새로운 두 레이저 기술로 3D 프린팅 접근성 향상, 비용 절감 기대

혁신적인 연구진이 새로운 두 레이저 프린팅 방식을 통해 3D 프린팅 비용을 줄이고 성능을 높이는 방법을 발견했다. 퍼듀대학교 연구팀은 과학 학술지 Optics Express에 자세한 연구 결과를 발표했다. 이 연구는 기존 이광자 중합 모델을 개선하는 첨단 두 색 레이저 적층 제조 기술의 세부 사항을 다룬다. 알아야 할 내용은 다음과 같다.

오늘날의 적층 제조 공정

이 연구의 의미를 충분히 이해하려면 적층 제조 공정의 발전을 간략히 살펴볼 필요가 있다. 3D 프린팅은 때로는 공상과학처럼 느껴지는 흥미로운 과정을 거쳤다. 만화 속에 등장하던 장치는 이제 특정 기기를 만드는 가장 인기 있는 방법 중 하나이자, 종종 유일한 방법이 되었다.

재료 압출

최초의 3D 프린터는 재료 압출이라는 방식을 사용했다. 긴 스풀에 감긴 열가소성 필라멘트를 가열된 노즐에 공급하고, 변형 가능한 상태까지 가열한 뒤 층층이 쌓아 원하는 모양을 만들었다. 이 방식의 3D 프린터는 오늘날 가장 저렴하고 널리 쓰이는 선택지다.

파우더 베드

분말 베드 3D 프린터는 금속과 세라믹 제품을 만드는 데 사용된다. 이 방식은 분말 베드와 결합재를 분사하는 잉크젯 프린터를 결합한다. 결합재가 층별로 제품을 형성하며 복잡한 3D 설계를 구현할 수 있다. 최근에는 여러 재료와 전자장치까지 프린팅할 수 있게 되었다.

융합 적층

용융 적층은 재료 압출 방식으로 쌓는 열가소성 필라멘트를 사용한다. 이후 레이저로 제품의 모양을 매우 정밀하게 형성하고 고정한다. 적층 제조에서 레이저 사용은 일반적이며, 광조형(SLA)이 처음 사용된 것은 1984년이다.

두 광자 중합 (TPP)

오늘날 이광자 중합(TPP)은 마이크로미터 규모의 산업용 프린팅에 가장 널리 사용되는 방식이다. 이 방식은 특수 제작 복합재를 성형하고 경화하며 고체화할 수 있는 두 개의 펨토초 레이저에 의존한다. 높은 정확도를 제공하며, 다른 방식으로는 만들 수 없는 미세구조와 작고 정교한 장치를 제작하는 검증된 방법이다.

이 접근법의 문제점

TPP 방식의 여러 문제 때문에 연구진은 대안을 탐색했다. 우선 펨토초 레이저는 매우 비싸고 민감하며 높은 정밀도가 필요하다. 아주 작은 변화만으로도 대규모 유지보수가 필요해질 수 있다.

연구진

이 구성의 비효율성을 인식한 퍼듀대학교 공학자 Xianfan Xu가 이끄는 연구진은 비용 절감을 목표로 새로운 다층 접근법을 마련했다. 이를 위해 레이저 간섭부터 조정에 이르기까지 다양한 장애물을 극복해야 했다. 연구진은 다음과 같은 방식으로 난관을 넘어 시장을 바꿀 잠재력이 있는 완전히 새로운 제조 공정을 만들었다.

두 레이저 연구

연구 «펨토초 레이저 프린팅 출력을 줄이기 위한 두 색 3D 프린팅»은 이전에 두 개의 펨토초 장치가 필요했던 일부 작업에 저출력 레이저를 사용하는 방법을 검토한다. 이를 위해 연구진은 맞춤형 이광자 리소그래피 구성을 만들었다. 이 구성은 프린팅 평면으로 향하는 보조 레이저 경로를 포함해 레이저 효과에 대한 유용한 데이터를 실시간으로 수집할 수 있게 한다.

1단계 – 재료 준비

연구진의 첫 단계는 재료에 광화학 공정을 적용하는 것이었다. 이 공정은 재료의 반응 억제 물질을 줄여 성형과 경화에 사용되는 레이저에 더 쉽게 반응하도록 한다. 이 추가 단계 덕분에 연구진은 펨토초 레이저 두 개를 사용할 필요가 없어졌다.

저비용 레이저

새 공정 덕분에 연구진은 첫 레이저 상호작용에 더 저렴한 장치를 사용할 수 있었다. 펨토초 장치 하나를 제거하고 고출력 장치와 함께 작동하는 가시광선 장치로 교체했다. 저비용 레이저는 간섭을 추가하지 않으면서 펨토초 레이저를 보완하도록 조정되었다.

