KR20130121203A - 선이광자흡수영역의 형광을 이용한 이광자 광중합 나노제작 시스템용 자동 초점 방법 - Google Patents

선이광자흡수영역의 형광을 이용한 이광자 광중합 나노제작 시스템용 자동 초점 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 선이광자흡수영역의 형광을 이용한 이광자 광중합 나노제작 시스템용 자동 초점 방법에 관한 것으로, 선이광자흡수영역의 형광을 이용한 이광자 광중합 나노제작 시스템용 자동 초점 시스템에 있어서, 이광자 흡수 현상을 일으킬 수 있는 극초단 펄스 레이저광을 출력하는 레이저 소스, 상기 확장된 레이저광의 경로를 변경시켜주는 갈바노셔터, 상기 레이저 소스에 의해 출력된 레이저광을 반사하여 경로를 변경하는 미러, 상기 미러로부터 반사된 반사광의 초점을 형성하기 위한 대물렌즈, 상기 초점에 의해 제작 공정이 시작되는 기판과, 이광자 광중합을 일으켜 마이크로/나노 구조물을 형성하기 위한 기판 위의 이광자 광중합 레진을 포함하는 기판부, 상기 기판부를 X, Y, Z축으로 이동시키는 스테이지, 상기 기판부의 이광자 광중합 레진에서 발생하는 형광의 세기를 검출하는 CCD 카메라 및 상기 CCD 카메라에서 검출된 형광의 세기를 이용하여 초점의 위치를 자동으로 탐색하고, 상기 기판부의 기판을 탐색된 위치로 이동시키기 위하여 상기 3축 이동 스테이지의 위치를 자동 조절하는 제어컴퓨터를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

선이광자흡수영역의 형광을 이용한 이광자 광중합 나노제작 시스템용 자동 초점 방법{Autofocusing method using fluorescence of pre-two-photon absorption region for two-photon photopolymerization nanofabrication system}
본 발명은 선이광자흡수영역의 형광을 이용한 이광자 광중합 나노제작 시스템용 자동 초점 방법에 관한 것으로, 좀 더 상세하게는 이광자 광중합 현상을 이용한 마이크로/나노 구조물 제작 시스템에 이용되는 자동초점방법에 관한 것이다.
이광자 광중합 나노제작 시스템은 레이저광을 이용하여 약 100nm의 정밀도를 가지는 마이크로/나노 구조물을 제작하기 위한 시스템으로서, 기판 표면에 초점을 형성시키는 과정이 매우 중요하다.
초점이 기판 아래에 있을 때 제작이 시작되면 제작된 형상의 아래 부분이 잘려 만들어지지 않으며 반대로 기판 위에 있을 때 제작이 시작되면 제작된 형상은 현상 과정에서 유실되거나 찌그러진다.
초점을 기판의 표면에 맞추는 과정은 현재까지 스테이지의 직접 조작을 통한 수동 초점 방식을 사용하였으나 매번 손으로 직접 조작을 해야 하므로 번거롭고 정확도가 떨어지며 직접 조작하는 시간에 의해 총 공정시간이 증가하는 단점이 있다.
