KR101085307B1 - 중합체 물질로 투명 광학 소자를 제조하는 방법 및 몰드 - Google Patents

Abstract

본 발명은 중합체 재료로 투명한 광학 소자를 제조하기 위한 방법 및 몰드에 관한 것이다. 본 발명의 방법으로 제조될 수 있는 광학 소자는, 적어도 감소된 계면 반사를 가지는 표면 영역을 가지게 된다. 본 발명에 따르면, 중합체 물질로 구성되고 각각의 광학 소자에 대응하는 기준 소자의 경우, 다음과 같은 과정을 거친다. 전체 표면 또는 대응하는 선택된 표면은 진공 상태에서 고 에너지 이온의 영향에 노출된다. 이러한 방법으로, 표면 사이에 교대로 배열된 상승과 하강을 가지는 불규칙한 나노 구조가 대응하는 표면상에 형성된다. 이어서, 얇은 전기 도전성 층이 도포되고, 나노 구조에 의하여 겹쳐진 음각을 가진 몰드를 얻기 위하여 전기화학적 형성이 이루어진다. 이러한 몰드로, 계면 반사를 감소시키는 나노 구조의 몰딩 공정에서 광학 소자가 제조될 수 있다.

Description

중합체 물질로 투명 광학 소자를 제조하는 방법 및 몰드{METHOD AND MOULD FOR PRODUCING TRANSPARENT OPTICAL ELEMENTS CONSISTING OF POLYMER MATERIALS}

본 발명은 중합체 물질로 투명 광학 소자를 제조하는 방법 및 몰드에 관한 것이다. 이렇게 제조된 광학 소자는 적어도 일 표면에서, 적어도 특정 영역에서 계면 반사를 감소시키게 된다.

중합체 물질로 만들어진 광학 소자는 다양한 응용 분야에 점차 빈번하게 사용되고 있다. 이러한 광학 소자에서는, 반사로 인한 손실이 발생하여 바람직하지 않고, 광학 소자의 표면에서 반사되어 그 후 사용되지 못하는 전자기 방사의 비율이 가능한 적게 유지되어야 한다. 따라서, 이러한 비율을 단위 구역당 4% 이하, 바람직하게는 1% 이하로 유지하려는 노력이 이루어진다.

이러한 문제를 해결하기 위하여, 과거에 다양한 연구가 이루어졌다.

예를 들어, 광학 소자의 표면상에 일반적으로 교차 층시스템(alternating layer systems)으로서, 한 층이 다른 한 층의 위에 배치되는 다수의 박막으로 형성된 층시스템을 형성하는 것이 알려져 있다. 이러한 층시스템의 적용은 비용 집약적 이고, 또한 투과의 저하를 초래하고, 광학 소자의 표면상에 그러한 층시스템을 부착하는 문제도 배제할 수 없다.

그러한 층시스템은 일반적으로, 진공 상태에서 알려진 PVD 또는 CVD 공정 기술로 형성될 수 있고, 이 광학 소자를 큰 배치로 제조하는 것은 상대적으로 높은 비용을 필요로 한다.

전자기 방사의 반사되는 비율을 줄이기 위하여 선택되는 또 다른 방법은, 비반사성으로 형성된 대응 표면상에 미세구조, 소위 "모스아이(motheye)" 구조를 형성하는 방법이다. 대응하는 해결방법은 예를 들어, A. Gombert and W. Glaubitt의 Thin solid films 351 (1999) 73~78 페이지와 D. L. Brundrett, E. N. Glysis, T. K. Gaylord의 Applied optics 16 (1994) 2695~2706 페이지에 개시되어 있다.

이러한 알려진 해결방법으로 인하여, 반사된 전자기 방사의 비율 감소는 대응하는 제한된 범위의 입사각과 대응하는 제한된 스펙트라 범위의 각각의 경우에즉, 각각의 전자기 방사의 특정 입사각 또는 선택된 파장에 대하여 달성될 수 있다.

