KR100573927B1

KR100573927B1 - 미세한 3차원 자유곡면 형성방법

Info

Publication number: KR100573927B1
Application number: KR1020040050154A
Authority: KR
Inventors: 양동열; 공홍진; 박상후; 임태우
Original assignee: 한국과학기술원
Priority date: 2004-06-30
Filing date: 2004-06-30
Publication date: 2006-04-26
Also published as: KR20060001124A

Abstract

본 발명은 나노산업, 전자 및 광통신, 광메모리 분야 등에서 필수적으로 요구되는 나노급 정밀도를 가지는 미세한 3차원 자유곡면 형상을 단층으로 형성하는 방법에 관한 것으로서, 본 발명의 미세한 3차원 자유곡면 형성방법은, 그림파일 정보를 기초로 광경화성 수지에 대한 가공크기를 달리하는 가공영역과 비 가공영역을 설정하는 단계, 설정된 가공영역과 비 가공영역을 아스키형태의 메트릭스로 변환하는 단계, 상기 메트릭스에 기초하여 가공영역에만 선택적으로 레이저를 조사하되 가공크기에 따라 레이저 조사시간을 달리하면서 조사하여 광경화성 수지를 단층으로 경화시키는 단계, 및 광경화성 수지에서 경화되지 않은 부분을 제거하여 그림파일과 동일한 3차원 자유곡면을 갖도록 완성하는 단계로 구성된다. 본 발명은 레이저를 이용하여 광경화성 수지를 직접적으로 경화시켜 나노급 정밀도를 가지는 미세한 3차원 자유곡면 형상을 단층으로 형성함으로써 공정시간을 단축하는 효과가 있다.

Description

미세한 3차원 자유곡면 형성방법{Direct fabrication method of three-dimensional micro-scaled surfaces}

도 1은 광경화성 수지를 이용하여 3차원 자유곡면을 형성하는 미세 수지가공장치의 일례를 도시한 개략도이고,

도 2는 도 1에 도시된 광경화성 수지가 있는 유리판에 레이저 광을 초점시킨 형태를 도시한 개략도이며,

도 3은 도 1에 도시된 장치를 이용하여 본 발명의 한 실시예에 따른 미세한 3차원 자유곡면을 형성시키는 과정을 도시한 블록도이고,

도 4는 본 발명의 한 공정으로 그림파일을 복합 복셀 메트릭스로 전환한 일례를 나타낸 도면이며,

도 5는 복합 복셀 메트릭스의 스캐닝법에 의해 형성된 미세한 3차원 자유곡면 형상을 나타낸 도면이고,

도 6은 본 발명이 적용되는 레이저 광의 조사시간에 따라 복셀의 높이가 달라지는 실험결과를 나타낸 도면이다.

♠ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 ♠

100 : 수지가공장치 110 : 광원

120 : 아이솔레이터 130 : 차단기

140 : 스캐너 150 : 초점렌즈

160 : 틸팅장치 165 : 대물렌즈

170 : 받침대 180 : 이송테이블

본 발명은 3차원 자유곡면을 형성하는 방법에 관한 것이며, 더욱 상세하게는 나노산업, 전자 및 광통신, 광메모리 분야 등에서 필수적으로 요구되는 나노급 정밀도를 가지는 미세한 3차원 자유곡면 형상을 단층으로 형성하는 방법에 관한 것이다.

이 분야의 종래기술로는 제품개발기간의 단축과 다품종 소량생산을 위한 기반으로 동시공학(Concurrent Engineering)적 접근방법에 대한 관심이 집중되어 개발단계에서 시제품을 제작하기 위한 여러 쾌속시작기술(Rapid Prototyping)이 사용 되고 있다. 지금까지의 쾌속시작기술은 일반 기계제품의 부품과 같이 비교적 큰 형상제작에 집중되어 있다.

여러 가지 쾌속시작기술 중에서 광경화 조형공정(Stereo Lithography, SLA)에 대해서는 대한민국 공개특허공보 제2002-084770호에 전반적으로 기술되어 있다. 그러나 상기 공정은 기계의 큰 부품을 제작하는 기술에 관한 것으로서, 광경화성 조형수지를 레이저로 경화시켜 원하는 부품형상을 제작하는 기술이다.

