KR20220038741A - 통합된 기능을 가지는 광학 소자를 디지털 방식으로 제조하기 위한 방법 및 이러한 방법으로 제조된 광학 소자 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 통합된 기능을 가지는 광학 소자를 제조하기 위한 방법으로서, 여기서 3차원 구조는 3D 인쇄에 의해 무기-유기 하이브리드 중합체를 포함하는 인쇄 재료로부터 형성되고, 추가의 기능을 가지는 영역 적어도 1개는 이 구조의 표면상 및/또는 덩어리 내부의 영역을 수정함으로써 형성되는 방법에 관한 것이다. 본 발명은 또한 무기-유기 하이브리드 중합체로부터 3D 인쇄에 의해 형성된 3차원 구조를 포함하고, 이 구조는 표면상 및/또는 덩어리 내부에 추가의 기능을 가지는 영역 적어도 1개를 가지는 광학 소자에 관한 것이다.
Description
본 발명은 통합된 기능을 가지는 광학 소자를 디지털 방식으로 제조하기 위한 방법으로서, 무기-유기 하이브리드 중합체를 포함하는 인쇄 재료로부터 3D 인쇄에 의해 3차원 구조가 형성되고, 이 3차원 구조의 표면상에, 그리고/또는 이 구조의 덩어리(volume) 안에 있는 영역을 수정함으로써 추가 기능을 가지는 영역 적어도 1개가 형성되는 방법에 관한 것이다. 본 발명은 또한 3D 인쇄에 의해 무기-유기 하이브리드 중합체로부터 형성된 3차원 구조를 포함하고, 이 3차원 구조는 이의 표면상에, 그리고/또는 이의 덩어리 내부에 추가의 기능을 가지는 영역 적어도 1개를 가지는 광학 소자에 관한 것이다.
지금까지의 광학 시스템은 정해진 기능을 달성하기 위해 다양한 광학 소자, 예컨대 렌즈, 거울, 조리개 등으로 구성되었다. 전통적 유리재 영상화 광학기기 시스템은, 각각 정확하게 연결되어야 하고, 중량과 부피가 큰 전체 부품들의 조립이 필요하다.
선행 기술에 공지된 카메라 대상체에서, 다양한 광학 부품들, 구체적으로 연삭 및 연마된 구면 렌즈와 조리개는 서로 연결되어 전체 배열을 형성한다. 이 경우에서, 복잡한 렌즈 시스템은 단순히 영상화를 구현하는 것뿐 아니라, 이와 동시에 광학 수차(예컨대 색 오류 및 구면 수차)를 또한 교정해야 한다. 광학기기가 더 복잡해지고 이에 따라 시스템에 들어가는 비용이 더 많아짐에 더하여 각각의 개별 부품들은 정교하게 반사 방지 조치가 되어야 할뿐더러, 광선 처리량(light throughput)도 또한 감소하게 된다. 굴절면과 마찬가지로, 개구 조리개(소위 차단막)는 잔상과 원치않는 광선 반사를 막기위해 반드시 광학 시스템 내부에 있어야 한다.
광학 시스템의 부품 다수는 광기계 부품들을 통해 서로 간에 정확하게 정렬되어야 하는데, 이러한 부품들은 중량 및 부품이 차지하는 부피의 증가를 초래할뿐 아니라, 부품들, 조립체 및 조정에 비용이 많이 들어가도록 만든다. 광학 시스템은, 특히 연삭 및 연마에 의해 저렴하게 제작될 수 있는 구면이 사용됨에 따라 복잡해진다. 그러므로 뛰어난 영상화 특성은 많은 노력을 들였을 때 달성될 수 있다.
광학 시스템 복잡성의 유의미한 감소는 프리폼(freeform)의 표면을 이용함으로써 실현될 수 있다. 이러한 표면은 머시닝 공정, 예컨대 다이아몬드 선삭 또는 정밀 프레싱이 이용되어 형성된다. 그러나 부품 수를 줄임으로써 얻어지는 비용상의 이점은 프리폼 형성을 위한 복잡한 후가공 단계들과 고비용의 도구가 사용되어야 한는 문제와 또한번 상충한다. 더욱 경제적이고, 그에 따라 다수의 “소비자” 친화적인 광학기기는 엠보싱 공정 또는 정밀 사출 성형에 의해 렌즈로 가공될 중합체를 사용함으로써 실현될 수 있다. 잉크젯 또는 SLA 기법(입체 리소그래피; stereolithography)이 사용되는 중합체 광학기기의 3D 인쇄는 이와 관련하여 명쾌한 해결책이 되는데, 그 이유는 이 기법 자체를 통해 프리폼이 형성될 수 있기 때문이다. 이 점은 (선택적으로는 단파장에서의 장기적 안정성을 개선하기 위해 실리콘 성분과 함께) 주로 유기 수지를 인쇄하여 조명 및 안과 관련 응용예를 위한 굴절면을 제조하는 것에 관한 EP 2 943 331 B1에 공지되어 있다. 선행 기술에서, 굴절(부분적으로는 반사성이기도 한) 광학 부품의 추가 제작에 관한 다수의 변형예가 공지되어 있지만(첨부된 참고문헌 목록 참조), 이것들은 3D 인쇄 중합체 광학기기에 통상적인 문제점들, 즉
- 인쇄된 물체(body)의 덩어리 내부에 층 경계를 발생시켜 굴절 지수 불균일을 초래하고, 이로 말미암아 물체를 관통하여 투과율이 감소한다는 점
- 디지털화로 인한 인위적 결과가 발생하는 점, 즉 한정적으로 이격된 층들로 물체를 절편화함으로 말미암아 인쇄된 표면상에 단차가 형성되는 점
- 종래 방식으로 제작된 광학기기에 비하여 각각의 경우 구현된 표면의 정확도가 제한되고, 거칠기는 증가한다는 점
- 중합체를 사용함으로 말미암아 내구성 및 신뢰성이 제한된다는 점
을 가지고 있다.
