Localized Joule heating and carbonization process optimization of 3D printed polymer structures for lab-on-CMOS applications

컴퓨터 속의 아주 작은 전자 두뇌가 미세한 의료 도구의 눈과 손의 역할까지 수행할 수 있는 세상을 상상해 보십시오. 이것이 바로 '랩온어칩(lab-on-a-chip)' 기술이 약속하는 미래입니다. 이 기술은 복잡한 화학적 또는 생물학적 테스트를 단 하나의 소형 실리콘 칩 위에서 수행합니다. 이러한 장치가 작동하려면, 개별 세포나 분자를 접촉하고 측정할 수 있는 아주 작은 전도성 팁인 전극이 필요합니다. 이상적으로 이 전극은 살아있는 조직에 부드럽고 화학적 변화를 감지하는 데 탁월한 재료인 탄소로 만들어져야 합니다. 하지만 큰 난관이 하나 있습니다. 부드러운 플라스틱을 단단하고 전도성이 있는 탄소로 바꾸는 표준 방식은 바로 옆에 있는 섬세한 전자 회로를 녹여버릴 정도로 높은 온도로 굽는 과정을 필요로 한다는 점입니다. 이는 공학적인 딜레마입니다. 도구를 만들기 위해 열이 필요하지만, 그 도구는 열을 견딜 수 없다는 것입니다.

테네시 대학교와 오크리지 국립연구소의 연구팀은 이 문제를 해결할 영리한 방법을 찾아냈습니다. 칩 전체를 가열로에 넣는 대신, 탄소로 바꾸고자 하는 특정 플라스틱 구조만을 가열하여 민감한 전자 부품들을 차갑고 안전하게 유지하는 법을 알아낸 것입니다. 그들은 먼저 중간 정도의 오븐 온도를 사용하여 플라스틱을 '반도체' 상태로 만든 다음, 그 반도체 가교(bridge)를 통해 작은 전류를 흘려보내는 방식을 사용했습니다. 이 전류는 필요한 곳에만 집중적으로 국부적인 열을 발생시켜, 주변 칩의 온도를 위험한 수준까지 올리지 않고도 플라스틱을 순수한 탄소로 변환시키는 작업을 마무리했습니다.

이 여정은 인간의 머리카락 너비보다 더 가는 구조를 그려낼 수 있는 3D 프린터로부터 시작되었습니다. 연구진은 '이광자 중합(two-photon polymerization)'이라는 기술을 사용하여 실리콘 칩 위에 특정한 모양을 인쇄했습니다. 그것은 마치 작은 현수교처럼 보이는, 매우 가는 다리로 연결된 두 개의 작은 기둥이었습니다. 이 구조는 특수한 액체 플라스틱으로 만들어졌습니다. 목표는 이 플라스틱 다리를 전기를 전도할 수 있는 탄소 와이어로 변환하는 것이었습니다. 전통적인 방식은 칩 전체를 거의 섭씨 1,000도까지 가열하는 것인데, 이는 칩 위의 전자 센서를 파괴할 수 있는 온도입니다. 이를 피하기 위해 연구팀은 먼저 더 완만한 가열 과정을 사용했습니다. 칩을 약 섭씨 500도 또는 600도로 가열하여 플라스틱을 부분적으로 탄소화하여 어느 정도 전도성을 갖게 만들었지만, 이것만으로는 최종 전극으로서 유용할 만큼 충분하지 않았습니다.

돌파구는 이 부분적으로 탄화된 다리에 직접 전기를 가했을 때 나타났습니다. 다리는 그것을 지탱하는 기둥들보다 훨씬 가늘었기 때문에, 전기 저항이 그 좁은 중간 부분에 집중되었습니다. 연구진이 전압을 가하자 전기가 얇은 다리를 통과하는 데 어려움을 겪었고, 이로 인해 토스터의 나머지 부분은 차갑게 유지되면서 토스터 와이어만 붉게 빛나는 것처럼 다리가 격렬하게 가열되었습니다. 연구팀은 컴퓨터 시뮬레이션을 사용하여 정확히 얼마만큼의 열이 어디에서 생성될지를 예측했습니다. 그 결과, 전압을 정밀하게 제어함으로써 칩의 나머지 부분은 손상 임계값보다 훨씬 낮은 온도를 유지하면서도, 오직 그 작은 다리만을 섭씨 700도 이상으로 높일 수 있다는 것을 발견했습니다.

