[논문]솔벤트 증기를 이용한 폴리머 마이크로 렌즈의 표면 연마

김신형; 송준엽; 이평안; 김보현; 오영탁; 조영학

doi:10.7736/kspe.2013.30.6.644

솔벤트 증기를 이용한 폴리머 마이크로 렌즈의 표면 연마
Surface Polishing of Polymer Microlens with Solvent Vapor 원문보기

한국정밀공학회지 = Journal of the Korean Society for Precision Engineering, v.30 no.6, 2013년, pp.644 - 649

김신형 (서울과학기술대학교 기계시스템디자인공학과) , 송준엽 (서울과학기술대학교 기계시스템디자인공학과) , 이평안 (숭실대학교 기계공학과) , 김보현 (숭실대학교 기계공학과) , 오영탁 (신안산대학교 기계과) , 조영학 (서울과학기술대학교 기계시스템디자인공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

Today, there are lots of progresses in the field of lens researches, especially in the microlens fabrication. Unlike normal lenses, microlens has been widely used as a role of improving the performance of photonic devices which increase the optical precision, and also used in the fields of the display. In this paper, polymer microlenses with $300{\mu}m$ diameter were replicated through hot-embossing from nickel mold which was fabricated by micro-EDM. After hot-embossing process, the polymer microlenses have a rough surface due to the crater formed by micro-EDM process, which is projected onto the surface of the lenses. The surface of polymer microlenses was polished using solvent vapor to improve the surface roughness of the microlenses without changing their shape. In the experiment, the surface roughness was improved with the processing time and vapor temperature. Also, the roughness improvement was greatly affected by the solubility difference between polymer and solvent.

