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문제 정의
- 본 연구에서는, 마이크로 광조형법을 이용한 미세 3차원 구조물 저조시 스캐닝 방식의 낮은 가공 생산성을 증대시키기고, 복잡한 형상의 가공의 용이성을 높이기 위하여 DMD™ 를 동적 마스크 패턴 생성기로 이용한 마이크로 광조형법을 제안하였다. 이를 위하여 임의의 3차원 CAD 모델에서 DMDm에 동적 마스크 패턴을 생성하는 기술을 확립하였으며, 광폴리머의 점성을 제어를 통하여 경화된 구조물의 높이 방향 형상정 밀도를 높였다.
- 이에 따라 본 연구에서는, LCD를 동적마 스크 패턴 생성기로 활용한 마이크로 광조형법의 제약을 극복하고, 스캐닝 방식의 낮은 가공 생산성을 증대시키고, 복잡한 형상을 더 낮은 형상 오차로 가공하기 위해 DME>tm를 이용한 마이크로 광조형법을 제안하였다. 구체적으로는 CAD파일 및 단면형상 데이터를 DMD™에 생성하여 동적 마스크 패턴(Dynamic Pattern Generator)을 생성하는 기술을 확립하고 이 패턴을 광폴리머 표면에서 선명한 이미지로 투영되게 하는 광학계를 구성하여, DME)tm를 이용한 마이크로 광조형 시스템을 구축하였다.
제안 방법
- 광원으로부터 DMD™에 입사되는 빛 중, 원하는 단면형상의 마스크패턴에 입사된 빛만이 선택적으로 반사되어 단면의 정보가 광학적 이미지로 변환된다. 광원으로부터 나와 DMD™ 입사되는 빛의 고른 광에너지 밀도를 유도하고, 수차에 의한 이미지 변형을 최소화하여 광폴리머 표면에 선명하게 전달하기 위한 광학계를 구성하였다.
- 이에 따라 본 연구에서는, LCD를 동적마 스크 패턴 생성기로 활용한 마이크로 광조형법의 제약을 극복하고, 스캐닝 방식의 낮은 가공 생산성을 증대시키고, 복잡한 형상을 더 낮은 형상 오차로 가공하기 위해 DME>tm를 이용한 마이크로 광조형법을 제안하였다. 구체적으로는 CAD파일 및 단면형상 데이터를 DMD™에 생성하여 동적 마스크 패턴(Dynamic Pattern Generator)을 생성하는 기술을 확립하고 이 패턴을 광폴리머 표면에서 선명한 이미지로 투영되게 하는 광학계를 구성하여, DME)tm를 이용한 마이크로 광조형 시스템을 구축하였다. 또한, 광폴리머의 점성제어를 통해 정밀하고 안정된 경화 조건을 확보하였으며, 최종적으로 최적의 경화조건 하에서 미세 3차원 구조물을 제조함으로서 동적 마스크 패턴형성기에 의한 마이크로 광조형 기술을 정립하고자 하였다.
- DMD™> 이용한 마이크로 광조형 시 광폴리머의 표면에 가장 선명한 이미지가 투영될 때 정밀한 단면형상을 얻을 수가 있다. 그러므로 본 실험에서는 먼저 CCD로 관찰된 가장 선명한 이미지면을 기준 면으로 정하고 광폴리머의 표면이 기준면으로부터 벗어날 때 CCD이미지의 선명도 차이를 관찰하여 광폴리머의 표면과 광학적 이미지 사이의 적정 오차범위로±10㎛를 선정하였다.
- 전체적으로 경화층간에 약간의 단차가 있으나 비교적 균일한 두께로 경화가 이루어졌음을 보여준다. 다음으로는 각 단면 층간 간격을 줄여 더 매끄러운 표면을 얻고 경화 깊이를 줄이기 위해서 6초의 노광시간에 층간 간격 을 5um로 하여 Fig. 7과 같은 100층의 마이크로기어를 제조하였다. Fig.
- 다음으로는 이미지면과 광폴리머의 표면이 항상 ± 10㎛ 내의 범위 내에서 일치함을 검증하여 적정 노광면을 선정하기 위해 아래와 같은 실험을 수행하였다. 상온에서 챔버에 FA1260T (p-Xylene 30%)를 넣고 커버글라스를 덮은 후 DMDTM 화면상에 가로 150pixel, 폭방향으로 각각 40, 60, 80 pixel (1 pixel=13.
- 구체적으로는 CAD파일 및 단면형상 데이터를 DMD™에 생성하여 동적 마스크 패턴(Dynamic Pattern Generator)을 생성하는 기술을 확립하고 이 패턴을 광폴리머 표면에서 선명한 이미지로 투영되게 하는 광학계를 구성하여, DME)tm를 이용한 마이크로 광조형 시스템을 구축하였다. 또한, 광폴리머의 점성제어를 통해 정밀하고 안정된 경화 조건을 확보하였으며, 최종적으로 최적의 경화조건 하에서 미세 3차원 구조물을 제조함으로서 동적 마스크 패턴형성기에 의한 마이크로 광조형 기술을 정립하고자 하였다.
