Creating innovative bio-convergent technologies for better human life

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<정기훈 교수님>

 

‘과학 산책’ 시리즈는 교수님과의 인터뷰를 통해 바이오및뇌공학과의 다양한 연구 분야를 알아보는 시간입니다. 이번 인터뷰에서는 정기훈 교수님을 모시고 ‘BioMEMS/NEMS’ 기술을 기반으로 한 ‘바이오포토닉스’ 연구 분야의 소개와 이에 대한 교수님의 생각 및 통찰을 나눠보는 시간을 가져보았습니다.

 

Q. 안녕하세요 교수님, 현재 BioMEMS/NEMS 기술과 관련하여 의광학 분야에서 활발한 연구를 진행하고 계시는 것으로 알고 있는데, 구체적으로 어떤 연구를 진행하고 계시는지 소개를 부탁드려도 될까요?

A. 네, 저희 연구실에서는 기본적으로 나노포토닉스 (nanophotonics) 분야에 BioMEMS (biomedical microelectromechanical systems) 공정 기술을 접목시켜 광학 센서나 장비를 만드는 연구를 진행하고 있습니다. 광학 센서에 많이 활용되는 가시광선의 파장대 (400nm – 700nm)를 생각해보면 주로 나노미터 규모의 크기를 가지고 있는데, 이로 인해 대부분의 빛은 나노미터 수준에서 다양한 물체들과 많은 상호작용을 하게 됩니다. 이처럼 나노미터 규모에서 빛의 거동과 물체와의 상호작용에 대해 연구하는 분야를 ‘나노포토닉스’라고 합니다. 한편, BioMEMS 기술은 센서를 만드는 핵심 기술 중 하나인데, 주로 반도체 공정과 매우 유사하지만 이보다는 훨씬 더 큰 스케일에서 공정이 이루어진다는 것이 큰 차이점입니다. 일반적으로 웨이퍼 위에서 1μm이내의 소자를 만드는 반도체 공정과는 달리, BioMEMS 소자의 경우 필요에 따라 웨이퍼에 구멍을 뚫거나 혹은 웨이퍼 위에 특정 구조를 만들어 이를 센서로 활용한다고 생각하시면 될 것 같습니다. 현재는 이러한 분야와 기술을 접목하여 마이크로/나노 스케일의 소형화된 다양한 광학 센서를 만드는 연구를 진행해오고 있습니다. 대표적으로는 렌즈, 미러, 프리즘 (prism), 회절판 (grating) 등을 활용한 광학 센서를 말씀드릴 수 있습니다.

 

이외에도 플라즈모닉 나노구조 (plasmonic nanostructures)를 활용한 광학 센서가 있는데, 여기서 플라즈모닉 나노구조는 표면 플라즈몬 공명 (surface plasmon resonance)이 일어나도록 고안된 물질의 구조를 의미합니다. 즉, 금속 나노구조의 표면이 전자기장에 노출되면 자유 전자들이 진동하면서 공명 현상이 나타나는데 이를 플라즈몬 공명이라고 합니다. 다시 말해, 빛을 금속 표면 위에 조사하게 되면 자유 전자들과 다양한 상호작용이 일어나면서 점차 강해지는데, 흥미롭게도 이러한 현상을 활용하면 금속 표면을 어떤 모양과 크기로 만드느냐에 따라 특정한 파장대의 빛과 상호작용을 높일 수 있게 되죠. 이를 통해 흡광도를 높이기도 하고, 투과도를 높이기도 하면서 빛의 변화를 감지하기 위한 뛰어난 광학 센서를 만들 수 있게 됩니다. 따라서 이와 같은 아주 작은 크기의 센서를 만드는 일이 저희 연구실에서 기본적으로 진행하고 있는 연구의 내용이라고 보시면 될 것 같습니다.

 

이렇게 광학 센서를 만들고 나면, BioMEMS의 꽃이라고도 불리우는 액추에이터 (actuator)에 병합시켜 실제로 여러 분야에 활용하고 있습니다. 액추에이터란, 특정 요소들을 빠르게 움직일 수 있게 도와주는 장치를 일컫는데, 앞서 말씀드린 미러나 프리즘 또는 렌즈와 같은 광학적 구성 요소를 여기에 결합하게 되면 결과적으로 마이크로/나노 스케일의 고성능 스캐닝 장비들을 만들 수 있게 되는 것이죠. 특히, 이러한 장비 개발에서는 빛을 잘 모으거나 혹은 퍼뜨리거나, 때로는 직진성을 높이는 등 병합된 광학 소재들이 성공적으로 작동할 수 있도록 하는 것이 상당히 중요한데 이를 위해서는 이러한 소재들을 잘 패키징 (packaging) 하는 것이 정말 중요합니다. 그리고 이렇게 패키징까지 마무리가 되면 이것은 일종의 광학 센서 모듈이 되는 거죠.

