미세유체 시스템을 이용한 기술, 예를 들어 마이크로 에멀젼 또는 마이크로 캡슐 등은 식품, 의약품 및 화장품 산업과 같은 다양한 영역에서 활성 성분을 목적에 맞춰 보호하고 방출하는 능력으로 인해 매우 중요한 요소입니다. 특히 표준화된 모듈형 미세유체 플랫폼 개발은 기계학습 기반의 자동 최적화 시스템 및 제어 인터페이스의 구현을 통해 지능화함으로써 의학•약학•식품공학 등 타 분야 전문가의 미세유체 시스템 접근성을 향상시킬 수 있습니다.

오늘 인터뷰에서 만나 보실 이진기 교수(성균관대학교 기계공학부)는 수 밀리미터에서 수 마이크론 심지어는 나노미터 크기의 시스템에서 발생하는 유체의 거동을 공학적으로 분석하고, 이를 응용한 자연모사 유동 및 표면 기술, 그리고 다양한 미세유체 플랫폼 개발 등을 연구하고 계십니다. 교수님의 공동연구 및 지능형 다모듈 미세유체 플랫폼 개발에 대해 중점적으로 이야기해보도록 하겠습니다.

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

성균관대학교 기계공학과 멀티스케일 유체역학 연구실(Multiscale Fluid Mechanics Laboratory)은 유체역학 및 열전달 현상에 대한 연구를 기반으로 IT(Information Technology), BT(Bio Technology), 그리고 NT(Nano Technology)의 융합연구를 진행하고 있습니다.





매크로(Macro)부터 나노(Nano)까지 광범위한 스케일에서의 복잡 유체의 거동 및 colloid, emulsion 등 계면에서의 유체의 상호작용 등을 수학적 해석의 이론 기반의 연구뿐만 아니라 실험과 수치해석 등 다양한 방법론을 활용하여 수행하고 있습니다.

수행하는 연구주제는 인공지능 기반 모듈형 미세유체 시스템 플랫폼 개발, 자연을 모사한 동력장치, 센서 및 엑추에이터, 생의학 미세유체 진단기기 등의 응용 기술입니다. 이러한 연구의 결과는 전통적인 제조업 기반의 기계공학 분야뿐 아니라 전자, 반도체, 화학, 생물학, 의료, 화장품 등 다양한 현장에서 응용될 수 있는 기초 및 응용 기술로서 가치가 있습니다.


2. 미세유체 채널 내부의 유동 및 액적을 제어하고 내부 유체의 환경 및 물성을 측정할 수 있는 모듈과 같이 미세유체 장치의 플랫폼 구축에 요구되는 사항이 많은 것으로 알고 있는데요. 다양한 미세유체 장치가 개발되어 왔음에도 불구하고 각 유체 장치들에 대한 표준화 및 규격화 등이 정립되지 않아 연구자들이 이를 실제로 사용하는 데에는 어려움이 따른다고 합니다.

연구해 오신 미세 유체 장치 개발에서는 특히 어떠한 사항들이 고려되어야 하며, 표준화가 되기 위한 미래 미세 유체 장치를 구현의 핵심 요소 기술은 어떤 것들이 있을까요?

지난 20년 이상 다양한 미세유체 장치가 개발되어 오고 있음에도 불구하고 사용자가 특정 용도에 구애받지 않고, 보편적으로 사용하는 것이 어렵고, 제한적인 이유는 기존의 반도체 공정기반의 미세유체 장치 제작 기술과 관련이 있습니다.

초기의 방법은 실리콘 웨이퍼 등에 photolithography 기법을 기반으로 2차원 구조와 제한적인 3차원 구조를 활용하여 미세유체 장치를 만들었습니다. 이러한 방법은 비싼 가격과 공정의 어려움 특히 다양한 화학약품에 노출되는 한계가 있습니다.
이를 극복하기 위해서 SU-8 등의 광경화 감광용액(photoresist)와 poly(dimethylsiloxane)(PDMS)라는 elastomer를 활용한 soft-lithography가 활발히 연구되어 현재 가장 많이 사용되는 기술입니다. 이러한 soft-lithography는 비용 절감은 물론이고 공정 또한 간단해졌으나 여전히 2차원 및 제한적 3차원 구조에 머물러 있으며 대량 생산 공정은 여전히 매우 어려운 단점이 있었습니다.

또한, 마이크로 유체기기의 경우 펌프, 센서, 압력계 등등 기기를 구동하기 위한 다양한 부수 기기가 포함되어야 하며 실제 운영 시 그 크기 및 구동 에너지가 “미세”라는 단어를 쓰기에 적절하지 않을 정도로 부대 장비가 크며 또한 복잡합니다. 따라서 이러한 형태의 장치는 사용자가 원하는 기능을 적절히 구현하는 데에 비용적 혹은 공간적 어려움이 있을 수 있습니다.

