KR101980264B1 - 미세 패턴 일체형 광섬유 소자 제작 방법 - Google Patents

미세 패턴 일체형 광섬유 소자 제작 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 종단면에 미세 패턴이 형성된 광섬유로서 이루어지는 미세 패턴 일체형 광섬유 소자를 제작하는 방법에 관한 것으로, 본 발명에 의하면, 광섬유의 종단면에 대해서만 감광층을 형성하는 것이 아니라, 광섬유-페룰 어셈블리의 종단면에 감광층을 형성하거나, 광섬유-페룰 어셈블리를 페룰홀더에 삽입 결합한 후 광섬유-페룰 어셈블리의 종단면과 페룰홀더의 상면에 동시에 감광층을 형성하기 때문에 광섬유의 종단면에 평탄한 감광층을 형성할 수 있으며, 이에 따라 감광층의 노광 및 현상이 이루어질 경우 광섬유의 종단면에는 왜곡되지 않은 형태의 미세 패턴을 형성할 수 있게 된다.

Description

미세 패턴 일체형 광섬유 소자 제작 방법{METHOD FOR FABRICATING OPTICAL FIBER WITH INTEGRATED FINE PATTERN}
본 발명은 광섬유의 종단면에 왜곡되지 않은 형태의 미세 패턴을 형성할 수 있는 미세 패턴 일체형 광섬유 소자의 제작 방법에 관한 것이다.
마이크로 또는 나노 공정 기술의 발달로 인하여, 과거에는 제작상의 한계로 인하여 사용하지 못했던 다양한 대상물들의 응용 범위가 넓어지고 있다. 이와 같은 대상물들 가운데 하나인 광섬유는 기존의 전통적인 웨이퍼를 대체할 수 있는 새로운 플랫폼으로서 연구되고 있다. 보다 구체적으로는, 마이크로/나노 공정 기술을 이용하여 광섬유 단면에 다양한 마이크로/나노 구조물을 형성함으로써 광섬유에 다양한 기능성을 부여하고자 하는 연구가 활발히 이루어지고 있다. 즉, 종단면에 렌즈, 격자, 광학 필터 등과 같은 마이크로/나노 구조물을 포함하는 광섬유 소자는, 광통신, 초소형 광소자(photonic device), 바이오 센싱(biosensing), 바이오 이미징(bioimaging) 등 다양한 응용 분야를 가질 수 있다.
이처럼 광섬유의 종단면에 마이크로/나노 구조물 즉 미세 패턴이 형성되어 있는 광섬유를 미세 패턴 일체형 광섬유라 칭한다. 이러한 미세 패턴 일체형 광섬유를 제작하는 기술로서 포토 리소그래피(photo lithography), 나노 임프린팅(nano imprinting), 아크 방전(arc discharge) 등의 기술이 제안되어 왔다.
포토 리소그래피 또는 나노 임프린팅을 이용한 미세 패턴 일체형 광섬유의 제작 기술에 관해서는, "The Optical Fiber Tip : An Inherently Light-Coupled Microscopic Platform for Micro- and Nanotechnologies."(Gorgi Kostovski , Paul R. Stoddart, and Arnan Mitchell, ADVANCED MATERIALS, 2014, DOI: 10.1002/ adma.201304605.) 논문에 잘 나타나 있으며, 일본공개특허공보 제2003-227931호("편광자 일체형 광부품, 그 제조법 및 그것을 사용한 직선 편파 결합 방법", 2003.08.15) 등에도, 포토 리소그래피 방식을 사용하여 광섬유의 종단면에 미세 패턴을 형성하는 기술이 개시되어 있다.
일본공개특허공보 제2003-227931호("편광자 일체형 광부품, 그 제조법 및 그것을 사용한 직선 편파 결합 방법", 2003.08.15.)
"The Optical Fiber Tip : An Inherently Light-Coupled Microscopic Platform for Micro- and Nanotechnologies."(Gorgi Kostovski , Paul R. Stoddart , and Arnan Mitchell, ADVANCED MATERIALS, 2014, DOI: 10.1002/ adma.201304605.)
본 발명은 광섬유의 종단면에 왜곡되지 않은 형태의 미세 패턴을 형성할 수 있는 미세 패턴 일체형 광섬유 소자 제작 방법을 제공하는 것에 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 마스크를 사용하지 않고 사용자가 원하는 다양한 모양의 미세 패턴을 광섬유의 종단면에 제작할 수 있는 미세 패턴 일체형 광섬유 소자 제작 방법을 제공하는 것에 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 미세 패턴 일체형 광섬유 소자 제작 방법은, 종단면에 미세 패턴이 형성된 광섬유로서 이루어지는 미세 패턴 일체형 광섬유 소자를 제작하는 방법으로서, 광섬유(500)의 종단면이 페룰(600)의 종단면과 동일 평면상에 위치하도록 상기 페룰(600) 안에 상기 광섬유(500)가 결합되어 광섬유-페룰 어셈블리(1000)가 형성되는 광섬유-페룰 어셈블리 형성 단계; 상기 광섬유-페룰 어셈블리(1000)의 종단면에 감광성 재료가 도포되어 감광층(550)이 형성되는 감광층 형성 단계; 상기 감광층(550)에 패턴광이 조사되어 상기 감광층(550)의 노광이 이루어지는 감광층 노광 단계; 및 상기 광섬유(500)의 종단면에 상기 패턴광의 형상에 따른 미세 패턴이 형성되도록 상기 감광층(550)이 현상되는 감광층 현상 단계;를 포함하여 이루어질 수 있다.
여기서, 상기 광섬유-페룰 어셈블리 형성 단계는, 상기 광섬유(500)가 상기 페룰(600) 안으로 삽입되는 단계; 상기 광섬유(500)와 상기 페룰(600) 사이의 갭에 액체 상태의 폴리머(700)가 채워지는 단계; 상기 액체 상태의 폴리머(700)에 열이 가해져 상기 광섬유(500)와 상기 페룰(600)이 결합되는 단계; 및 상기 광섬유(500)의 종단면이 상기 페룰(600)의 종단면과 동일 평면상에 위치하도록 폴리싱되는 단계;를 포함하여 이루어질 수 있다.
그리고 상기 감광층 현상 단계 이후에, 상기 광섬유(500)와 상기 페룰(600) 사이의 갭에 채워진 폴리머(700)가 폴리머 제거 용액(800)에 의해 제거되어, 상기 광섬유-페룰 어셈블리(1000)에서 상기 광섬유(500)를 분리시키는 광섬유 분리 단계;가 더 이루어질 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 미세 패턴 일체형 광섬유 소자 제작 방법은, 광원(110)으로부터 조사된 광이 공간 광 변조기(120)에 의해 상기 광섬유(500)의 종단면에 미세 패턴을 형성하기 위한 상기 패턴광으로 변조되는 광 변조 단계;를 더 포함하여, 상기 광 변조 단계에서 변조된 상기 패턴광이 상기 감광층(550)에 조사될 수 있다.
이 때, 상기 공간 광 변조기(120)는, 배치 각도가 가변되는 다수개의 가변 미러(125)들이 평면 상에 배열된 형태로 이루어져, 상기 가변 미러(125)들의 배치 각도에 따라 입사된 광을 선택적인 방향으로 반사시킴으로써 상기 패턴광으로 변조하는 디지털 미소반사 표시기(Digital Micromirror Device, DMD)일 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 미세 패턴 일체형 광섬유 소자 제작 방법은, 상기 광 변조 단계에서 변조된 상기 패턴광이 집광 렌즈(130)에 의해 축소되는 광 축소 단계;를 더 포함하여, 축소된 상기 패턴광이 상기 감광층(550)에 조사될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 미세 패턴 일체형 광섬유 소자 제작 방법은, 상기 공간 광 변조기(120) 및 상기 집광 렌즈(130) 사이에 빔 스플리터(140)가 더 구비되고, 상기 집광 렌즈(130) 후단측에 관측용 카메라(150)가 더 구비되어, 상기 광 변조 단계에서 변조된 상기 패턴광이 상기 빔 스플리터(140)로 입사되어 광경로가 변경됨으로써 상기 집광 렌즈(130)로 입사되어 상기 광 축소 단계가 수행되고, 상기 감광층(550)에 조사 및 반사된 반사광이 상기 빔 스플리터(140)를 통과하여 상기 관측용 카메라(150)에 입사되어 상기 감광층(550)의 영상이 획득되는 감광층 영상 획득 단계가 더 수행되도록 이루어질 수 있다.
