3D 나노-마이크로 프린팅 기술의 현황 홍 기 현 한국기계연구원 부설 재료연구소 표면기술 연구본부 3D Nano-micro Printing Technology Kihyon Hong Korea Institute of Materials Science, Gyeongnam 642-831, Korea Abstract: 최근 3D 프린팅 기술을 이용하여 마이크로, 나노 미터 스케일의 제품을 생산하려는 시도가 활발히 연구 중에 있다. 산업계에서는 고분자 소재를 기반으로 레이저 공정을 이용해서 복잡하고 다양한 형태의 미세 구조물 제작 을 시현하고 있으며 나아가 프린팅 공정 시간 단축을 통한 상용화 가능성 모색이 진행되고 있다. 학계와 연구소에서는 기존 기술의 한계를 극복할 수 있는 신개념 나노 구조체 및 응용소자 구현을 위한 다양한 연구 사례를 보고하고 있다. 본 총론에서는 3D 나노-마이크로 프린팅 기술 현황 및 산학연 최신 연구 동향을 소개하고자 한다. Keywords: 3D 나노-마이크로 프린팅, 프린팅 소재, 레이저 공정, 신개념 3D 나노 프린팅 기술 3D 프린팅 기술은 1980년대 후반, 최초의 상용 프린터가 출시된 이후 꾸준하게 기술이 발전하고 있으며 최근 3차 산업혁명을 일으킬 수 있는 차세 대 생산 기술로 평가받고 있다. 현재까지 3D 프린 팅 기술을 이용하여 항공 우주 소재, 개인 맞춤형 바이오/생체 소재, 정밀 전자 소재 등 다양한 분야 의 시제품들에 대한 제작, 구현 사례가 보고되고 있으며 나아가 이와 같은 시제품 제작 수준을 넘 어 직접 제품을 제작, 판매하는 상용화, 양산화에 대한 가능성을 검토 중이다[1,2]. 3D 프린팅은 Figure 1과 같이 얇은 두께의 층을 반복적으로 적 층해서 원하는 형상을 제작하는 기술이기 때문에 현재 발표되고 있는 수 mm 수십 m 사이즈의 벌 크 시제품뿐만 아니라 수십 마이크로미터에서 나 노 스케일의 정밀, 복잡 구조체를 제작할 수 있다 는 장점이 있다. 1) 따라서 최근 3D 프린팅을 이용한 나노/마이크 로 구조체 제작 기술의 상용화를 위한 다양한 연 구가 진행되고 있으며 그 활용범위가 바이오, 전 저자 (E-mail: khong@kims.re.kr) 자, 소재부품, 항공 우주산업까지 다양하게 확대되 고 있다. 3D 프린팅을 이용한 나노/마이크로 구조체 제 작에는 일반적으로 광 흡수율이 우수한 고분자 소 재가 많이 사용되고 있으며 강성 및 내식성이 요 구되는 부분에 기능성 세라믹 소재가 사용된다. 제작 방식으로는 해상력이 우수한 미세 광조형 방 식이 사용되며 현재 광원의 회절 한계를 극복하고 나노미터 스케일의 해상력(< 100 nm)의 광원을 이용하고자 하는 연구개발이 진행 중에 있다. 미 세 광조형 기술은 경화 방식에 따라 주사방식과 전사방식으로 구분되며 주사방식의 경우 국부적 인 면적에 고에너지를 인가할 수 있으며 전사방식 의 경우 상대적으로 낮은 에너지를 넓은 면적에 노출 시킬 수 있다. 3D 마이크로/나노 프린팅에 사용되는 레이저 광원으로는 해상도와 에너지가 높고 레이저 빔의 정밀한 조사가 가능한 femto second 레이저를 주 로 이용하고 있으며 광원으로는 800 nm의 파장을 가지는 Ti:Sapphire이 널리 사용되고 있다. 이와 60 공업화학 전망, 제18권 제1호, 2015
3D 나노-마이크로 프린팅 기술의 현황 * 출처: http://3dprintingindustry.com/3d-printing -basics-free-beginners-guide/technology/ Figure 1. 3D 프린팅의 기본 공정. * 출처: 3D Printing 기술 현황 및 응용 활용, Journal of the KSME, 2014 Figure 2. 전사방식을 이용하여 제작된 3D 마이크로 구조체. 같은 레이저 빔의 이광자 흡수현상을 이용할 경우 고분자 레진의 선택적 경화가 가능하여 이를 활용 한 다양한 3차원 미세형상 제작 사례가 보고되고 있다(Figure 3)[3-5]. 하지만 레이저를 이용한 공정의 경우 전반적인 공정 속도가 느리기 때문에 상용화를 위해서는 공 정 효율 개선이 필요한 실정이며 실제로 광학 스 플리터를 이용하여 조사된 빔을 다수의 빔으로 분 산시켜 공정 속도를 개선하는 방향의 연구가 진행 중에 있다. 