KR102569173B1 - Ｕｖ 경화공정용 컴팩트한 구조를 갖는 고출력 ｓｐｏｔ형 ｕｖ 경화광학장치 및 경화방법 - Google Patents

Ｕｖ 경화공정용 컴팩트한 구조를 갖는 고출력 ｓｐｏｔ형 ｕｖ 경화광학장치 및 경화방법 Download PDF

Info

Publication number
KR102569173B1
KR102569173B1 KR1020210144670A KR20210144670A KR102569173B1 KR 102569173 B1 KR102569173 B1 KR 102569173B1 KR 1020210144670 A KR1020210144670 A KR 1020210144670A KR 20210144670 A KR20210144670 A KR 20210144670A KR 102569173 B1 KR102569173 B1 KR 102569173B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
curing
light
lens
light source
optical waveguide
Prior art date
Application number
KR1020210144670A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20230060204A (ko
Inventor
김완진
Original Assignee
주식회사 지엠지
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 주식회사 지엠지 filed Critical 주식회사 지엠지
Priority to KR1020210144670A priority Critical patent/KR102569173B1/ko
Publication of KR20230060204A publication Critical patent/KR20230060204A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR102569173B1 publication Critical patent/KR102569173B1/ko

Links

Images

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B05—SPRAYING OR ATOMISING IN GENERAL; APPLYING FLUENT MATERIALS TO SURFACES, IN GENERAL
    • B05C—APPARATUS FOR APPLYING FLUENT MATERIALS TO SURFACES, IN GENERAL
    • B05C9/00—Apparatus or plant for applying liquid or other fluent material to surfaces by means not covered by any preceding group, or in which the means of applying the liquid or other fluent material is not important
    • B05C9/08—Apparatus or plant for applying liquid or other fluent material to surfaces by means not covered by any preceding group, or in which the means of applying the liquid or other fluent material is not important for applying liquid or other fluent material and performing an auxiliary operation
    • B05C9/14—Apparatus or plant for applying liquid or other fluent material to surfaces by means not covered by any preceding group, or in which the means of applying the liquid or other fluent material is not important for applying liquid or other fluent material and performing an auxiliary operation the auxiliary operation involving heating or cooling
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B05—SPRAYING OR ATOMISING IN GENERAL; APPLYING FLUENT MATERIALS TO SURFACES, IN GENERAL
    • B05D—PROCESSES FOR APPLYING FLUENT MATERIALS TO SURFACES, IN GENERAL
    • B05D3/00—Pretreatment of surfaces to which liquids or other fluent materials are to be applied; After-treatment of applied coatings, e.g. intermediate treating of an applied coating preparatory to subsequent applications of liquids or other fluent materials
    • B05D3/06—Pretreatment of surfaces to which liquids or other fluent materials are to be applied; After-treatment of applied coatings, e.g. intermediate treating of an applied coating preparatory to subsequent applications of liquids or other fluent materials by exposure to radiation
    • B05D3/061—Pretreatment of surfaces to which liquids or other fluent materials are to be applied; After-treatment of applied coatings, e.g. intermediate treating of an applied coating preparatory to subsequent applications of liquids or other fluent materials by exposure to radiation using U.V.
    • B05D3/065—After-treatment
    • B05D3/067—Curing or cross-linking the coating
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B05—SPRAYING OR ATOMISING IN GENERAL; APPLYING FLUENT MATERIALS TO SURFACES, IN GENERAL
    • B05D—PROCESSES FOR APPLYING FLUENT MATERIALS TO SURFACES, IN GENERAL
    • B05D7/00—Processes, other than flocking, specially adapted for applying liquids or other fluent materials to particular surfaces or for applying particular liquids or other fluent materials
    • B05D7/02—Processes, other than flocking, specially adapted for applying liquids or other fluent materials to particular surfaces or for applying particular liquids or other fluent materials to macromolecular substances, e.g. rubber
    • B05D7/04—Processes, other than flocking, specially adapted for applying liquids or other fluent materials to particular surfaces or for applying particular liquids or other fluent materials to macromolecular substances, e.g. rubber to surfaces of films or sheets
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B19/00—Condensers, e.g. light collectors or similar non-imaging optics
    • G02B19/0033—Condensers, e.g. light collectors or similar non-imaging optics characterised by the use
    • G02B19/0047—Condensers, e.g. light collectors or similar non-imaging optics characterised by the use for use with a light source
    • G02B19/0061—Condensers, e.g. light collectors or similar non-imaging optics characterised by the use for use with a light source the light source comprising a LED
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/09—Beam shaping, e.g. changing the cross-sectional area, not otherwise provided for
    • G02B27/0938—Using specific optical elements
    • G02B27/095—Refractive optical elements
    • G02B27/0955—Lenses
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/67—Apparatus specially adapted for handling semiconductor or electric solid state devices during manufacture or treatment thereof; Apparatus specially adapted for handling wafers during manufacture or treatment of semiconductor or electric solid state devices or components ; Apparatus not specifically provided for elsewhere
    • H01L21/67005—Apparatus not specifically provided for elsewhere
    • H01L21/67011—Apparatus for manufacture or treatment
    • H01L21/67098—Apparatus for thermal treatment
    • H01L21/67115—Apparatus for thermal treatment mainly by radiation

