섬유는 보편적이지만 보통 수동적이다. 섬유 내에 구현된 광전자공학은 생체 합성 및 착용형 전자공학, 환경 센싱, 에너지 수확 등 여러 응용 분야에 혁명을 일으킬 수 있다. 그러나 고성능 전자공학을 섬유 내에 구현하는 것은 여전히 어려운 과제로, 실리콘과 같은 결정질 반도체로 만들어진 소자를 정렬되고 주소 지정 가능하며 확장 가능한 방식으로 섬유에 감싸는 물질 가공 전략의 부재 때문이다. 현재 섬유 센서 제조 접근법은 비확장적이거나 비정질 반도체(예: 칼코게나이드 유리)로 반도체 선택을 제한하며, 이는 전자 성능에서 실리콘에 비해 열등하여 표준 실리콘 포토다이오드에 비해 대역폭과 감도가 제한된다. 우리 그룹은 현대 마이크로프로세서의 등장을 가능하게 한 초고집적(VLSI)과 유사한 섬유 내 논리 회로 및 감각 시스템 제조를 실증한다. 우리는 3D 프린팅된 프리폼, 섬유 열 인발, 섬유 코어의 물질 선택적 공간적 결맞음 모세관 분열을 통한 섬유 내장 집적 소자의 인발 후 조립을 결합한 다재다능한 하이브리드 제조 방법론 "VLSI for Fibers" 또는 "VLSI-Fi"를 개발하였다. 이 방법은 내구성 있고 저렴하며 보편적인 섬유 소자와 센서의 새로운 클래스를 제공하여, 가구 및 의류와 같은 인간이 만든 물체와 직물의 통합을 사물 인터넷(IoT)으로 가능하게 할 것이다. 게다가, 이는 디지털 제조 접근법을 나노전자공학 영역으로 확장하여 3D 프린팅 혁신을 촉진할 것이다.
유리 인발 섬유는 로마 시대까지 거슬러 올라가지만, 최초의 기능성 광섬유는 1792년 프랑스 샤프 형제가 통신 목적으로 제조하였다[1]. 1842년 스위스 물리학자 장-다니엘 콜라동은 빛이 물 제트를 통해 내부적으로 안내될 수 있음을 보였다[2]. 이 두 발견은 오늘날의 효율적인 섬유로 이어지는 수십 년간의 광학 및 재료 공학 개선을 촉발했으며, 1996년 완공된 25,000 km 길이의 태평양 횡단 해저 케이블(TPC)처럼 전 세계 킬로미터 단위의 고속 통신 및 데이터 저장을 가능하게 한다[3,4]. 게다가, 광섬유 센서(FOS)는 생물의학, 석유 및 가스, 해양, 건축, 화학, 항공우주 등 다양한 응용에 사용된다[5,6].
1996년 필립 러셀이 개발한 포토닉 크리스탈 섬유(PCF)를 사용한 빛 전파 제어 및 성능 향상은 더 복잡한 섬유 내부 기능 구조 연구의 문을 열었다[7-9]. 새로운 미세구조는 구성 물질의 다양성 통합도 환영했다[10,11] 전자공학[12], 광전자공학[11], 섬유 내 합성[13], 미세유체공학[14], 마이크로전자기계시스템[15,16], 생체 합성 인터페이싱[17]을 위한 스마트 섬유 설계를 위해. 스마트 섬유는 광학 통신 및 상업용 직물에서 섬유의 일반적인 용도를 넘어 비전통적 기능을 포함한다는 점에서 전통적 섬유와 다르다. 스마트 섬유는 미세구조의 광학 간섭으로 인해 섬유의 색상 외관을 제어하여 전자 섬유의 미학에 사용되거나[18], 기존 광섬유 가이드 및 유전체 거울 라이닝으로 공기를 통한 빛 안내를 허용하는 경우처럼 성능 향상에 사용될 수 있다[19,20].
섬유를 기능적으로 만들기 위해서는 다양한 전자적 특성을 가진 재료로 구성되어야 하며, 그 아키텍처는 주어진 기능을 수행하도록 특별히 설계되어야 하고, 내부 특징은 현재 통신 섬유의 코어보다 몇 자릿수 작은 나노스케일로 축소되어야 한다. 섬유는 일반적으로 "프리폼"이라고 불리는 거시적 원통형 또는 직육면체 막대에서 열 인발되는 광섬유 제조 방법으로 생성된다. 제조 공정은 코어 및 클래딩 재료(금속, 절연체, 반도체 등)의 적절한 선택으로 시작된다. 예를 들어, 금속-절연체-반도체 구조를 포함한 최초의 섬유는 2004년 광검출을 위해 개발되었다[21]. 프리폼 재료는 인발 온도에서 점도 μ가 비교 가능하도록 선택되며, 대략 4 < log(μ)[poise] < 6 창에 속한다. 이는 섬유 소자 기하학을 왜곡할 수 있는 전단 흐름과 모세관 불안정성을 방지하기 위해 필요하다. 이 요구사항을 달성할 수 없는 재료(인발 중 매우 얇은 액체 형태인 금속 또는 결정질 반도체)는 낮은 종횡비, 평형에 가까운 기하학을 가진 채널에 국한되어야 한다.
본질적으로 섬유의 축소판인 프리폼은 시트 재료를 양탄자처럼 말거나, 밀링된 부품을 퍼즐처럼 쌓거나, 이 리뷰에서 논의된 3D 프린팅(Fig. 1a (I) 참조) 등 다양한 기술로 제작할 수 있으며, 진공 소결로 통합된다. 프리폼은 퍼니스에서 가열되어 캐러멜이나 태피처럼 섬유로 늘어나며(Fig. 1a (II) 인발 콘 참조), 주어진 열역학적 특성(점도, 계면 에너지, 상호 부착, 차등 열팽창 등)에 기반하여 단면 배열을 보존한다(Fig. 1a (III))[22]. 3D 프린팅된 프리폼의 경우 이 공정은 Fig. 1a에 개략적으로 도시되어 있다. 일반적인 인발은 5 nm 정도의 매우 미세한 나노스케일 단면 직경을 가진 킬로미터 단위의 섬유를 산출할 수 있다[23,24].
인발 후 단계에서, 모세관 불안정성을 이용하여 섬유를 재액화시켜 가열함으로써 코어가 공간적 결맞음 물질 선택적 방식으로 분열되도록 하여, 섬유 내장 구조에 대한 축 방향 제어를 가능하게 한다[25-27](Fig. 1b 참조). 코어의 축 방향 패터닝을 위한 대체 기술로는 포토폴리머 코어에서 포토마스크를 통한 UV 노출로 비자명한 모양의 마이크로입자를 생성하는 것이 있다[28]. 기타 하이브리드 기능화 기술로는 기능성 물질로 섬유 표면 코팅[10,29] 및 표준 CMOS 제조로 제작된 광전자 소자 어레이로 섬유 클래딩을 인발에 의한 구속[12] 등이 있다.
