KR20130057954A - 나노섬 마스크를 이용한 대면적 무반사 나노구조를 구비하는 렌즈 및 이의 제조 방법 - Google Patents

나노섬 마스크를 이용한 대면적 무반사 나노구조를 구비하는 렌즈 및 이의 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 나노섬 마스크를 이용한 대면적 무반사 나노구조를 구비하는 렌즈 및 이의 제조 방법에 관한 것으로, 해결하고자 하는 과제는 렌즈의 표면에 광파장 이하의 크기 및 주기를 갖는 나노구조를 형성하여 렌즈의 반사율을 감소시킬 수 있고, 투과율을 증대시킬 수 있으며, 고효율의 렌즈를 제작할 수 있는 나노섬 마스크를 이용한 대면적 무반사 나노구조를 구비하는 렌즈 및 이의 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명에 따른 나노섬 마스크를 이용한 대면적 무반사 나노구조를 구비하는 렌즈는 평면 또는 소정의 곡률을 가지는 렌즈 및 상기 렌즈의 일면에 나노섬 마스크를 이용하여 수평 단면 및 수직 단면이 광파장 이하의 크기를 가지는 무반사 나노구조가 구비되는 것을 특징으로 한다.

Description

나노섬 마스크를 이용한 대면적 무반사 나노구조를 구비하는 렌즈 및 이의 제조 방법{LENS WITH BROADBAND ANTI-REFLECTIVE STRUCTURES FORMED BY NANO ISLANDS MASK AND METHOD OF MAKING THE SAME}
본 발명은 나노섬 마스크를 이용한 대면적 무반사 나노구조를 구비하는 렌즈 및 이의 제조 방법에 관한 것으로, 렌즈의 표면에 광파장 이하의 크기와 주기를 갖는 나노구조를 형성함으로써 반사율 감소, 투과율 증대 및 고효율의 렌즈를 획득할 수 있는 나노섬 마스크를 이용한 대면적 무반사 나노구조를 구비하는 렌즈 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.
미세렌즈(마이크로렌즈)는 지름이 1μm 내지 수 ㎜ 정도의 미소한 렌즈를 의미한다. 이는 광섬유, 평면 광도파로(Planar Lightwave Circuit; PLC), 레이저 다이오드(LD) 및 포토 다이오드(PD) 등의 광소자들 사이의 접속을 포함한 기타 광통신, 의료기기 및 광센서, 광전자기기 분야 등에서 광학 소자로서 다양하게 사용되고 있다. 이러한 미세렌즈는 굴절률 분포형 렌즈나 미소곡면 렌즈, 어레이 렌즈, 프레넬 띠형 렌즈 등으로 분류될 수 있고, 몰드 외에 이온 교환, 확산 중합, 스퍼터링, 식각 등의 방법으로 만들어진다.
또한, 미세 렌즈는 수광 특성을 이용하여 CCD(charge coupled device) 또는 CMOS(complementary metal oxide semiconductor)와 같은 이미지 센서의 수광 효율 증가를 목적으로 필수적으로 사용되고 있다. 이러한 미세 렌즈는 고분자 재료의 열가소성 특성에 기반한 열적 리플로우(Resist Melting) 방법에 의해 제작되고 있다. 공기와 렌즈의 굴절률(Refractive Index) 차이에 따른 빛의 반사는 미세렌즈의 집광률을 저하시키는 문제점이 존재한다.
일반적으로, 종래 미세렌즈의 반사율 감소를 통한 고투과율 렌즈의 제작은 무반사 코팅을 사용하고 있다. 미세렌즈의 표면에 산화막, 질화막 등의 다층 구조로 이루어진 반사 방지막을 형성하는 방법이 알려져 있다. 이는 광학소자가 가지는 빛의 투과율을 증가시켜주고 반사율은 감소시켜주는 역할을 하기 위한 것이다.
그러나 이러한 종래의 무반사 코팅 기술은 온도가 변함에 따라 기계적으로 불안정해지는 특성이 있고, 더욱이 사용목적에 적합한 굴절률을 가지는 코팅물질을 찾기가 어려우며, 또한 코팅물질의 값이 비싸 제조비용이 증가한다는 한계점이 있었다. 또한 다층의 반사 방지막을 형성하는 방법은 매우 낮은 광굴절률을 가지는 특수한 매질이 필요하며 공정 또한 복잡하여 공정 전체의 효율이 저하된다는 문제점이 있다.
