네덜란드 트웬테 대학(University of Twente)의 연구진이 미시 규모의 정확한 종이접기 기술을 선보였다. 오직 물방울만을 사용하여, 과학자들은 평평한 실리콘 질화물 판을 정육면체나 피라미드, 축구공을 절반으로 자른 모양, 그리고 토블론(Toblerone) 초콜릿 바와 비슷한 긴 직사각형 구조 등으로 만드는 묘기를 보여주었다. 기하학적 개체가 여러 가지로 뒤섞인 이 구조는 육안으로는 볼 수 없을 정도로 매우 작다. “3D 구조를 만드는 것은 일상생활에서는 매우 자연스러운 일이지만, 미세제조에서는 극도로 어려운 일이다. 특히, 당신이 많은 수의 구조물을 저렴하게 구축하고자 할 때는 더더욱 그렇다”고 트웬테 대학의 나노기술 MESA+ 연구소의 연구원인 Antoine Legrain이 말했다. 이러한 소형 구조물을 구축하기 위하여, 연구진은 자기나 표면 장력과 같은 자연적 힘으로 모양을 변화시키는 자가 조립(self-assembly) 기술을 채택하였다.
1990년대의 자가 조립 기술은 줄어든 전자 장비에 좀 더 많은 연산력을 꾸겨 넣기 위한 수단이기도 하였다. 소위 솔더 어셈블리(solder assembly)는 녹인 땜납의 표면 장력을 이용하여 전자 산업의 표준 반도체 물질인 실리콘을 3D 모양으로 접어서, 전자 부품으로 들어 찬 작은 공간을 효율적으로 메꾸었다. 트웬테 대학의 연구진 또한 실리콘 기반의 모양을 만들었지만, 그들은 좀 더 흔한 액체(물)를 사용하여, 접기를 제어하고 활성화하였다.
이들의 물 기반 접기 방식은 Applied Physics에 발표되었다. “물은 곳곳에 있으며, 생체 적합하고, 저렴하며, 적용하기가 매우 쉽다”고 Legrain이 말했다. 땜납 대신에 물을 사용하는 것은 각각의 개별 구조를 접는 속도를 높일 수 있다. 만약 이러한 물 기반 과정이 추후 연구를 통해서, 한 번에 여러 구조를 접는 기술을 성취한다면, 이는 현재의 자기 접힌 방식을 더욱 저렴하게 할 것이다.
그들만의 3D 동물원을 만들기 위하여, 연구진은 먼저 평면 시작 패턴을 설계하기 위한 주문형 소프트웨어 프로그램을 사용했다. 그리고서, 그들은 실리콘 웨이퍼에 그 도안을 “인쇄”하였다. 여닫이를 만들기 위하여, 연구진은 박막에 그것을 증착하기 전에, 물질에 우선 식각했다. “가능한 형태는 원칙적으로 무한하다. 그것들을 먼저 평면에 설계하는 것이 우선 과제”라고 Legrain이 말했다. 그 설계를 접기 위하여, 연구진은 실리콘 웨이퍼에 남겨둔 채널을 통해서 약간의 물을 퍼올렸다. 물 분자에 의한 모세관력(capillary forces)은 각자와 실리콘을 붙게 하여서, 완전한 3D 작품을 형성하기 위하여 평평한 표면을 밀어낸다. 연구진은 모래 입자 크기의 최종 구조가 그것이 젖어 있는 한은 어떠한 마모의 흔적 없이도 60번까지 열리고 닫힐 수 있다고 밝혔다.
구조가 접히고, 다시 열리는 능력은 생물 의학적 응용에 매우 유용하다. 예를 들어, 자기-접힘 도구는 약물을 신체가 필요한 정확한 위치에 전달하거나, 또는 마이크로 생체 검사 도구를 위한 약간의 조직을 잡는 역할을 할 수 있다. 물방울을 이용하여 실리콘을 접는 기술을 선보인 것이 이번이 처음은 아니지만, 평면 설계물의 밑에 위치한 채널을 통해서 물을 퍼올림으로써, 물방울의 크기를 정확하게 제어하는 방법을 고안한 것은 그들이 처음이다.
