KR100717851B1 - 미세가공 기술을 이용한 마이크로렌즈 배열 시트 및 그제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 미세가공 기술을 이용한 마이크로렌즈 배열 시트로써, 레이저 미세가공 기술을 이용하여 렌즈사이에 경계 홈을 구비한 곡면을 포함한 요철형상의 마이크로 렌즈 배열 및 상기 마이크로 렌즈 배열 상부에 적층되는 공극 채움막을 포함한다.

마이크로렌즈, 공극 채움막, 레이저, 미세가공

Description

미세가공 기술을 이용한 마이크로렌즈 배열 시트 및 그 제조방법{Microlens Array Sheet using MEMS and Manufacturing Method thereof}

도 1은 기존 마이크로렌즈 배열 시트의 단면도이다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로렌즈 배열 시트의 단면도이다.

{도면의 주요 부호에 따른 설명}

1 : 마이크로렌즈 배열 2 : 마이크로렌즈 경계

3 : 경계 홈 4 : 공극 채움막

본 발명은 미세가공 기술을 이용한 마이크로렌즈 배열 시트 및 그 제조방법에 관한 것으로써, 특히 레이저 미세가공 기술을 이용하여 마이크로렌즈 배열을 제작한 후 공극 채움막을 형성하는 것을 특징으로 하는 금형 제조 방법을 포함하는 마이크로렌즈 배열 시트 및 그 제조방법에 관한 것이다.

레이저 미세가공 기술은 복잡한 3 차원 구조물을 기존의 반도체 가공기술을 이용할 때 보다 비교적 손쉽게 제조가 가능하며 설비가 상대적으로 간단하다는 장점으로 인해 많은 관심을 끌고 있다. 또한 레이저 가공기술은 반도체 재료뿐만 아니라 세라믹, 금속, 폴리머 등과 같은 다양한 소재의 가공이 가능한 이점이 있다.

레이저를 이용한 3 차원 구조물 제조기술의 대표적인 예로 레이저 빔의 위치에서 국소적으로 증착을 유도하여 증착물이 3 차원 구조를 형성하도록 하는 증착가공, 식각액체나 기체 속에서 레이저 빔이 조사된 영역만이 식각(etching)을 통해 조금씩 깎여 나가도록 하는 식각가공, 혹은 광폴리머(photopolymer)에 레이저 빛을 조사하여 빛에 노출된 폴리머 용액만이 경화되게 하는 광조형법 등이 있다.

레이저 미세가공기술로 제조가 가능한 3 차원 구조물의 형상은 주로 직선구조와 곡선구조의 복합으로 되어 있으며 따라서 정확한 가공을 위해서 정밀한 직선 (linear translation) 및 회전(rotation) 이송이 필수적이다. 직선이송의 경우 0.1mm 까지 반복 정밀도 확보가 가능하며 회전에 있어서는 50mrad 의 각도 분해능을 얻을 수 있다.

또한, 일반적으로 반도체소자, 광 소자, 액정표시소자, 미세전기기계(MEMS) 소자 등은 반도체 일관 공정으로 제작된다. 반도체 일관 공정은 소정의 패턴이 형성되어 있는 마스크 또는 레티클을 이용한 사진 공정 후 노출된 영역을 선택적으로 제거하는 식각 공정을 반복적으로 실시하여 이루어진다. 이러한 반도체 일관 공정은 패턴이 고정되어 있는 마스크나 레티클을 사용해야 함으로써, 패턴이 변화함에 따라 필연적으로 새로 제작을 해야 되며 이에 따른 생산비용 및 생산시간의 추가는 불가피하게 된다. 개발기간 및 상품의 수명이 짧은 소자를 반도체 일관 공정을 이 용하여 제작하는 경우에는 상기의 요인들로 인하여 제작 단가의 상승 및 신속한 신제품 대응에 어려움이 생기게 된다. 또한 노광 공정을 이용한 패턴 제작은 광원의 한계로 인하여 일정수준 이하의 패턴 미세화가 어려운 단점이 있다.

