Fabrication techniques of nano-patterns and three-dimensional (3D) microstructures are of great importance in diverse fields of modern technology, such as nanotechnology (NT), biotechnology (BT), and information technology (IT), for the development of highly functional applications: micro/nanofluidic devices, biochips, photonic crystals, and nano/micro-electromechanical systems (N/MEMS). For these purposes, many novel 3D microfabrication techniques have been developed, for examples, microstereolithography, nano-imprint lithography, soft-lithography, electrochemical fabrication (EFAB), localized electrochemical deposition, LIGA process, and many others. Using these techniques, diverse micro-devices can be built with various engineering materials such as polymers, metals, and ceramics. However, most of the existing microfabrication processes, except the microstereolithography, were developed for two-dimensional (2D) based microfabrication, thus they do not have the ability to build completely real 3D microstructures which are applicable to neo-conceptive devices.
Recently, considerable efforts focusing on two-photon polymerization (TPP) have been put forth in the area of 2D and 3D nano/microfabrication. Since TPP first came out as a novel technique over a decade ago, a great number of micro-objects have been fabricated using TPP with a variety of effective two-photon chromophores.
In TPP, when a near-infrared ultrashort-pulsed laser is closely focused into a volume of photocurable resins, real 3D microstructures can be fabricated using a layer-by-layer accumulating technique; therefore, TPP is considered to be a promising technique for real 3D nano/microfabrication. Recent reports have shown that the spatial resolution of TPP is achieved at approximately sub-100 nm scale employing a radical quenching mechanism, and a few studies have been carried out especially based on improving the fabrication efficiency and precision of TPP. In addition, many research works have been done with the aim of developing efficient and functional two-photon absorbing chromophores.
In this work, a nano-stereolithography process based on TPP with various fabrication schemes has been developed for the creation of precise 2D and 3D nano/microstructures with effective and mass-productive ways. As the results of work, a nano-replication printing (nRP) technique, a top-down reverse (TDR) building technique, and long-exposing technique (LET) were proposed for the creation of diverse 2D patterns, and a double-contour scanning (DCS) method and a subregional slicing method (SSM) were developed to create 3D nano/microstructures effectively. Also, for the purpose of mass-production, a vacuum pressure difference (VPD) method and a 3D ultraviolet (UV) nano-imprint lithography using 3D multilayered stamps were proposed. Sub-30 nm nanofibers worth recording have been fabricated using a weakly-polymerized region in a focused space. Additionally, basic researches via theoretical and experimental approaches have been conducted to find out the dominant parameters of the nano-stereolithography and to improve a spatial resolution of 3D microstructures.
1959년 12월 노벨 물리학상을 수상한 리처드 파이만 (Richard P. Feynman, 1918~1988) 박사가 ‘There is Plenty of Room at the Bottom’ 이라는 제목의 강연에서 원자 크기의 물질, 소자를 조립한 기계, 즉 분자 기계의 개발 가능성을 시사한 이후부터 지금까지 반도체, 정보통신 및 바이오 관련산업에서 나노/마이크로 기술을 응용한 제품개발에 대한 연구가 지속적으로 추진되고 있다. 반도체 식각공정을 이용하여 고집적 메모리, 에어백 센서, 자이로스코프 등의 다양한 부가가치 제품이 개발되어 상용화되면서 나노/마이크로 형상제작에 대한 많은 투자와 관심이 집중되었다. 이러한 극미세 제작기술은 정보화 산업 육성에 의하여 방대한 양의 정보를 저장하고 주고받을 수 있는 핵심 기반기술로 급성장하고 있다.
또한, 정보화 산업의 발달로 대용량의 정보를 저장하거나 송신하기 위한 정보저장장치, 극소형 기기 개발에 기반이 되는 반도체 산업 분야에서는 점차로 더 좁은 영역에 다 많은 소자를 집적하는 고집화에 대한 요구가 증가하고 있으며, 지금까지의 반도체 직접 회로가 마이크로 미터의 수준에서 제어되었다면 향후에는 그것의 천분의 1 수준인 나노미터 수준에서 소자들을 제어하는 나노기술이 본격화 될 전망이다.