상기 기술을 기반으로 최근에는 극소형 형상을 제작할 수 있는 장치가 개발 되었는데, Shoji M., Osamu N.과 Satoshi K.의 논문 '이광자 흡수 포토 폴리머를 이용한 3차원 미세제작(Three-dimensional micro-fabrication with two-photon-absorbed photo polymerization, Optics Letter, Vol.22, No.2, pp132-134, 1997)'에서는 광경화성 수지(SCR500)를 사용하는 극소형 광경화 조형장치 및 방법에 대해 제시되어 있다.

그리고 조형기술의 일례로 펨토초 레이저(Femto-second Laser)를 이용한 레이저 가공장치가 있다. 펨토초 레이저는 다른 레이저에 비해 중심부의 에너지 밀도가 높기 때문에, 빔의 회절한계 이하 수준으로 약 100㎚ 정밀도를 가지는 형상을 제작할 수 있게 한다.

한편, 최근 광을 이용한 디스플레이, 메모리 등에 대한 연구가 급속하게 진행되고 있다. 이러한 광을 제어하는 기술에는 기본적으로 마이크로 크기의 광 부품 제작공정이 필수적으로 요구된다. 그리고 이러한 광 부품 중에서 마이크로 렌즈 등의 3차원 자유곡면을 가지는 부품에 대한 개발이 요구되고 있다.

따라서 본 발명은 레이저를 이용하여 광경화성 수지를 직접적으로 경화시켜 나노급 정밀도를 가지는 미세한 3차원 자유곡면 형상을 단층으로 형성함으로써 공정시간을 단축하는 미세한 3차원 자유곡면 형성방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 미세한 3차원 자유곡면 형성방법은, 그림파일 정보를 기초로 광경화성 수지에 대한 가공크기를 달리하는 가공영역과 비 가공영역을 설정하는 단계, 설정된 가공영역과 비 가공영역을 아스키형태의 메트릭스로 변환하는 단계, 상기 메트릭스에 기초하여 가공영역에만 선택적으로 레이저를 조사하되 가공크기에 따라 레이저 조사시간을 달리하면서 조사하여 광경화성 수지를 단층으로 경화시키는 단계, 및 광경화성 수지에서 경화되지 않은 부분을 제거하여 그림파일과 동일한 3차원 자유곡면을 갖도록 완성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

먼저, 본 발명에 따른 미세한 3차원 자유곡면을 형성하는 미세 수지가공장치의 일례에 대해 첨부한 도면을 참조로 하여 상세히 설명하겠다.

도 1은 광경화성 수지를 이용하여 3차원 자유곡면을 형성하는 미세 수지가공장치의 일례를 도시한 개략도이고, 도 2는 도 1에 도시된 광경화성 수지가 있는 유리판에 레이저 광을 초점시킨 형태를 도시한 개략도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 미세 수지가공장치(100)는 크게 레이저를 방출하는 레이저장치와, 레이저의 방향을 컨트롤하여 가공물을 가공하게 하는 컨트롤장치와, 가공물을 이동시켜 대면적 패턴제작을 가능하게 하는 이송장치, 및 레이저장치와 컨트롤장치 그리고 이송장치의 주요부분을 제어하는 제어장치로 구성된다.

레이저장치는 광원(110), 아이솔레이터(120), 차단기(130) 및 반사경(101)으로 구성되어 있다. 본 실시 예에서는 광원(110)으로 펨토초 레이저(Femto-second Laser)를 사용하는데, 전술한 바와 같이 펨토초 레이저는 펄스폭이 80fs(100fs = 100x10^-15s) 정도로 매우 짧기 때문에 높은 첨두출력을 가진다. 따라서 높은 첨두출력 부근에서 이광자 흡수현상에 의해 국부적인 경화가 발생하여 최소 100㎚ 까지 정확하게 수지를 경화시킬 수 있다. 따라서 펨토초 레이저는 미세한 형상도 가공할 수 있는 장점이 있다. 광원(110)의 전방에는 아이솔레이터(120)가 설치된다. 아이솔레이터(120)는 광원(110)에서 조사된 레이저가 역행하는 것을 방지하는 역할을 한다. 아이솔레이터(120)의 전방에는 차단기(130)가 설치되어 있는데, 차단기(130)는 광원(110)에서 조사되는 레이저를 선택적으로 차단하는 역할을 한다. 따라서 차단기(130)의 차단시간 간격을 조절하면 레이저의 1회 조사에 따른 가공영역크기를 조절할 수 있다. 차단기(130)의 전방에는 설정된 경로로 레이저를 조사하는 반사경(101)이 설치된다.

