55 연구논문 폴리머마이크로장치에대한레이저투과마이크로접합 김주한 * 신기훈 * * 서울산업대학교기계공학과 Analysis of Transmission Infrared Laser Bonding for Polymer Micro Devices Joo-Han Kim* and Ki-Hoon Shin* *Dept. of Mechanical Engineering, Seoul National University of Technology, Seoul 139-743, Korea Abstract A precise bonding technique, transmission laser bonding using energy transfer, for polymer micro devices is presented. The irradiated IR laser beam passes through the transparent part and absorbed on the opaque part. The absorbed energy is converted into heat and bonding takes place. In order to optimize the bonding quality, the temperature profile on the interface must be obtained. Using optical measurements of the both plates, the absorbed energy can be calculated. At the wavelength of 1100 nm, 87.5% of incident laser energy was used for bonding process from the calculation. A heat transfer model was applied for obtaining the transient temperature profile. It was found that with the power of 9.5 mw, the interface begins to melt and bond each other in 3 sec and it is in a good agreement with experiment results. The transmission IR laser bonding has a potential in the local precise bonding in MEMS or Lab-on-a-chip applications. * Corresponding author : joohankim@snut.ac.kr (Received July 4, 005) Key Words : Laser, Bonding, Micro, Transmission, Polymer 1. 서론 폴리머마이크로장치는화학분석또는 DNA 감지및분리와같은생명공학과관련된응용분야에서많이이용되고있다. DNA 분석에특화된마이크로장치는모세관전기영동법 (micro-capillary electrophoresis) 을위한마이크로채널을포함하고있다 (Fig. 1) 1). 이러한구조는크로마토그래피 (chromatography) 와같이미세채널내에서충진된물질과분리하고자하는물질 (DNA) 을동시에넣어확산이일어나게하고그확산차에의해물질감지와분리를가능하게한다. 생명공학에쓰이는마이크로장치의제작에있어서는실리콘이그주된재료로이용되어발전되어왔는데 ) 그이유는기존의광- 리소그래피 (Photo-Lithography) 를이용하여미세패턴을쉽게만들수있고대량생산에용이하다는점때문이다. 근래에들어실리콘에비해 더값싸고쉽게미세패턴을만들수있는대체재료의필요성이경제적관점에서제기되어왔다. 폴리머는이러한미세패턴가공에쓰일수있는대체재료로뛰어난성질을가지고있어실리콘을기반으로한마이크로시스템을대체하는데있어서가장적절한재료로여겨진다. 이에근래에많은폴리머마이크로시스템에대한연구가수행되어왔는데 3) 폴리머는실리콘보다 10 배이상경제적이며실리콘이갖지못하는다양한성질을갖는등의장점을가지고있다. 대표적으로폴리이미드 (polyimide) 또는아크릴 (acryl) 같은폴리머의광학적투명성은마이크로장치와같은미세유체장치에있어서그시스템내부에대한정보를광학적으로직접얻을수있다는점이큰장점으로여겨진다. 폴리머마이크로장치를만들기위해서는폴리머플레이트에미세구조를위한가공공정이필요하고패키징과정을통해특별한기능을가진시스템으로이용될수있다. 이러한공정중패키징과정에중요한세부 大韓熔接學會誌第 3 卷第 5 號, 005 年 10 月 463 Copyright (C) 005 NuriMedia Co., Ltd.
