마이크로플루이딕 칩을 이용한 미생물 유도 탄산칼슘 침전 입자 스케일 행동 분석

초록

본 연구는 PDMS 기반 마이크로플루이딕 칩을 설계·제작하여 미생물 유도 탄산칼슘 침전(MICP) 과정에서 박테리아와 CaCO₃ 결정의 입자‑스케일 거동을 실시간으로 관찰하였다. 박테리아는 주입 후 균일하게 분포하고 정착·성장하며, 시멘트 용액 주입 시 탈착·응집한다. CaCO₃는 좁은 기공목이나 개방된 기공에서 형성되며, 주입 횟수와 흐름 조건에 따라 분포와 형태가 달라진다.

상세 분석

이 논문은 토양공학에서 MICP 기술의 미세 메커니즘을 규명하기 위해 마이크로플루이딕 플랫폼을 활용한 점이 가장 큰 강점이다. 설계 단계에서 실제 사암(오타와 사암)의 단면 이미지를 기반으로 불규칙한 기둥 형태의 다공 매질을 구현했으며, 기공 간 거리를 50 µm 이하로 설정해 실제 토양의 공극률(≈0.40)과 유사하게 만들었다. PDMS를 사용한 소프트 리소그래피 공정은 저비용·고투명성을 제공해 광학 현미경 관찰을 가능하게 했으며, 플라즈마 처리로 표면을 친수성·음전하로 변환해 토양 입자와 유사한 물리화학적 특성을 부여했다.

주입 시스템은 펌프와 정밀 유량 제어를 통해 박테리아 현탁액을 5.6 PV/h(포어 볼륨당 체적)로 주입했으며, 최소 1.0–1.25 PV 주입 시 전 영역에 균일한 박테리아 분포가 확보된다는 실험적 근거를 제시한다. 이는 기존 대규모 실험에서 가정하던 “균일 주입”이 실제 미세공극에서 어떻게 달성되는지를 정량화한 최초 사례라 할 수 있다. 박테리아 정착 후 30 °C에서 5–16 h 배양해 OD₆₀₀ 0.8–4.0 수준을 얻었으며, 이는 현장 적용 시 필요한 세포 농도와 일치한다.

시멘트 용액(0.25 M CaCl₂·2H₂O, 0.375 M 요소 등) 주입 단계에서는 박테리아가 탈착·응집하고, 동시에 CaCO₃ 결정이 기공목이나 넓은 기공에 형성되는 현상을 실시간 영상으로 포착했다. 특히, 좁은 기공목에서는 결정이 선형·프리즘 형태로 성장해 기공을 차단하고, 넓은 기공에서는 구형·구상체가 형성돼 입자 간 브릿지를 만든다. 이러한 형태 차이는 후속 토양 강도·투수성 변화와 직접 연관될 것으로 예상된다.

또한, 다중 주입 실험(테스트 4·6)에서 주입 간격과 용액 농도가 결정 성장 속도와 크기에 미치는 영향을 정량화했으며, 이미지 분석을 통해 결정 면적을 픽셀 단위로 측정했다. 이는 기존 SEM·ESEM이 제공하지 못하는 “과정 중” 관찰을 가능하게 하여 MICP 메커니즘 모델링에 새로운 데이터를 제공한다.

전체적으로 이 연구는 (1) 실제 토양 구조를 모사한 마이크로채널 설계, (2) 박테리아·시멘트 용액 주입 조건의 정량적 최적화, (3) 입자‑스케일에서의 박테리아·CaCO₃ 동역학 시각화라는 세 축을 통해 MICP 공정의 미시적 이해를 크게 확장했다. 향후 연구에서는 다양한 토양 입도·전하 조건, 다른 미생물 종, 그리고 장기 경화 효과를 마이크로플루이딕 환경에서 검증함으로써 현장 적용을 위한 설계 지침을 도출할 수 있을 것이다.