1. 서 론
최근 미세유체장치(microfluidic device) 기술은 결정화 분야에서 상당한 주목을 받고 있다[1-4]. 결정화 과정에서 미세유체의 주요 장점은 소규모 작업으로 비용 효율성을 높이고, 열 및 물질 전달 속도가 빠르다는 점이다[5,6]. 이를 통해 온도와 반응 조건을 정밀하게 제어할 수 있어, 원하는 형태와 크기의 결정을 합성할 수 있다. 또한, 미세유체 시스템은 고순도 및 균일한 구조의 결정을 생산할 수 있으며, 다양한 결정화 조건의 고처리량 스크리닝(high-throughput screening)을 위한 강력한 플랫폼을 제공한다[7]. 실시간 모니터링(real-time monitoring), 현장 특성 분석(on-site characterization) 및 다양한 분석 도구와 통합을 통해 결정 형성 메커니즘에 대한 이해를 높이고, 결정 형태를 자동적으로 제어할 수 있다. 또한, 적은 액체 보유 용량으로 인해 인화성 및 폭발성 물질과 관련된 위험을 상당히 줄일 수 있다. 본질적으로, 미세유체 기술은 기존 결정화 방법론을 강화할 뿐만 아니라 혁신적인 연구 기술 및 시스템에 대한 가능성을 제공한다. 그러나 최근 미세유체 시스템 내에서 외부 자극을 통한 결정화(external-source-induced crystallization) 기술에 관한 연구가 급증했음에도 불구하고, 이러한 진전에 대해 다루는 포괄적인 리뷰논문은 부족한 상황이다.
본 논문에서는 미세유체 시스템에서 외부 자극을 통한 결정화의 최근 발전을 포괄적으로 다룬다. 외부 자극을 통한 결정화는 외부 자극 에너지를 이용해 다양한 물질과 시스템의 특성을 제어하거나 향상시키는 과정을 의미하며, 여러 기법과 원리를 포함하여 다양한 분야에 응용될 수 있다. 본 논문에서는 대표적인 네 가지 결정화 기법인 초음파, 레이저, 마이크로파, 전기장을 활용한 결정화 기술에 대해 설명한다. 첫째, 초음파는 고주파 음파를 사용하여 물질의 내부 결정 구조를 파악하거나 품질을 향상시키는 기술로, 의료 진단, 초음파 영상 등 다양한 분야에서 널리 사용된다[8]. 둘째, 레이저를 물질 표면에 집중시켜 결정 구조를 제어하거나 표면 특성을 향상시킬 수 있으며, 이는 미세 가공 및 재료 처리에 적용된다[9]. 셋째, 마이크로파는 라디오파와 적외선 사이의 파장을 가진 전자기파로, 물질을 가열하거나 활성화하여 분자 운동을 자극하거나 결정구조를 변화시킬 수 있다[10,11]. 이 기법은 화학반응 제어, 식품 가공, 재료 합성 등에 사용된다. 마지막으로 전기장은 전하를 띤 입자와의 상호작용을 통해 물질의 결정화에 영향을 미친다[12]. 전기장을 사용하여 전하를 띤 입자의 움직임을 제어함으로써 결정 구조를 형성하거나 수정할 수 있다. 이 논문은 이러한 외부 자극을 통한 결정화 기술의 최근 발전과 적용 가능성을 종합적으로 논의한다.
2. 외부 자극을 통한 결정화 기술
2.1. 초음파 유도 결정화
초음파는 일반적으로 주파수가 20 kHz 이상인 고주파 음파를 의미한다. 초음파가 물질을 통과할 때, 분자와 입자의 진동을 일으켜 국부적으로 가열한다. 이는 물질 내 입자의 이동을 증가시켜 결정화에 필요한 활성화 에너지를 공급한다. 또한, 초음파를 도입할 경우 물질 내 용매가 빠르게 증발하여 결정의 형성과 성장을 촉진한다. Jiang 등은 실리콘 튜빙 기반 슬러그-흐름 냉각 결정기(slug-flow cooling crystallizer)를 사용하여 간접 초음파를 이용한 1차 핵생성(primary nucleation)을 구현하여, 다량의 L-아스파라긴(L-asparagine) 원료의약품 결정을 신속하게 생성하였다(Figure 1a)[13]. 이 간접 초음파 보조 핵생성 과정은 초음파 출력과 질량 흐름을 분리하여 핵생성 속도를 조정하도록 설계되었다. 초음파 출력을 증가시키면 결정의 크기가 감소하여 크기 균일성이 향상되었다. 초음파 프로브(probe)를 통해 초음파 영역을 국지화(spatial localization)하여 시드(seed) 결정의 크기 분포를 좁혔다. 한 개의 초음파 프로브는 튜브를 따라 직렬로 연결된 두 개의 초음파 프로브로 대체할 수 있으며, 한 프로브가 초음파 모드일 때 다른 프로브는 휴식 모드로 작동하여 수명을 연장할 수 있다.
