본 연구에서는 3차원 회전체 구조물을 제조하기 위해 회전노광장치를 설계하여 제작하고 마이크로렌즈 제작용 X-선 마스크와 PMMA 기판을 정밀하게 회전시켜 노광함으로써 3차원의 마이크로렌즈를 제작하였다. 제작된 마이크로렌즈의 크기는 직경이 $50{\sim}700{\mu}m$이었고, 또한 이러한 방법으로 원통형 렌즈, 계란형 렌즈 등을 제작함으로써 X-선 사진식각공정으로 정밀도가 높은 다양한 3차원의 회전체 구조물을 제조하는 방법을 제시하였다.
이미지 분석을 통한 재료의 상 구분은 재료의 미세구조 분석을 위해 필수적이다. 이미지 분석에 주로 사용되는 마이크로-CT 이미지는 대체로 재료를 구성하고 있는 상에 따라 회색조 값이 다르게 나타나므로 이미지의 회색조 값 비교를 통해 상을 구분한다. 순환골재의 고체상은 수화된 시멘트풀과 천연골재로 구분되는데, 시멘트풀과 천연골재는 CT이미지 상에서 유사한 회색조 분포를 보여 상을 구분하기 어렵다. 본 연구에서는 Unet-VGG16 네트워크를 활용하여 순환골재 CT 이미지로부터 천연골재를 분할하는 자동화 방법을 제안하였다. 딥러닝 네트워크를 활용하여 2차원 순환골재 CT 이미지로부터 천연골재 영역을 분할하는 방법과 이를 3차원으로 적층하여 3차원 천연골재 이미지를 얻는 방법을 제시하였다. 선별된 3차원 천연골재 이미지에서 각각의 골재 입자를 분할하기 위해 이미지 필터링을 사용하였다. 골재 영역 분할 성능을 정확도, 정밀도, 재현율 F1 스코어를 통해 검증하였다.
본 논문은 미세구조의 마이크로 액추에이터의 구동해석을 위한 결과로써 3차원 유한요소해석(Finite Element Analysis, FEA)을 이용하여 수행하였다. 마이크로머신과 같은 미소구조물을 해석하는 경우, 컴퓨터의 메인 프로세스에 비해 프리프로세서(pre-processor)의 비중이 높아지고 있어 그 효율화가 가장 중요하다. 수작업에 의존해야 했던 지난날의 요소분할법 기술은 최근에 들어 여러 연구자들에 의해 개발되고 있다. 특히, 복합현상을 다루는 정전 액추에이터에 직접적인 적용에 다소 어려움이 있는데 3차원적인 수치 및 실험평가는 실용적인 문제에서 비추어 볼 때 매우 중요하다. 따라서 본 논문에서는 센서로서의 역할을 하는 마이크로 정전 액추에이터의 기본설계를 위한 토대를 구축하고자 3차원적인 FEA 시뮬레이션을 수행하여 미세 회전운동을 분석하였다. 그 결과 설계된 모델에서 먼저 자중해석과 Mode 해석에서 기준치를 모두 만족하였다. 또한 설계된 액추에이터의 형상에 따른 회전자의 변형해석을 수행하여 시작토오크와 탄성한계까지의 위치제어에 필요한 회전각을 구하였으며, 정전장 해석을 통하여 시작토오크는 전압 $V^2$에 비례함을 알 수 있었다.
본 논문에서는 3차원 마이크로구조물을 위한 새로운 Thick Photoresist(TPR) 공정 기술을 개발하였다. 일반적으로 Thin Photoresist는 얇은 두께로 코팅을 할 수 있다. 그러나 SU-8과 같은 TRP은 몇 십 ㎛ 또는 그 이상으로 코팅이 가능하고 높은 종횡비를 얻을 수 있다. SU-8과 같은 TPR을 사용하여 마이크로구조물을 제작할 때 TPR의 crack들은 bake시의 갑작스런 tool down에 의한 stress에 의해 나타나는데, 이러한 crack들은 마이크로구조물의 도금을 어렵게 만든다. 본 논문에서는 TPR의 코팅, baking 시간 조절, cool down과 PEB(Post Expose Sake) 시간 조절을 통하여 stress에 의해 발생되는 crack이 없는 3차원 마이크로구조물을 제작할 수 있는 새로운 공정 기술을 개발하였다.
