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문제 정의
- 따라서, 본 연구에서는 이광자 흡수 광조형 공정을 이용하여 고기능성 3차원 소자 제작을 위하여 수백 ㎛ 크기의 3차원 형상을 제작하기 위해 대면적 이광자 흡수 광조형 공정 (L-TPS : Large area Two Photon Stereolithography)을 개발하였다. 레이 저초점의 미세 위치제어를 위하여 스테 이 지 스캐닝 시스템을 구성하였으며, 대면적, 고세장비 형상 제작을 위하여 고강성 레진과 낮은 개구수 (numerical aperture, N.
- 본 연구에서 구축한 스캐닝 시스템의 단위 거리와 단위 시간에 대한 스캐닝 특성을 분석 하였다. 단위거리에 대한 단위 시간이 짧을 경우 스테이지의 응답 속도가 입력신호를 따라가지 못하여 Fig.
- 본 연구에서는 나노급 정밀도를 가지는 대면적 이광자 흡수광조형 공정 개발을 통하여 다음과 같은 결론을 내렸다.
제안 방법
- 레이 저초점의 미세 위치제어를 위하여 스테 이 지 스캐닝 시스템을 구성하였으며, 대면적, 고세장비 형상 제작을 위하여 고강성 레진과 낮은 개구수 (numerical aperture, N.A.)의 대물렌즈를 이용하였다. 또한, 스테이지 스캐닝 시스템에서의 연속적 스캐닝 방법을 통하여 제작 효율성을 개선하였다.
- 본 연구에서는 대물렌즈가 고정된 상태에서 피에조 스테이지를 이용하여 기판을 움직이는 방식으로 초점의 정밀 위치 제어를 하도록 시스템을 구성하였다. 이 경우 Fig.
- 본 연구에서 개발된 대면적 이광자 흡수 광조형 시스템은 Fig. 2와 같이 크게 레이저 시스템부와 레이저 빔 위치 제어부, 그리고 형상 제작을 위한 CAD 시스템 제어부로 구성된다.
- 1 nm 의 분해능으로 8* *8000 0 250 nm (x, y, z) 의 영역을 약 50 ms 의 응답속도로 움직인다. 한편, 레이저 조사 간격이 30 nm 이하의 경우 형상정밀도에 영향이 거의 없으므로 본 연구에서는 16bit A/D 보드를 이용하여 800 μm 를 12 nm 의 분해능으로 제어하였다.'3피에조 스테이지에 고정된 지그에 커버 글래스의 아랫면에 레진이묻혀진 형태로 되어 있는 시편이 놓여지게 되며 커버글래스와 대물렌즈 사이에는 집 광도를 높이기 위한 이 멀 전 오일(immersion oil)을 사용하였다.
- 1 ms 이하로 매우 짧아 단속적 스캐닝 방법이 가능하지만, 스테이지 스캐닝 시스템의 경우 스테이지가 이동한 후 그 위치에서 완전히 안정된 상태로 되는 시간까지 응답 속도가 약 수십 ms 이 소요가 되므로 단속적 스캐닝 방법을 적용하기 어렵다. 따라서, 본 연구에서는 셔터가 켜진 상태에서 스테이지가 제작할 윤곽선을 스캐닝하는 연속적 스캐닝 방법을 이용하였다.
- 90 mW 에서 단위 거리 1㎛ 를 50 ms 의 스캐닝 조건으로, 스테이지 스캐닝 시스템을 이용하여 Fig. 6 과같이 약 300 ㎛ 크기의 예비형상을 제작해보았다. 제작된 선형상은 1 ㎛의 주기로 요철을 확인할 수 있는데 이는 단위 이동거리 1 nm 를 스테이지가 이동하는 시간 50 ms 와 정확히 일치하지 않음으로써 발생한 오차로 판단되며, 균일한 레이저 조사가 이루어지도록 스테이지가 등속 운동이 가능한 제작 조건에 대한 연구가 필요하다.