컨트롤 장치는 스캐너(140), 빔 가이드(145)로 구성된다. 스캐너(140)는 일례로 갈바노 미러(Galvano-mirror)를 이용할 수 있는데, 이 갈바노 미러의 내부에는 2개의 반사경이 설치되어 있다. 이 때, 2개의 반사경은 서로 마주보게 설치되어, 광원(110)에서 조사된 레이저의 위치를 아주 미세하게 조절하여 레이저의 초점을 이동시킨다. 빔 가이드(145)는 스캐너(140)를 통해 조사된 레이저가 가공제한범위를 벗어나지 않도록 레이저의 조사범위를 한정시키는 역할을 한다. 즉, 빔 가이드(145)는 레이저가 기기의 고장이나 오차로 인하여 가공범위를 벗어난 곳에 조사되어 기계장비나 관리자를 해할 염려가 있음으로, 레이저의 조사범위를 사전에 한정시킴으로써 안전사고를 미연에 방지하고자 이송장치의 상단에 설치하는 것이 다.

이송장치는 초점렌즈(150), 틸팅장치(160), 받침대(170) 및 이송테이블(180)로 구성되는데, 본 실시예에서는 이들 부재를 하나의 틀에 순서대로 설치하여 일체화하였다.

초점렌즈(150)는 볼록렌즈로 스캐너(140)로부터 조사된 레이저를 집광시키는 역할을 한다. 초점렌즈(150)의 하부에는 대물렌즈(165)가 장착된 틸팅장치(160)가 설치된다. 대물렌즈(165)는 초점렌즈(150)에서 집광된 레이저를 초점화 하여 가공물에 투사시키는 역할을 한다. 틸팅장치(160)는 대물렌즈(165)를 가공물과 평행하게 위치시키는 역할을 한다.

받침대(170)는 틸팅장치(160)의 하부에 설치되는 것으로서, 받침대(170)의 상부에는 가공물인 광경화성 수지가 놓여진다. 광경화성 수지(200)는 도 2에 도시된 바와 같이 2장의 유리(210)와 한 쌍의 지지구(220)에 의해 고정된다. 받침대(170)의 하부에는 이송테이블(180)이 설치되는데, 이송테이블(180)은 수평방향과 수직방향으로 이동이 가능하다. 이 때, 이송테이블(180)은 스캐너(140)의 가공영역(1~50㎛)보다 대면적으로 받침대(170)가 움직이도록 구성함으로써 작은 미세 패턴을 여러 개 반복적으로 생산할 수 있도록 한다.

아래에서는 상기와 같이 구성된 장치를 이용하여 본 발명에 따른 미세한 3차원 자유곡면 형성방법의 양호한 실시예를 첨부한 도면을 참조로 하여 상세히 설명하겠다.

도 3은 본 발명의 한 실시예에 따른 미세한 3차원 자유곡면을 형성시키는 과 정을 도시한 블록도이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 미세한 3차원 자유곡면 형성방법은 가공대상물을 그림파일로 제작하는 단계와, 그림파일을 칼라(색깔이 있는)의 비트맵 파일로 전환하여 가공영역을 설정하는 단계와, 비트맵 파일을 복합 복셀 메트릭스로 전환하는 단계와, 복셀 메트릭스 정보에 따라 레이저장치로 순차적으로 가공하여 가공대상물의 자유곡면을 단층으로 형성하는 단계, 및 레이저에 의해 가공된 경화 부분만을 분리해내어 가공대상물의 자유곡면을 완성하는 단계로 구성된다.

(1) 그림파일 제작단계

일반적으로 물품의 도안은 그래픽 프로그램을 통해 이루어지므로 본 단계의 생략이 가능하다. 그러나 자연물 등 기타 물품을 형성화하고자 할 경우에는 이를 그림파일로 제작하는 단계가 필요한 데, 이 경우에는 디지털카메라와 같은 장치를 이용하여 그림파일로 제작하면 된다.

(2) 가공영역 설정단계(S1)

상기와 같이 준비된 그림파일을 가공영역과 비 가공영역으로 나누고, 또한 가공영역 중에서 그 가공크기를 달리하도록 나누는 단계이다. 즉, 준비된 그림파일은 가공대상물에 따라 그 표면의 높낮이가 다르게 때문에, 이를 고려하여 가공대상물의 표면 형태가 충분히 표현될 수 있도록 그 높낮이에 따라 여러 색의 칼라 비트맵 파일로 전환하여 가공영역을 설정한다.