[문헌1] S. Kawata, H. B. Sun, T. Tanaka, K. Takada. Finer features for functional microdevices. Nature, 2001, Vol. 412, p. 697??698
[문헌2] JP 2003-001599 A 2003.01.08
[문헌3] H. B. Sun, K. Takada, M. S. Kim, K. S. Lee, S. Kawata. Scaling laws of voxels in two-photo pholymerization nanofabrication. Applied Physics Letters, 2003, Vol. 83, p. 1104-1106
[문헌4] D-Y. yang, S. H. Park, T. W. Lim, H. J. Kong, S. W. Yi, H. K. Yang, K-S. Lee. Ultraprecise microreproduction of a three-dimensional artistic sculpture by multipath scanning method in tow-photon photopolymerization. Applied physics letters, 2007, Vol. 90, 013113
[문헌5] KR 10-1038474 2011.05.26
[문헌6] T. Woggon, T. Kleiner, M. Punke, U. Lemmer. Nanostructuring of organic-inorganic hybrid materials for distributed feedback laser resonators by two-photon polymerization. Optics Express, 2009, Vol. 17, pp. 2500-2507
KR 10-2011-0074184
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명은 자동초점 기능이 가진 편리성 증대, 총 공정시간 감소, 구조물 제작의 정확도 증가의 효과를 제공함과 동시에 기존의 이광자 흡수영역에서 발생하는 형광의 총 광량 기울기를 이용하는 자동초점방법에서 폴리머 패턴 흔적이 남는 단점을 해결하는 자동초점방법을 제공하고자 하는데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 선이광자흡수영역의 형광을 이용한 이광자 광중합 나노제작 시스템용 자동 초점 시스템에 있어서, 이광자 흡수 현상을 일으킬 수 있는 극초단 펄스 레이저광을 출력하는 레이저 소스, 상기 확장된 레이저광의 경로를 변경시켜주는 갈바노셔터, 상기 레이저 소스에 의해 출력된 레이저광을 반사하여 경로를 변경하는 미러, 상기 미러로부터 반사된 반사광의 초점을 형성하기 위한 대물렌즈, 상기 초점에 의해 제작 공정이 시작되는 기판과, 이광자 광중합을 일으켜 마이크로/나노 구조물을 형성하기 위한 기판 위의 이광자 광중합 레진을 포함하는 기판부, 상기 기판부를 X, Y, Z축으로 이동시키는 스테이지, 상기 기판부의 이광자 광중합 레진에서 발생하는 형광의 세기를 검출하는 CCD 카메라 및 상기 CCD 카메라에서 검출된 형광의 세기를 이용하여 초점의 위치를 자동으로 탐색하고, 상기 기판부의 기판을 탐색된 위치로 이동시키기 위하여 상기 3축 이동 스테이지의 위치를 자동 조절하는 제어컴퓨터를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 레이저 소스는, 펄스폭이 fs(펨토초) ~ ps(피코초) 수준을 갖는 레이저 소스인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제어컴퓨터는, 기 설정된 형광 영상의 문턱값을 가지며, 획득한 형광 영상의 중첩된 영상에서 문턱값 이상의 픽셀수를 합산하도록 제어하는 것을 특징으로 한다.
또한, 선이광자흡수영역의 형광을 이용한 이광자 광중합 나노제작 시스템용 자동 초점 시스템에 있어서, 스테이지를 통해 기판을 Z축 방향(광축 방향)으로 단계적으로 이동시키며, 각 위치의 형광 영상을 CCD 카메라를 통해 검출하는 제 1단계, 검출된 형광 영상의 신호대 잡음비를 높이기 위하여 각 위치에서 형광 영상을 다수회 연속적으로 검출하여 하나의 영상으로 중첩시키는 제 2단계, 문턱값을 설정하고 상기 제 2단계에서 중첩된 영상에서 문턱값 이상이 되는 픽셀의 개수를 합산하는 제 3단계, 자동 초점 과정이 선이광자흡수영역에서 끝나도록 픽셀값을 설정하여 상기 픽셀의 합산값이 상기 픽셀값 이상이 될 때 기판의 이동을 멈추고 동시에 셔터를 닫는 제 4단계 및 기판의 Z축의 위치에 따른 각각의 픽셀 합산값을 그래프화하고, 기판의 이동이 멈춘 위치에 보정값을 합산하여 초점의 위치를 찾고 그 위치로 기판을 이동시키는 제 5단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제 2단계는, 상기 형광 영상을 10회 이상 획득하는 것을 특징으로 한다.