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Toxicology (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Wood Science & Technology (AREA)
  • Optical Couplings Of Light Guides (AREA)

Abstract

본 발명은 UV 경화공정용 컴팩트한 구조를 갖는 고출력 SPOT형 UV 경화광학장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 광원; 상기 광원에서 출사된 광이 입사되어 평행광으로 출사시키는 TIR 렌즈; 상기 TIR 렌즈 후단에 구비되어 TIR 렌즈에서 출사된 광이 입사되는 광도파로; 및 상기 광도파로 종단 측에 구비되어 상기 광도파로를 통해 출사되는 광을 집광시켜 UV 레진의 피경화면 측으로 조사하는 집광렌즈;를 포함하는 것을 특징으로 하는 UV 경화공정용 컴팩트한 구조를 갖는 고출력 SPOT형 UV 경화광학장치에 관한 것이다.

Description

ＵＶ 경화공정용 컴팩트한 구조를 갖는 고출력 ＳＰＯＴ형 ＵＶ 경화광학장치 및 경화방법{High Power SPOT type UV curring optical apparatus with Compact structure}
본 발명은 반도체 제작 UV 경화공정용 컴팩트한 구조를 갖는 고출력 SPOT형 UV 경화광학장치 및 경화방법에 관한 것이다.
UV 경화는 접착제, 코팅, 잉크와 같은 것들을 자외선을 이용하여 굳혀주는 작업이다. 그 원리는 UV resin 속에 함유된 미량의 광 개시제가 자외선 조사를 받아 화학반응을 일으켜 UV resin의 주성분인 단량체와 중간체의 결합반응이 유도되 어 견고하고 딱딱한 중합체(polymer)로 변하는 특성을 가지고 있기 때문이다
도 1a 내지 도 1d는 반도체 공정에 적용된 UV 경화광학장치의 예시를 도시한 것이다. 도 1a 내지 도 1d에 도시된 바와 같이, 반도체나 웨이퍼 접착, 박리에 필요한 자외선을 조사하여 접착, 박리를 진행하고, 시료(UV 레진)에 따라 다양한 파장대가 필요하며 고속생산을 위해 고출력이 요구됨을 알 수 있다.
최근 디스플레이 및 반도체 산업의 발달로 인해 시장이 커짐에 따라 LCD, LED 및 wafer의 코팅, 접착공정에서 사용되는 UV 경화기의 필요성도 증가하고 있다.
UV 경화기는 매우 짧은 시간에 반응이 일어나는 신속한 공정, 제품 품질 변형을 최소화, 컴팩트한 사이즈로 적은 작업공간을 요구하는 등 각종 분야에 널리쓰이는 경화기이다. Spot형 UV LED 경화기는 LCD실링, 반도체, 렌즈 등 접착면의 국부적 면적에서 높은 경화 강도가 요구되는 application에 사용되고, 광원은 UV LED로 365nm~405nm 대역의 UV LED를 광원으로 사용하며 Lambertian 형태의 배광분포를 갖는다.
경화기 광학계는 최대한 광전달효율을 높이고 spot 경화면적 내의 광강도분포를 균일하게하여 spot 경화면에서 높은 경화 에너지 밀도를 구현하는 것이 필요하다. 이를 위해 LED 광원에서 방사된 광속은 collimation 광학계를 거쳐 광도파로(광케이블)로 입사되고, 광도파로의 끝단에 배치된 집광렌즈에 의해 경화 spot을 형성하도록 광학계를 구성한다.
고출력 LED의 넓은 발광면적으로 인해 종래의 collimation 광학계는 복수의 렌즈로 구성되는데 이러한 경우, 모듈광정렬의 어려움이 존재하고 광학계를 보다 컴팩트하게 구성하기 어려운 단점이 있다.
대한민국 등록특허 제10-2254690호 대한민국 등록특허 제10-2199897호 대한민국 등록특허 제10-1819636호 대한민국 공개특허 제10-2013-0112549호
따라서 본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 실시예에 따르면, 다파장 COB 장착형태로 다양한 파장 경화공정에 적용이 가능하며, 광원으로부터 방사되는 광속의 광도파로와 커플링 효율을 높이기 위하여 적용되는 종래 렌즈 어셈블리(복수의 렌즈 소자 구성)를 단일 소자인 TIR(Total Internal Reflection) 렌즈로 대체하여 광학정렬 난이도 개선 및 원가절감을 구현할 수 있으며, 광도파로를 통과하는 광속이 광도파로 종단에 형성된 집광렌즈에 의해 집광하기 전에 Flyeye 렌즈를 적용하여 피경화면 상 광속 균일도를 높일 수 있으며, 광성능 향상, 원가절감, 조립생산성을 향상시킬 수 있는, UV 경화공정용 컴팩트한 구조를 갖는 고출력 SPOT형 UV 경화광학장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
