KR20100120383A - 자동 초점 조절 기능을 구비한 3차원 미세구조물 제조 시스템 및 그의 자동 초점 조절 방법 - Google Patents

자동 초점 조절 기능을 구비한 3차원 미세구조물 제조 시스템 및 그의 자동 초점 조절 방법 Download PDF

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Abstract

자동 초점 조절 기능을 구비한 3차원 미세구조물 제조 시스템이 개시된다. 본 발명의 3차원 미세구조물 제조 시스템은, 펨토초 레이저로부터 전달된 레이저 빔의 경로를 변경하고 가공하는 레이저 빔 가공부, 가공된 레이저 빔을 초점 형성하여 조사하는 대물 렌즈, 유리 기판의 일 면에 위치하며 대물 렌즈를 통해 조사되는 레이저 빔에 의해 이광자 흡수 현상을 일으켜 형광을 발생시키는 광경화성 수지, 유리 기판의 위치를 이동시키는 이동 스테이지, 대물 렌즈로부터 조사되는 레이저 빔을 촬영하는 CCD 카메라 및 이동 스테이지의 초기 위치를 설정하고, 이동 스테이지를 대물 렌즈가 위치한 Z축 방향으로 이동시키면서 CCD 카메라를 통해 촬영된 레이저 빔의 영상으로부터 형광을 검출하여 이동 스테이지의 위치를 자동 조절하는 제어 컴퓨터를 포함한다.
펨토초 레이저, 이광자 흡수 현상, 형광, 자동 초점 조절

Description

자동 초점 조절 기능을 구비한 3차원 미세구조물 제조 시스템 및 그의 자동 초점 조절 방법 {3-dimensional ultrafine structure fabrication system for auto focusing control and auto focusing control method thereof}
본 발명은 자동 초점 조절 기능을 구비한 3차원 미세구조물 제조 시스템 및 그의 자동 초점 조절 방법에 관한 것이다.
일반적인 미세구조물 제조 시스템은 레이저 빔을 이용하여 광경화성 수지를 경화시킴으로써 원하는 형상의 미세구조물을 제조한다. 이 경우, 3차원의 미세구조물을 제조하기 위해서는 정밀함이 요구되는데, 이를 위해 펨토초 레이저 빔을 이용하는 방법이 개발되었다. 여기서 펨토초 레이저 빔은 780㎚의 파장을 갖는 근적외선 레이저 빔을 말한다.
한편, UV 광경화성 수지에 상기 펨토초 레이저 빔을 집속시킬 경우, 집속된 펨토초 레이저 빔의 초점 부근에서만 이광자 흡수 현상이 일어나 UV 광경화성 수지에 광중합 현상이 발생하게 된다. 이 경우, 이광자 흡수 현상이 발생하게 될 확률은 펨토초 레이저 빔 세기의 제곱에 비례한다. 이 같은 조건을 만족시키는 영역은 집속된 펨토초 레이저 빔에서 에너지 밀도가 가장 높은 초점의 중심부에 해당하는 영역으로, 매우 좁은 영역이다. 따라서, 초점 부근에서는 펨토초 레이저 빔의 회절 한계 이하 수준인 약 100㎚의 정밀도를 갖는 형상을 제조할 수 있다.
한편, 펨토초 레이저를 이용하여 광경화성 수지를 경화시키는 경우, 레이저빔이 집속되는 초점에서 이광자 흡수에 의한 광중합 현상이 발생하게 되며, 그 결과 마이크로미터 내지 나노미터 단위의 미세구조물을 얻을 수 있게 된다. 이 경우, 정밀한 미세구조물을 형성하기 위해서는 레이저 빔이 집속되는 초점이 정확해야만 한다. 구체적으로, 펨토초 레이저 빔은 대물 렌즈에 의해 집속되어 광경화성 수지를 조사하게 되는데, 광경화성 수지는 대물 렌즈의 하부에 위치한 유리 기판 상에 위치하는 것이 일반적이다. 이 경우, 레이저 빔의 초점이 정확하게 유리 기판과 광경화성 수지의 경계 지점, 즉, 유리 기판으로부터 광경화성 수지가 시작되는 지점에 위치해야만 한다.
만약, 펨토초 레이저 빔의 초점이 유리 기판과 광경화성 수지의 경계 지점에 위치하지 않고 유리 기판 내부에 존재하거나, 광경화성 수지 내부에 존재하는 경우 원하는 형상의 미세구조물을 얻을 수 없게 된다. 이를 해결하기 위해 종래에는 광경화성 수지와 유리 기판이 위치해 있는 이동 스테이지의 높이를 작업자가 직접 수동 조작하여 펨토초 레이저 빔의 초점이 유리 기판과 광경화성 수지의 경계 지점에 위치하도록 조절했다. 하지만, 초점 조절에 대한 충분한 경험이 없는 경우에는 펨토초 레이저 빔이 집속되는 초점의 위치를 정확하게 조절하는 것이 어려워 정밀한 결과물을 얻는 것이 어렵다는 문제점이 있었다.
