KR102005632B1 - 파면 제어기를 이용한 고속 3차원 광조형 방법 및 장치 - Google Patents

파면 제어기를 이용한 고속 3차원 광조형 방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

파면 제어기를 이용한 고속 3차원 광조형 방법 및 장치가 개시된다. 3차원 광조형 방법은, 조형하고자 하는 3차원 형상의 물체(object)의 3차원 빛의 세기 분포를 제어하기 위한 2차원 파면을 계산하는 단계, 계산된 상기 2차원 파면을 파면 제어기에 투영하는 단계, 및 상기 파면 제어기를 통해 파면이 제어된 빛을 상기 3차원 형상의 물체에 위치한 감광성 수지에 노광하여 3차원 형상의 물체(object)를 조형하는 단계를 포함할 수 있다.

Description

파면 제어기를 이용한 고속 3차원 광조형 방법 및 장치{METHOD AND APPARATUS FOR HIGH-SPEED 3D PHOTOLITHOGRAPHYING USING WAVEFRONT SHAPER}
본 발명의 실시예들은 파면 제어기를 이용하여 임의의 3차원 모양을 가진 물체를 고속으로 조형하는 기술에 관한 것이다.
빛을 이용하여 임의의 모양을 갖는 맞춤형 물체를 제작하는 기술은 제조업, 의료분야 등에서 많은 이용이 기대되고 있는 기술이다.
현재 빛을 이용하여 임의의 모양을 가진 물체(object)를 조형하는 방법으로는 광중합(photopolymerization) 기술에 기초하며, 감광성 수지의 다광자 흡수 (multi-photon absorption) 현상을 이용한 광중합 공정 (multi-photon polymerization)과 감광성 수지에 단파장의 빛을 입사시켜 중합하고 결과물을 적층하는 광조형 기술 (stereolithography) 등이 존재한다.
다광자 흡수 광중합 공정은 다광자 흡수 현상을 이용한 것으로서, 다광자 흡수 현상은 고출력 레이저 빛의 초점을 모아 물질에 조사할 경우, 물질을 이루는 분자가 두 개 이상의 광자를 동시에 흡수하여 여기 상태가 된 뒤 흡수할 때의 파장보다 높은 에너지를 갖는 단파장의 빛을 방출한 뒤 바닥 상태로 돌아가는 비선형 광학 과정을 나타낸다. 이때, 방출된 단파장의 빛은 광 개시제(photoinitiator)를 들뜬 상태로 만들고, 이는 주변의 수지(resin)와 반응하여 고분자 중합 반응을 일으키게 되는데, 이를 다광자 흡수 광중합 공정(multi-photon absorption) 이라고 한다. 아래의 비특허 문헌 [1] Maruo , S., Nakamura , O. & Kawata , S. Three-dimensional microfabrication with two-photon-absorbed photopolymerization . Opt. Lett . 22, 132-134 (1997).에서는 강한 세기의 레이저 초점의 위치를 바꾸며 중합 반응을 일으켜 원하는 3차원 형상을 갖는 물체를 조형하는 기술을 개시하고 있다.
다광자 흡수 현상은 두 개 이상의 광자가 분자에서 동시에 흡수되어야 하므로 초점광의 세기가 높은 국부 영역에서만 발생하여, 100 nm정도 높은 정밀도로 원하는 3차원 형상의 물체를 조형 가능하다는 장점이 있으나, 고출력 펄스 레이저를 사용하므로 고가의 장비가 필요하고, 물체의 3차원 형상을 조형하기 위해서는 초점의 위치를 스캔해야 하므로 여러 물체를 동시에 조형하기 어렵다. 그리고, 조형 시간이 오래 걸린다는 한계가 존재한다.
광조형 기술은 자외선 등의 단파장 빛을 감광성 수지에 조사하고, 이에 수지가 반응하여 고분자 중합 반응을 일으키는 현상을 이용한다. 이때, 원하는 3차원 형상의 2차원 단면에 해당하는 마스크들(masks)을 금속을 이용하여 여러장 만든 뒤, 단파장 빛을 마스크에 초점을 다르게 하여 순차적으로 노광하면 원하는 3차원 형상을 만들 수 있다.
최근에는 공간 광 변조기(Spatial Light Mirror: SLM), 디지털 마이크로 거울(Digital Micromirror Device: DMD) 등의 파면 제어기를 이용하여 3차원 단면에 해당하는 빛 형상을 연속으로 노광함으로써, 여러 장의 마스크를 제작하는 수고를 덜었다. 그리고, 미세유체(microfluidics) 기술을 이용하여 같은 형상의 물체를 반복적으로 빠르게 조형하는 한편, 만들어진 물체들을 자동으로 조립하는 기술도 개발되고 있다.
그러나, 광조형 기술 역시 초점을 바꾸며 여러 단면의 2차원 형상을 순차적으로 노광해야 하므로 여러 물체를 동시에 조형하기 어려우며, 조형 시간이 오래 걸린다는 한계가 존재한다.