가동 광학 시스템을 단지 개별 부품(예컨대 렌즈)으로 제조하는 것이 아니라 디지털 방식으로 제작하여 만들고자 하는 열망이 있을 때, 흡광 재료로 제조된 조리개 또는 심지어 추가의 기능성 소자, 예컨대 거울의 통합은 이루어지지 못한다.
조리개 또는 흡광 구조는 보통 전체 광학 시스템에 광기계 부품으로서 삽입된다. 전통적 광학기기 생산에 있어 최신 기술에 따르면, 추후 선택적으로 조리개 구조의 추가적/디지털 방식의 통합은 제공되지 않는다. 그러나 레이저 공정을 통해 부품의 덩어리 내부에 촉발되는, 광학 유리 제품 또는 중합체 블록의 3D 입체 구조화가 기재되어 있다. 여기에는 미세균열의 형성 또는 표적 국소 암흑화(balckening)가 연루되는데, 이때 표적 국소 암흑화는 아마도 재료의 수정을 통해 조장될 수 있을 것이다. 그러나 이러한 수정은 통상 광학 시스템 적용 분야, 특히 3D 인쇄된 광학 소자에서는 이루어지지 않는다.
현재의 최신 기술에 따르면, 디지털 공정을 이용한 광학기기의 3D 성형은 몇 가지 방법을 통해 실행 가능하다.
1. 선택적 레이저 식각:
여기서 석영 유리는 통상 펨토초(femtosecond)의 레이저 펄스에 노출되는 관계로, 초점 중심 영역에서의 식각 속도는 HF 또는 KOH에 의한 식각 속도보다 증가한다. 식각 단계는 3D 구조의 순차적 점별 노출 후 진행되고, 이후 원하는 3D 구조는 노출된 영역의 음영 면으로서 남게 된다(감색 공정; subtractive process). 그러나, 이러한 공정의 정확도 및 거칠기는 광학부품을 제작하기에 충분치 않다.
2. 3D 인쇄:
입자(예컨대 규소 포함 입자) 및 유기 매트릭스 재료로 이루어진 복합재의 3D 인쇄와, 이후의 소결, 즉 매트릭스 재료의 열 분해. 이 기법은, 유리와 같은 부품이 추가로 제작되는 것을 허용한다. 식각 공정과 유사하게, 부품의 품질은, 특히 소결 공정중 수축으로 말미암아 광학 응용예에 충분치 않다.
3. 레이저 구조화 및 연마
CO2 레이저 조사에 의한 융삭, 미세 마모, 연마
4. 마모 레이저 처리:
투사형 광학기기의 융삭에 의한 레이저 처리도 또한 아크릴산염과 관련하여 기재되어 있음(DE 10 2017 002986 A1).
이를 기반으로 하였을 때, 본 발명의 목적은 통합된 기능을 가지는 광학 소자를 디지털 방식으로 제조하기 위한 방법으로서, 선행 기술의 단점들을 극복하고, 광학 소자가 광학 특성 개선과 함께 정교함의 증가를 달성할 수 있도록 만드는 방법을 제공하는 것이다.
이러한 목적은 청구항 1의 특징들을 가지는 방법과 청구항 13의 특징들을 가지는 광학 소자에 의해 달성된다. 추가의 종속 청구항들은 유리한 발전을 보여준다.
본 발명에 따르면, 통합된 기능을 가지는 광학 소자를 디지털 방식으로 제조하기 위한 방법이 제공되는데, 여기서
a) 3차원 구조는 3D 인쇄에 의해 무기-유기 하이브리드 중합체를 포함하는 인쇄 재료로 제조되고,
b) 3차원 구조에 있어 추가의 기능을 가지는 영역 적어도 1개는 이 구조 표면상 및/또는 덩어리 내부 영역을 수정함으로써 형성된다.
선행 기술에 공지된 난관들은 본 발명에 따라 적합한 재료와 조합하여 추가적이고 디지털 방식의 공정들의 표적 선택을 통해 해결된다. 첫 번째로, 광학 소자는 프리폼 접근법의 일환으로서 굴절면 수를 감소시키기 위해 3D 인쇄, 예컨대 잉크젯 인쇄, 입체 리소그래피 또는 디지털 광선 가공 기법(DLP)에 의해 3차원 구조로서 제조된다. 원칙적으로 이는, 종래의 광학기기로는 달성될 수 없었던 광시야 분포 조성을 허용하고, 복잡성과 광학 시스템의 하류 조립 및 조정을 상당 수준 간편화한다.
추가의 기능은, 바람직하게 광학 기능, 특히 흡광 및/또는 반사 및/또는 굴절 및/또는 산란 소자, 또는 전기 기능으로부터 선택된다.
