[위즈뉴스] 국내 연구진이 3차원 나노 프린팅 기술을 개발했다.
서울대학교 공과대학(학장 차국헌)은 지난 3월 30일, 기계공학부 최만수 교수팀과 포항공과대학교 노준석 교수팀으로 구성된 공동연구팀이 100나노미터 수준의 3차원 구조물을 제작할 수 있는 3차원 나노 프린팅 기술을 개발했다고 밝혔다.
현재의 3차원 프린팅 기술은 4차 산업혁명의 핵심요소 기술이면서 산업 제조 기술의 큰 변화를 일으키고 있지만 이번 연구는 그 한계를 뛰어넘어 3차원 나노 금속 구조물까지 실용적으로 제작할 수 있다는 점에서 산업 제조 기술의 혁신을 일으킬 것으로 기대된다.
이번 연구 성과를 담은 논문은 SCI급 저명 국제학술지 '네이처(Nature, IF=42.778)' 4월 1일자에 온라인에 게재됐다.
논문명은 'Three-dimensional Nanoprinting via Charged Aerosol Jets'이며, 서울대 최만수 교수와 포스텍 노준석 교수가 공동교신저자로, 서울대 정우익 박사와 정윤호 박사과정생이 공동제1저자로 참여했다.
공동연구팀의 최만수 교수는 "에어로졸 기술을 이용하는 3차원 나노프린팅 기술을 지난 10여 년간 대학원생들과 함께 동고동락하며 개발해 왔는데, 이제 결실을 보게 되어 기쁘다"며 "개발된 3차원 나노프린팅 기술로 말미암아 우리나라 산업 제조 기술의 혁신적 발전이 기대된다"고 말했다.
공동연구팀은 기존 기술로 제작 가능한 구조물 크기의 1/100도 되지 않는 3차원 나노 구조물을 한 번에 수천 개 이상 제작할 수 있는 실용적인 기술을 개발하는 데 성공했다.
폴리머나 잉크를 전혀 사용하지 않는 것이 차이점이며 건식 방법으로 금속 나노 에어로졸을 발생시킨 후 조립하여 불순물을 최소화한 초고순도 구조물을 제작할 수 있다. 불순물의 포함 여부는 금속의 전도도나 물성의 차이를 만들기 때문에 금속 고유의 물성을 바탕으로 하는 응용에서 매우 중요하다.
3차원 나노 프린팅 기술은 높은 민감도의 3차원 나노 센서, 집적도를 극대화할 수 있는 3차원 나노 전자소자 등의 제작이 가능하여 기존 소자의 성능을 획기적으로 올릴 수 있다. 3D 나노 가스 센서의 경우 기존 2D 필름 타입에 비해 민감도를 2배 이상 증가시킬 수 있을 것으로 계산된다.
뿐만 아니라 현존하지 않는 새로운 소자의 구현도 가능하다.
예를 들면 자연계에 존재하지 않는 물성을 인위적으로 설계하여 구현하는 메타 물질 의 제작에는 정교한 3차원 나노 구조물을 어레이로 만드는 것이 필수인데 연구팀이 발표한 3차원 나노 프린팅 기술로 구현할 수 있다.
이번에 발표한 3차원 나노 프린팅 기술을 이용하여 특정 형태의 3차원 나노 금속 구조물 어레이를 제작한 후 원하는 인공 자기(磁氣) 물성을 구현시킴으로써 미래 신소재인 메타 물질의 실용화를 앞당길 수 있음을 보여주었다.
제작 과정은 다음과 같다. 마이크로미터 크기의 구멍이 정렬된 비전도성 마스크 와 실리콘 기판이 위아래로 분리된 상태로 놓여 있는 증착 챔버 안으로 하전된 나노입자 와 이온을 주입하면, 이온이 먼저 마스크 위에 축적되면서 마이크로미터 크기 구멍마다 정전기 렌즈 를 형성시킨다. 이 정전기 렌즈를 통해 뒤따라 도달하는 하전나노입자들을 구멍 중심으로 집중시켜 100나노미터 수준의 에어로졸 제트로 집속 시키는 원리를 새로운 3차원 프린팅 기술에 사용하였다.
나노입자의 부착과 동시에 실리콘 기판을 3차원으로 이송시키면 원하는 형태의 3차원 나노 구조물을 한 번에 수천 개 이상 제작할 수 있으며, 마스크 구멍을 더 작게 만들면 수십 나노미터 이하의 3차원 나노 구조물도 제작할 수 있을 것으로 연구팀은 보고 있다.
공동연구팀의 노준석 교수(포항공대)는 “이번 3차원 나노 프린팅 기술은 음의 굴절률, 슈퍼렌즈, 투명망토 기술로 알려진 메타 물질 분야의 최대 난제였던 나노미터 수준의 임의 형상 3차원 구조를 만들 수 있는 혁신적인 생산 기술로써 메타 물질 분야의 실용화에 한발 다가선 것”이라고 강조했다.
이 연구는 서울대, 포항공대, 그리고 일본 이화학연구소(RIKEN)가 참여하였으며 과학기술정보통신부가 지원하는 글로벌프론티어 멀티스케일 에너지시스템 연구단과 파동에너지 극한제어 연구단 및 한국연구재단 중견연구자지원 사업, 지역혁신 선도연구센터 사업 등을 통해 수행됐다.
