서론
액적의 접촉충전 현상은 비전도성 매질 내 존재하는 전도성 액적이 고압의(약 2~4 kV/cm) 전극에 직접 접 촉하면 접촉과 동시에 액적이 전극과 같은 전하로 충전 되면서 전기적 반발력에 의해 반대편 전극으로 이동하는 현상이다. 이 현상의 흥미로운 점은 반대편 전극으로 이 동된 충전 액적이 반대편 전극에 접촉하면 이전에 가지 고 있던 전하의 방전과 함께 다시 반대 극성의 전하로 충 전되면서 다시 처음 접촉했던 전극으로 되돌아 가 두 전 극 사이에서 지속적인 왕복 운동을 하게 되는 점이다. 또 한 액적이 충전되는 원리는 전도성 액적의 전기화학적 반응에 의해 전하가 전달되고 충전과 방전이 한쪽 전극 에서만 일어나기 때문에 전기화학적 관점에서 볼 때 가 상적으로만 존재하는 반쪽 전기화학반응(half cell electrochemistry)을 실제 시스템에서 구현하는 것이 가 능한 매우 독특한 시스템이기도 하다. 현재 이러한 액적 의 접촉충전 현상은 새로운 개념의 생물 반응기 디자인 등 미세유체를 이용한 응용 분야에 연구가 활발히 진행 되고 있다. 본 칼럼에서는 최근 새로운 연구 주제로 주목 받고 있는 액적의 접촉충전 현상과 그 응용 분야에 대해 소개하고자 한다.
본론
1) 액적 접촉충전 현상
2005년 가을, 본 연구자는 부도체 오일 속 물방울 액적 표면에 이온성 계면 활성제를 위치시켜 전기장 하에서 물방울의 거동을 관찰하기 위한 실험을 수행하는 중, 물 방울 액적이 두 전극 사이에서 왕복운동을 하는 흥미로 운 현상을 우연히 발견하였다. 처음엔 이 현상이 어떤 원 리에 의해 이루어지는 지에 대해 알지 못했고 그저 재미 있는 현상이고 이것을 미세유체 시스템에 활용하면 무언 가 유용한 기술이 될 것이라는 막연한 생각만 가지고 본 연구자는 회사에 취직을 하면서 이 문제를 잊고 지내고 있었다. 이후 본 연구자의 연구실 후배들에 의해 이 현상 이 액적의 접촉충전에 의한 것이고 그림 1에 나타난 바 와 같이, 본인뿐 아니라 비슷한 시기에 전 세계에서 여러
1999 포스텍 화학공학과 공학사 2001 포스텍 화학공학과 공학석사 2005 포스텍 화학공학과 공학박사 2006 포스텍 화학공학과 박사후연구원 2010 삼성코닝정밀유리 책임연구원 2014 포스텍 화학공학과 연구조교수 현 재 부경대학교 화학공학과 조교수
임도진
부경대학교 화학공학과 조교수 dj-im@pknu.ac.kr
임 도 진
과학자들에 의해 관찰되고 보고되었다는 사실을 알 게 되었다[1]. 특히, 2009년 미국과 네델란드의 두 연 구그룹에 의해 Nature 지에 본 현상에 관련한 흥미로 운 내용이 보고되면서 본 연구자를 비롯한 많은 연구 자들이 이 현상에 큰 관심을 보이기 시작했다.(실제 2009년 본인은 미국의 연구자 W.D. Ristenpart 교수 를 직접 만나 이 연구에 대한 논의를 하면서 이듬해 본 연구를 위해 회사를 그만 두고 모교인 포스텍으로 돌아가서 본 연구를 다시 시작했다.)
