3D 마이크로 조립

3D microfabrication

입체(3D) 미세조립은 미세한 규모로 3차원 구조를 만들기 위해 재료를 레이어링하는 제조 기법을 말한다.[1] 이러한 구조는 보통 마이크로미터의 크기에 있으며 마이크로 전자공학 및 마이크로 전자기계 시스템에서 인기가 있다.

신속한 시제품 제작

그들의 거시적인 아날로그와 매우 유사하게, 마이크로 구조는 빠른 프로토타이핑 방법을 사용하여 만들어질 수 있다. 이러한 기법은 일반적으로 일부 수지의 레이어링을 수반하는데, 각 층은 고해상도 현미경 성분을 생산하기 위해 기존 공정에 사용되는 것보다 훨씬 얇다. 전기화학적 제조와 같은 공정의 층은 5~10μm 정도로 얇을 수 있다.[2] 미세한 구조의 생성은 도구 경로를 만들기 위해 컴퓨터 보조 설계 모델을 2차원 층의 적절한 숫자로 잘라낸다는 점에서 기존의 적층 제조 기법과 유사하다. 그런 다음 이 도구 경로를 따라 원하는 형상을 생성하기 위한 기계 시스템이 이어진다.

대표적인 어플리케이션은 SLA(Stereolorography)로 표면에서 UV 광선이나 레이저 빔을 사용하여 레이어를 만드는 것을 들 수 있으며, 이 레이어를 탱크에 낮춰서 위에서 새로운 레이어가 형성될 수 있도록 한다. 일반적으로 사용되는 또 다른 방법은 퓨즈드 증착 모델링(FDM)으로, 움직이는 헤드가 모델 재료(대개 폴리머)를 녹여 레이어를 만들고 용해된 재료를 표면으로 압출하는 방식이다. 3D 마이크로 구조의 적층 제조에도 선택적 레이저 소결(SLS)과 같은 다른 방법이 사용된다.[1]

3D 레이저 미세조립

일반적인 레이저 미세조립 설정

레이저 기반 기술은 마이크로 구조물을 생산하기 위한 가장 일반적인 접근법이다. 전형적인 기법에는 대량 샘플에서 재료를 추가하거나 빼는 레이저의 사용이 포함된다. 최근 레이저의 적용은 구조를 만들기 위해 층을 이루는 패턴을 만들기 위해 작은 영역에 초점을 맞춘 레이저의 초경량 펄스의 사용을 포함한다. 그러한 방식으로 레이저를 사용하는 것을 레이저 직접 쓰기(LDW)라고 한다. 마이크로모터, 마이크로펌프, 기타 미세유체 소자와 같은 미세한 기계적 소자는 직접 쓰기 개념을 사용하여 제작할 수 있다. LDW는 가법 및 감산 공정 외에도 재료의 특성 수정을 허용한다. 이러한 수정을 가능하게 하는 메커니즘에는 소결, 미세조석학, 멀티호톤 과정이 포함된다. 이들은 일련의 레이저 펄스를 사용하여 정확한 양의 에너지를 전달하여 물질의 표면 구조와 아닐링을 유발할 수 있는 물리적 또는 화학적 변화를 유도한다.[3]

마이크로스틸리스토그래피

마이크로스틸리스토그래피는 스테레오그래피 원리에 기초한 일반적인 기법으로 광합성 가능한 수지를 반복적으로 레이어드하고 자외선 레이저 아래에서 경화하여 3D 성분을 제작한다. 이 기법을 채택한 초기 시스템은 초점 광선이 하나의 위치에 고정되고 변환 단계가 각 층 벡터를 벡터로 가공하는 스캐닝 원리를 사용한다. 보다 빠른 대안은 레이어의 조사가 한 단계에서만 이루어지도록 이미지가 레진 표면에 투영되는 투영 원리를 사용하는 것을 포함한다. 고해상도 결과는 그렇게 작은 규모로 생산하기 어려운 복잡한 형상의 제작을 가능하게 한다.[1]

멀티호튼 석판화

멀티호튼 리토그래피는 3D 프린팅 구조물에 미크로미터 이하의 분해능으로 사용할 수 있다. 이 공정은 레이저의 초점을 이용하여 특정 지점에서 수지나 유리를 광합성시킨다. 초점을 3차원 공간에서 이리저리 이동하고 매체를 서로 다른 지점에서 견고하게 함으로써 원하는 기하학적 구조를 구축할 수 있다. 현재 이 방법을 통해 구축된 기하학에서 형상의 분해능에 한계가 있다. 한계는 지오메트리가 구성되고 있는 매질과 레이저의 초점 정밀도와 관련이 있다.[3]

