Recently, the demands for the ultra-precision technology related with the nanotechnology (NT), the biotechnology (BT), and the information technology (IT) have been enormously increased to develop a new conceptual and high value added product. And, many researchers have made the special studies of a miniature technology based on the semiconductor processes, and also, a lot of applications of the micro-fabrication technologies have been introduced.
In the last ten years, concentrated researches have been conducted into two-photon stereolithography (TPS) process using a femtosecond laser. The TPS has many advantages as a technique for the direct fabrication of true three-dimensional shapes in the range of several microns, which might be difficult to obtain by general miniature technologies. Previous works using the TPS have been focused on a process development. Until now the conventional process employing beam-scanning system is limited to fabricate micro-prototypes in small area of several tens micrometers. However, large structures of several tens/hundred micrometers are sometimes required for devices in the applications. In this research, large-area two-photon stereolithography process (La-TPS) is investigated for IT/BT applications.
In large-scale TPS based on a stage-scanning system, the long processing time due to the intrinsic slow response in the stage scanning system is a major obstacle to its use as a practical nanofabrication process. To overcome this drawback, a continuous scanning method (CSM) for a stage scanning system is proposed here. In CSM, a pattern is generated with continuous movement of the stage during laser beam exposure. A stable fabrication window (SFW), which enables uniform motion of the stage without errors considering the stage characteristics, was obtained from fundamental experiments. Within the condition of a SFW, 2D and 3D microstructures having nanoscale details were fabricated with a whole scale range of several hundred micrometers using CSM. Some precise fabrication technologies for high functional materials of high-strength polymer and ceramics have been developed. The effect of pre- and post- baking processes on the precision of high-strength polymer (SU-8) is studied. Ceramic micro-structures with sub-micron resolution were successfully fabricated using two-photon cross-linkable ceramic precursors for the first time. In micro-fabrication using ceramic precursors, the large shrinkage amount of 3D structures during pyrolysis is a serious limitation to the practical application of the structures; during pyrolysis, asymmetric distortion and shrinkage intrinsically occur. Some isotropic shrinkage methods are proposed to address the shrinkage problem. Additionally, two-photon stereolithography assisted by selective ablation (TPS-ASA) and 2D/3D hybrid process are proposed for effective fabrication. Some micro-fluidic components are proposed as applications of large-area two-photon stereolithography (La-TPS) process, among them, a neo-conceptive 3D micro-mixer with high mixing efficiency is numerically estimated and experimentally validated.
나노 공정 기술은 나노 소자 개발을 위한 핵심기술 중 하나로서 최근 반도체, 바이오, 광통신 등의 고 부가가치 산업의 급격한 성장의 바탕이 되고 있다.
이러한 공정 기술은 대부분 2차원 패터닝 기술에 기반을 두고 있으며, 그 정밀도에 있어 이론적인 한계 수준까지 도달하였다. 기존의 반도체 식각방식을 중심으로 정밀한 마스크를 사용하는 리소그래피 공정기술을 벗어나서 저가로 대량생산 할 수 있는 공정개발, 또한 임의의 극미세 3차원 형상을 제작할 수 있는 공정기술 개발은 최근 나노 공정에 관한 연구의 주된 방향이다. 3차원 제작공정은 고 부가가치의 산업분야에서 고효율/고집적화를 위한 3차원 나노 소자 개발에 응용될 수 있어 그 관심이 높아지고 있다. 광통신 분야에서는 차세대 나노 소자로서 3차원 광결정체, 광 반도체 등에 대한 관심이 높아지고 있으며, 바이오 분야에서는 3차원 바이오칩, 3차원 마이크로 믹서 등 고효율 구조물 제작에 대한 공정개발의 필요성이 급증하고 있다.
이광자 흡수 광조형 공정은 나노급 정밀도로 완전한 입체형상을 제작할 수 있는 공정으로서 선진국을 중심으로 최근 10년간 활발히 연구되고 있다. 하지만, 그 기술 수준은 개발단계에 있으며, 수백 마이크로 미터 이상의 크기를 가지는 마이크로 소자로의 응용을 위해서는 기존의 제작 속도를 개선하기 위한 효과적 제작 방법이 필요하다. 본 연구에서는 수백 마이크로 미터 이상의 크기를 가진 극미세 3차원 형상을 제작하기 위하여 연속적 스캐닝 방법을 이용한 대면적 이광자 흡수 광조형 공정개발에 관한 연구를 수행하였다.
그리고, 이광자 흡수 광조형 공정의 응용성을 확보하기 위하여 다음과 같은 연구를 수행하였다.
- 무기고분자 상태의 세라믹 전구체를 이용한 3차원 세라믹 마이크로 형상 제작에 관한연구
- 고 수축률을 가지는 재료의 정밀 제작을 위한 등방수축 방법 개발
- 식각/고화 복합공정 개발
- 고 기능성 마이크로 유체 소자 및 제작공정 개발
또한, 본 연구에서 개발한 대면적 이광자 흡수 광조형 공정의 응용 예로서 새로운 구조의 3차원 마이크로 믹서 형상을 제안하였으며 고효율 혼합 효과를 검증하였다. 개발된 공정은 이 외에도 다양한 극미세 3차원 소자의 개발 및 응용에 필요한 기반 공정으로서 활용 될 것으로 사료된다.
