정 훈 의 울산과학기술대학교 기계신소재공학부 조교수 ㅣ e-mail : [email protected] 김 홍 남 서울대학교 기계항공공학부 박사과정 ㅣ e-mail : [email protected] 서 갑 양 서울대학교 기계항공공학부 교수 ㅣ e-mail : [email protected]
이 원고를 고 서갑양 서울대학교 기계항공공학부 교수님께 헌정합니다.
이 글에서는 모세관힘을 이용한 나노가공기술과 그 응용기술에 대해 소개하고자 한다.
나노가공 기술 및 응용
1990년대 중반 나노임프린트, 소프트리소그래피 등 의 비전통적 나노패터닝 기술을 비롯한 나노크기의 구 조물을 가공할 수 있는 새로운 나노몰딩 기술들이 등장 하기 시작했다. 이러한 기술들은 대부분 나노크기의 미 세형상이 새겨진 몰드(mold)를 이용하여 가압 또는 모 세관힘 등을 통하여 미세형상을 복제하는 기술이라는 점에서 기존의 기계가공기술과 유사한 특성을 가지고 있다. 차이점은 나노크기의 형상을 몰드에 새기기 위하 여 노광 및 전자빔 리소그래피 기술을 활용한다는 점이 다.
모세관력 리소그래피기술(CFL: Capillary Force Lithography)은 이러한 새로운 나노가공기술개발의 일 환으로 2001년에 처음 개발되었다. 그림 1은 CFL의 공 정개략도를 나타내며 기본적인 공정방식은 다음과 같 다. 먼저 기판상에 고분자를 코팅하고 미세형상이 새겨 진 몰드를 고분자와 접촉시킨 후 고분자의 유리전이 온 도 이상으로 가열을 해주면 고분자가 유동성을 가지게 되어 몰드의 빈공간을 모세관힘에 의해 채우게 됨으로 써 원하는 미세형상을 형성할 수 있게 된다. 한편 이미 충분한 유동성을 가지는 액상 고분자의 경우, 몰드를 접촉시키는 것만으로도 모세관힘이 작용하게 되어 원 하는 미세형상을 얻을 수 있게 된다. 이 방식은 나노임
프린트 방식과는 달리 부드러운 탄성체 몰드를 사용함
에 따라 높은 압력을 가할 필요가 없고, 동시에 표면에
먼지나 입자 등이 어느 정도 있더라도 몰드가 기판에
균일하게 접촉될 수 있어 전체적으로 원하는 미세형상
을 쉽게 얻을 수 있다는 장점이 있다. 한편, 열가소성
고분자 외에도 UV경화성 고분자 등을 적용할 수도 있
으며, 이 경우 미세패턴을 얻는 데 소요되는 시간이 1분
미만으로 크게 단축될 수 있다. 한편 PDMS(Poly
dimethylsiloxane)와 같은 낮은 탄성계수를 가지는 몰
드를 사용할 경우 100nm 이하의 형상을 얻는 데는 많
은 어려움이 있어왔다. 이러한 단점을 극복하기 위하여
PUA(Polyurethane acrylate)를 활용한 리지플렉스 리소
그래피(Rigiflex lithography)방식이 개발되었으며, 기본
적으로 모세관력을 기반으로 한다는 공통점을 가지고
있다. PUA몰드의 경우 단단하면서도 유연한 특성을 가
지고 있어 100nm 이하의 고해상도 미세형상을 대면적
에 형성이 가능하다. 이와 같은 모세관력 기반의 나노
몰딩 기술을 활용할 경우, 평면 또는 곡면 기판에 다양
한 형상의 나노구조물을 쉽게 형성시킬 수 있으며, 이
에 따라 다양한 응용분야로의 적용이 가능하다. 아래에
서는 모세관력 나노몰딩 기술에 기반한 다양한 응용기
술에 대하여 살펴보도록 하겠다.
