KR101999514B1 - 노광용 조명장치 및 이를 이용한 노광장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 집광효율이 좋고 광원의 불량을 방지할 수 있는 노광장치에 관한 것으로, 본 발명에 따른 노광장치는 고정플레이트; 상기 고정플레이트의 전면에 배치되는 복수의 발광소자, 각각의 발광소자가 실장되며 인접하는 발광소자와는 별도로 구비된 복수의 기판, 상기 발광소자가 출사한 광을 집광하는 집광렌즈, 상기 발광소자와 상기 집광렌즈 사이에 배치되며, 상기 발광소자에서 출사되어 상기 집광렌즈를 벗어난 영역으로 향하거나 상기 집광렌즈에서 반사된 광을 흡수하여 난반사를 방지하는 흡수막으로 이루어져 상기 고정플레이트에 독립적으로 결합되는 복수의 발광부; 상기 발광부의 전방에 배치되어 상기 발광부에서 출사한 광의 조도를 균일하게 하는 조도균일부; 조도가 균일화 된 광을 일방향과 평행하게 출사시키는 평행광변환부; 및 상기 일방향과 평행하게 출사된 광이 입사하는 영역에 배치된 마스크를 포함하는 노광 스테이지를 포함하여 구성된다.

Description

노광용 조명장치 및 이를 이용한 노광장치{LIGHTNING DEVICE AND EXPOSURE APPARATUS HAVING THEREOF}
본 발명은 노광용 조명장치 및 이를 이용한 노광장치에 관한 것으로서, 특히 노광장치의 수명시간을 늘리고 집광효율을 향상시킨 노광용 조명장치 및 이를 이용한 노광장치에 관한 것이다.
액정표시장치는 액정의 광학적 이방성을 이용하여 이미지를 표현하는 장치로서, 기존의 브라운관에 비해 시인성이 우수하고 평균소비전력도 같은 화면크기의 브라운관에 비해 작을 뿐만 아니라 발열량도 작기 때문에 최근에 차세대 표시장치로서 각광받고 있다.
상기 액정표시장치는 매트릭스(matrix) 형태로 배열된 화소들에 화상신호를 개별적으로 공급하여, 상기 화소들의 광투과율을 조절함으로써 원하는 화상을 표시할 수 있도록 한다. 이를 위해 액정표시장치는 박막 트랜지스터가 형성된 하부기판과, 컬러필터가 형성되어 있는 상부기판이 액정층을 사이에 두고 합착된 구조로 되어 있다.
상기 액정표시장치의 제조공정은 하부기판 형성공정, 상부기판 형성공정, 액정을 봉입하는 셀(cell) 공정, 편광판, 구동회로부, 백라이트 유닛 등을 부착, 조립하는 모듈 공정을 포함한다.
여기서 하부기판 형성공정과 상부기판 형성공정은 기판상에 소정의 패턴을 형성하기 위해, 증착, 노광, 현상, 식각 등의 일련의 과정을 거치게 되는 데 이를 포토리소그래피공정이라 한다.
한편, 상기 포토리소그래피공정 중 노광공정은 기판 상부에 감광막을 도포한 뒤, 패턴을 형성할 영역에 패턴과 동일한 모양의 마스크를 배치하고, 상기 마스크의 상부에 광을 주사하는 방식으로 진행된다. 이때, 상기 감광막의 성질에 따라 광에 노출된 부분 또는 광에 노출되지 않은 부분이 현상 공정에 의해 제거되어 원하는 패턴 형성의 준비단계에 들어간다.
따라서, 이러한 노광공정을 진행하기 위하여 광원, 상기 광원으로부터 출사된 광을 집광하기 위한 집광렌즈. 상기 집광된 광의 방향을 바꾸는 반사거울 등을 포함하는 노광장치가 요구되는데, 노광장치의 광원으로는 주로 수은램프를 이용한다.
도 1은 종래 노광장치의 수은램프를 나타내는 단면도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 종래 노광장치의 수은램프(13)는 반사경(12)과 램프(11)를 포함한다. 상기 램프(11)는 발광관(11a)과, 상기 발광관(11a)의 내부에 텅스텐으로 이루어지는 코일형상 또는 봉(棒)형상으로 배치되는 한쌍의 방전전극(11b,11c)과, 발광관(11a) 내부에 봉입된 수은(미도시) 및 희가스(미도시)와, 상기 발광관(11a) 내부의 방전전극(11b,11c) 사이에 배치된 발광부 (11d)로 구성된다.
이때, 상기 램프(11)의 방전전극(11b, 11c)에 외부로부터 전압이 인가되면 방전전극(11b,11b) 사이에는 아크방전이 발생하여 전자가 방출하며, 수은전자가 방출된 전자와 충돌하여 자유전자가 튀어나오고 자외선이 발생되며, 이 자외선이 발광부(11d)를 자극하여 광이 발광하게 된다.
상기 발광부(11d)는 반사경(12)의 초점에 대응하는 위치에 설치되어 사방으로 광을 방사하며, 이때 상기 반사경(12)이 발광된 광을 사방으로 반사시켜 집광해주는 역할을 한다.
