KR100551623B1 - 자외선 경화를 이용한 하이브리드 렌즈의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 자외선 경화를 이용한 하이브리드 렌즈의 제조방법에 대한 것으로서, 발명의 주된 목적은 자외선 경화를 이용한 새로운 성형방법을 제공하여 작은 피치의 렌즈도 제작이 용이하며, 온도차이 및 압력차이에 따른 성능의 변화가 없으면서 대량생산이 가능하도록 하는데 있다.

본 발명의 제조 방법은 제조하고자 하는 렌즈를 감안하여 임의의 피치와 임의의 깊이로 패턴부가 형성되도록 스탬프를 제조하는 스탬프 제조공정과; 상기 스탬프 제조공정을 통해서 완성된 스탬프의 이면에는 접착제를 도포한 후, 수평이 보장되는 평판부재 위에 부착하는 스탬프 준비공정과; 상기 스탬프 준비공정을 통해 완성된 스탬프의 패턴부를 세척한 후, 그 위로 포토폴리머층을 코팅하는 포토폴리머 코팅공정과; 상기 포토폴리머 코팅공정을 통해 코팅된 포토폴리머층 위로 모재를 얹고 진공상태 속에서 가압하는 모재 압착공정과; 상기 모재 압착공정을 통해 압착된 모재의 위로 자외선을 조사하는 자외선 조사공정과; 상기 자외선 조사공정이 끝난 후, 스탬프로부터 떼어 내는 이형공정을 거쳐 완성하는 자외선 경화를 이용한 하이브리드 렌즈의 제조방법에 있어서, 상기 스탬프 제조공정을 통해서 완성된 스탬프의 패턴 표면에는 보호용제를 스핀 코팅하는 것을 특징으로 하는 자외선 경화를 이용한 하이브리드 렌즈의 제조방법을 특징으로 한다.

하이브리드 렌즈, 자외선 경화, 자외선 엠보싱, 스탬프, 포토폴리머, 모재

Description

자외선 경화를 이용한 하이브리드 렌즈의 제조방법{Process of Producing Hybrid Lens}

도 1은 하이브리드 렌즈의 구성을 보인 단면도

도 2는 본 발명의 하이브리드 렌즈 제조방법을 보인 공정도.

도 3은 본 발명의 제조 공정에 따른 단면도

<도면의 주요 부분에 대한 부호설명>

1 : 스탬프 2 : 평판부재

3 : 포토폴리머 4 : 모재

본 발명은 자외선 경화를 이용한 하이브리드 렌즈의 제조방법에 대한 것으로서, 더 상세하게는 하이브리드 렌즈를 제조하되, 자외선 조사공정을 통해 모재료에 적층된 포토폴리머를 경화시켜 렌즈를 제조하는데 특징이 있는 것이다.

일반적으로 하이브리드 렌즈(Hybrid Lens)라 하면, 회절광학소자 렌즈(Diffractive Optical Element Lens)의 일종이며, 회절광학소자 렌즈는 도 1에서 보는 바와 같이 구면의 렌즈 표면에 임의의 피치와 임의의 깊이로 형성된 요철면을 형성하여 비구면화 하므로써 빛을 회절시킬 수 있는 렌즈를 말한다.

이러한 회절광학소자 렌즈는 LD, LSU(Laser Scanning Unit), CD, DVD 등의 콜리메이트렌즈(레이저에서 분산 또는 집중해 있는 광선을 시준화(視準化)된 또는 평행한 광선으로 변환해 주는 렌즈)로, 프로젝트 TV 등의 디스플레이용 광학 렌즈로, 광통신용 커넥터 렌즈 등으로 매우 널리 사용하고 있으며, 크기는 대부분 직경이 약 1mm내외, 두께가 몇 ㎛에 지나지 않는 마이크로렌즈이다.

그리고 종래에는 이와 같은 회절광학소자 렌즈의 재질을 유리재 또는 합성수지재 등으로써 전체를 하나의 재질로 형성하는 것이 보통이었으나, 근래에는 이중의 재질로써 만드는 하이브리드 렌즈를 사용하게 되었으며, 하이브리드 렌즈의 장점은 온도변화에 따른 특성열화가 적으며, 경량화 시킬 수 있고, 개구수(開口數)가 높게 만들 수 있으며, 제품원가를 낮출 수 있기 때문이다.

이와 같은 하이브리드 렌즈를 제조하는 방법으로는 기계가공, 에폭시 성형(Epoxy molding) 또는 사출성형(Injection molding)이 있다.

