KR102556140B1 - 동시 열적 리플로우 기반 마이크로 렌즈 및 이의 제작 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 동시 열적 리플로우에 기반한 마이크로 렌즈 및 그 제작 방법에 관한 것으로서, 기판 상에 다층 포토리소그래피를 통해 다층 구조의 포토레지스트층을 형성하고, 이를 한번에 현상하고 동시 열적 리플로우 처리하여, 원하는 크기, 두께 및 형상을 가지는 마이크로 렌즈를 자유로이 제작할 수 있는 마이크로 렌즈의 제작 방법과 이를 이용해 제작된 마이크로 렌즈에 대한 것이다.

Description

동시 열적 리플로우 기반 마이크로 렌즈 및 이의 제작 방법{Microlens based on concurrent thermal reflow and manufacturing method therof}

본 발명은 동시 열적 리플로우에 기반한 마이크로 렌즈 및 이의 제작 방법에 관한 것으로서, 기판 상에 다층 포토리소그래피를 통해 다층 구조의 포토레지스트층을 형성하고, 이를 한번에 현상하고 동시 열적 리플로우 처리하여, 원하는 크기, 두께 및 형상을 가지는 마이크로 렌즈를 자유로이 제작할 수 있는 마이크로 렌즈의 제작 방법과 이를 이용해 제작된 마이크로 렌즈에 대한 것이다.

현재 출시되고 있는 휴대용 단말기와 프로젝터 및 TV에 사용되는 디스플레이 기술의 발전으로 고해상도 화면뿐만 아니라 가상 화면 또는 3차원 영상 제공이 가능하다. 이러한 프로젝션, 가상 화면 또는 3차원 영상을 다양한 전자기기 상에서 구현하기 위해서는 각각의 용도에 적합하게 디자인된 마이크로렌즈 어레이(MLA, Microlens Array)의 사용이 필수적이다.

마이크로렌즈 어레이는 1 mm 이하의 직경을 갖는 복수의 마이크로렌즈를 매트릭스 형상으로 형성한 것으로, 일방 면에 대략 반구면 형상으로 돌출된 마이크로렌즈를 종횡 방향으로 복수 병치시킨 형상을 가진다.

이러한 마이크로렌즈 어레이로 이루어진 마이크로 렌즈는, 유효 초점 거리가 짧아 빛을 효과적으로 집속시킬 수 있고, 광학계를 초소형으로 제작 가능하며, 기존 일반 렌즈에 대비하여 얇게 제작이 가능함에 따라 곡면 형태로 제작하는 경우 넓은 화각을 가지는 장점이 있다.

이와 관련하여, 종래 마이크로렌즈 어레이를 제작하는 방법으로서, 습식 식각을 이용한 방법, 몰딩을 이용한 방법, Replication 기법, Diamond tuning 기법 등이 알려져 있다.

그러나, 이러한 종래 기술에 의하면, 마이크로 렌즈의 각 렌즈를 높은 두께로 제작하는 것이 어렵고, 이에 따라 각 렌즈의 형태를 다양한 형태, 예를들어 초구형이나 비구면으로 제작할 수 없다. 또한, 종래 기술에 의하면 렌즈의 두께가 낮아 렌즈의 종횡비가 특정값을 넘지 못하게 되어, 각 렌즈를 대구경으로 제작하는 것이 불가능하다.

한국 공개특허공보 제2009-0033725호(2009.04.06.)

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명은동시열적 리플로우 과정을 통해, 마이크로렌즈 어레이의 각 렌즈가 대구경, 초구형, 비구면 형태와 같이 다양한 형태로 이루어진 마이크로렌즈와, 이를 제조하기 위한 구체적인 방법을 제공하는 것에 목적이 있다.

본 발명의 일 예에 따른 마이크로 렌즈는, 기판; 및 상기 기판 상에 구비되며, 복수의 렌즈가 어레이를 이루는 마이크로렌즈 어레이;를 포함하고, 상기 복수의 렌즈는 동시 열적 리플로우(concurrent thermal reflow)를 통해 제작될 수 있다.

상기 복수의 렌즈는, 각 렌즈의 두께가 1㎛ 내지 1000㎛ 일 수 있다.

상기 복수의 렌즈는, 각 렌즈의 직경이 1㎛ 내지 1000㎛ 일 수 있다.

상기 복수의 렌즈는, 각 렌즈의 직경이 500㎛ 이상인 대구경일 수 있다.

상기 복수의 렌즈는, 각 렌즈가 비구면일 수 있다.

상기 복수의 렌즈는, 각 렌즈가 초구형일 수 있다.

본 발명의 다른 양태에 따른 마이크로 렌즈 제작 방법은, S10) 기판을 준비하는 단계; S20) 상기 기판 상에 제1층을 적층하는 단계로서, 상기 제1층은, 상기 기판 상에 제1 포토레지스트를 도포하고 제1 공극 패턴을 가진 제1 포토마스크에 UV 광을 통과시켜 상기 제1 포토레지스트에 제1 패턴을 노광처리하여 형성되는 것인, 단계; S30) 제n-1층 상에 제n층을 적층하는 단계로서, 상기 제n층은, 상기 제n-1층 상에 제n 포토레지스트를 도포하고 제n 공극 패턴을 가진 제n 포토마스크에 UV 광을 통과시켜 상기 제n 포토레지스트에 제n 패턴을 노광처리하여 형성되는 것인, 단계; S40) 상기 제1층 내지 제k층에서 상기 제1 패턴 내지 제k 패턴이 각각 노광처리된 부분을 제외한 제1 포토레지스트 내지 제k 포토레지스트를 현상하여 복수의 마이크로포스트를 형성하는 단계; 및 S50) 상기 복수의 마이크로포스트에 대해 동시 열적 리플로우를 수행하여, 상기 기판 상에 복수의 렌즈를 형성하는 단계;를 포함할 수 있다(여기서, n=(2, ?, k) 이고, k는 2 이상의 자연수임).