56 김주한 신기훈 Fig. 1 A polymer micro device: cross-shape channel and reservoirs as a micro-capillary device for DNA analysis 공정이마이크로접합공정이다. 실리콘을재료로하는마이크로시스템과는다른재료를이용하고있기에그접합공정도이에맞게개발될필요가있다. 폴리머접합은크게두가지로그종류를분류할수있는데첫번째로는접합물질을이용하는방법이고두번째의방법은접합면에에너지를가하여소성열변형을일으켜이에따른접촉면의분자간의결합에의해접합을발생시키는방법이다. 첫번째방법의대표적인예로는에폭시 (epoxy) 또는자외선접합제 (UV curing adhesive) 를이용하는방법이다. 이방법의장점으로는쉽게접합제를표면에도포할수있으며그접합력이매우강하다는점이다. 하지만높은광학적투과성을요구하는일부마이크로시스템에서는굴절율이그접합층에서달라질수가있고또한그접합물질이미세가공구조에스며들어그시스템자체를불량으로만들수있는단점이있다. 덧붙여접합제에서발생할수있는기포등은시스템의불균질성을만들어낼수있기에그공정의조작에있어서세밀한주의가필요하다. 두번째공정방법의예로는접합면에열이나초음파등의에너지를가하여접합을하는공정이있다. 이는접촉면에서의분자간의결합을유도해냄으로써접합이되었을때그결합면이직접적으로접합되는장점을가지고있어서실제높은에너지를이용한매크로스케일 (macroscale) 의접합에있어서광범위하게쓰이고있다. 마이크로시스템이나미세유체장치의접합에경우접합면의미세패턴이그에너지로인해쉽게변형될수있어그접합에너지를세밀하게제어해주어야하는공정상의특징을갖고있다. 또한한가지기능만을담당하는마이크로장치나이러한장치들이복합적으로연결된랩온어칩 (Lab-on-a-chip) 같은경우 (Fig. ) 전체적인접합뿐만아니라미세부분의선택적접합도필요하다 4,5). 실제적으로전체접합에경우미세형상의위치에따라접합이성공적으로되지않는부분도생기며 1. a plastic housing layer with four inlet ports and four outlet ports,. a polymer cover layer with micro-valves, 3. a micro-channel layer, 4. a micro-reaction chamber layer, 5. a diffuser micro-pump layer, 6. a micro-mixing channel layer, 7. a glass or plastic substrate. Fig. Schematic design of a Lap-on-a-chip 이러한것을복구하기위해서는새로운미세국소접합공정이고려돼야한다. 레이저투과접합은광투과성이높은폴리머와불투명한폴리머를레이저를이용해접합하는공정이다. 공정의기본원리는 Fig. 3에나타나있다. 접합이되는두개의시험편은광학적으로투명한폴리머와불투명한폴리머로구성되어있다. 광학적으로투명한파트쪽으로레이저가조사되면부분적으로투명한파트를거쳐일부는반사흡수되지만조사된대부분의에너지가불투명한파트에흡수된다. 이때국부적으로그접촉면에열이발생하게되고이를통하여두파트가접합된다. 레이저투과접합은원래미세부품이아닌수 mm의크기를가진플라스틱의접합을목적으로개발되었다 6,7). 그공정방법에있어서는 CO 레이저, Nd: Fig. 3 Schematic diagram of transmission laser bonding 344 Journal of KWS, Vol. 3, No. 5, October, 005 Copyright (C) 005 NuriMedia Co., Ltd.
폴리머마이크로장치에대한레이저투과마이크로접합 57 Yag 레이저, 다이오드레이저등과같이다양한레이저를이용하여접합면에서수 mm 에서수십 mm의레이저빔의크기를가지고접합속도를최적화하는방향으로연구되어왔다 8-14). 또한이와더불어레이저출력에있어서도수십 W에서부터수 kw까지비교적높은출력원을이용한다 10,15,16). 레이저투과접합은그에너지소스를집속된레이저빔으로하기때문에이를마이크로공정에응용한다면접합을위한에너지를세밀하게조종할수있고이를통해미세국소접합을가능하게한다. 일반적인접합과는달리마이크로사이즈에서의접합은그접합면에서레이저빔의크기가마이크로정도의크기이고세밀한접합을필요로하기때문에정확한접합에너지의예측및측정이필요하다. 지금까지연구에서는두개의다른광학적특정을지닌폴리머에있어서정확한접합에너지를투과율과반사율에기반하여예측하지않고대략의투과율값만을 ( 약 80%) 이론적계산과그공정조건을위해사용해왔다 10,1,14,17). 이는일반적인폴리머접합일때는그것이중요한공정변수가아닐수있으나실제폴리머마이크로장치에쓰일수있는미세접합일경우접합부의크기를세밀하게조절하기위해접합면에서의레이저빔에의한에너지를정확히예측할필요가있다. 