정밀 비구면 마이크로광학으로 소비자 레이저 기기 혁신

정밀 조명을 위한 레이저 광의 사용은 광학 리소그래피 같은 고급 응용이나 계측 기술 같은 틈새 시장으로 제한되어 왔습니다. 이제 자동차와 가전 산업이 라이다(LIDAR)와 3D 센서의 개발과 양산을 확대하면서 레이저 조명이 새로운 방향으로 확장되고 있습니다. 이미징 응용에서는 폴리머 광학이 스마트 카메라 같은 장치의 첫 선택이었습니다. 하지만 더 나은 성능과 장기 안정성을 가진 유리 마이크로광학을 제공하기 위해 사출 성형 폴리머 광학의 비용 구조를 해결해야 했습니다.

폴리머 광학의 한계와 유리 광학의 필요성

광학 폴리머 소재의 제한된 기능성은 광학 장치의 설계와 생산 기회를 제한합니다. 이는 안정성과 성능에 높은 요구를 두는 광학 장치에 특히 불리합니다. 이는 라이다(LIDAR)와 3D 인식 같은 안전 관련 응용에서 광학 장치 사용의 기회를 놓치게 만듭니다. 특히 광택(gloss), 헤이즈(haze), 복굴절(birefringence), 자외선/가시광(UV/VIS) 흡수 및 투과율 저하 같은 잘 알려진 열화 메커니즘이 자율주행 같은 가혹한 환경이나 산업 및 소비자 기기의 정밀 광학 제어에서 폴리머 기반 광학 사용을 제한할 수 있습니다.

Figure 1. 원통형 광학 소재로 유리 기판 동시 가공.

마찬가지로 사진 촬영용 자연 조명 물체에서 레이저 조명의 열화는 장치의 해상도와 기능을 저하시킵니다. 이러한 열화 메커니즘이 고플럭스 펄스 다이오드 레이저 소스와 결합하면 안전 관련 기능이 있는 장치의 성능과 수명을 제한할 수 있습니다. 이러한 문제들을 해결하기 위해 유리 광학 부품의 비용 절감 한계를 극복하기 위한 원통형 렌즈 형태의 새로운 생산 기술이 설계되었습니다. 이는 폴리머 비용 수준으로 정밀 연마 광학을 제공할 수 있습니다.

웨이퍼 기반 광학 생산 기술

단일 광자 수준까지 레이저 광을 제어하는 빔 쉐이핑(beam shaping)은 광학 시장을 현재 거의 1조 달러 수준으로 성장시켰습니다.[1] 이전에는 레이저 절단이나 용접 같은 산업 응용에 사용되었습니다. 빔 쉐이핑은 소비자 가전 시장으로 진출했습니다. 초기에는 CD/DVD 및 블루레이 플레이어용 레이저 다이오드 대량 생산에 사용되었습니다. 이제는 스마트폰용 고급 마이크로광학으로 진화하여 안면 인식, 제스처 제어, 저조도 환경에서의 선명하고 밝은 이미지를 가능하게 합니다. 자동차 산업에서는 빔 쉐이핑이 스포트라이트뿐만 아니라 최첨단 헤드업 디스플레이와 라이다(LIDAR)에 사용되어 운전자 시야와 안전을 개선하고 미래 자율주행차의 가능성을 엽니다.

이러한 빔 쉐이핑 응용을 가능하게 하려면 마이크로광학을 높은 정밀도와 정확도로 제작해야 합니다. 광학 특성과 장기 안정성은 다양한 광학 기능에 유리를 선택하는 핵심 기준입니다. 하지만 스마트 소비자 응용과 자율주행은 주로 비용에 의해 주도되므로, 수천만에서 수억 개 단위의 응용에서는 폴리머 광학이 현재 첫 선택입니다.

Figure 2. 구조화 및 다이싱된 원통형 렌즈 어레이.

다이오드 레이저 소스와 결합하면 폴리머 광학은 자외선 및 고전력 열화로 인해 저전력 또는 저가치 응용에만 사용할 수 있습니다. 몇 와트 CW(연속파) 또는 100와트 QCW(준연속파) 이상이 필요한 응용에서는 가혹한 환경에서 특히 유리 광학의 안전하고 신뢰할 수 있는 작동이 최선의 선택입니다. 장기 안정성 외에도 유리는 폴리머 기반 광학에 비해 더 작은 열팽창 계수, 훨씬 높은 굴절률, 파장 범위와 강도 모두에서 더 나은 투과율, 환경 영향에 대한 내성을 제공합니다.

최근까지 대량 생산성과 가격이 제품 설계자들을 폴리머 광학으로 이끌었습니다. 이제 개선된 비순차 냉간 가공 및 연마 기술이 유리 웨이퍼 위 비구면 원통형 렌즈(acylindrical lenses)에 개발되어 가공 mm²당 비용을 폴리머 광학 수준으로 낮췄습니다. 예를 들어 LIMO는 웨이퍼 크기를 300mm×300mm(~12인치)로 늘려 동시 생산 마이크로광학을 구현했고, 더 높은 연마 및 연삭 속도와 결합했습니다. 이는 사이클 타임 단축으로 이어져 고품질을 유지하면서 저비용 대량 생산 수준을 달성했습니다.