섬유는 직물이나 그물로 짜여 개별 섬유를 능가하는 집단적 기능성을 얻을 수 있다[30]. 생체 모방을 통해 설계된 섬유는 자연의 유용한 특징에 따라 모양을 잡아 직물 기능성을 향상시킬 수 있다(예: 소수성[31]). 섬유는 또한 저렴한 물질 생산을 위한 합성 플랫폼으로 구상될 수 있다. 예를 들어 실리카 클래드 섬유에서 알루미늄 코어를 실리콘으로 변환[13]하거나 상분리에 의한 열 유도 다공성 구조 제조[32] 등이다. 섬유는 위험한 휘발성 물질의 환경 화학 센싱[29] 등 원격 및 분산 신호 검출에도 사용될 수 있다. 섬유 설계의 유연성은 다기능 양상을 하나의 섬유에 통합하여 복잡한 응용(예: 신경퇴행성 질환 연구를 위한 쥐의 심층 척수 피질 자극 및 모니터링[33])을 가능하게 한다. 이러한 예들은 스마트 섬유가 자연스러운 솔루션인 다양한 영역을 보여준다.
섬유가 보편적으로 널리 퍼져 있음에도 불구하고, 고성능 마이크로전자 시스템을 얇은 섬유 내에 통합하는 것은 여전히 주요 과제이다[11,12]. 이 과제를 해결하기 위한 다양한 접근법이 제안되었으며, 노력은 주로 저온 재료에 집중되어 왔다. 예를 들어, 고압 화학 기상 증착(HPCVD)은 마이크로구조 광섬유(MOF)에 화합물 반도체 통합[34] 및 유연한 실리콘 p-i-n 접합 섬유 생성[35]에 사용되었다. 대안적으로, CO₂ 레이저를 사용하여 실리카 섬유의 SiGe 코어 재결정화로 전자적 특성을 설계하였다[36]. 이러한 접근법은 칼코게나이드 물질의 경우 본질적으로 비정질이어서 전자 대역폭이 제한된 소자를 초래하거나, 본질적으로 비확장적이다.
이러한 과제를 염두에 두고, Fibers and Additive Manufacturing Enabled Systems Laboratory(FAMES Lab)는 이 리뷰에서 설명하는 섬유의 3D 아키텍처 제어 기술을 개발하고 현재 구현하고 있다. 최종 섬유의 복잡성이 프리폼 단면의 복잡성과 상관관계가 있으므로, 프리폼의 자유형 제조는 기존 방법으로는 달성할 수 없는 섬유 소자 기능을 가능하게 한다. 게다가, 3D 프린팅은 널리 접근 가능하여 비용 효율적이고 사용자 친화적인 기술적 대안이 되며, 열가소체부터 고온 재료, 생체 재료까지 다양한 재료를 허용한다[37].
또한, FAMES Lab은 열가소체의 전통적인 적층 제조 사용과 함께 고온 재료를 처리할 수 있어, Si/Ge의 높은 전자 이동도[38] 및 미래에는 PZT/BaTiO₃ 복합체의 큰 압전 계수[39,40] 및 더 높은 음향 대역폭[41]을 이용한 압전 응용 등 특성을 활용할 수 있다.
이러한 과제를 고려하여, 우리는 프리폼 제조를 위한 적층 제조 최적화 솔루션, 축 방향 제어 최적화를 위한 모세관 분열 시뮬레이션, 조직 공학과의 섬유 결합을 제안한다. 이러한 전략은 약물 및 치료 분석을 위한 생체 센싱 및 생체 기능화 능력을 가진 현실적인 생물의학 플랫폼 생성을 가능하게 하며, 이는 유망한 섬유 소자 응용 중 하나이다.
기능성 섬유를 실현하기 위해, 우리는 1970년대 현대 마이크로프로세서의 탄생을 이끈 디지털 설계 및 제조 기술인 초고집적(VLSI)에서 영감을 얻는다. 이 기술은 포토리소그래피와 반도체 기판 웨이퍼 노출 영역의 화학적/열적 처리를 사용하여 이 레이어에서 집적 회로의 특징을 정의한다(2D)면서, 완전한 회로의 제조는 웨이퍼 표면에 수직인 방향으로 이러한 개별 레이어를 적층함으로써 진행된다(+1D). 또한, 개별 회로 구성 요소의 전자 도핑(+0D)은 이온 주입과 열 활성화로 제어될 수 있다[42]. 우리의 섬유 접근법인 "VLSI for Fibers" 또는 "VLSI-Fi"는 유사하다: 첫째, 적층 제조와 프리폼 열 인발이 섬유 소자의 단면 기하학을 정의한다(2D); 둘째, 결과 섬유는 나중에 축 방향으로 패터닝될 수 있다(+1D), 처음에는 연속적이지만 분리된 코어에서 병렬로 접촉된 이산 소자 어레이의 조립을 허용한다; 셋째, 개별 섬유 내장 소자의 분리 구동 구조화(0D)를 수행할 수 있다. Table 1은 두 기술 간의 비교를 보여주며, 각 기술이 가능하게 하는 각 기하학 제어 차원("2D + 1D + 0D") 간의 대응을 강조한다. 설명된 단계의 개략도는 Fig. 1에 자세히 도시되어 있으며, VLSI-Fi 기술을 사용하여 실현할 수 있는 가능한 섬유 내장 소자 예시를 보여준다.
이 섹션에서는 먼저 폴리카보네이트 프리폼 3D 프린팅 작업과 유리 3D 프린팅의 스테레오리소그래피를 사용한 최근 발전을 설명한다. 그런 다음, 공간적 결맞음 물질 선택적 모세관 분열을 통한 섬유의 축 방향 패터닝에 접근한다. 이는 처음에 연속적이지만 분리된 코어를 병렬로 접촉된 이산 소자 어레이로 조립할 수 있게 한다. 마지막으로, 조직 공학과 결합된 바이오인터페이싱 섬유의 응용을 제안하여 체외에서 생존 조직 성장을 모니터링한다. 기능은 섬유 내 미세유체 채널을 사용하여 세포 및 신호 생화학 물질 전달, 이동 제어를 위한 형상 기억 합금 와이어, 초음파 파동으로 환경 매핑을 위한 압전 요소를 사용하여 가능해진다.
