KR101023891B1 - 광학 소자 형성 방법 및 형성 장치와 기판과 성형 툴 - Google Patents

광학 소자 형성 방법 및 형성 장치와 기판과 성형 툴 Download PDF

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Abstract

본 발명은 광학 소자 형성 방법에 관한 것이다. 광학 구조물을 기판에 성형하거나 열 압인하기 위해, 다수의 성형부나 열 압인부가 기판에 형성된 성형 툴이 사용된다. 기판의 표면에는 적어도 하나의 예비성형부가 형성된다. 기판은 전이 온도 이상의 온도로 가열되며, 성형 툴과 기판은 광학 효과를 갖는 다수의 구조물들을 구비한 광학 소자를 형성하기 위해 서로 가압되고, 광학 효과를 갖는 구조물들의 형상은 각 해당 성형부나 열 압인부에 의해 결정된다.
본 발명에 따르면, 성형 툴과 기판이 서로 가압되는 경우에, 우선 기판의 각 예비성형부가 중앙 영역에서 해당 성형부나 열 압인부 또는 성형 툴에 접촉하게 되어, 해당 성형부나 열 압인부의 표면 또는 성형 툴의 표면과 각 예비성형부의 표면 사이에 형성된 닙이 상기 중앙 영역으로부터 각 예비성형부의 가장자리나 기판의 가장자리 쪽으로 연장되면서 확장된다. 바람직하게는, 본 발명에 따르면, 기판과 성형 툴에 동일 베이스가 마련되어, 기판의 변형률이 낮아진다.
광학 소자, 기판, 성형 툴

Description

광학 소자 형성 방법 및 형성 장치와 기판과 성형 툴{METHOD AND APPARATUS FOR FORMING AN OPTICAL ELEMENT AND SUBSTRATE AND MOULDING TOOL}
도 1a 내지 도 1c는 평볼록 렌즈를 성형하거나 가압 성형하기 위한 본 발명에 따른 공정을 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 2a 내지 도 2c는 평면 표면에 회절 구조물이 형성된 광학 소자를 성형하거나 가압 성형하기 위한 본 발명에 따른 공정을 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 3a 내지 도 3d는 다수의 볼록 마이크로렌즈를 평면 기판에 성형하거나 가압 성형하기 위한 본 발명에 따른 바람직한 방법을 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 4a 내지 도 4c는 다수의 볼록 마이크로렌즈들을 평면 기판에 성형하거나 가압 성형하기 위한 도 3a 내지 도 3d에 따른 공정의 변형예를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 5는 다수의 오목 거울들을 평면 기판에 성형하거나 가압 성형하기 위한 도 3a 내지 도 3d에 따른 공정의 또 다른 변형예를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 6은 다수의 볼록 마이크로렌즈들을 평면 기판에 압인하거나 가압 성형하기 위한 도 3a 내지 도 3d에 따른 공정의 또 다른 변형예를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 7은 프리즘형 돌출 광학 구조물을 기판 표면에 형성하기 위한 성형 툴과 광학 기판을 개략적으로 도시한 부분도이다.
도 8은 기판 예비성형부의 곡률 반경과 성형 툴 성형부나 열 압인부의 곡률 반경의 특징을 나타내기 위한 부호 규약을 개략적으로 도시한 도면으로서, 본 발명의 특징을 나타내는 데 사용될 수 있는 부호 규약을 도시한 도면이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
1: 다이 3: 오목 각인부
4: 볼록 곡형 돌출부 5: 웨지형 홈
6: 닙 8, 18: 경사부
10: 기판 11: 중앙 영역
14: 가장자리 16: 볼록 곡형부
20: 광학 소자 21: 볼록 곡형 표면
22: 평면 표면 23: 라인형 구조물
25: 볼록 마이크로렌즈 26: 볼록 벌브
30: 대향 다이 r1, r2: 곡률 반경
본 발명은 일반적으로 광학 기판의 열간 성형(hot-forming) 공정, 특히 광학 기판의 가압 성형(pressing) 공정, 열 압인(hot-embossing) 공정 또는 성형(molding) 공정에 의해 광학 소자를 형성하는 분야에 관한 것이다. 특히, 본 발명 은, 열간 성형 공정에 의해 광학 소자를 형성하는 방법과, 기판과, 그 방법을 실행하기 위한 성형 툴(tool)에 관한 것이다.
회절 광학 소자(DOE), 렌즈 및 굴절성 마이크로 광학 소자는 현대 광학 장치의 소자로서 점차 중요해지고 있다. 요즈음 소비자 시장에 적용하는 많은 전자 장치들은 대개 전자 장치의 주요 기능을 담당하는 광학 소자들을 포함하고 있다. 예를 들면, 요즈음 디지털 카메라가 일체로 결합되어 있는 이동 전화가 점점 대중적인 인기를 끌고 있다. 또한, 광학 기록 장치에서도, 판독 및/또는 기록 중에 광선의 정밀한 영상 및 형성을 위해서는 광학 소자가 필요하다. 특히, 소비자 시장에 적용시키기 위해서는, 충분한 정밀도를 가지면서도 제조 비용은 낮은 광학 소자의 개발이 매우 중요하다.
일반적으로, 광학 표면의 열간 성형 공정에서 "가압 성형" 공정과 "열 압인" 공정이나 "성형" 공정은 구분될 수 있다. "가압 성형"되는 경우에는, 기판 표면의 형상이나 가공될 광학 소자 반제품의 형상은 전체적으로 변화된다. 예를 들면, 구형 표면이나 평면 표면은 특정 비구면 표면으로 변형될 수 있다. 하지만, "열 압인"되거나 "성형"되는 경우에는, 기판 표면의 프로파일이나 반제품의 프로파일은 광학 소자의 국소 부분에 대해서만 변화된다. 따라서, 회절 광학 소자나 마이크로 광학 소자와 같이 비교적 크기가 작은 구조물들을 형성할 때, 대부분의 경우에 있어 가공될 마이크로 구조물에 비해서 단지 작은 정도로만 평면이나 곡형으로 국소적으로 형성된 표면은 그대로 유지되면서, 국소적인 각인부나 돌출부가 표면에 열 압인되거나 성형된다. 가압 성형과 비교하는 경우에, 열 압인이나 성형의 변형률은 아주 낮다.
만일 변형된 광학 소자의 표면에 있는 광학 효과를 갖는 구조물, 즉 회절성 구조물 또는 반사성 구조물의 가공 작업이 더 이상 필요하지 않은 경우에는, 광학 소자의 열간 성형에 의해서 특히 경제적 이점을 얻을 수 있게 된다. 일반적으로 알려진 바와 같이, 이러한 열간 성형을 위해서는 고정밀도의 성형 툴이 사용되어야 한다. 일례로 마이크로렌즈와 같은 회절 광학 장치에는 광 파장의 1/4에 해당하는 정도의 표면 품질이 요구된다. 따라서, 회절 마이크로 광학 장치는 매우 정밀하게 제조되어야 한다. 광학 소자를 열간 성형 공정에 의해 형성할 때 발생하는 한 가지 문제점은, 열간 성형 공정 중에 광학 소자의 표면에 공정 가스가 함유된다는 점이며, 이러한 공정 가스의 함유로 인해 광학 소자의 표면에 크레이터형 각인부(crater-shaped impression)가 형성되게 된다. 종래 기술을 살펴보면, 열간 성형 공정 중에 광학 소자의 표면에 공정 가스가 함유되는 현상을 피하기 위한 여러 가지 방식이 공지되어 있다.
첫번째 방식에 따르면, 열간 성형 공정이 진공 챔버에서 수행된다. 예를 들면, 미국에 소재한 도시바 머신 코포레이션(Toshiba Machine Corporation)에서 형식 번호 GMP-211V로 시판하고 있고 6×10-1Pa보다 우수한 진공 상태에서 최대 직경이 110mm에 이르는 다이(die)에 19.6kN의 최대 압력을 가할 수 있는 고정밀 유리 형성 가압 성형 장치가 있다. 하지만, 이러한 방식에는 시간이 많이 소요되며 진공 펌프도 요구된다.
일본 공개 특허 공보 제2002-293 553A호에 개시되어 있는 또 다른 방식에 따르면, 유리 예비성형품이 예비 성형 단계에서 형성되고, 유리 예비성형품의 표면에 미리 형성되어 있던 구조물들이 후속 1차 성형 단계 중에 소망하는 구조물로 변형된다. 변형률이 작아짐에 따라, 다이와 유리 예비성형품 사이에 있는 공정 가스의 총 체적이 작아진다. 하지만, 공정 가스의 함유 현상은 신뢰성 있게 방지되지 못한다. 또한, 성형 툴과 공정 단계가 추가로 필요하게 되는데, 이는 효율적이지 못하다.
