Moonwoo La, Sang Min Park, Sung Jea Park, and Dong Sung Kim
1 포항공과대학교 기계공학과 (Department of Mechanical Engineering, POSTECH)
* Corresponding author: [email protected], Tel: +82-54-279-2183 Manuscript received: 2013.9.30 / Accepted: 2013.10.24
In this study, a dynamic camera actuation system for simultaneous in situ image acquisition is developed to achieve real-time observation of transient liquid flow on a lab-on-a-disk. A disk-type electric circuit, namely circuit-on-a-disk, co-rotated with the lab-on-a-disk improves the dynamic image acquisition ability in terms of a frame rate. The circuit-on-a-disk is comprised of a camera connected with a motor, a microprocessor and a wireless communication module. The camera connected with the motor enables to realize dynamic tracking of a transient flow and real-time image acquisition. The obtained images can be simultaneously transferred by a video/audio transmitter unit to a personal computer. Also, the microprocessor receives signals from the personal computer, and then controls the focusing position of the camera. We are expecting that heaters, sensors, and light sources also can be integrated on the circuit-on-a-disk, and they will enable various functional actuations as well as precise image acquisition.
Key Words: Circuit-on-a-disk (서킷-온-어-디스크), Lab-on-a-disk (랩-온-어-디스크), Real-time visualization (실시간 가시 화), Image acquisition (영상획득)
1. 서론
랩-온-어-칩(lab-on-a-chip)의 한 종류인 랩-온-어- 디스크(lab-on-a-disk)는 회전이 가능한 원형 기판 형태의 초소형 종합분석시스템(Micro-Total Analysis System, μ-TAS)으로써 원형 기판의 회전으로 의해 유발되는 원심력을 기반으로 내부 요소들을 작동 시키는 시스템이다.1,2 랩-온-어-디스크는 일반적인 랩-온-어-칩과 달리 유체 유동을 위한 펌프(pump) 를 필요로 하지 않고 오직 하나의 모터(motor)만을 이용하여 내부 요소들을 연속적, 유기적으로 작동 시키는 장점을 가지고 있다. 또한, 디스크 상에 방
사형 배열을 구성하여 여러 가지 테스트를 동시 병렬로 수행할 수 있다. 이러한 장점을 바탕으로 랩-온-어-디스크 기반의 생화학분석검사(Biochemical assay),3,4 효소검사(enzymatic assay),5,6 DNA 분석 (DNA analysis),7,8 면역검사(immunoassay)9-12 등의 생물의학적 검사를 수행하는 바이오칩(biochip)들이 개발된 바 있다. 하지만, 랩-온-어-디스크는 구동이 간단한 반면에 회전하고 있는 디스크의 내부 미세 유동을 가시화(visualization)하는 방법이 쉽지 않다 는 단점이 있다. 고속으로 회전하는 디스크의 특 정 위치를 지속적으로 관측하기 위해서는 추가적 장치들이 동반된 가시화 시스템이 필요하다.13 일
반적으로는, 고속회전 디스크 내부 유동 가시화를 위해 주기적인 섬광(flash)을 일으키는 고속조명장 치인 스트로보스코프와 CCD 카메라를 이용한다.
