BENEDIKT STENDER, FABIAN HILBERT, JONAS WIEDENMANN, ALEXANDER KRUPP, WILLI MANTEI, and RUTH HOUBERTZ

21세기의 활성화 기술 중 하나 인 3D 프린팅은 하나의 공정 단계만을 필요로 하기 때문에 prototyping 및 제조에서 인기를 얻었습니다. 또한 공정에 기존 방식의 비싸고 정교한 생산이 필요하지 않습니다. 3D 프린팅은 원형(原形)의 빠른 평가를 제공할뿐만 아니라 기존의 제조 방식에 비해 효율적인 중소 규모 생산을 가능하게 합니다. 대부분의 경우 3D 프린트로 인쇄한 부품은 무게가 줄어들고 기존 조립 부품에 비해 전체적인 기계적 안정성이 향상 될 수 있습니다. 많은 부문에서의 응용도가 입증되었지만, 광학부문에서는 정밀도가 낮고 적합한 재료가 없기에 광학 기능을 가진 요소를 인쇄하는 것은 불가능합니다.

그러나 포커싱 된 펨토초 레이저 펄스를 통해 동시에 트리거되는 두 광자의 비선형 흡수를 통해, 서브 마이크로 미터 이하의 인쇄 해상도를 제공함으로써, 고장밀 3D 프린팅(HOP3DP)은 요구 해상도대로 프린팅 하는 것을 목효로 합니다.

특수 폴리머나 유리 등에 레이저 펄스를 집중시킴으로써, 둘 (또는 그 이상) 광자 흡수 효과에 의한 레이저 초점으로, 정확하게 물체를 만듭니다.

 

대부분의 다른 3D 프린팅 특징으로 반복적인 2D(레이어별) 작업인데, HP3DP 프로세스는 초점이 입체 물체에서도 표면 효과를 생성 할 수 있다.

마이크로 / 나노 제조 기술과 기존의 제조 기술 사이의 간극을 메우는 HP3DP 프로세스는 회절 한계 미만의 분해능으로 서브 마이크론에서 센티미터 범위까지 전체 크기로 확장 가능한 구성 요소를 생성합니다. 43 : 1의 종횡비로 구조물을 제조하고 빠른 생산 가동을 위한 초점 량을 제어하는 ​​능력은 기존의 가공 방법으로는 불가능했던 초 고품질 마이크로 광학, 미세 유체 장치 및 기타 구성 요소의 인쇄를 가능하게 합니다.

Printing resolution and scalability

1997 년 HP3DP의 효과가 처음으로 입증 된 이후, 많은 학술 및 연구 그룹의 참여로 꾸준히 발전해 왔습니다. 이 기술은 고해상도 인쇄 산업 응용이 가능한 시점까지 발전했습니다. 초점 부피에 공간적으로 한정된 비선형 흡수 효과 및 적용된 레이저 출력의 제곱에 대한 확률로 인해, 회절 한계 미만의 피처 크기는 100 nm 범위에서 가능하다. ³ 큰 요소를 만드는데 사용되는 복셀이라고 하는 가장 작은 피처의 크기는 레이저 출력, 포커싱 옵틱, 제조 전략 및 가공 재료 자체에 의해 즉시 조정될 수 있습니다.

이 직접 레이저 기록 방법은 해당 제조 처리량과 디지털 데이터 전처리가 고가의 마스크에 의존하지 않는다는 사실에 의해 가능한 크기, 복잡성, 구조화 된 면적 및 기판 가공성과 관련하여 높은 수준의 확장성을 제공합니다 (그림 1 참조).  예로 상자에 통합 된 큰 렌즈 (직경 1mm)를 갖는 미세 구조 (도 1b 참조) 및 거시 구조 (도 1c 참조)에 대한 임의의 배열 및 형태의 서브 마이크로 미터 구조에 대한 크기의 확장 성 (그림 1a 참조)을 보여줍니다. 정렬 기능.

HP3DP는 실제 3D 제작을 제공하기 때문에 적층 마이크로 렌즈 어레이 (그림 1d 참조)와 같은 복잡한 구조는 개별 요소를 서로에 대해 정렬하지 않고도 단일 공정 단계에서 제작할 수 있습니다. 내시경의 전통적인 제조에서 최종 장치.