그러나 기계가공 방식은 완성된 렌즈의 성능이 떨어지지는 않으나, 피치가 10㎛ 이상일 때만 가능하고, 회전대칭 형상에 국한되기 때문에 제조하기가 매우 어려워 생산성이 떨어지며, 또 에폭시 성형 및 사출성형 방식은 고분자 소재를 고온의 용융상태에서 몰드에 주입되어 성형되므로 액체상태의 고분자가 고체화 되는 과정에서 경화 및 고화되어 렌즈의 성능에 좋지 않은 영향을 미친다.

따라서 본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 감안하여 이를 해결 보완하고자 하는 것으로, 발명의 주된 목적은 자외선 경화를 이용한 새로운 성형방법을 제공하여 작은 피치의 렌즈도 제작이 용이하며, 온도차이 및 압력차이에 따른 성능의 변화가 없으면서 대량생산이 가능하도록 하는데 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징적인 방법은 제조하고자 하는 렌즈를 감안하여 임의의 피치와 임의의 깊이로 패턴부가 형성되도록 스탬프를 제조하는 스탬프 제조공정과; 상기 스탬프 제조공정을 통해서 완성된 스탬프의 이면에는 접착제를 도포한 후, 수평이 보장되는 평판부재 위에 부착하는 스탬프 준비공정과; 상기 스탬프 준비공정을 통해 완성된 스탬프의 패턴부를 세척한 후, 그 위로 포토폴리머층을 코팅하는 포토폴리머 코팅공정과; 상기 포토폴리머 코팅공정을 통해 코팅된 포토폴리머층 위로 모재를 얹고 진공상태 속에서 가압하는 모재 압착공정과; 상기 모재 압착공정을 통해 압착된 모재의 위로 자외선을 조사하는 자외선 조사공정과; 상기 자외선 조사공정이 끝난 후, 스탬프로부터 떼어 내는 이형공정을 거쳐 완성하는 자외선 경화를 이용한 하이브리드 렌즈의 제조방법에 있어서, 상기 스탬프 제조공정을 통해서 완성된 스탬프의 패턴 표면에는 보호용제를 스핀 코팅하는 것을 특징으로 하는 자외선 경화를 이용한 하이브리드 렌즈의 제조방법을 특징으로 한다.

이하 본 발명의 제조 방법을 첨부 도면에 따라 보다 상세히 설명한다.

본 발명의 하이브리드 렌즈 제조방법은 자외선 엠보싱 제조방법이라고도 할 수 있으며, 크게 나누어 스탬프 제조공정과, 스탬프 준비공정과, 포토폴리머 코팅공정과, 모재 압착공정과, 자외선 조사공정과, 이형공정을 차례로 거쳐 제조한다.

스탬프(1) 제조공정은 제작하고자 하는 렌즈를 감안하여 제작하되, 스탬프의 재료는 니켈(Ni) 또는 실리콘(Si)를 사용하여 만들 수 있고, 표면의 패턴부(11)는 임의의 피치(P)와 임의의 깊이(D)로 형성한다.

스탬프를 기계가공으로 제작하는 경우에는 평행도 관리기 비교적 쉽지만 도금(Electroplating)으로 하는 경우에 있어서는 스탬프의 고정이 매우 중요한 변수가 되는 바, 이를 위한 지그(Jig)등도 역시 평행도 관리를 철저히 해야 한다.

이때, 니켈(Ni)로 만든 스탬프는 전해도금을 이용하여 만드는 것이며, 랩핑(Wraping)현상이 발생하거나, 스트레스(Stress)가 발생할 가능성이 있으나, 제작 후 변형(Deformation)의 염려가 없어 좋고, 실리콘(Si)으로 만든 스탬프는 제작후 변형(Deformation)의 염려가 있고, 내구성이 떨어지는 단점이 있으나, 스트레스 발생의 염려가 없고 복제시 이형성이 좋다.

스탬프 준비공정은 상기 스탬프 제조공정을 통해서 완성된 스탬프의 패턴 표면에 보호용제를 스핀 코팅(Spin Coating)하고, 이면에는 접착제를 도포한 후, 수평이 보장되는 평판부재(2)위에 부착하여 준비한다.

포토폴리머 코팅공정은 상기 스탬프 준비공정을 통해 완성된 스탬프의 패턴부를 아세톤으로 세척한 후, 그 위로 포토폴리머층(3)을 코팅하는 것이다.