여기서, 상기 미세 패턴 일체형 광섬유 소자 제작 방법은, 상기 광원(110)이, 상기 감광성 재료와 반응하는 광특성을 가지는 특성광을 발생시키는 특성광원(111) 및 백색광으로부터 상기 특성광이 제거되어 이루어지는 관측광을 발생시키는 관측광원(112)을 포함하여 이루어져, 상기 특성광에 의해 상기 감광층 노광 단계가 수행되고, 상기 관측광에 의해 상기 감광층 영상 획득 단계가 수행되도록 이루어질 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 미세 패턴 일체형 광섬유 소자 제작 방법은, 상기 광원(110) 및 상기 공간 광 변조기(120) 사이에 빔 균질기(160)가 더 구비되어, 상기 광원(110)으로부터 조사된 광이 상기 빔 균질기(160)에 의해 광 세기가 균일화된 후 상기 공간 광 변조기(120)로 입사되어 상기 광 변조 단계가 수행되도록 이루어질 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 미세 패턴 일체형 광섬유 소자 제작 방법은, 상기 광원(110) 및 상기 공간 광 변조기(120) 사이에 빔 확장기(170)가 더 구비되어, 상기 광원(110)으로부터 조사된 광이 상기 공간 광 변조기(120)의 광 입사면 면적에 상응하는 면적을 가지도록 확장된 후 상기 공간 광 변조기(120)로 입사되어 상기 광 변조 단계가 수행되도록 이루어질 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 미세 패턴 일체형 광섬유 소자 제작 방법은, 상기 공간 광 변조기(120) 및 상기 집광 렌즈(130) 사이에 축소 렌즈(180)가 더 구비되어, 상기 공간 광 변조기(120)에 의해 변조된 패턴광이 상기 축소 렌즈(180)에 의해 미리 축소된 후 상기 집광 렌즈(130)로 입사되어 상기 광 축소 단계가 수행되도록 이루어질 수 있다.
이 때, 상기 감광층 형성 단계에서 형성되는 감광층(550)은, 상기 광섬유-페룰 어셈블리(1000)의 종단면이 페룰홀더(900)의 상면과 동일 평면상에 위치하도록, 상기 페룰홀더(900)에 구비된 홀(950)에 상기 광섬유-페룰 어셈블리(1000)가 삽입 결합된 후, 상기 광섬유-페룰 어셈블리(1000)의 종단면과 상기 페룰홀더(900)의 상면에 동시에 형성되는 것일 수 있다.
또한, 본 발명에 의한 무마스크 리소그래피 시스템을 이용한 미세 패턴 일체형 광섬유 소자는, 상술한 바와 같은 제작 방법에 의하여 제작되는 것을 특징으로 한다.
이 때, 상기 광섬유(500)는, 단일모드 광섬유(single mode fiber), 다중모드 광섬유(multi mode fiber), 그린렌즈 광섬유(GRIN fiber), 공기구멍이 제거된 광결정 광섬유(photonic crystal fiber) 및 코어없는 광섬유(coreless silica fiber) 중 어느 하나일 수 있다.
본 발명에 의하면, 광섬유의 종단면에 대해서만 감광층을 형성하는 것이 아니라, 광섬유-페룰 어셈블리의 종단면에 감광층을 형성하거나, 광섬유-페룰 어셈블리를 페룰홀더에 삽입 결합한 후 광섬유-페룰 어셈블리의 종단면과 페룰홀더의 상면에 동시에 감광층을 형성하기 때문에 광섬유의 종단면에 평탄한 감광층을 형성할 수 있으며, 이에 따라 상기 감광층의 노광 및 현상이 이루어질 경우 상기 광섬유의 종단면에는 왜곡되지 않은 형태의 미세 패턴을 형성할 수 있게 된다.
또한, 공간 광 변조기에 기반한 무마스크 리소그래피 시스템을 이용하여 광섬유의 종단면에 미세 패턴을 형성할 경우에는, 기존의 포토 리소그래피를 이용하는 방식과 비교하여 새로운 미세 패턴을 갖는 광섬유 소자를 제작할 때마다 그에 맞는 새로운 마스크를 제작할 필요가 없으며, 이에 따라 마스크 제작에 필요한 시간, 비용, 인력 등의 자원을 절약할 수 있다는 장점이 있다. 즉, 미세 패턴 일체형 광섬유 소자의 제작에 있어서 경제성, 효율성, 생산성 등이 비약적으로 증대될 수 있다. 게다가, 광섬유의 종단면에 형성되는 미세 패턴을 변경하고자 하는 경우에는 공간 광 변조기를 이용하여 간단히 패턴광의 형상만 바꾸면 되기 때문에, 마스크를 새로 바꾸어야 한다거나 마스크의 위치를 정렬해야 하는 등의 부가 작업을 전혀 필요로 하지 않아, 제조하고자 하는 미세 패턴이 변경되더라도 공정의 연속성을 해치지 않으며, 이에 따라 생산성 등을 더욱 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 미세 패턴 일체형 광섬유 소자를 제작하는 방법을 나타낸 도면이다.
도 2는 무마스크 리소그래피 시스템의 한 실시예이다.
도 3는 광섬유-페룰 어셈블리를 형성하는 단계를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 4의 (a)는 기존의 광섬유 커넥터(fiber optic connector)에 광섬유-페룰 어셈블리가 결합된 모습을 나타낸 도면이고, (b)는 페룰의 규격을 예시적으로 나타낸 도면이다.
도 5는 디지털 미소반사 표시기의 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 6의 (a)는 디지털 미소반사 표시기를 이용하여 만들어지는 패턴의 한 실시예를 나타낸 도면이고, (b)는 감광층에 패턴광이 조사되어 노광 중인 감광층의 모습을 나타낸 도면이다.
도 7의 (a)는 공간 광 변조기에서 만들어진 패턴광에 의해 노광 중인 감광층의 모습을 나타낸 도면이고, (b)는 노광된 감광층이 현상되어 광섬유의 종단면에 미세 패턴이 형성된 모습을 나타낸 도면이다.
도 8은 본 발명의 제1 실시예에 따른 제작 방법에 의하여 만들어진 다양한 미세 패턴 일체형 광섬유 소자를 나타낸 도면이다.
도 9는 본 발명의 제2 실시예에 따른 미세 패턴 일체형 광섬유 소자를 제작하는 방법을 나타낸 도면이다.
도 10은 페룰홀더 및 광섬유-페룰 어셈블리를 예시적으로 나타낸 도면이다.
도 11은 무마스크 리소그래피 시스템의 다른 실시예이다.
이하, 본 발명에 따른 미세 패턴 일체형 광섬유 소자 제작 방법을 첨부된 도면을 참고하여 상세하게 설명한다. 실시예의 설명에 이용하는 도면은 어느 것이나 본 발명에 따른 미세 패턴 일체형 광섬유 소자 제작 방법을 모식적으로 나타내는 것으로서, 이해를 높이기 위해 부분적인 강조, 확대, 축소 또는 생략 등을 하고 있으며, 각 구성부재의 축척이나 형상 등을 정확히 나타내는 것이 아닌 경우가 있다. 또한, 실시예에서 이용하는 다양한 수치는 어느 것이나 일례를 나타내는 것이며, 필요에 따라 다양하게 변경하는 것이 가능하다.
<제1 실시예>
본 발명의 제1 실시예에 따른 미세 패턴 일체형 광섬유 소자 제작 방법은, 종단면에 미세 패턴이 형성된 광섬유로서 이루어지는 미세 패턴 일체형 광섬유 소자를 제작하는 방법에 관한 것이다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 미세 패턴 일체형 광섬유 소자를 제작하는 방법을 나타낸 도면이다. 본 발명의 제1 실시예에 따른 미세 패턴 일체형 광섬유 소자 제작 방법은, 먼저 광섬유(500)의 종단면이 페룰(600)의 종단면과 동일 평면상에 위치하도록 페룰(600) 안에 광섬유(500)가 결합되어 광섬유-페룰 어셈블리(1000)가 형성되는 광섬유-페룰 어셈블리 형성 단계와, 광섬유-페룰 어셈블리(1000)의 종단면에 감광층(550)이 형성되는 감광층 형성 단계가 이루어진다. 그 후, 도 2에 도시된 바와 같은 무마스크 리소그래피 시스템을 이용하여 광 변조 단계, 광 축소 단계 및 감광층 노광 단계가 이루어질 수 있다. 그리고 상기 감광층 노광 단계 이후에는, 광섬유(500)의 종단면에 상기 패턴광의 형상에 따른 미세 패턴이 형성되도록 감광층(550)이 현상되는 감광층 현상 단계가 이루어진다.
도 1(a)는 광섬유-페룰 어셈블리의 예시적인 모습(좌측) 및 이를 개략적으로 나타낸 모습(우측)에 대한 도면으로서, 이하에서는 도 3을 참고하여 광섬유-페룰 어셈블리(1000)를 형성하는 단계에 대해 자세히 설명하기로 한다.