Rossi 등은 연속 흐름 초음파 결정기에서 아디픽산(adipic acid)을 결정화하기 위한 혁신적인 초음파 기반 결정화 기술을 도입하였다 [14]. 이 결정화 장치는 퍼플루오로알콕시 알칸 마이크로채널(perfluoroalkoxy alkane microchannels), 폴리클로로트리플루오로에틸렌 필터(polychlorotrifluoroethylene filters), 폴리에테르에테르 케톤(polyether ether ketone) T-접합으로 구성되어 있다. 초음파 처리는 핵생성을 유도하고 결정 크기 분포를 좁혀 유도 시간(induction time)과 과포화도(supersaturation)를 감소시킨다. 이러한 시스템을 통해 짧은 시간에 재현 가능한 평균 크기의 작은 결정을 높은 생산율로 생산할 수 있다. 더욱이, 초음파 처리 직후에는 결정 성장이 일어나지 않아 초음파 보조 핵형성 과정의 신속함을 확인하였다. 또한, 스위치를 사용하여 과포화 수준(supersaturation level)을 쉽게 제어할 수 있어 오염을 최소화 하며 채널 막힘(channel clogging)이나 펌핑(pumping) 등의 문제를 극복할 수 있다.
Valoppi 등은 결정화 과정에서 물과 지질 기반 물질(설탕 또는 지질)을 조작하기 위한 장치를 개발하였다[15]. 초음파 정상파(ultrasonic standing-wave)를 적용할 때 냉각 속도를 제어하는 것은 중요하다. 따라서 이들은 제한된 공간에서 초음파 정상파를 생성하기 위해 다양한 챔버를 사용하였다. 각 챔버는 아크릴로니트릴 부타디엔 스티렌 플라스틱 본체(acrylonitrile butadiene styrene plastic body), 단단한 압전 세라믹 트랜스듀서, 그리고 두 개의 유리 커버 슬립으로 챔버를 밀봉하여 얻은 두 개의 투명한 창으로 구성되었다. 해당 장치는 미세유체 챔버로 설계되어 미세 결정 입자를 정밀하게 정렬하기 위해 제어된 노드 평면(nodal planes)을 제공하며, 제어된 부피 내에서 시간적으로 안정된 초음파 정상파 필드를 생성한다.
일부 연구에서는 초음파를 사용하여 결정의 크기와 형태 등의 물리적 특성을 조사하였다. Hattoria 등은 염화나트륨과 인도메타신(indomethacin)의 복합 입자를 제조하고, 초음파를 조사하여 미세유체 채널에서 분산 흐름을 단일 통과시키는 방식으로 입자 특성을 제어하였다(Figure 1b)[16]. 예를 들어, 튜브 반응기에 초음파를 조사함으로써, 세 가지 흐름 패턴(플러그, 분산, 평행) 모두에서 섬유 모양의 인도메타신(indomethacin) 결정을 얻었다. 초음파를 조사할 경우 시스템의 자유 에너지가 변화하여, 낮은 핵생성 속도를 가진 물질에서 결정핵 생성이 유도되었다. 또한, Ma 등은 초음파 보조 반용매(antisolvent) 결정 화 및 유동 초점(flow focus) 마이크로믹서(micromixer)를 사용하여 조절 가능한 크기와 형태를 가진 초미립 과염소산 암모늄을 결정화하였다(Figure 1c)[17]. 높은 초음파 강도를 적용하여 결정화를 가속화하고 평균 입자 크기를 감소시켰고, 용매와 반용매의 효율적인 혼합은 더 작은 입자를 형성하도록 하였다.
