KR100703095B1 - 하이 새그 렌즈 제조 방법 및 이 방법에 의해 제조한 하이새그 렌즈 - Google Patents

하이 새그 렌즈 제조 방법 및 이 방법에 의해 제조한 하이새그 렌즈 Download PDF

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Abstract

본 발명은 하이 새그 미소 렌즈의 제조 방법 및 그에 의해 제조한 하이 새그 렌즈에 관한 것이다. 본 발명은 고점성 포토레지시트를 복수 회에 걸쳐 코팅하고 베이킹한 다음 리플로 작업을 함으로써 높은 새그를 갖는 미소 렌즈 구조를 얻고 이로부터 높은 새그의 미소 렌즈를 제조할 수 있다.
새그, 렌즈, 리플로, 포토레지스트, 복제

Description

하이 새그 렌즈 제조 방법 및 이 방법에 의해 제조한 하이 새그 렌즈{HIGH SAG LENS FABRICATION METHOD AND HIGH SAG LENS MANUFACTURED THEREBY}
도 1은 LED와 렌즈 어레이를 이용한 조명 장치의 일례를 보여주는 개념도이다.
도 2는 종래 기술에 따른 하이 새그 렌즈 제조 방법을 설명하는 단면도이다.
도 3은 본 발명에 따른 하이 새그 렌즈 제조 방법을 설명하는 순서도이다.
도 4는 본 발명에 따른 하이 새그 렌즈 제조 방법을 설명하는 단면도이다.
도 5는 본 발명에 따라 제조한 하이 새그 렌즈 어레이의 일례를 보여주는 사시도이다.
도 6은 본 발명에 따라 제조한 하이 새그 렌즈의 새그를 설명하는 그래프이다.
<도면의 주요 부분의 부호의 설명>
102: 웨이퍼 104a, 104b: 포토레지스트 적층체
106: 예비 구조 108: 미소 렌즈 구조
110: 몰드 120: 미소 렌즈 시트
124: 미소 렌즈
본 발명은 하이 새그 미소 렌즈에 관한 것으로, 더 구체적으로는 고점성 포토레지시트를 복수 회에 걸쳐 코팅하고 베이킹한 다음 리플로 작업을 함으로써 높은 새그를 갖는 미소 렌즈 구조를 얻고 이로부터 높은 새그의 미소 렌즈를 제조할 수 있는 하이 새그 렌즈 제조 방법 및 그에 의해 제조한 하이 새그 렌즈에 관한 것이다.
LED는 빠른 응답 속도, 반영구적 수명, 저전압과 저전류로의 구동 가능성 등의 장점으로 인해 차세대 광원으로써 각광을 받아 오고 있다. 이러한 LED는 렌즈 또는 렌즈 어레이와 함께 (예컨대 프로젝터와 같은) 조명 장치에도 사용되고 있다.
도 1은 이와 같은 조명 장치의 일례를 보여준다. 도 1에 도시한 것과 같이, LED를 채용한 조명 장치(1)는 렌즈 어레이(18)를 갖는 광원(10), 이 광원(10)으로부터 미리 정해진 간격을 두고 배치된 한 쌍의 렌즈 시트(20, 22) 및 한 쌍의 볼록 렌즈(24, 26)를 포함하며, 렌즈(26)는 입사된 빛을 액정 패널(28)로 안내한다.
여기서, 광원(10)은 기판(12), 이 기판(12)의 복수의 오목부(도시 생략)에 각각 장착된 복수의 LED 칩(14), 이들 LED 칩(14)을 봉지하는 투명 봉지체(16) 및 이 투명 봉지체(16)에 결합된 렌즈 어레이(18)로 이루어진다.
이와 같은 구성에서, LED 칩(14)에서 발생한 빛은 렌즈 어레이(18), 렌즈 시트(20, 22) 및 볼록 렌즈(24, 26)를 통해 액정 패널(28)에 도달하게 된다.
