KR101035557B1 - 마이크로 콜리메이터의 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 마이크로 콜리메이터의 제조 방법에 관한 것으로, 기판 상에 포토레지스트 원기둥을 용융시켜 오목렌즈의 틀을 형성한 후, 그 위에 고분자 물질인 PDMS를 응착시키고, 다시 그 위에 포토레지스트를 이용하여 반구 형태의 볼록렌즈 어레이를 형성한 다음에 오목렌즈의 틀이 형성된 반도체 기판으로부터 분리작업을 통해 마이크로 콜리메이터를 제조함으로써, 기존에서와 같이 사용되는 SLA를 대체할 수 있으며, 비평행 광원을 평행의 광원으로 만들어 집중된 빛을 먼 거리까지 전파할 수 있다. 또한, 본 발명은 SLA의 대체기술인 마이크로 콜리메이터의 기술을 접목하여 비용절감과 생산성 향상, 발전된 성능을 갖으며, SLA 보다 작은 체적을 갖고 있어 불필요한 공간의 절감과 중량 절감을 기대하며, 나아가 프린터의 소형화로의 발전도 가능하며, 콜리메이터의 여러 조합을 단일 공정으로 제작 가능하므로 선형 어레이나 2차원의 콜리메이터 어레이에 확장할 수 있다.

마이크로 콜리메이터, 광원, 볼록렌즈, 오목렌즈

Description

마이크로 콜리메이터의 제조 방법{METHOD FOR MANUFACTURING OF MICRO COLLIMATOR}

본 발명은 마이크로 콜리메이터(micro collimator)의 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 포토레지스트(photoresist) 원기둥을 용융시켜 오목렌즈의 틀을 형성한 후, 그 위에 고분자 물질인 폴리디메틸실록산(polydimethylsiloxane, 이하 PDMS라 함)을 응착시키고, 포토레지스트를 이용하여 반구 형태의 볼록렌즈 어레이를 형성한 다음에 오목렌즈의 틀로부터 분리작업을 통해 마이크로 콜리메이터를 제조하도록 하는 방법에 관한 것이다.

주지된 바와 같이, 광통신에서 레이저, 레이저 다이오드, 발광 다이오드 등의 광원을 이용하는 장치들이 널리 사용되고 있다. 예컨대, 사무실에서 널리 사용되고 있는 레이저 프린터중 발광 다이오드를 이용한 LED 프린터는 모든 전자회로들이 위치 변화 없이 동작하기 때문에 소음이 적고 현재 레이저 프린터의 주류를 이루고는 있다.

또한, 광양자테(Photonic Quantum Ring, 이하, PQR이라 함) 레이저는 극도의 낮은 문턱전류와 온도 안정성으로 인하여 고속 동작과 고집적 어레이 적용에 장점을 지니며, 더불어 꽃잎 형태의 광양자테 레이저는 높은 근거리 수직 발진과 광효율(luminous efficiency) 측면에서 뛰어나고 고속 모듈레이션이 가능하며 높은 색순도를 지닌 우수한 가우시안(gaussian) 빔을 생산한다.

여기서, 광양자테 레이저의 빔 프로파일 특성은 도 1에 도시된 바와 같다. 즉, 48㎛ 소자, 주입전류 1㎃/64 어레이, 스캔영역 60ㅧ60㎛, 측정높이 0㎛(좌), 90㎛(우)의 조건에 의해 최초의 직경이내 범위의 라게르 가우시안(laguerre gaussian)에서 가우시안 빔으로 변화되어 만들어지는 특성이 있다.

이러한 광양자테 레이저의 광원은 메사의 테두리에서 강한 발진이 일어나므로 발광하는 소자일 경우 바로 앞에서 라게르 가우시안 빔 프로파일을 보이며, 이후 거리가 멀어짐에 따라 가우시안 빔 프로파일로 전환되는 독특한 특성을 갖는다.

하지만, 상술한 바와 같이 종래 기술에서 언급된 광통신에서 사용되는 LED 프린터는 LED 광원이 자발방출형 소자로서의 한계로 유도방출에 의한 레이저처럼 문턱전류 이후의 고출력, 고주파, 직진성, 결맞음 등의 레이저로서의 장점을 지니지 못한다. 또한 LED의 광원 집중과 가이드를 위해 SLA를 채택하여 프린터 등에 적용되어 사용하고는 있지만 고비용의 기술이며 제작이 복잡하다는 문제점이 있다.