또한, 광경화성 수지와 유리 기판이 위치해 있는 이동 스테이지를 작업자가 직접 수동 조작하는 경우, 이동 스테이지를 여러 단계에 걸쳐 조작하기 때문에 미세구조물을 제조하기 위한 시간이 길어지는 문제점이 있었다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 펨토초 레이저를 이용하여 레이저 빔을 조사하는 경우 광경화성 수지의 이광자 흡수 현상에 의해 발생하는 형광을 검출함으로써, 이동 스테이지의 위치를 조절하여 대물 렌즈로부터 조사되는 레이저 빔의 초점을 자동으로 조절할 수 있는 3차원 미세구조물 제조 시스템 및 그의 자동 초점 조절 방법을 제공하기 위한 것이다.
이상과 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 자동 초점 조절 기능을 구비한 3차원 미세구조물 제조 시스템은, 레이저 빔을 조사하는 펨토초 레이저, 상기 펨토초 레이저로부터 전달된 레이저 빔의 경로를 변경하고 가공하는 레이저 빔 가공부, 상기 레이저 빔 가공부에서 가공된 레이저 빔을 초점 형성하여 조사하는 대물 렌즈, 상기 대물 렌즈의 하부에 이격되어 위치한 유리 기판, 상기 유리 기판의 일 면에 위치하며, 상기 대물 렌즈를 통해 조사되는 레이저 빔에 의해 이광자 흡수 현상을 일으켜 형광을 발생시키는 광경화성 수지, 상기 유리 기판의 하부에 위치하여 상기 유리 기판의 위치를 X축, Y축 및 Z축 중 적어도 어느 하나의 방향으로 이동시키는 이동 스테이지, 상기 대물 렌즈로부터 조사되는 레이저 빔을 촬영하는 CCD 카메라 및 상기 광경화성 수지를 제외한 지점에 상기 대물 렌즈로부터 조사되는 레이저 빔이 위치하도록 상기 이동 스테이지의 초기 위치를 설정하고, 상기 이동 스테이지를 상기 대물 렌즈가 위치한 Z축 방향으로 이동시키면서 상기 CCD 카메라를 통해 촬영된 상기 레이저 빔의 영상으로부터 형광을 검출하여 상기 이동 스테이지의 위치를 자동 조절하는 제어 컴퓨터를 포함한다.
본 3차원 미세구조물 제조 시스템에서 상기 레이저 빔 가공부는, 상기 펨토초 레이저에서 조사된 레이저 빔을 반사시켜 경로를 변경하는 제1 미러, 상기 제1 미러로부터 전달된 레이저 빔의 출력을 제어하기 위한 제1 반파장판, 상기 제1 반파장판에서 출력된 레이저 빔이 상기 펨토초 레이저로 돌아가는 것을 방지하기 위한 아이솔레이터, 상기 아이솔레이터를 통과한 레이저 빔에서 P 편광은 투과시키고 S 편광은 반사시키는 편광빔 스플리터, 상기 아이솔레이터와 상기 편광빔 스플리터 사이에 위치하여 상기 편광빔 스플리터를 통해 반사되는 레이저 빔의 출력을 제어하기 위한 제2 반파장판, 상기 편광빔 스플리터로부터 반사된 레이저 빔을 반사시켜 경로를 변경하는제2 미러, 상기 제2 미러로부터 전달된 레이저 빔을 확장하기 위한 제1 레이저 광선 확장기, 상기 제1 레이저 광선 확장기를 통해 확장된 레이저 빔을 반사시켜 경로를 변경시켜주며 스위치 역할을 하는 갈바노 셔터, 상기 갈바노 셔터를 통해 전달된 레이저 빔을 확장하기 위한 제2 레이저 광선 확장기, 상기 제2 레이저 광선 확장기 내에 위치하며 상기 갈바노 셔터가 경로를 변경했을 때 상기 갈바노 셔터를 통해 반사된 레이저 빔을 차단시켜 주는 핀홀, 상기 제2 레이저 광선 확장기를 통해 확장된 레이저 빔을 반사시켜 경로를 변경하는 제3 미러 및 상기 제3 미러로부터 전달된 레이저 빔을 반사시켜 경로를 변경하는 제4 미러를 포함할 수 있다.
한편, 상기 제어 컴퓨터는 상기 CCD 카메라에서 촬영된 레이저 빔의 영상값으로부터 노이즈 영상값을 감산하여 감산 결과값을 산출하고, 상기 감산 결과값에 의해 상기 광경화성 수지로부터 발생되는 형광을 검출할 수 있다.