주제어

AI 본문요약
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제안 방법

그 후 방전흔에 의한 렌즈 표면의 거칠기를 개선시키기 위하여 솔벤트 증기 연마를 진행하였다. Acetone, Toluene, Methanol을 이용하여 표면 연마를 수행하였으며, PMMA 및 PC의 용해도가 가장 비슷한 Acetone으로 진행했을 경우에 연마가 가장 잘 이루어졌다. 솔벤트 증기를 이용한 연마에 있어서 증기 온도와 증기 노출 시간이 중요한 변수로 작용하므로 솔벤트의 종류에 따라 적절한 증기 온도와 시간을 선택하는 것이 중요하다.
Fig. 1(a)과 같이 구리 판을 미리 계산된 공구 경로에 따라 움직여, 지름 300 µm의 반구 모양의 공구를 가공하였다.
실험에서 사용한 니켈 몰드는 마이크로 방전가공을 이용하여 제작하였다. Fig. 1과 같이 먼저 초경 합금(WC-Co alloy)을 반구 형태의 렌즈 형상으로 방전 가공한 뒤, 이를 다시 방전 공구전극으로 이용하여 니켈 재료에 렌즈 몰드를 가공하였다. Fig.
거칠기 측정에는 Nano 3D (A&I, Korea)을 이용하였으며, 거칠기 측정은 마이크로 렌즈의 가장 윗면을 기준으로 측정하였다.
본 연구에서는 마이크로 방전 가공을 이용하여 제작된 니켈 몰드로 hot-embossing 공정을 통해 PMMA 렌즈와 PC 렌즈를 제작하였다. 그 후 방전흔에 의한 렌즈 표면의 거칠기를 개선시키기 위하여 솔벤트 증기 연마를 진행하였다. Acetone, Toluene, Methanol을 이용하여 표면 연마를 수행하였으며, PMMA 및 PC의 용해도가 가장 비슷한 Acetone으로 진행했을 경우에 연마가 가장 잘 이루어졌다.
이와 같이 제작된 마이크로 렌즈는 니켈 몰드 제작 시 방전 가공으로 인해 생긴 방전흔(Crater)이 폴리머에 그대로 전사되어 표면이 매끄럽지 못하고, 집광 효과가 떨어지는 등 렌즈로서의 특성에 영향을 미치게 된다. 따라서 렌즈의 형상에는 영향을 미치지 않으면서 표면의 거칠기를 개선하기 위하여 다양한 솔벤트를 이용하여 표면 연마(Surface polishing)을 수행하였다.⁶ 솔벤트 증기 연마에 작용하는 중요한 변수로는 폴리머와 솔벤트의 용해도(Solubility)가 있으며, 사용하는 폴리머의 용해도와 비슷한 용해도를 가진 솔벤트를 이용하여 적정 온도와 시간 동안 연마를 하게 되면 형상의 변형 없이 렌즈의 표면 거칠기만을 개선시킬 수 있었다.
마이크로 방전가공을 통해 제작된 니켈 몰드를 이용하여 렌즈 형상을 hot-embossing방법으로 폴리머에 전사시켜 폴리머 렌즈를 제작하였다. (Fig.