이전에 언급한 바와 같이, 박막 권취 및 스택-앤-로[10]와 같은 기존 프리폼 제조 기술은 복잡한 기하학적 구조 생성에 제한적이며, 섬유 인발 공정에서 상당한 시간을 소모하고, 숙련된 노동력과 고가 장비가 필요하다. 3D 프린팅은 수용성 지지 재료와 부분적으로 자동화된 사용자 친화적 공정으로 이러한 문제를 해결한다. 이는 상대적으로 짧은 시간에 매우 복잡한 기하학을 쉽게 프린팅할 수 있게 한다.
폴리카보네이트(Hatchbox 3D) 프리폼의 프린팅 각도 영향을 평가하기 위해, 단일 헤드 Prusa i3 MK2 FDM 프린터로 원통형 및 정사각형 막대를 프린팅하였다. 압출기와 프린트 베드 온도는 각각 235°C와 105°C로 설정하였고, 프린터는 0.35 mm 노즐로 100% 인필 프리폼을 생성하도록 설정하였다. 프리폼의 층 방향은 프린트 베드에 대한 부품의 수평 방향에 의존하며, 프리폼이 열 인발 중 퍼니스에 도입될 때 열 흐름은 층 방향에 영향을 받는다. 어느 방향이 열 인발에 가장 적합한지 테스트하기 위해 0°, 15°, 30°, 45°, 90° 방향의 프리폼을 프린팅하였다. 모든 각도는 프리폼의 종축과 수평 축 사이의 각도로 측정되었다. 3D 프린팅된 프리폼은 90°C, 100°C, 200°C의 3개 온도 구역을 가진 퍼니스에서 열 인발 공정을 거쳤다. 원통형 프리폼의 경우, 열 인발은 0°와 45°에서 성공적이었다. 90° 프리폼 인발은 항상 층 박리로 인해 실패한다.
우리는 또한 Fig. 2a (I)에 표시된 것처럼 즉석 인필 패턴으로 정사각형 막대와 같은 비평형 구조를 성공적으로 인발할 수 있었다. 여기서 직선 인필 패턴 대신 인필이 둘레를 따라 순서 있는 구조로 프린팅되도록 설정하였다. 0° 정사각형 기반 프리폼 인발은 성공적이었으며, 약간 변형되었지만 섬유는 여전히 프리폼 모양을 유지할 수 있었다. 40 μm × 60 μm 크기의 섬유가 성공적으로 인발되었으며 Fig. 2a에 표시되어 있으며, 층 박리가 없다. 또한, 모든 층이 적절히 통합되었다. 섬유 단면 예는 Fig. 2a (IV)에 표시되어 있으며, 인발 전후 어닐링된 섬유 이미지는 Fig. 2a (V)와 2a (VI)에 각각 표시되어 있는데, 어닐링된 섬유가 광학적 투명성을 달성함을 볼 수 있으며, 이는 향후 작업에서 특성화될 것이다. 이 실험들로부터, 가장 성공적인 프리폼은 0°에서 프린팅된 것임을 결론지을 수 있으며, 90°는 인발 공정 중 항상 박리된다. 열 인발 섬유의 층 통합은 3D 프린팅된 프리폼의 방향 각도가 감소함에 따라 개선되었다.
열가소체 외에도, 융착 석영을 포함한 유리는 광학, 통신, 전자공학에서 중요한 과학적 및 공학적 응용을 가진다[43]. 구조화된 실리카 섬유는 여러 응용에 이점을 줄 수 있다. 예를 들어 패션을 위한 무염색 직물 착색, 광화학 검출을 위한 포토닉 크리스탈 섬유, 통신 및 빛의 타이트한 초점화를 위한 단일 모드 섬유 등이다. 이 섬유들은 일반적으로 2단계 공정으로 제조된다: 프리폼 제조와 프리폼의 열 인발. 인발 공정은 상대적으로 간단하고 저렴하지만, 현재 프리폼 제조는 케이스별 처리가 필요하며, 각 특정 프리폼 구성마다 별도의 기술이 개발되고 적용되어야 한다.
Figure 2b는 Micron3DP[44] 제품과 유사한 고정밀 압출 기반 프린팅 기술로 성공적으로 실현된 소다석회 유리 프리폼 CAD 모델을 보여준다. 이 물질은 특히 IR과 같은 긴 파장에서 유망한 광학적 특성을 가지며[45], 새로운 광학 기능을 가진 섬유 제조의 흥미로운 후보가 된다. Fig. 2b (I)에 표시된 프리폼 모델은 [46]에서 제시된 구조와 유사하게 파란 타란툴라 털의 구조를 모방한다. Fig. 2b (II)에서 프리폼 단면은 비평형 기하학을 포함하므로 표면 장력 최소화로 인해 재형성되기 쉽다. 이 모델들은 복잡한 비평형 프리폼 단면 달성의 가능성을 검증하기 위해 설계되고 실현되었다.
클래딩 구조가 인발 공정 중 섬유에 기계적 무결성을 제공하므로—가장 점성이 높은 물질로 구성됨—우리의 노력은 지금까지 이 섬유 구성 요소에 집중되어 왔으며, 궁극적으로 프리폼의 단면 기하학 보존을 목표로 한다. 장기적으로, 우리는 다중 물질 압출 기술을 개발하여 동일한 프린트에서 여러 물질을 단일체로 통합하는 것을 목표로 한다. 대안적으로, 구조를 Si 또는 Ge와 같은 분말 재료로 채울 수 있다. 채워진 구조는 소결되어 프리폼을 얻을 수 있다. Gumennik 등은 유사한 접근법을 설명했다[47].
소다석회 유리를 코어 재료로 하는 섬유를 생산하는 데 관심이 있다면, 현수 코어 프리폼을 프린팅하는 간단한 접근법이 있을 것이다. 현수 코어 섬유는 센싱[48] 및 저손실 테라헤르츠 안내[49] 등 다양한 응용에 흥미롭고, 일반적으로 폴리머로 실현된다[49]. 이 섬유 기하학에서 코어는 외부 층과 연결하는 스트럿에 의해 지지된다. 인발 후, 이 구조들은 관심 파장 차원의 차원으로 축소되어, 유도된 빛에 대해 현수 코어 효과를 가지게 된다. Monro 등은 실리카 및 비스무트 유리 등 다양한 물질에서 현수 코어 섬유를 보고했다[48]. 또한 이러한 섬유의 센싱 응용 예시 시리즈를 제공하며, 특히 생물학적 및 화학적 센싱에서 이러한 섬유 기하학의 실행 가능성을 확인한다.
