KR20200120824A - 마이크로렌즈 어레이의 제작 방법 및 마이크로렌즈 어레이 제작 시스템 - Google Patents

Abstract

레이저를 이용한 마이크로렌즈 어레이의 제작 방법이 개시된다. 상기 방법은, 재료가 되는 기판에 상기 레이저로 상기 기판의 물리적 변화가 나타나지 않는 세기의 강도로 레이저를 인가하는 단계; 및 상기 레이저가 인가된 기판에 대한 식각 처리를 수행하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 레이저를 인가하는 단계는 상기 기판의 하부면부터 상부면으로 순차적으로 레이저를 인가할 수 있다.

Description

마이크로렌즈 어레이의 제작 방법 및 마이크로렌즈 어레이 제작 시스템{MANUFACTURING METHOD OF MICROLENS ARRAY AND MICROLENS ARRAY MANUFACTURING SYSTEM}

본 발명은 마이크로렌즈 어레이의 제작 방법과, 마이크로렌즈 어레이를 제작하는 시스템에 관한 발명이다. 보다 구체적으로는, 레이저를 이용하여 마이크로렌즈 어레이를 제작하는 기술과 관련된 발명이다.

팩시밀리, 전자 복사기, 고체 촬상 소자 등의 온칩 컬러 필터의 결상 광학계 또는 광 파이버 커넥터의 광학계 재료에는 3 내지 100 ㎛ 정도의 렌즈 직경을 갖는 마이크로 렌즈를 규칙적으로 배열한 마이크로 렌즈 어레이가 사용되고 있다. 상기 마이크로 렌즈는 반도체 칩 위에 형성된 소형렌즈로 들어오는 빛을 집광해주는 역할을 한다. 이와 같은 렌즈의 역할 외에도, 반도체 디스플레이 OLED 분야에서 전력 효율을 개선하거나, 카메라 센서에 활용되는 등 마이크로렌즈 어레이는 다양한 분야에서 활용된다.

이러한 마이크로렌즈 어레이를 제작하는 방법은 크게 두 가지로 나뉜다. 도 1과 같은 방법으로 포토리소그래피를 이용하여 마이크로렌즈 어레이를 제작할 수 있다. 또는 도 2와 같이 레이저를 이용하여 직접 마이크로렌즈를 가공하는 방법으로 마이크로렌즈 어레이를 제작할 수도 있다. 그러나, 도 1의 경우 포토마스크를 사용하여 제작하기 때문에 공정 과정이 복잡하고, 형성할 수 있는 마이크로렌즈 어레이의 모양이 하나로 한정되는 단점이 있다. 도 2와 같이 레이저를 이용하는 경우에는 마이크로렌즈의 모양대로 하나하나 가공하여 진행하는 방식으로 제작하여 가공에 이용되는 가격이 비싼 레이저를 장시간 사용하게 되어, 경제적인 문제점이 존재하였다.

본 발명에서는 기존의 마이크로렌즈 어레이 제작 방법에 비해 다양한 형상으로 제작이 가능한 마이크로렌즈 어레이 제작 방법을 제시하고자 한다.

본 발명에서는 펨토초 또는 피코초 레이저를 효율적으로 사용할 수 있는 마이크로렌즈 어레이 제작 방법을 제시하고자 한다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급된 과제로 제한되지 않는다. 언급되지 않은 다른 기술적 과제들은 이하의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

레이저를 이용한 마이크로렌즈 어레이의 제작 방법이 개시된다.

상기 방법은 재료가 되는 기판에 상기 레이저로 상기 기판의 물리적 변화가 나타나지 않는 세기의 강도로 레이저를 인가하는 단계; 및 상기 레이저가 인가된 기판에 대한 식각 처리를 수행하는 단계;를 포함할 수 있다.

상기 레이저를 인가하는 단계는 상기 기판의 하부면부터 상부면으로 순차적으로 레이저를 인가할 수 있다.

상기 레이저를 인가하는 단계는 원하는 마이크로렌즈 어레이의 형상으로 형성된 3차원 모델링을 기초로 하여 레이저를 인가할 수 있다.

상기 3차원 모델링을 통해 형성된 형상에 대해 상기 레이저가 인가되는 방향으로 복수의 레이어 층이 정의되고, 상기 레이저는 상기 복수의 레이어 층 별로 인가될 수 있다.

상기 정의한 복수의 레이어 층 별로 초점 거리가 조절되며 상기 레이저가 인가되고, 상기 레이저는 상기 각각의 레이어 층에서 상기 모델링을 통해 형성된 형상을 제외한 나머지 부분에 인가될 수 있다.

상기 복수의 레이어 층 별로 레이저를 인가할 때, 상기 복수의 레이어 층 중 하부에 위치한 레이어 층부터 순차적으로 상기 레이저를 인가할 수 있다.

상기 레이저는 펨토초 레이저 혹은 피코초 레이저일 수 있다.

상기 모델링으로 구현되는 마이크로렌즈 어레이의 형상은 반구형, 원뿔형, 피라미드형 중 어느 하나일 수 있다.

상기 식각 처리 단계 이후의 상기 기판에 대하여 CO2 레이저를 이용하여 상기 기판의 표면을 폴리싱 하는 단계;를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 다른 일 실시예에 따르면, 마이크로렌즈 어레이 제작 시스템이 개시된다.

