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  • 기사등록 2019-09-03 09:41:41
  • 수정 2019-09-03 09:42:45
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3D 나노-마이크로 프린팅 활용한 초소형 초정밀 적층가공 기술의 현재와 미래



필자는 적층가공(AM:Additive Manufacturing) 기술이 진화를 거듭해가며 크기와 정밀도의 한계를 확장하는 속도가 절삭가공의 그것보다 빠르다는 사실을 타 기고문에서 언급한 바 있다.

이를 실현하기 위한 대부분의 AM 유저와 3D프린터 장비 개발사들이 집중하고 있는 출력물의 ‘up-size’ 방향으로의 발전 영역을 잠시 벗어나, 이번에는 ‘down-size’, 초소형 초정밀 적층 가공 영역의 발전 현황과 방향에 대해 소개하고자 한다.

국내에는 아직 보편화되지 않았으나, 글로벌 선진 제조업체 및 독일 등 기초과학 선진국을 필두로 3D프린팅을 이용한 나노-마이크로 적층 가공 기술이 빠른 속도로 발전하여 그 활용 범위가 바이오산업에서 반도체, 항공우주산업까지 다양하게 확대되고 있다.

이러한 기능성 마이크로 부품 제작 시 강성 및 내 화학 성질이 필요한 분야에서는 세라믹 재료가 일부 쓰이고는 있으나, 초소형 3D프린팅 기술을 필요로 하는 분야가 주로 바이오, 반도체 등 첨단산업이라는 점을 고려, 그 활용도에 비추어볼 때 시장의 관심도는 광경화성고분자(Photopolymer)에 집중되어 있다고 할 수 있다.

▲ 3차원 마이크로 형상제작에 유리한 이광자 중합(2PP: Two-Photon Polymerization)의 원리


전통적인 방법으로 마이크로 스케일 구조물을 제작하려면 많은 시간과 비용이 소모되었다. 하지만 3D프린팅 광조형 방식을 활용하면 시간과 비용을 획기적으로 줄일 수 있기 때문에, 광원의 회절한계를 극복하여 100nm급 정밀도를 지니며 3차원 마이크로 형상제작에 유리한 이광자 중합(2PP: Two-Photon Polymerization)을 활용하는 연구가 많은 글로벌 연구기관과 산업계에서 진행중에 있다.

이 2PP기술을 개발한 기업으로 KIT(Karlsruhe Institute of Technology: 독일 카를스루에 공과대학교)에서 독립한 나노스크라이브(Nanoscribe)社가 최근 많은 주목을 받고 있다. 해당사의 2PP기술 개발은 전 세계 초소형 초정밀 적층가공 산업의 발전을 진일보 시킨 사건으로 시장에서 호평을 받았다.

2PP기술이 적용된 장비인 ‘Photonic Professional GT2’는 160nm~500nm(1nm: 10억분의 1m) 수준의 극도로 얇은 형상의 3D구조물 출력을 가능하게 했다. 이로써 복잡한 래티스 구조나 다공성 스캐폴드, 복잡한 형상의 패턴, 컨투어, 엣지, 언더컷, 브릿지 등 전통적인 방식으로 구현이 쉽지 않았던 다양한 형상의 구현이 가능하게 되었다. 나노, 마이크로, 메소스케일 구조의 3D형상을 출력하는데 가장 이상적이라고 평가받고 있으며, 완전한 오픈 시스템을 지향, 특정 연구에 선호되는 레진과 툴링의 적용이 가능한 유연한 설계를 기반으로 2019년 기준 550건 이상의 연구와 민간기업의 프로젝트에 활용되었다.

