세계에서 가장 작은 집: 20마이크로미터 미세구조

주사전자현미경(SEM)을 사용해 과학자들이 세계에서 가장 작은 마이크로 하우스를 건설했습니다. 길이가 약 20마이크로미터로, 절단된 광섬유 위에 지어졌습니다. 이 실험은 µRobotex의 정확성과 유연성을 보여주는 재미있는 방식이었습니다.

어떻게 지었나?

나노 단위 작업은 극도로 어려운 과제입니다. 복잡한 소재, 조립 기술, 로봇 설계를 동원해 마이크로 오리가미 구조물을 개발해야 합니다.

이제 프랑스 팸토-ST 연구소(Femto-ST Institute) 과학자들이 그런 미세 규모에서 작업하는 새로운 방법을 개발했습니다. 이들은 6자유도 로봇을 장착한 이중 빔 주사전자현미경(SEM)/집속 이온 빔(FIB)을 사용해 세계에서 가장 작은 마이크로 하우스를 제작했습니다.

이들은 최초로 2나노미터 미만의 정밀도로 패터닝과 조립을 실현했으며, 이는 향후 로봇공학과 광학 응용에 유익할 수 있습니다.

건설 과정

연구진은 진공 챔버 내에 나노 조립 구성요소들을 결합하고, 전자현미경을 배치해 전체 과정을 관찰했습니다. 종이 조각으로 큰 주사위를 만드는 것과 비슷하지만, 정교한 도구와 기술이 필요합니다.

마이크로 하우스의 패터닝, 자가 접힘, 설치

연구진은 FIB[가위처럼]로 집의 실리카 멤브레인[종이]을 자르고 형태를 만들었습니다. 벽을 원하는 위치로 접은 뒤, FIB의 가스 주입 시스템[저전력 설정]으로 구조물 모서리를 고정했습니다.

시스템의 유연성과 정확성을 입증하기 위해 구조물 지붕에 타일 무늬를 부드럽게 스퍼터링(sputtering)했습니다. 전체 집 짓기 과정에서 시스템은 300×300마이크로미터의 미세 영역에 초점을 맞춰 실리카 멤브레인에 이온을 발사해야 했습니다.

이미지 출처: 연구진 제공 | Femto-ST Institute

이를 위해 2명의 엔지니어가 여러 컴퓨터를 통해 로봇을 조작했습니다. 일부 단계는 이미 자동화되었지만, 연구진은 향후 조립 공정 전체를 자동화하길 희망합니다.

참조: Journal of Vacuum Science & Technology | doi: 10.1116/1.5020128

왜 이걸 했나?

이 실험은 µRobotex의 작동[유연성과 정확성]을 보여주는 재미있는 방식이었습니다. µRobotex는 10마이크로미터 미만 크기의 미세 구조물을 특성화하고 미세 조립하는 플랫폼입니다. 그 목적은 마이크로·나노 기술 과학자들에게 국제적 수준의 첨단 경쟁 장비를 제공하는 것입니다.

μRobotex 시스템을 이용해 엔지니어들은 기능화된 미세구조물을 제작해 광섬유 위에 올려놓음으로써 특정 분자를 식별할 수 있습니다. 이 광섬유는 혈관 같은 접근 곤란하거나 어려운 영역에 삽입돼 표적 분자를 탐지합니다.

또한 실험 결과는 SEM 진공 챔버에 마이크로 로봇을 통합함으로써 클린룸 시설의 범위를 확장해 다양한 소재로 3차원 미세구조물을 제작할 수 있음을 보여줍니다.

연구진은 나노포토닉 크리스탈, 격자, 안테나, 탄소 나노튜브, 3D 바이오센서 오리가미 등에 기반해 빛을 가두는 여러 유형의 광학 기능을 제조하는 새로운 메커니즘도 제안했습니다.

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현재 과학자들은 시스템을 더 향상시키는 중입니다. 더 작은 구조물을 만들어 반지름 10나노미터 수준의 탄소 나노튜브에 고정하려 합니다.