국소 가열과 온도 측정이 가능한 다기능 원자 현미경 개발
서강대학교 기계공학과 이정철 교수
국내 연구팀이 국소 가열과 국소 온도 측정, 곡률 조정 등 다양한 기능을 동시에 가진 원자현미경 캔틸레버 제작 기술을 최초로 개발했다. 이정철 교수 연구팀이 개발한 이 원자현미경은 기존 실리콘 원자현미경에서 한 걸음 더 나아가 철 나노입자로 유도 가열함과 동시에 양자점으로 온도 측정이 가능하다. 이로써 온도조절이 가능한 원자현미경을 이용해 국소적인 약물 전달 조절이나 암세포 파괴 등의 연구가 가능할 것으로 보인다. 한층 더 진화한 다기능 원자 현미경은 보다 정밀한 측정이 가능해 미증유의 질환 및 질병연구는 물론 압력과 산성도 등 환경 인자 측정, 실험실에서의 연구 등을 진행할 때 간편하게 활용할 수 있을 것으로 전망된다.
기술진화의 힘은 창의적인 아이디어와 지속적인 연구
나노과학이나 공학을 연구하는 데 있어 필수적인 도구인 원자현미경이 최근 진화를 거듭하고 있다. 물리학과 재료과학 분야에 집중적으로 사용되던 원자현미경이 화학과 생물학 및 의료 분야에도 활발하게 적용됨으로써 기존의 한계점을 뛰어넘는 기술이 속속 개발되고 있다. 원자현미경은 빛의 회절한계(diffraction limit)보다 훨씬 더 작은 구조의 크기와 물성을 측정할 수 있는 기계적인 현미경이다. 주로 실리콘 소재를 이용하여 마이크로 공정을 거쳐 제작된 원자현미경 캔틸레버의 탐침과 시료 표면의 상호 작용하는 힘을 제어해 이미지를 얻게 된다. 원자현미경이 새로운 분야에 전파되어 채택되고 있는 반면, 필수 소모성 부품인 원자현미경 캔틸레버는 여전히 실리콘 기반의 소재 사용에 머물고 있다. 때문에 그동안 실리콘 기반 소재의 한계를 뛰어 넘는 새로운 소재의 발굴을 비롯해 발굴된 소재를 적절한 형상으로 가공할 수 있는 생산 기술 개발이 필요했다. 이러한 기술 개발의 필요성을 누구보다 잘 알고 있었던 이정철 교수는 기존 실리콘 소재의 원자현미경이 가진 문제점을 해결하기 위해 이번 연구를 수행하게 되었다.
“최근에 진행한 연구 이전에는 주로 전통적인 반도체 칩 제작에 사용되는 소재인 실리콘을 마이크로 · 나노 공정을 이용해 제작하고 사용을 했습니다. 이 소재는 원자현미경 탐침을 제작하는 과정이 다소 복잡할 뿐만 아니라, 시간과 비용이 많이 소요되고 청정실에서 진행되어야하기 때문에 연구 환경이 제대로 갖추어진 연구소나 대학에서만 연구가 가능했었죠. 게다가 실리콘 소재로 만들어진 원자현미경 탐침은 소재의 강성이 높아서 세포와 같은 부드러운 생물학적 시료에 적용되기에는 어려운 실정입니다. 하지만 이번에 개발한 국소 가열 및 온도 측정이 가능한 다기능 원자현미경 탐침은 이들 특수한 기능과 더불어 하이드로젤이라는 소재로 부드러운 시료의 이미징에 최적화된 것입니다. 빠른 속도와 저비용으로 일반 연구실에서 쉽게 제작을 할 수 있다는 장점이 있습니다.”
