KR102420253B1 - Glass components with custom-tailored composition profiles and methods for preparing same - Google Patents
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Abstract
한 실시양태에 따라, 방법은 유리-형성 물질을 포함하는 잉크를 인쇄함으로써 구조체를 형성하고, 유리-형성 물질을 유리로 전환시키기 위해, 형성된 구조체를 열처리하는 것을 포함한다.According to one embodiment, a method comprises forming a structure by printing an ink comprising a glass-forming material and heat-treating the formed structure to convert the glass-forming material to glass.
Description
미국 정부는 로렌스 리버모어 내셔날 래보러토리(Lawrence Livermore National Laboratory)의 운영을 위해 미국 에너지부(the United States Department of Energy)와 로렌스 리버모어 내셔날 시큐리티, 엘엘씨 간의 계약 번호 DE-AC52-07NA27344에 따라 본 발명에 대한 권리를 갖는다.The U.S. Government has issued the present invention under contract number DE-AC52-07NA27344 between the United States Department of Energy and Lawrence Livermore National Security, LLC for the operation of Lawrence Livermore National Laboratory. have the right to
본 발명은 유리 부재에 관한 것이고, 더 특히 본 발명은 사용자-맞춤형 조성 프로파일을 갖는 광학적 및 비-광학적 유리 부재 및 그의 제조 방법에 관한 것이다.FIELD OF THE INVENTION The present invention relates to glass members, and more particularly to optical and non-optical glass members having user-customizable composition profiles and methods of making the same.
통상적으로, 물질 조성의 구배는 (1) 균일한 조성을 갖는 다수의 층들을 함께 융합시킴으로써 축방향으로 도입되거나, (2) 승온에서 화학종 (전형적으로 작고 빠르게 확산하는 이온)을 막대형 실리카 졸-겔 또는 고체 내로 또는 그것으로부터 확산시킴으로써 방사상으로 도입된다. 유감스럽게도, 순수하게 확산에 기반을 둔 구배는 대칭적 포물선형 프로파일로 제한되며, (방사상 구배 굴절률 렌즈의 경우에) ~20 mm의 달성 가능한 최대 직경을 갖고, 이때 대부분의 상업적인 형태는 직경이 2 mm 미만이다. 더 크고 더 느리게 확산하는 화학종을 도입시키는 것은 어려운 일인 것으로 밝혀졌다.Typically, a gradient in material composition is introduced axially by either (1) fusing together multiple layers of uniform composition, or (2) adding species (typically small, rapidly diffusing ions) to rod-shaped silica sols at elevated temperatures. It is introduced radially by diffusing into or from the gel or solid. Unfortunately, purely diffusion-based gradients are limited to symmetrical parabolic profiles, with a maximum achievable diameter of ∼20 mm (for radial gradient refractive index lenses), with most commercial forms having a diameter of 2 less than mm. It turns out that introducing larger and slower diffusing species is a challenge.
적층 조형(additive manufacturing)을 통해 단일-조성 유리를 형성하려는 일부 시도가 이루어져 왔다. 단일 조성의 실리카 유리는, 실리카 분말 베드(bed)에서 실리카 입자를 용융시키고 융합시키는 것인 선택적 레이저 용융 (SLM)을 사용하는 적층 조형을 통해 제조되어 왔다. 또한, 단일 조성의 유리는, 가마와 유사한 고온 용기에서 실리카를 용융시키고 용융된 유리 리본을 노즐을 통해 적층하는 것인 적층 조형 방법 (G3DP)을 통해 제조되어 왔다. 이러한 방법으로 필라멘트 또는 냉각 시에 열적으로 유도된 응력에 취약한 선택적으로 용융된 영역이 수득되고, 그래서 예를 들어 부품의 두께를 가로질러 원치 않은 굴절률 구배가 형성됨으로써 부품은 광학적 품질을 달성하지 못하게 된다. 더욱이, 선택적으로 용융된 영역은 또한 세그먼트들 사이에 갇힌 기공을 남김으로써 세그먼트의 합체에 대한 저항을 초래할 수 있다. 또한, 이러한 방법은 다양한 조성의 엄격하게 제어된 도입에 대해 우호적이지 않다. 고온 없이 구조체를 인쇄하고 완전히 형성할 수 있는 것이 바람직할 것이다.Some attempts have been made to form single-composition glasses through additive manufacturing. Single composition silica glass has been produced through additive prototyping using selective laser melting (SLM), which is the melting and fusing of silica particles in a bed of silica powder. In addition, single composition glass has been produced via the additive manufacturing method (G3DP), in which silica is melted in a high-temperature vessel similar to a kiln and a molten glass ribbon is laminated through a nozzle. In this way, selectively molten regions are obtained that are susceptible to thermally induced stresses upon cooling or filaments, so that, for example, an unwanted refractive index gradient is formed across the thickness of the part, whereby the part does not achieve optical quality. . Moreover, selectively molten regions can also result in resistance to coalescence of the segments by leaving trapped pores between the segments. In addition, these methods are not in favor of the tightly controlled introduction of various compositions. It would be desirable to be able to print and completely form structures without high temperatures.
본원에 기술된 다양한 실시양태는 조성 구배를 무정형 저밀도 조형체 (low density form: LDF)에 도입시키기 위해 직접 잉크 기록 (direct ink writing: DIW) 적층 조형을 사용한다. 완전한 형성 후에, LDF는 전체 구조체로서 투명해지도록 열처리되고, 따라서 가장자리 효과는 감소한다.Various embodiments described herein use direct ink writing (DIW) layered molding to introduce a compositional gradient into an amorphous low density form (LDF). After complete formation, the LDF is heat treated to become transparent as a whole structure, thus reducing edge effects.
구배 조성의 유리를 형성하는 현재의 방법은 또한 어려운 일인 것으로 밝혀졌다. 슬러리-기반 3D 인쇄 (S-3DP) 시스템에서는, LDF가 슬러리로부터 구축되고 건조된 후에, 도판트가 첨가된다. 이러한 공정은 LDF 내의 구조적 일체성을 요구한다. 또한, 건조된 물체 상에 저점도 액적 중 도판트를 도입시키면, 관심 화학종이 방사상으로 및 축방향으로 확산되어, 그 밑에 있는 건조된 구조체의 기공을 모세관력을 통해 채울 가능성이 있기 때문에, 도입되는 조성 구배에 대한 제어가 잘 안될 수 있다. 조성 구배는 또한 확산에 의해 LDF에 용이하게 혼입될 수 있는 물질 (예를 들어 작은 분자, 이온)로 제한될 수 있다. 따라서, LDF의 형성 동안에 및 LDF의 건조 전에 도판트가 혼합물의 한 성분인 것인 구배 조성의 유리를 형성하는 공정을 개발하는 것이 바람직할 것이다.Current methods of forming gradient composition glasses have also been found to be challenging. In a slurry-based 3D printing (S-3DP) system, after the LDF is built up from the slurry and dried, the dopant is added. This process requires structural integrity within the LDF. In addition, introduction of a dopant in a low-viscosity droplet on a dried object causes the species of interest to diffuse radially and axially, potentially filling the pores of the underlying dried structure through capillary forces, which Control over the composition gradient may be poor. Compositional gradients can also be limited to materials (eg small molecules, ions) that can be readily incorporated into the LDF by diffusion. Accordingly, it would be desirable to develop a process for forming a glass of a gradient composition wherein the dopant is a component of the mixture during formation of the LDF and prior to drying of the LDF.
본원에 기술되는 다양한 실시양태는 (1) 통상적인 유리 가공 기술에 의해 달성 가능하지 않은 맞춤형 조성 프로파일을 갖는 광학적 또는 비-광학적 유리의 형성, (2) 확산 방법에 의해 쉽게 도입될 수 없는 화학종의 도입, 및 (3) 확산 방법에 의해 달성 가능한 것보다 훨씬 더 큰, 맞춤형의 패턴화된 물질 특성을 갖는 유리 광학체의 형성을 가능하게 한다.The various embodiments described herein allow (1) the formation of optical or non-optical glasses with custom composition profiles not achievable by conventional glass processing techniques, and (2) species that cannot be readily introduced by diffusion methods. and (3) the formation of glass optical bodies with tailored patterned material properties that are much greater than those achievable by diffusion methods.
본원에 기술되는 일부 실시양태는, 도판트를 사용하거나 사용하지 않고서, DIW 적층 조형을 통해 구배를 도입시키고 유리-형성 화학종의 연속적 인-라인 혼합을 사용하여 요망되는 조성 변화를 달성한다. LDF는 건조 전에 완전히 형성된다. 도판트 그 자체는 이온, 분자 및/또는 입자일 수 있으며, 고점도 현탁액으로 유리-형성 화학종과 예비혼합될 수 있고, 이에 의해 저온에서 LDF 내에서의 그의 확산이 제한된다.Some embodiments described herein, with or without dopants, introduce a gradient via DIW layered prototyping and use continuous-line mixing of glass-forming species to achieve the desired compositional change. The LDF is fully formed before drying. The dopant itself may be ions, molecules and/or particles and may be premixed with the glass-forming species into a highly viscous suspension, thereby limiting its diffusion in the LDF at low temperatures.
한 실시양태에 따라, 방법은 유리-형성 물질을 포함하는 잉크를 인쇄함으로써 구조체를 형성하고, 유리-형성 물질을 유리로 전환시키기 위해, 형성된 구조체를 열처리하는 것을 포함한다.According to one embodiment, a method comprises forming a structure by printing an ink comprising a glass-forming material and heat-treating the formed structure to convert the glass-forming material to glass.
또 다른 실시양태에 따라, 생성물은 유리-형성 물질을 포함하는 잉크의 3차원적 인쇄에 의한 형성의 물리적 특징을 갖는 모노리스형(monolithic) 유리 구조체를 포함한다. 본 발명의 다른 측면 및 이점은 도면과 관련하여 본 발명의 원리를 예시하는 하기 구체적인 내용으로부터 명백해질 것이다.According to another embodiment, the product comprises a monolithic glass structure having the physical characteristics of formation by three-dimensional printing of an ink comprising a glass-forming material. Other aspects and advantages of the present invention will become apparent from the following detailed description, which, taken in conjunction with the drawings, illustrates the principles of the invention.
도 1은 한 실시양태에 따른, 사용자-맞춤형 조성 프로파일을 갖는 유리 부재를 제조하기 위한 방법의 흐름도이다.
도 2A는 한 실시양태에 따른, 단일 조성 유리 부재를 제조하기 위한 방법의 개략도이다.
도 2B는 한 실시양태에 따른, 다중 조성 유리 부재를 제조하기 위한 방법의 개략도이다.
도 3A는 한 실시양태에 따른, 기재 상의 유리-형성 잉크의 압출물의 이미지이다.
도 3B는 한 실시양태에 따른, 인쇄된 저밀도 조형체의 이미지이다.
도 3C는 한 실시양태에 따른, 인쇄된 저밀도 조형체의 열처리 후의, 유리 조형체의 이미지이다.
도 4A는 한 실시양태에 따른, 축방향을 따라 저밀도 조형체의 물질 특성 구배를 포함하는 저밀도 조형체의 개략도이다.
도 4B는 한 실시양태에 따른, 방사상 방향을 따라 저밀도 조형체의 물질 특성 구배를 포함하는 저밀도 조형체의 개략도이다.
도 5A는 한 실시양태에 따른, 다수의 성분의 인쇄 후의, 축방향으로 구배를 갖는 저밀도 조형체의 이미지이다.
도 5B는 한 실시양태에 따른, 인쇄된 저밀도 조형체의 열처리 후의, 축방향으로 구배를 갖는 유리 조형체의 이미지이다.
도 5C는 한 실시양태에 따른, 다수의 성분의 인쇄 후의, 방사상 방향으로 구배를 갖는 저밀도 조형체의 이미지이다.
도 4B는 한 실시양태에 따른, 인쇄된 저밀도 조형체의 열처리 후의, 방사상 방향으로 구배를 갖는 유리 조형체의 이미지이다.
도 6A 내지 6C는 한 실시양태에 따른, 실리카 조성을 갖도록 형성된, 인쇄된 부품의 이미지이다.
도 6D 내지 6E는 한 실시양태에 따른, 실리카-티타니아 조성을 갖도록 형성된, 인쇄된 부품의 이미지이다.
도 7A는 한 실시양태에 따라 형성된 유리의 굴절률 프로파일 대 티타니아 농도의 플롯이다.
도 7B는 한 실시양태에 따른, 다양한 티타니아 농도를 갖도록 형성된, 결과물로서의 유리 구조체들의 이미지이다.