상기 제1 포토마스크 및 상기 제n 포토마스크 각각의 공극의 직경의 크기를 조절하여, 상기 복수의 렌즈의 각 렌즈의 형상을 조절 가능할 수 있다.

상기 제n 포토마스크의 공극의 직경을 제n-1 포토마스크의 공극의 직경과 동일하게 형성하고, 상기 제1 포토마스크의 공극의 직경을 500 ㎛ 이상으로 형성하여, 상기 복수의 렌즈의 각 렌즈를 직경이 500 ㎛ 이상인 대구경으로 제작할 수 있다.

상기 제n 포토마스크의 공극의 직경을 제n-1 포토마스크의 공극의 직경보다 작게 형성하여, 상기 복수의 렌즈의 각 렌즈를 비구면으로 제작할 수 있다.

상기 제n 포토마스크의 공극의 직경을 제n-1 포토마스크의 공극의 직경보다 크거나, 동일하거나, 작게 형성하여, 상기 복수의 렌즈의 각 렌즈를 초구면으로 제작할 수 있다.

상기 S20) 단계에서는, 상기 제1 포토마스크를 이용하여 상기 기판 상에 도포된 상기 제1 포토레지스트를 노광처리하기 이전에 상기 제1 포토레지스트를 프리 베이킹 처리하고, 상기 제1 포토레지스트에 제1 패턴을 노광처리한 이후에 상기 제1 포토레지스트를 포스트 베이킹 처리하며, 상기 S30) 단계에서는, 상기 제n 포토마스크를 이용하여 상기 제n-1층 상에 도포된 상기 제n 포토레지스트를 노광처리하기 이전에 상기 제n 포토레지스트를 프리 베이킹 처리하고, 상기 제n 포토레지스트에 제n 패턴을 노광처리한 이후에 상기 제n 포토레지스트를 포스트 베이킹 처리할 수 있다.

상기 S20) 단계에서는 스핀코팅을 통해 상기 기판 상에 상기 제1 포토레지스트를 도포하고, 상기 S30) 단계에서는 스핀코팅을 통해 상기 제n-1층 상에 상기 제n 포토레지스트를 도포할 수 있다.

상기 S20) 단계 및 상기 S30) 단계 각각에서 스핀코팅의 회전수를 조절하여, 상기 제1층 및 상기 제n층 각각의 두께를 조절할 수 있다.

상기 제n층의 두께는 상기 제n-1층의 두께보다 작을 수 있다.

상기 제n 포토레지스트와 제n-1 포토레지스트는, 서로 동일한 종류의 포토레지스트일 수 있다.

상기 제n 포토레지스트와 제n-1 포토레지스트는, 서로 동일한 종류의 포토레지스트이거나, 서로 상이한 종류의 포토레지스트일 수 있다.

본 발명에 의하면, 기판 상에 다층 포토리소그래프를 통해 다층 구조의 포토레지스트층을 형성함으로써, 각 층에 사용되는 각 포토마스크의 공극 패턴과, 각 층의 두께와, 각 층의 수를 조절할 수 있으며, 이에 따라 다양한 크기와 형태를 가지는 마이크로 렌즈를 자유로이 제작할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 예에 따른 마이크로 렌즈 제작 방법을 나타낸 흐름도이다.
도 2는 본 발명의 일 예에 따른 대구경 마이크로 렌즈 제작 방법을 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명을 이용하여 제작한 대구경 마이크로 렌즈의 이미지이다.
도 4는 마이크로포스트의 두께와 종횡비 간의 관계를 나타낸 그래프이다.
도 5는 대구경 마이크로 렌즈의 광특성을 나타낸 것이다.
도 6은 본 발명의 일 예에 따른 대구경 마이크로 렌즈를 통해 획득한 이미지를 평가한 것이다.
도 7은 본 발명의 일 예에 따른 대구경 마이크로 렌즈를 통해 획득한 이미지의 해상도를 나타낸 것이다.
도 8은 본 발명의 다른 예에 따른 초구형 마이크로 렌즈의 제작 방법을 나타낸 도면이다.
도 9는 본 발명의 또 다른 예에 따른 비구면 마이크로 렌즈의 제작 방법을 나타낸 도면이다.
도 10은 본 방법을 이용하여 제작된 다층 마이크로포스트와 마이크로렌즈를 나타낸 것이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 마이크로 렌즈 제작 방법에 대해 설명하도록 한다.

도 1은 본 발명의 일 예에 따른 마이크로 렌즈 제작 방법을 나타낸 흐름도로서, 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 방법은, 기판 준비 단계(S10); 기판 상에 패턴 노광된 포토레지스트인 제1층을 적층하는 단계(S20); 제1층 상에 패턴 노광된 또 다른 포토레지스트층을 적층하는 것을 1회 이상 반복하는 단계(S30); 기판 상에 형성된 제1층 및 제n층인 다층 구조의 포토레지스트층을 현상하여 복수의 마이크로포스트를 형성하는 단계(S40); 및 동시 열적 리플로우를 통해 복수의 렌즈를 형성하는 단계(S50);로 이루어질 수 있다.

도 2는 본 발명의 일 예에 따른 (대구경) 마이크로 렌즈의 제작 방법을 나타낸 도면으로서, 도 2를 통해 본 제작 방법에 대해 상세히 살펴본다.

