KR100878966B1 - 높은 포커싱 효율을 갖는 마이크로렌즈 어레이 - Google Patents

Abstract

높은 포커싱 효율을 갖는 마이크로렌즈 어레이(105)가 개시된다. 높은 포커싱 효율은 높은 필팩터에서 어레이를 구성하는 개개의 마이크로렌즈를 정확하게 제조함으로써 이루어진다. 포지티브 마이크로렌즈의 어레이는 직접 기록 레이저를 이용하는 포지티브 포토레지스트(21)에서 오목 표면-양각 패턴(101)을 갖는 마스터를 형성함으로써 이루어진다. 이러한 방법을 통하여, 바람직한 마이크로렌즈 프로파일을 갖는 유한한 레이저 빔의 컨벌루션과 관련된 문제는 해결된다. 본 발명에 따른 마이크로렌즈 어레이의 포커싱효율은 적어도 75%가 된다.

마이크로렌즈, 마이크로렌즈 어레이, 필팩터, 포토레지스트, 컨벌루션

Description

높은 포커싱 효율을 갖는 마이크로렌즈 어레이{MICROLENS ARRAYS HAVING HIGH FOCUSING EFFICENCY}

본 발명은 높은 포커싱 효율을 갖는 마이크로렌즈 어레이 및 그 제조방법에 관한 것이다.

본 발명은 광섬유에 레이저광을 효과적으로 포커싱하고, 광을 확산시키며, 투사 및 전송 디스플레이나 그 밖의 응용에 대해 코히런트 또는 인코히런트 광의 산란을 제어하는데 응용될 수 있다.

정의

본 명세서에서 사용되는 용어의 정의는 다음과 같다.

"마이크로렌즈 어레이"는 마이크로렌즈 어레이 및 각 단위셀에 결합된 하나의 마이크로렌즈를 구비한 결합된 단위셀의 어레이를 말한다. 본 발명에 따른 마이크로렌즈 어레이는 원하는 구조를 가질 수 있고, 예를 들면, "광 확산 제어용으로 설계된 스크린(Structured Screens for Controlled Spreading of Light"의 명칭으로 G.Michael Morres와 Tasso R.M.Sales의 이름으로 2000년 7월 31일에 출원된 미국 특허출원 제60/222,033호에 개시된 형태의 지지 "피스톤(piston)"로 제조될 수 있다. 이 내용은 본 명세서에서 전체적으로 참조되어 구체화된다. 따라서, 여기서 사용되는 용어인 "마이크로렌즈(microlens)"는 광을 포커싱할 수 있는 임의의 마이 크로 구조를 의미한다.

마이크로렌즈 어레이의 "필팩터(fill factor)"는 단위셀 총 면적에 대한 마이크로렌즈에 의해 점유된 단위셀 내의 총 면적의 비를 말한다.

마이크로렌즈 어레이의 "포커싱 효율(focusing efficiency)"은 시준된, 실질적으로 공간적인 인코히런트 광원, 예를 들면 시준된 백색광원에 의해 그 광축을 따라 발광되는 어레이에 대해 어레이의 단위셀에 부딪히는 광 강도의 합에 의해 분리된 마이크로렌즈의 초점에서 측정된 광 강도의 총합을 말한다. 본 발명 분야의 기술자에게 인식되듯이, 이것은 포커싱효율의 "스트렐-타입(Strehl-type)" 정의이다.

오목 마이크로렌즈는 전형적으로 허 초점을 갖기 때문에(즉, 대기 중의 평오목 크로렌즈는 음의 파워를 갖고, 따라서 시준된 광에 대해 허 초점을 갖는다), 이 경우, 그 강도가 측정될 수 있도록 실 초점을 생성하기 위해서 보조 광 시스템이 사용된다. 적어도 어느 정도까지는, 보조 광 시스템은 실 초점에서 강도가 감소되고, 감소는 허 초점에 대한 강도값을 결정할 때 고려되어져야 한다.

아나모픽(anamorphic) 마이크로렌즈의 경우, 마이크로렌즈의 각 초점의 광 강도는 측정된 광 강도의 합에 포함된다.

마이크로렌즈는 단일렌즈로 또는 다수의 빔이 다수의 섬유로 포커싱되는 어레이 형태로, 광을 레이저로부터 섬유로 커플링하는 것과 같은 많은 응용에서 필요하다. 다른 중요한 응용은 광의 확산 및 스크린을 포함한다.