 

저희는 이렇게 만든 광학 센서 모듈을 대표적으로 ‘이미징 (imaging)’과 ‘센싱 (sensing)’ 기술 장비 개발에 활용하고 있습니다. ‘이미징 기술’의 경우는 일반적인 광학 현미경이나 카메라 이미징 등을 위해 사용되고, ‘광학 센싱 기술’의 경우는 분광기 (spectroscopy)를 통해 단백질과 같은 작은 분자들의 농도를 측정하거나 세포 내/세포 간 상호작용의 정량화 등에 주로 사용됩니다. 이처럼, 실제로 저희 연구실에 들어오는 학생들은 제일 먼저 BioMEMS 기술을 익히고 광학에 대해 공부를 하고 나면, 광학 센서를 직접 설계하고 MEMS 공정을 통해 패키징을 한 뒤 ‘이미징’이나 ‘센싱’과 같은 응용 기술에 접목을 하는 과정을 통해 연구를 수행하게 됩니다.

 

Q. 이와 관련하여, 최근 교수님 연구실의 연구 결과에서 가장 교수님의 흥미를 끌었던 발견이나 결과를 공유해주신다면 어떤 것이 있을지 궁금합니다.

A. 비교적 최근인 Covid-19 팬데믹 당시 카이스트 내에서 과학기술 뉴딜 사업이라는 큰 과제가 있었습니다. 당시 저희 연구실은 초고속 PCR과 관련한 과제에 참여를 하게 되었었는데, 일반 PCR과는 다르게 분석 기기가 핸드헬드 (hand-held) 사이즈로 제작이 되어야 했고 매우 빠른 속도로 PCR을 진행할 수 있도록 해야하는 과제였습니다. 사실 그전까지는 PCR을 진행하기 위해 주로 보건소와 같은 진료소에서 샘플을 채집한 다음에 대형 병원으로 샘플을 보내 분석을 진행했다면, 이제는 3차, 2차, 1차 병원까지도 모두 두고 초고속으로 PCR을 진행할 수 있는 그런 장비를 개발해야 하는 것이 과제의 주된 내용이었죠.

 

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이러한 초고속 PCR 기술 및 기기를 개발하기 위해, 저희는 먼저 앞서 말씀드렸던 플라즈모닉 나노구조를 접목하였습니다. 플라즈모닉 나노구조의 높은 광 흡수율을 이용하여 LED의 빛을 열에너지로 치환해 열 순환 (thermal cycle)에 활용하였고, 이를 통해 PCR에 요구되는 60oC부터 95oC까지의 열을 빠르게 순환시킬 수 있는 기술을 개발하였습니다. 대략적으로 30사이클에 3분 30초, 40사이클에 5분 정도의 굉장히 짧은 시간 안에 열 순환이 이루어지는 것을 확인하였습니다. 하지만, 최종적으로 현장 진료 기기 (point-of-care testing, POCT)로 제작하기 위해서는 전체적인 시스템의 소형화가 반드시 이루어져야 했는데, 표적 유전자의 형광 신호를 읽기 위해 기존의 분광기를 탑재하게 되면 광학 센서를 작게 만들더라도 진단 기기의 전체적인 크기를 줄이는데 분명한 한계가 있었습니다. 이를 극복하기 위해, 이전에 저희 연구실에서 개발했던 마이크로 렌즈 어레이 형광 현미경을 여기에 적용하였습니다. 이는 곤충 눈의 구조를 모사한 것으로, 마이크로 렌즈 여러 개를 동시에 사용하여 각기 다른 방향에서 얻어낸 정보를 종합하는 방식을 통해 10mm의 초근접 거리에서도 형광 신호를 정확하게 읽을 수 있다는 장점이 있으며, 또한 초소형/초박형 렌즈이기 때문에 분광기의 크기 또한 성공적으로 축소시킬 수 있었습니다.

 

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이 연구가 특히 기억에 남는 이유는 사회적으로 상당히 이슈였던 사안으로써 당시 성과의 성공 지표가 일반적인 논문이나 기술 이전이 아닌, 국민에게 희망을 줄 수 있는 성과를 만드는 것이었기 때문입니다. 정량적인 성과보다는 눈에 보이면서 일반인들에게도 와닿을 수 있는 그런 성과를 만들어야 했기 때문에, 이를 위해서는 실물 기기를 제작하여 1차 병원에 납품하는 것까지 반드시 완료해야 했습니다. 아무래도 빠른 시간 내에 새로운 진단 기기와 기술을 개발했어야 했기에 당시에는 많은 부담을 느끼고 고생도 많았던 것으로 기억하고 있습니다. 현재는 회사와 함께 본격적인 사업화를 진행 중인데, 돌이켜보면 최근 가장 보람이 있었던 연구 결과였다고 생각합니다.