방전흔으로 인한 거친 표면이 그대로 렌즈 표면에 전사되게 되면 이는 렌즈의 집광 효과 등 렌즈의 특성에 큰 영향을 미치므로 표면 거칠기를 개선하기 위해 솔벤트 증기를 이용한 표면 연마를 수행하였다.⁶ 앞에서 언급한 바와 같이 용해도 정도를 파악하는 변수로 용해도 매개 변수(Solubility parameter)가 있으며, 이는 재료 사이의 상호 작용의 정도를 수치적으로 제공하여 판단할 수 있는 지표이다.
본 연구에서는 hot-embossing을 이용하여 폴리머 마이크로 렌즈를 만든 후, 솔벤트 증기 연마를 수행한 후 마이크로 렌즈의 특성을 파악하였다.
본 연구에서는 마이크로 방전 가공을 이용하여 제작된 니켈 몰드로 hot-embossing 공정을 통해 PMMA 렌즈와 PC 렌즈를 제작하였다. 그 후 방전흔에 의한 렌즈 표면의 거칠기를 개선시키기 위하여 솔벤트 증기 연마를 진행하였다.
본 연구에서는 폴리머 렌즈를 제작하기 위하여 마이크로 방전가공을 이용하여 니켈 몰드에 마이크로 렌즈 몰드를 만든 후에, PMMA (Poly(methylmethacrylate))와 PC (Polycarbonate)를 사용하여 hot-embossing 과정을 통해 마이크로 렌즈 형상을 제작하였다. 이와 같이 제작된 마이크로 렌즈는 니켈 몰드 제작 시 방전 가공으로 인해 생긴 방전흔(Crater)이 폴리머에 그대로 전사되어 표면이 매끄럽지 못하고, 집광 효과가 떨어지는 등 렌즈로서의 특성에 영향을 미치게 된다.
96 °C, Solubility parameter: 16 cal^1/2·cm^3/2) 이다. 솔벤트 증기를 이용하여 표면 연마를 할 경우 중요한 변수인 온도와 시간 중, 온도는 끓는점과 비슷한 온도로 일정하게 유지하였으며, 표면 연마 시간 10초를 기준으로 변화시키며 실험을 진행하였다. 실험장비는 Fig.
실험은 마이크로 렌즈 형상에는 영향 없이 렌즈 표면의 거칠기만을 개선할 수 있는 솔벤트 증기 연마(Solvent vapor polishing) 조건을 찾는 것에 중점을 두고 실험을 진행하였다. 거칠기 측정에는 Nano 3D (A&I, Korea)을 이용하였으며, 거칠기 측정은 마이크로 렌즈의 가장 윗면을 기준으로 측정하였다.
1(a)과 같이 구리 판을 미리 계산된 공구 경로에 따라 움직여, 지름 300 µm의 반구 모양의 공구를 가공하였다. 이렇게 가공된 공구를 니켈 몰드 재료에 수직으로 이송시켜, 방전가공을 수행하였다. 이 때 사용된 가공 조건은, 인가 전압 100 V, 축전용량 (Capacitance) 500 ~ 10000 pF, 공구 회전속도 1500 rpm 이며, 절연액으로는 등유(Kerosene)를 사용하였다.
제작된 폴리머 마이크로 렌즈의 표면 거칠기가 개선된 정도를 파악하기 위해 Fig. 10과 같이 광학현미경 (Olympus, BX51)을 이용하여 intensity를 측정하여 평가하였다. 광원은 광학 현미경의 백라이트를 이용하였으며, 이미지 파일은 Motik program을 이용하여 저장한 후에 Matlab을 이용하여 intensity 그래프를 얻었다.