하지만, 이와 같이 조명 장치에 사용되는 LED는 여러 가지 장점에도 불구하고 기존의 광원을 대체하기에는 광효율, 가격, 휘도 등과 같은 여러 가지 문제점을 가지고 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위한 방안으로서, 플라스틱 사출 방식 등으로 제작한 굴절 렌즈를 사용해오고 있다. 그렇지만 이러한 기존의 방식들은 정밀도, 가격, 양산성, 다중 칩으로의 확장이 어렵다는 한계를 지니고 있다. 집적된 마이크로 렌즈 어레이(microlens array) 구조와 LED 패키지를 통한 웨이퍼 단위의 공정으로 기존의 문제점을 해결할 수 있을 뿐만 아니라 광효율 등의 LED 패키지의 광학적 성능을 향상시킬 수 있다.
많은 연구 분야에서 MEMS(Micro Electro Mechanical System) 기술을 이용하여 웨이퍼 단위의 공정이 가능한 마이크로렌즈 어레이를 실현하고자 한다. 그렇지만 기존의 렌즈 구조들은 렌즈 높이(sag)가 수십 ㎛에 불과하다는 단점을 지니고 있다. 조명용과 같은 고출력의 LED 에서는 수백 ㎛의 수준의 렌즈 구조가 필요하다.
기존의 다양한 마이크로 렌즈 제작 방식 중 그레이스케일(gray scale) 노광 방식은 그레이 수준의 한계로 인해서 수백 ㎛의 높은 새그로의 적용이 불가능하다. 전자 빔 노광, 이온 빔 라이팅 등의 방법들도 시도 되었지만, 이 방식들 역시 수백 ㎛ 새그의 마이크로 렌즈 구조를 얻기에는 적합하지 않다. 건식 식각과 습식 식각의 방식을 사용하여 제작하는 방식도 있지만, 새그 문제뿐 아니라 렌즈 표면의 조도 측면에서도 적합하지 않은 방식이다.
도 2는 종래 기술에 따른 하이 새그 렌즈 제조 방법의 일례를 보여준다.
하지만, 도 2에 도시된 제조 방법에 따르면, 하이 새그 렌즈(50)를 형성하기 위해서는 레플리카 법을 여러 번 반복하여 성형하여야 한다. 이와 같이 레플리카 법을 2회 이상 반복하여 기판(52) 위에 렌즈부(54)를 제작할 경우, 전체 공정, 예를 들면 폴리머 드롭(polymer drop), 압착(compress), 자외선 양생(UV curing) 탈형(release) 등의 레플리카 공정 반복으로 인해 작업 시간이 많이 소요된다.
뿐만 아니라 이러한 레플리카 법에서는 각각의 렌즈의 층(56, 58, 60)마다 적용되는 NA(Numeric Aperture)값이 다른 추가적인 몰드(도시 생략)들이 필요하다.
이들과 다른 방식으로는 다이아몬드 터닝 머신(DTM)을 이용하여 렌즈 몰드를 제작하고, 이를 어레이로 확장한 다음, 레플리카 법이나 몰딩법 등을 적용하여 하이 새그 렌즈 어레이를 제작할 수 있다.
하지만, 레이저 빔에 의한 몰드의 가공 시, 제작 가능한 렌즈의 새그가 스핀 코팅 후 형성되는 포토레지스트(PR)층의 두께에 비례함으로써, 높은 새그, 즉 수백 ㎛의 높은 새그를 가지는 렌즈를 제작하기 어렵다. 또, 레이저 빔에 의한 몰드 가공 시, 비구면 형성이 어렵고 제작 가능한 비구면에는 한계가 있다.
