[특별기획] 21C 화학공학의 새로운 파라다임(I) -미세 생명ㆍ화학 시스템-

566…NICE, 제21권 제5호, 2003

21C ( Ⅰ)

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우 성 일

KAIST 생명화학공학과/초미세화학공정시스템 연구센터 [email protected]

기존의 화학공학은 실험실에서 연구된 화학 공정을 파일롯트 공정을 거쳐서 실제규모의 생 산공정으로 scale-up하는데 필요한 기본원리, 설계 및 최적 운전조건 개발에 관한 연구를 지 난 100년 동안 진행해 왔다. 최근에 들어와서 나노테크놀로지, 반도체집적회로공정 및 MEMS 기술의 발전으로 마이크론 및 나노 길 이에서의 신소자 및 신제품이 많이 연구되고 있 다. 이제 화학공학의 영역도 수 meter~수백 meter 길이에서 mm, µm, nm 길이로의 scale- down된 미세 생명·화학공정 연구를 함으로써, 새로운 신소재, 신공정 및 신제품을 개발하는 곳으로 확대되어야 한다. 왜냐하면 지금까지 나 노 및 MEMS 연구는 소자 및 분석방법 개발에 중점을 맞추었는데 이는 화학공학자들의 참여 로 화학반응이 수반되는 process-on-chip(POC) 개념으로 확대될 때 새로운 연구영역이 생기기 때문이다. 2001년에 과학기술부 및 한국과학재 단이 선정한 초미세화학공정시스템 연구센터 (center for ultra-microchemical process systems;

CUPS)는 미세 화학공정 설계에 필요한 기본원 리를 연구하여µm 수준에서의 생명·화학공정 시스템을 제작하고 이들을 이용하여 고속 R&D 연구기법 및 현장 기능형(point-of-care)

의 휴대가능한 미세·생명화학시스템의 창출 연구를 현재 수행하고 있다.

과학 및 산업기술 수준이 발전함에 따라 고기 능, 고효율 및 고성능 신소재 개발에 대한 요구 가 커져가고 있으며, 개발된 신규물질의 수명주 기(life cycle)는 점점 짧아지고 있다. 성능이 우 수한 신물질을 창출하기 위해서는 다양한 조성 과 제조공정 변수를 채택하여 수많은 시료를 만 들어야 하는데 이에 따른 연구비용의 증가 및 연구기간의 장기화가 불가피하게 되고 연구의 성공확률도 낮아지게 된다. 따라서 한번에 많은 수의 연구시료를 값싸게 제작하고, 이들의 특성 및 성능을 고속으로 측정·평가함으로써 신속 하게 상업화 연구를 진행하기 위하여 새로운 개 념의 연구기법인 조합기술을 이용한 고속 R&D 기법이 필요하게 되었다. 현재 미국, 유 럽, 일본 등 선진국에서는 화학관련 R&D의 우 위를 선점하기 위해서 관련 정밀화학제품 개발 을 혁신적으로 성공시킬 고속 R&D 기법 개발 에 총력을 경주하고 있다. 고속 R&D 기법은 종래 연구방법과는 달리 한번에 조성과 제조공 정변수를 달리하는 연구시료를 수십 내지 수백 만 개를 만들고 이들의 성능평가와 특성분석을 짧은 시간 내에 할 수 있는 장비 개발이 핵심을

지난 수십 년간 반도체 IC의 기술이 지수적으로 발전함에 따라, 최근 들어서는 생물, 화학의 분야 에서도 반도체 IC에서와 같이 집적화를 이루려는 연구가 진행되어 왔다. 반도체 IC의 제조에 사용 된 기술을 응용함으로써 반도체 칩과 비슷한 크기 의 칩 위에 여러 종류의 단위조작과 분석의 기능 을 집적시킬 수 있었으며, 최근에는 이러한 칩의 상용화 단계까지 이르렀다. 칩 위에 여러 가지 기 능을 가지는 마이크로디바이스 혹은 나노디바이 스를 집적시키게 되면 여러 가지 장점을 가지는데, 예를 들면 매우 적은 양의 시료만을 필요로 하고, 응답시간의 감소, 표면적과 부피의 비가 증가함에 따라 가열/냉각 등 열전달속도가 증가하고, 휴대 를 가능하게 하고, 칩의 적층에 의하여 공정을 병 렬로 진행시킬 수 있으며, 반도체 칩에서 각 트랜 지스터에 개별적으로 신호를 주고 받듯이 각 셀에 신호를 보내고, 그에 따른 결과를 받는 것이 가능 하게 된다.

반도체 IC의 경우에는 칩 위에 패턴된 회로를 따라 전자가 움직이지만, 생물, 화학에 사용하는 칩에서는 패턴된 채널을 따라 유체가 움직이게 된 다. 그런데, 크기가 작은 채널에서 유체의 흐름에 수반되는 이동현상은 매크로스케일에서의 거동과 는 다른 특성을 보이게 됨에 따라, 마이크로스케일 에서의 이동현상을 연구할 필요가 생기게 되었다.

‘마이크로플루이딕스’는 특성길이가 마이크론 의 단위를 가지는 시스템에서 유체의 거동을 연구 하는 학문분야라고 할 수 있는데, 보다 넓게는 유 체역학, 열전달, 물질전달, 전하(charge)전달 등을 포함하는 이동현상 전체를 다룬다. 마이크로플루 이딕스가 대상으로 하는 시스템은 유체가 흐르는 채널이 여러 개 있을 때, 채널을 정의하는 길이 중 의 하나가 1mm보다 작은 경우에 해당하며 이 때 다루는 유체는 보통의 물방울 부피의 수천분의 일 로, picoliter(10^-9 liter)~microliter(10^-6 liter)의 범위에 속한다. 최근에는 특성길이가 마이크론보 특·별·기·획

NEWS & INFORMATION FOR CHEMICAL ENGINEERS, Vol. 21, No. 5, 2003…567 이루고 있다. 이를 위해서 시료제조 반응기, 성

능 평가 시스템들의 크기가 작아질 수밖에 없 다. 또한 미세 생명·화학 시스템을 작게 만들어 서 휴대가능하게 되면, 인간의 복지, 건강을 크 게 증진시킬 수 있는 휴대용 미세 device가 휴 대용 전화처럼 상용화시킬 수 있게 될 것이다.

본고에서는 2회에 나누어 고속 R&D용 장비

와 미세 생명·화학 시스템을 만드는데 필요한 기술, 획기적인 재료 및 신촉매를 탐색할 수 있 는 고집적박막 chip 및 병렬 미세 반응기 제작 및 응용, 고속 R&D용 장비 및 미세 반응기에 서 나오는 미세 시료의 고속성능평가와 분석기 법, 그리고 초미세 공정 소자(process-on-chip) 의 응용분야를 간략하게 소개하고자 한다.

김 도 현

KAIST 생명화학공학과/초미세화학공정시스템 연구센터 [email protected]