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문제 정의
- 특히 마이크로 광학 패턴의 경우, 회절광학 효과가 기하광학효과보다 더 압도적으로 나타날 수도 있는데, 고품질의 마이크로 광학 소자를 만들기 위해서는 파동 광학을 기반으로 한 굴절 및 회절을 모두 고려한 설계/해석/평가 방법의 정립이 필요하다. 본 논문에서는 기존 연구[3,4]를 통해 고안된 사각 피라미드 형태의 광학 플레이트를 제조 하고, 이의 광학적 특성으로 실험적으로 관찰하였다. 기하광학 및 파동광학을 기반으로 실험결과를 비교 분석하였다.
- 본 논문에서는 고안된 사각 피라미드 형태의 광학 플레이트를 제조하고, 이의 광학적 특성으로 실험적으로 관찰하였다. 기하광학 및 파동광학을 기반으로 실험결과를 비교 분석하였다.
제안 방법
- 본 논문에서는 기존 연구[3,4]를 통해 고안된 사각 피라미드 형태의 광학 플레이트를 제조 하고, 이의 광학적 특성으로 실험적으로 관찰하였다. 기하광학 및 파동광학을 기반으로 실험결과를 비교 분석하였다. 또한 광학 패턴의 크기에 따른 회절과 굴절 효과의 연관성을 고찰하였다.
- 가로/세로 50㎛, 높이 25㎛, 꼭지각 90도를 목표로 하여, 90mm×60mm크기의 니켈 소재로 패턴을 가공하였다.
- 본 연구에서 회절특성 평가를 진행한 마이크로 피라미드 패턴은 초정밀 플레이너를 사용하여 제작하였다. 가로/세로 50㎛, 높이 25㎛, 꼭지각 90도를 목표로 하여, 90mm×60mm크기의 니켈 소재로 패턴을 가공하였다.
- 가공 시에는 90도 다이아몬드 공구를 사용하였고, 가공 표면을 좋게 하기 위해 중첩가공 방법[5]을 사용하였고, 10+7+5+3+2+1㎛로 절삭 깊이를 나누어 주었다. 그림2에서 보는 바와 같이, 가공된 양각의 사각피라미드 패턴을 SEM을 통해 관찰한 결과, 표면 상태가 매우 깨끗하게 가공됨을 확인하였다.
- 7㎛ 길이의 선으로 형성되었다. 가공이 덜 된 부분을 높이로 환산하기 위해 1.7㎛의 밑변을 갖는 이등변 삼각형의 높이를 계산해 주었다. 계산한 결과 약 0.
- 패턴이 가공된 금형과 사출성형 시 많이 사용되는 투명 PMMA(Poly methyl methacrylate)를 이용하여 마이크로패턴을 갖는 사출성형 플레이트를 제작하였다. 패턴이 성형되는 광학 플레이트의 크기는 가로 40mm, 세로 70mm, 높이 2mm이다.
- 사각피라미드의 꼭지점 부분의 사출 성형이 어렵기 때문에 기존 연구[6]를 통해 사출방향, 사출속도, 금형 온도를 최적화하였다. 사출방향과 수평 방향으로 형성되는 피라미드 사이의 경계는 낮은 온도에서도 선 형상으로 날카롭게 성형이 되었지만, 수평방향의 경계는 선 형상이 아닌 볼록한 모양으로 성형되었다.
- 그림 5에서 나타낸 바와 같이 사출된 플레이트에 레이저빔을 수직 입사시켜 리어 스크린으로 관찰하는 방식의 광학 실험을 통해 스크린에 맺히는 이미지를 관찰하였다. 실험과 같은 조건으로 시뮬레이션을 수행할 수 있도록 레이저, 플레이트, 스크린 간의 간격을 지정한 후 광학 실험을 진행하였다.
- 그림 5에서 나타낸 바와 같이 사출된 플레이트에 레이저빔을 수직 입사시켜 리어 스크린으로 관찰하는 방식의 광학 실험을 통해 스크린에 맺히는 이미지를 관찰하였다. 실험과 같은 조건으로 시뮬레이션을 수행할 수 있도록 레이저, 플레이트, 스크린 간의 간격을 지정한 후 광학 실험을 진행하였다.
- 633nm He-Ne 레이저를 플레이트에 통과시켰고 리어 스크린에 맺히는 이미지를 관찰하였다. 이때 그림 6과 같이 두 개의 직선이 수직/수평 방향으로 나타났고 이 직선들 사이를 이어주는 4개의 곡선이 관찰되었다.
