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Scientific Reports 12권, 기사 번호: 7963(2022) 이 기사 인용

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복잡한 체적 구조의 적층 제조는 많은 기술 분야에서 새로운 지평을 열어 이전에는 상상할 수 없었던 디자인을 실용적인 현실로 만들었습니다. 안테나 및 도파관 요소를 포함한 전자기 구성 요소는 3차원 탐색을 통해 이점을 얻을 수 있습니다. FDM(융합 증착 모델링) 폴리머 프린터는 널리 사용 가능해졌지만 금속에 비해 전자기 유전율이 적당히 낮은 구조를 제조합니다. 그러나 복잡한 체적 구조를 생산할 수 있는 금속 3D 프린터는 여전히 매우 비싸고 유지 관리가 어려워 고급 시장 응용 분야에 적합합니다. 여기서 우리는 저렴하고 간단한 FDM 장치와 후속 전기화학 증착을 기반으로 하는 새로운 금속 인쇄 기술을 개발합니다. 새로운 방법을 테스트하기 위해 우리는 여러 안테나 장치를 제작하고 그 성능을 표준 인쇄 FeCl3 식각 보드 기반 대응 장치와 비교하여 새로운 기술의 명확한 이점을 보여주었습니다. 우리의 새로운 금속 인쇄는 전자기 장치뿐만 아니라 다른 응용 분야의 금속 구조물을 제조하는 데에도 적용될 수 있습니다.

적층 제조를 통해 다양한 기본 및 응용 분야에 걸쳐 복잡한 체적 구조를 탐색할 수 있습니다1. 다양한 새로운 기능을 통해 역학2,3,4, 열 관리5, 의학6, 로봇공학7, 전자공학8,9 및 기타 여러 응용 분야(예: 새로운 아키텍처와 재료 플랫폼이 예상한 기능을 부여할 수 있는10,11)의 기존 접근 방식을 재고할 수 있습니다.

무선 통신 링크를 지원하는 하드웨어 구성 요소도 체적 기하학을 탐색함으로써 이점을 얻을 수 있습니다. 전통적으로 도파관 및 안테나를 포함한 무선 주파수(RF) 부품의 평면 아키텍처는 인쇄 전자 회로 내에 통합되었습니다. 이 접근 방식은 잘 확립된 레이어별 리소그래피 제작으로 인해 유리합니다. 그러나 기능성 3D 프린팅을 사용하면 잠재적으로 더 나은 전자기 성능을 통해 개념적으로 다양한 디자인을 탐색할 수 있습니다. 표면 등가 원리는 체적 구현을 ​​임피던스 표면으로 대체하여 초기 구조12의 체적을 포함하는 능력을 제시하는 반면, 실제적인 측면도 중요한 역할을 하며 체적 설계의 실제 장점을 강조합니다. 고품질 RF 장치를 만들기 위해 최근 몇 가지 적층 제조 기술이 개발되었습니다. CNC 밀링15,16, 레이저 직접 구조화17,18,19, 금속 잉크의 등각 인쇄20,21, 초음파 와이어 메쉬 임베딩22 및 곡면 마스크를 통한 금속 증착23,24은 일련의 개발된 방법 중 하나입니다. 앞서 언급한 기술의 입증된 성능에도 불구하고 이러한 기술은 특정 작업에 따라 설계되었지만 현장에서 궁극적인 솔루션으로 간주될 수 있습니다. 반면에 FDM(융합 적층 모델링) 프린터를 사용할 수 있고 비용도 매우 저렴하므로 체적 구조의 빠른 프로토타이핑이 필요한 경우 첫 번째 선택이 됩니다. FDM 프린터는 폴리락트산(PLA), 아크릴로니트릴 부타디엔 스티렌(ABS), 폴리에틸렌 테레프탈레이트 글리콜(PETG), 다양한 합금, 폴리머-나노구조 혼합물 등을 포함한 다양한 폴리머 재료와 호환됩니다. 이러한 플라스틱은 이미 안테나 장치(예: 25,26)에 통합되었습니다. 또한 단일 세션 내에서 제조하는 동안 여러 폴리머 재료를 병렬로 인쇄할 수 있습니다. 그러나 플라스틱은 상대적으로 전자기적 대비가 낮은 유전체입니다. 일반적으로 유전율은 1~10GHz 대역에서 2.5~3.5이며 PLA28의 손실 탄젠트는 10−3~10−1입니다. 그러나 그 수치는 제조 매개변수, 주로 단위 부피의 폴리머 충전율에 따라 달라집니다. 전도성 물질(예: 그래핀 플레이크)이 폴리머 필라멘트 내에 혼합되면 전자기 손실이 극적으로 높아집니다. 여기서 손실 탄젠트는 1에 가까워질 수 있으므로 이러한 재료는 무선 통신 장치에 사용하는 데 거의 적합하지 않게 됩니다. 체적 RF 장치 제조를 위한 궁극적인 솔루션은 금속 인쇄(예: 직접 금속 레이저 소결29)로 수행됩니다. 그러나 금속 프린터는 고품질의 독립형 RF 대비 금속 구조를 제공함에도 불구하고 여전히 매우 비싸므로 다른 접근 방식의 개발을 촉진합니다.