유럽 공개 특허 공보 제648 712 A2호에는 광학 소자의 가압 성형 공정이 개시되어 있으며, 블랭크(blank)가 가압 성형물 형태로 위치되고, 가압 성형에 적용되는 힘이 주기적으로 증감된다. 압력이 증가되면, 다이 표면과 접촉한 블랭크 표면이 변형되는데, 이러한 변형은 그 변형된 표면 영역에 의해 둘러싸인 체적에 공정 가스 버블이 형성될 때까지 지속된다. 압력이 감소되면, 일정 과압 상태로 체적에 함유된 공정 가스가 다이의 표면을 따라 측방향으로 배출될 수 있게 된다. 압력이 중간에 감소하게 되어, 전체 압력 인가 시간이 길어지게 된다. 또한, 가스 함유량을 예측하거나 모델링하기가 극히 곤란하게 되어, 가공될 광학 소자의 정밀도를 미리 특정하는 것이 아주 어려워진다. 압력이 다양한 시간별로 주기적으로 증감된다 하더라도, 공정 가스가 잔류하게 되어, 광학 소자의 표면 품질에 악영향을 미치게 된다.
미국 특허 공보 제6,305,194B1호에는 배열을 형성한 다수의 광학 소자들을 가압 성형하는 방법 및 장치가 개시되어 있다. 광학 소자의 비교적 크기가 작은 볼 이 다이의 셸형(shell-shaped) 중앙 네스트(nest)에 위치된다. 두 다이가 서로 가압되면, 볼이 점점 평평해진다. 이 공정에서, 재료가 반경 방향 외부로 유동하게 되어, 잔류 공정 가스를 다이의 체적 외부로 배출시키게 된다. 이 공정에서 광학 소자 재료는 강하게 저항하면서 변형되는데, 이에 따라 공정 시간이 비교적 길어지게 되고 제조 비용이 높아지게 된다. 예를 들어 마이크로렌즈나 회절성 구조물을 형성하기 위해 비교적 작은 구조물이 다이의 표면에 형성되는 경우에는, 각인부와 같은 구조물로 유입되는 재료를 공정 중에 조절할 수 없게 된다. 따라서, 열간 성형 공정 중에 광학 소자의 표면 내에 잔류 공정 가스가 함유되는 현상을 방지할 수 없게 된다.
미국 특허 공보 제6,305,194B1호에 따르면, 성형 툴의 상반부에는 볼록한 곡형의 성형부나 열 압인부가 포함되고 성형 툴의 하반부에는 오목한 곡형의 성형부나 열 압인부가 포함되는 방법이 개시되어 있다. 평볼록형(plano-convex) 예비성형품이 성형 툴의 두 반부들 사이에 위치되며, 상기 예비성형품은 오목-볼록 렌즈로 변형된다. 볼록한 곡형의 성형부나 열 압인부의 곡률 반경은 오목한 곡형의 성형부나 열 압인부의 곡률 반경보다 작아, 성형 툴의 두 반부가 서로 가압될 때 각 성형부나 열 압인부가 중앙 영역 부근에서 예비성형품과 접촉하게 됨으로써, 예비성형품의 용융되거나 연화된 재료가 반경 방향 외부로 유동할 때 각 성형부나 열 압인부에 가스가 포획되지 않게 된다.
상기 미국 특허 공보 제6,305,194B1호에는, 성형 툴의 상반부에는 볼록한 곡형의 성형부나 열 압인부가 포함되고 성형 툴의 하반부에는 오목한 곡형의 성형부 나 열 압인부가 포함되는 공정이 또한 개시되어 있다. 평볼록형 예비성형품이 성형 툴의 두 반부들 사이에 위치되며, 상기 예비성형품은 오목-볼록 렌즈로 변형된다. 볼록한 곡형의 성형부나 열 압인부의 곡률 반경은 오목한 곡형의 성형부나 열 압인부의 곡률 반경보다 작아, 성형 툴의 두 반부가 서로 가압될 때 각 성형부나 열 압인부가 우선 중앙 영역 부근에서 예비성형품과 접촉하게 됨으로써, 예비성형품의 용융되거나 연화된 재료가 반경 방향 외부로 유동할 때 각 성형부나 열 압인부에 가스가 포획되지 않게 된다.
하지만, 이러한 공정에서는 예비성형품의 변형이 비교적 크다. 이에 따라 총 가공 시간이 비교적 길어지게 되어 경제적인 방식이 되지 못한다. 또한, 예비성형품의 변형률이 비교적 높기 때문에, 변형 후에 광학 소자 내에 응력이 존재하게 된다. 이러한 응력이나 인장력으로 인해 광학 소자의 복굴절 현상이 초래된다. 예비성형품의 연화되거나 용융된 재료가 비교적 고온의 공정 온도로 각 성형부나 열 압인부에 부착되는 경우가 발생하는데, 이는 광학 소자의 광학 품질에 악영향을 미치게 된다.
본 발명의 목적은 열간 성형에 의해 광학 소자를 형성하는 방법 및 장치를 제공하는 것으로, 열간 성형 공정 중에 보다 효과적으로 가스의 함유를 방지할 수 있고 보다 정밀하고 효율적인 비용으로 광학 소자를 제조할 수 있는 광학 소자 형성 방법 및 형성 장치를 제공하는 것이다. 본 발명의 또 다른 태양에 따르면, 광학 소자용 기판이나 유리 예비성형품과, 본 발명에 따른 광학 소자 형성 방법 및 형성 장치를 사용하여 광학 소자를 형성하는 성형 툴이 제공된다.
본 발명의 광학 소자 형성 방법에 따르면, 광학 효과를 갖는 구조물을 기판에 성형하거나 열 압인하기 위해 적어도 하나의 성형부나 열 압인부가 표면에 형성된 성형 툴을 마련하는 단계와, 성형 툴을 마주하는 기판의 표면에 각각 성형부나 열 압인부에 대응되는 예비성형부가 형성되도록 기판을 마련하는 단계와, 기판을 기판 재료의 전이 온도나 연화 온도 이상의 온도로 가열시키는 단계와, 광학 효과를 갖는 적어도 하나의 구조물을 구비한 광학 소자를 형성하기 위해 성형 툴과 기판을 서로 가압시켜 각 예비성형품이 해당 성형부나 열 압인부의 표면에 접촉하여 변형되도록 하는 가압 단계로서 구조물의 형상이 해당 성형부나 열 압인부에 의해 결정되는 가압 단계를 포함한다.
본 발명에 의한 광학 소자 형성 방법의 제1 태양에 따르면, 성형 툴과 기판은 각 성형부나 열 압인부의 중앙 영역이 해당 예비성형부의 중앙 영역과 접촉되도록 구비되고, 각 예비성형부와 성형부나 열 압인부는 각 예비성형부의 표면과 성형부나 열 압인부의 표면 사이에 형성된 닙(nip)이 중앙부로부터 각 예비성형부의 가장자리 쪽으로 확장되도록 구비되는 것을 특징으로 한다.
열간 성형 공정 중에는, 성형 툴과 기판이 서로 가압되어 광학 소자에 대한 기판의 변형에 의해 서로 근접해지며, 각 예비성형부 내의 기판 표면 재료는 성형 툴의 해당 성형부나 열 압인부의 표면에 접촉되어 점차 변형된다. 열간 성형 공정의 시작시에(해당 성형부나 열 압인부의 중앙 영역에 공정 가스가 함유되어 있지 않음) 이미 형성되어 있는 해당 성형부나 열 압인부의 평활한 중앙 영역과 접촉한 예비성형품의 평활한 중앙 영역에서 시작하여, 우선 중앙 영역에 인접한 예비성형부 내의 부분들이 해당 성형부나 열 압인부의 표면과 접촉하게 된다. 이에 후속하는 열간 성형 공정 중에는, 기판과 성형 툴과 가스 사이의 접촉면이 예비성형부의 중앙 영역으로부터 점차 각 예비성형부의 가장자리 쪽으로 이동된다. 닙에 존재하는 가스는, 최종적으로 기판이 예비성형부 내에서 해당 성형부나 열 압인부의 표면과 완전히 접촉할 때까지 예비성형부 외부로 점차 변위된다. 따라서, 본 발명에 따르면, 기판과 성형 툴 사이에 공정 가스가 함유되지 않는다.
열간 성형 공정 중에 공정 가스가 성형부나 열 압인부의 외부로 연속하여 변위되거나 배출되기 때문에, 본 발명에 따르면 열간 성형 공정 중에 진공압을 사용할 필요가 없게 된다. 따라서, 공정 단계를 축소시킬 수 있고, 저렴한 비용으로 장치를 마련할 수 있다. 본 발명에 따르면, 성형 툴과 기판을 서로 가압시키는 압력은 소정의 시간동안 단지 한 번만 가해지면 되며, 그 압력은 전체 공정 단계 중에 바람직하게는 일정하게 유지될 수 있다. 공정 압력을 주기적으로 증감시킬 필요는 없다.
