레이저로 자유 형태면 스트럭처링

한 번쯤 공을 포장해본 사람이라면 2차원 구조를 찌그러지지 않고 3차원 사물로 감싸는 것이 어렵다는 것을 잘 안다. 이에 연구원들이 소프트웨어를 이용해 새로운 접근법을 실현하였다.

홀더 메셰더(Holger Mescheder) & 울리케 헤르멘스(Ulrike Hermens): 프라운호퍼 생산 기술 연구소 IPT 연구원

자유 형태의 표면을 스트럭처링하기 위해 다축 레이저 시스템을 제공되고 있다. 작은 구조 디자인과 작은 구조라면 개발 잠재력이 있지만 문제는 구 형태의 복잡한 곡면에 적용해야 하는 경우이다. 대부분 패턴이 2차원 그림으로 존재하기 때문에, 3차원 표면에 구조의 깊이를 왜곡 없이 픽셀의 밝기로 적용하기가 쉽지 않다.

지금까지 수작업 비율이 높았다

정해진 방향으로 액정을 운반하는 기능구조는 레이저로 제작한다.

이는 에칭기술에서 오래 전부터 알고 있는 문제이다. 에칭분야에서 구조는 사진 필름형태로 존재하며, 빛에 민감한 레지스트가 노출된다. 레지스트의 제거하면 안 되는 부분은 식각액으로 코팅 보호한다. 복잡한 형태의 표면에 패턴을 적용하기 위해, 필름을 부분적으로 자르고 손질해야 한다. 이 과정에서 구조의 미학이나 기능이 유지되도록 잘 훈련된 전문가가 작업을 수행해야 한다. 또 디지털 지원을 통해 레이저 스트럭처링 시에 패턴을 간단하게 정의할 수 있다. 컴퓨터 그래픽 소프트웨어가 이미지 왜곡을 적게 매핑을 지원한다. 하지만 기본적인 문제는 여전히 남아 있다. 평면 요소를 아무 문제없이 3차원 객체 위에 배치하는 것은 쉬운 일이 아니기 때문이다.

프라운호퍼 IPT는 다른 방법을 연구하였다. 많은 구조를 수학 공식이나 알고리즘을 통해 설명하였다. 예를 들면 개별 구성요소의 형상과 분포를 지정된 규칙으로 정의하였다. 구조 자체는 구성요소와 구성요소 위에서 전개된다. 완성된 범용 구조패턴은 없고, 구성요소 형태 자체가 구조의 형성에 영향을 끼친다. 연구원들이 장식 목적으로 담쟁이 넝쿨 무늬 알고리즘을 개발하였다. (메인 그림) 가상의 이 식물은 하나 이상의 뿌리에서 출발하여 구성요소 표면 위에서 성장하고 가지를 뻗어 잎을 형성한다. 구조를 변경하기 위해 매개변수를 자유롭게 조정할 수 있다. 가지가 뻗어나가는 정도와 나뭇잎의 크기, 개수를 변경할 수 있다.

완전한 디지털 프로세스 체인

나노구조가 볼 위에서 라이트 효과를 불러 일으킨다.

알고리즘에 의해 결정되는 구조에서 레이저 스트럭처링 시스템에 대한 명령이 직접적으로 유도된다. 이러한 디지털 프로세스체인은 효율적이고 자동화된 생산을 가능하게 한다. 최소한의 노력으로 여러 크기와 복잡한 형태의 표면을 상세하게 적용하여 제조할 수 있다. 또 다른 접근법은 기능을 충족해야 하는 구조에 적합하다. 그림 2에서 보여주는 구조는 액정의 액체를 특정 지점으로 운반할 수 있다. 설계자는 구조를 디자인하고 배치하기 위해 액체 이송방향을 구성요소 표면에 곡선으로 그리면 된다. 이 유도곡선을 따라 구조패턴이 정해진 규칙에 맞게 전개된다. 액정의 액체를 유도하는 구조자체는 벌집 모양의 개별요소로 이루어지며, 이 요소들은 자신의 모양을 통해 방향이 정해는 액체를 전달한다. 기능에 영향을 주지 않도록 요소들이 심하게 왜곡되면 곤란하여 각도 편차에 대해 허용되는 공차를 고려하여 지정한다.

또 다른 추세는 표면을 기능화할 수 있는 나노크기로 구조를 작게 하는 것이다. 구조크기는 레이저 빔의 직경으로 하향 제한된다. 기초 연구를 통해 훨씬 작은 구조도 나노크기로 제조될 수 있다는 점이 확인됐다. 제조 파라미터를 올바르게 선택하면 주기적인 트렌치 구조가 생성되고 트렌치 구조의 정렬은 레이저 빔의 편광방향으로 제어할 수 있다. 이러한 구조는 기술 응용분야에 큰 잠재력을 제공한다. 구성요소 표면의 다양한 특성을 제공할 수 있기 때문이다. 연구를 통해 습윤, 마찰, 광학, 세포 성장이 이러한 구조를 이용하여 제어되었다. 프라운호퍼 IPT는 이러한 목적으로 3D 표면에 트렌치 구조를 정렬하기 위한 시스템을 개발하였다. 이 편광 회전기를 이용하면 자유 형태면에서 레이저 빔의 편광 방향과 트렌치 구조의 정렬을 제어할 수 있다. 이 구성요소는 액정을 기반으로 밀리 초 단위의 시간해상도가 가능하여 표면에서 나노구조를 정렬할 수 있고 윤곽에 따라 제작할 수 있다. 이 소프트웨어는 모듈구조로 인해 플러그인 방식으로 일반적인 CAD 시스템에 통합할 수 있고 독립 어플리케이션으로 사용할 수 있다.