상기와 같이 구성되고 작용되는 본 발명은 이광자흡수영역에서 발생하는 형광을 검출하고 그 형광값 중 문턱값 이상의 CCD 픽셀수의 합산을 통해 자동으로 레이저 초점의 위치를 탐색함으로써 기존의 이광자흡수영역에서 발생하는 형광의 총광량 기울기를 이용하는 자동초점방법에서 폴리머 패턴 흔적이 남는 단점을 해결하고, 자동초점과정에서 소요되는 시간도 기존에 비해 절반 이하로 감소시켰으며, 또한 자동초점 기능이 가진 편리성 증대, 총 공정시간 감소, 구조물 제작의 정확도 증가의 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 선이광자흡수영역의 형광을 이용한 이광자 광중합 나노제작 시스템용 자동 초점 방법이 적용되는 시스템의 개략적인 구성도,
도 2는 본 발명에 적용된 자동초점 방법을 설명하기 위한 참고도,
도 3은 본 발명에 적용된 선이광자흡수영역을 설명하기 위한 등광선을 나타낸 참고도,
도 4는 본 발명에 적용된 자동초점 방법 중 픽셀 합산값-기판의 위치 간의 관계를 나타내는 그래프.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 선이광자흡수영역의 형광을 이용한 이광자 광중합 나노제작 시스템용 자동 초점 방법의 바람직한 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명에 따른 선이광자흡수영역의 형광을 이용한 이광자 광중합 나노제작 시스템용 자동 초점 방법이 적용되는 시스템의 개략적인 구성도이다.
본 발명에 따른 선이광자흡수영역의 형광을 이용한 이광자 광중합 나노제작 시스템용 자동 초점 방법은, 선이광자흡수영역의 형광을 이용한 이광자 광중합 나노제작 시스템용 자동 초점 시스템에 있어서, 이광자 흡수 현상을 일으킬 수 있는 극초단 펄스 레이저광을 출력하는 레이저 소스(100), 상기 확장된 레이저광의 경로를 변경시켜주는 갈바노셔터(110), 상기 레이저 소스에 의해 출력된 레이저광을 반사하여 경로를 변경하는 미러(120), 상기 미러로부터 반사된 반사광의 초점을 형성하기 위한 대물렌즈(130), 상기 초점에 의해 제작 공정이 시작되는 기판(141)과, 이광자 광중합을 일으켜 마이크로/나노 구조물을 형성하기 위한 기판 위의 이광자 광중합 레진(142)을 포함하는 기판부(140), 상기 기판부를 X, Y, Z축으로 이동시키는 스테이지, 상기 기판부의 이광자 광중합 레진에서 발생하는 형광의 세기를 검출하는 CCD 카메라(160) 및 상기 CCD 카메라에서 검출된 형광의 세기를 이용하여 초점의 위치를 자동으로 탐색하고, 상기 기판부의 기판을 탐색된 위치로 이동시키기 위하여 상기 3축 이동 스테이지의 위치를 자동 조절하는 제어컴퓨터(170)를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 선이광자흡수영역의 형광을 이용한 이광자 광중합 나노제작 시스템용 자동 초점 시스템 및 방법은, 선이광자흡수영역에서 발생하는 형광을 검출하고, 그 형광값 중 문턱값 이상의 CCD 픽셀수의 합산을 통해 자동으로 레이저 초점의 위치를 탐색하는 것을 주요 기술적 요지로 한다.
본 발명에 따른 이광자 광중합 나노제작 시스템은 이광자 광중합이 일어날 수 있는 레진에 이광자 흡수를 일으킬 수 있는 매우 짧은 펄스폭을 갖는 레이저광을 조사함으로써 약 100nm의 정밀도로 3차원 마이크로/나노 구조물을 제작할 수 있다. 이때 레진 안에서 레이저광이 집속되는 초점에서만 이광자 흡수에 의한 이광자 광중합 현상이 발생하므로 레진 안에 초점의 위치가 매우 중요하다. 초점이 기판의 표면에 위치해 있지 않은 상태에서 제작이 시작되면 제작된 형상은 원하는 디자인과 다른 형태를 가지게 된다.
초점이 기판 아래에 있을 때 제작이 시작되면 제작된 형상의 아래 부분이 잘려 만들어지지 않으며 반대로 기판 위에 있을 때 제작이 시작되면 제작된 형상은 현상 과정에서 유실되거나 찌그러진다. 초점을 기판의 표면에 맞추는 과정은 현재까지 스테이지의 직접 조작을 통한 수동 초점 방식을 사용하였으나 매번 손으로 직접 조작을 해야 하므로 번거롭고 정확도가 떨어지며 직접 조작하는 시간에 의해 총 공정시간이 증가하는 단점이 있다.
