권성훈 교수, 획기적인 유체자기 조립기술 개발로 네이처지 표지논문 등재
전기공학부 권성훈 교수의 새 논문이 세계에서 연구 영향력이 가장 높은 국제 학술지 네이처지의 표지 논문으로 선정되었다.
연구 배경 및 현황
하나의 큰 시스템을 만들기 위해서는 각기 여러 가지 재료로 구성되어 있는 칩이나 디바이스들이 하나의 기판에 조립되어야 한다. 예를 들어, 렌즈, 필터, 다이오드, 미러 등과 같은 디바이스들이 모여서 하나의 광학 시스템을 구성하게 된다. 이러한 시스템은 한번의 프로세스로 성사되기는 힘들다. 왜냐하면, 구성물질도 다를 뿐만 아니라 프로세스 방식이 각기 다르기 때문이다. 이를 해결하기 위한 방법으로 로봇 팔이 반도체 공정 등으로 제작된 칩이나 디바이스를 집고 배치하는 pick-and-place 방식이 이용되었다. 하지만 조립해야 하는 디바이스들의 크기가 작아질 경우, 즉 공중에 떠돌아다니는 먼지만한 크기의 입자들을 조립해야 하는 경우는 기존의 pick-and-place방식을 이용할 경우, 시간이 많이 들고 처리 공정 가격이 높아진다는 단점이 있다. 크기가 큰 물체의 경우는 로봇이 이를 집은 다음 떨어뜨릴 때 중력의 영향에 의해 밑으로 떨어지지만 중력의 영향을 거의 받지 않는 작은 크기의 입자들은 표면력이 중력보다 우세해져서 접촉에 의해 로봇 팔에 붙어 떨어지지 않게 된다.
따라서 미세한 물체들의 조립을 위해서, 로봇 등과 같이 외부에서 물리적인 힘을 가하여 조립하지 않고 입자들 스스로 다량의 구조물들을 병렬적으로 제작하는 자기조립 (Self-assembly) 방법에 대해 많은 연구가 진행되어 왔다. 자기조립은 자연계에서 많이 볼수 있는 조립방법으로 단백질이나 셀들이 스스로 자신의 구조를 형성하고, 나아가 집합적으로 큰 구조를 형성하는 조립방법이다. 이는 많은 수의 구조물들을 동시에 조립하기 때문에 효율적인 방법이다. 먼저, 조립에 사용되는 입자들은 적절한 기판 위에서 원하는 위치로 이동을 해야 하며, 이동을 한 후 적절한 힘을 가해주어 조립된다. 이러한 힘에는 보통, 중력, 정전기력, 유체에 의한 힘 등이 있다. 특히, 유체 환경 안에서의 자기 조립이 가장 효율적인 방법으로 RFID의 반도체칩과 안테나를 조립하는 예가 상용화된 예가 있다. 유체자기조립은 조립하려는 칩들과 같은 형태의 홈이 파여져 있는 기판 위에 칩들을 유체와 함께 흘려줌으로써 진행된다. 각 칩들이 기판 위에 흘러가다가 홈에 들어맞게 되면 조립이 완성된다. 이러한 유체자기조립은 이 방법은 많은 양의 칩들을 병렬적으로 조립하여 시간이 빠르고 저렴하다는 장점이 있다. 하지만 기판 위에 조립하고자 하는 칩들의 수보다 수백만 배 많은 칩들을 흘려주어야 조립 되는 확률에 의존하는 방법으로 낮은 조립 수율을 가진다.
이와 같은 문제점을 해결하며, 로봇을 이용한 기존의 조립과 유체자기조립의 장점을 모두 가지는 획기적인 방법으로 서울대학교 권성훈 교수연구진은 사람의 머리카락보다 얇은 모세관안에서 미세한 칩들을 한치의 오차 없이 자기조립하는 내용을 개발하였다. 바닥에 기차 선로와 같은 홈이 있는 레일형 미세유체관을 고안하여, 마치 매크로 스케일에서기차가 선로위를 따라가듯이, 하이드로젤 블록, 디바이스, 또는 세포 등과 같은 다양한 미세구조물들을 모세관 안의 원하는 위치로 이동 또는 조립할 수 있는 기술을 개발하였다. 본 연구내용은 과학 분야 최고 학술지인 Nature 자매지인 Nature Materials의 표지 논문으로 2008년 7월호에 게재되었다.
연구 내용 및 방법
본 연구팀이 개발한 레일형 미세유체학 (Railed microfluidics)은 모세관 바닥에 기차선과 같은 홈을 만들어 미세구조물의 움직임을 제어 및 조립 할 수 있는 기술이다. 이 연구 내용은 이차원 구조로 살아있는 세포나 조직을 패터닝하거나 반도체 공정에 의해 제작된 칩이나 디바이스들의 패키징에 응용될 수 있다.
레일형 미세유체관은 기차선로 형태의 홈이 만들어진 미세유체관 틀을 제작하고 고무재질과 비슷한 투명한 물질을 틀에 부어 제작된다. 이 미세유체관 내부에 자외선에 반응하여 굳는 액체를 넣고, 쪼여 주는 자외선의 모양을 제어하여 다양한 형태의 3차원 구조물, 즉 마이크로미터 스케일의 기차를 만들 수 있다. 자외선 패터닝에 의해 구조물이 생성될 때 미세유체관 바닥의 홈에 맞도록 지느러미 구조물이 함께 생성되기 때문에 미세관안에서 기차선로를 이탈하지 않고 움직임이 제어될 수 있다. 위 방법을 이용하여 기차가 선로를 따라서 움직이듯 유체 안에서 미세구조물들이 다양하게 형성된 홈을 따라 이동함을 보여주었다.