지난 2003년부터 14년간 원자현미경 탐침 연구를 지속적으로 해온 이 교수는 실리콘 기반 원자현미경 캔틸레버를 이용하여 세포와 같은 부드럽고 민감한 시료를 실험할 때 다양한 문제점에 봉착했었고, 새로운 소재로 눈을 돌리던 중에 생체 친화적인 하이드로젤 소재를 생각하게 되었다. 그는 하이드로젤 소재로 원자현미경의 캔틸레버와 같은 3차원 멤스 구조물을 청정실이 아닌 일반 작업 환경에서, 경제적이고 대량 제작할 수 있는 생산 기술을 고민하다가 최근 유행하는 3차원 프린팅 기법을 마이크로 및 나노 스케일에 적용해 보겠다는 획기적인 연구 계획을 세우게 되었다. 하지만 그 과정은 쉽지 않았다. 3차원 프린팅 기법으로 마이크로 구조물 대량 생산까지는 구현했지만, 나노 구조물 구현에는 한계를 경험했던 것. 이에 대한 해결책으로 그는 별도로 제작한 나노스케일 몰드를 이용해 복제하는 방식을 착안하게 되었다. 또한 소모성인 원자현미경 캔틸레버의 비용을 절감할 수 있는 방안에 대한 지속적인 고민을 한 끝에 최초로 국소 가열과 국소 온도 측정, 곡률 조정 등 다양한 기능을 동시에 가진 원자현미경 캔틸레버 제작 기술을 개발할 수 있었다. 지난 2013년 연구를 시작하여 3년 만에 이룬 쾌거였다.
향후 신소재 기반의 멤스 개발을 견인하다
원자현미경은 광학현미경으로 측정이 어려운 나노미터 단위의 구조 분석을 위해 사용한다. 원자현미경에서 가장 중요한 부품은 탐침을 갖는 캔틸레버라는 작은 막대이다. 캔틸레버 끝 탐침의 뾰족한 정도에 따라 원자현미경의 성능이 좌우된다. 기존 실리콘으로 제작된 캔틸레버는 공정비용이 많이 들고, 제작이 어렵다는 문제점이 있다. 연구팀은 이를 해결하기 위해 다양한 기존 하이드로젤 캔틸레버에 나노입자를 첨가시켜 기능성 캔틸레버를 구현해냈다. 연구팀이 개발한 것은 기존 원자현미경과 달리 재료의 물성치와 형상을 조절하여 캔틸레버의 부드러운 정도를 폭 넓게 조절할 수 있다. 재료의 물성치를 조절할 수 있게 됨으로써 기존 실리콘으로 측정하기 어렵던 세포 시료 측정이 가능해진 것이다. 또한 탄성을 갖는 실리콘 고무 몰드를 압축하는 방법을 이용하여 탐침의 뾰족한 정도를 나타내는 곡률 반경을 20나노미터 이하로 달성했다. 이는 연구팀에서 개발한 기존의 동적마스크로 제작한 탐침의 곡률반경(1마이크로미터) 대비 50배 이상 개선된 값이다. 이와 함께 압축 방향에 따라 기존 실리콘 탐침으로 구현할 수 없는 다양한 종횡비도 조절하여 다양한 높이의 시료를 측정할 수 있음을 실험적으로 밝혀냈다.
기존 실리콘 기반의 원자현미경 캔틸레버의 빠른 마모 속도, 높은 강성, 복잡한 제작과정 등의 문제점을 해결하고자 하이드로젤 같은 부드러운 소재와 자외선 광경화라는 비전통적인 마이크로 가공방법을 도입하였다. 하이드로젤 원자현미경 탐침의 형상 변화와 곡률반경 개선을 위해 폴리디메틸실록산(유연실리콘) 몰드를 적용했다. 몰드 압축을 통해 최소 15 나노미터 급의 탐침을 제작할 수 있었다. 이는 고가의 이광자 광중합(two-photon photopolymerization)장비로도 달성하기 어려운 도전적인 수치이다. 제작된 하이드로젤 원자현미경 캔틸레버를 이용하여 다양한 세포에 대해 빠른 속도와 장시간 이미징을 성공적으로 수행했고, 상용 실리콘 캔틸레버보다 더 우수한 기능들을 발굴했다.
