속도·표면 향상 ‘2GL’ 인상적, ‘A2PL’ 반도체·광학 장치 위 직접 적층 가능

‘2PP’ 디스플레이·바이오메디컬 등 R&D 최적, 신기술 융합 양산기술 기대

적층제조(Additive Manufacturing) 및 후공정 토탈 솔루션을 제공하는 주식회사 자이브솔루션즈는 국내 산학연 관계자 12명과 함께 지난 6월26일부터 7월2일까지 독일 뮌헨 메쎄에서 열린 유럽 최대 규모의 광학 및 레이저 전시회 ‘Laser world of Photonics’와 공동 개최된 로봇 자동화 전시회 ‘automatica’를 참관했다.

또한 카를스루에에 위치한 2PP(Two-Photon Polymerization, 이광자 중합) 기술의 글로벌 선도기업 ‘나노스크라이브(Nanoscribe) 본사 및 연구시설 투어’를 진행했다.

국내에서 광학, 반도체, 바이오메디컬과 적층제조(3D프린팅)를 아우르는 산학연 글로벌 연수단이 기획된 것은 이번이 처음이며, Nanoscribe에서도 한국 단체 참관단에게 이례적으로 연구 시설을 개방함으로써 본 연수단 기획이 성사됐다.

독일 뮌헨에서 열리는 Laser world of Photonics 전시회는 약 1,300개 업체가 참가, 평균 3만4000여 명의 관람객이 찾는 유럽 최대의 광학 전시회로, 전시 부스뿐만 아니라 광학기술 발전 동향과 트렌드를 엿볼 수 있는 포럼들이 전시회장 한켠에서 전시 기간 내내 진행됐다. 연수단 참여 인원들은 북미 최대 광학 전시회 ‘SPIE Photonics West’와 견주어도 손색이 없을 만큼 볼거리가 풍부한 행사라고 소감을 밝혔다.

화학물질 감지, 가스 분석 등 분야에 사용되는 QCL(Quantum Cascade Laser)을 제조하는 세계적인 레이저 기업 Block Engineering, 3D프린팅과 같은 레이저가 필요한 다양한 산업에 스캐닝 시스템을 공급하는 글로벌 제조사 Scanlab 등 전통적인 광학 기술 선도 기업들이 대거 참가했으며, 중국의 ZnSe, BaF2, CaF2 등 반도체 공정에 사용되는 윈도우 제조사들 역시 인상적이었다. 하지만 전시회 전반의 주제가 광범위하기 때문에, 본 기고에서는 적층제조와 교집합이 큰 기술과 기업에 더 많은 무게를 두고 서술하고자 한다.

▲ 연수단이 독일 뮌헨에서 열린 ‘Laser world of Photonics’에서 나노스크라이브의 솔루션에 대해 설명을 듣고 있다.

Ra. 20~30nm(나노미터), 때로는 그 이하의 높은 표면조도 특성을 요구하는 광학 분야에 접목 가능한 3D프린팅 방식은 펨토초 레이저(Femtosecond laser)가 적용된 2PP가 유일하다. 2PP는 TPA(Two-photon absorption, 이광자 흡수) 소재를 사용하며, 800nm대 장파장 NIR(Near Infrared Radiation, 근적외선) 레이저를 광경화성 TPA 소재에 조사, 레이저 초점에서 두개의 광자(Photon)을 펨토초(10-15초) 이내 짧은 시간에 흡수하여 빛이 닿는 전체 부위가 아닌 국소부위를 선택적으로 경화, 100nm대 분해능의 3D프린팅을 실현하는 기술이다.

이번에 2PP 방식을 표방한 3D프린팅 기업들이 다수 참가해 눈길을 끌었다. 필자는 세계 최대 규모의 적층제조 전시회인 폼넥스트(Formnext)를 매년 직접 참관하지만, 이렇게 많은 2PP 제조사들을 한 전시회에서 만나본 것은 처음이었다.

글로벌 2PP 기업 담당자들 의견을 종합해보면, 광학, 생명과학, 포토닉스 분야 등에 더 많은 접점을 갖고 있는 2PP 기술은 범용 적층 제조 전시회들과는 그 성격이 맞지 않는다고 판단, 학회나 각 어플리케이션 특화 전시회 참가로 기술 홍보 방향을 선회하는 듯하다. 향후 Formnext를 비롯한 일반 적층제조 전시회에서 2PP 기술을 찾아보기는 점차 어려워질 것으로 전망된다.

전시참가 주요업체를 살펴보면 Lab-on-chip, live-cell 프린팅 분야에 특화한 솔루션을 내놓은 Vital 3D, 마이크로 머시닝과 2PP 하이브리드 솔루션을 선보인 Femtika와 같은 동유럽 신생 2PP 기업들이 인상적이었다.

▲ 3D 마이크로-나노 기술

Glass 프린팅에 특화된 스위스의 FEMTOPRINT, 빠른 속도로 범용 어플리케이션에 적용 가능한 Upnano 등 전통적인 2PP 업체들 역시 다수 참가했다. 2PP 기술 자체에 대한 홍보보다는 각 기업들이 주력하는 어플리케이션을 앞 단에 내세운 것이 인상적이었다. 특정 기술이나 장비 소개 이후에 어플리케이션이 소개되어왔던 과거의 방식에서, 어플리케이션이 주인공이 되는 추세는 적층 가공을 비롯한 모든 산업에서의 장비 메이커들이 지향하고 있는 공통된 트렌드로 보인다.