- 본 연구에서는 그림 6을 실험 현상을 설명함과 동시에 피라미드 구조의 스케일에 따라 광학패턴에서 굴절광과 회절광의 기여하는 정도가 어떠한 비율로 바뀌는지, 즉 구조 스케일에 따른 굴절과 회절 효과의 상대적인 발생 비율을 다음 장에서 분석하였다.
- 3.1의 광학 실험에서 나타난 결과가 회절에 의한 결과임을 확인하기 위해 광학 시뮬레이션을 실시하였다. 우선 굴절이 아닌 회절에 의해 곡선이 나타나는 것임을 확인하기 위해 굴절효과는 관찰이 가능하지만 회절효과는 관찰할 수 없는 기하광학 해석 상용소프트웨어 ZEMAX를 사용하여 광학해석을 수행하였다.
- 1의 광학 실험에서 나타난 결과가 회절에 의한 결과임을 확인하기 위해 광학 시뮬레이션을 실시하였다. 우선 굴절이 아닌 회절에 의해 곡선이 나타나는 것임을 확인하기 위해 굴절효과는 관찰이 가능하지만 회절효과는 관찰할 수 없는 기하광학 해석 상용소프트웨어 ZEMAX를 사용하여 광학해석을 수행하였다.
- 시뮬레이션을 진행하기 위해 CATIA를 이용하여 사출된 플레이트의 모델링하였다. 모델링된 플레이트를 상용소프트웨어로 읽어들여 광특성 해석을 진행하였다. ZEMAX는 광학 시스템으로부터 관찰자가 지정해준 거리에서의 빛의 경로와 그 위치에서 맺히는 상을 관찰할 수 있는 기하광학 해석 시뮬레이터(ray tracing 툴)로서, 그림 5의 광학 실험 셋업을 동일하게 모델링하여 광 패턴을 해석하였다.
- 기하광학 및 파동광학을 기반으로 실험결과를 비교 분석하였다. 또한 광학 패턴의 크기에 따른 회절과 굴절 효과의 연관성을 고찰하였다.
- 회절효과와 굴절효과, 패턴의 크기에 관계를 알아보기 위해 파동광학 기반 광특성 해석을 수행하였다. 이를 위해 회절광파의 Angular spectrum 표현공식을 이용[10,11]하고, 사각피라미드의 높이, 가로/세로를 지정할 수 있도록 하는 파동광학 시뮬레이터를 구현하였다.
- 회절효과와 굴절효과, 패턴의 크기에 관계를 알아보기 위해 파동광학 기반 광특성 해석을 수행하였다. 이를 위해 회절광파의 Angular spectrum 표현공식을 이용[10,11]하고, 사각피라미드의 높이, 가로/세로를 지정할 수 있도록 하는 파동광학 시뮬레이터를 구현하였다. 제작된 마이크로 패턴과 같이 가로/세로 50㎛, 높이 22㎛로 디자인을 해 주 었을 때 그림 9와 같은 시뮬레이션 결과를 얻을 수 있었다.
- 마지막으로 사각 피라미드 패턴의 크기의 변화에 따른 굴절, 회절 효과를 해석하였다. 피라미드의 비율은 일정하게 유지하되 크기를 100배까지(가로/세로 50000㎛, 높이 22000㎛) 키워 회절효과와 굴절효과를 관찰하였다.
- 마지막으로 사각 피라미드 패턴의 크기의 변화에 따른 굴절, 회절 효과를 해석하였다. 피라미드의 비율은 일정하게 유지하되 크기를 100배까지(가로/세로 50000㎛, 높이 22000㎛) 키워 회절효과와 굴절효과를 관찰하였다. 이 결과 그림10과 같이 약 20배 즉, 가로/세로 1000㎛, 높이 4000㎛에서부터 굴절이 회절보다 더 높이 나타남을 확인하였다.
- 1. 마이크로 피라미드 패턴의 금형을 가공하고 사출 성형으로 광학 플레이트를 제작하였다.
대상 데이터
- 가로/세로 50㎛, 높이 25㎛, 꼭지각 90도를 목표로 하여, 90mm×60mm크기의 니켈 소재로 패턴을 가공하였다. 가공에 사용된 장비는 그림1의 도시바(Toshiba) UVM-450C이고, 가공속도는 200mm/s로 하였다.
- 패턴이 성형되는 광학 플레이트의 크기는 가로 40mm, 세로 70mm, 높이 2mm이다. 실험에는 스미토모(Sumitomo)사의 SE-50D 사출성형기를 사용하였다.
이론/모형
- 시뮬레이션을 진행하기 위해 CATIA를 이용하여 사출된 플레이트의 모델링하였다. 모델링된 플레이트를 상용소프트웨어로 읽어들여 광특성 해석을 진행하였다.