본 발명에 따르면, 열간 성형 공정 중에 기판의 변형률은 낮다. 구체적으로 설명하면, 일례로 배열을 형성한 다수의 마이크로렌즈들이나 분리시킬 다수의 광학 소자들을 형성하기 위해서 다수의 광학 소자들이 단일 기판에 동시에 형성되는 경우에 각 예비성형부의 베이스(base)나 기판의 베이스는 해당 성형부나 열 압인부의 베이스와 동일하며, 다수의 광학 소자들을 동시에 형성하는 경우에는 각 해당 성형 부나 열 압인부의 베이스와 동일하다. 따라서, 본 발명에 따르면 열간 성형 공정을 신속하게 수행시킬 수 있다. 본 발명에 따르면, 일례로 광학 소자 가장자리의 가공 작업이 필요없게 된다. 본 발명에 따르면, 변형률이 비교적 작기 때문에, 기판의 예비성형부가 기판의 총 두께에 비해 아주 작은 거리만큼만 변형된다. 즉, 본 발명에 따르면, 기판이 그의 총 두께에 비해 아주 작은 거리만큼만 변형된다.
바람직하게는, 예비성형부의 표면과 해당 성형부나 열 압인부의 표면 사이에 존재하는 닙이 전체 열간 성형 공정 중에 각 예비성형부의 가장자리 쪽으로 연속하여 확장되도록, 예비성형부의 프로파일이 해당 성형부나 열 압인부의 프로파일에 대응되게 형성된다. 따라서, 열간 성형 공정의 종료시에 성형부나 열 압인부의 거의 전체 표면이 기판과 완전히 접촉한 때에도, 공정 가스가 여전히 각 예비성형부의 가장자리 쪽으로 배출될 수 있게 된다. 예비성형부의 적절한 외형은 열간 성형 공정 중 기판 재료의 유동 성능에 대한 모의 실험을 통하여 간단하게 산출될 수 있다.
특히 광학 효과를 갖는 볼록 또는 오목 곡형 구조물을 광학 소자의 표면에 형성하는 데 활용될 수 있으며 특허청구범위의 독립항으로서 청구될 수도 있는 본 발명의 또 다른 태양에 의한 광학 소자 형성 방법에 따르면, 성형 툴과 기판은 각 성형부나 열 압인부의 중앙 영역이 해당 예비성형부의 중앙 영역에 접촉하도록 구비되고, 각 예비성형부와 각 성형부나 열 압인부는 각 성형부나 열 압인부의 곡률 반경(r1)이 해당 예비성형부의 곡률 반경(r2)보다 작도록 구비되며, 상기 곡률 반경(r1)은 각 성형부나 열 압인부 표면의 곡률 중심이 성형 툴이 배치된 반공간(half-space) 내에 위치될 때에는 양이고 각 성형부나 열 압인부 표면의 곡률 중심이 다른(대향) 반공간 내에 위치될 때에는 음이며, 상기 곡률 반경(r2)은 각 예비성형부 표면의 곡률 중심이 기판이 배치된 반공간 내에 위치될 때에는 음이고 각 예비성형부 표면의 곡률 중심이 다른 반공간 내에 위치될 때에는 양이며, 각 예비성형부의 표면과 해당 성형부나 열 압인부의 표면 사이에 닙이 형성되는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 닙이 중앙 영역으로부터 각 예비성형부의 가장자리 또는 성형부나 열 압인부의 가장자리 쪽으로 연속하여 확장되도록, 성형 툴의 성형부나 열 압인부의 프로파일과 기판의 각 해당 예비성형부의 프로파일이 대응되게 형성된다. 이러한 닙에 의해 열간 성형 공정 중 성형부나 열 압인부 내에서 기판 재료가 연속으로 평활하게 유동됨으로써, 기판 재료가 중앙 영역으로부터 시작하여 점차 외부로 유동하여 최종적으로는 전체 성형부나 열 압인부를 채우게 된다. 기판 재료가 외부로 유동하게 되면, 닙에 존재하는 잔류 공정 가스가 외부로 배출되어 성형부나 열 압인부 외부로 완전히 배출되게 된다.
바람직하게는, 공정 가스의 배출을 방해할 수도 있는 장애물이 중앙 영역으로부터 각 예비성형부 또는 성형부나 열 압인부 쪽으로 형성되는 경로에 없기 때문에, 공정 가스가 방해받지 않고서 가장자리 쪽을 향해 닙의 외부로 변위되거나 배출될 수 있게 된다.
공정 가스가 성형 툴과 기판 사이의 닙 외부로 배출되는 작용을 추가로 지원하기 위해서, 일례로 채널이나 홈과 같은 종방향 함몰부가 각 성형부나 열 압인부 외부에서 성형 툴의 표면 및/또는 기판의 표면에 형성될 수 있으며, 상기 종방향 함몰부는 성형 툴의 가장자리나 기판의 가장자리에 연결된다. 따라서, 각 함몰부는 광학 효과를 갖는 구조물이 형성되지 않을 영역에 배치된다, 이렇게 하면, 광학 구조물, 즉 회절성 구조물 또는 굴절성 구조물의 광학 기능에 영향을 미치지 않게 된다.
열간 성형 공정 중에 보다 효율적으로 공정 가스를 배출시키기 위하여, 각 종방향 함몰부는 예비성형품의 표면과 해당 성형부나 열 압인부의 표면 사이에 있는 적어도 하나의 닙과 소통될 수도 있다.
본 발명의 제1 실시예에 따르면, 예비성형부의 표면과 해당 성형부나 열 압인부의 표면 사이의 닙이 성형 툴의 표면에 평행한 단지 한 방향으로만 확장될 수 있다. 예를 들어, 광학 회절 격자를 형성하기 위한 라인형 돌출부, 즉 블레이즈형(blazed) 회절 격자의 경우에 톱니형 프로파일을 갖는 라인형 구조물을 형성시키고자 할 때, 기판의 표면이 성형 툴의 표면으로부터 성형 툴의 라인형 구조물의 종방향에 평행한 방향으로 볼록하게 작은 범위만큼 굽혀질 수 있게 된다. 따라서, 열간 성형 공정 중에, 우선 볼록 곡형 기판의 중앙 영역이 성형 툴의 표면에 접촉하게 된다. 열간 성형 공정 중에, 광학 기판은 평면 기판으로 평평하게 가압되며, 성형 툴의 표면에 형성된 구조물에 따라 형상이 성형되도록 상기 평면 기판의 표면에 라인형 구조물이 성형되거나 열 압인된다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 예비성형부의 표면과 해당 성형부나 열 압인부의 표면 사이의 닙은, 성형 툴의 표면에 평행하고 서로 직교하는 두 방향으로 확장될 수 있다.
특히 광학 효과를 갖는 볼록 또는 오목 곡형 구조물을 형성하기 위한 본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 예비성형부의 표면과 해당 성형부나 열 압인부의 표면 사이의 닙은, 중앙 영역으로부터 시작하여 반경 방향 외부로 확장되는 환형 닙으로서 형성된다.
또한, 성형 툴과 기판을 서로 가압시켜 광학 소자가 형성될 때, 기판은 압력 인가 방향에 교차하는 방향으로 본질적으로 확장되지 않을 수 있다.
본 발명에 따르면, 성형 툴의 표면에 구비된 적어도 하나의 성형부나 열 압인부는, 광학 소자의 표면에 형성될 광학 구조물에 의해서 광학 기능이 수행되도록 하는 프로파일을 갖는 상승부(돌출부)나 각인부로서 형성된다. 이러한 프로파일의 예를 들면, 볼록 또는 오목 곡형 프로파일과, 비구면 곡형 상승부(돌출부)나 함몰부와, 직사각형이나 다각형 구조물과, 경사부를 구비한 구조물을 들 수 있다. 이와 같이 적절하게 형상이 성형된 성형부나 열 압인부는 적절한 공정 기술을 이용하여 성형 툴의 표면에 형성될 수 있으며, 특히 일례로 레이저 기화법(laser ablation). 이온빔이나 전자빔 묘사법(eletron beam writing), 이온빔 에칭법이나 이온빔 밀링법, 반응성 이온 에칭법, 화학적 보조 이온빔 에칭법, 습식이나 건식 에칭법에 의해 성형 툴의 표면에 직접 가공될 수 있다.
본 발명에 따르면, 기판은, 상승부(돌출부)나 함몰부의 형상을 갖는 적어도 하나의 예비성형부가 가압 성형 장치나 성형 장치의 성형 툴의 해당 성형부나 열 압인부 위치에 대응되는 위치에서 표면에 형성되는 예비성형품으로서 마련된다. 이러한 예비성형품은 적절한 제조 기술을 이용하여, 일례로 각 기판의 표면을 기계 가공함으로써 마련될 수 있다. 하지만, 바람직하게는, 예비성형품은 본 발명에 따른 열간 성형 공정을 이용하여, 일례로 가압 성형 공정이나 성형 공정이나 열 압인 공정에 의해 형성될 수 있다.
