KR101951997B1

KR101951997B1 - 대면적 마이크로 렌즈 어레이 제조방법

Info

Publication number: KR101951997B1
Application number: KR1020160148818A
Authority: KR
Inventors: 장원근; 이동길
Original assignee: 한국광기술원
Priority date: 2016-11-09
Filing date: 2016-11-09
Publication date: 2019-02-25
Also published as: KR20180051895A

Abstract

본 발명은 대면적의 마이크로 렌즈 어레이를 제작할 수 있는 대면적 마이크로 렌즈 어레이 제조장치 및 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다. 이를 위해, 본 발명은 기판부상에 일정 크기의 몰드부 형성을 위한 수지를 도포하는 단계; 일측면에 임의의 패턴을 형성한 띠 형태의 마스터 몰드와 상기 기판부상에 도포된 수지가 밀착되도록 롤러부로 가압하는 단계; 상기 마스터 몰드와 밀착된 수지를 경화하고, 상기 경화된 수지로부터 상기 마스터 몰드를 박리하여 상기 패턴에 대응하는 패턴 홈부를 갖는 몰딩부를 형성하는 단계; 및 상기 형성된 몰딩부로부터 단위 워킹 몰드를 형성하는 단계; 및 상기 워킹 몰드에 수지를 이용하여 마이크로 렌즈 어레이를 사출하는 단계를 포함한다. 따라서 본 발명은 대면적의 마이크로 렌즈 어레이를 패치없이 제작할 수 있는 장점이 있다.

Description

대면적 마이크로 렌즈 어레이 제조방법{METHOD FOR MANUFACTURING LARGE-SIZE MICRO LENS ARRAY}

본 발명은 마이크로 렌즈 어레이 제조방법에 관한 발명으로서, 더욱 상세하게는 대면적의 마이크로 렌즈 어레이를 제작할 수 있는 대면적 마이크로 렌즈 어레이 제조방법에 관한 것이다.

첨단화되고 있는 디스플레이 장비나, 미소광학 및 극한소자를 이용하여 자기(磁氣) 및 광 헤드와 같은 각종 정보기기 부품에 응용하는 MEMS(micromachine)에서는 마이크로 단위의 미세한 패턴의 형성과 특히 이러한 패턴의 형성에 곡률부를 형성하는 미세 가공 기술에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.

LCD 등의 비발광형 전자 디스플레이 소자로서 동화상의 선명하고 자연스러운 천연색상을 양질로 구현해 내기 위해 별도의 광원, 즉 백라이트(Backlight)를 구비하여야 하며 발생된 광의 균일화와 고휘도 특성을 제공하기 위하여 확산필름, BEF, DBEF 등의 광학 시트 조합을 사용한다.

확산필름 중에는 수백 마이크로미터(㎛)의 피치와 수십 마이크로미터 이하의 높이를 갖는 것을 특징으로, 렌즈와 렌즈, bead와 bead 사이 간 간격도 수 내지 수십 마이크로미터를 가지는 2차원 배열 형태로 제작된 마이크로 렌즈 어레이 필름이 사용되고 있으며 이런 마이크로 렌즈 어레이 필름의 경우 포토 리소그래피(photo lithography)나 화학적 식각, 기계가공을 이용하여 먼저 금형을 제작하고, 금형을 이용하여 마이크로 렌즈 어레이 필름을 제조한다.

도 1은 종래 기술에 따른 미세 패턴의 형성과정을 나타낸 것으로서, 수백 마이크로 미터의 피치를 구비한 패턴을 형성하기 위한 금형을 제조하는 방법 중에 기계가공을 이용하는 방식을 도시한 것이다.

강성(剛性)이 큰 금속판(1)을 스크래처(Scratcher)(2)로 일회 또는 반복하여 긁어서 금속판(1)에 반구형의 패턴(3)을 형성한다.

이때, 패턴(3)과 패턴(3) 사이에는 갭(Gap)(5)이 존재하는데, 갭(5)은 금형을 이용하여 렌티큘러 렌즈 또는 마이크로 렌즈 어레이를 제조하였을 때, 렌티큘러 또는 마이크로 렌즈 어레이의 피치에 해당한다.

상기 렌티큘러 렌즈 또는 마이크로 렌즈 어레이의 피치 크기, 렌즈 곡면의 형상 정도 등 그 기능에 따라 3차원 입체 영상의 성능을 좌우하기도 하고, 디스플레이 장치의 선명도를 좌우하기도 하며, 마이크로 렌즈 어레이의 피치가 좁을수록 디스플레이 장치의 선명도는 높아진다.