기타 첨가 공정

적층 공정은 특정 패턴의 재료 레이어링을 포함한다. 여기에는 레이저 화학 증기 증착(LCVD)이 포함된다. 이 증착기는 유기 전구체를 사용하여 구조물이나 벌크 재료에 패턴을 작성한다. 이 애플리케이션은 전자 분야, 특히 디스플레이용 트랜지스터 어레이 수리 분야에서 찾아볼 수 있다. 또 다른 첨가 공정은 레이저 유도 전방 이송(LIFT)으로 코팅된 기판을 겨냥한 펄스 레이저를 사용해 레이저 흐름 방향으로 물질을 전달한다.[1] LIFT는 열전자재, 폴리머를[4] 전달하기 위해 사용되어 왔고 구리선을 인쇄하기 위해 사용되었다. [5]

기울어진/회전된 UV 리토그래피 사용

현재 3D 마이크로 구조에 초점을 맞추고 있으며, 전자, 기계, 마이크로 광학 및 분석 시스템과 같은 많은 마이크로 시스템에 집중되어 있다. 그리고 이 기술이 발전하고 있을 때, 우리는 표면 마이크로마칭, 벌크 마이크로마칭, GIGA 공정과 같은 전통적인 그리고 전통적인 마이크로마킹 기술은 사선과 곡선의 3D 마이크로 구조를 제작하거나 생산하기에 충분하지 않다는 것을 발견했다.[6]

제작

기울어진 UV 노출의 기본 설정에는 기존의 UV 소스, 접촉 단계, 기울어진 단계가 있다. 또한 접촉 단계의 상판과 하판 사이에 포토마스크와 포토레지스트 코팅 기질을 배치하고, 나사로 하단판을 밀어 올려 고정시킨다. 그러면, 우리는 기울어진 UV에 포토레지스트를 노출시킬 수 있다.

제작 프로세스의 예: Su-8은 음의 두꺼운 광자극자로, 기울어진/회전된 UV 석판화가 있는 참신한 3D 마이크로 제작 방법에 사용되었다. 이 과정에서 두께가 100㎛ 정도 되는 실리콘 웨이퍼에 SU-8 50을 코팅한다. 그런 다음 저항기를 65°C 핫 플레이트에서 10분간, 95°C 플레이트에서 30분간 부드럽게 굽는다. 접촉 단계를 이용하여 포토마스크와 접촉한다. 이 단계는 기울어지는 단계에 기대어 저항력이 UV에 노출된다. 365nm UV의 선량은 500mJ/cm이다2. 노출 후 저항은 65°C 핫 플레이트에서 3분간, 95°C 플레이트에서 10분간 구운 후 노출된다. 결국 저항은 SU-8에서 가벼운 동요로 상온에서 약 10~15분간 발달한 다음 이소프로필 알코올로 헹군다. 그 외에도 여러 가지 절차가 있을 수 있다. 예를 들어, 경사 UV 석판화, 경사 및 회전 UV 석판화 및 반사 UV를 사용한 석판화.

직각으로 입사 UV의 흔적이 일직선에 있을 때, 포토마스크의 패턴은 저항으로 옮겨진다. 기울어진 UV 노출 과정을 이야기할 때 UV가 굴절되고 반사되어 다양한 3D 구조를 제작할 수 있다. 3D 마이크로 제작 기술에 의해 조작된 마이크로 구조는 많은 마이크로 시스템과 직접적으로 결합될 수 있다. 또한 전기 도금용 금형으로도 사용할 수 있다. 이에 따라 필터, 믹서, 제트, 마이크로 채널, LCD 모니터의 라이트 가이드 패널 등 다양한 분야에 적용할 수 있다.

셀프 폴딩 소재

복잡한 3D 마이크로 구조 설계는 광학, 생명공학, 마이크로/나노 전자제품의 새로운 재료 개발에 매우 도전적인 작업이 될 수 있다. 3D 재료는 2-포톤 광석학, 간섭 석판학, 성형과 같은 많은 방법을 사용하여 제작할 수 있다. 그러나 이러한 기술을 이용한 3D 구조는 실험적으로 매우 복잡하다. 이것은 그들의 확장성과 넓은 적용성을 제한할 수 있다.