맞춤형 레진을 사용한 스테레오리소그래피 기반 유리 3D 프린팅의 새로운 접근법이 광경화성 실리카 나노복합체를 사용하여 설계되었다[50]. 여기서는 상용 레진을 기반으로 한 스테레오리소그래피(SLA)를 사용하여 유리 섬유 프리폼을 3D 프린팅하는 방법을 제안하며, 이는 맞춤형 레진 개발과 대비하여 비용 효율적이고 단순한 방법이다. SLA 프린터(Formlabs Form 2)는 405 nm 파장 레이저를 사용하여 빌드 플랫폼이 층별로 점차 상승함에 따라 탱크 바닥을 통해 레진을 가교결합한다.
유리 프린트를 얻기 위해, 상용 클리어 레진(Formlabs FLGPCL04 Clear)과 0.79 mm(1/32") 붕규산 유리 섬유(#38 Fibre Glast) 혼합물을 프린팅 공정에 사용한다. 이는 최종 프린트 재료 구성의 훌륭한 제어와 섬유 원하는 특성 달성의 유연성을 허용한다. 유리 섬유는 자기 교반기로 클리어 레진에 분산시켰다. 유리를 소량씩 첨가하고 각 첨가 후 약 3분간 균질화하였다. 프린팅 공정에서, 프린터는 커스텀 레진 사용을 허용하기 위해 오픈 모드로 설정하였다. 4 × 4 × 50 mm 크기의 직육면체 프리폼을 90° 방향에서 프린팅하였다. 프린팅 후, 부품을 이소프로판올에 10분간 침지하여 여분의 레진을 제거하고, 60°C에서 30분간 UV 광으로 후경화하였다. 프린팅 레진에 혼합된 유리 섬유 부피비 증가(왼쪽에서 오른쪽)로 후경화된 유리 프리폼이 Fig. 2c (I)에 표시되어 있다.
프리폼은 잔여 레진을 제거하고 유리 입자를 소결하여 전적으로 유리로 구성된 부품을 얻기 위해 후처리된다. 이 공정이 프리폼에 미치는 영향은 Fig. 2c (II)에 도시되어 있으며, 경화 후 프리폼(왼쪽)과 베이킹 공정 후(오른쪽)를 볼 수 있다. 후자에서 레진의 탄화 잔여물로 인한 검은 착색을 볼 수 있으며, 팁은 이 잔여물이 재로 제거된 후 흰색 착색을 보인다. Fig. 2c (III)은 소결 전 프리폼의 현미경 이미지를 보여주며, 모든 레진이 부품에서 완전히 베이킹되어 밀링된 유리 섬유로만 형성된 상호 연결된 구조가 됨을 볼 수 있다. 베이킹 온도와 가열 프로파일 등 여러 파라미터를 제어하여 화학 반응과 수축을 제어해야 한다. 바인더의 열적 제거는 애싱 오븐을 사용하여 달성하였다. 결과적인 갈색 부품을 고온 튜브 오븐에서 소결하였다. 소결은 [51]의 규정된 프로토콜에 따라 1300°C 온도와 5 × 10⁻² mbar 압력에서 수행되었다. 800°C에서 유지 단계를 설정하여 분자 결합 물과 표면 결합 실란올 기를 증발시켰다. 진공 하 소결은 소결된 유리 부품 내 공기 포집을 감소시켜 광학 투명성을 향상시킨다[52].
후처리 후, 부품의 부피와 무게를 측정하여 밀도를 얻는다. 이는 프린트 재료 평균 밀도—경화 레진과 유리 섬유 혼합물로 구성—와 비교되며, ρavg = ρresin (1 − χv) + ρglass (χv)로 계산된다. 여기서 ρresin = 1.17 g/cm³은 경화 클리어 레진 밀도, ρglass = 2.55 g/cm³은 밀링된 유리 섬유 밀도, χv는 레진에 혼합된 유리 섬유 부피비이다.
결과는 Table 2와 Fig. 2c (IV)에 그래픽으로 표시되어 있으며, 레진 내 유리 섬유의 다양한 부피 비율에 대한 프린트 부품 밀도를 프린트 재료 평균 밀도와 비교하여 제시한다. 낮은 유리 혼합 부피비에서는 결과가 예상 범위 내에 있음을 관찰한다. 그러나 높은 유리 농도에서는 이상적 밀도의 선형 거동에서 편차를 보인다. 이는 프린팅 중 침전이 이 부피비에서 유의해져, 해당 프린트에서 효과적으로 더 높은 유리 농도를 생성하기 때문일 수 있다. 프린팅 공정은 탱크 바닥에서 발생하며, 침전으로 인해 유리 농도는 프린팅 동안 지속적으로 증가한다. 계산된 곡선에 떨어질 초기 균일 농도(그 이상)에서 시작한다.
Table 2에서, 21.54 vol% 밀링 유리 섬유 인필 부품에서 측정된 밀도는 1.61 g/cm³이었으며, 이는 실제 부피 비율이 31.88 vol%임을 의미한다. 실험 과정에서 실제 34.78 vol% 밀링 유리 섬유 인필 시료를 얻었다. 이 결과는 Kotz 등이 제조한 37.5 vol% 실리카 인필[53]과 멀지 않았으며, 커스텀 레진이 개발된 반면 우리는 이 작업에서 상용 레진을 사용했다. 이 작업의 미래 방향에는 열처리 절차, 부품 소결, 결과 부품의 기계적 및 광학적 특성 연구가 포함된다.
프리폼이 열 인발되면, 결과는 Fig. 1a (III)에 표시된 것처럼 단면이 보존된 길고 얇은 섬유이다. 하나 이상의 코어가 있는 섬유의 경우, 이 코어들은 공간적 결맞음 물질 선택적 모세관 분열 공정[26]을 통해 축 방향으로 패터닝될 수 있다(Fig. 3 참조). Tomotika 모델은 주변 유체 효과를 고려하여 균일하게 가열된 무한 유체 실린더의 주기적 불안정성 형성을 탐구하는 반면[55], 전파되는 레일리 불안정성은 전파 전면 개념을 도입한다[56]. 모세관 불안정성의 여러 수학적 처리가 문헌에 있지만(Liang 등[57] 등), 이들 대부분은 등온 요법에 초점을 맞추며 우리 경우 적용 불가능하다. 게다가, 우리 경우는 전파되는 열 기울기와 그에 따른 점도 기울기라는 추가적 복잡성을 가진다. 따라서 Powers 등[56]에서 언급된 한계 불안정성 기준 구동 공정에 더 가까울 것이다. 계산 및 실험 결과를 모두 결합하여, 우리는 축 방향 열 기울기 현상에 의한 섬유 분열의 수학적 모델을 수립하는 것을 목표로 한다.
