KR101127227B1 - 복층 구조를 가진 마이크로 렌즈 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 복층 구조를 가진 마이크로 렌즈의 제조 방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는, ⒜ 제1 마이크로 렌즈 마스터를 제작함에 기반하여 제1 마이크로 렌즈를 형성하기 위한 제1 몰드(Mold)를 형성하는 단계; ⒝ 제2 마이크로 렌즈 마스터를 제작함에 기반하여 상기 제1 마이크로 렌즈의 표면 위에 제2 마이크로 렌즈를 형성하기 위한 제2 몰드(Mold)를 형성하는 단계; 및 ⒞ 상기 제1 몰드(Mold)에 기반하여 제1 소정의 직경을 갖는 제1 마이크로 렌즈를 소프트 리소그래피(Soft Lithography) 공정을 통해 형성하고, 상기 제2 몰드(Mold)에 기반하여 상기 형성된 제1 마이크로 렌즈의 표면 위에 제2 소정의 직경을 갖도록 형성되는 제2 마이크로 렌즈를 소프트 리소그래피(Soft Lithography) 공정을 통해 형성하는 단계; 를 포함한다.
따라서, 본 발명에 의하면, 종래에 비해 마이크로 렌즈를 통해 투과한 광원의 집광성이 향상되고 또한 광원 투과성이 향상된 마이크로 렌즈를 제공하는 효과가 있으며, 마이크로 렌즈의 보급 및 활용분야 증대에 기여할 수 있는 효과도 있다.

Description

복층 구조를 가진 마이크로 렌즈 제조 방법{Manufacturing Method For Microlens With Double Layers}
본 발명은, 소프트 리소그래피(Soft Lithography) 공정에 기반하여 제1 마이크로 렌즈의 표면 위에 추가적인 제2 마이크로 렌즈를 형성함으로써 복층 구조를 가지는 마이크로 렌즈를 제조하는 방법에 관한 것이다.
마이크로 렌즈(Micro Lens)는, 일반적으로 직경이 약 2 ㎛ 내지 200㎛를 갖는 반구의 형태로 제조되며, 액정 표시 장치, 수광 장치 및 광통신 시스템에서의 광섬유(Fiber)간 접속과 같은 다양한 용도로 사용되고 있다. 또한 최근, MEMS 제작 기술의 발전으로 인하여 폴리머 재질의 마이크로 렌즈 제작이 가능해짐에 따라 적외선 감지 소자, OLED, TFT-LCD 및 LED 패키지의 디퓨저(Diffuser) 등으로 활용이 광범위화하는 추세이다.
이러한 마이크로 렌즈를 제작하기 위해 사용되는 공정은 그레이-스케일 마스크(Gray-Scale Mask), 포토써멀 테크닉(Photothermal Techinique), 몰딩(Molding), 에칭(Etching), 서페이스 프로퍼티(Surface Properties), 소프트 리소그래피(Soft Lithography) 등이 있다(참고문헌 [1],[2]).
전술한 바와 같이 마이크로 렌즈는 소형의 단일 구조를 가진 반구 형태로 제작되는 것이 일반적이며, 기타 소수의 연구에서는 복잡한 패턴 또는 3차원 구조의 마이크로 렌즈를 형성하기도 하였으나 공정의 어려움 및 고비용이 소요되는 문제점이 존재한다(참고문헌 [3]).
본 발명에서는 전술한 바와 같은 기술적 배경 하에서, 종래의 마이크로 렌즈 구조를 개선한 복층 구조의 마이크로 렌즈 제조 방법에 대해 이하와 같이 개시한다.
<참고 문헌>
[1] C. T. Pan, M. F. Chen, P. J. Cheng, Y. M. Hwang, S. D. Tseng, J. C. Huang, Sensor. Actuat. A-Phys. 150 (2009) 156-167.
[2] C. Y. Chang, S. Y. Yang, L. S. Huang, T. M. Jeng, J. Micromech. Microeng. 16 (2006) 999-1005.