그러나 이러한 종래의 제조방법은 스크래처를 사용하여 패턴과 패턴 사이의 갭을 미세하게 가공하기가 대단히 어려울 뿐만 아니라, 반구형 패턴 내면을 매끄럽게 다듬질하기가 대단히 어렵다.

이로 인해, 미세한 피치를 가지며 균일한 표면을 가지는 렌티큘러 렌즈시트나, 마이크로 렌즈 어레이를 제작하기가 어려운 단점이 있다.

또한, 미세패턴을 형성하는 다른 방법으로 포토 리소그래피(photo lithography)를 이용한 방법을 도 2에 도시한다.

S10 단계에서는 금속, 글라스, 세라믹 또는 실리콘재의 기판(10)상에 포토 레지스트(20)를 코팅하고, S20단계에서는 포토 레지스트(20)를 노광 및 현상한다.

그러면, 불필요한 포토 레지스트는 제거되고, 필요한 부위의 포토 레지스트(20a)만 잔존하며, 그 후 S30단계에서는 잔존하는 포토 레지스트(20a) 사이로 노출된 기판(10) 부위를 습식 또는 건식으로 1차 에칭하여 형성하고자 하는 형상의 패턴(11)을 기판(10)에 형성하고, S40단계에서는 잔존하는 포로 레지스트(20a)를 제거한다.

그러면, 제조하고자 하는 금형(30)이 제조되고 이후, 기판(10)에 형성된 패턴(11)의 면을 습식 또는 건식으로 2차 에칭하여 매끄럽게 다듬질한다.

금형(30)을 이용하여 렌티큘러 시트 및 마이크로 렌즈 배열시트를 제조하는 방법은 금형(30)의 패턴(11)으로 열경화성수지 또는 광경화성수지를 주입하여 렌티큘러 또는 마이크로렌즈 패턴을 형성하고, 상기 렌티큘러 또는 마이크로렌즈 패턴위에 기재필름(Substrate)을 접착하면 된다.

또한, 포토 리소그래피 장치를 사용하지 않고, 미세 패턴을 형성하는 방법으로서 나노 임프린트법이 있다.

나노 임프린트법은, 수지를 몰드(형(型))와 기판의 사이에 끼워넣음으로써 나노미터 오더의 패턴을 전사(轉寫)할 수 있는 기술이며, 사용 재료에 따라, 열 나노 임프린트법, 광 나노 임프린트법 등이 검토되고 있다.

이 중, 광 나노 임프린트법은, i) 수지층의 도포, ii) 몰드에 의한 프레스, iii) 광경화 및 iv) 이형(離型)의 4공정으로 이루어지고, 이와 같은 단순한 프로세스에 의해 나노 사이즈의 가공을 실현할 수 있는 점에서 우수하다.

특히, 수지층은, 광조사에 의해 경화되는 광경화성 수지를 사용하므로, 패턴 전사 공정에 걸리는 시간이 짧고, 높은 스루풋(throughput)을 기대할 수 있다.

그러나 이러한, 종래기술에 따른 마이크로렌즈 패턴은 제한된 크기의 몰드로 인해 일정 크기 이상의 대형 마이크로렌즈 어레이는 제공하지 못하는 문제점이 있다.

또한, 종래 기술에 따른 마이크로 렌즈 어레이는 대면적의 디스플레이 모듈을 제공하기 위해 복수의 마이크로 렌즈 어레이용 마스터를 다수개 패치시켜 구성해야만 하는 문제점이 있다.

한국 공개특허공보 공개번호 제10-2015-0045508호(발명의 명칭: 필름형 몰드를 사용한 광학 기판의 제조 방법, 제조 장치 및 얻어진 광학 기판)

이러한 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 대면적의 마이크로 렌즈 어레이를 제작할 수 있는 대면적 마이크로 렌즈 어레이 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 기판부상에 일정 크기의 몰드부 형성을 위한 수지를 도포하는 단계; 일측면에 임의의 패턴을 형성한 띠 형태의 마스터 몰드와 상기 기판부상에 도포된 수지가 밀착되도록 롤러부로 가압하는 단계; 상기 마스터 몰드와 밀착된 수지를 경화하고, 상기 경화된 수지로부터 상기 마스터 몰드를 박리하여 상기 패턴에 대응하는 패턴 홈부를 갖는 몰딩부를 형성하는 단계; 및 상기 형성된 몰딩부로부터 단위 워킹 몰드를 형성하는 단계; 및 상기 워킹 몰드에 수지를 이용하여 마이크로 렌즈 어레이를 사출하는 단계를 포함한다.

