멀티호튼 석판화

Multiphoton lithography
성(0.2mm x 0.3mm x 0.4mm)[1] 멀티호톤 리토그래피를 통해 연필 끝에 3D 프린팅. 사진: 피터 그루버

폴리머 템플릿의 멀티호톤 리토그래피(직접 레이저 리토그래피 또는 직접 레이저 글쓰기로도 알려져 있다)는 광결정 커뮤니티에 의해 수년간[timeframe?] 알려져 왔다. 표준 광석학 기법과 유사하게, 구조는 잘 정의된 파장의 빛을 통해 음색 또는 양색 톤의 광자기를 밝혀서 이루어진다. 그러나 근본적인 차이점은 망막의 회피다. 대신, 2-포톤 흡수를 이용하여 적절한 개발자에 대한 저항의 용해성에 극적인 변화를 유도한다.

따라서 멀티호톤 석판화는 복잡한 광학 시스템이나 포토마스크를 사용하지 않고 감광성 소재에서 작은 형상을 만드는 기법이다. 이 방법은 패턴을 만드는 데 사용되는 레이저의 파장에서 투명한 물질에 멀티포톤 흡수 과정에 의존한다. 레이저를 스캔하고 적절히 변조함으로써 레이저의 초점에서 화학적 변화(보통 중합)가 일어나 임의의 3차원 주기적 또는 비주기적 패턴을 만들 수 있다. 이 방법은 정교한 특징을 가진 구조물의 신속한 시제품 제작에 사용되어 왔다.

멀티호튼 쓰기 프로세스의 도식적 표현.

투포톤 흡수는 3차 광학 민감성 (3) 스타일 에 관한 3차 과정이고 광도에 관한 2차 과정이다. 이러한 이유로, 그것은 선형 흡수보다 약한 몇 가지 크기의 비선형 공정이므로, 그러한 희귀 사건의 수를 증가시키기 위해 매우 높은 광도가 요구된다. 예를 들어, 초점밀 레이저 빔은 필요한 강도를 제공한다. 여기서는 펄스 레이저 선원이 상대적으로 낮은 평균 에너지를 축적하면서 고강도 펄스를 전달하기 때문에 선호된다. 3D 구조화를 가능케 하려면 광원을 광자극자에 적절하게 적응시켜야 하는데, 단광자 흡수는 매우 억제된 반면 2광자 흡수는 선호된다. 이 조건은 레이저 광선의 출력 파장에 대해 저항이 매우 투명하고 동시에 and/2에서 흡수되는 경우에만 충족된다. 그 결과, 제한된 볼륨에서만 저항의 용해도를 변경하면서 초점 레이저 빔과 관련된 주어진 샘플을 스캔할 수 있다. 후자의 기하학은 주로 초점의 등강도 표면에 의존한다. 구체적으로, 감광성 매체의 특정 노출 임계값을 초과하는 레이저 빔의 영역은 기본 건물 블록, 이른바 복셀을 정의한다. 복셀의 실제 모양에 영향을 미치는 다른 파라미터는 레이저 모드와 저항과 몰입 시스템 사이의 굴절 지수 불일치가 구면 일탈로 이어진다.

레이저 3D 나노석판술의 양극화 효과를 이용해 광자 구조에서 형상 크기(및 해당 가로 세로 비율)를 미세 조정할 수 있는 것으로 나타났다. 이는 양극화가 레이저 전력(강도), 스캐닝 속도(노출 지속시간), 누적 선량 등 옆에 있는 가변 파라미터임을 입증한다.

최근 초고속 레이저 3D 나노석판술과 열처리법을 병행하면 3D 유리세라믹스를 적층 제조할 수 있는 것으로 나타났다.[2] 또한 광속시제품 제작에는 추가 광감소화 없이 식물에서 유래한 재생성 순수 바이오레인을 채용할 수 있다.[3]

멀티호톤 중합 재료

멀티호톤 석판화에 사용되는 재료는 일반적으로 기존의 석회화 기법에 사용되는 재료들이다. 그것들은 제조 필요성과 관련하여 액체 비주얼, 젤 또는 고체 상태에서 발견될 수 있다. 액체 저항은 제조 단계 동안 더 복잡한 샘플 고정 프로세스를 의미하며, 수지 자체의 준비는 더 쉽고 빠를 수 있다. 이와는 대조적으로, 고체 저항은 더 쉬운 방법으로 처리할 수 있지만, 그것들은 복잡하고 시간이 많이 걸리는 과정을 필요로 한다.[4] 광폴리머는 항상 전합체(단수체)를 포함하며, 최종 용도를 고려했을 때 중합반응의 촉매제로 광이니시에이터를 포함한다. 또한 그러한 중합 억제제(취득된 복셀을 감소시키는 동시에 레진을 안정화하는 데 유용함), 용제(주조 절차를 단순화할 수 있음), 두꺼워짐(일명 "필러") 및 광폴리머의 기능화를 목표로 하는 기타 첨가제(색소 등)를 찾을 수 있다.

