KR20120023774A - 광학 적층체 및 그 제조방법 - Google Patents

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프라운호퍼 게젤샤프트 쭈르 푀르데룽 데어 안겐반텐 포르슝 에. 베.
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Abstract

본 발명의 광학 적층체(100)는, 제1 층(102), 제2 층(104), 제1 층과 연결된 제1 스페이서부(106) 및 제2 층과 연결된 제2 스페이서부(108)를 구비하고, 상기 두 스페이서부(106; 108)는, 제1 스페이서부(106)와 제2 스페이서부(108)를 연결하면서 제1 층(102)과 제2 층(104)을 적층방향으로 이격시키기 위해, 광학 적층체의 적층방향으로의 결합 용도의 홈(110) 및 볼록부(112)를 포함한다.

Description

광학 적층체 및 그 제조방법{OPTICAL LAYER STACK AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}
본 발명은 예를 들어 광전자 시스템에 사용될 수 있는 광학 적층체에 관한 것이고, 보다 구체적으로는 광학 적층체의 개개의 층을 기계적으로 이격시키는 것에 관한 것이다.
도 10a 내지 도 10c에 개략적으로 도시된 바와 같은 광전자 시스템 혹은 층은, 예를 들어 디지털 카메라, 사진 촬영 기능을 지닌 무선 디바이스 및 그 밖의 많은 용례에 사용된다. 광전자 시스템, 예를 들어 이동전화용 마이크로 대물렌즈 등의 제조에서는, 수 마이크로미터(㎛) 범위의 엄격한 제조 및 조정 공차가 지켜져야 한다. 이는, 제조 공차가 광전자 시스템의 광학 특성에 영향을 미치므로, 상기 광전자 시스템을 패널에, 즉 웨이퍼 레벨로 제조하는 데 있어서, 광전자 시스템의 개개의 층 혹은 시트[예컨대, 렌즈(1002)를 구비한 웨이퍼, 공간 혹은 광학적 용도의 영역(1006)을 구현하기 위한 스페이서 웨이퍼(1004)]는 높은 기계적 정밀도를 갖고서 제조되어야 한다는 것을 의미한다. 특히, 이는 제조 비용의 상승 혹은 공정 수율의 저하로 이어진다.
렌즈의 필요 층이나 시트와 소위 스페이서 웨이퍼는 다양한 방법에 따라 개별적으로 제조된다. 바람직하게는, 렌즈(1002)는 UV 경화성 폴리머로 구성되고 유리 기판 상에 배치된다. 그 후에, 수 개의 이러한 유리 기판(1008)을 적층하고, UV 경화성 접착제로 접합하는 것이 바람직하다. 렌즈(1002)의 사이에 필요한 공간(1006)은, 관통 구멍을 갖는 스페이서층에 상당하는 스페이서 웨이퍼(1004)에 의해 생성된다.
여기서, 광학 적층체의 기능에 기인한 렌즈 영역의 엄격한 축방향 위치 공차는, 개개의 층의 기계적인 두께 공차와 접착제층의 두께 공차에 의해 맞춰져야 한다. 이와 같이, 기계 구성요소의 치수 정밀도에 요건이 높기 때문에, 광학 적층체 또는 광 기계 적층체의 광학 기능과 관련된 렌즈 등의 광학 요소(1002)의 간격 설정이 제한을 받게 된다. 이 경우에, 유리 재료가 고온 내열성에 관한 요건을 충족시키므로, 스페이서층(1004)(스페이서 웨이퍼)우로서 사용된다. 모놀리식 구현에서는, 즉 유리 웨이퍼를 사용하지 않는 경우에는, 내열성 폴리머가 사용된다. 상기 두 경우에, 광학적으로 유효한 영역들을 이격시키는 데 사용되는 구조는 투명한데, 이 구조는 위광(僞光)의 침입으로 인한 광학 기능의 손실이 있을 수 있다.
광학적으로 유효한 요소를 갖는 층, 스페이서층 및 접합층의 재료가 서로 다르므로, 최종적으로 형성되는 광학 시스템 또는 이 광학 시스템에 사용된 광학 적층체나 광 기계 적층체의 내후성과 장기적 성능이 단점이 된다. 예를 들어, 광학 구성요소 또는 마이크로 광학 구성요소를 UV 복제에 의해 제조하기 위한 폴리머는, 열광학 계수가 크며, 즉 상기 재료의 굴절률이 온도의 변화에 따라 크게 변화하고, 이 경우에는 대개 온도가 상승함에 따라 굴절률이 감소된다. 상기 재료의 열광학 계수는, 다른 광학계에 사용되는 유리 재료의 열광학 계수에 비해 대략 10 내지 100배 크다. 따라서, UV 폴리머 재료의 렌즈의 굴절력은 온도의 변화에 따라 상당히 줄어들 수 있고, 이는 결상 광학계의 경우에 상측(像惻) 초점 거리의 증가를 초래한다. 렌즈와 상 사이의 간격을 유지하면, 디포커싱과 이에 따른 결상 품질의 저하가 초래된다.
렌즈 재료의 열팽창과 굴절률의 온도 의존성에 의해 야기되는 온도 변화에 따른 초점 거리의 증대의 결과, 마지막 렌즈와 상 위치 사이의 초점 거리가 증대된다. 스페이서층의 열팽창의 결과로 상기 간격도 증대되므로, 원칙적으로는 열에 의한 디포커싱의 보상(비열화)이 이루어질 수 있다. 열광학 계수가 작은 유리 등의 렌즈 재료의 경우, 적절한 열팽창 계수를 갖는 스페이서 재료를 사용함으로써 상기 보상이 가능하다. 이와는 달리, 플라스틱 렌즈를 구비한 물체의 비열화의 경우, 종래 기술에 공지되어 있지 않은 수백×10-6l/K의 팽창 계수를 갖는 재료가 필요하다.
따라서, 본 발명의 과제는, 전술한 문제점들이 해결될 수 있는 광학 적층체에 대한 개념을 제공하는 것이다.
이러한 과제는, 청구항 1의 특징을 갖는 광학 적층체와 청구항 16에 따른 방법에 의해 달성된다.