현재 모세관 분열 시뮬레이션 단계는 정상 상태에 초점을 맞춘다. 우리는 처음에 정상 상태인 섬유가 열 기울기에 노출될 때 불안정성이 어떻게 처음 발달하는지 분석하는 데 관심이 있다. 이 공정은 Gumennik 등[26]이 수행한 모세관 분열 실험의 초기 단계와 유사하다. 여기서는 4-μm 두께 Si 코어를 가진 실리카 섬유를 0.3 및 0.1 L/min 유량의 수소-산소 화염 고온 구역을 통해 공급한다. 이 유형 토치로 달성 가능한 최대 온도는 2800°C까지 도달할 수 있지만, 섬유가 경험하는 최대 온도는 실리카 비점 2230°C 미만이어야 한다.
화염 폭이 3-3.5 mm이고 섬유 직경이 약 300 μm임을 고려하면, 섬유가 노출되는 온도 기울기를 실험적으로 측정하는 것이 불가능한 이유를 쉽게 이해할 수 있다. 게다가, 분열 공정의 동적 특성과 다양한 방사율을 가진 다중 물질 관여는 문제 복잡성을 더욱 가중시키며, 섬유의 높은 종횡비와 급격한 점도 비는 전체 나비에-스토크스 방정식의 수치 시뮬레이션을 계산적으로 어렵게 만든다.
우리 시뮬레이션(COMSOL Multiphysics® 5.3a, Microfluidics 및 Heat Transfer 모듈 사용)에서 Fig. 4a에 표시된 바와 같이, 반경 rfiber = 140 μm인 축대칭 섬유를 가정하며, 실리카 클래딩으로 둘러싸인 얇은 실리콘 코어(rcore = 2 μm)로 구성된다. 초기 열전달 시뮬레이션은 15 mm 섬유 길이가 섬유 끝단이 실온에 머물도록 하여 경계 영향을 분열 공정에 주지 않기에 충분함을 보여주었다. 열원 길이와 섬유 표면 거리, 전력 등 다양한 파라미터를 스윕하여 분열 거동 변화를 관찰함으로써 온도 기울기에 대한 정보를 수집할 수 있다. 또한 분열 주기와 속도는 실험 결과와 비교하여 시뮬레이션 개선에 사용될 수 있는 중요한 파라미터이다.
시뮬레이션은 두 단계로 수행된다: 첫째, 원하는 최대 온도 Tmax를 달성하기 위해 다양한 열원 전력에 대한 정상 상태 온도 프로파일을 계산한다. 결과는 시간 의존 유체 흐름 시뮬레이션으로 내보내지며, 여기서 나비에-스토크스 방정식이 0.05초 시간 단계로 0초부터 첫 방울 핀치오프(tbreakup)까지 풀린다. 이는 Tmax에 의존하며, Fig. 4c에서 tbreakup이 다양한 Tmax 값에 대해 플로팅된 것을 볼 수 있다. tbreakup이 Tmax에 지수 의존성을 가짐을 관찰할 수 있으며, 이는 tbreakup이 코어 점도에 비례하고, 이는 다시 온도에 지수 의존하기 때문에 예상된다.
이 시뮬레이션에 사용된 관련 파라미터는 Table 3에 나열되어 있다. 예비 시뮬레이션은 Si 코어의 상전이 정상 상태 온도 프로파일에 유의한 영향이 없으며, 모세관 불안정성이 발생하는 전체 영역에서 온도가 Si 녹는점보다 높기 때문에 후속 유체 흐름 시뮬레이션에도 영향이 없음을 나타낸다. 따라서 모델을 계산 집약적이지 않게 유지하기 위해 액체 Si 코어를 1차 근사로 시뮬레이션한다. 또한, 완전 결합 열전달 및 유체 흐름 시뮬레이션이 바람직하지만, 결합 효과가 해법에 2차 보정을 가져오므로 이 단계에서는 무시할 수 있다고 간주한다. Tmax = 1900°C에서 첫 방울 형성 직전 핀치오프 시점의 시뮬레이션된 코어 이미지가 Fig. 4a에 표시되어 있다. 이 특정 시뮬레이션에 대한 실리카와 실리콘 밀도의 축 방향 위치(시뮬레이션에서 z축) 함수 플로팅이 Fig. 4d에 온도 프로파일과 함께 중첩되어 제시된다.
우리 결과는 실험적으로 관찰된 것과 비교 가능한 분열 시간 스케일에 대한 점도 범위를 정의할 수 있게 하여, 섬유에 부과된 온도 프로파일을 정성적으로 평가할 수 있다. Fig. 4b는 첫 방울 핀치오프 직후 프레임에 해당하는 t = 39초의 섬유 분열 실험 기록 스냅샷을 보여준다. 이 프레임 이전 이미지 해상도가 이상적이지 않으므로, 분열 거동의 대칭성을 기반으로 첫 방울 핀치오프가 t = 35 ± 3초에 발생한다고 평가할 수 있으며, 이는 온도 정상 상태 달성 후 14 ± 3초의 분열 시간으로 변환된다. Fig. 4c의 음영 직사각형은 이 분열 시간 스케일과 호환되는 온도 범위를 포함하며, 섬유가 노출되는 최대 온도가 1885 ± 15°C임을 추론할 수 있다. 향후 분열 거동 통계 수집을 통해 기존 수단으로는 불가능한 공정 온도 측정 절차 개발을 목표로 한다[26,58,59].
또한, 인발 후 반도체 입자에서 도핑의 분리 구동 제어가 달성 가능하며, 개별 소자의 내부 아키텍처 제어를 허용한다. 단일 구의 구조 제어가 가능하며, Gumennik 등[47]에 의해 시연되어 Fig. 5에 표시되어 있다. 방울이 화염을 빠져나가면 열 기울기를 경험한다: 화염에서 먼 끝이 더 차갑고, 결과적으로 더 차가운 측면부터 측면으로 응고될 것으로 예상된다. 구가 액체에서 고체보다 더 용해되는 물질로 도핑되면, 이 도펀트는 응고 전파가 진행됨에 따라 액체로 밀려나 주로 뜨거운 쪽에 모이게 된다. 이 효과는 Fig. 1c에 개략적으로 표시되어 있으며, 예를 들어 Ge-풍부 Si와 같은 구조화된 입자 합성에 사용될 수 있다(Fig. 5 표시): 섬유 코어에서 50:50 Si-Ge 혼합물로 시작하여, 분열 후 구가 응고되어 응고가 진화함에 따라 Ge가 용융물로 압출되어 이방성 분포와 축 방향 지향 야누스 입자 헤테로접합을 생성한다[47]. 이 방법은 Fig. 1d와 e에 표시된 복잡한 섬유 내장 소자(헤테로접합 등) 조립에 극도로 유용할 수 있다.