또한, 본 발명에 따른 상기 기판부는 크기가 370㎜ × 470㎜이고, 사각 형상의 유리 기판, 실리콘 기판, 메탈 기판 중 어느 하나인 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 상기 수지는 기판부에 일정한 간격으로 일정량이 도트 프린팅 되는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 상기 수지는 자외선 노출, 가열 또는 자외선 노출과 함께 가열을 통해 경화되는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 상기 패턴 홈부 또는 패턴은 피치(P)가 100㎚ ~ 800㎛ 범위이고, 높이(h)가 100㎚ ~ 800㎛ 범위인 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 상기 몰드부는 잔막 두께가 10㎚ ~ 50㎚ 범위인 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 롤러부는 적어도 1.0(bar) 이상의 압력으로 가압하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 상기 제조된 워킹 몰드는 복수의 워킹 몰드(600)를 m×n 크기로 패치하여 대면적의 마이크로 렌즈 어레이 몰드로 구성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 대면적의 마이크로 렌즈 어레이를 패치없이 제작할 수 있는 장점이 있다.

또한, 본 발명은 가압을 이용하여 미세 패턴을 정밀하게 가공할 수 있는 장점이 있다.

도 1 은 종래 기술에 따른 미세 패턴을 형성하기 위한 금형의 제조과정을 나타낸 사시도.
도 2 는 종래 기술에 따른 미세 패턴을 형성하기 위한 다른 제조과정을 나타낸 예시도.
도 3 내지 도 7은 본 발명에 따른 대면적 마이크로 렌즈 어레이의 제조과정을 순차적으로 나타낸 예시도.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 마이크로 렌즈 어레이 제조장치 및 제조방법의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다.

도 3 내지 도 7은 본 발명에 따른 대면적 마이크로 렌즈 어레이의 제조과정을 순차적으로 나타낸 예시도로서, 본 발명에 따른 마이크로 렌즈 어레이 제조방법의 일실시예에 대하여 도 3 내지 도 7를 참조하여 설명한다.

본 발명에 따른 마이크로 렌즈 어레이 제조방법은 일정 크기 이상의 대면적을 갖는 단위 마이크로 렌즈 어레이를 제공할 수 있도록 기판부(100)상에 일정 크기의 몰드부(220) 형성을 위한 수지(210)를 도포하는 단계와, 일측면에 제작을 원하는 임의의 패턴(310)을 형성한 유연한 필름 형태의 마스터 몰드(300)와 상기 기판부(100)상에 도포된 수지(210)가 밀착되도록 롤러부(400)로 가압하는 단계와, 상기 마스터 몰드(300)와 밀착된 수지(210)를 경화하고, 상기 경화된 수지(210)로부터 상기 마스터 몰드(300)를 박리하여 상기 패턴(310)에 대응하는 패턴 홈부(221)를 갖는 몰딩부(220)를 형성하는 단계와, 상기 형성된 몰딩부(220)로부터 단위 워킹 몰드(600)를 형성하는 단계와, 상기 워킹 몰드(600)에 수지를 이용하여 마이크로 렌즈 어레이(700)를 사출하는 단계를 포함하여 구성된다.

상기 기판부(100)상에 몰드부(220)를 형성하기 위해 수지(210)를 도포하는 단계는 일정 크기의 기판부(100)상에 수지 도포부(200)에서 도트 프린팅을 이용하여 일정 간격으로 일정량의 수지(210)가 도포되도록 한다.

상기 기판부(100)는 일정 크기(예를 들면, 370㎜ × 470㎜)를 갖는 사각형상의 부재로서, 유리 기판, 실리콘 기판, 메탈 기판 중 어느 하나의 기판으로 이루어진다.

상기 수지(210)는 기판부(100)에 일정량이 도트 프린팅 되고, 상기 수지(210)는 자외선 노출, 가열 또는 자외선 노출과 함께 가열을 통해 경화되고, 바람직하게는 자외선(UV)에 의해 경화되는 UV 경화 수지로 이루어진다.

