첨단 기술을 소개할 때 빠지지 않고 등장하는 용어가 '나노(nano)'이다. 나노란 10억분의 1을 나타내는 단위인데, 바이러스의 크기가 100나노미터(nm) 정도이고, 원자의 크기가 0.1나노미터(nm) 정도이니 그 크기가 얼마나 작은지 쉽게 상상이 가지 않는다.

그런데, 최근 이런 나노미터 규모의 크기인 극소형의 입체 구조를 출력할 수 있는 3차원 프린터 기술이 오스트리아의 비엔나 공대에서 개발돼 업계의 비상한 관심을 모으고 있다.

광자를 활용한 나노 규모의 3차원 프린터

과학 전문지인 사이언스데일리 최근판은 2개의 '광자(photon)'가 적용된 ‘리소그래피(lithography)’를 이용하면 믿을 수 없을 정도의 작고 정밀한 크기로 3차원 물체를 출력할 수 있다고 최근 보도하고 있다.

리소그래피란 극히 미세하고 복잡한 전자회로를 반도체 기판에 그려 집적회로를 만드는 기술을 말하는데 대부분 사진 기술을 응용한 것이어서 '포토 리소그래피(photo lithography)'로 알려져 있다.

이 놀라운 기술의 개발의 주역인 비엔나 공대 연구진들은 여러가지 새로운 아이디어를 모아 가능했지만, 무엇보다도 이동 거울 조정 메커니즘을 개선하는 것이 중요하다고 입을 모았다. 거울은 3차원으로 출력하는 동안 끊임없이 움직이는데 가속 및 감속 시간이 매우 정밀해져야 고해상도 출력 결과를 얻을 수 있다는 것이었다.

비엔나 공대 연구원들이 이번에 개발한 고성능의 초정밀 3차원 프린터 기술은 이와 유사한 기존의 출력 기술에 비해 그 속도가 수백 배나 빠르기 때문에 의료 분야와 같이 새로운 응용 분야를 개척하는데 있어 효과적으로 사용될 것으로 기대하고 있다.

3차원 프린터 기술은 기계와 화학의 융합

3차원 프린터는 액체 형태의 ‘합성수지(resin)’를 이용하는데, 레이저 빔에 의해서 정확한 위치에서 정밀하게 굳어진다. 레이저 빔이 지나면 액체상의 합성수지가 수백 나노미터 폭의 고체 폴리머 선으로 굳게 되는데, 이러한 정밀 해상도는 모래알 하나 정도 크기의 복잡한 극소형 구조물도 만들 수 있다고 한다.

비엔나 공대의 쥐르겐 스탐플(Jürgen Stampfl) 교수에 따르면 지금껏 이와 유사한 기술들은 속도가 매우 느렸다고 한다. 출력 속도가 초당 수 밀리미터 정도로 측정돼 왔는데, 이번에 개발된 기술은 가히 세계기록이라고 자부할 만한 초당 5미터를 출력할 수 있는 수준이다.

3차원의 나노 출력 기술이 기계적인 시스템으로만 이루어진 것은 아니다. 화학자들도 이번 프로젝트에서 중요한 역할을 해냈다. 화학자들은 합성수지에는 빛에 의해 활성화되는 분자들이 포함돼 있다는 점을 활용했다.
 
종래의 3차원 프린터 기술과는 달리 층(layer) 작업을 위해 미리 작업 표면이 준비될 필요가 없으므로 시간을 많이 단축할 수 있었고 결국은 이 부분이 개발된 3차원 나노 프린터 기술의 차별화를 기술적으로 뒷받침해 주었다고 볼 수 있다.

의료용 소재 개발에 가장 적합한 기술

오늘날 대학이든 산업계든 전 세계 곳곳에서 3차원 프린터를 연구하고 있다. 워싱턴대 연구원들은 지난해 3차원 프린터를 이용해 정형외과, 치과, 그리고 골다공증 치료에 이용될 수 있는 뼈같은 물질과 구조를 만들었다.

또한, 독일 브라운호퍼 연구소의 과학자들도 최근 ‘다광자 중합기술’을 이용하여 3차원 프린터로 만들어진 인공혈관을 개발했다. 탄력 있고 유기적인 생체조직의 물성을 가진 이 인공혈관은 곧 이식용으로 사용될 전망이다.

그러나 이번 비엔나 공대 연구원들이 개발한 기술은 앞서 소개한 기술들에 비해 무엇보다 타의 추종을 불허하는 출력 속도 때문에 훨씬 큰 물체를 주어진 시간 내에 생성할 수 있는 장점 때문에 실용화 가능성을 더 많이 인정받고 있다.

현재 비엔나 공대에서는 과학자들이 의료 분야 용도로 3차원 나노 프린터 기술을 이용해 적합한 생체수지를 개발하고 있는 것으로 알려졌다. 개발이 성공하면 살아있는 세포가 들러붙어 생체 조직을 생성할 수 있는 의료용 지지대를 만드는데 이용될 수 있다. 또한, 생체의학 기술이나 나노기술용 부품을 '맞춤' 생산하는데 이용될 수 있을 것으로 기대하고 있다.