응용에 따라서는, 제어된 초점 특성을 갖는 정밀한 프로파일(profile)의 마이크로렌즈가 필요하며, 어레이의 경우에는 어레이의 대부분의 렌즈에 고품질을 필요로 한다. 효과적으로 광을 포커싱하기 위해, 렌즈 프로파일(또는 새그 함수(sag function))은, 예를 들면 4/λ와 동일하거나 또는 그 이상으로 정확하게 제조되어야 한다. 여기서, λ는 발광원의 파장이다.

또한, 특히 고밀도 커플링, 확산 또는 스크린 응용에 있어서는, 마이크로렌즈는 포커싱이 전 표면에 사용되므로 중요하다. 이러한 방법에서, 필수적으로 모든 입사광은 어레이에 의해 제어될 수 있다. 전체 유효 표면적이 포커싱에 사용될 때, 어레이는 100% 필팩터를 갖는다.

마이크로렌즈의 밀폐 패킹(close packing)은 필팩터가 100%와 동일하다는 것을 의미하고, 이웃하는 마이크로렌즈들 사이의 내부 경계가 밀접하여 접촉된 것을 의미한다. 밀폐 패킹의 간단한 예는 육각 어레이다. 사각 어레이와 같은 다른 배열 또한 밀접하게 패킹될 수 있다.

과학 내지 문헌에서, 100% 이하의 필팩터를 갖는 마이크로렌즈 어레이가 발견된다. 도 1에는 마이크로렌즈(12)가 각각의 마이크로렌즈들 사이에 공간을 갖는 유효 기판 면적(11) 위에 규칙적으로 배치되어 있는 어레이가 도시되어 있다. 도 1에서 어레이의 단위셀 중 하나가 점선(13)에 의해 도시되어 있다. 이 어레이의 필팩터는 단지 44%이다.

마이크로렌즈의 경계가 밀접하게 접촉되는 것을 피하기 위해, 그 에지(edge)가 잘 분리된 고립된 마이크로렌즈 유닛 또는 마이크로렌즈 어레이를 제조하는 여 러 가지 방법이 있다. 인접하는 렌즈의 내부 경계 사이의 유한한 거리가 있기 때문에, 어레이의 필팩터는 1 (또는 100%)보다 필연적으로 적게 된다.

종래의 제조방법을 사용하여 효과적으로 밀접하여 패킹된 렌즈 어레이를 얻기가 어려운 것은 마이크로렌즈, 특히 소형의 강한 초점 렌즈에 대한 경계를 정확하게 유지하는 방법이 없기 때문이다.

미국특허 제5,324,623호에 개시된 바와 같이, 열변형을 사용하는 방법은 부피 이완에 기초하고 있으나, 렌즈 사이의 내부 경계에서 물질이 용융되는 것을 제어 할 수 없다. 용융에 의해, 포커싱 능력(focusing capabilities)을 감소시키는 왜곡(distortion)이 생긴다. 따라서, 열변형 방법은 실시하기가 간단하나, 개별적인 마이크로렌즈 구조를 제하하는데 한계가 있다.

미국특허 제5,300,623호에 개시된 것과 같은 다른 방법에서는 경화액(curable liquids)의 저장소로서 한정되는 기계적 몰드를 생성하는 것을 포함한다. 경화액은 저장소에 주입되고, 표면 장력은 상기 마이크로렌즈로서 역할을 하는 만곡 형태의 표면을 생성한다. 다양한 저장소를 구비한 몰드는 어레이의 배열을 결정한다. 마이크로렌즈 유닛의 형태를 제어하는데 있어서 이러한 방법의 고유한 한계 때문에, 그 효율은 일반적인 응용보다 최적화될 수 없다. 다이아몬드 전환과 같은 개별적인 마이크로렌즈의 직접적 제어에 기초한 다른 기계적 방법들은 어레이보다는 개별적인 마이크로렌즈의 제조에 있어 보다 적합하다.

미국특허 제5,867,321호에서 개시된 것과 같은 그래디언트-인덱스(gradient-index) 어레이를 제공하는 이온 확산 공정에 기초한 방법은 두 개의 인접하는 마이 크로렌즈의 영역이 통상 마이크로렌즈 반복 거리(repetition spacing)의 20%가 된다는 점에서 100% 필팩터를 제공할 수 없다. 그래디언트-인덱스 어레이는 본질적으로 느린 확산 과정으로 인해 대량생산에 심각한 제한이 존재한다.

