3D 나노구조를 저렴하게 생산하는 기술

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KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 2014-12-11
나노크기의 구(sphere)를 이용하여 생의학, 전자 및 광학 분야에 이용할 수 있는 3차원 구조를 제작할 수 있는 새로운 리소그래피(lithography) 기술이 노스캐롤라이나 주립대학(North Carolina State University) 연구팀에 의해 개발되었다. 새로 개발된 기술은 기존의 방법보다 상당히 저렴하며, 3D 구조를 구현하기 위해 2D 패턴을 적층하는 방법을 사용하지 않고 있다. 노스캐롤라이나 주립대학 기계 및 항공우주공학과 조교수인 Chih-Hao Chang 박사는, 본 기술을 통해 각 가정의 차고에서 활용할 수 있을 정도로 나노리소그래피(nanolithography) 비용이 감소하게 되었다고 밝혔다. 대부분의 기존 리소그래피는 2D 패턴을 형성하기 위해 감광성 필름(photosensitive film)에 빛을 집중시키는 다양한 기술을 사용하였다. 이런 기술들은 특수한 렌즈, 전자빔 혹은 레이저를 사용하고 있으며, 이런 장비들은 매우 고가이다. 다른 기술들도 여전히 고가의 기계 탐침(probe)를 사용한다. 3D 구조를 형성하기 위해, 2D 패턴은 각 층의 상부에 필히 인쇄되어야 한다. 연구팀은 감광성 필름 상부에 폴리스티렌 구(polystyrene sphere)를 위치시키는 독특한 방법을 사용하였다. 이 나노구는 투명하지만 유연하고 나노구로 입사되는 빛의 각도에 따라 예측된 방향으로 통과되는 빛을 산란시킨다. 연구팀은 나노구의 크기, 빛의 노출 시간, 입사각 파장 및 빛의 편광을 변경시킴으로써 나노리소그래피를 조절하였다. 또한 단일빔 혹은 다중빔을 사용하여 다양한 나노구조 디자인을 실현할 수 있었다. 연구팀은 나노구를 이용해 빛의 패턴을 조절함으로써, 기존의 기술들에서 사용되던 고가의 장비를 사용하지 않고서도 3차원 구조를 구현할 수 있도록 하였다고 밝혔다. 또한 2차원의 패턴 층을 만들지 않고서도 한 번에 3D 구조를 구현할 수 있다고 강조하였다. 또한 연구팀은 일정한 간격을 갖고 자가조립되는 나노구를 만들었으며, 이로써 균일한 패턴의 3D 나노구조의 제작하는데 활용할 수 있음을 보여주었다. Chang 박사 실험실의 박사과정 학생이자 본 연구를 주도한 Xu Zhang은, 이 기술을 이용해 약물전달 등에 사용되는 나노니들(nanoneedle)을 만들 수도 있다고 밝혔다. 또한 전자기기의 인쇄 혹은 생물학적 전지나 안테나 제작과 광학 부품을 제작하기 위한 나노크기의 잉크젯 프린터를 만드는 데도 활용할 수 있게 될 것이다. 연구팀은 리소그래피에서 흔히 사용되는 감광성 고분자를 사용해 나노구조를 제작하는데 역점을 두었다. 그러나 다른 재료를 이용해 3D 구조를 위한 템플릿을 제작하는데 이 기술이 사용될 수 있음을 밝혔다. 연구팀은 현재 최종 구조의 형태를 조절하는 기술에 도움이 되는 다른 부가적인 방법을 현재 연구하고 있다. 연구팀은 폴리스티렌 외의 다른 재료로 만들어진 나노구 및 구형이 아닌 다른 형태의 나노입자를 활용하는 방안에 대해서도 연구하고 있다. 그리고 궁극적으로 균일한 배열 이상으로 감광성 필름 상에 입자를 원하는 곳에 위치시키는 방법에 대해서도 연구를 진행할 계획이라고 밝혔다. 그림 1> 노스캐롤라이나 주립대학 연구팀이 폴리스티렌 나노구를 이용해 3차원 구조를 형성하는 새로운 리소그래피 기술을 개발하였다. 그림 2> TE(transverse-electric) 및 TM(transverse-magnetic) 편광 325nm와 지름이 390nm인 구를 이용해 제작하는 경사진 중공 3차원 비대칭형 나노구조의 모습. (a)-(d)의 입사각은 각각, θ = 20°, 30°, 45°, 및 70° 이며, 노출 에너지는 TM 편광하에서 각각 110 mJ/cm2 , 135 mJ/cm2 , 110 mJ/cm2 , 및 290 mJ/cm2이다.(e)-(f) (a)-(d) 각 경우에 대한 단면 영상. (i)-(l) 입사각 θ = 30°, 45°, 60°, 및 70° 와 TE 편광 하에서의 노출 에너지는 각각 150 mJ/cm2 , 163 mJ/cm2 , 268 mJ/cm2, 및 435 mJ/cm2이다. 삽입그림은 FDTD(fi nite difference time domain) 기법을 이용한 시뮬레이션된 나노구조이다. 그림 3> 위와 동일한 편광과 나노구를 이용해 2축 노출시켜 제작한 나노구조의 사진. (a) 개략도. (b) θ = 30° 및 135 mJ/cm2 (TM), (c) θ = 50°, 150 mJ/cm2 (TM), (d) θ = 30°, 130 mJ/cm/2 (TE), (e) θ = 50°, 165 mJ/cm2 (TE). 원문정보: "Sculpting Asymmetric Hollow-Core Three-Dimensional Nanostructures Using Colloidal Particles," DOI: 10.1002/smll.201402750 1-3D.jpg 2-micrograph.jpg 3-coplanar.jpg http://phys.org/news/2014-12-technique-low-cost-creation-d-nanostructures.html