본 발명은, 광학 적층체에 있어서 광학 구성요소의 축방향 위치, 즉 상하방향 혹은 적층방향의 위치가, 스페이서층의 두께에 의해 직접적으로 주어지는 것이 아니라, 필요한 간격을 구현하는 데 사용되는 구조가, 요철의 원리에 따라 형성된 두 부분으로 구성된다는 지견에 기초하고 있다.
이러한 점에서, 본 발명의 실시형태는, 제1 층, 제2 층, 제1 층과 연결된 제1 스페이서부 및 제2 층과 연결된 제2 스페이서부를 포함하는 광학 적층체로서, 제1 스페이서부와 제2 스페이서부를 연결하면서 제1 층과 제2 층을 적층방향으로 이격시키도록, 상기 두 스페이서부는, 광학 적층체의 적층방향으로 결합 용도의 볼록부 및 홈을 포함하는 것인 광학 적층체를 제공한다.
본 실시형태에서, 제1(2) 스페이서부의 볼록부는 제2(제1) 스페이서부의 홈에 삽입된다. 볼록부와 홈은, 제1 층과 제2 층의 사이에 있는, 예를 들어 개구와 같은 광학적 용도의 영역을 폐쇄형 윤곽으로 둘러싸도록 구현되는 것이 바람직하다. 연결되는 층 혹은 구성요소의 횡방향 이동이 가능하도록, 볼록부의 폭이 홈의 폭보다 작다. 구성요소를 연결하기 위해, 홈에 접착제, 즉 접속 재료, 예를 들어 아교 등을 충전(充塡)하고, 그 후에 두 번째 연결 대상의 볼록부를 홈에 넣는다. 본 실시형태에서는, 접착제로 충전된 중첩 영역이 축방향 또는 적층방향으로 충분히 얻어지도록, 볼록부 및 홈의 깊이 혹은 길이에 관한 치수가 설정된다.
일 실시형태에 따르면, 접착제는, 주변의 볼록부 및/또는 홈의 재료보다 열팽창 계수가 큰 영구 탄성 재료이다. 이로써, 온도가 상승함에 따라, 영구 탄성 재료는 보다 강하게 팽창될 수 있고, 그 횡방향 팽창이 홈의 기하 구조에 의해 제한된다. 이 실시형태에서, 접착제는 주로 축방향, 즉 적층방향으로 팽창되며, 이 축방향에서 홈은 상단(혹은 바닥)에 관하여 제한되지 않는다. 접착제의 탄성으로 인하여, 실질적으로 압축 응력이 발생되지 않고, 열에 의한 체적 변화가 기본적으로 길이의 변화로 변환된다. 영구 탄성 접착제와 볼록부 및/또는 홈 재료간의 열팽창 계수의 차가 클수록, 이동 거리의 변환의 결과가 커진다. 따라서, 영구 탄성 접착제는 두 가지 역할, 즉 연결 대상인 제1 및 제2 스페이서부를 연결하는 역할과, 길이의 변화를 필요한 값(㎛/K)으로 맞추는 역할을 이행한다. 예를 들어, 제1 층이, 예컨대 제2 층에 대향하는 측에 존재하는 추가층 등과 함께, 결상 광학계를 지니거나 형성하는 경우, 접합용 접착제의 열팽창 계수와 홈 및 볼록부의 형상은, -40℃ 내지 80℃의 온도 범위에 걸쳐서, 상기 결상 광학계의 광축방향에서의 결상 광학계의 상면(像面)의 상기 제2 층에 대한 간격이, 20℃의 상기 상면의 위치로부터의 20℃의 결상 광학계의 대물 초점 거리에 대해 ±1% 미만의 편차를 갖도록 선택될 수 있으며, 또는 -40℃ 내지 80℃의 온도 범위에 걸쳐서 발생하는, 결상 광학계의 광축방향에서의 제2 층에 대한 결상 광학계의 상면의 간격 분포의 폭이, 20℃의 결상 광학계의 대물 초점 거리의 2% 미만이도록 선택될 수 있고, 상기 결상면, 즉 최고 해상도의 면에서, 화상의 선명도가 상기 온도 범위에 걸쳐서 유지되도록, 예를 들어 화상 센서의 감광성 영역이 배치된다. 그러나, 제1 층이 제1 결상 광학계를, 제2 층이 제2 결상 광학계를, 예컨대 각각의 타측에 다른 층과 각각 함께, 지니거나 형성하는 경우, 접합용 접착제의 열팽창 계수와 홈 및 볼록부의 형상은, -40℃ 내지 80℃의 온도 범위에 걸쳐서, 상기 제1 및 제2 결상 광학계의 공통 광축방향에서의 제1 결상 광학계의 상면의 상기 제2 결상 광학계의 대물면에 대한 간격이, 20℃의 제1 및 제2 결상 광학계의 대물 초점 거리 중 큰 것에 대해 0 내지 ±1% 미만의 편차를 갖도록 선택될 수 있으며, 또는 -40℃ 내지 80℃의 온도 범위에 걸쳐서 발생하는, 제1 및 제2 결상 광학계의 공통 광축방향에서의 제2 결상 광학계의 대물면에 대한 제1 결상 광학계의 상면의 간격 분포의 폭이, 20℃의 상기 두 결상 광학계의 대물 초점 거리 중 큰 것의 2% 미만이도록 선택될 수 있다.
따라서, 한편으로는 본 발명의 실시형태는, 구성요소를 분리하며 기계적 구성요소(공간)의 조정 공차를 광학적으로 유효한 구성요소(렌즈 요소)의 조정 공차로부터 분리시키는, 패널에 광전자 기계 시스템을 제조하는 하우징의 개념을 가능하게 한다. 따라서, 두 가지 점에서 비용상의 이점이 얻어지는데, 한편으로는 추가적으로 요구되는 스페이서층의 제조 비용이 저감된다. 다른 한편으로는, 패널에, 즉 웨이퍼 레벨로 제조된 시스템의 수율이 증대된다. 또한, 스페이서층 또는 스페이서 구조는 비용 효과적으로 차광성 폴리머로 제조될 수 있어, 종래에 위광(僞光)을 방지하기 위해 필요로 하던 추가적인 구성요소 및 제조 단계를 없앤다.