이와 같은 방법으로 200 µm object를 5분 안에 제작한 사례가 보고되고 있으며 향후 레이저 조사 조건 및 경화 소재 개선을 통한 공정 효율 향상을 기대할 수 있다[6]. * 출처: Reproduced with permission from ref[5]. copyright 2010 ScienceDirect Figure 3. femtosecond 레이저를 이용하여 제작한 다양한 마이크로-나노 구조체. KIC News, Volume 18, No. 1, 2015 61
* 출처: http://www.kurzweilai.net/fast-3d-printing-with-nanoscaleprecision Figure 4. 액상레진과 레이저 이광자 흡수를 이용하여 제작 한 285 마이크로미터 레이싱 구조체. 비엔나 대학에서도 femto second 레이저와 액 상의 monomer 레진을 이용한 마이크로미터 스케 일의 3D 구조체를 구현하였다(Figure 4). 연구진이 사용한 액상 레진은 레이저에서 조사 된 이광자를 흡수할 경우 바로 고상으로 변화하기 때문에 layer-by-layer 프린팅 과정에서 별도의 전 처리, 준비 과정을 생략할 수 있어 프린팅 속도를 크게 향상시킬 수 있었다(사이즈: 285 µm, 프린팅 시간: 5분). 칼스루헤 기술연구소(KIT)의 스핀오프 회사인 나노스크립사는 레이저 리소그래피(lithography) 기술을 이용하여 고속의 3D 나노구조체를 제작하 는 3D 프린터를 공개하였다. 앞선 기술들과 유사 하게 펨토세컨드 레이저와 중합반응이 가능한 소 재를 이용하였으며 나노미터 스케일부터 30 m가 넘는 대형 구조물을 고속으로 생산할 수 있는 프 린터 기술을 계속 연구 중에 있다[7]. 최근에는 이와 같은 일반적인 프린팅 방식에서 벗어나 마이크로 니들, 초미세 노즐을 이용한 에 너지 저장소자, 나노 섬유, 3차원 그래핀 구조체 등을 제작한 사례가 국내외 연구진들에 의해 보고 되고 있다. 미국 하버드 대학교의 제니퍼 루이스 교수팀은 2013년과 2014년에 3D 프린터를 이용한 나노 스 * 출처: Nanoscribe 홈페이지, http://www.nanoscribe.de/en/company/ Figure 5. 나노스크립사의 3D 프린팅 장비 및 micro-truss 구조체. * 출처: Reproduced with permission from ref[8]. copyright 2013 Wiley Figure 6. 3D 프린팅 기술을 이용한 미세 배터리 제작 과정. 케일의 센서와 배터리를 세계 최초로 구현하여 전 지 성능을 보고하였다[8,9]. 연구팀은 30 µm 스케 일의 노즐을 사용하여 특수 잉크를 적층, 3차원 구 조체의 미세 배터리를 제작하였다. 이렇게 제작된 배터리는 9.7 Jcm -2 의 에너지 밀 도를 가지며 2.7 mwcm -2 의 출력을 나타내었다. 62 공업화학 전망, 제18권 제1호, 2015
3D 나노-마이크로 프린팅 기술의 현황 * 출처: Reproduced with permission from ref[10]. copyright 2015 Royal Society of Chemistry Figure 7. 하이드로겔펜을 이용한 나노 프린팅 기술 및 금속 나노 구조체. * 출처: Reproduced with permission from ref[11]. copyright 2013 Nature Publishing Group Figure 8. 자기조립 기술을 이용한 프린팅 및 나노 패턴. 3D 나노 프린팅에 관한 국내 연구도 활발히 진 행 중에 있으며 대학교와 연구소를 중심으로 세계 적인 수준의 연구 실적물들이 발표되고 있다. 고 려대학교 신소재화학과 황성필 교수팀은 2014년 나노 수준의 3D 프린팅을 구현하는 히드로겔 펜 을 세계 최초로 개발하여 발표하였다[10]. 연구팀 은 펜촉으로 히드로겔을 피라미드 형태의 템플릿 에 채운 후 경화시켜 만든 나노 스케일의 니들과 전해질을 넣은 피라미드 구조의 히드로겔을 사용 하였다. 