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문제 정의
- 본 연구에서는 소수의 마이크로 렌즈를 간단하게 그리고 다양한 형상으로의 렌즈 제작이 가능한 방법을 제안한다. 이를 위해 원기둥 형상의 몰드 제작을 위해 마이크로 밀링을 이용하며, 렌즈 가공을 위해 솔벤트 증기처리 reflow (Solvent-vaporassisted reflow; SVAR)이라는 방법을 처음으로 제안한다.
- 본 연구에서는 솔벤트의 종류, 솔벤트 증기처리 시의 온도 및 시간에 따라 다양한 형상의 렌즈 제작이 가능함을 보이고, 이와 같이 제작된 마이크로 렌즈의 특성을 평가하였다.
제안 방법
- Fig. 4는 SVAR 을 수행한 마이크로 렌즈의 FE-SEM 사진으로 형성된 마이크로 렌즈의 형상을 정량적으로 평가하기 위하여 마이크로 렌즈의 치수를 AutoCad를 이용하여 측정하였다. 렌즈의 곡률 반경 (R)과 유효직경 (X)을 측정하였다.
- 본 연구에서는 마이크로 밀링 가공을 이용하여 제작된 니켈 몰드로 hot-embossing 공정을 통해 PMMA 기판에 원기둥 형상을 전사 후, 솔벤트 증기처리 reflow (SVAR)를 통하여 원기둥 형상을 변화시켜 마이크로 렌즈를 제작하였다. PMMA에 대해 아세톤과 톨루엔을 이용하여 SVAR을 수행하였으며, 솔벤트 증기처리를 이용한 형상 변화에 있어서 솔벤트 증기의 온도와 증기처리 시간이 중요한 변수로 작용하였다. SVAR을 통해 제작된 렌즈의 형상을 정량적으로 측정하였으며, 시간과 온도에 따른 렌즈의 집광 정도를 측정하여 렌즈의 성능을 평가하였다.
- PMMA에 대해 아세톤과 톨루엔을 이용하여 SVAR을 수행하였으며, 솔벤트 증기처리를 이용한 형상 변화에 있어서 솔벤트 증기의 온도와 증기처리 시간이 중요한 변수로 작용하였다. SVAR을 통해 제작된 렌즈의 형상을 정량적으로 측정하였으며, 시간과 온도에 따른 렌즈의 집광 정도를 측정하여 렌즈의 성능을 평가하였다. 이 때 동일한 솔벤트에 대해 낮은 온도에서 긴 시간의 증기처리를 통해 렌즈를 제작하는 것이 보다 형상 컨트롤이 용이하였다.
- 이전 연구4에서 방전가공을 이용하여 반구면 형상의 마이크로 렌즈 몰드를 만든 후, hotembossing 공정을 통해 제작된 폴리머 마이크로 렌즈의 표면 폴리싱을 위해 솔벤트 증기처리를 이용하였으나, 렌즈의 형상 변화는 거의 일어나지 않았다. 그러나, 본 연구에서 제안하는 SVAR은 적절한 솔벤트 증기처리를 통해 국부적으로 폴리머에 reflow현상을 일으켜 폴리머 마이크로 렌즈를 제작하는 방법으로, 포토레지스트 전체에서 reflow 가 발생하는 photoresist thermal reflow 방법과는 차별성이 있다.
- 4는 SVAR 을 수행한 마이크로 렌즈의 FE-SEM 사진으로 형성된 마이크로 렌즈의 형상을 정량적으로 평가하기 위하여 마이크로 렌즈의 치수를 AutoCad를 이용하여 측정하였다. 렌즈의 곡률 반경 (R)과 유효직경 (X)을 측정하였다. R은 렌즈의 초점거리와 반비례 관계에 있으며, X는 실제 렌즈의 초점에 빛이 집광되는 렌즈의 유효직경으로 렌즈의 집광 능력과 관계가 있다.
- 마이크로 밀링 가공을 통해 제작된 니켈 몰드를 이용하여 지름 300 µm, 높이 150 µm의 원기둥 형상을 hot-embossing 공정을 통해 폴리머에 전사시켰다(Fig. 2).
- 또한, 예비실험을 통해 SVAR을 이용한 형상변화 실험에 있어 솔벤트 증기를 이용한 표면 연마실험에서와 마찬가지로 온도와 시간이 중요한 변수임을 알 수 있었다. 본 실험에 있어 증기 처리 시간은 유의미한 형상 변화가 발생하는 시간을 기준으로 20 sec 간격으로 증가시키며 그 변화를 관찰하였으며, 온도 역시 유의미한 형상 변화가 발생하는 온도를 기준으로 솔벤트의 끓는점 이하의 온도에 대해 실험을 진행하였다. 솔벤트로는 아세톤 (Boiling point: 56.
- 본 연구에서는 마이크로 밀링 가공을 이용하여 제작된 니켈 몰드로 hot-embossing 공정을 통해 PMMA 기판에 원기둥 형상을 전사 후, 솔벤트 증기처리 reflow (SVAR)를 통하여 원기둥 형상을 변화시켜 마이크로 렌즈를 제작하였다. PMMA에 대해 아세톤과 톨루엔을 이용하여 SVAR을 수행하였으며, 솔벤트 증기처리를 이용한 형상 변화에 있어서 솔벤트 증기의 온도와 증기처리 시간이 중요한 변수로 작용하였다.