상기 시스템은, 재료 기판 상에 인가되는 레이저; 상기 레이저를 구동하는 레이저 구동부; 상기 재료 기판에 인가되는 상기 레이저의 강도와 초점 거리를 조절하는 제어 모듈;을 포함하고, 상기 제어 모듈은 상기 재료 기판의 하부면부터 상부면으로 순차적으로 레이저를 인가할 수 있다.

본 발명의 제작 방법에 따르면, 3차원 모델링을 활용 가능하여, 형상에 구애받지 아니하고 다양한 형상의 렌즈 어레이를 제작하는 것이 가능하다.

본 발명의 다른 효과에 따르면 고가의 가격인 펨토초 또는 피코초 레이저의 가공 시간을 줄임으로써 효율적 사용이 가능하고, 경제적인 효과를 얻을 수 있다.

본 발명의 제작 방법에 따르면, 다품종 소량 생산이 가능하여 원하는 형상 및 크기의 마이크로렌즈 어레이를 용이하게 제작할 수 있다.

본 발명의 효과는 상술한 효과들로 제한되지 않는다. 언급되지 않은 효과들은 본 명세서 및 첨부된 도면으로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확히 이해될 수 있을 것이다.

도 1은 기존의 포토리소그래피를 이용하여 마이크로렌즈 어레이를 제작하는 방법에 관한 도면이다.
도 2는 기존의 레이저를 이용하여 마이크로렌즈어레이를 제작하는 방법에 관한 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 마이크로렌즈 어레이 제작 시스템을 간단히 나타낸 도면이다.
도 4(a) 및 도 4(b)는 3차원 모델링을 수행한 결과를 나타내는 도면이다.
도 5(a) 내지 도 5(b)는 도 4의 3차원 모델링 형상에 가상의 레이어 층을 형성한 결과를 나타내는 도면이다.
도 6(a) 내지 도 6(c)는 재료 기판 상에 순차적으로 레이저를 인가하는 것을 나타내는 도면이다.
도 7(a) 내지 도 7(d)는 실제 소프트웨어 상에서 레이어 층을 형성하는 것을 나타내는 도면이다.
도 8(a) 내지 도 8(c)는 시간에 따른 식각의 차이를 나타내는 도면이다.
도 9는 CO2 레이저를 이용해 폴리싱을 수행하는 것을 나타내는 도면이다.
도 10(a) 내지 도 10(b)는 본 발명에 따른 마이크로렌즈 어레이의 초점의 형태를 나타내는 도면이다.

아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 또한, 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 유사한 기능 및 작용을 하는 부분에 대해서는 도면 전체에 걸쳐 동일한 부호를 사용한다.

어떤 구성요소를 '포함'한다는 것은, 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다. 구체적으로, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 또한 도면에서 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다.

본 명세서 전체에서 사용되는 '~부' 및 '~모듈' 은 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위로서, 예를 들어 소프트웨어, FPGA 또는 ASIC과 같은 하드웨어 구성요소를 의미할 수 있다. 그렇지만 '~부' 및 '~모듈'이 소프트웨어 또는 하드웨어에 한정되는 의미는 아니다. '~부' 및 '~모듈'은 어드레싱할 수 있는 저장 매체에 있도록 구성될 수도 있고 하나 또는 그 이상의 프로세서들을 재생시키도록 구성될 수도 있다.

일 예로서 '~부' 및 '~모듈'은 소프트웨어 구성요소들, 객체지향 소프트웨어 구성요소들, 클래스 구성요소들 및 태스크 구성요소들과 같은 구성요소들과, 프로세스들, 함수들, 속성들, 프로시저들, 서브루틴들, 프로그램 코드의 세그먼트들, 드라이버들, 펌웨어, 마이크로 코드, 회로, 데이터, 데이터베이스, 데이터 구조들, 테이블들, 어레이들 및 변수들을 포함할 수 있다. 구성요소와 '~부' 및 '~모듈'에서 제공하는 기능은 복수의 구성요소 및 '~부' 및 '~모듈'들에 의해 분리되어 수행될 수도 있고, 다른 추가적인 구성요소와 통합될 수도 있다.

본 발명에서는 레이저를 이용한 마이크로렌즈 어레이 제작 방법이 개시된다. 기존의 레이저를 이용한 마이크로렌즈 어레이 제작 방법의 경우 마이크로렌즈의 모든 형상을 직접 레이저로 가공하여 조각하는 방식으로 식각을 처리해야 했기 때문에 제작하는데 있어 시간이 오래 걸리며, 또한 펨토초 레이저 또는 피코초 레이저의 경우 가격이 고가이기 때문에 시간이 오래 걸리는 만큼 사용 시간이 길어지게 되어 경제적인 측면에서도 문제점이 있었다. 본 발명에 따른 마이크로렌즈 어레이 제작 방법을 이용하는 경우, 기존에 비해 현저히 적은 시간 동안 레이저를 사용하여 마이크로렌즈 어레이를 제작하는 것이 가능하다.