포토레지스트에 직접적인 레이저 기록을 사용하여 마이크로렌즈 어레이를 제조하는 공정은 본 발명 분야에 알려져 있다. PCT 특허공개 WO 99/64929, Gale 등, 미국특허 제4,464,030호 및 마이크로-옵틱스(Micro-optics): 소자, 시스템 및 응용(Elements, systems and application), Hans P.Herzig, ed., Taylor & Francis, Bristol, PA, 1997,pp.53-152을 참조하라. 상기 방법에서 포토레지스트의 선택은 네거티브 포토레지스트에 비해 포지티브 포토레지스트가 더 넓게 이용되고, 포토레지스트 제조자들에 의해 보다 철저한 연구와 개발노력이 있었으며, 일반적으로 더 높은 해상도를 갖기 때문에 포지티브 포토레지스트를 선택한다. 그러나 이하에서 상세히 설명하는 바와 같이, 본원발명을 하기 전에는 포지티브 포토레지스트를 사용하여 높은 필팩터로 높은 포커싱 효율을 갖는 포지티브 마이크로렌즈 어레이를 제조하는 것은 가능하지 않았다.

본 발명은 고 필팩터로 정밀한 마이크로렌즈 어레이의 제조를 통하여 높은 포커싱 효율을 갖는 마이크로렌즈 어레이의 제조방법을 제공함으로써 종래기술에 있는 어려움을 제기하고 있다. 어레이는 사각, 육각 또는 랜덤하게 임의의 방법의 배열될 수 있다. 또한 상기 방법은 임의의 형태뿐만 아니라 상이한 방향에서 포커싱 파워가 변화하는(아나모픽 렌즈) 마이크로렌즈를 제조할 수 있다. 여기에서, 아나모픽이란 당업계에 주지되어 있는 바와 같이 수평과 수직의 확대비율이 서로 상이한 것을 말한다.

이와 같은 관점에서, 본 발명의 목적은 적어도 다음 중 몇 가지 또는 전체를 포함한다.

(1) 고 포커싱 효율을 갖는 볼록 마이크로렌즈의 어레이를 제조하기 위한 제조방법의 제공;

(2) 75%의 포커싱 효율 이상, 바람직하게는 85%의 포커싱 효율 이상, 가장 바람직하게는 95%의 포커싱 효율 이상을 갖는 볼록 및/또는 오목 마이크로렌즈의 어레이의 제공;

(3) 높은 필팩터로 볼록 마이크로렌즈의 어레이의 정밀한 제조하기 위한 방법의 제공; 및/또는

(4) 기판의 전체 유효 면적이 포커싱 또는, 보다 일반적으로는, 발광 빔의 산란에 사용될 수 있도록 90% 이상의 필팩터, 바람직하게는 95%이상의 필팩터, 가장 바람직하게는 거의 100%의 필팩터를 갖는 정밀하게 제조된 볼록 및/또는 오목 마이크로렌즈의 어레이의 제공.

상기 목적과 관련하여, 본 발명의 또 다른 목적은 어레이의 마이크로렌즈가 어레이 내에서 랜덤하게 변화할 수 있는 임의의 형태(새그 함수)를 갖도록 하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 높은 필팩터로 볼록 마이크로렌즈 어레이를 제조하기 위하여 포지티브 포토레지스트를 사용하는 개선된 방법을 제공하는 것이다.

상기 목적들을 달성하기 위해, 본 발명은 초기 마스터의 표면 구조가 원하는 볼록 마이크로렌즈 어레이의 네거티브 (보충)인 포지티브 포토레지스트에서 초기 마스터(초기 몰드)를 제조하기 위해 직접적인 레이저 기록이 사용되는 볼록 마이크로렌즈 어레이를 제조하기 위한 제조방법을 제공한다. 즉, 초기 마스터는 볼록 대신에 오목의 표면 구조를 갖는다. 하기의 상세한 설명되는 바와 같이, 이러한 방법에 의하면, 레이저 빔의 유한한 사이즈 및 볼록 마이크로렌즈의 원하는 프로파일(profiles)을 갖는 빔의 컨벌루션(convolution)으로 인해 야기되는 문제점은 해결된다. 이러한 문제점을 해결함으로써, 고 포커싱 효율을 갖는 볼록 마이크로렌즈 어레이가 달성된다.

일반적으로, 마이크로렌즈 어레이의 고 포커싱 효율은 2가지 인자에 의존한다: (1) 높은 필팩터, 및 (2) 원하는 렌즈 프로파일의 정밀한 재 생산이다. 두 인자는 동시에 요구되며, 어느 하나의 인자만으로는 불충분하다.