성능/효과
- 을 사용하였고, 10+7+5+3+2+1㎛로 절삭 깊이를 나누어 주었다. 그림2에서 보는 바와 같이, 가공된 양각의 사각피라미드 패턴을 SEM을 통해 관찰한 결과, 표면 상태가 매우 깨끗하게 가공됨을 확인하였다. 단, 피라미드 맨 윗부분의 꼭지점이 완벽한 점 형상으로 나타나지 않았음을 확인하였다.
- 7㎛의 밑변을 갖는 이등변 삼각형의 높이를 계산해 주었다. 계산한 결과 약 0.85㎛로 확인되었고, 니켈에 가공된 양각의 사각 피라미드 패턴은 높이 약 24.1㎛로 확인하였다.
- 이는 미세 패턴 성형 시 수지가 금형에 충진되는 동안 표면에서부터 고화가 빠르게 진행되면서 유동성이 급격하게 저하되는 현상이 발생하여 패턴과 패턴 경계 부분이 웰드라인이 형성되어 미성형이 발생된 것으로 판단할 수 있다[7]. 따라서 금형 온도를 80도로, 사출속도를 150mm/s로 성형 조건을 최적화하였다. 최적화 된 후 사출성형된 플레이트는 사출방향과 수직, 수평을 이루는 두 방향의 경계가 모두 선 형상으로 사출됨을 확인하였다.
- 따라서 금형 온도를 80도로, 사출속도를 150mm/s로 성형 조건을 최적화하였다. 최적화 된 후 사출성형된 플레이트는 사출방향과 수직, 수평을 이루는 두 방향의 경계가 모두 선 형상으로 사출됨을 확인하였다. 제작된 음각의 사각피라미드의 크기를 측정해 본 결과 가로는 50㎛로 가공된 금형과 같은 크기로 측정되었으나 높이는 22㎛ 로 금형에 비해 낮은 높이로 측정되었다.
- 최적화 된 후 사출성형된 플레이트는 사출방향과 수직, 수평을 이루는 두 방향의 경계가 모두 선 형상으로 사출됨을 확인하였다. 제작된 음각의 사각피라미드의 크기를 측정해 본 결과 가로는 50㎛로 가공된 금형과 같은 크기로 측정되었으나 높이는 22㎛ 로 금형에 비해 낮은 높이로 측정되었다.
- ZEMAX는 광학 시스템으로부터 관찰자가 지정해준 거리에서의 빛의 경로와 그 위치에서 맺히는 상을 관찰할 수 있는 기하광학 해석 시뮬레이터(ray tracing 툴)로서, 그림 5의 광학 실험 셋업을 동일하게 모델링하여 광 패턴을 해석하였다. 굴절효과만 관찰이 가능한 기하광학해석의 시뮬레이션의 결과는 사각 피라미드의 네 면에서 나온 4개의 밝은 빛만 관찰되었다.
- 피라미드의 비율은 일정하게 유지하되 크기를 100배까지(가로/세로 50000㎛, 높이 22000㎛) 키워 회절효과와 굴절효과를 관찰하였다. 이 결과 그림10과 같이 약 20배 즉, 가로/세로 1000㎛, 높이 4000㎛에서부터 굴절이 회절보다 더 높이 나타남을 확인하였다. 따라서 사각피라미드 패턴의 크기가 mm의 단위를 가지기 시작하면서 굴절의 효과가 더 상승됨을 알 수 있었다.
- 이 결과 그림10과 같이 약 20배 즉, 가로/세로 1000㎛, 높이 4000㎛에서부터 굴절이 회절보다 더 높이 나타남을 확인하였다. 따라서 사각피라미드 패턴의 크기가 mm의 단위를 가지기 시작하면서 굴절의 효과가 더 상승됨을 알 수 있었다.
- 2. 사출된 마이크로 피라미드 플레이트의 광특성을 평가하였고 십자가 모양의 패턴과 마름모꼴 모양의 곡선 패턴이 나타남을 확인하였다.
- 3. 기하광학 해석툴 ZEMAX를 이용해 굴절효과만 고려한 결과 선 형상이 없이 피라미드 네 면에서 굴절되어 나간 네 개의 점만 확인되었다.
- 4. Angular spectrum 모델링을 이용해 굴절효과와 회절효과를 고려해 시뮬레이션을 한 결과 광학 실험 시 나타난 결과에 부합하는 광학 패턴을 확인하였다.
- 5. 피라미드의 크기를 증가시키며 굴절과 회절의 효과를 확인한 결과 피라미드의 크기가 1mm가 넘어가게 되면 굴절효과가 회절효과보다 높아짐을 확인하였다
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