따라서, 상기한 바와 같은 종래의 무반사 코팅 기술을 대체할 새로운 기술에 대한 요구가 증가하고 있고, 그러한 요구에 따라 무반사 구조(anti-reflective structure)를 형성하는 기술이 종래의 무반사 코팅 기술에 대한 대안으로서 제시되었다. 즉, 무반사 구조 기술은, 종래의 무반사 코팅 기술에 비해 비교적 저렴한 비용으로 제조할 수 있고, 더 넓은 파장영역에 대하여 이용 가능하며, 또한, 더 넓은 입사각에 대하여 무반사 효과를 얻을 수 있다는 장점이 있다.
이러한 무반사 구조를 형성하는 기존의 방법으로는, 예를 들면, 리소그래피(lithography)를 이용한 방법이 있다. 그러나 이 방법은 비용과 시간이 많이 들며, 대면적 및 곡면에는 무반사 구조를 형성하기 힘들다는 단점이 있다.
따라서 상기한 바와 같은 종래의 리소그래피 공정을 이용한 방법의 문제점을 극복하고, 양산이 가능한 무반사 구조를 가지는 플라스틱 렌즈를 제조할 수 있는 새로운 제조방법을 제공하는 것이 바람직하나, 아직까지 그러한 요구를 모두 만족시키는 장치나 방법은 제공되지 못하고 있는 실정이다.
이에, 본 발명의 발명자들은 반사율 감소, 투과율 증대 및 고효율인 렌즈의 개발을 위해 연구하던 중, 나노구조의 무반사층을 렌즈 표면에 형성하므로 간단하게 제작이 가능할 뿐만 아니라 렌즈의 대량생산이 가능한 효과가 있음을 알게 되어 본 발명을 완성하였다.
본 발명은 상기한 바와 같은 문제를 해결하기 위해 발명된 것으로, 렌즈의 표면에 광파장 이하의 크기 및 주기를 갖는 나노구조를 형성하여 렌즈의 반사율을 감소시킬 수 있고, 투과율을 증대시킬 수 있으며, 고효율의 렌즈를 제작할 수 있는 나노섬 마스크를 이용한 대면적 무반사 나노구조를 구비하는 렌즈 및 이의 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 나노섬 마스크를 이용한 대면적 무반사 나노구조를 구비하는 렌즈는 평면 또는 소정의 곡률을 가지는 렌즈 및 상기 렌즈의 일면에 나노섬 마스크를 이용하여 수평 단면 및 수직 단면이 광파장 이하의 크기를 가지는 무반사 나노구조가 구비되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 무반사 나노구조의 주기는 광파장 이하의 크기를 가질 수 있다.
또한, 상기 렌즈는 포토 레지스트(photo resist), 폴리머(polymer), 실리콘(silicon), 유리(glass) 또는 Ⅲ-Ⅴ족 반도체화합물로 형성될 수 있다.
또한, 상기 렌즈는 구면 또는 비구면의 형태를 가질 수 있다.
또한, 상기 렌즈는 2개 이상의 복수의 렌즈로 구성될 수 있다.
또한, 상기 렌즈는 이미지 소자, 광학 센서 또는 프로젝션 렌즈에 적용될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 나노섬 마스크를 이용한 대면적 무반사 나노구조를 구비하는 렌즈의 제조 방법은 렌즈 표면에 마스크 물질을 도포하는 증착 단계와, 상기 마스크 물질을 입자화처리하여 나노섬(nano islands)을 형성하는 입자화 단계와, 상기 나노섬을 마스크로 이용하여 상기 렌즈 표면을 식각하는 식각 단계 및 상기 나노섬을 렌즈로부터 제거하여 상기 렌즈 상에 무반사 나노구조를 형성하는 나노섬 제거 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 마스크 물질 증착 단계에서, 상기 렌즈 표면에 도포되는 마스크 물질은 은, 금, 백금, 알루미늄, 철, 아연, 구리, 주석, 청동, 황동, 니켈을 포함하는 금속 또는 이를 포함하는 합금으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 어느 1종 이상 금속, SiO2, TEOS(Tetraethyl Orthosilicate), ITO(Indium Tin Oxide), Al2O3을 포함하는 산화물, TiN, SiNx을 포함하는 질화물, Parylene 등의 저분자 화합물, 고분자, CNT(Carbon Nano Tube), Graphite, Graphene등의 탄소화합물로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 어느 1종 이상의 물질로 이루어질 수 있으나, 입자화가 가능한 물질이면 이에 한정하지 않는다.
