첫 번째 칩 기반 3D 프린터 시연

손바닥에 쥘 수 있는 휴대용 3D 프린터를 상상해 보자. 이 작은 장치를 통해 사용자는 흔들리는 자전거 바퀴를 수리하기 위한 패스너나 중요한 의료 작업을 위한 구성 요소와 같은 맞춤형 저비용 물체를 이동 중에도 빠르게 만들 수 있다.

MIT와 오스틴에 있는 텍사스 대학교의 연구원들은 최초의 칩 기반 3D 프린터를 시연함으로써 이 아이디어를 현실로 만들기 위한 중요한 발걸음을 내디뎠다. 개념 증명 장치는 재구성 가능한 광선을 수지 우물로 방출하여 빛이 닿을 때 단단한 모양으로 경화되는 단일 밀리미터 크기의 광자 칩으로 구성된다.

프로토타입 칩에는 움직이는 부품이 없으며 대신 광선을 조종하기 위해 일련의 작은 광학 안테나에 의존한다. 빔은 빔의 가시광선 파장에 노출될 때 빠르게 경화되도록 설계된 액체 수지로 투사된다.

실리콘 포토닉스와 광화학을 결합함으로써 학제 간 연구팀은 M-I-T 문자를 포함한 임의의 2차원 패턴을 3D 프린팅하기 위해 광선을 조종할 수 있는 칩을 시연할 수 있었다. 몇 초 만에 모양을 완전히 형성할 수 있다. 장기적으로 그들은 광자 칩이 수지 우물의 바닥에 놓여 가시광선의 3D 홀로그램을 방출하여 한 번에 전체 물체를 빠르게 경화시키는 시스템을 구상하고 있다.

이러한 유형의 휴대용 3D 프린터는 임상의가 맞춤형 의료 기기 구성 요소를 만들 수 있도록 하거나 엔지니어가 작업 현장에서 신속하게 프로토타입을 만들 수 있도록 하는 등 많은 응용 분야에 적용될 수 있다.

"이 시스템은 3D 프린터가 무엇인지 완전히 새롭게 생각하고 있습니다. 더 이상 실험실의 벤치에 앉아서 물체를 만드는 큰 상자가 아니라 휴대가 가능한 것입니다. 이를 통해 나올 수 있는 새로운 응용 분야와 3D 프린팅 분야가 어떻게 바뀔 수 있을지 생각하는 것은 흥미진진합니다"라고 전기 공학 및 컴퓨터 과학(EECS)의 Robert J. Shillman 경력 개발 교수이자 전자 연구소의 회원인 선임 저자 Jelena Notaros는 말한다.

논문에서 Notaros와 함께 수석 저자이자 EECS 대학원생인 Sabrina Corsetti가 논문에 참여했다. 밀리카 노타로스 박사 '23; Tal Sneh, EECS 대학원생; Alex Safford, 최근 오스틴에 있는 텍사스 대학교 졸업생; Zak Page는 UT Austin의 화학 공학과 조교수이다. 이 연구는 Nature Light Science and Applications에 게재되었다.

칩으로 인쇄하기 실리콘 포토닉스 전문가인 Notaros 그룹은 이전에 반도체 제조 공정을 사용하여 칩에 제작된 일련의 마이크로 스케일 안테나를 사용하여 광선을 조종하는 통합 광학 위상 배열 시스템을 개발했다. 안테나 어레이의 양쪽에서 광 신호의 속도를 높이거나 지연시킴으로써 방출된 빛의 빔을 특정 방향으로 이동할 수 있다.

이러한 시스템은 주변 물체에서 반사되는 적외선 빔을 방출하여 주변 환경을 매핑하는 라이다 센서의 핵심이다. 최근 이 그룹은 증강 현실 애플리케이션을 위해 가시광선을 방출하고 조종하는 시스템에 집중하고 있다. 그들은 그러한 장치가 칩 기반 3D 프린터에 사용될 수 있는지 궁금해했다.