자연은 우수한 성질을 지닌 참신한 재료의 디자인에 많은 아이디어를 제공한다. 자연에서 구조 형성의 주요 원리가 되는 자가조립과 자기조직화는 지능적인 물질의 설계를 위한 유망한 개념으로서 상당한 관심을 끌고 있다.

자극 반응 하이드로겔은 식물 세포의 팽창/축소 동작을 모방하고 환경 조건의 작은 변화에 반응하여 거시적인 작동을 생성한다. 대부분 모든 방향의 균질 팽창이나 수축은 조건의 변화를 초래할 수 있다. 또한, 비균형적인 팽창과 수축은 구부림, 비틀림, 접힘과 같은 더 복잡한 행동을 야기할 수 있고 그것들은 다른 방향으로 다른 크기에서 일어날 수 있다. 구조화된 재료의 설계를 위한 이러한 현상들의 활용은 매우 복잡한 반복 2D와 3D 패턴을 단순하고 템플릿 없이 제작할 수 있기 때문에 매우 매력적일 수 있다. 그러나 앞서 언급한 바와 같이 투포톤이나 간섭광석학 같은 정교한 제작 방법을 사용해서는 준비할 수 없다. 자체 폴딩 방식의 장점은 3D 중공 물체를 빠르고, 되돌릴 수 있고, 재현 가능한 제작이 가능하고, 외부와 내부의 화학적 특성 및 형태학이 제어된다는 점이다.

셀프 폴딩 재료의 실험적인 적용은 납작하게 배송되지만 끓는 물에 닿으면 원하는 모양으로 접히는 파스타다.[7]

전망

자가 폴딩 폴리머 필름의 광범위한 적용 가능성을 제한하는 한 가지 요인은 제조 비용이다. 실제로 폴리머는 주변 조건에서 회전 및 담금질 코팅으로 침전될 수 있으며, 폴리머 자체 폴딩 필름의 제작은 진공 증착에 의해 생산되는 무기질 필름의 제작보다 상당히 저렴하다. 즉, 값싸고 대규모로 자체 폴딩 폴리머 필름을 생산하여 그 용도를 실질적으로 제한하는 방법이 없다.

이러한 문제를 해결하기 위해서는 향후 연구가 2D 형상만 사용하여 복잡한 3D 구조를 설계할 수 있도록 접힘에 대한 심층 조사에 집중되어야 한다. 반면 값싸고 빠른 대량 자기 폴딩 필름 제조 방식도 큰 도움이 될 수 있다.[8]

참조

  1. ^ a b c d Baldacchini, Tommasso, ed. (2016). Three-Dimensional Microfabrication Using Two-Photon Polymerization: Fundamentals, Technology, and Applications. Elsevier. ISBN 978-0-323-35321-2.
  2. ^ Groover, Mikell (2012). Fundamentals of Modern Manufacturing: Materials, Processes, and Systems (5 ed.). Wiley. p. 846. ISBN 978-1118231463.
  3. ^ a b Misawa, Hiroaki, ed. (2006). 3D Laser Microfabrication: Principles and Applications. Germany: Wiley. ISBN 978-3-527-31055-5.
  4. ^ Heath, Daniel J; Feinaeugle, Matthias; Grant-Jacob, James A; Mills, Ben; Eason, Robert W (2015-05-01). "Dynamic spatial pulse shaping via a digital micromirror device for patterned laser-induced forward transfer of solid polymer films". Optical Materials Express. 5 (5): 1129. doi:10.1364/OME.5.001129. ISSN 2159-3930.
  5. ^ Grant-Jacob, James A.; Mills, Benjamin; Feinaeugle, Matthias; Sones, Collin L.; Oosterhuis, Gerrit; Hoppenbrouwers, Marc B.; Eason, Robert W. (2013-06-01). "Micron-scale copper wires printed using femtosecond laser-induced forward transfer with automated donor replenishment". Optical Materials Express. 3 (6): 747–754. doi:10.1364/OME.3.000747. ISSN 2159-3930.
  6. ^ Han, Manhee (2004). Sensors and Actuators A: Physical.
  7. ^ MIT 연구원들은 모양을 바꾸는 파스타를 개발한다.
  8. ^ Ionov, Leonid (2013). Polymer Reviews, 2013, Vol.53(1). Germany: Taylor & Francis Group. pp. 92–107.