KR20200125295A - A method of micro patterning using continuous wave laser beam - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 레이저 빔을 이용한 패터닝 방법에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 연속파형 레이저 빔을 조사하여 광 투과성 투명한 소재를 미세 패터닝 하는 방법에 관한 것이다. The present invention relates to a patterning method using a laser beam. More specifically, the present invention relates to a method of finely patterning a light-transmitting transparent material by irradiating a continuous wave laser beam.
미세채널 (micro-channel) 또는 유로 (microfluidic channel)를 포함하는 미세소자 (micro-device)는 투명한 소재인 PDMS를 사용하여 포토리소그래피 (photolithography) 공정으로 제작하는 것이 일반적이다. PDMS는 생체적합성 소재로서 표면처리 없이 세포 배양에 이용될 수 있고, 광 투과성이므로 세포의 증식 및 분화를 실시간으로 관찰할 수 있는 장점이 있다. 이에 많은 국내외 연구소 및 기업에서 PDMS를 이용하여 생물학적 실험 또는 임상 실험에 사용되는 미세소자를 개발하고 있다. 그러나, PDMS를 이용한 미세소자, 예를 들어, 미세유체 칩을 제조하기 위해서는, 복잡하고 고가의 장비가 사용되는 포토리소그래피 공정을 통해 미세유체 칩 몰드를 제작하여야 하며, 클린 룸 등의 설비가 더 요구된다. Micro-devices including micro-channels or microfluidic channels are generally fabricated by a photolithography process using PDMS, a transparent material. As a biocompatible material, PDMS can be used for cell culture without surface treatment, and because it is light-transmitting, it has the advantage of observing cell proliferation and differentiation in real time. Accordingly, many domestic and foreign research institutes and companies are developing microdevices used in biological or clinical experiments using PDMS. However, in order to manufacture a micro device using PDMS, for example, a microfluidic chip, a microfluidic chip mold must be produced through a photolithography process in which complex and expensive equipment is used, and additional facilities such as a clean room are required. do.
폴리아미드, 폴리아세탈, 폴리카보네이트, 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 및 변성 폴리페닐렌옥사이드 등을 포함하는 엔지니어링 플라스틱 (engineering plastic) 기반의 미세유체 칩이 비교적 최근에 개발되기 시작하였다. 엔지니어링 플라스틱은 고성능 플라스틱으로서 강도와 탄성이 우수하고 100℃ 이상의 고온에서도 견딜 수 있는 특성이 있으며, 특히 PDMS가 미세유체 칩의 대량생산에 적합하지 않다는 문제를 해결하기 위해 제안되었다. 예를 들어, 네덜란드의 미메타스 (Mitetas) 사는 엔지니어링 플라스틱으로 미세유체 칩, 오가노플레이트 (OrganoPlate)를 개발한 바 있다. 그러나, 오가노플레이트는 내벽이 소수성 재질로 되어 있어, 유체의 패터닝에 어려움이 있으며 리소그래피 공정을 거쳐야 하는 한계가 있었다. Microfluidic chips based on engineering plastics, including polyamide, polyacetal, polycarbonate, polyethylene terephthalate, and modified polyphenylene oxide, have begun to be developed relatively recently. Engineering plastics are high-performance plastics, which have excellent strength and elasticity, and can withstand high temperatures of 100°C or higher, and have been proposed to solve the problem that PDMS is not suitable for mass production of microfluidic chips. For example, Mitetas of the Netherlands has developed a microfluidic chip, OrganoPlate, from engineering plastics. However, since the inner wall of the organoplate is made of a hydrophobic material, it is difficult to pattern the fluid, and there is a limit to undergo a lithography process.
레이저 가공 (Laser Processing)은 용이한 설계변경이 가능하고 저비용이며 초고속 제작이 가능하다는 장점이 있어, 이를 미세소자의 제작에 이용하고 하는 시도가 있어왔다. 그러나, 레이저 가공은 광 투과성의 투명한 소재, 예를 들어, PDMS 등에 이를 직접 적용할 수 없었다. 종래 레이저 빔을 이용한 미세소자 가공 기술은 펄스 레이저 (pulse laser)를 이용한 공정으로서, 이는 피가공물을 녹여내는 애블레이션 (ablation)에 의존하였다. 따라서 상업적인 수준의 정밀한 표면 가공 품질을 제공하는 것이 어려웠다. 이에 투명한 소재의 표면에 광 흡수층을 부착하여 가공한 후 다시 광 흡수층을 제거하는 방법이 새로운 방법으로서 제안된 바 있다. 그러나, 이러한 방법은 피가공물의 표면 (surface) 특성이 중요한 미세유체 칩 등에 적용하는데 한계가 있었다. Laser processing has the advantage of easy design change, low cost, and ultra-high speed manufacturing, and there have been attempts to use it for manufacturing micro-devices. However, laser processing could not be applied directly to a transparent material having light transmission, for example, PDMS. A conventional micro device processing technology using a laser beam is a process using a pulse laser, which relied on ablation to melt a workpiece. Therefore, it has been difficult to provide a commercial level of precision surface finish quality. Accordingly, a method of removing the light absorbing layer again after attaching the light absorbing layer to the surface of the transparent material and processing it has been proposed as a new method. However, this method has a limitation in applying to microfluidic chips, etc., where the surface characteristics of the workpiece are important.
이와 같이, 여러 유형의 미세소자 제조방법이 연구/개발 되어 왔음에도 불구하고, 모두 비효율적인 제조공정 및 높은 생산단가로 인해 대량생산에 적합하지 않은 실정이다. 이에 본 발명자들은 펄스 레이저를 사용하는 대신에 연속파형 레이저 (Continuous Wave Laser, CW Laser) 빔을 이용하여 광 투과성 소재를 열분해 함으로써 놀라운 표면가공 효율과 정밀도를 갖는 미세패터닝 제작이 가능한 것을 확인하고 본 발명을 완성하였다. In this way, although various types of micro device manufacturing methods have been researched/developed, all of them are not suitable for mass production due to inefficient manufacturing processes and high production costs. Therefore, the present inventors confirmed that it is possible to produce fine patterning with surprising surface processing efficiency and precision by pyrolyzing a light-transmitting material using a continuous wave laser (CW Laser) beam instead of using a pulsed laser. Was completed.
본 발명은 연속파형 레이저 빔을 조사하여 광 투과성 소재를 미세 패터닝하는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.An object of the present invention is to provide a method for finely patterning a light-transmitting material by irradiating a continuous wave laser beam.
본 발명은 또한 연속파형 레이저 빔을 조사하여 광 투과성 소재를 미세 패터닝하는 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다. Another object of the present invention is to provide an apparatus for finely patterning a light-transmitting material by irradiating a continuous wave laser beam.
또한, 본 발명은 연속파형 레이저 빔을 조사하여 미세 패터닝된 광 투과성 미세소자를 제공하는 것을 목적으로 한다. In addition, an object of the present invention is to provide a light-transmitting fine device finely patterned by irradiating a continuous wave laser beam.
또한, 본 발명은 연속파형 레이저 빔을 조사하여 미세 패터닝된 광 투과성 미세소자를 이용한 세포배양 칩을 제공하는 것을 목적으로 한다.In addition, an object of the present invention is to provide a cell culture chip using a light-transmitting microelement finely patterned by irradiating a continuous wave laser beam.
또한, 본 발명은 연속파형 레이저 빔을 조사하여 미세 패터닝된 광 투과성 미세소자를 이용한 오가노이드를 제공하는 것을 목적으로 한다. In addition, an object of the present invention is to provide an organoid using a light-transmitting microelement finely patterned by irradiating a continuous wave laser beam.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명은, 투명한 광 투과성 소자의 임의의 스폿 (spot)에 하나 이상의 광 흡수성 열분해 이니시에이터 (initiator)를 형성하고; 레이저 빔 스캐너로부터 연속파형 (Continuous Wave, CW) 레이저 빔을 상기 열분해 이니시에이터에 조사하여 제1 열분해를 유도하며; 상기 레이저 빔 스캐너를 x축, y축 또는 z축의 임의의 방향으로 이동하되, 상기 제1 열분해의 산물이 상기 레이저 빔 또는 레이저빔 스캐너의 진행 방향을 따라 연쇄 열분해 (chain pyrolysis)를 유도하는 것인, 연속파형 레이저 빔으로 광 투과성 소자를 열분해 하여 미세 패터닝 하는 방법을 제공한다. In order to achieve the above object, the present invention provides at least one light-absorbing pyrolysis initiator formed at any spot of a transparent light-transmitting element; Irradiating a continuous wave (CW) laser beam from a laser beam scanner to the pyrolysis initiator to induce a first pyrolysis; The laser beam scanner is moved in any direction of the x-axis, y-axis, or z-axis, but the product of the first pyrolysis induces chain pyrolysis along the traveling direction of the laser beam or laser beam scanner. , Provides a method for fine patterning by thermally decomposing a light-transmitting element with a continuous wave laser beam.