브레인스토밍을 시작한 것과 거의 동시에 UT Austin의 Page Group은 가시광선의 파장을 사용하여 빠르게 경화할 수 있는 특수 수지를 처음으로 시연했다. 이것은 칩 기반 3D 프린터를 현실로 밀어 넣은 누락 된 부분이었다. Corsetti는 "광경화성 수지를 사용하면 적외선 파장에서 경화하기가 매우 어려운데, 이는 과거에 라이다(lidar)를 위해 통합 광학 위상 배열 시스템이 작동했던 곳"이라고 말한다. "여기서 우리는 가시광선 경화형 수지와 가시광선 방출 칩을 사용하여 이 칩 기반 3D 프린터를 만들어 표준 광화학과 실리콘 포토닉스 사이의 중간에서 만나고 있습니다. 두 가지 기술을 합쳐 완전히 새로운 아이디어를 낸 것"이라고 말했다.

그들의 프로토 타입은 160 나노 미터 두께의 광 안테나 어레이를 포함하는 단일 광자 칩으로 구성된다. (종이 한 장의 두께는 약 100,000나노미터이다.) 전체 칩은 미국 분기에 맞다. 오프칩 레이저로 구동되는 경우 안테나는 조종 가능한 가시광선 빔을 광경화성 수지 웰로 방출한다. 칩은 현미경에 사용되는 것과 같은 투명한 슬라이드 아래에 있으며, 여기에는 수지를 고정하는 얕은 움푹 들어간 곳이 있다. 연구원들은 전기 신호를 사용하여 광선을 비기계적으로 조종하여 광선이 닿는 곳마다 수지가 응고되도록 한다.

협업 접근 방식
그러나 진폭과 위상을 수정해야 하는 가시광선 파장 빛을 효과적으로 변조하는 것은 특히 까다롭다. 한 가지 일반적인 방법은 칩을 가열해야 하지만 이는 비효율적이며 많은 양의 물리적 공간을 차지한다.

대신 연구원들은 액정을 사용하여 칩에 통합되는 소형 변조기를 만들었다. 이 소재의 고유한 광학 특성으로 인해 변조기는 매우 효율적이며 길이가 약 20미크론에 불과하다. 칩의 단일 도파관은 오프칩 레이저의 빛을 유지한다. 도파관을 따라 달리는 것은 각 안테나에 약간의 빛을 두드리는 작은 탭이다.

연구원들은 액정 분자의 방향을 특정 방향으로 바꾸는 전기장을 사용하여 변조기를 능동적으로 조정한다. 이러한 방식으로 안테나로 라우팅되는 빛의 진폭과 위상을 정밀하게 제어할 수 있다. 그러나 빔을 형성하고 조종하는 것은 전투의 절반에 불과하다. 새로운 광경화성 수지를 사용하는 것은 완전히 다른 도전이었다.

UT Austin의 Page Group은 MIT의 Notaros Group과 긴밀히 협력하여 긴 유통 기한과 빠른 경화를 제공하는 포뮬러에 초점을 맞추기 위해 화학 조합과 농도를 신중하게 조정했다. 결국 이 그룹은 프로토타입을 사용하여 몇 초 만에 임의의 2차원 모양을 3D 프린팅했다. 이 프로토타입을 기반으로 그들은 원래 개념화한 것과 같은 시스템, 즉 수지 우물에서 가시광선의 홀로그램을 방출하여 단 한 단계로 체적 3D 프린팅을 가능하게 하는 칩을 개발하고자 한다.

"이를 위해서는 완전히 새로운 실리콘 포토닉스 칩 설계가 필요합니다. 우리는 이미 이 백서에서 최종 시스템이 어떤 모습일지 많이 설명했습니다. 그리고 이제 우리는 이 궁극적인 시연을 위해 계속 노력할 수 있게 되어 기쁩니다"라고 Jelena Notaros는 말한다.

이 연구는 미국 국립과학재단(U.S. National Science Foundation), 미국 국방고등연구계획국(Defense Advanced Research Projects Agency), 로버트 A. 웰치 재단(Robert A. Welch Foundation), MIT 롤프 G. 로처 기부 펠로우십(Rolf G. Locher Endowed Fellowship), MIT 프레드릭 & 바바라 크로닌 펠로우십(MIT Frederick and Barbara Cronin Fellowship)의 지원을 받았다. (에너지 데일리)