Meniscus-Guided 3D Nanoprinting Technology for Quantum Device Assembly

Hyeon-Seok SEO, Damun HEO and Jong-Min LEE

The future we envision is always driven by technological innovation, and among the most promising fields is quantum technology. Ultra-fast computing, highly precise sensors, and unbreakable communication networks, once confined to science fiction, are now becoming reality. At the heart of realizing these advancements is 3D nanoprinting technology. This technique, which meticulously builds structures at the atomic scale, is essential for assembling quantum devices. In particular, meniscus-guided 3D nanoprinting is gaining attention as a revolutionary method, enabling extreme precision that was previously unattainable through traditional approaches, accelerating the commercialization and widespread use of quantum devices. However, the significance of quantum technology extends beyond mere technical achievements. It is also emerging as a key factor in national competitiveness and security. With intense global competition in areas like quantum computing, encryption, and sensing, research and investment to bridge the technological gap with leading nations are more crucial than ever. This article explores the principles and potential applications of meniscus-guided 3D nanoprinting, highlighting why this technology is poised to play a pioneering role in the quantum revolution.

들어가며

우리가 꿈꾸는 미래는 언제나 기술 혁신의 힘에 달려 있다. 그중에서도 양자 기술은 가장 큰 잠재력을 지닌 분야 중 하나다. 영화에서나 등장할 법한 초고속 계산, 초정밀 센서, 해킹 불가능한 통신망은 더이상 공상과학의 영역에 머물지 않는다.

그러나 양자 기술의 발전은 단순한 기술적 성과를 넘어선다. 이는 국가 경쟁력과 나아가 국가안보에도 중요한 역할을 할 수 있는 핵심 요소로 부상하고 있다. 양자 컴퓨팅, 양자 암호화, 양자 센서 등 다양한 양자 기술 분야에서 치열한 글로벌 경쟁이 진행 중이며, 선진국과의 기술 격차를 좁히기 위한 연구와 투자가 그 어느 때보다 중요해지고 있다.

2023년 선정된 한림대학교 반도체‧디스플레이스쿨 3D 나노프린팅 기반 양자소자 어셈블리 기초연구실은 양자소자 개발을 위한 핵심기술로 3차원 나노 프린팅을 제시하고 있다. 마치 눈에 보이지 않는 손으로 나노 단위의 섬세한 구조물을 쌓아 올리는 이 기술은, 복합적인 3차원 양자소자 조립에 사용될 수 있다. 특히 메니스커스 유도 기반의 3차원 나노 프린팅 기술은 전통적인 방법으로는 불가능했던 극미세 정밀도를 실현하여, 양자소자의 상용화와 대중화를 앞당기는 혁신적인 방식이라 평가할 수 있다.

본 특집호에서는 미래 양자소자를 구현하는 기술로 기대되는 메니스커스 유도 기반 3차원 나노 프린팅의 원리와 응용 가능성을 탐구하고, 이 기술이 양자 혁명에서 선도적인 역할을 할 수 있는 이유를 조명하고자 한다.

서 론

양자 기술은 현대 과학과 기술의 경계를 넘어서는 혁신적인 분야로 자리 잡고 있다. 양자 컴퓨터, 양자 암호 통신, 양자 센서와 같은 첨단 시스템은 정보 처리, 보안, 감지 기술에서 혁신적인 변화를 이끌 잠재력을 지니고 있다. 이 중에서도 단일광자 광원은 이러한 양자 시스템의 필수 구성 요소로, 양자 정보통신과 암호화 시스템에서 중요한 역할을 한다. 하지만 단일광자 광원이 실용적인 양자 시스템에서 효율적으로 작동하기 위해서는 나노 광섬유와 같은 정밀한 광학 결합 구조가 필요하다.

