The research of biologically inspired photonic structure in the nature has been actively researched, because photonic structures in biology have astonishing effects in the limited thin layer that is evolutionary results over millions of years for needs of survival or adaptation. The antireflective (AR) structure discovered on the moth eye is one of well researched biologically inspired photonics structure. The AR structure enhance the transmittance and decrease the reflectance of optical components as same as dielectric material coating. Since the economical and functional advantages of AR structure compared to dielectric material coating, the fabrication of AR structure on the lens for imaging and illumination system is needed. In addition, the metal template for AR lens is necessary to achieve the mass production. In this work, the metal template for bioinspired AR lens was fabricated. In addition, the AR lens was fabricated from the metal template and the enhancing the transmittance of AR lens is presented.
The optimal antireflective structure was designed by numerical analysis using finite difference time domain (FDTD) method. The parameters of designing for antireflective structures are dimensions of the structures, refractive index of materials and target wavelength of incident light. We calculated the transmittance over the visible range by changing the width, height and refractive index of the structures for rectangular shaped antireflective structure with fixed 250nm period. The width and height is changed from 50nm to 200nm and the refractive index is 1.4 for PDMS and 1.56 and UV curable polymer. Since the refractive index of antireflective structures is related with the effective refractive index and the thickness of antireflective coating, the optimal dimensions of the structures are different in the case of PDMS and UV curable polymer. The optimal dimen-sions of antireflective structure are 140nm width and 110nm height for PDMS. The optimal structures are 140nm width 100nm height for UV curable polymer. The maximum transmittance of PDMS and UV curable polymer is 99.76% and 99.59%, respectively. Based on the design of antireflective structures, the template and antireflective lens were fabricated.
The planar AAO template and the metal based AAO template for AR lens were fabricated. To fabricate the template for AR lens with optimized structures, the planar type of AAO template and the planar AR membranes were fabricated in advance. The five AAO templates with different depths of pore were fabricated by thermally deposition of pure aluminum and the anodic oxidation. The polymer AR membranes with different heights of the structures were fabricated using the PDMS and UV curable polymer. The planar AAO templates have five different depths of pores, from 60nm to 140nm at intervals of 20nm. The polymer AR membranes were perfectly replicated from the planar AAO template and it was confirmed by SEM and AFM. The metal based AAO template was fabricated by mechanical machining, polishing, deposition of SiO2 and Al and anodic oxidation of Al. Then the two types of AR lens were fabricated from the metal template using PDMS and UV curable polymer. The designed AR structure, 140nm width, 100nm height and 250nm period, was well replicated from the template to lens.
The transmittance of AR membrane and AR lens were measured by experimental system. The AR mem-brane has higher transmittance value than the membrane without the AR structure. The transmittance of membrane is changed by the height of AR structure. According to the numerical analysis and experimental results, the membrane with the AR structure of 100nm height has the maximum transmittance for PDMS and UV polymer. The AR lens was also characterized. For lens, transmittance of AR lens with/without optimal designed structures was measured. To measure the transmittance of lens, integral sphere was used. We calculated the transmittance enhancement defined by transmittance difference between AR lens and normal lens. The transmittance of AR lens is enhanced over the visible range. The average of transmittance enhancement of AR lens is 3.6% and 3.8% for UV polymer and PDMS lens, respectively.
In conclusions, this work demonstrates the metal template with optimized AR structure for injection mold-ing of AR lens. The optimal AR structure to maximize the transmittance is designed by numerical analysis and demonstrated by characterization of planar AR membrane. We fabricate the PDMS and UV polymer AR lens using the polymer replication from the metal template. The AR lens provides the enhanced transmittance com-pared to lens without AR structures.
자연에 존재하는 광학 구조는 오랜 시간 진화를 거쳐 만들어진 결과물로써 한정된 매우 얇은 두께의 층에서 매우 뛰어난 광특성을 가지고 있다. 이 때문에 이런 광학 구조를 모사하는 연구는 활발히 이루어지고 있다. 나방의 눈 표면에서 처음 발견된 무반사 구조도 이러한 광학 구조 중 하나인데, 물체 표면의 반사율을 줄여주고 투과율을 증가시켜주는 역할을 한다. 무반사 구조는 무반사 코팅에 비해 경제적 및 기능적 장점을 가지고 있어, 기존에 사용되던 무반사 코팅을 대체할 수 있다. 또한, 이러한 무반사 구조를 갖는 금속 주형을 만들면, 사출성형을 통하여 무반사 구조가 형성된 광학 제품을 대량 생산할 수 있는 장점이 있다. 본 연구에서는 무반사 구조를 갖는 렌즈의 사출성형을 위한 금속 주형을 제작하였다. 이 금속 주형으로부터 무반사 구조를 가지는 렌즈를 제작하였으며, 무반사 렌즈는 향상된 광투과율을 보여주었다.