따라서 이러한 한계점을 극복하기 위해서 최근에는 새로운 미세유체 시스템 구축의 필요성이 대두되었고, 현재 저희 연구실에서는 3D 프린터를 기반으로 제작 및 사용이 용이한 모듈형 미세유체 시스템을 개발하고 있습니다.

모듈형 미세유체 시스템이란 사용자가 필요로 하는 미세유체역학 시스템 및 그 구동 시스템을 각각 모듈화시켜 사용자의 의도에 따라 요구되는 모듈을 마치 레고(LEGO)처럼 조립함으로써 원하는 기능을 구현할 수 있게 해주는 시스템을 말합니다. 본 연구실에서는 다양한 모듈을 개발하고 있으며 국내 및 해외 특허 출원을 통해 원천기술을 확보하고 있습니다.





현재 이러한 모듈형 미세유체 시스템은 세계의 몇 그룹에서 리딩을 하고 있으며 그 중 저희도 한 그룹에 속한다고 할 수 있습니다. 이러한 기기의 표준화에 대해서는 경쟁 중인 연구 개발품 중에서 실제 상용화가 되어 사용되는 연구결과물이 있을 때 심도 있는 논의가 있을 것이라 생각이 듭니다.

일반적인 말씀을 드리자면, 우선 각각이 모듈들의 기능 및 성능의 균일화가 담보되어야 할 것이며 모듈화 기기라는 특성상 각 모듈을 쉽고 안정적으로 연결해줄 수 있는 연결부 디자인의 최적화 과정 또한 필요합니다. 또한, 부가기기의 모듈화시켜 전체적인 시스템의 소형화 및 집적화가 앞으로도 계속 연구되어야 할 과제이기에 미세유체 채널 내에서 발생하는 유동현상에 대한 이해를 바탕으로 연결된 모듈들을 통합적으로 연동하고 제어할 수 있는 유동, 온도 및 채널 형상 등 다양한 제어시스템에 관한 연구가 동반되어야 합니다.


3. 미세 유체 장치를 분석하기 위한 방법들 중 고속 이미징 및 입자 이미지 속도계 기법을 사용하여 관찰하거나 스케일링 분석을 기반으로 유동현상의 분석이 가능하다고 알고 있습니다. 이러한 계면 흐름 거동 분석은 각 분야별 어디까지 분석가능한지 궁금합니다.

스케일링 분석은 유동현상을 분석하는 대표적인 방법 중 하나로, 실험 및 분석 결과를 광범위하게 확장시켜 적용하기 위해서 요구되는 분석기법입니다. 예를 들어 다양한 변수를 가지고 있는 실험조건을 통합적으로 설명할 수 있는 무차원 식들의 규칙 관계식을 얻어내게 되면 복잡한 실험을 모두 수행하지 않더라도 규칙성에 의해 예측이 가능해집니다.

이러한 유동 분석을 위해서는 유동장의 정보가 필요하며 유동장의 정보를 얻기 위해 사용되는 대표적인 실험 기법으로 고속 이미징 기법과 입자 이미지 속도계 기법이 있습니다. 고속 이미징 기법은 고속으로 이동하거나 혹은 매우 짧은 시간에 다향한 형상등을 보이는 유동의 형상에 대한 정보를 얻고 싶은 경우 사용됩니다. 이러한 고속 이미징 기법은 유체의 형상 혹은 유체 내부에 부유하고 있는 다양한 입자나 반응물질의 거동을 확인할 수 있습니다. 하지만, 형상을 볼 수는 있으나 속도장 등을 얻을 수 없는 한계가 있으며 이것을 극복하는 기법이 입자 이미지 속도계 기법입니다.

입자 이미지 속도계 기법은 유동의 벡터나 속도장 등에 대한 정보를 얻고 싶은 경우에 사용되며 최근에는 3차원 속도장도 매우 잘 얻어낼 수 있습니다. 아래의 Fig. 2는 각 실험 기법을 적용하여 유동장을 분석한 결과로 그림 (a)는 고속 이미징 기법을 사용하여 네펜데스라는 식물의 표면을 모사한 Lubricant-infused surface의 동접촉각을 측정한 이미지의 예이며 그림 (b)는 입자 이미지 속도계를 사용하여 동정맥루 우회술을 위한 혈관을 문합할 때 문합각 조절 및 문합길이 조절에 따른 동정맥루 유동장 변화 및 혈관에 작용하는 전단응력을 분석한 결과입니다.

이러한 가시화 기법을 통하여 실제 우리가 이해하기 어렵고 복잡한 현상을 직관적으로 이해하고 수학적으로 분석하게 되어 앞서 말씀드린 바와 같이 스케일링 분석에 활용할 수 있습니다. 이 외에도 유체현상에 대한 분석은 실험 기법 선정 및 전체 시스템 설계에 따라서 다양한 용도로 사용될 수 있을거라 생각합니다.





4. 이 외에 자연을 모사하는 다양한 연구도 수행하셨던 것으로 알고 있습니다. 특히 자연 속 식물이나 동물의 장점을 모사한 연구를 하셨는데 이와 관련하여 수행하신 연구와 해당 연구에 적용된 원리에 대해 설명 부탁드립니다.

