High-Repetition-Rate Projection Multiphoton Lithography for Large-Area Sub-Micron 3D Printing

기술 요약: 대면적 서브 마이크론 3D 프린팅을 위한 고반복률 투영 다광자 리소그래피

문제 정의
고해력 첨가 제조, 특히 직접 레이저 기록(Direct Laser Writing, DLW)을 통한 다광자 중합(Multiphoton Polymerization, MPL)은 마이크로 광학계 및 메타물질을 포함한 서브 마이크론 3D 구조를 제작하는 데 있어 최고의 기술이다. 그러나 표준적인 점 단위(point-by-point) 방식의 MPL는 근본적으로 낮은 체적 처리량에 의해 제한되므로, 대면적 또는 산업적 규모의 제조에는 부적합하다. 디지털 미러 장치(Digital Micromirror Device, DMD)를 사용하는 투영 리소그래피가 병렬 제조를 위한 경로를 제공할 수 있지만, 이러한 시스템을 서브 마이크론 영역으로 확장하는 것은 상당한 광학적 및 열적 과제를 수반한다. 구체적으로, 스캐닝 없이 축 방향 구속(axial confinement)을 유지하는 것은 표준 홀로그래픽 빔의 연장된 초점 부피 때문에 어렵다. 또한, 처리량을 높이기 위해 레이저 반복률을 높이면 "핫스팟(hot spots)", 통제되지 않은 벌크 중합, 그리고 DMD 마이크로 미러의 손상을 유발하는 열적 불안정성이 발생하기 쉽다. 또한, 펨토초 레이서의 전형적인 가우시안 강도 프로파일은 불균일한 에너지 분포를 초래하여 일관된 치수 정확도를 가진 대규모 어레이 제작을 방해한다.

방법론
저자들은 시공간적 빔 셰이핑(spatiotemporal beam shaping)과 고반복률 레이저 소스를 결합한 고처리량 투영 3D 프린팅 플랫폼을 제시한다. 시스템 아키텍처는 세 가지 주요 영역으로 구성된다:

1. 광원 및 펄스 압축: 시스템은 1030 nm에서 작동하며 최대 20 MHz까지 조절 가능한 반복률을 가진 컴팩트하고 고출력인 펨토초 파이버 레이저(Aeropulse FS10)를 사용한다. 본 연구에서 레이저는 500 kHz로 작동한다. 커스텀 펄스 압축기(MIKS1S)는 공간적 처프(spatial chirp)를 도입하여 펄스를 공간적으로 늘린 후, 이를 시간적으로 압축한다. 제2고조파 발생(Second Harmonic Generation, SHG)을 통해 515 nm로 변환된 후, 펄스 지속 시간은 초기 180 fs에서 100 fs 미만으로 단축된다. 이러한 시간적 압축은 두 광자 들뜸 효율을 극대화하면서, DMD 손상을 피하기 위해 평균 출력을 수백만 개의 펄스에 분산시키는 데 결정적이다.
2. 빔 셰이핑 및 투영: 투영 필드 전체에 걸쳐 균일한 강도를 보장하기 위해, $\pi$-셰이퍼가 가우시안 빔을 탑햇(top-hat) 프로파일로 변환하며, 이를 15 mm까지 확장하여 DMD 활성 영역을 약간 초과하도록 한다. DMD(DLP6500)는 프로그래밍 가능한 회절 광학 소자 역할을 한다. 시스템은 DMD의 마이크로미러 기울기 축이 입사 평면에 수직이 되도록 정렬되어, 기본 차수(fundamental order)로의 회절 효율을 극대화하는 블레이즈드 격자(blazed grating) 조건을 충족한다.
3. 동시 시공간 집중(Simultaneous Spatiotemporal Focusing, SSTF): 시스템은 DMD에 의해 도입된 각분산(angular dispersion)을 활용한다. 4f 광학 릴레이 시스템은 고수치 구경 대물렌즈(NA 1.4)를 사용하여 초점 평면에서 스펙트럼 분산된 성분들을 재결합한다. 이는 초점에서만 펄스가 최소 지속 시간(< 60 fs) 및 피크 강도에 도달하는 등시적 중첩(isochronous superposition)을 결과한다. 초점 부피 외부에서 펄스는 시간적으로 늘어난 상태를 유지하여, 초점 외 중합을 억제하고 축 방향 구속을 보장한다.
4. 재료 최적화: 저자들은 500 kHz에서 광개시제의 열적 안정성에 미치는 영향을 조사하였다. 4,4'-bis(diethylamino)benzophenone (BIS)와 Irgacure 369를 SZ2080 하이브리드 레진 내에서 비교하였다. BIS는 515 nm에서의 잔류 선형 흡수로 인해 열적 블루밍(thermal blooming)과 용매 증발을 일으키는 것으로 나타났다. 반면, 녹색 스펙트럼에서 흡수가 거의 없는 Irgacure 369는 비선형 두 광자 흡수에 의해서만 구동되는 열적으로 안정적인 공정을 가능하게 했다.

