섬유 그리기 방법을 사용하여 제조 Metamaterials

본 절차는 잠재적인 산업적 규모로 메타물질을 저렴하게 제작하는 것을 목표로 합니다. 먼저, 1차 인발 공정에서 PMMA 재킷 튜브를 제작합니다. 그런 다음 구멍 내부에 인듐을 넣고, 1차 인발 공정을 사용하여 인듐이 채워진 광섬유를 인발합니다.

적층된 인듐 충전 프리폼과 니(knee)를 90 °C 오븐에 넣고 조립합니다. 2차 드로잉 공정을 진행하여 적층된 인듐 충전 프리폼을 광섬유로 뽑아냅니다. 이렇게 제작된 메타물질은 50 µm 간격으로 배치된 5 µm 직경의 와이어를 포함하며, 잠재적으로 산업적 규모에서 저렴하게 제작 가능하고 테라헤르츠 주파수 범위에서 플라즈모닉 반응을 나타냅니다.

리소그래피, 나노 및 마이크로 제작 기술과 같은 메타물질 제작의 다른 방법들은 비용이 많이 들며, 샘플 크기가 최대 수 센티미터에 불과할 수 있습니다. 본 기술의 주요 장점은 메타물질을 파이버 형태로 수백 미터까지 제작할 수 있다는 점입니다. 이를 통해 메타물질의 제작 가능 여부와 기술적 및 실용적으로 유의미한 양과 같은 해당 분야의 중요한 질문들을 다룰 수 있습니다.

여기서 시연하는 특정 방법은 테라헤르츠 영역에서 플라스모닉 응답을 갖는 메타물질을 생성합니다. 이 공정은 원칙적으로 나노 규모로 축소하여 가시광선 스펙트럼에서 응답하는 메타물질을 제조할 수 있습니다. 이 방법의 영감은 전기 광학 변조기를 만들기 위해 내부 전극이 있는 파이버를 인발했던 저희의 이전 연구에서 얻었습니다.

최근 저희는 이 기술을 상당히 확장하여 메타물질을 제작하는 데 사용할 수 있다는 점을 깨달았습니다. 적층된 인도-충전 섬유(Indian filled fibers) 프리폼을 인발하여 메타물질을 제작하는 방법은 습득하기 어렵습니다. 이 시각적 시연을 통해 다양한 요소들의 모습과 이러한 복잡한 구조를 마이크론 규모까지 인발하는 데 필요한 조건들을 보여줄 수 있기를 바랍니다.

이 과정은 엔지니어인 Richard Luin과 저희 연구 그룹의 박사 과정 학생인 Alessandro T가 시연하겠습니다. 메타물질의 이러한 제작 방법은 두 단계의 드로잉 공정으로 이루어지며, 각 단계에서는 소형화가 진행됩니다. 가열로에서 프리폼(preform)이라고 불리는 거시적 물체를 드로잉하여 필라멘트로 제작합니다.

1차 드로잉 공정은 프리폼을 외경 1mm 이상으로 늘리거나 슬리브 형태로 만드는 데 사용됩니다. 가이드라인으로, 첨부된 텍스트의 표 1에 제시된 1차 드로잉 조건을 사용하십시오. 프리폼을 드로잉 타워에 장착하려면, 상단 연장대를 3조 척(three jaw chuck)에 고정하고, 프리폼을 가열로의 가열 영역(hot zone)으로 밀어 넣은 후 XY 마이크로미터 스테이지를 사용하여 정렬하십시오.

그런 다음 가열로의 상단 플레이트를 닫습니다. 온도를 185 °C까지 올립니다. 공급 속도를 분당 5 mm로 시작합니다.

분당 6mm의 속도로 인발하고 인발 장치 클램프를 잠급니다. 시간에 따른 인발 장력의 변화를 모니터링하십시오. 슬리빙 현상이 발생하면 진공 처리가 필요합니다.

블루택(blue tack)을 사용하여 진공 밀봉된 상단 프리폼 연장기에 진공 튜브를 부착합니다. 피드 및 드로우 유닛을 작동시킨 후 진공을 가하고, 일정한 외경과 인발 장력을 유지하기 위해 가열로 온도와 피드 및 드로우 속도 사이의 비율을 모니터링합니다. 1 mm 인듐 와이어를 구조화하는 데 사용되는 폴리메틸메타크릴레이트 재킷 튜브는 스트레칭 및 슬리빙 공정을 통해 제작됩니다.

직경 1 mm의 최종 PMMA 재킷 튜브와 외경 12 mm의 튜브를 제작하기 위한 1차 인발 공정용 표준 PMMA 튜브입니다. 먼저 내경 6 mm, 외경 12 mm의 PMMA 튜브를 600 mm 길이로 자릅니다. 향후 슬리핑(sleeping) 공정 중에 사용할 여러 개의 PMMA 튜브를 준비합니다.

PMMA 튜브를 90 °C의 어닐링 오븐에 최소 5일 동안 둡니다. 어닐링된 튜브가 상온으로 식은 후, 이소프로판올 와이프로 PMMA 튜브의 표면을 닦고 건조시킵니다. 다음으로, 반사 테이프를 사용하여 PMMA 튜브를 상단 연장기에 부착합니다.

또한 PMMA 튜브를 1차 인발 하단 연장기에 부착합니다. 이제 앞서 설명한 1차 인발 공정을 통해 PMMA 튜브의 외경을 12 millimeters에서 6 millimeters로 인발합니다. 결과물로 얻은 튜브의 한쪽 끝을 열풍기로 열수축시킨 후, 이를 새로운 PMMA 튜브에 삽입합니다.