따라서 이러한 단점을 해결하기 위한 자동 초점 방법으로 이광자흡수영역에서 발생하는 형광의 총광량 기울기를 이용할 수 있다. 그러나 이 방법은 자동 초점 과정이 완료된 후 기판 위에 폴리머 패턴 흔적이 남는 단점을 가지고 있다. 이러한 흔적은 본래 제작하고자 하는 형상에 영향을 준다. 따라서 본 발명에 적용된 자동초점 기능은 선이광자흡수영역에서의 형광 검출을 통해 기존의 이광자흡수영역에서 발생하는 형광의 총광량 기울기를 이용하는 자동 초점 방법의 단점을 해결한다.
도 2는 본 발명에 적용된 자동초점 방법을 설명하기 위한 참고도이다.
한편, 본 발명에 따른 선이광자흡수영역의 형광을 이용한 이광자 광중합 나노제작 시스템용 자동 초점 방법은, 상기 3축 이동 스테이지를 통해 기판을 Z축 방향(광축 방향)으로 단계적으로 이동시키며 각 위치의 형광 영상을 상기 CCD 카메라를 통해 검출하는 단계를 포함한다. 이 때, 검출된 형광 영상의 신호대잡음비를 높이기 위하여 각 위치에서 형광 영상을 10번 연속적으로 검출하여 하나의 영상으로 중첩시키는 단계를 포함한다. 또한 문턱값을 설정하고 상기 단계에서 중첩된 영상에서 문턱값 이상이 되는 픽셀의 개수를 합산하는 단계를 포함한다. 그리고 자동 초점 과정이 선이광자흡수영역에서 끝나도록 픽셀값을 설정하여 상기 픽셀의 합산값이 이 픽셀값 이상이 될 때 기판의 이동을 멈추고 동시에 셔터을 닫는 단계를 포함한다. 최종적으로 기판의 Z축의 위치에 따른 각각의 픽셀 합산값을 그래프화하고 기판의 이동이 멈춘 위치에 보정값을 합산하여 초점의 위치를 찾고 그 위치로 기판을 이동시키는 단계를 포함한다.
도 2를 참고하면, 먼저 셔터를 닫은 상태에서 CCD 카메라를 통해 노이즈광 영상을 획득한다. 다음으로 셔터를 열고 3축 이동 스테이지를 통해 기판을 Z축 방향으로 정해진 간격으로 단계적으로 이동시키며 각 위치의 형광 영상을 CCD 카메라를 통해 획득한다. 이 때 정해진 간격이 좁을수록 최종 탐색된 초점 위치의 정확도는 향상되나 탐색 시간이 증가한다.
획득한 형광 영상값에서 상기 노이즈광 영상값을 감산하여 형광 영상을 검출한다. 이 때 신호대잡음비를 높이기 위하여 각 위치에서 형광 영상을 연속적으로 10번 반복하여 검출하고 합산하여 하나의 영상으로 중첩시킨다.
문턱값을 설정하고 상기 단계에서 각각의 중첩된 영상에서 문턱값 이상이 되는 픽셀의 개수를 합산한다.
픽셀값을 설정하여 상기 픽셀의 합산값이 이 픽셀값 이상이 될 때 기판의 이동을 멈추고 동시에 셔터를 닫는다. 이 때 멈추는 지점이 선이광자흡수영역 안이 되도록 픽셀값을 설정하여야 한다. 선이광자흡수영역은 형광은 검출되나 광경화는 일어나지 않는 영역으로 도 3과 같이 이광자흡수에 의해 광경화가 일어나는 영역 바깥쪽에 위치한다.
기판의 Z축의 위치에 따른 각각의 픽셀 합산값을 그래프화하고 기판의 이동이 멈춘 위치에 보정값을 합산하여 초점의 위치를 찾는다. 최종적으로 그 위치로 기판이 자동으로 위치하게 됨으로써 자동 초점 과정이 끝난다.
