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계면에서의 액체 이동 현상 및 응용 연구
이충엽 교수(경희대학교 기계공학과) / cylee at khu.ac.kr

Plant On a Chip (POC)이란 MEMS 기술을 이용하여 동물 세포를 연구하는 방법론을 식물에 이용한 것입니다. 식물을 키우는 대신에 작은 칩 환경 안에서 식물세포를 관측함으로써 기존의 방법과는 다른 여러 이점을 얻을 수 있는데요.

이번 서면 인터뷰에서 만나 보실 이충엽 교수(경희대학교 기계공학과)는 식물의 환경 저항성을 마이크로풀루이딕 플랫폼을 활용하여 식물세포레벨에서 확인할 수 있는 새로운 유체역학적 접근방법을 제시하고 검증하는 연구를 하고 계십니다.

프랑스 리옹1대학 연구팀과 공동으로 온도차 및 농도차에 의해 발생하는 유동을 측정하고, 표면의 마찰 특성이 어떻게 유동에 영향을 미치는지에 대해서도 연구 수행 중이신데요. 그 외에도 액적 충돌, 응축 및 대기 물수집, 방오 연구, 마찰 저항 감소 등 계면 유체역학과 관련된 다양한 연구를 수행하고 계십니다. 연구에 대한 자세한 이야기해 보도록 하겠습니다.


1. 현재 교수님께서 하고 계시는 주요 연구에 대한 간단한 소개 부탁드립니다.

저희는 주로 액체와 고체 또는 액체와 기체가 만나는 계면(interface)에서 발생하는 유동을 포함한 이동 현상을 규명하고, 더불어 마이크로/나노 스케일에서의 계면 제어를 통해 다양한 열유체 응용 분야 성능 향상 방법에 대한 실험적 연구를 수행하고 있습니다.





현재 저희가 수행하고 있는 연구들은 다음과 같습니다.

첫 번째는 최근에 기초연구실 과제를 통해서 수행하게 된 식물단일세포수준 유동 연구로, 이 연구에서는 단일 식물 세포 수준에서 세포 내 유동 측정을 통해서 식물의 환경 저항성을 판별할 수 있는 플랫폼을 개발하는 것을 목표로 하고 있습니다.

두 번째는 온도차 또는 농도차에 의해서 발생하는 계면 유동 현상 측정과 전기에너지 발생에 관한 연구입니다. 특히 프랑스 리옹1대학 연구팀과 공동으로 표면의 마찰 특성이 계면 유동에 미치는 영향을 측정하고 있으며, 이와 더불어 표면 특성과 주변 환경이 나노플루이딕스 시스템에서 이온 농도차로부터 발생하는 전기에너지에 미치는 영향을 연구하고 있습니다.

세 번째는 마이크로/나노 표면 위에서의 액체 이동 현상입니다. 저희는 마이크로/나노 표면 제작 뿐 아니라 이를 활용한 항력감소, 방오표면 개발, 상변화 제어, 대기 물수집 및 액적충돌 현상에 관한 연구를 꾸준히 수행해 오고 있습니다.


2. 식물세포레벨에서 유동측정을 활용하여 식물의 환경저항성을 확인할 수 있는 새로운 접근방법을 제시했다고 하는데요. 기존의 방식과 차이점이 무엇인가요?

기후변화나 병충해에 강한 품종 개발은 미래 식량 문제 해결을 위해 꾸준히 연구되어 온 분야입니다. 그런데 한 품종을 개발하는데에는 상당한 시간과 비용이 소모된다고 합니다. 가장 큰 이유는 식물의 어떤 유전자가 어떤 환경 저항성에 영향을 주는지 정립되어 있지 않기 때문인데, 결국 시행착오적 방법을 적용하여 하나하나씩 식물을 키워서 시험 해 보는 방법밖에 없습니다.





저희가 제시한 방법은 식물을 키우는 대신에 플랜트셀 온어 칩을 활용하여 식물 세포 수준에서 식물의 저항성을 확인하는 것입니다. 식물의 저항성 확인은 유체역학에 기반하고 있는데, 저희 가설은 식물의 환경 저항성과 생장 속도와의 사이에 상관관계가 있고, 다시 식물 생장 속도는 식물 세포 내 세포질 유동(cytoplasmic streaming)의 크기와 상관관계가 있다는 것입니다.

실제로 식물 세포의 경우 크기가 수십 마이크로미터에서 수 센티미터 정도로 동물 세포에 비해 큰 편이기 때문에 세포 내부의 항상성(homeostasis)을 유지하기 위해서는 세포질 유동(cytoplasmic streaming)이 필수적이라고 제시된 바 있으며, 특히 식물 생장 속도와 세포질 유동 크기 사이의 상관관계는 일부 식물에서 실험을 통해서 확인된 바 있습니다.