이와 관련된 일 실시예에서, 상기 광 투과성 소자는, PDMS (Poly(methylmethacrylate)); PMMA (Poly(methyl methacrylate)); 열가소성 엘라스토머 (thermoplastic elastomer; TPE); 및 폴리아미드, 폴리아세탈, 폴리카보네이트, 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 변성 폴리페닐렌옥사이드, 또는 이들의 하나 이상의 결합체인 엔지니어링 플라스틱 (engineering plastic); 및 이들의 하나 이상의 적층 결합체로 구성된 군으로부터 선택된 어느 하나일 수 있다. In an embodiment related to this, the light-transmitting device may include a PDMS (Poly(methylmethacrylate)); PMMA (Poly (methyl methacrylate)); Thermoplastic elastomer (TPE); And engineering plastics which are polyamide, polyacetal, polycarbonate, polyethylene terephthalate, modified polyphenylene oxide, or one or more combinations thereof; And it may be any one selected from the group consisting of one or more laminated combinations thereof.
이와 관련된 다른 일 실시예에서, 상기 열분해 이니시에이터는, 광을 흡수하는 유색 안료 (pigment), 염료 (dye), 잉크 또는 이들 중 하나 이상을 포함하는 용액 또는 고형물로서, 상기 레이저 빔이 조사되는 광투과성 소자의 임의의 조사면 상의 표면에 도포 또는 부착되거나. 또는 그 내부에 삽입 또는 임베딩 되어 형성될 수 있다. In another embodiment related to this, the pyrolysis initiator is a solution or solid material containing one or more of a colored pigment, dye, ink, or one or more absorbing light, and the light transmittance to which the laser beam is irradiated. Applied or adhered to a surface on any irradiated surface of the device. Or it may be formed by being inserted or embedded therein.
본 발명의 이와 관련된 또 다른 일 실시예에서, 상기 열분해 이니시에이터를 상기 광 투과성 소자의 상기 레이저 빔이 조사되는 입사면 상의 임의의 스폿에 형성하고, 상기 연속파형 파장 레이저 빔을 상기 열분해 이니시에이터에 조사하여, 상기 레이저 빔이 상기 입사면 표면으로부터 오목하게 미세 패터닝된 구조를 생성하게 할 수 있다. 또한, 다른 일 실시예에서, 상기 열분해 이니시에이터를 상기 광 투과성 소자의 상기 레이저 빔이 방출되는 출사면 상의 임의의 스폿에 형성하고, 상기 연속파형 레이저 빔을 상기 광 투과성 소자를 투과하여 상기 열분해 이니시에이터에 조사하여, 상기 레이저 빔이 상기 출사면 표면으로부터 오목하게 미세 패터닝된 구조를 생성하도록 할 수 있다. In another related embodiment of the present invention, the pyrolysis initiator is formed on an arbitrary spot on the incident surface to which the laser beam of the light-transmitting element is irradiated, and the continuous wave laser beam is irradiated to the pyrolysis initiator. , It is possible to cause the laser beam to generate a concave fine patterned structure from the incident surface surface. Further, in another embodiment, the pyrolysis initiator is formed at a spot on an emission surface from which the laser beam of the light-transmitting element is emitted, and the continuous wave laser beam is transmitted through the light-transmitting element to the pyrolysis initiator. By irradiation, the laser beam may generate a concave fine patterned structure from the surface of the exit surface.
본 발명의 일 실시예에서 신속한 스캐닝이 필요한 경우, 상기 연속파형 레이저 빔 스캐너는 갈바노미러 스캐너 일 수 있다. In an embodiment of the present invention, when rapid scanning is required, the continuous wave laser beam scanner may be a galvanomirror scanner.
본 발명의 일 실시예에서, 본 발명은 레이저 발진기; 파장판 (waveplate); 편광 빔 스플리터 (Polarized Beam Splitter, PBS); 미러부; 빔 익스팬더; 레이저 빔 스캐너; 스테이지; 및 레이저 빔 스캐너 또는 스테이지, 또는 레이저 빔 스캐너 및 스테이지를 제어하는 제어부로 구성된, 레이저 빔 스캐너 광학 장치에 있어서, 상기 레이저 발진기가 연속파형 레이저 빔을 방출하는 것인, 장치; 상기 스테이지 위에 마운팅 되고, 상기 레이저 빔 스캐너에 의해 스캐닝 되는 피가공물로서, 광을 흡수하는 이니시에어터를 하나 이상 포함하는 광 투과성인 피가공물을 포함하고; 상기 레이저 빔 스캐너 또는 상기 스테이지 또는 둘 모두가 구동장치에 의해 x축, y축 또는 z축 방향으로 구동되는 것인, 연속파형 레이저 빔으로 광 투과성 소자를 열분해 하여 미세 패터닝 하는 장치를 제공한다. In one embodiment of the present invention, the present invention is a laser oscillator; Waveplate; Polarized Beam Splitter (PBS); A mirror part; Beam expander; Laser beam scanner; stage; And a laser beam scanner or stage, or a laser beam scanner and a control unit for controlling the stage, wherein the laser oscillator emits a continuous wave laser beam; A workpiece mounted on the stage and scanned by the laser beam scanner, the workpiece comprising a light transmitting workpiece including at least one initiator that absorbs light; The laser beam scanner, the stage, or both are driven in the x-axis, y-axis, or z-axis direction by a driving device, providing an apparatus for thermally decomposing a light-transmitting element with a continuous wave laser beam for fine patterning.
이와 관련된 본 발명의 다른 일 실시예에서, 상기 광 투과성 소자는, PDMS (Poly(methylmethacrylate)); PMMA (Poly(methyl methacrylate)); 열가소성 엘라스토머 (thermoplastic elastomer; TPE); 및 폴리아미드, 폴리아세탈, 폴리카보네이트, 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 변성 폴리페닐렌옥사이드, 또는 이들의 하나 이상의 결합체인 엔지니어링 플라스틱 (engineering plastic); 및 이들의 하나 이상의 적층 결합체로 구성된 군으로부터 선택된 어느 하나일 수 있다. 또한, 관련된 다른 일 실시예에 따르면, 상기 열분해 이니시에이터는, 광을 흡수하는 유색 안료 (pigment), 염료 (dye), 잉크 또는 이들 중 하나 이상을 포함하는 용액 또는 고형물로서, 상기 레이저 빔이 조사되는 광투과성 소자의 임의의 조사면 상의 표면에 도포 또는 부착되거나. 또는 그 내부에 삽입 또는 임베딩 되어 형성될 수 있다. In another embodiment of the present invention related to this, the light-transmitting device includes: PDMS (Poly(methylmethacrylate)); PMMA (Poly (methyl methacrylate)); Thermoplastic elastomer (TPE); And engineering plastics which are polyamide, polyacetal, polycarbonate, polyethylene terephthalate, modified polyphenylene oxide, or one or more combinations thereof; And it may be any one selected from the group consisting of one or more laminated combinations thereof. In addition, according to another related embodiment, the pyrolysis initiator is a solution or solid material containing at least one of a colored pigment, dye, ink, or one or more of the light-absorbing pigments, wherein the laser beam is irradiated. It is applied or adhered to the surface on any irradiation surface of the light-transmitting element. Or it may be formed by being inserted or embedded therein.
본 발명의 다른 실시예에서, 상기 장치는 상기 열분해 이니시에이터를 상기 광 투과성 소자의 상기 레이저 빔이 조사되는 입사면 상의 임의의 스폿에 형성하고, 상기 연속파형 파장 레이저 빔을 상기 열분해 이니시에이터에 조사하여, 상기 레이저 빔이 상기 입사면 표면으로부터 오목하게 미세 패터닝된 구조를 생성하도록 하는 것일 수 있다. 또한, 이와 반대로, 상기 열분해 이니시에이터를 상기 광 투과성 소자의 상기 레이저 빔이 방출되는 출사면 상의 임의의 스폿에 형성하고, 상기 연속파형 레이저 빔을 상기 광 투과성 소자를 투과하여 상기 열분해 이니시에이터에 조사하여, 상기 레이저 빔이 상기 출사면 표면으로부터 오목하게 미세 패터닝된 구조를 생성하는 장치 일 수 있다.In another embodiment of the present invention, the device forms the pyrolysis initiator in an arbitrary spot on the incident surface of the light-transmitting element to which the laser beam is irradiated, and irradiates the continuous wave laser beam to the pyrolysis initiator, It may be to allow the laser beam to generate a concave fine patterned structure from the surface of the incident surface. In addition, on the contrary, the pyrolysis initiator is formed in an arbitrary spot on the emission surface of the light-transmitting element from which the laser beam is emitted, and the continuous wave laser beam is transmitted through the light-transmitting element and irradiated to the pyrolysis initiator, The laser beam may be a device for generating a structure that is concavely patterned from the emission surface surface.