아크릴레이츠

아크릴레이트는 가장 확산된 수지 성분이다. 그것들은 급진적인 반응을 암시하는 많은 전통적인 광석학 과정에서 발견될 수 있다. 그것들은 크게 확산되어 다양한 제품에서 상용화되며, 다른 특성과 구성을 가지고 있다. 이러한 종류의 저항의 주요 장점은 우수한 기계적 특성과 축소된 수축 용량에서 찾을 수 있다. 마지막으로 중합 단계는 다른 종류의 광폴리머보다 빠르다.[4] 아크릴 하이브리드 유기/유기농 저항제는 생체적합성과 구조적 거동 때문에 크게 확산되는데, 세라믹 기반 OMOCERs 소재 제품군과 실리콘-세라믹 기반 SZ2080이 가장 유명하다.[5] 후자는 무기상비의 변화만으로도 조정 가능한 광학 능력(굴절률 등) 덕분에 생물학 및 광학 분야에서 폭넓은 활용을 경험했다.[6]

에폭시 수지

이것들은 MEMS와 미세유체분야에 가장 많이 사용되는 수지들이다. 그들은 양이온 중합법을 이용한다. 가장 잘 알려진 에폭시 수지는 SU-8로,[7] 박막 침적(최대 500µm)과 높은 가로 세로 비율의 구조물의 중합이 가능하다. 우리는 SCR-701과 같은 많은 에폭시 수지들을 찾을 수 있다: 주로 미세한 움직이는 물체에 사용되며 SCR-500과 같은.[8]

적용들

오늘날에는 재생 의학, 생물의학 공학, 마이크로메카닉, 미세유체학, 원자 현미경, 광학 및 통신 과학과 같은 다중 호톤 중합에 의해 만들어진 마이크로 구조화 장치의 응용 분야가 몇 개 있다.

재생의학과 생물의학공학

(SZ2080과 OMOCER처럼) 생체적합성 광폴리머의 도래에 의해, 지금까지 많은 비계가 다중 호톤 석판화에 의해 실현되었다. 그것들은 제어와 조건을 조절하기 위한 기하학, 다공성, 치수로서 기계적, 화학적 방식으로, 시험관내 세포 배양 내 기본 단서인 이주, 접착, 증식 및 분화 등 주요 매개변수가 다양하다. 세포의 특징 크기보다 작은 구조물을 제작하는 능력은 기계생물학 분야를 극적으로 개선하여 기계적인 단서들을 세포 미세 환경에 직접 결합할 수 있는 가능성을 제공했다.[9] 이들의 최종 적용 범위는 체외에서 생리학적 틈새로 흉내내는 니콜로이드 발판과[10] 같은 성체 중피 줄기세포의 줄기 유지부터 이동공학적 비계 생성에 이르기까지 다양하다.

마이크로메카닉과 마이크로유체

멀티호톤 중합은 Lab-on-a-chip과 결합할 수 있는 마이크로사이즈 액티브(펌프로서) 또는 패시브(필터로서) 소자를 실현하는 데 적합할 수 있다. 이러한 기기는 미리 밀폐된 채널에서 중합되는 장점을 가지고 마이크로 채널과 결합하여 널리 사용될 수 있다. 필터를 고려하면, 그들은 혈장을 적혈구에서 분리하거나, (단일 세포 치수와 관련된) 세포 집단을 분리하거나, 기본적으로 불순물과 파편으로부터 용액을 걸러내는 데 사용될 수 있다. 다공성 3D 필터는 2PP 기술만으로 제작이 가능한 것으로 2D 기둥을 기반으로 한 필터에 비해 두 가지 핵심 장점을 제공한다. 첫째, 3D 필터는 전단 응력에 대한 기계적 저항을 증가시켜 보다 높은 보이드 비율을 가능하게 하여 보다 효율적인 작동을 가능하게 했다. 둘째, 3D 다공성 필터는 모공 크기를 셀의 최소 치수로 줄이지 않고도 디스크 모양의 요소를 효율적으로 필터링할 수 있다. 통합형 마이크로펌프를 고려할 때 원치 않는 회전을 방지하기 위해 자체 샤프트에 의해 채널에 국한된 2연속 독립 로터로 중합할 수 있다. 그러한 시스템은 초점화된 CW 레이저 시스템을 사용하여 간단히 활성화된다.[8]

원자력 현미경

현재까지, 원자력 현미경 마이크로팁은 금, 실리콘, 그리고 그것의 파생물과 같은 단단한 물질에 대한 표준 광석학 기법으로 실현된다. 그럼에도 불구하고 그러한 재료의 기계적 특성은 팁을 만들거나 구부리기 위해 시간이 많이 걸리고 비용이 많이 드는 생산 공정을 필요로 한다. 멀티호톤 석판화는 프로토타입 제작과 수정에 사용될 수 있으므로 복잡한 제작 프로토콜은 피할 수 있다.