따라서 본 발명은 전술한 종래 기술의 문제를 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 고점성 포토레지시트를 복수 회에 걸쳐 코팅하고 베이킹한 다음 리플로 작업을 함으로써 높은 새그를 갖는 미소 렌즈 구조를 제조하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 위에서 얻은 미소 렌즈 구조로부터 높은 새그의 미소 렌즈를 제조함으로써 이 하이 새그 미소 렌즈가 적용되는 LED 패키지의 광 효율을 개선하는 것이다.
전술한 본 발명의 목적을 달성하기 위해 본 발명은
(가) 고점성의 포토레지스트를 실리콘 웨이퍼 위에 코팅하고 베이킹하는 것을 일정 횟수로 반복하여 포토레지스트 적층체를 형성하는 단계;
(나) 상기 포토레지스트 적층체를 노광과 현상을 통해 미리 정해진 모양으로 전환시키는 단계;
(다) 상기 형상화된 적층체를 열처리하여 높은 새그(high sag)를 갖는 미소 렌즈 모양의 구조를 얻는 단계;
(라) 상기 렌즈 모양 구조로부터 그 미소 렌즈 모양이 음각된 몰드를 얻는 단계; 및
(마) 상기 몰드를 이용하여 광학 폴리머로 높은 새그를 갖는 렌즈를 형성하는 단계를 포함하는 하이 새그 렌즈 제조 방법을 제공하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 방법에 있어서, 상기 (가) 단계는 코팅과 베이킹을 3 회 반복하 되, 베이킹은 서로 다른 조건으로 수행할 수 있다. 이때, 상기 (가) 단계는 (a) 포토레지스트를 200 내지 500rpm으로 30초 내지 2분간 코팅하고 오븐에서 40 내지 70℃로 20 내지 40분 동안 베이킹하는 단계; (b) (a) 단계에서 얻은 구조 위에 포토레지스트를 200 내지 500rpm으로 30초 내지 2분간 다시 코팅하고 오븐에서 60 내지 80℃로 3 시간 내지 5 시간 동안 베이킹하는 단계; 및 (c) (b) 단계에서 얻은 구조 위에 포토레지스트를 200 내지 500rpm으로 30초 내지 2분간 다시 코팅하고 오븐에서 80 내지 110℃로 4 시간 내지 6 시간 동안 베이킹하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 방법에 있어서, 상기 (나) 단계는 상기 적층체를 자외선에 3 내지 5mW/mm2의 강도로 3 내지 7 시간 동안 노광시킬 수 있다.
본 발명의 방법에 있어서, 상기 (나) 단계는 현상 작업을 통해 상기 적층체를 상자 또는 원판 모양의 복수의 구조로 분리하게 된다.
본 발명의 방법에 있어서, 상기 (다) 단계는 100 내지 150℃의 온도로 1 내지 5분 동안 리플로 작업을 수행할 수 있다.
본 발명의 방법에 있어서, 상기 (다) 단계에서 얻은 미소 렌즈 모양의 구조는 300㎛ 이상의 새그를 갖게 되고, 상기 (마) 단계에서 얻은 렌즈는 300㎛ 이상의 새그를 갖게 된다.
본 발명의 방법에 있어서, 상기 광학 폴리머는 자외선 경화성 폴리머이면 바람직하다.
또한, 본 발명은 전술한 방법에 의해 제조된 하이 새그 렌즈를 제공하는 것 을 특징으로 한다.
이하 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조하여 보다 상세히 설명한다.
먼저, 도 3과 4를 함께 참조하여, 본 발명에 따른 하이 새그 렌즈 제조 방법을 설명한다.
실리콘 웨이퍼(102)를 준비하고 그 위에 고점성의 포토레지스트(104a)를 코팅하고(S102) 베이킹하여(S104), 미리 정해진 두께, 바람직하게는 140 내지 250㎛ 두께의 포토레지스트 적층체(104b)를 형성한다. 이러한 코팅(S102)과 베이킹(S104)은 일정 횟수로 반복하는데, 바람직하게는 2회 또는 3 회 반복하되, 코팅은 동일 조건으로 베이킹은 서로 다른 조건으로 수행한다.
