[논문]355nm UV 레이저를 이용한 마이크로 렌즈 어레이 쾌속 제작

제순규; 박강수; 오재용; 김광렬; 박상후; 고정상; 신보성

355nm UV 레이저를 이용한 마이크로 렌즈 어레이 쾌속 제작
Rapid Fabrication of Micro Lens Array by 355nm UV Laser Irradiation 원문보기

제순규 (부산대학교) , 박강수 (부산대학교) , 오재용 , 김광렬 (한양대학교) , 박상후 (부산대학교) , 고정상 (부산대학교) , 신보성 (부산대학교)

Micro lens array (MLA) is widely used in information technology (IT) industry fields, for examples such as a projection display, an optical power regulator, a micro mass spectrometer and for medical appliances. Recently, MLA have been fabricated and developed by using a reflow method, micro etching, electroplating, micromachining and laser local heating. Laser local thermal-expansion (LLTE) technology demonstrates the formation of microdots on the surface of polymer substrate, in this paper. We have also investigated the new direct fabrication method of placing the MLA on the surface of a SU-8 photoresist layer. We have obtained the 3D shape of the micro lens processed by UV laser irradiation and have experimentally verified the optimal process conditions.

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문제 정의

따라서 본 논문에서는 레이저를 이용한 직접적인 쾌속제작 기법(direct fabrication)을 활용하여 MLA를 제작하고자 한다. 즉, UV 레이저를 PR의 일종인 SU-8의 표면에 국부적으로 가열하면 팽창하는 현상을 실험적으로 검증하고자 한다.
그리고 제작된 마이크로렌즈 어레이의 형상을 표면 측정하여 열팽창에 의한 MLA의 최적가공조건을 규명하였다. 또한 최적가공조건을 실험적으로 연구하고자 한다.
본 연구에서는 열팽창을 이용한 MLA 성형 공정을 제안하고 제작하여 그 가능성을 확인하였다. SU-8 PR에 355 nm UV 펄스 레이저를 조사하여 열팽창을 유도하였으며 열팽창이 유도되는플루언스 범위는 0.
제작하고자 한다. 즉, UV 레이저를 PR의 일종인 SU-8의 표면에 국부적으로 가열하면 팽창하는 현상을 실험적으로 검증하고자 한다. 그리고 제작된 마이크로렌즈 어레이의 형상을 표면 측정하여 열팽창에 의한 MLA의 최적가공조건을 규명하였다.

제안 방법

제안하고 제작하여 그 가능성을 확인하였다. SU-8 PR에 355 nm UV 펄스 레이저를 조사하여 열팽창을 유도하였으며 열팽창이 유도되는플루언스 범위는 0.19 J/cm² - 0.39 J/cm2이었다. 형성된 마이크로렌즈는 최소 반경 30 ㎛, 최대높이 1.
SU-8 재료의 표면에 어블레이션이 없이 열팽창만 유도하기 위해서 문턱값보다 낮은 에너지를 조사하였다. 실험적으로 SU-8의 문턱값을 측정한 결과 0.
SU-8은 기계적 성질이 좋기 때문에 마이크로 구조물의 금형으로도 사용되기도 하지만 가공이 쉽지 않다. 가공법으로는 습식 식각, 전자빔 및 레이저를 이용한 가공법 등이 있다이 실험을 위해 SU-8 을 실리콘 웨이퍼 위에 60 ㎛ 두께로 스핀 코팅하여 65℃ 2분 95℃에서 5분 동안 소프트 베이킹 (soft-baking) 하였다. SU-8의 물리적 특성은 Table 2 와 같다.
즉, UV 레이저를 PR의 일종인 SU-8의 표면에 국부적으로 가열하면 팽창하는 현상을 실험적으로 검증하고자 한다. 그리고 제작된 마이크로렌즈 어레이의 형상을 표면 측정하여 열팽창에 의한 MLA의 최적가공조건을 규명하였다. 또한 최적가공조건을 실험적으로 연구하고자 한다.
SU-8의 결합구조는 C-H의 결합이 주를 이루고 있으며 O-O, H-H, C=C의 결합도 이루어져 있다. 기존의 연구인 Lewis 산광생성(acid photogeneration)을 보면 엑시머 레이저인 193nm 파장의 ArF 레이저를 이용하여 SU-8의 화학적인 구조를 변화시켜 가공하였다. Table 1을 보면 폴리머에서 원소들 사이의 결합 에너지가 나와 있으며 ArF 레이저의 평균 출력을 에너지로 변환하여 보면 약 8.
재료의 표면에 레이저가 조사되면 광열적인 영향과 광화학적 영향에 의해 재료는 가열, 증발, 화학적 분해에 의해 어블레이션(ablation)이 일어나게 된다[8] 본 논문에서는 재료에 어블레이션 이야기되지 않고 국부적으로 가열만 하는 문턱값 (thershold) 이하의 낮은 에너지의 레이저만 조사하여 열팽창을 유도하였다. 고분자 물질의 자유체적이론(free volume theory)에 따르면 자유체적은고체 또는 액체 상태에서 고분자 분자에 의해 차지하지 않은 공간, 즉 분자들 사이의 빈 공간이다.
레이저 플루언스가 변함에 따라 형성되는 마이크로렌즈의 직경이 점점 커지는 것을 알 수 있다. 정확한 형상 측정을 위하여 비접촉식 광학 표면 프로파일 측정기(나노시스템: NANOVIEW, resolution 10nm)를 사용하여 측정하였으며, 그 측정한 결과를 Fig. 6에 나타내었다. Fig.

대상 데이터

본 논문에서 제안하는 MLA의 제작의 기본원리는 고분자 물질의 열적 팽창현상을 이용한 것이다. Fig.
본 실험에 사용된 레이저는 355 nm UV 펄스 레이저로 펄스 반복률 30 kHz, 펄스폭 20 nsec, 평균 출력 3 W이다. 출사빔은 TEMoo 모드로 가우시안 에너지 분포이며 직경은 1.

성능/효과

그리고 높은 플루언스에서 형성된 마이크로렌즈 반경의 증가 역시 반경 방향의 열팽창량 증가에 의한 것으로 판단된다. 따라서 레이저 플루언스가 높아질수록 마이크로렌즈의 높이는 주변부와 비교하여 점점 낮아지는 것을 확인할 수 있다.

후속연구

플루언스가 증가할수록 형성된 마이크로렌즈의 반경은 증가하였고 높이는 감소하였으며 이는 주위의 표면까지 팽창되어 표면 높이가 상승하였기 때문이다. 본 연구를 통해 유연하고 저비용의 고속 MLA의 성형 공정에 응용이 가능할 것이라 사료된다.

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