WO2016060292A1 - 마이크로 어레이 렌즈의 제조방법 - Google Patents

마이크로 어레이 렌즈의 제조방법 Download PDF

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Definitions

  • the lens size and shape can be modified in various ways.
  • the plurality of recesses 111 corresponding to the end shapes of the probes may be formed.
  • the collimating lens may be used as a collimating lens for collimating the emitted light by being placed in front of a light source array including a plurality of laser diodes or LEDs.

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Abstract

본 발명은 마이크로 어레이 렌즈의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 프로브를 이용하여 기판에 오복부들을 형성하고, 복수개의 오목부가 형성된 기판에 렌즈층을 증착하여, 기판의 오목부를 정밀한 비구면 형상으로 제작할 수 있고, 렌즈 개수 및 렌즈 간격의 조절 또는 변경이 용이한 마이크로 어레이 렌즈의 제조방법에 관한 것이다.

Description

마이크로 어레이 렌즈의 제조방법
본 발명은 마이크로 어레이 렌즈의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 프로브를 이용하여 기판에 오복부들을 형성하고, 복수개의 오목부가 형성된 기판에 렌즈층을 증착하여, 기판의 오목부를 정밀한 구면 또는 비구면 형상으로 제작할 수 있고, 렌즈 개수 및 렌즈 간격의 조절 또는 변경이 용이한 마이크로 어레이 렌즈의 제조방법에 관한 것이다.
마이크로 어레이 렌즈는 광통신, 광 정보 저장장치, 센서, 디스플레이 등의 차세대 광학시스템에서 요구되는 중요한 구성요소이다.
상기 광통신 분야에서는 대용량 광 효율을 좌우하는 멀티채널 송수신 모듈 등에 적용이 되어 대용량 및 효율, 멀티채널화의 핵심부품으로 이용되고 있다.
또한, 상기 광통신 분야에서는 수십㎛ ~ 수백㎛ 사이즈를 갖는 마이크로 어레이 글래스 렌즈의 요구가 급격하게 증가하고 있는 실정이다.
또한, 상기 광 정보 저장장치 분야에서는 데이터 기록을 담당하는 CD 및 DVD등의 광 기록 정보 분야에 적용될 수 있고, 센서 영역에서는 광의 민감도를 향상시킴으로 고효율 광학/이미지 센서 응용분야에 적용될 수 있다.
또한, 디스플레이 영역에서는 백라이트 구형 부품 및 레이저 프로젝션 유닛에 폴리곤 미러와 함께 적용되어 영상 구현 부품분야로 이용될 수 있다.
이와 같은 마이크로 어레이렌즈는 한국특허출원 출원번호 2005-0048401호에 개시되어 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 종래의 마이크로 어레이 렌즈(10)는 기판(1) 및 상기 기판에 형성되는 렌즈부(2)로 구성되며, 상기 렌즈부(2)가 돌출된 구조로 이루어진다.
이는 상기 렌즈부(2)가 외부로 돌출됨에 따라, 외부 환경요소에 의해 스크래치 등이 발생할 수 있어, 제품이 훼손될 수 있다.
또한, 한국특허출원 출원번호 제2003-0005197호에는 에칭방법을 이용한 마이크로 렌즈의 제조방법이 개시되어 있다.
이는 유리기판을 반도체 공정으로 에칭하여 렌즈 어레이를 직접 성형하는 것으로, 렌즈의 곡률반경을 자연적으로 형성하기 때문에 정밀한 광학 제어를 위한 구면 또는 비구면 형상의 제작이 어렵다.
또한, 에칭기법을 이용하게 되면, 마스크를 이용하여 패턴을 형성하기 때문에 렌즈 개수 및 렌즈 간격의 조절 또는 변경이 어려울 뿐만 아니라, 제조비용이 증가하게된다.
본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로 본 발명의 목적은 복수개의 오목부가 형성된 기판의 일면에 렌즈층을 형성시켜, 렌즈층이 돌출되지 않아 외부 환경요소등에 의한 제품의 훼손을 줄일 수 있으면서도, 기판에 오복부들을 정밀한 구면 또는 비구면 형상으로 제작할 수 있고, 렌즈 개수 및 렌즈 간격의 조절 또는 변경이 용이하며, 제품의 제조비용을 절감할 수 있는 마이크로 어레이 렌즈의 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 오목부가 형성된 기판의 일면에 형성된 오목부를 전자빔을 이용하여 렌즈원료물질을 증착하므로, 증착속도를 조절할 수 있고, 유리전이온도(Tg)와 관계 없이, 종래에 상용화되어 있는 다양한 굴절률을 갖는 렌즈원료물질을 이용할 수 있는 마이크로 어레이 렌즈의 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상술된 본 발명의 목적을 달성하기 위해, 먼저 본 발명은복수개의 마이크로 렌즈를 갖는 마이크로 어레이 렌즈의 제조방법에 있어서, 일면에 복수개의 오목부가 형성된 기판을 준비하는 기판 준비단계; 및 상기 오목부가 형성된 기판의 일면에 렌즈원료물질을 증착시켜, 상기 오목부의 형상과 대응되는 렌즈층을 형성하는 렌즈층 형성단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로 어레이 렌즈의 제조방법을 제공한다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 기판 준비단계는 기판을 예열하는 단계; 및