도 3은 광섬유-페룰 어셈블리를 형성하는 단계를 개략적으로 나타낸 도면이다. 광섬유(500)는 보통 최외각이 폴리머 자켓(polymer jacket)으로 이루어져 있고, 그 내부는 클래딩 및 상기 클래딩에 의해 에워싸여 있는 코어로 이루어져 있다. 여기서, 폴리머 자켓은 클래딩 및 코어로 이루어진 광섬유를 보호하기 위한 것이므로, 일반적인 광섬유 기반 응용 공정에서는 이와 같은 폴리머 자켓을 제거하고 사용한다. 이에 따라, 본 발명에 따른 광섬유-페룰 어셈블리 형성 단계는, 도 3(a)에 나타낸 바와 같이 폴리머 자켓이 제거된 상태에서 종단면이 평탄하게 잘려진 광섬유(500)를 준비하는 광섬유 준비 단계가 먼저 이루어질 수 있다.
광섬유 준비 단계 이후에는, 도 3(b)에 나타낸 바와 같이 광섬유(500)가 페룰(600) 안으로 삽입되는 광섬유 삽입 단계가 이루어진다. 웨이퍼에 감광성 재료를 도포하여 감광층을 형성하는 가장 일반적인 방법으로는 스핀 코터(spin coater)를 이용하는 스핀 코팅법이 있다. 하지만 광섬유(500)는 그 단면이 보통 수~수백 μm의 직경을 갖기 때문에 스핀 코터를 이용하여 광섬유(500)의 종단면에 감광층을 형성하는 것은 매우 어려운 일이다. 또한, 딥(dip) 코팅법을 통해 광섬유(500)의 종단면에 감광층을 형성할 경우에는, 감광성 재료가 광섬유(500) 종단면에서 그 중심으로 모여드는 표면장력의 영향으로 인해 광섬유(500)의 종단면 전체에 감광층을 평탄하게 형성하기 어렵다.
이에 따라, 본 발명의 제1 실시예에서는 광섬유(500)의 종단면 전체에 평탄화된 감광층이 형성될 수 있도록 하기 위해, 광섬유(500)를 페룰(600)과 결합시켜 광섬유-페룰 어셈블리(1000)를 형성한 뒤 상기 광섬유-페룰 어셈블리(1000)의 종단면 전체에 감광층(550)을 형성하는 방법을 이용한다. 광섬유(500)가 삽입 결합되는 페룰(600)의 예로는 대표적으로 세라믹 페룰과 스테인레스 페룰이 있다.
한편, 광섬유-페룰 어셈블리(1000)가 도 4(a)에 나타낸 기존의 광섬유 커넥터(fiber optic connector)에 사용되기 위해서는, 도 4(b)에 나타낸 바와 같이 페룰(600)의 종단면 직경은 2.5mm이고, 페룰(600)의 높이는 10.5mm이며, 페룰(600)의 중앙에 구비되는 관통구멍의 직경은 125μm(이러한 페룰의 규격은 기존의 광섬유 커넥터에 결합될 수 있는 국제 표준에 해당함)인 것을 사용하는 것이 바람직하다. 다만, 본 발명에서 페룰(600)의 규격은 반드시 이와 같은 것만으로 한정되는 것은 아니며, 사용자의 선택에 따라 얼마든지 다양한 것을 사용할 수 있음은 물론이다.
광섬유(500) 삽입 단계 이후에는, 도 3(c)에 나타낸 바와 같이 광섬유(500)와 페룰(600) 사이의 갭(gap)에, 액체 상태의 폴리머(700)를 채우고 이에 열을 가함으로써 광섬유(500)와 페룰(600)이 상기 폴리머(700)를 통해 서로 결합되는 광섬유-페룰 결합 단계가 이루어진다. 부연하면, 광섬유(500)와 페룰(600) 사이의 갭에는 예를 들어 az9260, az1512(az 뒤에 붙는 숫자는 포토레지스트의 점성에 따라 결정됨)와 같은 az 계열의 포토레지스트가 채워질 수 있으며, 이 때 사용하는 az 계열의 포토레지스트는 액체 상태이므로, 광섬유(500)와 페룰(600) 사이의 갭에 az 계열의 포토레지스트를 채운 뒤에는 오븐에 넣고 약 110도의 열을 가하는 것이 바람직하다. 이와 같이 액체 상태의 폴리머(700)에 열이 가해지면, 용매(solvent)가 날라가면서 폴리머(700)는 딱딱한 상태가 되며(이를 소프트 베이크(soft bake) 과정이라 함), 이 과정에서 광섬유(500)와 페룰(600)은 폴리머(700)에 의해 견고하게 결합될 수 있게 된다.
광섬유-페룰 결합 단계 이후에는, 도 3(d)에 나타낸 바와 같이 광섬유(500)의 종단면이 페룰(600)의 종단면과 동일 평면상에 위치하도록 폴리싱(polishing)되는 폴리싱 단계가 이루어진다. 상기 폴리싱 단계는 미세한 입자가 도포된 폴리싱필름(polishing film)을 통해, 광섬유(500)에 대해서만 이루어지거나, 광섬유와 페룰(600) 모두에 대해 동시에 이루어질 수 있다. 이와 같은 폴리싱에 의해 광섬유(500)의 종단면은 웨이퍼처럼 깨끗하고 매끄러운 표면을 가질 수 있게 되며, 이에 따라 광섬유(500)의 종단면에는 평탄한 감광층의 형성 및 왜곡되지 않은 형태의 미세 패턴 형성이 가능해지게 된다.
광섬유-페룰 어셈블리(1000)를 형성한 이후에는, 도 1(b)에 나타낸 바와 같이 광섬유-페룰 어셈블리(1000)의 종단면에 감광성 재료가 도포되어 감광층(550)이 형성되는 감광층 형성 단계가 이루어진다.
수~수백 μm 정도의 직경을 갖는 광섬유(500)는, 그 종단면의 면적이 일반적인 리소그래피의 플랫폼으로 사용되는 웨이퍼 면적에 비해 매우 작으며, 이에 따라 감광성 재료를 광섬유(500)의 종단면에 평탄하게 도포하는 일은 결코 용이하지 않다. 그런데 감광층(550)이 평탄하게 형성되지 못할 경우 상기 광섬유(500)의 종단면에 형성하고자 하는 미세 패턴의 정확도 및 정밀도가 크게 떨어지기 때문에, 이렇게 제작된 미세패턴 일체형 광섬유 소자는 원하는 기능을 제대로 발휘할 수 없게 된다. 이에 따라, 본 발명에서는 광섬유(500)의 종단면에 대해서만 감광성 재료를 도포하여 감광층(550)을 형성하는 것이 아니라, 광섬유(500)가 페룰(600)에 결합된 광섬유-페룰 어셈블리(1000)를 형성한 뒤 상기 광섬유-페룰 어셈블리(1000)의 종단면 전체에 감광성 재료를 도포하여 감광층(550)을 형성함으로써 광섬유(500)의 종단면에 평탄한 감광층(550)이 형성될 수 있도록 한다. 여기서, 감광층(550)은 광섬유-페룰 어셈블리(1000)의 종단면에 감광성 재료를 스핀 코팅하는 스핀 코팅법에 의해 형성될 수 있으며, 이외에도 스프레이법 또는 evaporation법 등을 통해 광섬유-페룰 어셈블리(1000)의 종단면에 감광성 재료를 도포하여 감광층(550)을 형성할 수 있다.
감광층 형성 단계 이후에는 광 변조 단계가 이루어질 수 있다. 광 변조 단계에서는, 도 2에 나타낸 바와 같이 광원(110)으로부터 조사된 광이 공간 광 변조기(120)에 의해 광 진행 경로에 수직한 단면상에서 패턴을 형성하는 패턴광으로 변조된다.
공간 광 변조기(120)는 이에 입사되는 광을 광의 입사 위치에 따라 선택적으로 다른 방향으로 반사시키거나, 광의 입사 위치에 따라 광 흡수 정도를 달리 하여 반사광의 세기가 선택적으로 달라지게 하는 등과 같은 방식을 이용하여, 광 진행 경로에 수직한 단면 상에서 광에 패턴이 형성되도록 변조하는 역할을 한다. 즉, 공간 광 변조기(120)는 이에 포함된 화소들 중에서 원하는 화소에 입사된 광만을 선택적으로 전달(즉, 사용자가 원하는 위치로 전달)할 수 있도록 이루어진 장치이다.
도 2에는 공간 광 변조기(120)가 예를 들어 디지털 미소반사 표시기(Digital Micromirror Device, DMD)인 것을 도시하고 있는데, 디지털 미소반사 표시기란 배치 각도가 가변되는 다수개의 가변 미러(125)들이 평면 상에 배열된 형태로 이루어져, 상기 가변 미러(125)들의 배치 각도에 따라 입사된 광을 선택적인 방향으로 반사시킴으로써 패턴광으로 변조하는 장치이다.