또한, 상기 제어 컴퓨터는 상기 CCD 카메라에서 촬영된 레이저 빔의 영상값을 상기 이동 스테이지의 이동 거리 단위로 합산하여 영상 합산값을 산출하고, 상기 영상 합산값을 상기 이동 스테이지의 이동 거리 단위로 적분하여 그래프로 표현할 수 있다.
그리고, 상기 제어 컴퓨터는 상기 그래프에서 기울기가 변화되는 지점의 상기 이동 스테이지의 이동 거리에 맞춰 상기 이동 스테이지의 위치를 조절하여 상기 대물 렌즈로부터 조사되는 레이저 빔의 초점을 자동 조절할 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 미세구조물 제조 시스템의 자동 초점 조절 방법은, 광경화성 수지를 제외한 지점에 대물 렌즈로부터 조사될 레이저 빔이 위치하도록 이동 스테이지의 초기 위치를 설정하는 제1 단계, 펨토초 레이저를 통해 레이저 빔을 조사하는 제2 단계, 펨토초 레이저로부터 레이저 빔이 전달되면, 레이저 빔 가공부를 통해 상기 레이저 빔의 경로를 변경하고 가공하는 제3 단계, 상기 가공된 레이저 빔의 초점을 형성하여 조사하는 제4 단계, 상기 이동 스테이지를 상기 대물 렌즈가 위치한 Z축 방향으로 이동시키는 제5 단계, 상기 이동 스테이지가 이동되는 동안 CCD 카메라를 이용하여 상기 대물 렌즈로부터 조사되는 레이저 빔을 촬영하는 제6 단계 및 상기 CCD 카메라를 통해 촬영된 상기 레이저 빔의 영상으로부터 형광을 검출하여 상기 이동 스테이지의 위치를 자동 조절하는 제7 단계를 포함한다.
이 경우, 상기 제7 단계는 상기 CCD 카메라를 통해 촬영된 레이저 빔의 영상값으로부터 노이즈 영상값을 감산하여 감산 결과값을 산출하는 단계 및 상기 감산 결과값에 의해 상기 광경화성 수지로부터 발생되는 형광을 검출하는 단계를 포함한다.
또한, 상기 제7 단계는 상기 CCD 카메라를 통해 촬영된 레이저 빔의 영상값을 상기 이동 스테이지의 이동 거리 단위로 합산하여 영상 합산값을 산출하는 단계 및 상기 영상 합산값을 상기 이동 스테이지의 이동 거리 단위로 적분하여 그래프로 표현하는 단계를 더 포함할 수 있다.
그리고, 상기 제7단계는 상기 그래프에서 기울기가 변화되는 지점의 상기 이동 스테이지의 이동 거리에 맞춰 상기 이동 스테이지의 위치를 조절하여 상기 대물 렌즈로부터 조사되는 레이저 빔의 초점을 자동 조절하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면, 펨토초 레이저를 이용하여 레이저 빔을 조사하는 경우 광경화성 수지의 이광자 흡수 현상에 의해 발생되는 형광을 검출함으로써, 광경화성 수지가 놓여진 이동 스테이지의 위치를 조절하여 레이저 빔의 초점을 자동으로 조절할 수 있게 된다. 이에 따라, 대물 렌즈를 통해 집속되는 레이저 빔의 초점을 광 경화성 수지의 경계 지점에 정확하게 맞출 수 있게 되어 정밀한 형상의 3차원 미세구조물을 형성할 수 있게 된다.
또한, 레이저 빔의 초점을 자동 조절함으로써, 초점 조절에 소요되는 시간을 단축시킬 수 있으며 작업자가 별도의 초점 조절 과정을 수행할 필요가 없게 되어 편의성이 증대된다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 보다 자세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 3차원 미세구조물 제조 시스템을 나타낸 도면이다. 도 1에 도시된 3차원 미세구조물 제조 시스템(100)은 펨토초 레이저(110), 레이저 가공부(120), 대물 렌즈(130), 유리 기판(140), 광경화성 수지(150), 이동 스테이지(160), CCD(Charge-Coupled Device) 카메라(170) 및 제어 컴퓨터(180)를 포함한다.
펨토초 레이저(110)는 매우 짧은 펄스폭을 갖는 레이저 빔을 조사한다. 구체적으로, 펨토초 레이저(110)를 통해 조사되는 레이저 빔은 펄스폭이 80fs(100fs=100×10-15s)정도로 매우 짧기 때문에 높은 첨두 출력을 갖는다. 따라서, 높은 첨두 출력 부근에서 광경화성 수지(150)를 조사하는 경우, 이광자 흡수 현상에 의해 국부적으로 경화되어 최소 100㎚까지 정확하게 광경화성 수지(150)를 경화시킬 수 있다.