한편, 본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 제1목적은 UV 경화광학장치에 있어서, 광원; 상기 광원에서 출사된 광이 입사되어 평행광으로 출사시키는 TIR 렌즈; 상기 TIR 렌즈 후단에 구비되어 TIR 렌즈에서 출사되는 광이 입사되는 광도파로; 및 상기 광도파로 종단 측에 구비되어 상기 광도파로를 통해 출사되는 광을 집광시켜 UV 레진의 피경화면 측으로 조사하는 집광렌즈;를 포함하는 것을 특징으로 하는 UV 경화공정용 컴팩트한 구조를 갖는 고출력 SPOT형 UV 경화광학장치로서 달성될 수 있다.
그리고 상기 TIR 렌즈는 1개로 구성되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한 상기 집광렌즈와 상기 광도파로 종단 사이에 구비되어, 상기 피경화면 상 광속 균일도를 증대시키는 flyeye 렌즈를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
그리고 상기 광원은 복수의 LED 칩이 배치된 COB 장착 형태로 구성되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한 상기 COB 장착 형태는, 서로 다른 특정파장을 갖는 적어도 하나의 LED 칩으로 구성된 복수의 LED 에레이로 구성되는 것을 특징으로 할 수 있다.
그리고 상기 UV 레진의 최적 경화 파장범위를 기반으로 상기 LED 어레이의 on/off 제어를 통한 출사 광원 파장을 조절하는 광원제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 제2목적은, UV 경화광학장치를 통한 UV 경화방법에 있어서, 광원을 통해 LED 광이 출사되는 제1단계; 상기 광원에서 출사된 LED 광이 TIR 렌즈에 통과되어 평행광으로 출사되는 제2단계; 상기 TIR 렌즈 후단에 구비된 광도파로로 TIR 렌즈에서 출사되는 광이 입사되는 제3단계; 및 상기 광도파로를 통해 출사되는 광이 상기 광도파로 종단 측에 구비된 집광렌즈에 통과되면서 집광되어 UV 레진의 피경화면 측으로 조사되어 상기 UV 레진이 경화되는 제4단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 UV 경화공정용 컴팩트한 구조를 갖는 고출력 SPOT형 UV 경화광학장치를 이용한 UV 경화방법으로서 달성될 수 있다.
그리고 상기 제4단계에서, 상기 집광렌즈와 상기 광도파로 종단 사이에 flyeye 렌즈가 구비되어, 상기 피경화면 상 광속 균일도가 증대되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한 상기 광원은 복수의 LED 칩이 배치된 COB 장착 형태로 구성되며, 상기 COB 장착 형태는, 서로 다른 특정파장을 갖는 적어도 하나의 LED 칩으로 구성된 복수의 LED 에레이로 구성되는 것을 특징으로 할 수 있다.
그리고 광원 제어부가 상기 UV 레진의 최적 경화 파장범위를 기반으로 상기 LED 어레이의 on/off 제어를 통헤 출사 광원 파장을 조절하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 UV 경화공정용 컴팩트한 구조를 갖는 고출력 SPOT형 UV 경화광학장치에 따르면, 다파장 COB 장착형태로 다양한 파장 경화공정에 적용이 가능하며, 광원으로부터 방사되는 광속의 광도파로와 커플링 효율을 높이기 위하여 적용되는 종래 렌즈 어셈블리(복수의 렌즈 소자 구성)를 단일 소자인 TIR(Total Internal Reflection) 렌즈로 대체하여 광학정렬 난이도 개선 및 원가절감을 구현할 수 있으며, 광도파로를 통과하는 광속이 광도파로 종단에 형성된 집광렌즈에 의해 집광하기 전에 Flyeye 렌즈를 적용하여 피경화면 상 광속 균일도를 높일 수 있으며, 광성능 향상, 원가절감, 조립생산성을 향상시킬 수 있는 효과를 갖는다.
본 발명의 실시예에 따른 UV 경화공정용 컴팩트한 구조를 갖는 고출력 SPOT형 UV 경화광학장치에 따르면, 고속 생산용 Curing System이며 고객의 요구에 맞게 다양한 파장의 광학계 제공 가능하고, 반도체, 디스플레이공정뿐만 아니라 다양한 UV 경화, 인쇄, 코팅 분야에 응용 가능하며, 다수(예를 들어 3개)의 렌즈 어셈블리를 1개의 TIR 렌즈로 대체함에도 광량과 SPOT 사이즈와 조도, 광균일도를 증대시킬 수 있는 장점이 있다.
한편, 본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술적 사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석 되어서는 아니 된다.
도 1a 내지 도 1d는 반도체 공정에 적용된 UV 경화광학장치의 예시,
