[논문]다중조사 복셀 매트릭스 스캐닝법을 이용한 이광자 중합에 의한 마이크로 3차원 곡면형상 제작

임태우; 박상후; 양동열; 공홍진; 이광섭

다중조사 복셀 매트릭스 스캐닝법을 이용한 이광자 중합에 의한 마이크로 3차원 곡면형상 제작
Fabrication of Three-Dimensional Curved Microstructures by Two-Photon Polymerization Employing Multi-Exposure Voxel Matrix Scanning Method 원문보기

폴리머 = Polymer (Korea), v.29 no.4, 2005년, pp.418 - 421

임태우 (한국과학기술원 기계공학과) , 박상후 (한국과학기술원 기계공학과) , 양동열 (Dong-Yol) , 공홍진 (한국과학기술원 물리학과) , 이광섭 (한남대학교 고분자공학과)

초록
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본 연구에서는 나노/마이크로 소자 및 MEMS 제작에 활용가능하고 또한 수십 마이크로미터 크기의 3차원 곡면을 가진 형상을 제작하기 유리한 이광자 광중합을 이용한 다중조사 복셀 매트릭스 스캐닝법(multi-exposure voxel matrix scanning method)에 의한 나노 복화공정을 개발하였다. 이 공정을 통하여는 높이에 따라 14가지의 색을 가진 등고선으로 표현된 3차원 자유곡면 형상을 적층방식이 아닌 단일 층으로 3차원으로 제작할 수 있다. 여기서 수광각도가 1.25인 집광렌즈를 사용하여 레이저의 조사시간에 따라 1.2 um에서 6.4 um까지 변하는 복셀의 높이 차이를 이용하여 3차원 곡면 제작이 가능하다. 본 연구의 유용성을 검토하기 위하여 몇 가지 3차원 곡면형상을 초미세 입체 패터닝 공정에서 사용하는 일반적인 적층방식을 사용하지 않고 단층으로 제작하여 시간을 단축하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Three-dimensional (3D) microfabrication process using two-photon polymerization (TPP) is developed to fabricate the curved microstructures in a layer, which can be applied potentially to optical MEMS, nano/micro-devices, etc. A 3D curved structure can be expressed using the same height-contours that are defined by symbolic colors which consist of 14 colors. Then, the designed bitmap figure is transformed into a multi-exposure voxel matrix (MVM). In this work a multi-exposure voxel matrix scanning method is used to generate various heights of voxels according to each laser exposure time that is assigned to the symbolic colors. An objective lens with a numerical aperture of 1.25 is employed to enlarge the variation of a voxel height in the range of 1.2 to 6.4 um which can be controlled easily using the various exposure time. Though this work some 3D curved micro-shapes are fabricated directly to demonstrate the usefulness of the process without a laminating process that is generally required in a micro-stereolithography process.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

이 공정은 14가지 색으로 등고선을 표현한 3차원 곡면 형상 비트맵 그림을 이용하여 다중조사 복셀 매트릭스 (multi-exposure voxel matrix; MVM)로 변환시킨 다음 각 색깔에 해당되는 조사시간을 할당하여 다양한 형태의 3차원 곡면을 제작하도록 하였다. 본 연구에서 개발된 공정의 유용성을 검토하기 위하여 기본 형상 및 제주도 섬형상을 단층으로 제작해 보았다.
본 연구에서는 이광자 흡수 광중합시에 레이저의 조사시간에 따라 복셀의 길이가 달라지는 현상을 이용하여 3차원 곡면형상을 제작하는 방법을 제안하였다. 개발된 공정은 14가지 색상으로 높이 차이를 표현한 비트맵 그림 파일을 이용하여 다중조사 복셀 매트릭스로 전환하여 제작하는데 레이저의 조사시간에 따라 높이가 다른 곡면을 보조 공정없이 단층으로 제작할 수 있기 때문에 기존의 여러 층을 적층하는 방식에 비하여 3차원 형상제작을 빠르게 할 수 있는장점이 있다.