레이저 가공부(120)는 펨토초 레이저(110)에서 조사된 레이저 빔의 경로를 변경하고 가공하여 대물 렌즈(130)로 전달한다. 구체적으로, 레이저 가공부(120)는 제1 내지 제4 미러(121a, 121b, 121c, 121d), 제1 및 제2 반파장판(123a, 123b), 제1 및 제2 레이저 광선 확장기(127a, 127b), 아이솔레이터(124), 편광빔 스플리터(125), 갈바노 셔터(126), 핀홀(128)을 포함한다.
제1 미러(121a)는 펨토초 레이저(110)에서 조사된 레이저 빔을 반사시켜 경로를 변경한다. 이에 따라, 펨토초 레이저(110)에서 조사된 레이저 빔이 제1 미러(121a)를 통해 제1 반파장판(123a)에 전달될 수 있게 된다.
제1 반파장판(123a)은 제1 미러(121a)로부터 전달된 레이저 빔의 출력을 제어한다. 그리고, 아이솔레이터(124)는 제1 반파장판(123a)에서 출력된 레이저 빔이 펨토초 레이저(110)로 다시 돌아가는 것을 방지한다.
한편, 편광빔 스플리터(125)는 아이솔레이터(124)를 통과한 레이저 빔에서 P 편광은 투과시키고 S 편광은 반사시킨다. 그리고, 제2 반파장판(123b)은 아이솔레이터(124)와 편광빔 스플리터(125) 사이에 위치하며, 편광빔 스플리터(125)를 통해 반사되는 레이저 빔의 출력을 제어한다.
제2 미러(121b)는 편광빔 스플리터(125)로부터 전달된 레이저 빔을 반사시켜 경로를 변경하여 제1 레이저 광선 확장기(127a)에 전달한다. 그리고, 제1 레이저 광선 확장기(127a)는 전달된 레이저 빔을 확장시킨다.
갈바노 셔터(126)는 제1 레이저 광선 확장기(127a)에서 확장된 레이저 빔의 경로를 변경시켜주며, 레이저 빔에 대한 스위치 역할을 한다. 그리고, 제2 레이저 광선 확장기(127b)는 갈바노 셔터(126)로부터 전달된 레이저 빔을 확장시킨다. 이 경우, 제2 레이저 광선 확장기(127b) 내에는, 갈바노 셔터(126)가 경로를 변경했을 때 갈바노 셔터(126)로부터 전달된 레이저 빔을 차단시켜 주는 핀홀(128)이 위치될 수 있다.
제3 미러(121c)는 제2 레이저 광선 확장기(127b)를 통해 확장된 레이저 빔을 반사시켜 레이저 빔의 경로가 제4 미러(121d)를 향하도록 변경시킨다. 그리고, 제4 미러(121d)는 전달된 레이저 빔을 반사시켜 레이저 빔의 경로가 대물 렌즈(130)를 향하도록 변경시킨다.
한편, 대물 렌즈(130)는 레이저 빔 가공부(120)를 통해 가공된 레이저 빔을 광경화성 수지(150)에 조사하며, 조사시에는 레이저 빔을 집속시켜 초점을 형성한다. 이 경우, 레이저 빔을 초점화시켜 초점 부근에서의 광자 밀도를 높이기 위해서는 개구수(NA)가 높은 대물 렌즈를 사용하는 것이 바람직하다.
유리 기판(140)은 대물 렌즈(130)의 하부에 위치하며, 대물 렌즈(130)와 이격된 거리에 위치한다. 이 유리 기판(140)의 일 면, 즉, 도면 상에서 유리 기판(140)의 하부면에는 광경화성 수지(150)가 위치한다.
광경화성 수지(150)는 대물 렌즈(130)를 통해 형성된 레이저 빔의 초점에 의 해 이광자 흡수 현상이 일어나 경화되는 특성을 가진다. 이 경우, 광경화성 수지(150)는 이광자 흡수 현상이 일어나게 되면, 흡수된 에너지가 짧은 시간 내에 다시 방출되면서 광중합 현상을 발생하게 되며 이와 함께 형광이 발생된다.
이동 스테이지(160)는 유리 기판(140)과 광경화성 수지(150)의 하부에 위치하여 유리 기판(140)과 광경화성 수지(150)의 위치를 X축, Y축 및 Z축 중 적어도 어느 하나의 방향으로 이동시킨다. 즉, 유리 기판(140)과 광경화성 수지(150)는 이동 스테이지(160)의 이동에 따라 그 위치가 변경될 수 있다.
CCD 카메라(170)는 대물 렌즈(130)로부터 조사되는 레이저 빔이 도달되는 유리 기판(140) 영역을 촬영하여 레이저 빔에 대한 영상을 제어 컴퓨터(180)에 전달한다. 구체적으로, CCD 카메라(170)는 대물 렌즈(130)로부터 조사되는 레이저 빔에 의해 유리 기판(140) 상에 발생하는 노이즈 영상 및 형광 등과 같은 레이저 빔의 전체 영상을 촬영하여 그 값을 기록한다.