예열된 상기 기판의 일면에 끝단이 볼록한 프로브로 가압하여, 상기 프로브의 끝단 형상과 대응되는 복수개의 오목부를 형성하는 오목부 형성단계;를 포함한다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 프로브의 끝단은 구면 또는 비구면형상이다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 기판의 재료는 유리 또는 칼코게나이드(Chalcogenide)이다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 렌즈원료물질은 유리 또는 저마늄(Ge)이다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 렌즈층은 상기 기판보다 굴절률이 적어도 0.1 높다.
바람직한 실시예에 있어서,상기 렌즈층 형성단계는 진공 챔버 내에 렌즈원료물질을 준비하는 렌즈원료물질 준비단계; 상기 렌즈원료물질을 전자빔으로 기화시키는 기화단계; 및 기화된 상기 렌즈원료물질을 상기 기판의 일면에 증착시키는 증착단계를 포함한다.
본 발명은 다음과 같은 우수한 효과를 갖는다.
먼저 본 발명의 마이크로 어레이 렌즈의 제조방법에 의하면, 에칭기법을 이용하지 않고, 프로브를 이용하여 기판에 오복부들을 형성하므로, 기판의 오목부를 정밀한 구면 또는 비구면 형상으로 제작할 수 있고, 렌즈 개수 및 렌즈 간격의 조절 또는 변경이 용이하며, 마스크를 이용하지 않으므로 제품의 제조비용을 절감할 수 있다.
또한, 본 발명의 마이크로 어레이 렌즈의 제조방에 의하면, 오목부가 형성된 기판의 일면에 형성된 오목부를 전자빔을 이용하여 렌즈원료물질을 증착하므로, 오목부에 기포발생을 줄일 수 있어, 제품의 불량률을 획기적으로 감소시킬 수 있고, 증착속도를 조절할 수 있으며, 유리전이온도(Tg)와 관계 없이, 종래에 상용화되어 있는 다양한 굴절률을 갖는 렌즈원료물질을 이용할 수 있다.
본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 종래의 마이크로 어레이 렌즈를 보여주는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 마이크로 어레이 렌즈 제조방법의 단계도이다.
도 3a은 본 발명의 일실시예에 따른 기판준비 단계에서 복수개의 오목부가 형성된 기판의 도면이다.
도 3b는 본 발명의 일실시예에 따른 렌즈층 형성단계를 통해 기판에 렌즈층이 증착된 도면이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 렌즈층이 형성된 마이크로 어레이 렌즈를 보여주는 도면이다.
100 : 마이크로 어레이 렌즈
110 : 기판
111 : 오목부
120 : 렌즈층
본 발명에서 사용되는 용어는 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어를 선택하였으나, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있는데 이 경우에는 단순한 용어의 명칭이 아닌 발명의 상세한 설명 부분에 기재되거나 사용된 의미를 고려하여 그 의미가 파악되어야 할 것이다.
이하 첨부한 도면 및 바람직한 실시예들을 참조하여 본 발명의 기술적 구성을 상세하게 설명한다.
그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화 될 수도 있다. 명세서 전체에 걸쳐 본 발명을 설명하기 위해 사용되는 동일한 참조번호는 동일한 구성요소를 나타낸다.
도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 마이크로 어레이 렌즈의 제조방법은 렌즈층이 돌출되지 않는 구조로, 마이크로 어레이 렌즈를 제조할 수 있는 방법으로서, 기판 준비단계(S1000) 및 렌즈층 형성단계(S2000)를 거쳐 제조된다.
상기 기판 준비단계(S1000)는 일면에 복수개의 오목부가 형성된 기판을 준비하는 단계이다.
또한, 상기 기판을 준비하는 단계(S1000)는 상기 기판을 예열하는 단계(S1100) 및 기판 오목부 형성단계(S1200)를 통해 수행될 수 있다.
먼저, 상기 기판을 예열하는 단계(S1000)가 수행된다.
상기 기판을 예열하는 단계(S1100)는 상기 기판에 프로브를 이용하여, 보다 용이하게 오목부(111)를 형성하기 위하여 수행되는 단계이다.
또한, 상기 기판을 예열시키는 온도는 기판의 소재에 따라 다르기 때문에, 특별히 제한되진 않는다.
이때, 상기 기판은 유리 또는 칼코게나이드가 이용될 수 있다.
다음으로, 도 3a에 도시된 바와 같이, 예열된 상기 기판의 일면에 끝단이 볼록한 프로브로 가압하여 복수개의 오목부를 형성하는 기판 오목부 형성단계가 수행된다.
이는 상기 기판(110)에 상기 프로브의 끝단 형상과 대응되는 복수개의 오목부(111)를 형성하기 위함이다.
여기서, 상기 프로브의 끝단의 사이즈 및 형상을 용도에 맞게 조절함으로써, 렌즈 사이즈 및 형상을 다향하게 변형시킬 수 있다.
또한, 상기 오목부(111)의 개수는 상기 프로브를 서로 다른 위치의 상기 기판에 가압하는 횟수에 따라서, 자유롭게 조절할 수 있으므로 제한되지 않으며, 상기 오목부의 중심과 인접하는 오목부의 중심과의 간격을 용이하게 조절할 수 있다.
이때, 상기 프로브의 끝단은 구면 또는 비구면 형상이며, 상기 프로브의 끝단이 가압되어 형성되는 상기 기판의 오목부(111)도 구면 또는 비구면 형상으로 형성된다.