또한, 간단하고 비용 효과적인 방식으로, 열에 의해 유발되는 광학 모듈, 예컨대 카메라의 대물 렌즈 등의, 굴절력의 변화를 보상할 수 있게 된다. 열의 영향의 보상은, 추가적인 에너지 공급원 또는 액추에이터로 기능하는 요소를 사용하지 않는 수동적인 것이다.
본 발명은 종속 청구항들의 일부분에 유익하게 구현되어 있다.
이하에서는 첨부 도면을 참조로 하여 본 발명의 바람직한 실시형태를 보다 상세히 설명한다.
본 발명의 광학 적층체 및 그 제조 방법을 이용하면, 광학 적층체에 있어서 광학 구성요소 사이에 필요한 간격을 정밀하게 구현하는 데 사용되는 구조가 요철의 원리에 따라 형성된 두 부분으로 구성되어, 제조 비용의 상승 혹은 공정 수율의 저하를 야기하지 않는다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 광학 적층체의 개략적인 측면도이다.
도 2a 내지 도 2c는 본 발명의 다른 실시형태에 따른 광학 적층체의 측면도이다.
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 일 실시형태에 따른 볼록부 및 홈을 구비하는 제1 및 제2 스페이서부의 평면도이다.
도 4는 본 발명의 실시형태에 따른 볼록부 및 홈을 구비하는 스페이서부의 측면도이다.
도 5a 내지 도 5e는 본 발명의 또 다른 실시형태에 따른 광학 적층체의 측면도이다.
도 6은 일 실시형태에 따라 고정밀 물체를 넣음으로써 광학 적층체를 축방향으로 위치 설정하는 것을 보여주는 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시형태에 따라 서로의 위에 적층되는 복수의 광학면을 보여주는 도면이다.
도 8은 본 발명의 다른 실시형태에 따라 패널에 제조된 광학 적층체를 개략적으로 보여주는 도면이다.
도 9는 서로 다른 광학 기능면을 구비하는 복수의 광학 적층체를 개략적으로 보여주는 도면이다.
도 10a 내지 도 10c는 종래 기술에 따른 광학 적층체를 보여주는 도면이다.
이하의 상세한 설명에서는, 본 발명의 여러 실시형태에서의 유사한 혹은 겉보기에 유사한 기능 요소에는 동일한 도면부호가 부여될 수 있다. 따라서, 이하에 예시된 여러 실시형태에서 상기 기능 요소의 설명은 상호 교환 가능하다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 광학 적층체 혹은 광학 기계 적층체(100)의 측면도를 개략적으로 보여준다.
광학 적층체(100)는 제1 층(102)과 제2 층(104)을 포함한다. 제1 스페이서부(106)는 제1 층(102)과 연결되어 있다. 제2 스페이서부(108)는 제2 층(104)과 연결되어 있다. 제1 스페이서부(106)와 제2 스페이서부(108)를 연결하면서 제1 층(102)과 제2 층(104)을 적층방향으로 이격시키도록, 상기 두 스페이서부(106, 108)는, 광학 적층체(100)의 적층방향으로 결합 용도의 홈(110) 및 볼록부(112)를 포함한다.
도 1에서는 제1 스페이서부(106)가 볼록부(112)를 포함하고 제2 스페이서부(108)가 홈(110)을 포함하고 있지만, 이와는 반대로, 즉 볼록부(112)가 제2 스페이서부(108)에 연관된 것이고 홈(110)이 제1 스페이서부(106)에 연관된 것일 수도 있다. 실시형태에 따르면, 상기 두 층(102, 104) 중 적어도 하나는 광학 구성요소(114)를 포함한다. 도 1에 도시된 실시형태에서, 예를 들어 렌즈, 프리즘, 회절 구조, 홀로그래픽 구조, 또는 광학 필터로 이루어진 그룹 중의 일부인 광학 구성요소(114)는 제1 층(102)에 연관된 것이다. 본 실시형태에서, 제1 층(102)은 예를 들어 렌즈를 포함하는 웨이퍼이다. 제2 층(104)은, 예를 들어 광학 구성요소(114)와 연관된 광전자 화상 센서(예컨대 CCD 또는 CMOS 화상 센서)를 구비한 기판층일 수 있다. 마찬가지로, 도 2a 내지 도 2c에 개략적으로 도시된 바와 같이, 제2 층(104)도 광학 구성요소(114), 예를 들어 렌즈를 포함하는 다른 층일 수 있다.
이하에 보다 상세히 기술되는 바와 같이, 홈(110)에 수용된 접착제의 열팽창 계수와 홈(110) 및 볼록부(112)의 형상은, -40℃ 내지 80℃의 온도 범위에 걸쳐서, 법선 방향 혹은 층 두께 방향, 즉 결상 광학계(114)의 광축방향으로, 예를 들어 전술한 화상 센서의 감광성 영역이 배치되는 곳인, 결상 광학계(114)의 상면(像面)의, 상기 제2 층(104)에 대한 간격, 예컨대 무한 공간 내에 위치하는 대물면 혹은 결상 광학계(114)에 고정 거리를 두고 있는 다른 곳에 대한 간격이, 20℃의 상기 상면의 위치로부터의 20℃의 결상 광학계(114)의 대물 초점 거리에 대해 ±1% 미만의 편차를 갖도록 선택될 수 있다. 그러나, 제1 층(102)과 제2 층(104)이 도 1에 하나만 도시되어 있는 결상 광학계(114)를 지니거나 형성한다면, 홈(110)과 볼록부(112)를 접합하는 접착제의 열팽창 계수와 홈(110) 및 볼록부(112)의 형상은, -40℃ 내지 80℃의 온도 범위에 걸쳐서, 법선 방향으로, 제1 결상 광학계(예컨대 114)의 상면의, 제2 결상 광학계[예컨대 제2 층(104)의 일부분]의 대물면에 대한 간격이, 상기 두 결상 광학계의 대물 길이 중 큰 것에 대해 제로의 편차(즉, 완전한 중첩 상태) 내지 ±1% 미만의 편차를 갖도록 선택될 수 있으며, 그 결과 상기 두 결상 광학계는 상기 온도 범위에 걸쳐서, 결상 광학계(114)의 소정의 대물면과 제2 층(104)의 결상 광학계의 소정의 상면에 대해, 매우 정확하게 형성된 중간 결상을 갖는다. 여기서, 전술한 제1 층(102) 혹은 제2 층(104)의 결상 대물 렌즈는 단지 각각의 층에만 형성되는 것이 아니라, 광학 적층체가 이하의 다른 실시형태와 관련하여 언급되는 추가층을 포함하는 경우에, 결상 대물 렌즈가 상기 두 층(102 및 104)에 있어서 서로 반대편을 향해 있는 측에 배치될 수 있는 광학 적층체의 추가층에 함께 형성될 수 있다는 것을 유의해야 한다.