제어 컴퓨터(180)는 3차원 미세구조물 제조 시스템의 전반적인 동작을 제어하며, 특히, 자동 초점 조절 기능을 제어한다. 구체적으로, 제어 컴퓨터(180)는 자동 초점 조절 기능에 대한 명령이 입력되면, 이동 스테이지(160)의 초기 위치를 설정한다.
이동 스테이지(160)의 초기 위치란, 광경화성 수지(150)를 제외한 지점, 즉, 광경화성 수지(150)에 도달하지 않는 지점에 대물 렌즈(130)로부터 조사되는 레이저 빔이 위치하도록 조절한 이동 스테이지(160)의 위치를 의미한다. 따라서, 제어 컴퓨터(180)는 자동 초점 조절 기능을 실행하기 전에 이동 스테이지(160)를 대물 렌즈(130)와 반대하는 Z축 방향으로 이동시켜 대물 렌즈(130)로부터 광경화성 수지(150)를 일정 거리 이상 이격시킨다. 이 경우, 이격 거리는 제어 컴퓨터(180)에 기저장된 거리가 될 수도 있으며, 작업자가 조정할 수도 있다.
또한, 제어 컴퓨터(180)는 이동 스테이지(160)를 이동시켜 초기 위치가 설정되면 해당 위치를 "0"으로 설정하고, 레이저 빔을 조사하도록 펨토초 레이저(110)를 제어한다.
그리고, 제어 컴퓨터(180)는 이동 스테이지(160)를 대물 렌즈(130)를 향한 Z축 방향으로 이동시키면서 CCD 카메라(170)를 통해 촬영된 레이저 빔의 영상으로부터 형광을 검출한다. 이와 관련된 설명은 도 2를 참조하여 보다 자세하게 설명한다.
도 2는 도 1에 도시된 3차원 미세구조물 제조 시스템에서의 자동 초점 조절 방식을 나타내는 개략도이다. 도 2에서 대물 렌즈(130)는 유리 기판(140) 및 광경화성 수지(150)와 이격되어 있다. 그리고, 유리 기판(140) 및 광경화성 수지(150)는 이동 스테이지(160)의 상부에 위치하고 있으며, 유리 기판(140)의 하부 양측에는 지지대(141a, 141b)가 설치되어 있다.
앞서 설명한 바와 같이, 이동 스테이지(160)의 초기 위치가 설정됨에 따라 대물 렌즈(130)에서 조사되는 레이저 빔의 초점(A)은 광경화성 수지(150)에 도달하 지 않는 위치에 있게 된다. 이 상태에서 이동 스테이지(160)를 대물 렌즈(130)가 위치한 Z축 방향(화살표 방향)으로 이동시켜 레이저 빔의 초점(A)이 광경화성 수지(150)를 향해 이동되도록 한다.
상기 과정에 의해 대물 렌즈(130)로부터 조사되는 레이저 빔의 초점(A)이 광경화성 수지(150)의 표면, 즉, 유리 기판(140)과 광경화성 수지(150)의 경계 지점에 도달할 경우, 펨토초 레이저 빔에 의해 광경화성 수지(150)에서 이광자 흡수 현상이 일어나 형광이 발생하게 된다.
제어 컴퓨터(180)는 CCD 카메라(170)로부터 전달된 레이저 빔의 영상값으로부터 노이즈 영상값을 감산하여 감산 결과값을 산출한다. 이 경우, 레이저 빔이 광경화성 수지(150)에 도달하지 않은 경우에는 광경화성 수지(150)에서의 이광자 흡수 현상이 일어나지 않아 광중합 현상 및 형광이 발생되지 않으므로, 레이저 빔의 영상값과 노이즈 영상값은 동일하게 된다.
반면, 이동 스테이지(160)의 이동에 의해 대물 렌즈(130)에서 조사된 레이저 빔의 초점이 광경화성 수지(150)에 도달하는 경우, 광경화성 수지(150)의 이광자 흡수 현상에 의해 광중합 현상 및 형광이 발생된다. 이에 따라, CCD 카메라(170)를 통해 전달되는 레이저 빔의 영상값은 노이즈 영상값과 형광 세기값이 중첩된 값으로 표현된다. 따라서, 제어 컴퓨터(180)는 레이저 빔의 영상값으로부터 노이즈 영상값을 감산하고, 그 감산 결과값으로부터 형광의 검출 여부를 판단하고, 형광 세기를 검출할 수 있게 된다.
