국내 연구진이 초소형 마이크로 채널(100만분의 1 크기) 내에서 나노입자가 스스로 구조화되는 능력^*을 활용하여, 3차원 소용돌이(와동, vortex)를 발생시키는 고효율 마이크로 믹서^**를 개발하였다. 동 믹서로 샘플과 시약 간 완벽한 혼합을 가능케 하여, 나노-바이오 공학이 한 단계 나아갈 수 있는 가능성을 열었다.

서강대 기계공학과 (교신저자)와 김대중 교수(교신저자)와 최은표 박사과정생(제1저자)이 참여한 이번 연구는 미래창조과학부와 한국연구재단이 추진하는 기초연구지원사업(일반연구자지원)으로 수행되었고, 나노기술 분야의 권위지인 랩온어칩(Lab on a Chip) 4월 21일자에 표지 논문으로 게재되었다.

     

 

랩 온어 칩의 효과적인 구현을 위해서는 시료의 전처리 과정으로, 샘플과 시약의 빠른 혼합을 통해 분석의 정확도를 높이는 것이 중요하다. 두 가지 종류의 유체를 빠르게 섞기 위해서 그 간 여러 가지 형태의 마이크로 믹서가 개발되어 왔다. 

그러나 마이크로 유체에서는 상대적으로 점성이 커서 층간 이동이 활발하지 못하여 효율적인 믹서를 개발하는 데에 많은 어려움이 있었다. 

 

연구팀은 나노입자를 마이크로 채널 내에 원하는 위치와 형상으로 자기 조립화할 수 있게 구현하여 양이온만을 통과시키는 나노채널 네트워크를 제작하였다. 동 나노채널 네트워크는 전후에 직류전압을 가하면, 채널 경계면에 3차원 마이크로 소용돌이(와동)를 일으켜 간단한 구성으로도 샘플과 시약 간 완벽한 혼합을 이룰 수 있다. 

이 마이크로 믹서는 기존의 2차원 나노채널에 비해 비약적으로 증가된 마이크로 와동을 발생시킬 수 있으며, 짧은 영역에서(8 마이크로 이하) 1 밀리 초(msec, 0.001초)이내에 99%이상 혼합할 수 있다. 아울러 나노채널 네트워크의 특성을 조절하여 200 나노미터(nm) 수준의 나노입자를 사용했을 때 혼합성능이 증가되는 것을 발견했다.

박정열 교수는 “이번 연구는 나노입자 자기조립화를 능동적으로 제어함으로써 형성된 이온선택성* 나노채널 네트워크를 활용한 랩 온어 칩 응용 사례라는 점에서 의의”가 있으며, “향후 마이크로 재생 에너지 발생 장치, 바이오센서, 이온의 이동성 제어 연구 등 마이크로 영역의 나노-바이오 연구 및 제품 개발에 널리 활용될 수 있다”고 연구의의를 밝혔다.

 

랩 온어 칩은 수 나노 리터(10억분의 1리터)에서 수십 마이크로 리터(100만분의 1리터)의 작은 양으로 짧은 시간 안에 샘플에 대한 전처리, 반응, 분리 및 분석이 가능한 시스템으로서, 마이크로 펌프, 믹서, 필터, 분리기 및 센서로 구성되어진다. 샘플 및 반응 시약의 빠르고 효율적인 혼합은 반응을 촉진시켜 분석의 정확도 개선하고, 분석시간을 줄이는데 기여할 수 있어서, 고성능 마이크로 믹서의 개발에 대한 관심은 계속되고 있다. 낮은 레이놀즈수(점성력에 대한 관성력의 비)로 인해 상대적인 점성이 큰 미소유체의 특성 상 마이크로 믹서의 개발은 주로 확산속도를 증가시키기 위한 연구가 주로 개발되었으며, 보다 효율적인 혼합이 가능한 난류를 이용한 연구는 상대적으로 어려움을 겪어왔다. 본 연구를 통해서 매우 간단한 공정 및 구성을 통해 마이크로 와동을 발생시켜 효율적인 마이크로 믹서를 개발하였다.

 

본 연구에서는 나노입자를 포함한 마이크로 유체의 제어를 통해 마이크로 채널 내에 원하는 위치와 형상으로 나노입자를 자기조립화하고, 격자구조로 조립화된 나노입자들 사이에 연결된 빈 나노공간들을 이용하여 양이온 선택적인 나노채널 네트워크를 형성하였다. 이 나노채널 네트워크가 이온교환막 역할을 하게 되어, 양단에 직류전압을 인가하게 되면, 전기동역학적인 불안정성이 발생하면서 마이크로 채널과 나노채널 네트워크의 경계면에서 난류유동의 특징적인 마이크로 와동이 일어나 효율적인 혼합을 달성할 수 있게 된다. 

