KR101035160B1

KR101035160B1 - 오목 마이크로 렌즈 어레이 제조방법

Info

Publication number: KR101035160B1
Application number: KR1020090087639A
Authority: KR
Inventors: 이한섭; 박병국; 최기운; 박기호; 이준호
Original assignee: 인하대학교 산학협력단
Priority date: 2009-09-16
Filing date: 2009-09-16
Publication date: 2011-05-17
Also published as: KR20110029810A

Abstract

본 발명은, 제조하고자 하는 마이크로 렌즈 어레이의 미세패턴에 대응하는 다수의 성형홈이 일면에 형성된 마스터판을, 온도 및 진공도의 조절이 가능한 진공챔버 내부에 준비하는 마스터판 준비단계; 마이크로 렌즈 어레이의 원재료가 되는 기판을 진공챔버 내부에 준비하는 기판 준비단계; 마스터판과 기판을 밀착시키는 밀착단계; 밀착된 마스터판과 기판을 가열하여 서로 융착시키는 융착단계; 진공챔버 내부를 진공상태로 형성하는 진공 형성단계; 압력차에 의해 기판의 일면에 마이크로 단위의 오목렌즈 어레이가 형성되는 렌즈 형성단계; 진공챔버를 개방하여 진공을 해제시키는 진공 해제단계; 및 마스터판과 기판을 냉각시킨 후, 기판을 분리시키는 기판 분리단계를 포함하는 오목 마이크로 렌즈 어레이 제조방법을 제공한다.

따라서 본 발명은 진공에 의한 차압을 이용하여 오목렌즈의 형상을 가공함으로써 오목렌즈 가공을 위한 별도의 정교한 금형 가공이 필요 없기 때문에 생산효율이 향상된다는 장점을 가진다.

마이크로, 렌즈, 어레이, 진공, 오목, 제조

Description

오목 마이크로 렌즈 어레이 제조방법{Method for manufacturing negative micro-lens array}

본 발명은 마이크로 렌즈 어레이의 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 진공챔버 내의 진공조건을 조절하여 미세한 마이크로 단위의 오목렌즈 어레이를 형성할 수 있는 오목 마이크로 렌즈 어레이의 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로 디지털 카메라의 CCD(Charge-Coupled Device), 컴퓨터용 LCD(Liquid Crystal Display) 모니터와 같은 디스플레이 장치나 광통신용 부품 또는 발광다이오드 소자 등에는 빛의 수렴, 확산, 반사 등을 제어하기 위해 렌즈, 특히 마이크로 렌즈를 탑재하게 되는데, 이러한 렌즈는 각 용도에 따라 원하는 광학적 성질을 가지도록 다양한 형상으로 구현된다.

종래에는 이러한 렌즈를 구현하기 위하여, 금형을 이용하는 방법을 사용하였다. 그러나 이러한 금형을 이용하는 방법은 금형의 정교한 가공이 필요할 뿐만 아니라, 렌즈의 형상이 변화하는 경우마다 금형을 변경하여야 한다는 문제점을 가진다.

또한 종래의 금형을 이용하는 방법에 의하여 제조된 렌즈는 표면이 매끄럽지 못한 제품이 발생하고, 또한 제조 공정 중에 자외선(UV) 빛을 이용하여 별도로 경화하는 공정이 더 필요하다는 문제가 있다.

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로서, 제품의 표면이 매끄러우면서도 금형의 정교한 가공이 필요하지 않아 제조가 용이하며, 또한 마이크로 단위의 다양한 형상을 갖는 오목렌즈 어레이를 용이하게 제조할 수 있는 오목 마이크로 렌즈 어레이 제조방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따르면, 제조하고자 하는 마이크로 렌즈 어레이의 미세패턴에 대응하는 다수의 성형홈이 일면에 형성된 마스터판을, 온도 및 진공도의 조절이 가능한 진공챔버 내부에 준비하는 마스터판 준비단계; 마이크로 렌즈 어레이의 원재료가 되는 기판을 상기 진공챔버 내부에 준비하는 기판 준비단계; 상기 마스터판과 기판을 밀착시키는 밀착단계; 밀착된 상기 마스터판과 기판을 가열하여 서로 융착시키는 융착단계; 상기 진공챔버 내부를 진공상태로 형성하는 진공 형성단계; 압력차에 의해 상기 기판의 일면에 마이크로 단위의 오목렌즈 어레이가 형성되는 렌즈 형성단계; 상기 진공챔버를 개방하여 진공을 해제시키는 진공 해제단계; 및 상기 마스터판과 기판을 냉각시킨 후, 상기 기판을 분리시키는 기판 분리단계를 포함하는 오목 마이크로 렌즈 어레이 제조방법이 제공된다.