알려진 미세 구조의 형성을 위하여, 필리그리 음곽(filigree negative contour)이 이러한 몰드에 형성되어야 하므로, 특히 몰드의 제조에 있어서 상당한 노력이 필요하다. 한편, 이는 집중된 에너지 빔 또는 사진평판(phptolithographt) 형성의 도움으로 열 처리에 의하여 일어날 수 있다.

하여튼, 많은 노력이 필요하다. 또한, 이러한 방법으로 제조될 수 있는 미세 구조는 공정이 달성할 수 없는, 대응하는 최소 수치로 한정된다.

따라서, 본 발명의 목적은, 중합체 물질로 만들어진 투명한 광학 소자의 표면이 계면 반사가 감소하도록 처리될 수 있고, 동시에 제조 비용이 절감되고, 그리고 본 발명이 다양한 광학 소자의 제조에 사용될 수 있는 해결방법을 제공하는 것이다.

이러한 목적은 본 발명에 따라 청구항 1의 특징을 가지는 방법에 의하여 달성되고, 청구항 14에 청구된 광학 소자 제조를 위한 몰드를 사용할 수 있다.

본 발명의 바람직한 실시예와 변화는 종속항에 명시된 사항에 의하여 달성될 수 있다.

본 발명에 따른 투명 광학 소자를 제조하기 위한 방법에 있어서, 광학 소자의 표면은 적어도 특정 영역에서 감소한 계면 반사를 가지고, 다음과 같은 과정으로 제조된다

제1 단계에서, "마스터(master)"라고도 하며 중합체 물질로 구성된 기준 소자가 진공 챔버 내에서 각각의 표면에서 고 에너지 이온의 영향에 노출된다. 고 에너지는 예를 들어 플라즈마에 의하여 발생하고, 기준 소자의 각 표면은 이온 충격을 받는다.

상술한 바와 같이 처리된 종래의 제조된 광학 소자는 바람직하게 기준 소자로서 사용될 수 있다.

고 에너지 이온의 영향은 불규칙한 나노 구조가 기준 소자의 각 표면에 형성되는 효과를 가진다. 이러한 나노 구조는 표면 사이사이에 서로 교대하도록 형성된 상승과 하강의 다중성에 의하여 구별된다. 상기 상승과 그에 상응하는 하강은, 표면 위에 다른 치수로 형성되어, 대응하는 나노 구조의 도움으로 굴절율 경사층을 달성할 수 있다.

제2 단계에서, 기준 소자의 각 표면은 전기적으로 도전성인 박막으로 코팅된다.

이 박막의 두께는 단지 전기 도전성만을 얻는 것이고, 이어서 수행되는 제3 단계에서 몰드가 전기화학적으로 형성될 수 있도록 해야 한다.

몰드는 기준 소자의 표면 윤곽에 대응하여 기준소자의 상승에 대응하는 하강과 하강에 대응하는 상승의 구조로 된 '음의 윤곽(negative contour)을 갖는다.

몰드 제조를 위한 전기 화학적 형성은 종래의 방법으로 이루어질 수 있고, 그러한 몰드는 예를 들어 니켈의 증착에 의하여 획득될 수 있다.

이렇게 제조된 몰드에 의하여, 각각의 광학 소자는 잘 알려진 성형(몰딩) 공정에 의해 대량으로 제조될 수 있다. 전기 화학적 형성에 의하여 형성된 나노 구조를 가지는 단 하나의 기준 소자로부터 다수의 몰드를 제조하는 것이 가능하고, 이에 의하여 제조 비용을 더욱 절감할 수 있다.

수평의 또는 연속적으로 구부러진 표면의 단순 구조의 기준 소자와는 별도로, 본 발명에 따른 기준 소자는 비연속적인 표면 윤곽을 가지는 광학 소자를 제조를 위하여 사용될 수 있다. 그러한 기준 소자는 광학적으로 유효한 표면 윤곽, 예를 들어 프레넬(Fresnel) 윤곽을 가질 수 있고, 본 발명에 따른 해결방법으로, 적어도 액티브 플랭크(active flank)에서 계면 반사를 감소시킬 가능성이 있다.

