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

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.

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)

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.