주요 결과

• 해상도 및 처리량: 시스템은 < 400 nm의 횡방향 해상도(최소 특징 크기 352 nm)를 유지하면서 2.3 $\times$ 10$^6$ voxels/s의 안정적인 체적 처리량을 달성했다.
• 마이크로필라 어레이: 높은 종횡비의 마이크로필라 어레이가 균일한 단면과 높은 수직성을 가지고 제작되었으며, 이는 표준 투영 빔에서 나타나는 축 방향 연장을 억제하는 시스템의 능력을 확인시켜 준다.
• 대면적 제작: 고정밀 선형 스테이지를 이용한 스티칭(stitching) 공정을 사용하여, 저자들은 거시적 영역(예: 1.2 cm $\times$ 1.2 cm 영역을 2분 만에 패턴화)에 걸쳐 심리스(seamless)한 우드파일 격자(woodpile lattices)와 균일한 마이크로필라 어레이를 제작하였다.
• 그레이스케일 리소그래피: 플랫폼은 헤미스페리컬 마이크로렌즈(직경 10–33 $\mu$m)와 같은 아날로그 마이크로 광학 소제를 성공적으로 제작하였다. 노출 시간을 조절함으로써 곡률과 사프 높이(sag height)를 제어하였으며, 점 스캐닝 시스템에서 흔히 발생하는 "해칭 아티팩트(hatching artifacts)"가 없는 광학 등급의 매끄러움을 달로성했다.
• 열적 안정성: Irgacure 369의 사용과 500 kHz 반복률은 열적 크로스토크와 근접 효과를 성공적으로 제거하여, 통제되지 않은 벌크 중합 없이도 조밀한 구조를 제작할 수 있게 하였다.

의의 및 주장
본 논문은 표준 점 스캐닝 방식의 두 광자 중합(TPP)과 복잡하고 고성능인 투영 시스템 사이의 간극을 메운다고 주장한다. 값비싸고 부피가 큰 재생 증폭기 대신 컴팩트하고 비용 효율적인 파이버 레이저를 활용함으로써, 이 시스템은 대량 생산을 위한 확장 가능한 경로를 제공한다. 시공간 펄스 셰이핑의 통합은 서브 마이크론 해상도와 열적 안정성을 유지하면서 수백만 개의 복셀을 동시에 인쇄할 수 있게 한다. 저자들은 이 워크플로우가 고출력 증폭 레이저 소스 없이도 기능적 미세 구조(마이크로 광학 부품 및 메타표면 포함)의 제조를 위한 견고한 토대를 구축한다고 주장한다. 본 연구는 시공간 펄스 프로파일과 광개시제 화학의 최적화를 통해 고속 체적 제조가 가능하다는 것을 입증한다.