본 논문에서는 3차원 마이크로구조물을 위한 새로운 UV-LIGA 공정을 개발하였다. 일반적으로 photoresist는 얇은 두께로 코팅이 되지만, SU-8은 수십 $\mu\textrm{m}$ 이상의 두께를 가질 수 있으며, 높은 형상비를 갖는다. SU-8과 같은 Thick photoresist는 기존의 baking 공정과 같이 급격한 cool down을 할 경우 stress에 의한 crack이 발생한다. 이와 같은 경우 도금을 위한 마이크로구조물이 구현이 되지 않는다. SU-8의 코팅, bake에서의 시간 조절, 그리고 PEB의 시간 조절 및 cool down조절을 통하여 stress에 의한 crack이 발생하지 않도록 3차원 마이크로구조물을 제작 할 수 있도록 하였다.
MC-50 사이클로트론에서 방출되는 양성자 빔은 직경이 2-3 mm 의 가우시안 분포를 가진다. 이렇게 넓게 조사되는 양성자 빔은 작은 스팟과 정밀한 위치정밀도를 요구하는 반도체 식각, 마이크로 머시닝 등에는 사용될 수 없다. 본 연구에서는 좀 더 경제적인 대안으로 양성자 빔을 마이크로 홀에 통과시켜 수십 ${\mu}m$ 의 직경을 가지도록 조형하는 방법을 제시하였다. 양성자 빔의 조형을 위하여 평균 직경 $21{\mu}m$, 두께 9mm 의 세장비 428 의 마이크로 홀을 제작하였다. 마이크로 홀과 양성자 빔을 정밀하게 정렬하여 양성자 빔을 조형하였다. 이렇게 조형된 양성자 빔을 이용하여 수십 ${\mu}m$ 크기의 마이크로 구조물의 가공성 확인 실험을 실시하였다. 또한 GEANT4 를 이용한 전산모사를 이용하여 해석한 후, 실험결과와 비교하고 분석하였다. 본 연구를 통하여 MC-50 사이클로트론이 조형 장치와 함께 20 마이크론 대의 3 차원 구조물 제작을 위한 마이크로 공정기술에의 사용 가능성을 확인하였다.
마이크로스트립 라인은 마이크로웨이브와 밀리미터웨이브 집적회로에 있어서 가장 필수적인 소자 중의 하나이다. 그동안 여러 가지 주파수 영역 해석법에 의해 이러한 마이크로스트립 라인의 주파수 종속특성이 해석되었다. 하지만 본 논문에서 제시된 3차원 TLM법은 마이크로스트립 라인의 주파수 영역 해를 얻기 위한 또 다른 독립적인 해석법이다. 이러한 TLM 알고리즘을 이용하여 해석된 구조는 스텝 불연속 마이크로스트립 라인이며 대칭압축노드가 사용되었다. 수치해석 과정을 거쳐 시간 영역 데이터를 퓨리어 변환함으로써 스텝 불연속 마이크로스트립 라인의 주파수 종속 산란 파라메터가 계산되었다. 시간 영역 TLM 해석 결과로부터 이와 같은 수치해석법이 스텝 불연속 마이크로스트립 라인과 같이 복잡한 구조를 모델링하는데 있어 효율적인 방법임을 보였다.
과거 10년 동안 마이크로 전자 공학의 극소형화는 실리콘 기판상에서 평면구조를 제작하는 기 술의 발전을 가져왔으며 정보처리 분야에 일대 혁명을 가져왔다. 그런데 지금은 이 기술의 발 전으로 기계공학에서도 이에 상응하는 연구개발이 진행되고 있으니 이를 총칭하여 마이크로 가 공기술(micromachining)이라 부른다. 기계, 광학, 전자 부품의 마이크로 집적화는 하나의 마이 크로 시스템으로 구현되어 기술혁신의 새로운 영역을 개척할 것으로 예상되고 있다. 이 새로운 기술은 마이크론 단위의3차원 초정밀 가공을 가능케 함으로써 미래 메카트로닉스 (mechatronics)의 새로운 영역으로 자리잡게 될 것으로 전망한다. 이 글에서는 마이크로 시스템에 대해서 기술하고자 한다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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