POSTECH(포항공과대학교, 총장 김도연) 기계공학과 정완균 교수․박사과정 허영진씨․석사과정 강준수씨가 로봇공학을 이용해 전문가가 아니라도 손쉽게 미세유체를 조절 할 수 있는 정밀 유량1 제어 기술을 개발했다. 향후 암 진단, 세포반응 분석 등에 쓰이는 초소형 바이오칩 개발에 응용이 가능할 것으로 기대된다.

손톱만한 크기의 칩 위에 놓인 작은 실험실이란 뜻의 ‘랩온어칩(Lab-on-a-chip)’. 피 한 방울과 같은 극소량의 샘플로 빠르고 쉽게 질병 여부를 판별하는 등 실험실에서 이루어지는 여러 가지 복잡한 실험이 가능한 최첨단 초정밀 실험기기이다. 이를 위해선, 극히 적은 양의 유체시료를 여러 채널로 나누어 보내거나 섞고, 그 흐름을 멈추는 등 원하는 대로 제어하기 위한 ‘미세유체 제어기술’이 핵심적이다.

소형 칩 등에 사용되는 미세유체 제어 기술에는 지금까지 주로 비례-적분-미분 (Proportional-Integral-Derivative, PID) 제어기’가 사용돼 왔다. 시스템 상의 원하는 값을 일정하게 얻기 위해 제어기가 오차 값을 계산, 보완해주는 방식으로 일종의 ‘튜닝’을 거치는데, 마이크로미터 수준의 아주 작은 시스템에서는 사소한 요인으로도 오차가 빈번히 발생 한다. 따라서 사용자가 제어기를 사용해 많은 오차를 정밀하게 조절해야 할 뿐더러 그 과정이 까다로워 숙련된 전문가가 아니면 어려움을 겪었다. 특히, 여러 채널의 흐름을 동시에 제어하는 등 더욱 고도화 된 기능을 요하는 시스템에는 적용이 어려운 것이 문제점으로 지적되어 왔다.

로봇공학을 전문적으로 다루는 정 교수 연구팀은 이러한 문제를 제어공학의 관점으로 새롭게 접근하여 해결책을 제시했다. 미세유체가 전류처럼 흐른다는 점에 착안, 오차 값 보완 및 유체의 흐름을 자동으로 제어 할 수 있는 알고리즘을 설계했다. 일종의 인공지능을 탑재한 셈이다. 그러자 사용자가 굳이 어려운 제어 과정을 거치지 않아도 되며, 자동화를 통해 오히려 안정성과 정밀도가 향상되는 결과를 얻었다. 또, 다수의 채널에 대해서도 동시에 독립적인 제어가 가능해 향후 ‘랩온어칩’ 장치에서 다양한 방식으로 활용될 수 있는 새로운 가능성을 열었다.

특히, 이 기술을 사용하면 기존의 생명과학 연구실에서 수행하던 세포배양 및 세포반응 분석 등도 초소형 세포칩 내에서 가능해질 것으로 전망된다. 물리적, 화학적 자극에 따른 세포의 반응도 더욱 세분화 된 수준에서 분석 가능 할 것으로 기대를 모으고 있다.

연구를 주도한 정완균 교수와 허영진씨는 “제어공학 관점에서 미세유체역학과 이를 이용한 바이오 연구에 기여하고자 이 연구를 시작 했다”며 “다양한 분야의 기반 기술이 총집합한 융합기술의 플랫폼인 ‘랩온어칩’의 발전에 큰 도움이 될 것이라 믿는다”고 의의를 밝혔다.

세계적인 학술지 ‘네이처’의 자매지인 ‘사이언티픽 리포트(Scientific Reports)'지에 최근 게재된 이 기술은 유체 흐름의 속도와 농도 등을 간단하면서도 세밀하게 조절 할 수 있어, 미세유체 시스템의 고도화에 꼭 필요한 연구로 향후 바이오칩 산업에 큰 영향을 미칠 것으로 기대된다.

한편, 이 연구는 미래창조과학부의 재원으로 한국연구재단의 선도연구센터지원 사업(ERC)의 지원을 받아 수행됐다.