현재까지의 3D프린팅 기술은 동일한 제품의 양산에 있어 취약점을 보여왔다. 그러나 최근down-size 3D프린팅 분야에서 양산의 영역을 타깃으로 개발된 제품이 독일 ‘LASER World of Photonics 2019’ 전시회에서 혁신상을 수상, 화려하게 시장에 데뷔하며 업계의 이목을 집중시켰다. 세계 최초로 Maskless lithography 기술이 적용된 ‘Quantum X’는 산업용 초정밀 굴절형 및 회절형 마이크로옵틱스에 최적화된 설계로, 기존 초소형 초정밀 적층가공 산업의 한계를 넘어선 혁신적인 기술이라는 평가가 이어졌다.

Maskless lithography 시스템의 핵심 기술인 Two-Photon Grayscale Lithography(2GL)는 현재 Nanoscribe社에서 특허 출원이 진행중이며, Quantum X에 세계 최초로 적용되었다. Grayscale lithography에서 구현 가능한 뛰어난 품질과 산업용에서 요구되는 고도의 유연성, 정밀도를 갖춘 Two-Photon Polymerization의 장점이 결합되어 높은 출력 속도와 형상 자유도, 초 고정밀도, 복잡한 형상에서 높은 수준의 면조도를 구현할 수 있게 되었다.


▲ Nanoscribe社는 나노-마이크로 3D프린팅 기술로 복잡한 래티스 구조나 다공성 스캐폴드, 복잡한 형상의 패턴을 출력할 수 있다.


이광자 중합기술 연구 활발, Nanoscribe社 상용화 성공 550건 프로젝트 추진
2~6인치 웨이퍼 상 출력 가능, 바이오·반도체·항공우주 등 첨단산업 시너지 기대

Quantum X는 자유형태(free-form)의 마이크로옵틱스, 마이크로 렌즈 어레이와 다층 회절형 광학제품 등의 마스터 패턴 및 RP(쾌속조형)에 특화되었다. 출력속도의 감소 없이 256레벨 이상을 1회의 슬라이싱으로 출력, Ultra-smooth 수준의 표면조도와 뛰어난 형상 정밀도 구현에 있어 기존 공정 대비 약 25배 빠른 속도로 제작이 가능하다. 마스터 패턴 제작으로 Mass Replication을 지원하며, RP 영역에 있어 다른 기술로 몇 주 이상 소요될 DOE iteration이 일 단위로 가능하다는 혁신적인 장점을 갖춘 이 장비는 2D나 2.5D 형상의 출력에서 큰 효율을 보인다.

한가지 흥미로운 사실은, 초소형 출력 특화를 표방하는 나노-마이크로 3D프린팅 기술이 마이크로 단위의 초소형 단일 출력 영역에 그치지 않고, 2~6인치 웨이퍼 스케일상의 소형 출력 및 양산의 영역까지, 속도와 크기의 한계를 빠른 속도로 확장하며 발전하고 있다는 점이다. 이는 기존 중소형 SLA/DLP 시장에 시사하는 바가 적지 않다.


현재까지의 초소형 초정밀 적층 가공 기술의 발전 방향은 많은 글로벌 기업들의 현재·미래 먹거리로 꼽히는 바이오, 반도체, 항공우주 등 첨단산업분야와 밀접하게 연결되어 있다. 바야흐로 기술 융합이 화두가 되는 요즘, 향후 어떤 산업군과 결합하여 시너지를 발휘할지 귀추가 더욱 주목되고 있으며, 이 기술의 활용도와 발전방향은 각 민·관수 기업들 R&D 개발자의 혜안에 따라 가까운 미래에 큰 폭으로 달라질 수 있으리라 본다.

Nanoscribe社의 국내 총판을 맡고 있는 파트너사 ㈜자이브솔루션즈는 오는 10월16일부터 창원컨벤션센터에서 열리는 ‘TCT KOREA 2019’(부스위치: D05, D27) 전시회에 해당 샘플을 출품, 그간 고객들이 가져왔던 궁금증을 해소하는 시간을 가질 예정이다.


▲ Nanoscribe社는 2인치 웨이퍼에 마이크로렌즈 어레이를 출력했다.


▲ 이광자 중합 기술이 적용된 Nanoscribe社의 ‘Photonic Professional GT2’


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