디스크의 회전각속도와 동기화된 신호를 스트로보 스코프에 전달하여 CCD 카메라를 통해 디스크 상 의 고정된 위치를 관찰할 수 있도록 하는 가시화 시스템이다. 그러나 이러한 가시화 시스템은 몇 가지 한계점을 나타낸다. 먼저, 디스크 회전과 동 기화된 시점의 이미지만 관측할 수 있기 때문에 디스크가 단위 회전하는 동안에 일어나는 현상에 대해서는 손실이 불가피하다. 또한, 영상 동기화의 한계로 인해 관측 위치 변화, 동적 작동(dynamic actuation) 등이 어렵다. 그 밖에 스트로보스코프 및 CCD 카메라와 같은 고가 장치에 의한 가격 경 쟁력 약화와 시스템 규모의 비대화 등의 단점이 지적된다. 이러한 동기화 시스템의 한계를 극복하 기 위하여 회전하는 디스크에 가시화 장치를 통합 하여 동기화 과정을 배제한 가시화 시스템이 개발 된 바 있다. Hoffmann 등은 디스크와 함께 회전하 는 장치에서 레이저를 조사하여 특정 위치를 지나 는 유동의 속도를 측정하는 장치를 제안하였다.14 Abi-Samra 등은 디스크 표면에 전위차계(poteniostat) 역할을 하는 회로를 삽입하여, 해당 위치를 지나 는 전해질의 전기화학적 신호를 획득함으로써 유 동의 속도를 측정하였다.15 이와 같은 장치들은 동 기화 과정을 배제하여 기존의 동기화 시스템의 단 점을 어느 정도 극복하였으나, 유속 측정과 같은 제한적인 기능만 수행할 수 있다는 한계점이 있다.
따라서 회전하는 디스크 내부의 유동을 실시간으 로 측정할 뿐만 아니라 관찰 및 분석할 수 있고, 필요에 따라 랩-온-어-디스크 내의 여러 기능성 요 소들을 실시간으로 제어할 수 있으며, 장치 구성 이 간편하고 경제적인 가시화 시스템의 구축이 요 구된다.
본 연구에서는 랩-온-어-디스크를 위한 기존의 가시화 장치의 한계점을 극복하기 위해, 실시간 동적 영상 조절 및 이미지 획득이 가능한 가시화 시스템을 제안하고자 한다. 소형 카메라 및 필요 구성 모듈을 포함하는 디스크 형태의 회로기판을 제작하여 랩-온-어-디스크와 동시 회전(simultaneous rotation)하면서 디스크 내부의 유동을 관측하는 동시 에 관측 위치를 동적 제어하는 실험을 수행하였다.
2. 가시화 시스템 설계 및 제작
2.1 가시화 장치
Fig. 1은 본 연구에서 제안하는 동시 회전 가시 화 시스템의 모식도를 나타낸다. 동시 회전 가시 화 시스템은 디스크 형태의 전기 회로기판, 랩-온- 어-디스크, 주 모터(main motor), 컴퓨터로 구성된다.
본 연구에서, 디스크 형태의 전기 회로기판은 서 킷-온-어-칩(circuit-on-a-chip)이라 명명하였다. 서킷- 온-어-칩은 회로기판(electric circuit board)과 구동기 판(actuating board)으로 이루어져있다. Fig. 2(a)의 회 로기판은 마이크로프로세서(ATmega8, Atmel), 영상/
음성전송모듈(NR-AV58LTM, Neotics), 무선 통신 Fig. 1 Schematic configuration of the simultaneous real-time dynamic visualization system
모듈(FB755AC, Firmtech), 전원공급모듈 등으로 구 성된다. 전체 요소들은 전원공급모듈을 통해 전력 을 공급받아 작동된다. 무선 통신은 외부 신호를 수신하여 마이크로프로세서로 전달하거나, 영상/음 성전송모듈을 통해 전기적 신호로 변환된 영상 신 호를 외부로 송신하는 역할을 한다. Fig. 2(b)의 구동 기판은 소형카메라(CNB-MN1750P, CNB technology), 카메라 위치 제어용 서보모터(servo motor), 기구부 (mechanical linkages)로 구성되어 있다. 구동기판 또 한 회로기판의 전원공급모듈로부터 전력을 공급받 아 작동된다. 관찰용 카메라를 통해 획득된 영상 은 전기적 신호로 변환되어 영상/음성전송모듈을 통해 외부 컴퓨터로 전송되어 영상/음성수신모듈
을 통해 영상으로 가시화된다(Fig. 3(a)). 카메라의 위치 조절은 외부 컴퓨터와 서보모터의 피드백 신 호전달을 통해 수행한다. 외부 컴퓨터에서 전송된 전기적 신호는 무선통신모듈을 통해 서킷-온-어-칩 으로 전송되고, 이 신호는 마이크로프로세서를 통해 모터에 전송된다. 모터의 작동으로 카메라의 위치가 변경되면, 변경된 위치정보가 역으로 외부 컴퓨터에 전송된다(Fig. 3(b)). 신호에 따라서 서보모터의 회 전축은 지정된 각도로 회전하게 되고, 회전운동을 선형운동으로 변환하는 기구부를 통해 카메라의 위치를 방사방향(중심부에서 외곽부, 또는 외곽부 에서 중심부)으로 제어할 수 있도록 하였다.