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 반도체 제작 UV 경화공정용 컴팩트한 구조를 갖는 고출력 SPOT형 UV 경화광학장치의 블록도,
도 3a는 TIR 렌즈 예시 사진,
도 3b는 TIR 렌즈의 구조에 따른 ray tracing,
도 4a 및 도 4b는 광원 0.6mm일때, 비교예에 따른 종래 3매의 렌즈소자로 배치된 렌즈 어셈블리와 광도파로의 측면도,
도 4c는 도 4a, 4b에서 출사된 자외선의 시뮬레이션 이미지,
도 4d는 총광량, SPOT사이즈(FWHM), 최대조도 표,
도 5a 및 도 5b는 광원 0.6mm일때, 본 발명의 제1실시예에 따른 TIR 렌즈와 광도파로의 측면도,
도 5c는 도 5a, 5b에서 출사된 자외선의 시뮬레이션 이미지,
도 5d는 총광량, SPOT사이즈(FWHM), 최대조도 표,
도 6a 및 도 6b는 광원 0.85mm일때, 본 발명의 제1실시예에 따른 TIR 렌즈와 광도파로의 측면도,
도 6c는 도 6a, 6b에서 출사된 자외선의 시뮬레이션 이미지,
도 6d는 총광량, SPOT사이즈(FWHM), 최대조도 표,
도 7은 비교예, 제1실시예, 제2실시예에 따른 총광량, SPOT사이즈(FWHM), 최대조도 비교표를 도시한 것이다.
이상의 본 발명의 목적들, 다른 목적들, 특징들 및 이점들은 첨부된 도면과 관련된 이하의 바람직한 실시예들을 통해서 쉽게 이해될 것이다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 통상의 기술자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.
본 명세서에서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소 상에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 구성요소 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 구성요소가 개재될 수도 있다는 것을 의미한다. 또한 도면들에 있어서, 구성요소들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다.
본 명세서에서 기술하는 실시예들은 본 발명의 이상적인 예시도인 단면도 및/또는 평면도들을 참고하여 설명될 것이다. 도면들에 있어서, 막 및 영역들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다. 따라서 제조 기술 및/또는 허용 오차 등에 의해 예시도의 형태가 변형될 수 있다. 따라서 본 발명의 실시예들은 도시된 특정 형태로 제한되는 것이 아니라 제조 공정에 따라 생성되는 형태의 변화도 포함하는 것이다. 예를 들면, 직각으로 도시된 영역은 라운드지거나 소정 곡률을 가지는 형태일 수 있다. 따라서 도면에서 예시된 영역들은 속성을 가지며, 도면에서 예시된 영역들의 모양은 소자의 영역의 특정 형태를 예시하기 위한 것이며 발명의 범주를 제한하기 위한 것이 아니다. 본 명세서의 다양한 실시예들에서 제1, 제2 등의 용어가 다양한 구성요소들을 기술하기 위해서 사용되었지만, 이들 구성요소들이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이들 용어들은 단지 어느 구성요소를 다른 구성요소와 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 여기에 설명되고 예시되는 실시예들은 그것의 상보적인 실시예들도 포함한다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 '포함한다(comprises)' 및/또는 '포함하는(comprising)'은 언급된 구성요소는 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
아래의 특정 실시예들을 기술하는데 있어서, 여러 가지의 특정적인 내용들은 발명을 더 구체적으로 설명하고 이해를 돕기 위해 작성되었다. 하지만 본 발명을 이해할 수 있을 정도로 이 분야의 지식을 갖고 있는 독자는 이러한 여러 가지의 특정적인 내용들이 없어도 사용될 수 있다는 것을 인지할 수 있다. 어떤 경우에는, 발명을 기술하는 데 있어서 흔히 알려졌으면서 발명과 크게 관련 없는 부분들은 본 발명을 설명하는데 있어 별 이유 없이 혼돈이 오는 것을 막기 위해 기술하지 않음을 미리 언급해 둔다.
