전자빔으로 액체 속 마이크로젤 3D 프린팅 개척

안드레이 콜마코프(Andrei Kolmakov) 박사와 NIST 연구진이 전자빔을 사용해 액체 속에서 미세 젤 구조를 3D 프린팅하는 방법을 개발했습니다. 이는 이전까지 고체에서만 가능했던 방식입니다.

연구 배경

콜마코프 박사: 우리 프로젝트 중 하나는 전자현미경을 특이한 환경에서 사용하는 것입니다. 전자현미경은 보통 진공에서 작동합니다. 하지만 배터리, 촉매, 반도체 산업 등 많은 공정에서 고압 가스나 액체 환경에 있는 물체를 관찰하고 싶습니다. 전자현미경은 밀도 높은 물질에 깊숙이 투과하지 못해 어렵습니다.

Tech Briefs: 이 프로젝트에 관심을 갖게 된 계기는?

연구 일환으로 다양한 응용을 위한 전자 이미징 기술 개발을 하고 있었습니다. 어느 날 재료연구학회(MRS) 모임에서 바이오 관련 전시회를 봤는데, 압출 프린터가 소량의 액체 젤을 압출해 UV 빛으로 겔화(고체화)시키는 하이드로젤을 프린팅하고 있었습니다. 즉시 우리의 액체 속 전자현미경 연구가 젤 프린팅에 기여할 수 있음을 직감했습니다. 우리에게는 이미징이든 액체나 액체 젤 전구체에서 무언가를 하든 차이가 없습니다.

다음 주 박사후연구원과 함께 실행 가능성 테스트를 했는데, 놀랍게도 쉽게 되었습니다. 그래서 우리가 큰 무언가를 잡았다고 판단했습니다. 1년 이상 다양한 테스트를 하며 이 기술들을 개발했고, 그렇게 되었습니다.

우리 공정에 대해 알려진 바가 많지 않아 어려웠습니다. 교차결합(작은 전구체들로부터 큰 분자 형성) 연구, 전자나 감마선, X선을 이용한 것은 기본적으로 1960년대 방사선 물리학에서 비롯됩니다. 하지만 우리 이전에는 고집속 저에너지 전자빔을 이런 공정에 사용한 적이 없었습니다. 이게 합성, 리소그래피, 심지어 3D 프린팅에 새로운 문을 열 수 있다고 판단했습니다.

기존 젤 생성 방식과의 차이

Tech Briefs: 젤은 보통 어떻게 만드나요?

콜마코프 박사: 상업용 젤 프린터는 보통 UV 빛을 씁니다. 하지만 해상도가 우리보다 훨씬 낮습니다. 보통 밀리미터 단위 특징 크기인 반면, 우리는 나노미터 수준까지 가능해 100만 배 더 작습니다.

표준 3D 프린터 작동 방식: 액체(녹인 플라스틱, 바이오프린터의 경우 액체 젤 전구체 용액)가 점성이 있어 노즐로 천천히 압출됩니다. 노즐을 표면 위로 움직여 압출된 액체를 조절 가능하게 붙입니다. 그런 다음 UV 빛으로 층을 경화(고체화)시킵니다. UV 조사 시 고체화되게 하는 특수 화학물질(개시제)을 용액에 넣어야 합니다. 일반 젤은 빛에 투명해 아무 반응도 하지 않기 때문입니다.

우리 경우는 노즐도 개시제도 쓰지 않습니다. 전자빔 자체가 물 속에서 개시를 하기 때문에 액체 전구체 그대로 작업할 수 있습니다.

젤 전구체 용액은 화학적으로 연결된 매우 긴 분자들의 앙상블이 교차결합된 물 용액입니다. 물로 채우면 분자 사이 공간에 물이 차서 부풀고, 말리면 수축합니다.

전형적 젤 응용 예: 콘택트렌즈. 하지만 생물학에서는 더 복잡한 구조를 만들 필요가 있습니다. 예를 들어 인공 장기(귀 등)를 만들고 싶다면 젤로 스캐폴드를 만들고 거기에 생물학적 세포를 심어 젤에 달라붙어 자라게 할 수 있습니다. 그래서 바이오 산업이 이런 기술에 관심 갖습니다.

