레이저 기반 체적 적층 제조로 실리카 유리 3D 프린팅 혁신

전통적인 유리 제조 기술은 비용이 많이 들고 느리며, 유리 3D 프린팅은 종종 거친 질감을 남겨 매끄러운 렌즈에는 부적합합니다. 로렌스 리버모어 국립연구소(LLNL)와 UC 버클리 연구진은 근시일 내 3D 프린팅 신기술인 레이저 기반 체적 적층 제조(VAM) 방식—'리플리케이터'라 불리며 '스타트렉'의 가상 장치에서 이름을 땄음—을 사용해 실리카 유리로 미세 물체를 3D 프린팅하는 능력을 입증했습니다. 이는 몇 초 또는 몇 분 만에 제작될 수 있는 섬세하고 레이어 없는 광학 부품 생산 노력의 일환입니다.

컴퓨터 단층촬영 영감받은 CAL 기술

LLNL과 UC 버클리가 개발한 계산 축 광조형(CAL) 기술은 컴퓨터 단층촬영(CT) 영상 방법에서 영감을 받았습니다. CAL은 대상 물체의 디지털 모델로부터 여러 각도를 통해 투영을 계산하고, 이 투영들을 계산적으로 최적화한 후 디지털 광 프로젝터를 사용해 광감성 수지의 회전 볼륨으로 전달합니다. 시간이 지남에 따라 투영된 빛 패턴이 재료 내 3차원 빛 선량 분포를 재구성하거나 축적하여, 빛 임계값을 초과하는 지점에서 물체를 경화시키고 수지 욕조가 회전합니다. 완전히 형성된 물체가 단 몇 초 만에 물질화되며—기존 레이어별 3D 프린팅 기술보다 훨씬 빠름—욕조를 배출해 부품을 회수합니다.

마이크로-CAL과 나노복합 유리 수지의 완벽한 조합

LED 광원 대신 레이저를 사용하는 마이크로스케일 VAM 기술인 마이크로-CAL과 독일 기업 글라소머(Glassomer)와 프라이부르크 대학이 개발한 나노복합 유리 수지를 결합해, UC 버클리 연구진은 표면 거칠기 6나노미터, 최소 50마이크론 특징의 견고하고 복잡한 미세구조 유리 물체 생산을 보고했습니다.

프로젝트 수석연구원인 UC 버클리 기계공학과 헤이든 테일러(Hayden Taylor) 교수는 마이크로-CAL 공정이 더 높은 빛 선량을 제공하고 3D 물체를 더 빠르고 높은 해상도로 경화시키며, LLNL에서 특성화된 나노복합 수지와 "서로 완벽한 짝"임을 입증하여 "출력 물체의 강도에서 놀라운 결과"를 만들었다고 말했습니다.

기존 레이어 방식 대비 우수한 강도 일관성

팀은 마이크로 CAL로 제작된 유리와 기존 레이어 기반 프린팅 공정으로 만든 동일 크기 물체의 파단 강도를 비교했습니다. CAL 프린트 구조물의 파단 하중이 더 밀집되어 있어, 연구자들이 CAL 프린트 부품의 파단 하중에 기존 기술보다 더 확신을 가질 수 있음을 의미합니다.

다양한 실용 응용 분야

지난 몇 년간 LLNL/UC 버클리 VAM 협업은 다양한 수지와 재료로 복잡한 물체 제작을 실험해 왔습니다. 최신 발전은 UC 버클리와의 연구를 통해 VAM 방법을 통해 달성 가능한 화학과 소재 특성의 범위를 확장할 수 있는 다재다능한 소재의 새로운 클래스를 발견함으로써 나왔습니다.

연구진에 따르면 VAM 프린트 유리는 미세 특징을 가진 고체 유리 장치, 더 기하학적 자유도와 높은 속도의 광학 부품 생산에 영향을 미칠 수 있으며, 잠재적으로 새로운 기능이나 저비용 제품을 가능하게 할 수 있습니다.

실제 응용 분야로는 고화질 카메라, 소비자 전자제품, 생체의료 영상, 화학 센서, VR 헤드셋, 고급 현미경, '랩온어칩' 응용(의료 진단을 위한 미세 채널 필요) 같은 복잡한 3D 지오메트리의 미세유체공학, 기초 과학 연구, 나노소재 제조, 약물 스크리닝 등이 포함될 수 있습니다.