국립부경대, 상용 3D프린터로 50나노 표면 구현

기존 장비 한계의 5000분의 1
명함 크기·곡면에도 균일 전사

국립부경대 공동연구진이 개발한 '나노시드' 기반 광조형 3D 프린팅 기술의 원리와 50나노미터 선폭 구현 결과를 나타낸 연구 이미지.(사진=국립부경대 제공)

고가의 광학 장치를 바꾸지 않고 시판용 3D 프린터로 50나노미터(㎚) 이하의 표면 무늬를 새기는 길이 열렸다. 머리카락 굵기의 약 1000분의 1에 해당하는 정밀도를 복잡한 입체 조형물에도 적용할 수 있는 방식이다.

국립부경대학교 박운익 재료공학전공 교수 공동연구진은 '나노시드(Nano-Seed)'를 이용해 광조형(SLA) 3D 프린터의 해상도 한계를 낮추는 기법을 개발했다.

실험에 쓰인 장비가 안정적으로 출력할 수 있는 최소 선폭은 약 250마이크로미터(㎛)였다. 연구진은 프린터의 광학계에 손대지 않고 이보다 약 5000배 작은 50나노미터 이하의 선을 만드는 데 성공했다.

핵심은 미세한 무늬를 미리 복제한 얇은 필름이다. 실리콘 원판의 형상을 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA) 막에 옮긴 뒤 출력판에 붙이고, 그 위를 약 30나노미터 두께의 무기 차단층으로 덮었다.

이 막은 액체 수지와 나노시드가 섞이지 않도록 분리하면서 빛에 의한 경화가 맞닿은 경계에서 일어나게 한다. 출력물이 굳는 동시에 바닥의 미세 형상이 표면으로 옮겨지는 원리다.

점과 구멍, 물결, 십자 모양 등 250나노미터에서 2마이크로미터 범위의 여러 형상이 재현됐다. 최대 45×75밀리미터 크기에서도 균일성을 유지해 넓은 면적에 활용할 가능성도 확인됐다.

곡면 적용도 시험했다. 불상 모형의 머리와 이마에 미세 무늬가 있는 부품을 결합한 데 이어, 별도 조립 없이 출력 단계에서 형상을 함께 새긴 일체형 모형까지 제작했다. 평면에 한정됐던 나노 가공을 자유로운 3차원 형태로 넓혔다는 점이 이번 성과의 핵심이다.

이 방식은 빛의 반응을 조절하는 기능성 표면과 위변조 방지 표식, 접착력이나 유체 흐름을 바꾸는 생체모사 소재 등에 쓰일 가능성이 있다. 다만 연구 단계에서 응용 가능성을 제시한 것으로, 상용화 시점이나 양산 계획은 공개되지 않았다.

박운익 교수는 "상용 장비의 광학계를 교체하지 않고 출력물이 형성되는 경계를 제어해 나노미터급 표면을 얻었다는 데 의미가 있다"며 "광학·포토닉 표면과 위조 방지 표식, 생체모사 구조를 비롯한 기능성 부품 제작에 활용할 수 있을 것"이라고 말했다.

이번 연구에는 미국 노스웨스턴대 박태완 박사와 울산과학기술원(UNIST) 강은빈 박사과정생, 국립부경대 강영림 석사가 공동 제1저자로 참여했다. 국립부경대와 대구경북과학기술원(DGIST), 미국 스탠퍼드대 연구진도 함께했다.

과학기술정보통신부와 한국연구재단의 연구과제로 수행된 논문은 국제학술지 'Small Structures' 온라인판에 'Sub-50 nm Surface Nanopatterning via Nano-Seed Assisted Stereolithography'라는 제목으로 실렸다.

부산=김성욱 기자