이와 같이 포토폴리머를 도포할 때는 스탬프의 표면에 기포가 발생하지 않도 록 해야 하며, 특히 염기성 자외선 경화제의 경우 기포가 발생되면 경화가 되지 않으므로 주의해야 한다.

본 발명에서 사용할 포토폴리머는 어떤 것을 선정하느냐가 매우 중요한데, 기계적 강도 및 열적 안정성을 기본적으로 요구하며, 내환경성 또한 중요하고 박리현상을 예방할 수 있어야 하고, 황변현상, 점성, 이형성도 중요하다.

즉, 환경조건에 따라 모재와 박리되는 경우가 발생할 수 있으므로 박리현상을 예방할 수 있는 것에 주의를 요하며, 경년변화에 의한 황변현상은 일반적으로 많이 발생하는 폴리머의 결함이므로 이러한 황변현상이 없어야 함도 물론이다.

성형의 관점에서 보면 점성이 높으면 작업성이 우수할 것으로 판단되지만, 복제하고자 하는 패턴이 수백㎚∼수㎛이므로 점성이 높을 경우 유동성이 충분치 못하여 패턴에 충진이 완벽하지 않을 수도 있으므로 되도록 저점도의 폴리머를 사용하는 것이 좋다.

그리고 또, 패턴이 기록된 몰드와 이형이 쉽게 이루어져야 하며, 모재와의 사이에 강한 접착력을 가져야만 자외선 엠보싱에 유리하다.

그러나 대부분의 자외선 조사용 포토폴리머가 접착용도로 사용되고, 또 제조되고 있기 때문에 자외선 엠보싱에 적용하기 위해서는 적당한 첨가제를 혼합하여 기계적인 성질 및 모재의 종류에 따라 효과적인 접착성을 가질 수 있도록 해야 한다.

모재 압착공정은 상기 포토폴리머 코팅공정을 통해 코팅된 포토폴리머층 위로 모재(예컨대 유리재 등)를 얹고 가압하는 공정이다.

포토폴리머를 스탬프상에 도포할 때 기포가 발생하지 않아야 하기 때문에 모재(4)를 가압하는 과정에서 기포를 제거하는 것이 좋고, 기포를 제거하는 효과적인 방법으로는 진공상태 속에서 가압을 하는 것이다.

자외선 조사과정은 상기 모재 압착공정을 통해 압착된 모재의 위로 자외선을 조사하는 공정이다.

자외선을 조사할 경우 전체 면적에 대하여 균일한 농도 및 명암으로 조사하는 것이 중요한데, 그렇지 못할 경우 경화속도의 차이로 인해 기포발생 또는 스트레스발생으로 인한 크랙(Corrosive Failure)이 나타날 수 있다.

자외선을 조사한 후 스탬프로부터 제품을 떼어 내는 이형공정을 거치면 자외선 경화를 이용한 하이브리드 제조 공정이 끝나는 것이다.

<실시예>

- 스탬프 가공공정

스탬프의 가공은 기계가공, 전해도금, 반도체 공정 및 핫엠보싱(Hot embossing)을 이용하여 제작할 수 있다. 본 실시예에서는 DTM(Diamond turning M/C)을 이용한 기계가공에 대하여 설명하기로 한다.

설계 데이터는 아래와 같다.

모재(Glass Substrate)의 반경 13.445mm

DOE 부분

Radius=-12.581

K = -1.8461

A = 3.2020E-05

B = 1.6381E-07

C = 1.1561E-10

폴리머(Polymer)의 수축율을 고려하여 몰드를 재설계한다. 수축율 2.5%인 경우 몰드의 설계 데이터는 아래와 같다.

Radius=-12.5595

K = -5.68330E-01

A = 3.20200E-05

B = 1.63356E-07

C = 1.28365E-10

기계가공을 이용하여 몰드를 가공한다. 위상함수를 이용하여 NC 코드를 생성하고 생성된 NC코드를 이용하여 DTM에서 몰드를 가공하며 소재는 Al, Ni 등을 이용할 수 있다. 스탬프의 치수는 직경이 18.0mm이며 DOE(Diffractive Optial Element)부분은 16.0mm이다. 가공된 몰드의 패턴은 중심에서 약 0.5mm 피치를 가지며 순차적으로 피치가 좁아지게 되며 외곽에서 25㎛의 피치를 가진다. 패턴의 깊이는 회절효율을 좌우하게 되며 굴절율이 1.5를 기준으로 1.59㎛의 깊이로 가공되었다. Al으로 가공된 스탬프의 경우 복제 공정시 포토폴리머와의 이형성이 좋지 못하므로 비극성 엔지니어링 플라스틱을 이용하여 2차 스탬프를 제작하게 된다. 여기서 이용되는 공정이 열간 엠보싱 방법으로 성형을 하게 되며, 몰드와 플라스틱 모재에 유리 전이온도 근처로 승온한 후 가압하여 스탬프를 제작하게 된다. 이렇게 제작된 스탬프를 자외선 경화에 사용한다.

