로 마이크로 렌즈 복제물을 제조하는 것을 개시하고 있다.

그러나, 종래의 일반적인 방법을 사용하여 마이크로 렌즈(또는 마이크로 렌즈 어레이)를 제조하는 경우에는, 정밀하게 원하는 형상의 렌즈를 제조하기 위해서는 비교적 비용과 시간이 많이 들고, 리플로우 공정의 어려움이나 금형틀 제작 상의 어려움 등으로 인해 큰 개구수(Numerical Aperture)나 비구면을 갖는 렌즈 등 다양한 형상의 마이크로 렌즈를 제조하는 데에 한계를 갖고 있다.

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 그 목적은 큰 개구수를 갖거나 비구면을 갖는 등 다양한 형상의 마이크로 렌즈를 용이하게 제조할 수 있는 마이크로 렌즈 제조 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 다양한 형상의 마이크로 렌즈를 용이하게 제조할 수 있는 마이크로 렌즈 제조 방법을 제공하는 것이다.

상술한 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 마이크로 렌즈 제조 장치는, 하부 전극과; 상기 하부 전극 상에 형성된 절연층과; 상기 절연층 상에 제1 렌즈 형상의 폴리머를 배치시킬 수 있도록 상기 절연층으로부터 이격되어 배치된 상부 전극을 포함한다.

본 발명의 실시형태에 따르면, 상기 하부 전극 아래에는 상기 하부 전극과 절연층을 지지하기 위한 지지 기판을 더 포함할 수 있다.

본 발명의 실시형태에 따르면, 상기 하부 전극 또는 상부 전극은 평판 형상의 전극일 수 있다. 이 경우, 상기 평판 형상의 전극은 직사각형 또는 원형의 평면 형상을 가질 수 있다.

본 발명의 실시형태에 따르면, 상기 하부 전극 또는 상부 전극은 동심원으로 배치된 복수의 원형띠(ring) 형상의 전극들을 구비할 수 있다. 이 경우, 각각의 원형띠 전극 들에 다른 전위의 전압이 가해질 수 있다.

본 발명의 실시형태에 따르면, 상기 상부 전극의 하면은 곡률을 가진 오목한 곡면일 수 있다.

본 발명의 실시형태에 따르면, 상기 상부 전극의 하면에는 침(pointed tips)들이 형성될 수 있다. 이 경우, 상기 침들은 개별적으로 전계를 가할 수 있도록 구성될 수 있다.

본 발명의 다른 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 마이크로 렌즈 제조 방법은, 제1 렌즈 형상을 갖는 폴리머를 형성하는 단계와; 하부 전극 상에 형성된 절연층과 상부 전극 사이에 상기 제1 렌즈 형상의 폴리머를 배치한 상태에서 상기 하부 전극 및 상부 전극에 전압을 인가함으로써, 상기 제1 렌즈 형상의 폴리머를 제2 렌즈 형상으로 변형시키는 단계와; 상기 제2 렌즈 형상의 폴리머를 경화시키는 단계를 포함한다.

본 발명의 마이크로 렌즈 제조 방법에 따르면, 상기 하부 전극 또는 상부 전극은 전술한 마이크로 렌즈 제조 장치에서 설명한 바와 같은 평판 형상, 원형띠 형상을 가질 수 있고, 상부 전극의 하면은 곡률을 가진 오목한 곡면일 수 있으며, 그 하면에 침들이 형성될 수 있다.

본 발명의 실시형태에 따르면, 바람직하게는, 상기 제1 렌즈 형상의 폴리머는 리플로우 열처리 공정에 의해 형성된다. 다른 방안으로서, 상기 제1 렌즈 형상의 폴리머는 폴리머의 드롭렛(droplet)을 이용하는 방법에 의해 형성될 수도 있다.