2.2 랩-온-어-디스크
본 연구에서 사용한 랩-온-어-디스크는 Fig. 2(c) 와 같이 미세형상을 포함하는 디스크 형 칩으로 제 작되었다. 미세유동 확인을 위하여, 두 개의 주입 챔버, Y-형 미세채널, 구불구불한 미세채널(serpentine microchannel), 저장 챔버 및 통기 구멍(vent hole)으 로 구성된 미세형상 구조를 설계하였다. 설계를 바 탕으로 자외선 사진 석판술 (UV-photolithography)을 통해 SU-8 마스터(master)를 제작하고, 상기 마스터 를 이용하여 PDMS (polydimethylsiloxane) 복제성형 (replica molding)을 수행함으로써 PDMS 랩-온-어-디 Fig. 2 Images of the circuit-on-a-disk containing (a) an
electric circuit board and (b) an actuating board and (c) Image of the fabricated PDMS lab-on-a- disk with serpentine microchannel
(b) Camera motion control signals
Fig. 3 Schematic flow of signals between the circuitre- on-a-disk and personal computer
3.1 유동 가시화 실험
제작된 가시화 장치와 랩-온-어-디스크를 이용 하여 유동 가시화 실험을 수행하였다. 두 개의 주 입 챔버 각각에 수산화나트륨(NaOH) 수용액과 페 놀프탈레인(phenolphthalein) 수용액을 주입하여, 디 스크의 회전으로 발생하는 원심력에 의해 미세채 널을 통과하도록 하였다.16-19 투명한 상태에서 구불 구불한 미세채널에서 만난 두 유체는 염기성에서 붉은색으로 변하는 페놀프탈레인의 특성으로 인하 여 붉은 혼합물을 형성한다. 또한, 유동이 계속됨 에 따라 혼합 정도가 증가되면 붉은색의 채도가 상 승하여 점점 더 진한 붉은색을 나타나게 된다. 이러 한 일련의 연속적인 현상을 본 연구에서 제작된 동시 회전 가시화 시스템을 통해 관찰하였다.