(3) 복합 복셀 메트릭스로의 전환단계(S2)

비트맵 파일로 전환된 가공크기를 달리하는 가공영역과 비 가공영역을 1, 2, 3 .. 과 0으로 표현되는 아스키코드로 변환한다. 이렇게 그림파일이 아스키코드로 이루어진 메트릭스 형태로 변환된 것을 복셀 메트릭스(voxel matrix)라 한다. 도 4는 비트맵 파일을 복합 복셀 메트릭스로 전환한 일례를 나타낸 것으로서, 도 4에서 복셀(voxel)은 0, 1, 2. 3 으로 표현되는 하나의 코드영역을 의미한다.

본 실시예에서는 그림파일을 메트릭스 형태로 변환하기 위해 마이크로소프트사의 ORIGIN 프로그램을 사용하였다. 이 프로그램은 그림파일을 그 형상에 따라 도 4와 같이 0, 1, 2, 3 으로 변화되는 아스키코드로 변화시켜 준다. 따라서 이 코드 변환프로그램을 사용하면 CAD와 같은 모델링 프로그램을 이용하여 가공대상을 모델링하지 않아도 가공물을 용이하게 데이터화할 수 있다.

(4) 가공단계(S3)

이 단계는 도 1에 도시된 바와 같이 구성된 레이저 가공장치를 이용하여 가공하는 단계로서, 본 실시예의 복제 조형물의 재질로는 광경화성 수지를 사용한다. 그리고 레이저장치는 광경화성 수지에 레이저를 조사하여 경화시킬 수 있는 정도의 레이저를 출력할 수 있는 정도면 충분하고, 다만 일반 그림형태를 마이크로 스케일의 미세형상으로 복제해야 함으로 매우 짧은 광 펄스를 만들어 내는 펨토초 레이저를 이용하는 것이 바람직하다. 펨토초 레이저는 매우 짧은 광 펄스, 예를 들어 80fs의 펄스폭을 갖는다. 이러한 펨토초 레이저의 초점은 최소 수지경화영역이 100㎚ 수준이 되도록 광경화성 수지를 경화시킬 수 있다.

레이저 가공은 복셀 메트릭스(0, 1, 2, 3)로 표현되는 대상가공물의 코드영역과 일치되게 수행된다. 즉, 복셀 메트릭스 스캐닝법(multi-voxel matrix scanning)에 의해 행해져 도 5와 같은 미세한 3차원 자유곡면 형상으로 가공한다. 이 때, 복셀의 크기를 결정짓는 두 공정변수는 레이저의 출력과 조사시간이다. 통상 레이저 출력은 고정된 상태이므로 주된 공정변수는 레이저의 조사시간이 된다. 그 이론적 배경에 대해서는 후술하도록 하겠다.

따라서 본 실시예에서는 복셀의 크기에 맞게 레이저의 조사시간을 설정한다. 레이저의 조사시간은 도 1에 도시된 차단기(130)에 의해 조정된다. 차단기(130)는 레이저가 광경화성 수지의 비 가공영역에는 조사되지 않도록 레이저를 차단하고, 가공영역에서는 가공크기(복셀의 높이)에 따라 조사시간을 조절한다. 즉, 도 6의 실험결과에서 알 수 있듯이, 복셀의 높이가 레이저 광의 조사시간에 따라 달라지기 때문에, 레이저 광의 조사시간을 조절함으로써 가공영역에서의 가공크기(복셀의 높이)를 조절할 수 있다.

레이저의 조사위치는 스캐너(140)에 의해 조정되는데, 스캐너(140)의 동작범위와 간격은 복셀 간의 간격을 기준으로 설정된다. 그리고 레이저의 가공위치는 복셀 메트릭스에서 가공된 코드의 행렬좌표로 정해진다. 복셀의 위치좌표는 맨 좌측 하단의 위치좌표만 지정해 주고 각 복셀 간의 간격을 입력하면 자동으로 정해진다. 이와 같은 값들이 모두 정해지면 레이저가 평면으로 이동하면서 광경화성 수지를 가공한다.

(5) 가공대상물의 3차원 자유곡면 완성단계(S4)

이 단계는 레이저에 의해 가공된 경화 부분만을 분리해내어 가공대상물의 3차원 자유곡면을 완성하는 단계이다. 즉, 광경화성 수지에서 레이저가 조사된 부 분은 경화되어 고체상태이지만, 조사되지 않은 부분은 액체상태이므로 에탄올과 같은 화학약품으로 쉽게 제거함으로써, 가공대상물의 3차원 자유곡면이 단층으로 완성된다.