또한, 상기 프로브는 상기 기판(110)보다 경도가 높은 재질이 이용되는 것이 바람직하다.
여기서, 상기 프로브는 초경소재가 사용될 수 있으며, 보다 바람직하게는 텅스텐카바이드 또는 실리콘카바이드가 이용된다.
즉, 예열된 상기 기판(110)의 서로다른 위치에 상기 프로브로 가압을 반복하여, 상기 프로브의 끝단 형상과 대응되는 복수개의 오목부(111)를 형성할 수 있게 되는 것이다.
다음으로, 오목부(111)가 형성된 상기 기판(110)의 일면에 렌즈층(120)을 형성하는 렌즈층 형성단계(S2000)가 수행된다.
도3b에 도시된 바와 같이, 상기 렌즈층 형성단계(S2000)를 통해, 상기 기판(110)과 일체화된 렌즈층(120)이 형성되어 마이크로 어레이 렌즈(100)가 제조된다.
즉, 복수개의 오목부(111)가 형성된 상기 기판(110)의 일면에 렌즈층(120)을 평평하게 형성시키므로, 렌즈층이 돌출되지 않아 외부 환경요소등에 의한 제품의 훼손을 줄일 수 있게 된다.
도4에 도시된 바와 같이, 상기 렌즈층 형성단계(S2000)에서 적어도 상기 오목부(111) 내부를 가득 채우는 두께로 상기 렌즈층(120)이 증착되는 것이 바람직하다.
이는 상기 오목부(111)를 가득 채우도록 렌즈층(120)이 형성됨으로써, 렌즈의 기능을 구현할 수 있기 때문이다.
또한, 상기 렌즈층 형성단계(S2000)는 전자빔을 이용한 증착이 이루어 질 수 있으며, 전자빔을 이용한 증착은 렌즈원료물질 준비단계, 기화단계, 증착단계를 통해 이루어진다.
상기 렌즈원료물질을 진공 챔버 내에 준비하고 상기 렌즈원료물질 준비단계가 수행된다.
다음으로 상기 렌즈원료물질을 전자빔을 기화시키는 기화단계가 수행된다.
상기 기화단계는 상기 렌즈층(120)을 형성하기 위한 상기 렌즈원료물질들이 용융되어 전자빔에 의해 기체상태로 이동하기 위한 단계이다.
다음으로, 상기 기판(110)의 오목부(111)가 형성된 일면위에 기체상태의 상기 렌즈원료물질이 증착되는 증착단계를 통해 렌즈층(120)이 형성된다.
이와 같이, 상기 렌즈층(120)을 전자빔을 이용하여 증착하게 되면, 상기 오목부(111)에 기포가 생기지 않아, 제품의 불량률을 획기적으로 줄일 수 있고, 유리전이온도(Tg)와 관계 없이, 종래에 상용화되어 있는 다양한 굴절률을 갖는 렌즈원료물질을 그대로 이용할 수 있다.
또한, 상기 렌즈층(120)의 굴절률은 상기 기판(110)의 귤절률보다 높도록 설계되어야하며, 보다 바람직하게는 상기 렌즈층(120)의 굴절률이 상기 기판(110)의 굴절률보다 적어도 0.1 큰 값을 갖도록 설계된다.
이는 본 발명에 따른 마이크로 어레이 렌즈(100)가 기판(110) 및 렌즈층(120)으로 이루어지는 이중 인덱스(index)를 가지기 때문에, 렌즈층의 굴절률이 상기 기판의 굴절률보다 적어도 0.1 큰 값을 가져, 사용 목적에 따라 평형광을 시준하거나 포커싱을 수행할 수 있기 때문이다.
또한, 상기 기판(110)의 재료를 칼코게나이드로 사용하고, 상기 렌즈층을 저마늄으로 사용하여, 적외선 파장에서 사용할 수 있는 적외선 마이크로 어레이 렌즈를 제조할 수 있다.
실시예
(1) 상기 기판을 준비하는 단계(S1000)
(1-1) 기판을 예열하는 단계(S1100)
기판(유리재질-SCHOTTt사 bk-7)을 준비하고, 질소분위기에서 350℃ ~ 750℃의 온도로 예열시켰다.
(1-2) 기판 오목부 형성단계(S1200)
예열된 상기 기판에 직경 0.23mm의 프로브로 가압하여 오목부를 형성하였다.
이때 상기 프로브의 가압을 반복하여 4개의 오목부를 형성하였으며, 오목부의 중심과 인접하는 오목부의 중심과의 간격은 0.25mm로 동일하게 제조하였다.
이후 4개의 오목부가 형성된 기판을 서서히 냉각시켰다.
(2) 렌즈층을 형성하는 단계(S2000)
4개의 오목부가 형성된 기판에 전자빔을 이용하여 렌즈층을 증착시켰다.
이때, 렌즈원료물질(유리재질-Sumita사의 KVC89)를 이용하였으며, 증착온도 270℃, 진공도 3.0X10E-5, 증착속도 2~3A/sec, 회전속도 20~25rpm/min로 오목부가 형성된 상기 기판의 일면에 증착시켰다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 마이크로 어레이 렌즈의 제조방법 및 마이크로 어레이 렌즈는 렌즈층이 돌출되지 않는 구조이므로, 외부 환경요소등에 의한 제품의 훼손을 줄일 수 있게 된다.
또한, 본 발명에 따른 마이크로 어레이 렌즈의 제조방법 및 마이크로 어레이 렌즈는 프로브를 이용하여 기판에 복수개의 오목부를 형성하므로, 기판을 가공이 어려운 유리 또는 칼코게나이드 재질이 이용될 수 있고, 정밀한 구면 또는 비구면 형상의 오복부들을 기판에 형성시킬 수 있다.
더욱이, 상기 프로브를 가압하여 기판에 복수개의 오목부를 형성하므로, 렌즈 개수를 및 렌즈 간격의 조절이 용이하고, 별도의 마스크가 필요하지 않으므로 제품의 제조비용을 절감시킬 수 있다.
이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명은 바람직한 실시예를 들어 도시하고 설명하였으나, 상기한 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능할 것이다.
본 발명에 따른 마이크로 어레이 렌즈는 광통신, 광 정보 저장장치, 센서, 디스플레이 등의 차세대 광학시스템에 이용될 수 있다.
특히, 광통신 분야에서 복수의 레이저 다이오드(laser diode) 또는 엘이디(LED)등으로 구성된 광원 어레이의 전방에 놓여 출사광을 시준하는 콜리메이팅 렌즈로 이용될 수 있다.