본 발명에 따른 마이크로렌즈 어레이 제작 방법에 따르면 소프트웨어 상에서 마이크로렌즈 어레이 형상의 3차원 모델링을 수행하고, 해당 모델링 형상에 가상의 레이어 층을 정의하여 레이어 층 별로 레이저를 인가하는 방법을 통해 레이저를 필요한 부분에만 인가할 수 있으며, 레이저로 직접 식각 처리를 수행하지 않기 때문에 시간적인 측면에서 효율적이다. 또한 정형화된 포토 마스크를 사용하지 않기 때문에 다양한 형상으로 마이크로렌즈 어레이를 제작할 수 있다. 후술할 바와 같이, 다양한 형상의 마이크로렌즈 어레이를 제작함으로써 원하는 형태의 초점을 얻을 수 있어 사용 용도에 따라 마이크로렌즈 어레이의 형상을 선택하여 제작하는 것이 가능하다.

본 발명에서의 제조 방법에서의 특징은 3차원 모델링의 형상에 다수 개의 레이어 층을 정의하여, 정의된 각각의 레이어 층 별로 상기 모델링을 통해 형성된 형상을 제외한 나머지 부분에 레이저를 인가하는 방식을 이용함으로써 포토마스크를 사용하는 방법보다 간단한 공정으로 마이크로렌즈 어레이의 제작이 가능하고, 또한 레이저만을 사용하여 바로 식각처리를 하는 기존의 제작 방법보다 레이저를 적게 사용하여 경제적인 효과가 있다. 본 발명의 제작 방법에 따르면 3차원 모델링 작업을 이용하여 마이크로렌즈 어레이의 크기 및 형상 등을 자유롭게 제작 가능하여, 마이크로렌즈 어레이의 곡률 제어가 다른 발명에 비해 용이하다.

이하에서는, 도면을 참조하여 본 발명에 따른 마이크로렌즈 어레이 제작 시스템 및 제작 방법을 자세히 설명한다.

도 3은 본 발명에 따른 마이크로렌즈 어레이 제작 시스템을 간단히 나타낸 도면이다.

본 발명에 따른 마이크로렌즈 어레이 제작 시스템(1)은 레이저(20) 및 레이저 구동부(미도시), 제어 모듈(30)을 포함할 수 있다. 레이저 구동부는 레이저(20)와 제어 모듈(30) 사이에 연결되어, 제어 모듈(30)이 설정하는 내용에 따라 레이저(20)를 구동시킬 수 있다. 레이저 구동부는 가이드 레일일 수 있다. 또는 모터나 기타 구동이 가능한 수단일 수 있다.

본 발명에 따른 마이크로렌즈 어레이 제작 시스템(1)은 재료 기판(10) 상에 레이저를 인가하여 마이크로렌즈 어레이를 제작한다.

재료 기판(10)은 마이크로렌즈 어레이를 제작하는 재료가 되는 기판이다. 재료 기판(10)은 유리 재질일 수 있다. 재료 기판(10)은 석영 유리(Fused silica) 재질일 수 있다. 재료 기판(10)은 당해 분야에서 일반적으로 사용되는 재료를 제한 없이 적용할 수 있다. 예를 들어 재료 기판(10)은 실리콘 기판 또는 이들의 표면에 각종 금속이 형성된 기판 등일 수 있다.

레이저(20)는 마이크로렌즈 어레이를 제작하기 위해 재료 기판(10)에 레이저를 인가한다. 본 발명에서 사용되는 레이저는 펨토초 레이저일 수 있다. 혹은 본 발명에서 사용되는 레이저는 피코초 레이저일 수 있다. 본 발명에서는 짧은 폭을 가지는 레이저를 활용함으로써 정밀한 기판의 가공이 가능하다. 펨토초 레이저는 10^-15초의 아주 짧은 펄스 폭을 갖는 레이저를 의미한다. 펨토초 레이저의 짧은 펄스폭과 높은 첨두 출력의 특징을 레이저 가공에 이용하는 경우, 가공재료의 열확산 시간보다 조사되는 레이저 펄스의 시간이 짧아 물질의 열적 변성이 없는 비열 가공이 가능하다. 펨토초 레이저는 기존의 레이저보다 상대적으로 적은 에너지로 큰 첨두 출력을 낼 수 있고, 열손상 및 균열 등이 거의 발생하지 않아 고품질의 초정밀 미세 가공이 가능하다.

기존의 마이크로렌즈 어레이를 제작하는 방식인 도 2에서도 펨토초 레이저 또는 피코초 레이저를 사용하여 가공 처리를 수행할 수 있으나, 기존의 경우와 본 발명에서의 레이저의 인가 강도는 차이가 있다. 도 2에서는 기판이 레이저를 통한 물리적인 변화가 직접적으로 발생하는 정도로 레이저의 강도를 설정하여 인가하나, 본 발명에서는 레이저를 재료 기판에 인가하더라도 기판이 물리적인 변화가 발생하지 않을 정도의 강도를 설정하여 인가한다. 이 때 인가되는 레이저의 강도는 고정된 값은 아니며, 재료 기판의 분자 결합에 영향을 줄 수 있는 강도로 설정될 수 있다. 이는 재료 기판의 물성에 따라 달라지는 값일 수 있으며, 이는 미리 실험 등을 통해 정할 수 있다.

제어 모듈(30)은 재료 기판(10)에 인가되는 레이저(20)의 강도 및 초점 거리를 조절할 수 있다. 제어 모듈(30)에서 정해진 값을 레이저 구동부에 입력하여 레이저를 재료 기판(10)의 원하는 부분에 원하는 강도로 인가할 수 있다.

