KR102048082B1 - 마이크로렌즈 어레이 및 그 형성 방법 - Google Patents

Abstract

마이크로렌즈 어레이 및 그 형성 방법이 제공된다. 상기 마이크로렌즈 어레이의 형성 방법은, 기판 위에 고분자막을 형성하는 단계, 몰드 패턴을 갖는 몰드를 이용하여 상기 고분자막을 누르면서 가열하여 고분자 패턴을 형성하는 단계, 및 상기 고분자 패턴을 열처리하여 마이크로렌즈를 형성하는 단계를 포함한다. 상기 마이크로렌즈 어레이는 복수개의 마이크로렌즈를 포함하고, 상기 복수개의 마이크로렌즈는 각각 이격되지 않고 서로 연결된다.

Description

마이크로렌즈 어레이 및 그 형성 방법{MICROLENS ARRAY AND METHOD OF FORMING THE SAME}

본 발명은 마이크로렌즈 어레이 및 그 형성 방법에 관한 것이다.

마이크로렌즈 어레이는 광통신 및 광전자 공학 분야에서 중요한 요소로 널리 사용된다. 특히 렌티큘러 렌즈는 특수 안경없이 3D 디스플레이 장치에 사용되고 있다. 일반적으로 마이크로렌즈를 만드는데 필요한 미세 금형 가공 방법은 비싸고 복잡하다. 또, 금형이 한번 제작되면 렌즈의 곡률을 변경하기가 어렵다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 우수한 성능을 갖는 마이크로렌즈 어레이를 제공한다.

본 발명은 상기 마이크로렌즈 어레이의 형성 방법을 제공한다.

본 발명은 다양한 곡률의 마이크로렌즈를 형성할 수 있는 방법을 제공한다.

본 발명의 다른 목적들은 다음의 상세한 설명과 첨부한 도면으로부터 명확해 질 것이다.

본 발명의 실시예들에 따른 마이크로렌즈 어레이의 형성 방법은, 기판 위에 고분자막을 형성하는 단계, 몰드 패턴을 갖는 몰드를 이용하여 상기 고분자막을 누르면서 가열하여 고분자 패턴을 형성하는 단계, 및 상기 고분자 패턴을 열처리하여 마이크로렌즈를 형성하는 단계를 포함한다.

상기 몰드 패턴의 폭은 그 단부로 갈수록 감소할 수 있다. 상기 몰드 패턴은 제1 방향으로 신장하고, 상기 제1 방향에 수직인 제2 방향의 단면은 삼각형일 수 있다. 상기 몰드 패턴의 외부 형상은 V 형상일 수 있다.

상기 고분자 패턴은 나노임프린트 리소그래피 공정에 의해 형성될 수 있다. 상기 고분자 패턴 사이에 상기 고분자막의 잔존층이 존재하지 않을 수 있다.

상기 고분자막의 두께를 조절하여 상기 마이크로렌즈의 두께를 조절할 수 있다.

상기 열처리는 상기 고분자의 유리전이 온도에서 수행될 수 있다.

본 발명의 실시예들에 따른 마이크로렌즈 어레이는 복수개의 마이크로렌즈를 포함하고, 상기 복수개의 마이크로렌즈는 각각 이격되지 않고 서로 연결된다.

본 발명의 실시예들에 따르면, 식각 공정을 사용하지 않고 간단한 방법으로 마이크로렌즈 어레이를 형성할 수 있다. 마이크로렌즈 어레이에 포함된 복수개의 마이크로렌즈는 각각 이격되지 않고 서로 연결될 수 있고 균일한 곡률과 곡면을 가질 수 있어 우수한 성능을 갖는다. 하나의 몰드로 다양한 곡률을 갖는 마이크로렌즈를 형성할 수 있다.

도 1 내지 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로렌즈 어레이의 형성 방법을 나타낸다.
도 6은 마이크로렌즈 어레이 형성에 대한 고분자막 두께의 영향을 나타낸다.
도 7은 마이크로렌즈 두께와 고분자막 두께의 이론적 관계를 나타내다.
도 8은 고분자 용액의 농도와 고분자막 두께의 이론적 계산값과 실험값을 비교하여 나타낸다.
도 9는 마이크로렌즈 어레이 형성에 대한 열처리 온도의 영향을 나타낸다.
도 10은 마이크로렌즈 어레이 형성에 대한 고분자 용액 농도의 영향을 나타낸다.