섬유 기술은 화학, 생물, 물리 센서로 다양한 생물의학 응용에 자주 활용된다. 섬유 내장 센서는 스트레스, 온도, 압력, 습도 등 물리적 파라미터나 pH 레벨, 산소 농도, 이산화탄소 농도 등 화학적 파라미터를 모니터링하도록 설계되었다[60]. 섬유 번들은 여러 센서를 단일 시스템에 함께 내장하고 신호 수신 레벨을 증가시켜 더 높은 신호 대 잡음비를 얻는 데 유리하다. 가벼움, 유연성, 독특한 광학적 특성은 생물의학 연구에서 섬유 센서 수요를 이끄는 주요 특성이다. 임상 사용 요구사항을 충족하기 위해, 프리폼은 면역 반응을 방지하기 위해 생체적합성, 무독성, 화학적으로 불활성인 재료로 제조되어야 한다. 스마트 섬유 개발 예로는 폴리머와 금속 코어 구성으로 구성된 신경 섬유 프로브가 있으며, 이는 생체 내 광유전자 자극을 제공하고 약물을 입력으로 전달하여 피드백 전기 및 생리적 출력 신호를 기록할 수 있게 한다[33]. 또 다른 예는 복잡한 단면 기하학과 미터 길이의 마이크로채널로 미세유체 원리를 통합한 섬유로, 마이크로채널에 전도성 물질을 포함하여 유전영동(DEP)으로 세포 분리를 분석한다. 살아있는 세포와 죽은 세포가 관성 및 유전영동 힘에 의해 시스 없는 고처리량 미세유체 세포 분리기에서 분리된다[14]. 다음 전략들은 스마트 섬유가 생물학적 인터페이싱에 사용될 수 있는 새로운 가능성 배열을 보여준다.
마이크로스케일과 매크로스케일에서 생체 활성 테스트 플랫폼 역할을 할 수 있는 인공 장을 고려해보자. 오늘날 조직 공학의 발전으로, 바이오프린터로 조직 제조를 위해 바이오잉크 코팅된 섬유를 동시 압출하여 다양한 기능을 통합할 수 있다(Fig. 6(I) 참조). 전통적으로 바이오프린팅 연구는 재생 의료를 위한 조직 이식 창출을 목표로 하며, 응용에 필요한 세포 유형에 기반하여 적절한 영양 및 신호 분자로 하이드로젤(Fig. 6(II))을 신중하게 설계하여 수행한다(Fig. 6(III)). 조직 공학은 실험이 시작된 후 마이크로초 단위로 시스템의 전체 생물학이 완전히 변하기 때문에 연구하기 매우 어렵다. 조직 성숙의 모니터링과 정기적 튜닝은 매우 복잡하다.
우리는 여기서 스마트 섬유를 설계(Fig. 6(IV))에 도입하여 기후와 환경 성장에 대한 더 나은 이해를 제공하는 솔루션을 제안한다. 내장된 섬유는 여러 기능(Fig. 6(VI))을 가지며, 혈관 신생 유도, 초음파 이미징, 연동 운동, 미세유체 흐름 등이 있다. 마이크로환경 제어는 주사기 펌프에 연결되고 분석 소프트웨어에 유선으로 연결된 섬유를 통해 이루어진다. 이 응용의 특징(Fig. 6(V)), 파일럿 실험 데이터 포함은 다음 하위 섹션에서 자세히 설명한다.
조직 공학은 인공 조직 수요 증가로 널리 탐구되고 있으며[61,62], 사실적인 조직을 바이오프린팅하는 능력은 내일의 약물 및 치료 개발에 중요한 역할을 할 것이다[63,64]. 가장 큰 과제 중 하나는 세포의 조직 기여를 안내하는 단백질, 성장 인자, 기타 생체분자로 구성된 세포외 기질(ECM) 설계이다[65]. 자연적으로 ECM은 세포에 목적과 구조를 주며, 추출은 일반적으로 탈세포화 조직을 통해 ECM을 새로운 세포 구조에 재활용 또는 재사용함으로써 작동한다. ECM은 용매, 하이드로젤, 생체고분자, 생체세라믹, 에어로젤, 폼 형태로 생분해성 또는 흡수성 구조를 조직에 제공한다[66]. 조직 공학의 생물학적 시스템 세부 사항 정의(기계적 특성, 스캐폴드 용해도 또는 흡수율, 초기 세포 유형, 영양, 밀도 및 비율, 성장 인자 도입, 결과적 생체 활성 및 조직 자기 조립)의 높은 복잡성으로 인해, 자연적으로 생성된 ECM 또는 인공적으로 개발된 생체물질이 상호작용하는 세포 존재 하에서 거동을 평가하는 것이 필수적이다. 게다가, 생존 조직은 세포의 건강과 성장을 위해 영양과 산소를 조직에 공급하는 조직화된 혈관 시스템을 필요로 한다. 혈관화는 생화학 물질의 자연적 미세유체 공급을 제공하여 증식, 특수화, 상호작용, 운동을 개시한다. 혈관 네트워크는 혈관신생, 동맥신생, 혈관형성으로 형성된다. 혈관형성은 내피 줄기세포의 분화와 분열을 통해 네트워크를 개발한다[67]. 혈관신생은 초기 배아 혈관형성 단계에서 형성된 기존 혈관에서 새로운 싹을 형성한다[68].
내용 전달을 위한 주기적 마이크로채널을 가진 미세유체 도관은 미세유체를 조직 구조의 특정 위치로 직조하는 데 사용될 수 있다. 앞서 설명한 바와 같이 핫존 경계의 액화 전면이 방울 핀치오프 위치를 정의한다. 따라서 여러 코어를 공간적 결맞음 방식으로 분열시킬 수 있다. 예를 들어, 백금과 실리콘 코어를 포함한 실리카 섬유는 실리콘 코어를 구슬 어레이로 유도한 후 수소불화물로 섬유를 얇게 하고, 수산화칼륨으로 실리콘 구슬을 식각하고, 왕수로 백금 코어를 식각하여 다중 출구를 가진 섬유 튜브가 될 수 있다. 결과 예는 Fig. 6(V)에 표시되어 있다. 섬유의 유연성은 미세유체 공급을 조직 구조에 여러 방식으로 통합할 수 있게 한다. Fig. 6(IV)에서 미세유체 채널은 조직이 성숙에 도달할 때 혈관신생과 혈관형성을 개시하기 위해 필요한 세포 유형과 성장 인자를 제공하는 데 사용된다.