도 2의 1) 내지 3)은 기판(Glass wafer) 상에 제1층(L_1)을 적층한 것을 나타낸다. 제1층(L_1)은 기판 상에 제1 포토레지스트(PR_1)를 도포하고, 제1 공극패턴을 가진 제1 포토마스크(PM_1)에 UV 광을 통과시켜, 제1 포토레지스트에 제1 패턴을 노광처리하여 형성되는 것을 의미한다.

보다 상세하게, 우선 1)과 같이 기판을 준비하고, 기판 상에 제1 포토레지스트를 도포한다. 기판은 유리 기판으로서, 기판 상에 제1 포토레지스트를 도포하기 이전에 황산과수 용액 등을 이용하여 기판 클리닝이 실시될 수 있다. 기판 상에 도포되는 제1 포토레지스트는 스핀코팅을 통해 도포될 수 있다.

기판 상에 제1 포토레지스트를 도포한 이후, 2)와 같이 제1 공극 패턴을 가진 제1 포토마스크에 UV 광을 통과시켜, 제1 포토레지스트에 제1 패턴을 노광처리한다. 제1 포토마스크는 각 공극이 패턴을 이루어 형성된 것으로, 제1 포토마스크에 형성된 공극으로 UV가 통과되고, 공극 이외의 부분에 의해 UV가 차단되며, 이에 따라 제1 포토레지스트에 제1 공극 패턴에 대응되어 제1 패턴이 노광처리될 수 있다. 여기서, 제1 포토레지스트를 노광처리하기 이전에 소프트 베이킹(soft baking) 처리할 수 있다.

제1 포토레지스트에 제1 패턴을 노광처리한 이후, 3)과 같이 포스트 베이킹 (post baking) 처리를 함으로써 제1층이 형성될 수 있고, 이에 따라 기판 상에 제1층이 적층될 수 있다.

이와 같이 기판 상에 제1층을 적층한 이후, 본 발명은 제1층 상에 제2층(L_2)을 적층하고, 제2층 상에 다시 제3층(L_3)을 적층하는 식으로, 각 층(L)을 적층하는 것을 1회 이상 반복하여 기판 상에 다수의 포토레지스트 층을 차례로 적층할 수 있다.

보다 구체적으로, 도 2는 일 예로서 기판 상에 포토레지스트를 총 3층으로 적층한 것을 나타낸 것으로, 도 2의 4) 내지 6)은 제1층 상에 제2층을 적층한 것을 나타내고, 도 2의 7) 내지 9)는 제2층 상에 제3층을 적층한 것을 나타낸다.

즉, 제n층(L_n)은 제n-1층(L_n-1) 상에 적층되는 것으로, 제n층은, 제n-1층 상에 제n 포토레지스트(PR_n)를 도포하고, 제n 공극패턴을 가진 제n 포토마스크(PM_n)에 UV 광을 통과시켜, 제n 포토레지스트에 제n 패턴을 노광처리하여 형성되는 것을 의미한다. 여기서 n은 2 이상의 자연수에 해당하는 것으로서, n=(2, …, k)를 만족하며, k는 2 이상의 자연수에 해당한다.

도 2를 예로 들면, 도 2의 마이크로 렌즈는 총 3층을 적층하여 제작한 것으로 k=3에 해당하게 되고, 이에 의하면 n=(2, 3)이므로, 이를 차례로 n에 대입하면 다음과 같다.

도 2의 4) 내지 6)은 제1층 상에 제2층을 적층한 것을 나타내는 것으로, n=2에 해당한다. 제2층(L_2)은 제1층 상에 제2 포토레지스트(PR_2)를 도포하고, 제2 공극패턴을 가진 제2 포토마스크(PM_2)에 UV 광을 통과시켜, 제2 포토레지스트에 제2 패턴을 노광처리하여 형성되는 것을 의미한다.

보다 상세하게, 우선 4)와 같이 제1층 상에 제2 포토레지스트를 도포한다. 제2 포토레지스트는 스핀코팅을 통해 제1층 상에 도포될 수 있다. 제1층 상에 제2 포토레지스트를 도포한 이후, 5)와 같이 제2 공극 패턴을 가진 제2 포토마스크에 UV 광을 통과시켜, 제2 포토레지스트에 제2 패턴을 노광처리한다. 제1층을 형성할 때와 마찬가지로, 제2 포토레지스트를 노광처리하기 이전에 소프트 베이킹 처리할 수 있으며, 제2 포토레지스트에 제2 패턴을 노광처리한 이후 6)과 같이 포스트 베이킹 처리하여 제2층이 형성될 수 있고, 이에 따라 제1층 상에 제2층이 적층될 수 있다.

도 2의 7) 내지 9)는 제2층 상에 제3층을 적층한 것을 나타내는 것으로, n=3에 해당한다. 제3층(L_3)은 제2층 상에 제3 포토레지스트(PR_3)를 도포하고, 제3 공극패턴을 가진 제3 포토마스크(PM_3)에 UV 광을 통과시켜, 제3 포토레지스트에 제3 패턴을 노광처리하여 형성되는 것을 의미한다.

보다 상세하게, 우선 7)과 같이 제2층 상에 제3 포토레지스트를 도포한다. 제3 포토레지스트는 스핀코팅을 통해 제2층 상에 도포될 수 있다. 제2층 상에 제3 포토레지스트를 도포한 이후, 8)과 같이 제3 공극 패턴을 가진 제3 포토마스크에 UV 광을 통과시켜, 제3 포토레지스트에 제3 패턴을 노광처리한다. 제1층 및 제2층을 형성할 때와 마찬가지로, 제3 포토레지스트를 노광처리하기 이전에 소프트 베이킹 처리할 수 있으며, 제3 포토레지스트에 제3 패턴을 노광처리한 이후 9)와 같이 포스트 베이킹 처리하여 제3층이 형성될 수 있고, 이에 따라 제2층 상에 제3층이 적층될 수 있다.