광학 소자의 표면 품질을 높이기 위해서는, 예비성형품이 적절한 고품질의 표면 품질을 가지고서 미리 제조되어야 한다. 하지만, 본 발명에 따르면, 예비성형부가 열간 성형 공정 중에 추가로 변형되기 때문에, 예비성형품의 표면 품질은 제조될 광학 소자의 표면 품질에 비해 낮을 수 있다. 따라서, 광학 효과를 갖는 구조물의 표면 품질은, 성형 툴의 성형부나 열 압인부의 표면 품질과, 기판 재료의 사양과, 열간 성형 공정 중의 공정 변수에 따라서 정해진다.
바람직하게는, 각 성형부나 열 압인부의 체적은 해당 예비성형부의 체적에 일치한다. 따라서, 공정 가스가 성형 툴의 성형부나 열 압인부 외부로 완전히 배출되게 되며, 성형 툴의 전체 성형부나 열 압인부가 열간 성형 공정 중에 기판 재료로 채워지게 된다. 열간 성형 공정 후에 광학 소자의 표면은 성형 툴 표면의 음각 형상을 나타낸다. 구체적으로 설명하면, 적절한 공정 변수, 특히 기판을 가열시키는 데 사용되는 에너지를 이용하여 기판 재료의 전이 온도나 연화 온도 이상의 온도로 가열된 해당 예비성형부들의 총 체적이나 해당 예비성형부의 체적에 성형부나 열 압인부의 체적이 일치할 수 있어, 해당 예비성형부나 예비성형부들이 변형될 수 있게 된다.
본 발명의 또 다른 태양에 따르면, 열간 성형 공정 후에 성형부나 열압인부의 가장자리에서 기판의 표면과 성형 툴의 표면 사이에 작은 간극이 형성되도록, 예비성형품이 구성될 수도 있다. 이러한 간극에 의해서, 광학 소자의 표면으로부터 쉽게 성형 툴을 떼어낼 수 있게 되며, 열간 성형 공정 중에 모든 공정 가스가 보다 신뢰성 있게 성형 툴의 성형부나 열 압인부 외부로 배출될 수 있게 된다. 이러한 방식은, 열간 성형 공정을 이용하여 다수의 광학 소자들을 단일 기판에 형성시키고 광학 구조물들 사이의 영역에서는 광학 효과가 형성되지 않게 하고자 하는 경우에 특히 적합하다. 열간 성형 공정 후에 상기 광학 소자들 사이의 영역을 절단하거나 분할하여 다수의 광학 소자들을 분리시키는 것도 가능하다.
물론, 성형 툴의 표면에는 코팅이 구비될 수 있으며, 이러한 코팅에 의해 열간 성형 공정 중 기판 재료와 성형 툴의 젖음성이 저감된다. 적절한 코팅재는 종래 기술로부터 잘 알려져 있으며, 특히 귀금속이나 귀금속 합금의 금속 박막을 예로 들 수 있다.
본 발명의 또 다른 태양에 따르면, 성형 툴의 구조물 또는 성형부나 열 압인부의 미크론 단위의 직경이 D일 때, 성형 툴과 기판 사이의 형상 공차(d)가 d ＞ 10㎛이고 d ＜ (200㎛ + D/10)이 되도록, 성형 툴과 기판이 구비된다. 본 발명에 따르면, 이와 같은 작은 형상 공차로 인해 낮은 변형률을 달성할 수 있다.
본 발명에 따른 광학 소자 형성 방법은, 예를 들어 마이크로렌즈, 배열을 형성한 다수의 마이크로렌즈들, 평볼록 렌즈, 평오목 렌즈, 볼록-볼록 렌즈, 오목-볼록 렌즈, 오목-오목 렌즈, 비구면 렌즈, 회절 격자 및 블레이즈형 회절 격자와 같은 왜상(anamorphic) 회절 광학 구조물, 프레넬 영역판(Fresnel zone plate)과 같이, 여러 가지 다양한 회절성 광학 소자 및/또는 굴절성 광학 소자의 열간 성형에 적합하다.
본 발명의 또 다른 태양에 따르면, 임의의 광학 시스템이 본 발명에 의해 형 성된 다수의 광학 소자들로 조립될 수 있다.
본 발명에 따르면, 광학 소자나 광학 시스템은, 예를 들어 디지털 광학 프로젝션과, 아날로그나 디지털 카메라와, 특히 이동 전화 및 캠코더의 카메라와, 현미경 검사법의 렌즈나 다수의 렌즈들과, 균질기(homogenizer)와, 영상 광학 장치와, 일례로 LED 헤드라이트와 같은 자동차 분야의 광학 영상 장치와, 헤드업 디스플레이와, 광학 마이크로 반사기와, 특히 RGB 레이저와 같은 레이저의 광학 영상 장치와, 블루레이 디스크(blue-ray disc)를 포함한 광학 기록 매체로 그리고/또는 그로부터 데이터를 광학식으로 판독 및/또는 기록하는 광학 저장 장치와 같이, 임의의 광학 장치 적용 분야에 활용될 수 있다.
이러한 활용을 위해서, 일례로 렌즈와 같은 광학 소자는 그 직경에 있어서 마이크로 광학 소자와 구분되어야 한다. 보다 구체적으로 설명하면, 렌즈와 같은 광학 소자의 직경은 최소한 1mm인 반면에, 마이크로 광학 소자의 직경은 1mm 미만이다.
본 발명에 따른 광학 소자 형성 방법은 마이크로 광학 구조물의 형성에만 적용되는 것이 아니라, 열간 성형 공정을 이용하여 임의의 굴절성 구조물 및/또는 회절성 구조물을 형성하는 데에도 활용될 수 있다.
본 발명에 따른 광학 소자 형성 방법은 열간 성형 공정에 의해 변형될 수 있는 임의의 광학 재료에 적용될 수 있으며, 이들 광학 재료로는, 특히 로우티지(lowTg) 유리, 소다 석회 유리, 규산염 유리, 붕산염 유리, 붕규산염 유리, 인산염 유리, 불화물 유리, 불화인산염 유리, 할로겐화물 유리, 광학 유리와 같은 임의 유 형의 유리가 바람직하거나, 특히 PMMI, COC, TOP, PMMA, 폴리우레탄, TOPAS, PC(폴리카보네이트)와 같이 광학 장치 적용 분야에 사용되는 임의의 적절한 플라스틱 재료일 수도 있다. 기판은 위에서 설명한 임의의 재료들과 일체로 형성될 수 있다. 본 발명의 또 다른 태양에 따르면, 위에서 설명한 방식에 따라 광학 소자나 구조물로 변형되는 예비성형부가 형성되어 있는 커버층을 구비한 이층 합성물 또는 다층 합성물로서 기판이 형성될 수도 있다. 아래에 배치된 합성 재료층의 연화 온도보다 커버층의 연화 온도가 낮아, 변형 중에 아래에 배치된 층의 재료는 연화되지 않고 단지 커버층의 재료만이 연화됨으로써, 합성 재료가 안정되게 유지된다.
본 발명의 또 다른 태양들은, 기판과, 성형 툴과, 상술한 광학 소자 형성 방법을 이용하여 광학 소자를 형성하는 장치에 관한 것이며, 또한 광학 소자와, 적어도 하나의 상기 광학 소자를 포함한 광학 영상 시스템에 관한 것이다.
이하에서는 본 발명을 첨부 도면과 바람직한 실시예들을 중심으로 하여 설명하며, 이로부터 본 발명의 또 다른 특징들, 이점들 및 목적들을 파악할 수 있다.
도면들 중 동일 도면 부호는 동일하거나 실질적으로 동일 기능을 하는 구성 요소나 구성 요소 그룹을 나타낸다.
도 1a 내지 도 1c에는 평볼록 렌즈(plano-convex lens)의 성형 공정, 열 압인(hot-embossing) 공정 또는 가압 성형(pressing) 공정에 대해 도시되어 있다. 도 1a를 보면, 다이(die)(1)와, 일례로 유리 예비성형품과 같은 기판(10)이 장치 내에 배치되며, 다이(1)와 기판(10)은 수직 화살표로 도시되어 있는 힘에 의해 서로 가압된다. 도 1a에 도시된 바와 같이, 다이(1)의 평면 배면과 기판(10)의 평면 배면 은 열간 성형(hot-forming) 공정 중에 서로 평행하게 정렬된다. 오목 각인부(impression)(3)가 다이(1)의 표면에 형성된다. 볼록한 곡형의 돌출부(16)가 기판(10)의 표면에 형성된다. 오목 각인부(3)의 곡률 반경은 볼록 곡형부(16)의 곡률 반경보다 크다.
오목 각인부(3)는 성형부나 열 압인부의 역할을 한다. 후술하는 바와 같이 열간 성형 공정을 이용하여, 오목 각인부(3)의 프로파일이 기판(10)의 표면에 성형되거나 열 압인된다. 본 실시예의 경우에 볼록 곡형부(16)는 일례로 다른 열간 성형 공정을 이용하여 예비성형된다. 물론, 기판(10)도 예를 들어 연삭되거나 적절하게 가압 성형되어 예비성형된 블랭크(blank)일 수 있다. 도 1a에 도시된 바와 같이, 볼록 곡형부의 베이스(base)는 오목 각인부(3)의 베이스에 대응된다.
