KR100404024B1 - 마이크로렌즈 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 마이크로렌즈의 제조방법에 관한 것으로 특히 플라스틱 등의 재료가 유리전이 온도이상으로 표면장력에 의해 곡면의 표면을 가지려 하는 성질을 이용하여 임의의 곡률을 가지는 렌즈형상의 마스터를 제작하고 이 마스터 면위에 전기주조를 통하여 렌즈면을 가지는 금형을 제조한 뒤 마이크로렌즈를 사출 및 압축성형할 수 있도록 하는 것이다.

본 발명의 마이크로렌즈 제조방법은, 실리콘 기판위에 마이크로 단위의 미세구조를 지닌 예비 플라스틱 제품을 예비성형 하는 단계; 상기 성형공정으로부터 플라스틱 제품의 예비성형이 완료되면 그 제품을 리플로우 방식에 의하여 곡률을 가지는 렌즈형상을 지닌 마스터로 제조하는 단계; 상기 리플로우 공정을 통해 렌즈 형상을 지닌 마스터의 제조가 완료되면 그 윗면에 전기주조를 위한 전도체형성용 시드메탈층을 코팅하고 전기주조를 실행하는 단계; 상기 전기주조를 통하여 렌즈의 반대 형상을 지닌 몰드인서트를 제작하는 단계; 상기 몰드인서트를 기초로 마이크로렌즈를 성형하는 단계로 이루어진다.

본 발명은 상기의 일련의 단계를 거쳐 최종적으로 마이크로 렌즈를 양산하는 것이다.

Description

마이크로렌즈 제조방법{Manufacturing method of micro-lens}

본 발명은 마이크로렌즈의 제조방법에 관한 것으로 특히 플라스틱 등의 재료가 유리전이 온도이상으로 표면장력에 의해 곡면의 표면을 가지려 하는 성질을 이용하여 임의의 곡률을 가지는 렌즈형상의 마스터를 제작하고 이 마스터 면위에 전기주조를 통하여 렌즈면을 가지는 금형을 제조한 뒤 마이크로렌즈를 사출 및 압축성형할 수 있도록 하는 것이다.

마이크로 렌즈는 액정표시장치, 광수신기 및 광통신 시스템에서 내부 파이버 연결 등과 같이 다양하게 적용되어 사용된다.

마이크로 렌즈의 가공에 있어서 기계가공에 의존할 경우 많은 어려움이 따르는데 이러한 문제를 극복하고자 새로운 가공기술들이 시도되었으나 제품간의 치수편차를 줄이는데 한계가 있었고 고가라는 단점이 있었다.

이온 교환 방법을 이용한 마이크로렌즈 제조방법은, 이온 교환 방법을 사용함으로써, 다중 성분 유리기판의 복수의 장소에서 굴절률이 상승한다. 따라서, 복수의 렌즈는 고굴절률 장소에 형성된다. 그러나 이 방법에 있어서는, 렌즈들 간의 간격에 비해 렌즈의 직경이 클 수 없다. 따라서, 큰 개구수(NA:Numerical Aperture)를 갖는 렌즈를 설계하는 것이 어렵다. 또한, 그러한 마이크로렌즈 어레이를 생성하기 위해서는 이온 확산 장치와 같은 대규모의 제조장치가 요구되므로, 넓은 영역의 마이크로렌즈 어레이를 제조하기가 곤란하다. 또한, 몰드를 이용하는 몰딩 방법과는 대조적으로 이온 교환 공정이 각각의 유리에 요구된다.

그러므로, 제조장치에서 제조 조건의 관리가 조심스럽게 실행되지 않는 한, 초점 길이와 같은 렌즈의 품질 변화가 로트(lots)들간에 증가하기 쉽다. 이뿐만 아니라 이 방법을 이용하는데에는 몰드를 이용하는 방법에 비해서 단가가 상대적으로 높다.

또한 이온교환방법에 있어서는, 유리 기판 상에서 이온 교환을 위한 알카라인 이온이 유리 기판에 필요 불가결한 것이므로, 기판 재료는 알칼리 유리에 한정된다. 그러나, 알칼리 유리는, 알칼리 이온이 없어야만 하는 반도체-기반 소자에는 적절하지 않다.

더구나 유리기판의 열팽창계수는 광조사 또는 수신소자기판의 열팽창계수와 상당히 차이가 생기므로, 소자들의 집적밀도가 증가함에 따라 열팽창계수들간의 불일치에 기인해 마이크로렌즈 어레이와 소자들간의 미스얼라인먼트가 발생하기 쉽다.