제3 단계에 의하여 생성된 몰드에 의하여, 광학 소자가 대응하여 제조될 수 있다. 따라서 고온 엠보싱 소자에 의하여 시트 형태 또는 플라스틱 필름 또는 플라스틱 펠렛 또는 입자로 대응하는 광학 소자를 제조할 수 있다.

그러나, 마찬가지로 그러한 몰드의 플라스틱 사출성형에 의하여 광학 소자를 제조하는 것이 가능하다.

또한, 상기 광학 소자는 또한 압출 성형 엠보싱 공정에 의하여 제조될 수도 있다.

광학 소자가 각각의 경우 다른 굴절율을 가지는 적어도 두 가지 재료로부터 형성된 경우 및/또는 긁힘(scratch) 저항성 표면 코팅이 된 경우, UV 복제 방법이 적당하다.

상기 광학 소자는 다양한 플라스틱으로부터 제조될 수 있다. 원하는 광학 특성과는 별도로, 각각의 몰딩 과정에서 중요한 특성들만을, 여기에서는 특히 굴절율을 고려해야 한다.

또한, 광학 소자의 표면 코팅에 광학적으로 효과적인 나노 구조를 형성하는 방법도 있다. 이와 같은 특히 유리한 "긁힘 저항성" 코팅은, 예를 들어 졸-겔(sol-gel) 공정에 의하여, 예를 들어 "Ormocere" 라는 상표명으로 통용되는 유기-무기 혼성(hybrid) 중합체로 도포될 수 있고, 반사 감소 나노 구조의 형성 동안 또는 후에 경화된다. 여기에서 혼성 중합체에서의 무기성분은 유리 성분(예를 들어, 실리콘 디옥사이드 또는 실란)이 바람직하다.

이러한 형태에서, 계면 반사를 감소시키는 나노 구조는, 플라스틱으로 만들어진 광학 소자뿐만 아니라, 몰딩 공정에 의하여 처리될 수 없는 또는 어려운 물질로 형성된 광학 소자의 표면에도 형성될 수 있다. 예를 들어, 본 발명은 또한 유리로 구성된 광학 소자의 제조에 이용될 수 있다.

본 발명에 있어서 중요한 나노 구조를 형성하는, 사이사이에 하강이 이루어진 상승은, 표면에 형성된 다양한 상승의 높이가 30 nm 및 210 nm 사이의 범위가 되도록, 각각의 기준 소자의 표면상에 형성될 수 있다. 이러한 경우, 개별적인 상승는, 각 경우에 30 nm 내지 150 nm 사이의 평균 두께를 가지고, 평균 두께는 상승의 각 경우에 평균 높이에서의 상승의 각각의 두께를 의미하게 된다.

상기 상승은 그들의 각각의 높이 및/또는 두께가, 예를 들어 높이 120 nm, 두께 80 nm의 평균값으로 각각의 간격 내에서 균일한 분포가 이루어지도록 제조하는 것이 바람직하다.

광학 소자 제조를 위한 몰드 상에서 나노 구조의 네거티브 인압(impression)의 치수화는 이러한 규격에 대응한다.

기준 소자의 표면에 형성된 나노 구조는, 본 발명의 청구항 1에 따른 제2 및 제3 단계에 의하여, 사용되는 기준 소자의 표면의 양각으로부터 아주 약간 벗어나더라도 몰드의 표면으로 이동될 수 있다는 것이 발견되었다.

표면 반사를 실질적으로 감소시키는 나노 구조의 기준 소자를 형성하는 제1 단계가 하기에서 더 자세하게 설명된다.