더 구체적으로는, (a) 포토레지스트를 200 내지 500rpm으로 30초 내지 2분간 코팅하고 오븐에서 40 내지 70℃로 20 내지 40분 동안 베이킹하고, (b) 위의 (a) 단계에서 얻은 구조 위에 포토레지스트를 200 내지 500rpm으로 30초 내지 2분간 다시 코팅하고 오븐에서 60 내지 80℃로 3 시간 내지 5 시간 동안 베이킹하며, (c) 위의 (b) 단계에서 얻은 구조 위에 포토레지스트를 200 내지 500rpm으로 30초 내지 2분간 다시 코팅하고 오븐에서 80 내지 110℃로 4 시간 내지 6 시간 동안 베이킹하여, 전술한 포토레지스트 적층체(104b)를 형성한다.
이어, 포토레지스트 적층체(104b)를 노광(S106)과 현상(S108)을 통해 미리 정해진 모양의 예비 구조(106)로 전환시킨다. 여기서, 노광(S106)은 포토레지스트 적층체(104b)를 자외선에 3 내지 5mW/mm2의 강도로 3 내지 7 시간 동안 노출시킨다. 또, 현상(S108)은 예컨대 TOK사의 P-7G 현상액을 사용하여 수행할 수 있는데, 바람직하게는 실온에서 대략 6 내지 7 시간 동안 현상시킴으로써, 포토레지스트 적층체(104b)를 상자 또는 원판 모양의 예비 구조(106)로 전환시키게 된다. 한편, 포토레지스트 적층체(104b)는 충분히 넓은 면적에 형성된 경우, 노광(S106)과 현상(S108)에 의해 복수의 예비 구조(106)로 전환된다.
다음에, 예비 구조(106)에 리플로와 같은 열처리를 수행하여 높은 새그(high sag)를 갖는 미소 렌즈 모양의 렌즈 구조(108)를 얻는다(S110). 열처리 즉 리플로는 바람직하게는 100 내지 150℃의 온도로 1 내지 5분 동안 수행된다. 이 과정에서 얻은 미소 렌즈 구조(108)는 바람직하게는 300㎛ 이상의 높은 새그를 갖게 된다.
미소 렌즈 구조(108)의 높은 새그는 도 6의 그래프를 참조할 수 있다. 물론, 도 6의 그래프는 하이 새그 렌즈를 설명하기 위한 것이지만, 렌즈를 얻기 위한 미소 렌즈 구조(108)에도 동일하게 적용된다.
이어, 스퍼터링, 전자 빔 등의 증착을 통해 렌즈 구조(108) 표면에 씨앗 층(seed layer)을 형성하고, 도금을 통해 그 위에 서브 마스터 즉 몰드(110)를 형성한다(S112). 여기서, 씨앗 층 위에는 약 1mm의 두께로 금속, 바람직하게는, Ni을 도금하여 몰드(110)를 얻는다.
이어, 이 몰드(110)에서 렌즈 구조(108)를 제거하고 몰드(110)를 뒤집으면 미소 렌즈 모양의 음각 즉 오목부(R)가 도 4의 (f)와 같이 위를 향해 노출된다.
이 오목부(R)는 전술한 렌즈 구조(108)와 동일한 형상이고 따라서 원하는 높은 새그 미소 렌즈와도 동일한 형상이 된다.
다음에, 광학 폴리머를 몰드(110)에 제공하고 경화시켜 원하는 렌즈 시트(120)를 복제한다(S114). 이때의 광학 폴리머는 자외선 경화성 폴리머가 좋고, 경화 작업도 자외선 조사로 수행된다. 이렇게 하는 것은 자외선 경화성 폴리머가 열에 대한 내구성이 우수하기 때문이다. 즉, 완성된 렌즈는 LED 칩과 함께 사용할 때 LED 칩에서 발생한 열에 노출되는데, 자외선 경화성 폴리머로 형성되면 LED 칩에서 발생한 열에 대해 우수한 특성을 갖게 된다.