현재 저희는 온도나 병충해 등에 저항성을 가지고 있다고 알려진 애기장대의 10여가지의 유전자 변형 품종을 확보하였으며, 이 유전자 변형 군으로부터 각각의 식물세포를 확보하여 다양한 환경 스트레스를 가한 후 식물 세포 유동의 변화를 측정하는 방식으로 저희의 가설을 검증하는 연구를 수행하고 있습니다.


3. 식물세포 내 유동 측정 방법과 플랜트셀 온어칩 플랫폼 설계 방법에 대한 자세한 설명 부탁드립니다.

식물 세포들은 세포벽으로 모두 연결되어 있는 형태입니다. 저희는 원형질체 분리 (protoplast isolation) 과정으로 세포벽을 제거하여 식물단일세포들을 추출한 후 이를 마이크로채널에 주입 후 포집하는 방식으로 실험을 진행하고 있습니다. 그런 다음 세포 내부에 나노입자를 투입한 후에 나노입자의 움직음을 트랙킹 하는 방식으로 유동을 측정하고 있습니다.

다만 식물 세포의 경우 내부의 엽록체가 형광 발광(fluorescence)를 하기 때문에 일반적인 형광 현미경으로는 정밀한 유동 측정이 어렵습니다. 저희는 현미경에서 다크 필드 환경과 고배율 이멀젼 렌즈를 사용하여 세포질 유동을 확인하였고, 현재 유동 측정의 정밀도를 높이기 위한 셋업 최적화 및 유동 분석 알고리즘 개발을 함께 진행 중에 있습니다.





기존 연구에서 동물 세포들을 분류하고 포집하는 방법은 이미 연구가 많이 되어 있습니다. 저희는 이를 기반으로 유체역학 시뮬레이션을 이용하여 다중 층에 각 세포들이 효율적으로 포집될 수 있도록 채널 형상과 압력조건을 결정하는 방식을 플랫폼을 설계하고 있습니다. 세포 포집은 다중 채널에서의 압력차 제어를 이용하는 것인데, 이는 추후에 세포 회수를 고려한 것입니다. 식물 세포 유동 프로토콜이 확립되면 식물세포 배양과 환경 스트레스 구현이 가능하도록 광과 온도 제어가 가능한 환경모듈을 부착할 계획에 있습니다.


4. 연구하시는 주제 중 계면현상에 기반한 이동 현상인 diffusio-osmosis (phoresis)와 thermo-osmosis (phoresis)는 최근 큰 주목을 받고 있는데요. 이 현상이 무엇이며, 어떻게 활용 되는지 궁금합니다.

농도차가 있을 때 벽면을 따라서 발생하는 유동을 diffusio-osmosis라고 총칭하고, 동일 메커니즘에 의해 고정되어 있지 않은 입자가 이동하는 것을 diffusio-phoresis라고 부릅니다. 마찬가지로 온도차가 있을 때 벽면을 따라서 발생하는 유동을 thermo-osmosis라고 하고, 입자가 이동하는 것을 총칭하여 thermo-phoresis 라고 부릅니다. 입자가 어느 방향으로 이동할지, 그리고 어떤 속도로 이동할지는 주변 환경 조건과 액체-계면 특성에 따라 달라집니다.





보통 압력차가 존재하면 액채 내에 유동이 발생하고, 액체 내부에 전압차를 가해주면 내부 이온에 의한 전류가 발생한다는 건 다들 잘 알고 있으시리라고 생각합니다. 그런데 이와 같은 압력차나 전압차가 가해질 때 계면이 존재하게 되면 두 현상 사이에 연결 고리가 발생하게 됩니다. 예를 들어 마이크로채널에서 전압차를 가하면 유동이 발생하거나 입자가 이동하는 electro-osmosis나 electro-phoresis가 바로 대표적인 경우입니다.

이와 같은 연결 고리는 농도차 또는 온도차에도 그대로 적용됩니다. 즉, 계면을 따라서 농도차 또는 온도차가 존재하면 유동이 발생하게 되는데, 이를 diffusio-osmosis 또는 thermo-osmosis라고 부릅니다. 입자의 경우 고정되어 있지 않기 때문에 이로 인해 영동을 하게 되는데, 이를 diffusio-phoresis 또는 thermo-phoresis라고 부릅니다. 이와 같은 이동현상은 액체-고체 계면에서 수 나노미터 내에서 발생하는 분자들의 분포와 상호 분자들 사이의 힘과 연관이 있습니다. 사실 이 현상들에 관한 이론들은 이미 1970년대에 Dejarguin에 의해서 정립되었다가 한동안 잊혀져 있었는데, 최근 미세유체칩의 개발로 정밀한 실험이 가능해지면서 2000년대 중반에 다시 주목을 받게 되었습니다.