중합체 플라스틱 물질, 바람직하게는 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA), 디에틸렌 글리콜 비스(아릴카르보네이트)(CR39) 또는 메틸메타크릴레이트 함유 중합체로 만들어진 기준 소자가 진공 챔버 내에 위치하여 플라즈마의 영향 하에 노출된다. 이 플라즈마로, 고 에너지 이온이 발생하고, 기준 소자의 원하는 표면이 이온으로 충격을 받는다. 바람직하게는 DC 아르곤 플라즈마, 특히 산소가 첨가된 DC 아르곤 플라즈마가 바람직하게 사용된다.

이러한 경우에, 진공 챔버는 10^-3 mbar 이하, 바람직하게는 약 3×10^-4 mbar의 내부 압력으로 작동되어야 한다.

상기 플라즈마는 적어도 30 sccm의 산소로 실행되어야 한다.

발생된 이온은 100 eV 내지 160 eV 범위의 에너지를 가지고, 각각의 이온 에너지는 기준 소자의 물질을 고려하여 설정되어야 한다. 기준 소자의 각각의 재료는 또한, 표면의 이온 충격의 각각의 지속 시간이 고려되어야 한다.

따라서, 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA)의 기준 소자는, 100 eV 내지 160 eV, 바람직하게는 120 eV 내지 140 eV의 에너지의 이온으로, 200초 내지 400초, 바람직하게는 250초 내지 350초의 시간 주기 동안 충격받을 수 있다.

디에틸렌 글리콜 비스(아릴카르보네이트)의 기준 소자의 경우, 이온은 120 eV의 최소 에너지, 바람직하게는 150 eV를 가져야 하고, 이온 충격은 적어도 500초의 시간 주기 동안 이루어져야 한다.

본 발명에 따른 방법에 의하여 제조된 광학 소자들의 경우, 400 nm 내지 1100 nm의 파장 범위에서 표면에서 반사된 전자기 방사의 비율을 최대 2%까지 감소시키는 것이 가능하였다. 420 nm 내지 870 nm 사이의 파장 범위, 즉 가시광의 주요 부에서, 전자기 방사의 반사 비율을 1.5% 이하까지 감소시키는 것이 가능하였다.

본 발명에 의하여, 전자기 방사 그리고 여기에서는 특히 가시광, 적외선의 스펙트럼 범위, 또한 부분적으로 자외선 스펙트럼 범위의 다양한 광학 소자가 다양한 분야용으로 만들어질 수 있다. 또한 다양한 프로젝트 광학 소자 그리고 특히 프레넬 렌즈에서의 광학 소자를 향상된 광학 특성으로 약간 증가된 비용으로 제조할 수 있다.

또한, 본 발명은 예를 들어 광학 윈도우 및 프리즘과 같은 다른 광학 소자들의 제조가 가능하다.

본 발명은 또한 광학 렌즈(또한 렌즈 어레이), 빔 스플리터, 광학 도파관, 확산기, 렌티큘러 렌즈의 제조 및 광학 투명 필름에 사용될 수 있다.

본 발명의 다른 중요한 응용은 광학 표시소자 또는 광학 지시 소자(optical indicating element)의 투명 피복제의 응용이다. 예를 들어, 전화기와 같은 다양한 전기 또는 전자장치의 지시 표시장치가 본 발명에 따라 제조될 수 있다.

이러한 경우, 이중 반사가 특히 예방될 수 있다.

특정한 광학 지시 소자에 대하여, 본 발명은 마찬가지로 피복제로서 사용될 수 있으며, 감소된 출력의 광원을 사용할 수 있다.

도 1은 폴리메틸메타크릴레이트의 기준 소자에 형성된 나노 구조의 AFM 전자 현미경 사진(원자력 전자현미경)을 나타낸다.

다음의 실시예를 통하여 본 발명을 좀 더 자세히 설명한다.

이 경우, 폴리메틸메타크릴레이트의 기준 소자는 진공 챔버 안에 놓이고, 챔버 내의 압력은 7 내지 8×10^-6 mbar로 감소된다. 플라즈마 이온 소스 APS 904 (Leybold Optics)의 도움으로, 30 sccm의 산소를 첨가하여 아르곤 플라즈마가 생성되고, 압력이 약 3×10^-4 mbar로 유지된다.