따라서, 상기 반사경(12)의 내부면 모양에 따라 발광부(11d)에서 출사된 광의 대부분이 반사경(12)에서 반사되어 반사경(12)의 광축에 거의 평행하게 출사되어 나갈 수 있다. 예를 들어, 상기 발광부(11d)가 이상적인 점광원이라면, 반사경(12)으로부터 출사하는 광은 완전한 평행광으로 될 수 있다. 또는 상기 반사경(12)의 내부면 설계에 따라 반사경(12)으로부터 반사되어 나가는 빛을 한 점에 모으도록 집광하는 것도 가능하다.
그러나, 상기와 같은 수은램프(13)는 다음과 같은 문제가 있다. 일반적으로 상기 수은램프(13)는 수명이 1500시간 정도인 것으로 알려져 있어서, 수명이 상당히 짧은 편에 속한다. 또한, 수은은 고가의 물질이기 때문에 수은을 포함하는 수은램프(13)는 제조비용이 증가하게 된다.
또한, 상기 수은램프(13)는 오프상태에서 온된 후 노광에 적절한 조도의 광을 방사하는 데에 시간이 걸리기 때문에 기판이 반입되고 반출되는 순간마다 수은램프(13)를 턴오프한 후 다시 턴 온 할 수 없다. 따라서, 상기 수은램프(13)의 광이 발광하는 방향에 셔터를 설치하여 상기 셔터를 열고 닫음으로써 노광의 온/오프를 제어한다. 다시 말해서, 상기 수은램프(13)는 항상 턴온상태를 유지지하고 있어야 하며, 그 결과 소비전력이 증가하는 문제도 있었다.
또한, 수은은 가시광선과 같이 노광에 불필요한 광까지 출력하게 되는데, 이러한 가시광선은 노광공정에서 문제를 야기할 염려가 있다. 더욱이, 수은은 중금속으로서, 환경오염을 주요원인이 된다.
본 발명은 상기한 점을 감안하여 이루어진 것으로, 구면형상의 베이스플레이트에 집광성이 좋은 발광부를 독립적으로 결합하여 집광효율이 좋고 발광소자가 고정플레이트로부터 분리되는 것을 방지할 수 있는 조명장치 및 이를 포함하는 노광장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따른 조명장치는 곡률을 갖는 구면형상의 고정플레이트; 대응하는 기판상에 실장되어 상기 고정플레이트의 전면에 배치되는 복수의 발광소자; 상기 복수의 발광소자가 출사한 광을 집광하는 복수의 집광렌즈; 및 상기 복수의 발광소자와 상기 복수의 집광렌즈 사이에 배치되며, 상기 발광소자에서 출사되어 상기 집광렌즈를 벗어난 영역으로 향하거나 상기 집광렌즈에서 반사된 광을 흡수하여 난반사를 방지하는 흡수막으로 구성되며, 상기 발광소자의 기판은 인접하는 발광소자의 기판과는 별개로 형성되는 것을 특징으로 하다.
상기 발광소자에는 광을 방열시키는 방열부재 및 방열핀이 설치되어 발광소자에서 발생하는 열을 외부로 방출한다.
또한, 본 발명에 따른 노광장치는 고정플레이트; 상기 고정플레이트의 전면에 배치되는 복수의 발광소자, 각각의 발광소자가 실장되며 인접하는 발광소자와는 별도로 구비된 복수의 기판, 상기 발광소자가 출사한 광을 집광하는 집광렌즈, 상기 발광소자와 상기 집광렌즈 사이에 배치되며, 상기 발광소자에서 출사되어 상기 집광렌즈를 벗어난 영역으로 향하거나 상기 집광렌즈에서 반사된 광을 흡수하여 난반사를 방지하는 흡수막으로 이루어져 상기 고정플레이트에 독립적으로 결합되는 복수의 발광부; 상기 발광부의 전방에 배치되어 상기 발광부에서 출사한 광의 조도를 균일하게 하는 조도균일부; 조도가 균일화된 광을 일방향과 평행하게 출사시키는 평행광변환부; 및 상기 일방향과 평행하게 출사된 광이 입사하는 영역에 배치된 마스크를 포함하는 노광 스테이지를 포함하여 구성된다.
상기 고정플레이트에 설치된 복수의 발광부와 상기 조도균일부의 입광면 중심과의 거리가 모두 동일하며, 발광부는 이웃하는 발광부가 상기 조도균일부의 입광면 중심에 대해 형성하는 사이각이 동일하게 배치된다. 또한, 발광부는 상기 고정플레이트의 중심을 기준으로 대칭하는 최외곽 발광부가 상기 조도균일부의 입광면 중심에 대해 형성하는 사이각이 5°~15°가 되도록 배치된다.
본 발명에서는 수은램프 대신 수명이 길고 단속적인 온/오프 제어가 가능한 LED를 사용함으로써 비용을 절감하고, 소비전력을 줄이며, 환경오염을 줄일 수 있게 된다.
또한, 상기 LED와 집광렌즈 사이에 흡수막을 배치하여 난반사를 방지함으로써 집광도를 높이고 조도를 상승시킬 수 있으며, 곡률을 갖는 고정플레이트에 발광부를 설치하므로, 집광도 및 조도를 더욱 향상시킬 수 있게 된다.
그리고, 본 발명에서는 각각의 기판에 실장된 발광소자를 직접 구면형상의 고정플레이트에 결합하므로, 구면형상에 의해 발광소자가 고정플레이트로부터 분리되어 불량이 발생하는 것을 방지할 수 있게 된다.
도 1은 종래기술에 따르는 수은 램프의 단면도이다.
도 2는 본 발명에 따르는 노광장치의 개략적인 단면도이다.