- 0002의 기울기를 가지고 있으며 이는 지그의 기울기를 조절함으로써 개선할 수 있다. 본 시스템 최대 제작 영역 800 ㎛ 제작 시 최대 500 nm 의 높이 차이를 가지게 되는데, 이는 본 연구에서의 공정조건 하에서의 복셀길이 이하의 작은 값이므로 본 조건에서 연구를 진행하였다.
- 한편, 갈바노스캐닝 시스템과의 제작 특성 비교를 위하여 200 nm 이하의 단위 이동거리, 5 ms 이하의 단위 이동 시간 조건인 미세제작영역에 대하여 제작 특성을 평가해 보았다. 단위 이동 거리를 복 셀 크기 이하로 입력할 경우, 세 가지 안정적 제작영역 기준인 불균일선폭 발생, 미제작 영역 발생, 응답 속도 차 발생을 구분하기 어려우므로, 제작된 선폭의 거칠기를 평가함으로써 안정적 제작영역을 도출하였다.
- 제작 특성을 평가해 보았다. 단위 이동 거리를 복 셀 크기 이하로 입력할 경우, 세 가지 안정적 제작영역 기준인 불균일선폭 발생, 미제작 영역 발생, 응답 속도 차 발생을 구분하기 어려우므로, 제작된 선폭의 거칠기를 평가함으로써 안정적 제작영역을 도출하였다. Fig.
- 이 경우 형상의 크기가 커짐에 따라 경화되지 않은 레진을 제거하는 과정에서 현상액의 표면장력에 의해 형상이 변형하기 쉬우므로, 제작된 형상의 강도가 높은 SU-8 레진을 사용하였다. 제작 조건은 단위 이동시간1 ms, 단위 이동 거리 100nm의 연속적 스캐닝 방법을 이용하였다.
- 1) 약 100 nm 의 정밀도로 완전한 3차원 형태의 마이크로 형상을 실제 응용 가능한 수백 ㎛ 크기로 제작 가능한 대면적 이광자 흡수 광조형 공정 (L-TPS : Large-area Two Photon Stereolithography) 을 개발하였다.
- 3) 대면적 스테이지 스캐닝 시스템에서 연속적 스캐닝 방법을 적용하기 위하여 등속 운동을 유도하여야 하는데 이를 위하여 본 시스템에서의 단위 이동거리와 단위 이동시간에 따른 안정적 제작영 역(SFW: Stable Fabrication Window)를 도출하였다.
대상 데이터
- 3과 같이 광원 (Laser), 아이솔레이터(Isolator), A/2 플레이트, 셔터 (shutter)로 구성된다. 광원은 모드 동기 된 티타늄- 사파이어 레이저(Ti:Sapphire mode-locked laser)로서최대 출력은 1W, 작동 주파수는 80MHz, 펄스 폭은 80fs이며 파장은 780nm이다. 광원에서 나오는 펨토초 레이저는 아이솔레이터에 의해 반사되어 역행하는 빛이 차단되며 X/2 플레이트를 통하여 레이저의 출력을 조절된다.
- 한편, 레이저 조사 간격이 30 nm 이하의 경우 형상정밀도에 영향이 거의 없으므로 본 연구에서는 16bit A/D 보드를 이용하여 800 μm 를 12 nm 의 분해능으로 제어하였다.'3피에조 스테이지에 고정된 지그에 커버 글래스의 아랫면에 레진이묻혀진 형태로 되어 있는 시편이 놓여지게 되며 커버글래스와 대물렌즈 사이에는 집 광도를 높이기 위한 이 멀 전 오일(immersion oil)을 사용하였다. 시 스템에 사용된 대물렌즈는 개구수 1.
- 6는 렌즈의 광축 (optical axis)과 대물렌즈로 들어가는 빛 중 가장 바깥의 광선으로 이루어지는 각도를 뜻한다. 제작과정은 1000 배의 배율을 가지는 CCD 카메라를 이용하여 모니터링 하도록 구성하였다.
- 이광자 흡수 광경화 수지로는 SCR500 (Japan Synthetic Rubber)과 SU8 (Microchem Corp.)을 사용하였다. SCR500 은 특별한 전/후처리 없이 공정이 간단하므로 2차원 패터닝시에 사용하였으며, 이후 높은 강도를 필요로 하는 3차원 대면적 형상 제작을 위해서는 고강성 레진인 SU8 을 사용하여 제작하였다.