현재 양자소자 연구는 주로 개별 소자의 성능에 집중되어 있지만, 이를 실제 양자 시스템에 적용하려면 단일광자 광원과 양자 시스템을 효과적으로 연결하는 후공정 및 결합 구조에 관한 연구가 필수적이다. 특히 단일광자 광원과 광도파로 간의 높은 결합 효율을 실현하려면 나노미터 수준의 정밀한 결합 구조와 공정 기술이 요구된다. 이를 해결하기 위해서는 양자점(QDs)과 같은 나노-양자 구조의 광학적 특성 분석뿐만 아니라, 이를 나노 광섬유와 연결하기 위한 정밀한 정렬 및 공정 기술이 필요하다.

메니스커스 유도 기반의 3차원 나노 프린팅 기술은 이러한 도전 과제에 혁신적인 해결책을 제시한다. 이 기술은 나노 광섬유를 비롯한 복잡한 구조물을 나노미터 수준의 해상도로 제조할 수 있으며, 단일광자 광원과 양자 시스템의 정밀한 연결을 가능하게 한다. 더 나아가 나노 광섬유의 제작 및 광신호 전달 특성을 개선하여 양자소자 간 결합 효율을 극대화할 가능성도 열어준다.

본 기초연구실에서는 양자 시스템에서 단일광자 광원을 나노 광섬유와 결합해 높은 효율을 실현하는 것을 목표로 한다. 이를 위해 단일광자 광원의 최적화, 3차원 나노 프린팅을 통한 나노 광섬유 제작, 나노 광섬유와 단일광자 광원의 정밀한 결합을 위한 제어 기술 개발에 집중하고 있다.

메니스커스 유도 기반 3차원 나노 프린팅

3차원 나노 프린팅은 적층 제조(additive manufacturing)의 한 형태다. 제조 산업에서의 다양한 응용 가능성 덕분에 최근 몇 년간 다양한 연구가 활발히 이루어지고 있다.1) 전통적인 3차원 프린팅 방식은 재료 선택의 제한과 정밀도 부족으로 인해 주로 시제품 제작에 국한되어 왔으나, 새로운 연구들이 이러한 한계를 극복할 방법을 제시하고 있다.2)3)4)

특히, 노즐 기반 3차원 프린팅에서는 점탄성 콜로이드 잉크를 사용해 고분자, 금속, 세라믹 등 다양한 재료의 3차원 출력이 가능함을 입증했다.

최근에는 메니스커스 유도 기반 3차원 프린팅 기술이 주목받고 있다. 이 기술은 나노 피펫(nano pipette) 끝에 형성된 메니스커스를 활용해 잉크를 지속적으로 공급하며, 매우 높은 공간 해상도를 제공하는 장점이 있다.5)6) 특히 메니스커스의 기계적 유연성을 통해 약 100 nm 수준으로 정밀도를 제어할 수 있어, 기존 노즐 방식에서 발생하던 노즐 막힘 문제를 방지할 수 있다. 이 기술은 고분자,7) 금속,8) 탄소 나노물질,9) 페로브스카이트10) 등 다양한 재료와도 호환할 수 있다.

메니스커스 유도 기반 3차원 프린팅의 이러한 기술적 발전은 전자 및 포토닉 기기를 나노 범위에서 직접 제조할 수 있는 새로운 기회를 제공한다. 본 특집에서는 전자 및 포토닉 장치 제작을 위한 메니스커스 유도 기반 3차원 프린팅의 최신 연구성과를 다루고, 마이크로/나노 규모 프린팅을 위한 펨토리터(Femto Litter, fL) 잉크 메니스커스의 형성과 활용에 관해 설명하고자 한다. 또한 다양한 재료를 이 방식으로 프린팅하여 전자 및 포토닉 기기에 응용하는 구체적인 방법과 가능성을 소개할 예정이다.

메니스커스 형성

메니스커스 유도 3차원 프린팅 공정은 용매가 빠르게 증발하는 조건에서 펨토리터 단위의 뉴턴 유체 잉크 메니스커스를 활용하여 자유 형상의 3차원 나노구조물을 제작하는 기술이다. 첫 번째 단계는 나노 피펫 팁과 기판 사이에 잉크 메니스커스를 형성하는 것이다.