도 3a는 본 발명에 따른 조명장치의 사시도이고 도 3b는 조명장치의 측면도.
도 4는 본 발명에 따른 조명장치의 고정플레이트를 나타내는 사시도.
도 5a는 본 발명에 따른 조명장치의 발광부의 사시도.
도 5b는 본 발명에 따른 조명장치의 단면도.
도 6a는 본 발명에 따른 조명장치와 조도균일부의 배치관계를 나타낸 개략 단면도.
도 6b는 상기 조도균일부의 입광면의 위치와 조도에 관한 그래프.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 따른 노광용 조명장치 및 노광장치를 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명에 따른 노광장치의 개략적인 단면도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 노광장치는 광을 발광하여 출사하는 조명장치(110), 상기 조명장치(110)에 출사되는 광을 집광하는 구면렌즈(120), 상가 구면렌즈(120)의 의해 집광된 광을 확산시켜 조도를 균일하게 하는 조도균일부(130), 상기 조도균일부(130)에 확산되어 입사된 광을 평행광으로 변환하여 출사하는 평행광변환부(140), 상기 평형광변환부(140)에 의해 변환된 평행광을 노광스테이지(160)로 반사하는 반사거울(150), 마스크(M)와 피노광체인 기판(S)이 배치되어 반사거울(150)에서 반사된 광이 상기 마스크(M)를 통해 투과되어 기판(S)으로 조사되는 노광스테이지(160)로 구성된다.
상기 조명장치(110)는 기판(S)의 상부에 노광을 진행할 광을 출사하며, 전방에 적어도 하나의 광원을 장착할 수 있다.
상기 구면렌즈(120)는 상기 조명장치(110)에서 출사된 광을 집광시켜 제1방향으로 출사한다. 상기 구면렌즈(120)는 상기 조명장치(110)의 전방에 배치될 수 있으며, 구면으로 이루어질 수 있다.
구면렌즈(120)의 후면에는 조도균일부(130)가 배치되어 제1방향으로 출사된 광을 확산시켜 출력되는 광의 조도를 균일하게 한다. 이때, 상기 조도균일부(130)의 전면, 즉 입광면에는 광량을 조절하는 조리개(135)가 배치되어 조도균일부(130)에 입사되는 난반사된 광을 제거한다.
상기 조도균일부(130)는 복수의 유닛의 집합체로 구성된다. 이때, 한 개의 유닛은 복수의 제1렌즈(131)와 복수의 제2렌즈(132)를 구비하며, 상기 제1렌즈(131)와 제2렌즈(132)는 일정 간격 이격되어 배치된다. 상기 제1렌즈(131)는 구면렌즈(120)를 통해 입사되는 광을 제2렌즈(132) 방향으로 집광시킨다. 그리고 집광된 광은 제2렌즈(132)를 통하여 입사각보다 큰 각으로 굴절되어 출력된다. 즉, 제2렌즈(132)로 입사된 광은 제2렌즈(132)를 투과하면서 확산되어 출력된다. 이때, 상기 확산된 광은 조도균일부(130)의 출광면에서 서로 혼합되어 균일한 조도를 가지게 된다. 이러한 조도균일부(130)는 플라이아이렌즈(fly eye lens)로서, 필요에 따라 다양한 형태로 설계될 수 있다.
평행광변환부(140)는 조도가 균일화된 광을 제2방향으로 출사한다. 이때, 도면에서는 상기 제2방향이 상부방향으로 향하지만, 상기 제2방향은 상부 방향 뿐만 아니라 제1방향이 아닌 다양한 방향이라면 어떠한 방향으로도 가능하다.
상기 평행광변환부(140)는 일정한 곡률로 가진 구면거울의 형태로 이루어진다. 이때, 상기 평행광변환부(140)는 곡률 중심을 기준으로 콜리메이션각도(collimation angle)와 기울기각도(declination angle)가 설정되며 상기 각도을 기준으로 곡면이 형성되거나 기울어질 수 있다. 콜리메이션각도란 조도균일부(130)로부터 입사된 광을 제2방향으로 반사시키기 위한 각도이며 기울기각도는 상기 입사된 광을 반사거울(150)로 입사시키기 위한 각도이다.
상기 콜리메이션각도와 기울기각도는 마스크(M)에 노광되는 광의 해상도를 결정한다. 이러한 이유로 인해, 상기 평행광변환부(140)는 콜리메이션미러라고도 호칭되며 이때 상기 평행광변환부(140)은 본 기술분야의 당업자가 실시할 수 있는 범위 내에서 다양하게 설계될 수 있다.
상기 반사거울(150)은 평행광변환부(140)에서 제2방향에 배치되어 평행광변환부(140)로부터 입사되는 광을 하부의 노광스테이지(160)로 반사한다. 이때, 상기 반사거울(150)은 평행광변환부(140)에 대해 소정의 각도로 기울어지며, 그 반사면은 편평하게 형성된다.
상기 노광스테이지(160)에서는 실제 마스크(M)와 기판(S)이 배치되어 노광공정이 진행된다. 즉, 노광스테이지(160) 위에는 실제 노광된 기판(S)이 배치되고 그 위에 원하는 형상의 패턴이 형성된 마스크(M)가 배치된다.
도면에는 도시하지 않았지만, 상기 노광스테이지(160)에는 마스크(M)를 홀딩하는 마스크홀더, 기판(S)을 반송하거나 반출하는 기판반송부, 반송된 기판(S)을 노광스테이지(160)로 로딩하거나 언로딩하는 리프트부를 추가로 포함할 수 있다.