이하, 실시예들을 통하여 본 발명을 상세하게 설명한다. 본 발명의 목적, 특징, 장점은 이하의 실시예들을 통해 쉽게 이해될 것이다. 본 발명은 여기서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고, 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다. 따라서, 이하의 실시예들에 의하여 본 발명이 제한되어서는 안 된다.

본 명세서에서 제1, 제2 등의 용어가 다양한 요소들(elements)을 기술하기 위해서 사용되었지만, 상기 요소들이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이러한 용어들은 단지 상기 요소들을 서로 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 또, 어떤 요소가 다른 요소 위에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 요소 위에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제3의 요소가 개재될 수도 있다는 것을 의미한다.

도면들에서 요소의 크기, 또는 요소들 사이의 상대적인 크기는 본 발명에 대한 더욱 명확한 이해를 위해서 다소 과장되게 도시될 수 있다. 또, 도면들에 도시된 요소의 형상이 제조 공정상의 변이 등에 의해서 다소 변경될 수 있을 것이다. 따라서, 본 명세서에서 개시된 실시예들은 특별한 언급이 없는 한 도면에 도시된 형상으로 한정되어서는 안 되며, 어느 정도의 변형을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

도 1 내지 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로렌즈 어레이의 형성 방법을 나타낸다.

도 1을 참조하면, 기판(100) 위에 고분자막(110)을 형성한다. 기판(100)은 실리콘 기판일 수 있다. 고분자막(110)은 기판(100)에 대하여 우수한 접착력을 갖는 고분자, 예를 들어, 폴리스티렌, PMMA 등으로 형성될 수 있다. 또, 고분자막(110)은 고분자 용액을 기판에 스핀 코팅하는 것에 의해 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 스피 코팅은 1000rpm에서 10초 동안 수행될 수 있다. 상기 고분자 용액의 농도(예를 들어, 10 ~ 20wt%)를 조절하는 것에 의해 형성되는 고분자막(110)의 두께를 조절할 수 있다.

고분자막(110)이 형성된 기판(100)을 제1 가열판(10) 위에 배치하고, 고분자막(20)에 몰드(20)를 배치한다. 몰드(20)는 고분자막(110)과 마주보는 면에 배열된 몰드 패턴(25)을 포함할 수 있다. 몰드 패턴(25)은 외부 형상이 V 형상이거나, 단면이 삼각형일 수 있다. 몰드 패턴(25)은 상기 형상 이외에 다양한 형상을 가질 수 있으며, 상기 패턴의 단부는 외부 형상이 V 형상이거나 단면이 삼각형인 것이 바람직하다. 또, 몰드(20)는 PDMS(Polydimethylsiloxane)로 형성될 수 있다.

도 2를 참조하면, 몰드(20)를 이용하여 고분자막(110)에 대하여 나노임프린트 리소그래피(Nanoimprint Lithography) 공정을 수행하여 고분자 패턴(125)을 포함하는 고분자 패턴 어레이(120)를 형성한다. 제1 가열판(10)은 기판(100)을 통하여 일정 시간 동안 고분자 패턴(125)을 가열한다. 예를 들어, 제1 가열판(10)은 150℃에서 15분 동안 고분자 패턴(125)을 가열할 수 있다. 몰드 패턴(25)이 V 형상을 갖기 때문에 고분자 패턴(125) 사이에 고분자막(110)의 잔류층이 형성되지 않고, 이에 의해, 고분자 패턴(125)이 서로 이격되지 않고 형성될 수 있다. 따라서, 잔류층을 제거하기 위한 식각 공정을 수행할 필요가 없다.

고분자 패턴(125)은 몰드 패턴(25) 사이의 공간에 대응하는 형상을 가질 수 있다. 도면에는, 고분자 패턴(125)의 단면이 삼각형으로 도시되어 있으나, 고분자막(110)의 두께가 얇은 경우 고분자 패턴(125) 위 몰드 패턴(25) 사이에 빈 공간이 생길 수 있다.

도 3을 참조하면, 몰드(20)를 고분자 패턴(125)으로부터 분리하고, 고분자 패턴 어레이(120)를 실온에서 냉각시킨다.

