KR20180119395A - 이광자 스테레오리소그라피에 의한 3차원 메쉬형 미세구조체 제조방법 - Google Patents

이광자 스테레오리소그라피에 의한 3차원 메쉬형 미세구조체 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 이광자 스테레오리소그라피에 의한 3차원 메쉬형 미세구조체 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 연속적 종방향 레이저 스캐닝 방법을 이용한 것으로, 3차원 메쉬형 미세구조체를 적층 방향의 수직으로 얇게 슬라이싱하여 2차원 단면 데이터를 만들어 2차원 단면을 제작하고, 나노 스테이지를 이용하여 연속적으로 높이 방향으로 적층하여 3차원 메쉬형 미세구조체를 제조하는 방법이며, 제조공정이 단순하고, 레이저 스캐닝 조사거리가 짧아 제조 시간이 적게 소요되며, 높은 정밀도를 갖는 효과가 있다.

Description

이광자 스테레오리소그라피에 의한 3차원 메쉬형 미세구조체 제조방법 {Manufacturing method of three-dimensional meshed microstructure by two-photon stereolithography}
본 발명은 짧은 제조 시간 및 높은 제조 효율성을 갖는 연속적 종방향 레이저 스캐닝 방법을 이용한 이광자 스테레오리소그라피에 의한 3차원 메쉬형 미세구조체 제조방법에 관한 것이다.
최근 나노/마이크로 단위의 극미세 정밀도를 갖는 형상 제작 기술에 대한 수요가 급증하고 있으며, 이와 더불어 바이오, 의료, 전자, 광학 소자 등 다양한 분야에서 3차원 형상 제조에 대한 관심이 증가하고 있다. 최근에는 저비용으로 대량생산이 가능한 나노 공정 기술 개발에 대한 연구가 진행되고 있으며, 대표적으로 UV광을 이용한 나노 임프린트 공정과 polydimethylsiloxane (PDMS) 스탬프를 이용한 소프트 리소그라피 (soft lithography) 공정 등이 있다. 정밀한 패터닝 공정에 활용되는 전자빔 리소그라피 (electron beam lithography)는 선폭 정밀도가 5 nm까지 달성되고 있으나 이러한 방법들은 복잡한 3차원 형상을 제작하기에는 한계가 있거나 제작 비용이 많이 드는 문제가 있다.
이러한 문제를 해결하기 위하여 펨토초 레이저의 이광자 흡수 광중합 (two-photon polymerization, TPP) 현상을 이용한 높은 정밀도를 갖는 3차원 입체 형상 제조기술인 나노 스테레오리소그라피 (nano-stereolithography)에 대한 연구가 진행되고 있다. 이광자 흡수 광중합 현상은 이광자 흡수 색소가 동시에 두 개의 광자를 흡수하여 전기적으로 들뜬 상태가 된 뒤 약간의 에너지를 소실한 후 흡수될 때의 파장보다 더 높은 파장을 가진 빛을 방출하고 다시 바닥 상태로 돌아가는 현상으로, 이때 방출된 단파장의 빛은 광개시제 (photoinitiator)가 흡수하여 전기적으로 들뜬 상태가 되고 일반적으로 10-6초 이내의 짧은 시간에 세 가지 형태로 진행된다. 첫째로 들뜬 상태에서 빛을 방출하여 다시 광개시제로 돌아오거나, 둘째로 라디칼로 화학적 분해가 일어난 뒤 바로 광경화수지 내에 존재하는 산소와 같은 라디칼 소광 물질 (radical quenching agent)과 반응하여 단량체와 결합능력을 상실하는 형태로 변환되거나, 셋째로 라디칼을 유지하면서 단량체와 결합하여 사슬성장중합 반응을 통하여 고분자 물질로 변환되는 부분으로 나누어진다.