따라서, 초점을 바꾸지 않고도 3차원 형상의 여러 물체를 동시에 조형하는 기술이 요구된다.
[1] Maruo, S., Nakamura, O. & Kawata, S. Three-dimensional microfabrication with two-photon-absorbed photopolymerization. Opt. Lett. 22, 132-134 (1997). [2] Bucknall, D. ed., 2005. Nanolithography and patterning techniques in microelectronics. Elsevier. [3] Linnenberger, A. et al. Three dimensional live cell lithography. Optics Express 21, 10269 (2013).
본 발명은 파면 제어기를 이용하여 서로 다른 형성을 갖는 3차원 형상의 물체를 동시에 조형하는 기술에 관한 것이다.
3차원 광조형 방법은, 조형하고자 하는 3차원 형상의 물체(object)의 3차원 빛의 세기 분포를 제어하기 위한 2차원 파면을 계산하는 단계, 계산된 상기 2차원 파면을 파면 제어기에 투영하는 단계, 및 상기 파면 제어기를 통해 파면이 제어된 빛을 상기 3차원 형상의 물체에 위치한 감광성 수지에 노광하여 3차원 형상의 물체(object)를 조형하는 단계를 포함할 수 있다.
일측면에 따르면, 상기 2차원 파면을 계산하는 단계는, 상기 3차원 빛의 세기 분포에 3차원 역 푸리에 변환(Inverse Fourier Transfer) 및 푸리에 변환을 수행하여 상기 2차원 파면을 계산할 수 있다.
다른 측면에 따르면, 상기 2차원 파면을 계산하는 단계는, 상기 3차원 빛의 세기 분포에 3차원 역 푸리에 변환(Inverse Fourier Transfer)을 수행하여 3차원 푸리에 스펙트럼(spectrum)을 계산하는 단계, 계산된 상기 3차원 푸리에 스펙트럼 중 에발트(Ewald) 구면 상에 위치한 푸리에 스펙트럼을 사영(projection)하여 2차원 푸리에 스펙트럼을 계산하는 단계, 계산된 상기 2차원 푸리에 스펙트럼을 3차원 푸리에 공간 내의 에발트 구면 상의 좌표로 사영(projection)하는 단계, 상기 3차원 푸리에 공간에 기반하는 3차원 형상의 물체의 근사 세기를 계산하는 단계, 계산된 상기 근사 세기와 조형하고자 하는 상기 3차원 형상의 물체(object)의 빛의 세기 간 오차를 계산하는 단계, 및 계산된 상기 오차와 미리 정의된 기준값에 기초하여 상기 근사 세기를 상기 조형하고자 하는 3차원 형상의 물체의 빛의 세기로 대체하는 단계를 포함할 수 있다.
또 다른 측면에 따르면, 상기 2차원 파면을 계산하는 단계는, 계산된 상기 2차원 푸리에 스펙트럼 중 세기(amplitude) 부분을 상기 파면 제어기로 입사하는 빛의 세기로 대체하는 단계를 더 포함할 수 있다.
또 다른 측면에 따르면, 상기 2차원 푸리에 스펙트럼을 3차원 푸리에 공간 내의 에발트 구면 상의 좌표로 사영(projection)하는 단계는, 상기 파면 제어기로 입사하는 빛의 세기로 대체된 2차원 푸리에 스펙트럼을 상기 에발트 구면 위의 좌표로 사영(projection)할 수 있다.
또 다른 측면에 따르면, 상기 파면 제어기로 입사하는 빛의 세기로 대체하는 단계는, 상기 파면 제어기로 평면파가 입사하는 경우, 상기 에발트 구면에 해당하는 전 영역이 동일한 세기가 되도록 미리 정의된 특정값으로 대체할 수 있다.
또 다른 측면에 따르면, 상기 2차원 파면을 계산하는 단계는, 상기 조형하고자 하는 형상의 물체가 복수개인 경우, 형상이 서로 다른 복수의 3차원 형상의 물체 각각에 해당하는 상기 2차원 파면을 계산할 수 있다.
또 다른 측면에 따르면, 상기 3차원 형상의 물체(object)를 조형하는 단계는, 상기 파면 제어기를 통해 제어된 빛의 크기가 광 집속 장치의 개구부(clear aperture)의 크기가 되도록 제어하는 단계를 포함할 수 있다.
또 다른 측면에 따르면, 상기 제어하는 단계는, 상기 파면 제어기와 광 집속 장치 사이에 위치하는 릴레이 렌즈군을 이용하여 상기 파면 제어기를 통해 제어된 빛의 크기가 상기 광 집속 장치의 개구부의 크기와 동일해지도록 제어할 수 있다.
또 다른 측면에 따르면, 상기 3차원 형상의 물체(object)는 미세 유체 챔버(microfluidic chamber) 또는 이동 스테이지(Translation Stage) 기법에 기초하여 형성될 수 있다.
또 다른 측면에 따르면, 상기 미세 유체 챔버 기법으로 제작되는 경우, 액상인 감광성 수지를 이동시키는 주사기 펌프의 주입 속도는 감광성 수지의 중합 속도에 따라 제어될 수 있다.
