11월 과학기술인상, 한국과학기술원 성형진 교수- 미세유체칩의 정교한 액체방울 제어기술 개발

11월 과학기술인상, 한국과학기술원 성형진 교수- 미세유체칩의 정교한 액체방울 제어기술 개발

 

작성일 : 2017. 11. 1. 미래인재기반과

 

11월 과학기술인상, 한국과학기술원 성형진 교수
- 미세유체칩의 정교한 액체방울 제어기술 개발 -

□ 이달의 과학기술인상 11월 수상자로 한국과학기술원 기계공학과 성형진 교수를 선정했다고 과학기술정보통신부(장관 유영민, 이하 ‘과기정통부’)와 한국연구재단(이사장 조무제, 이하 ‘연구재단’)은 밝혔다.

□ 과기정통부와 연구재단은 성형진 교수가 동전크기의 미세유체칩(랩온어칩, Lab-on-a-chip)*내 마이크로미터 규모의 미세 액체방울을 정교하게 제어할 수 있는 기술을 개발하여 미세유체역학** 연구의 역량을 강화한 점이 인정되었다고 선정배경을 설명했다.

    * 미세유체칩(랩온어칩) : ‘칩 위 실험실’이라는 용어대로 기판 위 극소량의 시료만으로도 다양한 실험과 정보획득이 가능한 바이오 마이크로 칩

   ** 미세유체역학 : 극히 작은 유체(액체와 기체)의 운동을 연구하는 학문

 ㅇ 차세대 실험․진단기술인 랩온어칩은 작은 반도체 칩에서 극미량의 시료만으로 복잡하고 다양한 실험이 가능하여 의․약학, 보건․환경 등 많은 분야에서 주목받고 있다

 ㅇ 그러나, 미세유체역학의 중요 기술 중 하나인 유체 샘플의 온도 제어 기술은 그간 정교성이 낮아, 랩온어칩의 활용 확대를 위해 극복해야할 한계로 남아 있었다.

 ㅇ 성형진 교수는 음향과 빛 에너지를 이용하여 신속․정교하게 미세 액체 방울의 온도를 제어할 수 있는 ‘음향열적 가열법*’을 독자 개발함으로써 랩온어칩 성장의 돌파구를 마련하는 한편, 미세유체역학의 학문적․기술적 진보에 기여하였다.

    * 음향열적 가열법 : 고체와 액체로 자유롭게 변하는 성질을 갖는 점탄성 물질에 음향파가 흡수되면서 발생하는 열을 이용하는 가열법으로, 가열 속도가 빠르고 시공간적 온도 제어가 용이해 원하는 부분만 국소 가열이 가능

□ 성형진 교수가 개발한 ‘음향열적 가열법’은 온도뿐 아니라 미세 유체의 크기, 이동, 위치까지 자유자재로 제어할 수 있는 기술로서, 생화학, 의약학 분야 등에서 다양한 응용이 가능한 혁신적 성과이기에 더욱 주목된다.

 ㅇ 성형진 교수는 유전물질의 증폭 방법인 ‘중합효소 연쇄반응(PCR)*’에 개발 기술을 적용하여 기존 상용화 기술에 비해 반응처리 시간을 획기적으로 단축(1~2시간→3분)한 독보적 기술을 선보였다.

    * 중합효소 연쇄반응(PCR, Polymerase Chain Reaction) : 유전자 분석을 위해 특정 유전물질을 증폭하는 방법으로, 거의 모든 유전물질 조작실험 과정에 사용

 ㅇ 또한 DNA 돌연변이 검출 방법인 ‘DNA 변형곡선 분석*’에도 적용․응용하여 단시간에 분석이 가능한 새로운 시스템을 개발함으로써 질병 진단 등 의․약학 발전에도 크게 기여하고 있다.

    * DNA 변형곡선 분석 : DNA에 점진적으로 열을 가해 DNA 이중 나선이 융해되는 변성온도를 바탕으로 DNA의 돌연변이 유무를 판별, 검출하는 방법

□ 성형진 교수는 “이 기술이 미세유체역학의 활용성을 높인데 의미가 있다”며 “검역, 법의학수사 등 생화학 분야와 건강검진, 신약개발 등 헬스케어 분야의 기술 혁신을 이끌 수 있을 것으로 기대된다.“라고 연구의 의의를 설명했다.

□ ‘이달의 과학기술인상’은 우수한 연구개발 성과로 과학기술 발전에 공헌한 연구개발자를 매월 1명씩 선정하여 과기정통부 장관상과 상금 1천만 원을 수여하는 상이다.