본 발명의 실시형태에 따르면, 상기 제2 렌즈 형상의 폴리머가 직접 마이크로 렌즈로 사용될 수 있다. 다른 실시형태에 따르면, 상기 제2 렌즈 형상의 폴리머는 렌즈 형성용 금형틀 제작을 위한 원형으로 사용될 수 있다. 이 경우, 상기 제조 방법은, 상기 제2 렌즈 형상의 폴리머를 원형으로 하여 금형틀을 형성하는 단계와; 상기 금형틀을 이용하여 마이크로 렌즈를 얻는 단계를 더 포함한다. 예를 들어, 상기 제조 방법은, 제2 렌즈 형상의 폴리머 형성 후에, 상기 폴리머 상에 도금층을 형성하는 단계와; 상기 폴리머로부터 상기 도금층을 분리하여 금형틀을 얻는 단계와; 상기 금형틀을 이용하여 마이크로 렌즈를 얻는 단계를 더 포함할 수 있다.

본 발명에 따른 마이크로 렌즈 제조 방법은, 상기 제1 렌즈 형상의 폴리머 형성 단계에서 제1 렌즈 형상을 갖는 다수의 폴리머 패턴(폴리머 어레이)을 형성함으로써, 다수의 마이크로 렌즈 배열체 (즉, 마이크로 렌즈 어레이)를 제조하는 데에 사용될 수 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시형태를 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시형태는 여러가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시형태로 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시형태는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있으며, 도면 상의 동일한 부호로 표시되는 요소는 동일한 요소이다.

도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 마이크로 렌즈 제조 장치를 개략적으로 나타낸 단면도이다. 도 1을 참조하면, 마이크로 렌즈의 제조 장치(100)는 하부 전극(120)과, 그 위에 형성된 절연층(104)과, 절연층(104)으로부터 이격된 상부 전극(110)을 포함한다. 하부 전극(120)과 절연층(104)은 지지 기판(106)에 의해서 지지될 수 있다. 이 장치(100)는, 제1 렌즈 형상을 갖는 폴리머(102)를 원하는 제2 형상으로 만드는 데에 효과적으로 이용될 수 있다.

예컨대, 기판(103) 상의 폴리머층을 리플로우 열처리함으로써 얻은 반구형의 폴리머(102)를, 절연층(104)과 상부 전극(110) 사이에 배치시킬 수 있다. 그 후 상부 전극(110)과 하부 전극(120)에 전압을 인가하면, 상부 전극(110), 하부 전극(120) 및 절연층(104)에 의해서 폴리머(102)에는 정전력이 발생한다. 이 정전력에 의해 제1 형상의 폴리머(102)는 이전과는 다른 곡률 또는 렌즈 높이(sag)등을 갖는 제2 형상을 갖게 된다. 특히, 상기 정전력에 의해 폴리머가 상부 및 하부 전극쪽으로 끌리게 됨으로써, 큰 개구수를 갖는 렌즈 형상의 폴리머(제2 렌즈 형상의 폴리머)를 용이하게 제조할 수 있게 된다.

도 2a 및 2b는 마이크로 렌즈 제조 장치에 사용될 수 있는 평판 형상의 상부 전극 또는 하부 전극의 예들을 나타낸다. 도 2a에는 상부 전극(110a) 또는 하부 전 극(120a)으로 사용될 수 있는 직사각형의 평면 모양을 갖는 평판 전극이 도시되어 있다. 도 2b에 도시된 바와 같이, 상부 전극(110b) 또는 하부 전극(120b)은 원형의 평면 모양을 갖는 평판 전극일 수도 있다. 상부 전극은 직사각형이고, 하부 전극은 원형일 수도 있으며, 그 반대일 수도 있다.