도 2a 내지 도 2c와 관련하여 예시된 실시형태에서, 제1 층(102)과 제2 층(104) 및/또는 이들 층에 형성된 광학 구성요소(114)는 UV 경화성(예컨대 에폭시드 등의 자유 폴리머) 기판이다. 제1 스페이서부(106)와 제2 스페이서부(108) 각각은 제1 층(102)과 제2 층(104) 혹은 광학 구성요소(114)와는 다른 재료로 이루어질 수 있다. 바람직하게는, 제1 스페이서부(106) 및/또는 제2 스페이서부(108)도 폴리머로 구성되고, 예컨대 주조, 사출 성형, 열간 스탬핑, 사출 스탬핑 또는 수지 트랜스퍼 성형(RTM) 등의 비용 효과적인 방법으로 제조된다. 스페이서(106, 108)용 폴리머로서, 고온에 견딜 수 있고 광 투과성이 (투과성에서 비투과성으로) 영향을 받을 수 있는 에폭시드가 사용될 수 있다. 실시형태에 따르면, 스페이서(106, 108)는 각각 층(102, 104)에 연결되어 있다. 예를 들어, 상기 연결은, 부착 등으로 형성되는 바와 같이, 일체형 연결 혹은 견고한 접합이다. 일반적으로, 견고한 접합은 연결 대상이 원자력 또는 분자력에 의해 결합되는 연결이다.
제1 층(102)과 제2 층(104) 사이의 영역 혹은 광학 구성요소(114) 사이의 영역에 의해, 광학적 용도의 영역(116), 예컨대 캐비티 혹은 개구가 형성된다. 실시형태에 따르면, 두 스페이서부(106, 108)의 홈(110)과 볼록부(112)는, 도 3a 및 도 3b에 따른 평면도예 예시된 바와 같이, 광학적 용도의 영역(116)을 폐쇄형 윤곽으로 둘러싸도록 구현되어 있다. 기본적으로 직사각형 윤곽의 두 스페이서부(106, 108)가 도시되어 있지만, 다른 폐쇄형 윤곽의, 예를 들어 원형 윤곽, 둥근 모서리를 갖는 윤곽, 또는 타원형 윤곽 등의, 스페이서부(106, 108)와 이에 연관된 홈(110) 및 볼록부(112)도 가능함은 물론이다.
볼록부(112)가 홈(110)에 맞물릴 때, 연결 대상인 두 스페이서부(106, 108)의 횡방향 이동(도 2b에 도시된 수평방향 혹은 횡방향의 이중 화살표 참조)이 가능하도록, 볼록부(112)의 폭(b)이 홈(110)의 폭에 비해 작다. 두 스페이서부(106, 108)를 연결하기 위해, 홈에 접착제(118)를 삽입한 후, 두 번째 연결 대상(106)의 볼록부(112)를 홈(110)에 삽입한다. 이로써, 제1 스페이서부(106)와 제2 스페이서부(108)는 홈(110)과 볼록부(112) 사이의 접합에 의해 상호 연결된다. 여기서, 접착제(118)로 충전된 중첩 영역이 축방향 또는 적층방향(도 2b에 도시된 수직방향의 이중 화살표 참조)으로 충분히 얻어지도록, 홈(110) 및 볼록부(112)의 깊이 혹은 길이에 관한 치수가 설정된다. 본 발명의 바람직한 실시형태에 따르면, 접착제(118)는, 주변의 홈(110) 재료 또는 주변의 스페이서 재료보다 열팽창 계수가 큰 영구 탄성 재료, 특히 영구 탄성 폴리머이다. 팽창 계수 또는 열팽창 계수는, 온도 변화에 의한 치수의 변화와 관련된 재료의 성능을 표현하는 특징적인 값이며, 대개 열팽창 계수라 한다. 열팽창 계수에 영향을 미치는 것은 열팽창이다. 대부분의 재료의 경우 열팽창이 전체 온도 범위에 걸쳐 나타나지는 않으므로, 열팽창 계수도 온도에 의존하고, 따라서 기준 온도 혹은 온도 범위와 관련하여 주어진다. 선형 열팽창 계수(α)(열선팽창 계수 혹은 열팽창이라고도 함)와 공간 열팽창 계수(γ)(공간 팽창 계수 혹은 체적 팽창 계수 혹은 체팽창 계수라고도 함) 사이에 차가 존재한다.