본연구에서는기존의레이저투과접합의원리를응용하여미세한국소접합에이용될수있도록레이저투과마이크로접합에관한연구를수행한다. 미세접합에필요한레이저빔의에너지를예측하기위해광학적모델로부터그접합면에흡수되는레이저빔의양을정확히계산하고최적의공정조건을산출하며실험을통해예측된공정조건을검증한다.. 접합면부분의모델링 본공정으로접합된두폴리머의접합품질은접합된부분의강도, 접합부분의광학적성질, 접합면에서의기포등의존재유무등과같은것으로측정될수있고이는두폴리머의접촉면에레이저가조사되었을때접합부분의시간에따른온도변화와밀접한관계가있다. 예를들어너무낮은레이저에너지를이용해접합을시도하였을경우실제로접합이발생되지않거나너무높은레이저에너지를이용하는경우접합은되어지나두면에서의미세형상들의변형또는기포가발생되어질수있다. 그러므로레이저가조사된면에서의시간에따른온도변화가필요하며이는열전도모델과경계조건을통해해석되어질수있다. 두접합면이어떤공기층없이완전한접촉을하고있다고가정한다면 온도변화는다음과같은전도방정식으로나타낼수있다 18). ρ c p T = t T k x x 여기서, T는온도, t는시간, ρ는밀도, C p 는비열, k 는열전도계수를나타낸다. 레이저빔이조사되는면에서의초기조건과경계조건은다음과같이나타난다. T1 T k1 = k + q, at x = 0 x x (1) (a) T 1 = T, at x = 0 (b) T = T, at x = d 1 0 (c) T = T, at x = d 0 (d) 여기서 q 는레이저빔이그면에흡수될때발생하는단위면적당에너지파워이고, T 1 과 T 는두개의폴리머의온도를나타내며, T 0 는주위온도그리고 d는각폴리머층의두께를나타낸다. 본방정식을풀기위해서는에너지빔이조사되었을때어느정도의에너지가투과되어접합면에도달하는가를알아야한다. 즉흡수된면에서의단위면적당파워는다음과같이나타낼수있다. q'' = I T (3) 여기서 I는접합면에흡수되기전의레이저에너지, T 는본시스템의투과도를나타낸다. 여기서 T는직접투과되어접합면에흡수되는부분과투명한폴리머내부에서반사되어다시흡수되는부분의합으로구해진다. 실제적으로흡수되는레이저의양을접합면에서직접측정하기는불가능하므로어느정도의레이저빔이투과및내부적반사되어접촉면에다시흡수되는가를이론적으로유추하여야한다. 내부적으로반사되는부분은투명한플레이트안에서계속적으로반사되어모든에너지가불투명한면에흡수되거나투명한면을통해공기중으로완전히반사될때까지계속되어진다. 그러므로 q 를계산하기위한에너지의투과도는다음과같이계산되어진다 19). (1 R )(1 R ) τ T = 1 1 R1R τ (4) 大韓熔接學會誌第 3 卷第 5 號, 005 年 10 月 465 Copyright (C) 005 NuriMedia Co., Ltd.
58 김주한 신기훈 여기서, R 1,R, 와 τ는각각첫번째면 ( 공기와투명한플레이트사이 ) 과두번째면 ( 투명한플레이트와불투명한플레이트사이 ) 에서의반사도, 그리고투명한부분의투과상수를나타낸다. 반사되는특성은반드시반사가발생하는면에서결정되어야하고이는프레넬의식 (Fresnel s equation) 으로계산될수있다 19). ( n R = ( n 1 1 n) + n ) + k + k 여기서 n 1, n, k 는각각입사면과투사면에서의복소수굴절율의실수부분이고, k 는투사면에서의허수부분이다. 광학적으로투명한플레이트의 k 1 의값은매우작으므로본식에서는생략되어질수있다. 실제레이저공정에있어서레이저빔의조사는접합할플레이트에수직방향에서이루어진다. 그러므로각각의면에서반사율은입사각이 90 인경우가일반적으로필요하다. 하지만이값을구하기위해수직방향에센서를위치시킬경우그센서자체가레이저빔의조사를방해함으로직접적인반사율의측정이어렵다. 이를해결하기위해입사각을변형시켜가며얻은수치를통해수직방향의반사율을유추하는방법을이용할수있다. Fig. 4는수직방향의반사율을구하기위해두개의폴리머플레이트에관한반사도를그입사각에대해구한실험결과이다. 투명한플레이트의 k의값을결정하기위해투과율실험을통해투과율의값 ( 투명한폴리머의파장에따른레이저빔의투과정도 ) 을구하고다음의식에대입하여 k를계산한다. 레이저의파장 (λ) 보다큰값을가지는두께 (d) 의광학적으로평평한플레이트에있어서 (d >>λ) 투명한폴리머의파장에따른흡수도는입사된에너지와투과된에너지의비로써결정되어진다. 투과상수 (τ, transmission coefficient) 는다음과같이계 (5) 산되어진다 19). τ κd 4πKd ( ) ( ) = e cosθ = e λ cosθ (6) 여기서, κ는흡수상수, λ는레이저파장, k는복소수굴절율의허수부분, 그리고 d/cosθ 는빛이플레이트를투과해서나아가는거리를나타낸다. 식 (5) 와 (6) 을통하여투명한폴리머플레이트와불투명한폴리머플레이트의복소수굴절율을구할수있으며계산되어진값은각각 1.45 i 1.51 10-6 과 1.45 i 1.88 10-1 으로얻어졌다. 