도 3은 다른 실시형태에 따른 마이크로 렌즈 제조 장치(200)를 나타낸다. 도 3의 마이크로 렌즈 제조 장치(200)는, 도 4에 도시된 바와 같은 하부 전극(120c)을 사용한다. 즉, 도 4에 자세히 나타난 바와 같이, 이 제조 장치(200)의 하부 전극(120c)은 동심원으로 서로 다른 평면 상에 배치된 복수의 원형띠(ring) 형상의 전극들로 이루어져 있다. 이와 같이 복수의 원형띠 전극들로 하부 전극(120c)을 구성함으로써, 보다 복잡한 형상의 렌즈를 용이하게 제조할 수 있다. 특히, 각각의 원형띠 전극들에 다른 전위의 전압을 인가함으로써, 폴리머(102)에 미치는 정전력을 위치에 따라 다르게 제어할 수 있다. 이와 같이 정전력 분포를 변화시킴으로써, 폴리머(102)가 매우 복잡한 렌즈 형상(제2 렌즈 형상)을 갖도록 만들 수 있다. 예를 들어, 상기 원형띠 전극들로 된 하부 전극을 이용하면, 폴리머 상면의 일부에 변곡점을 형성시킬 수도 있다. 도 3에서는, 하부 전극(120c)만이 원형띠 전극으로 형성되어 있지만, 원형띠 전극으로 된 상부 전극(110c)을 이용할 수도 있다. 상부 전극과 하부 전극 모두를 원형띠 전극으로 형성할 수도 있다.

도 5는 또 다른 실시형태에 따른 마이크로 렌즈 제조 장치(300)를 나타내는 단면도이다. 이 제조 장치(300)는, 도 6에 도시된 바와 같은 상부 전극(110d)을 사용한다. 도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이, 상부 전극(110d)의 하면(112)은 곡률을 가진 오목한 곡면으로 되어있다. 이 경우, 상부 전극 하면(112)의 곡률을 적절한 것으로 선택함으로써, 렌즈의 원하는 곡률 또는 개구수를 용이하게 얻을 수 있다. 특히, 오목한 하면(112)을 갖는 상부 전극(110d)은 폴리머(102)에 균일한 정전력을 가할 수 있다. 이에 따라, 전체적으로 균일한 (국부적이지 않은) 렌즈 곡률의 변화를 얻을 수 있고, 렌즈의 개구수를 정밀하게 조절할 수 있다.

도 7은 상부 전극의 또 다른 예를 나타내는 사시도이다. 도 7을 참조하면, 상부 전극(110e)에는 뾰족한 첨단부 즉, 침들(pointed tips; 114)이 다수 형성되어 있다. 특히, 오목한 곡면으로 되어 있는 상부 전극(110e)의 하면(112) 상에 상기 침들(114)이 형성되어 있다. 이러한 침들(114)은 국부적으로 전계를 집중시켜서 폴리머(102) 표면에 국부적으로 집중된 정전력을 발생시킬 수 있다. 이에 따라, 요철 표면을 갖는 폴리머(제2 렌즈 형상의 폴리머)를 만들 수 있다. 또한, 상기 상부 전극(110e)은, 각 침(114)에 전압이 개별적으로 인가될 수 있도록 구성될 수도 있다. 이렇게 함으로써, 상기 침들(114)은 개별적으로 전계를 가할 수 있게 된다. 이 경우, 특정 영역에만 침들에 의해 집중된 정전력을 발생시킬 수 있다. 따라서, 특정 영역은 요철 표면을 갖고 다른 영역은 요철 표면을 갖지 않는 제2 렌즈 형상의 폴리머를 만들 수 있다.

다음으로, 상술한 바와 같은 마이크로 렌즈 제조 장치를 사용하여 마이크로 렌즈를 제조하는 방법에 대하여 설명한다.