대상 데이터

렌즈 제작을 위한 폴리머로는 PMMA (Solubility parameter: 9.5 cal1/2·cm3/2)와 PC (Solubility parameter: 11 cal1/2·cm3/2)을 이용하였으며, 단일 증기로 연마하기 위해 사용한 솔벤트는 Acetone (Boiling point: 56.2 °C, Solubility parameter: 9.9 cal1/2·cm3/2)과 Toluene (Boiling point: 110.6 °C, Solubility parameter: 8.9 cal1/2·cm3/2), Methanol (Boiling point: 64.96 °C, Solubility parameter: 16 cal1/2·cm3/2) 이다.
실험에서 사용한 니켈 몰드는 마이크로 방전가공을 이용하여 제작하였다. Fig.

이론/모형

10과 같이 광학현미경 (Olympus, BX51)을 이용하여 intensity를 측정하여 평가하였다. 광원은 광학 현미경의 백라이트를 이용하였으며, 이미지 파일은 Motik program을 이용하여 저장한 후에 Matlab을 이용하여 intensity 그래프를 얻었다.

성능/효과

따라서 렌즈의 형상에는 영향을 미치지 않으면서 표면의 거칠기를 개선하기 위하여 다양한 솔벤트를 이용하여 표면 연마(Surface polishing)을 수행하였다.⁶ 솔벤트 증기 연마에 작용하는 중요한 변수로는 폴리머와 솔벤트의 용해도(Solubility)가 있으며, 사용하는 폴리머의 용해도와 비슷한 용해도를 가진 솔벤트를 이용하여 적정 온도와 시간 동안 연마를 하게 되면 형상의 변형 없이 렌즈의 표면 거칠기만을 개선시킬 수 있었다.
7(b))에는 시간 10초에서 거칠기 개선이 가장 좋은 것을 알 수 있었다. Toluene의 경우 연마 시간 10초를 기준으로, 10초보다 짧은 경우에는 연마 되는 정도가 눈에 띄게 적어졌으며, 시간을 좀 더 늘렸을 경우에는 폴리머 렌즈 형상에 변화가 생기는 것을 확인할 수 있었다. 이로부터 Toluene을 이용한 연마에 있어서 연마 시간 조절이 매우 중요함을 알 수 있었다.
모든 폴리머 마이크로 렌즈에 나타난 공통적인 결과는 솔벤트의 증기 처리시간이 길수록 폴리머 표면의 연마정도가 더 커졌으며, 솔벤트 증기 온도가 높을수록 연마되는 정도가 더 커졌다. 그러나 솔벤트 증기 처리시간이 너무 길거나 증기 온도가 너무 높은 경우에 대해 연마를 종료한 후, 식히는 과정에서 폴리머 렌즈의 표면에 균열이 생기거나 형상의 변화가 발생하였다.
본 연구에 사용된 폴리머와 솔벤트의 용해도를 비교해 보았을 때, Acetone과 Toluene의 용해도와 PMMA의 용해도 차이는 각각 0.4, 0.6이었으며, PC와의 용해도 차이는 1.1, 2.1로, 크게 차이가 나지 않았다. 그러나, Methanol과 두 폴리머들의 용해도는 5 이상의 큰 차이를 나타내어 폴리머와 솔벤트가 서로 잘 용해되지 않아 연마가 충분히 이루어지지 않은 것으로 판단된다.
솔벤트를 이용한 연마 후에는 PMMA 렌즈의 경우, Acetone으로 5초 동안 진행했을 때 평균 1.7 µm로 가장 많이 개선이 되었으며, Methanol로 진행했을 때에는 3 µm로 다른 솔벤트에 비해 개선 정도가 떨어졌다.
이 결과를 통해 마이크로 방전 가공을 통해 제작된 니켈 몰드로부터 만들어진 폴리머 마이크로 렌즈의 표면 거칠기가 본 연구에서 제안하는 솔벤트 증기를 이용한 연마를 통해 향상되었음을 확인할 수 있었다. 또한, 다양한 솔벤트를 통해 표면 연마가 가능하다는 사실로부터 본 연구에서 제안된 이외의 폴리머에 대해서도 표면 연마가 가능할 것으로 기대된다.
12는 Toluene으로 104 °C에서 3초 동안 연마한 PC 마이크로 렌즈로 관찰한 광학 현미경 사진과 intensity 그래프이다. 이를 통해 마이크로 렌즈가 솔벤트 증기 연마를 통해 표면이 개선됨에 따라 집광 정도가 변한 것을 알 수 있으며, 연마 전과 후를 비교하였을 때 빛이 산란되는 현상이 줄어든 것을 확인할 수 있다. 즉, 렌즈를 통과하지 않았을 때 빛의 intensity를 1로 기준을 잡았을 때, PMMA 렌즈의 경우 연마 전 intensity가 0.
이를 통해 마이크로 렌즈가 솔벤트 증기 연마를 통해 표면이 개선됨에 따라 집광 정도가 변한 것을 알 수 있으며, 연마 전과 후를 비교하였을 때 빛이 산란되는 현상이 줄어든 것을 확인할 수 있다. 즉, 렌즈를 통과하지 않았을 때 빛의 intensity를 1로 기준을 잡았을 때, PMMA 렌즈의 경우 연마 전 intensity가 0.30이었으나, 연마 후 intensity가 0.91까지 향상된 것을 확인할 수 있었다. 또한, 그래프에 나타난 바와 같이 빛이 산란되지 않고 한 지점으로 집광되는 것을 확인할 수 있었다.