저희 연구팀은 자연에서 일반적으로 존재하는 다양한 생물체를 모사하여 기존의 기술 한계를 극복하는 연구를 수행중입니다. 그 예로, 나무, 솔방울, 나방 눈 구조 그리고 나무의 왁스 층 등을 모사하는 연구를 수행하였습니다.

먼저, 저희는 나무의 물 이송원리를 모사한 무동력 물 수송 장치를 제작하였습니다. 나무가 살아가는데 필수 요소인 물은 흙 속에 있는 나무의 뿌리를 통해서 흡수되어 나무의 물관을 거쳐 높은 높이의 나뭇잎까지 이동하게 됩니다. 뿌리에서 물을 흡수하여 나뭇잎까지 이송시키는 원리는 바로 증산작용에 있습니다.

증산작용이란 나뭇잎의 기공을 통해서 물이 증발되는 현상을 의미하는데, 이때 나뭇잎의 엽록소의 세포벽간의 간격은 매우 작으며 강력한 모세관힘이 생기게 됩니다. 이곳을 통하여 물을 끌어 올리고 증발하는 과정을 통해서 뿌리에서부터 나뭇잎까지 이송되는 것으로 알려져 있습니다. 이러한 증산 나뭇잎의 세포벽에서 발생하는 모세관력을 모사하기 위해서 다공성 폴리머인 아가로스젤을 사용하였습니다.

따라서 아가로스젤의 표면에서 물이 증발함에 따라서 강한 모세관력이 발생하게 되고 외부에너지 사용 없이 물을 이송시킬 수 있는 펌프로서의 역할을 하게 됩니다. 또한, 기존의 나무에서 한 단계 더 진화하여 초친수성 물질을 첨가함으로써 그 성능을 극대화 시켜 강한 모세관력으로 물보다 10000배 점도가 높은 유체를 약 10 cm 이송시켰습니다.
이것을 물로 환산하면 약 1 km의 물을 이송시킨것과 같다고 할 수 있습니다.





또한, 자연에는 다양한 형태의 움직임을 가지는 식물이 존재합니다. 외부환경의 변화 혹은 자극에 의해서 움직임이 발생하게 되는데 대표적인 예로는 솔방울, 미모사, 파리지옥, 민들레 씨앗 등이 있습니다. 저희는 이러한 움직임을 가지는 식물 중 습도 변화에 따라 혹은 젖음과 마름에 따라서 움직이는 것에 관심을 가졌습니다.

이러한 물에 반응하는 기기를 초친수성인 TiO2 나노 튜브를 활용하여 세계 최초로 단일층 습도 엑추에이터 및 센서를 제작하였습니다. 전기화학 반응을 통해 TiO2 나노 튜브로 이루어진 얇은 필름을 제작하였고 이러한 튜브들은 비대칭적 구조에 의해서 물방울을 떨어뜨렸을 때 물에 젖음에 따라서 구조물을 움직이게 됩니다. 이는 건조된 상태에서 Van der Waals 힘으로 유지되던 필름의 구조물이 강력한 모세관현상에 의해서 구조물 사이로 물이 빠르게 침투하여 변형을 주기 때문입니다.

이러한 현상은 습도변화에 따라서도 관찰되었으며 습도변화에 따라서는 공기 중의 수분흡착 및 응축에 의해서 움직임이 발생하여 습도센서로도 사용이 가능합니다. 이러한 습도센서의 장점은 상대 습도 100%인 비가 올 때와 안개가 꼈을 때의 상황을 일반적인 전기적 습도계의 경우에는 구분할 수 없으나 동적인 움직임에 의해 습도에 반응하는 습도센서의 경우에는 그 차이를 구분할 수 있습니다. 이러한 구조물의 움직임은 에너지 밀도값으로 나타내었을 때 최대 1250 kJ/m3이라는 높은 밀도값을 가짐을 확인하였으며 이는 로봇 분야 및 energy harvesting 분야에도 활용될 수 있을 것으로 생각합니다.





또한, 새로운 이중층의 습도 엑추에이터도 개발을 하였는데, 이 경우에는 솔방울과 비슷하게 정렬 구조가 다른 이중층으로 이루어져 있어 건조 시 수축하여 높은 습도 조건에서는 팽창하여 움직이게 됩니다. 이러한 구조를 구현하기 위해서 널리 활용되고 있는 전기방사법을 활용하여, 습도에 반응하여 팽창 및 수축하는 고분자 물질을 엑추에이션 방향으로 정렬하고 습도에 반응하지 않는 필름과 결합 하였습니다.

전기방사는 섬유 정렬도와 두께를 다양하게 바꾸어 줄 수 있었고, 습도에 따른 곡률 변화를 측정해보았을 때 정렬도가 높을수록 큰 곡률 변화를 나타내고 두께가 얇은 수록 습도에 민감하게 반응하였습니다. 또한, 액추에이션 성능을 향상시키기 위하여 낮은 습도에서도 물 분자를 잘 흡착하는 성질을 가진 다공성 물질인 metal organic framework (MOF) 나노입자를 함성하여 고분자 물질에 섞어 전기 방사 및 정렬시킴으로써 결과적으로 습도에 대한 반응성을 향상시키고 높은 밀도의 힘과 에너지를 낼 수 있었습니다.