여기서 상기 기판은 폴리머 재질의 고분자 필름이며, 상기 융착단계에서 상 기 기판은, 상기 마스터판을 매개로 하여 100℃~300℃로 가열될 수 있다.

또한 상기 진공 형성단계는, 상기 진공챔버 내의 진공도를 조절하여 상기 오목렌즈의 형상을 조절할 수 있다. 이를 위해 바람직하게는, 상기 오목렌즈의 곡률이 기준치보다 큰 경우에는 상기 진공챔버 진공도를 기준치보다 높이고, 상기 오목렌즈의 곡률이 작은 경우에는 상기 진공챔버의 진공도를 기준치보다 낮게 제어할 수 있다.

더욱이 상기 렌즈 형성단계는, 렌즈형성시간을 조절하여 상기 오목렌즈의 형상을 조절할 수 있다. 이를 위해 바람직하게는, 상기 오복렌즈의 곡률이 기준치보다 큰 경우에는 기준치에 대응하는 렌즈형성시간보다 상기 렌즈형성시간을 길게 설정하고, 상기 오목렌즈의 곡률이 기준치보다 작은 경우에는 기준치에 대응하는 렌즈형성시간보다 상기 렌즈형성시간을 짧게 설정할 수 있다.

상술한 본 발명에 따르면, 진공에 의한 차압을 이용하여 마이크로 단위의 오목렌즈 어레이를 가공함으로써 오목렌즈 가공을 위한 별도의 정교한 금형 가공이 필요 없어 생산효율이 향상된다는 장점을 가진다.

또한 본 발명은 진공도를 조절하여 오목렌즈의 형상을 변경할 수 있으므로, 다양한 형상의 오목 마이크로 렌즈 어레이를 보다 용이하게 가공할 수 있다는 장점을 가진다.

그리고 본 발명은 금형 표면에 의하여 렌즈 표면을 가공하던 방법을 탈피함으로써, 렌즈표면을 보다 매끄럽게 형성할 수 있다는 장점을 가진다.

이하, 첨부된 도면을 참조로 본 발명의 실시예에 따른 오목 마이크로 렌즈 어레이 제조방법에 대해 상세하게 살펴본다.

다만, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

도 1a 및 도 1b는 본 발명의 실시예에 따른 오목 마이크로 렌즈 어레이를 제조하기 위한 제조장치의 일례로서, 기판의 하강 전후를 각각 나타낸 구성도이다.

도면을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 오목 마이크로 렌즈 어레이를 제조하기 위한 렌즈 제조장치(100)는, 진공챔버(110), 진공부(120), 승하강부(130), 상부프레임(140), 하부프레임(150), 마스터판(170)을 포함할 수 있다.

상기 진공챔버(110)는 내부에 진공공간을 형성할 수 있도록 선택적으로 밀폐될 수 있다. 그리고 상기 진공챔버(110)의 일 측에는 진공챔버(110)의 내부를 선택적으로 진공상태로 형성하기 위한 진공부(120)가 구비될 수 있다. 이러한 진공부(120)에는 진공압을 형성하기 위한 진공펌프(미도시)나 공기와 같은 유체의 이동을 위한 유체라인(미도시) 등이 구비될 수 있으나, 여기에서는 자세한 설명을 생략하도록 한다.

상기 상부프레임(140)은 상기 진공챔버(110) 내부에 위치하며, 가이드봉(131)을 따라 선택적으로 승강 또는 하강하도록 설치될 수 있다.