2.2. 레이저 유도 결정화
레이저 유도 결정화는 레이저 빛을 이용하여 물질을 결정화하는 과정을 의미한다. 레이저의 고강도 복사선은 물질의 구조와 특성을 제어하거나 향상시킬 수 있어 나노기술, 재료과학, 전자 공정 및 광학 부품 제조 등 다양한 분야에서 응용된다. 레이저는 매우 짧은 시간 동안 고도로 집중된 고강도 복사선을 방출하여 물질 표면에 높은 에너지 밀도로 집중되어 결정화를 유도한다. 레이저 빛이 물질 표면과 상호작용하여 표면 온도를 급격히 상승시키고, 열은 표면에서 내부로 전파되어 물질 내에서 결정의 형성과 성장을 유도한다. 또한, 레이저 펄스의 길이와 에너지는 결정의 성장과 특성에 영향을 미친다. 레이저 유도 결정화는 결정 구조, 크기 및 형태를 제어할 수 있어 원하는 물질의 특성을 달성하거나 기존의 특성을 개선하는 데 기여할 수 있다.
레이저 조사는 다양한 연구에서 결정 생산을 증가시키고 결정 분리를 용이하게 한다. He 등은 연속 흐름 조건 하에서 레이저 유도 상변화를 기반으로 한 폴리디메틸실록산(polydimethylsiloxane) 미세유체 막 증발기를 설계하여 소듐 염화물(sodium chloride)의 칩 내 결정화와 분리를 수행하였다(Figure 2a)[18]. 기공성 폴리테트라플루오로에 틸렌(polytetrafluoroethylene) 막으로 구성된 장치를 통해 용매가 증발 하는 동안 수증기 전송 경로를 제공하며, 증발 과정에서 액체–기체 계면을 안정화시킨다. 레이저 가열이 진행됨에 따라 물은 지속적으로 증발하여 용액 내 샘플 농도가 증가해 특정 과포화도(supersaturation) 수준에서 결정화가 발생한다. 반면에, 용액의 유속이 높을 경우 작동 온도와 용매 증발 속도를 감소시켜 결정화와 분리 효율을 저해한다. Korede 등은 딥러닝(deep-learning) 기법을 이용하여 레이저 유도 패턴에 기초해 염화 포타슘(potassium chloride) 액적을 식별하는 광학 기반 미세유체 플랫폼을 설계하였다(Figure 2b)[19]. 실험에 사용된 미세유체장치는 폴리테트라플루오로에틸렌(polytetrafluoroethylene) 튜빙으로 구성되었다. 레이저 강도는 직접적으로 핵생성 확률에 영향을 미치지 않았지만, 과포화된 용액을 특정적으로 가열함으로써 과포화도(supersaturation)가 감소하여 핵생성 확률을 감소시켰다.
Hua 등은 연속 흐름에서 비광화학적 레이저 유도 핵생성을 위한 폴리디메틸실록산(polydimethylsiloxane) 기반 미세유체장치를 개발하였다(Figure 2c)[20]. 이 장치는 칼륨 염화물(potassium chloride) 결정의 크기, 형태, 성장 및 다중분산도를 현장에서 실시간으로 특정할 수 있다. 용액 부피의 약 5%만이 레이저에 노출되는 배치 실험과 달리, 해당 시스템은 주입하는 모든 용액을 레이저 펄스로 조사할 수 있다. 실험을 통해 주어진 과포화 수준에서 평균 결정 크기와 다중분산도는 레이저 강도와 무관한 반면, 형성된 결정의 수는 레이저 강도에 비례 한다는 것을 입증하였다(Figure 2d). 추가적인 연구에서 그들은 1064 nm 파장에서 작동하는 폴리디메틸실록산(polydimethylsiloxane) 기반 미세유체장치를 사용하여 글리신(glycine) 결정의 비광화학적 레이저 유도 핵생성을 연구하였다[21].
