전자 빔 리소그래피를 이용한 PDMS 마이크로 바이너리 프레넬 렌즈의 크기 감소에 따른 광도 특성 향상 연구

Abstract

최근, 광원의 발전에 따라 다수의 연구기관 및 산업체에서는 기존 광원을 대체할 광원으로 LED(Light Emitting Diode)를 연구하고 있다. LED는 기존의 광원들에 비해 낮은 소비전력과 수명, 고휘도, 유지보수로서의 추가비용절감 및 예열시간이 불필요하다는 점 등의 장점을 지니고 있다. 하지만 LED는 광속효율특성이 떨어지기 때문에 빛이 미치는 거리가 짧다는 단점이 있지만, LED의 phosphor-scattered photons를 추출하여 광속효율특성을 개선한 연구가 있다.

본 연구팀은 이러한 단점을 렌즈의 구조적인 측면에서 개선하고자 LED의 radiation angle을 줄여 광속효율특성을 향상시켜 광도의 개선을 가능케 하는 PDMS-Micro binary Fresnel lens를 제작하였다. 본 실험에서는 제작에 앞서 광원으로 두 가지(red LED, white, LED)를 선정하여 광원의 파장과 초점거리를 변수로 한 위상변위 함수로부터 binary Fresnel lens 구조를 계산하였다. Binary type 구조를 선택한 이유는 회절 효율보다는 렌즈 패턴의 크기 감소에 의한 광원의 rays 도광 효과를 높이기 위함이다. 즉 크기 감소에 가장 효율적인 binary type를 선택하여 multi lens와 single lens를 제작하였다.

SiO2/Si substrate 위에 PMMA(Polymethyl methacrylate) master를 electron beam lithography를 통해 형성한 후 PDMS molding을 통해 binary Fresnel 패턴을 전사하여 제작하였다.

제작된 렌즈의 광학적 특성은 광원의 주요 성능 지표인 luminous intensity, spectrum half bandwidth, radiation angle(half angle) 3가지를 측정함으로써 렌즈의 광집속 효과에 따른 광도 특성 향상 및 빔시야각의 감소 효과를 확인하였다.