3차원 광조형 장치는 감광성 수지가 위치하는 시편부, 상기 시편부에 해당하며 조형 대상인 3차원 형상의 물체(object)의 3차원 빛의 세기 분포를 제어하기 위한 2차원 파면을 계산하는 계산부, 및 계산된 상기 2차원 파면을 파면 제어기에 투영하고, 상기 파면 제어기를 통해 파면이 제어된 빛을 상기 3차원 형상의 물체에 위치한 감광성 수지에 노광하여 3차원 형상의 물체(object)를 조형하는 광학부를 포함할 수 있다.
일측면에 따르면, 상기 계산부는, 상기 3차원 빛의 세기 분포에 3차원 역 푸리에 변환(Inverse Fourier Transfer) 및 푸리에 변환을 수행하여 상기 2차원 파면을 계산할 수 있다.
다른 측면에 따르면, 상기 계산부는, 상기 3차원 빛의 세기 분포에 3차원 역 푸리에 변환(Inverse Fourier Transfer)을 수행하여 3차원 푸리에 스펙트럼(spectrum)을 계산하고, 계산된 상기 3차원 푸리에 스펙트럼 중 에발트(Ewald) 구면 상에 위치한 푸리에 스펙트럼을 사영(projection)하여 2차원 푸리에 스펙트럼을 계산하고, 계산된 상기 2차원 푸리에 스펙트럼을 3차원 푸리에 공간 내의 에발트 구면 상의 좌표로 사영(projection)하고, 상기 3차원 푸리에 공간에 기반하는 3차원 형상의 물체의 근사 세기를 계산하고, 계산된 상기 근사 세기와 조형하고자 하는 상기 3차원 형상의 물체(object)의 빛의 세기 간 오차를 계산하고, 계산된 상기 오차와 미리 정의된 기준값에 기초하여 상기 근사 세기를 상기 조형하고자 하는 3차원 형상의 물체의 빛의 세기로 대체할 수 있다.
또 다른 측면에 따르면, 상기 계산부는, 계산된 상기 2차원 푸리에 스펙트럼 중 세기(amplitude) 부분을 상기 파면 제어기로 입사하는 빛의 세기로 대체할 수 있다.
또 다른 측면에 따르면, 상기 계산부는, 상기 파면 제어기로 입사하는 빛의 세기로 대체된 2차원 푸리에 스펙트럼을 상기 에발트 구면 위의 좌표로 사영(projection)할 수 있다.
또 다른 측면에 따르면, 상기 계산부는, 상기 파면 제어기로 평면파가 입사하는 경우, 상기 에발트 구면에 해당하는 전 영역이 동일한 세기가 되도록 미리 정의된 특정값으로 대체할 수 있다.
또 다른 측면에 따르면, 상기 계산부는, 상기 조형하고자 하는 형상의 물체가 복수개인 경우, 형상이 서로 다른 복수의 3차원 형상의 물체 각각에 해당하는 상기 2차원 파면을 계산할 수 있다.
또 다른 측면에 따르면, 상기 광학부는, 릴레이 렌즈군을 이용하여 상기 파면 제어기를 통해 제어된 빛의 크기가 광 집속 장치의 개구부(clear aperture)의 크기가 되도록 제어할 수 있다.
또 다른 측면에 따르면, 상기 릴레이 렌즈군은, 상기 파면 제어기와 광 집속 장치 사이에 위치할 수 있다.
본 발명에 의하면, 파면 제어기를 이용하여 한 번의 노광으로 3차원 형상의 물체를 조형함에 따라, 광조형 공정에 소요되는 시간을 감소시킬 수 있을 뿐만 아니라, 서로 다른 형상을 갖는 복수의 3차원 형상의 물체들을 동시에 조형할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 있어서, 3차원 광조형 장치의 내부 구성을 도시한 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 있어서, 파면 제어기를 이용한 3차원 광조형 방법을 도시한 흐름도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 있어서, 3차원 Gerchberg-Saxton 알고리즘에 기초하여 2차원 파면을 계산하는 동작을 설명하기 위해 제공되는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 있어서, 광학부의 구성을 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 있어서, 미세 유체 챔버 방식으로 제작된 시편부의 구성을 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 있어서, 이동 스테이지 방식으로 제작된 시편부의 구성을 도시한 도면이다.
이하, 본 발명에 따른 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
본 실시예들은, 파면 제어기(wavefront shaper)로 제어한 빛의 형상을 이용하여 임의의 3차원 형상(즉, 모양)을 가진 물체를 고속으로 조형하는 기술에 관한 것으로서, 특히, 파면 제어기로 제어한 빛을 감광성 수지에 입사하여 경화시킴으로써 복수의 3차원 형상의 물체를 고속으로 조형(즉, 제작)하는 기술에 관한 것이다.