조명장치(110)는 광을 발광하여 상기 구면렌즈(120), 조도균일부(130), 평행광변환부(140), 반사거울(150)을 통해 노광스테이지(160)에 배치된 기판(S)에 광을 조사한다.
이때, 조명장치(110)의 광은 노광공정을 진행하기 위해 다양한 가시광선이나 적외선, 자외선과 같은 다양한 파장이 광이 사용될 수 있지만, 현재는 주로 자외선영역의 광이 주로 사용된다.
도 3a 및 도 3b는 본 발명에 따른 조명장치(110)를 나타내는 도면으로, 도3a는 사시도이고 도 3b는 측면도이다.
도 3a 및 도 3b에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 조명장치(110)는 고정플레이트(115)와 상기 고정플레이트(115)에 고정된 복수의 발광부(180)로 구성된다.
상기 고정플레이트(115)는 정면에서 보았을 때 사각형상으로 형성되며, 이 사각형상이 일정한 곡률을 갖는 전면이 오목한 구면형상으로 형성된다. 이때, 상기 고정플레이트(115)는 3차원적으로 굴곡된 형상을 가질 수 있다. 즉, 고정플레이트(115)의 가로축방향 또는 세로축방향으로만 플레이트가 설정된 곡률로 곡선형상으로 형성되는 것이 아니라 가로축방향과 세로축방향으로 동시에 굴곡된 구면형상으로 형성되는 것이다.
상기 발광부(180)는 광을 발광하여 기판에 광을 주사하기 위한 것으로 상기 고정플레이트(115)의 전면에 배치되는데, 이때 상기 고정플레이트(115)가 곡률을 갖는 구면형상으로 이루어지기 때문에 상기 고정플레이트(115)에 배치되는 복수의 발광부(180)는 하나의 초점을 향해 광을 출사하게 된다.
상기 발광부(180)는 고정플레이트(115)에 서로 일정 간격을 두고 복수개 배치된다. 이때, 고정플레이트(115)에 설치되는 발광부(180)의 개수 및 간격은 기판(S)에 조사하고자 하는 광의 세기 및 발광부에서 발광되는 광의 세기의 관계, 고정플레이트(115)의 곡률 등에 의해 정해진다.
복수의 발광부(180)는 각각이 고정플레이트(115)에 별개로 설치되어 독립적으로 작동하므로, 일부가 오작동하거나 수명이 다한 경우 해당 발광부(180)만을 고정플레이트(115)로부터 탈착하여 교체할 수 있다.
도 4는 상기 고정플레이트(115)를 나타내는 도면이다. 도 4에 도시된 바와 같이, 고정플레이트(115)는 사각형상으로 이루어지며 설정 곡률을 갖는 구면형상으로 이루어져 있다. 이때, 상기 고정플레이트(115)에는 복수의 고정홀(115a)이 가로방향과 세로방향으로 매트릭스형상으로 배열되며, 이 고정홀(115a)에 발광부(180)가 배치되어 고정된다. 발광부(180)가 배치될 때 발광부(180)의 발광면이 오목면쪽으로 배치되어 발광부(180)로부터 발광되는 광이 촛점을 향하여 집광되도록 한다.
도 5a 및 도 5b는 본 발명에 따른 발광부(180)를 나타내는 도면으로, 도 5a는 사시도이고 도 5b는 측면도이다.
도 5a 및 도 5b에 도시된 바와 같이, 상기 발광부(180)는 광을 발광하는 발광소자(182)와, 상기 발광소자(182)가 실장되는 기판(183)과, 상기 기판(183)의 하부에 배치되어 발광소자(182)로부터 발생하는 열을 방출하는 방열부재(185)와, 상기 방열부재(185)에 형성되어 발광소자(182)를 냉각효율을 향상시키는 방열핀(186)으로 구성된다.
상기 발광소자(182)는 다양한 광원이 사용될 수 있지만, 본 발명에서는 자외선을 발광하는 자외선 LED(UV Light Emitting Diode)를 주로 사용한다. 상기 UV LED는 저소비전력, 소형, 저비용, 긴 수명시간을 가지는 특징이 있으며, 수은램프에 비하여 환경오염을 일으키지 않는다는 면에서 장점이 있다. 또한, 수은램프와 달리 UV LED가 신속하게 노광에 적당한 조도로 발광하므로, 기판이 로딩되거나 언로딩되는 과정에 따라 점등과 소등을 단속적으로 제어하여 소비전력을 단축시킬 수 있다. 또한, 수은램프와 달리 특정 파장대의 광을 발하게 할 수 있으므로, 불필요한 파장이 제거된 광을 발하게 할 수 있다. 이에 따라 특정파장에 대해 적용되는 감광막을 적용할 수 있으며 노광공정의 정확도를 높일 수 있다.
상기 발광소자(182)는 기판(183)에 실장된다. 도면에는 도시하지 않았지만 상기 기판(183)에는 각종 배선이 형성되며 발광소자(182)에는 단자(182a)가 형성되어 상기 발광소자(1820가 기판(183)에 실장될 때 상기 단자(182a)가 기판(183)의 배선과 전기적으로 접속되어 상기 발광소자(182)에 전원이 공급된다. 상기 기판(183)으로는 PCB, FPCB 등과 같은 다양한 기판이 사용될 수 있다.
