A microlens has been fabricated by various methods such as a thermal reflow, hot embossing, diamond milling, etc. However, these methods require a relatively complex process to control the microlens shape. In this work, we report on a simple and cost-effective method to fabricate a cylindrical micro...
A microlens has been fabricated by various methods such as a thermal reflow, hot embossing, diamond milling, etc. However, these methods require a relatively complex process to control the microlens shape. In this work, we report on a simple and cost-effective method to fabricate a cylindrical microlens (CML), which can diffuse light widely. We have employed a slot-die head with the dual plate (a meniscus guide with a protruded μ-tip and a shim with a slit channel) for coating of a narrow stripe using poly(methyl methacrylate) (PMMA). We have shown that the higher the coating gap, the lower the maximum coating speed, which causes an increase in the stripe width and thickness. The coated PMMA stripe has the concave shape. To make it in the shape of a convex microlens, we have applied the thermal reflow method. When the stripe thickness is small, however, its effect is negligible. To increase the stripe thickness, we have increased the number of repeated coating. With this scheme, we have fabricated the CML with the width of 223 ㎛ and the thickness of 7.3 ㎛. Finally, we have demonstrated experimentally that the CML can diffuse light widely, a feature demanded for light extraction efficiency of organic light-emitting diodes (OLEDs) and suppression of moiré patterns in displays.
A microlens has been fabricated by various methods such as a thermal reflow, hot embossing, diamond milling, etc. However, these methods require a relatively complex process to control the microlens shape. In this work, we report on a simple and cost-effective method to fabricate a cylindrical microlens (CML), which can diffuse light widely. We have employed a slot-die head with the dual plate (a meniscus guide with a protruded μ-tip and a shim with a slit channel) for coating of a narrow stripe using poly(methyl methacrylate) (PMMA). We have shown that the higher the coating gap, the lower the maximum coating speed, which causes an increase in the stripe width and thickness. The coated PMMA stripe has the concave shape. To make it in the shape of a convex microlens, we have applied the thermal reflow method. When the stripe thickness is small, however, its effect is negligible. To increase the stripe thickness, we have increased the number of repeated coating. With this scheme, we have fabricated the CML with the width of 223 ㎛ and the thickness of 7.3 ㎛. Finally, we have demonstrated experimentally that the CML can diffuse light widely, a feature demanded for light extraction efficiency of organic light-emitting diodes (OLEDs) and suppression of moiré patterns in displays.
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제안 방법
또한 CML의 빛 확산 정도를 측정하기 위하여, Fig. 1(b)와 같이 레이저 포인터를 CML에 쏘아주어 제작한 CML의 광 확산 정도를 비교/분석하였다.
PMMA의 Tg는 105°C 이며 확실한 reflow 효과를 얻기 위하여 150 °C 의 온도로 thermal reflow 공정을 진행하였다.
두께를 증가시키기 위하여, 우리는 갭과 코팅 속도를 각각 50 μm과 6 mm/s으로 고정하고 동일한 위치에서 PMMA stripe를 반복 코팅하였다.
휘발성이 높은 용매를 사용할 경우, 커피링 효과(coffee ring effect)가 크게 나타나 렌즈 형성이 어렵다. 따라서 우리는 휘발성을 조절하기 위하여 증기압이 0.8mmHg로 휘발성이 낮은 butyl cellosolve와 증기압이 22mmHg로 휘발성이 높은 toluene을 7:3의 비율로 혼합하여 사용하였다. 또한 저점도(낮은 농도)의 액체는 고점도의 액체에 비해 젖은 표면을 타고 퍼지는 속도가 빠르고 진동(oscillation)이 강하다 [8].
낮은 점도의 용액으로 반복 코팅을 할 경우, 하부 stripe의 경사면을 타고 용액이 흘러내려 넓은 stripe을 형성하거나 강한 진동으로 인해 폭이 균일하지 않다. 따라서 좁고 균일한 stripe을 제작하기 위해서는 고점도의 용액을 사용해야 하며 본 연구에서는 10 wt%의 농도를 갖는 PMMA 용액을 제조하여 반복 코팅을 진행하였다.