따라서, 높은 필팩터는 레지스트 필름(resist film)의 모든 부분을 변경시키는 공정에 의해 달성될 수 있으나, 만일 변경이 원하는 렌즈 프로파일에 대응되지 않는다면, 어레이의 포커싱 효율은 여전히 개선될 수 없고, 이는 부정확한 프로파일을 갖는 레지스트 필름의 일부가 입사광을 적절하게 포커싱시키지 못하기 때문이다. 한편, 이격되어 있는 개별적인 마이크로렌즈를 구비한 원하는 렌즈 프로파일의 정밀한 재 생산은 낮은 포커싱 효율을 초래할 수 있는데, 이 경우 마이크로렌즈 사이의 공간을 통하여 빛이 통과한다.

본 발명에 따르면, 상기 두 인자는 포지티브 레지스트에서 볼록 렌즈를 초기에 기록하기 위해 오목 형태를 사용함으로써 처리될 수 있다. 이러한 방법에 따르면, 높은 필팩터로 원하는 렌즈 프로파일의 정밀한 제조를 통하여 고 포커싱 효율 이 달성될 수 있다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 본 발명은 초기 마스터(초기 몰드)를 제조하기 위해 제1 매체를 지지하도록 통상적으로 유리로 제조된 기판을 사용하여 이루어지고, 상기 마스터는 후에 저비용으로 원하는 마이크로렌즈 어레이의 정밀한 복제에 이용된다. 더욱 상세하게는, 감광성 포지티브 레지스트 필름은 최종 마이크로렌즈 어레이를 얻기 위해 원하는 두께를 유지하면서 적절한 두께까지 기판 상에 침적된다. 포지티브 레지스트는 빛에 노출되었을 때 부드럽게 변화하는 표면 양각 프로파일(surface-relief profile)이 생성되도록 낮은 콘트라스트(low-contrast) 종류가 바람직하다.

기판 상에 침적된 후에, 상기 포지티브 레지스트는 적절히 특성화된 프로파일을 갖는 레이저 빔에 노광된다. 소정의 샘플링 비(sampling rate)로, 레지스트 필름 영역은 레이저 빔에 노광된다. 빔 강도의 변화에 의해, 어레이 내의 각 마이크로렌즈의 형태의 보충은 레지스트 내에서 인코드된다. 특히, 레이저 빔 노광은 그 물리적 및 화학적 특성을 조정하여 감광성 필름에 잠상을 생성하게 된다.

다음에, 상기 필름은 표면-양각 구조를 생성하기 위해 현상(development)된다. 포지티브 종류의 레지스트 필름에 대해, 현상은 노광되지 않은 영역을 남겨두고 노광된 영역을 제가한다. 초기 마스터에 대한 표면-양각 구조 및 포토레지스트 타입의 상기 조합은 단지 상기 조합을 통해서만 높은 필팩터를 통하여 고 포커싱 효율이 이루어질 수 있고, 유한한 레이저 빔의 컨벌루션 효과가 최소화 될 수 있기 때문에 본 발명에서 아주 중요하다.

유한한 레이저 빔의 컨벌루션 효과는 레이저 빔 노광이 볼록 또는 오목 표면-양각 구조를 생성하든지에 본질적으로 무관하다고 고려되어지는 것이 일반적이다. 본 발명에 따르면, 이는 사실과 다르며, 사실은 오목 표면-양각 구조로서 볼록 마이크로렌즈 어레이용 초기 마스터를 제조함으로써, 높은 필팩터(즉, 필팩터는 100%와 동일하거나 또는 실질적으로 100%와 동일함)와 고 포커싱 효율(즉, 포커싱 효율은 적어도 75% 이상임)이 달성된다. 이러한 컨벌루션 문제를 야기하는 조합의 상세한 설명이 이하에서 설명된다.

레지스트 필름은 일반적으로 대량 복제에 적합하지 않기 때문에, 대량 복제에 적합한 몰드를 제작하기 위해 일반적으로 중간 복제 단계가 필요하다. 예를 들면, 오목 표면-양각 구조는 볼록 형태인 중간 마스터(중간 몰드)를 준비하는데 사용된다. 그 다음, 중간 마스터는 최종 마스터(최종 몰드)를 제공하기 위해 한번 복제되고 오목 형태가 된다. 최종 어레이가 볼록 형태를 갖고 높은 필팩터와 고 포커싱 효율을 제공하도록 하기 위하여, 대량 복제는 최종 오목 마스터로 가능하다.