이와 관련된 본 발명의 다른 실시예에서, 상기 연속파형 레이저 빔 스캐너가 갈바노미러 스캐너인 것인, 장치일 수 있으며, 상기 연속파형 레이저 빔은 바람직하게는 200 ㎚ 내지 1,000 ㎚의 파장일 수 있다. In another embodiment of the present invention related to this, the continuous wave laser beam scanner may be a galvanomirror scanner, and the continuous wave laser beam may preferably have a wavelength of 200 nm to 1,000 nm.
본 발명의 다른 일 실시예에서 상기 연속파형 레이저 빔에서 스캐닝 파워 밀도가 10 내지 100 J/m3이고, 상기 열분해 하여 형성된 미세 패터닝이 미세채널이며, 상기 미세채널의 넓이 (width) : 깊이 (depth)가 2 : 1 ~ 1 : 1인 것일 수 있다. In another embodiment of the present invention, the continuous wave laser beam has a scanning power density of 10 to 100 J/m 3 , the fine patterning formed by pyrolysis is a fine channel, and the width of the fine channel: depth ) May be 2: 1 ~ 1: 1.
본 발명의 또 다른 일 실시예에서, 상기 연속파형 레이저 빔의 에너지 밀도 (X, energy density)와 상기 레이저 빔의 스캐닝에 의해 형성되는 단층의 두께 (Y, single layer depth)가, 하기 식을 갖는 것일 수 있다:In another embodiment of the present invention, the energy density (X, energy density) of the continuous wave laser beam and the thickness of a single layer formed by scanning the laser beam (Y, single layer depth) have the following formula: Can be:
Y = nX - m Y = nX-m
(상기 식에서, n은 3 내지 10 사이의 양의 실수이고, m은 0.5 내지 1의 양의 실수이다).(In the above formula, n is a positive real number between 3 and 10, and m is a positive real number between 0.5 and 1).
본 발명에 따르면 레이저 가공에 적용할 수 없었던 광 투과성 투명한 소재를 미세 패터닝 할 수 있다. 따라서, 본 발명은 광 투과성 소재를 사용하고 미세 패터닝이 필요한 미세유체 채널, 미세유체 칩, 세포 배양 칩, 오가노이드 등에 폭넓게 적용할 수 있다. 본 발명의 방법은 레이저 빔 스캐너 제어부를 통해 자동화된 생산에 이용할 수 있어, 미세소자의 대량생산에도 이용할 수 있을 것이다.According to the present invention, it is possible to finely pattern a light-transmitting transparent material that could not be applied to laser processing. Accordingly, the present invention can be widely applied to microfluidic channels, microfluidic chips, cell culture chips, organoids, etc. using a light-transmitting material and requiring fine patterning. The method of the present invention can be used for automated production through a laser beam scanner control unit, and thus may be used for mass production of microelements.
도 1a은 종래기술에 따른 펄스 레이저 (pulse laser)를 이용하여 표면 가공한 미세소자를 나타낸 사진이다.
도 1b는 종래기술에 따른 광 흡수층을 사용하는 레이저 가공 공정을 도식적으로 나타낸 것이다.
도 2a는 본 발명의 연속파형 (CW) 레이저 빔을 조사하는 열분해 패터닝 시스템을 개략적으로 도시한 것이다.
도 2b는 본 발명의 CW 레이저 빔을 조사하는 열분해 패터닝 시스템의 다른 일 예를 도시한 것이다.
도 3a는 본 발명에 따라 CW 레이저 빔을 조사하여 열분해 패터닝 하는 방법을 개략적으로 도시한 것이다.
도 3b는 본 발명에 따라 CW 레이저 빔을 조사하여 열분해 패터닝 하는 방법으로 PDMS 슬랩을 패터닝 하는 과정을 개략적으로 도시한 것이다.
도 4a, 4b 및 4c는 본 발명의 일 실시예에 따라 CW 레이저 빔을 조사하여 열분해 패터닝 하는 방법으로 제작한 PDMS 미세소자의 사진이다.
도 4d는 본 발명의 일 실시예에 따라 CW 레이저 빔을 조사하여 열분해 패터닝 하는 방법으로 제작한 PDMS 미세소자 및 이를 이용하여 in vitro에서 배양된 혈관세포를 나타낸 사진이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따라 CW 레이저 빔을 조사하여 열분해 패터닝 하는 방법으로 제작한 PDMS 미세소자를 (a) 울트라 소니케이션, 또는 (b) 테이핑 방법 (좌측) 또는 물리적 외력 (우측)으로 제거한 것을 보여 주는 사진이다.
도 6a는 본 발명의 일 실시예에 따라 다양한 연속파형 레이저 빔을 사용하여 패터닝한 결과를 나타낸 것이다.
도 6b는 본 발명의 일 실시예에서 CW 레이저 빔 스캐닝 파워 밀도 (power density)와 미세소자에 패터닝된 채널의 크기와의 상관관계를 그래프로 나타낸 것이다.
도 6c는 본 발명의 일 실시예에서 CW 레이저 빔 스캐닝 에너지 밀도 (energy density)와 미세소자에 패터닝된 채널의 단층 깊이와의 상관관계를 그래프로 나타낸 것이다.
도 7a는 본 발명이 다양한 실시예에 따라, CW 레이저 빔을 조사하여 열분해 패터닝 하는 방법으로 제작한 미세소자의 예를 표로 나타낸 것이다.
도 7b는 본 발명의 일 실시예에 따라, CW 레이저 빔을 조사하여 열분해 패터닝 하는 방법으로 제작한 혈관 칩 어레이를 나타낸 것이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따라, CW 레이저 빔을 조사하여 열분해 패터닝 하는 방법으로 (a) PDMS 또는 (b) 에코플렉스® (ecoflex®, BASF)를 패터닝한 결과를 나타낸다.
도 9는 종래 리소그래피를 이용한 방법과 비교한 본 발명의 레이저 빔을 이용한 미세 패터닝 방법 (LPS)을 개략적으로 도시한 것이다. 1A is a photograph showing a micro device surface-processed using a pulse laser according to the prior art.
1B schematically shows a laser processing process using a light absorbing layer according to the prior art.
Figure 2a schematically shows a pyrolysis patterning system irradiating a continuous wave (CW) laser beam of the present invention.
2B shows another example of a pyrolysis patterning system irradiating a CW laser beam of the present invention.
3A schematically shows a method of pyrolytic patterning by irradiating a CW laser beam according to the present invention.
FIG. 3B schematically illustrates a process of patterning a PDMS slab by irradiating a CW laser beam and performing thermal decomposition patterning according to the present invention.
4A, 4B, and 4C are photographs of PDMS microdevices manufactured by a method of pyrolytic patterning by irradiating a CW laser beam according to an embodiment of the present invention.
4D is a photograph showing a PDMS microelement manufactured by a method of pyrolytic patterning by irradiating a CW laser beam according to an embodiment of the present invention and vascular cells cultured in vitro using the same.
5 is a PDMS microelement manufactured by a method of thermal decomposition patterning by irradiating a CW laser beam according to an embodiment of the present invention (a) ultra sonication, or (b) a taping method (left) or physical external force (right). This is a picture showing what has been removed.
6A shows a result of patterning using various continuous wave laser beams according to an embodiment of the present invention.
6B is a graph showing the correlation between the CW laser beam scanning power density and the size of the channel patterned on the microelement in an embodiment of the present invention.
6C is a graph showing the correlation between the CW laser beam scanning energy density and the tomographic depth of the channel patterned on the microelement in an embodiment of the present invention.
7A is a table showing an example of a micro device manufactured by a method of pyrolytic patterning by irradiating a CW laser beam according to various embodiments of the present invention.
7B illustrates a blood vessel chip array manufactured by a method of pyrolytic patterning by irradiating a CW laser beam according to an embodiment of the present invention.
8 shows the result of patterning (a) PDMS or (b) Ecoflex® (BASF) by a method of pyrolytic patterning by irradiating a CW laser beam according to an embodiment of the present invention.
