Vat photopolymerization 3D printing of high refractive index ceramics using shrinking gel matrix = 자기수축성 젤을 이용한 고굴절률 세라믹의 광경화 3D 프린팅

국문 초록 (Abstract)

세라믹 디지털 광 처리(DLP) 3D 프린팅은 세라믹-레진 복합재의 층별 광중합 후 소결을 통해 세라믹 형상을 제조하는 적층 제조 기술로, 복잡한 세라믹 구조물을 제작할 수 있어 주목받고 있다. 그러나 세라믹 DLP용 레진은 안정적인 소결을 위해 높은 세라믹 함량을 요구하며, 이로 인해 높은 점성으로 인한 레진 유동성 저하와 광 산란으로 인한 낮은 부품 정확도 등 프린팅 공정에서 많은 문제가 발생한다. 또한, 광 산란으로 인한 효과는 굴절률이 높은 세라믹 재료일수록 더 크게 발생하기 때문에, DLP 프린팅 가능한 세라믹은 주로 굴절률이 낮은 실리카, 알루미나 등의 산화물 세라믹으로 크게 제한되었다. 이러한 문제를 해결하기 위해 본 연구에서는 자기수축성 젤을 적용하여 낮은 고체 분율의 세라믹 레진으로 DLP 3D 프린팅과 소결 조건을 동시에 만족할 수 있는 방법을 제시한다. 비반응성 희석제가 포함된 젤-세라믹 레진을 이용하여 프린팅된 젤-세라믹 복합체는 희석제 증발 과정과 그로 인한 젤의 수축으로 인해, 프린트된 형상에 포함된 세라믹 입자 간 거리가 감소한다. 이는 프린트 형상 내에서 세라믹의 부피 분율의 증가로 이어지며, 열탈지와 소결 과정에서 결함 발생률을 줄이고 효과적인 고밀도화를 달성할 수 있게 된다. 이 방법을 사용하여, 굴절률이 높은 티탄산바륨, 타이타니아 등의 세라믹 재료의 DLP 3D 프린팅을 성공적으로 수행하였다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Digital light processing (DLP) 3D printing is a promising additive manufacturing technique for fabricating complex ceramic structures via layer-by-layer photopolymerization of ceramic–resin composites, followed by sintering. Resins for ceramic DLP, however, require high ceramic loading for stable sintering, which pose critical challenges in the printing process, including poor resin flowability due to high viscosity and low part accuracy due to significant light scattering. Furthermore, printable ceramics are largely limited to low-refractive-index (RI) oxides, as higher-RI ceramics cause more light scattering due to RI mismatch with the resin. In this study, we present a method using self-shrinking gel to simultaneously meet the conflicting requirements for both DLP 3D printing and sintering with a low-solid-loading ceramic resin. We formulated a ceramic resin with a diluent such that a printed object undergoes significant volumetric shrinkage after printing due to diluent evaporation, bringing the embedded ceramic particles closer, thus increasing the effective solid volume fraction in the green body. As a result, stable sintering with fewer defects is achieved, compared to previous high-solid-loading resins. Using this method, complex 3D structures with high-RI titania and barium titanate were successfully fabricated.

목차 (Table of Contents)

• Chapter 1. Introduction 1
• 1.1. Research background 1
• 1.2. Theoretical backgrounds 4
• Chapter 2. Materials and Methods 7
• 2.1. Raw materials 7
• 2.2. Preparation of gel-ceramic resins 8
• 2.3. DLP 3D printing of gel-ceramics 10
• 2.4. Solid loading enhancement by shrinking of gel 11
• 2.5. Thermal postprocessing of shrunken gel-ceramics 12
• Chapter 3. Results and Discussions 13
• 3.1. Properties of gel-ceramic resins 13
• 3.1.1. Stability of gel-ceramic resins 13
• 3.1.2. Viscosity of gel-ceramic resins 16
• 3.1.3. Curing depth study of gel-ceramic resins 20
• 3.2. Solid loading enhancement by shrinking of gel 24
• 3.3. Determination of thermal postprocessing of shrunken gel-ceramics 28
• 3.4. Various gel-ceramic DLP 3D printed ceramic parts 30
• 4. Conclusion34
• Bibliography 36
• 국문 초록 38