- 마이크로 광조형법은 원하는 형상의 구조물을 높이 방향으로 여러 층 분할하고 각 층의 단면형상 정보를 이용하여 광경화 반응을 유도하는 방식에 따라 스캐닝 방식과 마스크 방식으로 나뉜다. 본 연구에서 제안한 디지털마이크로미 러소자(Digital Micromirror Device, 이하 DMI)tm)를 이용한 마이크로 광조형 방식은 마스크를 이용한 방식이다. 이는 최근까지 동적 마스크 패턴 생성기로 활용된 liquid-crystal display (LCD)보다 한 픽셀의 크기도 작고, 제어가 빠르며 반사 효율도 높다.
- 다음으로는 이미지면과 광폴리머의 표면이 항상 ± 10㎛ 내의 범위 내에서 일치함을 검증하여 적정 노광면을 선정하기 위해 아래와 같은 실험을 수행하였다. 상온에서 챔버에 FA1260T (p-Xylene 30%)를 넣고 커버글라스를 덮은 후 DMDTM 화면상에 가로 150pixel, 폭방향으로 각각 40, 60, 80 pixel (1 pixel=13.68pm)인 직사각형 마스크를 생성하고 기준면에 대해 액면의 높이가 -30iim에서 +50㎛까지 변할 때 10초 노광 후 경화되는 구조물들의 폭을 nanofocus사 의 3차원 형상 측정기 (nanofocus iisurf®)로 측정하였다. 이때 광폴리머 표면이 기준면에서 오차가 있을 경우, 이미지가 흐려지면서 선폭이 증가하여, 실제 경화 선폭이 넓어지므로 경화된 구조물이 최소선폭을 갖는 조건을 찾아 가장 선명한 노광면으로 선정할 수 있을 것이다.
- 1과 같이 베벨기어형상을 통해 설명하면, 먼저 3차원 베벨 기어 형상을 CAD모델로 완성하고, 이를 Stereolithography 파일인 STL파 일로 변환한다. 이 파일을 자체 개발한 단면 슬라이싱 프로그램으로 읽어 들여, 원하는 방향으로 일정한 높이만큼 잘라내어 기어 각 단면의 형상정보를 추출한다. 이렇게 얻어진 각 2차원 단면형상정보는 다시 원하는 크기의 흑흑은 백색의 단색 비트맵 이 미지 파일로 각각 변환되어져, 수십~수백 개의 비트맵이미지파일로 저장된다.
- 임의의 3차원 CAD 모델로부터 DMI)tm에 원하는 패턴을 형성하기 위해서는 그 패턴이 DMERm가 읽어들일 수 있는 비트맵이미지로 입력하여야 한다. 이를 위하여 다음 예와 같은 절차로 단면의 형상정보를 비트맵이미지 파일로 변환생성하였다. 이를 Fig.
- 본 연구에서는, 마이크로 광조형법을 이용한 미세 3차원 구조물 저조시 스캐닝 방식의 낮은 가공 생산성을 증대시키기고, 복잡한 형상의 가공의 용이성을 높이기 위하여 DMD™ 를 동적 마스크 패턴 생성기로 이용한 마이크로 광조형법을 제안하였다. 이를 위하여 임의의 3차원 CAD 모델에서 DMDm에 동적 마스크 패턴을 생성하는 기술을 확립하였으며, 광폴리머의 점성을 제어를 통하여 경화된 구조물의 높이 방향 형상정 밀도를 높였다. 그러나 가공된 구조물의 형상이 실제 형상을 완전히 재생하기 위해서는 폴리머의 점착력 강하, 경화 깊이 제어 등의 더 많은 연구가 필요한 것으로 나타났다.
- 자유수면법을 이용한 3차원 구조물 제조에서는 p-Xylene 30%, 온도 30± 1℃를 최적 공정 조건으로 설정하고 원뿔, 마이크로 기어형상을 제조하였다.
- 최적공정 조건으로 설정하고 원뿔, 복수구조물을 제조하였다. Fig.
대상 데이터
- 실험장치는 크게 광원 및 광학계 부분과 동적마스크 패턴 생성부 및 모션 제어부로 구성되어 있다. 광원으로는 자외선램프(250~600nm)에 광학필터(400~500nm)를 설치하여 440nm대의 광을 주광원으로 사용하였다. 광원으로부터 DMD™에 입사되는 빛 중, 원하는 단면형상의 마스크패턴에 입사된 빛만이 선택적으로 반사되어 단면의 정보가 광학적 이미지로 변환된다.