상기 일측면에 제작을 원하는 임의의 패턴(310)을 형성한 유연한 필름 형태의 마스터 몰드(300)와 상기 기판부(100)상에 도포된 수지(210)가 밀착되도록 롤러부(400)로 가압하는 단계는 롤러부(400)가 적어도 1.0(bar) 이상의 압력으로 가압하여 대면적에서 요구되는 접촉 평면도 유지와 함께 가압력이 전체 면적에 균일하게 가해질 수 있도록 한다.

또한, 상기 롤러부(400)를 통해 가해지는 압력의 크기와 상기 압력이 가해지는 시간을 일정 시간 이상 유지되도록 하여 몰딩부(220)의 잔막 두께가 얇아질 수 있도록 하며, 바람직하게 상기 몰드부(220)의 잔막 두께는 10㎚ ~ 50㎚ 범위가 될 수 있도록 한다.

또한, 상기 마스터 몰드(300)는 예를 들면, 370㎜ × 470㎜ 크기의 몰드부(220)를 형성하기 위해 폭방향 크기가 상기된 크기와 동일하거나 또는 큰 폭을 형성한 필름 형태의 플렉서블한 구성으로서, 일측 표면에는 몰딩부(220)의 패턴 홈부(210)를 형성하기 위한 일정 형상의 전사용 패턴(310)이 형성된다.

또한, 상기 마스터 몰드(300)는 예를 들면, 실리콘 수지, 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리에틸렌테레나프탈레이트(PEN), 폴리카보네이트(PC), 시클로올레핀 폴리머(COP), 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA), 폴리스티렌(PS), 폴리이미드(PI), 폴리아릴레이트와 같은 유기 재료 등으로 형성된다.

또한, 상기 마스터 몰드(300)의 패턴(310)은 상기 마스터 몰드(300)에 직접 형성될 수도 있으며, 상기 마스터 몰드(300)를 기판 시트로 하고, 그 위에 광 경화성 수지, 열경화성 수지 또는 열 가소성 수지 등을 이용하여 구성할 수도 있다.

또한, 상기 마스터 몰드(300)는 임의의 공급롤(미도시)에 권취된 상태에서 전사를 위해 패턴(310)이 형성된 면이 수지(210)와 함께 롤러부(400)를 통과하여 가압되도록 한다.

또한, 상기 패턴(310)은 본 실시예에서는 마이크로 렌즈 어레이 구조를 형성하기 위한 렌즈 형상으로 설명하지만, 이에 한정되는 것은 아니고, 광확산 또는 회절 등을 위한 패턴으로 구성할 수도 있다.

또한, 상기 패턴(310)은 피치(P)가 100㎚ ~ 800㎛ 범위이고, 높이(h)가 100㎚ ~ 800㎛ 범위가 되도록 구성한다.

상기 피치(P)는 패턴(예를 들면, 오목부)의 크기이거나 또는 인접한 패턴 사이의 간격이 될 수 있고, 높이(h)는 패턴의 크기이다.

또한, 상기 마스터 몰드(300)의 패턴(310)은 롤러부(400)의 가압을 통해 형성되는 몰딩부(220)의 패턴 홈부(210)의 피치와 높이와 동일하게 형성된다.

상기 마스터 몰드(300)와 밀착된 수지(210)를 경화하고, 상기 경화된 수지(210)로부터 상기 마스터 몰드(300)를 박리하여 상기 패턴(310)에 대응하는 패턴 홈부(221)를 갖는 몰딩부(220)를 형성하는 단계는 롤러부(400)를 통과한 수지(210)가 몰딩부(220)를 형성하도록 경화부(500)를 통해 경화되도록 한다.

상기 경화부(500)는 수지(210)의 경화조건에 따라 자외선, 가열 또는 자외선 노출과 함께 가열을 통해 경화되도록 구성할 수고, 바람직하게는 자외선(UV)에 의해 경화되는 UV LED 또는 UV 레이저 등으로 이루어진 광 경화장치로 이루어진다.

또한, 상기 마스터 몰드(300)는 롤러부(400)를 통과한 다음 권취롤(미도시)에 상기 마스터 몰드(300)가 권취되도록 하여 경화된 수지(210)로부터 박리될 수 있도록 함으로써, 기판부(100)와 동일한 크기 예를 들면, 370㎜ × 470㎜ 크기의 몰딩부(220)가 형성되도록 한다.