보다 구체적인 제어 모듈(30)의 제어 방법에 대해 이하에서 설명한다.

제어 모듈(30)에서는 원하는 마이크로렌즈 어레이의 형상을 3차원 형상으로 모델링을 수행할 수 있다. 이 때 형성되는 마이크로렌즈 어레이의 형상은 반구형일 수 있다. 이 때 형성되는 마이크로렌즈 어레이의 형상은 원뿔형일 수도 있다. 또 다른 실시예에 따르면, 마이크로렌즈 어레이의 형상은 피라미드형일 수 있다. 마이크로렌즈 어레이의 형상은 상기 설명한 바에 한정되지 아니하고, 다양한 형상으로 제작될 수 있다. 제어 모듈(30)에서는 재료 기판(10)에 형성되는 마이크로렌즈의 크기를 설정하여 3차원 모델링을 수행할 수 있다. 이때 형성되는 마이크로렌즈의 크기는 Φ가 30um, 50um 또는 70um일 수 있다.

제어 모듈(30)에서는, 3차원 모델링 형상에 가상의 레이어층을 정의할 수 있다. 이 때 가상의 레이어 층은 일정 간격을 가지는 형태로 제공될 수 있다. 간격의 크기는 동일하게 정의될 수 있다. 또는 간격의 크기는 형성하고자 하는 마이크로렌즈 어레이의 곡률에 따라 휘어지는 부분에는 촘촘하게 형성되고, 휘어지지 않는 부분에는 보다 넓게 간격이 형성될 수도 있다. 형성되는 레이어 층의 간격은 1 내지 100um일 수 있다. 가상의 레이어 층은 3차원 모델링 형상에 대해 레이저(20)가 인가되는 방향으로 정의될 수 있다. 즉 가상의 레이어 층은 레이저(20)가 인가되는 방향에 수직한 평면 상으로 정의될 수 있다.

제어 모듈(30)에서는 3차원 모델링 형상에서 2차원으로 설정을 전환하여 가상의 레이어 층을 정의할 수 있다.

현재 기술에서 3차원 모델링 형상 자체에서 레이저를 인가하려고 하는 경우 레이저를 인가하는 영역이 분명하지 아니하여 레이저의 효과적인 처리가 어려운 문제가 있다. 본 발명에서는 3차원 모델링 된 형상을 측면에서 바라본 2차원 형상 또는 상면에서 바라본 2차원 형상으로 전환하여, 해당 레이어 층에서 모델링을 통해 형성된 마이크로렌즈 어레이의 형상을 제외한 나머지 부분에 대해 레이저를 인가할 수 있다.

제어 모듈(30)에서는 가상의 레이어 층이 정의된 모델링 형상을 기준으로 하여, 가상의 레이어 층이 마이크로렌즈의 형상과 겹쳐지는 부분과, 겹쳐지지 아니하는 부분을 레이어 층 별로 판단한다. 레이어 층 별로 겹치는 부분을 판단하는 과정이 끝나면, 해당 내용을 레이저와 연결된 레이저 구동부에 입력한다.

레이저(20)는 제어 모듈(30)에서 입력된 내용을 바탕으로 하여 재료 기판(10)에 레이저를 인가한다. 레이저(20)는 레이저 구동부와 결합되어, 재료 기판(10)을 중심으로 상하좌우로 이동하며 레이저를 방출할 수 있다. 인가되는 레이저(20)의 강도는 재료 기판(10)에 물리적인 변화를 주지 않는 강도로 설정되어 인가될 수 있다. 상기 물리적인 변화를 주지 않는 강도는 미리 실험을 통해 설정된 값일 수 있다.

이하에서는 도면을 이용하여 전술했던 마이크로렌즈 어레이 제작 시스템에 대한 설명을 구체적으로 개시한다. 이하의 실시예의 도면에서는 마이크로렌즈 어레이의 형상이 반구형의 형태인 경우와, 가상의 레이어 층의 간격이 일정한 경우로 가정하여 설명한다. 그러나 이는 일 실시예에 불과하고, 마이크로렌즈 어레이의 형상은 다양하게 도출될 수 있다.

도 4(a) 및 도 4(b)는 3차원 모델링을 수행한 결과를 나타내는 도면이다.

도 4(a)는 재료 기판(10)에 소프트웨어 상으로 3차원 모델링을 수행한 결과의 사시도이며, 도 4(b)는 재료 기판(10)에 소프트웨어 상으로 3차원 모델링을 수행한 결과를 상면에서 바라본 도면이다.

3차원 모델링을 수행하게 되면, 재료 기판(10)에 마이크로렌즈(11)가 형성된다. 이는 소프트웨어 상에서 처리되는 단계에 해당한다. 제어 모듈(30)에서는 도 4와 같이 마이크로렌즈 어레이의 형상을 3차원으로 모델링한다. 이 때 설정되는 마이크로렌즈 어레이의 밑변의 길이 또는 원의 지름 d와, 높이 h의 비율은 0.2 내지 1.5로 형성될 수 있다. 즉, h/d는 0.2 내지 1.5 의 값을 가질 수 있다.