9 schematically shows a fine patterning method (LPS) using a laser beam of the present invention compared to a method using conventional lithography.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 본 발명의 방법은 도면과 함께 상세하게 기술되는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 하기 실시예들은 본 발명을 설명하기 위한 것에 불과하여 본 발명의 권리범위가 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다. 본 발명이 다양한 형태로 구현될 수 있음은 물론이다. 본 발명에서 다양한 구성요소들이 부호와 함께 기술되나. 이들 구성요소들은 이들 용어에 의해 제한되지 않는다. 본 발명에서 사용된 이들 용어들은 단지 하나의 구성요소를 다른 구성요소와 구별하기 위하여 사용하는 것이다. 따라서 이하에서 언급되는 각 구성요소는 본 발명의 기술적 사상 내에서 다른 구성요소 일 수 있다. 본 발명의 명세서 전체에 걸쳐 동일 부호는 동일 구성요소를 의미하는 것으로 해석된다. 본 발명의 여러 실시예들의 각각 특징들이 부분적으로 또는 전체적으로 서로 결합 또는 조합 가능하며, 본 발명이 속하는 기술분야의 전문가가 충분히 이해할 수 있듯이 기술적으로 다양한 치환, 변경, 연동 및 구동이 가능하며, 각 실시예들이 서로에 대하여 독립적으로 실시 가능할 수도 있고 연관 관계로 함께 실시 가능할 수도 있다. Advantages and features of the present invention, and the method of the present invention will become apparent with reference to embodiments described in detail together with the drawings. However, the following examples are only for describing the present invention, and the scope of the present invention is not limited by the examples. It goes without saying that the present invention can be implemented in various forms. In the present invention, various components are described with reference numerals. These components are not limited by these terms. These terms used in the present invention are only used to distinguish one component from another component. Therefore, each component mentioned below may be another component within the technical idea of the present invention. The same reference numerals throughout the specification of the present invention are interpreted to mean the same elements. Each of the features of the various embodiments of the present invention can be partially or entirely combined or combined with each other, and technically various substitutions, changes, interlocking and driving are possible, as can be sufficiently understood by an expert in the technical field to which the present invention belongs. Examples may be implemented independently of each other or may be implemented together in a related relationship.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 다양한 실시예들을 상세히 설명한다.Hereinafter, various embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 1a은 종래기술에 따른 펄스 레이저 (pulse laser)를 이용하여 표면 가공한 미세소자를 나타낸 것으로서, 확대 사진에서 확인되는 것과 같이 가공 표면이 거칠고 정밀도가 떨어지는 것이 관찰된다. 펄스 레이저를 사용하는 경우 피가공물의 표면이 어블레이션 (ablation) 되므로 정밀한 표면가공은 실질적으로 불가능하다.1A shows a micro device surface-processed using a pulse laser according to the prior art, and it is observed that the processing surface is rough and the precision is poor as seen in the enlarged photograph. When using a pulsed laser, since the surface of the workpiece is ablation, precise surface processing is practically impossible.
도 1b는 광학적으로 투명한 피가공물의 한쪽 표면에 광 흡수층을 부착하여 가공한 후 다시 광 흡수층을 제거하는 것을 포함하는, 다른 레이저 빔 가공 방법을 나타낸다. 도 1b의 방법을 구체적으로 기술하면, 먼저 150 ㎛ 두께의 아세테이트 시트 (acetate sheet) 상에 PDMS가 스핀-코팅 (spin-coating) 된다. 이어서, 코팅에 의해 형성된 PDMS/아세테이트 층을, PDMS 코팅 층이 글라스 슬라이드의 표면에 접하도록 올려놓는다. 다음, PDMS/아세테이트 층을 레이저 애블레이션으로 패터닝 하고, 글라스 슬라이드를 제거하고, 상기 PDMS/아세테이트 층을 세척한다. 다음, PDMS/아세테이트 층을 글라스 슬라이드에 플라즈마-본딩 (plasma-bonding) 하고, 아세테이트 층을 벗겨내어 피메일 몰드 (female moled)를 제작한 후, PDMS를 피메일 몰드에 캐스팅하고 150℃에서 2분간 경화시킨다. 다음, 상부의 PDMS 충을 벗겨내어 메일 몰드 (maled mold)를 제조하고, PDMS를 메일 몰드에 캐스팅 하여 150℃에서 2분간 경화시킨 후, 다시 상부의 PDMS 층을 벗겨내어 칩을 제작한다. 이어서, 유체 유입부/배출부 (inlet/outlet holes)를 펀칭하여 형성시킨 후 칩을 글라스 슬라이드 상에 플라즈마-본딩 하여 미세유체 칩을 제작한다. 이처럼 광 흡착층을 이용한 레이저 가공은 비교적 높은 정밀도의 미세유체 채널을 지닌 미세유체 칩을 제작하는 것이 가능하나, 상기 한 것과 같이 공정이 매우 복잡하여 시간 및 비용에 있어 효율성이 매우 떨어지며, 대량생산에 적합하지 않다.1B shows another laser beam processing method comprising attaching and processing a light absorbing layer to one surface of an optically transparent workpiece, and then removing the light absorbing layer again. Referring to the method of FIG. 1B in detail, PDMS is first spin-coated on an acetate sheet having a thickness of 150 μm. Then, the PDMS/acetate layer formed by the coating is placed so that the PDMS coating layer contacts the surface of the glass slide. Next, the PDMS/acetate layer is patterned by laser ablation, the glass slide is removed, and the PDMS/acetate layer is washed. Next, plasma-bonding the PDMS/acetate layer to a glass slide, peeling off the acetate layer to prepare a female moled, cast PDMS to a female mold, and then at 150° C. for 2 minutes. Cure. Next, the upper PDMS packing is peeled off to prepare a male mold, and the PDMS is cast into the male mold and cured at 150° C. for 2 minutes, and then the upper PDMS layer is peeled off to fabricate a chip. Subsequently, the fluid inlet/outlet holes are formed by punching and then the chip is plasma-bonded on a glass slide to produce a microfluidic chip. In this way, laser processing using the light adsorption layer makes it possible to manufacture a microfluidic chip with a relatively high precision microfluidic channel, but the process is very complicated as described above, so the efficiency is very low in terms of time and cost, and it is suitable for mass production. Inappropriate.
도 2a 및 2b는 본 발명에 따른, CW 레이저 빔을 조사하여 광 투과성 소재를 열분해 패터닝 하는 장치를 포함하는 시스템을 설명하기 위한 개략도이다. 도 2a를 참조하면, 본 발명의 시스템은, 일반적인 갈바노미러 스캐너를 포함하는 레이저 가공 시스템과 마찬가지로, 레이저 빔을 발생시키는 레이저 발진기 (101); 파장판 (waveplate) (102); 편광 빔 스플리터 (Polarized Beam Splitter, PBS) (103); 미러부 (104); 빔 익스팬더 (105); 갈바노미러 스캐너 (201); 갈바노미러 스캐너 제어부 (202); 및 스테이지 (300)를 포함한다. 본 발명에서, 레이저 발진기는 광증폭기와 광공진기로 구성될 수 있으며, 연속파형 레이저 (continuous wave laser, CW laser)를 출력하는 것을 특징으로 한다. 파장판(102)은 빔을 감쇠, 경로 이탈 또는 위치변경 없이 전달하고 편광방향을 조절하기 위한 모듈로서 1/2 파장판 (half-wave plate, HWP) 또는 1/4 파장판 (Quarter waveplate, QWP) 일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 편광 빔 스플리터는 입사면으로 입사된 빔을 서로 다른 제1 및 제2 출사면을 통해 각각 제1 및 제2 출사 빔을 제공하기 위한 것이다. 미러부는 빔의 방향을 전환하기 위해, 빔 익스팬더에 입사된 빔을 출력시 보다 더 크게 확장하기 위한 모듈이다. 2A and 2B are schematic diagrams illustrating a system including an apparatus for pyrolytically patterning a light-transmitting material by irradiating a CW laser beam according to the present invention. Referring to Figure 2a, the system of the present invention, like a laser processing system including a general galvanomirror scanner, the
다시 도 2a을 참조하면, 본 발명에서 갈바노미러 스캐너는 신속한 스캐닝이 요구되는 조작을 위해 사용될 수 있으며, 갈바노미러 스캐너가 x, y 및 z 축 방향으로 이동가능 하도록 하는 구동모터를 포함하고, 하단에 렌즈가 장착된 렌즈모듈을 포함한다. 본 발명에서 렌즈는, 바람직하게는 텔레센트릭 렌즈 (telecentric lense) 이나, 이에 제한되는 것은 아니다. 본 발명에서 갈바노미러 스캐너 제어부는, 피가공물을 가공하기 위해 레이저 발진기로부터 출력된 레이저 빔을 피가공물을 향해 조사하는 갈바노미러 스캐너의 구동을 제어한다. 갈바노미러 스캐너 제어부는 갈바노미러 스캐너와 유선 또는 무선 통신 수단에 의해 양방향 통신이 가능하도록 상호 연결될 수 있으며, 컴퓨터, 랩탑, 네트워크 연결형 저장소, 모바일 디바이스 (예: 테블릿 디바이스, 스마트폰) 등을 포함하는 범용의 외부 단말기가 사용되어, 미리 제작된 패터닝 프로그램에 따라 자동으로 수행 되거나, 작업자가 단말기를 통해 패터닝 작업을 수행할 수 있다. 한편, 도 2a의 (b)를 참조하면, 보다 더 정교한 정밀 가공을 위해 갈바노미러 스캐너를 사용하는 대신에 일반 대물렌즈로 구성된 레이저 빔 스캐너가 사용될 수 있다. 이 경우 스캐너가 아닌 스테이지가 구동 (x축, y축, 또는 z축으로) 되는 것이 더 바람직할 수 있다. Referring back to FIG. 2A, in the present invention, the galvanomirror scanner can be used for an operation requiring rapid scanning, and includes a drive motor that enables the galvanomirror scanner to move in the x, y and z axis directions, It includes a lens module with a lens mounted at the bottom. In the present invention, the lens is preferably a telecentric lens, but is not limited thereto. In the present invention, the galvanomirror scanner control unit controls the driving of a galvanomirror scanner that irradiates a laser beam output from a laser oscillator toward the work in order to process the work. The galvanomirror scanner control unit can be interconnected to enable bidirectional communication between the galvanomirror scanner and wired or wireless communication means, and can be used for computers, laptops, network-connected storage, and mobile devices (e.g. tablet devices, smartphones). A general-purpose external terminal that is included is used and is automatically performed according to a pre-fabricated patterning program, or an operator can perform a patterning operation through the terminal. Meanwhile, referring to (b) of FIG. 2A, instead of using a galvanomirror scanner for more precise processing, a laser beam scanner composed of a general objective lens may be used. In this case, it may be more preferable that the stage other than the scanner is driven (in the x-axis, y-axis, or z-axis).