렌즈 코팅물질로 poly(methyl methacrylate) (PMMA) 사용하여 코팅 갭 및 속도에 따른 PMMA stripe 막 특성을 조사하였다. 또한 빛의 확산 특성을 향상시키기 위하여, PMMA stripe을 반복 코팅함으로써 초점거리(focal length, f)를 조절하였고 thermal reflow 공정을 적용해 CML의 형상을 제어하였다. 마지막으로 레이저 빛을 제작된 CML에 조사하여 광 확산 정도를 비교/분석하였다.
이를 보완하기 위하여 본 연구에서는 슬롯 다이 코팅을 이용하여 별도의 패터닝 공정 없이 stripe 패턴 막을 코팅한 뒤 thermal reflow 방법을 적용하여 원통형 마이크로렌즈(cylindrical microlens, CML)을 제작하였다. 렌즈 코팅물질로 poly(methyl methacrylate) (PMMA) 사용하여 코팅 갭 및 속도에 따른 PMMA stripe 막 특성을 조사하였다. 또한 빛의 확산 특성을 향상시키기 위하여, PMMA stripe을 반복 코팅함으로써 초점거리(focal length, f)를 조절하였고 thermal reflow 공정을 적용해 CML의 형상을 제어하였다.
마이크로렌즈의 초점거리를 줄이기 위하여 코팅 속도를 기판과 μ-tip 사이에 형성되는 메니스커스(meniscus)가 끊어지는 직전까지(최고 코팅 속도, VM) 높여 좁은 폭의 PMMA stripe를 제작하였다.
또한 빛의 확산 특성을 향상시키기 위하여, PMMA stripe을 반복 코팅함으로써 초점거리(focal length, f)를 조절하였고 thermal reflow 공정을 적용해 CML의 형상을 제어하였다. 마지막으로 레이저 빛을 제작된 CML에 조사하여 광 확산 정도를 비교/분석하였다.
마지막으로 제작된 CML에 대한 광 확산 특성을 비교하기 위하여, 적색 레이저를 제작된 CML에 쏘아 광 확산정도를 측정하였다. Fig.
먼저 기판과 μ-tip 사이의 코팅 갭과 코팅 속도를 달리하여 PMMA stripe를 제작하였다.
슬롯 다이 코팅을 이용하여 PMMA stripe를 코팅하였으며 반복 코팅과 thermal reflow방법을 적용하여 cylindrical 마이크로렌즈를 제작하였다. 슬롯 코팅 시 코팅 갭이 높으면 최고 코팅 속도가 감소하여 stripe 폭이 넓어지고 두께가 증가하였다.
우리는 낮은 휘발성의 butyl cellosolve와 높은 휘발성의 toluene 혼합을 통하여 건조 속도를 조절하였으며 3번 stripe 반복 코팅을 통해 6.2 μm의 두께를 갖는 PMMA stripe를 제작할 수 있었다.
이를 보완하기 위하여 본 연구에서는 슬롯 다이 코팅을 이용하여 별도의 패터닝 공정 없이 stripe 패턴 막을 코팅한 뒤 thermal reflow 방법을 적용하여 원통형 마이크로렌즈(cylindrical microlens, CML)을 제작하였다. 렌즈 코팅물질로 poly(methyl methacrylate) (PMMA) 사용하여 코팅 갭 및 속도에 따른 PMMA stripe 막 특성을 조사하였다.
이후 건조된 PMMA stripe를 150°C 로 1시간동안 thermal reflow하여 CML를 완성하였다. 제작된 CML의 프로파일(폭 및 두께)을 3D 레이저 현미경(VK-8700, KEYENCE)으로 측정하였다. 또한 CML의 빛 확산 정도를 측정하기 위하여, Fig.
좁은 폭의 마이크로렌즈를 제작하기 위하여, 우리는 μ-tip이 형성된 메니스커스 가이드와 slit이 있는 심이 내장된 슬롯 다이 헤드를 사용하였다.
최종적으로 3번 반복 코팅과 thermal reflow 방법을 통해 223 μm의 폭과 7.3 μm의 두께를 갖는 CML로 만들 수 있었다.