도 4를 참조하면, 고분자 패턴 어레이(120)가 형성된 실리콘 기판(100)을 제2 가열판(30)에 배치하고 열처리 공정을 수행하여 마이크로렌즈 어레이(130)를 형성한다. 마이크로렌즈 어레이(130)는 배열된 마이크로렌즈(135)를 포함한다. 제2 가열판(30)은 기판(100)을 통하여 고분자 패턴 어레이(120)를 고분자의 유리전이 온도까지 가열한다. 예를 들어, 제2 가열판(30)은 180 ~ 200℃에서 5 ~ 30분간 고분자 패턴어레이(120)를 가열할 수 있다. 상기 열처리 공정에서 가열 온도 및 가열 시간은 고분자의 유리전이 온도를 고려하여 조절될 수 있고, 이에 의해 마이크로렌즈는 매끄러운 표면의 곡면 형상을 갖도록 형성될 수 있다. 상기 열처리 공정에 의해 고분자 패턴(125)은 마이크로렌즈(135)로 변형되고, 이에 의해 마이크로렌즈 어레이(130)가 형성된다.

도 5를 참조하면, 형성된 마이크로렌즈 어레이(130)를 실온에서 냉각시킨다. 이와 같이, 본 발명의 실시예에서는 V 형상의 몰드 패턴을 갖는 몰드를 이용하여 나노임프린트 리소그래피 공정을 수행함으로써 고분자막의 잔류층이 형성되지 않으며, 상기 잔류층을 제거하기 위한 식각 공정을 수행할 필요가 없으므로 형성되는 마이크로렌즈(135)는 각각 이격되지 않고 서로 연결될 수 있다. 이에 의해 우수한 성능을 갖는 마이크로렌즈 어레이가 형성될 수 있다.

도 6은 마이크로렌즈 어레이 형성에 대한 고분자막 두께의 영향을 나타낸다. 도 6에서 왼쪽에서 첫번째 도면은 서로 다른 두께의 고분자막을 나타내고, 두번째 도면은 나노임프린트 리소그래피 공정 후 형성된 고분자 패턴 어레이를 나타내고, 세번째 도면은 열처리 공정 후 모습을 나타낸다.

도 6을 참조하면, 맨 위 도면에서 고분자막의 두께가 두꺼운 경우 나노임프린트 리소그래피 공정 후 고분자 패턴 사이에 고분자막의 잔존층이 남게 되고, 이를 열처리하는 경우 마이크로렌즈가 제대로 형성되지 않는다. 그 아래 도면에서 고분자막의 두께가 얇아지면 형성되는 고분자 패턴은 그 단면이 삼각형이 되고, 고분자 패턴 사이에 고분자막의 잔존층이 남지 않아 마이크로렌즈가 제대로 균일하게 형성된다. 맨 아래 도면에서 고분자막의 두께가 더욱 얇아지면 형성되는 고분자 패턴은 그 단면이 삼각형이 되지 못하나 고분자 패턴 사이에 고분자막의 잔존층이 남지 않아 마이크로렌즈가 제대로 균일하게 형성된다. 그리고, 마이크로렌즈의 두께는 고분자막의 두께와 비례하는 것으로 나타난다. 즉, 고분자막의 두께를 조절하는 것에 의해 형성되는 마이크로렌즈의 두께를 조절할 수 있다. 따라서, 몰드 패턴을 변경하지 않더라도 하나의 몰드로 다른 두께를 갖는 마이크로렌즈 어레이를 형성할 수 있다.

도 7은 마이크로렌즈 두께와 고분자막 두께의 이론적 관계를 나타내고, 도 8은 고분자 용액의 농도와 고분자막 두께의 이론적 계산값과 실험값을 비교한 것으로, 10 ~ 15wt% 농도의 폴리스티렌 용액으로 형성된 고분자막의 두께에 따른 마이크로렌즈의 중심 두께를 나타내는 그래프이다.

도 7을 참조하면, 고분자막과 마이크로렌즈의 면적은 질량 균형 방정식과 동일하다. 고분자막의 영역은 Lt이고, 원형 섹터에서 이등변 삼각형을 빼는 것은 마이크로렌즈의 영역이다. 고분자막과 마이크로렌즈는 같은 면적을 가지므로 두 방정식을 다음과 같이 결합할 수 있다.