- 광폴리머의 점성을 제어하기 위하여 FA1260T에 사용 가능한 유기용매들에 대해 경화실험 실시 후 가장 경화특성이 우수한 용매인 p-Xylene 를 선정하였다. p-Xylene 를 30.
- 본 실험에서는 lum정도의 정밀도로 위치를 제어하고, 높이 방향으로 각 단면을 정밀한 위치에 경화시키기고 이를 적층시키기 위해 정밀 x-y-z 이송계과 이송제어장치로 Turbo UMAC(Delta Tau Co.)을 사용하였다. 또한, 이미지의 개폐를 제어할 수 있도록 전자기셔터를 사용하였다.
- 본 연구에서 동적 마스크 패턴 생성기로 사용된 DME)tm는 자외선 영역에서 사용이 가능한 0.7 XGA DDR DMD™ 12이며 미국 Texas Instrument사에서 제작한 것이다. 이는 13.
- 2는 자유수면법 (Free Surface Method) 실험장치의 개략도이다. 실험장치는 크게 광원 및 광학계 부분과 동적마스크 패턴 생성부 및 모션 제어부로 구성되어 있다. 광원으로는 자외선램프(250~600nm)에 광학필터(400~500nm)를 설치하여 440nm대의 광을 주광원으로 사용하였다.
- 이때 경화층은 레진탱크 바닥면(석영판)으로부터 쉽게 떨어져 적층된 구조물을 형성해야한다. 이를 위하여 점착력을 저하시키기 위하여 이 형제 Frekote 4368을 사용하였다.
성능/효과
- DME)tm를 이용한 마이크로 광조형 기술은 기존의 집속된 레이저빔을 이용한 스캐닝 방 식보다 가공 생산성을 획기적으로 높일 수 있었다. 이는 선행연구된 스캐닝 방식의 파라미드구조물(1000x1000um) 가공시간과 DMDtm를 이용한 마이크로 광조형의 가공시간 비교에서 잘 나타난다.
- Fig. 3를 통해 알 수 있듯이, 실험에서 CCD를 통해 관찰된 깨끗한 이미지가 최소선폭을 가지고, 기준면에 대해 광폴리머면이 아래로 내려갈수록 선폭의 변화가 작은 반면, 위로 올라갈수록 경화된 부분의 가장자리가 선명하지 않고 선폭의 변화도 큰 것으로 나타났다. 이것은 실제 흐려진 이미지의 흐려 짐의 정도가 광폴리머면에서 상방향으로 이동할수록 커지고 아래로 갈수록 적다는 것을 증명해주고 있다.
- lmW의 출력, 층간 간격 25um, 이미지 당 노광시간 10초로 약 12층을 적층할 때 4분의 순수가 공시간이 소요된다. 결론적으로 DML)tm를 이용한 마이크로 광조형법은 스캐닝 방식에 비해 더 낮은 출력으로 미세 3차원 구조물을 2배 이상 빠르게 제조할 수 있다는 것이다. 또한, DME)tm를 이용한 마이크로 광조형은 다양한 형상의 구조물을 한꺼번에 경화시킬 수 있어 이미지에 입력된 구조물의 개수에 비례하여 가공 생산성을 높일 수 있다.
- 이는 CCD화면상 에서도 관찰할 수 있었다. 따라서 이미지면의 오차가 -10 ~ Oum 범위 내에서 경화가 일어나도록 하는 것이 공정상 유리한 것으로 판명되었다.
- 강제수면법에서는 경화된 구조물의 점착성과 레진탱크의 바닥면과 경화층간의 간격이 lOiim 로 좁아 경화시대기압의 1-2배에 해당하는 높은 압력 발생으로 인한 구조물의 변형이 실험적으로 관찰되었다. 따라서 점착성을 떨어뜨리고 점성 저하를 통한 형상정밀도를 개선하고자 모노머(Monomer)형태의 점성 저하 혼합물, T etrahy drofurfury 1 acrylate (THFA), lobomyl acrylate (IBXA), 유기용매 p-Xylene< 다양한 무게비로 혼합하여 10층의 피라미드 구조물들을 제조한 결과 p-Xylene 30%에서 가장 우수한 피라미드 경화물을 얻을 수 있었다.
후속연구
- DME)tm를 이용한 마이크로 광조형법은 스캐닝 방식에 비해 가공시간이 짧고, 복잡한 형상을 한 번에 경화시킬 수 있어, 마이크로 광조형 기술의 생산성을 향상시킬 수 있을 것으로 기대된다.
- 이를 위하여 임의의 3차원 CAD 모델에서 DMDm에 동적 마스크 패턴을 생성하는 기술을 확립하였으며, 광폴리머의 점성을 제어를 통하여 경화된 구조물의 높이 방향 형상정 밀도를 높였다. 그러나 가공된 구조물의 형상이 실제 형상을 완전히 재생하기 위해서는 폴리머의 점착력 강하, 경화 깊이 제어 등의 더 많은 연구가 필요한 것으로 나타났다.
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