본 발명에서 스테이지는 CW 레이저 빔 스캐너에 의해 미세 패터닝 되는 피가공물을 그 위에 안치 할 수 있는 거취 수단을 포함할 수 있으며, 갈바노미러 스캐너 제어부와 유선 또는 무선 통신 수단에 의해 양방향 통신이 가능하도록 연결되거나, 별도의 독립된 스테이지 제어부로 구성될 수 있다 (도 2a의 (b)). In the present invention, the stage may include a holding means capable of placing a workpiece finely patterned by a CW laser beam scanner thereon, and is connected to enable bidirectional communication by a wired or wireless communication means with a galvanomirror scanner control unit. Or, it may be configured as a separate and independent stage control unit (Fig. 2a (b)).
도 2b를 참조하면, 본 발명의 CW 레이저 빔 스캐너는 어레이된 복수개의 렌즈 또는 실린더형 렌즈를 포함하거나 다양한 형태의 렌즈가 사용될 수 있을 것이다. Referring to FIG. 2B, the CW laser beam scanner of the present invention may include a plurality of arrayed lenses or cylindrical lenses, or various types of lenses may be used.
도 3a 및 3b는 본 발명의 CW 레이저 빔 조사에 의한 열분해 패터닝 과정을 개략적으로 도시한다. 도 3a를 참조하면, 투명한 광 투과성 소자의 임의의 지점에 광 흡수성 열분해 이니시에이터 (initiator) (401)를 형성하고; CW 레이저 빔을 레이저 빔 스캐너로부터 상기 열분해 이니시에이터에 조사하여 제1 열분해를 유도하며; 상기 레이저 빔 스캐너를 빔의 진행 방향 (y 축 방향)과 수직을 이루는 임의의 방향 (x축 또는 z축 방향)으로 이동시킨다. 이때, 제1차 열분해에 의해 형성된 PDMS의 열분해 산물인 SiC가 레이저 빔을 흡수하고 레이저 빔 스캐너의 진행방향을 따라 연쇄-열분해를 유도한다. 따라서, 본 발명의 CW 레이저 빔 스캐너는 마치 펜 또는 붓과 같이 사용되어 광 투과성 소자의 미세 패터닝에 이용될 수 있다. 본 발명의 레이저 빔 스캐너는 필요에 따라 스캐닝한 부분을 반복하여 스캐닝 하도록 할 수 있으며, 이를 통해 높이 차이를 갖는 미세 패터닝 구조를 제작할 수 있다. 3A and 3B schematically show a pyrolytic patterning process by irradiation of a CW laser beam of the present invention. 3A, forming a light-absorbing pyrolysis initiator 401 at an arbitrary point of a transparent light-transmitting element; Irradiating a CW laser beam from a laser beam scanner to the pyrolysis initiator to induce a first pyrolysis; The laser beam scanner is moved in an arbitrary direction (x-axis or z-axis direction) perpendicular to the traveling direction of the beam (y-axis direction). At this time, SiC, a thermal decomposition product of PDMS formed by the first thermal decomposition, absorbs the laser beam and induces chain-pyrolysis along the traveling direction of the laser beam scanner. Accordingly, the CW laser beam scanner of the present invention can be used like a pen or a brush and used for fine patterning of a light transmitting device. The laser beam scanner of the present invention can be used to repeatedly scan a scanned portion as necessary, thereby fabricating a fine patterning structure having a height difference.
본 발명에서 패터닝을 종료한 후, 생성된 열분해 산물은 물리적 외력을 가하거나 단순히 털어내기에 의해 손쉽게 제거될 수 있으며, 울트라 소니케이션 (ultra sonication) 또는 테이핑 (taping) 방법에 의해서도 용이하게 제거될 수 있다. 도 3b를 참조하면, 본 발명의 CW 레이저 빔이 조사되는 광 투과성 피가공물 (500)의 임의의 입사면 표면상에 열분해 이니시에이터가 형성되고, 미세소자 표면으로부터 심부를 향해 형성되는 오목한 미세채널을 제작할 수 있다 (Front Surface Scanning, FSS). 도 3b의 (b)는 이와 관련된 다른 일 예로서, 미리 형성된 패턴을 지닌 마스크 (paterned mask)를 PDMS 상에 열분해 이니시에이터가 노출되도록 올려놓은 후, CW 레이저 빔을 조사하여 PDMS를 패터닝 할 수 있다. 본 발명에서 2차원 (2D) 패터닝은 상기와 같이 레이저 빔 입사면으로부터 빔의 진행방향을 따라 오목하게 형성된 구조를 갖는 패턴을 제작하는 것을 의미한다. 본 발명에서 열분해 이니시에이터는, CW 레이저 빔을 흡수하여 열분해가 개시되는 In the present invention, after the patterning is finished, the generated pyrolysis product can be easily removed by applying a physical external force or simply shaking off, and can be easily removed by an ultra sonication or taping method. have. Referring to FIG. 3B, a pyrolysis initiator is formed on the surface of an arbitrary incident surface of the light-transmitting
본 발명에서 열분해 이니시에이터는 레이저 빔이 조사되는 광 투과성 피가공물의 임의의 출사면 표면 상에 형성될 수 있다. 이 경우, 레이저 빔이 광투과성 피가공물을 통과하여 빔 경로상의 반대쪽 표면을 열분해 하므로, 레이저 빔의 입사면으로부터 빔의 진행방향과 반대방향으로 오목하게 형성된 구조를 패터닝 할 수 있다 (Back Surface Scanning, BSS). In the present invention, the pyrolysis initiator may be formed on the surface of any exit surface of the light-transmitting workpiece to which the laser beam is irradiated. In this case, since the laser beam passes through the light-transmitting workpiece and thermally decomposes the opposite surface on the beam path, it is possible to pattern a structure that is concave from the incident surface of the laser beam in the direction opposite to the traveling direction of the beam (Back Surface Scanning, BSS).
따라서, 본 발명에서 열분해 이니시에이터는, 광 투과성 피가공물의 임의의 위치에 형성된 하나 이상의 스폿 (spot)으로 정의되며, 광 흡수성의 안료 (pigment), 염료 (dye), 잉크 또는 이들 중 하나 이상을 포함하는 용액 또는 고형물일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 또한, 상기 열분해 이니시에이터는 광 투과성 소자 또는 피가공물의 표면에 도포 또는 부착되거나. 또는 그 내부에 삽입 또는 임베딩 되어 형성될 수 있을 것이다. Accordingly, in the present invention, the pyrolysis initiator is defined as one or more spots formed at any position of the light-transmitting workpiece, and includes a light-absorbing pigment, dye, ink, or one or more of these. It may be a solution or a solid material, but is not limited thereto. In addition, the pyrolysis initiator is applied or adhered to the surface of a light-transmitting device or a workpiece. Or it may be formed by being inserted or embedded therein.
본 발명에서 “소자 (device)”, “피가공물” 또는 “미세소자 (micro-device)”는 레이저 빔에 의해 스캐닝되는 대상을 의미하는 것으로서 기술된 내용에 따라 혼용된다. In the present invention, "device", "workpiece" or "micro-device" refers to an object to be scanned by a laser beam, and is used interchangeably according to the description.