본 기술은 미세입자들을 효율적으로 유체안에서 조립하기 위한 방법으로서 레일 미세유체관을 이용하면 다양한 자기 조립을 구현할 수 있다. 특히, 기계적인 맞물림 구조에 의해 조립된 1차원 매트릭스, 2차원 매트릭스, 서로 다른 물질로 구성된 입자들의 자기 조립이 그 예이다. 한편 여러 개의 레일을 이용하면 여러 개의 파트로 나눠진 복잡한 형태의 구조물을 한꺼번에 조립할 수 있다. 권성훈 교수 연구진은 조립기술의 예로, 그림과 같은 에펠탑, 그리스신전, 키보드 모양의 재미있는 형태의 미세구조물들을 단지 유체를 흘리는 동작만으로 자동으로 조립할 수 있음을 보여주었다. 특히, 키보드의 경우 60여개의 150um 크기 파트들로 구성되어 있는데 각 파트들이 동시에 오차 없이 조립하는 방법으로, 완벽에 가까운 조립의 정확성을 세계 최초로 선보였다.
이러한 새로운 제작기술의 응용예로서, 실리콘 기반의 반도체칩 공정 기술과 연계하여 LED의 조립이나 형광체 도포, 또는 실리콘 반도체 칩의 패키징과 같은 현재 산업분야에서 가지고 있는 문제를 해결할 수 있는 방법을 제시했다. 또한 바이오 분야에서 세포를 증식하고 대사를 연구하는 분야에 세포를 포함한 하이드로젤들을 제작하고 조립함으로써 기존의 기술로 조립하는데 시간을 많이 소요하였던 작업을 단 수분으로 줄임으로서 조직공학의 발전에 이바지 할 것으로 예상된다. 특히 이 기술은 조립 수율이 매우 높은데 일반적으로 유체를 이용한 조립의 경우 조립수율이 낮아 일정수율을 얻기 위해서는 그보다 많은 조립될 부품들이 필요한데 개발된 기술은 조립수율이 매우 높아 오차의 발생이 적고 정해진 부품만으로 조립이 가능하다.
한편 이 기술은 빠른 용매를 변경이 필요한 화학반응에도 응용이 가능하다. 미세유체관에 서로 다른 용매를 넣어 섞이지 않도록 흘리고 그 안에 반응기를 제작하고 제어하여 이를 기차선로형태의 홈을 따라 수 초 내에 연속적으로 반응시킬 수 있는 기술을 제시하였다.
연구 성과 및 향후 계획
이 연구 결과는 랩온어칩, 미세유체학 분야에 매우 획기적이고 창의적인 개념을 도입한 결과이다. 이는 한 분야에 국한되지 않고 다양한 학제 및 산업 분야에서 새로운 연구 주제들을 만들어 낼 것으로 기대되고 있다.
레일형 미세유체학은 줄기세포나 세포조직 연구 등 차세대 바이오 연구의 효과적인 플랫폼으로 사용될 것이다. 본 연구결과는 바이오 물질들을 마이크로 단위에서 이동, 조립시킬 수 있는 기술로, 생물학 연구자의 손을 대신하여 정밀한 실험을 수행하는 도구로서 각광받고 있다. 첨부된 논문에서도 세포가 들어있는 하이드로젤 블록을 만들어 매트릭스 구조로 조립한 결과를 보이고 있다. 본 연구팀에서는 이 기술을 이용하여 마이크로채널 안에서 세포 블록들을 조립하고, 세포를 성장시키는 연구를 진행하고 있다. 이러한 기술은 나아가 세포가 각종 약물에 반응하는 것을 관찰하거나 세포들이 조직을 이루거나 분화하는 과정을 관찰하는 데에 응용 될 것이다. 이는 신약개발, 조직연구의 기반기술로서 중요성을 갖는다.
또한 레일형 미세유체학은 반도체 회로 기술에도 응용될 것으로 기대되고 있다. 수백마이크로 단위로 작아진 회로 칩들을 유체환경에서 이동, 조립시켜 회로구조를 만드는 기술은 현재 회로 조립공정에 있어서 혁명적인 변화를 가져올 것으로 예상된다. 이는 LED 백라이트 유닛과 같은 다면적 회로 조립의 공정 가격을 낮추고 수율을 높일 수 있는 기술로서의 응용이 가능하다. 본 연구팀에서도 이와 같은 신개념 공정방법에 대해 레일형 미세유체학을 통한 LED 칩 조립 및 RFID와 같은 반도체 칩 패키징에 대한 연구를 진행하고 있다.
이러한 창의적인 조립기술 및 그 응용에 대한 특허 출원을 마친 상태이다. 개발기술은 다양한 분야에 응용가능한 원천기술로서, 본 연구팀에서는 이 연구 결과의 다양한 분야에서의 상용화를 위한 산학협력 및 기술이전을 계획하고 있으며, 개발된 공정기술에 대한 여러가지 시험을 서울대학교의 국가핵심연구센터인 나노응용시스템연구센터(소장 박영준)에서 진행하고 있다.
2008. 6. 16
권성훈 교수
http://binel.snu.ac.kr