- 포토폴리머 코팅공정

포토폴리머의 실제 코팅 두께는 몰드와 모재(Glass Substrate)의 형상 및 두께 편차에 따라 다르다. 본 실시예에서는 평면이 아닌 곡면이므로 스탬프의 중심에 일정량의 포토폴리머을 주입한 후 모재(Glass Substrator)를 가압하여 두께를 조절한다. 중심에서 약 40㎛이며 외곽에서 약 200㎛정도가 되도록 하였다.

- 모재 압착공정

프레싱 압력은 폴리머의 점성과 폴리머층의 두께를 고려하여 결정한다. 본 실시예에서는 10gf의 압력을 가하여 두께를 생성하였다. 버블의 제거를 위하여 스탬프와 모재(Glass Substrate)를 포함한 챔버를 밀봉시켜 진공상태를 유지한다. 자외선을 조사하기 위해서 모재(Glass substrate)쪽은 실리카 기판을 이용하여 밀봉하고 실리카 기판쪽에서 자외선을 조사한다.

- 자외선 조사공정

자외선의 조사는 사용하는 포토폴리머의 특성에 좌우되며 본 실시예에서 사용한 포토폴리머의 경우 경화에 필요한 에너지는 2.0J/㎠이며 사용된 자외선의 경우 0.5J/㎠이므로 조사시간은 4sec이상이면 충분하다. 또한 자외선을 균일하게 조 사하기 위해서는 균일조사 광학계를 구성하거나 피조사물을 회전시켜 경화를 진행할 수 있으며 본 실시예에서는 사이즈가 비교적 작기 때문에 균일조사 광학계를 이용하여 수행하였다.

- 이형공정

이형공정은 공압을 이용하여 모재면을 잡아 이형하는 방법을 사용하였으며 이때 이형된 표면이 기구물에 접촉하여 손상을 입지 않도록 주의해야 한다.

이상에서 제작한 하이브리드 렌즈의 경우 투과파면 수차의 PV값이 0.1λ로서 설계 사양인 0.25λ이내를 만족한다.

몰드와 모재(Glass substrate)의 조정, 진공상태를 유지하기 위한 시간 및 자외선 조사시간을 합할 경우 약 20sec정도로서 양산의 경우에도 충분히 이용할 수 있다.

위에서 상세히 설명한 바와 같은 본 발명은 하이브리드 렌즈를 제조하되, 임의의 패턴이 형성된 스탬프를 준비한 후, 거기에 포토폴리머를 코팅하고, 그 위에 다시 모재를 압착하여 자외선 경화의 방법으로 제조하기 때문에 작은 피치의 렌즈도 제작이 용이하며, 온도차이 및 압력차이에 따른 성능의 변화가 없는 양질의 제품을 대량생산할 수 있는 장점을 가지는 것이다.

Claims (1)

1. 제조하고자 하는 렌즈를 감안하여 임의의 피치와 임의의 깊이로 패턴부가 형성되도록 스탬프를 제조하는 스탬프 제조공정과; 상기 스탬프 제조공정을 통해서 완성된 스탬프의 이면에는 접착제를 도포한 후, 수평이 보장되는 평판부재 위에 부착하는 스탬프 준비공정과; 상기 스탬프 준비공정을 통해 완성된 스탬프의 패턴부를 세척한 후, 그 위로 포토폴리머층을 코팅하는 포토폴리머 코팅공정과; 상기 포토폴리머 코팅공정을 통해 코팅된 포토폴리머층 위로 모재를 얹고 진공상태 속에서 가압하는 모재 압착공정과; 상기 모재 압착공정을 통해 압착된 모재의 위로 자외선을 조사하는 자외선 조사공정과; 상기 자외선 조사공정이 끝난 후, 스탬프로부터 떼어 내는 이형공정을 거쳐 완성하는 자외선 경화를 이용한 하이브리드 렌즈의 제조방법에 있어서,

   상기 스탬프 제조공정을 통해서 완성된 스탬프의 패턴 표면에는 보호용제를 스핀 코팅하는 것을 특징으로 하는 자외선 경화를 이용한 하이브리드 렌즈의 제조방법.

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