어레이는 사각 또는 육각 어레이와 같이 규칙적으로 주기적 배열에 한정될 필요는 없으나, 설계의 요구에 의해 일반적인 임의의 형태가 될 수 있다. 더욱이, 렌즈 형태는 동일할 필요는 없으나, 사실상 어레이에 있는 각 마이크로렌즈가 다양하게 변할 수 있다. 예를 들면, 본 발명에 따른 기술은 전술한 "광의 퍼짐 제어용 구조 스크린(Structured Screens for Controlled Spreading of Light)"으로 출원된 미국 특허출원에서 설명된 마이크로구조의 배열 및 분포를 제조하는데 이용될 수 있다.

본 발명에서 중요한 점은 포지티브 레지스트 필름에서 형성된 오목 표면-양각 구조의 오목면의 상부가 바람직하게 배열되거나 또는 어느 인접 소자에 대하여 완만하게 변화하는 것이다. 만일 이러한 점이 만족되지 않는다면, 정밀한 프로파일은 단지 어레이의 일부에서만 제조될 수 있고, 어레이의 필팩터 및 포커싱 효율 모두 감소될 것이다.

도 1은 100% 미만의 필팩터를 갖는 렌즈 어레이의 평면도.

도 2는 표면 상에 침적된 감광성 필름을 구비한 유리 기판을 도시한 도면.

도 3은 명료한 화학적 특성(잠상) 영역을 생성하는 감광성 필름 상에 레이저 빔의 주사를 도시한 도면.

도 4a 및 4b는 볼록 구조의 제조에서 컨벌루션 효과를 도시한 도면.

도 5a 및 5b는 볼록 어레이 및 오목 어레이 각각에 대해 경질 제조에서의 상호작용을 도시한 도면.

도 6은 볼록 어레이의 마이크로렌즈 유닛의 포커싱 효율을 측정하는 방법을 도시한 도면.

도 7a 및 7b는 볼록 및 오목 형태 각각으로 제조된 동일한 마이크로렌즈 프로파일의 실험 도면.

도 8 및 9는 캐비티(cavities)의 에지 경계(edge boundaries)가 포토레지스트의 상부에 배열된 포지티브 포토레지스트에 형성된 오목 캐비티를 갖는 표면-양각 구조를 도시한 도면.

도 10a, 10b 및 10c는 볼록 마이크로렌즈의 최종 어레이를 획득하기 위해 오목 캐비티를 갖는 초기 몰드의 복제를 도시한 도면.

도면을 참조하면, 도 2에는 통상적으로 유리로 제조되는 기판(22) 상에 침적된 낮은 콘트라스트의 감광성 레지스트 필름(21)이 도시되어 있다. 필름의 두께는 렌즈 어레이에 의해 한정되는 전체 깊이 거리보다 같거나 그 이상이어야 한다. 상기 어레이의 전체 두께에 따라 상기 레지스트는 경화(hardening)와 같은 예비 공정이 요구될 수 있다.

초기 레지스트 공정 후에, 도 3에 도시된 바와 같이, 레이저 빔은 레지스트 필름에 포커싱되고, 전체 레지스트 표면을 노광시키기 위해 상기 표면을 따라 주사된다. 레이저 빔의 강도는 원하는 볼록 마이크로렌즈의 네거티브의 잠상이 레지스트 물질의 화학적 변형의 형태로 레지스트 내에서 각인되어지는 형식으로 각 점에서 변화한다.

표면-양각 구조를 얻기 위해, 화학적으로 조정되는 레지스트 필름은 현상 공정을 거치는데, 상기 공정은 상기 어레이의 전체 두께를 변화하는 시간 동안 용액, 예를 들면 표준 알칼리 현상액에 노출되는 과정으로 이루어진다. 보다 깊은 어레이는 보다 긴 현상 시간을 필요로 한다. 포지티브형 레지스트에 대해, 현상 공정은 노출되지 않은 영역을 남겨두고 노출된 영역을 제거한다.

상술한 본 발명에 따르면, 어레이 내의 각 마이크렌즈는 오목 형태의 포지티브 포토레지스트 내에서 제조될 필요가 있다. 단지 이러한 방법만이 마이크로렌즈 가 볼록 형태로 제조될 때 나타나는 라운딩 효과(rounding effect)를 현저하게 감소시킬 수 있다. 이것은 제조 공정 그 자체가 원하지 않은 표면-양각 프로파일로 되는 특징을 도입할 수 있기 때문이다.

원하는 표면-양각 구조와 기록 레이저 빔의 주어진 수학식을 고려하면, 양각 구조는 일반적으로 레이저 빔 함수를 갖는 원하는 표면 함수의 컨벌루션으로서 설명되는 레지스트 필름의 노출로 얻어진다. 컨벌루션의 작동은 하기 수학식 1에 의해 수학적으로 표현된다.