선행 기술과는 대조적으로, 광 경화성, 즉 광화학적으로 가교 가능한 무기-유기 하이브리드 중합체(ORMOCER)는 인쇄 재료로서 순수하게 유기물인 중합체 대신에 사용된다. 이는, 더 좋은 광학 특성을 부여하고, 온도에 의한 영향 및 노화에 대한 기타 징후, 특히 황변에 대해 증가한 안정성을 제공하는 무기 성분을 가진다. 뿐 아니라, 무기-유기 하이브리드 중합체의 재료 군은 인쇄 매개변수 및 성분의 특성과 관련하여 개질될 수 있으므로, 인쇄된 광학기기의 특성은, 일반적으로 선행 기술에 비하여 유의미하게 개선될 수 있다. 이러한 개선은, 예를 들어 광화학적 개질을 통한 층간 경계 감소, 재료 고유의 자기 평탄화 효과를 통한 더욱 평탄한 표면 달성, 그리고 가시 스펙트럼 범위에서의 투과율 증가에 관한 것이다.
무기-유기 하이브리드 중합체는 하기 화학식 I, 즉
화학식 I
RxSi(OR')4 -x
[식 중,
R은 C1-C8, 구체적으로 메틸, 에틸, 이소프로필, tert-부틸, 사이클로헥실, 페닐, 그리고 선택적으로는 비닐, 알릴, 글리시딜옥시프로필, [2-(3,4-에폭시사이클로헥실)에틸]트리메톡시실란, (메트)아크릴옥시프로필, 스티릴, 티올렌, 노르보넨으로 특히 작용기화된 기로부터 선택되는 유기기이고,
R'는 H, C1-Cx-알킬, 구체적으로 메틸 또는 에틸임]
의 알콕시실란 또는 하이드록시실란 1개 이상의 가수분해 및 축중합에 의해 제조되며, 규소는 지르코늄 및/또는 티타늄에 의해 적어도 부분적으로 대체될 수 있는 것이 바람직하다.
사용된 무기-유기 하이브리드 중합체는 가수분해 및 이후의 알콕시실란(전구체) 축합에 의해 제조된다. 이는, SiO 단위로 구성되어 있고, 유기 작용기가 공유 결합된 무기 백본을 형성한다. 3D 인쇄가 가능한 무기-유기 하이브리드 중합체의 경우, 이 중합체는 UV 가교 가능한 기, 구체적으로 아크릴산염 및 메타크릴산염을 포함한다. 이러한 하이브리드 중합체는 보통 수 마이크로미터의 얇은 층에 통상 적용되고 (미세)구조화되는 포토레지스트이다. 3D 인쇄 공정에 있어 다층의 구축은 이러한 재료들이 고형체로 가공되도록 허용한다.
바람직한 구현예는 기능성 입자들, 구체적으로
- 굴절 지수가 큰 입자, 바람직하게 산화지르코늄 또는 산화티타늄, 또는 레이터 흡광율이 증가한 나노입자,
- 광 전환 입자, 구체적으로 광 증폭 및/또는 파장 전환 입자,
- 산란 입자,
- 열 전도, 분산, 열 팽창을 조정하는 입자
- 표지로서의 입자 또는
- 이것들의 조합
을 포함하는 인쇄 재료를 제공한다.
바람직하게 기능성 입자, 나노 입자, 즉 최대 입경이 1000 nm 이하인 입자가 사용된다.
3D 인쇄는, 바람직하게 잉크젯 인쇄 공정, 입체 리소그래피 또는 디지털 광선 가공 기법(DLP)에 의해 수행된다.
잉크젯 인쇄 공정에 의해 3차원 구조가 제조될 때, 바람직하게 하기 공정 단계들, 즉
(1) 무기-유기 하이브리드 중합체를 포함하는 인쇄 재료 액적 다수를, 기재 방향으로 분사하는 단계로서, 이 액적들은 차곡차곡 쌓여 하나의 층을 형성하는 단계,
(2) 조사, 바람직하게 UV 조사 또는 청색 LED 광선 조사에 의해 층내 액적 다수를 광 화학 경화하는 단계
가 수행된다.
단계 (1) 및 단계 (2)는, 원하는 3차원 구조가 구축될 때까지 반복된다.
대안적으로 액적 다수를 분사하여 바깥쪽 윤곽을 층별로 광화학 경화함으로써 3D 물체의 바깥쪽 윤곽에 적층해 나가는 방법 또한 본 발명의 일부이다. 여기서 구조의 덩어리는 추후 무기-유기 하이브리드 중합체로 범람되고, 다시 한번 노출된다.
사용되는 무기-유기 하이브리드 중합체의 선택은 한편으로는 상기 언급된 성분의 특성이 발휘될 수 있도록, 다른 한편으로는 각각의 인쇄 공정과 연합하여 수행된다. 일반적으로 모든 무기-유기 하이브리드 중합체가 3D 인쇄에 의해 바탕 물체(base body)로 가공될 수 있는 것은 아니다. 잉크젯 인쇄를 위해서, 예를 들어 합성 공정(전구체의 선택) 또는 반응성 시너의 첨가는 이 중합체의 점도와 관련하여, 바람직하게 실온에서 10 mPas ~ 50 mPas가 되도록 조정되어야 한다. 적합한 반응성 시너, 즉 인쇄 공정에서 가교되는 분자는, 예를 들어 DDDMA(도데칸디올 디메틸아크릴산염) 또는 에틸 메타크릴산염(EMA)일 수 있다. 더욱이, 무기-유기 하이브리드 중합체는 광화학적으로 경화될 수 있으며, (인쇄 공정에서 이격된 층에 대응하여) 두꺼운 층들을 대상으로 하는 가공에 적합하다.
놀랍게도, 임의의 디자인 유형을 보이는 하이브리드 중합체를 사용하여 다층의 부품을 제조함으로써 거시적 물체가 구축될 수 있는데, 여기서 기타의 제작 공정이 수행될 때, 재료 내부 응력으로 말미암아 균열이 형성될 수 있다.