액적의 접촉충전 현상은 그림 2에 나타난 바와 같 이 자연 현상 중 빗방울의 응집 원리 등을 설명하거 나 마이크로 파이펫에서 토출되는 액적이 가지는 전 하를 측정하는데 활용되는 등 자연과학 분야에서 하 나의 독립된 기초 연구 분야를 형성해 가고 있으며 이 밖에 공학 분야에서는 원유 내 분산된 바닷물을 제거하는 공정이나 전기 분무에서 분무된 액적들의 거동 분석 등에 활용되는 등 산업적으로도 이용가치 가 높다. 하지만 2000년 중반까지도 이 현상에 대한 기본적인 이해의 틀이나 가설 등이 정립되어 있지 않았고 각각의 연구들이 서로 개연성 없이 산발적으
로 진행되고 있는 태동기 상태였다. 이에 본 연구자 는 액적의 접촉충전 현상 분석을 위한 기본적인 전 하 측정 실험 장치 및 방법을 고안하여 체계적인 전 하 측정 및 분석을 통해 이 현상을 이해하는데 필요 한 기본 틀을 만들어 가는데 일조하였다[5, 6]. 우선, 비전도성인 오일 내 전도성 액적의 접촉충전 현상은 기존 완전도체 이론을 통해 설명하는 것이 가능하다 는 것을 실험적으로 증명하였다[5, 6]. 흥미로운 사 실은, 액적이 충전될 때 가질 수 있는 최대 전하량은 액적의 전기도도와는 상관이 없었으며 오히려 순수 한 물인 경우가 전해질 액적인 경우보다 더 많은 전 하량을 가지는 흥미로운 결과도 얻었다[5]. 이후 많 은 관련 연구들이 본 연구결과를 바탕으로 보다 체 계적으로 전 세계 연구자들에 의해 활발히 진행되고 있다.
액적의 접촉충전 현상과 관련한 기초 연구로는 전 극의 형태에 따른 충전량과 액적의 전기영동 특성 분석[8] 등과 같은 기본적인 연구 영역 뿐 아니라 에너지 및 새로운 촉매 및 전해질로 주목 받고 있는 이온성 유체(Ionic liquid)를 응용한 연구도 진행되
Figure 1. 전 세계 액적 접촉충전 현상 관련 연구 현황
고 있다[9, 10]. 그림 3에는 실리콘 오일 내에 존재 하는 이온성 액체 액적의 전기장 하에서의 모양 변 화를 이용해 이온성 액체와 실리콘 오일 사이의 계 면 장력을 측정한 연구 결과가 나타나 있다. 이온성 액체 중 음이온이 NTF2라는 특정 이온인 경우, 이 온성 유체를 이루는 이온 사이의 전기적 인력이 상 대적으로 약해, 전기장 하에서 액적 접촉충전을 하 게 되면 양이온을 선택적으로 추출할 수 있는 매우 흥미로운 결과를 얻었으며 이러한 결과는 이온성 액 체의 전기화학적/물리화학적 특성을 이해하고 특정 이온을 선택적으로 추출하는 데 유용하게 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
2) 디지털 미세유체 시스템
액적 접촉충전 현상은 현상 자체로도 흥미 있는 기초 연구 주제가 되지만 보다 실질적인 응용 분야 는 미세유체 역학 분야이다. 최근 미세유체역학의 한 분야로 2000년 초반부터 조금씩 발전되어 오던 액적 기반의 미세유체역학(Droplet microfluidics) 분야가 기존 연속유체역학 분야의 한계를 극복할 수 있는 새로운 대안 중 하나로 떠오르고 있다. 기존의 연속
유체 방식을 아날로그 방식에 비유한다면 액적 기반 방식은 디지털 방식으로 비유될 수 있으며 이러한 의미에서 액적 기반 미세유체역학은 디지털 미세유 체역학(Digital microfluidics)으로도 불린다. 분석이 필요한 시료의 운반, 혼합 및 분리 등을 위해 미세채 널 내의 모든 유체를 구동시켜야 하는 연속미세유체 시스템은 유체의 제어를 위해 복잡한 밸브 시스템과 채널 연결 및 구동 장치가 필요하다. 하지만 디지털 미세유체 시스템은 단순한 매트릭스 형태의 전극을 이용, 디지털 전기 신호 제어를 통해 단일 혹은 여러 개의 액적을 각각 독립적으로 제어하는 것이 가능하 며 단위 공정들의 집적화도 비교적 간단한 장점이 있다. 또한 목적으로 하는 물질을 액적 단위로 제어 함으로써 유체 구동에 필요한 에너지를 획기적으로 줄여 구동 방식의 다양화가 가능하며 기존 연속유체 에서 확산, 채널의 오염 및 막힘 현상 등을 근본적으 로 해결할 수 있다. 현재 디지털 미세유체역학 분야 는 그 활용 분야가 넓고 가능성이 매우 높은 기술로 인식되고 있으며 가까운 미래에 액적을 기반으로 구 동하는 장치가 상용화될 것으로 기대된다.