즉, 본 발명은 이와 같이 각 포토레지스트 층을 적층하는 것을 의도하는 만큼 반복하여, 패턴 노광처리된 포토레지스트 층 다수개를 기판 상에 차례로 적층할 수 있으며, 각 층을 형성하는 공정은 서로 동일할 수 있다. 이때, 각 층을 형성하는데 사용되는 각각의 포토마스크들은, 각 포토마스크에 형성된 공극 패턴이 서로 일렬로 정렬되도록 배치될 수 있다. 예를 들어, 제1 포토마스크에 형성된 제1 공극 패턴과 제2 포토마스크에 형성된 제2 공극 패턴이 일렬로 정렬될 수 있으며, 보다 구체적으로 제1 공극 패턴의 각 공극의 중심과 제2 공극 패턴의 각 공극의 중심이 일렬로 정렬될 수 있다.

이와 같이 기판 상에 의도한 수만큼 각 층을 적층한 이후, 도 2의 10)과 같이 기판 상에 차례로 적층된 제1층 내지 제3층을 현상하여 복수의 마이크로포스트(POST)를 형성할 수 있다.

본 발명에서 각 층에 도포되는 포토레지스트는, 광학 열가소성 물질(optical thermoplasitc) 중 자외선 영역 경화성(UV curvable) 특성을 가지는 네거티브 포토레지스트로서, 예를 들어 페놀 폴리알데히드 수지(Phenol formaldehyde), 폴리메틸메타크릴레이트(polymethylmethacrylate), 폴리카보네이트(polycarbonate), 폴리올레핀(polyolefin), 셀루로즈 아세테이트 부틸레이트(cellulose acetate butyrate), 및 폴리스티렌(polystyrene) 중 선택되는 어느 하나일 수 있다. 이때, 본 발명에서 각 층의 포토레지스트는 서로 동일한 종류의 포토레지스트로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 제1층의 제1 포토레지스트와 제2층의 제2 포토레지스트와 제3층의 제3 포토레지스트는 모두 동일한 종류의 포토레지스트일 수 있다. 모든 층의 포토레지스트가 동일한 종류로 이루어지게 됨으로써, 하나의 동일한 물질로 마이크로포스트를 형성할 수 있는 이점이 있다. 마이크로포스트가 동일한 하나의 물질로 형성됨에 따라, 이후 열적 리플로우를 통해 소정 곡률을 가지는 렌즈를 형성하는 것에 있어서 이점이 있다. 단, 이에 한정되는 것은 아니며 각 층의 포토레지스트가 서로 상이한 종류의 포토레지스트로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 제1층의 제1 포토레지스트와 제2층의 제2 포토레지스트는 서로 상이한 종류의 포토레지스트일 수 있고, 제2층의 제2 포토레지스트와 제3층의 제3 포토레지스트 또한 서로 상이한 종류의 포토레지스트일 수 있다. 이는 각 포토레지스트의 종류 별 특성에 따라 스핀코팅에 의해 도포되는 두께, 열적 리플로우에 의해 응축되는 정도가 상이할 수 있으므로, 각 층에서 필요로 하는 응축 정도, 각 층의 두께 등을 고려하여 적절한 종류의 포토레지스트를 사용함으로써 마이크로포스트를 의도대로 설계할 수 있는 이점이 있다.

한편, 이와 같이 네거티브 포토레지스트는 UV가 조사되면 경화되는 특성을 가지므로, 현상액을 이용하여 제1층 내지 제k층(즉, 다층 구조의 포토레지스트 층)을 현상할시, 각 포토마스크의 공극 패턴에 대응되어 각 층의 포토레지스트가 경화된 부분은 현상액에 의해 제거되지 않고, 포토마스크에 의해 UV가 차단되어 경화되지 않은 부분만이 현상액에 의해 제거되게 된다. 이에 따라 도 2의 10)에서와 같이 각 층의 포토레지스트의 경화된 부분만이 남게 되어 기판 상에 복수의 마이크로포스트가 패턴을 이루어 형성될 수 있다. 이때 각 마이크로포스트의 두께(즉, 마이크로포스트의 높이)는 각 층의 포토레지스트의 두께의 합에 해당하게 되며, 복수의 마이크로포스트가 이루는 패턴은 포토마스크의 공극 패턴과 대응되게 된다.

이와 같이 기판 상에 복수의 마이크로포스트를 형성한 이후, 도 2의 11)과 같이 복수의 마이크로포스트에 대해 동시 열적 리플로우(concurrent thermal reflow)를 수행하여, 기판 상에 복수의 렌즈가 형성될 수 있다.

동시 열적 리플로우는 포토레지스트의 유리 전이온도 이하에서 진행될 수 있으며, 대략 100℃ 내지 180 ℃ 사이에서 온도에서 수행될 수 있다. 이를 통해, 각 마이크로포스트는 응축되어 일정한 곡률을 가진 렌즈 형태로 변형되고, 이에 따라 기판 상에 각 렌즈가 패턴을 따라 어레이를 이루는 복수의 렌즈가 형성되게 된다.

즉, 본 발명의 마이크로 렌즈 제작 방법은, 기판 상에 소정의 패턴이 노광된 포토레지스트층을 차례대로 다층으로 적층하고, 1회의 현상을 통해 패턴 노광된 부분 이외의 포토레지스트들을 제거하여 마이크로포스트를 형성한 이후, 1회의 동시 열적 리플로우를 통해 각 렌즈를 형성하는 것으로서, 1회의 현상 작업 전까지 반복적인 다층 리포토리소그래피 작업을 통해 다층 구조로 제작될 수 있다.