2PP 시장에서 글로벌 점유율 독보적 1위로 기술 트렌드를 주도하고 있는 Nanoscribe의 포럼 발표에서는, 2PP에서 더 발전된 개념의 2GL(2 Photon Grayscale Lithography)과 A2PL(Aligned 2 Photon Lithography) 기술을 선보이며 이목을 집중시켰다.

모든 가공 기술이 그렇듯 2PP 기술에도 물론 한계가 존재했다. 속도가 그것이다. 수 백 나노미터 대 feature size를 구현할 수 있는 유일한 3D프린팅 기술임에는 이견이 없겠으나, 기존 2PP 기술로 meso/macro scale 구조체 출력 시 수십 시간에서 파라미터에 따라 며칠이 걸리기도 했다.

하지만 2GL 기술에서는 레이저 강도(Laser Intensity)를 유기적으로 조절해 최대 4,096개 Gray level로 출력 모드에 따라 100nm대에서 최대 1㎛(마이크로미터)­ 이상 넓은 범위의 복셀 사이즈를 유연하게 가져감으로써 출력 속도와 표면조도 개선을 동시에 달성하게 됐다.

다만 크기가 일정 수준을 넘어가는 3D 형상에는 적용이 어려우며, MLA(Micro Lens Array)와 같은 2.5D 형상과 크기가 작은 3D 형상에서만 적용이 가능하다는 점은 숙제로 남았다. Nanoscribe社 CEO인 Dr. Martin Hermatschweiler에 따르면 2GL은 기존 시장에 알려진 2PP 대비 수 십배 빠른 출력 속도로, 이미 런칭되어 글로벌 시장에 보급되고 있는 기술이며, 큰 사이즈의 3D 형상에 적용 가능한 2GL 기술도 개발 중이라 밝혔다.

▲ 연수단은 독일 나노스크라이브 본사를 방문했다.

Nanoscribe社 본사 투어에서 진행된 프리젠테이션에서는 A2PL 기술에 대한 설명이 이어졌다. 기존 업계에서는 웨이퍼나 글래스 같은 평평한 소재에 출력하는 것이 당연한 것처럼 여겨졌지만, 반도체나 광학 장치 위 직접 3D프린팅이 가능하다는 점이 매우 인상 깊었다.

시스템 내부에 파이버 코어(Fiber core)를 감지하는 기능과 얼라인먼트와 바닥면의 기울기, 불규칙한 패턴 등을 감지할 수 있는 컨포컬 모듈(Confocal module)이 탑재되어, 포토닉스 칩이나 광학 장치와 같은 불규칙한 표면 위 원하는 3D 형상을 다이렉트 프린팅 할 수 있게 되었다. 이는 기존 광학계와 이를 비롯한 응용 연구를 하는 연구자들에게 뜨거운 관심을 받았고, 질의는 세션이 끝나고도 계속 이어졌다.

2PP 기술의 속도와 크기가 점차 개선되면서, 가용 어플리케이션과 소재의 폭이 빠른 속도로 넓어지고 있었다. 상업화에 성공한 대다수 2PP 기업들의 R&D 방향은 더 빠르게, 더 큰 object를 출력하는 프린팅 모드 개발에 있었으며, 하이엔드 DLP(Digital Light Processing)를 표방하는 3D프린터 제조사들은 더 작고 정밀한 프린팅 솔루션 개발에 사력을 다하고 있기 때문에, 비교적 뚜렷하게 분리되어왔던 각 기술의 영역 경계가 점차 모호해지고 있는 형국이다.

연수단들은, 향후 디스플레이 기술, 메타버스와 VR, 바이오메디컬 산업의 발전과 함께 MLA, Live-cell 프린팅에 대한 연구가 고도화될 것이라고 의견을 모았다. 또한 속도와 크기 측면에서 아직은 그 한계가 있지만 이들 영역에서의 R&D를 가장 효과적으로 이행할 수 있는 적층 가공 기술은 단연 2PP이고, 여기에서 파생된 2GL과 A2PL 기술이 더 고도화된다면 훗날 R&D 뿐만 아니라 준 양산에도 적용됨으로써 그 발전 가능성과 시장 전망은 매우 긍정적일 것으로 보인다고 평했다.

국내에 선진 초소형·초정밀 적층제조 솔루션을 소개하고 있는 자이브솔루션즈는 앞으로도 매년 광학, 반도체, 바이오메디컬 관련 산학연과 함께 연수단을 구성해 산업 경쟁력 강화에 기여하고자 한다. 선진 기술을 함께 보고 논의하면서 산업 대전환 시대를 앞서 나갈 수 있는 융합 플랫폼이 되길 바란다.

▲ 나노스크라이브에서는 장비 시연을 통해 2PP 기술을 자세히 소개했다.

▲ 연수단은 나노스크라이브에서 개최한 심층 세미나를 통해 선진 기술에 대한 이해를 높였다.