이하에서는 본 발명의 실시예에 따른 UV 경화공정용 컴팩트한 구조를 갖는 고출력 SPOT형 UV 경화광학장치의 구성, 기능 및 이를 이용한 UV경화방법에 대해 설명하도록 한다. 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 UV 경화공정용 컴팩트한 구조를 갖는 고출력 SPOT형 UV 경화광학장치의 블록도를 도시한 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 UV 경화공정용 컴팩트한 구조를 갖는 고출력 SPOT형 UV 경화광학장치(100)는, 도 2에 도시된 바와 같이, 광원(10), TIR 렌즈(20), 광도파로(30), flyeye 렌즈(40), 집광렌즈(50) 등을 포함하여 구성될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 광원(10)은 LED 광원으로서, 복수의 LED 칩이 배치된 COB 장착 형태로 구성되어 다양한 파장 경화공정에 적용이 가능하다. 이러한 다파장 COB 장착 형태는, 서로 다른 특정파장을 갖는 적어도 하나의 LED 칩으로 구성된 복수의 LED 에레이로 구성될 수 있다.
그리고 광원제어부(11)를 통해 UV 레진(1)의 최적 경화 파장범위를 기반으로 LED 어레이의 on/off 제어를 통한 출사 광원 파장을 조절할 수 있게 된다. 예를 들어, 4*4 LED 칩이 배치된 형태의 경우, 4개의 365nm파장의 LED 칩이 배열된 제1LED어레이와, 4개의 385nm파장의 LED 칩이 배열된 제2LED어레이와, 4개의 395nm파장의 LED 칩이 배열된 제3LED어레이와, 4개의 405nm파장의 LED 칩이 배열된 제4LED어레이가 배치될 수 있다. 이러한 경우, 예를 들어 UV 레진의 최적 경화 파장이 385nm 부근인 경우, 제2LED어레이의 LED 칩만을 on하고, 385 ~ 395nm 범위에서 최적 경화파장을 갖는 경우, 제2LED어레이와 제3LED어레이의 LED 칩을 on하도록 제어하게 된다.
TIR 렌즈(20)는 LED 광원(10)에서 출사된 광이 입사되어 평행광으로 출사시키도록 구성된다. 도 3a는 TIR 렌즈 예시 사진, 도 3b는 TIR 렌즈의 구조에 따른 ray tracing를 도시한 것이다.
본 발명의 실시예에서는 추후에서 비교 실험데이터에서 설명되는 바와 같이, 광원(10)으로부터 방사되는 광속의 광도파로(30)와 커플링 효율을 높이기 위하여 적용되는 종래 렌즈 어셈블리(3매의 렌즈 소자 구성)(2)를 단일 소자인 TIR(Total Internal Reflection) 렌즈(20)로 대체하여 광학 정렬 난이도 개선 및 원가절감을 구현할 수 있으며, 광성능 향상, 원가절감, 조립생산성, 광량과 SPOT 사이즈와 조도를 향상시킬 수 있게 된다.
기하광학 이론에 따르면 밀한 매질에서 소한 매질로 빛이 임의의 각 이상으로 입사될 경우 내부 전반사가 일어나게 된다. 이러한 내부 전반사가 일어나기 시작하는 임의의 각을 임계각(critical angle, θc) 이라 하며, 임계각 이하의 입사광은 공기 중으로 투과하게 되고 임계각 이상의 입 사광은 내부 전반사가 일어난다.
TIR 렌즈(20)는 내부 전반사를 활용한 것이며, LED광을 focusing 시키는 방법으로 원하는 조사영역에 집속시킬 수 있다. 또한 전반사면에서의 반사 손실이 거의 없어 높은 광속 효율을 가진다.
도 3b는 TIR lens의 구조에 따른 ray tracing 이다. LED 에서 방출되는 빛의 발산각이 작은 경우, TIR 렌즈(20) 중앙의 inner surface를 맞고 굴절하여 수직 방향으로 향하게 되는데, inner surface는 식 (1)의 Snell’s law에 의하여 설계 가능하 다. 식에서 θi는 입사각, θr은 굴절각이며, ni와 nr은 각각 매질에 대한 굴절률이다.
[수학식 1]
발산각이 큰 경우, TIR 렌즈(20)의 inner side surface에서 굴절 되고 다시 렌즈 외곽의 TIR surface 곡면을 통해 반사되어 수직 방향으로 발산한다. TIR surface에서 일어나는 내부 전 반사는 식 (2)의 임계각(critical angle, θc) 계산식에 의해 제어할 수 있다.
[수학식 2]
Lambertian 배광분포를 가지는 LED에서 방출되는 빛을 제어하기 위해서는 TIR 렌즈의 inner surface와 TIR surface의 최적 설계가 중요한 요소이다.
또한 TIR 렌즈(20) 후단에는 광도파로(30)가 구비되어 TIR 렌즈(20)에서 출사된 광이 입사되게 된다. 그리고 광도파로(30) 종단 측에 구비된 집광렌즈(50)에 의해 광도파로(30)를 통해 출사되는 광이 집광되어 UV 레진(1)의 피경화면 측으로 조사되어, UV 레진이 경화되게 된다.
그리고 본 발명의 실시예에서는, 집광렌즈(50)와 광도파로(30) 종단 사이에 flyeye 렌즈(40)가 구비되게 된다. 이러한 flyeye 렌즈(40)를 포함하게 됨으로써, UV 레진(1)의 피경화면 상 광속 균일도를 증대시킬 수 있게 된다.