본 발명에 따른 추가의 구현예는, 입체 리소그래피에 의해 3차원 구조가 제조될 때 이하의 단계들, 즉
(1) 배스(bath) 중 지지 구조상에 인쇄 재료를 제공하는 단계,
(2) 이 배스의 저부를 관통하는 것으로서, 컴퓨터상 이미지를 인쇄할 수 있도록 만드는 초점형성 (UV) 광원에 인쇄 재료를 층별로 노출시킴으로써 층을 경화하는 단계,
(3) 형성된 인쇄 재료 층과 함께 캐리어 구조를 이동시켜, 후속하여 형성되는 인쇄 재료 층을, 이처럼 형성된 층상에 노출시키는 단계
로 수행될 수 있는 방법을 제공하되, 단 단계 (2) 및 단계 (3)은 원하는 3차원 구조가 구축될 때까지 반복된다.
본 발명에 따른 추가의 구현예는, 디지털 방식의 광선 가공 기법(DLP)에 의해 3차원 구조가 제조될 때 이하의 단계들, 즉
(1) 배스 중 지지 구조상에 인쇄 재료를 제공하는 단계,
(2) 이 배스의 저부를 관통하는 것으로서, 실내등 변조 장치가 장착된 광원에 인쇄 재료를 층별로 노출시킴으로써 층을 경화하는 단계,
(3) 형성된 인쇄 재료 층과 함께 캐리어 구조를 이동시켜, 후속하여 형성되는 인쇄 재료 층을 이처럼 형성된 층상에 노출시키는 단계
로 수행될 수 있는 방법을 제공하되, 단 단계 (2) 및 단계 (3)은 원하는 3차원 구조가 구축될 때까지 반복된다.
덩어리 내부의 영역별 수정은, 수정될 영역상에 10 ps 미만으로 초단파 레이저 펄스를 사용하여 레이저 선을 방사 및 집중시킴으로써 달성되고, 영역별 수정은 초단파 레이저 펄스를 통해 이 구조의 표면상 및/또는 덩어리 내부에서 일어나는 것이 바람직하다. 레이저 펄스의 펄스 반복율은, 바람직하게 1 kHz ~ 500 kHz이고/이거나 펄스 에너지는 10 nJ ~ 3000 nJ이다. 레이저 파장은, 바람직하게 300 nm ~ 2200 nm의 범위이다. 초점내 레이저 빔 직경 범위는, 바람직하게 30 μm 미만이다.
바람직하게 무기-유기 하이브리드 중합체중 유기 성분의 탄화는 초단파 레이저 펄스에 의해 수행되고, 이로 말미암아 수정될 영역의 암흑화가 일어나며/일어나거나 수정될 영역이 전기적으로 전도성이 된다.
인쇄된 광학 부품의 이미 개선된 특성에 더하여, 적합한 무기-유기 하이브리드 중합체의 인쇄 재료로서의 선택은 추가 기능들의 통합을 가능하게 하므로, 광학 시스템은 디지털 공정을 통해 제조될 수 있다. 특정 기능은 인쇄 재료와 레이저 조사의 상호작용을 통해 흡광 구조를 인쇄된 물체의 덩어리 내부에 생성되는 것이다. 이를 위해, 레이저는 광학 시스템에 의하여 물체에 집중된다. 덩어리 내부에서의 상호작용은 추후 인쇄 재료의 미시적 재료 수정을 일으키는, 초단파 레이저 펄스들의 비선형 흡광 공정을 통해 일어난다. 이러한 수정의 기하학적 특징들은 사용된 초점형성 광학기기와 사용된 레이저 매개변수에 의해 조작될 수 있고, 하나의 펄스에 의해 촉발된 수정은 재료 및 시료 표면에 잡힌 초점들 사이의 거리에 의존한다. 시료 표면 아래 일정한 가공 깊이에서 개별 펄스에 의해 촉발된 다수 회의 수정의 조합은 결과적으로 인쇄 재료의 거시적 재료 수정을 허용한다. 이는 또한 시료 표면 아래 상이한 가공 깊이에서 일어날 수 있으나, 균일한 거시적 재료 수정과 관련해서 깊이에 따라 개질된 레이저 공정의 제어가 필요하다. 잔상과 원치않는 반사를 피하기 위한 흡광 구조의 관점에서, 레이저로 유도된 재료의 수정은 구체적으로 탄화일 수 있는데, 다시 말해서 유기 ORMOCER® 성분의 분해는 덩어리 안에 광대역 흡광(어두운) 구조로서 나타난다. 거시적으로 가공된 영역을 관통하는 총 흡광율/투과율은, 동일한 지점 또는 매우 인접하는 영역들에서 공정 매개변수를 개질하고/개질하거나 수정을 수 차례 촉발시킴으로써 한정된 방식으로 설정될 수 있다.
고체에서의 흡광 행동을 수정하고, 그를 통하여 레이저 유도 상호작용을 더 잘 제어함으로써 디지털 방식으로 한정된 영역을 암흑화하기 위해 나노입자를 첨가하는 것도 또한 상상될 수 있다. 이와 같은 재료 기법에 의한 접근은 인쇄 재료의 굴절 지수가 조정되도록 추가로 허용한다.
레이저 유도 탄화의 촉발은 또한 수정된 영역의 이점, 즉 전기 전도성을 가진다. 이는 결과적으로 흡광 구조의 통합뿐 아니라, 이에 후속되는 통합, 예를 들어 통합된 전기광학 부품, 가열 소자 또는 센서와의 접촉을 도모하기 위한 전기 전도체 트랙들의 통합을 가능하게 한다.
