Kỹ thuật khắc quang là quá trình quang hóa tiêu chuẩn để biến đổi các vi mẫu trên một chất nền bằng việc phơi sáng các vùng đặc biệt của lớp chất cản quang (photoresist) với ánh sáng cực tím. Phương pháp này được sử dụng phổ biến trong các ngành công nghiệp cần các vi mẫu, đặc biệt trong ngành công nghiệp sản xuất chất bán dẫn.

Kỹ thuật khăc quang truyền thống phụ thuộc vào các mặt nạ (photomasks) bảo vệ các vùng nào đó của chất nền tránh tiếp xúc với ánh sáng cực tím. Lớp đế của các vùng được mặt nạ che phủ vẫn ở trạng thái nguyên vẹn, trong khi các vùng nhiễm ánh sáng tử ngoại bị ăn mòn, vì vậy tạo ra được một vi mẫu. Công nghệ này bị giới hạn trong thiết kế dạng đĩa, hai chiều (2D) do các giới hạn ở giữa vùng tiếp xúc và vùng che phủ luôn đặt song song với chiều của ánh sáng.

Nhóm nghiên cứu của giáo sư Kim đã phát hiện ra rằng: 1) các vùng tiếp xúc với ánh sáng tử ngoại làm giảm nồng độ oxy và do đó dẫn đến khuếch tán oxy; 2) thao tác tốc độ khuếch tán và phương hướng cho phép điều chỉnh sự phát triển, hình dạng và kích thước của các polymer. Dựa trên những phát hiện này, nhóm nghiên cứu đã phát triển thành công một công nghệ quang khắc mới có thể tạo ra được các vi mẫu có cấu trúc 3D với các hình dạng và kích cỡ khác nhau.

Oxy được xem là một chất ức chế trong quá trình polymer hóa quang học. Chất cản quang dưới ánh sáng tử ngoại tạo ra các gốc khởi tạo phản ứng hóa học. Những gốc này bị loại bỏ khi có mặt oxy và do đó ngăn cản phản ứng diễn ra. Điều này cho thấy để phản ứng hóa học xảy ra, chất cản quang phải được tiếp xúc với ánh sáng tử ngoại trong một thời gian dài để loại bỏ hoàn toàn oxy.

Tuy nhiên, nhóm nghiên cứu đã khai thác sự hiện diện của oxy. Trong khi nồng độ oxy ở khu vực chịu ảnh hưởng bởi ánh sáng tử ngoại bị giảm xuống, thì ở các vùng không bị ảnh hưởng, nó vẫn không thay đổi. Sự khác biệt về nồng độ này tạo sự khuếch tán oxy đến vùng bên dưới ánh sáng tử ngoại.

Khi tốc độ của dòng oxy chậm, sự khuếch tán xảy ra song song với chiều của ánh sáng tử ngoại. Khi tốc độ nhanh, quá trình khuếch tán phát triển theo chiều ngang, hướng ra các vùng bị ảnh hưởng bởi ánh sáng tử ngoại. Giáo sư Kim và nhóm nghiên cứu đã chứng minh hiện tượng này ở cả lý thuyết và thực nghiệm. Hơn nữa, bằng cách “đưa” một nguồn oxy từ bên ngoài, nhóm nghiên cứu có thể thao tác cường độ khuếch tán và phương hướng, do đó kiểm soát được hình dạng và kích thước của polymer. Việc sử dụng các chất ức chế polyme hóa cho phép và hỗ trợ việc tạo ra các phức hợp, vi mẫu 3D.

Giáo sư Kim cho biết: “Mặc dù in 3D được xem là công nghệ sản xuất tiên tiến, nhưng nó không thể sử dụng để sản xuất hàng hoạt các sản phẩm vi mô. Công nghệ khắc quang mới này sẽ có ảnh hưởng lớn đến cả giới hàn lâm và đặc biệt là trong ngành công nghiệp bởi vì thiết bị in ảnh litô truyền thống hiện nay có thể sử dụng để phát triển các vi mẫu phức tạp hơn. Công nghệ mới nhất của ông sẽ tăng cường quá trình sản xuất polymer ba chiều hiện đang được xem là rất khó để thương mại hóa”.