여기서 f 는 원하는 표면 양각을 나타내는 수학적 함수를 나타내고, g 는 기록 레이저 빔의 수학적 형태를 나타내며, S 는 제조되는 표면적, (x,y)는 감광성 필름 표면상의 점을 의미하며, F는 최종적인 표면 형태를 나타낸다.

수학식 1의 유용성은 상기 필름의 반응은 레이저 노광 강도와 정비례하고, 다수의 빔의 중첩은 단순한 부가 효과를 갖는다는 점에서 레이저 빔과 감광성 필름의 상호작용은 선형적이라는 가정에 있다. 유용한 접근을 위해 이러한 가정은 옳다고 하면, 볼록 형태, 즉 도 4a 및 4b 에 도시된 바와 같이, 레지스트 표면으로부터 돌출된 구조로 제조된 표면-양각 구조를 관찰할 수 있다.

기대된 컨벌루션 효과가 볼록 구조에서 즉시 관찰된다는 사실은 동일한 타입이 오목 형태에 대해서도 일어난다는 일반적인 믿음을 일으킨다. 사실, 만일 수학 식 1을 이용한다면, 그리고 오목형상을 얻는 것이 볼록형상에 -1을 곱하는 것 및 상수를 부가하는 것이 필요하다면, 최종적인 형태는 부호의 변화를 제외하면 오목 및 볼록 형태 양자에 대하여 동일하게 될 것이다.

그러나, 결국 레이저 빔과 감광성 필름의 상호작용이 비선형적이고, 따라서, 컨벌루션 효과는 대략적으로만 제조 공정을 설명할 수 있다. 사실상, 본 발명에 따르면, 레이저 기록 공정은 다이아몬드 기구(diamond tools)과 같은 견고한 기계적 장치의 수단에 의해 제조되는 공정과 유사하다.

상기 제조 공정에서도 여전히 컨벌루션 효과는 존재하나, 잠상 및 중첩 효과가 나타나지 않는다는 점에서 레이저 빔에 의한 것과는 다른 면이 있다. 상기 표면 양각을 생성하는 것은 제어된 표면과 기계적 기구의 접촉에 의해서다. 그러나 상기 오목 및 볼록 구조의 기계적 제조에서는 본질적으로 비대칭이 존재한다. 기구의 유한한 크기 때문에 두 인접하는 구조의 사이의 좁은 영역을 관통할 수 없으나, 두 오목 구조의 뾰족한 접촉점을 생성하는데는 어려움이 없게 된다. 이것은 도 5a 및 5b에 도시되어 있다.

본 발명에 따르면, 레이저 기록 공정은 유사한 원리에 따라 작동되고, 볼록 및 오목 형태를 고려할 때 유사한 비대칭을 보여준다는 것을 알 수 있다. 이러한 놀라운 결과는 완전히 패킹된 배열에서 상기 어레이의 어퍼춰(aperture)의 일부에서 정밀한 프로파일을 보증할 수 있는 종전의 방법과는 달리 완전 패킹된 볼록 마이크로렌즈 어레이를 제조할 수 있게 된다.

중요하게도, 오목 표면-양각 구조를 제조하기 위해 이용된 레이저 기록 공정 은 오목 구조를 위한 기계적 제어 장치의 이점뿐만 아니라 기계적 제어 방법의 이점을 능가하는 중요한 능력을 부여하고 있다. 예를 들면, 레이저 기록 공정에 의해 가공된 마이크로렌즈의 크기나 형상은 실제로 제한이 없다. 또한, 기계적 기구의 크기 자체는 인접하는 마이크로렌즈 사이의 경계영역 범위를 결정하나, 레이저 기록에 의하면 상기 영역은 줄어들 수 있다.

상기 구조의 정점에서 인접 오목면의 경계의 맨 끝단까지 오목 표면-양각 형태를 유지하기 위한 능력은 고 포커싱효율의 볼록 마이크로렌즈의 어레이 구조에 고려된다. 최종 볼록 마이크로렌즈가 완전 패킹된 배열을 갖기 때문이다. 대조적으로, 만일 어레이가 직접 볼록 형태로 제조된다면, 기계적 기구, 레이저 기구, 또는 다른 공정을 이용하는지에 무관하게 두 인접하는 마이크로렌즈의 경계는 포커싱에 이용될 수 없고, 따라서 어레이는 감소된 포커싱 효율을 가질 것이다.