 

Q. 교수님께서 생각하시기에, 현재까지 바이오포토닉스 분야에서 충분한 연구가 진행되지는 않았지만, 미래에 상당 부분 돌파구를 제공해줄 것으로 기대하고 계신 특정 기술이나 분야가 있다면 무엇일지 여쭤봐도 될까요?

A. 물론 바이오포토닉스 분야를 보면 ‘이미징 기술’이나 ‘센싱 기술’과 같은 응용 기술들이 정말 다양하게 존재하고 또한 발전해가고 있지만, 저는 사실 하드웨어를 개발하는 입장에서 이보다는 새로운 센서나 새로운 이미징 툴이 더욱 중요하다고 생각을 합니다. 현재 많은 연구가 기존의 광학 기기나 센서에 측정 기술이나 AI 기술 등을 결합하는 방식으로 진행되어가고 있는데, 개인적으로는 기존의 툴을 고집하는 연구는 향후 실질적인 연구 트렌드를 주도해 나가기에는 한계가 있는 것 같습니다.

 

광학 센서의 경우, 전기화학 센서와 비교했을 때 바이오 센서로써 3가지의 분명한 장점을 들 수 있는데요. 비침습적 (non-invasive)이고, 높은 특이도 (specificity)와 민감도 (sensitivity)를 가지고 있다는 것입니다. 저는 향후 이러한 광학 센서의 장점을 가장 잘 살릴 수 있는 분야 중 하나로 지속적인 생리학적 모니터링 (continuous physiological monitoring, CPM)을 상당히 중요한 기술로 생각하고 있습니다. 가령, 혈당 측정의 경우 전기화학 센서를 사용하게 되면 실제로 바늘을 사용해 혈액과 접촉을 해야지만 측정이 가능하기 때문에 환자 입장에서는 때때로 큰 부담을 느끼곤 합니다. 뿐만 아니라, 카트리지를 매번 교체해야하는 부분이나 정기적으로 교정 (calibration)이 이루어져야 하는 점 등 번거로운 부분 또한 많다고 볼 수 있습니다. 그러나 현재 개발 중인 광학적 장비와 측정 기술을 이용하면 비침습적임에도 실시간 고감도로 혈당을 측정하는 것이 가능하고, 나아가 AI 기술이 병행된다면 보다 다량의 데이터를 강도 있게 측정하고 처리할 수 있기 때문에 많은 부분들이 개선될 수 있을 것입니다. 따라서, 추후 홈 헬스케어나 헬스케어 모니터링 기기, 소형 웨어러블 (wearable) 기기 등 지속적으로 생체 모니터링을 하는 기술/기기에 최적화된 광학 센서를 접목시키는 연구를 많이 진행해보려고 생각하고 있습니다.

 

Q. 오랜 시간 정말 많은 연구를 진행해오신만큼, 교수님 만의 연구 철학이 있으시다면 어떤 것인지 궁금합니다. 더불어, 연구에 대한 아이디어나 통찰력을 얻는 교수님 만의 노하우가 있으신지 궁금합니다.

A. 연구 철학이라고 하면 크게 2가지인 것 같습니다. 하나는 ‘내 분야의 트렌드를 지속적으로 좇는 것은 매우 중요하다는 것’이고, 나머지 하나는 ‘바이오메디컬 엔지니어로서 산업에 도움이 되는 연구를 하는 것’입니다. 개인적으로 중개 연구 (translational research)를 매우 중요하게 생각하기 때문에, 학생들이 본인의 연구 결과를 가지고 스핀 오프 (spin-off)해서 사업화를 진행하겠다고 하거나 외부의 관련 기업들에 상용화하겠다고 한다면 적극적으로 도와주려고 하고 있습니다. 특히, 사업화의 경우는 ‘연구의 꽃’이라고 생각을 하는데, 실례로 저희 연구실에서 박사과정을 졸업한 황경민 대표는 브이픽스 메디컬 (VPIX Medical), 장경원 대표는 마이크로픽스 (MicroPix)라는 회사를 각각 창립하여 운영 중에 있기도 합니다.