최근 레이저 미세가공 기술의 발달로 복잡한 3차원 미세 형상의 가공이 가능하게 되었다. 레이저 미세가공 기술의 장점으로는 3차원의 미세 형상을 한번의 공정으로 제작할 수 있으며, 마스크나 레티클의 제작이 불필요하고 반도체 노광 장비에 비해 상대적으로 짧은 파장의 레이저를 사용함으로써 미세 패턴에 대응이 가능하다. 특히, 빔 프로파일의 최적화를 위한 레이저 제어 장치 및 형성 패턴의 품질 향상을 위한 스테이지 구동부의 고정밀화를 통하여 미세 패턴을 대면적으로 형성하는 것이 가능하게 되었다. 그러나, 레이저 미세가공으로 제작된 패턴의 경계 영역은 레이저 가공 방식의 특성상 90^o의 수직 형상을 얻을 수 없게 되고, 디스플레이 시스템의 광 시트로 적용할 경우 패턴의 경계 영역은 광 손실을 발생시키는 요인으로 작용하게 된다.

본 발명의 목적은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로써, 레이저 미세가공을 이용한 마이크로렌즈 배열 시트의 제조 과정 중에 발생되는 광 손실 현상을 개선하여 광 효율을 향상시키고, 마이크로렌즈의 시야각을 제어 가능한 마이크로렌즈 배열 시트 및 그 제조방법을 제공하는 데 있다.

본 발명은 미세가공 기술을 이용한 마이크로렌즈 배열 시트로써, 레이저 미세가공 기술을 이용하여 렌즈사이에 경계 홈을 구비한 곡면을 포함한 요철형상의 마이크로 렌즈 배열 및 상기 마이크로 렌즈 배열 상부에 적층되는 공극 채움막을 포함한다.

본 발명에서 상기 마이크로 렌즈 배열을 이루는 마이크로 렌즈는 렌티큘러 렌즈, 벌집형 렌즈를 포함하는 다각형 렌즈, 원형 또는 타원형 렌즈 중 선택되는 1종의 렌즈로 형성되는 것이 바람직하다.

본 발명에서 상기 마이크로 렌즈 배열을 이루는 마이크로 렌즈는 광을 투과시키는 유기물 또는 무기물인 것이 바람직하다.

본 발명에서 상기 마이크로 렌즈 배열을 이루는 마이크로 렌즈는 경계 홈의 높이를 조절하여 마이크로 렌즈의 시야각이 조절되는 것이 바람직하다.

본 발명은 레이저 미세 가공 기술을 이용한 마이크로렌즈 배열 시트 제조방법에 관한 것으로써, a) 레이저 미세 가공 기술을 이용하여 렌즈사이의 경계홈을 구비한 곡면을 포함한 요철 형상의 마이크로 렌즈 배열을 제작하는 단계; 및 b) 상기 마이크로 렌즈 배열 상부에 공극 채움막을 형성하는 단계를 포함한다.

본 발명에서 상기 단계 b)의 공극 채움막을 형성하는 방법은 전해 도금법 또는 무전해 도금법, 스퍼터링 또는 승화 증착법, 화학 기상 증착법 및 스핀 코팅 또는 스프레이 코팅법을 이용하는 것이 바람직하다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명하기로 한다. 하기의 각 도면의 구성 요소들에 참조 부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하며, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 미세가공 기술을 이용한 마이크로렌즈 배열 시트의 단면도이다.

상기 실시예에서, 마이크로렌즈 배열 시트는 마이크로렌즈 배열(1) 및 공극채움막(4)을 포함한다.

상기 실시예는, 마이크로렌즈 배열(1)에 경계 홈(3)을 형성하는 방법을 개략적으로 나타낸 것이다.

도 2를 참조하면, 레이저 미세가동의 단점인 마이크로렌즈 경계 영역의 광 손실을 최소화하기 위해 마이크로렌즈 배열의 레이저 미세가공 단계에서 경계 홈(3)을 구비하고 공극 채움막(4)을 더 추가하여 광 효율을 극대화시킨다.