무반사 렌즈를 위한 금속 주형 제작에 앞서, 투과율이 최대인 최적화 된 무반사 구조를 수치해석법을 이용하여 설계하였다. 무반사 구조의 투과율을 결정하는 요소로는 구조의 형태와 크기, 물질의 굴절률과 입사하는 빛의 파장이다. 우리는 고정된 250nm 주기에 대해 구조의 높이와 너비를 바꿔가며 가시광선 영역 대에서 투과율이 최대가 되는 무반사 구조를 설계하였다. 폴리머의 굴절률에 따른 차이를 확인하기 위해 굴절률 1.4인 PDMS와 굴절률 1.56인 자외선 경화성 폴리머에 대해서 설계를 진행했다. 최적화된 무반사 구조는 PDMS에 대해서는 140nm 너비, 100nm 높이를 갖는 구조이고, 자외선 경화성 폴리머에 대해서는 140nm 너비, 110nm 높이를 갖는 구조이다.
무반사 렌즈용 금속 주형은 기계가공과 알루미늄 양극산화 공정을 기반으로 제작되었다. 사출성형에 사용되는 알루미늄 합금을 이용하여 오목한 반구 형태의 모양의 주형을 제작하였다. 제작된 알루미늄 합금은 350nm의 산화규소막을 PECVD를 이용하여 증착하였고, 그 위에 순도 99.999%의 알루미늄 막 1μm을 열증착법을 이용하여 증착하였다. 설계된 무반사 구조의 실제 광투과율 확인 및 산화규소막 위 알루미늄의 양극산화시 공정 조건 확립을 위해, 평평한 유리기판 위에 알루미늄을 증착하고 양극산화를 진행하였다. 알루미늄 박막은 20℃, 0.3M의 인산 전해질 안에서 산화되었다. 인가된 전압은 100V이며, 극부적 온도 증가에 따른 불균일 산화막 형성을 방지하기위해 전해질을 양극산를 진행하는동안500rpm으로 교반하였다. 양극산화 공정조건 중 산화막 성장 속도에 관여하는 시간을 달리하여 서로 다른 깊이의 나노구조를 가지는 알루미늄 양극 산화막을 유리기판 위에 제작하였다. 나노구조의 깊이는 각각 60, 80, 100, 120, 140nm였다. 이로부터 무반사 구조가 표면에 형성된 PDMS막과 자외선 경화성 폴리머막을 제작하였다. 제작된 무반사 구조를 가지는 폴리머 기판의 투과율을 측정하였다. 무반사 구조가 형성된 기판은 그렇지 않은 폴리머 막에 비해 증가된 투과율을 보였다. PDMS의 경우 최대 3%, 자외선 경화성 폴리머의 경우 최대 1.5%의 투과율이 증가되었다. 측정 결과, 무반사 구조의 높이가 100nm인 경우에 실제 투과율이 최대가 됐고, 이는 수치해석학적 결과와도 일치하였다. 이 결과를 통해 최적화된 무반사 구조는 높이 100nm인 경우임을 확인하였고, 금속 주형은 높이 100nm의 무반사 구조를 형성할 수 있도록 제작되었다.
알루미늄 합금 위 순수 알루미늄의 양극산화 공정을 통해 무반사 렌즈 사출성형용 금속 기반 알루미늄 양극 산화물 주형을 제작하였다. 제작된 금속 주형을 이용하여 PDMS와 자외선 경화성 폴리머로 된 무반사 렌즈를 각각 제작하였다. Scanning Electron Microscope (SEM)을 이용하여 금속 주형을 통해 제작된 렌즈 위에 높이 100nm의 무반사 구조가 형성되어있음을 확인하였다. 제작된 렌즈의 광특성을 평가하기 위해 투과율을 측정하였다. 렌즈를 통과한 모든 빛을 감지하고 측정하기 위해 분광계에 적분구를 연결하여 측정시스템을 구축하였다. 무반사 렌즈와 무반사 구조가 없는 일반 렌즈에 대해서 광세기를 측정하였고, 측정된 결과를 이용하여 투과 향상도를 계산하여 렌즈의 광특성을 비교하였다. 그 결과, 무반사 구조가 있는 렌즈가 더 높은 투과율을 보여줬다. 투과 향상도는 가시광선 영역에 대해서PDMS 렌즈의 경우 평균 3.6%, 자외선 경화성 폴리머 렌즈의 경우 평균 3.8%였다.
본 연구에서는 최적화된 무반사 구조를 가지는 렌즈의 사출성형용 금속 주형을 제작하였다. 투과율이 최대가 되는 최적의 무반사 구조는 수치해석적으로 설계되었고, 이는 무반사 구조를 가지는 평판을 제작하여 투과율을 측정함으로써 증명되었다. PDMS와 자외선 경화성 폴리머를 이용하여 금속 주형으로부터 무반사 렌즈를 제작하였고, 광투과율 증가를 확인했다. 본 연구는 이전의 무반사 구조에 대한 연구에서 보고되었던 투과율 증가대비 같거나 높은 증가값을 가지는 무반사 구조를 평면 및 구면에 제작하였다. 또한, 금속 주형을 이용함으로써, 대면적 및 곡면 위에 무반사 구조가 형성된 폴리머 무반사 렌즈를 대량 생산이 가능함을 보여준다. 제작된 금속 주형은 차후 이미징 및 조명용 렌즈 제작에 활용할 수 있을 것이라 기대된다.
