단일노출 홀로그래픽 리소그래피로 구현하는 초고종횡비 마이크로구조

초록

역설계된 체적 위상 마스크를 이용해 405 nm 레이저를 단일 노출(≈20 s)로 전송함으로써, 최소 6 µm 선폭, 120:1 이상의 종횡비를 갖는 3D 구조를 800 × 800 × 720 µm³ 부피에 고속으로 제작한다. 캡illar 흐름 및 나노인덴트 기반 기계 시험을 통해 유체 전송 특성과 Young’s modulus 5.7 GPa를 확인하였다.

상세 분석

본 논문은 기존 2‑Photon 폴리머화(2PP)와 컴퓨티드 액시얼 리소그래피(CAL) 등 볼륨형 제조 기법이 갖는 해상도·속도 한계를 극복하기 위해 ‘역설계(인버스 디자인)’된 체적 위상 마스크를 도입한 단일노출 볼륨 리소그래피 방식을 제시한다. 위상 마스크는 텐서플로우 기반의 전방 파동 전파 모델(앵글러 스펙트럼 방식)을 이용해 목표 3D 강도 분포를 여러 축면에 동시에 만족하도록 최적화되며, 2 µm 피치의 1000 × 1000 픽셀 배열로 구현된다. 그레이스케일 광리소그래피를 통해 실제 마스크를 제작하고, 공정 전 단계에서 콘포칼 프로파일링으로 위상 정확성을 검증하였다.

광학 실험에서는 405 nm 콜리메이트 레이저를 마스크에 입사시켜 20 mm 공기 간격을 거쳐 SU‑8(굴절률 1.613) 레진 내부에 연장된 깊이의 고대비 이미지가 재구성되는 것을 확인했으며, PSNR이 20 mm 전 구간에 걸쳐 30 dB 이상 유지되는 것을 보고하였다. 이와 같은 ‘연장된 깊이‑오브‑필드(EDOF)’ 특성은 전통적인 이진 마스크가 40 µm를 초과하면 급격히 대비가 감소하는 것과 대조적이다.

공정 파라미터는 SU‑8을 720 µm 두께로 스핀코팅하고, 12–32 s 사이의 노출 시간(주로 20 s)으로 조절한다. 노출 후 65 °C·5 min, 110 °C·120 min의 포스트 베이킹을 통해 전체 부피에 균일한 교차결합을 유도하고, PGMEA 현상으로 미경화 잔여물을 제거한다. 결과적으로 6 µm 벽 두께, 120:1 이상의 종횡비를 갖는 헥사격자(HCP), 카르테시안 격자, Penrose 타일링, ‘hat’ 단일 타일 등 복합 3D 형상이 단일 노출만으로 구현된다.

기계적 특성 평가는 인‑시투 나노인덴트 기반 압축 시험을 통해 수행했으며, HCP 격자는 초기 선형 탄성 구간에서 유효 Young’s modulus 5.7 GPa를 보였다. 이후 벽 붕괴와 압축 밀실 현상이 순차적으로 나타나, 전형적인 셀룰러 구조의 버크링·다시밀도화 메커니즘과 일치한다. 유체 전송 실험에서는 중공 격자 내부의 모세관 흐름을 분석해 유효 모세관 전송 계수 176.3 µm·ms⁻¹⁄²를 도출, 마이크로플루이딕스 및 열교환 응용 가능성을 시사한다.

또한 마스크와 기판을 각각 2축·3축 모터 스테이지에 장착해 자동화된 연속 패턴팅이 가능함을 입증하였다. 동일 마스크를 고정하고 기판을 이동시키는 방식으로 3개의 20 s 노출을 연속 수행해 2400 × 800 × 720 µm³ 규모의 타일형 격자를 68 s에 제작했으며, 다중 마스크·기울기 노출을 조합하면 ‘준‑3D’ 복합 형상도 구현할 수 있다.

핵심 혁신은 (1) 전역적인 광장면 제어를 위한 역설계 위상 마스크, (2) 고해상도·고대비를 유지하면서 수백 마이크론 깊이까지 광량을 균일하게 전달하는 EDOF 설계, (3) 20 s 수준의 초고속 단일노출 공정으로 대용량·고종횡비 마이크로구조를 실현한다는 점이다. 이 접근법은 기존 2PP의 수천 배~수만 배 빠른 처리 속도와, 기존 볼륨 제조가 제공하지 못했던 6 µm 이하의 미세 선폭을 동시에 달성함으로써, 마이크로‑옵틱스, MEMS, 마이크로플루이딕스, 그리고 고강도 경량 구조물 등 다양한 분야에 새로운 제조 패러다임을 제공한다.