한편, 3차원 메쉬형 미세구조체는 광학 및 기계 소재, 세포 배양 플랫폼 등 넓은 범위에 응용될 수 있어 많은 주목을 받고 있다. 3차원 메쉬형 미세구조체가 세포 배양 플랫폼에 적용될 경우 3차원 세포 배양을 가능하게 하여 생체 내와 유사한 환경을 조성하므로 in vitro 암세포 성장 및 항암제 검출 효과 등을 in vivo에서의 결과와 유사하게 얻을 수 있다. 그러나 3차원 메쉬형 미세구조체를 제조하는 것은 어려운 실정이다. 일반적으로 3차원 형상 제작은 2차원의 패턴을 한 층씩 쌓아서 제작하는 층상 (layer-by-layer) 적층 공정을 주로 사용하나, 이때 적층 공정의 최적화는 정밀도에 중요한 요소로 작용하여, 적층 두께를 얇게 할수록 3차원 형상의 정밀도는 더욱 정밀해지지만 많은 시간이 소요되는 단점이 있다. 이러한 층상 적층 공정으로 3차원 메쉬형 미세구조체를 제조할 경우 점대점 레이저 스캐닝 (point-to-point laser scanning) 방법으로 인해 3차원 미세구조체가 별개의 점으로 구성되어지므로 제조 효율성이 매우 떨어지는 문제가 있다. 따라서 높은 정밀도를 갖는 3차원 형상을 효율적으로 제조할 수 있는 제조 기술에 대한 개발이 필요하다.
이에 따라 본 발명에서는 연속적 종방향 레이저 스캐닝 방법을 이용하여 층상 적층 공정보다 빠른 속도로 3차원 메쉬형 미세구조체를 제조하는 방법을 개발하였다.
본 발명의 목적은 연속적 종방향 레이저 스캐닝 방법을 이용하여 3차원 메쉬형 미세구조체를 제조함으로써 제조 속도 및 정밀도를 향상시킬 수 있는 이광자 스테레오리소그라피에 의한 3차원 메쉬형 미세구조체 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명은 상기 목적을 달성하기 위하여,
(a) 3차원 메쉬형 미세구조체의 CAD 데이터 또는 스캐닝 데이터를 레이저 장치에 입력하는 단계; (b) 고배율 렌즈가 부착된 CCD 카메라를 이용하여 모니터링 하면서 광경화성 고분자 수지에 레이저를 조사하는 단계; (c) 0.1 nm 분해능을 갖는 피에조 스테이지 (piezoelectric stage)를 이용하여 x축 및 y축 방향으로 광경화성 고분자 수지에 레이저 스캐닝하여 적층방향의 수직으로 2차원 단면을 제조한 후 제조된 2차원 단면을 연속적으로 높이방향으로 적층하여 3차원 메쉬형 미세구조체를 제조하는 단계; (d) 경화되지 않은 광경화성 고분자 수지를 제거하는 단계;를 포함하며,
상기 2차원 단면의 x 및 y 방향의 레이저 스캐닝 속도보다 상기 높이방향으로 적층하는 z 방향의 레이저 스캐닝 속도가 3 내지 4배 빠르고,
상기 3차원 메쉬형 미세구조체의 x축 및 y축 방향 한 변의 길이가 5 ㎛ 내지 15 ㎛일 때 레이저 출력은 300 ㎽ 내지 1 W인 것을 특징으로 하는 이광자 스테레오리소그라피에 의한 3차원 메쉬형 미세구조체 제조방법을 제공한다.
상기 광경화성 고분자 수지는 광경화성 비스페놀 A 에폭시 감광제인 것을 특징으로 하며, 상기 광경화성 비스페놀 A 에폭시 감광제는 SU-8 2, SU-8 5, SU-8 10, SU-8 25, SU-8 50, SU-8 100, SU-8 2000.5, SU-8 2002, SU-8 2005, SU-8 2007, SU-8 2010, SU-8 2015, SU-8 2100, SU-8 2150, SU-8 2025, SU-8 2035, SU-8 2050, SU-8 2075, SU-8 3005, SU-8 3010, SU-8 3025, SU-8 3035 및 SU-8 3050로 이루어진 군에서 선택되는 것을 특징으로 한다.