또한, 압축 스트레인은 이온교환방법에 의해 처리되는 유리표면상에 내재하고 있다. 따라서, 유리는 비틀림 경향이 있으므로, 마이크로렌즈 어레이의 크기가 증가함에 따라 유리와 광 조사 또는 수신 소자간의 결합 또는 본딩이 곤란해진다.

레지스트 리플로우(또는 용해) 방법을 이용한 다른 종래의 마이크로렌즈 어레이 제조방법에 있어서는, 도 1과 같이 포토리소그래피(Photo Lithography)기술을 이용하여(S10), 기판상에 형성된 수지를 원통형으로 패턴하고(S11), 수지를 가열 및 리플로우 하여(S12), 마이크로렌즈 어레이를 제조한다(S13).

레지스트 리플로우 방법을 이용하여 다앙한 형태의 렌즈를 낮은 단가로 제조할 수 있다. 또한, 이 방법은 이온교환방법과는 대조적으로 열팽창계수, 비틀림 등의 문제를 갖고 있지 않다. 그러나, 레지스트 리플로우 방법에 있어서, 마이크로렌즈의 프로파일은 수지의 두께, 기판과 수지간의 습식조건 및 열 온도에 크게 의존한다. 그러므로, 단일 기판 표면당 재생율이 높은 반면 로트들간의 편차가 발생하기 쉽다.

또한, 인접한 렌즈들이 리플로우에 기인해서 서로 접촉하게 되는 경우에는 표면 장력 때문에 원하는 렌즈 프로파일을 얻을 수 없다. 따라서, 인접한 렌즈들을 접촉시키고 렌즈들 간의 비사용 영역을 감소시키는 방식으로는 높은 집광율을 성취하기가 어렵다. 또한, 20 또는 30 마이크론 내지 200 또는 300 마이크론의 렌즈 직경이 바람직한 경우, 피착된 수지의 두께는 리플로우에 의해 구형 표면을 얻을 수 있을 만큼 충분히 커야 한다. 그러나, 굴절률 및 광 투과율 같은 원하는 광 특성을 갖는 수지 재료를 균일하고 두껍게 피착하는 것이 어렵다. 따라서, 큰 곡률 및 상대적으로 큰 직경을 갖는 마이크로렌즈를 생성하는 것이 어렵다.

다른 종래의 방법에서는 마이크로렌즈의 원(original)플레이트가 제조되고, 이 원 플레이트에 렌즈 재료가 파착된 다음, 피착된 렌즈 재료가 분리된다. 원 플레이트 또는 몰드는 전자 빔 리소그래피 방법, 또는 습식에칭방법에 의해 제조된다. 그러나, 이온 빔 리소그래피 방법에 있어서는 이온 빔 리소그래피 장치가 고가이므로 큰 투자가 필요하다. 또한, 전자빔 충격 영역이 제한되므로 큰 영역을 갖는 몰드를 제조하기는 곤란하다.

또한, 습식에칭방법에서, 화학반응을 이용한 등방성 에칭이 원칙적으로 사용되므로, 금속 플레이트의 조성 및 결정구조가 아주 조금만 변해도 플레이트를 세정하지 않으면 에칭이 계속될 것이다.

미세 마이크로렌즈를 형성하는 경우, 원하는 프로파일이 얻어지는 시간으로부터 마이크로렌즈가 얻어지는 시간까지의 기간 동안 지속되는 에칭에 기인해서 원하는 것으로부터 일탈된 형태가 나타날 수 있다. 그러나, 종래의 렌즈 제조 기술로 수백 마이크론 이하의 직경 및 최상의 구형부분에서 200㎛미만의 곡률 반경을 갖는 마이크로렌즈를 정확하게 형성하는 것은 어렵다. 또한 대부분의 종래 기술들은 그 렌즈가 놓일 기판에 부착된 채로 제조가 이루어지므로 사용에 제한이 크다.