상기 상부프레임(140) 상부에는 상기 상부프레임(140)을 승강 또는 하강시키는 승하강부(130)가 장착될 수 있다. 이를 위해 상기 승하강부(130)는 승하강실린더를 구비하며, 이러한 승하강실린더의 상단부는 진공챔버(110)의 천정부에 고정되고, 상기 승하강실린더의 로드단부는 상기 상부프레임(140)에 장착될 수 있다. 이에 따라 상기 승하강실린더의 로드단부가 전진 또는 후진함에 따라 상기 상부프레임(140)은 가이드봉(131)을 따라 승강 또는 하강된다.

상기 상부프레임(140)의 하측면에는 렌즈의 원재료인 기판(160)이 장착된다. 상기 기판(160)으로는 폴리머재질의 고분자 필름을 사용할 수 있다. 여기서 상기 기판(160)의 재질은 오목렌즈의 종류에 따라 선택되고, 일반적으로 폴리카보네이트(Polycarbonate;PC), 폴리메칠 메타크릴레이트(Polymethyl Methacrylate;PMMA), 폴리스틸렌(Polystyrene;PS) 등의 재질이 사용될 수 있다.

상기 하부프레임(150)은 상부프레임(140)의 하측에 이격되어 상기 진공챔버(110)의 바닥면에 설치된다. 상기 하부프레임(150)의 상부에는 마스터판(170)이 안착되도록 설치된다.

상기 마스터판(170)의 상면에는 다수개의 성형홈(171)이 형성된다. 상기 성형홈(171)은 원통형상의 홈이며, 상기 성형홈(171)의 깊이는 실제 제작될 오목렌즈보다 크게 형성된다. 다만 본 실시예에서는 성형홈(171)을 원통형상의 홈으로 한정 하였으나, 이는 예시적인 것으로서 제작될 오목렌즈의 용도에 따라 다른 형상의 홈도 사용 가능하다고 할 것이다. 여기서 상기 성형홈(171)의 개수는 1회당 제작되는 렌즈의 개수에 따라 결정된다.

상기 마스터판(170)의 하측 하부프레임(150)에는 상기 마스터판을 가열하는 가열부(141)가 장착될 수 있다. 이러한 가열부(141)는 열선히터를 포함하며, 먼저 상기 마스터판(170)을 가열한 후, 가열된 상기 마스터판(170)이 상측의 기판(160)가열한다.

상기 진공챔버(110)의 외측에는 제어부(180)가 설치된다. 이러한 제어부(180)는 사용자가 입력한 오목렌즈의 형상에 따라 상기 진공부(120) 및 승하강실린더를 제어한다.

이하, 전술한 바와 같은 렌즈 제조장치(100)에 의해 제조되는 오목 마이크로 렌즈 어레이 제조방법에 대해서 첨부도면을 참조하여 설명하도록 한다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 오목 마이크로 렌즈 어레이 제조방법의 흐름도이며, 도 3a 내지 도 3d는 도 2에 나타낸 오목 마이크로 렌즈 어레이 제조방법의 기판과 마스터판의 제조 과정을 순차적으로 각각 도시한 공정도이다.

도 2 및 도 3a에 도시된 바와 같이, 먼저 제조하고자 하는 마이크로 렌즈 어레이의 미세패턴에 대응하는 다수의 성형홈(171)이 일면에 형성된 마스터판(170)을, 온도 및 진공도의 조절이 가능한 진공챔버(110) 내부에 준비한다(S10).

또한, 마이크로 렌즈 어레이의 원재료가 되는 기판(160)을 상기 진공챔버(110) 내부에 준비한다(S20).

상기 마스터판(170)과 기판(160)이 준비되면, 도 1a와 같이 상기 진공챔버(110) 내에 설치된 상부프레임(140)의 하측면에 기판(160)을 장착하고, 상기 하부프레임(150) 상면에는 상기 마스터판(170)을 설치한다.

다음으로, 도 2 및 도 3b에 도시된 바와 같이 상기 마스터판(170)과 기판(160)을 밀착시키는 밀착시킨다(S30). 이를 위해, 도 1b와 같이 상기 승하강부(130)는 상부프레임(140)을 하부프레임(150) 측으로 하강시켜 상기 기판(160)을 마스터판(170)의 상면에 안착시킨 후, 서로 밀착되도록 한다.