상기 (d) 단계에서 광경화성 고분자 수지 제거는 PGMEA (propylene glycol methyl ether acetone)를 이용하는 것을 특징으로 한다.
상기 레이저는 100 fs의 펄스 폭 (ultra-short pulse width)을 갖는 티타늄-사파이어 레이저 (Ti:Sapphire laser)이며, 작동주파수 (repetition)는 80 MHz, 파장 (wavelength)은 780 nm이고,
상기 레이저는 반파장판 (λ/2 plate)에 의해 출력이 조절되고, 갈바노 셔터 (galvano shutter)에 의해 전원 (on/off)이 제어되며, 대물렌즈와 상기 광경화성 고분자 수지가 올려지는 유리판 사이의 개구수 (numerical aperture, NA)가 1.3인 오일 대물렌즈 (oil-immersion objective lens, ×100)에 의해 초점이 맞춰지는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 이광자 스테레오리소그라피에 의한 3차원 메쉬형 미세구조체 제조방법은 제조공정이 단순하며, 레이저 스캐닝 조사거리가 짧아 제조 시간이 단축되고, 높은 정밀도를 갖는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 나노 스테레오리소그라피 공정을 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 (a) 점대점 레이저 스캐닝과 (b) 종방향 레이저 스캐닝의 공정도를 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 점대점 레이저 스캐닝과 종방향 레이저 스캐닝의 레이저 스캐닝 조사거리 비에 따른 그래프를 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 (a) 복셀에서 레이저 출력 강도 분포, (b) xy 방향 및 (c) z 방향에서의 선형 구조의 SEM 이미지이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 레이저 출력에 따른 제조 윈도우를 나타낸 것이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 제조된 미세구조의 SEM 이미지이다.
이하, 본 발명에 따른 이광자 스테레오리소그라피에 의한 3차원 메쉬형 미세구조체 제조방법에 대해 구체적으로 설명한다.
본 발명에 의한 이광자 스테레오리소그라피에 의한 3차원 메쉬형 미세구조체 제조방법은 (a) 3차원 메쉬형 미세구조체의 CAD 데이터 또는 스캐닝 데이터를 레이저 장치에 입력하는 단계; (b) 고배율 렌즈가 부착된 CCD 카메라를 이용하여 모니터링 하면서 광경화성 고분자 수지에 레이저를 조사하는 단계; (c) 0.1 nm 분해능을 갖는 피에조 스테이지 (piezoelectric stage)를 이용하여 x축 및 y축 방향으로 광경화성 고분자 수지에 레이저 스캐닝하여 적층방향의 수직으로 2차원 단면을 제조한 후 제조된 2차원 단면을 연속적으로 높이방향으로 적층하여 3차원 메쉬형 미세구조체를 제조하는 단계; (d) 경화되지 않은 광경화성 고분자 수지를 제거하는 단계;를 포함한다.
본 발명의 3차원 메쉬형 미세구조체를 제조하는 나노 스테레오리소그라피 공정은 3차원 형상을 적층 방향의 수직으로 얇게 슬라이싱하여 2차원 단면 데이터를 만든 다음 레이저의 경로와 조사방법을 선택하여 2차원 단면을 제작하고, 나노 스테이지를 이용하여 연속적으로 높이 방향으로 적층하여 3차원 형상을 제작하는 방식이다. 이때 2차원 단면을 제작하는 단위 복셀 (voxel)의 세장비는 3차원 형상 제작의 중요한 공정변수로 작용하며, 복셀의 세장비가 큰 경우 적층되는 형상이 높이 방향으로 길게 생성되어 정밀한 형상 제작이 어려우므로 최소 레이저 출력 및 최소 조사시간을 통해 낮은 세장비를 가진 복셀을 제조하는 것이 바람직하다.
