바이오인

핵심내용

살아 있는 세포의 무게를 잴 수 있는 정밀저울 개발
- 간편 공정으로 의료, 생명, 산업 분야 폭넓은 활용 기대 -

□ 미래창조과학부(장관 최양희)는 용액 속에서 살아 있는 단일 세포나 마이크로 입자의 질량을 측정할 수 있는 정밀한 저울인 유리모세관* 공진기**를 개발하였다고 밝혔다.
    * 유리모세관: 유리로 만들어진 가느다란 파이프 형태를 일컫는다. 일반 병원에서 주사기를 사용하듯 의료나 생명공학 분야에서 유리모세관을 속이 빈 바늘(파이펫) 형태로 가공하여 생물실험에 사용한다.
   ** 공진기(resonator) : 외력에 의해 구조물이 고유한 주파수로 떨리게 하는 현상을 유도하는 장비 또는 시스템

 o 개발한 유리모세관 공진기는 반도체 공정* 없이 일반적인 가공만으로도 멤스 센서**와 유사한 수준의 우수한 정밀도를 나타내 멤스 센서가 가진 복잡한 공정과 고가의 비용, 고가의 제조 설비 문제를 해결할 수 있게 되었다.
    * 반도체 공정 : 청정실(cleanroom)에서 실리콘 웨이퍼를 가공하는 방법
   ** 멤스 센서 : 마이크로 수준의 미세 가공을 통해 만들어지는 힘, 진동, 온도, 무게 등을 계측하는 센서

□ 이정철 교수 연구팀(서강대)은 미래창조과학부 기초연구사업(개인연구)의 지원으로 연구를 수행했으며, 이 연구결과는 국제적인 학술지 사이언티픽 리포츠(Scientific Reports) 10월 3일자에 게재되었다.

 o 논문명과 저자 정보는 다음과 같다.

   - 논문명 : Pulled microcapillary tube resonators with electrical readout for mass sensing applications
   - 저자 정보 :  이정철 교수(교신저자·서강대학교 기계공학), 고상근 교수(서울대학교 기계항공공학부), 강태욱 교수(서강대학교 화학생명공학부), 조남준 교수(난양이공대 재료공학부), 이동혁 박사(제1저자·서울대학교 기계항공공학부), 김준휘(제1 공동저자, 난양이공대 재료공학부)

□ 논문의 주요 내용은 다음과 같다.

 1. 연구의 필요성

  ○ 그 동안 바이오/마이크로입자의 질량 계측 및 분석은 실리콘 웨이퍼 미세공정을 통한 멤스(MEMS) 기반 마이크로 질량센서를 이용하였다. 특히 마이크로 질량센서 중 내부에 유체가 흐르는 채널을 갖고 있는 튜브형 질량센서는 살아 있는 세포 등을 계측할 수 있다는 점을 통해서 이를 이용하면 생물분야나 제약, 의료연구 및 관련 산업에 유익하게 사용될 수 있어 연구개발이 지속되어 왔다.

  ○ 그러나 이와 같은 마이크로 질량센서는 제작할 때 실리콘 가공기술이 필요하고 복잡하고 까다로운 공정과정을 필요로 하여 대량생산이나 낮은 제조단가를 구현하기가 매우 어렵다. 또한 시스템을 구동하는데 들어가는 복잡한 광계측 시스템과 계측시료를 운반할 때 사용되는 유체 튜빙의 어려운 연결방법은 사용 편의성 측면을 크게 떨어뜨려 다양한 분야로의 확대 적용에 상당한 걸림돌로 작용하고 있다. 이러한 이유로 빠르고 간편한 제조공정의 개선 및 사용 편의성 증대는 해결과제로 남아 있었다.