전기장에 의해 액적의 접촉 정도를 변화시킬 수
Figure 2. 액적 접촉충전 현상의 자연과학 응용 분야[2-4]. Copyright 1987, 2009, 2013 Nature Publishing Group
임 도 진
있는 전기습윤현상을(Electrowetting on Dielectrics, EWOD) 이용하여 액적을 제어하는 전기습윤 방식 은 가장 널리 알려진 디지털 미세유체 기술이다. 행 렬 형태의 전극 배치와 디지털 전기 신호 제어를 통 해 단일 혹은 여러 개의 액적들을 각각 제어하는 것 이 가능하며 디지털 미세유체역학 개념을 가장 잘 구현하고 있는 방식으로 현재까지 가장 성공적인 개 별 액적 제어 방식이다. 전기습윤을 이용한 디지털 미세유체시스템은 많은 성공적인 사례들에도 불구 하고, 필연적인 한계점을 가지고 있다. 전기습윤현상 을 이용한 액적 제어 방식은 코팅된 전극과 유체사 이의 지속적인 접촉이 필요하다. 따라서 면역학적 분석이나 단백질 합성 및 정제 시 수반되는 혼합용 액의 사용 시 기판에 비선별적 흡착이 일어나 biofouling이 발생하고, 이는 시스템의 성능 저하 및 불용을 초래한다. 시스템의 설계 측면에서도 전기습 윤현상을 이용한 액적 제어는 복잡한 설계 과정을 필요로 한다. 코팅된 절연층 및 발수층의 특성이 구
동력에 영향을 미치기 때문에 이에 대한 평가가 동 반되어야 하고, 액적이 코팅된 전극 위를 따라 움직 이기 때문에 자유로운 액적 제어를 위해 전극을 촘 촘히 배열해야 하며, 배열 설계가 복잡해지는 어려 움이 있다.
액적의 접촉충전 방식은 액적을 전극과 직접 접촉 시켜 충전 시킨 액적을 전기장을 이용해 움직이는 새로운 액적 제어 방법론이다. 액적에 작용하는 힘 은 전기영동 힘으로 전기습윤이나 유전영동의 (Dielectrophoresis) 구동력보다 강하기 때문에 액적 의 속도가 상대적으로 매우 빠르다. 또한 전기영동 은 전기습윤이나 유전영동에 비해 그 원리가 단순하 고 명확하기 때문에 전극의 설계나 제어가 쉽고 액 적의 이동 속도를 쉽고 정확히 예측하는 것이 가능 해 시스템을 디자인 하는 것이 용이하다. 액적이 전 극과 접촉하여 전하를 충전하는 시간은 수 마이크로 초 수준의 짧은 시간이며 접촉 면적도 매우 작기 때 문에 전기습윤 기반의 액적구동시스템이 가지는 단 점을 근본적으로 해결할 수 있다. 충전된 액적의 전 기영동 방법은 액적의 구동 시 전극 표면과의 접촉 측면에서나 구동 원리에서 전기습윤과 유전영동의 사이에 놓여 있다고 볼 수 있으며 두 방법론의 단점 을 모두 극복하고 장점만을 살릴 수 있는 새로운 방 법론이다. 이 기술은 이러한 기술의 우수성을 인정 받아 한국과학기술기획평가원(KISTEP)으로부터 기술이전 및 사업화 가능성이 높은 2011년 국가 우 수·유망기술로 선정 된 바가 있다(국가과학기술종 합정보서비스(NTIS) 고유과제번호 1345100479).