상기 x 및 y 방향의 레이저 스캐닝은 바닥 기반을 제조하는 데 이용되며, z축 방향의 레이저 스캐닝은 지지대 (pillar) 제조에 이용된다. 안정한 3차원 메쉬형 구조체의 제조를 위해서는 경화 과정 동안 유체 흐름 또는 모세관 힘 등의 예기치 않은 힘과 무게에 견딜 수 있도록 지지대가 충분한 두께를 가져야 하나, 이와 같은 경우 지지대의 높이가 감소하는 문제가 있다. 이는 레이저 조사시간은 구조체를 형성하는 단위 복셀의 부피성장에 영향을 주어 짧은 조사시간 조건에서 단면 직경이 줄어들게 되는데, 이는 짧은 조사시간에서는 광자 에너지의 등방향 확산이 어려워져 이광자 흡수에 의한 라디칼 생성이 어렵게 되기 때문이다. 따라서 지지대의 높이에 따른 레이저 출력과 스캐닝 속도 등 제조 조건의 최적화가 요구된다.
상기 2차원 단면의 x 및 y 방향의 레이저 스캐닝 속도보다 상기 높이방향으로 적층하는 z 방향의 레이저 스캐닝 속도가 3 내지 4배 빠른 것이 바람직하다.
상기 3차원 메쉬형 미세구조체의 x축 및 y축 방향 한 변의 길이가 5 ㎛ 내지 15 ㎛일 때 레이저 출력은 300 ㎽ 내지 1 W인 것이 바람직하다.
먼저, 상기 (a) 단계에서는 원하는 3차원 메쉬형 미세구조체를 상용 CAD 모델러로 만든 다음, STL 파일로 전환하여 2차원 단면 데이터 생성을 위한 슬라이싱 작업을 한다. 이때 3차원 형상을 적층방향의 수직으로 적층 두께를 고려하여 슬라이싱하여 2차원 단면 데이터를 만드는 것이 바람직하며, 정밀한 3차원 형상을 제작하기 위해서는 정확한 단면 데이터를 확보하는 것이 매우 중요하다.
상기 STL 파일은 stereolithography 파일의 약자로서 1987년 SLA 광조형 장치를 개발한 미국의 3D System 사에 의해 개발된 파일 포맷으로 3차원 형상의 외곽을 삼각형 패치과 그 법선 벡터를 이용하여 근사화시킨 것이며, 현재 대부분의 쾌속 조형 (rapid prototyping) 장비의 입력 데이터로 사용되어진다.
상기 (b) 단계에서는 레이저의 경로와 조사방법을 선택하여 광경화성 고분자 수지에 레이저를 조사한다.
상기 (c) 단계에서는 상기 2차원 단면 데이터를 통해 x축 및 y축 방향으로 2차원 단면을 제조한 후 z축 방향으로 피에조 스테이지를 이용하여 적층두께만큼 이동한 다음 연속적으로 새로운 단면을 제작하여 적층함으로써 3차원 메쉬형 미세구조체를 제조한다. 이때 z축 피에조 스테이지는 제어 프로그램에 의하여 제어되며, 고배율 렌즈가 부착된 CCD 카메라를 이용하여 제조과정을 모니터링할 수 있다.
상기 레이저는 100 fs의 펄스 폭 (ultra-short pulse width)을 갖는 티타늄-사파이어 레이저 (Ti:Sapphire laser)이며, 작동주파수 (repetition)는 80 MHz, 파장 (wavelength)은 780 nm인 것이 바람직하다.