본 실시예들에서, 물체(object)는 임의의 모양을 갖는 3차원 형상의 물체를 나타낼 수 있으며, 사영(projection)은 3차원 물체의 표면적 등의 양을 일정한 방법으로 평면상에 사영하여 2차원화하는 방법을 나타낼 수 있다. 예를 들어, 평면 위의 도형(예컨대, 도형 F)의 각 점과 F 위에 있지 않은 점(예컨대, O)을 잇는 직선을 긋는 것을 상기 F를 O에서 사영한다고 할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 있어서, 3차원 광조형 장치의 내부 구성을 도시한 블록도이고, 도 2는 본 발명의 일실시예에 있어서, 파면 제어기를 이용한 3차원 광조형 방법을 도시한 흐름도이다.
도 1에서, 3차원 광조형 장치(100)는 시편부(110), 광학부(120) 및 계산부(130)를 포함할 수 있다. 여기서, 광학부(120)는 광원(121), 파면 제어기(122) 및 광 집속 장치(123)를 포함할 수 있다. 그리고, 도 2의 각 단계들(210 내지 230 단계)은 도 1의 3차원 광조형 장치(100)의 각 구성 요소(예컨대, 시편부(110), 광학부(120) 및 계산부(130))에 의해 수행될 수 있다.
210 단계에서, 계산부(130)는 조형하고자 하는 3차원 형상의 물체(object)의 3차원 빛의 세기 분포를 제어하기 위한 2차원 파면을 계산할 수 있다. 이때, 계산부(130)는 푸리에(Fourier) 및 역 푸리에(Inverse Fourier) 변환을 반복적으로 이용하여 3차원 세기 분포를 제어하는 3차원 Gerchberg-Saxton 알고리즘에 기초하여 상기 2차원 파면을 계산할 수 있다. 그리고, 시편부(110)는 감광성 수지가 위치하며, 조형하고자 하는 3차원 형상의 물체(object)에 해당할 수 있다.
211 단계에서, 계산부(130)는 조형하고자 하는 3차원 형상의 물체의 3차원 빛의 세기 분포에 기초하여 3차원 푸리에 스펙트럼을 계산할 수 있다. 예를 들어, 계산부(130)는 조형하고자 하는 3차원 형상의 물체의 3차원 빛의 세기 분포에 3차원 역 푸리에 변환(Inverse Fourier Transform)을 수행하여 상기 3차원 푸리에 스펙트럼을 계산할 수 있다.
212 단계에서, 계산부(130)는 계산된 3차원 푸리에 스펙트럼 및 에발트(Ewald) 구면에 기초하여 3차원 푸리에 스펙트럼을 계산할 수 있다.
예를 들어, 계산부(130)는 계산된 3차원 푸리에 스펙트럼 중 에발트 구면 상에 위치한 푸리에 스펙트럼을 사영(projection)하여 2차원 푸리에 스펙트럼을 계산할 수 있다.
213 단계에서, 계산부(130)는 2차원 푸리에 스펙트럼을 에발트(Ewald) 구면 위의 좌표에 사영(projection)할 수 있다.
일례로, 계산부(130)는 사영된 상기 2차원 푸리에 스펙트럼 중 세기(Amplitude) 부분을 파면 제어기에 입사하는 빛의 세기로 대체할 수 있다. 예컨대, 평면파가 파면 제어기로 입사하는 경우, 계산부(130)는 에발트(Ewald) 구면 상의 전 영역에서 세기가 동일해지도록 미리 지정된 특정 세기로 대체할 수 있다. 이외에, 가우시안(Gaussian) 빔(beam)이 입사하는 경우, 계산부(130)는 상기 2차원 푸리에 스펙트럼 중 세기(Amplitude) 부분이 가우시안 분포가 되도록 대체할 수 있다. 그리고, 계산부(130)는 대체된 2차원 푸리에 스펙트럼을 3차원 푸리에 공간 내의 에발트(Ewald) 구면 위의 좌표로 사영(projection)할 수 있다. 이때, 계산부(130)는 에발트 구면 이외의 영역의 세기는 미리 지정된 특정값(예컨대, 0 등)이 되도록 처리할 수 있다.
214 단계에서, 계산부(130)는 계산된 3차원 푸리에 공간에 기반하는 3차원 형상의 물체의 근사 세기를 계산할 수 있다. 예를 들어, 계산부(130)는 3차원 푸리에 공간을 대상으로 푸리에 변환을 수행하여 조형하고자 하는 3차원 형상에 대응되는 빛의 세기 분포를 갖는 입사 파면을 계산할 수 있다. 이처럼, 입사하는 파면을 잘 계산해서 넣어주면, 빛이 조형하고자 하는 3차원 형태를 갖게 해줄 수 있고, 결국, 스캐닝(scanning)없이 한번에 조형을 할 수 있다.
215 단계에서, 계산부(130)는 조형하고자 하는 3차원 형상의 물체의 빛의 세기와 상기 계산된 3차원 형상의 근사치(예컨대, 근사 세기)를 비교하여 오차를 계산할 수 있다.