이에, 본 발명의 기술적 과제는 상술한 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으 로, 반도체 기판 상에 포토레지스트 원기둥을 용융시켜 오목렌즈의 틀을 형성한 후, 그 위에 고분자 물질인 PDMS를 응착시키고, 포토레지스트를 이용하여 반구 형태의 볼록렌즈 어레이를 형성한 다음에 오목렌즈의 틀로부터 분리작업을 통해 제조할 수 있는 마이크로 콜리메이터의 제조 방법을 제공한다.

본 발명에 따른 마이크로 콜리메이터의 제조 방법은, 오목렌즈의 틀이 형성된 반도체 기판 상부에 고분자 물질을 형성하는 단계와, 고분자 물질의 상부에 포토레지스트를 전면 형성하고 포토레지스트의 일부를 선택적으로 제거하여 포토레지스트 패턴을 형성하는 단계와, 포토레지스트 패턴에 대하여 가열 공정 및 용융시켜 반구 형태의 볼록렌즈 어레이를 형성하는 단계와, 오목렌즈의 틀이 형성된 반도체 기판으로부터 볼록렌즈 어레이가 형성된 고분자 물질을 분리하여 마이크로 콜리메이터를 제작하는 단계를 포함한다.

상술한 고분자 물질은, 폴리디메틸실록산(polydimethylsiloxane)인 것을 특징으로 한다.

상술한 폴리디메틸실록산은, 반도체 기판 상부에 스핀 코팅을 통해 형성하고, 오븐을 통해 응고시키며, 애셔(asher)를 이용하여 산소 플라즈마에 노출시켜 응착시키는 것을 특징으로 한다.

상술한 산소 플라즈마의 노출 시간은, 50초∼1분10초의 범위인 것을 특징으로 한다.

상술한 폴리디메틸실록산의 두께는, 스핀코터의 분당 회전수를 조정하여 마이크로 콜리메이터내 볼록렌즈의 초점거리 보다 상대적으로 얇게 형성하는 것을 특징으로 한다.

상술한 마이크로 콜리메이터는, 비평행의 광양자테 광원에 대하여 평행의 광양자테 광원으로 변환하는 것을 특징으로 한다.

상술한 평행의 광양자테 광원은, 광섬유를 통과하여 원거리에 위치한 다른 기기로 전달하는 것을 특징으로 한다.

상술한 비평행의 광양자테 광원은, 마이크로 콜리메이터내 볼록렌즈를 통과하여 집광되고, 마이크로 콜리메이터내 오목렌즈를 거치며 최소 스팟 크기로 발산하는 것을 특징으로 한다.

상술한 오목렌즈는, 볼록렌즈의 초점거리 내에 위치해야 하는 것을 특징으로 한다.

상술한 가열 공정은, 핫 프레이트 혹은 오븐을 통해 150℃∼160℃ 이내의 범위의 온도와 10분 전후의 시간으로 진행하는 것을 특징으로 한다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명은 반도체 기판 상에 포토레지스트 원기둥을 용융시켜 오목렌즈의 틀을 형성한 후, 그 위에 고분자 물질인 PDMS를 응착시키고, 포토레지스트를 이용하여 반구 형태의 볼록렌즈 어레이를 형성한 다음에 오목렌즈의 틀이 형성된 반도체 기판으로부터 분리작업을 통해 마이크로 콜리메이터 를 제조함으로써, 기존에서와 같이 사용되는 SLA를 대체할 수 있으며, 비평행 광원을 평행의 광원으로 만들어 집중된 빛을 먼 거리까지 전파할 수 있다.

또한, 본 발명은 SLA의 대체기술인 마이크로 콜리메이터의 기술을 접목하여 비용절감과 생산성 향상, 발전된 성능을 갖으며, SLA 보다 작은 체적을 갖고 있어 불필요한 공간의 절감과 중량 절감을 기대하며, 나아가 프린터의 소형화로의 발전도 가능하며, 콜리메이터의 여러 조합을 단일 공정으로 제작 가능하므로 선형 어레이나 2차원의 콜리메이터 어레이에 확장할 수 있는 이점이 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예를 상세히 설명한다. 하기에서 본 발명을 설명함에 있어서 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

도 2a 내지 도 2h는 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 콜리메이터의 제조 방법을 설명하기 위한 각 공정별 수직 단면도이다.

즉, 반도체 기판(P-Substrate)(예컨대, 실리콘 기판, 세라믹 기판, 고분자 기판 등)(201) 상에 일 예로, 도 2a에 도시된 바와 같이 포토레지스트(예컨대, AZ9260(clariant))(203)를 전면 형성한다.