한편, 바람직한 자외성 경화성 폴리머의 예로는 Minuta Tech의 MIN-HR-1 광학용 폴리머가 있다.
이렇게 얻은 렌즈 시트(120)를 몰드(110)에서 꺼내면, 도 4의 (f)에서와 같이, 복수의 미소 렌즈(124)가 시트(120)의 기부(122) 상면으로부터 돌출한 것을 확인할 수 있다. 이들 미소 렌즈(124)는 도 4의 (d)에서 얻은 렌즈 구조(108)와 동일한 형상이고, 마찬가지로 300㎛ 이상의 높은 새그를 갖게 된다. 이와 같은 렌즈(124)의 높은 새그는 도 6의 그래프를 참조할 수 있다.
이와 같은 얻은 하이 새그 렌즈(124)는 LED 칩에서 발생한 빛을 안내하도록 도 5에서와 같이 어레이 형태로 사용될 수 있다. 이와 달리, 각각의 하이 새그 렌즈(124)는 개별적으로 LED 패키지와 함께 사용될 수 있다.
전술한 하이 새그 렌즈 제조 방법에 따라 네 가지 유형의 하이 새그 렌즈를 제조하였다. 먼저, TOK사의 HM-3000 포토레지스트를 500, 400, 350 및 250rpm으로 1 분 동안 Si 웨이퍼에 코팅하고 50℃ 오븐에서 30 분 동안 베이킹하고, 동일하게 코팅하여 70℃ 오븐에서 3 시간 30 분 동안 베이킹하며, 동일하게 코팅하여 90℃ 오븐에서 5 시간 동안 베이킹하여, 도 4의 (b)와 같은 포토레지스트 적층체를 얻었다. 이때, 포토레지스트 적층체는 150, 170, 200 및 250㎛의 두께로 각각 형성하였다.
이어, 3.5mW/mm2의 강도를 갖는 자외선 노광기를 사용하여 5 시간 동안 노광하고 TOK사의 P-7G 현상액을 이용하여 실온에서 3 시간, 4 시간, 4 시간 10 분 및 6 시간 동안 현상하여 도 4의 (c)와 같은 예비 구조를 얻었다. 다음에, 핫플레이트에서 120℃로 2 분 동안 리플로를 수행하여 도 4의 (d)와 같은 렌즈 구조를 얻었다. 얻은 렌즈 구조는 각각 300, 375, 400 및 500㎛의 새그를 가졌다.
이어, 도 3의 S112와 S114 즉 도 4의 (e) 내지 (h)의 과정을 통해 위의 렌즈 구조와 동일한 형상의 하이 새그 렌즈, 즉 300, 375, 400 및 500㎛의 새그를 갖는 미소 렌즈를 얻었다.
아래의 표 1에서는 이들 하이 새그 렌즈를 사용할 때의 LED 패키지의 광 효율을 이들 렌즈가 없는 경우와 비교하였다. 표 1에서 ηext는 외부 광 효율을 나타낸다.
렌즈 새그 (㎛) ηext(%)
렌즈가 없을 때 75.6
300 88
375 96
400 97
500 98
위에서 살펴본 바와 같이, 300㎛ 이상의 하이 새그 렌즈를 사용하면 높은 광 효율을 얻을 수 있는 것을 알 수 있다. 특히, 375㎛ 이상의 높은 새그에서는 96% 이상의 매우 우수한 광 효율을 얻을 수 있고, 실험 오차를 고려할 때 500㎛ 이상에서는 새그를 증가시켜도 광 효율이 비례하여 증가하지 않는 것을 알 수 있다. 또, 375내지 400㎛ 새그 근방의 광 효율은 500㎛ 새그의 광 효율과 실질적인 차이가 없으므로 대략 375 내지 400㎛의 새그로 미소 렌즈를 형성하면 좋다.