마이크로렌즈 어레이의 경우 기판을 재료로 하여 3차원 모델링의 형상대로 식각 처리를 수행하여야 한다. 그러나 도 4에 개시된 바와 같이 3차원 모델링 형상만을 기준으로 레이저를 인가하는 것은 정확도가 떨어지며, 레이저를 낭비하게 될 가능성이 있다. 이러한 문제점을 극복하기 위해, 이하의 도 5과 같은 과정을 수행한다.

도 5(a) 내지 도 5(b)는 도 4의 3차원 모델링 형상에 가상의 레이어 층을 형성한 결과를 나타내는 도면이다.

도 5(a)는 재료 기판(10)에 레이어 층을 형성한 것을 측면부에서 바라본 도면이며, 도 5(b)는 도 5(a)의 가상의 레이어 층을 일부 확대하여 레이어 층별로 나타낸 도면이다.

제어 모듈(30)은 재료 기판(10)에 형성된 마이크로렌즈(11)에 가상의 레이어 층들(12)을 정의한다. 가상의 레이어 층(12)은 기판(10)의 높이를 기준으로 동일한 간격으로 형성되어 제공될 수 있다. 제어 모듈(30)에서는 일정한 간격으로 해당 마이크로렌즈 어레이의 형상에 가상의 레이어 층을 정의할 수 있다.

도 5과 같이 기판(10)에 레이어 층들(12)을 정의하게 되면, 각각의 레이어 층(12) 별로 마이크로 렌즈(11)와 겹치는 부분과 겹치지 아니하는 부분을 구분할 수 있다.

도 5(a)를 참조하면 가장 상부에 존재하는 레이어 층은 마이크로 렌즈(11)와 겹쳐지는 부분이 존재하지 아니한다. 그러나 중간부에 존재하는 레이어 층은, 마이크로 렌즈(11)와 일부 겹쳐지며, 일부는 겹쳐지지 아니하는 영역을 포함한다. 제어 모듈(30)에서는 레이어 층 별로 마이크로 렌즈(11)와 겹쳐지는 영역과, 겹쳐지지 않는 영역을 이용하여 레이저가 진행되는 경로를 제어한다.

제어 모듈(30)은 기판(10)의 하부층에 위치한 레이어 층부터 시작하여, 순차적으로 레이어 층 별로 마이크로 렌즈와 레이어 층이 겹치지 아니하는 영역에는 레이저가 인가되도록 하고, 마이크로 렌즈와 레이어 층이 겹쳐지는 영역에 대해서는 레이저가 인가하지 않도록 제어한다. 이를 모든 레이어 층에 대해 판단하는 작업을 수행한다.

도 5(b)를 참조하면, 레이어 층(12)의 높이별로 마이크로렌즈 어레이 형상과 겹쳐지는 부분이 나타난다. 반구형의 마이크로렌즈 어레이를 제작하였으므로, 상부로 갈 수록 레이어 층과 겹쳐지는 어레이의 형상은 작아지고, 하부로 갈수록 레이어 층과 겹쳐지는 어레이의 형상은 커진다. 제어 모듈(30)은 각각의 레이어 층(12)에서 모델링을 통해 형성된 형상(11)을 제외한 나머지 부분에 레이저가 인가되도록 레이저 구동부를 제어할 수 있다.

도 6(a) 내지 도 6(c)는 레이저로 재료 기판에 데미지를 입히는 것을 나타내는 도면이다.

도 6(a) 내지 도 6(c)는 레이저가 하부층의 레이어 층부터 시작하여 상부층의 레이어 층까지 순차적으로 인가되는 것을 설명하는 도면이다.

레이저(20)는 제어 모듈(30)에 입력된 내용에 기초하여 재료 기판(10)에 레이저를 인가한다. 레이저(20)는 가상의 레이어 층(12) 별로 인가될 수 있다. 레이저는 재료 기판(10)의 하부 레이어 층부터 시작하여, 순차적으로 상부 레이어 층까지 인가될 수 있다. 레이저는 좌우로 이동되며 재료 기판(10)의 전체 면적에 대해 제어 모듈(30)에서 정해진 영역의 레이어 층에 대해 기판이 물리적 변화가 일어나지 않는 범위에서의 데미지를 입히는 작업을 수행할 수 있다.

레이저의 인가 방식에 있어서, 하부 층에 위치한 레이어 층부터 인가하는 이유는 아래와 같다.

도 6과 같이, 본 발명에서 사용되는 펨토초 또는 피코초 레이저는 특정한 초점 거리(d)를 설정하여 설정한 위치에 점의 형식으로 레이저를 인가하는 것을 특징으로 한다. 마이크로렌즈 어레이의 재료 기판이 되는 유리 기판을 예시로 들면, 유리 기판의 경우 레이저의 가공 전에는 투명하게 빛이 통과되나, 기판에 레이저를 인가하는 경우, 아무리 약한 강도로 레이저를 인가하더라도 미세하게 크랙이 발생하게 된다. 만약 기판의 상부 레이어 층부터 레이저를 인가할 경우 상부 측에 레이저를 인가하면서 크랙이 발생하게 되어 해당 부분이 불투명하게 되고, 그로 인해 보다 하단에 있는 레이어 층에 레이저를 인가하려고 하더라도 빛이 제대로 통과할 수 없게 된다. 즉 상부 레이어 층부터 레이저를 인가하면 유리의 투명도에 영향을 받게 되어 빛의 투과가 불가능해지고, 산란이 제대로 되지 아니하여 가공 처리에 문제점을 겪게 되는바, 빛을 집중시키며, 효과적인 처리를 수행하기 위해 하부층에 위차한 레이어 층부터 레이저를 인가한다.