이러한 연구는 앞의 단일층 엑추에이터와 마찬가지로 soft robotics, energy harvesting, 인공 근육 등에 적용될 수 있을 것이라 생각합니다.





또한, 최근 오염되지 않는 표면 개발에 관한 많은 연구들이 진행되고 있는데 이를 위해 저희 연구팀은 한국기계연구원과 공동연구를 통해서 나방 눈과 나무의 왁스 층을 모사한 자가 치유가 되는 투명 초발수 표면에 관한 연구를 진행했습니다.

나방 눈의 미세 나노 구조물은 빛의 굴절경로에 간섭을 일으켜 반사 방지효과를 지니고 있으며 이를 모사하여 제작한 표면은 높은 투과성을 갖고 있습니다. 여기에 나무의 왁스 층을 모사한 고체 나노 코팅을 함으로써 긁힘이나 압력에 의한 변형에도 스스로 회복할 수 있는 자가치유 특성을 가지도록 만들었습니다. 이렇게 두 자연체를 모사하여 제작된 표면은 나노 미세 구조물이 에어 트랩(Air trap)을 제공하여 열전도도를 낮추어 주어 방빙 효과 또한 제공한다는 두 자연체의 특징 외에 추가적인 특징을 가지고 있습니다.

이러한 연구를 통해 제작된 표면은 태양광 패널에서의 패널 보호 글라스나 건물의 외벽에 장기적으로 오랜 시간 동안 사용 가능한 유리에 대한 실제적 대안으로 활용될 수 있을 것으로 생각합니다.





5. 앞서 설명하신 다양한 자연모사 기술 연구 중에서 가장 도전적인 연구는 무엇이었나요? 그리고 그 효율을 높이거나 혹은 앞으로 더 발전시킨다면 어떠한 연구가 수반되어야 할까요?

자연모사 연구 중 가장 오랜 기간 연구하고 관심이 있었던 연구주제는 역시 나무입니다. 이러한 나무는 미세 유체역학을 연구를 하는 많은 연구자들이 그 원리를 이해하기 위해 고민하고 또한 산업적으로 사용할 수 있는 연구물로 발전시키기 위해서 많은 노력을 하고 있습니다.

나무는 물이 흐르는 물관과 영양분이 흐르는 체관으로 구분되어 있습니다. 제가 앞서 설명해 드린 나무모사 물 수송장치의 경우 물관과 연결된 나뭇잎의 잎맥을 모사한 장치이며 하버드 대학교에서 박사 후 연구원으로서 연구를 수행할 때에는 체관의 물리적 현상을 이해하고 이를 모사한 장치를 개발한 경험 (Journal o the Royal Society Interface 2011, Lab on a Chip 2009) 을 가지고 있습니다. 또한, 물관과 물관사이에 Pit Membrane이라는 이온에 반응하는 물 저장 조절 시스템 (Frontiers in Plant Science 2012)을 원자간력 현미경(Atomic Force Microscope, AFM)을 활용하여 가시화한 경험도 있습니다.

나무는 어떠한 구동장치도 없이 뿌리에서 물을 흡수하여 종에 따라서는 100m 이상 물을 이송시키기도 하고 또한 나뭇잎에서 광합성을 통하여 생성된 영양분을 그 반대 끝단인 뿌리까지 이송시켜 생존하고 있습니다. 본인 뿐 아니라 수 많은 연구자들이 나무의 다양한 유동 네트워크 및 저항 변화 그리고 물관과 체관의 상호작용 및 최적화를 이해하여 상식을 초월하는 초고효율의 유체 이송 및 에너지 활용 기기를 구현하고자 노력하고 있습니다.

이러한 역학적인 시스템의 이해만 하더라도 매우 어려운데, 나무는 생물체로서 능동적인 생화학적 현상들이 4계절 내내 일어나는 매우 복잡한 시스템입니다. 앞으로도 역학적인 시스템을 이해하는 기계공학자와 진화론적인 관점에서 생화학적 분석을 수행하는 생물학자의 협업을 통하여 계속적인 연구가 수행되면 나무를 모사하여 오랜시간 지속가능한 엔지니어링 솔루션을 만들 수도 있을거라 기대하고 있습니다.


6. 교수님께서 다양한 R&D 참여과제를 수행하고 계시는데요. 그 중 마이크로 플루이딕 칩 제조 기술 및 자연모사 관련 연구들의 활용 가능한 분야 및 향후 발전 가능성에 대한 설명 부탁드립니다.

마이크로 칩의 제조는 가격경쟁력을 가지고 대량생산을 할 수 있으면서도 그 성능이 우수해야 합니다. 따라서 본 연구팀은 가장 많은 연구를 수행하고 있는 3D 프린터 기술에 추가로 가격경쟁력을 가지는 종이기반 기기 혹은 Roll to Roll(R2R) 대량생산 플랫폼에 주목하고 있습니다.

