"Printing Patterned Fine 3D Structures by Manipulating the Three Phase Contact Line"
최근 정밀하게 제조된 삼차원(3D) 마이크로, 나노크기 모양들로 복잡한 표면들이 전자소자, 메타물질, 세포 배양과 조직 공학을 위한 기판, 스마트 활성 표면, 랩온어칩 시스템들에서 응용들에 요구되고 있다. 비록 리소그래피 기술, 모세관 형성, 3D 프린팅, 직접 잉크 라이팅 등 3D 마이크로구조들을 제조하기 위한 몇 가지 방법들이 존재하지만, 모든 방법들에는 형태 기하학, 이종성, 분해능, 생산성에서 트레이드 오프를 요구하는 단점들을 가지고 있다.
3D 마이크로 구조들을 위한 실제 제조 기술들은 복잡한 장비, 시간 소모형 공정, 정확한 구조 상의 불충분한 조절능력으로 문제를 야기하고 있다. 간단하고 편리한 방법으로 조절가능한 3D 자기 조립 마이크로구조를 만드는 것은 여전히 도전적인 과제라고 중국 과학 아카데미 화학 연구소 교수이며 그린 프린팅 중점 연구실 소장인 얀린 송 박사가 전했다.
"Printing Patterned Fine 3D Structures by Manipulating the Three Phase Contact Line"이라는 제목으로 어드밴스드 펑션널 머터리얼스지 최근호에 보고된 새로운 연구에서, 연구팀은 0D 친수성 피닝 (pinning) 패턴 상에 기반으로 마이크로방울에서 조절가능한 3D 구조들로 나노입자들을 직접적으로 조립하기 위한 용이한 방법을 제안하고 있다.
이 발견들의 과학적인 핵심은 반수성 표면 상에 친수성 피닝 도트들을 가진 0D 패턴들이 에너지 차이에 기반하여 세 가지 상 접촉 선 (TCL)의 현격한 비대칭 디웨팅(dewetting)을 조절하여 3D 구조들을 인쇄하는데 이용되는 것이다.
새로운 제조 기술은 세계 최초로 조절가능 지형들을 이용하여 3D 구조들을 제조하기 위해 친수성 패턴들의 TCL 비대칭 디웨팅을 이용하고 있다.
미세한 3D 마이크로구조들의 준비는 매력적이지만 대형 제조 공정과 미세 지형 이용에 제한을 받는다. 조절가능 3D 구조들과 지형들을 제조하기 위한 연구원들의 전략은 잉크젯 프린팅을 통해 한 개 방울로 이루어질 수 있다. 전체 공정은 쉽게 조절될 수 있으며 지형들은 잘 조절될 수 있다.
이전 접근방법들은 복제로만 구조들을 제작하였다. 그들은 주로 지형들이 친수성 패턴들의 모양에 따라 친수성 영역에 제한된 구조들에 집중된다. 지금까지 3D 구조들의 제조 공정을 얻기 위해 패턴된 친수성 피닝 도트들을 이용한 사례는 보고된 적이 없다.
이전 결과들과 비교하여, 친수성 도트들은 TCL의 운동학적 비대칭 디웨팅을 조절하기 위해 피닝 도트들로 이용되었다. 이 공정은 밀접한 구조들을 가진 다양한 3D 지형들로 나노입자들의 조립을 이끈다.
액체 특성과 피닝 점 파라미터들의 협동적인 규정를 통해, 연구원들은 3D 지형을 정확하게 디자인하고 조절할 수 있다.
일반적으로 나노입자들은 방울이 접촉각(θR)을 감소시키는 큰 표면을 가지는 반면 작은 θR을 가진 친수성 표면 상에 약하게 압축된 반수성 표면 상에 밀접하게 쌓인다. 밀도 높은 지형은 실용적인 응용들을 위해 우수한 특성으로 가질 것으로 예상되며 수많은 연구들이 입자 모양들을 조절하고 모세관 흐름을 규정하여 균일한 증착을 얻기 위해 수행되었다.