 

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황경민 대표는 학위 과정 중 내시경 안에 초소형 현미경을 결합한 의료기기를 개발하여 이를 사업화하였으며, 이러한 핸드헬드 현미경을 사용하여 외과 의사는 수술 도중 현장에서 장기나 적출한 조직에 염료를 바른 후 즉시 세포 수준의 이미지를 얻어 암 진단을 신속하게 할 수 있습니다. 장경원 대표는 학위 과정 중 앞서 말씀드렸던 곤충 눈의 구조를 모사하여 마이크로 렌즈 어레이를 이용한 초박형 카메라를 개발하여 이를 사업화하였으며, 일반적인 카메라는 8-10mm의 두께를 갖는 반면 이러한 초박형 카메라는 두께 1.5mm의 매우 얇고 작은 카메라이기 때문에 내시경이나 3D 이미징, 초근접 현미경 등에 활용할 수 있습니다. 이처럼, 재연성도 높고 광학 센서도 충분히 안정화가 되었다면 이를 실제 중개 연구에 활용해보는 것은 매우 중요하다고 생각합니다.

 

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다음으로, 연구에 대한 아이디어는 주로 학생들과 지속적으로 토론을 하거나 새로운 결과를 많이 볼 수 있는 학회에 가거나 논문을 읽으면서 얻는 편인 것 같습니다. 이외에도 같은 분야의 강연을 통해 지식의 깊이 (knowledge depth)를 쌓기도 하고, 다른 분야의 강연을 들으면서 제 분야와의 연결 고리를 만들기도 합니다. 독특한 센서에 대한 아이디어를 얻으면 적용해보기도 하구요. 결과적으로 분야를 막론하고 상호작용이 많으면 많을수록 좋은 아이디어가 많이 나온다고 생각합니다.

 

Q. 현재 교수님께서 다양한 연구결과의 상업화를 진행 중이신 것으로 알고 있는데, 개발하신 장비를 임상에서 적용하기 위해 가장 핵심적으로 고려하시는 요소가 있으시다면 무엇인지 여쭤봐도 될까요? 나아가, 의료계에 종사하는 연구자나 임상의와 많은 협업을 진행해 오신 것으로 알고 있는데, 이러한 의료계의 피드백이 연구 방향에 어떻게 반영될 수 있는지 궁금합니다.

A. 기존의 의료기기의 단점을 보완하기 위해 개발한 대체 의료기기는 기존의 골드 스탠다드 룰을 절대 깨지 않습니다. 나아가 사용자 (의사) 입장에서는 의료 보험 수가 등도 중요하기 때문에 수익 모델을 함께 고려할 수 밖에 없거든요. 이러한 관점에서 생각해보면 사용자는 수익 등에서 크게 차이가 나지 않는다고 하면 보통은 대체 의료장비를 새로 구매하기 보다는 익숙한 장비를 그대로 사용하려고 하는 경향이 있습니다. 이에, 저는 대체 의료기기보다는 ‘신 의료기기’의 개발을 의료기기의 임상 적용에 있어 가장 중요한 부분으로 여기고 있습니다.

 

‘신 의료기기’란, 새로운 측정, 영상, 센싱 등의 기술을 도입하여 기존의 의료기기로는 하기 어려운 한계를 완벽하게 보완할 수 있는 기기를 의미합니다. ‘대체 의료기기’가 아닌 ‘신 의료장비’를 개발하여 반드시 이 기기를 사용해야 하는 이유를 이용자들에게 만들어주는 거죠. 여기서부터는 ‘설득’이 상당히 중요합니다. 최대한 우호적인 분에게 장비를 사용하도록 설득하는데 성공하면 그 결과를 이용하여 논문으로 발표하고, 팔로우를 만드는 작업이 필요합니다. 의료기기 산업은 유니크한 대신 진입하기가 매우 어려운 편이지만, 반대로 성공적으로 진입하여 궤도에 올라서면 매우 안정적으로 유지될 수 있습니다. 다만, 신 의료기기를 임상에 적용하는데 있어 가장 힘든 점은 인허가를 받는 과정에 있습니다. 보통 의료기기는 인허가를 받는 과정에서 성능 혹은 안정성 평가를 받아야 하는데, 이때 어떤 질병을 위한 의료기기인지에 따라 테스트를 받아야하는 항목들이 모두 정해져 있습니다. 반면, 신 의료기기는 별도로 정해진 항목이 없기 때문에 임상시험 가이드라인을 직접 만들어야 하는데 이 과정이 매우 힘들고 어렵습니다. 게다가 인허가 사례가 별로 없기 때문에 최대한 동등성 평가를 받을 수 있도록 해야합니다. 연구실에서 프로토 타입을 만들었다면, 평균적으로 제품화 시키는데 3년, 인허가를 받는 데까지 총 7년 정도의 시간이 소요된다고 보시면 될 것 같습니다.