Diffusio-osmosis와 thermo-osmosis의 경우 유동 속도가 작지만 나노플루이딕에서의 전기 에너지 생산에 중요하다는 것이 여러 연구에서 제시된 바 있습니다. 예를 들어 diffusio-osmosis가 커져서 이온농도차로부터 발생하는 전기에너지가 크게 증가한다는 것이 질화붕소 나노튜브를 이용한 실험에서 보고된 바 있으며, thermo-osmosis에 의한 전기 에너지 발생은 주로 이론적으로 연구가 되고 있기는 하지만, 이로 인해 특정 표면에서 전기에너지가 크게 증가한다는 연구결과도 제시된 바 있습니다. 다만 계면 유동을 직접 측정하기가 어렵기 때문에 이에 관한 실험적인 결과들은 아직 많이 축적되어 있지 않은 상태입니다.

Diffusio-phoresis와 thermo-phoresis는 주로 입자나 바이오 물질들을 크기나 표면특성에 따라서 분리하거나, 닫힌 공간으로 입자들을 이송하는 데 활용되고 있습니다. 최근에 diffusio-phoresis는 액티브 재료(active matter) 연구에서 입자들의 추진력으로 활용이 되고 있으며, thermo-phoresis의 경우 레이저와 결합하여 새로운 방식의 입자 트랩 및 제어 방법으로 활용될 수 있음이 보여진 바 있습니다.


5. 프랑스 리옹1대학 연구팀과 공동으로 계면 유동을 측정하고, 표면의 마찰 특성이 어떻게 유동에 영향을 미치는지에 대해서도 연구 수행 중이신데요. 어떻게 함께 연구하게 되었는지, 자세한 내용 설명 부탁드립니다.

리옹1대학 연구팀에는 제가 2011년에 박사 후 연구원으로 합류하여 함께 연구를 수행한 적이 있습니다. 그때 제가 수행한 연구는 MEMS 기술을 이용하여 100-200 nm 높이를 가진 나노채널을 제작한 후 내부에서의 diffusio-osmosis 유동을 측정하는 것이었습니다. 나노채널 내부에서 성공적으로 유동을 측정한 후 그 다음으로 생각한 주제가 표면의 마찰 특성이 계면 유동이 미치는 영향을 실험적으로 측정하는 것이었는데, 이론적인 기반은 확립되어 있었지만 실험적인 결과는 아직 보고된 바가 없었습니다.

프랑스는 국내 대학 시스템과는 다르게 대학 내의 연구실이 CNRS 연구소 소속으로 되어 있고, 비슷한 분야의 교수님들이 모여서 하나의 연구팀을 이루는 형태로 되어 있습니다. 따라서 공동연구가 아주 활발하고 한 연구에 여러분의 전문가들이 참여하여 좋은 연구 결과를 얻는 경우가 많습니다.

그 때 표면의 마찰 특성과 유동 사이의 관계에 대한 연구주제에 관심이 있으신 리옹1대학의 몇 분의 교수님들과 함께 이야기해서 이 주제를 진행하게 되었습니다. 그런데 이 주제는 여러 실험적인 실패와 코로나 등으로 인해서 어려움을 겪다가 최근에서야 다시 본격적으로 시작하게 되었습니다. 작년 11월 프랑스 방문 때 레이저를 이용한 국부 온도차 생성을 통해 유리표면 위에서 thermo-osmosis 유동을 측정하는데 성공하였고, 다음 공동 실험 때는 저마찰 표면인 그래핀을 위에서 동일한 실험을 수행할 계획입니다. 그리고 계면 유동 측정 뿐 아니라 리옹 1대학의 다른 교수님들과도 낮은 압력에서 액적 거동에 대한 연구를 함께 수행하고 있습니다.

리옹1대학 연구팀과는 약 10여년에 걸쳐서 2차례 한-프랑스 공동연구과제를 공동으로 수행하였고, 내부 대학 과제로도 1년간 공동연구를 수행하면서 지속적인 상호 교류를 진행하고 있습니다. 올해에는 리옹1대학의 박사과정 생이 4개월간 저희 연구실에서 함께 실험을 진행할 계획이며, 이 후에는 프랑스에서 공동 실험을 수행할 계획입니다.