한편, 제어 컴퓨터(180)는 CCD 카메라(170)로부터 촬영된 레이저 빔의 영상값을 이동 스테이지(160)의 이동 거리 단위로 합산하여 레이저 빔의 영상 합산값을 산출한다. 그리고, 산출된 레이저 빔의 영상 합산값을 이동 스테이지(160)의 이동 거리 단위로 적분하여 그래프로 표현한다. 예를 들어, 이동 스테이지(160)가 "0"으로 설정된 초기 위치로부터 0.5㎛ 이동한 경우, 해당 거리에서 레이저 빔의 영상값을 검출한다. 그리고, 이동 스테이지(160)가 0.5㎛에서 1㎛ 이동한 경우, 해당 거리에서의 레이저 빔의 영상값을 검출한다. 이 같은 방법으로 각 이동 거리에서의 레이저 빔의 영상값을 검출하여 합산한 후, 적분하여 그래프화한다. 이 경우, 적분된 그래프는 선형 근사된 것으로, 도 3에 도시된 것과 같은 그래프를 얻을 수 있다.
도 3은 도 1에 도시된 3차원 미세구조물 제조 시스템에서 자동 초점 조절에 따른 레이저 빔의 영상 합산값-이동 스테이지의 이동 거리 간의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 3에 도시된 그래프를 참조하면, x축은 이동 스테이지의 이동 거리를 나타내며, y축은 레이저 빔의 영상 합산값을 나타낸다. 그래프에서 기울기가 변화되는 지점이 형광 검출 지점(a)이다. 이 경우, 형광 검출 지점(a)은 이동 스테이지(160)의 이동에 의해 대물 렌즈(130)로부터 조사되는 레이저 빔의 초점이 유리 기판(140)과 광경화성 수지(150)의 경계 지점에 도달한 것을 의미한다. 즉, 형광 검 출 지점(a)은 광경화성 수지(150)에 레이저 빔의 초점이 도달하여 이광자 흡수에 의해 광중합 및 형광이 발생된 지점이 될 수 있다. 따라서, 형광이 검출됨에 따라 형광 검출 지점(a)에서 그래프의 기울기가 변화된다.
제어 컴퓨터(180)는 그래프에서 기울기가 변화되는 지점(a)의 이동 스테이지 이동 거리에 맞춰 이동 스테이지(160)의 위치를 조절한다. 구체적으로, 제어 컴퓨터(180)는 "0"으로 설정된 이동 스테이지(160)의 초기 위치로부터 기울기가 변화된 형광 검출 지점(a)의 거리만큼 이동 스테이지(160)를 이동시킨다. 이에 따라, 대물 렌즈(130)로부터 조사되는 레이저 빔의 초점이 정확하게 광경화성 수지(150)의 경계 지점에 위치하게 되어 정밀한 미세구조물을 제조할 수 있게 된다.
도 4는 도 1에 도시된 3차원 미세구조물 제조 시스템의 자동 초점 조절 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 4를 참조하면, 3차원 미세구조물 제조 시스템(100)은 자동 초점 조절 기능에 대한 실행 명령이 입력되면(S210), 이동 스테이지(160)의 초기 위치를 설정한다(S220). 구체적으로, 대물 렌즈(130)에서 조사될 레이저 빔의 초점이 광경화성 수지(150)에 도달하지 않도록 이동 스테이지(160)의 초기 위치를 설정한다.
이 후, 이동 스테이지(160)의 초기 위치가 설정되면, 펨토초 레이저(110)를 통해 레이저 빔을 조사한다(S230). 그리고, 펨토초 레이저(110)를 통해 조사된 레이저 빔을 레이저 빔 가공부(120)에 전달하여 경로를 변경하고 가공하여 대물 렌 즈(130)에 전달한다(S240). 다음, 3차원 미세구조물 제조 시스템(100)은 대물 렌즈(130)를 통해 레이저 빔의 초점을 형성하여 조사한다(S250).
한편, 3차원 미세구조물 제조 시스템(100)은 이동 스테이지(160)를 대물 렌즈(130)가 위치한 Z축 방향으로 이동시키면서 CCD 카메라(170)를 이용하여 대물 렌즈(130)로부터 조사되는 레이저 빔을 촬영한다(S260). 구체적으로, CCD 카메라(170)는 대물 렌즈(130)로부터 조사되는 레이저 빔이 도달되는 유리 기판(140) 영역을 촬영하여 레이저 빔에 대한 영상을 얻을 수 있게 된다.
이 후, 3차원 미세구조물 제조 시스템(100)은 CCD 카메라(170)를 통해 촬영된 레이저 빔의 영상으로부터 형광 검출 유무를 판단하여(S270), 형광이 검출되지 않았다고 판단된 경우에는 S260을 계속적으로 진행한다.
