세계 최고 수준 초점도 미세방울 제작하는 미세유체 칩 개발
이승우 교수팀 연구결과, Small 논문 발표
초점도 유체를 미세방울로 제작하기 위한 미세유체 칩 설계 기술 개발

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

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

고려대 이승우 교수팀(KU-KIST융합대학원/공과대학 융합에너지공학과)은 초점도 유체에 적합한 미세유체 칩(microfluidic chip)의 설계 방법을 개발하여, 대량의 균일한 미세방울(droplets) 제작에 성공했다. 이를 통해 균일한 미세방울로 제작할 수 있는 유체 점도가 세계 최고값을 기록했다.

이번 연구 결과는 한국시간 10월 31일 세계적 학술지 Small(Impact Factor: 15.153)에 실렸다.
- 논문명 : Parallelization of Microfluidic Droplet Junctions for Ultraviscous Fluids

- 저자정보 : 김현호 석박통합과정 (제1저자, 고려대학교), 조용덕 석박통합과정 (공동저자, 고려대학교), 백동재 석박통합과정 (공동저자, 고려대학교), 노경훈 석박통합과정 (공동저자, 고려대학교), 박성훈 석박통합과정 (공동저자, 고려대학교), 이승우 (교신저자, 고려대학교) (총 6명)


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

이승우 교수팀은 초점도 유체를 위한 미세유체 칩을 개발하여 미세방울의 활용 확대에 기여했다. 연구팀은 유체의 압력 변화에 대한 수식(하겐-푸아죄유 법칙)을 활용하여 미세유체 칩을 설계하였고, 초점도 미세방울을 대량으로 생성해냈다.

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

연구팀은 이러한 설계를 기반으로 다수의 미세유로가 통합된 미세유체 칩을 제작했고, 대량의 초점도 미세방울이 균일하게 제작됨을 보였다. 연구 결과에 따르면, 미세유체 칩을 이용하여 한 시간 동안 약 330,000개의 미세방울들을 제작했고, 제작된 미세방울들의 평균 지름은 96μm, 표준편차는 0.24μm, 분산계수는 약 2%로 매우 균일함을 확인했다. 특히 연구에 사용된 Polydimethylsiloxane(PDMS) prepolymer의 점도는 3.5 Pa·s로 현재까지 보고된 유체 중에서 가장 높은 값을 기록했다. 이렇게 제작된 대량의 미세방울들은 마이크로 렌즈 배열체 등 수 cm 규모 이상의 광학기기로도 활용될 수 있음을 확인했다.

연구팀은 혁신적인 미세유체 칩의 설계 방법을 제시했고, 균일한 초점도 미세방울을 대량으로 제작할 수 있음을 보였다. 연구진은 해당 기술은 미세방울들이 더 다양한 분야에 사용 가능하도록 활용을 확장하는 데에 큰 기여를 할 것으로 기대했다.



[ 그 림 설 명 ] 


[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, 칩당 미세방울 형성 빈도는 46.08Hz 로 다른 고점도 미세유체 칩 보다 우수하다.



[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 시간당 약 330,000개 이다.



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

 
 

커뮤니케이션팀 서민경(smk920@korea.ac.kr)