실리콘을 수산화칼륨으로 식각하여 음각 탐침 몰드를 제작한 후, 폴리디메틸실록산으로 두 번 전사하여 폴리디메틸실록산 음각 탐침 몰드를 만드는 과정에서 음각 탐침 몰드의 작은 곡률반경을 폴리디메틸실론산 음각 탐침 몰드로 동일하게 복제하는데 어려움이 있었다. 이러한 어려움을 해결하기 위해 연구팀은 실리콘 음각 탐침 몰드 모재의 곡률반경을 정확하게 복제하는 중점을 두지 않고, 유연성을 갖는 폴리디메틸실록산의 특성을 이용하여 복제된 폴리디메틸실록산 몰드를 압축하는 방법을 생각하게 되었다. 따라서 전사된 폴리디메틸실록산 몰드의 곡률반경이 실제 실리콘 음각 탐침 몰드보다 크게 복제되더라도 추가적인 몰드의 압축을 통해서 곡률반경을 개선하는 효과를 얻었다.
“연구 시작 초기에는 과연 청정실 밖 일반 연구실 환경에서 20나노 이하급의 원자현미경 탐침을 개발하고, 실제 실험에 유용하게 사용될 수 있을까라는 걱정을 많이 했습니다. 게다가 당시 주요 연구를 수행한 핵심 연구원들은 석사 과정 연구 보조원인 상황이었죠. 이러한 제약 조건에서 어느 날 탐침의 뾰족한 정도를 부드러운 몰드의 기계적 압축 변형을 통해서 간단하게 달성할 수 있을 것이라는 간단한 아이디어를 떠올리게 되었고, 그 아이디어 기반으로 제작해본 하이드로젤 원자현미경 탐침의 기공(포어, pore)이 30나노 이하인 양극산화알루미늄의 표면 이미징을 완벽하게 구현해내는 실험 과정을 지켜보면서 최고의 희열과 보람을 느꼈습니다.”
기존에 SU8과 같은 광감응성물질을 이용하여 부드러운 캔틸레버를 제작한 사례가 있었으나, 재료의 강성은 기가 파스칼 범위로 제한돼 있었다. 하지만 이정철 교수 연구팀의 이번 연구를 통해 제한돼 있었던 범위를 수십 메가 파스칼까지 낮출 수 있게 되었다. 또한 하이드로젤 기반의 세계 최초 멤스 구조물로서 향후 신소재 기반의 멤스 개발을 견인할 수 있게 되었다. 무엇보다도 상용 실리콘 캔틸레버를 능가하는 성능을 1/100 정도의 비용으로 구현할 수 있게 되어 과학적, 공학적 의의를 동시에 확보하는 성과를 얻었다.
미증유의 질병 연구와 부가가치 창출에 기여
이정철 교수 연구팀이 개발한 원자현미경은 기존 실리콘 원자현미경에서 진화된 것으로, 철 나노입자로 유도 가열하면서 동시에 양자점으로 온도 측정이 가능하다. 이처럼 온도조절이 가능한 원자현미경을 이용해 국소적인 약물 전달 조절이나 암세포 파괴 등의 연구가 가능하게 될 것으로 기대된다. 즉, 이번 연구를 통해 물질전달과 온도 측정은 물론 바이오시료 측정 등 다양한 기능을 가진 원자현미경이 폭넓게 사용될 것으로 전망된다.
“하이드로젤 원자현미경 캔틸레버를 이용하여 세포의 기계적 물성 측정 시, 기존 실리콘 기반 캔틸레버보다 더 정밀한 측정이 가능하므로 생물학 시스템에서 유의미한 기계적인 신호 획득을 통해 미증유의 질환 및 질병 연구에 기여할 수 있을 것으로 기대됩니다.”