제안 방법

Rgure 4(a) 와 (b)에는 11가지 색상으로 구성하여 각각의 조사시간을 달리하여 만든 선 형상을 나타낸 것이다. 검정색(①)을 가장 낮은 높이로 하고, 보라색(ⓝ)을 가장 높은 높이로 하여 각 색상의 높이 차이가 0.2 μm가 되도록 조사시간을 달리하면서 제작하였다. Figure 4(a)에서 조사시간이 증가하는 경우 복셀의 높이도 증가하지만 복셀의 폭도 같이 증가하기 때문에 선형상이 높이에 따른 폭의 변화도 존재함을 알 수 있다.
본 연구에서 3차원 곡면형상을 단층으로 제작하기 위하여 Figure 3에 개략적으로 나타낸 것처럼 광 조형 시스템을 구축하였다. 광원으로 사용된 레이저는 80 fs 이하의 펄스 폭을 갖는 티타늄-사파이어 레이저(Ti-Sapphire mode-locked laser)이며 레이저 빔의 x, y축의 제어는 갈바노 스캐너(glavano mirror)를 이용하고 z죽 방향에 대한 제어는 피에조 스테이지(piezoelectric stage)로 수행하였다. 또한 레이저 빔의 on/off 제어를 하기 위하여 갈바노 셔터를 사용하여 조사시간이 1 ms 수준까지 제어하였다.
기존 연구의 2차원 흑백 비트맵 그림으로부터 마이크로 패턴으로 제작하는 나노 복화공정(nano-replication printing process을14 개선하여 레이저 조사시간을 복셀단위로 다르게 조절할 수 있는 다중조사 복 셀 매트릭스 스캐닝법(MVM scanning method)를 제안하여 14색으로 높이 데이터를 표현한 비트맵 그림으로부터 3차원 곡면형상을 제작 하도록 하였다. 이러한 14가지 색을 가진 비트맵 그림은 단위 픽셀 당 해당되는 색을 각각 숫자로 표시한 MVM으로 변환한다.
따라서 본 연구에서는 마이크로 렌즈 등과 같이 3차원의 요철형태 (concave or convex shape)의 곡면을 갖게 하는 적증방식을 이용하지 않고 이광자 흡수 광중합 현상을 이용하여 단일층으로 제작할 수 있는 공정을 개발하였다. 이 공정은 14가지 색으로 등고선을 표현한 3차원 곡면 형상 비트맵 그림을 이용하여 다중조사 복셀 매트릭스 (multi-exposure voxel matrix; MVM)로 변환시킨 다음 각 색깔에 해당되는 조사시간을 할당하여 다양한 형태의 3차원 곡면을 제작하도록 하였다.
광원으로 사용된 레이저는 80 fs 이하의 펄스 폭을 갖는 티타늄-사파이어 레이저(Ti-Sapphire mode-locked laser)이며 레이저 빔의 x, y축의 제어는 갈바노 스캐너(glavano mirror)를 이용하고 z죽 방향에 대한 제어는 피에조 스테이지(piezoelectric stage)로 수행하였다. 또한 레이저 빔의 on/off 제어를 하기 위하여 갈바노 셔터를 사용하여 조사시간이 1 ms 수준까지 제어하였다.
본 연구에서 3차원 곡면형상을 단층으로 제작하기 위하여 Figure 3에 개략적으로 나타낸 것처럼 광 조형 시스템을 구축하였다. 광원으로 사용된 레이저는 80 fs 이하의 펄스 폭을 갖는 티타늄-사파이어 레이저(Ti-Sapphire mode-locked laser)이며 레이저 빔의 x, y축의 제어는 갈바노 스캐너(glavano mirror)를 이용하고 z죽 방향에 대한 제어는 피에조 스테이지(piezoelectric stage)로 수행하였다.
색깔에 따라 각각의 복셀높이에 대한 조사시간을 입력할 수 있는데 본 연구에서는 검정색(ⓑ)을 가장 낮은 높이로 지정하였으며, Figure 2 좌측 상단의 검정색(①)부터 시작하여 우측으로 갈수록 높 이가 높아지도록 하여 우측 하단 보라색(①)의 경우 가장 높은 높이를 가지도록 하였다. 이러한 14가지 색으로 표현된 매트릭스를 이용하여 다양한 3차원 곡면형상을 제작하였다.
따라서 본 연구에서는 마이크로 렌즈 등과 같이 3차원의 요철형태 (concave or convex shape)의 곡면을 갖게 하는 적증방식을 이용하지 않고 이광자 흡수 광중합 현상을 이용하여 단일층으로 제작할 수 있는 공정을 개발하였다. 이 공정은 14가지 색으로 등고선을 표현한 3차원 곡면 형상 비트맵 그림을 이용하여 다중조사 복셀 매트릭스 (multi-exposure voxel matrix; MVM)로 변환시킨 다음 각 색깔에 해당되는 조사시간을 할당하여 다양한 형태의 3차원 곡면을 제작하도록 하였다. 본 연구에서 개발된 공정의 유용성을 검토하기 위하여 기본 형상 및 제주도 섬형상을 단층으로 제작해 보았다.
이 장치를 이용하여 조사시간에 따른 복셀의 길이 차이가 큰 레이저 출력 80 mW에서 조사시간을 변화시켜가며 복셀의 높이를 조절하여 단층으로 형상을 제작해보았다. Rgure 4(a) 와 (b)에는 11가지 색상으로 구성하여 각각의 조사시간을 달리하여 만든 선 형상을 나타낸 것이다.
색깔에 따라 각각의 복셀높이에 대한 조사시간을 입력할 수 있는데 본 연구에서는 검정색(ⓑ)을 가장 낮은 높이로 지정하였으며, Figure 2 좌측 상단의 검정색(①)부터 시작하여 우측으로 갈수록 높 이가 높아지도록 하여 우측 하단 보라색(①)의 경우 가장 높은 높이를 가지도록 하였다. 이러한 14가지 색으로 표현된 매트릭스를 이용하여 다양한 3차원 곡면형상을 제작하였다.