따라서 본 발명의 목적은 마이크로렌즈 제작에 있어서 그 제조방법의 적용에 융통성을 주면서도 마이크로렌즈의 제작을 용이하게 하고 또한 마이크로렌즈 제작이 안정적으로 될 수 있는 마이크로렌즈 제조에 적합한 제조방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 몰드와 마이크로렌즈의 사이즈를 감소시키는 것이 용이하고, 상대적으로 적은 비용과 높은 제어율로 용이하게 제조할 수 있으며, 원하는 곡률 또는 큰 개구수를 갖는 마이크로렌즈용 몰드 또는 마이크로렌즈 어레이를 제공하는데 있다.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 마이크로렌즈 제조방법은,실리콘 기판위에 마이크로 단위의 미세구조를 지닌 예비 플라스틱 제품을 예비성형 하는 단계;상기 성형공정으로부터 플라스틱 제품의 예비성형이 완료되면 그 제품을 리플로우 방식에 의하여 곡률을 가지는 렌즈형상을 지닌 마스터로 제조하는 단계;상기 리플로우 공정을 통해 렌즈 형상을 지닌 마스터의 제조가 완료되면 그 윗면에 전기주조를 위한 전도체형성용 시드메탈층을 코팅하고 전기주조를 실행하는 단계;상기 전기주조를 통하여 렌즈의 반대 형상을 지닌 몰드인서트를 제작하는 단계;상기 몰드인서트를 기초로 마이크로렌즈를 성형하는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 한다.즉, 마이크로렌즈 제조에 있어서 사출성형이나 압축성형 등의 몰딩공정이 준비된 몰드인서트의 형태와 동일한 렌즈의 양산이 가능하게 함으로써 로트간의 편차를 줄일 수 있고 저가로 생산이 가능하게 된다. 또한 이러한 몰딩공정을 위하여 몰드인서트를 제조함에 있어서 포토리소그래피 공정을 통하여 렌즈의 크기를 기계가공으로는 불가능한 수 마이크로 크기까지 제조가 가능하게 한다. 포토리소그래피공정을 통해 제작된 렌즈는 로트간의 편차가 크게 되어 양산에는 부적합하지만 반복수행을 통해 가장 우수한 하나의 마스터 렌즈를 제조하고 이 렌즈면을 전기주조공정을 통해 이 렌즈면과 동일한 음각면을 지닌 몰드인서트를 제조하면 사출성형, 압축성형등의 몰딩공정을 통해 초기의 마스터렌즈와 동일한 특성의 렌즈를 대량생산하는 것이 가능하게 된다.

도 1은 마이크로렌즈 성형의 레지스트 리플로우법

도 2는 본 발명에 따른 마이크로렌즈의 성형 순서도

도 3은 본 발명에 따른 마이크로렌즈의 제조를 위한 몰드인서트 구조물의 성형 과정을 도식적으로 나타낸 도면

도 4는 본 발명에 따른 마이크로렌즈의 압축 성형의 예를 보인 순서도

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*

1:실리콘 기판 2:수지(폴리머)

2a:리플로우된 마스터렌즈 3:시드메탈층

4:전기주조되는금형 4a:전기주조된금형

5:몰딩된 마이크로렌즈

이하, 본 발명을 도면을 참고로 설명하면 다음과 같다.

도 2는 본 발명에 따른 마이크로렌즈의 성형 블록도이고, 도 3은 본 발명에 따른 몰드인서트 구조물의 성형 과정을 도식적으로 나타낸 것이며, 도 4는 본 발명에 따른 마이크로렌즈의 성형방법을 나타낸 것이다.

본 발명에서는 플라스틱 등의 재료가 유리전이 온도이상으로 표면장력에 의해 곡면의 표면을 가지려 하는 성질을 이용하여 임의의 곡률을 가지는 렌즈형상의 마스터를 제작하고 이 마스터 면위에 전기주조를 통하여 렌즈면을 가지는 금형을 제조한 뒤 마이크로렌즈를 사출성형 및 압축성형을 통하여 대량생산하는 것을 목표로 한다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 마이크로렌즈의 전체 제조 흐름도이다.

우선 실리콘 기판위에 마이크로 단위의 미세구조를 지닌 예비 플라스틱 제품을 예비성형한다(S20).상기 성형공정으로부터 플라스틱 제품의 예비성형이 완료되면 그 제품을 리플로우 방식에 의하여 렌즈형상을 지닌 마스터를 제조한다(S21).

상기 리플로우 공정을 통해 렌즈 형상을 지닌 마스터의 제조가 완료되면 그 윗면에 전기주조를 위한 전도체 형성용 시드메탈층을 코팅하고 전기주조를 실행한다(S22).

상기 전기주조를 통하여 렌즈의 반대 형상을 지닌 몰드인서트를 제작하여 마이크로렌즈를 몰딩한다(S23).

도 3은, 도 2의 스탭(S20~S23)에 따라 만들어지는 구조물을 도식적으로 나타낸 것이다.