상기 레이저는 반파장판 (λ/2 plate)에 의해 출력이 조절되고, 갈바노 셔터 (galvano shutter)에 의해 전원 (on/off)이 제어되며, 대물렌즈와 상기 광경화성 고분자 수지가 올려지는 유리판 사이의 개구수 (numerical aperture, NA)가 1.3인 오일 대물렌즈 (oil-immersion objective lens, ×100)에 의해 초점이 맞춰지는 것이 바람직하다. 상기 대물렌즈는 대물렌즈와 광경화성 고분자 수지가 올려지는 유리판 사이의 개구수를 높이기 위해 담금 기름을 사용하며, 광경화성 고분자 수지에 레이저 빔을 직접하기 위해 개구수가 높은 대물렌즈를 사용한다.
상기 (d) 단계에서 광경화성 고분자 수지 제거는 PGMEA (propylene glycol methyl ether acetone)를 이용하는 것이 바람직하다.
상기 광경화성 고분자 수지는 광경화성 비스페놀 A 에폭시 감광제인 것이 바람직하며, 상기 광경화성 비스페놀 A 에폭시 감광제는 SU-8 2, SU-8 5, SU-8 10, SU-8 25, SU-8 50, SU-8 100, SU-8 2000.5, SU-8 2002, SU-8 2005, SU-8 2007, SU-8 2010, SU-8 2015, SU-8 2100, SU-8 2150, SU-8 2025, SU-8 2035, SU-8 2050, SU-8 2075, SU-8 3005, SU-8 3010, SU-8 3025, SU-8 3035 및 SU-8 3050로 이루어진 군에서 선택되는 것이 바람직하다.
상기 광경화성 비스페놀 A 에폭시 감광제 SU-8은 에폭시 계열의 수지로, SU-8은 광감도가 뛰어나 기존 나노 스테레오리소그라피 공정에 주로 쓰이는 우레탄 아크릴 계열의 수지 대비 약 40%의 레이저 출력만으로도 3차원 메쉬형 미세구조체를 제조할 수 있다.
이러한 낮은 레이저 출력은 이광자 흡수 영역을 더욱 작게 만들어 복셀의 형상을 타원 형태가 아닌 구형으로 만들 수 있다. 레이저 출력이 커지면 세장비가 커지는 방향으로 단위형상이 커지게 되고 조사시간이 증가하면 등방향으로 세장비가 커지게 되는데, SU-8의 경우 매우 작은 레이저 출력에 반응함으로써 낮은 세장비를 갖는 것으로 분석된다.
이하, 본 발명을 실시예를 통하여 더욱 상세히 설명한다. 그러나 하기 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이에 제한되는 것은 아니다.
실시예 1. 3차원 메쉬형 미세구조체 제조
광경화성 비스페놀 A 에폭시 감광제 SU-8 2035 (Microchem Corp.) 1 g에 고효율 TPA 염료 2 ㎎을 첨가한 후 커버글라스 기판 위에 위치시키고, 95℃에서 10분 동안 프리베이킹 (prebaking)하였다. 제조 후 샘플을 95℃에서 포스트베이킹 (postbaking)하여 중합시켰으며, 경화되지 않은 SU-8 2035는 PGMEA (propylene glycol monomethyl ether acetate)로 세척하여 제거하였다.
열처리 공정의 첫 번째 단계인 프리베이킹은 광경화성 고분자 수지의 용액을 증발시키는 역할을 하며, 광경화성 고분자 수지의 밀도가 증가함에 따라 액상 상태에서 고상 상태로 변하게 된다. 프리베이킹 단계는 적당하고 균일한 용액의 양을 유지시켜 정밀하고 고세장비의 형상 제작을 가능하게 하며, 만약 프리베이킹 시간이 적어 광경화성 고분자 수지 내 함유된 용액 양이 많게 되면 이광자 흡수 현상의 효율이 떨어지게 되어 형상 제작이 불가능하고, 프리베이킹 시간이 길게 되면 공정 시간이 길어질 뿐만 아니라 광경화성 고분자 수지의 밀도가 너무 높게 되어 제작된 형상의 정밀도가 낮아질 수 있으므로 적합한 프리베이킹 온도를 설정하는 것이 중요하다.