이와 같이 구성되는 본 발명은 자동초점과정에서의 시간 단축과 더불어 자동초점 기능이 가진 편리성 증대, 총 공정시간 감소, 구조물 제작의 정확도를 증가시킬 수 있는 장점이 있다.
이상, 본 발명의 원리를 예시하기 위한 바람직한 실시예와 관련하여 설명하고 도시하였지만, 본 발명은 그와 같이 도시되고 설명된 그대로의 구성 및 작용으로 한정되는 것이 아니다. 오히려, 첨부된 청구범위의 사상 및 범주를 일탈함이 없이 본 발명에 대한 다수의 변경 및 수정이 가능함을 당업자들은 잘 이해할 수 있을 것이다. 따라서 그러한 모든 적절한 변경 및 수정과 균등물들도 본 발명의 범위에 속하는 것으로 간주되어야 할 것이다.
100 : 레이저 소스
110 : 갈바노셔터
120 : 미러
130 : 대물렌즈
140 : 기판부
141 : 기판
142 : 이광자 광중합 레진
150 : 스테이지
160 : CCD 카메라
170 : 제어컴퓨터

Claims (9)

  1. 선이광자흡수영역의 형광을 이용한 이광자 광중합 나노제작 시스템용 자동 초점 시스템에 있어서,
    이광자 흡수 현상을 일으킬 수 있는 극초단 펄스 레이저광을 출력하는 레이저 소스;
    상기 확장된 레이저광의 경로를 변경시켜주는 갈바노셔터;
    상기 레이저 소스에 의해 출력된 레이저광을 반사하여 경로를 변경하는 미러;
    상기 미러로부터 반사된 반사광의 초점을 형성하기 위한 대물렌즈;
    상기 초점에 의해 제작 공정이 시작되는 기판과, 이광자 광중합을 일으켜 마이크로/나노 구조물을 형성하기 위한 기판 위의 이광자 광중합 레진을 포함하는 기판부;
    상기 기판부를 X, Y, Z축으로 이동시키는 스테이지;
    상기 기판부의 이광자 광중합 레진에서 발생하는 형광의 세기를 검출하는 CCD 카메라; 및
    상기 CCD 카메라에서 검출된 형광의 세기를 이용하여 초점의 위치를 자동으로 탐색하고, 상기 기판부의 기판을 탐색된 위치로 이동시키기 위하여 상기 3축 이동 스테이지의 위치를 자동 조절하는 제어컴퓨터;를 포함하는 선이광자흡수영역의 형광을 이용한 이광자 광중합 나노제작 시스템.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 레이저 소스는,
    펄스폭이 fs(펨토초) ~ ps(피코초) 수준을 갖는 레이저 소스인 것을 특징으로 하는 선이광자흡수영역의 형광을 이용한 이광자 광중합 나노제작 시스템.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 제어컴퓨터는,
    기 설정된 형광 영상의 문턱값을 가지며, 획득한 형광 영상의 중첩된 영상에서 문턱값 이상의 픽셀수를 합산하도록 제어하는 선이광자흡수영역의 형광을 이용한 이광자 광중합 나노제작 시스템.
  4. 선이광자흡수영역의 형광을 이용한 이광자 광중합 나노제작 시스템용 자동 초점 시스템에 있어서,
    스테이지를 통해 기판을 Z축 방향(광축 방향)으로 단계적으로 이동시키며, 각 위치의 형광 영상을 CCD 카메라를 통해 검출하는 제 1단계;
    검출된 형광 영상의 신호대 잡음비를 높이기 위하여 각 위치에서 형광 영상을 다수회 연속적으로 검출하여 하나의 영상으로 중첩시키는 제 2단계;
    문턱값을 설정하고 상기 제 2단계에서 중첩된 영상에서 문턱값 이상이 되는 픽셀의 개수를 합산하는 제 3단계;
    자동 초점 과정이 선이광자흡수영역에서 끝나도록 픽셀값을 설정하여 상기 픽셀의 합산값이 상기 픽셀값 이상이 될 때 기판의 이동을 멈추고 동시에 셔터를 닫는 제 4단계; 및
    기판의 Z축의 위치에 따른 각각의 픽셀 합산값을 그래프화하고, 기판의 이동이 멈춘 위치에 보정값을 합산하여 초점의 위치를 찾고 그 위치로 기판을 이동시키는 제 5단계;를 포함하는 선이광자흡수영역의 형광을 이용한 이광자 광중합 나노제작 시스템용 자동 초점 방법.