이렇게 제작된 펜촉으로 전극표면과 피라 미드 끝이 접촉되도록 국부 전기화학을 형성하였 고 이를 통해 접촉면적을 조절, 전기도금을 이용 하여 나노 스케일의 금속을 코팅하면서 종횡비가 우수한 3차원 나노 구조체를 제작하였다. 한양대학교 유기 나노공학과 안희준 교수팀은 * 출처: Reproduced with permission from ref[12]. copyright 2014 Wiley Figure 9. 초정밀 노즐을 이용한 그래핀 3D 프린팅 기술. 분자의 자기조립기술과 전기장을 이용한 3D 초 미세 나노 패턴 프린팅 기술 을 개발했다[11]. 안 희준 교수팀이 개발한 기술은 bottom-up 방식의 블록공중합체 분자조립 기술과 top-down 방식의 프린팅 기술이 결합한 것으로, 나노미터 스케일의 미세 구조체부터 센티미터 스케일의 거대 구조체 까지 빠른 속도로 형성이 가능하다. 기술 개발에 사용된 분자 자기조립 기술은 고분자, 플라스틱, 액정 등의 유연한 연성소재 분자들로 외부의 도움 없이 스스로 정렬해 정형화된 구조를 형성하게 된다. 나노 패턴 형성을 위해서 전기수력학적 분사 인 쇄(Electro hydrodynamic jet printing) 기술을 사용 하였으며 기존의 스핀코팅 공정의 기술적 한계를 KIC News, Volume 18, No. 1, 2015 63
* 출처: Reproduced with permission from ref[13]. copyright 2014 America Chemistry Society Figure 10. 3D 프린팅 기술을 이용하여 나노실을 적층하여 제작된 나노벽. * 출처: 3d printing industry homepage, http://3dprintingindustry.com/ 2014/05/02/ibm-swisslitho-introduce-nanoscale-tech-amazing-d emo/ Figure 11. IBM의 3D 나노 프린터 나노 프레이저. 극복함과 동시에 자유자재로 원하는 물질과 복잡 한 나노 패턴을 인쇄할 수 있어 산업 기술로의 적 용에 한 걸음 다가선 것으로 평가받고 있다. 차세대 반도체 소재로 불리는 그래핀으로 나노 미터급 3차원 구조체를 제작할 수 있는 3D 그래 핀 나노 프린팅 기술이 국내 연구진에 의해 세계 최초 개발되었다[12]. 한국전기연구원 설승권 박 사팀은 기존의 상용화된 3D 프린터로는 제작할 * 출처: oldworldlab holmepage, http://oldworldlabs.com/product/ owl-mc-1 Figure 12. Old world Labs사의 3D 나노 프린터 OWL NANO. 수 없는 나노미터 단위의 그래핀 구조체 제작을 위해 초정밀 노즐을 제어하는 기술을 개발, 초미 세 프린팅 과정을 실시간 고해상도( 500 nm) 영 상으로 관찰할 수 있는 기능이 탑재된 3D 나노 프 린터를 자체 기술로 개발하는데 성공했다. 이 기술을 통해 제작된 그래핀 나노 구조체는 250 nm의 제어정밀도를 가지고, 전기전도성이 뛰 어나며 화학적/구조적 안정성도 뛰어난 특성을 보 여주었으며 관련 업체와의 협의를 통해 응용분야 64 공업화학 전망, 제18권 제1호, 2015
3D 나노-마이크로 프린팅 기술의 현황 에 적합한 후속 연구로 진행될 계획이다. 서울대학교 김호영 기계항공공학부 교수팀은 나노 섬유를 한 가닥씩 쌓는 방식의 3D 나노 프린 팅 기술을 세계 최초로 개발, 보고하였다[13]. 연 구진은 주사기에 고분자 용액을 담고 180 nm의 초미세 주사기 바늘로 내보내면서 고전압을 걸어 분사되는 나노실을 적층함으로써 0.02 mm 두께 의 나노벽 형태의 구조물을 제작하였다. 특히 복 잡한 화학공정이나 전처리 공정없이도 나노 구조 물을 제작할 수 있어 향후 3D 나노 프린팅 연구와 산업에 큰 영향을 끼칠 수 있는 기술로 평가받아 네이처 하이라이트 연구로 소개되었다. 이와 같은 연구실, 실험실 수준의 시제품 제작 수준을 넘어서 각 기업마다 3D 나노 프린터를 양 상화 하려는 움직임이 활발히 진행 중에 있다. 2014년 8월 스위스 소재 IBM 연구개발 센터는 나노 공정 구현이 가능한 3D 프린터 나노 프레이 저 를 공개했다. 