기계적 또는 레이저 기구에 의하든지 무관하게 볼록 형태로 어레이를 제조하는데 있어서의 결점이 도 6에 도시되어 있다. 도 6에서, 원하는 마이크로렌즈의 형태는 파라미터 A로 표시된 포커싱 면적을 가진 곡선(61)이 된다. 그러나, 제조에 의해, 실제 마이크로렌즈 형태는 파라미터 B로 도시된 포커싱 면적을 갖는 곡선(62)이 된다. 마이크로렌즈 경계에서 관찰된 라운딩 효과는 마이크로렌즈의 초점 이외에 입사 조명을 변환시키므로 단지 면적 B만이 포커싱에 유용하게 된다. 상기 방법에 의하면 측정된 마이크로렌즈의 포커싱효율은 다음과 같다.

종래 기술에 의하면, 포커싱 효율이 100% 이하가 되도록 B는 언제나 A보다 작다. 본 발명에 따르면, 초기 표면-양각 구조는 렌즈간 뾰족한 경계가 최종적인 마이크로 어레이에서 바람직하게 가공되도록 오목 형태로 기록된다. 오목 마스터가 복제되면, B는 본질적으로 A와 동일한 볼록 어레이를 얻을 수 있다. 따라서, 포커싱효율은 100%가 된다.

상기 분석은, 특히 광이 큰 각에서 포커싱될 때 높은 개구수(numerical aperture)(패스트 렌즈)의 볼록 마이크로렌즈에서 실험적으로 인정되고 있다. 도 7a는 볼록 모드에서 제조된 직경 50 ㎛의 마이크로렌즈 어레이의 경우를 도시한 것이다. 마이크로렌즈 사이의 경계는 분명히 라운딩되어 있고, 포커싱에 사용하기에 효율적이지 않다. 본 어레이에서 각 마이크로렌즈에 대한 효율은 50%이다.

반면, 도 7b에서 도시한 바와 같이, 동일한 어레이가 오목 형태에서 가공될 때 보다 바람직한 결과가 얻어진다. 상기 어레이의 포커싱 효율은 100%가 된다. 또한, 상기 오목 표면-양각 구조체 효율의 손실 없이 완전히 패킹될 수 있다. 볼록 어레이의 직접 기록은 이와 같이 효율의 손실 없이 패킹에 이를 수 없다.

본 발명에 있어 또 다른 중요한 요소는, 도 8에 도시된 바와 같이 포지티브 포토레지스트에서 형성된 오목 표면-양각 구조의 오목면이 상기 레지스트의 표면에 정렬된 말단부를 가진다는 것이다. 바람직한 배열로부터의 변화는 저 전송 효율을 초래하는 극한의 마이크로렌즈의 초과적 라운딩을 피하기 위해 충분히 완만해야 한 다. 기계적 룰링과 레이저 기록 사이의 유사성은 "광의 퍼짐 제어용 구조 스크린(Structured Screens for Controlled Spreading of Light)"으로 명명된 미 특허출원에서의 "피스톤(piston)" 처럼 인접하는 오목면이 상대적인 수직 오프셋에 존재할 때 차이를 보인다. 몇몇 스크린 응용 타입에 있어서, 감소된 효율은 허용된다. 그러나, 다른 경우에는, 포커싱 효율 감소는 허용될 수 없다.

도 9를 참조하면, 오목 표면-양각 구조의 오목면의 상부 사이의 배열의 요구는 개개의 마이크로렌즈의 포커싱 특성이 랜덤하게 변하는 어레이를 요구하는 것과 양립된다. 이 경우 오목면의 정점들은 정렬되어지는 것이 요구되지는 않는다. 유사원리는 2차원 어레이에서도 적용된다.

현상 후 레이저 노광에 의해 얻어진 표면-양각 구조는 복제에 이용될 수 있는 초기 몰드를 공급한다. 감광성 필름을 구성하는 물질이 복제에 적합하면 마스터의 복제는 볼록 형태로 쉽게 가공될 수 있다. 오목 복제가 요구된다면, 볼록 기구가 요구되는 중간 복제 단계가 필요하며, 이에 의해 오목 어레이가 제조된다. 전형적으로, 감광성 필름은 대량복제에 적당하지 않으므로 몰드는, 예를 들면 보다 강한 플라스틱 수지로 만들어지는 것이 바람직하다.

도 10a 내지 도 10c는 상기 복제과정을 도시한 도면이다.

도 10a는 정렬된 상부를 구비한 오목형의 최초 표면 양각 구조(101)를 도시한 것이다. 기호 102는 유리기판을 나타낸다. 도 10b는 플라스틱수지(104)가 침전된 다른 기판(103)을 도시한 것이다. 도 10c는 원하는 볼록 마이크로렌즈(105) 의 어레이를 제작하기 위한 도 10b의 중간 복제 기구의 복제 결과를 도시한 도면이다.