- 본 연구에서는 소수의 마이크로 렌즈를 간단하게 그리고 다양한 형상으로의 렌즈 제작이 가능한 방법을 제안한다. 이를 위해 원기둥 형상의 몰드 제작을 위해 마이크로 밀링을 이용하며, 렌즈 가공을 위해 솔벤트 증기처리 reflow (Solvent-vaporassisted reflow; SVAR)이라는 방법을 처음으로 제안한다. 이전 연구4에서 방전가공을 이용하여 반구면 형상의 마이크로 렌즈 몰드를 만든 후, hotembossing 공정을 통해 제작된 폴리머 마이크로 렌즈의 표면 폴리싱을 위해 솔벤트 증기처리를 이용하였으나, 렌즈의 형상 변화는 거의 일어나지 않았다.
- 제작된 PMMA 마이크로 렌즈의 형상 변화 정도를 파악하기 위해 Fig. 11(a)와 같이 광학 현미경 (Olympus, BX51)을 이용하여 광 intensity를 측정하였다. 광원은 광학 현미경의 백라이트를 이용하였으며, 이미지 파일은 TSView를 이용하여 저장한 후에 Matlab을 이용하여 intensity 그래프를 얻었다.
대상 데이터
- 따라서 본 연구에서도 이전 연구4에서 이용한 폴리머인 PMMA (Solubility parameter: 9.5 cal1/2·cm3/2)에 대해 솔벤트로 아세톤 (Solubility parameter: 9.9 cal1/2·cm3/2)과 톨루엔 (Solubility parameter: 8.9 cal1/2·cm3/2)을 이용하였다.
- 본 연구에서는 PMMA 이외의 다른 폴리머로 이전 연구4에서도 사용하였던 PC (Polycarbonate, Solubility parameter: 11 cal1/2·cm3/2)에 대해서 실험을 진행하였으나, 솔벤트 폴리싱 시의 실험 조건보다 높은 솔벤트 증기의 온도 및 긴 증기 처리 시간에 의해 표면에 결정화 (Crystallization)7 현상이 발생 하였다(Fig. 10).
- 본 실험에 있어 증기 처리 시간은 유의미한 형상 변화가 발생하는 시간을 기준으로 20 sec 간격으로 증가시키며 그 변화를 관찰하였으며, 온도 역시 유의미한 형상 변화가 발생하는 온도를 기준으로 솔벤트의 끓는점 이하의 온도에 대해 실험을 진행하였다. 솔벤트로는 아세톤 (Boiling point: 56.2℃) 및 톨루엔 (Boiling point: 110.6℃)을 사용하였으며, Table 1과 2에 각각의 실험조건을 나타내었다. 이 중에서 회색으로 표시한 부분의 조건에 대해서는 유의미한 형상 변화가 관찰되어 렌즈 형상을 확인할 수 있었으나, 그 이외의 조건에 대해서는 reflow에 의한 원기둥의 형상 변화가 과도하게 많이 일어나 렌즈의 형상이 사라져 렌즈의 형상을 확인할 수 없었다.
- 실험에서 사용한 니켈 몰드는 마이크로 밀링가공을 이용하여 제작하였다. Fig.
- 2). 이 때 사용한 폴리머는 PMMA (Poly (methylmethacrylate))이며, hot-embossing 공정 조건은 온도 100℃, 압력 5 MPa의 조건에서 5 분간 진행한 후 70℃ 까지 식힌 후 PMMA를 몰드로부터 이형시켰다.
이론/모형
- 11(a)와 같이 광학 현미경 (Olympus, BX51)을 이용하여 광 intensity를 측정하였다. 광원은 광학 현미경의 백라이트를 이용하였으며, 이미지 파일은 TSView를 이용하여 저장한 후에 Matlab을 이용하여 intensity 그래프를 얻었다.
성능/효과
- 또한 낮은 온도에서 SVAR을 수행할 때에 시간에 따른 렌즈의 형상 변화 정도가 크지 않았으나, 높은 온도에서는 시간에 따른 렌즈의 형상 변화 정도가 크게 발생하여 형상을 컨트롤하기가 쉽지 않았다. 따라서, SVAR을 수행 시에는 낮은 온도에서 시간을 조절하여 렌즈의 형상 변화를 컨트롤하는 것이 보다 유리하다는 것을 알 수 있었다.
- 즉, 이 두 그래프 사이에서는 렌즈 형상이 구현되었으나, 이를 벗어난 영역에서는 반응이 일어나지 않거나 (Lens shape creating point 아래 영역) 렌즈 형상이 사라져 (Excess reaction point 위 영역) 렌즈 형상을 구현할 수 없었다. 또한 낮은 온도에서 SVAR을 수행할 때에 시간에 따른 렌즈의 형상 변화 정도가 크지 않았으나, 높은 온도에서는 시간에 따른 렌즈의 형상 변화 정도가 크게 발생하여 형상을 컨트롤하기가 쉽지 않았다. 따라서, SVAR을 수행 시에는 낮은 온도에서 시간을 조절하여 렌즈의 형상 변화를 컨트롤하는 것이 보다 유리하다는 것을 알 수 있었다.