이와 관련하여, 잉크 메니스커스 형성을 위한 세 가지 주요 방식이 개발되었다. 첫 번째는 물리적 접촉방식, 두 번째는 전기유체역학 분사 방식, 세 번째는 압력 유도 분사 방식이다. 이 세 가지 방식은 각각 메니스커스의 형성 및 제어에 대한 서로 다른 접근 방식을 제공하며, 3차원 나노 프린팅의 정밀도와 효율성에 큰 영향을 미친다.

1. 물리적 접촉방식

먼저, 물리적 접촉 방식에서는 잉크가 채워진 나노 피펫이 기판 표면에 접촉하면, 젖음 현상에 의해 나노 피펫과 기판 사이의 간격에서 펨토리터 단위의 잉크가 배출되어 메니스커스를 형성한다. 그런 다음, 메니스커스 표면에서 용매가 빠르게 증발하여 잉크가 고체화된다. 이후 나노 피펫을 위로 이동시키면, 이전에 고체화된 구조물의 상단 부분에서 새로운 메니스커스가 형성되고, 이 과정에서 고체화가 지속된다(그림 1 참조). 이렇게 하여 나노 피펫이 이동하는 동안, 나노 피펫 팁과 인쇄된 구조물의 상단 사이에 메니스커스가 안정적으로 유지되면 연속적인 나노 수준의 프린팅이 가능하다.11)

Fig. 1. Series of optical illustrations and micrographs showing the vertical and curve growth of the colloidal cluster are included.

이 물리적 접촉방식의 장점은 외부 필드나 추가적인 단계를 요구하지 않고, 최소한의 방법으로 잉크 메니스커스를 생성할 수 있다는 점이다. 그러나 이 방법은 나노 피펫과 기판 간의 접촉 동작의 일관성 부족과 반복적인 접촉으로 인한 나노 피펫 팁의 파손 문제로 인해 한계가 있다. 이러한 문제를 해결하는 것은 고속 및 대량 3차원 프린팅 공정을 확립하는 데 중요한 과제로 남아있다.

2. 전기유체역학 분사 방식

비접촉 방식은 나노 피펫과 기판 간 물리적 접촉 없이 구조물을 정밀하게 적층 제작하는 기술로, 더욱 섬세하고 복잡한 구조물의 제작이 가능하다. 또한, 나노 피펫이 기판과 접촉하는 과정에서 발생할 수 있는 파손 문제가 없으므로 안정성이 높다.

Chen의 연구에서는 전기유체역학 분사 방식을 이용해 비접촉 방식의 메니스커스 유도 3차원 프린팅을 구현하였다.12) 이 방식은 잉크로 채워진 나노 피펫을 기판에서 몇 마이크로미터 떨어진 위치에 배치하는 것으로 시작된다. 이후 기판에 240~ 360V의 전압과 함께 프로그래밍이 된 펄스가 인가되면 전기유체역학 분사(Electro Hydrodynamic Dispensing)가 시작된다. 나노 피펫을 기판으로부터 멀리 이동시키면, 메니스커스가 점진적으로 늘어나면서 연속적인 3차원 나노구조물의 성장이 가능해진다.

이 과정은 물리적 접촉이나 복잡한 위치 피드백 시스템 없이도 구조물 제작을 단순화할 수 있음을 보여준다. 메니스커스는 용매 증발의 효과 아래에서 자유 형상의 3차원 나노구조물 제작에 사용될 수 있다. 또한, 이 방법은 세 갈래로 나눠진 다중 유리 나노 피펫을 사용하여, 노즐 사이의 거리를 100 nm 이하로 좁힘으로써 매우 좁은 간격에서 구조물을 출력할 수 있음을 증명하였다. 나아가, 각기 다른 잉크를 세 갈래로 나눠진 나노 피펫에 사용하여, 위치별로 물성이 다른 나노구조물을 제작할 수 있음을 확인하였다(그림 2 참조).

Fig. 2. (a) Schematic illustration of noncontact electrohydrodynamic dispensing. (b) Meniscus-on-demand three-dimensional (3D) nanoprinting: a schematic diagram of the structural fabrication process.