이를통해두개의플레이트가접촉하여있을때의반사도를식 (5) 를통해구할수있으며, 구해진값은실제시스템에서에너지가흡수될때필요한부분즉투과도를결정하는데쓰일수있다. 이를통해두께약 3 mm의투명한폴리머플레이트와이와접촉하고있는불투명한폴리머플레이트면에전달되는에너지의비는 87.5% 라는것이계산된수치를통해얻어졌다. 이결과는식 (1) 의해를구하는데쓰일수있으며구해진시간에따른온도의변화가 Fig. 5와같이얻어진다. 여기서 x는레이저빔이조사된면으로부터두께방향으로의거리이다. 그림에나타난온도의변화중 105 이상의해는온도의상승에서오는상태의변화 ( 고체에서액체 ) 에따르는광학물성치에변화를고려하지않았으므로실제적으로그의미를가지고있지않다. 3. 실험을통한검증 본공정의실험장치는 Fig. 6과같이레이저, 원형마스크, 그리고렌즈등의조합으로구성되어있다. 레이저발진기자체에서나오는빔은그모드가가우시안 Fig. 4 Reflectivity Vs. incident angle Fig. 5 Temperature profile on the opaque side at a laser power intensity of 0.4 W/mm (x: the depth of the plate from the irradiated surface) 466 Journal of KWS, Vol. 3, No. 5, October, 005 Copyright (C) 005 NuriMedia Co., Ltd.
폴리머마이크로장치에대한레이저투과마이크로접합 59 (a) (b) Fig. 6 Experimental setup (Gaussian mode) 로되어있고그직경이약 0mm 정도이다. 정밀한접합을위해접합면에서마이크로사이즈의빔크기가필요하고그기본직경을줄이기위해직경 mm의원형마스크가사용되었다. 이러한마스크를사용하는경우마스크를통과한빔의에너지밀도는원심방향으로비교적작은정도의변화만가지게되므로그모드를가우시안모드 (Gaussian mode) 로부터플랩탑모드 (Flat-top mode) 로근사화가가능하다. 레이저소스로는 9W의화이버적외선레이저 (SDL FL10, λ=1100nm) 가사용되었으며 00mm의촛점거리를가진렌즈 (Edmund, DCX lens) 가레이저빔의에너지밀도를높이기위해사용되었다. 접합에쓰인폴리머는아크릴 (Goodfellow, ME303031) 을사용하였다. 아크릴에대한물성치는 Table 1에서정리되어있고자세한공정조건은 Table 에나타나있다. Fig. 7 은 3, 9, 30, 60 초간의레이저조사에의해 Table 1 Properties of acryl Density 949 kg/m 3 Reflective index ~ 1.4 Viscosity 6.6 10 m /s Specific heat.0 kj/kg Thermal conductivity 0.1488 W/m Softening temperature 105 Table Parameters for laser bonding Power 9.5 mw Power intensity 0.4 W/mm Raw beam diameter 0 mm Aperture diameter up to mm Spatial mode for the raw beam Gaussian Focused laser beam diameter 0.6 mm Exposure time 1 60 s Focal length of the lens 00 mm Target position from the lens 40 mm 접합된시험편이다. 기본적으로 3 초에서높은품질의 (c) (d) Fig. 7 Photographs of the bonded samples with transmission laser bonding. Laser irradiati on time: (a) 3 sec, (b) 9 sec, (c) 30 sec, and (d) 60 sec 접합이얻어졌음을광학현미경의통해확인할수있다. 10초이상의접합에서는레이저에너지가과다하여접합면에변형이생겨있음을또한확인할수있다. 조사된레이저빔의직경이접합부에서약 600μm인것으로미루어볼때가장이상적인접합은약 3초이전에발생하는것으로여겨진다. 실제로 Fig. 5의결과는깊이방향의 1차원정보만을예측하고있기때문에예상된접합부의크기와실제접합된 차원접합부는그크기가다르게얻어질수있다. Fig 7에서보여지듯실제 3초간의레이저빔조사에따른접합부의크기는예상보다약 0% 정도크게측정되었으며이는깊이방향과동시에접합면방향으로도열전달에의해접합이동시에진행됨을알수있다. 아크릴의소성변형온도가 105 임을감안할때 Fig. 5에서계산된접합표면 (x=0) 의온도는약 100 정도로그접합이일어날때의온도가소성변형의온도와근접해있다. 결론적으로적절한접합부를얻기위해서는소성변형이일어나는온도로레이저에너지를정확히조절해야하고접합부의크기는레이저빔의초점크기, 노출시간, 에너지밀도등에의해결정이되어짐을유추할수있다. 4. 결론 본연구에서는폴리머마이크로장치의제작공정에쓰일수있는레이저투과마이크로접합공정을소개하였고본공정은다른접합물질없이국소적인미세접합을해낼수있는특성이있다. 공정에필요한조건들은접합면에서의과도한변형또는손상을막기위하 大韓熔接學會誌第 3 卷第 5 號, 005 年 10 月 467 Copyright (C) 005 NuriMedia Co., Ltd.