 2. 연구내용

  ○ 연구팀은 바이오 분야에서 널리 쓰이는 유리모세관을 이용하여 열가공 변형을 이용해 파이펫*을 만들 시 유리모세관 양단을 끊기지 않고 유지하여 내부에 채널이 존재하는 얇게 잡아당긴 마이크로 유리모세관을 만들 수 있었다. 이를 이용하여 멤스 공정* 없이 마이크로사이즈의 튜브 구조물을 제작할 수 있었으며, 이를 이용하여 공진 시스템*을 구현하였다.
     * 파이펫 : 수 마이크로에서 나노 리터급의 미세한 유체를 흡입하거나 배출할 수 있는 작은 주사기
     * 멤스공정 : 주로 실리콘 웨이퍼 위에 마이크로/나노미터 수준의 작은 기계전기시스템을 만드는 제작 공정
     * 공진시스템 : 외력에 의해 구조물이 공진하는 현상을 유도하는 장비 또는 시스템

  ○ 제작된 유리모세관 공진기에 쿼츠 튜닝 포크(QTF)*를 덧붙여 공진 신호를 전기적으로 검출할 수 있는 방법을 고안하였으며 이로 인하여 기존에 사용하던 공진 신호를 계측하는 광신호 시스템을 작고 저렴한 것으로 대체할 수 있었다. 
     * 쿼츠 튜닝 포크 : 쿼츠(석영) 재질로 이루어진 떨림 굽쇠 형태의 진동 센서. 길이가 4～5 mm  정도의 외팔보(막대) 두 개가 나란히 배치되어 있으며 수 나노미터의 진동을 계측할 수 있다. 표면에 금속 전극을 배치하여 외부에서 전해오는 진동을 전기적인 전류로 변환해 줄 수 있는 센서이다.(QTF 센서와 동일한 용어)

  ○ 제작된 유리모세관 공진기를 이용하여 60μm의 오일 드랍렛*의 질량을 계측하는데 성공하였고, 특히 반지름 분해능이 31나노미터 수준으로 우수한 성능을 나타내었다.
     * 오일 드랍렛 : 물 속에 떠다니는 마이크로미터 수준의 작은 기름방울

  ○ 이러한 성능은 정밀한 멤스 공정 없이 제작되었음에도 불구하고 기존의 멤스 센서들의 성능과 유사한 수준이다. 향후 진공 밀폐처리 및 형상 최적화를 통해 성능이 더 높아질 수 있을 것으로 기대된다.

3. 연구 성과

  ○ 기존 멤스 생산공정을 획기적으로 교체할 수 있는 대안을 제시한 유리모세관 공진기는 대량 생산의 가능성을 제시하였고 대폭 향상된 사용자 편의성을 제공함으로서 향후 바이오/마이크로입자 계측 시스템의 시장에서 유리한 위치를 선점할 수 있을 것으로 기대된다. 

  ○ 수용액 상에서 마이크로 입자를 검출하거나 무게를 계측하는 기존의 센서 장비들은 억대의 고가 장비가 주를 이루었으나, 본 유리모세관 공진기는 저렴한 공정 개발로 제조 비용을 크게 줄일 수 있는 방법을 제시하였다. 이는 환경 분야의 수질 오염 입자 검출, 입자측정 장비 분야의 보급형 시장을 선점할 수 있을 것으로 기대된다. 또한 의료 분야에서 암세포 등의 약물 반응 검사나 각종 바이오마커, 세포 분비물질 등의 검출, 혈액 내 적혈구 등의 세포 상태 진단, 식음료나 석유 분야에서 유체의 밀도 계측을 통한 품질평가, 반도체 산업용 CMP 슬러리 입자 품질평가 등에 사용될 수 있다. 

  ○ 유리모세관 공진기는 기존 질량계측 공진센서들이 사용하는 레이저 계측 방법을 대신하여 작은 QTF 센서*를 채택하였기 때문에 전체적인 공진기 시스템의 사이즈를 축소할 수 있었고, 이로 인해서 소형화된 장비로서 손에 쥐고 사용할 수 있는 다양한 필드 어플리케이션용으로 사용 될 수 있다는 장점이 있다.