Claims (7)

  1. 복수개의 마이크로 렌즈를 갖는 마이크로 어레이 렌즈의 제조방법에 있어서,
    일면에 복수개의 오목부가 형성된 기판을 준비하는 기판 준비단계; 및
    상기 오목부가 형성된 기판의 일면에 렌즈원료물질을 증착시켜, 상기 오목부의 형상과 대응되는 렌즈층을 형성하는 렌즈층 형성단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로 어레이 렌즈의 제조방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 기판 준비단계는
    기판을 예열하는 단계; 및
    예열된 상기 기판의 일면에 끝단이 볼록한 프로브로 가압하여, 상기 프로브의 끝단 형상과 대응되는 복수개의 오목부를 형성하는 오목부 형성단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로 어레이 렌즈의 제조방법.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 프로브의 끝단은 구면 또는 비구면형상인 것을 특징으로 하는 마이크로 어레이 렌즈의 제조방법.
  4. 제 2항에 있어서,
    상기 기판의 재료는 유리 또는 칼코게나이드(Chalcogenide)인 것을 특징으로 하는 마이크로 어레이 렌즈의 제조방법.
  5. 제 2항에 있어서,
    상기 렌즈원료물질은 유리 또는 저마늄(Ge)인 것을 특징으로 하는 마이크로 어레이 렌즈의 제조방법.
  6. 제 2항에 있어서,
    상기 렌즈층은 상기 기판보다 굴절률이 적어도 0.1 높은 것을 특징으로 하는 마이크로 어레이 렌즈의 제조방법.
  7. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 렌즈층 형성단계는
    진공 챔버 내에 렌즈원료물질을 준비하는 렌즈원료물질 준비단계;
    상기 렌즈원료물질을 전자빔으로 기화시키는 기화단계; 및
    기화된 상기 렌즈원료물질을 상기 기판의 일면에 증착시키는 증착단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로 어레이 렌즈의 제조방법.
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