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3D 프린팅으로 나노미터 구조물 수천개 동시에 짓는다

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3D 프린팅으로 나노미터 구조물 수천개 동시에 짓는다

2021.04.01 00:00
서울대-포스텍 공동 연구…센서·전자소자 등 신소재 메타물질 응용 기대
왼쪽부터 최만수 서울대 기계공학부 교수, 노준석 포스텍 기계공학과 교수, 정우익 서울대 기계공학부 박사후연구원, 정윤호 서울대 기계공학부 석박사통합과정 연구원. 서울대 제공.
왼쪽부터 최만수 서울대 기계공학부 교수, 노준석 포스텍 기계공학과 교수, 정우익 서울대 기계공학부 박사후연구원, 정윤호 서울대 기계공학부 석박사통합과정 연구원. 서울대 제공.

국내 연구진이 100나노미터(nm, 1나노미터는 10억분의 1미터) 수준의 3차원 금속 구조물 수천 개를 동시에 제작할 수 있는 3차원(3D) 나노 프린팅 기술을 개발했다. 

 

상용화된 기존 3D 프린팅이 만들 수 있는 구조물의 크기 한계인 수십~수백 마이크로미터(㎛, 1마이크로미터는 100만분의 1미터)보다 100분의 1에서 1000분의 1만큼 작은 3D 구조물을 제작할 수 있는 기술이다. 산업 현장에 활용되는 센서나 전자소자, 미래 신소재 메타물질에 응용할 수 있을 것으로 기대된다. 

 

최만수 서울대 기계공학부 교수 연구팀은 노준석 포스텍 교수 연구팀과 공동연구를 통해 100나노미터 크기의 3D 구조물을 제작할 수 있는 3D 나노 프린팅 기술을 개발하고 국제학술지 ‘네이처’ 31일자(현지시간)에 발표했다. 마이크로미터 수준 크기의 3D 구조물을 제작하는 데 그쳤던 기존 3D 프린팅 기술을 한 차원 진화시킨 기술이다. 

 

연구진은 기존 3D 프린팅에 사용되는 폴리머나 잉크를 전혀 사용하지 않고 금속 나노 에어로졸을 활용해 불순물을 최소화한 초고순도 3D 구조물을 제작하는 데 성공했다. 불순물은 금속의 전도도나 물성에 차이를 만드는 요인으로 금속 고유의 물성을 유지하려면 불순물을 최소화해야 한다. 

 

연구진은 마이크로미터 크기의 구멍이 정렬된 비전도성 마스크와 실리콘 기판이 위아래로 분리된 상태로 놓여 있는 증착 챔버 안으로 나노입자와 하전을 주입했다. 이온이 먼저 마스크 위에 축적되면서 마이크로미터 크기 구멍마다 정전기 렌즈가 형성된다. 이 정전기 렌즈를 통해 뒤이어 도달하는 나노입자들을 구멍 중심으로 집중시켜 100나노미터 크기의 에어로졸로 집속시키는 원리를 3D 프린팅 기술에 활용했다. 특히 3D 나노 구조물을 한 번에 수천개 이상 제작할 수 있는 것으로 확인됐다. 

 

연구진이 개발한 3D 나노 프린팅 기술을 활용하면 3D 나노 센서, 집적도를 극대화할 수 있는 3차원 반도체 등을 만들 수 있을 것으로 기대된다. 최만수 교수는 “현재 2차원 필름 형태로 만들어지는 가스 센서의 경우 3차원으로 만들 경우 가스가 닿는 면적이 넓어져 민감도를 2배 이상 높일 수 있다”며 “반도체의 집적도를 높이기 위해 시도되고 있는 3차원 반도체의 집적도도 높일 수 있을 것”이라고 설명했다. 

 

자연에 존재하지 않는 새로운 물질인 ‘메타물질’ 제작도 용이해진다. 최만수 교수는 “현재 메타물질을 만드는 데 엄청난 비용이 소요되는데 이번에 개발한 기술을 활용하면 수천 개 이상의 3D 구조물을 통해 손쉽게 메타물질을 만들 수 있을 것”이라고 밝혔다. 

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