□ 이정철 교수는 “이 연구 성과는 살아 있는 단일 세포나 100만분의 1인 아주 작은 마이크로 입자의 무게를 정밀하게 잴 수 있는 유리모세관 공진기를 개발한 것이다. 저렴하면서 제조 방법이 간단하여 의료, 환경, 생명연구뿐만 아니라 산업 전반에 걸쳐 폭넓게 보급될 수 있을 것으로 기대된다.” 라고 연구의 의의를 설명했다

<참고자료> : 1. 연구결과 개요          
             2. 연구이야기     
             3. 용어설명               
             4. 그림설명      

 

상세내용

 연 구 결 과  개 요

1. 연구배경
  ㅇ 마이크로 세계의 이해 및 연구에서 가장 많이 사용되는 센서 중 하나는 입자의 질량을 계측할 수 있는 센서이다. 특히 무게가 나노그램(10^-9g)부터 아토그램(10^-18g)까지 분포해 있는 마이크로 입자들의 질량 계측을 위해서는 센서의 크기가 타겟 입자의 크기만큼 작아져야 하는데, 이를 위해서 멤스(MEMS) 기술을 기반으로 마이크로 사이즈의 캔틸레버 형태의 공진기 센서들이 지난 수십여년 간 여러 대학 및 연구진에 의해 개발되어 왔다.

  ㅇ 그 중 내부에 유동이 흐를 수 있는 채널을 갖고 있는 튜브 형태의 멤스 센서는 멤스 소자의 높은 정밀도를 유지하면서도 유체 및 유체에 떠돌아 다니는 입자의 질량을 계측할 수 있는 점으로 인해 멤스 센서 분야에서 살아있는 세포의 질량을 개별로 측정할 수 있는 독보적인 시스템이다.

  ㅇ 이러한 튜브 형태의 멤스 센서는 미증유의 센서 기술을 소개했지만 높은 제조 단가와 복잡한 공정으로 인하여 대량 생산이 어렵고, 까다로운 구동 방법을 필요로 하여 널리 사용되지 못하고 사용할 수 있는 그룹이 한정되어 있어 이를 개선할 수 있는 새로운 아이디어가 필요한 상황이다.

 2. 연구내용
  ㅇ 연구팀은 바이오 분야에서 흔하게 사용되는 유리모세관을 이용하여 얇게 잡아 당겨 마이크로 사이즈의 튜브를 제작하는데 성공하였다. 이를 이용하여 약 25 kHz로 공진하는 브릿지 구조의 유리모세관 공진 시스템을 구성하였으며, 쿼츠 튜닝 포크를 이용하여 공진하는 신호를 계측하였다. 이러한 시스템을 제작하는데 멤스 기술을 사용하지 않고 구현하였으며, 또한 별도로 제작된 소자를 사용하지 않고 기존 산업에서 사용되는 소자만을 사용하여 시스템을 손쉽게 구성하였다.

  ㅇ 제작된 유리모세관 공진기를 이용하여 마이크로사이즈의 오일 드랍렛(기름방울)의 무게를 계측하였다. 그리고 계측한 무게를 구(球) 모양의 반지름으로 변환했을 때 구분 가능한 최소 눈금(분해능)이 31 나노미터 수준에 이르렀다. 이는 광학 현미경으로 달성 가능한 해상도보다 우수한 성능을 보여주었다. 또한 유리모세관 외부를 녹여 더 얇은 벽면을 갖는 형태로 변형이 가능하고, 이를 통해 더 높은 해상도를 가질 수 있음을 실험적으로 규명하였다.