계층형 나노구조물을 이용한 스마트 건식접착 기술
게코도마뱀은 매끄러운 수직벽면이나 천정 등 다양 한 표면을 자유롭게 이동할 수 있다. 이는 게코도마뱀 발바닥에 존재하는 미세한 계층형 섬모구조에서 기인 하는데, 게코도마뱀의 발바닥에는 수백만 개의 마이크 로 섬모(setae)가 존재하며, 개개의 마이크로 섬모의 끝 부분은 다시 약 100-1,000개의 나노섬모(spatulae)로 구 성되어 있어, 이러한 섬모가 고체표면과 접촉 시 분자 간인력(Van der Waals force)을 극대화시킴으로써 매우 큰 접착력(10 N/cm
2)을 발생시킬 수 있게 된다. 무엇보
다 이러한 접착능력은 투명 테이프 등과는 달리 반복적으로 사용할 수 있고, 특정방향으로만 강한 접착력 을 보이는 등의 독특한 접착 특성을 가지고 있어, 게코도마뱀을 모방한 새로운 스마트 접착 기술을 개발하 고자 하는 노력이 지난 10년 간 전 세계적으로 매우 활발히 이루어져 왔다. 초기에는 단순히 나노크기의 섬모구조를 만들면 원하는 접착 특 성을 얻을 수 있을 것으로 판단되었 으나, 단순한 섬모구조를 얻을 경우 접착특성이 전혀 나타나지 않는 것 이 확인되었다. 일련의 연구에 따르 면 특정한 구조적 특성을 가지는 미 세구조를 형성시켜야 원하는 접착 특성을 얻을 수 있게 된다. 구체적 으로, 고종횡비 나노구조, 기울어진 형상, 주걱모양의 끝단 형상, 구조 적 계층성 등을 모두 충족시키는 복 잡한 구조물을 형성해야 원하는 수 준의 접착 특성을 얻을 수 있다. 이 러한 특성을 모두 만족시키는 미세섬모구조를 기존 기 술로 가공 하는 것은 많은 한계를 가지고 있었으나, 모 세관력 나노몰딩 기술에 기반한 일련의 새로운 나노가 공기술이 개발됨으로써, 높은 접착력을 가지는 스마트 건식접착시스템이 성공적으로 개발되었다. 대표적인 예로서, 고종횡비 구조를 만들기 위하여 PUA몰드를 이 용한 나노신장기술(Nanodrawing)이 개발된 바 있다.
이 기술은 PUA몰드/고분자박막 및 고분자박막/기판 계 면 사이의 표면에너지를 조절함으로써 기판상에 코팅 된 고분자 박막을 인위적으로 신장시키고, 이에 따라 종횡비 20 이상의 고분자 나노섬모구조를 형성시킬 수 있는 기술이다. 한편 나노크기의 경사구조물을 만들기 위하여 경사식각 기술(angled etching)이 개발된 바 있
그림 1모세관력 나노리소그래피의 (A) 공정개념도 및 (B) 결과 예
다. 기존에는 경사구조물을 형성하기 위하여 빛을 경사 로 조사하는 경사노광방식이 이용된 바 있으나, 이 경 우 나노크기의 구조물을 만들 수 없고, 끝단의 형상을 제어하기 위해서는 추가적인 공정이 필요하다는 단점 이 있었다. 하지만, 경사식각 기술을 적용할 경우 나노 수준에서 경사각도 및 끝단의 형상을 단일공정에 의해 매우 정밀하게 제어할 수 있다는 장점을 가지고 있다.
이외에도 형성된 고종횡비 미세섬모에 전자빔을 조사 하거나 섬모의 한 쪽면에만 금속을 선택적으로 증착함 으로써 경사나노구조를 형성하는 기술도 개발된 바 있 다. 이와 더불어 계층형 구조물을 만들기 위하여 2단계 모세관 몰딩 기술이 개발되었다. 이상의 기술을 적용할 경우, 실제 게코도마뱀의 나노섬모와 상당히 유사한 기 울어진 형태의 계층형 구조물을 성공적으로 형성할 수 있으며, 이러한 구조물은 게코도마뱀의 접착 특성을 넘 어서는 높은 접착력(~30N/cm
2), 방향성 접착 특성, 우 수한 반복사용성 및 내구성 등을 가지게 된다. 최근에 는 이러한 우수한 특성을 적용하여, 대면적 유리기판 이송기술 및 스마트 바이오패치 등의 응용 기술이 활발
히 연구되고 있다.