다음으로, 임의의 패턴으로 설계된 레티클을 이용하는 노광 공정과 현상 공정을 실시하여 전면 형성시킨 반도체 기판(201) 상의 포토레지스트(203) 일부를 선택적으로 제거함으로써, 일 예로서 도 2b에 도시된 바와 같이, 포토레지스트 패턴(203a)을 형성한다.

다음에, 반도체 기판(201) 상부에 형성된 포토레지스트 패턴(203a)에 대하여 예컨대, 핫 프레이트 혹은 오븐 등을 통해 가열 그리고 용융시켜 일 예로, 도 2c에 도시된 바와 같이 표면 장력으로 인한 반구 형상(203b)을 형성한다. 여기서, 가열의 온도는 150℃∼160℃ 이내의 범위가 바람직하고, 가열의 시간은 10분 전후로 진행하는 것이 바람직하다.

다음으로, 반구 형상(203b)이 형성된 반도체 기판(201) 상부에 일 예로, 도 2d에 도시된 바와 같이 포토레지스트(예컨대, 5214)(205)를 전면 코팅한다.

이후, 전면 코딩된 포토레지스트(205) 상부에 일 예로, 도 2e에 도시된 바와 같이 스핀 코팅 등의 도포 공정을 실시하여 고분자 물질인 PDMS(207)를 전면 형성하고, 90℃의 오븐 등에서 응고시킨 후, 상부에 제작될 볼록렌즈의 응착력을 높이기 위해 애셔(asher) 등의 장비를 이용하고 산소 플라즈마(O2 plasma)에 노출(exposure)(예컨대, 50초∼1분10초의 범위로 노출시킴)시킨다.

여기서, PDMS(207)의 두께는 스핀 코팅 등의 도포 공정을 실시하는 스핀코터의 분당 회전수를 조정하여 오목렌즈의 틀 상부에 추가되어 형성될 볼록렌즈의 초 점거리 보다 얇게 형성하는 것이 바람직하다.

다음에, PDMS(207) 상부에 대하여 포토레지스트(예컨대, AZ9260(clariant))를 전면 형성하고, 임의의 패턴으로 설계된 레티클을 이용하는 노광 공정과 현상 공정을 실시하여 전면 형성시킨 PDMS(207) 상의 포토레지스트 일부를 선택적으로 제거함으로써, 일 예로서 도 2f에 도시된 바와 같이, 포토레지스트 패턴(209)을 형성한다.

다음으로, PDMS(207) 상부에 형성된 포토레지스트 패턴(209)에 대하여 예컨대, 핫 프레이트 혹은 오븐 등을 통해 가열 그리고 용융시켜 도 2g에 도시된 바와 같이 표면 장력으로 인한 반구 형태의 볼록렌즈 어레이(209a)를 형성한다. 여기서, 가열의 온도는 150℃∼160℃ 이내의 범위가 바람직하고, 가열 시간은 10분 전후로 진행하는 것이 바람직하다.

마지막으로, 오목렌즈의 틀이 제작된 반도체 기판(201)으로부터 반구 형태의 볼록렌즈 어레이(209a)가 형성된 PDMS(207)를 분리하여 일례로 도 2h에 도시된 바와 같이 마이크로 콜리메이터를 제작한다. 상술한 도 2a 내지 도 2h의 내용은 PDMS를 이용한 일 실시예이며, 다른 폴리머(polymer) 응용이 가능하고 제작공정 또한 엠보싱 기법 등 다양한 방법이 가능한 것이 바람직하다.

여기서, 도 2h에 도시된 마이크로 콜리메이터의 SEM(scanning electron microscope) 사진은 도 3a 내지 도 3c에 도시된 반구 형태의 블록렌즈 어레이(209a)와 도 4a 내지 도 4c에 도시된 오목렌즈 어레이(209b)로 구분된다.

보다 상세하게 설명하면, 도 3a는 단일 볼록렌즈의 SEM 사진이고, 도 3b는 볼록렌즈의 1차원 어레이 배열이며, 도 3c는 볼록렌즈의 2차원 어레이 배열을 나타내고 있다. 그리고, 도 4a는 단일 오목렌즈(직경이 36㎛)의 SEM 사진이고, 도 4b는 단일 오목렌즈(직경이 27.2㎛)의 SEM 사진이며, 도 4c는 오목렌즈의 1차원 어레이 배열을 나타내고 있다.

