[신기술 소개] 하프톤 젤 리소그래피법을 활용한 외부자극에 반응가능한 곡면의 설계

NEWS & INFORMATION FOR CHEMICAL ENGINEERS, Vol. 30, No. 3, 2012…289

신기술 소개

얼마전세계적으로인기를끈트랜스포머(Transformers) 라는 영화가 있었다. 이 영화에서 평상시에는 자동차 형상이나 위기 상황을 닥쳤을 때 로봇으로 변신하는 영화 장면은 많은 사람에게 삼차원 영화의 색다른 재 미를 안겨 주었다. 이와 같이 외부 자극에 따라 삼차원

형상을 자유롭게 변신할 수 있는 기술이 개발된다면 로봇공학, 의용생체공학 및 마이크로 광학 등에서 매 우 흥미로운 기술이 개발될 수 있을 것으로 예상된다.

최근 Science지(2012년 3월 9일자)에 한국인 김정 욱박사가 논문의 제1저자로 참여한 UMass, Amherst

하프톤 젤 리소그래피법을 활용한 외부자극에 반응가능한 곡면의 설계

(Designing responsive buckled surfaces by halftone gel lithography)

그림 1. 하프톤 젤 리소그래피법을 활용한 젤의 제조과정[Kim et al., Science, 333355, p. 1201 (2012)].

그림 2. 하프톤 젤 리소그래피 법에 의한 비대칭형 곡면을 가진 입자 제조의 다양한 예시 [Kim et al., Science, 333355, p1201 (2012)].

연구진에 의해 외부 온도에 따라 이차원 평면에서 삼 차원 곡면으로 상호 전환이 가능한 입자 제조 기술이 보고되었다. 이 기술은 [그림 1]에서 보는 바와 같이 두 장의 마스크를 사용하여 poly(N-isopropylacrylamide) [그림 1 (A)]라는 광가교결합형-온도 반응성(‘photo cross-linkable and temperature responsive’) 고분자 의 중합도를 각기 달리한 영역을 하나의 젤 내에 형성 하는 것에 의해 구현이 가능하다. 먼저 [그림 1 (B)]

는 고분자 중합체와 실리콘 웨이퍼를 상호 분리하기 위한 sacrificial layer의 형성과정이고, C는 젤의 외곽 형상을 이루기 위한 포토 리소그래피 공정으로 UV 양 을 조절하여 중합도가 비교적 낮은 영역을 형성하는 공정이다. D는 C공정에 의해 형성된 젤 영역 내부에 중합도가 상대적으로 높은 점(dot) 형태의 영역을 형 성하는 공정이다. 이렇게 이중 구조로 형성된 젤을 용 액에 넣어 실리콘 웨이퍼로부터 젤을 분리하면, 젤은 용액을 머금어 부풀어 오르게 되는데(swelling) 젤의

중합도에 따라 부풀어 오르는 정도는 다르게 된다. 만 약 점 모양의 영역이 공간적으로 균일하게 분포되어 있지 않을 경우, 젤의 팽창정도가 공간적으로 일정치 않아 삼차원적으로 휘게 될 것이다. 이 논문의 연구자 들은 하프톤 인쇄법으로부터 젤 내부에 국부적으로 중 합도가 높은 영역([그림 1]에서 점 형태의 영역)을 공 간적으로 잘 조절하면 원하는 삼차원 곡면을 제조할 수 있을 것이라는데 착안하여 본 기술을 개발하였다.

이 기술에서 놀라운 점은 [그림 2]에서 보는 바와 같이 젤 내부의 점 형태의 크기와 분포를 조절하여, 다양한 형태의 비대칭형 삼차원 곡면을 자유롭게 제 조할 수 있는 가능성을 제시하였다는 것이다. 그리고 연구자들은 이렇게 제조된 입자의 모양이 온도에 따 라 이차원 평면과 삼차원 곡면으로 상호 전환이 가능 함을 시연해 보였다[Kim et al., Science, 333355, p.1201 (2012)].

290…NICE, 제30권 제3호, 2012

신기술 소개

고분자로 이루어진 기능성 입자의 성질은 입자의 크기, 모양 및 물리화학적 성질에 의해 크게 좌우되고, 최근에 광학, 미세유변학, 조직 공학 및 생체분자의 분 석 등에 그 활용도가 높아지고 있다. 예를 들어 고분 자 입자는 약물전달체계(drug delivery system)에 널 리 활용되고 있는데, 입자의 흐름 및 분해는 입자의 모양에 의해 크게 영향을 받는다고 알려져 있다[Laza et al., Adv. Mat., 2244, p.1304(2012)]. 한편 2006년에 MIT 화학공학과 Patrick Doyle 그룹에서 비구형 입 자를 연속으로 제조할 수 있는 소위 연속흐름 리소그 래피법(CFL; continuous flow lithography)

[Dendukuri et al., Nat. Mat., 5, p.365 (2006)]이라 는 방법이 개발되어, 생체분자의 다중분석(multiplexed analaysis)[Pregibon et al., 315, p.315(2007)] 등에 널리 활용되고 있다. 그런데 전통적인 CFL은 삼차원 입자를 연속하는데 일정한 한계가 있다는 점과, 입자 제조상의 분해능이 1.5 마이크론 정도로 마이크론 이 하의 특성 길이를 갖는 입자를 제조하는 것이 가능하 지 않다는 점이 한계로 지적되고 있다[Laza et al., Adv. Mat., 24, p.1304(2012)]. 최근 이태리 Salento 대학의 연구진들은 이광자 리소그래피법(TPL; two- photon lithography)과 CFL을 결합하여, 전통적인

이광자 연속흐름 리소그래피에 의한 삼차원 비구형입자 제조

(Two-photon continuous flow lithography)