대상 데이터
μ-Tip 길이와 폭은 각각 250 μm와 50 μm 이고 slit 폭은 μ-tip과 동일하다. 마이크로렌즈 물질인 PMMA (purchased in Sigma Aldrich)의 용매로 butyl cellosolve(boiling point(BP) = 171℃, vapor pressure = 0.8mmHg)와 toluene(BP = 111℃, vapor pressure =22mmHg)를 사용하였다. 코팅 유량을 1μl/min로 고정한 뒤, 10 wt%의 PMMA 용액을 소다-라임 유리기판 위에 코팅하였다.
좁은 폭의 마이크로렌즈를 제작하기 위하여, 우리는 μ-tip이 형성된 메니스커스 가이드와 slit이 있는 심이 내장된 슬롯 다이 헤드를 사용하였다. 메니스커스 가이드와 심은 polyimide (PI) 필름을 레이저 커터로 가공하여 제작하였다. μ-Tip 길이와 폭은 각각 250 μm와 50 μm 이고 slit 폭은 μ-tip과 동일하다.
이론/모형
앞서 반복 코팅된 PMMA stripe의 형상은 커피링 효과에 의해 양쪽 가장자리가 솟아나는 모습을 보인다. 이와 같은 양 가장자리가 솟아나는 형상을 통상적인 마이크로렌즈 형상으로 바꾸기 위하여 thermal reflow 방법을 적용하였다. Thermal reflow 방법은 고분자의 유리전이온도(Glass transition temperature, Tg) 이상의 온도 조건에서 용융되는 고분자 수지 계면의 표면장력(surface tension)으로 렌즈 곡면을 성형하는 방법이다.
성능/효과
3번 반복 코팅된 PMMA stripe는 폭이 거의 변하지 않으며 최고 두께(TM)만 3.2 μm에서 6.2 μm로 약 1.95배 증가하였다.
결과적으로 반복 코팅과 thermal reflow 방법을 적용하여 폭이 223 μm이고 두께가 7.3 μm인 CML을 제작할 수 있었다.
따라서 가장 높은 종횡비를 얻기 위해서는 공정 시간을 적절히 조절할 필요가 있다. 또한 표면장력은 온도에 반비례하기 때문에 너무 높은 온도에서 공정을 진행할 경우 표면장력이 감소하여 마이크로렌즈의 폭이 넓어지고 종횡비를 낮추는 결과를 보일 수 있다. 결과적으로 반복 코팅과 thermal reflow 방법을 적용하여 폭이 223 μm이고 두께가 7.
3 μm의 두께를 갖는 CML로 만들 수 있었다. 반복 코팅과 thermal reflow공정을 통해 형상이 조절된 CML은 짧은 초점거리를 가지며 레이저 빛을 넓게 확산시키는 것을 실험으로 입증하였다. 이는 향후 어레이(array), 메쉬(mesh) 구조로 CML을 제작하여 OLED 패널의 발광 효율을 개선하거나 고출력 다이오드 레이저 빔의 변환, 디스플레이 모아레 패턴 억제 등에 적용 가능할 것으로 예상된다.
95배 증가하였다. 반복 코팅된 stripe의 종횡비를 계산해본 결과, 종횡비가 0.0143에서 0.0279까지 증가하였으며 보다 짧은 초점 거리를 보일 것으로 예상된다. 또한 Fig.
0 cm까지 증가하였다. 이를 통해, CML의 광 확산 성능을 볼 수 있었으며 반복 코팅 및 thermal reflow공정을 통한 두께, 형상 제어에 의해 광 확산 특성을 향상시킬 수 있음이 증명되었다.
최고 코팅 속도에서 코팅 갭에 따른 stripe의 종횡비는 각각 0.0139 (코팅 갭=20 μm), 0.0143(코팅 갭=50 μm), 0.0135(코팅 갭=80 μm)으로 계산되었으며 50μm의 코팅 갭을 사용할 때 종횡비가 가장 큼을 알 수 있다.
후속연구
반복 코팅과 thermal reflow공정을 통해 형상이 조절된 CML은 짧은 초점거리를 가지며 레이저 빛을 넓게 확산시키는 것을 실험으로 입증하였다. 이는 향후 어레이(array), 메쉬(mesh) 구조로 CML을 제작하여 OLED 패널의 발광 효율을 개선하거나 고출력 다이오드 레이저 빔의 변환, 디스플레이 모아레 패턴 억제 등에 적용 가능할 것으로 예상된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
마이크로렌즈의 기능과 응용분야는?