60 김주한 신기훈 여정밀하게조절되어야한다. 접합면뿐만아니라접합이이루어지는면의깊이는 3차원으로확장된이론과이에따른수치적해석이필요하나이에따른기본데이터는본해석에쓰인것을이용할수있다. 본연구에서는투명한폴리머와불투명한폴리머의레이저접합을그연구의대상으로하였으나두개의투명한폴리머플레이트에얇은레이저흡수층을삽입한다면미세형상들이있는투명한폴리머플레이트를본공정을통해접합할수있다. 본연구를통해얻어진결론을요약하면다음과같다. 1) 레이저투과접합에서파생된레이저투과마이크로접합은미세구조를가진폴리머를선택적으로또한정밀히접합하는데쓰일수있다. ) 레이저관련각종공정변수를조절함으로써접합의품질을결정할수있고고품질의미세접합부를얻을수있다. 3) 최적화된공정조건을얻기위해서는접합부위에대해정확한에너지와온도의조절이필요하며이는광학및열전달이론을통해구해질수있다. 참고문헌 1. G. Lee et al.: Sensors and Actuators B, 75 (001), 14-148. M. Talary et al.: The International Society for Optical Engineering (SPIE), 3680, 1999, 57 580 67 87 4. J. M. Ruano-Lopez et al.: Sensors and actuators B, 005, in press 5. T. Fujii: Microelectronic engineering, 61-6 (00), 907-914 6. H. Potente et al.: Journal of reinforced plastics and composites, 18 (1999), 914 90 7. R. Grimm: Advanced materials and processes, 3 (1995), 7-30 8. R. Grimm: Medical devices and diagnostic Industry, May (001), 13-139 9. H. Haferkamp et al.: Lasers and Electro-optics Europe 003 (CLEO/Europe 003), June 003, 566 10. J. M. P. Coelho et al.: Optical engineering, 4 (003), 65-3373 11. V. A. Kagan: Journal of reinforced plastics and composites, 3 (004), 95-107 1. T. Hoult: Materials world, April (1999), 08-10 13. T. Ebert: Kunststoffe plast europe, 89 (1999), 58-60 14. S. D. Rostami et al.: British plastics and rubber, 5 (005), 4-6 15. B. G. Bryden: The industrial robot, 31 (004), 30-33 16. F. Becker and H. Pontente: Polymer engineering and science, 4 (00), 365-374 17. K. Sato and Y. Kurosaki: Proceedings of International Mechanical Engineering Congress and Exposition (IMECE 01), 001, 1-6 18. F. P. Incropera and D. P. DeWitt: Fundamentals of heat and mass transfer (4th Edition), John Wiley & Sons, 1996 19. F. L. Pedrotti and L. S. Pedrotti: Introduction to optics (nd Edition), Prentice-Hall Inc., 1987 3. H. Becker and L. E. Locascio: Talanta, 56 (00), 468 Journal of KWS, Vol. 3, No. 5, October, 005 Copyright (C) 005 NuriMedia Co., Ltd.