[논문 리뷰] Centimeter-scale superfine three-dimensional printing with femtosecond laser two-photon polymerization

Wei Chu, Yuanxin Tan외 5명|arXiv (Cornell University)|2017. 12. 11.

Nonlinear Optical Materials Studies참고 문헌 16인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 고해상도 3차원 프린팅을 위한 펌토세컨드 레이저 두광자 중합(2PP)을 사용하여 밀리미터 수준의 기존 크기 제한을 극복하고 센티미터 수준의 초미세 3차원 프린팅을 가능하게 하는 동시에 공간과 시간을 동시에 집중시키는(SSTF) 기술을 제시한다. 레이저 출력 조절을 통해 ~10 μm에서 ~40 μm 사이의 등방성 공간 해상도를 달성하여, 1.3 cm 높이의 토기 전사와 0.6 cm 높이의 중국 수호사자 조각을 포함한 복잡한 3차원 구조물의 고해상도 제작이 가능하다.

ABSTRACT

Nowadays three-dimensional (3D) printing has been widely used for producing geometrically complex 3D structures from a broad range of materials such as ceramics, metals, polymers, semiconductors, etc. Although it has been demonstrated that a fabrication resolution as high as ~100 nm can be achieved in 3D printing based on two photon polymerization (TPP), the end product size of TPP is typically on millimeter scale limited by the short working distance of high-numerical-aperture focal lens. Here we present a method based on simultaneous spatiotemporal focusing (SSTF) of the femtosecond laser pulses that enables to fabricate centimeter-scale 3D structures of fine features with TPP. We also demonstrate an isotropic spatial resolution which can be continuously tuned in the range of ~10 um and ~40 um by only varying the power of femtosecond laser, making this technique extremely flexible and easy to implement. We fabricate several Chinese guardian lions of a maximum height of 0.6 cm and a Terra Cotta Warrior of a height of 1.3 cm using this method.

연구 동기 및 목표

• 고해상도 렌즈의 짧은 작동 거리로 인해 기존 두광자 중합(2PP) 기술이 밀리미터 수준의 크기 제한을 받는 문제를 해결하기 위해.
• 2PP를 사용하여 초미세 특징을 지닌 센티미터 수준의 3차원 구조물을 제작할 수 있도록 하기 위해.
• 단순한 레이저 출력 조절만으로 넓은 범위에서 등방성 공간 해상도를 조절 가능하도록 하기 위해.
• 문화 유물과 같은 복잡한 대규모 마이크로 구조물 제작을 통해 실용적 적용 가능성을 입증하기 위해.

제안 방법

• 펌토세컨드 레이저 펄스의 동시에 공간과 시간을 집중시키는(SSTF) 방법을 사용하여 심도의 초점 범위를 넓히면서도 높은 공간 해상도를 유지한다.
• SSTF는 시간과 공간 영역에서 레이저 빔을 형상화하여 큰 부피에 걸쳐 균일한 자극을 가능하게 한다.
• 기존 설정보다 더 긴 작동 거리를 가진 고수치율 렌즈를 사용하여 대규모 프린팅이 가능하도록 한다.
• 레이저 출력을 조절하여 효과적인 해상도를 ~10 μm에서 ~40 μm 사이로 조절할 수 있으며, 광학 부품을 교체하지 않고도 유연성을 확보한다.
• 표준 2PP 재료와 호환되며, 3차원에서 연속적이고 등방성 해상도 제어가 가능하다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 두광자 중합 기술을 밀리미터 수준의 크기 제한 없이 센티미터 수준의 3차원 구조물을 제작할 수 있도록 스케일업할 수 있는가?
• RQ2 레이저 출력 조절만으로 두광자 중합의 공간 해상도를 넓은 범위에서 연속적으로 조절할 수 있는가?
• RQ3 SSTF가 고해상도 3차원 제작을 유지하면서도 작동 깊이를 효과적으로 연장하는 데 효과적인가?
• RQ4 이 방법을 사용하여 미세한 특징을 지닌 복잡한 대규모 마이크로 구조물을 제작하는 것이 실현 가능한가?

주요 결과

• 이 방법을 통해 두광자 중합을 사용하여 세밀한 구조적 디테일이 구현된 1.3 cm 높이의 토기 전사가 성공적으로 제작되었다.
• 0.6 cm 높이의 중국 수호사자 조각이 제작되어 복잡한 대규모 마이크로 구조물 제작 능력을 입증했다.
• 펌토세컨드 레이저 출력 조절만으로 등방성 공간 해상도를 ~10 μm에서 ~40 μm 사이로 연속적으로 조절할 수 있었다.
• SSTF를 통해 효과적인 작동 거리를 연장함으로써 기존 두광자 중합의 전통적인 밀리미터 수준의 크기 제한을 극복했다.
• 센티미터 수준의 부피에서도 고해상도가 유지되어 이전의 제약을 초월한 복잡한 3차원 프린팅이 가능해졌다.