S20의 예비성형단계에서 실리콘 기판(1)의 윗면에 폴리머(2)가 돌출된다.S21의 리플로우공정을 통해 실리콘 기판(1)의 윗면은 리플로우되어 곡률을 가지는 마스터렌즈(2a)가 형성된다.

S22의 전기주조를 통해 실리콘 기판(1)의 마스터렌즈(2a) 상부에서 시드메탈층(3)을 코팅하고 금형인서트(4)가 전기주조된다.

S23의 미세렌즈몰딩에서는 전기주조된 금형인서트(4a)를 통해 마이크로렌즈(5)가 형성된다.

도 2와 같은 마이크로렌즈를 성형하기 위한 금형과 도 3과 같이 마이크로렌즈 성형을 위해 준비된 금형인서트를 통해 마이크로렌즈를 성형하는 방법은 다음과 같다.

우선 렌즈형상에 가까운 볼록한 형상의 포토레지스트(2)가 있는 실리콘 기판(1)으로 이루어진 기판을 준비한다. 폴리머재료는 가열시 유동성을 가지는 재료를 사용하는데 열가소성수지나 포토레지스트(Photo-resist)가 대표적이다. 가공방식은 전통적인 CNC 가공이라든지 포토레지스트를 기판 위에 스핀 코팅한 후에 포토작업을 통해 제작할 수 있다.

이렇게 준비된 예비마스터를 폴리머의 유리전이 온도이상으로 가열해주면 폴리머요철부는 점성을 지닌 상태가 되며 이 경우 표면에서는 표면장력이 존재하게 되어 요철부 전체가 하나의 곡률반경을 지니는 곡면의 형태가 된다.가열방식은 레이저를 통해 국부적으로 요철부에 열을 전달하는 방식과 오븐(oven)에서 가열하는 방식, 핫플레이트(hot plate)위에서 가열하는 방식 등이 있다.

현재의 기술은 이렇게 제작된 렌즈를 그대로 사용하는 방식이다. 이 방식은 일일이 포토 작업을 통해서 제작해야하므로 대량생산이 어렵고 각 공정에서의 미묘한 공정 조건차이에 따라 로트간의 치수가 다른 문제점이 발생하고, 초기의 마이크로 폴리머 패턴을 제작가능한 재료만을 사용하기 때문에 재료의 제한 등의 문제가 존재한다.본 발명은 이렇게 제작된 렌즈를 직접사용하지 않고 마스터로 사용하고, 이렇게 만들어진 렌즈형의 마스터 위에 시드메탈층(3)을 씌우고 전기주조를 통해서 렌즈형상으로 파여지게 된 금형인서트(4a)를 제작하여 마이크로렌즈의 몰딩을 하게 된다. 즉 하나의 잘 만들어진 렌즈 마스터(금형인서트)만 만들면 이를 통해 대량생산이 가능한 몰드인서트를 제작하여 재료의 제약없이 성형할 수 있게 된다.

본 발명에 따른 마이크로렌즈의 몰딩가공방법의 예로 압축성형 금형을 사용하는 미세압축성형방식을 도4에 나타내었다. 이는 일반적인 사출성형방법과 유사하여 사출성형 공정에 쉽게 적용할 수 있다.

한편, 금형인서트(4a)가 준비되면 압축성형기에 장착하고(S30), 압축성형기에 장착된 금형의 캐비티내에 마이크로렌즈가 되는 기초재료를 넣는다(S31). 그 뒤 압축성형용 금형 상하판을 닫고 예압을 준다(S32). 여기서의 예압은 성형을 하기 위한 압력이 아니라 재료를 가공온도까지 빨리 도달하도록 하기 위하여 가열되는 금형과 접하게 하기 위함이다. 금형은 상하판을 균일하게 전기저항발열체를 설치하여 가열하게 되며 정해진 온도(플라스틱이나 바인더의 유리전이온도 이상 100℃~300℃)까지 상승하면 상하판에 압력을 가해 압축성형하게 된다(S33). 금형인서트의 미세구조체의 기계적 물성치(압축강도,파괴강도,전단강도)에 따라 압축압력 사용의 제약을 받지만 일반적으로 30MPa 이하의 압축응력으로도 충분한 성형성을 가진다. 압축압력을 가한 뒤 금형의 가열은 끝나게 되고(S34), 냉각 및 보압 단계로 들어간다(S35). 냉각은 몰드내에 설치된 냉각라인을 통해 냉각을 하며 이 과정중에 제품의 수축에 따른 치수변화를 막기 위하여 압력을 풀지 않고 유지하여 보압을 주게 된다. 일정 온도 이하로 금형이 냉각되었을 때 압력을 서서히 낮춘다(S36). 이후 더욱 냉각이 진행되어(S37), 금형벽면과의 제품(마이크로렌즈)의 분리를 유도하면서 취출한다(S38).

