3D 프린팅 제조 혁명… 50나노 초미세 '나노시드' 기술로 한계 극복

국립부경대 공동연구팀, 상용 SLA 3D 프린터 해상도 극복
머리카락 굵기 약 1000분의 1까지, 초미세 표면 구현 기술

시중에서 흔히 쓰는 일반 3D 프린터만으로 머리카락 굵기의 1000분의 1 수준인 초미세 나노패턴을 입체 조형물에 직접 찍어내는 기술이 세계 최초로 개발됐다.

위변조 방지 보안부터 첨단 반도체, 바이오 부품 제조 시장의 판도를 뒤흔들 파격적인 성과다.

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

연구팀, 공동 제1저자 박태완 박사, 강은빈 박사과정생, 강영림 석사. 국립부경대 제공

기존 상용 광조형(SLA) 3D 프린터는 빛의 회절과 수지 내부의 광중합 반응 확산 현상 때문에 250마이크로미터(㎛) 미만의 미세 선폭을 정밀하게 구현하는 데 명확한 한계가 존재했다.

연구진은 이를 극복하기 위해 실리콘 마스터 몰드의 나노패턴을 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA) 박막에 복제한 '나노시드'를 프린터 빌드플레이트에 부착했다. 이어 그 위에 불과 30나노미터(nm) 두께의 초박막 무기 차단층을 형성하는 독창적인 공정을 고안했다.

이 차단층은 액상 수지와 나노시드가 서로 섞이는 현상을 완벽히 막아주고, 빛에 의한 경화 반응이 정확히 계면에서만 일어나도록 제어한다. 그 결과 연구진은 기존 일반 3D 프린터의 물리적 한계치보다 무려 5000배나 미세한 50나노미터(nm, 10억분의 1m) 이하의 초미세 선폭을 안정적으로 찍어내는 데 성공했다고 말했다. 이는 사람 머리카락 굵기(약 100㎛)의 1000분의 1에 불과한 수치다.

특히 정밀도가 명함 크기에 육박하는 45×75밀리미터(㎜) 대면적까지 균일하게 유지되는 것은 물론, 복잡한 굴곡을 가진 불상 조형물의 머리와 이마 부위에도 후가공이나 별도 조립 없이 단 한 번의 프린팅으로 나노패턴을 일체형으로 새겨냈다.

박운익 교수는 "상용 3D 프린터의 별도 광학 장치를 바꾸지 않고 계면 제어만으로 나노미터급 표면 구조를 완성했다"며 "위조 방지 표식, 초정밀 포토닉 표면, 바이오 모사 부품 제작 등 다양한 분야에 활용될 것"이라고 말했다.

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).

이번 연구 결과는 국제 학술지 '스몰 스트럭처스(Small Structures)' 최근호에 온라인 게재됐다.

영남취재본부 김수로 기자 relationship6007@asiae.co.kr