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문제 정의
- (6)마지막으로 역노광 기반 미소공정은 감광제와 마스크 사이에 접촉을 견고하게 할 수 있지만 정적 수직방향 노광방식이므로 단면형상이 직사각형 모양을 가지는 미소구조물만 제작할 수 있었다.(7)본 연구에서는 기존 자외선 노광방법들이 가지는 공정 중 기술적 한계를 극복하기 위하여 경사노광, 회전노광 및 역노광을 혼합한 하이브리드 자외선 노광법을 개발한다. 하이브리드 자외선 노광법에서는 3차원 고종횡비 미소구조물을 제작하기 위하여 필름 마스크 위에 감광제를 스핀 코팅(spin coating)한 후 필요에 따라 추가적으로 제작기판을 적층한다(역노광).
- 본 연구에서는 미소바늘과 같은 3차원 고종횡비 미소구조물을 용이하게 제작할 수 있는 하이브리드 자외선 노광법을 개발하였다. 이를 기초로 자체 개발한 자외선 노광시스템과 SU-8 2150음성감광제를 이용하여 3차원 고종횡비 미소구조물을 제작함으로써 관련 공정조건(하부기판 조건, SU-8 소프트 베이킹 시간, 자외선 조사각도 등) 이 최종 제작된 미소구조물 형상(종횡비, 선단의 곡률반경 등)에 미치는 영향을 확인하였다.
제안 방법
- 이때 자체 제작한 도구를 이용하여자외선 노광기의 자외선 조사각도를 조절하였다. Polydimethylsiloxane (PDMS, Sylgard 184, Dow corning)를 사용하여 더블 캐스팅(double casting)함으로써 SU-8으로 만들어진 3차원 고종횡비 미소구조물을 제작하였다.
- 4(c)]. 따라서 본 연구에서는 65℃에서 10분, 95 ℃에서 24시간 동안 소프트 베이킹을 하는 조건을 이용하여 3차원 고종횡비 미소 구조물을 제작하였고 이를 통해 소프트 베이킹 시간외 다른 공정조건이 최종 제작된 3차원 고 종횡비 미소구조물의 형상에 미치는 효과를 확인하였다.
- 제작된 미소구조물의 형상은 주사전자현미경(scanning electron microscope, SEM) 을 통하여 확인하였다. 또한 자외선 측정기 (ST-510, SENTRY)를 이용하여 자외선 노광 시 하부 제작기판(실리콘 기판 혹은 산화흑연 미소입자로 코팅된 실리콘 기판)에서 반사되는 자외선 양을 확인하였다(Fig. 3).
- 먼저, SU-8의 소프트 베이킹 시간에 따른 3차원 고종횡비 미소구조물의 형상 변화에 대해 살펴보았다. 2 mm 두께의 SU-8 음성감광제에 대해 2시간[Fig.
- 1은 3차원 고종횡비 미소구조물을 제작할수 있는 하이브리드 자외선 노광 목적의 실험 장치를 보여주고 있다. 먼저, 상기 실험 장치를 이용하여 미소구조물을 제작하기 위해 200 ㎛(지름) 크기의 원형 패턴(pattern)으로 구성된 필름 마스크와 SU-8 음성감광제(2150, Microchem)를 이용하였다. 필름 마스크 / SU-8, 아크릴 홀더(acrylic holder) 및 제작기판을 일정한 속도로 회전시키기 위해 회전 스테이지로 스핀 코터(Spin-1200D, Midas System)를 사용하였고, 365 ㎚ 파장을 가지는 자외선 노광기(SUV-S, UVSMT)을 사용하여 SU-8에 자외선을 조사하였다.
- 5(a-d)는 하이브리드 자외선 노광법을 이용하여 3차원 고종횡비 미소구조물을 제작함에 있어 자외선의 조사각도를 65, 70, 및 75 °로 조사함으로써 제작된 미소구조물 및 그 어레이(array)의 모습이다. 먼저, 자외선 조사각도별로 최종 제작된 미소구조물의 형상(종횡비, 선단의 곡률 등)을 측정하였다[Fig. 5(e)]. 그 결과 실제 종횡비는 조사각도에 따른 이론적인 종횡비에 비해 대략 93 % 수준이었고, 자외선의 조사각도가 증가함에 따라 종횡비가 1.