- )을 사용하였다. SCR500 은 특별한 전/후처리 없이 공정이 간단하므로 2차원 패터닝시에 사용하였으며, 이후 높은 강도를 필요로 하는 3차원 대면적 형상 제작을 위해서는 고강성 레진인 SU8 을 사용하여 제작하였다.'4
- 10(a)~(b)와 같이 폭 방향 20 ㎛, 높이 방향 50 ㎛의 크기의 로뎅의 생각하는 사람 형상을 제작하였다. 이 경우 형상의 크기가 커짐에 따라 경화되지 않은 레진을 제거하는 과정에서 현상액의 표면장력에 의해 형상이 변형하기 쉬우므로, 제작된 형상의 강도가 높은 SU-8 레진을 사용하였다. 제작 조건은 단위 이동시간1 ms, 단위 이동 거리 100nm의 연속적 스캐닝 방법을 이용하였다.
성능/효과
- )의 대물렌즈를 이용하였다. 또한, 스테이지 스캐닝 시스템에서의 연속적 스캐닝 방법을 통하여 제작 효율성을 개선하였다.
- 본 연구에서 구축한 피에조스테이지 스캐닝 시스템에서의 단위거리 및 단위 시간에 따른 선 형상 제작 실험 결과 Fig. 8과 같은 안정적 제작조건 (SFW : stable fabrication window)을 얻을 수 있었다. 도출된 SFW 내의 영역에서의 적절한 단위 거리와 단위시간을 선택함으로써 균일한 정밀도의 형상을 제작할 수 있다.
- 9(b)는 1ms의 단위 이동시간에 대하여 단위 이동거리에 따른 표면 거칠기 (normalized roughness; RQ의 결과를 나타낸다. 단위 이동거리 100 nm 까지는 거칠기가 0.02로서 매우 균일한 제작이 가능하였으나 130 nm 이상의 단위 이동 거리부터 0.05 이상으로 점차 증가하기 시작함을 확인할 수 있다.
- 05 이하의 거칠기(RQ 로 균일한 패터닝이 가능한 안정적 제작 조건을 도출하였다. 따라서, 본 연구에서 제안한 스테이지 스캐닝 시스템의 연속적 스캐닝 방법의 경우 최대제작 속도 1 ms, 100 nm 로서, 갈바노 스캐닝 시스템의 최적 제작 조건인 조사시간 1 ms, 단위 이동 시간 2 ms, 단위 이동거리 30 nm 의 단속적 스캐닝 방법으로 제작 할 경우의 10배, 조사시간 1 ms, 단위 이동거리 30nm의 연속적 스캐닝 방법으로 제작할 경우의 3배의 제작 속도로 제작이 가능하다. 즉, 스테이지 스캐닝 시스템의 경우 제작속도 면에서도 대면적 제작에 보다 유리한 공정임을 알 수 있다.
- 2) 제작 속도 향상을 위한 연속적 스캐닝 방법을 제안하였으며 이론적 및 실험적 분석을 통하여 정밀도 및 제작 속도에 있어 기존의 단속적 스캐닝 방법보다 유리함을 보였다.
- 4) 개발된 시스템을 이용하여 수백 ㎛ 크기의 완전한 3차원 형상을 제작하였으며, 낮은 개구수의 렌즈를 이용하여 높이에서도 수백 ㎛ 의 형상 제작이 가능함을 검증하였으며, 고기능성 마이크로응용 소자 제작에 유리한 공정으로 이용될 수 있을 것으로 사료된다.
후속연구
- 6 과같이 약 300 ㎛ 크기의 예비형상을 제작해보았다. 제작된 선형상은 1 ㎛의 주기로 요철을 확인할 수 있는데 이는 단위 이동거리 1 nm 를 스테이지가 이동하는 시간 50 ms 와 정확히 일치하지 않음으로써 발생한 오차로 판단되며, 균일한 레이저 조사가 이루어지도록 스테이지가 등속 운동이 가능한 제작 조건에 대한 연구가 필요하다.
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