또한, 상기 입자화 단계에서, 상기 마스크 물질은 질소, 아르곤, 헬륨, 네온, 크립톤 또는 제논 등을 포함하는 불활성 기체 중 어느 1종 이상의 기체, 진공 또는 대기 분위기에서 입자화 될 수 있다.
또한, 상기 입자화 단계에서, 상기 입자화는 열처리, 레이저 가공 또는 전자기파를 이용한 방법으로 수행할 수 있다.
또한, 상기 입자화 단계에서, 상기 열처리는 30 ~ 2000 ℃에서 열처리 될 수 있다.
또한, 상기 입자화 단계에서, 상기 열처리는 30 ~ 300 ℃에서 열처리 될 수 있다.
또한, 상기 식각 단계에서는 등방성 식각 또는 이방성 식각을 이용하여 상기 렌즈 표면을 식각할 수 있다.
또한, 상기 나노섬 제거 단계에서, 상기 무반사 나노구조는 수평 단면 및 수직 단면이 광파장 이하의 크기를 가질 수 있다.
또한, 상기 나노섬 제거 단계에서, 상기 무반사 나노구조의 주기는 광파장 이하의 크기를 가질 수 있다.
상기한 바와 같이 본 발명에 따른 나노섬 마스크를 이용한 대면적 무반사 나노구조를 구비하는 렌즈 및 이의 제조 방법에 의하면, 소정의 지름과 곡률을 가지는 렌즈의 표면에 광파장 이하의 크기 및 주기를 갖는 나노구조를 형성하여 렌즈의 반사율을 감소시킬 수 있고, 투과율을 증대시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 무반사 효과에 의해 고효율의 렌즈 제작이 가능한 효과가 있다.
또한, 본 발명은 종래의 무반사층 코팅과 같이 렌즈 위에 다른 종류의 물질을 도포하는 것이 아니라, 나노섬 마스크를 이용하여 렌즈 표면에 나노구조가 형성된 무반사층을 형성하므로 간단하게 제작이 가능할 뿐만 아니라 렌즈의 대량생산이 가능한 효과가 있다.
또한, 본 발명은 종래 고온공정에서, 저온공정을 실현하여 무기물뿐만 아니라, 내열성이 약한 고분자 미세렌즈를 제조할 수 있다. 이에, 본 발명을 통하여 경량화, 내충격성을 향상된 렌즈를 제조할 수 있을 뿐만 아니라, 생산성, 가공의 용이성을 향상시켜 고효율 렌즈를 저가에 제조할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 나노섬 마스크를 이용한 대면적 무반사 나노구조를 구비하는 렌즈의 단면도.
도 2a는 본 발명에 따른 나노섬 마스크를 이용한 대면적 무반사 나노구조를 구비하는 렌즈를 보여주는 도.
도 2b는 본 발명에 따른 나노섬 마스크를 이용한 대면적 무반사 나노구조를 구비하는 렌즈의 무반사 나노구조를 보여주는 도.
도 3은 본 발명에 따른 나노섬 마스크를 이용한 대면적 무반사 나노구조를 구비하는 렌즈의 무반사 나노구조의 개략도.
도 4는 본 발명에 따른 나노섬 마스크를 이용한 대면적 무반사 나노구조를 구비하는 렌즈의 제조 방법의 블록도.
도 5a은 본 발명에 따른 나노섬 마스크를 이용한 대면적 무반사 나노구조를 구비하는 렌즈의 제조 방법 중 금속 증착 단계를 설명하는 도.
도 5b는 본 발명에 따른 나노섬 마스크를 이용한 대면적 무반사 나노구조를 구비하는 렌즈의 제조 방법 중 입자화 단계를 설명하는 도.
도 5c는 본 발명에 따른 나노섬 마스크를 이용한 대면적 무반사 나노구조를 구비하는 렌즈의 제조 방법 중 식각 단계를 설명하는 도.
도 5d는 본 발명에 따른 나노섬 마스크를 이용한 대면적 무반사 나노구조를 구비하는 렌즈의 제조 방법 중 나노섬 제거 단계를 설명하는 도.
도 6a는 도 5b의 입자화 단계 후의 렌즈의 모습을 보여주는 도.
도 6b는 도 5c의 식각 단계 및 도 5d의 나노섬 제거 단계 후의 렌즈의 모습을 보여주는 도.