상기 기판(160)과 마스터판(170)이 밀착되면, 상기 가열부(141)는 마스터판(170)을 가열하고, 가열된 마스터판(170)은 상측의 기판(160)을 가열하여 서로 융착되도록 한다(S40). 여기서 상기 마스터판(170)을 매개로 가열되는 상기 기판(160)은 100 ~ 300℃로 가열되는 것이 바람직하다. 상기 기판(160)이 100℃이하로 가열되는 경우에는 렌즈성형단계에 있어서 기판의 변형이 일어나지 아니하여 오목렌즈 성형이 원활히 되지 아니하다는 문제점이 발생하고, 상기 기판(160)이 300℃이상으로 가열하는 경우에는 상기 기판(160)의 변형이 지나치게 많이 발생하여 오목렌즈의 성형이 정확하게 되지 않는다는 문제점이 발생한다.

그 후, 상기 진공챔버(110)를 밀폐시키고, 상기 진공부(120)를 이용하여 상기 진공챔버(110)의 내부가 진공이 되도록 한다(S50). 이 경우 성형하고자 하는 오목렌즈의 형상에 따라 상기 진공챔버(110)의 진공압력을 조절한다. 즉, 제어부(180)는 사용자가 기준형 오목렌즈를 선택하는 경우, 진공부(120)를 제어하여 진공챔버(110)의 진공도를 기 설정된 기준치로 형성하도록 하고, 또한 진공 형성 후(S50), 상기 승하강부(130)를 이용하여 기 설정된 시간 후에 상부프레임(140)을 상승시킨다.

상기 진공챔버(110)의 내부가 진공이 되면, 상기 진공챔버(110)는 진공으로 형성됨에 반하여, 상기 성형홈(171)의 내부는 대기압으로 유지되어 압력차가 발생하게 되며, 이러한 압력차에 의하여 상기 기판(160)은 상기 성형홈(171)의 반대방향으로 오목하게 성형되어 오목렌즈(161)의 형상을 형성하게 된다. 이에 따라, 도 3c에 도시된 바와 같이, 압력차에 의해 상기 기판(160)의 일면에 마이크로 단위의 오목렌즈(161) 어레이가 형성된다(S60). 이 경우, 상기 오목렌즈(161)의 형상은 상기한 진공을 형성할 때부터 상기 기판(160) 및 마스터판(170)이 분리되는 때까지의 시간(렌즈형성시간)에 따라 달라지게 되므로, 렌즈의 형태에 따라 상기 렌즈형성시간을 조절한다.

상기 오목렌즈(161)의 형상이 완성되면, 상기 진공챔버(110)를 개방하여 진공을 해제시킨다(S70).

끝으로 상기 마스터판(170)과 기판(160)을 냉각시킨 후, 도 3d에 도시된 바와 같이 상기 기판(160)과 마스터판(170)을 분리하여(S70), 마이크로 단위의 오목렌즈 어레이를 완성시킨다. 참조를 위하여, 도 4에는 상기한 바와 같은 제조방법에 의해 제조된 오목 마이크로 렌즈 어레이의 사시도가 도시되어 있다.

한편, 사용자가 기준형 렌즈 보다 곡률이 더 큰 오목렌즈(161)를 선택하는 경우, 상기 제어부(180)는 상기 진공부(120)를 제어하여 진공챔버(110)의 진공도를 높여주고, 또한 진공 형성 후 상기 승하강부(130)가 상부프레임(140)을 상승시키는 시기를 늦추어 렌즈성형시간이 연장되도록 한다. 반대로, 사용자가 기준형 렌즈보다 곡률이 작은 오목렌즈(161)를 선택하는 경우에, 상기 제어부(180)는 상기 진공부(120)를 제어하여 진공챔버(110)의 진공도를 낮추어주고, 진공 형성 후 승하강 부(130)가 상부프레임(140)을 상승시키는 시기를 당겨 렌즈성형시간을 단축시킨다.

이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 오목 마이크로 렌즈 어레이 제조방법에 의하면, 진공에 의한 차압을 이용하여 마이크로 단위의 오목렌즈 어레이를 가공함으로써 오목렌즈 가공을 위한 별도의 정교한 금형 가공이 필요 없게 된다. 또한, 진공도를 조절하여 오목렌즈의 형상을 변경할 수 있으므로, 다양한 형상의 오목 마이크로 렌즈 어레이를 보다 용이하게 가공할 수 있다. 더욱이, 금형 표면에 의하여 렌즈 표면을 가공하던 방법을 탈피함으로써, 렌즈표면을 보다 매끄럽게 형성할 수 있다는 장점을 가질 수 있다.