또한, 도면에는 도시하지 않았지만, 상기 기판(183)은 LED구동부와 같은 제어부 및 전원공급부가 연결되어 기판(183)에 형성된 배선을 통해 LED 제어신호가 전원이 공급된다.
방열부재(185)는 방열그리드(184)를 통해 발광소자(182)와 결합되어, 발광소자(182)로부터 발생하는 열을 외부로 방출한다. 상기 방열부재(185)는 구리, 구리합금, 알루미늄, 알루미늄합금 등과 같이 열전도율이 좋은 금속재질로 형성되어 발광소자(182)로부터 발생한 열을 신속하게 외부로 방출할 수 있게 된다.
방열부재(185)에는 복수의 방열핀(186)이 형성된다. 상기 방열핀(186)은 외부와 접하는 표면적을 증가하여 방열부재(185)로 전달된 열을 효율적으로 방출하기 위한 것으로, 상기 방열부재(185)와 마찬가지로 구리합금, 알루미늄, 알루미늄합금 등과 같이 열전도율이 좋은 금속재질로 형성된다. 이때, 상기 방열핀(186)은 방열부재(185)와 일체로 형성될 수도 있고 별개로 형성될 수도 있다. 또한, 도면에는 특정 개수의 방열핀(186)이 도시되어 있지만, 이러한 방열핀(186)이 특정 개수에 한정되는 것은 아니라 필요에 따라 다양한 개수로 설계할 수 있을 것이다.
상기 방열부재(185)는 방열그리드(184)를 통해 발광소자(182)와 결합된다. 이때, 도면에는 도시하지 않았지만, 상기 기판(183)에는 결합구가 형성되어 상기 방열부재(185)가 직접 발광소자(182)와 결합된다. 이러한 발광소자(182)와 방열부재(185)의 결합방법은 나사에 의한 나사결합도 가능하고 열전도율이 좋은 접착부재에 의해 결합될 수도 있다.
또한, 상기 방열부재(185)는 발광소자(182)와 직접 결합되지 않고 발광소자(182)가 실장되는 기판(183)과 결합될 수도 있다. 이 경우에도 발광소자(182)로부터 발광된 열은 기판(183)을 통해 방열부재(185)로 전달된 후 외부로 방출된다.
상기 기판(183)에 실장된 발광소자(182)이 상면에는 집광렌즈(188)가 배치되어 발광소자(182)로부터 발광되는 자외선을 굴절하여 설정된 지향각으로 출사되도록 한다.
이때, 도면에는 하나의 집광렌즈(188)만이 배치되지만 자외선의 출사각도에 따라 복수의 렌즈가 배치될 수도 있다. 상기 렌즈(188)는 리플로우(reflow)조립이 가능하도록 에폭시, 유리재질로 구성되는 것이 바람직하지만 이에 한정되는 것은 아니며, 폴리카보네이트(polycarbonate), PMMA, 광나일론(optical nylon), COC(cyclic olefin copolymer), ATON, ZEONIX 등 과 같은 일반적인 투명한 레진(resin)재질이면 모두 가능하다.
상기 기판(183)과 집광렌즈(188) 사이에는 흡수막(187)이 형성된다. 흡수막(187)은 내부가 개구된 통형상으로 형성되어 발광소자(182)에서 발광된 광이 진행하는 방향에 배치된다. 그리고, 상기 흡수막(187)은 발광소자(182)의 주변을 둘러싼 채 발광방향으로 연장되는 형태가 되므로, 발광소자(182)에서 출사되는 광의 광경로를 정의하는 역할을 한다.
이때, 도면에서 상기 흡수막(187)은 사각 통형상으로 형성되지만, 단면이 다각형상이거나 원형인 통형상으로 형성될 수 있으며 필요에 따라 다양한 형상으로 형성될 수 있다.
상기 집광렌즈(188)는 발광소자(182)가 광 출사측의 흡수막(187) 단부에 부착된다. 이때, 상기 집광렌즈(188)는 상기 흡수막(187)의 단면과 동일한 단면을 가진 채 출사방향으로 연장된 제1영역(188a)부분 및 제1영역(188a)의 단부에 일정한 곡률로 형성되는 제2영역(188b)으로 이루어진다. 따라서, 상기 제1영역(114a)의 단면과 제2영역(114b)의 밑면은 사각형상이 될 수도 있다.
상기 발광부(182)에서 발광된 광은 제1경로(L1), 제2경로(L2), 제3경로(L3), 제4경로(L4) 및 제5경로(L5) 및 제6경로(L6)를 통해 출사된다. 이때, 제1경로(L1-L5)로 출사된 광은 집광렌즈(188)로 입사되지만, 제6경로(L6)로 출사된 광은 흡수막(187)에 의해 흡수되어 집광렌즈(188)로 입사되지 않는다.
흡수막(187)은 입사되는 광을 모두 흡수하므로, 이 영역에서는 난반사 등에 의해 광의 간섭을 방지하여 광손실을 방지할 수 있게 되므로, 효율적인 광의 사용과 좁은 광발산각을 확보할 수 있게 된다. 이때, 상기 흡수막(187)의 재질과 형상은 다양한 재질 및 형상으로 형성할 수 있다.