 

이러한 신 의료기기의 개발 단계에서 의료계의 피드백은 주로 논문이나 많은 임상의 분들을 통해 기술적인 니즈에 대한 크로스 체크를 진행하고 연구 방향을 정하는 과정에서 반영되기도 하고, 프로토 타입을 개발한 이후 세부적인 사항을 개선하는 과정에서 반영되기도 합니다.

 

Q. 학자로서, 연구에 대한 교수님의 최종 목표가 있으시다면 무엇인지 궁금합니다.

A. 제가 교수가 되고 얼마 지나지 않아 우리 학과 학생들과 함께 계룡산으로 산행을 다녀온 적이 있었습니다. 산행이 끝나면 교수님들과 학생들이 빈대떡과 도토리묵, 닭도리탕을 먹으면서 서로 교류하는 시간을 가지는데, 그때 제가 2학년 학생들에게 ‘카이스트에 들어왔으니 더욱 꿈을 가졌으면 좋겠다.’라고 이야기를 했더니 한 학생이 저에게 ‘교수님 꿈은 뭐셨어요?’라고 물어보더라구요. 그래서 제가 ‘나는 교수가 되는 거였어.’라고 했더니 다시 그 학생이 ‘꿈을 이루셨는데 그 다음 꿈은 무엇인가요?’라고 물어보는 거예요. 제가 교수가 되고 나서 제일 어려운 질문 중에 하나였던 거 같아요. 그 이후로 어떤 꿈을 가질까 고민을 많이 했어요. 사실 저희 연구실에서 다양한 광학 소재들을 만들고 있다 보니 특허가 현재 130개 정도로 굉장히 많습니다. 그러다 보니 사업화를 할 수 있는 아이템들이 정말 많은데, 이를 활용해서 스핀 오프를 통해 창업을 희망하는 학생이 있다면 그 기반을 마련할 수 있도록 최대한 도움을 주어야겠다는 생각을 하게 되었습니다. 이후 몇몇 회사들이 잘 되어 자리 잡게 되면, 이러한 회사들이 다시 광학 센서나 바이오 센서를 연구하는 좋은 스타트업들을 발굴하고 투자하는 선순환이 이루어지면서 종국에는 우리나라에 광학 센서나 기술에 대한 산업 시장을 크게 형성시킬 수 있지 않을까 하는 꿈을 현재는 가지고 있습니다. 학계에서 할 수 있는 가장 큰 일이지 않을까 생각합니다.

 

Q. 마지막으로 이 글을 보고 있을 학생들에게 한 말씀 부탁드립니다.

A. 이제 저는 꿈을 가진 것 같습니다. 저도 자신 있는 꿈을 가졌으니 학생 분들도 조금 더 자신 있는 꿈을 가져보길 권해드립니다. 사실 목표를 가지고 있는 것과 가지고 있지 않은 것 사이에는 액션을 취하는 측면에서 상당한 차이를 가지는 것 같아요. 일례로 연구실에서 논문이 나가는 것만 봐도 좋은 논문을 쓰기 위해 목표 저널을 정하고 시작했을 때가 목표 저널을 정하지 않고 시작했을 때보다 항상 더 좋은 곳에 논문을 출판하게 되더라구요. 목표로 하는 저널이 있으면 그곳에 투고하기 위해 이전과는 다른 액션을 취하게 되기 때문에, 이런 의미에서 꿈을 갖는다는 것은 정말 중요하다고 생각합니다.

 

특히, 우리 학부생 분들에게 얘기하고 싶은 것 중 하나는 졸업하기 전에 꼭 한 번 혼자 여행 다녀오는 시간을 가져봤으면 한다는 것입니다. 한 달짜리 여행이든 두 달짜리 여행이든, 정해진 예산 내에서 원하는 기간/장소/이동 수단 등 계획을 짜보고 실행에 옮겨보고 결과에 대해 만족해보는 경험을 꼭 해보시길 추천드립니다. 어떤 계획을 세우고 선택을 하느냐에 따라 액션이 달라질텐데, 결국은 인생을 살아가면서도 계획을 세우고 때때로 결정을 해야 하는 순간들이 오거든요. 졸업하기 전 혼자 떠나는 여행을 통해 인생의 이러한 부분들을 작게나마 시뮬레이션 해보셨으면 좋겠습니다.

 

오랜 시간 인터뷰에 응해주신 정기훈 교수님께 다시 한번 진심으로 감사드립니다.

연구실 홈페이지: https://biophotonics.kaist.ac.kr/

기사 작성: 용인성 (aassyt76@kaist.ac.kr)