이와 같이 본 발명은 포토레지스트들을 다층 구조로 제작함으로써 마이크로포스트의 두께를 원하는 만큼 충분히 두껍게 형성할 수 있고, 이에 따라 특정 종횡비(Aspect Ratio, AR) 이하의 마이크로포스트에서는 열적 리플로우에 의해 렌즈가 형성되지 않는 문제를 극복하여, 다양한 크기와 두께, 및 형상을 가지는 마이크로 렌즈를 제작할 수 있다. 종횡비는 마이크로포스트의 높이(H)와 직경(D)의 비(H/D)를 의미한다.

즉, 본 발명에 의하면, 각 층에 사용되는 각 포토마스크의 공극의 직경의 크기와, 각 층의 두께와, 다층구조의 층수를 적절히 조절하여, 각 렌즈의 형상을 다양하게 조절할 수 있다. 예를 들어, 각 포토마스크의 공극의 직경의 크기를 조절하여 각 렌즈의 직경을 1㎛ 내지 1000㎛로 형성할 수 있고, 각 층의 두께 및 층수를 조절하여 각 렌즈의 두께를 1㎛ 내지 1000㎛로 형성할 수 있으며, 이들 관계를 적절히 조합하여 다양한 형태의 마이크로 렌즈를 제작할 수 있다. 예를들어, 본 발명에 의하면 다양한 형태로서 대구경, 초구형, 및 비구면 마이크로 렌즈의 제작이 가능하다. 이하 각각에 대해 상세히 살펴보도록 한다.

대구경이라 함은 마이크로 렌즈의 각 렌즈의 직경이 대략 500 ㎛ 이상인 렌즈로서, 도 2는 대구경 마이크로 렌즈의 제작 방법에 해당한다. 도 2를 다시 참조하면, 대구경 마이크로 렌즈를 제작하기 위해, 제1 포토마스크, 제2 포토마스크, 제3 포토마스크를 모두 동일한 포토마스크로 사용할 수 있다. 이는 다시 말해 제1 포토마스크의 공극 패턴의 공극의 직경과, 제2 포토마스크의 공극 패턴의 공극의 직경과, 제3 포토마스크의 공극 패턴의 공극의 직경이 모두 동일한 것으로서, 이에 따라 원기둥 형태의 마이크로포스트가 제작될 수 있다. 이때, 각 포토마스크의 공극의 직경을 500 ㎛ 이상으로 형성함으로써, 원기둥 형태의 마이크로포스트의 직경을 500 ㎛ 이상으로 형성할 수 있고, 최종적으로 기판 상에 구비되는 각 렌즈의 공극의 직경을 500 ㎛ 이상으로 형성할 수 있다.

도 3은 본 발명을 이용하여 제작한 대구경 마이크로 렌즈의 이미지로서, 도 3의 (b), (c), 및 (d)는 각 렌즈가 소정 곡률을 가지는 대구경인 마이크로 렌즈를 나타낸다. 도 3의 (b)는 총 2층으로 적층한 것이고, (c)는 총 3층으로 적층한 것이고, (d)는 총 4층으로 적층한 것으로서, 이와 같이 여러 번 적층할수록 마이크로포스트를 두껍게 형성할 수 있고, 이에 따라 마이크로포스트의 종횡비(AR)가 0.04 이상이 되도록 함으로써 각 렌즈의 공극의 직경이 500 ㎛ 이상인 대구경으로 제작하는 것이 가능하다. 이에 반해 도 3의 (a)는 종래와 같이 총 1층인 단층 구조를 이용하여 렌즈를 제작한 것으로, 마이크로포스트의 두께가 얇아 마이크로포스트의 종횡비가 0.03 밖에 되지 않으며 이에 따라 포토레지스트의 응축 에너지 부족으로 인해 도시된 바와 같이 렌즈의 중앙 부분에 밸리가 생기는 것을 확인할 수 있다.

즉, 종래와 같이 단층 구조의 포토레지스트 포토리소그래피 및 열적 리플로우에 의해 마이크로 렌즈를 제작할 경우, 마이크로포스트 두께의 문제로 인해 종횡비를 극복하지 못하여 각 렌즈를 대구경으로 제작할 수 없으나, 본 발명에 의하면 포토레지스트를 다층 구조로 형성하여 원하는 만큼 포토레지스트를 두껍게 할 수 있기 때문에 각 렌즈를 대구경으로 제작할 수 있다.

도 4는 마이크로포스트의 두께와 종횡비 간의 관계를 나타낸 그래프로서, 마이크로포스트의 종횡비(AR)가 0.04 이하인 경우에는 마이크로포스트를 열적 리플로우 하더라도 렌즈가 형성되지 않고 새깅(sagging)되어 중심부에 오목한 형태의 밸리가 형성된다. 여기서, 각 층의 포토레지스트를 스핀코팅하는 것에 있어서 회전수(rpm)를 증가시키면 그만큼 각 층의 두께가 얇아지게 되며, 0.04 이상의 종횡비를 만족시키기 위해서는 다수의 층으로 적층해야 한다. 즉, 1000 rpm 으로 스핀코팅할 경우에는 2층으로만 적층하여도 마이크로포스트가 0.04 이상의 종횡비를 가지게 됨에 반해, 3000 rpm 으로 스핀코팅할 경우에는 3층 이상으로 적층하여야 마이크로포스트가 0.04 이상의 종횡비를 가지게 된다. 단, 1층으로 적층할 경우, 최소 회전수인 1000 rpm 에서도 종횡비를 만족하지 못해 렌즈가 제작되지 않음을 알 수 있다.