그림 4에는 액적의 접촉충전 현상에 기반 한 새로 운 디지털 미세유체 시스템의 구성 예가 나타나 있 다. 두 평판 전극 사이에서 왕복 운동을 하는 액적의 전기영동 움직임은 바닥면에 전극을 배열 형태로 구 성하여 전극의 극성을 액적의 충전에 맞추어 적절히 제어하게 되면 전극이 배열된 2차원 평면상에서 액 적의 움직임을 자유자재로 제어할 수 있게 된다. 그 림 4에 구성된 시스템은 전기, 전자 분야에서 상용화
Figure 3. Ionic liquid의 계면 장력 측정 및 선택적 양이온
추출 연구 [9,10] Copyright 2013, 2014 American Chemical
Society
되어 널리 사용되고 있는 간단한 핀 헤더 부품을 활 용해 매우 효율적이고 경제적으로 구성된 디지털 미 세유체 제어 시스템으로 이것은 액적의 구동 원리가 매우 단순하고 명료하기 때문에 가능한 것으로 기술 의 활용 가능성을 단적으로 보여주는 예라 할 수 있 다. 현재 구성된 디지털 미세유체 시스템은 단일 액 적뿐 아니라 두 개 이상의 다수의 액적을 동시에 제 어하여 병합, 혼합을 통해 간단한 생화학 반응을 구 현할 수 있는 수준까지 개발된 상태이다[7].
3) 디지털 전기천공 시스템
디지털 미세유체 응용 분야 중 본 연구자가 액적 의 접촉충전 현상의 장점을 극대화할 수 있는 실질 적이고 유용한 응용 분야로 관심을 가졌던 분야는 전기천공이었다. 현재 상용화되어 사용되고 있는 전 기천공 방법은 고전압의 직류 전류를 짧은 시간이기 는 하지만 세포가 포함된 용액을 통해 흐르게 하기 때문에 세포의 안정성 확보가 어렵고 DNA 전달 효 율이 상대적으로 낮은 등의 한계를 지니고 있다. 최 근 이러한 한계를 극복하기 위해 미세유체역학 기술 (Microfluidics)을 활용한 미세유체역학 전기천공
(Microfluidic electroporation) 방법들이 개발되고 있다. 미세유체역학 기술은 기존 방법 대비 시스템 의 크기가 매우 작기 때문에 작동 기전압을 낮추어 세포의 안정성을 높일 수 있고 전기천공이 일어나는 환경을 비교적 정밀하게 제어하는 것이 가능하여 높 은 전달 효율을 기대할 수 있다. 또한 시스템의 크기 를 단일 세포 크기 수준으로 낮추어 단일 세포에 대 한 정밀한 전기천공까지도 가능한 기술로 개발되었 다. 전기천공 과정은 또한 미세유체역학 기술에서 추구하고 있는 모든 생명공학 실험들의 집적화 관점 에서도 매우 중요한 요소기술이며 기존에 개발된 세 포 배양 및 모니터링 기술 등과의 집적화를 통해 기 술의 장점을 극대화할 수 있는 가능성이 높다. 하지 만, 현재 진행되고 있는 미세유체역학 전기천공은 주로 단일 세포에 대한 정교한 제어에 초점이 맞추 어져 있어 일정 수 이상의 변이된 세포를 얻어야 하 는 관점에서는 수율이 매우 낮아 현실적으로 기존 전 기천공 시스템을 대신하기 어려울 뿐 아니라 미세채 널의 제어 등 관련 전문 지식을 필요로 하고 전기천 공 결과로 얻어진 세포를 파이펫 등 생명공학 분야에 서 널리 사용되는 도구를 사용하지 못하기 때문에 사
Figure 4. 액적 접촉충전 현상에 기반한 새로운 개념의 Digital microfluidic system [7]. Copyright 2013 American Chemical Society
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용의 편의성이 떨어지는 등 해결해야 할 문제가 아직 많이 남아 있다. 이에 본 연구자는 기존 상용화 전기 천공 장치와 미세유체 전기천공 장치의 단점을 최소 화하면서도 두 방법의 장점을 최대화할 수 있는 새로 운 개념의 전기천공 기술로 액적의 접촉충전 현상을 활용한 디지털 전기천공 기술을 개발 중이다.