PMMA 튜브 어셈블리를 제작하려면, 신장된 튜브와 새로운 PMMA 튜브 어셈블리 사이의 하단 틈새를 밀봉하십시오. PTFE 테이프를 사용하여 PMMA 튜브 어셈블리의 상단 끝을 상단 연장관(extender)에 부착하되, 안쪽에는 점착 테이프, 중간에는 PTFE 테이프, 바깥쪽에는 반사 테이프 순으로 층을 쌓아 고정합니다. PTFE 테이프가 단단히 부착되었는지 확인하고, PMMA 튜브 어셈블리와 상단 연장관 사이의 모든 틈새가 밀봉되었는지 확인하며, 신장 및 슬리브 작업을 수행하십시오.

앞서 보여드린 바와 같이 진공 상태에서 1차 인발 공정을 거치면 PMMA 튜브 어셈블리의 외경이 12 millimeters에서 6 millimeters로 줄어들며, 그 결과 내경 대 외경 비율은 약 0.25가 됩니다. 최종 PMMA 재킷 튜브의 내경이 1 millimeter가 되고 내경 대 외경 비율이 약 0.1이 될 때까지 이 과정을 반복합니다. 2차 인발 공정은 프리폼을 외경 1 millimeter 미만으로 늘리는 데 사용됩니다.

인발 온도에 도달하면, 하단 연장부의 무게로 인해 프리폼이 가열로 밖으로 가늘어지기 시작합니다. 초기 인발력을 가하기 위해 공급 속도를 2.5~5 mm/min으로 설정하고, 먼저 가열로 온도를 170 °C까지 올립니다. 그 후 온도를 2.5~5 °C씩 서서히 높여 220 °C까지 올립니다.

드롭다운 속도를 제어하려면 광섬유 직경을 250에서 500 µm 정도로 유지하십시오. 광섬유가 끊어지는 것을 방지하려면 분당 1 m 미만의 느린 속도로 회전하는 캡스턴 휠에 광섬유를 부착하십시오. 광섬유를 댄서 휠에 감은 다음 광섬유 스풀에 연결하십시오.

정상 상태의 연신 조건과 최종 섬유 치수를 얻기 위해 동봉된 원고의 2차 연신 조건을 가이드로 사용하십시오. 일정한 외경과 연신 장력을 유지하려면 가열로 온도와 공급 속도 대비 인발 속도의 비율을 모니터링하십시오. 이제 1 mm 인듐 와이어를 PMMA 재킷 튜브 내에서 슬리빙 및 연신하는 2차 연신 공정을 통해 직경 1 mm의 인듐 충전 섬유를 제작합니다. 인듐 와이어를 550 mm 길이로 절단하여 PMMA 재킷 튜브에 삽입함으로써 인듐 충전 프리폼 어셈블리를 제작하십시오. 진공 상태의 2차 연신 공정에서 충전된 프리폼 어셈블리를 연신 및 슬리빙하여 15~20 g의 장력 하에 외경 1 mm의 최종 인듐 충전 섬유를 제작하십시오.

인발 공정이 완료되면, 타워에서 인듐이 충전된 광섬유 스풀을 제거하고, 광학 현미경으로 인듐 충전 광섬유의 단면과 길이 방향을 따라 검사합니다. 발생 가능한 주요 결함으로는 인듐 와이어와 PMMA 튜브 인터페이스 간의 분리, 직경의 변동 또는 광섬유 번들 길이를 따른 파단 균열 등이 있습니다. 다수의 인듐 충전 광섬유를 고무줄로 묶어 PMMA 프리폼 재킷 튜브에 삽입하며, 이때 광섬유가 직선을 유지하고 틈 없이 조밀하게 맞는지 확인하여 슬리브를 씌웁니다. 적층된 프리폼 어셈블리를 진공 상태에서 2차 인발 공정에 투입하여 최종 외경 0.6 mm의 인듐 적층 광섬유를 제조하며, 인발 시 80 g의 장력을 유지합니다.

최종 목표 생성물은 50 µm 간격으로 배치된 5개의 마이크론 와이어를 포함하는 메타물질 광섬유입니다. 다중 슬리브 자켓의 단면 모식도는 3개의 PMMA 자켓 튜브에 연속적으로 감싸인 단일 인듐 와이어를 보여줍니다. 1 mm PMMA 프리폼에는 직경 100 µm의 연속 인듐 와이어가 포함되어 있습니다.

이 현미경 이미지는 테라헤르츠 영역에서 플라스모닉 응답을 갖는 메타물질 파이버의 단면 예시입니다. 플라스모닉 응답은 저주파수에서는 재료가 금속처럼 행동하고 고주파수에서는 유전체처럼 행동하는 방식으로 나타나며, 여기서 플라스마 주파수가 이 두 거동 사이의 경계를 정의합니다. 실험적 측정은 세 가지 서로 다른 치수로 연신된 이 파이버 유형의 특성을 분석합니다.

두 경우 모두 직경에 따른 플라즈마 주파수 의존성이 뚜렷하게 나타납니다. 이 영상을 시청한 후에는 메타물질 구조를 저렴한 비용으로, 잠재적으로 산업적 규모로 제작하는 방법에 대해 충분히 이해하게 될 것입니다. 인듐이 섬유 길이를 따라 끊어지는 것을 방지하기 위해 인듐 필드 섬유를 높은 장력으로 당겨야 함을 기억하십시오.

이는 저온을 유지함으로써 가능하며, 이로 인해 폴리머의 점도가 높아져 액체 금속을 포함하는 구조가 유지됩니다.