인쇄의 최전선 여행

한 실험실의 과학자들이 고품질 재활용 의류의 기반으로 그래핀의 사용을 조사하는 연구 환경은 많지 않을 것입니다. 복도를 따라가는 동안 동료들은 고대 일본 목판 인쇄 기술 Mokuhanga에 대한 과정을 운영하고 있습니다. 그러나 그것은 정확히 현장에서 일어나는 일입니다. 인쇄연구센터 (CFPR)에서 영국 서부 대학 (UWE) 브리스톨에서는 예술-과학 및 산업-학계가 분리되어 매일 연결됩니다.

융합, 협업 및 공동 창조의 기풍에 따라 CFPR은 선임 연구원, 대학원생, 기술 전문가 및 견습생을 모으는 학제 간 기업입니다. 미술 인쇄 제작 및 디자인에서 물리학, 재료 과학 및 공학에 이르기까지 모든 분야에서. 그들의 목표는 창의적인 인쇄 관행, 프로세스 및 기술의 예술적, 역사적 및 산업적 중요성에 대한 경험적 조사를 수행하여 인쇄의 미래를 위한 혁신적인 솔루션을 제공하는 것입니다.

응용물리학자

새로운 연구 경로에 대한 적응성과 개방성은 CFPR의 전제 조건입니다. 예를 들어 응용물리학자 수잔 클라인. 의학 물리학을 공부한 클라인은 광학 연구로 방향을 전환했습니다. 그 후 그녀는 산업 R&D 과학자로 XNUMX년을 보냈습니다. HP 연구소 브리스톨에서 그녀의 연구 프로그램은 콜로이드 화학, 액정 및 고급 디스플레이 재료에서 3D 프린팅 기술 및 광학 암호화에 이르기까지 다양했습니다. 이제 Klein은 CFPR에서 1.2개년 프로젝트를 이끌고 있습니다. 19만 파운드의 자금을 지원받은 이 프로젝트의 목표는 다양한 XNUMX^th-세기 인쇄 프로세스를 통해 더 저렴하고 빠르고 쉽게 접근할 수 있습니다.

Klein이 연구하고 현대화하고 있는 기술 중 하나는 Woodburytype입니다., 사진의 연속적인 색조를 재현하는 최초의 상업적으로 성공한 사진 기계 인쇄 방법이었습니다. 1864년 영국 발명가 Walter Woodbury가 특허를 취득한 이 프로세스는 당시 사용된 사진 기술인 "습식 콜로디온" 네거티브로 시작됩니다. 네거티브를 건조하고 중크롬화된 젤라틴 층 위에 놓고 약 60분 동안 햇빛에 둡니다. 네거티브를 통해 빛에 노출되지 않은 젤라틴은 수용성 상태로 유지되며 간단히 씻겨 나옵니다.

그 결과 이미지의 놀랍도록 견고한 3D 릴리프(몰드)가 생성되며, 이는 유압 프레스를 사용하여 납으로 누를 수 있습니다. 그런 다음 납 인쇄판에 기름을 바르고 그을음으로 착색된 따뜻한 젤라틴으로 채우고 인쇄기에 들어가기 전에 종이로 덮습니다. 약 10분 후 용지를 떼어내고 잉크가 마르면 인쇄물을 평평하게 펴서 재단합니다. 원래 하나의 젤라틴 양각으로 최대 XNUMX개의 인쇄판을 만들 수 있었고 대량 인쇄를 위해 인쇄 캐러셀에 장착할 수 있었습니다.

"Woodburytype 인쇄물은 착색 젤라틴을 기반으로 하기 때문에 그을음 또는 카본 블랙은 극도로 '광속성'이고 젤라틴은 극한의 습도에 노출되지 않는 한 화학적으로 변질되거나 변질되지 않기 때문에 완벽하게 보관할 수 있습니다."라고 Klein은 말합니다. “원래 프로세스는 시간이 많이 걸리고 리소그래피가 시작되면서 구식이 되었지만 이미지 품질은 타의 추종을 불허합니다. 오늘날에도 Woodburytype은 여전히 ​​유일한 연속 톤 광역학적 재생 방법입니다.”

