KR102289323B1 - 레이저 가공 폴리머 몰드를 이용한 초미세 3차원 마이크로 로봇 제작방법 - Google Patents

레이저 가공 폴리머 몰드를 이용한 초미세 3차원 마이크로 로봇 제작방법 Download PDF

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Abstract

비 폴리머 재료를 이용하여 초미세 3차원 마이크로 로봇을 제작하는 방법이 개시된다. 본 발명의 일 면에 따른 레이저 가공 폴리머 몰드를 이용한 초미세 3차원 마이크로로봇 제작방법은, (a) 3차원 레이저 리소그래피 시스템을 이용하여 제작된 미세 구조물을 포함할 몰드를 준비하는 단계; 및 (b) 도금법 및 담금법 중 적어도 하나의 방법을 이용하여 상기 몰드에 비폴리머 재료를 주입하는 단계를 포함한다.

Description

레이저 가공 폴리머 몰드를 이용한 초미세 3차원 마이크로 로봇 제작방법 {METHOD FOR MANUFACTURING ULTRA FINE 3D MICRO ROBOT USING LASER-STRUCTURED POLYMER MOLD}
본 발명은 레이저 가공 폴리머 몰드를 이용한 초미세 3차원 마이크로 로봇 제작방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 비 폴리머 재료를 이용하여 초미세 3차원 마이크로 로봇을 제작하는 방법에 관한 것이다.
마이크로 로봇은 도 1에 도시된 바와 같으며, 크기, 형태, 용도에 따라 의료, 우주, 국방 산업등에 다양하게 응용될 수 있다. 일부 내시경 형태의 마이크로 로봇이 소장. 대장 내부의 영상 촬영용으로 사용되고 있으며 그 크기는 수십 mm~수m단위로 존재한다.
마이크로 로봇의 제작은 주로 초소형 디바이스 제작기술인 반도체 공정기술 및 MEMS(미세전기전자시스템) 기술로 이루어지며, 공정의 제한 및 구조의 조립 등의 기술적 한계를 극복하고 계속해서 새로운 기술들이 개발되고 있다.
도 2는 3차원 레이저 리소그래피 시스템 및 완성된 미세 3차원 구조체를 도시한다. 3차원 레이저 리소그래피 시스템은 고에너지 레이저 빔을 광경화성 폴리머에 집속하여 생기는 레이저 스폿을 설계된 3차원 공간상의 경로대로 스캐닝함으로써, 정교한 3차원 구조물의 경화가 가능하며, 현상액을 통해 경화된 부분 또는 경화되지 않은 부분을 선택적으로 제거함으로써, 3차원 구조물의 획득이 가능하다.
이 기술은 현재까지 나온 미세구조물 제작 기술 중, 원하는 모양대로 설계된 형상을 3차원 구조물을 제작하는데 가장 최신의 기술에 속하며, 완성된 구조체의 최소선폭은 80 nm에 이를 정도로 정교하다.
도 2에 도시된 바와 같은 레이저 리소그래피를 이용하면 3차원 구조물을 원하는 설계모양대로 제작할 수 있지만, 구조물이 되는 부분은 광경화성 폴리머가 되며, 구조물의 재질은 폴리머로 제한적이다.
따라서 단순한 3차원 레이저 노광방식은 다양한 재질 (금속 등)로 나노 단위의 정교한 3차원 구조물 제작이 불가능하다.
자기장에 의해 제어되는 마이크로로봇의 경우에는 자성물질의 부피가 커야 자화세기가 커져 구동력이 커진다. 마이크로로봇 구조물의 제작에 주로 3차원 레이저 리소그래피 시스템이 이용되는데, 이렇게 제작된 구조물은 자성을 띄지 않아 따로 완성된 구조물의 표면에 자성체를 증착하거나, 자성 입자를 광경화성 폴리머에 섞어서 제작하여야 한다.
이 경우에도 구조물 전체가 금속인 마이크로로봇보다 자화세기가 약하다. 구조물의 표면에 자성체를 증착하였을 경우에는 자성이 구조물에 가려지는 부분에는 증착이 되지 않아 자화세기의 불균형을 초래하며, 광경화성 폴리머에 자성입자를 섞어서 노광하는 경우에는 레이저 빛이 자성입자에 산란되어 구조물의 정교한 제작이 힘들며 입자를 많이 섞는 경우에 레이져 광이 투과되지 않아 제작 자체가 불가능해 진다.
또한, 마이크로 로봇을 통한 혈관 개통이나, 조직채취 등의 물리적인 방법으로 시술을 할 때는 폴리머 기반의 3차원 구조물보다는 전체가 금속과 같은 강성이 큰 물질을 이용하는 것이 유리하다.
본 발명은 상술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여, 자기장으로 제어되는 3차원 마이크로 로봇의 전체를 자성금속으로 구성하여 자화세기를 높일 수 있는 레이저 가공 폴리머 몰드를 이용한 초미세 3차원 마이크로 로봇 제작방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 목적은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상술한 본 발명의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 면에 따른 레이저 가공 폴리머 몰드를 이용한 초미세 3차원 마이크로로봇 제작방법은, (a) 3차원 레이저 리소그래피 시스템을 이용하여 제작된 미세 구조물을 포함할 몰드를 준비하는 단계; 및 (b) 도금법 및 담금법 중 적어도 하나의 방법을 이용하여 상기 몰드에 비폴리머 재료를 주입하는 단계를 포함한다.
이상 상술한 바와 같은 본 발명에 따르면, 나노~마이크로 수준의 초미세 마이크로로봇 구조물을 비 폴리머 재료로 설계한 대로 제작할 수 있다.
또한, 물리적인 수술 방법에서 3차원 마이크로 로봇의 강성을 높일 수 있는 이점이 있다.
또한, 자기장으로 제어되는 3차원 마이크로 로봇의 전체를 자성금속으로 구성하여 자화세기를 높일 수 있다.
도 1은 자기장에 따라 회전 및 이동하는 마이크로 로봇의 예시도.
도 2는 레이저 리소그래피 시스템 및 완성된 미세 3차원 구조체의 예시도.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 레이저 가공 폴리머 몰드를 이용한 초미세 3차원 마이크로 로봇 제작방법의 흐름도.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 한편, 본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 레이저 가공 폴리머 몰드를 이용한 초미세 3차원 마이크로 로봇 제작방법의 흐름도이다.
도 3을 참조하면, 먼저 3차원 레이저 리소그래피 시스템을 이용하여 제작된 미세 구조물을 포함할 몰드를 준비한다(S100).
상기 몰드는 3차원 레이저 리소그래피에 의해 제작되며, 상기 몰드는 미세 구조물을 형성하기 위한 틀을 제공한다.
레이저 리소그래피 장치는 대상물 또는 대상물의 일부 상에 요구되는 패턴을 부여하는 기기이다. 레이저 리소그래피 장치는 예를 들어, 집적회로, 평판 디스플레이 및 미세 구조를 갖는 다른 디바이스 또는 구조의 제조에 이용될 수 있다.
예컨대, 마스크 또는 레티클로 지칭될 수 있는 패터닝 디바이스가 대상물의 개별 층 상에 대응되는 패턴을 생성하기 위해 이용된다. 이러한 패턴은, 예를 들어 대상물 상에 제공된 방사 감응성 재료(레지스트)의 층 상으로의 이미징을 통해, 대상물 상으로 전사될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 고에너지 레이저 빔을 광경화성 폴리머에 집속하여 생기는 레이저 스폿을 설계된 3차원 공간상의 경로대로 스캐닝함으로써, 정교한 3차원 몰드의 경화가 가능하며, 현상액을 통해 경화된 부분 또는 경화되지 않은 부분을 선택적으로 제거함으로써, 몰드 내부에 미세 구조물을 형성한다.
상기 미세 구조물은 초미세 3차원 마이크로 로봇을 제조하기 위한 형틀로 제공된다.
이어, 도금법 및 담금법 중 적어도 하나의 방법을 이용하여 상기 몰드에 비폴리머 재료를 주입한다(S200).
예컨대, 도금법 및 담금법 중 적어도 하나의 방법을 이용하여 자성체 막이 형성된 비폴리머 재료를 만든 후, 상기 비폴리머 재료를 상기 몰드 내에 주입하여 소결체를 제조한다.
일정 시간이 지나거나, 혹은 다양한 방식을 이용하여 냉각시킨 상기 몰드 내에 형성된 소결체를 상기 몰드로부터 분리하면, 구조 전체에 자성금속이 균질하게 분포되는 초미세 3차원 마이크로 로봇이 제작된다.
이상 상술한 바와 같은 본 발명에 따르면, 나노~마이크로 수준의 초미세 마이크로로봇 구조물을 비 폴리머 재료로 설계한 대로 제작할 수 있다. 또한, 물리적인 수술 방법에서 3차원 마이크로 로봇의 강성을 높일 수 있는 이점이 있다. 또한, 자기장으로 제어되는 3차원 마이크로 로봇의 전체를 자성금속으로 구성하여 자화세기를 높일 수 있다.
본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 보호범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구의 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (4)

  1. (a) 3차원 레이저 리소그래피 시스템을 이용하여 미세 구조물을 포함할 몰드를 준비하는 단계; 및
    (b) 상기 몰드에 비폴리머 재료를 주입하여 3차원 마이크로로봇을 제작하는 단계를 포함하고,
    상기 (b) 단계는 도금법 및 담금법 중 적어도 하나의 방법을 이용하여 자성체 막이 형성된 상기 비폴리머 재료를 상기 몰드의 빈 공간에 주입하여 소결체를 제조하고,
    상기 소결체가 상기 몰드로부터 분리되면 자성 금속이 균질하게 분포되는 레이저 가공 몰드를 이용한 초미세 3차원 마이크로로봇 제작 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 (a) 단계는 나노 내지 마이크로미터 단위의 크기에 해당하는 상기 미세 구조물을 포함할 몰드를 제작하는 것
    인 레이저 가공 몰드를 이용한 초미세 3차원 마이크로로봇 제작 방법.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 (b) 단계는 상기 소결체 제조 후 기설정된 시간이 지나거나 또는 냉각을 거친 후 상기 소결체를 상기 몰드로부터 분리하는 것
    인 레이저 가공 몰드를 이용한 초미세 3차원 마이크로로봇 제작 방법.
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