또한 도 6에 도시한 바와 같이, 레이저는 초점 거리 d를 설정하여 해당 부분에 포인트 형식으로 레이저를 인가하므로, 끝단부분이 아닌 레이저가 지나가는 위치에서는 레이저의 영향을 받지 아니한다. 끝단부가 아닌 나머지 부분은 에너지 밀도가 낮은 편이기 때문에 영향이 미미하다. 즉, 하부에 위치한 레이어 층부터 레이저를 인가하더라도 다른 레이어 층에 대해서는 레이저의 영향을 받지 아니하기 때문에 레이어 층별로 레이저를 분리하여 인가하는 것이 가능하다.

레이저(20)와 연결된 레이저 구동부(21)는, 레이저(20)를 기판의 상부에서 이동시키면서 레이저의 인가가 가능하다. 레이저 이동 장비(21)는 가이드 레일일 수 있다. 또는 모터나 기타 구동 수단일 수 있다. 또는 레이저 구동부(21)는 Z축 상으로만 이동하며, 재료 기판(10)이 X-Y축으로 이동 가능한 스캐너 위에 위치하여 구동될 수도 있다.

도 7(a) 내지 도 7(d)는 실제 소프트웨어 상에서 레이어 층을 형성하는 것을 나타내는 도면이다.

도 7은 실제 소프트웨어 상에서 3차원 모델링을 수행한 상태에서 레이어 층을 분류하는 것을 표현한 도면이다. 도 7(a) 내지 도 7(d)는 하부 층부터 점차적으로 레이어 층을 형성하는 과정을 나타낸다. 도 7(a) 내지 도 7(d)에 따르면, 상부에서 바라보았을 때의 가상 레이어층(12)이 형성된 모습과, 측면부에서 바라보았을 때의 가상 레이어층(12)이 형성된 모습이 나타난다. 도 7(a) 내지 도 7(d)의 도면을 순차적으로 살펴보면, 아래의 레이어 층부터 시작하여 점점 위쪽으로 레이어 층을 형성하는 과정을 나타낸다. 이 때 레이어 층을 형성하는 방향은 위에서 아래 방향으로 형성할 수도 있다. 이 때 형성되는 레이어의 간격은 1~100um일 수 있다.

레이어 층을 형성하는 방법에 있어서, 상부면에서 바라본 2D 면에서 가상의 레이어 층을 형성하는 것도 가능하며, 측면부에서 바라본 2D 면에서 가상의 레이어 층을 형성하는 것도 가능하다. 일 실시예에 따르면 하부면에서 바라본 2D에서 가상의 레이어 층을 형성하는 것도 가능하다.

도 7(a) 내지 도 7(d)에 따르면, 가장 하부층에 위치하는 레이어 층(12)에서는 마이크로렌즈(11)와 겹쳐지는 영역이 다수이므로 데미지를 주는 영역이 적으며, 상부측에 위치하는 레이어 층(12)으로 이동할수록 마이크로렌즈(11)와 겹쳐지는 영역이 줄어들어, 레이저로 데미지를 주는 영역이 넓어진다.

도 7(a) 내지 도 7(d)에서 빨간색으로 표시된 부분이 해당 레이어층에서 식각되어야 하는 부분을 의미한다. 빨간색으로 표시되지 아니한 검정색의 부분은 실제 3차원 모델링에서 마이크로렌즈 어레이의 실제 형상을 나타낸다. 이러한 소프트웨어상의 처리를 통해 레이저가 데미지를 주어야 하는 기판 상의 경로를 설정한다.

도 8(a) 내지 도 8(c)는 시간에 따른 식각의 차이를 나타내는 도면이다.

도 4 내지 도 7의 과정을 거쳐 레이저가 인가된 재료 기판에 대한 에칭 처리 작업이 진행된다. 에칭 처리 작업은 재료 기판(10)이 담궈지는 에칭 용액이 담기는 처리 용기에서 수행될 수 있다.

전술한 바와 같이 재료 기판의 일정 부분에 레이저를 인가하게 되면, 레이저로 데미지를 입은 부분은 겉으로 보기에 물리적인 변화는 없는 상태이나, 내부적으로는 분자간 결합이 약해져 있는 상태이다. 이러한 상태에서 에칭 용액에 해당 기판을 투입하고 일정 시간이 지난 후의 처리 용기에서 기판을 분리하게 되면, 레이저가 인가된 영역 부분만 제거되고, 레이저가 인가되지 아니한 부분의 형상은 그대로 남게 되어 레이저로 직접 형상을 조각하지 아니하더라도, 손쉽게 마이크로렌즈 어레이의 형상을 도출해 낼 수 있다.