본 발명에 따라 마이크로 렌즈를 제조하기 위해서는, 먼저 제1 렌즈 형상을 갖는 폴리머를 형성한다. 상기 제1 렌즈 형상을 갖는 폴리머는, 다양한 방법에 의해 형성될 수 있다. 예컨대 폴리머 패턴의 가열을 통한 리플로우를 이용하는 방법, 드롭렛(droplet)을 이용하는 방법, 실리콘 등방성 식각을 이용하여 얻은 금형틀을 이용하는 방법 등에 의해 형성될 수 있다. 바람직하게는, 저감된 제조 비용과 시간을 위해서, 상기 제1 렌즈 형상의 폴리머는 폴리머의 리플로우를 이용하는 방법에 의해 형성된다. 예컨대, 실리콘 기판과 같은 기판(103) 상에 폴리머층을 형성한 후, 이를 패터닝하여 폴리머 패턴을 형성한다. 그 후, 리플로우 열처리 공정을 통해 상기 폴리머 패턴을 반구형의 제1 렌즈 형상으로 만든다.

그 후, 전술한 바와 같은 마이크로 렌즈 제조 장치(100, 200, 300)의 절연층(104) 상에 제1 렌즈 형상의 폴리머(102)(또는 그 폴리머(102)가 형성된 기판(103))를 배치시킨다. 그 후, 상부 전극(110)과 하부 전극(120)에 전압을 인가하여, 폴리머(102)에 정전력을 발생시킨다. 이에 따라, 상기 폴리머(102)로 하여금 원하는 개구수(비교적 큰 개구수)와 형상을 갖는 제2 형상을 갖도록 해준다.

이와 같이 형성된 제2 렌즈 형상의 폴리머는, 그 폴리머 재료가 투광성을 갖는다면, 그대로 렌즈로 사용될 수 있다. 그러나, 다른 방안으로서, 제2 렌즈 형상의 폴리머는, 금형틀 제작을 위한 원형으로 사용될 수도 있다. 즉, 제2 렌즈 형상의 폴리머를 원형으로 사용하여 금형틀을 제작한 후, 이 금형틀을 이용하여 다양한 형태의 마이크로 렌즈 또는 이들의 배열체(마이크로 렌즈 어레이)를 제조할 수 있다.

예를 들어, 제2 렌즈 형상의 폴리머 형성 후에, 제2 렌즈 형상의 폴리머 상에 Cr/Au층을 수백 Å 두께로 증착하여 니켈 도금을 위한 도금 시드막을 형성한다. 그 후, 니켈 도금을 실시하여 폴리머 상에 니켈 도금층을 형성한다. 그리고 나서, 폴리머로부터 니켈 도금층을 분리하여 니켈로 된 금형틀을 얻는다. 이 금형틀을 사용하여 폴리머의 사출성형 또는 핫 엠보싱 공정을 실시함으로써, 상기 다양한 형태의 제2 렌즈 형상을 갖는 마이크로 렌즈를 얻게된다. 이에 따르면, 큰 개구수 또는 비구면 등의 복잡한 모양의 마이크로 렌즈를 저감된 비용과 감축된 공정 시간으로 용이하게 제조할 수 있게 된다.

본 발명에 따른 마이크로 렌즈 제조 방법은, 상기 제1 렌즈 형상의 폴리머 형성 단계에서 제1 렌즈 형상을 갖는 다수의 폴리머 패턴(폴리머 어레이)을 형성함으로써, 다수의 마이크로 렌즈 배열체 (즉, 마이크로 렌즈 어레이)를 제조하는 데에 용이하게 사용될 수 있다.

본 발명은 상술한 실시형태 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 첨부된 청구범위에 의해 한정하고자 하며, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것은 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게 자명할 것이다.

이상 설명한 바와 같이 본 발명에 따르면, 상부 전극, 하부 전극 및 절연층을 구비한 제조 장치를 사용하여 제1 렌즈 형상의 폴리머로부터 제2 렌즈 형상의 폴리머를 형성함으로써, 큰 개구수의 렌즈 또는 비구면 렌즈 등 다양하고 복잡한 형상의 마이크로 렌즈 또는 마이크로 렌즈 어레이를 저감된 시간과 비용으로 용이하게 제조할 수 있다.