2.3. 마이크로파 유도 결정화
마이크로파는 1 mm (300 GHz)에서 1 m (300 MHz) 사이의 상대적으로 긴 파장을 가진 전자기파의 한 형태로, 해당 파장 범위 내의 물질을 가열하고 활성화할 수 있다. 이는 물질을 효과적으로 관통하여 물질 전체를 가열하는 대신 국부적으로 열을 발생시킨다. 물질을 마이크로파로 가열할 때, 물질 내의 분자와 이온은 진동하고 에너지를 흡수하여 물질의 내부 온도가 증가하고, 화학 반응과 결정 성장을 촉진한다. 마이크로파 유도 결정화는 온도와 시간을 정밀하게 제어할 수 있어 원하는 크기로 결정을 성장시키거나 구조를 조절할 수 있다.
일부 연구에서는 마이크로파를 조사하여 결정핵 생성 및 성장 과정을 제어함으로써 제품 수율을 향상시키는 데 활용하였다. Zhu 등은 폴리테트라플루오로에틸렌(polytetrafluoroethylene) 미세 모세관 기반 미세유체 반응기에 마이크로파를 조사하여 가열하였고, LaF3:Ce,Tb 및 LaPO4:Ce,Tb 나노결정을 성공적으로 제조하였다(Figure 3a)[22]. 그들은 발광성 나노결정을 제작하고 결정핵 생성 및 성장 과정을 조사하였다. 마이크로파는 용매를 직접 가열하여 온도를 높인다. 이를 통해 관의 벽에서 이종 원자핵(heterogeneous nuclei)이 생성될 확률이 감소하고 일정한 결정핵 생성 속도를 보장하며, 매우 짧은 시간 내에 나노입자의 성장을 촉진시킨다. 마이크로파는 결정화 과정을 제어할 뿐만 아니라 발광 특성을 향상시킨다. 또한, 마이크로파를 사용한 합성은 여러 화학 반응에서 반응 시간을 크게 줄일 수 있어 제품의 수율과 순도를 개선할 수 있다. Che 등은 마이크로파 조사와 가수분해를 통해 구현된 미세유체 시스템을 사용하여 나노결정(즉, LaPO4:Ce,Tb) 의 결정핵 생성과 성장 과정을 제어하였다[23]. 하이드록시기(hydroxy group)가 부착된 유로피움(europium)이 마이크로파 에너지를 흡수하고, 온도가 급속히 증가하여 용매 및 이온이 극성화된다. 따라서 결정 핵이 형성된 후, 대부분의 과잉 이온들은 핵 주변에 균일하게 분포되어 결정 성장을 모든 방향으로 촉진하고, 고농도 이온이 필요하지 않다. 짧은 반응 시간 동안에는 우수한 발광 특성을 가진 단일 분산 타원형 나노입자가 생성된다. 반면, 반응 시간이 길어질 경우 입자 조립이 허용되어 발광 특성이 감소하게 된다.
Alabanza 등은 금속 보조 및 마이크로파 가속 증발 결정화 기술을 위해 설계된 원형 디스크 모양 폴리메틸메타크릴레이트(poly(methyl methacrylate)) 플랫폼에서 첨가제, L-발린(L-valine) 및 L-트립토판 (L-tryptophan)을 사용하여 L-알라닌의 결정화를 수행하였다[24]. 첨가제를 사용하면 결정의 크기가 중가하고, 하나의 우세하게 발달된 면이 지배적으로 나타난다. 마이크로파 가열 및 플라즈모닉(plasmonic) 나노구조는 결정 성장 과정을 가속화하고(Figure 3b), 물리적 특성을 변경하지 않은 균일한 마이크로파 가열은 플랫폼 상에서 온도를 제어하여 결정 성장을 용이하게 한다. 연구자들은 이상적인 온도 제어 조건과 실리콘 절연체를 사용하여 플랫폼 상의 불필요한 마이크로파 가열을 흡수하도록 하였다. 첨가제 없이 성장한 결정은 크기가 작고 여러 개의 잘 발달된 면을 보였지만, 첨가제를 사용한 결정의 경우 크기가 크고 하나의 우세하게 발달된 면을 가졌다.
