3차원적 표면탄성파 발생 기반 유체 혼합을 위한 소자 개념도(왼쪽 아래) 실제 제작된 소자의 사진
[대전=일요신문] 육심무 기자 = 고려대 임채승 교수·남정훈 박사 연구진이 머리카락 두께의 미세 환경에서 유체를 혼합하고 분리하는 고효율 기술을 개발했다.
한국연구재단은 임채승·남정훈 연구진이 압전기판의 표면을 따라 발생하는 표면탄성파를 기반으로 미세입자와 유체를 3차원으로 제어하는 미세유체소자 기술을 개발했다고 29일 발표했다.
미세유체소자 는 미량의 유체를 조작하도록 설계된 소자로써, 머리카락 두께의 유체관(미세유동채널) 내부에서 다양한 유체, 미세입자, 세포 등이 혼합, 반응, 배양될 수 있다.
마이크로 크기의 미세환경 내에서 미세유체 및 입자/세포를 제어하는 기술은 생화학 연구 및 조기 진단, 의학 분석 분야 등 여러 분야에서 필수적인 과정이다.
그 중, 압전기판*과 초음파 발생 압전소자를 이용하여 음향파를 발생시켜 활용하는 기술이 주목을 받고 있다.
표면탄성파 발생을 위한 인가전압에 따른 소자 성능 확인
표면탄성파는 전기적 에너지와 기계적 에너지를 상호 변환할 수 있는 압전물질을 이용하여 발생시킬 수 있다. 반도체 식각공정을 통하여 손가락이 엇갈려 있는 형태의 미세전극을 원해는 형태로 압전물질의 표면에 패터닝하고 전극의 간격에 상응하는 작동주파수를 갖는 교류 전압을 해당 전극에 인가하여 표면탄성파를 발생시킬 수 있다.
이러한 기술은 비침습성, 낮은 전력소모, 다른 제어시스템과의 통합의 용이성, 사용 편리성 등의 장점으로 크게 주목을 받고 있다.
이러한 표면탄성파는 압전물질의 표면을 따라 진행하다가 미세유동채널을 만나 유체를 통해 파력을 전달하여 유체 및 미세입자의 제어가 가능한데, 파력이 기판의 바닥으로부터 전달되기 때문에 높이가 높은 미세유동채널의 경우 그 에너지를 온전히 전달하지 못하는 한계점을 갖는다.
연구팀은 표면탄성파가 미세유체소자의 위, 아래 양쪽에서 발생하면서 이종의 유체와 미세입자를 가로·세로·높이 방향까지 3차원으로 제어할 수 있는 소자를 설계했다.
임채승 교수
미세유동채널을 가운데에 두고 마주보는 한 쌍의 미세전극이 패터닝된 압전기판을 미세유동채널의 위아래에 위치시킴으로써 상하판으로부터 발생되는 표면탄성파를 이용할 수 있다는 것이 이번 연구의 가장 큰 특징이다.
이는 상하판에 위치할 두 쌍의 미세전극 각각에 전압을 인가하면 표면탄성파의 발생을 3차원적으로 다양하게 조절할 수 있기 때문에 기존의 시스템과 비교하였을 때 동일한 조건에서 고수율, 고효율 처리가 가능하여 더 우수한 성능을 나타낸다.
또한 동급의 성능을 가정했을 때에는 기존의 시스템에서 발생하던 발열 문제도 최소화하여 온도에 민감한 대상 시료를 다룰 때에 크게 유리하다.
미세유동채널의 위아래에 위치한 두 쌍의 미세전극을 각각 제어할 수 있기 때문에 채널 내의 미세유체 및 입자/세포의 가변적인 제어가 가능하며 기존의 단일 기판 시스템에서는 불가능했던 기능의 수행이 가능할 것으로 예상된다.
특히 표면탄성파를 3차원적으로 활용할 수 있는 소자를 제시함으로써 체외진단 시스템 내에서의 특정 시료/검체에 대한 검출능 및 질병의 진단율을 향상시킬 수 있는 고수율, 고효율 시료 전처리 기술로 적용이 가능하고, 나노 크기의 박테리아나 바이러스 등에 대한 분석 기술에 필수적인 전처리 기술로서의 활용가능성을 가질 것으로 예상된다.
남정훈 박사
남정훈 박사는 “이 연구는 표면탄성파를 이용하여 미세유체 또는 입자를 제어할 수 있는 고수율, 고효율 기술을 개발한 것”이라며 “향후 박테리아, 바이러스 등의 초정밀 고감도 체외진단시스템에 이 기술을 적용하면 다양한 질병의 조기진단도 가능할 것으로 기대된다”고 밝혔다.
이 연구 성과는 과학기술정보통신부․한국연구재단 기초연구지원사업(개인연구) 등의 지원으로 수행되었고, 국제적인 학술지 센서스 앤 액츄에이터스 B: 케미컬(Sensors and Actuators B: Chemical) 9월 28일자 게재되었다.
논문명 : Micromixing using swirling induced by three-dimensional dual surface acoustic waves(3D-dSAW)
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