This work presents a simple and effective method for wide angular illumination by using a single lens with micropattern arrays. Unlike a conventional single curvature lens, structured micropattern arrays on a single lens curvature can help light scatter efficiently. Impinged on micropatterens on a curve surface, light undergoes omni-directional diffraction as well as total internal reflection and then eventually increases angular illumination.
A hemispherical single lens is microfabricated by a reconfigurable microtemplating and a replica molding methods. The angular illumination of the lens with different pattern sizes under a collimated light source is measured by an optical power meter fixed on polar rotating arm. The illumination angle increases by additional ±35.5 degree, compared to that of the dome lens.
The illumination angle and local intensity distribution can be controlled by lens curvature as well as different aspect ratio of micropattern arrays on a lens curvature. Each micropatterned single lens having varied lens curvatures is fabricated by a replica molding technique.
Following different lens curvature, the angular illumination of MSL is measured by power meter having a polar rotating arm under LED source. Hemispherical MSL shows ±17.5 degree wider illumination angle than a case of 0.4 curvature. Absolutely, that is ±20 degree wider angular illumination than planar grating having ±9 degree.
The two dimensional distribution from concave micropatterned single lens with different lens curvatures under a collimated light source is captured by CCD camera. This 2D distribution shows 3.7 times wider 2D distribution than that of the planar micropattern arrays. And, the angular illumination of the lens is measured under LED source. Hemispherical concave MSL shows ±20 degree wider illumination angle than a case of 0.837 curvature. Absolutely, that is ±40 degree wider angular illumination than planar grating having ±9 degree.
Unlike a single curvature micropatterned lens as like a convex MSLs and concave MSLs, double curved MSL has a concave curvature at central part of lens and a convex curvature at peripheral part with structured micropattern arrays. The concave curvature reduces the hot spot of LED source and illuminate widely. The convex curvature at peripheral part is practical to couple the light with micropatterns than concave surface which enable to reflect light backward. Double curved MSL is fabricated by a replica molding technique with pre-cured hemispherical lens.
This novel device can be applied single optical component of bio instruments. In micro total analysis systems (Micro-TAS), the MSLs can be inserted to display analyzed data directly. And, diffraction gratings on curved surface enable to be volume holograms for spatial filtering to detect size, shape, orientation, and color for bio-applications such as the recognition of biological cells. The MSLs has also great impact in LED applications, especially in LED based direct-type back-light-unit (BLU) system for large-scale LCD display.
본 연구는 미세패턴 광방출각 렌즈에 관한 것으로서, 특히 광원에서 나온 빛을 넓고 균등하게 분산시키는 미세복합형상렌즈 및 미세복합형상렌즈 제조 방법에 관한 것으로, 소정의 곡률을 가지는 렌즈의 일면에 단면이 원 또는 다각형인 돌출부가 하나 이상 배열된 미세패턴이 형성되고, 큰 광방출각을 형성할 수 있어 점광원인 LED 광원을 광균일도가 우수한 면광원으로 전환이 가능하다. 또한, 기존의 백라이트 유닛에 사용되는 광학기판의 복합적층 없이 단일렌즈 하나로 도광판, 프리즘판 및 확산판의 역할을 대체할 수 있는 장점이 있고, LED 광원의 방출각을 증가시킬 수 있어 미세패턴의 국부적 변화를 통해 광량의 균일도를 향상기킬수 있는 효과가 있고, 3차원 몰딩기술과 극미세입자 혼합기술을 바탕으로 미세유체관 어레이를 이용해 웨이퍼레벨 제작이 가능하다.
현재 미세영역에서의 정교한 MEMS(MicroElectroMechanicalSystem) 공정을 이용하여, 렌즈 표면 변형을 통해 빛을 조절하는 기술들이 많이 개발되고 있다. 그 중에서도 빛을 넓고 균등하게 분산시키는 연구가 최근 크게 주목받고 있다. 특히, 기존의 LCD-TV에 사용되는 백라이트 유닛(Backlight Units, 이하 BLUs) 보다 LED(Light Emitting Diodes) BLUs의 많은 장점이 드러나면서, LED BLUs의 LCD-TV 시장 적용이 활발해지고 있다. LCD 나 조명 BLUs용 LED 광원의 경우 빛 확산도가 중요해 렌즈 역할이 커지고 있으나 그동안 국내 LED 업체들은 LED 렌즈와 관련하여 유럽이나 일본에서 수입하거나 해외 업체와 공동 개발 방식으로 렌즈를 조달하고 있는 실정으로, 향후 LED 산업의 성장을 주도하기 위해서는 국산 렌즈 기술 개발이 시급한 실정이다. LED에서 렌즈에 따라 휘도가 좌우되는 등 기술적 비중이 매우 크며 현재는 전체 LED 생산 가격에서 렌즈가 차지하는 비중은 5%이내지만 고출력娥LED의 경우 다소 높아질 것으로 예상된다. 특히 LCD BLU 응용의 경우 렌즈의 역할이 매우 중요한데, 얇은 두께를 유지하면서 LED 개수를 더 줄임으로서 저가격화를 달성해야 하는 측면에서 볼 때 넓은 광방사각을 갖는 렌즈의 개발이 요구되고 있다.
