ユタ大学の研究者たちは、1回のレーザー露光で固体の微細構造を作成できる3Dプリント方法を開発しました。これにより、従来の層を重ねて印刷する際に残る弱い接合部が排除されます。このプロセスは約20秒で印刷を完了し、通常数時間を要する既存のレーザー技術に比べてはるかに速い代替手段を提供します。研究チームは、ナノサイズのマスクを使用してレーザー光線を所望の物体に合わせたホログラムパターンに変形させることで、この目標を達成しました。従来の部品を層ごとに構築する方法とは異なり、このシステムは印刷材料を一度に硬化させ、シームレスな構造を生成します。
研究者たちは、この方法がマイクロデバイスの強度と信頼性を向上させる可能性があり、製造時間を大幅に短縮できると述べています。また、このプリンターがベルトコンベアのようなプロセスで複数の部品を継続的に生産できることを示しました。
この研究は、ユタ大学のプライス工学部電気・コンピュータ工学科の教授Rajesh Menonが主導し、実験室のメンバーDajun Linが参加しました。従来のレーザーを基にした3Dプリント方式は、物体を層ごとに構築するため、層と層の間に微細な接合部が残ります。これらの界面は、印刷された部品の構造を弱めたり、マイクロフルイディクスデバイスなどの応用で液体が浸透することを許可したりする可能性があります。1回の露光で全体構造を硬化させることで、この新しい方法は層の境界を排除し、より均一な部品を生成します。
新型3Dプリント技術がマイクロデバイスの性能を大幅に向上させる
この印刷プロセスは、半導体チップの製造に広く使用されるフォトリソグラフィ技術に基づいています。光を平面表面に投影するのではなく、新しい方法ではレーザーエネルギーをSU-8という感光材料の三次元ボリュームに導入します。従来のフォトリソグラフィでは、不透明なマスクが不要な領域からの光を遮断して二次元パターンを作成します。この概念を三次元空間に拡張することはより困難であり、光が材料内を伝播する際に散乱が発生し、精度が低下します。この問題を解決するために、研究者たちはナノパターンのレンズを設計し、ホログラフィックマスクとして使用しました。
このレンズはレーザーの前に配置され、光の回折を補償し、最終構造が形成されるべき場所にエネルギーを集中させます。
Menonは「このマスクはクッキーの型のようなもので、厚い生地から複雑な形状を押し出します」と述べています。彼は「レーザーは同時に内部で生地を‘焼いて’いるため、生成される形状は物理的に堅固です」と説明しました。研究チームはこの技術を利用して直径が最小6ミクロンのミクロチューブアレイを製作し、これらの構造は120:1のアスペクト比を達成しながら機械的強度を保持しています。研究者たちはまた、印刷された微細構造を圧縮下でテストし、それらが毛細管現象を通じて液体を輸送できることを示しました。これらの結果は、この方法がマイクロフルイディクスシステムや先進的な製造を含む、正確な微細スケールのチャネルを必要とする応用に非常に有用である可能性を示しています。
現在のこの方法は、研究者たちが「拡張2D」構造と呼ぶものを生成します。印刷された物体は高さ、幅、長さを持っていますが、現在のシステムは2つの次元のみを正確に制御することを許可しています。チームは現在、技術を真の三次元印刷に拡張するために努力しており、その速度と精度を維持しています。研究者たちはまた、さまざまな格子デザインや異なる形状の連続生産を示し、このプロセスがより迅速な複雑なマイクロコンポーネントの製造を実現するために拡張できることを示しました。この研究は『ネイチャー・コミュニケーションズ』に発表されました。