마이크로파 조사는 금속-유기 구조체를 형성하는 데 널리 사용된다. Lee 등은 마이크로파 보조 시딩을 이용하여 다공성 중공 고분자 섬유에 지지된 초박형 막을 제조하였다[25]. 시드층은 제올라이트성 이미 다졸레이트 구조체-8(zeolitic imidazolate framework-8)과 폴리테트라 플루오로에틸렌(polytetrafluoroethylene) 튜빙으로 구성되어 있다. 이 시스템은 마이크로파 조사를 통해 중공 고분자 섬유에 고품질 시드층을 몇 분 내로 빠르게 생성하였다. 그 결과, 다결정막은 일반적으로 전통적 가열 방법에 비해 개선된 가스 분리 성능을 보였다. Dastbaz 등은 폴리테트라플루오로에틸렌(polytetrafluoroethylene) 튜빙 기반 미세 유체장치와 마이크로파 조사를 결합하여 수소 흡착을 강화하는 금속- 유기 구조체(즉, 순수 구리-벤젠다카르복실산(copper-benzene-1,4-dicarboxylate, Cu–BDC))를 생성하였다[26]. 해당 방법을 통해 얻은 결정은 전통적 가열 방법을 사용한 경우보다 수소 흡착 용량이 높았다. 마이크로파 보조 미세유체 시스템은 반응 매질 내부에서 필요한 에너지를 생성하여 강하고 균일한 에너지를 생산할 수 있다. 결과적으로 이 방법은 반응 과정에서의 결정핵 생성을 촉진한다. 또한, 일정한 마이크로파 전력에서 마이크로파 노출 시간을 증가시키면 합성 온도가 현저히 감소하고, 마이크로채널은 균일한 가열을 유도한다. 이를 통해 마이크로파 보조 미세유체 채널은 결정화를 가속화시키고, 결정 크기를 줄이며 크기와 모양의 균일성을 증가시킨다(Figure 3c).
2.4. 전기장 유도 결정화
전기장 유도 결정화는 전기장을 사용하여 물질의 결정화를 유도하거나 제어하는 기술이다. 물질에 전기장을 가하면 그 안의 전하 입자에 힘이 가해져 이동하며, 이를 통해 입자들이 정렬되고 국부적으로 농축되어 결합하며 결정을 형성하게 된다. 전기장의 강도와 방향, 물질의 특성 및 기타 요소를 조절하여 결정의 크기, 모양, 구조 등을 제어할 수 있다.
전기장은 전극 근처에서 유기 물질을 농축하여 결정화 수율을 향상 시키고, 핵생성 속도와 생성된 결정 수를 증가시킨다. Li와 Lakerveld는 평행 전극이 있는 미세유체장치에서 다양한 형상과 표면적 패턴의 인듐주석산화물 금속 전극에 의해 유도된 비균일 전기장이 단백질(리소자임(lysozyme), 인슐린(insulin)) 핵생성에 미치는 영향에 대해 조사 하였다(Figure 4a)[27]. 연구 결과, 전극의 형상, 표면적, 전기장 특성에 따라 단백질 결정화가 촉진되거나 억제되는 것을 관찰하였다. 인듐주석산화물이 존재하면 핵생성 속도가 증가하며, 인듐주석산화물의 표면이 균일하거나 패턴화된 경우, 평균 유도 시간이 크게 감소하고 평균 결정 수가 증가하였다. 연구자들은 특정 pH와 조성에서 인듐주 석산화물 금속으로 코팅된 유리의 미세한 음전하가 단백질 분자의 표면 흡착을 촉진하여 핵생성이 증가하는 것을 원인으로 제시하였다. 후속 연구에서는 연속 흐름에서 전기장을 이용하여 단백질(리소자임 (lysozyme)) 결정화를 수행하였다[28]. 사용된 미세유체장치는 유리 웨이퍼 위의 두 개의 동일한 평면 티타늄/금 전극과 S 모양의 폴리디메틸실록산(polydimethylsiloxane) 기반 미세채널로 구성되어 있으며 (Figure 4b), 이는 작은 배치에서 단백질 핵생성 위치와 유도 시간을 개선하는 데 기여하였다. 단백질 결정화를 위한 흐름에 전기장을 적용하면, 낮은 과포화 상태에서 결정화 수율과 이차 핵생성 속도가 유의미하게 증가하여 더 많은 결정이 형성된다. Singh 등은 간단한 미세 유체장치와 전기장을 이용하여 리소자임과 같은 단백질의 시공간적 결정화 과정을 조절하였다[29]. 결정화 셀은 유리 슬라이드와 커버 슬립으로 구성되었으며, 온도, 전위, 단백질 및 염화나트륨 농도 등의 매개변수는 결정체의 크기와 개수에 영향을 미쳤다. 온도가 높아질수록 결정 성장은 느려지지만, 일관된 결정 형태와 적은 응집 현상을 보였고, 단백질 농도가 높아질 경우 결정 응집 현상이 심화되었다. 전압을 적용하면 응집 형상이 현저히 감소하였다. 염 농도가 높아지면 단백질 버퍼가 안정화되거나 용해도가 감소하여 단백질 침전을 유발하지만, 낮은 염 농도는 배양 기간을 연장시키고 결정 성장을 가속화하였다.