대상 데이터

본 연구에 사용된 광중합 레진은 이광자 흡수반응을 향상시키기 위하여 이광자 흡수 색소(photosensitizer) 0.1 %wt와 SCR500 레진을 혼합하여 사용하였다. 이광자 흡수 색소 TP-F1U-TP2는 2, 7-dibromo- 9, 9-diethythexyl-9H-fluorene과 diphenyl(4-vinylphenyl)aminee| Heck 반응에 의하여 합성하였다.
식 (1)에서 복셀의 길이는 레이저의 출력과 조사시간이 클수록 증가하고 수광각도가 작을수록 길이 변화의 폭이 증가함을 알 수 있다. 본 연구에서는 수광각도가 L25인 렌즈를 사용하였다.

이론/모형

Figure 3. Schematic diagram of system setup and a multi-exposure voxel scanning method.

성능/효과

또한 레이저의 여러 출력세기(80~280 mW)에서 조사시간의 변화에 따른 복셀의 길이 변화를 보면 레이저 출력이 높을수록 조사시간에 따른 복셀길이 변화가 작게 나타남을 알 수 있다. 따라서 본 연구에서는 레이저 출력 80 mW에서 형상을 제작하였으며 이때 복셀 의 길이 변화는 조사시간에 따라 약 5.2 iim에 이르는 것으로 나타났다.
84 ns이었다. 또한 80 fs 레이저로 측정된 최대 이광자 흡수 횡단면 값은 740 nm에서 954 GM으로 평가되었다. 흡수와 형광 스펙트럼을 분석한 결과 최대 흡수 및 형광 방출 파장은 411과 472 nm에서 각각 나타났다.
Figure 1에는 실험을 통하여 얻은 공정변수에 대한 복셀길이 변화를 나타내었는데, 복셀은 조사시간이 50 ms 이내에서 가장 급격하게 변화되는 것을 볼 수 있다. 또한 레이저의 여러 출력세기(80~280 mW)에서 조사시간의 변화에 따른 복셀의 길이 변화를 보면 레이저 출력이 높을수록 조사시간에 따른 복셀길이 변화가 작게 나타남을 알 수 있다. 따라서 본 연구에서는 레이저 출력 80 mW에서 형상을 제작하였으며 이때 복셀 의 길이 변화는 조사시간에 따라 약 5.
또한 80 fs 레이저로 측정된 최대 이광자 흡수 횡단면 값은 740 nm에서 954 GM으로 평가되었다. 흡수와 형광 스펙트럼을 분석한 결과 최대 흡수 및 형광 방출 파장은 411과 472 nm에서 각각 나타났다.'6

후속연구

선형상과 제주도 섬 형상의 예제 제작을 통하여 개발된 공정의 유용성을 검토할 수 있었다. 따라서 마이크로 렌즈 등을 제작할 때 본 연구에서 개발된 공정이 활용가능할 것으로 사 료된다.
Figure 4(a)에서 조사시간이 증가하는 경우 복셀의 높이도 증가하지만 복셀의 폭도 같이 증가하기 때문에 선형상이 높이에 따른 폭의 변화도 존재함을 알 수 있다. 따라서 향후 정밀한 제작을 위하여 조사시간에 따른 폭 변화량을 고려한 공정개발이 필요할 것으로 사료된다. 또한 색상간의 높이 차이를 줄여서 조사시간을 변경할 경우 높이의 변화가 부드럽게 증가하는 형태로 제작될 것으로 판단된다.
따라서 향후 정밀한 제작을 위하여 조사시간에 따른 폭 변화량을 고려한 공정개발이 필요할 것으로 사료된다. 또한 색상간의 높이 차이를 줄여서 조사시간을 변경할 경우 높이의 변화가 부드럽게 증가하는 형태로 제작될 것으로 판단된다.

참고문헌 (16)

S. Y. Chou, C. Keimel, and J. Gu, Nature, 417, 835 (2002)

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H. B. Sun, M. Maeda, K. Takada, J. W. M. Chon, M. Gu, and S. Kawata, Appl. Phys. Lett., 83, 819 (2003)

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H. K. Yang, M. S. Kim, S. W. Kang, K. S. Kim, K.-S. Lee, S. H. Park, D. Y. Yang, H. J. Kong, H. B. Sun, S. Kawata, and P. Fleitz, J. Photopolymer Sci. & Tech., 17, 385 (2004)

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S. H. Park, T. W. Lim, D. Y. Yang, H. J. Kong, K. S. Kim, and K.-S. Lee, Bull. Korean Chem. Soc, 25, 1119 (2004)

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S. H. Park, T. W. Lim, D. Y Yang, H. J. Kong, and K.-S. Lee, Opt. Eng., submitted (2004)
T. W. Lim, S. H. Park, D. Y. Yang, S. W. Yi, and H. J. Kong, KSPE, 26,160 (2004)
H. A. Dieck and R. F. Heck, J. Am. Chem. Soc., 96, 1133 (1974)

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S. H. Park, T. W. Lim, D. Y. Yang, H. J. Kong, and K.-S. Lee, Polymer(Korea), 28, 305 (2004)

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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