열처리 공정의 두 번째 단계인 포스트베이킹은 산 (H+)에 의해 형성된 형상을 열로 경화시켜 현상 과정에서 안정적으로 형상을 남기는 역할을 하며, 포스트베이킹 처리를 하지 않으면 산 (H+)에 의해 형성된 형상이 경화되지 않아 현상 단계에서 사라지게 되므로 적합한 포스트베이킹 조건이 필요하다. 포스트베이킹 시간이 적게 되면 산 (H+)에 의해 형성된 형상이 충분히 경화되지 않아 현상액에 의해 뜯겨 나가는 현상이 나타남으로 인해 표면이 매우 거칠어질 수 있으며, 포스트베이킹 시간이 증가하면 열에너지에 의해 강한 가교를 이루어 현상 시 안정적인 형상을 이룸에 따라 표면 거칠기가 향상될 수 있다.
실시예 2. 연속적 종방향 레이저 스캐닝 방법의 효율 분석
본 발명의 연속적 종방향 레이저 스캐닝 방법을 이용한 이광자 스테레오리소그라피에 의한 3차원 메쉬형 미세구조체 제조방법의 효율성을 평가하기 위해 정육면체 구조물 제조에 대한 점대점 레이저 스캐닝 방법 및 연속적 종방향 레이저 스캐닝 방법을 비교하였다.
점대점 레이저 스캐닝 방법은 레이저가 4개의 각 코너에서 점을 형성하여 고리 모양으로 움직이며, 이 점들을 포함하는 n개의 층으로 적층된다. 반면, 연속적 종방향 레이저 스캐닝 방법은 x, y 및 z축에서 연속적으로 스캐닝되어 한 번의 레이저 스캐닝으로 z축 선을 제작할 수 있으며, 짧은 스캐닝 조사거리를 가져 제조 시간을 단축시킬 수 있다. 연속적 종방향 레이저 스캐닝 방법의 총 레이저 스캐닝 조사거리는 z축 방향의 높이 4개 (4h)와 x축 및 y축 방향으로 레이저 스캐닝하여 제조된 2차원 단면인 바닥면과 상부면의 평면 2개 (4(w+l))의 합이다.
미세구조 정육면체의 너비와 길이를 10 ㎛로 고정시키고, 높이의 변화에 따른 파라미터를 평가하였다. 하기 식은 연속적 종방향 레이저 스캐닝 방법과 점대점 레이저 스캐닝 방법의 레이저 스캐닝 조사거리의 비를 나타낸 것이다.
Figure pat00001
(L1: 점대점 레이저 스캐닝 방법의 레이저 스캐닝 조사거리, L2: 연속적 종방향 레이저 스캐닝 방법의 레이저 스캐닝 조사거리, w: 너비, l: 길이, h: 높이)
도 3에서 보는 바와 같이, 구조의 크기가 증가함에 따라 레이저 스캐닝 조사거리의 비가 증가하며, 정육면체의 높이가 100 ㎛일 때, 연속적 종방향 레이저 스캐닝 방법의 제조 시간은 점대점 레이저 스캐닝 방법보다 72배 빠르다.
실시예 3. 레이저 스캐닝 속도에 따른 안정성 평가
하기 식은 도 4 (a)에 나타낸 레이저 출력 분포도인 가우스 분포 (Gaussian distribution)를 나타낸 것으로, 등고선은 세로 방향으로 길고 방사 방향에서 짧은 가우스 빔 형태를 띤다.
Figure pat00002
(λ: 레이저 빔의 파장, t: 조사시간, NA: 대물렌즈의 개구수, n: 오일의 굴절률)
x, y 및 z축에서 레이저 스캐닝 속도에 따른 효율을 비교하기 위해 레이저 출력을 300 ㎽로 일정하게 유지하고, 다양한 레이저 속도로 스캐닝하여 분해능과 안정성을 평가하였다.