집광렌즈(188)의 제1영역(188a)은 집광렌즈(188)로 입사한 광이 집광렌즈(188) 내에서 직진하는 광경로를 더욱 확보해주는 역할을 하는 것으로서, 상기 제1영역(188a)의 존재로 인해 단순한 렌즈보다 광이 작은 발산각으로 출사할 수 있게 된다.
즉, 도 5b에 도시된 바와 같이, 제1경로(L1) 및 제5경로(L5)를 통해 출사되는 광이 P1과 P3 지점에 입사된 후 굴절되는데, 이 굴절된 광이 제1영역(188a) 내에서 일정 거리 직진한 후 제2영역(188b)에 입사되어 굴절되므로, 제2영역(188b)의 굴절각도가 커지게 되며, 그 결과 좁은 광발산각(φ)을 실현할 수 있게 된다.
또한, 상기 집광렌즈(188)는 반구형상으로 형성될 수도 있다. 즉, 도 5b의 광경로의 직진성을 확보하는 제1영역(188a) 없이 단순하게 제2영역(188a)이 직접 흡수막(187)에 부착되는 형상으로 형성될 수도 있다, 이러한 구성에서도 흡수막(187)이 원하지 않는 경로를 따라 출사되는 광을 흡수하므로, 작은 출사각으로 광이 출사할 수 있게 된다.
일반적으로 LED 자체의 광발산각은 100°가 넘으며, 상기 LED의 둘레에 원통렌즈 및 구면렌즈와 같은 집광렌즈(188)를 배치한 경우, 상기 구면렌즈의 집광역할에 의해 광발산각이 약 40°가 되며, 특히 본 발명에서는 흡수막(187)과 집광렌즈(188)에 의해 5°- 15°정도의 광발산각을 가지게 된다. 따라서, 종래의 조명장치에 비해, 광발산각을 100°에서 5°- 15°로 감소시킬 수 있게 되므로, 개개의 LED의 집광특성을 향상시킬 수 있게 된다.
도면에는 도시하지 않았지만, 상기 발광소자(182)와 렌즈(188) 사이(또는 기판(183)과 렌즈(188) 사이)에는 충진제가 충진될 수 있다. 상기 충진제는 상기 기판(183)와 렌즈(150) 사이의 공간에 고르게 퍼질 수 있도록 유동성이 있으며, 투명한 레진재질의 실리콘이나 에폭시등이 사용될 수 있다.
상기와 같은 구성으로 이루어진 복수의 발광부(180)가 고정플레이트(115)에 결합된다. 도 3a 및 도 3b에 도시된 바와 같이, 발광부(180)가 고정플레이트(115)에 결합될 때, 발광소자(182)와 기판(183)이 고정플레이트(115)의 전면에 배치되고 방열부재(185)는 후면에 배치된다. 도면에는 도시하지 않았지만, 발광부(180)와 고정플레이트(115)의 결합은 발광부(180)와 고정플레이트(115) 각각에 숫나사와 암사나를 형성하여 나사결합할 수도 있고 별도의 결합부재를 형성하여 결합할 수도 있다. 이때, 상기 발광부(180)는 고정플레이트(115)에 착탈가능하게 결합되므로, 불량이 발생한 발광부(180)나 수명이 다한 발광부(180)를 고정플레이트(115)에서 분리하여 새로운 발광부(180)로 용이하게 교체할 수 있게 된다.
복수의 발광부(180)는 고정플레이트(115)에 독립적으로 배치된다. 각각의 발광소자(182)가 실장되는 기판(183)은 다른 발광부(180)의 기판(183)과는 별도로 설치되므로, 각각의 발광소자(182)에는 해당 기판(183)을 통해 독립적으로 신호가 인가되어 발광소자(182)가 발광하게 된다.
이와 같이, 본 발명에서는 발광소자(182)의 전면에 흡수막(187)을 형성하여 발광소자(182)로부터 출사되는 광의 발사각도를 대폭 좁힐 수 있게 되어 각각의 발광부(180)에 출사되는 광의 집광도를 향상시킬 수 있게 된다.
또한, 본 발명에서는 복수의 발광부(180)를 곡률을 갖는 구면형상의 고정플레이트(115)에 고정하여 기판(S)에 자외선과 같은 광을 조사하여 포토공정을 진행하는데, 발광부(180)를 구면형상의 고정플레이트(115)에 고정하는 이유는 다음과 같다.
도 6a는 본 발명에 따른 조명장치와 조도균일부의 배치관계를 나타낸 개략 단면도이며, 도 6b는 상기 조도균일부의 입광면의 위치와 조도에 관한 그래프이다.
도 6a에 도시된 바와 같이, 상기 발광부(180)는 조도균일부(130) 입광면의 중심에 광을 집중하도록 배치될 수 있다.
때, 상기 각각의 발광부(180)와 상기 조도균일부(130) 중심 사이의 거리는 모두 동일하게 설정될 수 있다. 그에 따라 모든 발광부(180)에서 출사하여 조도균일부(130) 중심으로 향하는 광의 발산거리는 동일하게 될 수 있다. 예를 들면 임의의 두 발광부(180)가 조도균일부(130)의 중심과 이루는 광 발산거리(D1, D2)는 동일하다.
그리고, 서로 인접하는 발광부(180)가 상기 조도균일부(130) 중심과 이루는 사이각은 모든 발광부(180)에 대하여 동일하게 설정될 수 있다. 예를 들면, 두 개의 인접하는 발광부(180)가 조도균일부(130) 중심과 이루는 사이각은 θ1, θ2, θ3, θ4이며, 상기 θ1, θ2, θ3, θ4은 모두 동일한 각도이다.