이 방법이 작동함을 증명하기 위해 연구진은 여러 개의 이러한 구조물을 제작하고 다양한 가열 일정을 적용했습니다. 그들은 플라스틱을 섭씨 600도에서 오랫동안 굽는 것만으로는 전도성을 만들 수는 있지만, 그 전도성이 시간이 지남에 따라 불안정하게 사라진다는 것을 발견했습니다. 그러나 전기 전류를 사용하여 구조물을 가열했을 때는 결과가 즉각적이고 극적이었습니다. 약 31볼트의 안전한 전압을 가했을 때, 연구진은 다리가 어둠 속에서 밝게 빛나는 것을 관찰했는데, 이는 재료를 완전히 탄화시키기에 충분한 온도에 도달했음을 나타냈습니다. 한 실험에서는 다리가 추정 섭씨 727도에 도달하여, 재료를 탄화시키기 위해 필요한 온도를 국부적으로 도달할 수 있다는 타당성을 성공적으로 입증했습니다.

이 과정에는 위험 요소도 따랐습니다. 전기 전류에 의해 생성된 강렬한 열이 너무 집중된 나머지, 어떤 경우에는 다리가 너무 뜨거워져 탄소가 증발하고 와이어가 끊어지기도 했습니다. 연구진은 현미경 아래에서 이를 목격했습니다. 다리에 밝은 점이 나타나더니 곧이어 연결이 끊어지는 모습이었습니다. 이는 이 방법이 국부적으로 높은 온도에 도달할 수 있음을 보여주었지만, 아직 안정적이고 끊어지지 않는 최종 제품을 만들어내지는 못했다는 것을 의미했습니다. 다리는 손상되기 쉬웠고, 고온을 나타내는 밝은 점은 구조물이 끊어짐과 동시에 사라졌는데, 이는 와이어의 불연속성을 나타냈습니다. 그럼에도 불구하고, 칩 전체를 태우지 않고도 국부적으로 이러한 고온에 도달할 수 있다는 사실은 중요한 진전이었습니다.

연구팀은 또한 분자의 지문 스캐너 역할을 하는 라만 분광법을 사용하여 생성된 물질의 화학적 구성을 조사했습니다. 그들은 전기적 가열 방식으로 만들어진 탄소를 전통적인 고온 오븐 방식으로 만든 탄소와 비교했습니다. 결과는 전기적 가열 방식으로 만든 탄소가 오븐으로 만든 탄소와 유사한 특성을 가졌지만, 화학적으로 완전히 동일하지는 않다는 것을 보여주었습니다. 구체적으로, 전기적 가열로 생성된 탄소는 섭씨 950도에서 만들어진 샘플에서 나타났던 특정 스펙트럼 특징(G-밴드)이 결여되어 있었습니다. 이는 재료가 상당히 변형되었음에도 불구하고, 이 과정이 전통적인 고온 방식만큼의 구조적 완벽함에 도달하지는 못했음을 시사했습니다.

이 연구는 고급 의료 센서를 구축하는 새로운 길을 제시합니다. 전기를 이용해 가열의 힘든 부분을 처리함으로써, 과학자들은 이제 민감한 전자 칩 위에 탄소 전극을 직접 인쇄하는 것을 상상할 수 있습니다. 이는 센서와 데이터를 읽는 컴퓨터가 하나의 조밀한 패키지에 함께 구축되는 '랩온CMOS(lab-on-CMOS)' 장치의 문을 열어줍니다. 연구진은 2단계 과정을 통해 3D 프린팅된 플라스틱 구조를 견고한 탄소 전극으로 바꿀 수 있음을 입증했습니다. 즉, 시작을 위한 부드러운 굽기와 마무리를 위한 집중적인 전기 스파크를 사용하는 것입니다. 비록 와이어가 끊어지는 것을 방지하고 재료가 최고 품질에 도달하도록 정밀한 조정이 여전히 필요하지만, 핵심 아이디어는 증명되었습니다. 즉, 주방을 태우지 않고도 도구를 구울 수 있다는 것입니다.