표준연, 나노미터 크기 부품의 제작/조립에 성공
자동차, 로봇, 비행기 등 아이들은 블록을 가지고 다양한 모양의 물체를 만들어 낸다. 하지만 육안으로는 보이지도 않고, 뒤집고 조립한다는 것은 상상하기도 힘든 나노크기의 부품을 블록처럼 내 마음대로 조립하고, 이동이 가능해 진다면 어떨까? 최근 표준연 하동한 박사팀이 이러한 꿈을 현실화하는 기술 개발에 성공했다. 현미경을 통해서만 형체를 알아 볼 수 있을 정도로 작은 마이크로/나노크기의 로봇이 공상 과학소설의 영역을 벗어나, 이제 현실 속 최첨단 신기술의 한 분야로 다가온다.
현재 소형 부품을 조립하여 제작하는 수 cm 크기의 로봇으로는 ‘캡슐형 내시경’, 손바닥 크기 정도의 ‘헬리콥터’ 등이 있다.
이러한 장치 외에도 MEMS/NEMS 기술을 이용하면 mm 크기의 기계장치를 제작하는 것도 가능하다. MEMS/NEMS 기술은 21세기 최첨단 미세구조 제작기술로 평가받고 있으며, 복잡하고 다양한 미세 전자기계 시스템을 제작할 수 있다.
하지만 이러한 기존 기술에도 한계는 있다. 즉, 부품의 크기가 수십 μm 정도로 크고 전체 구조를 한번에 제작해야 하는 단점이 있다. 따라서 각 부품을 이동, 교체, 조립하는 것에 제약이 따른다.
한국표준과학연구원(원장 정광화)의 미래신수요측정그룹 하동한 박사팀은 이러한 기존 기술의 한계를 극복하고, 나노미터(nm, 1 nm = 10억분의 1 미터) 크기의 부품 제작 및 제어기술 개발에 성공하였다. 제작한 부품들의 크기는 머리카락 굵기의 1/200정도로 육안으로는 확인이 불가능하며 전자현미경을 통해서만 확인이 가능할 정도로 매우 작다.
이 기술의 개발로 기존 방식에 비해 수십에서 수백 배 작은 크기이며, 극미세 기계구조제작에 필수적인 500 nm 이하 크기의 기어나 바퀴 등 여러 가지 형태의 정교한 부품을 제작할 수 있게 되었다.
또한 부품의 손상 없이 뒤집기, 위치이동 및 조립 등이 가능해져 전체 구조를 한번에 제작해야 하는 제약에서 벗어났다.
이를 통해 전체 크기가 마이크로미터(μm , 1 μm = 100만분의 1 미터) 혹은 그보다 더 작고, 복잡한 구조의 기계나 로봇 제작의 가능성이 열렸다.
더욱이 다른 방법으로 제작한 미세 기계구조나 로봇의 수리 및 변형에도 이 기술을 활용할 수 있어 효용성이 매우 높다.
이번에 개발한 다양한 모양의 나노부품들은 같은 그룹의 윤완수 박사팀에서 합성한 단결정 금 원판을 집속이온빔을 이용하여 가공함으로써 제작하였다.
금은 인체에 무해하며 내화학성이 강하다. 따라서 하박사팀이 개발한 극미세 부품제작 및 제어 기술은 공상과학영화에서나 가능하던 인체내부를 항해하며, 환부를 찾아 손상된 세포를 치료하는 마이크로 혹은 나노 크기의 극미세 의료용 로봇 등의 제작이 실제로 가능함을 보여주었다.
주요성과 및 향후 계획
이번 연구개발 성과는 미래 나노산업 관련시장에서의 경쟁력을 강화하고, 표준화를 선도하는 데 크게 기여할 것으로 전망된다.
이러한 가능성을 인정받아, 물리학/화학분야의 권위 있는 학술잡지인 어플라이드 피직스 레터즈(Applied Physics Letters)와 케미스트리 오브 머티리얼즈(Chemistry of Materials)에 각각 발표되었다. 이밖에 미국에서 발행하는 과학잡지인 포토닉스 스펙트라(Photonics Spectra)에 새로운 중요기술로 소개되기도 하였다.
또한 금 단결정 원판 합성 및 나노부품 제작·제어 기술은 각각 한국, 미국, 일본 등에 특허를 등록 및 출원 중이다.
하동한 박사팀은 그 동안 축적한 기술을 바탕으로, 나노크기 부품들의 3차원적인 조립기술 개발 및 조립한 극미세 기계구조를 실제로 구동시키는 연구를 수행하고 있다.
연구진은 앞으로 생체분자나 기능성 유기분자와의 결합을 통한 극미세 소자 제작 기술 개발 및 나노부품들의 크기나 모양에 따른 특성변화 분석 등에 대한 나노측정기술 개발에도 지속적인 연구를 수행할 계획이다.
- MEMS/NEMS(Micro/Nano Electro-Mechanical Systems) 기술: 크기가 1 mm 이하로 육안으로는 보이지 않을 정도로 작은 기계적인 부품과 전기적인 부품이 결합된 미세 전자기계 시스템을 제작하는 기술로 광, 화학, 생물 소자 제작 등 다양한 분야에서 응용되고 있다.
- 집속이온빔(Focused Ion Beam) 시스템: 집속한 Ga+ 이온빔을 이용하여 미세구조를 관찰하거나 가공하는데 사용하는 장치이다. 이온빔의 강도가 약한 경우에는 미세구조의 표면에 이온빔을 주사할 때 방출되는 전자나 이온을 통하여 미세구조의 형상을 관찰한다. 또한 이온빔의 강도가 강한 경우에는 이온빔이 집속된 부분만 선택적으로 식각되므로 미세가공을 할 수 있다.
한국표준과학연구원 개요
국가측정표준 정점이며 가장 앞서가는 측정을 연구하는 대덕연구단지내의 출연연구기관입니다.
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