[논문]355nm UV 레이저를 이용한 마이크로 렌즈 어레이 쾌속 제작에 관한 연구

제순규; 박상후; 최춘기; 신보성

doi:10.5228/kspp.2009.18.4.310

355nm UV 레이저를 이용한 마이크로 렌즈 어레이 쾌속 제작에 관한 연구
A Study on Rapid Fabrication of Micro Lens Array using 355nm UV Laser Irradiation 원문보기

소성가공 = Transactions of materials processing : Journal of the Korean society for technology of plastics, v.18 no.4 = no.110, 2009년, pp.310 - 316

제순규 (연세대학교 기계공학과 대학원) , 박상후 (부산대학교 기계공학과) , 최춘기 () , 신보성 (부산대학교 ERC)

Abstract ▼ AI-Helper

Micro lens array(MLA) is widely used in information technology(IT) industry fields for various applications such as a projection display, an optical power regulator, a micro mass spectrometer and for medical appliances. Recently, MLA have been fabricated and developed by using a reflow method having the processes of micro etching, electroplating, micro machining and laser local heating. Laser thermal relaxation method is introduced in marking of microdots on the surface of densified glass. In this paper, we have proposed a new direct fabrication process using UV laser local thermal-expansion(UV-LLTE) and investigated the optimal processing conditions of MLA on the surface of negative photo-resist material. We have also studied the 3D shape of the micro lens obtained by UV laser irradiation and the optimal process conditions. And then, we made chrome mold by electroplating. After that, we made MLA using chrome mold by hot embossing processing. Finally, we have measured the opto-physical properties of micro lens and then have also tested the possibility of MLA applications.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

또한, 만들어진 MLA 에 크롬을 증착시켜 몰드 (Mold)를 제작하고 형상을 측정 및 분석하여 오차를 확인하고자 한다. 그리고 핫엠보싱 (Hot embossing) 공정을 통해 크롬 몰드를 사용하여 대량생산을 위한 MLA 를 성형하였으며, 그 형상을 측정하고 몰드와의 오차도 분석하고, 성형된 MLA 의 광학적 특성을 평가하여 MLA 로서의 가능성을 확인하고자 한다.
본 논문에서는 UV 레이저를 다양한 음성 PR 에 국부적으로 조사하여 선택적으로 국부 열팽창을 유도하고, 제작된 MLA 형상의 표면을 측정하여 열팽창에 의한 MLA 의 최적가공 조건을 규명하고자 한다. 또한, 만들어진 MLA 에 크롬을 증착시켜 몰드 (Mold)를 제작하고 형상을 측정 및 분석하여 오차를 확인하고자 한다. 그리고 핫엠보싱 (Hot embossing) 공정을 통해 크롬 몰드를 사용하여 대량생산을 위한 MLA 를 성형하였으며, 그 형상을 측정하고 몰드와의 오차도 분석하고, 성형된 MLA 의 광학적 특성을 평가하여 MLA 로서의 가능성을 확인하고자 한다.
우리는 기존의 연구에서 레이저를 이용한 국부적 열팽창 (LLTE: Laser Local-Thermal Expansion)을 활용하여 대면적의 MLA 이 직접적으로 제작 가능함을 보여주었다[13]. 본 논문에서는 UV 레이저를 다양한 음성 PR 에 국부적으로 조사하여 선택적으로 국부 열팽창을 유도하고, 제작된 MLA 형상의 표면을 측정하여 열팽창에 의한 MLA 의 최적가공 조건을 규명하고자 한다. 또한, 만들어진 MLA 에 크롬을 증착시켜 몰드 (Mold)를 제작하고 형상을 측정 및 분석하여 오차를 확인하고자 한다.