대량 생산을 위해서는 대 면적 제작이 필요합니다. 정교한 제조 전략의 구현을 통해 1 × 1 cm ² 어레이와 같이 자외선 및 step-and-repeat 나노 임프린트 리소그래피와 같은 웨이퍼 스케일 광학 용 렌즈 어레이의 적합한 마스터 제작에 ⁴ HP3DP를 사용할 수 있습니다 (그림. 1e) 사출 성형 및 핫 엠보싱과 같은 다른 대량 제조 기술을위한 복제 금형 제작 용.

또한 해당 제조 설계에 따라 직접 대량 제조도 가능합니다. 다른 3D 인쇄 기술과 달리 HP3DP는 계층 별 프로세스 내에서 새롭고 신선한 재료를 증착하기위한 와이 핑 단계를 필요로하지 않습니다. 따라서 특수 기판 (그림 1f 참조)에는 제한이 없습니다. 예를 들어, 마이크로 플러스가 나노 플러스 (독일 게브 룬 소재)의 DFB (Edge-Emitted Distributed-Feed-backback) 레이저의면에 직접 인쇄되어 보정되는 경우 타원형 빔 형태는 소위 고속 및 저속 축을 따른 발산의 차이에서 비롯됩니다.

구형 빔 프로파일을 달성하기 위해 부피가 큰 매크로 렌즈가 일반적으로 적용되는 반면, 도파관, 섬유 및 검출기와 같은 수동장치 및 능동 장치를 포함한 모든 인터페이스에서 요소를 인쇄하는이 고유 한 기능은 새로운 소형 제품을 설계 할 때 높은 유연성을 가능하게합니다. 및 랩 개념과 랩-온-칩 애플리케이션을위한 단일 출력 (컴 바이 너)에서 여러 레이저 파장을 결합 할수있는 가능성.

High-aspect-ratio structures

미세 전자 기계 응용의 경우, 고-종횡비 (HAR) 구조는 3D 미세 전자 기계 시스템 (MEMS) 구조를 가능하게하기 때문에 유리하다. 이러한 MEMS 구조는 일반적으로 SU-8 포토 레지스트 및 크롬 마스크를 주로 사용하는 LIGA (Lithographie, Galvanik 및 Abformung의 독일어 약어)를 통해 처리됩니다. 이 공정에는 일반적으로 수백 미크론으로 제한된 두꺼운포토 레지스트 층을 주조하는 까다로운 작업을 포함하여 여러 공정 단계가 필요합니다. 결과적으로 100㎛의 높이에서 100 : 1의 HAR가 실현되었다. 그러나, 더 큰 수직 치수는 더 두꺼운 레지스트 층 증착의 요구로 인해 제조 문제를 제기한다.

대조적으로, 전형적인 HP3DP 노출 모드는 수 밀리미터에서 센티미터까지의 깊이를 갖는 용기에 포함 된 액체 포토 레지스트에 레이저 펄스를 집중시킨다. 컨테이너 깊이는 상부 조명의 경우 현미경 대물 렌즈의 작동 거리에 의해 제한되며, 바닥에서 조명 할 때 깊이는 모션 축의 이동 거리에 의해 제한됩니다. 결과적으로 인쇄 높이를 센티미터 범위까지 쉽게 변경할 수 있습니다. 수직 치수가 100μm보다 큰 HAR 구조를 구현할 때 고려해야 할 또 다른 요소는 재료의 안정성입니다. HP3DP는 일반적으로 투과 및 경도 측면에서 유리와 같은 특성을 갖는 무기-유기 하이브리드 폴리머 인 ORMOCER와 같은 액체 포토 레지스트 재료를 노출시킨다.

HP3DP (그림 2 참조)에 의해 실현 된 전형적인 HAR 구조는 1 : 1 또는 2 : 1의 종횡비를 갖는 도파관을 포함한다.-90 ° 측벽을 갖는 16 : 1의 HAR 구조가 도시되어있다. 5 µm 너비와 80 µm 길이의 긴 벽은 갈보 스캐너와 이동 범위에 의해 동기화 된 레이저 초점 편향을 포함하는 무한 시야 (IFoV) 모드로 제작되었습니다. 이 구조화 모드는 현미경 대물 렌즈 (FoV)보다 큰 요소를 스티치없이 제작할 수 있습니다. 이 특정 예에서, 길이는 현미경 대물 렌즈의 FoV보다 4X 더 컸습니다. 20 : 1의 HAR 구조도 가능하다. 예를 들어, 5 × 5 µm ² 기본 영역을 가진 100-µm 높이의 바늘을 사용하여 광원에서 살아있는 표본으로 빛을 유도하거나 원자력 현미경의 캔틸레버로 살아있는 세포의 국소 광 자극에 사용할 수 있습니다. 도전적인 지형학.