도 4 (b)는 x, y 및 xy 방향에서 다양한 스캐닝 속도로 제조된 3차원 메쉬형 미세구조체를 나타낸 것으로, x, y 및 xy 방향에서 레이저 스캐닝 속도가 300 ㎚/㎳ 이상일 때 제조된 3차원 메쉬형 미세구조체는 경화에 필요한 레이저 에너지의 불충분으로 인해 충분히 경화되지 않았으며, 이로써 300 ㎚/㎳ 이하의 레이저 스캐닝 속도로 제조하는 것이 안정적임을 확인하였다. 레이저 스캐닝 속도가 300 ㎚/㎳일 때 제조된 단일 가닥 구조의 폭 및 분해능은 880 ㎚였다.
도 4 (c)는 z축에서 다양한 스캐닝 속도로 제조된 3차원 메쉬형 미세구조체를 나타낸 것으로, 1000 ㎚/㎳의 레이저 스캐닝 속도로 770 nm의 너비를 갖는 단일 가닥 구조가 안정하게 제조되었음을 확인하였으며, 제조된 단일 가닥 구조는 경화되지 않은 광경화성 고분자 수지를 제거하기 위해 처리한 PGMEA 용액의 증발에 의한 표면 장력으로 인해 폭이 감소하였다.
하기 표 1은 x, y 및 z 방향에서 레이저 출력이 300 ㎽일 때 가장 빠른 레이저 스캐닝 속도 및 폭을 나타낸 것으로, 안정한 제조에 있어서, z축에서 레이저 스캐닝 속도는 x축 및 y축에서 레이저 스캐닝 속도보다 3.3배 빠르게 나타났으며, 이로써 z축 방향에서 레이저 스캐닝은 x축 및 y축보다 3.3배 빠르게 제조될 수 있음을 확인하였다.
레이저 스캐닝 속도 폭
x 방향 300 ㎚/㎳ 880 ㎚
y 방향 300 ㎚/㎳ 880 ㎚
xy 방향 300 ㎚/㎳ 880 ㎚
z 방향 1000 ㎚/㎳ 770 ㎚
실시예 4. 외각의 높이에 따른 레이저 출력 평가
현상 시 현상액의 증발에 의한 표면장력에 의해 제작된 형상이 변형되거나 무너지는 문제점이 있으며, 이로 인해 안정한 3차원 형상의 제조를 위해서는 외력에 견딜 수 있도록 외각의 두께를 증가시킨다. 하지만 이러한 방법은 스캐닝 영역이 늘어남에 따라 제조 시간이 많이 소요되며, 외각의 높이가 감소하는 문제가 있어, 외각 높이에 따른 레이저 출력과 스캐닝 속도 등 제조 조건의 최적화가 요구된다.
제조 윈도우 (fabrication window)를 이용하여 미세구조의 디자인에 따른 최적화된 레이저 출력을 확인하였으며, 미세구조의 폭과 길이를 10 ㎛로 고정하여 다양한 레이저 출력으로 외각 높이를 다르게 하여 제조 윈도우를 얻었다. 제조 윈도우로부터 오픈 구조를 위한 제조 조건이 결정되었으며, 10 ㎛ 높이를 갖는 미세구조에서 최소 레이저 출력은 400 ㎽이고, 20 ㎛ 높이에서는 500 ㎽ 임을 확인하였다. 도 6에서 보는 바와 같이, 미세구조는 기판 위에 완벽하게 부착됨을 확인하였으며, 이러한 제조 방법은 세포 배양의 플랫폼으로 이용가능한 다층 미세구조의 제조에 적용될 수 있다. 제조 윈도우는 미세구조의 면적과 스캐닝 속도에 따라 달라질 수 있으나, 제조 윈도우의 경향은 도 5의 제조 윈도우 데이터와 유사할 것으로 사료된다.