이러한 저가의 대량생산기술이 구현된 마이크로 칩은 인류의 생명 연장 및 안전한 사회구현에 기여할 수 있을 거라 생각합니다. 예를 들어, 최근 사람들에게 위협적인 인간감염병인 코로나바이러스감염증-19(COVID-19), 지카(Zika), 뎅기(Dengue) 바이러스 뿐만 아니라 동물 감염병인 구제역 및 조류독감 바이러스 등 다양한 바이러스로 인한 다양한 피해가 극심한 상황입니다.
이러한 바이러스들이 현장에서 신속하게 진단되어야 여러 생명을 구해낼 수 있을 뿐만 아니라 2차 피해를 줄일 수 있습니다. 또한, 바이러스를 현장에서 진단하기 위해서는 시료의 전처리 기술이 필수적으로 필요합니다.

현장 진단과 현장에서의 시료 전처리를 위해 저희 연구팀은 현장 진단이 가능한 종이 기반의 마이크로 플루이딕 칩과 현장에서의 시료 전처리를 가능하게 할 수 있는 R2R 기반의 마이크로 플루이딕 칩을 개발하고 있습니다.
해당 연구들을 통해서 현재 대상으로 하는 바이러스를 포함한 다양한 종류의 바이러스들을 현장에서 신속하게 진단할 수 있는 진단기기와 전처리 칩을 제작하여 사용될 수 있을 것으로 기대됩니다.





또한 최근 자연모사 기술을 응용하여 활용되는 기술로서 딱총새우의 집게 구조 특성을 모사한 녹조 대응용 친환경 무연 초음파 나노 버블 분사 장치를 개발하는 연구를 진행하고 있습니다.
저희는 딱총새우가 먹이를 사냥하기 위해 집게발을 닫는 과정에서 발생하는 공동(cavitation) 현상에 관심을 가졌습니다. 딱총새우는 집게발을 닫는 과정에서 순간적으로 발생하는 충격파 에너지를 이용하여 먹이를 사냥합니다.

이러한 원리를 기반으로 나노 버블이 포함된 유체를 고압 노즐을 통해 분사하고 이송된 나노 버블이 붕괴하면서 발생한 충격파를 이용하여 녹조를 제거하는 장치를 개발하여 생태계에서 발생하는 녹조 문제를 친환경적으로 해결할 수 있을 것으로 기대하고 있습니다.

또한, 이렇게 개발된 나노 버블 분사 장치로 환경 분야 외에도 액상 버블을 활용한 산업 분야, 예를 들어 살균 및 오염물질 제거가 필요한 농수산 분야, 의료분야 등에서 사용될 수 있을 것으로 기대합니다.





7. 때로는 어려운 문제를 해결하기 위해 다른 그룹과의 협업이 요구될 때가 있는데, 가장 기억에 남는 공동 연구가 있으신지요.

기억에 나는 공동연구는 압력에 따라 부풀어 오르는 poly(dimethylsiloxane)(PDMS)라는 초탄성(hyperelastic) 고분자 투과막의 투과율에 관한 새로운 이론식 도출 연구가 떠오릅니다.
본 연구는 3차원으로 형상이 변화하는 고분자막에서는 기존의 다공성 매질을 통한 유동식이 적절하지 않음을 다양한 실험을 통해서 관찰한 후 고분자 내부의 나노 채널 모델을 개발하여 개선된 모델을 이론적으로 제시하고 실험적으로 검증한 논문입니다. 본 연구는 투과막의 투과량을 계산 및 측정하는 유체역학적인 지식과 고무와 같이 초탄성(hyperelastic)의 물질의 거동 및 내부구조 변화를 고려하는 고체역학적인 연구가 섞여 있는 도전적 과제였습니다. 연구의 난이도가 매우 높아서 그 자체로서도 어려움도 있었지만, 개인적으로는 에피소드가 있는 연구주제입니다.

본 연구는 프린스톤 대학의 Howard A. Stone 교수님, 덴마크 공과대학의 Kaare H. Jensen 교수와 같이 수행하였는데, 본 연구 내용은 제가 하버드 대학의 박사 후 연구원으로 있을 때인 2009년 제안했던 내용으로 그 당시 Howard A. Stone 교수님은 하버드 대학에서 제 PI 중 한분이었고, Kaare H. Jesnen교수는 교환학생으로 저의 다른 PI였던 N. Missy Holbrook 교수님 팀에 방문중 이었습니다. 그 당시부터 연구를 수행하여서, 하버드대학에서 식물 압력 측정용 압력 프로브를 활용하여 데이터를 축적하였으나 출간을 하기에는 조금 부족한 면이 있었고 많은 고민을 한 논문입니다.