3차원 구조의 영역별 수정은, 바람직하게 하기 단계들, 즉
- 레이저 조사에 의해 구조의 표면 및/또는 그 덩어리 내부에 흡광 및/또는 반사 및/또는 굴절 및/또는 산란 소자를 형성하는 단계,
- 플라즈마 식각에 의해 구조 표면에 반사 방지 코팅을 수행하는 단계,
- 잉크젯 인쇄 공정 이후 열 후처리 및/또는 포토닉(photonic) 후처리, 예컨대 플래시 램프 조사 또는 레이저 후처리에 의해 반사 소자를 제조하는 단계로서, 여기서 인쇄 공정은, 바람직하게 금속 (나노)입자, 특히 바람직하게 은 (나노)입자를 사용하여 수행되는 단계,
- 잉크젯 인쇄 공정에 의해 무색의 소자를 형성하는 단계로서, 잉크젯 인쇄 공정중 제1 인쇄 재료는 적어도 일시적으로 제1 인쇄 재료의 굴절 지수와 상이한 굴절 지수를 보이는 추가의 인쇄 재료로 대체되는 단계, 그리고
- 이 단계들의 조합
중 적어도 하나에서 일어난다.
본 발명에 따르면, 3D 인쇄에 의해 무기-유기 하이브리드 중합체로부터 제조된 3차원 구조로서, 표면상 및/또는 덩어리 내부에 추가의 기능을 가지는 영역을 적어도 1개 가지는 3차원 구조를 포함하는 광학 소자도 또한 제공된다.
추가의 기능은 광학 기능, 구체적으로 흡광 및/또는 반사 및/또는 굴절 및/또는 산란 구조, 또는 전기 기능, 구체적으로 전기 전도 기능으로부터 선택되는 것이 바람직하다.
3차원 구조의 추가 기능은
- 구체적으로 금속 (나노)입자, 바람직하게 은 (나노)입자로부터 제조된, 구조의 반사 표면,
- 플라즈마 식각에 의해 광학 소자 표면상에 형성된 반사 방지 코팅
- 구조의 표면상 및/또는 덩어리 내부에 있는 광 굴절 소자,
- 구조의 표면상 및/또는 덩어리 내부에 있는 광 산란 소자,
- 구조의 표면상 및/또는 덩어리 내부에 있는 흡광 소자, 구체적으로 개구 조리개,
- 구조의 표면상 및/또는 덩어리 내부에 있는 무색 소자, 그리고
- 이것들의 조합
으로부터 선택되는 것이 바람직하다.
기타 디지털 방식의 공정들과 병행되어 3D 인쇄에 의해 무기-유기 하이브리드 중합체로부터 광학 시스템을 제작함에 있어 기본적인 접근은 더욱더 정교한 기능들의 통합을 허용한다. 만일 인쇄 재료가 추가의 기능성 재료 및 공정들과 양립가능하고, 이 통합이 화학적 방법을 통해 달성될 수 있으면, 개별 인쇄 층들 사이에서의 인쇄 공정중에, 또는 인쇄된 물체의 인쇄가 종결된 후에 추가의 기능이 발휘될 수 있다.
전반적으로 이 접근법의 이점은 특히 한편으로는 3D 인쇄된 광학기기의 이점으로부터 얻어진다. 다른 한편, 추가의 유의미한 이점들은 인쇄 재료 선택 및 공정(3D 인쇄, 레이저 공정) 관리로 말미암은 가능들의 통합으로 얻어진다. 이러한 이점들로서는
- 중량 및 부피의 감소
- 비용 절감
- 순수한 중합체 기반 인쇄 재료의 특성에 비하여 유의미하게 개선된 재료의 특성(온도 안정성, 황변 등)
- 개선된 신뢰성
- 굴절면(들) 및 통합된 흡광소자의 구조/칸막이와 관련된, 디자인상의 완전한 자유
- 잔상 및/또는 원치 않는 반사의 제거
- 예전에는 광학 시스템에 통합하는 것이 매우 어려웠거나 심지어 불가능하기까지 했던 추가 기능들(예를 들어 거울, 흡광소자 구조) 및 기능 밀도(functional density)의 유의미한 증가
- 광학 특성의 개선: 층 경계(에서의 굴절/산란) 감소, 낮은 표면 거칠기, 층들이 추가로 적용되지 않은 AR층들
- 도구 조정 없이 회분 크기 1 이하로 구현 가능한 디자인
을 포함한다.
본 발명에 따른 특허 대상은 본원에 보인 특정 구현예에 제한되지 않고 이하 도면 및 실시예가 사용되어 더 상세히 설명될 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 광학 소자의 사진을 보여준다.
도 2는 본 발명에 따른 광학 소자의 투과 스펙트럼을 석영 유리 및 PMMA의 투과 스펙트럼과 비교한 결과를 보여준다.
도 3은 통합된 기능 영역(흡광 영역)을 가지는, 본 발명에 따른 광학 소자의 사진을 보여준다.
도 1은 무기-유기 하이브리드 중합체(ORMOCER)로 제조된, 본 발명에 따른 광학 소자의 사진이다. 이 영상으로부터 광학 소자는 투명도가 매우 클뿐 아니라, 재료는 황변되지 않음을 알 수 있다. 더욱이 상단 표면은 프리폼이다.