도 5를 통해 디지털 미소반사 표시기의 원리를 보다 상세히 설명하면 다음과 같다. 공간 광 변조기(120)의 광 입사면에는 도시된 바와 같이 다수개의 가변 미러(125)들이 배열되어 있다. 가변 미러(125)들은 1차원 어레이를 형성해도 되고, 2차원 배열을 형성해도 되는 등, 사용자의 목적에 따라 적절한 것이 선택될 수 있다. 광이 공간 광 변조기(120)의 광 입사면에 입사될 때 가변 미러(125)들 중에서 일부 영역(도 5의 예시에서 중앙 부분)에 위치하는 가변 미러의 배치 각도를 변경하면, 상기 일부 영역에 위치하는 가변 미러에 입사된 광이 반사되어 진행되는 경로(도 5의 예시에서 ON-lay로 표시)와, 상기 가변 미러(125)들 중 상기 일부 영역을 제외한 다른 영역(도 2의 예시에서 양측 가장자리 부분)에 입사된 광이 반사되어 진행되는 경로(도 5의 예시에서 OFF-lay로 표시)는 서로 다르게 나타난다. 이 때 ON-lay 경로 상에서 광의 단면을 관측하면, 상기 공간 광 변조기(120)로 입사된 광은 ON-lay 영역에서는 원래의 세기를 유지하지만 OFF-lay 영역에서는 광 세기가 0이 되어, 결과적으로 광 단면 상에 패턴이 형성된 패턴광으로 변조될 수 있게 된다.
도 6(a)는 디지털 미소반사 표시기를 이용하여 만들어지는 패턴의 한 실시예이고, 도 6(b)는 도 6(a)와 같은 패턴으로 변조된 패턴광이 감광층(550)에 노광 중인 모습을 관측한 실시예이다. 도 6에 나타낸 바와 같이, 디지털 미소반사 표시기의 가변 미러(125)들의 배치 각도를 적절히 변경시켜서 원하는 패턴을 만들기만 하면, 그 패턴을 그대로 광섬유(500)의 종단면에 조사시켜 감광층(550)을 노광시킬 수 있다. 즉, 마스크 없이도 패턴 노광이 가능해지는 것이다. 물론 본 발명에서 공간 광 변조기(120)가 반드시 디지털 미소반사 표시기여야만 하는 것은 아니며, LCD 등과 같은 형태로 이루어질 수도 있다.
이처럼 디지털 미소반사 표시기 등과 같은 공간 광 변조기(120)에 의해 만들어지는 패턴은, 컴퓨터 등에 의해 용이하게 변경 제어가 가능하다. 따라서, 본 발명에 의하면 기존의 포토 리소그래피에서 포토 마스크를 사용하여 패턴 노광을 수행할 때, 패턴을 변경시키기 위해 그에 맞는 포토 마스크를 새롭게 제작해야만 했던 문제를 원천적으로 제거하여 시간 및 비용 등을 훨씬 절약할 수 있다. 뿐만 아니라, 본 발명에 의하면 패턴이 변경되더라도 포토 마스크의 교체 등과 같이 어떤 부품 자체의 위치 변경이 이루어지는 것이 아니기 때문에, 패턴 변경 전후로 장치들의 위치 정렬 등과 같은 부가 작업들이 원천적으로 제거되어 공정 시간을 훨씬 단축할 수 있다.
광 변조 단계 이후에는 광 축소 단계가 이루어질 수 있다. 광 축소 단계에서는, 상기 광 변조 단계에서 변조된 패턴광이 집광 렌즈(130)에 의해 상기 광섬유(500)의 종단면에 상응하는 면적을 가지도록 축소될 수 있다. 앞서 설명한 바와 같이, 광섬유(500)의 직경은 수~수백 μm 정도이고, 페룰(600)의 직경은 상기 페룰(600)이 기존의 광섬유 커넥터에 사용될 경우를 가정하면 2.5mm 정도에 불과하다. 이에 반하여, 상기 공간 광 변조기(120)에 의해 만들어지는 패턴 면적은 대개 이보다 크게 형성된다. 일례로 현재 널리 상용화된 디지털 미소반사 표시기는 가변 미러(125) 1개당 17×17μm2의 면적을 가지고 화소수는 768×576인 것으로 알려져 있으며, 이에 따라 디지털 미소반사 표시기에 의해 만들어지는 패턴 면적은 13056×9792μm2이다. 따라서, 공간 광 변조기(120)에 의해 만들어지는 패턴 면적을 갖는 광이 광섬유(500)의 종단면에 그대로 입사될 경우에는 상기 감광층(550) 상에 원하는 형상의 패턴이 형성될 수 없기 때문에, 상기 패턴광을 집광 렌즈(130)에 통과시켜 축소시키는 것이 바람직하다(부연하면, 도 2 등에서는 발명의 이해를 돕기 위해 광 면적을 고려하지 않고 광의 진행 방향을 화살표로 단순화하여 표시하였고, 또한 광섬유, 페룰, 공간 광 변조기도 실제보다 그 스케일이 변경되어 표시되어 있다). 한편, 광섬유(500)의 직경이 달라질 경우에는 집광 렌즈(130)의 배율을 조절하여 광섬유(500)의 종단면에 맞게 패턴광의 축소 정도를 조절할 수 있다.
광 축소 단계 이후에는 감광층 노광 단계가 이루어진다. 감광층 노광 단계에서는, 도 1(c)에 나타낸 바와 같이 패턴광(또는, 집광 렌즈(130)에 의해 축소된 패턴광)이 상기 감광층(550)에 조사되어 감광층(550)의 노광이 이루어진다. 상술한 바와 같이, 상기 광 변조 단계에서는 광 단면상에 원하는 형상의 패턴이 형성되도록 하고, 상기 광 축소 단계에서는 광 면적이 광섬유(500)의 종단면에 상응하는 면적을 가지도록 축소되므로, 상기 감광층(550)은 사용자가 원하는 형상의 패턴대로 정확한 노광이 이루어질 수 있다. 도 7(a)에 나타낸 사진은 공간 광 변조기(120)에서 만들어진 패턴이 광섬유(500)의 종단면에 형성된 감광층(550)에 얼마나 잘 노광되는지를 확인하기 위해, 광섬유(500)의 종단면에서 노광 중인 감광층(550)을 CCD 카메라로 촬영한 모습이다. 이에 의하면, 상기 패턴광에 의해 노광이 이루어지는 감광층(550) 영역에는 어떠한 왜곡도 나타나지 않았음을 알 수 있으며, 이는 광섬유(500)의 종단면에 형성된 감광층(550)이 평탄하게 형성되었기 때문에 나타난 결과이다.
감광층 노광 단계 이후에는 감광층 현상 단계가 이루어진다. 감광층 현상 단계에서는, 도 1(d)에 나타낸 바와 같이 광섬유(500)의 종단면에 상기 패턴광의 형상에 따른 미세 패턴이 형성되도록 감광층(550)의 현상(developing)이 이루어지게 된다. 첨언하자면, 도 2 등에 도시된 무마스크 리소그래피 시스템으로는 상기 광 변조 단계부터 상기 감광층 노광 단계까지 이루어지며, 감광층 현상 단계는 상기 감광층 노광 단계까지 이루어진 광섬유-페룰 어셈블리(1000)를 무마스크 리소그래피 시스템으로부터 꺼내서 별도의 현상 장비로 이동시킨 후 수행할 수 있다.
한편, 감광층(550)을 형성하는 감광성 재료는 특정 파장의 광에 반응하여 경화되거나 성질이 달라지는 재료라면 어떠한 것이라도 무방한데, 이러한 감광성 재료의 특성에 따라 각 단계의 세부 공정들이 일부 변경될 수 있다.
예를 들어, 감광층(550)을 형성하는 감광성 재료는 특정 파장의 광에 반응하여 현상액에 잘 용해되는 성질로 바뀌게 되는 재료일 수 있는데, 이 경우 감광층 현상 단계에서는 광이 조사된 부분이 용해되어 제거될 것이므로, 이를 고려하여 상기 광 변조 단계에서는 미세 패턴 구조물이 형성되어 있도록 하고 싶은 부분이 OFF-lay가 되도록 패턴을 형성하면 된다.
다른 예로서, 상기 감광층(550)을 형성하는 감광성 재료는 광(예를 들어, 자외선)이 조사되면 경화되는 성질을 가지는 광경화성 수지(예를 들어, UV 광경화성 수지)일 수 있으며, 이 경우 감광층 현상 단계에서는 광이 조사되지 않은 부분이 용해되어 제거될 것이므로, 이를 고려하여 상기 광 변조 단계에서는 (앞서의 예시와는 반대로) 미세 패턴 구조물이 형성되어 있도록 하고 싶은 부분이 ON-lay가 되도록 패턴을 형성하면 된다.