온도가 상승함에 따라, 영구 탄성 재료(118)는 보다 강하게 팽창되어, 그 횡방향(즉, 적층방향에 수직한 방향) 팽창이 홈의 기하 구조에 의해 제한된다. 따라서, 접착제(118)의 팽창은 주로 축방향(수직방향 혹은 적층방향)으로 일어나는데, 이 방향에서 홈(110)은 상방으로 제한되지 않는다. 접착제(118)의 탄성으로 인하여, 실질적으로 압축 응력이 발생되지 않고, 열에 의한 체적 변화는, 도 4에 개략적으로 도시된 바와 같이, 기본적으로 홈(110)에 수용된 접착제(118)의 길이 또는 높이의 변화(ΔL)로 변환된다. 광전자 시스템(100)을 비열화하는 동안에, 온도 변화(ΔT)에 따라 소정의 길이 변화(ΔL)가 이루어진다. 열팽창 계수는 공지되어 있으므로, 길이(L)가 정해질 수 있다. 완전히 중실형인 물체인, 영구 탄성 접착제 또는 영구 탄성 폴리머(118)의 체적의 변화(ΔV)는 길이의 선형 변화보다 대략 3배 크므로, 길이의 무정향성 자유 열팽창에 비해 길이(L)의 변화(ΔL)가 커진다. 즉, 홈 재료의 열팽창을 상정하지 않은, 이론상의 이상적인 경우에는, 체적 팽창이 완전히 길이 확장으로 변환되므로, 무정향성 자유 팽창에 비해 3배 큰 길이의 변화가 이루어질 수 있다. 따라서, 영구 탄성 접착제는 두 가지 역할, 즉 연결 대상(106, 108)[볼록부(112)와 연관된 상측 부분/홈(110)과 연관된 하측 부분]을 연결하는 역할과, 길이의 변화(ΔL)를 필요한 값(㎛/K)으로 맞추는 역할을 이행한다. 영구 탄성 접착제(112)와 스페이서(108)의 홈 재료간의 열팽창 계수의 차가 클수록, 이동 거리의 변환의 결과가 커진다.
도 4는 볼록부 및 홈 구성의 다양한 구현예를 보여준다. 여기서, 홈(110)이 서로 다른 높이의 횡방향 경계부(120, 122)를 갖는, 우측에 도시된 구성이 특히 중요하다. 이로써, 접착제(118)가 틈 혹은 홈(110)에 과잉 삽입된 경우에, 아직 액체 상태인 접착제(118)의 흐름 방향이 제어된다. 따라서, 홈 깊이를 서로 다르게 하거나 혹은 서로 다른 횡방향 경계부(120, 122)를 마련함으로써, 범람하는 접착제 혹은 아교(118)가 광학적 용도의 영역(116)에 유입되지 않도록, 홈(110)의 경계부를 구현하는 것이 유리하다(도 2b 참조). 따라서, 광학적 용도의 영역(116)에 면하는 홈(110)의 측벽(120)이 광학적 용도의 영역(116)의 반대편에 있는 홈(110)의 측벽(122)보다 높은 것이 바람직하다.
실시형태에 따르면, 홈(110) 및/또는 볼록부(112)는 광학적으로 유효한 구성요소(114)를 갖는 층(102, 104)에 사전에 일체화될 수 있으므로, 추가 부재는 단 하나만 필요하거나(도 5a 참조) 혹은 필요치 않다(도 5b 참조). 즉, 실시형태에 따르면, 제1 스페이서부(106)와 제1 층(102)은 일체로 형성되고, 및/또는 제2 스페이서부(108)와 제2 층(104)은 일체로 형성된다. 또한, 실시형태에 따르면, 광학적으로 유효한 층(102, 104)은 기판(530), 특히 유리 기판 상에 배치될 수 있으며, 이 경우 스페이서부(106, 108)는 층(102, 104)과는 별도로 형성된다(도 5c 참조). 또한, 광학적으로 유효한 영역 혹은 층(102 및/또는 104)은, 기판(530) 상에 배치될 수 있고, 이와 아울러 스페이서부(106 및/또는 108)를 포함할 수 있으며, 즉 스페이서부와 일체로 제조될 수 있다(도 5d 참조). 또한, 다른 실시형태에 따르면, 층(102 및/또는 104)은, 도 5e에 개략적으로 도시된 바와 같이, 스페이서부(106, 108)의 사이에 배치될 수 있다. 본 발명은 도 5a 내지 도 5e에 예시된 실시형태에만 국한되는 것은 아니다. 오히려, 도 5a 내지 도 5e에 따른 배치 구성의 임의의 조합을 포함하는 실시형태도 본 발명에 포함된다. 즉, 예를 들어 도 5a에 도시된 일체형의 상부가 도 5e 등에 따른 하부와 조합될 수도 있다.
예를 들어, 광학 파라미터의 평가를 이용하거나 혹은 웨이퍼(102, 104) 상의 임의의 위치에 부착될 수 있는 기계적 정렬 구조를 이용함으로써, 연결 대상(106, 108)의 횡방향 위치 설정이 능동적으로 행해질 수 있다. 광학적으로 유효한 구성요소(114)의 거리 d를 설정하는, 축방향 위치 설정, 즉 적층방향의 위치 설정은, 예를 들어 광학 파라미터의 평가를 이용하거나 혹은 상기 거리 d를 기계적으로 설정하는 고정밀 물체(640)를 넣음으로써, 능동적으로 행해질 수 있다. 이는 표 6에 개략적으로 나타내어져 있다. 이를 통해, 필요 공차로부터 스페이서(106, 108)의 제조 공차를 대체로 분리함으로써, 광학적으로 유효한 구성요소(114)의 축방향 거리 d가 얻어진다. 광학적으로 유효한 영역 혹은 층(102, 104) 사이에 광학적 용도의 영역(116)을 이루기 위한 추가적인 구성요소가 사용된다면, 이 추가적인 구성요소는 다른 재료로 제조될 수 있으므로, 예를 들어 투명도 및 열팽창 등의 광학적 특징 및 기계적 특징이 다를 수 있다.
도 7에는, 수 개의 광학 영역 혹은 층(102, 104, 702)이 서로의 위에 배치될 수 있다는 것을 보여주는 도면으로서, 여기서 홈(110) 및 볼록부(112)를 갖는 스페이서 구조(106, 108)는 광학적으로 유효한 해당 층(102, 104, 702)의 양측에 배치될 수 있다. 여기서, 광학 영역 혹은 층(102, 104, 702)은 기판(530) 상에 배치되거나, 홈 구조(110) 및/또는 볼록부 구조(112)를 포함하거나, 혹은 양측에 홈 요소(110) 및/또는 볼록부 요소(112)를 갖는 추가적인 스페이서 구성요소(710)의 사이에 위치할 수 있다. 또한, 광학적으로 유효한 영역을 갖지는 않지만 홈 구조(110) 및/또는 볼록부 구조(112)를 갖는 추가적인 스페이서 부재 혹은 구성요소(710)도 도입될 수 있다. 또한, 양측에 홈 요소(110) 및/또는 볼록부 요소(112)를 갖는 스페이서 구성요소(710)는, 제1 스페이서부(106)와 제2 스페이서부(108)로 분리되어 마련될 수 있는데, 이 경우 볼록부(112)는 제1 스페이서부(106)와 연관되어 있고, 홈(110)은 제2 스페이서부(108)와 연관되어 있으며, 이와는 반대의 관계를 가질 수도 있다.