도 2는 본 발명에 따른 광학 소자의 투과 스펙트럼을 도시한 것이다. 측정은 3D 인쇄된 면에 평행한 평판(두께 3 mm)상에서 수행되었다(재료 1, ORMOCER로서 시판; 재료 2, DDDMA로 수정된 ORMOCER). 스펙트럼은 두께 1 mm인 PMMA 평판(재료 3) 및 두께 5 mm인 PMMA 평판(재료 4)의 투과율을 참조로서 보여주고, 석영 유리 투과율은 순수하게 무기의 것인 재료에 대한 참조로서 보여준다. 데이터는, 3D 인쇄된 물체의, 400 nm ~ 1100 nm 범위 파장에서의 투과율이, 전통적으로 가공된 재료의 400 nm ~ 1100 nm 범위 파장에서의 투과율과 유사함을 입증한다. 이는, 3D 인쇄 공정(여기에서는 잉크젯)에서 적합한 ORMOCER가 사용될 때 투과율의 관점에서 고품질의 광학적 성질(산란/굴절 층 경계 형성 방지)을 보여준다.
도 3은 기능성 영역들이 통합된, 본 발명에 따른 광학 소자의 사진이다. 수직 방향의 흡광소자 구조는 좌측 광학 소자에 퉁합되었으며, 수평 방향의 흡광소자 구조는 우측 광학 소자에 통합되었는데, 여기서 흡광소자 구조는 회색 영역으로 보일 수 있다.
실시예
3-(트리메톡시실릴)프로필 메타크릴산염, 디페닐디메톡시실란 및 메톡시트리메틸실란은 1:1:1.75의 몰비로 산성 가수분해/축합 반응에서 HCl의 도움을 받아 반응한다. 처리 후, 수득된 수지의 점도는 도데칸디올 디메타크릴산염에 의해 40 mPas로 조정되고, 적합한 광 개시제가 첨가된다.
그 다음, 이 재료의 제형은 잉크젯 공정에 의해 인쇄되어 3차원의 바탕 물체로 형성된다. 이 공정은 두께 10 μm의 층으로 층별로 수행되는데, 인쇄된 각각의 층은, 실제 인쇄 공정이 이루어진 다음 2초 동안 UV LED(파장: 405 nm)에 노출, 즉 경화되고, 이후 프린트 헤드는 하이브리드 중합체와 함께 층들 사이의 거리만큼 캐리어로부터 이격된다. 3차원 구조는 (바탕 물체의 컴퓨터 모델에 따른 현재 위치대로의) 인쇄, 노출 및 캐리어 격리 과정이 다수회 반복되면서 형성된다. 이의 투명도는 총 두께 1 mm에 대해 가시 스펙트럼 범위에서, 통상 90%를 초과한다.
그 다음, 3차원 구조는 이 구조의 덩어리에서 이루어지는 레이저 유도 수정 실행을 위한 레이저 직접묘화 시스템에 도입된다. 여기에서 초점 직경 1.6 μm, 펄스 지속 시간 0.35 ps ~ 1.5 ps, 그리고 펄스 반복률(pulse repetition rate) 1 kHz ~ 500 kHz인 초단파 펄스 레이저(파장: 1030 nm)가 개구수 0.4인 덩어리에 집중된다. 덩어리에 실행될 수정을 보여주는 디지털 데이터에 따르면, 이후 레이저 초점은 3D 인쇄된 물체를 관통하여 다양한 궤도를 따라서 (XY 방향으로, 또는 YZ 방향이나 XZ 방향으로) 안내된다(이때의 펄스 에너지 10 nJ ~ 3000 nJ). 잔상 및 원치않는 반사를 막기 위한 흡광 구조의 관점에서, 레이저 유도 재료 수정은 특히 탄화, 즉 광대역 흡광(어두운) 구조로서 덩어리 내부에 나타나는 유기 하이브리드 중합체 성분들의 분해일 수 있다. 탄화 역치(carbonation threshold) 이하에서 일어나는 약간의 재료 수정은 광 굴절 또는 광 산란 구조를 도입하는데 사용된다.
이러한 방식으로 제작된 성형 물체는 추가의 기능을 함유할 수 있다. 아베 수(Abbe number)가 상이한, 상이한 하이브리드 중합체가 사용되는 추가의 3D 인쇄 공정은 이처럼 성형된 물체를 대상으로 수행될 수 있다. 이러한 제작은, 기본적으로 조사 파장, 지속 시간 및 층 이격 거리의 관점에서 비교 가능한 실험 조건하에 수행된다. 아베 수가 상이한 재료 2개의 조합은 광학 분야에 공지되어 있으며, 색 보정된 광학기기의 제작을 가능하게 만든다.
더욱이 하이브리드 중합체가 사용되는 인쇄 공정은 은 나노입자를 포함하는 잉크를 1개 이상의 층에 인쇄하기 위해 중단될 수 있다. 인쇄된 나노입자는 반사층을 형성하도록 소결되어야 하는데, 가장 간단한 경우에는 온도 200℃의 오븐에서 30분의 지속 시간 동안 진행된다.
대안적으로 소결은 레이저 조사에 의해 수행되는데, 레이저 조사는 인쇄된 층에 적용되고, 이때 이 조사 광선은 입자에 의해 흡광되어 열로 전환된다. 이는, 입자의 소결을 유도한다. 지속적 방사 레이저 시스템 또는 펄스 방식의 레이저 시스템(레이저 파장 200 nm ~ 3,500 nm 및 9,000 nm ~ 11,000 nm에서의 펄스 길이 1 ns 초과)이 사용된다. 고정형 레이저 빔 아래에서 어느 한 기재가 이동하고/이동하거나(이때, 인쇄면은 기재 또는 레이저 빔이 이동하지 않고도 완전히 가공됨), 레이저 빔이 고정된 기재 위를 이동한다. 조합 방식도 가능한데, 예를 들어 기재가 이동하고, 레이저 빔이 이동하는 방식도 가능하다. 특정 예에서, 레이저 소결은 광섬유 레이저(방사 파장 1070 nm, 연속파, 전력 32.7 W)에 의해 수행되는데, 이때 집중된 레이저 빔(초점형성 광학기기의 초점 거리 254 mm, 초점내 스팟 직경 860 μm)은 곡면을 따르는 방식으로 나노입자 층을 스캔한다(스캔 속도 4000 mm/s, 트랙 간격 50 μm).