도 7a는 본 발명에 따른 대면적 무반사 나노구조를 구비하는 렌즈(MLAs with ARS)와 대면적 무반사 나노구조를 구비하지 않는 렌즈(MLAs without ARS)의 현미경 이미지를 나타낸 도.
도 7b는 본 발명에 따른 대면적 무반사 나노구조를 구비하는 렌즈(MLAs with ARS)와 대면적 무반사 나노구조를 구비하지 않는 렌즈(MLAs without ARS)의 SEM 이미지를 나타낸 도.
도 7c는 본 발명에 따른 대면적 무반사 나노구조를 구비하는 렌즈(MLAs with ARS)와 대면적 무반사 나노구조를 구비하지 않는 렌즈(MLAs without ARS)의 광학 이미지를 나타낸 도.
도 8은 본 발명의 대면적 무반사 나노구조를 구비하는 렌즈에 의한 광자 수집 향상을 나타내는 그래프.
도 9는 본 발명의 대면적 무반사 나노구조를 구비하는 렌즈에 의한 투과율 향상을 나타내는 그래프.
도 10은 본 발명의 대면적 무반사 나노구조를 구비하는 렌즈에 의한 밝기 향상을 나타내는 그래프.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예를 상세히 설명한다. 우선, 도면들 중 동일한 구성요소 또는 부품들은 가능한 한 동일한 참조부호를 나타내고 있음에 유의해야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명은 본 발명의 요지를 모호하게 하지 않기 위해 생략한다.
도 1은 본 발명에 따른 나노섬 마스크를 이용한 대면적 무반사 나노구조를 구비하는 렌즈의 단면도이다.
본 발명에 따른 나노섬 마스크를 이용한 대면적 무반사 나노구조를 구비하는 렌즈는 도 1에 도시된 바와 같이, 기판(100) 상에 평면 또는 소정의 곡률을 가지는 렌즈(200) 및 상기 렌즈(100)의 일면에 나노섬 마스크를 이용하여 수평 단면 및 수직 단면이 광파장 이하의 크기를 가지는 무반사 나노구조(300)를 포함한다.
상기 렌즈(200)는 포토 레지스트(photo resist), 폴리머(polymer), 실리콘(silicon), 유리(glass) 또는 Ⅲ-Ⅴ족 반도체화합물로 형성될 수 있고, 2개 이상의 복수의 렌즈로 구성될 수 있으며, 이미지 소자, 광학 센서 또는 프로젝션 렌즈에 적용될 수 있다. 이때, 상기 무반사 나노구조(300)의 주기는 광파장 이하의 크기를 가질 수 있다.
구체적으로, 본 발명에 따른 무반사 나노구조는 종래의 무반사층 코팅과 같이 렌즈 위에 다른 종류의 물질이 도포되는 것이 아니라, 상기 렌즈(200)의 일면에 나노섬 마스크를 이용하여 수평 단면 및 수직 단면이 광파장 이하의 크기를 가지도록 구성될 수 있다.
따라서, 본 발명에 따른 렌즈는 광파장 이하의 크기 및 주기를 갖는 나노구조에 의해 렌즈의 반사율을 감소시킬 수 있고, 투과율을 증대시킬 수 있으며, 무반사 효과에 의해 고효율의 렌즈 제작이 가능하다. 이에 따라, 광원의 효율이 높아진 만큼 광원의 개수를 줄일 수 있어 제조 원가를 절감할 수 있고, 광원으로부터 발생되는 발열을 감소시킬 수 있으며, 나노섬 마스크를 이용하여 렌즈 표면에 나노구조가 형성된 무반사층을 형성하므로 렌즈를 간단하게 제작할 수 있어 렌즈의 대량생산이 가능하다.
한편, 본 발명에 따른 무반사 나노구조는 도 1에 도시된 형태에 한정되지 않고 다양한 형태로 렌즈 표면에 형성될 수 있고, 상기 렌즈의 형태도 구면 또는 비구면의 형태를 가지되, 이에 한정되지 않고 다양한 형태로 제작될 수 있음은 물론이다.
도 2a는 본 발명에 따른 나노섬 마스크를 이용한 대면적 무반사 나노구조를 구비하는 렌즈를 보여주는 도이고, 도 2b는 본 발명에 따른 나노섬 마스크를 이용한 대면적 무반사 나노구조를 구비하는 렌즈의 무반사 나노구조를 보여주는 도이다.