섬유 개발과 병행하여, 성장 인자 존재 하에서 혈관화와 세포 간 상호작용을 분석하기 위한 새로운 테스트 플랫폼(Fig. 7a (I))이 설계되었다(Fig. 7a (II)). 플랫폼은 생체적합성 레진으로 스테레오리소그래피(Formlabs Form 2 및 Dental LT Clear 레진)를 사용하여 30° 방향에서 고해상도로 프린팅되었다. 프린트 결과는 Fig. 7a (III)에 표시되어 있으며, 생물학적 제제가 공급되는 외경 1.8 mm와 1.0 mm의 두 유리 모세관 튜브와 조립되었다. 초기 시험은 다양한 생체적합성 물질에서 생화학 물질의 확산 파라미터와 세포 집락 성장을 평가할 것이다. 이 플랫폼은 일회용으로 설계되었다. 2시간에 24개 테스트 웰을 상대적으로 저렴한 비용으로 프린팅할 수 있다. 두 평행 섬유의 각 모세관 출구 간 거리는 100-400 μm 사이에서 조정되어 약 200 μm에서 수용되는 최적 혈관형성 범위를 조사할 수 있다[67]. 웰 챔버의 상호작용 매체는 먼저 상용 바이오잉크(Cellink, USA)를 호스팅할 것이다: 하나는 나트륨 알기네이트와 나노섬유 셀룰로오스를 포함하고, 다른 하나는 젤라틴 메타크릴로일을 포함하며, 자체 생체물질 개발 전이다. Fig. 7a (I)에 표시된 유리 모세관 튜브는 결국 다음 섹션에서 논의될 Fig. 6a (V)의 미세유체 섬유로 대체될 것이다.
형상 기억 합금(SMA) 와이어는 가벼움, 비부식성, 비용 효율적 액추에이터 재료로, 보철 생체 모방[69], 자가 확장 수술용 임플란트[70], 항공우주 공학[71] 등 다양한 응용에서 정교한 응용에 사용된다.
SMA는 형상 기억 효과와 슈퍼탄성으로 알려진 금속 화합물이다. 이러한 특성은 일반적으로 니켈-티타늄에서 발견되지만, 다양한 다른 금속 합금에서도 발견될 수 있다. Figure 7(b)는 온도, 응력, 변형률 측면에서 형상 기억 효과를 보여준다. 표시된 바와 같이, 저온에서 SMA는 마르텐사이트 고체 상태에서 기계적 힘으로 변형될 수 있으며, 열 유도 시 비확산적 분자 재배열을 통해 오스테나이트 고체 상태로 전환된다. 냉각 시 물질은 초기 마르텐사이트 형태로 돌아가므로 형상 기억 효과이다. 이 열 사이클은 마르텐사이트 및 오스테나이트 시작 및 완료 온도(Ms, Mf, As, Af) 네 온도로 정의되며, 상태 간 전이 기간의 시작과 끝을 지정한다. SMA가 마르텐사이트에서 변형되면, 분자 탈쌍둥이화로 정의되는 탈쌍둥이화가 발생하여 신장을 경험할 수 있으며, 이는 액추에이션 응용에 특히 유용하다. 본질적으로, 형상 기억 효과 사이클은 평균 6% 신장 및 수축으로 수백 번 발생할 수 있으므로[72], 근육 미오필라멘트와 유사하여 "근육 와이어"라는 별명을 가진다.
이 독특한 특성은 1938년 알덴 그레닝거와 빅터 무라디안에 의해 처음 보고되었다[73], 자기장 에너지[74]로도 유발될 수 있다(강자성 형상 기억 합금, FSMA), 고분자(SMP)에서도 발견된다[75]. 오늘날 SMA의 기계적 피로 및 파단, 탄성, 열역학은 실험적으로[76] 및 수학적으로[77] 잘 특성화되었으며, 그 거동은 모델링되었다[78].
형상 기억 효과가 재료의 훌륭한 수축 거동을 허용하지만, 적절한 로봇 응용을 위해서는 운동이 가역적이어야 한다. 일반적으로 SMA는 스프링, 전기 구동, 탄성 밴드, 또는 단순히 다른 SMA 와이어와 같은 반대 메커니즘과 탠덤으로 설정된다. 또한, 조립은 선형 또는 회전 액추에이션 여부와 액추에이션의 반대 수축이 동일한지 여부를 변경한다. 와이어만으로는 얇고 약하지만, 원하는 힘에 도달하고 형상 기억 효과 응답 시간을 유지하기 위해 번들로 묶을 수 있다. SMA 와이어는 캡스탄에 감아 더 짧은 거리에서 더 큰 신장을 제공할 수도 있다. 다양한 전략이 검토되어 특정 응용에 선택되었다[79]. 열 유도는 일반적으로 SMA 와이어에 전력을 공급하고 수백 밀리암페어 차수의 입력 전류를 변화시켜 최적으로 제어된다. 냉각은 자연적으로 또는 방열판 및 환기 포함으로 수행될 수 있다.
섬유 인발 기술은 다양한 물질 특성을 활용하여 SMA 와이어에 무질서 상태를 보존하는 데 도움이 되는 탄성 코팅을 제공할 수 있다. Fig. 7c (I)과 c (II)에 표시된 바와 같이, 섬유에 여러 내장 SMA 와이어를 인발할 수 있다. 스티렌-에틸렌-부틸렌-스티렌(SEBS)을 SMA 와이어 주변 구조로 선택하였다. SEBS는 80°C 인발 온도를 견딜 수 있는 공중합체 엘라스토머이다. 예비 결과는 맨 SMA 와이어보다 효율이 낮지만 작동할 수 있음을 보여주며, 가열(Fig. 7c (III))과 냉각(Fig. 7c (IV)) 사이클을 통한 왕복 운동이 약 3.07% 변형으로 관찰된다. 설정을 최적화하기 위해 더 많은 연구가 필요하지만, 섬유 내 SMA 작동의 이 초기 실험 단계는 유망한 전망을 보여준다. 와이어는 물리적으로 당겨지고 핫플레이트로 가열되어 개념을 입증하였다. 전류 가열은 형상 기억 효과를 가속화하고 열의 섬유 내 확산을 더 잘 제어할 수 있게 한다. 5.35 mm 와이어는 0.11 mm 직경과 섬유 구간 전체에서 18.2 Ω 저항이 기록되었다. 참고로, SMA 와이어 제조사(Dynalloy, Inc.)에 따르면, 니켈과 티타늄으로 만든 0.1 mm 두께 와이어는 1초 수축에 약 200 mA 전류가 필요하다. 각 와이어를 개별적으로 제어하면 방향 이동이 가능하며, 설계에 더 많은 SMA 와이어를 추가하면 다방향 운동과 더 큰 수축 강도가 가능해진다. 또한, 강자성 SMA 와이어를 사용하면 상호작용 자기장 튜닝을 통해 운동을 국소적으로 제어할 수 있다. 게다가, FAMES Lab의 인발 타워가 프리폼을 회전시키며 섬유로 인발하는 능력은 섬유 내 스프링형 SMA 와이어 구조 제조를 가능하게 하여 상용 SMA 스프링과 유사한 더 큰 변형을 허용한다. 분명히, 섬유 내 SMA 와이어로 다양한 전략이 가능하다.
