세포 무게까지 계량 가능한 정밀저울 개발

[산업일보]
그 동안 바이오/마이크로입자의 질량 계측 및 분석은 실리콘 웨이퍼 미세공정을 통한 멤스(MEMS) 기반 마이크로 질량센서를 이용했다. 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 지속돼 왔다.

그러나 이와 같은 마이크로 질량센서는 제작할 때 실리콘 가공기술이 필요하고 복잡하고 까다로운 공정과정을 필요로 해 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.

미래창조과학부(장관 최양희)는 용액 속에서 살아 있는 단일 세포나 마이크로 입자의 질량을 측정할 수 있는 정밀한 저울인 유리모세관 공진기를 개발했다고 밝혔다.

개발한 유리모세관 공진기는 반도체 공정 없이 일반적인 가공만으로도 멤스 센서와 유사한 수준의 우수한 정밀도를 나타내 멤스 센서가 가진 복잡한 공정과 고가의 비용, 고가의 제조 설비 문제를 해결할 수 있게 됐다.

연구팀은 바이오 분야에서 널리 쓰이는 유리모세관을 이용해 열가공 변형을 이용해 파이펫을 만들 시 유리모세관 양단을 끊기지 않고 유지해 내부에 채널이 존재하는 얇게 잡아당긴 마이크로 유리모세관을 만들 수 있었다. 이를 이용해 멤스 공정 없이 마이크로사이즈의 튜브 구조물을 제작할 수 있었으며, 이를 이용해 공진 시스템을 구현했다.

제작된 유리모세관 공진기에 쿼츠 튜닝 포크(QTF)를 덧붙여 공진 신호를 전기적으로 검출할 수 있는 방법을 고안했으며 이로 인해 기존에 사용하던 공진 신호를 계측하는 광신호 시스템을 작고 저렴한 것으로 대체할 수 있었다.

제작된 유리모세관 공진기를 이용해 60μm의 오일 드랍렛의 질량을 계측하는데 성공했고, 특히 반지름 분해능이 31나노미터 수준으로 우수한 성능을 나타냈다.

이러한 성능은 정밀한 멤스 공정 없이 제작됐음에도 불구하고 기존의 멤스 센서들의 성능과 유사한 수준이다. 향후 진공 밀폐처리 및 형상 최적화를 통해 성능이 더 높아질 수 있을 것으로 기대된다.

한편 이정철 교수 연구팀(서강대)은 미래창조과학부 기초연구사업(개인연구)의 지원으로 연구를 수행했으며, 이 연구결과는 국제적인 학술지 사이언티픽 리포츠(Scientific Reports) 10월 3일자에 게재됐다.