[3] A. Pikulin, N. Bityurin, G. Langer, D. Brodoceanu, D. Bauerle, Appl. Phys. Lett. 91 (2007) 191106-191106.[1]
본 발명의 목적은, 종래의 마이크로 렌즈 제조 방법과 달리 1차적으로 마이크로 렌즈를 형성한 후 상기 마이크로 렌즈의 표면에 2차적으로 마이크로 렌즈를 형성함으로써 복층 구조를 가지는 마이크로 렌즈 제조 방법을 제공하고자 함에 있다.
본 발명에 따른 복층 구조를 가진 마이크로 렌즈 제조 방법은, ⒜ 제1 마이크로 렌즈 마스터를 제작함에 기반하여 제1 마이크로 렌즈를 형성하기 위한 제1 몰드(Mold)를 형성하는 단계; ⒝ 제2 마이크로 렌즈 마스터를 제작함에 기반하여 상기 제1 마이크로 렌즈의 표면 위에 제2 마이크로 렌즈를 형성하기 위한 제2 몰드(Mold)를 형성하는 단계; 및 ⒞ 상기 제1 몰드(Mold)에 기반하여 제1 소정의 직경을 갖는 제1 마이크로 렌즈를 소프트 리소그래피(Soft Lithography) 공정을 통해 형성하고, 상기 제2 몰드(Mold)에 기반하여 상기 형성된 제1 마이크로 렌즈의 표면 위에 제2 소정의 직경을 갖도록 형성되는 제2 마이크로 렌즈를 소프트 리소그래피(Soft Lithography) 공정을 통해 형성하는 단계; 를 포함한다.
이때, 상기 ⒝ 단계는, (b-1) 제1 소정의 기판 위에 플라즈마 에칭(Plasma Etching) 공정을 통해 소정의 패턴이 형성된 제2 마이크로 렌즈 마스터를 제작하는 단계; (b-2) 제2 소정의 기판 위에 포토레지스트(Photoresist)를 코팅하여 제1층을 형성하고, 상기 형성된 제1층 위에 기 설정된 공정조건에 기반하여 PDMS(Polydimethylsiloxane)를 스핀 코팅(Spin Coating)하여 제2층을 형성함으로써 제2 몰드(Mold)를 형성하기 위한 기판을 제작하는 단계; (b-3) 상기 제2 마이크로 렌즈 마스터의 패턴을 기 설정된 온도 및 압력에 따라 상기 제2 몰드(Mold)를 형성하기 위한 기판 위에 형성된 상기 제2층에 전사하는 단계; 및 (b-4) 상기 제2 몰드(Mold)를 형성하기 위한 기판에서 상기 제1층을 제거하여 상기 제2 마이크로 렌즈 마스터의 패턴이 전사된 제2층을 분리함으로써 상기 제2 몰드(Mold)를 형성하는 단계; 를 포함하는 것이 바람직하다.
또한 이때, 상기 제1 소정의 기판은, Al2O3로 제작된 것을 특징으로 하는 것이 바람직하다.
또한 이때, 상기 제1 소정의 직경은, 45 ㎛ 내지 55 ㎛인 것을 특징으로 하는 것이 바람직하다.
또한 이때, 상기 제2 소정의 직경은, 2 ㎛ 내지 4 ㎛인 것을 특징으로 하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따르면, 복층 구조를 가진 마이크로 렌즈의 제조가 가능해짐에 다라, 마이크로 렌즈를 투과한 광원의 집광성이 종래에 비해 향상되며, 또한 광원 투과성이 향상된 마이크로 렌즈를 제공하는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 기존의 마이크로 렌즈에 비해 광원의 집광성 및 광원 투과성이 향상된 마이크로 렌즈를 제공하는 것이 가능해짐에 따라, MEMS 기술분야에 기반하여 활용도가 증대되고 있는 마이크로 렌즈의 보급 및 활용분야 증대에 기여할 수 있는 효과도 있다.
도 1a은 본 발명에 따른 복층 구조를 가진 마이크로 렌즈 제조 방법 중 ⒜ 단계를 설명하기 위한 도면이다.