바이오센서는 다양한 방식으로 개발된다. 혈액, 소변, 타액, 땀, 눈물 등에서 샘플링하여 세포, 박테리아, 호르몬, 단백질, DNA 등 생물학적 요소의 특정 발현을 검출하기 위해 라벨 기반 또는 라벨 프리로 설계될 수 있다[80,81]. 심혈관 상태는 혈압, 피부 전기 활동, 피부 전도도, 호흡 및 심박수 등 실시간 바이오피드백에서 관찰될 수 있다[82,83]. 바이오이미징은 광학 이미징, 초음파, 자기공명 주파수, 컴퓨터 단층촬영, 근적외선 분광법, 양자점 프로빙 등 여러 기술로 수행되었다[84].
광섬유 연구에서, 이전 바이오센싱 섬유는 실리콘 포토닉 크리스탈의 생물학적 복사 검출에 의존하여 제조되었다[85]. 포토닉 크리스탈 기술은 라벨 프리 실시간 세포 형태학 및 생존 모니터링에 사용되었다[86]. 이러한 바이오포토닉스 발전은 MRI 하에서 가시적인 중공 코어 마이크로구조 섬유로 이어졌다[87]. 중공 코어는 광학 복사가 매우 긴 거리에 걸쳐 섬유를 따라 전파되도록 허용한다. 이 중공 튜브의 내벽은 반대 전하를 띤 폴리전해질과 자철석 나노입자로 코팅되며, 이는 MRI용 조영제로 사용된다. 이러한 설계는 예를 들어 생체 내 신경 활동 관찰에서 새로운 생물의학 정밀 진단 기회를 가능하게 한다[87,88].
초음파 기술은 액체 또는 겔 내 세포 밀도를 비침습적으로 관찰할 수 있게 한다[89,90]. 초음파 프로브는 일반적으로 자크와 피에르 퀴리가 1880년 발견한 압전 효과(가해진 응력에서 전기 생성)에 따라 작동한다[91]. 역압전 효과(가해진 전기장에서 압전 결정 변형)는 1881년 가브리엘 립만이 수학적으로 유도하였으며[92], 1916년 칠로프스키 콘스탄틴과 폴 랑게뱅이 제1차 세계대전 군사 응용을 위한 초음파 잠수함 탐지를 개발하였다[93]. 이후 소나 응용은 수중 이미징 및 어군 탐지[94,95], 에너지 수확[96,97] 등 다양해졌다.
압전 요소는 전기 에너지를 기계 에너지로, 기계 에너지를 전기 에너지로 변환하며 서로 간에 음파를 전송한다. 모든 주파수와 대역폭 파라미터는 정밀한 조절이 필요하며, 좋은 에너지 전송에는 좋은 음향 및 댐핑 매칭 임피던스가 필요하다. 통합된 압전 요소를 가진 두 섬유, 펄싱 이미터와 수신기로 설계된 것들은 서로 간에 초음파 도파로를 생성하여 파동 궤적을 따라 밀도를 측정할 수 있다. 이 섬유는 조직이 성숙에 도달함에 따라 미세환경의 미세구조를 감지할 수 있게 한다. 압전 요소는 예를 들어 PZT 코어에서 모세관 분열로 생성된다. PZT 요소는 25 MHz 미만의 공진 주파수로 33.7 × 10⁶ kg/m²s의 음향 임피던스를 가진다. 생성된 구체는 전도성 전극으로 트랜스듀서에 연결된다. 이 설정은 미세유체 및 운동 공급을 더 잘 조정하기 위해 제어 시스템의 피드백을 제공한다. 섬유 내 초음파 이미징은 조직 환경이 시간에 따라 어떻게 행동하는지 이해하는 데 명확히 도움이 된다.
우리는 마이크로전자 재료의 액상 공정 기술을 결합한 섬유용 VLSI(VLSI-Fi) 개념을 정립하였다—이는 섬유 및 직물 내 고성능 소자 및 시스템 제조를 위한 도구 상자를 형성한다. 우리의 실험 작업은 프리폼 3D 프린팅, 물질 선택적 공간적 결맞음 모세관 불안정에 의한 섬유 내 회로 조립, 개별 섬유 내장 소자 수준에서의 분리 구동 도핑 제어와 같은 VLSI-Fi의 더 좁은 측면에 대한 제어를 실증하는 데 초점을 맞춘다. 우리는 VLSI-Fi가 여러 기술 영역에서 제품 실현을 가능하게 할 것으로 예상하며, 그 중 하나는 현실적인 미세구조를 가진 공학 조직을 위한 능동 생체 모방 스캐폴드 제조이다.
해당 없음.
나노물질
연구자들이 셔츠에 꿰매어 입은 후 활동 감지, 저장, 분석, 추론이 가능한 디지털 기능 섬유를 만들었다. 디지털 직물은 인체 숨겨진 패턴 맥락을 밝혀내 신체 수행 모니터링, 의학적 추론, 조기 질병 탐지에 활용될 수 있다. 지금까지 전자 섬유는 아날로그였다. 연속적 전기 신호를 전달하는 것이지, 0과 1로 인코딩·처리 가능한 이산적 정보 비트를 다루는 디지털이 아니었다. 새 직물은 데이터를 디지털로 저장·처리해 직물에 새로운 정보 내용 차원을 추가하고 직물을 프로그래밍 가능하게 만들었다. 새 섬유는 수백 개 정사각형 실리콘 마이크로
2022년 스마트 제조는 제품의 전체 수명 주기 전반의 공정을 아우르는 총체적 전략으로 본격 부상할 전망이다. 향상된 연결성과 실시간 데이터 수집을 활용해 공정을 개선한다. 디지털 트랜스포메이션은 스마트 제조가 현대 제조 및 조립 작업을 검증하고 관리하며, 적은 비용으로 더 나은 품질을 달성하도록 돕는다. 기업은 이제 풍부한 정보에서 가치를 추출해 다음 혜택을 누릴 수 있다. 연결성(Connectability): 기계가 기계 제조사(OEM)를 통해 공장 내 다른 기계와 통신 가능. 적응성(Adaptability): 센서와 기능이