본 발명에 따른 렌즈는 도 2a에 도시된 바와 같이, 소정의 곡률을 가지는 복수의 렌즈로 구성될 수 있고, 상기 무반사 나노구조는 도 2b에 도시된 바와 같이, 상기 렌즈 표면 상에 나노니플(nano nipples) 형태로 형성될 수 있다.
도 3은 본 발명에 따른 나노섬 마스크를 이용한 대면적 무반사 나노구조를 구비하는 렌즈의 무반사 나노구조의 개략도이다.
상기 무반사 나노구조는 도 3에 도시된 바와 같이, 기판(100) 상에 수평 단면, 수직 단면 및 그 주기가 광파장 이하의 크기를 가지며 복수로 형성되어 굴절률을 감소시키는 작용을 할 수 있다.
예를 들어, 광파장이 600nm인 상태에서 상기 무반사 나노구조(300)의 크기 d가 상기 광파장의 크기보다 작은 115nm로 형성되는 경우, 공기의 굴절률이 1이고, 기판의 굴절률이 1.68인 상태에서, 상기 무반사 나노구조의 굴절률은 1.3 이하일 수 있다.
여기서, 상기 렌즈의 반사율을 절감시키기 위한 효과적인 굴절률은 하기의 [수학식 1]과 같이 계산될 수 있다.
[수학식 1]
Figure pat00001
여기서, neff은 무반사 나노구조의 굴절률, nsub은 기판의 굴절률, nair은 공기의 굴절률, d는 무반사 나노구조의 크기 및 λ는 광파장이다.
상술한 바와 같이, 상기 무반사 나노구조를 통해 렌즈 표면의 유효 굴절률을 조정할 수 있고, 또한, 렌즈의 반사율을 제어할 수 있는데, 렌즈의 반사율은 금속의 두께, 열처리 온도 및 시간으로 조절하거나, 나노섬 마스크를 이용한 렌즈의 식각 깊이 또는 폭으로 조절할 수 있다.
이하, 나노섬 마스크를 이용한 대면적 무반사 나노구조를 구비하는 렌즈의 제조 방법을 상세히 설명한다.
도 4는 본 발명에 따른 나노섬 마스크를 이용한 대면적 무반사 나노구조를 구비하는 렌즈의 제조 방법의 블록도이다.
본 발명에 따른 나노섬 마스크를 이용한 대면적 무반사 나노구조를 구비하는 렌즈의 제조 방법은 도 4에 도시된 바와 같이, 마스크 물질 증착 단계(S10)와, 입자화 단계(S20)와, 식각 단계(S30) 및 나노섬 제거 단계(S40)를 포함한다.
도 5a은 본 발명에 따른 나노섬 마스크를 이용한 대면적 무반사 나노구조를 구비하는 렌즈의 제조 방법 중 마스크 물질 증착 단계를 설명하는 도이다.
상기 마스크 물질 증착 단계(S10)는 렌즈 표면에 금속을 도포하는 단계이다.
구체적으로, 상기 마스크 물질 증착 단계(S10)에서는 도 5a에 도시된 바와 같이, 기판(100) 상에 구비된 렌즈(200) 표면에 마스크 물질 (400)을 도포하여, 렌즈 상에 마스크 물질 증착층을 형성하는 단계로, 여기서, 상기 기판(100)은 유리, 포토 레지스트(photo resist), 폴리머(polymer), 실리콘(silicon) 또는 Ⅲ-Ⅴ족 반도체화합물 기판이 사용될 수 있고, 상기 렌즈(200)는 포토 레지스트(photo resist), 폴리머(polymer), 실리콘(silicon), 유리(glass) 또는 Ⅲ-Ⅴ족 반도체화합물로 형성될 수 있다. 나아가, 본 발명의 렌즈로 사용되는 포토 레지스트, 폴리머는 내열성을 갖으며, 일정한 형태가 구현이 가능하다며, 그 종류는 한정되지 않는다.
상기 렌즈 표면에 도포되는 마스크 물질 (400)은 마스크 물질은 은, 금, 백금, 알루미늄, 철, 아연, 구리, 주석, 청동, 황동, 니켈을 포함하는 금속 또는 이를 포함하는 합금으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 어느 1종 이상 금속, SiO2, TEOS(Tetraethyl Orthosilicate), ITO(Indium Tin Oxide), Al2O3을 포함하는 산화물, TiN, SiNx을 포함하는 질화물, Parylene 등의 저분자 화합물, 고분자, CNT(Carbon Nano Tube), Graphite, Graphene등의 탄소화합물로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 어느 1종 이상의 물질로 이루어질 수 있으나, 열처리, 레이저 가공 또는 전자기파 조사를 통하여 입자화가 가능한 물질이면 이에 한정하지 않는다.