렌즈의 두께 h는 원형 섹터의 반경에서 이등변 삼각형 높이를 뺀 것과 같다. 영역의 공식과 두께의 공식을 결합하여 θ에 따른 t와 h의 방정식은 다음과 같이 구할 수 있다.

도 8을 참조하면, 10 ~ 15wt%의 폴리스티렌 용액을 1000rpm에서 10초 동안 스핀 코팅하여 고분자막을 형성하여 그 두께를 측정하였다. 상기 두께는 SEM 장비를 사용하여 고분자 용액의 농도별로 측정하였다. 150℃에서 15분 동안 나노임프린트 리소그래피 공정을 수행하여 고분자 패턴을 형성하였다. 상기 고분자 패턴에 대하여 200℃에서 10분 동안 열처리 공정(리플로우 공정)을 수행하여 마이크로렌즈를 형성하고 그 두께를 측정하였다. 스핀 코팅에 의해 고분자막을 형성하는 동안 공기가 생성되고 나노임프린트 리소그래피 공정에서 생성된 공기가 사라지기 때문에 실험값이 이론적 계산값보다 약간 낮게 나타난다.

도 9는 마이크로렌즈 어레이 형성에 대한 열처리 온도의 영향을 나타낸다.

도 9를 참조하면, 고분자 패턴 사이에 고분자막의 잔류층이 존재하는 경우에는 마이크로렌즈가 제대로 형성되지 않는다(a 참조). 고분자막의 잔류층이 존재하지 않는 경우는 마이크로렌즈가 균일하게 형성되는 것으로 나타난다(b 및 c 참조). 고분자 패턴의 두께가 큰 경우에는 180 ~ 210℃에서 마이크로렌즈가 형성되고, 고분자 패턴의 두께가 작은 경우에는 200 ~ 210℃에서 마이크로렌즈가 형성되는 것으로 나타난다.

도 10은 마이크로렌즈 어레이 형성에 대한 고분자 용액 농도의 영향을 나타낸다. 왼쪽 도면은 고분자 패턴을 나타내고, 오른쪽 도면은 마이크로렌즈를 나타낸다.

도 10을 참조하면, 고분자 패턴의 두께가 클수록 형성되는 마이크로렌즈의 두께도 커지는 것으로 나타난다. 따라서, 고분자막의 두께를 조절하는 것에 의해 고분자 패턴의 두께를 조절할 수 있고, 이에 의해 마이크로렌즈의 두께도 조절할 수 있다.

이제까지 본 발명에 대한 구체적인 실시예들을 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 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.

10 : 제1 가열판 20 : 몰드
25 : 몰드 패턴 30 : 제2 가열판
100 : 기판 110 : 고분자막
120 : 고분자 패턴 어레이 125 : 고분자 패턴
130 : 마이크로렌즈 어레이 135 : 마이크로렌즈

Claims (9)

1. 기판 위에 고분자막을 형성하는 단계;
   몰드 패턴을 갖는 몰드를 이용하여 상기 고분자막을 누르면서 가열하여 고분자 패턴을 형성하는 단계;
   상기 고분자 패턴으로부터 상기 몰드를 분리하고 상기 고분자 패턴을 냉각시키는 단계; 및
   상기 고분자 패턴을 열처리하여 마이크로렌즈를 형성하는 단계를 포함하며,
   상기 몰드 패턴의 외부 형상은 V 형상이고,
   상기 고분자 패턴 사이에 상기 고분자막의 잔존층이 존재하지 않는 것을 특징으로 하는 마이크로렌즈 어레이의 형성 방법.
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 고분자 패턴은 나노임프린트 리소그래피 공정에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 마이크로렌즈 어레이의 형성 방법.
6. 삭제
7. 제 1 항에 있어서,
   상기 고분자막의 두께를 조절하여 상기 마이크로렌즈의 두께를 조절하는 것을 특징으로 하는 마이크로렌즈 어레이의 형성 방법.
8. 제 1 항에 있어서,
   상기 열처리는 상기 고분자의 유리전이 온도에서 수행되는 것을 특징으로 하는 마이크로렌즈 어레이의 형성 방법.
9. 삭제

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