‘상용 3D 프린터로 머리카락 굵기의 약 1,000분의 1까지’ 50나노미터 이하 초미세 표면 구현 기술 개발

- 국립부경대 공동연구팀, ‘나노시드’ 기술로 상용 SLA 3D 프린터 해상도 한계 극복

상용 광조형(SLA) 3D 프린터만으로 기존에는 구현하기 어려웠던 50나노미터(nm, 10억분의 1m) 이하의 초미세 표면 패턴을 자유로운 3차원 구조물에 구현하는 ‘나노시드(Nano-Seed) 보조 광조형(SLA) 기술’이 개발됐다.

미국 노스웨스턴대학교(Northwestern University) 박태완 박사와 울산과학기술원(UNIST) 강은빈 박사과정생, 국립부경대학교 강영림 석사가 참여한 국립부경대 박운익 교수(재료공학전공) 연구팀이 대구경북과학기술원(DGIST) 이민선 교수 연구팀 및 미국 스탠퍼드대학교 정 다이애나 박사 연구팀과 공동연구를 진행한 성과다.

연구팀은 특히 복잡한 형상의 불상 조형물 머리와 이마 부위에도 나노패턴을 구현하는 데 성공해, 초미세 표면 구조와 자유로운 3D 프린팅을 하나의 공정으로 구현할 수 있음을 입증했다.

광조형(Stereolithography, SLA)은 빛으로 액체 수지를 굳혀 입체 구조물을 만드는 대표적인 3D 프린팅 기술이다. 표면이 매끄럽고 정밀한 형상을 구현할 수 있다는 장점이 있지만, 빛의 회절과 수지 내부에서 일어나는 광중합 반응의 확산 때문에 나노미터 수준의 초미세 표면 구조를 직접 구현하는 데에는 한계가 있었다.

실제로 이번 연구에 사용된 상용 SLA 3D 프린터는 나노시드를 적용하지 않았을 경우 최소 약 250마이크로미터(μm, 100만분의 1m) 폭의 선만 안정적으로 구현할 수 있었다. 반면 연구진은 나노시드 기술을 적용해 50나노미터 이하의 초미세 선폭을 구현하는 데 성공했다. 기존 상용 프린터의 구현 한계보다 약 5,000분의 1 수준까지 미세한 구조를 구현한 것이다. 이는 사람 머리카락 굵기의 약 1,000분의 1에 해당한다.

연구진은 실리콘(Si) 마스터 몰드의 나노패턴을 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA) 박막에 복제한 ‘나노시드’를 3D 프린터의 빌드플레이트에 부착하고, 그 위에 약 30나노미터(nm) 두께의 초박막 무기 차단층을 형성하는 방식을 고안했다. 이 차단층은 수지와 나노시드가 서로 섞이는 것을 막고 광경화 반응이 계면에서만 일어나도록 유도해 나노패턴이 정밀하게 전사되도록 한다.

이를 통해 연구진은 250나노미터(㎚)부터 2마이크로미터(㎛) 크기의 점, 구멍, 물결, 십자형 등 다양한 나노패턴을 높은 정밀도로 구현했다. 특히 50나노미터 이하의 초미세 선 패턴도 성공적으로 구현했으며, 나노패턴을 최대 45×75밀리미터(mm), 즉 명함 크기에 가까운 넓은 면적까지 균일하게 형성해 대면적 공정 가능성도 확인했다.

연구진은 개발한 기술을 실제 3D 프린팅 조형물에도 적용해 실용성을 검증했다. 기존에는 나노미터 수준의 정밀한 표면 구조를 자유곡면을 가진 복잡한 3차원 형상에 구현하기 어려웠지만, 이번 기술을 이용해 불상 조형물의 머리와 이마 부위에 나노패턴을 구현하는 데 성공했다. 나노패턴이 새겨진 별도 부품을 제작해 불상에 조립하는 방식은 물론, 별도의 조립 과정 없이 프린팅 과정에서 나노패턴이 포함된 불상을 하나의 일체형 구조물로 직접 제작하는 데도 성공했다. 이는 기존에는 후가공이나 별도 조립이 필요했던 나노패턴을 3D 프린팅 공정 안에서 동시에 구현할 수 있음을 보여주는 성과로, 나노미터급 표면 패터닝과 자유로운 3차원 형상 제작을 하나의 제조 공정으로 통합했다는 데 의미가 있다.

이번 연구는 나노패터닝 기술과 3D 프린팅 기술을 결합한 사례로, 광학적 특성을 지닌 표면, 위변조 방지 보안 마킹, 접착 및 유체 특성을 제어하는 생체모사 표면 등 다양한 분야에 적용될 가능성을 제시했다.

박운익 교수는 “이번 연구는 상용 3D 프린터의 광학 장치를 변경하지 않고도 프린팅 계면을 정밀하게 제어해 나노미터 수준의 표면 구조를 구현했다는 데 의미가 있다”며 “향후 광학·포토닉 표면, 위조 방지 표식, 바이오 모사 구조와 다양한 기능성 3D 프린팅 부품 제작에 활용될 수 있을 것으로 기대한다”고 말했다.

이번 연구에는 박태완 박사, 강은빈 박사과정생, 강영림 석사가 공동 제1저자로 참여했으며, 국립부경대 김유나 석사, 강유진 학부생, 백강준 교수, 김성대 교수와 UNIST 정후영 교수, 미국 캘리포니아대학교 데이비스(UC Davis) 홍승새 교수가 공동저자로 참여했다. 교신저자인 박운익 교수는 국립부경대와 UC Davis, ㈜라노엠에 공동 소속돼 있다.

이번 연구는 과학기술정보통신부가 지원하고 한국연구재단이 관리하는 연구과제로 수행됐으며, 연구 성과는 국제 학술지 『Small Structures』에 ‘Sub-50 nm Surface Nanopatterning via Nano-Seed Assisted Stereolithography’라는 제목으로 최근 온라인 게재됐다.

※ 붙임: 1. 연구팀 사진. 왼쪽부터 공동 제1저자 박태완 박사, 강은빈 박사과정생, 강영림 석사.

2. 연구 이미지. 나노패턴이 적용된 3D 프린팅 불상 조형물과 해당 영역 확대 이미지(왼쪽), PMMA 나노시드와 초박막 장벽층을 이용한 SLA 공정 원리(오른쪽 위), 50나노미터급 선 패턴과 나노시드-수지 계면에 형성된 Pt 장벽층(오른쪽 아래).