나노구조물을 이용한 고정밀 센서
한편 모세관 몰딩 기술에 의해 형성된 고종횡비 고분 자 섬모구조물을 서로 결합시킴으로써 새로운 형태의 고정밀 센서를 개발할 수 있다. 두 개의 섬모가 서로 체 결되는 시스템은 자연계의 딱정벌레(Beetle)에서 찾아 볼 수 있는데, 두 개의 고종횡비 섬모구조물이 서로 결 합되었을 경우, 분자간 인력에 의해 강한 전단력이 발 생하게 되어 두 개의 필름이 서로 결합된 형태를 얻을 수 있게 된다(그림 3 (A) 참조). 이를 이용할 경우 벨크 로 등의 시스템보다 훨씬 얇으면서도 약 4배 이상 강한 전단력(~40N/cm
2)을 확보할 수 있을 뿐 아니라, 이를 고정밀 스트레인게이지(strain gauge)센서로 활용할 수 도 있게 된다.
스트레인게이지 센서란 기계적 변형률(strain)을 전 기신호로 검출하는 센서를 의미한다. 구체적으로, 그림 3과 같이, 고종횡비 섬모구조물을 앞서 언급한 모세관
그림 2다양한 나노가공기술에 의해 형성된 건식접착구조물. (A) 나노신장기술을 이용해 형성된 고종횡비 나노구조; (B) 경사식 각기술에 의해 형성된 경사나노구조; (C) 2단계 모세관력 몰딩 기술에 의해 형성된 계층형구조
몰딩 기술에 의해 플렉서블 기판상에 형성시키고, 그 위에 백금 등의 금속을 증착한 후, 섬모구조물을 가지 는 두 개의 기판을 서로 접촉시킴으로써 섬모간의 체결 을 시켜주면 아주 간단한 방식에 의해 높은 성능의 스 트레인게이지 센서를 제작할 수 있게 된다. 기본적인 원리는 결합된 필름상에 압력을 가하게 되면 서로 체결 되어 있는 섬모구조물간의 접촉형태와 전기저항이 변 하게 되며, 가하는 압력의 크기에 따라 전기저항값이 변화하게 되어 이를 측정하게 된다. 한편, 수직압력 (pressure), 전단력(shear) 및 비틀림(torsion) 등이 가해 지는 압력의 종류에 따라 저항특성이 다르게 나타남으
로써 어떠한 형태의 변형이 작용되고 있는지 역시 구분 할 수 있는데, 이는 기존의 압력센서 등으로는 구현이 불가능했던 특성이다. 무엇보다 이 기술의 경우, 복잡 한 트랜지스터 등의 반도체소자 등을 사용하지 않음에 도 기존의 압력센서에 비해 높은 감도를 얻을 수 있으 며, 가해지는 변형의 종류도 감지할 수 있는 등 여러 우 수한 특성을 얻을 수 있다.