Fig. 4는 디스크를 회전각속도 500 rpm (8.3 Hz) 으로 회전시켰을 때, 수산화나트륨 수용액과 페놀 프탈레인 수용액 혼합 과정을 동시 회전 가시화 시스템을 통해 관찰한 결과 이미지이다. 앞서 예 측한 바와 같이, 유동이 진행됨에 따라 혼합물의 붉은색 채도가 증가하는 것을 확인할 수 있다. 주 입구를 통해 만난 두 유체가 혼합되어 배출구를 빠져나가는 시간은 대략 0.2초이고, 이에 따라 계 산된 유동의 레이놀즈수(Re, Reynolds number)는 대 략 25이다. 일반적인 동기화 장치를 이용하면 회 전각속도에 의하여 초당 8 프레임(frame)의 이미지 를 획득할 수 있다. 따라서 본 혼합 실험이 일어 나는 0.3초 동안에는 2 프레임의 이미지만 얻을 수 있다. 반면에 본 연구에서 개발한 동시 회전 가시화 시스템을 통해서는 Fig. 4에서와 같이 0.3초 동안 일어나는 혼합과정을 관찰하여 8 프레임의 이미지들을 얻을 수 있었다. 본 연구에서 사용한 카 메라의 주요 성능은 스캐닝 주기(scanning frequency) 60 Hz, 최소 관측 밝기 (minimum illumination) 0.3 Lux, 셔터속도(shutter speed) 1/60 ~ 1/10,000으로 최적 환 경에서 초당 60 프레임의 이미지를 획득할 수 있 다. 하지만, 본 시스템에서는 관측 밝기 및 신호 전달 한계로 인하여 대략 초당 30 프레임의 이미 지를 획득할 수 있는 성능을 보였다. 추후 보다 빠른 유동을 관측할 시에는 카메라 성능 한계에
따라 관측 정밀도가 낮아질 수 있다. 빠른 유동을 관측 시 높은 정밀도를 유지하기 위해서는 카메라 의 스캐닝 주기가 높아야 한다. 또한, 유동장의 이 동에 따른 스트릭(streak) 현상과 같은 관측 오류를 방지하기 위해서는 최소 관측 밝기 이상의 광원을 유지하면서 빠른 셔터속도를 지원하는 카메라가 필요하리라 사료된다. 그 외에 고사양의 마이크로 프로세서와 무선통신모듈을 사용하여 고화질의 이 미지 획득, 신속한 영상 전송 및 처리를 기대할 수 있으리라 사료된다.
3.2 관측 위치 제어 실험
랩-온-어-디스크와 서킷-온-어-디스크가 회전하 는 도중에, 소형 카메라의 위치를 제어하여 관측 하고자 하는 위치를 변경하는 실험을 수행하였다.
외부 컴퓨터에서 신호를 전달하여 구동기판에 있 Fig. 4 Real-time mixing performance observed by the
developed visualization system: Flow rate is about 11 μl/s (Re ~ 25), and image acquisition rate of the visualization system is about 30 fps (The top of the image indicates central direction of the lab-on-a-disk)
Fig. 5 Result images of the camera actuating experiment: (i)~(iv) show center to outer wall movement and (v)~(viii) show reverse motion
원주 방향의 위치 제어도 가능하다. 그 외에 유용 한 기계적/물리적 요소기술을 추가하여 다양한 기 능을 구현할 수 있다. 가열모듈을 도입하여 랩-온- 어-디스크의 특정부분의 온도를 조절함으로써 유 전자증폭(PCR, polymerase chain reaction)과 같은 기 법을 수행할 수 있다. 그 밖에 감지기(sensor), 레이 저(laser), 진동기(vibrator), 미세주사기(micro syringe) 등 여러 가지 기계/물리적 요소를 추가하여 복합 적인 기능을 구현할 수 있으리라 사료된다.
4. 결론
본 연구에서는 회전하는 랩-온-어-디스크 내에 서 수행되는 유동 특성에 대한 실시간 동적 영상 조절 및 이미지 획득이 가능한 가시화 시스템을 개발하였다. 본 시스템은 디스크 형태의 회로기판 상에 소형 카메라, 소형 모터와 기구부, 마이크로 프로세서, 무선통신모듈 등이 집적되었다. 랩-온-어 -디스크와 함께 회전하는 서킷-온-어-디스크를 통 해서 디스크 내부의 유동 특성을 초당 30 프레임 의 빠른 이미지 획득 속도로 관찰 할 수 있었다.
또한, 외부 컴퓨터로 신호를 보내어 회전하고 있 는 서킷-온-어-디스크 상의 카메라 위치를 제어할 수 있었다. 향후 여러 가지 유용한 기계/물리적 요 소기술을 추가하여 다양한 기능을 수행하는 서킷- 온-어-디스크를 개발함으로써 랩-온-어-디스크를 통 해 정밀하고 복합적인 생물의학적 검사를 수행할 수 있을 것으로 사료된다.
후 기
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