Sui 등은 리소자임(lysozyme)과 같은 단백질의 결정화를 위한 패턴 그래핀/폴리메틸메타크릴레이트(graphene/poly(methyl methacrylate) 전극이 있는 미세유체 플랫폼을 개발하였다(Figure 4c)[30]. 얇은 그래핀 필름은 수분 손실을 억제하는 안정적인 증기 확산 장벽 역할을 하여 단백질 결정화 실험과 생성된 결정의 현장 X-선 회절 분석을 가능하게 하였다. 단백질의 전자 이동과 해당 전극 근처에서의 농도 증가는 단백질 핵생성을 가속화하고 결정 성장 속도를 증가시켰다. 따라서 이 시스템은 연속 회절 분석을 위해 다수의 미세결정을 성장시키기 위한 연속 결정학 실험에 활용될 수 있다. Torabinia 등은 벤조산(benzoic acid)과 같은 유기 물질의 결정화를 수행하였다. 그들은 전기 절연체 디지털 미세유체장치를 사용하였다[31]. 미세유체장치의 전극은 유리 웨이퍼에 코팅된 인듐주석산화물층으로 구성되었으며, 연구진들은 다섯 가지 다른 산-염기 조건 하에서 온칩(on-chip) 테스트를 15회 수행하였다. 높은 수율을 달성하기 위해 화학 반응 및 액체-액체 추출 중 혼합 혹은 교반이 필요하다. 따라서, 낮은 레이놀즈 수 흐름(Reynolds-number flow) 조건에서 혼합되지 않는 현상을 유발할 수 있는 액적을 한 방향으로 이동시킴으로써 액적의 왕복 운동을 피하는 것이 효과적인 혼합 전략이 될 수 있다. 벤조산의 초기 농도가 높을수록 인라인 적응형 정제 과정(in-line adaptive purification recovery)을 거친 후 회수되는 수율이 증가하였다.
3. 결론 및 전망
본 논문에서 우리는 미세유체장치 기반 결정화 연구에 외부 자극 효과가 기여하는 바를 강조하였다. 초음파, 레이저, 마이크로파, 전기장과 같은 외부 자극을 활용하여 다양한 결정화 기술에서 결정 품질, 구조 형성, 물리적 특성 등을 제어 및 개선할 수 있음을 보여주었다. 이러한 발전은 결정 특성을 세밀하게 조정하고 새로운 결정질 재료를 탐구하는 결정화 분야에서, 보다 정교한 공정으로의 전환이 필요함을 의미한다.
외부 자극을 통한 미세유체장치 기반 결정화 기술은 고순도의 단백질 결정화에 특히 유용하며, 이는 단백질 구조 분석 및 신약 개발에 중요한 역할을 할 수 있다. 또한 외부 자극을 통해 결정화 과정을 가속화하거나 느리게 조절할 수 있어 생산성이 향상되고 비용이 절감될 수 있다. 다양한 단백질과 화합물에 대한 외부 자극의 영향을 체계적으로 분석하고 최적의 조건을 규명하는 것이 중요하다. 또한, 인공지능과 머신러닝과 같은 새로운 기술과 융합하여 결정화 조건을 예측하고 최적화하는 시스템을 개발한다면, 외부 자극을 통한 결정화 기술의 적용 범위를 넓히고 실용성을 극대화할 수 있을 것이다. 이러한 기술은 다양한 산업 분야에서 혁신적인 변화를 이끌어낼 잠재력을 가지고 있으며, 지속적인 연구와 기술 개발을 통해 응용 가능성을 확대할 수 있을 것이다.