도 1b은 본 발명에 따른 복층 구조를 가진 마이크로 렌즈 제조 방법 중 ⒜ 단계를 설명하기 위한 다른 도면이다.
도 2a는 본 발명에 따른 복층 구조를 가진 마이크로 렌즈 제조 방법 중 ⒝ 단계를 설명하기 위한 도면이다.
도 2b은 본 발명에 따른 복층 구조를 가진 마이크로 렌즈 제조 방법 중 ⒝ 단계를 설명하기 위한 다른 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 마이크로 렌즈 제조 방법에 의해 제작된 복층 구조를 가진 마이크로 렌즈의 단면도이다.
도 4는 본 발명에 따른 마이크로 렌즈 제조 방법에 의해 형성된 복층 구조를 가진 마이크로 렌즈를 설명하기 위한 도면이다.
본 발명의 실시를 위한 구체적인 내용을 설명하기에 앞서, 본 발명의 기술적 요지와 직접적 관련이 없는 구성에 대해서는 본 발명의 기술적 요지를 흩뜨리지 않는 범위 내에서 생략하였음에 유의하여야 할 것이다. 또한, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어 또는 단어는 발명자가 자신의 발명을 최선의 방법으로 설명하기 위해 적절한 용어의 개념을 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 할 것이다.
이하, 본 발명에 따른 복층 구조를 가진 마이크로 렌즈 제조 방법에 대해 첨부한 예시도면을 토대로 상세히 설명한다.
본 발명에 따른 복층 구조를 가진 마이크로 렌즈 제조 방법은, ⒜ 제1 마이크로 렌즈 마스터를 제작함에 기반하여 제1 마이크로 렌즈를 형성하기 위한 제1 몰드(Mold)를 형성하는 단계; ⒝ 제2 마이크로 렌즈 마스터를 제작함에 기반하여 상기 제1 마이크로 렌즈의 표면 위에 제2 마이크로 렌즈를 형성하기 위한 제2 몰드(Mold)를 형성하는 단계; 및 ⒞ 상기 제1 몰드(Mold)에 기반하여 제1 소정의 직경을 갖는 제1 마이크로 렌즈를 소프트 리소그래피(Soft Lithography) 공정을 통해 형성하고, 상기 제2 몰드(Mold)에 기반하여 상기 형성된 제1 마이크로 렌즈의 표면 위에 제2 소정의 직경을 갖도록 형성되는 제2 마이크로 렌즈를 소프트 리소그래피(Soft Lithography) 공정을 통해 형성하는 단계; 를 포함한다.
상기 ⒜ 단계에 대해 도 1a 및 도 1b를 참조하여 상세히 설명하면, 상기 제1 마이크로 렌즈 마스터는 포토리소그래피(Photolithgraphy) 공정에 기반하여 기판 위 포토레지스트(Photoresist)에 패턴을 형성한 후, 포토레지스트 리플로우(Photoresist Reflow) 공정을 이용해 반구의 형태로 성형하여 제작한다.
이때, 상기 기판 위 포토레지스트(Photoresist)는 AZ 9260인 것이 바람직하며, 10 ㎛ 의 깊이를 갖도록 패턴을 형성하는 것이 바람직하다.
또한 이때, 상기 포토레지스트 리플로우(Photoresist Reflow) 공정은 핫 플레이트에서 150℃의 온도를 가한 후 소정의 시간 동안 수행하는 것이 바람직하다. 덧붙여, 도 1b은 포토레지스트 리플로우(Photoresist Reflow) 공정의 경과시간에 따른 반구의 높이에 관한 그래프로, 경과시간이 10분을 초과하는 경우 기판의 표면이 친수성(Hydrophilic)이기 때문에 반구의 직경이 커짐에 따라 높이가 줄어드는 경향을 보임을 알 수 있는바, 상기 제1 마이크로 렌즈 마스터를 제작하기 위한 포토레지스트 리플로우(Photoresist Reflow) 공정은 150℃의 온도에서 10분간 수행하는 것이 바람직하다.