본 연구는 성균관대 부임 이후 새로운 이론적 모델 제시라는 새로운 방향으로 연구를 전환하였고, 저희 연구팀의 송륜근 연구원이 제1저자로 참여하여 결국 2019년 Journal of Fluid Mechanics에 출간하였습니다. 이 논문이 출간되었을 때 Jensen 교수로부터 “10년만에 드디어..!!”라는 반가운 소식을 서로 전했던 기억이 납니다. 또한, 저의 멘토이신 Stone 교수님도 매우 흡족해하신 논문으로 기억하고 있습니다.


8. 이러한 연구 결과를 바탕으로 특허를 내신게 많은걸로 알고 있습니다. 가장 기억에 남는 특허가 있다면?

성균관대학교에 부임 이후에 특허 중에서 기억에 남는 특허는 혈액 투석용 중심 정맥 카테터 관련 특허와 모듈형 미세유체 시스템 관련 특허가 있습니다.

혈액 투석용 중심 정맥 카테터는 고령 등의 이유로 혈관 상태가 좋지 않은 만성신부전증 환자의 혈액투석을 위해 상대정맥에 삽입되는 카테터 (인공 도관) 입니다. 다양한 형태가 있는데, 대칭형 카테터가 가장 선호되는 형태이지만, 현재 국내에서 개발된 대칭형 카테터가 없어 수입에 의존하고 있습니다. 이를 컴퓨터 시뮬레이션과 실험을 통해 다양한 카테터의 디자인을 개발하고 평가하였습니다. 이를 통해 기존 대칭형 카테터보다 재순환율이 낮고, 혈전 형성 가능성이 낮은 우수한 성능의 카테터를 개발하였고, 이를 국내 및 PCT 특허 출원을 진행하였습니다.

(국내 특허 출원 : 10-2019-0059399,
PCT 국제 출원 : PCT/KR2020/006024) 이러한 것들을 실제 현장에서도 사용될 수 있도록 국내에서 카테터를 제작하는 회사와 협업을 통해 제품화를 진행 중입니다.





모듈형 미세유체 시스템의 경우에는 앞선 문답에서 언급된 바와 같이 해당 시스템을 구축하기 위해 가장 중요한 부분 중 하나는 각 모듈을 쉽고 안정적으로 연결해줄 수 있는 연결부 디자인을 최적화하는 것입니다. 저희는 각 모듈의 채널 끝단에 요철 구조를 가지고 있는 연결부를 디자인해주었고, 해당 디자인은 손쉽게 조립 및 분리가 가능한 구조를 가지고 있습니다.

추가적으로 연결부에서 요구되는 성질은 누수가 발생되지 않으면서 이를 통과하는 유동에 미치는 영향을 최소화하는 것입니다. 이것을 위해서 저희는 연결부에 오링(O-ring)이 삽입되는 공간을 설계하고 최적화해주었습니다. 이러한 연결부의 구조 및 디자인은 현재 미국 특허(16/697,430)로 출원을 진행중이며 저희가 이후 개발해나갈 미세유체 모듈의 기반 기술로서 활용될 예정입니다.





9. 특허 중, 생체•생의학 유체장치는 상용화되기 쉽지 않은데요.
교수님께서 연구하신 생체 유체역학에 대한 간단한 소개와 대표적인 국내기업과 국외기업에서 어떤 방식으로 연구되어 상용화되는지 궁금합니다.

제가 개발한 대칭 형태의 혈액투석용 중심정맥 카테터는 국내 기업에서 개발된 사례가 없습니다. 따라서 해외기업인 Medcomp나 Covidien과 같은 해외 글로벌 기업을 통해서 수입한 제품들이 현장에서 활용되고 있습니다. 하지만 글로벌 기업의 제품들은 한국 사람들의 체형에 맞게 디자인되어 있지 않고, 국내 의료 보험 실정에 맞지 않는 문제가 있어 환자들에게 부담이 있습니다.

이를 위해 국내 카테터 생산 기업과 함께 대칭형 혈액투석용 중심정맥 카테터 개발을 진행하였고, Medcomp나 Covidien 사의 제품보다 우수한 성능을 가진 디자인을 개발하였습니다. 이 디자인을 바탕으로 상품화가 가능하도록 현재 기업에서 혈액투석용 카테터의 생산을 준비 중이고, 임상 시험을 위해서도 국내 대학의 의료진들과도 협업 중입니다.

그리고 3D 프린터를 활용한 모듈형 마이크로 플루이딕 기술은 약물 전달 및 캡슐화 등으로 활용될 수 있을 것으로 기대하며 화장품 및 의약품 회사에서 관심을 가지고 있습니다.


10. 교수님께서 생각하시는 미세유체 플랫폼 개발을 활용한 여러 연구들에 대한 국내상황과 국외상황을 구체적으로 비교해주신다면 어떤 실정인가요?