종래 LED 위에 설치되는 렌즈는 방출각을 향상시키기에는 가능하나, 광균일도를 제어하는 데 한계가 있고, LED와 같은 점광원을 면광원으로 변환시 별도의 도광판, 프리즘판, 확산판과 같은 다양한 복합 광학기판이 요구되는 문제점이 있었다. 각각의 요소의 제작 공정 단가가 높고, 정밀 패키징이 요구되므로, 전반적인 생산원가 절감에 한계가 있어 일체형 광학 소자가 요구된다. 본 연구는 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 렌즈의 표면에 다양한 형태의 미세패턴을 형성하여 보다 큰 광방출각을 형성하는 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 과제를 해결하기 위한 본 연구에 따른 미세패턴 광방출각 렌즈는 소정의 곡률을 가지는 렌즈의 일면에 단면이 원 돌출부가 하나 이상 배열된 미세패턴이 형성한다. 여기서, 미세복합형상렌즈는 자외선 경화 고분자, 열경화 고분자 및 세라믹 중 하나 이상으로 형성될 수 있다. 또한, 상기 돌출부가 형성된 렌즈의 표면 곡률은 가장자리가 볼록하게 형성되며, 렌즈의 중심부로 갈수록 오목하게 형성될 수 있다. 상기 돌출부의 높이 또는 폭은 광의 균등성 조절을 위해 다양성을 가진다. 회절효율을 높이기 위해 상기 돌출부의 폭은 광원의 파장과 같거나 그 이상으로 형성되는 것이 바람직하다. 일반 미세렌즈의 경우보다 본 연구에 따른 미세패턴 광방출각 렌즈의 경우에 광 분포도가 더 넓고 균일하게 분포되는 것을 알 수 있다. 이 경우 미세복합패턴에 의해 유발된 회절패턴에 의해 빛의 최대 세기는 감소하지만 전체적으로 렌즈를 통과한 빛의 균등성은 향상됨을 알 수 있다. 돌출부의 크기는 동일하게 한 채 돌출부와 돌출부간의 간격을 점차 증가시킨 경우로써, 이 경우 돌출부 간의 간격이 좁을수록 광 방출각이 증가하고 광의 세기는 감소됨을 알 수 있다.
상기한 과제를 해결하기 위한 본 연구에 따른 미세패턴 광방출각 렌즈 공정 방법은 소정의 곡률을 가지는 렌즈의 일면에 단면이 원인 돌출부가 배열된 미세복합패턴이 형성된 미세복합형상렌즈 제조 방법에 있어서, 기판상에 상기 미세패턴을 패터닝하여 템플릿을 제작하는 제 1 단계, 상기 미세패턴을 덮도록 상기 템플릿 상에 탄성을 가지는 재료로 박막층을 형성하는 제 2 단계, 상기 박막층을 챔버의 개구부에 접착시킨 후 상기 박막층과 상기 템플릿을 분리시키는 제 3 단계, 상기 박막층이 챔버 내부로 오목하게 들어가도록 상기 챔버에 음압을 인가하는 제 4 단계, 상기 박막층의 오목하게 들어간 일면 위에 광 고분자 나노입자가 포함된 충진물을 충진시켜 렌즈를 형성하는 제 5 단계 및 상기 렌즈를 상기 박막층으로부터 분리시키는 제 6 단계를 포함한다. 여기서, 상기 박막층은 PDMS(Polydimethylsiloxane)로 형성된다. 상기 기판은 실리콘 기판이다. 상기 제 2 단계에서 상기 박막층의 두께는 상기 미세복합패턴의 높이보다 큰 것을 특징으로 한다. 상기 제 3 단계는 상기 박막층을 상기 챔버에 접착시키기 전에 상기 박막층을 산소 플라즈마 처리하는 과정을 더 수행한다. 상기 제 3 단계에서 상기 템플릿이 제거된 박막층은 상기 미세복합패턴과 상보적인 패턴 구조를 가진다. 상기 제 4 단계는 상기 챔버에 형성된 미세 유체 채널을 통해 챔버 내부의 공기를 배출시켜 음압을 인가한다. 상기 제 5 단계는 상기 박막층의 오목하게 들어간 일면 위에 자외선 경화 고분자, 열경화 고분자 및 세라믹 중 하나 이상의 충진물을 충진시키는 제 1 과정 및 상기 충진물에 자외선을 가하여 충진물을 경화시키는 제 2 과정을 포함하여 이루어진다. 또한, 미세복합형상렌즈의 형태가 볼록렌즈거나 오목렌즈에 한정되지 않으며, 다양한 형태로 제작될 수 있고, 돌출부의 형상이나 크기 등도 다양한 형태가 복합적으로 배열되어 미세복합패턴을 형성할 수도 있다. 상기와 같은 본 연구의 렌즈 제작 공정 중 렌즈의 몰딩시 사용되는 마스터는 변형이 우수한 실리콘계열의 PDMS를 사용하여 원본 변형 렌즈 마스터를 제작 후 자외선 경화수지 또는 열경화수지를 이용하여 복제후 다시 PDMS로 재복제함으로써 변형마스터에서 고정마스터의 제작이 가능하다. 상기와 같이 구성되는 본 연구에 따른 미세패턴 광방출각 렌즈 공정 방법은 미세패턴에 의해 보다 큰 광방출각을 형성할 수 있어 점광원인 LED 광원을 광균일도가 우수한 면광원으로 전환이 가능하다. 또한, 기존의 백라이트 유닛에 사용되는 광학기판의 복합적층 없이 단일렌즈 하나로 도광판, 프리즘판 및 확산판의 역할을 대체할 수 있는 장점이 있다.
또한, 점광원인 LED의 방출각을 증가시킬 수 있고, 미세패턴 크기의 감소시키는 변화를 통해 광량의 균일도를 향상시킬수 있는 효과가 있고, 3차원 몰딩기술과 극미세입자 혼합기술을 바탕으로 미세유체관 어레이를 이용해 웨이퍼레벨 제작이 가능하다. 또한, 넓은 광방사각을 가지는 단일 렌즈를 통해 LED 개수를 줄일 수 있어, 제조 원가를 절감할 수 있으며, LED로부터 발생되는 발열을 줄일 수 있다.