상기 ⒝ 단계는, (b-1) 제1 소정의 기판 위에 플라즈마 에칭(Plasma Etching) 공정을 통해 소정의 패턴이 형성된 제2 마이크로 렌즈 마스터를 제작하는 단계; (b-2) 제2 소정의 기판 위에 포토레지스트(Photoresist)를 코팅하여 제1층을 형성하고, 상기 형성된 제1층 위에 기 설정된 공정조건에 기반하여 PDMS(Polydimethylsiloxane)를 스핀 코팅(Spin Coating)하여 제2층을 형성함으로써 제2 몰드(Mold)를 형성하기 위한 기판을 제작하는 단계; (b-3) 상기 제2 마이크로 렌즈 마스터의 패턴을 기 설정된 온도 및 압력에 따라 UV 엠보싱(Embossing) 공정을 수행함으로써 상기 제2 몰드(Mold)를 형성하기 위한 기판 위에 형성된 상기 제2층에 전사하는 단계; 및 (b-4) 상기 제2 몰드(Mold)를 형성하기 위한 기판에서 상기 제1층을 제거하여 상기 제2 마이크로 렌즈 마스터의 패턴이 전사된 제2층을 분리함으로써 상기 제2 몰드(Mold)를 형성하는 단계; 를 포함하는 것이 바람직하다.
먼저, 상기 (b-1) 단계에 대해 도 2a를 참조하여 설명하면, 제1 소정의 기판에 플라즈마 에칭 공정을 통해 소정의 직경과 깊이를 갖는 도트(Dot) 패턴을 형성함에 기반하여 제2 마이크로 렌즈 마스터를 형성하게 되며, 도 2a의 (a)는 상기 전술한 바와 같은 과정을 통해 형성된 제2 마이크로 렌즈 마스터를 전자현미경으로 촬영한 것이다. 이때, 상기 제1 소정의 기판의 재질은 Al2O3인 것이 바람직하며, 상기 도트 패턴의 소정의 직경은 3㎛이고, 상기 도트 패턴의 소정의 깊이는 2㎛인 것이 바람직하다.
다음으로, 상기 (b-2) 단계에 대해 도 2b를 참조하여 설명하면, 제2 소정의 기판(100)에 포토레지스트(Photoresist)를 제1층(10)으로 도포하여 형성하고(도 2b의 (a)), 상기 포토레지스트(Photoresist)로 구성된 제1층(10) 위에 기 설정된 공정조건에 의해 경화제를 섞은 PDMS(Polydimethylsiloxane)를 스핀 코팅(Spin Coating)하여 제2층(20)을 형성함으로써(도 2b의 (b)), 제2 몰드를 형성하기 위한 기판을 제작한다.
이때, 상기 기 설정된 공정조건은 500, 1000, 1500RPM 중 어느 하나인 것이 바람직하다.
다음으로, 상기 (b-3) 단계에 대해 도 2b를 참조하여 설명하면, 상기 (b-1) 단계에서 제작한 제2 마이크로 렌즈 마스터를 상기 제2 소정의 기판(100) 위에 위치하도록 한 후, 소정의 온도 및 소정의 시간 동안 오븐에서 베이킹(Baking)하여 상기 제2 마이크로 렌즈 마스터의 패턴을 상기 제2층(20)에 전사시킴과 동시에 경화시킨다(도 2b의 (c)). 이때, 상기 소정의 온도는 90℃인 것이 바람직하고, 상기 소정의 시간은 30분인 것이 바람직하다.
마지막으로, 상기 (b-4) 단계에 대해 도 2b를 참조하여 설명하면, 상기 제2 마이크로 렌즈 마스터의 패턴에 전사된 제2층을 분리하여 제2 몰드(Mold)로 형성하기 위해, 아세톤 용액이 담긴 소정의 용기 내에 상기 제2 소정의 기판(100)을 넣어 포토레지스트(Photoresist)로 구성된 제1층(10)을 제거함에 따라, 비중 차이에 의해 상기 제2 마이크로 렌즈 마스터의 패턴이 전사된 제2층을 상기 제2 소정의 기판으로부터 분리하여 제2 몰드(30)로 형성한다(도 2b의 (d)). 덧붙여, 도 2a의 (b)는 상기 (b-4) 단계의 결과로 형성된 상기 제2 몰드를 전자현미경으로 촬영한 결과이다.