216 단계에서, 계산부(130)는 계산된 오차와 미리 지정된 기준값에 기초하여 상기 3차원 형상의 근사치(예컨대, 근사 세기)를 조형하고자 하는 3차원 형상의 물체의 빛의 세기로 대체할 수 있다.
일례로, 계산된 상기 오차가 기준값보다 큰 경우, 계산부(130)는 3차원 형상의 근사치 중 세기 부분(즉, 근사 세기)을 조형하고자 하는 상기 3차원 형상의 물체의 빛의 세기로 대체할 수 있다. 그리고, 계산부(130)는 212 내지 215 단계를 반복 수행할 수 있다. 즉, 계산부(130)는 상기 3차원 형상의 물체의 빛의 세기로 대체한 이후, 2차원 푸리에 스펙트럼 계산, 2차원 푸리에 스펙트럼 중 세기 부분을 파면 제어기로 입사하는 빛의 세기로 대체, 대체된 2차원 푸리에 스펙트럼을 에발트 구면 위의 좌표로 투영, 근사치 계산, 및 오차 계산하는 프로세스를 반복 수행할 수 있다. 이때, 오차가 기준값보다 작아질 때까지 상기 프로세스를 반복 수행할 수 있다.
다른 예로, 계산된 상기 오차가 기준값보다 작은 경우, 계산부(130)는 연산을 중지할 수 있다.
220 단계에서, 광학부(120)는 계산된 2차원 파면을 파면 제어기에 투영할 수 있다.
230 단계에서, 광학부(120)는 파면 제어기를 통해 파면이 제어된 빛을 3차원 형상의 물체에 위치한 감광성 수지에 노광하여 3차원 형상의 물체(object)를 조형할 수 있다.
이때, 조형하고자 하는 서로 다른 형상의 물체가 복수개인 경우, 계산부(130)는 형상이 서로 다른 복수의 3차원 형상의 물체 각각에 해당하는 2차원 파면을 계산할 수 있으며, 광학부(120)는 형상 별로 계산된 2차원 파면을 파면 제어기에 투영하여 제어된 빛을 감광성 수지에 노광함으로써, 서로 다른 복수의 형상 각각에 해당하는 물체를 조형할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 있어서, 3차원 Gerchberg-Saxton 알고리즘에 기초하여 2차원 파면을 계산하는 동작을 설명하기 위해 제공되는 도면이다.
도 3을 참고하면, 계산부(130)는 푸리에 및 역 푸리에 연산을 반복하여 빛의 3차원 세기 분포를 제어할 수 있는 2차원 파면을 계산할 수 있다. 그리고, 광학부(120)는 계산된 2차원 파면을 파면 제어기에 투영하고, 빛을 반사함으로써, 원하는 3차원 형상의 빛의 세기 분포를 얻을 수 있다.
조형하고자 하는 3차원 형상의 물체(즉, 목표 조형 형상, 310)을 대상으로, 3차원 빛의 세기 분포에 역 푸리에 변환(320)을 수행하여 3차원 푸리에 스펙트럼이 계산될 수 있다. 계산된 3차원 푸리에 스펙트럼을 대상으로 2차원 푸리에 스펙트럼을 획득하고, 획득된 2차원 푸리에 스펙트럼 중 세기(Amplitude) 부분을 파면 제어기(330)로 입사하는 빛의 세기(340)로 대체할 수 있다. 그러면, 대체된 2차원 푸리에 스펙트럼은 다시 3차원 푸리에 공간 내의 에발트 구변 위의 좌표로 사영(projection)되고, 3차원 푸리에 공간에 푸리에 변환(350)이 수행되어 조형하고자 하는 3차원 형상의 근사치(360)가 계산될 수 있다. 그러면, 근사치(360)를 기반으로 계산된 오차(370)와 미리 정의된 기준값을 비교하여 근사치(360) 중 세기 부분을 조형하고자 하는 형상의 물체의 빛의 세기로 대체하는 등 상기 세기 부분을 조절할 수 있다. 오차가 기준값 미만이 되도록 상기 세기 부분이 반복하여 조절될 수 있다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 있어서, 광학부의 구성을 도시한 도면이다.
도 4를 참고하면, 광학부(400, 120)는 광원(121, 410), 파면 제어기(122, 420), 및 광 집속 장치(123, 430)를 포함할 수 있다. 그리고, 광학부(400, 120)는 릴레이 렌즈군(440)을 더 포함할 수 있다.
광학부(400, 120)는 계산부(130)에서 계산된 2차원 파면을 파면 제어기(122, 420)에 투영하고, 감광성 수지에 노광할 수 있다. 이때, 서로 다른 복수개의 형상의 물체를 조형하고자 하는 경우, 복수개의 2차원 파면이 계산될 수 있으며, 광학부(400, 120)는 계산된 각각의 2차원 파면을 파면 제어기(122, 420)에 동시에 투영한 후, 감광성 수지에 노광함으로써, 한 번의 노광으로 복수개의 서로 다른 3차원 형상의 물체를 동시에 조형할 수 있다.