 <참고> 1. '17년 11월 이달의 과학기술인상 수상자 주요 연구성과 설명2. '17년 11월 이달의 과학기술인상 수상자 이력3. '17년 11월 이달의 과학기술인상 수상자 인터뷰
 

참고1

 '17년 11월 수상자(성형진 교수) 주요 연구성과 설명

① 표면탄성파를 이용한 액적(액체방울) 제어 연구

ㅇ 표면탄성파를 이용하여, 정지되어 있는 액체방울 내부에서 마이크로 입자가 받는 음향 방사력, 항력, 원심력 등의 역학 관계를 규명함으로써 특정 위치로 모이게 하는 4가지 집속 양상을 보고했다.
ㅇ 이 연구는 영국왕립화학회에서 발간하는 미세유체역학 분야 국제학술지 랩온어칩(Lab on a Chip) 2016년 4호(2월 21일 발간) 표지논문으로 선정되었다.

ㅇ 미세유체칩 안에서 이동하는 액체방울의 크기를 자유자재로 제어할 수 있는 액적 분할 기술을 개발하였다. 표면탄성파를 이용하여 액체방울에 음향방사력을 가해주는 데, 이 힘의 세기를 조절하여 액체방울의 크기를 조절할 수 있다.
ㅇ 이 연구는 영국왕립화학회에서 발간하는 미세유체역학 분야 국제학술지 랩온어칩(Lab on a Chip) 2016년 17호(9월 7일 발간) 표지논문으로 선정되었다.

② 음향열적 가열법을 이용한 미세유체칩 내 DNA 흐름 연구

ㅇ 음향열적 가열법의 우수한 시공간적 온도 제어 능력을 DNA 중합효소 연쇄 반응(PCR)에 응용했다. 음향열적 가열을 이용하여 미세유체칩 내 두 온도 구역을 형성하고 DNA을 포함한 유체 샘플을 주입한 결과, 상용화된 PCR 기계로 1시간 이상 소요되는 데 비해 음향열적 가열을 이용할 때는 3분 이내에 완료되었다.

ㅇ 음향열적 가열법을 이용하여 미세유체칩 내 다양한 온도 구간을 형성하고 DNA 변성이 일어나는 온도를 찾아냄으로써 단시간에 DNA 변성곡선 분석을 수행했다. 기존 기술 대비 10배 이상 향상된 해상도를 보였다.

ㅇ 음향열적 가열법을 통해 미세유체칩 내 쌍봉형 온도 구배를 형성하고, 이를 통해 액체방울의 양쪽에서 서로 반대 방향의 열모세관력을 가해 마이크로미터 수준에서 정교하게 액체방울의 위치를 제어할 수 있다.
ㅇ 이 연구는 영국왕립화학회에서 발간하는 미세유체역학 분야 국제학술지 랩온어칩(Lab on a Chip) 2017년 6호(3월 21일 발간)의 표지논문으로 선정되었다.

참고2

 '17년 11월 수상자(성형진 교수) 이력

 □ 인적사항

  o 성명 : 성 형 진 (Sung, Hyung - Jin)  
  o 소속 : 한국과학기술원
 
 □ 주요 경력
  o 2013. 11. ~ 현재       미국물리학회(APS) Fellow
  o 2007. 1. ~ 2008. 12.   대한기계학회 유체부문 회장
  o 2006. 11. ~ 현재       한국과학기술한림원 공학부 정회원
  o 2001. 6. ~ 2003. 3.    한국과학기술원 연구처 연구처장
  o 1984. 4. ~ 현재        한국과학기술원 기계공학과 교수(KT 석좌교수)
 □ 전문 분야
  o 미세유체역학 연구
  o 난류 유동 수치모사 연구
  o 유체-연성체 상호작용 연구

참고3

 '17년 11월 수상자(성형진 교수) 인터뷰

수학을 좋아하던 한 소년이 있었다. 수학을 깊게 공부하면서 사람들을 이롭게 하는 기술들을 개발하는 공학에 관심이 생긴 소년은 기계공학과에 진학했다. 공학도가 된 그의 관심을 끈 분야는 유체의 ‘흐름’을 수학적으로 해석하며 연구하는 ‘유체역학’이었다.

이후 그는 오랫동안 연구를 수행해온 끝에 미세유동, 난류유동, 유체-연성체 상호작용 등 유체역학 전반에 걸친 다양한 방면의 연구 논문을 SCI급 국제학술지에 총 321편 발표하는 걸출한 성과를 거뒀다. 대한민국은 물론 전 세계를 대표하는 유체공학자 성형진 교수의 이야기다.