이제 개별 생물학적 세포 수준으로 정말 작게 만들고 싶다고 상상해보세요. 아니면 세포에 전기적 접점을 만들어 신호를 주고받고 싶다고 해보세요. 생물학적 세포는 매우 연약한 유기체라 너무 방해하지 않으면서 부드럽게 해야 합니다. 와이어로 연결하려 해도 부드럽게 해도 파괴적일 수 있습니다. 우리 경우 전자빔을 매우 매우 작은 영역에 집속할 수 있는 능력 덕분에 극도로 높은 정밀도로 매우 작은 접점을 만들 수 있습니다.

또 앞서 말한 개시제 화학물질들은 종종 독성이 있습니다. 최첨단 이광자 3D 프린팅으로 정말 작게 프린팅하려면 개시제 농도를 높여야 해 젤이 세포 물질에 더 독성이 강해집니다. 우리 경우는 독성 개시제 없이 극도로 작은 특징을 만들 수 있습니다.

프린팅 공정 상세

Tech Briefs: 기본 공정을 확인하자면, 젤로 3D 프린팅하고 기판에 젤을 증착하는 건가요?

콜마코프 박사: 공정을 더 자세히 설명하겠습니다. 표준 주사전자현미경(SEM)이 있다고 상상하세요. 매우 미세한 전자빔이 있는 진공 챔버입니다. 빔은 3나노미터까지 작을 수 있습니다. 시료가 진공 챔버 안에 있으면 빔을 표면 위로 스캔해 신호를 얻고, 이미지를 만듭니다. 또는 무언가 제작하고 싶으면 재료 층(반도체 산업에서 포토레지스트 필름)을 깔고, 전자빔으로 고체 필름 위를 화학적으로 변형시킨 후 특수 화학약품으로 처리해 제거하면 시료 표면에 패턴이 생깁니다. 이게 표준 전자현미경과 전자빔 리소그래피 절차입니다.

고체 필름이나 물체엔 괜찮지만, 우리는 액체에서 그런 걸 하고 싶습니다. 문제는 액체가 진공에서 지속되지 않고 증발한다는 점입니다. 현미경이 오염되는데, 아주 비쌉니다.

이 난제를 다루기 위해 10나노미터 범위의 매우 얇은 막을 씁니다. 실리콘 나이트라이드로 만드는데, 표준 반도체 소재입니다. 막이 너무 얇아 전자는 약간의 산란이나 감쇠만으로 투과하지만, 기체와 액체는 통과 못 합니다. 이 트릭으로 빔을 액체 속으로 전달합니다. 실리콘 나이트라이드 윈도우가 있는 작은 2차 챔버를 만들고 젤 형성을 위한 액체 전구체로 채웁니다. 그런 다음 전자로 액체를 매우 정밀하게 조사해 특정 패턴을 만듭니다. 전자빔이 닿는 영역에서 액체가 화학적으로 변형되고 젤이 형성됩니다.

이게 우리의 핵심 아이디어였습니다: 이런 식으로 소프트 레이어를 생성. 그런 다음 박리(delamination)할 수 있습니다. 막에 매우 가깝게 형성되기 때문입니다. 그 후 두 번째 레이어 성장 시작, 박리, 세 번째 레이어 성장, 이런 식으로 계속. 이것이 우리의 목표였습니다: 전자빔으로 액체 속에서 층별 젤 구조를 생성.

젤의 기능화와 응용

Tech Briefs: 젤이 특정 패턴으로 깔리는 건가요?

콜마코프 박사: 네, 아직 극도로 복잡한 구조는 만들지 못했습니다. 하지만 가능한 단순한 구조들을 시연했습니다. 중요하게는 박리 방식도 시연했습니다. 3D 프린팅 시 첫 레이어의 막으로부터 박리가 문제인데 달라붙기 때문입니다. 그래서 두 번째 레이어를 첫 번째 위에 쓰려면 박리 절차를 만들어야 합니다.

Tech Briefs: 젤이 생물학적 세포나 센서를 올릴 기본 구조인가요?