본 발명에서 진행하는 에칭 방법으로는 KOH 또는 HF를 이용한 습식 식각(Wet 에칭) 방법을 이용할 수 있다. KOH를 이용한 에칭은 기존의 웨이퍼 및 MEMS 공정에서도 적용될 수 있다. KOH를 이용하는 경우, 레이저로 데미지를 주지 않더라도 표면부터 서서히 식각이 가능할 수 있다. 그러나 본 발명과 같이 레이저로 일정 부분에 대한 데미지를 주는 과정을 수행한 후 에칭을 수행하면, 레이저로 데미지를 준 글라스 분자간의 결합구조가 약해지거나 끊어지게 되고, 데미지를 입은 부분에 대해서만 더 빨리 식각이 가능하여, 효율적으로 마이크로렌즈 어레이를 제작하는 것이 가능하다. KOH 용액은 다른 수용액에 비해 독성이 작고, 식각속도가 빠르며, 높은 이방성을 나타내어 미세 가공 분야에서 널리 사용된다. KOH 수용액은 KOH, H2O 및 이스프로필 알코올(isopropyl alcohol)을 섞어 만들고 다음과 같은 화학 반응식으로 처리된다. 화학 반응 식은 다음과 같다.

Si + 2OH- + 2H2O = SiO2(OH)2 2- + 2H2

도 8(a)는 레이저가 기판에 인가된 직후이며, 도 8(b)는 식각 용액에 4시간동안 에칭을 수행한 결과이며, 도 8(c)는 식각 용액에 12시간 동안 에칭을 수행한 결과이다.

도 8(a) 내지 (b)를 참고하면, 레이저가 인가된 직후나, 4시간 정도 에칭이 수행된 경우에는 마이크로렌즈 어레이의 형상이 명확히 나타나지 아니한 상태이나, 도 8(c)에 따른 12시간 정도의 에칭이 수행된 경우에는 3차원 모델링으로 형상화 했던 마이크로렌즈 어레이의 형상이 대략적으로 형성된 것을 확인할 수 있다.

도 9는 CO2 폴리싱을 수행하는 것을 나타내는 도면이다.

기판에 대한 폴리싱은 연속파 레이저를 이용하여 처리할 수 있다. 상기 레이저는 CO2 레이저일 수 있다. 이 때 적용되는 파장은 9.4um일 수 있다. 가공 속도는 50mm/s일 수 있다. 반복률은 5kHZ일 수 있다. CO2 레이저의 출력 값은 5~20%일 수 있다. 이 때 사용되는 레이저는 G-100i일 수 있다.

CO2 레이저는, 에칭 처리가 완료된 기판에 CO2 레이저를 일정 간격 이격된 상태에서 레이저를 조사하여 거친 마이크로렌즈 어레이의 표면을 매끈하게 처리하는 것이 가능하다.

도 9에 따르면, CO2 레이저는 가공된 마이크로렌즈 어레이의 표면에 조사됨으로써 투명도를 확보하는 것이 가능하다. CO2 레이저는 기판의 상부에서 한쪽 끝단부와 나머지 하나의 끝단부를 반복하여 이동하면서 기판의 전체적인 면적에 레이저를 조사할 수 있다. 도면에 도시된 간격은 일 예시이며, 설정되는 값은 달라질 수 있다. CO2 레이저의 조사는 마이크로렌즈 어레이의 가공 표면에 초점을 두지 않고 거리를 두어 조사할 수 있다. 이 때 CO2 레이저의 디포커싱 범위는 0.2 ~ 5mm일 수 있다.

도 10(a) 내지 도 10(b)는 본 발명에 따른 마이크로렌즈 어레이의 초점의 형태를 나타내는 도면이다.

도 10(a)는 마이크로렌즈 어레이의 형상을 반구형 또는 원뿔형으로 모델링한 경우 나타나는 초점에 해당한다. 도 10(b)는 마이크로렌즈 어레이의 형상을 피라미드형으로 모델링한 경우 나타나는 초점에 해당한다.

도 10에 따르면, 마이크로렌즈 어레이의 형상을 반구형 또는 원뿔형으로 모델링하면 포인트형, 즉 점의 형태로 초점이 형성된다. 반면 마이크로렌즈 어레이의 형상을 피라미드형으로 모델링하면 일정한 길이를 가지는 선형으로 초점이 형성된다. 원하는 목적에 따라 포인트형의 초점 또는 선형의 초점을 선택하여 마이크로렌즈 어레이를 제작하는 것이 가능하다.

본 발명의 다른 일 실시예에 따르면, 3차원 모델링의 형성 방향을 전환하여 음각의 형태로 마이크로렌즈 어레이를 제작할 수 있다. 음각의 형태로 마이크로렌즈 어레이를 제작하는 경우에는 마이크로렌즈 어레이의 금형으로 제작하여 활용함으로써, 몰드와 같은 형태로 사용할 수 있다.

또한 본 발명은 마이크로렌즈 어레이의 제작 뿐 아니라, 추후 같은 원리를 이용하여 대면적의 어레이를 제작하는 분야에도 적용할 수 있다.

이상의 실시예들은 본 발명의 이해를 돕기 위하여 제시된 것으로, 본 발명의 범위를 제한하지 않으며, 이로부터 다양한 변형 가능한 실시예들도 본 발명의 범위에 속하는 것임을 이해하여야 한다. 본 발명의 기술적 보호범위는 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이며, 본 발명의 기술적 보호범위는 특허청구범위의 문언적 기재 그 자체로 한정되는 것이 아니라 실질적으로는 기술적 가치가 균등한 범주의 발명까지 미치는 것임을 이해하여야 한다.