디지털 전기천공 기술은 세포와 전달하고자 하는 DNA를 포함한 수용액적을 전극과 직접 접촉시켜 충전시킨 후 전기장을 이용해 움직이는 충전 액적의 전기영동 과정을 반복할 때 액적 내 세포가 주입된 외부 DNA를 받아들이는 현상을 이용해 안전하고 효율적으로 외부 DNA를 세포 내부로 전달하는 방 법이다. 충전 액적의 전기영동 과정 중 액적 내 세포 의 활성도 및 분화 능력은 이미 기존 연구를 통해 포 유류와 인간 세포에 대해 검증이 완료되었으며 유사 한 시스템에서 외부 DNA가 액적 내 세포로 전달될 수 있다는 것이 검증된 상태이다. 또한 한 번에 수만 에서 수십만 개에 이르는 세포에 DNA를 전달하는 것이 가능하기 때문에 기존 벌크 시스템의 기능을 대체하는 것 또한 가능한 기술이다. 이렇듯 디지털 전기천공 기술은 기존 벌크 전기천공 시스템 대비
높은 안전성을 보장하면서도 기존 미세유체역학 기 술들과 달리 높은 수율과 편의성을 제공할 수 있기 때문에 전기천공 기술을 획기적으로 개선할 수 있다.
이러한 실용적 적용 가능성과 함께 디지털 전기영동 기술을 활용한 세포 배양 및 검출 등 세포를 다루는 복합적인 과정들을 집적화한 보다 통합적인 생명공 학 실험 시스템을 제공할 수 있는 미래 가치 역시 디 지털 전기천공 기술의 또 다른 가능성이다.
현재 진행 중인 연구의 일차적인 목표는 기존 디 지털 전기영동 기술에서 개발된 플랫폼을 활용하여 디지털 전기천공 프로세스를 안정적이고 효율적으 로 수행할 수 있는 시스템을 개발하는 것이다. 그림 5에는 본 연구자에 의해 개발된 디지털 전기천공 시 스템이 나타나 있다. 개발된 장치를 활용하여 전기 천공 조건에 대한 체계적인 연구를 통해 세포벽의 제거 없이 미세녹조류의 전기천공 효율을 기존 상용 화 장치 대비 10배 이상 확보하였다. 또한 혈액암 세 포에 대한 전기천공 및 단백질 분석 등을 통해 기존 방법론 대비 수배에 달하는 전기천공 효율 및 보다 효율적인 단백질 분석 결과를 확인하였다. 본 시스 템은 향후 추가적인 집적화 등을 통해 생물공학 및
Figure 5. 액적 접촉충전 현상에 기반한 새로운 개념의 디지털 전기천공 시스템.
의공학 연구에 활용 가능성이 높은 통합 바이오 엔 지니어링 플랫폼으로 개발될 예정이며 현재, 사용자 편의성 향상 및 상용화를 위한 휴대용 장치 개발이 진행 중이다.
결론
액적 접촉충전 현상은 최근 새로운 연구 주제로 주목 받고 있으며 특히 미세유체 분야에서 디지털 전기천공 시스템의 개발은 이 분야에서 새로운 가능 성을 확인할 수 있었다. 무엇보다 이 기술은 국내 연 구진에 의해 개발된 독자적인 기술로 국가 연구경쟁 력 측면에서 매우 유망한 기술이다. 디지털 전기천 공 기술은 보다 광범위한 생명공학 분야에 활용될 수 있으며 특히 유도만능 줄기세포 연구 등 의공학 분야에도 활용될 수 있다. 유전체를 세포에 비교적 단순한 공정을 통해 안전하고 효율적으로 전달할 수 있는 디지털 전기천공의 장점과 세포를 칩 위에서 배양하고 모니터링함으로써 외부 오염 요인을 최소 화할 수 있는 디지털 전기영동 미세유체역학 기능은 유도만능 줄기세포 연구에 매우 적합한 장점들이다.
비단 유도만능 줄기세포뿐 아니라 생물학 및 의료 연구용으로 범용의 디지털 전기천공 시스템을 상용 화한다면 암치료, DNA vaccine 개발 등 In vivo 상 황의 In vitro 모사를 통한 개인 맞춤형 의료 테스트 시스템으로 활용이 가능하고 세포의 배양 및 관찰, 약물에 대한 반응성 검사, 전기천공을 통한 transfection 등 세포를 이용한 생명공학 및 의약학
분야 테스트가 가능한 시스템을 제공할 수 있을 것 이다. 이러한 디지털 전기천공, 전기영동 시스템이 기존 미세채널 중심의 한계를 극복하기 위해 최근 주목받고 있는 디지털 미세유체역학 기술과 이러한 기술로 구현하고자 하는 기능을 액적 접촉충전의 개 념으로 접근하여 이 분야에 새로운 대안으로 개발, 활용되기를 기대해 본다.
참고문헌