도 4a, 4b 및 4c는 본 발명의 다양한 실시예에서, 본 발명의 CW 레이저 빔 가공방법에 따라 제작된 미세소자의 확대 사진들이다. 도 4d는 본 발명의 방법에 따라 제작한 미세소자에서 혈관세포를 배양하여 혈관이 안정적으로 형성된 것을 나타낸다. 본 발명의 이러한 다양한 실시예는 본 발명을 설명하기 위한 것일 뿐이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 전문가가 본 발명의 내용을 이해하고 이를 통해 제작할 수 있는 그 밖의 미세소자 또는 패터닝이 본 발명에 모두 포함될 것이다. 4A, 4B, and 4C are enlarged photographs of microelements fabricated according to the CW laser beam processing method of the present invention in various embodiments of the present invention. 4D shows that blood vessels are stably formed by culturing blood vessel cells in a micro device manufactured according to the method of the present invention. These various embodiments of the present invention are only for explaining the present invention, and other microelements or patterning that can be manufactured through understanding the contents of the present invention by experts in the technical field to which the present invention belongs are all included in the present invention. will be.
도 5를 참조하면, 본 발명에서 CW 레이저 빔을 이용한 광 투과성 소재의 패터닝 후, 열분해 산물을 다양한 방법으로 제거할 수 있을 것이다. 예를 들어, 열분해에 의해 패터닝된 미세소자에 외력을 가하여 물리적으로 털어낼 수 있으며, 울트라 소니테이션 또는 테이빙 방법에 의해 제거될 수 있다. Referring to FIG. 5, after patterning a light-transmitting material using a CW laser beam in the present invention, the thermal decomposition product may be removed by various methods. For example, by applying an external force to the microelement patterned by pyrolysis, it may be physically shaken off, and may be removed by an ultra sonication or taping method.
도 6a는 본 발명의 일 실시예에서 각각 532 ㎚, 650 ㎚ 및 808 ㎚의 파장의 CW 레이저 빔을 사용하여 제작한 미세소자의 패터닝 구조를 나타낸 것이다. 도 6a, 도6b 및 도 6c를 참조하면, CW 레이저 빔의 스캐닝 파워 (J/m3)가 증가함에 따라 이에 비례하여 미세채널의 깊이와 넓이가 증가하나, 넓이의 증가속도가 보다 더 큰 것을 알 수 있다. 또한, 본 발명의 CW 레이저 빔에 의해 형성되는 채널의 단층 깊이는 레이저 빔의 에너지 밀도 (J/m3)에 비례하여 증가하는 것으로 나타났다. 6A shows a patterning structure of a micro device fabricated using CW laser beams of wavelengths of 532 nm, 650 nm, and 808 nm, respectively, in an embodiment of the present invention. 6A, 6B, and 6C, as the scanning power (J/m 3 ) of the CW laser beam increases, the depth and the width of the microchannel increase in proportion, but the rate of increase of the area is greater. Able to know. In addition, it was found that the tomographic depth of the channel formed by the CW laser beam of the present invention increases in proportion to the energy density (J/m 3 ) of the laser beam.
도 7a 및 7b는 본 발명의 방법에 따라 제작한 다양한 구조의 미세소자를 나타낸 것이다. 7A and 7B show microelements having various structures manufactured according to the method of the present invention.
도 8은 본 발명에서 CW 레이저 빔의 피가공물로서 PDMS 외에 에코플레스 (ecoflex, BASF)를 사용하여 패터닝한 결과를 나타낸다. 따라서, 본 발명의 방법에 사용될 수 있는 피가공물은 광 투과성 소재로서, PDMS (Poly(methylmethacrylate)); PMMA Poly(methyl methacrylate); 열가소성 엘라스토머 (thermoplastic elastomer; TPE); 및 폴리아미드, 폴리아세탈, 폴리카보네이트, 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 변성 폴리페닐렌옥사이드, 또는 이들의 하나 이상의 결합체인 엔지니어링 플라스틱 (engineering plastic); 및 이들의 하나 이상의 적층 결합체로 구성된 군으로부터 선택된 어느 하나일 수 있으며, 이에 제한되는 것은 아닐 것이다. 8 shows the result of patterning using ecoflex (BASF) in addition to PDMS as a workpiece of a CW laser beam in the present invention. Therefore, the workpiece that can be used in the method of the present invention is a light-transmitting material, PDMS (Poly(methylmethacrylate)); PMMA Poly (methyl methacrylate); Thermoplastic elastomer (TPE); And engineering plastics which are polyamide, polyacetal, polycarbonate, polyethylene terephthalate, modified polyphenylene oxide, or one or more combinations thereof; And it may be any one selected from the group consisting of one or more laminated composites thereof, but is not limited thereto.
이하 본 발명을 실시예에 따라 더 설명한다. Hereinafter, the present invention will be further described according to examples.
실시예 Example
실시예 1: PDMS의 제조Example 1: Preparation of PDMS
PDMS 슬랩을 수지 (resin) ((Dow Corning))와 경화제 (Sylgard184, Dow Corning)을 10:1의 비율로 혼합하여 제조하였다. 다음, 탈가스 (degassing) 및 경화 (curing) 공정을 진공 벨-자 (bell-jar) 및 경화 오븐 (OF-12G, JEIO TECH)을 사용하고 60℃로 2시간 이상 순차적으로 수행하였다. PDMS slab was prepared by mixing a resin (resin) ((Dow Corning)) and a curing agent (Sylgard184, Dow Corning) in a ratio of 10:1. Next, degassing and curing processes were sequentially performed at 60° C. for 2 hours or more using a vacuum bell-jar and a curing oven (OF-12G, JEIO TECH).
실시예 2: 광학 시스템의 구성Example 2: Construction of an optical system
본 실시예에서는 2가지 유형의 컴퓨터 제어 레이저 빔 스캐닝 시스템을 사용하였다. 보다 더 신속한 스캐닝을 위해, f-theta 텔레센트릭 렌즈를 지닌 (telecentric lens) 갈바노미러 (hurrySCAN II, Scanlab)를 f = 103 ㎜에서 사용하였다. 또한, 10 ㎛ 이하 정밀 패턴의 제작을 위해, 컴퓨터-제어 구동되는 2축 트랜스레이셔널 스테이지 (ANT130-060-XY-25DU-XY-CMS-MP-PLUS, Aerotech)를 사용하고, 높은 N/A 대물렌즈 (M Plan Apo 50×, Mitutoyo)를 사용하였다. 상기 둘 모두에 대해, 연속파형 레이저 (532 ㎚, Sprout-G-5W, Lighthouse Photonics)를 주요 레이저 원으로 사용하고, 650 ㎚ 및 808 ㎚와 비교하였다. In this embodiment, two types of computer-controlled laser beam scanning systems were used. For even faster scanning, a galvanomirror (hurrySCAN II, Scanlab) with an f-theta telecentric lens was used at f = 103 mm. In addition, for the production of precision patterns of 10 μm or less, a computer-controlled 2-axis translational stage (ANT130-060-XY-25DU-XY-CMS-MP-PLUS, Aerotech) is used, and high N/A An objective lens (
실시예 3: 미세소자의 제작Example 3: Fabrication of micro device
상기 실시예 1에서 제조한 경화된 PDMS 슬랩을 테이핑 (Scotch Magic Tape, 3M) 방법으로 깨끗하게 처리하여, 표면에 붙은 먼지 등 이물질을 제거하였다. 상기 표면 처리된 PDMS 슬랩을 운반 기판으로 사용되는 글라스 위에 두었다. 파워 또는 스캐닝 스피드 등에서 적절한 스캐닝 파라미터를 갖는 컴퓨터 제어 레이저 스캐닝을 FSS (front surface scanning) 또는 BSS (back surface scanning) 방법으로 사용하였다. 각각의 방법에 있어서, 레이저 초점은 고품질의 가공이 가능하도록 정밀하게 제어되었다. FSS에 있어서, 포컬 플랜은 PDMS 슬랩의 빔 입사 표면 에 두었다. BSS의 경우, 포컬 플랜은 PDMS 슬랩의 빔 출사 표면에 두었으며, 증가하는 SiC 인터페이스의 z-축 위상 이동을 보상하기 위해, 포컬 플랜을 각각의 반복되는 스캐닝 후에 SLT로 조절하였다. SiC는 테이핑 방법 또는 울트라-소니케이션 방법으로 손쉽게 제거하였다. 상기 PDMS 구조를 표준의 본딩 방법으로 슬라이드 글라스와 결합하거나, 몰드로서 사용하여 미세유체 소자를 제작하였다. The cured PDMS slab prepared in Example 1 was cleanly treated with a taping (Scotch Magic Tape, 3M) method to remove foreign substances such as dust adhered to the surface. The surface-treated PDMS slab was placed on a glass used as a transport substrate. Computer-controlled laser scanning having appropriate scanning parameters in power or scanning speed, etc., was used as a front surface scanning (FSS) or back surface scanning (BSS) method. In each method, the laser focus was precisely controlled to enable high-quality processing. For FSS, the focal plan was placed on the beam incident surface of the PDMS slab. In the case of the BSS, the focal plan was placed on the beam exit surface of the PDMS slab, and the focal plan was adjusted with SLT after each repeated scanning to compensate for the z-axis phase shift of the increasing SiC interface. SiC was easily removed by a taping method or an ultra-sonic method. The PDMS structure was combined with a slide glass by a standard bonding method or used as a mold to fabricate a microfluidic device.