본 발명은 이와 같이 스핀코팅의 회전수를 조절하여 각 층의 두께를 조절할 수 있고, 원하는 만큼 층을 적층할 수 있으므로, 0.04 이상의 종횡비를 가지는 마이크로포스트를 형성할 수 있어 대구경의 마이크로 렌즈 제작이 가능하다. 이에 반해 상술한 바와 같이 종래 단층 구조를 이용한 렌즈 제작 방법에 의해서는 대구경의 마이크로 렌즈 제작이 불가능하다.

도 5는 대구경 마이크로 렌즈의 광특성을 나타내는 것으로, 마이크로 렌즈의 F-number에 따른 반치폭(FWHM, Full width half maximum)을 나타낸다. F-number는 초점거리와 렌즈 지름의 비에 해당하는 것으로서, 본 발명에 의하면 렌즈 지름, 즉 각 마이크로렌즈의 직경의 크기를 1㎛ 에서부터 500㎛ 이상인 대구경까지 제작할 수 있으며, 렌즈의 두께를 원하는 만큼 두껍게 제작할 수 있어 렌즈의 초점거리를 조절할 수 있으므로, 결과적으로 마이크로 렌즈의 F수를 자유로이 조절할 수 있다. 각 F수에 따라 beam focuse size가 달라지게 됨으로써 반치폭이 결정될 수 있으며, 이는 마이크로 렌즈를 통해 획득한 영상의 해상도와 연관이 있다.

도 6은 본 발명의 일 예에 따른 대구경 마이크로 렌즈를 통해 획득한 이미지를 평가한 것이다. 도 6의 (a)는 라즈베리파이 카메라와 본 발명의 대구경 마이크로 렌즈 카메라의 발색력을 비교한 것으로, 본 발명의 대구경 마이크로 렌즈(LA-MLA)는 상용 3.04mm 라즈베리파이 카메라(RSPC)와 비교하여 단파장 영역에서 발색력이 일부 떨어지는 점은 있으나, 그 외의 영역에서는 발색력이 상용 카메라와 유사한 정도에 해당함을 알 수 있다. 도 6의 (b)는 라즈베리파이 카메라와 본 발명의 대구경 마이크로 렌즈 카메라의 동적 영역(dynamic range)을 비교한 것으로, 본 발명의 대구경 마이크로 렌즈(LA-MLA)는 라즈베리파이 카메라(RSPC)와 비교하여 0.7/0.98=0.71 수준의 동적 영역을 가지는 것을 알 수 있다. 즉, 본 발명의 대구경 마이크로 렌즈 카메라는 상용 카메라 대비 높은 수준의 이미지 품질을 보장한다. 도 7은 본 발명의 일 예에 따른 대구경 마이크로 렌즈를 통해 획득한 이미지의 해상도를 나타낸 것으로, 이에 의하면 USAF 1951 resolution chart의 Group 6의 element 5까지 분해가 가능하며, 이에 해당하는 해상도는 4.92 마이크론(101.6 line pairs/mm)이다.

이와 같이, 본 발명에 의하면 대구경 마이크로 렌즈를 제작할 수 있으며, 이를 이용하여 제작한 마이크로 렌즈 카메라의 성능이 상용 카메라 대비 높은 수준의 성능을 가지면서도, 마이크로 렌즈로서 초소형 및 초박형으로 광학계 제작이 가능한 이점이 있다.

이하에서는 본 발명의 다른 예에 따른 초구형 마이크로 렌즈의 제작 방법과, 이를 통해 제작된 초구형 마이크로 렌즈에 대해 살펴보기로 한다. 초구형은 반구보다 구에 가까운 형태로서, 초구형 마이크로 렌즈는 각 마이크로렌즈와 지면(기판)과의 접촉각이 90도 이상인 렌즈를 의미한다.

도 8은 본 발명의 다른 예에 따른 초구형 마이크로 렌즈의 제작 방법을 나타낸 도면으로서, 앞서 설명한 바와 같이 기판 상에 노광처리된 포토레지스트층을 다층 구조로 형성하고, 이후 1회의 현상을 통해 마이크로포스트를 형성하며, 이후 동시 열적 리플로우를 통해 기판 상에 복수의 렌즈를 형성한다.

단, 본 예에서는, 제1층을 형성할 시 사용하는 제1 포토마스크의 공극의 직경의 크기와 제2층을 형성할 시 사용하는 제2 포토마스크의 공극의 직경의 크기를 달리하고, 제2 포토마스크의 공극의 직경과 제3층을 형성할 시 사용하는 제3 포토마스크의 공극의 직경을 달리할 수 있다. 도 8을 예로 들면, 제2 포토마스크의 공극의 직경을 제1 포토마스크의 공극의 직경보다 크게 하고, 제3 포토마스크의 공극의 직경을 제2 포토마스크의 공극의 직경보다 작게 할 수 있다. 이에 따라 도 8의 10)에 도시된 바와 같이 마이크로포스트의 중앙 부분이 상부와 하부에 비해 돌출된 형태로서 마이크로포스트가 대략 항아리 형태로 형성될 수 있으며, 이러한 형태의 마이크로포스트에 동시 열적 리플로우를 수행하여 도 8의 11)에 도시된 바와 같이 반구보다 구에 가까운 초구형 렌즈가 형성될 수 있다. 마이크로포스트를 총 3층을 초과하여 적층할 시에는, 서로 인접한 층을 형성할 시 사용하는 각 포토마스크의 크기를 크거나, 작거나, 또는 동일하게 형성할 수 있음은 물론이다. 예를 들어, 총 4층으로 적층할 시, 제1 포토마스크와 제2 포토마스크의 공극의 크기는 동일하고, 제3 포토마스크의 공극의 크기가 가장 크고, 제4 포토마스크의 공극의 크기가 가장 작게 형성될 수 있다.

