기초 지식
마이크로렌즈 어레이란? 구조, 용도, 제조 방법을 알기 쉽게 해설
📌 3줄 요약
- 마이크로렌즈 어레이는 수 μm~수 mm 크기의 작은 렌즈를 평면 위에 다수 배열한 광학 소자
- 포토리소그래피나 글라스 정밀 가공 등 여러 제조 방법이 있으며, 광섬유 결합·이미지 센서·디스플레이 등 폭넓은 분야에서 사용됨
- 재료에는 글라스와 수지가 있으며, 용도에 따라 선정해야 함(자세한 비교는 별도 기사에서 해설)
마이크로렌즈 어레이란
마이크로렌즈 어레이(Micro Lens Array, MLA)란 지름 수 μm~수 mm 정도의 작은 렌즈를 평면 위에 규칙적 또는 불규칙적으로 다수 배열한 광학 소자입니다. 단일 렌즈를 가로세로로 나열한 외관 때문에 ‘플라이아이 렌즈(파리 눈 렌즈)’라고 불리기도 합니다.
각각의 렌즈는 일반적인 단일 렌즈와 마찬가지로 다음과 같은 기능을 가집니다.
- 집광 : 빛을 한 점으로 모음
- 확산 : 빛을 넓은 범위로 균일하게 퍼뜨림
- 콜리메이트(평행광화) : 발산하는 빛을 평행 광선으로 정렬함
마이크로렌즈 어레이는 이러한 기능을 가진 작은 렌즈를 면 상에 다수 배치함으로써, 하나의 큰 렌즈로는 구현하기 어려운 ‘균일한 광 제어’와 ‘여러 지점으로의 동시 집광’을 가능하게 합니다.
마이크로렌즈 어레이의 제조 방법
마이크로렌즈 어레이의 제조 방법은 재료(글라스인지 수지인지)나 요구되는 정밀도에 따라 몇 가지 방식으로 나뉩니다.
포토리소그래피＋열 리플로
수지제 마이크로렌즈 어레이에 자주 사용되는 대표적인 제조 방법입니다. 포토레지스트(감광성 수지)를 노광·현상하여 원기둥 모양의 패턴을 형성한 뒤, 레지스트의 유리전이온도(Tg) 이상(160℃ 전후로 가열하는 사례가 보고되어 있습니다)으로 가열하면 표면장력에 의해 레지스트가 자연스럽게 구면 형상으로 변형되어 구면 렌즈 형상이 얻어집니다.
전주에 의한 금형 전사와 양산화
포토리소그래피로 만든 원판(마스터)은 그대로는 양산에 사용할 수 없으므로, 전주(전기 도금)에 의해 금속 몰드(금형)로 전사합니다. 이 금형을 사용하여 사출성형·압축성형·열 프레스(핫 엠보싱)를 실시하면 수지제 마이크로렌즈 어레이를 대량으로 복제할 수 있습니다. 수지 사출성형 제조업체 중에는 금형을 초정밀 절삭 가공하고 수지 사출성형 기술로 생산하는 방식을 채택한 사례도 있습니다.
임프린트·에칭과 글라스제의 초정밀 절삭·연마
반도체 공정에 가까운 미세 가공 기술인 임프린트나 에칭으로 더 높은 정밀도의 패턴을 직접 형성하는 방법도 있습니다. 한편 글라스제 마이크로렌즈 어레이는 글라스 재료를 직접 절삭·연마하는 초정밀 가공이나 글라스를 몰드 성형하는 방법으로 만들어집니다. 재료에 따라 적합한 제조 방법이 다르다는 점이 마이크로렌즈 어레이 제조의 특징입니다.
마이크로렌즈 어레이의 주요 용도
마이크로렌즈 어레이는 빛을 정밀하게 제어해야 하는 폭넓은 분야에서 사용됩니다.
광섬유 결합
광원과 광섬유의 결합이나 광 스위치·파장 선택 스위치(WSS) 등 광통신 기기에서 마이크로렌즈 어레이는 콜리메이트와 집광을 통해 결합 효율을 높이는 역할을 합니다. 예를 들어 NASA의 위성 관측 프로젝트(PACE 계획의 Ocean Color Instrument)에서는 단파 적외선 대역의 빛을 멀티모드 광섬유 번들에 결합할 때의 목표 효율로 95%라는 수치가 보고되어 있습니다. 이는 특정 프로젝트의 목표값이며, 용도에 따라 요구되는 결합 효율은 다릅니다.
CMOS 이미지 센서
디지털카메라나 스마트폰에 탑재되는 CMOS 이미지 센서에서는 각 화소 위에 작은 마이크로렌즈를 배치하여 포토다이오드로의 집광 효율을 높이고 있습니다. 특히 후면 조사형(BSI) 센서에서는 전면 조사형에 비해 수광 감도가 약 2배로 향상된 사례가 보고되어 있습니다.
디스플레이·조명 확산판, LiDAR·센싱
마이크로렌즈 어레이는 빛을 균일하게 확산시켜 균일한 조명광이나 넓은 시야각의 표시를 구현하는 디퓨저(확산판)로도 이용됩니다. 또한 LiDAR(레이저를 이용한 거리 측정·센싱 기술)에서는 빔 성형과 수광 효율 향상에 활용되고 있습니다.
천체 관측 장치에서의 채택 사례
높은 정밀도가 요구되는 천체 관측 분야에서도 마이크로렌즈 어레이는 실적이 있습니다. 스바루 망원경에 탑재되어 대기의 흔들림을 실시간으로 관측하는 샤크-하르트만 파면 센서에도 마이크로렌즈 어레이가 채택되어 있습니다.
재료 선정의 기초: 글라스와 수지
마이크로렌즈 어레이는 글라스와 수지 모두로 만들 수 있으며, 각각 특징이 있습니다.
글라스제는 높은 내열성·내환경성과 함께, 빛이 입사 방향에 따라 서로 다른 굴절률을 나타내는 ‘복굴절’이 작다는 특징이 있습니다. 다만 높은 정밀도·저복굴절이 요구되는 그레이드일수록 초정밀 절삭·연마나 전용 금형 가공에 비용이 들기 쉬운 경향이 있습니다.
수지제는 사출성형으로 금형에서 한 번에 복제할 수 있으므로 양산성이 우수한 것이 특징입니다. 한편 글라스에 비해 내열성이나 복굴절 측면에서 주의가 필요한 경우가 있습니다.
용도에 따라 요구되는 정밀도·사용 환경·양산 규모가 다르므로, 어느 재료가 적합한지는 일률적으로 말할 수 없습니다. 특히 광섬유 용도에서 글라스제가 주류로 여겨지는 이유와, 수지화로 해결할 수 있는 과제의 상세 내용은 자매 기사에서 수치 데이터를 바탕으로 자세히 해설하고 있습니다.
정리｜마이크로렌즈 어레이의 재료 선정에서 실패하지 않으려면
마이크로렌즈 어레이는 포토리소그래피에 의한 수지 성형부터 글라스의 초정밀 가공까지 여러 제조 방법으로 만들어지는 광학 소자로, 광섬유 결합에서 이미지 센서, 디스플레이 확산판, LiDAR, 천체 관측에 이르기까지 폭넓은 분야에서 활용되고 있습니다. 재료 선정 시에는 글라스와 수지 각각의 특징을 이해하고 용도에 따라 판단하는 것이 중요합니다.
광학 수지 선정에 대해 고민이 있으신 분은 아래를 통해 미쓰비시가스화학에 부담 없이 연락 주시기 바랍니다.
이 글의 일부 이미지와 텍스트는 생성형 AI의 도움을 받아 제작되었습니다.