반면, 형광이 검출되었다고 판단된 경우에는 이동 스테이지(160)의 위치를 조절하여 레이저 빔의 초점을 자동 조절한다(S280). 구체적으로, 먼저, CCD 카메라(160)를 통해 촬영된 레이저 빔의 영상값으로부터 노이즈 영상값을 감산하여 감산 결과값을 산출한다. 그리고, 감산 결과값에 의해 광경화성 수지(150)로부터 발생되는 형광을 검출할 수 있다. 즉, 레이저 빔의 영상값에서 노이즈 영상값을 감산하여 그 값이 "0"이 나오면 형광이 검출되지 않은 것이고, 그 외에 어떤 값이 산출되면 형광이 검출된 것으로 판단할 수 있다.
또한, CCD 카메라(160)를 통해 촬영된 레이저 빔의 영상값을 이동 스테이 지(160)의 이동 거리 단위로 합산하여 레이저 빔의 영상 합산값을 산출한다. 이 후, 레이저 빔의 영상 합산값을 이동 스테이지(160)의 이동 거리 단위로 적분하여 그래프로 표현하게 된다. 이 경우, 적분 그래프는 선형 근사하여 표현될 수 있다. 이 그래프에서 기울기가 변화되는 지점을 형광 검출 지점으로 판단하여, 해당 지점의 이동 스테이지(160) 이동 거리에 맞춰 이동 스테이지(160)의 위치를 조절할 수 있다. 이 같은 방법에 따라 대물 렌즈(130)로부터 조사되는 레이저 빔의 초점이 정확하게 광경화성 수지(150)의 경계 지점에 위치하도록 자동 조절할 수 있게 된다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 도시하고 설명하였지만 본 발명은 상술한 특정의 실시 예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어서는 안 될 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 자동 초점 조절 기능을 구비한 3차원 미세구조물 제조 시스템을 나타낸 개략도,
도 2는 도 1에 도시된 3차원 미세구조물 제조 시스템에서의 자동 초점 조절 방식을 나타내는 개략도,
도 3은 도 1에 도시된 3차원 미세구조물 제조 시스템에서 자동 초점 조절에 따른 형광 세기 합산값-이동 스테이지의 이동 거리 간의 관계를 나타내는 그래프,그리고,
도 4는 도 1에 도시된 3차원 미세구조물 제조 시스템의 자동 초점 조절 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호 설명 *
100 : 3차원 미세구조물 제조 시스템 110 : 펨토초 레이저
120 : 레이저 가공부 130 : 대물 렌즈
140 : 유리 기판 150 : 광경화성 수지
160 : 이동 스테이지 170 : CCD 카메라
180 : 제어 컴퓨터

Claims (9)

  1. 레이저 빔을 조사하는 펨토초 레이저;
    상기 펨토초 레이저로부터 전달된 레이저 빔의 경로를 변경하고 가공하는 레이저 빔 가공부;
    상기 레이저 빔 가공부에서 가공된 레이저 빔을 초점 형성하여 조사하는 대물 렌즈;
    상기 대물 렌즈의 하부에 이격되어 위치한 유리 기판;
    상기 유리 기판의 일 면에 위치하며, 상기 대물 렌즈를 통해 조사되는 레이저 빔에 의해 이광자 흡수 현상을 일으켜 형광을 발생시키는 광경화성 수지;
    상기 유리 기판의 하부에 위치하여 상기 유리 기판의 위치를 X축, Y축 및 Z축 중 적어도 어느 하나의 방향으로 이동시키는 이동 스테이지;
    상기 대물 렌즈로부터 조사되는 레이저 빔을 촬영하는 CCD 카메라; 및
    상기 광경화성 수지를 제외한 지점에 상기 대물 렌즈로부터 조사되는 레이저 빔이 위치하도록 상기 이동 스테이지의 초기 위치를 설정하고, 상기 이동 스테이지를 상기 대물 렌즈가 위치한 Z축 방향으로 이동시키면서 상기 CCD 카메라를 통해 촬영된 상기 레이저 빔의 영상으로부터 형광을 검출하여 상기 이동 스테이지의 위치를 자동 조절하는 제어 컴퓨터를 포함하는 3차원 미세구조물 제조 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 레이저 빔 가공부는,
    상기 펨토초 레이저에서 조사된 레이저 빔을 반사시켜 경로를 변경하는 제1 미러;
    상기 제1 미러로부터 전달된 레이저 빔의 출력을 제어하기 위한 제1 반파장판;
    상기 제1 반파장판에서 출력된 레이저 빔이 상기 펨토초 레이저로 돌아가는 것을 방지하기 위한 아이솔레이터;
    상기 아이솔레이터를 통과한 레이저 빔에서 P 편광은 투과시키고 S 편광은 반사시키는 편광빔 스플리터;
    상기 아이솔레이터와 상기 편광빔 스플리터 사이에 위치하여 상기 편광빔 스플리터를 통해 반사되는 레이저 빔의 출력을 제어하기 위한 제2 반파장판;
    상기 편광빔 스플리터로부터 반사된 레이저 빔을 반사시켜 경로를 변경하는제2 미러;
    상기 제2 미러로부터 전달된 레이저 빔을 확장하기 위한 제1 레이저 광선 확장기;
