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Micro/Nanofluidics BioMEMS Group at MIT 1. 개요 전기수력학(electrokinetics)은 쉽게 말하여 그릇에 담긴 물에 전기를 가할 때 일어나는 여러 가지 재미있는 현상을 관찰하는 학문이다. 자세히 말하면 그 “물”은 여러 가지 이온들이 들어 있을 수도 있고, DNA나 단백질과 같은 생체 입자들이 떠 있을 수도 있다. 그 “그릇”은 크기가 거대한 반응기 또는 실험실에서의 비커나 머리카락 두께 (100um)의 채널이 될 수도 있고, 그보다 더 얇은 나노 채널이 될 수도 있다. 그릇 재료에 따라 벽면에 양전하 혹은 음전하를 가질 수도 있으며, 표면 처리/제작 방법에 따라 복잡한 표면성질/표면구조를 가질 수도 있다. 또한 그 “전기”도 단순한 직류 일 수도 있고, 주기성을 갖는 교류 일 수도 있으며 또는 복잡한 형태의 전극으로 비균일한 형태의 전기장일 수도 있다. 미세 유체 역학 (microfluidics), 혹은 Lab on a chip은 이들 중 머리카락 두께의 채널에서 일어나는 유체의 거동을 이용하여 최종적으로 생체 물질의 분리/분석/검출을 실험실이 아닌 신용 카드 크기의 칩 위에서 실현하고자 하는 학문이다. 90년대 MEMS (Micro Electro Mechanical System) 기술의 발전으로 실리콘/유리 기질 위에 미세 채널 구조의 제작이 가능하게 되고, 인간 게놈 프로젝트의 시작, 미래 인간 사회에서의 건강에 대한 관심의 증폭에 힘입어 미세 유체 역학 분야는 전세계적으로 폭발적인 연구주제 및 산업화의 중요 분야로 떠오르게 되었다. 또한 유체 역학뿐만 아니라 유체 내에서 일어나는 화학/생체 반응으로 인하여 화학/생명, 제작 기술을 선도하는 기계, 전자 전기, 재료의 선택으로 인한 재료공학 등 융합적 기술이므로 현대 다학제간의 연구를 선도하는 분야이기도 하다. 2000년대 이후 MEMS 기술을 넘은 NEMS (Nano Electro Mechanical System) 기술이 등장하며 microfluidics를 넘어선 nanofluidics가 등장하기 시작하였다. 단순히 채널의 크기가 1000분의 1로 작아진 것이 아니라 기존의 이론으로는 설명할 수 없는 현상들이 관찰되었다. 본 연구실은 이러한 생체 현상을 micro와 nano가 결합된 유체 시스템을 이용하여 연구하는 그룹 중 최전선에서 리드하는 그룹이다. 지도교수인 한종윤 교수님은 2001년 Cornel University에서 Applied Physics로 박사 학위를 받은 후, Sandia National Laboratory를 거쳐 2002년 7월부터 MIT의 Department of Electrical Engineering and Computer Science/Department of Biological Engineering에 겸임 교수로 재직 중에 있다. 2002년에 받았던 석사 과정 학생이 2007년 여름 처음으로 졸업을 하여 2명의 박사를 배출하였고 현재는 박사 후 과정 6명, 석/박사 과정 7명이 함께 연구하고 있다. 2. 연구 분야 Nanochannel의 크기는 대상 생체 물질인 단백질/DNA의 크기인 1nm~100nm로써, 단순히 유체 유동을 유발하던 microfluidics와 달리 직접 이들 물질과 복잡한 상호작용을 한다. 채널의 크기뿐만 아니라 채널 표면의 성질에 따라 예측할 수 없는 현상이 생겨나는데, 대표적인 현상으로 permselectivity 현상과 entropic trapping 현상이다. (1) Permselectivity. 전하를 띄는 물질 (실리콘/유리/PDMS등)로 만들어진 채널에 전해질을 주입하게 되면 채널 중심부에서는 전기적 중성을 띄게 되지만 채널 근처 수십 나노미터의 영역에서는 채널 전하의 반대 전하의 밀도가 높아지게 된다. 이를 전기 이중층 (electrical double layer)이라 한다. 즉, 전기 이중층 밖에서는 전기적 중성, 안에서는 채널 전하의 반대 전하가 충만하게 된다. 하지만 나노 채널의 크기가 전기 이중층보다 작아질 때 전기 이중층이 겹쳐지게 되어 채널 전체적으로 중성을 유지하지 못하게 된다. 따라서 나노 채널에 전해질을 흘릴 때 채널 전하와 반대 전하의 이온만이 통과를 하는 현상이 permselectivity 현상이다. 통과하지 못하는 이온들은 밀도가 높아져 서로 밀게 되고, 미쳐 통과하지 못한 반대 이온들을 끌고 가게 된다. 이러한 현상을 나노 채널로 연결된 마이크로 채널에 적용하여 희석된 샘플의 농도를 단시간에 106배 이상으로 농축시키는 ion/protein preconcentrator를 개발하였다. 