또한, 도 2h에 도시된 반구 형태의 볼록렌즈 어레이(209a)에서 블록렌즈 각각의 지름은 15㎛∼40㎛ 이내의 범위이고, 블록렌즈 각각의 높이는 10㎛∼15㎛ 이내의 범위이며, 오목렌즈 어레이(209b)에서 오목렌즈 각각의 지름은 볼록렌즈 지름의 105%∼110%이고, 오목렌즈 각각의 높이는 볼록렌즈 높이의 90%∼95%로 제작하는 것이 바람직하다.

한편, 도 5는 본 발명의 일 실시예로서, PQR 레이저(S1)에서 발광한 PQR 광원(α>0)이 공기(air)를 통해 마이크로 콜리메이터를 통과할 때, 우선 볼록렌즈를 통과하여 집광(β>0)되고, 이는 오목렌즈를 거치며 최소 스팟 크기(spot size)를 형성하며 발산각은 "0"(γ≒0)에 가깝게 되는 것을 도시한다. 여기서, 오목렌즈는 볼록렌즈와 정확히 정렬되어야 하며, 볼록렌즈의 초점거리 내에 위치하여야만 하는 것이 바람직하다.

도 6은 본 발명의 다른 실시예로서, PQR 레이저(S1)에서 발광한 비평행의 PQR 광원이 마이크로 콜리메이터를 통과하면서 평행의 PQR 광원으로 변환되어 광섬유(optical fiber)(S2)로 전달되며, 이 광섬유(S2)를 통해 다른 장치들(S3)로 전달되는 구성도를 도시한 도면이다.

도 7 및 도 8은 본 발명의 다른 실시예로서, PQR 레이저(S1)에서 발광한 PQR 광원이 마이크로 콜리메이터 통과 후의 거리에 따른 CCD(charge coupled device) 현미경 이미지를 도시한 도면이다.

즉, 정 중앙 빛의 점(dot)이 마이크로 콜리메이터가 위치하는 부분이며 나머지는 오목렌즈만 통과한 이미지로서, 출력광은 볼록렌즈에 도달하기 전까지 발산하며 볼록렌즈에서 오목렌즈사이의 범위에서는 빔의 직경이 점진적으로 줄어들며, 오목렌즈 통과 후 가운데의 콜리메이터를 통과한 PQR 광원은 일예로, 250㎛까지 집광된 작은 빔의 직경을 유지하며 출력된다.

이상에서와 같이, 본 발명은 반도체 기판 상에 포토레지스트 원기둥을 용융시켜 오목렌즈의 틀을 형성한 후, 그 위에 고분자 물질인 PDMS를 응착시키고, 포토레지스트를 이용하여 반구 형태의 볼록렌즈 어레이를 형성한 다음에 오목렌즈의 틀이 형성된 반도체 기판으로부터 분리작업을 통해 마이크로 콜리메이터를 제조함으로써, 기존에서와 같이 사용되는 SLA를 대체할 수 있으며, 비평행 광원을 평행의 광원으로 만들어 집중된 빛을 먼 거리까지 전파할 수 있다.

또한, 본 발명은 SLA의 대체기술인 마이크로 콜리메이터의 기술을 접목하여 비용절감과 생산성 향상, 발전된 성능을 갖으며, SLA 보다 작은 체적을 갖고 있어 불필요한 공간의 절감과 중량 절감을 기대하며, 나아가 프린터의 소형화로의 발전도 가능하며, 콜리메이터의 여러 조합을 단일 공정으로 제작 가능하므로 선형 어레이나 2차원의 콜리메이터 어레이에 확장할 수 있다.

지금까지 본 발명에 대하여 그 일부 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적 인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.

본 발명에 의해 제조된 1차원 혹은 2차원의 어레이로 확장 가능한 마이크로 콜리메이터는 현재 LED 프린터들에 이용되는 SLA를 대체하여 이용되고, 추가 공간이 매우 협소하므로 프린터의 광원에서 드럼까지의 공간과 중량의 최소화가 가능하며 이를 바탕으로 소형 프린터 및 휴대용 프린터 등 까지 이용 가능하며, 다른 응용으로 마이크로 콜리메이터에서 출력된 빛을 광섬유로 전달한 후 다른 장치들로 신호를 전파하는 등의 기술을 구현할 수 있다.