광원(121, 410)은 광중합 공정의 종류에 따라 다양한 광원이 이용될 수 있다. 예를 들어, 광조형(stereolithography) 원리를 사용할 경우, 광원(121, 410)으로 감광성 수지의 반응 파장에 맞는 레이저(laser), 또는 램프가 이용될 수 있다. 그리고, 다광자 흡수 광 중합 원리를 사용할 경우, 광원(121, 410)으로 장파장 펄스 레이저 등이 이용될 수 있다.
파면 제어기(122, 420)는 디지털 마이크로 거울(Digital Micromirror Device, DMD), 공간 광 변조기(Spatial Light Modulator, SLM), 변형 거울(deformable mirror) 등을 포함할 수 있다.
광 집속 장치(123, 430)는 조형하려는 형상의 물체의 크기에 따라 다양한 렌즈를 포함할 수 있다. 예를 들어, 조형하고자 하는 상기 물체의 크기가 100μm 이하의 미세 물체인 경우, 광 집속 장치(123, 430)로 현미경 대물 렌즈가 이용될 수 있다. 조형하고자 하는 상기 물체의 크기가 100μm 보다 큰 경우, 일반 렌즈가 이용될 수 있으나, 일반 렌즈를 이용하는 경우, 조형하려는 상기 물체의 최소 크기(즉, 해상도)는 제한될 수 있다.
광학부(400, 120)는 빛의 크기를 조절하기 위해 릴레이 렌즈군(440)을 더 포함할 수 있으며, 릴레이 렌즈군(440)은 파면 제어기(122, 420)와 광 집속 장치(123, 430) 사이에 위치할 수 있다.
릴레이 렌즈군(440)은 파면 제어기(122, 420)에서 파면이 제어된 빛의 크기를 광 집속 장치의 개구부(clear aperture)의 크기에 맞추기 위해 이용될 수 있다. 즉, 릴레이 렌즈군(440)은 상기 제어된 빛의 크기가 광 집속 장치의 개구부 크기가 되도록 조절할 수 있다. 이때, 파면 제어기(122, 420)에서 파면이 제어된 빛이 크기를 광 집속 장치의 개구부(clear aperture)의 크기와 같을 때, 노광하는 빛의 세기와 파면 제어기로 제어할 수 있는 빛의 모드 개수가 모두 최대화될 수 있다. 이에 따라, 상기 릴레이 렌즈군(440)은 상기 제어된 빛의 크기가 상기 광 집속 장치의 개구부의 크기와 같아지도록 상기 제어된 빛의 크기를 조절할 수 있다.
릴레이 렌즈군(440)을 이용하면 파면 제어기(122, 420)에서 제어된 빛이 광 집속 장치(123, 430)의 개구부에 모두 입사할 경우, 조형하려는 3차원 형상의 물체의 최소 크기
Figure 112017097885717-pat00001
와 최대 크기
Figure 112017097885717-pat00002
는 아래의 수학식 1 및 수학식 2와 같이 표현될 수 있다.
[수학식 1]
Figure 112017097885717-pat00003
[수학식 2]
Figure 112017097885717-pat00004
위의 수학식 1 및 수학식 2에서, λ는 입사광의 파장, NA는 광 집속 장치의 개구수(numerical Aperture), M은 파면 제어기(122, 420)의 제어 가능한 화소(pixel)의 수를 나타낼 수 있다.
이때, 광 집속 장치(123, 430)의 개구수(NA)는 현미경 대물 렌즈의 경우 대물 렌즈의 개구수로 정의될 수 있으며, 일반 렌즈의 경우 아래의 수학식 3과 같이 표현될 수 있다.
[수학식 3]
Figure 112017097885717-pat00005
위의 수학식 3에서, D는 개구부의 지름, f는 렌즈의 초점 거리를 나타낼 수 있다.
일례로, 입사광의 파장 λ=532nm, 파면 제어기의 화수 수(즉, 픽셀 수) M=600, 대물렌즈의 NA=0.9인 경우, 조형하려는 3차원 형상의 물체의 최소 크기
Figure 112017097885717-pat00006
는 295.6nm이고, 최대 크기
Figure 112017097885717-pat00007
는 177.3μm로 계산될 수 있다. 그리고, 개구부의 지름 D=50nm, 초점 f=300nm인 일반 렌즈를 사용하는 경우, 조형하려는 물체의 최소 크기
Figure 112017097885717-pat00008
은 3.19μm, 최대 크기
Figure 112017097885717-pat00009
는 1.92nm로 계산될 수 있다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 있어서, 미세 유체 챔버 방식으로 제작된 시편부의 구성을 도시한 도면이다.
도 5를 참고하면, 시편부(510)에 감광성 수지(520)가 위치할 수 있으며, 미세 유체 챔버(microfluidic chamber) 방식으로 제작하는 경우, 액상인 감광성 수지(520)가 주사기 펌프(syringe pump, 530)를 이용하여 시편부(510) 내에서 일정한 속도로 이동될 수 있다. 그러면, 광학부(120)는 감광성 수지로 파면 제어기(122,420)에서 제어된 3차원 빛을 노광하여 3차원 형상을 조형하고, 제작된 조형물(540)을 챔버의 끝에서 획득할 수 있다.