이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술 사상과 아래에 기재될 특허 청구범위의 균등 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.

도 1a 및 도 1b는 본 발명의 실시예에 따른 오목 마이크로 렌즈 어레이를 제조하기 위한 제조장치의 일례로서, 기판의 하강 전후를 각각 나타낸 구성도,

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 오목 마이크로 렌즈 어레이 제조방법의 흐름도,

도 3a 내지 도 3d는 도 2에 나타낸 오목 마이크로 렌즈 어레이 제조방법의 기판과 마스터판의 제조 과정을 순차적으로 각각 도시한 공정도,

도 4는 도 2에 나타낸 오목 마이크로 렌즈 어레이 제조방법에 의하여 제조된 오목 마이크로 렌즈 어레이의 사시도이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 간단한 설명>

100 : 렌즈제조장치 110 : 진공챔버

120 : 진공부 130 : 승하강부

140 : 상부프레임 141 : 가열부

150 : 하부프레임 160 : 기판

161 : 렌즈 170 : 마스터판

171 : 성형홈 180 : 제어부

Claims

제조하고자 하는 마이크로 렌즈 어레이의 미세패턴에 대응하는 다수의 성형홈(171)이 일면에 형성된 마스터판(170)을, 온도 및 진공도의 조절이 가능한 진공챔버(110) 내부에 준비하는 마스터판 준비단계(S10);

마이크로 렌즈 어레이의 원재료가 되는 기판(160)을 상기 진공챔버(110) 내부에 준비하는 기판 준비단계(S20);

상기 마스터판(170)과 기판(160)을 밀착시키는 밀착단계(S30);

밀착된 상기 마스터판(170)과 기판(160)을 가열하여 서로 융착시키는 융착단계(S40);

상기 진공챔버(110) 내부를 진공상태로 형성하는 진공 형성단계(S50);

압력차에 의해 상기 기판(160)의 일면에 마이크로 단위의 오목렌즈(161) 어레이가 형성되는 렌즈 형성단계(S60);

상기 진공챔버(110)를 개방하여 진공을 해제시키는 진공 해제단계(S70); 및

상기 마스터판(170)과 기판(160)을 냉각시킨 후, 상기 기판(160)을 분리시키는 기판 분리단계(S80)를 포함하는 오목 마이크로 렌즈 어레이 제조방법.
청구항 1에 있어서,

상기 기판(160)은 폴리머 재질의 고분자 필름이며,

상기 융착단계(S40)에서 상기 기판(160)은, 상기 마스터판(170)을 매개로 하 여 100℃~300℃로 가열되는 오목 마이크로 렌즈 어레이 제조방법.
청구항 1에 있어서,

상기 진공 형성단계(S50)는, 상기 진공챔버(110) 내의 진공도를 조절하여 상기 오목렌즈(161)의 형상을 조절하는 오목 마이크로 렌즈 어레이 제조방법.
청구항 3에 있어서,

상기 오목렌즈(161)의 곡률이 기준치보다 큰 경우에는 상기 진공챔버(110)의 진공도를 기준치보다 높이고, 상기 오목렌즈(161)의 곡률이 작은 경우에는 상기 진공챔버(110)의 진공도를 기준치보다 낮게 제어하는 오목 마이크로 렌즈 어레이 제조방법.
청구항 1에 있어서,

상기 렌즈 형성단계(S60)는, 렌즈형성시간을 조절하여 상기 오목렌즈(161)의 형상을 조절하는 오목 마이크로 렌즈 어레이 제조방법.
청구항 5에 있어서,

상기 오목렌즈(161)의 곡률이 기준치보다 큰 경우에는 기준치에 대응하는 렌즈형성시간보다 상기 렌즈형성시간을 길게 설정하고, 상기 오목렌즈(161)의 곡률이 기준치보다 작은 경우에는 기준치에 대응하는 렌즈형성시간보다 상기 렌즈형성시간 을 짧게 설정하는 오목 마이크로 렌즈 어레이 제조방법.