제안 방법

MLA 의 광학적 특성을 분석하기 위해 UV 스펙트로메터(Spectrometer)를 사용하여 투과율과 흡수율을 측정하였다. Fig.
MLA의 초점거리를 확인하기 위해 광학현미경을 사용하여 측정하였다. 초점거리는 250㎛ 이며, 형상에 따라 10㎛ 이내의 오차가 발생하였다.
실리콘 웨이퍼를 클리닝 한 후, 음성 감광제를 스핀코팅(Spin coating)한 뒤 베이킹 (Baking)과 노광을 하여 가시광선 영역의 빛에 대한 반응이 거의 없도록 만든다. 그렇게 만들어진 시편에 열팽창이 유도되는 범위를 먼저 측정한 다음 문턱값 이하의 열팽창이 유도되는 범위 안에서 갈바노 스캐너를 이용하여 레이저 플루언스를 변화하면서 MLA 를 제작하였다. 4cm × 4cm 의 시편을 만드는 시간은 약 1 분 정도 소요되었으며 그렇게 만들어진 MLA 를 크롬 몰드를 만들기 위해 크롬 설파메이트(Chrome sulfamate) 용액에 12 시간 정도 넣었다가 음성감광제와 크롬을 분리한 다음, 크롬에 붙어있는 음성감광제를 아세톤(acetone)에 6 시간 정도 넣어서 제거하였다.
4cm × 4cm 의 시편을 만드는 시간은 약 1 분 정도 소요되었으며 그렇게 만들어진 MLA 를 크롬 몰드를 만들기 위해 크롬 설파메이트(Chrome sulfamate) 용액에 12 시간 정도 넣었다가 음성감광제와 크롬을 분리한 다음, 크롬에 붙어있는 음성감광제를 아세톤(acetone)에 6 시간 정도 넣어서 제거하였다. 그렇게 성형된 몰드를 핫엠보싱 공정을 이용하여 MLA 를 성형하고 각각의 형상을 비교, 분석하였다. 그리고 성형된 MLA의 광학적 특성을 측정하였다.
그렇게 성형된 몰드를 핫엠보싱 공정을 이용하여 MLA 를 성형하고 각각의 형상을 비교, 분석하였다. 그리고 성형된 MLA의 광학적 특성을 측정하였다.
플루언스가 증가할수록 형성된 마이크로 렌즈의 높이와 직경이 모두 약간 증가하였다. 또한, THB 로 제작된 MLA 를 이용하여 크롬 도금을 하여 대량생산을 위한 몰드를 제작하였다. MLA 성형 과정에서 약간의 오차가 발생하였으나 무시할 정도이며, 이는 핫엠보싱 과정에서 냉각에 의한 성형 재질의 수축현상이라 사료된다.
이러한 팽창은 분자가 고온에서 공간을 자유로이 운동하기 전이며 물리적 구조가 변하기 전이므로 분자가 열화되는 것은 화학구조가 변화되었다고 볼 수 있다[15]. 본 논문에서 제안하는 마이크로 렌즈 어레이의 제작의 기본 원리는 고분자 물질의 열적 팽창현상을 이용한 것이다. Fig.
재료의 표면에 레이저가 조사되면 광열적인 영향과 광화학적 영향에 의해 재료는 가열, 증발, 화학적 분해에 의해 어블레이션 (Ablation)이 일어나게 된다[14]. 본 논문에서는 재료에 어블레이션이 야기되지 않고 국부적으로 가열만 하는 문턱값 (Thershold) 이하의 낮은 에너지의 레이저만 조사하여 열팽창을 유도하였다. 이러한 팽창은 분자가 고온에서 공간을 자유로이 운동하기 전이며 물리적 구조가 변하기 전이므로 분자가 열화되는 것은 화학구조가 변화되었다고 볼 수 있다[15].
본 연구에서는 기존의 MLA 제작 실험을 바탕으로 실리콘 웨이퍼 위에 THB 를 올려서 최적의 MLA를 제작하고 형상을 확인하였으며, 크롬으로 몰드를 성형하였다. 성형된 크롬 몰드를 PC에 전사시켜 MLA를 성형하였다.
본 연구에서는 기존의 MLA 제작 실험을 바탕으로 실리콘 웨이퍼 위에 THB 를 올려서 최적의 MLA를 제작하고 형상을 확인하였으며, 크롬으로 몰드를 성형하였다. 성형된 크롬 몰드를 PC에 전사시켜 MLA를 성형하였다. 성형된 MLA 의 투과율과 흡수율 및 초점거리를 측정하여 MLA 로서 가능성을 확인하였다.
23J/cm²이었다. 이번 실험은 유도값과 문턱값 안에서 가공형상이 제일 좋은 레이저 플루언스를 사용하여 형상을 만들고 정확한 형상 측정을 하기 위하여 SEM과 비접촉식 표면 프로파일 측정기를 사용하여 측정하였다. Fig.