6. 초소수성 표면에서 액적 낙하 충격에서 새로운 방법을 제시했다고 하는데, 액적 낙하 충격 실험은 100년 동안 연구되어 온 고전적 연구 주제로 알고 있습니다. 자세한 설명 부탁드립니다.

사실 초소수성 표면과 액적 낙하 충격 각각은 사실 완전히 새로운 주제들이 아닙니다. 초소수성 표면의 경우 1940년대에 이미 이론이 제시되었고, 1960년대에 초소수성 표면을 제작되어서 실험적으로 그 특성들이 보고된 바 있습니다. 이 연구들은 거의 인용이 되지 않다가, 1990년대 후반에 독일 식물연구자들에 의해서 연꽃잎에서의 초소수성 효과가 보고되면서 다시 주목을 받게 되었습니다. 이후에 2000년대에 MEMS 기술의 발달로 정밀한 마이크로/나노 표면 개발이 가능해지고, 마이크로/나노 수준에서의 표면 특성에 관한 흥미로운 현상들이 발견되면서 더욱 주목을 받게 되었습니다.

액적 낙하 충격 실험의 경우도 실험 자체는 간단하게 보이지만 나노부터 밀리미터 스케일의 물리적 현상을 포괄하고 있는 매우 복잡한 문제입니다. 광학 카메라의 발달과 새로운 표면의 등장으로 새로운 물리적 형상들이 계속 발견되고 있으며, 최근에는 3D 프린팅 등의 기술 개발로 응용 측면에서도 중요해지고 있습니다.





저희 연구실에서는 초소수성 표면 위에서 액적 낙하 충격에 대한 다양한 실험을 오랫동안 수행해 왔는데, 사실 이 연구들은 다른 연구들의 일부분으로 시작하게 되었습니다. 예를 들어 초창기 저희 연구는 초소수성 표면 위의 공기층을 이용한 마찰 저항 감소 연구였는데, 액체의 압력이 커질 경우에 표면의 공기층이 무너지면서 마이크로 구조물 내부가 액체로 채워지게 되고, 이렇게 되면 항력감소 특성이 사라지게 됩니다.

따라서 젖음성 상태가 바뀌는 것을 피하기 위해서는 표면 위의 공기층이 동적압력에 저항하는 힘을 알 필요가 있었는데, 이 목적으로 액적 충돌 실험을 진행하게 되었습니다. 실험을 해 보니 초소수성 표면에서 공기층이 압력이 충돌 직후에는 견디지만 오히려 튕겨져 나가기 직전에 무너지는 새로운 현상을 발견하게 되었습니다.

이후에 이를 응용하여 초수성 다공성 표면에서 동일한 메커니즘에 의해 액적이 부딪힐 때 액적은 튕겨 내지만 투과는 더 쉬워진다는 것을 제시하게 되었습니다. 또 다른 예로 액적 충돌 실험을 진행하면서 초소수성 표면에서 액적이 퍼지는 정도가 더 큰 것을 발견하였는데, 이를 표면의 마찰 저감 특성과 연관시킨 이론적 모델을 제시하였습니다.

즉, 마찰이 작아지면 액적이 퍼지는 시간이 늘어나게 되는데 이 효과가 액적이 더 넓게 퍼지는데 영향을 주는 것입니다. 최근에는 열전달 제어를 목적으로 액적과 표면 사이의 접촉 시간을 줄이는 연구들을 수행하였는데, 밀리미터 스케일의 구조물과 나노스케일의 표면을 결합할 경우, 액적 내부의 유동 현상이 변하면서 원하는대로 접촉 시간을 조절하는 것이 가능해 진다는 것을 보인바가 있습니다.


8. 마이크로풀루이딕 플랫폼을 활용한 여러 연구들에 대한 국내상황과 국외상황을 구체적으로 비교해주신다면 어떤 실정인가요. 어디까지 발전되고 있는 건지 궁금합니다.

국내외적으로 생물학 분야와 화학 분야에서의 마이크로풀루이딕 활용은 아주 활발한 것으로 알고 있습니다. 대학에서의 연구 뿐 아니라 많은 기업들이 이미 이 플랫폼을 활용하고 있는데, 칩이 제작하기 간단할 뿐 아니라 샘플 절약, 반응 시간 단축, 제어 가능한 환경 등의 다양한 장점을 가지고 있기 때문입니다. 마이크로풀루이딕 디바이스 시장 규모를 보면 2020년까지 진단, 제약분야, 분석, 약물 전달 응용 분야 등이 시장의 대부분을 차지하고 있고, 시장 규모 역시 급격하게 커지고 있음을 알 수 있습니다. 실제로 국내에서도 마이크로풀리이딕 분야의 경우 대학 연구실에서 창업까지 이어진 사례가 많은 것으로 알고 있습니다.





