임채승 교수팀, 파동에너지 기반 미세유체소자 기술 개발

박테리아, 바이러스 등의 초정밀 체외진단 적용 기대

 

▲ 남정훈 박사(왼쪽, 제1저자·공동교신저자), 임채승 교수(오른쪽, 공동교신저자)

 

 

 

의과대학 의학과 임채승 교수팀이 머리카락 두께의 미세 환경에서 유체를 혼합하고 분리하는 고효율 기술을 개발했다. 

한국연구재단(이사장 조무제)은 임채승 교수팀이 표면탄성파를 기반으로 미세입자와 유체를 3차원으로 제어하는 미세유체소자 기술을 개발했다고 밝혔다.

* 표면탄성파 : 압전기판의 표면을 따라 발생하는 탄성파임.

* 미세유체소자 : 미량의 유체를 조작하도록 설계된 소자로써, 머리카락 두께의 유체관(미세유동채널) 내부에서 다양한 유체, 미세입자, 세포 등이 혼합, 반응, 배양될 수 있음.

 

이번 연구 성과는 과학기술정보통신부․한국연구재단 기초연구지원사업(개인연구) 등의 지원으로 수행됐으며 국제적 학술지 센서스 앤 액츄에이터스 B: 케미컬(Sensors and Actuators B: Chemical) 9월 28일자 게재됐다.

- 논문명 : Micromixing using swirling induced by three-dimensional dual surface acoustic waves(3D-dSAW)

- 저자 정보 : 남정훈 박사(제1저자·공동교신저자, 고려대학교), 임채승 교수(공동교신저자, 고려대학교)

 

 

차세대 바이오기술 핵심으로서 각광받고 있는 미세유체소자 기술은 시료의 빠른 혼합·희석, 특정 입자의 선택적 분리·농축 등 다양한 시료전처리에 활용되며, 바이오칩 기반 체외진단의 정확성과 민감도에 매우 중요한 역할을 한다.

 

특히 파동에너지를 기반으로 미세유체를 제어하는 기술이 최근 주목받고 있는데, 이는 전기나 빛에너지를 이용하는 기존 기술에 비해 전력소모가 낮고 비침습적이며, 다른 분석·제어 시스템과의 통합이 용이하다는 장점이 있다.

 

연구팀은 표면탄성파가 미세유체소자의 위, 아래 양쪽에서 발생하면서 이종의 유체와 미세입자를 가로·세로·높이 방향까지 3차원으로 제어할 수 있는 소자를 설계했다. 이번에 개발된 기술에서는 위, 아래쪽의 표면탄성파를 개별적으로 조절할 수 있어서 기존 소자보다 유체 제어가 훨씬 효율적이고, 유체의 혼합 효율도 높았다. 뿐만 아니라 발열 문제도 최소화되어, 열에 민감한 임상시료나 검체 분석도 가능하다.

 

 

연구팀의 남정훈 박사는 “이 연구는 표면탄성파를 이용하여 미세유체 또는 입자를 제어할 수 있는 고수율, 고효율 기술을 개발한 것”이라며, “향후 박테리아, 바이러스 등의 초정밀 고감도 체외진단시스템에 이 기술을 적용하면 다양한 질병의 조기진단도 가능할 것으로 기대된다”고 연구의 의의를 밝혔다.

 

 

 

[ 용 어 설 명 ]

 

1. 미세유체소자

○ 머리카락 두께 정도인 마이크로 크기 단위로 유체 또는 유체 내에 부유된 미세입자 및 세포 등이 흐를 수 있도록 하는 관(미세유동채널)이 원하는 형태로 제작 및 배치되어 있는 소자

 

2. 표면탄성파(surface acoustic wave)

○ 압전기판의 표면에 손가락이 엇갈려 있는 형태의 마이크로 크기 단위의 미세 전극을 원하는 형태로 패터닝하고, 여기에 전극의 간격에 상응하는 작동 주파수를 갖는 교류 신호를 인가하였을 때, 그 전기적 에너지를 물리적 에너지로 변환하여 기판의 표면을 따라 발생하는 탄성파

 

3. 압전기판(piezoelectric substrate)

○ 전기적 에너지를 물리적 에너지로, 또는 물리적 에너지를 전기적 에너지로 각각의 형태를 상호변환시킬 수 있는 기판

 

4. 광경화물질

○ 고분자 화학 물질로 자외선(UV)을 조사하면 경화되는 물질

 

5. 마스터 몰드

○ 유체를 주입하여 경화시킨 후 원하는 형태의 조형물을 만들 수 있는 틀

 

6. 반도체 식각공정

○ 실리콘 웨이퍼에서 필요한 회로 패턴을 제외한 나머지 부분을 제거하는 공정

 

7. PDMS(polydimethylsiloxane)

○ 열경화성 실리콘 고분자 물질로서, 생화학적으로 안정하며 투명하여 관찰에 용이하기 때문에 미세유동채널 연구에 널리 사용되는 재료

 

 

 

[ 그 림 설 명 ]

(그림1) 3차원적 표면탄성파 발생 기반 유체 혼합을 위한 소자 개념도

광경화물질을 이용하여 제작된 미세유동채널을 가운데에 두고 위,아래에는 미세전극이 패터닝된 압전기판이 접합되었다. 소자의 성능 확인을 위하여 각기 다른 유체 A와 B의 혼합 연구를 수행하였다.

(왼쪽 아래) 실제 제작된 소자의 사진

(오른쪽 아래) 상하 압전기판으로부터 발생된 표면탄성파에 의해 미세유동채널 내에 한 쪽 방향으로 작용하는 내부유동이 발생한다.

(그림2) 표면탄성파 발생을 위한 인가전압에 따른 소자 성능 확인

3차원 표면탄성파 발생 소자의 성능을 확인하기 위하여 두 유체의 혼합연구를 수행하였다.

(a) 6V 이하의 전압에서는 각 유체(투명한 물, 연두색 형광유체)가 섞이지 않았다.

(b) 14V에서는 두 유체가 섞여서 하얀색 점선으로 표시된 미세유동채널 내에 균일하게 분포하게 된다.

(c) 동일 전압에서 단일 기판을 사용할 경우에는 그만큼의 혼합 효율을 얻을 수 없다.

 

 

 

 

출처 : 커뮤니케이션팀 서민경(smk920@korea.ac.kr)