이하에서는 종래 3매의 렌즈소자가 배열된 렌즈 어셈블리(2)를 이용한 경우(비교예)와, 본 발명의 실시예에 따라 TIR 렌즈(20)를 적용한 경우에 대한 비교 시뮬레이션 데이터를 설명하도록 한다.
먼저, 도 4a 및 도 4b는 광원 0.6mm일때, 비교예에 따른 종래 3매의 렌즈소자로 배치된 렌즈 어셈블리와 광도파로의 측면도를 도시한 것이고, 도 4c는 도 4a, 4b에서 출사된 자외선의 시뮬레이션 이미지, 도 4d는 총광량, SPOT사이즈(FWHM), 최대조도 표를 나타낸 것이다.
그리고 도 5a 및 도 5b는 광원 0.6mm일때, 본 발명의 제1실시예에 따른 TIR 렌즈와 광도파로의 측면도, 도 5c는 도 5a, 5b에서 출사된 자외선의 시뮬레이션 이미지, 도 5d는 총광량, SPOT사이즈(FWHM), 최대조도 표를 도시한 것이다.
그리고 도 6a 및 도 6b는 광원 0.85mm일때, 본 발명의 제1실시예에 따른 TIR 렌즈와 광도파로의 측면도, 도 6c는 도 6a, 6b에서 출사된 자외선의 시뮬레이션 이미지, 도 6d는 총광량, SPOT사이즈(FWHM), 최대조도 표를 도시한 것이다.
그리고 도 7은 비교예, 제1실시예, 제2실시예에 따른 총광량, SPOT사이즈(FWHM), 최대조도 비교표를 나타낸 것이다.
도 4a 내지 도 4d에서는 광원 0.6mm일 때, CHN9H4A_15000000Rays를 이용한 3매 Col unit의 총 광량, SPOT사이즈, 조도(best focal point 4.0mm)를 분석한 것이고, 도 5a 내지 도 5d는 광원 0.6mm, 도 6a 내지 도 6d는 광원 0.85mm일 때, 1매 TIR 렌즈에 대한 총 광량, SPOT사이즈, 조도를 분석한 것이다.
실험데이터에서 나타난 바와 같이, 기존 3매 렌즈를 TIR 렌즈 1개로 통합하였음에도 광량와, SPOT 사이즈와, 조도가 증대되었음을 알 수 있다. 따라서 기존 3매 렌즈를 TIR 렌즈 1매로 대체가능하여 제품원가, 생상성향상 및 컴팩트화가 가능하며, 기존 대비 2배 높은 광량을 구현할 수 있음을 알 수 있다.
또한 앞서 언급한 바와 같이, UV 칩 COB를 적용하여 다양한 파장의 고출력 광량 구현이 가능하며, SPOT 형태로 적정 WD에서도 SPOT 형태 빔 구현이 가능함을 알 수 있다.
설계 시 광원은 파장이 395nm이며 발광면적이 2.76x2.76mm2인 LED를 고려하였고, 노광위치는 광도파로 끝단에 배치된 집광렌즈 정점으로부터 5~10mm를 고려하였다.
도 7에 도시된 바와 같이, TIR 렌즈는 최대한 많은 광선이 광도파로에 입사하도록 설계한 광학계로써 경화면에 입사된 총광선속이 2배가량 증가하였고, 동시에 조도 또한 16% 증가하였다. 이때 spot size는 약 27%증가하며 TIR렌즈 설계를 통해 더 넓은 초점영역에서의 고강도 경화가 가능하도록 설계하였다. 추가적으로 최종 집광렌즈 앞단에 Fly-eye 렌즈를 배치하여 field flattening을 통해 경화면의 spot 경을 축소 및 조도균일도를 확보할 수 있었다.
따라서 본 발명의 실시예에 따른 UV 경화공정용 컴팩트한 구조를 갖는 고출력 SPOT형 UV 경화광학장치에 따르면, 다파장 COB 장착형태로 다양한 파장 경화공정에 적용이 가능하며, 광원으로부터 방사되는 광속의 광도파로와 커플링 효율을 높이기 위하여 적용되는 종래 렌즈 어셈블리(복수의 렌즈 소자 구성)를 단일 소자인 TIR(Total Internal Reflection) 렌즈로 대체하여 광학정렬 난이도 개선 및 원가절감을 구현할 수 있으며, 광도파로를 통과하는 광속이 광도파로 종단에 형성된 집광렌즈에 의해 집광하기 전에 Flyeye 렌즈를 적용하여 피경화면 상 광속 균일도를 높일 수 있으며, 광성능 향상, 원가절감, 조립생산성을 향상시킬 수 있게 된다.
또한 본 발명의 실시예에 따른 UV 경화공정용 컴팩트한 구조를 갖는 고출력 SPOT형 UV 경화광학장치에 따르면, 고속 생산용 Curing System이며 고객의 요구에 맞게 다양한 파장의 광학계 제공 가능하고, 반도체, 디스플레이공정뿐만 아니라 다양한 UV 경화, 인쇄, 코팅 분야에 응용 가능하며, 다수(예를 들어 3개)의 렌즈 어셈블리를 1개의 TIR 렌즈로 대체함에도 광량과 SPOT 사이즈와 조도, 광균일도를 증대시킬 수 있게 된다.
또한, 상기와 같이 설명된 장치 및 방법은 상기 설명된 실시예들의 구성과 방법이 한정되게 적용될 수 있는 것이 아니라, 상기 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.
1:UV 레진
2:렌즈 어셈블리
10:광원
11:광원제어부
20:TIR 렌즈
30:광도파로
40:flyeye 렌즈
50:집광렌즈
100:UV 경화공정용 컴팩트한 구조를 갖는 고출력 SPOT형 UV 경화광학장치