상기 마이크로렌즈 배열(1)상에 형성된 개개의 렌즈 사이를 레이저 미세가공으로써 곡면을 포함한 요철형상으로 제작한다.

상기 마이크로렌즈는 평면 볼록(planar-convex) 렌즈로 형성된 것이 바람직하며, 상기 마이크로렌즈의 형상은 방향에 따라 광 출사각을 다르게 제어 할 수 있 게 하기 위하여 수평 과 수직의 곡률이 다른 형태를 갖게 되며, 배열은 벌집형, 직육각형을 포함한 육각형, 다이아몬드 형태의 마름모, 직사각형, 삼각형의 형태를 갖는 것이 효과적이다. 그리고, 상기 기판에 배열된 마이크로렌즈 사이의 간격은 거의 없는, 즉 채움율이 100%에 가까움으로서 광효율을 극대화 할 수 있다. 본 발명에서는 레이저 미세가공을 이용하여 마이크로렌즈 및 마이크로렌즈 사이의 공극을 형성한 후, 공극 채움막을 더 추가하여 채움율 100%를 달성하는 것이 가능하다. 한편, 상기 기판에 형성된 마이크로렌즈 사이의 배열은 마이크로렌즈의 가장자리를 서로 겹치도록 구성할 수도 있다. 이 때, 그 가장자리가 겹치도록 구성된 상기 마이크로렌즈 경계면의 절단면은 임의의 곡률을 갖도록 형성된 것이 바람직하다. 광 특성을 결정하는 마이크로렌즈의 단면 형상은 용도에 따라 구면 또는 비구면이 될 수 있다.

또한, 상기 마이크로렌즈의 광출사각의 범위는 렌즈 평면의 법선에 대하여 횡축으로 좌우 출사각은 30도 이상으로, 종축으로 상하 출사각은 10도 이상으로 형성된 것이 바람직하다. 광출사각은 정면 이득(gain) 값을 기준으로 절반을 얻는 각도를 말한다.

그리고, 상기 기판은 렌즈 성형 시 필요한 받침 역할을 하는 것은 다중체(polymer) 재질로 형성된 것이 효과적이며 PET등이 재료로 이용되는 것이 바람직하다. 마이크로렌즈 배열을 형성하는 수지와 받침 역할의 시트의 재료는 높은 투과도를 갖으며, 굴절율은 1.5이상을 사용하는 것이 바람직하다.

상기 마이크로렌즈는 타원형 또는 육각형 또는 사각형 형태의 단위 마이크로 렌즈가 이차원적으로 배열되어 구성된 평면-볼록 렌즈로 구면 또는 비구면 형태의 마이크로렌즈로 구성될 수도 있다. 단위렌즈 크기는 약 150um 이하의 피치로 배열된다. 피치의 크기는 무아레 방지를 고려하여 설계한다.

상기 마이크로렌즈는 광출사각의 조절을 위하여 렌즈의 상하 좌우 곡률이 다르게 형성된 것을 특징으로 하며 마이크로렌즈의 곡률은 앞서 설명한 마이크로렌즈의 상하 좌우의 각 길이를 포함하여 렌즈의 높이(sag) 및 각각의 비구면 상수 값에 의해 결정된다.

상기 마이크로렌즈 배열(1) 상부에는 공극 채움막(4)이 형성된다.

상기 공극 채움막(4)은 일반적인 박막 형성 방법들로 형성될 수 있는데, 전해 도금이나 무전해 도금 등으로 형성될 수 있고, 스퍼터링이나 승화 증착법으로 형성될 수 있으며, 화학 기상 증착 방법이나 스핀 혹은 스프레이 코팅법으로도 형성될 수 있다.