프린팅 물질

1. 금속

금속은 전자 및 포토닉 회로의 통합에 필수적인 요소로, 그 뛰어난 전기적, 광학적, 기계적 특성 덕분에 널리 사용되고 있다. 예를 들어, 매우 높은 전도성을 지닌 금속 배선은 회로 내에서 전자 기기 간의 신호와 데이터를 전달하는 중요한 경로를 제공한다. 또한, 나노 수준 금속 재료(예: 나노입자)는 서브 파장 수준에서 전자기장을 정밀하게 조작해 나노포토닉 장치의 구성 요소로 활용될 수 있다.12)13) 하지만 금속 부품을 칩에 3D로 통합할 수 있는 제조 방법이 필요한데, 이를 통해 통합 밀도와 설계의 유연성이 대폭 향상될 수 있다. 최근 연구에서는 메니스커스 유도 기반 프린팅 기술이 주목받고 있다. 이 기술은 (1) 전기화학적 증착과 (2) 나노입자 조립 및 어닐링의 두 가지 경로를 통해 자유 형상의 금속 미세 및 나노구조물을 제작하는 데 사용된다. 이제 이 기술을 기반으로 한 금속 구조물의 3D 프린팅과 전자 및 포토닉 응용의 최근 발전을 살펴보자.

이 프린팅 장치는 전해질이 채워진 유리 나노 피펫, 금속 선(양극), 그리고 금속이 증착될 도전성 기판(음극)으로 구성된다(그림 2 참조). 금속 선과 기판 사이에 전위차가 적용되면, 나노 피펫과 기판 사이에 형성된 전해질 잉크 메니스커스 내에서 전기 증착이 일어난다. 나노 피펫이 기판에서 점차 철수할 때 증착은 수직 방향으로 유도되며, 나노 피펫의 철수 속도와 금속의 수직 성장이 일치되면 메니스커스의 열역학적 안정성을 유지하여 자립형 금속 구조물이 지속해서 성장할 수 있다(그림 2(a)).

메니스커스 유도 기반 3차원 프린팅은 금속 나노입자가 현탁된 용액을 잉크로 활용할 수도 있다.

나노 피펫과 기판 사이에 형성된 액체 메니스커스는 용매 증발로 인해 나노입자의 자가 조립을 3차원적으로 제어할 수 있으며, 이를 통해 자립형 금속 미세 구조물을 생성할 수 있다(그림 3(a)).14)

Fig. 3. (a-1) Schematic of 3D printing of freestanding metallic nano-structures. (a-2) Schematic illustrating the self-assembly of a heterogeneous QD-embedded AuNP plasmonic structure. (b) Schematic of the hetero-assembly between AuNPs and QDs.

이 이종 자가 조립 방식은 메니스커스 유도 공정에 기반하여, 자유 형상 플라즈모닉 부품을 제작하는 데 있어 전례 없는 단순함과 구조적 설계의 자유를 제공한다. 이를 통해 3차원 플라즈모닉 구조물을 활용한 향후 연구의 기반을 마련할 수 있다.

특히, 이 방법은 구조물의 자유 형상 기하학을 쉽게 생성할 수 있어, 근거리 및 원거리에서의 광학적 특성을 정밀하게 제어할 수 있다. 플라즈모닉 구조물에 내장된 양자점(QDs)의 수정된 자발 방출 거동은 효율적인 광학적 결합을 보여준다.

또한, 이 기술은 바이러스나 그 변종을 진단하기 위한 표면 증강 라만 분광(SERS) 플랫폼으로서 큰 잠재력을 지닌다. 자가 조립된 기둥의 높은 종횡비는 주요 장점 중 하나로, 기둥 배열은 높은 표면 대 부피 비율 덕분에 센서의 성능과 밀접하게 연관되어 강력한 검출 도구로 활용될 수 있다. 이 이종 자가 조립 방식은 제작 공정에 대한 전면적인 특성화가 이루어진다면, 3D 플라즈모닉 기반 나노포토닉 구조물의 맞춤형 제조로 가는 길을 열 것으로 기대된다.