도 8은 한 실시양태에 따른 고결된 구조체의 형성의 열처리 프로파일의 플롯이다. 각각의 단계의 이미지는 프로파일 플롯 상에 삽입도로서 포함된다.
도 9A는 한 실시양태에 따른, 직접 잉크 기록에 의해 제조된 구배 굴절률 실리카-티타니아 유리 렌즈의 이미지이다.
도 9B는 도 9A의 유리 렌즈의 표면-보정된 인터페로그램이다.
도 9C는 도 9A의 렌즈로부터의 300-μm 초점의 이미지이다.
도 10A는 한 실시양태에 따른, 금-도핑된 실리카 유리 코어로 구성된 복합 유리의 이미지이다.
도 10B는 도 10A의 복합 유리의 광의 파장의 함수로서의 흡광도의 플롯이다.
도 10C는 도 10A의 복합 유리의 525 nm에서의 흡광도 대 유리 표면을 따라 존재하는 위치의 플롯이다.1 is a flow diagram of a method for making a glass member having a user-customizable composition profile, according to one embodiment.
2A is a schematic diagram of a method for making a single composition glass member, according to one embodiment.
2B is a schematic diagram of a method for making a multi-component glass member, according to one embodiment.
3A is an image of an extrudate of glass-forming ink on a substrate, according to one embodiment.
3B is an image of a printed low-density object, according to one embodiment.
3C is an image of a glass body after heat treatment of a printed low-density body, according to one embodiment.
4A is a schematic diagram of a low-density object comprising a material property gradient of the low-density object along an axial direction, according to one embodiment.
4B is a schematic diagram of a low-density object including a material property gradient of the low-density object along a radial direction, according to one embodiment.
5A is an image of a low-density shaped body having a gradient in the axial direction, after printing of multiple components, according to one embodiment.
5B is an image of a glass body having a gradient in the axial direction after heat treatment of a printed low density body according to one embodiment.
5C is an image of a low-density shaped body having a gradient in a radial direction, after printing of multiple components, according to one embodiment.
4B is an image of a glass object having a gradient in a radial direction after heat treatment of a printed low-density object according to one embodiment.
6A-6C are images of printed parts formed with a silica composition, according to one embodiment.
6D-6E are images of printed parts formed to have a silica-titania composition, according to one embodiment.
7A is a plot of the refractive index profile versus titania concentration of a glass formed in accordance with one embodiment.
7B is an image of resultant glass structures formed with various titania concentrations, according to one embodiment.
8 is a plot of a heat treatment profile of formation of a consolidated structure according to one embodiment. Images of each step are included as insets on the profile plot.
9A is an image of a gradient refractive index silica-titania glass lens made by direct ink writing, according to one embodiment.
9B is a surface-corrected interferogram of the glass lens of FIG. 9A.
9C is an image at 300-μm focus from the lens of FIG. 9A.
10A is an image of a composite glass composed of a gold-doped silica glass core, according to one embodiment.
10B is a plot of absorbance as a function of wavelength of light of the composite glass of FIG. 10A.
10C is a plot of absorbance at 525 nm of the composite glass of FIG. 10A versus positions along the glass surface.
하기 설명은 본 발명의 일반적 원리를 예시하기 위해 작성된 것이며, 본원에서 청구된 본 발명의 개념을 제한하려는 것은 아니다. 추가로, 본원에 기술된 특정한 특질은 다른 기술된 특질과 함께 각각의 다양한 가능한 조합 및 순열로서 사용될 수 있다.The following description is made for the purpose of illustrating the general principles of the invention and is not intended to limit the inventive concept as claimed herein. Additionally, certain traits described herein may be used in each of the various possible combinations and permutations of the other described traits.
본원에서 달리 구체적으로 정의되지 않는 한, 모든 용어는 명세서로부터 암시되는 의미뿐만 아니라 관련 기술분야의 통상의 기술자에 의해 이해되고/거나 사전, 논문 등에서 정의되는 바와 같은 의미를 포함하여 그의 가능한 한 가장 넓은 해석을 가져야 한다.Unless specifically defined otherwise herein, all terms have their broadest possible meaning, including not only the meaning implied from the specification, but also the meaning as understood by one of ordinary skill in the art and/or as defined in dictionaries, articles, etc. should have an interpretation.
또한, 명세서 및 첨부된 청구범위에서 사용되는 바와 같은, 단수 형태 "한(a, an)" 및 "그(the)"는 달리 명시되지 않는 한 복수의 지시 대상을 포함한다는 것을 유념해야 한다.It should also be noted that, as used in the specification and appended claims, the singular forms "a, an" and "the" include plural referents unless otherwise specified.
하기 설명은 사용자-맞춤형 조성 프로파일을 갖는 광학적 및 비-광학적 유리 부재의 제조, 및/또는 관련 시스템 및 방법의 여러 바람직한 실시양태를 개시한다.The following description discloses several preferred embodiments of the manufacture of optical and non-optical glass members having user-customizable composition profiles, and/or related systems and methods.
한 일반적 실시양태에서, 방법은 유리-형성 물질을 포함하는 잉크를 인쇄함으로써 구조체를 형성하고, 유리-형성 물질을 유리로 전환시키기 위해, 형성된 구조체를 열처리하는 것을 포함한다.In one general embodiment, a method comprises forming a structure by printing an ink comprising a glass-forming material and heat-treating the formed structure to convert the glass-forming material to glass.
또 다른 일반적 실시양태에서, 생성물은 유리-형성 물질을 포함하는 잉크의 3차원적 인쇄에 의한 형성의 물리적 특징을 갖는 모노리스형 유리 구조체를 포함한다.In another general embodiment, the product comprises a monolithic glass structure having the physical characteristics of formation by three-dimensional printing of an ink comprising a glass-forming material.
설명에서 사용되는 두문자어의 목록이 하기에 제공된다.A list of acronyms used in the description is provided below.
3D 3차원적3D three-dimensional
DIW 직접 잉크 기록DIW direct ink recording
FDM 융합 적층 모델링FDM fusion stacking modeling
IR 적외선IR Infrared
G3DP 유리 3차원적 인쇄G3DP Glass 3D Printing
GRIN 구배 지수 유리GRIN gradient index glass
LDF 저밀도 조형체LDF low density compact
Si 규소Si silicon
S-3DP 슬러리-기반 3차원적 인쇄S-3DP slurry-based three-dimensional printing
SLM 선택적 레이저 용융SLM Selective Laser Melting
Ti 티타늄Ti titanium
UV 자외선UV UV rays
본원에 기술되는 다양한 실시양태는 1-, 2-, 또는 3-차원의 맞춤형 물질 조성 프로파일을 갖는 능동형 또는 수동형 광학적 또는 비-광학적 유리 부재 및/또는 유리 센서를 제작하기 위한 방법을 제공한다. 본원에 기술되는 다양한 실시양태는 조성 변화를 갖거나 갖지 않는 다양한 무기 유리의 3차원적 (3D) 인쇄를 가능하게 한다. 유리 조성 및 가공 조건에 따라, 유리는 인간의 눈에 투명하거나 불투명하게 보일 수 있다. 그러나, 용어 "광학적 유리"는 스펙트럼의 가시광선 부분에서 유용한 유리를 지칭할 뿐 아니라, UV, 가시광선, 근-IR, 중-IR, 및 원-IR까지 확장될 수 있다.Various embodiments described herein provide methods for fabricating active or passive optical or non-optical glass members and/or glass sensors with custom material composition profiles in 1-, 2-, or 3-dimensional. The various embodiments described herein enable three-dimensional (3D) printing of various inorganic glasses with or without compositional changes. Depending on the glass composition and processing conditions, the glass may appear transparent or opaque to the human eye. However, the term “optical glass” not only refers to glasses useful in the visible portion of the spectrum, but can also be extended to UV, visible, near-IR, mid-IR, and far-IR.
도 1은 한 실시양태에 따른 사용자-맞춤형 조성 프로파일을 갖는 광학적 유리 부재를 제조하기 위한 방법(100)을 보여준다. 선택사항으로서, 본 방법(100)은 본원에 기술된 다른 도면에 도시된 것과 같은 장치로 구현될 수 있다. 그러나, 물론, 이러한 방법(100) 및 본원에 제시된 다른 것이 본원에 열거된 예시적 실시양태와 관련되거나 관련되지 않을 수 있는 매우 다양한 장치 및/또는 목적을 위한 구조체를 형성하는 데 사용될 수 있다. 추가로, 본원에 제시된 방법은 임의의 요망되는 환경에서 수행될 수 있다. 더욱이, 도 1에 도시된 것보다 더 많거나 더 적은 작업이, 다양한 실시양태에 따라, 방법(100)에 포함될 수 있다. 상기에 언급된 임의의 특질이 다양한 방법에 따라 기술되는 임의의 실시양태에서 사용될 수 있다는 것을 또한 유념해야 한다.1 shows a
도 1에 도시된 바와 같은 한 실시양태에서, 방법(100)은 잉크를 인쇄함으로써 구조체를 형성하는 것을 포함하는 작업(102)으로부터 시작된다. 다양한 실시양태에 따라, 잉크의 인쇄는 잉크 혼합능을 가질 수 있는 하기 적층 조형 기술 중 하나를 포함할 수 있다: 직접 잉크 기록 (DIW), 3D 시스템에서의 스테레오리소그래피(stereolithography), 프로젝션 마이크로스테레오리소그래피(projection microstereolithography), 융합 적층 모델링, 전기영동 적층, 폴리제트(PolyJet) 가공, 직접 적층, 잉크젯 인쇄, 잉크젯 분말 베드 인쇄, 에어로졸 제트 인쇄 등. 이러한 방법들을 조합하는 것도 고려될 수 있다.In one embodiment as shown in FIG. 1 ,
다양한 실시양태에 따라, 방법(100)은 필라멘트, 필름, 및/또는 3D 모노리스형 또는 스패닝(spanning) 비정형-조형체(free-form)를 형성하는 데 사용될 수 있다.According to various embodiments,
한 실시양태에 따라, 잉크는 유리-형성 물질을 포함한다. 또 다른 실시양태에 따라, 유리-형성 물질은 제조된 입자 분산액을 포함하며, 여기서 입자는 크기가 나노미터 내지 마이크로미터의 범위이다. 일부 접근법에서, 입자는 단분산될 수 있다. 다른 접근법에서, 입자는 다분산될 수 있다. 또 다른 접근법에서, 입자는 응집될 수 있다.According to one embodiment, the ink comprises a glass-forming material. According to another embodiment, the glass-forming material comprises a prepared particle dispersion, wherein the particles range in size from nanometers to micrometers. In some approaches, the particles may be monodisperse. In another approach, the particles may be polydisperse. In another approach, the particles may be agglomerated.
또 다른 실시양태에서, 유리-형성 물질은 예를 들어 흄드 실리카, 콜로이드상 실리카, 루독스(LUDOX) 콜로이드상 실리카 분산액, 티타니아 입자, 지르코니아 입자, 알루미나 입자, 금속 칼코게나이드(chalcogenide) 입자 (예를 들어 CdS, CdSe, ZnS, PbS) 등이지만 이로 제한되는 것은 아닌 단일 조성의 무기 입자일 수 있다. 그 밖의 다른 실시양태에서, 유리-형성 물질은 단일 조성의 무기물-함유 입자일 수 있다.In another embodiment, the glass-forming material is, for example, fumed silica, colloidal silica, LUDOX colloidal silica dispersion, titania particles, zirconia particles, alumina particles, metal chalcogenide particles (eg, For example, CdS, CdSe, ZnS, PbS), etc., but is not limited thereto, may be inorganic particles of a single composition. In other embodiments, the glass-forming material may be inorganic-containing particles of a single composition.
한 실시양태에서, 유리-형성 물질은 예를 들어 이성분 실리카-티타니아 입자, 실리카-산화게르마늄 입자이지만 이로 제한되는 것은 아닌 복수의 혼합 조성 입자일 수 있고/거나 무기 또는 유기 화학적으로 개질된 표면을 갖는 입자 (즉 티타니아-개질된 실리카 입자; 실리카-개질된 티타니아 입자; 3-아미노프로필트리에톡시실란 개질된 실리카 입자)일 수 있다.In one embodiment, the glass-forming material can be a plurality of mixed composition particles, for example, but not limited to, bicomponent silica-titania particles, silica-germanium oxide particles, and/or have an inorganic or organic chemically modified surface. (ie titania-modified silica particles; silica-modified titania particles; 3-aminopropyltriethoxysilane modified silica particles).