또한, 상기 설명한 마이크로렌즈 배열 시트 제조 방법은 대량 생산을 위한 제조 방법으로 사용될 수 있으며, 대량 생산을 위한 원판을 형성하기 위한 제조 방법으로도 사용될 수 있다. 상기와 같은 방법을 통해 제조된 원판 마이크로렌즈 배열 시트의 구조는 금형(master)을 제조하기 위한 몰드(mold)로 사용될 수 있어, 이를 원판으로 하고 금형 복제 및 사출 등의 기술을 이용하여 동일한 구조의 마이크로렌즈 배열 시트 복제품을 대량으로 생산할 수 있다.

상기와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만 해당 기술 분야의 숙련된 당업자라면 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

상술한 바와 같이 본 발명에 의하면, 기존의 반도체 일관 공정으로 제작되는 방법에 비해 레이저 미세가공 기술을 이용함으로써 공정단계를 줄여 생산성을 향상시킬 수 있으며, 사용자가 원하는 3차원 미세형상의 제작이 가능하여 정밀한 표면형상이 요구되는 디스플레이 시스템의 광 시트로 응용이 가능하다.

Claims (10)

1. 레이저 미세가공 기술을 이용하여 렌즈사이에 경계 홈을 구비한 곡면을 포함한 요철형상의 마이크로 렌즈 배열 및 상기 마이크로 렌즈 배열 상부에 적층되는 공극 채움막을 포함하고,

   상기 마이크로 렌즈 배열을 이루는 마이크로 렌즈는 경계 홈의 높이를 조절하여 마이크로 렌즈의 시야각이 조절되는 것을 특징으로 하는 미세가공 기술을 이용한 마이크로렌즈 배열 시트.
2. 제 1항에 있어서, 상기 마이크로 렌즈 배열을 이루는 마이크로 렌즈는 렌티큘러 렌즈, 벌집형 렌즈를 포함하는 다각형 렌즈, 원형 또는 타원형 렌즈 중 선택되는 1종의 렌즈로 형성되는 것을 특징으로 하는 미세가공 기술을 이용한 마이크로렌즈 배열 시트.
3. 제 1항에 있어서, 상기 마이크로 렌즈 배열을 이루는 마이크로 렌즈는 광을 투과시키는 유기물 또는 무기물인 것을 특징으로 하는 미세가공 기술을 이용한 마이크로렌즈 배열 시트.
4. 삭제
5. a) 마이크로 렌즈의 시야각을 결정한 후 렌즈사이의 경계홈의 높이를 결정하는 단계;

   b) 레이저 미세 가공 기술을 이용하여 상기 마이크로 렌즈의 시야각에 따라 조절되는 렌즈사이의 경계홈을 구비한 곡면을 포함한 요철 형상의 마이크로 렌즈 배열을 제작하는 단계; 및

   c) 상기 마이크로 렌즈 배열 상부에 공극 채움막을 형성하는 단계를 포함하는 미세가공 기술을 이용한 마이크로렌즈 배열 시트 제조방법.
6. 제 5항에 있어서, 상기 단계 c)의 공극 채움막을 형성하는 방법은 전해 도금법 또는 무전해 도금법을 이용하는 것을 특징으로 하는 미세가공 기술을 이용한 마이크로렌즈 배열 시트 제조방법.
7. 제 5항에 있어서, 상기 단계 c)의 공극 채움막을 형성하는 방법은 스퍼터링 또는 승화 증착법을 이용하는 것을 특징으로 하는 미세가공 기술을 이용한 마이크로렌즈 배열 시트 제조방법.
8. 제 5항에 있어서, 상기 단계 c)의 공극 채움막을 형성하는 방법은 화학 기상 증착법을 이용하는 것을 특징으로 하는 미세가공 기술을 이용한 마이크로렌즈 배열 시트 제조방법.
9. 제 5항에 있어서, 상기 단계 c)의 공극 채움막을 형성하는 방법은 스핀 코팅 또는 스프레이 코팅법을 이용하는 것을 특징으로 하는 미세가공 기술을 이용한 마이크로렌즈 배열 시트 제조방법.
10. 삭제

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