- 이때 하부 제작기판에서의 자외선 반사를 최소화하기 위해 제작기판과 필름 마스크/감광제를 이격시키거나 혹은 제작기판을 산화흑연 미소입자로 코팅하며 또한 감광제의 소프트 베이킹 조건을 최적화한다. 음성 감광제인 SU-8에 하이브리드 자외선 노광법을 적용하여 미소구조물을 제작한 후 구조물의 기하학적 형상을 분석함으로써, 하이브리드 자외선 노광법의 핵심 공정인자가 3차원 고종횡비 미소구조물 제작에 미치는 효과를 확인한다.
- 2(b-c)]. 이 때 아크릴 홀더 밑에 실리콘 기판 혹은 365 ㎚ 자외선에 대해 낮은 반사율을 보이는 팽창 후 파쇄된 산화 흑연 미소입자가 코팅된 실리콘 기판을 놓았다.(8)여기서 후자(산화흑연 미소입자로 코팅된 실리콘 기판)은 공정 중 조사된 자외선의 하부 기판에서의 반사를 최소화하기 위하여 적용되었다.
- (8)여기서 후자(산화흑연 미소입자로 코팅된 실리콘 기판)은 공정 중 조사된 자외선의 하부 기판에서의 반사를 최소화하기 위하여 적용되었다. 이때 실리콘 기판과 자외선 노광기의 거리는 노광기의 권장 조사거리, 회전 및 각도 조절 시 주변 치공구와의 간섭 방지를 고려하여 4.5 cm로 설정하였으며, 자외선 노광기의 조사각도는 65, 70 및 75도로 유지하였다. 자외선 노광 후 필름 마스크/SU-8적층물은 현상액(SU-8 developer)에 넣어 3시간 동안 현상시킨 후[Fig.
- 필름 마스크 / SU-8, 아크릴 홀더(acrylic holder) 및 제작기판을 일정한 속도로 회전시키기 위해 회전 스테이지로 스핀 코터(Spin-1200D, Midas System)를 사용하였고, 365 ㎚ 파장을 가지는 자외선 노광기(SUV-S, UVSMT)을 사용하여 SU-8에 자외선을 조사하였다. 이때 자체 제작한 도구를 이용하여자외선 노광기의 자외선 조사각도를 조절하였다. Polydimethylsiloxane (PDMS, Sylgard 184, Dow corning)를 사용하여 더블 캐스팅(double casting)함으로써 SU-8으로 만들어진 3차원 고종횡비 미소구조물을 제작하였다.
- 본 연구에서는 미소바늘과 같은 3차원 고종횡비 미소구조물을 용이하게 제작할 수 있는 하이브리드 자외선 노광법을 개발하였다. 이를 기초로 자체 개발한 자외선 노광시스템과 SU-8 2150음성감광제를 이용하여 3차원 고종횡비 미소구조물을 제작함으로써 관련 공정조건(하부기판 조건, SU-8 소프트 베이킹 시간, 자외선 조사각도 등) 이 최종 제작된 미소구조물 형상(종횡비, 선단의 곡률반경 등)에 미치는 영향을 확인하였다. 먼저, 역노광에 있어 하부기판에서의 자외선 반사는 그 하부기판에 산화흑연 미소입자를 코팅하여 최소화시킴으로써 미소구조물 제작의 완성도 및 반복도를 높일 수 있었다.
- 2(d)] 하드 베이킹(hard baking)을 실시하였다. 이를 통해 생성된 1차 몰드(mold)를 이용하여 PDMS 더블 캐스팅을 수행하여 마스터 몰드(master mold)를 제작하였다[Figs. 2(e-f)]. 마스터 몰드에 SU-8을 채운 뒤[Fig.
- 하이브리드 자외선 노광법에서는 3차원 고종횡비 미소구조물을 제작하기 위하여 필름 마스크 위에 감광제를 스핀 코팅(spin coating)한 후 필요에 따라 추가적으로 제작기판을 적층한다(역노광). 이를 회전 스테이지(rotation stage) 위에 체결한 후 회전 스테이지를 일정속도로 회전시키면서(회전노광) 자외선 광원을 일정 조사각도를 가지도록 조절한 후 상기 적층물에 조사한다(경사노광). 이때 하부 제작기판에서의 자외선 반사를 최소화하기 위해 제작기판과 필름 마스크/감광제를 이격시키거나 혹은 제작기판을 산화흑연 미소입자로 코팅하며 또한 감광제의 소프트 베이킹 조건을 최적화한다.