일부 실시양태에서, 유리-형성 물질은 예를 들어 함께 융합되어 실리카-티타니아 유리를 형성하는 실리카 입자와 티타니아 입자의 혼합물이지만 이로 제한되는 것은 아닌 상이한 조성의 입자들의 혼합물일 수 있다.In some embodiments, the glass-forming material may be, for example, but not limited to, a mixture of particles of different composition, such as, but not limited to, mixtures of silica particles and titania particles that are fused together to form silica-titania glass.
한 실시양태에 따라, 유리-형성 물질은 입자 형태가 아닐 수 있는 단일 조성의 유리-형성 물질일 수 있다. 일부 실시양태에서, 도판트가, 예를 들어 실리카, 실리카-티타니아 함유 중합체, 실리카-산화게르마늄 중합체, 실리카-산화알루미늄 중합체, 실리카-삼산화붕소 중합체 등이지만 이로 제한되는 것은 아닌 중합체에 직접 혼입될 수 있다.According to one embodiment, the glass-forming material may be a single composition glass-forming material that may not be in the form of particles. In some embodiments, dopants can be incorporated directly into polymers, such as, but not limited to, for example, but not limited to, silica, silica-titania containing polymers, silica-germanium oxide polymers, silica-aluminum oxide polymers, silica-boron trioxide polymers, etc. have.
일부 실시양태에 따라 잉크의 유리-형성 물질은 작은 금속-함유 유기 전구체로부터 제조된 더 큰 분자 및/또는 중합체 (선형 또는 분지형)를 포함할 수 있다. 중합체의 예는 폴리(디메틸실록산), 실리콘, 디에톡시실록산-에틸티타네이트 공중합체, 다면체형 올리고머성 실세스퀴옥산 중합체 및 공중합체를 포함한다. 큰 분자의 예는 폴리옥소메탈레이트 클러스터, 옥소알콕소메탈레이트 클러스터를 포함한다. 디자이너(Designer) Si/Ti 함유 중합체는 오르가노실리케이트 및 오르가노티타네이트, 예를 들어, 테트라에틸오르토실리케이트 및 티타늄 이소프로폭시드의 산-촉매작용에 의한 가수분해 및 필요하다면 부가적 에스테르교환 단계를 통해 합성될 수 있다. 이러한 공정의 개질양태는 금속-산소 외의 결합을 함유하는 유기금속성 화학 성분, 예를 들어, (3-아미노프로필)트리에톡시실란을 이용하는 것; 염, 예를 들어, NaF, Cu(NO3)2, Li2CO3을 중합체 용액에 직접 첨가함으로써 도핑하는 것; 산-촉매작용에 의한 가수분해 동안에 금속 화학종을 중합체 쇄에 포함시킴으로써 도핑하는 것; 주 유리 성분 (예를 들어, 규소 (Si)), 및 부 유리 성분 (예를 들어 티타늄 (Ti))을 선형 중합할 수 있는 대체물, 예를 들어, Ge, Zr, V, Fe로 대체하는 것을 포함한다.The glass-forming material of the ink according to some embodiments may comprise larger molecules and/or polymers (linear or branched) prepared from small metal-containing organic precursors. Examples of the polymer include poly(dimethylsiloxane), silicone, diethoxysiloxane-ethyltitanate copolymer, polyhedral oligomeric silsesquioxane polymers and copolymers. Examples of large molecules include polyoxometalate clusters, oxoaloxometalate clusters. Designer Si/Ti containing polymers are prepared by acid-catalyzed hydrolysis of organosilicates and organotitanates such as tetraethylorthosilicate and titanium isopropoxide and additional transesterification steps if necessary. can be synthesized through Modifications of this process include the use of organometallic chemical components containing non-metal-oxygen bonds, such as (3-aminopropyl)triethoxysilane; doping by adding salts such as NaF, Cu(NO 3 ) 2 , Li 2 CO 3 directly to the polymer solution; doping by incorporation of metal species into polymer chains during acid-catalyzed hydrolysis; Replacing the major glass component (e.g., silicon (Si)), and the minor glass component (e.g., titanium (Ti)) with an alternative capable of linear polymerization, e.g., Ge, Zr, V, Fe include
일부 실시양태에 따라 잉크의 유리-형성 물질은 작은 금속-함유 유기 전구체 및/또는 무기 전구체, 예컨대 금속알콕시드, 실록산, 규산염, 인산염, 칼코게나이드, 금속-수산화물, 금속 염 등을 포함할 수 있다. 예는 실리콘 알콕시드, 보론 알콕시드, 티타늄 알콕시드, 게르마늄 알콕시드를 포함할 수 있다. 일부 접근법에서, 잉크의 유리-형성 물질은 티타늄 이소프로폭시드, 티타늄 디이소프로폭시드 비스(아세틸아세토네이트), 테트라에틸 오르토실리케이트, 염화아연, 염화티타늄을 포함할 수 있다.According to some embodiments, the glass-forming material of the ink may include small metal-containing organic and/or inorganic precursors such as metal alkoxides, siloxanes, silicates, phosphates, chalcogenides, metal-hydroxides, metal salts, and the like. have. Examples may include silicon alkoxide, boron alkoxide, titanium alkoxide, germanium alkoxide. In some approaches, the glass-forming material of the ink may include titanium isopropoxide, titanium diisopropoxide bis(acetylacetonate), tetraethyl orthosilicate, zinc chloride, titanium chloride.
한 실시양태에서, 유리-형성 물질은 용매에 현탁될 수 있다. 유리-형성물질이 극성 및/또는 친수성 유리-형성 물질인 것인 한 실시양태에서, 용매는 바람직하게는 극성 비양성자성 용매이다. 한 접근법에서, 용매는 하기 순수한 성분 또는 그의 혼합물일 수 있다: 프로필렌 카르보네이트, 디메틸 에테르 (예를 들어 테트라(에틸렌 글리콜) 디메틸 에테르), 및/또는 디메틸포름아미드. 또 다른 접근법에서, 용매는 극성 양성자성 용매, 예를 들어, 알콜 및/또는 물일 수 있다. 유리-형성 물질이 소수성인 것인 한 실시양태에서, 용매는 비극성 용매, 예를 들어 크실렌, 알칸일 수 있지만 이로 제한되는 것은 아니다.In one embodiment, the glass-forming material may be suspended in a solvent. In one embodiment wherein the glass-forming material is a polar and/or hydrophilic glass-forming material, the solvent is preferably a polar aprotic solvent. In one approach, the solvent may be the following pure components or mixtures thereof: propylene carbonate, dimethyl ether (eg tetra(ethylene glycol) dimethyl ether), and/or dimethylformamide. In another approach, the solvent may be a polar protic solvent such as alcohol and/or water. In one embodiment where the glass-forming material is hydrophobic, the solvent can be, but is not limited to, a non-polar solvent such as xylene, alkane.
한 실시양태에 따라, 잉크는 열처리된 유리 구조체의 특성을 변경시키는 적어도 하나의 제2 성분과 유리-형성 물질의 조합물일 수 있다. 일부 실시양태에서, 제2 성분은 특성을 변경시키는 도판트일 수 있다. 다른 실시양태에서, 하나 초과의 물질 특성은 제2 성분의 첨가에 의해 영향받을 수 있다. 다양한 실시양태에서, 제2 성분은 하기 중 하나 이상의 관점에서 결과물로서의 구조체의 물질 특성 (예를 들어 특징)에 영향을 미칠 수 있다: 광학적, 기계적, 자기적, 열적, 전기적, 화학적 특징 등.According to one embodiment, the ink may be a combination of a glass-forming material and at least one second component that alters the properties of the heat treated glass structure. In some embodiments, the second component may be a dopant that alters properties. In other embodiments, more than one material property may be affected by the addition of a second component. In various embodiments, the second component may affect the material properties (eg, characteristics) of the resulting structure in terms of one or more of the following: optical, mechanical, magnetic, thermal, electrical, chemical characteristics, and the like.
한 접근법에서, 제2 성분은 이온 형태일 수 있다. 또 다른 접근법에서, 제2 성분은 분자일 수 있다. 그 밖의 또 다른 접근법에서, 제2 성분은 입자일 수 있다.In one approach, the second component may be in ionic form. In another approach, the second component may be a molecule. In yet another approach, the second component may be a particle.
일부 실시양태에서, 잉크는 열처리된 유리 구조체의 특성을 변경시킬 수 있는 효과량의 하나 이상의 제2 성분을 함유할 수 있다. 제2 성분의 효과량은 열처리된 유리 구조체의 특성을 변경시키는 양이며, 이는, 관련 기술분야의 통상의 기술자가 본 설명을 읽고서 명백하게 알게 되는 바와 같이, 과도한 실험 없이 본원의 교시에 따라 첨가제의 농도를 다양하게 함으로써 용이하게 결정될 수 있다.In some embodiments, the ink may contain an effective amount of one or more second components capable of altering the properties of the heat treated glass structure. An effective amount of the second component is an amount that alters the properties of the heat treated glass structure, which, as will become apparent to one of ordinary skill in the art upon reading this description, is the concentration of the additive in accordance with the teachings herein without undue experimentation. It can be easily determined by varying the .
한 실시양태에서, 결과물로서의 구조체의 색은 하기 군으로부터 선택된 하나 이상의 제2 성분의 첨가에 의해 영향받을 수 있다: 다양한 크기의 금속 나노입자 (금, 은), 황, 금속 황화물 (황화카드뮴), 금속 염화물 (염화금), 금속 산화물 (구리 산화물, 철 산화물).In one embodiment, the color of the resulting structure can be affected by the addition of one or more second components selected from the group: metal nanoparticles of various sizes (gold, silver), sulfur, metal sulfide (cadmium sulfide), Metal chlorides (gold chloride), metal oxides (copper oxides, iron oxides).
한 실시양태에서, 결과물로서의 구조체의 흡수도 (선형 또는 비선형)는 하기 군으로부터 선택된 하나 이상의 제2 성분의 첨가에 의해 영향받을 수 있다: 산화세륨, 철, 구리, 크로뮴, 은, 및 금.In one embodiment, the absorbance (linear or non-linear) of the resulting structure can be affected by the addition of one or more second components selected from the group: cerium oxide, iron, copper, chromium, silver, and gold.
한 실시양태에서, 결과물로서의 구조체의 굴절률은 하기 군으로부터 선택된 하나 이상의 제2 성분의 첨가에 의해 영향받을 수 있다: 티타늄, 지르코늄, 알루미늄, 납, 토륨, 바륨.In one embodiment, the refractive index of the resulting structure may be affected by the addition of one or more second components selected from the group: titanium, zirconium, aluminum, lead, thorium, barium.
한 실시양태에서, 결과물로서의 구조체의 분산은 하기 군으로부터 선택된 하나 이상의 제2 성분의 첨가에 의해 영향받을 수 있다: 바륨, 토륨.In one embodiment, the dispersion of the resulting structure may be affected by the addition of one or more second components selected from the group: barium, thorium.
한 실시양태에서, 결과물로서의 구조체의 감쇠/광학적 밀도는 하기 군으로부터 선택된 하나 이상의 제2 성분의 첨가에 의해 영향받을 수 있다: 알칼리 금속 및 알칼리 토금속.In one embodiment, the attenuation/optical density of the resulting structure may be affected by the addition of one or more second components selected from the group: alkali metals and alkaline earth metals.
한 실시양태에서, 결과물로서의 구조체의 감광도는 하기 군으로부터 선택된 하나 이상의 제2 성분의 첨가에 의해 영향받을 수 있다: 은, 세륨, 플루오린.In one embodiment, the photosensitivity of the resulting structure can be affected by the addition of one or more second components selected from the group: silver, cerium, fluorine.
한 실시양태에서, 결과물로서의 구조체의 전기 전도도는 하기 군으로부터 선택된 하나 이상의 제2 성분의 첨가에 의해 영향받을 수 있다: 알칼리 금속 이온, 플루오린, 탄소 나노튜브.In one embodiment, the electrical conductivity of the resulting structure can be affected by the addition of one or more second components selected from the group: alkali metal ions, fluorine, carbon nanotubes.
한 실시양태에서, 결과물로서의 구조체의 복굴절성, 예컨대 제2 성분으로부터 형성된 결정성 상에 의해 부여된 광의 편광 및 전파 방향에 좌우되는 굴절률을 갖는 복굴절성은 하기 군으로부터 선택된 하나 이상의 제2 성분의 첨가에 의해 영향받을 수 있다: 규소 및 산소와 조합된, 티타늄, 지르코늄, 아연, 니오븀, 스트론튬, 리튬.In one embodiment, the birefringence of the resulting structure, such as a birefringence with an index of refraction dependent on the polarization and propagation direction of the light imparted by the crystalline phase formed from the second component, is determined by the addition of at least one second component selected from the group can be affected by: titanium, zirconium, zinc, niobium, strontium, lithium, in combination with silicon and oxygen.
한 실시양태에서, 결과물로서의 구조체의 열 전도도는 하기 군으로부터 선택된 하나 이상의 제2 성분의 첨가에 의해 영향받을 수 있다: 탄소 나노튜브, 금속.In one embodiment, the thermal conductivity of the resulting structure may be affected by the addition of one or more second components selected from the group: carbon nanotubes, metals.
한 실시양태에서, 결과물로서의 구조체의 열 방사율은 하기 군으로부터 선택된 하나 이상의 제2 성분의 첨가에 의해 영향받을 수 있다: 산화주석, 철.In one embodiment, the thermal emissivity of the resulting structure may be affected by the addition of one or more second components selected from the group: tin oxide, iron.
한 실시양태에서, 결과물로서의 구조체의 열 팽창률은 하기 군으로부터 선택된 하나 이상의 제2 성분의 첨가에 의해 영향받을 수 있다: 산화붕소, 산화티타늄.In one embodiment, the coefficient of thermal expansion of the resulting structure may be affected by the addition of one or more second components selected from the group: boron oxide, titanium oxide.
한 실시양태에서, 결과물로서의 구조체의 유리전이온도는 제2 성분으로서의 탄산나트륨의 첨가에 의해 영향받을 수 있다.In one embodiment, the glass transition temperature of the resulting structure can be affected by the addition of sodium carbonate as a second component.
한 실시양태에서, 결과물로서의 구조체의 융점은 하기 군으로부터 선택된 하나 이상의 제2 성분의 첨가에 의해 영향받을 수 있다: 나트륨, 알루미늄, 납.In one embodiment, the melting point of the resulting structure may be affected by the addition of one or more second components selected from the group: sodium, aluminum, lead.
한 실시양태에서, 결과물로서의 구조체의 이득 계수(gain coefficient)는 하기 군으로부터 선택된 하나 이상의 제2 성분의 첨가에 의해 영향받을 수 있다: 희토류 이온 (예를 들어 네오디뮴, 에르븀, 이테르븀); 전이금속 이온 (예를 들어 크로뮴).In one embodiment, the gain coefficient of the resulting structure can be affected by the addition of one or more second components selected from the group: rare earth ions (eg neodymium, erbium, ytterbium); transition metal ions (eg chromium).
한 실시양태에서, 결과물로서의 구조체의 광방출은 제2 성분의 첨가에 의해 영향받을 수 있다. 또 다른 실시양태에서, 결과물로서의 구조체의 발광은 제2 성분의 첨가에 의해 영향받을 수 있다. 그 밖의 또 다른 실시양태에서, 결과물로서의 구조체의 형광은 제2 성분의 첨가에 의해 영향받을 수 있다.In one embodiment, the light emission of the resulting structure can be affected by the addition of a second component. In another embodiment, the luminescence of the resulting construct may be affected by the addition of a second component. In yet another embodiment, the fluorescence of the resulting construct may be affected by the addition of a second component.
한 실시양태에서, 결과물로서의 구조체의 화학적 반응성은 하기 군으로부터 선택된 하나 이상의 제2 성분의 첨가에 의해 영향받을 수 있다: 알칼리 금속, 알칼리 토금속, 은.In one embodiment, the chemical reactivity of the resulting structure may be affected by the addition of one or more second components selected from the group: alkali metals, alkaline earth metals, silver.
한 실시양태에서, 결과물로서의 구조체의 밀도는 하기 군으로부터 선택된 하나 이상의 제2 성분의 첨가에 의해 영향받을 수 있다: 티타늄, 지르코늄, 알루미늄, 납, 토륨, 바륨.In one embodiment, the density of the resulting structure may be affected by the addition of one or more second components selected from the group: titanium, zirconium, aluminum, lead, thorium, barium.
한 실시양태에서, 잉크 중 제2 성분의 농도는 인쇄된 구조체에 조성 구배를 형성하기 위해 인쇄 동안에 변화할 수 있다. 일부 접근법에서, 잉크 중 제2 성분은 열처리된 최종 구조체에 조성 구배를 형성할 수 있다.In one embodiment, the concentration of the second component in the ink can be changed during printing to form a composition gradient in the printed structure. In some approaches, the second component in the ink may form a compositional gradient in the final heat treated structure.
일부 실시양태에서, 잉크 중 제2 성분의 농도는 임의의 축에 대해 대칭적이지 않을 수 있는 조성 변화 (예를 들어, 구배, 패턴 등)를 형성할 수 있고, 예를 들어, 패턴은 구조체 주위로 방사상으로 변화할 수 있거나, 패턴은 완전한 3D 구조로서 형성될 수 있거나 기타 등등이지만, 이로 제한되는 것은 아니다.In some embodiments, the concentration of the second component in the ink may form a compositional change (eg, gradient, pattern, etc.) that may not be symmetric about any axis, eg, the pattern may form around the structure. may vary radially, the pattern may be formed as a complete 3D structure, etc., but is not limited thereto.
일부 실시양태에서, 잉크는 특정한 기능을 수행할 수 있는 효과량의 하나 이상의 부가적 첨가제를 함유할 수 있다. 예를 들어, 첨가제는 분산, 상 안정성, 및/또는 네트워크 강도를 개선할 수 있거나; pH를 제어 및/또는 변화시킬 수 있거나; 유변성을 개질할 수 있거나; 건조 동안에 균열 형성을 저감시킬 수 있거나; 소결을 보조할 수 있거나 기타 등등이지만, 이로 제한되는 것은 아니다. 첨가제의 효과량은 요망되는 기능 또는 결과를 부여하는 양이며, 이는, 관련 기술분야의 통상의 기술자가 본 설명을 읽고서 명백하게 알게 되는 바와 같이, 과도한 실험 없이 본원의 교시에 따라 첨가제의 농도를 다양하게 함으로써 용이하게 결정될 수 있다.In some embodiments, the ink may contain an effective amount of one or more additional additives capable of performing a particular function. For example, additives may improve dispersion, phase stability, and/or network strength; be able to control and/or change the pH; can modify rheology; reduce crack formation during drying; may assist in sintering or the like, but is not limited thereto. An effective amount of an additive is an amount that imparts a desired function or result, and as will become apparent to one of ordinary skill in the art upon reading this description, various concentrations of the additive may be varied in accordance with the teachings herein without undue experimentation. This can be easily determined.
일부 실시양태에서, 잉크는 분산을 개선하기 위해 하기 첨가제 중 하나 이상을 포함할 수 있다: 계면활성제 (예를 들어 2-[2-(2-메톡시에톡시)에톡시]아세트산 (MEEAA)), 다가전해질 (예를 들어, 폴리아크릴산), 무기 산 (예를 들어 시트르산, 아스코르브산).In some embodiments, the ink may include one or more of the following additives to improve dispersion: a surfactant (eg 2-[2-(2-methoxyethoxy)ethoxy]acetic acid (MEEAA)) , polyelectrolytes (eg polyacrylic acid), inorganic acids (eg citric acid, ascorbic acid).
한 실시양태에서, 잉크는 상 안정화를 개선하기 위해 (즉 결정성 상 분리일 수 있거나 또는 아닐 수 있는 상/조성 분리를 방지하기 위해) 첨가제 (예를 들어 붕산 무수물 (B2O3))을 포함할 수 있다. 또 다른 예는 알칼리 규산염을 위한 상 안정화제로서 작용할 수 있는 ZnO이다.In one embodiment, the ink contains additives (eg boric anhydride (B 2 O 3 )) to improve phase stabilization (ie to prevent phase/composition separation, which may or may not be crystalline phase separation). may include Another example is ZnO, which can act as a phase stabilizer for alkali silicates.
한 실시양태에서, 잉크는 결정화를 억제하기 위해 첨가제 (예를 들어 붕산 무수물 B2O3)을 포함할 수 있다. 다른 결정화 억제제는 Al2O3 및 Ga2O3을 포함한다.In one embodiment, the ink may include additives (eg boric anhydride B 2 O 3 ) to inhibit crystallization. Other crystallization inhibitors include Al 2 O 3 and Ga 2 O 3 .
한 실시양태에서, 잉크는 네트워크를 강화하기 위해 첨가제 (예를 들어 폴리디메틸실록산)를 포함할 수 있다.In one embodiment, the ink may include additives (eg polydimethylsiloxane) to strengthen the network.
한 실시양태에서, 잉크는 pH를 제어하기 위해 하기 첨가제 중 하나 이상을 포함할 수 있다: 유기 산, 무기 산, 염기 (예를 들어 아세트산, HCl, KOH, NH4OH).In one embodiment, the ink may include one or more of the following additives to control the pH: organic acids, inorganic acids, bases (eg acetic acid, HCl, KOH, NH 4 OH).
한 실시양태에서, 잉크는 유변성을 개질하기 위해 하기 첨가제 중 하나 이상을 포함할 수 있다: 중합체 (예를 들어 셀룰로스, 폴리에틸렌 글리콜, 폴리 비닐 알콜); 계면활성제 (예를 들어 MEEAA, 소듐 도데실 술페이트, 글리세롤, 에틸렌 글리콜); 금속 알콕시드 (예를 들어 티타늄 디이소프로폭시드 비스(아세틸아세토네이트)).In one embodiment, the ink may include one or more of the following additives to modify the rheology: a polymer (eg cellulose, polyethylene glycol, polyvinyl alcohol); surfactants (eg MEEAA, sodium dodecyl sulfate, glycerol, ethylene glycol); metal alkoxides (eg titanium diisopropoxide bis(acetylacetonate)).
한 실시양태에서, 잉크는 건조 동안에 균열 저항성을 증진시키고/거나 균열 형성을 저감시키기 위한 건조 보조제로서 하기 첨가제 중 하나 이상을 포함할 수 있다: 중합체 (예를 들어 폴리에틸렌 글리콜, 폴리아크릴레이트), 가교성 단량체 또는 중합체 및 가교 시약 (예를 들어 폴리에틸렌 글리콜 디아크릴레이트 (PEGDA)).In one embodiment, the ink may include one or more of the following additives as drying aids to enhance crack resistance and/or reduce crack formation during drying: polymer (eg polyethylene glycol, polyacrylate), crosslinking monomers or polymers and crosslinking reagents (eg polyethylene glycol diacrylate (PEGDA)).
한 실시양태에서, 잉크는 소결 보조제로서의 첨가제를 포함할 수 있다. 소결 보조제는 소결/조밀화 공정을 개선한다. 유리의 경우에, 소결 보조제는 소결되어 유리가 되는 물질의 점도를 낮출 수 있다. 예를 들어, 붕산 무수물 (B2O3)은 소결 보조제로서 포함될 수 있다.In one embodiment, the ink may include additives as sintering aids. The sintering aid improves the sintering/densification process. In the case of glass, sintering aids can lower the viscosity of the material that is sintered into glass. For example, boric anhydride (B 2 O 3 ) may be included as a sintering aid.
다양한 실시양태에서, 유리-형성 잉크의 배합물 (즉 유리-형성 물질)은 하기 인자의 조합을 위해 최적화된다: 인쇄성 (3D 인쇄 방법에 좌우됨), 균열 저항성, 및 투명 소결성(sintering to transparency). 일부 접근법에서, 유리-형성 잉크의 배합물의 부피 부하(volumetric loading)가 최적화된다. 일부 접근법에서, 유리-형성 물질의 조성 구배의 특징은 최적화될 수 있다.In various embodiments, formulations of glass-forming inks (ie, glass-forming materials) are optimized for a combination of the following factors: printability (depending on the 3D printing method), crack resistance, and sintering to transparency . In some approaches, the volumetric loading of the formulation of the glass-forming ink is optimized. In some approaches, the characteristics of the composition gradient of the glass-forming material can be optimized.
한 실시양태에 따라, 유리-형성 물질의 배합물은 총부피의 약 5 vol% 내지 약 50 vol%의 범위의 유리-형성 무기 화학종; 약 30 vol% 내지 약 95 vol%의 범위의 용매; 0 wt% 내지 약 20 wt%의 범위의 제2 성분(들) (즉 도판트); 및 0 wt% 내지 약 10 wt%의 첨가제(들)를 포함할 수 있다.According to one embodiment, the blend of glass-forming materials comprises a glass-forming inorganic species in the range of from about 5 vol % to about 50 vol % of the total volume; solvent in the range of about 30 vol % to about 95 vol %; a second component(s) (ie a dopant) in the range of 0 wt % to about 20 wt %; and 0 wt % to about 10 wt % of additive(s).
잉크의 실시예 배합물 1
5 내지 15 vol% 흄드 실리카 (카보실(Cabosil) EH-5 또는 카보실 OX-50)5 to 15 vol% fumed silica (Cabosil EH-5 or Cabosil OX-50)
30 내지 95 vol% 테트라에틸렌 글리콜 디메틸 에테르30 to 95 vol% tetraethylene glycol dimethyl ether
0 내지 20 wt% 티타늄 디이소프로폭시드 비스(아세틸아세토네이트)0-20 wt% titanium diisopropoxide bis(acetylacetonate)
0 내지 6 wt% 에틸렌 글리콜0 to 6 wt % ethylene glycol
0 내지 2 wt% 폴리(디메틸실록산)0 to 2 wt % poly(dimethylsiloxane)
잉크의 실시예 배합물 2
75 내지 95 vol% 실리카-티타니아-함유 중합체75-95 vol % silica-titania-containing polymer
10 내지 25 vol% 테트라에틸렌 글리콜 디메틸 에테르10 to 25 vol% tetraethylene glycol dimethyl ether
0 내지 10 vol% 예비가수분해를 위한 H2O0 to 10 vol% H 2 O for prehydrolysis
잉크의 실시예 배합물 3
5 내지 20 vol% 25-nm 티타니아-코팅된 실리카 입자5-20 vol % 25-nm titania-coated silica particles
25 내지 45 vol% 프로필렌 카르보네이트25 to 45 vol % propylene carbonate
25 내지 45 vol% 테트라에틸렌 글리콜 디메틸 에테르25 to 45 vol% tetraethylene glycol dimethyl ether
0 내지 5 wt% MEEAA0 to 5 wt % MEEAA
한 실시양태에 따라, 잉크 중 제2 성분의 농도는 구조체, 따라서 열처리된 최종 구조체에 조성 구배를 형성하기 위해 인쇄 동안에 변화할 수 있다.According to one embodiment, the concentration of the second component in the ink can be varied during printing to form a compositional gradient in the structure and thus the final heat treated structure.
한 실시양태에서, 잉크의 온도는 인쇄 동안에 약 200℃ 미만일 수 있다.In one embodiment, the temperature of the ink may be less than about 200° C. during printing.
한 실시양태에서, 방법(100)은 희생(sacrificial) 물질을 제거하기 위해, 형성된 구조체를 건조시키는 것을 포함하며, 여기서 형성된 구조체의 열처리 전에 건조를 수행한다. 이상적으로는, 완전히 형성된 구조체를 단일 공정에서 건조시킨다.In one embodiment,
도 1에 도시된 바와 같은 한 실시양태에 따라, 방법(100)은, 유리-형성 물질을 유리로 전환시키기 위해, 형성된 구조체를 열처리하는 것을 포함하는 작업(104)을 포함한다.According to one embodiment as shown in FIG. 1 ,
한 실시양태에서, 방법은 열처리된 유리 구조체의 부가적 가공을 포함한다. 한 접근법에서, 방법은 열처리된 유리 구조체를 연삭하는 것을 포함한다. 또 다른 접근법에서, 방법은 열처리된 유리 구조체를 연마하는 것을 포함한다. 그 밖의 또 다른 접근법에서 방법은 열처리된 유리 구조체를 연삭 및 연마하는 것을 포함한다.In one embodiment, the method comprises additional processing of the heat treated glass structure. In one approach, a method includes grinding a heat treated glass structure. In another approach, a method includes polishing a heat treated glass structure. In yet another approach, the method includes grinding and polishing a heat treated glass structure.
한 실시양태에서, 열처리된 유리 구조체는 섬유 형태일 수 있다.In one embodiment, the heat treated glass structure may be in the form of fibers.
또 다른 실시양태에서, 열처리된 유리 구조체는 시트 형태일 수 있다.In another embodiment, the heat treated glass structure may be in the form of a sheet.
한 실시양태에서, 열처리된 유리 구조체는 3차원적 모노리스일 수 있다.In one embodiment, the heat treated glass structure may be a three-dimensional monolith.
또 다른 실시양태에서, 열처리된 유리 구조체는 부품, 공구 등과 같은 기재 상의 코팅의 형태일 수 있다.In another embodiment, the heat treated glass structure may be in the form of a coating on a substrate such as a part, tool, or the like.
도 2A 및 2B는 한 실시양태에 따른 사용자-맞춤형 조성 프로파일을 갖는 광학적 유리 부재를 제조하기 위한 방법(200 및 250)을 도시한다. 선택사항으로서, 본 방법(200 및 250)은 본원에 열거된 임의의 다른 실시양태로부터의 특질, 예컨대 다른 도면에 대해 기술된 것과 연계되어 구현될 수 있다. 그러나, 물론, 이러한 방법(200 및 250) 및 본원에 제시된 다른 것은 본원에 열거된 예시적 실시양태에서 구체적으로 기술될 수 있거나 기술되지 않을 수 있는 다양한 응용분야에서 및/또는 순열로 사용될 수 있다. 추가로, 본원에 제시된 방법(200 및 250)은 임의의 요망되는 환경에서 사용될 수 있다.2A and 2B show
단일 성분 실리카 유리를 제조하기 위한 방법(200)의 예시적 실시양태가 도 2A에 도시되어 있다. 한 실시양태에 따라, 잉크를 인쇄하기 위한 방법은 단계(222 및 224)에 도시된 바와 같은 DIW 인쇄를 포함한다. DIW는 점탄성 물질의 압출에 기반을 둔 3D 인쇄 공정이다. 공기압 또는 정변위에 의해 잉크(202)는 작은 노즐(208)을 통해 밀려나온다. 일부 접근법에서, 노즐(208)은 컴퓨터에 의해 제어되고 세 개의 자유도 (x, y 및 z)를 갖는다. 다른 접근법에서 노즐(208)은 인쇄를 위한 여섯 개의 축을 갖도록 확대될 수 있다. 노즐(208)은 잉크를 제어된 공간적 패턴으로 압출하도록 배치될 수 있다.An exemplary embodiment of a
단계(222 및 224)에서, DIW에 의해, 유리-형성 화학종을 함유하는, 유변학적으로 조정된 유리-형성 DIW 잉크(202)의 필라멘트(212)가 예정된 기하구조로 적층되어, 약하게 결합되고 그물과 유사한 형상을 갖는 다공질 무정형 저밀도 조형체 (LDF)(214)가 형성된다. 일부 접근법에서, 압출된 필라멘트(212)는 빠르게 고결되어 LDF(214)가 된다. 일부 접근법에서, LDF(214)는 미가공체(green body), 유리-형성 화학종 등이라고 지칭될 수 있다. 유리-형성 화학종은 전구체 및/또는 콜로이드/입자로서 도입될 수 있다. 일부 접근법에서, 유리-형성 DIW 잉크(202)는 콜로이드상 실리카 잉크일 수 있다.In
한 실시양태에 따라, 유리-형성 DIW 잉크의 배합물은 인쇄성, 건조/베이크아웃(bakeout), 및 소결을 위해 최적화된다. 유리-형성 DIW 잉크의 배합물은 전단 박화, 유동 (정류) 능력, 형상 유지 (형상 보유) 능력, 낮은 응집, 긴 인쇄 시간, 안정한 가사 시간 (안정성) 등의 관점에서 인쇄성을 위해 최적화될 수 있다. 유리-형성 DIW 잉크의 배합물은 취급에 대한 내성, 균열 저항성, 낮은/균일한 수축, 유기물 제거에 적합한 기공률 등의 관점에서 건조를 위해 최적화될 수 있다. 유리-형성 DIW 잉크의 배합물은 균열 저항성, 낮은/균일한 수축, 조밀화/투명화 능력, 낮은 상 분리 경향 등의 관점에서 소결을 위해 최적화될 수 있다.According to one embodiment, the formulation of glass-forming DIW inks is optimized for printability, drying/bakeout, and sintering. Formulations of glass-forming DIW inks can be optimized for printability in terms of shear thinning, flow (rectification) ability, shape retention (shape retention) ability, low agglomeration, long print time, stable pot life (stability), etc. . Formulations of glass-forming DIW inks can be optimized for drying in terms of handling resistance, crack resistance, low/uniform shrinkage, porosity suitable for organic removal, and the like. Formulations of glass-forming DIW inks can be optimized for sintering in terms of crack resistance, low/uniform shrinkage, densification/translucency capability, low tendency to phase separation, and the like.
한 실시양태에 따라, 단계(222)는 필라멘트(212)를 기재(210) 상에 단일 층으로서 적층하는 노즐(208)을 통해 압출되는 유리-형성 DIW 잉크(202)를 포함한다.According to one embodiment,
방법(200)의 단계(224)는 유리-형성 DIW 잉크(202)의 층 상에 층을 구축하여 LDF(214)를 형성하는 것을 포함한다. 도 3A는 기재 상에 압출되고 있는 콜로이드상 실리카 잉크의 이미지를 보여준다.Step 224 of
LDF(214)는 LDF(214)를 고결시키고 열처리된 유리 조형체(216)로 전환시키기 위한 다수의 단계를 통해 처리될 수 있다The
임의로, LDF(214)는, 건조 전 또는 후에, 부품의 조성을 추가로 변화시키기 위해, 부가적으로 가공될 수 있다. 일부 접근법에서, 부가적 가공은 확산, 침출, 식각 등을 포함할 수 있다. 다른 접근법에서, 부가적 가공은 인쇄된 조형체의 특징을 변경시키기 위한 광, 소리, 진동, 또는 그의 조합을 포함할 수 있다. 그 밖의 다른 접근법에서, 열처리를 통해 LDF의 기공을 닫기 전의 화학적 처리는 결과물로서의 유리 조형체의 광학적 품질을 한정할 수 있다.Optionally, the
단계(226)에서, LDF는 건조, 하소 (즉 승온에서의 잔여 용매/유기물의 제거) 등에 의해 처리될 수 있다. 건조 동안에, 액체/용매 상이 제거될 수 있다. LDF(214)는 LDF(214)가 인쇄되어 있는 기재(210)로부터 분리될 수 있다. 일부 접근법에서, 건조 단계(226)는 용매의 비등점보다 낮은 온도에서 수시간 내지 수주일 동안 정치시키는 것을 포함할 수 있다.In
일부 실시양태에서, 가공 단계(226)는 유기물뿐만 아니라 임의의 잔여 및/또는 흡착된 물/용매 상을 제거하기 위한 더 저온에서의 가열 단계 (즉 소각(burnout))를 포함할 수 있다. 일부 접근법에서, 소각 단계는 250 내지 600℃에서 0.5 내지 24시간 동안 정치시키는 것을 포함할 수 있다.In some embodiments, processing
일부 실시양태에서, 가공 단계(226)는 표면을 화학적으로 전환시키기 위해 (예를 들어 자유 표면 히드록실을 탈수된 실록산으로 전환시키기 위해) LDF(214)를 대체 기체 분위기하에 가열하는 것을 포함할 수 있다. 일부 접근법에서, 가공 단계(226)는 LDF(214)를 산화성 기체 분위기 (예를 들어 O2 기체)하에 가열하는 것을 포함할 수 있다. 다른 접근법에서, 가공 단계(226)는 LDF(214)를 환원성 기체 분위기 (예를 들어 H2 기체)하에 가열하는 것을 포함할 수 있다. 그 밖의 다른 접근법에서, 가공 단계(226)는 LDF(214)를 비-반응성 기체 분위기 (예를 들어 Ar, He)하에 가열하는 것을 포함할 수 있다. 그 밖의 다른 접근법에서, 가공 단계(226)는 LDF(214)를 반응성 기체 분위기 (예를 들어 N2, Cl2)하에 가열하는 것을 포함할 수 있다. 그 밖의 다른 접근법에서, 가공 단계(226)는 LDF(214)를 진공하에 가열하는 것을 포함할 수 있다.In some embodiments, processing
일부 실시양태에서, 가공 단계(226)는 또한 일축 압력 또는 등방 압력을 사용하여 LDF(214)의 부품을 압축함으로써 (즉 기공률을 감소시킴으로써) 조밀한 조형체를 만드는 것을 포함할 수 있다. 일부 접근법에서, 가공 단계(226)는 또한 진공하에서 LDF(214)의 부품을 압축하는 것 (즉 기공률을 감소시키는 것)을 포함할 수 있다.In some embodiments, processing
도 3B는 건조된 LDF의 이미지를 보여준다.3B shows an image of the dried LDF.
한 실시양태에 따라, 상기 방법은, 도 2A의 단계(228)에 도시된 바와 같이, 건조된 LDF(214)를 열처리하여 남아 있는 기공을 닫아서 고결된 투명 유리 부품을 형성하는 것을 포함한다. 일부 접근법에서, LDF의 조밀한 조형체를 열처리할 수 있다.According to one embodiment, the method includes heat treating the dried
열처리 단계(228)는 승온에서 LDF(214) (즉 유리-형성 무기 화학종)를 완전히 조밀화하여 고결된 고체 유리 조형체(216)로 만드는 것인 소결을 포함할 수 있다. 일부 접근법에서, LDF의 소결은 500 내지 1600℃에서 수분 내지 수시간 동안 정치시키는 것을 포함할 수 있다. 소결을 위한 온도는 물질 조성 및 초기 무기물 부하 및 LDF의 기공률에 좌우된다. 일부 접근법에서, LDF의 소결은 인가 압력의 동시 사용을 포함할 수 있다. 일부 접근법에서, 열처리 단계(228)를 다양한 분위기 조건에서 수행할 수 있다. 다른 접근법에서, 열처리 단계(228)를 진공하에 수행할 수 있다.The
일부 실시양태에서, 열처리된 유리 조형체(216)는 모노리스형 유리 구조체일 수 있다. 도 3C는 도 3B에 도시된 LDF의 열처리 후의 모노리스형 유리 구조체의 이미지를 보여준다. 일부 실시양태에서, 결과물로서의 고결된 유리 조형체(216)는 DIW 인쇄 (단계 222, 224) 동안에 부여됐을 수 있는 잉크(202)의 특징을 보유할 수 있다.In some embodiments, the heat treated
한 실시양태에서, 고결된 유리 조형체(216)는 유리 조형체(216)의 한 표면을 따라 존재하는 나선형, 궁형 및/또는 직선형 굴곡(ridge)을 포함하는 LDF(214)의 물리적 특징을 가질 수 있다.In one embodiment, the
한 실시양태에서, 후-가공 단계(230)에서 유리 조형체(216)를 후-가공하여, 예를 들어 연삭 및/또는 연마와 같은 기술을 통해 연마된 최종 광학적 조형체(218)의 요망되는 외관 및/또는 표면 마감을 달성할 수 있다. 한 실시양태에서, 연마된 광학체(218)는 3D 인쇄 및 열처리에 의한 연마된 조형체이므로, LDF(214)의 특성은 유지되고 연마에 의해 없어지지 않는다. 한 실시양태에서, 연마된 광학체(218)는 연마된 모노리스형 유리 구조체이다.In one embodiment, the
일부 접근법에서, 유리 조형체(216)는 볼트 유리로서 취급됨으로써, 관련 기술분야에 공지된 통상적인 기술에 의해 인쇄 공정의 임의의 흔적을 없애는 것이 허용될 수 있다. 다른 접근법에서, 유리 조형체(216)는 후-가공 후에도 본원에 기술되는 인쇄 공정에 의해서만 달성될 수 있는 특질을 보유한다.In some approaches, the
한 실시양태에 따라, 유리 생성물에 구배 및/또는 공간적 패턴을 형성하기 위한 방법(250)의 개략적인 묘사가 도 2B에 도시되어 있다. 다른 실시양태에서, 상기 방법에 의해 임의의 축에 대해 대칭적이지 않을 수 있는 조성 변화 (예를 들어, 구배, 패턴 등)가 형성될 수 있고, 예를 들어, 패턴은 구조체 주위로 방사상으로 변화할 수 있거나, 패턴은 완전한 3D 구조로서 형성될 수 있거나 기타 등등이지만, 이로 제한되는 것은 아니다.A schematic representation of a
한 접근법에서, 상기 방법에 의해 구배 지수 (GRIN) 유리가 형성될 수 있다. GRIN 유리의 인쇄는 기공을 갖지 않는 모노리스를 인쇄하는 것을 포함하며, 여기서 LDF의 형성의 특징은 공간 충전, 높은 종횡비, 및 스패닝에 의해 드러나는 바와 같은 유리한 탄성률/점도를 초래한다. 또한, 상기 방법은 구배를 형성하는데 요망되는 두 가지의 DIW 잉크의 유변성을 일치시키는 것을 포함할 수 있다. 일부 실시양태에서, 필라멘트를 기재 상에 압출하기 전에, 두 가지, 세 가지, 네 가지 등의 잉크를 혼합을 통해 조합할 수 있다.In one approach, gradient index (GRIN) glasses can be formed by the method. Printing of GRIN glass involves printing porous monoliths, where the features of the formation of LDFs result in space filling, high aspect ratios, and advantageous modulus/viscosities as revealed by spanning. The method may also include matching the rheology of the two DIW inks desired to form the gradient. In some embodiments, two, three, four, etc. inks may be combined via mixing prior to extruding the filaments onto the substrate.
한 실시양태에 따라, DIW 인쇄 단계(232, 234) 동안에, LDF(214) 내의 요망되는 부위에 요망되는 조성 변화를 도입시키기 위해 개별 스트림의 유량을 조절함으로써 인쇄 동안에 필라멘트 조성(213)을 조정할 수 있다.According to one embodiment, during the DIW printing steps 232 , 234 , the
일부 접근법에서, 상이한 잉크들(203, 204)을 개별적으로 도입시켜 LDF(215)를 형성할 수 있다. 도 4A에서의 측면도의 개략적인 묘사에서 도시된 바와 같이, 한 접근법에서, 3D 인쇄에 의한 형성의 물리적 특징을 갖는 모노리스형 유리 구조체(400) (도 2B의 LDF(215))는 모노리스형 유리 구조체(400)의 축방향을 따라 모노리스형 유리 구조체(400)의 굴절률 구배를 포함할 수 있다. 축(408) 방향은 적층 평면(410)에 수직이다.In some approaches,
도 2B를 다시 보자면, 유리 구조체는, 제1 유리-형성 잉크(203)가 압출된 후에 제2 유리-형성 잉크(204)가 압출된 것일 수 있는 LDF (도 2B의 LDF(215))로서 형성된다. 도 4A에서 결과물로서의 유리 구조체(400)는 각각 제1 유리-형성 잉크(203) 및 제2 유리-형성 잉크(204)로부터의 제1 유리(403) 및 제2 유리(404)를 갖는다.Referring again to FIG. 2B , the glass structure is formed as an LDF (
더욱이, 도 4A에서 결과물로서의 유리 구조체(400)는 유리-형성 물질로부터 형성된 제1 유리(403)와 상기 유리-형성 물질과 상이한 조성을 갖는 제2 유리-형성 물질로부터 형성된 제2 유리(404) 사이의 계면(406)을 포함할 수 있다. 일부 접근법에서, 제1 유리(403)와 제2 유리(404)는 서로 섞이지 않을 수 있는데 왜냐하면 제2 유리-형성 물질이 계면을 가로질러 제1 유리-형성 물질로 이동하지 않을 수 있거나 그 반대이기 때문이다.Moreover, the resulting
한 실시양태에서, 계면(406)은 실질적으로 모노리스형 유리 구조체(400)의 적층 평면(410)을 따라 배향됨으로써 모노리스형 유리 구조체를 계면 바로 근처에서 상이한 조성을 갖는 두 개의 부분인 제1 유리(403) 및 제2 유리(404)로 분할할 수 있다.In one embodiment, the
도 5A 내지 5D에 도시된 바와 같이, 두 가지의 상이한 잉크들인 실리카 및 20 nm 금 나노입자를 갖는 실리카를 사용하여 열처리된 최종 구조체에 물질 특성의 변화를 초래하는 조성 변화를 형성하였다. 도 5A 및 5B는 열처리된 최종 구조체에 흡수에서의 축방향 단계를 형성하는 것을 보여준다. 도 5A에 도시된 바와 같이, LDF는 조직 변화를 갖도록 형성되었는데, 여기서 제1 잉크 실리카가 LDF의 일부분 (도 5A에서 LDF의 저부)을 형성하는 데 사용되었고, 이어서 잉크는 제2 잉크인 실리카/금 나노입자 잉크로 교체되었다 (도 5A에서 LDF의 최상부). 이어서 LDF는 열처리 시에 소결됨으로써 (도 2B의 단계(238)) 고결되어 유리가 되었다. 결과물로서의, 축방향을 따라 흡광도 구배를 갖는 모노리스형 유리 구조체가 도 5B에 도시되어 있고, 여기서 유리의 실리카/금 나노입자 부분은 도 5B에서 상부에 존재한다.As shown in Figures 5A-5D, two different inks, silica and silica with 20 nm gold nanoparticles, were used to form compositional changes that resulted in changes in material properties in the heat treated final structures. 5A and 5B show the formation of an axial step in absorption in the heat treated final structure. As shown in FIG. 5A , the LDF was formed to have a texture change, where a first ink silica was used to form a portion of the LDF (bottom of the LDF in FIG. 5A ), and then the ink was used to form a second ink, silica/ was replaced with gold nanoparticle ink (top of LDF in FIG. 5A). The LDF was then sintered during heat treatment (
한 실시양태에서 모노리스형 유리 구조체(217)의 물리적 특징은, 제1 유리-형성 물질과 제2 유리-형성 물질 사이의 계면이 균일하도록 하는 두 가지 이상의 유리-형성 물질을 포함하는 구배를 포함한다. 도 5A에 도시된 바와 같이, 상부 유리-형성 물질 (실리카/금 나노입자)과 하부 물질 (실리카) 사이에는 계면이 존재한다. 더욱이 제1 유리-형성 물질 (실리카)이 제2 유리-형성 물질 (실리카/금 나노입자)로 이동하지 않고, 반대로 제2 유리 형성 물질 (실리카/금 나노입자)이 제1 유리-형성 물질 (실리카)로 이동하지 않는다.The physical characteristics of the
3D 인쇄 광학적 유리에 대한 선행 기술 방법을 사용해서는 본원에 기술된 실시양태를 달성할 수가 없었는데, 왜냐하면 선행 기술 방법에서는 3D 인쇄 동안에 열적 구배를 제어하는 것이 어렵고/거나, 필라멘트들 사이의 계면이 불균일하고/거나, 미가공체 또는 LDF에 다수의 물질을 혼입시킬 수 없기 때문이다.The embodiments described herein could not be achieved using prior art methods for 3D printing optical glass because in prior art methods it is difficult to control the thermal gradient during 3D printing, and/or the interfaces between the filaments are non-uniform and or because it is not possible to incorporate a large number of materials into the green body or LDF.
다른 접근법에서, 상이한 잉크들(203, 204)로부터의 잉크 스트림을 노즐(208)의 첨단부 근처의 혼합 패들(206)을 사용하는 능동 혼합을 통해 인라인으로 블렌딩함으로써 원활한 조성 변화를 형성할 수 있다. 도 4B의 평면도의 개략적 묘사에 도시된 바와 같이, 한 접근법에서, 3D 인쇄에 의한 형성의 물리적 특징을 갖는 모노리스형 유리 구조체(420) (도 2B의 LDF(215))는 굴절률, 또는 또 다른 물질 특성, 예컨대 흡광도의 구배를 모노리스형 유리 구조체(420)의 방사상 방향을 따라 포함할 수 있다. 방사상(412) 방향은 적층 평면(410)을 따라 임의의 방향으로 존재한다. 도 2B를 다시 보자면, 유리 구조체는 방사상 굴절률 단계를 갖는 LDF (도 2B에서 LDF(215))로서 형성되고, 여기서 도 2B에서 두 가지의 잉크(203, 204)는 잉크 스트림으로서 인라인으로 블렌딩되었다. 도 4B에서 결과물로서의 유리 구조체(420)는 각각 제1 유리-형성 잉크(203) 및 제2 유리-형성 잉크(204)로부터의 제1 유리(414) 및 제2 유리(413)를 갖는다.In another approach, a smooth composition change can be formed by blending ink streams from
더욱이, 도 4B에서 결과물로서의 유리 구조체(420)는 유리-형성 물질로부터 형성된 제1 유리(414)와 상기 유리-형성 물질과 상이한 조성을 갖는 제2 유리-형성 물질로부터 형성된 제2 유리(413) 사이의 계면(416)을 포함한다. 일부 접근법에서, 제1 유리(414)와 제2 유리(413)는 서로 섞이지 않을 수 있는데 왜냐하면 제2 유리-형성 물질이 계면을 가로질러 제1 유리-형성 물질로 이동하지 않을 수 있거나 그 반대이기 때문이다.Moreover, the resulting
한 실시양태에서, 계면(416)은 모노리스형 유리 구조체(420)의 적층 평면(410)에 실질적으로 수직으로 배향됨으로써 모노리스형 유리 구조체(420)를 계면(416) 바로 근처에서 상이한 조성을 갖는 두 개의 부분인 제1 유리(413) 및 제2 유리(414)로 분할할 수 있다.In one embodiment, the
한 실시양태에 따라, 두 가지의 상이한 잉크들을 사용하여 열처리된 최종 구조체에 방사상 흡광도 단계라는 물질 특성을 초래하는 LDF의 조직 변화를 인쇄할 수 있다. 도 5C 및 5D에 도시된 바와 같이, 제1 잉크인 실리카 및 제2 잉크인 실리카/금 나노입자를 사용하여 방사상 흡광도 단계를 인쇄하였고, 여기서 두 가지의 잉크는 잉크 스트림으로서 인라인으로 블렌딩되었다. 도 5C는 LDF의 중심부에 실리카/금 나노입자 잉크를 갖고 LDF의 외곽 부분에 실리카 잉크를 갖는 LDF 조형체를 보여준다. 결과물로서의, 방사상 방향을 따라 흡광도 구배를 갖는 모노리스형 유리 구조체가 도 5D에 도시되어 있다.According to one embodiment, two different inks can be used to print the texture change of the LDF that results in a material property called a radial absorbance step on the heat treated final structure. As shown in Figures 5C and 5D, a radial absorbance step was printed using a first ink, silica, and a second ink, silica/gold nanoparticles, where the two inks were blended in-line as an ink stream. FIG. 5C shows an LDF object having silica/gold nanoparticle ink in the center of the LDF and silica ink in the outer part of the LDF. The resulting monolithic glass structure with an absorbance gradient along the radial direction is shown in FIG. 5D .
조성 변화는 축방향 및/또는 방사상 구배 (예컨대 확산 기술에 의해 달성될 수 있는 것)로 제한되지 않을 수 있고, 오히려 이는 LDF에 임의의 프로파일을 형성하는 데 사용될 수 있다.Compositional variations may not be limited to axial and/or radial gradients (such as those achieved by diffusion techniques), but rather may be used to form arbitrary profiles in the LDF.
LDF(215)에서의 조성 변화는 형성된 유리(217) 내에 다양한 물질 특성을 초래할 수 있다. LDF(215)에서의 조성 변화에 의해 영향받을 수 있는 물질 특성의 예는 상기에 더 상세하게 기술되어 있고, 하기를 포함할 수 있지만 이로 제한되지는 것은 아닐 수 있다: 흡수도, 투과도, 굴절률, 분산, 산란, 전기 전도도, 열 전도도, 열 팽창률, 이득 계수, 유리전이온도 (Tg) 융점, 광방출, 형광, 화학적 반응성 (예를 들어 식각 속도), 밀도/기공률.Composition changes in the
도 2B에 도시된 바와 같이, 한 실시양태에 따라, 단계(232, 234)에서의 DIW 인쇄는 LDF(215)를 형성하는 것을 포함할 수 있다. LDF는 DIW 인쇄의 제1 단계(232)에서 기재(210) 상의 단일 층으로서 시작된다. 단계(234)에서 DIW 인쇄가 계속됨에 따라, 요망되는 LDF(215) (즉 미가공체)가 형성될 때까지, LDF(215)가 한 층씩 형성될 수 있다.As shown in FIG. 2B , the DIW printing in
일부 실시양태에서, 단일 조성을 갖는 LDF의 형성 (방법(200)) 또는 다중 조성 (예를 들어, 구배)을 갖는 LDF의 형성 (방법(250))은 융합 적층 모델링 (FDM)을 포함할 수 있다. FDM에서는 DIW 잉크 혼합물과 유사한, 혼합 패들을 사용하여 합쳐진 여러 물질들의 복합 혼합물일 수 있는 열가소성 필라멘트를 사용한다 (도 2B의 단계(232-234)를 참조함). 결과물로서의 필라멘트를 가열된 노즐을 통해 압출하여 각각 도 2A 및 2B의 단계 (222-224) 또는 단계(232-234)에 도시된 바와 같이 기재 상에 LDF를 형성할 수 있다. 가열된 노즐은, 약 150℃ 내지 200℃의 범위의 온도에서, 압출을 위해 필라멘트를 부분적으로 가열한다. 일부 접근법에서, 혼합 노즐에 의해 압출되는 유리-형성 물질을 위한 지지체를 제공하기 위해, 희생 지지체 물질을 제2 노즐을 사용하여 압출할 수 있다. 일부 접근법에서, 압출된 필라멘트의 중합체 및/또는 지지체 물질을 LDF의 형성 후에 제거할 수 있다.In some embodiments, the formation of LDFs with a single composition (method 200) or formation of LDFs with multiple compositions (eg, gradients) (method 250) may comprise fused layered modeling (FDM). . FDM uses a thermoplastic filament, which can be a composite mixture of several materials joined using a mixing paddle, similar to a DIW ink mixture (see steps 232-234 in Figure 2B). The resulting filament can be extruded through a heated nozzle to form an LDF on the substrate as shown in steps 222-224 or 232-234 of FIGS. 2A and 2B, respectively. The heated nozzle partially heats the filament for extrusion at a temperature in the range of about 150°C to 200°C. In some approaches, the sacrificial support material may be extruded using a second nozzle to provide support for the glass-forming material to be extruded by the mixing nozzle. In some approaches, the polymer and/or support material of the extruded filaments may be removed after formation of the LDF.
다양한 실시양태에서, LDF를, 예를 들어 원뿔형, 코르크 마개뽑이 패턴, 원통형 등이지만 이로 제한되는 것은 아닌, 복잡한 형상으로 형성할 수 있다.In various embodiments, the LDF can be formed into complex shapes, such as, but not limited to, cones, corkscrew patterns, cylinders, and the like.
LDF(215)를 고결시키고 열처리된 유리 조형체(217)로 전환시키기 위해, LDF(215)를 다수의 단계에서 처리할 수 있다.To solidify the
LDF(215)가 형성되면, 상기에 도 2A에서의 방법(200)의 단계(226)에 대해 기술된 바와 같이, LDF(215)를 건조시키고/거나 부가적으로 가공할 수 있다.Once the
도 2B를 다시 보자면, 한 실시양태에 따라, 방법(250)의 단계(238)는 건조된 LDF(215)를 열처리하여 남아 있는 기공을 닫고 고결된 투명 유리 부품을 형성하는 것을 포함한다. 결과물로서의 고결된 유리 조형체(217)는 DIW 인쇄 (단계(232, 234)) 동안에 부여됐을 수도 있는 조성 변동을 보유할 수 있다.2B, according to one embodiment, step 238 of
한 실시양태에서, 고결된 유리 조형체(217)는 유리 조형체(217)의 한 표면을 따라 존재하는 나선형, 궁형 및/또는 직선형 굴곡을 포함하는 LDF(215)의 물리적 특징을 가질 수 있다.In one embodiment, the
한 실시양태에 따라, 후-가공 단계(240)에서 유리 조형체(217)를 추가로 가공하여, 예를 들어 연삭 및/또는 연마와 같은 기술을 통해 연마된 최종 광학체(220)의 요망되는 외관 및/또는 표면 마감을 달성할 수 있다. 한 실시양태에서, 연마된 광학체(220)는 3D 인쇄 및 열처리에 의한 연마된 조형체이므로, LDF(215)의 특성은 유지되고 연마에 의해 없어지지 않는다. 한 실시양태에서, 연마된 광학체(220)는 연마된 모노리스형 유리 구조체이다.According to one embodiment, the
본원에 기술되는 다양한 실시양태는, 실리카-기재의 유리 외에도, 인산염-기재의 유리, 붕산염 유리, 산화게르마늄 유리, 플루오린화물 유리, 알루미노실리케이트 유리, 및 칼코게나이드 유리를 포함하는 다양한 (주로) 무정형인 무기 유기 물질로 확장될 수 있다.The various embodiments described herein, in addition to silica-based glasses, include a variety of (mainly) phosphate-based glasses, borate glasses, germanium oxide glasses, fluoride glasses, aluminosilicate glasses, and chalcogenide glasses. ) can be extended to amorphous inorganic organic materials.
열처리 실시예 1Heat Treatment Example 1
인쇄된 모노리스형 실리카 또는 실리카-티타니아 미가공체 (25 mm 직경, 5 mm 두께)를 100℃ 핫-플레이트 상에 놓는다. 3시간 후에, 인쇄된 미가공체를 기재로부터 분리한다. 이어서 미가공체를 박스 퍼니스에서 100℃에서 110시간 동안 건조시킨다. 이어서, 액체를 함유하지 않는 미가공체를 10℃/분의 가열 속도로 600℃로 가열하고 1시간 동안 정치시켜 남아 있는 유기 성분을 소각시킨다. 이어서 미가공체를 100℃/hr에서 1000℃로 가열하고 진공하에 1시간 동안 유지한다. 마지막으로, 부품을 1500℃에서 예열된 퍼니스에서 3 내지 10분 동안 소결한다. 이어서 부품을 회수하고 실온으로 빠르게 냉각시킨다. 모든 비-진공 가공 단계를 공기 중에서 수행한다.The printed monolithic silica or silica-titania green body (25 mm diameter, 5 mm thickness) is placed on a 100° C. hot-plate. After 3 hours, the printed green body is separated from the substrate. The green body is then dried in a box furnace at 100° C. for 110 hours. Then, the liquid-free green body was heated to 600 DEG C at a heating rate of 10 DEG C/min and left still for 1 hour to incinerate the remaining organic components. The green body is then heated from 100° C./hr to 1000° C. and held under vacuum for 1 hour. Finally, the parts are sintered in a furnace preheated to 1500° C. for 3 to 10 minutes. The parts are then withdrawn and rapidly cooled to room temperature. All non-vacuum processing steps are performed in air.
열처리 실시예 2Heat Treatment Example 2
25-nm 직경의 실리카 또는 실리카-티타니아 입자 (25 mm 직경, 5 mm 두께)로 구성된, 인쇄된 모노리스형 실리카 미가공체를 박스 퍼니스에서 3℃/h에서 75℃로 가열한다. 오븐이 75℃에 도달하면, 인쇄된 미가공체를 기재로부터 분리한다. 이어서 미가공체를 건조 오븐에서 75℃에서 120시간 동안 건조시킨다. 이어서, 액체를 함유하지 않는 미가공체를 1℃/분의 가열 속도로 600℃로 가열하고 1시간 동안 정치시켜 남아 있는 유기 성분을 소각시킨다. 마지막으로, 부품을 1150℃에서 예열된 퍼니스에서 1시간 동안 소결한다. 이어서 부품을 회수하고 실온으로 빠르게 냉각시킨다. 모든 비-진공 가공 단계를 공기 중에서 수행한다.A printed monolithic silica green body, composed of 25-nm diameter silica or silica-titania particles (25 mm diameter, 5 mm thickness), is heated in a box furnace at 3° C./h to 75° C. When the oven reaches 75° C., the printed green is separated from the substrate. The green body is then dried in a drying oven at 75° C. for 120 hours. Then, the liquid-free green body was heated to 600 DEG C at a heating rate of 1 DEG C/min and left still for 1 hour to incinerate the remaining organic components. Finally, the parts are sintered in a furnace preheated to 1150° C. for 1 hour. The parts are then withdrawn and rapidly cooled to room temperature. All non-vacuum processing steps are performed in air.
실험Experiment
도 6A 내지 6F는 (상기에 기술된 바와 같은) 잉크 배합물 3으로 만들어진 인쇄된 부품의 이미지이다. 도 6A 내지 6C는 실리카 단독 조성을 갖도록 형성된 인쇄된 부품의 이미지이다. 도 6A는 인쇄 후에 형성된 미가공체의 이미지이다. 도 6B는 도 6A의 미가공체의 건조 후의 이미지이다. 도 6C는 도 6B의 건조된 미가공체의 고결 후의 이미지이다.6A-6F are images of printed parts made with Ink Formulation 3 (as described above). 6A-6C are images of printed parts formed to have a silica-only composition. 6A is an image of a green body formed after printing. Fig. 6B is an image of the green body of Fig. 6A after drying. Fig. 6C is an image of the dried green body of Fig. 6B after consolidation.