이때, 주사기 펌프(530)의 주입 속도는 감광성 수지(520)의 중합 속도에 따라 제어되어 감광성 수지(520)의 움직임에 따른 오차가 감소될 수 있다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 있어서, 이동 스테이지 방식으로 제작된 시편부의 구성을 도시한 도면이다.
이동 스테이지 방식의 경우, 이동 스테이지(610)에 감광성 수지가 위치할 수 있다.
도 6을 참고하면, 광학부(120)는 파면 제어기(122,420)에서 제어된 3차원 빛을 감광성 수지에 노광하여 3차원 형상을 조형할 수 있다. 이때, 위의 비특허 문헌 [2] Bucknall , D. ed., 2005. Nanolithography and patterning techniques in microelectronics. Elsevier ., [3] Linnenberger , A. et al. Three dimensional live cell lithography. Optics Express 21, 10269 (2013).에 제시된 3차원 형상을 조형하는 방법에 기초하여, 광학부(120)는 시편부(110)가 위치하는 이동 스테이지(610)를 수동 또는 자동으로 다른 영역으로 이동하여 복수의 3차원 형상을 조형할 수 있다.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.  예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.
그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.

Claims (20)

  1. 조형하고자 하는 3차원 형상의 물체(object)의 3차원 빛의 세기 분포를 제어하기 위한 2차원 파면을 계산하는 단계;
    계산된 상기 2차원 파면을 파면 제어기에 투영하는 단계; 및
    상기 파면 제어기를 통해 파면이 제어된 빛을 상기 3차원 형상의 물체에 위치한 감광성 수지에 노광하여 3차원 형상의 물체(object)를 조형하는 단계
    를 포함하고,
    상기 2차원 파면을 계산하는 단계는,
    상기 3차원 빛의 세기 분포에 3차원 역 푸리에 변환(Inverse Fourier Transfer)을 수행하여 3차원 푸리에 스펙트럼(spectrum)을 계산하는 단계;
    계산된 상기 3차원 푸리에 스펙트럼 중 에발트(Ewald) 구면 상에 위치한 푸리에 스펙트럼을 사영(projection)하여 2차원 푸리에 스펙트럼을 계산하는 단계;
    계산된 상기 2차원 푸리에 스펙트럼 중 세기(amplitude) 부분을 상기 파면 제어기로 입사하는 빛의 세기로 대체하는 단계;
    계산된 상기 2차원 푸리에 스펙트럼을 3차원 푸리에 공간 내의 에발트 구면 상의 좌표로 사영(projection)하는 단계;
    상기 3차원 푸리에 공간에 기반하는 3차원 형상의 물체의 근사 세기를 계산하는 단계;
    계산된 상기 근사 세기와 조형하고자 하는 상기 3차원 형상의 물체(object)의 빛의 세기 간 오차를 계산하는 단계; 및
    계산된 상기 오차와 미리 정의된 기준값에 기초하여 상기 근사 세기를 상기 조형하고자 하는 3차원 형상의 물체의 빛의 세기로 대체하는 단계
    를 포함하며,
    계산된 상기 오차가 미리 정의된 기준값보다 큰 경우, 상기 근사 세기를 상기 조형하고자 하는 3차원 형상의 물체의 빛의 세기로 대체한 이후, 상기 오차가 미리 정의된 기준값 이하가 될 때까지 다시 상기 2차원 파면을 계산하는 프로세스를 반복 수행하며,
    상기 파면 제어기로 입사하는 빛의 세기로 대체하는 단계는,
    상기 파면 제어기로 평면파가 입사하는 경우, 상기 에발트 구면에 해당하는 전 영역이 동일한 세기가 되도록 미리 정의된 특정 세기로 대체하고,
    상기 2차원 푸리에 스펙트럼을 3차원 푸리에 공간 내의 에발트 구면 상의 좌표로 사영(projection)하는 단계는,
    상기 파면 제어기로 입사하는 빛의 세기로 대체된 2차원 푸리에 스펙트럼을 상기 에발트 구면 위의 좌표로 사영하며,
    상기 3차원 형상의 물체(object)를 조형하는 단계는,
    상기 파면 제어기를 통해 제어된 빛의 크기가 광 집속 장치의 개구부(clear aperture)의 크기가 되도록 제어하는 단계
    를 포함하고,
    계산된 상기 2차원 파면을 상기 파면 제어기에 투영함에 따라 빛이 조형하고자 하는 3차원 형태를 가지며 한번에 조형하며, 상기 조형하고자 하는 형상의 물체가 복수개인 경우, 형상이 서로 다른 복수의 3차원 형상의 물체 각각에 해당하는 상기 2차원 파면을 계산하고, 형상 별로 계산된 2차원 파면을 상기 파면 제어기에 투영하여 제어된 빛을 감광성 수지에 노광함에 따라 별도의 스캐닝(scanning) 없이 한 번의 노광으로 서로 다른 복수의 3차원 형상의 물체를 동시에 조형하는 것
    을 특징으로 하는 3차원 광조형 방법.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 제1항에 있어서,
    상기 제어하는 단계는,
    상기 파면 제어기와 광 집속 장치 사이에 위치하는 릴레이 렌즈군을 이용하여 상기 파면 제어기를 통해 제어된 빛의 크기가 상기 광 집속 장치의 개구부의 크기와 동일해지도록 제어하는 것
    을 특징으로 하는 3차원 광조형 방법.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 3차원 형상의 물체(object)는 미세 유체 챔버(microfluidic chamber) 또는 이동 스테이지(Translation Stage) 기법에 기초하여 형성되며, 상기 미세 유체 챔버 기법으로 제작되는 경우, 액상인 감광성 수지를 이동시키는 주사기 펌프의 주입 속도는 감광성 수지의 중합 속도에 따라 제어되는 것
    을 특징으로 하는 3차원 광조형 방법.