상기 플라즈마 이온 소스는 적어도 120 V의 바이어스(BIAS) 전압으로 실행된다.

이러한 방법으로, 적어도 에너지가 120 eV이고, 기준 소자의 PMMA 표면 위에서 소성되는 이온을 발생시킬 수 있었다.

상기 이온 충격은 300초 동안 실행되었다.

도 1에 나타난 바와 같이, 이온 충격에 의하여 불규칙한 나노 구조를 형성할 수 있었고, 개개의 상승은 각각 50 nm 내지 120 nm 사이의 범위의 다른 높이를 가지고, 50nm 내지 120 nm 범위의 평균 두께를 가진다. 도 1에서, 또한 상기 상승은 약 1:1의 종횡비를 유지하는 것을 알 수 있다.

최대 층 두께 5 nm, 바람직하게는 1 nm 이하의 층 두께를 가진 얇은 금 필름이 잘 알려진 박막 공정에 의하여 기준 소자의 나노 구조화된 표면상에 형성되었 다.

이러한 방법으로 준비된 기준 소자는 전기화학적 증착에 사용되었다. 이러한 방법으로, 니켈로 부터 사실상 동일한 음각을 가진, 즉 대응된 형상의 나노 구조를 가진 몰드를 제조할 수 있었다. 이러한 몰드는 고온 엠보싱 기술에 의하여 광학 소자를 제조하는 데에 사용되고, 적어도 5000 인압을 받은 후에 필요하게 되는 마모로 인한 대체를 위하여 사용되었다.
본원의 명세서에서 사용된 '광학소자'는 예를 들어 발광소자나 디스플레이소자와 같은 소자(element)이며, '기준소자'는 이러한 몰드 제조를 위하여 '광학소자'에서 요구되는 표면 특성의 나노 구조가 고 에너지 이온의 충격으로 표면에 형성된 중합체 물질로 된 것이고, '몰드'는 상기 '기준소자'로 부터 전기화학적 증착에 의해 표면에 기준소자 표면의 윤곽과 대응된 윤곽을 갖도록 제조되어 '광학소자'를 성형하기 위한 것으로 정의한다.

Claims (22)

1. 적어도 소정 영역에서 표면의 계면 반사가 감소되는 투명 광학 소자의 제조 방법에 있어서,

   중합체 물질로 이루어지고 광학 소자에 대응하는 기준소자의 각 표면을 진공 상태에서 고 에너지 이온의 영향에 노출시켜, 기준소자의 각 표면에 고 에너지 이온의 충돌에 의해 상승과 하강이 교대로 배열되어 계면 반사를 감소하는 불규칙한 나노 구조를 형성하고,