  5. 제 4항에 있어서, 상기 제 2단계는,
    상기 형광 영상을 10회 이상 획득하는 것을 특징으로 하는 이광자 광중합 나노제작 시스템용 자동 초점 방법.
  6. 이광자 흡수 현상을 일으킬 수 있는 극초단 펄스 레이저광을 출력하는 레이저 소스;
    상기 확장된 레이저광의 경로를 변경시켜주는 갈바노셔터;
    상기 레이저 소스에 의해 출력된 레이저광을 반사하여 경로를 변경하는 미러;
    상기 미러로부터 반사된 반사광의 초점을 형성하기 위한 대물렌즈;
    상기 초점에 의해 제작 공정이 시작되는 기판과, 이광자 광중합을 일으켜 마이크로/나노 구조물을 형성하기 위한 기판 위의 이광자 광중합 레진을 포함하는 기판부;
    상기 기판부를 X, Y, Z축으로 이동시키는 스테이지;
    상기 기판부의 이광자 광중합 레진에서 발생하는 형광의 세기를 검출하는 CCD 카메라; 및
    상기 CCD 카메라에서 검출된 형광의 세기를 이용하여 초점의 위치를 자동으로 탐색하고, 상기 기판부의 기판을 탐색된 위치로 이동시키기 위하여 상기 3축 이동 스테이지의 위치를 자동 조절하는 제어컴퓨터;를 포함하는 선이광자흡수영역의 형광을 이용한 이광자 광중합 나노제작 시스템.
  7. 제 6항에 있어서, 상기 제어컴퓨터는,
    기 설정된 형광 영상의 문턱값을 가지며, 획득한 형광 영상의 중첩된 영상에서 문턱값 이상의 픽셀수를 합산하도록 제어하는 선이광자흡수영역의 형광을 이용한 이광자 광중합 나노제작 시스템.
  8. 스테이지를 통해 기판을 Z축 방향(광축 방향)으로 단계적으로 이동시키며, 각 위치의 형광 영상을 CCD 카메라를 통해 검출하는 제 1단계;
    검출된 형광 영상의 신호대 잡음비를 높이기 위하여 각 위치에서 형광 영상을 다수회 연속적으로 검출하여 하나의 영상으로 중첩시키는 제 2단계;
    문턱값을 설정하고 상기 제 2단계에서 중첩된 영상에서 문턱값 이상이 되는 픽셀의 개수를 합산하는 제 3단계;
    자동 초점 과정이 선이광자흡수영역에서 끝나도록 픽셀값을 설정하여 상기 픽셀의 합산값이 상기 픽셀값 이상이 될 때 기판의 이동을 멈추고 동시에 셔터를 닫는 제 4단계; 및
    기판의 Z축의 위치에 따른 각각의 픽셀 합산값을 그래프화하고, 기판의 이동이 멈춘 위치에 보정값을 합산하여 초점의 위치를 찾고 그 위치로 기판을 이동시키는 제 5단계;를 포함하는 선이광자흡수영역의 형광을 이용한 이광자 광중합 나노제작 시스템용 자동 초점 방법.
  9. 제 8항에 있어서, 상기 제 2단계는,
    상기 형광 영상을 10회 이상 획득하는 것을 특징으로 하는 이광자 광중합 나노제작 시스템용 자동 초점 방법.
KR1020120043290A 2012-04-25 2012-04-25 선이광자흡수영역의 형광을 이용한 이광자 광중합 나노제작 시스템용 자동 초점 방법 KR101340386B1 (ko)

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