▲ (상단 좌측부터) 김현호 석박통합과정(제1저자), 조용덕 석박통합과정(공동저자), 백동재 석박통합과정(공동저자),

(하단 좌측부터) 노경훈 석박통합과정(공동저자), 박성훈 석박통합과정 (공동저자), 이승우 교수(교신저자) 

(사진 제공=KU-KIST융합대학원)

고려대학교 공과대학(학장 이해근) 이승우 교수 연구팀(KU-KIST융합대학원/공과대학 융합에너지공학과)이 초점도 유체에 적합한 미세유체 칩(microfluidic chip)의 설계 방법을 개발해 대량의 균일한 미세방울(droplets) 제작에 성공하여, 이를 통해 균일한 미세방울로 제작할 수 있는 유체 점도가 세계 최곳값을 기록했다.

미세유체 기술이란 미터(m)보다 백만 배 작은 마이크로미터(㎛) 크기에서 유체의 특성을 연구하는 학문으로, 미세유체 칩 내 마이크로리터(㎕) 규모의 미세방울을 정교하게 제어할 수 있다. 이 기술은 극미량의 시료만으로 다양한 실험이 가능하며, 미세방울 내부에 약물 등의 기능성 물질을 넣을 수 있어 의학, 약학, 생화학, 바이오, 뷰티 등 다양한 분야에서 활용할 수 있다. 그러나, 현재까지 개발된 대부분의 미세유체 칩은 저점도 방울만을 제작할 수 있으므로 극복해야 할 한계가 명백하다.

이승우 교수팀은 초점도 유체를 위한 미세유체 칩을 개발해 미세방울 활용 확대에 기여했다. 연구팀은 유체의 압력 변화에 대한 수식(하겐=푸아죄유 법칙)을 활용하여 미세유체 칩을 설계했고, 초점도 미세방울을 대량으로 생성해냈다.

▲ [그림 1] 본 연구의 결과와 보고된 유체 점도의 비교. 현재까지 개발된 대부분의 미세유체 소자는 약 10-2~10-3 Pa·s 수준의 저점도 유체만을 목표로 제작되고 있다. 일부 고점도 유체를 위한 미세유체 소자가 제시되고 있으나, 구조의 복잡함 때문에 제시된 디자인들로는 미세방울의 대량생산이 불가능하다. 본 연구는 가장 높은 점도의 유체를 균일한 미세방울로 제작하였으며, 칩단 미세방울 형성 빈도는 46.08Hz로 다른 고점도 미세유체 칩 보다 우수하다. (사진 제공=KU-KIST융합대학원) 

유체의 점도가 높은 경우 유체의 흐름 저항은 강한 점성력에 의해 기하급수적으로 상승하며, 복잡한 미세유체 칩 내부에서는 흐름 저항이 불균일하게 분포된다. 연구팀은 이런 불균일한 분포가 미세방울들이 불균일하게 제작되는 원인임을 확인하며, 미세유체 칩 내부의 흐름 저항을 균일하게 만들고자 미세유로의 길이를 서로 다르게 설계했다.

연구팀은 이와 같은 설계를 기반으로 다수의 미세유로가 통합된 미세유체 칩을 제작했고, 대량의 초점도 미세방울이 균일하게 제작됨을 보였다.

▲ [그림 2] 혁신적인 방법으로 설계된 미세유체 소자와 이를 통해 제작된 미세방울 사진. 유체의 압력변화에 대한 수식을 기반으로 초점도 유체를 위한 미세유체 칩을 설계하였다. 본 연구에서, 설계된 미세유체 칩은 점도가 3.5 Pa·s 인 유체를 대량의 균일한 미세방울로 제작할 수 있으며, 미세방울 생산량은 한 시간 당 약 330,000개 이다. (사진 제공=KU-KIST융합대학원)

▲ [그림 3] 균일하게 제작된 미세방울과 마이크로 렌즈 배열체. 미세유체 소자를 이용하여 제작된 미세방울들의 평균 지름은 96㎛, 표준편차는 0.24㎛, 분산계수는 약 2%로 매우 균일함을 확인하였다. 이와 같이 균일하게 제작된 대량의 액적들은 수 cm 크기 이상의 마이크로 렌즈 배열체로 활용될 수 있음을 확인하였다. (사진 제공=KU-KIST융합대학원)

연구 결과에 따르면 미세유체 칩을 이용해 한 시간 동안 약 33만 개의 미세방울을 제작했고, 제작된 미세방울들의 평균 지름은 96㎛, 표준편차는 0.24㎛, 분산계수는 약 2%로 매우 균일함을 확인했다. 특히 연구에 사용된 Polydimethylsiloxane(PDMS) prepolymer의 점도는 2.5 Pa·s로 현재까지 보고된 유체 중 가장 높은 값을 기록록했으며, 이렇게 제작된 대량의 미세방울들은 마이크로 렌즈 배열체 등 수 cm 규모 이상의 광학기기로도 활용될 수 있음을 확인했다.

이 교수 연구팀은 혁신적인 미세유체 칩의 설계 방법 제시로 균일한 초점도 미세방울을 대량으로 제작할 수 있음을 보여, 해당 기술로 미세방울들이 더 다양한 분야에 사용할 수 있도록 활용을 확장하는 데에 크게 기여할 것으로 기대했다. 

해당 연구 성과는 한국시간 10월 31일 세계적 학술지 Small(Impact Factor: 15.153)에 게재되었다.  /공과대학신문