열간 성형 공정의 시작시에, 다이(1)와 기판(10)이 서로 근접해짐으로써, 오목 각인부(3)의 중앙 영역(11)과 볼록 곡형부(16)의 중앙 영역(11)이 서로 접촉하게 된다. 이러한 상태에서, 오목 각인부(3)의 가장자리(3)와 기판(10)의 가장자리(14) 사이에 간극(WO)이 형성되게 되는데, 이 간극은 각각 오목 각인부(3)의 측방향 크기와 볼록 곡형부(16)의 측방향 크기에 비해 작다.
열간 성형 공정을 수행하기 위해서, 기판(10)이 기판(10) 재료의 전이 온도 이상의 온도로 가열됨으로써, 기판(10)의 표면이 변형될 수 있게 된다. 다이(1)와 기판(10) 사이의 압력으로 인해, 볼록 곡형부(16)는 중앙 영역(11)으로부터 시작하여 점차 변형된다. 이 공정에서, 기판 재료는 중앙 영역(11)으로부터 외부, 즉 기판(10)의 가장자리(14) 쪽으로 변위된다. 도 1b에 도면 부호 12로 표기되고 두꺼운 선으로 도시된 부분은 변형 부분을 나타내며, 이 때 기판(10) 재료는 그의 전이 온도 이상의 온도로 가열되어 여전히 변형될 수 있다. 열간 성형 공정 중에, 다이(1)와 기판(10)이 서로 근접해짐으로써, 다이(1)나 기판(10) 가장자리에서의 간극(w)이 줄어들게 된다. 화살표로 도시된 바와 같이, 기판 재료가 변위되면, 다이(1)의 오목 각인부(3)와 기판(10)의 볼록 곡형부(16) 사이의 환형 닙(nip)에 있는 공정 가스가 점차 외부로 변위되거나 배출된다. 이러한 열간 성형 공정은 다이(1)와 기판(10) 사이의 닙이 없어질 때까지 계속된다. 이어서, 기판(1)의 전체 표면이 다이(1)의 오목 각인부(3)의 표면에 접촉된다. 이렇게 되면, 성형부나 열 압인부의 역할을 하는 다이(1)의 오목 곡형부(3)의 프로파일에 기판(1)의 프로파일이 정확하게 일치하게 된다. 다이(1)를 변형된 기판(10)으로부터 떼어내게 되면, 도 1c에 도시된 바와 같이 볼록 곡형 표면(21)을 구비한 광학 소자(20)가 얻어지게 된다. 볼록 곡형 표면(21)의 형상은 다이(1)의 오목 각인부(3)의 형상에 정확히 일치한다.
열간 성형 공정 중에 기판, 다이 및 공정 가스 사이의 접촉면이 중앙 영역(11)으로부터 점차 다이(1)의 가장자리(2)나 기판(10)의 가장자리(14) 쪽으로 이동되며, 모든 공정 가스가 다이(1)와 기판(10) 사이의 환형 닙 외부로 배출된다. 이렇게 하면, 종래 기술에서는 가스의 함유로 인해 발생되었던 크레이터형(crater-like) 구조물이 더 이상 광학 소자(20)의 볼록 곡형 표면(21)에 형성되지 않게 된다.
도 1에 도시되지는 않았지만, 본 기술 분야의 당업자라면 명확하게 파악할 수 있는 바와 같이, 열간 성형 공정을 수행하기 전에 기판(10)이 도 1a의 도시면에 수직인 볼록한 곡형 형상으로 위치될 수도 있어, 열간 성형 공정 중에 공정 가스가 도 1a 내지 도 1c의 도시면에 수직인 방향으로 배출될 수도 있다. 본 기술 분야의 당업자라면 명확하게 파악할 수 있는 바와 같이, 본 발명의 근본 원리는 열간 성형 공정 중에 공정 가스가 외부 쪽으로 점차 배출되는 도 1a 내지 도 1c를 참고로 하여 설명한 바와 같다. 바람직하게는, 열간 성형 공정 후에 광학 소자(20)는 도 1c의 도시면에 수직인 방향으로 연장되는 실린더형 렌즈를 형성한다. 하지만, 본 발명은 일반적으로 실린더형 렌즈를 형성하는 것으로만 한정되는 것은 아니며, 도 1c에 따른 광학 소자(20)는 본 발명의 또 다른 바람직한 태양에 따라서 평볼록 렌즈의 형태로도 형성될 수 있다.
도 2a 내지 도 2c를 보면, 평면 기판(10)에 블레이즈형 회절 격자(blazed diffraction grating)를 형성하는 공정이 도시되어 있다. 이를 위해서, 기판(10)은 서로 직교인 두 좌표축(x, y)을 따르는 평면으로 가정한다. 도 2a에 도시된 바와 같이, 일례로 유리 기판인 기판(10)은 y 방향으로 볼록한 곡형부(16)를 구비한 예비성형품으로서 마련된다. 따라서, 전체 열간 성형 공정 중에, 다이(1)의 표면과 기판(10)의 표면 사이에 외부 쪽으로 계속 확장되는 닙이 존재하게 되며, 닙의 한 표면은 평면으로서 다이(1)의 표면에 의해 형성되고, 닙의 다른 한 표면은 볼록 곡형부로서 기판(10)의 표면에 의해 형성된다. 따라서, 기판(10)의 가장자리(14)에 간극(WO)이 존재하게 되며, 이 간극은 기판(10)의 측방향 크기에 비해서 작다. 예를 들면, 볼록 곡형부(16)의 곡률 반경은 대략 100mm 내지 400mm 사이의 범위에 있다.
도 2b는 열간 성형 공정 종료 직전의 다이(1)와 기판(10)을 도시한 도면으로서, 기판(10)의 전체 표면이 다이(1)의 표면과 접촉한 상태를 도시한 도면이다.
다이(1)를 떼어내게 되면, 톱니형 프로파일을 갖는 다수의 등간격 라인형 구조물(23)들이 형성되어 있는 변형된 평면 구조물(22)이 구비된 광학 소자(20)를 얻게 된다. 도 2c에 따르면, 라인형 구조물(23)은 y 방향으로 연장된다. 열간 성형 공정 중에, 초기에는 y 방향으로 볼록하게 곡형으로 형성되어 있던 기판(10)의 표면(16)도 변형됨으로써, 닙(6)이 중앙 영역(11)에서 시작하여 점차 줄어들게 되며, 닙(6)에 있는 공정 가스가 기판 재료에 의해 외부를 향해 y 방향으로 배출됨으로써, 전체 공정 가스가 도 2a에 화살표로 도시된 바와 같이 닙(6) 외부로 점차 배출되게 된다.
도 3a 내지 도 3d를 보면, 다수의 볼록 마이크로렌즈들을 평면 기판에 성형하거나 가압 성형하는 본 발명의 또 다른 바람직한 공정이 도시되어 있다. 도 3a에 도시된 바와 같이, 대향 다이(30)에 지지되는 기판(10)은 도 1a와 유사하게 외부로 볼록하게 곡형으로 형성된다. 다이(1)에는 서로 동일하게 또는 각기 달리 형성될 수 있는 2개의 오목 각인부(3)가 형성된다. 다이(1)와 기판(10)이 서로 근접하게 되는 경우에, 우선 두 오목 각인부(3) 사이에 있는 다이(1)의 평평한 영역이 기판(10) 볼록 곡형부(16)의 중앙 영역(11)에 접촉하게 된다.
다이(1)와 기판(10)이 더욱 서로 가압되면, 최종적으로 도 3b에 도면 부호 12로 도시된 바와 같이 중앙 영역이 변형하게 된다. 다이(1)와 기판(10)이 더욱 서로 가압되면, 기판 재료가 점차 다이(1)의 오목 각인부(3) 내로 가압되게 된다. 이 와 동시에, 오목 각인부(3)에 있는 공정 가스가 점차 외부 쪽으로 그리고 오목 각인부(3)의 외부 쪽으로 변위된다.
다이(1)와 기판(10)이 더욱 서로 가압되면, 기판 재료가 변형되어 기판(10)의 표면에 볼록 벌브(bulb)(26)가 형성되며, 최종적으로 오목 각인부(3)가 기판 재료에 의해서 거의 완전히 채워지게 된다. 다이(1)와 기판(10)이 더욱 서로 가압되면, 최종적으로 기판 재료가 다이(1)의 오목 각인부를 완전히 채우게 된다. 이러한 상태에서, 기판 재료가 다이(1) 오목 각인부의 내면과 완전히 접촉됨으로써, 도 3d에 도시된 바와 같이 2개의 볼록 마이크로렌즈(25)가 기판(10)에 형성된다. 이 볼록 마이크로렌즈(25)들을 떼어낸 후에는, 후속 공정 단계에서 상기 2개의 마이크로렌즈(25)를 분리시킬 수도 있다.