사용되는 미세 압축성형 금형은 마이크로 크기 이하의 구조체를 지닌 제품을 성형하는 방식으로 재료를 금형과 접한 상태에서 가열하여 재료가 유리전이온도 이상에서 유동성을 지니게 하여 금형에 압력을 가해 재료가 미세구조를 지니게 하는 방식이다. 여기서 금형은 금형 및 금형인서트를 포함하는 넓은 의미로서 사용되며, 그 재질은 금속재료외에 실리콘 등과 같은 재료도 가능하다.

본 발명에서 제시하는 금형은 미세 성형품의 성형에 적합하도록 설계된 금형으로 수mm이하의 제품의 후가공이 금형 내에서 이루어진다. 미세 성형에 쓰이는 미세몰드인서트는 LIGA나 건식 또는 습식 식각에 의한 실리콘 마이크로머시닝(Silicon micro-machining)에 의해 만들어진 미세구조를 전기도금(전기주조, electroforming,electroplating)을 통해 복제하여 사용하거나, 건식, 습식 식각에 의해 제작된 미세구조를 지닌 실리콘기판을 사용하는 것이다. 미세부품의 대량생산에 적합한 미세 압축성형은 충격하중을 적고 사출성형에서보다 저압으로 성형이 가능하기 때문에 충분히 실리콘 기판을 몰드인서트로 사용할 수 있다. 또한 실리콘 기판위에 금속 구조물을 증착하여 사용할 수도 있다. 사용가능한 성형재료는 플라스틱,메탈,세라믹 등의 분말과 필요에 따라서는 바인더(binder)의 사용까지 가능하다.

마이크로렌즈의 압축성형 공정에 의하면 기존의 미세부품의 생산공정에 비해 간단한 공정이며 대량생산이 가능한 장점을 가진다.

이러한 방법을 통해 반구형 렌즈, 플라이아이 렌즈 및 수정체 렌즈와 같은 마이크로렌즈, 광픽업렌즈 등의 제조가 가능하다.

제품간의 치수편차를 줄이고 저가 제조가 가능하다. 렌즈들 간의 간격에 비해 렌즈의 직경을 크게 하여 큰 개구수(NA:Numerical Aperture)를 갖는 렌즈의 설계도 가능하다. 대규모의 제조장치 없이도 넓은 영역의 마이크로렌즈 어레이를 제조할 수 있다.

초점 길이와 같은 렌즈의 품질 변화가 적고 이온교환방법이나 레지스트 리플로우 방법에 비해 상대적으로 제조 단가가 낮다.

이와 같은 본 발명에 의하면, 마이크로렌즈를 몰딩해서 재생할 수 있어 마이크로렌즈를 낮은 단가로 제조할 수 있으며, 이온교환방법과는 대조적으로 열팽창계수 차이에 따른 얼라인먼트 에러 및 비틀림의 문제를 해결할 수 있다.

또한 수백 마이크론 이하의 직경 및 최상의 구형부분에서 200㎛이하 또는 그 이상의 곡률반경을 갖는 마이크로렌즈를 정확하게 성형할 수 있으며 그 신뢰성도 증대된다.

또한 몰딩을 통하여 낱개단위의 제조가 가능하여 여러소자에 응용 폭이 넓다.

Claims (3)

1. 마이크로렌즈의 제조 방법에 있어서,

   실리콘 기판위에 마이크로 단위의 미세구조를 지닌 예비 플라스틱 제품을 예비성형 하는 단계;

   상기 성형공정으로부터 플라스틱 제품의 예비성형이 완료되면 그 제품을 리플로우 방식에 의하여 곡률을 가지는 렌즈형상을 지닌 마스터로 제조하는 단계;

   상기 리플로우 공정을 통해 렌즈 형상을 지닌 마스터의 제조가 완료되면 그 윗면에 전기주조를 위한 전도체형성용 시드메탈층을 코팅하고 전기주조를 실행하는 단계;

   상기 전기주조를 통하여 렌즈의 반대 형상을 지닌 몰드인서트를 제작하는 단계;

   상기 몰드인서트를 기초로 마이크로렌즈를 성형하는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 마이크로렌즈 제조방법.
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