KR102344931B1 - 방출광을 대칭형 광으로 쉐이핑하는 폴리머 로드 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 광원칩에서 방출되는 방출광을 대칭형 광으로 쉐이핑하는 폴리머 로드에 관한 것으로서, 구체적으로는, 레이저 다이오드의 광방출부 상에 형성되어 방출광의 형상을 변형시킬 수 있는 폴리머 로드에 관한 것이다.

Description

방출광을 대칭형 광으로 쉐이핑하는 폴리머 로드{POLYMER ROD FOR SHAPING EMITTING LIGHT TO SYNMETRICAL LIGHT}
본 발명은 광원칩에서 방출되는 방출광을 대칭형 광으로 쉐이핑하는 폴리머 로드에 관한 것으로서, 구체적으로는, 레이저 다이오드의 광방출부 상에 형성되어 방출광의 형상을 변형시킬 수 있는 폴리머 로드에 관한 것이다.
레이저 다이오드(Laser diode)는 반도체 레이저라고도 불리며, LD로 약칭되는 광 디바이스이다. 전류를 주입하여 발생한 빛이 2개의 거울 사이에서 증폭하여 레이저 발진이 발생하는데, 레이저 다이오드는 반사경을 통해 빛을 증폭하여 발광하는 LED라고 할 수 있다. 레이저 다이오드는 스펙트럼 폭이 좁은 단일 파장으로, 위상이 일정하고 지향성이 높은 빛을 출력하므로 에너지 제어가 용이하다.
기존 레이저 다이오드는 비대칭형의 광을 방출하는데, 레이저 다이오드에서 방출되는 광을 집속하거나 타 용도로 사용하기 위해서는 원형(circular shape)이 요구된다. 이를 위해, 종래에는 도 4에 나타낸 바와 같은 실린더 구조의 렌즈를 사용하는데, 이는 구조가 복잡하고 비용이 많이 발생한다. 또는, 렌즈 광학계가 추가되기도 하는데, 이 경우 모듈이 벌키해지는 문제점이 있다.
한국등록특허 제10-0171374호에서는 광집속렌즈를 포함하는 레이저 모듈 및 렌즈 고정방법을 개시하고 있다. 상기 특허에서는 전기신호에 대응하는 광신호를 출력하기 위한 레이저 다이오드, 외부 회로에 광신호 출력을 전송하기 위한 광섬유, 광신호 출력을 광섬유에 집중시키기 위해 레이저 다이오드와 광섬유 사이에 배치된 광집속 렌즈를 개시한다.
또한, 한국등록특허 제10-0438290호에서는 레이저를 이용하여 광기록 매체에 데이터를 기록 및 재생하는 광픽업 장치를 개시하는데, 광원으로부터 모니터 광검출기(MPD)로 광을 유도 및 집속해 주기 위한 집광 렌즈를 포함하는 광픽업장치를 개시한다.
본 발명은 광원칩에 방출되는 방출광을, 특히 비대칭형의 방출광을 대칭형의 광으로 변형시킬 수 있으며, 기존 렌즈를 대체할 수 있는 폴리머 로드를 제공하고자 한다.
상기한 과제는, 광원칩의 광방출부 상에 형성되며, 광원칩에서 방출되는 방출광을 대칭형 광으로 쉐이핑하는, 폴리머 로드에 의해 달성된다.
바람직하게는, 상기 폴리머 로드는 테이퍼드 형상, 원기둥 형상, 또는 렌즈 형상일 수 있다.
또한 바람직하게는, 상기 폴리머 로드는 상기 광방출부에서 직접 성장시켜 제조될 수 있다.
또한 바람직하게는, 상기 폴리머 로드는 굴절률이 1.3 내지 2.0인 폴리머로 형성될 수 있다.
또한 바람직하게는, 상기 폴리머 로드는 광방출부와 연결된 면의 직경이 1mm 이하이고, 높이가 10mm 이하일 수 있다.
본 발명에 따른 폴리머 로드는 광원칩의 광방출부에 형성되어 방출되는 비대칭형의 광을 대칭형의 광으로 변형시킬 수 있다. 또한, 방출되는 광 특성에 따라 폴리머 로드의 형상을 조절하여 원하는 형상으로 광의 형상을 변형시킬 수 있고, 원하는 부위로 광을 전송할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 폴리머 로드가 레이저 다이오드의 광방출부 상에 형성되어 있는 것을 개략적으로 도시한 것이다.
도 2a는 폴리머 로드가 형성되어 있지 않은 레이저 다이오드의 광학현미경 사진이고, 도 2b는 본 발명의 폴리머 로드가 형성되어 있는 레이저 다이오드의 광학현미경 사진이며, 도 2c는 본 발명의 폴리머 로드가 렌즈 형상으로 형성되어 있는 레이저 다이오드의 광학현미경 사진이다
도 3a는 폴리머 로드가 형성되어 있지 않은 레이저 다이오드의 광 방출부의 광학현미경 사진이고, 도 3b는 본 발명의 폴리머 로드가 형성되어 있는 레이저 다이오드의 광 방출부의 광학현미경 사진이다.