  11. 삭제
  12. 감광성 수지가 위치하는 시편부;
    상기 시편부에 해당하며 조형 대상인 3차원 형상의 물체(object)의 3차원 빛의 세기 분포를 제어하기 위한 2차원 파면을 계산하는 계산부; 및
    계산된 상기 2차원 파면을 파면 제어기에 투영하고, 상기 파면 제어기를 통해 파면이 제어된 빛을 상기 3차원 형상의 물체에 위치한 감광성 수지에 노광하여 3차원 형상의 물체(object)를 조형하는 광학부
    를 포함하고,
    상기 계산부는,
    상기 3차원 빛의 세기 분포에 3차원 역 푸리에 변환(Inverse Fourier Transfer)을 수행하여 3차원 푸리에 스펙트럼(spectrum)을 계산하고, 계산된 상기 3차원 푸리에 스펙트럼 중 에발트(Ewald) 구면 상에 위치한 푸리에 스펙트럼을 사영(projection)하여 2차원 푸리에 스펙트럼을 계산하고, 계산된 상기 2차원 푸리에 스펙트럼을 3차원 푸리에 공간 내의 에발트 구면 상의 좌표로 사영(projection)하고, 상기 3차원 푸리에 공간에 기반하는 3차원 형상의 물체의 근사 세기를 계산하고, 계산된 상기 근사 세기와 조형하고자 하는 상기 3차원 형상의 물체(object)의 빛의 세기 간 오차를 계산하고, 계산된 상기 오차와 미리 정의된 기준값에 기초하여 상기 근사 세기를 상기 조형하고자 하는 3차원 형상의 물체의 빛의 세기로 대체하며,
    계산된 상기 2차원 푸리에 스펙트럼 중 세기(amplitude) 부분을 상기 파면 제어기로 입사하는 빛의 세기로 대체하고, 상기 파면 제어기로 입사하는 빛의 세기로 대체된 2차원 푸리에 스펙트럼을 상기 에발트 구면 위의 좌표로 사영하며, 계산된 상기 오차가 미리 정의된 기준값보다 큰 경우, 상기 근사 세기를 상기 조형하고자 하는 3차원 형상의 물체의 빛의 세기로 대체한 이후, 상기 오차가 미리 정의된 기준값 이하가 될 때까지 다시 상기 2차원 파면을 계산하는 프로세스를 반복 수행하며,
    상기 파면 제어기로 평면파가 입사하는 경우, 상기 에발트 구면에 해당하는 전 영역이 동일한 세기가 되도록 미리 정의된 특정 세기로 대체하고, 상기 조형하고자 하는 형상의 물체가 복수개인 경우, 형상이 서로 다른 복수의 3차원 형상의 물체 각각에 해당하는 상기 2차원 파면을 계산하고,
    상기 광학부는,
    상기 파면 제어기를 통해 제어된 빛의 크기가 광 집속 장치의 개구부(clear aperture)의 크기가 되도록 제어하여, 계산된 상기 2차원 파면을 상기 파면 제어기에 투영함에 따라 빛이 조형하고자 하는 3차원 형태를 가지며 한번에 조형하며, 상기 조형하고자 하는 형상의 물체가 복수개인 경우, 형상 별로 계산된 2차원 파면을 상기 파면 제어기에 투영하여 제어된 빛을 감광성 수지에 노광함에 따라 별도의 스캐닝(scanning) 없이 한 번의 노광으로 서로 다른 복수의 3차원 형상의 물체를 동시에 조형하는 것
    을 특징으로 하는 3차원 광조형 장치.
  13. 삭제
  14. 삭제
  15. 삭제
  16. 삭제
  17. 삭제
  18. 삭제
  19. 제12항에 있어서,
    상기 광학부는,
    상기 파면 제어기와 광 집속 장치 사이에 위치하는 릴레이 렌즈군을 이용하여 상기 파면 제어기를 통해 제어된 빛의 크기가 광 집속 장치의 개구부(clear aperture)의 크기가 되도록 제어하는 것
    을 특징으로 하는 3차원 광조형 장치.
  20. 삭제
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