아래에서는 레이저의 조사시간을 조절함으로써 복셀의 크기를 조절 가능함을 설명하는 이론적 배경에 대해 설명하겠다.

레이저 광의 단면에서의 레이저 출력 분포가 가우스(Gaussian) 분포를 갖는다고 가정하면, 빔의 Rayleigh 영역에서 빔의 세기는 수학식 1, 2와 같이 표현될 수 있다.

상기 수학식에서 H(r)는 단위면적당 빔 세기, H(0)는 상수, r은 초점부의 반경, r_c는 중심에서 빔 외경까지의 거리, 그리고 P는 레이저의 출력을 의미한다. 이광자 흡수 광중합은 라디칼의 밀도에 비례하게 되는데 이는 레이저 출력(P)의 제곱에 비례하여 일어남으로, 결국 이광자 흡수 광중합도 레이저 출력(P)의 제곱에 비례하게 된다.

수학식 3에서 ρ 는 라디칼의 밀도, σ₂ 는 이광자 흡수계수를 의미한다. 따라서 광중합이 발생하는 에너지는 수학식 3에 의해 빔의 강도의 제곱에 비례하게 되므로 수학식 4와 같이 표현할 수 있다.

수학식 4에서 E는 레이저 빔의 에너지, t와 α는 각각 조사시간과 비례상수 값을 의미한다. 또한, 임계 에너지를 E_th라고 둘 때 경화가 발생하기 위해서는 이광자 흡수현상에 의해 유입된 에너지가 이러한 임계 에너지(E_th)보다 더 클 때 경화가 발생한다. 따라서 위에 나타낸 수식과 가정을 바탕으로 하여 복셀의 반경을 구해 보면 수학식 5와 같이 유도될 수 있다.

수학식 5에서 W₀는 초점부 폭을 의미한다. 복셀의 높이는 r = 0 일 때, 가 장 크게 되므로 수학식 6과 같이 표현된다.

수학식 6에서 복셀의 높이(l)는 레이저의 조사시간에 따라 로그함수로 증가함을 알 수 있다. 따라서 복합 복셀 메트릭스에서 각 요소의 조사시간을 달리하면 단층으로 3차원 자유곡면을 생성할 수 있다.

앞서 상세히 설명한 바와 같이 본 발명의 미세한 3차원 자유곡면 형성방법은 레이저를 이용하여 광경화성 수지를 직접적으로 경화시켜 나노급 정밀도를 가지는 미세한 3차원 자유곡면 형상을 단층으로 형성함으로써 공정시간을 단축하는 효과가 있다. 또한, 본 발명은 최근 나노, 반도체, 전자산업 분야에서 적용 가능한 다양한 형태의 3차원 자유곡면 제작에 응용할 수 있는 효과가 있다.

이상에서 본 발명의 미세한 3차원 자유곡면 형성방법에 대한 기술사항을 첨부도면과 함께 서술하였지만 이는 본 발명의 가장 양호한 실시예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니다.

또한 이 기술분야의 통상의 지식을 가진 자이면 누구나 본 발명의 기술사상의 범주를 이탈하지 않고 첨부한 특허청구의 범위내에서 다양한 변형 및 모방이 가능함은 명백한 사실이다.

Claims

임의의 그림파일을 미세형상으로 광경화성 수지에 복제하여 미세한 3차원 자유곡면을 형성하는 방법으로서,

그림파일 정보를 기초로 광경화성 수지에 대한 가공크기를 달리하는 가공영역과 비 가공영역을 설정하는 단계,

설정된 가공영역과 비 가공영역을 아스키형태의 메트릭스로 변환하는 단계,

상기 메트릭스에 기초하여 가공영역에만 선택적으로 레이저를 조사하되 가공크기에 따라 레이저 조사시간을 달리하면서 조사하여 광경화성 수지를 단층으로 경화시키는 단계, 및

광경화성 수지에서 경화되지 않은 부분을 제거하여 그림파일과 동일한 3차원 자유곡면을 갖도록 완성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 미세한 3차원 자유곡면 형성방법.
제1항에 있어서, 상기 광경화성 수지는 펨토초 레이저의 이광자 흡수현상에 의해 경화되는 것을 특징으로 하는 미세한 3차원 자유곡면 형성방법.