도 5b는 본 발명에 따른 나노섬 마스크를 이용한 대면적 무반사 나노구조를 구비하는 렌즈의 제조 방법 중 입자화 단계를 설명하는 도이고, 도 6a는 도 5b의 입자화 단계 후의 렌즈의 모습을 보여주는 도이다.
상기 입자화 단계(S20)는 상기 마스크 물질을 입자화처리하여 나노섬(nano islands)을 형성하는 단계이다.
구체적으로, 상기 입자화 단계(S20)에서는 도 5b에 도시된 바와 같이, 상기 렌즈(200)에 도포된 마스크 물질층을 입자화처리하여 상기 렌즈 상에 나노섬(500)을 형성하는 단계로, 여기서, 상기 마스크 물질은 질소, 아르곤, 헬륨, 네온, 크립톤 또는 제논 등을 포함하는 불활성 기체 중 어느 1종 이상의 기체, 진공 또는 대기 분위기에서 입자화 될 수 있다.
또한, 상기 입자화 단계(S20)에서, 상기 입자화는 열처리, 레이저 가공 또는 전자기파 조사등을 이용한 방법으로 수행할 수 있다.
상기 입자화 단계(S20)에서, 상기 열처리는 30 ~ 2000 ℃에서 처리 될 수 있고, 30 ℃ 미만에서는 처리되면 나노섬이 형성되지 않는 문제가 있고, 2000 ℃가 초과되면 렌즈가 열변형을 일으켜 손상되는 문제가 있다. 바람직하게는 30 ~ 300 ℃에서 열처리 될 수 있다.
상기 입자화는 고온에서 처리하는 종래의 무기물 렌즈를 처리하는 방법과 달리, 저온에서 열처리가 가능한 공정으로, 종래의 고온에서 고분자 렌즈를 처리하면 황색화 현상, 형태의 변형 등으로 인해 광학적 특성이 현저히 저하되는 단점을 개선할 수 있다.
한편, 상기 입자화 단계(S20)를 거친 후의 렌즈의 모습은 도 6a에 도시된 바와 같다.
도 5c는 본 발명에 따른 나노섬 마스크를 이용한 대면적 무반사 나노구조를 구비하는 렌즈의 제조 방법 중 식각 단계를 설명하는 도이다.
상기 식각 단계(S30)는 상기 나노섬을 마스크로 이용하여 상기 렌즈 표면을 식각하는 단계이다.
구체적으로, 상기 식각 단계(S30)에서는 도 5c에 도시된 바와 같이, 상기 렌즈(200) 상에 형성된 나노섬(500)을 마스크로 이용하여 상기 렌즈 표면을 건식 식각하는 단계로, 상기 식각 단계(S30)에서는 등방성 식각 또는 이방성 식각을 이용하여 상기 렌즈 표면을 식각할 수 있다.
도 5d는 본 발명에 따른 나노섬 마스크를 이용한 대면적 무반사 나노구조를 구비하는 렌즈의 제조 방법 중 나노섬 제거 단계를 설명하는 도이고, 도 6b는 도 5c의 식각 단계 및 도 5d의 나노섬 제거 단계 후의 렌즈의 모습을 보여주는 도이다.
상기 나노섬 제거 단계(S40)는 상기 나노섬을 렌즈로부터 제거하여 상기 렌즈 상에 무반사 나노구조를 형성하는 단계이다.
구체적으로, 상기 나노섬 제거 단계(S20)에서는 도 5d에 도시된 바와 같이, 상기 렌즈(200) 상에 형성된 나노섬(500)을 제거하여 렌즈 표면에 무반사 나노구조(300)를 형성하는 단계로, 여기서, 상기 무반사 나노구조(300)는 수평 단면, 수직 단면 및 그 주기가 광파장 이하의 크기를 가질 수 있다.
한편, 상기 식각 단계 및 나노섬 제거 단계(S20)를 거친 후의 렌즈의 모습은 도 6b에 도시된 바와 같다.
도 7a 내지 도 7c는 각각 본 발명에 따른 대면적 무반사 나노구조를 구비하는 렌즈(MLAs with ARS)와 대면적 무반사 나노구조를 구비하지 않는 렌즈(MLAs without ARS)의 현미경 이미지, SEM 이미지 및 광학 이미지를 나타낸 도이다.