바람직하게는, 스페이서로서 사용되는 추가적인 스페이서부(106, 108, 또는 710)는 폴리머로 구성될 수 있고, 주조, 사출 성형, 열간 스탬핑, 사출 스탬핑 또는 수지 트랜스퍼 성형(RTM) 등의 비용 효과적인 방법으로 제조될 수 있다. 스페이서(106, 108 또는 710)용 폴리머로서, 고온에 견디며 광 투과성이 (투과성에서 비투과성으로) 영향을 받을 수 있는 에폭시드가 사용될 수 있다. 특히 구성요소를 연결하기 위한 아교 또는 접착제(118)로서, 동일한 에폭시드를 사용하면, 경화 이후에 광학 구성요소(102, 104, 114, 702)를 둘러싸는 하우징의 준(準) 모놀리식 셋업이 이루어질 수 있고, 그 결과 전체 셋업의 열 안정성 및 신뢰도에 이점이 생긴다. 스페이서부(106, 108 또는 710)가 개구, 필드, 비네팅(vignetting)(즉, 두 개구의 축방향 배치로 인해 화상 가장자리에 음영이 생기는 것)을 형성하고 위광에 영향을 미치는 다이어프램으로서 사용될 수 있도록, 상기 스페이서부의 기하 구조가 선택될 수 있다.
도 8에 개략적으로 도시된 바와 같이, 패널 상에, 즉 웨이퍼 레벨로 제조된 시스템은, 이웃하는 광학 시스템에 바로 이어서 연결되거나(도 8의 좌측), 박형화된 영역(810)을 사이에 두고 연결될 수 있다(도 8의 우측). 후자의 경우, 개개의 시스템을 이용 유닛으로부터 해방하는 분리 프로세스가 간단해진다. 여기서, 광학적으로 유효한 표면을 갖는 개개의 영역 사이에 있는 브릿지(810)는, 취급 및 실장에 요구되는 기계적 안정성을 보장하기 위한 것으로 고려된다. 앞서 이미 상세히 설명한 바와 같이, 홈 구조 및 볼록부 구조는 광학 기능면을 갖는 구성요소에 통합될 수도 있고, 또는 추가적인 디바이스에 포함될 수도 있다.
도 9에 개략적으로 도시된 바와 같이, 웨이퍼 레벨로 제조된 이웃하는 광학 적층체는 서로 다른 광학 기능면과 기계적 구조를 가질 수 있다. 나란히 배치된 수 개의 광학 기능면은 큰 유닛에 결합될 수 있다. 또한, 이와 같이 결합된 유닛은 바로 이웃해 있거나, 혹은 박형화된 영역을 사이에 두고 연결될 수 있다.
본 발명의 실시형태에 의하면, 즉 스페이서(106, 108)의 구성 요소의 페어링을 요철 구조로 구현하고, 홈(110) 및 볼록부(112)의 축방향 중첩 길이를 조정함으로써, 기계 구조[스페이서(106, 108)]의 제조 공차가 광학 구조[층(102, 104)]의 공차로부터 분리될 수 있다. 이로써, 두 가지 점에서 비용 상의 이점이 확보될 수 있다. 한편으로는, 추가적으로 필요한 스페이서층 또는 스페이서 웨이퍼의 제조 비용이 줄어든다. 다른 한편으로는, 패널에, 즉 웨이퍼 레벨로 제조된 시스템의 수율이 증대된다. 또한, 스페이서 구조는 비용 효과적으로 광 불투과성 폴리머로 제조될 수 있어, 그렇지 않으면 위광 방지하기 위해 필요로 하던 추가적인 구성요소 및 제조 단계를 없앤다.
또한, 본 발명의 실시형태를 이용하면, 간단하고 비용 효과적인 방식으로, 열에 의해 유발되는 광학 모듈, 예컨대 카메라의 대물 렌즈 등의, 굴절력의 변화를 보상할 수 있게 된다. 본 발명의 개념은 패널에, 즉 웨이퍼 레벨로 제조하는 데 적합하므로, 비자동적인 개별 실장을 피할 수 있어, 연결 비용의 이점을 갖는다. 열의 영향의 보상은, 추가적인 에너지 공급원 또는 액추에이터로서의 요소를 사용하지 않는 수동적인 것이다.
디바이스, 즉 광학 적층체와 관련하여 몇몇 양태를 기술하였지만, 이들 양태는 대응하는 제조 방법의 설명도 나타냄이 분명하며, 즉 광학 적층체의 블록 또는 디바이스도 또한 대응 방법의 단계 또는 방법 단계의 특징부로서 여겨질 수 있다. 즉, 본 발명의 실시형태는 제1 층(102)과 연결된 제1 스페이서부(106) 및 제2 층(104)과 연결된 제2 스페이서부(108)를 이용하여 제2 층의 위에 제1 층을 배치함으로써, 광학 적층체(100)를 제조하는 방법도 포함하는데, 이 실시형태에서는, 제1 스페이서부(106)와 제2 스페이서부(110)를 연결하면서 제1 층(102)과 제2 층(104)을 적층방향으로 이격시키도록, 제1 스페이서부(106)와 제2 스페이서부(108)는 광학 적층체의 적층방향으로의 결합 용도의 홈(110)과 볼록부(112)를 포함하는 것이다.
이와 유사하게, 방법 단계와 관련하여 혹은 방법 단계로서 기술한 양태도, 본 발명의 광학 적층체의 대응 블록 또는 세부 사항 또는 특징부의 설명을 나타낸다.