2. 탄소 나노물질

Fig. 4. Optical micrographs of the MWCNT (Multi-Walled Carbon Nanotube) pillar array with a scale bar of 50 μm. (a) Before heating and (b) after heating, illustrating the physical structural differences. These images are part of a reproduction experiment.

탄소 나노물질은 그 독특한 화학적, 전자적, 광학적, 열적, 기계적 특성 덕분에 최근 몇 년 동안 많은 연구자에게 큰 관심을 받고 있다.

그래핀은 단원자 두께의 매우 얇은 탄소 시트로 이루어진 2차원 물질로, 가볍고, 넓은 표면적을 가지며, 기계적 강도와 전기전도성이 매우 우수하다.15)16)

그래핀 산화물(GO)은 그래핀의 산화된 형태로, 이를 이용해 3D 미세 및 나노구조물을 제작하려는 많은 연구가 이루어지고 있다.17)18)19)

GO는 화학적 또는 열적 환원을 통해 환원된 그래핀 산화물(rGO)로 변환되며, rGO는 뛰어난 전기전도성을 나타낸다.20)

Kim 등은 메니스커스 유도 3D 프린팅을 통해 GO 나노와이어를 처음으로 제작한 연구를 발표했다. 이 과정에서 GO 잉크는 기판 위에서 메니스커스라는 얇은 액체막을 형성하였고, 나노 피펫이 상승하면서 용매가 빠르게 증발하여 GO 나노와이어가 성장하였다.

또한, Kim 등은 메니스커스 유도 3D 프린팅으로 다중 벽 탄소 나노튜브(MWCNT)를 이용해 미세 구조물을 제작했다고 보고하였다. MWCNT 현탁액은 PVP라는 물질과 혼합되어 프린팅에 적합한 유변학적 특성을 갖추었고, 이를 이용해 기둥 배열(그림 4), 자립형 브리지, 벽 구조, 지그재그 형태의 MWCNT 구조물을 제작하였다. 이 구조물들은 가스 센서, 포인트 방출기, 고주파 인덕터로 활용될 가능성을 보여주었다.21)

Janus 기둥의 동적 응답

메니스커스 유도 기반 3차원 프린팅 생체 재료 기반 구조와 결합한 Janus 기둥을 제작할 수 있게 한다. 그림 5(a)에서 Ag 나노입자(AgNPs)와 M13 박테리오파지(M13) 생체 재료를 사용하여 Janus 기둥을 제작하는 과정을 보여준다. 상단과 하단은 각각 각 공정의 측면 이미지와 도식을 나타낸다. Janus 기둥은 이전의 3D 기둥과 같은 제조 공정을 통해 제작된다. 두 가지 잉크, 즉 80 nm AgNPs와 M13이 분산된 잉크가 두 개의 배출구가 있는 나노 피펫 팁을 통해 나온다(그림 5(a)).

Fig. 5. Dynamic Janus pillar comprising M13 bacteriophages (M13) and AgNPs. Fabrication process of Janus pillar schematics.The sphere and short line represent the AgNPs and M13, respectively.

팁을 통해 나온 두 잉크는 매우 빠르게 건조되므로, 기둥 제작 과정에서 혼합되지 않고 두 재료 간의 명확한 경계를 가진 Janus 기둥이 생성된다(그림 5(b)). 어두운 영역은 M13을, 밝은 영역은 AgNPs를 나타낸다. 이 증발 기반 3D 프린팅 기술은 생체 재료와 나노입자(NPs)를 결합한 구조물을 제작하는 데 매우 적합하며, 고분자 재료나 금속 나노입자로 구성된 다양한 구조물의 개발에도 이바지할 수 있다. 특히, M13은 지름 6.6 nm, 길이 880 nm의 나노입자로, 유전자 공학 기술을 통해 p8 단백질을 변경하여 다양한 표적 물질을 감지하는 기능성 생체 재료로 활용된다.22)23)