0D 친수성 패턴에 의해 쌓인 TCL을 이용하여 연구팀은 육각형 밀도 높은 구조를 얻기위해 큰 θR을 가진 반수성 영역과 작은 θR을 가진 친수성 영역 상에 나노입자들의 조립을 조절했다.
그들의 실험에서, 연구원들은 손수 디자인한 친수성 피닝 패턴들 위에 단일 마이크로방울에서 3D 콜로이드 결정들을 직접 인쇄했다. 0D 친수성 피닝 패턴들을 디자인하여 그들은 선, 삼각형, 사각형, 별모양, 육각형, 팔각형 등 정확한 지형들을 가진 서로 다른 3D 마이크로콜로이디 결정들을 준비했다.
3D 마이크로콜로이드 결정들의 조절가능 지형들과 포토닉 특성들에 의해 연구원들은 다중 정보 이동이나 화폐 위조 방지 물질들의 제조에 대한 매우 중요한 거대/미세 계층 구조 천연색 패턴을 디자인했다. 인쇄된 3D 배열은 반사 무지개 색을 이용하여 밝은 구조를 보여주었다. 개별 단일 3D 구조의 성분, 지형, 위치와 그들의 치환과 결합은 다중 프로토콜 광학 코드들로 이용될 가능성이 있다.
잘 규정된 3D 구조들은 공통의 기능적인 특성들을 이끌 수 있기에 바로 준비된 계층 패턴은 새로운 3D 포토닉스와 다른 기능 소자들의 개발에 중요한 역할을 할 것이다.
향후, 연구원들의 전략은 3D 생물학 제조와 바이오 공학에서 더 많은 응용들로 확대될 수 있는 바이오물질의 지형에 적용될 수 있다. 이 논문에서, 연구원들은 방울들의 TCL을 얻기 위해 표면 에너지 차이를 이용했다. 표면 에너지 차이는 단백질, 세포, 박테리아의 접착성을 조절하기 위해 이용될 수 있다. 예를 들어 세포의 경우, 먼저 이 방법은 미리 결정된 위치들 상으로 세포 조립을 지정할 수 있으며 단일 세포 자체의 지형이 미리 디자인된 패턴에 의해 지정될 수 있다.
송 박사의 연구그룹은 0D에서 3D로 마이크로구조들을 조립하기 위해 나노물질, 특히 나노입자들을 인쇄하도록 새로운 기술들을 개발하는데 집중하고 있다. 또 다른 최근의 예는 자기장 인가 하에 조절가능한 운동학적 디웨팅 특성을 가진 표면들 상에서 방울들의 2D 계면 이용을 통해 정확한 3D 마이크로구조들을 인쇄하는 방법의 개발이다. 송 박사는 이 분야에서 미래 연구에 직면한 문제들이 친바이오여야 하는 기판 제조 공정일 수 있다는 것이다. 또한, 기판과 바이오물질 혹은 바이오 물질을 배양하는 영양소 물질 사이 접착 규정은 이를 이용하기 힘들게 하는 문제로 작용할 수 있다고 지적했다. 그러나 어떠한 문제에 봉착하더라도, 이 전략의 중요성은 손쉽고 조절가능한 지형을 다루기 위해 차이점을 이용하는 것이다.
A) 패턴된 친수성 피닝 점들 (녹색)을 가진 반수성 실리콘 웨이퍼는 기판으로 이용되었다. B) 잉크젯 프린팅을 통해, 나노입자들을 포함한 방울 배열은 요구된 위치에 준비된다. C) 삼각형 모양 방울 배열은 비대칭 디웨팅 유발 친수성 패턴에 의해 형성된다. D) 조절 가능 지형으로 배열된 3D 마이크로콜로이드 결정들이 얻어진다.
A) 단일 유닛은 피닝 패턴 유발 마이크로콜로이드 결정들으로 구성된 문자 ICCAS (중국 과학 아카데미 화학 연구소). B) 단일 문자 C의 확대된 광학 이미지. C) C의 부분을 확대한 광학 이미지. D) 밝은 구조 색깔을 가진 단일 정보 이동 점의 자세한 광학 이미지들. 크기 바: 2mm B). 500 μm C), 100 μm D).