즉, 본 발명에 의하면 제n 포토마스크의 공극의 직경을 제n-1 포토마스크의 공극의 직경보다 크거나, 동일하거나, 작게 형성하여, 기판 상에 구비되는 복수의 렌즈의 각 렌즈를 초구면으로 제작할 수 있다.

이하에서는 본 발명의 다른 예에 따른 비구면 마이크로 렌즈의 제작 방법과, 이를 이용하여 제작된 비구면 마이크로 렌즈에 대해 살펴보기로 한다. 비구면은 구면에서 약간 벗어난 곡면으로서, 일 예로서 중심부에서 주변부로 갈수록 점진적으로 편평해지는 구조로 형성될 수 있다.

도 9는 본 발명의 또 다른 예에 따른 비구면 마이크로 렌즈의 제작 방법을 나타낸 도면으로서, 앞서 설명한 바와 같이 기판 상에 노광처리된 포토레지스트층을 다층 구조로 형성하고, 이후 1회의 현상을 통해 마이크로포스트를 형성하며, 이후 동시 열적 리플로우를 통해 기판 상에 복수의 렌즈를 형성한다.

단, 본 예에서는, 제1층을 형성할 시 사용하는 제1 포토마스크의 공극의 직경의 크기에 비해 제2층을 형성할 시 사용하는 제2 포토마스크의 공극의 직경을 작게 하고, 제2 포토마스크의 공극의 직경의 크기에 비해 제3층을 형성할 시 사용하는 제3 포토마스크의 공극의 직경을 작게 할 수 있다. 도 9를 예로 들면, 제2 포토마스크의 공극의 직경을 제1 포토마스크의 공극의 직경보다 작게 하고, 제3 포토마스크의 공극의 직경을 제2 포토마스크의 공극의 직경보다 작게 할 수 있다. 이에 따라 도 9의 10)에 도시된 바와 같이 마이크로포스트는 상부로 갈수록 좁아지는 계단 형태로 형성될 수 있으며, 이러한 형태의 마이크로포스트에 동시 열적 리플로우를 수행하여 도 9의 11)에 도시된 바와 같이 중심부에서 주변부로 갈수록 편평해지는 비구면 렌즈가 형성될 수 있다.

즉, 본 발명에 의하면 제n 포토마스크의 공극의 직경을 제n-1 포토마스크의 공극의 직경보다 작게 형성하여, 기판 상에 구비되는 복수의 렌즈의 각 렌즈를 비구면으로 제작할 수 있다.

한편, 상술한 바와 같이 본 발명은, 각 층을 형성할 시 각 층의 포토레지스트를 스핀코팅을 통해 기판이나 또는 아래의 포토레지스트 층 상에 도포할 수 있다. 여기서, 동일한 종류의 포토레지스트를 사용할 경우, 동일한 회전수로 스핀코팅하게 되면 제1층의 두께에 비해 제2층의 두께가 약 1.56배 두껍게 도포되고, 제2층의 두께에 비해 제3층의 두께가 약 1.56배 두껍게 도포되는 점을 실험을 통해 확인하였다. 이는 기판에 비해 포토레지스트의 표면 에너지가 더 크기 때문이며, 이러한 점을 고려하여 각 층을 형성할 시 회전수 등을 적절히 조절하여 각 층의 두께를 원하는 만큼 형성할 수 있다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 방법은, 기판 상에 다층 포토리소그래피를 통해 다층 구조의 포토레지스트층을 형성하고, 이를 한번에 현상한 이후 한번의 동시 열적 리플로우를 통해 마이크로 렌즈를 제작하는 것으로서, 이에 의하면 각 층을 형성하는데 사용하는 포토마스크, 각 층의 스핀코팅을 통한 두께, 각 층을 이루는 포토레지스트의 종류 등을 절적히 선택하여 원하는 크기, 두께 및 형상을 가지는 마이크로 렌즈를 자유로이 설계할 수 있다.

앞에서는 대표적인 예로서 대구경, 초구형 및 비구면 마이크로 렌즈에 대해 설명하였으나, 본 방법을 이용하여 이들 이외에도 다양한 형태의 렌즈를 제작할 수 있음은 물론이다. 도 10은 본 방법을 이용하여 제작된 다층 마이크로포스트와 마이크로렌즈를 나타낸 것으로, 도시된 바와 같이 도 10의 (a)는 다양한 두께를 가지는 마이크로포스트를 나타내고, 도 10의 (b)는 다양한 크기를 가지는 초구형 마이크로 렌즈를 나타내고, 도 10의 (c)는 비구면 마이크로 렌즈 제작을 위한 마이크로포스트를 나타내며, 도 10의 (d)는 비구면 마이크로 렌즈를 나타낸다. 이와 같이, 본 방법을 통해 다양한 형태와 크기를 가지는 마이크로포스트 및 이를 이용한 마이크로 렌즈를 자유로이 제작할 수 있다.

나아가, 본 발명의 마이크로 렌즈는, 다양한 광학계(예를 들어, 광섬유, 이미지 센서, 카메라), 에너지 응용분야(태양열 전지, 위성), 및 미세유 채널(microfluidic chip)의 챔버 등으로의 적용이 가능하다.

이상, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예에는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야 한다.