도 3a에서 점선은 오목 각인부(3)에 의해 형성된 체적(V1)을 나타내는 것으로 가정한다. 또한, 기판(10)의 중앙 영역(11) 부근에 해칭선으로 표시된 영역(40)은, 열간 성형 공정 중에 변형되고 변위되는 기판 재료의 체적(V2)을 나타내는 것으로 가정한다. 체적(V2) 내에서, 기판의 온도는 기판 재료의 연화 온도(softening temperature) 이상이며, 이러한 기판 온도는 적절한 가열 조건에 의해서 쉽게 달성될 수 있다. 2개의 마이크로렌즈가 기판(10)에 형성되는 도 3a 내지 도 3d에 도시된 경우를 가정하면, 변형된 기판이 다이와 완전히 접촉하기 전에 다이(1)와 기판(10) 사이에 있는 공정 가스가 완전히 배출되게 하기 위해서, 체적(V2)은 2×V1과 동일하거나 그보다 크다. 일반적으로, 예비성형된 전체 부분을 포함하고 온도가 기판 재료의 연화 온도 이상인 전체 체적은 성형부나 열 압인부가 포함된 체적과 동 일하거나 그보다 크다.
도 4a 내지 도 4d에는 다수의 볼록 마이크로렌즈들을 평면 기판에 성형하거나 가압 성형하는 도 3a 내지 도 3d에 따른 공정의 변형예가 도시되어 있다. 도 4a에 도시된 바와 같이, 다수의 오목 각인부(3)가 다이(1)의 표면에 형성되며, 상기 오목 각인부(3)는 성형부나 열 압인부의 역할을 하고 형성될 광학 구조물의 프로파일을 형성한다. 도 4a를 보면, 일례로 유리 예비성형품인 기판(10)이 마련되어 있는데, 이 기판의 표면에는 다이(1)의 오목 각인부(3)의 위치에 해당하는 위치에 다수의 볼록 곡형 돌출부(16)가 형성된다. 볼록 곡형부(16)의 곡률 반경은 다이(1)의 오목 각인부(3)의 곡률 반경에 비해 작다. 따라서, 볼록 곡형부(16)의 중앙 영역(11)이 다이(1)의 오목 각인부(3)의 중앙 영역(11)에 접촉하게 되면, 오목 각인부(3)의 표면과 볼록 곡형부(16)의 표면 사이에 닙이나 간극이 형성되며, 이 닙은 횡방향으로 연속하여 확장된다. 오목 각인부(3)들 사이의 영역에서 다이(1)의 표면과 기판(10)의 표면은 평면이다.
도 4b는 열간 성형 공정 종료시의 다이(1)와 기판(10)을 도시하고 있으며, 이 때 전체 곡형부(16)는 변형되어 있으며, 오목 각인부(3)들 사이의 영역과 각 오목 각인부(3)의 가장자리에서는 다이(1)의 표면과 기판(10)의 표면 사이에 단지 폭이 좁은 닙만이 형성된다.
다이(1)를 떼어내게 되면, 다수의 볼록 마이크로렌즈(25)들과 다수의 평면부(24)들이 표면에 형성된 광학 소자(20)가 얻어지게 된다.
도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 광학 소자 형성 방법은 오목 각인 부(17)를 기판(10)에 형성시키는 데에도 적용될 수 있다. 이를 위해서, 다수의 볼록 곡형 돌출부(4)가 다이(1)의 표면에 형성된다. 열간 성형 공정 수행 후에, 오목 거울을 형성하기 위해서 반사 코팅재가 오목 각인부(17)에 코팅될 수 있다.
도 6에 도시된 바와 같이, 도 4a의 다이(1)에 일례로 웨지형(wedge-shaped) 홈(5)과 같은 종방향 채널이 추가로 마련될 수 있으며, 이 종방향 채널은 성형부나 열 압인부의 기능을 하는 오목 각인부(3)의 외부로 잔류 공정 가스를 배출시키기 위해서 다이(1)의 각 오목 각인부(3)의 가장자리 부분과 소통될 수 있다.
본 기술 분야의 당업자라면 명확하게 파악할 수 있는 바와 같이, 볼록 돌출부나 오목 각인부를 구비한 도 4a, 도 5 또는 도 6 중 어느 하나에 따른 기판은 기판을 적절히 연삭하여 마련될 수 있다. 이와는 달리, 도 4a, 도 5 또는 도 6에 따른 기판은 일례로 기판의 성형이나 열간 성형 공정을 수행하는 추가 공정 단계를 수행함으로써 적절히 마련될 수도 있다. 이러한 추가 공정 단계에는 추가 비용이 소요되기 때문에, 대개 본 발명에서는 열간 성형 공정을 단일 공정 단계로 수행하여 도 3a 내지 도 3d에 도시된 바와 같이 광학 효과를 갖는 다수의 구조물들을 동시에 형성하게 된다.
본 기술 분야의 당업자라면 명확하게 파악할 수 있는 바와 같이, 본 발명에 따른 광학 소자 형성 방법을 이용하여, 적어도 하나의 비구면 곡형 표면이나 자유 형태의 표면을 구비한 광학 소자가 형성될 수도 있다. 이러한 공정에 따르면, 기판의 각 예비성형부는 비구면 곡형 표면이나 자유 형태의 표면으로 변형되기 전에 구형 곡형 표면으로 형성될 수 있다. 본 발명에서 자유 형태 표면이란, 다음의 관게 식을 이용하여 나타낼 수 있는 x-y 평면에서 연장되는 표면이다.
Figure 112005022056880-pat00001
여기에서, L은 상수이고, N은 10이다.
도 7에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 광학 소자 형성 방법은 곡형이지 않은 광학 구조물의 열간 성형 공정에도 적합하다. 도 7에 도시된 바와 같이, 다수의 경사부(8)가 다이(1)의 표면에 형성되어 다이(1)의 표면에 웨지형 채널을 형성하게 된다. 일례로 유리 예비성형품인 기판(10) 표면의 해당 위치에 경사부(18)가 형성되어 기판(10)의 표면에 웨지형 돌출부를 형성하게 된다. 도 7에 따르면, 경사부(18)의 경사각이 경사부(8)의 경사각에 비해 커서, 다이(1) 표면과 기판(10) 표면 사이의 닙(6)이 중앙 영역(11)으로부터 연속하여 확장하게 되며, 웨지형 각인부나 돌출부의 꼭지점들이 서로 접촉하게 된다. 열간 성형 공정 중에, 닙(6)은 다이(1)의 표면과 기판(10)의 표면이 서로 완전히 접촉할 때까지 점차 폭이 좁아진다.
도 4a 내지 도 7에 도시되지는 않았지만, 기판은 열간 성형 공정을 수행하기 전에 도 4a 내지 도 7의 도시면에 수직인 방향으로 볼록하게 곡형으로 형성될 수도 있다.
물론, 도 7에 따른 기판(10)은 일례로 도 2a에 도시된 바와 같이 도시면에 수직인 방향으로 작은 범위만큼 볼록하게 곡형으로 형성될 수도 있어, 닙에 있는 공정 가스가 열간 성형 공정 중에 보다 효율적으로 배출되게 된다.
도 8을 보면, 본 발명에 따른 다이와 기판의 볼록 또는 오목 곡형 성형부나 예비성형부의 특징을 나타내기 위해서 그 부호 규약에 대해 도시되어 있다. 도 8을 보면, 중앙축(9)은 기판(10)의 볼록 곡형 표면의 접선에 수직이고 중앙 영역(11)을 통해 연장되는 것으로 가정하며, 기판(10)의 볼록 곡형부와 다이(1)의 오목 각인부는 열간 성형 공정 직전에 서로 접촉된다. 이러한 구성에서, 다이(1)의 오목 각인부(3)의 곡률 중심(M1)과 기판(10)의 볼록 곡형부(16)의 곡률 중심(M2)은 중앙 축(9)에 위치한다. 도 8에서, 화살표(r1)는 다이(1) 표면에 있는 오목 각인부(3)의 곡률 반경을 나타내고, 화살표(r2)는 기판(10) 표면에 있는 볼록 곡형부(16)의 곡률 반경을 나타낸다. 본 발명의 특징을 나타내기 위해, 곡률 반경(r1, r2)은 실수(real number)로 표기되는 것으로 가정한다. 표면의 특징을 나타내는 데 사용되는 부호 규약은, 근축 광학 장치 근사법으로 구형 곡형 접촉면의 굴절도의 특징을 나타내기 위하여 광학 장치에 사용되는 부호 규약과 유사하다.
도 8에 따르면, 오목 각인부(3)의 표면에 의해서, 다이(1)가 배치되어 있는 상반 공간과, 다이(1)가 배치되어 있지 않은 하반 공간으로 도면이 분할된다. 또한, 볼록 곡형 표면(16)에 의해서, 기판(10)이 배치되어 있지 않은 상반 공간과, 기판(10)이 배치된 하반 공간으로 도 8의 도면이 분할된다. 성형부(3)의 표면과 예비성형부(16)의 표면의 특징을 나타내기 위하여, 다이(1)가 배치되어 있는 반공간 내에 성형부 표면의 곡률 중심이 위치하는 경우에는 다이(1) 성형부(3)의 곡률 반경(r1)이 양이고, 성형부 표면의 곡률 중심이 다른 반공간 내에 위치하는 경우에는 곡률 반경(r1)이 음인 것으로 가정한다. 또한, 기판(10)이 배치되어 있는 반공간 내에 예비성형부(16) 표면의 곡률 중심이 위치하는 경우에는 기판(10) 예비성형부 (16)의 곡률 반경(r2)은 음이고, 예비성형부(16) 표면의 곡률 중심이 다른 반공간 내에 위치하는 경우에는 곡률 반경(r2)은 양인 것으로 가정한다.