한편, 본 발명에 따른 대면적 무반사 나노구조를 구비하는 렌즈(MLAs with ARS)와 대면적 무반사 나노구조를 구비하지 않는 렌즈(MLAs without ARS)의 현미경 이미지는 도 7a에 도시된 바와 같고, SEM 이미지는 도 7b에 도시된 바와 같으며, 광학 이미지는 도 7c에 도시된 바와 같다.
도 8은 본 발명의 대면적 무반사 나노구조를 구비하는 렌즈에 의한 광자 수집 향상을 나타내는 그래프이고, 도 9는 본 발명의 대면적 무반사 나노구조를 구비하는 렌즈에 의한 투과율 향상을 나타내는 그래프이며, 도 10은 본 발명의 대면적 무반사 나노구조를 구비하는 렌즈에 의한 밝기 향상을 나타내는 그래프이다.
한편, 본 발명에 따른 무반사 나노구조를 구비하는 렌즈의 광자 수집율과 관련하여, 도 8에 도시된 바와 같이, 광파장 488nm인 경우, 나노구조가 구비되지 않은 렌즈보다 광자 수집율이 최대 35% 증가하고, 투과율 향상과 관련하여, 도 9에 도시된 바와 같이, 광파장 450nm인 경우, 상대적인 투과율이 37% 이하로 증가하며, 렌즈의 밝기와 관련하여 도 10에 도시된 바와 같이, 가시 영역에서 이미지 밝기가 60% 이상 증가함을 알 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 소정의 지름과 곡률을 가지는 렌즈의 표면에 광파장 이하의 크기 및 주기를 갖는 나노구조를 형성하여 렌즈의 반사율을 감소시킬 수 있고, 투과율을 증대시킬 수 있으며, 무반사 효과에 의해 고효율의 렌즈 제작이 가능한 효과가 있다. 즉, 본 발명은 종래의 무반사층 코팅과 같이 렌즈 위에 다른 종류의 물질을 도포하는 것이 아니라, 나노섬 마스크를 이용하여 렌즈 표면에 나노구조가 형성된 무반사층을 형성하므로 간단하게 제작이 가능하고, 저온공정을 실현하여 무기물뿐만 아니라, 내열성이 약한 고분자 미세렌즈를 제조할 수 있다. 이를 이용하여 경량화, 내충격성이 향상된 렌즈를 제조할 수 있을 뿐만 아니라, 생산성, 가공의 용이성을 향상시켜 고효율 렌즈를 저가에 제조할 수 있는 효과가 있다.
이상과 같이 본 발명에 따른 나노섬 마스크를 이용한 대면적 무반사 나노구조를 구비하는 렌즈 및 이의 제조 방법을 예시한 도면을 참조로 하여 설명하였으나, 본 명세서에 개시된 실시 예와 도면에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술사상 범위 내에서 당업자에 의해 다양한 변형이 이루어질 수 있음은 물론이다.
100:기판 200:렌즈
300:무반사 나노구조 400:마스크 물질
500:나노섬
S10:마스크 물질 증착 단계
S20:입자화 단계
S30:식각 단계
S40:나노섬 제거 단계

Claims (17)

  1. 평면 또는 소정의 곡률을 가지는 렌즈; 및
    상기 렌즈의 일면에 나노섬 마스크를 이용하여 수평 단면 및 수직 단면이 광파장 이하의 크기를 가지는 무반사 나노구조가 구비되는 것을 특징으로 하는 나노섬 마스크를 이용한 대면적 무반사 나노구조를 구비하는 렌즈.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 무반사 나노구조의 주기는 광파장 이하의 크기를 가지는 것을 특징으로 하는 나노섬 마스크를 이용한 대면적 무반사 나노구조를 구비하는 렌즈.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 렌즈는 포토 레지스트(photo resist), 폴리머(polymer), 실리콘(silicon), 유리(glass) 또는 Ⅲ-Ⅴ족 반도체화합물로 형성되는 것을 특징으로 하는 나노섬 마스크를 이용한 대면적 무반사 나노구조를 구비하는 렌즈.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 렌즈는 구면 또는 비구면의 형태를 가지는 것을 특징으로 하는 나노섬 마스크를 이용한 대면적 무반사 나노구조를 구비하는 렌즈.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 렌즈는 2개 이상의 복수의 렌즈로 구성되는 것을 특징으로 하는 나노섬 마스크를 이용한 대면적 무반사 나노구조를 구비하는 렌즈.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 렌즈는 이미지 소자, 광학 센서 또는 프로젝션 렌즈에 적용되는 것을 특징으로 하는 나노섬 마스크를 이용한 대면적 무반사 나노구조를 구비하는 렌즈.