본 발명은 연속파형 레이저 빔 스캐너를 피가공물 표면 상에 임의의 지점에 미리 형성시킨 이니시에이터에 조사하여 연쇄적인 열분해를 통해 피가공물을 미세패터닝 하는 방법 및 장치에 관한 것이다. 본 발명에 따르면, 종래 레이저 빔을 이용한 가공이 불가능하거나 비효율적이었던 광 투과성 피가공물을 한붓그리기와 같이 손쉽게 패터닝 할 수 있다. 따라서, 본 발명은 미세소자의 패터닝에 유용하게 이용될 수 있을 것이다. The present invention relates to a method and apparatus for fine-patterning a workpiece through continuous thermal decomposition by irradiating a continuous wave laser beam scanner to an initiator previously formed at an arbitrary point on the surface of the workpiece. According to the present invention, it is possible to easily pattern a light-transmitting workpiece, which has been impossible or inefficient to process using a conventional laser beam, such as one-touch drawing. Therefore, the present invention may be usefully used for patterning of micro devices.
101: 레이저 빔을 발생시키는 레이저 발진기; 102: 파장판 (waveplate);
103: 편광 빔 스플리터 (Polarized Beam Splitter, PBS); 104: 미러부;
105: 빔 익스팬더;
201: 갈바노미러 스캐너; 202: 갈바노미러 스캐너 제어부;
300: 스테이지;
401: 열분해 이니시에이터 (initiator); 및
500: 광 투과성 피가공물101: a laser oscillator generating a laser beam; 102: waveplate;
103: Polarized Beam Splitter (PBS); 104: mirror portion;
105: beam expander;
201: galvanomirror scanner; 202: galvanomirror scanner control unit;
300: stage;
401: pyrolysis initiator; And
500: light transmissive workpiece
Claims (15)
레이저 빔 스캐너로부터 연속파형 (Continuous Wave, CW) 레이저 빔을 상기 열분해 이니시에이터에 조사하여 제1 열분해를 유도하며;
상기 레이저 빔 스캐너를 x축, y축 또는 z축의 임의의 방향으로 이동하되, 상기 제1 열분해의 산물이 상기 레이저 빔 또는 레이저빔 스캐너의 진행 방향을 따라 연쇄 열분해 (chain pyrolysis)를 유도하는 것인,
연속파형 레이저 빔으로 광 투과성 소자를 열분해 하여 미세 패터닝 하는 방법.Forming one or more light-absorbing pyrolysis initiators in any spot of the transparent light-transmitting element;
Irradiating a continuous wave (CW) laser beam from a laser beam scanner to the pyrolysis initiator to induce a first pyrolysis;
The laser beam scanner is moved in any direction of the x-axis, y-axis, or z-axis, but the product of the first pyrolysis induces chain pyrolysis along the traveling direction of the laser beam or laser beam scanner. ,
A method of fine patterning by pyrolyzing a light-transmitting element with a continuous wave laser beam.
상기 광 투과성 소자는, PDMS (Poly(methylmethacrylate)); PMMA (Poly(methyl methacrylate)); 열가소성 엘라스토머 (thermoplastic elastomer; TPE); 및 폴리아미드, 폴리아세탈, 폴리카보네이트, 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 변성 폴리페닐렌옥사이드, 또는 이들의 하나 이상의 결합체인 엔지니어링 플라스틱 (engineering plastic); 및 이들의 하나 이상의 적층 결합체로 구성된 군으로부터 선택된 어느 하나인 것인,
연속파형 레이저 빔으로 광 투과성 소자를 열분해 하여 미세 패터닝 하는 방법.The method of claim 1,
The light-transmitting device may include PDMS (Poly(methylmethacrylate)); PMMA (Poly (methyl methacrylate)); Thermoplastic elastomer (TPE); And engineering plastics which are polyamide, polyacetal, polycarbonate, polyethylene terephthalate, modified polyphenylene oxide, or one or more combinations thereof; And any one selected from the group consisting of one or more laminated combinations thereof,
A method of fine patterning by pyrolyzing a light-transmitting element with a continuous wave laser beam.
상기 열분해 이니시에이터는, 광을 흡수하는 유색 안료 (pigment), 염료 (dye), 잉크 또는 이들 중 하나 이상을 포함하는 용액 또는 고형물로서,
상기 레이저 빔이 조사되는 광투과성 소자의 임의의 조사면 상의 표면에 도포 또는 부착되거나. 또는 그 내부에 삽입 또는 임베딩 되어 형성된 것인,
연속파형 레이저 빔으로 광 투과성 소자를 열분해 하여 미세 패터닝 하는 방법.The method according to claim 1 or 2,
The pyrolysis initiator is a light-absorbing colored pigment (pigment), dye (dye), ink, or a solution or solid material containing one or more of these,
The laser beam is applied or attached to a surface on an irradiated surface of the light-transmitting element to be irradiated. Or is formed by being inserted or embedded in the inside,
A method of fine patterning by pyrolyzing a light-transmitting element with a continuous wave laser beam.
상기 열분해 이니시에이터를 상기 광 투과성 소자의 상기 레이저 빔이 조사되는 입사면 상의 임의의 스폿에 형성하고,
상기 연속파형 파장 레이저 빔을 상기 열분해 이니시에이터에 조사하여,
상기 레이저 빔이 상기 입사면 표면으로부터 오목하게 미세 패터닝된 구조를 생성하는 것인,
연속파형 레이저 빔으로 광 투과성 소자를 열분해 하여 미세 패터닝 하는 방법. The method according to claim 1 or 2,
Forming the pyrolysis initiator in an arbitrary spot on the incident surface to which the laser beam of the light transmitting element is irradiated,
By irradiating the continuous wave laser beam to the pyrolysis initiator,
Wherein the laser beam creates a concave fine patterned structure from the incident surface surface,
A method of fine patterning by pyrolyzing a light-transmitting element with a continuous wave laser beam.
상기 열분해 이니시에이터를 상기 광 투과성 소자의 상기 레이저 빔이 방출되는 출사면 상의 임의의 스폿에 형성하고,
상기 연속파형 레이저 빔을 상기 광 투과성 소자를 투과하여 상기 열분해 이니시에이터에 조사하여,
상기 레이저 빔이 상기 출사면 표면으로부터 오목하게 미세 패터닝된 구조를 생성하는 것인,
연속파형 레이저 빔으로 광 투과성 소자를 열분해 하여 미세 패터닝 하는 방법. The method according to claim 1 or 2,
Forming the pyrolysis initiator in an arbitrary spot on the emission surface from which the laser beam of the light transmitting element is emitted,
The continuous wave laser beam is transmitted through the light-transmitting element and irradiated to the pyrolysis initiator,
Wherein the laser beam creates a concave fine patterned structure from the exit surface surface,
A method of fine patterning by pyrolyzing a light-transmitting element with a continuous wave laser beam.
상기 연속파형 레이저 빔 스캐너가 갈바노미러 스캐너인 것인,
연속파형 레이저 빔으로 광 투과성 소자를 열분해 하여 미세 패터닝 하는 방법. The method according to claim 1 or 2,
The continuous wave laser beam scanner is a galvano mirror scanner,
A method of fine patterning by pyrolyzing a light-transmitting element with a continuous wave laser beam.
상기 스테이지 위에 마운팅 되고, 상기 레이저 빔 스캐너에 의해 스캐닝 되는 피가공물로서, 광을 흡수하는 이니시에어터를 하나 이상 포함하는 광 투과성인 피가공물을 포함하고;
상기 레이저 빔 스캐너 또는 상기 스테이지 또는 둘 모두가 구동장치에 의해 x축, y축 또는 z축 방향으로 구동되는 것인,
연속파형 레이저 빔으로 광 투과성 소자를 열분해 하여 미세 패터닝 하는 장치. Laser oscillator; Waveplate; Polarized Beam Splitter (PBS); A mirror part; Beam expander; Laser beam scanner; stage; And a laser beam scanner or stage, or a laser beam scanner and a control unit for controlling the stage, wherein the laser oscillator emits a continuous wave laser beam;
A workpiece mounted on the stage and scanned by the laser beam scanner, the workpiece comprising a light transmitting workpiece including at least one initiator that absorbs light;
The laser beam scanner or the stage or both are driven in the x-axis, y-axis or z-axis direction by a driving device,
A device that thermally decomposes a light-transmitting element with a continuous wave laser beam for fine patterning.
