Photonic structures at nano and micro scales of natural compound eye corneas have fascinating optical functions. For instance, nanonipples on corneal lenses of the compound eyes of an insect such as a Morpho butterfly serves as antireflective nanostructures and thus enable further enhancement of light-gathering ability. In particular, eyelets of a Xenos peckii have large corneal lenses with high numerical aperture and thereby enables high resolution optical imaging compared to other compound eyes of insects. These unique corneal structures can provide engineering solutions for photonics in developing advanced optical devices and systems.
First, this study presents the theoretical backgrounds and also demonstrates the de-sign rules for monolithic fabrication of polymer microlens arrays by using thermal reflow. A conventional reflow model limits in the estimation of lens profile while assuming the lens diameter is same as the initial cylinder diameter with a very low aspect ratio below 0.1. Therefore, a novel reflow model (surface energy-reflow model) was developed for different surface energies of substrates and high aspect ratios of initial cylindrical resist micropatterns over 0.1. The surface energy-reflow model was validated with experimental results and numerical results by using a finite element method. The results show the lens profile can be precisely derived from an initial volume of resist cylinders and contact angles between substrates for different aspect ratios of initial cylinders.
Second, this study presents a novel fabrication method for monolithic polymer mi-crolens arrays with antireflective nanostructures (AR-MLAs) at wafer level. The antireflec-tive nanostructures (ARS) were fabricated by etching the curved surface of polymer micro-lens with a metal annealed nanoisland mask. The effective refractive index of ARS was controlled with the etch profile of nanostructures to reduce the mismatch in refractive indi-ces at air-lens interface. The reflectance of AR-MLAs decreases below 4% from 490 nm to 630 nm in wavelength. The lens transmission significantly increases by 67% across the vis-ible spectrum by minimizing the reflection and absorption, compared to that of MLAs without ARS.
Last, this study presents a novel method for monolithic fabrication of high numerical aperture polymer microlens arrays (high-NA MLAs) with high packing density (PD) at wafer level. The close-packed high-NA MLAs was fabricated by incorporating conformal deposition of ultrathin fluorocarbon nanofilm and melting the cylindrical polymer islands. The NA and PD of hemispherical MLAs with a hexagonal arrangement increase up to 0.6 and 89 %, respectively. The increase of NA enhances the lens transmission securing the half-power beam width down to 1.1 μm. The close-packed high-NA MLAs enable high photon collection efficiency with signal-to-noise ratio over 50 : 1.
현대의 마이크로렌즈 및 마이크로렌즈 어레이는 렌즈의 수광 특성을 이용하여 CCD/CMOS와 같은 이미지 센서 상에 집적되어 태양전지를 위시한 광전소자, 소형화된 현미경 및 내시현미경, 그리고 랩온어칩에 이르기까지 다양한 광전자 모듈에서 집광 (수광) 효율 증가를 목적으로 필수적으로 사용되고 있다. 또한, 광소자 사이의 접속을 포함한 기타 광통신, 의료기기 및 광센서, 광전자기기 분야 등에서 미세광학 소자로서 다양하게 사용되고 있다. 이러한 마이크로 렌즈를 제작하는 방법에 있어서, 고분자 재료의 열가소성 특성에 기반한 열적 리플로우 (Thermal reflow) 방법은 렌즈의 형상제어가 용이하고 대량생산과 정밀가공의 측면에서 효율성을 가지며, 또한 마이크로 렌즈의 집적화가 용이하고 렌즈의 제작 공정 단계를 단축시킬 수 있는 장점이 있다. 하지만 표면반사로 인한 마이크로렌즈의 광투과율 저하, 마이크로렌즈 어레이의 고집적화 및 고개구수 마이크로렌즈 어레이 구현의 기술적 한계로 여겨지고 있다. 이에 본 학위연구에서는 종래의 열적 리플로우 기반 마이크로렌즈 어레이 구현의 기술적 한계를 극복하고 고감도, 고집광도, 고효율 마이크로렌즈 어레이를 개발하였다.
대면적 고감도 마이크로렌즈 어레이는 몰포나비 (Morpho didius) 개안 렌즈 표면에 형성되어 있는 나노니플의 무반사 나노구조 (Antireflective nanostructures) 에서 착안하여 단일층의 무반사 나노구조를 마이크로렌즈 어레이 곡면 상에 구현함으로써 가능하였다. 무반사 마이크로렌즈 어레이의 제작은 열적 리플로우를 통해 제작한 고분자 마이크로렌즈 어레이 전면에 열적 어닐링을 통해 은나노섬을 구현, 식각 마스크 삼아 고분자 렌즈 표면을 등방식각 함으로써 가능하였다. 무반사 나노구조의 유효 굴절률은 나노구조의 충진률을 조절함으로써 최소화하였다. 결과적으로, 마이크로렌즈 어레이의 반사율은 가시광 490-630 nm 파장 영역에서 4% 이하로 감소하였다. 또한, 렌즈 투과율은 전가시광 영역에서 반사 및 흡수도를 최소화함으로써 통상적인 마이크로렌즈 대비 67% 증가하였다.
대면적 고집광-고효율 마이크로렌즈 어레이는 제노스 페키 (Xenos peckii) 개안의 고개구수-고집적도 렌즈 어레이에서 착안하였다. 고개구수-고집적도 마이크로렌즈 어레이의 제작은 플루오르카본 나노박막 증착 기반 열적 리플로우를 이용함으로써 가능하였다. 육각형 배열된 구형 마이크로렌즈 어레이의 개구수와 충진률은 0.6과 89%까지 증가할 수 있음을 보였다. 개구수의 증가를 통해 렌즈의 집광도 증가는 물론 빔크기 (half-power beam diameter) 는 1.1마이크론까지 감소하였다. 고개구수 마이크로렌즈 어레이의 충진률 증가를 통해 수광효율은 대폭 증가하여 신호 대 잡음비가 50 : 1 이상 증가하였다.