   이어서, 상기 기준소자의 각 표면을 전기 도전층으로 코팅하고,

   상기 기준소자의 나노 구조에 대응된 음각을 갖는 몰드를 전기화학적 증착에 의해 얻고,

   상기 몰드로 성형공정에 의하여 적어도 일 표면상에 나노 구조를 갖는 투명 광학 소자를 형성하는 것을 특징으로 하는 투명 광학 소자 제조 방법.
2. 제1항에 있어서, 광학적으로 효과적인 표면 윤곽을 가진 기준 소자가 사용되는 것을 특징으로 하는 투명 광학 소자 제조 방법.
3. 제1항에 있어서, 상기 고 에너지 이온은 아르곤/산소 플라즈마에 의하여 발생하는 것을 특징으로 하는 투명 광학 소자 제조 방법.
4. 제1항에 있어서, 상기 기준 소자의 제조를 위하여 폴리메틸메타크릴레이트, 디에틸렌 글리콜 비스(아릴카르보네이트)(CR39), 또는 메틸메타크릴레이트 함유 중합체가 사용되는 것을 특징으로 하는 투명 광학 소자 제조 방법.
5. 제1항에 있어서, 상기 고 에너지 이온에 의하여, 나노 구조의 상승은 30 nm 내지 210 nm 사이 범위의 높이로 형성되는 것을 특징으로 하는 투명 광학 소자 제조 방법.
6. 제5항에 있어서, 상기 나노 구조의 상승의 평균 두께는 30 nm 내지 150 nm 사이 범위로 형성되는 것을 특징으로 하는 투명 광학 소자 제조 방법.
7. 제1항에 있어서, 상기 도전층은 금속 박막으로 형성되는 것을 특징으로 하는 투명 광학 소자 제조 방법.
8. 제7항에 있어서, 상기 도전층은 금으로 형성되는 것을 특징으로 하는 투명 광학 소자 제조 방법.
9. 제1항에 있어서, 상기 기준소자의 각 표면에 충돌하는 고 에너지 이온은 110 eV 내지 160 eV 사이 범위의 에너지를 갖는 것을 특징으로 하는 투명 광학 소자 제조 방법.
10. 제1항에 있어서, 상기 기준소자의 각 표면에서의 이온 충돌은 200초 내지 600초 사이의 시간 주기 동안 일어나는 것을 특징으로 하는 투명 광학 소자 제조 방법.
11. 제1항에 있어서, 상기 기준소자의 각 표면에서의 이온 충돌은 10^-3 mbar 이하의 압력에서 일어나는 것을 특징으로 하는 투명 광학 소자 제조 방법.
12. 제1항에 있어서, 상기 광학 소자의 성형은 고온 엠보싱 또는 플라스틱 사출성형 기술에 의하여 일어나는 것을 특징으로 하는 투명 광학 소자 제조 방법.
13. 제1항에 있어서, 상기 광학 소자의 성형은 압출 성형 엠보싱 또는 UV 복제에 의하여 일어나는 것을 특징으로 하는 투명 광학 소자 제조 방법.
14. 제1항에 있어서, 상기 광학 소자의 표면은 유기-무기 혼성 중합체로 코팅되고, 상기 나노 구조는 그 혼성 중합체 층의 표면상에 몰드로 형성되는 것을 특징으로 하는 투명 광학 소자 제조 방법.
15. 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 기재된 방법에 의하여 제조된 광학 소자를 제조하기 위한 몰드에 있어서, 표면 사이에 상승과 하강이 교대로 배열된 불규칙한 나노 구조가 표면상에 형성되며, 각 경우의 하강은 30 nm 내지 210 nm 사이의 간격 내에서 다른 깊이를 가지는 것을 특징으로 하는 몰드.
16. 제15항에 있어서, 상기 하강은 30 nm 내지 150 nm 사이 범위의 평균 폭을 가지는 것을 특징으로 하는 몰드.
17. 제15항에 있어서, 상기 하강의 각각의 깊이 및 두께는 간격 내에서 평균값으로 균일하게 분포되는 것을 특징으로 하는 몰드.
18. 제15항에 있어서, 상기 몰드는 프레넬 렌즈의 제조를 위하여 형성되는 것을 특징으로 하는 몰드.
19. 제15항에 있어서, 상기 몰드는 광학 윈도우, 광학 렌즈, 렌티큘러 렌즈, 빔 스플리터, 광학 도파관 또는 광학 프리즘 중에서 선책된 하나를 위하여 형성되는 것을 특징으로 하는 몰드.
20. 제15항에 있어서, 상기 몰드는 광학 투명 필름의 제조를 위하여 형성되는 것을 특징으로 하는 몰드.
21. 제15항에 있어서, 상기 몰드는 표시장치 또는 광학 지시 소자를 위한 피복제의 제조를 위하여 형성되는 것을 특징으로 하는 몰드.
22. 제15항에 있어서, 상기 하강의 각각의 깊이 또는 두께는 간격 내에서 평균값으로 균일하게 분포되는 것을 특징으로 하는 몰드.

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