국립부경대 임도진 교수팀, 세계 최초 ‘범용 액적 제어 알고리즘’ 개발

- CCEP 기반 디지털 미세유체 기술의 난제 해결… <Sensors & Actuators B> 게재

- 제어 복잡도 획기적 감소, CCEP 시스템 ‘자동화·소형화’ 원천 기술 확보

국립부경대학교 임도진 교수(화학공학과) 연구팀이 ‘접촉 전하 전기영동(CCEP) 기반의 디지털 미세유체 시스템’을 위한 세계 최초의 범용 액적 제어 알고리즘을 개발했다.

연구팀의 성과는 기기 및 계측(Instruments & Instrumentation) 분야 JCR 상위 2% 이내의 세계적 권위지인 <Sensors & Actuators: B. Chemical> (IF 8.0)에 게재됐다. 논문 제목은 ‘A local symmetric pattern-based actuate on algorithm (L-SPAA) for contact charge electrophoresis-based digital microfluidic systems’이다.

임도진 교수 연구팀이 개발한 ‘L-SPAA’는 CCEP 기반의 미세유체 시스템에서 액적을 제어하기 위한 최초의 일반화된(Generalized) 알고리즘이다.

기존의 CCEP 기술은 전극과 액적의 접촉을 이용해 바이오 물질을 이동시키는 효율적인 방식임에도 불구하고, 액적의 이동 경로마다 전극 제어 규칙을 일일이 설정해야 하는 복잡성 때문에 상용화에 어려움을 겪어왔다.

연구팀은 이러한 한계를 극복하기 위해 모든 전극의 극성을 교차로 배치하고, 액적 주변의 국소적인 대칭 패턴(‘ㅓㅏ’ 형태)만을 조작하는 혁신적인 표준 프레임워크를 정립했다. 이 기술은 단일한 제어 규칙만으로 액적의 이동 방향이나 경로에 상관없이 자유자재로 제어가 가능하며, 기존 기술 대비 전극 제어의 복잡성을 70% 이상 감소시키고 메모리 자원을 96% 이상 절감하는 등 압도적인 효율성을 입증했다.

또한 연구팀은 다수의 액적을 동시에 다룰 때 발생할 수 있는 전기적 간섭 문제를 해결하기 위해 ‘우선순위 기반(Priority-based) 제어 전략’을 새롭게 도입했다. 이는 인접한 액적들 사이에 제어 순서를 부여하여 충돌 없이 순차적으로 이동시키는 기술로, 복잡한 다중 액적 시나리오에서도 안정적인 제어가 가능함을 확인했다.

특히 연구팀은 이 전략을 이용해 다수의 세포 스페로이드(3차원 세포 집합체)를 순차적으로 융합하고 배양액을 교체하는 실험에 성공함으로써, 암 연구나 신약 개발에 필수적인 ‘오가노이드(인공 장기)’ 및 ‘어셈블로이드’ 배양 자동화의 길을 열었다.

이번 연구의 제1 저자인 배서준 박사후연구원은 “L-SPAA는 그동안 명확한 기준이 없었던 CCEP 액적 제어 기술의 표준을 제시한 것”이라며, “복잡한 고사양 장비 없이도 소형 마이크로 컨트롤러만으로 정밀한 제어가 가능해져, 향후 CCEP 시스템의 자동화와 소형화를 앞당기는 원천 기술이 될 것으로 기대한다”고 밝혔다.

임도진 교수 연구팀은 한국연구재단의 중견연구자 지원사업(RS-2021-NR058600)의 지원을 받아 이번 연구를 수행했다.

※ 붙임: L-SPAA 알고리즘 이미지.