이러한 부호 규약을 이용하면, 도 8에 제시된 실시예에서 곡률 반경(r1)은 음이며, 또한 곡률 반경(r2)도 음이다. 도 8에서 확인할 수 있는 바와 같이, 곡률 반경(r1)의 절대치는 곡률 반경(r2)의 절대치보다 크다. 따라서 r1 ＜ r2 ＜ 0의 관계가 성립된다.
오목 곡형 표면이 성형되거나 열 압인되는 경우에는, 다이(1)의 성형부가 볼록하게 곡형으로 형성되어, 곡률 반경(r1)이 양이 된다. 또한, 기판 표면의 예비성형부가 오목하게 곡형으로 형성되어, 곡률 반경(r2)도 양이 된다. 따라서, 곡률 반경(r2)의 절대치는 곡률 반경(r1)의 절대치보다 크다. 즉, 0 ＜ r1 ＜ r2의 관계가 성립된다.
이러한 부호 규약을 이용하면, 평면 표면의 곡률 반경은 무한대가 된다. 예를 들면, 오목 곡형 렌즈 표면이 평면 유리 예비성형품에 형성되는 경우에, 다이(1)의 성형부는 볼록하게 곡형으로, 즉 곡률 반경(r1)이 양인 상태로 형성되고, 평면 유리 예비성형품의 곡률 반경은 무한대가 된다. 따라서, r1 ＜ r2의 관계가 성립된다.
물론, 위에서 설명한 부호 규약에는, 열간 성형 공정을 수행하기 직전에 성형부의 중앙 영역이 예비성형부의 중앙 영역에 접촉해야만 한다는 부차 조건이 있다. 따라서, 본 부호 규약에서는 평면의 모든 방향으로 볼록한 곡형의 렌즈를 평면 유리 예비성형품으로부터 형성하는 것에 대해서는 제외한다.
실시예 1
평면 배치된 다수의 실린더형 렌즈(직경 30mm)를 비구면 실린더형 렌즈를 사용하여 가압 성형하기 위해, 동일 직경을 갖는 유리 예비성형품, 평면 표면 및 300mm의 곡률 반경을 갖는 볼록 표면이 가압된다. 볼록 표면은 다수의 실린더형 렌즈를 구비한 다이와 마주한다.
실린더형 렌즈의 높이는 0.3mm이다. 유리 예비성형품의 곡률로 인해, 대략 0.4mm 정도의 거리만큼 추가로 가압 성형되어야 한다. 성형 툴의 부식을 방지하기 위해서, 열간 성형 공정은 질소 분위기 하에서 수행된다.
질소의 함유로 인해 실린더형 렌즈의 비구면 표면이 양호하게 형성될 수 있는 것으로 판명되었다.
실시예 2
비구면 영상 렌즈를 가압 성형하기 위해, 동일 직경(70mm)을 갖는 유리 예비 성형품, 평면 표면 및 45mm의 곡률 반경을 갖는 볼록 표면이 가압된다. 볼록면은 다수의 실린더형 렌즈를 구비한 다이와 마주한다. 유리 예비성형품의 곡률로 인해, 대략 0.3mm 정도의 거리만큼 추가로 가압 성형되어야 한다. 질소의 함유로 인해 비구면 표면이 양호하게 형성될 수 있는 것으로 판명되었다. 일반적으로, 구조물의 높이는 다음과 같이 나타낸다.
여기에서,
Z는 렌즈의 높이이고,
C는 곡률이며,
K는 원추 변수(conical parameter)이다.
본 실시에에서 변수들은 다음과 같이 선정되었다.
c는 1/36.409이고,
k는 -1이며,
a2는 1.08E-06이고,
a4는 2.16E-10이며,
a6은 -5.19E-15이다.
여기서 B270이 유리로서 사용되었다.
실시예 3
회절 광학 소자(DOE)를 비구면 영상 렌즈에 성형하기 위해, 비구면 렌즈(실시예 2에 따라 형성)가 사용되었다. 평면 표면이 플라스틱 재료로 코팅된 다음에 위에서 설명한 성형 공정을 이용하여 회절 광학 소자(DOE) 형태로 형성되었다. 유리 예비성형품의 곡률로 인해, 대략 0.05mm 정도의 거리만큼 추가로 성형되어야 한다. 질소의 함유로 인해 회절 광학 소자(DOE)가 양호하게 형성될 수 있는 것으로 판명되었다. 회절 광학 소자(DOE)의 위상 함수는 다음과 같이 나타낸다.
Figure 112005022056880-pat00003
여기서 함수는 라디안이며, r은 0 내지 35mm이다.
본 기술 분야의 당업자라면 위의 설명으로부터 명확하게 파악할 수 있는 바와 같이, 본 발명의 또 다른 태양은 광, 특히 광선의 영상을 위해 적어도 하나의 영상 광학 장치나 영상 광학 시스템을 구비한 광학 엔진에 관한 것이다. 이에 대한 예를 몇 가지 들자면, 디지털 광학 프로젝션과, 아날로그나 디지털 카메라와, 특히 이동 전화 및 캠코더의 카메라와, 현미경 검사 장치와, 렌즈나 다수의 렌즈들을 구비한 영상 장치와, 레이저 광선을 포함한 광선을 균질화시키는 균질기(homogenizer)와, 영상 광학 장치와, 일례로 LED 헤드라이트와 같은 자동차 분야의 광학 영상 장치와, 헤드업 디스플레이와, 광학 마이크로 반사기와, 블루레이 디스크(blue-ray disc)를 포함한 광학 기록 매체로 그리고/또는 그로부터 데이터를 광학식으로 판독 및/또는 기록하는 광학 저장 드라이브를 들 수 있으나, 이 예들로 본 발명의 범위가 제한되는 것은 아니다.
본 기술 분야의 당업자라면 위의 설명으로부터 명확하게 파악할 수 있는 바와 같이, 본 발명에 따른 광학 소자 형성 방법은, 구면체 및 비구면체의 열간 성형 공정에도 적용될 수 있을 뿐만 아니라, 광학 효과를 갖는 다른 프로파일을 구비한 임의의 구조물을 열간 성형하는 데에도 적용될 수 있다. 보다 바람직하게는, 본 발명에 따른 광학 소자 형성 방법은, 제1 방향으로는 곡형을 형성하고 제1 방향에 직교한 제2 방향으로는 종방향으로 연장된 실린더형 렌즈와 렌즈 본체의 열간 성형 공정에 적용되거나, 또는 회절 광학 소자(DOE)의 열간 성형 공정에 적용된다. 바람직하게는, 광학 소자는 열간 성형 공정을 수행한 후에 다수의 회절성 구조물 또는 반사성 구조물을 포함한다. 이들 구조물은 열간 성형 공정 후에 분리될 수도 있다. 일반적으로, 열간 성형 공정 후에 광학 소자가 구비되는 이들 구조물은 하나 또는 다수의 광선을 형성하거나 균질화시키는 데 사용될 수도 있다.
본 발명에 따르면, 열간 성형 공정 중에 보다 효과적으로 가스의 함유를 방지할 수 있고 보다 정밀하고 효율적인 비용으로 광학 소자를 제조할 수 있는 광학 소자 형성 방법 및 형성 장치가 제공된다. 또한, 본 발명에 따르면, 광학 소자용 기판이나 유리 예비성형품과, 본 발명에 따른 광학 소자 형성 방법 및 형성 장치를 사용하여 광학 소자를 형성하는 성형 툴이 제공된다.