이때, 상기 발광부(180)중 최외곽에 배치된 2개의 발광부(180)가 상기 조도균일부(130)의 중심에 대하여 형성하는 사이각은 5°- 15°의 범위로 형성된다. 즉, 6a에 도시된 발광부(111) 전체의 각도의 합(θ1, θ2, θ3, θ4의 합)은 5°~ 15°가 된다. 따라서, 고정플레이트(115)의 면적이 증가하고 고정플레이트(115)에 고정되는 발광부(180)의 개수가 증가함에 따라 서로 인접하는 발광부(180) 사이의 각도는 감소할 것이다.
도 6b에 도시된 바와 같이, 복수의 발광부(180)에서 입사되는 광의 조도균일부(130)의 입광면에서의 광량분포는 입광면의 중심을 대칭으로 한 가우스분포(Gauss Distribusion)이 된다. 이때, 가우스분포의 중앙 피크치에 대응하는 중심영역이 조도균일부(130)의 중앙영역에 대응하며, 가우스분포의 특정 임계값(V)을 갖는 x축의 위치(x1,x2)가 각각 조도균일부(130)의 입광면의 최외각영역에 대응한다.
다시 말해서, 본 발명에서는 복수의 발광부(180)를 곡률을 갖는 구면형상의 고정플레이트(115)에 고정하여 발광되는 광을 집광함으로써 특정 세기 이상의 광만이 조도균일부(130)로 입사되도록 하여, 항상 설정된 세기의 광이 기판(S)에 공급되도록 한다.
상기 광 발산거리와 상기 사이각이 일치하지 않는 경우 조도균일부(130)의 입광면에 가우스분포고 형성될 수 없으며, 따라서 복수의 발광부(180)를 집광하는 효과를 얻을 수 없게 된다. 따라서, 본 발명에서는 각 발광부의 광 발산거리와 서로 인접하는 발광부의 사이각을 모두 동일하도록 형성하여 조도균일부에 입사되는 광량분포가 가우스 분포가 되도록 한다. 광량의 가우스분포는 중심영역을 중심으로 광이 집광된다는 것을 의미한다.
따라서, 복수의 LED가 편평한 면에 분포되어 광을 공급하는 종래의 노광장치에 비해, 본 발명의 노광장치가 집광특성이 향상된다. 더욱이, 본 발명에서는 발광부(180) 자체가 종래에 비해 집광특성이 좋기 때문에, 집광특성이 좋은 발광부(180)를 집광특성을 향상시킬 수 있는 고정플레이트(115)에 고정하여 광을 발광하므로, 집광특성을 더욱 향상시킬 수 있게 된다.
한편, 본 발명에서는 복수의 발광부(180)를 곡률을 갖는 구면형상의 고정플레이트(115)에 고정할 때, 각각의 발광부(180)를 독립적으로 고정하는데, 그 이유는 다음과 같다.
상기 발광부(180)를 고정플레이트(115)에 고정할 때, 고정플레이트(115)의 면적과 대략 동일한 하나의 기판을 고정플레이트(115)에 부착한 후, 상기 기판 상에 복수의 발광소자(182)를 실장할 수 있다. 그러나, 이 경우, 고정플레이트(115) 뿐만 아니라 이 고정플레이트(115)의 전체 영역에 부착되는 기판 역시 곡률을 갖는 구면형상으로 형성된다. 따라서, 하면이 편평한 발광소자(182)를 구면상의 기판상에 실장할 때, 굴곡진 기판과 편평한 발광소자가 완전히 전체적으로 밀착하지 못하게 되고 일부 영역이 들뜨게 된다. 그 결과 발광소자의 부착력이 저하되어 외력에 의해 발광소자(182)가 기판으로부터 분리되거나 발광소자(182)의 구동에 따른 온도상승에 의해서도 상기 발광소자(182)가 기판으로부터 분리되는 일이 발생하게 된다.
그러나, 본 발명에서는 발광소자(182)가 별개의 기판(183)에 실장된 후, 이 발광부(180) 자체가 고정플레이트(115)에 나사 결합 등에 의해 결합되므로, 고정플레이트(115)가 구면형상으로 휘어져 있는 경우에도 별개의 발광부(180)가 고정플레이트(115)에 안정적으로 고정되어 외부의 충격이나 온도상승 등에 의해 발광소자(182)가 분리되는 불량은 발생하지 않게 된다.
상술한 바와 같이, 본 발명에서는 곡률을 갖는 구면형상의 고정플레이트에 자체 기판에 실장되는 복수의 발광부를 독립적으로 결합함으로써 광의 집광효과를 높일 뿐만 아니라 구면형상의 고정플레이트에 발광부를 결합할 때 결합력의 저하에 의해 발광소자가 고정플레이트로부터 분리되는 불량을 방지할 수 있게 된다.
한편, 상술한 상세한 설명에서는 특정구조의 조명장치 및 노광장치가 개시되어 있지만, 본 발명이 이러한 특정 구조의 조명장치 및 노광장치에만 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 본 발명에서는 노광장치로서 도 3에 도시된 광학어레이만이 개시되어 있지만, 본 발명이 이러한 특정 광학어레이에만 한정되는 것이 아니라 다양한 형태의 어레이에 적용될 수 있을 것이다.