상기 ⒞ 단계에 대해 보다 상세히 설명하면, 먼저 상기 제1 몰드를 이용하여 제1 마이크로 렌즈를 소프트 리소그래피(Soft Lithography) 공정을 통해 제1 소정의 직경을 갖도록 형성한 후, 상기 제1 마이크로 렌즈의 표면 위에 상기 제2 몰드를 이용하여 제2 마이크로 렌즈를 소프트 리소그래피(Soft Lithography) 공정을 통해 제2 소정의 직경을 갖도록 형성한다.
이때, 상기 제1 소정의 직경은 45㎛ 내지 55 ㎛, 바람직하게는 50 ㎛ 인 것이 바람직하고, 또한 상기 제2 소정의 직경은 2 ㎛ 내지 4 ㎛, 바람직하게는 3 ㎛인 것이 바람직하다.
또한 이때, 상기 소프트 리소그래피(Soft Lithography) 공정은 일반적인 UV 엠보싱에 기반하되 바람직하게는 5 BAR의 압력에서 UV 엠보싱(Embossing)을 수행하며, 핫 플레이트(Hot Plate)에서 150℃의 온도로 30분간 베이킹(Baking)하는 것이 바람직하다.
위와 같은 결과로 형성된 마이크로 렌즈는 제1 마이크로 렌즈의 표면 위에 추가적으로 제2 마이크로 렌즈가 형성됨에 따라 복층 구조를 갖게 되며, 도 3은 본 발명에 따른 마이크로 렌즈 제조 방법으로 제작한 복층 구조 마이크로 렌즈의 단면을 전자현미경으로 촬영한 것이다.
이하, 전술한 본 발명에 따른 마이크로 렌즈 제조 방법 중 ⒝ 단계에 대해 첨부한 예시도면을 토대로 상세히 설명한다.
상기 ⒝ 단계는 제2 마이크로 렌즈를 형성하기 위한 제2 몰드를 형성함에 있어서, (b-2) 단계에서 제2 몰드를 형성하기 위한 기판을 제작함에 있어 PDMS(Polydimethylsiloxane)를 스핀 코팅하는 공정 조건에 따라 제2 몰드의 두께를 결정함을 알 수 있었는바, 상기 도 4의 (a)의 경우 500 RPM 조건 하에서 제2 소정의 기판에 PDMS(Polydimethylsiloxane)가 스핀 코팅됨에 따라 1200㎛ 두께로 형성된 제2 몰드에 의해 형성된 제2 마이크로 렌즈의 패턴 형상이며, 상기 도 4의 (b)의 경우 1000 RPM 조건 하에서 제2 소정의 기판에 PDMS(Polydimethylsiloxane)가 스핀 코팅됨에 따라 870㎛ 두께로 형성된 제2 몰드에 의해 형성된 제2 마이크로 렌즈의 패턴 형상이며, 상기 도 4의 (c)의 경우 1500 RPM 조건 하에서 제2 소정의 기판에 PDMS(Polydimethylsiloxane)가 스핀 코팅됨에 따라 640㎛ 두께로 형성된 제2 몰드에 의해 형성된 제2 마이크로 렌즈의 패턴 형상에 해당한다.
이에 따라, 상기 도 4를 참조하였을 때, 상기 제2 몰드의 두께에 따라 제1 마이크로 렌즈 표면 위에 형성되는 제2 마이크로 렌즈의 패턴 정확도가 영향을 받게 된다.
좀 더 구체적으로, 상기 도 4의 (a)의 경우, 제1 마이크로 렌즈의 경계면으로 접근할수록 제2 마이크로 렌즈의 패턴 손상이 심한 것을 확인할 수 있으며, 이는 제2 몰드의 두께가 두꺼울수록 ⒞ 단계에서의 소프트 리소그래피 공정 중 제1 마이크로 렌즈의 표면에 밀착되지 못하기 때문이다.