12인치 웨이퍼 레벨 유리 광학

공정은 연마된 유리 웨이퍼로 시작합니다. Figure 1과 같이 연삭 공정으로 표면을 구조화합니다. 35mm에서 300mm 모서리 길이로 세대를 거치며 크기가 증가한 5가지 크기가 있습니다. 표면 형태는 도구 모양에 의해서만 제한되므로 이 방향에서 자유형(freeform)입니다. 한 면 구조화 후 다른 면을 임의 모양으로 가공할 수 있으며, 앞면과 평행하거나 수직으로 할 수 있습니다. 구조화된 면적은 모서리 길이의 제곱에 비례해 늘어나지만 가공 시간은 약간만 증가하므로, 세대마다 mm²당 생산 비용이 감소합니다. 최신 세대는 90,000mm²의 유효 가공 웨이퍼 면적을 가집니다. 현재 스텔스 다이싱 기술로 이는 12개 웨이퍼만으로 1mm² 고급 마이크로광학 100만 개 이상을 생산할 수 있음을 의미합니다.

양면을 임의 모양으로 구조화하면 단일 이미터 다이오드나 라이다 응용용 고속/저속축 콜리메이터(FACs/SACs), 리소그래피용 호모게나이저, 빔 변환 시스템(BTS) 등 다양한 조합이 가능합니다. 레이저 광의 비구면 성형(anamorphic shaping, x-와 y-빔 차원과 강도 개별 제어)을 모든 종류의 직사각형, 정사각형, 라인 형상 빔으로 가능하게 하여, 원형이나 약간 타원형 빔 모양만 사용할 때 제한적이었던 레이저 광의 광범위한 응용을 엽니다.

Figure 3. 웨이퍼 컷 원통형 렌즈와 어레이 기반 제품 라인.

생산 방식 비교: 기계적 웨이퍼 구조화 vs 유리 몰딩

이 마이크로광학을 생산하는 여러 방법이 있습니다. 유리에 초점을 맞추면 주요 방법은 Figure 3과 같은 LIMO의 기계적 웨이퍼 구조화와 유리 몰딩입니다. 둘 다 괜찮은 품질을 내지만 설계 자유도, 생산 속도, 결과 비용을 비교해야 합니다. 몰드는 잠재적으로 2D 자유형이 가능해 더 많은 설계 자유도를 줍니다. 이 이점은 현재 펌핑 응용의 주요 레이저 소스이자 많은 최첨단 라이다 접근법 중 하나인 에지 이미터(edge emitters)에서는 줄어듭니다. 에지 이미터는 비대칭 이미터로, 두 축을 서로 다른 유효 초점 거리로 설계해야 하므로 회전 대칭 렌즈 사용을 배제하고 비구면 형태를 선호합니다.

Figure 4. 교차 원통형 렌즈로 타원 빔을 원형으로 변환.[2]

새로운 구조화 능력은 전체 전면 300mm×300mm 웨이퍼에 4시간 미만이 소요되어 ~20,000mm²/h를 달성하며, 단 한 세트 도구만 사용합니다. 이는 최적화된 몰드 전송 기계에서 7-10세트 필요한 것에 비해 NRE 비용을 최소화합니다. 이 구조화 시간은 소재 선택과 거의 무관하며 특수 고굴절 유리뿐만 아니라 실리콘, 게르마늄, 융착실리카, 플루오라이드칼슘 같은 다양한 경질 소재 가공을 허용합니다. 특히 융착실리카는 전이온도 Tg~1,400°C로 몰딩에 곤란할 수 있습니다.[3]

Figure 5. 프론트엔드 및 백엔드 생산 흐름.

웨이퍼 프론트엔드 생산 흐름에서 표면 프로필로메트리와 광학 테스트의 반복적 개선 루프를 구현하여 목표 성능 비교와 분산 분석을 수행합니다. 이점은 이미 가공된 웨이퍼를 재구조화할 수 있어, 웨이퍼가 최고 품질 기준을 충족하지 못하면 수정 가능합니다. 이는 최대 수율로 품질을 일관되게 높은 수준으로 유지할 수 있게 합니다.

구조화된 유리 웨이퍼는 쉽게 세척, 출하, 코팅할 수 있습니다. 자동화된 다이싱, 검사, 패키징은 폴리머 비용 수준을 목표로 신뢰성 있고 재현 가능하며 합리적인 가격의 백엔드 공정을 제공합니다.

요약

Figure 6. 정사각형 기판에서 특정 형태로 컷된 유리 마이크로광학 웨이퍼.

마이크로 원통형 렌즈 생산 공정을 12인치 유리 웨이퍼로 확장하는 능력은 완전히 새로운 비용 구조를 가능하게 하고, 소비자 및 대량 생산 응용에서 유리 원통형 렌즈의 사용을 재정의합니다. 이제 유리 렌즈의 모든 성능 관련 파라미터가 폴리머 광학 가격 수준에서 이용 가능해졌습니다. 유리 마이크로광학의 웨이퍼 기반 생산은 3D ID와 라이다(LIDAR) 센서 같은 다양한 레이저 조명 장치의 대량 생산을 가능하게 하는 비용 구조를 이끌었습니다. 유리 마이크로광학은 안전 관련 레이저 조명 설계에 적합합니다. 최단 양산 준비 시간과 결합하여, LIMO의 새로운 12인치 생산 기술로 수백만 개의 원통형 유리 렌즈 생산이 이제 가능합니다.

이 기사는 Dirk Hauschild 최고마케팅책임자, Dr. Daniel Braam 광학제품라인 제품매니저, Dirk Bogs 최고운영책임자, LIMO GmbH(도르트문트, 독일)가 작성했습니다. 자세한 정보는 Mr. Hauschild(이메일: 스팸봇 보호 중, 자바스크립트 필요)에게 문의하거나 여기를 방문하세요.