다사 말해서, 이상에서 본 발명의 바람직한 실시 예들에 대하여 상세하게 설명하였지만, 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 수 있을 것이다.
따라서, 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것이 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
110 : 노광용 조명장치 115 : 고정플레이트
130 : 조도균일부 140 : 평행광변환부
150 : 반사거울 180 : 발광부
182 : 발광소자 183 : 기판
188 : 집광렌즈

Claims (14)

  1. 곡률을 갖는 구면형상의 고정플레이트;
    대응하는 기판상에 실장되어 상기 고정플레이트의 전면에 배치되는 복수의 발광소자;
    상기 복수의 발광소자가 출사한 광을 집광하는 복수의 집광렌즈; 및
    상기 복수의 발광소자와 상기 복수의 집광렌즈 사이에 배치되며, 상기 발광소자에서 출사되어 상기 집광렌즈를 벗어난 영역으로 향하거나 상기 집광렌즈에서 반사된 광을 흡수하여 난반사를 방지하는 흡수막으로 구성되며,
    상기 복수의 집광렌즈 각각은,
    상기 흡수막의 단면과 동일한 단면을 갖고, 상기 복수의 발광소자가 출사한 광의 출사방향으로 연장된 제1 영역; 및
    상기 제1 영역의 단부로부터 연장되어 반구 형상으로 형성되는 제2 영역을 포함하고,
    상기 발광소자의 기판은 인접하는 발광소자의 기판과는 별개로 형성되는 것을 특징으로 하는 노광용 조명장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 흡수막은 내부가 개구된 통 모양으로 형성되어 상기 발광소자의 발광면과 상기 발광면에 대응되는 상기 집광렌즈의 배면에 부착되는 것을 특징으로 하는 노광용 조명장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 흡수막은 원형 또는 다각형의 단면을 가지는 통 모양으로 형성되는 것을 특징으로 하는 노광용 조명장치
  4. 제1항에 있어서, 상기 발광소자에서 상기 흡수막과 집광렌즈를 통하여 출사되는 광의 출사각도는 5°-20°인 것을 특징으로 하는 노광용 조명장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 발광소자가 부착되어 발광소자에서 발광하는 광을 방열시키는 방열부재; 및
    상기 방열부재에 형성되어 방열효율을 향상시키는 복수의 방열핀을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 노광용 조명장치.
  6. 제1항에 있어서, 상기 고정플레이트에는 결합구가 형성되어 상기 복수의 발광 소자가 상기 결합구와 결합하는 것을 특징으로 하는 노광용 조명장치.
  7. 제6항에 있어서, 상기 복수의 발광 소자는 고정플레이트에 탈착 가능하게 결합되는 것을 특징으로 하는 노광용 조명장치.
  8. 고정플레이트;
    상기 고정플레이트의 전면에 배치되는 복수의 발광소자, 각각의 발광소자가 실장되며 인접하는 발광소자와는 별도로 구비된 복수의 기판, 상기 발광소자가 출사한 광을 집광하는 집광렌즈, 상기 발광소자와 상기 집광렌즈 사이에 배치되며, 상기 발광소자에서 출사되어 상기 집광렌즈를 벗어난 영역으로 향하거나 상기 집광렌즈에서 반사된 광을 흡수하여 난반사를 방지하는 흡수막으로 이루어져 상기 고정플레이트에 독립적으로 결합되는 복수의 발광부;
    상기 발광부의 전방에 배치되어 상기 발광부에서 출사한 광의 조도를 균일하게 하는 조도균일부;
    조도가 균일화 된 광을 일방향과 평행하게 출사시키는 평행광변환부; 및
    상기 일방향과 평행하게 출사된 광이 입사하는 영역에 배치된 마스크를 포함하는 노광 스테이지를 포함하여 구성되고,
    상기 집광렌즈는,
    상기 흡수막의 단면과 동일한 단면을 갖고, 상기 발광소자가 출사한 광의 출사방향으로 연장된 제1 영역; 및
    상기 제1 영역의 단부로부터 연장되어 반구 형상으로 형성되는 제2 영역을 포함하는, 노광장치.
  9. 제8항에 있어서, 상기 고정플레이트에 설치된 복수의 발광부와 상기 조도균일부의 입광면 중심과의 거리가 모두 동일한 것을 특징으로 하는 노광장치.
  10. 제8항에 있어서, 상기 복수의 발광부는 이웃하는 발광부가 상기 조도균일부의 입광면 중심에 대해 형성하는 사이각이 동일하게 배치되는 것을 특징으로 하는 노광장치.
  11. 제8항에 있어서, 상기 복수의 발광부는 상기 고정플레이트의 중심을 기준으로 대칭하는 최외곽 발광부가 상기 조도균일부의 입광면 중심에 대해 형성하는 사이각이 5°~15°가 되도록 배치되는 것을 특징으로 하는 노광장치.
  12. 제8항에 있어서, 상기 평행광변환부는 균일한 곡률로 굴곡된 구면거울인 것을 특징으로 하는 노광장치.
  13. 제8항에 있어서,
    상기 조도균일부의 입광면에 배치되어 난반사된 광을 제거하는 조리개; 및
    상기 노광스테이지의 상부에 배치되어, 상기 평행광변환부로부터 입사된 광을 상기 노광스테이지로 반사하는 반사거울을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 노광장치.
  14. 제8항에 있어서, 상기 발광소자는 LED를 포함하는 것을 특징으로 하는 노광장치.
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