Claims (16)

1. 삭제
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 하부 전극과;

   상기 하부 전극 상에 형성된 절연층과;

   상기 절연층 상에 제1 렌즈 형상의 폴리머를 배치시킬 수 있도록 상기 절연층으로부터 이격되어 배치된 상부 전극을 포함하고,

   상기 하부 전극 또는 상부 전극은 동심원으로 서로 다른 평면 상에 배치된 복수의 원형띠 형상의 전극들을 구비하는 것을 특징으로 하는 마이크로 렌즈 제조 장치.
6. 제5항에 있어서,

   각각의 상기 원형띠 전극에 다른 전위의 전압이 가해지는 것을 특징으로 하는 마이크로 렌즈 제조 장치.
7. 하부 전극과;

   상기 하부 전극 상에 형성된 절연층과;

   상기 절연층 상에 제1 렌즈 형상의 폴리머를 배치시킬 수 있도록 상기 절연층으로부터 이격되어 배치된 상부 전극을 포함하고,

   상기 상부 전극의 하면은 곡률을 가진 오목한 곡면인 것을 특징으로 하는 마이크로 렌즈 제조 장치.
8. 하부 전극과;

   상기 하부 전극 상에 형성된 절연층과;

   상기 절연층 상에 제1 렌즈 형상의 폴리머를 배치시킬 수 있도록 상기 절연층으로부터 이격되어 배치된 상부 전극을 포함하고,

   상기 상부 전극의 하면에는 다수의 침들이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 마이크로 렌즈 제조 장치.
9. 제8항에 있어서,

   상기 침들은 개별적으로 전계를 가할 수 있도록 구성된 것을 특징으로 하는 마이크로 렌즈 제조 장치.
10. 제1 렌즈 형상을 갖는 폴리머를 형성하는 단계와;

    하부 전극 상에 형성된 절연층과 상부 전극 사이에 상기 제1 렌즈 형상의 폴리머를 배치한 상태에서 상기 하부 전극 및 상부 전극에 전압을 인가함으로써, 상기 제1 렌즈 형상의 폴리머를 제2 렌즈 형상으로 변형시키는 단계와;

    상기 제2 렌즈 형상의 폴리머를 경화시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로 렌즈 제조 방법.
11. 제10항에 있어서,

    상기 제1 렌즈 형상을 갖는 폴리머를 형성하는 단계는, 폴리머층의 리플로우 열처리에 의하여 곡면인 상면을 갖는 폴리머를 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로 렌즈 제조 방법.
12. 제10항에 있어서,

    상기 제2 렌즈 형상의 폴리머는 직접 마이크로 렌즈로 사용되는 것을 특징으로 하는 마이크로 렌즈 제조 방법.
13. 제10항에 있어서,

    상기 제2 렌즈 형상의 폴리머는 렌즈 형성용 금형틀 제작을 위한 원형으로 사용되는 것을 특징으로 하는 마이크로 렌즈 제조 방법.
14. 제13항에 있어서,

    상기 제2 렌즈 형상의 폴리머를 원형으로 하여 금형틀을 형성하는 단계와;

    상기 금형틀을 이용하여 마이크로 렌즈를 얻는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로 렌즈 제조 방법.
15. 제13항에 있어서,

    상기 제2 렌즈 형상의 폴리머 상에 도금층을 형성하는 단계와;

    상기 폴리머로부터 상기 도금층을 분리하여 금형틀을 얻는 단계와;

    상기 금형틀을 이용하여 마이크로 렌즈를 얻는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로 렌즈 제조 방법.
16. 제10항에 있어서,

    상기 제1 렌즈 형상의 폴리머 형성 단계에서 제1 렌즈 형상을 갖는 다수의 폴리머 패턴을 형성하는 것을 특징으로 하는 마이크로 렌즈 제조 방법.

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