최근 의학, 약물전달, 수질정화, 석유화학 산업 등 다양한 분야에서 미세유체 플랫폼을 활용한 연구들이 국내외적으로 진행되고 있습니다. 해당 연구분야들에서는 다양한 입자/액적을 생산할 수 있는 기반 기술을 개발하고 이를 제어하기 위한 다양한 기술들이 연구 및 소개 되고 있습니다. 이러한 기술은 미국 등 선진국에서 이미 오랜 시간 개발 및 상용화가 이루어져 왔으나 우리나라의 경우에는 그 기술력에 비해서 상용화된 제품이 부족한 상황입니다.

최근 액적 기반의 미세유체 시스템에 대한 연구 시장 규모가 2024년까지 미국에서만 약 5조원에 달아는 시장 규모로 커질 것으로 예상하고 있습니다. 전 세계적으로 또한 이와 관련있는 제약, 가정용품, 농식품 등의 시장 역시 지속적인 성장세를 보일 것으로 기대하고 있습니다. 마이크로 캡슐을 생성하는 주요 방법으로는 미세유체 시스템을 활용한 다중 액적 형태의 캡슐화 방법 또는 콜로이좀을 활용한 캡슐화 방법 등이 있는데 이러한 방법 등을 통해 캡슐화를 제어하고 생성할 수 있는 기술의 가치는 앞으로 증가할 것으로 기대됩니다.

이러한 기술의 사업화를 위해서는 학교에서의 연구를 상용화할 수 있는 기업의 관심과 투자가 필요하고 또한 정부에서 연구자가 창업등의 도전을 할 수 있도록 관리를 최소화하면서도 적극적으로 지원하는 획기적인 중소기업 육성사업이 필요합니다.


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

연구를 진행하면서는 다양한 현실적인 어려움이 있습니다. 일반적으로 가장 어려운 것은 참신한 그리고 획기적인 연구, 극단적으로 얘기하면 전 세계에서 유일한 혹은 최고의 연구를 하여야 한다는 부담감입니다. 그러한 연구를 기획하고 수행하기가 어려워져서 연구의 창의성이 떨어지고 답보하게 되면 그 결과 연구 기회가 줄어들고 연구비 확보 또한 어려워지게 됩니다. 그렇게 되면 창의적인 전문인력 양성이 목표인 학교의 역할을 하기가 매우 어려워집니다. 또한, 학생들의 연구 분야의 다양성이 떨어져 학생들의 관심 또한 떨어지게 되는 악순환의 고리에 들어갈 수 있습니다.

이러한 악순환의 고리에 본의 아니게 빠지지 않기 위해서 계속적인 노력이 필요하였습니다. 계속적인 공부가 기본적으로 필요하였고, 국내 및 해외의 석학들과 지속적으로 논의하고 또한 두려움 없이 새로운 분야에 뛰어드는 용기 또한 필요했던 것 같습니다. 그 결과 여러 연구팀과 공동연구를 진행함을 통해서 유체역학 기반의 다양한 융합연구를 진행할 수 있었습니다. 더욱이 공동연구를 통해서 연구실 학생들에게 직/간접적 경험을 쌓아주면서 넓은 스펙트럼의 연구를 수행할 수 있었고, 졸업 후에도 직장인 혹은 연구자로서 창의적인 업무를 수행할 수 있는 전문인력으로 성장시킬 수 있었습니다. 앞으로도 저희 연구실에서 학위를 취득하고 사회로 진출하는 졸업생들이 그들의 미래를 개척하여 나가는 데 큰 어려움 없도록 도움을 주고자 합니다.


12. 현대자동차, Brown University 연구교수, Harvard University 박사 후 연구원 등에서 어떤 연구를 하셨는지 궁금합니다. 또 미국의 연구와 한국의 연구의 차이점이 있다면 어떤 것이 있을까요?

석사과정에서 다공성 매질에서의 상변화 대류 열전달을 전공하였고, 석사학위 취득 이후 현대자동차에서는 남양연구소의 환경풍동시험팀에서 근무하였습니다. 현재 진행중인 연구와는 달리 자동차 공조장치, 엔진의 열 손상방지, 그리고 트렌스미션의 온도 최적화 등 매우 기계공학적인 업무를 하였습니다.





하지만, 융합학문의 필요성이라는 사회적 패러다임의 변화와 학문적 갈증으로 유학을 결심하게 되었고 브라운대학에서 박사학위를 취득하였습니다. 브라운대학에서 Anubhav Tripathi 교수님의 지도로 미세유체역학을 이용한 바이오 물질의 진단 및 측정기기의 설계에 관한 연구를 수행하였습니다.

기계공학과 출신으로 화학공학과의 교수님의 지도를 받는 것이 처음에는 생소하기도 하고 매우 어려웠으나 점점 학문의 영역이 넓어짐을 경험하였고, 그 이후부터는 새로운 학문을 받아들이는 것을 두려워하지 않은 것 같습니다.





박사학위 이후에 유체역학을 좀 더 복잡한 시스템에 적용하고자 하버드대학교에서 박사 후 연구원으로 근무하였습니다. 하버드대학에 처음 소속이 되었을 때 살아오면서 단 한 번도 생각해 보지 못한 곳에 소속되었다는 신기함과 노력하면 누구든 할 수 있다는 자신감을 느꼈었습니다.