콜마코프 박사: 네, 젤로 많은 걸 할 수 있습니다. 예: 전도성 젤은 전기적 접점으로 쓰임. 투명하니 광섬유 제작 가능. 특정 자극에 반응하는 젤도 만들 수 있음. 예: 온도나 pH에 민감하게. 젤 분자를 변형시켜 많은 기능성 구축 가능. 이런 식으로 나노수영체나 소프트 마이크로로봇 같은 기능성 객체 제작 가능.

Tech Briefs: 전자빔이 이 모든 변형을 하나요?

콜마코프 박사: 아니요, 지금까지 전자빔은 모양만 만듭니다.

Tech Briefs: 그럼 다른 것들은 어떻게 하나요?

콜마코프 박사: 기능을 젤 자체에 도입합니다. 예: 습도 감지를 원해 아주 작은 센서를 만들고 싶었습니다. 금 나노입자를 용액에 넣고 쓰는 과정에서 입자를 젤 구조 안에 캡슐화했습니다.

Tech Briefs: 입자를 혼합물에 넣고 전자빔으로 구조를 만든 거군요.

콜마코프 박사: 네, 입자가 이제 젤 안에 캡슐화됩니다. 젤 소재 크기가 습도에 매우 민감합니다. 밖이 건조하면 수축, 습하면 팽창. 그러면 내장된 입자 간 거리가 습도 변화로 바뀝니다. 복합 젤의 색을 모니터링해 습도를 결정할 수 있습니다. 사용하는 기술은 플라즈몬 흥분(plasmonic excitation). 소재의 광학 스펙트럼을 보고 입자 간 거리 결정. 이게 습도 모니터링의 간단한 방법입니다. 하지만 다른 것도 많이 할 수 있습니다. 예: 젤 분자 자체를 바꿔 pH에 반응하게. 산도 변화 시 움직이는 로봇 같은 것 만들 수 있음. 몸의 특정 부위에 삽입된 나노수영 로봇이 용액 pH 변화로 움직일 수 있음. 이점은 현재 이런 목적에 쓰이는 다른 기술들과 달리 구조를 극도로 작게 만들 수 있다는 점. 실제로 세포 자체보다 작게 만들 수 있습니다.

X선 활용 가능성과 상용화 전망

Tech Briefs: 전자빔 대신 X선 쓸 수 있나요?

콜마코프 박사: 상당 부분 이온화 방사선 종류는 중요하지 않습니다. 전자빔과 X선 모두 매우 작은 점으로 집속 가능해 둘 다 매우 작은 구조 작성에 쓸 수 있습니다. 하지만 X선은 고유 장점이 있습니다. 파장 바꿔 빔 에너지 변경 가능. 각 화학 원소가 특정 파장에서 X선을 흡수하므로 작성에 화학적 특이성 부여 가능. 예: 산소 함유 젤을 산소 최대 흡수 파장에 가깝게 또는 멀게 X선 파장 튜닝해 더 얕거나 깊게 쓸 수 있습니다.

Tech Briefs: X선이 더 위험하지 않나요?

콜마코프 박사: 이온화 방사선이니 사용자로부터 빔을 충분히 차폐하는 등 적절한 안전 조치 필요. 하지만 매체를 변형시키는 데 필요한 선량 문제입니다. 전자빔의 수용액 내 물 이온화 능력이 매우 효과적이고 큰 선량 필요치 않아, 이게 우리가 교차결합제로 쓰는 것 정확히 그것입니다.

Tech Briefs: 이 기술이 조만간 상용화될까요?

콜마코프 박사: 업계 관심은 우리가 시연할 역량에 달렸습니다. 3D 프린팅에서 주요 과제는 기판으로부터 층별 박리 신뢰성 개선입니다. 그래서 복잡한 서브미크론 3D 구조를 보이자마자 업계가 아주 작은 것 프린팅용으로 이 기술에 관심 가질 겁니다. 계속 이 부분 연구 중입니다.

Tech Briefs: 상용 에너지원으로도 가능할까요?