상기 광 투과성 소자는, PDMS (Poly(methylmethacrylate)); PMMA (Poly(methyl methacrylate)); 열가소성 엘라스토머 (thermoplastic elastomer; TPE); 및 폴리아미드, 폴리아세탈, 폴리카보네이트, 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 변성 폴리페닐렌옥사이드, 또는 이들의 하나 이상의 결합체인 엔지니어링 플라스틱 (engineering plastic); 및 이들의 하나 이상의 적층 결합체로 구성된 군으로부터 선택된 어느 하나인 것인,
연속파형 레이저 빔으로 광 투과성 소자를 열분해 하여 미세 패터닝 하는 장치. The method of claim 7,
The light-transmitting device may include PDMS (Poly(methylmethacrylate)); PMMA (Poly (methyl methacrylate)); Thermoplastic elastomer (TPE); And engineering plastics which are polyamide, polyacetal, polycarbonate, polyethylene terephthalate, modified polyphenylene oxide, or one or more combinations thereof; And any one selected from the group consisting of one or more laminated combinations thereof,
A device that thermally decomposes a light-transmitting element with a continuous wave laser beam for fine patterning.
상기 열분해 이니시에이터는, 광을 흡수하는 유색 안료 (pigment), 염료 (dye), 잉크 또는 이들 중 하나 이상을 포함하는 용액 또는 고형물로서,
상기 레이저 빔이 조사되는 광투과성 소자의 임의의 조사면 상의 표면에 도포 또는 부착되거나. 또는 그 내부에 삽입 또는 임베딩 되어 형성된 것인,
연속파형 레이저 빔으로 광 투과성 소자를 열분해 하여 미세 패터닝 하는 장치. The method according to claim 7 or 8,
The pyrolysis initiator is a light-absorbing colored pigment (pigment), dye (dye), ink, or a solution or solid material containing one or more of these,
The laser beam is applied or attached to a surface on an irradiated surface of the light-transmitting element to be irradiated. Or is formed by being inserted or embedded in the inside,
A device that thermally decomposes a light-transmitting element with a continuous wave laser beam for fine patterning.
상기 열분해 이니시에이터를 상기 광 투과성 소자의 상기 레이저 빔이 조사되는 입사면 상의 임의의 스폿에 형성하고,
상기 연속파형 파장 레이저 빔을 상기 열분해 이니시에이터에 조사하여,
상기 레이저 빔이 상기 입사면 표면으로부터 오목하게 미세 패터닝된 구조를 생성하는 것인,
연속파형 레이저 빔으로 광 투과성 소자를 열분해 하여 미세 패터닝 하는 장치. The method according to claim 7 or 8,
Forming the pyrolysis initiator in an arbitrary spot on the incident surface to which the laser beam of the light transmitting element is irradiated,
By irradiating the continuous wave laser beam to the pyrolysis initiator,
Wherein the laser beam creates a concave fine patterned structure from the incident surface surface,
A device that thermally decomposes a light-transmitting element with a continuous wave laser beam for fine patterning.
상기 열분해 이니시에이터를 상기 광 투과성 소자의 상기 레이저 빔이 방출되는 출사면 상의 임의의 스폿에 형성하고,
상기 연속파형 레이저 빔을 상기 광 투과성 소자를 투과하여 상기 열분해 이니시에이터에 조사하여,
상기 레이저 빔이 상기 출사면 표면으로부터 오목하게 미세 패터닝된 구조를 생성하는 것인,
연속파형 레이저 빔으로 광 투과성 소자를 열분해 하여 미세 패터닝 하는 장치. The method according to claim 7 or 8,
Forming the pyrolysis initiator in an arbitrary spot on the emission surface from which the laser beam of the light transmitting element is emitted,
The continuous wave laser beam is transmitted through the light-transmitting element and irradiated to the pyrolysis initiator,
Wherein the laser beam creates a concave fine patterned structure from the exit surface surface,
A device that thermally decomposes a light-transmitting element with a continuous wave laser beam for fine patterning.
상기 연속파형 레이저 빔 스캐너가 갈바노미러 스캐너인 것인,
연속파형 레이저 빔으로 광 투과성 소자를 열분해 하여 미세 패터닝 하는 장치. The method according to claim 7 or 8,
The continuous wave laser beam scanner is a galvano mirror scanner,
A device that thermally decomposes a light-transmitting element with a continuous wave laser beam for fine patterning.
상기 연속파형 레이저 빔은 200 ㎚ 내지 1,000 ㎚의 파장인 것인,
연속파형 레이저 빔으로 광 투과성 소자를 열분해 하여 미세 패터닝 하는 방법. The method according to claim 1 or 2,
The continuous wave laser beam is a wavelength of 200 ㎚ to 1,000 ㎚,
A method of fine patterning by pyrolyzing a light-transmitting element with a continuous wave laser beam.
상기 연속파형 레이저 빔 스캐닝 밀도가 10 내지 100 J/m3이고,
상기 열분해 하여 형성된 미세 패터닝이 미세채널이며,
상기 미세채널의 넓이 (width) : 깊이 (depth)가 2 : 1 ~ 1 : 1인 것인,
연속파형 레이저 빔으로 광 투과성 소자를 열분해 하여 미세 패터닝 하는 방법. The method according to claim 1 or 2,
The continuous wave laser beam scanning density is 10 to 100 J/m 3 ,
The fine patterning formed by the thermal decomposition is a fine channel,
The width of the fine channel: the depth (depth) is 2: 1 to 1: 1,
A method of fine patterning by pyrolyzing a light-transmitting element with a continuous wave laser beam.
상기 연속파형 레이저 빔의 에너지 밀도 (X, energy density)와 상기 레이저 빔의 스캐닝에 의해 형성되는 단층의 두께 (Y, single layer depth)가, 하기 식을 갖는 것인,
Y = nX - m
(상기식에서, n은 3 내지 10 사이의 양의 실수이고, m은 0.5 내지 1의 양의 실수이다.)
연속파형 레이저 빔으로 광 투과성 소자를 열분해 하여 미세 패터닝 하는 방법. The method according to claim 1 or 2,
The energy density (X, energy density) of the continuous wave laser beam and the thickness of a single layer formed by scanning the laser beam (Y, single layer depth) have the following formula,
Y = nX-m
(In the above formula, n is a positive real number between 3 and 10, and m is a positive real number between 0.5 and 1.)
A method of fine patterning by pyrolyzing a light-transmitting element with a continuous wave laser beam.
Priority Applications (4)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020190049369A KR20200125295A (en) | 2019-04-26 | 2019-04-26 | A method of micro patterning using continuous wave laser beam |
| PCT/KR2020/004868 WO2020218763A1 (en) | 2019-04-26 | 2020-04-10 | Micropatterning method, micropatterning apparatus and micropatterning chip for silicone-based elastomer |
| US17/762,227 US20220350250A1 (en) | 2019-04-26 | 2020-04-10 | Micropatterning method, micropatterning apparatus and micropatterning chip for silicone-based elastomer |
| EP20794838.1A EP3992714A4 (en) | 2019-04-26 | 2020-04-10 | Micropatterning method, micropatterning apparatus and micropatterning chip for silicone-based elastomer |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020190049369A KR20200125295A (en) | 2019-04-26 | 2019-04-26 | A method of micro patterning using continuous wave laser beam |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20200125295A true KR20200125295A (en) | 2020-11-04 |
Family
ID=73571702
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020190049369A KR20200125295A (en) | 2019-04-26 | 2019-04-26 | A method of micro patterning using continuous wave laser beam |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR20200125295A (en) |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20040046470A (en) | 2002-11-27 | 2004-06-05 | (주)코리아크린에어시스템 | Manufacturing proess and equipment of water elementary particle |
| KR20070030147A (en) | 2005-09-12 | 2007-03-15 | 소니 가부시끼 가이샤 | Storage device and semiconductor device |
| KR20090028776A (en) | 2006-06-21 | 2009-03-19 | 콘티넨탈 오토모티브 프랑스 | Method for detecting a misfire and corresponding device |
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2019
- 2019-04-26 KR KR1020190049369A patent/KR20200125295A/en not_active Application Discontinuation
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20040046470A (en) | 2002-11-27 | 2004-06-05 | (주)코리아크린에어시스템 | Manufacturing proess and equipment of water elementary particle |
| KR20070030147A (en) | 2005-09-12 | 2007-03-15 | 소니 가부시끼 가이샤 | Storage device and semiconductor device |
| KR20090028776A (en) | 2006-06-21 | 2009-03-19 | 콘티넨탈 오토모티브 프랑스 | Method for detecting a misfire and corresponding device |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| Advanced materials, 2003, 15, No.1, January 3, Daniel B Wolfe et al., Customization of Poly(dimethy Isiloxane) Stamps by Micromachining Using a Femtosecond-Pulsed Laser |
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