대상 데이터

3에 나타내었다. 먼저 실리콘 웨이퍼(Silicon wafer)에 음성감광제를 올리기 위해 MEMS공정을 이용하였다. 실리콘 웨이퍼를 클리닝 한 후, 음성 감광제를 스핀코팅(Spin coating)한 뒤 베이킹 (Baking)과 노광을 하여 가시광선 영역의 빛에 대한 반응이 거의 없도록 만든다.
실험에 사용된 재료는 음성 PR 인 THB 이며 기존의 실험과 같이 THB 재료의 표면에 어블레이션 없이 열팽창만 유도하기 위해서 문턱값보다 낮은 에너지를 조사하였다. 실험적으로 증명된 THB의 문턱값이 0.

성능/효과

MLA 성형 과정에서 약간의 오차가 발생하였으나 무시할 정도이며, 이는 핫엠보싱 과정에서 냉각에 의한 성형 재질의 수축현상이라 사료된다. 그리고 최종적으로, 몰드로 성형된 MLA의 광학적 특성을 측정하여 MLA 의 가능성을 확인하였다. 본 연구의 결과들로부터, 향후 다양한 물질에 저비용의 직접적인 대면적 고속 MLA 성형 및 몰드 제작 연구가 보다 활성화 될 것으로 사료된다.
9와 동일한 조건으로 측정하였다. 레이저 프루언스에 따라 제작된 MLA의 형상변화가 미소하므로 거의 동일한 초점 거가를 측정됨을 확인할 수 있었다.
3㎛ 의 MLA가 제작되었다. 레이저 플루언스가 문턱값 이하의 특정한 범위 내에서는 증가할수록 MLA 직경과 높이가 모두 증가하는 경향을 보여주는 결과를 확인하였다.
성형된 크롬 몰드를 PC에 전사시켜 MLA를 성형하였다. 성형된 MLA 의 투과율과 흡수율 및 초점거리를 측정하여 MLA 로서 가능성을 확인하였다. THB 의 열팽창이 유도되는 플루언스 범위는 0.
가시광선 영역(약 400nm~780nm)에서 투과율은 일반적으로 95%이상을 나타내며, UV 영역에 가까워질수록 투과율이 점점 떨어지는 것을 확인할 수 있다. 흡수율은 MLA 높이나 직경에 크게 영향을 받지 않지만 투과율은 MLA 의 높이와 직경이 증가함에 따라 1.7%~2.5%의 감소하는 것을 확인할 수 있었다. 투과율과 흡수율 그래프는 서로 대칭형을 이루고 있으며, 흡수율과 투과율의 합이 100%가 되지 않는 것은 반사에 의한 손실이라 볼 수 있다.

후속연구

그리고 최종적으로, 몰드로 성형된 MLA의 광학적 특성을 측정하여 MLA 의 가능성을 확인하였다. 본 연구의 결과들로부터, 향후 다양한 물질에 저비용의 직접적인 대면적 고속 MLA 성형 및 몰드 제작 연구가 보다 활성화 될 것으로 사료된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	기존의 MLA의 어떻게 제작되는가?	기존의 MLA 는 주로 반도체 공정을 응용한 미소가공법으로 제작된다. 감광제를 유리 재질의 기판에 도포하고 반도체 공정에서의 사진 식각 공정을 이용하여 원기둥의 형태만 남도록 가공한다.
	마이크로 렌즈 어레이는 무엇인가?	마이크로 렌즈 어레이(MLA, Micro-Lens Array)는 일반적으로 직경이 수십 마이크로미터 내지 수백 마이크로미터 정도의 렌즈들이 바둑판 모양으로 배열된 것을 말한다. 이러한 MLA 는 광 커넥터, WDM (Wavelength Division Multiplexing), 광통신 모듈, 차세대 광 정보 저장기기, 영사기 (Projection display), 광 출력 단속기 (Luster power regulator), 미세 물질분석기, 의료용 진단기 등의 차세대 고부가가치 제품 개발의 주요 부품이다.
	마이크로 렌즈 어레이의 무엇의 주요 부품인가?	마이크로 렌즈 어레이(MLA, Micro-Lens Array)는 일반적으로 직경이 수십 마이크로미터 내지 수백 마이크로미터 정도의 렌즈들이 바둑판 모양으로 배열된 것을 말한다. 이러한 MLA 는 광 커넥터, WDM (Wavelength Division Multiplexing), 광통신 모듈, 차세대 광 정보 저장기기, 영사기 (Projection display), 광 출력 단속기 (Luster power regulator), 미세 물질분석기, 의료용 진단기 등의 차세대 고부가가치 제품 개발의 주요 부품이다.

참고문헌 (15)

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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