플라즈마 식각은 인쇄된 광학 소자로 형성된 굴절면의 반사를 방지하는데 사용될 수 있다. Ar/O2 플라즈마는 500 s의 지속 시간 동안 소자 표면에 대해 작용하므로, 공극 크기 10 nm ~ 150 nm 및 공극 깊이 50 nm ~ 200 nm인 다공성 구조가 생성된다. 이러한 소위 “나방의 눈(moth eyes)”은 표면 반사율의 4%만큼의 광대역 축소를 달성한다.
Claims (18)
- 통합된 기능을 가지는 광학 소자를 디지털 방식으로 제조하기 위한 방법으로서,
a) 3차원 구조는 3D 인쇄에 의해 무기-유기 하이브리드 중합체를 포함하는 인쇄 재료로 제조되고,
b) 이 3차원 구조에 있어 추가의 기능을 가지는 영역 적어도 1개는 이 구조 표면상 및/또는 덩어리 내부 영역을 수정함으로써 형성되는 방법. - 제1항에 있어서, 상기 추가의 기능은, 광학 기능, 특히 흡광 및/또는 반사 및/또는 굴절 및/또는 산란 소자, 또는 전기 기능으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 무기-유기 하이브리드 중합체는 하기 화학식 I, 즉
화학식 I
RxSi(OR')4 -x
의 알콕시실란 또는 하이드록시실란 적어도 1개의 가수분해 및 축중합에 의해 제조되되,
R은 C1-C8, 구체적으로 메틸, 에틸, 이소프로필, tert-부틸, 사이클로헥실, 페닐, 그리고 선택적으로는 비닐, 알릴, 글리시딜옥시프로필, [2-(3,4-에폭시사이클로헥실)에틸]트리메톡시실란, (메트)아크릴옥시프로필, 스티릴, 티올렌, 노르보넨으로 특히 작용기화된 기로부터 선택되는 유기기이고,
R'는 H, C1-C8-알킬, 구체적으로 메틸 또는 에틸이며,
Si는 지르코늄 및/또는 티타늄에 의해 적어도 부분적으로 대체될 수 있는 것을 특징으로 하는 방법. - 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 인쇄 재료는 입자, 구체적으로
- 굴절 지수가 큰 입자, 바람직하게 산화지르코늄 또는 산화티타늄, 또는 레이터 흡광율이 증가한 나노입자,
- 광 전환 입자, 구체적으로 광 증폭 및/또는 파장 전환 입자,
- 산란 입자,
- 열 전도, 분산, 열 팽창을 조정하는 입자
- 표지로서의 입자 또는
- 이것들의 조합
을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법. - 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 3D 인쇄는 잉크젯 인쇄 공정, 입체 리소그래피 또는 디지털 광선 가공 기법(DLP)에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 잉크젯 인쇄 공정에 의해 상기 3차원 구조가 제조될 때, 하기 방법 단계들, 즉
(1) 무기-유기 하이브리드 중합체를 포함하는 상기 인쇄 재료의 액적 다수를, 기재 방향으로 분사하는 단계로서, 이 액적들은 차곡차곡 쌓여 하나의 층을 형성하는 단계,
(2) 조사, 바람직하게 UV 조사 또는 청색 LED 광선 조사에 의해 상기 층내 액적 다수를 광 화학 경화하는 단계
가 수행되고, 상기 단계 (1) 및 상기 단계 (2)는 원하는 3차원 구조가 구축될 때까지 반복되는 것을 특징으로 하는 방법. - 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 인쇄 재료의 점도는 반응성 시너, 특히 도데칸디올 디메타크릴산염 또는 에틸 메타크릴산염이 사용될 때 10 mPas ~ 50 mPas의 범위로 설정되는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제5항에 있어서, 상기 3차원 구조가 입체 리소그래피에 의해 제조될 때 하기 방법 단계들, 즉
(1) 배스중 지지 구조상에 상기 인쇄 재료를 제공하는 단계,
(2) 이 배스의 저부를 관통하는 것으로서, 컴퓨터상 이미지를 인쇄할 수 있도록 만드는 초점형성 (UV) 광원에 상기 인쇄 재료를 층별로 노출시킴으로써 층을 경화하는 단계,
(3) 형성된 상기 인쇄 재료 층과 함께 캐리어 구조를 이동시켜, 후속하여 형성되는 인쇄 재료 층을, 이처럼 형성된 층상에 노출시키는 단계
가 수행되되, 단 단계 (2) 및 단계 (3)은 원하는 3차원 구조가 구축될 때까지 반복되는 것을 특징으로 하는 방법. - 제5항에 있어서, 상기 3차원 구조가 디지털 방식의 광선 가공 기법(DLP)에 의해 제조될 때 하기 방법 단계들, 즉
(1) 배스 중 지지 구조상에 상기 인쇄 재료를 제공하는 단계,
(2) 이 배스의 저부를 관통하는 것으로서, 실내등 변조 장치가 장착된 광원에 인쇄 재료를 층별로 노출시킴으로써 층을 경화하는 단계,
(3) 형성된 상기 인쇄 재료 층과 함께 캐리어 구조를 이동시켜, 후속하여 형성되는 인쇄 재료 층을 이처럼 형성된 층상에 노출시키는 단계
가 수행되되, 단 상기 단계 (2) 및 상기 단계 (3)은 원하는 3차원 구조가 구축될 때까지 반복되는 것을 특징으로 하는 방법. - 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 덩어리 내부의 영역별 수정은, 수정될 영역상에 펄스 지속 시간 10 ps 미만으로 초단파 레이저 펄스를 사용하여 레이저 조사를 방사 및 집중시킴으로써 달성되고, 상기 영역별 수정은 상기 초단파 레이저 펄스를 통해 이 구조의 표면상 및/또는 덩어리 내부에서 일어나며, 상기 레이저 펄스의 펄스 반복율은, 바람직하게 1 kHz ~ 500 kHz이고/이거나 펄스 에너지는 10 nJ ~ 3000 nJ이며/이거나, 상기 레이저 파장은, 바람직하게 300 nm ~ 2200 nm의 범위이고/이며, 상기 초점내 상기 레이저 빔 직경은, 바람직하게 30 μm 미만의 범위인 것을 특징으로 하는 방법.