여기서, 감광성 재료 및 그에 맞는 광 특성, 현상액 등의 예시는 포토 리소그래피 등과 관련된 수많은 문헌에 다양하게 소개되어 있으므로, 사용자의 목적이나 편의에 맞게 적절히 선택하여 사용할 수 있다. 참고로, 도 1(c) 및 도 1(d)에서 감광층(550)은 이를 형성하는 감광성 재료가 광이 조사될 때 경화되는 성질을 갖는 광경화성 수지인 경우를 예로 들어 나타낸 것이며, 도 7(b)는 광이 조사되지 않은 부분이 현상액으로 인해 용해되어 제거된 결과를 CCD 카메라로 촬영한 모습을 나타낸 것이다. 도 7(b)에 나타낸 바와 같이, 광섬유(500)의 종단면에 평탄한 감광층(550)이 형성되었기 때문에, 광섬유(500)의 종단면에는 왜곡 없는 미세 패턴이 형성된 것을 확인할 수 있다.
상기 감광층 현상 단계까지 완료된다는 것은, 광섬유(500)의 종단면에 미세 패턴이 형성된 미세 패턴 일체형 광섬유 소자의 제작이 완료된 것을 의미하는데, 상기 감광층 현상 단계 이후에는 광섬유(500) 자체가 파여지도록 하는 식각 단계를 추가하여 광섬유(500)의 종단면에 미세 패턴이 형성되도록 할 수도 있다. 물론 이는 부가적인 공정으로 반드시 수행되어야 하는 것은 아니며, 필요에 따라 이러한 식각 공정을 수행하여도 되고 그렇지 않아도 무방하다.
다만, 상기 감광층 현상 단계까지 완료될 경우에는 광섬유-페룰 어셈블리(1000)를 구성하는 광섬유(500)의 종단면에 미세 패턴이 형성되는데, 이 때 광섬유-페룰 어셈블리(1000)에서 광섬유(500)를 분리할 수 있다면 다양한 분야에서 유용하게 사용될 수 있다. 즉, 광섬유-페룰 어셈블리(1000)가 아닌 광섬유(500)만으로 이루어진 미세 패턴 일체형 광섬유 소자는 빔 쉐이핑 등에 사용되는 초소형 광소자, 바이오 센싱 또는 이미징에 사용되는 초소형 프루브 등으로 응용이 가능하여, 광, 광통신, 바이오 등 다양한 분야로의 산업적 활용 범위를 크게 확장할 수 있다. 또한, 광섬유(500)의 종단면 자체에 렌즈나 격자(grating) 등과 같은 미세 패턴으로 된 광학 구조물이 형성되어 있는 것이기 때문에, 이러한 광섬유 소자가 적용되는 장치 자체에서는 별도의 광학 부품들을 많이 생략할 수 있어 궁극적으로는 초소형 시스템을 구축하도록 할 수 있다.
광섬유-페룰 어셈블리(1000)에서 광섬유(500)를 분리하는 광섬유 분리 단계는, 도 1(e)에 나타낸 바와 같이 광섬유-페룰 어셈블리(1000)를 폴리머 제거 용액(800)에 디핑(dipping)시켜, 상기 폴리머 제거 용액(800)이 광섬유(500)와 페룰(600) 사이의 갭에 채워진 폴리머(700)를 용해시켜 제거하는 형태로 이루어질 수 있다.
이에 대해 구체적인 예를 들어 설명하면 다음과 같다.
우선, 상기 광섬유-페룰 어셈블리 형성 단계에서, 광섬유(500)를 페룰(600) 안으로 삽입시킨 뒤, 광섬유(500)와 페룰(600) 사이의 갭에 액체 상태의 az 계열 포토레지스트를 채우고, 상기 액체 상태의 az 계열 포토레지스트에 열을 가하여 광섬유(500)와 페룰(600)을 결합시킨다. 이 때, 상기 감광층 형성 단계에서 광섬유-페룰 어셈블리(1000)의 종단면에 형성되는 감광층(550)은 광이 조사될 때 경화되는 광경화성 수지 중 하나이자 포토 리소그래피 공정에서 일반적으로 사용되는 su-8 계열의 포토레지스트로 이루어질 수 있다. 이와 같이 su-8 계열의 포토레지스트로 이루어진 감광층(550)은 상기 감광층 노광 단계에서 광이 조사되는 부분만 경화되며, 그 후 상기 감광층 현상 단계에서 현상이 이루어지면 광섬유(500)의 종단면에는 su-8 계열의 포토레지스트로 이루어진 미세 패턴이 형성된다. 상기 감광층 현상 단계 뒤에는, 광섬유-페룰 어셈블리(1000)를 도 1(e)에 나타낸 바와 같이 폴리머 제거 용액(800)에 디핑(dipping)시키며, 이 때 폴리머 제거 용액(800)으로는 상기 광섬유(500)의 종단면에 형성된 su-8 계열의 포토레지스트로 이루어진 미세 패턴에는 영향을 가하지 않으면서, 광섬유(500)와 페룰(600) 사이의 갭에 채워진 az 계열의 포토레지스트만 용해시켜 제거할 수 있는 아세톤을 사용하는 것이 바람직하다. 부연하면, az 계열의 포토레지스트는 황산과수, removal PG 등을 이용하여 용해시킬 수 있으나, 이러한 용액을 사용하면 su-8 계열의 포토레지스트로 이루어진 미세 패턴에도 손상을 가하게 된다. 이에 반해, 폴리머 제거 용액(800)으로서 아세톤을 사용할 경우에는 su-8 계열의 포토레지스트로 이루어진 미세 패턴에 손상을 가하지 않고 az 계열의 포토레지스트만 용해시켜 제거할 수 있으며, 도 1(f)에 나타낸 바와 같이 폴리머 제거 용액(800)(예를 들어, 아세톤)에 디핑되어 있던 광섬유-페룰 어셈블리(1000)는 취출한 뒤 광섬유(500)를 당기면 광섬유-페룰 어셈블리(1000)로부터 광섬유(500)를 손쉽게 분리해낼 수 있게 된다.
종래에는 광섬유-페룰 어셈블리(1000)를 형성할 때 페룰(600) 안에 광섬유(500)를 삽입시킨 뒤 광섬유(500)와 페룰(600) 사이의 갭에 예를 들어 에폭시를 채워서 경화시켰으며, 그 후 광섬유-페룰 어셈블리(1000)에서 광섬유(500)를 분리하고자 할 때에는 광섬유-페룰 어셈블리(1000)에 수백도에 달하는 고온을 가하여 에폭시를 제거(즉, 에폭시를 태워서 재로 만들었음)하는 방법을 사용하였다. 이와 대비하여, 본 발명에 따른 광섬유 분리 단계에 의하면, 광섬유(500)의 종단면에 형성된 미세 패턴이 수백도에 달하는 고온에 의해 손상(미세 패턴의 왜곡 또는 파괴 등)될 염려 없이 광섬유-페룰 어셈블리(1000)에서 광섬유(500)만 용이하게 분리할 수 있게 된다.
도 1(g)는 광섬유-페룰 어셈블리(1000)에서 분리한 광섬유(500)의 개략적인 모습을 나타낸 도면이고, 도 8은 광섬유-페룰 어셈블리(1000)에서 분리한 광섬유(500)의 종단면을 CCD 카메라로 촬영한 모습을 나타낸 도면으로서, 이에 의하면 광섬유(500)의 종단면에 형성된 미세 패턴에 여하한 손상을 입히지 않고 광섬유-페룰 어셈블리(1000)에서 광섬유(500)를 분리해낼 수 있음을 확인할 수 있다.
<제2 실시예>
이하에서는, 도 9를 참고하여 본 발명의 제2 실시예에 따른 미세 패턴 일체형 광섬유 소자를 제작하는 방법을 설명한다. 본 발명의 제2 실시예에 따른 미세 패턴 일체형 광섬유 소자 제작 방법은 상기 본 발명의 제1 실시예에 따른 미세 패턴 일체형 광섬유 소자 제작 방법과 비교하여, 페룰홀더(900)의 홀(950)에 광섬유-페룰 어셈블리(1000)를 삽입 결합하는 점, 상기 광섬유-페룰 어셈블리(1000)의 종단면과 상기 페룰홀더(900)의 상면에 동시에 감광층(550)을 형성한다 점에서만 차이가 있고 그 외 방법은 상술한 바와 동일하므로, 이하에서는 차이점에 대해서만 설명하고 동일한 사항에 대한 설명은 간략히 하거나 생략하기로 한다.