3. 기대효과
  ㅇ 이 연구에서 개발된 유리모세관 공진기 플랫폼은 일반적인 제조 방법과 기존 산업 소재로만 구성되었음에도 불구하고 MEMS 공정으로 제작된 다른 질량 계측 센서들과 유사한 성능의 정밀도를 보여주었다. 이러한 새로운 생산기술을 도입하여 플랫폼의 대량 생산 및 쉬운 공정 개발로 인해 이 기술을 필요로 하는 다른 분야에 저렴한 가격으로 빠르게 보급할 수 있을 것으로 기대된다.

  ㅇ 또한 유리모세관이 사용되던 기존 전기영동 기술이나 유전율 검출, 액상 크로마토그래피* 등의 계측 연구들과 혼합된 형태의 통합된 하이브리드 센서 플랫폼으로 발전할 수 있을 것으로 기대된다. 
   * 액상 크로마토그래피 : 액상에 있는 혼합물을 분리하는 실험. 이동상(mobile phase)이라는 유체에 녹아 있는 혼합물들이 고정상(stationary phase)이라는 고체를 통과하면서 혼합물들의 고유 분리 계수에 따라 서로 분리되는 기법.
   * 하이브리드 센서 플랫폼 : 이종 간의 센서 시스템을 통합하는 플랫폼. 예를 들어 무게를 계측하는 센서와 전기적 유전율을 검출할 수 있는 센서를 하나로 통합했을 경우를 말한다.

★ 연구 이야기 ★

□ 연구를 시작한 계기나 배경은?

단일 세포의 질량을 계측할 수 있는 튜브 타입의 멤스 공진센서는 유례없는 정밀도를 보여주면서 바이오 및 의료 연구분야에 획기적인 성과로 주목을 받았다. 그러나 복잡한 제조방법과 어려운 센서 활용은 이러한 고정밀 센서를 널리 보급하는데 어려움을 겪고 있다. 이러한 연유로 쉽고 빠르게 공진센서를 생산하고 사용 편의성이 증대된 플랫폼을 제작하여 내놓는다면 이러한 멤스 공진센서 분야에 새로운 활로를 만들어 줄 것으로 기대하여 이 연구를 시작하게 되었다.

□ 연구 전개 과정에 대한 소개

이 연구는 서강대학교, 서울대학교, 난양 이공대학교의 협력으로 이루어진 연구이다. 세 대학교 간에 활발한 미팅과 협력을 통하여 빠른 성과를 이끌어낼 수 있었다. 이동혁, 김준휘 박사과정이 연구에 대한 아이디어 및 실험을 주도하였고 각 대학에서 이 연구에 대한 검토 및 피드백, 방향제시 등을 통하여 진행하였다.

□ 연구하면서 어려웠던 점이나 장애요소가 있었다면 무엇인지? 어떻게 극복(해결)하였는지?

멤스 공정을 통해서 정교하게 제작되던 기존 공진센서들과 달리 저렴하고 기존 산업에 사용되는 손자들을 이용해서 이 기술을 구현하고자 했기 때문에 많은 재료의 탐색과 각 관련 분야에 대한 노하우가 많이 필요하였다. 이를 해결하고자 전기, 생물, 기계 분야의 각 연구실 간에 협력을 통해서 이와 같은 문제점들을 빠르게 극복할 수 있었다.

□ 이번 성과, 무엇이 다른가?

기존 실리콘 제조공정을 통하여 제작되는 질량계측용 공진 센서들은 웨이퍼 식각, 희생공정, 본딩 등의 여러 단계에 걸친 공정단계를 필요로 하여 높은 제조단가와 낮은 수율의 문제를 가지고 있다. 이러한 문제점들이 살아있는 세포의 질량을 계측할 수 있는 이 시스템의 보급을 어렵게 하는 대표적인 문제점으로 작용하였는데 연구팀이 제시한 새로운 공정 방법은 기존 공정 방법 대비 획기적인 생산 단가 개선과 빠른 제조과정, 그럼에도 불구하고 기존의 멤스 센서들과 유사한 수준의 정밀도를 보여줌으로써 우수한 성능을 증명하였다. 추가적으로 까다로운 광측정 시스템과 유체 연결 방법을 해결할 수 있는 방법을 제시하여 센서를 사용하는 사용자 편의성 측면에서도 상당한 성과를 이루었다.