마이크로렌즈(microlens)는 수 mm에서 수 nm까지의 지름을 갖는 반구형의 곡면으로 광원의 굴절 및 확산 등의 기능을 하는 크기가 작은 렌즈이다. 이러한 마이크로렌즈는 광 추출을 이용하여 광 효율을 증가시키거나 [1,2] 빛을 사방으로 확산시키는 기능으로 [3] 디스플레이, 광통신, 광학기기와 같은 다양한 산업 및 연구 분야에서 응용되고 있다. 마이크로렌즈를 제작하는 방식은 크게 간접 방식(indirect method)과 직접 방식(direct method)으로 나눌 수 있다.
마이크로렌즈를 제작하는 방식 중, 직접 방식의 특징은?
간접 방식으로는 포토리소그라피(photolithography)와 습식 식각(wet etching)을 사용하여 렌즈 형상의 몰드를 형성하는 방식(MEMS method)과 다이아몬드 밀링과 같은 초정밀 장비로 마이크로 구조의 몰드를 제작하는 방식(ultra-precision machining method) 등이 있다 [4]. 직접 방식은 몰드 없이 마이크로렌즈를 직접 제작하는 방식으로 공정이 간단하고 효율적이나 온도, 압력, 공정 시간과 같은 변수에 의해서 형상이 결정되기 때문에 마이크로렌즈의 형상 제어가 어렵다는 단점이 있다. 직접 방식으로는 포토리소그라피나 전자빔(e-beam)을 이용하여 정사각형의 패턴을 형성한 뒤 가열 공정을 거쳐 렌즈를 제작하는 방식 (thermal reflow), 가열 판을 사용하여 폴리머 기판을 렌즈로 만드는 방식(microplastic embossing), 잉크젯과 노즐 코터를 이용하여 소수성 기판 위에 미세 방울을 분사하는 방식(microdroplet jetting) 등이 있다 [5].
마이크로렌즈(microlens)란 무엇인가?
마이크로렌즈(microlens)는 수 mm에서 수 nm까지의 지름을 갖는 반구형의 곡면으로 광원의 굴절 및 확산 등의 기능을 하는 크기가 작은 렌즈이다. 이러한 마이크로렌즈는 광 추출을 이용하여 광 효율을 증가시키거나 [1,2] 빛을 사방으로 확산시키는 기능으로 [3] 디스플레이, 광통신, 광학기기와 같은 다양한 산업 및 연구 분야에서 응용되고 있다.
참고문헌 (8)
Ee, Y. et al., "Optimization of Light Extraction Efficiency of III-Nitride LEDs with Self-Assembled Colloidal-Based microlenses," IEEE J. Sel. Top. Quant., Vol. 15, pp. 1218-1225, 2009.
Park, J. B., Shin, D. K., Han, S. G., and Park, J. W., "Enhancement of Light Extraction from Transparent OLED Lighting Panels," J. of The Korean Society of Semiconductor & Display Technology, Vol. 16, pp. 41-45, 2017.
Zhou, L., Dong, X., Lv, G., Chen, J., and Shen, S., "Fabrication of concave microlens array diffuser films with a soft transparent mold of UV-curable polymer," Opt. Commun., Vol. 342, pp. 167-172, 2015.
Yuan, W., Li, L., Lee, W., and Chan, C., "Fabrication of Microlens Array and Its Application: A Review," Chin. J. Mech. Eng., Vol. 31, pp. 1-9, 2018.
O'Neill, F., and Sheridan, J., "Photoresist reflow method of microlens production Part I: Background and experiments," Optik, Vol. 113, pp. 391-404, 2002.
Bae, S., Kim, K., Yang, S., Jang, K., and Jeong, K., "Multifocal microlens arrays using multilayer photolithography," Opt. Express, Vol. 28, pp. 9082-9088, 2020.
Chen, L., and Bonaccurso, E., "Effects of surface wettability and liquid viscosity on the dynamic wetting of individual drops," Phys. Rev. E, Vol. 90, 022401, 2014.
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