^*랩온어칩: 바이오칩의 일종으로 ‘하나의 칩 위에 실험실을 올려놓았다’는 뜻이다. 칩 내부가 수 마이크로미터(10-6m) 굵기의 가는 관으로 구성돼 있어 마이크로유체칩(미세유체칩)이라고도 한다. 내부 유체(액체 시료) 흐름을 제어해 암이나 병원균 검출하거나 인체 장기를 모방한 생체 실험이 가능하다.

[붙임] 연구결과 개요

1. 연구배경

동시에 빛을 깜빡이는 반딧불이의 무리나 여러 개의 추가 동시에 같은 방향으로 흔들리는 근접한 추시계들과 같이, 자연과 우리 일상에서는 다양한 진동자(oscillator)1)들의 동기화 현상(synchronization)2)이 발견된다. 이렇게 자발적으로 동시에 똑같은 일이 일어난다는 자연의 질서는 흥미롭지만, 그 원리를 과학적으로 명백하게 이해하기는 어렵다.

마이크로 세계의 유체 안에서 수영하는 세포들에서 볼 수 있는 편모나 섬모의 운동에서도 이런 동기화된 움직임이 존재하는데, 이 동기화 현상의 근원이 생물학적 작용인지, 아니면 세포 주변 유체를 통한 상호작용이 지배적인지는 학문적 논란거리가 되어왔다. 세포와 달리 손쉬운 조작이 가능한 미세유체(microfluidics)3) 실험을 통해 동기화의 유체역학적 모델을 제시할 수 있다면, 자연에 존재하는 다양한 유체 내부에서의 동기화 현상의 원리를 이해하는 데 도움이 될 것이다.

2. 연구내용

우리는 미세유체 채널에서 서로 섞이지 않는 두 유체, 물과 기름이 만나는 계면을 만들었고, 이 계면이 진동하며 일정한 크기의 물방울을 주기적으로 만들어내는 현상을 진동자로 해석하였다. 이런 계면 두 개가 서로 가까이 만나 상호작용을 하면, 동시에 (in-phase) 또는 번갈아 가며 (out-of-phase) 물방울을 생성하는 현상을 동기화의 관점에서 이해하였다. (그림 1) 미세유체 채널 내에서 물방울이 번갈아 가며 생성되는 현상은 기존에 널리 알려져 있고 또 많은 랩온어칩 응용에도 사용되고 있지만, 특정 유속 조건에서 물방울이 동시에 생성되는 현상은 이 연구를 통해 처음 관찰된 것이다. 근접한 두 계면에서는 물방울이 번갈아 가면서 형성되는 것이 당연한 것으로 여겨졌는데, 제시한 모델에 따르면 이는 사실 상호작용하는 두 진동자가 보여줄 수 있는 동기화 상태(out of phase synchronization) 중 일부에 불과하다.

더 나아가, 두 계면 사이의 거리에 의한 음의 피드백 (negative feedback)4)이 상호작용에 의한 동기화 양상을 변화시킨다는, 유체역학적 동기화의 핵심 원리를 이론적으로 밝혀내었다. (그림 2) 이를 통해, 어떤 조건에서 물방울이 동시에 또는 번갈아 생성되는지를 이해하였고, 이로써 상호작용하는 두 계면은 두 연결된 진동자(coupled oscillator)5)가 보여줄 수 있는 모든 동기화 현상을 보여줄 수 있는 유용한 모델 시스템임을 제시하였다.