  7. 렌즈 표면에 마스크 물질을 도포하는 마스크 물질 증착 단계;
    상기 마스크 물질을 입자화하여 나노섬(nano islands)을 형성하는 입자화 단계;
    상기 나노섬을 마스크로 이용하여 상기 렌즈 표면을 식각하는 식각 단계; 및
    상기 나노섬을 렌즈로부터 제거하여 상기 렌즈 상에 무반사 나노구조를 형성하는 나노섬 제거 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 나노섬 마스크를 이용한 대면적 무반사 나노구조를 구비하는 렌즈의 제조 방법.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 마스크 물질 증착 단계에서,
    상기 렌즈 표면에 도포되는 마스크 물질은 은, 금, 백금, 알루미늄, 철, 아연, 구리, 주석, 청동, 황동, 니켈 이루어진 그룹으로부터 선택되는 어느 1종이상의 이루어진 금속 또는 합금인 것을 특징으로 하는 나노섬 마스크를 이용한 대면적 무반사 나노구조를 구비하는 렌즈의 제조 방법.
  9. 제 7항에 있어서,
    상기 마스크 물질 증착 단계에서,
    상기 렌즈 표면에 도포되는 마스크 물질은 SiO2, TEOS(Tetraethyl Orthosilicate), ITO(Indium Tin Oxide), Al2O3을 포함하는 산화물, TiN, SiNx을 포함하는 질화물, Parylene 등의 저분자 화합물, 고분자, CNT(Carbon Nano Tube), Graphite, Graphene등의 탄소화합물로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 어느 1종 이상의 물질인 것을 특징으로 하는 나노섬 마스크를 이용한 대면적 무반사 나노구조를 구비하는 렌즈의 제조 방법.
  10. 제 7항에 있어서,
    상기 입자화 단계에서,
    상기 마스크 물질은 질소, 아르곤, 헬륨, 네온, 크립톤 또는 제논 등을 포함하는 불활성 기체 중 어느 1종 이상의 기체, 진공 또는 대기 중에서 입자화되는 것을 특징으로 하는 나노섬 마스크를 이용한 대면적 무반사 나노구조를 구비하는 렌즈의 제조 방법.
  11. 제 7항에 있어서,
    상기 입자화 단계에서,
    상기 입자화는 열처리, 레이저 가공 또는 전자기파 조사를 이용한 방법인 것을 특징으로 하는 나노섬 마스크를 이용한 대면적 무반사 나노구조를 구비하는 렌즈의 제조 방법.
  12. 제 11항에 있어서,
    상기 열처리는 열 또는 대류를 이용하여 열처리되는 것을 특징으로 하는 나노섬 마스크를 이용한 대면적 무반사 나노구조를 구비하는 렌즈의 제조 방법.
  13. 제 11항에 있어서,
    상기 열처리는 30 ~ 2000 ℃에서 처리되는 것을 특징으로 하는 나노섬 마스크를 이용한 대면적 무반사 나노구조를 구비하는 렌즈의 제조 방법.
  14. 제 11항에 있어서,
    상기 열처리는 30 ~ 300 ℃에서 처리되는 것을 특징으로 하는 나노섬 마스크를 이용한 대면적 무반사 나노구조를 구비하는 렌즈의 제조 방법.
  15. 제 7항에 있어서,
    상기 식각 단계에서는 등방성 식각 또는 이방성 식각을 이용하여 상기 렌즈 표면을 식각하는 것을 특징으로 하는 나노섬 마스크를 이용한 대면적 무반사 나노구조를 구비하는 렌즈의 제조 방법.
  16. 제 7항에 있어서,
    상기 나노섬 제거 단계에서,
    상기 무반사 나노구조는 수평 단면 및 수직 단면이 광파장 이하의 크기를 가지는 것을 특징으로 하는 나노섬 마스크를 이용한 대면적 무반사 나노구조를 구비하는 렌즈의 제조 방법.
  17. 제 7항에 있어서,
    상기 나노섬 제거 단계에서,
    상기 무반사 나노구조의 주기는 광파장 이하의 크기를 가지는 것을 특징으로 하는 나노섬 마스크를 이용한 대면적 무반사 나노구조를 구비하는 렌즈의 제조 방법.
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