또한, 상기 실시형태는, 제1 층(102), 제2 층(104), 제1 층(102)과 연결된 제1 스페이서부(106) 및 제2 층(104)과 연결된 제2 스페이서부(108)를 구비하는 광학 적층체로서, 상기 두 스페이서부(106; 108)는, 광학 적층체의 적층방향으로의 결합 용도 및 횡방향에서의 제1 스페이서부(106)의 제2 스페이서부(108)에 대한 이동성 부여 용도의 홈(110)과 볼록부(112), 또는 트렌치나 리세스와 연관된 돌기를 포함하며, 상기 볼록부는 상기 적층방향의 폭이 상기 홈보다 작고, 제1 스페이서부(106)와 제2 스페이서부(108)를 연결하면서 제1 층(102)과 제2 층(104)을 적층방향으로 이격시키도록, 제1 스페이서부(106)와 제2 스페이서부(108)는 홈(110)과 볼록부(112)의 사이에 접착제를 이용하여 상호 연결되는 것인 광학 적층체를 보여준다. 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 홈의 벽이 볼록부를 구비하는 스페이서부(106)로부터 이격되어 있도록, 접착제에 의해 제1 층(102)과 제2 층(104)의 적층방향으로의 간격이 설정되는 것이 바람직하다. 이렇게 하여 형성된 간격은, 제1 층(102)과 제2 층(104)을 이격시키는 데 요구되는 공차로부터 스페이서(106, 108)의 제조 공차를 분리시키기 위한, 또는 상기 층들을 축방향으로 서로에 대해 조절하기 위한 "조정 거리"로서 사용될 수 있다. 여기서, 패널이 홈의 바닥으로부터 0이 아닌 길이 L만큼 이격되어 있고, 접착제가 홈에 상기 바닥으로부터 길이 L 이상으로 수용되도록, 접착제에 의해 제1 층(102)과 제2 층(104)이 적층방향으로 이격되어 있는 것이 바람직하다. 다시 말하자면, 볼록부는 멈춤부에 이르기까지 홈에 축방향으로 삽입되어 접착제에 의해 그 축방향 위치가 고정되는 것이 아니라, 적층방향으로 완전 삽입 위치가 아닌 위치에 유지되어, 적층 축을 따라서의 양방향으로, 전술한 제조 공차를 상쇄하는 조정이 가능해진다. 또한, 이러한 양태는 횡방향으로의 위치 설정 및 조정에도 적용된다. 또한 본 실시형태에서, 볼록부는 홈에서의 정지 위치에서 접착제에 의해 고정되어 있지 않다. 오히려, 홈의 양 측벽으로부터의 볼록부의 횡방향 이격 위치가, 대응하는 제조 공차를 보상할 수 있도록 접착제에 의해 고정된다. 또한, 전술한 실시형태는 광학 적층체를 제조하는 방법을 설명하는데, 이 제조 방법은, 제1 층(102)과 연결된 제1 스페이서부(106) 및 제2 층(104)과 연결된 제2 스페이서부(108)를 이용하여 제2 층(104)의 위에 제1 층(102)을 배치하는 배치 단계로서, 상기 두 스페이서부(106; 108)는, 광학 적층체의 적층방향으로의 결합 용도 및 횡방향에서의 제1 스페이서부(106)의 제2 스페이서부(108)에 대한 이동성 부여 용도의 홈(110) 및 볼록부(112)를 포함하고, 상기 볼록부는 상기 적층방향의 폭이 상기 홈보다 작은 것인 배치 단계; 및 제1 스페이서부(106)와 제2 스페이서부(108)를 연결하면서 제1 층(102)과 제2 층(102)을 적층방향으로 이격시키도록, 제1 스페이서부(106)와 제2 스페이서부(108)를 홈(110)과 볼록부(112)의 사이에 접착제를 이용해 접착식으로 상호 연결하는 연결 단계를 포함한다. 상기한 방법 구성은, 홈에 접착제를 삽입하는 단계; 아직 액체 상태인 접착제가 있는 홈에 볼록부를 넣는 단계; 광학 파라미터의 평가를 이용하거나 혹은 제1 층과 제2 층의 사이에 고정밀 물체(640)를 넣음으로써, 제1 스페이서부와 제2 스페이서부를 적층방향으로 서로에 대해 위치 결정하는 단계; 및 접착제를 경화시키는 단계를 포함할 수 있다. 상기한 방법 구성은, 광학 파라미터의 평가를 이용하거나 혹은 기계적 정렬 구조를 이용함으로써, 제1 스페이서부와 제2 스페이서부를 횡방향으로 서로에 대해 위치 결정하는 단계를 포함할 수 있다.

Claims (18)

  1. 광학 적층체(100)로서,
    제1 층(102);
    제2 층(104);
    제1 층과 연결된 제1 스페이서부(106); 및
    제2 층과 연결된 제2 스페이서부(108)
    를 구비하고,
    상기 두 스페이서부(106; 108)는, 광학 적층체의 적층방향으로의 결합 용도 및 횡방향에서의 제1 스페이서부(106)의 제2 스페이서부(108)에 대한 이동성 부여 용도의 홈(110) 및 볼록부(112)를 포함하며,
    상기 볼록부는 상기 적층방향의 폭이 상기 홈보다 작고,
    제1 스페이서부(106)와 제2 스페이서부(108)를 연결하면서 제1 층(102)과 제2 층(104)을 적층방향으로 이격시키도록, 제1 스페이서부(106)와 제2 스페이서부(108)는 홈(110)과 볼록부(112)의 사이에 접착제를 이용하여 상호 연결되는 것인 광학 적층체.
  2. 제1항에 있어서, 제1 층(102) 및/또는 제2 층(104)은 광학 구성요소(114)를 포함하는 것인 광학 적층체.