도 9(a)는 광섬유-페룰 어셈블리의 예시적인 모습 및 이를 개략적으로 나타낸 모습에 대한 도면으로서, 본 발명의 제2 실시예에 따른 미세 패턴 일체형 광섬유 소자 제작 방법은, 앞서 도 3을 참고하여 설명한 바와 같이, 광섬유(500)의 종단면이 페룰(600)의 종단면과 동일 평면상에 위치하도록 페룰(600) 안에 광섬유(500)가 결합되어 광섬유-페룰 어셈블리(1000)가 형성되는 광섬유-페룰 어셈블리 형성 단계가 이루어진다. 이에 대해 간략히 설명하면, 광섬유(500)가 페룰(600) 안으로 삽입된 뒤, 광섬유(500)와 페룰(600) 사이의 갭에는 폴리머(700)(예를 들어, az 계열의 포토레지스트)가 채워질 수 있으며, 상기 폴리머(700)에 열이 가해짐에 따라 광섬유(500)와 페룰(600)은 서로 결합되게 된다. 그 후, 광섬유(500)의 종단면이 페룰(600)의 종단면과 동일 평면상에 위치하도록 광섬유(500)가 폴리싱되거나, 광섬유(500)와 페룰(600)이 동시에 폴리싱됨에 따라 광섬유(500)의 종단면은 웨이퍼처럼 깨끗하고 매끄러운 표면을 가지게 되며, 이에 따라 광섬유(500)의 종단면에는 평탄한 감광층의 형성 및 왜곡되지 않은 형태의 미세 패턴 형성이 가능해진다.
광섬유-페룰 어셈블리(1000)를 형성한 후에는 도 10에 나타낸 바와 같이 광섬유-페룰 어셈블리(100)가 삽입 결합될 수 있는 홀(950)이 구비된 페룰홀더(900)를 준비하고, 도 9(b)에 나타낸 바와 같이 광섬유-페룰 어셈블리(100)의 종단면이 페룰홀더(900)의 상면과 동일 평면상에 위치하도록, 페룰홀더(900)에 구비된 홀(950)에 광섬유-페룰 어셈블리(100)가 삽입 결합되는 광섬유-페룰 어셈블리 삽입 결합 단계가 이루어진다. 여기서, 페룰홀더(900)는 속이 빈 원통 형상일 수 있고, 그 재질은 알루미늄일 수 있다. 그리고 페룰홀더(900)의 중앙에는 광섬유-페룰 어셈블리(100)의 직경(또는, 페룰(600)의 직경)과 대략 동일한 직경을 갖는 홀(950)이 구비될 수 있으며, 이에 따라 광섬유-페룰 어셈블리(100)는 페룰홀더(900)에 구비된 홀(950)에 삽입 결합될 수 있다. 도 9(b)에서 광섬유-페룰 어셈블리(1000) 및 페룰홀더(900)의 중앙에 구비된 홀(950)의 직경은 모두 2.5mm이고 페룰홀더(900)의 직경은 1.8cm인 것을 이용하였으나, 상술한 광섬유-페룰 어셈블리(1000)의 직경, 홀(950)의 직경 및 페룰홀더(900)의 직경은 사용자의 선택에 따라 얼마든지 달리 정해질 수 있다. 이와 같이 본 발명의 제2 실시예에서 페룰홀더(900)를 추가 구비하여 광섬유-페룰 어셈블리(1000)와 페룰홀더(900)를 결합시키는 것은, 후술하는 감광층(550)이 형성되는 면적을 앞의 제1 실시예에서보다 넓게 함으로써 광섬유(500)의 종단면에 감광층(550)이 보다 평탄하게 형성될 수 있도록 하기 위함이다.
광섬유-페룰 어셈블리(1000)를 페룰홀더(900)에 삽입 결합한 이후에는, 도 9(c)에 나타낸 바와 같이 광섬유-페룰 어셈블리(1000)의 종단면과 페룰홀더(900)의 상면에 동시에 감광성 재료가 도포되어 감광층(550)이 형성되는 감광층 형성 단계가 이루어진다. 즉, 본 발명의 제2 실시예에서는 앞선 제1 실시예와는 달리 광섬유-페룰 어셈블리(1000)의 종단면뿐만 아니라 페룰홀더(900)의 상면에도 감광층(550)이 형성된다.
상기 감광층 형성 단계 이후에는, 페룰홀더(900)로부터 광섬유-페룰 어셈블리(1000)가 분리될 수 있으며, 그 후 본 발명의 제1 실시예에 관해 상술한 바와 같이 공간 광 변조기(120)를 통해 광 변조 단계, 광 축소 단계 및 감광층 노광 단계가 순차적으로 이루어질 수 있다. 그리고 상기 감광층 노광 단계 이후에는 감광층 현상 단계가 이루어질 수 있다. 감광층 현상 단계에서는, 도 9(e)에 나타낸 바와 같이 광섬유(500)의 종단면에 패턴광의 형상에 따른 미세 패턴이 형성되도록 감광층(550)의 현상이 이루어지게 된다.
본 발명의 제2 실시예에서도 앞선 제1 실시예에서와 마찬가지로, 감광층 현상 단계 이후에 광섬유(500) 자체가 파여지도록 하는 식각 단계를 추가하여 광섬유(500)의 종단면에 미세 패턴이 형성되도록 할 수 있다.
또는, 도 9(f), 도 9(g) 및 도 9(h)에 나타낸 바와 같이, 감광층 현상 단계 이후에 광섬유(500)의 종단면에 형성된 미세 패턴에는 손상을 가하지 않으면서 광섬유-페룰 어셈블리(1000)로부터 광섬유(500)를 분리해내는 광섬유 분리 단계가 더 이루어질 수 있으며, 이는 앞서 도 1(e), 도 1(f), 도 1(g)에 관해 설명한 바와 동일하므로 여기서는 이에 대한 자세한 설명을 생략하기로 한다.
<무마스크 리소그래피 시스템에 대한 실시예>
도 11은 무마스크 리소그래피 시스템의 다른 실시예로서, 도 11에 도시된 부가 구성들을 통해 상술한 바와 같은 본 발명의 제1 실시예 또는 제2 실시예에 따른 미세 패턴 일체형 광섬유 소자 제작 방법에 부가적인 단계들이 더 이루어질 수 있다.
먼저, 상기 공간 광 변조기(120) 및 상기 집광 렌즈(130) 사이에 빔 스플리터(140)가 더 구비되고, 상기 집광 렌즈(130) 후단측에 관측용 카메라(150)가 더 구비되도록 함으로써, 상기 감광층(550)에 패턴 노광이 이루어지는 모습 등을 실시간으로 관측할 수 있다. 보다 구체적으로 설명하자면, 이와 같이 빔 스플리터(140)를 구비시킬 경우, 상기 광 변조 단계에서 변조된 패턴광이 상기 빔 스플리터(140)로 입사되어 광경로가 변경됨으로써 상기 집광 렌즈(130)로 입사되어 상기 광 축소 단계가 수행되게 할 수 있다. 또한, 상기 감광층(550)에 조사 및 반사된 반사광이 상기 빔 스플리터(140)를 통과하여 상기 관측용 카메라(150)에 입사되어 상기 감광층(550)의 영상이 획득되는 감광층 영상 획득 단계가 더 수행되게 할 수 있다. 여기서, 상기 관측용 카메라(150)로 획득되는 감광층(550)의 영상은 공간 광 변조기(120)에 의해 변조되어 형성되는 패턴광이 광섬유(500)의 종단면에 잘 조사되고 있는지를 확인하기 위함이다. 또한, 상기 관측용 카메라(150)는 상기 감광층(550)의 영상 획득뿐 아니라 광섬유(500)가 집광 렌즈(130)의 초점거리에 정확히 위치하였는지를 확인하는데에도 유용하게 이용될 수 있다.
감광층(550)을 구성하는 재료에 따라 상기 감광층(550)과 반응하는 광특성을 가지는 광은 UV 등과 같은 특정한 광이 되는데, 이러한 특정한 광은 영상 획득에 사용되기에 용이하지 않을 수도 있다. 이러한 경우에도 상기 감광층 영상 획득 단계가 용이하게 수행되도록 하려면, 상기 광원(110)의 구성이 도 11에 도시된 바와 같이 구성되게 할 수 있다. 즉, 상기 광원(110)이, 감광성 재료와 반응하는 광특성을 가지는 특성광을 발생시키는 특성광원(111) 및 백색광으로부터 상기 특성광이 제거되어 이루어지는 관측광을 발생시키는 관측광원(112)을 포함하여 이루어지도록 하는 것이다. 이렇게 함으로써, 상기 특성광에 의해 상기 감광층 노광 단계가 수행되고, 상기 관측광에 의해 상기 감광층 영상 획득 단계가 수행되게 할 수 있다.
이에 대하여 조금 더 구체적으로 설명하면 다음과 같다. 감광성 재료와 반응하는 광특성을 갖는 특성광(예를 들어, UV)으로 노광이 이루어지도록 하기 전에, 상기 감광층(550)에 패턴이 올바르게 조사되고 있는지를 모니터링할 필요가 있다. 즉, 관측 시에는 관측광만 조사되도록 하고 특성광이 조사되지 않게 구성되어야 한다. 한편, 노광 시에는 특성광이 반드시 조사되어야 하는데, 이 때 관측광이 조사되든 조사되지 않든 노광 자체에는 특별한 영향이 없다. 따라서, 상기 광원(110)이 상술한 바와 같이 특성광원(111) 및 관측광원(112)으로 이루어지는 경우, 상기 특성광원(111)에서 조사되는 특성광이 선택적으로 조사될 수 있도록(관측광은 선택적으로 조사되거나 또는 계속 조사되어도 무방하다) 하는 구성이 구비되면 된다.