Claims (10)

  1. UV 경화광학장치에 있어서,
    광원;
    상기 광원에서 출사된 광이 입사되어 평행광으로 출사시키는 1개의 TIR 렌즈;
    상기 TIR 렌즈 후단에 구비되어 TIR 렌즈에서 출사된 광이 입사되는 광도파로; 및
    상기 광도파로 종단 측에 구비되어 상기 광도파로를 통해 출사되는 광을 집광시켜 UV 레진의 피경화면 측으로 조사하는 집광렌즈; 및
    상기 집광렌즈와 상기 광도파로 종단 사이에 구비되어, 상기 피경화면 상 광속 균일도를 증대시키는 flyeye 렌즈; 를 포함하고,
    상기 광원은 복수의 LED 칩이 배치된 COB 장착 형태로 구성되며,
    상기 COB 장착 형태는, 서로 다른 특정파장을 갖는 복수의 LED 칩으로 구성된 복수의 LED 어레이로 구성되며,
    상기 UV 레진의 최적 경화 파장범위를 기반으로 상기 LED 어레이의 on/off 제어를 통한 출사 광원 파장을 조절하는 광원제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 UV 경화공정용 컴팩트한 구조를 갖는 고출력 SPOT형 UV 경화광학장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 제 1항에 따른 고출력 SPOT형 UV 경화광학장치를 이용한 UV 경화방법에 있어서,
    광원을 통해 LED 광이 출사되는 제1단계;
    상기 광원에서 출사된 LED 광이 TIR 렌즈에 통과되어 평행광으로 출사되는 제2단계;
    상기 TIR 렌즈 후단에 구비된 광도파로로 TIR 렌즈에서 출사된 광이 입사되는 제3단계; 및
    상기 광도파로를 통해 출사되는 광이 상기 광도파로 종단 측에 구비된 집광렌즈에 통과되면서 집광되어 UV 레진의 피경화면 측으로 조사되어 상기 UV 레진이 경화되는 제4단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 UV 경화공정용 컴팩트한 구조를 갖는 고출력 SPOT형 UV 경화광학장치를 이용한 UV 경화방법.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 제4단계에서,
    상기 집광렌즈와 상기 광도파로 종단 사이에 flyeye 렌즈가 구비되어, 상기 피경화면 상 광속 균일도가 증대되는 것을 특징으로 하는 UV 경화공정용 컴팩트한 구조를 갖는 고출력 SPOT형 UV 경화광학장치를 이용한 UV 경화방법.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 광원은 복수의 LED 칩이 배치된 COB 장착 형태로 구성되며,
    상기 COB 장착 형태는, 서로 다른 특정파장을 갖는 적어도 하나의 LED 칩으로 구성된 복수의 LED 에레이로 구성되는 것을 특징으로 하는 UV 경화공정용 컴팩트한 구조를 갖는 고출력 SPOT형 UV 경화광학장치를 이용한 UV 경화방법.
  10. 제 9항에 있어서,
    광원 제어부가 상기 UV 레진의 최적 경화 파장범위를 기반으로 상기 LED 어레이의 on/off 제어를 통헤 출사 광원 파장을 조절하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 UV 경화공정용 컴팩트한 구조를 갖는 고출력 SPOT형 UV 경화광학장치를 이용한 UV 경화방법.
KR1020210144670A 2021-10-27 2021-10-27 Ｕｖ 경화공정용 컴팩트한 구조를 갖는 고출력 ｓｐｏｔ형 ｕｖ 경화광학장치 및 경화방법 KR102569173B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020210144670A KR102569173B1 (ko) 2021-10-27 2021-10-27 Ｕｖ 경화공정용 컴팩트한 구조를 갖는 고출력 ｓｐｏｔ형 ｕｖ 경화광학장치 및 경화방법