또한, 하이드로젤 원자현미경 캔틸레버 내부에 포함된 약물이나 바이오 분자들을 국소적으로 배출할 수 있는 기능을 이용하면, 단일 세포 단위에서 약물 반응 및 스크리닝 관련 연구를 가속화 시킬 수 있을 것으로 전망된다. 하이드로젤 캔틸레버는 원자현미경 뿐만 아니라 캔틸레버 기반의 센서 플랫폼으로도 유용하게 사용될 것이다. 습도, 온도, 압력, 이온 농도, 산성도 등의 다양한 주변 환경 인자들의 정밀한 측정에 널리 사용될 것이다. 이 연구를 통해 개발된 하이드로젤 원자현미경 캔틸레버는 청정실이 아닌 일반 연구실이나 실험실에서 저렴한 비용으로 고속 생산할 수 있어 향후 엄청난 규모의 부가가치 창출에 기여할 수 있을 것으로 기대된다.
“세포의 부드럽고 딱딱한 정도는 세포의 성장, 분화, 사멸 등의 일련의 프로세스에 중요한 영향을 미치게 됩니다. 줄기세포의 특성 세포로의 분화라든지 또는 암세포의 전이에 이러한 기계적인 성질과 조건이 중요하다는 사실이 최근 여러 논문에서 증명이 되어가고 있는 상황이죠. 저희 연구 결과인 하이드로젤 기반의 원자현미경 탐침은 세포의 이미징 뿐만 아니라 기계적인 강성의 정밀 측정이 가능합니다. 특정 약물에 대한 암세포의 거동을 측정할 경우 기존의 여러 방법에 비해 더 정밀하게 측정이 가능할 것으로 예상하고 있죠. 이를 통해 특정 환자의 암세포에 잘 듣는 약물을 스크리닝하는 목적으로 사용이 될 것으로 보입니다. 또한 국소 가열 기능을 이용해 단일 세포 가열 시 세포의 사멸 과정 관찰을 통해 새로운 치료방법 개발에 기여할 수 있을 것으로 전망됩니다.”
이정철 교수의 말처럼 이번 연구 성과는 바이오 원자현미경 시장에 특화되어 독점 공급 가능한 기능성 원자현미경 캔틸레버의 상용화를 견인하여 국내외 시장을 선점하고 막대한 국부 창출을 할 것으로 예상된다. 그밖에도 외부 환경 인자에 민감한 하이드로젤로 마이크로캔틸레버를 제작 개발하여 기존의 환경 센서의 민감도와 분해능을 뛰어넘는 초민감 센서 플랫폼에도 즉각 적용되어 센서 산업에서 큰 규모의 부가가치 창출에 기여할 것으로 기대된다. 이번 연구 성과는 나노과학 분야 국제 학술지 <네이처 커뮤니케이션즈>(Nature Communications) 5월 20일자에 게재되었다.
세상의 변화를 이끌어내는 연구자
의미 있는 연구 결과를 통해 기존 연구가 갖고 있었던 한계점을 극복하고, 한 차원 더 업그레이드 된 기술로 관련 산업에 기여를 하며, 세상의 변화를 이끌어낼 때 연구자는 보람을 느낀다. 이정철 교수가 연구자로서 보람을 느끼는 순간도 마찬가지다. 자신의 연구를 통해 세상이 점점 편리해지고 예전과는 달라진 부분을 느낄 때 연구자로서 자부심을 느낀다. 이러한 열정과 보람이 연구를 지속하게 하는 원동력이다.
