As a femtosecond laser has recently been developed, both of high power and high photon density are easily obtained. The ultra violet or blue laser light is used for photopolymerization of urethane acrylate resin of which absorption spectrum is from 350nm to 420nm shorter than the wavelength of the femtosecond laser. The strong intensity laser light highly localized in focal region, however, can make polymerization owing to the nonlinear effect, so called, the two-photon absorption (TPA). The stereo-lithography using the two-photon absorption makes micro structures of several hundred nanometer sized block, called voxel, with great resolution. We have used this phenomenon to make micron-sized structures with sub-micron resolution. Before the fabrication, optical setting, data design and computer controlled fabrication process has been tested and developed. Voxel size has been measured along as exposure time for definite laser output power. With the processing method and voxel size data, precise 2-D structure fabrications have been performed. Furthermore the TPA photopolymerization is applied to poly-dimethyl siloxane (PDMS) molding as an application. In this paper, we report the recent progress and application of this technology in our laboratory.
Ti: Sapphire 펨토초 레이저는 짧은 시간에 매우 높은 첨두 출력을 갖기 때문에 기존의 비교적 긴 펄스폭을 가진 레이저에 의해 나타나지 않는 현상에 대해 연구할 수 있다. 이중에 하나가 이광자 흡수 현상이다. 이광자 흡수 현상이란, 짧은 펄스폭에 높은 첨두 출력으로 인하여, 광자가 두개가 동시에 마치 하나의 광자처럼 흡수하는 현상이다. 이로 인해 장파장의 빛에 대해서도 짧은 펄스폭과 고출력을 가진 경우에 그 파장의 반 또는 수분의 일 정도의 길이를 갖는 파장의 효과를 낸다. 이러한 현상은 보통 레이저 빛이 렌즈에 의해 모아지는 초점 부분에서 일어난다. 또, 물질의 이광자 흡수 확률은 단광자 흡수의 그것에 비해서 매우 낮은 확률을 갖는다. 이를 광경화 수지를 형성하는데 이용하면 초점에서의 레이저 빛의 문턱세기에 따른 출력 조절과 레이저 빛의 노출 시간, 광경화 수지의 이광자 흡수도의 인위적 변경으로 기존의 광경화 방법보다 훨씬 좋은 분해능을 갖는 형상물을 얻을 수 있다.
또한, 이 방법은 기존 리소그라피의 깎아내려가는 top-down 방식이 아닌 쌓아서 올리는 bottom-up 방식이다. 이로 인해, 갖가지 모양의 2차원 형상뿐만 아니라, 리소그라피로서는 표현이 불가능 했던 복잡한 3차원 구조물 역시 제작이 가능하다. 본 실험에서는 이러한 이광자 흡수를 이용한 구조물 제작과 이에 앞서 구조물을 만드는 하나의 단위, voxel이라 불리는 벽돌의 형성에 필요한 물리적 특성 및 환경, 구조물 제작을 위한 광학기기들과 여러 제어 장치들의 구성 및 특성 분석을 하였다.
Voxel의 기하학적 크기는 본 실험에 쓰이는 레이저의 출력과 노출 시간, 광경화 수지의 이광자 흡수도 그리고 광학 시스템의 특성에 달려 있다.본 실험에서 얻어진 최소의 voxel의 지름은 160 nm 정도인데 반해 높이는 1.5 μm 이상이다. 이는 광학 시스템을 앞으로 개선함으로서 높이 대 지름 비를 최적화 할 것이다. 또, 광학 시스템의 개선은 보다 정교하게 구조물을 제작하게끔 한다.
이와 같은 물리적인 특성 고려한 기초적 실험 후에 여러 가지 모양의 형상을 제작하였다. 형상 제작에서도 정교함을 더하기 위하여 off-set 조정과 같은 공정적 제어 조정을 하였다.
위에서 언급한 것과 같은 이광자 흡수를 이용한 구조물 제작은 앞으로 좀 더 연구를 진행하여 미세 광학기기를 제작할 정도의 수준의 정밀도를 가지게 될 것이다.