광학

3D 평면 구조를 만들 수 있는 기능으로 멀티호톤 중합은 광학 도파관,[4] 공명기,[11] 광결정,[12] 렌즈용 광학부품을 만들 수 있다.[13]

참조

  • Deubel M, von Freymann G, Wegener M, Pereira S, Busch K, Soukoulis CM (2004). "Direct laser writing of three-dimensional photonic-crystal templates for telecommunications". Nature Materials. 3 (7): 444–7. Bibcode:2004NatMa...3..444D. doi:10.1038/nmat1155. PMID 15195083. S2CID 14877877.
  • Haske W, Chen VW, Hales JM, Dong W, Barlow S, Marder SR, Perry JW (2007). "65 nm feature sizes using visible wavelength 3-D multiphoton lithography". Optics Express. 15 (6): 3426–36. Bibcode:2007OExpr..15.3426H. doi:10.1364/OE.15.003426. PMID 19532584.
  • Rekstyte S, Jonavicius T, Gailevicius D, Malinauskas M, Mizeikis V, Gamaly EG, Juodkazis S (2016). "Nanoscale Precision of 3D Polymerization via Polarization Control". Advanced Optical Materials. 4 (8): 1209–14. arXiv:1603.06748. Bibcode:2016arXiv160306748R. doi:10.1002/adom.201600155. S2CID 101498388.
  • Gailevicius D, Padolskytė V, Mikoliūnaitė L, Šakirzanovas S, Juodkazis S, Malinauskas M (10 Dec 2018). "Additive-manufacturing of 3D glass-ceramics down to nanoscale resolution". Nanoscale Horizons. 4 (3): 647–651. doi:10.1039/C8NH00293B.
  • Lebedevaite M, Ostrauskaite J, Skliutas E, Malinauskas M (2019). "Photoinitiator Free Resins Composed of Plant-Derived Monomers for the Optical µ-3D Printing of Thermosets". Polymers. 11 (1): 116. doi:10.3390/polym11010116. PMC 6401862. PMID 30960100.
  1. ^ "Additive Manufacturing Technologies : Multiphoton Lithography".
  2. ^ Gailevičius, Darius; Padolskytė, Viktorija; Mikoliūnaitė, Lina; Šakirzanovas, Simas; Juodkazis, Saulius; Malinauskas, Mangirdas (2019). "Additive-manufacturing of 3D glass-ceramics down to nanoscale resolution". Nanoscale Horizons. 4 (3): 647–651. Bibcode:2019NanoH...4..647G. doi:10.1039/C8NH00293B.
  3. ^ Lebedevaite, Migle; Ostrauskaite, Jolita; Skliutas, Edvinas; Malinauskas, Mangirdas (2019). "Photoinitiator Free Resins Composed of Plant-Derived Monomers for the Optical µ-3D Printing of Thermosets". Polymers. 11 (1): 116. doi:10.3390/polym11010116. PMC 6401862. PMID 30960100.
  4. ^ Jump up to: a b c LaFratta, Christopher N.; Fourkas, John T.; Baldacchini, Tommaso; Farrer, Richard A. (2007-08-20). "Multiphoton Fabrication". Angewandte Chemie International Edition. 46 (33): 6238–6258. doi:10.1002/anie.200603995. PMID 17654468.
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  10. ^ Raimondi, Manuela T.; Eaton, Shane M.; Laganà, Matteo; Aprile, Veronica; Nava, Michele M.; Cerullo, Giulio; Osellame, Roberto (January 2013). "Three-dimensional structural niches engineered via two-photon laser polymerization promote stem cell homing". Acta Biomaterialia. 9 (1): 4579–4584. doi:10.1016/j.actbio.2012.08.022. PMID 22922332.
  11. ^ Li, Chun-Fang; Dong, Xian-Zi; Jin, Feng; Jin, Wei; Chen, Wei-Qiang; Zhao, Zhen-Sheng; Duan, Xuan-Ming (2007-08-14). "Polymeric distributed-feedback resonator with sub-micrometer fibers fabricated by two-photon induced photopolymerization". Applied Physics A. 89 (1): 145–148. Bibcode:2007ApPhA..89..145L. doi:10.1007/s00339-007-4181-8. ISSN 0947-8396. S2CID 94901236.
  12. ^ Sun, Hong-Bo; Matsuo, Shigeki; Misawa, Hiroaki (1999-02-08). "Three-dimensional photonic crystal structures achieved with two-photon-absorption photopolymerization of resin". Applied Physics Letters. 74 (6): 786–788. Bibcode:1999ApPhL..74..786S. doi:10.1063/1.123367. ISSN 0003-6951.
  13. ^ Gissibl, Timo; Thiele, Simon; Herkommer, Alois; Giessen, Harald (August 2016). "Two-photon direct laser writing of ultracompact multi-lens objectives". Nature Photonics. 10 (8): 554–560. Bibcode:2016NaPho..10..554G. doi:10.1038/nphoton.2016.121. ISSN 1749-4885.

외부 링크

  • 나노 조각품, 최초의 나노 크기의 인간 형태. 예술가인 Jonty Hurwitz가 2014년 11월 멀티호톤 석판화를 사용하여 만든 조각품.[1]
  1. ^ "When science and art produce nanosculpture marvels". Phys.org, Nancy Owano. 18 Nov 2014.