초록 ▼

연구의 목적 및 내용
본 연구의 최종 목적은 휴대전화, 스마트 TV리모콘등의 휴대용정보단말기에서 초슬림 광포인팅과 스캐닝기능이 가능한 초박형 광마이크로마우스 장치를 개발하는 것이다. 이를 위해 초박형 결상계와 회절광학계, 고균질도의 LED 빔성형렌즈의 설계 및 제작 기술, 아울러서 LED 광원과 광학계의 안정적인 성능을 위해 초소형 열원 냉각 스위치에 대해 연구하였다. 개발된 각 요소기술들을 시스템화하기 위해 초정밀 가공기술, 초정밀 금형제작 기술, 광학오차보정설계기술, 스마트 광학시스템 패키징 기술등을 개발하였다.
연구

연구의 목적 및 내용
본 연구의 최종 목적은 휴대전화, 스마트 TV리모콘등의 휴대용정보단말기에서 초슬림 광포인팅과 스캐닝기능이 가능한 초박형 광마이크로마우스 장치를 개발하는 것이다. 이를 위해 초박형 결상계와 회절광학계, 고균질도의 LED 빔성형렌즈의 설계 및 제작 기술, 아울러서 LED 광원과 광학계의 안정적인 성능을 위해 초소형 열원 냉각 스위치에 대해 연구하였다. 개발된 각 요소기술들을 시스템화하기 위해 초정밀 가공기술, 초정밀 금형제작 기술, 광학오차보정설계기술, 스마트 광학시스템 패키징 기술등을 개발하였다.
연구결과
o 1단계에서 마우스기능을 달성하였고, 2단계에서는 지문과 같은 이미지 스캔이 가능한 초슬림 광포인팅장치 구현을 위하여 초점거리 300μm, 300dpi, 렌즈전역 MTF 85%, LED 빔의 발산각 20도 미만, 중심광도 200mcd 이상을 달성하기 위한 연구를 수행하였다. 초소형 결상계 설계 및 미세 가공 기술
- MEMS 기술을 이용한 4레벨, 8레벨, 어레이(8x8)타입의 8레벨 프레넬 렌즈 개발
(회절효율 90%이상, 전영역 MTF 70% 이상 (중심부 : 76.2%, 0.7 field : 71.4%))
- 초정밀 기계가공을 이용한 하이브리드형(비구면/구면)렌즈 개발
(기하광학과 회절광학을 병행한 설계, 높은 NA 0.63, 초점거리 280μm)
초소형 회절 광학소자 설계 및 초정밀 가공 기술
- 파장이하의 형상 치수를 갖는 subwavelength 소자의 전자기해석 프로그램 개발
- 다양한 최적 설계 방식(유전알고리즘, Simulated annealing, 다구치 방법론)의 장점을 이용한 복합 회적설계 기법 개발
- MEMS가공과 초정밀 기계가공을 활용한 V홈 회절소자 제작
- Hot embossing을 이용한 광학소자 몰딩 공정의 최적화 조건 제시
- Slicing 가공법을 통한 Brittle 재료의 Ductile 모드 가공법 도출
(비대칭형의 90⁰V, 깊이 15, 25, 50μm의 고효율 회절 조명계 제작)
LED 지향각 축소 및 광밀도 균질화 기술
- 비근축광학설계를 위한 LED의 근접영역 배광모델링 기술 개발 (실측값 96.2% 예측)
- LED 광원 균질화를 위한 지향각 축소렌즈 개발
(조도 균질도 92%, 중심광량 1,200% 증가, 지향각 12⁰)
- LED 빔 성형을 위한 광증폭렌즈 개발
(직경 1.5mm, 높이 0.3mm, 광도 200mcd, 지향각 20⁰)
LED 광원 냉각 기술
- 시스템의 발열 특성 분석 및 방열 설계를 위한 다중 열류 분배 모델링 방법 개발
- 초박형 시스템의 열적 거동 예측을 위한 열저항-열용량법 모델링 개발
- 유체 다리 열스위치를 이용한 능동형 냉각시스템 구현 (광원온도 30⁰ 이하 유지)
연구결과의 활용계획
본 연구 개발에 반드시 요구되는 핵심 요소 기술은 고품질 대용량 영상 데이터를 취급하는 디지털 컨버전스 기기의 소형 휴대화를 가능하게 하는 원천 기술이다. 현재 LED를 이용한 마이크로 광학 시스템의 응용 분야는 LED BLU, 모바일 프로젝터, 모바일 입력장치, 자동차용 디스플레이와 같은 다양한 시장을 형성하고 있으므로 LED 산업 제품의 고기능화 및 고부가가치화를 주도해 나갈 핵심 기술로 기대되고 있으며, 정보통신기술(IT)과 생명공학기술(BT), 환경기술(ET), 문화기술(CT)과의 융합발전에 중요한 인터페이스가 될것이 예상된다