도 4는 종래 레이저 다이오드에서 사용되는 실린더 구조의 광집속용 렌즈의 개략도이다.
본 발명에서 사용되는 모든 기술용어는, 달리 정의되지 않는 이상, 하기의 정의를 가지며 본 발명의 관련 분야에서 통상의 당업자가 일반적으로 이해하는 바와 같은 의미에 부합된다. 또한, 본 명세서에는 바람직한 방법이나 시료가 기재되나, 이와 유사하거나 동등한 것들도 본 발명의 범주에 포함된다.
본 발명은 광원칩의 광방출부에 형성되는 폴리머 로드에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시형태에 따르면, 상기 광원칩은 레이어 다이오드일 수 있다.
상기 폴리머 로드는 테이퍼드 형상, 원기둥 형상, 또는 렌즈 형상을 가질 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 상기 폴리머 로드는 상기 광방출부에서 직접 성장시켜 제조될 수 있다. 상기 폴리머 로드는 광방출부에 형성되어, 레이저 다이오드에서 방출되는 비대칭형 광을 대칭형 광으로 변형시킬 수 있다.
구체적으로는, 본 발명에 따른 폴리머 로드는 아래의 단계를 포함하는 방법으로 제조될 수 있다:
a) 폴리머 로드 물질 용액을 마이크로피펫에 채우는 단계; b) 상기 마이크로피펫을 광원칩의 광방출부에 정렬하는 단계; c) 상기 폴리머 로드 물질 용액의 메니스커스를 형성하는 단계; 및 d) 상기 마이크로피펫을 광방출부 표면에 수직인 방향으로 인출하여 신장시키며 폴리머 로드 물질 용액의 용매를 증발시켜 폴리머 로드를 제조하는 단계.
여기에서 폴리머 로드 물질 용액은 메니스커스를 형성할 수 있는 물질로서, 굴절률이 1.3 내지 2.0인 폴리머를 포함할 수 있다. 구체적으로는, 폴리스티렌, 폴리메타크릴산메틸, 폴리카보네이트를 사용할 수 있고, 폴리이미드, SU-8 등의 에폭시도 사용할 수 있다. 상기 폴리머 로드 물질 용액의 용매는 증발이 잘 되는 물질(휘발성 물질)을 사용할 수 있으며, 당해 기술 분야에서 사용되는 모든 물질을 포함한다.
본 발명에 따른 폴리머 로드는 광원 파장에서 투명한 것이 바람직하며, 투과 성능이 50% 이상인 것이 보다 바람직하다.
상기 마이크로피펫은 피펫 풀러를 이용하여 원하는 직경으로 제조할 수 있다.
상기 단계 b)에서, 마이크로피펫을 광방출부 표면에 수직방향으로 정렬하고, 폴리머 로드 물질 용액의 메니스커스를 형성한다.
마이크로피펫을 폴리머 로드 물질 용액의 메니스커스를 유도할 정도의 간격을 유지하면서 인출하는 경우 내부의 액체가 빠르게 증발하면서 용해되어 있는 물질이 응고되어 기둥 형태를 이루게 된다. 마이크로피펫은 광이 방출되는 방향, 즉 폴리머 로드가 접점과 접하는 부분에 대하여 수직 방향으로 인출하는 것이 바람직하다.
일 실시형태로, 상기 폴리머 로드의 외주면이 상방 또는 하방을 향하여 좁아지는 형상을 갖도록 마이크로피펫의 인출 속도를 가속 또는 감속하면서 인출할 수 있다. 인출 속도는 폴리머 로드의 높이 방향의 축에 대한 각도, 폴리머 로드의 높이 등을 고려하여 조절될 수 있다.
다른 일 실시형태로, 폴리머 로드의 외주면이 상방 또는 하방을 향하여 좁아지는 형상을 갖도록 마이크로피펫에 가해지는 압력을 조절할 수 있다. 마이크로피펫의 내부에 가해지는 압력을 증가시키는 경우 폴리머 로드 물질 용액의 토출량이 늘어나면서 폴리머 로드의 직경이 커지게 되고, 마이크로피펫의 내부에 가해지는 압력을 감소시키는 경우 폴리머 로드 물질 용액의 토출량이 줄어들면서 폴리머 로드의 직경이 작아지게 된다.
본 발명에 따른 폴리머 로드는 광방출부를 충분히 포함할 수 있는 구조 및 크기를 갖는 것이 바람직하다. 바람직하게는, 상기 폴리머 로드는 광방출 방향으로 좁아지거나 넓어지는 테이퍼 구조를 가질 수 있고, 원통형 구조 또는 렌즈 형태로 제조될 수 있다.