도 1은 종래 기술에 따른 광양자테 레이저의 빔 프로파일 특성을 도시한 도면,

도 2a 내지 도 2h는 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 콜리메이터의 제조 방법을 설명하기 위한 각 공정별 수직 단면도,

도 3a는 단일 볼록렌즈의 SEM 사진,

도 3b는 볼록렌즈의 1차원 어레이 배열도면,

도 3c는 볼록렌즈의 2차원 어레이 배열도면,

도 4a는 단일 오목렌즈의 SEM 사진,

도 4b는 단일 오목렌즈의 SEM 사진,

도 4c는 오목렌즈의 1차원 어레이 배열도면,

도 5는 본 발명의 일 실시예로서, 볼록렌즈를 통과하여 집광되고, 오목렌즈를 거치며 최소 스팟 크기를 형성하여 발산하는 것을 도시한 도면,

도 6은 본 발명의 다른 실시예로서, 비평행의 PQR 광원이 평행의 PQR 광원으로 변환되어 광섬유를 통해 다른 장치들로 전달되는 구성도,

도 7 및 도 8은 본 발명의 다른 실시예로서, PQR 레이저에서 발광한 PQR 광원이 마이크로 콜리메이터 통과 후의 거리에 따른 CCD 현미경 이미지를 도시한 도면.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

201 : 반도체 기판 203 : 포토레지스트

203a : 포토레지스트 패턴 203b : 반구 형상

205 : 포토레지스트 207 : PDMS

209 : 포토레지스트 패턴 209a : 볼록렌즈 어레이

209b : 오목렌즈 어레이

S1 : PQR 레이저

S2 : 광섬유

S3 : 다른 장치들

Claims (10)

1. 오목렌즈의 틀이 형성된 반도체 기판 상부에 고분자 물질을 형성하는 단계와,

   상기 고분자 물질의 상부에 포토레지스트를 전면 형성하고 상기 포토레지스트의 일부를 선택적으로 제거하여 포토레지스트 패턴을 형성하는 단계와,

   상기 포토레지스트 패턴에 대하여 가열 공정 및 용융시켜 반구 형태의 볼록렌즈 어레이를 형성하는 단계와,

   상기 오목렌즈의 틀이 형성된 상기 반도체 기판으로부터 상기 볼록렌즈 어레이가 형성된 상기 고분자 물질을 분리하여 마이크로 콜리메이터를 제작하는 단계

   를 포함하는 마이크로 콜리메이터의 제조 방법.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 고분자 물질은, 폴리디메틸실록산(polydimethylsiloxane)인 마이크로 콜리메이터의 제조 방법.
3. 제 2 항에 있어서,

   상기 폴리디메틸실록산은, 상기 반도체 기판 상부에 스핀 코팅을 통해 형성 하고, 오븐을 통해 응고시키며, 애셔(asher)를 이용하여 산소 플라즈마에 노출시켜 응착시키는 마이크로 콜리메이터의 제조 방법.
4. 제 3 항에 있어서,

   상기 산소 플라즈마의 노출 시간은, 50초∼1분10초의 범위인 마이크로 콜리메이터의 제조 방법.
5. 제 2 항에 있어서,

   상기 폴리디메틸실록산의 두께는, 스핀코터의 분당 회전수를 조정하여 상기 마이크로 콜리메이터내 볼록렌즈의 초점거리 보다 상대적으로 얇게 형성하는 마이크로 콜리메이터의 제조 방법.
6. 제 1 항에 있어서,

   상기 마이크로 콜리메이터는, 비평행의 광양자테(photonic quantum ring) 광원에 대하여 평행의 광양자테 광원으로 변환하는 마이크로 콜리메이터의 제조 방법.
7. 제 6 항에 있어서,

   상기 평행의 광양자테 광원은, 광섬유를 통과하여 원거리에 위치한 다른 기기로 전달하는 마이크로 콜리메이터의 제조 방법.
8. 제 6 항에 있어서,

   상기 비평행의 광양자테 광원은, 상기 마이크로 콜리메이터내 볼록렌즈를 통과하여 집광되고, 상기 마이크로 콜리메이터내 오목렌즈를 거치며 최소 스팟 크기(spot size)로 발산하는 마이크로 콜리메이터의 제조 방법.
9. 제 8 항에 있어서,

   상기 오목렌즈는, 상기 볼록렌즈의 초점거리 내에 위치해야 하는 마이크로 콜리메이터의 제조 방법.
10. 제 1 항에 있어서,

    상기 가열 공정은, 핫 프레이트 혹은 오븐을 통해 150℃∼160℃ 이내의 범위의 온도와 10분 전후의 시간으로 진행하는 마이크로 콜리메이터의 제조 방법.

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