기술을 재검토하면서 Klein과 그녀의 동료들은 현대 재료로 Woodburytype 인쇄물을 만들기 위한 두 가지 대체 경로를 개발했습니다. Klein은 "한 가지 방법으로 우리는 원래 작업 흐름을 따르지만 중크롬화 젤라틴을 광중합체로 대체하고 납을 실리콘으로 대체합니다."라고 설명합니다. 이렇게 하면 노출 시간이 60분에서 몇 초로 줄어들고 인쇄판을 며칠이 아닌 몇 시간 안에 만들 수 있습니다. 더 빠른 방법은 레이저 커터를 사용하여 아크릴 부조를 만드는 것입니다. 예를 들어 10분 안에 15 x 10cm 인쇄판을 생산합니다. 레이저 절단기의 정밀도는 또한 풀 컬러 이미지를 생성하는 데 필요한 시안, 마젠타, 노랑 및 검정 레이어를 서로 쉽게 인쇄할 수 있음을 의미합니다.

두 가지 방법 모두 원본 예술 작품을 만드는 순수 예술 종사자에게 매력적이지만, 예술 설치 및 공공 장소의 상업 광고를 위한 고급 사진 복제물을 만드는 환경 친화적인 방법을 찾는 회사에게도 흥미로울 것입니다. 장점은 인쇄판의 레이저 절단이 에너지 효율적이고 폐기물이 거의 발생하지 않는 반면 잉크는 젤라틴 기반(육류 가공 산업의 폐기물)이라는 것입니다. 또한 인쇄물은 생분해성이며 물로 세척하면 종이에서 잉크를 제거할 수 있습니다.

또 다른 조사 영역 Klein은 "구조적 색상"의 산업적 적용을 포함합니다. 여기서 색상은 안료가 아니라 고유한 방식으로 빛을 반사하고 굴절시키는 미세한 패턴(나비의 날개에서와 같이)에 의해 생성됩니다. 한 가지 흥미로운 옵션은 구조적 색상을 인쇄하기 위해 콜레스테릭(키랄 네마틱) 액정의 추가 층을 Woodbury 유형의 릴리프에 도입하는 것입니다. 적절한 재료를 사용하면 레이어에 의해 액정이 배향될 수 있으며 쌍안정 디스플레이와 다르지 않은 자기장 또는 전기장을 적용하여 원본 인쇄 색상을 변경할 수 있습니다.

가능한 애플리케이션에는 명품, 디자이너 패션 및 의약품 라벨링을 위한 위조 방지가 포함됩니다. "여기에서 상업적 기회는 중요합니다."라고 Klein은 덧붙입니다. "문제는 고객에게 전달되는 공급망의 여러 단계에서 항목이 승인될 때마다 색상이 변경되는 인쇄 잉크로 안전한 포장을 생산하는 것입니다."

재료 과학자

클라인의 동료 나즈물 카림 – 센터의 연구 리드 그래핀 응용 연구실 – CFPR의 다학제적 용광로를 위해 겉으로 보기에 맞춤 제작된 것으로 보이는 또 다른 학문입니다. 2019년 UWE에 합류하기 전에 Karim은 그래핀 기반의 고성능 기능성 의류 및 웨어러블 전자 직물(e-텍스타일) 분야에서 XNUMX년을 보냈습니다. 국립 그래 핀 연구소 에 맨체스터 대학, 영국.

그의 현재 연구 관심사 – CFPR의 일부입니다. 신소재 프로그램 – 그래핀 준비(박리 및 기능화를 통해) 그래핀 및 전자 직물 응용을 위한 기타 2D 재료를 포함합니다. Karim은 또한 코팅 및 인쇄(즉, 직물에 직접 적용되는 그래핀 "잉크" 사용)와 같은 확장성이 뛰어난 제작 기술을 통해 그래핀 웨어러블을 만드는 방법을 연구하고 있습니다. Karim은 "저희 팀은 비침습적 맞춤형 의료 응용 프로그램을 위해 인쇄 전자 장치에 스마트 재료와 인공 지능을 도입하는 데 열정적입니다."라고 말합니다.

주로 박사 과정 학생이 수행한 작업을 기반으로 하는 그룹의 최신 결과 Md. Rashedul 이슬람, 유형의 상업적 기회를 보여줍니다. 이슬람은 완전히 인쇄되고 전도성이 높으며 유연하고 기계 세척이 가능한 다목적 전자 섬유 플랫폼을 개발했습니다. 이 소재는 심박수, 피부 온도 및 다양한 활동 지표와 같은 다양한 생리학적 지표를 모니터링하면서 인쇄된 그래핀 슈퍼커패시터를 사용하여 에너지를 저장할 수 있습니다. 더욱 인상적인 것은 별도의 헤드밴드로 만들 때 프로토타입 전자 섬유가 기존의 단단한 전극과 동일한 표준으로 뇌 활동(뇌파도 또는 EEG)을 기록할 수 있다는 것입니다. 현재 수퍼커패시터는 외부 전원을 사용하여 충전되지만 목표는 에너지 하베스팅 기능을 도입하여 미래에 자급자족하도록 만드는 것입니다.