□ 꼭 이루고 싶은 목표와, 향후 연구계획은?

향후 기 개발된 유리모세관 공진기 플랫폼에서 다른 물리적 특성을 계측할 수 있는 센서를 덧붙여 통합된 마이크로해석시스템(micro total analysis system)으로 시스템을 업그레이드 하고자 한다. 또한 기 개발된 시스템을 상용화하여 관련 분야의 산업에 전반적으로 보급하고자 하려는 계획도 갖고 있다.

용 어 설 명

1. 사이언티픽 리포트 (Scientific Reports)
  ○ 세계적 과학저널‘네이처’를 발행하는‘Nature publishing group’의 자매지로서 온라인 저널이다 (‘15년 인용지수: 5.228 )

2. 유리모세관 (glass capillary)
  ○ 지름 1~5mm 내외의 유리관으로서 내부에 채널을 갖고 있는 파이프 형태의 구조물이다. 통상적으로 이를 알코올 램프나 레이저를 통해 열을 가해 주어 유리가 녹을 때 좌우로 인장하여 얇게 잡아당겨 바늘 형태의 파이펫을 만들어 사용한다.

3. 쿼츠 튜닝 포크 (Quartz tuning fork)
  ○ 전자산업에서 시간 측정용으로 사용되는 소자이다. 석영을 두 외팔보를 갖는 굽쇠 형태로 가공하여 진동을 시켜서 발생하는 전류를 이용하는 소자로서 이는 석영 내부의 압전소자 특성에 기인한다. 일반적인 전자제품이나 손목시계 등에 사용된다.
 
5. 멤스(MEMS ; Micro Electro Mechanical Systems)
  ○ 멤스(MEMS)란 미세전자기계시스템, 미세전자제어기술 등으로 불리우는 것으로 반도체 공정기술을 기반으로 성립되는 마이크론(㎛)이나 ㎜크기의 초소형 정밀기계 제작기술을 말함.
  ○ 실리콘이나 수정, 유리 등을 가공해 초고밀도 집적회로, 머리카락 절반 두께의 초소형 기어, 손톱 크기의 하드디스크 등 초미세 기계구조물을 만드는 기술

그 림 설 명

그림 1. 유리모세관 공진기를 이용하여 오일 드랍렛을 계측하는 모식도(위)
     제작된 유리모세관에 오일 드랍렛 장치를 연결하여 생산된 오일 드랍렛의 무게를 계측하고 이를 반지름으로 환산해 크기 분포도를 계측. 크기가 큰 오일 드랍렛은 얇게 잡아당긴 유리모세관을 통과할 때 플러그 압축된 형태로 주입되는 장면과 계측된 오일 드랍렛들을 현미경으로 관찰한 사진(하단 왼쪽)과 실시간으로 오일 드랍렛이 유리모세관을 통과할 때 발생하는 공진주파수 변화를 모니터링한 데이터(하단 가운데), 310개의 오일 드랍렛들의 반지름 분포도를 히스토그램으로 나타낸 그림(하단 오른쪽).

그림 2. 유리모세관 공진기 제작방법
피에조 액추에이터, QTF, 얇게 잡아 당긴 유리모세관을 알루미늄 지그에 에폭시 본드로 접착하여 유리모세관 공진기를 제작하는 과정이다(좌). 얇게 가공된 유리모세관의 모습과 이것을 전자현미경을 통해 확대해서 본 그림(중)이며 유리모세관을 가공 시 튜닝을 통해 다양한 직경을 가진 유리모세관으로 형성할 수 있다. 제작된 유리모세관 공진기의 실제 모습을 촬영하였다(우). 

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