- 폴리머나 잉크를 전혀 사용하지 않고 건식 방법으로 금속 나노 에어로졸을 발생시킨 후 조립하는 기술

기계공학과·화학공학과 노준석 교수팀은 서울대학교 최만수 교수팀과 공동으로 100 나노미터 수준의 3차원 나노 구조물을 제작할 수 있는 새로운 3차원 나노 프린팅 기술을 Nature지에 온라인으로 게재했다.

기존의 3차원 프린팅 기술로는 수십 마이크로미터 크기 이하의 3차원 구조물 제작이 어렵지만, 연구팀이 개발한 3차원 나노 프린팅 기술은 기존에 제작 가능한 구조물보다 100배 이상 작은 3차원 나노 구조물을 손쉽게 한 번에 수천 개 이상을 대기압 중에서 제작할 수 있는 실용적인 기술이다. 

기존 방법과 다르게 폴리머나 잉크를 전혀 사용하지 않고 건식 방법으로 금속 나노 에어로졸¹을 발생시킨 후 조립하는 기술이기 때문에 불순물을 최소화시켜 초고순도 구조물을 제작할 수 있다.

4차 산업혁명의 핵심요소 기술이면서 산업 제조 기술의 큰 변화를 일으키고 있는 현존하는 3차원 프린팅 기술의 한계를 뛰어넘어 나노 구조물까지 실용적으로 프린팅할 수 있다는 점에서 산업 제조 기술의 혁신을 일으킬 것으로 기대하고 있다.

3차원 나노 프린팅 기술은 높은 민감도의 3차원 나노 센서, 집적도를 극대화시킬 수 있는 3차원 나노 전자소자 등의 제작이 가능하여 기존 소자의 성능을 획기적으로 올릴 수 있을 뿐만 아니라 현존하지 않는 새로운 소자의 구현도 가능하다. 예를 들면 자연계에 존재하지 않는 빛(전자기파)의 물성을 인위적으로 실현시키는 메타물질²의 제작에는 정교한 3차원 나노 구조물을 어레이³로 만드는 것이 필요한 데 연구팀이 발표한 3차원 나노 프린팅 기술로 실용적인 실현이 가능하다.

이번에 발표한 논문에서 특정 형태의 3차원 나노금속 구조물 어레이를 제작하여 원하는 인공 자기(磁氣) 물성을 인위적으로 구현시킴으로써 미래 신소재인 메타물질의 실용화를 앞당길 수 있음을 보여주었다.

마이크로미터 크기의 구멍이 정렬되어있는 비전도성 마스크 ⁴와 실리콘 기판이 위아래로 분리된 상태로 놓여 있는 증착 챔버 안으로 하전된 나노입자⁵와 이온을 주입하면, 이온이 먼저 마스크 위에 축적되면서 정전기 렌즈⁶를 형성시키게 되고, 이 렌즈를 통하여 뒤따라 도달하는 하전 나노입자 에어로졸 제트가 100 나노미터 수준으로 집속⁷되는 원리를 새로운 3차원 프린팅 기술에 사용하였다.

나노입자의 부착과 동시에 실리콘 기판을 3차원으로 이송시키면 원하는 형태의 3차원 나노 구조물을 한 번에 수천 개 이상을 제작할 수 있으며, 마스크 구멍을 더 작게 만들면 수십 나노미터 크기의 3차원 나노 구조물도 제작할 수 있을 것으로 보고 있다.

1. 에어로졸

공기 중에 부유하고 있는 수 나노미터~수십 마이크로미터 크기의 작은 입자들을 지칭하는 용어. 본 연구에서는 하전된 나노입자와 이온을 사용함.

2. 메타물질

자연계에 존재하지 않는 물성을 가지도록 인위적으로 매우 작은 크기의 입자나 구조물을 주기성을 갖고 배열한 어레이로부터 구현하는 물질로서 단위 구조체의 형상 및 배열에 따라 다른 특성이 나타난다.

3.어레이

일정한 간격에 따라 대상을 규칙적으로 정렬한 것. 본 연구에서는 3차원 나노 구조물 수천 개가 정렬된 형태를 의미함.

4. 비전도성 마스크

전기적 저항이 커 전류가 흐르지 않는 얇은 막에 수 마이크로미터의 구멍 수천 개가 정렬된 형태로 뚫려있는 얇은 막 형태의 물질. 이온이 비전도성 마스크 표면 위에서 전기적 성질을 잃지 않고 축적됨.

5. 하전된 나노입자

나노(nano)는 10^-9를 의미하는 접두어로서, 1나노미터는 1미터의 10억분의 1임 (혹은 1㎜의 백만분의 일). 나노입자는 직경이 수 나노미터인 구 모양의 입자를 의미하며, 하전된 나노입자는 나노입자가 전기적으로 중성이 아닌 양(+) 또는 음(-)전하를 띈다는 의미.

6. 정전기 렌즈

비전도성 마스크 표면에 이온이 축적되면서 마스크 구멍마다 평평한 등전위면이 볼록한 형태로 왜곡함. 볼록한 등전위면이 하전된 나노입자들을 구멍 중심으로 집속하는 렌즈 역할을 하기 때문에 정전기 렌즈라고 부름. 즉, 유리로 만든 광학렌즈가 빛을 집속하듯이 본 연구에서 이온 축적으로 형성되는 정전기 렌즈가 하전된 나노입자를 100㎚ 수준으로 집속하는 원리임. 따라서 물질 렌즈라고 말할 수 있음.

7. 집속

여러 다발이 한곳으로 모이는 것. 정전기 렌즈에 의해 하전 나노입자 에어로졸 제트 형태로 마스크 구멍 중심으로 모이는 것을 의미.

연구책임자인 서울대 최만수 교수는 에어로졸 기술을 이용하는 3차원 나노 프린팅 기술을 지난 10여 년간 대학원생들과 함께 동고동락하며 개발하여 온 결실을 보게 되어 기쁘고 개발된 3차원 나노 프린팅 기술로 말미암아 우리나라 산업 제조 기술의 혁신적 발전이 기대된다고 말했다.

공동 교신저자인 노준석 교수는 본 3차원 나노 프린팅 기술은 음의 굴절률, 슈퍼렌즈, 투명망토 기술로 알려진 메타물질 분야의 최대 난제였던 나노미터 수준의 임의 형상 3차원 구조를 만들 수 있는 혁신적인 생산 기술로써 메타물질 분야의 실용화에 한발 다가섰다고 말했다.

이 연구는 POSTECH, 서울대, 그리고 일본 이화학연구소(RIKEN)가 참여하였으며, 과학기술정보통신부가 지원하는 글로벌프런티어 멀티스케일 에너지시스템 연구단과 파동에너지 극한제어 연구단 및 한국연구재단 중견연구자 사업, 지역선도연구센터 사업 등을 통하여 이루어졌다.