그리고, 상기 도 4의 (c)의 경우, 전체적으로 제2 마이크로 렌즈의 패턴이 정확히 형성되었으나 일부분의 패턴 손상이 발생한 것을 확인할 수 있으며, 이는 상기 제2 몰드의 두께가 얇은 경우 소프트 리소그래피 공정 중 제2 몰드의 구겨짐이 발생하기 때문이다.
이상으로, 본 발명의 기술적 사상을 예시하기 위한 바람직한 실시예와 관련하여 설명하고 도시하였으나, 본 발명은 상기 설명 및 도시대로의 구성 및 작용에만 국한되는 것이 아니다. 아울러 본 발명의 기술적 사상의 범주를 일탈하지 않는 범위 내에서 다수의 변경 및 수정이 가능함을 당업자는 잘 이해할 수 있을 것이다. 따라서 모든 적절한 변경 및 수정이 가해진 발명 및 본 발명의 균등물에 속하는 발명들도⒝ 본 발명에 속하는 것으로 간주되어야 할 것이다.
10 : 제 1 층
20 : 제 2 층
30 : 제2 몰드(Mold)
100 : 제2 소정의 기판

Claims (5)

  1. 복층 구조의 마이크로 렌즈를 제조하는 방법에 있어서,
    ⒜ 제1 마이크로 렌즈 마스터를 제작함에 기반하여 제1 마이크로 렌즈를 형성하기 위한 제1 몰드(Mold)를 형성하는 단계;
    ⒝ 제2 마이크로 렌즈 마스터를 제작함에 기반하여 상기 제1 마이크로 렌즈의 표면 위에 제2 마이크로 렌즈를 형성하기 위한 제2 몰드(Mold)를 형성하는 단계; 및
    ⒞ 상기 제1 몰드(Mold)에 기반하여 제1 소정의 직경을 갖는 제1 마이크로 렌즈를 소프트 리소그래피(Soft Lithography) 공정을 통해 형성하고, 상기 제2 몰드(Mold)에 기반하여 상기 형성된 제1 마이크로 렌즈의 표면 위에 제2 소정의 직경을 갖도록 형성되는 제2 마이크로 렌즈를 소프트 리소그래피(Soft Lithography) 공정을 통해 형성하는 단계; 를 포함하되,
    상기 ⒝ 단계는,
    (b-1) 제1 소정의 기판 위에 플라즈마 에칭(Plasma Etching) 공정을 통해 소정의 패턴이 형성된 제2 마이크로 렌즈 마스터를 제작하는 단계;
    (b-2) 제2 소정의 기판 위에 포토레지스트(Photoresist)를 코팅하여 제1층을 형성하고, 상기 형성된 제1층 위에 기 설정된 공정조건에 기반하여 PDMS(Polydimethylsiloxane)를 스핀 코팅(Spin Coating)하여 제2층을 형성함으로써 제2 몰드(Mold)를 형성하기 위한 기판을 제작하는 단계;
    (b-3) 상기 제2 마이크로 렌즈 마스터의 패턴을 기 설정된 온도 및 압력에 따라 상기 제2 몰드(Mold)를 형성하기 위한 기판 위에 형성된 상기 제2층에 전사하는 단계; 및
    (b-4) 상기 제2 몰드(Mold)를 형성하기 위한 기판에서 상기 제1층을 제거하여 상기 제2 마이크로 렌즈 마스터의 패턴이 전사된 제2층을 분리함으로써 상기 제2 몰드(Mold)를 형성하는 단계; 를 포함하는 복층 구조의 마이크로 렌즈를 제조하는 방법.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 소정의 기판은, Al2O3로 제작된 것을 특징으로 하는 복층 구조의 마이크로 렌즈를 제조하는 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 소정의 직경은, 45 ㎛ 내지 55 ㎛인 것을 특징으로 하는 복층 구조의 마이크로 렌즈를 제조하는 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제2 소정의 직경은, 2 ㎛ 내지 4 ㎛인 것을 특징으로 하는 복층 구조의 마이크로 렌즈를 제조하는 방법.

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