나노구조물을 이용한 바이오멤스 기술
인체 내부의 장기들은 크기와 방향이 잘 정렬된 각종
그림 3(A) 상호체결된 고종횡비 나노섬모를 이용한 플렉서블 스트레인 게이지 센서의 개념도 및 (B) 실제 사진,; (C) 사용된 고 종횡비 나노섬모의 주사전자현미경 사진; (D) 제작된 스트레인게이지 센서를 이용한 수직압력, 전단력, 비틀림 변형 측정 예,; (E) 손가락을 이용한 수직압력, 전단력, 비틀림 측정 예
나노구조물로 이루어져 있으며 이러한 독특한 나노구 조는 계층적으로 결합하여 마이크로 구조, 더 크게는 장기조직을 이루게 된다. 나노구조의 재료적 특성과 정 렬 특성은 해당 장기조직의 기능 및 특성과 밀접한 관 련을 가지고 있다. 예를 들어 심장과 골격근에 존재하 는 정렬된 나노섬유 및 세포들은 근육조직이 방향성 있 게 수축할 수 있게 만들어주는 반면, 뼈를 이루는 하이 드록시아파타이트(Hydroxyapatite) 나노크리스털과 콜 라겐 섬유들은 벽돌을 쌓은 모양(brick-and-mortal structure)으로 적층되어 있어 외부의 충격을 흡수하는 완충기 역할을 한다.
앞에서 서술한 모세관력 나노 몰딩기술을 적용할 경 우, 인체내부의 정렬된 나노구조물과 유사한 구조물들 을 제작할 수 있으며, 이 경우 세포의 입장에서 인체와 유사한 환경을 인체 외부(in vitro)에 구현할 수 있게 된 다. 흥미롭게도 인체 내부(in vivo) 환경을 모사한 나노 구조 상에서의 세포 거동은 기존에 널리 사용되어왔던 플라스틱 배양기판 위에서와는 상당히 다르고, 오히려 인체내부의 세포와 비슷한 양상을 보이게 된다. 따라서 기초적인 세포 거동 연구 및 조직 재생 스캐폴드 등에 나노구조를 사용하면 더욱 정확한 세포의 거동을 연구 할 수 있으며, 조직재생 측면에서도 더욱 효과적인 결 과를 얻을 수 있게 된다. 이에 따라, 생체 내 나노구조 를 모사한 인공 나노구조물이 형성된 기판을 사용하여 세포의 성장, 분화, 사멸, 이동 등을 제어하려는 연구가
활발하게 이루어지고 있다.
대표적으로 뼈의 나노구조를 모사한 줄기세포 배양 플랫폼을 들 수 있다. 뼈의 단면에는 한쪽 방향으로 정 렬된 나노라인패턴이 존재하며(그림 4 (A)), 정렬된 방 향을 따라서 뼈세포(osteocyte)가 정렬되어 있다. 뼈의 나노라인 구조를 모사한 패턴(그림 4 (B))상에 인간성 체줄기세포를 배양하게 되면 기존의 실험 방법보다 더 높은 수율로 줄기세포를 뼈세포로 분화시킬 수 있게 된 다. 또한 뼈 내부에서의 혈관과 뼈세포간의 상호작용에 착안하여 나노패턴 위에서 줄기세포와 혈관세포를 공 동배양하였을 경우, 줄기세포의 뼈세포로의 분화가 훨 씬 더 향상되었음이 밝혀졌다.
이외에도 심장의 나노섬유조직을 모사하여 생체적합 재료인 폴리에틸렌글리콜(PEG: Polyethylene Glycole) 로 제작한 나노라인 패턴상에 쥐심근 세포를 배양한 결 과, 배양된 세포가 실제 심장과 유사하게 정렬된 형상 으로 자라났음이 보고된 바 있다. 또한 PEG 나노패턴 에서 배양된 심근세포를 실제 심근경색이 일어난 쥐의 심장에 부착한 결과, 심장벽이 더 잘 재생되었음이 보 고되었다. 이외에도 피부의 상처 재생, 뇌의 신경조직 재생, 제어된 줄기세포 분화, 암세포 거동 관찰, 면역세 포 거동 관찰 등 나노구조물을 활용할 경우 다양한 세 포공학 및 조직공학적 응용이 가능하게 되며, 이에 따 라 전세계적으로 관련 연구가 활발히 진행되고 있다.
그림 4(A) 뼈의 단면에서 관찰할 수 있는 나노라인 구조; (B) 뼈의 나노구조를 모사해서 제작한 고분자 나노라인 패턴
fist 1:1 간격 나노라인
1:3 간격 나노라인 1:5 간격 나노라인