제조 공정은 그래핀 기반 잉크가 거칠고 유연한 섬유 기판에 맞춤 설계된 메쉬를 통과하는 확장성이 뛰어난 스크린 인쇄 기술을 이용합니다. 전도성 트랙은 절연 및 보호를 위해 캡슐화되어 기계 세척이 가능한 전자 섬유 플랫폼을 생성합니다. 희망은 이와 같은 초기 단계의 성공이 다기능 그래핀 기반 전자 섬유 의류의 대량 생산으로 가는 길을 여는 것입니다. 각 의류 품목에는 웨어러블 센서 네트워크가 있고 그래핀 기반에 저장된 에너지로 구동됩니다. 섬유 슈퍼 커패시터.

이와 관련하여 그래핀 응용 연구소(Graphene Application Laboratory)는 고품질 재활용 의류의 기초로서 그래핀 및 기타 기능성 재료(항균 코팅 포함)의 사용을 조사하고 있습니다. 현재 직물의 약 55%가 합성 폴리에스테르로 만들어집니다. 가장 일반적으로 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET)는 생분해되지 않고 수백 년 동안 환경에 남아 있을 수 있습니다. Karim은 “당연히 패션 브랜드와 소매업체가 버진 PET에서 환경 영향을 줄이는 재활용 폴리머(rPET) 기반 폴리에스터 직물로 전환하려는 관심이 높아지고 있습니다.”라고 말했습니다.

문제는 rPET의 현재 반복이 열 노화를 겪고 재활용 과정에서 다른 재료와 임의로 혼합된 결과로 저하된다는 것입니다. Karim은 아직 초기 단계라고 지적하지만 CFPR의 초기 결과는 그래핀 강화 rPET가 이미 더 가볍고 기계적으로 더 견고하며 재활용하기 쉬운 섬유로 방사된 가능성을 보여줍니다. "이것은 긴 게임이 될 것입니다."라고 Karim은 덧붙입니다. "우리는 혁신 생태계 전반에 걸쳐 지속적인 협력이 필요합니다. 이는 우리와 같은 학술 그룹이 그래핀 공급업체, 직물 제조업체, 대형 패션 및 의류 소매업체와 손을 맞잡고 일하는 것을 의미합니다.”

세라믹 디자이너

완전히 다른 제조 기회가 선점합니다. 타브스 요르겐센, 그는 학계에서 경력을 쌓기 전에 도자기 산업의 공예 도예가이자 디자이너였습니다. Jorgensen은 CFPR의 R&D 노력의 선구자입니다. 디지털 제조, 세라믹 생산에서 3D 프린팅 기술, 컴퓨터 제어 가공 및 로봇 공학의 제한된 적용을 빠르게 추적하는 것을 목표로 합니다.

Jorgensen과 그의 팀은 특히 압출로 알려진 생산 공정에 관심이 있습니다. 이것은 부드럽고 성형 가능한 점토가 채널 또는 "다이"를 통해 강제로 재료에 특정 단면 모양을 부여하고 벽돌과 같은 개별 부품을 생산하기 위해 조각으로 절단할 수 있는 연속적인 선형 점토 스트립을 생성하는 경우입니다. , 타일, 클래딩 및 기타 건축 구성 요소. 산업용 압출기는 촉매 변환기용 필터와 용광로 및 오토클레이브용 고온 구성 요소를 포함하여 특수 세라믹 부품을 만드는 데 사용됩니다. 한편, 손으로 작동하는 압출 시스템은 압착 및 주조와 같은 다른 생산 방법을 지원하기 위해 핸들 및 일회용 장식 요소를 만들기 위해 공예 작업장에서 종종 발견됩니다. Jorgensen은 "우리의 과제는 디지털 기술과 로봇 공학을 활용하여 점토 압출의 현재 사용을 보다 혁신적인 상업 및 디자인 주도 응용 프로그램으로 확장하는 방법입니다."라고 말합니다.