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020210144670A KR102569173B1 (ko) 2021-10-27 2021-10-27 Ｕｖ 경화공정용 컴팩트한 구조를 갖는 고출력 ｓｐｏｔ형 ｕｖ 경화광학장치 및 경화방법

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20230060204A KR20230060204A (ko) 2023-05-04
KR102569173B1 true KR102569173B1 (ko) 2023-08-21

Family

ID=86379962

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020210144670A KR102569173B1 (ko) 2021-10-27 2021-10-27 Ｕｖ 경화공정용 컴팩트한 구조를 갖는 고출력 ｓｐｏｔ형 ｕｖ 경화광학장치 및 경화방법

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR102569173B1 (ko)

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101675349B1 (ko) 2014-05-30 2016-11-14 주식회사지엘에스 Led 램프를 이용한 uv 경화 장치

Family Cites Families (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20080053792A (ko) * 2006-12-11 2008-06-16 일진디스플레이(주) 레이저 광원을 이용하는 프로젝터
JP5955223B2 (ja) 2009-12-23 2016-07-20 ヘレウス ノーブルライト アメリカ エルエルシー 小型硬化用ランプ組立体用ｕｖｌｅｄを基礎としたランプ
KR101286563B1 (ko) * 2011-08-23 2013-07-22 오재영 유브이 발광 다이오드 경화 장치
KR20130112549A (ko) 2012-04-04 2013-10-14 박흥균 자외선 경화장치용 광학모듈
KR20140026169A (ko) * 2012-08-24 2014-03-05 (주)옵토하이텍 라인 빔 자외선 경화기
KR102254690B1 (ko) 2018-09-28 2021-05-21 이승훈 경화 노광장치
KR102199897B1 (ko) 2020-02-11 2021-01-08 주식회사 레이 3d 프린터용 평판형 uv 어레이 경화 시스템

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101675349B1 (ko) 2014-05-30 2016-11-14 주식회사지엘에스 Led 램프를 이용한 uv 경화 장치

Also Published As

Publication number Publication date
KR20230060204A (ko) 2023-05-04

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR101115765B1 (ko) 복수개의 광 안내부를 구비한 형광계 조명 시스템 및 이를이용하는 디스플레이
KR101159381B1 (ko) 장파 통과 반사기를 가지는 인광 물질계 조사 시스템 및그것을 만드는 방법
JP6474918B2 (ja) 光案内手段及び光源装置
JP5703561B2 (ja) 照明装置および照明装置の製造方法
US8356924B2 (en) Light source apparatus
KR20070028601A (ko) 복수의 광 안내부를 갖는 형광계 조명 시스템 및 그를이용한 디스플레이
KR20120023853A (ko) 장파통과 반사기를 구비한 형광계 조명 시스템 및 그 제조 방법
KR20070028599A (ko) 단파통과 반사기를 구비한 형광계 조명 시스템 및 그 제조방법
US20050116179A1 (en) LED modifying apparatus and method
KR20070033448A (ko) 단파통과 반사기를 구비한 형광계 조명 시스템 및 그 제조방법
US20130338654A1 (en) Medical Laser Apparatus with Output Beam Homogenizer
US11604401B2 (en) Light source device and projection apparatus
KR20160034849A (ko) 광섬유들을 경화하기 위한 복합 타원형 반사기
KR20060121264A (ko) Ｌｅｄ 변형 장치 및 방법
US20220236384A1 (en) Focal plane optical conditioning for integrated photonics
JP2009031423A (ja) 原稿読取用光源装置
JP2001229722A (ja) Ｕｖライン光源ユニット
KR20170100637A (ko) 소형 프로젝션 시스템 및 관련 구성요소
KR102569173B1 (ko) Ｕｖ 경화공정용 컴팩트한 구조를 갖는 고출력 ｓｐｏｔ형 ｕｖ 경화광학장치 및 경화방법
JP2021034501A (ja) 発光装置
JP6479286B2 (ja) 照明装置及び画像読取装置
TW202006407A (zh) 光學構件、光學片以及製造光學片的方法
US11197375B2 (en) Lighting assembly with high irradiance
EP3286593B1 (en) Integrating cone for an illumination device
JP2019079765A (ja) ライン光源及びこれを備えた光ラインセンサユニット

Legal Events

Date Code Title Description
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant