KR102418701B1 - 가공대상체의 레이저 패터닝 장치와 그 방법 및 그에 의하여 가공된 3차원 가공대상체 - Google Patents

Abstract

본 발명은 가공대상체의 레이저 패터닝 방법에 관한 것으로서, 특히, 3차원 가공대상체를 레이저 패터닝 장치에 로딩(loading)시킨 후 기 결정된 z축 가공 높이를 1차 설정하고, 상기 가공대상체의 형상을 2차원적으로 측정하여 생성한 2차원 위치 정보와 상기 가공대상체의 레이저 패터닝 가공을 위해 마련된 3차원 가공 패턴 데이터를 매칭시킨 후 가공을 수행하고, 상기 가공에 의하여 패터닝 가공된 상기 가공대상체의 가공 형상 분석을 통해 상기 3차원 패턴 가공 패턴 데이터에 근거한 z축 가공 높이에 도달될 때까지 z축 가공 높이를 2차 설정한 후 가공함으로써, 별도의 3차원 프로파일링 과정을 필요로 하지 않는 이점을 제공한다.

Description

가공대상체의 레이저 패터닝 장치와 그 방법 및 그에 의하여 가공된 3차원 가공대상체{LASER PATTERNING APPARATUS FOR OBJECT, METHOD FOR THE SAME AND 3-DIMENSIONAL OBJECT MADE BY THE APPARATUS OR THE METHOD}

본 발명은 가공대상체의 레이저 패터닝 장치와 그 방법 및 그에 의하여 가공된 3차원 가공대상체에 관한 것이다.

레이저 가공은 레이저 빔을 이용하여 대상체를 가공하는 것을 의미하고, 최근에는 가공대상체의 피가공면에 일정한 패턴을 형성하기 위한 목적으로 레이저 가공이 사용되기도 한다. 이러한 레이저 가공에 사용되는 레이저 패터닝 장치는 레이저를 이용하여 가공대상체에 소정의 패턴을 형성하는 장치이다.

하지만, 종래의 레이저 패터닝 장치는 곡형의 3차원 대상물에 패터닝을 수행할 수 없었다. 예를 들어, 인공수정체, 스마트 렌즈 등의 생체 이식체의 3차원 곡면 표면 패터닝의 경우, 고도의 정밀도 및 치수 관리성이 확보될 수 없어 사용되기 어려웠다.

대한민국 등록특허공보 제10-1243998호(2013.03.08.)

본 발명의 실시예들은, 가공대상체의 레이저 패터닝 장치에 있어서, 부속 부품의 결합력 및 접합력 등에 영향을 주는 가공대상체의 레이저 패터닝 장치와 그 방법 및 그에 의하여 가공된 3차원 가공대상체를 제공하기 위한 것이다. 또한, 펄스화된 레이저 빔을 사용하여, 마이크로 크기에서 나노 크기의 패턴을 제작할 수 있는 가공대상체의 레이저 패터닝 장치와 그 방법 및 그에 의하여 가공된 3차원 가공대상체를 제공하기 위한 것이다.

또한, 레이저 빔의 초점 높이를 조절할 수 있는 다이나믹 포커싱 모듈을 통해, 나노 크기에서 마이크로 크기의 선폭을 균일하게 가공할 수 있는 가공대상체의 레이저 패터닝 장치와 그 방법 및 그에 의하여 가공된 3차원 가공대상체를 제공하기 위한 것이다.

또한, 가공대상체의 가공을 위해 로딩 후 3차원 패턴을 입력하고 2차원 위치 정보를 생성하여 매칭한 다음 가공하여 분석 후 다이나믹 포커싱 모듈을 통해 z축 가공 높이를 설정하여 완성된 패터닝 가공이 가능하므로 별도로 3차원 프로파일링 과정을 필요로 않는 가공대상체의 레이저 패터닝 장치와 그 방법 및 그에 의하여 가공된 3차원 가공대상체를 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재들로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본 발명에 따른 가공 대상체의 레이저 패터닝 방법의 일 실시예는, 3차원 가공대상체를 레이저 패터닝 장치에 로딩(loading)시킨 후 기 결정된 z축 가공 높이를 1차 설정하고, 상기 가공대상체의 형상을 2차원적으로 측정하여 생성한 2차원 위치 정보와 상기 가공대상체의 레이저 패터닝 가공을 위해 마련된 3차원 가공 패턴 데이터를 매칭시킨 후 가공을 수행한다. 상기 가공에 의하여 패터닝 가공된 상기 가공대상체의 가공 형상 분석을 통해 상기 3차원 패턴 가공 패턴 데이터에 근거한 가공대상체의 가공 패턴 위치(x, y, z)가 불일치하거나, 가공패턴의 치수(폭, 깊이), 간격 등이 불균일할 경우에는 가공 패턴 위치, 패턴 가공폭 또는 간격이 기 설정된 목표치에 도달될 때까지 z축 가공 높이를 2차 설정한 후 가공할 수 있다.

여기서, 상기 2차원 위치 정보는, CCD 또는 CMOS로 구비된 카메라를 이용하여 상기 가공대상체를 2차원 검사로부터 획득될 수 있다.

또한, 상기 2차원 위치 정보와 상기 3차원 가공 패턴 데이터의 매칭은, 상기 2차원 위치 정보의 생성을 통하여 획득한 상기 가공대상체의 외곽선 인식 또는 면적 계산을 통해 중심점 정보를 산출한 후 수행될 수 있다.

또한, 상기 2차원 위치 정보와 상기 3차원 가공 패턴 데이터의 매칭은, 상기 2차원 위치 정보의 생성을 통하여 획득한 상기 가공대상체의 외곽선 인식 또는 면적 계산을 통해 상기 가공대상체의 중심 위치, 틸트(tilt) 정보 등을 산출한 후 수행될 수 있다.

또한, 상기 기 결정된 z축 가공 높이는, 상기 가공대상체의 설계도면의 높이 정보 또는 실제 측정한 높이 정보를 기준으로 하여 상기 가공대상체가 로딩되는 가공 스테이지에 따른 z축 및 상기 가공대상체에 패터닝하는 레이저 패터닝 장치의 빔 조절부에 따른 z축 중 어느 하나에 의해 결정될 수 있다.

또한, 상기 가공대상체의 가공 형상 분석은, CCD 또는 CMOS로 구비된 카메라를 통해 상기 가공대상체에 가공된 패턴의 가공폭 및 패턴 간격 중 어느 하나의 측정을 통해 수행될 수 있다.

또, 상기 가공대상체의 가공 형상 분석은, 광학 단층 촬영기(OCT; Optical Coherence Tomography), 레이저 간섭계, 공초점 현미경(confocal microscope), 이광자 현미경(two-photon microscope) 중 하나를 이용하여 상기 가공대상체에 가공된 패턴의 가공폭 및 패턴 간격 중 어느 하나의 측정을 통해 수행될 수 있다.

본 발명에 따른 가공대상체의 레이저 패터닝 방법의 일 실시예는, 3차원 가공대상체인 가공대상체를 레이저 패터닝 장치에 로딩(loading)시키는 3차원 가공대상체 로딩 단계, 상기 가공대상체의 레이저 패터닝 가공을 위해 3차원 가공 패턴 데이터를 입력하는 3차원 가공 패턴 입력 단계, 상기 가공대상체의 형상을 2차원적으로 측정하여 2차원 위치 정보를 생성하는 2차원 위치 정보 생성 단계, 상기 레이저 패터닝 장치를 통해 가공될 상기 가공대상체의 가공 높이인 기 결정된 z축 가공 높이를 설정하는 z축 1차 설정 단계 및 상기 3차원 가공 패턴 데이터와 상기 2차원 위치 정보를 매칭시키는 패턴 및 위치정보 매칭 단계를 포함한다.

여기서, 상기 패턴 및 위치정보 매칭 단계 후, 상기 z축 1차 설정 단계에서 설정된 상기 z축 가공 높이로 가공을 수행하는 가공 단계를 더 포함할 수 있다.

또한, 상기 가공 단계는, 상기 z축 1차 설정 단계에 따라 가공된 상기 가공대상체를 2차원적으로 또는 3차원적으로 분석한 후 상기 z축 가공 높이에 도달될 때까지 새로운 z축 가공 높이를 부여하여 가공하는 것을 반복하는 z축 2차 설정 단계를 포함할 수 있다.

또한, 상기 z축 2차 설정 단계는,

CCD 또는 CMOS로 구비된 카메라를 이용하여 상기 가공대상체의 패턴 가공 형상을 2차원적으로 분석하는 가공형상 분석 과정, 상기 가공형상 분석 과정에 의하여 분석된 상기 가공대상체의 패턴 가공폭, 패턴 간격 및 패턴 깊이 중의 하나가 상기 3차원 가공 패턴 데이터 상의 패턴 폭, 패턴 간격 및 패턴 깊이 중 하나에 도달하지 않은 경우 새로운 z축 가공이 높이를 부여하는 z축 보정 과정을 포함할 수 있다.

또는 광학 단층 촬영기(OCT; Optical Coherence Tomography), 레이저 간섭계, 공초점 현미경(confocal microscope), 이광자 현미경(two-photon microscope) 중 하나를 이용하여 상기 가공대상체의 패턴 가공폭 또는 간격을 2차원적으로 또는 3차원적으로 분석하는 가공형상 분석 과정, 상기 가공형상 분석 과정에 의하여 분석된 상기 가공대상체의 패턴 가공폭, 패턴 간격 및 패턴 깊이 중의 하나가 상기 3차원 가공 패턴 데이터 상의 패턴 폭, 패턴 간격 및 패턴 깊이 중 하나에 도달하지 않은 경우 새로운 z축 가공이 높이를 부여하는 z축 보정 과정을 포함할 수 있다.

또한, 상기 가공형상 분석 과정은, 상기 가공대상체의 표면에 가공된 패턴의 가공 선폭 및 패턴 간격의 측정 중 어느 하나를 통해 수행될 수 있다.

또한, 상기 패턴이 가공된 상기 가공대상체를 대상으로, 패턴의 형상, 패턴의 폭, 패턴의 깊이, 패턴 간의 간격, 레이저 빔의 파장 및 출력, 펄스폭, 빔의 형상, 스캐닝 속도, 스폿사이즈 중 어느 하나를 분석하여 보고하는 품질분석 및 보고 단계를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 가공대상체의 레이저 패터닝 장치는, 레이저 발생부, 상기 레이저 발생부에서 생성된 레이저 빔의 크기 또는 형상을 조절하는 빔 변환장치, 상기 빔 변환장치를 경유한 상기 레이저 빔의 z축 초점위치를 조절하는 다이나믹 포커싱 모듈 및 상기 레이저 빔의 x축 및 y축의 초점위치를 조절하는 스캔헤드를 포함하는 빔 조절부 및 3차원 가공대상체에 레이저 패터닝이 가능하도록 상기 빔 조절부를 제어하는 제어부를 포함하고, 상기 제어부는, 상기 3차원 가공대상체를 레이저 패터닝 장치에 로딩(loading)시킨 후 기 결정된 z축 가공 높이를 1차 설정하고, 상기 가공대상체의 형상을 2차원적으로 측정하여 생성한 2차원 위치 정보와 상기 가공대상체의 레이저 패터닝 가공을 위해 마련된 3차원 가공 패턴 데이터를 매칭시킨 후 가공을 수행하며, 상기 가공에 의하여 패터닝 가공된 상기 가공대상체의 가공 형상 분석을 통해 상기 3차원 패턴 가공 패턴 데이터에 근거한 z축 가공 높이에 도달될 때까지 z축 가공 높이를 2차 설정하여 가공하도록 상기 빔 조절부를 제어한다.

또한, 본 발명은 상기 레이저 패터닝 방법 및 레이저 패터닝 장치 중 어느 하나로 패터닝 가공된 3차원 가공대상체를 제공한다.

본 발명에 따른 가공 대상체의 레이저 패터닝 장치와 그 방법 및 그에 의하여 가공된 3차원 가공대상체의 일 실시예에 따르면 다음과 같은 다양한 효과를 달성할 수 있다.

첫째, 부속 부품의 규격에 일치하는 정밀도를 가지도록 가공 대상체의 표면을 패터닝할 수 있으므로 가공 대상체의 성능 및 신뢰성을 향상시킬 수 있다.

둘째, 펄스화된 레이저 빔을 사용하여, 마이크로 크기에서 나노 크기의 패턴을 제작할 수 있다.

셋째, 레이저 빔의 초점 높이를 조절할 수 있는 다이나믹 포커싱 모듈을 통해, 나노 크기에서 마이크로 크기의 선폭을 3차원 표면상에 균일하게 가공할 수 있다.

넷째, 가공 대상체의 표면에 대한 3차원 패터닝 가공을 위해 별도의 3차원 대상체의 표면 정보를 이용하지 않아도 완성된 가공을 수행할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 가공대상체의 레이저 패터닝 장치의 레이저 빔의 경로를 나타낸 도면이고,
도 2 및 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 가공대상체의 레이저 패터닝의 빔 경로를 나타낸 도면이며,
도 4 및 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 가공대상체를 가공하는 흐름을 설명하기 위한 순서도이고,
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 예시적인 3차원 가공대상체를 나타낸 도면이고, 도 7은 도 6의 A-A선을 따라 취한 확대 단면도이며,
도 8 및 도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 패턴 형상을 나타낸 도면이고,
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따라, 3차원 가공대상체가 인공수정체인 경우, 패터닝이 완료된 인공수정체를 나타낸 도면이다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명의 구체적인 실시형태를 설명하기로 한다. 그러나 이는 예시에 불과하며 본 발명은 이에 제한되지 않는다.

본 발명을 설명함에 있어서, 본 발명과 관련된 공지기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 그리고, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

본 발명의 기술적 사상은 청구범위에 의해 결정되며, 이하의 실시예는 본 발명의 기술적 사상을 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 효율적으로 설명하기 위한 일 수단일 뿐이다.

본 발명에 따른 가공 대상체의 레이저 패터닝 장치는, 생체이식체, 예를 들어, 인공수정체, 치과용 임플란트, 정형외과용 임플란트 등의 생체이식체 가공에 사용될 수 있다. 한편, 레이저 발생부 및 빔 조절부를 포함하여, 생체이식체에 있어서 세포 정렬 및 이동 방향에 영향을 주는 마이크로 패턴과 나노 패턴 중 하나 이상의 패턴을 패터닝할 수 있다. 여기서, 가공대상체의 예시로서 생체에 이식 또는 식립될 수 있는 가공대상체를 예로 들었으나, 이에 한정되는 것은 아니며 인체 내에서 또는 인체와 함께 사용될 수 있는 패턴을 포함하는 가공대상체도 포함될 수 있음은 물론이다. 인체 내에서 또는 인체와 함께 사용될 수 있는 패턴을 포함하는 가공대상체는 최근 출시된 스마트렌즈도 포함하는 개념이다. 더 나아가 전기전자 부품, 광학 부품, 자동차 부품, 항공우주 부품 가공 등에 사용될 수 있다.

이하에서는 이러한 가공대상체의 레이저 패터닝 장치 및 방법을 각각 구분하여 설명하되, 장치의 설명에서 기재가 생략되고, 방법의 설명에만 기재된 구체적인 단계들도 본 발명의 실시예에 따른 장치를 통해 수행될 수 있음은 물론이다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 가공대상체의 레이저 패터닝 장치의 레이저 빔의 경로를 나타낸 도면이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 패터닝 장치는, 3차원 가공대상체인 샘플(1)에 미세한 패터닝을 하기 위해 레이저 발생부(10), 빔변환장치(20), 빔 조절부(30), 집광부(50), z축 보정부(미도시) 및 제어부(70)를 포함할 수 있다.

레이저 발생부(10)는, 패터닝을 위한 레이저 빔을 생성할 수 있다. 구체적으로, 레이저 발생부(10)는 펄스화된 레이저 소스(laser source)를 사용할 수 있다. 이로써, 레이저 발생부(10)는, 나노초, 피코초 또는 펨토초, 아토초 중 하나의 레이저 빔을 발생시킬 수 있다. 이 중, 펨토초 레이저 빔은 1 내지 1000 펨토초의 펄스 지속시간(duration time)을 갖는 극초단파 레이저일 수 있다. 구체적으로, 레이저 발생부(10)는 펨토초 범위 내의 펄스 지속 시간을 갖는 펄스화된 레이저 빔을 생성할 수 있다. 여기서, 펄스 반복율은 두자리 kHz 범위 내지 최대 세자리 kHz 범위 내에 있거나, MHz 범위 내에 있을 수 있다. 레이저 빔의 파장은 적외선 영역에서부터 자외선 영역 내에 위치하는 레이저 파장 전부를 사용할 수 있다. 예를 들어, 자외선 파장, 그린 파장, 적외선 파장 등을 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 가공대상체의 레이저 패터닝 장치는, 3차원 가공대상체인 샘플(1)에 마이크로 단위에서 나노 단위의 폭, 간격과 깊이를 가지는 패턴을 패터닝할 수 있다. 설계된 패턴 크기 및 소재 종류에 따라 레이저 파장을 변환하여 사용함으로써 다양한 패턴 크기를 구현할 수 있다. 예를 들어, 3차원 가공대상체가 생체이식체 중 하나인 인공수정체인 경우, 10mm 이상(바람직하게는, 12mm) 직경 이상을 갖는 가공대상체의 표면 전체에 한번에 레이저 빔을 조사하여 수 마이크로 단위에서 나노 단위의 패턴을 생성할 수 있다. 또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 가공대상체의 레이저 패터닝 장치는, 소재 종류에 따라 레이저의 파장을 자외선 영역의 짧은 파장을 가지도록 변환시켜 사용함으로써 집광부의 회절한계를 극복하고 나노 단위의 패턴을 구현할 수 있다.

레이저 발생부(10)에서 생성된 레이저 빔은, 펄스화된 펨토초 레이저 빔일 수 있고, 빔변환장치(20) 및 빔 조절부(30)를 경유할 수 있다.

빔변환장치(20)는 레이저 발생부(10)에서 생성된 레이저 빔의 크기 또는 형상을 조절할 수 있다. 구체적으로, 빔변환장치(20)는 레이저 빔을 확대 또는 축소시킬 수 있다. 또한, 빔변환장치(20)는 레이저 빔을 분산이나 집중이 적은 평행한 콜리메이트 빔(collimated beam)으로 생성시켜 줄 수 있다. 이로써, 레이저 발생부(10)에서 생성된 레이저 빔은 빔변환장치(20)를 경유하며 확대 또는 축소되어 크기 조절 되면서, 콜리메이트 빔으로 생성될 수 있다.

빔변환장치(20)에 의하여 변경된 레이저 빔의 크기는 본 발명의 일 실시예에 따른 가공대상체의 레이저 패터닝 장치의 마지막 단의 렌즈로 입사되는 레이저 빔의 크기일 수 있다. 빔변환장치(20)는 레이저 발생부(10)에서 생성된 레이저 빔의 직경을 변경하고, 변경된 레이저 빔을 출력할 수 있다. 빔변환장치(20)는 수동 또는 자동으로 조절이 가능할 수 있다. 여기서, 빔변환장치(20)는 가우시안 빔의 형상을 플랫탑 빔 또는 멀티 스폿의 형상으로 변환하여 출력할 수 있다. 플랫탑 빔의 형태는 원형, 다각형, 링형 중의 하나일 수 있다.

이 밖에도, 빔 어테뉴에이터(attenuator), 편광판, 반파장판, 스플리터, 필터, 셔터 등의 다양한 광학소자가 더 배치될 수 있다.

빔 조절부(30)는 3차원 가공대상체인 샘플(1)에 조사될 수 있는 레이저 빔의 초점 높이 및 초점 위치를 조절할 수 있다. 빔 조절부(30)는 다이나믹 포커싱 모듈(dynamic focusing module)(31) 및 스캔 헤드(scan head)(32)를 포함할 수 있다. 빔 조절부(30) 중 다이나믹 포커싱 모듈(31)은 레이저 빔의 초점 높이를 조절할 수 있으며, 빔 조절부(30) 중 스캔 헤드(32)는 3차원 가공대상체인 샘플(1)을 따라 레이저 빔의 초점 위치를 조절할 수 있다.

다이나믹 포커싱 모듈(21)은, 후술하는 3차원 가공대상체인 샘플(1)의 z축 높이를 z축 1차 설정 단계에 의한 2차원 위치 정보와의 매칭을 통해 설정된 z축 가공 높이에 따라, 집광부(50)를 통과하는 레이저 빔의 초점 위치를 조절할 수 있다. 구체적으로, 다이나믹 포커싱 모듈(31)은 2개 이상의 렌즈(미도시)를 포함할 수 있다. 각 렌즈들간의 간격을 조절하여, 다이나믹 포커싱 모듈(31)을 통과한 레이저 빔의 발산 및 수렴을 조절함으로써 집광부(50)를 통과한 레이저 빔의 초점을 조절할 수 있다. 또한 다이나믹 포커싱 모듈(31)은 반사형 광학계로 구성될 수 있다.

상기의 다이나믹 포커싱 모듈(31)은 빔 조절부(30)를 경유한 레이저 빔의 초점 높이, 즉 초점의 z축 위치를 조절할 수 있다. 다이나믹 포커싱 모듈(31)은 빔변환장치(20)를 경유한 레이저 빔의 수렴 및 발산을 조절하여 레이저 빔의 z축 위치, 즉 레이저 빔의 초점 높이를 조절할 수 있다.

다이나믹 포커싱 모듈(31)은 수평 왕복 이동을 하는 모터(미도시)의 구동에 의해, 스캔 헤드(32)로 전달되는 레이저 빔의 초점거리를 조절하여 조사할 수 있다. 예를 들어, 다이나믹 포커싱 모듈(31) 내부 하나의 렌즈가 우측으로 이동하게 되면, 레이저 빔의 초점이 3차원 가공대상체인 샘플(1)로부터 멀어지게 되므로, 레이저 빔이 z축 상에서 도 1 지면의 상측으로 이동할 수 있다. 따라서, 레이저 빔의 초점 높이가 짧아질 수 있다. 반대로, 다이나믹 포커싱 모듈(31) 내부 하나의 렌즈가 좌측으로 이동하게 되면, 레이저 빔이 3차원 가공대상체인 샘플(1)로 가까워지므로, 레이저 빔의 초점이 z축 상에서 도 1 지면의 하측으로 이동할 수 있다. 따라서, 레이저 빔의 초점높이가 길어질 수 있다. 따라서, 3차원 가공대상체인 샘플(1)에 입사되는 상기 레이저 빔의 초점 위치를 z축 방향으로 제어할 수 있다.

다이나믹 포커싱 모듈(31)을 통해서, 3차원 가공대상체인 샘플(1)의 3차원 형상의 표면의 높이를 따라 패터닝 할 수 있다. 예를 들어, 생체 이식체 중 하나인 인공수정체는 곡형의 형상을 가지므로, 레이저 빔에 의하여 패턴이 패터닝되어야 하는 위치가 각각의 x축 및 y축에 따라 높이(즉, z축)가 다를 수 있다. 다이나믹 포커싱 모듈(31)을 통한 레이저 빔의 초점의 z축상 위치 조절은 각각의 x축 및 y축 좌표마다 다른 z축 위치에 대응하여 균일한 패터닝을 할 수 있다. 또한, 나노 크기에서 마이크로 크기의 폭으로 패터닝을 할 수 있다. 뿐만 아니라, 패턴의 형상은 점, 점선, 선, 폴리라인(poly line), 원호, 다각형 등일 수 있다. 다이나믹 포커싱 모듈(31)은 내부 광학계의 이동 또는 광학계에 포함된 렌즈 각각을 이동시킬 수 있다. 따라서, 레이저 빔의 높이를 실시간으로 고속제어가 가능하여 3차원 가공대상체인 샘플(1) 표면에서의 선폭의 균일성을 높이고, 생산성을 향상시킬 수 있다.

다이나믹 포커싱 모듈(31)에 의해 z축 초점위치가 조절된 상기 레이저 빔은 스캔 헤드(32)에 의해 x축 및 y축 초점위치가 조절될 수 있다.

스캔 헤드(32)는, 3차원 가공대상체인 샘플(1)의 x축 및 y축의 초점 위치를 조절할 수 있다. 즉, 스캔 헤드(32)는, 도면에 도시되지 않았으나, x축 스캔미러(미도시됨) 및 y축 스캔미러(미도시됨)를 포함하고, 2차원적인 스캐닝을 할 수 있다. 다이나믹 포커싱 모듈(31)에 의해 z축 초점위치가 조절된 레이저 빔을 x축 스캔미러 및 y축 스캔미러를 통해 3차원 가공대상체인 샘플(1)의 곡면을 따라 x축 및 y축 방향으로 미세하게 제어할 수 있다.

스캔 헤드(32)의 x축 스캔미러와 y축 스캔미러는 레이저 빔을 패터닝을 위한 방향으로 레이저 빔을 반사시켜 3차원 가공대상체인 샘플(1)의 원하는 위치에 레이저 빔을 조사시킬 수 있다. x축 스캔미러와 y축 스캔미러는 갈바노미터(galvanometer)식으로 한 쌍의 스캔미러로 구성되고, 이 한 쌍의 스캔 미러들은 각각 x-y 평면을 가로지르는 축들 중의 하나의 방향으로 레이저 빔을 편향시킬 수 있다.

따라서, 상술한 바와 같이, 빔 조절부(30)는 상기 레이저 빔의 초점 높이 및 초점 위치를 조절할 수 있다. 레이저 빔은 빔변환장치(20)를 경유하면서 확대 또는 축소되어 크기 조절이 되고, 콜리메이트 빔으로 생성되어 제어된 방향으로 굴절될 수 있다. 빔변환장치(20)를 경유한 레이저 빔은 다이나믹 포커싱 모듈(31)에 의해 z축 초점위치가 조절되고, 스캔 헤드(32)에 의해 x, y 좌표가 조절되어 3차원 가공대상체인 샘플(1)에 대응되게 레이저 빔의 초점 위치가 조절될 수 있다.

빔 조절부의 하부에는, 다이나믹 포커싱 모듈(31) 및 스캔 헤드(32)를 통과한 상기 펨토초 레이저 빔을 3차원 가공대상체인 샘플(1)로 집속하기 위한 집광부(50)가 배치될 수 있다.

집광부(50)는 레이저 빔을 집속시킬 수 있다. 이와 같은 집광부(50)는 빔 조절부(30)를 통과한 레이저 빔을 집광시켜서, 3차원 가공대상체인 샘플(1)에 레이저 빔을 조사할 수 있다. 집광부(50)는 텔레센트릭 에프-세타 렌즈(telecentric Ftheta lens) 또는 에프-세타 렌즈(F-theta lens)를 포함할 수 있다. 이로써, 마이크로 또는 나노 크기 단위의 미세 패턴을 가공할 수 있다.

이러한 구성들을 통해, 레이저 빔의 조사 위치, 초점 거리, 출력되는 레이저 빔의 펄스 파형, 조사 시간, 스캐닝 속도, 발산 및 수렴 특성, 빔의 형상, 패턴 형태 등 다양한 파라미터 중 적어도 하나 이상을 조절할 수 있다.

제어부(70)는 곡면을 가진 3차원 가공대상체인 샘플(1)의 표면에 패터닝을 하기 위해, 설계된 3차원 가공 패턴 데이터를 입력하여, x축, y축, z축의 초점 위치 데이터를 추출할 수 있다. 이 데이터를 기반으로 x축 및 y축의 2차원 초점 위치 데이터는 스캔 헤드(32)가 제어할 수 있다. 또한, z축의 초점 위치 데이터는 다이나믹 포커싱 모듈(31)이 제어함으로써 3차원 가공 패턴 데이터를 실시간으로 제어할 수 있다. 따라서, 가공대상체 표면에 마이크로 단위에서 나노 단위의 패턴 폭과 패턴 깊이를 갖는 미세 패턴을 제작할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 가공대상체의 레이저 패터닝 장치는 초정밀 스테이지(미도시됨)를 더 포함할 수 있다. 3차원 가공대상체인 샘플(1)이 가공을 위해 스테이지에 장착되었을 때, 광학계의 유효 초점거리를 벗어나는 변형이 발생할 개연성이 있다. 따라서, 나노급의 초정밀 스테이지를 통해 정의된 좌표계 안에서 다량의 축의 조합에 따라 다이나믹 포커싱 모듈(31)과 스캔 헤드(32)의 유효 가공영역과 유효 초점거리 내에 3차원 가공대상체인 샘플(1)이 위치하도록 제어할 수 있다. 이하에서 설명하는 “z축 가공높이”는 기계적인 z축 또는 광학적인 z축 중 적어도 어느 하나에 의하여 결정될 수 있는데, 기계적인 z축이라 함은 상술한 초정밀 스테이지에 의하여 3차원 가공대상체인 샘플(1)의 높이 변화로 정의할 수 있고, 광학적인 z축이라 함은 빔 조절부(30)의 구성 중 다이나믹 포커싱 모듈(31)에 의하여 3차원 가공대상체인 샘플(1)에 대한 레이저 빔의 초점 변화로 정의할 수 있다.

한편, 도 10에 참조된 바와 같이, 3차원 가공대상체는 인공수정체일 수 있다. 그러나, 인공수정체는 3차원 가공대상체의 예시에 불과할 뿐, 임플란트, 스텐트 등 인체에 식립 또는 삽입될 수 있는 임의의 대상체 및 인체와 함께 사용될 수 있는 대상체를 포함할 수 있음은 물론이다. 더 나아가 전기전자 부품, 광학 부품, 자동차 부품, 항공우주 부품을 포함할 수 있음은 물론이다.

인공수정체는, 도 10에 참조된 바와 같이, 중앙지역의 옵틱부 및 외곽지역의 햅틱부를 포함할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 가공대상체의 레이저 패터닝 장치는 인공수정체의 햅틱부에 펨토초 레이저 빔을 조사하여 미세한 패터닝을 할 수 있다. 햅틱부에 마이크로 또는 나노 단위의 다양한 모양의 패턴을 형성하여, 방향성을 가지며 세포가 정렬될 수 있도록 하고, 이동 및 접착이 가능하도록 할 수 있다.

도 2 및 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 가공대상체의 레이저 패터닝의 빔 경로를 나타낸 도면이다.

도 2를 참조하면, 레이저 발생부(10)에서 생성된 레이저 빔은 빔 변환장치(20)를 통과하여, 빔 조절부(30)로 전달된다. 빔 조절부(30)로 전달된 레이저 빔은 다이다믹 포커싱 모듈(31)에 의해 z축이 조절되고, 스캔 헤드(32)에 의해 x축 및 y축이 조절될 수 있다.

도 3을 참조하면, 다이나믹 포커싱 모듈(31) 및 스캔 헤드(32)에 의해 x, y, z 축이 조절된 레이저 빔이 3차원 가공대상체인 샘플(1)의 표면에 조사될 수 있다.

예를 들어, 3차원 가공대상체인 샘플(1)의 높이가 다른 x축 및 y축 필드(즉, 결상면)에 조사되는 레이저 빔의 사이즈는 동일할 수 있다. 집광부(50)의 집속 렌즈의 사양에 따라 스캐닝 가능한 x축 및 y축의 크기 결정되며, 이에 따라 z축의 범위가 결정될 수 있다. 집광부(50)의 초점거리 160mm이고, x축 및 y축의 스캐닝 범위(Field size)가 75mm x 75mm일 경우 z축 초점 범위(Focus Range in Z-direction)는 ±5.3mm일 수 있다. 또한, 초점거리 103mm이고, x축 및 y축의 스캐닝 범위가 50mm x 50mm일 경우 z축 초점 범위는 ±4.0mm일 수 있고, 초점거리 45mm이고, x축 및 y축의 스캐닝 범위가 13mm x 13mm일 경우 z축 초점 범위는 ±0.9mm일 수 있다. 즉, 제어부에 입력된 3차원 가공대상체의 3차원 패턴 데이터에 따라서, 빔 조절부(30)와 집광부(50)의 사양을 달리 구성하여 가공대상체의 패터닝 면적 및 높이를 결정할 수 있다. 또한 스캔 헤드(32)가 조절하는 x축 및 y축 좌표값에 대응되어 다이나믹 포커싱 모듈(31)이 z축 높이를 조절할 수 있다.

도 4 및 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 가공대상체를 가공하는 흐름을 설명하기 위한 순서도이다,

도 4를 참조하면, 3차원 가공대상체를 가공하는 방법은, 3차원 가공대상체인 샘플(1)을 로딩하고(이하, 3차원 가공대상체 로딩 단계, S1), 로딩된 3차원 가공대상체인 샘플(1)의 2차원 검사를 수행하며(이하, 2차원 검사 단계, S2), 2차원 위치 정보를 생성하여 입력하고(이하, 2차원 위치정보 생성 단계, S3), 기결정된 z축 가공높이를 설정 및 입력한 후(이하, z축 1차 설정 단계, S4), 3차원 패턴 데이터와의 2차원 위치 정보를 매칭시킨 다음(이하, 패턴 및 위치정보 매칭 단계, S5), 레이저 빔을 조사하여 가공하여(이하, 가공 단계, S6) 최종 3차원 가공대상체인 샘플(1)에 대한 레이저 패터닝을 완료하게 된다(S7).

3차원 가공대상체 로딩 단계(S1)와 2차원 검사 단계(S2) 간에는 3차원 가공대상체인 샘플(1)을 패터닝 가공하기 위하여 마련된 3차원 가공 패턴 입력 단계(S1-2)를 더 포함할 수 있고, 가공 단계(S6) 후 완료(S7) 전에는 품질분석/보고 단계(S6-1)를 더 포함할 수 있다. 그리고, z축 1차 설정 단계(S4)는, 본 발명의 일 실시예에 따른 가공대상체의 레이저 패터닝 방법에서, 2차원 위치정보 생성 단계(S3) 후에 수행되는 것으로 한정하여 설명하고 있으나, 실시예에 따라서는 3차원 가공대상체 로딩 단계(S1) 후 곧바로 수행될 수 있다. 즉, z축 1차 설정 단계(S4)는 적어도 패턴 및 위치정보 매칭 단계(S5) 전에만 수행되면 족하다.

보다 상세하게는, 투명체로 구비된 가공대상체인 샘플(1)을 초정밀 스테이지와 같은 가공 스테이지에 로딩한다(S1).

가공 스테이지에 3차원 가공대상체인 샘플(1)의 로딩이 완료되면 2차원 검사를 단행한다(S2). 여기서의 2차원 검사라 함은, 3차원 가공대상체인 샘플(1)의 외형 검사를 의미할 수 있다.

여기서, 3차원 가공대상체 로딩 단계(S1)와 2차원 검사 단계(S2) 간에는 3차원 가공대상체인 샘플(1)을 패터닝 가공하기 위하여 마련된 3차원 가공 패턴 입력 단계(S1-2)를 더 포함할 수 있다. 3차원 가공 패턴 입력 단계(S1-2)는, 3차원 가공 대상체인 샘플(1)의 표면에 레이저 처리될 패턴이 가공 파라미터로서 설정된 3차원 설계도의 입력 단계일 수 있다.

2차원 검사 단계(S2)가 수행된 후에는, 2차원 위치 정보 생성 단계(S3)를 수행할 수 있다. 2차원 위치 정보는, x-y, x-z 및 y-z 평면 상의 특정점에 관한 2차원 좌표 정보를 말한다. x-y 평면 상의 특정점에 관한 2차원 좌표는 (x,y) 변수로 표시 가능하고, x-z 평면 상의 특정점에 관한 2차원 좌표는 (x,θ) 변수로 표시 가능하며, y-z 평면 상의 특정점에 관한 2차원 좌표는 (y,θ) 변수로 표시 가능하다. 따라서, 2차원 위치정보는 수직방향 및 수평방향으로의 선 및 면의 위치정보가 포함될 수 있다. 즉, 상기 2차원 위치정보에 포함된 2차원 형상 정보에 따라 제조된 최종적인 3차원 가공대상체는 상기 위치정보와 일치할 수 있다.

여기서, 2차원 형상 정보는, CCD, CMOS로 구비된 카메라(미도시)를 이용하여 3차원 가공 대상체인 샘플(1)로부터 획득할 수 있다. 2차원 형상 정보는, 3차원 가공대상체인 샘플(1)의 정렬상태(후술하는 가공 스테이지의 틸팅 등), 중심점(x-y 좌표 등)에 관한 정보를 제공할 수 있다. 특히 중심점 정보는 3차원 가공대상체인 샘플(1)의 외곽선 인식 또는 면적 계산을 통하여 획득할 수 있다. 아울러, 면적 계산을 통하여 3차원 가공대상체인 샘플(1)의 중심 위치, 수축, 팽창 및 기울어짐 상태를 파악할 수 있고, 이러한 정보는 후술하는 패턴 및 위치정보 매칭 단계(S6)나 z축 2차 설정 단계(S8)에서 z축 조절양 결정 시 활용될 수 있다. 이에 대해서는 뒤에 보다 상세하게 설명하기로 한다.

2차원 위치 정보 생성 단계(S3)의 수행 후에는 z축 1차 설정 단계(S4)가 수행될 수 있다. z축 1차 설정 단계(S4)의 수행은, 적어도 패턴 및 위치정보 매칭 단계(S5) 전에만 수행되는 것이라면, 3차원 가공대상체 로딩 단계(S1) 후 곧바로 수행될 수 있음은 이미 설명하였다.

여기서, z축 1차 설정 단계(S4)는, 본 발명의 일 실시예에 따른 가공대상체의 레이저 패터닝 장치를 이용하여 3차원 가공대상체인 샘플(1) 외표면에 가공되는 패턴의 위치(z축 가공 높이)에 관한 1차 정보를 입력하는 단계일 수 있다. 다만, z축 1차 설정 단계(S4)에서 설정 입력된 z축 가공 높이는 최종적으로 가공 완료된 3차원 가공대상체에 패터닝된 패턴의 가공 높이를 의미하는 것은 아니고, 후술하는 패턴 및 위치정보 매칭 단계(S5)에서 3차원 가공대상체인 샘플(1)의 z축 가공 높이 정보와의 매칭을 위한 입력 단계로서의 의미를 가질 수 있다.

z축 1차 설정 단계(S4)의 수행이 완료되면, 기 수행된 3차원 가공 패턴 입력 단계(S1-2)에서 입력된 3차원 가공 패턴 데이터와 2차원 위치 정보 생성 단계(S3)에서 생성된 2차원 위치 정보를 상호 매칭시키는 패턴 및 위치정보 매칭 단계(S6)가 수행될 수 있다.

패턴 및 위치정보 매칭 단계(S6)는, 이미 로딩되어 있는 3차원 가공대상체인 샘플(1)의 위치 및 정렬상태를 검사할 수 있다. 상기 검사는 2차원 위치 정보에 포함된 위치정보와 일치되도록 확인하는 절차이고, 검사된 3차원 가공대상체인 샘플(1)은 기 입력된 상기 위치정보와 검사과정이 수행되어 위치가 확인된 3차원 가공대상체인 샘플(1)의 위치정보를 일치시킬 수 있다. 즉, 3차원 가공대상체인 샘플(1)의 검사된 위치정보와 2차원 위치 정보에 포함된 위치정보가 서로 중첩(매칭)되도록 로딩된 가공대상체 또는 스캔헤드(32)가 이동되어 정렬이 된 상태가 될 수 있다.

상기 정렬과 관련하여 도 4 참조하면, 정렬상태는 3차원 패턴 데이터(A)와 2차원(x,y,θ) 위치 정보의 매칭을 통해 이루어질 수 있다. 여기서의 2차원 위치 정보는, 이미 설명한 바와 같이, x-y, x-z 및 y-z 평면 상의 특정점에 관한 2차원 좌표 정보를 말하는 것으로서, 매칭된 결과에 의해 실제 로딩된 가공대상체인 샘플(1)의 정렬이 제어될 수 있다. 각 데이터의 매칭(C)에 의해 정렬상태를 확인하고 정렬상태를 보정하기 위해서, 가공대상체인 샘플(1)이 로딩된 가공 스테이지(미도시)의 회전 또는 틸팅이 이루어질 수 있고 정렬되기 위해 정렬 전 위치로부터 이동될 수 있다.

패턴 및 위치정보 매칭 단계(S5)의 수행이 완료되면, 상기 정렬이 된 3차원 가공대상체인 샘플(1)의 표면에는 입력된 상기 3차원 가공 패턴 데이터에 따라 레이저를 통해 가공하는 가공 단계(S6)가 수행될 수 있다.

여기서, 가공 단계(S6)는, 입력된 3차원 가공 패턴 데이터(A)를 기반으로 x축 및 y축의 2차원 초점 위치 데이터는 빔 조절부(30)의 구성 중 스캔 헤드(32)를 제어하는 데이터이고, 상술한 z축 1차 설정 단계(S4)에 의하여 입력된 z축의 가공 높이 설정 데이터는 빔 조절부(30)의 구성 중 다이나믹 포커싱 모듈(31)을 제어하는 데이터일 수 있다.

보다 상세하게는, 가공 단계(S6)는, 위치 정렬된 상태의 가공대상체인 샘플(1)에 대하여 레이저 처리를 수행하는 단계로 정의될 수 있다. 여기서 레이저 처리의 의미는, 상기 패턴의 정보에 따라 레이저에 의해 가공대상체인 샘플(1)이 가공되는 것을 의미한다. 이때 제어부는 레이저의 파장, 출력, 펄스폭, 빔의 형상, 스폿사이즈, 스캐닝속도 등의 레이저 가공 파라미터 정보와 패턴의 폭 및 패턴 간의 간격 정보를 포함하고, 레이저가 조사될 수 있도록 할 수 있다.

가공 단계(S6)의 수행 후에는 선택적으로 패터닝 된 3차원 가공대상체의 품질분석 및 보고 단계(S6-1)가 수행될 수 있다. 품질분석 및 보고 단계(S6-1)는, 2차원 위치 정보 데이터에 포함된 위치정보를 기준으로 입력된 패턴이 상기 3차원 가공대상체에 레이저를 통해 일치되도록 형성된 여부를 포함하여 레이저를 통해 가공된 패턴의 크기, 패턴 간격, 패턴 깊이 및 가공된 표면의 표면거칠기 등이 기 결정된 기준에 부합하는지를 검사하는 단계일 수 있다. 물론, 패턴의 일치된 정도는 당업자에 의해 기 결정될 수 있으며, 예를 들면, 패턴 가공에 의해 형성된 요철부 간의 폭, 요철의 깊이 및 폭 등이 상기 일치된 정도를 판가름하는 기준이 될 수 있다. 한편, 품질분석 및 보고 단계(S6-1)는, 품질분석을 수행하면서 품질과 관련된 정보를 저장, 나아가 저장된 정보를 출력하여 보고하는 것을 포함한다. 이러한 품질분석 정보를 누적하여 가공대상체인 샘플(1)의 균일한 패터닝 품질을 유지할 수 있다.

품질분석 및 보고 단계(S6-1) 단계는 CCD, CMOS로 구비된 카메라에 의한 비접촉 방식에 의해 이루어질 수 있다. 또한 광학 단층 촬영기(OCT; Optical Coherence Tomography), 레이저 간섭계, 공초점 현미경(confocal microscope), 이광자 현미경(two-photon microscope) 중 하나를 이용하여 이루어질 수 있다. 품질분석 및 보고 단계(S6-1)가 완료되면 본 발명의 일 실시예에 따른 가공대상체의 레이저 패터닝 장치에 의한 패터닝 과정이 완료(S7)될 수 있다. 물론 완료(S7)의 의미는 패터닝의 한 사이클의 종료를 의미하므로 패터닝이 완료된 3차원 가공대상체를 언로드하고, 새로운 3차원 가공대상체인 샘플(1)을 로드할 수 있다. 그러나, 상술한 가공 단계(S6)는 단순히 z축 1차 설정 단계(S4)에서 입력된 z축 가공 깊이 데이터에 기반하여 3차원 가공대상체인 샘플(1)에 레이저 패터닝한 것에 불과하고, 2차원 위치정보 생성 단계(S3) 및 패턴 및 위치정보 매칭 단계(S5)의 수행만으로는 실제 3차원 프로파일링 과정을 거치지 않은 것이므로 원하는 가공폭과 패턴 간격 및 원하는 z축 가공 깊이로 가공된 것으로 단정할 수 없다.

따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 가공대상체의 레이저 패터닝 장치를 이용한 레이저 패터닝 방법은, z축 2차 설정 단계(S8)를 더 포함할 수 있다.

z축 2차 설정 단계(S8)는, 도 5에 참조된 바와 같이, z축 조절양 결정 단계로서 가공 단계(S6) 중에 수행되거나 가공 단계(S6)에 포함된 단계이다.

보다 상세하게는, z축 2차 설정 단계(S8)는, 도 5에 참조된 바와 같이, 가공 단계(S6)의 수행에 의하여 레이저 조사 가공 과정(S8-1)이 진행된 후, 가공 형상 분석 과정(S8-2)을 거치게 된다. 가공 형상 분석 과정(S8-2)은, 가공된 가공대상체인 샘플(1)의 가공 형상 분석 결과 기 결정된 패턴의 가공폭과 패턴 간격 및 z축 가공 깊이에 도달하였는지 여부를 판정하는 과정이다.

가공 형상 분석 과정(S8-2)은, 도 5에 참조된 바와 같이, CCD, CMOS 카메라(미도시)를 이용하여 3차원 가공 대상체인 샘플(1)로부터 획득된 2차원 형상 정보를 토대로 3차원 가공 패턴 입력 단계(S1-2)에 의하여 입력된 3차원 가공 패턴 데이터와 매칭시킨 결과 상술한 기 결정된 패턴의 가공 선폭과 패턴 간격 및 z축 가공 깊이에 도달하지 않은 것으로 판단된 경우에는 가공 단계(S6)를 완료하지 않고, 3차원 가공대상체인 샘플(1)의 z축 높이 정보 매칭을 위한 새로운 z축 가공 높이를 설정할 수 있다(이하, z축 보정 과정, S8-3).

여기에서, 가공 형상 분석 과정(S8-2)은 광학 단층 촬영기(OCT; Optical Coherence Tomography), 레이저 간섭계, 공초점 현미경(confocal microscope), 이광자 현미경(two-photon microscope) 중 하나를 이용하여 이루어질 수 있다.

z축 보정 과정에 의하여 부여된 새로운 z축 가공 높이에 따라 레이저 조사 가공하는 재 가공 과정(S8-4)을 수행하고, 재 가공 과정(S8-4) 후에 다시 가공 형상 분석 과정(S8-2)을 수행한 다음, 기 결정된 패턴의 가공 선폭과 패턴 간격 및 z축 가공 깊이에 도달한 경우에만 상기 과정의 반복을 종료하게 된다.

앞서 설명한 일련의 단계 및 과정을 수행하기 위해 요구되는 연산은 제어부를 통해 수행될 수 있다. 상기 연산은, 가공대상체인 샘플(1)의 위치 및 정렬상태, 틸팅, 3차원 외곽선 정보, 중심점 정보 등이 입력되고, 입력된 정보를 기반으로 가공대상체인 샘플(1)의 가공위치 및 틸팅 보정 및 조정하기 위해 요구되는 연산을 모두 포함하는 개념이다.

상기와 같이 3차원 가공대상체인 샘플(1)의 패터닝 완료(S7) 후에 다시 로딩되는 새로운 샘플(1)에는 이미 상술한 z축 보정 과정에 의하여 z축 가공 깊이가 세팅되었으므로, 다시 z축 2차 설정 단계(S8)를 거칠 필요는 없고, 곧바로 z축 1차 설정 단계(S4)에서 설정된 z축 가공 깊이로 패터닝 가공하면 족하다.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 예시적인 3차원 가공대상체를 나타낸 도면이고, 도 7은 도 6의 A-A선을 따라 취한 확대 단면도이며, 도 8 및 도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 패턴 형상을 나타낸 도면이다.

본 발명의 일 예로서의 3차원 가공대상체는 인공수정체일 수 있다. 인공수정체는, 도 8에 참조된 바와 같이, 옵틱부(O) 및 햅틱부(H)를 포함할 수 있다. 3차원 가공대상체는 표면 중 곡면을 포함할 수 있는데, 예를 들어, 인공수정체인 경우 옵틱부(O)가 표면이 곡면일 수 있다. 또한 상기 패턴의 가공은 적어도 옵틱부(O)에 형성하되, 바람직하게는 원형인 옵틱부(O)의 가장자리 부근에 형성될 수 있다. 보다 정확하게는, 3차원 가공대상체가 인공수정체일 경우에, 각막에 빚이 들어오는 경로 상에 상기 패턴이 위치되지 않도록 할 수 있다.

인공수정체에 가공되는 패턴은 도 7에 참조된 바와 같이 곡면 상에 형성될 수 있는데, 각 패턴은 3차원적으로 소정의 높이차를 형성할 수 있고, 각 패턴 간격, 각 패턴의 깊이가 동일하게 형성된 경우이더라도, x-y 좌표 상의 2차원 평면으로 측정된 이미지 상으로는 패턴이 곡면 상에 형성되는 것이므로 패턴 가공폭, 패턴 간격과, 패턴의 깊이는 높이차에 따라 상이하게 표현되는 바, 측정된 2차원 형상 정보는 패턴 및 위치정보 매칭 시 중요한 정보로서 활용되어야 할 것이다.

도 6을 참조하면, 인공수정체는 하나의 옵틱부(O)로부터 연장되는 한 쌍의 햅틱부(H)가 형성되는 가공대상체 샘플(1)로 마련될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 가공대상체의 레이저 패터닝 장치를 이용하여 형성되는 패턴은, 햅틱부(H)와 옵틱부(O)에 영역별로 패턴이 형성될 수도 있고, 두 영역을 가로지르며 형성될 수도 있다. 이하의 예에서는 상기 두 영역을 가로지르며 패턴이 형성되는 경우를 실시예로써 설명하나, 특징이 되는 부분 즉, 옵틱부(O) 및 햅틱부(H) 상에 형성된 패턴의 정보(형태, 깊이, 간격 및 폭 등)가 상이할 수 있는 점은 동일하게 적용될 수 있다.

일 예로 도 8 및 도 9를 참조로 설명하면, 가공대상체(1)는 인공수정체에 형성된 패턴은, 그 형태, 깊이(D1, D2), 간격(R1, R2) 및 폭(G1, G2)이 다르게 형성될 수 있다. 즉, 패턴은 연속적으로 햅틱부(H) 및 옵틱부(O) 측에 연장되며 형성되지만, 형성되는 위치에 따라 상기 패턴의 정보가 달리 형성될 수 있다. 예를 들면, 패턴 간 간격(R; R1, R2)은 1 내지 15 마이크로미터 범위에서 결정될 수 있고, 패턴의 폭(G; G1, G2)은 1 내지 50 마이크로미터 범위 내에서 결정될 수 있다. 그리고 패턴의 폭 내부의 나노표면은 1 내지 800 나노미터 범위에서 결정될 수 있다. 따라서 패턴은 마이크로미터 크기의 폭과 나노미터 크기의 내부 표면을 갖는 복합패턴일 수 있다. 한편, 이러한 패턴의 정보, 즉 패턴의 형태, 깊이, 간격, 폭 등은 패턴 상을 이동하는 세포의 종류에 따라 다르게 결정될 수 있다. 상기 패턴 간의 간격 또는 패턴의 폭은 3차원 가공대상체가 인공수정체이고, 인공수정체 형성된 패턴 상을 이동하는 세포가 상피세포인 경우를 예를 들어 설명한 것이다.

나아가, 패턴 간 간격(R)은 동일하되, 패턴의 폭(G)이 달리 형성될 수 있는데 이때에는 옵틱부(O) 상에 형성된 패턴의 폭(G1)이 햅틱부(H) 상에 형성된 패턴의 폭(G2)보다 작게 형성될 수 있다.

도 10은 본 발명의 일 실시예에 따라, 3차원 가공대상체가 인공수정체인 경우, 패터닝이 완료된 인공수정체를 나타낸 도면이다.

도 10을 참조하면, 3차원 투명 가공대상체(1)에 도 4 및 도 5를 참조하여 설명한 가공방법을 통해 제조된 패터닝 된 인공수정체(1)일 수 있다. 옵틱부(O)의 중심은 패턴이 형성되지 않고 광이 패턴의 간섭없이 통과될 수 있도록 형성되고 옵틱부(O)를 제외한 햅틱부(H) 및 옵틱부(O)의 외주연 주변부에 패턴이 가공될 수 있다. 제1패턴(5)과 제2패턴(6)으로부터 각각 91배율, 500배율 및 1000배율 확대된 상태를 확인할 수 있다.

한편, 상술한 마이크로 크기의 패턴에는 기 결정된 구조가 마련될 수 있다. 여기서, 기 결정된 구조는 나노크기의 구조일 수 있으며 나노크기의 가공돌기를 포함하는 구조일 수 있다. 또한 마이크로 패턴 크기 및 마이크로 크기 패턴내의 기 결정된 구조는 세포의 종류 및 패턴의 기능에 따라 다르게 설계/형성할 수 있음은 물론이다. 즉, 생체 내에는 다양한 세포들이 존재하며, 종류에 따라 마이크로 패턴 크기 및 마이크로 크기 패턴내의 기 결정된 구조는 서로 다르게 형성될 수 있다. 나아가 세포의 이동을 억제하거나 세포의 이동을 활성화하는 등 패턴의 기능에 따라 마이크로 패턴 크기 및 마이크로 크기 패턴내의 기 결정된 구조는 서로 다르게 형성될 수 있다.

가공돌기의 형성은 가공 레이저가 상기 기 결정된 구조에 대응되는 크기로 출력되어 가공대상체인 샘플(1)에 가공됨으로써 형성될 수 있다. 가공돌기는 측부 가공돌기와 저부 가공돌기로 구분될 수 있다. 가공 돌기의 형상 및 크기는 레이저 출력, 레이저 펄스의 중첩률 및 패턴간의 중첩률 등 레이저 가공 파라미터에 의해 조절될 수 있다. 이하에서는 3차원 가공대상체가 인공수정체인 경우에 대해서 설명하도록 한다. 또한, 이하의 설명에서 상피세포는 세포의 일례로서 기재한 것이며 이에 한정되는 것은 아니다. 실제로 다양한 3차원 가공대상체에 있어서 패턴을 형성함으로써 이동성이 제어될 수 있는 상피세포뿐만 아니고 골세포, 염증세포 등 인체내의 다양한 세포일 수 있다.

3차원 가공대상체가 인공수정체이고, 제어대상 세포가 상피세포인 경우, 가공돌기 주변부의 깊이(이웃한 가공 돌기 간 깊이)는 0.1㎛ 내지 30㎛ 사이 범위로 형성될 수 있다. 상기 깊이가 0.1㎛ 미만으로 형성되는 경우, 기 결정된 구조가 상피 세포의 이동성을 저하시키기 위해 기능하기 어려울 수 있다. 또한, 상기 깊이의 상한선인 30㎛ 의 크기는 요부의 깊이 또는 철부의 높이와 대응되는 일 예의 크기로서, 후발백내장을 억제하기 위해 패턴에 마련되는 기 결정된 구조의 상한 수치를 예시한 것이다.

그리고, 가공돌기 간의 간격은 0.1㎛ 내지 10㎛ 사이 범위로 형성될 수 있다. 가공돌기 간의 간격이 0.1㎛ 미만으로 형성되는 경우, 후발백내장을 유발할 수 있는 상피 세포가 이동하기 위해 측부에 의존할 수 있으며, 이러한 측부의 면적이 넓어지므로 가공돌기에 의한 세포 이동성이 억제되는 효과를 기대하기 어렵다. 또한, 가공돌기 간 간격이 10㎛ 를 초과하는 경우에는 가공돌기의 수가 감소하여 가공돌기에 의한 세포 이동성이 억제되는 효과를 기대하기 어렵다.

또한, 가공돌기의 폭은 0.1㎛ 내지 10㎛ 사이 범위로 형성될 수 있다. 가공돌기의 폭이 0.1㎛ 미만 또는 10㎛를 초과하는 경우에는 가공돌기에 의한 상기 세포의 이동성을 억제시키기 위한 기능의 달성이 어려우므로 이와 같은 크기로 형성될 수 있다.

상기 기 결정된 구조는 경계부가 될 수가 있다. 여기서 경계부는, 패턴 내에서 이동하는 세포의 이동성에서 속도 및 방향 등을 제어하는 구조를 의미할 수 있다. 즉, 세포의 이동성을 증감시킬 수 있는 구조를 의미한다.

세포의 이동방향을 기준으로 전측에서 후측으로 갈수록 좁아지는 구성이 형성될 수 있다. 구체적으로, 전체 폭에서, 세포가 이동되는 통과단면적이 1/2 또는 1/3 등으로 감소된 세포이동로가 형성되며 세포의 이동속도를 증가시킬 수 있다. 이러한 구조는 앞서 상술한 패턴의 일부 구간에 마련될 수 있다. 여기서, 기 결정된 구조에 의해 세포의 통과단면적이 좁은 부분과 넓은 부분이 상기 이동방향을 기준으로 전후측으로 마련되어질 수 있으며, 그 반대 방향으로 마련될 수도 있다. 즉, 세포이동성의 증감을 요구되는 조건에 따라 제어할 수 있다.

세포의 이동성이 가장 높은 상태의 패턴의 폭 및 세포의 이동성이 가장 낮은 상태의 폭이 레이저 가공 파라미터를 조절함에 따라 기 결정된 구간에 형성되어 세포 이동성을 제어할 수 있다.

예를 들어, 세포이동성이 가장 낮은 상태의 폭을 지닌 패턴은 이동속도를 저하시키기 위한 구간에 적용될 수 있으며, 그보다 폭이 좁은 이동성이 높은 상태의 폭은 이동송도를 촉진시키기 위한 구간에 마련될 수 있다. 일 예로써, 옵틱부(O)에 인접한 패턴에는 상기 폭이 좁은 이동성이 높은 상태의 폭을 지닌 패턴이 형성될 수 있다.

나아가, 앞서 설명한 구조가 될 수 있는 상기 경계부는 세포를 패턴 내에서 일방향으로는 이동을 차단시키고 반대방향인 타방향으로는 우회시킬 수 있는 구조가 될 수 있다. 이러한 경계부의 구조는 세포가 이동방향을 따라 이동할 때 이동을 억제하는 구조로 기능할 수 있다.

이상에서 본 발명의 대표적인 실시예들을 상세하게 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 상술한 실시예에 대하여 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 변형이 가능함을 이해할 것이다. 그러므로 본 발명의 권리범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 후술하는 청구범위뿐만 아니라 이 청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

1: 가공대상체(샘플) 10: 레이저 발생부
20: 빔 변환장치 30: 빔 조절부
31: 다이나믹 포커싱 모듈 32: 스캔 헤드
50: 집광부 70: 제어부
S1: 3차원 가공 대상체 로딩 단계 S2: 2차원 검사 단계
S3: 2차원 위치 정보 생성 단계 S4: z축 1차 설정 단계
S5: 패턴 및 위치정보 매칭 단계 S6: 가공 단계
S6-1: 품질분석 및 보고 단계 S7: 완료
S8: z축 2차 설정 단계 S8-1: 레이저 조사 과정
S8-2: 가공형상 분석 과정 S8-3: z축 보정 과정

Claims (14)

1. 3차원 가공대상체를 레이저 패터닝 장치에 로딩(loading)시킨 후 기 결정된 z축 가공 높이를 1차 설정하고,
   상기 가공대상체의 형상을 2차원적으로 측정하여 생성한 2차원 위치 정보와 상기 가공대상체의 레이저 패터닝 가공을 위해 마련된 3차원 가공 패턴 데이터를 매칭시킨 후 가공을 수행하고,
   상기 가공에 의하여 패터닝 가공된 상기 가공대상체의 가공 형상 분석을 통해 상기 3차원 패턴 가공 패턴 데이터에 근거한 z축 가공 높이에 도달될 때까지 z축 가공 깊이를 2차 설정한 후 기 결정된 패턴의 가공 선폭과 패턴 간격 및 z축 가공 깊이에 도달할 때까지 반복가공하는, 가공대상체의 레이저 패터닝 방법.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 2차원 위치 정보는, CCD 또는 CMOS로 구비된 카메라를 이용하여 상기 가공대상체를 2차원 검사로부터 획득되는, 가공대상체의 레이저 패터닝 방법.
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 2차원 위치 정보와 상기 3차원 가공 패턴 데이터의 매칭은, 상기 2차원 위치 정보의 생성을 통하여 획득한 상기 가공대상체의 외곽선 인식 또는 면적 계산을 통해 중심점 정보를 산출한 후 수행되는, 가공대상체의 레이저 패터닝 방법.
   
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 2차원 위치 정보와 상기 3차원 가공 패턴 데이터의 매칭은, 상기 2차원 위치 정보의 생성을 통하여 획득한 상기 가공대상체의 외곽선 인식 또는 면적 계산을 통해 가공 대상체의 중심 위치, 틸트(tilt) 정보를 산출한 후 수행되는, 가공대상체의 레이저 패터닝 방법.
   
5. 청구항 1에 있어서,
   상기 기 결정된 z축 가공 높이는, 상기 가공대상체가 로딩되는 가공 스테이지에 따른 z축 및 상기 가공대상체에 패터닝하는 레이저 패터닝 장치의 빔 조절부에 따른 z축 중 어느 하나에 의해 결정되는, 가공대상체의 레이저 패터닝 방법.
   
6. 청구항 1에 있어서,
   상기 가공대상체의 가공 형상 분석은, 광학 단층 촬영기(OCT; Optical Coherence Tomography), 레이저 간섭계, 공초점 현미경(confocal microscope), 이광자 현미경(two-photon microscope) 중 하나를 통해 상기 가공대상체에 가공된 패턴의 가공폭 및 패턴 간격 중 어느 하나의 측정을 통해 수행되는, 가공대상체의 레이저 패터닝 방법.
   
7. 3차원 가공대상체를 레이저 패터닝 장치에 로딩(loading)시키는 3차원 가공대상체 로딩 단계;
   상기 가공대상체의 레이저 패터닝 가공을 위해 3차원 가공 패턴 데이터를 입력하는 3차원 가공 패턴 입력 단계;
   상기 가공대상체의 형상을 2차원적으로 측정하여 2차원 위치 정보를 생성하는 2차원 위치 정보 생성 단계;
   상기 레이저 패터닝 장치를 통해 가공될 상기 가공대상체의 기 결정된 z축 가공 높이를 설정하는 z축 1차 설정 단계;
   상기 3차원 가공 패턴 데이터와 상기 2차원 위치 정보를 매칭시키는 패턴 및 위치정보 매칭 단계;
   상기 패턴 및 위치정보 매칭 단계 후, 상기 z축 1차 설정 단계에서 설정된 상기 z축 가공 높이로 가공을 수행하는 가공 단계; 및
   상기 z축 1차 설정 단계에 따라 가공된 상기 가공대상체를 2차원적으로 분석한 후 상기 z축 가공 높이에 도달될 때까지 새로운 z축 가공 높이를 부여하여 가공하는 것을 반복하는 z축 2차 설정 단계;를 포함하는, 가공대상체의 레이저 패터닝 방법.
   
   
8. 삭제
9. 삭제
10. 청구항 7에 있어서,
    상기 z축 2차 설정 단계는,
    광학 단층 촬영기(OCT; Optical Coherence Tomography), 레이저 간섭계, 공초점 현미경(confocal microscope), 이광자 현미경(two-photon microscope) 중 하나를 이용하여 상기 가공대상체의 패턴 가공 형상을 2차원적으로 분석하는 가공형상 분석 과정;
    상기 가공형상 분석 과정에 의하여 분석된 상기 가공대상체의 패턴 가공폭, 패턴 간격, 패턴 깊이 중의 하나가 상기 3차원 가공 패턴 데이터 상의 패턴 폭, 패턴 간격, 패턴 간격 정보 중의 하나에 도달하지 않은 경우 새로운 z축 가공 높이를 부여하는 z축 보정 과정;을 포함하는, 가공대상체의 레이저 패터닝 방법.
    
11. 청구항 10에 있어서,
    상기 가공형상 분석 과정은, 상기 가공대상체의 표면에 가공된 패턴의 가공폭 및 패턴 간격의 측정 중 어느 하나를 통해 수행되는, 가공대상체의 레이저 패터닝 방법.
    
12. 청구항 7에 있어서,
    상기 패턴이 가공된 상기 가공대상체를 대상으로, 패턴의 형상, 패턴의 폭, 패턴의 깊이, 패턴 간의 간격, 레이저 빔의 파장 및 출력, 펄스폭, 빔의 형상, 스캐닝 속도, 스폿사이즈 중 어느 하나를 분석하여 보고하는 품질분석 및 보고 단계; 를 더 포함하는, 가공대상체의 레이저 패터닝 방법.
    
13. 레이저 발생부;
    상기 레이저 발생부에서 생성된 레이저 빔의 크기 또는 형상을 조절하는 빔변환장치;
    상기 빔변환장치를 경유한 상기 레이저 빔의 z축 초점위치를 조절하는 다이나믹 포커싱 모듈 및 상기 레이저 빔의 x축 및 y축의 초점위치를 조절하는 스캔헤드를 포함하는 빔 조절부; 및
    3차원 가공대상체에 레이저 패터닝이 가능하도록 상기 빔 조절부를 제어하는 제어부; 를 포함하고,
    상기 제어부는,
    상기 3차원 가공대상체를 레이저 패터닝 장치에 로딩(loading)시킨 후 기 결정된 z축 가공 높이를 1차 설정하고,
    상기 가공대상체의 형상을 2차원적으로 측정하여 생성한 2차원 위치 정보와 상기 가공대상체의 레이저 패터닝 가공을 위해 마련된 3차원 가공 패턴 데이터를 매칭시킨 후 가공을 수행하며,
    상기 가공에 의하여 패터닝 가공된 상기 가공대상체의 가공 형상 분석을 통해 상기 3차원 패턴 가공 패턴 데이터에 근거한 z축 가공 높이에 도달될 때까지 z축 가공 높이를 2차 설정하여 기 결정된 패턴의 가공 선폭과 패턴 간격 및 z축 가공 깊이에 도달할 때까지 반복 가공하도록 상기 빔 조절부를 제어하는, 가공대상체의 레이저 패터닝 장치.
    
14. 청구항 1 내지 7, 10 내지 12의 방법 및 청구항 12의 장치 중 어느 하나로 패터닝 가공된 3차원 가공대상체.

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