도 11의 무마스크 리소그래피 시스템 도면 상에는, 상기 특성광원(111)에서 조사되는 특성광의 조사 경로 및 상기 관측광원(112)에서 조사되는 관측광의 조사 경로가 처음에 다르게 형성되어 있되, 그 경로 상에 플립 미러(flip mirror)가 구비되어 있음으로써, 상기 플립 미러의 회전에 따라 선택적인 광 조사가 이루어질 수 있도록 하는 구성이 도시되어 있다. 도 11에 도시된 상태에서는 상기 특성광원(111)에서 조사되는 특성광이 막힘없이 진행하여 노광이 이루어지게 되며, 플립 미러가 회전하여 흐리게 표시된 위치에 배치될 경우에는 상기 특성광원(111)에서 조사되는 특성광은 플립 미러에 의해 막혀서 더 이상 진행하지 못하고, 대신 상기 관측광원(112)에서 조사되는 관측광이 화살표로 표시된 경로를 따라 진행되어 관측이 이루어질 수 있게 된다.
또는, 도 11의 하단에 따라 표시된 바와 같이, 특성광 및 관측광이 섞여 있는 광이 조사되는 혼합광원(111+112)이 사용될 수도 있다. 이 경우에는, 노광 시에는 도 11의 하단 좌측 도면과 같이 광경로 상에서 UV 필터를 제거하며(즉, 이 때는 특성광 및 관측광이 모두 조사됨), 관측 시에는 도 11의 하단 우측 도면과 같이 광경로 상에 UV 필터를 배치시킨다(즉, 이 때에는 특성광은 차단되고 관측광만 조사됨). 이와 같이 특성광 및 관측광을 선택적으로 조사시키기 위한 구성은 필요에 따라 적절하게 변경 채용될 수 있으며, 도 11이나 위의 설명만으로 한정되는 것은 아니다.
첨언하자면, 예를 들어 상기 특성광이 UV일 경우 상기 관측광이 단순히 백색광(즉 UV를 포함하고 있음)이어도 실질적으로 큰 문제는 없다. 관측 시 백색광에 포함되어 있는 UV의 영향이 미약하기 때문에, 관측을 하는 동안 고려할만한 정도의 노광이 일어나지는 않는 것이다. 그러나 패턴이 원하는 만큼 축소되지 않거나 원하는 위치에 정렬이 잘 이루어지지 않는 등의 상황이 발생하여 필요 이상으로 오랜 시간 동안 관측이 이루어지게 될 경우, 백색광에 포함된 UV의 영향이 (미약한 영향이라 할지라도) 누적됨으로써 원래 노광시키고자 하는 부분 이외의 부분에서 불필요한 노광이 이루어지게 될 수도 있다. 이러한 위험을 완전히 배제하기 위해서는 관측광이 단순한 백색광이 아니라 UV 성분이 제거된 백색광이 되도록 하는 것이 바람직하다. UV 성분이 제거된 백색광은 백색광이 UV 필터를 거치게 함으로써 간단히 만들 수 있다. 위의 예시 설명에서는 특성광이 UV인 경우로 예를 들었으나 이로써 한정되는 것은 물론 아니며, 특성광이 다른 파장 대역의 광일 경우 관측광은 백색광에서 해당 파장 대역의 광만 필터링하여 제거한 광으로 사용하면 된다.
한편, 상기 광원(110)에서 조사되는 광이 균일한 세기(intensity)를 가지지 못하는 경우 이를 균일화시킬 필요가 있다. 이 경우 도 11에 나타낸 바와 같이, 상기 광원(110) 및 상기 공간 광 변조기(120) 사이에 빔 균질기(beam homogenizer, 160)가 더 구비되어, 상기 광원(110)으로부터 조사된 광이 상기 빔 균질기(160)에 의해 광 세기가 균일화된 후 상기 공간 광 변조기(120)로 입사되어 상기 광 변조 단계가 수행되도록 하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 광원(110)이 예를 들어 레이저 광원일 경우 등에는 광 자체의 단면이 상당히 작게 이루어져, 상기 공간 광 변조기(120) 전체 면적에 걸쳐 조사되지 못할 수도 있다. 이 경우 도 11에 나타낸 바와 같이, 상기 광원(110) 및 상기 공간 광 변조기(120) 사이에 빔 확장기(beam expander, 170)가 더 구비되어, 상기 광원(110)으로부터 조사된 광이 상기 공간 광 변조기(120)의 광 입사면 면적에 상응하는 면적을 가지도록 확장된 후 상기 공간 광 변조기(120)로 입사되어 상기 광 변조 단계가 수행되도록 하는 것이 바람직하다.
한편, 예를 들어 상기 광원(110)이 레이저 광원인 경우에는 상기 광원(110)은 일정 빔 크기를 가지면서 퍼지지 않고 직진하는 성질을 가지는 광을 발생시키기 때문에 별다른 문제가 없지만, 예를 들어 상기 광원(110)이 LED인 경우에는 상기 광원(110)은 광이 진행함에 따라 퍼지는 성질을 가지는 광을 발생시키기 때문에 상기 공간 광 변조기(120)에 의해 변조된 패턴광이 퍼지게 될 수도 있다. 이러한 경우에는 이 패턴광의 면적이 상기 집광 렌즈(130)의 면적보다 커지게 되면 올바른 광 축소가 이루어지지 못할 수 있다. 이 경우 도 11에 도시된 바와 같이, 상기 공간 광 변조기(120) 및 상기 집광 렌즈(130) 사이에 축소 렌즈(180)가 더 구비되어, 상기 공간 광 변조기(120)에 의해 변조된 패턴광이 상기 축소 렌즈(180)에 의해 미리 축소된 후 상기 집광 렌즈(130)로 입사되어 상기 광 축소 단계가 수행되도록 하는 것이 바람직하다. 상기 축소 렌즈(180)는 도시된 바와 같이 다수개의 렌즈들의 어레이로 이루어질 수도 있고 또는 단일 개의 렌즈로 이루어질 수도 있는 등 필요한 성능에 따라 적절히 구성할 수 있다.
더불어, 상기 관측용 카메라(150)는 일반적으로 이러한 광학 시스템에서 관측용으로 널리 사용되는 CCD 카메라 등이 사용될 수 있는데, 이 때에도 이미지 센서의 크기에 맞게 광이 축소되어야 할 필요가 있는 경우도 있다. 즉, 광의 크기 및 상기 빔 스플리터(140) 및 상기 관측용 카메라(150) 사이에 축소용의 렌즈나 축소용의 렌즈 어레이 등이 더 구비될 수도 있다. 다만 일반적으로 CCD 카메라 모듈은 이러한 점을 고려하여 CCD 이미지 센서 및 광 축소용 렌즈가 미리 합쳐져서 패키징된 상태로 제공되는 경우가 많으며, 이러한 점을 고려하여 도면 상에서는 특별히 표시하지 않았다.
상술한 바와 같이 본 발명에서 공간 광 변조기(120)를 사용할 경우에는, 광섬유(500) 상에 형성된 감광층(550)에 자유롭게 패턴을 변경해 가면서 노광시킬 수 있어, 기존의 포토 마스크를 사용하던 방법에 비해 시간, 비용, 인력 등의 자원을 크게 절약할 수 있으며, 실제 형성된 미세 패턴 구조물의 정확도 및 정밀도를 크게 높일 수 있다.
게다가, 본 발명에서는 광섬유-페룰 어셈블리(1000)의 종단면에 감광층(500)을 형성하거나, 광섬유-페룰 어셈블리(1000)를 페룰홀더(900)에 삽입 결합한 후 광섬유-페룰 어셈블리(1000)의 종단면과 페룰홀더(900)의 상면에 동시에 감광층(550)을 형성하는 방법을 통해 광섬유(500)의 종단면 자체에 균일하고 평탄한 감광층(550)을 형성할 수 있으며, 이에 따라 광섬유(500)의 종단면에는 왜곡되지 않은 형태의 미세 패턴을 형성할 수 있다.
도 8은 본 발명의 제1 실시예에 따른 제작 방법에 의하여 만들어진 다양한 미세 패턴 일체형 광섬유 소자를 나타낸 도면이다. 도 8에서 알 수 있듯이, 본 발명의 제작 방법에 의하면 광섬유(500)의 종단면 상에 무궁무진하게 다양한 패턴들을 정밀하고 정확하게 형성할 수 있음을 명확히 확인할 수 있다.