- 5 cm로 설정하였으며, 자외선 노광기의 조사각도는 65, 70 및 75도로 유지하였다. 자외선 노광 후 필름 마스크/SU-8적층물은 현상액(SU-8 developer)에 넣어 3시간 동안 현상시킨 후[Fig. 2(d)] 하드 베이킹(hard baking)을 실시하였다. 이를 통해 생성된 1차 몰드(mold)를 이용하여 PDMS 더블 캐스팅을 수행하여 마스터 몰드(master mold)를 제작하였다[Figs.
- 2(h)]. 제작된 미소구조물의 형상은 주사전자현미경(scanning electron microscope, SEM) 을 통하여 확인하였다. 또한 자외선 측정기 (ST-510, SENTRY)를 이용하여 자외선 노광 시 하부 제작기판(실리콘 기판 혹은 산화흑연 미소입자로 코팅된 실리콘 기판)에서 반사되는 자외선 양을 확인하였다(Fig.
- 먼저, 상기 실험 장치를 이용하여 미소구조물을 제작하기 위해 200 ㎛(지름) 크기의 원형 패턴(pattern)으로 구성된 필름 마스크와 SU-8 음성감광제(2150, Microchem)를 이용하였다. 필름 마스크 / SU-8, 아크릴 홀더(acrylic holder) 및 제작기판을 일정한 속도로 회전시키기 위해 회전 스테이지로 스핀 코터(Spin-1200D, Midas System)를 사용하였고, 365 ㎚ 파장을 가지는 자외선 노광기(SUV-S, UVSMT)을 사용하여 SU-8에 자외선을 조사하였다. 이때 자체 제작한 도구를 이용하여자외선 노광기의 자외선 조사각도를 조절하였다.
- 2(a)]. 필름 마스크/SU-8 적층물은 핫플레이트(hot plate)를 이용하여 65℃에서 10분, 95℃에서 2시간 혹은 24시간동안 소프트 베이킹을 실시하였다. 이후 아크릴 홀더에 고정시킨 후, 200 rpm으로 회전시키면서 5초간 자외선을 조사하였다([Figs.
대상 데이터
- 따라서 3차원 고 종횡비 미소구조물 제작용 SU-8의 최초 적층두께는 이를 고려해야 한다. 본 연구에서는 약 3정도의 공정상 안전계수를 고려하여 2 mm 두께의 SU-8 2150을 이용하였다. SU-8 음성감광제 내의 솔벤트는 하부 기판에서부터 가해지는 열에 제거되기 때문에 SU-8의 적층두께가 두꺼워질수록 최적의 솔벤트 함량에 도달하기 위해서는 상당히 오랜 시간이 걸리게 된다.
이론/모형
- (9) 만약 소프트 베이킹이 충분하지 않아 SU-8 내 솔벤트 함량이 10 %이상이면, 공정 중 기계적인 수축 혹은 수축 응력이 발생하여 양질의 미소구조물 제작을 방해한다.(10) 본 연구에 있어, 최초 2 mm 두께의 SU-82150에 대해 솔벤트 함량이 9 %가 되는 최적의 소프트 베이킹 시간을 결정하기 위해 솔벤트 함량 기반의 열무게 분석 방법(thermo-gravimetric analysis, TGA)을 사용하였다. 이 때 SU-8 2015 음성감광제는 23.
성능/효과
- (1,2) 기존 자외선 노광법은 제작기판의 수직 상방에 위치한 자외선 광원으로 노광하는 방식이었기 때문에 제작기판에 수직한 단면형상을 가지는 2차원 미소구조물만 제작할 수 있었다.(3) 지금까지 기존 자외선 노광법의 한계를 극복하기 위해 다양한 형태의 자외선 노광방법(경사노광, 회전노광, 역노광 등)이 개발되어 왔다.
- 회전노광의 경우에는 필요한 노광공정의 횟수를 줄일수 있지만 이 방법 역시 감광제와 마스크 사이의 접촉문제를 가지고 있는 것으로 알려져 있다.(6)마지막으로 역노광 기반 미소공정은 감광제와 마스크 사이에 접촉을 견고하게 할 수 있지만 정적 수직방향 노광방식이므로 단면형상이 직사각형 모양을 가지는 미소구조물만 제작할 수 있었다.(7)본 연구에서는 기존 자외선 노광방법들이 가지는 공정 중 기술적 한계를 극복하기 위하여 경사노광, 회전노광 및 역노광을 혼합한 하이브리드 자외선 노광법을 개발한다.
