동전보다 작은 새로운 칩 기반 3D 프린터를 개발

매사추세츠 공과대학 (MIT)과 오스틴 소재 텍사스대학교(UT) 연구진이 '세계 최초' 칩 기반 3D 프린터를 개발했습니다. 

3D 프린터 프로토타입의 동전 크기 광학 장치는 움직이는 부품이 없고 손바닥에 쏙 들어갈 만큼 작습니다. 액체 광경화 수지 통에 재구성 가능한 빛을 방출하는 밀리미터 크기의 광자 칩으로 구성되어 있습니다. 

수지는 칩의 작은 광 안테나 배열에서 방출되는 가시광선 파장에 노출되면 빠르게 경화되도록 설계되었습니다. 이를 통해 몇 초 만에 작은 구조와 패턴을 생산할 수 있습니다. 연구원들은 미국 니켈 면에 맞을 만큼 작은 마이크로스케일 MIT 로고를 제작하여 칩 기반 3D 프린터의 기능을 시연했습니다.   

팀의 연구 논문 에 따르면 , 이러한 발견은 이동 중에도 맞춤형 부품을 빠르게 생산할 수 있는 초소형, 휴대형, 저가형 3D 프린터를 개발하기 위한 첫 번째 단계입니다. 

미래를 내다보면, 그들은 수지 웰의 바닥에 광자 칩을 넣은 소형 3D 프린터를 개발하고자 합니다. 이 칩은 가시광선의 3D 홀로그램을 방출하여 단일 단계로 체적 3D 프린팅을 통해 전체 물체를 빠르게 경화합니다. 

이 휴대용 수지 3D 프린터의 잠재적인 활용 분야로는 맞춤형 의료 기기 구성 요소와 엔지니어가 작업 현장에서 신속하게 프로토타입을 제작할 수 있는 기능 등이 있습니다.   

“이 시스템은 3D 프린터가 무엇인지 완전히 다시 생각하고 있습니다. 이는 더 이상 실험실 벤치에 앉아 물체를 만드는 큰 상자가 아니라 손에 들고 휴대할 수 있는 것입니다.”라고 이번 연구의 수석 저자이자 MIT 전자 연구소 회원인 Jelena Notaros는 말했습니다 . "이로부터 나올 수 있는 새로운 응용 프로그램과 3D 프린팅 분야가 어떻게 변할 수 있는지 생각하는 것은 매우 흥미롭습니다."  

Nature Light Science and Applications에서 제공한 이미지.

최초의 칩 기반 3D 프린터

기존 SLA(광조형) 및 DLP(디지털 조명 처리) 3D 프린터는 기계적으로 복잡하고 부피가 큽니다. 이는 휴대성을 감소시켜 현장 제조가 필요한 애플리케이션의 채택을 제한합니다. MIT와 UT 오스틴 연구진의 새로운 칩 기반 접근 방식은 새로운 소형, 휴대형, 저비용 3D 프린팅 기술에 대한 수요 증가를 해결하기 위한 것입니다.      

팀의 프로토타입 3D 프린터는 160나노미터 두께의 광학 안테나 배열을 특징으로 하는 단일 실리콘 포토닉스 칩입니다. 3D 프린팅 시 소량의 광경화성 레진이 담긴 투명한 슬라이드 아래에 배치했습니다.  

칩 기반 시스템에 전력을 공급하기 위해 오프칩 레이저는 질화규소 도파관에 637나노미터 파장의 빛을 비췄습니다. 그런 다음 안테나는 수지에 가시광선을 방출했습니다. 

개념 증명 3D 프린터 시연에 사용된 설정 사진입니다. 자연광 과학 및 응용을 통한 사진.

가시광선을 성공적으로 변조하는 것은 진폭과 위상을 수정해야 하는 어려운 과정입니다. 이는 칩을 가열하여 달성할 수 있습니다. 그러나 이 방법은 팀의 동전 크기 3D 프린터와 호환되기에는 너무 많은 공간을 차지합니다.   

이러한 과제를 극복하기 위해 연구자들은 독특한 광학적 특성을 가진 액정 물질로부터 소형 변조기를 생산했습니다. 길이가 약 20마이크론인 이러한 변조기 세트가 칩에 통합되었습니다. 

결정 분자 변조기는 전기장을 사용하여 능동적으로 조정되어 다른 방향으로 배향되었습니다. 이를 통해 팀은 각 안테나로 전송되는 빛의 진폭과 위상을 능동적으로 제어할 수 있었습니다.         

외부 레이저 빔에 노출되면 칩의 도파관은 각 통합 안테나에 더 적은 양의 빛을 배포합니다.  

전기 신호를 사용하여 안테나에서 나오는 빛을 비기계적으로 조종하여 경화되고 고체화되어 물리적 구조와 패턴으로 형성되는 모양을 만들었습니다. 이 접근 방식을 사용하여 팀은 6분 만에 MIT 로고의 소규모 모델을 만들었습니다.  

이러한 결과를 달성하기 위해 연구진은 3D 프린터의 자연광원의 파장과 호환되는 새로운 광경화성 수지도 개발했습니다. UT 오스틴과 MIT 팀은 협력하여 액체 수지의 화학적 조성과 농도를 조정하여 유통기한이 길고 빠른 경화 기능을 제공하는 공식을 만들었습니다.    

연구자들은 이제 빛의 홀로그램을 사용하여 단일 단계로 부품을 제작하는 체적 3D 프린터를 개발하기 위해 노력할 것입니다. Notaros에 따르면, 이를 위해서는 완전히 새로운 실리콘 광자학 칩 디자인을 개발해야 하며, 이는 향후 연구 시연에서 선보일 수 있기를 바라고 있습니다.        

칩 기반 3D 프린터를 사용하여 제작된 3D 프린팅된 MIT 로고. 자연광 과학 및 응용을 통한 이미지.

레진 3D 프린팅을 강화하는 연구  

연구자들이 수지 3D 프린팅 공정을 개선하려는 것은 이번이 처음은 아닙니다. 2019년 미시간 대학 의 한 팀이 다른 상업적 기술보다 100배 빠르다고 알려진 고속 3D 프린팅 공정을 개발했습니다 . 이 기술은 기존의 층별 공정이 아닌 한 번의 빛 섬광으로 3D 물체를 제작할 수 있습니다.    

SLA를 기반으로 한 통 중합 기술인 UMich의 접근 방식은 캘리포니아 소재 3D 프린터 제공업체인 Carbon 이 특허를 취득한 방법인 연속 액체 인터페이스 생산 (CLIP)을 기반으로 합니다 . 여기서 산소 투과성 투사창은 수지 통 바닥에 얇은 중합 프리 영역을 만듭니다. 이는 레진이 투사 창에 달라붙는 것을 방지하여 프로세스에서 3D 프린팅 속도를 향상시킵니다.    

연구자의 방법에서는 CLIP 공정에서 사용된 산소 멤브레인 대신 이중 광원을 사용합니다. 다양한 파장의 자외선(UV)과 청색광을 조정하여 필요에 따라 경화 공정을 시작하거나 중지할 수 있습니다. 이 기술을 통해 UMich 연구자들은 약 2m/시간의 3D 인쇄 속도를 달성할 수 있었습니다.