본 발명에 사용되는 광섬유(500)는, 단일모드 광섬유(single mode fiber), 다중모드 광섬유(multi mode fiber), 그린렌즈 광섬유(GRIN fiber), 공기구멍이 제거된 광결정 광섬유(photonic crystal fiber) 및 코어없는 광섬유(coreless silica fiber) 등 다양한 종류일 수 있으며, 사용자의 필요에 따라 적절하게 선택하여 사용할 수 있다. 이와 같이 본 발명의 제작 방법에 의하여 만들어진 미세 패턴 일체형 광섬유 소자는, 광섬유 단면에 렌즈, 격자, 금속 구조물 등과 같은 미세 패턴이 형성될 수 있다. 따라서, 일례로 광섬유 단면에 렌즈 등을 형성하여 OCT(optical coherence tomography) 프로브로 사용되는 등과 같이, 광학 분야, 광통신 분야, 바이오 이미징 또는 센싱 분야 등으로의 다양한 응용이 가능하다.
본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이다.
100: 무마스크 리소그래피 시스템
110: 광원 111: 특성광원
112: 관측광원 115: 플립 미러
120: 공간 광 변조기 125: 가변 미러
130: 집광 렌즈 140: 빔 스플리터
150: 관측용 카메라 160: 빔 균질기
170: 빔 확장기 180: 축소 렌즈
500: 광섬유 550: 감광층
600: 페룰 700: 폴리머
800: 폴리머 제거 용액
900: 페룰홀더 950: 홀
1000: 광섬유-페룰 어셈블리

Claims (14)

  1. 종단면에 미세 패턴이 형성된 광섬유로서 이루어지는 미세 패턴 일체형 광섬유 소자를 제작하는 방법으로서,
    광섬유(500)의 종단면이 페룰(600)의 종단면과 동일 평면상에 위치하도록 상기 페룰(600) 안에 상기 광섬유(500)가 결합되어 광섬유-페룰 어셈블리(1000)가 형성되는 광섬유-페룰 어셈블리 형성 단계;
    상기 광섬유-페룰 어셈블리(1000)의 종단면에 감광성 재료가 도포되어 감광층(550)이 형성되는 감광층 형성 단계;
    상기 감광층(550)에 패턴광이 조사되어 상기 감광층(550)의 노광이 이루어지는 감광층 노광 단계; 및
    상기 광섬유(500)의 종단면에 상기 패턴광의 형상에 따른 미세 패턴이 형성되도록 상기 감광층(550)이 현상되는 감광층 현상 단계;를 포함하며,
    상기 감광층 형성 단계에서 형성되는 감광층(550)은 상기 광섬유-페룰 어셈블리(1000)의 종단면에 상기 감광성 재료를 스핀 코팅하는 스핀 코팅법에 의해 형성되고,
    상기 광섬유-페룰 어셈블리 형성 단계는,
    상기 광섬유(500)가 상기 페룰(600) 안으로 삽입되는 단계;
    상기 광섬유(500)와 상기 페룰(600) 사이의 갭에 액체 상태의 폴리머(700)가 채워지는 단계;
    상기 액체 상태의 폴리머(700)에 열이 가해져 상기 광섬유(500)와 상기 페룰(600)이 결합되는 단계; 및
    상기 광섬유(500)의 종단면이 상기 페룰(600)의 종단면과 동일 평면상에 위치하도록 폴리싱되는 단계;를 포함하고,
    상기 감광층 현상 단계 이후에,
    상기 광섬유(500)와 상기 페룰(600) 사이의 갭에 채워진 폴리머(700)만을 폴리머 제거 용액(800)으로 용해시켜, 상기 광섬유-페룰 어셈블리(1000)에서 상기 광섬유(500)를 분리시키는 광섬유 분리 단계;를 더 포함하는 미세 패턴 일체형 광섬유 소자 제작 방법.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 미세 패턴 일체형 광섬유 소자 제작 방법은,
    광원(110)으로부터 조사된 광이 공간 광 변조기(120)에 의해 상기 광섬유(500)의 종단면에 미세 패턴을 형성하기 위한 상기 패턴광으로 변조되는 광 변조 단계;를 더 포함하여, 상기 광 변조 단계에서 변조된 상기 패턴광이 상기 감광층(550)에 조사되는 것을 특징으로 하는 미세 패턴 일체형 광섬유 소자 제작 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 공간 광 변조기(120)는, 배치 각도가 가변되는 다수개의 가변 미러(125)들이 평면 상에 배열된 형태로 이루어져, 상기 가변 미러(125)들의 배치 각도에 따라 입사된 광을 선택적인 방향으로 반사시킴으로써 상기 패턴광으로 변조하는 디지털 미소반사 표시기(Digital Micromirror Device, DMD)인 것을 특징으로 하는 미세 패턴 일체형 광섬유 소자 제작 방법.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 미세 패턴 일체형 광섬유 소자 제작 방법은,
    상기 광 변조 단계에서 변조된 상기 패턴광이 집광 렌즈(130)에 의해 축소되는 광 축소 단계;를 더 포함하여, 축소된 상기 패턴광이 상기 감광층(550)에 조사되는 것을 특징으로 하는 미세 패턴 일체형 광섬유 소자 제작 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 미세 패턴 일체형 광섬유 소자 제작 방법은,
    상기 공간 광 변조기(120) 및 상기 집광 렌즈(130) 사이에 빔 스플리터(140)가 더 구비되고, 상기 집광 렌즈(130) 후단측에 관측용 카메라(150)가 더 구비되어,
    상기 광 변조 단계에서 변조된 상기 패턴광이 상기 빔 스플리터(140)로 입사되어 광경로가 변경됨으로써 상기 집광 렌즈(130)로 입사되어 상기 광 축소 단계가 수행되고,
    상기 감광층(550)에 조사 및 반사된 반사광이 상기 빔 스플리터(140)를 통과하여 상기 관측용 카메라(150)에 입사되어 상기 감광층(550)의 영상이 획득되는 감광층 영상 획득 단계가 더 수행되는 것을 특징으로 하는 미세 패턴 일체형 광섬유 소자 제작 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 미세 패턴 일체형 광섬유 소자 제작 방법은,
    상기 광원(110)이, 상기 감광성 재료와 반응하는 광특성을 가지는 특성광을 발생시키는 특성광원(111) 및 백색광으로부터 상기 특성광이 제거되어 이루어지는 관측광을 발생시키는 관측광원(112)을 포함하여 이루어져,
    상기 특성광에 의해 상기 감광층 노광 단계가 수행되고, 상기 관측광에 의해 상기 감광층 영상 획득 단계가 수행되는 것을 특징으로 하는 미세 패턴 일체형 광섬유 소자 제작 방법.
  9. 제4항에 있어서,
    상기 미세 패턴 일체형 광섬유 소자 제작 방법은,
    상기 광원(110) 및 상기 공간 광 변조기(120) 사이에 빔 균질기(160)가 더 구비되어,
    상기 광원(110)으로부터 조사된 광이 상기 빔 균질기(160)에 의해 광 세기가 균일화된 후 상기 공간 광 변조기(120)로 입사되어 상기 광 변조 단계가 수행되는 것을 특징으로 하는 미세 패턴 일체형 광섬유 소자 제작 방법.
  10. 제4항에 있어서,
    상기 미세 패턴 일체형 광섬유 소자 제작 방법은,
    상기 광원(110) 및 상기 공간 광 변조기(120) 사이에 빔 확장기(170)가 더 구비되어,
    상기 광원(110)으로부터 조사된 광이 상기 공간 광 변조기(120)의 광 입사면 면적에 상응하는 면적을 가지도록 확장된 후 상기 공간 광 변조기(120)로 입사되어 상기 광 변조 단계가 수행되는 것을 특징으로 하는 미세 패턴 일체형 광섬유 소자 제작 방법.
  11. 제6항에 있어서,
    상기 미세 패턴 일체형 광섬유 소자 제작 방법은,
    상기 공간 광 변조기(120) 및 상기 집광 렌즈(130) 사이에 축소 렌즈(180)가 더 구비되어,
    상기 공간 광 변조기(120)에 의해 변조된 패턴광이 상기 축소 렌즈(180)에 의해 미리 축소된 후 상기 집광 렌즈(130)로 입사되어 상기 광 축소 단계가 수행되는 것을 특징으로 하는 미세 패턴 일체형 광섬유 소자 제작 방법.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 감광층 형성 단계에서 형성되는 감광층(550)은,
    상기 광섬유-페룰 어셈블리(1000)의 종단면이 페룰홀더(900)의 상면과 동일 평면상에 위치하도록, 상기 페룰홀더(900)에 구비된 홀(950)에 상기 광섬유-페룰 어셈블리(1000)가 삽입 결합된 후, 상기 광섬유-페룰 어셈블리(1000)의 종단면과 상기 페룰홀더(900)의 상면에 동시에 형성되는 것을 특징으로 하는 미세 패턴 일체형 광섬유 소자 제작 방법.
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