펨토초 레이저

시험에 선택된 레이저는 MPB Communications Inc.의 파장 532 nm 나노초(ns) 펄스 광섬유 레이저였다. 이 장치는 조정 범위가 넓어 연구진이 다양한 반복률을 시험할 수 있었다. 연구진은 최종적으로 펄스 폭 1.2 ns에서 반복률 80 MHz를 선택했다.

두 레이저 미러

펄스는 Nikon의 NA = 1.49, 100배 유침 대물렌즈로 더욱 집속되었다. 이 접근법은 분산 사전 보상을 위해 Edmund Optics의 고분산 초고속 거울을 사용했다. 또한 정확성을 확보하기 위해 헬륨-네온(HeNe) 레이저를 사용했다. 이 광선은 특히 레이저 경로의 반복성을 보장했다.

두 레이저의 균형 잡기

새 제조 공정에 필요한 정밀도를 확보하기 위해 공학자들은 새로운 수학적 모델을 만들어야 했다. 이 모델은 여러 상태에 걸친 광중합 반응을 나타낼 수 있게 했다. 이전에는 레이저에 의한 들뜬 상태와 후속 중합 반응속도를 계산할 때 별도의 모델을 사용했다.

개선된 모델 덕분에 연구진은 이광자 및 단일광자 여기 과정의 결합 효과를 실시간으로 정확히 측정할 수 있었다. 이를 통해 성능을 떨어뜨리지 않으면서 펨토초 레이저가 작업을 수행하는 데 필요한 최소 전력 수준을 결정했다.

두 레이저 테스트

연구진은 여러 설계로 장치를 시험했다. 다양한 2D 및 3D 구조는 복잡성과 크기를 기준으로 선택되었다. 연구진은 마이크로미터 규모로 장치를 제작할 수 있는지 확인하고자 했다. 따라서 먼저 25 × 25 × 10 μm 크기의 정교한 우드파일 구조를 프린팅했다.

출처 – Optica

연구팀은 우드파일 구조에서 멈추지 않았다. 미세한 버키볼, 키랄 구조 및 세잎매듭도 프린팅했다. 이 모양들은 연구의 여러 측면을 보여줄 수 있기 때문에 선택되었다. 다음은 시험 결과가 보여주는 내용이다.

결과

시험 결과 장치의 상당한 성능 개선이 확인되었다. 장치는 전력을 50% 적게 사용하면서 모든 구조를 프린팅할 수 있었다. 전력 감소는 여러 방식으로 이루어졌다. 먼저 연구진은 펨토초 레이저를 파장 800 nm 장치에서 530 nm 레이저로 바꿨다. 새 방식에서 이 변화는 성능 저하 없이 효율을 높였다.

또한 새 공정은 재료와 시간을 줄이면서 업계 표준과 비슷한 결과를 냈다. 구체적으로 가시광선 레이저의 단일광자 흡수가 억제제 농도를 낮추면서도 유사한 결과를 제공했다.

쉬운 통합

이 연구의 가장 큰 장점 중 하나는 새 방식을 최소 비용으로 기존 공정에 쉽게 통합할 수 있다는 점이다. 제조업체가 새 장치를 구매할 필요가 없어 비용을 줄일 수 있다. 대신 현재의 구성을 개조해 더 저렴한 새 방식을 사용할 수 있다.

두 레이저 적용 분야

이 기술은 즉시 적용할 수 있는 분야가 여러 개다. 적층 제조는 어느 때보다 널리 사용되고 있으며, 비용을 줄이고 성능을 높이는 방법은 업계의 지지를 받을 것이다. 다음은 이 기술의 다른 활용 분야다.

마이크로 전자/로보틱스

이 장치가 프린팅할 수 있는 미세한 크기는 마이크로전자공학과 로봇공학에 이상적이다. 이러한 장치는 제작이 매우 어렵지만 여러 산업의 핵심 요소가 되었다. 따라서 새 제조 공정은 이들 장치에 사용할 새로운 구조의 제작과 시제품 개발을 더 쉽게 할 것이다.

바이오메딕스

의료는 이러한 미세구조와 장치가 사용되는 또 다른 분야다. 작은 지지체와 구조는 현재 조직공학과 다른 바이오로봇 장치에 사용된다. 이들은 부상에서 더 빨리 회복하고 삶의 질을 개선하도록 돕는다.

오늘 이 연구로 혜택을 받을 수 있는 기업

다양한 기업이 향후 이 연구의 혜택을 받을 수 있다. 바이오의료부터 군사 및 산업 용도까지, 미세 적층 제조 시스템은 새로운 다색 레이저 프린팅 방식으로 성능을 높일 수 있다. 다음은 이 기술을 즉시 도입해 성과를 낼 수 있는 몇몇 기업이다.