1 : 마이크로렌즈 어레이 제작 시스템
10 : 재료 기판
11 : 마이크로렌즈
12 : 레이어 층
20 : 레이저
30 : 제어 모듈

Claims (16)

1. 레이저를 이용한 마이크로렌즈 어레이의 제작 방법으로서,
   재료가 되는 기판에 상기 레이저로 상기 기판의 물리적 변화가 나타나지 않는 세기의 강도로 레이저를 인가하는 단계; 및
   상기 레이저가 인가된 기판에 대한 식각 처리를 수행하는 단계;를 포함하는 레이저를 이용한 마이크로렌즈 어레이의 제작 방법.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 레이저를 인가하는 단계는 상기 기판의 하부면부터 상부면으로 순차적으로 레이저를 인가하는 레이저를 이용한 마이크로렌즈 어레이의 제작 방법.
   
3. 제1항에 있어서,
   상기 레이저를 인가하는 단계는,
   원하는 마이크로렌즈 어레이의 형상으로 형성된 3차원 모델링을 기초로 하여 레이저를 인가하는 레이저를 이용한 마이크로렌즈 어레이의 제작 방법.
   
4. 제3항에 있어서,
   상기 3차원 모델링을 통해 형성된 형상에 대해 상기 레이저가 인가되는 방향으로 복수의 레이어 층이 정의되고, 상기 레이저는 상기 복수의 레이어 층 별로 인가되는 마이크로렌즈 어레이의 제작 방법.
   
5. 제4항에 있어서,
   상기 정의한 복수의 레이어 층 별로 초점 거리가 조절되며 상기 레이저가 인가되고,
   상기 레이저는 상기 각각의 레이어 층에서 상기 모델링을 통해 형성된 형상을 제외한 나머지 부분에 인가되는 것을 특징으로 하는 레이저를 이용한 마이크로렌즈 어레이의 제작 방법.
   
6. 제5항에 있어서,
   상기 복수의 레이어 층 별로 레이저를 인가할 때,
   상기 복수의 레이어 층 중 하부에 위치한 레이어 층부터 순차적으로 상기 레이저를 인가하는 레이저를 이용한 마이크로렌즈 어레이 제작 방법.
   
7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 레이저는 펨토초 레이저 혹은 피코초 레이저인 것을 특징으로 하는 레이저를 이용한 마이크로렌즈 어레이 제작 방법.
   
8. 제3항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 모델링으로 구현되는 마이크로렌즈 어레이의 형상은 반구형, 원뿔형, 피라미드형 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 레이저를 이용한 마이크로렌즈 어레이 제작 방법.
   
9. 제7항에 있어서,
   상기 식각 처리 단계 이후의 상기 기판에 대하여 CO2 레이저를 이용하여 상기 기판의 표면을 폴리싱 하는 단계;를 더 포함하는 레이저를 이용한 마이크로렌즈 어레이 제작 방법.
   
10. 재료 기판 상에 인가되는 레이저;
    상기 레이저를 구동하는 레이저 구동부;
    상기 재료 기판에 인가되는 상기 레이저의 강도와 초점 거리를 조절하는 제어 모듈;을 포함하고,
    상기 제어 모듈은 상기 재료 기판의 하부면부터 상부면으로 순차적으로 레이저를 인가하는 마이크로렌즈 어레이 제작 시스템.
    
11. 제10항에 있어서,
    상기 제어 모듈은,
    형성하고자 하는 마이크로렌즈 어레이의 형상을 3차원으로 모델링하고,
    상기 모델링한 형상에 대해 상기 레이저가 인가되는 방향에 수직한 방향으로 복수의 레이어 층을 정의하는 마이크로렌즈 어레이 제작 시스템.
    
12. 제11항에 있어서,
    상기 제어 모듈은
    상기 복수의 레이어 층을 따라 레이저가 인가되도록 상기 레이저 구동부를 제어하고,
    상기 복수의 레이어 층 별로 초점 거리 조절을 수행하여 레이저를 인가하는 마이크로렌즈 어레이 제작 시스템.
    
13. 제12항에 있어서,
    상기 복수의 레이어 층 별로 레이저를 방출할 때,
    상기 제어 모듈은 상기 복수의 레이어 층 중 하부에 위치한 레이어 층부터 순차적으로 상기 레이저를 인가하도록 제어하는 마이크로렌즈 어레이 제작 시스템.
    
14. 제11항 내지 제13항에 있어서,
    상기 제어 모듈은,
    상기 각각의 레이어 층에서 상기 모델링을 통해 형성된 형상을 제외한 나머지 부분에 상기 레이저가 인가되도록 제어하는 마이크로렌즈 어레이 제작 시스템.
    
15. 제14항에 있어서,
    상기 레이저는 펨토초 레이저 혹은 피코초 레이저인 것을 특징으로 하는 마이크로렌즈 어레이 제작 시스템.
    
16. 제15항에 있어서,
    상기 레이저는,
    상기 재료 기판의 물리적인 변화가 나타나지 않는 세기로 레이저를 인가하는 것을 특징으로 하는 마이크로렌즈 어레이 제작 시스템.
    
    
    
    
    
    
    
    
    

Images