도 6D 내지 6F는 실리카-티타니아 조성을 갖도록 형성된 인쇄된 부품의 이미지이다. 도 6D는 인쇄 후에 형성된 미가공체의 이미지이다. 도 6E는 도 6D의 미가공체의 건조 후의 이미지이다. 도 6F는 도 6E의 건조된 미가공체의 고결 후의 이미지이다.6D-6F are images of printed parts formed to have a silica-titania composition. 6D is an image of a green body formed after printing. Fig. 6E is an image of the green body of Fig. 6D after drying. FIG. 6F is an image of the dried green body of FIG. 6E after setting.
도 7A는 굴절률 프로파일 (y-축) 대 결과물로서의 유리 중 티타니아 (TiO2) 농도 (wt%, x-축)의 플롯이다. (상기에 기술된 바와 같은) 잉크 배합물 1로 만들어진 유리는 다이아몬드 (◆, 실선)로서 플롯 상에 나타내어져 있고 상업적 실리카 (▲) 및 실리카-티타네이트 유리 (○, □) (점선)에 필적할만한 굴절률 변동을 갖는다. 도 7B는 TiO2의 다양한 wt% 농도 (2 wt%, 4 wt%, 5 wt%, 6 wt%, 8 wt%, 9 wt%, 10 wt%)에서의 도 7A의 다이아몬드 (◆)로 나타내어진 잉크 배합물로부터 형성된, 결과물로서의 유리 구조체의 이미지이다.7A is a plot of refractive index profile (y-axis) versus titania (TiO 2 ) concentration in glass as a result (wt%, x-axis). The glass made with Ink Formulation 1 (as described above) is shown on the plot as diamond (♦, solid line) and comparable to commercial silica (▲) and silica-titanate glass (○, □) (dotted line). It has refractive index fluctuations. FIG. 7B is represented by diamonds (♦) in FIG. 7A at various wt% concentrations of TiO 2 (2 wt%, 4 wt%, 5 wt%, 6 wt%, 8 wt%, 9 wt%, 10 wt%). It is an image of the resulting glass structure formed from an ink formulation.
도 8은 (상기에 기술된 바와 같은) 잉크 배합물 1을 사용하는 고결된, 인쇄된 부품의 형성 공정의 열처리 프로파일의 플롯이다. 열처리 공정 동안에 각각의 단계에서의 구조체의 부피 수축 (Vink)이 구조체의 이미지 옆에 표시되어 있다.8 is a plot of a heat treatment profile of a process for forming a cured, printed part using Ink Formulation 1 (as described above). The volumetric shrinkage (V ink ) of the structure at each step during the heat treatment process is indicated next to the image of the structure.
도 9A는 TiO2 농도의 방사상 구배를 적층하는 데 요구되는 비로 프린트헤드에서 인라인으로 두 가지의 잉크를 블렌딩하는 동안에 LDF를 직접 잉크 기록함으로써 제조된 구배 굴절률 실리카-티타니아 유리 렌즈의 광학적 이미지이다. (상기에 기술된) 잉크 배합물 1로부터의 두 가지의 잉크가 사용되었고, 잉크 A는 0% 티타늄 알콕시드를 함유하였고 잉크 B는 고결된 최종 유리에서 1.6 wt% TiO2를 초래하기에 충분한 티타늄 알콕시드를 함유하였다. 유리를 도 8에 도시된 열처리 프로파일을 사용하여 고결시키고 이어서 세리아 패드 연마를 사용하여 연마하였다. 도 9B는 도 9A의 이미지에서 보이는 물질 덩어리에서 굴절률이 어떻게 변화하는지를 도시하는 표면-보정된 인터페로그램이다. 굴절률은, TiO2 조성이 가장 높은 중심부에서 가장 높고, TiO2 농도가 가장 낮은 가장자리에서 가장 낮다. 중심부를 가로지르는 선은, 도 9B의 삽입도 플롯 (y-축은 δn/(n0-1), x-축은 거리 (mm))에 의해 도시된 바와 같이, 중심부를 가로지르는 굴절률 변화가 포물선형이라는 것을 보여주며, 이는 부품이 렌즈로서 기능할 수 있다는 것을 시사한다. 도 9C는 62 cm의 초점 길이를 갖는, 렌즈로부터의 300-μm 초점의 이미지이다.9A is an optical image of a gradient refractive index silica-titania glass lens prepared by direct ink writing of an LDF while blending the two inks inline at the printhead at the ratio required to stack a radial gradient of TiO 2 concentration. Two inks from Ink Formulation 1 (described above) were used, Ink A contained 0% titanium alkoxide and Ink B sufficient titanium alkoxy to result in 1.6 wt% TiO 2 in the condensed final glass. contains de. The glass was set using the heat treatment profile shown in FIG. 8 and then polished using ceria pad polishing. FIG. 9B is a surface-corrected interferogram showing how the refractive index changes in the mass of material shown in the image of FIG. 9A. The refractive index is highest at the center where the TiO 2 composition is highest, and the lowest at the edge where the TiO 2 concentration is lowest. The line across the center is a parabolic curve of the refractive index change across the center, as shown by the inset plot of FIG. 9B (y-axis is δn/(n 0 −1), x-axis is distance (mm)). , suggesting that the part can function as a lens. 9C is an image at 300-μm focus from the lens, with a focal length of 62 cm.
도 10A는 조성 변화를 LDF에 직접 잉크 기록함으로써 제조된, 금-도핑된 실리카 유리 코어 및 도핑되지 않은 실리카 유리 클래딩으로 구성된 복합 유리의 광학적 이미지이다. 두 가지의 실리카 잉크를 사용하였고, 이때 하나의 잉크는 금 나노입자를 함유하였다. 도 10B는 광의 파장의 함수로서의 흡광도의 플롯이고, 이때 각각의 스펙트럼은 유리 전체에 걸쳐 표시된 위치에 상응한다. 525 nm에서의 피크는 금 나노입자로부터의 흡광도로 인한 것이었다. 도 10C는 525 nm에서의 흡광도 (y-축) 대 유리 표면을 따라 존재하는 위치 (x-축, 이때 위치 0은 유리의 중심부임)의 플롯이다. 도 10C의 플롯은 525 nm에서의 흡광도가 이러한 유리 내에서 조정되었다는 것을 나타낸다. 측정된 스팟(spot) 크기는 평균 ~ 1mm 직경 스팟을 초과하였다.FIG. 10A is an optical image of a composite glass composed of a gold-doped silica glass core and an undoped silica glass cladding, prepared by ink recording composition changes directly onto an LDF. Two silica inks were used, with one ink containing gold nanoparticles. 10B is a plot of absorbance as a function of wavelength of light, with each spectrum corresponding to a marked location across the glass. The peak at 525 nm was due to absorbance from the gold nanoparticles. 10C is a plot of absorbance (y-axis) at 525 nm versus positions along the glass surface (x-axis, where
용도purpose
본원에 기술된 다양한 실시양태는 상업적 응용분야 또는 정부 응용분야 둘 다를 위한 특수화된 조성 및 물질 특성을 갖는 능동형 또는 수동형 광학적 유리 부재 (예를 들어 렌즈, 교정판(corrector plate), 창, 스크린, 수집기, 도파관, 미러 블랭크(mirror blank), 센서 등)를 만드는 데 사용될 수 있다. 이러한 방법은 흡수도, 투과도, 굴절률, 분산, 산란, 전기 전도도, 열 전도도, 열 팽창률, 이득 계수, 유리전이온도(Tg), 융점, 광방출, 형광, 화학적 반응성 (예를 들어 식각 속도), 또는 밀도/기공률을 포함하는 공간적으로 다양한 물질 특성을 유리 내에 달성하기 위해 이온, 분자, 또는 입자를 유리 부재 (모노리스, 필름, 또는 비정형-조형체) 내의 임의의 (즉 맞춤형) 부위에 도입시키는 데 사용될 수 있다.The various embodiments described herein provide active or passive optical glass members (eg lenses, corrector plates, windows, screens, collectors) with specialized composition and material properties for both commercial or government applications. , waveguides, mirror blanks, sensors, etc.). These methods include absorbance, transmittance, refractive index, dispersion, scattering, electrical conductivity, thermal conductivity, coefficient of thermal expansion, gain coefficient, glass transition temperature (Tg), melting point, light emission, fluorescence, chemical reactivity (e.g. etch rate), or to introduce ions, molecules, or particles at any (i.e. tailored) site within a glass member (monolith, film, or amorphous-shaped body) to achieve spatially varying material properties, including density/porosity, within the glass. can be used
본원에 기술된 다양한 실시양태는 복잡한 3D 및 제어된 색 유리 예술품, 장신구 등을 제조하기 위한 방법을 제공한다. 은 및 금 나노입자의 도판트의 제어는 예술품의 반사 및 투과 특성의 제어를 허용한다.Various embodiments described herein provide methods for making complex 3D and controlled colored glass artworks, ornaments, and the like. Control of the dopant of silver and gold nanoparticles allows control of the reflective and transmissive properties of the artwork.
추가의 실시양태는 렌즈, 교정판, 창, 스크린, 수집기, 도파관, 미러 블랭크, 센서 등을 위해 유용한 능동형 또는 수동형 광학적 유리 부재뿐만 아니라 통상적인 응용분야에서 유용한 비-광학적 유리 부재를 포함한다.Additional embodiments include active or passive optical glass members useful for lenses, calibration plates, windows, screens, collectors, waveguides, mirror blanks, sensors, and the like, as well as non-optical glass members useful in conventional applications.
본원에 개시된 본 발명의 개념은 복수의 예시적 시나리오, 실시양태, 및/또는 구현예에서 그의 수많은 특질을 예시하기 위해 제시되었다. 일반적으로 개시된 개념은 모듈식으로서 간주되어야 하고 그의 임의의 조합, 순열, 또는 통합으로서 구현될 수 있다는 것을 알아야 한다. 또한, 관련 기술분야의 통상의 기술자가 본 설명을 읽어서 알 수 있는, 본원에 개시된 특질, 기능, 및 개념의 임의의 개질, 변경, 또는 등가물은 또한 본 개시내용의 범주에 속하는 것으로 간주되어야 한다.The inventive concepts disclosed herein have been presented to illustrate their numerous features in a plurality of illustrative scenarios, embodiments, and/or implementations. In general, it is to be understood that the disclosed concepts are to be regarded as modular and may be implemented as any combination, permutation, or integration thereof. In addition, any modifications, changes, or equivalents of the features, functions, and concepts disclosed herein that those skilled in the relevant art will come to upon reading this description should also be considered to fall within the scope of the present disclosure.
다양한 실시양태가 상기에 기술되었지만, 그것은 단지 예로서 제시되었을 뿐이며 제한하는 것은 아니라는 것을 이해해야 한다. 따라서, 본 발명의 실시양태의 범위 및 범주는 상기에 기술된 임의의 예시적 실시양태에 의해 제한되어서는 안 되지만, 후속되는 청구범위 및 그의 등가물에 따라서만 한정되어야 한다.While various embodiments have been described above, it is to be understood that they have been presented by way of example only and not limitation. Accordingly, the scope and scope of the embodiments of the present invention should not be limited by any of the exemplary embodiments described above, but should be limited only in accordance with the claims that follow and their equivalents.
Claims (36)
유리-형성 물질 내에서 제2 성분의 조성 구배를 형성하기 위한 제2 성분; 및
용매
를 포함하는, 압출-기반 적층 조형(additive manufacturing) 방법용 잉크 조성물.particles of glass-forming material, which are glass precursors;
a second component for forming a compositional gradient of the second component within the glass-forming material; and
menstruum
An ink composition for an extrusion-based additive manufacturing method comprising:
유리-형성 물질 내에서 제2 성분의 조성 구배를 형성하기 위한 제2 성분; 및
용매
를 포함하며,
상기 단일 조성물이 흄드 실리카, 콜로이드상 실리카, 루독스 콜로이드상 실리카 분산액, 티타니아 입자, 지르코니아 입자, 알루미나 입자, 및 금속 칼코게나이드 입자로 이루어진 군으로부터 선택된 것인,
압출-기반 적층 조형(additive manufacturing) 방법용 잉크 조성물.a glass-forming material comprising a single composition of inorganic particles;
a second component for forming a compositional gradient of the second component within the glass-forming material; and
menstruum
includes,
wherein the single composition is selected from the group consisting of fumed silica, colloidal silica, rudox colloidal silica dispersion, titania particles, zirconia particles, alumina particles, and metal chalcogenide particles,
An ink composition for an extrusion-based additive manufacturing method.
Applications Claiming Priority (4)
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