본 연구에서는 기존 2차원 나노채널 보다 훨씬 넓은 경계면을 형성시킬 수 있는 나노채널 네트워크를 통해 획기적으로 증가된 마이크로 와동을 발생시킬 수 있으며, 나노입자의 크기를 조절하여 나노채널 네트워크의 이온선택성 및 이온 전도도를 증가시킴으로써, 0.001초 이내에 8 um 이내 공간에서 혼합이 99%이상 이루어짐을 확인하였다.

 

나노채널 네트워크는 고가의 장비를 활용하지 않더라도 간단한 공정을 거쳐 나노채널을 3차원적으로 구현할 수 있어서 기존보다 이온의 흐름을 획기적으로 개선하면서도 이온에 대한 선택성능을 저하시키지 않음을 확인하였다. 

 

이 같은 연구결과는 비단 마이크로 믹서의 개발뿐만 아니라, 마이크로 와동에 의한 이온흐름(flux)의 증대 및 이를 통한 이온 이동도 제어, 이온 및 바이오 물질의 농축 및 희석, 마이크로 재생 에너지 발생 연구 및 고성능 바이오센서를 위한 마이크로 플랫폼으로 활용될 수 있다.

난류적 특성인 마이크로 와동(vortex) 발생을 극대화시켜 점성이 높은 미소유체의 혼합성능을 획기적으로 개선함

샘플과 시약간의 혼합시간 및 거리를 획기적으로 개선한 효율적 마이크로 믹서

약 5 년 정도 

현재 나노채널 네트워크에 대한 특허 출원하였으며 등록과 기술 이전, 대량생산이 가능한 자동화시스템 구축

2012년 마이크로 입자를 활용한 멤브레인을 통해 박테리아 주화성 연구를 위한 마이크로시스템(파이오니어 연구지원)의 개발이 기초가 되어, 나노입자를 이용한 나노채널 네트워크를 개발하고 이를 활용한 이온 이동성 연구를 목적으로 하는 일반연구자 지원사업(모험연구)이 본 연구팀의 주된 연구주제임

4년여에 걸쳐 나노입자 자기조립화를 마이크로 유체를 통해 채널 내에 효과적으로 제어할 수 있다는 것을 확인하고 이에 대한 집중적인 연구를 계속한 점이 중요한 역할을 했음 

학생들과 좋은 연구를 꾸준히 계속하고, 학생들이 연구를 통해 희열과 보람을 느낄 수 있었으면 함

연구를 하다보면 예상하지 못한 곳에서 새로운 응용이 보일 때가 있는 것 같습니다. 

1. Lab on a Chip 誌

랩 온어 칩 분야에서 권위를 인정받고 있는 융복합 분야 전문지 (인용지수: 5.748)

 

손톱만한 크기의 칩 실험실인 ‘랩 온어 칩(Lab on a chip)’에서 시료 분석에 앞서 전처리 과정으로 각종시약과 샘플을 혼합하는 장치

 

 

일정이상 농도를 갖는 나노입자를 포함한 미소유체를 증발시키게 되면, 미소유체가 증발하면서 나노입자 간의 표면장력(surface tension)으로 인해,  특별한 외력이나 간섭 없이 나노입자가 자기조립화하게 됨. 나노입자를 포함한 미소유체를 제어함으로써 원하는 위치와 형상으로 채널 내에 나노입자를 자기 조립화할 수 있으며, 나노입자 간의 연결된 빈 공간이 3차원으로 연결된 나노채널 네트워크를 형성함.   

 

순수제조 등에 사용되고 있는 이온교환수지를 막상으로 형성한 것으로, 이온교환기를 갖는 하전 막을 의미함. 이온 교환막에는 양이온 교환막과 음이온 교환막이 있고, 이온 교환막의 특징은, 이온의 선택투과성이며, 용액중의 이온은 반대 부호의 고정전하를 갖는 이온교환막은 투과할 수 있지만, 동 부후의 고정전하를 갖는 이온 교환막은 투과할 수 없음.

 미량의 유체 체적을 감지·펌핑·혼합·분석·제어할 수 있는 미이크론 스케일의 초소형 디바이스를 설계 및 개발하는 문제를 다루며, 화학분석, 생화학 감지, 약물전달, DNA·단백질·세포분석, 핵산증폭 합성, 현장의료검사, 환경모니터링 등 여러 분야에서 개발과 응용이 확산되고 있다

나노입자 자기조립화로 이루어진 마이크로 채널 내 3차원 나노채널 네트워크의 전자현미경 사진 (왼쪽 아래 부분)과 제작된 마이크로 믹서 디바이스 사진 (왼쪽 위 첫 번째)과 나노채널 네트워크의 광학현미경 사진 (왼쪽 위 두 번째). 

나노입자의 크기 및 입력전압에 따른 두 가지 유체의 혼합성능 비교 실험결과 (오른쪽 형광현미경 사진).