하지만 생물학을 제외한 기타 연구 분야에서의 마이크플루이딕 플랫폼 활용은 국외에 비해서 국내에서는 아직까지는 제한적인 듯 합니다. 국외에서는 마이크로풀루이딕 플랫폼을 활용하여 비뉴턴 유체 연구와 액티브 재료, 재료 합성 등과 같은 기초 연구를 활발히 수행하고 있는 반면에 국내에서의 아직 대부분의 연구가 생물학에 한정되어 있는 듯 합니다.


9. 연구 진행 중 어려운 점이 있었다면 어떤 점이었으며, 어떻게 해결해 오셨는지 알려주세요.

저의 연구의 경우 융합적 요소가 강하기 때문에 연구 수행을 위해서는 다양한 분야를 아우르는 지식과 테크닉 필요하다는 것이 가장 큰 어려움이었습니다. 예를 들어 계면에서의 유동 현상은 재료에도 크게 영향을 받는데, 저희가 자체적으로 새로운 재료을 만드는 건 아무래도 한계가 있었습니다.

 

최근에는 가능하면 저의 전문성을 벗어나는 부분은 그 분야의 전문가 분들과 협업하는 방식으로 연구를 진행하고 있습니다. 예를 들어 나노재료는 실제 나노재료를 합성하시는 분과, 전문적인 시뮬레이션은 해당 분야 전문가들과 협업하는 방식으로 문제들을 해결해 가고 있습니다. 실제로 식물세포 연구도 실제 유전자 품종 개량을 하시는 분과 함께 연구를 진행해 오고 있습니다.


10. 이런 연구에 힘입어 앞으로 연구 계획 중인 연구나 또 다른 목표가 있으신지 궁금합니다.

10여년간 계면 유동의 이해에 중점을 두었다면 앞으로 이 현상들을 활용해서 당면한 환경 문제들을 해결할 수 있는 새로운 접근 방법에 관한 연구를 해 보고자 합니다. 마이크로/나노 플루이딕스 시스템 내부에서의 나노입자 제어 원리들은 실제 응용 분야에서 나노플라스틱과 같은 유해 물질을 포집하거나 제거하는데 적용될 수 있을 것입니다. 또한 나노플루이딕스 시스템의 넓은 표면적은 탄소와 같은 기체나 액체 또는 내부의 특정 물질들을 제거하거나 또는 회수하는데 이용될 수 있을 것으로 생각합니다.


11. 앞으로 관련 분야를 공부하는 후학(대학원생들)에게 이 분야의 연구에 대한 비전을 제시해 주신다면.

최근 공학적 문제들은 점차 복잡해지고 있는 추세이기 때문에 융합적인 전문지식과 체계적인 문제 접근 방법에 대한 이해, 그리고 타 분야의 전문가들과의 협업 없이는 해결하기가 어렵습니다. 이전에는 대학교육만으로 산업 현장에서 문제 해결을 하기 충분했었지만, 이제는 대학원에서 좀 더 깊은 전문성과 공학적인 문제 해결 능력을 쌓는 것이 미래 공학자들에게 반드시 필요하다고 생각합니다.

최근 에너지, 환경 분야에서 나노재료나 나노표면을 활용하는 연구가 활발히 진행되고 있습니다. 또한 진단집, 바이오 센서 등의 기존 마이크로플루이딕스 분야에서도 유체역학의 이해가 여전히 핵심입니다. 이 분야들에서 새로운 재료 또는 새로운 응용 분야에 대한 이해가 물론 중요하지만, 기본이 되는 유동 현상에 대한 이해 없이는 새로운 돌파구를 찾는데 한계가 있다고 생각합니다.

계면에서의 이동 현상과 마이크로풀루이딕스 플랫폼을 활용한 연구들을 통해서 마이크로/나노스케일에서 실제로 어떤 일이 발생하는지 엄밀히 이해할 수 있으며, 이를 통해서 기존과는 다른 새로운 문제 해결 접근 방법을 제시할 수 있을 것으로 생각합니다. 이미 바이오 등의 분야에서 마이크로풀루이딕스 플랫폼의 활용이 더 활발해지고 있으며, 에너지, 환경 분야에서 나노기술이 더 활발하게 적용되고 있습니다. 이 때 관련 유동 현상을 이해, 분석하고 제어할 수 있는 전문가에 대한 수요가 더 많아질 것이라고 생각하며, 따라서 이 분야의 진로는 아주 밝다고 생각합니다.


 

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|2022.04.28
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