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  • 기사등록 2020-08-25 12:00:03
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▲ 서울대학교 기계공학과 고승환, 전누리 교수 공동 연구팀이 바이오칩 쾌속 제작에 적용될 수 있는 초고속 레이저 직접 가공법을 개발했다. (왼쪽부터) 고승환 교수, 고지훈 제1저자, 신재호 제1저자, 전누리 교수



[기계신문] 서울대학교 기계공학과 고승환, 전누리 교수 공동 연구팀이 바이오칩 쾌속 제작에 적용될 수 있는 초고속 레이저 직접 가공법을 개발했다.


Polydimethylsiloxane(PDMS)는 생물학, 의학, 약학, 재료공학 및 기계공학 등 다양한 분야에 걸쳐 활용되는 투명한 고분자 물질로, 우수한 생체적합성(Bio-compatibility)으로 인해 최근에는 장기모사칩 연구 등에도 활용되고 있다.


이때 장기모사칩(Organ-on-a-chip)은 인체 장기의 생리·의·약학적 특성을 모사할 수 있는 체외 디바이스(device)로서, 의약학 연구에서 인간 피실험체를 대신할 수 있는 테스트베드(test-bed)로 활용되고 있다.


기존에는 준비된 틀에 굳지 않은 PDMS 레진을 부어 만드는 몰딩 방식에 의존해 왔지만, 시간과 비용이 많이 소요되는 아쉬움이 있어 이를 대체할 레이저 가공법에 대한 연구가 진행되어 왔다. 하지만 넓은 파장 영역에 걸쳐 나타나는 높은 투명도로 인해 레이저가  PDMS를 곧바로 투과하기에 레이저 가공이 어려움이 있었다.


이에 연구팀은 ‘연쇄적 레이저 열분해’ 현상을 이용해 PDMS의 고품질 쾌속 직접 가공법을 적용하였으며, 더 나아가 정교한 장기모사칩의 제작 가능성을 확인하였다.



▲ 레이저 연쇄 열분해 공법을 통해 PDMS 내부에 수직 원기둥 형태의 미세유로를 제작하는 모습. 사진이 전체적으로 노란색을 띄는 이유는 강한 레이저 빛을 막기 위해 필터를 덧대고 촬영되었기 때문이다. 밝은 노란색의 부분이 레이저 조사에 의해 열분해가 일어나고 있는 위치이며, 높은 열로 인해 밝은 빛이 발생한다.



연구팀은 레이저 열분해의 생성물이 불투명한 것에 집중했다. 불투명한 열분해 산물은 투명한 PDMS보다 효과적으로 레이저를 흡수하기 때문에 새로운 열분해 반응이 유도될 수 있다. 연구팀은 이 현상을 이용하여 연속파 레이저를 이용한 고품질 PDMS 가공법 개발에 성공했다.


공동 연구팀은 “최소 이틀 이상 소요되는 기존 소프트리소그래피 공정을 1시간 이내로 단축시킬 수 있어 PDMS를 활용하는 장기모사칩, 미세유체역학, 소프트 로보틱스 등에 다양하게 응용될 수 있을 것으로 기대된다”고 밝혔다.



▲ 레이저 연쇄 열분해 공법으로 제작된 PDMS 장기모사칩. 세포를 배양하기 위한 미세유체 구조와 영양분 공급 등을 위한 튜브 연결용 수직 관로들이 보인다. 이미지에 보이는 PDMS 구조의 모든 형태는 레이저 연쇄 열분해 공법만으로 제작되었다.



이번 연구 결과는 PDMS 디바이스의 형상 변경이 빈번하게 요구되는 연구개발 환경에서 그 장점이 극대화될 수 있다. 따라서 대학 및 연구소 또는 산업체의 연구개발 현장에 적용되어 PDMS 기반 연구의 연구기간을 획기적으로 단축시킬 수 있을 것으로 예상된다.


뿐만 아니라, 값비싼 Photolithography 공정을 대체함으로써 디자인변경이 용이하고 연구개발 비용 또한 절감시킬 수 있다.


아울러 컴퓨터 기반의 레이저 빔 조향 시스템을 활용할 경우, 숙련자의 수가공에 상당 부분 의지해오던 PDMS 가공 공정의 자동화를 이룰 수 있어, 연구개발 단계를 넘어서 장기모사칩 등의 대량 생산에도 적용할 수 있을 것으로 기대된다.


한편, 과학기술정보통신부·한국연구재단 중견연구자지원사업의 지원으로 수행된 이번 연구성과는 공학분야 국제학술지 ‘네이처 머티리얼스(Nature Materials)’에 8월 17일 게재되었다.


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권혁재 기자 hjk@mtnews.net

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