손으로 직접 물방울을 배치하는 이전의 연구들은 그것을 제어하기가 힘들어서, 오직 한 번 밖에 접을 수가 없었다. 현미경을 통해, 그들의 눈앞에 펼쳐진 다채로운 구조물들은 본다는 것은 정말로 흥미로운 경험이라고 Legrain이 말했다. “연구 수준에서의 청정실 제조는 길고, 까다로우며, 복잡한 과정이다. 하지만 그것을 통해 이렇게 좋은 결과를 얻을 수 있어서 매우 기쁘다”고 Legrain이 말했다.
축구공과 긴 사각형 모양을 만듦으로써, 그들의 시스템을 시험하고, 그것이 갖춘 능력을 이해하는 것은 흥미로운 일이다. 앞으로, 연구진은 이 기술을 이용하여, 전도성 여닫이와 3D 센서를 만드는 연구를 수행할 것이다.
[출처 : KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』/ 2014년 6월 10일]
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Just add water: 3-D silicon shapes fold themselves when wetted by microscopic droplets
Researchers from the University of Twente in the Netherlands have taken the precise art of origami down to the microscopic scale. Using only a drop of water, the scientists have folded flat sheets of silicon nitride into cubes, pyramids, half soccer-ball-shaped bowls and long triangular structures that resemble Toblerone chocolate bars – an omnium-gatherum of geometric objects, which are almost too tiny to see with the naked eye.
"While making 3-D structures is natural in everyday life, it has always been extremely difficult to do so in microfabrication, especially if you want to build a large number of structures cheaply," said Antoine Legrain, a graduate student at the MESA+ Institute for Nanotechnology at the University of Twente. To help solve the challenge of building in miniature, researchers have turned to the technique of self-assembly, in which natural forces such as magnetism or surface tension trigger a shape change.
In the 1990s self-assembly became a way to help cram even more computing power into shrinking electronic devices. So-called solder assembly used the surface tension of melting solder to fold silicon, the electronic industry's standard semiconductor material, into 3-D shapes that more efficiently filled a small space with electrical components.
The University of Twente team also created silicon-based shapes, but they used a more ubiquitous liquid – water – to activate and control the folding. They describe their water-based folding system in a paper in the Journal of Applied Physics, from AIP Publishing.
"Water is everywhere, is biocompatible, cheap, and easy to apply," said Legrain. Using water instead of solder also speeds up the folding of each individual structure. If the water-based process is further developed to fold multiple structures at once, it could become cheaper than current self-folding approaches, said Legrain.
To create their menagerie of 3-D shapes, the researchers used a custom software program to first design the flat starting pattern. They then "printed" the design onto silicon wafers. To create hinges, the researchers etched away material just before depositing a thinner layer.
"Possible shapes are in principle limitless," said Legrain, "as long as they can first be made on a flat surface."
The ability to unfold and refold the structures could be useful in biomedical applications. For example, self-folding tools could deliver drugs exactly where they are needed in the body or grab a tiny amount of tissue for a micro-biopsy.
This is not the first time the researchers demonstrated the ability to fold silicon with water droplets, but it is the first time they devised a precise way to control the size of the droplets by pumping water through a channel located beneath the flat design. Previous efforts, which involved placing the water droplets by hand, were hard to control and resulted in structures that could only be folded once.
Watching through a microscope as the new system folded and unfolded shapes in front of his eyes was an exciting experience, said Legrain. "Cleanroom fabrication at research level can be long, tricky and frustrating. It is a good feeling when we obtain such nice results out of it," he said.
For now, creating the soccer ball and Toblerone shapes are fun ways for the researchers to test their system and understand its capabilities. Going forward, the team is working toward making conductive hinges and creating 3-D sensors with their new technique.
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