3. 기대효과

미세유체 계면 운동의 동기화에 대한 이해는 자연현상에서 볼 수 있는 수영하는 세포 움직임의 동기화 현상을 이해하는 데 도움이 될 뿐만 아니라, 미세물방울의 이동을 제어할 수 있는 랩온어칩과 같은 미세유체 응용 분야에도 유용하게 이용될 수 있다. 일반적으로 미세유체의 흐름을 제어하기 위해 밸브와 같은 구조를 별도로 랩온어칩에 부가해야 하지만, 동기화 현상에 대한 이해를 활용하면 별도 구조의 제작과 같은 번거로움을 줄이고 유체를 제어할 수 있을 것으로 기대한다. (그림 3)

[붙임] 용어설명

1. 진동자 (oscillator)

그 상태가 시간에 따라 반복적인 행태를 보여주는 한 개체를 의미하는 것으로, 일정한 주기를 가지고 반복운동을 하는 진자가 대표적인 예이다. 반드시 일정한 주기와 진폭을 가질 필요는 없으며, 주변과의 상호작용에 따라 반복 행태가 변할 수 있다. 본 연구에서는 시간 간격을 가지고 물방울들을 생성하는 계면을 진동자로 해석하였다. 

2. 동기화 (synchronization)

서로 다른 진동자들이 상호작용에 의해 그 반복 행태에 규칙을 가지게 되는 현상이다. 서로 다른 주기를 가지는 두 개 이상의 진동자들이 모두 동일한 주기를 가지게 되거나, 서로 다른 출발점에서 시작하여 각기 움직이던 진동자들이 일제히 같은 위상을 가지고 반복하게 되는 현상들이 관찰된다. 추시계와 같은 물리적인 운동은 물론 세포와 같은 생화학적 진동자들까지, 상호작용이 존재하는 다양한 자연/인공계에서 널리 관찰된다.

3. 미세유체 (microfluidics)

미세 가공 기술을 이용하여 유리나 플라스틱, 실리콘 등에 마이크로미터 (μm) 단위의 미세채널을 만들고, 그 안에서 일어나는 유체 현상을 연구하는 분야이다. 유체역학적으로 흥미로운 연구 분야일 뿐만 아니라, 미세채널의 크기가 세포와 비슷하고, 분석 시료의 양을 대폭 줄일 수 있어 생물, 화학, 공학 분야 등 다양한 응용 분야에 그 기술이 사용되고 있다.

4. 음의 피드백 (negative feedback)

되먹임이라고도 불리는 피드백은 어떤 과정의 결과가 다시 그 과정에 영향을 미쳐 결과가 수정되는 현상을 널리 일컫는다. 특히, 음의 피드백이란 어떤 결과가 그 자신을 억제하는 방향으로 과정에 영향을 미치는 형태인데, 각종 현상의 제어에 필수적으로 사용되며, 많은 안정화 현상의 기저 원리이다. 본 연구에서는, 근접한 유체 계면에서 방울이 만들어지는 시간에 차이가 생기면, 그 차이가 줄어드는 방향으로 음의 되먹임이 일어나 결국 방울이 동시에 만들어지는 동기화 현상이 안정적으로 일어나게 된다. 

5. 연결된 진동자 (coupled oscillator)

스프링으로 연결된 두 개의 진동자와 같이 하나의 진동자의 운동이 매개체를 통해 다른 진동자의 움직임에 영향을 주는 시스템을 말한다.

[붙임] 연구결과 개요, 용어설명

그림1. 물과 기름의 유속 조건에 따른 물방울 생성의 변화. (a) (상단) 번갈아 나오는 동기화(out-of-phase)와 (하단) ‘동시 생성 동기화’ (in-phase) (b) 실험에 쓰는 액체 종류와 유속 등을 변화 시켜 동기화 정도(종류)를 이론적으로 예측 할 수 있다.

그림2. 초기에 서로 다른 시간에 나오던 두 물방울이 시간이 흐름에 따라 음의 피드백을 통해 동시에 나오는 상태로 안정화 되는 컴퓨터 계산 예시.

그림3. 독립적으로 제어된 서로 다른 물방울들의 생성이 동기화되는 실험 예시들. (a) 서로 다른 압력(P1≠P2)에서 생성되어 크기가 다른 물방울과 (b) 점성이 서로 크게 다른(μ1≠μ2) 물방울의 생성에서 나타나는 동기화 현상.