전술한 바와 같이, 고점성 포토레지시트를 복수 회에 걸쳐 코팅하고 베이킹한 다음 리플로 작업을 함으로써 높은 새그를 갖는 미소 렌즈 구조를 얻을 수 있다. 또, 이 미소 렌즈 구조로부터 높은 새그의 미소 렌즈를 제조함으로써 이 하이 새그 미소 렌즈가 적용되는 LED 패키지의 광 효율을 개선할 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경할 수 있음을 이해할 것이다.

Claims (10)

  1. (가) 고점성의 포토레지스트를 실리콘 웨이퍼 위에 코팅하고 베이킹하는 것을 일정 횟수로 반복하여 포토레지스트 적층체를 형성하는 단계;
    (나) 상기 포토레지스트 적층체를 노광과 현상을 통해 미리 정해진 모양으로 전환시키는 단계;
    (다) 상기 형상화된 적층체를 열처리하여 높은 새그(high sag)를 갖는 미소 렌즈 모양의 구조를 얻는 단계;
    (라) 상기 렌즈 모양 구조로부터 그 미소 렌즈 모양이 음각된 몰드를 얻는 단계; 및
    (마) 상기 몰드를 이용하여 광학 폴리머로 높은 새그를 갖는 렌즈를 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 하이 새그 렌즈 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 (가) 단계는 코팅과 베이킹을 3 회 반복하되, 베이킹은 서로 다른 조건으로 수행하는 것을 특징으로 하는 하이 새그 렌즈 제조 방법.
  3. 제2항에 있어서, 상기 (가) 단계는
    (a) 포토레지스트를 200 내지 500rpm으로 30초 내지 2분간 코팅하고 오븐에 서 40 내지 70℃로 20 내지 40분 동안 베이킹하는 단계;
    (b) (a) 단계에서 얻은 구조 위에 포토레지스트를 200 내지 500rpm으로 30초 내지 2분간 다시 코팅하고 오븐에서 60 내지 80℃로 3 시간 내지 5 시간 동안 베이킹하는 단계; 및
    (c) (b) 단계에서 얻은 구조 위에 포토레지스트를 200 내지 500rpm으로 30초 내지 2분간 다시 코팅하고 오븐에서 80 내지 110℃로 4 시간 내지 6 시간 동안 베이킹하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 하이 새그 렌즈 제조 방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 (나) 단계는 상기 적층체를 자외선에 3 내지 5mW/mm2의 강도로 3 내지 7 시간 동안 노광시키는 것을 특징으로 하는 하이 새그 렌즈 제조 방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 (나) 단계는 현상 작업을 통해 상기 적층체를 상자 또는 원판 모양의 복수의 구조로 분리하는 것을 특징으로 하는 하이 새그 렌즈 제조 방법.
  6. 제1항에 있어서, 상기 (다) 단계는 100 내지 150℃의 온도로 1 내지 5분 동 안 리플로 작업을 수행하는 것을 특징으로 하는 하이 새그 렌즈 제조 방법.
  7. 제1항에 있어서, 상기 (다) 단계에서 얻은 미소 렌즈 모양의 구조는 300㎛ 이상의 새그를 갖는 것을 특징으로 하는 하이 새그 렌즈 제조 방법.
  8. 제1항에 있어서, 상기 (마) 단계에서 얻은 렌즈는 300㎛ 이상의 새그를 갖는 것을 특징으로 하는 하이 새그 렌즈 제조 방법.
  9. 제1항에 있어서, 상기 광학 폴리머는 자외선 경화성 폴리머인 것을 특징으로 하는 하이 새그 렌즈 제조 방법.
  10. 제1항 내지 제9항 중의 어느 한 항에 기재한 방법에 의해 제조된 것을 특징으로 하는 하이 새그 렌즈.
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