그 당시 세분의 PI로부터 다양한 학문을 경험할 수 있었는데 유체역학자인 Howard A. Stone 교수님(현재 프린스톤 재직중)과 진화생물학과의 N. Missy Holbrook 교수님 그리고 Arnold Arboretum(하버드 소재 수목원)의 Maciej Zwieniecki 시니어 연구팀장님(현재 UC Davis 재직중)에게 다양한 시각에서의 연구를 배울 수 있었습니다.





그 결과적으로 식물에서의 유체역학이라는 생소하지만, 도전적인 분야를 시작하게 되었고, 이러한 연구는 현재도 진행중입니다. 또한, 하버드 박사후 연구원 이후 브라운대학의 조교수로 임용이 되었습니다.

브라운대학에 조교수때는 나노과학에 관심을 가지게 되어서 미세유체역학을 활용한 Cryo-EM 장비 고도화를 이루어 냈으며 로드아일랜드 대학의 Arijit Bose교수님과 공동연구를 통해 세계최초로 화학반응 후에 1초 이내의 물질을 전단응력이 없는 상태로 TEM이미징에 성공하였습니다.





연구라는 것은 전 세계적으로 통용되는 일종의 언어라고 생각합니다. 그 결과물은 국경을 초월하여 전 세계의 다양한 논문지, 학회 또는 사업화 등으로 결과물이 나올 수 있기에 연구내용이 한국과 해외가 차이를 가지고 있지는 않습니다.

물론 한국과 해외의 연구환경, 분위기 그리고 지원책 등은 차이가 있을 수 있습니다. 일반적으로 한국의 연구환경과 해외의 연구환경을 논할 때 해외의 장점을 얘기하는 경우가 많습니다. 하지만 저는 한국의 연구환경이 장점이 많다고 생각합니다. 특히 요즘처럼 인터넷이 발달하여 이전에 한국에서 구하기 어려웠던 논문 등 해외 유수의 다른 연구자들의 연구성과를 얻기 쉬운 환경에서는 더더욱 그렇습니다.

한국은 연구를 위한 시스템이 잘 갖추어져 있습니다. 특히 장비 등의 문제가 있다면 해외보다는 쉽게 수리가 가능한 사회적 기반을 가지고 있으며 팀워크가 좋아서 학문적 교류가 유리한 점, 그리고 무엇보다도 유학하였을 때 느낄 수 있는 문화적, 그리고 언어적 어려움이 없습니다. 물론 이런 것에 대비하여 해외 유학의 장점도 있겠지만, 기술격차가 점점 적어지고, 또한 기술발전의 속도가 빨라지는 요즘에는 한국에서 연구를 수행하는 것이 많은 장점이 있습니다.


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

제가 가지고 있는 가장 큰 목표는 급격히 변하는 기술기반 사회를 이끌어 나갈 차세대 공학 인력양성입니다. 이 목표는 제가 미국에서 한국으로 귀국하게 된 가장 큰 동기이며 그 외에는 다른 목표를 가지고 있지는 않습니다. 연구의 내용은 사회의 변화에 따라 계속적으로 바뀌어야만 할 것이지만, 제가 잘 하는 유체역학이라는 범위를 벗어나지는 않을 것 같습니다.

이러한 전문인력양성과정은 전 세계에서 통용될 수 있고 그 전문성을 발휘할 수 있는 엔지니어를 키우고자 함이니 언어적, 문화적 차이가 있는 상황에서는 쉬운 일은 아닐 거라 생각합니다. 하지만, 이를 통해서 국내 대학원 특히 성균관대학교에서 연구했을 때 세계수준의 연구를 수행할 수 있다는 것과 그 분야에서 강한 경쟁력을 가질 수 있다는 것을 보여주고자 합니다.


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

현대 사회는 기술이 급속도로 발전됨에 따라 한 가지 분야 특히 기계공학에 국한된 연구는 이미 포화상태에 이르렀습니다. 또한, 팬데믹 등으로 인하여 다양한 생활의 변화를 몸소 경험하고 있습니다. 이러한 복잡하고 고도화된 사회에서는 기존의 기계/전자/화공/재료 등등의 구분되어진 한 분야를 공부해서는 앞으로의 경쟁에서 살아남는데 어려움이 있을 것은 누구나 예상할 수 있습니다.

따라서, 미래사회에서 경쟁력을 갖기 위해서는 IT, BT, 그리고 NT 등 다양한 분야와 기계공학을 융합하여 다른 사람이 대체할 수 없는 자신만의 길을 개척해야 합니다. 이를 위해서는 기본이 되는 뼈대가 중요하며 거기에 피가 되고 살이 되는 다양한 공부가 필요합니다. 기계공학자로서 그 뼈대가 튼튼해야 다른 학문을 수용할 능력을 보유할 수 있기에 기본이 되는 이론적 지식을 탄탄히 쌓고 이를 활용할 수 있는 넓은 시야를 갖기 위해 지속적인 노력이 필요합니다.