10: 마이크로 렌즈
Glass wafer: 기판
L: 각 층
L_1: 제1층
L_n: 제n층
PR: 포토레지스트리
PR_1: 제1 포토레지스트리
PR_n: 제n 포토레지스트리
PM: 포토마스크
PM_1: 제1 포토마스크
PM_n: 제n 포토마스크
POST: 각 마이크로포스트
LENS: 각 렌즈

Claims (18)

1. 삭제
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 삭제
6. 삭제
7. 마이크로 렌즈 제작 방법으로서,
   S10) 기판을 준비하는 단계;
   S20) 상기 기판 상에 제1층을 적층하는 단계로서,
   상기 제1층은, 상기 기판 상에 제1 포토레지스트를 도포하고 제1 공극 패턴을 가진 제1 포토마스크에 UV 광을 통과시켜 상기 제1 포토레지스트에 제1 패턴을 노광처리하여 형성되며, 상기 제1 포토레지스트는 광학 열가소성 물질 중 자외선 영역 경화성 특성을 가지는 네거티브 포토레지스트로서 상기 제1 패턴이 노광처리되어 경화되는, 단계;
   S30) 제n-1층 상에 제n층을 적층하는 단계로서,
   상기 제n층은, 상기 제n-1층 상에 제n 포토레지스트를 도포하고 제n 공극 패턴을 가진 제n 포토마스크에 UV 광을 통과시켜 상기 제n 포토레지스트에 제n 패턴을 노광처리하여 형성되며, 상기 제n 포토레지스트는 광학 열가소성 물질 중 자외선 영역 경화성 특성을 가지는 네거티브 포토레지스트로서 상기 제n 패턴이 노광처리되어 경화되는, 단계;
   S40) 상기 제1층 내지 제k층에서 상기 제1 패턴 내지 제k 패턴이 각각 노광처리되어 경화된 부분을 제외한 제1 포토레지스트 내지 제k 포토레지스트를 한번에 현상하여 복수의 마이크로포스트를 형성하는 단계; 및
   S50) 상기 복수의 마이크로포스트에 대해 동시 열적 리플로우를 수행하여, 상기 기판 상에 복수의 렌즈를 형성하는 단계;
   를 포함하는, 마이크로 렌즈 제작 방법.
   (여기서, n=(2, …, k) 이고, k는 2 이상의 자연수임)
   
8. 제7항에 있어서,
   상기 제1 포토마스크 및 상기 제n 포토마스크 각각의 공극의 직경의 크기를 조절하여,
   상기 복수의 렌즈의 각 렌즈의 형상을 조절 가능한 것을 특징으로 하는, 마이크로 렌즈 제작 방법.
   
9. 제8항에 있어서,
   상기 제n 포토마스크의 공극의 직경을 제n-1 포토마스크의 공극의 직경과 동일하게 형성하고,
   상기 제1 포토마스크의 공극의 직경을 500 ㎛ 이상으로 형성하여,
   상기 복수의 렌즈의 각 렌즈를 직경이 500 ㎛ 이상인 대구경으로 제작하는 것을 특징으로 하는, 마이크로 렌즈 제작 방법.
   
10. 제8항에 있어서,
    상기 제n 포토마스크의 공극의 직경을 제n-1 포토마스크의 공극의 직경보다 작게 형성하여,
    상기 복수의 렌즈의 각 렌즈를 비구면으로 제작하는 것을 특징으로 하는, 마이크로 렌즈 제작 방법.
    
11. 제8항에 있어서,
    상기 제n 포토마스크의 공극의 직경을 제n-1 포토마스크의 공극의 직경보다 크거나, 동일하거나, 작게 형성하여,
    상기 복수의 렌즈의 각 렌즈를 초구면으로 제작하는 것을 특징으로 하는, 마이크로 렌즈 제작 방법.
    
12. 제7항에 있어서,
    상기 S20) 단계에서는,
    상기 제1 포토마스크를 이용하여 상기 기판 상에 도포된 상기 제1 포토레지스트를 노광처리하기 이전에 상기 제1 포토레지스트를 프리 베이킹 처리하고, 상기 제1 포토레지스트에 제1 패턴을 노광처리한 이후에 상기 제1 포토레지스트를 포스트 베이킹 처리하며,
    상기 S30) 단계에서는,
    상기 제n 포토마스크를 이용하여 상기 제n-1층 상에 도포된 상기 제n 포토레지스트를 노광처리하기 이전에 상기 제n 포토레지스트를 프리 베이킹 처리하고, 상기 제n 포토레지스트에 제n 패턴을 노광처리한 이후에 상기 제n 포토레지스트를 포스트 베이킹 처리하는 것을 특징으로 하는, 마이크로 렌즈 제작 방법.
    
13. 제7항에 있어서,
    상기 S20) 단계에서는 스핀코팅을 통해 상기 기판 상에 상기 제1 포토레지스트를 도포하고,
    상기 S30) 단계에서는 스핀코팅을 통해 상기 기판 상에 상기 제n-1층 상에 상기 제n 포토레지스트를 도포하는 것을 특징으로 하는, 마이크로 렌즈 제작 방법.
    
14. 제13항에 있어서,
    상기 S20) 단계 및 상기 S30) 단계 각각에서 스핀코팅의 회전수를 조절하여, 상기 제1층 및 상기 제n층 각각의 두께를 조절하는 것을 특징으로 하는, 마이크로 렌즈 제작 방법.
    
15. 제7항에 있어서,
    상기 제n층의 두께는 상기 제n-1층의 두께보다 작은 것을 특징으로 하는, 마이크로 렌즈 제작 방법.
    
16. 제7항에 있어서,
    상기 제1 포토레지스트와 제n 포토레지스트는,
    서로 동일한 종류의 포토레지스트인 것을 특징으로 하는, 마이크로 렌즈 제작 방법.
    
17. 제7항에 있어서,
    상기 제1 포토레지스트와 제n 포토레지스트는,
    서로 동일한 종류의 포토레지스트이거나, 서로 상이한 종류의 포토레지스트인 것을 특징으로 하는, 마이크로 렌즈 제작 방법.
    
18. 제7항의 마이크로 렌즈 제작 방법에 의해 제작된, 마이크로 렌즈.