Abstract ▼

Purpose& contents
The final goal is to develop the ultraslim optical mouse device for optical pointing and scanning in the handheld terminals: cellular phone, smart TV remote controller and etc. To make this device become true, the core technologies can be subdivided into the ultraslim imaging op

Purpose& contents
The final goal is to develop the ultraslim optical mouse device for optical pointing and scanning in the handheld terminals: cellular phone, smart TV remote controller and etc. To make this device become true, the core technologies can be subdivided into the ultraslim imaging optics and diffractive optics, high homogeneity LED beam shaping lens and portable LED cooling unit for system stability. Furthermore, we have developed the ultraprecision machining, ultraprecision molding, optical error-correction design technique and smart optical system package technique.
Result
o The 1st step aimed at developing the optical mouse device for a mobile navigator. The 2nd step is aiming at the function of fingerprint scanning.
Imaging optics and nano-scale machining technology
- 4level, 8level and array type of 8level fresnel lens using MEMS
(Diffraction efficiency 90%, MTF 70% (center:76.2%, 0.7field:71.4%))
- Hybrid type(aspheric/spheric) lens using ultraprecision machining
(Geometric optics/diffractive optics design, high NA 0.63, focal length 280μm)
Diffractive optical devices and ultraprecision machining technology
- Diffractive optical analysis to design sub-wavelength optical devices
- Complex optimization program to design diffractive optical element
- V shape diffractive light guide using MEMS and ultraprecision machining
- Optimum process condition for hot embossing process
- Machining condition of ductile mode for brittle material using slicing machining
(Asymmetric 90⁰ V-groove for high efficiency diffractive light guide)
LED beam shaping and beam density homogenization
- Near field design of light distribution on chip level LED (96.2% accuracy)
- TIR lens for beam density homogenization
(Luminous homogeneity 92%, central intensity 1,200%, divergence angle 12⁰)
- Beam shaping lens for light amplification
(Diameter 1.5mm, height 0.3mm, luminous intensity 200mcd, angle 20⁰)
LED light source cooling technology
- Multi dimensional heat flow model for heat analysis and cooling solution
- RC network model to estimate the heat flow on ultraslim optical system
- Active cooling system using liquid bridge heat switch (temperature<30℃)
Expected Contribution
The core technologies developed from this research will be regarded as key technologies for high-quality and mass image data processing of the mobile interface. The application area of the micro optical system using the LED are LED BLU, mobile projector, mobile input/output console and automibile display. It is expected that they lead LED-based higher valued-added business and will play a key role in the interface among IT, BT, ET and CT.

목차 Contents

• 도약연구사업 최종보고서(평가용) ... 1
• 목 차 ... 3
• 연구계획 요약문 ... 4
• 연구결과 요약문 ... 5
• 한글요약문 ... 5
• SUMMARY ... 6
• 연구내용 및 결과 ... 7
• 1. 연구개발과제의 개요 ... 7
• 2. 국내외 기술개발 현황 ... 9
• 3. 연구수행 내용 및 결과 ... 12
• 4. 목표달성도 및 관련분야에의 기여도 ... 69
• 5. 연구결과의 활용계획 ... 70
• 6. 연구과정에서 수집한 해외과학기술정보 ... 73
• 7. 주관연구책임자 대표적 연구실적 ... 73
• 8. 참고문헌 ... 74
• 9. 연구성과 ... 75
• 10. 기타사항 ... 99
• 대표연구업적 ... 100