팀의 기본 설정은 주로 실제 실험을 기반으로 합니다. "때때로 테스트는 주로 호기심에 의해 주도되는 접근 방식인 매우 예측할 수 없는 결과가 있는 개방형 탐색으로 수행됩니다. 이렇게 하면 어떻게 될까요?" 근본적인 물리적 및 재료 통찰력은 점토가 어떻게 작용하는지 이해하는 데 중요한 요소입니다. 예를 들어, 건조 및 소성 중에 압출된 점토 조각은 약 10~15% 수축되며 압출 공정의 장력으로 인해 휘거나 갈라질 수 있습니다.

Jorgensen은 "점토 압출의 특성으로 인해 결과에 대한 이론적 계산이 어려워집니다. 압출 상황에서 점토의 흐름을 예측하는 데 도움이 될 수 있는 알고리즘을 개발하기 위해 일부 작업이 수행되었지만"라고 Jorgensen은 말합니다. 기회주의적 학제간 제휴에서 Jorgensen은 데미안 리치 – 전 CFPR 이론 물리학자, 현재 벨기에 나노전자 센터에 근무 아이멕 – 특정 다이 형상이 점토를 압출하는 데 필요한 압력에 어떻게 영향을 미칠 수 있는지 예측하는 모델을 개발합니다. Jorgensen은 "실증적 테스트가 조사의 핵심 방법론으로 남아 있지만 이론적 모델링은 실제 물리적 실험에서 어떤 형상이 가장 잘 배치되는지에 대한 기본 이해를 제공하여 매우 귀중한 것으로 입증되었습니다."라고 덧붙였습니다.

또한 이 팀은 3D 프린팅을 위한 새로운 다이 디자인을 신속하게 프로토타입화하고 테스트할 수 있는 툴링 워크플로를 만들고 있으며, 이는 고성능 산업용 응용 분야에서 세라믹 압출 응용 분야를 개척하고 있습니다. 프론트 앤 센터는 CFPR의 R&D 협업입니다. 국립 복합 센터 (NCC) 브리스톨. 그들은 기계적 또는 열기계적 하중 하에서 파괴 인성을 증가시키기 위해 세라믹 페이스트가 무기 결합제와 혼합되는 재료 종류인 세라믹 매트릭스 복합재(CMC)를 압출할 수 있는 가능성에 관심이 있습니다.

CFPR/NCC 파트너는 현재 지원 도구, 지그, 구성 요소 및 워크플로를 포함하여 프로세스 세부 사항을 정의하고 반복하고 있습니다. 그러나 장기적으로 그들은 CMC가 고온 열 차폐 시스템에 점점 더 많이 사용되는 발전 및 항공 우주와 같은 부문에서 모든 방식의 응용 분야에 주목하고 있습니다. "압출은 CMC를 생산하는 완전히 새로운 방법"이라고 Jorgensen은 말합니다. "이 연구는 복잡한 내부 구조를 가진 파이프 및 프로파일과 같은 이국적인 형상을 가진 CMC 부품을 만들 수 있는 기회를 열어줍니다." 이러한 CMC 파이프는 차세대 원자력 발전소에 대한 관심을 끌고 있으며, 압출 공정은 건축 자재에 대한 영국의 순 제로 탄소 목표를 지원할 수 있는 잠재력을 가지고 있습니다. 탄소 건물 구성 요소.

열린 마음가짐과 열린 비즈니스

융합, 협업 및 공동 창작이 CFPR 연구 모델의 기본이라면 센터의 예술가, 디자이너, 과학자 및 기술자가 전통 및 디지털 인쇄 분야에서 일하는 것도 마찬가지입니다.

이 그룹은 또한 산업계와 학계의 연구원들과 함께 다양한 배경을 가진 사람들을 한데 모았습니다. 이러한 전문성과 경험의 조합은 CFPR의 광범위한 국제 학술 및 산업 협력을 지원합니다. 전문 인쇄 회사, 세라믹 제조업체 및 다국적 기술 회사를 포함한 상업 파트너와 함께. 공동 R&D 프로젝트는 대상 계약 연구 및 타당성 조사에서 고급 재료, 프로세스 및 풀 프린팅 시스템의 공동 개발에 이르기까지 다양합니다.

CFPR에는 협업에 관한 엄격한 규정집이 없으며 오히려 개방적인 사고가 고급 인쇄 관행의 창의성, 과학 및 기술 혁신과 혼합되는 주제의 변형이 있는 것이 분명합니다.