    상기 제1 레이저 광선 확장기를 통해 확장된 레이저 빔을 반사시켜 경로를 변경시켜주며 스위치 역할을 하는 갈바노 셔터;
    상기 갈바노 셔터를 통해 전달된 레이저 빔을 확장하기 위한 제2 레이저 광선 확장기;
    상기 제2 레이저 광선 확장기 내에 위치하며 상기 갈바노 셔터가 경로를 변 경했을 때 상기 갈바노 셔터를 통해 반사된 레이저 빔을 차단시켜 주는 핀홀;
    상기 제2 레이저 광선 확장기를 통해 확장된 레이저 빔을 반사시켜 경로를 변경하는 제3 미러; 및
    상기 제3 미러로부터 전달된 레이저 빔을 반사시켜 경로를 변경하는 제4 미러를 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 미세구조물 제조 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제어 컴퓨터는,
    상기 CCD 카메라에서 촬영된 레이저 빔의 영상값으로부터 노이즈 영상값을 감산하여 감산 결과값을 산출하고, 상기 감산 결과값에 의해 상기 광경화성 수지로부터 발생되는 형광을 검출하는 것을 특징으로 하는 3차원 미세구조물 제조 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제어 컴퓨터는,
    상기 CCD 카메라에서 촬영된 레이저 빔의 영상값을 상기 이동 스테이지의 이동 거리 단위로 합산하여 영상 합산값을 산출하고, 상기 영상 합산값을 상기 이동 스테이지의 이동 거리 단위로 적분하여 그래프로 표현하는 것을 특징으로 하는 3차원 미세구조물 제조 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제어 컴퓨터는,
    상기 그래프에서 기울기가 변화되는 지점의 상기 이동 스테이지의 이동 거리에 맞춰 상기 이동 스테이지의 위치를 조절하여 상기 대물 렌즈로부터 조사되는 레이저 빔의 초점을 자동 조절하는 것을 특징으로 하는 3차원 미세구조물 제조 시스템.
  6. 펨토초 레이저, 레이저 빔 가공부, 대물 렌즈, 유리 기판, 광경화성 수지, 이동 스테이지, CCD 카메라 및 제어 컴퓨터를 포함하는 3차원 미세구조물 제조 시스템의 자동 초점 조절 방법에 있어서,
    상기 광경화성 수지를 제외한 지점에 상기 대물 렌즈로부터 조사될 레이저 빔이 위치하도록 상기 이동 스테이지의 초기 위치를 설정하는 제1 단계;
    상기 펨토초 레이저를 통해 레이저 빔을 조사하는 제2 단계;
    상기 펨토초 레이저로부터 레이저 빔이 전달되면, 상기 레이저 빔 가공부를 통해 상기 레이저 빔의 경로를 변경하고 가공하는 제3 단계;
    상기 가공된 레이저 빔의 초점을 형성하여 조사하는 제4 단계;
    상기 이동 스테이지를 상기 대물 렌즈가 위치한 Z축 방향으로 이동시키는 제5 단계;
    상기 이동 스테이지가 이동되는 동안 상기 CCD 카메라를 이용하여 상기 대물 렌즈로부터 조사되는 레이저 빔을 촬영하는 제6 단계; 및
    상기 CCD 카메라를 통해 촬영된 상기 레이저 빔의 영상으로부터 형광을 검출하여 상기 이동 스테이지의 위치를 자동 조절하는 제7 단계를 포함하는 3차원 미세구조물 제조 시스템의 자동 초점 조절 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제7 단계는,
    상기 CCD 카메라를 통해 촬영된 레이저 빔의 영상값으로부터 노이즈 영상값을 감산하여 감산 결과값을 산출하는 단계; 및
    상기 감산 결과값에 의해 상기 광경화성 수지로부터 발생되는 형광을 검출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 미세구조물 제조 시스템의 자동 초점 조절 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제7 단계는,
    상기 CCD 카메라를 통해 촬영된 레이저 빔의 영상값을 상기 이동 스테이지의 이동 거리 단위로 합산하여 영상 합산값을 산출하는 단계; 및
    상기 영상 합산값을 상기 이동 스테이지의 이동 거리 단위로 적분하여 그래프로 표현하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 미세구조물 제조 시스템의 자동 초점 조절 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제7단계는,
    상기 그래프에서 기울기가 변화되는 지점의 상기 이동 스테이지의 이동 거리에 맞춰 상기 이동 스테이지의 위치를 조절하여 상기 대물 렌즈로부터 조사되는 레이저 빔의 초점을 자동 조절하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 미세구조물 제조 시스템의 자동 초점 조절 방법.
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