Claims (19)

  1. 광학 소자를 형성하는 방법으로서,
    광학 효과를 갖는 구조물을 기판(10)에 성형하거나 열 압인하기 위해 다수의 성형부 또는 열 압인부(2, 3, 4)가 표면에 형성된 성형 툴(1)을 제공하는 단계와;
    상기 성형 툴(1)을 마주하는 기판(10)의 표면에 성형 툴(1)의 모든 성형부 또는 열 압인부(2, 3, 4)에 대향되는 최소한 하나의 예비성형부(16, 17)가 형성되도록, 또는 상기 성형 툴(1)을 마주하는 기판(10)의 표면에 각각의 성형부 또는 열 압인부(2, 3, 4)에 각각 대향되는 다수의 예비성형부(16, 17)가 형성되도록 기판(10)을 제공하는 단계와;
    상기 기판(10)을 기판(10) 재료의 전이 온도 이상의 온도로 가열시키는 단계와;
    광학 효과를 갖는 다수의 구조물(21, 23, 25)들을 구비한 광학 소자(20)를 형성하기 위해 성형 툴(1)과 기판(10)을 서로 가압시키는 가압 단계로서, 광학 효과를 갖는 구조물들의 형상이 각각의 해당 성형부 또는 열 압인부(2, 3, 4)의 형상에 의해 형성되는 가압 단계를 포함하고,
    상기 성형 툴(1)과 기판(10)이 서로 가압될 때, 해당 성형부나 열 압인부(2, 3, 4)의 표면 또는 성형 툴(1)의 표면과 각각의 예비성형부(16, 17)의 표면 사이에 형성되는 닙(6)이 중앙 영역(11)으로부터 각각의 예비성형부(16, 17) 또는 기판(10)의 가장자리(2, 14) 쪽으로 연장 및 확장되도록, 우선 기판(10)의 각각의 예비성형부(16, 17)가 중앙 영역(11)에서 해당 성형부나 열 압인부(2, 3, 4) 또는 성형 툴(1)에 접촉하고, 상기 기판과 성형 툴(1)은 낮은 변형 레벨을 형성하는 서로 대향된 베이스 영역을 구비하는 것을 특징으로 하는 광학 소자 형성 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 성형 툴과 기판(10)은, 기판(10)의 각각의 예비성형부(16, 17)와 성형 툴(10)의 해당 성형부 또는 열 압인부(2, 3, 4)가 2개의 반공간을 규정하고 각각의 성형부 또는 열 압인부(2, 3, 4)의 곡률 반경(r1)이 해당 예비성형부(16, 17)의 곡률 반경(r2)보다 작도록 제공되고,
    상기 곡률 반경(r1)은, 각각의 성형부 또는 열 압인부 표면의 곡률 중심이 성형 툴(1)이 배치된 반공간 내에 위치될 때에는 양이고 각각의 성형부 또는 열 압인부 표면의 곡률 중심이 다른 반공간 내에 위치될 때에는 음이며,
    상기 곡률 반경(r2)은, 각각의 예비성형부 표면의 곡률 중심이 기판(10)이 배치된 반공간 내에 위치될 때에는 음이고 각각의 예비성형부 표면의 곡률 중심이 다른 반공간 내에 위치될 때에는 양이며,
    상기 성형 툴(1)과 기판(10)이 서로 가압될 때, 광학 효과를 갖는 구조물을 형성하기 위해서, 각각의 예비성형부(16, 17)의 곡률 반경(r2)이 해당 성형부 또는 열 압인부(2, 3, 4)의 곡률 반경에 일치할 때까지, 각각의 예비성형부(16, 17)가 해당 성형부 또는 열 압인부(2, 3, 4)의 표면에 접촉하여 변형되는 것을 특징으로 하는 광학 소자 형성 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 성형 툴(1)과 기판(10)은 닙(6)이 중앙 영역(11)으로부터 각각의 예비성형부(16, 17)의 가장자리(2, 14) 쪽으로 연속하여 확장되도록 제공되는 것을 특징으로 하는 광학 소자 형성 방법.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 성형 툴(1)과 기판(10)은 가스가 각각의 예비성형부(16, 17)의 가장자리(2, 14) 쪽을 향해 닙(6) 외부로 배출될 수 있도록 제공되는 것을 특징으로 하는 광학 소자 형성 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 성형 툴(1)과 기판(10)은 각각의 성형부 또는 열 압인부의 외부에서 성형 툴(1) 및 기판(10) 중 하나의 표면에 최소한 하나의 종방향 채널(5)이 형성되도록 제공되는 것을 특징으로 하는 광학 소자 형성 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 성형 툴(1)과 기판(10)은 각각의 종방향 채널(5)이 예비성형부(16, 17)의 표면과 해당 성형부 또는 열 압인부(2, 3, 4)의 표면 사이의 최소한 하나의 닙(6)과 소통되도록 제공되는 것을 특징으로 하는 광학 소자 형성 방법.
  7. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 성형 툴(1)과 기판(10)은 닙(6)이 성형 툴(1)의 표면에 평행한 방향으로 확장되도록 제공되는 것을 특징으로 하는 광학 소자 형성 방법.
  8. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 성형 툴(1)과 기판(10)은, 성형 툴(1)의 표면에 평행하고 서로 직교하는 두 방향으로 닙(6)이 확장되도록 제공되는 것을 특징으로 하는 광학 소자 형성 방법.
  9. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 성형 툴(1)과 기판(10)은, 중앙 영역(11)으로부터 반경 방향 및 외부로 확장되는 환형 닙으로서 닙(6)이 형성되도록 제공되는 것을 특징으로 하는 광학 소자 형성 방법.
  10. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 성형 툴(1)과 기판(10)을 서로 가압시켜 광학 소자(20)가 형성될 때, 기판(10)은 압력 인가 방향에 교차하는 방향으로 본질적으로 확장되지 않는 것을 특징으로 하는 광학 소자 형성 방법.
  11. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 성형 툴(1)과 기판(10)은, 최소한 하나의 성형부 또는 열 압인부(2, 3, 4)와 해당 예비성형부(16, 17)가 각각 성형 툴(1)의 표면 및 기판(10)의 표면의 돌출부 또는 각인부로서 형성되도록 제공되는 것을 특징으로 하는 광학 소자 형성 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 성형 툴(1)과 기판(10)은, 최소한 하나의 성형부 또는 열 압인부(2, 3, 4)와 해당 예비성형부(16, 17)가 각각 성형 툴(1)의 표면 및 기판(10)의 표면의 볼록 곡형부 또는 오목 곡형부이도록 제공되는 것을 특징으로 하는 광학 소자 형성 방법.
  13. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 성형 툴(1)과 기판(10)은, 성형부 또는 열 압인부(2, 3, 4)의 총 체적이 해당 예비성형부의 체적 또는 해당 예비성형부(16, 17)들의 총 체적에 일치하도록 제공되는 것을 특징으로 하는 광학 소자 형성 방법.
  14. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    각각의 예비성형부(16, 17)를 광학 효과를 갖는 구조물로 변형시킨 후에, 기판(10)의 표면과 성형 툴(1)의 표면 사이의 간극이 가장자리(2, 14)에 형성되는 것을 특징으로 하는 광학 소자 형성 방법.
  15. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 성형 툴(1)과 기판(10)은, 광학 효과를 갖는 구조물과 광학 소자(20)가 회절성 및/또는 굴절성이도록 제공되는 것을 특징으로 하는 광학 소자 형성 방법.
  16. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    각각의 예비성형부(16, 17)의 표면이 변형된 후에, 최소한 하나의 광학 구조물이 형성된 기판(20)의 부분들을 분리시켜 다수의 광학 소자가 분리되는 것을 특징으로 하는 광학 소자 형성 방법.
  17. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 성형 툴(1)의 성형부 또는 열 압인부(2, 3, 4)의 미크론 단위의 직경이 D일 때, 성형 툴(1)과 기판(20) 사이의 형상 편차(d)가 d ＞ 10㎛이고 d ＜ (200㎛ + D/10)이도록, 성형 툴(1)과 기판(20)이 제공되는 것을 특징으로 하는 광학 소자 형성 방법.
  18. 최소한 하나의 성형 툴(1)과 최소한 하나의 기판(20)을 포함하는, 제1항 또는 제2항에 따른 광학 소자 형성 방법으로 광학 소자를 형성하는 장치로서,
    광학 효과를 갖는 광학 구조물을 성형하거나 열 압인하는 다수의 성형부 또는 열 압인부(2, 3, 4)가 성형 툴(1)의 표면에 형성되고,
    상기 성형 툴의 다수의 해당 성형부 또는 열 압인부(2, 3, 4)와 접촉한 상태에서 열 및 압력의 인가시 광학 효과를 갖는 다수의 광학 구조물로 변형되는 최소한 하나의 예비성형부(16, 17)가 성형 툴(1)을 마주하는 기판(10)의 표면에 형성되며,
    상기 기판(10)의 최소한 하나의 예비성형부(16, 17)와 성형 툴(1)의 표면의 성형부 또는 열 압인부(2, 3, 4)는, 성형 툴(1)과 기판(10)이 서로 가압될 때, 해당 성형부나 열 압인부(2, 3, 4)의 표면 또는 성형 툴(1)의 표면과 각각의 예비성형부(16, 17)의 표면 사이에 형성되는 닙(6)이 중앙 영역(11)으로부터 각각의 예비성형부(16, 17) 또는 기판(10)의 가장자리(2, 14) 쪽으로 연장 및 확장되도록, 우선 기판(10)의 각각의 예비성형부(16, 17)가 중앙 영역(11)에서 해당 성형부나 열 압인부(2, 3, 4) 또는 성형 툴(1)에 접촉하고, 기판과 성형 툴(1)이 낮은 변형 레벨을 형성하는 서로 대향된 베이스 영역을 구비하도록 형성되는 것을 특징으로 하는 광학 소자 형성 장치.
  19. 삭제
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