이 제품은 반도체 설계 후 이를 적용한 시제품 제작에 활용이 가능하며 아토믹 포 스 현미경을 통한 초당 밀리미터 단위로 3D 스캔 을 마친 뒤 반지름 10 nm대의 700 nm 길이 제품 까지 구현해낼 수 있다. OLD world lab사에서도 데스크탑 3D 나노 프 린터를 공개했다. 스테레오 그래피 방식으로 100 nm 해상력을 가지며 최대출력 사이즈는 15 cm 까지 인쇄가 가능하다. 원료는 아크릴레이트와 포 토몰리머 레진을 사용하며 예상 가격은 4,900 달 러로 알려져 있다. 앞서 살펴본 것과 같이 현재 다양한 3D 프린팅 기술을 이용해서 마이크로, 나노 미터 스케일의 구조체를 제작하려는 시도가 활발히 진행 중에 있 다. 현재까지는 연구단계에서의 시제품 제작 수준 의 결과보고가 이루어지고 있어 상용화 단계로의 진입까지는 보다 장기적인 관점에서의 접근이 필 요한 상황이다. 특히 상용화를 위해서는 프린팅 해상력 향상과 공정속도의 향상이 최우선적으로 해결되어야 할 것이다. 이와 같은 3D 마이크로/나 노 프린팅 기술이 상용화될 경우 기존 생산기술의 한계를 극복할 뿐만 아니라 새로운 제조 영역의 구축이 가능할 것으로 예상된다. 따라서 향후 의 료 기기, 초소형 로봇, 반도체 전자소자, 항공우주 부품 등의 다양한 산업영역에서 차세대 생산 기술 중 하나로 자리 잡을 수 있을 것으로 기대된다. 참 고 문 헌 1. 3D Printing 기술 현황 및 응용 활동, Journal of the KSME, 54, 32-56 (2014). 2. 3D 프린팅 기술 현황과 응용사례, 방송통신 기술 이슈 & 전망, 6 (2013). 3. D. Y. Yang, S. H. Park, T. W. Lim, H. J. Kong, S. W. Yi, and H. K. Yang, Appl. Phys. Lett., 90, 013113-13121 (2007). 4. D. Wu, Q. D Chen, L. G. Niu, J. N. Wang, J. Wang, and R. Wang, Lab. Chip, 9 2391-2934 (2009). 5. Y.-L. Zhang, Q.-D. Chen, H. Xia, and H.-B. Sun, Nano Today, 5, 435-448 (2010). 6. J. I. Kato, N. Takeyasu, Y. Adachi, H. B. Sun, and S. Kawata, Appl. Phys. Lett., 86, 044102-44111 (2005). 7. Technology Review, Micro 3D Printer Creates Tiny Structures in Seconds (2013). 8. K. Sun, T.-S. Wei, B. Y. Ahn, J. Y. S. J. Dilon, and J. A. Lewis, 3D Printing of interdigitated Li-ion microbattery architectures, Adv. Mater., 25, 4539-4543 (2013). 9. J. T. Muth, D. M. Vogt, R. L. Truby, Y. Menguc, D. B. Kolesky, R. J. Wood, and J. A. Lewis, Embedded 3D Printing of strain sensors within highly stretchable elastomers, Adv. Mater., 26, 6202-6206 (2014). 10. H. Kang, S. Hwang, and J. Kwak, A hydrogel pen for electrochemical reaction and its application for 3D printing, Nanoscale, 7, 994-1001 (2015). 11. M. S. Ones, C. Song, L. Williamson, E. Sutanto, P. M. Ferreira, A. G. Alleyne, P. F. KIC News, Volume 18, No. 1, 2015 65
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