도 10에 도시된 비슷한 결과는 오목형에서 포지티브 레지스트를 성형하는 최초 표면 양각 구조를 재차 구비하는 오목 마이크로렌즈의 고 효율, 고 필팩터 어레이의 제조에 이용될 수 있다.

본 발명분야의 기술자는 본 발명의 사상 및 범주를 벗어나지 않고 본 발명의 다양한 변형 및 변경을 할 수 있음은 명백할 것이다. 따라서, 본 발명은 첨부된 청구범위 및 그 균등물의 범위 내에서 제공되는 본 발명의 변형 및 변경을 포함한다.

Claims (23)

1. 피크와 밸리를 갖는 표면 구조를 갖고 다수의 단위셀 및 단위셀 당 하나의 마이크로렌즈인 다수의 마이크로렌즈들을 포함하는 마이크로렌즈 어레이의 제조방법에 있어서,

   (a) 포지티브 포토레지스트를 제공하는 단계;

   (b) 상기 마이크로렌즈 어레이의 표면 구조가 네거티브인 표면 구조를 갖는 마스터를 형성하기 위해 유한한 빔 폭을 갖는 레이저 빔으로 상기 포지티브 포토레지스트를 노광시키는 단계;

   (c) (i) 상기 마이크로렌즈 어레이를 제조하고, 및

   (ii) 상기 마이크로렌즈 어레이를 형성하는데 사용되는 상기 마이크로렌즈 어레이의 표면구조에 대하여 네거티브인 표면구조를 갖는 최종 마스터를 제조하기 위해 상기 마스터를 사용하는 단계를 포함하며,

   상기 마이크로렌즈 어레이는 상기 마스터가 인접하는 단위셀에서 적어도 두 개의 오목면들을 포함하도록 하기 위해 인접하는 단위셀에서 적어도 두개의 볼록 마이크로 렌즈들을 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로렌즈 어레이의 제조방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 마이크로렌즈 어레이는 상기 마스터가 단지 오목면만을 포함하도록 하기 위해 상기 볼록 마이크로렌즈들만을 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로렌즈 어레이의 제조방법.
3. 제2항에 있어서, 상기 마스터는 제 1평면과 제 2평면 사이에 놓여지고, 상기 마스터에 있어서 오목면은 상기 제1평면으로부터 상기 제2평면으로 향하는 방향으로 확장되며, 상기 각 오목면의 최대 새그는 상기 제1평면에 있는 것을 특징으로 하는 마이크로렌즈 어레이의 제조방법.
4. 제2항에 있어서, 상기 마스터는 제1평면과 제2평면 사이에 위치하고, 상기 마스터에 있어서 오목면은 상기 제1평면으로부터 상기 제2평면으로 향하는 방향으로 확장되며, 상기 제1평면에 대한 상기 각 오목면의 최대 새그 위치는 변화하는 것을 특징으로 하는 마이크로렌즈 어레이의 제조방법.
5. 제1항에 있어서, 상기 마스터는 제1평면과 제2평면 사이에 놓여지고, 상기 마스터에 있어서 적어도 두 개의 오목면은 상기 제1평면으로부터 상기 제2평면으로 향하는 방향으로 확장되며, 상기 적어도 두 개의 오목면의 정점과 상기 제1평면 사이의 거리는 서로 다른 것을 특징으로 하는 마이크로렌즈 어레이의 제조방법.
6. 제5항에 있어서, 상기 거리는 랜덤하게 분포되는 것을 특징으로 하는 마이크로렌즈 어레이의 제조방법.
7. 제1항에 있어서, 상기 적어도 두 개의 오목면 중 적어도 하나의 오목면은 수평과 수직의 확대비율이 서로 상이한 것을 특징으로는 하는 마이크로렌즈 어레이의 제조방법.
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11. 제1항에 있어서, 상기 마이크로렌즈 어레이의 필팩터는 적어도 90%인 것을 특징으로 하는 마이크로렌즈 어레이의 제조방법.
12. 제1항에 있어서, 상기 마이크로렌즈 어레이의 필팩터는 적어도 95%인 것을 특징으로 하는 마이크로렌즈 어레이의 제조방법.
13. 제1항에 있어서, 상기 마이크로렌즈 어레이의 필팩터는 100%인 것을 특징으로 하는 마이크로렌즈 어레이의 제조방법
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