상기 몰딩부(220)로부터 단위 워킹 몰드(600)를 형성하는 단계는 형성된 몰딩부(220)의 표면에 전주도금(Replica)을 수행하여 워킹 몰드(600)를 형성한다.

상기 워킹 몰드(600)에 수지를 이용하여 마이크로 렌즈 어레이(700)를 사출하는 단계는 상기 형성된 워킹 몰드(600)를 사출장치(미도시)에 설치하고, 상기 워킹 몰드(600)를 이용하여 마이크로 렌즈 어레이(700)의 사출을 위해 공급되는 수지가 사출 성형되도록 함으로써, 일측면에 렌즈 패턴(710)을 형성한 마이크로 렌즈 어레이(700)가 제조될 수 있도록 한다.

또한, 대면적의 마이크로 렌즈 어레이를 구성하기 위해 상기 형성된 다수의 단위 워킹 몰드(600)는 m×n 크기로 배열하여 패치하고, 상기 m×n 크기로 패치된 대면적의 마이크로 렌즈 어레이 워킹 몰드를 사출장치에 설치하여 사출 성형되도록 하면, 370㎜ × 470㎜ 크기의 마이크로 렌즈 어레이보다 더욱 큰 대면적의 마이크로 렌즈 어레이를 제조할 수 있게 된다.

따라서 대면적의 마이크로 렌즈 어레이를 롤 투 플레이트 임프린트 방식을 이용하여 제조할 수 있게 된다.

상기와 같이, 본 발명의 바람직한 실시 예를 참조하여 설명하였지만 해당 기술 분야의 숙련된 당업자라면 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

또한, 본 발명의 실시예를 설명하는 과정에서 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있으며, 상술된 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있으므로, 이러한 용어들에 대한 해석은 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

100 : 기판부
200 : 수지 도포부
210 : 수지
220 : 몰딩부
221 : 패턴 홈부
300 : 마스터 몰드
310 : 패턴
400 : 롤러부
500 : 경화부
600 : 워킹 몰드
700 : 마이크로 렌즈 어레이
710 : 렌즈 패턴

Claims

기판부(100)상에 일정 크기의 몰딩부(220) 형성을 위한 수지(210)를 도포하는 단계;
일면에 피치(P)가 100㎚ ~ 800㎛ 범위이고, 높이(h)가 100㎚ ~ 800㎛ 범위의 패턴(310)을 형성한 유연한 필름 형태의 마스터 몰드(300)와, 상기 기판부(100)상에 도포된 수지(210)가 밀착되도록 하고, 제조되는 몰딩부(220)의 잔막 두께가 10㎚ ~ 50㎚ 범위가 되도록 롤러부(400)로 적어도 1.0(bar) 이상의 압력을 일정 시간 이상 가압하는 단계;
상기 수지(210)가 기판부(100)와 마스터 몰드(300) 사이에 가압된 상태에서 상기 수지(210)를 경화하고, 상기 경화된 수지(210)로부터 상기 마스터 몰드(300)를 박리하여 상기 패턴(310)에 대응하는 패턴 홈부(221)를 갖는 몰딩부(220)를 형성하는 단계; 및
상기 형성된 몰딩부(220)에 전주도금을 수행하여 단위 워킹 몰드(600)를 형성하는 단계; 및
상기 워킹 몰드(600)에 수지를 이용하여 마이크로 렌즈 어레이(700)를 사출하는 단계를 포함하는 대면적 마이크로 렌즈 어레이 제조방법.
제 1 항에 있어서,
상기 기판부(100)는 사각 형상의 유리 기판, 실리콘 기판, 메탈 기판 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 대면적 마이크로 렌즈 어레이 제조방법.
제 1 항에 있어서,
상기 수지(210)는 기판부(100)에 일정한 간격으로 일정량이 도트 프린팅 되는 것을 특징으로 하는 대면적 마이크로 렌즈 어레이 제조방법.
제 1 항에 있어서,
상기 수지(210)는 자외선 노출, 가열 또는 자외선 노출과 함께 가열을 통해 경화되는 것을 특징으로 하는 대면적 마이크로 렌즈 어레이 제조방법.
삭제
삭제
삭제
제 1 항에 있어서,
상기 제조된 워킹 몰드(600)는 복수의 워킹 몰드(600)를 m×n 크기로 패치하여 대면적의 마이크로 렌즈 어레이 몰드로 구성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 대면적 마이크로 렌즈 어레이 제조방법.