이상, 본 발명을 예시적으로 설명하였으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가지는 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 명세서에 개시된 실시예들은 본 발명을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 사상과 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호범위는 아래의 청구범위에 의해서 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술은 본 발명의 권리범위에 포함하는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (6)

  1. (a) 3차원 메쉬형 미세구조체의 CAD 데이터 또는 스캐닝 데이터를 레이저 장치에 입력하는 단계;
    (b) 고배율 렌즈가 부착된 CCD 카메라를 이용하여 모니터링 하면서 광경화성 고분자 수지에 레이저를 조사하는 단계;
    (c) 0.1 nm 분해능을 갖는 피에조 스테이지 (piezoelectric stage)를 이용하여 x축 및 y축 방향으로 광경화성 고분자 수지에 레이저 스캐닝하여 적층방향의 수직으로 2차원 단면을 제조한 후 제조된 2차원 단면을 연속적으로 높이방향으로 적층하여 3차원 메쉬형 미세구조체를 제조하는 단계;
    (d) 경화되지 않은 광경화성 고분자 수지를 제거하는 단계;를 포함하며,
    상기 2차원 단면의 x 및 y 방향의 레이저 스캐닝 속도보다 상기 높이방향으로 적층하는 z 방향의 레이저 스캐닝 속도가 3 내지 4배 빠르고,
    상기 3차원 메쉬형 미세구조체의 x축 및 y축 방향 한 변의 길이가 5 ㎛ 내지 15 ㎛일 때 레이저 출력은 300 ㎽ 내지 1 W인 것을 특징으로 하는 이광자 스테레오리소그라피에 의한 3차원 메쉬형 미세구조체 제조방법
  2. 제 1항에 있어서, 상기 광경화성 고분자 수지는 광경화성 비스페놀 A 에폭시 감광제인 것을 특징으로 하는 이광자 스테레오리소그라피에 의한 3차원 메쉬형 미세구조체 제조방법
  3. 제 1항에 있어서, 상기 (d) 단계에서 광경화성 고분자 수지 제거는 PGMEA (propylene glycol methyl ether acetone)를 이용하는 것을 특징으로 하는 이광자 스테레오리소그라피에 의한 3차원 메쉬형 미세구조체 제조방법
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 레이저는 100 fs의 펄스 폭 (ultra-short pulse width)을 갖는 티타늄-사파이어 레이저 (Ti:Sapphire laser)이며, 작동주파수 (repetition)는 80 MHz, 파장 (wavelength)은 780 nm이고,
    상기 레이저는 반파장판 (λ/2 plate)에 의해 출력이 조절되고, 갈바노 셔터 (galvano shutter)에 의해 전원 (on/off)이 제어되며, 대물렌즈와 상기 광경화성 고분자 수지가 올려지는 유리판 사이의 개구수 (numerical aperture, NA)가 1.3인 오일 대물렌즈 (oil-immersion objective lens, ×100)에 의해 초점이 맞춰지는 것을 특징으로 하는 이광자 스테레오리소그라피에 의한 3차원 메쉬형 미세구조체 제조방법
  5. 제 2항에 있어서, 상기 광경화성 비스페놀 A 에폭시 감광제는 SU-8 2, SU-8 5, SU-8 10, SU-8 25, SU-8 50, SU-8 100, SU-8 2000.5, SU-8 2002, SU-8 2005, SU-8 2007, SU-8 2010, SU-8 2015, SU-8 2100, SU-8 2150, SU-8 2025, SU-8 2035, SU-8 2050, SU-8 2075, SU-8 3005, SU-8 3010, SU-8 3025, SU-8 3035 및 SU-8 3050로 이루어진 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 이광자 스테레오리소그라피에 의한 3차원 메쉬형 미세구조체 제조방법
  6. 제 1항 내지 제 5항 중 어느 한 항에 따라 제조된 3차원 메쉬형 미세구조체
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