[논문]마이크로렌즈 어레이용 몰드 제작을 위한 Photoresist thermal reflow법에서 발생하는 형상 관련 오차 및 이에 대한 보정

김신형; 조영학; 김성만; 이준형

문제 정의

본 연구에서는 형광으로 염색된 molecule 관찰 시 선명도 향상을 위한 집광용으로 사용하기 위하여, 초점거리가 짧은 반구 모양으로 렌즈를 제작하고자 하였다. 다양한 크기의 마이크로렌즈에 대해 짧은 초점거리를 가지는 반구 형상의 렌즈를 제작하기 위해 간단한 공정으로 마이크로렌즈 어레이의 제작이 가능한 포토레지스트의 thermal reflow법을 이용하였으며, 이 thermal reflow법에서 발생하는 형상 관련 오차를 계산하여 마스크 보정에 응용하고자 하였다.

제안 방법

49)를 이용하여 제작하였다. PDMS 렌즈 어레이는 렌즈 몰드에 부어서 굳히는 과정을 반복하는 soft-lithography를 이용하여 제작하였으며, PMMA 렌즈 어레이는 전주를 사용하여 니켈 몰드를 제작한 후 Hot-embossing을 이용하여 제작하였다.
원기둥 모양의 포토레지스트 패턴을 만들기 위해 포토레지스트를 스핀 코팅(spin-coating)하고 UV-lithography를 이용해 패턴을 형성한 후 thermal relfow를 실시하였다. 다양한 크기의 렌즈를 만들기 위하여, 렌즈의 직경 D가 각각 10㎛, 20㎛, 50㎛인 마스크를 제작하였다. 스핀 코팅에 사용된 포토레지스트는 직경 10㎛의 렌즈 어레이의 경우에는 AZ P4330(Solvent 함유량: 65%)을 사용하였으며, 직경 20㎛와 50㎛의 렌즈 어레이의 경우에는 AZ P4620(Solvent 함유량 : 59%)을 사용하였다.
본 연구에서는 형광으로 염색된 molecule 관찰 시 선명도 향상을 위한 집광용으로 사용하기 위하여, 초점거리가 짧은 반구 모양으로 렌즈를 제작하고자 하였다. 다양한 크기의 마이크로렌즈에 대해 짧은 초점거리를 가지는 반구 형상의 렌즈를 제작하기 위해 간단한 공정으로 마이크로렌즈 어레이의 제작이 가능한 포토레지스트의 thermal reflow법을 이용하였으며, 이 thermal reflow법에서 발생하는 형상 관련 오차를 계산하여 마스크 보정에 응용하고자 하였다.
렌즈의 성능평가는 광학 현미경을 이용하여 intensity를 통해 평가하였다. 측정에 이용한 카메라의 S/N은 T3004641이며, 이미지 파일은 Tsview라는 프로그램으로 저장한 후에 Matlab을 이용하여 Intensity 그래프를 얻었다.
본 연구에서는 포토레지스트의 thermal reflow 법을 이용하여 마이크로렌즈 어레이 몰드를 제작하고 Soft-lithography 방법과 Hot-embossing 방법을 이용하여 PDMS 렌즈 어레이와 PMMA 렌즈 어레이를 제작하였다. 마이크로렌즈 어레이 몰드를 제작하는 과정 중 포토레지스트 내부의 솔벤트가 증발하여 부피가 줄어드는 현상이 발생하였다.
1에 나타내었다. 원기둥 모양의 포토레지스트 패턴을 만들기 위해 포토레지스트를 스핀 코팅(spin-coating)하고 UV-lithography를 이용해 패턴을 형성한 후 thermal relfow를 실시하였다. 다양한 크기의 렌즈를 만들기 위하여, 렌즈의 직경 D가 각각 10㎛, 20㎛, 50㎛인 마스크를 제작하였다.
이와 같이 제작된 렌즈의 특성이 잘 나타나는지 확인하기 위해 PMMA 렌즈 어레이의 Intensity를 측정하였다. 광학 현미경의 램프를 최대로 두었을 때의 값을 255로 하여 이에 대한 상대적인 값들을 그래프로 나타내었다.
제작된 마이크로렌즈 어레이를 광학현미경과 3-D Profiler(Dektak 150)를 이용하여 측정하였다(Fig. 2). 각 직경별 렌즈 어레이에 따라 렌즈의 직경 D와 reflow 후의 높이 h에 해당하는 이론값과 실제 제작된 값, 그리고 축소율을 Table 1에 나타내었으며, 렌즈 크기의 변화로 인해 발생하는 변동된 초점거리의 값을 Tabe 2에 나타내었다.

대상 데이터

다양한 크기의 렌즈를 만들기 위하여, 렌즈의 직경 D가 각각 10㎛, 20㎛, 50㎛인 마스크를 제작하였다. 스핀 코팅에 사용된 포토레지스트는 직경 10㎛의 렌즈 어레이의 경우에는 AZ P4330(Solvent 함유량: 65%)을 사용하였으며, 직경 20㎛와 50㎛의 렌즈 어레이의 경우에는 AZ P4620(Solvent 함유량 : 59%)을 사용하였다.
실제 사용하기 위한 렌즈는 PDMS(굴절률 n=1.45)와 PMMA(굴절률 n=1.49)를 이용하여 제작하였다. PDMS 렌즈 어레이는 렌즈 몰드에 부어서 굳히는 과정을 반복하는 soft-lithography를 이용하여 제작하였으며, PMMA 렌즈 어레이는 전주를 사용하여 니켈 몰드를 제작한 후 Hot-embossing을 이용하여 제작하였다.
렌즈의 성능평가는 광학 현미경을 이용하여 intensity를 통해 평가하였다. 측정에 이용한 카메라의 S/N은 T3004641이며, 이미지 파일은 Tsview라는 프로그램으로 저장한 후에 Matlab을 이용하여 Intensity 그래프를 얻었다.

성능/효과

마이크로렌즈 어레이 몰드를 제작하는 과정 중 포토레지스트 내부의 솔벤트가 증발하여 부피가 줄어드는 현상이 발생하였다. 따라서 원하는 크기의 렌즈를 만들기 위해서는 마스크 제작 시, 렌즈의 직경은 111.1% 크게 제작해야 하며, 패턴의 높이는 116.3% 높게 스핀 코팅을 해야 한다는 결론을 얻을 수 있었다.

후속연구

앞으로 실제 보정한 마스크를 이용하여 마이크 로렌즈 어레이를 제작한 후, 추가적인 실험을 통하여 원하는 크기의 렌즈와 그에 따른 초점거리를 확인할 예정이다.

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