바람직하게는, 본 발명에 따른 폴리머 로드는 광방출부와 연결된 면의 직경이 1mm 이하이고, 높이가 10mm 이하일 수 있다. 또한, 폴리머 로드의 직경과 높이의 비는 1:50 이내인 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 1:10 이내이다.
도 1은 본 발명에 따른 폴리머 로드가 레이저 다이오드의 광방출부 상에 형성되어 있는 것을 개략적으로 도시한 것이다.
본 발명에 따른 폴리머 로드가 형성되는 레이저 다이오드는 바람직하게는 에지 방출 레이저 다이오드(edge emitting laser diode)이지만, 비대칭으로 광을 방출하는 소자라면 모두 가능하다. 또한, 대칭형 광을 방출하는 소자라도 광원의 위치 등을 조절하고 제어하기 위해 사용될 수 있다.
본 발명에 따른 폴리머 로드를 발광소자에 적용하면, 원하는 부위로 광을 전송할 수 있다. 본 발명의 다른 실시형태에서, 상기 폴리머 로드를 발광소자가 아니라 수강소자에 적용하는 경우, 지향성을 갖도록 하는 수광구조물로 사용할 수 있다.
이하에서 실시예를 들어서 본 발명을 상세하게 설명하지만, 이에 제한되는 것은 아니다.
실시예의 제조
사파이어(Sapphire) 기판 위에 성장된 청색 GaN 레이저 다이오드 칩을 실시예로 한다. ridge를 갖는 edge emitting 레이저 다이오드 구조이다. 약 10um의 ridge 폭을 갖는다. 이 레이저 다이오드의 광방출부에 PMMA에 톨루엔을 섞은 폴리머용액을 재료로 로드를 제작하였다. 폴리머 로드에서 레이저 다이오드와 접촉한 부위 직경은 10 μm이고 높이는 35 μm이다. 폴리머 용액을 피펫에 넣은 후 레이저 다이오드에 접촉시켜 메니스커스를 만들고 인출하여 토출된 폴리머 용액에서 용매인 톨루엔이 휘발되면서 실시간으로 고형의 폴리머 로드가 형성되었다.
또한, 폴리머의 높이를 레이저 다이오드와 접촉한 직경과 유사한 두께로 하여 폴리머 렌즈 형태로도 제작하였다.
실험예 1: 레이저 다이오드의 방출광 광학현미경 측정
상기 실시예에서, 폴리머 로드가 형성되기 전의 레이저 다이오드의 광학현미경 사진은 도 2a에, 상기 실시예에서 폴리머 로드가 형성되어 있는 레이저 다이오드의 광학현미경 사진은 도 2b에, 상기 실시예에서 폴리머 렌즈 형태가 형성되어 있는 레이저 다이오드의 광학현미경 사진은 도 2c에 도시하였다. 도 2b를 보면, 레이저 다이오드의 광방출부 부분에 폴리머 로드가 형성된 것을 확인할 수 있고, 도 2c는 레이저 다이오드의 광방출부 부분에 폴리머 렌즈가 형성된 것을 보여준다.
또한, 레이저 다이오드를 작동시켜 방출되는 광을 광학현미경으로 측정하였다.
도 3a는 폴리머 로드가 형성되어 있지 않은 레이저 다이오드의 광 방출부의 광학현미경 사진이고, 도 3b는 본 발명의 폴리머 로드가 형성되어 있는 레이저 다이오드의 광방출부의 광학현미경 사진이다. 도 3a를 보면, 방출되는 광이 비대칭형지만, 도 3b에서는 방출되는 광이 대칭형인 것을 알 수 있다.

Claims (5)

  1. 광원칩의 광방출부 상에 형성되는 폴리머 로드로서,
    상기 폴리머 로드는 광원칩에서 방출되는 방출광을 대칭형 광으로 쉐이핑하고,
    상기 폴리머 로드는 폴리머 로드 물질 용액이 채워진 마이크로피펫을 광원칩의 광방출부에 정렬하는 단계; 상기 폴리머 로드 물질 용액의 메니스커스를 형성하는 단계; 및 상기 마이크로피펫을 광방출부 표면에 수직인 방향으로 인출하여 신장시키며 폴리머 로드 물질 용액의 용매를 증발시켜 폴리머 로드를 제조하는 단계를 포함하는 방법으로 제조된 것인, 폴리머 로드.
  2. 제1항에 있어서, 상기 폴리머 로드는 테이퍼드 형상, 원기둥 형상, 또는 렌즈 형상인, 폴리머 로드.
  3. 제1항에 있어서, 상기 폴리머 로드는 상기 광방출부에 직접 접촉시켜 제조된 것인, 폴리머 로드.
  4. 제1항에 있어서, 상기 폴리머 로드는 굴절률이 1.3 내지 2.0인 폴리머로 형성된 것인, 폴리머 로드.
  5. 제1항에 있어서, 상기 폴리머 로드는 광방출부와 연결된 면의 직경이 1mm 이하이고, 높이가 10mm이하인, 폴리머 로드.
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