그림 2. 2 : 1에서 43 : 1까지 HP3DP에 의해 실현 된 서로 다른 고 종횡비 (HAR) 구조가 표시됩니다.HP3DP는 밀리미터에서 센티미터 범위의 공칭 높이로 높은 종횡비로 구조물을 생산할 수 있습니다.

컨투어링도 가능합니다. 이 공정은 먼저 밀폐 된 액체 광 중합체를 레이저 가공하여 가교시킨 다음 후속 단계에서 대상물의 해당 쉘이 모두 남을 때까지 노출되지 않은 물질을 세척하여 제거합니다. 현상 후, 한정된 내부 레지스트를 중합하여 쉘과 코어 사이의 균질 한 가교 결합을 달성하기 위해 UV 플래시가 적용된다. 이 방법을 사용하면 기존의 전체 볼륨 구조화 모드와 비교하여 최대 95 %까지 제조 처리량이 대폭 향상되어 렌즈 당 1-5 초만 달성하는 마이크로 렌즈의 직렬 제조에서 시연되었습니다. ⁵

높이가 1.7 mm이고 직경이 2 mm 인 실린더 형 요소에 대해 43 : 1의 상응하는 HAR 구조가 도시되어있다 (도 2의 우측 상단 위치 참조). 전술 한 바와 유사한 방식으로, 실린더는 레이저 초점의 방사상 편향 또는 소위 철도 빔 조향 (RBS)과 함께 선형 변환 스테이지의 원형 이동을 갖는 IFoV 구조화 모드를 사용하여 구성되었다. 데모 목적으로, 0.04 mm 벽 두께를 나타내도록 캡이 처리되지 않았습니다. 이 유형의 구조에 대한 제조 처리량은 3.6 mm ³ / h이며 분할 또는 탑햇 생성과 같은 레이저 빔 성형 도구를 사용하여 더욱 향상 될 수 있습니다.

43 : 1의 입증 된 종횡비가 상한이 아님을 언급해야합니다. 표시된 미세 구조는 단지 예시의 예일 뿐이며 HAR 데모를 위해 명시 적으로 언급되지 않은 경우이다. 마이크로 미터 미만의 측면 치수에서도 최적화 된 설계 생성을 사용하면 더 높은 종횡비가 가능합니다.

Summary

높은 인쇄 해상도와 크기, 복잡성, 모양 및 처리 기판의 확장 성으로 인해 HP3DP 프로세스는 산업 응용 분야에 점점 더 많이 적용될 것입니다. HP3DP 프로세스는 서브 마이크론에서 센티미터 범위까지 전체 크기로 확장 가능한 회절 한계 미만의 분해능을 가진 컴포넌트를 생성 할 수 있기 때문에 마이크로 광학 응용 분야에서 광학 품질 표면의 3D 인쇄가 주요 응용 분야입니다. 43 : 1의 종횡비로 구조물을 제조하고 신속한 생산 실행을 위해 초점 부피를 제어하는 ​​능력은 초 고품질의 마이크로 광학 장치, 미세 유체 장치 및 기존의 가공 방법으로는 불가능했던 기타 구성 요소로 귀결됩니다.

참조

1. X. Zhou 등, AIP Advances , 5, 3 (2015).

2. S. Maruo et al., Opt. 레트 사람. , 22, 2, 132–134 (1997).

3. S. Steenhusen,“Untersuchungen zur sub-100 nm Strukturierung von Hybridpolymeren mittels Zwei-Photonen Absorption und Anwendungen,”Friedrich-Schiller-Universität Jena (2018).

B. Stender et al., Adv. 고르다. 테크 놀. , 8, 3–4, 225–231 (2019).

B. Stender 등, Laser Tech. J. , 14, 2, 20–23 (2017).

출처 : https://www.laserfocusworld.com/optics/article/14072271/photonics-applied-3dprinted-optics-focused-femtosecond-pulses-print-optical-components-with-subdiffractionlimited-resolution