In part one, we demonstrate the use of (4+1)-beam holographic interference lithography technique to fabricate woodpile structures in negative photoresists by using single refracting fused silica prism. Top-cut pyramid prism substitutes complicated optical setups for splitting the laser output into multiple beams, and then superposing them at the exposure area, making it easily accessible experimentally. The fabricated woodpile structures are in good agreement with model simulations, and variable optical reflectance spectra can be obtained by controlling laser exposure intensity and photoacids generator concentration. Furthermore, woodpiles with the diamond-like symmetry are also obtained by exploiting the shrinkage of the photoresists, and photonic bandgaps in the visible range are observed with high reflection intensity.
In second part, a method to fabricate micron-scale photonic crystal arrays and freestanding particles with internal woodpile structures is described. Hot-embossing process using elastomeric molds defines a disk-like shape of microarrays and particles, and prism holographic interference lithography induces internal woodpile structures as an information identifier consisting of different reflectance peak position. Freestanding microparticles with internal nanostructures are released from microarrays on a plate by dissolution of a sacrificial layer. Also fluorescence enhancement with fluorescent dye is examined, and immobilization of biomolecules via chemical surface modification of the particles is demonstrated.
홀로그래피 식각공정은 마스크를 사용하지 않고도 넓은 부분에 걸쳐 빠르게 내부에 결함이 없는 광결정을 제조하는 간단하고 경제적인 방법 중에 하나이다. 둘 이상의 간섭성 레이저를 이용하여 광학적 간섭 무늬를 단 한 번의 노광으로 다차원의 광결정 구조를 만들 수 있다. 강도, 편광, 상을 포함하는 빛의 성질을 조절하여, 전자기 파동 특성에 근거한 간섭무늬를 쉽게 조작할 수 있다. 하지만 흔히 이용되는 홀로그래피 식각공정에는 정교한 레이저 빔의 정렬을 필요로 하는 복잡한 광학 장치가 필요한 단점이 있지만 본 논문에서는 이를 대신하는 하나로 제작된 굴절 프리즘을 사용하여 광학계를 단순화 하였다.
본 논문에서는 5개의 다중 빔 간섭을 이용한 프리즘 홀로그래피 식각 공정을 통하여 우드파일 적층 구조를 갖는 광결정과 마이크로 미터 스케일의 광결정 배열 및 입자의 제조를 보여주었다. 레이저의 노광 강도를 조절하여 광밴드갭을 조절할 수 있는데, 이는 구조의 부피 수축과 내부 구조의 격자간 간격의 비율 변화에 기인하여, 882nm에서 1045nm 사이의 근적외선 파장 영역의 광밴드갭을 나타내었다. 또한 포토레지스트 내 PAG의 비율을 조절한 구조의 부피수축을 최대화 하여 유사한 다이아몬드 격자 구조를 갖는 우드파일 구조를 제작하였으며, 약 70%의 반사율을 갖는 735nm의 가시광선 파장 영역의 광밴드갭을 나타내었다.
핫엠보싱 기법과 프리즘 홀로그래피 식각공정을 병행하여 우드파일 내부구조를 갖는 마이크로미터 스케일의 광결정 배열 및 입자를 제조하였다. 몰딩법을 이용하여 만들어진 PDMS 탄성중합체를 이용한 핫엠보싱 기법으로 결정된 디스크 모양의 광경화성 고분자 배열에 프리즘 홀로그래피 식각공정을 도입하여 입자 내부에 우드파일 구조의 광밴드갭으로부터 기인된 특정 파장의 피크를 인코딩 정보로 사용하는 부유 상태의 입자를 제조 할 수 있었다. 이러한 입자들은 핫엠보싱 전에 기판과 포토레지스트 사이에 스핀코팅된 sacrificial층을 현상액에 녹여내어 분리할 수 있었다. 홀로그래피 식각공정으로 제조된 배열 및 입자들은 다공성 구조의 특성으로 인하여 형광염료로 염색 시 같은 크기와 모양을 갖지만 내부구조를 갖지 않는 간단한 입자들 보다 약 10배의 형광 세기가 측정 되었다. 또한 만들어진 입자들의 화학적 표면 처리를 통하여 아미노그룹을 표면에 생성하였으며, 단백질을 아민이 생성된 입자 표면에 부착하고, 상보적 단백질 이뮤노어세이를 통하여 생물의학적 연구 응용의 가능성을 확인하였다.