1. Medtronic

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미국에 기반을 둔 Medtronic은 의료기기 분야의 세계적 선도 기업이다. 이 제조업체는 1949년 의료장비 수리 시설로 설립되었다. 현재 여러 의료기술 특허를 보유하며 업계에서 가장 잘 알려진 이름 중 하나다.

Medtronic은 심박조율기 산업의 선구자로, 이식형 기기의 특허를 최초로 취득한 기업 중 하나였다. 이후에도 환자의 삶을 개선하는 신기술을 지속적으로 선보이며 시장의 강자로 자리해 왔다. 두 가지 색의 레이저를 사용하는 프린팅 방식을 도입하면 기기 크기를 줄일 수 있어 제품이 크게 개선될 것이다.

Medtronic은 세계에서 가장 성공적인 의료기기 제조업체 중 하나다. 2024년 회사는 매출 320억 달러를 기록했다. 지속적인 혁신과 시장 입지 덕분에 어떤 포트폴리오에도 적합한 추가 종목이 될 수 있다.

2. Abbott Laboratories

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Abbott Laboratories (ABT )는 1888년부터 사업을 이어 왔다. 일리노이주에서 설립된 후 빠르게 성장해 업계에서 가장 잘 알려진 기업 중 하나가 되었다. 의약품, 의료기기, 식이 보충제 및 영양 보충제를 포함한 다양한 제품을 제공한다.

Abbott Laboratories는 의료 산업의 여러 분야에 걸친 제품을 보유하고 있다. 특히 심혈관, 진단, 당뇨병 및 신경조절 제품으로 잘 알려져 있다. 또한 주요 영유아용 조제분유 생산업체로 소개된 Pedialyte와 Similac 등 매우 인기 있는 자회사도 운영하고 있다.

Abbott Laboratories의 주가 성과는 상승세를 유지해 왔다. 의료기기와 영양 제품을 결합한 사업 구조는 어느 투자자에게나 견조한 보유 종목이 되게 한다. 전 세계에 심장 관련 의료기기를 제공하는 데 중요한 역할을 하는 이 회사의 미래는 밝아 보인다.

미래

적층 제조 시장만큼 혁신이 활발했던 산업은 드물다. 이번 발전은 미니어처 로봇과 웨어러블 같은 전자장치에서 이들 장치의 사용을 촉진할 것이다. 앞으로 초소형 웨어러블과 이식형 의료기기가 업계에서 더 중심적인 역할을 맡을 것이다. 다음은 보급을 촉진할 수 있는 최근의 다른 3D 프린팅 발전이다.

우주 프린터

최근 우주 프린팅 분야에서 발전이 있었다. 이 장치들은 중력의 도움 없이 층을 프린팅할 수 있어야 한다는 점에서 지상용 장치와 다르다. 현재의 모든 방식이 적층 접근법을 필요로 하므로 이는 쉬운 일이 아니다.

연구진은 복잡한 수학과 밀폐형 장치 구성을 이용해 이 문제를 극복했다. 밀폐 구조는 우주선의 매우 민감한 대기 환경을 위협할 수 있는 유독 가스나 다른 사고로부터 우주비행사를 보호하는 등 여러 목적을 수행한다.

AI 프린터

AI 3D 프린터가 점점 더 흔해지고 있다. 첨단 AI 알고리즘의 통합은 거의 모든 기술 산업에 큰 영향을 미친다. 앞으로는 채팅이나 음성만으로 3D 프린팅을 요청할 수 있을 것이다.

AI는 기술적 장벽을 극복하는 간편한 방법을 계속 제공한다. 그래서 많은 사람은 이를 시장의 가장 중요한 발전 중 하나로 본다. 앞으로 AI 3D 프린팅 시설과 다른 서비스가 일상화될 것이다. 현재도 이 기술은 상호작용을 단순화하고 신규 사용자의 기술적 장애물을 제거하고 있다.

자체 복구 로봇

현실이 된 또 다른 공상과학 같은 시나리오는 자가 수리 로봇이다. 연구진이 작동에 필요한 모든 부품을 프린팅할 수 있는 3D 프린터를 만드는 데는 오래 걸리지 않았다. 이제 같은 개념을 로봇공학에 적용하려 한다. 자가 치유 및 수리 로봇은 일반인이 감당하기 어려운 업무를 맡아 미래 사회가 기능하도록 도울 것이다.

두 색 레이저 프린팅은 큰 업그레이드

연구진의 성과는 앞으로 3D 프린팅 산업에 큰 영향을 미칠 것이다. 비용을 줄이고 결과를 개선하기 위해 이 방식을 사용하는 마이크로로봇과 전자장치가 더 많아질 것으로 예상된다. 이 연구팀은 미세 적층 제조의 새 시대를 위한 토대를 마련했다.

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