생체 내에 미량 존재하는 호르몬 등을 연구하거나, 저농도로 인하여 화학 반응이 느린 경우, 나아가 극미량의 물질을 검출하는 센서로써 활용이 가능하다. 위 ion preconcentrator 내에서는 채널 내부의 위치에 따라 전해질의 농도가 비균일해지며 이로 인하여 외부에서 걸어주는 전기장의 분포가 구역에 따라 변화하게 된다. 또한 나노 채널 근처에서 계속해서 변화하는 전해질 농도로 인하여 일반적인 평형 상태 전기 삼투흐름에서는 볼 수 없는 비평형 상태의 전기 삼투 흐름으로 인한 와류가 형성되게 된다. 또한 전기장에 비례하여 증가하는 평형 상태 전기 삼투 흐름과는 달리, 비평형 전기 삼투 흐름의 속도는 전기장의 세기에 제곱 혹은 세제곱에 비례하게 되는 비선형성을 보이게 된다. 이로 인하여 일반적인 옴의 법칙을 따르는 전압/전류의 관계를 벗어나 새로운 형태의 관계를 갖게 되고 이에 대한 이론을 실험적으로 검증하고 있다. (2) Entropic trapping 나노 크기의 채널에서는 마이크로 크기에서는 예상치 못한 현상이 나타난다. 대표적으로 좁은 틈과 넓은 틈이 교차되어 있는 마이크로 채널에는 큰 크기의 입자보다는 작은 크기의 입자가 빠른 속도로 빠져 나가는 것이 일반적인 현상 (Ogston sieving)이다. 하지만 나노 크기의 좁은 틈일 경우, 큰 입자가 빨리 빠져 나가는 현상이 나타남이 관찰되었다. 이를 entropic trapping이라 하며 한종윤 교수님이 박사 과정일 때 처음 관찰하였다. 본 연구실에서는 이를 확장하여 2차원의 메트릭스형 나노/마이크로 장치를 제작하였다. 주목할 점은 1차원 분리기는 시료의 주입-분리-검출이 불연속 공정으로 이루어져 숙련된 기술이 필요하지만, 위의 2차원 분리기를 이용할 경우 사용자가 시료를 주입하기만 하면 나머지 과정이 자동으로 이루어지므로 공정의 단순화, 조작의 일반화를 이루었다는 측면에서 주목을 받고 있다. (3) Micro/Nano fabrication 위에서 설명한 나노 채널들을 보다 효율적인 형태로 디자인하여 이를 구현하기 위한 제작 기술을 지속적으로 연구하고 있다. (Lab Chip 5, 837, 2005, Appl. Phys. Lett. 87, 263902, 2005) 또한 실리콘/유리 기반의 제작뿐만 아니라 PDMS와 같은 고분자 기반의 나노 구조물을 제작하여 다른 구성 요소와의 결합을 용이하게 하도록 하는 연구를 수행 중에 있다. (Anal. Chem. 78, 3528, 2006, Anal. Chem. 78, 8011, 2006) 3. 연구 환경 MIT는 한국의 대학 연구실과 크게 차이 나는 설비를 갖고 있지는 않지만 관리/운영 체계면에서 월등히 뛰어나다고 생각한다. 일례로써 학교 전체에 개방되어 있는 클린룸의 장비는 각 장비마다 20년 이상의 노하우가 쌓인 기술자들이 관리를 한다. 이들에게 먼저 자신의 공정을 상의하여 사전 검토 후 칩을 제작하여 시간을 절약하고 양질의 결과물을 얻을 수 있는 토대를 마련해 준다. 어학 센터에서는 영어 관련 학위 소지자들이 영작에 익숙하지 않은 비미국인을 위하여 그들의 영어 논문 작성을 도와주고 있다. 논문뿐만 아니라 구두 발표 스트립트, 이력서 심지어 자기 소개서까지 수정하여 준다. 물론 이러한 제도를 운영하기 위하여 학교에서 막대한 오버헤드를 가져가지만 이는 수준 높은 연구 과제를 획득하는데 원동력이 되고 있다. 이와 같이 연구자들에게 연구에 몰두할 수 있는 환경을 조성하여 줌으로써 세계 최고 수준의 성과물을 내고 있다. 본 연구실은 nanofluidics 분야를 선도해가는 그룹으로 이미 밝혀진 현상에 대한 추가적인 연구보다는 새로운 현상을 발견/규명하는 것에 중점을 두며 연구하고 있으며 타그룹/타학과와의 활발한 교류로 최종 응용물의 영역을 넓히고 있다. 또한 짜인 스케줄에 의해 운영되기 보다는 개개인의 장점을 최대한 활용하도록 운영되고 있어 자유로운 분위기의 연구를 지향하고 있다. 4. 소개를 마치며. 관심을 갖고 본 실험실의 소개를 읽어 주신 KOSEN 회원님들께 감사 드리며 소개의 기회를 주시고 수고하여 주시는 KOSEN 운영진께도 감사를 드립니다. 질문 및 참여에 항상 열려있는 연구실로 회원님들의 많은 관심을 부탁 드립니다. 감사합니다. * 문의: Micro/Nanofluidic BioMEMS Group 전화번호: +1-617-324-9200 홈페이지: http://www.rle.mit.edu/micronano 이메일: gate@mit.edu (작성자 김성재 ), jyhan@mit.edu (한종윤 교수님)