- 4(b)] 동안 소프트 베이킹을 진행한 후 동일조건에서 제작된 미소구조물의 형상을 확인하였다. 24시간 동안 소프트 베이킹을 진행하여 적정 솔벤트 함양(9% 수준)을 맞추어 제작한 미소구조물은 최적화되지 않은 실험조건(2시간 소프트 베이킹, 솔벤트 함량 19.11 %)에서 제작된 미소구조물에 비해 높이는 34 % 증가하였고, 선단의 곡률반경은 90 % 이상 개선되었다[Fig. 4(c)].
- 5(e)]. 그 결과 실제 종횡비는 조사각도에 따른 이론적인 종횡비에 비해 대략 93 % 수준이었고, 자외선의 조사각도가 증가함에 따라 종횡비가 1.03에서 1.71로 증가하였다. 더불어 자외선의 조사각도가 증가함에 따라 미소구조물 선단부의 곡률반경이 8.
- 71로 증가하였다. 더불어 자외선의 조사각도가 증가함에 따라 미소구조물 선단부의 곡률반경이 8.8 ㎛에서 10.5 ㎛로 소폭 증가됨을 확인하였다. 이는 자외선의 조사각도가 커질수록 미소구조물 끝단이 날카로워져야 한다는 일반적인 통념과 반대되는 현상이다.
- 먼저, 역노광에 있어 하부기판에서의 자외선 반사는 그 하부기판에 산화흑연 미소입자를 코팅하여 최소화시킴으로써 미소구조물 제작의 완성도 및 반복도를 높일 수 있었다. 또한 소프트 베이킹 시간은 솔벤트 함량 기반의 열무게 분석 방법으로 최적화함으로써, 최적화되지 않은 조건 대비 미소 구조물의 높이와 선단의 곡률반경을 각각 34%와 90% 개선하였다. 마지막으로 자외선의 조사각도를 조절하여 미소구조물의 종횡비뿐만 아니라 선단의 곡률반경도 조절할 수 있음을 확인하였다.
- 또한 소프트 베이킹 시간은 솔벤트 함량 기반의 열무게 분석 방법으로 최적화함으로써, 최적화되지 않은 조건 대비 미소 구조물의 높이와 선단의 곡률반경을 각각 34%와 90% 개선하였다. 마지막으로 자외선의 조사각도를 조절하여 미소구조물의 종횡비뿐만 아니라 선단의 곡률반경도 조절할 수 있음을 확인하였다. 본 연구에서 개발한 하이브리드 자외선 노광법은 추후 미소약물전달장치, 의료용 미소접착제 등의 개발에 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
- 이를 기초로 자체 개발한 자외선 노광시스템과 SU-8 2150음성감광제를 이용하여 3차원 고종횡비 미소구조물을 제작함으로써 관련 공정조건(하부기판 조건, SU-8 소프트 베이킹 시간, 자외선 조사각도 등) 이 최종 제작된 미소구조물 형상(종횡비, 선단의 곡률반경 등)에 미치는 영향을 확인하였다. 먼저, 역노광에 있어 하부기판에서의 자외선 반사는 그 하부기판에 산화흑연 미소입자를 코팅하여 최소화시킴으로써 미소구조물 제작의 완성도 및 반복도를 높일 수 있었다. 또한 소프트 베이킹 시간은 솔벤트 함량 기반의 열무게 분석 방법으로 최적화함으로써, 최적화되지 않은 조건 대비 미소 구조물의 높이와 선단의 곡률반경을 각각 34%와 90% 개선하였다.
- 이는 자외선의 조사각도가 커질수록 미소구조물 끝단이 날카로워져야 한다는 일반적인 통념과 반대되는 현상이다. 이 현상의 원인을 파악하기 위해 추가 실험을 해 본 결과, 자외선 노광 후 현상과정에서 미소구조물선단부에 해당하는 곳에 위치한 SU-8을 충분히 제거하지 않아 발생한 것으로 판단된다.
후속연구
- 마지막으로 자외선의 조사각도를 조절하여 미소구조물의 종횡비뿐만 아니라 선단의 곡률반경도 조절할 수 있음을 확인하였다. 본 연구에서 개발한 하이브리드 자외선 노광법은 추후 미소약물전달장치, 의료용 미소접착제 등의 개발에 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
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