이러한 나노기술 중에서도 가장 기반이 되는 기술은 나노 공정기술이라 할 수 있다. 나노 공정기술은 나노 크기의 물체를 원하는 형태로 제어하여 제작하는 기술로 나노 제품개발을 위한 핵심기술이라 할 수 있다. 또한 나노공정 기술이 단순히 형상을 제작하는 생산기술에 그치지 않고 이 기술을 통하여 재료의 새로운 특성을 유발한다는 점에서 그 파급효과가 더욱 크다.
본 연구는 이러한 나노 공정기술 중에서 이광자 광중합 현상을 이용하여 100 nm 수준 또는 그 이하의 정밀도를 가지는 복잡한 3차원 형상을 제작하는 기술을 개발하여 차세대 나노/마이크로 관련 제품을 개발/제작하는 기반 공정기술 개발에 연구목적이 있다. 극미세 3차원 구조물의 응용사례로는 3차원 광결정체, 3차원 광 도파로, 3차원 광 메모리 등이 있으며 그 밖에 새로운 개념의 고부가가치 상품을 창출할 것으로 사료되기 때문에 3차원 형상제작을 위한 공정이 반드시 필요하다.
현재까지 가장 많이 활용해온 광 리소그래피 기술은 반도체 제작 등 다양한 분야에서 그 역할을 충분히 해왔지만 완전한 3차원 형상을 제작하기에는 어려움이 있다. 따라서 본 연구에서는 2차원 단면을 연속적으로 적층하여 임의의 극미세 3차원 형상을 제작하는 나노 스테레오리소그래피 공정과 관련된 다양한 알고리즘 및 응용기술을 개발하였다.
극미세 3차원 형상을 제작하기 위하여 파장이 780 nm 인 펨토초 레이저를 이용한 이광자 광중합 기술을 활용하였다. 이광자 광중합 현상은 자외선 파장에 광중합이 일어나는 레진에 약 800 nm 파장의 고출력의 레이저를 조사할 경우 두 개의 광자가 동시에 레진에 흡수되어 광중합이 일어나는 비선형 광학현상이다. 따라서 레이저 빔의 강도가 매우 높은 영역에서만 광중합이 발생하기 때문에 100 nm 급의 정밀도를 확보할 수 있다. 본 연구에서는 이러한 이광자 광중합 현상을 이용하여 다양한 2차원 및 3차원 패터닝 기술을 개발하였다.
·비트맵 그림파일을 이용한 나노복화공정 개발
·불투명한 기질에 패터닝이 가능한 역방향 적층법 개발
·진공압력차이법을 이용한 PDMS 몰드 제작 및 복제형상 제작
·단층으로 요철형상을 제작할 수 있는 3차원 표면형성 공정 제안
·3차원 형상을 효율적으로 제작하는 영역분할 단면법 제안
·안정된 3차원 형상 제작을 위한 이중 윤곽선 스캐닝법 제안
·현상공정에서 3차원 패턴붕괴 현상에 대한 FEM 해석기법 제안
·패턴붕괴와 연관된 형상계수, K 정의
·3차원 나노 임프린트 공정개발
·$O_2$ 플라즈마 에싱공정을 이용한 패턴정밀화 방안 제시
·30 nm 이하의 극미세 나노파이브 제작기술 개발
·로뎅의 생각하는 사람 등 복잡한 3차원 형상예제 제작
본 연구에서 개발된 다양한 알고리즘과 제작기술은 극미세 3차원 나노소자 개발에 응용이 가능할 것으로 사료되며, 향후 지속적인 연구를 통하여 더욱 발전되어 기능성 폴리머 재료뿐만 아니라 세라믹, 금속분말, 금속이온 등 다양한 소재로 확대되어 차세대 극미세 3차원 부품제작의 기반공정으로 성장이 가능할 것으로 사료된다. 또한, 개발된 공정을 스테이지 구동방식의 대면적 시스템으로 업그레이드 될 경우 그 효용가치가 더욱 증대될 것이다.