콜마코프 박사: 정확히 그게 목표였습니다! 표준 주사·투과 전자현미경으로 일하는 수천 명 커뮤니티에 시연하고 싶었습니다. X선 현미경 가진 사람들(새로운 산업)도 최근 랩에서 이용 가능해졌습니다. 우리 랩에서 쓰는 모든 기계는 상용입니다. 아주 간단한 맞춤형 세팅만 추가했습니다. 그래서 대규모로 확실히 가능합니다. 더 나아가 현미경 자체도 새 발전 있습니다. 일부 회사가 주변 환경(공기 중)에서 작동 가능한 전자현미경 생산에 관심 가집니다. 그럼 시료를 공기 중 현미경 아래 두면 돼 더 쉬워집니다.

가장 흥미로운 응용: 뇌-컴퓨터 인터페이스

Tech Briefs: 이 프로젝트에서 가장 흥분되는 점은?

콜마코프 박사: 완전히 새로운 기술이고 우리가 그 시작점에 있다는 점. 열정적인 파트너들과 충분한 자원, 인력을 찾아 앞으로 나아가고 싶습니다.

Tech Briefs: 상용 회사와 협력해 기술 구현할 수 있나요?

콜마코프 박사: 물론입니다, 기꺼이. NIST의 미션은 산업이 신기술이나 측정법을 개발하도록 돕는 것입니다.

Tech Briefs: 많은 사람들이 관심 가져야 할 것 같은데요.

콜마코프 박사: 맞습니다, 프린팅 커뮤니티와 일하는 생물학자들이 관심 가질 겁니다. 예: 현재 3D 바이오프린팅 기술로 조직 공학용 센티미터 크기 젤 구조를 만듭니다. 하지만 세포 수준, 또는 세포 내부에서 프린팅할 필요도 있는데, 그건 아직 공상과학입니다. 아직 시장 없음. 거의 열린 공간. 누군가가 인공 세포하부 젤 구조로 시장성 있는 아이디어를 내면 업계 관심 커질 겁니다. 우리가 너무 이른지도 모릅니다.

Tech Briefs: 시장을 예측할 수 있나요?

콜마코프 박사: 흥미로운 것 중 하나는 우리 기술을 뇌-컴퓨터 인터페이싱과 연결하는 겁니다. 거기엔 두 가지 주요 과제가 있습니다. 하나는 뇌 조직 손상 안 주는 부드러운 전극 개발, 다른 하나는 전극을 뇌에 전달하는 것.

Tech Briefs: 일론 머스크가 그 얘기하던데요.

콜마코프 박사: 네. 문제는 그가 구식 기술을 쓴다는 겁니다. 전극이 고체라 유연하지 않고 조직에 그리 친화적이지 않습니다. 두 번째는 두개골 수술로 전극 이식해야 합니다. 우리 방식으로는 전극을 훨씬 얇게, 훨씬 유연하게, 훨씬 생체친화적으로 만들 수 있습니다. 우리 전극은 전자·이온 신호 전송 가능하고 광학적으로 투명해 광학 신호도 주고받을 수 있습니다. 제 생각에 이건 뇌 활동 영상화에 다른 어떤 것보다 나은 전망입니다. 아마도 제가 상상할 수 있는 가장 핫한 응용일 겁니다. 현재 소프트 전자공학 하는 거의 모든 사람이 뇌-컴퓨터 인터페이싱 염두에 두고 있습니다. 초기엔 기능 상실한 사람들(이동성 등) 대상일 겁니다. 절박하니까. 하지만 결국엔... 여러분이 두 번째 뇌를 소유한다고 상상해보세요.

과학 소설과 현실 사이 간극이 지금 매우 작다고 생각합니다… 이건 거대한 분야고 우리가 하는 건 아주 작은 기여일 뿐입니다. 사람들이 뇌가 생성하는 신호 읽기 시작하며 많은 걸 배웠습니다. 뇌 이해가 이미 컴퓨팅 방식을 바꿨고 뉴로모픽 컴퓨팅이란 새 기술의 시작을 이끌었습니다. 사람들은 완전히 다른 아키텍처와 언어, 심지어 논리로 작동하는 컴퓨터를 만들려 하고, 여전히 보통 요소들(일반 반도체)을 쓰면서. 덜 디지털적이고 더 아날로그적이고 패턴 인식으로, 멤리스터 같은 다른 소재(예: 소프트 소재)를 쓸 수도 있습니다.

이 인터뷰의 편집본은 2020년 12월호 Tech Briefs에 실렸습니다.