최근 차세대 헬스케어 진단ㆍ분석 장치 개발의 근간이 되는 미세유체역학 분야에 집중하고 있는 성형진 교수는 “연구결과가 사회에 직접 사용되고, 새로운 아이디어를 내면 세상에 도움을 줄 수 있다는 사실이 보람차다”고 한다. 지금도 미래에 필요한 연구 분야를 예측하고, 선도적인 연구 수행을 위해 노력을 아끼지 않는 그를 만나보았다.  

o 이달의 과학기술인상 수상을 진심으로 축하드립니다. 수상 소감 부탁드립니다.

 - 이달의 과학기술인상을 수상하게 되어 진심으로 영광입니다. 수상자 후보로 추천해주신 KAIST 기계공학과장님을 비롯해 학교 관계자분들, 연구실 학생들 그리고 가족에게 고마운 마음을 전합니다. 이번 수상에 안주하지 않고 우리나라 유체역학 분야의 발전을 위해 연구에 더욱 매진하겠습니다.

o 액체나 기체의 운동을 다루는 학문인 유체역학은 항공기, 선박, 자동차 등의 운송수단 설계는 물론 과학수사에 사용되는 DNA 감식 장비 등 다양한 분야에 활용되고 있습니다. 하지만 일반인들에게는 생소한 학문 분야인데요. 유체역학에 대해 간단하게 소개 부탁드립니다.

- 유체와 이를 다루는 유체역학은 생소한 것처럼 느껴지지만 사실 전혀 그렇지 않습니다. 유체란 고체와 달리 그 형태가 일정하지 않고 자유롭게 흐를 수 있는 물질을 말합니다. 대표적으로 액체와 기체가 이에 속하며, 이러한 유체의 흐름 즉 유동을 다루는 학문이 유체역학입니다. 대기의 흐름과 같은 거시적 유동부터 혈관 내 혈액의 유동과 같은 미시적 유동까지 우리 실생활과 밀접하게 연관되어 있습니다.

o 미세유체칩 안의 액체 방울 위치를 마이크로미터 단위에서 정교하게 제어하여 DNA를 분석할 수 있는 ‘음향열적 가열법’ 개발 등 독창적인 연구를 수행해 오셨습니다. 주요 연구내용 소개 부탁드립니다.

- 거시적 유동현상을 주로 다루는 기존의 유체역학과 달리 미세유체역학은 마이크로미터* 단위의 미시적 유동을 다루는 학문입니다. 동전 크기의 미세 유체칩 내에서 극소량의 유체 샘플을 이용해 제약, 물질합성, 생화학 분야 등에서 다양한 공정과 분석을 수행할 수 있습니다. 이러한 응용을 위해서는 미세유체칩 내에서 섞이지 않는 두 유체로 조성된 액적(액체 방울)의 위치를 제어하는 것이 필수적이나 기존의 액적 제어 기술은 마이크로미터 단위의 정교한 액적 위치 제어가 어려웠습니다. 우리 연구팀은 음파가 점탄성 물질 내에 흡수되면서 발생하는 열을 이용한 ‘음향열적 가열법’을 개발하고 열모세관현상을 기반으로 마이크로미터 단위의 정교한 액적 제어가 가능한 기술을 학계에 보고했습니다.
  * (마이크로미터) 마이크로는 100만분의 1을 가리키며, 100만㎛(마이크로미터)는 1m와 같음.

o <랩온어칩(Lab on a Chip)>, <분석화학(Analytical Chemistry)>과 같은 SCI급 국제학술지에 321편의 논문을 발표하며 왕성한 연구 활동을 이어오신 비결이 궁금합니다.

 - 지난 30여 년간 미래지향적인 연구를 수행하기 위해 많은 노력을 기울였습니다. 최신 연구 동향을 파악하기 위해 매년 유체역학 분야의 국내·외 학회에 참여했고, 세계적인 연구팀들과 지속적으로 교류하며 선도적인 연구를 수행하고자 했습니다. 또한, 연구실 내 격의 없는 토론 분위기를 조성하여 학생들 간 시너지 효과를 극대화했습니다. 개인적인 노력 외에도 훌륭한 연구 환경을 제공한 KAIST와 우리 연구실 학생들의 도움 역시 큽니다. 세계 유수의 연구 중심 대학과 비교해도 손색없는 세계적 수준의 연구 장비 및 시설을 보유한 KAIST 기계공학과와 우수한 KAIST 학생들의 땀과 노력을 합쳐 이뤄낸 성과라고 생각합니다.

o <국제 열 및 유체 흐름 저널(International Journal of Heat and Fluid Flow)> 등 다수의 해외 저널 편집인으로 참여하고 있는데, 최근 유체역학 분야에서 교수님의 관심을 끄는 흥미 있는 이슈는 무엇인가요?