“연구 과정 중에 수많은 시행착오와 어려움이 있어도 연구팀의 노력으로 탄생한 학술 논문과 특허 등이 많이 인용되고, 다른 연구에 도움이 될 때 보람을 느낍니다. 또한 함께 연구한 학생과 연구보조원들이 졸업을 하고, 좋은 직장과 학교로 진출하여 더 훌륭한 연구를 지속해 나가는 것을 지켜보는 것도 또 하나의 기쁨입니다. 최근 네이처 자매지에 소개된 연구를 함께 진행한 석사 연구보조원이 미국 메사추세스 공대 박사 과정에 합격을 하게 되었는데 이 소식을 들었을 때 선배이자 교수로서 보람을 느꼈습니다.”
이정철 교수는 평소 연구자를 꿈꾸는 학생들에게 열정을 강요하기보다 강의실과 연구실에서 함께 지식을 나누며 활발하게 아이디어를 공유하는 시간을 통해 서로의 성장을 돕고 지적 자극을 얻으며 열정을 불어넣길 원한다. 그러한 시너지가 새로운 연구의 원동력이 되고, 처음의 열정을 잃지 않고 목표한 것을 이뤄내는 힘이 되기 때문이다. 함께 연구하는 사람들과 늘 함께 있기에 일과 삶의 조화와 균형을 이루기는 힘들다. 하지만 그가 삶의 철칙으로 지켜내고자 노력하는 것은 건강한 삶이다.
“원하는 연구를 지속하기 위해서는 체력이 뒷받침되어야 한다고 생각해요. 틈이 날 때마다 헬스와 사이클, 조깅, 배드민턴, 하키 등 다양한 종목을 통해 꾸준히 운동을 하고 있습니다. 아이스하키 동호회에서 4년 동안 매주 운동을 해왔는데, 아이스링크에 들어가는 순간은 또 다른 세계로 들어온 것 같은 기분이 들어요. 스마트폰과 등 인터넷 연결 장치들과 분리되어 잠시 동안 일에서 자유로워진 상태에서 운동에 전념하다보면 스트레스도 해소되고 연구에 몰입할 수 있는 에너지를 얻게 됩니다.”
이처럼 그가 일상에서 얻는 즐거움과 에너지는 다시 연구를 위한 연료로 사용된다. 많은 연구 결과를 내는 것 보다는 엄밀하고 오류가 거의 없는 연구 결과를, 눈앞의 성과보다는 함께 하는 연구를 통해 좀 더 나은 연구 환경을 만드는 것. 그리고 연구를 통해 세상의 변화를 이끌어내는 것. 이것이 그가 이루고자 하는 꿈이다.
“하이드로젤과 같은 부드러운 소재는 원자현미경 탐침만 아니라 다양한 마이크로, 나노 센서의 플랫폼에 적용될 수 있기에 앞으로도 다양한 센서로 응용하고 싶습니다. 이러한 연구를 앞으로도 계속 진행할 계획입니다. 또한 하이드로젤 원자현미경 캔틸레버를 상용화하여 전 세계 원자현미경 관련 연구자에게 배포할 예정입니다. 하이드로젤 탐침을 통해 하이드로젤의 나노스케일 마모에 관한 기초연구를 수행할 계획입니다.”
앞으로 하이드로젤 캔틸레버 기반의 초민감 센서 플랫폼 개발 연구를 수행할 계획이라는 이정철 교수는 서울대학교와 동대학원 기계항공공학부를 졸업하고 Georgia Institute of Technology 기계공학 박사학위를 받은 후 현재 서강대학교 기계공학과 부교수(나노정밀계측연구실, NPSL)로 재직 중이다. 또한 국가기술표준원 반도체분과 전문위원(SC47F 반도체 분과 산하 멤스 기술 국내 미러커미티 간사)으로도 활발하게 활동하고 있다. 다기능성 원자현미경과 멤스 캔틸레버 센서 개발 및 응용 분야에 기여하고 있는 이정철 교수. 앞으로도 그의 연구가 편리하고 풍요로운 세상의 변화를 이끌어내길 기대해본다.
<이 기사는 사이언스21 매거진 2016년 10월호에 게재 되었습니다.>
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