후속연구

이 결과를 통해 마이크로 방전 가공을 통해 제작된 니켈 몰드로부터 만들어진 폴리머 마이크로 렌즈의 표면 거칠기가 본 연구에서 제안하는 솔벤트 증기를 이용한 연마를 통해 향상되었음을 확인할 수 있었다. 또한, 다양한 솔벤트를 통해 표면 연마가 가능하다는 사실로부터 본 연구에서 제안된 이외의 폴리머에 대해서도 표면 연마가 가능할 것으로 기대된다.
긴 시간 및 높은 증기 온도는 렌즈 표면에 균열 및 형상 변화를 야기하였으며, 이에 대한 자세한 연구는 현재진행 중에 있다. 또한, 폴리머 종류에 따라 다양한 솔벤트를 조합하여 솔벤트 증기 연마를 통해 마이크로 방전가공 및 hot-embossing 공정으로 제작된 비구면 폴리머 렌즈의 형상에 미치는 영향을 파악할 예정이다.
이와 같이 렌즈의 표면에 균열이 발생하는 이유는 연마 중 폴리머에 녹아들었던 솔벤트 증기가 연마 종료 후 증발하면서 폴리머의 부피가 줄어들어 렌즈 표면에 균열이 생긴 것으로 파악된다. 이와 관련된 자세한 사항은 현재 연구가 진행 중에 있으며 차후 보다 자세한 논의가 필요할 것으로 파악된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	마이크로 렌즈를 제작할 때 사용하는 재료는 무엇이 있는가?	마이크로 렌즈를 제작할 때 사용하는 재료에는 크게 유리(Glass), 경화 접착물(Resin), 폴리머(Polymer) 등이 있으며, 유리를 사용하여 렌즈를 제작하는 방법에는 직접적으로 CO2 가스 레이저를 사용하여 유리 플레이트 표면에 형성하는 방법,2 유리 웨이퍼의 표면이 초점에 맞춰진 위치를 탄산가스 레이저 빔으로 가열할 때, 표면 장력이 발생하여 마이크로 렌즈를 생성하는 방법3 등이 있다. 이외에도 경화 접착물을 사용한 렌즈 제작에는 대표적으로 잉크젯 기술을 이용하여 폴리머 용액과 UV 경화 접착물을 증착하여 만드는 방법4이 있다.
	폴리머 렌즈는 어떻게 제작되는가?	폴리머 렌즈의 경우 포토레지스트(Photoresist)의 thermal reflow 법으로 금속 또는 폴리머 몰드를 만든 후, 사출성형 또는 hot-embossing을 이용하여 렌즈를 제작한다. 이 과정에서 금속 몰드 제작은 제작 공정이 복잡하며, PDMS와 같은 재질의 폴리머 몰드의 경우는 hot-embossing과 같은 공정에는 적합하지 않다.
	렌즈의 형상에는 영향을 미치지 않으면서 표면의 거칠기를 개선하기 위하여 다양한 솔벤트를 이용하여 표면 연마(Surface polishing)을 수행한 이유는?	본 연구에서는 폴리머 렌즈를 제작하기 위하여 마이크로 방전가공을 이용하여 니켈 몰드에 마이크로 렌즈 몰드를 만든 후에, PMMA (Poly(methylmethacrylate))와 PC (Polycarbonate)를 사용하여 hotembossing 과정을 통해 마이크로 렌즈 형상을 제작하였다. 이와 같이 제작된 마이크로 렌즈는 니켈 몰드 제작 시 방전 가공으로 인해 생긴 방전흔(Crater)이 폴리머에 그대로 전사되어 표면이 매끄럽지 못하고, 집광 효과가 떨어지는 등 렌즈로서의 특성에 영향을 미치게 된다. 따라서 렌즈의 형상에는 영향을 미치지 않으면서 표면의 거칠기를 개선하기 위하여 다양한 솔벤트를 이용하여 표면 연마(Surface polishing)을 수행하였다.

참고문헌 (7)

McCormick, F. B., Tooley, F. A. P., Cloonan, T. J., Sasian, J. M., Hinton, H. S., Merseau, K. O., and Feldlum, A. Y., "Optical interconnections using microlens arrays," Opt. Quant. Electron., Vol. 24, pp. S465-S477, 1992.

상세보기
Wakaki, M., Komachi, Y., and Kanai, G., "Microlenses and microlens arrays formed on a glass plate by use of a CO2 laser," Applied Optics, Vol. 37, No. 4, pp. 627-631, 1998.

상세보기
Mihailov, S. and Lazare, S., "Fabrication of refractive microlens array by excimer laser ablation of amorphous Teflon," Applied Optics, Vol. 32, No. 31, pp. 6211-6218, 1993.

상세보기
MacFarlane, D. L., Narayan, V., Cox, W. R., Chen, T., and Hayes, D. J., "Microjet fabrication of microlens array," IEEE Photonics Technology Letter, Vol. 6, No. 6, pp. 1112-1114, 1994.

상세보기
Miyashita, T., "Standardization for microlenses and microlens arays," Japanese Journal of Applied Physics, Vol. 46, No. 8B, pp. 5391-5396, 2007.

상세보기
McGinniss, V. D., "Vaporous solvent treatment of thermoplastic substrates," U.S. Patent: 04529563, July 16, 1985.
Hansen, M. C., "Hansen Solubility Parameters: A user's handbook," CRC Press, 2007.

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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