 - 기존의 유체역학 연구는 거시적 유동현상을 규명하고 이를 바탕으로 유동을 제어하는 데 그 초점이 맞춰져 있었습니다. 이와 달리 동전 크기의 초소형 미세유체칩 내에서 극미량의 유체 샘플의 유동을 다루는 미세유체역학은 지난 15여 년간 활발히 연구되어 왔습니다. 최근 미국과 유럽을 중심으로 미세유체칩 상용화를 위한 노력이 이뤄지고 있는데, 혈액·타액·땀·객담 등 진담검사를 위한 인체유래물 대부분이 유체임을 고려할 때 미세유체역학 분야의 발전이 헬스케어 혁신을 견인할 수 있을 것으로 기대합니다.

o 연구자로서, 스승으로서 평소 연구실을 운영하는 기본방침이나 철학이 있다면 들려주세요. 더불어 학생들 또는 연구실 구성원들에게 강조하는 내용도 소개해주세요.

 - 연구실 운영에서 제가 가장 우선시하는 부분은 ‘학생 연구 지도’입니다. 대학원생은 연구자로서 자신의 연구를 충실히 수행해야 합니다. 심도 있는 선행 연구 분석을 통해 연구 주제와 방법을 정하고 탐구한 후 논문을 통해 학계에 보고하는 과정 전반을 지도하면서 학생들이 우수한 연구자로 성장할 수 있도록 지도 편달하고 있습니다. 이 과정에서 학생들에게 가장 강조하는 내용은 ‘과학자로서의 비판적 자세’입니다. 연구 과정에서 끊임없이 본인 연구의 목표와 한계는 무엇인지, 연구를 통해 학계에 기여할 수 있는 부분은 무엇인지 비판적 자세를 견지하며 살펴보도록 지도하고 있습니다.

o 연구자로서 귀감으로 삼으시는 인물이나 스승이 계신가요?

 - 미국 애리조나 주립 대학교의 로널드 J. 에이드리언(Ronald J. Adrian) 교수를 귀감으로 삼고 있습니다. 에이드리언 교수는 난류·미세 유체역학 분야의 선구자로서, 유체의 유동을 가시화하고 이를 정량적으로 계측할 수 있는 유동가시화기법을 최초로 개발한 연구자입니다. 이러한 성과는 유체역학 연구의 기폭제가 되어 이후 수많은 유체역학 분야의 발전에 기여하였습니다. 저도 에이드리언 교수처럼 유체역학 연구가 나아갈 방향을 제시하는 선도적인 연구를 수행하고자 합니다.

o 앞으로 교수님의 연구 분야에서 궁극적으로 도전하고 싶은 목표, 이루고 싶은 연구성과는 무엇인가요? 

 - 유체역학에서 가장 근간이 되는 지배방정식인 나비에-스톡스 방정식은 미국 클레이 수학연구소가 정한 ‘21세기 사회에 가장 크게 공헌할 수 있지만 아직 풀리지 않는 미해결 문제’인 7개의 밀레니엄 문제 중 하나입니다. 그만큼 유체역학 연구는 매우 어렵고 복잡합니다. 지난 수 세기 동안 연구자들은 힘을 합쳐 다양한 유동현상을 규명하고 이를 제어하여 유용한 유체공학 시스템을 개발해 왔습니다. 저는 지난 30여 년간 미세유동, 난류유동, 유체―연성체 상호작용 등의 분야에 연구역량을 집중해 왔습니다. 앞으로는 이를 확장하여 미세열유동과 열-유체-연성체 상호작용 등 더욱 다양한 유동 현상을 규명하는 데 매진하고자 합니다.

o 교수님께서는 어린 시절 과학자를 꿈꾸신 계기가 있으셨나요? 더불어 미래 과학자를 꿈꾸는 어린 학생들에게, 그 꿈을 이룰 수 있도록 도움 말씀 부탁드립니다.

 - 우리를 둘러싼 자연 현상에 대한 호기심과 탐구심을 가지라고 조언하고 싶습니다. <코스모스>의 저자 칼 세이건이 말한 것처럼 인류는 우주 한구석에 박힌 미물에 불과합니다. 인류가 아직 규명하지 못한 자연현상과 이를 지배하는 자연법칙은 무궁무진합니다. 어린 학생들이 끝없는 호기심과 탐구심으로 우리나라 과학기술 발전은 물론 더 나아가 인류의 발전을 이끌 훌륭한 미래 과학자로 성장하길 희망합니다.