Janus 기둥은 재료의 팽창 속도 차이를 이용해 기계적 운동하는 동적 작동장치로도 사용될 수 있다. M13은 습도에 따라 팽창하지만, 금속 나노입자는 그렇지 않다. 따라서 M13으로 구성된 Janus 기둥은 습도 변화로 인해 팽창할 수 있다. 반면, 습도가 매우 낮으면 M13은 수축하며, 진공 상태에서는 Janus 기둥이 M13 쪽으로 구부러진 모습을 볼 수 있다. Janus 기둥에서 AgNPs로 구성된 부분의 길이는 변하지 않지만, M13으로 구성된 부분의 길이는 최대 12%까지 증가한다. 즉, 외부 가스에 대한 노출로 인한 이러한 동적 변화는 M13과 AgNPs로 구성된 Janus 기둥을 동적 작동장치로 개발할 수 있음을 의미한다. M13 수용체는 유전자 공학 기술을 통해 다양한 표적 물질에 잘 반응하도록 설계할 수 있어, 센서 응용 연구에서 큰 확장 가능성을 지니고 있다.22)23)24)25)26)

이러한 연구에서는 맞춤형 모세관을 통해 모세관 현상을 이용하여 제조된 3차원 이종 콜로이드 군집을 제시하였다.

또한, 이종 콜로이드 군집의 국소 표면 플라즈몬 공명(LSPR) 특성을 연구하여, 어두운 모드와 밝은 모드를 나노구조물의 정밀한 제어를 통해 각각 조정하였다. 균일하게 분포된 기능성 나노입자로 구성된 콜로이드 군집의 모세관 작용 균형 기반 제작을 통해, 이종 콜로이드 군집이 센싱, 광촉매, 메타물질 및 3차원 통합 포토닉스와 같은 다양한 응용 분야로 확장될 가능성을 열었다.

맺음말

이번 특집호에서는 메니스커스 유도 기반 3차원 나노 프린팅 기술이 나노미터 수준에서 금속, 탄소 나노물질, 고분자, 그리고 바이오 물질 등 다양한 재료를 활용해 전자 및 포토닉 장치를 정밀하게 제조할 수 있음을 다루었다. 특히, 양자소자의 조립과 같은 첨단 분야에서 이 기술이 혁신적인 가능성을 열어주고 있으며, 고해상도 제조와 정밀한 구조 설계가 요구되는 응용 분야에서 그 활용 범위가 매우 넓다는 점을 강조했다.

그럼에도 불구하고 해결해야 할 과제들이 남아있다. 첫째, 양자 시스템에 필수적인 고성능 단일광자 광원과 같은 정밀 소자를 더 효율적으로 제조하기 위해서는 메니스커스 유도 기반 3차원 프린팅에 적합한 새로운 잉크와 재료 개발이 필요하다. 둘째, 나노 광섬유와 같은 복잡한 구조를 프린팅하기 위해 메니스커스 형성의 근본적인 메커니즘에 대한 더 깊은 이해와 잉크의 유변학적 특성 및 프린팅 가능성 간의 관계를 규명하는 연구가 필수적이다.

또한, 메니스커스 유도 기반 3차원 프린팅 기술은 전기유체역학(EHD) 프린팅, 잉크젯 프린팅, 나노 각인과 같은 기존 프린팅 기술들과 결합할 때 새로운 기능성과 응용 가능성을 극대화할 수 있다. 이러한 복합 접근법은 아직 초기 단계에 머물러 있지만, 더 나은 성능과 기능성을 구현할 수 있는 핵심 전략이 될 것으로 기대된다. 마지막으로, 고해상도와 높은 생산성을 동시에 달성하기 위한 견고한 프린터 시스템, 정밀 제어, 표준화된 공정 개발 역시 중요한 도전 과제다.

비록 이러한 도전 과제들이 남아있지만, 메니스커스 유도 기반 3차원 나노 프린팅 기술은 양자소자와 같은 고정밀 장치의 제조와 적층 공정에서 혁신적인 플랫폼으로 자리 잡을 충분한 잠재력을 가지고 있다. 앞으로의 연구와 기술 발전을 통해 이 분야는 더욱 빠르게 성장하며, 미래 양자 기술과 첨단 전자·포토닉 장치 개발에 중요한 역할을 할 것이다.