  3. 제2항에 있어서, 제1 층(102) 및/또는 제2 층(104)의 광학 구성요소(114)는 렌즈, 프리즘, 회절 구조, 홀로그래픽 구조, 또는 광학 필터로 이루어진 그룹 중의 일부인 것인 광학 적층체.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 제1 스페이서부(106)는 제1 층(102)에 견고히 접합되고, 제2 스페이서부(108)는 제2 층(104)에 견고히 접합되는 것인 광학 적층체.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 제1 층(102)과 제2 층(104) 사이의 영역에 의해, 광학적 용도의 영역(116)이 형성되고, 상기 두 스페이스부(106; 108)의 홈(110) 및 볼록부(112)는 상기 광학적 용도의 영역(116)을 폐쇄형 윤곽으로 둘러싸도록 형성되는 것인 광학 적층체.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 접착제는, 제1 및/또는 제2 스페이서의 재료보다 열팽창 계수가 큰 영구 탄성 재료인 것인 광학 적층체.
  7. 제6항에 있어서, 상기 영구 탄성 재료가 도입되는 상기 홈(110)의 깊이는, 온도의 변화에 따른 제1 층(102) 및 제2 층(104)의 거리 변화가 홈, 볼록부 및 접착 재료의 등방성 열팽창의 결과만으로 발생하는 변화보다 크도록 되어 있는 것인 광학 적층체.
  8. 제6항에 있어서, 상기 접착제(118)는, 제1 및/또는 제2 스페이서의 재료로서도 사용되는 폴리머인 것인 광학 적층체.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 층은 결상 광학계(imaging optics)를 지니거나 형성하고, 접착제(118)의 열팽창 계수와 홈(110) 및 볼록부(112)의 형상은, -40℃ 내지 80℃의 온도 범위에 걸쳐서, 상기 결상 광학계의 광축방향으로 결상 광학계의 상면(像面)의 상기 제2 층까지의 거리가, 20℃에서 상기 상면의 위치로부터의 20℃에서 결상 광학계의 대물 초점 거리에 대해 ±1% 미만의 편차를 갖도록 선택되는 것인 광학 적층체.
  10. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 층은 제1 결상 광학계를, 상기 제2 층은 제2 결상 광학계를 지니거나 형성하고, 접착제(118)의 열팽창 계수와 홈(110) 및 볼록부(112)의 형상은, -40℃ 내지 80℃의 온도 범위에 걸쳐서, 상기 제1 및 제2 결상 광학계의 공통 광축방향으로 제1 결상 광학계의 상면의 상기 제2 결상 광학계의 대물면에 대한 거리가, 20℃에서 제1 및 제2 결상 광학계의 대물 초점 거리 중 큰 것에 대해 0 내지 ±1% 미만의 편차를 갖도록 선택되는 것인 광학 적층체.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 광학적 용도의 영역(116)을 향하는 홈의 벽은 상기 광학적 용도의 영역의 반대편을 향하는 홈의 벽보다 높은 것인 광학 적층체.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 제1 스페이서부(106)와 제1 층(102)은 일체로 형성되고, 및/또는 제2 스페이서부(108)와 제2 층(104)은 일체로 형성되는 것인 광학 적층체.
  13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 광학 구성요소(114)를 구비한 제1 층(102)과 제2 층(104)의 사이의 영역(116)에 의해, 광학적 용도의 영역이 형성되고, 스페이서부(106; 108)의 기하 구조는, 스페이서부가 개구, 비네팅(vignetting)을 형성하거나 및/또는 위광(僞光)에 영향을 미치는 다이어프램의 역할을 하도록 되어 있는 것인 광학 적층체.
  14. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 홈은 광학적 용도의 영역(116)을 향하는 벽과, 상기 광학적 용도의 영역의 반대편을 향하는 벽을 포함하고, 볼록부를 구비하는 스페이서부(106)로부터 이들 홈의 벽이 계속 이격되어 있도록, 접착제에 의해 제1 층(102)과 제2 층(104)이 적층방향으로 간격이 형성되는 것인 광학 적층체.
  15. 제12항에 있어서, 볼록부가 홈의 바닥으로부터 길이 L만큼 이격되어 있고 접착제가 홈에 상기 바닥으로부터 길이 L 이상으로 수용되도록, 접착제에 의해 제1 층(102)과 제2 층(104)이 적층방향으로 이격되어 있는 것인 광학 적층체.
  16. 광학 적층체(100)를 제조하는 방법으로서,
    제1 층(102)과 연결된 제1 스페이서부(106) 및 제2 층(104)과 연결된 제2 스페이서부(108)를 이용하여 제2 층(104)의 위에 제1 층(102)을 배치하는 배치 단계로서, 상기 두 스페이서부(106; 108)는, 광학 적층체의 적층방향으로의 결합 용도 및 횡방향에서의 제1 스페이서부(106)의 제2 스페이서부(108)에 대한 이동성 부여 용도의 홈(110) 및 볼록부(112)를 포함하고, 상기 볼록부는 상기 적층방향의 폭이 상기 홈보다 작은 것인 배치 단계; 및
    제1 스페이서부(106)와 제2 스페이서부(108)를 연결하면서 제1 층(102)과 제2 층(104)을 적층방향으로 이격시키도록, 제1 스페이서부(106)와 제2 스페이서부(108)를 홈(110)과 볼록부(112)의 사이에 접착제를 이용해 접착식으로 상호 연결하는 연결 단계를 포함하는 광학 적층체 제조 방법.
  17. 제14항에 있어서,
    홈에 접착제를 삽입하는 단계;
    아직 액체 상태인 접착제가 있는 홈에 볼록부를 넣는 단계;
    광학 파라미터의 평가를 이용하거나 혹은 제1 층과 제2 층의 사이에 고정밀 물체(640)를 도입함으로써, 제1 스페이서부와 제2 스페이서부를 적층방향으로 서로에 대해 위치 결정하는 단계; 및
    접착제를 경화시키는 단계를 더 포함하는 광학 적층체 제조 방법.
  18. 제17항에 있어서, 광학 파라미터의 평가를 이용하거나 혹은 기계적 정렬 구조를 이용함으로써, 제1 스페이서부와 제2 스페이서부를 횡방향으로 서로에 대해 위치 결정하는 단계를 더 포함하는 광학 적층체 제조 방법.
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