음향 인쇄:음파는 모든 액체에서 정확한 물방울을 생성합니다.

• 음향영동 인쇄는 음파를 활용하여 모든 액체에서 물방울을 생성합니다.
• 이 기술은 액체의 점도나 구성에 영향을 받지 않습니다.
• 물방울 크기는 음파 진폭에 반비례합니다. 진폭이 낮을수록 물방울이 더 커집니다.
• 응용 분야는 바이오의약품, 화장품, 식품, 첨단 소재에 걸쳐 있습니다.

가정용 인쇄의 발전은 1930년대로 거슬러 올라갑니다. 오늘날 액체 잉크젯 및 레이저 프린터는 저렴한 비용으로 신속하고 에너지 효율적인 고품질 컬러 출력을 제공합니다.

가장 널리 사용되는 물방울 형성 방법인 잉크젯 기술은 점도가 물의 10배 이상인 액체로 제한됩니다. 레이저 유도 전방향 전송 및 밸브 기반 인쇄는 노즐 크기, 소스 기판 거리 및 점도에 따라 처리량을 더욱 제한합니다. 온도와 시간에 따라 속성이 달라지는 경우 각 잉크에 대해 이러한 매개변수를 조정하는 것이 어려워집니다.

바이오프린팅에 필수적인 많은 유체(생체고분자, 설탕이 풍부한 젤)는 물의 100배를 초과하는 점도를 나타내며 일부는 꿀만큼 걸쭉합니다(물 25,000배). 이러한 높은 점도는 기존 인쇄를 방해합니다.

하버드 연구진은 이러한 제약을 극복하는 음향 기반 방법을 개발했습니다. 노즐 팁에서 매우 제한된 음장을 생성함으로써 유체 특성에 관계없이 필요에 따라 물방울을 생성할 수 있습니다.

작동 방식

중력만으로는 물방울 크기를 조절할 수 없습니다. 수도꼭지에서 물은 몇 초 만에 떨어지지만, 물보다 점성이 2000억 배 더 강한 피치는 10년 안에 한 방울이 됩니다. 하버드 팀은 물방울 형성을 조종하기 위해 음파를 사용했습니다. 음향 공중 부양은 중력에 대응하는 능력을 오랫동안 입증해 왔습니다. 여기서는 음향영동 인쇄라고 불리는 프로세스를 보조하는 데 사용됩니다.

출처:Daniele Foresti/Jennifer A. Lewis/Harvard University

하위 파장 음향 공진기는 노즐 팁에서 중력(1g)보다 100배 더 강한 음향장을 전달합니다. 이는 태양 중력의 4배입니다. 물방울이 임계 크기에 도달하면 음향력이 이를 노즐에서 추출하여 목표 위치로 추진합니다. 중요한 것은 물방울의 크기가 액체의 점도와 관계없이 파동 진폭에 의해 설정된다는 것입니다.

참고자료:과학 발전 | doi:10.1126/sciadv.aat1659 | 하버드 대학교

테스트 및 적용

출처:Daniele Foresti/Jennifer A. Lewis/Harvard University

이 방법은 생체고분자, 꿀, 광학 수지, 줄기세포 잉크, 액체 금속 등 다양한 재료 세트에서 검증되었습니다. 음파는 물방울을 통과할 수 없기 때문에 이 기술은 단백질 및 살아있는 세포와 같은 섬세한 생체 분자의 무결성을 보존합니다.

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연구자들은 음향영동 인쇄가 화장품, 바이오의약품, 식품 생산에 혁명을 일으키고 전도성 및 광학 소재의 사용을 확대할 수 있을 것으로 기대하고 있습니다.