- 또한, SVAR 이후 표면 거칠기 (Ra)가 톨루엔을 이용한 경우 (X: 135.94 µm, Ra: 66.7 nm)가 아세톤을 이용한 경우 (X: 134.46 µm, Ra: 61.1 nm)보다 약간 더 나쁨에도 불구하고 유효직경이 비슷한 경우 톨루엔을 이용해 제작된 마이크로 렌즈의 집광도 (I/I0 = 3.23)가 아세톤의 경우 (I/I0 = 2.67)보다 약 1.2 배 정도 높은 집광도를 보였다.
- 이 때 동일한 솔벤트에 대해 낮은 온도에서 긴 시간의 증기처리를 통해 렌즈를 제작하는 것이 보다 형상 컨트롤이 용이하였다. 또한, SVAR에 의해 동일한 형상으로 제작된 마이크로 렌즈에 대해서 솔벤트로 톨루엔을 사용한 경우가 아세톤을 사용한 경우보다 약 1.2배 높은 집광도를 나타냈다.
- 또한, 예비실험을 통해 SVAR을 이용한 형상변화 실험에 있어 솔벤트 증기를 이용한 표면 연마실험에서와 마찬가지로 온도와 시간이 중요한 변수임을 알 수 있었다. 본 실험에 있어 증기 처리 시간은 유의미한 형상 변화가 발생하는 시간을 기준으로 20 sec 간격으로 증가시키며 그 변화를 관찰하였으며, 온도 역시 유의미한 형상 변화가 발생하는 온도를 기준으로 솔벤트의 끓는점 이하의 온도에 대해 실험을 진행하였다.
- 15는 각각 PMMA와 톨루엔 반응 실험에 대한 집광도의변화를 나타낸 그래프이다. 사용한 솔벤트와 실험조건의 변화에 따라 시간이 증가할수록 그리고 온도가 높아질수록 반응이 많이 일어나 렌즈의 집광도가 증가하는 경향을 보였다. 이는 3.
- 이 결과를 통해 마이크로 밀링 가공으로 제작된 원기둥 형상으로부터 SVAR을 이용하여 마이크로 렌즈의 제작가능함을 확인하였다. 즉, 마이크로렌즈 제작을 위해 열을 이용한 reflow 뿐만 아니라 솔벤트 증기처리를 통해 발생하는 국부적 reflow 현상도 이용가능함을 확인하였다.
- SVAR을 통해 제작된 렌즈의 형상을 정량적으로 측정하였으며, 시간과 온도에 따른 렌즈의 집광 정도를 측정하여 렌즈의 성능을 평가하였다. 이 때 동일한 솔벤트에 대해 낮은 온도에서 긴 시간의 증기처리를 통해 렌즈를 제작하는 것이 보다 형상 컨트롤이 용이하였다. 또한, SVAR에 의해 동일한 형상으로 제작된 마이크로 렌즈에 대해서 솔벤트로 톨루엔을 사용한 경우가 아세톤을 사용한 경우보다 약 1.
- 8은 온도 변화에 따른 PMMA 마이크로 렌즈의 형상을 측정한 FE-SEM 사진들이다. 이로부터 온도와 시간의두 실험변수 중 하나의 변수가 일정할 때 다른 변수가 커질수록, 즉 폴리머와 솔벤트 사이의 반응이 많이 일어날수록 렌즈의 곡률반경 (R)은 작아지며 유효직경 (X)은 커지는 것을 확인할 수 있었다. 따라서, 마이크로 렌즈의 곡률반경과 유효직경을 조절하여 초점거리와 집광도의 컨트롤이 가능 하다.
- 이 결과를 통해 마이크로 밀링 가공으로 제작된 원기둥 형상으로부터 SVAR을 이용하여 마이크로 렌즈의 제작가능함을 확인하였다. 즉, 마이크로렌즈 제작을 위해 열을 이용한 reflow 뿐만 아니라 솔벤트 증기처리를 통해 발생하는 국부적 reflow 현상도 이용가능함을 확인하였다. 이를 통해 본 연구에서 제안한 솔벤트와 폴리머에 대해서뿐만 아니라 다양한 솔벤트와 폴리머의 조합을 통해서도 마이크로 렌즈 제작이 가능할 것으로 기대된다.
후속연구
- 즉, 마이크로렌즈 제작을 위해 열을 이용한 reflow 뿐만 아니라 솔벤트 증기처리를 통해 발생하는 국부적 reflow 현상도 이용가능함을 확인하였다. 이를 통해 본 연구에서 제안한 솔벤트와 폴리머에 대해서뿐만 아니라 다양한 솔벤트와 폴리머의 조합을 통해서도 마이크로 렌즈 제작이 가능할 것으로 기대된다.
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