- 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 무기-유기 하이브리드 중합체중 유기 성분의 탄화는 상기 초단파 레이저 펄스에 의해 수행되고, 이로 말미암아 상기 수정될 영역은 암흑화되며/암흑화되거나 전기적으로 전도성이 되는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 영역별 수정은 하기 단계들, 즉
- 레이저 조사에 의해 상기 구조의 표면 및/또는 그 덩어리 내부에 흡광 및/또는 반사 및/또는 굴절 및/또는 산란 소자를 형성하는 단계,
- 플라즈마 식각에 의해 상기 구조 표면에 반사 방지 코팅을 수행하는 단계,
- 잉크젯 인쇄 공정 이후 열 후처리 및/또는 포토닉 후처리, 예컨대 플래시 램프 조사 또는 레이저 후처리에 의해 반사 소자를 제조하는 단계로서, 여기서 이 인쇄 공정은, 바람직하게 금속 (나노)입자, 특히 바람직하게 은 (나노)입자를 사용하여 수행되는 단계,
- 잉크젯 인쇄 공정에 의해 무색의 소자를 형성하는 단계로서, 이 잉크젯 인쇄 공정중 상기 제1 인쇄 재료는 적어도 일시적으로 이 제1 인쇄 재료의 굴절 지수와 상이한 굴절 지수를 보이는 추가의 인쇄 재료로 대체되는 단계, 그리고
- 이 단계들의 조합
중 적어도 하나에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는 방법. - 3D 인쇄에 의해 무기-유기 하이브리드 중합체로부터 제조된 3차원 구조 를 포함하고, 영역 적어도 하나는 이 구조의 표면상 및/또는 덩어리 내부에 배열된 추가의 기능을 가지는 것을 특징으로 하는 광학 소자.
- 제13항에 있어서, 상기 추가의 기능은 광학 기능, 구체적으로 흡광 및/또는 반사 및/또는 굴절 및/또는 산란 구조, 또는 전기 기능, 구체적으로 전기 전도 기능으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 광학 소자.
- 제13항 또는 제14항에 있어서, 상기 추가의 기능은
- 구체적으로 금속 (나노)입자, 바람직하게 은 (나노)입자로부터 제조된, 상기 구조의 반사 표면,
- 상기 광학 소자 표면상에 형성된 반사 방지 코팅
- 상기 구조의 표면상 및/또는 덩어리 내부에 있는 광 굴절 소자,
- 상기 구조의 표면상 및/또는 덩어리 내부에 있는 광 산란 소자,
- 상기 구조의 표면상 및/또는 덩어리 내부에 있는 흡광 소자, 구체적으로 개구 조리개,
- 상기 구조의 표면상 및/또는 덩어리 내부에 있는 무색 소자, 그리고
- 이것들의 조합
으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 광학 소자. - 제13항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 광학 소자는 3D 인쇄, 구체적으로 잉크젯 인쇄 공정, 입체 리소그래피 또는 디지털 광선 가공 기법(DLP)에 의해 제조될 수 있는 것을 특징으로 하는 광학 소자.
- 제13항 또는 제16항에 있어서, 상기 무기-유기 하이브리드 중합체는 하기 화학식 I, 즉
화학식 I
RxSi(OR')4 -x
의 알콕시실란 또는 하이드록시실란 적어도 1개의 가수분해 및 축중합에 의해 제조되되,
R은 C1-C8, 구체적으로 메틸, 에틸, 이소프로필, tert-부틸, 사이클로헥실, 페닐, 그리고 선택적으로는 비닐, 알릴, 글리시딜옥시프로필, [2-(3,4-에폭시사이클로헥실)에틸]트리메톡시실란, (메트)아크릴옥시프로필, 스티릴, 티올렌, 노르보넨으로 특히 작용기화된 기로부터 선택되는 유기기이고,
R'는 H, C1-C8-알킬, 구체적으로 메틸 또는 에틸이며,
Si는 지르코늄 및/또는 티타늄에 의해 적어도 부분적으로 대체될 수 있는 것을 특징으로 하는 광학 소자. - 제13항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 흡광 및/또는 굴절 및/또는 산란 소자는 상기 무기-유기 하이브리드 중합체중 상기 유기 성분의 수정, 구체적으로는 초단파 레이저 펄스에 의한 탄화에 의해 제조될 수 있는 것을 특징으로 하는 광학 소자.
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